JP2006258778A - 表面欠陥検査方法および表面欠陥検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】致命的な欠陥を確実に検出できるように構成するとともに、検査対象物に応じて欠陥として検知する凹凸の程度を任意に選択することができる表面検査方法および装置を提供する。
【解決手段】 検査対象物の表面を拡散光照明手段により照明し、検査対象物近傍に設けた再帰反射部材により対象物表面で反射した拡散光照明手段による照明光を略同じ光路で再帰させて、対象物表面から直接反射する直接光と再帰反射部材を経由して対象物表面で反射する再帰光とを共に前記撮像手段で撮像するように構成している。 これにより、様々な方向から照明されることで、浅い傷については影とはならず、欠陥と認識されない。一方傷が深い場合には、明瞭な影ができるので欠陥と判定することができる。
【選択図】図１

Description

鏡面状の検査対象物の表面上にある微細凹凸状の欠陥、特に半導体用のシリコンウエハおよびそのエッジ部の微少凹凸状の欠陥を検査する表面欠陥検査方法および表面欠陥検査装置に関する。

鏡面状の表面上にある微細凹凸状の欠陥、特に半導体の形成に用いられるシリコンウエハなどの鏡面状の表面に存在する微小欠陥を検査する方法として、鏡面状の検査対象物表面を照明手段により照明し、その反射光を撮像手段でもって撮像して欠陥を検出する方法が知られている。

鏡面状の表面に傷や凹凸が無いならば、照明光は一定の方向に反射する結果均一な画像が撮像されるのに対して、傷や凹凸がある場合には、照明光は傷や凹凸のある箇所で散乱するために明暗度にばらつきが現われる。このことを利用して、明暗度にばらつきがある箇所が凹凸のある欠陥箇所と判定している。

特開平８−３０４０４８号公報においては、微細な凹凸まで検出できる方法が提案されている。即ち一定の方向に再帰反射する反射部材を用いることで検査対象物表面の散乱度合いを拡大することにより、１０μｍ程度の微細な凹凸までも画像として捉えることができる。

一方、製造工程における検査の目的は、品質に影響を及ぼす恐れのある欠陥を検出することであり、製品の品質に影響を及ぼすことのない軽微な凹凸までも欠陥と判定することは、歩留まりを悪化させるために好ましくない。

従来の光学的検出手段においては、明暗度の程度や大きさによって閾値を設けて欠陥の判定を行っているが、微細な凹凸まで画像で捉えるように光学的手段を構成すると、欠陥とはいえない程度の軽微な凹凸まで欠陥と判定してしまう結果を招き、歩留まりの低下や後工程において検査員による再検査が必要となるという不具合があった。

特開平８−３０４０４８号

上に述べたように、従来の撮像手段を用いた欠陥検査方法は、微細な傷や凹凸を検知しようとすると、品質に影響しない程度の凹凸までも欠陥として検知してしまうという不具合がある。他方、微細な傷を無視するように構成すると、クラック等の致命的な欠陥を見逃してしまうことがある。

本発明は、致命的な欠陥を確実に検出できるように構成するとともに、検査対象物に応じて欠陥として検知する凹凸の程度を任意に選択することができる表面欠陥検査方法および装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の解決手段は検査対象物の表面を拡散光照明手段により照明し、検査対象物の表面の画像を撮像することにより微小欠陥を検出する表面検査方法であって、検査対象物近傍に設けた再帰反射部材により対象物表面で反射した拡散光照明手段による照明光を略同じ光路で再帰させて、対象物表面から直接反射する直接光と再帰反射部材を経由して対象物表面で反射する再帰光とを共に前記撮像手段で撮像するように構成している。

上記第１の課題解決手段によれば、検査対象物は照明手段により照明されるとともに、再帰反射部材から再帰して来る光により照明手段とは異なる色々な方向から照明されることになる。即ち、様々な方向から照明されることで、浅い傷については影とはならず、欠陥と認識されない。一方傷が深い場合には、明瞭な影ができるので欠陥と判定することができる。

第２の課題解決手段は、第１課題解決手段であって、前記再帰反射部材の再帰反射面はドーム型形状の凹面部であることを特徴としており、再帰光が様々な方向から再帰してくる結果検査対象物表面は均一に照明される。

