DE19608468C2 - Optischer Abstandssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Abstandssensor nach dem konfokalen optischen Abbildungsprinzip zur Ermittlung von Abstands- bzw. Höhenwerten zu oder von einer Oberfläche eines Meßobjektes. Die ebenen Koordinaten der Vielzahl von Meßpunk­ ten werden durch die laterale Verschiebung eines Abstandssen­ sors relativ zu dem Meßobjekt vorgegeben, wobei ein Raster erzeugt wird.

Bevorzugte Einsatzgebiete liegen im Bereich der Verbindungs- und Montageverfahren der Halbleiter- und Flachbaugruppenferti­ gung. In der Regel weisen Prüfobjekte einen dreidimensionalen Charakter auf, beispielsweise in der Form und Höhe der Löt­ höcker bei Ballgrid Arrays bzw. bei der Flip-Chip-Kontaktie­ rung sowie in der Form von Nailheads beim Drahtbonden. Aus diesem Grund ist eine dreidimensionale schnelle Erfassung der zu überprüfenden Bereiche erforderlich. Dreidimensionale Sen­ soren üblicher Art genügen jedoch in der Regel den Anforde­ rungen hinsichtlich annehmbarer Kosten und ausreichender De­ tektionssicherheit bei stark spiegelnden gekrümmten Flächen nicht.

Bei der Qualitätsprüfung in der Fertigung von elektronischen Teilen spielt neben der elektrischen Prüfung die äußere, meist optische Prüfung eine wesentliche Rolle. Da an die Ver­ bindungs- und Montageverfahren der Halbleiter- und Flach­ baugruppenfertigung ständig höhere Anforderungen hinsichtlich Qualität gestellt werden, müssen die entsprechend eingesetz­ ten Prüfverfahren zunehmend verfeinert werden. So werden bei­ spielsweise Fehlerraten von weniger als 10 dpm (Defekte pro 10⁶) gefordert. Lediglich durch die Optimierung der Prozesse läßt sich dieses hochgesetzte Ziel nicht mehr erreichen. Letztendlich wird nach annähernd jedem Verfahrensschritt eine automatische Inspektion gefordert.

Zweidimensionale Bildverarbeitungsverfahren üblicher Art ge­ nügen in der Regel nicht den heutigen Anforderungen.

Zur dreidimensionalen Erfassung von Oberflächen werden häufig noch Triangulationsverfahren eingesetzt. Bei einer Auflösung von beispielsweise 10 µm sind diese Verfahren jedoch aus op­ tischen Gründen, wie beispielsweise Sekundärlichtreflexionen, deutlich eingeschränkt. Wesentlich besser sind hierfür konfo­ kale Systeme mit einer koaxialen Strahlanordnung geeignet. Die erzielbare Datenrate ist jedoch aufgrund des mechanisch bewegten Objektives sehr begrenzt.

In der einen optischen Abstandssensor betreffenden Patentschrift WO 93/114 03 A1 wird eine Erhöhung der Da­ tenrate auf 2 MHz sowie eine flächenhafte Erfassung mit dem konfokalen Prinzip beschrieben. Die hohe Datenrate wird durch ein scannendes System erreicht, das auf einer schnellen Strahlablenkung basiert. Die relative Bewegung des Prüfobjek­ tes zum Abtastsensor erfolgt mäanderförmig. Zur Vermeidung von mechanischen Bewegungen des Objektives wird durch auf dem Meßstrahl axial gestaffelte Detektoren auf der Bildseite eine Höhenermittlung durchgeführt. Dieses technisch hoch entwic­ kelte Prinzip ist jedoch mit sehr hohen Kosten verbunden. In der dreidimensionalen Oberflächenvermessung werden auf je­ den Fall in zunehmendem Maße konfokale Prüfmethoden einge­ setzt, die je nach Ausführung weitgehend unabhängig von den optischen Eigenschaften der Oberflächen sind. Dies wird idealerweise dadurch erreicht, daß die Objektoberfläche punktförmig beleuchtet wird und das reflektierte Licht wird wiederum auf einen punktförmigen Detektor abgebildet. Je kleiner die beleuchtete Fläche und die hierzu korrespondie­ rende Detektorfläche ist, desto größer wird das Auflösungs­ vermögen und desto mehr werden Störungen durch sekundäres Streulicht und Fehlmessungen durch die Form bzw. durch die Krümmmung im Bereich des Meßfleckes unterdrückt. Dies kann mathematisch so formuliert werden, daß selbst stark gekrümmte spiegelnde Flächen als eben erscheinen, wenn der Meßfleck sehr viel kleiner ist als der Krümmungsradius der Fläche.

Konventionelle käuflich erhältliche konfokale Mikroskope be­ sitzen durchaus diese optischen Eigenschaften, sind jedoch in der Regel aufgrund des erforderlichen mechanischen Nachfüh­ rens der Objekte bzw. der Mikroskopobjektive für den Einsatz in der Fertigung zu langsam.

