WO2020048916A1 - Inspektions-verfahren sowie diesbezügliche vorrichtung - Google Patents

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WO2020048916A1
WO2020048916A1 PCT/EP2019/073333 EP2019073333W WO2020048916A1 WO 2020048916 A1 WO2020048916 A1 WO 2020048916A1 EP 2019073333 W EP2019073333 W EP 2019073333W WO 2020048916 A1 WO2020048916 A1 WO 2020048916A1
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WO
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light
test
band
determined
distance
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PCT/EP2019/073333
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English (en)
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Inventor
Mathias Reiter
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SmartRay GmbH
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2518—Projection by scanning of the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2504—Calibration devices

Definitions

  • the invention relates to 3D shape determination.
  • the determination of the data representing the shape of 3-dimensional contours, in particular of depressions or elevations on basically flat base surfaces, is often required in industry, for example in order to check machined surfaces for their roughness.
  • the determination of the shape data or other result data related to the surface shape e.g. B. the volume of the survey, is often carried out by means of the light section method.
  • a fan-shaped light beam that is to say spread in only one plane, is generally irradiated onto the surface to be examined as a very narrow band of light.
  • the light band is recorded at an angle, usually an acute angle, with respect to the direction of irradiation, so that the course of the image of the light band on the surface reveals depressions or elevations there, by the image on the flat sensor, usually a CCD sensor, then shows a depression when the line-shaped incident light beam fan runs across this depression.
  • the light source together with the flat sensor and usually also the entire electronic evaluation circuit, is housed together in a tightly closed test head.
  • Such individual images of the light band on the object are often produced in short time intervals - while the object is moving relatively and usually in the transverse direction to the light line - so that the 3-dimensional surface design is determined by placing these individual images, i.e. scans, as seamlessly as possible in series can, and / or related parameters such as height, volume, width, position of the depressions or elevations etc.
  • One application is the inspection of silicon wafers before they are further processed for the production of solar cells.
  • wafers are produced by thin slices on the face of a rod made of silicon, which for manufacturing reasons usually has a square cross-section with chamfered corners, e.g. 0.2 mm thick are sawn off, which can result in saw marks on both sides, i.e. main surfaces
  • the thickness of the panes must be checked, which must be within a specified target range.
  • the two main surfaces of the wafer must be checked to ensure that they do not have any elevations that are too large and, above all, depressions, such as e saw grooves, which can have a depth of up to 20 pm.
  • At least one fan-shaped light beam (3 “) is directed in a radiation direction (17) onto the surface (2) of the object (1) and is directed there
  • the light band (3) generated thereby on the surface (2) from a detector device (6) which has a flat optical sensor (12) comprises, as a light band image (4) of the light band (3) in the form of a single image, ie scans (S1, S2, S3 ...) is recorded as single image raw data,
  • the single-image raw data determination according to step b) is offset in one direction of movement (7), often in succession on the surface (2) of the object (1) is carried out and
  • the procedure according to the invention for determining the three-dimensional surface contour of at least part of the surface of the object with the greatest possible accuracy is that the direction of movement in which the individual scans, i.e., recordings, object and fan-shaped light beam move relative to one another, is the direction of the course of the movement Object of the light band radiated is set, the offset in the direction of movement between the individual scans being less, at least 10 times less, better at least 20 times less, than the length of the light band in this direction of extension.
  • the Direction of movement that is, the direction of the beam of light that is emitted, is selected transversely to the direction of extent of potentially present saw grooves.
  • this is done by inserting the test object, in this case the plate-shaped wafer, in a fixed test device in such a way that the potential extension direction of any saw marks that may be present is just transverse to the direction of movement.
  • Such a partial band area - in the direction of the light band - is preferably defined by the length of an offset distance between two scans.
  • a single, illuminated light band thus only forms a band area section of the total band area on the surface scanned by means of all scans with the analog light band, but the individual light band consists of several partial band areas, since the offset distance is considerably less than the length of the light band .
  • Such a partial light band image can have such a size both in the direction of extension of the light band and / or transversely thereto that it takes up several pixels of the planar optical sensor, usually a CCD sensor, in each of these directions.
  • the object is preferably only placed on the support surface, so that it only bears on it with its weight, but is also not fixed in the vertical direction with respect to this support surface.
  • the height profile that is to say the surface contour, of the adjoining partial strip regions along the strip region as a whole can be determined with high accuracy.
  • band area For protection, not only a band area is scanned, but a plurality of band areas, preferably lying parallel to one another and spaced apart from one another.
  • the individual determination is preferably carried out many times in succession at a frequency of 200 Hz to 2000 Hz.
  • In absolute terms preferably with an offset distance between individual recordings of 100 pm to 1000 pm
  • the procedure for determining the thickness of the object consists in that the object distance is determined in each case one of the test heads arranged on the surface of the plate-shaped test object at precisely opposite locations on the plate-shaped test object. Since the positions of the test heads and thus their distance are known, the thickness of the test object can be calculated from this.
  • each test head is calibrated in the assembled state to a three-dimensional coordinate system, which generally applies to the entire test device and not just to the individual test head, so that the test head is already using the electronic evaluation unit to convert the determined distance and for the scanned location outputs the values in the coordinate system directly to the surface of the object.
  • This determination of the distance can be carried out according to the invention as part of the contour determination for at least one partial band area at exactly opposite points of the plate-shaped test object, preferably by means of the method according to the invention described above on several partial band areas of the object and as described in the previous method by multiple -Determination of the result data for a single sub-band range.
