DE19503876A1 - Mehrschichten-Kalibermessungen unter Verwendung von Photoisomeren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung steht im Zusammenhang mit der gleich­ zeitig eingereichten US-Patentanmeldung, Ser. No. 08/193,428, mit dem Titel FLUORESCENT SPECTRAL DIFFERENTIAL MEASUREMENT [Fluo­ reszenzspektrale Differenzmessung], die auf den gleichen Über­ tragungsempfänger übertragen wurde.

Die Erfindung betrifft allgemein spektroskopische Messungen funk­ tioneller Charakteristika dünner Filme und insbesondere die Aus­ nutzung der Photoisomeren innewohnenden dualen Absorptionsspek­ tren-Charakteristik und Fluoreszenz-Natur.

Die Kalibermessung dünner Filme und auf die dünnen Filme aufge­ brachter funktioneller Beschichtungen ist für die Industrie wichtig, die diese Erzeugnisse herstellt. Typischerweise umfassen die Messungen die Entnahme von Proben oder repräsentativen Stücken des Erzeugnisses aus dem Produktionsverfahren. Diese Systeme schließen den Einsatz der Fluoreszenz, Lichtextinktion und physi­ kalischer Meßtechniken ein. Diese Techniken sind jedoch auf eine einzelne Sonde der Fluoreszenz oder Extinktion in einer einzelnen funktionellen Beschichtung oder einem einzelnen Dünnfilm be­ schränkt. Nunmehr haben viele Dünnfilm-Erzeugnisse mehrere funkti­ onelle Beschichtungen, die oft gleichzeitig aufgetragen werden. Es gibt jedoch keine Methode oder Apparatur zur Untersuchung mehrerer funktioneller Beschichtungen in einem on-line-Fertigungsverfahren, bei dem das Fertigungsverfahren simultan mehrere Schichten auf einen Dünnfilm aufträgt.

Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren und ein System zur Messung einer funktionellen Charakteristik einer oder mehrerer Dünnfilm-Beschichtungen unter Verwendung eines Photoisomers, das in bekannten Mengen in jede funktionelle Beschichtung eingemischt ist. Das Photoisomer vermag zwischen zwei Absorptionsspektren zu wechseln, wenn es durch Licht einer geeigneten Wellenlänge in­ duziert wird. Während das Photoisomer aktiviert wird, erleidet es Messungen der Absorption von Licht oder der Emission von Fluores­ zenzlicht. Der Grad der Absorption oder Fluoreszenz wird dann dazu verwendet, eine funktionelle Charakteristik der als Schicht auf den Dünnfilm aufgetragenen funktionellen Beschichtung zu berech­ nen. Die Erfindung ist von besonderem Nutzen als ein on-line-Meß- und Überwachungs-System für die Steuerung des Verfahrens der Her­ stellung von Dünnfilm-Beschichtungen und als Meßwerkzeug für die Qualitätsbewertung des Herstellungsverfahrens.

Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung der Kurve der spektralen Licht-Durchlässigkeit für das Photoisomer 1,3′,3′-Trimethyl-6′- nitrospiro-(2-H′-1′-benzopyran-2,2′-indolin) (BIPS) im desakti­ vierten Zustand.

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der Kurve der spektralen Licht-Durchlässigkeit für das Photoisomer 1,3′,3′-Trimethyl-6′- nitrospiro-(2-H′-1′-benzopyran-2,2′-indolin) (BIPS) im aktivierten Zustand.

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Kurve des Fluores­ zenz-Emissionsspektrums für das Photoisomer 1,3′,3′-Trimethyl-6′- nitrospiro-(2-H′-1′-benzopyran-2,2′-indolin) (BIPS) im aktivierten Zustand und angeregt durch Licht einer geeigneten Wellenlänge.

Fig. 4 zeigt eine perspektive schematische Darstellung eines Werkzeugs, das beim Aufbringen der funktionellen Beschichtungen auf Dünnfilme eingesetzt wird.

Fig. 5a zeigt eine perspektive schematische Darstellung eines anderen Typs des Werkzeugs, das beim Aufbringen der funktionellen Beschichtungen auf Dünnfilme eingesetzt wird.

Fig. 5b zeigt im Querschnitt eine Seitenansicht des in der Fig. 5a abgebildeten Werkzeugs.

Fig. 6 zeigt eine schematische Seitenansicht einer on-line-Aus­ führungsform der Erfindung.

Fig. 7 zeigt eine schematische Seitenansicht einer anderen on-line-Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 8 zeigt eine schematische Seitenansicht einer anderen on-line-Ausführungsform der Erfindung.

Die Erfindung betrifft eine on-line-Einrichtung zur Durchführung genauer Messungen dünner Filme und auf dünne Filme aufgetragener funktioneller Beschichtungen. Die gleichzeitig anhängige und ge­ meinsam übertragene US-Patentanmeldung, Ser. No. 08/193,428, be­ nutzt eine rasche Veränderung des Fluoreszenz-Spektrums einer mit einer funktionellen Beschichtung vermischten Fluoreszenz-Sonde zur Bereitstellung von Einrichtungen für on-Line-Messungen. Die Sonde unterscheidet von einer kompetitiven Fluoreszenz anderer Fluores­ zenz-Sonden in anderen Schichten, fluoreszierendem Beschichtungs­ material oder von dem Dünnfilm, auf den die Beschichtungen aufge­ bracht sind.

