DD250850A3 - Automatische vorrichtung zur klassifikation von oberflaechendefekten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine automatische Vorrichtung zur Klassifikation von Oberflaechendefekten nach Groesse und Art bei der Anwendung streulichtindikativer Laserscanverfahren. Die Erfindung hat das Ziel, eine hohe Produktivitaet dadurch zu erreichen, dass sie auf relativ zeitaufwendige Mustererkennungsverfahren verzichtet. Ausserdem ermoeglicht sie die Klassifikation von Oberflaechendefekten, die kleiner als der Abtastspotdurchmesser sind. Die Erfindung erfasst dazu den direkten Oberflaechenreflex und das Defektstreulicht unterschiedlicher Streulichtwinkelbereiche durch faseroptische Empfangssegmente und analysiert die Fotoempfaengerausgangssignale mittels einer Digitalisiereinrichtung nach Betrag und Frequenz. Darueber hinaus wird die geometrische Verteilung des Streulichtes bewertet. Die sich fuer die unterschiedlichen Defektgroessen und -arten ergebenden charakteristischen Bitmuster werden hardwaremaessig oder rechnergestuetzt ausgewertet. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Pruefung optischer Bauelemente, mikroelektronischer Halbzeuge (Wafer) und Schichttraeger fuer magnetische Aufzeichnungsmedien. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine automatische Vorrichtung zur Klassifizierung von Oberflächendefekten und ist anwendbar für die automatische Inspektion feinstbearbeiteter Oberflächen, insbesondere wenn eine umfassende Klassifikation von Oberflächendefekten nach Größe und Art gefordert ist.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Prüfung optischer Bauelemente, mikroelektronischer Halbzeuge (Wafer) und Schichtträger für magnetische Aufzeichnungsmedien.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Prüfung von feinstbearbeiteten Oberflächen auf das Vorhandensein von Oberflächendefekten und ihre Klassifikation erfolgt gegenwärtig durch manuelle, halbautomatische oder vollautomatische Vorrichtungen.

Die manuellen und halbautomatischen Vorrichtungen nutzen für den Prüfentscheid die sensorischen Fähigkeiten der Prüfperson (Visueller Prüfeindruck).

Bei manuellen Prüfungen erfolgt sowohl die Defektgrößen- als auch die Defektartenklassifikation auf der Grundlage visueller Informationen durch die Prüfperson.

Halbautomatische Prüfvorrichtungen (z. B. Patent US 4314763) sind zur automatischen Defektgrößenklassifikation geeignet, die Defektartenklassifikation muß jedoch visuell auf der Grundlage eines Monitorbildes erfolgen.

Vollautomatische Prüfvorrichtungen (z.B. „WIS-100" der Firma Aeronca Electronics, Inc., USA oder „SURFSCAN" der Firma Tencor Instruments, USA bzw. Patent DD 140284) nutzen elektronische, zum Teil mikrorechnergestützte Logikschaltungen, die neben der Größen- auch eine Artenklassifikation der Defekte ermöglichen.

Grundlage aller optischen Vorrichtungen zur Oberflächendefektdetektion mittels Laserscanverfahren bildet die direkte oder indirekt Erfassung der Defektstreuwirkung. Die Defektgrößenklassifikation erfolgt durch Vergleich streulichtproportionaler Fotoempfängerausgangsspannungen mit vorgegebenen Schwellwertpegeln. Die Defektartenklassifikation erfolgt bevorzugt durch rechnergestützte Mustererkennungsverfahren, die die geometrische Struktur der Defekte analysieren. Dazu wird die Prüflingsoberfläche in Rasterelemente aufgeteilt und die Lage der defektbehafteten Rasterelemente zueinander analysiert (z. B.

Gerät „SURFSCAN"). Der Nachteil dieses Verfahrens besteht besonders bei großflächigen Prüflingen im großen Zeitaufwand, derzur Durchführung der rechentechnischen Mustererkennung notwendig ist, sowie in derTatsache, daß die Artenklassifikation von Defekten in der Größenordnung des Abtastspotdurchmessers und darunter nicht möglich ist.

