DE102009024967A1 - Process for the fiber-optic examination of function-relevant edge geometries of precision and microfabrication - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Prüfverfahren zur berührungslosen Prüfung komplexer Geometrien mit steilen Flanken, insbesondere zur mikrooptischen Erfassung und Bewertung von funktionsrelevanten Kantengeometrien an Werkstücken und Werkzeugen der Präzisions- und Mikrofertigung in fertigungsnaher Umgebung.The The invention relates to a test method for non-contact Testing complex geometries with steep flanks, in particular for the micro-optical detection and evaluation of functionally relevant edge geometries on workpieces and precision tools and microfabrication in production-related environment.
Für Präzisionswerkzeuge und Präzisionsteile aus verschiedenartigen Werkstoffen sind die Kantengeometrie und deren Qualität häufig entscheidend für die Funktionalität in verschiedenen technischen Anwendungen. Eine hierfür typische messtechnische Aufgabe der Qualitätssicherung ist die Kantenprüfung, z. B. in der Halbleitertechnik für Siliziumwafer oder im Zusammenhang mit der Fertigung und dem Einsatz spanender Mikro- und Präzisionswerkzeuge. Nachdem hierfür zunächst überwiegend stationäre Prüfungen visuell von ausgebildetem Personal realisiert wurden, werden solche Prüfungen zunehmend gerätetechnisch, aber immer noch stationär, örtlich getrennt von der Fertigung durchgeführt. Somit können subjektive Fehler weitgehend vermieden werden, aber eine direkte Einflussnahme auf den Fertigungsprozess ist – wie mit der Erfindung beabsichtigt – noch nicht gegeben.For Precision tools and precision parts of various types Materials are the edge geometry and its quality often crucial for functionality in different technical applications. One for this typical metrological task of quality assurance is the edge check, z. B. in semiconductor technology for Silicon wafers or in the context of manufacturing and use cutting micro and precision tools. After this initially mostly stationary exams are realized visually by trained personnel, are such Tests increasingly technical, but always still stationary, locally separate from the production carried out. Thus, subjective errors can be largely be avoided, but a direct influence on the manufacturing process is - as intended by the invention - still not given.
Vor allem für Kantengeometrien mit sehr kleinen Radien R < 10 μm stehen keine robusten Mess- und Prüfverfahren zur Verfügung, die effizient und zuverlässig Form- und Rauheitsabweichungen auf Kanten in einer wirtschaftlich und technologisch vertretbaren Prüfzeit erfassen und beurteilen können.In front especially for edge geometries with very small radii R <10 μm there are no robust measuring and test methods available, the efficient and reliable shape and roughness deviations on edges in an economically and technologically feasible Record and evaluate test time.
Eine Messung von Kantengeometrien (z. B. Werkzeugschneide) wird meist mit den Verfahren Rasterelektronenmikroskopie, Tastschnittverfahren, Lichtmikroskopie mit/ohne bildgebenden Sensoren und optische 3D-Mikromessverfahren ausgeführt.A Measurement of edge geometries (eg tool edge) usually becomes with the methods Scanning Electron Microscopy, Scanning Methods, Light Microscopy with / without imaging sensors and optical 3D micrometering executed.
Die Rasterelektronenmikroskopie stellt aufgrund der Probenvorbereitung und den benötigten Messbedingungen ein Laborverfahren dar. Die Kantenform und die Topografie können direkt und genau inspiziert werden. Schwierig gestaltet sich eine hinreichend genaue Ermittlung des Schneidkantenradius aufgrund des physikalischen Detektionsprinzips und der fehlenden Tiefeninformation.The Scanning electron microscopy is due to sample preparation and the required measurement conditions is a laboratory method. The edge shape and topography can be directly and accurately inspected become. Difficult is a sufficiently accurate determination the cutting edge radius due to the physical detection principle and the missing depth information.
Beim Tastschnittverfahren werden mit einer kleinen Tastnadel linienförmige Profilmessungen senkrecht zur Schneidkante durchgeführt. Bei sehr kleinen Geometrien ist die Genauigkeit der taktilen Messung durch den Tasterradius und die Verbiegung des Tasters eingeschränkt oder nicht mehr möglich.At the Stylus methods are linear with a small stylus Profile measurements performed perpendicular to the cutting edge. For very small geometries, the accuracy of the tactile measurement restricted by the stylus radius and the deflection of the stylus or not possible anymore.
