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Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft die 3D-Formermittlung.
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Technischer Hintergrund
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Die Bestimmung der die Form 3-dimensionaler Konturen wiedergebenden Daten, insbesondere von Vertiefungen oder Erhebungen auf im Prinzip ebenen Basisflächen, wird in der Industrie häufig benötigt, um beispielsweise bearbeitete Oberflächen auf ihre Rauheit zu überprüfen.
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Die Ermittlung der Form-Daten oder anderer, mit der Oberflächenform zusammenhängender Ergebnisdaten, z. B. des Volumens der Erhebung, wird dabei häufig mittels des Lichtschnittverfahrens durchgeführt.
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Dabei wird ein fächerförmiger, also in nur einer Ebene aufgespreizter, Lichtstrahl, in aller Regel ein Laserstrahl, auf die zu untersuchende Oberfläche als sehr schmales Lichtband aufgestrahlt. Das Lichtband wird unter einem Winkel, meist einem spitzen Winkel, zur Bestrahlungsrichtung aufgenommen, so dass der Verlauf des Abbildes des Lichtbandes auf der Oberfläche dort vorhandene Vertiefungen oder Erhebungen erkennen lässt, indem auch das Abbild auf dem flächigen Sensor, meist einem CCD-Sensor, dann eine Vertiefung zeigt, wenn der linienförmig auftreffende Lichtstrahl-Fächer quer über diese Vertiefung hinweg verläuft.
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Die Lichtquelle ist zusammen mit dem flächigen Sensor und meist auch der gesamten elektronischen Auswerte-Schaltung gemeinsam in einem dicht geschlossenen Prüfkopf untergebracht.
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Derartige einzelne Abbilder des Lichtbandes auf dem Objekt werden - während sich das Objekt relativ und meist in Querrichtung zur Lichtlinie bewegt - in kurzen zeitlichen Abständen vielfach angefertigt, so dass durch möglichst lückenlose Hintereinanderstellung dieser einzelnen Abbilder, also Scans, die 3-dimensionale Oberflächengestaltung ermittelt werden kann, und/oder damit zusammenhängende Parameter wie Höhe, Volumen, Breite, Lage der Vertiefungen oder Erhebungen usw.
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Ein Anwendungsfall ist die Überprüfung von Silizium-Wafern, bevor diese zur Solarzellen-Herstellung weiterverarbeitet werden.
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Diese Wafer werden erzeugt, in dem von einer Stange aus Silizium, die aus Fertigungsgründen meist einen quadratischen Querschnitt mit abgeschrägten Ecken besitzt, stirnseitig dünne Scheiben mit z.B. 0,2 mm Dicke abgesägt werden, wodurch auf deren beiden Seiten, also Hauptflächen, Sägeriefen entstehen können
Danach muss zum Einen die Dicke der Scheiben überprüft werden, die in einem vorgegebenen Soll-Bereich liegen muss.
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Des Weiteren müssen die beiden Hauptflächen des Wafers daraufhin überprüft werden, dass sie keine zu großen Erhebungen und vor allem Vertiefungen wie etwa e Sägeriefen, die eine Tiefe von bis zu 20 µm besitzen können, aufweist.
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Falls doch solche Sägeriefen vorhanden sind, verlaufen diese in aller Regel über die gesamte Erstreckung des Wafers und es ist bekannt, in welcher Erstreckungsrichtung, solche Sägeriefen primär verlaufen müssten, sofern sie vorhanden sind.
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Auch die Dicke der Wafer muss gemessen werden. Dabei besteht das Problem, dass das Messergebnis hinsichtlich der Dicke stark von der Temperatur am Untersuchungsort und/oder an der Auswerte-Schaltung für das Messergebnis abhängt mit einer Temperaturdrift von ca. 3 µm pro °C.
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Darstellung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren sowie eine geeignete Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, um einerseits die Oberflächenkontur der beidseitigen Oberflächen eines Objektes und andererseits die Dicke des Objektes zumindest bereichsweise zu bestimmen mit möglichst geringem baulichen Aufwand und geringem Auswertungsaufwand trotz hoher Genauigkeit der Ergebnisdaten.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hinsichtlich der Vorgehensweise zur Ermittlung der 3D-Daten einer Oberflächenkontur mittels des Lichtschnitt-Triangulationsverfahrens besteht dieses darin, dass
- a) wenigstens ein fächerförmiger Lichtstrahl (3") in einer Abstrahlrichtung (17) auf die Oberfläche (2) des Objektes (1) gerichtet wird und dort ein Lichtband (3) erzeugt,
- b) das auf der Oberfläche (2) dadurch erzeugte Lichtband (3) von einer Detektoreinrichtung (6), die einen flächigen optischen Sensor (12) umfasst, als Lichtband-Abbild (4) des Lichtbandes (3) in Form eines Einzelbildes, also Scans (S1, S2, S3...) aufgenommen wird als Einzelbild-Rohdaten,
- c) wobei die Beobachtungsrichtung (5) der Detektoreinrichtung (6) in einem Triangulationswinkel (α) zur Abstrahlrichtung (17) des Lichtstrahles (3') steht,
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Will man einen größeren Bereich der Oberfläche abtasten, als derjenige eines einzigen aufgestrahlten Lichtbandes, so wird
- d) die Einzelbild-Rohdaten-Ermittlung gemäß Schritt b) in einer Bewegungsrichtung (7) versetzt vielfach hintereinander an der Oberfläche (2) des Objektes (1) durchgeführt wird, und
- e) aus den so erhaltenen Einzelbild-Rohdaten der einzelnen Scans (S1, S2, S3...) Gesamt-Ergebnisdaten, die die Oberflächen-Kontur (2') wiedergeben, berechnet werden, die in Bewegungsrichtung (7) einen größeren Bandbereich (20) auf der Oberfläche (2) des Objektes (1) beschreiben, als das einzelne Lichtband (3) abdeckt,
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Die erfindungsgemäße Vorgehensweise zum Bestimmen der dreidimensionalen Oberflächenkontur zumindest eines Teils der Oberfläche des Objektes mit möglichst hoher Genauigkeit besteht darin, dass als Bewegungsrichtung, in der sich zwischen den einzelnen Scans, also Aufnahmen, Objekt und fächerförmiger Lichtstrahl relativ zueinander bewegen, die Verlaufsrichtung des auf dem Objekt aufgestrahlten Lichtbandes festgelegt wird, wobei der Versatz in Bewegungsrichtung zwischen den einzelnen Scans geringer ist, mindestens 10 mal geringer, besser mindestens 20 mal geringer, als die Länge des Lichtbandes in dieser Erstreckungsrichtung.
