OPTISCHE M ESSTECHNIK / OPTICAL M EASURING Koaxiale interferometrische Schichtdickenmessung Coaxial interferometric measuring of layer thickness Abstract Dr. Gerd Jakob Zusammenfassung Ein neuer Sensor mit koaxialem Strahlengang ermöglicht die berührungslose, hochauflösende Messung der Dicke transparenter Schichten in einem Bereich von 2 bis 250 µm. Mit hohen Messraten kann der Sensor auch für ortsaufgelöste Schichtdickenmessungen eingesetzt werden. An Schichtsystemen kann in einem Durchgang simultan die Dicke mehrerer Einzelschichten ermittelt werden. Mit einem speziellen Messkopf wird aus dem Schichtdickensensor ein Sensor für hochaufgelöste Abstandsmessungen. Funktionsweise Die Schichtdickenbestimmung beruht auf einer interferometrischen Messung. Abbildung 1 zeigt die Teilstrahlen, die auftreten, wenn ein Strahl mit der Feldstärke Ei auf eine transparente Schicht auftrifft. Es wird zunächst nur die Schicht mit der Dicke d1,2 betrachtet. Die Schichtdickenmessung erfolgt koaxial, die Strahlen treffen lotrecht auf die Oberfläche. Der in Abbildung 1 schräg eingezeichnete Strahlengang dient nur einer übersichtlicheren Darstellung. An jeder Grenzfläche, an der sich die Brechzahl ändert, wird ein Teil des auftreffenden Lichtes Abb. 1: Darstellung zum SchichtdickenMessprinzip: Reflexion der Teilstrahlen an transparenten Schichten. Fig. 1: Illustration of the measurement principle: Partial beams, being reflected at transparent layers. reflektiert. Bei einer Einzelschicht treten die Teilstrahlen mit den Feldstärken Er1 und Er2 auf. Beide Strahlen legen unterschiedliche Wege zurück. Es tritt eine Phasenverschiebung zwischen den Teilstrahlen auf, die von der Wellenlänge des Lichtes, der Dicke d1,2 der Schicht sowie der Brechzahl n2 des Schichtmaterials bestimmt wird. Die Beträge der Feldstärken Er1 und Er2 ergeben sich mit den Fresnelschen Gleichungen aus den Brechzahlen n1, n2 und n3. Trifft polychromatisches Licht auf die Schicht, so variiert die Phasenverschiebung zwischen den Teilstrahlen mit der Wellenlänge. Bei bestimmten Wellenlängen tritt konstruktive, bei anderen destruktive Interferenz auf. Wird die Intensität dieses Interferenzsignales über der Wellenlänge aufgetragen, zeigen sich abwechselnd Minima und Maxima. In Abbildung 2 ist ein solches Intensitätsspektrum dargestellt, das mit dem unten beschriebenen Sensor gemessen wurde. Wird die Intensität des Interferenzsignales nicht über der Wellenlänge sondern über der Wellenzahl aufgetragen, ergibt sich eine harmonische Funktion, deren Frequenz proportional zur optischen Weglänge der Schicht (n2 × d1,2) ist. Damit kann aus der Frequenz die optische Weglänge und bei bekannter Brechzahl die Schichtdicke bestimmt werden. Befindet sich nicht eine Schicht sondern ein System aufeinanderfolgender Schichten im Strahlengang, treten weitere Teilstrahlen auf (vgl. Abbildung 1). Aus der Kombination von jeweils zwei der Teilstrahlen ergibt sich ein periodisches Intensitätssignal im Spektrum des reflektierten Lichtes. Bei zwei Schichten, wie in Abbildung 1 dargestellt, erhält man im Intensitätsspektrum dann die Summe von drei, bei drei Schichten von sechs harmonische Funktionen. Eine Fourieranalyse ermöglicht es, diese Funktionen zu trennen und die Frequenzen zu bestimmen. Abbildung 3 zeigt die Fouriertransformierte des Spektrums, das in dem unten beschriebenen Sensor bei der Messung an einem zweischichtigen Klebefilm entsteht. Aufgetragen ist die Intensität der an diesem A new high resolution coaxial sensor enables non-contact measuring of the thickness of transparent layers in a range of 2 to 250 µm. With its high sampling rate the sensor is also used for scanning measurements. The thickness of multiple individual layers in a layer system can be determined simultaneously in one measurement. With a special measuring head the sensor can be used for distance measurements. Principle The thickness determination is based on an interferometric measurement. Figure 1 shows an incident beam with the field strength Ei reflected by the two surfaces of the layer with the thickness d1,2 The thickness measurement works coaxially, thus the incident beam and the reflected beams are parallel. The slanting beams in figure 1 serve for the purpose of a clearer description, only. At each interface of the layer, a part of the incident light is reflected. When measuring a single layer, the two beams appear with the field strengths Er1 and Er2 . Because of the different propagation paths there is a phase difference between the two beams which depends on the wavelength of the light, on the layer thickness d1,2 and on the refractive index of the layer n2. According to the Fresnel Equations the amplitudes of the two beams result from the refractive indices n1, n2 and n3. With polychromatic light, the phase difference between the two reflected beams varies with the wavelength. At certain wavelengths constructive interference occurs, at other wavelengths interference is destructive. Therefore, the resulting intensity as a function of wavelength shows a typical pattern. In figure 2, such an intensity spectrum is shown, which has been measured with the sensor described below. The intensity of the interference signal as a function of wave number instead of wavelength is a harmonic function. From its frequency, the optical path length (n2 × d1,2) of the layer is calculated. The geometrical layer thickness is obtained by dividing this value by the refractive index.

When measuring a system of different layers additional beams are reflected on each interface (Figure 1). The resulting intensity as a function of the wave number is the sum of different harmonic functions, each of them representing a combination of two reflected beams. Two layers, as shown in Figure 1, lead two three, three layers to six harmonic functions. With a Fourier Analysis, the frequencies of the different functions are determined. Figure 3 shows the Fourier Transform of an intensity spectrum, as it appears when a two layer adhesive tape is measured. The figure shows the intensity as...