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Die Erfindung betrifft eine Hochleistungs-Flächenlichtquelle zur Durchleuchtung von weitgehend flächigen Objekten, insbesondere für Anwendungen zur optischen Prüfung von Rissen in Siliziumbauteilen für opto- und halbleiterelektronische, optische und mechanische Anwendungen auf Grundlage einer Transmissionsmessung.
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Für zahlreiche technische Anwendungen werden optische Inspektionsverfahren eingesetzt, bei denen mittels Lichtstrahlen Bauteilfehler, Verunreinigungen und ähnliche Defekte an flächigen oder räumlichen Objekten detektiert werden können.
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Eine diesbezüglich interessante Anwendung sind beispielsweise sog. Lichttunnel zur Bewertung der Lackqualität von PKW-Karosserien. Die Lichttunnel weisen im Innenraum Beleuchtungseinrichtungen auf, um die Oberfläche des Kraftfahrzeuges zu beleuchten. Aus
DE 20 2007 011 224 U1 ist eine hierfür geeignete Hochleistungslichtquelle bekannt, die aus zahlreichen und räumlich zueinander geneigten separaten Lichtquellen zusammengefügt ist.
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Während diese Konstruktion primär für große dreidimensionale Objekte konzipiert ist, werden bei anderen Anwendungen oftmals weitgehend flächige Objekte mit relativ kleinen Abmessungen geprüft. Dies betrifft zum Beispiel die Auswertung medizinischer oder biologischer Proben, für die sog. Transilluminatoren verwendet werden. Ein solcher Transilluminator weist gemäß
DE 103 26 369 A1 eine Hochleistungs-Flächenlichtquelle zur gleichmäßigen Ausleuchtung der Probe auf.
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Ein weiteres typisches Beispiel sind Siliziumwafer für photovoltaische Anwendungen. Defekte in derartigen Wafern beeinträchtigen deren mechanische Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit und somit letztlich die Funktionsfähigkeit der aus diesen Wafern gefertigten Solarzellen. Deshalb sind Prüftechniken notwendig, mit denen Risse in Solarwafern detektiert werden können. Dies ist eine messtechnisch anspruchsvolle Aufgabe, weil diese Defekte zumeist sehr klein und innenliegend sind und deshalb mit den etablierten Oberflächenmessverfahren nicht detektierbar sind. Außerdem sind sie häufig von den umgebenden Materialienstrukturen nur bedingt zu unterscheiden. Das beschränkt den Einsatz transmissiver Prüfmethoden.
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Eine Anwendung zur Kontrolle von Siliziumwafern mittels einer Durchleuchtung mit rotem Licht zur Erkennung von Rissen wird in
DE 101 46 879 A1 beschrieben. Hier erfolgt eine berührungslose Aufweitung vorhandener Risse durch externe Einkopplung von thermischer bzw. mechanischer Energie. Zur Lokalisierung wird eine elektronische Kamera verwendet, mit der das Licht gemessen wird, das von einer Lichtquelle auf der Gegenseite des Wafers erzeugt wird und durch den Riss transmittiert wird.
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In
EP 0 619 484 A1 wird ein optisches Inspektionssystem unter Verwendung von mehreren Quarzlampen beschrieben. Durch abgestimmte Wellenlängenbereiche einer Hauptlichtquelle und mehreren Nebenlichtquellen wird eine Fehlerdetektion realisiert, insbesondere bei Solarzellen mit einer vollflächig metallischen Rückseitenelektrode.
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EP 1 855 103 A2 betrifft eine technische Lösung für Halbleiterwafer, welche streuendes Infrarotlicht nach dem transmissiven Prinzip zur Defektprüfung nutzt. Durch verschiedene in der Achse zwischen Lichtquelle und Detektor angeordnete Komponenten werden erwünschte und unerwünschte Streulichteffekte beeinflusst.
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Unabhängig vom konkreten Verfahren werden hochwertige Lichtquellen benötigt, die zumindest für einige technische Anwendungen verfügbar sind. So beschreibt
DE 103 44 686 A1 eine Lichtquelle für Head-up-Displays, mit denen Bilderzeugungseinheiten an die Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs projiziert werden. Als Lichtquelle werden anstelle der bisher üblichen LED-Matrix-Lichtquellen mehrere einzelne Hochleistungs-LED's eingesetzt, deren sichtbare Strahlung in ein die Bilderzeugungseinheit ausleuchtendes Strahlenbündel geformt wird.
