Der Platz von Ultraviolett im elektromagnetischen Spektrum
Das menschliche Auge ist nur für einen winzigen Teil des elektromagnetischen Spektrums empfindlich - die Wellenlängen zwischen ~400 (violett) und 700 (rot) Nanometern, den Teil, den wir Licht nennen. Einige andere Tiere können darüber hinaus sehen: Bienen beispielsweise nutzen die Ultraviolett-Empfindlichkeit ihrer Augen, um Pollen aufzuspüren, während viele Tiere ihre Beute nachts mit Hilfe von Infrarotstrahlung aufspüren, die im Wesentlichen der Körperwärme entspricht. Der Mensch benötigt jedoch externe Geräte, wie z. B. speziell entwickelte Kameras, um Wellenlängen jenseits des sichtbaren Spektrums wahrzunehmen.
Die meisten Menschen sind mit Nachtsicht-Wärmebildkameras oder Ferngläsern vertraut, die Menschen, Wildtiere und andere Objekte aufspüren, indem sie deren "Wärmesignatur" in Form von Infrarotstrahlung aufzeichnen. Die ultraviolette Strahlung - die zwischen 10 und 400 Nanometern liegt - ist den meisten Menschen jedoch weitaus weniger vertraut, da es nur wenige Geräte gibt, die über dieses Ende des sichtbaren Spektrums hinausgehen.
Erforschen, was das Auge nicht sehen kann
Um Bilder zu erzeugen, stützen sich Kameras auf ein grundlegendes physikalisches Prinzip, das so genannte "Reflexionsgesetz". Ähnlich wie ein Tennisball, der gegen eine Wand geworfen wird, wird elektromagnetische Strahlung - ob sichtbares Licht oder nicht sichtbare Wellenlängen - je nach dem Winkel, in dem sie auf die "Wand" trifft, von Oberflächen reflektiert.
Das Gesetz der Reflexion
Noch wichtiger ist, dass die Bildgebung dadurch ermöglicht wird, dass die meisten Oberflächen bei Betrachtung auf mikroskopischer (oder nanoskopischer) Ebene nicht vollkommen glatt sind. Diese Oberflächenunregelmäßigkeiten führen zu einer "diffusen Reflexion", bei der die einzelnen Lichtstrahlen zwar immer noch dem Reflexionsgesetz folgen, aber durch die unterschiedlichen Winkel, auf die sie auf der Oberfläche treffen, in viele verschiedene Richtungen reflektiert werden, so dass ein Teil des Lichts zu einer Person oder einer Kamera, die die Szene betrachtet, zurückstrahlt.
Diffuse reflection
Die Größe der Oberflächenmerkmale, die eine diffuse Reflexion verursachen, hängt von der Wellenlänge des Lichts ab, das auf die Oberfläche trifft. Wenn die Oberflächenmerkmale weniger als ein Achtel der Wellenlänge des Lichts betragen, gilt die Oberfläche als poliert, und die Lichtstrahlen prallen alle in die gleiche Richtung ab, wodurch ein Spiegeleffekt entsteht. In diesem Fall werden die winzigen Unregelmäßigkeiten der Oberfläche für den Betrachter oder die Kamera unsichtbar.
Aufgrund ihrer kürzeren Wellenlänge wird ultraviolette Strahlung durch kleinere Oberflächenunregelmäßigkeiten gestreut, die bei längeren Wellenlängen keine Wirkung zeigen. Dadurch können mit der UV-Bildgebung extrem kleine Oberflächenmerkmale und/oder -defekte erkannt und geprüft werden, die mit sichtbarem Licht einfach nicht festzustellen sind.
Kurze Wellenlängen werden durch kleine Oberflächenmerkmale gestreut
Immer mehr industrielle Anwendungen machen sich die Art und Weise zunutze, wie kleine Oberflächenmerkmale UV-Wellenlängen reflektieren. Dazu gehören eine Reihe von Halbleiterinspektionsaufgaben wie die Maskeninspektion, die Prüfung auf Wafer-Defekte, die Identifizierung und Klassifizierung von Musterdefekten, die Oberflächeninspektion von Kunststoff- und Metalloberflächen auf mikroskopische Defekte und die Inspektion von Solarpanels.
