Bildverarbeitungsbasierte Polarisationssysteme haben sich in den vergangenen Jahren für bestimmte Aufgabenstellungen etabliert. Durch Transmissions-Untersuchungen und auf Grundlage photoelastischer Effekte ist es möglich, Spannungszustände in transparenten Materialien zu erkennen und zu beurteilen. Polarisationsmessungen erlauben beispielsweise die Überprüfung nichtmetallischer transparenter oder reflektierender Materialien wie Wasser, Plastik oder Glas sowie die Kontrolle schwieriger Oberflächen oder das Lesen von schwarzer Schrift auf schwarzem Untergrund, was unter anderem in der Reifenproduktion eine anspruchsvolle Aufgabe darstellt. In der Pharmaindustrie eignen sich Bildverarbeitungssysteme mit Polarisationskameras besonders für die Blisterkontrolle, um fehlerhafte Tablettenverpackungen oder -bestückungen zuverlässig zu erkennen und auszusortieren.
Mit einem relativ neuen bildgebenden Verfahren im Bereich der Polarisation beschäftigt sich die Forschungsgruppe Prozesstechnik am Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien der TU Wien. Ferdinand Bammer ist dort federführend für das Projekt zuständig. „Im Gegensatz zur Transmissions-Technologie nutzen wir Ellipsometrie, das heißt, wir untersuchen Polarisationszustände des Lichts, das von Prüfobjekten reflektiert wird und erfassen die Intensitäten des reflektierten Lichts unter den linearen Polarisationswinkeln 0, 45, 90 und 135 Grad“, sagt er. „Mit den Verhältnissen dieser Intensitäten und einem geeigneten mathematischen Modell kann man die Qualität von Schichten und ihre Dicken bestimmen.“
Bedarf für Inline-Ellipsometriesysteme
Da die Umlaufrichtung der gemessenen Polarisationsellipse bei diesem Verfahren zunächst nicht feststellbar ist, nutzen die Forscher eine zusätzliche Viertelwellenplatte, um eine vollständige Erfassung des Polarisationszustands zu ermöglichen. Die Platt erlaubt eine Messung der Intensitäten der 45- und 135-Grad-linear- und Links-/Rechts-zirkular-Polarisierung. „Aus diesen Intensitäten werden das 45-Grad-Verhältnis R45 und das Zirkular-Verhältnis Rz gebildet“, sagt Bammer. „Damit kann dann in der Regel eine vollständige Erfassung des Polarisationszustandes erfolgen.“
Die so ermittelten Kennzahlen R45 und Rz beziehungsweise die daraus direkt zu berechnenden klassischen Ellipsometriewinkel ψ und Δ hängen laut Bammer von den Probeneigenschaften ab. Den größten Einfluss auf diese Parameter habe dabei die Dicke einer etwaigen Beschichtung der Probe. „Durch den Einsatz der Ellipsometrie ist es daher möglich, Aussagen über die Qualität von Schichtdicken zu treffen. Unser Ziel besteht darin, dieses im Labor funktionierende Verfahren so leistungsfähig und sicher zu machen, dass es auch in Inline-Anwendungen in der Industrie zum Einsatz kommen kann.“
Der Bedarf für solche Inline-Ellipsometriesysteme ist vorhanden und wächst stetig, wie Bammer erläutert: „In der Elektronikfertigung ist es bei zahllosen Prozessen erforderlich, die Qualität dünner Schichten aus Halbleitern, Metallen, Polymeren oder dielektrischen Schichten möglichst exakt zu ermitteln. Dies gilt unter anderem auch für die Herstellung von OLED-Displays, Brennstoffzellen-Membranen, Batterieelektroden, Photovoltaik-Komponenten sowie in der Pharma-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie.“ Durch ellipsometrische Messungen könne dort beispielsweise sichergestellt werden, dass die Dicke der Innenbeschichtung in Kunststoff- und Glasbehältern alle Anforderungen erfüllt, um die enthaltenen Produkte zu schützen und gleichzeitig zu garantieren, dass diese nicht ausdiffundieren.