  • a straight line can be determined that corresponds to the surface averaged in height Profile matches, this will be on both sides of the plate-shaped object, and the distance of the straight lines determined at the two opposite points defines the thickness of the object.
  • a reference object with at least one reference surface is arranged near the surface of the object to be checked in such a way that the fan-shaped light beam that is radiated in some cases. strikes the reference surface and partially on the surface of the object to be scanned.
  • the reference surface is preferably arranged at a distance of at most 15 mm, preferably at most 10 mm, from the object.
  • the thickness of the reference object and / or the reference target distance of the reference surface to the detector device used is known under defined conditions, for example standard conditions (20 ° C., 1.0 bar air pressure)
  • the measured thickness can be used of the reference object and / or the reference actual distance measured to the reference surface
  • the temperature drift can be determined as a percentage in comparison to the known reference target distance.
  • Such normalization of the measured object distances between the detector device and the surface of the object is preferably only carried out if the difference between the reference distance and the actual distance between the detector device and the reference surface is greater than a predetermined threshold value.
  • the temperature at the location of the determination of the 3D data is preferably also measured in order to be able to verify whether a temperature drift determined from the measured distances can actually be traced back to existing temperature changes.
  • the temperature can be at or near the electronic evaluation circuit for the raw data, because electronic circuits are sensitive to strong temperature fluctuations with regard to the accuracy of their measurement result.
  • the temperature can instead and / or additionally also be measured on the test head and / or on the carrying device that carries the test head or the object, or on the object to be checked itself.
  • a test device in addition to at least one corresponding test head, contains a support surface for the object and a carrying device for the test head.
  • the test head which is preferably to operate according to the light section triangulation method, contains a laser light source and a detector device with a flat optical sensor which generates the light band in the form of a light band generated by the fan-shaped light beam and reflected by the object surface -Images.
  • such a device comprises at least one pair of test heads, preferably a plurality of pairs of test heads, the test heads of each pair being arranged opposite one another with respect to the contact surface for the object to be checked, with a direction of irradiation, which are each directed in the direction of the contact surface for the object and are directed in particular to the same location of this contact surface.
  • the support surface for the test object is preferably a movable support surface, for example in the form of two adjacent, preferably endless, traction elements, such as transport belts or transport chains, which run around each other in horizontally spaced planes and on the same flea, on the upper strands of which the test object can be placed and transported through the passage in the bulkhead.
  • a movable support surface for example in the form of two adjacent, preferably endless, traction elements, such as transport belts or transport chains, which run around each other in horizontally spaced planes and on the same flea, on the upper strands of which the test object can be placed and transported through the passage in the bulkhead.
  • the device preferably comprises at least one reference object, each with at least one reference surface, which projects into the fan-shaped light beam of at least one of the test heads and is arranged at a known distance, the reference distance, from this test head, at least under known environmental conditions, in particular the norm -Conditions (20 ° C, 1000 mb air pressure).
  • the device can comprise a temperature sensor, which is connected to the evaluation unit in the same way as the test heads, and which is suitable for the temperature as set out above
  • the carrying device is an upright, preferably vertically arranged, supporting wall, on the front and / or back of which the at least one test head is attached.
  • the support device in the form of the support wall is present both above and below the support surface and is formed in one piece, it has a passage for transporting the test object through the wind.
  • test heads are placed both above and below the contact surface both on the front and on the back of such a supporting wall. This means that several pairs of test heads can also be used across the
  • the supporting wall and in particular the entire periphery of the device must not protrude into the fan-shaped light rays that are emitted by the test heads, except for the reference object provided in this regard and the test object during operation.
  • test device must be able to carry out the method according to the invention and to control all moving parts of the test device and the test heads accordingly.
  • Fig. 1 a detector unit according to the invention in operation in the
  • Fig. 3 a representation of a line image on a flat
  • FIG. 4a a top view of a test device according to the invention
  • FIG. 4b a side view of the testing device according to FIG. 4a
  • FIG. 5 an enlarged top view of a progressive light band
  • Figure 6 the procedure for determining the thickness of several of one
  • FIG. 1 shows a test head 40 in a side view, which also shows how the known light section triangulation method works in principle: A fan-shaped light beam 3 "is directed onto the surface 2 of an object 1 and generates a light band 3 there due to the fan shape of the light beam 3" - as shown in the top view in FIG.
  • the light reflected from the surface 2 of the object 1 is recorded as a light band image 4 of the light band 3 by a detector device 6, which consists of e.g. a flat, optical sensor 12 and an associated electronic processing unit 11 for processing the light band image 4 recorded by the sensor 12 and the individual image data calculated therefrom.
  • a detector device 6 which consists of e.g. a flat, optical sensor 12 and an associated electronic processing unit 11 for processing the light band image 4 recorded by the sensor 12 and the individual image data calculated therefrom.
  • This depression of the light band image 4 differs, depending on the triangulation angle a and the division into the intermediate angles ai and 02 , from the shape of the depression 22 of the surface contour 2, cut along the central plane between the plane of the light fan applied 3, the radiation direction 17, and the viewing direction 5 of the sensor 12, generally a vertical plane 21. Because of the known position and orientation of the sensor, the dimensions of the tape image 4 can be used to arithmetically deduce the actual dimensions of the depression 22 on the surface 2.