第３の課題解決手段は、第１および第２の課題解決手段であって、撮像手段がリニアセンサカメラであることを特徴としており、移動している検査対象物を撮像するのに好適である。

第４の課題解決手段は、第１乃至第３の課題解決手段であって、テレセントリック光学系を用いることを特徴としており、検査対象物までの距離に関係なく、形状および位置の確認ができる。

第５の課題解決手段は、第１および第２の課題解決手段であって、再帰反射部材の再帰反射面を大きさを可変に構成することを特徴としており、画像として検出できる凹凸の深さを選択することが可能となる。

第６の課題解決手段は、第１および第２の課題解決手段であって、検査対象物の表面と再帰反射部材との距離が可変に構成することを特徴としており、画像として検出できる凹凸の深さを選択することが可能となる。

第７の課題解決手段は、検査対象物の表面上の微小欠陥を検出する表面欠陥検査装置であって、検査対象物の表面の画像を撮像する撮像手段と、検査対象物表面を照明する拡散光照明手段と、検査対象物の上方に設けた再帰反射部材とから成ることを特徴としている。

第８の課題解決手段は、第７の課題解決手段であって、前記再帰反射部材の再帰反射面は、ドーム形状の凹面部に設けられていることを特徴としている。

第９の課題解決手段は、第７および第８の課題解決手段であって、前記再帰反射部材のドーム形状の一部に窓を設け、前記窓を経て前記照明手段が被検査対象物を照明するとともに、前記窓を経た検査対象物からの反射光を前記撮像手段で撮像することを特徴としている。照明手段および撮像手段の方向を自由に選択することが可能となる。

第１０の課題解決手段は、第７乃至第９の課題解決手段であって、前記窓の上部にハーフミラーを設け、前記照明手段の照明手段で屈折させて検査対象物を照明するとともに、ハーフミラーを透過した光を前記撮像手段により撮像することを特徴とするとしている。照明手段の照明方向と撮像手段の光軸方向を一致させることが可能となる。

第１１の課題解決手段は、第７および第８の課題解決手段であって、前記撮像手段は、リニアセンサカメラであることを特徴としている。

第１２の課題解決手段は、第７および第１１の課題解決手段であって、前記撮像手段は、テレセントリック光学系を用いることを特徴としている。

第１３の課題解決手段は、第７乃至第１０の課題解決手段であって、再帰反射部材の再帰反射面の面積を変更する再帰反射面可変手段を備えることを特徴としている。

第１４の課題解決手段は、第７乃至第１０の課題解決手段であって、検査対象物の表面と再帰反射部材との距離を変更する再帰反射部材位置可変手段を備えることを特徴としている。

第１５の課題解決手段は、第７乃至第１４の課題解決手段であって、複数の撮像手段と各々に対応する複数の再帰反射部材を設けたことを特徴としている。

上述したように本発明の表面検査方法は、検査対象物の近傍に再帰反射部材を設けて、照明手段から検査対象物で反射した光の大半が再帰反射部材によって略元の光路を経て検査対象物に戻るように構成したものである。この結果、検査対象物には、照明手段からの直接光と再帰反射部材から再帰してきる再帰光が届くことになる。即ち、検査対象物には様々な方向から光があたることになり、様々な方向から照明されていることと同等となる。

一方向から照明の場合には、浅い傷や緩やかなうねりなど検査対象物表面に存在する場合、撮像した画像には暗部が発生するが、一方の照明手段の照明方向と逆の方向から照明する照明手段を設けて、同時に照明すると、傷や凹凸の程度によるが、一方方向から照明した場合にできる暗部が見えなくなることがある。

再帰反射部材を用いることにより、傷や凹凸斜面からの反射光が同一光路を戻るため打ち消され、浅い傷やゆるやかなうねり又は、膜剥がれなどを撮像した画像は、暗部として認識されず、その結果欠陥と判定されないので、所定より大きな深さや高さを有する凹凸のみが欠陥と判定され、致命的な欠陥のみ検出することが可能となる。

さらに再帰反射部材から再帰する光の角度や方向を制限することにより、撮像した画像で認識できる傷や凹凸の深さあるいは高さ程度が異なることが認識された。この結果、再帰反射部材の面積あるいは再帰反射部材と検査対象物との距離を変えることにより、欠陥レベルを選択することができる表面欠陥検査を実現するものである。

