-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kanten- und/oder Oberflächeninspektion
für flache Objekte, insbesondere bearbeitete Wafer, gesägte Wafer,
gebrochene Wafer, Waferteilstücke und Wafer jeder Art auf
Filmrahmen, Dies, Solarzellen, Displays, Glas-Keramik oder Metallproben
sowie Stapel aus diesen Materialien mit einem Inspektionskopf enthaltend
eine Hellfeldbeleuchtungsanordnung mit einer Lichtquelle und einer
Beleuchtungsoptik zum Beleuchten des Objekts, wobei die Beleuchtungsoptik derart
ausgebildet ist, dass von der Lichtquelles erzeugtes Licht unter
einem Einfallswinkel auf das Objekt fällt und von dort
in Richtung auf ein in dem Inspektionskopf vorgesehenes Objektiv
parallel zu dessen Mittenachse reflektierbar ist.
-
In
verschiedenen Industriezweigen werden Kanten und Ränder
von Produkten mit optischen, bildgebenden Verfahren auf Fehler untersucht.
In der Halbleiter- und Solarzellenindustrie sind dies unter anderem
Wafer. Wafer sind Scheiben aus Halbleitermaterialien, Keramikmaterialien
oder Glas. Die Ränder der Wafer werden in bestimmten Anwendungen komplett
oder zumindest auf großen Teilabschnitten geprüft.
Diese Prüfung nennt man „Edge Inspection”. An
den Waferkanten sind verschiedene Defekte von Interesse. Solche
Defekte können Verunreinigungen durch Partikel, Lackreste, Ätz-
und Polierrückstände, usw. sein. Auch mechanische
Defekte, wie Ausplatzungen, Risse, Mikrorisse und Kratzer treten
auf. Schichtablösungen, sogenannte „Flakes” an
den Schichträndern vor allem von Lacken, aber auch anderen
Schichten, wie Oxiden, Nitriden, Hard-Masken, etc. treten ebenfalls
auf. Weitere Defekte sind Unregelmäßigkeiten der
Schichtränder, ungleichmäßiger Abstand
der Schichtkante vom Waferrand, auch als schwankender „edge
bead removal” (EBR) bezeichnet, sowie Buchten, Ausläufer,
Risse, Ablösungen und schwankende oder falsche Böschungswinkel
der Schichtränder.
-
Die
für die Erkennung der gesuchten Fehler erforderliche laterale
Auflösung steigt mit der Weiterentwicklung der allgemeinen
Produktionstechnik. Typischerweise liegt die erforderliche Auflösung
für die Kanteninspektion bei 5 μm. Gleichzeitig
sind Geräte erwünscht, die einen hohen Durchsatz
bei der Inspektion erlauben.
-
Ziel
ist es, möglichst viele „Chips” aus einem Wafer
zu erhalten. Es ist daher das Bestreben die Produktionsfläche
des Wafers immer dichter an den Rand heranzubringen. Das steigert
das Interesse für die Randprüfung. Insbesondere
durch die beginnende Einführung der Immersions-Lithographie
gewinnt der Randbereich an Bedeutung. Dabei wird ein verwendeter
Wassertropfen zwischen Optik und Wafer über den Randbereich
hinweg gerollt. Mit dem Wassertropfen werden Verunreinigungen leicht
eingesammelt.
-
Analoge
Aufgabenstellungen sind in anderen Industriezweigen zu lösen.
In der Flat-Panel-Industrie sind die Displays in der Produktion
auf Fehler zu prüfen. Auch hier werden Ränder
komplett geprüft, um Verunreinigungen und mechanische Defekte
zu erkennen. Für die Solarzellenindustrie spielen mechanische
Randdefekte, beispielsweise Ausplatzer und Mikrorisse, wegen der
hohen Stressbelastung der großen Zellen im Laufe der Betriebsdauer
eine besondere Rolle. Nach aktuellem Standard haben Zellen eine
Fläche von 100 × 100 mm2 bis
156 × 156 mm2.
-
Gemeinsam
sind allen diesen Anwendungen der Bedarf an schneller Prüfung,
einer hohen Anzahl von in der Regel gleichartigen Prüflingen
und der Einsatz von Sensoren zur Erzeugung von großflächigen Abbildungen
der Prüflingskanten. Gleichartige Prüflinge sind
je nach Anwendungen Wafer, Solarzellen, Displays, etc. Die großflächigen
Abbildungen werden je nach Art des gesuchten Fehlers mit unterschiedlichen
Anordnungen erzeugt. Optisch fotografierende Systeme sind beispielsweise
Flächen- oder Zeilenkameras. Punktuell arbeitende Sensoren
sind beispielsweise Detektoren zur Messung der Reflektion von optischen
Strahlen, Mikrowellen oder Schallwellen.
-
Neben
der dargestellten Kanteninspektion ist die ganz- oder teilweise
flächige Inspektion von Wafer und anderen Prüflingen
ebenfalls von weitreichendem Interesse.
-
Stand der Technik
-
Optisch
arbeitende Inspektionssysteme für Kanten und Oberflächen
verwenden häufig Makroobjektive mit einer festen Vergrößerung
und festen Apertureinstellungen. Diese Systeme ermöglichen keine
Anpassung der Auflösung der aufgenommenen Bilder an die
Bedürfnisse des Benutzers. Sie erlauben auch keine Anpassung
der Tiefenschärfe an die Anforderungen zur Untersuchung
des Wafers.
-
Aus
der
WO 2008 152
648 A2 ist ein Kanteninspektionssystem bekannt. Das Kanteninspektionssystem
verwendet eine Hellfeldbeleuchtungseinrichtung zum Ausleuchten eines
interessierenden Bereichs. Das Licht wird mittels Strahlteilern
auf diesen Bereich gerichtet. Von dort wird das Licht reflektiert und
gelangt durch einen Strahlteiler in den Detektor. Durch die Verwendung
von Strahlteilern wird bei der bekannten Anordnung nur ein kleiner
Teil des Lichts von der Lichtquelle genutzt. Jeder Strahlteiler
reduziert die nutzbare Lichtintensität um etwa 50%. Es sind
daher Lichtquellen mit besonders hoher Strahldichte erforderlich.
