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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messeinrichtung für flächige Proben sowie ein Verfahren zum Durchführen einer Messung.
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Zur Analyse flächiger, also grundsätzlich zweidimensionaler, Proben werden diese auf einem Messtisch angeordnet und beispielsweise mittels eines Messkopfes ausgemessen. Dazu wird der Messkopf mäanderförmig über den still stehenden Messtisch mit der oder den zu messenden Proben gefahren. Typischerweise kann es sich bei dem Messkopf um einen Transducer, beispielsweise einen Ultraschall-Transducer, handeln. Ein solcher Transducer ist dazu ausgebildet, die Probe bzw. die Proben punktuell auszumessen. Dazu weisen Transducer eine bestimmte Messzone auf, innerhalb derer gemessen werden kann. Diese Messzone, und damit typischerweise der gesamte Transducer, muss entsprechend über die gesamte Probe geführt werden, um die Probe vollständig auszumessen. Dieses Vorgehen kann beispielsweise für die Messung von Lotverbindungen zwischen Halbleiterschichten und einem Träger oder Lotverbindungen zwischen lichtemittierenden Dioden (LED) und Metallisierungsschichten angewendet werden.
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Ein solches Verfahren erfordert jedoch, dass der Messkopf zum Abrastern einer Probe zumindest in einer Bewegungsrichtung regelmäßig verzögert und abgebremst werden muss, um die gesamte Probe zu überstreichen. Durch diese nichtkontinuierliche Bewegung kommt es einerseits zu einem Zeitverlust aufgrund der Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten. Weiterhin kann es im Bereich der Umkehrpunkte des Messkopfes zu einer Artefaktbildung in den Messdaten kommen, aufgrund der nicht homogenen Abtastgeschwindigkeit. Im Übrigen ist es möglich, dass es aufgrund der häufigen Abbrems- und Beschleunigungsvorgänge und die häufigen Richtungswechsel des Messkopfes zu Materialermüdung des Messkopfes selbst oder der mit dem Messkopf verbundenen Komponenten, wie Kabel, Motoren und ähnliches, kommt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Messeinrichtung bereitzustellen, insbesondere eine Messeinrichtung, die wenigstens einen der genannten Nachteile verringert. Daneben ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zum Messen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mittels einer Messeinrichtung gemäß Anspruch 1 sowie einem Messverfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Messeinrichtung einen Messkopf, einen Messtisch zur Aufnahme wenigstens einer Probe sowie wenigstens einen ersten Aktuator auf. Der erste Aktuator ist ausgebildet, den Messkopf und den Messtisch in transversaler Richtung relativ zueinander zu bewegen. Zudem ist der Aktuator derart ausgebildet und ist derart ansteuerbar, dass der Messkopf bzw. der Messtisch während eines Messvorganges zum Messen einer auf dem Messtisch befindlichen Probe kontinuierlich relativ zueinander bewegbar sind.
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Bei den Proben zu vermessenden Proben kann es sich grundsätzlich um flächige Proben handeln. Dies sind im Wesentlichen Proben, die keine ausgeprägte dreidimensionale Struktur aufweisen, insbesondere keine starken Oberflächenkonturen aufweisen. Flächige Proben im Sinne der vorliegenden Erfindung können jedoch auch derartige Proben umfassen, die in einer transversalen Richtung eine flächige Ausprägung haben, und in einer zu der transversalen Richtung senkrechten Richtung beispielsweise eine Schichtstruktur aufweisen. Eine Erstreckung in dieser zu der transversalen Richtung senkrechten Richtung kann dabei bei einer flächigen Probe viel kleiner sein, als eine Erstreckung in der transversalen Richtung. Ein Beispiel einer derartigen flächigen Probe kann ein LED-Chip oder ein Halbleiterschichtenstapel sein.
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Eine kontinuierliche Bewegung bedeutet, dass der Messtisch und der Messkopf während der gesamten Messung, also zumindest bei einer Datenaufnahme durch den Messkopf, in Bewegung relativ zueinander sind. Diese Relativbewegung kann dabei durch eine Bewegung des Messkopfes und des Messtisches, oder nur von entweder dem Messtisch oder dem Messkopf verursacht werden. Auf diese Weise kann ein optimierter Verfahrweg und Bewegungsablauf, und somit ein verbesserter Abtastvorgang des Messkopfes über den Messtisch, ermöglicht werden. Insbesondere kann dies ermöglichen, dass die Relativgeschwindigkeit des Messkopfes zu dem Messtisch stets positiv bleibt, es also zu keinem Stillstand kommt. Dies kann zu einem Zeitgewinn des Abtastvorganges führen. Zudem kann dies dazu führen, dass Artefaktbildung in den Messdaten verringert werden kann, die durch starke Abbrems- und Beschleunigungsvorgänge des Messkopfes verursacht sein können. Durch gezielte Steuerung der Relativbewegung des Messkopfes zu dem Messtisch kann somit eine Qualität der Messdaten erhöht werden.