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Da in diesem Fall im Rahmen der Bestimmung der Oberflächenkontur speziell das Vorhandensein von Sägeriefen festgestellt werden soll, wird zusätzlich die Bewegungsrichtung, also die Verlaufsrichtung des aufgestrahlten Lichtbandes, quer zur Erstreckungsrichtung potenziell vorhandener Sägeriefen gewählt. Dies erfolgt in aller Regel dadurch, dass bei einer feststehenden Prüfvorrichtung das Prüfobjekt, in diesem Fall der plattenförmige Wafer, so eingelegt wird, dass die potenzielle Erstreckungsrichtung von eventuell vorhandenen Sägeriefen eben quer zur Bewegungsrichtung liegt.
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Indem nun zwischen den einzelnen Scans das aufgestrahlte Lichtband relativ zur zu untersuchenden Oberfläche des Objektes jeweils um eine VersatzStrecke weiterbewegt wird, werden für jeden Teil-Bandbereich innerhalb des aus versetzten, sich überlappenden Lichtbändern bestehenden Bandbereiches bei jedem Scan und somit mehrfach Teil-Einzelbild-Rohdaten erhalten in Form eines entsprechenden Teil-Lichtband-Abbildes. Vorzugsweise ist ein solcher Teil-Bandbereich - in Verlaufsrichtung des Lichtbandes - definiert durch die Länge einer Versatzstrecke zwischen zwei Scans.
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Ein einzelnes aufgestrahltes Lichtband bildet somit nur einen Bandbereich-Abschnitt des insgesamt mittels aller Scans mit dem analogen Lichtband in Summe abgetasteten Bandbereich auf der Oberfläche, das einzelne Lichtband besteht allerdings aus mehreren Teil-Bandbereichen, da die Versatzstrecke wesentlich geringer ist als die Lichtband-Länge.
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Ein solches Teil-Lichtband-Abbild kann sowohl in Erstreckungsrichtung des Lichtbandes und / oder quer hierzu eine solche Größe besitzen, dass es in jeder dieser Richtungen mehrere Pixel des flächigen optischen Sensors, meist eines CCD-Sensors, beansprucht.
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Da nun für jeden Teil-Bandbereich mehrere Teil-Einzelbild-Rohdaten und gegebenenfalls bereits daraus errechnete Teil-Einzelbild-Ergebnisdaten vorliegen, können daraus Gesamt-Ergebnisdaten für jedes Teil-Bandbereich erzeugt werden, die genauer sind als die aus einem einzelnen Scans erzielbaren Teil-Einzelbild-Ergebnisdaten für dieses Teil-Lichtband-Abbild:
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Da allein schon aufgrund der Relativbewegung von Objekt einerseits und Prüfvorrichtung andererseits diese beiden Baugruppen von einem Scan zum nächsten nicht in Ruhe zueinander verbleiben, sondern immer geringe Bewegungen relativ zueinander - zusätzlich zu der Vorschub-Bewegung - vollziehen in Form von Schwingungen, Temperaturdehnungen, Kraftbeaufschlagungen aus der Umgebung und anderen Ursachen, werden durch diese mehrfach vorhanden Rohdaten für einen Teil-Bandbereich diese Einflüsse zum großen Teil herausgefiltert und ein genaueres Messergebnis erreicht als mit einem einzelnen Scan.
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Um solche z.B. Schwingungen nicht zu unterbinden, ist das Objekt vorzugsweise auf der Auflagefläche nur aufgelegt, sodass es nur mit seiner Gewichtskraft darauf lastet, darüber hinaus jedoch in der vertikalen Richtung nicht gegenüber dieser Auflagefläche fixiert.
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Dadurch kann das Höhenprofil, also die Oberflächenkontur, der sich aneinander anschließenden Teil-Bandbereiche entlang des Bandbereiches insgesamt mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
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Zwar wird hierdurch in der Summe immer noch nur ein schmaler Bandbereich überprüft, und bei weitem nicht die gesamte Oberfläche des Objektes, was aber für den vorliegenden Fall ausreichend ist, da sich die Sägeriefen - sofern sie vorhanden sind - in der Regel im Wesentlichen über die gesamte Breite des Objektes, also quer zur Verlaufsrichtung des Bandbereiches, erstrecken.
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Zur Absicherung wird nicht nur ein Bandbereich abgetastet sondern mehrere, vorzugsweise parallel zueinander liegende und zueinander beabstandete Bandbereiche.
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Vorzugsweise wird die Einzel-Ermittlung vielfach hintereinander mit einer Frequenz von 200 Hz bis2000 Hz durchgeführt.
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In absoluten Angaben vorzugsweise mit einer Versatzstrecke zwischen einzelnen Aufnahmen von 100 µm bis 1000 µm
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Die Vorgehensweise zum Bestimmen der Dicke des Objektes besteht darin, dass eine Ermittlung des Objekt-Abstandes je einer der Oberfläche des plattenförmigen Prüfobjektes zudem auf dieser Seite angeordneten Prüfkopf durchgeführt wird an genau einander gegenüberliegenden Stellen des plattenförmigen Prüfobjektes. Da die Positionen der Prüfköpfe und somit auch deren Abstand bekannt sind, kann hieraus die Dicke des Prüfobjektes berechnet werden.
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In der praktischen Anwendung wird jeder Prüfkopf im montierten Zustand kalibriert auf ein dreidimensionales Koordinatensystem, welches in der Regel für die gesamte Prüfvorrichtung und nicht nur den einzelnen Prüfkopf gilt, sodass der Prüfkopf mittels seiner elektronischen Auswerteeinheit den ermittelten Abstand bereits umrechnet und für die abgetastete Stelle auf der Oberfläche des Objektes direkt die Werte im Koordinatensystem ausgibt.