Das macht diese Systeme kostenintensiv.
-
Für
manche Anwendungen ist es nötig den Wafer während
der Inspektion nur am äußeren Rand zu halten.
Eine solche Anwendung ist beispielsweise die Untersuchung beidseitig
polierter Wafer. Ein weiteres Beispiel sind beidseitig strukturierte
Wafer, bei denen die Waferrückseite ebenso empfindlich
wie die Vorderseite ist. Sie darf maximal wenige Millimeter an der
Kante berührt werden. Ein System, welches diese Anforderung
erfüllt nennt man „Edge-Grip-Systeme”.
Bekannte Edge-Grip-Systeme müssen den Wafer zur Untersuchung
der jeweils anderen Seite oder zumindest für die Inspektion
der zuvor durch die Haltesysteme abgedeckten Teile der Waferkante
neu fassen oder transferieren. Üblicherweise wird der Wafer
gedreht, so dass der vorher verdeckte Teil der Kante in einem zweiten
Schritt inspiziert werden kann. Das Unterbrechen der Inspektion
und das zusätzliche Handling des Wafers machen diese Systeme
fehleranfälliger und langsam. Dadurch wird der Durchsatz
begrenzt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Inspektionssystem der eingangs genannten
Art zu schaffen, das eine Inspektion von Oberflächen und/oder
Kanten bei hohem Durchsatz und gleichzeitig hoher Auflösung
gewährleistet.
-
Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, dass der Einfallswinkel ungleich 0° ist
und das von der Lichtquelle erzeugte Licht parallel zur Mittenachse
des Objektivs reflektierbar ist. Die Beleuchtungsoptik kann einen
außeraxial vor der Objektoberfläche angeordneten,
objektseitigen Spiegel (64) umfassen, dessen reflektierende
Oberfläche einen Winkel mit der Objektoberfläche
bildet, welcher derart gewählt ist, dass der Einfallswinkel
ungleich 0° ist. Die Beleuchtungsoptik bzw. der auf den
Wafer auftreffende Strahl ist so ausgerichtet, dass der Einfallswinkel der
Strahlachse ungleich 0° ist. Diese Ausrichtung kann durch
die Beleuchtung selbst oder durch einen außeraxial vor
der Objektoberfläche angeordneten, objektseitigen Spiegel
erfolgen. Ein Winkel zwischen 5° und 15° hat sich
als vorteilhaft erwiesen. Es versteht sich, dass der Winkel auch
größer oder kleiner sein kann.
-
Der
Lichtstrahl der Hellfeldbeleuchtungsanordnung trifft unter einem
Einfallswinkel auf die Oberfläche. Unter einem Einfallswinkel
wird der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und der Oberflächennormalen
verstanden. Der Lichtstrahl wird an der Oberfläche des
Objekts in Richtung einer Kamera o. ä. parallel zur Mittenachse
des Objektivs reflektiert. Hierbei handelt es sich um eine Direkteinspiegelung des
Hellfeldlichtes. Anders als beim Stand der Technik wird die Verwendung
von zusätzlichen, optischen Elementen wie einem Strahlteiler
im Strahlengang vor dem Objektiv vermieden. Dies führt
bei gleicher Strahldichte einer Lichtquelle zu einer höheren Lichtintensität
auf der Oberfläche und damit in der Kamera. Je mehr Licht
auf die Kamera trifft, desto kürzer ist die erforderliche
Belichtungszeit. Kurze Belichtungszeiten erhöhen den Durchsatz.
Alternativ erlauben kurze Belichtungszeiten die Reduzierung der erforderlichen
Leistung der Lichtquelle. Ohne die Verwendung eines objektseitigen
Spiegels ist der minimale Einfallswinkel baulich durch den Durchmesser
des Objektivs begrenzt. Durch den Einfallswinkel ist der Ausfallswinkel
festgelegt. Das Objektiv ist um einen Winkel, welcher dem Ausfallswinkel
entspricht geneigt. Ein größerer Ausfallswinkel
führt zu einer Begrenzung der erreichbaren Auflösung,
da die ausnutzbare Schärfentiefe mit der Auflösung
sinkt. Dies wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
vermieden.
-
Vorteilhafterweise
weist die Beleuchtungsoptik der Hellfeldbeleuchtungsanordnung einen
weiteren Spiegel auf, welcher entlang des optischen Weges vor dem
objektseitigen Spiegel angeordnet ist. Durch die Verwendung von
zwei Spiegeln lässt sich der Einfallswinkel des Lichtstrahls
bei gleichzeitig kompakter Bauweise gering halten. Ein kleiner Einfallswinkel
ist erstrebenswert, weil dadurch die Abbildungsqualität
verbessert wird. Da das Objektiv geneigt ist, liegt die Brennebene
des Objektivs nicht parallel zur Oberfläche. Nur ein Streifen
des untersuchten Bereichs liegt in der Brennebene. Die Bereiche, die
davon abweichende Abstände zum Objektiv aufweisen, liegen
nicht mehr in der Brennebene. Wird dies durch eine größere
Tiefenschärfe ausgeglichen, sinkt die Qualität
der Aufnahmen. Durch kleine Einfallswinkel werden Reflektionen an
Kanten reduziert. Dadurch lassen sich die Defekte, die mit der Hellfeldbeleuchtung
abgebildet werden sollen, leichter erkennen.
-
Die
erfindungsgemäße Anordnung ist besonders vorteilhaft
für die Aufnahme mittels Zeilenkameras einsetzbar. Dabei
erfolgt der Lichteinfall unter einem Winkel α. Die Neigung
erfolgt dabei in der Ebene senkrecht zur Längsachse des
von der Zeilenkamera erfassten Bereiches. Dadurch wird gewährleistet, dass
trotz der Strahlneigung der gesamte Beobachtungsbereich innerhalb
der Schärfentiefe des Zeilensensors liegt. Die Abbildung
erfolgt ohne Kontrastverluste.
