Ein Laser-Blick auf ultradünne Schichten

  • 24. March 2016

Qualitätskontrolle von Beschichtungsverfahren in Echtzeit.

Wenn man große Flächen mit hauchdünnen Schichten im Mikrometer- oder Nanobereich überzieht, die genau die richtige Dicke haben müssen, dann passieren leicht Fehler. Oft kann man die Dicke der aufgebrachten Schicht erst untersuchen, nachdem der Beschichtungsvorgang abgeschlossen ist. Mit einigen technischen Tricks gelang es nun aber einem Forschungsteam der TU Wien, ein Gerät zu entwickeln, das direkt in Beschichtungsanlagen eingebaut werden kann, und im laufenden Betrieb eine zuverlässige Qualitätskontrolle ermöglicht. Dieses Gerät, das „Inline-Ellipsometer“ wird nun auf der Hannover Messe in Halle 27 an Stand L71 erstmals der Öffentlichkeit präsentiert.

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Abb.: Polarisationsmodulation eines Lasers mit photoelastischem Kristall. (Bild: TU Wien)

„Das Grundprinzip ist einfach“, sagt Ferdinand Bammer vom Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik der TU Wien. „Man beleuchtet die Oberfläche mit einem Laserstrahl und misst, wie das Laserlicht durch die dünne Schicht verändert wird.“ Dabei geht es nicht bloß um die Intensität des Laserstrahls, eine entscheidende Rolle spielt seine Polarisation – also die Richtung, in der die Lichtwelle schwingt.

Das Gerät, das nun vorgestellt wird, produziert kurze Laserpulse, die in rascher Folge abgefeuert werden. Durch einen Kristall, der tausende Male in der Sekunde schwingt, werden die Lichtpulse unterschiedlich polarisiert. Je nachdem, wie dick die untersuchte Schicht ist, werden die Polarisation und die Intensität der Pulse in unterschiedlichem Ausmaß verändert. Damit lassen sich sogar extrem dünne Beschichtungen mit einer Dicke im Mikrometer- oder Nanometerbereich zuverlässig analysieren. Die Beschichtung kann dabei aus beliebigem Material bestehen, solange es transparent oder nur teilweise durchscheinend ist – was bei extrem dünnen Schichten von wenigen Nanometern selbst bei Metallen der Fall ist.

„Unsere Messtechnik hat eine ganze Reihe von Vorteilen“, sagt Ferdinand Bammer. „Wir kommen mit relativ günstigen Komponenten aus und brauchen keine beweglichen Teile, dadurch ist das Gerät preiswert, robust und wenig fehleranfällig.“ Die Messung erfolgt berührungslos, etwa hundert Messungen pro Sekunde sind möglich. Mit Hilfe einer speziellen Abbildungsmethode kann man in einer einzigen Messung einen Bereich von etwa dreißig Zentimetern Länge erfassen. Das bedeutet, dass man diese Technik auch in schnell laufenden Industrieanlagen für die Echtzeit-Qualitätskontrolle einsetzen kann.

Konkurrierende Produkte sind entweder wesentlich aufwändiger, deutlich langsamer, oder messen Schichtdicken nicht flächig, sondern nur an wenigen Punkten - und sie verbrauchen deutlich mehr Energie. Außerdem scheitern viele Systeme an flexiblen, doppelbrechenden Materialien – die Technik der TU Wien kann bei vielen unterschiedlichen Materialien eingesetzt werden.

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Abb.: Anwendung der Beschichtungsmessung im „Roll-to-roll“-Druck für organische Photovoltaik (OPV). Bild: TU Wien)

„Besonders interessant ist das zum Beispiel für die Photovoltaik. Solarzellen sind oft aus mehreren Schichten aufgebaut, die exakt die richtige Dicke haben müssen“, sagt Ferdinand Bammer. Anwendungen für die Technik gibt es allerdings in fast allen Bereichen der Produktion – von Brennstoffzellen über Batterietechnik bis zu Displaytechnik, Medizin und Pharmaindustrie.

Ein Prototyp wurde bereits in bestehende Anlagen eingebaut und für verschiedene Beschichtungsarten erfolgreich getestet. Gerade wegen der vielseitigen Einsetzbarkeit der Ellipsometrie-Technik kann die Methode für beliebige Beschichtungsprozesse spezifisch angepasst werden. „Dass unsere Technik funktioniert, haben wir bewiesen“, sagt Ferdinand Bammer. „Nun können wir sie verschiedensten Firmen für ihre Produktionssteuerung oder ihre Qualitätskontrolle anbieten.“

TU Wien / LK

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