Die vorliegende Erfindung nutzt die dualen Absorptionsspektren- Charakteristik und Fluoreszenz photoisomerer Verbindungen aus. Der Begriff "Photoisomer", wie er im Folgenden verwendet wird, be­ zeichnet eine einzelne chemische Species, die Photochromie erlei­ det. "Photochromie" ist, in einer einzigen chemischen Species, eine Veränderung zwischen zwei Zuständen mit unterscheidbar ver­ schiedenen Absorptionsspektren. Die Veränderung des Absorptions­ spektrums wird, in wenigstens einer Richtung, durch die Einwirkung einer elektromagnetischen Strahlung induziert. Die geeignete indu­ zierende Lichtwellenlänge, wenn sie von einem Photoisomer absor­ biert wird, verändert das Photomer von einem isomeren Zustand zu einem anderen. Diese Veränderung, oder Aktivierung, des Photo­ isomers durch das Licht einer ersten Wellenlänge, als induzieren­ der Wellenlängen-Bereich A bezeichnet, bewirkt eine Veränderung des Absorptionsspektrums des Photoisomers. Im allgemeinen verän­ dert dies das Absorptionsspektrum zu einem unterschiedlichen Wellenlängen-Bereich, als Δ-Absorptions-Wellenlängen-Bereich B be­ zeichnet. Diese Wellenlängen-Bereiche der induzierenden elektro­ magnetischen Strahlung sowie die Δ-Absorptionsspektren liegen ge­ wöhnlich im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Bereich. Die Erfindung ist nicht auf einige wenige Photoisomere beschränkt. Da die Erfindung sich die Veränderung des Absorptionsspektrums zunutze macht, sind jedes und alle Photoisomere durch die Erfin­ dung als Sonden in den funktionellen Beschichtungen nutzbar, die als Schichten auf Dünnfilme aufgetragen wurden.

Der Schritt des Aktivierens beinhaltet, wie oben angegeben ist, die Absorption einer geeigneten elektromagnetischen Strahlungs­ energie, um das Photoisomer zu veranlassen, sich zu verändern. Dieser Aktivierungsschritt der Absorption von Energie bringt das Photoisomer über die Schwelle, die die zwei isomeren Zustände trennt. Da der Aktivierungsschritt die Zuführung von Energie umfaßt, um den aktivierten Zustand zu erreichen, ist im allgemei­ nen dieser aktivierte Zustand weniger stabil als der nicht­ aktivierte Zustand, und das Photoisomer kann mit geringem oder gar keinem zusätzlichen Energiebedarf in den inaktivierten Zustand zurückkehren. Die Stabilität des aktivierten Zustandes ist jedoch quantifizierbar und für die Erfindung nutzbar. Beispielsweise klappen einige Photoisomere zwischen einer trans- und einer cis- Konfiguration hin und her, wie die bei einer Kohlenstoff-Kohlen­ stoff-Doppelbindung auftreten können. Andere Photoisomere erfahren eine Aktivierung unter reversibler Quasi-Zerstörung einer chemi­ schen Bindung, etwa einer homolytischen Spaltung, wodurch die Absorptionsspektren-Charakteristik dieses Photoisomer-Typs ver­ ändert wird. Es gibt zahlreiche geeignete Photoisomere, und eine repräsentative Liste enthält solche Verbindungen wie:
Stilben; Chrysen; 2-(2,4-Dinitrobenzyl)pyridin; (Diphenylthiocarb­ azono)phenylquecksilber; Ethyl-bis-(2,4-dinitrophenyl)acetat; 1′,3′,3′-Trimethylspiro-8-nitro(2H-1-benzopyran-2,2′-indolin); und 1′,3′,3′-Trimethyl-6-hydroxyspiro-(2H-1-benzopyran-2,2′-indolin). Repräsentative Familien chemischer Photoisomerer sind Viologene, Spiroxazine, Fulgide und Fulgemide. Die vorliegende Erfindung vermag aus der photoisomeren Charakteristik praktisch aller Photo­ isomeren Vorteile zu ziehen.

Die Aktivierung vieler Photoisomerer verändert nicht nur das Absorptionsspektrum, sondern sie verändert auch die Werte der Fluoreszenz-Emissionen. Nutzbare Werte der meßbaren Fluoreszenz werden gewöhnlich in denjenigen Photoisomeren gesehen, die eine erhöhte Veränderung der Absorption in dem Δ-Absorptions-Wellen­ längen-Bereich B demonstrieren, wenn sie im aktivierten oder induzierten Zustand vorliegen. Diese erhöhte Absorption von Lichtenergie aus dem Δ-Absorptions-Wellenlängen-Bereich B wird als Fluoreszenz in einem Fluoreszenz-Wellenlängen-Bereich C emittiert. In diesem Fall wirkt dieses Spektrum des Δ-Wellenlängen-Bereichs B, wenn es als Quellen-Wellenlänge zur Beleuchtung des aktivierten Photopolymers eingesetzt wird, als Anregungs-Wellenlängen-Bereich B. Die Intensität der Fluoreszenz ist der anwesenden Menge des aktivierten Photoisomers direkt proportional.

Wenn das Licht aus dem Δ-Absorptions-Wellenlängen-Bereich B zum Abtasten eines Photoisomers, das erhöhte Absorption zeigt, einge­ setzt wird, verursacht es im allgemeinen nicht nur Fluoreszenz in dem Fluoreszenz-Wellenlängen-Bereich C, sondern es schaltet auch das Photoisomer zurück in seinen anderen, stabileren nicht-akti­ vierten Zustand.

Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung einer Kurve 10 der spek­ tralen Licht-Durchlässigkeit für das Photoisomer 1,3′,3′-Tri­ methyl-6′-nitrospiro-(2-H′-1′-benzopyran-2,2′-indolin) (BIPS) im desaktivierten Zustand. BIPS ist eine Verbindung aus der Spirox­ azin-Familie der Photoisomeren. BIPS erfährt eine reversible chemische Ringöffnungs-Reaktion.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, findet im Wellenlängen-Bereich 12 eine praktisch vollständige Durchlässigkeit des Lichtes durch BIPS statt. Die Aktivierung des BIPS erfolgt durch den Einsatz von Licht in einem induzierenden Wellenlängen-Bereich A, der einem Bereich von 250 nm bis 350 nm entspricht. Ein Teil dieses induzie­ renden Wellenlängen-Bereichs A ist in der Fig. 1 als Wellenlän­ gen-Bereich 14 enthalten, daß die Licht-Durchlässigkeit des BIPS in diesem Wellenlängen-Bereich gering ist, d. h., daß das Licht in dem induzierenden Wellenlängen-Bereich A absorbiert wird. Die Lichtabsorption wird dazu verwendet, den photoisomeren Vorgang zu treiben.