  • each test head 40 is calibrated in the assembled state to a three-dimensional coordinate system, which generally applies to the entire test device and not just the individual test head 40, so that the test head 40 uses its electronic processing unit 11 to determine the determined object distance 30 already converted to object 1 and directly outputs the values in the coordinate system for the scanned location on surface 2 of object 1.
  • each pixel of sensor 12 corresponds to a value triple in the three-dimensional coordinate system.
  • FIG. 1 also shows, not only the mentioned components of the detector device 6, but also the light source 14 for generating the emitted light beam 3 “are housed together within the housing 16 of the test head 40, this housing 16 being flat, parallelepiped-shaped with a main plane 30 to the working plane spanned by the radiation direction 17 and viewing direction 5 and a width B transversely to this main plane 30, which is not greater than the observation width 18 of the fan-shaped light beam 3 with which it strikes the surface 2.
  • the light source 14 usually a laser cartridge, is arranged in the test head 40 near the passage 23a provided for the light beam 3 'in the housing 16 and the optical sensor 12 near the other passage 23b, both of which are located in one of the Narrow sides of the housing 16 are located.
  • the incoming light beam ie the viewing direction 5
  • the incoming light beam is deflected via a mirror 19 in a direction parallel to the outer edge in which the passages 23a, b are located.
  • the sensor 12 and the mirror 19 together form the detector unit 6, which is fixed to the housing 16 of the unit.
  • the individual recordings produced by the light section method, the scans S1, S2, S3, are repeated in a chronologically faster, even sequence, as indicated in FIG. 3, in order to constantly optically scan the surface 2 of the object 1 moving in the direction of movement 7 relative to the test head 40.
  • the detector unit 6 is positioned according to FIG. 2 and FIG. 5 such that the direction of travel 3 'of the light strip 3 that is emitted extends transversely to the principle of the known direction of travel of the potentially present depressions 22, and the direction of travel 3' of the radiated light strip 3 selected.
  • the light band 3 that is emitted which is shown with solid lines, extends straight across two sawing grooves 22 spaced apart from one another.
  • the light band 3 Since the light band 3 is irradiated in a stationary manner, its rear end in the direction of movement 7 of the test object 1 is always on the reference surface 102. If the object 1 and thus its surface 2 moves relative to the irradiated light band 3 from one scan to the next by a certain offset, the depression 22 which is in this direction in the back will move out of the area of the light band 3.
  • the light band 3 of the first scan S1 covers partial band areas 20.1 to 20. 8 on the surface 2.
  • the light band 3 After moving the test object 1, i.e. its surface 2, by an offset that corresponds to the length of such a partial band area in the direction of movement 7, the light band 3 covers the partial band areas 20.2 to 20. 9 on the surface 2 in the second scan S2 from etc., whereby the test object 1 can definitely continue to move.
  • Length of the wafer in the direction of passage 160 mm
  • FIG. 3 shows a light line image 4 as it is shown on the flat, in this case rectangular, sensor 12, which consists of the lines Z1, Z2 extending in a first direction of extension 12.1 and also at right angles in a second direction -Direction 12.2 extending rows R1, R2 arranged pixels P1.1, P1.2 and P2.1 respectively.
  • the partial light band images 4.1, 4.2 etc., from which the light band image 4 is composed correspond to the partial band areas 20.1, 20.2 of the band area 20 according to, for example, FIG. 5. In that direction of extension 12.1 of the flat sensor 12, the comes closest to the primary direction of extent of the light band image 4, these partial light band images 4.1, 4.2 etc. each have the same length 12.1 *.
  • FIG. 4a shows a preferred exemplary embodiment of a test device according to the invention for carrying out the method according to the invention for determining the surface contour 2 'of the test object 1, which in the exemplary embodiment shown shows three pairs of test heads 40 directed towards one another, each with a detector device 6 and a laser light source 14 from the above described type includes.
  • six light bands 3 are generated on the surface 2 of the object 1, which can be, for example, a wafer 1, three of which light bands 3 on the upper side 2a of the object 1, as can be seen in FIG. 4a, the others the exactly opposite points on the underside 2b, the light strips 3 with their Course directions 3 'each run parallel to one another and preferably at equal distances from one another, measured in a direction orthogonal to the course direction 3' of the light band 3.
  • the middle pair of test heads 40 is arranged on the back of a support plate 60, the other two pairs in the direction of movement 7 viewed on the left and right thereof on the front, so that the test heads 40 which overlap in the direction of movement 7 do not collide.
  • FIGS. 4a, b show the reference objects 100 protruding into the beam path of some or all of the test heads 40, with the aid of which temperature-related changes in the measurement results for the thick D of the object 1 - be they due to the actual temperature-related expansions of the test object 1 or to be compensated for by temperature-related influencing of the test heads, in particular their external unit.
  • Different variants are shown:
  • the initial areas of the two light fans 3 "of both the upper and the lower test head 40 are then reflected on the top or bottom of the reference object 100, so that its actual thickness d can be measured, for example from the known probe distance 31 minus the sum of the actual reference distances 32a, b measured from the two probes 40 to the reference object 100. If this actual thickness d deviates from the known target thickness of the reference object 100, for example by 1%, then the determined actual thickness D of the object 1 preceding or following this gap is corrected analogously by 1%.
  • test heads 40 here the one in the horizontal transverse direction to the direction of movement 7, two reference objects 100 are present, one between the upper test head 40 and the object 1, the other, in particular, viewed in alignment below, between the lower test head 40 and object 1.
