Oberflächen & Beschichtungen

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind integrale Bestandteile von Mobiltelefonen und Telekommunikationsinfrastruktur, deren Entwicklung, Produktion und Qualitätsprüfung messtechnisch aufgrund der hohen Frequenzen und kleinen Dimensionen sehr herausfordernd sind.
5G- und zukünftige 6G-Standards treiben den relevanten Frequenzbereich bis etwa 20 GHz. Wir haben eine Laser-Ultraschall-Methode entwickelt (Frequency Domain Laser UltraSound "FreDomLUS"), mit der die ortsaufgelöste Charakterisierung von Ein- und Mehrschichtsystemen hinsichtlich elastischer Eigenschaften, Dämpfung, Dicke und Fehlstellen möglich ist.
In der Abbildung (A) sind eine Skizze der Probe und die ermittelte Dämpfung αL an zwei Schichtmaterialien (Al und W), die in Bulk-Acoustic-Wave „BAW“ Filtern verwendet werden, und das thermoelastische Limit dargestellt.
Für das in (B) gezeigte Experiment wurde eine Probe mit einem Höhenprofil im Schachbrettmuster hergestellt und mit FreDomLUS gescannt. Die Dickenvariationen von 8 nm konnten exakt rekonstruiert werden und wurden auch mit einer AFM-Messung (Atomic Force Microscopy) verglichen.

Weitere Details finden Sie unter doi.org/10.1121/10.0017652; ICPPP21 conference presentation.

Die Anregung und Detektion von Schallwellen kann genutzt werden, um Dicke und elastische Eigenschaften von Schichtstrukturen zu bestimmen.
Selbst wenn die Dicke einer Schicht so klein ist, dass eine Untersuchung mit Puls-Echo-Messungen nicht mehr praktikabel ist, können aus dem Ausbreitungsverhalten von Oberflächenwellen die Dicke oder die elastischen Eigenschaften einer Schicht berechnet werden.
Je nach Frequenz dringt eine Oberflächenwelle verschieden tief in das Schicht- und Substratmaterial unter der Oberfläche ein. Tiefe Frequenzen bedeuten große Wellenlängen und große Eindringtiefen, hohe Frequenzen bedeuten kleine Wellenlängen und kleine Eindringtiefen (siehe Graphik).
Die unterschiedlichen Eigenschaften von Schicht und Substrat resultieren in einer frequenzabhängigen Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle. Diese kann gemessen und mathematisch modelliert werden und somit die Dicke und elastischen Eigenschaften bestimmt werden.

Weitere Informationen finden Sie in unserer Publikation: https://doi.org/10.1115/QNDE2021-74927

Die longitudinale und transversale Schallgeschwindigkeit lassen Rückschlüsse auf die Mikrostruktur zu, beispielsweise auf den Grad der Rekristallisation von Metallen während thermischer Behandlungen.
Oft wird auch die Dicke einer Platte bzw. eines Bleches benötigt. Bisherige akustische Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit und der Dicke einer Platte erfordern die Kenntnis der jeweils anderen Größe oder eine räumliche Abtastung. Die von uns entwickelte Methode kann diese Eigenschaften in einer einzigen Messung bestimmen.
Dabei werden in der Plattenprobe durch einen Laserpuls mit periodischem Linienmuster gleichzeitig eine spezifische Oberflächenwelle und mehrere Plattenresonanzen angeregt und anschließend analysiert. Dies ermöglicht (bei bekannter Dichte) die vollständige elastische Charakterisierung und gleichzeitige Dickenbestimmung von isotropen Platten. Ein diesbezügliches Patent wurde angemeldet.
Weitere Informationen finden sie in unserer Publikation: https://pub.dega-akustik.de/DAGA_2023/data/articles/000177.pdf

In mehrlagigen Beschichtungen übernehmen oft einzelne Schichten unterschiedliche Funktionen wie z.B. Schutz vor mechanischen Belastungen, Korrosionsschutz, Klebeschichten, etc. Daher ist ein homogener Schichtaufbau ohne Defekte, Einschlüsse, etc. für die Qualität und Funktionalität des Produkts häufig maßgeblich. OCT (Optische Kohärenztomographie) beispielsweise ermöglich es, wie hier am Beispiel von beschichtetem Papier gezeigt, die Dicke von Beschichtungen hochgenau zu vermessen (auch bei mehrlagigen Beschichtungen).