-
Die
erfindungsgemäße Anordnung kann jedoch ebenso
vorteilhaft für die Aufnahme mittels Flächenkameras
eingesetzt werden. Der Schärfentiefenbereich kann durch
die bekannte Methode nach Scheimpflug angepasst werden. Dann werden
bei hochauflösenden Abbildungen Kontrastverluste durch
die Neigung von Beleuchtung und Abbildungsoptik für die
Beobachtungspunkte mit größerem Abstand von der
Mittellinie der Abbildung vermieden. Bei der Methode nach Scheimpflug
wird der Kamerasensor mit einem von der senkrechten Ausrichtung zum
Abbildungsstrahl abweichenden Winkel so positioniert, dass die durch
die Schräglage des Objektives verursachte Wegdifferenz
zwischen Objekt und Objektiv für einen Off-Axis Bereich
des Bildes durch eine gleich große Wegdifferenz zwischen
Objektiv und Kamerasensor ergänzt wird. Das bedeutet, dass die
Kamera im Strahlengang so geneigt wird, dass ihr Sensor wieder in
der durch die Objektivschräglage geneigten bildseitigen
Fokusebene des Objektivs liegt. Durch diese Anordnung kann gewährleistet werden,
dass auch bei Flächenkameras die Vorteile der oben beschriebenen
Direkteinspiegelung des Hellfeldlichtes genutzt werden können.
Gleichzeitig liegt das gesamte Beobachtungsgebiet im Schärfenbereich
der Abbildung.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Inspektionskopf
eine Dunkelfeldbeleuchtungsanordnung. Bei der Dunkelfeldbeleuchtung werden
Kanten stark betont. Die Verwendung einer Dunkelfeldanordnung erleichtert
daher das Auffinden von Defekten mit einer Komponente senkrecht
zur Objektoberfläche. Beispiele sind Staubpartikel, Kratzer,
Ausplatzungen und Kanten. Eine zusätzliche Dunkelfeldbeleuchtungsanordnung
am selben Inspektionskopf ermöglicht es mit wenig mehr
Aufwand verschiedene Arten von Defekten besser sichtbar zu machen
und zu unterscheiden.
-
Vorzugsweise
umfasst die Dunkelfeldbeleuchtungsanordnung kreisförmig
um das Objekt angeordnete Leuchtmittel. Dadurch wird gewährleistet, dass
die Region optimal ausgeleuchtet wird. Die allseitige Beleuchtung
ermöglicht die Erkennbarkeit von Strukturen beliebiger
Lage und vermindert die Schattenbildung hinter Erhebungen.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Leuchtmittel
von einer Vielzahl von Leuchtdioden gebildet. Leuchtdioden sind
kostengünstig. Weiterhin strahlen Leuchtdioden bei gleicher Strahlungsstärke
weniger Wärme ab als konventionelle Leuchten. Für
die Bildaufnahme ist viel Licht besonders vorteilhaft, weil dadurch
die Belichtungszeit gering ist. Anders als bei der Beleuchtung mit
konventionellen Leuchten wird eine Erwärmung der Objektoberfläche
bei der Verwendung von Leuchtdioden vermieden. Leuchtdioden fallen
gewöhnlich nicht plötzlich aus, sondern die Lichtstärke
nimmt langsam ab. Durch einen erhöhten Diodenstrom lässt
sich die Intensitätsabnahme bis zum Austauschen kompensieren.
Der Zeitpunkt zum Austausch der Leuchtmittel lässt sich
im Gegensatz zur Verwendung von konventionellen Leuchten steuern.
-
Vorteilhafterweise
ist eine Optik zum Fokussieren des Lichts der Leuchtdioden vorgesehen. Durch
Fokussieren des Lichts der Leuchtdioden kann man den von der Kamera
abgebildeten Bereich besser ausleuchten. Bereiche, die nicht abgebildet
werden, müssen nicht beleuchtet werden. Es wird gewährleistet,
dass das Licht bei der Beleuchtung des Objekts optimal ausgenutzt
wird. Bei einer höheren Lichtintensität auf dem
Objekt kann die Belichtungsdauer verkürzt werden. Der Durchsatz
wird erhöht.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
Objektiv ein Videoobjektiv, welches in Retroposition angeordnet
ist. Die Verwendung eines Videoobjektivs anstelle eines Makroobjektives
ist kostengünstiger. Die Abbildungseigenschaften eines
Videoobjektives in Retrostellung sind mit denen eines Makroobjektivs
für die vorlegende Aufgabe gleichwertig. Der Strahlengang
ist bei der vorliegenden Erfindung derart ausgebildet, dass der Abstand
zwischen Objekt und Objektiv kleiner ist als der Abstand zwischen
Objektiv und Detektor. Dadurch werden die Vorzüge der Verwendung
eines Videoobjektivs in umgekehrter Position (Retroposition) mittels
des angepassten Strahlengangs an die Geometrie der Anforderung ausgenutzt.
Die optische Qualität des Videoobjektivs wird genutzt und
die Abbildung wird verbessert.
-
Vorteilhafterweise
weist das Videoobjektiv einen festen Fokusabstand auf und die Vergrößerung ist
durch eine Änderung des Abstandes des Objektivs von der
Objektoberfläche und der Kamera einstellbar. Eine Vergrößerung
des Abstandes zwischen Objektiv und eine Verringerung des Abstandes
von Objektiv und Objekt führt zu einer Vergrößerung
des Abbildungsmaßstabes. Während bei der Verwendung von
Makroobjektiven die Vergrößerung durch Austausch
des Objektivs geändert wird, und somit zusätzliche
Kosten entstehen, betet die erfindungsgemäße Optik
leicht an verschiedene Inspektionssituationen anpassbare Vergrößerungen.
