Konfokal-chromatische Messtechnik
Hochtemperaturfähige konfokale Sensoren für Abstand‑ und Dickenmessungen ermöglichen stabile Prozesse
Alexander Streicher, Produktmanager konfokal-chromatische Sensoren bei Micro-Epsilon
Ein Messtechnik-Hersteller ergänzt sein Portfolio konfokal-chromatischer Messsysteme um neue Hochtemperatur-Sensoren. Diese ermöglichen gemeinsam mit neuen 2-Kanal-Controllern stabile Inline-Messprozesse im Ultrahochvakuum und Reinraum. Mögliche Applikationen hierfür sind: Positionserfassung von Wafertischen, die Maskenpositionierung bei Waferprozessen oder die zweiseitige Dickenmessung von Batteriefolien.
Konfokal-chromatische Sensoren ermöglichen berührungslose Abstands- und Dickenmessungen auf unterschiedlichen Oberflächen. Sie nutzen das Prinzip der chromatischen Aberration in Kombination mit der konfokalen Abbildung: Eine Optik mit mehreren Linsen zerlegt Weißlicht in seine monochromatischen Wellenlängen, die entlang der Messachse in unterschiedlichen Abständen fokussieren. Um den richtigen Abstand zu bestimmen, zieht man diejenige Lichtwellenlänge heran, die sich exakt auf dem Messobjekt fokussiert. Im Anschluss wird das reflektierte Licht auf ein lichtempfindliches Sensorelement abgebildet, welches die entsprechende Farbe auswertet. Über die werkseitige Kalibrierung ergibt sich daraus der Abstand. Werden mehrere Reflexe detektiert, lassen sich zusätzlich Schichtdicken bestimmen.
Stabile Messwerte bei Hitze und Vakuum
Mit den neuen Hochtemperatur-Sensoren IFS2407-HT/VAC stehen im Produktportfolio von Micro-Epsilon jetzt optische Sensoren zur Verfügung, die Umgebungstemperaturen bis zu 200 °C dauerhaft standhalten. Sie sind speziell für den Einsatz im Ultrahochvakuum und Reinraum konzipiert. Durch den Verzicht auf organische Klebstoffe reduziert sich das Ausgasungsverhalten auf ein Minimum. Zudem geben die Sensoren aufgrund ihres passiven Aufbaus keine Wärmestrahlung an die Umgebung ab.
Der Edelstahlaufbau der HT-Sensoren ist auf beengte Einbausituationen ausgelegt. Neben Sensoren mit axialem Strahlengang stehen auch Varianten mit 90 °-Strahlengang zur Verfügung, mit denen sich die erforderliche Bauraumtiefe weiter reduzieren lässt. Zusätzliche Flexibilität bieten die verschiedenen Messbereiche – 0,8 mm, 2 mm und 4 mm – wodurch unterschiedliche Genauigkeitsanforderungen bedient werden können.
Flexibilität gegenüber Umgebungstemperatur
Die HT-Sensoren erzielen Auflösungen im Nanometerbereich und sind vielseitig einsetzbar. Neben Weg- und Abstandsmessungen auf spiegelnden, diffusen sowie transparenten Oberflächen können sie auch für Dickenmessungen verwendet werden. Die konfokalen Sensoren überzeugen mit einer Linearität von bis zu < ±0,18 µm und einer Temperaturstabilität von bis zu < 0,1 µm/°C. So können auch bei schwankenden Umgebungstemperaturen präzise Messergebnisse erzielt werden.
Die HT-Sensoren sind mit allen Controllern der IFC-Reihe kompatibel und können in bestehende Anlagen integriert werden. Zusammen bilden sie ein leistungsstarkes Messsystem, das Messraten bis zu 30 kHz zulässt und damit eine schnelle Prozessüberwachung ermöglicht. Die Kompatibilität aller Sensoren der Confocaldt-Reihe mit den IFC-Controllern erleichtert die Konfiguration und erlaubt eine flexible Zusammenstellung – vom kompakten OEM-Einsatz bis zu hochdynamischen High-End-Fertigungsprozessen.
Zwei Kanäle erhöhen Präzision
Passend zur Sensorvielfalt bietet die Controller-Generation der IFC-Reihe ein abgestuftes Leistungsspektrum. Aufbauend auf den bewährten 1-Kanal-Controllern IFC2411 und IFC2416 stehen nun auch 2-Kanal-Varianten zur Verfügung, die Anwendungsfelder in der Halbleiter- und Batterieindustrie sowie dem Maschinenbau eröffnen. Die 2-Kanal-Controller erfassen synchron und mit voller Messrate die Werte beider Kanäle, die miteinander verrechnet werden können. Damit eignen sich die IFC2412- und IFC2417-Controller für zweiseitige Dickenmessungen. Die Bedienung erfolgt über ein Webinterface, in dem auch eine editierbare Materialdatenbank für Dickenmessungen hinterlegt ist.
Entwickelt für Industrie, OEM und Automation
Der 2-Kanal-Controller IFC2412 ist vor allem für industrielle Serien- und OEM-Anwendungen ausgelegt. Mit seiner kleinen Bauform und der Möglichkeit zur Hutschienenmontage lässt er sich in bestehende Maschinen oder Schaltschränke integrieren. Das robuste IP40-Aluminiumgehäuse bietet Schutz in industriellen Umgebungen und gewährleistet eine hohe Präzision sowie Signalstabilität. Der IFC2412 verfügt über eine stufenlos einstellbare Messrate von 100 Hz bis 8 kHz und eine nanometergenaue Auflösung.