Prinzipiell lassen sich alle zur Größen- und Artenklassifikation notwendigen Angaben aus der Streulichtverteilung der Defekte entnehmen. Voraussetzung dafür ist, daß der Charakter der Streulichtverteilung mit genügender Detailliertheit erfaßt und ausgewertet wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dazu in der Lage und gestattet durch vollständigeres Erfassen und Analysieren der Streulichtverteilung umfassendere Größen-und Artenklassifikationen als z.B. das Gerät „WIS-100". Außerdem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend der Schwierigkeit der Prüfaufgabe weiter aufrüstbar.

Die Erfindung hat das Ziel, eine vollautomatische Vorrichtung zu schaffen, die eine umfassende Klassifikation von Oberflächendefekten nach Größe und Art bei der Anwendung streulichtindikativer Laserscan verfahren ermöglicht. Dabei soll insbesondere eine hohe Produktivität möglich sein, so daß auf relativ langwierige rechnergestützte Entscheidungsfindungen z. B. durch Mustererkennungsverfahren verzichtet werden muß. Außerdem sollen auch noch Defekte artenmäßig klassifizierbar sein, die in der Größenordnung des Abtastspotdurchmessers und darunter liegen.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochproduktive Vorrichtung zur Defektklassifikation für die streulichtindikative Oberflächendefektprüfung mittels Laserscanverfahren zu schaffen.

Physikalische Grundlage der Vorrichtung ist die Tatsache, daß Oberflächendefekte auf feinstbearbeiteten Oberflächen die einfallende Lichtwelle in ihrer Amplitude und Phase spezifisch beeinflussen, so daß im entstehenden Streulicht prinzipiell die Information über die Defektgröße und -art enthalten ist.

Zur technischen Umsetzung des physikalischen Grundprinzips erfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt durch faseroptische Mittel zunächst die defektbedingte Streulichtverteilung bezüglich ihrer Intensität und Geometrie. Nach fotoelektrischer Wandlung der richtungsabhängigen Intensitätssignale wird durch elektronische Mittel eine Intensitätsanalyse (Spannungskomparatoren) und Frequenzanalyse (Frequenzfilter) durchgeführt. Die dadurch erhaltenen binären Ausgangssignale (Logikpegel) werden zu einem Bitmuster zusammengefaßt, das einen Code für die verschiedenen Defektgrößen und -arten darstellt. Das Bitmuster enthält Informationen über die räumliche Verteilung, die Größe und die Periodizität des Defektstreulichtes.

Die Unterscheidungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich aus der Datenbreite des Bitmusters. Werden z. B.

vier Logikpegel verwendet, so sind maximal 2⁴ = 16 verschiedene Defekte unterscheidbar.

Die Anzahl der möglichen unterscheidbaren Defektklassen N ergibt sich allgemein aus der Anzahl der verfügbaren Logikpegel η

N = 2ⁿ.

Damit ist prinzipiell die Möglichkeit gegeben, beliebig komplizierte Unterscheidungsaufgaben durch Vergrößern der Logikpegelanzahl zu realisieren.

Zur Detektion des Streulichtes dient ein Meßkopf, der sowohl die indirekte Streulichtindikation (Erfassung des direkten Reflexes) als auch die direkte Streulichtindikation (Erfassung des Streulichtes) realisiert. Letztere wird durch verschiedene Empfangssegmente in unterschiedlichen Streulichtwinkelbereichen und/oder-azimuten realisiert. An jedes faseroptisches Empfangssegment ist ein fotoelektrischer Empfänger angeschlossen, dessen Ausgangssignale durch Spannungskomparatoren größenmäßig und durch Frequenzfilter frequenzmäßig analysiert werden können. Die dabei entstehenden binären Ausgangssignale (Logikpegel) werden, zu einem Bitmuster zusammengefaßt, entweder durch Logikverknüpfungen und Zähler oder durch einen Mikrorechner ausgewertet.