Die Aktivierung des BIPS durch Licht aus dem induzierenden Wellen­ längen-Bereich A führt, infolge der photoisomeren Natur des BIPS, zu einer Erhöhung der Absorption in dem Δ-Absorptions-Wellenlän­ gen-Bereich B für BIPS. Wie durch die spektrale Kurve 16 in Fig. 2 gezeigt wird, werden die photoisomeren Veränderungen augenscheinlich erwiesen durch eine herabgesetzte Licht-Durch­ lässigkeit in dem Δ-Absorptions-Wellenlängen-Bereich B von unge­ fähr 500 nm bis 650 nm und partiell angezeigt durch den Wellen­ längen-Bereich 18 mit seinem Zentrum bei 580 nm bis 600 nm.

Eine andere Veränderung, die in BIPS zusammen mit der Aktivierung durch Licht aus dem induzierenden Wellenlängen-Bereich A statt fin­ det, ist die Fluoreszenz-Emission in einem Fluoreszenz-Wellen­ längen-Bereich C bei ungefähr 550 nm bis 640 nm, wenn es durch Licht aus der Δ-Absorption oder dem Anregungs-Wellenlängen-Bereich B. Fig. 3 zeigt die Kurve des Fluoreszenz-Emissionsspektrums 22 für BIPS, wenn Erreger-Licht von 500 nm ausgesetzt wird. Wie dar­ gestellt ist, gibt es relativ intensive Emissionen im Wellen­ längen-Bereich 24, der um 600 nm herum zentriert ist. Nicht­ aktiviertes BIPS zeigt diese Fluoreszenz-Charakteristik nicht.

Die Erfindung ist ein Verfahren und ein System unter Benutzung der Fluoreszenz oder der Veränderung der Absorption eines aktivierten Photoisomers als Meßsonde zur Bestimmung einer funktionellen Charakteristik einer die Photoisomer-Sonde enthaltenden funktio­ nellen Beschichtung einer Dünnschicht. Einige Beispiele für eine funktionelle Charakteristik einer funktionellen Beschichtung einer Dünnschicht sind die Dicke, das Gewicht und die Aushärtungs-Ge­ schwindigkeit. Nach dem Messen der Photoisomer-Sonde in einer Schicht einer funktionellen Beschichtung kann die Sonde sofort desaktiviert werden, so daß sie irgendwelche nachfolgenden Schrit­ te des Messens nicht stört. Die gleiche Photoisomer-Sonde, einge­ mischt als Teil mehrerer unterschiedlicher Schichten funktioneller Beschichtungen kann aktiviert und dann desaktiviert werden, um die Messung jeder einzelnen Schicht durchzuführen. Außerdem können mehrere unterschiedliche Photoisomere eingesetzt werden, wobei jeder auf den Dünnfilm aufgetragenen funktionellen Beschichtung ein Photoisomer zugesetzt ist.

Die Sequenz des Aktivierens, Messens und Desaktivierens eines Photoisomers für jede, in einem Fertigungsverfahren eingesetzte funktionelle Beschichtung erlaubt die kontinuierliche Verwendung der gleichen Photoinitiator-Sonde in mehreren Schichten, die auf den gleichen Dünnfilm aufgetragen sind. Die Verwendung der gleichen Photoinitiator-Sonde für jede Schicht vereinfacht das Fertigungsverfahren dadurch, daß sie die Notwendigkeit der Verän­ derung oder des Hinzufügens zusätzlicher aktivierender Licht­ quellen oder Detektoren ausschaltet. Dieses wäre die bevorzugte Verwendung. Alternativ ermöglicht der Einsatz mehrerer unter­ schiedlicher Photoisomerer, eines für jede Schicht, die Viel­ seitigkeit bei der Wahl chemischer und physikalischer Kenngrößen zwischen einer Sonde und der Schicht, deren Teil sie sein soll, sowie eine breite Auswahl der Licht-Wellenlängen für die Aktivie­ rung, Absorption, Fluoreszenz und Desaktivierung.

Das Messen der Absorption des Lichts und das Korrelieren des Grades der Absorption mit der Konzentration der die Absorption verursachenden Chemikalie folgt dem Lambert′schen Gesetz für die Absorption. Dieses ist eine natürlich-logarithmische Beziehung zwischen der anwesenden Menge einer Chemikalie und dem gemessenen Grad der Absorption. Die Messung der Licht-Absorption in dem Δ-Ab­ sorptions-Wellenlängen-Bereich B einer aktivierten Photoisomer- Sonde liefert mit Hilfe des Lambert′schen Gesetzes die anwesende Menge des Photoisomers. Wegen des logarithmischen Zusammenhangs und der Tatsache, daß das zur Messung der Absorption herangezogene Licht die Sonde auch zu desaktivieren vermag, ist diese Meßmethode nicht so empfindlich wie die Messung der Fluoreszenz. Wie dies für BIPS der Fall ist, besteht einer der Wege zur Bewirkung der Des­ aktivierung von BIPS in der Verwendung von Licht aus einer Quelle, die in dem Δ-Absorptions-Wellenlängen-Bereich B emittiert. Demzu­ folge ändert sich bei Verwendung der Absorption als der Technik zur Bestimmung der vorhandenen Menge BIPS der Wert der Absorption als Funktion der Zeit, die die aktivierte Photoisomer-Sonde dem Licht des Δ-Absorptions-Wellenlängen-Bereichs B ausgesetzt ist.

