SCHICHTDICKENMESSUNG WIKI
Optische Schichtdickenmessung
Die zerstörungsfreien Messung von lichtdurchlässigen Schichten erfolgt durch Messgeräte, welche die Schichtdicke optisch bestimmen. Damit können Schichtdicken von Einzelschichten und von Mehrschichtsystemen, vom Nanometerbereich bis zum Mikrometerbereich, präzise bestimmt werden. Die Verfahren der optischen Schichtdickenmessung dienen der Bestimmung der Stärken von sehr dünnen Funktionsschichten, Oxidschichten, transparenten Schutzlacken, Ölfilmen und transparenten Folien. Die optische Verfahren beruhen darauf, dass beim Auftreffen von Licht auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex ein Teil der Strahlung reflektiert und ein anderer transmittiert wird.
Als Steinbeis-Transferzentrum bestimmen wir Schichtdicken als Dienstleistung.
Optische Schichtdickenmessung
Beispiele von Beschichtungen für die optische Schichtdickenmessung
- Dünnschichten
- Oxidschichten
- Transparente Schutzlacke
- Ölfilmschichtdicken
- Folienstärken
Dünnschichten
Es gibt zahlreiche Einsatzbereiche für Beschichtungen und somit ebenso zahlreiche unterschiedliche Varianten von Beschichtungen. Sehr dünne Schichten spielen beispielsweise bei Smartphones, technischen Gläsern, Brillengläsern, Bildschirmen, Halbleitern, Autoteilen und bei vielen anderen Produkten eine wichtige Rolle. Bei diesen sehr dünnen Beschichtungen entscheidet die Schichtdicke über die Funktion und die Effizienz der Beschichtung. Diese verhindern Kratzer, minimieren Reflexionen oder ermöglichen spezielle Funktionen. Beispiele hierzu sind:
– Antireflexionsschichten (ARC)
– Transparante leitfähige Oxide (TCO)
– Zinndotierte Indiumoxide (ITO)
– Medikamentenfreisetzende Beschichtungen (Drug Eluting Films)
Die Schichtdicken solcher Beschichtungen liegen im Nanometerbereich. Ein Nanometer verhält sich zu einem Meter wie der Durchmesser einer 1-Cent-Münze zu dem des Erdballs.
Verfahren
Je nach Schichtdicke und Schichart kommen bei der optischen Schichtdickenmessungen verschiedene Verfahren zum Einsatz:
- Spektroskopische Reflektometrie
- Weißlichtinterferometrie
- Konfokalmikroskopie
Spektroskopische Reflektometrie
Bei der Spektroskopische Reflektometrie bzw. Reflektometrischen Interferenzspektroskopie nutzt man den Effekt, dass beim Auftreffen von Licht auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex ein Teil der Strahlung reflektiert und ein anderer transmittiert wird. Als Lichtquelle wird bei einem Reflektometer weißes Licht senkrecht auf eine Oberfläche gestrahlt. Die unterschiedliche Länge der zurückgelegten Wege der Teilstrahlen führt zum Gangunterschied und damit zur relativen Phasenverschiebung. Für jede eingestrahlte Wellenlänge kommt es zu Überlagerungen der an den beiden Phasengrenzen einer Schicht reflektierten Teilwellen in Abhängigkeit vom Einfallswinkel, dem Brechungsindex n und von der Schichtdicke d. Damit erhält man beim einem Reflektometer ein charakteristisches Interferenzspektrum. Die Lage der Extrema im Spektrum ist abhängig von der optischen Schichtdicke n⋅d und hieraus kann die Schichtdicke von dünnen transparenten Schichten bestimmt werden. Mit einem spektroskopischen Reflektometer können transparente Beschichtungen mit Schichtdicken im Bereich von 10 nm bis 100 µm bestimmt werden.
Weißlichtinterferometrie
Weißlichtinterferometer verwenden breitbandiges Licht im sichtbaren Bereich. Mathematisch lässt sich das abgestrahlte Bündel an Frequenzen als ein Wellenpaket mit einer mittleren Frequenz zusammenfassen, dessen Ausdehnung und Form von der spektralen Verteilung definiert wird. Das Wellenpaket wird in einem Strahlteiler in zwei gleichartige Portionen zerlegt. Ein Teil trifft im Referenzarm auf einen Spiegel und wird dort zurück reflektiert. Der andere Teil reflektiert auf der Objektoberfläche. Beide Pakete werden auf dem Rückweg wieder im Strahlteiler vereinigt. Sind die optischen Wege der beiden Teilstrahlen nahezu gleich, dann treffen sich die zuvor getrennten Wellenpakete wieder und können messbar interferieren. Mit einem Weißlichtinterferometer können transparente Beschichtungen mit einer Schichtdicken im Bereich von 0.5 – 100 µm gemessen werden.
Konfokalmikroskopie
Bei der Konfokalmikroskopie wird die Probe ohne umfangreiche Vorbehandlung unter atmosphärischen Bedingungen vermessen. Die Konfokalmikroskopie erlaubt die Messung von Oberflächen verschiedenster Materialien und unterschiedlicher Rauheiten. Aus der optischen Messung der Oberflächenrauheit werden Oberflächenstrukturen, Konturen und die Oberflächenkenngrößen bestimmt. Der Aufbau eines Konfokalmikroskops ist dem eines klassischen Mikroskops sehr ähnlich. Durch ein Linsensystem wird ein Objekt vergrößert und auf einem Detektor (Photomultiplier) abgebildet. Bei einem Konfokalmikroskop wird kurz vor dem Detektor, durch eine bündelnde Linse, ein Zwischenfokus erzeugt, in welchem sich eine sehr kleine Blende befindet. Mit einem Konfokalmikroskop können transparente Beschichtungen und Foliendicken im Bereich von 5 – 100 µm gemessen werden.
Gerne erstellen wir Ihnen ein Angebot für Schichtdickenmessungen.
Schichtdickenmessung
Die Schichtdicke ist neben der Härte und der Haftfestigkeit ein wichtiges Merkmal einer Beschichtung. Denn stimmt diese nicht, kann es zum Schichtversagen kommen und somit zum Totalausfall eines Bauteils. Je nach Beschichtungsart, Schichtdicke und Substrat kommen unterschiedliche Methoden zur Bestimmung der Stärke einer Beschichtung zum Einsatz.
- Querschliff-Methode
- Stufenhöhenmessung
- Kalottenschliff-Methode
- Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA, XRF)
- Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX)
- Reflektometer
- Weißlichtinterferometer
- Konfokalmikroskop
- Wirbelstrom-Verfahren
- Magnetinduktives Verfahren
- Photothermie
Beschichtungen
Aufgaben und Eigenschaften
Beschichtungen sind Überzüge auf einem Bauteile, welche dazu aufgebracht werden, um einer Oberfläche Eigenschaften zu verleihen, die mit dem eigentlichen Werkstoff des Bauteils nicht zu erreichen sind. Das sind:
- Korrosionsschutz
- Optisches Erscheinungsbild
- Verschleißschutz
- Veränderung der Reibeigenschaften (reiberwertmindernd oder reibwerterhöhend)
Beschichtungen sind neben der Farbe und Oberflächenrauheit definiert durch:
- Schichthärte
- Schichtdicke
- Haftfestigkeit
- Reibwert
- Verschleißverhalten
- Chemische Elementzusammensetzung