DE102015225929B4

DE102015225929B4 - Verfahren zur Überprüfung eines Trennschrittes bei der Zerteilung eines flachen Werkstückes in Teilstücke

Info

Publication number: DE102015225929B4
Application number: DE102015225929.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Tobisch; Martin Schellenberger; Dirk Lewke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2035-12-19
Also published as: DE102015225929A1; WO2017102949A1

Abstract

Verfahren zur Überprüfung eines Trennschrittes, mit dem ein flaches Werkstück (1) entlang einer oder mehrerer Trennlinien (14) in Teilstücke (2, 3) zerteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Trennschritt durch einen Vergleich einer Oberflächenneigung jeweils benachbarter Teilbereiche (2, 3, 13) des Werkstücks (1) bestimmt wird, ob die jeweils benachbarten Teilbereiche (2, 3, 13) gegeneinander verkippt und damit voneinander getrennt sind.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung eines Trennschrittes, mit dem ein flaches Werkstück entlang einer oder mehrerer Trennlinien in Teilstücke zerteilt wird.
Die Zerteilung flacher oder plattenförmiger Werkstücke in mehrere Teilstücke ist in vielen technischen Bereichen erforderlich, in denen die Teilstücke anschließend einzeln weiterverarbeitet oder einer Verwendung zugeführt werden sollen. Ein Beispiel sind mikroelektronische Bauelemente wie beispielsweise ICs oder MEMS, die in großer Stückzahl auf Halbleitersubstraten wie beispielsweise Silizium-Wafern produziert werden und anschließend vereinzelt werden müssen. Die Vereinzelung der Bauelemente erfolgt dabei durch geeignete Trenntechniken, wie beispielsweise Trennschleifen/Sägen oder laserbasierte Verfahren. Nach der Vereinzelung werden die Bauelemente weiterverarbeitet oder auch direkt verpackt. Die Vereinzelung erfolgt durch einen oder mehrere Trennschritte entlang vorgegebener Trennlinien, durch die die Bauelementflächen definiert sind. Dabei besteht die Notwendigkeit zu überprüfen, ob der jeweilige Trennschritt erfolgreich durchgeführt wurde und damit die Bauelemente vollständig voneinander getrennt wurden. Basierend auf dieser Überprüfung kann dann bei Fehlern beispielsweise eine Nacharbeit erfolgen.
Stand der Technik
Die meisten etablierten Trenntechniken vereinzeln die Bauelemente durch Materialabtrag, beispielsweise durch Trennschleifen beim Sägen oder bei abtragenden Laserverfahren. Durch diesen Materialabtrag entsteht ein relativ breiter Trenn- oder Sägespalt von in der Regel mehreren 10µm Breite, der optisch erkannt und verfolgt werden kann. Dadurch ist eine optische Kontrolle des Schnittergebnisses möglich, beispielsweise mit Hilfe einer Mikroskop-Optik.
Durch neue Trenntechniken wie beispielsweise dem thermischen Laserstrahl-Separieren (TLS) werden die Bauelemente nicht mehr nach dem Prinzip des Materialabtrags getrennt. Diese neuen Techniken arbeiten häufig spaltfrei, beispielsweise durch Materialmodifikation innerhalb des Werkstücks, die an der Oberfläche nicht sichtbar ist, oder durch reines Spalten des Materials. Im Ergebnis kann dann ein erfolgreicher Schnitt nicht mehr optisch anhand eines Spaltes erkannt werden. Damit ist jedoch keine visuelle oder automatische Kontrolle des Trennschrittes bzw. der Vereinzelung mehr möglich.
So zeigt die US 2012/0017642 A1 ein Verfahren zum Spalten einer dünnen Glasplatte, bei dem die Glasplatte entlang einer vorgegebenen Bruchlinie lokal mit einem Laserstrahl aufgeheizt und gleichzeitig gekühlt wird, um eine thermische Spannung für die Ausbreitung des Bruches zu erzeugen.
In der US 2015/0034613 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung kontinuierlicher Laserfilamente in optisch transparenten Materialien beschrieben, das beispielsweise zum Spalten optisch transparenter Objekte eingesetzt werden kann. Die Filamente werden mit geeigneten Laser-Bursts erzeugt und können durch Detektion optischer Strahlung überwacht werden, die bei der Erzeugung der Filamente emittiert wird.
Die WO 2008/095695 A2 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung von Mehrfachspiegelanordnungen in einem Beleuchtungssystem einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage. Die Spiegel werden dabei mit einem Messlichtbündel beleuchtet, um aus dessen Ablenkung die Orientierung der Spiegel zu bestimmen.
