NO328737B1 - Fremgangsmate og innretning for inspeksjon av gjenstander - Google Patents

Abstract

En innretning for inspeksjon av en gjenstand innbefatter en lyskilde for belysning av gjenstanden, en skyggeinnretning anordnet mellom lyskilden og gjenstanden, for tilveiebringelse av en skygge på gjenstandens overflate, en bildeopptaksinnretning for opptak av et bilde av gjenstandens overflate, og en prosesseringsenhet for prosessering av bildedataene for derved å tilveiebringe en kvalitetsindikasjon av gjenstandens overflate. Det foreslås også en fremgangsmåte for inspeksjon av gjenstander, med dannelse av en skygge på minst én overflate av gjenstanden, opptak av et bilde av gjenstandens overflate, inkludert skyggen, og analysering av minst én skyggekant i bildet for derved å få frem en kvalitetsindikasjon for gjenstandens overflate.

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte og innretning for inspeksjon av gjenstander.

I flere tilfeller foreligger det et behov for å kunne inspisere overflaten til gjenstander, så som skiver slik som halvledersubstrater for bruk i elektronikk og/eller i solceller.

Det har vært foreslått mange løsninger for dette formålet. JP 2006292617 beskriver en optisk løsning, hvor en ripe på et halvledersubstrat stråler fra en overflate, med belysningslys fra en lyskilde og transmitteres gjennom et ringformet filter. Ripen detekteres basert på det elektriske signalet fra en fotoelektrisk omformer, utledet fra interferensen.

JP 2005221288 beskriver en metode for å måle overflateegenskaper for et materiale, slik som tømmer, metall, plast, ved å projisere en skygge på materialet fra en vinklet lyskilde. Bildet av skyggen innfanges av et kamera og formen/utstrekningen til skyggen benyttes for å beregne overflatetilstanden til materialet.

US 4767212 beskriver en metode for å bestemme volumet av en gjenstand. Et spaltemønster projiseres på gjenstanden og avbildes av et tv-kamera og høyden på gjenstanden beregnes. Volumet beregnet ut fra høydeberegningene.

EP 0430399 beskriver en anordning for å bestemme størrelsen på et objekt som er lokalisert i en kavitet. Objektet belyses og en skygge projiseres på objektet. Størrelsen og plasseringen av skyggen benyttes for å beregne størrelsen og eventuelle bulker i objektet.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte og en innretning for inspeksjon av gjenstander med stor nøyaktighet og høy pålitelighet og enkel bruk, på en kompakt måte og med lave kostnader.

Hensikten med oppfinnelsen oppnås med de trekk som er angitt i patentkravene.

I én utførelse innbefatter innretningen for inspeksjon av en gjenstand:

- en lyskilde for belysning av gjenstanden,

- en skyggeinnretning anordnet mellom lyskilden og gjenstanden, for dannelse av en skygge på gjenstandens overflate, - en bildeopptagende (eng: image capturing) innretning for opptagelse av et bilde av gjenstandens overflate, - og en prosesseringsenhet for prosessering av bildedataene, omfattende analysering av minst to kanter av skyggen/skyggene i bildet, for derved å tilveiebringe en indikasjon av kvaliteten til gjenstandens overflate.

Gjenstanden som skal inspiseres kan være en gjenstand hvor det er viktig å kunne inspisere overflaten. Gjenstandene kan ha en hvilken som helst form og dimensjon.

I én utførelse er gjenstanden som skal inspiseres en skive/wafer, eksempelvis en halvlederskive eller en fotovoltaisk skive for bruk i solceller.

Lyskilden kan være en hvilken som helst egnet lyskilde, så som en halogenlampe, én eller flere lysemitterende dioder, etc. Lyskilden belyser skyggeinnretningen for derved å danne en skygge på gjenstandens overflate. Avstanden mellom lyskilden og skyggeinnretningen og/eller gjenstanden kan optimeres for tilveiebringelse av skarpe skyggekanter. Eksempelvis vil en halogenlampe som er anordnet relativt langt fra skyggeinnretningen representere en ideell lyskilde. Det kan også forefinnes et antall lyskilder.

