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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung eines optisch transparenten Körpers auf Fehlstellen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, insbesondere zur Überprüfung eines Körpers aus einem kristallinen Material, welches bevorzugt in der Halbleiterindustrie eingesetzt wird, beispielsweise ein Saphir-Kristall Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Ein derartiges Verfahren sowie eine derartige Vorrichtung sind aus der
DE 10 2009 043 001 A1 zu entnehmen. Bei dem bekannten Verfahren wird ein optisch transparenter Körper auf Volumendefekte wie beispielsweise Gaseinschlüsse mit Hilfe einer Streulichtmessvorrichtung überprüft. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Intensität einer durch den Defekt erzeugten Streustrahlung, welche in einem Azumitwinkelbereich erfasst wird, sich periodisch ändert. Aus der Intensitätsänderung wird auf Größe und Form des Defekts zurückgeschlossen.
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In vielen technischen Bereichen ist man bestrebt, Fehlstellen in einem Körper bei einer zerstörungsfreien Prüfung frühzeitig erkennen zu können. Insbesondere bei Produkten am Beginn einer Produktionskette, aus denen nach einer Vielzahl von weiteren Herstellungsschritten ein Endprodukt gefertigt wird, ist eine frühzeitige Erkennung von Fehlstellen von besonderer Bedeutung.
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Für die Herstellung von Halbleiter-Bauelementen wird das eigentliche Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, als auch Trägersubstrate, wie beispielsweise Saphir, aus kristallinen Blöcken gewonnen. Eine frühzeitige Erkennung insbesondere von Mikro-Fehlstellen, wie Mikrorisse, Einschlüsse von Luft oder Vakuum oder sonstigen Kristalldefekten wird angestrebt, da derartige Mikro-Fehlstellen zum Versagen der fertigen mechanischen Bauteile führen können.
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Es sind bereits optische Untersuchungsmethoden zur Erfassung von Fehlstellen in Silizium-Blöcken aber auch in einzelnen Silizium-Wafern bekannt. Bei denen wird das jeweilige Silizium-Objekt mittels einer Infrarot-Lichtquelle bestrahlt. Wahlweise wird im Durchlichtverfahren das durch das Objekt transmittierte Licht oder das an einer Fehlstelle gestreute Licht nach Art einer Dunkelfeld-Aufnahme von einer Kamera erfasst.
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In der Halbleiter- oder auch optischen Industrie werden Saphir-Kristalle, insbesondere Saphir-Einkristalle hergestellt, aus denen dann wiederrum einzelne Saphir-Wafer, Saphir-Linsen oder ähnliche Objekte hergestellt werden. Saphir wird auch als isolierendes Trägersubstrat in der Halbleitertechnik herangezogen, auf das dann das Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium (Silicon-on-saphir) aufgebracht wird. Derartige Saphir-Einkristalle bilden in etwa einen zylindrischen Block aus, der üblicherweise mehrere 10 cm im Durchmesser und mehrere 10 cm in der Höhe aufweist. Ein derartiger Saphir-Einkristall weist typischerweise eine mikroskopisch glatte, jedoch ansonsten eine komplexe, unregelmäßige Oberfläche mit Wellen und Krümmungen auf.
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Eine optische Überprüfung eines derartigen Saphir-Einkristalls, allgemein eines optisch transparenten Körpers mit undefinierter Oberflächengeometrie, auf evtl. Fehlstellen im Volumen gestaltet sich aufgrund der unregelmäßigen Oberflächentopographie schwierig. Der Grund hierfür ist in dem Brechzahlunterschied zwischen der Luft und dem zu überprüfenden Körper zu sehen, so dass das Licht beim Eintritt und Austritt aus dem Körper eine Brechung erfährt. Bei einer optischen Überprüfung, insbesondere bei einer optischen Tomographie, bei der ein Objekt aus verschiedenen Blickrichtungen abgetastet wird und aus den hierdurch erhaltenen Aufnahmen ein zweidimensionales oder dreidimensionales Bild rekonstruiert wird, ist jedoch die Kenntnis des Verlaufs des für eine jeweilige Aufnahme herangezogenen Lichtstrahls oder Lichtbündels von wesentlicher Bedeutung für die Rekonstruktion.