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In einigen Ausführungen können der Messkopf und/oder der Messtisch mit im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit oder mit im Wesentlichen konstanter Beschleunigung bewegbar relativ zueinander ausgebildet sein. Dazu kann beispielsweise der Aktuator derart ausgebildet sein, dass er den Messkopf mit einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit bewegt. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Messkopf mit einer im Wesentlichen konstanten Beschleunigung bewegt wird, wenn er beispielsweise auf einer Kreis- oder Spiralbahn über den Messtisch geführt wird. Die Beschleunigung kann dabei beispielsweise eine Beschleunigung in der Bewegungsrichtung oder senkrecht zu der Bewegungsrichtung, zum Beispiel eine Zentripetalbeschleunigung, oder eine Kombination dieser Beschleunigungen sein. Eine Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit soll dabei neben einer konstanten Bahngeschwindigkeit auch den Fall einer Bewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit bei der Bewegung entlang einer Kreis- oder Spiralbahn einschließen.
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Das bedeutet insbesondere für einen Fall, in dem der Messkopf auf einer Spiralbahn geführt wird, dass der Messkopf eine überlagerte Bewegung einer Kreisbewegung und einer linearen Bewegung vollführt und daher permanent, vorzugsweise mit im Wesentlichen konstanter Beschleunigung, bewegt wird. Dabei kann der Messkopf entweder derart angesteuert sein, dass die Bahngeschwindigkeit des Messkopfes im Wesentlichen konstant bleibt, oder derart, dass die Winkelgeschwindigkeit des Messkopfes im Wesentlichen konstant bleibt. In letzterem Fall würde dies bedeuten, dass die Bahngeschwindigkeit mit steigendem radialem Abstand von dem Zentrum der Rotationsbewegung zunehmen kann.
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Es ist daneben ein Fall denkbar, in dem der Messkopf auf konzentrischen Kreisen um einen Mittelpunkt, ausgehend von einem Randbereich des Messtisches oder ausgehend von einem Zentrum des Messtisches geführt wird. Nach Vollenden der Messungen entlang einer Kreisbahn der konzentrischen Kreise kann der Radius des Kreises, auf dem der Messkopf sich bewegt, inkrementell verändert werden. So kann der Messkopf sukzessive über den gesamten Messtisch bzw. eine auf dem Messtisch befindliche Probe führbar ausgebildet sein bzw. darüber geführt werden.
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In einigen Ausführungen der vorliegenden Erfindung ist der erste Aktuator mit dem Messkopf gekoppelt. Zudem weist die Messeinrichtung einen zweiten Aktuator auf. Der zweite Aktuator ist mit dem Messtisch gekoppelt. Der erste Aktuator und der zweite Aktuator sind derart mit dem Messkopf bzw. dem Messtisch gekoppelt, dass der Messkopf und der Messtisch unabhängig voneinander bewegbar ausgebildet sind. Das bedeutet, eine Bewegung des Messkopfes ist von einer Bewegung des Messtisches entkoppelt und der Messkopf und der Messtisch sind unabhängig voneinander ansteuerbar und bewegbar. Dies kann mittels einer oder mehrerer Steuervorrichtungen angesteuert werden.
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Dies erlaubt eine unabhängige Bewegung des Messtisches und des Messkopfes voneinander, so dass auch in einem Fall, in dem ein vollständiger Stopp der Bewegung des Messkopfes zur Umkehrung der Bewegungsrichtung notwendig ist, stets eine Relativbewegung des Messkopfes zu dem Messtisch aufrecht erhalten werden kann. Dies kann die Qualität der Messdaten erhöhen und die Artefaktbildung im Bereich der Umkehrpunkte des Messkopfes reduzieren.
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In einigen Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind der Messkopf und der Messtisch derart bewegbar zueinander ausgebildet, dass die überlagerte Bewegung des Messkopfes und des Messtisches eine im Wesentlichen spiralförmige Trajektorie des Messkopfes über dem Messtisch beschreibt.
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Zur verbesserten Beschreibung der durch die Erfindung ermöglichten Verfahrwege soll eine Trajektorie als der Weg des Messkopfes über dem Messtisch so angesehen werden, als würde der Messkopf alleine diese Bewegung durchführen, wenn sich aus dem Kontext der Beschreibung nichts Gegenteiliges ergibt. Entsprechend kann sich eine spiralförmige Trajektorie der effektiven Bewegungsbahn des Messkopfes aus zwei Bewegungen zusammensetzen, nämlich einer linearen, radialen Bewegung zum Beispiel des Messkopfes und einer kreisförmigen Bewegung in diesem Beispiel des Messtisches, oder anders herum. Eine radiale Bewegung soll dabei als eine Bewegung angesehen werden, die von einem vorbestimmten Punkt, beispielsweise einem Mittelpunkt oder einem zentralen Bereich des Messtisches, zu einem Randbereich des Messtisches bzw. der Messapparatur gerichtet ist, oder umgekehrt von einem Randbereich zu einem Mittelpunkt oder zentralen Bereich des Messtisches bzw. der Messapparatur gerichtet ist.
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Dabei ist es unerheblich, ob der Messkopf die lineare und der Messtisch die Kreisbewegung durchführt, oder anders herum der Messtisch die lineare und der Messkopf die Kreisbewegung durchführt.
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In einigen Weiterbildungen ist der erste Aktuator zur Bewegung des Messkopfes als ein Linear-Aktuator ausgebildet. So kann der Messkopf in wenigstens einer transversalen Richtung durch den Aktuator bewegt werden. Eine transversale Richtung bedeutet dabei eine Richtung entlang einer Ebene die im Wesentlichen parallel zu dem Messtisch angeordnet ist. Diese Ebene soll im Folgenden als eine die x-y Ebene aufspannende Ebene in einem kartesischen Koordinatensystem angesehen werden. Der Messkopf kann durch den ersten Aktuator relativ zu einem Bezugspunkt des Messtisches in einer radialen Richtung bewegbar ausgebildet sein.
