Automatisierte Hochdurchsatzmikroskopie für die 100

Hochdurchsatz-Mikroskopie zur
automatisierten Qualitätskontrolle
Control 2017, Stuttgart
09 Mai 2017
Tobias Piotrowski, M.Sc.
Bildquellen: Fraunhofer IPT
© WZL/Fraunhofer IPT
Einführung
Warum High-Speed-Mikroskopie?
Herausforderung:
 Viele Produkte benötigen zur Inspektion eine mikroskopischer Auflösung, wie MEMS, micro-
electronics, microfluidics
 Viele dieser Produkte werden auf Wafer prozessiert
Inspektions-kriterien:
 Geometrie:
Abstände,
Paralelität,
Winkel, …
 Oberflächen:
Defekte, Risse,
Rückstände, …
Bauteil
Wafer scale
 Inspektion von großen Bauteilen in kurzer Zeit in mikroskopischer Auflösung mit
Bilddatenaufnahme, Analyse und Dokumentation
Image sources: NMIA, Fraunhofer IPT
© WZL/Fraunhofer IPT
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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
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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
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Inhomogenitäten beim Stitching
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Geschwindigkeitsvorteil
 Maximale Kameraframerate von pco.edge 5.5:
98 fps Vollbilder (2560 x 2160 Pixel)
 Scangeschwindigkeiten nach Vergrößerungen:
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 1,4
163
20x
0,325
0,8 x 0,7
81
Objektiv
Max. Tischgeschwindigkeit bei
4 mm Spindelsteigung: 240 mm/s
 Höhere Vergrößerungen und Einsatz schnellerer Kameras
möglich (z.B. mit CoaXPress Schnittstelle)
Bildquellen: kreuzberger-orthopaedicum.de
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Autofokus
 Um während des
kontinuierlichen Scans das
Objekt stets im Fokus zu
halten, werden HardwareAutofokusverfahren
entwickelt und integriert
– Entfernungsensoren (e.g.
chromatic-confocal)
– Coaxial eingebetete
Sensoren (e.g. lowcoherence interferometry /
optical coherence
tomography (OCT))
Topografische Fokusmap
 Sensormount
High-speed-Microscopie System für
Halbleiter
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Micro Epsilon IFC2451 + IFS2406
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Bildvorverarbeitung
Ziel: Große Bilder mit weichen Übergängern von Frame zu Frame
Shading Korrektur
Kernfragestellungen:
 Text
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Histogramm Normalisierung
Stitching
Kernfragestellungen:
 Text
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Beispiele
Große Bilder mit vielen Details
10X-Magnification
Single images
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Beispiel
Mikro-Prismen-Array hergestellt durch Zwei-Photonen-Lithographie
Ablösung des Polymers durch Schrumpfung
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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
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Flexibilität
 Kompatible Aufrüstlösung für Mikroskope der
Hersteller Zeiss, Nikon, Olympus und Leica
 Kombinierbar mit vielen Vergrößerungen
 Kombinierbar mit verschiedenen Beleuchtungen
Nikon LV 100/150
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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
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High speed at work
Source: PI Control 2016
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100% Kontrolle – Integration in die Fertigung
 Mikroskopische Kontrolle im Takt der industriellen Fertigung
High-Speed Mikroskopie für großflächige Proben
Bildquellen: http://www.ims.fraunhofer.de, ingenieur.de, Fraunhofer IPT
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Kontakt
Dipl.-Phys. Niels König
Abteilungsleiter Produktionsmesstechnik
Tel.:
+49 241 8904-113
Fax:
+49 241 8904-6113
Mail:
[email protected]
Tobias Piotrowski, M.Sc.
High-Speed-Mikroskopie
Tel.:
+49 241 8904-218
Fax:
+49 241 8904-6218
Mail:
[email protected]
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