Es lassen sich Vergrößerungen erzielen, deren
Faktor über zwei liegt.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Irisblende am Inspektionskopf
vorgesehen. Durch die Veränderung der Apertur der Irisblende
lässt sich die Tiefenschärfe der Abbildung an
die Erfordernisse anpassen. So kann bei rauen Oberflächen
die Tiefenschärfe derart angepasst werden, dass eine scharfe Abbildung über
den gesamten vertikalen Bereich erreicht wird. Die Öffnung
der Irisblende wird zum Erreichen einer hohen Tiefenschärfe
verkleinert. Bei sehr glatten Oberflächen ist nur eine
geringe Tiefenschärfe erforderlich. In diesem Fall kann
die Öffnung der Irisblende vergrößert
werden, um mehr Licht einzusammeln und so Belichtungszeit oder Lampenintensität
zu sparen. Bei Oberflächen mit geringer Reflektivität
kann die Irisblende geöffnet werden. Dadurch steht an der
Kamera mehr Licht zur Verfügung.
-
In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Kamera im Inspektionskopf
in Form einer Zeilenkamera ausgebildet. Bei der Kanteninspektion
eines runden Wafers wird die Kante zumeist durch Rotation des Wafers
unter der Kamera bewegt. Für die Abbildung der Kante hat
es sich für die meisten Inspektionsaufgaben als ausreichend
herausgestellt eine Zeilenkamera zu verwenden. Es wird dadurch bereits bei
der Aufnahme automatisch eine Kantenabwicklung in ein rechteckiges
Bild erstellt, ohne rechnerisch nachträglich redundante
Bildelemente löschen oder Teilbilder zusammenfügen
zu müssen. Da die Kosten von Kamerasensoren mit der Fläche
steigen, ist die Verwendung von Zeilenkameras auch kostengünstiger
gegenüber Flächenkameras bei vergleichbarer Auflösung.
Durch die einfachere Lösung des oben beschriebenen Tiefenschärfeproblems,
werden Aufbau und Justage eines Systems mit Zeilenkamera erleichtert.
-
Die
dargestellten Aspekte der Erfindung werden jedoch auch in Verbindung
mit einer Flächenkamera vorteilhaft eingesetzt. Flächenkameras
erfordern zwar für den Einsatz zur Kanteninspektion höhere
Aufwände, erbringen aber ein völlig unverzerrtes
Bild. Sie erleichtern somit in bestimmten Fällen die Auswertung
von Texturen und Defektausprägungen.
-
Es
ist weiterhin Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu schaffen, das
den Durchsatz bei der Untersuchung von Kanten auch für
solche Wafer erhöht, die nur am Rand unterstützt
werden dürfen. Solche Wafer erfordern ein sogenanntes „Edge
Grip”. Einen wesentlichen Beitrag zur Lösung dieser
Aufgabe bildet die gleichzeitige Inspektion von Apex, Vorder- und
Rückseite in einem Aufnahmezyklus ohne ein Umgreifen oder
Umladen des Wafers wie es bisher Stand der Technik ist.
-
Dazu
ist eine Halterung zum Haltern der Objekte an ihrem Rand vorgesehen.
Damit eignet sich die Vorrichtung für die Inspektion von
Wafer, die auf beiden Seiten empfindlich sind. Vorteilhafterweise
ist die Halterung drehbar. Dadurch lassen sich die Wafer so rotieren,
dass der Rand des Wafers kontinuierlich unter der Kamera bewegt
wird.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein weiterer
Inspektionskopf zur Rückseiteninspektion vorgesehen. Die
Verwendung dieses Rückseiten-Inspektionskopfes erlaubt
die gleichzeitige Inspektion der Waferrückseite, ohne dass
der Wafer gewendet werden muss. Das verkürzt die Inspektion
und erhöht den Durchsatz.
-
Weiterhin
ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein Inspektionskopf
zur Apexinspektion vorgesehen, mit dem ebenfalls gleichzeitig die
Stirnseite der Kante aufgenommen werden kann. Dies geschieht somit
ebenfalls ohne Umwenden des Wafers und trägt ebenso zur
Durchsatzerhöhung bei.
-
Um
die gesamte Kantenbereich, insbesondere die Vorder-, Stirn- und
Rückseite, wie beschrieben mit den Inspektionsköpfen
simultan komplett aufnehmen zu können, sind im Kantenbereich
des Objekts angeordnete Stützarme der Halterung zum Lagern
des Objekts vorgesehen, welche derart ausgebildet sind, dass zumindest
ein Stützarm insbesondere während des Inspektionsvorgangs
aus dem Randbereich entfernbar ist. Während sich die Oberseite und
die Frontalansicht der Kante durchgehend bei einer Drehung des Wafers
um seine Achse abbilden lassen, ist die Unterseite des Wafers durch
die Auflagepunkte auf der Objekthalterung teilweise verdeckt. Das
Entfernen des Stützarms aus dem gerade beobachteten Inspektions-Bereich,
ermöglicht die durchgehende Aufnahme der Unterseite der
Waferkante während einer 360° Drehung des Wafers
um seine Oberflächennormale.
-
Da
der Wafer nur auf einer begrenzten Zahl derartiger Stützarme
aufgelegt werden kann, wird er zwischen den Auflagepunkten periodisch
durchhängen. Außerdem sind durch prozessbedingte
Spannungen im Wafer Abweichungen der Waferbiegung zu erwarten die
nicht vollständig vorhersehbar sind. Weiterhin wird beim
Entfernen des mindestens einen Stützarmes zum Zweck der
ununterbrochenen Inspektion der Waferrückseitenkante ein
verstärktes Durchhängen der Waferkante beobachtet.