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Diese Ermittlung des Abstandes kann erfindungsgemäß im Rahmen der Kontur-Ermittlung erfolgen für zumindest je einen Teil-Bandbereich an genau einander gegenüberliegenden Stellen des plattenförmigen Prüfobjektes, vorzugsweise mittels der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens an mehreren Teil-Bandbereichen des Objektes und wie beim bisherigen Verfahren beschrieben durch Mehrfach-Bestimmung der Ergebnisdaten für einen einzelnen Teil-Bandbereich.
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Hierfür kann aus jedem bei der Kontur-Ermittlung ermittelten Oberflächen-Profil - sei es entlang eines eines gesamten Bandbereiches oder eines Lichtbandes als Abschnitt aus dem gesamten Bandbereich oder eines einzelnen Teil-Bandbereiches -, eine Ausgleichsgerade ermittelt werden, die dem in der Höhe gemittelten Oberflächen-Profil entspricht, dies wird auf beiden Seiten des plattenförmigen Objektes durchgeführt, und der Abstand der an den beiden einander gegenüberliegenden Stellen ermittelten Ausgleichsgeraden als Dicke des Objekts definiert..
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Sind diese beiden Ausgleichsgeraden nicht parallel zueinander, wird ihr Abstand an einem definierten. Entlang ihrer Erstreckung gewählt, beispielsweise in der Mitte ihrer Erstreckung, indem dort das Lot von der einen Ausgleichsgeraden auf die andere Ausgleichsgeraden gefällt wird.
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Da jedoch die gesamte Vorrichtung als auch das Objekt selbst auch temperaturbedingten Ausdehnungen und Messwert-Verfälschungen unterworfen ist, wird zusätzlich versucht, die dadurch sich ergebende Temperatur-Drift. der Messergebnisse, also der Ergebnisdaten, zu kompensieren.
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Zu diesem Zweck wird eine Referenz-Objekt mit mindestens einer Referenz-Oberfläche nahe der Oberfläche des zu überprüfenden Objektes so angeordnet, dass der aufgestrahlte fächerförmige Lichtstrahl z.T. auf die Referenz-Oberfläche trifft und z.T. auf die abzutastende Oberfläche des Objektes.
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Vorzugsweise wird die Referenz-Oberfläche in einem Abstand von höchsten 15 mm, vorzugsweise von höchstens 10 mm zum Objekt angeordnet.
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Da die Dicke des Referenz-Objektes und/oder der Referenz-Soll-Abstand der Referenz-Oberfläche zur verwendeten Detektoreinrichtung unter definierten Bedingungen, beispielsweise Norm-Bedingungen (20°C, 1,0 bar Luftdruck) bekannt ist, kann aus der gemessenen Dicke des Referenz-Objektes und/oder dem zur Referenz-Oberfläche gemessenen Referenz-Ist-Abstand im Vergleich zum bekannten Referenz-Soll-Abstand die Temperatur-Drift prozentual ermittelt werden.
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Indem die gemessenen Objekt-Abstände der Detektor-Einrichtung zu den einzelnen Teil-Bandbereichen um diese Drift bereinigt werden, kann die tatsächliche Position dieser Stelle des Objektes sehr genau ermittelt werden und bei Abtasten der einander gegenüberliegenden Seiten des plattenförmigen Wafers auch dessen Dicke sehr genau und unabhängig von in der Umgebung auftretenden Temperaturveränderungen ermittelt werden.
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Eine solche Normierung der gemessenen Objekt-Abstände zwischen Detektor-Einrichtung und Oberfläche des Objekts wird vorzugweise nur dann durchgeführt, wenn die Differenz zwischen Referenz-Abstand und Ist-Abstand zwischen Detektor-Einrichtung und Referenz-Oberfläche größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert.
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Vorzugsweise wird dabei auch die Temperatur am Ort der Ermittlung der 3D-Daten gemessen, um verifizieren zu können, ob eine aus den gemessenen Abständen ermittelte Temperaturdrift tatsächlich auf vorhandene TemperaturVeränderungen zurückgeführt werden können.
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Die Temperatur kann dabei an oder in der Nähe der elektronische Auswerteschaltung für die Roh-Daten erfolgen, denn elektronische Schaltungen sind hinsichtlich der Genauigkeit ihres Messergebnisses empfindlich gegenüber starken Temperatur-Schwankungen.
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Die Temperatur kann stattdessen und / oder zusätzlich auch am Prüfkopf und / oder an der Tragvorrichtung, die den Prüfkopf oder das Objekt trägt, oder am zu überprüfenden Objekt selbst gemessen werden.
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Eine Prüfvorrichtung, insbesondere zur Durchführung der zuvor beschriebenen Verfahren, enthält außer mindestens einem entsprechenden Prüfkopf eine Auflagefläche für das Objekt und eine Tragvorrichtung für den Prüfkopf.
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Bei dem Prüfkopf, der vorzugsweise nach dem Lichtschnitt-Triangulationsverfahren arbeitet soll, enthält bekanntermaßen eine Laser-Lichtquelle sowie eine Detektor-Einrichtung mit einem flächigen optischen Sensor, der das von dem fächerförmigen Lichtstrahl erzeugte und von der Objekt-Oberfläche reflektierte Lichtband in Form eines Lichtband-Abbildes aufnimmt.
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Erfindungsgemäß umfasst eine solche Vorrichtung mindestens ein Paar von Prüfköpfen, vorzugsweise mehrere Paare von Prüfköpfen, wobei die Prüfköpfe jedes Paares bzgl. der Auflagefläche für das zu überprüfende Objekt gegenüberliegend angeordnet sind mit einer Aufstrahlrichtung, die jeweils in Richtung der Auflagefläche für das Objekt gerichtet sind und insbesondere auf die gleiche Stelle dieser Auflagefläche gerichtet sind.
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Natürlich muss - falls eine im Wesentlichen durchgehende Auflagefläche verwendet wird - in dem Bereich, in dem die Lichtfächer der von unten nach oben strahlenden Prüfköpfe, die sich unterhalb der Auflagefläche befinden, nach oben verlaufen, jeweils ein entsprechender Durchbruch vorhanden sein.
