Messtechnik Wie Weißlicht-Interferometer auch im Nanometer-Bereich präzise messen

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Folien, Flachglas, Computer-Festplatten, Displays oder Halbleiterwafer müssen mit enormer Genauigkeit gefertigt werden. Die Anforderungen an die Abstands- und Dickenmessung sind dabei sehr hoch. Optische Interferometrie mit SDL bietet eine Lösung – auch für den Nanometer-Bereich.

Über 100 Jahre ist die Methode mit einem Interferometer Entfernungen sehr genau zu bestimmen alt. Der erste amerikanische Physik-Nobelpreis-Träger Albert Michelson hat damit bereits gegen Ende des 19. Jahrhunderts Messungen durchgeführt. Damals ging es um die exakte Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit und den Nachweis, dass der sogenannte Äther, der als Medium für die Ausbreitung von Licht im Vakuum bezeichnet wurde, nicht existiert.

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Das Ergebnis des Michelson-Morley-Experiments führte dazu, dass die Relativitätstheorie durch Albert Einstein entwickelt wurde. Heute ist die Interferometrie als Präzisionsmesstechnik auch in der industriellen Messtechnik angekommen. Vor allem genaue Abstands- und Dickenbestimmungen zeichnen dieses Verfahren aus, das bis hinab in den Nanometer-Bereich und sogar darunter misst.

Wie das Messprinzip eines Interferometers funktioniert

Das Messprinzip eines Interferometers basiert auf der Wellennatur des Lichts. Diese führt dazu, dass sich überlagernde Wellen entweder verstärken oder auslöschen können, je nachdem, ob Wellenberg auf Wellenberg oder Wellenberg auf Wellental trifft. 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, führt das zu einem kompletten Wechsel von positiver Interferenz (Verstärkung) zu negativer Interferenz (Auslöschung).

Um mit dieser Methode zum Beispiel 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 diese Abstandsänderung sehr empfindlich an der Interferenz feststellen. Sollen Dicken etwa von Folien oder Gläsern gemessen werden, wird ausgenutzt, dass sowohl Vorder- als auch Rückseite des Messobjekts reflektieren. Dickenänderungen sorgen dann ebenfalls für die Änderung des Interferenzsignals – ein separater Referenzstrahl ist dabei nicht notwendig. Eine Besonderheit der Dickenmessung: Da die beiden interferierenden Teilstrahlen von der Ober- und Unterfläche stammen, ist das Messergebnis unabhängig vom Abstand zum Messobjekt.

Superlumineszenz-Diode emittiert weißes Licht

Eine der Grundvoraussetzungen für Interferometer ist kohärentes Licht. Kohärenz bedeutet, dass ein Wellenfeld im „Gleichtakt“ schwingt. Nur dann ist eine Überlagerung der Lichtwellen möglich, die zur Interferenz führt. Sehr kohärentes Licht lässt sich beispielsweise mit einem Laser erzeugen. Dessen Licht ist in der Regel monochromatisch, und die Lichtwellen sind phasengleich. Eine andere für die Interferometrie geeignete Lichtquelle ist die Superlumineszenz-Diode (SLD). Diese kombiniert die Vorteile von Laserdioden und herkömmlichen LED. SLD haben eine hohe Ausgangsleistung und gleichzeitig ein breites Spektrum – sie emittieren also quasi ein weißes Licht.

Die Interferometer von Micro-Epsilon Messtechnik verwenden solche SLD als Lichtquelle. Das Spektrum hat seinen Schwerpunkt im nahen Infrarotbereich bei etwa 840 nm. Insgesamt sind drei verschiedene Serien des Messgeräts erhältlich. Mit dem Interferometer IMS5400-DS lassen sich hochpräzise Abstandmessungen in industriellen Anwendungen durchführen. Das Interferometer IMS5400-TH eignet sich dagegen zur genauen Dickenmessung ebenfalls in industriellen Anwendungen. Das Interferometer IMS5600-DS ist für Abstandsmessungen geeignet, die in Vakuum-Anwendungen durchgeführt werden, wobei Auflösungen im Bereich weniger Pikometer möglich sind. Das ist beispielsweise in der Halbleiterindustrie und der Displayfertigung relevant.

SLD sorgt für hohe Genauigkeit

Die hohen Genauigkeiten wird durch die SLD als Lichtquelle erreicht. Nachdem der primäre Lichtstrahl geteilt und die beiden Teilstrahlen überlagert werden, wird im Sensor das Interferenzsignal gemessen. Bei Weißlicht-Interferometern 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 dieses Signals werden die Frequenz des modellierten Spektrums sowie die Phasenverschiebung analysiert. Gemessen wird dadurch mit noch höherer Genauigkeit, außerdem kann die Abstandsmessung absolut und nicht nur relativ erfolgen.

Die Weißlicht-Interferometer bestehen aus einem kompakten Sensor und einem Controller, der in einem robusten industrietauglichen Gehäuse untergebracht ist. Eine im Controller enthaltene aktive Temperaturregelung sorgt für eine hohe Stabilität der Messung. Der Grundabstand des Sensors, der bis zu 20 mm vom Messobjekt entfernt positioniert werden kann, ist im Verhältnis zum Messbereich von 2,1 mm bei der Abstandsmessung groß. Bei der Dickenmessung lassen sich Gläser oder Folien von 35 µm bis zu 2,1 mm vermessen. Hier liegt der Messbereichsanfang sogar bei 41 mm. Das Spektrum der SLD liegt überwiegend im nahen Infraroten, weswegen die Messung auch bei antireflex-beschichteten Gläsern zuverlässig funktioniert.

In welchen Anwendungen Interferometer zu finden sind

Die Anwendungen der Interferometer finden sich überall dort, wo eine sehr hohe Präzision bei der Abstands- oder Dickenmessung erforderlich ist. Die Dickenmessung wird bei der Produktion von Folien und Flachglas eingesetzt. Abstände spielen etwa bei der Fertigung und Montage von hochpräzisen Teilen und Systemen eine Rolle. Ein typisches Beispiel 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 lediglich 10 mm haben, können auch bei beengten Verhältnissen integriert werden. Ein Pilotlaser im Sensor erleichtert dabei die richtige Positionierung zum Messobjekt. Auch kann das Messsystem Inline verwendet werden. Über verschiedene digitale Schnittstellen lassen sich die Interferometer in übergeordnete Steuerungsarchitekturen einbinden.

Egal ob im Reinraum, unter Ultrahochvakuum oder in rauer industrieller Umgebung: Weißlicht-Interferometer sorgen bei der Abstands- und Dickenmessung für die notwendigen präzisen Messungen bis in den Nanometer- oder Sub-Nanometer-Bereich.

* Dr. Alexander Streicher, Produktmanager Sensorik, Micro-Epsilon Messtechnik

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