Andere Anwendungen für die UV-Bildgebung nutzen die Art und Weise, wie bestimmte Druckfarben und Materialien UV-Strahlung absorbieren oder im UV-Spektrum fluoreszieren. Einige dieser Anwendungen umfassen Druckkontrollen von pharmazeutischen Verpackungen, Pässen und Banknoten, die Sortierung von Abfallstoffen, die zerstörungsfreie Prüfung von Materialien auf Defekte und Verunreinigungen, Fluoreszenzanalysen zur Aufdeckung von Betrug und kriminaltechnischen Untersuchungen, medizinische Diagnostik und vieles mehr. Die UV-Bildgebung wird auch für die Koronainspektion von Hochspannungsleitungen und in verschiedenen wissenschaftlichen Anwendungen wie Astronomie, Mikroskopie und UV-Spektroskopie eingesetzt. Die nachstehenden Bilder zeigen einige Beispiele für Anwendungen der UV-basierten Bildgebung.
Abbildung 1: Herstellung einer Wafer-Scheibe
Abbildung 1 zeigt den Einsatz der UV-Bildgebung in der Elektronikindustrie, wo die gelaserten Codes auf der reflektierenden Oberfläche der Wafer-Scheiben zuverlässig gelesen werden müssen, um jeden Wafer im Produktionsprozess zu lokalisieren und zu verfolgen - andernfalls kommt die Produktionskette zum Stillstand, was schwerwiegende finanzielle Folgen hätte. Die UV-Bildgebung kann diese Codes im Gegensatz zu herkömmlichen Bildverarbeitungssystemen zuverlässig lesen.
Abbildung 2: UV-Bildgebung für das Bonding von Dies und Drähten.
Das Bild in Abbildung 2 zeigt die Verwendung der UV-Bildgebung für die Ausrichtung von Halbleitern. Die UV-Bildgebung wird in der Halbleiterfertigung eingesetzt, um eine ordnungsgemäße Wafer-Sondierung, Wafer-Dicing, Lead-Frame-Prüfung und Die/Draht-Bonding sicherzustellen.
Abbildung 3: Laserstrahlprofilierung. Quelle: Photonics.com
In der oben gezeigten Abbildung 3 wirkt sich die Präzision eines Laserstrahls, z. B. seine Form und Größe, auf die Energie aus, die er auf ein Ziel abgibt. Verzerrungen des Strahls entstehen durch Verunreinigungen im Strahlengang, Fehler bei der Montage und durch Umweltfaktoren. Durch Einfügen einer UV-Kamera in den Strahlengang kann die relative Intensität jedes Teils des Strahls abgebildet - und korrigiert - werden.
Ausstattung von Bildverarbeitungssystemen mit UV-Industriekameras
Die große Nachfrage nach den vielen hier beschriebenen Arten optischer UV-Prüfungen hat den Anwendungsbereich für Ultraviolett (UV)-Bildkameras stark erweitert. Bildverarbeitungssysteme, die Kameras mit UV-Bildsensoren enthalten, können spezielle visuelle Informationen liefern, die normale Kameras nicht liefern können. Dazu gehören Systeme, die sowohl mit UV-kompatiblen Objektiven als auch mit UV-Beleuchtung für typische industrielle und wissenschaftliche Anwendungen ausgestattet sind, sowie Laser-Profilierungssysteme, bei denen Linsen und sogar das Deckglas des Sensors entfernt werden, um optische Verzerrungen auf ein absolutes Minimum zu reduzieren.
