Qualitätskontrolle von Dünnschichtsystemen mittels Farbbildverarbeitung

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1 Qualitätskontrolle von Dünnschichtsystemen mittels Farbbildverarbeitung Jürgen Leopold, Holger Günther, Regina Leopold GFE e.v., Betriebsteil Chemnitz, Geschäftsbereich Berechnen und Prüfen Lassallestr. 14; 9117 Chemnitz; 1. Technische Problemstellung Die genaue Vermessung dünner Schichten auf Maschinen- und Geräteteilen aus metallischen, keramischen und anderen Substraten ist aufwendig und selten sogar problematisch. Bedingt durch die wachsende Zahl beschichteter Bauteile steigt auch die Forderung nach einer zuverlässigen Vermessung der Schichten selbst. Die Kenntnis der Schichtdicke ist eine der notwendigen Voraussetzungen, um die geforderten funktionellen Eigenschaften von dünnen Schichten zu gewährleisten. Mit ihrer Messung werden die erforderliche Homogenität bzw. der geforderte Mindestwert an Beanspruchungsstellen überprüft. In zahlreichen Fällen wird die Schichtdicke als Qualitätskenngröße herangezogen, dies ist beispielsweise bei Beschichtungen zum Verschleiß- oder Korrosionsschutz üblich. Weitere Gründe für die Überprüfung der Schichtdicke liegen in der geforderten Maßhaltigkeit beschichteter Teile und in der Vermeidung unnötiger Überstärken. Letztere würde zu vermeidbaren Material- und Prozesskosten führen. Bei der Verwendung von Schichtdickenmessungen als repräsentative Qualitätsaussage müssen genaue Vereinbarungen über Art, Ort und Zahl der Messstellen sowie der Messgrößentoleranzen getroffen werden. Nach DIN 5 982, Teil 1-3 (ISO 3882) wird als wesentliche Fläche der Oberflächenbereich eines Gegenstandes definiert, an dem die Schicht bzw. das Schichtsystem vorhanden ist und der die vorgeschriebenen Eigenschaften, insbesondere die vorgeschriebene Schichtdicke, aufweisen muss. Lage, Anzahl und Maße der wesentlichen Flächen sind zu vereinbaren. Auf den wesentlichen Flächen sind weiterhin Referenzflächen zu definieren, innerhalb derer eine festzulegende Zahl von Einzelmessungen der örtlichen Schichtdicke auszuführen ist. 2. Messverfahren Für die Schichtdickenmessung bestehen zahlreiche technisch eingesetzte Verfahren, die häufig auch genormt sind. Grundsätzlich lassen sich die Messverfahren für die Schichtdicke nach physikalisch - chemischen Wirkprinzipien einteilen (Bild 1). Zum Teil sind hier auch Verfahren aufgelistet, die mehr indirekt zur Dickenmessung herangezogen werden können, wie z. B. die Tiefenprofilanalysen durch lonensputtern. Die Verfahren lassen sich weiterhin in zerstörungsfreie und zerstörende Verfahren einteilen (Bild 2). Der Ausdruck zerstörungsfrei bezieht sich allerdings nur auf die Messung selbst. Es ist also nicht ausgeschlossen, dass ein Teilstück aus dem zu prüfenden Teil herausgetrennt und damit das Gesamtteil zerstört werden muss bzw. lediglich ein Teil der Oberfläche des Objektes gestört oder zerstört wird. Grundsätzlich können mit den mechanischen und optischen zerstörenden Messverfahren absolute Schichtdickenmessungen auch an unbekannten Schichten auf unbekannten Grundwerkstoffen durchgeführt werden. Dagegen setzt eine zerstörungsfreie Messung voraus, dass das entsprechende Messgerät kalibriert ist. Bei unbekannten Schicht-Grundwerkstoff-Kombinationen müssen gegebenenfalls