Polarisationskameras als Basis
Wie genau solche Schichtdicken gemessen und beurteilt werden müssen, hängt stark von der Anwendung ab. Bei Barriereschichten in Flaschen und auf Folien, bei Gleitschichten in pharmazeutischen Gebinden oder bei Primern auf Blechen, die in Form von Haftschichten oder als Vorbehandlung für eine bessere Anhaftung von Lacken genutzt werden, kann nach Bammer eine Genauigkeit von rund zehn Prozent der Schichtdicke ausreichen. Typischerweise liegt die Schichtdicke in solchen Fällen im Bereich von 10 bis 200 nm. Bei komplexeren Anwendungen wie in der organischen Photovoltaik oder Displaytechnik sind jedoch gegebenenfalls auch höhere Genauigkeiten erforderlich.
„Um diese Vorgaben einzuhalten, haben wir am Markt nach geeigneten Polarisationskameras gesucht und aufgrund einer Empfehlung eines Forschungspartners auch gefunden“, sagt Bammer. „Laut dieser Empfehlung liefert SVS-Vistek die robustesten und vor allem rauschärmsten Kameras, daher haben wir diesen Hersteller gewählt und gute Erfahrungen mit Produktqualität und Service gemacht. Aktuell setzen wir das GigE-Vision-Polarisationskameramodell Exo250ZGE mit einer Auflösung von fünf Megapixeln und Datenraten bis 24,5 Bildern pro Sekunde ein, das in einfachen Anwendungen unsere Anforderungen erfüllt.“ Für höhere Messgeschwindigkeiten installiert Bammer die USB3-Polarisationskamera Exo250ZU3 mit einer Auflösung von 12,3 Megapixeln und Aufnahmeraten von bis zu 75 Bildern pro Sekunde.
Überführung in die Industrie
Als größte Herausforderung des Ellipsometrie-Projekts nennt Bammer das Verständnis des Zusammenhangs zwischen Polarisation und der zu messenden Größe. „Diesen Zusammenhang zu verstehen und in eine einfache und robuste Messmethode umzusetzen, ist an sich schon nicht trivial. Ebenso schwierig ist es jedoch, Entscheidern in der Industrie die technischen Hintergründe zu vermitteln und deren Akzeptanz zu erreichen. Nur so ist es möglich, die im Labor bereits bewiesene Leistungsfähigkeit der Methode in den praktischen Einsatz zu überführen.“
Einige Systeme auf Basis dieser Technologie werden derzeit in die Praxis überführt. So wollen erste Anwender die Ellipsometrie aus Wien inzwischen in Laborsystemen, aber auch in industriellen Anwendungen wie Messungen der Schichtdicke und -qualität bei PET-Flaschen nutzen. Zwar lassen sich die hohen Genauigkeiten der Labor-Ellipsometrie generell nicht in die Produktionslinie übertragen, doch für bestimmte Anwendungen ist die Güte der Messergebnisse bereits heute ausreichend.
Durch die absehbaren Fortschritte der Technologie wird ihr Potenzial in Zukunft weiter zunehmen, ist Bammer überzeugt: „Bei der Produktion von Komponenten, die für den Einsatz in vielen Zukunftstechnologien benötigt werden, wie unter anderem Displays, Beleuchtungen, Photovoltaik-Komponenten, Akkus und Batterien, Brennstoffzellen oder Katalysatoren, besteht ein stetig steigender Bedarf an zuverlässigen, vollflächigen Qualitätskontrollen von Beschichtungen. Aufgrund dessen bin ich mir sicher, dass die Bedeutung der Polarisationstechnologie in den kommenden Jahren stark zunehmen wird.“ Aktuell sei in der Industrie noch ein zu geringes Verständnis und Wissen im Bereich Polarisationsmessung und Ellipsometrie vorhanden. „Leistungsfähige Polarisationskameras wie die von SVS-Vistek könnten hier jedoch viele Türen öffnen.“
Was ist Polarisation?
Polarisation bezeichnet die Ausrichtung von elektromagnetischen Schwingungen. Die elektromagnetischen Wellen von Licht schwingen in verschiedenen Richtungen. Bei unpolarisiertem Licht sind diese Schwingungen zufällig verteilt. Durch geeignete Polarisationsfilter kann das Licht so gefiltert werden, dass nur Schwingungen in einer oder mehreren bestimmten Richtungen durchgelassen werden. Dieses polarisierte Licht, beziehungsweise die Polarisationsänderung nach einer Reflexion, erlaubt dann die Messung bestimmter Eigenschaften, zum Beispiel der Dicke von Beschichtungen.