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Aus dem Aufsatz „Tomographic Rekonstruktion of Transparent Objects”, Borislav Trifonov et al., Eurographics Symposium an Rendering (2006), ist ein Tomographieverfahren für transparente Objekte beschrieben. Um dem Problem einer unbekannten, nicht definierten Oberflächen-Topographie des zu untersuchenden Körpers zu begegnen wird hierin vorgeschlagen, den Körper in einen Glaszylinder mit definierter Oberflächengeometrie zu setzen, wobei der Glaszylinder mit einem Öl angefüllt ist, das eine zumindest weitgehend identische Brechzahl wie der zu untersuchende Körper aufweist, so dass beim Übergang vom Öl zum Körper keine Brechung auftritt. Eine im Übergang von Luft zum Glaszylinder bzw. Öl auftretende Brechung wird aufgrund der bekannten Oberflächengeometrie des Glaszylinders berücksichtigt.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zur optischen Überprüfung von optisch transparenten Körpern anzugeben.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
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Danach ist vorgesehen, dass der zu untersuchende Körper mit Hilfe einer Lichtquelle bestrahlt wird. Der Körper ist insbesondere aus einem kristallinen Material, vorzugsweise für den Einsatz in der Halbleiterindustrie und speziell ein Saphir-Einkristall oder auch andere Halbleiterkristalle. Das aus dem Körper an einer Auskoppelstelle wieder austretende Licht wird von einer Kamera aufgenommen. Im Sinne einer Tomographie wird eine Vielzahl derartiger Aufnahmen bei unterschiedlichen Aufnahmepositionen erfasst. Hierunter wird allgemein verstanden, dass der zu untersuchende Körper von der optischen Anordnung bestehend aus Kamera und Lichtquelle nach Art eines Scannvorgangs sukzessive abgetastet wird. Es erfolgt also eine Relativbewegung zwischen den optischen Komponenten Kamera, Lichtquelle sowie zu untersuchenden Körper. Dabei kann eine feste Relativposition zwischen Kamera und Lichtquelle vorgesehen sein, vorzugsweise ist jedoch zumindest in Teilbereichen auch eine Relativbewegung zwischen Kamera und Lichtquelle vorgesehen.
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Aus der Vielzahl derartiger Aufnahmen wird anschließend ein insbesondere dreidimensionales Bild im Rahmen eines Tomographieverfahrens rekonstruiert. Sind in dem zu untersuchenden Körper Fehlstellen, so sind diese in der Rekonstruktion im Hinblick auf ihre Lage, Orientierung und Größe zu erkennen.
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Gemäß dem Verfahren ist vorgesehen, dass das von der Kamera erfasste Licht bzw. das in den Körper von der Lichtquelle eingestrahlte Licht an der komplexen, also geometrisch unbekannten Oberflächentopographie des Körpers gebrochen wird. Dies bedeutet, dass der Körper eben nicht in einem Ölbad eingetaucht wird, sondern direkt mit dem Umgebungsmedium, insbesondere Luft, in Kontakt kommt. Um die Rekonstruktion zu ermöglichen, ist weiterhin vorgesehen, dass der Verlauf des Lichtstrahls im Körper mit Hilfe einer zusätzlichen Messanordnung ermittelt und für die Rekonstruktion zugrunde gelegt wird. Vorzugsweise wird hierbei der Lichtweg im Körper von einer evtl. Fehlstelle zur Auskoppelstelle in Richtung der Kamera ermittelt.
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Der entscheidende Vorteil hierbei ist darin zu sehen, dass ein Eintauchen in eine Flüssigkeit nicht erforderlich ist. Hierdurch ist zum einen ein vereinfachter Messaufbau ermöglicht. Zudem ist die Verwendung eines oftmals mit hochgiftigen Substanzen versehenen Öls und die mit dem Eintauchen verbundene Kontamination des zu untersuchenden Körpers vermieden.
