JP6570084B2 - ステージ表面上の突起物の上面を検査するマクロ検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、マクロ検査装置に関し、より具体的には、基板を載せるステージの表面上に配置された複数の突起物の上面を検査するマクロ検査装置に関する。

半導体、液晶等の製造工程で行われる検査の一つにマクロ検査がある。マクロ検査は、基板上に設けられた膜等の表面状態（平坦度、凹凸、パターンの形状、欠陥の有無など）を基板全体を含む広い領域で一度に視覚的に把握することができる点で有効な検査である。

シリコン等の半導体のウェハ（以下、単にウェハと呼ぶ）に形成される回路パターンの集積度が高くなってくると、基板となるウェハの反り、たわみがその回路パターンの微細化を進める上で障害になる。また、半導体製造工程において、ウェハの表面に回路パターン等形成する場合、ウェハを金属やセラミックス等からなるステージ上に載せて搬送させながら成膜等の各工程を行うが、その際にステージ上にウェハがしっかり固定されかつウェハ表面の平坦性が担保される必要がある。

ステージ上にウェハを脱着可能に載せて固定する際にウェハの裏面が直接ステージの表面に接触しないようにするために、通常ステージの表面には複数の領域に規則的に配置された複数の四角柱や円柱等の突起物が設けられている。その突起物は、一例として１辺が２００μｍ程度の四角柱からなり、ステージ上にウェハを載せる際に、ウェハ裏面が突起物（四角柱）の上面に接することにより、ステージ表面とウェハ裏面との間に２００μｍ程度の隙間が出来るようになっている。

そのステージ上の突起物の上面にゴミ等の異物があると、静電チャック、あるいは真空引き等によってウェハをステージ上に載置し固定させる際に、ウェハに亀裂が入ったり場合によっては割れたりし、また少なくともウェハ表面の平坦性が損なわれたりしてしまう。例えば３００ｍｍの大口径のウェハではこの問題による歩留り等への影響が大きくなる。また、近年開発が進めでいる半導体基板（ウェハ）の積層化（３次元化）では、回路形成後の複数のウェハの各々を薄くしてからステージ上で重ねて貼り合わせ（圧着し）ていく。この場合、各ウェハの厚さは数十μｍ程度しかないので亀裂等が生じやすく、回路形成後であることから歩留り等への悪影響は特に深刻となる。

ウェハを最初にステージ載せる際には、ステージ表面の洗浄／清掃を行っているが、半導体製造工程が進むにつれて、各工程中でウェハ表面に形成された各種の薄膜がウェハの端部等から離脱してステージ表面に付着してしまう場合がある。その場合、工程の途中でその離脱した付着物（ゴミ）が突起物の上面にあるか否かをマクロ的に素早く検査できれば、ステージ表面の清掃をより適切なタイミングでかつ効率的に行うことが可能となる。

特許文献１（特許４７９２３１４号）は、浮上ホルダ２上に浮上された基板１の欠陥をライン照明ユニット３（照明部）とラインセンサカメラ６を用いてマクロ検査する基板検査装置を開示する。しかし、この特許文献１の基板検査装置は、半導体ウェハや液晶基板の表面を検査するもので、ステージ上の比較的微細な突起物の上面を検査するものではなく、かつそのような微細な突起物の上面検査が可能なものではない。

特許４７９２３１４号

本発明の目的は、半導体等の製造工程において、比較的簡易かつコンパクトな構成で、ウェハ等の基板を載せるステージ上に規則的に設けられた突起物の上面をマクロ的に高速に検査することができるマクロ検査装置を提供することである。

