DE102011017466B4

DE102011017466B4 - Inline-Bestimmung von Oberflächeneigenschaften

Info

Publication number: DE102011017466B4
Application number: DE201110017466
Authority: DE
Inventors: Dr. Schnell Rupert; Tobias Schröder
Original assignee: Renolit SE
Current assignee: Renolit SE
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2013-01-03
Anticipated expiration: 2031-04-19
Also published as: DE102011017466A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Bestimmung von Oberflächeneigenschaften und eine Vorrichtung zur Ausführung desselben. Das Verfahren beginnt mit dem Aufbringen einer vorbestimmten Form aus mehreren Elementen (1, 2, 3, 5) zu einem Zeitpunkt t0 mittels einer automatischen Flüssigkeitsausgabevorrichtung auf die Oberfläche. Dabei wird die Form so gewählt, dass bei einer vorgegebenen Mindestbenetzbarkeit der Substratoberfläche in Abhängigkeit einer vorbekannten Oberflächenspannung der Flüssigkeit – zumindest zwei Elemente (1, 2, 3, 5) so benachbart zueinander angeordnet sind, dass diese ineinander fließen, und/oder – zumindest ein Element (3) der Form durch eine geschlossene Linie gebildet wird, wobei die durch die Linie begrenzte Fläche (4) sich benetzungsabhängig verringert oder vergrößert und/oder die Linie ihre Position verändert. Dann erfolgt das optische Erfassen und Auswerten der Veränderung, wobei die Benetzbarkeit der Substratoberfläche als umso besser angesehen wird, je stärker die benachbarten Elemente (1, 2, 3, 5) ineinander fließen und/oder sich die durch die Linie begrenzte Fläche (4) verringert, und umso schlechter, je mehr sich die benachbarten Elemente (1, 2, 3, 5) in dieser Zeit voneinander beabstanden und/oder sich die durch die Linie begrenzte Fläche (4) vergrößert oder sich ihre Position verändert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Inline-Bestimmung von Oberflächeneigenschaften wie der Benetzbarkeit einer bewegten ebenen oder gekrümmten Substratoberfläche, und eine Vorrichtung, um das Verfahren auszuführen.
Die Untersuchung von Materialoberflächen zur Ermittlung der Oberflächenspannung oder der Oberflächenenergie, um diese als Merkmale heranzuziehen, um Aussagen über die Qualität der Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten, ist aus dem Stand der Technik bekannt.
So beschreibt die EP 1 650 544 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Benetzbarkeit der Oberfläche eines Substrats. Es umfasst die Schritte des Aufbringens eines Flüssigkeitsstrahls, der aus wenigstens einer Flüssigkeit mit einer bekannten Oberflächenspannung besteht, auf das Substrat. Sodann erfolgt die Vermessung der Breite der Flüssigkeitsspur im Wesentlichen unmittelbar nach dem Auftreffen des Flüssigkeitsstrahls und in einem Abstand zu dem Auftreffpunkt des Flüssigkeitsstrahls auf dem Substrat. Dann wird die Benetzbarkeit über die Auswertung der im vorangegangenen Schritt gemessenen Flüssigkeitsspurbreite anhand der folgenden Kriterien bestimmt: Das Substrat ist benetzbar, wenn die Breite der Flüssigkeitsspur zwischen den vorgenannten Punkten konstant bleibt oder zunimmt und das Substrat gilt als nicht benetzbar, wenn die Breite der Flüssigkeitsspur zwischen den genannten Punkten abnimmt.
Das dort offenbarte Verfahren dient dazu, die Messung der Benetzbarkeit von bewegten Oberflächen auch bei hohen Geschwindigkeiten auf technisch einfache Weise zu realisieren, so dass der automatisierte Einsatz in der Prozessüberwachung möglich ist. Die Ausführung des Verfahrens erfordert dabei das Aufbringen eines Flüssigkeitsstrahls und insofern von relativ viel Flüssigkeit auf die Substratoberfläche. Nachteilig ergibt sich, dass, wenn die Flüssigkeit die Oberfläche nicht hinreichend benetzt, keine kontinuierliche Flüssigkeitsspur mehr zu detektieren ist. Die Messung der Flüssigkeitsspur erfolgt mit wenigstens einem Sensor, der bevorzugt ein optischer Sensor wie etwa eine Fotodiode ist. Die optische Messung kann unterstützt werden, indem der Flüssigkeit Kontrastmittel beigegeben werden.
