DE10034252B4

DE10034252B4 - Konfokales Abbildungssystem

Info

Publication number: DE10034252B4
Application number: DE2000134252
Authority: DE
Inventors: Anton Dr. Schick; Frank Spliethoff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: NanoFocus AG
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2020-07-15
Also published as: DE10034252A1

Abstract

Konfokales Abbildungssystem zur Aufnahme von Abstandswerten und zur dreidimensionalen Oberflächenvermessung, bestehend aus:
– einer konfokalen Abbildungsoptik zur Abbildung eines Fokuspunktes auf einem Objekt (7),
– einer Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung des Objektes (7) über die konfokale Abbildungsoptik,
– einem Fotodetektor (6) zur Detektion des von dem Objekt (7) zurückgestreuten Lichtes und zu dessen optoelektrischer Umwandlung,
– einem im optischen Strahlengang befindlichen und in Richtung der optischen Achse mit Frequenzen im kHz-Bereich schwingenden Retroreflektor (3) zur Bewegung des Fokuspunktes in Richtung der optischen Achse, wobei
der Retroreflektor (3) ein gerades Prisma (1) mit rechtwinkelig-dreieckigen Grundflächen ist, dessen um 90° zueinander angestellte Rückseiten verspiegelt sind und dessen Körper lichtdurchlässig ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein konfokales Abbildungssystem zur Aufnahme von Abstandswerten und zur dreidimensionalen Ober flächenvermessung. Der Einsatz erfolgt, insbesondere in industriellen Fertigungen zur optischen Inspektion.
Optische Abstandssensoren nach dem konfokalen Abbildungsprin zip dienen der Ermittlung von Höhenwerten bzw. Abstandswerten und zur dreidimensionalen Oberflächenvermessung. Bevorzugte Einsatzgebiete liegen im Bereich der Verbindungs- und Montageverfahren von Halbleiter- und Baugruppenfertigung. In der Regel weisen zu prüfende Objekte eine dreidimensionale Oberfläche auf wie beispielsweise Lothöcker (Lot-Bumps). In der sogenannten Flip-Chip-Technik sind die Höhenwerte von Lothöckern im Montageprozess äußerst wichtige Prozessparameter. Die Montage von Oberflächenwellenfiltern erfolgt fast ausschließlich durch Flip-Chip-Montage.

In der deutschen Patentschrift DE 196 08 468 A1 wird für den Einsatz in der Fertigung ein konfokales automatisches Inspektionssystem für die Lotpasten- und Bumps-Inspektion beschrieben. Dieses System zur dreidimensionalen Erfassung von Oberflächen liefert ein für Fertigungsprozesse annehmbare Prüfzeit. Dabei wird mit Hilfe einer Fokussiereinheit im optischen Strahlengang eine Oberfläche abgetastet. Darüber hinaus ist das System in seiner Auslegung als mehrkanaliges System in der Lage, eine große Zahl von Messungen pro Sekunde, beispielsweise 160.000, durchzuführen. Das Schlüsselelement dieses Systems ist ein bewegbarer Retroreflektor. Dieser besteht aus zwei zueinander senkrecht stehenden Spiegeln. Der Retroreflektor ist derart in den optischen Strahlengang eingebracht, dass zwischen den Spiegeln ein reelles Zwischenbild der punktförmigen Lichtquelle zustande kommt. Indem das Spiegelsystem in Richtung der optischen Achse bewegt wird, bewegt sich das Zwischenbild zwischen den Spiegeln und folglich der Fokus im Objektbereich. Das am Objekt gestreute Licht durchläuft den Strahlengang in umgekehrter Richtung relativ zum Beleuchtungsstrahl und wird schließlich auf einen punktförmigen Detektor fokussiert. Die Gesamtkonfiguration der Anordnung lässt sich so gestalten, dass das Spiegelsystem bei geringer Masse mittels eines Oszillators mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird und bei entsprechend schnellen Fokussierbewegungen eine hohe Datenrate in der Höhendetektion von Messpunkten erzielt wird. Der Höhenmessbereich entspricht hierbei durch die zweifache Umlenkung des Strahlenganges am Retroreflektor dem zweifachen der Spiegelauslenkung.

