DE112009001936B4

DE112009001936B4 - Inspektionsvorrichtung- und Verfahren für die optische Untersuchung von Objektoberflächen, insbesondere von Waferkanten

Info

Publication number: DE112009001936B4
Application number: DE112009001936.6T
Authority: DE
Inventors: Dr. Drews Dietrich; Andreas Bodden; Ralph Schrauth
Original assignee: Rudolph Technologies Germany GmbH
Current assignee: Rudolph Technologies Germany GmbH
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2029-08-07
Also published as: DE112009001936A5; WO2010015694A1; WO2010015695A1

Abstract

Inspektionsvorrichtung für die optische Untersuchung von Oberflächen in einer Kantenumgebung eines ansonsten ebenen, unstrukturierten Wafers (10), mit wenigstens einer der Objektoberfläche unter einem schrägen Winkel zur Objektebene zugewandten und auf die Objektkante (18) fokussierbaren Digitalkamera (14) und einer Ebenenbeleuchtungseinrichtung (30), die eine Kollimationseinrichtung umfasst und die relativ zur Digitalkamera (14) und zur Objektoberfläche so angeordnet ist, dass kollimiertes Licht auf eine sich an die Objektkante anschließende ebene Hauptfläche (22) der Objektoberfläche in der Kantenumgebung geworfen und ein Bild derselben unter Hellfeldbeleuchtung erzeugt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Inspektionsvorrichtung für die optische Untersuchung von Objektoberflächen in einer Kantenumgebung eines ansonsten im Wesentlichen ebenen Objekts, insbesondere von Kanten unstrukturierter Wafer, mit wenigstens einer der Objektoberfläche unter einem schrägen Winkel zur Objektebene zugewandten und auf die Objektkante fokussierbaren Digitalkamera und einer Ebenenbeleuchtungseinrichtung, die relativ zur Digitalkamera und zur Objektoberfläche so angeordnet ist, dass ein Bild einer sich an die Objektkante anschließenden ebenen Hauptfläche der Objektoberfläche in der Kantenumgebung unter Hellfeldbeleuchtung erzeugt wird.
Das optische Inspektionsverfahren von Halbleiterwafern auf Defekte (Ausbrüche, Kratzer, Abdrücke, Partikel, etc.) ist ein wichtiger Teil des Herstellungsprozesses von Computer-Chips. Hierzu werden häufig Kamera-basierte Verfahren eingesetzt, bei denen der zu inspizierende Teil der Waferoberfläche in die Sensorebene einer Kamera abgebildet wird. Die Defekterkennung erfolgt dann anschließend durch Auswertung des Abbildes. Entscheidend für die Leistungsfähigkeit ist dabei die Qualität des Abbildes der Oberfläche. Die Inspektion umfasst in der Regel sowohl die ebene Objekt- bzw. Waferober- und -unterseite als auch dessen Kante. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Inspektion der Kante.
Die hierin verwendeten Begriffe zur Bezeichnung des inspizierten Objekts sind wie folgt zu verstehen:

– „Objektoberfläche” wird als Oberbegriff verstanden, der die gesamte Oberfläche des Objektes bezeichnet und insbesondere die im Folgenden definierte Hauptflächen und Objektkanten einschließt.
– Mit „Hauptfläche” oder auch „Flachbereich” werden die ebenen, gegenüberliegenden Ober- bzw. Unterseiten des in der Regel scheibenförmigen Objektes (Wafers) bezeichnet.
– „Kante” oder „Objektkante” ist der einerseits an die Hauptfläche angrenzende und andererseits das Objekt außenumfänglich begrenzende Flächenabschnitt, der also die Hauptflächen verbindet und in der Regel sowohl einen oberen bzw. unteren schrägen Anteil („Bevel”) als auch einen stirnseitigen umfänglichen Anteil („Apex”) einschließt.
– Die „Kantenumgebung” beschreibt einen Flächenausschnitt, der sowohl die Kante als auch einen Ausschnitt der Hauptfläche im Übergangsbereich zur Kante einschließt.
– Als „Rand” oder „Objektrand” wird die unter dem jeweiligen Blickwinkel erkennbare Übergangslinie zwischen der Objektkante und der Umgebung bezeichnet.
– Als „Bevelline” wird die unter dem jeweiligen Blickwinkel erkennbare Übergangslinie zwischen der Objektober- bzw. -unterseite und dem Bevel der Objektkante bezeichnet.
– Als „Strukturmerkmal” ist eine Abweichung des Kantenverlaufs in der senkrechten Projektion auf die Objektebene, welche von der oder den Hauptflächen definiert wird, von einem vorgegebenen gleichförmigen oder stetigen Konturverlauf zu verstehen. Bei einem kreisrunden Wafer ist ein solches Strukturmerkmal beispielsweise eine radiale Einkerbung (Notch) oder ein gerader Kantenabschnitt (Kreissehne).

Inspektionsvorrichtungen für Waferkanten verwenden häufig eine Anordnung bestehend aus einer Digitalkamera, die der Objektoberfläche zugewandt ist und insbesondere auf die Objektkante fokussierbar ist. Ferner kommen in solchen Inspektionsvorrichtungen eine oder mehrere Beleuchtungseinrichtungen zum Einsatz.
Aus der DE 103 13 202 B3 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der die Objektkante des Wafers bestehend aus dem oberen Bevel (Fase), der Apex und dem unteren Bevel vollständig im Bereich des Dunkelfeldes einer LED-Lichtquelle liegen, während das von dieser ausgehende und von der Waferoberseite oder oberen Hauptfläche reflektierte Licht direkt in die Kamera einfällt, die Waferoberseite also im Hellfeldbereich liegt. Die Kamera ist dabei unter einem Winkel von 45° zur Waferoberseite angestellt auf die Objektkante ausgerichtet. Unter Verwendung eines unterhalb des Wafers angeordneten und parallel zu diesem ausgerichteten Planspiegels wird in demselben Bild auch die Unterseite oder untere Hauptfläche des Wafers aufgenommen, welche, soweit einsehbar, ebenfalls im Dunkelfeldbereich liegen. Der obere Bevel wird also unter streifendem Lichteinfall aus der Lichtquelle beleuchtet und die Apex sowie der untere Bevel liegen völlig im Schatten der Lichtquelle. Das Licht, welches den Wafer passiert, wird von der Spiegeloberfläche direkt in die Kamera reflektiert, so dass es als Hellfeld-Hintergrund im Anschluss an die Unterseite abgebildet wird. Im Ergebnis wird die Waferkante als schmaler Streifen im Dunkelfeldbereich abgebildet, auf dessen einer Seite sich der direkte Reflex von der Waferoberseite und auf dessen anderer Seite sich der direkte Reflex von dem Planspiegel anschließen. Dabei sind die Beleuchtungsverhältnisse auf der Oberseite und der Unterseite der Waferkante aus den vorgenannten Gründen sehr unterschiedlich.
Nachteilig hierbei ist, dass der interessierende Kantenbereich teilweise direkt und teilweise reflektiert über den Spiegel abgebildet wird. Da die Waferkante insgesamt aber im Dunkelfeld liegt, kann diese nicht genau in der Abbildung lokalisiert werden. Zudem bewirkt die schräge Kameraausrichtung auf die Waferkante unterschiedliche Abstände zum Waferrand und zur Waferoberseite, so dass nicht die gesamte Kantenumgebung gleichzeitig scharf abgebildet werden kann.
Die DE 103 24 474 A1 wie auch die US 2004/0223141 A1 beschreiben jeweils eine Vorrichtung umfassend eine Auflicht-Beleuchtungseinrichtung und eine Abbildungseinrichtung, mit denen die Oberfläche eines mit Fotolack beschichteten Wafers im Hellfeld aufgenommen wird. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung werden diese Vorrichtungen zur Inspektion eines strukturierten Wafers genutzt. Durch Polarisation des Lichtes sowie kameraseitige Analyse des Polarisationszustandes des an der Oberfläche reflektierten Lichtes wird die Entlackung des Wafers in dessen Randbereich untersucht. Zusätzlich ist auf der Waferunterseite eine weitere Beleuchtungseinrichtung vorgesehen, deren Lichtstrahlen auf dem Weg zur Kamera teilweise von dem Waferrand abgeschattet werden, so dass die Kante des Waferrandes als Hell-Dunkelübergang erscheint.