  • the two test objects 100 are arranged analogously to the left pair of test heads 40, namely only projecting into the initial area, the lower area in FIG. 4a, of the light fan 3 ", the start of which thus begins on the respective reference object 100 or its the respective test head 40 facing reference surface 102.
  • the upper side 2a or the lower side 2b of the test object 1 is scanned from each test head 40 of the respective pair of test heads as described, in particular to determine the surface contour 2 ', and additionally the object distance 30a, b of the test head 40 is determined from the respective surface 2, which is possible by means of the triangulation applied.
  • the thickness D of the object 1 are determined as the difference between the head distance 31 of the two mutually directed test heads 40 and the sum of the two object distances 30a, b.
  • the measured object distances 30a, b can be corrected on the basis of the likewise determined reference actual distances 32a, b between the respective test head 40 and the reference surface 102 of the reference object 100 facing it - on the top or on the bottom:
  • the measured object distances 30a, b also become analog, that is e.g. corrected by 1.5% before the thickness of object 1 is determined from this.
  • each of the two reference objects 100 projects into one of the two ends of the light fan 3 ′′ and is for this purpose in the top view of FIG. 4a U-shaped by the two free ends of the U-shape projecting into one of the two ends of the light fan 3 ".
  • the reference actual distances 32a, b can be determined at both ends of each light fan and averaged before use for the correction of the object distances 30a, b, which further improves the temperature compensation of the measurement results.
  • the object 1 is supported by a support surface 27, on which the object 1 preferably rests only with its weight and is not otherwise fixed in the vertical direction.
  • the support surface 27 is a support surface which can be moved in the direction of movement 7 and which extends through a passage 61 of a supporting wall 60 to which the test heads 40 are fastened, the support surface 27 having two upper runs 28 of parallel to one another each includes endless, synchronously drivable, transport belts 29 rotating in a vertical plane.
  • the movable support surface 27 is controlled by a controller (not shown), the support surface 27 being able to move in a direction opposite to the direction of movement 7 if required.
  • each light strip 3 runs essentially transversely to the direction of extension of depressions 22, which are only schematically indicated in FIG can result from processing the object 1 upstream with a saw.
  • FIG. 4b shows the test device viewed in the direction of movement 7 of the test objects 1.
  • test head heads 40 are provided, each with test head heads 40 arranged opposite one another with respect to the bearing surface 27,
  • the device according to the invention for determining the surface contour 2 ′ of the object 1 can also be designed in accordance with an alternative embodiment such that only on one side, i.e. in the view in FIG. 4b, test heads 40 are only arranged above or below the object 1 or the support surface 27, in the event that only one of the two main surfaces, ie surfaces 2a, b, of the plate-shaped object 1 is to be examined.
  • the thickness D of the object 1 is to be examined additionally or alternatively, it is at least necessary to provide at least one such pair of test heads 40 arranged opposite one another.
  • the described several, for example three, pairs of test heads 40 can be provided.
  • FIG. 6 shows how the thickness can be determined more precisely at a test point, especially if the plate-shaped object 1 is not arranged exactly perpendicular to the distance between the two mutually opposite test heads 40 or is slightly curved or has a thickness which is uneven in its course .
  • each of the two opposing test heads 40 illuminates two light strips 3 lying next to one another at a distance on each side of the object 1 and determines the longitudinal center lines 13 of these two light strips 3, which have an expansion in width.
  • the two surface planes 2 ′′ are not parallel to one another, that is to say in particular their deviation from parallelism is greater than a predetermined limit angle, then on one of the two sides of the object on the middle between the two longitudinal center lines 13 there set a center line 25.
  • the length of the center line 25 is preferably limited to the length of the two light strips 3 on the basis of which it was created.
  • the distance D from this center line 25 from the length of the solder 10 to the surface plane 2 "in which the center line 25 lies to the opposite surface plane 2" is defined as the thickness D of the object 1 at this measuring point.
  • the solder 10 can be felled in the middle of the length of the center line 25, and this length of the solder 10 can be used as the thickness D, or the solder 10 can be felled at the two ends of the center line 25 and the thickness D is the mean between the lengths of these two solders 10 can be determined.
  • FIG. 4b also shows the passage 61 present in the support plate 60, through which the two transport belts 29 extend, and which is also sufficiently large that the wafer 1 lying thereon can pass through the passage 61.

Abstract

Um ein plattenförmiges Objekt (1), insbesondere einen Silizium-Wafer (1) für die Solarzellen-Herstellung, einerseits hinsichtlich der Oberflächen-Kontur, insbesondere das Fehlen von Sägeriefen (2a), zu untersuchen und gleichzeitig dessen Dicke (D) möglichst genau zu ermitteln, wird erfindungsgemäß für die Oberflächen-Abtastung das Over-Sampling and Averaging durchgeführt und / oder für die Dicken-Messung die Temperatur-Drift eliminiert durch Einbringen eines Referenz-Objektes (100) und dessen Referenz-Oberflächen (102) in die fächerförmigen Lichtstrahlen (3'') beider Prüfköpfe (40) eines jeweils auf den beiden Seiten des Objektes (1) angeordneten, gegeneinander gerichteten Prüfköpfen (40) eines Paares von Prüfköpfen (40).

Description

Inspektions-Verfahren sowie diesbezügliche Vorrichtung
I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft die 3D-Formermittlung.
II. Technischer Hintergrund
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.
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.
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. Die Lichtquelle ist zusammen mit dem flächigen Sensor und meist auch der gesamten elektronischen Auswerte-Schaltung gemeinsam in einem dicht geschlossenen Prüfkopf untergebracht.