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Die Auflagefläche für das Prüfobjekt ist bevorzugt eine bewegliche Auflagefläche, beispielsweise in Form von zwei nebeneinander in horizontal beabstandeten Ebenen und auf gleicher Höhe zueinander umlaufenden, vorzugsweise endlosen, Zugelementen wie Transport-Riemen oder TransportKetten, auf deren Obertrumen das Prüfobjekt aufgelegt werden kann und es durch den Durchlass in der Tragwand hindurch-transportiert.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung wenigstens ein Referenzobjekt mit jeweils wenigstens einer Referenzoberfläche, welche in den fächerförmigen Lichtstrahl wenigstens eines der Prüfköpfe hineinragt, und in einem bekannten Abstand, dem Referenz-Abstand, zu diesem Prüfkopf angeordnet ist, jedenfalls unter bekannten Umgebungs-Bedingungen, insbesondere Norm-Bedingungen (20°C , 1000 mb Luftdruck).
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Ferner kann die Vorrichtung einen Temperatur-Sensor umfassen, der mit der Auswerte-Einheit ebenso wie die Prüfköpfe datentechnisch verbunden ist, und der geeignet ist, die Temperatur wie oben dargelegt
- - an oder in der Nähe der elektronischen Verarbeitungseinheit
- - am Prüfkopf
- - an der Tragvorrichtung für den Prüfkopf bzw. das Objekt und / oder am Objekt
zu messen.
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In der konkreten Ausgestaltung handelt es sich bei der Tragvorrichtung um eine aufrechte, vorzugsweise lotrecht angeordnete, Tragwand, an deren Vorder- und/oder Rückseite der mindestens eine Prüfkopf befestigt ist.
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Sofern die Tragvorrichtung in Form der Tragwand sowohl oberhalb als auch unterhalb der Auflagefläche vorhanden ist und einstückig ausgebildet ist, besitzt sie einen Durchlass zum Hindurch-Transportieren des Prüfobjektes.
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Die Prüfköpfe sowohl oberhalb als auch unterhalb der Auflagefläche sowohl an der Frontseite als auch an der Rückseite einer solchen Tragwand angeordnet werden. Auch mehrere Paare von Prüfköpfen können somit quer zur Bewegungsrichtung der Auflagefläche beabstandet nebeneinander an der Tragwand befestigt werden.
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Die Tragwand und insbesondere die gesamte Peripherie der Vorrichtung darf dabei nicht in die fächerförmigen Lichtstrahlen, die von den Prüfköpfen ausgesandt werden, hineinragen, bis auf das diesbezüglich vorgesehene Referenz-Objekt und im Betrieb das Prüfobjekt.
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Natürlich muss die Steuerung der Prüfvorrichtung in der Lage sein, die erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen und alle beweglichen Teile der Prüfvorrichtung sowie die Prüfköpfe entsprechend zu steuern.
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Figurenliste
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Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine Detektoreinheit gemäß der Erfindung im Betrieb in der Seitenansicht,
- 2a: die Detektoreinheit der 1 im Betrieb in der Frontansicht, >
- 2b: eine Aufsicht auf die Oberfläche des Objektes,
- 3: eine Darstellung eines Linien-Abbildes auf einem flächigen Sensor,
- 4a: eine Aufsicht auf eine Prüfvorrichtung gemäß der Erfindung,
- 4b: eine Seitenansicht der Prüfvorrichtung gemäß 4a,
- 5: eine vergrößerte Aufsicht eines fortschreitenden Lichtbandes,
- 6: die Vorgehensweise der Dickenermittlung bei mehreren von einem Prüfkopf aufgestrahlten Lichtbändern. U
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1 zeigt einen Prüfkopf 40 in der Seitenansicht, die auch erkennen lässt, wie das bekannte Lichtschnitt-Triangulationsverfahren prinzipiell funktioniert:
- Dabei wird ein fächer-förmiger Lichtstrahl 3" auf die Oberfläche 2 eines Objektes 1 gerichtet und erzeugt dort aufgrund der Fächerform des Lichtstrahles 3" - wie in der Aufsicht der 2b dargestellt - ein Lichtband 3.
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Das von der Oberfläche 2 des Objektes 1 reflektierte Licht wird als Lichtband-Abbild 4 des Lichtbandes 3 von einer Detektoreinrichtung 6 aufgenommen, die aus z.B. einem flächigem, optischen Sensor 12 sowie einer damit verbundenen elektronischen Verarbeitungseinheit 11 zum Verarbeiten des vom Sensor 12 aufgenommenen Lichtband -Abbildes 4 und daraus berechneten der Einzelbild-Daten .
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Damit sich auf dem optischen Sensor 12 ein Lichtband -Abbild 4 abzeichnet, welches Rückschlüsse auf die tatsächliche Oberflächen-Kontur 2' der Oberfläche 2 an dieser Stelle zulässt, dürfen die Abstrahlrichtung 17 des Lichtstrahls 3 und die Blickrichtung 5 der Detektoreinheit 6 nicht zusammenfallen, sondern müssen sich durch einen Triangulationswinkel α unterscheiden. Vorliegend sind diese beiden Richtungen so gewählt, dass sie symmetrisch beidseits der Lotrechten 21 auf die Oberfläche 2 liegen, also zu dieser jeweils einen Zwischenwinkel α1 = α2 einnehmen.
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Eine Unebenheit, beispielsweise eine rinnenförmige Vertiefung 22, in der Oberfläche 2 im Auftreffbereich des Lichtstrahles 3'*, wird - wenn sich das aufgestrahlte Lichtband 3 quer über die Vertiefung 22 hinweg verläuft, wie in 2b dargestellt - zwar auf der Oberfläche 2 in der Aufsicht betrachtet ein gerades Lichtband 3, aber auf dem Sensor 12 keine gerades Lichtband -Abbild 4, sondern ein Lichtband -Abbild 4 mit einer Vertiefung darin ergeben.
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Dabei unterscheidet sich diese Vertiefung des Lichtband -Abbildes 4, abhängig von dem Triangulationswinkel α und der Aufteilung in die Zwischenwinkel α1 und α2 , von der Form der Vertiefung 22 der Oberflächen-Kontur 2, geschnitten entlang der Mittelebene zwischen der Ebene des aufgebrachten Licht-Fächers 3, der Abstrahlrichtung 17, und der Blickrichtung 5 des Sensors 12, in der Regel einer lotrechten Ebene 21.
