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Die Erfindung betrifft eine Mikroskopbeleuchtung, aufweisend mindestens eine Lichtquelle und mindestens ein Lichtmischelement mit mindestens einer Lichteintrittsfläche und mindestens einer Lichtaustrittsfläche, wobei die mindestens eine Lichteintrittsfläche zum Eintritt von Licht der mindestens einen Lichtquelle eingerichtet und angeordnet ist und aus der Lichtaustrittsfläche austretendes Licht im Wesentlichen homogen ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Mikroskop mit mindestens einer solchen Mikroskopbeleuchtung und mindestens einen TDI-Sensor für eine Bildaufnahme.
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Bei der Halbleiterfertigung wird eine Qualität fertiger Schaltungen optisch mit einem Mikroskop inspiziert. Damit eine Qualitätskontrolle zuverlässig und in möglichst kurzer Zeit durchgeführt werden kann, erfolgt sie mittels einer automatischen optischen Inspektion. Eine erforderliche hohe Geschwindigkeit der Bildaufnahme kann mit Zeilenkameras erreicht werden, welche ein Bild eines zu inspizierenden Objekts aufnehmen, während sich dieses unter dem Mikroskop vorbei bewegt. Die Zeilenkameras unterstützen diese Objektbewegung durch eine Verwendung von sog. TDI(”Time Delayed Integration”)-Sensoren. Dieser Sensortyp integriert die Signale von Objekten mit konstanter Geschwindigkeit über einen vorbestimmten Zeitraum und stellt auf diese Weise eine bei einer kurzen Belichtungszeit erforderliche Empfindlichkeit zur Verfügung. Trotz der hohen Empfindlichkeit der TDI-Sensoren müssen die Objekte wegen der typischerweise sehr kurzen Belichtungszeiten intensiv beleuchtet werden. Dazu werden bisher Hochdruck-Gasentladungslampen eingesetzt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Beleuchtung für ein Mikroskop bereitzustellen, insbesondere zur Verwendung bei einer Qualitätskontrolle.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Mikroskopbeleuchtung oder Mikroskopbeleuchtungseinrichtung, aufweisend mindestens eine Halbleiterlichtquelle und mindestens ein Lichtmischelement mit mindestens einer Lichteintrittsfläche und mindestens einer Lichtaustrittsfläche, wobei die mindestens eine Lichteintrittsfläche zum Eintritt von Licht der mindestens einen Halbleiterlichtquelle eingerichtet und angeordnet ist, die Lichtaustrittsfläche rechteckig ist und das aus der Lichtaustrittsfläche austretendes Licht eine im Wesentlichen homogene Intensitätsverteilung aufweist. Die Intensitätsverteilung ist dabei von der Anwendung abhängig. In einer typischen Anwendung beträgt die absolute Intensitätsschwankung auf Lichtaustrittsfläche bezogen weniger als 5%, insbesondere weniger als 1%.
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Diese Mikroskopbeleuchtung weist den Vorteil auf, dass ihre Lebensdauer von bisher ca. 500 Stunden auf typischerweise 10000 Stunden erhöht werden kann. Zudem ergeben sich die Vorteile, dass eine Mikroskopbeleuchtung mit einer besonders kompakten Bauform ermöglicht wird, dass durch eine Variation einer Zahl der Halbleiterlichtquellen ein Lichtstrom bis zu einem maximalen Wert, der durch die Größe der zu prüfenden Fläche und der Apertur des Mikroskopobjektives bestimmt ist, skalierbar ist und dass durch eine Variation einer Anordnung der Halbleiterlichtquellen eine Form einer Lichterzeugungsfläche flexibel gestaltbar ist. Insbesondere falls eine einzelne Halbleiterlichtquelle nicht den Lichtstrom und/oder eine Leistungsdichte einer Gasentladungslampe erzeugen kann, können mehrere Halbleiterlichtquellen zur Beleuchtung verwendet werden.
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Das Lichtmischelement kann insbesondere ein optisches Element sein, welches über seine Lichteintrittsfläche eintretendes Licht in seinem Inneren mischt, so dass das Licht vergleichmäßigt aus der Lichtaustrittsfläche austritt. Dabei kann die Vergleichmäßigung eine Homogenisierung einer Lichtintensität und, bei verschiedenfarbigem eintretenden Licht, einer Lichtfarbe umfassen.