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.
Ein Anwendungsfall ist die Überprüfung von Silizium-Wafern, bevor diese zur Solarzellen-Herstellung weiterverarbeitet werden.
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.
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 pm besitzen können, aufweist.
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. 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 pm pro °C.
III. Darstellung der Erfindung a) Technische Aufgabe
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. b) Lösung der Aufgabe Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hinsichtlich der Vorqehensweise 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 (a) zur Abstrahlrichtung (17) des Lichtstrahles (3‘) steht,
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,
Die erfindunqsqemäße Vorqehensweise 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.
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.
Indem nun zwischen den einzelnen Scans das aufgestrahlte Lichtband relativ zur zu untersuchenden Oberfläche des Objektes jeweils um eine Versatz- Strecke 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.
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.
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.
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: 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.
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.
Dadurch kann das Höhenprofil, also die Oberflächenkontur, der sich aneinander anschließenden Teil-Bandbereiche entlang des Bandbereiches insgesamt mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.
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.
Zur Absicherung wird nicht nur ein Bandbereich abgetastet sondern mehrere, vorzugsweise parallel zueinander liegende und zueinander beabstandete Bandbereiche.
Vorzugsweise wird die Einzel-Ermittlung vielfach hintereinander mit einer Frequenz von 200 Hz bis2000 Hz durchgeführt. In absoluten Angaben vorzugsweise mit einer Versatzstrecke zwischen einzelnen Aufnahmen von 100 pm bis 1000 pm
Die Vorqehensweise 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.
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.
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.
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..
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.
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.
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.
Vorzugsweise wird die Referenz-Oberfläche in einem Abstand von höchsten 15 mm, vorzugsweise von höchstens 10 mm zum Objekt angeordnet.
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. 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.
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.
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 Temperatur- Veränderungen zurückgeführt werden können.
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.
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.
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. 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.
Erfindunqsqemäß 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.
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.
Die Auflagefläche für das Prüfobjekt ist bevorzugt eine bewegliche Auflagefläche, beispielsweise in Form von zwei nebeneinander in horizontal beabstandeten Ebenen und auf gleicher Flöhe zueinander umlaufenden, vorzugsweise endlosen, Zugelementen wie Transport-Riemen oder Transport- Ketten, auf deren Obertrumen das Prüfobjekt aufgelegt werden kann und es durch den Durchlass in der Tragwand hindurch-transportiert.
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). 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.
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.
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 Flindurch-Transportieren des Prüfobjektes.
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.
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.
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. c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 : eine Detektoreinheit gemäß der Erfindung im Betrieb in der
Seitenansicht,
Fig. 2: die Detektoreinheit der Figur 1 im Betrieb in der Frontansicht,
Fig. 3: eine Darstellung eines Linien-Abbildes auf einem flächigen
Sensor,
Figur 4a: eine Aufsicht auf eine Prüfvorrichtung gemäß der Erfindung,
Figur 4b: eine Seitenansicht der Prüfvorrichtung gemäß Figur 4a,
Figur 5: eine vergrößerte Aufsicht eines fortschreitenden Lichtbandes,
Figur 6: die Vorgehensweise der Dickenermittlung bei mehreren von einem
Prüfkopf aufgestrahlten Lichtbändern. U
Figur 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 Figur 2 dargestellt - ein Lichtband 3.
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 .
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 a 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 ai = 02 einnehmen.
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 Figur 2 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.
Dabei unterscheidet sich diese Vertiefung des Lichtband -Abbildes 4, abhängig von dem Triangulationswinkel a und der Aufteilung in die Zwischenwinkel ai und 02, 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. 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.
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.
Wie Figur 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.
Wie Figur 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. Der Sensor 12 und der Spiegel 19 bilden gemeinsam die Detektoreinheit 6, die am Gehäuse 16 der Einheit fixiert ist.
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.
Die nach dem Lichtschnittverfahren hergestellten Einzelaufnahmen, die Scans S1 , S2, S3 werden in zeitlich schneller, gleichmäßiger Abfolge wiederholt, wie in Figur 3 angedeutet, um die sich in Bewegungsrichtung 7 relativ zum Prüfkopf 40 bewegende Oberfläche 2 des Objektes 1 ständig optisch abzutasten.
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 Figur 2 und Figur 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.
Wie Figur 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.
Da das Lichtband 3 ortsfest aufgestrahlt wird, liegt sein in Bewegungsrichtung 7 des Prüfobjektes 1 hinteres Ende immer auf der Referenz-Oberfläche 102. 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.
In Figur 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.
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.
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.
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. 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 Figur 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.
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 Figur 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 *.
Figur 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.
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 Figur 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.
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.
Ferner sind in Figur 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 Figur 4a so angeordnet, dass es in den Lichtfächer 3" dieses oberen Prüfkopfes 40 nur in dessen Anfangsbereich - in Bewegungsrichtung 7 - hineinragt.
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. 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.
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.
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 Figur 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.
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.
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. 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:
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.
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 Figur 4a U-förmig gestaltet, indem die beiden freien Enden der U-Form in je eines der beiden Enden des Lichtfächers 3" hineinragen.
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.
Das Objekt 1 wird dabei gemäß Figur 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.
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.
Wie ferner in der Figur 4a zu erkennen, verläuft die Verlaufsrichtung 3‘ jedes Lichtbandes 3 im Wesentlichen quer zu der Erstreckungsrichtung von in Fig. 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.
