DE4026206A1 - Fully automatic two=dimensional measuring method - using microscope detecting orientation markers and verifying mechanical microstructure on substrate - Google Patents
Fully automatic two=dimensional measuring method - using microscope detecting orientation markers and verifying mechanical microstructure on substrateInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur vollautomatischen zweidimensionalen Vermessung von mechanischen Mikrostrukturen auf Substraten nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.The invention relates to a method for fully automatic two-dimensional measurement of mechanical microstructures on substrates according to the preamble of the claim.
Die Qualitätskontrolle gewinnt in der Industrie zunehmend an Bedeutung. Ständig steigende Anforderungen an die Güte von Produkten zwingen zu umfangreichen Kontrollen während der Fer tigung. Die technische Komplexität der herzustellenden Artikel bedingt immer aufwendigere und kostenintensivere Produktions verfahren.Quality control is becoming increasingly popular in industry Importance. Constantly increasing demands on the quality of Products force extensive controls during the Fer maintenance. The technical complexity of the articles to be manufactured requires ever more complex and costly production method.
Eine Prüfung der Endprodukte verhindert allerdings nur die Freigabe eines fehlerhaften Artikels für den Markt und nicht auch unnötige Kosten nicht korrekter Produktionsprozesse. Um Ort, Zeitpunkt und Art von Fehlern exakt zu ermitteln, werden immer mehr auch die Zwischenprodukte überprüft. Dabei genügt nur selten noch die Information, daß Fehler vorhanden sind. Vielmehr wird die Ursache von Fehlern gesucht, um den Produk tionsprozeß korrigieren zu können.However, checking the end products only prevents that Release a faulty item to the market and not also unnecessary costs of incorrect production processes. Around The exact location, time and type of errors are determined the intermediate products are also increasingly being checked. It is enough only rarely the information that errors are present. Rather, the cause of errors is searched for the product tion process to be able to correct.
Die Ergebnisse einer zeit- und kostenintensiven Sichtprüfung, die in der industriellen Qualitätskontrolle noch häufiger an getroffen wird, sind oft subjektiv und für den Prüfer ermü dend. Zudem liefern sie nicht immer die gewünschte detail lierte Information über Maßhaltigkeit des Prüflings, da der Umfang der Messungen die Personalkapazität oft bei weitem übersteigt.The results of a time-consuming and costly visual inspection, those in industrial quality control more often are often subjective and tiring for the examiner dend. In addition, they do not always deliver the desired detail lated information about the dimensional accuracy of the test specimen, since the Extent of measurements the personnel capacity often by far exceeds.
Diese Problematik zeigt sich insbesondere in der Mikroferti gung. Auf kleinstem Fertigungsnutzen werden tausende von Strukturen integriert. Die hohen Kosten der Produktionspro zesse zwingen hier in besonderem Maß zu ausgedehntem Zwischen prüfungen. Die Maßhaltigkeit so vieler Strukturen läßt sich jedoch manuell nicht mehr ermitteln. This problem is particularly evident in the microferti supply. With the smallest manufacturing benefit, thousands of Structures integrated. The high cost of production pro Processes force here to an extensive extent in particular exams. The dimensional accuracy of so many structures can be however, no longer determine manually.
Ein Verfahren der e. g. Art ist aus "Bildanalytische Qualitätskontrolle in der Mikrofertigung", 11. DAGM-Symposium, Tagungsband: "Mustererkennung 1989", Informatik-Berichte Nr. 219, Springer Verlag, bekannt.A procedure of the e. G. Art is from "Image Analytical Quality control in microfabrication ", 11th DAGM symposium, Proceedings: "Pattern recognition 1989", IT reports no. 219, Springer Verlag, known.
Mit diesem Verfahren ist es möglich, Strukturen, welche mit Hilfe eines CAD-Systems entworfen wurden, zweidimensional zu vermessen. Die Zuordnung von Ist- zu Soll-Struktur ist jedoch besonders bei periodischen Strukturen problematisch. Wenn zu dem das Substrat nicht parallel zur Mikroskoptischfläche liegt, z. B. durch Staub oder Teilchen auf den Mikroskoptisch, werden die Strukturen unscharf abgebildet und können nicht mehr erkannt und verifiziert werden.With this method it is possible to create structures with A CAD system was designed to be two-dimensional measured. However, the assignment of the actual to the target structure is particularly problematic with periodic structures. If too the substrate is not parallel to the microscope stage lies, e.g. B. by dust or particles on the microscope stage, the structures are blurred and cannot more recognized and verified.
