18.11.2020

Industrielle Weißlicht-Interferometer mit nm-Präzision

Geteiltes Licht

Folien, Flachglas, Computer-Festplatten, Displays oder Halbleiterwafer müssen mit enormer Genauigkeit gefertigt werden. Eine entsprechend präzise Messtechnik zur hochgenauen Abstands- und Dickenmessung ist die optische Interferometrie. Micro-Epsilon stellt drei entsprechende neue Messsysteme vor.


Bild 2 | Das Interferometer IMS5400-DS liefert absolute Messwerte und erfasst auch Stufen und Kanten zuverlässig.
Bild: Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Das Messprinzip eines Interferometers basiert auf der Wellennatur des Lichts. Diese führt dazu, dass sich überlagernde Wellen entweder verstärken oder auslöschen. Teilt man einen Lichtstrahl so auf, dass er verschiedene Wege nimmt und sich die beiden Teilstrahlen im Anschluss wieder überlagern, tritt eine Interferenz auf, die von der Differenz der beiden Wege abhängig ist. Ändert sich die Länge eines der beiden Wege um eine halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts, so führt das zu einem kompletten Wechsel von positiver Interferenz (Verstärkung) zu negativer Interferenz (Auslöschung). Die Genauigkeit der Messmethode liegt im nm- bis sogar im Sub-nm-Bereich. Um mit dieser Methode z.B. Abstände zu messen, wird einer der beiden Teilstrahlen am Messobjekt reflektiert und anschließend mit dem Referenzstrahl überlagert. Ändert sich der Abstand zum Messobjekt, lässt sich die Abstandsänderung an der Interferenz feststellen. Sollen Dicken etwa von Folien oder Gläsern gemessen werden, wird ausgenutzt, dass sowohl Vorder- als auch Rückseite des Messobjekts reflektieren. Da die beiden interferierenden Teilstrahlen bei der Dickenmessung von der Ober- und Unterfläche stammen, ist das Messergebnis unabhängig vom Abstand zum Messobjekt.

Interferometer mit SLD

Eine der Grundvoraussetzungen für Interferometer ist kohärentes Licht, d.h. dass ein Wellenfeld im Gleichtakt schwingt. Sehr kohärentes Licht lässt sich beispielsweise mit einem Laser erzeugen. Dessen Licht ist in der Regel monochromatisch, und die Lichtwellen phasengleich. Eine andere für die Interferometrie geeignete Lichtquelle ist die Superlumineszenz-Diode (SLD). Diese kombiniert die Vorteile von Laserdioden und herkömmlichen LEDs. SLD haben eine hohe Ausgangsleistung und gleichzeitig ein breites Spektrum, da sie quasi ein weißes Licht emittieren. Die neuen Interferometer von Micro-Epsilon verwenden SLDs als Lichtquelle. Das verwendete Spektrum hat seinen Schwerpunkt im NIR-Bereich bei etwa 840nm. Insgesamt sind drei verschiedene Serien erhältlich. Mit dem Interferometer IMS5400-DS lassen sich hochpräzise Abstandmessungen in industriellen Anwendungen durchführen. Das Interferometer IMS5400-TH eignet sich zur genauen Dickenmessung in industriellen Anwendungen. Das Interferometer IMS5600-DS ist für Abstandsmessungen in Vakuum-Anwendungen geeignet, wobei Auflösungen im Bereich weniger Pikometer möglich sind. Die hohen Genauigkeiten der Interferometer, hängen direkt mit der Verwendung der SLD als Lichtquelle zusammen. Nach der Teilung des primären Lichtstrahls und der Überlagerung der beiden Teilstrahlen wird im Sensor das Interferenzsignal gemessen. Bei WeißlichtInterferometern wird dazu das Licht in seine spektralen Bestandteile aufgespalten und auf eine Sensorzeile abgebildet. Dort wird das Signal über das gesamte Spektrum hinweg aufgenommen. Bei der Auswertung des Signals werden die Frequenz des modellierten Spektrums sowie die Phasenverschiebung analysiert. Die Messung erfolgt dadurch mit noch höherer Genauigkeit. Zudem kann die Abstandsmessung absolut und nicht nur relativ erfolgen.

Industrielle Einsatzbereiche

Die neuen Weißlicht-Interferometer bieten eine sehr hohe Genauigkeit und eine Auflösung bis in den Sub-NanoMeter-Bereich. Die Systeme bestehen aus einem kompakten Sensor und einem Controller, der in einem industrietauglichen Gehäuse untergebracht ist. Eine im Controller enthaltene aktive Temperaturregelung sorgt für eine hohe Stabilität der Messung. Der Grundabstand des Sensors, der bis zu 20mm vom Messobjekt entfernt positioniert werden kann, ist im Verhältnis zum Messbereich von 2,1mm bei der Abstandsmessung sehr groß. Bei der Dickenmessung lassen sich Gläser oder Folien von 35µm bis zu 2,1mm messen. Hier liegt der Messbereichsanfang bei 41mm Das Spektrum der SLD liegt überwiegend im NIR, weswegen die Messung auch bei antireflex-beschichteten Gläsern funktioniert. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Montage von Festplatten. Da das Interferometer absolute Messwerte liefert, können auch Stufen und Kanten zuverlässig und ohne Signalverlust erfasst werden. Die kompakten Sensoren, die einen Durchmesser von 10mm haben, können auch bei beengten Verhältnissen einfach integriert werden. Ein Pilotlaser im Sensor erleichtert die richtige Positionierung zum Messobjekt. Durch die industrieoptimierte Ausführung ist auch eine Inline-Verwendung des Messsystems möglich. In der Halbleiterindustrie und der Display-Fertigung sind in machen Bereichen Sub-Nanometer-Auflösungen erforderlich. Hier kommt das IMS5600-DS zum Einsatz, das speziell für Anwendungen im Vakuum oder im Reinraum konzipiert ist. Ein Sonderabgleich des Controllers sorgt bei diesem Messsystem für die notwendige Auflösung. Über verschiedene digitale Schnittstellen lassen sich die Systeme in übergeordnete Steuerungsarchitekturen einbinden. Zur Einstellung kann der Zugriff auf den Controller über einen Standard-Browser auf den integrierten Webserver erfolgen.

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