Nachteilig bei diesem System nach dem Stand der Technik ist, dass die Spiegelflächen als Vorderflächenspiegel ausgebildet sind, die zur Reduzierung der Masse sehr klein gefertigt werden müssen. Darüber hinaus können diese leicht verschmutzen, was zur Folge hat, dass das Detektorsystem parasitäre Signale empfängt, wenn der Fokus des Zwischenbildes über die Spiegelflächen läuft. Liegt das Störsignal in der Intensität höher als das eigentliche Messsignal vom Objekt, so werden der Höhenwert sowie der Grauwert (Reflektivität des Objektes) falsch gemessen.

Aus der DE 198 37 249 A1 ist ein Mikroskop mit hoher Schärfentiefe bekannt, welches einen Umlenkreflektor aufweist, der im Strahlengang angeordnet ist und den Strahl um 180° mit seitlichem Strahlversatz umlenkt. Der Umlenkreflektor wird mit einer Frequenz von beispielsweise 15 Hz hin- und herbewegt. Der Umlenkreflektor kann als Prisma ausgebildet sein, in welches das Licht eintritt und nach mehrfacher Totalreflexion an den Prismenflächen um 180° umgelenkt austritt. Um die Masse des bewegten Umlenkreflektors zum Zwecke der Realisierung von hohen Schwingungsfrequenzen gering zu halten, weist der Umlenkreflektor bevorzugt zwei zueinander senkrecht angeordnete Vorderflächenspiegel auf, die im Vergleich zu einem massiven Prisma wesentlich leichter sind.

Zwei einzelne Spiegel haben jedoch gegenüber einem massiven Prisma den Nachteil, dass die Herstellung eines entsprechenden Retroreflektors wesentlich aufwendiger ist. Der Retroreflektor muss nämlich aus zumindest zwei Einzelteilen zusammengesetzt werden, wobei auf eine präzise räumliche Anordnung der beiden Einzelteile geachtet werden muss, die üblicherweise mittels Klebstoff miteinander verbunden werden. Ein Klebevorgang birgt jedoch die Gefahr, dass die Spiegel durch Klebstoff verschmutzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein konfokales Abbildungssystem zu schaffen, welches zum einen eine hohe Erkennungssicherheit in der industriellen Fertigung gewährleistet und zum anderen auf einfache und preisgünstige Weise hergestellt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination entsprechend Anspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Austausch einer durch Einheit von in 90° zueinander versetzten Spiegeln ein rückseitenverspiegeltes Prisma Nachteile wie die schwie rige Herstellung der Bauteile oder Störsignale durch Verschmutzungen der Bauteile vermeidbar sind. Das als Retroreflektor eingesetzte Prisma ist ein gerades Prisma mit rechtwinkligen, dreieckigen Grundflächen, dessen 90° zueinander angestellte Rückseiten verspiegelt sind. Der Körper des Prismas muss lichtdurchlässig sein. Mit Rückseiten werden die am 90°-Winkel der Grundseiten zusammentreffenden Seitenflächen des Prismas bezeichnet. Unter Rückseitenverspiegelung ist die Verspiegelung einer Prismenfläche zu verstehen, wobei die Spiegelwirkung in den Körper des Prismas hineingerichtet ist. Die Ausrichtung des Prismas relativ zum optischen Strahlengang geschieht derart, dass die optischen Strahlen an der Vorderseite des Prismas in den Prismenkörper eindringen, an den Rückseiten jeweils gespiegelt werden und an der Vorderseite des Prismas wieder austreten. Der Einsatz eines solchen Prismas hat den Vorteil, dass sich die Herstellung dieses Retroreflektors wesentlich vereinfacht. Das Prisma kann aus einem Teil gefertigt werden. Dies erspart einen Klebevorgang, der zur Verschmutzung der Oberflächen führen könnte. Darüber hinaus lassen sich die relevanten Oberflächen besser glätten, da sie leichter polierbar sind. Hierdurch können die Spiegel mit besserer Qualität hergestellt werden. Die Spiegelflächen können im Betrieb des Prismas nicht verschmutzen. Folglich entstehen weniger Störsignale.