Während die Untersuchung des Kantenbereichs in der zuletzt genannten Schrift nicht über die Kontrolle der Entlackung hinausgeht und deshalb für die Untersuchung eines unstrukturierten Wafers auf Defekte der eingangs genannten Art ungeeignet ist, kann mit der aus der DE 103 13 202 B3 bekannten Vorrichtung keine lückenlose Untersuchung des Wafers von der Hauptfläche über den gesamten Kantenbereich einschließlich Bevel und Apex mit einer Einstellung sichergestellt werden.
Die Erfinder haben es sich vor diesem Hintergrund zur Aufgabe gemacht, die Inspektionsvorrichtung bzw. das Inspektionsverfahren dahingehend zu verbessern, dass aus den aufgenommenen Bildinhalten alle Arten von Defekten auf der Objektoberfläche möglichst lückenlos und ortsgenau identifiziert werden können.
Die Aufgabe wird durch eine Inspektionsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Inspektionsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Inspektionsverfahren sieht erfindungsgemäß vor, dass das von der Ebenenbeleuchtungseinrichtung ausgehende Licht kollimiert ist.
Dementsprechend umfasst bei der erfindungsgemäßen Inspektionsvorrichtung die Ebenenbeleuchtungseinrichtung eine Kollimationseinrichtung.
Die unter schrägem Winkel (0° < Betrachtungswinkel < 90°) zur Ebene des Wafers angeordnete Kamera ermöglicht es, wie auch in DE 103 13 202 B3 , die gesamte Kantenumgebung, also den Bevel und die Apex der Waferkante gleichzeitig mit dem kantennahen Flachbereich, aus einer Position zu erfassen.
Nachteilig an dieser Anordnung ist jedoch, wie schon erwähnt, dass sich der Abstand der Objektpunkte zur Kameraoptik im gesamten Flachbereich erheblich ändert. Wird das optische System der Kamera so eingestellt, dass die Waferkante scharf abgebildet wird, so laufen die Punkte des Flachbereichs mit zunehmender Entfernung zur Waferkante aus dem Fokus und werden entsprechend unscharf abgebildet. Üblicherweise begegnet man diesem Problem der mangelnden Schärfentiefe, indem man die Blende des Objektivs stark verkleinert. Diese Option scheidet für de hier vorliegende Anwendung jedoch aus, da sich durch diese Maßnahme auch der Lichtdurchsatz durch das Objektiv stark reduzieren würde, was für die Defektinspektion von Nachteil ist, will man dieselbe Kameraanordnung in Kombination mit einer geeigneten Beleuchtung auch zur Dunkelfeldinspektion der Waferkante nutzten.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine polierte, ebene Oberfläche das Licht gemäß dem Reflexionsgesetz reflektiert aber nicht in verschiedene Richtungen streut. Gleichzeitig ist der Akzeptanzwinkel eines üblichen Objektivs, welches zur Abbildung der Oberfläche in die Sensorebene der Kamera verwendet werde soll, klein im Vergleich zum Halbraum oberhalb der Oberfläche. Entsprechend der eingestellten Blende gelangen nur Lichtstrahlen durch das Objektiv in die Bildebene, die aus einer Richtung kommen, die sich nur wenig von der optischen Achse des Objektivs unterscheidet. Um ein helles Bild der polierten Oberfläche zu erhalten, ist es daher notwendig, dass die Oberfläche von einer Lichtquelle derart beleuchtet wird, dass deren Licht genau in Richtung des Objektivs reflektiert wird. Dabei ist es hinreichend, wenn das Licht genau parallel zur optischen Achse des Objektivs reflektiert wird. Die Ebenenbeleuchtungseinrichtung muss deshalb unter einem entgegengesetzt gleichen Winkel (Beleuchtungswinkel) kollimiertes Licht auf die Objektebene abstrahlen wie der Betrachtungswinkel unter dem die Digitalkamera auf die Objektoberfläche blickt. Vorstehendes gilt analog, wenn der Strahlengang auf dem Weg von der Ebenenbeleuchtungseinrichtung zur Objektoberfläche oder von der Objektoberfläche zur Kamera umgelenkt wird.
Im Hellfeldbild erscheint die defektfreie Oberfläche hell, weil diese das Licht der Beleuchtung direkt in das Kameraobjektiv reflektiert. Ein Oberflächendefekt reflektiert oder streut das Licht in andere Richtungen, so dass der Defekt im Hellfeldbild dunkel erscheint. Wird erfindungsgemäß mit kollimiertem Licht beleuchtet, das ausschließlich Lichtstrahlen enthält, die nach der Reflexion an der Oberfläche parallel zur optischen Achse des Objektivs verlaufen, ergibt sich im Vergleich zu einer diffusen Lichtquelle sogar noch eine Erhöhung des Kontrastes, da schon geringste Störungen der Oberfläche dazu führen, dass das einfallende Licht der Lichtquelle nicht mehr in das Objektiv reflektiert werden.
Das Wesen einer optischen Abbildung liegt darin, dass alle (auch in verschiedene Richtungen) von einem Objektpunkt ausgehenden Lichtstrahlen, die durch die Eintrittspupille des Objektivs gehen, wieder in einem Punkt in der Bildebene vereinigt werden. Diese Bedingung ist allerdings nur erfüllt, wenn der Objektpunkt in einem bestimmten Abstand zum Objektiv liegt, der sich aus der Brennweite des Objektivs ergibt. Liegt der Objektpunkt in einem anderen Abstand, werden die von ihm ausgehenden Lichtstrahlen nicht an einem Punkt der Bildebene vereinigt sondern über einen ausgedehnten Bereich verstreut. Dadurch entsteht eine unscharfe Abbildung. Wird jedoch eine kollimierte Beleuchtung im Sinne der Erfindung verwendet, geht von jedem Objektpunkt (einer spiegelnden Oberfläche) kein Bündel von Lichtstrahlen in verschiedene Richtungen aus, die in der Bildebene wieder zusammengeführt werden müssen. Im Idealfall geht von jedem Objektpunkt nur ein Lichtstrahl (parallel zur optischen Achse der Kamera) zu dem entsprechenden Punkt in der Bildebene. Das Problem mangelnder Schärfentiefe tritt nicht auf. Es kommt deshalb kameraseitig kein telezentrisches Objektiv zum Einsatz. Durch die kollimierte Beleuchtung wird die bei telezentischen Objektiven übliche Aperturblende in der Brennebene überflüssig. Streng genommen liegt Insoweit eine objektseitige Telezentrie vor. Wenn vorzugsweise ein Abbildungsmaßstab von näherungsweise 1:1 gewählt wird, verlaufen die Strahlen aber auch in der Bildebene parallel und somit weist die erfindungsgemäße Lösung auch die Merkmale einer bildseitigen Telezentrie, also beidseitige Telezentrie auf.
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kollimationseinrichtung umfassen beispielsweise eine hinreichend kleinen („punktförmigen”) Beleuchtungsquelle, z. B. eine LED, in hinreichend großem Abstand zum Objektiv, eine hinreichend kleinen („punktförmigen”) Beleuchtungsquelle, z. B. eine LED, zusammen mit einer Kollimationsoptik, im einfachsten Falle eine Sammellinse, in deren Brennpunkt die Beleuchtungsquelle angeordnet ist, oder einen Laser, dessen Strahlquerschnitt ausreichend aufgeweitet wurde, um eine homogene Ausleuchtung des Objektfeldes zu erreichen. Ein kollimierter Laserstrahl erfüllt die Anforderung der Parallelität der Lichtstrahlen ideal. Nachteilig kann sich jedoch die hohe Kohärenz des Laserlichts auswirken, wodurch Interferenzerscheinungen (Speckle) zu unerwünschten Mustern im Bild führen können, die sich nachteilig auf die Bildauswertung auswirken können.
Vorzugsweise weist die Inspektionsvorrichtung eine Hintergrundbeleuchtungseinrichtung auf, die auf der der Digitalkamera abgewandten Seite des Objekts so angeordnet ist, dass von ihr Licht in Richtung der Digitalkamera abgestrahlt wird, wobei das in Richtung der Digitalkamera abgestrahlte Licht teilweise von dem Objekt abgeschattet wird.
