JP2009180561A - 表面欠陥検査方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】欠陥検出の感度を高めると同時に、誤検出を低減して欠陥検出の精度を高める。
【解決手段】暗視野光学系２は、被検査物である透明基板１の暗視野像を得る。処理部５は、暗視野光学系２により得られた暗視野像に基づいて、透明基板１の表面における欠陥の候補を検出する。微分干渉光学系３は、処理部５により検出された欠陥の候補を含む透明基板１の微分干渉像を得る。処理部５は、微分干渉光学系３により得られた微分干渉像に基づいて、前記欠陥の候補がその周囲に対して凹をなすか凸をなすかを判定し、当該候補が凹をなすと判定すると当該候補を欠陥であるとし、当該候補が凹をなさないと判定すると当該候補は欠陥ではないとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板などの被検査物の表面の欠陥を検出する表面欠陥検査方法及びその装置に関するものである。

従来から、基板などの被検査物の表面の欠陥を検出する手法として、被検査物の暗視野像を撮像し、この暗視野像に基づいて欠陥を検出する手法が知られている（例えば、下記特許文献１，２）。

また、従来から、微分干渉法を利用して試料面上に付着した微小異物を検出する手法も知られている（例えば、下記特許文献３）。
特開平４−３４４４４７号公報 特開平７−１０３９０５号公報 特開昭６１−２６０２１１号公報

暗視野像に基づいて欠陥を検出する前記従来の手法によれば、暗い背景上の微小な輝点として欠陥を検出することから、非常に高い検出感度が得られる。しかしながら、この従来の手法では、被検査物表面上の欠陥であるキズ（凹）と、洗浄作業により除去可能であり欠陥とはいえないゴミ（被検査物表面上に付着した微小異物（凸））とは、ほぼ同じ像となってしまい、両者を区別することは困難である。したがって、この従来の手法によれば、ゴミも欠陥として誤検出してしまい、検出精度が低下してしまう。

微分干渉法を利用して試料面上に付着した微小異物（凸）を検出する前記従来の手法に鑑みれば、微分干渉法を利用して被検査物表面上の欠陥であるキズ（凹部）を検出することができることは、自明である。そして、微分干渉法を利用して被検査物表面上の欠陥であるキズ（凹）を検出すれば、微分干渉法によると平面に対する凹と凸とを区別することができることから、凹の形状を持つキズを凸の形状を持つゴミから区別することが可能であるため、誤検出を低減して欠陥検出の精度を高めることができる。しかしながら、微分干渉法を利用したこの欠陥検出手法では、暗視野像に基づいて欠陥を検出する前記従来の手法ほどには、欠陥検出の感度を高めることはできない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、欠陥検出の感度を高めることができると同時に、誤検出を低減して欠陥検出の精度を高めることができる、表面欠陥検査方法及びその装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１の態様による表面欠陥検査装置は、被検査物の暗視野像を得る暗視野像取得部と、前記暗視野像取得部により得られた前記暗視野像に基づいて、前記被検査物の表面における欠陥の候補を検出する欠陥候補検出部と、前記欠陥候補検出部により検出された前記欠陥の候補を含む前記被検物の微分干渉像を得る微分干渉像取得部と、前記微分干渉像取得部により得られた前記微分干渉像に基づいて、前記欠陥の候補がその周囲に対して凹をなすか凸をなすかを判定する判定部と、を備えたものである。

本発明の第２の態様による表面欠陥検査装置は、前記第１の態様において、前記微分干渉像の倍率は前記暗視野像の倍率よりも高く、前記微分干渉像取得部が前記欠陥候補検出部により検出された前記欠陥の候補を含む前記被検査物の微分干渉像を得るように、前記欠陥候補検出部により検出された前記欠陥の候補の位置に応じて、前記微分干渉像取得部は前記被検査物に対して相対的に移動されるものである。

本発明の第３の態様による表面欠陥検査装置は、前記第１又は第２の態様において、前記微分干渉像取得部は、前記暗視野像取得部が前記暗視野像を得る際には、前記微分干渉像取得部が前記微分干渉像を得る際の位置よりも前記被検査物から遠ざかった位置に待避されるものである。

