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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Segmentierung einer Beschichtung auf einem Substrat, wobei Licht in einen Strahlteiler eingekoppelt und das Licht auf die zu inspizierende Substratoberfläche gelenkt wird, wobei das rückreflektierte Licht durch den Strahlteiler gelangt und von einem Bildauswertesystem erfasst wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere ein Bildauswertesystem mit einer Aufnahmevorrichtung.
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Stand der Technik für die Segmentierung von Leitkleber auf Keramiksubstraten sind Standard-Beleuchtungsverfahren wie beispielsweise eine Koaxial- oder Dunkelfeldbeleuchtung.
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Bei der Koaxialbeleuchtung wird Licht von der Seite koaxial in den optischen Strahlengang eingekoppelt. Dies geschieht mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels, der seitlich angeleuchtet wird und das Licht nach unten auf das Prüfobjekt wirft. Der Prüfkörper reflektiert das Licht, das durch den halbdurchlässigen Spiegel dann zur Kamera gelangt. Ein entsprechendes Abbildungsverfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 006 340 A1 bekannt. Hierbei wird ein sogenannter Pre-Aligner beschrieben, bei dem Halbleitersubstrate für weitere Prozessschritte ausgerichtet werden. Zur Erkennung von topografischen Merkmalen auf den Wafern wird darin zur Beleuchtung der Substratoberfläche eine Koaxialbeleuchtung verwendet.
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Koaxiale Beleuchtungen liefern allerdings kein optimales Bild für die weitere Bearbeitung. Die Helligkeitswerte zwischen Leitkleber und Keramiksubstrat sind nahezu identisch. Somit ist eine stabile Segmentierung des Leitklebers nicht gegeben.
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Bei der Dunkelfeldbeleuchtung, welche häufig bei Mikroskopen verwendet wird, werden Objekte mit sehr feinen Strukturen vor dunklem Hintergrund von der Seite aus beleuchtet, sodass nur gebeugtes (und kein direktes) Licht in das Objektiv des Mikroskops eintritt, wodurch die Objektstrukturen deutlicher hervortreten. Eine derartige Beleuchtung ist u.a. aus der
DE 69109285 T2 bekannt. Hier wird ein Apparat und eine Methode zur Inspektion eines Substrates, insbesondere eines Wafers oder eines keramischen Substrates, beschrieben.
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Dunkelfeldbeleuchtungen liefern zwar gut sichtbare Kanten an den Leitkleberrändern, doch verschwimmen solche Kanten beim Verschmieren des Klebers. Somit sind auch diese Verfahren für eine stabile Segmentierung des Leitklebers unbrauchbar.
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Da bei der eingangs erwähnten Anwendung das Keramiksubstrat und der Leitkleber ähnliche optische Eigenschaften in Auflicht aufweisen bzw. beim Verschmieren von Leitkleber eine genaue Detektion von Leitkleberkanten nicht möglich ist, müssen spezielle Beleuchtungsverfahren entwickelt werden, um eine korrekte Segmentierung von Leitkleberresten auf dem Substrat zu gewährleisten. So können überschüssige Leitkleberreste beispielsweise zu Kurzschlüssen zwischen den Leiterbahnen oder den Leitkleber-Pads führen. Um hierbei eine 100%-Kontrolle gewährleisten zu können, bedarf es einer stabilen Bildaufnahmemethode, um auch leichte Leitkleber-Verschmierungen auf dem Keramiksubstrat detektieren zu können.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein zuverlässiges Verfahren zur Segmentierung von Beschichtungen, insbesondere von Leitkleber, auf Substraten, insbesondere auf Keramiksubstraten, bereit zu stellen.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das eingekoppelte Licht als Streifenmuster auf die Substratoberfläche projiziert, das Streifenmuster während einer Auswertephase seitlich zur Substratoberfläche verschoben und während der Verschiebung für jeden Bildpunkt eine maximale Amplitude ermittelt und mit der maximalen Amplitude für jeden Bildpunkt ein Ergebnisbild erzeugt wird. Damit können ansonsten kontrastarme Beschichtungen auf dem Substrat besser erkannt werden, da mit diesem Verfahren eine Kontrastverstärkung ermöglicht werden kann. Je nach Transluzens des beleuchteten Materials ändert sich die Amplitude des Streifenmusters. Durch das Speichern der maximalen Amplitude für jeden Bildpunkt erhält man ein kontrastverstärktes Ergebnisbild der Substratoberfläche, auf der nun die Beschichtungsflächen eindeutig zu erkennen sind, und welches für nachfolgende Prozess- und Inspektionsschritte weiterverwendet werden kann.