Anders als in der DE 103 13 202 B3 sieht die erfindungsgemäße Inspektionsvorrichtung bzw. das Inspektionsverfahren also eine separate Hintergrundbeleuchtung vor, die direkt in die Digitalkamera leuchtet, soweit sie nicht von dem Objekt abgeschattet wird und somit einen Kontrast zwischen der direkt aufgenommenen Objektkante und dem Hintergrund schafft. Damit ist es erstmals möglich einen eindeutigen Bezug zwischen der anhand des Kontrastes zwischen der Objektkante und der Hauptfläche identifizierten Bevellinie und dem anhand des Kontrastes zwischen der Objektkante und der Hintergrundbeleuchtung identifizierten Rand herzustellen.
Es ist außer der bereits erwähnten DE 103 24 474 A1 weiterer Stand der Technik bekannt, der eine Hintergrundlichtquelle auf der einem optischen Sensor abgewandten Seite des Wafers beschreibt. So ist beispielsweise aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 59125627 A eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Bündel paralleler Lichtstrahlen senkrecht auf die Waferoberfläche im Kantenbereich gestrahlt wird und der nicht abgeschattete Anteil dieses Lichtbündels mittels eines auf der gegenüberliegenden Seite des Wafers angeordneten flächigen Fotosensors erfasst wird, während der Wafer gedreht wird. Vom Prinzip her dieselbe Anordnung ist aus der Offenlegungsschrift US 5,438,209 A bekannt, welche aber anstelle des Fotosensors eine Kamerazeile verwendet. Bei beiden Vorrichtungen handelt es sich um Vorrichtungen zur Bestimmung der Position einer Notch und nicht um die gattungsgemäße Inspektionsvorrichtung zur Aufnahme eines Dunkelfeldbildes der Waferoberfläche. Die Beleuchtung ist eine reine Hintergrundbeleuchtung, so dass eine Dunkelfeldaufnahme hiermit gar nicht möglich ist. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung der Notch wird jeweils allein durch die Parallelität der Lichtstrahlen sichergestellt, die einen scharfen Schattenwurf gewährleistet.
Eine andere Vorrichtung zur Bestimmung der Notch-Position bei einem Wafer ist aus der Offenlegungsschrift JP 2000031245 A bekannt. Diese weist eine Kamera auf, deren optische Achse senkrecht zur Oberseite des Wafers und auf dessen Mitte ausgerichtet ist und die ein zweidimensionales Gesamtbild der Waferoberfläche aufnimmt, ohne dass der Wafer dabei gedreht wird. Die Beleuchtungseinrichtung ist zu diesem Zweck von der optischen Achse der Kamera weggeschwenkt, so dass keine direkte Reflektion des Lichtes von der Waferoberfläche in die Kamera fällt. Die unmittelbare Umgebung des Wafers wird dadurch aufgehellt, dass das Licht der Beleuchtungseinrichtung dem Material der Waferauflage (diffus) gestreut wird. Auf diese Weise entsteht ein Kontrast zwischen der Waferauflage und dem Wafer, so dass die Waferkante als dunkler Rand vor der helleren Auflage abgebildet wird. Diese Vorrichtung erlaubt das Identifizieren der Waferkante und insbesondere einer Notch. Sie ist allerdings nicht dazu vorgesehen und geeignet, Defekte auf der Waferoberfläche mit hinreichender Genauigkeit zu identifizieren und zu lokalisieren. Es handelt sich auch hierbei allein um eine Vorrichtung zur Bestimmung der Notch-Position. Auch sorgt die asymmetrische Anordnung der Beleuchtungseinrichtung bezogen auf die Mittelachse des Wafers für einen Schattenwurf, der eine Lokalisierung der Waferkante mit hoher Genauigkeit erschwert, da nicht das in Richtung der Digitalkamera abgestrahlte Licht teilweise von der Objektkante abgeschattet wird, sondern bereits das Licht auf dem Weg zur Waferauflage. Schließlich ist der Kontrast abhängig von dem Material und der Beschaffenheit der Waferoberfläche einerseits und der Auflage andererseits und kann nicht beeinflusst werden.
Im Gegensatz hierzu betrifft die Erfindung eine Inspektionsvorrichtung zur Detektion von Oberflächendefekten, die eine verbesserte Lokalisierung dieser Oberflächendefekte und zugleich eine Erkennung der Oberflächendefekte bis hin zur äußersten Objektkante also zum Objektrand erlaubt.
Da der Fokus der Digitalkamera bei der erfindungsgemäßen Inspektionsvorrichtung auf der Objektkante liegt, wird insbesondere der Rand des Objekts scharf abgebildet, was eine genaue Lokalisierung des Objektes ermöglicht. Ferner hat dies den Vorteil, dass die Hintergrundbeleuchtungseinrichtung, welche weiter entfernt liegt, unscharf abgebildet wird und deshalb keine Artefakte des Hintergrundes den Bildeindruck stören, insbesondere kann als Hintergrundbeleuchtungseinrichtung eine einfache Lampe dienen, welche aufgrund der Unschärfe als ausgedehnter Lichtfleck auf dem Sensor der Digitalkamera abgebildet wird. Selbstverständlich kann als Hintergrundbeleuchtungseinrichtung auch eine direkt oder indirekt und/oder diffus abstrahlende flächige Lichtquelle gewählt werden.
Zu der Inspektion der Objektkante gehört erfindungsgemäß auch die des Überganges zur Hauptfläche des Objekts. Hierbei ist die Bevelline von besonderem Interesse. Der Bevel kann neben den erwähnten Defekten in Form von Kratzern, Ausbrüchen, Staubkörnern, Abdrücken oder dergleichen auch Defekte in Form von Bearbeitungsfehlern, nämlich Polierfehlern, aufweisen. Die Waferkante erhält üblicherweise eine polierte Oberfläche. Ist der Polierprozess der Kante ordnungsgemäß erfolgt, müssen die Bevelline und der Waferrand stets parallel verlaufen, Abweichungen hiervon stellen Polierfehler dar. Solche Polierfehler führen nicht zu kontrastreichen Streulichtreflexen oder dunklen Stellen, wie es die vorgenannten Defekte unter Hell- bzw. Dunkelfeldbeleuchtung tun. Polierfehler führen also zu mehr oder weniger starken Abweichungen der Bevelline von ihrer Sollposition auf dem Wafer. Schwankungen der Bevelline aufgrund von Polierfehlern sind jedoch mit Artefakten der Messungen, wie beispielsweise Schwingungen oder einer Exzentrizität des Wafers während der Messungen überlagert, weshalb sich eine Aussage über deren Ist-Position nicht ohne weiteres treffen lässt. Deshalb ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, mittels einer Bildverarbeitungseinrichtung, die ein Randerkennungsmittel aufweist, aus den Bildpunktinformationen des mit der Digitalkamera erzeugten Bildes anhand eines Kontrastes zwischen der Objektkante und der Hauptfläche eine Übergangslinie, die Bevelline zu identifizieren. Besonders bevorzugt ist das Randerkennungsmittel ferner eingerichtet, neben der Bevelline gleichzeitig auch anhand eines Kontrastes zwischen der Objektkante und der Hintergrundbeleuchtung den Rand des Objekts zu identifizieren.
Bevorzugt weist die Bildverarbeitungseinrichtung weiterhin ein Kantenanalysemittel auf, welches eingerichtet ist, die Relativlage der Bevelline zu dem Rand zu überwachen.
Das Randerkennungsmittel detektiert mittels eines einfachen Algorithmus einen unrunden Lauf des Wafers (Horizontalschwingung in der Waferebene) in Folge einer Zentrierungenauigkeit oder ein Flattern des Wafers (Vertikalschwingung senkrecht zur Waferebene) in Folge einer Unebenheit oder einer resonanten Anregung. Bislang war man bemüht die genannten Fehlerquellen durch aktive und teils mechanisch sehr aufwändige Zentrier- und Dämpfungsmaßnahmen zu minimieren. Im Vergleich zu etwaigen Defekten liefern Horizontal- oder Vertikalschwingungen aber einen periodischen, niederfrequenten Verlauf der Waferkante in dem Bild und lassen sich daher einfach identifizieren. Die genaue Randerkennung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt deshalb auf aufwändige aktive Zentrier- und Dämpfungsmaßnahmen zu verzichten und etwaige Fehler im Rahmen der Bildbearbeitung mittels geeigneter Korrekturmittel oder Routinen zu korrigieren.
