Oberflächenmessung für Industrie, Forschung und Labor

Optischer Aufbau eines Weißlichtinterferometers. Bild: Polytec
Immer wenn es um die Prüfung der Oberflächenbeschaffenheit feinster Strukturen geht sind Weißlicht-Interferometer in ihrem Element, in Fertigung und Entwicklung ebenso wie im Labor und der Forschung. Das Verfahren funktioniert auf nahezu allen Materialien, arbeitet berührungslos und liefert Höhenauflösungen im Nanometerbereich. Dabei sind großflächige Messungen heute ebenso möglich, wie detaillierte, mikroskopbasierte Untersuchungen mit hoher lateraler Auflösung, z.B. zur Oberflächencharakterisierung von Wafern, optischen Komponenten oder in der Tribologie.

Moderne Weißlicht-Interferometer nutzen die Interferenzeffekte, die bei der Überlagerung des vom Messobjekt reflektierten Lichts mit einem Referenzsignal auftreten. Das Messverfahren basiert auf dem Prinzip des Michelson-Interferometers, wobei der optische Aufbau eine Lichtquelle mit einer Kohärenzlänge im µm-Bereich enthält. An einem Strahlteiler wird der kollimierte (also gerade gerichtete bzw. parallelisierte) Lichtstrahl in Mess- und Referenzstrahl aufgeteilt. Der Messstrahl trifft das Messobjekt, der Referenzstrahl einen Spiegel. Das vom Spiegel und Messobjekt jeweils zurückgeworfene Licht wird am Strahlteiler überlagert und auf eine Kamera abgebildet. Stimmt der optische Weg für einen Objektpunkt im Messarm mit dem Weg im Referenzarm überein, kommt es für alle Wellenlängen im Spektrum der Lichtquelle zu einer konstruktiven Interferenz. Das Kamerapixel des betreffenden Objektpunktes hat dann die maximale Intensität. Für Objektpunkte, die diese Bedingung nicht erfüllen, hat das zugeordnete Kamerapixel eine niedrigere Intensität. Geräte mit telezentrischem Aufbau erlauben damit eine simultane Vermessung mehrerer Punkte und erfassen so die Topographie großer Flächen in einem einzigen Messvorgang und innerhalb einer kurzen Messzeit. Wenn dagegen eine hohe laterale gefordert ist, bieten sich mikroskopbasierte Systeme an, bei denen der optische Aufbau mitsamt dem Referenzarm in das Objektiv integriert ist.

Hohe laterale Auflösung über den gesamten Messbereich

Für jede Oberfläche die passende Messtechnik: Die bewährte TopMap-Familie. Bild: Polytec
Für jede Oberfläche die passende Messtechnik: Die bewährte TopMap-Familie.

Mit den Weißlichtinterferometern der TopMap-Familie bietet Polytec für unterschiedliche Anwendungsfelder bereits seit etlichen Jahren passende Messsysteme an, die sich in vielen Applikationen bewährt haben. Typische Anwendungen für Scanning-Interferometer sind Ebenheitsmessungen an Dichtflächen, Wölbungen von Membranen, das Erkennen von Platinenverzug oder die Detektion von Formabweichungen an Pumpen sowie Hochdruckkomponenten.

Mikroskopsysteme mit hoher lateraler Auflösung im gesamten Messbereich bis 100 mm. Bild: Polytec
Mikroskopsysteme mit hoher lateraler Auflösung im gesamten Messbereich bis 100 mm.
Bild: Polytec

In letzter Zeit hat die Nachfrage nach Messungen von Strukturdetails, beispielsweise Rauheit, sowie nach motorisiertem Zubehör wie Optiken und Verfahr- bzw. Kipptischen deutlich zugenommen. Deshalb wurde die TopMap-Familie jetzt um weitere mikroskopbasierte Ausführungen erweitert, die das vorhandene Mikroskopsystem TopMap µ.Lab ablösen. Die „Neuen“ bieten eine deutlich höhere Anzahl der Messpunkte in X- und Y-Richtung und das dank spezieller Scanning-Technologie (Continous Scanning Technology) über den gesamten vertikalen Messbereich von 100 mm, statt nur über 250 µm. Damit sind nun noch detailliertere Messungen möglich, z.B. um Mikro-Strukturen auf Waferoberflächen zu detektieren, die Mikrostrukturen bei Druckverfahren zu analysieren oder um Oberflächenrauheiten optischer Komponenten zu bestimmen. Die zusätzlich zur Höhenmessung gelieferte Farbinformation (RGB) vom Messobjekt vereinfacht dabei die Fehlerzuordnung und Dokumentation. Werden die Weißlichtinterferometer in rauer Fertigungsumgebung eingesetzt, kompensiert die optionale EC-Technologie (Enviromental Compensation Technologie) Umwelteinflüsse automatisch.