2 einige zerstörende Messungen zur Kalibrierung der zerstörungsfreien Verfahren durchgeführt werden. Dafür wird oft das Verfahren des Kalottenschliffes eingesetzt. Das Kalottenschliffverfahren ist ein in der betrieblichen Praxis sehr weit verbreitetes Messverfahren, sowohl bei Lohnbeschichtern als auch bei Werkzeugherstellern. VERFAHREN zur SCHICHTDICKENMESSUNG ELEKTROMAGNETISCHE VERFAHREN Wirbelstromverfahren Schwingquarzverfahren Thermoelektrische Verfahren Widerstandsmessung Kapazitive Verfahren CHEMISCHE VERFAHREN Potentiometrische Verfahren Schichtanalyse mittels Titration, Fotometrie, Atomabsorption OPTISCHE VERFAHREN Interferometrische Verfahren Fotometrische Absorption Ellipsometrie Akustische Mikroskopie Leopold / METALLOGRAPHISCHE VERFAHREN KALOTTENSCHLIFF Rasterelektronenoder Lichtmikroskopie RADIOMETRISCHE und SPEKTROSKOPISCHE VERFAHREN Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA) Protoneninduzierte X-Ray-Analyse (PIXA) GRAVIMETRISCHE und MECHANISCHE VERFAHREN Wägung Profilometrie Mechan. Längenmessung Verfahren1 cdr Bild 1: Übersicht zu Verfahren der Schichtdickenmessung Bildaufnahme mittels Standard CCD-Kamera T s 2R Analyse gekrümmter Objektoberflächen d leopold / Kalo1.cdr D Leopold / Bildaufnahme mittels hochauflösender s/w Kamera Bildaufnahme mittels hochauflösender Farb - CCD-Zeile 3D-Analyse mittels Projected Fringes Bild 2: Farbbildanalyse an Dünnschichtsystemen

3 Während für Laboruntersuchungen eine manuelle Schichtdickenvermessung ausreichend ist, erfordern Serienprüfungen bzw. Qualitätsnachweise eine möglichst automatisierte Vermessung. Im Bild 2 sind grundsätzlich mögliche Methoden gezeigt, wobei sich auf die Bildaufnahme mittels Standard-CCD-Kamera bzw. hochauflösender Farb-CCD-Zeile konzentriert wurde. 3. Farbinformationen in Multilayer-Schichten Im folgenden werden Verteilungen der Farben im RGB- bzw. HSI-Raum einer ausgewählten Schicht für drei verschiedene Vergrößerungen bzw. Bildauflösungen gezeigt. Den Schichtaufbau einer Multilayerschicht mit nm-schichtbereichen wird in Bild 3 dargestellt. Bild 3 : Kommerzielles Multilayer-Schichtsystem Weitverbreitete Schichtsysteme bestehen aus ein bis vier Einzelschichten. Bild 4: Vierschichtsystem

4 2 Bild 5: Kalotte (5x) mit Scanbereich Bild 6: RGB 2 Bild 7: HSI Wie die Linienprofile zeigen, enthält die HSI - Farbverteilung z.t. signifikantere Informationen zu den jeweiligen Schichtgrenzen als das RGB - Profil. Kalottenaufnahmen mit einer größeren Auflösung liefern qualitativ bessere Linienprofile (Bild 8 und Bild 9). 2 Bild 8: Kalotte (2x) mit Scanbereich Bild 9: RGB-Linienprofile für Bild 8

5 4. Schritte zu einem automatisierten Analyseverfahren Unter Nutzung klassischer Methoden der Farbbildanalyse kann für ausgewählte Schichtensysteme bereits eine weitgehend automatisierte Schichtdickenanalyse realisiert werden. Die folgenden Bilder zeigen für eine TiN-Schicht die Schritte. Ergebnis: Bild 1: Bildfolge zur automatischen Schichtdickenbestimmung 5. Zusammenfassung Die Nutzung von Farbinformationen bei Mono- bzw. Multilayerschichten aus Kalottenaufnahmen kann zur automatisierten Schichtdickenbestimmung genutzt werden. Im Vortrag werden weitere Beispiele der Analyse derartiger Schichtsysteme behandelt. Die vorgestellten Untersuchungen sind erste Ergebnisse eines noch in Bearbeitung befindlichen Projektes. Diese Untersuchungen werden aus Haushaltmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie im Rahmen des Programms der Marktvorbereitenden Industrieforschung (Proj. Nr. 132/99) gefördert. Für diese Förderung und Unterstützung sei gedankt.