Aus der US-Zeitschrift Applied Optics ist folgender Artikel bekannt: T. R. Corle, J. T. Fanton, G. S. Kino; "Distance measu­ rement by differential confocal optical ranging"; Applied Op­ tics, 26 (1987) 12, Seite 2416 bis 2420. Darin wird ein opti­ scher Abstandssensor nach dem konfokalen optischen Abbil­ dungsprinzip zur Ermittlung von Abstandswerten zu einer Ober­ fläche beschrieben. Zur Durchführung des Verfahrens wird das Objekt mit einem kleinen Lichtfleck beleuchtet. Der reflek­ tierte Meßstrahl wird auf einen Punktdetektor fokussiert. Die optische Wegstrecke wird zwischen Empfangseinheit und Abbil­ dungsoptik variiert. Weiterhin wird mittels eines Peakdetek­ tors die maximale Leuchtdichte auf der Empfangseinheit fest­ gestellt, wodurch der aktuelle Abstands- bzw. Höhenwert bei der Abtastung der Oberfläche des Objekts ermittelbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen konfokalen optischen Abstandssensor bereit zustellen, der eine automati­ sche Oberflächenprüfung mit hoher Datenrate ermöglicht, wobei die Systemkosten gering gehalten werden.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch einen Sensor mit den Merkmalen nach Anspruch 1 oder 2.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Einsatz einer einzigen Empfangseinheit auf der Bildseite mit gleich­ zeitiger periodischer Variation der optischen Wegstrecke zwi­ schen dieser Empfangseinheit und der Abbildungsoptik einen optischen Abstandssensor mit hoher Datenrate liefert. Der Hö­ henwert eines abgetasteten Punktes auf der Oberfläche eines Meßobjektes ergibt sich, indem ein in der Empfangseinheit aufgenommenes Maximum der Leuchtdichte des Meßstrahles mit­ tels eines Peakdetektors detektiert wird und gleichzeitig die besagte korrespondierende optische Wegstrecke, die dem Höhen­ wert entspricht, festgehalten wird.

Eine weitere Lösung, die die Anwendbarkeit eines Sensors bei bestimmten Montageverfahren von elektronischen Bauelementen, insbesondere bei der Inspektion von Löthöckern mit spiegeln­ den Oberflächen bei kleinsten Krümmungsradien, erschließt, lau­ tet wie folgt:
Zur Erzeugung eines reellen Zwischenbildes, in dem die konfo­ kal angeordneten punktförmigen Lichtquellen und Sensoren überlagert werden, wird simultan mit Hilfe eines auf der op­ tischen Achse mechanisch bewegten (oszillierenden) Spiegelsy­ stemes die Strahlrichtung mit einem Parallelversatz um 180° umgelenkt. Das entstehende reelle Zwischenbild wird anschlie­ ßend durch eine geeignete Optik auf das Objekt abgebildet. Das vom Objekt zurückgestreute Licht wird rückwärts über die­ selbe oszillierende Spiegelanordnung auf die stationären Sen­ soren bzw. Empfänger geführt. Die aktuelle Position des Spie­ gelsystems, bei der die maximale Leuchtdichte gemessen wird, entspricht dem momentanen Höhenwert auf der Objektoberfläche.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht den Ein­ satz mehrerer optischer Empfänger in der Empfangseinheit vor. Deren Anordnung relativ zur optischen Achse ist vorgegeben, wobei auf der Sendeeinheit die gleiche Anzahl von Licht­ quellen korrespondierend vorhanden ist. Somit ergibt sich ei­ ne gleichzeitige zeilenförmige Anordnung von Meßpunkten auf der Objektoberfläche und ein Zusammenspiel von beispielsweise einer ersten Lichtquelle mit einem ersten Empfänger und einer zweiten Lichtquelle und einem zweiten Empfänger und so fort. Würden bei einer derartigen Anordnung von Leuchtquellen bei­ spielsweise mehrere Abtastpunkte auf der Oberfläche des Meß­ objektes gleichzeitig angesprochen, so wäre eine empfangssei­ tige Trennung des Ortes nicht möglich. Anders ausgedrückt würde ein "Übersprechen" eindeutige Messungen verhindern. So­ mit ist die Datenrate für diese Ausführungsform insofern be­ grenzt, als ein serielles Abtasten für die einzelnen Ab­ tastpunkte mit einer Lichtquelle und einem entsprechenden Empfänger notwendig ist. Wesentlich ist die Variation der op­ tischen Wegstrecke zwischen Objekt und Empfangseinheit bzw. auch zwischen Objekt und Sendeeinheit entweder durch mechani­ sche Bewegung des Empfängers oder durch die Bewegung eines Spiegelsystems, das im Strahlengang positioniert ist, in Kom­ bination mit der parallelen Anordnung von Empfängern und Sen­ dern und der Trennung der einzelnen Sende-/Empfangskanäle durch zeitliche Variation der Intensität (Zeitmultiplex). Der Einsatz eines Spiegelsystemes anstelle des schwingenden Emp­ fängers ist dann zu empfehlen, wenn die Auslegung des schwin­ genden Empfängers hinsichtlich Größe und Rastermaß an die Di­ mensionierungsgrößen stößt. Zur Erzeugung einer Schwingung sollte die Größe des Empfängers so klein wie möglich sein, wodurch die optomechaniche Handhabung jedoch erschwert wird, indem die Zahl der gleichzeitig anwendbaren Lichtquellen stark eingeschränkt wird.

