CN101432628B - 用于检查基板的表面的测量装置和测量方法 - Google Patents

用于检查基板的表面的测量装置和测量方法 Download PDF

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Abstract

提出一种用于检查基板(140)的表面(141)的测量装置(100)。测量装置(100)具有保持元件(110)和空气支承的元件(120，220)，该空气支承的元件安装在保持元件(110)上，并且这样构造，使得它可以与要检查的基板(140)的表面(141)一起构成空气支承，并且所述空气支承的元件具有弹性，从而空气支承的元件(120，220)可以匹配表面(141)的不平度。测量装置(110)此外具有至少一个传感器(130，230)，其安装在空气支承的元件(120，220)上，并且设置用于检测基板(140)的表面(141)。由于空气支承的元件(120，220)的弹性，所述至少一个传感器(130，230)即使在要检测的表面(141)具有波浪度的情况下也能够以到表面(141)的预定的测量距离运动。此外描述了一种用于表面检查的测量方法，其中所述的测量装置(100)相对表面(141)移动。

Description

用于检查基板的表面的测量装置和测量方法
技术领域
本发明涉及一种用于检查基板的表面的测量装置和测量方法，该测量装置具有传感器，该传感器可以以预定的距离定位在要测量的表面上方。
背景技术
在平面的表面检查的领域上，传感器一般以预定的距离定位在要测量的基板表面上方。该定位通常通过定位系统进行，传感器利用该定位系统可以定位在平行于要测量的表面的平面内。通过定位系统的相应的控制，可以由此例如通过回形的运动扫描整个要测量的表面。为了实现高的测量精度，还使用了具有多个单个传感器的传感器，这样通过多个测量点的同时测量，将确定表面的测量时间相应于单个传感器的数量得到降低对。
根据要进行的测量任务的类型使用了不同的传感器。对于光学的检查通常应用具有例如行传感器或者平面传感器的照相机。对于电容的测量任务应用一个测量头或者多个测量头，该测量头利用一定的交流或者直流电压推动。通过相应的测量头的小的电流用作测量信号，该电流根据在测量头和要测量的表面的相应的测量点之间的电容确定。
这样例如已知一种方法，该方法能够对应用于液晶显示器(LCD)的基板的导体线路结构在LCD完成之前鉴于可能的故障进行检查。通过在测量头和导体线路结构的位于测量头对面的区域之间的相应的电容的测量可以由此识别不希望的导体线路结构的短路、断路和缩颈。这样的故障可以或者在LCD基板的进一步加工之前维修，或者将该LCD基板从生产过程中剔除。由此无论如何都可以明显降低液晶显示器的生产成本。
在传感器和要测量的基板表面之间的距离的高精度的调整和保持一般对于精确的检查是必需的。但是如果要测量的基板具有不平的或者是轻微波纹的表面，那么精确的距离的保持明显变困难。因此为了测量不平的表面必须应用定位系统，该定位系统不仅能够获得传感器在平行于要测量的表面的平面内的定位，而且也能够获得垂直于这个平面的定位。不过这样的垂直于要测量的表面的定位一般导致测量过程的变慢以及导致测量精度的降低。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种测量装置和一种测量方法，它们也能够实现不平的基板表面的精确测量。
该任务通过独立权利要求的主题解决。本发明有利的实施方式在从属权利要求中说明。
利用独立权利要求1说明了一种用于检查基板的表面的测量装置。该测量装置具有(a)保持元件以及(b)安装在保持元件上的空气支承的元件，该空气支承的元件这样构造，使得它可以与要检查的基板表面一起构成空气支承，并且所述空气支承的元件具有弹性，从而该空气支承的元件可以匹配表面的不平度。所述的测量装置此外具有(c)至少一个传感器，该传感器安装在空气支承的元件上，并且该传感器被设置用于检测基板的表面。
本发明基于这种认识，即空气支承的元件借助柔性的传感器支架实现。该柔性的传感器支架在此可以不应用完全刚性的元件或者是刚性的材料来构造。由此该空气支承的元件类似于一条可以轻微弯曲的尺，它能够在可能存在的不平度下匹配要检查的表面。空气支承的元件的柔性的设计方案，能够实现特别是对要检查的基板表面的长作用范围的波纹或者波浪度的匹配。