Die DE 102014002084 A1 beschreibt ein Verfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung der Ablenkung von Lichtstrahlen durch ein Objekt. Ein Objektbereich wird hierzu mit einem optischen Muster beleuchtet und an dem Oberflächenbereich reflektierte oder durch den Oberflächenbereich hindurchgetretene Beleuchtungsstrahlen mit einem ortsauflösenden Detektor erfasst.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Überprüfung eines Trennschrittes bei der Vereinzelung von Teilstücken aus einem flachen Werkstück anzugeben, mit dem eine erfolgreiche Trennung auch bei Einsatz spaltfreier Trennverfahren erkannt werden kann und das sich automatisiert einsetzen lässt.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Trennschritt überprüft, mit dem ein flaches Werkstück entlang einer oder mehrerer Trennlinien in Teilstücke zerteilt wird. Das Verfahren zeichnet sich in einer ersten Alternative dadurch aus, dass nach dem Trennschritt durch einen Vergleich der Oberflächenneigung jeweils benachbarter Teilbereiche des Werkstücks bestimmt wird, ob die jeweils benachbarten Teilbereiche gegeneinander verkippt und damit vollständig voneinander getrennt sind. Die gegeneinander verkippten Teilbereiche entsprechen dabei den abgetrennten Teilstücken. In einer Ausgestaltung wird die gegenseitige Verkippung jeweils benachbarter Teilbereiche aus einem Vergleich einer vor dem Trennschritt erfassten Oberflächenneigung der Teilbereiche mit der nach dem Trennschritt erfassten Oberflächenneigung bestimmt.
Bei dem Verfahren wird davon ausgegangen, dass benachbarte Teilstücke nach einem erfolgreichen Trennschritt minimal gegeneinander verkippt sind. Ist die Trennung nicht erfolgreich verlaufen und die Teilstücke hängen noch zusammen, dann sind die Teilstücke bzw. die entsprechenden Teilbereiche des Werkstücks nicht gegeneinander verkippt. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird daher der erfolgreiche Verlauf eines Trennschrittes nicht mehr durch Detektion eines Säge- oder Trennspaltes, sondern durch Detektion einer Verkippung der Teilstücke zueinander nach dem Trennschritt überprüft. Die Verkippung der getrennten Teilstücke zueinander kann durch Oberflächenspannungen im Werkstück oder durch eine nicht perfekt plane Unterlage entstehen. Bei Bedarf kann sie auch durch externe Einwirkung initiiert oder unterstützt werden, beispielsweise durch Ansaugen der Teilstücke an die Unterlage, wie dies in der Halbleitertechnologie mit einem Vakuum-Chuck üblich ist, durch das Einbringen von Luftströmungen zwischen der Unterlage und den Teilstücken oder durch kleinste mechanische Schwingungen der Unterlage.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Verkippung zwischen den Teilstücken durch einen Vergleich der Oberflächenneigung der jeweils benachbarten Teilstücke bzw. der entsprechenden Teilbereiche des Werkstücks bestimmt. Dies kann vollflächig über die gesamte Oberfläche mehrerer Teilbereiche oder des gesamten Werkstückes oder auch nur lokal in der Umgebung der Trennlinien erfolgen. Die Oberfläche des Werkstückes ist dabei idealerweise eben, weist also eine konstante Oberflächenneigung auf. Das Verfahren ist jedoch auch bei unebenen Oberflächen anwendbar. In diesem Fall kann beispielsweise jeweils eine mittlere Oberflächenneigung über einen bestimmten Oberflächenbereich bestimmt und so auf die Verkippung oder Nicht-Verkippung der Teilbereiche bzw. Teilstücke geschlossen werden. Sind Lage und Größe der zu trennenden Teilstücke bzw. der Verlauf der Trennlinien bekannt, kann man über diesen Bereich des jeweiligen Teilstückes bzw. Teilbereiches mitteln. Man bestimmt damit also die mittleren Oberflächenneigungen in gewissen Bereichen und vergleicht diese miteinander, um eine mögliche Verkippung dieser Bereiche bzw. der zugehörigen Teilstücke zueinander festzustellen. Ergibt sich ein Unterschied in der Verkippung zwischen den betrachteten Oberflächenbereichen, so wird daraus geschlossen, dass die entsprechenden Teilstücke mechanisch voneinander getrennt sind. Zur Unterstützung kann auch die Oberflächenneigung der jeweiligen Bereiche vor dem Trennschritt erfasst und mit der Oberflächenneigung nach dem Trennschritt verglichen werden, um eine Verkippung benachbarter Teilbereiche oder Teilstücke zu bestimmen.
