Präzise bis auf den Nanometer

Mit Interferometrie lassen sich in der Industrie Abstände und Schichtdicken nanometergenau messen, etwa in Halbleiter-, Verpackungs- und Medizintechnik. Die Weißlichtinterferometer von Micro-Epsilon bieten hohe Messstabilität bei großem Arbeitsbereich. Das interferoMETER IMS5200 liefert präzise, stabile Messwerte für Maschinen, Anlagen und Inline-Anwendungen. 

Weißlichtinterferometer sind optische Messgeräte, die Interferenzeffekte von polychromatischem Licht nutzen, um Abstandsmessungen oder Dickenmessungen durchzuführen. Große Vorteile der Messtechnik sind die extrem hohe Auflösung im Subnanometerbereich und das berührungslose Messprinzip. Aus diesem Grund kommen sie bevorzugt in der Halbleiterindustrie für das Messen beim Wafer-Handling, bei der Stage-Positionierung sowie beim Ausrichten von Optiken und Masken zum Einsatz. Zudem spielen sie eine wichtige Rolle in der Verpackungsindustrie und in der Medizintechnik. 

Allerdings können herkömmliche Weißlichtinterferometer einen eingeschränkten Messwinkel nutzen und weniger gut auf diffuse Oberflächen messen. Zudem ist meist eine komplexe Auswertelogik für das exakte Bestimmen der Messwerte nötig. Der Messtechnik-Hersteller Micro-Epsilon löst dies mit einer ausgeklügelten Elektronik und Signalverarbeitung, weshalb Interferometer für Inline-Applikationen mit hohem Qualitätsanspruch prädestiniert sind.  

Das neue interferoMETER IMS5200 von Micro-Epsilon ist für die Dickenmessung dünnster Schichten von 1 bis 100 µm ausgelegt. Mit enormer Auflösung und Messrate können dynamische Messungen mit hoher Präzision sichergestellt werden. Über die Multi-Peak-Funktion können bis zu fünf transparente Schichten gleichzeitig gemessen werden, was z.B. bei der Luftspaltmessung von Glaswafern zum Tragen kommt.

Vorteile von Weißlichtinterferometern nutzen 

Weißlichtinterferometer nutzen Interferenzeffekte von polychromatischem Licht, das aus vielen verschiedenen Wellenlängen besteht, um Informationen über den Abstand zu einer Oberfläche oder die Dicke eines Objekts zu gewinnen. Hierbei strahlt die Lichtquelle ein kontinuierliches Spektrum an Lichtwellen aus, das in einen Referenz- und einen Messstrahl aufgeteilt wird. Die beiden reflektierten Strahlen treffen aufeinander und überlagern sich. Durch Variation der Phasenverschiebung mit der Wellenlänge tritt bei bestimmten Wellenlängen eine konstruktive und bei anderen eine destruktive Interferenz auf.  

Wird die Intensität dieses Interferenzsignales über der Wellenlänge aufgetragen, zeigen sich abwechselnd Minima und Maxima. Das so entstandene periodische Intensitätssignal im Spektrum des reflektierten Lichtes wird mittels Fourier-Transformation einem Abstand oder einer Dicke zugeordnet. Bei einer Dickenmessung interferieren die beiden Strahlen miteinander, die von der Vorder- und der Rückseite der Schicht reflektiert werden. Hierdurch ist das Messergebnis gleichzeitig unabhängig vom Abstand zum Messobjekt.   

Im Gegensatz zu Laser-Interferometern arbeiten Micro-Epsilon Weißlichtinterferometer mit polychromem Weißlicht sowie einem erweiterten Wellenlängen-Spektrum. Somit stehen deutlich mehr Informationen für das Auswerten der Überlagerung aus empfangenen Wellenlängen bereit. Hieraus ergeben sich einige Vorteile, darunter: 

• Absolute Abstandsmessung ohne Referenzierung 
• Dickenmessungen mit höchster Präzision und Signalstabilität, auch bei flatternden Objekten 
• Breite Einsatzmöglichkeiten wie Abstands-, Mehrschicht- oder Dickenmessungen 
• Maximale Signalstabilität für Industrie, Halbleiter, Maschinenbau oder Labor 

Stufenlos einstellbare Messrate 

Die Interferometer-Serie interferoMETER IMS5200 zeichnet sich aus durch eine stufenlos einstellbare Messrate von 100 Hz bis 24 kHz, eine hervorragende Linearität von ± 100 nm sowie die Möglichkeit, sehr dünne transparente Schichten zu messen. Zudem können Anwender Multi-Peak-Dickenmessungen mit bis zu fünf Schichten durchführen. Aufgrund der fortschrittlichen Algorithmen messen Micro-Epsilon Interferometer ebenfalls sehr präzise in einem großen Arbeitsbereich von ± 2 mm. 

Das robuste, passiv gekühlte Metallgehäuse des Controllers ist nach IP40 ausgelegt und lässt sich bequem und einfach an der Hutschiene im Schaltschrank montieren. Zudem lässt sich der Sensor im Vakuum installieren, was vor allem für die Halbleiterindustrie viele Vorteile mit sich bringt. Micro-Epsilon bietet ein umfangreiches Angebot an gereinigtem und reinraumverpacktem Zubehör für die einfache Integration des Messsystems in Vakuumumgebungen. Faseroptikkabel von bis zu 10 m ermöglichen außerdem, dass sich Sensor und Elektronik räumlich trennen lassen, um hohe Temperaturen vom Controller fernzuhalten. 