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Es ist dabei ferner zu beachten, dass der Messkopf in einer z-Richtung, also einer Richtung senkrecht zu der x-y-Ebene, von dem Messtisch beabstandet ausgebildet sein kann. Beschreibungen, die die Bewegungsrichtungen des Messkopfes relativ zu dem Messtisch wiedergeben, bzw. die daraus resultierenden Trajektorien, sind dabei als Projektionen in einer Draufsicht, also in Richtung der z-Richtung auf die x-y Ebene zu verstehen. Es versteht sich, dass in einigen Ausführungen eine Bewegung des Messtisches und/oder des Messkopfes entlang der z-Richtung zum Einstellen eines vorbestimmten oder präferierten Abstandes zwischen der Messebene bzw. der Probe und dem Messkopf ermöglicht sein kann.
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In derartigen Weiterbildungen kann der mit dem Messtisch gekoppelte zweite Aktuator als ein Rotationsaktuator ausgebildet sein. Der zweite Aktuator kann derart mit dem Messtisch gekoppelt sein, dass der Messtisch durch den zweiten Aktuator in einer vorgegebenen Richtung in Rotation versetzt werden kann. Vorzugsweise verläuft dabei die Rotationsachse parallel zu der z-Richtung, senkrecht zu der Bewegungsebene des Messkopfes und durch den Mittelpunkt bzw. durch einen zentralen Bereich des Messtisches. Der Mittelpunkt kann dabei insbesondere auch mit dem Bezugspunkt des Messtisches, zusammenfallen, der den Bezugspunkt für die Relativbewegung des Messkopfes darstellt.
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Der Mittelpunkt des Messtisches kann dabei beispielsweise der Schwerpunkt oder der geometrische Mittelpunkt des Messtisches sein. Ein zentraler Bereich des Messtisches ist vorzugsweise ein Bereich des Messtisches, der um den Mittelpunkt des Messtisches liegt. Eine Rotation um den Mittelpunkt oder den zentralen Bereich des Messtisches führt folglich dazu, dass eine auf dem Messtisch befindliche Probe unter dem Messkopf hindurch bzw. durch eine Messzone des Messkopfes bewegt wird. Durch gleichzeitige Bewegung des Messkopfes, beispielsweise in einer radialen Richtung relativ zu dem Mittelpunkt, um den die Rotation erfolgt, kann bei jedem Durchgang der Probe durch die Messzone des Messkopfes ein anderer Teil der Probe auf dem Messtisch gemessen bzw. getestet werden. Auf diese Weise kann sukzessive die gesamte Probe oder eine Mehrzahl von auf dem Messtisch befindlichen Proben gemessen werden, ohne dass der Messkopf oder der Messtisch regelmäßig abgebremst oder wieder beschleunigt werden muss.
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Es ist daneben in einigen Ausführungsformen auch denkbar, dass der Messtisch in einer oszillierenden Bewegung von dem zweiten Aktuator um einen vorgegebenen Winkel in eine Richtung und im Anschluss um einen entsprechenden vorgegebenen Winkel in die entgegengesetzte Richtung gedreht wird. Der Messkopf kann in diesen Ausführungsformen wie zuvor beschrieben in einer transversalen, vorzugsweise einer radialen Richtung relativ zu dem Bezugspunkt auf dem Messtisch, bewegbar ausgebildet sein. Auf diese Weise können Teilbereiche des Messtisches, also eine Auswahl von Proben, die auf dem Messtisch angeordnet sind, analysiert werden, ohne den gesamten Messtisch zu erfassen. Dies kann eine für die Analyse benötigte Zeit reduzieren.
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Der zweite Aktuator kann in einigen Ausführungsformen zusätzlich oder alternativ als ein Linear-Aktuator ausgebildet sein, der den Messtisch mit darauf befindlichen Proben in transversaler Richtung bewegen kann. Es ist dabei auch denkbar, dass der Messtisch sowohl rotierbar als auch transversal bewegbar ausgebildet ist. Dies kann durch Anwendung vorgegebener Mess-Trajektorien, also der effektiven Bewegungsbahn des Messkopfes über den Messtisch, zu einer verbesserten Abtastung und Messung der Messtischoberfläche bzw. von auf dem Messtisch befindlichen Proben führen.