Bei dem flachen Werkstück kann es sich bspw. um Flachmaterial mit einer typischen Dicke von < 2 mm handeln. Das Verfahren ist jedoch nicht auf derartige Werkstücke begrenzt. Vorzugsweise weist das Werkstück eine ebene Oberfläche auf, wobei Unebenheiten /Topographieschwankungen typischerweise < 1 mm sind.
Zur Erfassung der Oberflächenneigung können alle Techniken verwendet werden, mit denen die Neigung von Oberflächen hinreichend genau erfasst werden kann. Dies können beispielsweise auch taktile Verfahren sein. Vorzugsweise werden jedoch optische Verfahren zur Erfassung der Oberflächenneigung eingesetzt. Die Erkennung einer Verkippung und damit eines erfolgreichen Trennschrittes erfolgt dann durch geeignete Auswertung der Neigungsdaten. Die Neigung einer Oberfläche ist durch den Gradienten der Höhe definiert und ist ein Vektor mit zwei Komponenten. Je nach Messverfahren kann der vollständige Neigungsvektor oder auch nur der Betrag des Neigungsvektors ermittelt werden. Der Betrag des Neigungsvektors entspricht dabei dem Neigungswinkel ohne Kenntnis der Richtung. In Abhängigkeit von der Kenntnis über den möglichen Verlauf des Trennschritts, beispielsweise X- oder Y-Richtung, kann der Betrag des Neigungsvektors bereits für eine eindeutige Entscheidung über einen Erfolg des Trennschritts ausreichend sein.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine Überprüfung eines Trennschritts vor allem auch bei spaltfreien Trennverfahren, wie beispielsweise dem thermischen Laserstrahl-Separieren. Optische Verfahren ermöglichen dabei bereits die Erfassung sehr geringer Unterschiede in der Oberflächenneigung, die mit dem Auge nicht erkennbar sind. Das Verfahren lässt sich natürlich auch zur Überprüfung von Trennschritten einsetzen, die mit etablierten Trenntechniken durchgeführt werden, und ermöglicht eine automatisierte Überprüfung des jeweiligen Trennschrittes.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens werden optische Messverfahren zur Erfassung der Oberflächenneigung eingesetzt, da diese mit hoher Genauigkeit berührungslos und schnell arbeiten. Eine berührungslose Erfassung der Oberflächenneigung bietet Vorteile bei Anwendungen, bei denen eine Berührung oder Verschiebung der Teilstücke möglichst vermieden werden soll. Gerade im Bereich der Halbleitertechnologie ist auf diese Weise gewährleistet, dass das eventuelle Nachbearbeiten nach dem Trennschritt ohne Neupositionierung oder Justierung der Teilstücke erfolgen kann.
Die Erfassung der Oberflächenneigung der jeweiligen Teilstücke bzw. Teilbereiche kann dabei nur lokal, beispielsweise punktuell mit Hilfe eines oder mehrerer Laserstrahlen, oder auch vollflächig über einen Bereich oder das gesamte Werkstück erfolgen. Besondere Vorteile bietet eine vollflächige Erfassung der Oberflächenneigungen, da diese eine großflächige Untersuchung eines Werkstückes auf eine Vielzahl an Trennstellen oder Brüchen und auch eine Lokalisierung dieser Trennstellen oder Bruchstellen ermöglicht.
Bei der Anwendung des Verfahrens für Werkstücke mit spiegelnden Oberflächen, die eine über die Oberfläche homogene Reflektivität aufweisen, kann beispielsweise das Licht einer Lichtquelle auf die Oberfläche gerichtet und von der Oberfläche reflektiertes Licht mit einem ortsauflösenden optischen Detektor, beispielsweise einer geeigneten Kamera, erfasst werden. Das Licht der Lichtquelle wird dabei über eine geeignete Optik mit einer bestimmten numerischen Apertur auf das Werkstück gerichtet und mit einer weiteren Optik auf den Detektor abgebildet. Vorzugsweise in der Fourier-Ebene der Abbildung der Werkstückoberfläche auf den Detektor wird eine Apertur angeordnet, durch die reflektiertes Licht, das von einer vorgegebenen Richtung abweicht, wenigstens zum Teil ausgeblendet bzw. blockiert wird. Damit kann eine Oberflächenneigung der jeweils beleuchteten Oberflächenbereiche durch eine Variation der erfassten Lichtintensität gegenüber der vorgegebenen Richtung erfasst werden. Dies ermöglicht einen einfachen Vergleich der Oberflächenneigung durch einen Vergleich der Helligkeiten dieser Bereiche in dem mit dem ortsauflösenden Detektor erfassten Bild der Oberfläche des Werkstücks.