Sensor- und Controllereinheit sind bereits werksseitig vorkonfiguriert und ermöglichen so eine einfache Inbetriebnahme. Zudem lassen sich die Controller über Schnittstellen wie Ethernet, EtherCAT, PROFINET oder RS422 in moderne Netzwerke einbinden und verfügen über Encoder-Anschlüsse und digitale I/Os. Aufgrund der vielseitigen Schnittstellen können die aufgenommenen Messwerte effizient über vorhandene Digital- und Analogausgänge weiterverarbeitet werden. Auch die Integration in bestehende Automatisierungssysteme wie speicherprogrammierbare Steuerungen ist hiermit kein Problem. 

Bequeme Installation und Konfiguration 

Interferometer der Serie IMS5200 liefern im Gegensatz zu relativ messenden herkömmlichen Laser-Interferometern absolute Messwerte. Hierdurch messen sie stabil und absolut ohne vorherige Referenzierung. Von Vorteil ist das insbesondere bei Signalunterbrechungen, die zum Beispiel durch Fehlreflektionen hervorgerufen werden können. Nach der Signalunterbrechung erhalten Anwender direkt einen Messwert, während Laser-Interferometer sich erst neu referenzieren müssen. So lassen sich Abstandsprofile von bewegten Messobjekten mit einer hohen Präzision und Zuverlässigkeit generieren. 

Die gesamte Konfiguration der Interferometer lässt sich über ein intuitives Webinterface und ohne zusätzliche Software durchführen. Hierzu ruft der Anwender das Webinterface über eine Ethernet-Verbindung am PC auf und kann anschließend Parameter wie Mitteilungen, Messrate oder Anzahl der Schichten einstellen. Speziell für die Dickenmessung steht eine editierbare Materialtabelle zur Verfügung. Vorgefertigte Presets für verschiedene Messaufgaben erleichtern die Inbetriebnahme und führen zu einem schnellen Ergebnis. 

Vielfältiges Angebot an Sensoren, einfacher Austausch 

Für hochpräzises Messen sorgt außerdem der sichtbare Messpunkt des Sensors, welcher die Messposition äußerst präzise visualisiert. Besonders das modulare Design erleichtert den Sensortausch sowie das Kalibrieren der Sensoren. Die Komponenten lassen sich einfach und schnell austauschen, so können Anwender jederzeit auf mögliche Ausfälle reagieren. Ein Lichtquellentausch durch das Serviceteam des Herstellers ist ebenfalls schnell und einfach möglich. Möchte man den Sensor durch einen Sensor desselben Typs tauschen, ist weder ein aufwendiger Sensorausbau noch eine Neu-Kalibrierung im Werk nötig. Ebenfalls möglich sind eine Anpassung der Kabellänge sowie der Austausch durch Kabel des gleichen Typs. Das Einsenden des Systems ist dabei nicht erforderlich. 

Messen des Luftspalts von Glaswafern und Masken 

Einer der vielfältigen Einsatzbereiche des interferoMETER IMS5200 ist das Messen des Luftspalts von Glaswafern und Masken in der Halbleiterproduktion. Hier wird das polychromatische Licht senkrecht auf Glas und Wafer gerichtet. Ein Teil des Lichts wird an der Unterseite des Glases reflektiert, ein weiterer Teil am Wafer. Dazwischen befindet sich ein Luftspalt mit einer Dicke von mehreren µm. Die beiden Lichtstrahlen überlagern sich und erzeugen ein vom Spaltmaß abhängiges Interferenzmuster. So kann man berührungslos erkennen, ob der Wafer korrekt aufliegt oder der für den Prozess optimale Abstand zwischen Maske und Wafer eingehalten wird. Mit dieser Messmethode steigert das Unternehmen die Qualität von Produkten in der Halbleiterindustrie deutlich. 

Überprüfen von Beschichtungsvorgängen 

Das IMS5200 findet ebenso Einsatz in der Verpackungsindustrie. Beispielsweise prüft das Weißlichtinterferometer die Beschichtung von Getränkekartons, indem es breitbandiges Licht auf die Oberfläche sendet und die reflektierten Signale der Schichtgrenzen auswertet. Hieraus lässt sich berührungslos und präzise die Dicke der Beschichtung ableiten. So lassen sich frühzeitig fehlerhafte Stellen, ungleichmäßige Schichten oder Lufteinschlüsse von Getränkekartons erkennen und Ausschuss vermeiden. 

Prüfung der Lackdicke in der Metallindustrie 

Ein weiterer Anwendungsfall, bei dem das interferoMETER IMS5200 zum Einsatz kommt, ist das Prüfen der Lackdicke. Hier sendet das Weißlichtinterferometer breitbandiges Licht auf die lackierte Metalloberfläche und misst die Interferenzen zwischen den Reflexionen an der Lackoberfläche und der darunterliegenden Metallschicht. Aus dem Abstand der Signale wird die exakte Lackdicke bestimmt, selbst bei sehr dünnen, transparenten oder reflektierenden Schichten. So lässt sich die Lackdicke inline und zerstörungsfrei kontrollieren, um eine gleichmäßige Lackqualität sicherzustellen. 

Nanometergenaue Messung 

Micro-Epsilon Weißlichtinterferometer liefern hochpräzise, berührungslose Messsignale zum Bestimmen von Abständen, Schichtdicken und Oberflächenstrukturen mit Nanometerauflösung. Sie eignen sich ideal für transparente, reflektierende oder mehrschichtige Materialien und liefern absolute Messwerte in industriellen Einsatzbereichen. Sie sind äußerst genau, lassen sich flexibel einsetzen und sind Inline-fähig, was sie besonders wertvoll in der Halbleiter- oder Verpackungsindustrie macht. 

Autor: Dr.-Ing. Alexander Streicher, Produktmanager Sensorik, Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG 

Bilder: Micro-Epsilon