本発明の第４の態様による表面欠陥検査方法は、被検査物の暗視野像に基づいて、前記被検査物の表面における欠陥の候補を検出する段階と、前記欠陥の候補を含む前記被検査物の微分干渉像に基づいて、前記欠陥の候補がその周囲に対して凹をなすか凸をなすかを判定する段階と、を備えたものである。前記検出する段階や前記判定する段階は、人による判断や判定によるものでもよいし、処理部等による自動的な判断や判定によるものでもよい。

本発明によれば、欠陥検出の感度を高めることができると同時に、誤検出を低減して欠陥検出の精度を高めることができる、表面欠陥検査方法及びその装置を提供することができる。

本発明者は、研究の結果、暗視野像に基づく欠陥検出手法と微分干渉法とを巧みに結合させ、しかもその結合の仕方を工夫することで、暗視野像に基づいて欠陥を検出する前記従来の手法と同様に欠陥検出の感度を高めることができると同時に、ゴミをキズから区別することで誤検出を低減して欠陥検出の精度を高めることができることを、見出した。すなわち、本発明者は、まず、被検査物の暗視野像に基づいて、前記被検査物の表面における欠陥の候補を検出し、次に、前記欠陥の候補を含む前記被検査物の微分干渉像に基づいて、前記欠陥の候補がその周囲に対して凹をなすか凸をなすかを判定することで、暗視野像に基づいて欠陥を検出する前記従来の手法と同様に欠陥検出の感度を高めることができると同時に、ゴミ（凸）をキズ（凹）から区別することで誤検出を低減して欠陥検出の精度を高めることができることを、見出した。仮に、暗視野像の取得と微分干渉像の取得の両方が可能な装置を用いて、被検査物の表面の欠陥を検査しようとして、まず、被検査物の微分干渉像に基づいて被検査物の表面における欠陥の候補を検出し、次に、当該欠陥の候補を含む被検査物の表面の暗視野像に基づいて候補を絞るように、暗視野像に基づく欠陥検出手法と微分干渉法とを結合させてしまえば、ゴミ（凸）をキズ（凹）から区別することで誤検出を低減して欠陥検出の精度を高めることはできるものの、欠陥検出の感度を高めることは不可能となってしまう。このように、暗視野像と微分干渉像のいずれの一方に基づいて欠陥の候補を得て、暗視野像と微分干渉像のいずれの他方に基づいてその候補を絞るかによって、得られる技術的効果に大きな差が生じるのである。そして、このことも、本発明者の研究の結果として初めて判明したものである。本発明は、本発明者によるこのような新たな知見に基づいてなされたものである。

以下、本発明による表面欠陥検査方法及びその装置について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態による表面欠陥検査装置を模式的に示す概略構成図である。説明の便宜上、図１に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を定義する。透明基板１の面がＸＹ平面と平行となっている。

本実施の形態による表面欠陥検査装置は、被検査物としてのガラス基板等の透明基板１の−Ｚ側の表面の欠陥を検査するように構成され、透明基板１の暗視野像を得る暗視野像取得部としての暗視野光学系２と、透明基板１の微分干渉像を得る微分干渉像取得部としての微分干渉光学系３と、制御部４と、処理部５と、移動機構としてのＸＹステージ６と、接近待避機構７とを備えている。

暗視野光学系２は、透明基板１の＋Ｚ側に位置する照明系２Ａと、透明基板１の−Ｚ側に位置する撮像系２Ｂとから構成されている。照明系２Ａは、光源１１と、光源１１からの光をコリメートとして透明基板１に照射するコリメータレンズ１２とから構成されている。光源１１の点灯・消灯は、制御部４により制御される。撮像系２Ｂは、透明基板１の照明系２Ａによる被照射領域の像を形成するレンズ１３と、レンズ１３により形成された像を電気信号に変換する撮像素子１４とから構成されている。図１に示すように、光源１１からの光がレンズ１３に直接入らないようにレンズ１３の光軸がレンズ１２の光軸から所定角度傾けられている。これにより、撮像素子１４によって、透明基板１の照明系２Ａによる被照射領域の暗視野像が撮像されるようになっている。撮像素子１４による撮像動作は、制御部４からの指令によって行われる。