Das Überwachen Relativlage der Bevelline zu dem Rand geschieht hiervon ausgehend, indem die Bevelline und Randlinie anhand der Kontrastunterschiede im Bild identifiziert werden, dann wird der Abstand beider Linien im Bild entlang einer ungefähr senkrechten Linie zum Rand bestimmt. Ist der Wafer nicht gut zentriert, also ändert sich der Abstand Waferrand – Kamera, kann unter Berücksichtigung der Abbildungsgeometrie auf den realen Abstand Bevel-Linie – Waferrand geschlossen werden. Dieser Abstand muss innerhalb gewisser Toleranzen am normalen Waferrand immer konstant sein.
In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das Randerkennungsmittel ein Strukturerkennungsmittel, welches eingerichtet ist, ein Strukturmerkmal der Objektkante aus Bildpunktinformationen des Dunkelfeldbildes anhand des Kontrastunterschiedes zwischen der Objektkante und der Hintergrundbeleuchtung zu identifizieren.
Ein solches Strukturmerkmal ist beispielsweise der Konturverlauf einer Einkerbung (Notch) im Waferrand. Dieser hat eine bekannte Form und kann daher leicht durch einen Algorithmus oder einen Vergleich des aufgenommenen Kantenbildes mit in einem Speicher hinterlegten Formen identifiziert werden. Jedoch kann auf diese Weise nicht nur eine Einkerbung, sondern auch beliebige andere Strukturmerkmale, beispielsweise in Form eines geraden Kantenabschnittes (an einem ansonsten kreisrunden Wafer), erkannt werden. Alle regelmäßigen Strukturmerkmale lassen sich so leicht identifizieren und insbesondere von einem unregelmäßigen Ausbruch unterscheiden. Hierdurch wird eine einfache Inspektion des Strukturmerkmals selbst ermöglicht. Insbesondere können Defekte im dem Strukturmerkmal, das gänzliche Fehlen des Strukturmerkmales, eine Formabweichung des Strukturmerkmals von einer Sollgeometrie bis hin zum Vorliegen mehrerer Strukturmerkmale entlang der Waferkante automatisch festgestellt und angezeigt werden. Auch ist es möglich die Relativlage zwischen der Bevel-Linie und dem Rand entlang eines solchen Strukturmerkmals zu überwachen. Dies gilt auch dann, wenn hier kein konstanter Abstand sondern ein anderer, dem Umriss des Strukturmerkmals folgender Verlauf der Bevelline erwartet wird (Sollgeometrie).
Vorzugsweise ist die Bildverarbeitungseinrichtung ferner eingerichtet, anhand des identifizierten Randes und/oder des identifizierten Strukturmerkmals ein Koordinatensystem festzulegen.
Anhand des identifizierten Strukturmerkmals kann beispielsweise eindeutig ein Bezugspunkt für den azimutalen Winkel (also den Drehwinkel des Wafers) bestimmt werden. So kann beispielsweise die Mitte einer Notch als Koordinatennullpunkt des Azimutalwinkels genommen werden, was eine genaue Winkelpositionsangabe jedes identifizierten Oberflächendefektes (oder Defektfragmentes) erlaubt.
Ferner kann mit einer solchen Bildverarbeitungseinrichtung aus dem identifizierten Rand bei bekannter Ausformung des Kantenprofils auf den Verlauf der wahren körperlichen Objektkante geschlossen werden. Die Mitte der Apex, welche die radial äußerste Kante des Objekts bildet, wird im einfachsten Fall ermittelt, indem bei bekannter Form des Kantenprofils und des Beobachtungswinkels, unter dem die Kamera auf die Objektkante blickt, ein konstanter Abstand der Apexmitte zu dem identifizierten Rand angenommen wird. Dieser Abstand kann als system- und/oder profilspezifische Einstellung in einem Speicher der Bildverarbeitungseinrichtung hinterlegt und bei Berechnung der Lage der wahren Objektkante von der Position des identifizierten Randes subtrahiert werden. Als Koordinatennullpunkt der radialen Komponente des Koordinatensystems wird dann bevorzugt die wahre Objektkante also der Mitte der Apex gewählt. Dieser und der Koordinatennullpunkt des Azimutalwinkels bilden bevorzugt den Ursprung eines zweidimensionalen Koordinatensystems.
Ist das Koordinatensystem in zwei Dimensionen festgelegt, kann vorzugsweise mittels der Bildverarbeitungseinrichtung die Lage der Bevelline in Bezug auf das Koordinatensystem bestimmt werden.
Dies erlaubt Polierfehler auch bezüglich Ihrer Winkelposition relativ zum Strukturmerkmal, der Wafernotch, zu bestimmen.
Wird das Objekt aus der schrägen Perspektive von seiner Oberseite und von seiner Unterseite Inspiziert, erhält man ein vollständiges Bild der Kantenumgebung. Die beiden Bildhälften können in der Mitte der Apex also im Koordinatennullpunkt der radialen Komponente zusammengefügt werden, wobei die in beiden Teilbildern ermittelten Koordinatennullpunkte des Azimutalwinkels übereinander gelegt werden. Somit lassen sich alle Defekte in einem gemeinsamen Koordinatensystem darstellen.
Die Digitalkamera ist vorzugsweise eine Zeilenkamera, die so angeordnet ist, dass die mit der Zeilenkamera aufgenommene einzelne Bildzeile in einer Ebenen liegt, welche senkrecht zu der Ebene des Objekts angeordnet ist.
Die Betrachtungsrichtung, aus der das Bild von der Objektkante mittels Digitalkamera aufgenommen wird, kann, in der Projektion auf die Objektebene gesehen, senkrecht auf der Objektkante oder einer Tangente und die Objektkante stehen. Das heißt die optische Achse der Kamera ist (evtl. nach Umlenkung) gemäß dieser Ausführungsform so orientiert, dass sie zusammen mit der Bildzeile eine optische Ebene definiert, die mit einer Radialebene des Wafers zusammenfällt. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass weniger Bildverzerrungen auftreten.
Vorzugsweise ist eine erste Kantenbeleuchtungseinrichtung vorgesehen, die relativ zur Digitalkamera und zur Objektkante so angeordnet ist, dass ein Bild der Objektkante unter Dunkelfeldbeleuchtung erzeugt werden kann.
Bei der Dunkelfeldbeleuchtung wird das von der Beleuchtungseinrichtung abgestrahlte Licht von der intakten Objektoberfläche so reflektiert, dass es nicht in die Optik der Digitalkamera einfällt, so dass das Bild der Objektoberfläche überwiegend dunkel bleibt. Befindet sich in dem Oberflächenbereich ein Defekt in Form einer Vertiefung (Kratzer, Ausbruch) oder in Form einer Erhöhung (Staubkorn, Verunreinigung), dann wird in der Regel von Teilflächen des Defekts der eine oder andere Reflex in die Optik der Digitalkamera einfallen. Es entsteht auf diese Weise ein helles Abbild von Defektfragmenten.
Die Erfinder haben darüber hinaus erkannt, dass je nach Beleuchtungssituation unterschiedliche Abschnitte der Defekte ausgeleuchtet werden, sich also Verschiedene Fragmente unter Verschiedenen Lichteinfallsrichtungen zeigen. Um ein vollständigeres Bild des gesamten Defektes zu erhalten, ist deshalb vorteilhafter Weise, alternativ oder zusätzlich, eine zweite Kantenbeleuchtungseinrichtung vorgesehen, die relativ zur Digitalkamera und zur Objektkante so angeordnet ist, dass ein Bild der Objektkante unter Hellfeldfeldbeleuchtung erzeugt werden kann.
Bei der Hellfeldbeleuchtung wird das von der Beleuchtungseinrichtung abgestrahlte Licht von der intakten Objektoberfläche direkt in die Optik der Digitalkamera reflektiert, so dass das Bild der Objektoberfläche überwiegend helle erscheint. Befindet sich in dem Oberflächenbereich ein Defekt in Form einer Vertiefung (Kratzer, Ausbruch) oder in Form einer Erhöhung (Staubkorn, Verunreinigung), dann wird in der Regel von den überwiegenden Teilflächen des Defekts das Licht in andere Richtungen gestreut und fällt nicht in die Optik der Digitalkamera ein. Es entsteht auf diese Weise ein dunkles Abbild von Defektfragmenten.