Figur 4b zeigt die Prüfvorrichtung betrachtet in Bewegungsrichtung 7 der Prüfobjekte 1.
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,
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 Figur 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.
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. 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.
Figur 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.
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.
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.
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. Vorzugsweise wird die Länge der Mittellinie 25 beschränkt auf die Länge der beiden Lichtbänder 3, auf deren Basis sie erstellt wurde. 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. 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.
Figur 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.
BEZUGSZEICHENLISTE
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
a Triangulations-Winkel cii,c(2 Zwischenwinkel ß1,ß2 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

Claims

PATENTANSPRÜCHE (Kontur-Messung)
1. Verfahren zur berührungslosen Ermittlung der 3D-Datenin Form der Oberflächen-Kontur (2’) mit darin potenziell vorhandenen Sägeriefen (22), der Oberfläche (2) eines Objektes (1 ) mittels des Lichtschnitt- Triangulations-Verfahrens, indem
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- Roh-Daten,
c) wobei die Beobachtungsrichtung (5) der Detektoreinrichtung (6) in einem Triangulationswinkel (a) zur Abstrahlrichtung (17) des Lichtstrahles (3‘) steht,
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,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
f) als Bewegungsrichtung (7) die Verlaufsrichtung (3') des Lichtbandes (3) gewählt wird, g) die Verlaufsrichtung (3') des Lichtbandes (3) quer zur Erstreckungsrichtung der potenziell vorhandenen Sägeriefen (22) gewählt wird,
h) die Lichtband-Länge (18) in Verlaufsrichtung (3') des Lichtbandes (3) so gewählt wird, dass sie größer ist als der räumliche Versatz zwischen den Einzelbild-Ermittlungen, insbesondere mindestens 10 mal so groß ist, besser mindestens 20 mal so groß ist.
(Dieken-Messung)
2. Verfahren zur berührungslosen Ermittlung der 3D-Daten in Form der Dicke (D) eines, insbesondere plattenförmigen, Objektes (1 ) mittels des mit Hilfe eines Prüfkopfes (40) durchgeführten Lichtschnitt-Triangulations- Verfahrens, für welches
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- Roh-Daten,
c) wobei die Beobachtungsrichtung (5) der Detektoreinrichtung (6) in einem Triangulationswinkel (a) zur Abstrahlrichtung (17) des Lichtstrahles (3‘) steht,
d) aus den Einzelbild-Rohdaten als Einzelbild-Ergebnisdaten der Objekt- Abstand der Detektoreinrichtung (6) von der Oberfläche (2) ermittelt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s
e) dies auf den beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen (2a, b) des Objektes (1 ) auf zwei einander gegenüberliegenden Stellen des Objektes (1 ) mit je einem Prüfkopf (40) durchgeführt wird und die beiderseitigen Objekt-Abstände (30a, b) ermittelt werden, f) eine Referenz-Oberfläche (102) eines Referenz-Objektes (100), in wenigstens einen der fächerförmigen Lichtstrahlen (3"), insbesondere nahe am Objekt (1), eingebracht wird und Ist-Werte bezüglich des Referenz-Objektes (100) ermittelt werden, wobei die entsprechenden Soll- Werte bekannt sind,
g) aus den beiderseitigen ermittelten Objekt-Abständen (30a, b) und dem bekannten Kopf-Abstand (31) unter Berücksichtigung der Abweichung der Ist-Werte von den Soll-Werten bezüglich des Referenz-Objektes (100) die Dicke (D) des Objekts (1 ) berechnet wird.
(Oversampling and Averaging:) 3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die in Schritt e) berechneten Gesamt-Ergebnisdaten, so erzeugt werden, dass für jeden auf der Oberfläche (2) bestrahlten Teil-Bandbereich (20.1, 20.2) des Bandbereiches (20) die Teil-Einzelbild-Rohdaten einer Mehrzahl von Teil-Lichtband-Abbildern (4.1, 4.2...), vorzugsweise wenigstens 10, besser vorzugsweise wenigstens 20, Teil-Lichtband- Abbilder (4.1, 4.2, 4.
3....) verwendet werden, die jeweils diesem Teil- Bandbereich (20.1, 20.2) auf der Oberfläche (2) entsprechen und aus den unterschiedlichen, insbesondere aufeinanderfolgenden, Scans (S1, S2, ) stammen, und
- aus diesen Teil-Einzelbild-Rohdaten jedes Teil-Bandbereiches (20.1, 20.2) die Gesamt-Ergebnisdaten ermittelt werden als Mittelwert der Teil- Einzelbild-Rohdaten der einzelnen Scans (S1, S2, ) . 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
jedes der Lichtband-Abbilder (4) und/oder der Teil-Lichtband-Abbilder (4.1, 4.2,
4-3....), aus einem oder mehreren Pixeln (P1.1, P1.2, P2.1...), insbesondere einer Pixelgruppe aus benachbarten Pixeln, des flächigen optischen Sensors (12) gebildet werden, wobei sich die Pixel (P1.1 , P1.2, P2.1...) vorzugsweise in Form einer Reihe im Wesentlichen in Verlaufsrichtung (3‘) des Lichtbandes (3) und/oder quer hierzu aneinander anschließen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die in Schritt c) erhaltenen Einzelbild-Rohdaten jedes Lichtband-Abbildes (4) mehrere sich in der Verlaufsrichtung (3‘) des Lichtbandes (3) aufeinanderfolgende Bandbereich-Abschnitte (20.1 bis 20.8) der Kontur (2‘) des Objektes (1) repräsentieren.
