Optisch versus taktil - Messmethoden im Vergleich

Welches Verfahren ist das bessere? Welche Vorteile und Nachteile gibt es? Welche Anforderungen lassen sich mit den einzelnen Methoden erfüllen? Beide Methoden werden sich weiterentwickeln und wahrscheinlich nebeneinander existieren. Dennoch sind der taktilen Messtechnik mehr Grenzen gesetzt. Erfahren Sie hier nun mehr über taktile und optische Messungen, sowie entscheidende Rahmenbedinungen bei der Wahl des richtigen Verfahrens. 

Optische Messgeräte und Ihre Vorteile

Moderne optische Messgeräte ermöglichen eine berührungslose und damit zerstörungsfreie  Oberflächenmessung.  Es können Profillinien in beliebiger Richtung durch die Oberfläche gelegt werden. Zusätzlich werden im 3D-Modus auch die Kontur oder die vollständige Topographie von Bauteilen bestimmt.  Ebenso können Rauheit, Welligkeit, Ebenheit oder auch Schichtdicke dreidimensional ausgewertet werden.

Weitere Vorteile der optischen Messgeräte sind kurze Messzeiten und die userfreundliche Bedienung, wodurch die Mitarbeiterselbstkontrolle auch mit diesen Methoden möglich wird. Eine sehr vielseitige Methode der quantitativen Oberflächenmessung ist die chromatische Messung mit weißem Licht. Diese nutzt den unvermeidlichen Farbfehler des zur Messung benutzten optischen Linsensystems aus. Dieser Farbfehler führt bei der Beleuchtung mit weißem Licht zur Streckung des Fokus für die verschiedenen Farbanteile des Lichtes entlang der optischen Achse auf der Strahlausgangsseite. Führt man das von der Oberfläche reflektierte Licht in ein Spektrometer, so gibt die Wellenlänge dieses Lichtes bei korrekter Kalibrierung des Systems einen Höhenwert der Probe an. Diesen Lichtfleck kann man nun zeilenförmig über die Oberfläche führen und diese dabei in Linien oder dreidimensionalen Strukturen charakterisieren. Die Farbe der Oberfläche beeinflusst dabei das Messergebnis nicht.

Tastschnittgeräte und Ihre Problematik

Etabliert zur Messung von Rauheit oder Kontur sind die klassischen Tastschnittgeräte. Die Probleme bei der Charakterisierung einer Oberfläche mittels Profilen sind jedoch bekannt: Die Aussage ist eingeschränkt auf die Richtung der Profillinie. Nur wenige Bauteile weisen  richtungsunabhängige Strukturen an der Oberfläche auf. Das bedeutet zwangsläufig, dass man mit einer Linie entlang einer bestimmten  Richtung keine signifikante Aussage über Rauheit oder Beschaffenheit einer Oberfläche machen kann. Zusätzlich ist die Auflösung bei den meist eingesetzten taktilen Geräten oft zu gering. Die Bauteile weisen Gräben auf, die für die Tastnadel unerreichbar sind. Eine  schnelle Vermessung von Flächen anstelle von einzelnen Profilen ist daher nicht möglich. Zum Problem wird  auch  die  unvermeidbare Verfälschung der Oberfläche durch die ausgeübte Auflagekraft in immer mehr Anwendungen.

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Vergleichbarkeit der Messungen

Unabdingbar ist jedoch die Vergleichbarkeit aller in Betracht gezogenen Messungen. Dies gilt für einfache Profile ebenso wie für komplette dreidimensionale Oberflächenbereiche. Die in den DIN/ISO-Vorschriften festgeschriebenen Formeln und Prozesse zur Profilmessung werden sinngemäß in die Fläche übertragen. Natürlich sind auch die entsprechenden Filterfunktionen berücksichtigt. Der Clou ist dabei eine Filterroutine zur Berechnung der entsprechenden Rauheitswerte für die Verwendung einer Tastspitze mit ausgewählter Geometrie, da die optischen Daten in der Regel eine deutlich höhere Auflösung als taktile Daten liefern und somit nicht direkt mit diesen vergleichbar sind. Mit der Simulation einer Tastspitze werden dann zusätzlich zu den besser aufgelösten Daten für die eigene Produktion auch die Vergleichswerte für Zulieferer oder Kunden bereitgestellt.