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In einigen Ausführungen kann der Messkopf als ein Transducer, insbesondere als ein Ultraschall-Transducer, ausgebildet sein. Dies kann Ultraschallmessungen an Proben, und insbesondere an Grenzflächen von Proben, die innerhalb eines Probenkörpers liegen, erlauben. Eine Rotationsgeschwindigkeit bzw. eine Bewegungsgeschwindigkeit des Messkopfes und/oder des Messtisches kann dabei auf eine Messfrequenz des Transducers abgestimmt sein. Auf diese Weise kann ein Messvorgang optimiert werden, indem vermieden werden kann, dass bereits gemessene Bereiche erneut durch die Messzone des Transducers gefahren werden. Ein derartiger Ultraschall-Transducer kann insbesondere dazu geeignet sein, Lotverbindungen zwischen Halbleiterschichten und einem Träger oder zwischen einer LED und einem Träger oder einem Gehäuse zu untersuchen. Dabei kann eine Messfrequenz beipsielsweise im Bereich von 100MHz–300MHz, vorzugsweise bei 100MHz–200MHz liegen. Die die Rotationsgeschwindigkeit des Messtisches bestimmende Drehzahl beträgt vorzugsweise zwischen 0,5 m/s und 2 m/s, insbesondere 1 m/s. Typische Beschleunigungen, die der Messkopf während rein translatorischer Bewegung des Messkopfes entlang des herkömmlichen mäanderförmigen Messpfades erfährt, liegen im Bereich der Umkehrpunkte bei ca. 5 m/s2. Erfindungsgemäß kann dieser Wert durch das Führen des Messkopfes auf einer Spiralbahn bzw. durch die relative Bewegung von Messkopf und Messtisch reduziert werden, beispielsweise um 50% oder mehr reduziert werden.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Mikroskop mit einer solchen Messeinrichtung. Dabei kann es sich insbesondere um ein Ultraschallmikroskop handeln. Das erfindungsgemäße Mikroskop kann insbesondere dafür vorgesehen sein, lichtemittierende Dioden oder Komponenten zur Herstellung von lichtemittierenden Dioden zu untersuchen. Dabei können die Dioden oder die Komponenten der Dioden vereinzelt oder im Verbund auf dem Messtisch angeordnet sein. Das Mikroskop bzw. die erfindungsgemäße Messeinrichtung kann insbesondere dazu ausgebildet sein, Lotverbindungen zwischen verschiedenen Komponenten einer lichtemittierenden Diode, einem Chip einer lichtemittierenden Diode und einer Metallisierung oder einer lichtemittierenden Diode und einem Gehäuse oder Ähnliches zu messen. Insbesondere kann die Messeinrichtung bzw. das Mikroskop dazu ausgebildet sein, eine Lotverbindung zwischen einem Halbleiter oder einem Halbleiterwafer und einem Träger zu untersuchen. Auch können große Strukturen, wie Panele untersucht werden. In einigen Bereichen der Herstellung von LEDs erfolgt auch eine Lotverbindung zwischen der LED und einer Metallisierungsschicht. Das Mikroskop bzw. die Messeinrichtung kann auch dazu ausgebildet sein, derartige Strukturen zu untersuchen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer Probe mit einer entsprechenden Messeinrichtung. Dabei werden der Messkopf und der Messtisch in transversaler Richtung kontinuierlich relativ zueinander bewegt, wobei durch die Überlagerung der transversalen Bewegung des Messkopfes mit der Bewegung des Messtisches der Messkopf über die auf dem Messtisch befindlichen Proben geführt wird. Dies geschieht erfindungsgemäß derart, dass die Messzone des Messkopfes die Proben, die sich auf dem Messtisch befinden, überstreichen und somit messen, vorzugsweise vollständig messen, kann. Insbesondere können die Bewegungen des Messkopfes und des Messtisches auch derart aufeinander abgestimmt sein, dass der Messkopf und somit die Messzone, über alle Bereiche des Messtisches geführt wird. Auf diese Weise kann eine größtmögliche Fläche mit Hilfe des Messkopfes erfasst werden.
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Es ist zu beachten, dass die Messzone des Messkopfes ein vorgegebenes Messfeld in der Ebene des Messtisches bzw. der Probe hat. Dieses Messfeld kann beispielsweise in wenigstens einer transversalen Richtung eine Ausdehnung von einigen µm, z.B. 25µm, haben. Um eine Probe, beispielsweise eine LED die eine Fläche in der Größenordnung von beispielsweise 1 × 1mm haben kann, vollständig auszumessen, müsste der Transducer also in 40 zueinander um jeweils 25µm versetzte parallel Bahnen über die Probe gefahren werden, um eine lückenlose Messung der gesamten Probenfläche zu ermöglichen.
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Der Messkopf kann zur Messung entlang einer ersten Bewegungsbahn bewegt werden, während der Messtisch entlang einer zweiten Bewegungsbahn bewegt werden kann. Bei einer zeilenartigen Führung des Messkopfes über den Messtisch kann dann der Messtisch im Bereich von Umkehrpunkten der Bewegungsrichtung des Messkopfes zumindest abschnittsweise oder zeitweise parallel oder antiparallel zu dem Messkopf bewegt werden. Wird der Messkopf beispielsweise aus seiner Bewegung in eine erste Richtung an einem Umkehrpunkt abgebremst und seiner mäanderförmigen Bewegungsbahn folgend um einen vorbestimmten Betrag parallel versetzt und dabei die Bewegungsrichtung umgekehrt, so wird dabei die Bewegung des Messkopfes in dieser ersten Richtung vollständig gestoppt. Der Versatz des Messkopfes ist dabei gleich oder annähernd gleich der Größe seines Messfeldes in der Messebene der Probe. Da die Verzögerung und der Stopp zu einer Artefaktbildung in dem Messergebnis beitragen kann, aufgrund der stark variierenden Relativgeschwindigkeit zwischen Messkopf und auf dem Messtisch befindlicher Probe, kann der Messtisch beispielsweise während des Abbremsvorganges des Messkopfes in einer der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung beschleunigt werden, so dass der Messkopf und der Messtisch kontinuierlich in Bewegung relativ zueinander sind.
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Kontinuierlich soll in diesem Zusammenhang bedeuten, dass sich zu jedem Zeitpunkt einer Messung der Messtisch mit darauf befindlichen Proben und/oder der Messkopf in Bewegung befinden. Auf diese Weise kann die Messzeit durch Vermeiden von Stillständen der Messung und die Verzögerungsrate, die eine Materialbeanspruchung mit sich bringen kann, verbessert werden. Auf dieses Weise kann zudem der Einfluss der Abbrems- und Beschleunigungsvorgänge auf die Auswertung der Messergebnisse reduziert werden.