Ein weiteres Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Benetzbarkeit einer Oberfläche sowie deren Verwendung ist aus der WO 03/036269 A1 bekannt. Das dort beschriebene Verfahren soll der schnellen automatisierten Prüfung von Oberflächen in der Industrie dienen. Erfindungsgemäß wird dort in einem ersten Schritt ein Tropfen wenigstens einer Flüssigkeit mit bekannter Oberflächenspannung mit einer Dosiervorrichtung auf ein Substrat aufgebracht. Mit Hilfe der Dosiervorrichtung wird dabei die kinetische Energie des Tropfens derart eingestellt, dass sich eine zusammenhängende Benetzungsfläche des Tropfens auf dem Substrat bildet. Dabei wird verhindert, dass der Tropfen beim Aufprall in mehrere kleine Tropfen und damit Benetzungsflächen zerfällt. Die kinetische Energie des Tropfens kann über die Dosiervorrichtung sowohl in Abhängigkeit vom Abstand der Dosiervorrichtung zur Oberfläche als auch in Abhängigkeit von der Tropfgeschwindigkeit eingestellt werden. Eine hohe Tropfgeschwindigkeit bewirkt dabei eine starke Ausbreitung des Tropfens auf der Oberfläche bei dementsprechend großer Benetzungsfläche. Unmittelbar nach dem Aufprall des Tropfens auf dem Substrat erfolgt die Messung der Benetzungsfläche, die auf Grund der kinetischen Energie des Tropfens vergrößert ist.
Sobald sich der Tropfen in einem statischen Zustand befindet und sich keine weitere Änderung der Benetzungsfläche mehr einstellt, wird die Benetzungsfläche erneut gemessen. Anschließend erfolgt eine Auswertung der in den Schritten zuvor bestimmten Benetzungsflächen anhand folgender Kriterien: Das Substrat gilt als benetzbar, wenn die Benetzungsfläche zwischen dem Aufprall und der Einstellung des statischen Zustandes konstant bleibt oder zunimmt. Hierbei behält der Tropfen seine beim Aufprall eingenommene Benetzungsfläche bei oder breitet sich noch leicht aus. Das Substrat ist nicht benetzbar, wenn die Benetzungsfläche zwischen den beiden Messungen abnimmt. Die Messung der Benetzungsfläche soll vorzugsweise mit einer Kamera aufgenommen und ausgewertet werden. Hierzu werden Bildverarbeitungssysteme herangezogen, wie etwa eine entsprechend ausgestattete digitale Kamera. Dieses Verfahren eignet sich nicht für bewegte Oberflächen.
Die DE 10 2005 027 106 B3 betrifft ein Prüfverfahren und eine Prüfvorrichtung zum Prüfen einer Oberflächengüte, wobei ein Sprühnebel einer Prüfflüssigkeit erzeugt und mit der Oberfläche in Kontakt gebracht wird, um Tropfen auf der Oberfläche anzuordnen, und wobei in einem vorgewählten Bereich die Tropfen gleichzeitig erfasst werden und eine Werteverteilung einer Tropfeneigenschaft ermittelt wird, die mit einer Referenz-Werteverteilung zum Ermitteln der Oberflächengüte verglichen wird.
Nachteil der genannten Verfahren ist jedoch das Problem, die abgelegte Flüssigkeit vor dem Bildhintergrund, welcher sich aus der Oberflächenbeschaffenheit des Substrates bzw. Textur ergibt, sicher und zuverlässig zu identifizieren und zu analysieren. So führen insbesondere Strukturierungen der Oberflächentopographie, z. B. durch Prägeprozesse, zu Strukturen und Narbungen, welche zu hohen Kontrasten und so zu einem detailreichen Bildhintergrund führen. Dies führt zu einer Informationsfülle für den Auswertungsalgorithmus, welche Aufwand und Qualität der Auswertung negativ beeinflussen. So ist es bei vielen Oberflächen nicht möglich, das schwache Signal der abgelegten Flüssigkeit von dem Hintergrundbild zu extrahieren.
Zur Umgehung diese Problems hat es sich für statische Substrate bewährt, in einem ersten Schritt das Substrat vor der Flüssigkeitsablage aufzunehmen und im zweiten Schritt eine Aufnahme nach der Flüssigkeitsablage zu machen. Durch Bildsubtraktion ist in der Folge die Analyse der Flüssigkeit möglich. Dieses Verfahren ist jedoch nicht auf bewegte Substrate anwendbar.