Bei einer spiegelnden Oberfläche, die keine über die Oberfläche homogene Reflektivität aufweist, kann die Oberflächenneigung der Teilstücke bzw. Teilbereiche beispielsweise mit der bekannten Technik der Deflektometrie bestimmt werden, bei der die Oberfläche strukturiert beleuchtet wird. Unter strukturierter Beleuchtung wird dabei die Beleuchtung mit einem Lichtmuster definierter Geometrie verstanden. Selbstverständlich lässt sich diese Technik der Deflektometrie auch bei spiegelnden Oberflächen mit homogener Reflektivität einsetzen.
Bei nicht spiegelnden Oberflächen sind andere optische Techniken zur Bestimmung der Oberflächenneigung möglich. Ein Beispiel stellt eine interferometrische Vermessung der Oberfläche dar, beispielsweise mit einem Shearing-Interferometer.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird vorzugsweise der Trennschritt bei der Zerteilung von Werkstücken überwacht, deren Grundmaterial spröde (nicht duktil) ist, also eine geringe plastische Verformbarkeit aufweist (Bruchzähigkeit K1 typischerweise kleiner 10 MPam^1/2), und/oder die kristallin sind, z.B. polykristallin oder monokristallin. Unter einem Grundmaterial ist der Hauptbestandteil des Werkstücks gemeint. Das Werkstück kann dabei z.B. an seinen Oberflächen auch zusätzlich mit anderen Materialien beschichtet oder bedampft sein.
Das vorgeschlagene Verfahren kann besonders vorteilhaft bei der Vereinzelung von Bauteilen bzw. Bauelementen aus einem Halbleitersubstrat, beispielsweise einem Wafer, eingesetzt werden. Das Halbleitersubstrat kann sich beispielsweise während des Trennschrittes auf einem Träger als Unterlage befinden, über den das Werkstück sowie die nach dem Trennschritt separierten Bauelemente angesaugt werden. Besondere Vorteile bietet das Verfahren bei einem Trennschritt, der mit der Technik des thermischen Laserstrahl-Separierens durchgeführt wird, bei dem die Trennung spaltfrei erfolgt.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann sowohl das Vorhandensein als auch die Position eines Bruchs anhand der ermittelten Neigungsdaten bestimmt werden. Dabei werden die (mittleren) Neigungen von zwei oder mehrerer verschiedener Stellen oder Bereiche der Oberfläche miteinander verglichen. Der (mittlere) Neigungsunterschied zweier getrennter Teilbereiche ist typischerweise größer 200 arcs.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Detektion eines Bruches in einem Werkstück anhand unterschiedlicher Neigungen der Oberflächen;
2 ein Beispiel eines vollflächigen optischen Verfahrens zur Brucherkennung an einem ebenen Werkstück durch Messung der Oberflächenneigungen;
3 eine Darstellung einer Kameraaufnahme einer Oberfläche bei der optischen Detektion eines Bruches gemäß 2; und
4 ein weiteres Beispiel eines vollflächigen optischen Verfahrens zur Brucherkennung an einem ebenen Werkstück durch Messung der Oberflächenneigungen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ausgenutzt, dass nach einem erfolgreichen Trennschritt zur Auftrennung eines flachen Werkstückes die einzelnen Teilstücke zumindest minimal gegeneinander verkippt sind, während noch zusammenhängende Teilstücke bzw. Teilbereiche keine gegenseitige Verkippung aufweisen. Dies ist schematisch in 1 dargestellt, die auf der linken Seite ein Werkstück 1 zeigt, bei dem zwei benachbarte Teilstücke, beispielsweise Chips eines Halbleiter-Wafers, nicht voneinander getrennt sind. Das Werkstück 1 weist dabei in diesem Bereich eine homogene Oberflächenneigung auf. Im rechten Teil der Figur ist die Situation nach einem erfolgreichen Trennschritt dargestellt, bei dem die beiden Teilbereiche oder Teilstücke 2, 3 durch ein Trennverfahren voneinander getrennt wurden. In diesem Falle besteht ein geringer Unterschied in der Oberflächenneigung zwischen den beiden Teilstücken, die mit einem geeigneten Verfahren detektiert werden kann. Bei der Detektion einer derartigen Verkippung benachbarter Teilbereiche bzw. Teilstücke gegeneinander kann somit darauf geschlossen werden, dass der Trennschritt in diesem Bereich erfolgreich durchgeführt wurde.