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Bevorzugterweise umfasst die mindestens eine Halbleiterlichtquelle mindestens eine Leuchtdiode. Bei Vorliegen mehrerer Leuchtdioden können diese in der gleichen Farbe oder in verschiedenen Farben leuchten. Eine Farbe kann monochrom (z. B. rot, grün, blau usw.) oder multichrom (z. B. weiß) sein. Auch kann das von der mindestens einen Leuchtdiode abgestrahlte Licht ein infrarotes Licht (IR-LED) oder ein ultraviolettes Licht (UV-LED) sein. Mehrere Leuchtdioden können ein Mischlicht erzeugen; z. B. ein weißes Mischlicht. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mindestens einen wellenlängenumwandelnden Leuchtstoff enthalten (Konversions-LED). Die mindestens eine Leuchtdiode kann in Form mindestens einer einzeln gehäusten Leuchtdiode oder in Form mindestens eines LED-Chips vorliegen. Mehrere LED-Chips können auf einem gemeinsamen Substrat (”Submount”) montiert sein. Die mindestens eine Leuchtdiode kann mit mindestens einer eigenen und/oder gemeinsamen Optik zur Strahlführung ausgerüstet sein, z. B. mindestens einer Fresnel-Linse, Kollimator, und so weiter. Anstelle oder zusätzlich zu anorganischen Leuchtdioden, z. B. auf Basis von InGaN oder AlInGaP, sind allgemein auch organische LEDs (OLEDs, z. B. Polymer-OLEDs) einsetzbar. Alternativ kann die mindestens eine Halbleiterlichtquelle z. B. mindestens einen Diodenlaser aufweisen.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die Mikroskopbeleuchtung mehrere in mindestens einer Reihe oder Zeile angeordnete Halbleiterlichtquellen, insbesondere Leuchtdioden, aufweist. Die Form der Reihe ist einer Form eines bei einer Inspektion zu beleuchtenden Bereichs oder Objektzeile angepasst. Somit kann dadurch, dass eine Licht emittierende Fläche oder Emissionsfläche aus einzelne Emitterflächen mehrerer Halbleiterlichtquellen zusammengefügt ist, die Form der Emissionsfläche der Form der zu beleuchtenden Fläche des Objekts bzw. der Form eines Lichtempfängers (insbesondere einer Kamera) zumindest grundsätzlich entsprechen. Diese Anordnung der Halbleiterlichtquellen ermöglicht eine wesentlich effektivere Beleuchtung der Objektzeile als mittels der Gasentladungslampe. Mittels der Gasentladungslampe kann nur ein kreisförmiges Objektfeld beleuchtet werden, von dem aber nur ein rechteckiger Ausschnitt entlang des Kreisdurchmessers genutzt wird. Daher ist es möglich, mit der angepassten Halbleiterlichtquellenbeleuchtung eine höhere Objektleuchtdichte als mit der Gasentladungslampe zu erzielen, und zwar trotz eines ggf. geringeren Ausgangslichtstroms der Halbleiterlichtquellen verglichen mit dem der Gasentladungslampe.
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Die Halbleiterlichtquellen können in einer oder in mehreren, insbesondere parallelen, Reihen angeordnet sein.
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Es ist eine Weiterbildung, dass das Lichtmischelement ein quaderförmiges Lichtmischelement ist. Dieses ermöglicht eine besonders effektive Lichtmischung, insbesondere für reihenförmig angeordnete Halbleiterlichtquellen.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das Lichtmischelement ein für das Licht totalreflektierender Körper ist. Das Lichtmischelement reflektiert also das in ihm laufende Licht an seiner Mantelfläche (d. h. insbesondere einer Oberfläche des Lichtmischelements außer der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche) aufgrund einer Totalreflexion. Dies ermöglicht eine besonders verlustarme Lichtführung.
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Der totalreflektierende Körper kann insbesondere ein Glaskörper sein.
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Die Mantelfläche kann zumindest bereichsweise mit einer Mantelschicht belegt sein.
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Alternativ kann eine Mantelfläche des Lichtmischelements zumindest bereichsweise mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sein.
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Alternativ oder zusätzlich zu dem totalreflektierenden Körper als dem Lichtmischelement kann eine Streuscheibe als das Lichtmischelement in einem Beleuchtungsstrahlengang vorhanden sein.
