DE4107069A1 - Verfahren zum lesen von strichkodierungen auf halbleiteroberflaechen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lesen von Strichkodierungen auf Halbleiteroberflächen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 45 85 931 bekannt. Bei diesem Ver­ fahren erfolgt das Lesen von Strichkodierungen auf Halbleiteroberflächen mit einem optischen Sende-/Empfangssystem, deren optische Achsen zueinander einen Winkel von 180°-2R einnehmen, wobei der Winkel R zwischen der Halbleiteroberfläche und der jeweiligen optischen Achse aufgespannt ist. Der Winkel R soll über einen Bereich von ungefähr 30° bis 60° wählbar sein. Hier­ bei strahlt eine nicht näher bezeichnete Lichtquelle ein Lichtbündel unter dem Winkel R auf die Halbleiteroberfläche. Dieses Lichtbündel wird an der polierten Oberfläche bzw. im Bereich der Lücken der Strichkodierung unter dem Win­ kel R reflektiert und gelangt über eine Linse sowie ein Blendensystem auf einen Fotodetektor. Mit dem im Fotodetektor generierten Fotostrom wird ein Verstärker beaufschlagt, dessen Ausgangssignal einem Dekoder zugeführt und im Anschluß daran das Dekodierungsergebnis mittels Display angezeigt wird.

Durch Rotation der Halbleiterscheibe wird die Strichkodierung unter dem Sen­ de-/Empfangssystem vorbeibewegt. Dieses bedeutet, daß zeitweise das Sende­ licht an den Mikrorauheiten der Striche gestreut wird.

Nachteilig ist dabei, daß das Blendensystem einschließlich Linse auf der Empfangsseite nur eine kleine Apertur aufweist. Daher gelangt im Bereich der Mikrorauheit kein oder nur wenig Licht auf den Fotodetektor. Außerdem strahlt die Lichtquelle inkohärentes Licht ab, so daß eine optische Filterung des Lichts zur Kontrastanhebung nicht möglich ist, ferner beeinträchtigen Neigungen der Halbleiteroberfläche die Intensität des Empfangssignals.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine optische Filterung des Lichts eine Kontraststeigerung zu erzielen und sich auf die Intensität des Em­ pfangssignals auswirkende Neigungen der Halbleiteroberflächen auszuschließen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen charakterisiert.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Anordnung Strichkodie­ rung, Optik, Filterblende, abgebildete und gefilterte Strich­ kodierung,

Fig. 3 die veranschaulichte Wirkung der Rechteckblende beim Lesen der Strichkodierung,

Fig. 4 eine konkrete An- und Zuordnung der im Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang befindlichen Bauelemente,

Fig. 5a das Beugungsbild mit Detektionssignal bei idealer Lage der Halbleiteroberfläche,

Fig. 5b das Beugungsbild mit Detektionssignal bei geneigter Halb­ leiteroberfläche,

Fig. 5c die drei Möglichkeiten zur Korrektur des Beugungsbildes in das Zentrum der Filterblende wie bei Fig. 5a.

In Fig. 1 ist mit (7) eine Laserstrahlquelle in Form einer Laserdiode dargestellt, die ein kohärentes Lichtbündel divergent abstrahlt. Die Wellenlänge dieser La­ serstrahlquelle (7) liegt vorzugsweise in einem Bereich, in denen nicht die Em­ pfindlichkeit einer auf die Halbleiteroberfläche (1) aufgebrachten Fotoresist­ schicht liegt.

Das Licht der Laserstrahlquelle (7) wird mittels Fokussieroptik (8) und nach Umlenkung mit Umlenkspiegel (9) in den Brennpunkt (13) der Sende-/Em­ pfangsoptik (2) fokussiert, so daß sich hinter der Sende-/Empfangsoptik (2) ein paralleles Strahlenbündel (12) einstellt, welches als kohärente Wellenfront auf die Halbleiteroberfläche (1) fällt. Zwischen Brennpunkt (13) und Sende-/Em­ pfangsoptik (2) befindet sich der Strahlungsteilerspiegel (3).

Auf der Halbleiteroberfläche (1) ist eine Strichkodierung (14) aufgebracht, die vorzugsweise durch Laserbeschuß mittels frequenzverdoppeltem Nd-YAG-Laser erzeugt wird und zwar derart, daß eine Reihe sich überlappender Softmark- Schmelzpunkte zu einem Strich ausgebildet wird. Die auf die Strichkodie­ rung (14) fallende kohärente Wellenfront wird dort reflektiert und erfährt so­ wohl eine Phasen- als auch eine Amplitudenmodulation. Dieses in Amplitude und Phase veränderte Licht wird von der Sende-/Empfangsoptik (2) aufgefan­ gen und zur Abbildung gebracht, wobei in der bildseitigen Brennebene (13′) das Fourierspektrum (15) der beugenden Strichkodierung (14) entsteht.