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Eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass das Streifenmuster in mehreren Schritten verschoben wird, bis ein Phasendurchlauf des Streifenmusters erreicht wurde, d.h. bis das Streifenmuster um komplett einen Hell- und Dunkelstreifen verschoben wurde, und eine Bilderserie erzeugt wird, wobei für jeden Bildpunkt die maximale Amplitude aus der Bilderserie ermittelt wird. Das Streifenmuster muss dabei meist nur geringfügig verschoben werden. Zudem besteht die Bilderserie nur aus wenigen Einzelbildern, so dass der Berechnungsaufwand als auch der benötigte Speicherplatz für die Einzelbilder gering und damit ressourcenschonend ist.
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Es hat sich dabei als zweckmäßig erwiesen, wenn die Verschiebung um etwa ¼ der Phase des Streifenmusters erfolgt. Damit kann erreicht werden, das jeder Oberflächenpunkt des Substrates mit der Beschichtung mit unterschiedlichen Beleuchtungshelligkeitsstufen beaufschlagt wird. Zudem werden pro Bilderserie nur 4 Einzelbilder benötigt, was den Speicher- und Berechnungsaufwand weiter minimiert.
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Eine bevorzugte Verfahrensvariante sieht vor, dass das Streifenmuster mit einem Streifenprojektor erzeugt wird. Damit lassen sich besonders kontrastreiche Streifenmuster erzeugen, die vorteilhaft für die Segmentierung, d.h. für die Erkennung von Kanten der Beschichtung auf dem Substrat sind.
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Um eine ausreichend gute Auflösung zu erreichen und insbesondere auch kleine Strukturen detektieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn das Streifenmuster derart projiziert wird, dass die Breite der projizierten Streifen kleiner als die Hälfte der minimal zu detektierenden Strukturbreite auf der Substratoberfläche ist.
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Das Verschieben des Streifenmusters lässt sich einfach bewerkstelligen, wenn der Streifenprojektor mittels einer Linearverschiebeeinheit bewegt wird. Derartige Linearverschiebeeinheiten gibt es für verschiedene Verfahrlängen.
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Eine besonders bevorzugte Verwendung des Verfahrens, wie es zuvor mit seinen Varianten beschrieben wurde, sieht den Einsatz zur Segmentierung von Leitkleberflächen auf Keramiksubstraten vor. Hierbei kommt es besonders darauf an, dass Kleberreste zwischen Leiterbahnen bzw. Kontaktpads eindeutig und sicher erkannt werden können, um später Kurzschlüsse zu vermeiden. Eine derartige Inspektion stellt einen wichtigen Qualitätsüberwachungsschritt während der Herstellung von elektronischen Baugruppen dar. Hier liefern aufgrund der optischen Eigenschaften des Leitklebers herkömmliche Beleuchtungsmethoden nicht immer eindeutige Ergebnisse, wie dies bereits eingangs erwähnt wurde. Das vorgeschlagene Verfahren ist hier deutlich im Vorteil, da die verschiedenen optischen Eigenschaften (Reflektion, Transluzens) der beteiligten Materialien zur Differenzierung ausgenutzt werden können. So ist das Keramiksubstrat überwiegend ein Volumenstreuer, wohingegen der Leitkleber überwiegend das Licht an der Oberfläche reflektiert, was aber mit dem zuvor beschriebenen Verfahren eine stabile Segmentierung ermöglicht. Das Verfahren kann auch auf andere Anwendungen übertragen werden, bei denen unterschiedliche Reflektions- bzw. Absorptionseigenschaften von Beschichtungsmaterial und Substrat eine Rolle spielen.
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Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das Bildauswertesystem Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens, wie es zuvor mit seinen Ausführungsvarianten beschrieben wurde, insbesondere eine Ansteuerung für eine Linearverschiebeeinheit, Bildspeicher zur Aufnahme von Bilderserien und Berechnungseinheiten zur Ermittlung der Maximalwerte für die Amplitude jedes Bildpunktes einer Bilderserie aufweisen. Damit kann ein kompaktes, PC-basierte Bildauswertesystem bereit gestellt werden, mit dem eine eindeutige und stabile Segmentierung von Beschichtungen auf einem Substrat ermöglicht werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante weist die Linearverschiebeeinheit einen Piezoantrieb auf. Damit lässt sich sehr präzise und reproduzierbar, in µm-Schritten wenn nötig, der Streifenprojektor verschieben.
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Um eine Anpassung des Auswerteverfahrens an die lateralen Abmessungen der Beschichtungsstrukturen auf dem Substrat zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Aufnahmevorrichtung zur Erzeugung eines Streifenmusters einen Streifenprojektor aufweist, der eine variable Projektionsoptik aufweist. Damit kann die Linienbreite des Streifenmusters in seiner Breite variiert werden, so dass immer eine optimale Auflösung des Ergebnisbildes erzielt werden kann. Unterschiedliche Farbfilter ermöglichen zudem eine Anpassung der Wellenlänge des Streifenmusters auf das spektrale Reflektions- bzw. Absorptionsverhalten von Beschichtung und Substrat.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
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1 in schematischer Darstellung einen prinzipiellen Aufbau einer bildgebenden Vorrichtung zur Segmentierung einer Beschichtung auf einem Substrat,
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2 in einem Vergleich die Abbildung einer Leitkleber-Verschmierung auf einem Keramiksubstrat, welche mit unterschiedlichen bildgebenden Verfahren aufgenommen wurden,
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3 die Abbildung von Leitkleber auf einem Keramiksubstrat mit projiziertem Streifenmuster und
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4 in einem weiteren Vergleich die Abbildung einer Leitkleber-Verteilung auf einem Keramiksubstrat, welche mit dem erfindungsgemäßen bildgebenden Verfahren und einem kantenbasierenden Beleuchtungsverfahren aufgenommen wurden.
