(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一形状を有する複数の領域が形成された試料の表面を走査して前記試料の表面画像を生成すると共に焦点状態を示すフォーカス信号を出力する走査式顕微鏡の焦点補正方法であって、
前記複数の領域の１つを、前記走査式顕微鏡の焦点状態を所望の状態にして走査し、走査に伴って変化する前記フォーカス信号をテンプレートデータとして記憶し、
前記試料の表面を走査する時に、各領域毎に走査に対応する前記テンプレートデータを読み出し、前記フォーカス信号と前記テンプレートデータとの差を求め、
前記差を無くすように、前記走査式顕微鏡の焦点状態を補正することを特徴とする走査式顕微鏡の焦点補正方法。
【請求項２】
同一形状を有する複数の領域が形成された試料の表面を走査して前記試料の表面画像を生成する走査式顕微鏡であって、
走査を行うと共に、走査位置を示す走査位置信号を出力する走査機構と、
当該走査式顕微鏡の焦点状態を変化させる焦点調整機構と、
当該走査式顕微鏡の焦点状態を示すフォーカス信号を出力する焦点状態検出器と、
前記複数の領域の１つを、前記走査式顕微鏡の焦点状態を所望の状態にして走査した時に、走査に伴って変化する前記フォーカス信号をテンプレートデータとして記憶するテンプレート記憶部と、
前記試料の表面を走査する時に、各領域毎の走査位置に対応して前記テンプレートデータを読み出し、読み出した前記テンプレートデータと前記フォーカス信号とを比較し、２つの信号の差が無くなるように前記焦点調整機構を変化させる焦点制御信号を発生する比較器とを備えることを特徴とする走査式顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に半導体チップに対応する同一の形状を有する複数の領域（ダイ）が形成された半導体ウエハなどの試料の表面画像を、顕微鏡などで構成される光学部と試料を相対的に移動させる走査を行って生成する走査式顕微鏡及びその焦点補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造では、図１に示すように、半導体ウエハ１００上に半導体チップに対応する複数の領域（ダイ）１０１に同一の回路パターンを形成し、テスタで電気的な試験を行った後、ダイサで各ダイを切離してリードフレームなどに取り付ける組立を行う。通常、半導体ウエハ１００上には数百個のダイ１０１が形成される。半導体製造工程では、半導体ウエハの表面に各種の回路パターンを何層にも形成してダイが作られる。半導体製造は、数百の工程からなり、製造開始から完成するまで長時間を要する。そのため、初期の工程でプロセスの不良が発生しても、不良が発見されるのはテスタによる電気的な試験を行った時であり、その間に不良の工程を行った半導体ウエハで多数の不良品が発生して無駄になるだけでなく、予定した生産個数が得られないという問題を生じる。そこで、半導体製造の主要な工程が終了した時点で半導体ウエハの表面を観察し、形成したパターンの欠陥などを調べてその情報をフィードバックすることにより品質管理することが行われており、このために光学顕微鏡が広く使用されている。半導体ウエハの表面画像を発生し、不良部分の発見を行う装置をインスペクションマシンと呼んでおり、ここでもこの語を使用する。
【０００３】
インスペクションマシンでは、ＴＶカメラやラインセンサで光学像を画像信号に変換し、画像信号を処理して欠陥などの有無を判定する。近年、半導体装置は益々高集積化されており、それに応じて回路パターンも微細化しており、インスペクションマシンは高解像度の画像を生成することが要求される。そのため、高集積度のラインセンサで走査することにより高分解能の画像信号を得ている。走査は通常ステージに載置した試料を一定速度で移動することにより行う。１つのダイ１０１の画像を１回の走査で生成したのでは十分な解像度の画像が得られない場合には、図１に示すように、２回の走査１０２と１０３を行う。不良部分の発見は、隣接するダイの対応する部分の画像データを比較することにより行うのが一般的である。図１では、走査１０２を行って各ダイの下側半分について検査した後、走査１０３を行って各ダイの上側半分について検査する。
【０００４】
図２は、インスペクションマシンの基本構成を示す図である。図２に示すように、試料である半導体ウエハ１００は、上下方向に移動するＺステージ１２に保持される。Ｚステージ１２は、水平の２軸方向に移動するＸＹステージ１１に保持されており、ＸＹステージ１１とＺステージ１２はステージ移動制御装置１６により移動量が精密に制御される。検査装置１３は、半導体ウエハ１００の拡大した表面画像を形成する光学顕微鏡と、画像を電気信号に変換するイメージセンサ、画像信号を処理して欠陥の有無、その位置及び欠陥の分類などの処理を行う画像処理装置などを有する。この部分の構成の詳しい説明は省略する。