Für anspruchsvollere Anwendungen steht mit dem IFC2417 ein Controller zur Verfügung, der Messraten bis 25 kHz ermöglicht und somit für High-Speed-Prozesse optimiert ist. Der IFC2417 bietet eine integrierte Multi-Peak-Option, die Mehrschicht-Dickenmessungen transparenter Objekte mit bis zu 5 Schichten ermöglicht. Seine enorme Lichtintensität gewährleistet stabile Messungen auf allen Materialien – egal ob dunkle, strukturierte oder glänzende Oberflächen.
Positionserfassung von Wafertischen
Die Kombination aus Hochtemperatur-Sensoren und den 2-Kanal-Controllern bietet viele Applikationsmöglichkeiten, vor allem in der Halbleiterindustrie. Bei der Positionserfassung von Wafertischen werden vier konfokale HT-Sensoren direkt innerhalb der Vakuumkammer installiert und messen seitlich auf die Wafer-Stage. Durch die Mehrpunktanordnung wird nicht nur die Position erfasst, sondern auch eine vollflächige Kontrolle der Ausrichtung inklusive Kippen, Verkanten und Parallelität ermöglicht. Dadurch lässt sich der Wafertisch für Mess- und Bearbeitungsprozesse exakt justieren, was die Prozessstabilität erhöht und eine hohe Wiederholbarkeit der Ergebnisse sicherstellt. Die Sensorkabel werden jeweils über eine Vakuumdurchführung aus der Kammer geführt und außerhalb mit den Controllern verbunden. Effizient ist hierbei die Kombination mit den 2-Kanal-Controllern: Mit der Verrechnung zweier Messsignale reduziert sich der Hardware- und Integrationsaufwand.
Höhenmessung von Greifwerkzeugen im Vakuum
Für die Höhenmessung von Greifwerkzeugen im Vakuum wird ein IFS2407-HT/VAC-Sensor direkt in der Vakuumumgebung eingesetzt und misst berührungslos auf das Greifwerkzeug, auf dem der Wafer abgelegt ist. So lassen sich Z-Höhe und Hubbewegungen des Greifers überwachen und gezielt regeln, um die mechanische Präzision im Handling sicherzustellen. Gleichzeitig unterstützt die kontinuierliche Höhenkontrolle die Kollisionsvermeidung, indem Abweichungen der Greiferposition frühzeitig erkannt und Kollisionen mit Stage, Wafer oder Prozesshardware verhindert werden. Dadurch steigen Prozessstabilität und Wiederholbarkeit insbesondere bei automatisierten Abläufen mit engen Toleranzen und empfindlichen Substraten.
Maskenpositionierung bei Waferprozessen
Die HT-Sensoren eignen sich für die Maskenpositionierung, um die Lage der Maske relativ zum Wafer berührungslos und präzise zu überwachen. Mehrere Messpunkte ermöglichen dabei die sichere Kontrolle des Z-Abstands, sodass die Maske für Belichtungs- oder Bearbeitungsschritte exakt ausgerichtet und der definierte Prozessspalt reproduzierbar eingestellt werden kann. Dadurch steigen Overlay-Genauigkeit, Prozessstabilität und Wiederholbarkeit, während gleichzeitig das Risiko von Kontakt, Partikelbildung oder Beschädigungen von Maske oder Wafer reduziert wird.
Abstandsmessung zum Wafer für Temper- und Dicing-Prozesse
Bei der Abstandsmessung zum Wafer erfassen die konfokalen HT-Sensoren prozesskritische Z-Abstände – sowohl bei thermischen als auch bei mechanischen Bearbeitungsschritten. Im Temper-Vorgang dient der gemessene Abstand zur Sicherstellung der Prozessgenauigkeit: Ein zu geringer Abstand kann frühzeitig erkannt werden, wodurch Überhitzung sowie Materialbeschädigungen am Wafer vermieden werden. Gleichzeitig ermöglicht die kontinuierliche Abstandskontrolle eine Kompensation von Verzug, sodass der Prozess auch bei geometrischen Veränderungen stabil bleibt. Beim Dicing-Vorgang unterstützt die Abstandsmessung die Einstellung der optimalen Schnitttiefe für eine gute Schnittqualität und trägt gleichzeitig zum Werkzeugschutz bei, da unzulässige Annäherungen und Überlasten vermieden werden. Die Sensorvariante mit 90 °-Strahlengang erleichtert die Integration in enge Vakuumkammern. Insgesamt lassen sich so Ausfallraten reduzieren und die Reproduzierbarkeit der Bearbeitung erhöhen.
Dickenmessung vonheißen Glasprodukten
In der Glasindustrie werden Dicke und Geometrie heißer Glasprodukte überwacht. Dadurch lässt sich das Prozessfenster eng regeln und nachgelagerte Qualitätsprozesse effizienter gestalten. Für transparente Materialien wie Glas kann die Dicke einseitig bestimmt werden. In Verbindung mit dem IFC2417-Controller lassen sich zudem Multi-Peak-Messungen für die Prüfung von Mehrlagenaufbauten (zum Beispiel Laminatglas) durchführen.
Zweiseitige Dickenmessung von Batteriefolie
In der Batteriefertigung profitieren Hersteller von der präzisen zweiseitigen Dickenmessung, die in Kombination mit dem IFC2412 oder IFC2417 eine kontinuierliche Inline-Überwachung von Elektroden- und Separatorfolien ermöglicht. Beide Messwerte werden zeitgleich aufgenommen und verrechnet, sodass Bahnbewegungen wie Flattern oder dynamische Höhenänderungen kompensiert werden und ein stabiler Dickenwert auch bei hohen Bahngeschwindigkeiten ermittelt wird. Somit lässt sich die Qualität der Folienproduktion steigern.
