inspektion von schwierigen objekten mittels...

Inspektion von schwierigen

Objekten mittels differentiellem

Interferenz-Kontrast

3.-4.11.2015

Peter Andrä

Thomas Schäffler

Qioptiq unrestricted

© Qioptiq 2013 2

Agenda

Hochauflösende Inspektion von schwierigen Objekten mittels

differentiellem Interferenz Kontrast – DIC

von den technologischen Grundlagen zur industriellen Anwendung

Über Qioptiq

Trends in Produktion und Inspektion

Technologische Herausforderungen

Basistechnologien Interferometrie und DIC-Mikroskopie

Lösungen und Grundlagen

Umsetzung in Mikro-Inspektionssysteme

DIC-Technologie Anwendungen und Beispiele


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Über Qioptiq

Innovatives Design,

neueste Technologien

und modernste Werke in

Westeuropa und Nordamerika

Produktionsstätten mit niedrigeren

Kosten und zugleich hohen

Qualitätsstandards in Asien

Worin unterscheidet sich Qioptiq von anderen

Photonic-Unternehmen?

Rochester, NY, USA

Asslar, Deutschland

Göttingen, Deutschland

München, Deutschland

Regen, Deutschland

St. Asaph, UK

Bodelwyddan, UK

Hamble, UK

Singapur


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Über Qioptiq


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Trends in Produktion & Inspektion

Miniaturisierung von Bauteilen und Geräten

Mikroelektronik, Mikrooptik, Mikromechanik, Mikrosystemtechnik MEMS

auf großen Flächen, z.B. Wafer, PCB und FP-Displays


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Trends in Produktion & Inspektion

Funktionalisierung von technischen Oberflächen

mechanische und optische Funktionsflächen

Präzisionsbearbeitung, Mikrostrukturierung und Beschichtung

ausgedehnte Oberflächen

Quelle: Fa. Precitech Scanneroptiken

UmlenkSpiegel f. KfZ HUD

Mikro

strukturen*

*Quelle: Fraunhofer-Institut IPT Aachen


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Technologische Herausforderungen

Herausforderungen für industrielle Bildverarbeitung

kleinste Strukturen, Partikel und Defekte im Mikrobereich abbilden,

erkennen und vermessen

industrielle Produktionsumgebung, inline Qualitätssicherung

großflächige und im Produktionstakt bewegte Bauteile

Schwierige Objekte für bildgestützte Inspektion

kleinste Strukturen auf unterschiedlichen Materialien

transparente Objekte mit sehr schwer bis unsichtbaren Strukturen

Oberflächen mit Strukturen sehr geringer Höhe

Ursache

Amplitudenobjekte beeinflussen die Amplitude und

Phasenobjekte beeinflussen die Phase des verwendeten Lichtes

(geometrische und physikalische Phasenobjekte)


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Technologien für bildgestützte Inspektion

Vorgehensweise bei klassischen MachineVision-Anwendungen

Objektspezifische Auswahl der optimalen Komponenten:

Kamera (Sensor mit vielen Pixeln, Auflösung)

Objektiv mit passender Brennweite (Vergrößerung, Abbildungs-Qualität)

Beleuchtung, die genügend Licht bringt und zum Prüfobjekt passt

Optik & Beleuchtung entscheidend für

benötigte Auflösung und Messfeldgröße

genügenden Kontrast zur zuverlässigen Detektion von Strukturen &

Defekten auch auf schwierigen Oberflächen

Welche Beleuchtung und Bildgebung für schwierige Objekte ?

Hohe Vergrößerung mit

großem Sensor


Basistechnologien: Klassische

Interferometrie & Nomarski-Mikroskopie

Optik: Mikro- & Makro-Interferometer

Leitz Metalloplan (Nomarski-Mikroskop)

DIC

Differential Interference Contrast

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Qualitative Gütebeurteilung von sehr glatten, planen (optischen) Oberflächen

DF: Streulicht produzierende Verschmutzungen und Beschädigungen (Kratzer, Löcher)

DIC: Strukturen auf feinstpolierten Flächen, verschiedene Polituren unterscheidbar

Makro-Interferometer zur quantitativen Prüfung

IF: Flächenprüfung (Passe), Glas-Homogenität


Zwei-Strahl-IF mit Amplituden-Strahlteilung

Twyman-Green-IF, 1916

Interferometer: mit Referenzspiegel

Interferogram: Wellenfront Form

=> z (x,y)

Zwei-Strahl-Interferometrie

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Murty‘s laterales shear-IF, 1964

(Saunders 1961)

Shear-IF ohne Referenz

Gradient in shear-Richtung

z (x,y) – z (x+s,y)

=> dz (x,y)/ dx

Quelle: D. Malacara etc. 2005


IF mit Polarisations-Strahlteilung (polarisierende Teilerschichten)

Polarisations-Interferometrie

QuarzPl.

Obj.

/2-Pl.

Pol.