微分干渉光学系３は、光源２１と、照明光学系２２と、ポラライザー２３と、ノマルスキープリズム２４と、対物レンズ２５と、ハーフミラー２６と、アナライザー２７と、結像レンズ２８、撮像素子２９とを有している。光源２１からの光は、例えば、単色光でもよいし、ある程度限定された所定波長幅を持つ光でもよい。光源２１の点灯・消灯は、制御部４により制御される。光源２１からの光は、照明光学系２２を経由してポラライザー２３により直線偏光とされた後に、ハーフミラー２６で折り曲げられ、更にノマルスキープリズム２４で２本の光束に分けられる。ノマルスキープリズム２４は、周知のように、複屈折性結晶からなり、偏光方向により屈折角が異なるプリズムである。これらの２本の光束は、対物レンズ２５により透明基板１の−Ｚ側の表面上のわずかに異なる点に入射し、その表面での反射光がノマルスキープリズム２４により再び合流し、ハーフミラー２６及びアナライザー２７を通過し、結像レンズ２８により撮像素子２９上に透明基板１の微分干渉像を形成する。この微分干渉像が撮像素子２９により電気信号に変換されて撮像される。撮像素子２９による撮像動作は、制御部４からの指令によって行われる。微分干渉光学系３では、わずかに離れた２点間の光の位相差を検出することになるため、得られる微分干渉像は、段差に対して非常に感度の高いものとなる。なお、前記２点間の方向は、ノマルスキープリズム２４の向きによって定まり、シア方向と呼ばれる。周知のように、光源２１からの光が単色光やある程度限定された所定波長幅を持つ光である場合、透明基板１の表面の凹と凸の形状差は、微分干渉像における明暗の付き方により区別することができる。なお、図面には示していないが、本実施の形態では、微分干渉光学系３は、透明基板１の−Ｚ側の表面と撮像素子２９とを共役な状態にする焦点合わせを自動的に行うオートフォーカス機能を有している。

本実施の形態では、微分干渉光学系３により撮像される微分干渉像の倍率は、暗視野光学系２により撮像される暗視野像の倍率よりも高くなるように設定されている。これは、欠陥の候補を挙げるための暗視野光学系２は検査時間を短縮するためにはなるべく視野が広い方が望ましい一方、キズ／ゴミの判別感度を上げるためには、微分干渉光学系３として高ＮＡすなわち一般的には高倍率の光学系を用いることが望ましいからである。もっとも、本発明では、各倍率の設定は、必ずしも前述したような例に限定されるものではない。

ＸＹステージ６は、制御部４の制御下で、検査光学系（すなわち、暗視野光学系２及び微分干渉光学系３）の全体をＸＹ平面と平行な面内において２次元に移動させるようになっている。

接近待避機構７は、制御部４の制御下で、微分干渉光学系３のみを矢印１００で示すようにＺ軸方向に移動させ、微分干渉光学系３が透明基板１に接近した接近位置（図１に示す位置であって、透明基板１の微分干渉像を撮像するための位置）に位置する状態と、微分干渉光学系３が透明基板１から前記接近位置よりも遠ざかった待避位置（図示せず）に位置する状態とを、切り替える。図面には示していないが、この待避位置は、微分干渉光学系３に当たった暗視野光学系２の照明系２Ａからの照明光が更に透明基板１を照明することを避けることができるように、かつ、微分干渉光学系３の一部が暗視野光学系２の撮像系２Ｂの視野を遮るのを避けることができるように、設定されている。

処理部５は、制御部４の制御下で、暗視野光学系２により得られた暗視野像（暗視野画像）に基づいて、透明基板１の−Ｚ側の表面における欠陥の候補を検出する。これにより、欠陥の候補が高い感度で検出されるが、この段階ではそれがキズ（凹）かゴミ（凸）かの区別はつかない。キズもゴミも欠陥の候補として検出される。