基板を載せるステージの表面上に配置された複数の突起物の上面を検査するマクロ検査装置を提供する。そのマクロ検査装置は、ステージの表面から５〜４０度の範囲で斜め上方に位置し、ステージ及び突起物の表面に光を照射するライン光源と、ステージの表面から４０〜６０度の範囲で斜め上方に位置し、ワークディスタンス（ＷＤ）は９〜２０ｍｍの範囲にあり、ステージ及び突起物の表面からの反射光を受光するラインセンサカメラと、ラインセンサカメラからの信号を処理して、突起物の上面の異物の有無を検出するための処理装置と、を備える。ライン光源とラインセンサカメラは、突起物の上面以外からの反射光に起因するハレーションによる突起物の上面の検査への悪影響を抑制できる位置に配置される。

本発明によれば、ステージ上の突起物の上面以外からの反射光（散乱光）に起因するハレーションによる突起物の上面の検査への悪影響を抑制しつつ、突起物の上面のゴミ等の異物の有無をステージ全体に渡って比較的簡易で省スペースな構成によりインラインで高速に検査することが可能となる。

本発明の一実施形態のマクロ検査装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態の検査領域の一部を示す図である。 本発明の一実施形態のライン光源を示す図である。 本発明の他の一実施形態のライン光源を示す図である。 本発明の一実施形態のラインカメラを示す（ａ）断面図と（ｂ）下面図である。 本発明の一実施形態の突起物及びその近傍での反射光の様子を説明するための図である。 本発明の一実施形態の突起物表面の検査フローを示す図である。

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明では、測定対象となるステージとして半導体ウェハを載せるためのステージを用いた場合について説明するが、表面に比較的微細な突起等の凹凸部を有するものであれば、他の基板（例えばガラスや金属等の薄い板材）を載せるためのステージについても本発明を適用することは可能である。

図１は、本発明の一実施形態のマクロ検査装置１００を示す図である。図１において、本発明の被検査対象である円形のステージ１上には後から半導体ウェハ等が載る。ステージ１は、円形のみならず他の正方形、長方形、楕円形等のいずれの平面形状を有していてもよい。ステージ１は、支持台（図示なし）の上でステージ・コントローラ３の制御下で、リニアモータ２によって、回転（α）、水平（Ｘ）あるいは垂直（Ｙ）の方向に移動することができる。

ラインカメラ５は、距離可変機構（図示なし）に支持され、ステージ１の上方に配置される。ラインカメラ５は、ステージ１の表面に対して所定の角度でその表面からの反射光を受光できるように配置される。所定の角度は４０〜６０度の範囲の任意の角度を選択することができる。ラインカメラ５は、焦点深度が浅い、例えば密着イメージセンサ（ＣＩＳ）カメラを用いることができる。その際、ＣＩＳカメラはそのワークディスタンス（ＷＤ）が比較的短いものが好ましく、例えば９〜２０ｍｍ程度、より好ましくは９〜１１ｍｍ程度のＷＤが良い。本発明の実施形態のマクロ検査装置１００では、このようにワークディスタンス（ＷＤ）の比較的短いラインカメラ５（例えばＣＩＳカメラ）をステージ１の表面に対して所定の角度で傾けて用いることが１つの特徴である。その結果、検査装置全体の大きさ（配置）を小さく抑えることができる。

ライン光源７は、距離可変機構（図示なし）に支持され、ステージ１の上方に配置される。ライン光源７は、ステージ１の表面に対して所定の角度でその表面に斜め上方から光を照射できるように配置される。所定の角度は例えば５〜４０度の範囲、より好ましくは例えば５〜２０度の範囲の任意の角度を選択することができる。ライン光源７は、ステージ１の表面のラインカメラ５の光軸から所定の距離に位置するようにセットされる。その所定の距離は例えば１００〜３００ｍｍの範囲の任意の距離を選択することができる。ライン光源７の明るさは、光源用の電源６によって調整される。

ラインカメラ５の出力は、ステージ１の表面上の突起物の上面の異物の有無を検出するための処理装置４に入力される。処理装置４は、ステージ・コントローラ３、ラインカメラ５およびライン光源７用の電源６を制御することができる。なお、図１では、ライン光源７とラインカメラ５は各々１つしか記載されていないが、各々２以上を異なる位置に配置することも可能である。以上が図１の概要である。次に、図１の各構成の詳細についてさらに説明する。

