Dr. Thomas Fries, FRT: »Für eine präzise und zuverlässige Charakterisierung hat sich die optische Oberflächenmessung, die berührungslos und dadurch zerstörungsfrei misst, als das Non Plus Ultra erwiesen.«

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»Die Industrie ist immer stärker bestrebt, optische 3D-Messtechnik direkt in die Fertigungslinie zu integrieren und damit eine durchgängige Kontrolle von Parametern wie Durchbiegung, Welligkeit, Geometrie, Rauheit und Schichtdicke zu ermöglichen«, erklärt Dr. Thomas Fries, Gründer und Geschäftsführer des Oberflächen-Messtechnik-Spezialisten Fries Research & Technology FRT. »Hochauflösende optische Messtechnik ergänzt hierbei die bereits vorhandenen, meist kamerabasierten Inspektions-Lösungen sinnvoll.«

Fries ist überzeugt, dass derzeit in der Industrie zwei wichtige Trends aufeinander treffen: die Miniaturisierung und Funktionalisierung von Oberflächen mit der Automatisierung der Produktion. »Automatisierung ist in der High-Tech-Produktion nicht mehr wegzudenken«, unterstreicht der Experte. »Sie erhöht die Effizienz in der Herstellung und sorgt für kürzere Durchlaufzeiten und Kosteneinsparungen. Das bringt enorme Wettbewerbsvorteile mit sich.«

Vor allem in den technologieintensiven Industrien steigen gleichzeitig die Anforderungen an die Oberflächen von Materialien permanent, die Komplexität der Produkte nimmt zu. Sie nutzen Oberflächen als Funktionsträger, etwa in Bezug auf Topographie, Schichtdicke, Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität oder optische und haptische Eigenschaften. »Die entsprechenden Fertigungsverfahren wie das Fügen, Formen und Beschichten spielen sich häufig im Mikro- und Nanometerbereich ab«, führt Fries aus. »Dadurch gewinnt die Qualitätskontrolle natürlich beachtlich an Bedeutung. Wenn nur minimale Abweichungen im Sub-Nanometerbereich schon die Funktion eines Produktes massiv beeinflussen und verschlechtern, sind eine permanente Überwachung des Produktionsprozesses und entsprechende Qualitätssicherung überlebenswichtig für ein Unternehmen. Für eine präzise und zuverlässige Charakterisierung hat sich die optische Oberflächenmessung, die berührungslos und dadurch zerstörungsfrei misst, als das Nonplusultra erwiesen.«

Flexibel dank Multisensor

Ob Solarzellen, Mikroelektronik-Bauteile, optische Linsen oder künstliche Kniegelenke - die komplexer werdenden Produkte lassen sich nur mit entsprechend vielseitiger Messtechnik überprüfen. »Mit einem Verfahren allein ist es in solchen Fällen meist nicht getan«, so Fries. »Optische Multisensor-Messgeräte werden diesen Anforderungen jedoch durchaus gerecht: Sie kombinieren je nach Bedarf chromatische Abstandssensoren, interferometrische Dickensensoren, Weißlichtinterferometer, konfokale Flächensensoren, Spektrometer oder Rasterkraftmikroskope, die Auflösungen bis in den Sub-Nanometerbereich ermöglichen. Außerdem sind die optischen Sensoren in der Lage, Oberflächen komplett und zügig dreidimensional, also in der x-, y- und z-Richtung abzurastern. Damit lassen sich unterschiedlichste Oberflächeneigenschaften wie Geometrie, 3D-Topografie oder Struktur präzise messen.«

Die Anwendungen sind vielseitig: Halbleiter-Hersteller interessieren sich zum Beispiel für die Charakterisierung der Rauheit, die absolute Dickenvariation, die Durchbiegung und Welligkeit ihrer Wafer. In der Solarindustrie müssen die mittels Siebdruck aufgebrachten elektrischen Leiterbahnen geprüft werden. Hier kommt es auf eine gleichmäßige Höhe und Breite an, weil Abweichungen von wenigen Mikrometern bereits Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften der Solarzellen haben. Aber auch in vielen anderen Bereichen wie Medizintechnik, Automotive oder Mikrosystemtechnik können Multisensor-Geräte sinnvoll sein.

Automatisierte Messabläufe und robotergestützte Platzierung

»Die Automatisierung in der Qualitätssicherung umfasst zwei Aspekte«, fährt der Experte fort. »Die Automatisierung des Messvorgangs an sich und die automatische Integration in die Produktionsprozesse. Ersteres versetzt möglichst viele Mitarbeiter in die Lage, die Produktgüte zu kontrollieren.

Multisensor-Anordnung bei einem MicroGlider-Messgerät von FRT

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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 One-Button-Lösungen werden selbst komplexe Messungen an Solarwafern z.B. auf verständliche ‚gut/schlecht-Auswertungen’ abstrahiert.«

Ein zweiter Aspekt bei der Automatisierung des Messvorgangs ist die Platzierung der Probe. Mit verschiedenen Handling- und Grabber-Systemen lässt sich die Zuführung des zu charakterisierenden Objekts vereinfachen und beschleunigen. Solche Systeme müssen über leistungsfähige Bilderfassungshardware und intelligente Mustererkennung verfügen. »Nach dem Einsetzen zum Beispiel von Wafer-Kassetten werden sowohl die Kalibrierung als auch die Messvorgänge vollautomatisch durchgeführt«, so Fries. »Ein Robotiksystem für das Waferhandling oder ein Vakuum-Grabber stellen mit automatischem Prealignment dabei kurze Durchlaufzeiten und reproduzierbare Ergebnisse sicher, weil die Proben in immer gleicher Position auf den Messtisch gelegt werden. Die Messwerte sind miteinander vergleichbar und sichern so gleichbleibende Qualitätsstandards.«

Integration mit Software und standardisierten Schnittstellen

Grabber: Der MHU-Vakuumgrabber von FRT positioniert die Wafer automatisch auf dem Messtisch

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Entscheidend ist nach Fries’ Überzeugung außerdem, die Ergebnisse in die Produktionsabläufe einfließen zu lassen. »Besonders für Halbleiter- und MEMS-Hersteller ist es wichtig, möglichst früh in der Produktionskontrolle ganze Wafer oder fotolithografisch erzeugte Strukturen auf ihre Qualität zu überprüfen«, merkt Fries an. »Dadurch können Defekte frühzeitig erkannt und ausgesondert werden, was die Anzahl der nachgelagerten Prozessschritte und damit die Kosten reduziert. Eine professionelle Software-Plattform der Messgeräte leitet die gewonnenen Informationen über ein SEMI-konformes SECS/GEM Interface anschließend nahtlos an den nächsten Schritt in der Fertigungslinie weiter.«.

Die automatisierte optische Oberflächenmessung sorgt dafür, dass Messvorgänge zuverlässig, schnell, reproduzierbar und nachweisbar ablaufen - nach Überzeugung des FRT-Geschäftsführers ein Entwicklungsschub für die Qualitätssicherung in der Produktion.

Nicole Kothe-Wörner, Markt&Technik