DE8525703U1

DE8525703U1 - Prüfgerät zur berührungslosen Ermittlung von Defekten in nicht strukturierten Flächen

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Publication number: DE8525703U1
Application number: DE19858525703
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-09-09
Filing date: 1985-09-09
Publication date: 1987-04-02

Description

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Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen München und Berlin VPA

/'Prüfgerät zur berührungslosen Ermittlung von Defekten in nicht strukturierten Flächen ^-v>

Die Neuerung betrifft ein Prüfgerät zur berührungslosen

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nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zum Auffinden von Defekten in nicht strukturierten Flächen wird die zu untersuchende Fläche eines Prüflings mit einem Laserstrahl abgescannt. Die hierzu erforderliche Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Prüfling wird dabei meist in einer ersten Richtung durch einen im Strahlengang angeordneten Scanspiegel und in einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung durch Verfahren des Prüflings erzeugt. Trifft der Laserstrahl auf eine Defektstelle, so wird das Licht gestreut bzw. gebeugt und kann dann im Auflicht bzw. im Durchlicht, von einem optoelektronischen Empfänger detektiert werden, welcher ein dem aufgefundenen Defekt entsprechendes Signal liefert. Um dem optoelektronischen Empfänger einen möglichst großen Teil des an einer Defektstelle abgelenkten Lichtes zuzuführen, wird dieses Licht zuvor in einer entsprechenden optischen Einrichtung gesammelt. Als optische Sammeleinrichtung wird dabei beispielsweise eine nach dem Prinzip der Ulbricht'sehen Kugel wirkende Halbkugel verwendet, welche die einzelnen von einer Defektstelle ausgehenden Lichtströme integriert, d.h. über die Innenfläche der Halbkugel voll erfaßt. Neben der Kugelform können jedoch auch andere für optische Sammeielemente gebräuchliche Formen wie elliptische Hohlkörper, Ellipsoide, parabolförmige Hohlkörper oder Paraboloide und dergleichen verwendet werden.

KIk 1 Myr /03.09.1985

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Bei den bekannten, häufig auch als Läsercänner bezeichneten Prüfgeräte hat der als Abtastlichtstrahl verwendete Laserstrahl einem relativ großen Lichthof, der insbesondere auf Streulicht von Linsen, Spiegeloberflächen und vom Laser selbst zurückzuführen ist. Dieser Lichthof verursacht dann ein ungünstiges Signal-Rausch-Verhältnis, so daß kleinere Defekte nicht mehr zuverlässig ermittelt werden können. Bei der Prüfung von noch nicht strukturierten Mssken für die Hslbleitertechnik von Compact-Disks für die Bild- und Tonspeicherung und von Magnetspeicherplatten kommt es jedoch gerade darauf an, in den Oberflächen oder in einzelnen Schichten auch kleinste Defekte mit Abmessungen im Submikrometerbereich zu erfassen.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Prüfgerät zur berührungslosen Ermittlung von Defekten in nicht strukturierten Flächen zu schaffen, mit welcher auch kleinste Defekte mit Abmessungen im Submikrometerbereich zuverlässig erkannt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Prüfgerät durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Neuerung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch eine in den Strahlengang eingefügte Blende der Streulichtanteil des Abtastlichtstrahls so weit reduziert werden kann, daß aufgrund eines entsprechend verbesserten Signal-Rausch-Verhältnisses auch kleinste Defekte im Submikrometerbereich zuverlässig erfaßt werden können. Voraussetzung für eine derartige Wirkung der Blende ist dabei, daß sie mindestens zwei, vorzugsweise eine Vielzahl, hintereinander angeordneter Blendenkanten aufweist, wobei jede nachgeordnete Blendenkante das von der vorausgehenden Blendenkante in den Schattenraum gebeugte

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Licht zumindest teilweise erfaßt. Bei einer derartigen Anordnung wird also in Richtung des Abtastlichtsträhls gesehen mit jeder Blendenkante das gebeugte Licht weiter reduziert, wobei sich das Strahlprofil des Abtastlichtstrahls in Richtung auf eine Rechteckform verändert.