Produktionsumgebungen in technologieintensiven Industrien

Die Integration von optischer Oberflächenmes­sung in Produktionsumgebungen bietet ein beachtliches Potenzial. Besonders in der technologieintensiven Industrie steigen die Anforderungen an die Oberflächen von Materialien permanent und die Komplexität der Produkte nimmt stetig zu. Solartechnik, Mikroelektronik oder Medi­zintechnik, um nur drei Bereiche zu nennen, nutzen Oberflächen als Funktionsträger, etwa in Bezug auf Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität, elektrische Leitfähigkeit oder optische und haptische Eigenschaften. Die Fertigungsverfahren wie das Fügen, Formen und Beschichten spielen sich häufig im Mikro- und Nanometerbereich ab. Wenn nur minimale Abweichungen im Sub-Nanometerbereich schon die Funktionalität eines Produktes – wie dies zum Beispiel in der Wafertechnologie der Fall ist – massiv beein­flussen und verschlechtern, ist eine perma­nente Überwachung des Produktionsprozesses und entsprechende Qualitätssicherung überle­benswichtig für ein Unternehmen. Eine präzise und zuverlässige Charakterisierung durch Kon­trollmessungen ist mittlerweile unumgänglich. Dafür hat sich optische Oberflächenmessung, die berührungslos und dadurch zerstörungsfrei misst, als das Nonplusultra erwiesen.

Vielseitige Messtechnik

Die immer komplexer werdenden Produkte wie Solarzellen, künstliche Kniegelenke, optische Linsen oder Mikroelektronik-Bauteile lassen sich nur mit einer entsprechend vielseitigen Messtechnik überprüfen. Mit einem Verfahren allein ist es in solchen Fällen nicht getan.

Multi-Sensor Messgeräte von FRT wer­den diesen Anforderungen gerecht. Sie kom­binieren verschiedene Messmethoden und Sensoren, mit denen sich unterschiedlichste Oberflächeneigenschaften wie Geometrie oder 3D-Topographie mit hoher Präzision messen lassen. Auf Wafer-Level interessieren sich die Hersteller z. B. für die Charakterisierung der Rauheit, die absolute Dickenvariati­on (TTV), die Durchbiegung, Welligkeit oder die Höhe und Breite der elektrischen Leiterbahnen. Hier liefern Multi-Sensor Messgeräte schnell wertvolle Informatio­nen über die optimalen Fertigungsparameter.

Automatisierung des Messvorgangs

Die Automatisierung in der Qualitäts­sicherung umfasst zwei Aspekte: die Automatisierung des Messvorgangs an sich und die Integration in die automa­tisierten Produktionsprozesse. Ersteres versetzt möglichst viele Mitarbeiter in die Lage, die Produktgüte zu kontrol­lieren. Dafür haben sich One-Button-Lösungen durchgesetzt: Automatische Messprogramme für unterschiedliche Verfah­ren, Parameter und Bereiche, die der Bedie­ner nach Auflegen der Probe auf Knopfdruck abfährt. Bei solchen Lösungen werden selbst komplexe Messungen an Solarwafern bei­spielsweise auf verständliche „gut/schlecht-Auswertungen“ abstrahiert. Ein zweiter Aspekt bei der Automatisierung des Messvorgangs ist die Platzierung der Probe. Gerade im Bereich der Wafer­technologie lässt sich mit verschie­denen Handling- und Grabbersy­stemen die Zuführung vereinfachen und beschleunigen. Leistungsfähige Bilderfassungshardware, intelli­gente Mustererkennung, integrier­ter Kalibrierung und automatisierte Messvorgänge sorgen bei den Gerä­ten für kurze Durchlaufzeiten und reproduzierbare Ergebnisse.

Software als Herzstück

Entscheidend ist außerdem, die Er­gebnisse in die Produktionsabläufe einfließen zu lassen. Eine gute Software-Plattform der Messgeräte leitet z.B. in der Halbleiterindustrie die gewonnenen Informationen über eine SEMI-konforme SECS/GEM-Schnittstelle anschließend nahtlos an den nächsten Schritt in der Ferti­gungslinie weiter. Auch Materialeinsparungen sind so leichter möglich. Gerade bei teuren Rohstoffen, wie in der Solarindustrie, ist dies ein wichtiger Pluspunkt. Die Industrie ist immer stärker bestrebt, op­tische 3D-Messtechnik direkt in die Fertigungs­linie (den sog. Inline-Bereich) zu integrieren und damit eine 100%-Kontrolle unterschied­licher Parameter zu ermöglichen. Dies erfolgt aus gutem Grund: Eine automatisierte optische Oberflächenmessung sorgt dafür, dass Mess­vorgänge zuverlässig, schnell, reproduzierbar und nachweisbar ablaufen. Dies bedeutet einen Entwicklungsschub für die Qualitätssicherung in der Produktion.

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Full wafer thickness map in 3D view, polished Si wafer

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