Hochdurchsatz-Mikroskopie zur automatisierten Qualitätskontrolle

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1 Hochdurchsatz-Mikroskopie zur automatisierten Qualitätskontrolle Control 2017, Stuttgart 09 Mai 2017 Tobias Piotrowski, M.Sc. Bildquellen: Fraunhofer IPT

2 Einführung Warum High-Speed-Mikroskopie? Herausforderung: Viele Produkte benötigen zur Inspektion eine mikroskopischer Auflösung, wie MEMS, microelectronics, microfluidics Viele dieser Produkte werden auf Wafer prozessiert Bauteil Wafer scale Inspektions-kriterien: Geometrie: Abstände, Paralelität, Winkel, Oberflächen: Defekte, Risse, Rückstände, Inspektion von großen Bauteilen in kurzer Zeit in mikroskopischer Auflösung mit Bilddatenaufnahme, Analyse und Dokumentation Image sources: NMIA, Fraunhofer IPT Seite 2

3 Problematik Aufgrund winziger Details in den untersuchten Proben ist Vergrößerung durch Mikroskopie notwendig Je höher die Vergrößerung, desto kleiner das Sichtfeld Bei großflächigen Proben sind tausende von Einzelaufnahmen nötig, um kompletten Probenbereich zu erfassen Durch die Positionierung der Probe an jeder einzelnen Aufnahmeposition dauert der gesamte Vorgang üblicherweise sehr lange 100% Prüfungen meist aus Zeitgründen nicht möglich Bildquellen: Fraunhofer IPT Seite 3

4 Die Lösung im Detail Stand der Technik: Mikroskoptisch bewegt sich zur Aufnahmeposition, hält an, Aufnahme erfolgt, Tisch bewegt sich zur nächsten Position ( Stop-and-Go ) Innovation: Mikroskopieren des bewegten Objekts (kontinuierliche Tischfahrt) bei x-/y-/z-synchronisation mit LED-Blitz und High-Speed Kamera bis zu 100 fps Konventionelles Mikroskop Inhomogenitäten beim Stitching Seite 4

5 Geschwindigkeitsvorteil Maximale Kameraframerate von pco.edge 5.5: 98 fps Vollbilder (2560 x 2160 Pixel) Scangeschwindigkeiten nach Vergrößerungen: Objektiv Auflösung [µm/px] Sichtfeld [mm] Max. Geschwindigkeit [mm/s] 4x 1,625 4,1 x 3,5 240 [401] 10x 0,65 1,7 x 1, x 0,325 0,8 x 0,7 81 Höhere Vergrößerungen und Einsatz schnellerer Kameras möglich (z.b. mit CoaXPress Schnittstelle) Max. Tischgeschwindigkeit bei 4 mm Spindelsteigung: 240 mm/s Bildquellen: kreuzberger-orthopaedicum.de Seite 5

6 Autofokus Um während des kontinuierlichen Scans das Objekt stets im Fokus zu halten, werden Hardware- Autofokusverfahren entwickelt und integriert Entfernungsensoren (e.g. chromatic-confocal) Coaxial eingebetete Sensoren (e.g. lowcoherence interferometry / optical coherence tomography (OCT)) Sensormount Topografische Fokusmap High-speed-Microscopie System für Halbleiter Micro Epsilon IFC IFS2406 Seite 6

7 Bildvorverarbeitung Ziel: Große Bilder mit weichen Übergängern von Frame zu Frame Shading Korrektur Histogramm Normalisierung Stitching Kernfragestellungen: Text Kernfragestellungen: Text Seite 7

8 Beispiele Große Bilder mit vielen Details 10X-Magnification Single images Seite 8

9 Beispiel Mikro-Prismen-Array hergestellt durch Zwei-Photonen-Lithographie Ablösung des Polymers durch Schrumpfung Größe 5 x 5 mm² Anzahl der Prismen 250 x 250 Prisma Größe 20 x 20 µm Vergrößerung 20x Anzahl der Bilder 81 Imaging time <1min Bildgröße 334MB Seite 9

10 Flexibilität Kompatible Aufrüstlösung für Mikroskope der Hersteller Zeiss, Nikon, Olympus und Leica Kombinierbar mit vielen Vergrößerungen Kombinierbar mit verschiedenen Beleuchtungen Nikon LV 100/150 Seite 10

11 Anzeige und Auswertung der Bilddaten Erzeugung großer zusammengesetzter Bilder durch Stitching- Algrithmus mit effizienter Visualisierung durch Bildpyramidenbasierten Viewer Echtzeitfähiges Datenhandling (RAM-Recording) und Bildvorverarbeitungsschritte (u.a. Shading-Korrektur) Kundenspezifische Bildverarbeitung (z.b. OpenCV und Halcon) Bildpyramide Erkennung von Leiterbahnunter- und Ausbrüchen Seite 11

12 High speed at work Source: PI Control 2016 Seite 12

13 100% Kontrolle Integration in die Fertigung Mikroskopische Kontrolle im Takt der industriellen Fertigung High-Speed Mikroskopie für großflächige Proben Bildquellen: ingenieur.de, Fraunhofer IPT Seite 13

14 Kontakt Dipl.-Phys. Niels König Abteilungsleiter Produktionsmesstechnik Tel.: Fax: Mail: Tobias Piotrowski, M.Sc. High-Speed-Mikroskopie Tel.: Fax: Mail: Seite 14