Gerade im Fall der Hellfeldbeleuchtung ist die optische Achse der Kamera vorzugsweise so orientiert, dass die zusammen mit der Bildzeile definierte optische Ebene der Zeilenkamera aus der Radialebene herausgeschwenkt ist. Zwar werden so stärkere Bildverzerrungen in Kauf zu nehmen sein. Jedoch lässt diese Anordnung die Hellfeldaufnahme der Waferkante in einfacher Weise realisieren, indem die Hellfeld-Beleuchtungseinrichtung in spiegelbildlicher Anordnung zur Kameraanordnung bezogen auf die Radialebene durch den Fokuspunkt auf der Waferoberfläche eingesetzt wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Hintergrundbeleuchtungseinrichtung bevorzugt um den gleichen Betrag und in dieselbe Richtung aus der Radialebene herausgeschwenkt, so dass sie auf der optischen Achse der Kamera liegt.
Vorzugsweise ist die zweite Kantenbeleuchtungseinrichtung in Form eines Ringsegments ausgestaltet, das die Objektkante teilweise umspannt. Hierdurch wird dem Profil des Kantenverlaufes (Bevel-Apex-Bevel) näherungsweise Rechnung getragen.
Besonders bevorzugt ist das Ringsegment kreissegmentförmig und so justierbar, dass dessen Mittelpunkt in den Bereich der Objektkante fällt. Dies stellt eine ausreichend gute Bedingung für eine Hellfeldbeleuchtung über einen weiten Profilabschnitt der Objektkante sicher.
Ganz besonders bevorzugt ist das Ringsegment so justierbar, dass der von einem äußersten Ende ausgehende radiale Lichtstrahl parallel zu dem kollimierten Licht der Ebenenbeleuchtungseinrichtung verläuft.
Gleichzeitig ist das Ringlicht vorzugsweise so angeordnet, dass seine äußerste Lichtquelle möglichst nahe am mechanischen Ende des Ringlichtkörpers liegt. Die gesamte Anordnung kann dann so justiert werden, dass kollimierte Licht der Ebenenbeleuchtung gerade an der Ringbeleuchtung vorbei auf den kantennahen Flachbereich fällt. Dadurch wird eine möglichst homogene Ausleuchtung des Flachbereichs erzielt und es ergibt sich ein lückenloses Hellfeldbild von Waferkante und kantennahem Flachbereich.
Die Bildverarbeitungseinrichtung ist ferner bevorzugt eingerichtet, aus den Bildpunktinformationen des Dunkelfeldbildes und/oder des Hellfeldbildes der Objektkante anhand der wie vorstehend beschrieben erzeugten Kontraste Oberflächendefekte in der Kantenumgebung zu identifizieren.
Die ermittelten Defektfragmente werden mittels der Bildverarbeitungseinrichtung zunächst in den Teilbildern der Dunkelfeldaufnahme und der Hellfeldaufnahme getrennt voneinander identifiziert. Dies geschieht vorzugsweise, indem zunächst zusammenhängende Bildpunkte, deren Inhalte (Intensitäts-, Grau- oder Farbwerte) innerhalb eines vorher festgelegten Wertebereiches (Intensitäts-, Grau- oder Farbwertintervalls) liegen, demselben Defektfragment zugeordnet werden. Die so ermittelten Defektfragmente werden anschließend mittels eines Algorithmus auf Zugehörigkeit zu demselben Defekt zusammengefasst. Aus zwei (oder mehr) Teilbildern der Objektoberfläche wird so ein virtuelles Oberflächenbild erzeugt, so dass durch die Gesamtheit der Informationen aus dem Hellfeldbild und dem Dunkelfeldbild sich ein umfassenderes Bild des gesamten Defektes erzeugen lässt.
Das so erzeugt digitale Bild der Objektoberfläche wird anschließend üblicherweise einer manuellen oder automatischen Auswertung zugeführt, wobei die Ergebnisse der Auswertung dazu verwendet werden, nach den Vorgaben des Chip-Herstellers über die Verwertbarkeit des Wafers zu entscheiden und eine Sortierung nach Qualitätskriterien durchzuführen.
Die zweite Kantenbeleuchtungseinrichtung, die Hintergrundbeleuchtungseinrichtung und die Ebenenbeleuchtungseinrichtung sind mittels einer geeigneten Steuereinheit besonders bevorzugt getrennt voneinander ansteuerbar.
Hierdurch kann sichergestellt werden, dass in jedem Aufnahmemodus ein ausreichender bzw. optimaler Kontrast zwischen der Hauptfläche im Hellfeld, der Waferkante im Hell- oder Dunkelfeld und der Hintergrundbeleuchtung gegeben ist, der eine gleichzeitige Erkennung der Bevelline, des Waferrandes und von Defekten im Hellfeld bzw. Dunkelfeld erlaubt. Befinden sich zum Beispiel unmittelbar am Rand des Wafers Defekte in Form von Ausbrüchen, so können auch diese leicht als Abweichung von der stetigen Randkurve identifiziert werden. Die Information über den Verlauf der Kontur des Wafers bietet also (neben der oben beschriebenen) eine zusätzliche Möglichkeit zur Erkennung von Defekten. Dabei ermöglicht die separate Hintergrundbeleuchtung eine Kontrasteinstellung, die von dem Kontrastschwerpunkt bzw. von dem Intensitäts-, Grau- oder Farbwerteschwerpunkt eines im Dunkelfeld oder Hellfeld liegenden Defektes abweicht. Ausbrüche sind auf diese Weise leicht von einem Oberflächendefekt anderer Art unterscheidbar.
Durch die separate Beleuchtungsansteuerung ist das erfindungsgemäße Verfahren ferner unabhängig vom Reflexionsvermögen der Waferoberfläche beispielsweise aufgrund von unterschiedlichen Beschichtungen und/oder Strukturen.
Ist das Kooordinatensystem in zwei Dimensionen festgelegt, kann bei dem erfindungsgemäßen Inspektionsverfahren die Lage des oder der aufgefundenen Oberflächendefekte oder Defektfragmente in Bezug auf dieses Koordinatensystem bestimmt werden. Die Lagebestimmung kann beispielsweise sowohl die Ausdehnung des Defektes oder Defektfragmentes also auch dessen Schwerpunkt und Orientierung umfassen. Insgesamt werden durch die erfindungsgemäße Identifizierung der Objektkante und des Strukturmerkmals die Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Angaben über jeden Defekt erhöht.
Abweichungen davon können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung leicht detektiert werden, wenn die Bildverarbeitungseinrichtung eingerichtet ist, die Lage der Bevelline in Bezug auf das Koordinatensystem und/oder den identifizierten Waferrand zu bestimmen.
Weist die Inspektionsvorrichtung einen motorisch angetriebenen Drehtisch zur drehbaren Halterung des Objektes auf, wobei die Digitalkamera eingerichtet ist, synchron zur Drehung des Drehtisches ein digitales Bild der Objektkante aufzunehmen, können mit einer solchen Zeilenkamera sequentiell mehrere Bildzeilen der Objektkante aufgenommen werden, während sich das Objekt zusammen mit dem Drehtisch dreht. Hierzu kann die Auslösung der Kamera beispielsweise mittels eines Synchronisationsimpulses durch den Antriebsmotor (z. B. Schrittmotor) folgen. Die sequentiell aufgenommenen Bildzeilen der Objektkante in unterschiedlicher Winkelstellung des Objekts werden anschließend zu einem (Panorama-)Bild der Objektkante zusammengefügt.
Die Verfahrensschritte der Bildverarbeitung, insbesondere des Identifizierens des Randes, der Bevelline oder der Strukturmerkmale, des Bestimmens eines Koordinaten- oder Bezugssystems und das Bestimmen der Lage von Defekten und der Bevelline in dem Bezugssystem, können einzeln oder gemeinsam sowohl als Software als auch als Hardware oder in Kombination aus Software und Hardware implementiert sein.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Inspektionsvorrichtung;
2 eine Seitenansicht eines um eine Hellfeldbeleuchtung der Objektkante erweitertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Inspektionsvorrichtung;
3 eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß 2;
4 eine Draufsicht auf eine Erweiterung des Ausführungsbeispiels um eine Dunkelfeldbeleuchtung der Objektkante;
5 eine Seitenansicht der Ausführungsform gemäß 4 und
6 ein Histogramm des Helligkeitsverlaufes einer Bildzeile.