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Hingegen waren Konstruktionen mit Hochleistungs-LED's für optische Prüfungen an Siliziumwafern bisher nicht möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Hochleistungs-Flächenlichtquelle zu schaffen, mit der qualitativ hochwertige Prüfungen an flächigen Objekten oder an räumlichen Objekten mit relativ kleiner Dicke realisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Flächenlichtquelle in einem lichtdichten Gehäuse mehrere Einzelleuchten aufweist, die derart angeordnet sind, dass die von den Einzelleuchten ausgehenden Strahlengänge in ihrer Gesamtheit vollständig den gesamten Prüfbereich der Flächenlichtquelle kollimiert homogen beleuchten, wobei sich auf jedem Flächenabschnitt der Prüfebene maximal zwei Strahlengänge überlagern und wobei der Anteil von Zonen mit einer sich überschneidenden Bestrahlung von zwei verschiedenen Einzelleuchten etwa 17% beträgt. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, deren Merkmale und Wirkungen in einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
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Die Beleuchtungswellenlänge ist so angepasst, dass sowohl ein Durchstrahlen des Messobjektes als auch eine Detektion mit einem adäquaten Bildsensor möglich ist.
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Die für die Prüfung notwendige parallel gerichtete Lichtstrahlung wird durch Strahlformungselemente (Reflektoren) und Filteroptiken erzeugt.
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Dabei ist die technische Lösung primär für waferbasierte Solarzellenfertigungen für die Verarbeitungsstufen der Zellprozessierung bis zur vollständigen Metallisierung der Rückseite geeignet.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Flächenlichtquelle in einem lichtdichten Gehäuse mehrere Einzelleuchten aufweist, die derart angeordnet sind, dass die von den Einzelleuchten ausgehenden Strahlengänge in ihrer Gesamtheit vollständig den gesamten Prüfbereich der Flächenlichtquelle kollimiert homogen beleuchten, wobei sich auf jedem Flächenabschnitt der Prüfebene maximal zwei Strahlengänge überlagern und wobei der Anteil von Zonen mit einer sich überschneidenden Bestrahlung von zwei verschiedenen Einzelleuchten etwa 17% beträgt. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, deren Merkmale und Wirkungen in einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
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Durch das laterale Anordnungsprinzip wird in Abhängigkeit von der Anzahl der Einzelleuchten und deren Strahlwinkel an einer im definierten Abstand befindlichen Projektionsfläche, hier als Prüfbereich bezeichnet, eine weitgehend homogene Lichtintensitätsverteilung erzeugt. In dieser Ebene optimal gleichmäßiger Intensität wird ein flächiger Prüfling angeordnet.
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Die in Summe erzeugte Lichtleistung ermöglicht neben dem flächenhaften Durchleuchten semitransparenter Prüflinge den Einsatz von stark lichtverändernden Optiken wie Polarisationsfolien bzw. auch Gläsern und Verzögerungselementen zur Kontrastierung von bestimmten Fehlermerkmalen im Strahlengang vor und nach dem Prüfling bis zum Detektor.
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In die Flächenlichtquelle integrierte optische Filterelemente wie Polarisationsfilter und Verzögerungsplatten können als großflächige Einzelelemente ausgeführt werden. Ebenso ist es möglich, dass diese Elemente aus mehreren Filterkomponenten in starrer bzw. drehbarer Anordnung ausgeführt werden, so dass linear und zirkular polarisiertes Licht auf Wafergröße erzeugt wird.
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Schließlich ist durch Einsatz dieser Flächenlichtquelle eine Verwendung von kostengünstigen Matrix- bzw. Zeilenkamerasystemen mit niedriger Quanteneffizienz in dem gewählten Messwellenlängenbereich, wie beispielsweise Bauarten mit ungekühlten Silizium- bzw. InGaAs-Detektoren für eine taktzeitkonforme Fehlerauswertung in Fertigungslinien möglich.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 das Leuchtfeld einer erfindungsgemäßen Flächenlichtquelle in Draufsicht
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2 zwei Varianten einer Anordnung von Diffusoren im Strahlengang in Seitenansicht
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3 den grundsätzlichen Aufbau der Flächenlichtquelle in Seitenansicht
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1 zeigt eine Draufsicht auf das Leuchtfeld einer erfindungsgemäßen Flächenlichtquelle zur Prüfung von quadratischen Siliziumwafern, die beispielsweise eine Größe von 156 × 156 mm aufweisen. Dafür werden im gezeigten Ausführungsbeispiel sieben Einzelleuchten mit einem hier kreisförmigen Reflektorquerschnitt derart angeordnet, dass der Anteil von Zonen mit einer sich überschneidenden Bestrahlung lediglich etwa Siebzehn von Hundert beträgt, also 17%. Die Zonen der Bestrahlung sind mit unterbrochenen Strichlinien stilisiert, wobei Bereiche, in denen sich die Bestrahlungen von zwei Einzelleuchten überschneiden, eine ellipsenförmige Kontur ausbilden.