【０００５】
光学顕微鏡で良好な画像を形成するには、半導体ウエハ１００の表面に焦点が合っていることが必要である。焦点からのずれ量は光学顕微鏡と組み合わされるフォーカスセンサ１４により検出され、フォーカス信号制御回路１５はフォーカスセンサ１４の出力を処理して焦点からのずれ量を示すフォーカス信号（Ｚ信号）を生成し、ステージ駆動制御装置１６に出力する。ステージ駆動制御装置１６は、Ｚ信号に基づいてＺステージ１２の移動を制御する。なお、ステージ駆動制御装置１６は、走査中はＸＹステージ１１を所定の速度で移動するように制御する。以上の構成により、光学顕微鏡の焦点が半導体ウエハの表面に自動的に合うように制御される自動焦点装置（オートフォーカス機構：ＡＦ機構）が構成される。ＡＦ機構により、走査を行う場合にも常に半導体ウエハの表面に焦点が合った状態になり、良好な画像信号が生成される。
【０００６】
光学顕微鏡の焦点状態を検出する方法は、一般的には、半導体ウエハの表面に接触せずに焦点状態が検出できる光学的方法が使用され、その方法として、ナイフエッジ法、非点収差法、コンフォーカル法など各種提案されており、本発明ではいずれの方式でも適用可能であり、焦点検出の方法は限定されない。また、焦点位置の調整及び走査を、試料を固定して検査装置１３の光学顕微鏡を移動させて行うことも可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
半導体ウエハの表面には各種のパターンが何層にも形成され、図３に示すように、表面には微細ではあるが凹凸が形成される。光学的方法では、焦点検出のための補助ビームを半導体ウエハ上にスポットになるように照射し、表面で反射された補助ビームから焦点状態を検出する。図３のように表面に凹凸があると、その影響でＺ信号が変動し、絶対的な焦点状態を検出するのが難しくなる。
【０００８】
そこで、図４の（Ａ）に示すように、半導体ウエハ１００上の複数のあらかじめ信頼できる特定の測定位置１０４において高さ情報を得て、図４の（Ｂ）に示すように、補間法などにより半導体ウエハ１００全面の高さ分布を算出し、この高さ分布に応じて焦点位置を調整するようにしていた。特定の測定位置１０４は、例えば、平坦な表面であることが分かっているダイ間の部分やダイ内の特定の部分（電極パッドなど）である。
【０００９】
しかし、高精度の高さ分布を算出するには、半導体ウエハ１００全面に渡って、多数の測定点で高さを測定する必要がある。そのためには、半導体ウエハ１００全面を走査する必要があり、スループットが低下するという問題を生じる。
また、特定の測定位置１０４は、平坦な表面であることが分かっている部分であるが、ダイ内にそのような部分がない時には、測定できるのはダイ間の部分に限定され、測定位置を任意に選定できず、補間法を使用した場合には補間精度が低下するという問題を生じる。
【００１０】
本発明は、このような問題を解決することを目的とし、試料面の全面を走査して測定せずに、測定点を制限されることなく、高いスループットで、高精度に焦点合わせできる走査式顕微鏡の焦点補正方法及び走査式顕微鏡の実現を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の走査式顕微鏡の焦点補正方法は、試料上に形成される複数の領域（ダイ）は同一の形状を有することに着目して、複数の領域の１つを基準領域とし、そこを走査した時のフォーカス信号をテンプレートデータとして記憶し、通常の画像を発生する走査を行う時には、対応する走査位置でテンプレートデータと同じフォーカス信号が得られるように制御する。
【００１２】
すなわち、本発明の走査式顕微鏡の焦点補正方法は、同一形状を有する複数の領域が形成された試料の表面を走査して試料の表面画像を生成すると共に焦点状態を示すフォーカス信号を出力する走査式顕微鏡の焦点補正方法であって、複数の領域の１つを、走査式顕微鏡の焦点状態を所望の状態にして走査し、走査に伴って変化するフォーカス信号をテンプレートデータとして記憶し、試料の表面を走査する時に、各領域毎に走査に対応するテンプレートデータを読み出し、フォーカス信号と前記テンプレートデータとの差を求め、差を無くすように走査式顕微鏡の焦点状態を補正することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の走査式顕微鏡は、同一形