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In einigen Ausführungen der vorliegenden Erfindung wird der Messkopf entlang einer ersten transversalen, linearen Bewegungsbahn bewegt, wobei der Messtisch mittels eines Rotationsaktuators in Rotation versetzt bzw. rotiert wird. Auf diese Weise kann eine kontinuierliche Bewegung des Messtisches und der auf dem Messtisch befindlichen Probe oder Proben bewirkt werden. Das bedeutet, dass der Messkopf eine resultierende Trajektorie relativ zu dem Messtisch beschreiben kann, die effektiv einer Spiralbewegung entspricht. Dies kann die Qualität der Messdaten verbessern und den Messvorgang beschleunigen, da keine Abbrems- oder Umkehrvorgänge wie im Falle einer mäanderförmigen Abrasterung während der Messung notwendig sind. Zudem kann auf diese Weise die Materialbeanspruchung des Messkopfes und damit verbundener Komponenten durch Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge reduziert werden.
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Während der Messung wird die Rotation des Messtisches aufrechterhalten. Zudem kann der Messkopf in einer transversalen Richtung, wie bereits geschildert, bewegt werden. Die Rotationsgeschwindigkeit des Messtisches und die Bewegungsgeschwindigkeit des Messkopfes können dabei derart aufeinander abgestimmt werden, dass insbesondere der Messkopf in einer transversalen, vorzugsweise radialen, Richtung während einer Umdrehung des Messtisches um eine Messfeldbreite verschoben wird. Auf diese Weise ist die effektive Trajektorie des Messkopfes über den Messtisch eine Spirale. Die Spirale kann eine nach innen oder nach außen laufende Spirale sein. Dies ist abhängig davon, ob die Bewegung des Messkopfes am Rande des Messtisches oder bei einem Bezugspunkt, insbesondere einem zentralen Bereich oder dem Mittelpunkt des Messtisches, begonnen wird. Durch das radiale Versetzen des Messkopfes um eine Messfeldbreite, beispielsweise um 25µm, kann auf diese Weise der gesamte Messtisch bzw. können alle Proben auf dem Messtisch untersucht werden.
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Es versteht sich, dass der Versatz auch kleiner oder größer sein kann. Es versteht sich zudem, dass verschiedene Messköpfe mit verschieden großen Messfeldern verwendet werden können und ein Versatzabstand des Messfeldes abhängig von der Größe des Messfeldes einstellbar ist. Es ist zudem möglich, dass die transversale, lineare Bewegung des Messkopfes ebenfalls eine beschleunigte oder verzögerte Bewegung ist, zusätzlich zu einer beschleunigten oder verzögerten Bewegung, insbesondere Rotation, des Messtisches ist. Insbesondere mit größerem radialem Abstand zu dem Zentrum einer Rotationsbewegung des Messtisches kann eine Versatzgeschwindigkeit reduziert werden, wenn eine konstante effektive Bahngeschwindigkeit des Messkopfes über dem Messtisch eingehalten werden soll. In diesem Fall wird die Rotationsgeschwindigkeit in radial außen gelegenen Bereichen reduziert und die Umdrehungszeit für eine vollständige Umdrehung ist entsprechend länger.
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Der Radius der Spiralarme ausgehend von der Rotationsachse bei einem sich von einem Bezugspunkt gleich oder nahe bei dem Mittelpunkt des Messtisches radial nach außen bewegenden Messkopf wächst entsprechend während der Messung an. Die Drehzahl bzw. die Rotationsgeschwindigkeit und/oder die lineare Geschwindigkeit des Messtisches bzw. des Messkopfes kann also beispielsweise derart abgestimmt oder angepasst werden, dass die effektive Bahngeschwindigkeit des Messkopfes im Wesentlichen gleich bleibt. Somit kann die Messung über den Zeitraum der Messung hinweg kontinuierlich bei gleicher Geschwindigkeit durchgeführt werden. Dadurch kann der erfasste Bereich der Probe pro Zeiteinheit während einer Messung gleich gehalten werden. Dies kann die Qualität der Messung erhöhen.
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Vorzugsweise rotiert der Messtisch dabei um eine Drehachse, die durch einen zentralen Bereich des Messtisches verläuft. Insbesondere wird der Messtisch um eine Drehachse rotiert, die durch den Mittelpunkt des Messtisches verläuft. Die Rotationsachse steht dabei im Wesentlichen senkrecht zu der x-y-Ebene, in der der Messkopf transversal bewegbar ausgebildet ist und bewegt wird.
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Eine derartige Ausführung der vorliegenden Erfindung kann erlauben, dass Beschleunigungs- und Umkehrvorgänge der beweglichen Komponenten reduziert oder vermieden werden.
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Es ist daneben auch möglich, die Größe und die Form des Messtisches zu variieren. In einigen Ausführungsformen ist es vorteilhaft, einen runden, insbesondere einen kreisrunden, Messtisch vorzusehen. Dies ist insbesondere für Ausführungsformen vorteilhaft, in denen der Messtisch rotiert wird, um die Proben unter dem Messkopf hindurchzuführen. In anderen Ausführungen kann der Messtisch eine rechtwinklige Form aufweisen. Dies ist insbesondere in derartigen Ausführungsformen vorteilhaft, in denen der Messtisch in transversaler Richtung verschoben werden soll. Zudem ist es denkbar, dass der Messtisch einen Probenteller aufweist, der reversibel auf dem Messtisch angeordnet werden kann oder der als Aufnahme für die Proben fungiert.
