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Realisierung und Kalibrierung vom Luftspaltnormalen zur Rückführung koaxialer interferentieller Schichtdickenmessung

01.12.2013

Zur Rückführung von interferometrischen Schichtdickenmessgeräten auf die Längeneinheit wurden aus optischen Planglasplatten und genormten Parallelendmaßen kostengünstige und anwenderfreundliche Luftspaltnormale entwickelt. Je nach Anforderung können mehrere Luftspalte unterschiedlicher Dicke in einem Normal realisiert werden.


Für die prozessnahe Messung sehr kleiner Dimensionen auf Werkstückoberflächen, die Messung der Werkstücktopografien sowie der Dicke transparenter dünner Schichten kommen in der Regel nur optische Messverfahren in Betracht. Zur Bestimmung dünner Schichten mit einer optischen Dicke (n*d) von 2 bis 250 µm wird z.B. die koaxiale interferometrische Schichtdickenmessung mittels Weißlichtinterferometer mit einer Auflösung von 10 nm verwendet. Typische Anwendungen sind die Messung von Lackschichten oder Folien. Es kann aber auch z.B. die Dicke einer Luftschicht zwischen zwei Glasplatten bestimmt werden.

Bei der chromatisch konfokalen Dickenmessung verfügt der Messkopf über eine starke Aberration, so dass die Brennweite merklich mit der Wellenlänge variiert. So lässt sich durch zwei Distanzmessungen z.B. die Mittendicke von optischen Linsen bis 25 mm oder die Wandstärke von glühenden Glasflaschen bis 18 mm im Fertigungsprozess bestimmen.

Bild 1 Prinzip der chromatischen konfokalen Dickenmessung


Nach Anfrage eines Geräteherstellers über Möglichkeiten zur Rückführung dieser interferometrischen Schichtdickenmessgeräte auf die Längeneinheit wurden zusammen mit der Herstellerfirma kostengünstige und anwenderfreundliche Luftspaltnormale entwickelt, die mit vorhandener Messtechnik in der PTB kalibriert werden können.

Die Luftspaltnormale in Brückenform werden z.B. wie folgt aufgebaut. Auf einer optischen Planglasplatte aus n-ZK7 werden zwei speziell selektierte und gegebenenfalls nachgeläppte Parallelendmaße der Kalibrierklasse K oder besser, aus Wolframkarbid, angeschoben und bilden die „Brückenpfeiler“ des Kalibrierkörpers. Zwischen diese Pfeiler werden weitere Parallelendmaße angeschoben, die später die Dicke des Luftspaltes vorgeben. Zum Abschluss wird eine zweite Anschubplatte auf die Brückenpfeiler-Parallelendmaße angeschoben. Die Güte der Luftspalte korreliert sehr stark mit der Qualität (Ebenheit, Parallelität, Oberflächenrauheit usw.) der verwendeten Parallelendmaße und der Planglasplatten. Diese Materialkombination wurde gewählt, um bei möglichst kleinen Differenzen der CTE-Werte große Anschubkräfte zu erreichen, damit der Zusammenhalt der montierten Luftspaltnormale beim Transport und während der Handhabung gewährleistet ist. Die Luftspaltnormale werden nur durch Adhäsionskräfte, also van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten, die zwischen den Atomen der Materialoberflächen wechselwirken.


Bild 2: Luftspaltnormal in Brückenform mit sechs Luftspalten

Je nach Anforderung können mehrere Luftspalte unterschiedlicher Dicke in einem Normal realisiert werden, dessen Stufenhöhen zur Darstellung der Luftspalte, in Abhängigkeit von der Qualität der einzelnen Bauteile, in der Regel mit Messunsicherheiten von 10 nm bis 20 nm (k = 2) interferentiell kalibriert werden.

Bisher wurden in der PTB Kalibriernormale mit Luftspalten von 1 µm bis 3,5 mm interferometrisch kalibriert und montiert, die zusammen mit den Messgeräten weltweit ausgeliefert werden und sich bei sachgemäßer Handhabung in der Praxis bewährt haben.


Literatur:


[1] Dr. G. Jakob, Koaxiale interferometrische Schichtdickenmessung, Sonderdruck aus Photonik (3/ 2000)
[2] M. Kunkel, J. Schulze, Mittendicke von Linsen berührungslos messen, Precitec-Sonderdruck aus Photonik (6/ 2004)
[3] B. Michelt, J. Schulze, Die Spektralfarben des Nanometers, Sonderdruck aus Mikroproduktion (2/ 2005)
[4] Folien prüfen schnell und sicher, Sonderdruck aus Kunststoff Magazin (Nov. 2008)
[5] J. Schulze, Neue Sensorkopf-Linie für die bewährten CHRocodile M4-Controller, Fachbericht aus GLASingenieur (5/2011)