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Bevorzugt wird zu jeder der Aufnahmen der jeweilige Verlauf des korrespondierenden Lichtstrahls, der von der Kamera aufgenommen wird, ermittelt. Bei nur geringen Veränderungen der Aufnahmeposition, also der Relativposition zwischen den optischen Komponenten und dem Körper, kann dabei vorgesehen sein, dass nicht zu jeder einzelnen Aufnahme die Messung vorgenommen wird, sondern der Verlauf des Lichtstrahls kalkulatorisch, beispielsweise durch Approximation, Interpolation oder auch einfach durch Übernahme der ermittelten Daten aus einer unmittelbar benachbarten Aufnahmeposition bestimmt wird.
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Für die Güte der Rekonstruktion ist es von Vorteil, wenn einzelne Volumenteile des zu untersuchenden Körpers mehrfach aus verschiedenen Aufnahmepositionen abgedeckt werden. Je höher diese Abdeckungsdichte ist, desto besser ist die Rekonstruktionsgüte. Um eine ausreichende Rekonstruktionsgüte zu erzielen sind bei dem Verfahren für die Untersuchung eines Objekts jeweils mehrere tausende Aufnahmen vorgesehen. Bei einer eingangs beschriebenen typischen Größe eines Saphir-Einkristalls mit einem Durchmesser von etwa 20 cm und einer Höhe von etwa 30 cm werden beispielsweise mehrere 10.000, insbesondere über 100.000 Aufnahmen getätigt.
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Als Kamera wird hierbei beispielsweise eine Zeilen- und vorzugsweise eine Matrixkamera eingesetzt, die also einzelne in zeilen- oder matrixförmig angeordnete Messpunkte (Pixel) aufweist. Der von der Kamera abgedeckte Oberflächenbereich auf dem Körper liegt hierbei vorzugsweise im Bereich einiger mm2 bis zu einem cm2.
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Als Lichtquelle wird eine Lichtquelle mit für die Beleuchtung des Objekts geeigneter Lichtwellenlänge gewählt, so dass der Körper für die gewählte Wellenlänge transparent ist. Ein Saphir-Kristall ist für Licht im sichtbaren Bereich transparent. Als Lichtquelle wird insbesondere eine LED-Lichtquelle, bevorzugt ein Flächenstrahler aus mehreren matrixartig angeordneten LEDs verwendet. Allgemein wird vorzugsweise monochromatisches Licht im sichtbaren Bereich, beispielsweise im roten Wellenlängenbereich verwendet. Bei der Untersuchung beispielsweise von Silizium-Körpern wird dagegen eine IR-Lichtquelle eingesetzt, da Silizium für IR-Licht transparent ist.
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Unter optisch transparentem Körper wird allgemein ein Körper verstanden, der für Licht mit geeigneter Wellenlänge transparent ist. Eine Beschränkung auf das sichtbare Licht besteht nicht. Insbesondere wird unter optisch transparent verstanden, dass der Körper von Licht im sichtbaren Bereich sowie im IR-Bereich oder auch UV-Bereich transparent ist. Grundsätzlich lässt sich dieses Prinzip auch auf andere Strahlen, wie beispielsweise Röntgenstrahlung anwenden. Jedoch besteht hier nicht das Problem der Brechung an einer unbekannten Oberfläche, da – beispielsweise bei der medizinischen Untersuchung mittels der Röntgentomographie – für die Röntgenstrahlung keine oder vernachlässigbare Brechzahlunterschiede bestehen.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante zur Ermittlung des Verlaufs des Lichtstrahls wird eine Oberflächennormale des Körpers an der Stelle, an der das Licht gebrochen wird, also insbesondere an der Auskoppelstelle durch die Messvorrichtung ermittelt. Diese Ausgestaltung beruht auf der Überlegung, dass unter der Voraussetzung einer konstanten Brechzahl innerhalb des Körpers die Lichtausbreitung innerhalb des Körpers geradlinig erfolgt und insofern an der Grenzfläche, wo das Licht gebrochen wird, grundsätzlich geometrische Optik unter Zugrundelegung des Brechungsgesetzes angenommen werden kann. Hierzu ist die Bestimmung der Orientierung der Oberfläche, also insbesondere deren Normale erforderlich, um darüber den Winkel zu bestimmen, unter dem der Lichtstrahl auf das jeweilige Oberflächenelement auftrifft.
