CN1690649A - 调节在纵向移动的带材上的涂层材料层厚的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用来调节沿纵向移动的带材上的涂层材料层厚的方法和装置。在带材的宽度方向的几个位置测量涂层的厚度,调节涂层装置,以使带材宽度方向的涂层厚度一致。厚度调节可以通过变化蒸发涂层材料的电子束的强度的方法获得。但是,也可以通过在带材的宽度方向上布置几个蒸发坩埚,它们独立的加热,这样,在带材宽度方向上产生均匀涂层的结果。在一个附加透射测量仪的帮助下,也可以调节涂层材料的成分,这样在带材的宽度上涂层均匀。
Description
技术领域
本发明涉及如权利要求1前序部分所述的一种方法和如权利要求13前序部分所述的一种装置。
背景技术
在玻璃、箔和膜以及其他基底上加上薄层使它们具有独特的性质。例如,这些层施加在合成材料膜上使它们具有气密性。
为了在基底上加上涂层,已知一些不同的方法,这里仅列举溅镀法和气相沉积法。气相沉积法相对溅镀法的优点是能有以10-100倍的速度施加涂层。
已知利用电子束蒸发材料的方法(EP0910110A2)。然而,在此方法中,其结果是能够对电子束进行选择性的控制,而不是测量气相沉积层的厚度。
另外,已知通过测量光学吸收确定层厚。但是,这种测量方法不能用于相对厚和吸收弱的涂层,原因在于干涉效应被叠加在可能出现的弱吸收信号上(Quality Control and Inline Optical Monitoring forOpaque Film,AIMCAL Fall Conference,2003年10月28日)。
发明内容
本发明的目的是为了解决涂覆方法的调节问题,它能够保持在基底宽度上基本不吸收涂层材料厚度的均匀一致。
根据权利要求1的特征解决了这个问题。
因此,本发明涉及一种用来调节沿纵向移动的带材上的涂层材料的层厚的方法和装置。这里,在带材的宽度方向的几个位置测量层厚并且调节涂层装置,以致带材的宽度方向上的层厚均匀。厚度调节可以通过蒸发涂层材料的电子束的强度变化来实现。还可以分别加热分布在带材宽度方向上的几个蒸发坩埚以使带材宽度上的产生均匀涂层。通过另外的透射测量仪,也能够调节涂层材料的成分以使它在带材宽度方向上保持均匀。
本发明的优点特别在于在借助电子束蒸发器的涂覆中能够在基底整个宽度方向上调节电子束,以使基底整个宽度方向上涂层材料均匀分布。
在测量基本无吸收的涂覆材料的厚度中,利用介电层的性质,它通过在光谱极大和极小值中的干涉效应产生,其代表光学层厚度的测量值。
测得的层厚能够用来控制涂覆工艺,如控制照射在蒸发材料上的电子束的强度和/或偏转角。
附图说明
在附图中示出下面详细说明的本发明的实施例,其中
图1合成材料膜气相沉积装置的透视图;
图2图1的详细视图,示出涂覆膜;
图3白光干涉的原理示意图;
图4表面反射和边界层反射光波的干涉示意图;
图5作为光波波长函数的涂层反射曲线图;
图6另一个作为光波波长函数的涂层反射曲线图;
图7另一个作为光波波长函数的涂层反射曲线图;
图8带涂层基底上几个不同点的反射曲线图。
具体实施方式
图1是根据本发明的高速气相沉积装置1的透视图。该装置包含两个腔2和3,其中腔2包括未涂覆合成材料膜5的卷出筒4和已涂覆的合成材料膜7的卷取筒6;另一腔3装配有气相沉积装置8。为了更好的显示气相沉积装置8,腔3仅有小部分显示出来,大部分被略去。气相沉积装置8实质上包含带有蒸发材料10的坩埚9和两个电子束枪11、12。
为了能使待涂的膜5通过引导辊22至27分别从腔2进入腔3或从腔3进入腔2,必须将腔2、3通过一个狭槽彼此连接。腔2、3之间的压差大约是210。
磁偏转单元未显示,该单元将电子束枪11、12水平入射的电子束28、29垂直地偏转到将要蒸发的材料10上。16表示一个平板,它是装置的一部件,与整个装置的主要部件相连。这些部件可以从腔2中移出,这样腔2更容易维修。