Gemäß einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Blendenkanten derart hintereinander Annorrrrinot· riaß iorlo noohnonrrinoto Rl onrlonlian+" &ogr; rlac

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Die Blendenkanten sind vorzugsweise als scharfe Schneiden ausgebildet, wodurch die Reflexionsoberflächen der Blendenkanten und der Anteil des an ihnen reflektierj ten Streulichts verringert werden. Außerdem ist es auch

[ vorteilhaft, wenn die zwischen den Blendenkanten liegen-

jj den Bereiche der Blende eine lichtabsorbier^nde Ober-

j fläche aufweisen, so daß das in den Schattenraum und in

den Lichtraum gebeugte Licht absorbiert und damit unwirksam gemacht werden kann.

Bei Prüfgeräten, bei welchen im Strahlengang des Abtastlichtstrahls eine Ablenkeinrichtung angeordnet ist, wird die Blende in Richtung des Abtastlichtstrahls gesehen zweckmäßigerweise nach der Ablenkeinrichtung angeordnet. Die Blende kann dann auch das von der Ablenkeinrichtung, beispielsweise einem Scanspiegel, erzeugte Streulicht erfassen und reduzieren bzw. unwirksam machen.

Bei Verwendung einer Ablenkeinrichtung für den Abtastlichtstrahl werden die Blendenkanten dann vorzugsweise

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- 4 - VPM I

parallel zur Ablenkebene des Abtastlichtstrahls ausge- I

richtet, so daß der Durchtritt des für die Abtastung er- \

wünschten Lichtanteils nicht behindert wird. Den Umkehr- |

produkten des Abtastlichtstrahls können dann zusätzliche |

Blendenkanten der Blende zugeordnet werden, so daß der ■

Streulichtanteil auch im Bereich der Umkehrpunkte redu- I

ziert werden kann. !;

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Blendenkanten durch ein sägezahnför- &ldquor; miges Profil auf der Innenseite von einander gegenüber- I liegenden Seitenwändern der Blende gebildet. Hierdurch wird die Herstellung der Blende erheblich vereinfacht und eine fixe Raltivlage der Blendenkanten einer Seiten- \ wand gewährleistet. Außerdem kann durch das sägezahnförmige Profil eine Vielzahl von Blendenkanten auf einem engen Raum untergebracht werden. Diese Vorteile ergeben sich dann auch, wenn die zusätzlichen Blendenkanten durch ein sägezahnförmiges Profil auf der Innenseite von ; einander gegenüberliegenden und gegensinnig geneigten |

Endwänden der Blende gebildet sind. Vorzugsweise sind \

i die Blendenkanten dann versetzt zu den zusätzlichen v.

Blendenkanten angeordnet, so daß die Blendenkanten und | die zusätzlichen Blendenkanten in den Eckbereichen der Blende ohne sich zu stören ineinander eingreifen können. Sind die beiden Seitenwände und die beiden Endwände der Blende dann verstell- und justierbar miteinander verbunden, so kann durch eine entsprechende Justierung die Wirkung der Blende auf einfache Weise optimiert werden.

Im Hinblick auf eine möglichst effektive Reduzierung des Streulichtanteils ist es auch ^snonders vorteilhaft, wenn die Breite des durch die . ie Blendenkante gebildeten Blendenspaltes zumindest annähernd dem Durchmesser des Abtastlichtstrahls entspricht.