Eine Differenzierung mehrerer gleichzeitig eingeschalteter Lichtquellen ist empfangsseitig möglich, indem die unter­ schiedlichen Lichtquellen unterschiedliche Lichtfrequenzen aufweisen. Empfangsseitig geschieht dies durch entsprechende Modulation der einzelnen Lichtquellen mit unterschiedlichen Frequenzen. Empfangsseitig wird durch eine zwischen Empfangs­ einheit und Peakdetektor geschaltete Bandpaßanordnung jeweils differenziert, zu welchem Abtastpunkt, der mit einem Licht bestimmter Frequenz erzeugt wird, der detektierte Peak in der Leuchtdichte gehört.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zur Ab­ tastung der Oberfläche eines lateral rechtwinklig ausgebil­ deten Meßobjektes, wie beispielsweise einer Flachbaugruppe mit darauf befindlichen elektronischen Bauelementen, sieht vor, daß die Reihe von gleichzeitig erzeugten Abtastpunkte durch entsprechende Anstellung des Abstandssensors bzw. rela­ tiv zum Meßobjekt in Bezug auf einen allgemeinen Verfahrweg eine laterale Anstellung von 45° aufweist. Sind beispielswei­ se bei üblichen Meßobjekten orthogonale Abtastbahnen vorgese­ hen, beispielsweise ein Rahmen, so ist durch die genannte Maßnahme ein Drehen des Abtastkopfes bei einem Richtungswech­ sel im Verfahrweg um 90° eine Drehung des Abtastsensors bzw. Meßkopfes relativ zum Meßobjekt nicht notwendig.

Im folgenden wird anhand von schematischen Figuren ein Aus­ führungsbeispiel beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze mit einem konfokalen optischen Abstandssensor,

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer mit Bondverbindungen 20 versehenen Oberfläche 13 eine elektronischen Bauelementes 19 mit Bonddrähten 21,

Fig. 3 zeigt die Oberfläche eines elektronischen Bauelemen­ tes 19 mit in ungefähr rechtwinkliger Anordnung darauf aufge­ brachten Bondverbindungen 20,

Fig. 4 zeigt korrespondierend mit Fig. 3 die lateralen An­ ordnungen am Einbauplatz 25 eines elektronischen Bauelementes mit Lotdepots 23 auf einer entsprechenden Leiterplatte,

Fig. 5 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Systems mit einer schwingenden Empfangseinheit 4,

Fig. 6a und 6b zeigen zum einen die vollständige dreidi­ mensionale Erfassung einer Flachbaugruppe und andererseits die partielle Erfassung der Flachhbaugruppenoberfläche,

Fig. 7 zeigt eine Anordnung eines konfokalen optischen Sy­ stemes, indem mittels eines schwingenden Spiegelsystemes 30 die optische Wegstrecke variierbar ist und

Fig. 8a, 8b und 8c zeigen schematisch die Bewegungen des Spiegelsystemes und des an dieser Stelle erzeugten Zwischen­ bildes,

Fig. 9 zeigt eine Variante des Systemes nach Fig. 7.

In der Fig. 1 wird ein optischer Abstandssensor nach dem konfokalen Prinzip dargestellt. Ein derartiger Sensor arbei­ tet mit punktförmigen Lichtquellen 2, die auf die Oberfläche 13 eines Meßobjektes 12 abgebildet werden. Das vom Meßobjekt 12 rückgestreute Licht wird in einen ebenfalls punktförmigen Empfänger bzw. eine Empfangseinheit 4 abgebildet. Das Meßob­ jekt 12 und das erzeugte Bild bzw. die Empfangseinheit befin­ den sich im Fokus des Beleuchtungsstrahles- 7 bzw. des Meß­ strahles 8. Der Beleuchtungsstrahl ist hierbei statisch und legt aufgrund seiner Schärfentiefe den Höhenmeßbereich fest. Eine weiterführende Beschreibung des konfokalen Prinzips ist beispielsweise der europäischen Patentschrift EP 0 615 607 zu entnehmen.

Auf der Sendeseite ist in Fig. 1 eine Sendeeinheit 1 darge­ stellt. Diese enthält eine oder mehrere punktförmige Licht­ quellen 1.1, 1.2, . . ., jeweils bestehend aus einer Lichtquelle 2 und einer Blende 3. Hierdurch wird der Beleuchtungsstrahl 7 erzeugt. Die Optik 9, 10, 11 wirkt als Ganzes zusammen und stellt die Abbildungsoptik dar. Unter der periodisch variier­ baren optischen Wegstrecke zwischen der Empfangseinheit 4 und der Abbildungsoptik ist in diesem Fall die Wegstrecke zu der Optik 11 zu verstehen. Der Beleuchtungsstrahl 7 wird über den Teilerspiegel 14 in Richtung auf das Meßobjekt 12 mit der Oberfläche 13 geleitet. Der reflektierte Meßstrahl wird mit­ tels der Optik 10 und 11, sowie dem Teilerspiegel 14 der Emp­ fangseinheit 4 zugeführt. Die Empfangseinheit 4 besteht aus Fotoempfängern 5 mit jeweils zugehörigen Blenden 6, so daß punktförmige Empfänger 4.1, 4.2, . . . dargestellt werden. Nach­ dem die Masse der Abbildungsoptik oder Teilen davon relativ groß ist, so ist es zur Erzeugung der Variation der optischen Wegstrecke in der Praxis günstiger, die Empfangseinheit 4 in Richtung der optischen Achse in Schwingungen zu versetzen. Dies wird durch das seitwärts dargestellte Höhenwert z/Zeit t-Diagramm angedeutet. Die Schwingungsrichtung 17 ist paral­ lel zur optischen Achse des Systems im bildseitigen Meßbe­ reich. Die Schwingung, beispielsweise 2 kHz, ist periodisch, insbesondere sinusförmig.