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Es ist eine für eine Qualitätskontrolle in der Halbleiterfertigung besonders bevorzugte Ausgestaltung, dass die Mikroskopbeleuchtung drei bis fünfzehn, insbesondere fünf bis zehn, in einer Reihe angeordnete Halbleiterlichtquellen aufweist. Hierdurch wird eine ausreichende Beleuchtungsstärke mit geringem Aufwand ermöglicht.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die mindestens eine Halbleiterlichtquelle ein jeweiliger Leuchtdiodenchip (LED-Chip) ist. Die Leuchtdiodenchips lassen sich im Gegensatz zu einzeln gehäusten Leuchtdioden sehr dicht packen, was eine besonders kompakte und homogen abstrahlende Emissionsfläche ermöglicht.
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Es ist ferner eine günstige Ausgestaltung, dass ein Aspektverhältnis der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche zwischen ca. 5:1 und ca. 10:1 beträgt.
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Es ist auch eine günstige Ausgestaltung, dass eine Breite B der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche zwischen ca. 5 mm und ca. 10 mm beträgt und eine zugehörige Höhe H ca. 1 mm beträgt.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass eine Tiefe T oder Länge des Lichtmischelements mindestens 10 mm, insbesondere zwischen ca. 50 mm und ca. 100 mm beträgt. So lässt sich eine immer noch kompakte Bauform bei einer gleichzeitig guten Lichtmischung erreichen. Je tiefer oder länger das Lichtmischelement gewählt wird, desto besser wird die Lichtmischung.
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Allgemein kann eine Schwankung des Lichtstroms oder der Lichtintensität vorzugsweise in einem Bereich von 1 oder weniger gehalten werden.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Mikroskop, aufweisend mindestens eine Mikroskopbeleuchtung wie oben beschrieben und mindestens einen TDI-Sensor für eine Bildaufnahme. Jedoch ist die Erfindung nicht auf TDI-Sensoren beschränkt und kann z. B. auch übliche Bildpunktsensoren wie CCD-Sensoren usw. umfassen.
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In den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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1 skizziert einen Grundaufbau eines Mikroskops zur Qualitätssicherung;
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2 zeigt als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Mikroskopbeleuchtung mit einer Gasentladungslampe als Lichtquelle nach dem Stand der Technik;
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Mikroskopbeleuchtung in einer Draufsicht; und
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4 zeigt die erfindungsgemäße Mikroskopbeleuchtung in einer Seitenansicht.
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1 skizziert einen Grundaufbau eines Mikroskops M zur Qualitätssicherung. Das Mikroskop M weist eine Mikroskopbeleuchtung(seinrichtung) I auf, welche eine Lichtquelle Q aufweist. Von der Lichtquelle Q wird Licht L in Form eines Strahlbündels auf einen semipermeablen Spiegel S gestrahlt und dort in Richtung einer zu inspizierenden Probe P reflektiert. Dabei ist zwischen dem semipermeablen Spiegel S und der Probe P ein Mikroskopobjektiv O eingebracht.
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Die Probe P befindet sich in einem Objektbereich OB des Mikroskops M und wird mittels einer Verfahreinheit V linear durch den Objektbereich OB bewegt. Auf die Probe P auftreffendes Licht L wird durch das Mikroskopobjektiv O zurückgeworfen, durchläuft unreflektiert den semipermeablen Spiegel S und trifft auf eine Zeilenkamera in Form einer TDI-Kamera K mit mindestens einem TDI-Sensor N.
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Die TDI-Kamera K liefert Daten zur Auswertung an eine Datenverarbeitungseinheit A, welche auch einen Treiber D für die Verfahreinheit V und einen Controller C für die TDI-Kamera K (für eine Kamerasteuerung oder -regelung) und das Mikroskopobjektiv O (für eine Fokussteuerung oder -regelung) ansteuert. Der Treiber D und der Controller C können auch miteinander kommunizieren.
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2 skizziert als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Mikroskopbeleuchtung I mit einer Gasentladungslampe G als der Lichtquelle Q nach dem Stand der Technik. Ein elliptischer Spiegel R fokussiert das von einem Gasentladungsbereich GD der Gasentladungslampe G ausgesandte Licht L auf eine als eine Lichteintrittsfläche Li dienende Stirnfläche eines Glasstabs GS mit einem kreisförmigen Querschnitt. Durch Totalreflexion innerhalb des Glasstabs GS wird das Licht L gemischt und tritt an einer als Lichtaustrittsfläche Lo dienenden entgegengesetzten Stirnseite mit einer gleichmäßigen Verteilung über den Querschnitt aus. Ein nachgeschaltetes Mikroskopobjektiv O bildet die aus der Lichtaustrittsfläche Lo ausgetretene Lichtverteilung auf den Objektbereich OB ab, in der sich das zu beleuchtende Objekt, die Probe P, befindet.