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Durch Wahl der Größe des Probentellers bzw. des Messtisches kann eine Anpassung an die Größe und/oder die Anzahl der zu vermessenden Proben erfolgen. Auf diese Weise lässt sich eine Vielzahl von Proben gleichzeitig bzw. in einer Messung messen. Zudem kann die zur Verfügung stehende Fläche auf dem Messtisch durch Proben derart belegt werden, um eine möglichst gute Auslastung der zur Verfügung stehenden Fläche zu erlauben. Dies kann eine Messzeit pro Probe reduzieren. So kann ein erhöhter Durchsatz erreicht werden und die Be- und Entladezeiten für Proben können reduziert werden.
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Gemäß einiger Weiterbildungen der Erfindung ist das Messverfahren ein Verfahren zum Messen der Qualität von Lotverbindungen. Die Lotverbindungen können beispielsweise Lotverbindungen zwischen einer Halbleiterschicht und einem Träger sein, mit dem die Halbleiterschicht verbunden ist. Es ist auch denkbar, dass die zu prüfende Lotverbindung eine Lotverbindung zwischen einem LED Chip und einem Träger oder einem Gehäuse ist.
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Es ist zu beachten, dass unter dem Begriff Messung oder Messvorgang ein Vorgang zu verstehen ist, der den Vorgang zur vollständigen Messung wenigstens einer Probe oder einer Mehrzahl an Proben beschreibt. Eine Messung im Sinne dieser Ausarbeitung ist dann abgeschlossen, wenn die wenigstens eine Probe bzw. die zu untersuchenden Proben ausgemessen und die Daten zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stehen.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine vordefinierte Ebene durch einen kontinuierlichen Abtastvorgang mit dem Messkopf untersucht. Dazu wird zum Einen die Messzone derart eingestellt, dass sie in der zu untersuchenden Ebene liegt. Dabei wird der Messkopf durch Steuerung der Bewegung des Messkopfes und/oder des Messtisches derart über eine Probe bewegt, dass ein Messfeld oder eine Messzone des Messkopfes jeden zu untersuchenden Bereich einer Probe erfassen kann. Diese Ebene, in der die Erfassung stattfindet, fällt zumindest teilweise mit einer Ebene zusammen, in der die zu untersuchenden Strukturen, insbesondere Lotverbindungen, in einer Probe angeordnet sind
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Weitere Details, Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Darin zeigt:
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1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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3 eine Querschnittansicht eines Messaufbaus.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung 1. Dabei zeigt 1 eine Ansicht von oben auf die Messeinrichtung 1. Die Messeinrichtung weist einen Messkopf 10 auf, der vorzugsweise als ein Transducer, insbesondere als ein Ultraschalltransducer, ausgebildet ist. Der Messkopf 10 wird mittels einer geeigneten Vorrichtung, die zumindest einen hier nicht gezeigten Aktuator aufweist über einen Messtisch 12 geführt. Dabei sind der Messkopf 10 und der Messtisch 12 voneinander in einer vertikalen Richtung beabstandet angeordnet, wie es aufgrund der Draufsicht in vertikaler Richtung in der 1 nicht erkennbar ist.
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Der Messtisch 12 ist in der gezeigten Ausführungsform nach 1 ein im Wesentlichen rechteckig geformter Aufnahmebereich für eine oder eine Mehrzahl an Proben 14. Vorliegend sind beispielhaft sechs Proben dargestellt, die in transversaler Richtung, also in einer x-y Ebene, nebeneinander ausgerichtet sind.
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Um in dieser Ausführung der Erfindung die Proben vollständig auszumessen, wird der Messkopf 10 entlang einer mäanderförmigen Bewegungsbahn 20 über den Messtisch 12 geführt. Dazu wird der Messkopf 12 entlang einer ersten Richtung, hier die x-Richtung, beschleunigt. Der Pfeil 22 kennzeichnet dabei eine Bewegungsrichtung des Messkopfes 10 bei der Annäherung des Messkopfes 10 an einen ersten Umkehrpunkt U in 1. Im Bereich der Umkehrpunkte U wird der Messkopf 10 verzögert und in einer zweiten Richtung, hier die -y-Richtung, versetzt. Daraufhin wird der Messkopf 10 wieder, diesmal in entgegengesetzter x-Richtung, also der -x-Richtung, beschleunigt bis zu einem nächsten Umkehrpunkt U. Dort wird der Vorgang wiederholt und der Messkopf erneut in der -y-Richtung versetzt. Sukzessive wird so zumindest der mit Proben 14 besetzte Teil der Oberfläche des Messtisches 12 überstrichen und kann untersucht werden. Der Versatz in -y Richtung in der gezeigten Ausführungsform entspricht dabei dem Durchmesser der Messzone des Messkopfes 10
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Daneben ist der Messtisch 12 derart ausgebildet und gelagert, dass er mittels zumindest eines zweiten Aktuators, der hier ebenfalls nicht gezeigt ist, in wenigstens einer der x- oder y-Richtungen, vorzugsweise in beiden Richtungen bewegbar ist. Bei der Annäherung des Messkopfes 10 an einen Umkehrpunkt U kann der Messtisch entgegen der Verzögerung, dargestellt durch den Pfeil 22 in 1, eine gegenläufige Beschleunigung erfahren. Der gestrichelte Pfeil 24 kennzeichnet dabei die Bewegungsrichtung des Messtisches 12, bei der Annäherung des Messkopfes 10 an den Umkehrpunkt U in 1. Auf diese Weise kann der durch den Messkopf 10 ausgemessene Bereich vergrößert werden, da die Artefaktbildung bei der Messung durch entsprechendes Gegensteuern und Bewegen des Messtisches verringert werden kann. Die Umkehrpunkte U des Messkopfes 10 können somit näher an den Proben 14 liegen. Dies kann es auch erlauben, den Messtisch 12 bzw. den Probenteller effizienter mit Proben 14 zu bestücken.