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Die von den Blendenkanten in den Lichtraum gebeugten Strahlen können durch die Blende hindurchtreten, wenn sie steiler sind als die Diagonale zwischen der ersten und der letzten Blendenkante. Der Diagonalwinkel sollte daher möglichst klein gehalten werden. Dies wird durch entsprechende Bemessungen erreicht, bei welchen der Abstand zwischen der ersten Blendenkante und der letzten Blendenkante zumindest dem 10-fachen vorzugsweise etwa dem 100-fachen bis 200-fachen, Wert des Durchmessers des Abtastlichtstrahls entspricht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Figur 1 ein Prüfgerät zur berührungslosen Ermittlung von Defekten in nicht strukturierten Flächen in stark vereinfachter schematischer Darstellung,

Figur 2 Einzelheiten der in das Prüfgerät nach Figur 1 eingesetzten Blende zur Reduzierung des Streulichtanteils,

Figur 3 das Wirkungsprinzip der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Blende zur Reduzierung des Streulichtanteils,

Figur 4 das Strahlprofil des Abtastlichtstrahls vor dem Eintritt in die Blende zur Reudzierung des Streulichtanteils und

Figur 5 das Strahlprofil des Abtastlichtstrahls nach dem Durchtritt durch die Blende zur Reduzierung des Streulichtanteils.

Figur 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung ein Prüfgerät zur berührungslosen Ermittlung von Defekten D in nicht strukturierten Flachen F, bei welcher im Strahlengang einer Einrichtung El zur

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Erzeugung eines Abtastlichtstrahls As nacheinander eine Aufweitoptik Ao, eine Fokusoptik Fo, eine Ablenkeinrichtung Ae und eine Blende B zur Reduzierung des Streulichtanteils angeordnet sind. Nach dem Durchtritt durch die Blende B gelangt der durch die Ablenkeinrichtung Ae entsprechend dem Doppelpfeil Dpf in der Zeichnungsebene periodische hin- und herbewegte Abtastlichtstrahl As durch einen Schlitz einer noch zu erläuternden Einrichtung E2 hindruch auf die zu untersuchende Fläche F eines mit P bezeichneten Prüflings. Neben der bereits erwähnten Auslenkung des Abtastlichtstrahls wird der Prüfling P in einer zur Zeichnungsebene senkrechten Richtung verfahren, so daß die Fläche F durch den Abtastlichtstrahl abgescannt wird. Um den abzutastenden Bereich der Fläche F, bei welcher es sich auch um eine Zwischenschicht handeln kann, zu vergrößern, kann der Prüfling P gegebenenfalls auch mit einer mäanderförmigen Bahn verfahren werden. Tritt der Abtastlichtstrahl As auf fehlerfreie Bereiche der Fläche F, so verläßt er in Reflexionsrichtung die Einrichtung E2 wieder durch den Schlitz, durch welchen er eingetreten ist. Trifft der Abtastlichtstrahl dagegen auf einen Defekt D, bei welchen es sich um eine Pore der Fläche F, um den Einschlußeines Fremdkörpers, um eine Verunreinigung der Oberfläche oder dergleichen handeln kann, so wird das Licht gestreut und gebeugt, wobei die entsprechende otreukeule mit Sk bezeichnet ist. Das an der Defektstelj.e gestreute und gebeugte Licht wird dann durch die Einrichtung E2 auf der lichtempfindlichen Fläche eines optoelektronischen Empfängers E zumindest teilweise gesammelt, dessen Ausgangssignal S den aufgefundenen Delekt D anzeigt.

Bei der Einrichtung El zur Erzeugung des Abtastlichti/crahls As handlet es sich insbesondere um einen Laser, beispielsweise um einen HeCd-Laser, dessen Strahl in der

Aufweitoptik Ao beispielsweise von einem Ausgangsdurchmesser von 1 mm auf einen Durchmesser von 4 mm aufgeweitet wird. Der aufgeweitete Laserstrahl wird dann durch die Fokusoptik Fo auf die Fläche F fokussiert, wobei der Durchmesser des Strahls an der Auftreffstelle etwa 50 pm beträgt.