Ebenso führen lokal unterschiedliche physikalische Eigenschaft oft auch in Verbindung mit einer Oberflächenstruktur dazu, dass abgelegte Flüssigkeiten nicht die erwartete runde Form eines idealen Tropfens einnehmen. Bei entsprechend starken physikalischen und topographischen Strukturen, wie sie der Realität von Materialien entsprechen, führt dies zu negativer Beeinflussung von Aufwand und Qualität der Bildanalyse.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es ermöglicht, das Benetzungsverhalten verschiedener Flüssigkeiten während eines laufenden Prozesses auf bewegten Oberflächen beliebiger Oberflächenbeschaffenheit, die gerade oder gekrümmt sein können, einfacher zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der optischen Bestimmung von Oberflächeneigenschaften, zu denen insbesondere die Benetzung der Oberfläche gehört, bei einer bewegten ebenen oder gekrümmten Substratoberfläche während eines laufenden Prozesses, also „inline”. Das Verfahren umfasst die Schritte:

a) Aufbringen einer vorbestimmten Form aus einer Mehrzahl von Elementen zu einem Zeitpunkt t₀ aus zumindest einer Flüssigkeit mittels einer automatischen Flüssigkeitsausgabevorrichtung auf die Oberfläche, wobei das Aufbringen aller die Form bildenden Elemente im wesentlichen zeitgleich erfolgt und wobei die Form so gewählt ist, dass bei einer vorgegebenen Mindestbenetzbarkeit der Substratoberfläche in einer Abhängigkeit einer vorbekannten Oberflächenspannung der Flüssigkeit eine Veränderung der Abmessungen und/oder Lage der Elemente zueinander optisch erfassbar ist
b) optisches Erfassen einer Veränderung der Form zu einem Zeitpunkt t₁ nach dem Aufbringen der Form auf die Substratoberfläche,
c) Auswerten der Veränderung an Hand folgender Kriterien:
– die Benetzbarkeit der Substratoberfläche ist umso besser, je stärker die benachbarten Elemente der Form in der Zeit von Zeitpunkt t₀ bis Zeitpunkt t₁ ineinander fließen und/oder sich bei einer Form aus Elementen, die eine Linie mit eingeschlossener Fläche bilden, die durch die Linie begrenzte Fläche verringert, und
– die Benetzbarkeit der Substratoberfläche ist umso schlechter, je mehr sich die benachbarten Elemente der Form in der Zeit von Zeitpunkt t₀ bis Zeitpunkt t₁ voneinander beabstanden und/oder sich die durch die Linie begrenzte Fläche vergrößert bzw. geschlossene Flächen sich in einzelne Elemente auflösen, also ihre Position verändern.

Dabei ergibt sich vorteilhaft, dass das ineinander Fließen zweier Punkte oder Linien auf leichte Weise visuell erfasst werden kann, um Rückschluss auf das Benetzungsverhalten der Oberfläche zu geben, ohne dass es nötig wäre, hierzu einen Sensor oder eine Kamera einzusetzen, wenngleich eine Kamera und/oder andere optische Hilfsmittel die Form bzw. Veränderung der Form einem Beobachter zugänglich machen kann.
Als Form wird eine Mehrzahl von Elementen aus der Gruppe umfassend Punkte, Linien, Kegelschnitte, Polygone, gefüllte Kegelschnitte, gefüllte Polygone und Kombinationen davon gewählt. Mehrzahl heißt zumindest zwei, es können aber je nach Form auch drei, vier, fünf oder noch mehr Elemente sein. Bevorzugt sind Raster von Tropfen mit verschiedenen Abständen und/oder Tropfengrößen (Flüssigkeitsvolumina), parallele Linien mit verschiedenen Breiten (Flüssigkeitsvolumina) und/oder Abständen, zusammenlaufende, tangierende oder sich schneidende Linien und Muster aus zwei Formen, die von geschlossenen, gefüllten oder ungefüllten Linien gebildet werden, wie gefüllte oder ungefüllte Dreiecke oder ungefüllte Kreise.
Wichtig ist, dass die Benetzbarkeit an einer unmittelbar visuell wahrnehmbaren Veränderung der Form erkennbar ist. Die Veränderung ergibt sich aus der Veränderung des äußeren bzw. inneren Umrisses der Elemente und/oder der Lage der Elemente zueinander. Diese Änderung ist im Gegensatz zur Änderung der Breite einer Einzellinie oder der Fläche eines Einzeltropfens leicht visuell erfassbar. Durch das Ausmaß der Veränderung der Form, respektive des Musters, lässt sich auf die Oberflächenspannung schließen.