All diese Effekte führen dazu, dass mit einem solcherart
kraftfrei gehalterten Wafer die Bedingung der Schärfentiefe
für hochauflösende Abbildungen nicht ohne Korrekturmaßnahmen
erfüllt werden kann. Es sind daher in einer vorteilhaften
Ausgestaltung Sensormittel zum Erfassen der vertikalen Kantenposition
vorgesehen. Die Sensoren erfassen die vertikale Position der Waferkante
und erzeugen ein zur vertikalen Kantenposition proportionales Signal.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind weiterhin Sensormittel zum
Erfassen der lateralen Kantenposition vorgesehen. Aufgrund von Toleranzen der
Waferdurchmesser und der unvermeidlichen Ablageungenauigkeit des
Wafers auf der Halterung kann sich die Position der Waferkanten
relativ zum Inspektionskopf im Laufe der Inspektion verändern. Daher
ist es notwendig, dass Sensoren die laterale Position der Waferkante
erfassen und ein Signal erzeugen. Die Verfolgung der lateralen Kantenposition ist
auch für die Einhaltung der Schärfenbedingung
einer optional stirnseitig auf die Waferkante schauenden Apex-Kamera
erforderlich.
-
Vorteilhafterweise
ist der Inspektionskopf entsprechend der Signale der Sensormittel
nachführbar ausgebildet. Um die Schärfenbedingung
für Vorder- und Rückseiteinspektionskopf jederzeit
zu gewährleisten, werden diese Inspektionsköpfe
der Waferkante vertikal nachgeführt. Damit die erzeugten Bilder
den gewünschten Bereich abbilden und die Bedingung der
Schärfentiefe stets erfüllt ist, können diese
Inspektionsköpfe der Waferkante auch lateral nachgeführt
werden. Ein Apex-Inspektionskopf wird lateral zur Einhaltung der
Schärfentiefgenbedingung nachgeführt. Der Inspektionskopf
ist dafür beispielsweise mittels eines Motorantriebs bewegbar.
Das Regelsignal zur Nachführung wird aus dem Signal Kantensensoren
erzeugt.
-
Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe mit einem Verfahren gelöst durch die Schritte:
- (a) Auflegen eines Objekts auf eine Halterung
(14) an definierten Auflagepunkten,
- (b) Laden eines Kanteninspektionsprogramms,
- (c) Positionieren des Inspektionskopfes,
- (d) Rotation des Wafers,
- (e) Aufnehmen von Bildern der Kante,
- (f) Synchronisieren der Bildaufnahme mittels Triggersignalen,
- (g) Speichern der Bilder auf einem Computer, und
- (h) Abtransportieren des Wafers.
-
Die
genannten Schritte können dabei z. T. simultan erfolgen.
Insbesondere laufen die Schritte d) bis g) in einem vorteilhaften
Verfahren gleichzeitig ab. Optional kann der Wafer für
die Schritte b[B.Srocka2]) bis g) auch fixiert
werden.
-
Das
hier vorgestellt Verfahren bildet eine automatisierte Möglichkeit
der Kanteninspektion. Da kein manuelles Eingreifen mehr erforderlich
ist, erhöht sich der Durchsatz. Es hat sich herausgestellt, dass
die Auflage des Wafers auf definierte Auflagepunkte für
eine Vielzahl von Inspektionsaufgaben ausreichend ist. Eine flächige
Auflage ist nur für besonders hohe Anforderungen nötig.
Durch die Aufnahme der Daten während der Rotation entsteht
ein zweidimensionales Bild, welches die abgerollte Kante darstellt.
Bei festem Abstand eines Beschichtungsrandes vom Waferrand wird
dieser Übergang als gerade Linie dargestellt. Unregelmäßigkeiten
können leicht entdeckt werden.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Inspektionskopf
während der Rotation des Wafers nachjustiert. Dadurch wird
eine stets scharfe Abbildung zu gewährleistet.
-
Vorteilhafterweise
umfasst das Verfahren, dass einzelne Auflagepunkte freigegeben werden,
so dass die Objektkante bei der Inspektion der Rückseite
nicht verdeckt wird. Dadurch kann eine Inspektion der gesamten Kante
in einem einzigen Durchlauf erfolgen. Eine Unterbrechung und Neuausrichtung
des Wafer in einer geänderten Position entfällt.
Dadurch ist der Objektdurchsatz erhöht.
-
Vorteilhafterweise
umfasst das Verfahren die Verwendung von Hell- und/oder Dunkelfeldbeleuchtung.
Da je nach Beleuchtungsart andere Defekte deutlicher abgebildet
werden, ist es vorteilhaft die Beleuchtung jeweils zu optimieren.
Dadurch kann man sowohl getrennt nach der einen oder anderen Defektart
suchen, als auch nach verschiedenen gleichzeitig.
-
Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist
nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel
ist mit Bezug auf die Kanteninspektion von Objekten ausgeführt.
Es versteht sich, dass insbesondere die Aspekte der Erfindung, welche
die Beleuchtung, Optik und Detektionsanordnungen betreffen ohne
Einschränkungen für die flächige Inspektion von
Oberflächen eingesetzt werden können.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist
eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Kanteninspektion
mit einem Wafer.
-
2 zeigt
die Vorrichtung aus 1 ohne Wafer.
-
3 zeigt
einen Ausschnitt der Vorrichtung aus 1 in der
Seitenansicht.
-
4 zeigt
schematisch den Strahlengang der Hellfeldbeleuchtungsanordnung.
-
5 zeigt
den Inspektionskopf im Schnitt.
-
6 ist
eine perspektivische Darstellung des Inspektionskopfs.
-
7 zeigt
perspektivisch eine Vorrichtung zur Kanteninspektion mit Sensoren
zur Detektion der Kantenlage.
-
8 ist
eine Draufsicht in welcher die Bewegung der Stützarmen
bei der Inspektion verdeutlicht wird.
