Optische Dickenbestimmung auf transparenten Granulaten

Schichten mit Dicken im Bereich von 0.5 - 100 nm sind wichtige Bestandteile von z. B. mikroelektronischen Bauteilen oder magnetischen Speichermedien. Die Bestimmung von deren Dicke, welche in einem hohen Maße die physikalischen Eigenschaften beeinflusst, ist zwar nicht trivial, aber es existieren wohlbekannte Methoden für diese Aufgabe. Andererseits werden Zwischenschichten in vermehrten Maße auch zur Modifikation der Oberflächeneigenschaften von Fasern, Granulaten und anderen irregulären Körpern eingesetzt. In diesem Falle ist die Bestimmung der Dicke der Modifikationsschicht komplizierter und verlässliche Methoden sind rar. Ein wichtiges Beispiel in dieser Hinsicht sind Kupfer-Diamant Kompositmaterialien mit ihren extrem hohen thermischen Leitfähigkeiten von mehr als 600 W/mK in Kombination mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), welcher an den CTE von elektronischen Materialien (4 - 8 ppm/K) angepasst werden kann. Der Schwachpunkt in diesem Material ist der thermische Kontaktwiderstand (TCR) an der Grenzfläche zwischen der Kupfermatrix und den darin dispergierten Diamantpartikeln. Der TCR kann durch eine Zwischenschicht modifiziert werden, welcher den thermischen Transfer zwischen den Konstituenten verbessert. Die Dicke dieser Zwischenlage ist von entscheidender Bedeutung. Sie muss dick genug sein, um die physikalischen Eigenschaften der Grenzfläche zu beeinflussen, und dünn genug, um nicht als Verunreinigung im Komposit zu wirken. Das führt zu Schichtdicken von weniger als 100 nm, ein Bereich in dem selbst metallische Schichten optisch transparent werden. Das Ziel dieses Projektes ist es, auszunützen, dass sowohl das Granulat (Diamantpartikel) als auch die Beschichtung optisch transparent sind. Es soll eine schnelle und kosteneffektive Methode gefunden werden, die Schichtdicke auf einer großen Zahl von Diamantpartikeln mit hoher örtlicher Auflösung zu bestimmen. Die optische Dichte der beschichteten Diamantpartikel ist abhängig von der Dicke der Oberflächenmodifikationsschicht und kann mittels eines hochwertigen Scanners quantifiziert werden. Ausgehend von existierenden Algorithmen zur Mustererkennung an granularen und faserförmigen Materialien sollen Algorithmen entwickelt werden, welche nicht nur Informationen über die Schichtdicke auf einzelnen Diamantkörnern liefern, sondern auch auf grösseren Ensembles. Damit kann z. B. die Schichtdickengleichmässigkeit bestimmt werden. Basierend auf diesen Resultaten sollen auch Schichtdicken auf statistisch signifikanten Ensembles von transparenten sphärischen oder faserförmigen Partikeln bestimmt werden.

Schichten mit Dicken im Bereich von 0.5 - 100 nm sind wichtige Bestandteile von z. B. mikroelektronischen Bauteilen oder magnetischen Speichermedien. Die Bestimmung von deren Dicke, welche in einem hohen Maße die physikalischen Eigenschaften beeinflusst, ist zwar nicht trivial, aber es existieren wohlbekannte Methoden für diese Aufgabe. Andererseits werden Zwischenschichten in vermehrtem Maße auch zur Modifikation der Oberflächeneigenschaften von Fasern, Granulaten und anderen irregulären Körpern eingesetzt. In diesem Falle ist die Bestimmung der Dicke der Modifikationsschicht komplizierter und verlässliche Methoden sind rar. Wird das beschichtete Granulat in einem Kompositmaterial verwendet, so muss diese Schicht dick genug sein, um die physikalischen Eigenschaften der Grenzfläche im Komposit zu beeinflussen, aber dünn genug, um nicht als Verunreinigung im zu wirken. Das führt zu oft Schichtdicken von weniger als 100 nm, ein Bereich in dem selbst metallische Schichten optisch transparent werden.Das Ziel dieses Projektes war es, auszunützen, dass sowohl das Granulat (z. B. Diamantpartikel oder hohle Glas-Mikrokugeln) als auch die Beschichtung im sichtbaren Bereich optisch transparent sind. Mittels eines hochwertigen Scanners konnte die Dicke metallischer Schichten auf den oben genannten Partikelklassen quantifiziert werden. Ausgehend von existierenden Algorithmen zur Mustererkennung an granularen und faserförmigen Materialien wurden Algorithmen entwickelt werden, welche es erlauben, die Schichtdicke auf einzelnen Körnern zu quantifizieren. Auch Schichtdickenverteilungen auf größeren Ensembles können ermittelt werden, was z. B. Rückschlüsse auf die mit einem bestimmten Verfahren erzielbaren Schichtdickengleichmäßigkeiten ermöglicht. Um auch kleinere Partikel mit der im Rahmen des Projektes entwickelten Software "DiamondView" zu untersuchen, wurde das Verfahren auch in ein optisches Mikroskop integriert. So können metallische Schichten auf transparenten Partikeln bis zu einer minimalen Größe von ca. 5 m quantitativ bestimmt werden. Im Umfeld der optischen Schichtdickenbestimmung wurden auch Kalibriermethoden für die Datenerfassungskomponenten (Scanner oder Digitalkamera) entwickelt. Mit Hilfe spezieller keilförmiger Fabry-Perot Interferometer können die Sensitivitäten von CCD-Elementen in optischen Komponenten absolut kalibriert werden. Bei Kenntnis der dielektrische Funktion der Beschichtung bzw. des Granulatmateriales kann so die Dicke von absorbierenden (d. h. metallischen) Schichten absolut und eindeutig ermittelt werden, während dies für transparente Dielektrika aufgrund der nicht eindeutigen Zuordnung der Schichtdicke zur optischen Transmission nicht möglich ist.Die im Rahmen des Projektes entwickelte Software "DiamondView" wurde bereits bei verschiedenen Granulattypen erfolgreich eingesetzt und eine industrielle Anwendung erscheint z. B. für beschichtete Diamantpartikel im Bereich des Möglichen.