JP3198105B2

JP3198105B2 - 自動外観検査装置

Info

Publication number: JP3198105B2
Application number: JP22717290A
Authority: JP
Inventors: 雄三谷口; 義一堀
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-08-29
Filing date: 1990-08-29
Publication date: 2001-08-13
Anticipated expiration: 2016-08-13
Also published as: JPH04109647A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は半導体ウェハなどの物体の表面の外観を検査
する技術、特に、検査対象のパターンの位置合わせを確
実に行うために用いて効果のある技術に関するものであ
る。

〔従来の技術〕例えば、LSI（大規模集積回路）の量産をするに際し
て最も問題となるのは、半導体素子を形成するウェハ処
理工程の歩留り向上である。この歩留り低下の殆どの原
因が外観不良であり、この低減は重要な課題になってい
る。このため、ウェハ外観検査の自動化が必要になる。

ところで、本発明者は、半導体ウェハ、基板、マス
ク、レチクル、液晶などの被検査物外観検査を画像処理
を用いて行う場合の濃度変換の問題について検討した。

以下は、本発明者によって検討された技術であり、そ
の概要は次の通りである。

すなわち、外観検査のための画像処理においては、検
査対象をテレビカメラなどで撮像し、その画像情報を多
階調化し、これを異なる２箇所の同一パターンにおいて
比較し、一定以上の差（明るさ、大きさなど）が生じた
ことをもって欠陥を判定している。そして、パターン比
較に際しては、各々の画像信号を微分して線やエッジの
検出を行い、特徴抽出を行っている。

なお、パターンの微分方法に関しては、例えば、長尾
真著「画像認識論」（昭和58年２月コロナ社発行）45頁
〜53頁に記載がある。

また、プリント配線板などのパターンの欠陥検査を行
う例として実開平１−195350号があり、パターン部から
の反射光を電気信号に変換し、これを基準電圧と比較し
て映像の２値化を行い、判定する構成が示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、前記「画像認識論」では微分式あるいは微
分しきい値を対象に応じて最適かつ自動的に設定するた
めの具体的手段が開示されておらず、検査対象とする画
像信号をもとに経験的、実験的に条件出しを行わざるを
得ないという問題のあることが本発明者によって見い出
された。

そこで、本発明の目的は、製品や工程の変更に応じて
最適な微分式及び微分しきい値を自動的に求めることの
できる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろ
う。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものの
概要を簡単に説明すれば、以下の通りである。

すなわち、被検査物の異なる２箇所の同一のパターン
部分を位置合わせし、前記２箇所のパターンに一定以上
の差異があることをもって欠陥を判定する自動外観検査
装置であって、前記パターンの画像信号の濃淡に応じて
最適な微分式を設定し、この微分式に基づいて画像信号
を微分し、その微分値により前記位置合わせを行う処理
手段を設けるようにしたものである。

〔作用〕

上記した手段によれば、設定した最適微分式によりパ
ターンの画像信号を微分した微分信号は、画像の濃度変
化が激しい位置、すなわちエッジの存在する位置を示
し、同一パターンの２点の微分信号を比較することによ
りパターン間の相対位置ずれ量を知ることができる。こ
れにより、欠陥部のみを欠陥判定に供することが可能に
なり、検出精度を向上させることができる。また、微分
信号を２値化するに際して設定される微分しきいい値
は、個々の被検査物に応じて最適な値が設定される。し
たがって、被検査物（試料）が異なっても常に最適な条
件を設定することが可能になる。

〔実施例〕

第１図は本発明による自動外観検査装置の一実施例を
示すブロック図である。

第１図に示すように、Ｘ方向及びＹ方向へ自在に移動
可能なＸ−Ｙステージ１の上面には試料台２が取り付け
られ、この試料台上に試料（本実施例では半導体ウェ
ハ）３がセットされる。一方、被検査物である試料３の
表面を照明するために光源４が設けられ、その光路上に
集光レンズ５が配設されている。

