CN1128346A - 测量涂层厚度的装置 - Google Patents

Abstract

一种测量形成在一元件表面上的涂层厚度的装置，包括射出被元件表面反射的光束的白光源，一个或多个滤光器，各滤器可在一选取的波长范围内过滤该反射光束，与滤光器数量相同的光电探测单元，各光电探测单元用于将该反射光束的强度转换成一带有逻辑高及低状态的计数基准信号，一用于对逻辑高状态计数并生成一计数数字的计数器及一基于该计数数字计算涂层厚度的信号处理器。各光电探测单元有一光电探测器、一安培至电压转换器、一峰值电压值检测器及一比较器。

Description

测量涂层厚度的装置

本发明涉及一种测量涂层厚度的装置；特别地，涉及一种能够在透明材料生成期间测量其厚度的装置。

众所周知，保护涂层已广泛运用于机械、电子及航空和航天工业以赋予各种物品和元件耐磨蚀、磨损、侵蚀及氧化性并提高它们的使用寿命。例如等离子体增强化学气相淀积(PECVD)、物理气相淀积(PVD)、电镀等几种技术已得到开发并用于在目标制品或表面上形成涂层。该赋予的特性已知随涂层厚度的不同有很大的变化并且当涂层的厚度保持在一定限度内时会提供一最佳的效果。因此，为了从涂层得到一最佳的效果，需要在涂层形成时，即现场地精确监视涂层的厚度。

在图1中，示出了一种在专利号为5208645，题为“光学测量涂层厚度的方法和装置”的美国专利中公开的用于现场地测量涂层厚度的装置。该装置包括一光源10、一第一及一第二透镜11、12、一具有一侧表面24的圆柱形样品，该侧表面被以透明材料涂覆，一第三透镜13、一探测器15、一放大器16及一伏特计17。在该装置中，光源10射出的光束，例如H-Ne激光被第一及第二透镜11、12扩展。然后，该扩展的光束被导至样品的侧表面24上并自其被反射。该自被涂覆的侧表面反射的光束Pr通过第三透镜13被聚焦在探测器15，例如-Si光电二极管上。该探测器15对作为厚度的函数而变化的反射光束Pr的强度进行探测。探测器15探测的强度首先由放大器16放大并然后被输入伏特计17，后者将放大的强度转换成一对应的电压。然后通过将该电压变量与一表示自被涂覆的侧表面反射的光的强度与涂层厚度之间关系的预定的校准曲线进行比较，可得到涂层厚度。

但是，上述装置存在有若干问题。首先，光源及光电二极管必须被精确地光学对准以获得有意义的结果，但实现起来相当困难。

现有该装置中存在的另一个问题是它要求光源能够提供一相干且单色光束，例如He-Ne激光，而这样的光源通常价格昂贵。

因此，本发明的主要目的是提供一种用于现场测量涂层厚度的装置，其易于操作并不需使用昂贵的单色光源。

根据本发明，提供了一种现场测量涂覆在一带有涂覆表面的物品的表面上的透明涂覆材料的厚度的装置，该装置包括：

一白光源，用于射出一光束至物品的表面上，其中该光束在该透明涂覆材料的涂层表面被部分反射生成一第一反射光束，并被部分地透射，该透射的部分随后被该物品的表面反射回该涂层表面，生成一第二反射光束，其中该第一及第二反射光束由于其间的相位差而相互干涉，从而产生一干涉的反射光束；