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1 zeigt schematisch und stark vereinfacht den Aufbau einer Aufnahmevorrichtung 10 als Teil eines Bildauswertesystems zur Segmentierung einer Beschichtung auf einem Substrat. Dabei wird mittels einer Linearverschiebeeinheit 11, welche mittels eines Piezo-Antriebs angetrieben werden kann, eine Verschiebung 12 eines Streifenprojektor 13 erreicht. Dabei wird ein Streifenmuster 14 erzeugt, welches über einen feststehenden Strahlteiler 15 auf die Oberfläche eines Werkstücks 17 projiziert. Eine ebenfalls feststehende Kamera 16 nimmt dabei die Oberfläche des Werkstücks 17 durch den Strahlteiler 15 hindurch auf. Nicht dargestellt ist das Bildauswertesystem, das mit der Kamera 16 verbunden ist und zudem die Verschiebung 12 des Streifenprojektors 13 aufnimmt und bei der Auswertung berücksichtigt, wobei die Linearverschiebeeinheit 11 von dem Bildauswertesystem angesteuert wird.
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Das Werkstück 17 kann dabei in einer bevorzugten Anwendung ein Keramiksubstrat, sein, welches zumindest partiell eine segmentierte Beschichtung, insbesondere eine segmentierte Leitkleberschicht aufweist.
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Beleuchtungsverfahren nach dem Stand der Technik liefern bei dieser Anwendung keine optimale Bilder, die für eine Weiterverarbeitung geeignet sind. So zeigt die 2 in zwei Ergebnisbildern 20 Leitkleberflächen 22 auf einem aus Keramik bestehendem Substrat 21. Auf dem linken Ergebnisbild 20 ist das Auswertebild bei einer Koaxialbeleuchtung dargestellt. Das rechte Ergebnisbild 20 zeigt die Substrat-Oberfläche bei einem kantenbasierten Beleuchtungsverfahren, wie es die eingangs erwähnte Dunkelfeldbeleuchtung darstellt. Wie bereits eingangs erwähnt ist eine stabile Segmentierung des Leitklebers insbesondere bei Leitkleber-Verschmierungen 23 nicht gegeben. Bei der Dunkelfeldbeleuchtung (2, rechtes Ergebnisbild 20) verschwimmen sogar die Kanten des Leitklebers im Bereich der Leitkleber-Verschmierung komplett oder teilweise, obwohl ansonsten die Kanten der Leitkleberflächen 22 gut zu erkennen sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die unterschiedliche Transluzens von Keramik und Leitkleber ausgenutzt. Keramik ist überwiegend ein Volumenstreuer, wo hingegen Leitkleber überwiegend an der Oberfläche das Licht reflektiert. Um diesen Effekt ausnutzen zu können, wird ein Streifenmuster 24 auf das Objekt projiziert, wie dies 3 zeigt. Je nach Transluzens des beleuchteten Materials ändert sich die Amplitude des Streifenmusters. Durch geeignete Betrachtung der Amplitudenänderung im Bild kann eine deutliche Verbesserung des Kontrastes zwischen Leitkleber und Keramiksubstrat erzeugt werden. Dabei ist die Amplitudenänderung des Musters deutlich erkennbar. Das Streifenmuster 24 wird in mehreren Schritten um ca. ¼ der Phase verschoben, bis ein Phasendurchlauf erreicht wurde. Für jeden Pixel wird anschließend die maximale Amplitude in der Bildserie ermittelt.
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In 4 ist in einem weiteren Vergleich die Abbildung einer Leitkleber-Verteilung auf einem Keramiksubstrat, welche mit dem erfindungsgemäßen bildgebenden Verfahren (linkes Ergebnisbild 20) und einem kantenbasierenden Beleuchtungsverfahren (rechtes Ergebnisbild 20) aufgenommen wurden, dargestellt. Als Resultat des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich im linken Ergebnisbild 20 ein deutlicher Grauwertkontrast zwischen Leitkleberflächen 22 und dem Substrat 21. Im Gegensatz dazu zeigt das rechte Ergebnisbild 20 fehlerhafte Auswertebereiche 25, in denen der Kleber nur sehr schlecht oder gar nicht erkennbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009006340 A1 [0004]
- DE 69109285 T2 [0006]