図２は、図１のステージ１の表面の検査領域の一部である領域Ａを拡大した（ａ）上面図と、そのＣ−Ｃ断面を示す（ｂ）断面図である。領域Ａでは、本発明の一実施形態の検査領域の一部を示す図である。図２の領域Ａは、ステージ１の表面に規則的に配置された複数（１２個）の突起物１０を含む。突起物１０は、上底面の直径と高さがほぼ同じ長さの円柱からなる。その長さは数百μｍ程度（例えば２００μｍ程度）である。複数の突起物１０は、ステージ１の表面の複数の領域に配置される。突起物１０の形状は、円柱に限定されず、四角柱、断面が台形の山形状等の所定のサイズの平坦な上面と高さがある任意の形状を選択することができる。そのサイズも上記した２００μｍ程度に限定されるものではない。

複数の突起物１０は、既に上述したように、ステージ１上にウェハを載せる際に、ウェハ裏面が突起物１０の上面１１に接することにより、ステージ表面とウェハ裏面との間に所定の間隔（例えば２００μｍ程度）の隙間が出来るようになっている。その突起物の存在により、ステージ上にウェハを脱着可能に載せて固定する際にウェハの裏面が直接ステージの表面に接触しないようにすることができる。なお、図示はしていないが、ステージ１は、ウェハを固定できるように構成された、例えば、ウェハの外周の３、４点を外側から内側へ抑えることができる表面上に設けられた治具／機構（クリップ部、チャック等）を備えることもできる。本発明の一実施形態のマクロ検査装置１００は、まさにこの複数の突起物１０の上面１１上のゴミ等の異物の有無を検出するものである。

検査対象のステージ１上に載せるウェハとしては、基本的に表面に従来からある半導体プロセスにより各種薄膜のパターン（回路や配線（半導体、導体、絶縁体等））が形成されていれば、任意の構成（層構造）のウェハを選択することができる。ウェハは、ダイシング前のＩＣチップが格子状に多数形成された状態、あるいはその途中段階の上記した各種パターンが形成された状態のいずれをも含むことができる。ウェハは、例えば、Ｓｉ単体、ＳＯＩ、ＳｉＧｅ、あるいはＧａＡｓ等の化合物半導体等の任意の材料からなることができる。ウェハのサイズ（口径）も例えば２００ｍｍ、３００ｍｍ等の任意のサイズを用いることができる。また、ウェハは通常の数百μｍ程度、あるいは積層化（３次元化）のための数十μｍ程度の厚さを有することができる。本発明の検査対象となるステージ１の突起物１０の上面１１には、その上に載せられるウェハ（特にその端部）から落ちるゴミ（薄膜材料等）が付着する場合があり、本発明の一実施形態のマクロ検査装置１００は、そのゴミ（異物）の有無をも検出するものである。

図３は、本発明の一実施形態のライン光源７０を示す図である。（ａ）はライン光源外形の上面図であり、（ｂ）は発光源部の上面図であり、（ｃ）は断面図である。（ｂ）の上面図に示すように、ライン光源７０は、例えば、長形の基板上に複数の発光素子７２が所定のピッチＬ１で一列に配置される。その基板のサイズは、任意に選択できるが、長手方向の長さは、少なくともラインカメラ５の長手方向の長さとほぼ同じか、あるいはそれ以上の長さとする必要がある。ピッチＬ１は、発光素子７２のサイズ等に応じて任意に選択できる。

図３（ｃ）の断面図において、ライン光源７０は、ライン上の発光源７２とその上の拡散効果を得るための光学系（レンズ、拡散板など）７４を含むことができる。発光素子は、現在利用可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等の半導体素子のみならず将来新たに出現する発光素子等、基本的に任意に選択可能である。