Die Messung der Fluoreszenz-Emissionen in einem Fluoreszenz- Wellenlängen-Bereich C ist eine bevorzugte Verfahrensweise. Die Fluoreszenz hängt linear mit der anwesenden Menge der Sonde zusam­ men und ist deshalb am empfindlichsten für Änderungen der Konzen­ tration. Außerdem ist die Menge Licht, die aus dem Δ-Absorptions- Wellenlängen-Bereich B zur Anregung der Fluoreszenz benötigt wird, beträchtlich kleiner als diejenige, die zur Durchführung einer Ab­ sorptions-Messung benötigt wird, und aus diesem Grunde wird der Grad des durch die Desaktivierung ausgelösten Fehlers vergleichs­ weise vernachlässigbar klein. Wenn der Dünnfilm in Bewegung ver­ setzt wird, wird gleichbleibend neuer Film an der Lichtquelle vor­ beigeführt. Eine solche Bewegung ergibt Veränderungen der Desakti­ vierung, die im Zuge von Messungen, die während der Produktion durchgeführt werden, nicht zutage treten.

Das Aufbringen funktioneller Beschichtungen auf einen Dünnfilm kann ein oder mehrere Werkzeug(e) zum Auftragen der funktionellen Beschichtungen benutzen. In der vorliegenden Erfindung werden je­ doch Beispiele für solche Werkzeuge mit den Konfigurationen der Fig. 4, 5a und 5b dargestellt. In der Fig. 4 ist das Werkzeug 26 so konfiguriert, daß es zwei flüssige funktionelle Beschich­ tungen durch die Leitungen 22 und 30 aufnimmt. Die Aktivierung der Photoisomer-Sonde wird dadurch bewerkstelligt, daß nacheinander die Lichtquellen 32 und 34 ein- und ausgeschaltet werden, die ihr Licht durch die in geeigneter Weise transparenten Wandungen 36 und 38 der Leitungen 22 und 30 richten. Wie in der Fig. 4 dargestellt ist, ist das Werkzeug 26 mit zwei Außenwänden 40 und 42 so kon­ struiert, daß es durch einen Teiler 44 in zwei Kammern 41 und 43 unterteilt ist. Die Außenwände 40, 42 laufen mit dem Teiler 44 in einem Scheitel unter Bildung zweier Spalt-Öffnungen 46 und 48 zusammen. Die durch die Leitungen 22, 30 zugeführten funktionellen Beschichtungs-Materialien werden an ihre jeweiligen Kammern 41, 43 abgegeben. Der Inhalt der Kammer 41 wird durch den Werkzeugspalt 46 abgezogen, wobei die Kammer 43 in dem Werkzeug-Spalt 48 endet.

Eine in den Fig. 5a und 5b dargestellte andere Ausführungsform verwendet ein Werkzeug 50 mit Werkzeug-Seitenwand-Lichtzuführungen 52, 72, die so ausgeführt sind, daß sie sich transparenter Ab­ deckungen 53 bedienen, die in den Außenwänden 62 und 64 befestigt sind und aus geeignetem Material hergestellt sind, um einen Licht­ zutritt von den Lichtquellen 54 und 56 zu ermöglichen. Das Werk­ zeug 50 ist so konzipiert, daß es zwei funktionelle Beschichtungen handhabt, die durch die Leitungen 58, 60 abgegeben werden. Das Werkzeug 50 ist durch einen Teiler 66 in zwei Kammern 63 und 65 unterteilt. Die durch die Leitungen 58, 60 zugeführten funktionel­ len Beschichtungen werden an ihre jeweiligen Kammern 63, 65 abge­ geben. Der Inhalt der Kammer 63 wird durch den Werkzeug-Spalt 68 extrudiert, wobei die Kammer 65 in dem Werkzeug-Spalt 70 endet.

Die sich durch die Kammern 63, 65 bewegenden jeweiligen funktio­ nellen Beschichtungen werden unabhängig voneinander aktiviert.

Fig. 6 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungs­ form der vorliegenden Erfindung, die als System 100 dargestellt ist, das folgende Teile umfaßt: Ein Werkzeug 102; Aktivierungs- Lichtquellen 118, 120 und 122; eine Erreger-Lichtquelle 124; Photodetektor-Meßmittel 126; einen Analog/Digital (A/D)-Signal- Demodulator 128, Rechner-Mittel 130, Mittel zur Steuerung der Herstellung der Beschichtung 132; Mittel zur Steuerung der Rück­ kopplung 134; eine Quelle der funktionellen Beschichtung 136; und Mittel zur Steuerung der Bahn-Vorschubgeschwindigkeit 138. Wie in der Fig. 6 dargestellt ist, ist das Werkzeug 102 so ausgeführt, daß es drei getrennte funktionelle Beschichtungen aus der Quelle 136 durch die Leitungen 112, 114 und 116 empfängt. Die Aktivie­ rungs-Lichtquellen 118, 120 und 122 sind physikalisch so angeord­ net, daß die Abgabeleistung jeder Lichtquelle 118, 120 und 122 auf die jeweils benachbarten Leitungen 112, 114 und 116 für die funk­ tionellen Beschichtungen begrenzt wird. Die Lichtquellen 118, 120 und 122 sind jeweils unabhängig steuerbar, was eine unabhängige Aktivierung jeder funktionellen Beschichtung durch Licht ermög­ licht, das das durch die annähernd transparenten Leitungen 112, 114 und 116 gerichtet ist, deren Bauweise derjenigen der in Fig. 4 gezeigten transparenten Wandungen 36 und 38 ähnelt.