In 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Inspektionsvorrichtung zur Inspektion einer oberen Kantenumgebung eines Halbleiterwafers 10 in der Seitenansicht gezeigt. Die Inspektionsvorrichtung weist eine Digitalkamera 14 auf, welche mit Ihrer optischen Achse 15 mittels einer Optik 16 auf die Umgebung der Kante 18 des Wafers 10 ausgerichtet und fokussiert ist. Die Digitalkamera 14 ist speziell zur Kanteninspektion des Wafer 10 eingerichtet, indem sie unter einem schrägen Winkel, das heißt > 0° und < 90°, vorzugsweise zwischen 30° und 60° und besonders bevorzugt unter etwa 45° zur Objektebene bzw. Oberseite 22 des Wafers 10 auf die Kante 18 ausgerichtet ist. Die Digitalkamera 14 erfasst hierdurch eine Kantenumgebung, die einen Teil der Oberseite oder Hauptfläche 22 des Wafers 10, dessen oberen, leicht schrägen Kantenbereich oder Bevel 24, und wenigstens einen Teil des stirnseitigen Kantenbereichs oder Apex 26 umfasst, vgl. 5.
Die Inspektionsvorrichtung weist ferner eine Ebenenbeleuchtungseinrichtung 30 auf. Die Ebenenbeleuchtungseinrichtung 30 ist so angeordnet, dass deren Lichtstrahlen 31 von der oberen Hauptfläche 22 des Wafers 10 direkt in die Kameraoptik 16 reflektiert wird. Es wird hierdurch ein Hellfeldbild der Hauptfläche 22 erzeugt, soweit der Blickwinkel der Kamera und der Strahlfleck der Ebenenbeleuchtungseinrichtung 30 diese erfasst. Die Ebenenbeleuchtungseinrichtung 30 ist vereinfacht als Kasten dargestellt. Erfindungsgemäß weißt diese eine in 1 nicht dargestellte Kollimationseinrichtung auf, die ein Bündel paralleler Lichtstrahlen 31 erzeugt.
Alle Lichtstrahlen 31, die nach Reflexion an der Waferoberseite 22 parallel zur optischen Achse 15 in die Optik 16 eintreten, werden im hinteren Brennpunkt deren Linsensystems 17 vereinigt und treffen danach auf eine Bildebene 19 in der Kamera, in der ein optischer Sensor angeordnet ist. Maßgeblich für den Ort in der Bildebene 19, wo die Strahlen auftreffen, ist allein der Abstand der Strahlen von der optischen Zentralachse vor dem Objektiv. Dadurch ist jeder Objektpunkt A, B, C auf der Objektoberfläche eindeutig mit einem Bildpunkt A', B', C' in der Bildebene 19 der Kamera verbunden. insbesondere ist dieser Zusammenhang unabhängig vom Abstand des Objektpunktes vom Objektiv, d. h. unabhängig davon, ob sich der Objektpunkt in der Fokusebene des Objektivs befindet oder nicht.
Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich von der gemäß 1 zum einen dadurch, dass das kollimierte Licht 31 der Ebenenbeleuchtungseinrichtung 30', die diesmal schematisch als Punktlichtquelle 32 mit einer Linsenanordnung 34 als Kollimationseinrichtung dargestellt ist, mittels eines Spiegels 36 auf den kantennahen Flachbereich 22 des Wafers 10 geworfen wird. Der Spiegel, der der Ebenenbeleuchtungseinrichtung 30' zuzuordnen ist, ist nicht zwingend erforderlich, wie anhand von 1 deutlich gemacht wurde, erleichtert aber die Justage der Inspektionsvorrichtung, da er auf einfache Weise verschiebbar, insbesondere in Richtung der einfallenden Lichtstrahlen 31', und kippbar ist.
Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich von der gemäß 1 ferner durch eine zweite Kantenbeleuchtungseinrichtung 29, die relativ zur Digitalkamera 14 und zur Objektkante 18 so angeordnet ist, dass ein Bild der Objektkante 18 wenigstens im Teilprofil unter Hellfeldfeldbeleuchtung erzeugt wird. Die zweite Kantenbeleuchtungseinrichtung 29 ist als kreissegmentförmiges Ringsegment (kurz: Ringlicht) ausgeführt, das so justiert ist, dass dessen Mittelpunkt im Bereich der Objektkante 18 liegt. Das Ringlicht weist beispielsweise eine dichte Anordnung von Lichtquellen, vorzugsweise LEDs, auf einem Ringsegmentförmigen Halter auf. Es beleuchtet den oberen Bevel, die Apex und zumindest teilweise auch den unteren Bevel der Waferkante 18. Die Halterung des Ringlichts (nicht gezeigt) verfügt ferner über eine Justagemöglichkeit, die es ermöglicht, das Ringlicht in der Ringebene um dessen Zentralpunkt zu drehen. Er wird vorzugsweise so justiert, dass der äußerste obere (bzw. untere) Strahl gerade nicht auf den Flachbereich 22 des Wafers 10 fällt und der von einem äußerste Ende ausgehende radiale Lichtstrahl parallel zu dem kollimierten Licht der Ebenenbeleuchtungseinrichtung 30' verläuft. Das Ringlicht ist ferner so gestaltet, dass die äußerste Lichtquelle möglichst nahe am Ende des Ringlichtkörpers liegt.
Gleichzeitig wird der Spiegel 36 so justiert, dass die Lichtstrahlen 31 der Ebenenbeleuchtungseinrichtung 30' in einem dem Anstellwinkel der Kamera 14 entgegengesetzt gleichen Winkel gerade an der Kantenbeleuchtungseinrichtung 29 vorbei auf den kantennahen Flachbereich 22 fällt und eine möglichst homogene Ausleuchtung des Flachbereichs bis zum Übergang in den oberen Bevel erzielt wird. Um eine Abschattung an dieser Stelle zu vermeiden, ist es notwendig, dass die Kantenbeleuchtungseinrichtung 29 nicht in den Strahlengang der Ebenenbeleuchtungseinrichtung 30 hineinragt.
Bei korrekter Justage beider Beleuchtungseinrichtungen 29, 30' und 36 ergibt sich ein lückenloses Hellfeldbild der Kantenumgebung von der Waferkante 18 bis in den oberen kantennahen Flachbereich 22.
Beide Beleuchtungseinrichtungen 29, 30' und 36 sind unabhängig voneinander ansteuerbar. Insbesondere ist die zweite Kantenbeleuchtungseinrichtung 29 auf einen anderen Helligkeitswert wie der Flachbereich eingestellt, so dass sich an der Übergangslinie Flachbereich/Kante ein Helligkeitsunterschied im Bild ergibt, der es ermöglicht, die Bevelline (automatisch) zu identifizieren, wie anhand von 6 erläutert werden wird.
3 zeigt isoliert und stark vereinfacht die Relativanordnung der Kamera 14 und der zweiten Kantenbeleuchtungseinrichtung 29 zur Erzeugung eines Hellfeldbildes der Kante 18 des Wafers 10 in der Draufsicht. Die Position der Kamera 14 ist um einen ersten Winkel α aus der Radialebene 20 des kreisrunden Wafers 10 herausgeschwenkt, während die zweite Kantenbeleuchtungseinrichtung 29 um einen entgegengesetzt gleichen Winkel β aus dieser herausgeschwenkt ist. Selbstverständlich wird auch die gegenüberliegende und hier nicht dargestellte Ebenenbeleuchtungseinrichtung 30' um denselben Winkel α zusammen mit der Kamera aus der Radialebene 20 herausgeschwenkt, damit deren Licht nach Reflexion an der Waferoberseite entlang der optischen Achse der Kamera verläuft.
Die 4 und 5 zeigen in isolierter und vereinfachter Darstellung, wie sich die erfindungsgemäße Inspektionsvorrichtung mit einer Dunkelfeldbeleuchtung und einer Hintergrundbeleuchtung für die Objektkante kombinieren lässt. Der Wafer 10 liegt auf einem Drehtisch 12 auf, welcher motorisch, vorzugsweise mittels Schrittmotor, angetrieben ist und den Wafer 10 während der Messung in Rotation versetzt. Eine Motorsteuerung (nicht dargestellt) kann vorgesehen sein, die einen Steuerimpuls ausgibt, der einerseits dazu genutzt wird, die Drehbewegung zu steuern und andererseits die Aufnahme der Objektkante mit der Drehbewegung zu synchronisieren.