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Natürlich kann in weiteren Ausführungsformen auch der Messtisch 12 sowohl in der x- wie auch der y-Richtung verschoben werden, wobei der Messkopf 10 lediglich in einer der transversalen Richtungen x oder y verschoben wird. Die sich kreuzenden gestrichelten Pfeile 21 in 1 zeigen dabei die beiden Freiheitsgrade, in denen eine Verschiebung des Messtisches 12 bzw. des Probentellers erfolgen kann.
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Es ist auch möglich, dass der Messtisch in einer zu der x-y-Ebene senkrechten z-Richtung, also vertikal, verschoben werden kann, wie insbesondere in Verbindung mit 3 noch näher erläutert wrid. Insbesondere ist es denkbar, dass die Genauigkeit, mit der eine Verschiebung in der Vertikalen erfolgen kann, im Bereich von Mikrometern liegt.
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Eine derartige Verstellung der Messzone bzw. der Messebene in der Vertikalen kann insbesondere in Fällen relevant sein, wenn eine Probe mehrere zu untersuchende Schichten aufweist, die selektiv erfasst werden sollen. Dies ist beispielhaft in der später beschriebenen 3 dargestellt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten ohne dass deren Bedeutung oder Beschreibung erneut wiedergegeben sein muss.
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Die Ausführungsform nach 2 unterscheidet sich von der Ausführung nach 1 dahingehend, dass der Messtisch 12 drehbar relativ zu dem Messkopf 10 gelagert ist. Das bedeutet, der Messtisch ist mit einem Aktuator gekoppelt, der den Messtisch 12 um eine Rotationsachse in Rotation in einer vorgegebenen Richtung 24 versetzen kann. Wie zuvor im Kontext mit 1 beschrieben, werden die Proben 14 auf dem Messtisch 12 angeordnet. Durch die Drehung des Messtisches 12 können die Proben 14 somit unter dem Messkopf 10 hindurchgefahren werden, so dass keine Beschleunigungs- oder Verzögerungsvorgänge, ähnlich zu den Vorgängen im Bereich der Umkehrpunkt U gemäß der Ausführung in der 1, durchgeführt werden müssen.
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Analog zu 1 bezeichnet der Pfeil 22 auch in 2 die Bewegungsrichtung des Messkopfes 10. Dabei unterscheidet sich die Ausführung nach 2 von der Ausführung nach 1 jedoch darin, dass der Messkopf 10 lediglich in einer Richtung zur Messung bewegt werden muss. So kann der Messkopf 10 beispielsweise von einem zentralen Bereich, insbesondere von dem Mittelpunkt M des Messtisches 12, zu einem Randbereich R des Messtisches 12 bewegt werden. Analog ist es möglich, dass der Messkopf 10 von dem Randbereich R hin zu dem zentralen Bereich, insbesondere dem Mittelpunkt M während der Messung bewegt wird.
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Der Messtisch 12 ist gemäß der gezeigten Ausführungsform als ein runder rotierbarer Messtisch 12 bzw. Probenträger ausgebildet. Durch diese Form und die Kombination mit einem Rotationsaktuator kann die auszumessende Fläche auf dem Messtisch 12 vergrößert werden, da die maximale transversale Auslenkung des Messkopfes 10 für die Messung an dem rotierenden Körper lediglich ca. den halben Durchmesser des Messtisches 12 abdecken muss. Dies kann wiederum eine Bestückungszahl des Messtisches erhöhen.
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Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Messtisch derart angeordnet ist, dass die – hier nicht gezeigte – Rotationsachse des Messtisches 12 durch den Mittelpunkt M des Drehtisches verläuft.
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Es ist in alternativen Ausführungen auch denkbar, dass, dem Gedanken der Erfindung folgend, der Messtisch 12 ortsfest ausgebildet ist, und der Messkopf 10 in einer Spiralbahn über den Messtisch 12 geführt wird. Zudem ist es denkbar, dass der Messkopf 10 in konzentrischen Kreisen über den Messtisch 12 geführt wird, um eine Ansteuerung und Auswertung der erhaltenen Daten oder Bildern zu erleichtern. In solch einem Fall kann der Messkopf nach vollenden eines Kreises in radialer Richtung um einen Messzonen-Durchmesser versetzt werden, um die Proben im Wesentlichen lückenlos zu untersuchen.
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Es ist auch denkbar, dass die Proben nicht lückenlos untersucht werden, beispielsweise, indem die Messzone um mehr als einen Messzonen Durchmesser versetzt werden. Auf diese Weise könnte die Zeit zur Untersuchung von Proben reduziert werden. Solch ein Verfahren bietet sich insbesondere in Fällen an, in denen stichprobenartige Untersuchungen angestellt werden sollen.