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Entsprechend der Form des Stabendes ist der beleuchtete Objektbereich OB in Draufsicht kreisförmig, wie durch das rechte Teilbild angedeutet. Da die Zeilenkamera K aber nur einen rechteckigen Ausschnitt (durch eine Strichpunktlinie angedeutet) sieht, kann das Licht L, das in den Kreisbereich außerhalb des rechteckigen Ausschnitts fällt, nicht genutzt werden.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Mikroskopbeleuchtung 1 in einer Draufsicht und 4 zeigt die Mikroskopbeleuchtung 1 in einer Seitenansicht.
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Die Mikroskopbeleuchtung 1 weist fünf LED-Chips 2 mit jeweiligen Emitterflächen von ca. 1 mm × 1 mm auf, die dicht benachbart in einer Reihe oder Zeile angeordnet sind. Ein Aspektverhältnis des gemeinsamen Emissionsbereichs von 5 mm × 1 mm beträgt somit ca. 5:1. Es ist bevorzugt, dass das Aspektverhältnis der Reihe möglichst gut einem Aspektverhältnis der Zeilenkamera K, insbesondere des TDI-Sensors N, entspricht.
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Ein Lichtmischelement 3 in Form eines Glasquaders ist den LED-Chips nachgeschaltet. Das Lichtmischelement 3 weist eine den LED-Chips 2 gegenüberliegende Lichteintrittsfläche 4 (Stirnfläche des Quaders) und eine durch die dazu abgewandte Stirnfläche gebildete Lichtaustrittsfläche 5 mit den Maßen B × H = 5 mm × 1 mm auf. Die Lichteintrittsfläche 4 und die Lichtaustrittsfläche 5 weisen also die gleiche rechteckige Form mit einem Aspektverhältnis von ca. 5:1 auf. Die Länge oder Tiefe T des Lichtmischelements 3 beträgt 50 mm bis 100 mm. In dem Lichtmischelement 3 wird von den LED-Chips 2 einfallendes Licht L so gemischt, dass an der Lichtaustrittsfläche 5 das Licht L hochgradig gleichförmig über die Fläche verteilt austritt.
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Das dem Lichtmischelement 3 nachgeschaltete Mikroskopobjektiv O bildet die rechteckförmige Lichtaustrittsfläche 5 auf den Objektbereich 6 ab und beleuchtet den Bereich, den die Zeilenkamera K, insbesondere TDI-Sensor N, sieht. Deshalb wird im Gegensatz zu der Beleuchtung mit der Gasentladungslampe G ein weit höherer Teil des Lichts, das auf den Objektbereich 6 fällt, genutzt.
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Als ein Beispiel für eine Überlegenheit der erfindungsgemäßen Mikroskopbeleuchtung 1 wird nun eine optische Simulation der Mikroskopbeleuchtung M mit der Gasentladungslampe G einerseits und mit den Leuchtdioden 2 als der Lichtquelle Q andererseits beschrieben.
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Bei der Gasentladungslampe G handelt es sich in diesem Beispiel um eine Xenon-Hochdrucklampe mit einem Ausgangslichtstrom des Plasmas von 10000 lm. Das Mikroskopobjektiv O mit einer numerischen Apertur von 0,15 beleuchtet den Objektbereich OB. Auf einem genutzten rechteckigen Bereich von beispielsweise 4,6 mm mal 0,14 mm des Objektbereichs OB trifft Licht noch mit 5 Lumen (lm) auf.
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Für die Mikroskopbeleuchtung 1 werden fünf einzelne LEDs 2 zu einer Zeile mit der Fläche von 5 mm × 1 mm zusammengefasst. Ein Gesamtlichtstrom der LEDs 2 beträgt 3900 lm. Das abbildende Mikroskopobjektiv O und der abgefühlte rechteckige Objektbereich sind denen aus dem Beispiel der Gasentladungslampe G gleich. Von dem Lichtstrom der LEDs 2 von 3900 lm gelangen noch 10 lm auf den rechteckigen Objektbereich 6. Das Verhältnis von nutzbarem Lichtstrom zu einem Gesamtlichtstrom der Lichtquelle G oder 2 liegt bei der LED-Beleuchtung etwa um den Faktor fünf höher als bei der Beleuchtung mit der Gasentladungslampe G.
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Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