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Wegen der bekannten Position und Ausrichtung des Sensors kann aus den Abmessungen des Band-Abbildes 4 auf die tatsächlichen Abmessungen der Vertiefung 22 auf der Oberfläche 2 rechnerisch geschlossen werden.
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In der praktischen Anwendung wird jeder Prüfkopf 40 im montierten Zustand kalibriert auf ein dreidimensionales Koordinatensystem, welches in der Regel für die gesamte Prüfvorrichtung und nicht nur den einzelnen Prüfkopf 40 gilt, so dass der Prüfkopf 40 mittels seiner elektronischen Verarbeitungseinheit 11 den ermittelten Objekt-Abstand 30 zum Objekt 1 bereits umrechnet und für die abgetastete Stelle auf der Oberfläche 2 des Objektes 1 direkt die Werte im Koordinatensystem ausgibt. Beispielsweise entspricht jeder Pixel des Sensors 12 einem Werte-Tripel im dreidimensionalen Koordinatensystem.
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Wie 1 auch zeigt, sind nicht nur die erwähnten Komponenten der Detektoreinrichtung 6, sondern auch die Lichtquelle 14 zur Erzeugung des ausgesandten Lichtstrahles 3" gemeinsam innerhalb des Gehäuses 16 des Prüfkopfes 40 untergebracht, wobei dieses Gehäuse 16 flach quaderförmig ist mit einer Hauptebene 30 parallel zu der durch Abstrahlrichtung 17 und Blickrichtung 5 aufgespannte Arbeitsebene und einer Breite B quer zu dieser Hauptebene 30, die nicht größer ist als die Beobachtungsbreite 18 des fächerförmigen Lichtstrahles 3, mit der dieser auf der Oberfläche 2 auftrifft.
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Wie 1 zeigt, ist im Prüfkopf 40 die Lichtquelle 14, in der Regel eine Laserpatrone, nahe des für den Lichtstrahl 3' vorgesehenen Durchlasses 23a im Gehäuse 16 angeordnet und der optische Sensor 12 nahe des anderen Durchlasses 23b, die sich beide in einer der Schmalseiten des Gehäuses 16 befinden. Zwischen diesem Durchlass 23b und dem optischen Sensor 12 erfolgt eine Umlenkung des eintreffenden Lichtstrahls, also der Blickrichtung 5, über einen Spiegel 19 in eine Richtung parallel zu der Außenkante, in der sich die Durchlässe 23a, b befinden.
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Der Sensor 12 und der Spiegel 19 bilden gemeinsam die Detektoreinheit 6, die am Gehäuse 16 der Einheit fixiert ist.
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Dadurch verbleibt auf der von der Außenseite mit den Durchlässen 23a, b abgewandten Hälfte des Gehäuses ausreichend viel Platz, um dort eine in der Hauptrichtung 30 des Gehäuses liegende Platine 24 anzuordnen, die die gesamte elektronische Verarbeitungseinheit 11 enthält und mit dem Sensor 12 über elektrische Leitungen ebenso in Verbindung steht wie mit der Lichtquelle 14. Die von der Verarbeitungseinheit 11 ermittelten Ergebnisdaten werden über einen Stecker oder einen Kabelausgang 26 ausgegeben.
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Die nach dem Lichtschnittverfahren hergestellten Einzelaufnahmen, die Scans S1, S2, S3 werden in zeitlich schneller, gleichmäßiger Abfolge wiederholt, wie in 3 angedeutet, um die sich in Bewegungsrichtung 7 relativ zum Prüfkopf 40 bewegende Oberfläche 2 des Objektes 1 ständig optisch abzutasten.
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Da im vorliegenden Fall nicht eine hinsichtlich der Grobposition bereits bekannte Unebenheit lediglich hinsichtlich ihrer Abmessungen vermessen werden soll, sondern es primär darauf ankommt, zu ermitteln, ob überhaupt und wenn ja mit welchen Abmessungen solche Vertiefungen 2a, 2b, die dann meist parallel zueinander verlaufen, in der Oberfläche 2 vorhanden sind, wird gemäß 2 und 5 die Detektoreinheit 6 so positioniert, dass die Verlaufsrichtung 3' des aufgestrahlten Lichtbandes 3 quer zur prinzipiell bekannten Verlaufsrichtung der potentiell vorhandenen Vertiefungen 22 verläuft, und als Bewegungsrichtung 7 die Verlaufsrichtung 3' des aufgestrahlten Lichtbandes 3 gewählt.
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Wie 5 zeigt, verläuft beim dargestellten Scan S1 das aufgestrahlte Lichtband 3 , das mit durchgezogenen Linien dargestellt ist, gerade quer über zwei zueinander beabstandete Sägeriefen 22 hinweg.
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Da das Lichtband 3 ortsfest aufgestrahlt wird, liegt sein in Bewegungsrichtung 7 des Prüfobjektes 1 hinteres Ende immer auf der Referenz-Oberfläche 102.
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Wenn sich das Objekt 1 und damit dessen Oberfläche 2 relativ zum aufgestrahlten Lichtband 3 von einem Scan zum nächsten jeweils um einen bestimmten Versatz weiterbewegt, wird sich die in dieser Richtung hintere Vertiefung 22 aus dem Bereich des Lichtbandes 3 heraus bewegen.
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In 5 sind die ersten fünf Scans S1 bis S5 dargestellt, wobei die Lichtbänder 3 ab Scan S2 mit gestrichelten Linien dargestellt sind, da der Versatz ja geringer ist als die Länge eines Lichtbandes 3, die Lichtband-Länge 18. Die Summe der Positionen der sich überlappenden Lichtbänder 3 der Scans bilden den insgesamt abgetasteten Bandbereich 20 auf der Oberfläche 2.
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Wegen der überlappenden Lage der Lichtbänder 3 werden die einzelnen Teil-Bandbereiche 20.1 ,20.2 des Bandbereiches 20 mehrfach hintereinander mit einem Lichtband 3 beaufschlagt:
- So deckt beispielsweise das Lichtband 3 des ersten Scans S1 Teil-Bandbereiche 20.1 bis 20. 8 auf der Oberfläche 2 ab.