拡散板等の拡散効果を得るための光学系（レンズ、拡散板など）７４は、図３（ｃ）に示すように発光源との一体型として、あるいは発光源７２の出力部の外側に設置することができる。発光源７２の波長は、広域波長あるいは所定の波長帯を選択することができる。その選択は、ステージ１の状態、ラインカメラ５および光学系の光学特性（波長特性など）に応じておこなわれる。

図４は、本発明の他の一実施形態のライン光源８０を示す図である。（ａ）はライン光源の断面図であり、（ｂ）は下面図である。（ａ）の断面図に示すように、ライン光源８０は、発光素子８２と、光学系（レンズ）８４を介して発光素子８２からの光を所定の幅に広げて導くための光ファイバ束８６と、光ファイバ束８６からの光をさらに所定の細長い（線状）範囲に集光するための光学系（レンズ、例えばシリンドリカルレンズ）８８を含む。図４（ｂ）のライン光源８０の下面図のライン光源８０及び光学系（レンズ）８８の長さは、測定対象のステージのサイズ（幅）と同等あるいはそれ以下に設定することができる。発光素子８２は、例えば１つの比較的大きな（高出力の）発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。発光源７２の波長は、広域波長あるいは所定の波長帯を選択することができる。その選択は、ステージ１の表面状態、ラインカメラ５および光学系の光学特性（波長特性など）に応じておこなわれる。図４のライン光源８０では、１つの発光素子８２と光ファイバ束８６を組み合わせて用いるところに１つの特徴がある。

図５は、本発明の一実施形態のラインカメラ５０を示す図である。（ａ）はラインカメラの断面図であり、（ｂ）は下面図である。ラインカメラ５０は、受光部５２と、光を受光部５２に導くためのレンズ５４を含む。受光部５２は、受光素子（画素）を一列に並べることによって、１次元毎に画像を取得できるものであれば良い。受光部５２には、例えば１次元のＣＣＤイメージセンサ、あるいはＣＭＯＳイメージセンサを用いることができる。画素数は、検査対象のステージ１のサイズ等に応じて選択される。画素サイズは、例えば４３μｍ×８６μｍのようなサイズのものを使用することができる。

レンズ５４は、一般にロッドレンズ、セルホックレンズ、あるいはＧＲＩＮレンズと呼ばれる、半径方向に２次分布状の屈折率分布を有する円柱状のレンズある（以下、ロッドレンズと称す）。ロッドレンズは、レンズ端面より入射した光はサインカーブを描きながら進行するために、適切なレンズ長とすることで等倍正立像を得ることができる。複数のロッドレンズは、ラインカメラ５０の長手方向で受光部５２に沿って列状に（１次元に）配列される。なお、図５（ｂ）では、複数のロッドレンズの集合として連続した１つのロッドレンズ５４の底面が示されている。各ロッドレンズの下端部が受けた反射光は、上端部から出て対応する（その上部の）の各受光素子（画素）に集光されるようになっている。

図１の処理装置４は、所定の測定プログラムに基づき、ラインカメラ５からの受信する検出信号（輝度情報）を処理する。処理装置４は、コントローラ３および照明用電源６を制御する。処理装置４は、ラインカメラ５の制御用のカード（回路基板）、コントローラ３、照明用電源６を制御するための回路基板、画像データを格納するためのメモリ等を有する。処理装置４としては、例えば、画像処理結果などを表示する表示部、測定条件などを入力する入力部などを有するパーソナル・コンピュータ（ＰＣ）が該当する。

次に、図６を参照しながら、本発明の一実施形態のマクロ検査装置１００による突起物１０上の異物の検出原理について説明する。図６は、本発明の一実施形態の円柱状の突起物１０及びその近傍での反射光の様子を説明するための図である。（ａ）では、突起物１０の上面１１にゴミを想定した微細なビーズ（玉）２０が付着した状態で左側上方のライン光源７から光が入射している様子を示している。入射光は、光線ａ、ｂ、ｃで例示されるように、突起物１０の手前のステージ表面と、突起物１０の左側面及び上面１１に入射する。ライン光源７は、突起物１０の右側の側面と近傍のステージ表面に直接入射しないように、ステージ表面に対して比較的低い角度（上述した５〜４０度の範囲）に置かれる。