In einer Forschungskooperation gemeinsam mit dem Institute of Biomedical Mechatronics  (Johannes Kepler Universität, Linz) gelang es, die Struktur der Haut der texanischen Krötenechse künstlich nachzubauen, deren einzigartige Struktur kondensiertes Wasser zum Mund des Tieres leitet. Wesentlich für diesen Erfolg war die erfolgreiche Anwendung von OCT als Instrument zur Abbildung und Charakterisierung der Oberfläche, um das Verständnis der Funktionalität der Oberfläche zu ermöglichen. Anwendungen für ähnliche "funktionalisierte Oberflächen" sind „Lab-on-chip“-Applikationen, Wundauflagen, Gewebefasern oder aber die Verteilung von Schmiermitteln auf Gleitlagern.

Oft werden metallische Teile mit dielektrischen Beschichtungen versehen um deren Betriebseigenschaften (z.B. bzgl. Tribologie) zu optimieren.
Mittels Terahertz-Technologie (THz) ist eine inline-fähige Vermessung derartiger Beschichtungen sehr effizient möglich.

Die OCT (Optische Kohärenztomographie) ermöglicht Einblicke in fast alle gängigen, in der Industrie verwendeten Kunststoffe. Als tomographisches Messverfahren liefert sie Daten der inneren Struktur um Fehlstellen, Defekte, Einschlüsse, Poren, etc. zu finden und zu charakterisieren. Damit kann nicht nur die Qualität und Funktionalität der Kunststoffprodukte kontrolliert werden, die Technologie liefert auch die relevanten Informationen um den Herstellprozess besser zu verstehen und optimieren zu können.

Mittels Laserbasierten Verfahren können Oberflächen für unterschiedlichste Zwecke strukturiert werden. Die OCT-Technologie (Optische Kohärenztomographie) kann perfekt dazu eingesetzt werden, derartige Strukturen im Mikrometerbereich abzubilden (wie z.B. die hier gezeigten mikroskopischen Laserbohrlöcher) und zu vermessen - ggf. auch online und in Echtzeit während der Bearbeitung.

Wie hier am Beispiel einer Münze gezeigt, kann die Topographie oder Rauheit (Parameter vgl. ISO 25178) einer Probe sehr einfach mittels Optischer Kohärenztomographie (OCT) bestimmt werden. Der große Vorteil von OCT gegenüber anderen Methoden ist dabei die Möglichkeit auch steile Flanken zu vermessen. Die Genauigkeit bei der Vermessung von Höhenprofilen liegt dabei unter 1 Mikrometer.

In Lackschichten (oder ähnlichen Beschichtungen) übernehmen häufig eingebettete Partikel (unterschiedlichster Materialien) wesentliche Aufgaben für die Funktionalisierung der Schicht – oder einfach nur für die perfekte Optik einer Automobil-Metallic-Lackierung. Mit der kostengünstigen OCT-Methode können wir die Partikeleinbettung überwachen und charakterisieren und somit helfen, die Produktionsprozesse abzusichern und optimiert zu regeln.

Wollen Sie auf Mikrometer genau wissen, wie die örtliche Verteilung von chemischen Bestandteilen in Ihren Produkten aussieht? Mit Infrarot-Mikroskopie im mittleren Infrarot können wir Materialien und Schnittproben mit einer Ortsauflösung von bis zu 5 µm chemisch charakterisieren und z.B. Rückstände oder Einschlüsse vermessen. Auch die Quantensensorik eignet sich speziell für Fragestellungen wie diese.

Die Bestimmung der Einhärtetiefe in Stahl von thermisch (z.B. induktiv) behandelten Bauteilen ist für die Qualitätskontrolle wesentlich. State-of-the-Art ist es, an den aufgeschnittenen Proben Ätzungen bzw. Härtemessungen durchzuführen. Laser-Ultraschall bietet hier eine zerstörungsfreie Alternative. Damit können Zonen verschiedener Mikrostrukturen an beliebigen Positionen dargestellt werden bis hin zur Tomographie der Einhärtetiefe.