Zusammenfassung

Ein neuer Sensor mit koaxialem Strahlen-gang ermöglicht die berührungslose, hoch-auflösende Messung der Dicke transparen-ter Schichten in einem Bereich von 2 bis250 µm. Mit hohen Messraten kann derSensor auch für ortsaufgelöste Schichtdi-ckenmessungen eingesetzt werden. AnSchichtsystemen kann in einem Durchgangsimultan die Dicke mehrerer Einzelschichtenermittelt werden. Mit einem speziellenMesskopf wird aus dem Schichtdickensen-sor ein Sensor für hochaufgelöste Ab-standsmessungen.

Funktionsweise

Die Schichtdickenbestimmung beruht aufeiner interferometrischen Messung. Abbil-dung 1 zeigt die Teilstrahlen, die auftreten,wenn ein Strahl mit der Feldstärke Ei auf ei-ne transparente Schicht auftrifft. Es wird zu-nächst nur die Schicht mit der Dicke d1,2 be-trachtet. Die Schichtdickenmessung erfolgtkoaxial, die Strahlen treffen lotrecht auf dieOberfläche. Der in Abbildung 1 schräg ein-gezeichnete Strahlengang dient nur einerübersichtlicheren Darstellung. An jederGrenzfläche, an der sich die Brechzahl än-dert, wird ein Teil des auftreffenden Lichtes

Koaxiale interferometrischeSchichtdickenmessung

Dr. Gerd Jakob

Coaxial interferometric measuring oflayer thickness

Abstract

A new high resolution coaxial sensor en-ables non-contact measuring of the thick-ness of transparent layers in a range of 2to 250 µm. With its high sampling rate thesensor is also used for scanning measure-ments. The thickness of multiple individ-ual layers in a layer system can be deter-mined simultaneously in one measure-ment. With a special measuring head thesensor can be used for distance measure-ments.

Principle

The thickness determination is based onan interferometric measurement. Figure1 shows an incident beam with the fieldstrength Ei reflected by the two surfacesof the layer with the thickness d1,2 Thethickness measurement works coaxially,thus the incident beam and the reflectedbeams are parallel. The slanting beams infigure 1 serve for the purpose of a clearerdescription, only. At each interface of thelayer, a part of the incident light is reflect-ed. When measuring a single layer, thetwo beams appear with the field strengthsEr1 and Er2 . Because of the different prop-agation paths there is a phase differencebetween the two beams which dependson the wavelength of the light, on the lay-er thickness d1,2 and on the refractive in-dex of the layer n2. According to the Fres-nel Equations the amplitudes of the twobeams result from the refractive indicesn1, n2 and n3.With polychromatic light, the phase dif-ference between the two reflected beamsvaries with the wavelength. At certainwavelengths constructive interference oc-curs, at other wavelengths interference isdestructive. Therefore, the resulting in-tensity as a function of wavelength showsa typical pattern. In figure 2, such an in-tensity spectrum is shown, which hasbeen measured with the sensor describedbelow. The intensity of the interferencesignal as a function of wave number in-stead of wavelength is a harmonic func-tion. From its frequency, the optical pathlength (n2 × d1,2) of the layer is calculated.The geometrical layer thickness is ob-tained by dividing this value by the refrac-tive index.