Aufgabe der Erfindung ist es nun ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem beliebig im Raum orien tierte 2-dimensionale Strukturoberflächen von dreidimensiona len mechanischen Mikrostrukturen erkannt und eindeutig einer Sollstruktur zugeordnet werden können.The object of the invention is now a method of the beginning to develop the type mentioned, in which any orien in space tated 2-dimensional structural surfaces by dreidimensiona len mechanical microstructures recognized and clearly one Target structure can be assigned.
Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Pa tentanspruchs gelöst.This task is performed by the defining part of Pa claim resolved.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert.The method according to the invention is described below using a Example explained in more detail.
Es wurde ein System aus bereits auf dem Markt erhältlichen Komponenten zusammen gestellt, mit dem das e. g. Verfahren durchgeführt werden kann.It became a system from already available on the market Components put together with which the e. G. method can be carried out.
Basis des Systems ist der VME-Bus. Einschließlich des Bedien- Terminals und des Farbmonitors für die Bildwiedergabe finden alle Hardware-Komponenten in einem 19′′ Rack mit 33 Höhenein heiten (HE) Platz. The system is based on the VME bus. Including the operating Find terminals and the color monitor for image playback all hardware components in a 19 ′ ′ rack with 33 heights units (HE) place.
Als Master-Rechner, der gleichzeitig als Basis-CPU, Steuer rechner und Bus-Controller dient, wird der Prozessor Motorola 68020 mit 25 MHz verwendet. Neben dem mathematischen Co-Pro zessor 68881 weist er 4 MB lokales, dynamisches RAM auf. Der CPU direkt zugeteilt ist eine 120 MB SCSI-Platte.As a master computer that also functions as a basic CPU, control processor and bus controller, the Motorola processor 68020 used at 25 MHz. In addition to the mathematical co-pro processor 68881 it has 4 MB of local dynamic RAM. The A 120 MB SCSI disk is allocated directly to the CPU.
Bei dem Betrisbssystem handelt es sich um das Real-Zeit-System OS-9. Trotz des Fehlens "harter Echtzeitbedingungen" in diesem System hat sich der Einsatz dieses Betriebssystems bewährt, da es einfach handhabbar ist, wenig Speicher-Platz benötigt und sich auch zur Software-Entwicklung eignet.The operating system is the real-time system OS-9. Despite the lack of "hard real time conditions" in this System has proven the use of this operating system because it is easy to use, takes up little storage space and is also suitable for software development.
Für die Kommunikation zur Außenwelt ist ein Ethernet-LAN-Con troller vorhanden, der mittels OS-9-Internet das TCP/IP-Proto koll beherrscht.An Ethernet LAN Con is used for communication with the outside world troller available, which uses TCP / IP proto via OS-9 Internet koll masters.
Der Bildeinzug erfolgt mit einer Videokarte. Das Video-Signal einer SW-Kamera wird hier in ein Bildraster von 512×512 Pixel mit jeweils 256 Graustufen digitalisiert. Gleichzeitig enthält die Karte einen Bildspeicher für die Aufnahme von zwei 512×512-Bildern. Aus dem digitalisierten Bild kann mittels einer speziellen BV-Karte für die Bildvorverarbeitung in Video-Norm ein Linienbild mit 1-Pixel breiten Linien berechnet werden.The image is taken in with a video card. The video signal a SW camera is shown here in an image grid of 512 × 512 Pixels digitized with 256 gray levels each. At the same time The card contains an image memory for the recording of two 512 × 512 images. From the digitized image can be a special BV card for image preprocessing in Video norm computes a line image with 1-pixel wide lines will.