Im Folgenden werden zwei beispielhafte Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens erläutert, mit denen der Erfolg eines Trennschrittes zwischen Teilbereichen eines Werkstücks überprüft werden kann. Bei den 2 und 3 wird dabei ein Werkstück mit spiegelnder oder hinreichend reflektierender Oberfläche vorausgesetzt, dessen Reflektivität über die gesamte Oberfläche zumindest annähernd homogen ist. Das Werkstück 1 wird in diesem Beispiel mit einer Lichtquelle 4 vollständig oder zumindest in einem Bereich vollflächig ausgeleuchtet. Die Lichtstrahlen weisen dabei eine gewisse numerische Apertur (objektseitiger Öffnungswinkel der Lichtstrahlen) auf. Im vorliegenden Beispiel wird diese Beleuchtung durch Nutzung einer ausgedehnten Lichtquelle 4 in Verbindung mit einer geeigneten Optik 5, beispielsweise einer Linse, realisiert. Im rechten Teil der 2 ist hierzu beispielhaft lediglich der Verlauf zweier Lichtstrahlen 6 der Lichtquelle 4 zur Beleuchtung des Werkstücks 1 dargestellt. Die auf die spiegelnde Oberfläche des Werkstücks 1 treffenden Lichtstrahlen 6 werden nach dem Reflexionsgesetz reflektiert und in diesem Beispiel mit einer geeigneten Optik 7 auf einen Bildsensor 8, beispielsweise einen CCD-Bildsensor, abgebildet.
Der Verlauf zweier beispielhafter reflektierter Lichtstrahlen 9 ist im mittleren Teil der 2 dargestellt. Die Beleuchtung kann wie in diesem Beispiel über einen Strahlteiler 10 in das durch die beiden Optiken 5, 7 gebildete Objektiv eingekoppelt werden. Selbstverständlich sind auch Ausgestaltungen möglich, bei denen die Beleuchtung getrennt von der Abbildungsoptik in einem flacheren Winkel auf die Oberfläche des Werkstücks 1 trifft.
Ein wesentliches Element dieser Ausgestaltung ist eine Apertur 11, die in der Fourier-Ebene der optischen Abbildung der Werkstückoberfläche auf den Bildsensor 8 angeordnet wird. Bei dieser Apertur 11 kann es sich beispielsweise um eine scharfe Kante wie im vorliegenden Beispiel, um eine Blende oder auch um eine andere Struktur handeln, die einen Teil der Lichtstrahlen in Abhängigkeit von ihrer Position entweder vollkommen oder zum Teil oder nicht blockt. Eine Verschiebung eines reflektierten Lichtstrahls ausgehend von einem Punkt auf der Werkstückoberfläche (Objektpunkt) in der Fourier-Ebene kommt durch Richtungsänderung des Strahls in der Objektebene (Werkstück) zustande. Eine Richtungsänderung des reflektierten Lichtstrahls entsteht nur bei einer Neigungsänderung der Oberfläche an dieser Stelle bzw. diesem Objektpunkt und damit verbunden einer Änderung des Reflexionswinkels des an der Oberfläche reflektierten Strahls. Je nach Neigung der Oberfläche an der entsprechenden Stelle ergibt sich ein bestimmter Reflexionswinkel des Lichtstrahls und damit eine bestimmte Position des Lichtstrahls in der Fourier-Ebene. Durch die Apertur 11 wird dann in Abhängigkeit von dieser Position ein größerer oder kleinerer Teil des Strahls geblockt. Dies führt dazu, dass die Intensität des auf dem Bildsensor 8 durch die Abbildung des Objektpunktes entstehenden Bildpunktes in Abhängigkeit von der Neigung der Oberfläche des Werkstücks 1 an der entsprechenden Stelle variiert.
Ist keine Trennung bzw. kein Bruch in dem jeweils untersuchten Oberflächenbereich des Werkstücks 1 entstanden, wie dies im mittleren Teil der 2 angedeutet ist, so liegt ein zusammenhängender Werkstückbereich vor und die Neigung der Oberfläche ist an beiden in der 2 dargestellten Objektpunkten gleich. Dies kann dann anhand der Lichtintensität der beiden resultierenden Bildpunkte detektiert werden, die in einem derartigen Fall die gleiche Intensität bzw. Helligkeit aufweisen. Abhängig von der Unebenheit der Oberfläche muss gegebenenfalls eine gewisse Toleranz berücksichtigt oder eine mittlere Neigung über jeweils einen Bereich bestimmt werden. Dies kann beispielsweise durch Bildung eines Mittelwerts über mehrere Bildpunkte des jeweiligen Bereichs auf dem Bildsensor erfolgen. Durch Vergleich der Mittelwerte der entsprechenden Bereiche kann dann wiederum detektiert werden, ob eine Trennung oder ein Bruch zwischen diesen Bereichen vorliegt oder nicht.
