Hochauflösende Optische Kohärenztomographie für die Messung dünner Schichten

Kompakter Scankopf eines OCT-Systems
© Fraunhofer IPT
Kompakter Scankopf eines OCT-Systems
OCT-Querschnittbilder. Oben: Eine ca. 20 µm Schicht auf einer Papieroberfläche in der 2D-Ansicht. Unten: 3D-Aufnahme eines Klebebands
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OCT-Querschnittbilder. Oben: Eine ca. 20 µm Schicht auf einer Papieroberfläche in der 2D-Ansicht. Unten: 3D-Aufnahme eines Klebebands

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen behandelt alle Fragen rund um die produktionsbegleitende Messtechnik sowie qualitätssichernden Maßnahmen. Zusammen mit Partnern aus der Industrie und der Forschung werden Messsysteme entwickelt, Messtechnik in Prozesse integriert und AI-basiert die prozessierten Daten automatisiert ausgewertet. Neben Lösungen für die Laborautomatisierung, die Erforschung wellenfrontbasierter Systeme für die Optikjustage und die Entwicklung Highspeed Mikroskopie-Aufnahme von Mikroskopie, stellt ein Themenschwerpunkt die Optische Kohärenztomographie (OCT) dar.

Die OCT ist eine zerstörungsfreie, optische Messtechnik, welche auf dem Prinzip der kurzkohärenten Interferometrie basiert und hiermit Querschnittbilder (semi-)transparenter Werkstücke und Proben erlaubt. Hauptanwendungsgebiet der OCT bildet hierbei seit Anfang der Entwicklung die biomedizinische Diagnostik, zum Beispiel zur nichtinvasiven Darstellung des Augenhintergrunds innerhalb der Ophthalmologie. Beflügelt durch das stetige Forschungsinteresse in der Biomedizin wurde die OCT bereits in einer Vielzahl an industriellen Anwendungen erfolgreich getestet. Diese beinhalten unter anderem die Inspektion von Mikrobauteilen bzw. mikrostrukturierter Oberflächen, die Charakterisierung von Schweißnähten innerhalb eines Laserschweißprozesses oder die Formprüfung von Mikrooptiken.

Bei einer Vielzahl an Anwendungen bedarf es einer Dickenmessung von Schichten unterhalb der Auflösungsgrenze konventioneller OCT-Systeme. Hierzu zählen beispielsweise Lackierungen von Werkstücken oder der Auftrag funktioneller Beschichtungen. Oftmals beeinflusst in diesen Fällen die Schichtdicke bzw. die Auftragsmenge nicht nur die optische Funktionalität der Schicht, sondern auch ihre mechanischen Schutzfunktionen. Für die Bestimmung sehr dünner Schichten bedarf es der Integration der sogenannten UHR-OCT in die Produktion. Hierfür hat das Fraunhofer IPT ein UHR-OCT-System entwickelt, welches eine axiale Auflösung von ~1µm gewährleistet und eine Eindringtiefe von bis zu 1 mm in das Bauteil zulässt. Da die axiale Auflösung der OCT zentral durch die spektrale Bandbreite der Lichtquelle bestimmt wird und invers proportional zur verwendeten Wellenlänge ist, werden für die Entwicklung hochauflösender OCT-Systeme breitbandige Superlumineszenzdioden verwendet, welche ein Spektrum von ca. 300 nm abdecken können. Somit lassen sich mit der UHR-OCT zerstörungsfrei und berührungslos Schichtdicken differenzieren, welche kleiner als 3 µm sind.

Ein weiterer Vorteil der OCT als zerstörungsfreie Prüfmethodik ist die Integrierbarkeit in Produktionsanlagen. Die Inline-Prozesskontrolle vermeidet nachgelagerte Qualitätsprüfungsschritte und erlaubt eine adaptive Steuerung der Prozessparameter. Im Falle der Schichtdickenmessung erlaubt eine integrierte Messung in den Auftragsprozess vor allem eine verbesserte ökologische Effizienz des Auftragsmaterials. In Zukunft werden derartige Inline Prüfmethoden unabdingbar sein für eine effiziente und ressourcensparende Prozessauslegung.

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M.Sc. Charlotte Stehmar

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
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