An die Digitalisierungskarte ist eine CCD-Kamera mit Sony-Sen sor 2/3′′ und 756×581 Bildpunkten angeschlossen. Die effek tive TV-Auflösung beträgt 560×575 Bildpunkte.A CCD camera with Sony-Sen is attached to the digitizing card sor 2/3 ′ ′ and 756 × 581 pixels connected. The effec tive TV resolution is 560 × 575 pixels.
Das Multi-Prozessor-Konzept der Slaves ist mit Transputern re alisiert. Dabei werden T800 von Inmos mit 20 MHz und jeweils 4MB dynamischem RAM eingesetzt. Durch die neu auf den Markt gekommenen 4 MBit-Chips lassen sich insgesamt 8 Prozessoren dieser Ausrüstung in einem einzigen VME-Bus-Slot unterbringen. The multi-processor concept of the slaves is right with transputers alized. Thereby T800 from Inmos with 20 MHz and each 4MB of dynamic RAM used. Through the new to the market 4 MBit chips can be a total of 8 processors of this equipment in a single VME bus slot.
Die Transputer sind in Form eines trinären Baumes verschaltet, das bedeutet, daß von den jeweils 4 vorhandenen Kommunikati onsleitungen (Links) einer mit dem übergeordneten Transputer (Vater-Transputer) verbunden ist, während mit den restlichen Links die Verbindungen zu drei anderen Transputern (Söhne) hergestellt werden. Ein Link des Root-Transputers ist physika lisch mit dem VME-Bus verbunden. Er läßt zudem den direkten Zugriff auf seinen Speicher vom VME-Bus zu (dual-ported-RAM).The transputers are connected in the form of a trinary tree, this means that of the 4 available communications onsleitung (left) one with the higher-level transputer (Father transputer) while connected to the rest Links to three other transputers (sons) getting produced. A link of the root transputer is physika connected to the VME bus. He also leaves the direct Access to its memory from the VME bus too (dual-ported RAM).
Als Meßmikroskop wurde ein vollautomatisches Lichtmikroskop mit Rechnerschnittstellen und einem 6′′-Scanningtisch verwen det.A fully automatic light microscope was used as the measuring microscope with computer interfaces and a 6 ′ ′ scanning table det.
Die einzelnen Verfahrensschritte werden im folgenden näher er läutert.The individual process steps are described in more detail below purifies.
Auf dem Substrat sind drei Markierungskreuze an vordefinier ter Position aufgebracht, die das Substratkoordinatensystem beschreiben. Vor Beginn einer Substratvermessung müssen die Substratkoordinaten in Tischkoordinaten transformiert werden. Dazu muß ein Bezug zwischen Mikroskoptisch- und Substratkoor dinatensystem hergestellt werden. Die Markierungskreuze werden dabei automatisch angefahren und die jeweilige genaue Position in x-, y- und z-Richtung bestimmt. Die Ermittlung der z-Posi tion erfolgt durch einen softwarebasierten Autofokus, der auf der Berechnung des max. Bildkontrastes beruht.Three marking crosses are predefined on the substrate ter position applied that the substrate coordinate system describe. Before starting a substrate measurement, the Substrate coordinates are transformed into table coordinates. This requires a relationship between the microscope stage and the substrate coordinate dinate system. The cross marks will be automatically started and the respective exact position determined in the x, y and z directions. The determination of the z-posi tion takes place through a software-based autofocus that the calculation of the max. Image contrast is based.
Die Schwerpunktkoordinaten der Markierungskreuze ergeben die x- und y-Position. Um diese zu bestimmen, werden für jedes Kreuz alle Bildobjekte auf die definierte Kreuzgeometrie un tersucht. Eine Plausibilitätsprüfung ermittelt das Kreuz, von dem dann die Schwerpunktskoordinaten berechnet werden.The center of gravity coordinates of the marking crosses result in the x and y position. To determine this, for each Cross all image objects to the defined cross geometry tries. The Kreuz, von determines a plausibility check which the center of gravity coordinates are then calculated.
Für den seltenen Fall, daß ein Markierungskreuz nicht die er wartete Geometrie aufweist, ist es möglich, dennoch manuell die x-y-z-Position zu bestimmen. In the rare event that a cross is not the he has waited geometry, it is possible, nevertheless, manually to determine the x-y-z position.