試料３の上部には対物レンズ６が配設され、この上部
でかつ集光レンズ５の出射光路上にハーフミラー７が配
設されている。さらに、対物レンズ６の合焦位置には撮
像手段８が配設されている。この撮像手段８は、試料３
からの反射光を光電変換するもので、一次元ラインセン
サあるいは二次元的なITV（工業用テレビ）カメラを用
いて構成される。撮像手段８には、その画像信号を増
幅、歪み補正、A/D変換などを行うための信号処理回路
９が接続され、この信号処理回路９にはアナログ信号を
デジタル信号に変換するためのアナログ／デジタル（A/
D）変換器10が接続され、このA/D変換器10には遅延メモ
リ11、微分回路12a、及び欠陥検出部13が接続されてい
る。

遅延メモリ11と欠陥検出部13の間には、ずれ補正部14
が挿入され、遅延メモリ11には更に微分回路12bが接続
されている。微分回路12a,12bには、ずれ量検出回路15
が接続され、その出力はずれ補正部14に印加される。

遅延メモリ11及び微分回路12aには、その一方の出力
画像を記憶する画像メモリ16が接続され、微分回路12a,
12b及び画像メモリ16にはマイクロコンピュータを用い
た主制御部17が接続されている。

以上の構成において、外観検査を行うには、まず、試
料台２上に試料３を載置し、光源４を点灯する。その光
源４からの出力光は集光レンズ５を経てハーフミラー７
に到達し、さらに対物レンズ６を経て試料３上の１つの
チップの特定パターン部分に到達する。試料３の照明部
分の反射光は、ハーフミラー７を通過して撮像手段８に
パターンを結像する。撮像手段８によって光電変換され
た画像信号は、信号処理回路９によって信号処理のの
ち、A/D変換器10によって多階調（１バイトであれば256
階調）に変換され、その信号は、遅延メモリ11に一時的
に記憶される。

ついで、同一の試料３（半導体ウェハ）の他のチップ
の同一パターンに光源４を照射し、これを撮像手段８で
受光ののち信号処理回路９及びA/D変換器10で処理し、
これを微分回路12aに入力して微分を行うと共に一定し
きい値以上のときに出力信号を発生する。また、遅延メ
モリ11から画像データを読み出し、これを微分回路12b
に入力して微分を行うと共に一定しきい値以上のときに
出力信号を発生する。

微分回路12a,12bの各出力は、ずれ量検出回路15によ
ってＸ方向及びＹ方向にどれだけずらせば最も一致度を
を高くできるか否か（或いは不一致度が小さいか）を検
出する。

一方、現在検出中のチップのA/D変換器10の画像情報
と遅延メモリ11に記憶されている他のチップの画像情報
とが欠陥検出部13に入力されて欠陥検出のための比較処
理が行われる。このとき、遅延メモリ11の出力は、ずれ
量検出回路15から与えられるずれ量にしたがってずれ補
正部14により２つの画像間の相対位置ずれを補正する。
これにより、パターンの正常部での位置ずれがなくな
る。欠陥検出部13は、ずれ補正部14の出力とA/D変換器1
0の出力とを比較し、一定以上の明るさの差及び大きさ
をもつものを欠陥として判定する。

各回路へのデータ設定、制御、判定などの処理は主制
御部17によって行われ、画像メモリ16はA/D変換器10の
出力又は微分回路12aの出力をスイッチ16aの選択に応じ
て一時的に記憶するために用いられる。

次に、パターンの微分について説明する。

前記した文献「画像認識論」の46頁〜54頁に記載のよ
うに、欠陥検出の１手段であるパターンのエッジを検出
するために、一次微分あるいは二次微分が一般に用いら
れている。その微分の方法は文献中に記載のように、多
種類がある。例えば、画像信号をｆ（x,y）で表すと、
次のようになる。

−4f（x,y）＋ｆ（x,y＋１）＋ｆ（ｘ＋1,y）＋ｆ（ｘ−1,y）＋ｆ（x,y−１）この演算により、X,Y方向が同時に微分される。

また、次の演算によりＸ方向のみの微分を行うことが
できる。

−2f（x,y）＋ｆ（ｘ−1,y）＋ｆ（ｘ＋1,y）第２図は微分回路12a,12bの詳細を示すブロック図で
ある。

入力段には撮像手段８のラインセンサの操作方向の１
ライン分の信号をシフトさせるためのラインシフタ18a
〜18dが直列接続され、入力点及びラインシフタ18a〜18
dの各々の出力及び入力には複数の１ビットのシフトレ
ジスタ19が接続されている。シフトレジスタ19の各出力
端子は、微分演算回路20に接続され、この微分演算回路
20には微分モードレジスタ21を介して主制御部17が接続
されている。主制御部17には微分しきい値レジスタ22が
接続され、この出力端子及び微分演算回路20の出力端子
には微分２値化部23が接続されている。

