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Fiducial-Erkennung auf Spiegel, Glas und Hologramm

Strukturen ab 5 µm auf ±1 µm genau erkennen, auf poliertem Nickel, klarer Folie, Polycarbonat und einem Hologramm, das für jeden Winkel eine andere Farbe zurückwirft.

Photonik & Laser Halbleiter & Mikrofabrikation

Fiducial-Erkennung auf Spiegel, Glas und Hologramm

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01Ausgangslage

Eine Step-and-Repeat-Maschine muss vor jedem Abdruck wissen, wo Substrat, Werkzeug und die zuletzt erzeugte Struktur liegen, und das beantwortet die Erkennung von Fiducial-Marken. Gefordert waren ±1 µm Genauigkeit und ±0,25 µm Wiederholpräzision auf Strukturen ab 5 µm. Für sich genommen Standard-Bildverarbeitung, wären da nicht vier Materialien, die sich komplett unterschiedlich verhalten: Poliertes Nickel spiegelt, Polyesterfolie ist durchsichtig, Polycarbonat reflektiert zusätzlich von der Rückseite, und ein Hologramm ändert sein Aussehen mit jedem Blickwinkel. Und das alles auf einem bewegten 200-kg-Kopf, dessen eigene Achsen nur ±5 µm genau sind. Die Bildverarbeitung muss also fünfmal besser sein als die Mechanik, die sie trägt.

02Vorgehen

Wir haben zwei Vergrösserungen auf einen Kopf gepackt: 1x mit 5 µm pro Pixel, um die Marke im grossen Sichtfeld zu finden, und 10x mit 0,5 µm pro Pixel, um ihr Zentrum zu vermessen. Telezentrische, plan-apochromatische Optiken sorgen dafür, dass sich die Messposition nicht verschiebt, auch wenn der Arbeitsabstand mit der Substratdicke von 0,5 bis 5 mm wechselt. Jeder Kanal schaltet unabhängig zwischen Ring- und Koaxiallicht um, so werden aus vier Materialien vier Rezepte statt vier verschiedener Hardware-Aufbauten. Eine selbst entwickelte Steuerung hält dabei den PoE+-Leistungsrahmen von 21 W ein, obwohl die Beleuchtung allein bis zu 17 W braucht.

03Ergebnis

Gemessen wird im selben Koordinatensystem wie abgedruckt, direkt in der Maschine statt auf einer externen Messmaschine. Das spart das Aus- und Wiedereinspannen, das selbst schon eine Fehlerquelle ist. Geprüft haben wir das Ganze nicht gegen uns selbst, sondern gegen ein extern vermessenes Fiducial-Raster: ±1,0 µm mittlere Abweichung und ±0,25 µm Standardabweichung, beide Vorgaben erfüllt. Jede Messung verlässt die Maschine ausserdem als Inspektionsbericht mit Soll-Ist-Vergleich, Rezept und Kommentar, nicht als Screenshot.

Was steckt drin

Ein kompletter Bildverarbeitungskopf: zwei monochrome GigE-Kameras mit Power over Ethernet, telezentrische Optik in zwei Kanälen, unsere eigene Beleuchtungssteuerung, die Detektionsalgorithmen samt Bilddatenbank dahinter und die Auswertung gegen ein extern vermessenes Referenzraster. Dazu die Inspektionsfunktion mit Soll-Ist-Bericht und ein zusätzlicher konfokaler Abstandssensor auf demselben Kopf für Höhe und Dicke.

Und wie ging es weiter

Ein Kabel pro Kamera, Daten und Strom zusammen, heisst weniger Ausfallmodi in der Schleppkette, die sich über 1600 × 1400 mm² und hunderttausende Zyklen bewegt. Die Messwerte aus diesem Kopf sind seither die Grundlage der Platzierungsanalyse der gesamten Anlage.

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