その後、制御部４は、微分干渉光学系３及びＸＹステージ６等を制御して、微分干渉光学系３に、前記検出された欠陥の候補を含む透明基板１の−Ｚ側の表面の微分干渉像を撮像させる。処理部５は、微分干渉光学系３により得られた微分干渉像（微分干渉画像）に基づいて、前記欠陥の候補がその周囲に対して凹をなすか凸をなすかを判定し、当該候補が凹をなすと判定すると当該候補を欠陥であるとし、当該候補が凹をなさないと判定すると当該候補は欠陥ではないとする。これにより、凹の形状を持つキズと凸の形状を持つゴミとが区別されて、凹の形状を持つキズのみが欠陥であるとして検出されることになる。

次に、図２は、本実施の形態による表面欠陥検査装置の具体的な動作の一例を示す概略フローチャートである。動作を開始する前の初期状態においては、微分干渉光学系３を透明基板１から遠ざけて前記待避位置に位置させておく。

図２に示すように、動作を開始すると、制御部４は、ＸＹステージ６を制御して、検査光学系（すなわち、暗視野光学系２及び微分干渉光学系３）の全体を、暗視野光学系２の撮像系２Ｂの視野が透明基板１の最初の被検査領域となるように、移動させる（ステップＳ１）。

次いで、制御部４は、暗視野光学系２の照明系２Ａの光源１１を点灯させ（ステップＳ２）、暗視野光学系２の撮像系２Ｂの撮像素子１４に透明基板１の最初の被検査領域の暗視野像を撮像させる（ステップＳ３）。撮像素子１４から出力される暗視野画像の各例を、図３（ａ）及び図４（ａ）にそれぞれ模式的に示す。図３（ａ）中の３つの白小円がキズ（凹）に相当し、図３（ｂ）中の３つの白小円がゴミ（凸）に相当しているが、両者の区別はつかない。なお、図３（ａ）及び図４（ａ）中の白線による四角は、暗視野画像内の領域を示すためのものであり、暗視野画像自体を構成するものではない。その後、制御部４は、光源１１を消灯させる（ステップＳ４）。

次に、処理部５は、ステップＳ４で得られた暗視野画像を処理して、欠陥の候補を検出する（ステップＳ５）。この欠陥の候補の検出は、暗視野画像から欠陥を検出する種々の公知の手法により行うことができる。欠陥の候補の検出は、例えば、ステップＳ４で得られた暗視野画像を２値化処理してラベリングすることにより行うことができる。このとき、必要に応じて、パターン認識技術等を利用して、欠陥の候補の検出の精度を高めるようにしてもよいことは言うまでもない。

引き続いて、処理部５は、ステップＳ５の欠陥の候補の検出の結果に従って、当該暗視野画像内に欠陥の候補があるか否かを判定する（ステップＳ６）。欠陥の候補があればステップＳ７へ移行する一方、欠陥の候補がなければステップＳ１４へ移行する。

ステップＳ７において、処理部５は、ステップＳ５で検出された各欠陥の候補について、当該候補の座標値（例えば、中心座標値）を決定する。

次に、制御部４は、ＸＹステージ６を制御して、微分干渉光学系３を、微分干渉光学系３の視野の中心が、ステップＳ５で検出された欠陥の候補のうちの最初の候補の座標値と一致するように、移動させる（ステップＳ８）。

次いで、制御部４は、接近待避機構７を制御して微分干渉光学系３を透明基板１に接近させて前記接近位置に位置させ、微分干渉光学系３に前述したオートフォーカスを行わせる（ステップＳ９）。

引き続いて、制御部４は、微分干渉光学系３の光源２１を点灯させ、微分干渉光学系３の撮像素子２９に、最初の欠陥候補を含む透明基板１の微分干渉像を撮像させる（ステップＳ１０）。制御部４は、その後、制御部４は、光源２１を消灯させる。なお、光源２１は、当該表面欠陥検査装置の動作中において常に、点灯させたままにしておいてもよい。撮像素子２９から出力される微分干渉画像の各例を、図３（ｂ）及び図４（ｂ）にそれぞれ模式的に示す。図３（ｂ）は、図３（ａ）中の３つの欠陥候補のうちの右側の欠陥候補（キズ（凹））の付近の領域（図３（ａ）中の白線による四角で囲んだ領域）に対応する微分干渉画像を示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）中の３つの欠陥候補のうちの右側の欠陥候補（ゴミ（凸））の付近の領域（図４（ａ）中の白線による四角で囲んだ領域）に対応する微分干渉画像を示している。なお、図３（ｂ）及び図４（ｂ）では、微分干渉光学系３の光源２１から単色光が発せられるものとしている。図３（ｂ）及び図４（ｂ）において、矢印１０１は、微分干渉光学系３のシア方向を示している。図３（ｂ）及び図４（ｂ）からわかるように、微分干渉画像では、キズ（凹）とゴミ（凸）とでは、シア方向の明部・暗部の位置関係が異なっている。したがって、ステップＳ１０で得られた微分干渉画像の明部・暗部の位置関係から、凹の形状を持つキズと凸の形状を持つゴミとを区別することができ、当該欠陥候補がキズ（凹）であるか否かを判定することができる。