该空气支承的元件例如可以借助具有必需的柔性的薄玻璃实现。同样该柔性的空气支承的元件可以至少部分由塑料例如聚氯乙稀(PVC)制成，或者由纤维增强的材料例如碳纤维复合材料制成。
该保持元件例如是保持框架，该柔性的空气支承的元件至少在两侧固定在该保持元件中。在此该空气支承的元件可以借助柔性的实体铰链固定在保持框架上。
就此而言，对实体铰链的概念要理解为构件的具有减小的弯曲刚度的位置，该位置被构件的邻接的部位所限定，上述部位与实体铰链相比具有明显更高的弯曲刚度。以这种方式，保持元件和空气支承的元件可以作为运动副一体地例如通过微机械的构造方法来生产。所述减小的弯曲刚度一般通过局部的横截面减小来产生。在此横截面可以只沿着一个空间方向减小，或者也可以沿着多个空间方向减小。横截面的变化可以具有不同的几何形状。如果横截面沿着铰链跳跃式地减小到更小的并且此外在一定的距离上恒定的值，则产生板簧铰链。不过横截面也可以连续地变化，这样的逐渐变细部例如具有圆弧的形状。
该空气支承可以通过吹气喷嘴实现，它构造在柔性的空气支承的元件中。在传感器和要检查的基板表面之间的预定的测量距离，可以通过气动的力之间的力平衡和例如通过重力来确定。该气动的力在此通过在要测量的基板表面和柔性的空气支承的元件之间的气流产生。该力平衡依赖测量头的质量，该测量头包括空气支承的元件和传感器以及必要时的保持元件。在此重力和气动的力彼此相向，其中例如通过气流的提高产生的气动的力的提高从而导致测量距离的变大，附加地可以通过反力提高空气支承的动态稳定性。
在此要指出，在气动的力和其它的力之间也可以产生力平衡，这样也可以测量相对重力不是向上取向的表面。此外其它的力相比重力提供了这种可能性，即检查相对重力不是向下取向的基板表面。例如通过测量头的上面迫近，在下面借助真空抽吸，可以检查这种基板表面，其中在这种情况下，通过(a)在一侧的气动力以及测量头的重力与(b)在另一侧的向上取向的真空抽吸的引力之间的力平衡来确定测量距离。当然也可以进行垂直或者倾斜延伸的表面的检查，只要该测量头在相应的角度下迫近在基板表面上。当然也可以考虑与真空抽吸不同方式产生力的可能方案。
根据本发明的按照权利要求2的一种实施例，该测量装置附加地具有定位系统，该定位系统与保持元件和/或要检查的基板连接，这样传感器可以相对表面定位。
该定位系统可以是所谓的面定位系统，它可以进行传感器相对基板表面的两维的运动。在此不仅可以实现基板的两维的定位，而且可以实现测量头的两维的定位，该测量头包括保持元件、空气支承的元件和传感器。
定位系统也可以这样设计，使得基板可以沿着第一方向运动并且测量头可以沿着第二方向运动，该第二方向与第一方向成角度，优选垂直地取向。以这种方式可以通过两个直线运动的结合实现基板表面的精确的两维扫描。
当然也可以只进行测量头相对基板的一维的定位。在这种情况下也可以实现基板表面的平面扫描，即如果应用了带有多个传感器的测量装置或者测量头，所述传感器例如布置成一列，该列与直线的运动方向成角度或者优选垂直地取向。
根据本发明的按照权利要求3的另一个实施例，该测量装置附加地具有紧急状况涂层，该涂层构造在空气支承的元件上。这具有此优点，即在空气支承的元件和基板表面之间例如由于吹气产生装置的故障出现不希望的机械接触的情况下，此情况导致空气支承的崩溃，使要检查的基板表面不会损坏。例如特富龙涂层适合作为紧急状况涂层。
紧急状况涂层附加地具有此优点，即安装在空气支承的元件上的传感器也可以防止由于基板受到损坏。
按照权利要求4，该测量装置附加地具有预紧产生装置，它这样设计，即空气支承的元件可以在机械的预紧下引导到表面上。
这样的预紧产生装置的应用具有此优点，即可以保证空气支承的元件在基板的三维成形的表面上的特别好的匹配。以这种方式可以不仅在时间上，而且在空间上保证，在一侧的空气支承的元件或者测量头与在另一侧的要检查的基板表面之间的始终恒定的距离。在应用具有多个传感器的测量头时，这些传感器由此可以以相比较简单的方式以恒定的测量距离在基板表面上方引导。
与空气支承反作用的预紧产生装置例如可以具有磁场产生单元，这样空气支承的元件通过磁力压向要检查的表面的方向。该磁场产生单元例如可以具有一个或者多个电磁体，它们从测量头的方向看布置在基板后面。在电磁体的相应的电流推动下，会产生磁性元件的磁吸，该磁性元件安装在柔性的空气支承的元件上。以这种方式可以产生空气支承的元件到基板表面的几乎平面作用的吸引力，其中该平面作用的吸引力与上面所述的气动力构成力平衡。测量距离可以通过在气动的力和磁吸引力之间的比例的相应匹配来精确调整。
