Hochauflösende Inspektion von schwierigen Objekten mittels Shear Interferenz-Mikroskopie Peter Andrä Thomas Schäffler

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1 Hochauflösende Inspektion von schwierigen Objekten mittels Shear Interferenz-Mikroskopie Peter Andrä Thomas Schäffler

2 Agenda Hochauflösende Inspektion von schwierigen Objekten mittels Shearing Interferenz-Mikroskopie von den technologischen Grundlagen zur industriellen Anwendung Qioptiq Inspektionssysteme für die Industrie Trends in Produktion und Inspektion Basistechnologien Interferometrie und Mikroskopie Umsetzung in Mikro-Inspektionssysteme Anwendungen und Beispiele Qioptiq

3 Inspektionssysteme für die Industrie Qioptiq Inspektionsobjektive für diverse Anforderungen Rodagon Apo- Rodagon inspec.x L 5.6/105 inspec.x L 4/105 Auflösung 10µm 7µm 5µm 2µm <1µm Allgemeine Inspektion Display und PCB Inspektion Sub-µ Inspektion Qioptiq

4 Trends in Produktion & Inspektion Miniaturisierung von Bauteilen und Geräten Mikroelektronik, Mikrooptik, Mikromechanik, Mikrosystemtechnik MEMS auf großen Flächen, z.b. Wafer, PCB und FP-Displays Qioptiq

5 Trends in Produktion & Inspektion Funktionalisierung von technischen Oberflächen mechanische und optische Funktionsflächen, Materialien Präzisionsbearbeitung, Mikrostrukturierung und Beschichtung ausgedehnte Oberflächen Scanneroptiken Quelle: Fa. Precitech UmlenkSpiegel f. KfZ HUD *Quelle: Fraunhofer-Institut IPT Aachen Mikro strukturen* Qioptiq

6 Technologische Herausforderungen Herausforderungen für industrielle Bildverarbeitung kleinste Strukturen, Partikel und Defekte im Mikrobereich abbilden 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 N. Bauer, 2007: Die Basis menschlichen Sehens ist Wissen - Die Basis maschinellen Sehens ist die Beleuchtung und Bildgebung Qioptiq

7 Basistechnologien: Klassische Interferometrie & Nomarski-Mikroskopie Optik: Mikro- & Makro-Interferometer Leitz Metalloplan (Nomarski-Mikroskop) DIC Differential Interference Contrast 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 Qioptiq

8 Zwei-Strahl-Interferometrie Zwei-Strahl-IF mit Amplituden-Strahlteilung Twyman-Green-IF, 1916 Murty s laterales shear-if, 1964 (Saunders 1961) Interferometer: mit Referenzspiegel Interferogram: Wellenfront Form => z (x,y) Shear-IF ohne Referenz Gradient in shear-richtung z (x,y) z (x+s,y) => dz (x,y)/ dx Quelle: D. Malacara etc Qioptiq

9 Polarisations-Interferometrie IF mit Polarisations-Strahlteilung (polarisierende Teilerschichten) Laterale shear-if (doppelbrechende Platten oder Prismen und Polarisator) Francon-Jordery, 1953 Jamin-Lebedeff, Durchlicht QuarzPl. Obj. /2-Pl. Lateraler shear von deformierter Wellenfront (Polarisatoren nicht dargestellt) Pol. Quelle: D. Malacara 2007, H. Paul 1999 Qioptiq

10 Mikro-Interferometer - Interferenz-Mikroskop IF-Mikroskop mit Referenz ohne shear (für technische Oberflächen im Auflicht) Polarisations-IF mit lateralem shear und Richtungsaufspaltung DIC mit Wollaston-Prismen Smith, 1947 modifiziert mit Nomarski-Prisma Nomarski, 1952/55 Prisma Durchlicht Objektiv Obj. Prisma Pupille Objektiv Objekt Kond. Kond. Pol. Pol. IF-Ebene: im Prisma Spezialobjektiv nötig außerhalb Prisma, z.b. in Austrittspupille innerhalb Objektivs Quelle: H. Paul 1999 Qioptiq

11 DIC Mikroskop nach Nomarski Shear-Interferometer in Auflichtanordnung kontrastreiche Abbildung von Phasenobjekten einfallende Wellenfront IF-Kontrast durch lokalen Gangunterschied benachbarter Objektpunkte: Oberflächenstruktur (geringste Höhenunterschiede) verschiedene Materialien (Brechzahldifferenz, Objektdicke) transparente und metallisch reflektierende Materialien reliefartiges Pseudo 3D-Bild Quelle: D. Malacara 2007 Qioptiq

12 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 nm modulares System, optimal für Anwendung konfigurierbar für automatisierte Inspektion, flexibel durch Autofokus kompakte, mechanisch robuste, industrietaugliche Mechanik für inline- & offline Mikro-Inspektion Qioptiq

13 Inspektionssysteme für die Industrie Qioptiq Inspektionsobjektive für diverse Anforderungen Rodagon Apo- Rodagon inspec.x L 5.6/105 inspec.x L 4/105 mag.x 125 5x/2.25x MachVis Auflösung 10µm 7µm 5µm 2µm 0,7µm Allgemeine Inspektion Display und PCB Inspektion Sub-µ Inspektion Qioptiq

14 DIC-Technologie Anwendung & Beispiele Objekte mit optischer Funktion: Makro- und Mikrostruktur, Einschlüsse, Partikel DIC Flüssiglinse mit Einschlüsse Geschliffenes Glas 2,5 x 2,1 mm 2 MLA 8x7 Mikro-Linsen-Array 2,4 x 2,1 mm 2 R~2 mm, 300 µm pitch Linsenform, Oberflächengüte, Einzellinse 0,3 2 mm 2 Sauberkeit Qioptiq

15 DIC-Technologie Anwendung & Beispiele Objekte, mechanisch bearbeitete: Makro- und Mikrostruktur, Defekte, Sauberkeit Uhrwerk: Zahnrad D~2,5 mm, Ebenheit Bearbeitungsstrukturen 1,6 x 2,1 mm 2 DIC Diamantgedrehter Spiegel, 0,37 x 0,28 mm 2 Mikrostruktur, getrockneter Fleck Öltropfen, 0,15 x 0,11 mm 2 Qioptiq

16 DIC-Technologie Anwendung & Beispiele Objekte der Mikro- und Halbleitertechnik HF DIC FlexLeiterplatten mit Lack 2,5 x 1,7 mm 2 Leiterbahnen ~9 µm breit verschiedene Höhen/ Schichten 0,5 x 0,4 mm 2 Leiterbahnen ~80 µm breit 0,69 x 0,69 mm 2 Klebepunkte mit D~4 µm Qioptiq

17 Inline Mikro-Inspektion, mag.x 125 DIC Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Qioptiq