発明の実施するための最良の形態

図をもって本発明の表面欠陥検査方法および検査装置について詳細に説明する。なお、本発明は本実施例によって限定されるものではない。

図１は本発明の第１の実施例の表面欠陥検査方法および検査装置を説明する説明図である。
図１に示すように、検査対象物５の上方に検査対象物５の表面を撮像する撮像手段１を配置し、撮像手段１と検査対象物５との間にはドーム型形状の再帰反射部材４を配置する。再帰反射部材４の一部には窓４１が設けられており、撮像手段１は窓４１を通して検査対象物５の表面を撮像することができるように構成されている。

照明手段２は、検査対象物５の表面を照明する拡散光照明手段であり、撮像手段１と再帰反射部材４と検査対象物５との間に４５°の傾きで配置したハーフミラー３で反射されて、再帰反射部材４に設けられている窓４１を通して検査対象物５を照明する。

撮像手段１は、エリアセンサカメラを用いてもよいし、リニアセンサカメラを用いてもよい。ただし、リニアセンサカメラを用いる場合には、リニアセンサカメラに搭載されているリニアセンサアレイの素子の配列方向と直交する方向への相対移動が必要であり、通常は、移動する検査対象物を撮像する場合に用いられる。例えばベルトコンベアなどの搬送手段によって一定速度で移動している検査対象物や、一定速度で回転している円板状の検査対象物を撮像するのに好適である。

図１に示す再帰反射部材４はドーム型形状であるが、これに限るものではなく、中央が高くて周辺に行くにつれて低くなる形状であればよく、例えば傘状の形状でも、多角錘状の形状でもよい。

再帰反射部材４は、普通の平面鏡などの反射と異なり、再帰性反射をする反射材であり、光がいずれの方向から来ても、元の光源の方向に反射する性質を備えている。再帰反射部材４の凹面部、傘状の形状や多角錘状の形状では内面部には再帰性を実現する微小な素材が埋め込まれている。

再帰反射を実現する素材として、ガラスビーズを用いる方式とプリズムを用いる方式が知られており、図２には、ガラスビーズを用いる方式の例を示す。図２に示すように、球形をした微小なガラスビーズ４１を基材４２全体に密接させて配置したものであり、光ビーズの屈折率を適当に選ぶことにより、光が入射した方向に関係なく、光が入射した方向と同じ方向に戻る。微小なガラスビーズを基材の径は非常に小さいために、入射経路と反射経路のずれは小さく、入射した光はほぼ同じ経路で入射した方向に戻る。

さらに、撮像手段の光学系をテレセントリック光学系としてもよい。撮像手段の光学系をテレセントリック光学系とすることにより、撮像対象の位置や大きさの観察がピント位置に関係することがない撮像が可能となる。

次に第１の実施例の表面欠陥検査装置の機能と検出手順について説明する。説明の都合上、検査対象物は図示しない検査台上に載置されているものとし、撮像手段としてエリアセンサカメラを用いるものとする。撮像手段１にラインセンサカメラを用いる場合には、検査対象物は搬送手段により一定速度で搬送されているか、一定速度で回転していることが必要となる。

図３および図４は、照明手段から出された光の経路について説明する説明図である。図３（ａ）は検査対象物５の平坦な部分に照明光が当たった場合であり、照明手段２から出た光Ｌ１１はハーフミラー３で反射し、９０°方向を変えた光Ｌ１２は再帰反射部材４に設けられている窓４１を通って検査対象物５の表面で反射する。このとき、検査対象物の面が平坦である場合には、正反射して光Ｌ１３となり、ハーフミラー３を通過して撮像手段１が検知する。

図３（ｂ）は、検査対象物５の浅い凹部に照明光が当たった場合を示していて、照明手段２から出た光Ｌ２１はハーフミラー３で反射し、光Ｌ２２となり、検査対象物５の表面で反射して光Ｌ２３となり、さらに再帰反射部材４の凹面で反射してＬ２４となって来た経路で戻って検査対象物５の面で反射してＬ２５となり、ハーフミラー３を通過して撮像手段１が検知する。