按照权利要求5，该预紧产生装置是真空抽吸装置。真空抽吸具有此优点，即在气动的空气支承力和气动的真空吸力之间以简单的方式调整有利于真空抽吸的稳定的平衡。此外产生测量头在要检查的基板表面上以精确确定的、例如为约几个10μm的测量距离的附着。由于空气支承的元件的固有的柔性，整个测量头由此可以几乎准确地匹配要检查的基板表面的波浪度。
气动的预紧产生装置的应用相对其它同样可以考虑的用于产生尽可能均匀的预紧的可能性具有此优点，即预紧产生装置气动地与用于空气支承的元件在基板表面上的空气支承的吹气产生装置结合。这例如可以通过文杜利管喷嘴的应用或者其它的气动元件的应用进行，这样利用单个的压缩空气或者真空产生装置，不仅可以产生对空气支承必需的吹气，而且产生对气动的预紧必需的负压。
按照权利要求6，该测量装置附加地具有至少一个距离传感器，该距离传感器构造在空气支承的元件上。这具有此优点，即在测量装置工作期间，至少在测量头的预定的位置上可以进行测量距离的控制。由此例如可以在分析由传感器获取的测量信号时考虑距离信息。
优选使用多个距离传感器，这样相应的测量距离可以在测量头的多个确定的位置上获取。
按照权利要求7，该距离传感器是光学的距离传感器和/或电容的距离传感器。
特别是共焦点的距离传感器适合作为光学的距离传感器，它相对基于三角测量的测量原理的距离传感器，具有照明和测量光线的同轴导向，这样距离测量可以在侧面非常小的延伸的体积范围内实现。此外共焦点的距离传感器具有此优点，即具有非常高的精度测量非常小的测量距离，也就是说，以非常高的在μm的数量级上的深度分辨率。共焦点的距离传感器例如在W02005/078383A1、在EP1398597A1或者在DE19608468A1中描述。除了共焦点的距离传感器也可以使用干涉的传感器，该传感器由于其高的分辨能力而提供合适的精度。
按照权利要求8，该测量装置附加地具有调节单元，它与距离传感器和预紧产生装置和/或与距离传感器和吹气产生装置耦接。这具有此优点，即可以构成封闭的，也就是说，具有反馈的调节回路用于高度调节，这样可以保证在一侧的空气支承的元件或者测量头与在另一侧的要检查的基板表面之间的始终确定的测量距离。
利用独立的权利要求9给出了一种用于检查基板的表面的测量方法。该测量方法具有下面的步骤：将上述的测量装置相对基板的表面移动，其中由于空气支承的元件的弹性，其中至少一个的传感器以到表面的预定的测量距离运动。
本发明基于这样的认识，即由于空气支承的元件的柔性，测量装置的测量头能够自动匹配基板表面的三维的表面结构。以这种方式，不仅在时间上，而且在空间上可以保证至少一个传感器到要检查的表面的恒定的距离。
附图说明
本发明其它的优点和特征下面由现在优选的实施方式的示例的说明给出。在图中以示意图示出：
图1在横截面图中示出了柔性和气动预紧的传感器支架对基板的波浪表面的匹配。
图2示出了在图1中示出的传感器支架的俯视图。
在这里要补充说明，在图中相同的或者互相对应的部件的标记只在它们的第一数字上不同。
具体实施方式
图1按照本发明的一个实施例示出了一种测量装置100，该测量装置具有一个柔性的传感器支架120，该传感器支架可以借助面定位系统115在要检查的基板140的表面141上方运动。该定位在这种情况下可以在一个通过X轴和Y轴形成的定位平面内进行。
测量装置100具有一个保持元件110，该固定元件按照这里所示的实施例是保持框架110。在固定框架上构造有两个固定元件111。柔性的传感器支架120通过各一个实体铰链112与一个固定元件111连接。柔性的传感器支架120借助实体铰链112的固定具有此优点，即传感器支架120和两个固定元件111可以一体地例如通过微机械的构造方法制造。当然也可以应用任意的其它悬挂元件或者机械的连接元件来代替实体铰链112。
柔性的传感器支架120装备有多个传感器130，它们沿着X轴布置成一列。传感器130可以是任意的传感器，例如光学的、电容的和/或电感的传感器。传感器130也可以平面地布置，这样表面141可以以特别有效的方式通过多个传感器130的同时工作扫描。