Die Digitalkamera 14 ist, wie in den vorausgegangenen Ausführungsbeispielen, vorzugsweise eine Zeilenkamera. Die Bildzeile liegt in diesem Beispiel und im Gegensatz zu 3 in der als gestrichelte Linie 20 dargestellten Radialebene.
Es ist ferner eine erste Kantenbeleuchtungseinrichtung 28 vorgesehen, welche in diesem Beispiel in Form von beidseits der Digitalkamera jeweils einer fokussierten Lichtkanone hoher Intensität ausgestaltet ist. Die Anzahl der Lichtquellen und deren Anordnung sind nicht erfindungserheblich, solange keine direkten Reflexe der Lichtquelle an der Waferkante in die Kameraoptik 16 einfallen. Deshalb kann auch eine einzelne Lichtquelle genügen oder es können mehrere vorgesehen sein bis hin zu einer quasi flächigen, bogenförmigen Lichtquelle, in deren Zentrum oder Fokus die Objektkante liegt. Während eine solche flächige Lichtquelle aufgrund ihres großen Winkelspektrums den Kantenbereich nahezu unabhängig von dessen Geometrie gleichmäßig beleuchtet, hat die einzelne Lichtquelle den Vorteil in einfacher Weise fokussierbar zu sein und somit einen Lichtfleck hoher Intensität auf der Objektoberfläche zu erzeugen.
Mit der gezeigten Anordnung der Digitalkamera 14 und der Beleuchtungseinrichtung 28 lässt sich ein Dunkelfeldbild der Waferkante 18 erzeugen, da die optische Achse der Kamera 14 senkrecht auf der Waferkante steht und die Beleuchtungseinrichtung 28 aus der radialen Ebene 20 herausgeschwenkt sind. Deshalb fallen die an einer intakten Objektkante 18 unter dem Ausfallswinkel α bezüglich der radialen Ebene 20 reflektierten Lichtstrahlen nicht in die Linse der Kamera ein. Die Objektkante 18 liegt somit im Normalfall im Dunkelfeld.
Auf der der Digitalkamera 14 abgewandten Seite des Wafers 10 befindet sich eine Hintergrundbeleuchtungseinrichtung 40, hier als nahezu punktförmig, nicht kollimiert abstrahlende Lichtquelle. Diese ist bezüglich des Randes des Wafers 10 und der Digitalkamera 14 so angeordnet, dass das von ihr ausgehende Licht zumindest in Teilen in Richtung der Digitalkamera abgestrahlt wird. Zugleich wird das in Richtung der Digitalkamera abgestrahlte Licht aber von dem Wafer 10 etwa zur Hälfte des Bildfensters abgeschattet (der Waferrand muss nicht wie in diesem Fall mittig in dem Bild verlaufen). Da die Digitalkamera auf die Objektkante 18 fokussiert ist, wird die entfernter liegende Hintergrundbeleuchtungseinrichtung 40 als unscharfer flächiger Lichtfleck auf dem Sensor der Kamera abgebildet. Gegenüber einem solchen flächig hellen Hintergrund werden die Objektoberfläche und insbesondere die im Dunkelfeld liegende Waferkante als dunkle Fläche mit scharfem Rand abgebildet.
In der 5 ist zusätzlich wieder die Ebenenbeleuchtungseinrichtung 30 dargestellt. Der Kontrast zwischen der Hauptfläche 22 im Hellfeldbild und der schrägen Kante 24, die im Dunkelfeld beider Beleuchtungseinrichtungen 28, 30 liegt, ist besonders groß, so dass die Bevelline, also der linienförmige Übergang von dem Bevel 24 zur Hauptfläche 22, gut erkannt werden kann. In Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen, genauen Randerkennung kann die Breite des Bevel und somit die Poliergenauigkeit der Objektkante über den gesamten Umfang des Wafers mit besonders hoher Präzision detektiert werden.
Die erste und die zweite Kantenbeleuchtungseinrichtung 28, 29 und die Hintergrundbeleuchtungseinrichtung 40 lassen auch miteinander in einer Inspektionsvorrichtung kombinieren. Die unterschiedlichen Beleuchtungseinrichtungen sind dann für die verschiedenen Beleuchtungszwecke wechselseitig und/oder kombiniert zu betreiben, um eine möglichst effiziente und kontrastreiche Bildgewinnung zu ermöglichen.
Dabei ist eine dahingehend veränderte Anordnung zu beachten, dass auch die Hintergrundbeleuchtungseinrichtung 40 und die erste Kantenbeleuchtungseinrichtung 28 zusammen mit der Kamera 14 um denselben Winkel α verschwenkt werden damit die jeweiligen vorstehend beschriebenen Bedingungen an den Strahlengang erfüllt sind.
Auch ist zu beachten, dass das Ringlicht auch auf der gegenüberliegenden Unterseite des Wafers nicht in die Hintergrundbeleuchtung hineinragt. Akzeptabel hingegen ist dort eine Lücke in der Beleuchtung, die dazu führt, dass im Hellfeldbild unterhalb der Apex-Mitte ein dunkler Balken sichtbar ist, an den dann der beleuchtete Hintergrund anschließt, vgl. 6. Dieses Verhalten kann toleriert werden, da dieser schwarze Balken im Bild nach dem Zusammenführen der Bilder von oberer und unterer Kamera an der Apex-Mitte verschwindet. In den Rohdaten erleichtert der dunkle Bereich außerdem das Auffinden des Waferrandes.
In 6 ist ein idealisiertes Histogramm des Helligkeitsverlaufes einer Bildzeile von der Kantenumgebung eines Wafers ohne Defekt dargestellt. H1 bezeichnet darin den Helligkeitswert des direkten Reflexes von der im Hellfeld der Ebenenbeleuchtungseinrichtung liegenden Hauptebene, H2 den erfindungsgemäß davon unabhängig einstellbaren Helligkeitswert der im Hellfeld der zweiten Kantenbeleuchtungseinrichtung liegenden Kante und H3 den ebenfalls unabhängig einstellbaren Helligkeitswert des direkt in die Kamera einfallenden Lichtes von der Hintergrundbeleuchtungseinrichtung. Neben dem dargestellten Fall H1 < H2 < H3 sind auch andere Relationen möglich, solange ein ausreichender Kontrast bleibt, der die Übergänge der Bereiche Hauptfläche, Kante und Hintergrund unterscheidbar macht.
Die Kante schließt in dieser Abbildung den oberen Bevel, die Apex und einen Teil des unteren Bevel ein. Dies liegt an der zuvor beschriebenen schrägen Kameraposition, die zudem außerhalb der Projektion des Wafers auf die Hauptebene liegt. Der untere Bevel läuft aus dem Hellfeld der zweiten Kantenbeleuchtungseinrichtung heraus, weshalb die Helligkeit der Kante noch vor dem Waferrand auf den Wert 0 abfällt.
Hieran schließt sich (radial auswärts) das Abbild die Hintergrundbeleuchtung an, dessen Intensitätswert sogar noch niedriger eingestellt ist als der der im Hellfeld liegenden Kante, so dass auch unter einem anderen Blickwinkel, aus dem die gesamte abgebildete Kante im Hellfeld liegt, ein ausreichender Kontrast zur Identifizierung des Waferrandes vorliegt.

Claims

Inspektionsvorrichtung für die optische Untersuchung von Oberflächen in einer Kantenumgebung eines ansonsten ebenen, unstrukturierten Wafers (10), mit wenigstens einer der Objektoberfläche unter einem schrägen Winkel zur Objektebene zugewandten und auf die Objektkante (18) fokussierbaren Digitalkamera (14) und einer Ebenenbeleuchtungseinrichtung (30), die eine Kollimationseinrichtung umfasst und die relativ zur Digitalkamera (14) und zur Objektoberfläche so angeordnet ist, dass kollimiertes Licht auf eine sich an die Objektkante anschließende ebene Hauptfläche (22) der Objektoberfläche in der Kantenumgebung geworfen und ein Bild derselben unter Hellfeldbeleuchtung erzeugt werden kann.
Inspektionsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hintergrundbeleuchtungseinrichtung (40), die auf der der Digitalkamera (14) abgewandten Seite des Objekts (10) so angeordnet ist, dass von ihr Licht in Richtung der Digitalkamera (14) abgestrahlt wird, wobei das in Richtung der Digitalkamera (14) abgestrahlte Licht teilweise von dem Objekt (10) abgeschattet wird.
Inspektionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Bildverarbeitungseinrichtung, die ein Randerkennungsmittel aufweist, welches eingerichtet ist, aus den Bildpunktinformationen des mit der Digitalkamera (14) erzeugten Bildes anhand eines Kontrastes zwischen der Objektkante (18) und der Hauptfläche (22) eine Übergangslinie (Bevelline) zu identifizieren.
Inspektionsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Randerkennungsmittel eingerichtet ist, aus Bildpunktinformationen des mit der Digitalkamera (14) erzeugten Bildes anhand eines Kontrastes zwischen der Objektkante (18) und der Hintergrundbeleuchtung den Rand des Objekts (10) zu identifizieren.
Inspektionsvorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinrichtung ein Kantenanalysemittel aufweist, welches eingerichtet ist, den Abstand zwischen der Bevelline und dem Rand zu überwachen.
Inspektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinrichtung ein Strukturerkennungsmittel aufweist, welches eingerichtet ist, ein Strukturmerkmal der Objektkante (18) aus Bildpunktinformationen des mit der Digitalkamera (14) erzeugten Bildes anhand des Kontrastes zwischen der Objektkante (18) und der Hintergrundbeleuchtung zu identifizieren.
Inspektionsvorrichtung nach Anspruch 3, 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinrichtung eingerichtet ist, anhand des identifizierten Randes und des identifizierten Strukturmerkmals ein Koordinatensystem festzulegen.
Inspektionsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinrichtung eingerichtet ist, die Lage der Bevelline in Bezug auf das Koordinatensystem zu bestimmen.
Inspektionsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste Kantenbeleuchtungseinrichtung (28), die relativ zur Digitalkamera (14) und zur Objektkante (18) so angeordnet ist, dass ein Bild der Objektkante (18) unter Dunkelfeldbeleuchtung erzeugt werden kann.
Inspektionsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zweite Kantenbeleuchtungseinrichtung, die relativ zur Digitalkamera (14) und zur Objektkante (18) so angeordnet ist, dass ein Bild der Objektkante (18) unter Hellfeldfeldbeleuchtung erzeugt werden kann.
Inspektionsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kantenbeleuchtungseinrichtung in Form eines Ringsegments ausgestaltet ist, das die Objektkante teilweise umspannt.
Inspektionsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringsegment kreissegmentförmig und so justierbar ist, dass dessen Mittelpunkt im Bereich der Objektkante liegt.
Inspektionsvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringsegment so justierbar ist, dass der von einem äußersten Ende ausgehende radiale Lichtstrahl parallel zu dem kollimierten Licht der Ebenenbeleuchtungseinrichtung (30) verläuft.
Inspektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinrichtung eingerichtet ist, aus den Bildpunktinformationen des Dunkelfeldbildes und/oder des Hellfeldbildes der Objektkante (18) anhand von Reflexen und/oder Streulicht Oberflächendefekte im Kantenbereich zu identifizieren.
Inspektionsvorrichtung nach Anspruch 14 in Verbindung mit Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungseinrichtung eingerichtet ist, die Lage der Oberflächendefekte in Bezug auf das Koordinatensystem zu bestimmen.
Inspektionsvorrichtung nach Anspruch 2 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kantenbeleuchtungseinrichtung, die Hintergrundbeleuchtungseinrichtung (40) und die Ebenenbeleuchtungseinrichtung (30) getrennt voneinander ansteuerbar sind.
Inspektionsverfahren für die optische Untersuchung von Oberflächen in einer Kantenumgebung eines ansonsten ebenen, unstrukturierten Wafers (10), mit den Schritten – Beleuchten einer sich an eine Objektkante (18) anschließenden ebenen Hauptfläche (22) der Objektoberfläche in der Kantenumgebung mittels einer Ebenenbeleuchtungseinrichtung (30), wobei das von der Ebenenbeleuchtungseinrichtung (30) ausgehende Licht kollimiert ist, – Aufnehmen eines digitalen Bildes von der Objektkante (18) der Objektoberfläche mittels einer Digitalkamera (14), – wobei das von der Ebenenbeleuchtungseinrichtung (30) ausgehende und an der Hauptfläche (22) reflektierte Licht in die Digitalkamera (14) einfällt und ein Hellfeldbild der Hauptfläche (22) erzeugt wird.
Inspektionsverfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin umfasst – Beleuchten des Hintergrundes während des Aufnehmens des Kantenbildes mittels einer auf der der Digitalkamera (14) abgewandten Seite des Objekts (10) angeordneten Hintergrundbeleuchtungseinrichtung (40), deren Licht in Richtung der Digitalkamera (14) abstrahlt, wobei das in Richtung der Digitalkamera (14) abgestrahlte Licht teilweise von dem Objekt (10) abgeschattet wird,
Inspektionsverfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin umfasst – Ermitteln einer Übergangslinie (Bevelline) aus Bildpunktinformationen des mit der Digitalkamera (14) erzeugten Bildes anhand eines Kontrastes zwischen der Objektkante (18) und der Hauptfläche (22).
Inspektionsverfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin umfasst – Ermitteln eines Randes des Objekts (10) aus Bildpunktinformationen des mit der Digitalkamera (14) erzeugten Bildes anhand eines Kontrastes zwischen der Objektkante (18) und dem Hintergrund.
Inspektionsverfahren nach Anspruch 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Bevelline und dem Rand überwacht wird.
Inspektionsverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strukturmerkmal der Objektkante (18) aus Bildpunktinformationen des mit der Digitalkamera (14) erzeugten Bildes anhand des Kontrastes zwischen der Objektkante (18) und der Hintergrundbeleuchtung identifiziert wird.
Inspektionsverfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des ermittelten Randes und des identifizierten Strukturmerkmals ein Koordinatensystem festgelegt wird.
Inspektionsverfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Bevelline in Bezug auf das Koordinatensystem bestimmt wird.
Inspektionsverfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin umfasst – Beleuchten der Objektkante (18) mittels einer ersten Kantenbeleuchtungseinrichtung (28), so dass das von der Kantenbeleuchtungseinrichtung (28) ausgehende und an der Objektkante (18) reflektierte Licht nicht in die Digitalkamera (14) einfällt und ein Dunkelfeldbild der Objektkante (18) erzeugt wird.
Inspektionsverfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin umfasst – Beleuchten der Objektkante (18) mittels einer zweiten Kantenbeleuchtungseinrichtung (29), so dass das von der Kantenbeleuchtungseinrichtung (29) ausgehende und an der Objektkante (18) reflektierte Licht in die Digitalkamera (14) einfällt und ein Hellfeldbild der Objektkante (18) erzeugt wird.
Inspektionsverfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektkante von einem dieses teilweise umspannenden Ringsegments beleuchtet wird.
Inspektionsverfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringsegment so justiert wird, dass dessen Mittelpunkt im Bereich der Objektkante liegt.
Inspektionsverfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass der von einem äußersten Ende des Ringsegments ausgehende radiale Lichtstrahl parallel zu dem kollimierten Licht der Ebenenbeleuchtungseinrichtung (30) verläuft.
Inspektionsverfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächendefekte im Kantenbereich aus den Bildpunktinformationen des Dunkelfeldbildes und/oder des Hellfeldbildes der Objektkante (18) anhand von Reflexen und/oder Streulicht identifiziert werden.
Inspektionsverfahren nach Anspruch 30 in Verbindung mit Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Oberflächendefekte in Bezug auf das Koordinatensystem bestimmt wird.
Inspektionsverfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kantenbeleuchtungseinrichtung (29), die Hintergrundbeleuchtungseinrichtung (40) und die Ebenenbeleuchtungseinrichtung (30) getrennt voneinander so angesteuert werden, dass gleichzeitig ein Hellfeldbild der Objektkante (18) und ein Hellfeldbild der Hauptfläche (22) erzeugt wird und ein ausreichender Kontrast zwischen der Objektkante (18) und dem Hintergrund sowie zwischen der Objektkante (18) und der Hauptfläche (22) besteht.