Die Blende B umfaßt zwei mit Sw bezeichneten Seitenwände und zwei mit Ew bezeichnete Endwände, wobei Lage und Neigung der beiden Endwände Ew auf die maximale Aurlenkung des Abtastlichtstrahls As abgestimmt sind. Die beiden Seitenwände Sw sind kurz vor bzw. hinter der in der Zeichungsebene liegenden Ablenkebene des Abtastlichtstrahls As angeordnet. Weitere Einzelheiten über den Aufbau und die Wirkungsweise der Blende B weraen an späterer Stelle anhand der Figuren 2 bzw. 3 bis 5 erläutert.

Bei der Einrichtung E2 zum Sammeln des an der Defektstelle abgelenkten Lichtes handelt es sich um eine nach unten offene Halbkugel, welche über der Fläche F des Prüflings P angeordnet wird. Wie bei einem Kugel- oder Integralphometer nach Ulbricht ist die Halbkugel innen mattweiß angestrichen, so daß an dem Defekt D gestreute und gebeugte Licht vielfach diffus reflektiert und jedes Flächenelement der Innenfläche der Halbkugel annähernd gleich stark beleuchtet wird. Auf diese Weise werden die von einem Defekt D ausgehenden Lichtströme erfaßt und der im Bereich der Innenfläche der Halbkugel liegenden lichtempfindlichen Fläche des beispielsweise als Phctomultiplier ausgebildeten optoelektronischen Empfängers E teilweise zugeführt. Andere Formen der Einrichtung E2, welche die erwünschte Sammelfunktion erfüllen, sind ebenfalls möglich. Abweichend von der dargestellten Untersuchung der Fläche F im Auflicht kann die Untersuchung auch im Durchlicht vorgenommen weiden, wobei die

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Einrichtung E2 darin in entsprechender Weise auf der Unterseite des Prüflings P angeordnet wird.

Die Figur 2 zeigt eine seitliche Ansicht auf die Blende B mit abgenommener vorderer Endwand Ew. Die Innenseiten der Seitenwände Sw sind mit einem sägezahnförmigen Profil versehen, durch welches jeweils beispielsweise auf gleicher Höhe einander gegenüberliegende Blendenkanten

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Ausführungsbeispiel &eegr; = 30 ist. Die senkrecht zur Zeichnungsebene nach hinten verlaufenden Blendenkanten BkI bis Bkn bilden jeweils Blendenspalte, deren Breite bl bis bn in Richtung des Abtastlichtstrahls As zunimmt. In die beiden schräg gegeneinander geneigten Endwände Ew ist innen ebe falls ein sägezahnförmiges Profil eingebracht, durch welches in Figur 2 nur angedeutete zusätzliche Blendenkanten Bkzl bis Bkzn gebildet werden. Diese den Umkehrpunkten des Abtastlichtstrahls As zugeordneten zusätzlichen Blendenkanten Bkzl bis Bkzn sind gegenüber den Blendenkanten BkI bis Bkn so versetzt, daß in den Eckbereichen der aus den beiden Seitenwänden Sw und den beiden Endwänden Ew verstell- und justierbar zusammengeschraubten Blende B keine gegenseitige Behinderung auftreten kann. Die beiden Seitenwände Sw und die beiden Endwände Ew bestehen aus Aluminium, wobei die profilierten Innenflächen jeweils mattschwarz eloxiert sind.

Die Breite bl des durch die erste Blendenkante BkI gebildeten Blendenspaltes entspricht vorzugsweise dem Durchmesser d des durch Pfeile angedeuteten Abtastlichtstrahls As und beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 1 mm. Die Breite bn des durch die letzte Blendenkante Bkn gebildeten Blendenspaltes beträgt demgegenüber 1,5 mm.