ライン光源７からの入射光は各入射面から反射し、例えば入射光線ａ、ｂ、ｃは、Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ１、Ｒｃで示される反射光として上方へ反射される。このうちＲｃ１はビーズ２０の表面からの反射を想定している。図５（ｂ）は、（ａ）の状態での光の影（陰影）のイメージを示している。ビーズ１０の左側の領域２１は、反射光がさらに反射を繰り返して散乱光となって明るくなっている領域を示している。ビーズ１０の右側の領域２２は、突起物１０の陰になって散乱光が入らない暗い影の領域を示している。

本発明では、突起物１０の上面１１からの反射光を検出する必要があるので、（ｂ）の散乱光領域２１が突起物の上面に被る（覆う）ことがないように、言い換えれば、突起物１０の上面１１以外からの反射光（散乱光、迷光）に起因するハレーション（白くぼやけた状態になってしまうこと）による突起物の上面の検査ができなくならないように、ライン光源７とラインセンサ５の配置を設定する必要がある。その配置条件は、既に上述した以下の各パラメータの範囲である。
・ラインセンサの角度：４０〜６０度（ＷＤ：９〜２０ｍｍ）
・ライン光源の角度：５〜４０度、光軸からの距離：１００〜３００ｍｍ

次に、図７を参照しながら本発明の一実施形態のマクロ検査フローについて説明する。図７は、本発明の一実施形態のマクロ検査フローを示す図である。図７のフローは、図１の一実施形態の検査装置１００によって実行される。

ステップＳ１１において、測定対象のステージ１を支持台（図示なし）上にセットする。ステージ１としては、既に述べたように表面に複数の突起物１０が設けられているステージを含むことができる。ステップＳ１２において、ステージ１上の所定の位置にライン光源７とラインカメラ５をセットする。セットする各配置は、上述した配置条件に従って行われる。ステップＳ１３において、ライン光源７からステージ１の表面の検査領域へ光を照射する。検査領域としては、予め決められたステージ１の突起物１０を含む領域が選択される。

ステップＳ１４において、ラインカメラ５がステージ１の表面（突起物１０の上面を含む）からの反射光を受光する。反射光の受光は、ラインカメラ５の画素単位で行われ、画素単位の輝度値として処理装置４に送られる。処理装置４では、その輝度値データをメモリに記憶する。ステップＳ１５において、ステージ１の移動により測定領域を変えながら上記したステップＳ１３とＳ１４を繰り返して、各測定領域での反射光に応じた輝度値データを取得する。

ステップＳ１６において、処理装置４が取得された輝度値データからステージ１上の突起物１０の上面の異物の有無を検出し、測定領域の一部または全体の輝度分布（マクロ画像）を作成する。異物の有無の検出は、画素毎の輝度値を予め得ている所定のしきい値と比較し、その大小関係、差分量等から異物の有無を検出する。例えば、輝度値がしき値より大きい場合は異物無し、小さい場合は異物有りとすることができる。また、その大小関係の判断において、しきい値との差分値が所定値以上の場合にその判断（有無の決定）を行うといった条件を設定することもできる。所定のしきい値は、例えば、ステージ１の突起物の上面に予め異物を付けて測定した輝度値の平均と、異物の無い清掃された突起物の上面を測定した輝度値の平均との比較から設定することができる。