Eine mögliche Sequenz des Betriebs des Systems 100 ist die folgen­ de: Jede funktionelle Beschichtung wird mit einem Photoisomer, beispielsweise BIPS, in einer bekannten Menge vermischt. Als nächstes emittiert die Aktivierungs-Lichtquelle 118 Licht einer Wellenlänge in dem induzierenden Wellenlängen-Bereich A des ver­ wendeten Photoisomers, um das Photoisomer in der in Leitung 112 zu dem Werkzeug 102 transportierten funktionellen Beschichtung zu aktivieren. Das Werkzeug 102 beschichtet den sich bewegenden Dünnfilm 104 mit sämtlichen funktionellen Beschichtungen. Bei­ spielsweise wird die durch die Leitung 112 abgegebene funktionelle Beschichtungs-Flüssigkeit als Schicht der funktionellen Beschich­ tung 106 aufgetragen. Das aktivierte Photoisomer in der Schicht der funktionellen Beschichtung 106 wird durch Erreger-Licht von der Erreger-Lichtquelle 124 angeregt, die Licht in dem Absorp­ tions-Wellenlängen-Bereich B für das verwendete Photoisomer emittiert. Die Photodetektor-Meßmittel 126 werden so eingestellt, daß sie die Intensität des Lichtes messen, das durch Fluoreszenz des angeregten Photo-Isomers emittiert wird. Die Photodetektor- Meßmittel 126 können einen Monochromator mit einem Beugungsgitter oder einem geeigneten Filter oder andere Mittel in Verbindung mit einem Photodetektor, wie etwa einer Photovervielfacher-Röhre, um­ fassen. Ein der Intensität der Fluoreszenz des Photoisomers pro­ portionales Signal wird von den Photodetektor-Meßmitteln 126 zu einem Signal-Demodulator 128 gesandt, um dort in ein Signal umge­ wandelt zu werden, das für die Rechner-Mittel 130 verwertbar ist. Die Rechner-Mittel 130 sind so programmierbar, daß sie einen Wert der funktionellen Charakteristik einer funktionellen Beschich­ tungs-Schicht 106 liefern. Dieser Wert der funktionellen Charakte­ ristik kann die Form eines Wertes der Dicke der Beschichtungs- Schicht, eines Wertes des Gewichts der Beschichtungs-Schicht, einer Maßzahl der Aushärtung der Beschichtungs-Schicht oder irgendeiner anderen funktionellen Charakteristik haben, die durch die vorliegende Erfindung gemessen werden kann.

Das System 100 ist befähigt, nacheinander jede funktionelle Be­ schichtung zu messen. Nach dem Messen der funktionellen Charakte­ ristik der funktionellen Schicht 106 können die verbleibenden funktionellen Schichten 108 und 110 dadurch gemessen werden, daß die Aktivierungs-Lichtquelle 118 ausgeschaltet und eine der ande­ ren Aktivierungs-Lichtquellen, etwa die Aktivierungs-Lichtquelle 120 oder 122, eingeschaltet wird. Welche Lichtquelle aktiviert wird, hängt von dem speziellen, für das System 100 vorgesehenen Verwendungszweck ab. Wenn das aktivierte Photoisomer in der funk­ tionellen Beschichtungs-Flüssigkeit 112 das Werkzeug 102 frei­ macht, kann die nächste funktionelle Beschichtungs-Flüssigkeit, beispielsweise eine in der Leitung 114 transportierte Beschich­ tungs-Flüssigkeit, durch die Aktivierungs-Lichtquelle 120, akti­ viert werden. Die durch die Leitung 114 abgegebene funktionelle Beschichtungs-Flüssigkeit mit dem aktivierten Photoinitiator wird auf der Dünnfilm-Bahn 104 als funktionelle Beschichtungs-Schicht 108 ausgebreitet. Die Schritte des Messens und des Berechnens sind die gleichen. Auf diese Weise schaltet das System 100 zwischen den Schichten 106, 108 und 110 hin und her, wobei jede Schicht der Reihe nach mit dem Fortschreiten des Fertigungsprozesses gemessen wird.

Der durch die Rechner-Mittel 130 berechnete Wert der funktionellen Charakteristik kann weiterhin durch die Mittel 132 zur Steuerung der Fertigungsbedingungen verwertet werden. Die Steuerungsmittel 132 können die Mittel zur Steuerung der Rückkopplung 134 benutzen, um die Fertigungs-Bedingungen innerhalb der vom Verwender einge­ stellten Steuerungs-Parameter als Teil eines Produkt-Qualitäts­ sicherungs-Programms zu steuern. Beispiele für Fertigungs-Para­ meter, die einer Steuerung zugänglich sind, sind Schichtdicke und Aushärtungs-Geschwindigkeiten oder Flüssigkeitsdrücke, Temperatu­ ren oder Fließgeschwindigkeiten in der Quelle 136 oder in den Speiseleitungen 112, 114, 116 zu dem Werkzeug 102, oder die Steuerung 138 der Vorschub-Geschwindigkeit der Bahn 104.

Fig. 7 stellt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung dar, das System 150, das aus dem Absorptions-Wellenlängen- Bereich B in einem aktivierten Photoisomer Vorteile zieht. Das System 150 in der Fig. 7 umfaßt: Ein Werkzeug 152; Aktivierungs- Lichtquellen 168, 170 und 172; eine Lichtquelle 174, die Licht in dem Absorptions-Wellenlängen-Bereich B des für die Verwendung ge­ wählten Photoisomers, beispielsweise BIPS, verfügbar macht; Photo­ detektor-Meßmittel 176; einen Analog/Digital (A/D)-Signal-Demodula­ tor 178, Rechner-Mittel 180, Steuerungs-Mittel 182; Mittel zur Steuerung der Rückkopplung 184; eine Quelle der funktionellen Beschichtung 186; und Mittel zur Steuerung der Bahn-Vorschubge­ schwindigkeit 188.