Aufgrund der hohen erreichbaren Abtastrate und berührungsfreien Detektion bieten sich optische Messmethoden für eine fertigungsnahe Qualitätsprüfung an. Die derzeit am Markt verfügbare optische 2D/3D-Messtechnik ist für die effiziente Beurteilung der Kantenqualität nicht geeignet. Die etablierten Mess- und Prüfanordnungen, die auf Bildverarbeitung, Triangulation und Interferometrie basieren, können überwiegend ihre Vorteile im Messlabor im Rahmen von Stichprobenprüfungen ausspielen. Diese Mess- und Prüfgeräte stoßen an technische und physikalische Grenzen, wenn hoch reflektierende Mikrostrukturen mit steilen Flanken sekundenschnell und fertigungsnah beurteilt werden sollen.by virtue of the high achievable sampling rate and non-contact Detection offers optical measuring methods for production-related Quality inspection. The currently available on the market Optical 2D / 3D metrology is for the efficient assessment of Edge quality not suitable. The established measurement and Test arrangements based on image processing, triangulation and interferometry can be overwhelming their advantages in the measuring laboratory in the context of random checks play. These measuring and testing devices collide at technical and physical limits, when highly reflective Microstructures with steep flanks within seconds and close to production to be judged.
Weiterhin besteht ein generelles Problem der existierenden Messtechnik in Bezug auf eine zuverlässige Kantenprüfung darin, dass die eingesetzte optische Sensorik eine begrenzte laterale Auflösung aufweist. Beim optischen Antasten glatter steiler Flanken tritt eine stark gerichtete Lichtreflexion auf, die verhindert, dass das Lichtsignal von dem Sensor empfangen wird. Insbesondere bei der Messung sehr kleiner Kantenradien senkrecht zur Schneide können nicht genug Messpunkte aufgenommen werden, um den Radius ausreichend genau zu bestimmen. Ebenso ein inhärenter Nachteil der hoch auflösenden Charakterisierung von 3D-Geometrien ist das anfallende Datenvolumen, das die Darstellung und Auswertung der Ergebnisse erschwert und einer schnellen Datenauswertung entgegensteht.Farther There is a general problem of existing metrology in Reference to a reliable edge test therein, that the optical sensor system used has a limited lateral resolution. When optically touching smooth steep flanks occurs a strong directed light reflection, which prevents the light signal is received by the sensor. Especially when measuring very small Edge radii perpendicular to the cutting edge can not do enough Measuring points are recorded to the radius sufficiently accurate determine. Likewise, an inherent disadvantage of high-resolution Characterization of 3D geometries is the volume of data which complicates the presentation and evaluation of the results and precludes a fast data evaluation.
Auf Lichtwellenleiter basierende Sensorprinzipe bieten das Potenzial, geometrische und topografische Merkmale durch einen schnellen Soll-Ist-Wert-Vergleich zu prüfen. Jedoch sind die recherchierten Sensorlösungen aufgrund ihres großen Lichtfleckdurchmessers nicht für eine effiziente Prüfung kleiner Werkzeugschneidkanten mit R < 10 μm ausgelegt. Darüber hinaus nutzen kommerzielle Mikrosensoren überwiegend Halogen- bzw. Xenon-Bogenlampen als Weißlichtquellen. Aufgrund der geringen räumlichen Kohärenz ist keine effiziente Lichteinkopplung in Mono-/Multimodefasern möglich. Es steht dadurch nur wenig Lichtleistung für eine Detektion steiler Kanten zur Verfügung.On Fiber-optic based sensor principles offer the potential geometric and topographical features through a fast target-actual-value comparison to consider. However, the researched sensor solutions are not for due to its large spot diameter an efficient test of small cutting edges with R <10 microns designed. In addition, commercial microsensors predominantly use Halogen or xenon arc lamps as white light sources. by virtue of the low spatial coherence is not efficient Light coupling in mono / multimode fibers possible. It stands As a result, only little light power for a steeper detection Edges available.
Nachfolgend werden einige diesbezügliche Fundstellen zum Stand der Technik für berührungslose Prüfung von Kanten und Oberflächen sowie Messungen unter Einsatz von Lichtleitfasern beispielhaft benannt.following some references to the status of the Technology for non-contact testing of Edges and surfaces as well as measurements using Exemplary optical fibers.