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Zweckdienlicherweise ist dabei vorgesehen, dass die Oberflächennormale dabei bei jeder Aufnahmeposition zusammen mit der Aufnahme bei dieser jeweiligen Aufnahmeposition gemessen wird, so dass zu jeder Aufnahme der Verlauf des Lichtstrahls bekannt ist.
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Zur Ausmessung der Oberflächennormalen stehen grundsätzlich verschiedene Methoden wie beispielsweise die (Laser-)Triangulation oder auch die sogenannte Deflektometrie etc. zur Verfügung.
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Im Sinne eines möglichst einfachen Messaufbaus ist in zweckdienlicher Ausgestaltung vorgesehen, dass ein Messlichtstrahl, insbesondere ein Laserlichtstrahl koaxial zu einer Kamerablickrichtung, die durch deren optische Achse definiert ist, auf den Körper gerichtet wird. Der Messlichtstrahl wird daher direkt auf die Auskoppelstelle gerichtet, also auf den Punkt, an der das von der Kamera für eine jeweilige Aufnahme erfasste Licht austritt. Weiterhin ist eine weitere Kamera vorgesehen, mit deren Hilfe ein an der Oberfläche des Körpers reflektierter Lichtanteil des koaxial eingestrahlten Lichts erfasst wird. Es wird daher neben der Kamerablickrichtung auch die Reflexionsrichtung bestimmt und aus diesen beiden bekannten gemessenen Größen wird unter Berücksichtigung des Reflektionsgesetzes, wonach der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel ist, die Oberflächennormale bestimmt.
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Zur Ermittlung des reflektierten Lichts ist insbesondere eine Messanordnung mit einer Mattscheibe vorgesehen, auf die der reflektierte Strahl auftrifft, wobei der Auftreffpunkt mittels der weiteren Kamera erfasst wird.
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In bevorzugter Weiterbildung ist darüber hinaus vorgesehen, dass die Mattscheibe mit einzelnen Löchern versehen ist bzw. transparent für eine dritte Kamera ist, die auf die Auskoppelstelle gerichtet ist. Die beiden weiteren Kameras sind dabei vorzugsweise als Matrixkameras ausgebildet. Aus den Positionen der Laserpunkte einerseits an der Auskoppelstelle sowie andererseits an dem Auftreffpunkt auf der Mattscheibe werden die Raumkoordinaten für diese beiden Punkte bestimmt und hieraus dann der Normalenvektor (Oberflächennormale) an der Eintrittsstelle des Laserstrahls bestimmt. Damit ist die lokale Oberflächentopographie bekannt.
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Alternativ oder ergänzend hierzu ist vorgesehen, dass neben der Eintrittsstelle des koaxial eingekoppelten Messlichtstrahls auch die Austrittsstelle dieses Messlichtstrahls erfasst wird und zur Ermittlung des Verlaufs des Lichtstrahls eine einfache Gerade zwischen diesen dann ausgemessenen Punkten ermittelt wird.
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Beide Methoden eignen sich sowohl bei isotropen als auch anisotropen Körpern wobei letztere für unterschiedliche Strahlrichtungen oder unterschiedliche Polarisationen verschiedene Brechzahlen und damit eine Doppelbrechung aufweisen. Voraussetzung ist lediglich, dass in der definierten Strahlrichtung die Brechzahl konstant ist. Dies ist bei Kristallen regelmäßig erfüllt. Grundsätzlich lassen sich hiermit auch amorphe Materialien, wie Gläser vermessen.
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In bevorzugter Weiterbildung werden die aufgrund dieser Oberflächenmessung gewonnenen Daten dahingehend weiterverarbeitet, dass im rekonstruierten Bild auch die Oberflächentopographie des Körpers mit dargestellt wird. Es erfolgt dadurch zugleich die Möglichkeit einer Ausmessung des gesamten Körpers. Mit Hilfe von entsprechenden Bildbearbeitungsprogrammen kann daher sofort erkannt werden, welche Bereiche fehlerfrei sind, wie groß diese sind etc. Für die weitere Verwendung des Körpers können daher genau die Stellen im Körper festgelegt werden, die weiter benutzt werden. Dadurch kann der Körper insgesamt optimal für den weiteren Produktionsprozess ausgenutzt werden.