第２図の構成においては、ラインシフタ18a〜18d及び
シフトレジスタ19によって５×５の25点の信号が切り出
される。これに対し、微分演算回路20は25点の信号の
内、複数の入力信号を選択して微分演算を実行する。こ
のとき、微分モードレジスタ21によって演算式の種類が
設定され、この設定値に応じて微分演算回路20の演算式
が変更される。微分演算回路20の演算式に対し、微分し
きい値レジスタ22で設定英された微分しきい値を用い、
微分２値化部23により２値化処理が行われ、欠陥検出部
13へ送出される。

次に、微分式の決定方法について第３図（ａ），
（ｂ），（ｃ）を参照して説明する。

第３図（ａ）は撮像手段８で撮像されるパターンを模
式的に示したものであり、同図のＸ−Ｘ′断面のパター
ンの濃淡を明るさで示したのが第３図（ｂ）である。こ
の第３図（ｂ）の濃淡信号を微分した信号波形が第３図
（ｃ）である。

微分信号は、パターンの濃淡差、パターンのサイズな
どによってその信号値が異なる。また、微分式によって
も信号値が異なる。そこで、A/D変換器10によるA/D変換
後の画像信号を画像メモリ16に取り込み、候補とする複
数の微分式を用いて主制御部17で演算を行い、微分値の
ピーク値を調べる。第３図（ｃ）の例では、図中のV₃が
ピーク値である。

パターンのエッジをコントラスト良く検出できるか否
かは、微分値のピーク値が高いか否かによって決まるの
で、微分値のピークが最も高くなる微分式を最適微分式
であると判断する。なお、微分値の絶対値の平均値を計
算し、この平均値が最も高い値となる演算式を最適微分
式としてもよい。このようにして決められた最適微分式
をモードレジスタ21に設定する。

次に、微分しきい値の設定方法について説明する。

第３図（ｃ）において、しきい値を高くしていくと、
図中のV₁,V₂,V₃で２値化できるエッジの数が変化する。
このエッジ検出数としきい値の関係を示したのが第４図
である。

第４図に示すように、しきい値が高くなればエッジ検
出数が減少する。しきい値V₁,V₂,V₃の間はエッジ検出の
変動が大きいため、この領域に微分しきい値を設定する
とエッジ検出数のばらつきが大きくなり、安定な検出を
行うことは出来ない。したがって、微分しきい値は、第
３図（ｃ）の例では０〜V₁の間に設定すればよいが、し
きい値が低すぎるとパターンの微小な濃度変化或いはノ
イズなども検出する恐れがあるので、第３図のV₁より少
し低い値にしきい値V_Thを決める。なお、エッジ検出数
の変化傾向が検査対象によってさほど異ならない場合、
微分値のピーク値V₃に一定比率を掛けたものをV_Thとし
て設定するようにしてもよい。

第５図は最適微分式の決定方法を示すフローチャート
である。

まず、撮像手段８によって撮像した画像信号を入力し
（ステップ51）、微分式（Ｎ）による微分計算〔Ｂ（N,
i）〕を行う（ステップ52）。ここで、ｉはｉ番目のし
きい値を意味する。ステップ52の処理をＮ回実行する
（ステップ53）。ついで、評価関数Ｈ（Ｎ）を求め（ス
テップ54）、このＨ（Ｎ）のうち最大値を与えるＮを求
め、これを最適微分式とする（ステップ55）。

第６図は最適微分しきい値の決定方法を示すフローチ
ャートである。

まず、初期微分しきい値Th₀を求める（ステップ6
1）。ついで、しきい値Th（ｉ）以上のエッジ数を計算
〔→Ｅ（ｉ）〕し（ステップ62）、これをＭ回実行する
（ステップ63）。すなわち、Th₀に対し一定比率を加算
していきTh（ｉ）を求める（ステップ64）。ステップ6
2,63によって第７図のようなしきい値とエッジ数の関係
を図表化することができる。次に、Ｍ回のエッジ数計算
の終了が判定されると（ステップ63）、最適しきい値V
_Th（変動の少ない点）を求める（ステップ65）。