状を有する複数の領域が形成された試料の表面を走査して試料の表面画像を生成する走査式顕微鏡であって、走査を行うと共に、走査位置を示す走査位置信号を出力する走査機構と、当該走査式顕微鏡の焦点状態を変化させる焦点調整機構と、当該走査式顕微鏡の焦点状態を示すフォーカス信号を出力する焦点状態検出器と、複数の領域の１つを走査式顕微鏡の焦点状態を所望の状態にして走査した時に、走査に伴って変化するフォーカス信号をテンプレートデータとして記憶するテンプレート記憶部と、試料の表面を走査する時に、各領域毎の走査位置に対応してテンプレートデータを読み出し、読み出したテンプレートデータとフォーカス信号とを比較し、２つの信号の差が無くなるように焦点調整機構を変化させる焦点制御信号を発生する比較器とを備えることを特徴とする。
【００１４】
試料（半導体ウエハ）上に形成される複数の領域（ダイ）は同一の形状を有する。従って、試料の高さが同じであれば、各領域を走査した時のフォーカス信号は同じになるはずであり、試料の高さが異なれば各領域を走査した時のフォーカス信号は試料の高さの違いだけ異なるはずである。そこで、各領域を走査した時のフォーカス信号が基準領域を走査した時のフォーカス信号と同じになるように制御すれば、基準領域を走査した時と同じ焦点状態で走査が行われることになる。
【００１５】
本発明によれば、図４に示したように、試料を全面走査して高さを測定せずに、１つの領域を走査してテンプレートデータを記憶するだけでよく、スループットが向上する。また、図４に示した方法では、高さを測定するのは、平坦な表面であることが分かっているダイ間の部分やダイ内の電極パッドなどに限定されるが、本発明によればこのような制限がなく、たとえ試料の高さが領域内で変化していても高精度の焦点合わせが可能になる。
【００１６】
基準領域は、任意に選択すればよく、例えば、画像生成のための走査を行う時の最初の領域を選択する。この場合、基準領域内で試料の高さ変化がある場合には、その変化を含めてテンプレートデータとして記憶されることになるが、通常各領域は試料の全面に比べて小さく、その内部での試料の高さ変化の量は小さく、問題にならない。また、領域間の画像データを比較して検査を行う場合には、同一の焦点状態で生成された画像を比較することが好ましく、基準領域内で試料の高さ変化があっても大きな問題は生じない。
【００１７】
もし、高さ変化がないか非常に小さい領域を基準領域とする場合には、例えば、試料を走査して高さ変化の小さな領域を探し、その領域を基準領域とする。通常、非常に多数枚の試料（半導体ウエハ）に同一形状の領域を形成するので、ある試料の基準領域をテンプレートデータとして記憶すれば、他の試料でも使用できる。従って、１枚について走査を行って高さ変化の小さな領域を探し、テンプレートデータを記憶しても、全体としてはスループットの低下は無視できるほど小さい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図５は、本発明の実施例の走査式顕微鏡を使用したインスペクションマシンの全体構成を示す図である。図示のように、本実施例のインスペクションマシンは、図２の従来の構成に類似の構成を有し、テンプレート記憶回路１７とテンプレート比較回路１８が設けられている点が異なる。ＸＹステージ１１、Ｚステージ１２、ステージ駆動制御装置１６、検査装置１３、フォーカスセンサ１４及びフォーカス信号制御回路１５は従来のものと同様である。なお、従来のものと同様に、これらの各要素には各種の変形例があり、本実施例でもそれらの変形例が使用できるのはいうまでもない。以下、従来例と異なる点についてのみ説明する。
【００１９】
フォーカス信号制御回路１５は、フォーカスセンサ１４が検出した検査装置１３の焦点状態を示すフォーカス信号（Ｚ信号）を処理し、デジタル化したフォーカス信号（Ｚ信号）を出力する。テンプレート記憶回路１７は、指定された基準領域を走査した時のデジタル・フォーカス信号（デジタル・Ｚ信号）を、ステージ駆動制御装置１６の出力する領域内の位置を示す信号に対応して記憶する。ステージ駆動制御装置１６は、走査時にはＸＹステージ１１を一定速度で移動し、各領域の開始点からの移動量を示す信号を出力する。
【００２０】
本実施例では、図６に示すように、半導体ウエハ１００上に同一の形状を有する多数のダイ１０１が形成されており、各ダイの画像を４回の走査に分けて生成し、隣接するダイの画像を比較する。走査及び検査を効率的に行うために、各ダイの１番目の領域を続けて走査して画像を生成し、隣接するダイの画像を比較する。この場合、隣接するダイの列では走査の方向が逆になる。１番目の領域の検査が終了すると、２番目の領域の走査を行い、これを４番目の領域の走査が終了するまで続ける。本実施例では、左下のダイ１１１から横方向に走査を行った後、次の列のダイを逆方向に走査する。