一个或多个滤光器，各滤光器能在一选取的波长范围内对该干涉的反射光束进行过滤，从而产生具有一选取的波长范围的一过滤光束；

与并行配置的滤光器数量相同的光电探测单元，各光电探测单元可探测来自相应滤光器的过滤光束的强度并自其生成一计数基准信号，其中各光电探测单元包括：

一光电探测器，用于探测来自相应滤光器的过滤光束的强度将其转换成一对应的电流信号，其中该电流信号呈现有多个电流峰值；

一安培至电压转换器，能将来自光电探测器的电流信号转换成一相应的电压信号，该电压信号呈现有多个电压峰值，各电压峰值具有一相关峰值并对应于备电流峰值；

一峰值电压值探测器，用于探测来自安培至电压转换器的电压信号中的峰值电压值；及

一比较器，用于将这些峰值电压值分别与一预定的阈值比较，从而产生具有逻辑高及低状态的计数基准信号；

一计数器，用于对该计数基准信号的逻辑高状态进行计数，从而产生一计数数字；及

一信号处理器，用于基于该计数数字自多个预定的涂层厚度中选取该涂层厚度。

本发明的上述及其它目的和优点通过以下结合附图的优选实施例的描述将变得明显，附图中：

图1提供了一种测量涂层厚度的现有技术的原理图；

图2描绘了一种根据本发明的一优选实施例的测量涂层厚度的装置的原理图；

图3为示出了自涂层表面反射的一光束与自物品表面反射的一光束之间的光程差的原理图；

图4为图2中所示光电探测单元的方框图；及

图5给出了其内装有多个滤光器及相应数量的光电探测单元的装置的原理图。

参照图2，其示出了根据本发明的一优选实施例的用于测量一物品表面24上形成的涂层厚度的装置100的原理图，其中物品上形成的涂层是由例如金刚石类碳(DLC)的透明材料，是通过使用例如增强等离子化学气相淀积方法而形成的。如在此使用的，金刚石类碳是指具有短程有序的碳分子的三维配置，与在金刚石结构中所观察到的相类似，其中各个碳分子被其它四个碳分子所围绕，但与金刚石结构不同的是缺少一长程有序，即该结构单元没有在规则的间隔上被重复。在表面24上形成的涂层材料产生了确定涂层材料与涂覆环境间一界面的涂层表面。出于对本发明装置示例性描述的目的，图2中所示的装置100包括一白光源20、一滤光器28、一光电探测单元30、一计数器52及一信号处理器60。

如图3中所示，白光源20射出的光束在涂层表面26被部分地反射生成一第一反射光束，同时被部分透射，该透射的部分通过物品表面24被随后反射回涂层表面26，生成一第二反射光束，该第一和第二反射光束分别由记号I1及I2表示。该第一和第二反射光束I1、I2由于其间的相位差而互相干涉，从而产生一干涉的反射光束。

返回参照图2，滤光器28在一选取的波长范围内对该干涉的反射光束进行过滤，从而产生一具有该选取的波长范围的过滤的光束。

返回参照图3，其示出了一说明第一及第二反射光束间的一光程差的示意图。如果d为涂层厚度，θ为自表面24反射的光束与表面法向之间的角度及λ_o为在真空内所测量的第一及第二反射光束的波长，则第一及第二反射光束之间的光程差为2dCOSθ且相应的它们之间的相位差δ由下式得出： $\mathrm{\δ}=\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_o}d\cos \mathrm{\θ}----\left(1\right)$ 其中n为涂层材料的折射率，参照式(1)，该涂层厚度为 $d=\frac{\mathrm{\δ}{\mathrm{\λ}}_o}{4\mathrm{\π}n\cos \mathrm{\θ}}-----\left(2\right)$ 每当δ＝(2N＋1)π时，即会产生第一和第二反射光束的相长干涉，N为一整数，在这样的情况下，反射光束的强度为最大。在相长干涉的各点处的涂层厚度为 $d_N=\frac{(2N+1){\mathrm{\λ}}_o}{4n\cos \mathrm{\θ}}----\left(3\right)$ 其中d_N表示在N取各值时的涂层厚度。整数N也可称为干涉级。

在本发明的优选实施例中，θ及DLC的折射率分别近似等于0°和1.8—2.2。因此，式(3)可进一步简化为： $d_N\≅\frac{(2N+1){\mathrm{\λ}}_o}{8}----\left(4\right)$

返回参照图2，来自滤光器28的过滤的光束被馈送给光电探测单元30。光电探测单元30探测该过滤光束的强度并自其生成一相应的计数基准信号，该计数基准信号最后被用于获得一计数数字，以确定该涂层厚度。

在图4中，给出了图2中所示的光电探测单元30的详细方框图。该光电探测单元30包括一光电探测器33、一安培至伏特转换器35、一峰值电压值检测器37及一比较器39。该光电探测器33探测来自滤光器28的过滤光束的强度并将强度转换成一相应的电流信号。该电流信号呈现有多个电流峰值，每当来自涂层表面26及表面24的反射光束在选取的波长范围内相互相长干涉时，即每当δ＝(2N＋1)π被满足时(N为整数)，就会出现各电流峰值。来自光电探测器33的该电流信号然后被提供给安培至电压转换器35，将该电流信号转换成一相应的电压信号。类似地，该电压信号呈现有多个电压峰值，各电压峰值相应于各电流峰值。峰值电压值检测器37接收来自安培至电压转换器35的电压信号并检测该电压信号中的峰值电压。在比较器39，将这些峰值电压值分别与一预定的阈值进行比较，从而产生包括逻辑高及低状态的一计数基准信号。当该峰值电压值大于预定的阈值时，比较器39在计数基准信号中产生一逻辑高状态，否则，产生一逻辑低状态。

返回参照图2，计数器52接收来自光电探测单元30的计数基准信号并计数该计数基准信号中逻辑高状态的数量，从而产生一计数数字。然后，该计数数字被馈送给信号处理器60，后者基于该计数数字M，从使用式(3)及DLC涂层的情况下使用式(4)计算出的多个预定的涂层厚度中选取该涂层厚度。