Die Transformationen berücksichtigen sowohl die Rotation als auch die Translation des Substrats bezüglich des Mikroskopti sches sowie die Verkippungen des Substrats bezüglich des Mi kroskoptisches. Dadurch wird die Möglichkeit gegeben, das Sub strat m. E. in beliebiger Raumlage (auf dem Mikroskoptisch) zu vermessen.The transformations take into account both the rotation and also the translation of the substrate with respect to the microscope cal as well as the tilting of the substrate with respect to the Mi croscopic. This gives the possibility of sub strat m. E. in any position (on the microscope stage) measured.
Die Vorgehensweise bei der Objektverifikation beruht auf einer lokalen und auf einer globalen Mustererkennung. Die Verwendung beider Verfahren ermöglicht eine Strukturvermessung, deren Er gebnisgenauigkeit nur durch die eingesetzte Optik begrenzt wird. Positionierungsungenauigkeiten - verursacht z. B. durch kostengünstige Mikroskoptische - sind ohne jede Bedeutung.The procedure for object verification is based on a local and global pattern recognition. The usage Both methods enable a structural measurement, the Er accuracy is limited only by the optics used becomes. Positioning inaccuracies - causes e.g. B. by Inexpensive microscope stages - are of no importance.
Die Mustererkennung erfolgt in einer Pixel-Liste, die auf der Grundlage eines vom Original-Grauwert-Bild berechneten Linien bildes mit 1-pixel-breiten Linien erstellt wird.The pattern recognition takes place in a pixel list which is on the Based on a line calculated from the original grayscale image image with 1-pixel-wide lines.
In Bild-Fenstern definierbarer Größe werden innerhalb der kom munizierenden Pixel in der Pixel-Liste Ecken, Geraden, Kreis bögen, Spiralen und Flächen verifiziert.In picture windows of definable size within the com munifying pixels in the pixel list corners, straight lines, circles Arches, spirals and surfaces verified.
Entgegen dem allgemeinen Verständnis einer Ecke werden hier insgesamt drei Eck-Typen unterschieden:Contrary to the general understanding of a corner here A total of three corner types are distinguished:
- 1. als Schnittpunkt zweier Geraden,1. as the intersection of two straight lines,
- 2. als Schnittpunkt einer Geraden mit einem Kreisbogen und2. as the intersection of a straight line with an arc and
- 3. als Schnittpunkt zweier Kreisbögen.3. as the intersection of two arcs.
Die Parameter einer Ecke sind Eckmittelpunkt, Schenkelrichtun gen und Drehsinn. Der gesuchte Eckpunkt ist dasjenige Pixel, dessen Nachbarpixel die den Schenkelrichtungen ähnlichsten Gradientenrichtungen in dem entsprechenden Drehsinn aufweisen. Dadurch ist in jedem Fall die Detektion einer Ecke gewährlei stet. Es wird ein Gütewert der Ecke berechnet, der die Abwei chung der Ist-Ecke von der Form der Soll-Ecke bewertet.The parameters of a corner are the center of the corner, the direction of the leg direction and sense of rotation. The corner point we are looking for is the pixel whose neighboring pixels most similar to the leg directions Have gradient directions in the corresponding direction of rotation. This guarantees the detection of a corner in any case continuous A quality value of the corner is calculated, which is the deviation The actual corner is evaluated by the shape of the target corner.
Parameter sind die zwei Linienendpunkte. Alle Linien zwischen zwei bereits verifizierten Endpunkten werden in der Pixel-Li ste untersucht. Sie gehen in einen Geradenfit (mit Least- Squares-Methoden) ein. Standard- und Maximalabweichung aller dazugehörenden Pixel werden in bezug auf die errechneten Gera denparameter ermittelt.Parameters are the two line end points. All lines between two already verified endpoints are in the Pixel-Li most examined. You go into a straight fit (with least Squares methods). Standard and maximum deviation of all associated pixels are compared to the calculated Gera determined the parameter.
Parameter sind Kreisradius, Kreismittelpunkt, Anfangs- und Endpunkt und Drehsinn. Die Verifikation erfolgt durch einen Kreisfit mit Standard- und Maximalabweichung wie bei der Gera dendetektion.Parameters are circle radius, circle center, start and End point and direction of rotation. The verification is carried out by a Circle fit with standard and maximum deviation as with the Gera detection.