【００２１】
本実施例では、左下のダイ１１１を基準領域とし、画像の生成を開始する前に図示のように４つの領域を走査し、ステージ駆動制御装置１６の出力する位置信号に対応して記憶する。
図７は、テンプレートデータ記憶処理を示すフローチャートである。ステップ２０１では、基準領域を選定する。図６に示すように、本実施例では左下のダイ１１１が基準領域として選定される。ステップ２０２では、オペレータが基準領域に対して最適な焦点位置になるようにＺステージ１２の位置を調整する。ステップ２０３では、ステップ２０２で調整したＺステージ１２の位置を維持しながら基準領域（ダイ１１１）を走査して、フォーカス信号制御回路１５の出力するデジタル・フォーカス信号を、ステージ駆動制御装置１６に出力する位置信号に対応して、テンプレートデータとしてテンプレート記憶回路１７に記憶する。
【００２２】
図８は、画像を生成して検査を行う時のフォーカス制御に関する動作を示すフローチャートである。ステップ２１１では、走査を開始する。走査を開始すると、ステップ２１２で、テンプレート記憶回路１７からステージ駆動制御装置１６の出力する位置信号に対応したテンプレートデータを読み出す。この時、例えば、走査が逆方向に行われる時には、テンプレート記憶回路１７からの読み出しも逆方向に行う。
【００２３】
ステップ２１３では、テンプレート比較回路１８が、フォーカス信号制御回路１５の出力するデジタル・Ｚ信号とテンプレート記憶回路１７から読み出した信号とを比較する。更に、ステップ２１３では、テンプレート比較回路１８が、２つの信号の差を演算し、差があればＺステージ１２を差が無くなるように移動させる信号をステージ駆動制御回路１６に出力し、ステップ２１５でステージ駆動制御回路１６はこの信号に応じてＺステージ１２を移動させる信号を出力する。また、差がなければ、その状態のＺステージ１２の位置を維持する。以上の動作を走査が終了するまで続ける。以上の動作を行いながら、検査装置１３は各領域の表面画像を生成しながら、隣接するダイの画像間の比較検査を行う。
【００２４】
なお、以上のステップ２１３から２１５の動作をすべてデジタル処理で行うことも可能であるが、例えば、フォーカス信号制御回路１５はアナログ・フォーカス信号を出力し、テンプレート記憶回路１７内にアナログ・フォーカス信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、メモリから読み出したテンプレートデータをアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器とを設け、テンプレート比較回路１８をアナログ減算回路として、アナログ演算により生成した差信号をステージ駆動制御回路１６に出力することも可能である。
【００２５】
図９と図１０は、実施例におけるテンプレートデータ、フォーカス信号（Ｚ信号）、Ｚステージ制御信号の例を説明する図である。図９の（Ａ）に示すように、基準領域（ダイ１１１）の４つの領域１２１〜１２４を走査した時のＺ信号が、それぞれ図９の（Ｂ）に示すような信号であるとする。図９の（Ｂ）に示す４つの信号がテンプレートデータとして記憶される。
【００２６】
図１０は、図９の（Ｂ）に示すテンプレートデータを記憶した後、各領域の表面画像を生成して比較検査を行う場合の、信号を説明する図である。ここでは、各領域の１番目の領域を走査する場合を示す。図１０の（Ａ）に示すように、各領域（ダイ）１０１の１番目の領域が順次走査される。なお、図示の３つのダイ１０１は同じ列に属するとは限らず、異なる列に属する場合もあるとする。
【００２７】
３つのダイを走査した時のフォーカス信号（Ｚ信号）が、図１０の（Ｂ）に示すような信号であったとする。各Ｚ信号に対応して記憶されている（Ｃ）のようなテンプレート信号が読み出され、比較される。その結果、Ｚステージ制御信号として、（Ｄ）のような信号が発生され、Ｚステージ１２の位置を制御して、テンプレートデータと同じ信号が得られるように制御される。
【００２８】
図１０では、試料の高さが各ダイ内で一定である場合の信号の例を示したが、かならずしもそうとは限らない。図１１は、試料の高さが各ダイ内で変化する場合のフォーカス信号（Ｚ信号）、Ｚステージ制御信号の例を説明する図である。試料の高さが図１１の（Ａ）に示すように変化しているとする。この場合、Ｚ信号は（Ｂ）に示すように変化する。テンプレート信号は（Ｃ）に示すような信号であるので、差を演算すると（Ｄ）に示すように変化し、これがＺステージ制御信号になる。