Skyggeinnretningen kan være en hvilken som helst innretning som kan danne en egnet skygge på minst én overflate av gjenstanden. Skyggen kan ha en hvilken som helst ønsket form og dimensjon og det kan forefinnes et hvilket som helst antall skyggeinnretninger. En bruk av flere skyggeinnretninger vil gi øket redundans for målingene, og vil derfor øke målingenes robusthet. I én utførelse har skyggeinnretningen en langstrakt form, eksempelvis som en streng eller en stang.

Den bildeopptakende innretningen kan være en hvilken som helst egnet innretning så som et kamera, en bildesensor så som en CCD- eller CMOS-innretning, etc. Den bildeopptakende innretningen kan også innbefatte en linseanordning eller annen fokuserende optikk for oppnåelse av et skarpt bilde av gjenstandens overflate og/eller skyggen/skyggene. Det kan brukes én eller flere bildeopptakende innretninger.

Prosesseringsenheten er utformet for prosessering av bildedataene og for analysering av minst to skyggekanter i bildet for derved å tilveiebringe en kvalitetsindikasjon for gjenstandens overflate. Skyggens form vil variere med høydevariasjoner i gjenstandens overflate, og høydeinformasjon vedrørende gjenstandens overflate kan således utledes fra billeddataene for skyggekantene.

I én utførelse innbefatter analyseringen av skyggekantene i bildet en beregning av variasjoner i kantformene.

I én utførelse blir gjenstandens plassering identifisert i et referansesystem.

I én utførelse identifiseres plasseringen av skyggen på gjenstandens overflate. Også plasseringen av skyggekantene kan identifiseres på gjenstandens overflate.

I én utførelse blir bildet normalisert. Dette er særlig av interesse når gjenstanden er et multikrystallinsk materiale, slik at derved forskjellen i refleksjon fra overflaten som følge av ulike krystallegenskaper, vil kunne gi støy i målingene. Normaliseringen kan eksempelvis gjennomføres ved at det i tillegg tas et bilde av gjenstandens overflate uten skygge, plasseringen av gjenstanden uten skygge identifiseres i referansesystemet, og bildet av gjenstanden uten skygge subtraheres fra bildet av gjenstanden med skygge.

I én utførelse vil analysen av skyggekantene i bildet gi et mål for høydevariasjoner i gjenstandens overflate.

I én utførelse gjennomføres de foran nevnte trinn for to motliggende overflater på gjenstanden. Dette vil gi en høydeprofil/kurve for hver overflate. En subtrahering av resultatene kan gi mål for gjenstandens tykkelse. I én utførelse blir en gjenstand med kjent tykkelse målt på samme måte som beskrevet foran, og denne kjente tykkelsen kombineres med den målte tykkelsen ut fra høydeprofiler, for på den måten å få frem en riktig reell tykkelse for den gjenstanden som inspiseres.

I én utførelse er gjenstanden en skive, eksempelvis en halvlederskive, eksempelvis for bruk i solceller.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet nærmere ved hjelp av eksempler og under henvisning til tegningen, hvor

Fig. 1 rent skjematisk viser det inventive prinsippet,

Fig. 2 viser en mulig utførelse av en utførelsesform av oppfinnelsen,

Fig. 3 viser et eksempel på et bilde med skygger,

Fig. 4-8 viser ulike trinn i en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen,

Fig. 9 viser en normaliseringsprosess i samsvar med én utførelse av oppfinnelsen, og Fig. 10 viser prinsippet for en utførelse av oppfinnelsen for tilveiebringelse av en indikasjon av tykkelsen til gjenstanden.

I fig. 1 inspiseres en overflate 10 på en gjenstand 14. En lyskilde 11 belyser gjenstanden 14 og en skyggeinnretning 13 som er anordnet mellom lyskilden 11 og gjenstanden 14. Skyggeinnretningen 13 danner således en skygge 15 på gjenstandens overflate 10. En bildeopptaksinnretning 12 er anordnet for opptak av et bilde av gjenstandens overflate 10, inkludert skyggen 15. Billeddataene blir så prosessert/analysert for derved å tilveiebringe en kvalitetsindikasjon for gjenstandens overflate.

Lyskilden 11 kan være en hvilken som helst egnet lyskilde, så som en halogenlampe, én eller flere lysemitterende dioder, etc. Her er lyskilden 11 vist i form av én enkelt lyspære, eksempelvis en halogenpære. Lyskilden 11 er anordnet sideveis forskjøvet i forhold til gjenstanden 14, hvilket medfører at lysstrålen fra lyskilden 11 via skyggeinnretningen 13 og til gjenstandens overflate 10 går med en vinkel i forhold til gjenstandens overflate 10. Denne vinkelen kan eksempelvis ligge i området 20-40°.

