Inline-Ellipsometrie für die Beschichtungsinspektion in Roll-to-Roll-Prozessen

Forscher der TU Wien haben ein Inline-Imaging-Ellipsometer für Roll-to-Roll-(R2R)-Fertigungsprozesse entwickelt. Das System integriert eine polarisationssensitive Industriekamera von Allied Vision, um Schichtdicke und Beschichtungsuniformität auf bewegten Substraten in Echtzeit zu messen und damit eine kontinuierliche Dünnschichtinspektion bei Produktionsgeschwindigkeiten zu ermöglichen.

Herausforderungen der Dünnschichtinspektion in Roll-to-Roll-Prozessen
Roll-to-Roll-Produktionsverfahren tragen funktionale Beschichtungen auf flexible Substrate wie Polymerfolien oder Metallfolien mit Geschwindigkeiten von über 100 m pro Minute auf. Solche Beschichtungen werden unter anderem bei Lithium-Ionen-Batterieelektroden, flexibler Elektronik und Displaykomponenten eingesetzt.

Die Qualitätskontrolle in diesen Hochdurchsatzprozessen stellt jedoch eine Herausforderung dar. Herkömmliche Inspektionsmethoden basieren häufig auf Stichproben oder Offline-Messsystemen. Prozessabweichungen wie Änderungen der Viskosität, Temperaturschwankungen oder Fehljustierungen der Beschichtung können daher unbemerkt bleiben, bis bereits eine komplette Rolle produziert wurde.

Das an der TU Wien entwickelte Imaging-Ellipsometriesystem adressiert diese Einschränkung, indem es eine kontinuierliche Überwachung von Schichtdicke und Gleichmäßigkeit über die gesamte Substratbreite während des laufenden Produktionsprozesses ermöglicht.

Optische Architektur für Inline-Ellipsometrie
Die Ellipsometrie bestimmt Schichtdicke und optische Eigenschaften durch die Analyse der Polarisationsänderung reflektierten Lichts. Obwohl diese Methode in der Labormesstechnik etabliert ist, sind klassische Ellipsometer aufgrund großer kollimierter Strahlengänge und mechanischer Scansysteme nur begrenzt für Produktionsumgebungen geeignet.

Die Lösung der TU Wien ersetzt konventionelle refraktive Optiken durch großflächige Fresnel-Linsen. Diese reduzieren sowohl die Baugröße als auch die Kosten der optischen Einheit, während der für ellipsometrische Messungen erforderliche präzise Einfallswinkel erhalten bleibt.

Damit wird eine flächendeckende Inspektion bewegter Folien möglich. Das System wurde auf einer Produktionsanlage mit Substraten von 300 mm Breite demonstriert und ist für den Einsatz direkt in Roll-to-Roll-Beschichtungslinien ausgelegt.

Polarisationsbildgebung mit industrieller Machine Vision
Kern des Systems ist eine polarisationssensitive Machine-Vision-Kamera von Allied Vision. Die Kamera basiert auf dem CMOS-Sensor Sony IMX250MZR mit einer Auflösung von 2448 × 2048 Pixeln und Global-Shutter-Technologie. Die Pixelgröße beträgt 3,45 µm, und die Bildrate erreicht bis zu 75 Bilder pro Sekunde.

Der Sensor integriert ein Nanodraht-Polarisator-Array, das vier Polarisationsrichtungen – 0°, 45°, 90° und 135° – gleichzeitig erfasst. Die Polarisationsfilter sind in 2 × 2-Pixelgruppen angeordnet, wodurch mehrere Polarisationszustände in einer einzigen Aufnahme registriert werden können.

Die Beleuchtung erfolgt über eine wählbare LED-Quelle im Spektralbereich von 350 nm bis 1100 nm. Ein fester linearer Polarisator mit 45° befindet sich im Beleuchtungspfad. Durch die Analyse der Intensitätsverhältnisse der reflektierten Polarisationskomponenten berechnen Softwarealgorithmen für jedes Bild räumlich aufgelöste Schichtdickenkarten bei Produktionsgeschwindigkeit.

Industrielle Validierung mit funktionalen Beschichtungen
Das Imaging-Ellipsometer wurde mit Materialien getestet, die in industriellen Beschichtungsprozessen eingesetzt werden. Dazu gehörten PEDOT-Schichten auf PET-Folie, wie sie in der organischen Elektronik und bei transparenten Elektroden verwendet werden.

Weitere Tests erfolgten mit Elektrolyt-Beschichtungen auf Kupferfolie, die bei der Herstellung von Batterien verwendet werden. In beiden Fällen erzeugte das System quantitative Dickenkarten, während sich das Substrat mit Produktionsgeschwindigkeit bewegte.

Die polarimetrische Analyse ermöglichte die Identifikation von Beschichtungsunregelmäßigkeiten, Randfehlern und Oberflächendefekten, die bei herkömmlichen optischen Inspektionssystemen häufig nicht sichtbar sind. Eine solche frühzeitige Fehlererkennung kann die Prozesskontrolle verbessern und Materialverluste in der Serienproduktion reduzieren.

Mechanische Stabilität und Reduzierung von Messstörungen
Inline-Ellipsometrische Messungen werden häufig durch mechanische und optische Störeinflüsse wie Folienvibrationen, Substratbirefringenz oder Rückseitenreflexionen beeinträchtigt.

Die Systemarchitektur reduziert diese Effekte durch Messungen direkt auf der aufgewickelten Rolle. Diese Messgeometrie stabilisiert den effektiven Einfallswinkel und verringert Vibrationseinflüsse.

Rückseitenreflexionen werden vom Detektor weggeleitet, während die LED-Beleuchtung eine spektrale Bandbreite von 20–60 nm nutzt. Dadurch entstehen keine kohärenten Interferenzen zwischen Vorder- und Rückseitenreflexionen, was Interferenzartefakte in der Dickenmessung verhindert.

Skalierung für industrielle Roll-to-Roll-Fertigung
Das Messkonzept lässt sich auf größere Substratbreiten ausweiten, wie sie in industriellen Roll-to-Roll-Produktionslinien üblich sind. Die Architektur unterstützt Folienbreiten von bis zu etwa zwei Metern, wie sie beispielsweise in der Batterie- und Elektronikfertigung vorkommen.

Der messbare Schichtdickenbereich reicht von Nanometerschichten stark absorbierender Materialien bis zu Mikrometerdicken transparenter Beschichtungen. Da das System mit einer festen Wellenlänge und einem konstanten Beleuchtungswinkel arbeitet und keine beweglichen Teile benötigt, kann es vergleichsweise einfach in bestehende Produktionslinien integriert werden.

Die Forschungsergebnisse wurden 2026 von Ferdinand Bammer und Kollegen in der Fachzeitschrift Flexible and Printed Electronics veröffentlicht und beschreiben ein Verfahren zur Echtzeit-Imaging-Ellipsometrie für die Inline-Inspektion in Roll-to-Roll-Beschichtungsprozessen.

www.alliedvision.com