(Oversampling Frequenz)
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ermittlung der Einzelbild-Rohdaten gemäß Schritt c) in der Bewegungsrichtung (7) versetzt vielfach hintereinander am Objekt (1) mit einer Frequenz von mindestens 10 Flz, weiter vorzugsweise von mindestens 20 Hz, weiter vorzugsweise von mindestens 50 Hz durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mehrzahl, vorzugsweise drei, Lichtfächer (3“) gleichzeitig in der Abstrahlrichtung (17) auf die Oberfläche (2) des Objektes (1) gerichtet werden und die dadurch erzeugten, zueinander beabstandeten Lichtbänder (3) in Form separater Lichtband-Abbilder (4) aufgenommen werden und daraus Einzelbild- Rohdaten ermittelt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die durch die Mehrzahl der Lichtfächer (3“) auf der Oberfläche (2) erzeugten Lichtbänder (3) parallel zueinander verlaufen und vorzugsweise in gleichen Abständen zueinander, gemessen in einer zu der Verlaufsrichtung (3') des Lichtbandes (3) orthogonal verlaufenden Richtung.
9. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Referenz-Oberfläche (102) in den wenigstens einen der fächerförmigen Lichtstrahlen (3“), insbesondere nahe am Objekt (1), an einer solchen Position angeordnet wird, dass wenigstens ein Teil des gegen die Oberfläche (2) des Objektes (1) gerichteten fächerförmigen Lichtstrahls (3“) auf der Referenz- Oberfläche (102) auftrifft.
(Erst Objekt-Dicke bestimmen, dann korrigieren gemäß gemessener Dicke des Referenz-Objektes)
10. Verfahren nach Anspruch 2 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Referenz-Ist-Abstände (32 a, 32 b) von den beiderseitigen Referenz- Oberflächen (102a, b) zu dem diese Oberfläche jeweils der strahlenden
Prüfkopf (40) ermittelt werden,
- hieraus und aus den bekannten Kopf-Abstand (31) dieser beiden Prüfköpfe (40) die Ist-dicke (d) des Referenz-Objektes (100) ermittelt wird,
- aus den beiderseitigen ermittelten Objekt-Abständen (30a, b) und dem bekannten Kopf-Abstand (31) die Dicke (D) des Objekts (1) berechnet wird,
- die Dicke (D) des Objekts (1) korrigiert wird analog zur Differenz zwischen der Ist-Dicke (d) und der Soll-Dicke des Referenz-Objektes (100). (Objektabstände korrigieren anhand Referenz-Objekt-Abstände, dann erst Objekt-Dicke daraus ermitteln)
11. Verfahren nach Anspruch 2 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
f) eine Referenz-Oberfläche (102) in wenigstens einen der fächerförmigen Lichtstrahlen (3“) eingebracht wird, deren Referenz-Soll-Abstand von dem Prüfkopf (40) bekannt ist,
g) die ermittelten Objekt-Abstände (30a, b) korrigiert werden analog zur Differenz zwischen dem, insbesondere zur gleichen Zeit, gemessenen Referenz-Ist-Abstand (32a, b) und dem Referenz-Soll-Abstand (32'a, 32' b) zur Referenz-Oberfläche (102)
h) aus den beiderseitigen, korrigierten Objekt-Abständen (30a, b) an den einander gegenüberliegenden Stellen und dem bekannten Kopf-Abstand (31) dieser beiden Prüfköpfe (40) die Dicke (D) des Objekts (1) berechnet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 2 oder 1-11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zum Objekt (1) gemessenen Objekt-Abstände nur dann analog zur Differenz zwischen dem zur gleichen Zeit gemessenen Referenz-Ist-Abstand und dem Referenz-Soll-Abstand zur Referenz-Oberfläche (102) korrigiert werden, wenn die Differenz einen vorbestimmten Schwellenwert, vorzugsweise 20 miti, weiter vorzugsweise 10 pm weiter vorzugsweise 5 miti, überschreitet.
(T-Überwachung zur Beurteilung derT-Drift:)
13. Verfahren nach Anspruch 2, 9 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Referenz-Oberfläche (102) in wenigstens einen, besser beide der einander gegenüberliegenden, der fächerförmigen Lichtstrahlen (3“), in einem Abstand von höchstens 15 mm, vorzugsweise von höchstens 10 mm zur abzutastenden Oberfläche (2) des Objekts (1) eingebracht wird.
(Mit einem Lichtband pro Seite)
14. Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- auf zwei einander gegenüberliegenden Stellen des insbesondere plattenförmigen Objektes (1) aus einem bei der Kontur-Ermittlung ermittelten Oberflächen-Profil eine Ausgleichsgerade ermittelt wird, die dem in der Höhe gemittelten Oberflächen-Profil entspricht,, und
- der Abstand der an den beiden einander gegenüberliegenden Stellen ermittelten Ausgleichsgeraden als Dicke (D) des Objekts (1) definiert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei nicht parallelen Ausgleichsgeraden deren Abstand an einem definierten Punkt entlang ihrer Erstreckung, beispielsweise in der Mitte ihrer Erstreckung, das Lot von der einen Ausgleichsgeraden auf die andere Ausgleichsgeraden gefällt wird und die Länge des Lotes als Dicke (D) des Objekts (1) definiert wird.