Avstanden mellom lyskilden 11 og skyggeinnretningen 13 og/eller gjenstanden kan optimeres for tilveiebringelse av skarpe skyggekanter. I figuren er avstanden mellom skyggeinnretningen 13 og gjenstanden 14 betydelig mindre enn avstanden mellom lyskilden 11 og skyggeinnretningen 13. Det vil kunne være fordelaktig å ha en liten avstand mellom skyggeinnretningen 13 og gjenstanden 14, for derved å oppnå en skarp skygge på gjenstandens 14 overflate 10. Avstanden mellom skyggeinnretningen 13 og gjenstanden 14 kan ligge i området 1-5 mm, eksempelvis i området 1,5-2,5 mm, mens avstanden fra lyskilden til gjenstanden kan ligge i området 50-250 mm.

Skyggeinnretningen kan være en hvilken som helst innretning som vil gi en egnet skygge på minst én overflate av gjenstanden. Skyggeinnretningen kan ha en hvilken som helst egnet form og dimensjon og det kan forefinnes et antall skyggeinnretninger. I fig. 1 er to skyggeinnretninger 13 anordnet på motsatte sideavsnitt av én og samme gjenstandsoverflate. Andre utførelser kan benytte andre utforminger av skyggeinnretningene, eksempelvis kan skyggeinnretningen ligge over et sentralt avsnitt av gjenstanden.

Bildeopptaksinnretningen 12 er i fig. 1 vist som et kamera, men det kan benyttes enhver bildeinnretning, så som en bildesensor så som CCD- eller CMOS-innretninger, etc. Bildeopptaksinnretningen kan også innbefatte en linseanordning eller annen fokuserende optikk, for derved å kunne oppnå et skarpt bilde av gjenstandens overflate og/eller skyggen/skyggene. I fig. 1 er det bare vist én bildeopptaksinnretning 12, men i andre utførelser kan det tenkes benyttet flere bildeopptaksinnretninger.

Formen til skyggen 15 på overflaten 10 vil variere med høydevariasjoner i gjenstandens 14 overflate 10. Denne form variasjonen kan detekteres i det bildet som tas med bildeopptaksinnretningen, og man kan således få frem høydeinformasjon vedrørende gjenstandens overflate. Slik informasjon kan eksempelvis oppnås ved å beregne posisjonen til skyggekanten på et antall steder, idet en sekvens av kantskyggeposisjoner vil danne en skyggekantprofil som svarer til en høydekurve/profil for gjenstandens overflate 10. For å kunne foreta beregninger på et antall steder/lokasjoner, kan skyggeinnretningen og gjenstanden beveges i forhold til hverandre. I eksemplet i fig. 1 blir gjenstanden ikke beveget når bildet tas, men blir beveget sideveis for inspisering av gjenstandens underside eller for videre prosessering av gjenstanden. Høyden til overflate variasjonene kan beregnes ut fra skyggekantprofilen ved hjelp av geometriske beregninger når man kjenner avstanden mellom gjenstanden, skyggeinnretningen og lyskilden. En beregning av et antall høydekurver/profiler langs overflaten kan kombineres for dannelse av en tredimensjonal modell av gjenstandens overflate.

For nøyaktig beregning av skyggeposisj onene, bør bildet ha en god kvalitet. Dette kan man sikre ved å bruke en bildeopptaksinnretning som har høy oppløsning og/eller ved å kalibrere bildeopptaksinnretningen, eksempelvis ved å bruke en n-te orden linsekalibrering eller en annen kjent kalibreringsmetode. Bildeopptaksinnretningen kan også utformes for påvirkning av bildets eksponering og/eller kontrast.