reflektiert. Bei einer Einzelschicht treten dieTeilstrahlen mit den Feldstärken Er1 und Er2auf. Beide Strahlen legen unterschiedlicheWege zurück. Es tritt eine Phasenverschie-bung zwischen den Teilstrahlen auf, die vonder Wellenlänge des Lichtes, der Dicke d1,2der Schicht sowie der Brechzahl n2 desSchichtmaterials bestimmt wird. Die Beträ-ge der Feldstärken Er1 und Er2 ergeben sichmit den Fresnelschen Gleichungen aus denBrechzahlen n1, n2 und n3.Trifft polychromatisches Licht auf dieSchicht, so variiert die Phasenverschiebungzwischen den Teilstrahlen mit der Wellen-länge. Bei bestimmten Wellenlängen trittkonstruktive, bei anderen destruktive Inter-ferenz auf. Wird die Intensität dieses Inter-ferenzsignales über der Wellenlänge aufge-tragen, zeigen sich abwechselnd Minimaund Maxima. In Abbildung 2 ist ein solchesIntensitätsspektrum dargestellt, das mitdem unten beschriebenen Sensor gemes-sen wurde. Wird die Intensität des Interfe-renzsignales nicht über der Wellenlängesondern über der Wellenzahl aufgetragen,ergibt sich eine harmonische Funktion, de-ren Frequenz proportional zur optischenWeglänge der Schicht (n2 × d1,2) ist. Damitkann aus der Frequenz die optische Weg-länge und bei bekannter Brechzahl dieSchichtdicke bestimmt werden.Befindet sich nicht eine Schicht sondern einSystem aufeinanderfolgender Schichten imStrahlengang, treten weitere Teilstrahlenauf (vgl. Abbildung 1). Aus der Kombinationvon jeweils zwei der Teilstrahlen ergibt sichein periodisches Intensitätssignal im Spek-trum des reflektierten Lichtes. Bei zweiSchichten, wie in Abbildung 1 dargestellt,erhält man im Intensitätsspektrum dann dieSumme von drei, bei drei Schichten vonsechs harmonische Funktionen. Eine Fou-rieranalyse ermöglicht es, diese Funktionenzu trennen und die Frequenzen zu bestim-men. Abbildung 3 zeigt die Fouriertrans-formierte des Spektrums, das in dem untenbeschriebenen Sensor bei der Messung aneinem zweischichtigen Klebefilm entsteht.Aufgetragen ist die Intensität der an diesem

OPTISCHE MESSTECHNIK / OPTICAL MEASURING

Abb. 1: Darstellung zum Schichtdicken-Messprinzip: Reflexion der Teilstrahlen antransparenten Schichten.

Fig. 1: Illustration of the measurement prin-ciple: Partial beams, being reflected attransparent layers.

When measuring a system of different lay-ers additional beams are reflected on eachinterface (Figure 1). The resulting intensi-ty as a function of the wave number is thesum of different harmonic functions, eachof them representing a combination oftwo reflected beams. Two layers, asshown in Figure 1, lead two three, threelayers to six harmonic functions. With aFourier Analysis, the frequencies of thedifferent functions are determined. Fig-ure 3 shows the Fourier Transform of anintensity spectrum, as it appears when atwo layer adhesive tape is measured. Thefigure shows the intensity as a function ofthe optical path length. The two smallerpeaks represent the optical path lengthsof the glue and the foil layers, respective-ly, and from the position of the higherpeak, the optical path length of the com-plete tape is measured. Because of thesmall difference of the refractive indices ofthe glue and the foil, the reflectivity oftheir interface is very low and the peaksare small. At the interfaces towards air,the high reflectivity due to a greater dif-ference of refractive indices leads to ahigher peak.

Sensor Design

A new sensor called CHR 150 N-TMmakes use of this measuring principle. Thesensor consists of a control unit and a smallmeasuring head. Inside the control unit,there is a white light source. Its light istransmitted to the measuring head by amultimode fibre. The measuring head fo-cuses the light onto the object to be mea-sured and couples the reflected light backinto the fibre. This reflected light returnsto the spectrometer inside the controlunit, where the spectral composition ofthe intensity is measured by a line detec-tor. The spectrum is calculated as a func-tion of the wave number and a FourierTransform leads to one peak, respectivelyto several peaks when a number of dif-ferent layers is measured. From the peakpositions the layer thicknesses are calcu-lated.The determined values are shown on anintegrated LC-display. When measuring asingle layer, the LCD directly displays thelayer thickness, with the refractive indexentered by the user. For measuring a sys-tem of multiple different layers, the usersets the refractive index to n = 1, and thenthe optical path lengths of the single lay-ers are shown on the display. To obtaineach layer’s thickness, the optical pathlength has to be divided by the corre-sponding refractive index. A serial inter-face provides data transfer to a PC, suchthat the evaluation can be carried out withappropriate software.

Abb. 2:Intensitätsspektrum

des an einer transpa-renten Schicht reflek-

tierten Weißlichts.

Fig. 2:Intensity spectrum of

white light reflected atthe interfaces of one

transparent layer.

Abb. 3:Fouriertransformiertes

Spektrum beiMessung eines

Zweischichtensystems.

Fig. 3:Fourier transform of

the intensity spectrumof a two layer system.

