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Ein Laser-Blick auf ultradünne Schichten

22.03.2016

Von der Beschichtung energietechnischer, elektronischer oder pharmazeutischer Produkte bis zur dünnen Plastikfolie: Eine neue Technik der TU Wien ermöglicht Qualitätskontrolle von Beschichtungsverfahren in Echtzeit.

Wenn man große Flächen mit hauchdünnen Schichten im Mikrometer- oder Nanobereich überzieht, die genau die richtige Dicke haben müssen, dann passieren leicht Fehler. Oft kann man die Dicke der aufgebrachten Schicht erst untersuchen, nachdem der Beschichtungsvorgang abgeschlossen ist.


Polarisationsmodulation eines Lasers mit photoelastischem Kristall

Mit einigen technischen Tricks gelang es nun aber einem Forschungsteam der TU Wien, ein Gerät zu entwickeln, das direkt in Beschichtungsanlagen eingebaut werden kann, und im laufenden Betrieb eine zuverlässige Qualitätskontrolle ermöglicht. Dieses Gerät, das „Inline-Ellipsometer“ wird nun auf der Hannover Messe erstmals der Öffentlichkeit präsentiert.

Dauerfeuer mit Laserpulsen

„Das Grundprinzip ist einfach“, sagt Ferdinand Bammer vom Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik der TU Wien. „Man beleuchtet die Oberfläche mit einem Laserstrahl und misst, wie das Laserlicht durch die dünne Schicht verändert wird.“ Dabei geht es nicht bloß um die Intensität des Laserstrahls, eine entscheidende Rolle spielt seine Polarisation – also die Richtung, in der die Lichtwelle schwingt.

Das Gerät, das nun vorgestellt wird, produziert kurze Laserpulse, die in rascher Folge abgefeuert werden. Durch einen Kristall, der tausende Male in der Sekunde schwingt, werden die Lichtpulse unterschiedlich polarisiert. Je nachdem, wie dick die untersuchte Schicht ist, werden die Polarisation und die Intensität der Pulse in unterschiedlichem Ausmaß verändert. Damit lassen sich sogar extrem dünne Beschichtungen mit einer Dicke im Mikrometer- oder Nanometerbereich zuverlässig analysieren. Die Beschichtung kann dabei aus beliebigem Material bestehen, solange es transparent oder nur teilweise durchscheinend ist – was bei extrem dünnen Schichten von wenigen Nanometern selbst bei Metallen der Fall ist.

„Unsere Messtechnik hat eine ganze Reihe von Vorteilen“, sagt Ferdinand Bammer. „Wir kommen mit relativ günstigen Komponenten aus und brauchen keine beweglichen Teile, dadurch ist das Gerät preiswert, robust und wenig fehleranfällig.“ Die Messung erfolgt berührungslos, etwa hundert Messungen pro Sekunde sind möglich. Mit Hilfe einer speziellen Abbildungsmethode kann man in einer einzigen Messung einen Bereich von etwa dreißig Zentimetern Länge erfassen. Das bedeutet, dass man diese Technik auch in schnell laufenden Industrieanlagen für die Echtzeit-Qualitätskontrolle einsetzen kann.

Konkurrierende Produkte sind entweder wesentlich aufwändiger, deutlich langsamer, oder messen Schichtdicken nicht flächig, sondern nur an wenigen Punkten -  und sie verbrauchen deutlich mehr Energie. Außerdem scheitern viele Systeme an flexiblen, doppelbrechenden Materialien – die Technik der TU Wien kann bei vielen unterschiedlichen Materialien eingesetzt werden.

Von der Solarzelle bis zur pharmazeutischen Spezialbeschichtung

„Besonders interessant ist das zum Beispiel für die Photovoltaik. Solarzellen sind oft aus mehreren Schichten aufgebaut, die exakt die richtige Dicke haben müssen“, sagt Ferdinand Bammer. Anwendungen für die Technik gibt es allerdings in fast allen Bereichen der Produktion – von Brennstoffzellen über Batterietechnik bis zu Displaytechnik, Medizin und Pharmaindustrie.

Ein Prototyp wurde bereits in bestehende Anlagen eingebaut und für verschiedene Beschichtungsarten erfolgreich getestet. Gerade wegen der vielseitigen Einsetzbarkeit der Ellipsometrie-Technik kann die Methode für beliebige Beschichtungsprozesse spezifisch angepasst werden.  „Dass unsere Technik funktioniert, haben wir bewiesen“, sagt Ferdinand Bammer. „Nun können wir sie verschiedensten Firmen für ihre Produktionssteuerung oder ihre Qualitätskontrolle anbieten.“

Erstmals wird die Inline-Beschichtungskontrolle dem breiten Fachpublikum auf der Hannover Messe (25.-29.4.) präsentiert: Halle 27, Stand L71.

Andere Innovationen am Gemeinschaftsstand der TU Wien, der im Bereich EnergyEfficiency angesiedelt ist, zeigen:

- Einen neuartigen Ansatz zur breit angelegten Integration von dezentralen Energieerzeugern und Haushalts-Anlagen in den gesicherten Betrieb von Stromversorgungssystemen 

- Den energieeffizienten und kostengünstigen Transport von Wasserstoff (H2) aus erneuerbaren Energien über das herkömmliche Erdgasnetz

- Eine neuartige und kostengünstige Bauweise für hohe Türme von Windenergieanlagen

- Neuartige schwimmende Plattformen beispielsweise für PV- oder Entsalzungsanlagen, die auch bei hohem Wellengang stabil schwimmen

- Die mögliche Verdoppelung der Produktion von Biogasanlagen durch Nutzung von Überschussstrom für Elektrolyse und Methanisierung

- Die einzigen, höchst energieeffizienten Synchronmotoren, die mit Permanentmagneten oder ohne Einsatz von Seltenerdmetallen realisiert werden können und ohne fehleranfällige Sensorik auskommen

- Das einzige Magnetlager für höchste Dynamik bei geringen Systemkosten, das wartungsfrei und sensorlos ist

- Die ersten Polymere für hochpräzise und hochfeste Produkte aus 3D-Druck – in der Qualität von Polymer-Spritzguss

- Das erste Verfahren, das den Pulverspritzguss (MIM) von Aluminium-Legierungen ermöglicht – und damit Material- und Gewichtsreduktionen um bis über 50%

Rückfragehinweis:

Zu wissenschaftlichen Fragen:

Dr. Ferdinand Bammer

Institut für Fertigungstechnik

und Hochleistungslasertechnik

Technische Universität Wien

Getreidemarkt 9, 1060 Wien

T: +43-1- 58801-311616

ferdinand.bammer@tuwien.ac.at

Zum TU-Auftritt bei der Hannover Messe:

Dipl.-Ing. Peter Heimerl

Forschungsmarketing

Technische Universität Wien

Karlsplatz 13, 1040 Wien

T: +43-664-605883320

forschungsmarketing@tuwien.ac.at

Aussender:

Dr. Florian Aigner

Büro für Öffentlichkeitsarbeit

Technische Universität Wien

Operngasse 11, 1040 Wien

T: +43-1-58801-41027

florian.aigner@tuwien.ac.at

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.tuwien.ac.at

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