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Aus der ermittelten Rekonstruktion des Körpers werden in bevorzugter Weiterbildung mittels einer automatisierten Auswertung fehlerfreie Bereiche identifiziert und es wird eine optimierte Zerlegung des Körpers, insbesondere durch Herausbohren von Zylindern mit definiertem Durchmesser, in Abhängigkeit der Geometrie von Folgeprodukten, wie beispielsweise Waferscheiben etc. errechnet. Die automatische Auswertung erfolgt bevorzugt anhand des rekonstruierten 3D-Bildes mittels einer Bildauswertung. Durch diese Maßnahme wird eine optimierte Materialausnutzung erreicht.
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Bezüglich der Positionierung der optischen Anordnung, also der Lichtquelle und der Kamera wird die Lichtquelle vorzugsweise seitlich und insbesondere senkrecht zur optischen Achse der Kamera im Sinne einer Dunkelfeldbeleuchtung angeordnet. Das an den Fehlstellen gestreute Licht wird in diesem Fall von der Kamera erfasst.
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Alternativ oder auch ergänzend hierzu wird die Lichtquelle gegenüberliegend zur Kamera im Sinne eine Durchlichtbeleuchtung angeordnet. In diesem Fall erscheint die Fehlstelle in der Kamera aufgrund des an ihr gestreuten Lichts im Unterschied zur Dunkelfeldbeleuchtung nicht als heller sondern als dunkler Fleck.
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Der Körper wird hierbei vorzugsweise mit einem breit gefächerten Lichtbündel, insbesondere vollflächig bestrahlt und damit über seine gesamte Querschnittsfläche vorzugsweise homogen ausgeleuchtet. Hierzu wird eine geeignet ausgebildete Lichtquelle gegebenenfalls unter Verwendung von entsprechenden Blenden, Linsen etc. eingesetzt.
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Im Hinblick auf den Scann- oder Abtastvorgang ist zweckdienlicherweise vorgesehen, dass der Körper auf einem Objektträger angeordnet ist und um eine Drehachse gedreht wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Kamera zum Abtasten des Körpers in dessen Körperlängsrichtung parallel zur Drehachse, nachfolgend als Y-Richtung bezeichnet, verfahren wird. Vorzugsweise ist ergänzend vorgesehen, dass die Kamera senkrecht zur Drehachse verfahren wird, so dass sichergestellt ist, dass nicht nur radiale, durch den Körpermittelpunkt verlaufende Strahlen erfasst werden, die dann nur einen geringen Informationsgehalt aufweisen würden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
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1 eine Aufsicht auf eine Vorrichtung zur Überprüfung eines optisch transparenten Körpers auf Fehlstellen,
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2 eine Seitenansicht auf eine derartige Vorrichtung ähnlich der in 1 dargestellten Vorrichtung, jedoch ohne die in 1 dargestellte Messanordnung zum Ausmessen des Verlaufs eines jeweiligen Lichtstrahls im zu untersuchenden Körper,
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3 ein beispielhaftes rekonstruiertes Bild eines mit der Vorrichtung untersuchten Saphir-Kristalls.
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In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Vorrichtung umfasst einen Objektträger 2, auf den im Ausführungsbeispiel ein Saphir-Kristall 4 angeordnet ist, der auf Fehlstellen 6 in seinem Volumen untersucht werden soll. Der Saphir-Kristall 4 weist grob betrachtet eine in etwa zylinderförmige Ausgestaltung auf, welche durch das Kristallwachstum beim Herstellen des Einkristalls bedingt ist. Der Saphir-Kristall 4 weist eine komplexe, unregelmäßige Oberfläche 8 auf. Der Objektträger 2 ist um eine Drehachse 10 drehbar gelagert, so dass der Saphir-Kristall 4 drehbar angeordnet ist.