図４（ａ）は、検査対象物５の深い凹部に照明光が当たった場合を示していて、照明手段２から出た光Ｌ３１はハーフミラー３で反射し、光Ｌ３２となり、検査対象物５の表面で反射して光Ｌ３３の方向に進む。光Ｌ３３は再帰反射部材４には当たらないために、撮像手段１は検知できない。

図４（ｂ）は、検査対象物５の深いクラック部に照明光が当たった場合を示していて、検査対象物５にあるクラック部に入射した光Ｌ４２は撮像手段１の方向に反射することはない。

図３で示した場合では、検査対象物からの反射光あるいは再帰反射光を撮像手段１が検知するために、撮像手段１で得られる画像の対応箇所は明るい像となる。一方、図４で示した場合には、検査対象物からの反射光あるいは再帰反射光を撮像手段１が検知できないために暗い像となる。また、図３（ｂ）に示すように浅い凹部の場合には明るい像となるが、図４（ａ）に示す深い凹部の場合には、暗い像となる。

即ち、再帰反射部材４に当たる方向に進んだ光は必ず撮像手段１が検知し、再帰反射部材４に当たらない光は、窓４１を通る光を除いては、撮像手段１で検知できない。また、検査対象物５で反射する光は、浅い傷の場合は再帰反射部材４に当たるが、傷が深くなるほど反射角度が大きくなり、再帰反射部材４からそれる方向に反射する。

上記のことから、再帰反射部材４の下端の位置により、検出できる傷の深さが変わることがわかる。従って、再帰反射材４の大きさを変える、言い換えれば再帰反射部材４の大きさを変えることにより再帰反射部材４の下端部の位置を変えることになり、撮像手段により得られる傷の深さの程度を変えることができる。

あるいは、再帰反射部材４と検査対象物５との距離を変更することでも、撮像手段１により得られる傷の深さの程度を変えることが可能となる。

撮像手段１に、図５に説明図が示されている示テレセントリック光学系を用いることができる。図５からわかるように、対物レンズ６１と撮像素子側レンズ６３との間に絞り６２が配置されており、その位置は対物レンズ６１の後ろ側焦点であって、かつ撮像素子側レンズ６３の前側焦点の位置に置かれる。このように構成されている光学系では、主光線は対物レンズ６１の光軸に平行な光線となり、さらに撮像素子側レンズ６３の光軸に平行になる。すなわち、撮像素子６４には、テレセントリック光学系の光軸にほぼ平行な光線が主として入射することになる。

テレセントリック光学系を用いることによって、撮像する対象物までの距離が変わっても撮像される像の大きさが変わらない。そのために、検査対象物の面に段差がある場合でも位置あるいは大きさを正確に観察することが出来るという特徴を有する。

本発明の第２の実施例を図６に示す。撮像手段１を検査対象物５の上方に検査対象物５に対して所定角度を傾けて配置する。照明手段２は拡散光光源であって、ハーフミラー３で反射する照射方向を撮像手段１の光軸とほぼ一致させて配置する。

照明手段２の照明光が検査対象物４の表面で反射した光が当たるように再帰反射部材８を検査対象物４の上方に配置する。第２の実施例に用いる再帰反射部材８は略平面形状をしており、光がいずれの方向から来ても、元の光源の方向に反射する性質を備えている。再帰反射部材８の外形は、円形あるいは多角形等の任意の形状でよい。また、配置する角度は任意でよいが、照明手段２の照明光で検査対象物５で反射した光が効率よく当たる方向にするのが望ましい。

第１の実施例の場合は、ドーム状形状であるので、検査対象物５で反射した光がいずれの方向に向かっても再帰反射部材で再帰する確率が高い。一方、第２の実施例では、検査対象物５の表面において、再帰反射部材８のない方向に反射してしまう光もあるために、再帰する確率は低くなるが、照明光が有効に再帰反射部材８に入るように照明手段２の方向と再帰反射部材の位置および姿勢を適切に選択することにより、第１の実施例と同様の効果が生まれる。

次に半導体製造用のシリコンウエハのエッジ部を本発明の表面検査装置を用いて検査する例について説明する。シリコンウエハ７のエッジ部は図８に示すように、２つのテーパ部である上側テーパ面９１と下側テーパ面９３および側面９２とからなる。それぞれの面と他の面との交叉部はＲ面で滑らかに繋がれている。

