Terahertz, abgekürzt als THz, ist im Prinzip eine Frequenzeinheit gleich einer Billion Hertz (1012 Hz). In den letzten drei Jahrzehnten bezieht sich dieser Begriff häufig auf den Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen dem Mikrowellen- und dem Infrarotbereich.
Bis vor kurzem war es aufgrund des Mangels von effizienten Quellen und Detektoren als „THz-Lücke“ bekannt. Ende der 1980er Jahren konnten die ersten Terahertzwellen erst erfolgreich bewiesen werden. Terahertzwellen sind elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich zwischen 100 GHz und 10 THz, was eine Vakuumwellenlänge von 3 mm bis 30 µm entspricht. Sie vereinen die wesentlichen Vorteile der beiden benachbarten Frequenzbereichen. Anders als Infrarot können Terahertzwellen ein breites Spektrum von nicht-leitenden Materialien berührungslos und zerstörungsfrei durchdringen. Andererseits weisen sie eine bessere räumliche Auflösung als Mikrowellen auf. Darüber hinaus sind Terahertz-Photonen im Gegensatz zu den hochenergetischen Röntgenphotonen nicht ionisierend und daher nicht gesundheitsschädlich.
Die Schichtdickenanalyse von Mehrschichtsystemen spielt in der industriellen Qualitätssicherung eine zunehmend wichtige Rolle. Es genügt bei vielen Anwendungen nicht mehr, die Gesamtdicke einer mehrschichtigen Probe zu messen.
Viele Industriehersteller u.a. aus dem Automotive-Bereich und Flugzeugbau interessieren sich für neue Technologien, die die Dicke der Einzelschichten eines Mehrschichtsystems genau messen können. Außerdem brachten neue Substratmaterialen wie Kohlefaserverbundwerkstoffe (CFK) oder Kunststoff, die immer häufiger eingesetzt werden um Gewicht und Kosten zu sparen, traditionelle Messverfahren an ihren Grenzen.
Im Gegensatz zu konventionellen Messverfahren können Terahertzwellen nicht-leitende Materialien berührungslos und zerstörungsfrei durchdringen und an jeder Grenzfläche zwischen zwei Schichten mit unterschiedlichen optischen Materialparametern reflektiert werden. Dadurch kann die Rückreflexion von der Substratoberfläche sowohl für metallische als auch für nicht-metallische Substrate gemessen werden. Mit diesen Eigenschaften bietet Terahertz Technologie einen alternativen Ansatz mit großem Potenzial.
Die Schichtdickenmessung mittels Terahertz-Technik basiert auf die Laufzeitverfahren.
Die Terahertzwelle wird an jeder Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen optischen Materialparametern in einer transmittierten und einer reflektierten Teilwelle zerlegt. Zwei Peaks, die von zwei benachbarten Grenzen reflektiert sind, haben eine Zeitverzögerung proportional zur optischen Dicke. Ist der Brechungsindex bekannt, kann die mechanische Dicke berechnet werden.
Für eine dicke Schicht sind die beiden Peaks zeitlich getrennt und können mit Hilfe einer mathematischen Formel direkt berechnet werden. Für dünne Schichten überlagern sich die einzelnen Reflexe, so dass eine Regressionsanalyse zur Auflösung der einzelnen Schichten benötigt wird.
Im Terahertz-Bereich ist die Definition einer dünnen Schicht nicht streng definiert. Eine allgemeine Definition setzt die Grenze zwischen dicken und dünnen Schichten bei ca. 100 µm. Dieser Wert kann als absolute geometrische Dicke oder als optischer Weg genommen werden. Eine zweite Definition beschreibt mit dem Begriff „dünne Schicht“ jede Schicht, deren einzelne Reflexe sich im Zeitbereich überlappen. Diese Definition ergibt sich aus der zunehmenden Komplexität im Datenauswertungsprozess.
References: (1) Advanced GPU-Based Terahertz Approach for In-Line Multilayer Thickness Measurements / (2) Highly accurate thickness measurement of multi-layered automotive paints using terahertz technology