In dieser Brennebene (13′), die auch als Fourierebene bezeichnet wird, wird durch den Einbau einer Blende das Ortsfrequenzspektrum (15) und damit das Bild verhindert. Der Einbau einer kreisförmigen Lochblende (4) zentrisch zur O.-Beugungsordnung (17) hat die Eigenschaft einer Tiefpaßfilterung. Dieses be­ deutet, daß höherfrequente Anteile des Ortsfrequenzspektrums (15) abgeblockt werden und damit nicht auf die Fotodiode (6) gelangen. Das ortsfrequenzgefil­ terte Licht gelangt dann über eine Rechteckblende (5) auf die Fotodiode (6).

Das Ausgangssignal der Fotodiode (6) wird einem nicht dargestellten Verstär­ ker (22) zugeführt und anschließend von einer Auswerteeinheit dekodiert.

Fig. 2 zeigt die Funktion und Wirkungsweise der Ortsfrequenzfilterung im Em­ pfangsstrahlengang. Auf der Halbleiteroberfläche (1) ist die Strichkodierung (14) aufgebracht, wobei die Strichrichtung parallel zur Y-Achse verläuft. Das an der Strichkodierung (14) gebeugte Licht wird mittels Sende-/Empfangsoptik (2) gesammelt und erscheint in der Brennebene (13′) als Fourier- bzw. Ortsfre­ quenzspektrum (15). Im Koordinatenursprung (X′ = 0, Y′ = 0) liegt die O.-Beu­ gungsordnung (17) und gleichzeitig das Zentrum der Filterblende (4). Durch den Lochdurchmesser der Filterblende (4) wird die Grenzfrequenz des noch durch­ gelassenen Ortsfrequenzspektrums definiert. Es erscheint daher auf der Recht­ eckblende (5) ein gefiltertes Bild mit der abgebildeten Strichkodierung (16). Durch diese Filtermethode wird eine Kontraststeigerung erreicht.

Die Wirkung der Rechteckblende (5) zeigt Fig. 3. Die Rechteckblende (5) hat eine Öffnung mit einem Verhältnis Schmal- (19) zur Breitseite (18) von typi­ scherweise 1:40 bis 1:80, wobei dieses Verhältnis von der Geometrie der Strichkodierung (14) und dem Abbildungsmaßstab der Sende-/Empfangsop­ tik (2) abhängt. Auf dieser Rechteckblende erscheint die Abbildung (16) der Strichkodierung (14). Wird nun der Sensor (11) (siehe auch Fig. 1) relativ zur Halbleiteroberfläche (1) in -X-Richtung bewegt, so wandert die Abbildung (16) in X′′-Richtung über die Rechteckblende (5). Es erfolgt damit eine integrale De­ tektorbewertung mittels Fotodiode (6) und zwar in Strichrichtung. Wie die de­ tektierte Lichtleistung (21) als Funktion des Ortes X′′ zeigt, gehen durch diese integrale Bewertung kleinere Störungen (20, 20′) in der Abbildung (16) nicht in das Ausgangssignal der Fotodiode (6) ein.

Fig. 4 zeigt die weitere Ausgestaltung der Erfindung und zwar derart, daß

• a) die Neigung der Halbleiteroberfläche (1) in gewissen Grenzen automatisch kompensiert wird,
• b) gleichzeitig mehrere Scanspuren mittels der Fotodioden 6′ bis 6 ^IV abgetastet werden und
• c) das Ausgangssignal der Fotodiode (6) unabhängig von der Lichtleistung der­ art nachgeregelt wird, daß das Ausgangssignal auch bei schlecht reflektieren­ der Halbleiteroberfläche (1) eine ausreichende Amplitude aufweist.

Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung entspricht bis auf folgende Einzelheiten der Anordnung nach Fig. 1. Zu diesen Einzelheiten gehört der in den beiden Drehachsen α und β beweglich angeordnete Umlenkspiegel (9) wobei die bei­ den Drehachsen (α, β) senkrecht aufeinander stehen und der Drehachsenschnitt­ punkt in der Bildebene der Sende-/Empfangsoptik (2) liegt. Angetrieben wird der Umlenkspiegel (9) über den Aktuator (26) für die Drehachse ± α und den Aktuator (25) für die Drehachse ± β. Den Aktuatoren (25, 26) sind die jeweili­ gen Regelelektroniken (27) und (28) zugeordnet.