図７は検査対象物として半導体製造用のシリコンウエハ９のエッジ部のうち上側テーパ面を検査するのに本発明の表面検査装置を用いた場合を示すものであり、下側テーパ面９３および側面９２についても同様の構成でそれぞれ検査装置を配置することにより、エッジ全体の検査を行うことができる。

シリコンウエハ９は図示しない回転載置手段に載置されており、一定速度で回転している。また、検査対象物が一定速度で移動している場合に撮像に用いる撮像手段としては、ラインセンサカメラを用いるのが適当である。

上面用撮像手段１１はシリコンウエハ７の上側テーパ面７１を半径方向に走査し、シリコンウエハ７は一定速度で回転していることから、上側テーパ面７１の２次元画像が得られる。

同様にしてシリコンウエハ７の側面７２および下側テーパ面７３の２次元画像も得られる。本実施例によれば、上側テーパ面７１、側面７２および下側テーパ面７３の画像はシリコンウエハの同じ位置で撮像される。この画像データを用いて図示しない制御部において上側テーパ面の画像と側面の画像と下側テーパ面の画像を結合することにより、シリコンウエハエッジ部を展開図の形式でモニタ装置などで観察することができる。

本発明の欠陥検査方法では、再帰反射部材を用いることにより、多方向から照明したのと同等の効果を得られる。そのために、浅い凹凸や緩やかなうねりなどは適当な明度が得られるために、欠陥とは判定されない。

さらに、光源として近赤外線光を用いるか、あるいは撮像手段に近赤外線光のみ通すフィルターを用いることで、汚れの影響を受けにくい検査装置を構成することが可能となる。

発明の効果

本発明の表面欠陥検査方法および表面欠陥検査装置は、検査対象物の表面を拡散光照明手段により照明し、検査対象物近傍に設けた再帰反射部材により対象物表面で反射した光を略同じ光路で再帰させて、対象物表面から直接反射する直接光と再帰反射部材を経由して対象物表面で反射する再帰光とを共に前記撮像手段で撮像するように構成している。

そのために、検査対象物表面には照明手段による直接光と再帰反射部材からの再帰光が届くために、あたかも多方向から照明されるのと等価となり、１方向からの照明では影になる浅い凹凸や緩やかなうねりは、本発明の表面欠陥検査方法によれば、欠陥と認識されない。

従来の光学手段を用いた欠陥検査方法では、浅い凹凸や緩やかなうねりでも影が現われる結果、実際の使用上差し支えのない軽微な凹凸や緩やかなうねりでも欠陥として判定してしまうという不具合があったが、本発明によれば上記の理由により、これらの不具合を解消することができる。

また、再帰反射部材の大きさを変えるか、あるいは検査対象物と再帰反射部材との距離を可変とすることにより、欠陥部の画像の明暗度を任意に設定することが可能となる。その結果、凹凸の深浅の程度に応じて撮像される画像の明暗度を変えられるので、検査対象物の性状により、検査結果を適切に管理することができる。

また、再帰反射部材を用いずに２つの照明によって同様の効果を得られるが、照明手段を２つにして照明した場合には、照明方向によって暗部の現われ方が変化するために、照明方向の調整が必要であるが、再帰反射部材を用いる本発明の表面検査方法によれば、照明手段のそのような調整は不要となる。

１種類の照明手段による表面欠陥検査装置では、いかにうまく閾値を選択しても、傷や付着物の形状によっては誤った判定をする可能性が高いが、本発明の表面欠陥検査装置は、再帰反射部材を備えることにより、多方向からの照明を用いたのと同様の効果を発揮し、欠陥とは言えない浅い凹凸や緩やかなうねりなどの部分は明度の高い画像となり、欠陥を判定する閾値の設定が容易となる。このことから実際の生産ラインにおいては、致命的欠陥を確実に検出できるとともに、軽微な傷や凹凸は合格と判定することが可能となり、高い生産性を確保することができるために産業への寄与が大なるものである。