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Laterales shear-IF (doppelbrechende Platten oder Prismen und Polarisator)

Francon-Jordery, 1953 Jamin-Lebedeff, 1868-1930

Durchlicht

Lateraler shear von deformierter Wellenfront

(Polarisatoren nicht dargestellt)

Quelle: D. Malacara 2007, H. Paul 1999


Prisma

Pupille

Objektiv

Objekt

Kond.

Pol.

IF-Mikroskop mit Referenz ohne shear (für technische Oberflächen im Auflicht)

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Mikro-Interferometer - Interferenz-Mikroskop

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Prisma

Objektiv

Obj.

Kond.

Pol.

Polarisations-IF mit lateralem shear und Richtungsaufspaltung

DIC mit Wollaston-Prismen

Smith, 1947

Durchlicht

IF-Ebene: im Prisma

Spezialobjektiv nötig

modifiziert mit Nomarski-Prisma

Nomarski, 1952/55

außerhalb Prisma, z.B. in

Austrittspupille innerhalb Objektivs Quelle: H. Paul 1999


Shear-Interferometer in Auflichtanordnung

D I C

mit Bildaufspaltung

größer als Auflösungsgrenze Objektiv: totale Bildaufspaltung (Doppelbild)

kleiner als Auflösungsgrenze Objektiv: differentielle Bildaufspaltung

DIC - Mikroskop nach Nomarski

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mit geringem Winkel oder parallelen Teilstrahlen (Winkel ~0)

Streifen im Bild sichtbar: Streifenauswertung nötig

keine Streifen, da weit auseinander: Interferenz-Kontrast sichtbar

Quelle: D. Malacara 2007


Polarisationsoptisches Shear-Interferometer

• kontrastreiche Abbildung von Phasenobjekten

• IF-Kontrast durch lokalen Gangunterschied benachbarter Objektpunkte:

– Oberflächenstruktur (geringste Höhenunterschiede)

– verschiedene Materialien (Brechzahldifferenz, Objektdicke)

– transparente und metallisch reflektierende Materialien

DIC – Mikroskop nach Nomarski

einfallende

Wellenfront

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DIC-Prisma im linear polarisierten Licht

• IF-Kontrast abhängig von Ausrichtung

reliefartiges Pseudo 3D-Bild


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Mikro-Inspektionssystem mag.x 125 – DIC

Mikroskop-Technologien für industrielle Inspektion & Qualitätssicherung

Abbildung großer, auch schwieriger Objekte mit hoher Auflösung, auch axial

DIC-Mikroskopie in Auflicht bei koaxialer Beleuchtung

Vorteile und Nutzen

hohe Auflösung < 1 µm bei Objektfeld bis 5 mm (5x Objektiv, diagonal)

große Flächen-/ Zeilensensoren bis 57 mm (Pixelanzahl, Auflösung)

für große Objektfelder bis 12.5 mm und schnelle Bilderfassung

für große, auch bewegte Objekte

beidseitige Telezentrie und homogene Beleuchtung

für exakte Messungen und Kameras mit Mikrolinsen

hohe Bildqualität und -Kontrast im Feld, Spektrum 430-700 nm

modulares System, optimal für Anwendung konfigurierbar

für automatisierte Inspektion, flexibel durch Autofokus

kompakte, mechanisch robuste, industrietaugliche Mechanik

für inline- & offline Mikro-Inspektion


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Inspektionssysteme für die Industrie

Auflösung

10µm 7µm 5µm 2µm 0,7µm

Rodagon Apo-

Rodagon

inspec.x L

5.6/105

inspec.x L

4/105

mag.x 125

5x/2.25x

Qioptiq Inspektionsobjektive für diverse Anforderungen

Allgemeine Inspektion Display und PCB

Inspektion

Sub-µ Inspektion

MachVis


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DIC-Technologie Anwendung & Beispiele

Objekte mit optischer Funktion: Makro- und Mikrostruktur, Einschlüsse, Partikel

MLA 8x7 Mikro-Linsen-Array 2,4 x 2,1 mm2

R~2 mm, 300 µm pitch

Linsenform,

Oberflächengüte, Einzellinse 0,32 mm2

Sauberkeit

DIC

Geschliffenes Glas 2,5 x 2,1 mm2

Flüssiglinse mit Einschlüsse


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Objekte, mechanisch bearbeitete: Makro- und Mikrostruktur, Defekte, Sauberkeit

Uhrwerk:

Zahnrad D~2,5 mm, Ebenheit

Bearbeitungsstrukturen

1,6 x 2,1 mm2

HF DIC

Diamantgedrehter Spiegel, 0,37 x 0,28 mm2

Mikrostruktur, getrockneter Fleck

Öltropfen, 0,15 x 0,11 mm2


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Objekte der Mikro- und Halbleitertechnik

HF

FlexLeiterplatten mit Lack

2,5 x 1,7 mm2

DIC

Leiterbahnen ~9 µm breit

verschiedene Höhen/ Schichten

0,5 x 0,4 mm2

Leiterbahnen ~80 µm breit

0,69 x 0,69 mm2

Klebepunkte mit D~4 µm

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