Fig. 2 viser et eksempel på en utforming ifølge oppfinnelsen. En gjenstand 20 som skal inspiseres, er anordnet på en transportinnretning 21. Transportinnretningen 21 muliggjør en kontinuerlig måling av gjenstanden 20 som beveges i pilretningen. Transportinnretningen 21 har her bæreelementer 24, 25 for bæring og bevegelse av gjenstanden 20. Bæreelementene er anordnet vekselvis for derved å understøtte ulike avsnitt av gjenstandens overflate. Dette muliggjør en måling av to motliggende gjenstandsoverflater, eksempelvis undersiden og oversiden. Dersom gjenstandens underside så vel som overside skal inspiseres, når gjenstanden er plassert på transportinnretningen, anordnes det lyskilder og skyggeinnretninger både over og under transportinnretningen 21.1 fig. 2 støtter første bæreelementer 24 gjenstandens ytre kantparti i en første del 26 av transportstrekningen. Deretter overføres gjenstanden til transportstrekningens andre del 27, hvor andre bæreelementer 25 støtter gjenstandens sentrale parti. I en slik utførelse er en første skyggeinnretning 22 anordnet mellom de første bæreelementene og måler egenskapene til det sentrale partiet på gjenstandens nedre overflate. En andre skyggeinnretning 23 er anordnet utenfor de andre bæreelementene 25 og måler egenskapene til kantpartiene på gjenstandens nedre overflate. I én utførelse er det anordnet flere bildeopptaksinnretninger og lyskilder, og eksempelvis kan antall lyskilder svare til antall bildeopptaksinnretninger. Målinger som genereres fra de ulike bilder som er tatt i ulike gjenstandsposisjoner, kan adderes for tilveiebringelse av en indikasjon av overflaten over hele overflatebredden.

Fig. 3 viser et eksempel på et bilde 30 av en gjenstand 31 med skygger 32. Skyggene 32 dannes av en avlang skyggegjenstand 33 som er plassert over gjenstanden. Denne avlange skyggegjenstanden kan eksempelvis være en stram streng, en stang eller en metallstrimmel som er etset inn i en glassplate. I eksemplet i fig. 3 innbefatter hvert skyggeelement tre avlange elementer, hvert med to langsgående kanter. Hvert skyggeelement vil således ha seks langsgående kanter. Dette vil gi god redundans med hensyn til beregningene, og gir derfor et robust system. Fig. 4-8 viser ulike trinn i en fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen, hvor et bilde analyseres ved hjelp av bildeprosessering/analysering. I fig. 4 identifiseres gjenstanden 31 sine kanter 40, 41 og deres plassering beregnes i et referansesystem ved hjelp av bildeprosessering/analyse. Referansesystemet kan relatere seg til bildeopptaksinnretningens bildeområde. Plasseringen til kantene brukes i det neste trinnet, fig. 5, hvor objektets 31 plassering i referansesystemet identifiseres. I fig. 6 identifiseres skyggene 32 i bildet og plasseringen av skyggene 32 på gjenstandens 31 overflate identifiseres. I fig. 7 utnytter bildeprosesseringen skyggenes 32 plasseringsinformasjon for identifisering av skyggekantenes 70-75 plassering. Kantposisjonen beregnes for flere steder, og en sekvens av slike steder vil danne en skyggekantprofil. Ut fra denne skyggekantprofilen kan man beregne en høydeprofil for gjenstandens overflate, eksempelvis ved hjelp av trigonometriske beregninger. Fig. 8 viser en beregnet høydeprofil 80 som er lagt på gjenstandens 31 bilde 30 med skyggen 32. Fig. 9 viser virkningen til en normaliseringsprosess ifølge én utførelse av oppfinnelsen. Normaliseringen gjennomføres ved at man tar et bilde av gjenstandens overflate uten skygge, identifiserer plasseringen av gjenstanden uten skygge i referansesystemet, og bruker de to bildene av gjenstandens overflate sammen med plasseringsinformasjonen for normalisering av bildet, eksempelvis ved at man subtraherer bildet av gjenstanden uten skygge fra bildet av gjenstanden med skygge. Resultatet av denne normaliseringen er vist i figuren som et hvitt parti 90. Normaliseringen eliminerer bilde- og signalstøy, så som vibrasjoner og støy som skyldes store forskjeller i refleksjonen fra gjenstandens overflate. Sistnevnte er særlig et problem når fremgangsmåten og innretningen ifølge oppfinnelsen brukes for inspisering av multikrystallinske skiver for solceller. Fig. 10 viser prinsippet for én utførelse av oppfinnelsen for tilveiebringelse av en indikasjon av gjenstandens tykkelse. Gjenstandens overflate måles som beskrevet foran på to motliggende ytre overflater 101 og 102. Dette gjennomføres både for gjenstanden 104 som skal inspiseres og for en referansegjenstand 103 som har kjent tykkelse. Målingen av referanseobjektet 103 er vist i fig. 10a mens fig. 10b viser målingen av gjenstanden 104 som skal inspiseres. Det tilveiebringes høydeprofiler for hver overflate 101, 102, slik det er beskrevet foran. Høydeprofilene blir så subtrahert i et antall posisjoner/plasseringer for derved å beregne en tykkelse av gjenstanden for hvert beregnet høydeprofilplassering/sted. I én utførelse beregnes et antall høydeprofiler, og et gjennomsnitt av disse brukes for beregning av tykkelsesprofilen. Denne beregningen av gjennomsnitt kan gjennomføres for hver høydeplassering i en serie av plasseringer som danner en høydeprofil, eller for den tykkelsesprofilen som er beregnet ut fra ikke-gjennomsnittede høydeprofiler. Den beregnede tykkelsesprofilen til referansegjenstanden 103 brukes for beregning av forsterkning og forskyvning, for på den måten å få frem en riktig tykkelse for gjenstanden.