下面将介绍装置1中的合成材料膜5的涂覆。
驱动电机(未显示)驱动卷取筒6沿箭头30运动,里面固定已涂覆的膜7的末端。这样未涂覆的膜5从卷出筒4卷出,通过引导辊26和27被送到涂覆辊25上。在此,膜5被材料粒辐射,所述的粒材料由于电子束28和29加热涂层材料10而蒸发,并在膜5上沉积。箭头31和32所示的电子束28、29至少在一个方向上前后移动,以使材料10沿坩埚9整个长度蒸发。
因此膜7的整个宽度方向上都施加涂覆材料10,能够将蒸发强度分配到宽度线上的各点,即能够通过相应地影响电子束的引导系统和射束强度,沿膜宽度方向上调节涂覆材料的蒸发速度。
另外也可以用几个彼此并排放置的蒸发坩埚来代替一个坩埚9,参见DE 40 27 034。
图2是图1的局部放大。其中辊23和膜5很明显,膜5通过辊23引导。膜5的下侧面已经被涂覆。涂覆的层厚通过几个反射测量仪40-45测量,每个装置包含一个光发射器和一个光接收器。被测的反射光信号转换成电信号通过线路46-51传到评价电路52。测量仪40-45的能量供给线路在图2中未显示。
评价电路52连接到电子束28、29的一个控制器(未显示)上,电子束的强度或偏转角作为被测的层厚的函数来控制。如果在膜5的宽度方向上的某点的层厚太小,该点下的蒸发加强以增加这一点的层厚。
不用电子束,也可以用几个独立加热的蒸发坩埚一个接一个的放置,这样沿膜5宽度的蒸发是可变的。
除了反射测量仪40-45,还需要一个透射测量仪53,它包含一个在膜5下面的光学发射器54和一个在膜上面的光学接收器55。发射器54和接收器55也连接到评价电路52,该电路同时用作能量供给源。通过附加的短波范围内(小于450nm,通常:介于350到400nm间的波长)的单色透射测量,能够确定涂层内是否有残余吸收存在。这在不同的透射值中显示出。因此,例如膜的左边缘涂层含有5%的透射率(在360nm下测量),中心为8%,右边缘为7%。通过选择性的增加氧气,在所有测量点上整个膜的透射率可以达到一个常数,如8%。这能保证膜的所有位置上的涂层氧化状态相同。这种方法(对于弱吸收层)是以假设层厚在膜的宽度上恒定为前提。它能与根据DE19745 771 A1的调节结合使用。
反射测量系统自动确定极值的光谱位置。极值的光谱位置是电子束控制的校正变量。依靠设置透射测量仪53所进行的附加透射测量,还可以获得涂层可能的残余吸收的信息。吸收可以由公式A=100-R-T产生,其中R为反射T为透射。吸收A值是涂覆过程中反应气流的校正变量,A的额定值的范围通常为0%到10%。用它可以调节涂层的成分以使带材宽度方向上的成分均匀。
图3显示了白光的干涉原理。几何厚度为D的涂层61加在基底60上,一束白光62以一个角度入射在涂层61表面上。光束62的一部分被反射成为光束63,另一部分64透过涂层61被基底60的表面反射为光束65。两束光63、65也即是光波66、67。这些光波66、67是正弦光波,能够相互抵消或者增强。
图4中示出的干涉原理,但不是与光束而是与光波结合的,此外光波不是任一个角度而是与反射装置垂直入射。折射率n=1.52的玻璃板70施加折射率n=1.38的MgF2涂层71。涂层71的厚度为入射光光波长的1/4(λ/4)。入射光波72在涂层71表面部分被反射,反射光波73的幅值低于入射光波72。
光波72也被玻璃板70的表面74反射,作为光波75叠加在光波73上。因为光波73、75存在180度的相位差,幅值相同互相抵消。如果幅值相差很小,则得到一个幅值很小的光波76。这表明λ/4涂层可作为抗反射层。
仅当涂层71厚度为λ/4时光波73和75相互抵消。如果涂层厚度不同,产生的光波76的幅值增加。如果波长已知,通过确定反射光波76的幅值的极大值或极小值,根据公式n·d=λ/4能够得到关于层厚的结论,其中d是几何厚度,n是折射率。例如如果发现当λ=480nm时取极小值,那么涂层厚度为120nm,薄涂层实际值与波长更进一步的关系可以参见DE 39 36 541 C2。