Bei einem erfolgreichen Trennschritt entsteht ein Bruch 12, wie er im rechten Teil der 2 angedeutet ist. In diesem Falle verschiebt sich die Lage der beiden in der 2 beispielhaft angedeuteten reflektierten Lichtstrahlen 9 in der Fourier-Ebene, das heißt im Bereich der Apertur 11, so dass dies durch unterschiedliche Lichtintensitäten in den beiden auf dem Bildsensor entstehenden Bildpunkten – oder auch in den aus mehreren Bildpunkten des jeweiligen Bereiches gebildeten Mittelwerten – detektiert werden kann.
3 zeigt hierbei beispielhaft eine Kameraaufnahme eines Oberflächenbereiches eines Werkstücks in schematischer Darstellung, in der die lokale Oberflächenneigung in der Bildhelligkeit codiert ist. In diesem Beispiel sind zwei waagrechte und drei senkrechte Trennlinien 14 zur Vereinzelung dieses Bereiches des Werkstücks in 12 Teilstücke, beispielsweise Chips eines Halbleiterwafers, angedeutet. Die mit dem Verfahren der 2 hierbei erfasste Oberflächenneigung der den Teilstücken zugeordneten Teilbereiche 13 des Werkstücks ist in diesem Kamerabild durch die Flächenhelligkeit erkennbar, in 3 durch unterschiedliche Schraffur bzw. Füllung der Teilbereiche 13 angedeutet. Die mittlere Flächenhelligkeit in der Kameraaufnahme steht damit in Relation zur Verkippung. Auf Basis der Helligkeit können dann vorhandene oder fehlende Brüche erkannt und lokalisiert werden. So ist in diesem Beispiel der Trennschritt entlang der beiden horizontalen Trennlinien 14 erfolgreich verlaufen, da jeweils die durch diese Trennlinien getrennten Teilbereiche 13 bzw. Teilstücke unterschiedliche Helligkeiten und damit unterschiedliche Neigungen aufweisen. Von den drei vertikalen Trennlinien 14 ist lediglich die mittlere Trennung erfolgreich verlaufen, da auch hier jeweils die durch diese Trennlinie getrennten Teilbereiche 13 unterschiedliche Helligkeiten aufweisen. Die beiden äußeren vertikalen Trennschritte 14 haben nicht zur vollständigen Trennung geführt, da die Teilbereiche in der Umgebung dieser Trennlinien im Kamerabild die gleiche Helligkeit und somit noch die gleiche Oberflächenneigung aufweisen.
Voraussetzung für die Funktionsweise dieser Ausgestaltung des Verfahrens ist eine hinreichend reflektive bzw. spiegelnde Oberfläche sowie eine ausreichend homogene Reflektivität der Oberfläche. Ist die Oberflächenreflektivität nicht über das gesamte Werkstück homogen, so kommt es aufgrund dessen zu Helligkeitsunterschieden im Kamerabild, die jedoch nicht durch eine Verkippung einzelner Teilbereiche zustande kommen. Helligkeitsunterschiede aufgrund unterschiedlicher Oberflächenreflektivität und aufgrund unterschiedlicher Verkippung können dann mit dieser in Verbindung mit 2 beschriebenen Ausgestaltung des Verfahrens nicht im Allgemeinen unterschieden werden. Liegen allerdings zu trennende Teilbereiche bzw. Teilstücke vor, die zwar jeweils Bereiche unterschiedlicher Reflektivität aufweisen, jedoch alle gleich sind, so lässt sich diese Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens dennoch erfolgreich einsetzen. Der Vergleich der mittleren Helligkeit der Teilbereiche bzw. Teilstücke steht dann wieder in Relation zur Verkippung. Im anderen Fall kann das obige Problem nicht homogener Oberflächenreflektivität auch durch zusätzliche Erfassung eines Kamerabildes vor Durchführung des Trennschrittes umgangen werden, so dass dann die nach dem Trennschritt erfasste Helligkeitsverteilung durch ein geeignetes mathematisches Verfahren, beispielsweise eine Normierung auf oder eine Differenzbildung mit das bzw. dem vorher aufgenommenen Kamerabild wieder in eine Form gebracht werden kann, in der Verkippungen unabhängig von der Oberflächenreflektivität aufgrund unterschiedlicher Flächenhelligkeiten erkannt werden können.