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Die Vorrichtung ist zur Durchführung einer optischen Tomographie ausgebildet, also zur Rekonstruktion eines vorzugsweise dreidimensionalen Bildes aus einer Vielzahl von einzelnen Aufnahmen. Die einzelnen Aufnahmen werden jeweils mit Hilfe einer optischen Aufnahmevorrichtung aufgenommen, die eine Aufnahmekamera 12 sowie ein Lichtquelle 14 umfasst. Im Ausführungsbeispiel ist eine Anordnung mit einer Dunkelfeldbeleuchtung dargestellt, anhand der nachfolgend das Verfahren auch weiter erläutert wird. Entsprechend ist die Lichtquelle 14 seitlich zu einer optischen Achse 16 der Aufnahmekamera angeordnet und beleuchtet den Kristall 4 von oben.
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Die Lichtquelle erzeugt hierbei ein flächiges Bestrahlungsfeld, beleuchtet also den Kristall 4 von oben vollflächig. Hierzu sind geeignete Linsen und Blenden in hier nicht näher dargestellter Weise vorgesehen. Der Kristall 4 wird daher von der Lichtquelle 14 mit Licht L vorzugsweise vollflächig und homogen beleuchtet.
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Die Aufnahmekamera 12 ist von einem Kameraträger 20 verfahrbar gehalten. Zum einen ist die Aufnahmekamera 12 parallel zur Drehachse 10 in einer Y-Richtung verfahrbar, so dass sukzessive einzelne Höhenniveaus des Kristalls 4 abgetastet werden können. Ergänzend ist die Aufnahmekamera 12 senkrecht zur Drehachse 10 in einer X-Richtung verfahrbar.
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Bei der optischen Überprüfung des Kristalls 4 auf mögliche Fehlstellen 6 in seinem Volumen wird bei konstanter Dunkelfeldbeleuchtung von oben eine Vielzahl von Aufnahmen jeweils bei verschiedenen Aufnahmesituationen getätigt. Hierunter wird verstanden, dass die Aufnahmekamera 12, insbesondere deren optische Achse 16, für jede Aufnahme auf einen unterschiedlichen Oberflächenbereich des Kristalls 4 gerichtet ist.
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Weiterhin ist eine Steuer- und Auswerteeinheit 18 vorgesehen, in der alle Informationen verarbeitet werden, insbesondere die von der Aufnahmekamera erfassten Bilddaten, und die weiterhin die eigentliche Rekonstruktion durchführt. Das rekonstruierte Bild ist auf einer nicht näher dargestellten Anzeige oder in sonstiger Weise ausgebbar oder abspeicherbar. Über diese Einheit 18 erfolgt auch die Ansteuerung der einzelnen Komponenten.
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Während der Erfassung der Vielzahl von Aufnahmen wird der Kristall 4 entweder kontinuierlich oder auch schrittweise um die Drehachse 10 gedreht. Die Aufnahmekamera 12 verbleibt zunächst auf einer vorgegebenen Höhenposition auf der Y-Achse. Innerhalb dieser Höhenposition wird die Aufnahmekamera 12 in X-Richtung verschoben, so dass vorzugsweise zu jeder veränderten Kameraposition entlang der X-Richtung mindestens eine Vollumdrehung des Kristalls 4 erfolgt, wobei pro Vollumdrehung eine Vielzahl von Aufnahmen erfolgen. Dies wird dann schichtweise für alle Höhenpositionen entlang der Y-Achse sukzessive durchgeführt, d. h. die Aufnahmekamera wird auf eine weitere Höhenpositionen verfahren.
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Je nach gewünschter Qualität des rekonstruierten Bildes kann die Anzahl der Aufnahmepositionen verändert werden. Die Güte kann zusätzlich durch eine weitere Bewegungsfreiheit der Aufnahmekamera 12 verbessert werden, beispielsweise eine Kippbewegung innerhalb der X-Z-Ebene.