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Nach dem Vorwärtsbewegen des Prüfobjektes 1, also dessen Oberfläche 2, um einen Versatz, der der Länge eines solchen Teil-Bandbereiches in Bewegungsrichtung 7 entspricht, deckt das Lichtband 3 beim zweiten Scan S2 die Teil-Bandbereiche 20.2 bis 20. 9 auf der Oberfläche 2 ab usw., wobei sich das Prüfobjekt 1 durchaus kontinuierlich weiterbewegen kann.
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Wenn also die Länge eines Lichtbandes 3 mindestens der Länge von X Teil-Bandbereichen entspricht, liegen für jeden Teil-Bandbereich im mittleren Bereich, insgesamt X Teil-Rohdaten vor, aus denen bessere Ergebnisdaten bestimmt werden können als aus nur einfach vorhandenen Teil-Rohdaten für einen Teil-Bandbereich.
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Dass eine entsprechend schnelle Verarbeitungseinheit zum Berechnen der Ergebnisdaten benötigt wird, ergibt sich aus den in der Praxis vorliegenden Parametern, die sich wie folgt gestalten können:
- - Durchlaufgeschwindigkeit der Wafer 1: 400 mm/s und höher
- - Länge des Wafers in Durchlaufrichtung: 160 mm,
- - Lichtband-Länge: 20 mm
- - Versatzstrecke zwischen den Scans: 0,8 mm
- - Scan-Frequenz: ca. 500 Hz und höher. In 3 ist ein Lichtlinien-Abbild 4 dargestellt, wie es sich auf dem flächigen, in diesem Fall rechteckigen, Sensor 12 darstellt, der aus den sich in einer ersten Erstreckungsrichtung 12.1 erstreckenden Zeilen Z1, Z2 sowie dazu im rechten Winkel in einer zweiten Erstreckungs-Richtung 12.2 verlaufenden Reihen R1, R2 angeordneten Pixeln P1.1, P1.2 bzw. P2.1 besteht.
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Die Teil-Lichtband-Abbilder 4.1, 4.2 usw., aus denen sich das Lichtband-Abbild 4 zusammensetzt, entsprechend den Teil-Bandbereichen 20.1,20.2 des Bandbereiches 20 gemäß beispielsweise 5. In derjenigen Erstreckungs-Richtung 12.1 des flächigen Sensors 12, die der primären Erstreckungsrichtung des Lichtband-Abbildes 4 am nächsten kommt, besitzen diese Teil-Lichtband-Abbilder 4.1, 4.2 usw. jeweils die gleiche Länge 12.1*.
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4a zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Oberflächen-Kontur 2' des Prüfobjektes 1, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel drei Paare von gegeneinander gerichteten Prüfköpfen 40 mit jeweils einer Detektoreinrichtung 6 sowie einer Laser-Lichtquelle 14 der vorstehend beschriebenen Art umfasst.
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Dabei werden auf der Oberfläche 2 des Objektes 1, bei welchem es sich zum Beispiel um einen Wafer 1 handeln kann, entsprechend sechs Lichtbänder 3 erzeugt, davon drei Lichtbänder 3 auf der Oberseite 2a des Objektes 1, wie in 4a erkennbar, die anderen an den jeweils genau gegenüberliegenden Stellen auf der Unterseite 2b, wobei die Lichtbänder 3 mit ihren Verlaufsrichtungen 3' jeweils parallel zueinander verlaufen und vorzugsweise in gleichen Abständen zueinander, gemessen in einer zu der Verlaufsrichtung 3' des Lichtbandes 3 orthogonal verlaufenden Richtung.
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In Bewegungsrichtung 7 des Prüfobjektes 1 ist dabei das mittlere Paar von Prüfköpfen 40 auf der Rückseite einer Tragplatte 60 angeordnet, die beiden anderen Paare in Bewegungsrichtung 7 betrachtet links und rechts davon auf der Vorderseite, so dass die in Querrichtung zur Bewegungsrichtung 7 überlappenden Prüfköpfe 40 nicht kollidieren.
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Ferner sind in 4a, b die in den Strahlengang einiger oder aller prüf Köpfe 40 hineinragenden Referenz-Objekte 100 zu erkennen, mit deren Hilfe temperaturbedingte Veränderungen der Messergebnisse für die dicke D des Objektes 1 - seien sie bedingt durch tatsächliche temperaturbedingte Ausdehnungen des Prüfobjektes 1 oder durch temperaturbedingte Beeinflussung der Prüfköpfe, insbesondere deren Auswärtseinheit - kompensiert werden sollen. Dabei sind unterschiedliche Varianten dargestellt:
- Bei dem einen, hier dem linken, Paar von übereinander angeordneten und gegeneinander gerichteten Prüfköpfen 40 ist nur ein Referenzobjekt 100 vorhanden und vorzugsweise wie alle Referenzobjekte 100 an der Tragplatte 60 befestigt, und zwar in der Höhe angeordnet zwischen dem Objekt 1 und dem oberen Prüfkopf 40, und in der Aufsicht gemäß 4a so angeordnet, dass es in den Lichtfächer 3" dieses oberen Prüfkopfes 40 nur in dessen Anfangsbereich - in Bewegungsrichtung 7 - hineinragt.
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In den Lücken zwischen zwei hintereinander durchlaufenden Objekten 1 werden dann die Anfangsbereiche der beiden Lichtfächer 3" sowohl des oberen als auch des unteren Prüfkopfes 40 an der Oberseite bzw. Unterseite des Referenzobjektes 100 reflektiert, so dass dessen Ist-Dicke d gemessen werden kann, beispielsweise aus dem bekannten Prüfkopf-Abstand 31 abzüglich der Summe der von den beiden Prüfköpfe 40 zum Referenzobjekt 100 jeweils gemessenen Referenz- Ist-Abstände 32a, b.
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Weicht diese Ist-dicke d von der bekannten Soll-dicke des Referenzobjektes 100 ab, beispielsweise um 1 %, so wird analog die ermittelte Ist-Dicke D des dieser Lücke vorausgegangenen oder nachfolgenden Objektes 1 analog um 1 % korrigiert.
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Bei einem anderen, hier dem in der horizontalen Querrichtung zur Bewegungsrichtung 7 mittleren, Paar von Prüfköpfen 40 sind zwei Referenzobjekte 100 vorhanden, das eine zwischen dem oberen Prüfkopf 40 und dem Objekt 1, das andere, insbesondere in der Aufsicht betrachtet fluchtend darunter, zwischen dem unteren Prüfkopf 40 und dem Objekt 1.