(Mit 2 Lichtbändern pro Seite)
16. Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass
auf zwei einander gegenüberliegenden Stellen des insbesondere plattenförmigen Objektes (1)
- je zwei fächerförmige Lichtstrahlen (3") auf die Oberfläche (2) des Objektes (1) gerichtet werden, insbesondere vom gleichen Prüfkopf (40) aus,
- durch die beiden Längsmittellinien (13) der dadurch erzeugten
Lichtbänder (3) jeweils eine virtuelle Oberflächen-Ebene (2") definiert wird,
- der Abstand der beiden Oberflächen-Ebenen (2") an dieser Stelle als Dicke (D) des Objekts (1 ) festgelegt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand der beiden Oberflächen-Ebenen (2") als Dicke (D) des Objekts (1) festgelegt wird, indem
- bei parallelen Oberflächen-Ebenen (2") als Abstand der Oberflächen- Ebenen (2") in der Lotrechten zu den beiden Oberflächen-Ebenen (2") ermittelt wird,
- bei nicht parallelen Oberflächen-Ebenen (2") als deren Abstand die Länge eines Lotes (10) von der einen Oberflächen-Ebenen (2") aus dem Bereich zwischen deren Längsmittellinien (13) , insbesondere von einer Mittenlinie auf der Mitte deren Längsmittellinien (13), auf die andere Oberflächen-Ebenen (2") ermittelt wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Objekt (1) in der vertikalen Richtung nur mit seiner Gewichtskraft auf einer Auflagefläche (27) aufliegt und ansonsten in der vertikalen Richtung nicht fixiert ist.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperatur am Ort der Ermittlung der Daten, insbesondere
- an oder in der Nähe der elektronischen Verarbeitungs-Einheit (11 ) für die Einzelbild-Rohdaten (10),
- am Prüfkopf (40)
- an der T ragvorrichtung für den Prüfkopf (40) und/oder das Objekt (1 ), am Objekt (1)
ermittelt wird.
20. Prüfvorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit - wenigstens einem Prüfkopf (40), welcher aufweist
eine Laser-Lichtquelle (14),
eine Detektoreinrichtung (6) mit einem flächigen optischen Sensor (12) mit vorzugsweise Matrix-förmig angeordneten Pixeln (P1.1, P1.2,.... P2.1 , P2.2...), und
eine elektronischen Verarbeitungseinheit (11) zur Verarbeitung der Rohdaten und Berechnung der Ergebnisdaten ,
einer Auflagefläche (27) für das Objekt (1 ),
- einer Tragvorrichtung (60) für den Prüfkopf (40) und/oder die Auflagefläche (27).
21. Prüfvorrichtung, nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Prüfvorrichtung wenigstens ein Paar von Prüfköpfen (40), vorzugsweise drei Paare von Prüfköpfen (40), mit jeweils zwei bezüglich der Auflagefläche (27) gegenüberliegend angeordneten Prüfköpfen (40) umfasst, deren Beobachtungsrichtung (5) und Abstrahlrichtung (17) jeweils zur Auflagefläche (27) hin gerichtet sind.
22. Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Prüfvorrichtung mindestens ein Referenz-Objekt (100) mit einer Referenz- Oberfläche (102) umfasst, welche
- in einem bekannten Referenz-Soll-Abstand (32'a, 32'b) zu diesem Prüfkopf (40) angeordnet ist, insbesondere an der Tragvorrichtung (60).
- in den fächerförmigen Lichtstrahl (3") wenigstens eines der Prüfköpfe (40), bei einem Paar von Prüfköpfen (40) in den fächerförmigen Lichtstrahl (3") von beiden Prüfköpfen (40), hineinragt,
- insbesondere die Referenz-Oberfläche (102) in beide Endbereiche des fächerförmigen Lichtstrahles (3") hineinragt.
23. Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Prüfvorrichtung einen Temperatur-Sensor umfasst, der mit der elektronischen Verarbeitungseinheit (11) datentechnisch verbunden ist und geeignet ist, die Temperatur
- an oder in der Nähe der elektronischen Verarbeitungseinheit (11 ) für die Einzelbild-Rohdaten ,
und/oder
- am Prüfkopf (40)
und/oder
- an der Tragvorrichtung (60) für den Prüfkopf (40) und/oder das Objekt
(1).
und/oder
am Objekt (1)
zu messen.
24. Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Tragvorrichtung (60) eine, insbesondere lotrecht angeordnete, Tragwand (60) ist, an der der wenigstens eine Prüfkopf (40) befestigt ist,
- bei hinsichtlich der Abstrahlrichtung (17) gegeneinander gerichteten Paaren von Prüfköpfen (40) die Tragwand (60) einen Durchlass (61) zum Hindurchbewegen des Objektes (1) umfasst.
25. Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Auflagefläche (27) für das Objekt (1) eine bewegliche Auflagefläche (27) ist,
- die sich insbesondere durch den Durchlass (61) der Tragwand (60) hindurch erstreckt,
- die Auflagefläche (27) insbesondere aus zwei parallel nebeneinander verlaufenden Obertrumen (28) von jeweils in einer vertikalen Ebene umlaufenden endlosen Zugelementen (29), insbesondere Transportnennen (29), besteht.
26. Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere Paare von Prüfköpfen (40) quer zur Bewegungsrichtung (7) der Auflagefläche (27) nebeneinander beabstandet angeordnet sind.
27. Prüfvorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerung der Prüfvorrichtung in der Lage ist, das Verfahren gemäß der Verfahrensansprüche durchzuführen und insbesondere alle bewegten Teile der Prüfvorrichtung entsprechend zu steuern.
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