Gemäß
Das
zur Prüfung benutzte Licht wird überwiegend mittels
Lichtleitfasern geführt, wie aus
Sofern
mehrere Lichtleitfasern eingesetzt werden, können diese
gemäß
In
Trotz einer Vielzahl bekannter technische Lösungen besteht weiterhin Entwicklungsbedarf an Verfahren, die eine stabile fertigungsnahe Prüfung mikrogeometrischer Merkmale gewährleisten, weil die prozessintermittierende Qualitätsprüfung in der Fertigungspraxis zunehmend an Bedeutung gewinnt.In spite of a variety of known technical solutions continue to exist Development needs for processes that are stable near-production Ensure testing of microgeometric features, because the process-intermittent quality inspection is becoming increasingly important in manufacturing practice.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur optischen Prüfung funktionsrelevanter Geometrien und Oberflächen von Kanten im Mikromaßstab zu schaffen, welches insbesondere unmittelbar in der Fertigungsumgebung einsetzbar ist.task The invention is a method for optical inspection function-relevant geometries and surfaces of edges on a microscale, which in particular directly can be used in the production environment.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Prüfung als signalbasierte Geometrieprüfung durchgeführt wird, wobei die Kanten in einem jeweils zu prüfenden Teilbereich in den Richtungen X und Y mit einem Lichtspot abgetastet werden, wodurch sich entsprechend der Ausprägung der konkreten Form und Oberflächengestalt der Kante ortsabhängige Lichtreflexionen ergeben, die zunächst von einer Sonde detektiert und danach in elektrische Signale umgewandelt werden und wobei eine Schar von Kennlinien der empfangenen Lichtleistung über den Weg erzeugt und erfasst wird, die anschließend mit vorab hinterlegten Signalverläufen von bekannten Referenzgeometrien verglichen wird. Somit wird ein neuartiges Verfahren geschaffen, mit dem eine frei von subjektiven Einflüssen durchgeführte Prüfung von Geometrie und Oberfläche an Präzisionskanten in der Fertigung und im Einsatz erfolgen kann.These Task is solved by testing as signal-based Geometry test is performed, the Edges in each subsection to be tested in the Directions X and Y are scanned with a light spot, thereby according to the expression of the concrete form and surface shape The edge give location-dependent light reflections, the first detected by a probe and then converted into electrical signals and where a bevy of characteristics of the received light power over the path is generated and captured, which subsequently with pre-stored signal profiles of known reference geometries is compared. Thus, a novel method is created with the one carried out free of subjective influences Testing of geometry and surface at precision edges can be done in production and in use.
Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Unteransprüchen beschrieben, deren technische Merkmale in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.advantageous Embodiments are described in subclaims, their technical features in one embodiment be explained in more detail.
Das erfindungsgemäße Prüfverfahren basiert auf einer optischen Detektion mit einem stark fokussierten Lichtspot, der beispielsweise von einem monomodigen Lichtwellenleitersystem mit konfektionierter Mikrooptik in Verbindung mit einer Strahlungsquelle mit ausreichend spektraler Leistung (z. B. Superlumineszenz-Diode) erzeugt werden kann. Der von der Sonde auf dem Scheitelbereich der Kante projizierte Lichtfokus ist dabei deutlich kleiner als der Radius der zu vermessenden Kante. Das Verfahren eignet sich primär für die Prüfung kleiner Kanten mit Radien R << 10 μm in Bezug auf Formtreue und Oberflächenbeschaffenheit.The Test method according to the invention is based on an optical detection with a strongly focused light spot, the example of a monomode optical waveguide system with prefabricated micro-optics in conjunction with a radiation source with sufficient spectral power (eg superluminescent diode) can be generated. That of the probe on the apex of the Edge projected light focus is much smaller than the radius the edge to be measured. The method is primarily suitable for testing small edges with radii R << 10 μm in terms of dimensional accuracy and surface texture.