Die funktionellen Beschichtungs-Flüssigkeiten, die jeweils eine Photoisomer-Sonde in einer bekannten Menge enthalten, werden dem Werkzeug 152 durch die Leitungen 162, 164, 166 aus einer Quelle der funktionellen Beschichtung 186 zugeführt. Jede Leitung 162, 164, 166 hat transparente Wandungen auf der ihren jeweiligen Akti­ vierungs-Lichtquellen 168, 170 und 172 entgegengesetzten Seite, die ähnlich gebaut sind, wie die transparenten Wandungen 36 und 38 aus Fig. 4. Die Lichtquellen 168, 170 und 172 werden unabhängig voneinander gesteuert und aktivieren, infolge einer geeigneten Ab­ schirmung, nur die Photoisomer-Sonde, die innerhalb der funktio­ nellen Beschichtungs-Flüssigkeit enthalten ist, die in der der Lichtquelle benachbarten Leitung transportiert wird. Das Werkzeug 152 trägt in dem Fertigungs-Verfahren jede der funktionellen Beschichtungs-Flüssigkeiten simultan als funktionelle Beschich­ tungs-Schichten 156, 158, 160 auf die Dünnfilm-Bahn 154 auf. Das System 150 aktiviert zu einem Zeitpunkt die Photoisomer-Sonde innerhalb nur einer funktionellen Beschichtung. Wenn die betref­ fende funktionelle Beschichtung als Schicht auf der Dünnfilm-Bahn 154 erscheint, passiert sie den von der Lichtquelle 174 emittier­ ten Lichtstrahl. Der Wellenlängen-Bereich der Lichtquelle 174 wird so gewählt, daß er dem Δ-Absorptions-Wellenlängen-Bereich B eines aktivierten Photoisomers entspricht, wie etwa BIPS, das in Fig. 2 dargestellt ist. Der Betrag der Absorption oder die Abnahme der Lichtdurchlässigkeit wird erfaßt und mittels der Photodetektor- Meßmittel 176 gemessen, die so eingestellt sind, daß sie die Wel­ lenlänge des von der Lichtquelle 174 emittierten Lichtes erfassen und messen. Die Photodetektor-Meßmittel 176 können einen Mono­ chromator mit einem Beugungsgitter oder einem geeigneten Filter oder andere ähnliche Mittel in Verbindung mit einem Photodetektor, wie etwa einer Photovervielfacher-Röhre, umfassen. Das Signal wird von den Photodetektor-Meßmitteln 176 zu einem Signal-Demodulator 178 gesandt und in ein Signal umgewandelt, das für die Rechner- Mittel 180 verwertbar ist. Die Rechner-Mittel 180 umfassen solche Vorrichtungen wie einen programmierbaren Rechner. Die Rechner- Mittel berechnen einen Wert der funktionellen Charakteristik für die funktionellen Beschichtungs-Schicht auf der Basis des Grades der Absorption oder der Abnahme der Licht-Durchlässigkeit, die als Resultat der aktivierten Photoisomer-Sonde nachgewiesen wurden. Das System 150 kann auch zusätzliche Mittel zur Steuerung der Fertigungsbedingungen umfassen, um die Fertigungsbedingungen so zu steuern, daß die Einhaltung ordnungsgemäßer Fertigungs-Parameter sichergestellt ist. Der durch die Rechner-Mittel 180 berechnete Wert der funktionellen Charakteristik kann weiterhin durch die Mittel 182 zur Steuerung der Fertigungsbedingungen verwertet werden. Die Steuerungsmittel 182 können die Mittel zur Steuerung der Rückkopplung 184 benutzen, um die Fertigungs-Bedingungen innerhalb der vom Verwender eingestellten Steuerungs-Parameter als Teil eines Produkt-Qualitätssicherungs-Programms zu steuern. Bei­ spiele für Fertigungs-Parameter, die einer Steuerung zugänglich sind, sind Schichtdicke und Aushärtungs-Geschwindigkeiten oder Flüssigkeitsdrücke, Temperaturen oder Fließgeschwindigkeiten in der Quelle 186 oder in den Speiseleitungen 162, 164, 166 zu dem Werkzeug 152, oder die Steuerung 188 der Vorschub-Geschwindigkeit der Bahn 154.

Fig. 8 stellt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung als ein System 200 dar, das die Desaktivierungs-Charakteri­ stiken der Photoisomeren dazu benutzt, den simultanen Einsatz mehrerer Meßstationen für die funktionellen Charakteristiken zu ermöglichen. Das System 200 umfaßt: Werkzeuge 202, 204 und 206; Aktivierungs-Lichtquellen 214, 216 und 218; Erreger-Lichtquellen 228, 234 und 240; Photodetektor-Meßmittel 230, 236 und 242; einen Analog/Digital (A/D)-Signal-Demodulator 246 und Rechner-Mittel 248. Sämtliche Lichtquellen, Detektions-Mittel und Desaktivierungs-Mit­ tel sind in passender Weise abgeschirmt, damit sie die Anwendung der Erfindung erlauben. Das System 200 könnte auch Mittel zur Steuerung der Fertigung umfassen, wenngleich solche nicht abge­ bildet sind, um das Fertigungsverfahren zum schichtweisen Ablegen der funktionellen Beschichtungen auf die Dünnfilm-Bahnen zu steuern, wie repräsentativ in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist.