表1示出对于例如具有一选取的5800埃-6000埃的波长范围，即黄色光束，涂层厚度与计数数字M之间的关系。如果M等于1，即相当于观察到在所选取的5800埃-6000埃的波长范围内在第一及第二反射光束间的第一相长干涉。即观察到电流及电压信号中的第一峰值，及在计数基准信号中的第一逻辑高状态。根据表1，当涂层厚度大约为700埃-750埃时，将观察到这一现象，因此该DLC涂层厚度约为700埃-750埃时，类似地，如果M等于2，信号处理器60输出的涂层厚度为2200埃-2300埃。不用说，为了应用表1，图2中所示的滤光器必须仅能通过具有5800埃-6000埃波长范围的光束。

为了提高装置100的精确度，如图5所示，可增加附加的滤光器及与滤光器数量相同的光电探测单元。图5中所示的装置200包括其内附加的滤光器，例如29，及相应数量的光电探测单元，例如50。应当注意在图2及图5中出现的相同的部分由相同的参考数字表示。在这种情况下，并行配置的各滤光器能够对在所选取的波长范围的干涉的反射光束进行过滤。各滤光器将要过滤的波长范围能以这样的方式被选取，即使得对于各被过滤的光束的电压峰值及该计数基准信号不会与来自其它被过滤光束得到的信号相重叠。各被过滤的光束然后被馈送入各光电探测单元，从而生成多个计数基准信号，备计数基准信号对应备被过滤的光束。计数器62分别对来自各光电探测单元的计数基准信号中的逻辑高状态的数量进行计数，并计数该计数数字的和，从而生成一个总计数字T，该总计数字然后被馈送给信号处理器60，且信号处理器60从与表1相类似的表2中选取相应的涂层厚度，表2与表1的不同在于其包括有有关涂层厚度及总计数字的更详细的数据。

表2示出了对于一包括例如三个滤光器，各滤光器能分别对3800埃-4000埃、4900埃-5100埃、5800埃-6000埃的选取的波长范围进行过滤的装置，涂层厚度与总计数字T之间的关系。通过自表2选取涂层厚度。有可能获得一更精确的涂层厚度。

与现有的测量装置相比较，本发明装置的结构更简单，所需的元件数量更少及制造成本更低。这是通过装有一替代相干且单色光源的白色光源，从而省去了现有装置中的许多透镜，减少了制成该系统的元件总量，并也免去精确光学对准的需要而实现的。

虽然已相对于特定的实施例展示与描述了本发明，但对于熟悉本技术的人员而言，显然可以在不脱离所附的权利要求所定义的发明精神及范围的前提下，作出许多改变与修正。

                     表1

计数数字	M＝1	M＝2	M＝3	M＝4	M＝5
						黄色(5800-6000A)	700-750	2200-2300	3625-3750	5050-5250	6520-6750

                               表2

总计数字	T＝1	T＝2	T＝3	T＝4	T＝5
						3800-4000	475-500	-	-	1425-1500	-
4900-5100	-	612-637	-	-	1837-1912
						5800-6000	-	-	725-750	-	-

Claims (2)

1、一种现场测量涂覆在一带有涂覆表面的物品的表面上的透明涂覆材料的厚度的装置，该装置包括：

一白光源，用于射出一光束至物品的表面上，其中该光束在该透明涂覆材料的涂层表面被部分反射生成一第一反射光束，并被部分地透射，该透射的部分随后被该物品的表面反射回该涂层表面，生成一第二反射光束，其中该第一及第二反射光束由于其间的相位差而相互干涉，从而产生一干涉的反射光束；

一个或多个滤光器，各滤光器能在一选取的波长范围内对该干涉的反射光束进行过滤，从而产生具有一选取的波长范围的一过滤光束；

与并行配置的滤光器数量相同的光电探测单元，各光电探测单元可探测来自相应滤光器的过滤光束的强度并自其生成一计数基准信号，其中各光电探测单元包括：

一光电探测器，用于探测来自相应滤光器的过滤光束的强度将其转换成一对应的电流信号，其中该电流信号呈现有多个电流峰值；

一安培至电压转换器，能将来自光电探测器的电流信号转换成一相应的电压信号，该电压信号呈现有多个电压峰值，备电压峰值具有一相关峰值并对应于各电流峰值；

一峰值电压值探测器，用于探测来自安培至电压转换器的电压信号中的峰值电压值；及

一比较器，用于将这些峰值电压值分别与一预定的阈值比较，从而产生具有逻辑高及低状态的计数基准信号；

一计数器，用于对该计数基准信号的逻辑高状态进行计数，从而产生一计数数字；及

一信号处理器，用于基于该计数数字自多个预定的涂层厚度中选取该涂层厚度。

2、根据权利要求1所述的装置，其中该多个预定的涂层厚度由下式确定： $d_N=\frac{(2N+1){\mathrm{\λ}}_O}{4n\cos \mathrm{\θ}}$ 其中N、λ_o，n，d_N及θ分别表示干涉级，真空中测量的光束的波长，透明涂覆材料的折射率，在第N次干涉时的涂层厚度及涂层材料中的第二反射光束与表面法线间的角度。

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