为能够确定反射光幅值最小时的波长,变化引导在涂层71上的光波长,即光波通过大概从380nm到780nm范围的可见光,借助分光计可以测量这些波长变化(比较例如Naumnn/Schrder:Bauelemente derOptik,第5版,1987,16.2,483页到487页;DE 34 06 645 C2)。
如图2中所示,如果在膜的宽度方向上的几个点测量反射,设置一个有几个光学波导管的分光计是有用的,它们拥有相同的光源。这种情况下,仅需一个光源能够测量几个点的反射曲线。
图5是380-780nm光谱上用百分数表示的PET膜和氧化物Al2O3涂层的反射系数。它示出波长为500nm时为极小值,由此可以计算得到涂层厚度为125nm。
图6是另一条用百分数表示的反射系数与波长相关的曲线。可以看出当波长大概为480nm时反射系数有极大值。这表明,被反射的波长在480nm时干涉最少。这个效应发生在层厚d=λ/2即240nm时。
图7是另一条反射曲线,然而它有一个极大值和2个极小值。极大值和极小值都可以用来测量层厚。
图8中是作为特定波长的函数的六条反射曲线40′到45′。这六条曲线40′到45′分配给六个特定的传感器40-45。这些曲线涉及PET膜上的大概为170nm厚的Al2O3涂层,它是通过用氧气作为反应气体的铝的蒸发工艺制备。因为电子束蒸发器调节将蒸发功率作了相应的优化,因此这些曲线已经是一个在一个上。
Claims (15)
1.一种用来调节沿纵向移动的带材的涂层材料的层厚的方法,其特征在于,在带材的宽度方向的几个位置测量层的厚度和调节涂层装置,以使带材的宽度方向上的层厚均匀。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,涂层材料为基本上不吸收材料。
3.如权利要求1和权利要求2所述的方法,其特征在于,基本上不吸收的涂层材料的层厚由以下步骤测定:
a)将可变波长的光束引导到涂层材料的表面,
b)光束在涂层材料表面上的反射作为波长的函数测量,
c)确定由于干涉效应出现在反射可变光束中的与波长相关的极大值和/或极小值。
4.权利要求3所述的方法,其特征在于,在极大值或极小值时通过公式n·d=λ/4计算层厚d,其中λ为取极大值或极小值时光的波长,n是反射率。
5.如前一个或多个权利要求所述的方法,其特征在于,通过涂层材料气相沉积实现涂覆。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,通过与位置相关地加热蒸发坩埚来蒸发涂层材料。
7.权利要求5所述的方法,其特征在于,通过电子束蒸发涂层材料,并使其达到需要涂覆的带材上。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,基于被测的层厚影响电子束,以使在带材的宽度方向上获得一个均匀的层厚。
9.如权利要求1所述,其特征在于,另外测量涂层材料的透射率。
10.如权利要求9所述,其特征在于,基于测得的透射率调节反应气流。
11.如前一个或多个权利要求所述的方法,其特征在于,被蒸发的材料为铝,反应气体为氧气。
12.如权利要求1所述的方法,其特征在于,另外的控制涂层的成分以使涂层均匀。
13.一种进行如权利要求1所述方法的装置,其特征在于:
a)在待涂的膜(5)的宽度上设置的几个反射测量仪(40-45)。
b)评价电路(52),用来评价从反射测量仪(40-45)接受的信号,
c)电路结构,用来控制电子束(28、29)的强度和偏转角,或用来控制蒸发涂层材料的蒸发坩埚的加热功率。
14.如权利要求13所述的装置,其特征在于,反射测量仪(40到45)通过光学波导管连接到一个共用光源上。
15.如权利要求13所述的装置,其特征在于,设置一个透射测量仪(54,55)以调节涂层的成分。
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