以上、本発明によってなされた発明を実施例に基づき
具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることは言うまでもない。

例えば、上記実施例においては、微分式の計算をA/D
変換後の画像信号をもとに主制御部17で行っているが、
候補となる微分式を順次モードレジスタ21に設定し、各
微分式における微分演算回路20の出力を画像メモリ16に
記憶し、この微分値のピーク或いは絶対値の平均値をも
とに主制御部17によって判定しても同様に本発明を達成
することができる。

また、第２図においては、微分しきい値レジスタ22及
び微分２値化部23を各１個設けるものとしたが、X,Y方
向へ個別に微分を行う場合、各々２個を設けるようにす
れば良い。

以上の説明では、主として本発明者によってなされた
発明をその利用分野である半導体ウェハの外観検査に適
用する場合について説明したが、これに限らずマスク、
レチクル、プリント基板などのパターン検査に適用する
ことが可能である。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものに
よって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りであ
る。

すなわち、被検査物の異なる２箇所の同一のパターン
部分を位置合わせし、前記２箇所のパターンに一定以上
の差異があることをもって欠陥を判定する自動外観検査
装置であって、前記パターンの画像信号の濃淡に応じて
最適な微分式を設定し、この微分式に基づいて画像信号
を微分し、その微分値により前記位置合わせを行う処理
手段を設けるようにしたので、正確な位置合わせが可能
になり、検出率を向上させ、誤検出率を低減することが
できる。特に、半導体ウェハの外観検査に用いた場合、
半導体装置の歩留り向上が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による自動外観検査装置の一実施例を示
すブロック図、第２図は微分回路の詳細を示すブロック図、第３図（ａ），（ｂ），（ｃ）は微分式の決定方法を説
明する説明図、第４図はエッジ検出数としきい値の関係を示す特性図、第５図は最適微分式の決定方法を示すフローチャート、第６図は最適微分しきい値の決定方法を示すフローチャ
ート、第７図は第６図で求めたしきい値とエッジ数の関係を示
す相関図である。１……Ｘ−Ｙステージ、２……試料台、３……試料、４
……光源、５……集光レンズ、６……対物レンズ、７…
…ハーフミラー、８……撮像手段、９……信号処理回
路、10……A/D変換器、11……遅延メモリ、12a,12b……
微分回路、13……欠陥検出部、14……ずれ補正部、15…
…ずれ量検出回路、16……画像メモリ、16a……スイッ
チ、17……主制御部、18a〜18d……ラインシフタ、19…
…シフトレジスタ、20……微分演算回路、21……微分モ
ードレジスタ、22……微分しきい値レジスタ、23……微
分２値化部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/66 G01N 21/88

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被検査物の異なる２箇所の同一のパターン
部分を位置合わせし、前記２箇所のパターンに一定以上
の差異があることをもって欠陥を判定する自動外観検査
装置であって、複数の微分式を用いて前記パターンの画
像信号の濃淡に応じて最適な微分式を設定し、この微分
式に基づいて画像信号を微分し、その微分値により前記
位置合わせを行う処理手段を設けたことを特徴とする自
動外観検査装置。
【請求項２】前記微分式は、微分による信号のピーク値
が最大になるときの微分式を最適微分式として設定する
ことを特徴とする請求項１記載の自動外観検査装置。
【請求項３】前記微分結果を微分しきい値によって２値
化する手段を設け、この微分しきい値をエッジ検出数に
基づいて設定することを特徴とする請求項１記載の自動
外観検査装置。
【請求項４】前記微分しきい値は、前記微分値の最大値
に対し、一定比率の値に設定することを特徴とする請求
項３記載の自動外観検査装置。
【請求項５】前記微分しきい値を可変にし、その際の前
記エッジの検出数の変化を求め、その変化の少ない部分
のしきい値によって前記微分結果を２値化することを特
徴とする請求項３記載の自動外観検査装置。