Terahertz-Messverfahren
Organische und dielektrische Ein- und Mehrfachschichten messen
Das Terahertz-Messverfahren ermöglicht die Schichtdickenmessung und Materialanalyse von zahlreichen organischen und dielektrischen Materialien. Bis zu sieben Schichten können mit Terahertz-Wellen durchdrungen werden – und das kontaktlos, vollkommen zerstörungsfrei und nichtionisierend.
So funktioniert die Terahertz-Messung.
Es gibt viele Techniken, die elektromagnetische Wellen im Terahertz-Frequenzbereich nutzen. Eine solche Technik ist die Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie (TDS) – ein etabliertes Verfahren, das extrem kurz gepulste Terahertz-Wellen in einem breiten Frequenzbereich von 0,1 bis 6 Terahertz zur Materialanalyse nutzt. Treffen die Terahertz-Wellen auf ein nicht leitendes oder schwach leitendes Material, durchdringen sie dieses und werden teilweise reflektiert. Sind die Materialien als Mehrschichtsysteme auf einem Grundmaterial aufgetragen, wie beispielsweise Lacke auf Autokarosserien oder Folien auf Trägermaterialien, werden die Terahertz-Wellen an den Grenzflächen der einzelnen Schichten teilweise reflektiert.
Diese „Echo“-Impulse werden mit spezifischen Zeitunterschieden detektiert, das heißt die Laufzeit des reflektierten Signals wird gemessen. Damit lassen sich die Abstände zwischen den Grenzflächen – sprich die Dicke jeder einzelnen Schicht – hochpräzise und berührungslos bestimmen. Somit kann die Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie die Dicke jeder Einzelschicht in einem Mehrschichtsystem separat in nur einer Messung erfassen.
Auch weitere Parameter wie Homogenität, Porosität, Leitfähigkeit oder die Mobilität freier Ladungsträger (2DEG) können bestimmt werden. Die Eigenschaften des Substrats nehmen dabei keinen Einfluss auf die Messung. Darüber hinaus blendet diese Technik inkohärente Wellen aus, die zum Beispiel durch Raumtemperatur oder Umgebungslicht entstehen.
Diese schematische Darstellung veranschaulicht das Grundprinzip der Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie.
- Ultrakurz gepulste Terahertz-Wellen treffen auf das zu untersuchende Material, durchdringen es und werden an den Grenzflächen der einzelnen Schichten teilweise reflektiert.
- Die verschiedenen Reflektionssignale werden zu unterschiedlichen Zeiten detektiert, was Aufschlüsse über die Abstände und somit über die Schichtdicken gibt.
Die Terahertz-Messtechnik zeichnet sich durch ihre hohe Präzision aus: Es lassen sich Schichtdicken von > 10 μm auf einer Messfläche von weniger als 2 mm bestimmen. Im Vergleich zur magnetinduktiven Methode, die eine ähnliche Auflösung hat, bietet die Terahertz-Messung mit 1 ‰ eine 10-mal bessere Wiederholgenauigkeit.
Da organische beziehungsweise dielektrische Schichten, wie zum Beispiel Lacke, für Terahertz-Wellen teilweise transparent sind, beeinflussen diese die Materialien nicht. Die Messungen sind völlig zerstörungsfrei. Im Gegensatz zum magnetinduktiven Messverfahren oder der Messung mit Ultraschall arbeitet die Terahertz-Methode komplett berührungslos mit mehreren Zentimetern Messabstand. Daher können auch feuchte und weiche Schichten problemlos gemessen werden.
Terahertz-Wellen liegen im Bereich des Ferninfrarots, das bedeutet, sie haben weniger Energie als sichtbares Licht oder Röntgenstrahlung. Sie sind damit nichtionisierend und unschädlich. Terahertz-Geräte können offen betrieben werden und benötigen keinen Strahlenschutz.
Wo kommt dieses Verfahren zum Einsatz?
Die Terahertz-Technologie ist einsetzbar für zahlreiche Anwendungen in unterschiedlichsten Industrien, beispielsweise in den Bereichen Automotive, Halbleiterfertigung und Wafertesting, Batterieherstellung, mehrschichtige Kunststoffextrusion/Laminierung, Luft- und Raumfahrt, Brennstoffzellen, Photovoltaik, Chemie, Farben und Lacke, Pharma, Medical und vielen mehr.