次に、処理部５は、ステップＳ１０で得られた微分干渉画像を処理して、当該微分干渉画像の明部・暗部の位置関係から当該欠陥候補が凹であるか凸であるかの判定を行う（ステップＳ１２）。当該候補が凹であると判定されると当該候補を欠陥であるとされ、当該候補が凹でないと判定すると当該候補は欠陥ではないとされる。これにより、凹の形状を持つキズと凸の形状を持つゴミとが区別されて、凹の形状を持つキズのみが欠陥であるとして検出されることになる。

その後、処理部５は、ステップＳ５で検出された欠陥候補のうちステップＳ１２の判定が未だ行われていない欠陥候補があるか否かを判定する（ステップＳ１３）。未判定の欠陥候補があれば、制御部４は、ＸＹステージ６を制御して、微分干渉光学系３を、微分干渉光学系３の視野の中心が、ステップＳ５で検出された欠陥の候補のうちの次の候補の座標値と一致するように、移動させ（ステップＳ１７）、その後、ステップＳ９へ戻る。一方、未判定の欠陥候補がなければ、ステップＳ１４へ移行する。

ステップＳ１４において、処理部５は、未検査の被検査領域（未だステップＳ２以降の処理が行われていない透明基板１の被検査領域）があるか否かを判定する。未検査の被検査領域があれば、制御部４は、ＸＹステージ６を制御して、検査光学系（すなわち、暗視野光学系２及び微分干渉光学系３）の全体を、暗視野光学系２の撮像系２Ｂの視野が透明基板１の次の被検査領域となるように、移動させ（ステップＳ１６）、その後、ステップＳ２へ戻る。一方、未検査の被検査領域がなければ、ステップＳ１５へ移行する。

ステップＳ１５において、処理部５は、欠陥（すなわち、ステップＳ１２で凹であると判定された欠陥候補）の有無、欠陥の数や位置などを、検査結果として外部へ出力する。これにより、一連の動作を終了する。なお、検査結果としては、欠陥の有無のみを出力してもよい。

本実施の形態では、前述したように、まず、透明基板１の暗視野像に基づいて、透明基板１の表面における欠陥の候補を検出し（ステップＳ５）、次に、前記欠陥の候補を含む透明基板１の微分干渉像に基づいて、前記欠陥の候補がその周囲に対して凹をなすか凸をなすかを判定する（ステップＳ１２）。したがって、本実施の形態によれば、暗視野像に基づいて欠陥を検出する前記従来の手法と同様に欠陥検出の感度を高めることができると同時に、ゴミ（凸）をキズ（凹）から区別することで誤検出を低減して欠陥検出の精度を高めることができる。

また、本実施の形態では、前述したように、前記微分干渉像の倍率は前記暗視野像の倍率よりも高く設定され、また、微分干渉光学系３が欠陥の候補を含む透明基板１の微分干渉像を得るように、欠陥の候補の位置に応じて、前記微分干渉像取得部は前記被検査物に対して相対的に移動される（ステップＳ８，Ｓ１７）。したがって、本実施の形態によれば、検査時間を短縮することができるとともに、キズ（凹）／ゴミ（凸）の判別感度を高めて欠陥検出の精度をより高めることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。

