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Bildverarbeitung auf ±1 µm geprüft – in der Ebene und in der Höhe

Die Anlage repliziert Glaswafer: Wafer und Tool werden zueinander positioniert, zusammengeführt und vorgehärtet.

Halbleiter & Mikrofabrikation Sensorik & Messtechnik

Bildverarbeitung auf ±1 µm geprüft – in der Ebene und in der Höhe

Halbleiter & Mikrofabrikation Sensorik & Messtechnik

01Ausgangslage

Die Anlage repliziert Glaswafer: Wafer und Tool werden zueinander positioniert, zusammengeführt und vorgehärtet. Gefordert ist eine Platziergenauigkeit von unter ±1 µm. Korrigiert wird in x, y, z sowie in drei Winkeln – und zwei davon sind Kippungen, also der Keilfehler zwischen Wafer und Tool. Einen Kippfehler kann man nur ausgleichen, wenn man die Höhe an mindestens drei Marken kennt. Ein separater Höhensensor war nicht vorgesehen: Auch z sollte aus derselben Kamera kommen, über den Fokus. Dazu kommt ein Point of no Return – unterhalb von 100 bis 200 µm Spalt sind nur noch Korrekturen von ±15 µm erlaubt. Alles, was die Bildverarbeitung beitragen soll, muss vorher stimmen.

02Vorgehen

Wir haben nicht diskutiert, sondern gemessen. In der Ebene wurden zwei Verfahren gegeneinander gestellt: Kanten suchen und schneiden gegen Anlernen und Wiederfinden, jeweils über hunderte bis tausend Marken. In der Höhe wurden vier Schärfemasse auf identischen, gespeicherten Bildstapeln verglichen – erste Ableitung, zweite Ableitung, FFT und Depth-from-Focus –, ergänzt um 30 Serien à 21 Bilder und eine formale Gage R&R über alle Verfahren.

03Ergebnis

In der Ebene ist die Antwort komfortabel: Kantensuche liefert 0,04 µm Standardabweichung in X – nur findet sie je nach Beleuchtungsrichtung mal 100 von 100 Marken, mal 37 von 100. Das Anlernverfahren fand 1000 von 1000, jedes Mal, bei 0,18 bis 0,64 µm. Für eine Produktionsanlage gewinnt die Trefferquote, nicht die letzte Nachkommastelle. Nebenbei zeigte sich: Die Beleuchtungsrichtung wiegt schwerer als die Wahl des Algorithmus – flaches Auflicht bei rund 10° gegen steiles bei rund 80° macht Faktor dreieinhalb aus. In der Höhe lautet die Antwort ehrlich nein: für den Keilfehlerausgleich reicht die Genauigkeit noch nicht, und was dafür fehlt, steht als Hardwareliste im Bericht statt als Softwareversprechen.

Was steckt drin

Ein Pflichtenheft mit ausformulierten Prozessanforderungen, eine Autofokus-Evaluation mit vier verglichenen Verfahren, Genauigkeitszusammenfassungen für x, y, Winkel und z sowie eine Gage-R&R-Auswertung, die die Rangfolge in Zahlen festhält: Standardabweichung der zweiten Ableitung 15,1 %, FFT 17,8 %, Mittelwert der zweiten Ableitung 33,8 %, erste Ableitung 38,6 %, Depth-from-Focus 42,6 %. Bemerkenswert: Der Nachtrag widerlegt die Empfehlung des Hauptteils – das dort favorisierte Verfahren landet auf Platz vier von fünf.

Und wie ging es weiter

Der Befund, den man mitnimmt, ist der unbequeme. Wer eine Messung genauer haben will, tastet feiner ab – hier war genau das falsch. Bei 50 µm pro Bild lag das schärfste Bild in allen 100 Messungen auf demselben Index, Streuung 0,67 µm. Bei 10 µm pro Bild wanderte der Index um ein bis zwei Stellen, die Streuung stieg auf 1,8 bis 3,9 µm und die Spannweite auf bis zu 18 µm. Am flachen Maximum entscheidet Kamerarauschen, welches von mehreren fast gleich scharfen Bildern gewinnt. Die Lösung ist nicht mehr Abtastung entlang einer flachen Kurve, sondern ein Objektiv mit geringerer Schärfentiefe.

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