Schichtsystem auftretenden Peaks über deroptischen Weglänge. Die beiden kleinerenPeaks repräsentieren die Folie und die Kle-berschicht, während sich aus der Positiondes großen Peaks die optische Weglängedes gesamten Klebefilms ergibt. Wegen desgeringen Brechzahlunterschieds zwischenKleberschicht und Folie ist der Reflexions-grad an der Grenzfläche zwischen diesenSchichten sehr klein. Das erklärt die kleine-ren Peaks. Ein höherer Reflexionsgrad auf-grund eines größeren Brechzahlunter-schieds an den Grenzflächen zur umgeben-den Luft führt zu dem großen Peak.

Sensoraufbau

Im Sensor mit der Bezeichnung CHR 150 N-TM wird dieses Messprinzip umgesetzt. DerSensor besteht aus einer Kontrolleinheitund einem kleinen Messkopf. In der Kon-trolleinheit befindet sich eine Weißlicht-quelle, deren Licht über eine Multimode-Glasfaser zum Messkopf übertragen wird.Mit dem Messkopf wird das Licht zu der zuvermessenden Schicht fokussiert, und dasvon den Grenzflächen der Schicht zum

Messkopf reflektierte Licht wird in die Fasereingekoppelt. Es läuft durch die Faser zu-rück in den Spektrografen der Kontrollein-heit. Dort wird das Spektrum des reflektier-ten Lichtes auf eine Detektorzeile abgebil-det. Das ausgelesene Spektrum wird auf dieWellenzahl umskaliert und fouriertransfor-miert. Aus den Positionen der in der Fou-riertransformierten auftretenden Peakswerden die optischen Weglängen der zu-gehörigen Schichten bestimmt.Die ermittelten Messwerte können an derKontrolleinheit direkt abgelesen werden.Dafür steht ein zweizeiliges LC-Display zurVerfügung. Bei Untersuchung einer Einzel-schicht kann die Brechzahl des Schichtma-terials vom Anwender eingestellt werden,so dass im Display direkt die Schichtdickeangegeben wird. Für die Untersuchung vonSchichtsystemen werden bei einer am Ge-rät eingestellten Brechzahl von n = 1 die op-tischen Längen der Einzelschichten angege-ben. Der Anwender erhält daraus dieSchichtdicken, indem er jeden der Wertedurch die Brechzahl des Materials dividiert.Der Sensor verfügt über eine schnelle se-rielle Schnittstelle, um die Messwerte aus-

The device can be completely configuredby commands, transmitted to it from a PCvia a serial interface. For stand-alone op-eration, the configuration can be enteredby the function keys on the front panel.The high sampling rate of 300 Hz and thesmall spot size also allows scanning mea-surements. To support a measurement ofthe thickness of e.g. a foil, either within a2D area, or along a scanning line, the sen-sor is well prepared for integration into amulti-axial positioning system. A triggerinput enables synchronisation of the mea-surement with the scanning movement. Inaddition to the serial interface, the sensoris also equipped with two configurableanalogue outputs for data transfer.The measuring head works without anymoveable or electronic components. Theonly connection between the measuringhead and the control unit is the optical fi-bre. To comply with harsh environments,for example with strong electromagneticfields or radioactivity, the measuring headcan be separated from the control unit byseveral metres.Various measuring heads for different ap-plications are available. With a standardhead, the thickness range is 2 to 250 µm,providing a resolution of 10 nm and a re-producibility of 20 nm (all values for a re-fractive index of n = 1). The working dis-tance is 30 mm. It can vary by ± 2 mm, en-abling measurements in applications,where the object to be measured can notbe fixed or is vibrating.

Examples of Applications

Typical applications are the measurementof lacquer layers on a metal surface orcontrol of foil thickness. For example, itcan also be used to measure the thicknessof an air layer between two glass plates.Figure 4 shows the results of a scanningthickness measurement of a sample offoil. This example proves the high resolu-tion of the sensor. In the 0.1 ×0.1 mm2

area, the foil thickness varies by anamount of 200 nm.In Figure 5 the result of another scanningmeasurement is presented. The thicknessof a silicon sealing had to be measured. Inthe upper left and the lower right cornerof the 2 × 2 mm2 area a steep decrease ofthickness can be seen, representing thelateral boundaries of the layer. Initial at-tempts to measure thickness profiles witha triangulation sensor as well as with ascanning focus sensor, had failed. Thethickness was measured too small, be-cause these sensors can not deal with re-ceiving light from both the sample’s topsurface and also some light from the rearface. However, by using the interferomet-ric sensor, the layer thickness of about

OPTISCHE MESSTECHNIK / OPTICAL MEASURING

Abb. 4:Variation der Dicke ei-ner Frischhaltefolie ineinem 0,1 x 0,1 mm2

großen Ausschnitt.