柔性的传感器支架120附加地具有多个吹气通道131，它们以未示出的方式与吹气产生装置132气动耦接。通过以压缩空气相应于吹气通道131，由此产生一个气流，该气流在吹气通道131的下端开口上朝着基板表面141的方向喷出。以这种方式在柔性的传感器支架120的下侧面和表面141之间产生一个气垫，该气垫产生传感器支架120在要检查的表面141上的空气支承。柔性的传感器支架120就此而言因此也称为空气支承的元件120。
空气支承的元件120的正对要检查的表面141的一侧具有一个所谓的紧急状况涂层121。按照这里所示的实施例，对于紧急状况涂层是指特富龙涂层121，该涂层在吹气产生装置132的意外故障的情况下防止传感器130和/或基板表面141的损坏。
如由图1可以看出，在该图中为了更好的理解将基板表面141的波纹强烈夸大地示出，空气支承的元件120可以由于它的固有的柔性或者弹性匹配表面141的波纹。以这种方式保证，虽然有基板表面141的所示的波纹，所有的传感器130还以基本上相同的测量距离处于表面141的上方。这也适合于柔性的传感器支架120的运动，此时空气支承的元件120可以动态地匹配表面141的三维结构。
在应用用于空气支承的元件120的相应的弹性材料时，可以由此在实际中毫无问题地通过柔性的空气支承的元件120的相应的匹配来补偿沿着Z方向的表面波浪度，该表面波浪度在波峰和波谷之间具有数量级为从50μm到150μm的最大高度差。空气支承的元件120的高的柔性在此也可以实现对在平行于X轴和Z轴的平面内具有相比较短的作用范围的波纹的匹配。
为了提高柔性的空气支承的元件120特别在具有短的作用范围的波纹上的匹配精度，在柔性的空气支承的元件120中构造了附加的吸气孔133，它以未示出的方式与真空产生装置134耦接。以这种方式，除了柔性的传感器支架120的朝着基板140的方向作用的重力外，还产生附加的吸力，该吸力将传感器支架120朝着基板140的方向吸引。此时在确定的测量距离下，在一侧的吸引的重力和真空吸力与在另一侧的排斥的空气支承力之间出现了力平衡，其中该空气支承力通过由吹气通道231喷出的出气产生。通过这些力的比例的相应的选择，可以调整单个的传感器130和基板表面141之间的测量距离。由此原因，不仅吹气产生装置132，而且真空产生装置134都与调节单元137耦接。
空气支承的元件120例如可以借助具有必需的柔性的薄玻璃实现。该柔性的空气支承的元件同样可以至少部分由塑料，例如聚氯乙稀(PVC)制成或者由纤维增强的材料，例如碳纤维复合材料制成。陶瓷、玻璃或者碳纤维复合材料用于产生空气支承的元件120的应用具有此优点，即这些材料可以精密的加工，这样吹气通道131和/或吸气孔233可以以高的精度构造在柔性的传感器支架120中。
在此要指出，特别是吹气通道131可以借助激光加工构造。以这种方式例如可以产生具有仅仅4μm的直径的吹气通道131以及因此相应降低的气动死点容积。
所述的测量装置100例如可以在检查半成品的液晶显示器时应用。此时要检查安装在基板表面上的导体线路结构，其中相应的基板沿着基板表面141具有数量级在从300mm到400mm的尺寸范围内的侧面延伸尺寸。当然也可以利用本身柔性的传感器支架120的所述的空气支承检查具有其它尺寸的基板，其中由于柔性的传感器支架120的匹配能力可以对所有的传感器130保证到要检查的表面的尽可能恒定的测量距离。
所述的测量装置100具有此优点，根据相应的应用，传感器支架120可以针对每个要检查的表面141的大小进行确定尺寸。由此可以对不同的检查任务生产适合的测量装置100，该测量装置由于应用的传感器支架120的柔性，可以获得对要检查的表面的波浪度的动态匹配。
图2示出了在图1中示出的传感器支架120的俯视图，该传感器支架现在设有标记220。按照这里示出的实施例，在传感器支架220中集成了三个传感器230。当然也可以应用明显更多的传感器230，这样通过平行扫描可以特别有效的，也就是说特别快的检查基板表面。
如由图2可以看出，每个传感器230配属了两个吸气孔233以及多个细的吹气通道231，它们布置在相应的传感器230的左侧和右侧。按照这里示出的实施方式，直接在传感器230旁边构造了两个吸气孔233。之外稍远处是吹气通道231。当然也可以考虑任意的其它的几何布置，该布置在预定的测量距离下允许在一侧的吸引的重力和真空吸力与在另一侧的排斥的空气支承力之间的力平衡。以这种方式在相比较短的作用范围的表面波纹的情况下，也可以保证传感器支架220的稳定的高度定位。