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Aus dieser Vielzahl der getätigten Aufnahmen, beispielsweise 150.000, wird anschließend mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus ein dreidimensionales Bild rekonstruiert. Die grundsätzliche Vorgehensweise hierfür sowie die Art und Weise der erforderlichen Grundsätze bei der Ausgestaltung derartiger Rekonstruktionsalgorithmen ist beispielsweise aus der Computertomographie mit Röntgenstrahlen bekannt. Um mit einer derartigen Rekonstruktion aussagekräftige Bilder zu erhalten ist es jedoch erforderlich, dass der Verlauf eines gestreuten und von der Aufnahmekamera 12 erfassten Lichtstrahls 22 innerhalb des Kristalls 4 bekannt ist, um eine Aussage über die Position der Fehlstelle 6 treffen zu können. Der Lichtstrahl 22 tritt an einer Auskoppelstelle 23 aus dem Kristall 4 aus.
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Aufgrund der undefinierten, komplexen Oberfläche 8 und den unterschiedlichen Brechzahlen zwischen Kristall 4 und der diesen umgebenden Luft ist der Verlauf des Lichtstrahls 22 innerhalb des Kristalls 4 jedoch nicht bekannt, da der Lichtstrahl 22 an der Oberfläche 8 aufgrund der komplexen Oberflächenstruktur in einer für den Betrachter nicht definierten Weise gebrochen wird. Daher kann zunächst allein aus dem aufgenommenen Lichtstrahl 22 ohne Kenntnis des Verlaufs des Lichtstrahls 22 innerhalb des Kristalls 4 keine Aussage über die Position der Fehlstelle 6 getroffen werden.
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Zur Ermittlung des Verlaufs des Lichtstrahls 22 ist im Ausführungsbeispiel eine Messanordnung 24 vorgesehen, die in 1 ergänzend dargestellt ist. Diese Messanordnung 24 umfasst zumindest eine, im Ausführungsbeispiel zwei weitere Kameras 26a, b, eine im Ausführungsbeispiel mit Löchern 28 versehene Mattscheibe 30, eine im Ausführungsbeispiel als Punktlaser 32 ausgebildete weitere Lichtquelle zur Erzeugung eines Messlichtstrahls 34 und ein optisches Umlenkelement, das im Ausführungsbeispiel als Strahlteiler 36 ausgebildet ist. Der Messlichtstrahl 34 wird koaxial zur optischen Achse 16 der Aufnahmekamera 12 eingekoppelt und trifft auf der einer jeweiligen Aufnahme zugeordneten Auskoppelstelle 23 auf, aus der der Lichtstrahl 22 austritt.
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Der Messlichtstrahl 34 tritt im Ausführungsbeispiel zunächst durch die Mattscheibe 30 hindurch, trifft auf die Oberfläche 8 an der Auskoppelstelle 23 auf und wird dort zumindest teilweise entsprechend dem Reflexionsgesetz reflektiert und trifft auf der Mattscheibe 30 in einem Auftreffpunkt 38 auf. Die Position der Auskoppelstelle 23 wird mit Hilfe der weiteren Kamera 26a erfasst, die durch einen transparenten Bereich (Loch 28) auf den Kristall 4 gerichtet ist. Für die Bestimmung der Position der Auskoppelstelle 23 im Raum kann ergänzend noch die Aufnahmekamera 12 herangezogen werden. Die Position des Auftreffpunktes 38 wird durch die Kamera 26b erfasst. Zur Bestimmung deren Position im Raum wird ergänzend die Kenntnis der Position der Mattscheibe 30 herangezogen. Unter Kenntnis des Auftreffpunkts 38 sowie der Auskoppelstelle 23, die in jeweiligen Bildern erkennbar sind, die mit den weiteren Kameras 26a, b aufgenommen wurden, lässt sich – bei weiterhin bekannter Position der beiden Kameras 26a, b eine Reflexionsrichtung des reflektierten Laserstrahls 34 ermitteln. Unter Berücksichtigung der bekannten Einstrahlrichtung in Richtung der optischen Achse 16 wird unter Zugrundelegung des normalen Brechungsgesetzes eine Oberflächennormale 40 im Bereich der Auskoppelstelle 23 bestimmt. Weiterhin wird unter Zugrundelegung des Snellius'schen Brechungsgesetzes bei der für den Kristall bekannten Brechzahl der Verlauf des Lichtstrahls 22 im Kristall 4 ermittelt. Diese Bestimmung des Verlaufs des Lichtstrahls 22 wird dabei vorzugsweise zu jeder Aufnahme bei den unterschiedlichen Aufnahmepositionen durchgeführt.
