Design and Fabrication of a Spin Coater with In-Situ Optical Measurement for Soft Thin Films

Technisches Resümee: Design und Fertigung eines Spin-Coaters mit optischer In-situ-Messung für weiche Dünnschichten

Problemstellung
Das Spin-Coating (Rotationsbeschichtung) ist eine Standardmethode zur Herstellung dünner Polymer- und Elastomerfilme, insbesondere für Anwendungen wie dielektrische Elastomeraktoren (DEAs), bei denen die mechanische und funktionale Leistung invers proportional zur Schichtdicke ist. Eine zuverlässige Verifizierung der Schichtdicke für hochkomplexe, weiche Materialien bleibt jedoch eine erhebliche Herausforderung. Konventionelle kontaktbasierte Werkzeuge (z. B. Bügelmaßschrauben, Mikrometer) induzieren eine elastische Deformation in weichen Filmen, was zu Messfehlern führt, die oft über den Fertigungstoleranzen liegen. Umgekehrt sind hochauflösende, kontaktlose optische Metrologiesysteme (z. B. Interferometrie, Ellipsometrie) oft teuer, erfordern komplexe Kalibrierungen, hängen von spezifischen optischen Eigenschaften ab oder machen eine Entnahme der Proben aus der Fertigungsumgebung erforderlich, was den Arbeitsablauf unterbricht. Es besteht eine Lücke zwischen dem Bedarf an präziser Dickenkontrolle in der Herstellung weicher Filme und der Zugänglichkeit von Messwerkzeugen, die die Probe nicht deformieren.

Methodik und Systemarchitektur
Die Autoren präsentieren einen kostengünstigen, primär 3D-gedruckten Tisch-Spin-Coater, der mit einem minimal deformierenden optischen Schichtdickenmesssystem integriert ist. Das System besteht aus drei Subsystemen:

1. Mechanischer Spin-Coater: Dieser besteht weitgehend aus PLA und umfasst eine motorgetriebene Probenplatte, einen Schutzgehäusebecher mit einer Auffanglippe für Materialreste sowie ein magnetisches System zur Probenfixierung. Er arbeitet mit Geschwindigkeiten, die für die Herstellung von 50–300 µm dicken Filmen ausreichen, ohne dass hochpräzise Industriemotoren erforderlich sind.
2. Optisches Messsystem: Dieses Subsystem nutzt eine geometrisch-optische Konfiguration, um die Dicke in-situ zu messen. Ein leichter Spiegel wird auf der ausgehärteten Probenoberfläche platziert. Eine Laserdiode (895 nm) reflektiert von dem Spiegel auf einen Quadrantendetektor (Thorlabs PDQ80A). Das System verfolgt die Verschiebung des reflektierten Strahlpunkts, um Änderungen der Schichtdicke abzuleiten. Das Design stellt sicher, dass das Gewicht des Spiegels eine vernachlässigbare Deflektion (< 1,3 µm) verursacht, verglichen mit der Deformation durch Standard-Mikrometer (~19,5 µm).
3. Steuerung und Datenerfassung: Ein Arduino UNO steuert den Motor über einen SPARK MAX Controller mittels eines CAN-Bus für die geschlossene Regelung der Geschwindigkeit. Ein myRIO-1900 liest die Analogsignale des Quadrantensensors aus, um die Strahlverschiebung zu bestimmen, welche dann über eine Kalibrierkonstante in die Schichtdicke umgerechnet wird.

Wesentliche Beiträge
Die Arbeit beschreibt vier primäre Beiträge:

1. Integration: Die Vereinigung von Fertigung und minimal deformierender Dickenmessung in einem einzigen, zugänglichen Tischsystem, wodurch die Probenentnahme entfällt.
2. Messansatz: Eine materialunabhängige optische Einzelpunkt-Methode, die für hochkomplexe, weiche Filme geeignet ist, bei denen Kontaktwerkzeuge versagen.
3. Quantitative Validierung: Rigorose Tests der Messgenauigkeit und Wiederholbarkeit unter Verwendung kalibrierter Metallshims und Silikonfilme.
4. Zugänglichkeit: Der Nachweis, dass eine dickengesteuerte Fertigung von weichen Filmen ohne spezialisierte industrielle Metrologieausrüstung möglich ist, indem stattdessen auf 3D-Druck und Standard-Elektronikkomponenten zurückgegriffen wird.

Experimentelle Ergebnisse

• Auflösung und Genauigkeit: Unter Verwendung kalibrierter Edelstahl-Shims erreichte das System eine Schichtdickenauflösung von 3,6–3,7 µm. Die beste Fall-Wiederholbarkeit der Messung lag bei 13 µm (95 % Konfidenzintervall), wenn nahe der Zielschichtdicke kalibriert wurde.
• Linearitätsbeschränkungen: Das System arbeitet effektiv innerhalb des linearen Bereichs des Quadrantendetektors. Messungen für Proben, die signifikant dicker waren als die Kalibrierreferenz (z. B. 0,5 mm Proben, die gegen 0,2 mm oder 0,3 mm Referenzen kalibriert wurden), zeigten erhöhte Fehler und Konfidenzintervalle, da die Strahlverschiebung den linearen Bereich des Sensors überschritt.
• Silikon-Fertigung: Das System fertigte erfolgreich Ecoflex10T-Silikonfilme mit einer Zieldicke von 0,3 mm. Die produzierten Filme lagen innerhalb von 9 µm der Zieldicke basierend auf vergleichenden Mikrometer-Messungen (unter Anwendung einer Stapelmethode zur Minimierung der Deformation). Das Messsystem zeigte eine schlechteste Wiederholbarkeit von 58 µm für das Silikon, was teilweise auf die Klebrigkeit des Materials zurückzuführen ist, die das Setzen des Spiegels beeinflusste.

Bedeutung und Ansprüche
Die Autoren behaupten, dass diese Arbeit eine praktische Lücke in der Forschungsproduktion schließt, indem sie eine Proof-of-Concept-Plattform bereitstellt, die Fertigung und Verifizierung integriert. Das System zeigt, dass zugängliche optische Metrologie in kostengünstige Spin-Coating-Workflows eingebettet werden kann, um eine Schichtdickenkontrolle innerhalb von 10 µm für weiche Filme zu erreichen. Während die Autoren Einschränkungen hinsichtlich der Sensorlinearität bei dickeren Proben und der Variabilität der Spiegelplatzierung auf klebrigen Oberflächen einräumen, betonen sie, dass die Plattform die Machbarkeit einer zerstörungsfreien In-situ-Verifizierung der Schichtdicke für komplexe Materialien ohne den Kosten- und Komplexitätsaufwand industrieller Instrumentierung erfolgreich validiert. Die Arbeit dient als Grundlage für die iterative Verfeinerung hin zu robusteren Fertigungs- und Messsystemen.