Theoretisch wäre der Einsatz einer einzigen punktförmigen Lichtquelle 1.1 und eines einzigen punktförmigen Empfängers 4.1 möglich. Die hiermit erzielbare Datenrate bei der Abta­ stung einer gesamten Oberfläche eines Bauelementes 19 ist je­ doch sehr gering. Wird die Anzahl der punktförmigen Licht­ quellen und Empfänger erhöht, so korrespondieren jeweils eine erste Lichtquelle mit einem ersten Empfänger, eine zweite Lichtquelle mit einem zweiten Empfänger und so fort. Anstelle einer seriellen Abtastung sind die Lichtquellen bzw. das Licht der verschiedenen Lichtquellen unterschiedlich modul­ iert, so daß es unterschiedliche Frequenzen aufweist. Somit kann entsprechend der Anzahl von Lichtquellen/Empfänger- Paarungen eine entsprechende Anzahl von Abtastpunkten 18 in einer geraden Linie auf der Oberfläche 13 erzeugt werden. Wie bereits beschrieben, wird für jeden Punkt annähernd gleich­ zeitig ein Höhenwert ermittelt.

In der Fig. 2 ist ein Ausschnitt aus der Oberfläche eines elektronischen Bauelementes 19 dargestellt mit Bondverbindun­ gen 20 und Bonddrähten 21 befestigt. Spezifizierungen erlau­ ben eine maximale Höhe z_max, um in nachgeschalteten Verfah­ rensschritten die Bonddrähte 21 nicht zu beschädigen. Ferner müssen Höhe h und Durchmesser D der Bondverbindungen 20 be­ stimmte Werte einhalten. Die in Fig. 2 eingezeichneten Lini­ en 24 stellen den allgemeinen Verfahrweg 24 dar. Ob eine oder mehrere Lichtquellen/Empfänger-Paarungen mit der entspre­ chenden Anzahl von Abtastpunkten 18 eingesetzt werden, be­ stimmt zunächst die Anforderung bezüglich der Abtastgeschwin­ digkeit. Die Tatsache, daß mehrere Abtastpunkte 18 gleichzei­ tig erzeugbar sind, ist jedoch in dem Zusammenhang zu sehen, daß der Sensorkopf bzw. Abtastsensor insgesamt eine laterale Relativbewegung zu der Oberfläche 13 des Meßobjektes 12 auf­ weist.

Das erfindungsgemäß beschriebene Mikroskop hat im wesentli­ chen das Anwendungsziel die dreidimensionale optische Prüfung von Elektronikeinheiten deutlich kostengünstiger und schnel­ ler zu machen. Hierzu wird eine konfokale Höhenmessung gleichzeitig an mehreren auf einer Linie angeordneten Meß­ punkten durchgeführt, so daß bei Bewegung des Meßobjektes re­ lativ zum Sensor ein Band (Zeile, Reihe) von parallelen Ab­ tastpunkten entsteht, beispielsweise 30 Stück. Diese Struktur des Sensors und die damit erreichbaren Prüfgeschwindigkeiten sind insgesamt nur dann sinnvoll, wenn mit diesem Band im we­ sentlichen nur die Randbereiche von elektronischen Bauelemen­ ten erfaßt werden, in denen sich beispielsweise Lötstellen befinden, die zu überprüfen sind. Dadurch wird bei einer üb­ lichen elektronischen Baugruppe die Abtastung auf etwa 5% der gesamten Flachbaugruppe reduziert. Der Aspekt der partiellen Oberflächenerfassung in Verbindung mit dem parallelarbeiten­ den konfokalen Mikroskop ist wesentlich und führt erst zu ei­ nem akzeptablen Preis-/Leistungsverhältnis. Die partielle und flexible Erfassung eröffnet auch die Möglichkeit, die Prüfung nur auf kritische Bereiche zu erstrecken.

Fig. 3 zeigt ein elektronisches Bauelement 19, auf dessen nach oben gerichtete Oberfläche 13 mehrere Bondverbindungen 20 in orthogonaler Anordnung plaziert sind. Die Bondverbin­ dungen werden durch Bonddrähte 21 mit elektrischen Anschluß­ punkten auf beispielsweise einem nicht dargestellten System­ träger verbunden. Der Einsatz eines optischen Abstandssensors entsprechend der Erfindung erzeugt eine geradlinige Reihe von Abtastpunkten 18. Nachdem an dem Bauelement 19 lediglich die Bondverbindungen 20 bzw. die entsprechenden Bonddrähte 21 zu prüfen sind, ist für den allgemeinen Verfahrweg 24 des Sen­ sors relativ zum Bauelement 19 eine Art Rahmen abzufahren, der ebenfalls orthogonal ausgestaltet ist. Nachdem die hier dargestellte Reihe von Abtastpunkten 18 zu diesem Verfahrweg 24 unter 45° angestellt ist, erübrigt sich ein Drehen des Prüfkopfes mit dem Abstandssensor. Fährt der Abstandssensor den in den Fig. 3 bzw. 4 dargestellten Verfahrweg 24 ab, so wird jeweils eine Art Korridor parallel zur X-Achse bzw. parallelel zur Y-Achse erfaßt, der eine Breite 22 von bei­ spielsweise 256 µm aufweist. Dabei sind beispielsweise 16 Ab­ tastpunkte 18 in einer Reihe.