Sie werden durch die sie umschließenden verifizierten Linien beschrieben. Unregelmäßigkeiten können entdeckt werden.They are verified by the lines surrounding them described. Irregularities can be discovered.
Da die lokale Mustererkennung globale geometrische Aspekte nicht berücksichtigen kann, werden alle verifizierten Eck punkte innerhalb eines Bildes in einer globalen Betrachtung nochmals überprüft. Dies ist vor allem dann wichtig, wenn gleiche Strukturen in periodischer Anordnung im Bild erschei nen. Dabei wird versucht, mit Least-Squares-Methoden alle Ist- Ecken den Soll-Ecken zuzuordnen. In einem iterativen Prozeß mit einem sich selbst anpassenden Bildfenster werden falsche Zuordnungen verworfen und neu ermittelt. Das Ergebnis ist eine fehlerfreie Mustererkennung und eine Transformationsmatrix, die in einem Rotations- und einem Translationsanteil die Orts differenz zwischen Soll- und Ist-Bildinhalt beschreibt.Because the local pattern recognition global geometric aspects can not take into account all verified corner points within an image in a global view checked again. This is especially important if same structures appear in a periodic arrangement in the picture nen. It tries to use least squares methods to Assign corners to the target corners. In an iterative process with a self-adjusting picture window will be wrong Assignments rejected and redetermined. The result is one error-free pattern recognition and a transformation matrix, that in a rotation and a translation part the place describes the difference between the target and actual image content.
Mit dem Verfahren läßt sich ein individuelles und dennoch vollautomatisches Meßprogramm durchführen, das nicht zur voll ständigen Vermessung aller Strukturen und Strukturteile zwingt, sondern die Beschränkung auf eine definierbare Unter menge (kritische Bereiche) zuläßt. Dies wird erreicht durch:With the method, an individual can still be Carry out a fully automatic measuring program that is not too full constant measurement of all structures and structural parts forces, but the restriction to a definable sub quantity (critical areas). This is achieved through:
- - Zerlegung der zu messenden Bildobjekte in geometrische Pri mitiven (Ecken, Geraden, Kreisbögen, Spiralen, Hyperbeln, Parabeln, usw.),- Breakdown of the objects to be measured into geometric pri mitives (corners, straight lines, arcs, spirals, hyperbolas, Parabolas, etc.),
- - die Strukturierung von Mustererkennungsbefehlen analog zu den die Bildobjekte beschreibenden geometrischen Primiti ven, wobei die Beziehungshierarchie der Befehle untereinan der den graphentheoretischen Nachweis der Zyklenfreiheit erbringt,- The structuring of pattern recognition commands similar to the geometric primitive describing the picture objects ven, where the hierarchy of commands is related the graph-theoretical proof of freedom from cycles he brings,
- - den Einsatz von imaginären geometrischen Primitiven,- the use of imaginary geometric primitives,
- - die Benennung der zu vermessenden kritischen Bereiche schon beim CAD-Entwurf,- the naming of the critical areas to be measured already with the CAD design,
- - die Formulierung von Bildverarbeitungsbefehlen auf der Grundlage der CAD-Original-Daten und der Daten der kriti schen Bereiche,- the formulation of image processing commands on the Basis of the CAD original data and the data of the kriti areas,
- - die Eigenschaft der "Auflösungsinvarianz", die es möglich macht, während des vollautomatischen Prozesses auf ein und demselben Substrat bis zu 6 verschiedene Objektive zu steu ern.- the property of "resolution invariance" that makes it possible turns on and off during the fully automated process to control up to 6 different lenses on the same substrate ern.
Die Fehlerauswertung läßt sich sowohl on-line auf dem Monitor darstellen, als auch off-line - sehr detalliert - durch Ver gleich von Soll-Daten mit den ermittelten Ist-Daten durchfüh ren.The error evaluation can be done both online on the monitor represent, as well as off-line - very detailed - by Ver Execute from target data with the determined actual data ren.