Als weitere zusätzliche Einzelheit ist in Fig. 4 der Strahlteilerspiegel (3′), die zweidimensionale positionsempfindliche Fotodiode (10), die beiden Auswerteverstärker (29) und (30) für α_ist und β_ist und der Summationsverstärker (30) dar­ gestellt.

Die Funktionsweise dieser beiden Einzelheiten ist folgendermaßen: Bei zu großer Neigung der Halbleiteroberfläche (1) und α = o, β = 0 erfolgt eine seitli­ che Verschiebung des Fourier- bzw. Ortsfrequenzspektrums (15) in der Brenn­ ebene (13′). Dieses kann dazu führen, daß die O.-Beugungsordnung (17) (siehe auch Fig. 5) nicht mehr durch die Öffnung der Filterblende (4) gelangt, was aber bezüglich des Ausgangssignals der Fotodiode (6) unerwünscht ist. Nun wird aber diese seitliche Verschiebung nach Auskopplung eines lichtleistungs­ mäßigen Bruchteils aus dem Fourierspektrum (15) mittels Strahlungsteilerspie­ gels (3′) auf eine zweidimensionale positionsempfindliche Fotodiode (10) gelenkt. In den beiden nachgeschalteten Auswerteverstärkern (29, 30) wird die seitliche Verschiebung durch α_ist und β_ist ermittelt und als Istgröße auf die je­ weilige Regelelektronik (28) und (27) gegeben. Diese Regelelektronik ermittelt die Differenz zwischen Soll- und Istwert und gibt dann die entsprechende Stell­ größe an den jeweiligen Aktuator (26, 25), der dann den Umlenkspiegel (9) so­ weit verstellt bis die O.-Beugungsordnung (17) im Zentrum der Öffnung der Fil­ terblende (4) liegt.

Die dritte zusätzliche Einzelheit in Fig. 4 ist der Summationsverstärker (31) und die Regelelektronik (24) zur Ansteuerung der Laserstrahlquelle (7). Hiermit wird erreicht, daß auch bei beträchtlichen Reflexionsgradschwankungen auf der Halb­ leiteroberfläche (1) das Ausgangssignal der Fotodiode (6) nahezu konstant bleibt. Gelöst ist dieser Vorgang durch die Regelelektronik (24), die eine mögliche Differenz zwischen Soll- und Istwert ermittelt und dann diese Stell­ größe zum Nachregeln der Laserstrahlquelle (7) verwendet.

Die vierte und letzte zusätzliche Einzelheit in Fig. 4 ist die Aufspaltung der Fotodiode (6) in mehrere Einzeldioden (1 ..n) und zwar sind hier z. B. vier Fo­ todioden (6′) bis (6 ^IV) skizziert, deren Ausgänge jeweils mit den Verstärkern (22′) bis (22 ^IV) verbunden sind. Diese Ausgestaltung erlaubt das gleichzeitige mehrspurige Abtasten der Strichkodierung (14) bei einem Scanvorgang.

Fig. 5 zeigt mögliche Verschiebungen des Fourierspektrums (15) und die Wir­ kungsweise bei Korrektur bzw. Zurückschiebung in die "ideale Lage". Bei Fig. 5a) verläuft das Sendestrahlenbündel (12) parallel zur Flächennormale der Halbleiteroberfläche (1). Damit ist gewährleistet, daß die O.-Beugungsord­ nung (17) im Öffnungsmittelpunkt der Filterblende (4) liegt. Dagegen zeigt Fig. 5b) die Neigung der Flächennormale gegenüber dem Sendestrahlenbün­ del (12) und man sieht deutlich, daß die O.-Beugungsordnung (17) außerhalb der Öffnung der Filterblende (4) liegt. Dieses bedeutet, daß sich das Detektions­ signal (21) am Ausgang der Fotodiode (6) umkehrt, was aber für die nachge­ schaltete Auswerteeinheit ungünstig ist.

Fig. 5c zeigt drei Möglichkeiten zur Korrektur der Lage der O.-Beugungsord­ nung (17) derart, daß sie im Öffnungsmittelpunkt der Filterblende (4) liegt. Links in Fig. 5c wird zur Korrektur die Filterblende (4) verschoben, in der Mit­ te wird das nach Fig. 4 skizzierte Schwenken des Umlenkspiegels (9) angedeu­ tet und rechts wird das Nachführen des vollständigen Sensorgehäuses (11) ge­ zeigt.

