In haar zoektocht naar extreem nauwkeurige meetmethodes (nanometer) stuitte Sentech op chromatic confocal sensoren. De Brabantse sensorintegrator werkt nu samen met de Franse bedenkers, die midden in de volgende groeifase zitten. Een handvol Nederlandse bedrijven past de contactloze technologie al toe.
Als engineers nauwkeurige, contactloze afstandsmetingen willen doen, hebben ze een gereedschapskist vol met tools ter beschikking. Zelfs in het micrometerbereik kunnen ze uit behoorlijk wat mogelijkheden kiezen.
Dun arsenaal voor extreme precisie techniek
Als het nog preciezer en nauwkeuriger moet en details van submicron tot een paar nanometer in kaart moeten worden gebracht, dunt het meetarsenaal snel uit. In het verleden viel de keuze dan meestal op lasertriangulatie, maar zoals alle methodes heeft die techniek haar beperkingen.
Zo kom je qua resolutie pas echt in het submicrondomein als je duizenden datapunten combineert, zijn sommige samplepunten onbereikbaar vanwege schaduweffecten en heb je regelmatig last van het speckle-patroon in de laserbundel.
Ook Sentech liep tegen de tekortkomingen van lasertriangulatie aan.
Bij de bron van chromatic confocal
Voor een klant in de halfgeleiderindustrie haalde de meettechniek bovendien niet de gewenste meetnauwkeurigheid. Peter Verstappen, accountmanager bij de sensorspecialist, ging op zoek naar een alternatief en stuitte op chromatic confocal imaging.
“Om de beste fit voor onze klanten te kunnen leveren, doet Sentech graag zaken met de bron van de technologie”, vertelt Verstappen. In dit geval is dat het Franse Stil. Dat bedrijf uit Aix-en-Provence is opgericht door drie PhD’s die de technologie midden jaren negentig op het Parijs Institut d’Optique ontwikkelden.
Verstappen benaderde Stil vlak nadat de Fransen hun technologie van de traditionele labomgeving naar de industrie hadden gebracht en waren begonnen om het netwerk van partners wereldwijd uit te breiden.
In een optimale setting haalt de Stil-sensor met een enkele meting een resolutie van 7 nanometer.
Standaard en klantspecifiek
Omdat het patent inmiddels is verlopen, zijn ook grotere spelers op de trein gesprongen. Bedrijven zoals Micro-Epsilon en Omron hebben eveneens chromatische confocale sensoren in hun assortiment. Stil heeft niet de marketingcapaciteit om daar rechtstreeks mee te concurreren.
Verstappen: “Grote internationale leveranciers focussen zich op een selectie van de mogelijkheden om dit aan te bieden in standaard producten. Stil kent de technologie als geen ander en weet heel goed wat de applicaties zijn. Naast een standaard portfolio voor hoge volumes in bijvoorbeeld de glas- en smartphone-industrie kan het bedrijf ook klantspecifieke aanpassingen doen omdat het is ingericht op high mix, low volume.”
Nanotechniek als regenboog
De nanotechniek van Stil bestaat uit twee delen: confocaal en chromatisme. Confocale microscopie is een methode die de Amerikaan Marvin Minsky al in de jaren vijftig van de vorige eeuw bedacht.
Daarmee kun je één punt van je sample zeer nauwkeurig afbeelden. Dat doe je door een lichtbron via een pinhole – bij- voorbeeld een masker met een miniem gaatje – en een serie lenzen op je sample te focussen. Op een grensvlak tussen twee lagen met een verschillende brekingsindex wordt de bundel gereflecteerd.
Omdat elke golflengte zijn eigen focuspunt heeft, is de kleur die de sensor opvangt een zeer precieze maat voor de afstand tot het reflectieoppervlak.
Het teruggekaatste licht gaat via de lenzen en een beam splitter naar een detector waar ook weer een pinhole voor staat. De truc is nu dat alles van het sample dat niet in focus is, ook niet wordt afgebeeld op de detector.
Die gereflecteerde stralen vallen namelijk in een andere hoek op de beam splitter en gaan niet door het kleine gaatje.
7 nanometer resolutie
“Alleen als iets perfect in focus is, kan de detector het zien”, verduidelijkt Matthieu Desjacques, senior salesengineer bij Stil. “De pinhole blokkeert alle andere reflecties – links, rechts, hoger, lager. De techniek geeft je dus een scherp focusvlak voor een enkel punt, in elk denkbare omgeving.”
Dan de chromatische kant. Hoe een lens licht focusseert, is afhankelijk van de golflengte. Bij een positieve lens wordt rood licht het minst gebroken. Daarvoor ligt het focuspunt dus ver van de lens. Violet licht wordt juist sterk afgebogen en heeft zijn focuspunt dichter bij de lens. Beschijn je zo’n lens met een lichtbron die een breed spectrum aan golflengtes bevat, ontstaat er een regenboog aan focuspunten.
Stil combineert die lichteigenschap met de bestaande confocale microscopie. Omdat elke golflengte dus zijn eigen focuspunt heeft, is de kleur die de sensor opvangt een zeer precieze maat voor de afstand tot het reflectieoppervlak. Er is immers maar één golflengte waarvan het focuspunt exact samenvalt met dat punt.
Het resultaat van een scan over een oppervlak is een kleurgecodeerde microtopografie. Hoe roder, hoe groter de afstand. “De spectrometer achter de pinhole moet die informatie decoderen”, legt Desjacques uit.
