Optische Messtechnik Unter extremen Bedingungen: Inline-Messung für Wafer, Glas und Batteriefolien

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

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DMB Technics AG

Wenn in der Halbleiter- oder Batteriefertigung auf den Nanometer genau gemessen werden muss, ist robuste Messtechnik gefragt. Hitze- und vakuumresistente Sensoren sowie Mehrkanal-Controller kommen direkt in die Fertigungslinie.

Extreme Temperaturen, Vakuum und minimaler Bauraum: Wer in der Elektronik- und Halbleiterfertigung Abstände oder Schichtdicken messen muss, kennt die physikalischen Grenzen herkömmlicher optischer Sensorik. Konfokal-chromatische Messsysteme umgehen viele dieser Hürden durch ihr passives Messprinzip. Aktuelle Weiterentwicklungen der Technologie verschieben diese Einsatzgrenzen nun noch weiter: Neue Systemarchitekturen kombinieren extrem temperaturstabile Sensorköpfe mit kompakten 2-Kanal-Controllern für hochdynamische Inline-Messungen.

Genau an diesem Punkt setzt Micro-Epsilon mit seiner aktuellen Systemgeneration an. Die Hochtemperatur-Sensoren der Serie IFS2407-HT/VAC wurden gezielt für Umgebungen entwickelt, in denen herkömmliche Komponenten versagen. Das ist beispielsweise in Vakuumkammern der Halbleiterindustrie oder in thermisch belasteten Bereichen des Präzisionsmaschinenbaus. Damit die erfassten Daten direkt für die Prozesssteuerung genutzt werden können, werden die Sensorköpfe mit den neuen 2-Kanal-Controllern IFC2412 und IFC2417 kombiniert. Diese zeichnen sich durch eine hohe Messdynamik aus und lassen sich dank ihrer kompakten Bauform auch bei beengten Platzverhältnissen flexibel in bestehende Inline-Prozesse integrieren.

Mehrlinsen-Optik zerlegt das Weißlicht in seine Bestandteile

Das Messverfahren nutzt die chromatische Aberration in Kombination mit der konfokalen Abbildung: Eine Mehrlinsen-Optik zerlegt Weißlicht in seine monochromatischen Bestandteile, die entlang der optischen Achse in unterschiedlichen Abständen fokussieren. Für die Abstandsbestimmung wird diejenige Wellenlänge ausgewertet, die exakt auf der Oberfläche des Messobjekts im Fokus liegt. Anschließend wird das reflektierte Licht auf ein Sensorelement abgebildet, das die Spektralfarbe analysiert. Anhand der werkseitigen Kalibrierung wird dieser Information ein exakter Abstandswert zugeordnet. Werden mehrere Reflexe detektiert, lassen sich bei transparenten Materialien zusätzlich Schichtdicken bestimmen.

Stabile Messwerte bei Hitze und Vakuum

Die konfokalen Sensoren der Serie IFS2407-HT/VAC sind dafür ausgelegt, Umgebungstemperaturen von bis zu 200 °C dauerhaft standzuhalten, ohne dass dabei die Signalstabilität eingeschränkt wird. Sie wurden speziell für den Einsatz im Ultrahochvakuum (UHV) und im Reinraum konzipiert: Durch den konsequenten Verzicht auf organische Klebstoffe im Sensorkopf reduziert sich das Ausgasungsverhalten auf ein Minimum. Ein weiterer entscheidender Vorteil in sensiblen Umgebungen ist der rein passive Aufbau. Da der Sensor keine elektronischen Bauteile enthält, gibt er keine eigene Wärmestrahlung an die Umgebung ab. Somit können die Sensoren direkt in thermisch belasteten Prozessbereichen platziert werden, ohne das thermische Gleichgewicht der Anlage zu stören.

Kompakte Integration und optische Auflösung

Das kompakte Edelstahlgehäuse der HT-Sensoren erleichtert die Integration in beengte Anlagen. Ist die Einbautiefe stark limitiert, bietet sich neben dem klassischen axialen Strahlengang eine Variante mit 90°-Umlenkung an. Um unterschiedliche Genauigkeitsanforderungen abzudecken, sind die Sensoren für die Messbereiche 0,8 mm, 2 mm und 4 mm erhältlich.