- Schichtdickenmessung von organischen und dielektrischen (nicht leitende oder schwach leitende) Einzel- und Mehrfachschichten auf Kunststoff- oder Metallsubstraten
- Schichtdickenmessung von trockenen und nassen, harten und weichen, glatten und rauen Beschichtungen
- Berührungslose Leitfähigkeitsmessung (zum Beispiel bei Solarzellen, Wafer 2DEG, Graphene)
- Qualitätskontrolle und zerstörungsfreie Prüfung (NDT), Bildgebung durch das Material, Erkennung von versteckten Defekten und Einschlüssen, spektroskopische Messungen
- Materialcharakterisierung und -entwicklung
- Messung von radarrelevanten Eigenschaften, zum Beispiel Radartransmission und Radarreflektion
Welche Faktoren können die Messung beeinflussen?
Bei der Terahertz-Messtechnik können verschiedene Faktoren die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse beeinflussen.
Anwendung auf verschiedenen Materialien und Oberflächen
Unterschiedliche Materialien haben unterschiedliche Absorptions- und Reflexionseigenschaften im Terahertz-Frequenzbereich. Die Zusammensetzung, Dichte, Leitfähigkeit, Oberflächenrauheit und Transparenz des Materials können sich auf die Messung mit Terahertz-Wellen auswirken. Weiterhin kann die Oberflächenform einen Einfluss auf die Messung haben. Daher sollten spezifischen Materialeigenschaften berücksichtigt werden.
Bewegung des Messobjekts
Befindet sich das Messobjekt auf einem beweglichen Träger wie beispielsweise einem Fließband, wird die Messung durch die Bandgeschwindigkeit beeinflusst. Die Bewegung des Objekts führt dazu, dass die Terahertz-Wellen während der Messung unterschiedliche Bereiche des Objekts durchdringen. Dies führt zu Unschärfen und Verzerrungen der Messdaten. Unsere innovative, intrinsische Vibrationskompensation minimiert diesen Einfluss.
Einflüsse durch die Temperatur
Terahertz-Wellen werden von Materie absorbiert und gestreut, wobei die Absorptions- und Streueigenschaften von der Temperatur abhängen. Weist das Messobjekt keine gleichmäßige Temperatur auf, kann dies zu Veränderungen in der Intensität und Verteilung der Reflektionssignale führen, die detektiert werden. Um präzise Messergebnisse zu erzielen, sollte die Temperatur des Messobjekts berücksichtigt und gegebenenfalls korrigiert werden.
Luftqualität
Feuchtigkeit, Partikel, Staub und Verunreinigungen in der Luft können die Terahertz-Wellen absorbieren oder zerstreuen, was zu Signalverlusten und Verzerrungen führt. Insbesondere in Umgebungen mit hoher Luftverschmutzung, wie industriellen Bereichen können diese Effekte verstärkt auftreten. Mit der Clean-Trace Technologie von Helmut Fischer werden stabile und reproduzierbare Messbedingungen geschaffen und Unschärfen in den Messergebnissen vermieden.
Schichtdicke
Auch die Gesamtschichtdicke des Messobjekts ist entscheidend für die Messung. Ist das Material zu dick, können die Terahertz-Wellen es nicht vollständig durchdringen. Dies führt dazu, dass die reflektierten Signale nicht mehr detektiert werden können und die Messung unvollständig ist.
Gleichzeitig ist es herausfordernd, sehr dünne Schichten von wenigen µm zu messen. Die Terahertz-Reflektionssignale von sehr dünnen Schichten haben höchst geringe zeitliche Abstände. Um diese „Echos“ voneinander zu unterscheiden, benötigt das Messsystem eine hohe zeitliche Auflösung. Dies erfordert wiederum eine hohe Bandbreite, wie es das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem verlangt. Diese Bandbreite kann jedoch nicht unendlich hoch sein.
Zusätzlich können die Echos durch Hintergrundrauschen überlagert werden, was die Messgenauigkeit beeinträchtigen kann. Daher muss im Einzelfall untersucht werden, wo die individuellen Ober- und Untergrenzen bei der Schichtdickenanalyse liegen.
Welche Norm kommt hier zur Anwendung?
Nicht leitende Schichten – Zerstörungsfreie Messung der Schichtdicke – Terahertz-Zeitbereichs-Messverfahren nach DIN 50996
Terahertzsysteme – Begriffe nach VDI/VDE 5590 Blatt 1
Terahertzsysteme – Zeitbereichsspektrometer (TDS-Systeme) nach VDI/VDE 5590 Blatt 2