Im folgenden wird anhand von schematischen Figuren ein Ausführungsbeispiel beschrieben.
1 zeigt den Strahlengang in einem Prisma,
2 zeigt die schematische Darstellung eines konfokalen Strahlenganges mit einem Retroreflektor nach dem Stand der Technik,
3 zeigt eine schematische Anordnung des Prismas im konfokalen Strahlengang.
In 1 ist der Strahlenverlauf für einen Hauptstrahl 9 (gestrichelt dargestellt) und zwei Randstrahlen 8 (durchgezogene Linie) eingezeichnet. Der Lichtein- und austritt geschieht über die Vorderseite 10. Innerhalb des Prismas wird das Licht an den Rückseitenspiegeln 2 reflektiert. Das Prisma 1 wird in z-Richtung hin- und herbewegt bzw. schwingt im kHz-Bereich. Das einfallende Strahlenbündel ist stark konvergent und das ausgehende entsprechend divergent. Damit wird in Verbindung mit einer Veränderung der optischen Weglänge eine fokussierende Wirkung erreicht. Das im Prisma dargestellte reelle Zwischenbild 4 verändert sich entsprechend der momentanen Lage des Prismas 1.
Eine optimale Abbildungsleistung bzw. die beste Korrektur von geometrischen Aberrationen erzielt man durch die Verwendung von Objektiven mit einstellbarer bzw. auf das Prisma abgestimmter Deckglaskorrektur. Derartige Objektive werden u. a. auch zur Prüfung von Flachbildschirmen eingesetzt und sind daher problemlos erhältlich.
2 zeigt ein konfokales Abbildungssystem nach dem Stand der Technik. Als Retroreflektor 3 wird eine Einheit eines Spiegelsystems bestehend aus zwei um 90° zueinander angestellten Spiegeln verwendet. Das vom Laser 5 emittierte Licht durchläuft den optischen Strahlengang und trifft auf das Objekt 7. Dieser Beleuchtungsstrahl wird in Form des Messstrahls vom Objekt 7 zurückreflektiert und durchläuft das konfokale System in Gegenrichtung, bis er durch einen Teilerspiegel auf einen punktförmigen Fotodetektor 6 ausgekoppelt wird. Der Retroreflektor 3 schwingt in z-Richtung, womit die Veränderung der optischen Weglänge dargestellt wird. Dadurch bewegt sich sowohl das Zwischenbild zwischen den Spiegeln im Retroreflektor als auch der Fokus im Objektbereich.
3 entspricht weitestgehend der 2, enthält jedoch als Retroreflektor ein Prisma 1. Dieses schwingt in z- Richtung. Die Verhältnisse am Prisma 1 sind entsprechend in 1 dargestellt.
Zur Erhöhung der Datenrate kann beispielsweise ein Mehrkanalsystem verwendet werden. Hierzu wird das Licht durch ein diffraktives optisches Element aufgespalten. Sende- und empfangsseitig müssen entsprechende Elemente zur Verarbeitung eines derartigen Vielkanalsystems eingesetzt werden. Dadurch lässt sich beispielsweise eine Zeilenkamera realisieren, die neben dem Intensitätswert auch das Höhenprofil aufzeichnet. Gleichzeitig werden durch die schnelle Bewegung des Prismas 1, beispielsweise 2,5 kHz, sämtliche Kanäle simultan extrem schnell fokussiert.

Claims

Konfokales Abbildungssystem zur Aufnahme von Abstandswerten und zur dreidimensionalen Oberflächenvermessung, bestehend aus: – einer konfokalen Abbildungsoptik zur Abbildung eines Fokuspunktes auf einem Objekt (7), – einer Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung des Objektes (7) über die konfokale Abbildungsoptik, – einem Fotodetektor (6) zur Detektion des von dem Objekt (7) zurückgestreuten Lichtes und zu dessen optoelektrischer Umwandlung, – einem im optischen Strahlengang befindlichen und in Richtung der optischen Achse mit Frequenzen im kHz-Bereich schwingenden Retroreflektor (3) zur Bewegung des Fokuspunktes in Richtung der optischen Achse, wobei der Retroreflektor (3) ein gerades Prisma (1) mit rechtwinkelig-dreieckigen Grundflächen ist, dessen um 90° zueinander angestellte Rückseiten verspiegelt sind und dessen Körper lichtdurchlässig ist.
Konfokales Abbildungssystem nach Anspruch 1, wobei die Grundflächen gleichschenkelige Dreiecke bilden.
Konfokales Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Objektiv mit einstellbarer oder auf das Prisma (1) abstimmbarer Deckglaskorrektur.