例えば、本発明では、被検査物は、透明基板１に限定されるものではなく、シリコン基板等の不透明基板であってもよい。この場合、暗視野光学系２の照明系２Ａも撮像系２Ｂと同じ側（−Ｚ側）に配置すればよい。また、被検査物は、パターンが形成されたシリコン基板等であってもよい。この場合、ステップＳ１２の判定において、予め得ておいたパターンの位置等の情報を考慮すればよい。

また、前記実施の形態では、暗視野光学系２は、角度が固定された照明系２Ａを１つだけ有していたが、照明系２Ａの角度を変え得るようにするかあるいは角度を変えて設けた複数の照明系２Ａを順次１つずつ点灯させ、照明光の角度を変えてその角度毎に暗視野像を撮像し、それらの暗視野像を総合的に利用することで、欠陥の候補を検出するようにしてもよい。

さらに、前記実施の形態では暗視野光学系と微分干渉光学系を別光学系としたが、例えば、微分干渉光学系を輪帯照明とし、さらに、ハーフミラー２６の撮像素子側に照明光の直接反射光を除去する空間フィルターを設けることで、微分干渉光学系と同軸の暗視野光学系を設けることもできる。

さらにまた、前記実施の形態では、欠陥の検査が完全に自動化されていたが、本発明による表面欠陥検査方法では、人の判断を介在させてもよい。例えば、前記実施の形態において、ステップＳ３で取得した暗視野画像やステップＳ１０で取得した微分干渉画像を表示する表示部と、マウス等のポインティングデバイスを含む操作部とを追加し、ステップＳ５の欠陥候補の検出を前記表示部に表示された暗視野画像を見た人の判断に委ねたり、ステップＳ６の判定を前記表示部に表示された微分干渉画像を見た人の判断に委ねたりし、その判断の結果は操作部を介して処理部５に与えるようにしてもよい。このように人の判断に委ねる場合、撮像素子１４，２９や前記表示部を設けることなく、光学像による暗視野像や光学像による微分干渉像を検査者が観察し得るようにしておいてもよい。

本発明の一実施の形態による表面欠陥検査装置を模式的に示す概略構成図である。 図１に示す表面欠陥検査装置の具体的な動作の一例を示す概略フローチャートである。 キズ（凹）の像を含む暗視野画像及び微分干渉画像を模式的に示す図である。 ゴミ（凸）の像を含む暗視野画像及び微分干渉画像を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 透明基板（被検査物）
２ 暗視野光学系
３ 微分干渉光学系
４ 制御部
５ 処理部
６ ＸＹステージ
７ 接近待避機構

Claims (4)

1. 被検査物の暗視野像を得る暗視野像取得部と、
   前記暗視野像取得部により得られた前記暗視野像に基づいて、前記被検査物の表面における欠陥の候補を検出する欠陥候補検出部と、
   前記欠陥候補検出部により検出された前記欠陥の候補を含む前記被検物の微分干渉像を得る微分干渉像取得部と、
   前記微分干渉像取得部により得られた前記微分干渉像に基づいて、前記欠陥の候補がその周囲に対して凹をなすか凸をなすかを判定する判定部と、
   を備えたことを特徴とする表面欠陥検査装置。
2. 前記微分干渉像の倍率は前記暗視野像の倍率よりも高く、
   前記微分干渉像取得部が前記欠陥候補検出部により検出された前記欠陥の候補を含む前記被検査物の微分干渉像を得るように、前記欠陥候補検出部により検出された前記欠陥の候補の位置に応じて、前記微分干渉像取得部は前記被検査物に対して相対的に移動されることを特徴とする請求項１記載の表面欠陥検査装置。
3. 前記微分干渉像取得部は、前記暗視野像取得部が前記暗視野像を得る際には、前記微分干渉像取得部が前記微分干渉像を得る際の位置よりも前記被検査物から遠ざかった位置に待避されることを特徴とする請求項１又は２記載の表面欠陥検査装置。
4. 被検査物の暗視野像に基づいて、前記被検査物の表面における欠陥の候補を検出する段階と、
   前記欠陥の候補を含む前記被検査物の微分干渉像に基づいて、前記欠陥の候補がその周囲に対して凹をなすか凸をなすかを判定する段階と、
   を備えたことを特徴とする表面欠陥検査方法。

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