如此外由图2可以看出，在传感器支架220中此外设有距离传感器235。该距离传感器与在图2中未示出的调节单元(参见图1，标记137)连接，这样实现一个封闭的调节回路，利用该调节回路精确调整传感器到要检查的表面的测量距离，并且在测量工作期间可以保持不变。可以应用光学的或者也可以是电容的距离传感器作为距离传感器。特别是共焦点的距离传感器适合作为光学的距离传感器，其相对基于三角测量原理的距离传感器而言，具有照明和测量光线的同轴导向，这样距离测量可以在侧面非常小地延伸的体积范围内实现。
在此要指出，这里说明的实施方式仅仅是本发明的可能的实施变型方案的有限的选择。那么可以将单个的实施方式的特征以合适的方式互相组合，从而对专业人员而言，利用这里说明的实施变型方案也将多个不同的实施方式明显公开了。
附图标记列表
100    测量装置
110    保持元件/保持框架
111    固定元件
112    实体铰链
115    面定位系统
120    空气支承的元件/柔性的传感器支架
121    紧急状况涂层/特富龙涂层
130    传感器
131    吹气通道
132    吹气产生装置
133    吸气口
134    真空产生装置
137    调节单元
140    基板
141    表面
220    空气支承的元件/柔性的传感器支架
230    传感器
231    吹气通道
233    吸气口
235    距离传感器

Claims (9)

1.用于检查基板(140)的表面(141)的测量装置，该测量装置具有：
●保持元件(110)
●空气支承的元件(120，220)，该空气支承的元件安装在所述保持元件(110)上，并且所述空气支承的元件(120，220)这样构造，使得该空气支承的元件能够与要检查的基板(140)的表面(141)一起构成空气支承，并且所述空气支承的元件(120，220)具有弹性，从而该空气支承的元件(120，220)能够匹配表面(141)的不平度，
●至少一个传感器(130，230)，该传感器安装在所述空气支承的元件(120，220)上，并且该传感器设置用于检测基板(140)的表面(141)。
2.根据权利要求1所述的测量装置，附加地具有
●定位系统(115)，该定位系统与保持元件(110)和/或要检查的基板(140)耦接，从而传感器(130，230)能够相对表面(141)定位。
3.根据权利要求1至2中任意一项所述的测量装置，附加地具有，
●紧急状况涂层(121)，它构造在空气支承的元件(120)的正对要检测的表面(141)的侧面上。
4.根据权利要求1至2中任意一项所述的测量装置，附加地具有，
●预紧产生装置(133，134，233)，该预紧产生装置这样设置，使得所述空气支承的元件(120，220)能够在机械预紧下引导到表面(141)上。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其中所述预紧产生装置是真空抽吸装置(133，134，233)。
6.根据权利要求4所述的测量装置，附加地具有，
●至少一个距离传感器(235)，它构造在空气支承的元件(220)上。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其中所述距离传感器是光学的距离传感器(235)和/或电容的距离传感器。
8.根据权利要求6至7中任意一项所述的测量装置，附加地具有，
●调节单元(137)，它与距离传感器(235)和预紧产生装置(133，134，233)耦接和/或与距离传感器(235)和用于使空气支承的元件在基板表面上空气支承的吹气产生装置(131，132，231)耦接。
9.用于检查基板(140)的表面(141)的测量方法，该测量方法具有下面的步骤：
●将根据权利要求1至8中任意一项所述的测量装置(100)相对基板(140)的表面(141)移动，其中由于空气支承的元件(120，220)的弹性，其中至少一个传感器(130，230)以到表面(141)的预定的测量距离运动。
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