Unter Zeitpunkt t₀ wird dabei der Zeitpunkt verstanden, zu dem die Form vollständig auf die Substratoberfläche aufgebracht ist, wohingegen der Zeitpunkt t₁ einen späteren Zeitpunkt meint: Es kann ein erster Zeitpunkt sein, an dem bereits eine Veränderung der Form sichtbar wird, oder es kann ein späterer Zeitpunkt sein, bis zu dem erwartet wird, dass ein statischer Zustand hinsichtlich des Fließens der Flüssigkeit eingetreten ist. Die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt t₀ bis zum Zeitpunkt t₁ beträgt nur wenige Sekunden, bevorzugt weniger als 500 ms, besonders bevorzugt etwa 200 ms. Wichtig ist, dass für die Erfassung der Veränderung der Zustand zum Zeitpunkt t₀ nicht erfasst werden muss. Die Veränderung lässt sich aus den relativen Veränderungen der Elemente bestimmen, die durch den Vergleich der zumindest zwei, die Form bildenden Elemente direkt erfasst werden kann.
Bei üblichen Produktionsgeschwindigkeiten, die bei bis zu 100 m pro Minute liegen, hat das Substrat in 200 ms einen Weg von ca. 33 cm zurückgelegt, somit ist auch eine relativ kompakte Bauform der Anlage möglich.
Die vorteilhaft mögliche Gestaltung der Form als Muster, also als einer größeren Einheit aus sich wiederholenden Formen, ermöglicht eine noch präzisere Erfassung der Veränderung der Form, weil sich für das menschliche Auge eine stärkere Veränderung der Gesamtform bzw. des Musters darstellt, die entsprechend leichter erfassbar ist.
Diese Erfassung wird ebenfalls erleichtert, wenn wenigstens zwei Elemente der Form hinsichtlich der Fläche, die sie auf der Substratoberfläche zum Zeitpunkt t₀ einnehmen, unterschiedlich ausgebildet sind, da dann die qualitative Beurteilung feiner abgestuft möglich ist. Wenn bei der Form, bzw. bei dem Element, das die kleinste Fläche aufweist, bereits eine Veränderung der beschriebenen Art ersichtlich ist, ist das Benetzungsverhalten deutlich besser, als wenn es erst bei einer Form aus großflächigeren und damit mehr Flüssigkeitsvolumen enthaltenden Elementen feststellbar wird.
Diesem Zweck dient es auch, zusätzlich oder alternativ die Abstände, die zwischen wenigstens drei Elementen einer Form zum Zeitpunkt t₀ vorliegen, unterschiedlich zu gestalten.
Wie angeführt, kann die qualitative Beurteilung visuell erfolgen oder mit Hilfe optischer Hilfsmittel, wie z. B. einer Lupe oder eines Kamerasystems, insbesondere mit einem Kamerasystem mit Bildauswertung. Damit kann die Auswertung des Benetzungsverhaltens auch bei unzugänglich innerhalb einer Vorrichtung befindlichen Substraten erfolgen, gewünschtenfalls auch zu einem späteren Zeitpunkt. Es ist jedoch keine Messung in dem Sinne erforderlich, dass die Breite einer Linie oder die Fläche eines Tropfens bestimmt werden muss. Ebenso kommt das erfindungsgemäße Bestimmungsverfahren im Gegensatz zum aus EP 1 650 544 bekannten Verfahren mit einer einzelnen optischen Messung aus. Somit entfällt vorteilhaft der Vergleich zweier zeitversetzter Bilder und der entsprechende Auswertungsalgorithmus.
Ebenso erlaubt die Verwendung eines Musters einen erheblich verringerten Analyseaufwand und eine verbesserte Qualität, da die in der Bildanalyse bekannten Verfahren der Mustererkennung (engl. Pattern Matching) eingesetzt werden können. Dies erlaubt die einfache Isolierung des Signals vom Bildhintergrund. Der Bildhintergrund kann sich durch Textur, Topographie, farbliche oder physikalische Strukturierung der Oberfläche ergeben. Es entfällt somit die dem Stand der Technik entsprechende Aufnahme des Bildhintergrundes vor Ablage der Flüssigkeit zur Bildsubtraktion.