Trotz der hohen thermischen Belastbarkeit erzielen die Systeme Auflösungen im Nanometerbereich. Die Linearität liegt bei Werten von ≤ ±0,18 µm, während die Temperaturdrift mit ≤ 0,1 µm/°C spezifiziert ist. Dadurch bleiben die Messergebnisse auch bei schwankenden Umgebungstemperaturen hochpräzise. Ein sehr kleiner Messfleckdurchmesser von 11 µm erlaubt es zudem, feinste Oberflächenstrukturen zuverlässig abzutasten. Das geschieht unabhängig davon, ob das Messobjekt spiegelnd, diffus streuend oder transparent ist.

Nahtlose Controller-Anbindung für Inline-Prozesse

Die Signalverarbeitung erfolgt abgesetzt vom Messort. Hierfür lassen sich die HT-Sensorköpfe mit allen Controllern der IFC-Serie von Micro-Epsilon kombinieren. In diesem Verbund erreicht das Messsystem Raten von bis zu 30 kHz, was eine schnelle und zuverlässige Prozessüberwachung im Takt der Linie ermöglicht. Die durchgängige Kompatibilität innerhalb der confocalDT-Produktfamilie bietet Hardwareentwicklern einen flexiblen Baukasten, um die Systemarchitektur optimal an die Platz- und Leistungsanforderungen anzupassen. Das reicht vom kompakten OEM-Einsatz bis hin zu hochdynamischen High-End-Fertigungsprozessen.

Zwei Kanäle für synchrone Messungen

Um das Potenzial der Sensoren voll auszuschöpfen, erweitert Micro-Epsilon die bestehende Controller-Familie. Aufbauend auf den 1-Kanal-Systemen stehen nun die 2-Kanal-Controller IFC2412 und IFC2417 zur Verfügung. Der entscheidende messtechnische Vorteil: Sie erfassen die Signale beider Kanäle exakt synchron und mit voller Messrate. Über integrierte Rechenfunktionen lassen sich die Werte direkt im Gerät miteinander verrechnen. Diese Architektur prädestiniert die Systeme unter anderem für die zweiseitige Dickenmessung von Bahnware, wie sie etwa bei der Fertigung von Batteriefolien gefordert wird. Die Parametrierung erfolgt zeitgemäß über ein intuitives Webinterface, das für Dickenmessungen bereits eine editierbare Materialdatenbank bereithält.

Der Controller IFC2412 ist gezielt auf industrielle Serien- und OEM-Applikationen zugeschnitten. Dank seiner geringen Abmessungen und der Vorbereitung für die Hutschienenmontage lässt er sich platzsparend im Schaltschrank unterbringen. Das Aluminiumgehäuse (Schutzart IP40) schirmt die Elektronik ab und unterstützt so die hohe Signalstabilität. Messtechnisch bietet der IFC2412 eine nanometergenaue Auflösung sowie eine stufenlos von 100 Hz bis 8 kHz einstellbare Messrate.

High-Speed-Controller für komplexe Materialstrukturen

Für hochdynamische Prozesse erweitert der Controller IFC2417 das Leistungsspektrum. Er verarbeitet Messraten von bis zu 25 kHz. Ein wesentliches Merkmal für die Glas- und Kunststoffindustrie ist die integrierte Multi-Peak-Funktion: Sie wertet mehrere Reflexe simultan aus und ermöglicht so die Dickenmessung von mehrlagigen, transparenten Objekten mit bis zu fünf Schichten. Um auch auf schwierigen Targets stabile Signale zu generieren, arbeitet dieses System mit einer besonders hohen optischen Intensität. Beispiele für ein schwieriges Umfeld sind extrem dunkle, stark strukturierte oder glänzende Oberflächen.

Präzision in der Halbleiterfertigung

Besonders in der Halbleiterindustrie eröffnet die Kombination aus vakuumtauglichen HT-Sensorköpfen und 2-Kanal-Controllern neue Möglichkeiten für das Maschinen- und Anlagendesign. Drei typische Anwendungsfälle verdeutlichen das Potenzial dieser Architektur:

Um Wafertische exakt auszurichten, werden oft vier konfokale HT-Sensoren direkt in der Vakuumkammer installiert, wo sie seitlich auf die Stage messen. Diese Mehrpunktanordnung erlaubt nicht nur die reine Positionsbestimmung, sondern eine vollflächige Lagekontrolle inklusive der Erkennung von Verkippungen oder mangelnder Parallelität. Dadurch lässt sich die Stage für nachgelagerte Mess- und Bearbeitungsprozesse im Submikrometerbereich justieren. Die Sensorkabel werden über Vakuumdurchführungen nach außen an die Steuerungsebene geführt. Der Einsatz von 2-Kanal-Controllern ist hier besonders wirtschaftlich: Da ein Controller jeweils zwei Sensoren synchron auswertet und intern verrechnet, halbiert sich der Hardwarebedarf im Schaltschrank.