Die Fig. 4 zeigt ebenfalls in ebener Darstellung entspre­ chend Fig. 3 einen Verfahrweg 24, mit dem die zu prüfenden Lotdepots 23 abgetastet werden. Die Ausbildung des orthogona­ len Rahmens für den Verfahrweg 24 gilt in diesem Falle ana­ log. Ein Bauelement 19 ist zu diesem Zeitpunkt am Einbauplatz 25 noch nicht vorhanden. Bei dieser Anwendung werden Positi­ on, Form und Volumen der Lotpastendepots geprüft.

Die mechanische Bewegung eines Empfängers wird erleichtert, wenn dessen Masse gering ist. Aus diesem Grund müssen sowohl die Empfangseinheit 4 als auch eine parallele Lichtquellenan­ ordnung hinsichtlich der Größe und der Rastermaße sehr klein dimensioniert werden, wodurch die optomechanische Handhabung erschwert wird und die Zahl der gleichzeitig anwendbaren Lichtquellen bzw. Abtastpunkte 18 stark eingeschränkt wird.

Bei einer parallelen Anordnung von Sendern und Empfängern kann es zu optischem Übersprechen und somit zu Fehlmessungen kommen. Dies tritt insbesondere dann in Erscheinung, wenn die Beleuchtungsfleckdurchmesser bzw. die korrespondierenden Blendendurchmesser groß sind im Verhältnis zu den seitlichen Abständen. Da bei einer Konfiguration mit einem bewegten Emp­ fänger die Rayleigh-Länge des an sich starren Beleuchtungs­ strahles den Höhenmeßbereich vorgibt, muß der Öffnungswinkel klein dimensioniert werden. Dies hat zur Folge, daß der Meß­ fleckdurchmesser selbst im Bereich der Strahltaille relativ groß ist. Übersprechen muß daher durch eine Maßnahme, wie beispielsweise zeitliche Variation der Intensität oder Diffe­ renzierung durch unterschiedliche Frequenzen des Lichtes un­ terdrückt werden. Der konfokale Detektor in Verbindung mit einem schwingenden Spiegelsystem weist insbesondere Vorteile auf:

• - Konfokale Detektoranordnung und Lichtquellenanordnung können durch entsprechende Wahl der Linsen verkleinert in das bewegte Zwischenbild abgebildet werden. Dadurch können die Spiegel sehr klein dimensioniert werden und entsprechend hohe Frequenzen bei den oszillierenden Spiegeln erzielt werden.
• - Hinsichtlich der Dimensionierung von Rasterabständen der Lichtquellen und der Detektoren besitzt man große Auswahlmög­ lichkeiten, da der Vergrößerungsmaßstab durch entsprechende Auslegung der Abbildungsoptiken eingestellt werden kann.
• - Der Höhenmeßbereich wird nicht mehr durch die Form des Beleuchtungsstrahles vorgegeben, sondern durch die Wahl der Optiken in Verbindung mit der Amplitude der mechanischen Schwingung des Spiegelsystemes 30. Bei dem beschriebenen Spiegelsystem bewegt sich das Zwischenbild um die doppelte Amplitude der Spiegeloszillation.
• - Da die Brennebene des Beleuchtungsstrahles im Objektbe­ reich mitbewegt wird, kann die numerische Apertur des Be­ leuchtungsstrahles und das Auflösungsvermögen in axialer und lateraler Richtung (Höhe und Breite) erhöht werden.
• - Im Parallelbetrieb ist für jede Lichtquelle ein korre­ spondierender Empfänger vorhanden, wobei ein optisches Übersprechen zu Fehlmessungen führen kann. Das Übersprechen wird umso größer, je größer der Durchmesser der konfokalen Detek­ torfläche relativ zum Abstand der Empfänger zueinander ist. Wegen der konfokalen Abbildung ist der Abstand der einzelnen Lichtquellen zueinander proportional zum wechselseitigen Ab­ stand der Detektoren. Wählt man daher z. B. Lichtquellen mit großen Leuchtfleckabständen bei gleichbleibendem Abstrahlwin­ kel bzw. Leuchtfleckgrößen und verkleinert diese auf das er­ forderliche Maß in den Zwischenbild- bzw. Objektbereich, so kann das Übersprechen erheblich reduziert werden. So kann beispielsweise eine Laserdiodenanordnung mit einem Rastermaß von 125 µm statt mit einem Rastermaß von 25 µm eingesetzt werden. In diesem Fall kann unter Umständen auf eine elektro­ nische Unterdrückung des Übersprechens gänzlich verzichtet werden, was wiederum den technischen Aufwand und damit die Kosten eines derartigen Sensor verringert.
• - Aufgrund der Unterdrückung des Übersprechens durch eine geeignete Wahl des Verhältnisses von Meßfleckdurchmesser zu Meßflecksabstand müssen die Lichtquellen nicht getrennt ange­ steuert werden oder durch unterschiedliche Frequenzen diffe­ renzierbar sein. Dadurch wird eine parallele Oberflächenabta­ stung mit nur einer einzigen Lichtquelle ermöglicht. Die Strahlaufspaltung in die verschiedenen Sendekanäle kann dann z. B. mittels lichtbeugender Elemente erfolgen.