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In der Aufsicht betrachtet sind die beiden Prüfobjekte 100 analog wie beim linken Paar von Prüfköpfe 40 angeordnet, nämlich nur in den Anfangsbereich, dem in 4a unteren Bereich, des Lichtfächers 3" hineinragend, dessen Beginn somit auf dem jeweiligen Referenzobjekt 100 bzw. dessen dem jeweiligen Prüfkopf 40 zugewandten Referenz-Oberfläche 102 liegt.
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Zur Bestimmung der Dicke D des Objektes 1 wird von jedem Prüfkopf 40 des jeweiligen Prüfkopfpaares die Oberseite 2a bzw. die Unterseite 2b des Prüfobjektes 1 abgetastet wie beschrieben, insbesondere zur Ermittlung der Oberflächen-Kontur 2', und zusätzlich der Objekt-Abstand 30a, b des Prüfkopfes 40 von der jeweiligen Oberfläche 2 ermittelt, was mittels der angewandten Triangulation möglich ist.
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Geschieht diese Abstandsermittlung sowohl von der Oberseite als auch von der Unterseite des Objektes 1 her, so kann z.B. aus dem bekannten Kopf-Abstand 31 der beiden Prüfköpfe 40 des Paares, insbesondere deren Detektoreinrichtungen 6, voneinander und den von beiden Seiten ermittelten, jeweils zwischen jeder Prüfkopf 40 und der zugewandten Oberfläche 2a, b vorliegenden Objekt-Abständen 30a, b die Dicke D des Objektes 1 bestimmt werden als Differenz zwischen dem Kopf-Abstand 31 der beiden gegeneinander gerichteten Prüfköpfe 40 und der Summe der beiden Objekt-Abstände 30a, b.
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Vorher jedoch können die gemessenen Objekt-Abstände 30a, b korrigiert werden auf Basis der ebenfalls ermittelten Referenz-Ist-Abstände 32a, b zwischen dem jeweiligen Prüfkopf 40 und der ihm zugewandten - oberseitigen oder unter seitigen - Referenz-Oberfläche 102 des Referenzobjektes 100:
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Weichen diese Referenz-Ist-Abstände 32a, b von den bekannten, bei Ausgangsbedingungen wie etwa den Normbedingungen ermittelten, Referenz-Soll-Abständen ab, beispielsweise um 1,5 %, so werden auch die gemessenen Objekt-Abstände 30a, b analog, also z.B. um 1,5 %, korrigiert, bevor hieraus die Dicke Die des Objektes 1 ermittelt wird.
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Bei einem weiteren, hier dem rechten, Paar von Prüfköpfen 40 sind wie beim mittleren Paar zwei Referenzobjekte 100 einerseits im oberen und andererseits im unteren Strahlengang angeordnet, jedoch ragt nun jedes der beiden Referenzobjekte 100 in je eines der beiden Enden des Lichtfächers 3" hinein und ist zu diesem Zweck in der Aufsicht der 4a U-förmig gestaltet, indem die beiden freien Enden der U-Form in je eines der beiden Enden des Lichtfächers 3" hineinragen.
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Dadurch können an beiden Enden jedes Lichtfächers jeweils die Referenz-Ist-Abstände 32a, b bestimmt und vor Verwendung für die Korrektur der Objekt-Abstände 30a, b gemittelt werden, was die Temperatur-Kompensation der Messergebnisse weiter verbessert.
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Das Objekt 1 wird dabei gemäß 4a, b von einer Auflagefläche 27 gestützt, auf welcher das Objekt 1 vorzugsweise nur mit seiner Gewichtskraft aufliegt und ansonsten in der Vertikalrichtung nicht fixiert ist.
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Die Auflagefläche 27 ist dabei eine in Bewegungsrichtung 7 bewegbare Auflagefläche, welche sich durch einen Durchlass 61 einer Tragwand 60 hindurch erstreckt, an welcher die Prüfköpfe 40 befestigt sind, wobei die Auflagefläche 27 zwei parallel nebeneinander verlaufende Obertrume 28 von jeweils in einer vertikalen Ebene umlaufenden endlosen, synchron antreibbaren, Transportriemen 29 umfasst. Die bewegbare Auflagefläche 27 wird dabei von einer nicht dargestellten Steuerung angesteuert, wobei die Auflagefläche 27 sich bei Bedarf auch in eine der Bewegungsrichtung 7 entgegengesetzte Richtung bewegen kann.
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Wie ferner in der 4a zu erkennen, verläuft die Verlaufsrichtung 3' jedes Lichtbandes 3 im Wesentlichen quer zu der Erstreckungsrichtung von in 4a lediglich schematisch angedeuteten Vertiefungen 22, bei welchen es sich in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel um potenziell vorhandene Sägeriefen 22 handelt, welche aus einer zeitlich vorgeschalteten Bearbeitung des Objektes 1 mit einer Säge resultieren können.
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4b zeigt die Prüfvorrichtung betrachtet in Bewegungsrichtung 7 der Prüfobjekte 1.
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Wie in dieser Ansicht zu erkennen ist, sind insgesamt drei Paare von Prüfköpfen 40 mit jeweils bezüglich der Auflagefläche 27 gegenüberliegend angeordneten Prüfkopfköpfen 40 vorgesehen,
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Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Oberflächen-Kontur 2' des Objektes 1 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel auch derart ausgeführt sein kann, dass nur auf einer Seite, d.h. in der Ansicht in 4b nur oberhalb bzw. unterhalb des Objektes 1 bzw. der Auflagefläche 27 Prüfköpfe 40 angeordnet sind, für den Fall, dass nur eine der beiden Hauptflächen, also Oberflächen 2a, b, des plattenförmigen Objektes 1 untersucht werden soll.
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Soll allerdings zusätzlich oder alternativ die Dicke D des Objekts 1 untersucht werden, so ist es zumindest erforderlich, wenigstens ein solches Paar von gegenüberliegend angeordneten Prüfköpfen 40 vorzusehen.
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Zur besonders exakten Bestimmung der Dicke D des Objekts 1, insbesondere auch eines Verlaufs der Dicke des Objektes 1 quer zur Bewegungsrichtung 7 der Auflagefläche 27, können die beschriebenen mehreren, zum Beispiel drei, Paare von Prüfköpfen 40 vorgesehen werden.