Ebenso wird die Auswertung des Signals signifikant verbessert, da durch die Referenzierung auf das Muster entsprechende Korrekturen wie Skalierung, perspektivische Transformation oder orthografische Transformation automatisch und kontinuierlich vorgenommen werden können. Eine Variation der Messgeometrie kann somit berücksichtigt werden. Dies ist bei bewegten Substraten oft der Fall. So kann das erfindungsgemäße Verfahren auch für flexible Substrate wie z. B. Folien eingesetzt werden, welche nicht auf einer Oberfläche geführt werden sondern sich auch (unkontrolliert) in Richtung der Flächennormalen bewegen.
Bei Wahl einer geeigneten Lichtquelle kann auch eine Flüssigkeit und/oder ein Kontrastmittel mit für das menschliche Auge im Tageslicht nicht sichtbarer Absorption gewählt werden. So kann z. B. bei Einsatz eines Fluoreszenzfarbstoffes und einer UV-Lichtquelle ein für das Auge unter normalen Beleuchtungsbedingungen nicht sichtbares Element aufgebracht werden. Dies gilt auch bei Einsatz einer Kamera, beispielhaft kann Wasser mit einer IR-Leuchte und einer IR-sensitiven Kamera beobachtet werden.
Die Flüssigkeitsmenge zum Aufbringen eines Punktes liegt in einem Bereich von 0,1 pl bis zu mehreren ml, bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 100 pl. Kleine Flüssigkeitsmengen und Formen aus Punkten sind besonders für die Untersuchung gekrümmter Flächen vorteilhaft, da bei kleinen Flüssigkeitsvolumina das Fließen und somit die Benetzung am Wenigsten nachteilig durch die Beschleunigung des Substrats und die Neigung der Fläche beeinträchtigt wird. Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, dass bereits sehr geringe Mengen Flüssigkeit ausreichen, so dass diese vor den nachfolgenden Verarbeitungsschritten nicht entfernt werden muss. Dadurch ergibt sich vorteilhaft auch eine dauerhafte Dokumentation der Oberflächeneigenschaften, sofern die Flüssigkeit auch getrocknet sichtbar oder optisch erfassbar ist, z. B. ein Kontrastmittel enthält.
Bei der Flüssigkeit kann es sich um Wasser, Alkohol oder ein anderes Lösungsmittel wie insbesondere ein organisches Lösungsmittel handeln, oder auch um eine Mischung von zumindest zwei der vorgenannten Flüssigkeiten. Der Flüssigkeit kann zusätzlich ein Kontrastmittel beigegeben sein. Als Kontrastmittel eignen sich Farbstoffe und Pigmente sowie fluoreszente und phosphoreszente Substanzen. Es ist ferner möglich, zwei verschieden Flüssigkeiten einzusetzen, z. B. mischbare Flüssigkeiten. In diesem Fall kann die Form vorzugsweise ein Muster sein, wobei beispielsweise Punkte in einem Raster angeordnet werden, wobei in einer Dimension die Tropfengrößen (Flüssigkeitsvolumina) und in der anderen Dimension die Tropfenzusammensetzung variiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann unter Verwendung einer Vorrichtung zur optischen, insbesondere zur visuellen Bestimmung von Oberflächeneigenschaften ausgeführt werden, die eine automatische Flüssigkeitsausgabevorrichtung umfasst, die geeignet ist, während des Prozesses eine vorbestimmten Form aus einer Mehrzahl von Elementen, umfassend Punkte und/oder Linien und/oder gefüllte zweidimensionale Elemente, zu einem ersten Zeitpunkt aus zumindest einer Flüssigkeit auf die Oberfläche aufzubringen. Dabei ist die Form so vorbestimmbar, dass bei einer vorgegebenen Mindestbenetzbarkeit der Substratoberfläche in einer Abhängigkeit einer vorbekannten Oberflächenspannung der Flüssigkeit

– zumindest zwei Elemente so benachbart zueinander anordenbar sind, dass diese ineinander fließen, und/oder
– zumindest ein Element der Form eine geschlossene Linie bildet.

Ein Druckkopf ist als automatische Flüssigkeitsausgabevorrichtung geeignet. Über die an sich bekannte Graustufentechnik lässt sich das Flüssigkeitsvolumen der einzelnen Tropfen und damit die Tropfengröße bzw. Linienbreite variieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Benetzbarkeit von Oberflächen von Substraten findet bevorzugt bei der Qualitätsprüfung und Prozessüberwachung Verwendung. Dabei soll vor allem bei Prozessen der Oberflächenmodifizierungen die Qualität geprüft werden.