Fig. 4:Measured thicknessvariation of a foil in a0.1 x 0.1 mm2 area.

Abb. 5:Dicke einer Silikon-dichtung in einem2 x 2 mm2 großen Aus-schnitt. Die Farbskalagibt die Schichtdickein µm an.

Fig. 5:Thickness of a siliconsealing in a 2 x 2 mm2

area. The scale showsthe thickness in µm.

zulesen. Übertragen werden immer die op-tischen Längen der Einzelschichten, so dassdie Auswertung und Schichtdickenbestim-mung mit einem Messprogramm am PC er-folgen kann.Das Gerät kann von einem Rechner ausmittels Befehlen, die es über seine serielleSchnittstelle empfängt, vollständig konfigu-riert werden. Für Stand-Alone-Einsätze er-folgt die Konfigurierung mit Funktions-tasten an der Frontseite der Kontrolleinheit.Die hohe Messrate von 300 Messungen proSekunde sowie der kleine Messfleck er-möglichen auch ortsaufgelöste Schichtdi-ckenmessungen. Dafür wird der Sensor ineinem Mehrachsen-Positioniersystem be-trieben, und die zu untersuchende Schichtwird zeilenweise gescannt. Der Sensor istfür die Integration in solche Messeinrich-tungen vorbereitet. Ein Triggereingang er-möglicht die Synchronisierung der Messungmit der Positionier-Bewegung. Neben der

Datenübertragung über die serielle Schnitt-stelle stehen auch zwei konfigurierbareAnalogausgänge zur Verfügung.Der Messkopf arbeitet ohne beweglicheund ohne elektronische Komponenten. Erist nur über eine Glasfaser mit der zugehö-rigen Kontrolleinheit verbunden. Bei Einsatzin schwierigen Umgebungsbedingungen(z.B. elektromagnetische Felder, Radioakti-vität) kann der robuste Messkopf über meh-rere Meter von der Elektronik abgesetztwerden.Für unterschiedliche Anforderungen stehenverschiedene Messköpfe zur Verfügung.Mit einem Standardmesskopf wird einMessbereich von 2 bis 250 µm mit einerAuflösung von 10 nm und einer Reprodu-zierbarkeit von 20 nm erreicht (Angaben füreine Brechzahl von n=1). Der Arbeitsab-stand beträgt 30 mm. Er darf um ±2 mmvariieren. Das ermöglicht den Einsatz desSensors in Anwendungen, bei denen das

20 µm average and a variation of 7 µmcould easily be determined.

Distance Measurements with aThickness Sensor?

After an exchange of the measuring headand a modification of the operationalmode, the thickness sensor turns into ahigh resolution sensor for distance mea-surements. The measuring head for dis-tance measurements also works withoutany moveable or electronic components.The white light, transmitted to the headvia the fibre, is focussed onto the objectto be measured. Because of a strong chro-matic aberration of the light emitted fromthe measuring head, focal length variessignificantly with wavelength. As soon asthe focus corresponding to one specificwavelength is on the object’s surface, thelight reflected to the measuring head andrecoupled into the fibre has a maximumat this wavelength. The spectrum of thereflected light, that is evaluated in thecontrol unit, shows a narrow peak. Fromthe peak position the distance to the ob-ject is calculated. Using a standard head,the measuring range is 300 µm, with aresolution of 10 nm and an accuracy of±100 nm. Maximum sampling rate is1000 Hz, working distance is 5 mm. Typi-cal obstacles of laser based distance mea-suring methods, such as shading effects incase of triangulation or high demands onsurface quality in case of monochromaticinterferometric measurements, are over-come with the white-light measuringmethod described above. The sensor’stopographic measuring capability is notlimited by surface properties such ascolour, roughness or reflectivity.The distance sensor is being used in agreat number of different applications formeasurement of topography, roughness,contour, flatness and so on. In Figure 6,the measured topography of a microlensarray is shown.

Literatur / further reading:[1] J.-Rh. Pérez, Optik, Spektrum Akad.

Verlag, Heidelberg, 1996.[2] E. Hecht, Optik, Addison-Wesley,

Bonn, 1996.

Sonderdruck aus Photonik 3/2000

Abb. 6:Topographie eines

Mikrolinsen-Arrays ineinem 1 x 1 mm2

großen Ausschnitt.Die Skala gibt die Ob-

jekthöhe in µm an.