Zwei Varianten, viele Möglichkeiten

Die zusätzlich zur Höhenmessung gelieferte Farbinformation vom Messobjekt vereinfacht die Fehlerzuordnung und Dokumentation. Bild: Polytec
Die zusätzlich zur Höhenmessung gelieferte Farbinformation vom Messobjekt vereinfacht die Fehlerzuordnung und Dokumentation.

Die beiden Mikroskopsysteme decken die in der Praxis oft recht unterschiedlichen Anwenderwünsche ab. So ist die Standardversion TopMap Micro.View als Einstiegsmodell konzipiert, das sich als Stand-alone-Lösung schnell und unkompliziert überall einsetzen lässt, z.B. auch in kleineren Prüflabors oder Forschungsinstituten. Objektivrevolver und X/Y-Verfahrtisch lassen sich manuell positionieren, einen kleinen motorisierten Verfahrtisch gibt es als Option. Die Z-Achse lässt sich immer motorisiert verfahren

Wer größere Flexibilität und Leistungsfähigkeit braucht, ist mit dem TopMap Micro.View+ gut beraten. Die Advanced-Version bietet motorisierte X-, Y- und Z-Achsen mit einem Verfahrbereich von 200x200x100 mm³ sowie einen ebenfalls motorisierten Objektiv-Revolver und eine motorisierte Kippplattform (Neigetisch). Prüfabläufe können dadurch automatisiert nach bestimmtem “Rezepten“ ablaufen. Darüber hinaus ergeben sich konstruktive Variationsmöglichkeiten. So kann die Probenhöhe bis auf 370 mm gemessen werden und bei Bedarf lässt sich der Messkopf auch separat direkt in der Fertigungslinie integrieren. Dank Autofokus-Funktion und automatischem Fokus-Tracker hat das Messsystem Objekt oder Probe immer im Blick. Der Fokus-Tracker funktioniert so ähnlich wie eine „Gesichtserkennung“, bei variierenden Objektpositionen wird der Fokus automatisch wiedergefunden.

Hardware und Software, alles aus einer Hand

Dank vieler Exportmöglichkeiten können die 3D-Messdaten der Weißlichtinterferometer mit jeder geeigneten Auswertesoftware bearbeitet werden. Besonders einfach und praxisgerecht wird der Umgang allerdings mit der speziell für diese Polytec-Topografie-Messsysteme entwickelten TMS Software, die zahlreiche Möglichkeiten bietet, um die Messergebnisse zügig und ISO-konform auszuwerten. „Messrezepte“ beispielsweise erleichtern Routineaufgaben. Hier lassen sich die Einstellungen für die Datenaufnahme (zum Beispiel Messposition, Beleuchtungseinstellungen, Kameraparameter) zusammen mit Auswerteparametern (zum Beispiel Nachbearbeitungsschritte, Visualisierungs- oder Exportmöglichkeiten) für spezielle Messaufgaben definieren und abspeichern. Somit werden aus komplexen Oberflächenanalysen einfache Ein-Klick-Lösungen. Das spart besonders im Produktionsumfeld Zeit, vermeidet Bedienfehler und auch Nicht-Fachleute können mit den Messsystemen arbeiten.

Wer sich unsicher ist, welches der unterschiedlichen Weißlichtinterferometer für die spezielle Messaufgabe am besten geeignet ist, kann sich umfassend beraten lassen. Außerdem können sich potentielle Anwender auf die Angaben in den Datenblättern verlassen. Polytec ist Mitglied der Initiative „Faires Datenblatt“, die Vorgaben für einheitliche Geräte- und Verfahrensspezifikationen definiert, damit Datenblätter für die optische Oberflächenmesstechnik transparent und vor allem auch vergleichbar sind.

Über Polytec
Als Lasertechnologie-Pionier bietet Polytec bereits seit 1967 optische Messtechnik-Lösungen für Forschung und Industrie. Nach den Anfangsjahren als Distributor machte sich das Hochtechnologie-Unternehmen mit Sitz in Waldbronn bei Karlsruhe schon in den 70er Jahren einen Namen als Entwickler eigener laserbasierter Messgeräte und ist heute Weltmarktführer im Bereich der berührungslosen Schwingungsmesstechnik mit Laservibrometern. Systeme für die Längen- und Geschwindigkeitsmessung, Oberflächencharakterisierung, Analytik sowie die Prozessautomation gehören ebenfalls zur breiten Palette an Eigenentwicklungen. Eine weitere Kernkompetenz von Polytec ist die Distribution von Bildverarbeitungskomponenten und optischen Systemen.

Alle Bilder: Polytec

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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