Das erfindungsgemäße System nach Anspruch 1 kommt ohne strahlablenkende scannende Einheiten aus. Ebenso werden kei­ nerlei gestaffelt entlang des Meßstrahles angeordnete Empfän­ ger eingesetzt. Die einzige vorhandene Empfangseinheit kann beispielsweise piezoelektrisch, magnetostriktiv oder elektro­ magnetisch bewegt werden. Eine für praktische Anwendungen ausreichende Oszillationsfrequenz liegt bei 2 kHz. Gleichzei­ tig wird die Steigerung der Datenrate durch Einsatz mehrerer Lichtquellen 1.1, 1.2, . . . in der Sendeeinheit 1 und mehrerer korrespondierender Empfänger 4.1., 4.2, . . . der einzigen Emp­ fangseinheit 4 erzielt. Als Empfänger können beispielsweise integrierte Fotodiodenzeilen verwendet werden. Als Lichtquel­ len werden vorzugsweise Laserdioden-Arrays verwendet. Die bisherige Beschreibung ging von der Verwendung von Blenden 3, 6 aus, da die Lichtquellen 2 bzw. die Fotoempfänger 5, so­ weit übliche Typen im normalen Kostenrahmen verwendet werden, nicht als punktförmig betrachtet werden können. Bei Lasern ist die Verwendung von Blenden nicht notwendig.

Es kann jedoch jederzeit die Intensität der parallelen Licht­ quellen 2 nach jeweils unterschiedlichen Gesetzmäßigkeiten zeitlich verändert werden, so daß auf der Empfängerseite eine eindeutige Zuordnung und damit ein Übersprechen absolut eli­ miniert wird. Für langsame Anwendungen ist auch ein serieller Betrieb der Lichtquellen 2 und der Fotoempfänger 5 möglich. In diesem Fall ist die Anordnung eines einzigen Fotodetektors hinter einem Lochblenden-Array ausreichend.

Wird zur Erzeugung einer hohen Datenrate der parallele Be­ trieb von mehreren Sende-Empfangseinheiten eingesetzt, so ist zunächst bei der Bewegung eines Meßobjektes 13 in einer Rich­ tung nur die Abtastung von Zeilen möglich. In der Regel ist bei den Verbindungs- und Montageverfahren der Halbleiter- und Flachbaugruppentechnik die Überwachung der Randbereiche eines Chips oder eines Bauelementes 19 ausreichend. Diese Bereiche erstrecken sich jedoch auf den vollen Umfang des Bauelemen­ tes. Um bei derartige erforderlichen orthogonalen Abtastbah­ nen den Sensorkopf nicht drehen zu müssen, wird die Achse der zeilenförmig korrespondierend angeordneten Sender und Empfän­ ger und damit entsprechend die Ausrichtung der Reihe von Ab­ tastpunkten auf der Oberfläche 13 unter 45° zu der Abta­ strichtung orientiert.

Die mechanische schwingende Bewegung des Empfängers (Anspruch 1) der Bildseite, sowie die parallele Anordnung von mehreren Empfängern und Sendern jeweils nebeneinander ist einfach und kostengünstig zu realisieren. Die Trennung der einzelnen Sen­ de- und Empfangskanäle durch unterschiedliche Lichtfrequenzen erhöht die Trennschärfe zwischen den einzelnen Kanälen. Die 45°-Anordnung der Reihe von Abtastpunkten relativ zu den or­ thogonalen Abtastrichtungen vereinfacht die Führung des Prüf­ kopfes. Es erfolgt zweckmäßigerweise keine vollständige Er­ fassung der Szene, sondern es werden lediglich die Bereiche erfaßt, die geprüft werden sollen und die im wesentlichen im Randbereich auf einer großflächigen Oberfläche eines elektro­ nischen Bauelementes plaziert sind. Der Einsatz eines Syste­ mes mit einem Spiegelsystem zur Variation der optischen Weg­ strecke erbringt darüber hinausgehende oben erwähnte techni­ sche Vorteile, die mit einer weiteren Erkennungssicherheit und zusätzlicher Kosteneinsparung verbunden sind.

In der Fig. 5 wird eine stark vereinfachte Prinzipskizze ei­ nes Systems mit schwingenden Empfänger dargestellt, wobei folgende typische Werte des Verfahrens angeführt werden kön­ nen:
Auflösung (x, y, z): 10 µm
Höhenmeßbereich: 500 µm
Parallele Abtastspuren: 30 Stück
Datenrate: 150 kHz
Verfahrgeschwindigkeit: 4 cm/sec.

In den Fig. 6a und 6b wird die wesentliche Zeit und Ko­ stenersparnis sichtbar, indem die abzutastenden Bereiche je­ weils dargestellt werden. In Fig. 6a betrifft die dreidimen­ sionale Erfassung der Oberfläche die gesamte Flachbaugruppe bestehend aus beispielsweise einer Leiterplatte mit darauf befindlichen Bauelementen 26. Der Abtastbereich ist vollflä­ chig. In Fig. 6b werden lediglich partielle Abtastungen vor­ genommen. Die Abtastbereiche 27 sind orthogonale Streifen, durch deren Abtastung und Auswertung die Lötstelleninspektion an den elektrischen Verbindungen der Bauelemente 26 vollstän­ dig gewährleistet ist. Die partielle Erfassung der Oberfläche der Flachbaugruppe beträgt beispielsweise 5% der Gesamtflä­ che.