Claims (19)

1. Fremgangsmåte for inspeksjon av overflaten til halvledergjenstander, karakterisert ved at den innbefatter de følgende trinn: - tilveiebringelse av et antall skygger på minst én overflate av gjenstanden, - opptak av et bilde av gjenstandens overflate, inkludert skyggen, - analysering av minst to kanter av skyggen/skyggene i bildet for tilveiebringelse av en indikasjon av kvaliteten til gjenstandens overflate.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at analyseringen av kantene av skyggen/skyggene i bildet innbefatter beregning av variasjoner av kantformen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den videre innbefatter identifisering av gjenstandens plassering i et referansesystem.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved identifisering av skyggeplasseringen på gjenstandens overflate.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved identifisering av skyggekantenes plassering på gjenstandens overflate.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at bildet normaliseres.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at normaliseringen gjennomføres ved i tillegg å ta et bilde av gjenstandens overflate uten skygge, identifisere plasseringen av gjenstanden uten skygge i referansesystemet, og subtrahering av bildet av gjenstanden uten skygge fra bildet av gjenstanden med skygge.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at analyseringen av kantene av skyggen/skyggene i bildet tilveiebringer et mål for høydevariasjoner i gjenstandens overflate.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at trinnene gjennomføres for to motliggende overflater på gjenstanden, og at resultatene subtraheres for derved å oppnå et mål for gjenstandens tykkelse.

10. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at gjenstanden er en skive (wafer).

11. Innretning for inspeksjon av overflaten til halvledergjenstander, karakterisert ved at den innbefatter: - en lyskilde for belysning av gjenstanden, - en skyggeinnretning anordnet mellom lyskilden og gjenstanden for dannelse av et antall skygger på gjenstandens overflate, - en bildeopptaksinnretning for opptak av et bilde av gjenstandens overflate, inkludert skyggen, - og en prosesseringsenhet for prosessering av bildedataene, omfattende analysering av minst to kanter av skyggen/skyggene i bildet, for tilveiebringelse av en indikasjon av kvaliteten til gjenstandens overflate.

12. Innretning ifølge krav 11, karakterisert ved at prosesseringsenheten er utformet for beregning av variasjoner i skyggeformen.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at prosesseringsenheten er utformet for identifisering av gjenstandens plassering i et referansesystem.

14. Innretning ifølge krav 11-13, karakterisert ved at prosesseringsenheten er utformet for identifisering av skyggens plassering.

15. Innretning ifølge krav 11-13, karakterisert ved at prosesseringsenheten er utformet for identifisering av skyggekantenes plassering.

16. Innretning ifølge krav 11, karakterisert ved at prosesseringsenheten er utformet for normalisering av bildet.

17. Innretning ifølge krav 16, karakterisert ved at normaliseringen gjennomføres ved opptak av et bilde av gjenstandens overflate uten skygge, identifisering av den skyggefrie gjenstandens plassering, og subtrahering av bildet av gjenstanden uten skygge fra bildet av gjenstanden med skygge.

18. Innretning ifølge krav 11, karakterisert ved at prosesseringsenheten er utformet for tilveiebringelse av et mål for høyede variasjoner i gjenstandens overflate.

19. Innretning ifølge et av kravene 11-18, karakterisert ved at gjenstanden er en skive (wafer).