Bei der in-situ erfolgenden Qualitätskontrolle kann die ermittelte Benetzbarkeit der Oberfläche als Regelparameter zur Steuerung bzw. Regelung eines Produktionsprozesses verwendet werden. So kann anhand der ermittelten Oberflächenqualität der Produktionsprozess nötigenfalls angepasst werden.
Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die Figuren näher erläutert, ohne jedoch die Erfindung auf die konkret gezeigten Ausführungsformen zu beschränken. Dabei zeigen
1 bis 7 Draufsichten auf Formen aus Flüssigkeiten auf einer Substratoberfläche zum Zeitpunkt t₀ und zum Zeitpunkt t₁.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur qualitativen optischen Bestimmung von Oberflächeneigenschaften bezieht sich im Wesentlichen auf die optische Bestimmung der Benetzung einer Substratoberfläche, die bewegt wird, da sie sich in einem Prozess befindet, und die eben oder gekrümmt sein kann.
Dabei wird eine vorbestimmte Form, wie beispielhaft in den 1 bis 7 dargestellt, aus einer Mehrzahl von Elementen geschaffen. Die Elemente können Punkte 1 und/oder Linien 2, auch geschlossene Linien 2, 3 sein. Die Form wird zu einem Zeitpunkt t₀ aus einer Flüssigkeit auf die Oberfläche aufgebracht. Dazu wird eine automatische Flüssigkeitsausgabevorrichtung wie ein Druckkopf verwendet, der in der Lage ist, die vorbestimmten Formen in engen Toleranzen bezüglich Form und Tropfenvolumina und mit hoher Reproduzierbarkeit aufzubringen. So erfolgt das Aufbringen aller die Form bildenden Elemente 1, 2 nahezu zeitgleich. Die Form ist so gewählt, dass bei einer vorgegebenen Mindestbenetzbarkeit der Substratoberfläche in Abhängigkeit von einer vorbekannten Oberflächenspannung der Flüssigkeit wenigstens zwei Elemente 1 und 2 so benachbart zueinander angeordnet sind, dass diese ineinander fließen können; zusätzlich oder alternativ kann bei einem Element aus einer geschlossene Linie 3 die Form so gewählt sein, dass die durch die Linie begrenzte Fläche 4 sich benetzungsabhängig verringert oder vergrößert.
Das Verfahren umfasst sodann das optische Erfassen einer Veränderung der Form zu einem Zeitpunkt t₁ nach dem Aufbringen der Form auf die Substratoberfläche, gefolgt vom Auswerten der Veränderung. Dabei wird die Benetzbarkeit der Substratoberfläche als gut angesehen und die Substratoberfläche entsprechend qualifiziert, wenn die Form und/oder die durch die Linie 2 begrenzte Fläche 4 nahezu unverändert bleibt.
Die Benetzbarkeit der Substratoberfläche ist umso besser, je stärker die benachbarten Elemente 1, 2 der Form in der Zeit von Zeitpunkt t₀ bis Zeitpunkt t₁ ineinander fließen und/oder sich die durch die geschlossene Linie 3 begrenzte Fläche 4 verringert, und die Benetzbarkeit der Substratoberfläche ist umso schlechter, je mehr sich die benachbarten Elemente 1, 2, 3 der Form in der Zeit von Zeitpunkt t₀ bis Zeitpunkt t₁ voneinander beabstanden und/oder sich die durch die Linie begrenzte Fläche 4 vergrößert.
1a zeigt zwei Formen aus Punkten 1 zum Zeitpunkt t₀, wobei in dem linken Punktmuster die auf der Substratoberfläche eingenommenen Flächen sich unterscheiden, weil die für einen Punkt 1 aufgegebene Flüssigkeitsmengen unterschiedlich sind, wodurch sich letztendlich unterschiedliche Punktabstände ergeben. In dem rechts dargestellten Punktmuster sind Punkte 1 gleicher Größe, d. h. gleichen Volumens aufgetragen, wobei hier die Abstände zweier benachbarter Punkte 1 von oben nach unten abnehmen.