Fehler, die durch die Mustererkennung detektiert werden, sind "Ecken nicht vorhanden", "Gütewert der Ecke zu schlecht", "Linie nicht vorhanden", "Linie unterbrochen". Fehler, die durch die Vermessung detektiert werden, sind "Distanz nicht berechenbar", "Distanz weicht vom Sollmaß ab". Die Höhe der Distanzabweichung sowie das Maß der Rauhigkeit der Struktur kanten sind in mehrere Abweichungsklassen aufgeteilt, und wer den mit verschiedenen Farben auf dem Monitor kenntlich ge macht.Errors that are detected by the pattern recognition are "Corners do not exist", "Corner quality value too bad", "Line not available", "Line interrupted". Mistakes that can be detected by the measurement, "distance is not calculable "," Distance deviates from the nominal size ". The height of the Distance deviation and the degree of roughness of the structure edges are divided into several deviation classes, and who which can be identified by different colors on the monitor makes.
Die ermittelten Ist-Daten beschreiben die Geometrie der tatsächlich vorhandenen Strukturen. Durch einen Vergleich der Parameter der Geometrie-Primitiven läßt sich eine sehr detail lierte Abweichung der Ist-Strukturen von den Soll-Strukturen berechnen. Die Fehlerinformation geht dabei wesentlich über die Aussage "Die Struktur ist fehlerhaft" hinaus, und be schreibt die Abweichung des einzelnen Strukturteils sowohl durch die Abweichung der Parameter der jeweiligen Strukturpri mitiven als auch durch die Abweichung einzelner Konturbild punkte. Dabei ergibt sich automatisch die Art des Fehlers.The actual data determined describes the geometry of the actually existing structures. By comparing the Parameters of the geometry primitives can be very detailed lated deviation of the actual structures from the target structures to calculate. The error information goes over considerably the statement "the structure is faulty", and be writes the deviation of the individual structural part both due to the deviation of the parameters of the respective structural pr mitiven as well as by the deviation of individual contour image Points. This automatically results in the type of error.
Ein besonderer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß eine zeitaufwendige Justierung des Substrats mit den mechanischen Mikrostrukturen entfällt. Verkippungen können toleriert wer den. Durch die Verbindung von lokaler und globaler Musterer kennung kann auf den Einsatz eines hochpräzisen teuren Mi kroskoptisch verzichtet werden, ohne daß eine Genauigkeitsein buße in Kauf genommen werden muß.A particular advantage of the method is that a time-consuming adjustment of the substrate with the mechanical Microstructures are eliminated. Tilting can be tolerated the. By combining local and global patterns identifier can rely on the use of a high-precision, expensive Mi can be omitted microscopically, without an accuracy penance must be accepted.
Claims (1)
- a) durch Erkennen und Vermessen von drei auf dem Substrat vor handenen Orientierungsmarken sowohl Drehung und Translation des Substrats in der Ebene der Meßtischfläche, als auch die Kippungen des Substrats aus dieser Ebene ermittelt werden, wobei die Messung der z-Dimension über den Hub des z-Triebs des Mikroskops ermittelt wird, dann
- b) die Struktur anhand der CAD-Soll-Daten elementweise verifi ziert wird, wobei die Verfälschungen aufgrund der Drehungen und der Verkippungen berücksichtigt werden und wobei die Strukturen in eine Menge von vorgegebenen geometrischen Grundformen zerlegt werden, und dann
- c) die Zuordnung der erkannten Elemente zur Sollstruktur über eine globale Behandlung aller erkannten geometrischen Grundformen erfolgt.
- a) by recognizing and measuring three orientation marks on the substrate in front of both rotation and translation of the substrate in the plane of the measuring table surface, and the tilting of the substrate from this plane are determined, the measurement of the z dimension over the stroke of the z -Drive of the microscope is determined, then
- b) the structure is verified element by element on the basis of the CAD target data, the falsifications due to the rotations and the tilting being taken into account and the structures being broken down into a set of predetermined geometric basic shapes, and then
- c) the recognized elements are assigned to the target structure via a global treatment of all recognized geometric basic shapes.
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1990
- 1990-08-18 DE DE19904026206 patent/DE4026206C2/en not_active Expired - Fee Related
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