-
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
-
1 zeigt
ein Kanteninspektionssystem das allgemein mit 10 bezeichnet
ist. Das Kanteninspektionssystem 10 umfasst einen Inspektionskopf 12,
eine Waferhalterung 14 und eine Basisplatte 16. Auf
der Waferhalterung 14 befindet sich ein Wafer 18. Der
Inspektionskopf 12 ist in 5 im Schnitt
dargestellt. Der Inspektionskopf 12 umfasst eine Kamera 20,
ein Objektiv 22, einen Tubus 24 und eine Hellfelfdbeleuchtungsanordnung 26 für
eine Hellfeldbeleuchtung. Weiterhin ist eine allgemein mit 28 bezeichnete
Dunkelfeldbeleuchtungsanordnung für eine Dunkelfeldbeleuchtung
vorgesehen.
-
Das
Objektiv 22, die Kamera 20 und der Tubus 24 bilden
eine Kameraanordnung 27. Die Kameraanordnung 27 umfasst
weiterhin ein Kameragehäuse 29.
-
Als
Lichtquelle 30 der Hellfeldbeleuchtungsanordnung 26 ist
in diesem Ausführungsbeispiel eine Leuchtdiode (LED) 30 vorgesehen.
In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine
Glühlampe oder eine diffuse Ringbeleuchtung verwendet.
Für die Hellfeldbeleuchtung ist eine gleichmäßige
Ausleuchtung erwünscht. Für die Erzeugung eines
parallelen Strahlenganges ist ein Kollimator 36 in Form
einer Linse an der LED 30 vorgesehen. Das von der Lichtquelle 30 emittierte
Licht trifft auf einen ersten, planen Umlenkspiegel 40.
Ein Diffusor 38 im Strahlengang zwischen Kollimator 36 und
dem Umlenkspiegel 40 bewirkt eine gleichmäßige
Lichtverteilung.
-
Die
Beleuchtungsanordnung 26 weist ein Gehäuse 42 auf.
In dem Gehäuse 42 sind die LED 30, der
Kollimator 36 und der Diffusor 38 montiert. Das
Gehäuse 42 ist rotationssymmetrisch um eine optische
Achse 57 ausgebildet.
-
Die
Leuchtdiode 30 befindet sich an einem geschlossenen Ende 44 des
Gehäuses 42. Das geschlossene Ende 44 ist
mit einer Scheibe 46 verschlossen. Die Scheibe 46 hat
einen Durchmesser, welcher kleiner ist als der Innendurchmesser
des Gehäuses 42 am geschlossenen Ende 44.
Die Scheibe 46 ist mit Schrauben 48 am Gehäuse 42 befestigt. Die
Scheibe 46 weist ein zentriertes Gewindeloch 50 auf.
Ein Winkel 52 ist mit einem Ende 54 mit der Scheibe 46 verschraubt.
Der Winkel 52 weist ein zweites Ende auf, welches mit dem
Kameragehäuse 29 verschraubt ist. Die optischen
Achsen der Hellfeldbeleuchtungsanordnung 57 und der Kameraanordnung 53 sind
parallel zueinander.
-
Am
Gehäuse 42 der Hellfeldbeleuchtungsanordnung ist
ein Überwurfring 55 vorgesehen. Der Überwurfring 55 weist
zwei Schrauben auf, mit denen er am Gehäuse 42 befestigt
wird. An dem Überwurfring 55 ist eine Reflektorhalterung 56 vorgesehen. Die
Reflektorhalterung 56 besteht aus einem gewinkelten Blech 56.
Der Winkel des Blechs 56 unterteilt das Blech 56 einen
langen Teil 58 und einen kurzen Teil 60. Der lange
Teil 58 ist am Überwurfring 55 festgeschraubt.
An dem kurzen Teil 60 ist der Spiegel 40 befestigt.
Der erste Spiegel 40 ist so justiert, dass er den Lichtstrahl,
der aus der Hellfeldbeleuchtungsanlage austritt, in eine gewünschte
Richtung umlenkt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel trifft
der vom ersten Spiegel 40 reflektierte Lichtstrahl einen
zweiten, objektseitigen Planspiegel 64. Der objektseitige Spiegel 64 ist
am unteren Ende des Kameragehäuses 29 vorgesehen.
-
Der
objektseitige Spiegel 64 ist so justiert, dass der Lichtstrahl
die zu untersuchende Stelle des Wafers gut ausleuchtet. Durch die
Verwendung der zwei Spiegel 40, 64 bildet der
Lichtstrahl einen spitzen Winkel mit der Oberflächennormalen,
den Einfallswinkel α. Dies ist in 4 illustriert.
Der Lichtstrahl 102 wird von der Oberfläche des
Wafers so reflektiert, dass der Lichtstrahl parallel zur optischen Achse 53 der
Kameraanordnung 20 durch das Objektiv 22 tritt.
Die Richtungsvektoren des einfallenden und des reflektierten Lichtstrahls 102 und 103 spannen
eine Ebene auf. Die aufgespannte Ebene steht im untersuchten Bereich 100 senkrecht
auf dem Radius 105 des Wafers. Der Ein- und der Ausfallswinkel α des
Lichts betragen in diesem Ausführungsbeispiel jeweils 5°.
-
Die
Spiegel 40 und 64 sind als Vollflächenspiegel
ausgebildet mit einem Reflexionsgrad, der über 90% liegt.
Das Objektiv 22 bildet die Oberfläche des Wafers 18 auf
die Sensoroberfläche der Kamera 20 ab. Das Objektiv 22 ist
ein Videoobjektiv in Retroposition. Dies erlaubt eine scharfe Abbildung.
Weiterhin kann durch Verändern der Länge des Tubus 24 die
Vergrößerung einfach an andere Bedürfnisse
angepasst werden. Der Fokuspunkt des Objektivs 22 ändert
sich dadurch ebenfalls. Durch den geänderten Fokus müssen
sowohl der Abstand zwischen Objektiv und Oberfläche als
auch die Beleuchtung angepasst werden.
-
Das
Objektiv enthält eine Irisblende im Strahlengang. Eine
Irisblende erlaubt die Einstellung der Tiefenschärfe. Die
Kamera 20 ist als Zeilenkamera ausgebildet. Die Brennebene
des Objektivs verläuft parallel zur Sensorebene der Kamera 20.