Figur 3 zeigt das Wirkungsprinzip der Blende B, wobei

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lediglich die ersten drei Blendenkanten BkI, Bk2 und Bk3 angedeutet sind* Die erste Blendenkante BkI bildet einen Blendenspalt der Breite bl, dessen Lichtraum mit LrI und dessen Schattenraum mit Sri bezeichnet sind* Die zweite Blendenkante Bk2 bildet einen Blendenspalt der Breite b2, dessen Lichtraum mit Lr2 und dessen Schattenraum mit Sr2 bezeichnet sind. Die dritte Blendenkante Bk3 bildet einen Blendenspalt der Breite b3, dessen Lichtraum mit Ll"3 und dessen Sühättenräüüi mit 3r3 bezeichnet sind.

Die Breite bl des durch die erste Blendenkante BkI gebildeten Blendenspaltes ist derart bemessen, daß sie zumindest annähernd gleich dem Durchmesser d des Abtastlichtstrahls As ist. Die erste Blendenkante BkI beugt dann das Licht sowohl in den Schattenraum Sri als auch in den Lichtraum LrI. Die zweite Blendenkante Bk2 ist nun derart im Schattenraum Sri angeordnet, daß sie das erste Nebenmaximum des von der ersten Blendenkante BkI in den zugeordneten Schattenraum Sri gebeugten Lichtes anschneidet. Die zweite Blendenkante Bk2 beugt dann das Licht wieder sowohl in den zugeordneten Schattenraum Sr2 als auch in den zugeordneten Lichtraum Lr2. Entsprechend dem vorstehend aufgezeigten Wirkungsprinzip ist dann die dritte Blendenkante Bk3 derart im Schattenraum Sr2 angeordnet, daß sie das erste Nebenmaximum des von der zweiten Blendenkante Bk2 in den zugeordneten Schattenraum Sr2 gebeugten Lichts anschneidet. Es ist ersichtlich, daß das gebeugte Licht in Richtung des Abtastlichtstrahls As gesehen laufend reduziert wird und somit der Lichthof des Abtastlichtstrahls As immer weiter reduziert wird.

In Figur 4 ist die Intensität I des Abtastlichtstrahls As vor dem Eintritt in die Blende B (vgl. Figuren 1 und 2) über dem Strahlquerschnitt Sq aufgetragen. Die resultierende Glockenkurve oder Gauß-Verteilungs-Kurve ist mit Gk bezeichnet, während der unerwünschte Streulicht-

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anteil des Abtastlichtstrahls As durch Kurvenzweige St aufgezeigt ist. Bei der Intensität I = 1/e² Imax be-

trägt der Strahlquerschnitt Sq = ^/Jf^/· d /4* wobei d der bereits erwähnte Durchmesser des Abtastlichtstrahls ist.

In Figur 5 ist die Intensität I des Abtastlichtstrahls As nach dem Austritt aus der Blende B über dem Strahlquerschnitt Sq aufgetragen, wobei die resultierende Kurve mit K bezeichnet ist. Es ist ersichtlich, däS durch die Wirkung der Blende B und die Abschattung des Streulichts die typische Glockenkurve Gk gemäß Figur 4 praktisch seitlich beschnitten wird und die resultierende Kurve K sich einer strichpunktiert angedeuteten Rechteckform R nähert. Der Lichthof des Abtastlichtstrahls As wird durch die Wirkung der Blende B zumindest weitgehend beseitigt. Als Folge davon wird das Signal-Rausch-Verhältnis der in Figur 1 aufgezeigtes Prüfgerät derart verbessert, daß auch kleinste Defekte mit Abmessungen im Submikrometerbereich zuverlässig erfaßt werden können.

