Volume 86, Issue 6 - 119. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für angewandte Optik in Aalen/ Gastherausgeber: Frank Höller, Andreas Heinrich

Zusammenfassung Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Zur Herstellung von MEMS werden üblicherweise fotolithografische Verfahren eingesetzt. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten MEMS, wie z. B. Airbag- oder ESP-Sensoren, ist eine 100 % Inspektion erforderlich. Nach einer optischen Inspektion der MEMS-Strukturen werden diese durch das Bonden eines Silizium-Kappenwafers geschützt. Dieses Bonding oder das anschließende Packaging kann zu einer zusätzlichen Spannung im Waferstapel führen, die die MEMS-Funktion negativ beeinflussen kann. Im Falle eines fehlgeschlagenen elektronischen Tests kann das Problem nicht lokalisiert werden, da der Kappenwafer für die gängigen optischen Oberflächensensoren undurchsichtig ist. In dieser Publikation wird die Herausforderung der optischen Topografiemessung von verkapselten MEMS-Strukturen diskutiert. Dabei werden Defekte wie Verbiegung oder Festklemmen einzelner MEMS-Finger betrachtet. Für diese Messaufgabe wird ein kurzkohärentes Interferenzmikroskop implementiert. Die Wellenlänge liegt im Short-Wave Infrarot (SWIR), da Silizium im Infraroten transparent wird. Die interferometrische Oberflächenmessung der MEMS-Strukturen wird durch den Kappenwafer stark beeinflusst. Hierfür wurden Simulationen durchgeführt, die die systematischen Messabweichungen aufgrund der Kappe zeigen. Eine Möglichkeit zur Korrektur und Reduzierung der systematischen Abweichungen wird ebenfalls beschrieben.

In phase-measuring deflectometry for measuring reflecting and transparent surfaces, a high-contrast pattern displayed on a liquid crystal screen is usually optically detected. One of the most important non-idealities of liquid crystal displays with regard to the achievable measurement uncertainty is the refraction in the glass substrate, which leads to an angle-dependent offset between the actual location and the observed location of a feature displayed on the screen. Owing to the typical thicknesses and refractive indices of the glass substrates used, this offset reaches several tenths of a millimeter even at moderate viewing angles. In the approach presented here, the refraction-related offset of features displayed on the screen is determined by simultaneous observation of displayed features and features mounted on the screen. The model used so far was improved, so that apart from a distance of the features to be determined before the evaluation no further previous knowledge is necessary. Within the scope of the investigations carried out, statements on the measurement uncertainty of the method could also be made and verified for the first time.

Zusammenfassung Wir zeigen den Vergleich zweier interferometrischer Verfahren zur Formprüfung anhand einer Messung an einer Zylinderlinse. Das erste Verfahren, die Multiple Aperture Shear Interferometry (MArS), basiert auf der Messung der Kohärenzfunktion mittels eines Scher-Interferometers. Es erlaubt interferometrische Messungen unter gleichzeitiger Verwendung mehrerer unabhängiger und teilkohärenter Lichtquellen, und ermöglicht so eine flexible, an den Prüfling anpassbare Ausleuchtung. Als Vergleichsverfahren kommt die Computational Shear Interferometry (CoSI) zur Messung von Wellenfronten zum Einsatz. Da beide Messverfahren auf einem Scher-Interferometer basieren, ist ein direkter Vergleich unter identischen Umgebungsbedingungen möglich.

In today’s industrial manufacturing, quality monitoring is one of the key elements to ensure continuous improvement and to trigger innovations. Especially inline inspection presents considerable challenges to the underlying measurement system. Besides the – in most cases – already not easily satisfiable demands concerning resolution, measurement uncertainty, and cycle time, the robustness of the chosen solution within the overall production environment is an essential requirement for a successful operation in the field. Furthermore, a sufficient ease of operation for the production staff plays a crucial role for the acceptance of the measurement technology. In sheet metal forming, for example, vibrations, ambient light variations and short cycle times as well as oiling and surface variations of the specimen under test challenge and simultaneously limit currently available measurement systems in their application. Especially in automotive manufacturing, visionary design concepts increase the complexity of components with respect to shape and forming capability, leading to critical areas on the object prone to constrictions and cracks. Varying geometry and surface defect characteristics call for an automated 3D inspection to maintain constant product quality for each single part. In this paper, an applied method for the inline inspection of free-form metal surfaces is presented, which allows for quality monitoring even in a harsh environment. So-called inverse fringe projection in combination with single-sideband demodulation facilitates the inspection of free-form metal surfaces in 3D, based on a single camera image (‘single-shot’), which allows for measurement even in a vibrating environment. Only one single camera and a projector are needed, simplifying the integration into series production considerably. Calibration-free, fast setup possibilities enable flexible handling and maintenance in a short-cycled production. First inline tests in a press shop at BMW proof the capability of this method. As an example, constrictions with a depth of about 80 microns could be detected automatically during series production within the press.

Zusammenfassung Die optische Bestimmung der Dicke transparenter Objekte oder dicker transparenter Schichten kann ziemlich einfach mit einem chromatisch-konfokalen Sensor durchgeführt werden. Die Dicke erhält man als Differenz zweier Distanzpeaks multipliziert mit dem Brechungsindex des Probenmaterials. Eine detailliertere Analyse zeigt jedoch, dass das Ergebnis korrigiert werden sollte mit einem Faktor, der die Lichtbrechung genau berücksichtigt. In dieser Veröffentlichung wird dieser Faktor abgeleitet und diskutiert, und es werden tabellierte Werte für einige Brechungsindizes und verschiedene Aperturwinkel des chromatisch-konfokalen Sensors angegeben.