Fig. 7 zeigt den Aufbau eines konfokalen Mikroskopes beste­ hend aus einer Sendeeinheit 1, einer Empfangseinheit 4, einem Teilerspiegel 14, einem Spiegelsystem 30 und einem System von Abbildungsoptiken. Dabei kann die Oberfläche 12 des Meßobjek­ tes 13 abgetastet werden und ein Höhenbild davon erzeugt wer­ den. Das Spiegelsystem 30 besteht aus einer Einheit von zwei gegeneinander um 90° versetzten und verbundenen oder zumin­ dest gleichförmig bewegbaren Spiegeln. Das System wird in der Schwingungsrichtung 17 bewegt. Durch diese Schwingung wird die optische Wegstrecke in ihrer Länge variiert. Die Schwin­ gung ist vorzugsweise eine sinusförmige Schwingung. Die Fre­ quenz kann beispielsweise bei 2 MHz liegen. Unter optischer Wegstrecke kann entsprechend Fig. 7 zunächst die Wegstrecke zwischen der Abbildungsoptik 31 und dem Spiegelsystem 30 be­ trachtet werden. Wesentlich sind jedoch die Veränderungen im Strahlengang zwischen der Abtastung der Objektoberfläche 13 und der Empfangseinheit 4 bzw. der Sendeeinheit 1. Am Spie­ gelsystem 30 wird ein Zwischenbild erzeugt, in welchem die konfokal angeordneten punktförmigen Lichtquellen der Sende­ einheit 1 und der Detektoren der Empfangseinheit 4 überlagert werden. Am Spiegelsystem 30 werden die Strahlen durch den in Fig. 7 sichtbaren Aufbau um insgesamt 180° zurückgespiegelt. Dies geschieht jedoch mit einem Parallelversatz, so daß der Strahlengang zweifach durch die Abbildungsoptik 31 geführt wird. Die Symmetrieachse des Spiegelsystems 30 liegt auf der optischen Achse der Abbildungsoptik 31. Weiterhin liegt das Spiegelsystem 30 im konvergenten Bereich der Lichtbündel auf einer Seite der Abbildungsoptik 31.

Die Fig. 8a, 8b, 8c stellen den Strahlengang am Spiegelsy­ stem 30 dar, wobei die Null-Lage 32 und die Bewegung des Spiegelbildes während der Schwingung des Spiegelsystems 30 angedeutet sind. In Fig. 8a befindet sich das Spiegelsystem 30 ungefähr in der Null-Lage bezogen auf die Schwingungsrich­ tung 17. Die Achsstrahlen (die annähernd axialen oder achsparallelen Strahlen) 28 werden um 2 × 90° gespiegelt. Weitere nicht axial ausgerichtete Strahlen, die in durchgezo­ genen Strichen mit entsprechenden Pfeilen dargestellt sind, werden um insgesamt 180° gespiegelt. Das Zwischenbild befin­ det sich ebenfalls in einer mittleren Lage. Der Übergang von Fig. 8a zur Fig. 8b beinhaltet eine entsprechend der Schwingungsrichtung 17 erfolgte Verschiebung nach rechts. Da­ bei verschiebt sich die Lage des Zwischenbildes nach oben entsprechend der Bewegung 29. Die Umlenkung der Achsstrahlen bleibt identisch. Der Strahlengang weiterer nicht axial ge­ führter Strahlen verändert sich entsprechend. Der Übergang von der Fig. 8a zu der Fig. 8c besteht darin, daß sich ent­ sprechend der Schwingungsrichtung 17 das Spiegelsystem 30 von der Null-Lage 32 nach links verschoben hat. Die Spiegelung der Achsstrahlen 28 bleibt weiterhin bezogen auf die Spiegel­ richtungen unverändert. Die Spiegelung anderer nicht axial geführter Strahlen verändert sich derart, daß die Bewegung 29 des Zwischenbildes 29 nach unten gerichtet ist.

Fig. 9 zeigt eine Variante der Erfindung, wobei die Strah­ lengänge lediglich einmal durch die Abbildungsoptik 31 ge­ führt sind. Die Umlenkung der Strahlengänge auf das Objekt erfolgt über einen zusätzlichen Umlenkspiegel 33.