15 Schutzansprüche
5 Figuren

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- 11 - VPA Schutzansprüche

1. Prüfgerät zur berührungslosen Ermittlung von Defekten in nicht strukturierten Flächen, mit

- einer Einrichtung zur Erzeugung eines Abtastlichtstrahls,

- einer Einrichtung zum Sammeln des an einer Defektstelle abgelenkten Lichtes und mit

- einem optoelektronischen Empfänger zur Detektion des gesammelten Lichts,

dadurch gekennzeichnet , daß im Strahlengang des Abtastlichtstrahls (As) eine Blende (B) zur Reduzierung des Streulichtanteils angebracht ist, in welcher mindestens zwei Blendenkanten (BkI, Bk2) derart hintereinander angeordnet sind, daß jede nachgeordnete Blendenkante (Bk2) das von der vorausgehenden Bl?ndenkante (BkI) in den Schattenraum gebeugte Licht zumindest teilweise erfaßt.^

2. Prüfgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenkanten (BkI, Bk2) derart hintereinander angeordnet sind, daß jede nachgeordnete Blendenkante (Bk2) das erste Nebenmaximum des von der vorausgehenden Blendenkante (BkI) in den zugeordneten Schattenraum (Sri) gebeugten Lichtes anschneidet.,/

3. Prüfgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (B) eine Vielzahl hintereinander angeordneter Blendenkanten (BkI bis Bkn) aufweist. ^

4. Prüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenkanten (BkI bis Bkn) als scharfe Schneiden ausgebildet sind.y

5. Prüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die zwischen den Blendenkanten (BkI bis Bkn) liegenden Bereiche der Blende (B) eine lichtabsorbierende Oberfläche aufweisen. ^

6. Prüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher im Strahlengang des Abtastlichtstrahls

* (As) eine Ablenkeinrichtung (Ae) angeordnet ist, da-

durch gekennzeichnet , daß di* Blende % (B) in Richtung des Abtastlichtstrahls (As) gesehen

jj nach der Ablenkeinrichtung (Ae) angeordnet ist. _/

7. Prüfgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenkanten (BkI bis Bkn) jeweils parallel zur Ablenkebene des Abtastlichtstrahls (As) ausgerichtet sind.,/

8. Prüfgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Umkehrpunkten des Abtastlichtstrahls (As) zusätzliche Blendenkanten (Bkzl bis Bkzn) der Blende (B) zugeordnet sind.,/

! 9. Prüfgerät nach Anspruch 7, dadurch gekenn

zeichnet, daß die Blendenkanten (BkI bis Bkn) durch ein sägezahnförmiges Profil auf der Innenseite von einander gegenüberliegenden Seitenwänden (Sw) der Blende (B) gebildet sind./

; 10.Prüfgerät nach Anspruch 8, dadurch g e k e &eegr; &eegr; zeichnet, daß die zusätzlichen Blendenkan-

\ ten (Bkzl bis Bkzn) durch ein sägezahnförmiges Profil

auf der Innenseite von einander gegenüberliegenden

j und gegensinnig geneigten Endwänden (Ew) der Blende

I^I (B) gebildet sind.^

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11.Prüfgerät nach Anspruch 9 und Anspruch 1Ö , dadurch gekennzeichnet , daß die Blen denkanten (BkI bis Bkn) Versetzt zu den zusätzlichen Blendenkanten (Bkzl bis Bkzn) angeordnet sind.^

12.Prüfgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Seitenwände (Sw) und die beiden Endwände (Ew) der Blende (R} WRTetpli- und iiicH &ogr;&tgr;&eegr;&agr;&tgr; mitoinanrieT uprhunrlpn sind.y

13. Prüfgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite (bl) des durch die erste Blendenkante (BkI) gebildeten Blendenspaltes zumindest annähernd dem Durchmesser (d) des Abtastlichtstrahls (As) entspricht, t/

14.Prüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand (1) zwischen der ersten Blendenkante (BkI) und der letzten Blendenkante (Bkn) zumindest dem 10-fachen Wert des Durchmessers (d) des Abtastlichtstrahls (As) entspricht.^

15.Prüfgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand (1) zwischen der ersten Blendenkante (BkI) und der letzten Blendenkante (Bkn) etwa dem 100-fachen bis 200-fachen Wert des Durchmessers (d) des Abtastlichtstrahls (As) entspricht.j