【００２９】
基準領域は、任意に選択すればよく、実施例では画像生成のための走査を行う時の最初の領域である左下のダイ１１１を選択した。このダイ１１１内で試料の高さ変化がある場合には、その変化を含めてテンプレートデータとして記憶されることになるが、通常各領域は試料の全面に比べて小さく、その内部での試料の高さ変化の量は小さく、問題にならない。また、領域間の画像データを比較して検査を行う場合には、同一の焦点状態で生成された画像を比較することが好ましく、基準領域内で試料の高さ変化があっても大きな問題は生じない。
【００３０】
なお、基準領域の高さ分布があらかじめ分っている場合には、基準領域を走査してテンプレートデータを記憶する時に、あらかじめ分っている高さ分布に従って最適な焦点状態になるように制御しながら走査してテンプレートデータを記憶することも可能である。これであれば、たとえ基準領域内に高さ分布があっても焦点状態の合ったテンプレートデータが記憶できる。このような方法でテンプレートデータを記憶するには、図５の構成で基準領域内の走査軌跡に沿った高さ分布データを記憶する記憶回路を設け、テンプレートデータを記憶するために基準領域を走査する時にステージ駆動制御装置１６が走査位置に応じてこのデータを読み出してＺステージ１２の高さを制御する。
【００３１】
通常、非常に多数枚の試料（半導体ウエハ）に同一形状の領域を形成するので、ある試料の基準領域をテンプレートデータとして記憶すれば、他の試料でも使用できる。この場合、いくつかの試料を走査して高さ変化の小さな領域を探し、その領域を基準領域としてテンプレートデータを記憶し、複数の試料で共通に使用する。これであれば、テンプレートデータを記憶するために走査を行って高さ変化の小さな領域を探しても、全体としてはスループットの低下は無視できるほど小さい。
【００３２】
更に、ダイ間の比較を行なうための走査も各種の変形例がある。例えば、図１の例では走査１０２により半導体ウエハ１００のすべてのダイ１０１の下側の領域を比較した後、走査１０３によりすべてのダイの上側の領域を比較した。しかし、図１２に示すように、各列のすべてのダイについて同じ領域を比較するように走査１２１，１２２，１２３及び１２４を行った後、次の列について同様の走査を行って比較することも可能であり、このような場合でも本発明を同様に適用できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、試料面の全面を走査して測定することなく、しかも測定点を制限されることなく、高いスループットで、高精度に焦点合わせできる走査式顕微鏡の焦点補正方法及び走査式顕微鏡が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】複数の領域（ダイ）を形成した半導体ウエハを示す図である。
【図２】半導体ウエハ上に形成したダイの光学像を検査するインスペクションマシンの従来例の構成を示す図である。
【図３】多層にパターンを形成した半導体ウエハの断面図を示す図である。
【図４】半導体ウエハの複数の点の高さを測定して全面の高さ分布を求める例を説明する図である。
【図５】本発明の実施例の半導体ウエハのインスペクションマシンの構成を示す図である。
【図６】実施例における半導体ウエハ上の基準領域とテンプレートデータを得るための走査を説明する図である。
【図７】実施例においてテンプレートデータを記憶する処理を示すフローチャートである。
【図８】実施例においてダイ画像の生成と比較検査を行う場合のフォーカス制御処理を示すフローチャートである。
【図９】実施例におけるテンプレートデータの例を示す図である。
【図１０】実施例においてダイ画像の生成と比較検査を行う場合のダイ内に高さ変化がない時のフォーカス制御処理時の信号を示す図である。
【図１１】実施例においてダイ画像の生成と比較検査を行う場合のダイ内に高さ変化がある時のフォーカス制御処理時の信号を示す図である。
【図１２】ダイパターン比較のための他の走査例を示す図である。
【符号の説明】
１１…ＸＹステージ
１２…Ｚステージ
１３…検査装置
１４…フォーカスセンサ
１５…フォーカス信号制御回路
１６…ステージ駆動制御装置
１７…テンプレート記憶回路
１８…テンプレート比較回路
１００…試料（半導体ウエハ）
１０１…領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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