Claims (10)

1. Optischer Abstandssensor nach dem konfokalen optischen Ab­ bildungsprinzip zur Ermittlung von Abstands- und/oder Höhen­ werten einer Oberfläche (13), insbesondere zur dreidimensio­ nalen Oberflächenvermessung, mit

• - einer Sendeeinheit (1) mit mehreren punktförmigen Lichtquellen (1.1, 1.2, . . .), die auf eine Oberfläche (13) eines Meßobjektes (12) abgebildet werden,
• - einer Empfangseinheit (4) mit mehreren korrespondierenden punktförmigen Empfängern (4.1, 4.2, . . .) gleicher Anzahl, die konfokal im bildseitigen Meßbereich angeordnet sind, wobei die punktförmigen Lichtquellen (1.1, 1.2, . . .) und die punktförmigen Empfänger (4.1, 4.2, . . .) jeweils zeilenförmig in einer zur optischen Achse orthogonalen Ebene angeordnet sind und auf der Oberfläche (13) eine geradlinige Reihe von Abtastpunkten (18) erzeugen,
• - einer koaxialen Führung von Beleuchtungs- und Meßstrahl (7; 8),
• - einer optischen Wegstrecke zwischen der Empfangseinheit (4) und der Abbildungsoptik, die periodisch variierbar ist,
• - einem Peakdetektor (16) zur Feststellung maximaler Leuchtdichten auf der Empfangseinheit (4), wobei die jeweils korrespondierenden optischen Wegstrecken dem jeweiligen Höhenwert des aktuellen Abtastpunktes (18) entsprechen.

2. Optischer Abstandssensor nach dem konfokalen optischen Ab­ bildungsprinzip zur Ermittlung von Abstands- und/oder Höhen­ werten einer Oberfläche (13), insbesondere zur dreidimensio­ nalen Oberflächenvermessung, mit

• - einer Sendeeinheit (1) mit mindestens einer punktförmi­ gen Lichtquelle (1.1, 1.2, . . .), die auf eine Oberfläche (13) eines Meßobjektes (12) abgebildet wird,
• - einer Empfangseinheit (4) mit mindestens einem zur punkt­ förmigen Lichtquelle (1.1, 1.2, . . .) konfokal im bildseitigen Meßbereich angeordneten punktförmigen Empfänger (4.1, 4.2, . . .),
• - einer koaxialen Führung von Beleuchtungs- und Meßstrahl (7; 8), wobei die optische Wegstrecke zwischen der Empfangseinheit (4) und dem Objekt (12) und zwischen Sendeeinheit (1) und Meßobjekt (12) durch den Einsatz eines in Richtung der opti­ schen Achse einer Abbildungsoptik (31) schwingenden Spiegel­ systemes (30) variierbar ist und mittels eines Peakdetektors (16) maximale Leuchtdichten auf der Empfangseinheit (4) fest­ stellbar sind, wobei der Strahlengang zwischen der Lichtquel­ le und dem Meßobjekt und zwischen der Empfangseinheit und dem Meßobjekt jeweils zweimal über die Abbildungsoptik (31) ge­ führt ist und wobei die jeweilige Strahlrichtung vor dem er­ sten und zweiten Durchgang durch die Abbildungsoptik (31) durch das Spiegelsystem (30), das aus zwei um 90° zueinander geneigten Spiegeln besteht und im Fokusbereich der Abbil­ dungsoptik (31) in Bezug auf den Sendestrahl positioniert ist, jeweils um 180° umgelenkt wird und einen Parallelversatz aufweist.

3. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Strahlengänge einmal über die Abbildungsoptik (31) geführt sind und zum anderen zwischen Abbildungsoptik (31) und Spiegelsystem (30) durch einen zusätzlichen Umlenkspiegel (33) über eine Optik jeweils zum Meßobjekt (12) hin oder weg­ geführt werden.

4. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch mehrere in der Sendeeinheit (1) enthaltene punktförmige Lichtquellen (1.1, 1.2, . . .) und mehrere korrespondierende, in der Empfangseinheit (4) enthaltene punktförmige Empfänger (4.1, 4.2, . . .) gleicher Anzahl, wobei die punktförmige Lichtquellen (1.1, 1.2, . . .) und die punktförmigen Empfänger (4.1, 4.2, . . .) jeweils zeilenförmig in einer zur optischen Achse orthogonalen Ebene angeordnet sind und auf der Oberflä­ che (13) eine geradlinige Reihe von Abtastpunkten (18) er­ zeugbar ist.

5. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 4, gekennzeichnet durch eine serielle Abtastung über Abtastpunkte (18) durch jeweils zugehörige korrespondie­ rende punktförmige Lichtquellen (1.1, 1.2, . . .) und punktför­ mige Empfänger (4.1, 4.2, . . .).

6. Optischer Abstandssensor nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine unterschiedliche Frequenzmodulation des Lichtes an un­ terschiedlichen punktförmigen Lichtquellen (1.1, 1.2) und Einsatz von auf die jeweiligen Frequenzen angepaßten Bandpaß­ filtern (15) hinter der Empfangseinheit (4).

7. Optischer Abstandssensor nach einem der Ansprüche 1, 4, 5 oder 6, gekennzeichnet durch Mittel zum Verfahren des Abstandssensors in Bezug auf das Meßobjekt (12), wobei die Reihe der Abtastpunkte (18) rela­ tiv zu einem Verfahrweg (24) einen Winkel von ungefähr 45° aufweist und für die Strahlführung jedes Abtastpunktes (18) das konfokale optische Abbildungsprinzip gilt.

8. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verfahren bei einer Abtastung von orthogo­ nal ausgebildeten Strukturen auf einem Meßobjekt (12) ein Verfahren des Abstandssensors in orthogonalen Richtungen ent­ sprechend der Strukturen auf dem Messeobjekt (12) erlauben.

9. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verfahren das Anfahren vorbestimmter we­ sentlicher Bereiche der Oberfläche (13) erlauben.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die wesentlichen Bereiche Randbereiche von elektronischen Bauelementen (26) sind.