Ultradünne Beschichtungen sorgen für die entscheidenden Funktionalitäten – bei der Chipherstellung genauso wie bei Autoscheinwerfern oder im Sanitärbereich. Ob die Beschichtungen richtig ausgeführt sind, lässt sich bisher meist nur mit hohem Aufwand und damit nur stichprobenhaft im Labor prüfen. Ein neuentwickeltes Messverfahren ermöglicht den Einsatz von Ellipsometrie zur Bewertung von Schichtdicken bis in den Nanobereich als integrierte Inline-Lösung im Produktionsprozess.

Sie sind nur Tausendstel eines Millimeters dick und doch garantieren sie entscheidende Funktionen von Produkten und Bauteilen: Zum Beispiel sorgen Beschichtungen mit Dicken im Mikro- und Nanobereich dafür, dass Schmutz an Fassadenelementen, Photovoltaikmodulen oder Produkten für den Sanitärbereich nicht haften bleibt. Ebenso kann der Mikrometer dicke, durchsichtige Lack auf der Innenseite des Autoscheinwerfers Kondensatbildung und damit ein Beschlagen der Fläche zuverlässig verhindern. Dass Beschichtungen ihre vielfältigen Funktionen in vollem Umfang auch erfüllen, setzt allerdings exaktes und fehlerfreies Aufbringen im Produktionsprozess voraus. Dasselbe gilt beim Abscheiden einzelner Schichten oder beim schichtweisen Materialabtrag in der Halbleiterindustrie. Bereits Abweichungen in der Größenordnung weniger Atomlagen können hier qualitätsentscheidend sein.

Insbesondere in den Qualitätslaboren der Halbleiterfertigung hat sich deshalb ein sehr genaues optisches Verfahren etabliert: die Ellipsometrie. Sie ermöglicht die optische Messung der Schichtdicken vom Mikro- bis in den Nanobereich und funktioniert absolut berührungslos und zerstörungsfrei. Das Prinzip dahinter ist vergleichsweise einfach zu erklären: Von einem Sender aus wird die Materialprobe von einem Lichtstrahl mit definierter Polarisation angestrahlt. Der an der zu messenden Schicht reflektierte Lichtstrahl wird von einem Empfänger detektiert. Aus der Messung der Polarisationsänderung zwischen dem einfallendem und reflektiertem Licht lässt sich nun die Dicke der Beschichtung bestimmen. Die Messanordnung setzt allerdings eine hochpräzise Einstellung von Einfalls- und Ausfallswinkel voraus. Um damit mehrere Messpunkte einer Oberfläche zu prüfen, muss die untersuchte Probe vollkommen eben sein. Damit auch bei einer gekrümmten Oberfläche die Reflexionsbedingung jederzeit erfüllt ist, müsste für jede Punktmessung Einfalls- und Ausfallswinkel neu angepasst werden. Für einen Einsatz bei der laufenden Qualitätskontrolle im Produktionsprozess sind sie daher meist nicht geeignet.

Eine am Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB entwickelte neue Methodik ermöglicht nun, die Ellipsometrie auch auf gekrümmten Flächen und als Inline-Verfahren zur Qualitätskontrolle dünner Beschichtungen zu verwenden. Kernelement dabei ist das Retroreflex-Prinzip. Wie bisher wird von einem Sender aus ein Lichtstrahl mit definierter Polarisation auf die zu prüfende Oberfläche gesendet. Im Reflexionsbereich aber positionieren die Forscher nicht wie bisher die Empfangseinheit, sondern eine Retroreflexfolie. »Diese Folie hat die Eigenschaft, das reflektierte Licht unter exakt demselben Winkel auf die Oberfläche zurückzusenden. Nach nochmaliger Reflexion an der Oberfläche gelangt der Lichtstrahl so genau wieder zum Ausganspunkt zurück«, erklärt Christian Negara vom Fraunhofer IOSB. Dort haben die Forscher die Lichtquelle durch einen Laserscanner mit kombinierter Sende-Empfangseinheit ersetzt. Der Polarisationszustand des reflektierten Laserstrahls wird also in der Einheit erfasst, von der er ausgesendet wurde. Die Reflexionsprüfung ist nicht länger davon abhängig, dass Einfalls- und Ausfallswinkel des Messaufbaus exakt justiert sind. »Auch bei Neigungsänderungen der zu prüfenden Oberfläche funktioniert die Messung zuverlässig. Einzige Bedingung, die dabei erfüllt werden muss ist, dass der reflektierte Laserstrahl den Bereich der Retroreflexfolie trifft«, so Negara.

Zusätzlich arbeitet das neue patentierte IOSB-Verfahren nicht nur mit einer punktuellen Lichtquelle. Bei dem von den Forschern umgesetzten Prototyp übernimmt ein Laserscanner mit einer Arbeitsbreite von etwa 20 Zentimeter die Funktion der kombinierten Sende- und Empfangseinheit. Bei der Prüfung von Beschichtungen auf gekrümmten oder unebenen Oberflächen deckt die Retroreflexfolie des Prototyps einen Winkelbereich von etwa 30 Grad ab. Auch größere Bereiche von Objekten wie etwa eines Autoscheinwerfers lassen sich in einem Durchlauf nicht nur punktuell auf Fehler oder Schwankungen in der Beschichtung prüfen, sondern problemlos komplett abscannen. Die bewährte Methodik der Ellipsometrie zur Messung dünner Schichten kann mit dem neuen Verfahren daher insbesondere auch zur kontinuierlichen Qualitätsprüfung im Produktionsprozess eingesetzt werden. Geeignete Anwendungsfelder sind alle Bereiche, in denen teilspiegelnde Beschichtungen analysiert werden sollen, von der Halbleiterfertigung über Lackauftrag an Kunstoffen und Metallen bis zum Schichtaufbau für optische Filter und Linsen. (stw)

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Christian Negara
  • Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB
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