Insbesondere bei der Rechnerauswertung ergibt sich die Möglichkeit, die Prüfanordnung als selbstlernendes System aufzubauen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen wird dargestellt:

Fig. 1: ein Meßkopf

Fig.2: ein Digitalisierer

Fig. 3: ein Logikpegelanalysator

a) ausschließlich durch eine hardwaremäßige Logikschaltung mit angeschlossenen Zählern . b) Rechnergestützt

Meßkopf—Fig. 1:

Vom Laser 1 ausgehend und durch die Aufweitungsoptik 2 aufgeweitet gelangt das Laserbündel 3 über den Teilerspiegel 4 zur Fokussieroptik 6 und wird zu einem Abtastspot 7 auf der Prüflingsoberfläche 8 fokussiert.

Das durch einen, auf der Prüflingsoberfläche 8 befindlichen, defekt gestreute Licht wird durch drei im Meßkopfgehäuse 9 in unterschiedlichen Streulichtwinkelbereichen ringförmig angeordnete faseroptische Empfangssegmente 10 für Streulichtfernwinkelbereich, 11 für mittleren Streulichtwinkelbereich und 12 für Streulichtnahwinkelbereich detektiert und durch Lichtleitfaserbündel 13,14,15 zu den fotoelektrischen Empfängern 16,17,18 übertragen. Der von der Prüflingsoberfläche 8 ausgehende direkte Reflex 5 gelangt durch die Fokussieroptik 6 und den Teilerspiegel 4 zu dem fotoelektrischen Empfänger 19.

Digitalisierer— Fig.2:

Die Ausgangssignale der fotoelektrischen Empfänger 16,17,18,19 gelangen zu den Spannungskomparatoren 20 und/oder Frequenzanalysatoren 21. Dabei können jedem fotoelektrischen Empfänger prinzipiell beliebig viele Komparatorpegel bzw. Frequenzkanäle zugeordnet werden.

Die Spannungskomparatoren 20 signalisieren das Über- oder Unterschreiten vorgegebener Spannungspegel und liefern damit eine Aussage über die jeweilige Streulichtintensität.

Die Frequenzanalysatoren 21 liefern Aussagen über spezifische, periodische Defektstrukturen.

Sowohl die Spannungskomparatoren 20 als auch die Frequenzanalysatoren 21 liefern digitale Ausgangssignale (Logikpegei).

Diese Logikpegel werden in den Zwischenspeicher 22 geladen. Er wird durch abtastsynchrone Impulse am Löschimpulseingang 23 periodisch gelöscht. Unmittelbar vor jeder Löschung erfolgt die Übergabe der Logikpegel an den Logikpegelanalysator.

Dadurch wird eine Synchronisation der verschiedenen Spannungskomparatoren und Frequenzanalysatoren erreicht.

Logikpegelanalysator — Fig.3:

Die Logikpegelanalyse kann erfolgen einmal ausschließlich durch eine hardwaremäßige Logikschaltung mit angeschlossenen Zählern. Die vorhandenen Logikpegel werden in, für die zu klassifizierenden Defektgrößen und-arten, charakteristischer Weise durch eine Dekodierschaltung 24 verknüpft. Am Ausgang der Dekodierschaltung 24 ermitteln Ereigniszähler 25 die jeweilige Häufigkeit der verschiedenen Defektgrößen und-arten.

Zum anderen kann die Logikpegelanalyse rechnergestützt erfolgen.

Dabei werden die Logikpegel am Ausgang der Digitalisiereinrichtung entweder über eine DMA-Einheit 26 (DMA-direkter Speicherzugriff), über den Rechnerbus 27 zunächst in den Rechnerspeicher 28 eines Mikrorechners eingelesen und nach beendeter Abtastung ausgewertet oder, wenn die Abtastfrequenz und die Rechnerverarbeitungsgeschwindigkeit es gestatten, sofort vom Mikrorechner verarbeitet. Dabei vergleicht der Mikrorechner die Logikpegel mit für die verschiedenen Defektarten und -größen vorgegebenen Bitmustern.

Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Während der Abtastung der Prüflingsoberfläche 8 Fig. 1 durch den Abtastspot 7 erzeugen Oberflächendefekte Streulicht, das von den faseroptischen Empfangssegmenten 10 für Streulichtfernwinkelbereich, 11 für mittleren Streulichtwinkelbereich und 12 für Streulichtnahwinkelbereich entsprechend der Streulichtwinkelverteilung des jeweiligen Defektes detektiert wird. Die den genannten faseroptischen Empfangssegmenten 10,11,12 zugeordneten fotoelektrischen Empfängern 16,17,18 liefern jeweils eine streulichtproportionale und der fotoelektrische Empfänger 19 eine dem direkten Reflex 5 proportionale Ausgangsspannung.

Im Digitalisierer Fig. 2 werden diese Ausgangsspannungen durch die Spannungskomparatoren 20 Fig. 2 bezüglich ihrer Größe und durch die Frequenzanalysatoren 21 bezüglich ihrer Frequenz bewertet. Dabei sind die Spannungskomparatoren 20 so eingestellt, daß ihre Schwellspannungen jeweils eine bestimmte Defektgröße repräsentieren. Darüber hinaus wird durch die jeweiligen Signalspannungen der drei Streulichtwinkelbereiche eine Aussage über die Streulichtgeometrie getroffen.

Bei periodischen Defekten (z. B. Rattermarken) entstehende charakteristische Signalfrequenzen lassen sich durch die Frequenzanalysatoren 21 bestimmen. Dazu wird die Frequenz der Ausgangssignale der fotoelektrischen Empfänger 16,17,18,19 den Frequenzanalysatoren 21 zugeführt. Die Ausgangssignale der Frequenzanalysatoren 21 werden digitalisiert. Damit entsteht am Ausgang der Frequenzanalysatoren 21 ein charakteristisches Bitmuster unter der Voraussetzung, daß bestimmten Frequenzbereichen jeweils ein Logikpegel zugeordnet wird.

Alle der Defektgröße, der Defektstreulichtgeometrie und der Streulichtfrequenz entsprechenden Logikpegel werden zu einem Bitmuster zusammengefaßt. Das Bitmuster stellt einen für jede Defektart und -größe charakteristischen Code dar.

Durch hardwaremäßige Dekodierschaltungen oder rechnergestützte Abfrage der Logikpegel ist eine umfassende Klassifikation aller Defekte möglich.

Claims (4)

1. Automatische Vorrichtung zur Klassifizierung von Oberflächendefekten nach Größe und Art, dadurch gekennzeichnet, daß das Defektstreulicht im gesamten Halbraum durch in beliebig viele azimutale und polare Streulichtwinkelbereiche diskretisierende faseroptische Empfangssegmente (10,11,12) und entsprechend zugeordneten fotoelektrischen Empfängern (16,17,18) direkt und durch einen, den direkten Reflex (5) erfassenden fotoelektrischen Empfänger (19) indirekt erfaßt wird und durch eine Anzahl von Spannungskomparatoren (20) und/oder Frequenzanalysatoren (21) elektronisch nach Betrag, Geometrie und Frequenz analysiert und das Ergebnis in Form von Logikpegeln ausgegeben wird.

2. Automatische Vorrichtung zur Klassifizierung von Oberflächendefekten nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Logikpegelanalysator in Form einer hardwaremäßigen Dekodierschaltung (24) realisiert ist.

3. Automatische Vorrichtung zur Klassifizierung von Oberflächendefekten nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Logikpegelanalysator in Form eines Mikrorechners realisiert ist, der die Logikpegel über einen Rechnerbus (27) von einer DMA (26) bzw. einem Rechnerspeicher (28) übernimmt.

4. Automatische Vorrichtung zur Klassifizierung von Oberflächendefekten nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Logikpegelanalysator aus einer Kombination von Dekodierschaltung (24) und Mikrorechner besteht.