Wie in Fig. 8 gezeigt ist, empfängt das Werkzeug 202 eine funk­ tionelle Beschichtungs-Flüssigkeit durch die Leitung 208. Ein fluoreszierendes Photoisomer, wie BIPS, ist in die funktionelle Beschichtung in einer bekannten Menge eingemischt. Die Leitung 208 hat auf der der Aktivierungs-Lichtquelle 214 gegenüberliegenden Seite eine in geeigneter Weise transparente Wand, die die Aktivie­ rung des Photoisomers im Inneren der Leitung 208 durch Licht er­ möglicht, das von der Aktivierungs-Lichtquelle 214 emittiert wird. Das Werkzeug 202 legt das aus der Leitung 208 aufgenommene funk­ tionelle Beschichtungsmaterial auf die fortbewegte Dünnfilm-Bahn 220 als funktionelle Beschichtungsschicht 222 ab. Das aktivierte Photoisomer innerhalb der funktionellen Beschichtungsschicht 222 wird durch die Erreger-Lichtquelle 228 angeregt, die Licht in dem Δ-Absorptions-Wellenlängen-Bereich B für das verwendete Photo­ isomer emittert. Die Anregung des Photoisomers resultiert in der Fluoreszenz des Photoisomers, die durch die Photodetektor-Meßmit­ tel 230 erfaßt wird. Die Photodetektor-Meßmittel 230 können einen Monochromator mit einem Beugungsgitter oder einem geeigneten Filter oder andere ähnliche Mittel in Verbindung mit einem Photo­ detektor, wie etwa einer Photovervielfacher-Röhre, umfassen. Die Photodetektor-Meßmittel erzeugen ein Signal, das der Intensität der gemessenen Fluoreszenz entspricht; das Signal wird dann zu einem Signal-Demodulator 246 gesandt, der das Signal in ein digitales Signal zur Verwertung durch die Rechner-Mittel 248 um­ wandelt. Die Rechner-Mittel 248 können einen Rechner umfassen und berechnen einen Wert der funktionellen Charakteristik, der, gemäß der obigen Beschreibung, der gemessenen Fluoreszenz-Intensität des aktivierten Photoisomers proportional ist.

Das aktivierte Photoisomer wird anschließend durch Deaktivierungs- Mittel 232 desaktiviert. Die Desaktivierungsmittel 232 können eine Lichtquelle einschließen, die Licht in dem für das Photoisomer passenden Δ-Absorptions-Wellenlängen-Bereich B und von genügender Intensität emittiert, um eine vollständige Desaktivierung zu bewirken. Die Desaktivierungsmittel 232 können auch eine Wärme­ quelle mit einer Temperatur einschließen, die ausreicht, um das verwendete Photoisomer vollständig zu desaktivieren. Die Anwendung von Wärme ist besonders praktisch, da viele funktionelle Beschich­ tungen im Zuge des Vorgangs des Erhitzens ausgehärtet werden. An­ dere Mittel zur Desaktivierung umfassen das Zuführen von genügend Energie eines Typs, der geeignet ist, eine irreversible Zerstörung des Photoisomers zu bewirken. Der Schritt der Desaktivierung schaltet das Photoisomer in der funktionellen Beschichtungsschicht 222 aus, um zu verhindern, daß das Photoisomer in der Schicht 222 weitere Messungen stört.

Das desaktivierte Photoisomer der Schicht 222 stört keinen der nachfolgenden Meßschritte, selbst wenn das gleiche Photoisomer, wie BIPS, in jenen nachfolgenden Schritten verwendet wird. Wie in der Fig. 8 dargestellt ist, gibt das Werkzeug 204 eine durch die Leitung 210 aufgenommene funktionelle Beschichtungs-Flüssigkeit als funktionelle Beschichtungsschicht 224 auf die Dünnfilm-Bahn 220 und die Schicht 222 ab. Wenn das gleiche Photoisomer, zum Bei­ spiel BIPS, wie es in der Beschichtungsschicht 222 benutzt wurde, in der funktionellen Beschichtungsschicht 224 verwendet wird, findet keinerlei Reaktivierung des in der Schicht 222 vorliegenden desaktivierten Photoisomers statt, da das Photoisomer durch die Aktivierungs-Lichtquelle 216 aktiviert wird, solange es sich noch in der Leitung 210 befindet. Das Licht von der Erreger-Lichtquelle 234 verursacht eine Fluoreszenz nur des aktivierten Photoisomers, das in der Schicht 224 zu finden ist. Photodetektor-Meßmittel 236 messen die Intensität der Fluoreszenz und senden ein Signal, das dieser Intensität proportional ist, zu dem Signal-Demodulator 246 und dem Rechner-Mittel 248, um zu einem Wert der funktionellen Charakteristik für die Schicht 224 zu gelangen. Das in der Schicht 224 vorliegende Photoisomer wird desaktiviert, sobald sich die Dünnfilm-Bahn an den Desaktivierungsmitteln 238 vorbeibewegt.

Wie in der Fig. 8 dargestellt ist, wiederholt das System 200 den Vorgang ein drittes Mal, obwohl eine beliebige Zahl von Meßsequen­ zen für eine beliebige Zahl erzeugter Schichten verwendet werden kann, wobei ein oder oder mehrere Photoisomere zum Einsatz kommen können, je nach dem angestrebten Ergebnis. Die in der Fig. 8 dargestellte dritte Sequenz verwendet das Werkzeug 206 zum Schichtauftrag einer funktionellen Beschichtungs-Flüssigkeit aus der Leitung 212 als funktionelle Beschichtungsschicht 226 auf den Dünnfilm 220. Das Photoisomer ist der flüssigen funktionellen Be­ schichtung in bekannter Menge zugesetzt und wird durch Licht akti­ viert, das von der Aktivierungs-Lichtquelle 218 emittiert wird. Die Fluoreszenz wird durch die Erreger-Lichtquelle 240 induziert, und die Intensität der Fluoreszenz wird durch die Photodetektor- Meßmittel 242 erfaßt und gemessen. Ein für die Fluoreszenz-Inten­ sität repräsentatives Signal wird zu dem Signal-Demodulator 246 gesandt, wo das Signal in ein binäres Format zur Nutzung durch das Rechner-Mittel 248 umgewandelt wird, um einen Wert der funktionel­ len Charakteristik zu berechnen.