Bei der für das Prüfverfahren genutzten faseroptischen Sensorik handelt es sich um einen speziellen Reflexkoppler, der auf der Intensitätsmodulation basiert. Die Sensoranordnung unterscheidet sich dabei grundlegend von kommerziell verfügbaren Reflexkopplern der Automatisierungstechnik, die als Lichtschrankensysteme zum Einsatz kommen.at the fiber optic used for the test procedure Sensor is a special reflex coupler, the based on the intensity modulation. The sensor arrangement is fundamentally different from commercially available Reflective couplers in automation technology used as light barrier systems be used.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Gut-/Schlecht-Beurteilung von Kanten soll eine Lücke in der schnellen Qualitätsprüfung sehr kleiner Kantengeometrien schließen. Neben der Kantenprüfung im Herstellungsprozess soll es auch die Überwachung der Kantenfunktionalität, z. B. von Schneidkanten, im Herstellungsprozess und Einsatz gewährleisten.The proposed methods for good / bad assessment of edges should fill a gap in the fast quality inspection close very small edge geometries. In addition to the edge check In the manufacturing process, it should also monitor the Edge functionality, eg. B. of cutting edges in the manufacturing process and use.
Das Prüfverfahren ist für den Einsatz in Fertigungsumgebungen der Kantenerzeugung bzw. Kantenpräparation von Werkzeugen und Werkstücken prädestiniert, die auf spanenden, abtragenden und generierenden Verfahren der Mikrofertigungstechnik bzw. der Mikrosystemtechnik basieren. Definiert angefaste oder verrundete Kanten mit symmetrischem bzw. asymmetrischem Verlauf sind mit diesem Verfahren hinsichtlich Formtreue und Rauheit prüfbar.The Test method is for use in manufacturing environments Edge generation or edge preparation of tools and workpieces predestined for machining, ablating and generating techniques of micro manufacturing technology or the microsystem technology based. Defined chamfered or rounded Edges with symmetrical or asymmetrical course are with this Method with regard to dimensional accuracy and roughness testable.
Weitere mögliche Applikationen liegen in der in-situ-Überwachung der Standzeiten von Mikro- und Präzisionswerkzeugen unmittelbar in Fertigungsumgebungen.Further Possible applications are in situ monitoring the service life of micro and precision tools directly in manufacturing environments.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:One Embodiment of the invention is in the drawing and will be described below. Show it:
Der
in
Die
Elemente
Das
von einer Lichtquelle
Das
Maximum der empfangenen Lichtleistung wird erreicht, wenn sich die
Messfläche
Neben
einer automatisierbaren Erfassungs- und Auswertesoftware wird ein
Mehrachs-Positioniersystem
Aus
In
Bei der signalbasierten Mikrogeometrieprüfung von Kanten tastet der Lichtspot in den Richtungen X und Y den zu prüfenden Teilbereich der Kante optisch ab. Dabei ergeben sich entsprechend der Ausprägung der jeweiligen Kante (Form und Oberflächengestalt) ortsabhängige Lichtreflexionen, die durch eine Sonde detektiert und anschließend in elektrische Signale umgewandelt werden. Ebenso ist eine automatische Nachfokussierung zur Kompensation eventueller Lageabweichungen bzw. positionsrelevanter Einflussgrößen oder eine Scan-Bewegung oder entlang der optischen Achse z möglich. Bei dieser Variante befindet sich der Scheitel der Kante im Messbereich der Sonde.at The signal-based microgeometry test of edges scans the light spot in directions X and Y the one to be tested Part of the edge visually off. This results accordingly the expression of the respective edge (shape and surface shape) location-dependent light reflections detected by a probe and then converted into electrical signals. Likewise, an automatic refocusing for compensation is possible Position deviations or position-relevant factors or a scanning movement or along the optical axis z possible. In this variant, the vertex of the edge is in the measuring range the probe.
Durch die Ausführung von Profilmessungen senkrecht zur Kante oder mit dem Verlauf der Kante (x, y) oder durch Änderung des Abstands Sensor-Scheitel wird eine Schar von Kennlinien (empfangene Lichtleistung vs. Weg) erzeugt, erfasst und anschließend mit hinterlegten Signalverläufen von bekannten Referenzgeometrien verglichen. Signifikante Abweichungen zwischen aufgezeichneten Ist-Kurven und hinterlegten Sollkurven von Referenzgeometrien in Bezug auf Anstieg, Amplitude und Kurvenbreite sowie Lage lassen Aussagen über den geometrischen und topografischen Zustand der zu prüfenden Kantengeometrie zu. Durch einen Soll-Istwert-Vergleich sind mikrogeometrische Kenngrößen wie Radius, Rauheit und Schartigkeit im Scheitelbereich von Kanten relativ bestimmbar. Aufgrund der relativ einfachen Wandlung und Verarbeitung der Lichtsignale sind sehr hohe Abtastraten bis zu 150 KHz erreichbar.By the execution of profile measurements perpendicular to the edge or with the course of the edge (x, y) or by change of the distance sensor vertex will be a set of characteristics (received Light output vs. Path) generated, recorded and then with stored signal profiles of known reference geometries compared. Significant deviations between recorded actual curves and deposited nominal curves of reference geometries with respect to increase, Amplitude and curve width as well as location let statements about the geometric and topographical state of the test to be tested Edge geometry too. By a reference actual value comparison are microgeometric Characteristics such as radius, roughness and pungency in the apex area of edges relatively determinable. Because of the relative Simple conversion and processing of light signals are very high Sampling rates up to 150 KHz achievable.