Ein dem rechten Punktmuster aus 1a entsprechendes Punktmuster mit Punkten 1 gleicher Größe, aber unterschiedlicher Abstände, ist in 1b auf der linken Seite kurz nach dem Auftrag zum Zeitpunkt t₀ dargestellt. Nach Einstellen des statischen Zustands, also etwa nach einer Zeit von 10 ms bis zu wenigen Sekunden, ergibt sich bei benetzendem Verhalten das veränderte Formbild der rechten Seite. Dort sind die untersten Punkte 1, die geringer voneinander beabstandet waren, zu einem größeren Tropfen zusammengeflossen, was visuell ohne Hilfsvorrichtung leicht erfasst werden kann. Aus dem Abstand, bei dem die Punkte 1 noch zusammenfließen, bzw. nicht mehr zusammenfließen, lassen sich Aussagen über die Stärke der Benetzbarkeit der Substratoberfläche treffen.
Hingegen ist in 1c eine Änderung der Form bei einem entnetztenden Verhalten der Substratoberfläche zu sehen. Links ist das vorgegebene Punktmuster zum Zeitpunkt t₀ dargestellt, bei der die Punkte 1 mit unterschiedlichen Abständen auf der Oberfläche angeordnet werden. Rechts ist zu sehen, wie die untersten Punkte 1, die eng beieinander liegen, aufgrund des entnetzenden Verhaltens der Oberfläche voneinander beabstandet werden, so dass sie von der vorgegebenen Mittellinie des Punktmusters abweichen können, also ihre Position verändern.
In den 2a bis 2c sind Linienmuster dargestellt, wobei in 2a die Abstände zwischen den parallel verlaufenden Linien 2 gleich groß sind, die einzelnen Linien 2, jedoch hinsichtlich ihrer Breite durch entsprechende Variation der aufgegebenen Flüssigkeitsmenge unterschiedlich sind. In 2b weisen die Linien 2 gleiche Breiten, also gleiche Flüssigkeitsmengen, auf, die Abstände zwischen den gleichartigen parallelen Linien 2 jedoch sind unterschiedlich und werden von links nach rechts größer. In 2c ist ein Linienmuster dargestellt, bei dem sowohl die Breiten der einzelnen parallelen Linien 2, als auch deren Abstände zueinander unterschiedlich sind.
3a zeigt ein Linienmuster entsprechend 2a, in den 3b bis 3d sind die Veränderungen der Form aus dem Linienmuster bei unterschiedlicher Benetzbarkeit der Substratoberfläche dargestellt. 3b zeigt eine geringe Benetzung, die Breite der Linien 2 hat sich verringert, bzw. der Zwischenlinienabstand vergrößert. Eine gute Benetzung ist der veränderten Form in 3c zu entnehmen. Die drei rechten Linien 2 mit den größten Flüssigkeitsmengen/Breiten sind ineinander geflossen. In 3d gibt das Ineinanderfließen fast alter Linien eine sehr starke Benetzung wieder.
In 4a bis 4d sind ebenfalls Linienmuster gezeigt; die ursprünglichen Linien 2 werden in 4a gezeigt; das Benetzungsverhalten zum Zeitpunkt t₁ verbessert sich von 4b bis zu 4d.
In 5a bis 5d sind Linienformen aus zwei Linien 2, die zu einem „V” angeordnet sind, gezeigt. Bei schlechter Benetzung können die Linien der ursprünglichen Form, 5a, sich stark verjüngen oder sogar zu Punkten 5b, zusammenziehen. Die gute bzw. sehr gute Benetzung in 5c und d zeigt sich durch das Zusammenfließen der Linien 2 am Berührpunkt.
6a bis 6d schließlich zeigen Formen aus gefüllten zweidimensionalen Elementen; hier sind es zwei Dreiecke 5, die sozusagen bereits ein Muster bilden und sich an einer Ecke berühren, so dass an dieser Ecke die Trennung, siehe 6b oder auch in Punkte, erfolgen kann. Dies zeigt schlechte Benetzung. Eine gute Benetzung wird hingegen durch das Zusammenfließen am dem Verbindungseck erkennbar, siehe 6c, die sehr oder zu gute Benetzung zeigt 6d.
Beispielhaft wird für die Verwendung geschlossener Linien 3 7 angeführt: 7a bis 7d zeigen Kreise 3, bei denen sich die Flüssigkeit umsomehr in die umschlossene Fläche 4 drängt, je besser die Benetzung ist. Die beste Benetzung wird entsprechend in 7d gezeigt, wohingegen 7b sogar eine Entnetzung im Vergleich zu dem ursprünglichen Muster in 7a zeigt.