図１の構成のマクロ検査装置１００を用いて、金属製のステージの表面及びステージ上の突起物の上面に、ポリスチレンラテックス（ＰＳＬ）を噴霧して凝集した球状粒子を異物と見立てて、その有無の検出ができるか否かを検査した。その際の測定条件は以下の通りである。
（１）突起物：円柱形でその上面の径は約２００μｍ
（２）ＰＳＬ球状粒子：その径は平均約２０μｍ
（３）ライン光源：図４のタイプのライン光源、ステージ表面から約１０度の角度に配置、ラインセンサの光軸からの距離は約２００ｍｍ
（４）ラインカメラ：ＣＩＳカメラ、ＷＤは９．９ｍｍ、画素サイズは４３μｍ×８６μｍ、ロッドレンズを含めた解像度は８９μｍ

１０個の突起物のうち２個にＰＳＬの球状粒子が付着し、残りの８個には付着していない状態をＣＣＤカメラ及び顕微鏡で確認した。次に、その１０個の突起物を含む領域をマクロ検査装置で検査した結果、その２個の突起物の上面に球状粒子が有ること及び８個の突起部の上面には球状粒子の無いことを検出することができた。この結果は、本発明のマクロ検査装置によれば、解像度８９μｍのラインカメラで２０μｍ程度の大きさの異物（ＰＳＬ粒子）が検出できることを意味する。

本発明の実施形態について図１〜図７を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

１ ステージ
２ リニアモータ
３ ステージ・コントローラ
４ 処理装置（ＰＣ）
５、５０ ラインカメラ
６ 光源用電源
７、７０、８０ ライン光源
１０ 突起物
１１ 突起物の上面
２０ ビーズ（玉）
２１ 散乱光で明るい領域
２２ 散乱光が入らない暗い影の領域
５２ 受光素子
５４ レンズ
７４ 光学系（レンズ、拡散板など）
８２ 発光素子
８４ 光学系（レンズ）
８６ 光ファイバ束
８８ 光学系（レンズ）
１００ マクロ検査装置

Claims (5)

1. 基板を載せるステージの表面上に配置された複数の突起物の上面を検査するマクロ検査装置であって、
   前記ステージの表面から５〜４０度の範囲で斜め上方に位置し、前記ステージ及び前記突起物の表面に光を照射するライン光源と、
   前記ステージの表面から４０〜６０度の範囲で斜め上方に位置し、ワークディスタンス（ＷＤ）は９〜２０ｍｍの範囲にあり、前記ステージ及び前記突起物の表面からの反射光を受光するラインセンサカメラと、
   前記ラインセンサカメラからの信号を処理して、前記突起物の上面の異物の有無を検出するための処理装置と、を備え、
   前記ライン光源は、前記ステージの表面の前記ラインセンサカメラの光軸から１００〜３００ｍｍの範囲の距離に位置し、
   前記ライン光源と前記ラインセンサカメラの前記ステージの表面からの角度は、各々の前記範囲内において、前記突起物の上面以外からの反射光に起因するハレーションによる前記突起物の上面の検査への悪影響を抑制できる角度に設定される、マクロ検査装置。
2. 前記ラインセンサカメラは、ラインセンサに前記反射光を導くロッドレンズを含む密着イメージセンサ（ＣＩＳ）カメラからなる、請求項１に記載のマクロ検査装置。
3. 前記ライン光源は、発光素子と、当該発光素子からの光を所定の幅に広げるための光ファイバ束とを含む、請求項１または２に記載のマクロ検査装置。
4. 前記処理装置は、前記ラインセンサカメラからの信号からラインセンサの画素毎の輝度値を求め、その輝度値を所定のしきい値と比較することにより前記突起物の上面の異物の有無を検出する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のマクロ検査装置。
5. 前記ステージを所定の間隔で移動させることができる移動手段をさらに備え、
   前記処理装置は、前記ステージが移動しながら得られるラインセンサからの信号を受け取り、前記ラインセンサの画素毎の輝度値から前記ステージの表面及び前記突起物の上面の輝度分布の画像を生成する、請求項４に記載のマクロ検査装置。

Images