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Bei allen hier vorgeschlagenen Verfahren wird ein Bild der zu untersuchenden Proben erzeugt. Insbesondere in einem Fall, in dem der Messtisch bzw. der Probenteller gedreht werden, ist es notwendig, die Messzeitpunkte exakt mit der Drehgeschwindigkeit, aber auch mit der transversalen Bewegungsrate abzustimmen. Die vorliegende Erfindung beinhaltet insofern auch ein Verfahren zum Steuern und eine Steuereinheit zum Steuern einer Messeinrichtung beispielsweise entsprechend der oben wiedergegebenen Kriterien.
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Zur Messung mittels einer Messanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einem Transducer beispielsweise durch einen Piezo-Kristall ein Schallsignal im Bereich mehrerer MHz generiert und durch eine Linse fokussiert. 3 zeigt einen möglichen Aufbau für eine derartige Messeinrichtung 1. In der 3 sind zwei Fokusebenen 141 und 142 gezeigt. Eine Fokusebene legt diejenige Schicht in der Probe fest, die untersucht werden soll. In der in 3 gezeigten Ausführung wurde ein Messignal 101 der Messapparatur 1 auf die dem Messtisch 12 näherliegende Ebene 141 fokussiert. Die Messfrequenz des Transducers, also die Frequenz, mit der das Messsignal gesendet wird, und der Bereich, auf den das Messsignal fokussiert wird, bestimmt die minimal mögliche Größe der Messzone für einen bewegten Transducer 10.
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Grundsätzlich wird das Schallsignal an Grenzschichten reflektiert und wieder vom Transducer aufgenommen und analysiert. Aus der Laufzeit des Schalls kann die Tiefe, in der eine Reflektion erfolgt ist, errechnet werden. Die Stärke des reflektierten Signals kann auch Rückschlüsse auf die Beschaffenheit Grenzschicht zulassen.
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Untersucht man z.B. eine Lotverbindung so wird an einer Störstelle, beispielsweise einer Delamination oder einem Lötlunker, deutlich mehr Schall reflektiert als bei einer guten Lötverbindung. Derartige Abweichungen lassen sich in der zusammengesetzten Aufnahme der Probe grafisch darstellen und auswerten.
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Um eine vollständige Analyse einer Probe oder einer Mehrzahl von Proben vorzunehmen, wird die Messzone durch Bewegung von Messkopf 10 und/oder Messtisch 12 relativ zueinander in der xy-Ebene über die gesamte Probe oder Proben 14 geführt. Die dabei pro Messzone angestellten Einzelmessungen können dann für eine Gesamtanalyse der Probe bzw. Proben 14 gemacht werden.
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Eine mögliche technische Realisierung hiervon sieht vor, dass an einer Stelle das reflektierte Signal analysiert wird und aus der Stärke des Signals ein Grauwert berechnet wird. Dieser Grauwert wird einem Pixel in einem Ergebnisbild eineindeutig zugewiesen. Nach Verfahren des Transducers an die nächste Messstelle wird wieder eine Messung durchgeführt und für diese Stelle aus dem Signal ein weiterer Grauwert berechnet. Am Ende der Messung der gesamten Probe erhält man auf diese Weise ein Grauwerte-Bild der Probe von der untersuchten Schicht.
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Mittels einer geeigneten Bildverarbeitung kann dieses resultierende Bild auf Defekte untersucht werden.
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Für die Messung hat es sich zudem als vorteilhaft erwiesen, die Messung mittels einem Kontaktmedium oder Koppelfluid 11, beispielsweise Wasser durchzuführen. Dazu wird ein dünner Wasserfilm auf der Probe 14 vorgesehen, wie in 3 dargestellt ist. Aufgrund der inhärenten Adhäsionskräfte kann das Kontaktmedium 11 den Messkopf 10 benetzen und das Messsignal 101 kann in die gewünschte Ebene fokussiert werden.
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Sollte es gewünscht sein, eine andere Schicht, beispielsweise die Schicht 142, zu untersuchen, so kann in einigen Ausführungsformen der Messtisch 12 in einer vertikalen Richtung verstellt werden. Weiterhin ist es denkbar, dass der Messkopf 10 in einer vertikalen Richtung verstellt wird. Im Übrigen ist es denkbar, dass durch Verstellen, Verschieben oder Austauschen einer Linse, die das Messsignal 101 in dem Messkopf 10 fokussiert, die Fokusebene entsprechend verstellt wird.
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Es versteht sich, dass die obige Beschreibung zur besseren Verständlichkeit anhand von spezifischen Ausführungsbeispielen vorgenommen wurde. Die vorliegende Erfindung wird dabei jedoch durch die nachstehenden Ansprüche definiert, und die dargelegten Beispiele und Ausführungsformen schließen explizit auch Kombinationen miteinander, ohne dass diese im Einzelnen ausgeführt sein müssen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messeinrichtung
- 10
- Messkopf
- 11
- Koppelfluid
- 12
- Messtisch/Probenteller
- 14
- Probe
- 20
- Bewegungsbahn des Messkopfes
- 21
- Freiheitsgrade des Messtisches/Probentellers
- 22
- Bewegungsrichtung des Messkopfes
- 24
- Bewegungsrichtung des Messtisches/Probentellers
- 101
- Messsignal
- 141
- erste Messebene
- 142
- zweite Messebene
- U
- Umkehrpunkt
- M
- Mittelpunkt
- R
- Randbereich