Fig. 6:Topography of a

microlens array in a1 x 1 mm2 area. The

scale shows the objectheight in µm.

Messobjekt keine feste Auflage hat oderVibrationen auftreten.

Anwendungsbeispiele

Typische Anwendungen des Sensors sinddie Messung von Lackschichten auf Metall-oberflächen oder die Kontrolle der Dickevon Folien. Es kann aber auch z.B. die Dickeeiner Luftschicht zwischen zwei Glasplattenbestimmt werden.Abbildung 4 zeigt die ortsaufgelöste Mes-sung der Dicke einer handelsüblichen Haus-haltsfolie. Dieses Messbeispiel dokumen-tiert die hohe Auflösung des Messverfah-rens. In dem 0,1 × 0,1 mm2 großen Aus-schnitt variiert die Foliendicke um 200 nm.In Abbildung 5 ist das Ergebnis einer wei-teren ortsaufgelösten Messung dargestellt.Vermessen wurde die Dicke einer Silikon-dichtung. An der oberen linken und der un-teren rechten Ecke des 2 × 2 mm2 großenAusschnitts erkennt man den Abfall derSchichtdicke und damit die Grenzen derDichtung. Eine Bestimmung der Schichtdi-cke durch eine Profilmessung mit einem Tri-angulator und einem Autofokus-Sensorwar zuvor gescheitert. Da diese Sensorennicht nur das an der Oberseite reflektierteLicht empfangen, sondern auch Licht vonder Unterseite, wird eine zu geringe Profil-höhe und damit Schichtdicke gemessen.Die interferometrische Schichtdickenmes-sung war dagegen unkritisch. Es konnte ge-zeigt werden, dass in dem Ausschnitt dieSchichtdicke bei einem Mittelwert von etwa20 µm um 7 µm variiert.

Abstandsmessung mit einemSchichtdickensensor?

Nach Austausch des Messkopfes und Um-schalten der Betriebsart wird aus demSchichtdickensensor ein hochauflösenderAbstandssensor. Der Messkopf für die Ab-standsmessung arbeitet ebenfalls passiv oh-ne bewegliche oder elektronische Kompo-nenten. Das über die Glasfaser übertragene

Licht wird vom Messkopf auf das Messob-jekt fokussiert. Der Messkopf verfügt dabeiüber eine starke chromatische Aberration,so dass die Brennweite merklich mit derWellenlänge variiert. In Abhängigkeit vomAbstand zwischen Messobjekt und Mess-kopf befindet sich auf der Oberfläche desMessobjektes der Fokus für eine bestimmteWellenlänge. Für diese Wellenlänge wirddas reflektierte und im Messkopf wieder indie Faser eingekoppelte Licht maximal. DasSpektrum des reflektierten Lichtes, das inder Kontrolleinheit ausgewertet wird, zeigteinen ausgeprägten Peak. Aus der Wellen-länge, bei der dieser Peak auftritt, wird derAbstand zum Messobjekt bestimmt. Mit ei-nem Standardmesskopf wird bei einemMessbereich von 300 µm eine Auflösungvon 10 nm und eine Absolutgenauigkeitbesser ±100 nm erreicht. Die maximaleMessrate liegt bei 1000 Hz, der Arbeitsab-stand beträgt 5 mm. Typische Probleme derlaserbasierten Abstandsmessverfahren, wiez.B. Abschattungseffeke bei der Triangula-tion und hohe Anforderungen an die Qua-lität der Oberfläche bei monochromati-schen interferometrischen Messungen,werden mit dem beschriebenen Weißlicht-messverfahren überwunden. Es können so-wohl glatte und rauhe, hochreflektierendeund durchlässige Oberflächen vermessenwerden.Der Abstandssensor wird bereits in einergroßen Anzahl verschiedener Anwendun-gen zur Messung von Topographie, Rauheit,Kontur, Ebenheit usw. eingesetzt. Abbil-dung 6 zeigt als ein Beispiel die gemesseneTopographie eines Mikrolinsen-Arrays.

Ansprechpartner / author contact:

Dr. Berthold MicheltPrecitec Optronik GmbHRaiffeisenstr. 5D-63110 RodgauTel. +49 (0)6106 / 8290-0, Fax -26email: info@precitec-optronik.deInternet: www.precitec-optronik.de

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