Die Brennebene bildet einen Winkel mit der Waferoberfläche. Die
Tiefenschärfe ist so gewählt, dass auch die Randbereiche
des zu untersuchenden Bereichs scharf abgebildet werden.
-
Die
Dunkelfeldbeleuchtungsanordnung 28 ist kreisförmig
um das Objektiv 22 angeordnet. Die Dunkelfeldbeleuchtungsanordnung 28 besteht
aus acht Leuchtdioden 70. Jede dieser Leuchtdioden 70 weist
eine Fokussierungsoptik 72 auf. Der Fokus ist so eingestellt,
dass die von der Kamera 20 erfasste Fläche 100 optimal
ausgeleuchtet wird. Es versteht sich, dass statt Leuchtdioden auch
andere Lichtquellen eingesetzt werden können. Ein Spalt 71 in
dem Ring aus Leuchtdioden ist für den zweiten Spiegel 64 vorgesehen.
Das Licht der Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung 28 trifft
in einem Einfallswinkel von etwa 50–60° auf die
Waferoberfläche. Es versteht sich, dass der Winkel auch
größer oder kleiner sein kann. Die Zeilenkamera 20 ist
entlang eines Durchmessers des Wafers 18 ausgerichtet.
-
4 illustriert
das Verfahren zur Durchführung der Kanteninspektion. Ein
interessierender Bereich 100 auf einem Wafer wird von einem
Lichtstrahl 102 unter dem Einfallswinkel α ausgeleuchtet.
Der Lichtstrahl wird von der Oberfläche 104 des
Wafers auf den Sensor 106 der Kamera reflektiert. Der interessierende
Bereich 100 reicht von einem inneren Radius 108 zu
einem äußeren Radius 110. Der äußere Radius 110 des
interessierenden Bereichs liegt einige Bildpunkte außerhalb
der Waferkante 112, um eine sichere Abbildung der als Referenz
genutzten Waferkante zu gewährleisten. Die Kamera 20 und
die Hellfeldbeleuchtungsanordnung 26 sind am Inspektionskopf 12 vorgesehen.
-
Der
Wafer 18 dreht sich um seine Rotationsachse 114 parallel
zur Oberflächennormalen 116. Die Abbildung des
Sensors 106 der Zeilenkamera auf die Oberfläche
bildet den interessierenden Bereich. Der Winkel 118 zwischen
Oberflächennormale und optischer Achse der Kameraanordnung
ist gleich dem Einfallswinkel α. Einfallender Strahl 102 und
reflektierter Strahl 53 bilden eine Ebene, die senkrecht
auf einem Durchmesser des Wafers steht. Der Zeilensensor 106 ist
mit seiner Längsachse parallel zu einem Durchmesser des
Wafers ausgerichtet. Dadurch liegt auch der beobachtete Bereich 100 parallel
zu einem Durchmesser des Wafers, so dass die Tiefenschärfe
nur die kleine resultierende Verkippung in Bewegungsrichtung abdecken
muss. Durch die Rotation des Wafers wird innerhalb einer 360° Drehung
des Wafers die gesamte Kante abgebildet. Es entsteht ein zweidimensionales
Bild, welches die abgerollte Kante darstellt.
-
In
einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine
Flächenkamera vorgesehen. Mit der Flächenkamera
wird der Kamerasensor so gegen die Strahlachse 53 geneigt,
dass der Schärfenbereich gemäß der Methode
nach Scheimpflug auf die gesamte gegen den Strahl geneigte Fläche 100 vergrößert
wird.
-
Ein
Trigger synchronisiert die Drehbewegung des Wafers mit der Bilderfassung.
-
Der
Inspektionskopf ist entlang der drei Raumachsen positionierbar.
Eine entsprechende motorisierte Vorrichtung 250 ist in 1 gezeigt
Dadurch kann eine Änderung der Lage der Kante ausgeglichen
werden. Hierzu sind Sensoren vorgesehen und in 7 dargestellt.
Die Lage der Kante kann auf zwei Arten variieren. Einerseits entlang
der Drehachse des Wafers. Dafür ist ein vertikaler Sensor
bestehend aus Sender 256 und Empfänger 258 vorgesehen.
Der vertikale Sensor arbeitet nach dem Prinzip eines Lichtvorhanges.
Es wird ein zur vertikalen Verschiebung der Waferkante proportionales
Steuersignal generiert. Dieses Steuersignal wird an einen Schrittmotor
in der Vorrichtung 250 in 1 gesendet.
Der Schrittmotor führt den Inspektionskopf nach, so dass
sich die Kante wieder im Fokus des Inspektionskopfes befindet. Andererseits
kann der Abstand der Kante zu Drehachse variieren. Zur Erfassung
der Kantenposition in dieser Richtung, ist ein laterales Sensorsystem 252, 254 aus
Sender und Empfänger vorgesehen. Dieses laterale Sensorsystem 252
254 arbeitet
als Lichtvorhang. Es erfasst die laterale Lage der Kante relativ
zum Inspektionskopf und steuert die Motoren entsprechend, so dass
die Kannte immer an der gleichen Stelle im Bild auftaucht. Die vertikale Nachführung
ist für die scharfe Abbildung hochauflösender
Aufnahmen erforderlich. Für geringere Ansprüche
kann ggf. auf sie verzichtet werden, ohne den Gedanken der Erfindung
dadurch zu verlassen. Die laterale Nachführung ist für
die scharfe Abbildung eines nicht dargestellten Kamerasystems zur
Inspektion der Waferkanten-Stirnseite erforderlich und für die
Gewährleistung, dass die Waferkante immer einige Bildpunkte
vom Bildrand 110 innerhalb des aufgenommenen Bildes liegt.