Die Anwendungen treiben auch die Nachfrage nach UV-Sensoren voran, die immer kürzere UV-Wellenlängen abbilden können. Während sich UV-Anwendungen früher hauptsächlich auf den UVA-Bereich (320 bis 400 nm) konzentrierten, haben insbesondere die kleineren Strukturgrößen moderner Halbleiter zu einem Bedarf an Sensoren geführt, die in der Lage sind, im UVB-Bereich (280 bis 320 nm) und sogar im UVC-Bereich (~190 bis 280 nm) zu arbeiten, wo sich einige Systeme jetzt auf Wellenlängen von 200 nm oder weniger konzentrieren. Während diese UVC-Systeme (auch Deep Ultraviolet oder DUV genannt) an der Spitze des Marktes stehen, gibt es noch viele UV-Anwendungen, die für den UVB- und UVA-Bereich konzipiert sind. UV-Sensoren und -Kameras, die Anwendungen in einem breiten Bereich des UV-Spektrums unterstützen können, bieten den Entwicklungsteams eine große Vielseitigkeit.
Das folgende Bild zeigt zum Beispiel die Empfindlichkeit des JAI-kameramodells GO-8105M-5GE-UV mit einer bemerkenswerten Quanteneffizienz (QE) von ~40-50% im UVB- und UVA-Bereich und einer großzügigen QE bis in den UVC-Bereich. Solche Kameras sind eine attraktive Alternative zu teureren UV-Kameras für die wissenschaftliche Forschung, wie sie beispielsweise in der Astronomie verwendet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die spektrale Empfindlichkeit der Kamera zwar auch auf den sichtbaren und nahen Infrarotbereich erstreckt, die parasitäre Lichtempfindlichkeit (PLS) in diesen Bereichen jedoch nicht optimiert ist.
Spektralempfindlichkeit der GO-8105M-5GE-UV
*Die Empfindlichkeit reicht bis unter 200 nm, aber die spezifische Quanteneffizienz wurde noch nicht gemessen.
Die oben gezeigte breite UV-Spektralempfindlichkeit macht die neue Kamera für viele UV-basierte Bildverarbeitungsanwendungen interessant. Die größten Chancen ergeben sich für Unternehmen, die verschiedene Arten von Halbleiterprüfsystemen bauen, darunter auch die Prüfung von Halbleitermasken. Bei Anwendungen für Halbleitermasken können die Fähigkeiten der neuen Kamera GO-8105M-5GE-UV aus der Go-Serie beispielsweise genutzt werden, um zu prüfen, ob der Photolack vor der Belichtung gleichmäßig auf den Halbleiter aufgetragen wird. Es handelt sich um teure Systeme, die für höchste Fertigungsqualität sorgen sollen. Sie müssen mit sehr kurzen Wellenlängen arbeiten, um die kleinsten Oberflächenmerkmale zu erkennen und Defekte auf Wafern, Masken und anderen Gegenständen aufzuspüren. OEMs, die diese Systeme bauen, werden die UV-Fähigkeiten dieser neuen Kamera, die bis in den UVC-Bereich hineinreichen, als sehr attraktiv empfinden.
Die Kamera GO-8105M-5GE-UV wird auch in einer "glaslosen" Konfiguration mit einem abnehmbaren Deckglas über dem Sensor angeboten, damit sie für die Laserprofilerstellung und alle anderen Anwendungen eingesetzt werden kann, bei denen selbst UV-kompatibles Quarzglas im optischen Pfad problematisch sein könnte.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass UV-Kameras für eine Vielzahl von industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen unverzichtbar geworden sind. Die UV-Bildgebung hat sich zwar als Inspektionswerkzeug für viele industrielle Prozesse etabliert, aber im Vergleich zur industriellen Bildverarbeitung im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich steckt das Feld noch in den Kinderschuhen. Der Bereich der UV-Bildverarbeitung wächst jedoch, da der Preis von kommerzieller UV-Hardware sinkt und die Vielfalt zunimmt.
Kostenloses Whitepaper:
Entdecken Sie den Wert der UV-Technologie bei der Erkennung von Oberflächendefekten und Unregelmäßigkeiten bei der Herstellung von Halbleiter-Mikrochips. (The White paper is provided in English)
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