Schichtdickenmessung

Grundlagen

Grundlagen der Schichtdickenmessung

Die Qualität schützender oder schmückender Beschichtungen muss während des Beschichtungsprozesses kontinuierlich kontrolliert werden, um die Funktionalität der Beschichtungen zu gewährleisten und damit den Anforderungen der Kunden gerecht zu werden. Die Prüfung der Proben aus der laufenden Produktion kann als zufällige Probenahme oder als On-line-Messung realisiert werden.  

  • Messtheorie

    Durch Beleuchtung der Probe mit weißem Licht entstehen Interferenzspektren in Abhängigkeit von der geometrischen Schichtdicke und der Brechzahl des Materials. Durch Einstrahlung von Weißlicht entstehen an optisch transparenten Schichten Interferenzen, da für bestimmte Wellenlängen der Gangunterschied exakt das Vielfache der optischen Schichtdicke beträgt. Die maximal messbare Dicke ist an das spektrale Auflösungsvermögen gekoppelt, die minimale Dicke an den abzudeckenden Spektralbereich. Die Messung noch dünnerer Schichten setzt die Kenntnis des absoluten Intensitätswertes voraus. Zur genauen Bestimmung der Dicke ist eine hohe absolute Genauigkeit der Wellenlänge erforderlich. 

    Die Berechnung der Schichtdicke kann je nach Zustand der Schicht mit zwei Verfahren erfolgen: 

    Peakmethode:
    Die Schichtdicke wird aus den Maxima und Minima des Interferenzspektrums abgeleitet. Diese Methode ist sehr exakt und schnell, aber auch rauschempfindlich. Sie eignet sich für Einzelschichten < 5 µm.

    Fast-Fourier-Transformation (FFT)-Methode:
    Die Schichtdicke wird aus der Periodizität des Interferenzspektrums berechnet. Diese Methode ist unempfindlich gegenüber Rauschen und eignet sich für dicke Schichten, andererseits erfordert sie einen hohen Rechenaufwand und ist weniger exakt. Geeignet für Einzelschichten und mehrlagige Systeme von 1–200 µm.

    Nutzen
    • Berührungslos und zerstörungsfrei
    • Sehr exakte Resultate
    • Geeignet für kurz- und langfristige Wiederholbarkeit
    • Schnelles Neusetzen von Beschichtungsparametern und damit niedrige Kosten hinsichtlich Qualität und Materialverbrauch
    Anwendungsbeispiele
    • Liefert wertvolle Angaben zur Dicke von Fotolacken, Folien und dielektrischen Schichten für Forschung und Entwicklung sowie Qualitätskontrolle in Anwendungsbereichen wie Automobil, Kunststoff, Lacke, Chemikalien, Verpackung und Mikroelektronik
  • Erzeugung von Interferenz

    Erzeugung von Interferenzen

    Angenommen wird hier der theoretisch einfachste Fall einer planparallelen Schicht mit der Brechzahl n und der geometrischen Dicke d. Ausgehend von einer Punktlichtquelle P0 wird ein Lichtstrahl S0 im Punkt A teilweise reflektiert (Strahl S1 unter Winkel α) und zum anderen Teil in die Schicht hineingebrochen (unter Winkel β). An der unteren Grenzfläche der Schicht wird der Strahl im Punkt B erneut reflektiert und im Punkt C gebrochen. Schließlich tritt der Strahl S2 parallel zu S1 aus der oberen Grenzschicht wieder in Luft aus. Durch weitere Reflexionen in der Schicht wird der Strahl S0 in sich unendlich oft gebrochen und in reflektierte Parallelstrahlen mit stark abnehmender Intensität aufgeteilt. Da alle reflektierten und gebrochenen Strahlen ihren Ursprung im Strahl S0 haben, sind sie untereinander kohärent und können dadurch miteinander interferieren. Abhängig vom Gangunterschied Γ entsteht eine Überlagerung der beiden wesentlichen reflektierten Strahlen S1 und S2.

    Dieser Gangunterschied berechnet sich wie folgt:

    Für senkrechten Lichteinfall vereinfacht sich die Formel auf:

    Maximale Interferenzen entstehen unter der Bedingung:

    Die Variable i bezeichnet dabei die Ordnung der Interferenz und stellt eine ganze Zahl dar (i = 0, 1, 2 ...).

  • Berechnung der Schicht

    Berechnung der Schichtdicke

    Die Berechnung der Schichtdicke kann je nach Dicke der zu messenden Schicht mit zwei Berechnungsverfahren durchgeführt werden.

    Peakmethode

    Bei der Peakmethode wird die Schichtdicke aus den Maxima und Minima des Interferenzspektrums abgeleitet. (I = Ordnungszahl). Hierzu ein Beispiel:

    Vorteil Sehr genau und schnell
    Nachteil Rauschempfindlich
    Anwendung Für Einzelschichten < 5 µm

    Fast-Fourier-Transformation (FFT)

    Bei der FFT-Methode wird die Schichtdicke aus der Periodizität des Interferenzspektrums berechnet.

    Vorteil unempfindlich gegenüber Rauschen und geeignet für dicke Schichten
    Nachteil hoher Rechenaufwand, begrenzte Genauigkeit
    Anwendung Einzelschichten und mehrlagige Systeme von 1–200 µm
  • Berechnung der Reflexion

    Berechnung der Reflexion

    Die Intensität der reflektierten Teilstrahlen hängt von den Brechzahlen der beteiligten Elemente ab. Der Reflexionsgrad R beim Übergang aus einem Medium mit der Brechzahl n1 in ein anderes mit der Brechzahl n2 beträgt für senkrechten Lichteinfall:

    Betrachtet man eine mit Acrylglas (n = 1,49) beschichtete Fläche aus Makrolon (n = 1,59), so ergibt sich für die Grenzfläche Luft (n = 1) – Acrylglas ein Reflexionsgrad von:

    Für die Grenzfläche Acrylglas – Makrolon ergibt sich ein Reflexionsgrad:


    Die Werte der Intensitäten beziehen sich auf die Intensität des Primärstrahls (100 %). Der Wert der Reflexionsintensität des Maximums errechnet sich nach (R1 + R2) = 4 % und die des Minimums nach (R1 – R2) = 3,8 %. Kann der Reflexionsanteil der Probenrückseite von ca. 4 % nicht unterdrückt werden, erhöhen sich die beiden Werte um diesen Betrag. Die dargestellten Beziehungen gelten nur für nahe beieinander liegende Extrema (dicke Schichten), da hier die Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl keine Rolle spielt.

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