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6 zeigt, wie die Dicke noch genauer an einer Prüfstelle ermittelt werden kann, vor allem wenn das plattenförmige Objekt 1 nicht genau lotrecht zu dem Abstand zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Prüfköpfen 40 angeordnet ist oder leicht gekrümmt ist oder eine in ihrem Verlauf ungleichmäßige Dicke aufweist.
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Zu diesem Zweck werden von jedem der beiden einander gegenüberliegenden Prüfköpfe 40 zwei im Abstand nebeneinanderliegende Lichtbänder 3 auf je einer Seite des Objektes 1 aufgestrahlt und die Längsmittellinien 13 dieser beiden Lichtbänder 3 ermittelt, die ja eine Ausdehnung in der Breite besitzen.
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Anschließend wird durch die beiden Längsmittelinien 13 der dadurch erzeugten Lichtbänder 3 jeder Seite des Objekts 1 jeweils eine virtuelle Oberflächen-Ebene 2" definiert, und die Dicke D des Objekts 1 zwischen diesen beiden Prüfköpfen 40 anhand dieser beiden virtuellen Oberflächen-Ebenen 2" bestimmt:
- Wenn sich nach einer Überprüfung herausstellt, dass diese beiden Oberflächen-Ebenen 2" parallel zueinander verlaufen - wofür ein Grenzwert für die Abweichung von der Parallelität festgelegt werden kann - so wird der Abstand dieser beiden zueinander parallelen Oberflächen-Ebenen 2" als Dicke D des Wafers 1 festgelegt.
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Wenn sich herausstellt, dass die beiden Oberflächen-Ebenen 2" nicht parallel zueinander liegen, also insbesondere ihre Abweichung von der Parallelität größer ist als ein vorgegebener Grenz-Winkel, wird auf einer der beiden Seiten des Objektes auf der Mitte zwischen den dortigen beiden Längsmittellinien 13 eine Mittenlinie 25 festgelegt.
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Vorzugsweise wird die Länge der Mittellinie 25 beschränkt auf die Länge der beiden Lichtbänder 3, auf deren Basis sie erstellt wurde.
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Als Dicke D des Objekts 1 an dieser Messstelle wird der Abstand von dieser Mittenlinie 25 aus der Länge des Lotes 10 zur Oberflächen-Ebene 2", in der die Mittenlinie 25 liegt, bis zur gegenüberliegenden Oberflächen-Ebene 2" festgelegt.
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Das Lot 10 kann gefällt werden in der Mitte der Länge der Mittenlinie 25, und diese Länge des Lotes 10 als Dicke D verwendet werden, oder das Lot 10 kann gefällt werden an den beiden Enden der Mittenlinie 25 und als Dicke D der Mittelwert zwischen der Länge dieser beiden Lote 10 festgelegt werden.
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4b zeigt ferner den in der Tragplatte 60 vorhandenen Durchlass 61, durch den sich die beiden Transportriemen 29 hindurch erstrecken, und der auch ausreichend groß ist, dass der darauf liegende Wafer 1 durch den Durchlass 61 hindurchlaufen kann.
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Bezugszeichenliste
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| 1 |
Objekt, Prüfobjekt, Wafer |
| 2 |
Oberfläche |
| 2' |
Oberflächen-Kontur |
| 3 |
Lichtband |
| 3' |
Verlaufsrichtung |
| 3" |
Lichtstrahl, Lichtfächer |
| 4 |
Lichtband-Abbild |
| 4' |
Verlaufsrichtung |
| 4.1, 4.2 |
Teil-Lichtband-Abbild |
| 5, 5' |
Beobachtungsrichtung |
| 6 |
Detektoreinrichtung |
| 7 |
Bewegungsrichtung |
| 8 |
Erstreckungsrichtung |
| 9 |
Bilddatenspeicher |
| 10 |
Einzelbild-Roh-Daten |
| 10' |
Einzelbild-Kompakt-Daten |
| 11 |
elektronische Verarbeitungseinheit |
| 12 |
optischer Sensor |
| 12.1, 12.2 |
Erstreckungsrichtung |
| 12.1* |
Länge |
| 13 |
Längsmittellinie |
| 14 |
Laser-Lichtquelle |
| 15 |
interner Speicher |
| 16 |
Gehäuse |
| 17 |
Abstrahlrichtung |
| 18 |
Lichtband-Länge |
| 19 |
Spiegel |
| 20 |
Bandbereich |
20.1, 20.2 |
Teil- Bandbereich |
| 21 |
Lotrechte, lotrechte Ebene |
| 22 |
Oberfläche |
| 23 |
Durchlass |
|
|
| 24 |
Platine |
|
|
| 25 |
Mittenlinie |
|
|
| 26 |
Stecker, Kabel Auslass |
| 27 |
Auflagefläche |
|
| 28 |
Obertrum |
|
| 29 |
Transportriemen |
| 30 |
a, b Objekt-Abstand |
| 31 |
Prüfkopf-Abstand |
| 32 |
a, b Referenz-Ist-Abstand |
| |
|
|
|
| 40 |
Prüfkopf |
|
|
| 40" |
Hauptebene |
| |
|
|
|
| 50a, b |
Fenster |
|
|
| 50a1 |
Länge |
|
|
| 50a2 |
Länge |
|
|
| 50* |
Fenster-Bereich |
| |
|
|
|
| 60 |
Tragvorrichtung, Tragwand |
| 61 |
Durchlass |
|
|
| |
|
|
|
| 100 |
Referenz-Objekt |
| 102 |
Referenz-Oberfläche |
| |
|
|
|
| α |
Triangulations-Winkel |
| α1, α2 |
Zwischenwinkel |
| β1, β2 |
Anstiegswinke |
| b, B |
Breite |
| D |
Dicke Wafer |
| d |
Dicke von 100 |
| P1.1 |
Pixel |
| P* |
virtuelles Pixel |
| D1.1 |
Datensatz |
| MS1, MS2 |
Sicherheitsabstand |
| Z1 |
Zeile |
| R1 |
Reihe |
| S1, S2 |
Scan |
| SF1, SF2 |
Sicherheits-Zuschlag |