“Bij een perfect punt zou je een Dirac-functie zien. In de praktijk is dat niet haalbaar. De pinhole voor de bron heeft nu eenmaal een kleine diameter waardoor de minimale spotgrootte standaard zo’n 1,8 micron bedraagt. Dat zorgt dus voor een Gaussische kromme. Uit de piekgolflengte kunnen we de benodigde informatie halen.”
Matthieu Desjacques weet alles over ‘Chromatic Confocal sensors for non-destructive measurement and inspection in nanometric scales’.
In een optimale setting haalt de Stilsensor met een enkele meting een resolutie van 7 nanometer. Die details kun je alleen zien als de optische pen met de sensor is gefixeerd ten opzichte van het sample.
Desjacques: “Je kunt een mechanische constructie bouwen om de sensor te laten bewegen, zodat je op meerdere punten kunt meten. Met optische encoders kun je daarmee ook een zeer hoge meetnauwkeurigheid halen, maar je komt niet meer aan die maximale resolutie. Dat is overigens ook lang niet altijd nodig. Bij metingen in bijvoorbeeld de glasindustrie is een nauwkeurigheid van 0,05 millimeter al voldoende. Het is maar net waarnaar de klant op zoek is. We leveren ook multipointoplossingen met meerdere pinholes zodat je een lijn of een veld kunt meten.”
Precisie en nauwkeurigheid in het submicrongebied
Stil gebruikt vaak een witlichtbron met golflengtes van 350 tot 660 nm, grofweg het zichtbare deel van het spectrum. Afhankelijk van de gekozen optica loopt het meetbereik – het verschil tussen de minimale en maximale afbuiging van het licht – van honderd micrometer tot honderd millimeter. Ruim voldoende dus voor de submicrondetails die je wilt meten.
“Het is ook mogelijk om een andere bron te kiezen”, benadrukt Desjacques. “In de halfgeleiderindustrie is het soms nuttig om met infrarood te werken.”
Een voordeel van chromatische confocale imaging ten opzichte van lasertriangulatie is dat er geen schaduweffecten optreden. Het systeem is immers coaxiaal, dus er is altijd wel een hoek te vinden waar er niets in de weg zit.
“Als de bundel op een schuin vlak komt, ontstaat er een reflectiekegel die niet geheel terugvalt in het lenzenblok. De acceptance angle van de optische pen is echter dusdanig groot dat er altijd wel een deel wordt opgevangen”, legt Desjacques uit.
“Bij een acceptance angle van 0,7 numerical aperture kun je schuine vlakken tot 45 graden meten. Tenminste, als het materiaal perfect reflecteert. Zo niet, dan is er meer kans dat je fotonen opvangt en kan de hellingshoek zelfs nog groter worden.”
Edge-schermen
Maar er zijn genoeg situaties te bedenken waar de reflectiekegel te ver uit het lood staat. Denk maar eens aan de afgeronde edge-schermen van sommige smartphones. Als je daarvan de ruwheid wilt meten, lukt dat niet meer met één sensor.
Stil lost dit op door meerdere optische pennen te gebruiken die in een hoek ten opzichte van elkaar zijn gepositioneerd. Als je transparante objecten onder de Stil-sensor legt zoals een glazen plaatje, registreert de spectrometer twee pieken. Voor elke overgang één.
“Je kunt dan niet alleen heel nauwkeurig de dikte meten”, weet Desjacques, “maar je krijgt zelfs de microtopografie van beide oppervlaktes. Je kunt dus zien of een mogelijk probleem van het ene of het andere grensvlak komt. Dat is zeer nuttige informatie, ook voor coatings in de semicon. Ons systeem geeft ze die data voor maximaal tien lagen.”
Vacuüm meetnauwkeurigheid
Chromatische confocale sensoren zijn geschikt om bijvoorbeeld dimensies te bepalen, afstanden en diktes te meten, ruwheid in kaart te brengen of de microscopische golven op een waferoppervlak te analyseren.
“Vier op de vijf gebruikers past onze contactloze technologie toe omdat ze zeer nauwkeurig laagdiktes willen doormeten”, zegt Desjacques. “Daarnaast zijn ze vaak erg gecharmeerd van het feit dat de techniek met alle materialen overweg kan. Metaal, glas, silicium: het kan allemaal.”
Toepassingsgebieden zijn onder meer medische systemen, de halfgeleidersector, luchtvaart, de glasindustrie en elektronica. Verstappen: “De technologie leent zich uitstekend voor vacuümomgevingen. De optische pen heeft namelijk geen last van uitgassing. En omdat je geen elektronica toevoegt, heb je ook geen opwarming zoals bij alternatieve oplossingen. De optische pen is immers een passieve component.”
De juiste optie voor jou?
Als je metingen wilt uitvoeren op micrometerschaal, dan moet je chromatische confocale sensoren niet overwegen, vindt Verstappen. “Daar zijn andere opties voor. Maar kom je in het submicrongebied dan is de technologie van Stil de juiste optie.”
Kom 100% in controle over jouw afstands- en diktemeting. Lees direct meer in Stil’s presentatie, of bekijk de terugblikvideo.
Dit artikel verscheen in Mechatronica&Machinebouw nr.7 2018 en is geschreven door Alexander Pil