Voraussetzung für die Funktionsweise der in den vorliegenden Ausführungsbeispielen vorgeschlagenen Ausgestaltungen des Verfahrens ist zudem eine spiegelnde Oberfläche. Lichtstrahlen müssen nach dem Reflexionsgesetz (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) reflektiert werden. Für rauere Oberflächen ist dies nicht mehr hinreichend erfüllt und es kommt zunehmend zu einer Lichtstreuung anstatt einer Lichtreflexion. Die Genauigkeit des Verfahrens nimmt dann deutlich ab. Ob eine Oberfläche spiegelnd ist oder nicht wird durch das Rayleigh-Kriterium definiert: h < λ / 8cosθ.
Neben der Rauigkeit h der Oberfläche ist auch die Wellenlänge λ des verwendeten Lichts sowie der Einfallswinkel θ der Lichtstrahlen auf die Oberfläche dafür entscheidend, ob die Oberfläche spiegelt oder nicht. Liegt ein Werkstück vor, dessen Oberfläche zu rau ist und im sichtbaren Wellenlängenbereich nicht spiegelt, so kann eine Beleuchtung mit Licht einer längeren Wellenlänge, beispielsweise Infrarot-Licht, eingesetzt werden, um die Funktionsweise der in den Ausführungsbeispielen vorgeschlagenen Ausgestaltungen des Verfahrens dennoch zu gewährleisten. Es kann auch elektromagnetische Strahlung außerhalb des optischen Wellenlängenbereichs zum Einsatz kommen. Neben der Anpassung der Wellenlänge besteht auch die Möglichkeit, den Einfallswinkel des Lichts zu vergrößern.
4 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Brucherkennung von Werkstücken mit spiegelnder oder hinreichend reflektierender Oberfläche und in diesem Fall unterschiedlicher Oberflächenreflektivität. Bei Vorliegen eines Werkstücks mit beliebig variierender Oberflächenreflektivität und damit intrinsischen Helligkeitsunterschieden kann das Prinzip der Deflektometrie für die Bestimmung einer Verkippung zweier Teilbereiche oder Teilstücke eingesetzt werden. Durch eine strukturierte Beleuchtung lässt sich im Wesentlichen unabhängig von der Oberflächenreflektivität eine Neigungsmessung der Oberfläche durchführen. 4 zeigt hierzu das Verfahren nach dem Prinzip der Deflektometrie. Hierbei wird das Spiegelbild eines am zu untersuchenden Werkstück 1 gespiegelten optischen Musters 15 mit einer geeigneten Detektoreinheit aufgenommen. Der linke Teil der 4 zeigt hierzu schematisch die Beleuchtung der Oberfläche des Werkstücks 1 mit einem Muster 15. Die Abbildung der Oberfläche des Werkstücks 1 erfolgt mit einem Objektiv 16 auf einen Bildsensor 8. Das Muster 15 kann beispielsweise über eine durch einen Bildschirm erzeugte Gitterstruktur realisiert werden. Denkbar und vorteilhaft ist beispielsweise auch die Verwendung von Sinusmustern kombiniert mit einem Phasenschiebeverfahren.
Liegt ein ebenes Werkstück ohne Bruch vor, wie im linken Teil der 4 dargestellt, so entspricht das mit dem Bildsensor 8 aufgenommene Bild im Idealfall dem eingesetzten Muster 15. Lediglich Verzerrungen durch Abbildungsfehler oder Auflösungsbegrenzung oder perspektivische Verzerrungen aufgrund der Geometrie des Aufbaus müssen hierbei berücksichtigt werden. Liegt ein Bruch 12 vor, wie im rechten Teil der 4 angedeutet, kommt es zu Ablenkungen der entsprechenden Lichtstrahlen durch die Neigungsunterschiede der Werkstückoberfläche und dadurch zu einer durch den Bruch 12 verursachten Verzerrung des auf dem Bildsensor 8 entstandenen Musters im Vergleich zum ursprünglichen Muster 15. Daraus kann ein vorhandener Bruch zwischen den Teilbereichen 2, 3 des Werkstücks 1 erkannt und lokalisiert werden. Wird als Muster 15 beispielsweise ein Gitter verwendet, so äußert sich eine Verzerrung des Musters aufgrund eines Bruches in einer Positionsänderung der Gitterpunkte im aufgenommenen Bild. Wird ein binäres Muster mit hellen Punkten auf schwarzem Grund eingesetzt, bei dem die hellen Punkte den Gitterpunkten entsprechen, so ist das Verfahren unabhängig von variierender Oberflächenreflektivität, solange die Gitterpunkte noch vom dunklen Hintergrund unterschieden werden können. Auch bei Verwendung von Sinusmustern in Kombination mit einem Phasenschiebeverfahren besteht eine Unabhängigkeit von absoluten Intensitäten.