Claims (14)

1. Verfahren zum Lesen von auf der polierten Oberfläche von Halbleiterschei­ ben angebrachten Strichkodierungen mit Hilfe eines Sende-, Empfangs- und elektronischen Verstärkersystems, wobei das Sendesystem eine Laserstrahl­ quelle, eine Kollimatoroptik, einen Umlenkspiegel und einen Strahlungstei­ lerspiegel aufweist, das Empfangssystem eine Fotodiode, zwei an verschie­ denen Orten positionierte Blenden, den mit dem Sendestrahlengang gemein­ sam genutzten Strahlungsteilerspiegel und einen Teil der sendeseitigen Kolli­ matoroptik enthält und das Verstärkersystem mit einer regelbaren Analog­ elektronik ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterober­ fläche (1) mit einem Laserlichtfleck (12) bestrahlt wird, dessen Flächenaus­ dehnung wesentlich größer als die schmalste Breite der Strichkodierung (14) ist und daß innerhalb des Empfangssystems zwei Blenden (4, 5) angeordnet sind, wobei die erste Blende (4) in der Fourierebene der Sende-/Empfangs­ optik (2) und die zweite Blende (5) unmittelbar vor der Fotodiode (6) ange­ ordnet ist.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste Blende (4) vorzugsweise als kreisförmiges und achszentrales Loch mit definiertem Durchmesser ausgebildet ist, wobei mit dieser Blende (4) bestimmte Teile des Ortsfrequenzspektrums (15) ausgefil­ tert werden und damit in der Bildebene eine Kontraststeigerung der Strich­ kodierung (14) erzielt wird.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch l, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite Blende (5) vorzugsweise eine Rechteckblende ist, deren Verhältnis von Schmal- (19) zur Breitseite (18) sich typischerwei­ se wie 1:40 bis 1:80 verhält, wobei dieses Verhältnis von der Geometrie der Strichkodierung (14) auf der Halbleiteroberfläche (1) und dem Abbil­ dungsmaßstab der Sende-/Empfangsoptik (2) bestimmt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breit­ seite (18) der zweiten Blende (5) parallel zur Längsrichtung der Strichkodie­ rung (14) auf der Halbleiteroberfläche (1) zeigt.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch l, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (9) in zwei aufeinander senkrecht ste­ henden Drehachsen mit den Drehwinkeln α und β frei beweglich ist, wobei der Schnittpunkt der beiden Drehachsen in der Bildebene der Sende-/ Empfangsoptik (2) liegt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der frei bewegli­ che Umlenkspiegel (9) über einen elektromagnetischen Antrieb gesteuert wird, der wiederum mit einer elektrischen Stellgröße beaufschlagt wird, wo­ bei diese Stellgröße aus der Abweichung zwischen Soll- und Istposition und zwar durch die seitliche Verschiebung des Ortsfrequenzspektrums (15) in der ersten Blende (4) gebildet wird.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Istposition des Ortsfrequenzspektrums (15) durch die Ausgangsströme einer zweidimensionalen positionsempfindlichen Fotodiode (10) gewonnen wird.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächennormale n der Halbleiteroberfläche (1) in einem Winkelbereich schwanken darf, der durch die Apertur der Sende-/Empfangsoptik (2) be­ stimmt ist.

9. Verfahren und Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Summensignal aller Ausgangsströme der po­ sitionsempfindlichen Fotodiode (10) ein Maß für die momentane Empfangs­ leistung darstellt und daß mit dieser Größe die Laserstrahlquelle (7) derart geregelt wird, daß die Empfangsleistung nahezu konstant bleibt.

10. Verfahren und Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Summensignal aller Ausgangsströme der positionsem­ pfindlichen Fotodiode (10) ein Maß für die momentane Empfangsleistung darstellt und daß mit dieser Größe nach Erreichen der max. möglichen Lei­ stung der Laserstrahlquelle (7) das analoge Verstärkersystem (22) hinter der Fotodiode (6) derart geregelt wird, daß die Ausgangsspannung des Verstär­ kersystems nahezu konstant bleibt.

11. Verfahren und Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Laserstrahlquelle (7) eine Laserdiode ist, die Licht ausrei­ chender Kohärenzlänge in einem Wellenlängenbereich abstrahlt, der außer­ halb der Empfindlichkeit typischer auf Halbleiteroberflächen (1) aufge­ brachter Fotoresistschichten liegt.

12. Verfahren und Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fotodiode (6) aus einer großflächigen PN- oder PIN- Diode auf Silizium-Basis besteht.

13. Verfahren und Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fotodiode (6) aus einem Fotodioden- oder CCD-Array be­ steht, deren getrennte fotoempfindliche Flächen derart angeordnet sind, daß die Strichkodierung (14) gleichzeitig auf getrennten Scanspuren detektiert wird.

14. Verfahren und Anordnung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß entweder die Halbleiteroberfläche (1) und/oder der Sensor (11) zum Lesen der Strichkodierung relativ zueinander bewegt werden, wobei die Schmalseite (19) der Blende (5) parallel zur Bewegungs­ richtung verläuft.