Der Einsatz der vorliegenden Erfindung ermöglicht während der Fertigung die on-line-Messung funktioneller Charakteristika für funktionelle Dünnfilm-Beschichtungen, die auf Dünnfilm-Bahnen aufgetragen werden. Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Verfahren ist für das in der Fertigung befindliche Material nicht­ zerstörend und hinreichend schnell, um eine Echtzeit-Rückkopp­ lungs-Steuerung des Fertigungsverfahren zu ermöglichen. Die Erfin­ dung ist dahingehend vielseitig, daß sie eine Anpassung an prak­ tisch beliebig große Zahlen und Typen von Photoisomeren auf der Basis der Bedürfnisse des Benutzers und unter Berücksichtigung der Kenngrößen der Photoisomeren ermöglicht, die solche Kenngrößen - um einige zu nennen, jedoch ohne Beschränkung auf diese - wie Lichtabsorption, Aktivierung, Desaktivierung, Fluoreszenz, Licht- Wellenlängen-Bereiche, Löslichkeit und Chemie einschließen.

Claims (13)

1. Verfahren zur Messung einer funktionellen Charakteristik einer oder mehrerer, auf eine Film-Schicht aufgetragener, funktioneller Beschichtungen, umfassend die Schritte des Vermischens jeder funktionellen Beschichtung mit einer bekannten Menge eines Photoisomers, wobei das Photoiso­ mer einen Licht induzierenden Wellenlängen-Bereich A aufweist und, wenn es aktiviert ist, einen Anregungs- Wellenlängen-Bereich B und einen Fluoreszenz-Licht- Emissions-Wellenlängen-Bereich C aufweist;
des Aktivierens des Photoisomers in jeder funktionellen Be­ schichtung nacheinander mit Licht aus dem Wellenlängen- Bereich A;
des Beschichtens einer Film-Schicht mit jeder funktionellen Beschichtung;
des Anregens des Photoisomers in jeder funktionellen Be­ schichtung mit Licht aus dem Wellenlängen-Bereich B;
des Messens des Fluoreszenz-Lichts in dem Wellenlängen-Be­ reich C jeder funktionellen Beschichtung als Antwort auf die Anregung mittels Lichts aus dem Wellenlängen-Bereich B; und
des Berechnens eines Wertes einer funktionellen Charakteri­ stik für jede funktionelle Beschichtung auf der Basis der gemessenen Fluoreszenz.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin den Schritt des Steuerns eines Verfahrens zur Fertigung einer funktionellen Beschichtung in Abhängigkeit von dem Wert der funktionellen Charakteristik umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin den Schritt des Desaktivierens des Photoisomers nach dem Messen der Fluoreszenz umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Desaktivierens das Desaktivieren des Photoisomers mittels Wärme umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Desaktivierens das Desaktivieren des Photoisomers mittels Licht aus dem Wellenlängen-Bereich B umfaßt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Vermischens das Zumischen eines unterschiedlichen Photoisomers für jede auf die Film-Schicht aufgetragene funk­ tionelle Beschichtung umfaßt, wobei jedes unterschiedliche Photoisomer seine eigenen Wellenlängen-Bereiche A, B und C aufweist, so daß das Aktivieren jedes Photoisomers den ge­ eigneten Wellenlängen-Bereich A benutzt, das Anregen jedes Photoisomers den geeigneten Wellenlängen-Bereich B benutzt und das Messen der Fluoreszenz in dem geeigneten Wellenlän­ gen-Bereich C für jedes eingesetzte Photoisomer erfolgt.

7. System zur Messung einer funktionellen Charakteristik einer oder mehrerer, auf eine Film-Schicht aufgetragener, funktio­ neller Beschichtungen, umfassend
ein Photoisomer, wobei eine bekannte Menge des Photoisomers in jede funktionelle Beschichtung vor dem Auftragen der funktionellen Beschichtung auf die Film-Schicht einge­ mischt ist und das Photoisomer befähigt ist, durch Licht in einem Wellenlängen-Bereich A aktiviert zu werden und, wenn es aktiviert ist, durch Licht in einem Wellenlän­ gen-Bereich B angeregt zu werden und Fluoreszenz-Licht in einem Wellenlängen-Bereich C zu emittieren;
eine Strahlungs-Lichtquelle der Wellenlänge A zur sequentiel­ len Aktivierung des Photoisomers;
eine Strahlungs-Lichtquelle der Wellenlänge B zur Anregung des Photoisomers in jeder auf die Film-Schicht aufgetra­ genen funktionellen Beschichtung;

Fluoreszenz-Meßmittel zur Messung des von dem Photoisomer emittierten Fluoreszenz-Lichtes in dem Wellenlängen- Bereich C; und
Rechner-Mittel zum Berechnen des Wertes einer funktionellen Charakteristik für jede funktionelle Beschichtung.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin Steuerungs-Mittel zum Steuern eines Verfahrens zur Fertigung einer funktionellen Beschichtung unter Verwendung des Wertes der funktionellen Charakteristik als Parameter zur Steuerung des Auftragens jeder der funktionellen Beschichtun­ gen umfaßt.

9. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin Desaktivierungs-Mittel zum Desaktivieren des Photo­ isomers umfaßt, so daß das Photoisomer nicht mehr fähig ist, durch Licht in dem Wellenlängen-Bereich B angeregt zu werden, und nicht in nennenswertem Maße Fluoreszenz-Licht in dem Wellenlängen-Bereich C emittiert.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Des­ aktivierungs-Mittel eine Strahlungs-Lichtquelle im Wellenlän­ gen-Bereich B umfassen.

11. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Des­ aktivierungs-Mittel eine Wärmequelle zum Erhitzen des Photo­ isomers umfassen.

12. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es mehre­ re Photoisomere umfaßt, von denen jedes Photoisomer seine eigenen Wellenlängen-Bereiche A, B und C aufweist, wobei in jede funktionelle Beschichtung vor dem Auftragen der funktio­ nellen Beschichtung auf die Film-Schicht ein anderes Photo­ isomer eingemischt worden ist.