Höhenkontrolle von Greifwerkzeugen

Beim vollautomatischen Wafer-Handling überwacht ein direkt im Vakuum verbauter IFS2407-HT/VAC-Sensor berührungslos die Z-Achse des Greifwerkzeugs. Hubbewegungen lassen sich so mit höchster Präzision nachregeln. Gleichzeitig dient das System dem Kollisionsschutz: Kommt es beim Ablegen der sensiblen Wafer auf die Stage zu minimalen Abweichungen, erkennt der Sensor dies in Echtzeit. Beschädigungen der teuren Substrate oder der Prozesshardware werden zuverlässig verhindert.

Bei Lithografie- oder Ätzprozessen ist die exakte Ausrichtung der Maske relativ zum Wafer entscheidend für die Overlay-Genauigkeit. Über mehrere konfokale Messpunkte lässt sich der Z-Abstand der Maske hochpräzise und berührungslos überwachen. Der geforderte Prozessspalt kann auf diese Weise exakt und reproduzierbar geregelt werden. Das optische Messprinzip verhindert jeglichen physischen Kontakt zwischen den Komponenten, was die Gefahr von Partikelbildung (Kontamination) und mikroskopischen Beschädigungen im Reinraum praktisch ausschließt.

Abstandsregelung bei Temper- und Dicing-Prozessen

Egal ob bei thermischen oder mechanischen Bearbeitungsschritten: Die HT-Sensoren erfassen prozesskritische Z-Abstände zum Wafer absolut zuverlässig. Beim Tempern schützt die Messung vor Überhitzung und Materialbeschädigungen durch einen zu geringen Abstand. Zudem lassen sich thermisch bedingte Verzüge des Wafers durch eine kontinuierliche Kontrolle in Echtzeit kompensieren. Beim anschließenden Dicing (Sägen) sichert die exakte Abstandsmessung die optimale Schnitttiefe und schützt das Werkzeug vor unzulässiger Annäherung. Gerade in räumlich stark beengten Bearbeitungskammern erleichtert hierbei die Sensorvariante mit 90°-Strahlengang die Konstruktion und Integration.

Auch abseits der Halbleiterfertigung, etwa in der Glasindustrie, spielt die thermische Belastbarkeit der Sensoren eine wichtige Rolle. Bei der Inline-Überwachung heißer Glasprodukte lassen sich Dicke und Geometrie direkt im Prozess erfassen, um Produktionsfenster enger zu tolerieren. Über die Multi-Peak-Funktion des Controllers IFC2417 gelingt hierbei – quasi als Nebenprodukt – auch die einseitige, hochpräzise Dickenmessung von Mehrlagenaufbauten wie Laminatglas.

In der Batteriezellenfertigung ist die kontinuierliche Inline-Überwachung von Elektroden- und Separatorfolien heute qualitätskritisch. Hier spielen die 2-Kanal-Controller (IFC2412/IFC2417) in Kombination mit zwei konfokalen Sensoren ihren Vorteil aus: Da die Signale beider Seiten absolut zeitsynchron erfasst und intern verrechnet werden, lassen sich Bahnbewegungen (Flattern) oder dynamische Höhenänderungen selbst bei hohen Bandgeschwindigkeiten vollständig mathematisch kompensieren. Das Ergebnis ist ein extrem stabiler Dickenwert, der eine engmaschige Prozessregelung erlaubt und so Ausschuss minimiert.

Mit der neuen Generation konfokal-chromatischer Messtechnik schließt Micro-Epsilon die Lücke zwischen Laborpräzision und rauer Fertigungsumgebung. Durch die Kombination von hochgradig temperatur- und vakuumstabilen Sensoren mit schnellen 2-Kanal-Controllern werden hochdynamische Inline-Messungen nun auch dort möglich, wo optische Sensorik bislang an physikalische Grenzen stieß. Anlagenbauer und Messtechniker erhalten damit ein flexibles, kompaktes Werkzeug, um die Qualitätssicherung in anspruchsvollen Applikationen zukunftssicher aufzustellen. (heh)

* Dr.-Ing. Alexander Streicher ist Produktmanager konfokal-chromatische Sensoren bei Micro-Epsilon.

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