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Saphir ist ein anisotroper Kristall, bei dem sich die Brechzahlen in den unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen nur geringfügig unterscheiden. In einem vereinfachten Verfahren wird daher bei derartigen anisotropen Körpern von einem (gemittelten) Brechungsindex ausgegangen.
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In 1 ist noch eine zweite alternative Möglichkeit zur Bestimmung des Verlaufs des Lichtstrahls 22 dargestellt. Diese ist beispielsweise auch dann einsetzbar, wenn der Kristall 4 eine starke Anisotropie aufweist. Und zwar ist hierbei vorgesehen, dass – identisch wie im ersten Fall – der Messlichtstrahl 34 an der Auskoppelstelle 23 auftrifft. Da lediglich ein Teil reflektiert wird definiert dies zugleich eine Eintrittsstelle für einen transmittierten Anteil des Messlichtstrahls 34, der an einer gegenüberliegenden Austrittsstelle 42 wieder austritt. Die Position dieser Austrittsstelle 42 auf der Oberfläche 8 des Kristalls 4 wird mit Hilfe von weiteren Kameras 26c, d aufgenommen. Der Verlauf des Lichtstrahls 22 ergibt sich dann durch eine einfache gerade Verbindung zwischen der Austrittsstelle 42 und der Auskoppelstelle 23, wie dies in der 1 dargestellt ist.
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Das Ergebnis einer mit Hilfe einer derartigen Vorrichtung durchgeführten Tomographie-Rekonstruktion ist in 3 als Rekonstrukionsbild 44 dargestellt. Die dargestellte Struktur gibt zum einen die Oberfläche 8 des Kristalls 4 als Oberflächen-Topographie 8' wieder. Die einzelnen etwa kreisförmigen Linien geben dabei einzelne Höhenlinien der Oberflächen-Topographie 8' wieder.
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Die im Kristall 4 evtl. enthaltenen Fehlstellen 6 sind im Inneren erkennbar. Im Ausführungsbeispiel bilden die Fehlstellen 6 ein etwa schlauchartig sich in Y-Richtung erstreckendes Gebilde.
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Aus dieser rekonstruierten 3D-Darstellung lassen sich daher mit hoher Genauigkeit fehlerstellenfreie Bereiche im Saphir-Kristall 4 identifizieren, und zwar im Hinblick auf ihre Lage (Größe und Orientierung) im Volumen des Kristalls 4. Mit Hilfe eines derartigen 3D-Bildes können daher Bereiche des Kristalls 4 definiert und festgelegt werden, aus denen Elemente für die weitere Verarbeitung herausgearbeitet werden können. Insbesondere werden durch eine automatisierte Auswertung die optimalen Schnitt- oder Bohrpositionen errechnet, um den Kristall im Hinblick auf Folgeprodukte (Zwischenprodukte) wie Waferscheiben, optische Elemente etc. optimiert, d. h. mit möglichst wenig Abfallmaterial zu zerlegen. Die Berechnung der optimalen Schnittpositionen erfolgt dabei in Abhängigkeit der Geometrie der Folgeprodukte.
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Bei den Fehlstellen 6 handelt es sich hierbei insbesondere um Gaseinschlüsse wie etwa Luft oder sogenannte Voids, bei denen also Vakuumbereiche eingeschlossen sind. Derartige Gaseinschlüsse sind bei einer Dunkelfeldbeleuchtung sehr gut zu erkennen.
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Grundsätzlich lässt sich dieses Messprinzip mit der Bestimmung des Verlaufs des Lichtstrahls 22 auch bei Durchlicht-Beleuchtungssituationen einsetzen, bei denen also die Lichtquelle 14 nicht seitlich sondern gegenüberliegend zur Aufnahmekamera 12 angeordnet ist. Durch Streueffekte an derartigen Fehlstellen 6 erscheinen Fehlstellen 6 – anders als bei der Dunkelfeldbeleuchtung – als dunkle Flecken, während sie bei Dunkelfeldbeleuchtung als helle Flecken erscheinen.