Die vorangehend beschriebenen Verfahrensvarianten sind selbstverständlich nur beispielhaft zu verstehen. Das vorgeschlagene Verfahren ist nicht auf eine Bestimmung der Oberflächenneigungen mit diesen Verfahrensvarianten beschränkt.
Die Forschungsarbeiten, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, wurden von der Europäischen Union gefördert.
Bezugszeichenliste

1: Flaches Werkstück
2: Teilstück bzw. Teilbereich
3: Teilstück bzw. Teilbereich
4: Lichtquelle
5: Optik
6: Lichtstrahlen zur Beleuchtung
7: Optik
8: Bildsensor
9: Reflektierte Lichtstrahlen
10: Strahlteiler
11: Apertur
12: Bruch
13: Teilbereiche
14: Trennlinien
15: Muster
16: Objektiv

Claims

Verfahren zur Überprüfung eines Trennschrittes, mit dem ein flaches Werkstück (1) entlang einer oder mehrerer Trennlinien (14) in Teilstücke (2, 3) zerteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Trennschritt durch einen Vergleich einer Oberflächenneigung jeweils benachbarter Teilbereiche (2, 3, 13) des Werkstücks (1) bestimmt wird, ob die jeweils benachbarten Teilbereiche (2, 3, 13) gegeneinander verkippt und damit voneinander getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der gegenseitigen Verkippung der Teilbereiche (2, 3, 13) die Oberflächenneigung jeweils in einer Umgebung der einen oder der mehreren Trennlinien (14) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Werkstücken (1), die keine ebene Oberfläche aufweisen, eine mittlere Oberflächenneigung der Teilbereiche (2, 3, 13) ermittelt und zur Bestimmung der gegenseitigen Verkippung genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenneigung der Teilbereiche (2, 3, 13) vor dem Trennschritt erfasst und zur Bestimmung der gegenseitigen Verkippung mit der nach dem Trennschritt erfassten Oberflächenneigung verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenneigung der Teilbereiche (2, 3, 13) mit einem optischen Verfahren erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Oberflächenneigung mit einem vollflächigen optischen Verfahren erfolgt, das eine Vielzahl von Teilbereichen (2, 3, 13) gleichzeitig erfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Werkstücken (1) mit spiegelnder Oberfläche Licht (6) einer Lichtquelle (4) mit einer bestimmten numerischen Apertur auf die Oberfläche gerichtet und von der Oberfläche reflektiertes Licht (9) mit einem ortsauflösenden optischen Detektor (8) erfasst wird, wobei zwischen dem Detektor (8) und der Oberfläche eine Optik (5, 7) zur Abbildung wenigstens eines Bereiches der Oberfläche auf den Detektor (8) und eine Apertur (11) angeordnet wird, durch die reflektiertes Licht (9), das von einer vorgegebenen Richtung abweicht, wenigstens zum Teil blockiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der gegenseitigen Verkippung der Teilbereiche (2, 3, 13) durch einen Vergleich der mittleren Helligkeiten der Teilbereiche (2, 3, 13) in einem von dem Detektor (8) erfassten Bild des wenigstens einen Bereiches der Oberfläche erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Werkstücken (1) mit spiegelnder Oberfläche die Bestimmung der gegenseitigen Verkippung der Teilbereiche (2, 3, 13) unter Einsatz der Technik der Deflektometrie durch strukturierte Beleuchtung der Oberfläche erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenseitige Verkippung vollständig voneinander getrennter Teilbereiche (2, 3, 13) durch zusätzliche externe Einwirkung auf die Teilbereiche (2, 3, 13) hervorgerufen oder verstärkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Überprüfung eines Trennschrittes, bei dem das flache Werkstück (1) durch Laserschneiden zerteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Überprüfung eines Trennschrittes, bei dem das flache Werkstück (1) durch ein Trennverfahren zerteilt wird, das eine Trennung der Teilbereiche (2, 3, 13) durch thermisch induzierte Spannungen erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Überprüfung eines Trennschrittes, bei dem das flache Werkstück (1) durch thermisches Laserstrahl-Separieren zerteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Überprüfung eines Trennschrittes bei der Vereinzelung von Bauteilen aus einem Halbleitersubstrat.