Für geringere Ansprüche oder fehlen der Apexabbildung
kann auf sie verzichtet werden, ohne den Gedanken der Erfindung
dadurch zu verlassen. Die Sicherung der Position der Waferkante 112 im
Bild zwischen 108 und 110 kann auch durch einen
ausreichend langen Zeilensensor erbracht werden. Es versteht sich,
dass die genannten Sensoren 252, 254 und 256, 258 auch
induktiv, kapazitiv oder mit einer Kombination aus optisch, induktiv
und kapazitiv arbeiten können. Auch ein mechanischer Sensor
ist denkbar.
-
2 erlaubt
eine Sicht auf den Waferhalter 14. Der Waferhalter umfasst
acht Aufbauten 200, die radial auf einer drehbaren Platte 202 angeordnet sind.
Platte 202 weist acht radiale Langlöcher 204 auf.
Die Aufbauten 200 sind korrespondierend zu diesen Langlöchern 204 angebracht.
Dadurch lässt sich der radiale Abstand der Aufbauten von
der Drehachse der Platte einstellen. Die Aufbauten 200 weisen Bleche 206 auf,
welche radial nach außen weisen. An den äußeren
Enden weisen die Bleche 206 eine Verjüngung 207 auf.
Diese bilden Stützarme 208. Der Wafer liegt während
der Inspektion auf diesen Stützarmen 208 auf.
Vier pilzförmige Auflagen 210, 212, 214, 216 dienen
als Zwischenablage des Wafers, nachdem ein nicht gezeigter Roboterarm
den Wafer der Inspektionsvorrichtung zuführt. Der Waferhalter 14 kann
durch eine Mechanik 211 angehoben werden. Dadurch liegt
der Wafer 18 dann auf dem Waferhalter 14 auf.
Nach erfolgter Inspektion wird der Waferhalter 14 wieder
abgesenkt und der Roboterarm ergreift den Wafer und transportiert
ihn ab. Alternativ können auch die Auflagen 210, 212, 214, 216 in
der Höhe beweglich und motorisiert ausgebildet sein.
-
Der
Wafer 18 liegt mit dem Randbereich auf den Stützarmen 208 der
Aufbauten 200 auf. Der Kantenbereich der Unterseite ist
deswegen nicht vollständig der Inspektion zugänglich. 3 zeigt
einen Stützarm 208, wie er abgesenkt und zurückgezogen wird,
sobald der Inspektionskopf diese Stelle am Rand des Wafers untersucht.
Der Wafer liegt immer noch stabil auf sieben der acht Aufbauten
auf. In 8 ist die Situation noch einmal
aus der Aufsicht dargestellt. Eine gestrichelte Linie 260 zeigt
den Radius an, bis zu dem in Ruheposition die Aufbauten 200 des
Wafer partiell verdecken. Der Stützarm, der sich in der
Nähe des Objektivs befindet ist zurückgezogen,
damit ist die Öffnung des Objektivs nicht mehr durch eine
der acht Auflagen verdeckt. Dreht sich der Wafer weiter, so wird
der zurückgezogene Stützarm wieder in eine Position
gebracht, in der sie den Wafer unterstützt. Durch das zurückziehen
und wieder in Position bringen derjenigen Auflage, welche die Kante
während der Aufnahme verdecken würde, ist gewährleistet,
dass die gesamte Kante während einer einzigen 360° Drehung
des Wafers untersucht werden kann. Durch die Verwendung von insgesamt
acht Auflagen ist gewährleistet, dass der Wafer immer stabil
aufliegt. Das Zurückziehen und in Position bringen der
Auflagen kann durch Motoren oder mechanisch gesteuert werden. Eine
Kalottenkontur eignet sich für die mechanische Steuerung.
-
In
einer weiteren nicht gezeigten Ausgestaltung sind bis zu drei Kanteninspektionsköpfe
vorgesehen, wobei ein Inspektionskopf die Kante der Oberseite des
Wafers untersucht, ein Kopf die Kante der Unterseite des Wafers
und der dritte Kopf die Waferkante frontal inspiziert. Es versteht
sich, dass die Vorrichtung 10 auch einen Inspektionskopf
zur Oberflächeninspektion umfassen kann.
-
Die
Inspektion erfolgt wie folgt. Ein Wafer wird auf die Ablagen 210, 212, 214, 216 zentriert
aufgelegt. Danach wird der Wafer durch Anheben der der Waferhalterung 14 von
den Stützarmen 208 übernommen. Eine Fixierung
des Wafers gegen verrutschen ist im Allgemeinen nicht erforderlich,
kann aber bei Bedarf durch ein Vakuum geschehen. Ein vorher ausgewähltes
Kanteninspektionsprogramm wird geladen und gestartet. Die radiale
Lage der Waferkante wird durch Sensoren bestimmt. Der oder die Inspektionsköpfe
werden auf die Wafermitte zubewegt bis der optimale Fokuspunkt erreicht
ist. Der Wafer beginnt sich zu drehen. Die Zeilenkamera startet
die Aufnahme von Bildern der Kante. Die Aufnahme der Bilder ist
mit der Drehung des Wafers durch die positionssynchronisierte Ausgabe
von Triggerimpulsen synchronisiert. Die Kameras sind in der Lage
die Bilder mit Referenz zu den Triggerimpulsen aufzunehmen. Eine
Farbkorrektur bei Verwendung von Farbkameras ist ebenfalls bekannt.
Die Bilder werden in einem Computer gespeichert. Nach einer vollständigen
Aufnahme der Kante wird die Drehbewegung gestoppt. Der oder die
Inspektionsköpfe werden so verfahren, dass der Wafer ungehindert
transportiert werden kann. Der Waferhalter 14 wird abgesenkt
und der Wafer so wieder auf den Auflagen 210, 212, 214, 216 abgelegt.
Dann wird der Wafer abtransportiert. Bei der Inspektion von Wafern
auf der Rückseite, werden die Stützarme, welche
das Objektiv verdecken würden einzeln zurückgezogen.
Nachdem der entsprechende Stützarm das Objektiv passiert
hat wird er wieder ausgefahren, so dass der Wafer wieder auf allen
Stützarmen aufliegt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2008152648
A2 [0009]