また、本発明の表面検査方法は、再帰反射部材の大きさを変えるか、あるいは検査対象物と再帰反射部材との距離を可変とすることにより、凹凸の深浅の程度に応じて撮像される画像の明暗度を変えることが自在にできるという特徴を有する。そこで、再帰反射部材の大きさを変えるか、あるいは検査対象物と再帰反射部材との距離を調整することにより、合否の判定レベルを容易に設定することが可能となり、検査結果の確実性が高まる。凹凸の深浅の程度に応じて撮像される画像の明暗度を変えられるので、検査対象物の性状により、検査結果を適切に管理することができる。

第１の実施例の表面欠陥検査方法を説明する説明図である。 再帰反射部材の原理を説明する説明図である。 本発明の欠陥検査の具体例を示す説明図である。 本発明の欠陥検査の別な具体例を示す説明図である。 テレセントリック光学系を説明する説明図である。 第２の実施例の表面欠陥検査方法を示す説明図である。 シリコンウエハエッジを検査する実施例を示す正面図である。 シリコンウエハのエッジ部の詳細説明図である。

符号の説明

１ 撮像手段
２ 照明手段
３ ハーフミラー
４ 再帰反射部材
５ 検査対象物
６ テレセントリック光学系
７ シリコンウエハ
８ 再帰反射部材
４１ ガラスビーズ
４２ 基材
６１ 像側レンズ
６２ 絞り
６３ 撮像素子側レンズ
６４ 撮像素子
７１ 上側テーパ面
７２ 側面
７３ 下側テーパ面

Claims (15)

1. 検査対象物の表面を拡散光照明手段により照明し、検査対象物の表面の画像を撮像することにより微小欠陥を検出する表面検査方法であって、検査対象物近傍に設けた再帰ミラーにより対象物表面で反射した光を略同じ光路で再帰させて、対象物表面から直接反射する直接光と再帰ミラーを経由して対象物表面で反射する再帰光とを共に前記撮像手段で撮像することを特徴とする表面検査方法。
2. 前記再帰ミラーの再帰面は、ドーム形状の凹面部であることを特徴とする請求項１に記載の表面検査方法。
3. 前記撮像手段は、リニアセンサカメラであることを特徴とする請求項１または２に記載の表面検査方法。
4. 前記撮像手段は、テレセントリック光学系を用いることを特徴とする請求項１乃至３に記載の表面検査方法。
5. 再帰ミラーの再帰面の大きさを可変に構成することを特徴とする請求項１または２に記載の表面検査方法。
6. 検査対象物の表面と再帰ミラーとの距離が可変に構成することを特徴とする請求項１または２に記載の表面検査方法。
7. 検査対象物の表面上の微小欠陥を検出する表面検査装置であって、検査対象物の表面の画像を撮像する撮像手段と、検査対象物表面を照明する拡散光照明手段と、検査対象物の上方に設けた再帰ミラーとから成ることを特徴とする表面検査装置。
8. 前記再帰ミラーの再帰面は、ドーム形状の凹面部に設けられていることを特徴とする請求項８に記載の表面検査装置。
9. 前記再帰ミラーのドーム形状の一部に窓を設け、前記窓を経て前記照明手段が被検査対象物を照明するとともに、前記窓を経た検査対象物からの反射光を前記撮像手段で撮像することを特徴とする請求項７または８に記載の表面検査装置。
10. 前記窓の上部にハーフミラーを設け、前記照明手段の照明手段で屈折させて検査対象物を照明するとともに、ハーフミラーを透過した光を前記撮像手段により撮像することを特徴とする請求項７乃至９に記載の表面検査装置。
11. 前記撮像手段は、リニアセンサカメラであることを特徴とする請求項７および８に記載の表面検査装置。
12. 前記撮像手段は、テレセントリック光学系を用いることを特徴とする請求項７乃至１１に記載の表面検査装置。
13. 再帰ミラーの再帰面の面積を変更する再帰面可変手段を備えることを特徴とする請求項７乃至１０に記載の表面検査装置。
14. 検査対象物の表面と再帰ミラーとの距離を変更する再帰ミラー位置可変手段を備えることを特徴とする請求項７乃至１０に記載の表面検査装置。
15. 複数の撮像手段と各々に対応する複数の再帰ミラーを設けたことを特徴とする請求項７乃至１４に記載の表面検査装置。

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