Claims

Verfahren zur optischen, insbesondere visuellen Bestimmung von Oberflächeneigenschaften, umfassend eine Benetzung einer bewegten ebenen oder gekrümmten Substratoberfläche während eines laufenden Prozesses, umfassend die Schritte a) Aufbringen einer vorbestimmten Form aus einer Mehrzahl von Elementen, umfassend Punkte (1) und/oder Linien (2) und/oder gefüllte zweidimensionale Elemente (5), zu einem Zeitpunkt t₀ aus zumindest einer Flüssigkeit mittels einer automatischen Flüssigkeitsausgabevorrichtung auf die Oberfläche, wobei die Form so gewählt ist, dass bei einer vorgegebenen Mindestbenetzbarkeit der Substratoberfläche in einer Abhängigkeit einer vorbekannten Oberflächenspannung der Flüssigkeit eine Veränderung der Abmessungen und/oder Lage der Elemente zueinander visuell erfassbar ist, b) optisches Erfassen einer Veränderung der Form zu einem Zeitpunkt t₁ nach dem Aufbringen der Form auf die Substratoberfläche, c) Auswerten der optisch erfassten Veränderung an Hand folgender Kriterien: – die Benetzbarkeit der Substratoberfläche ist umso besser, je stärker die benachbarten Elemente (1, 2, 3, 5) der Form in der Zeit von Zeitpunkt t₀ bis Zeitpunkt t₁ ineinander fließen und/oder sich bei einer Form aus Elementen, die eine Linie mit eingeschlossener Fläche bilden, sich die durch die Linie begrenzte Fläche (4) verringert, und – die Benetzbarkeit der Substratoberfläche ist umso schlechter, je mehr sich die benachbarten Elemente (1, 2, 3, 5) der Form in der Zeit von Zeitpunkt t₀ bis Zeitpunkt t₁ voneinander beabstanden und/oder sich die durch die Linie begrenzte Fläche (4) vergrößert oder sich ihre Position verändert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Form als ein Muster ausgebildet ist, – zumindest zwei Elemente (1, 2, 3, 5) einer Form hinsichtlich der Fläche, die sie auf der Substratoberfläche zum Zeitpunkt t₀ einnehmen, unterschiedlich ausgebildet sind und/oder, – die Abstände, die zwischen zumindest drei Elementen (1, 2, 3, 5) einer Form zum Zeitpunkt t₀ vorliegen, unterschiedlich sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Bestimmung der Veränderung der Form – direkt visuell oder – mit Hilfe eines Kamerasystems, insbesondere mit einem Kamerasystem mit Bildauswertung, erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsmenge zum Aufbringen eines Punktes in einem Bereich von 0,1 pl bis zu mehreren ml, bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 100 pl liegt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Flüssigkeitsausgabevorrichtung ein Druckkopf ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Flüssigkeit Wasser, Alkohol oder ein anderes Lösungsmittel, insbesondere ein organisches Lösungsmittel oder eine Mischung zumindest zwei der vorgenannten Flüssigkeiten ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeit ein Kontrastmittel beigegeben ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt t₀ bis zum Zeitpunkt t₁ wenige Sekunden, bevorzugt weniger als 500 ms beträgt.
Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens der optischen, insbesondere visuellen Bestimmung von Benetzungseigenschaften einer bewegten, ebenen oder gekrümmten Oberfläche während eines laufenden Prozesses nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei – die Vorrichtung eine automatische Flüssigkeitsausgabevorrichtung aufweist, die geeignet ist, während des Prozesses eine vorbestimmte Form aus einer Mehrzahl von Elementen, umfassend Punkte (1) und/oder Linien (2) und/oder gefüllte zweidimensionale Elemente (5), zu einem Zeitpunkt t₀ aus zumindest einer Flüssigkeit auf die Oberfläche aufzubringen, wobei die Form so gewählt ist, dass bei einer vorgegebenen Mindestbenetzbarkeit der Substratoberfläche in einer Abhängigkeit einer vorbekannten Oberflächenspannung der Flüssigkeit – zumindest zwei Elemente (1, 2, 3, 5) so benachbart zueinander anordenbar sind, dass diese ineinander fließen, und/oder – zumindest ein Element (3) der Form durch eine geschlossene Linie gebildet wird, wobei die durch die Linie begrenzte Fläche (4) sich benetzungsabhängig verringert oder vergrößert und/oder sich die Position der Linie verändert.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsausgabevorrichtung ein Druckkopf ist.