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In Abhängigkeit der jeweiligen Einsatzbedingungen kann die Flächenlichtquelle modifiziert werden, indem die Einzelleuchten anstelle kreisförmiger Reflektorquerschnitte im Längs- bzw. Querschnitt oval geformte Reflektoren aufweisen. Diese Variante kann in weiteren lateralen Anordnungsvarianten individuelle Vorteile bei der Erhöhung der einfach bestrahlten Fläche, also im Bestrahlungsanteil bewirken.
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Weiterhin kann der vertikale Abstand der Einzelleuchten variiert werden. Dadurch wird eine nochmalige Erhöhung des Bestrahlungsanteils erreicht. Die aus dem Abstandsgesetz resultierende Intensitätsdifferenz oder herstellungsbedingte Abweichungen der Lichtleistung der Einzelleuchten können durch regelungsseitigen Abgleich der Einzelleuchten kompensiert werden.
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2 zeigt den Strahlengang, der ausgehend von den in dieser Seitenansicht sichtbaren drei Lichtquellen zu einem in einer Halterung abgestützten Prüfkörper verläuft und der jeweils mit punktierten Linien stilisiert ist. Es ist ersichtlich, dass in jedem Strahlengang optische Streuscheiben vorgesehen sind, die als ein jeweils zu einer Einzelleuchte gehörender Primärdiffusor ausgeführt sind.
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Die linke Abbildung in 2 zeigt eine Variante, bei der lediglich Primärdiffusoren im Strahlengang vorhanden sind. Mit dieser Ausgestaltung wird eine ausreichend gleichmäßige Lichtintensität erzielt, die zur Gewährleistung der Prüfaufgaben notwendig ist.
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Die rechte Abbildung in 2 zeigt eine Variante, bei der in jedem Strahlengang zwischen Primärdiffusor und Prüfling ein zusätzlicher Sekundärdiffusor angeordnet ist. Diese Variante bewirkt eine noch besser gleichmäßige Lichtintensität und somit weitere funktionelle Vorteile.
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Aus 3 ist der grundsätzliche Aufbau der kompletten Flächenlichtquelle ersichtlich.
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Demzufolge besteht diese Flächenlichtquelle aus einem lichtdichten Gehäuse. Im Gehäuse befindet sich eine definierte Anordnung von Einzelleuchten. Diese Einzelleuchten bestehen jeweils aus leistungsstarken Leuchtdioden und einem Reflektor zur Erzeugung eines weitgehend kollimierten Strahlengangs. Wie bereits dargelegt kann zusätzlich zum stets vorhandenen Primärdiffusor ein zusätzlicher Sekundärdiffusor in den Strahlengang eingeordnet werden.
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Gegenüberliegend von den Lichtquellen ist am anderen Ende des Strahlenganges eine Halterung zur Aufnahme eines Prüflings, beispielsweise eines Siliziumwafers angeordnet.
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Unterhalb der Lichtquellen ist eine Einrichtung zur aktiven oder passiven Kühlung angeordnet, die beispielsweise als Lüfter oder Peltierelement ausgeführt ist. Diese Kühlung gewährleistet die notwendige Stabilität von optischer Leistung und Emissionswellenlänge sowie eine hohe Lebensdauer der Lichtquellen.
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Die Innenfläche des Gehäuses ist zur Minderung von Mehrfachreflexionen vorzugsweise mit einer lichtbeeinflussenden Auskleidung ausgestattet.
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Die Einzelleuchten werden zur Gewährleistung gleichmäßiger Beleuchtungsstärken der Einzelleuchten unter Vermeidung von Vorwiderständen vorzugsweise in Parallelschaltung elektrisch betrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtquelle
- 2
- Halterung
- 3
- Prüfkörper/Prüfling
- 4
- Primärdiffusor
- 5
- Sekundärdiffusor
- 6
- Gehäuse
- 7
- Kühleinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202007011224 U1 [0003]
- DE 10326369 A1 [0004]
- DE 10146879 A1 [0006]
- EP 0619484 A1 [0007]
- EP 1855103 A2 [0008]
- DE 10344686 A1 [0009]