Durch die Verwendung spezieller Sensoroptik und einer breitbandigen Strahlungsquelle sowie einer spektrometrischen Anordnung zur Signalauswertung ist es möglich, die Anordnung zu einem quasi konfokal-chromatischen Prüfverfahren weiterzuentwickeln. Aufgrund der chromatischen Aberration besitzt die Anordnung durch Verwendung eines breitbandigen Lichts (Weißlicht) mehrere Fokuslagen. Die Auswertung der Lichtreflexion an dem detektierten Kantenbereich führt zu mehreren wellenlängenspezifischen Leistungskennlinien mit einem Gaußschen Verlauf, die sich in Breite und Amplitude unterscheiden.By using special sensor optics and a broadband radiation source and a spectrometric arrangement for signal evaluation, it is possible to further develop the arrangement to a quasi-confocal chromatic test method. Due to the chromatic aberration, the arrangement has multiple focal positions by using a broadband light (white light). The evaluation of the light reflection at the detected edge region leads to several wavelength-specific performance characteristics with a Gaussian Course that differ in width and amplitude.
Durch die wellenlängenabhängigen Fokuslagen treten verschiedene Intensitätspeaks im Spektrum des verwendeten Lichts auf, die abhängig von Form und Oberflächen des reflektierten Kantenbereichs charakteristische Verteilungen aufweisen. Durch Vergleiche mit bekannten spektralen Kennlinien sind mikrogeometrische Abweichungen an der zu prüfenden Kante in Bezug auf Form und Oberflächengestalt der Kante bestimmbar.By the wavelength-dependent focal positions occur different Intensity peaks in the spectrum of the light used, which depends on the shape and surfaces of the reflected Edge region have characteristic distributions. By comparisons with known spectral characteristics are microgeometric deviations at the edge to be tested in terms of shape and surface shape the edge determined.
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- Lichtquellelight source
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- SendelichtfaserTransmitting optical fiber
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- EmpfangslichtfaserReceiving optical fiber
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- faseroptischer Verzweigerfiber optic splitter
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- Single-Mode-FaserSingle-mode fiber
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- Ferrule mit Linseferrule with lens
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- Strahlteilerbeamsplitter
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- Lichtstrahlbeam of light
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- Mehrachs-PositioniersystemMulti-axis positioning
- 1010
- Bildgebender Sensorimaging sensor
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- Objektivlens
- 1212
- Fotosensorphotosensor
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- Messobjekt (Kante)measurement object (Edge)
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- Faseroptischer SensorFiberoptic sensor
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- Lichtspotlight spot
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- Kante 1 mit Radius R1edge 1 with radius R1
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- Kante 2 mit Radius R2edge 2 with radius R2
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- resultierendes Signal (Kante 1)resulting Signal (edge 1)
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- resultierendes Signal (Kante 2)resulting Signal (edge 2)
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- Signalkennlinien von ReferenzgeometrienSignal characteristics of reference geometries
- AA
- An-/Überfahren der Kantengeometrie mittels LichtspotOn / crossing the edge geometry by means of light spot
- BB
- Messbewegung und Aufzeichnung des optischen Reflexionssignalsmeasuring movement and recording the reflection optical signal
- CC
- Hinterlegte Leistungskennlinien von Referenzgeometrien (Sollwerte)deposited Performance characteristics of reference geometries (setpoints)
- DD
- Signatur-Analyse auf Basis von Soll-Ist-Wert-VergleichenSignature analysis based on target-actual-value comparisons
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Citations (6)
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| DE10038875A1 (en) | 1999-08-09 | 2001-03-29 | Asahi Optical Co Ltd | Endoscope for medical diagnosis, has scanning section which scans low coherence light based on detector output and enables signal processing section to produce examined object tomogram |
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