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Die
vorliegende Erfindung steht im Zusammenhang mit dem US-Patent
US 346 49 86 mit dem Titel
FLUORESCENT SPECTRAL DIFFERENTIAL MEASUREMENT [Fluoreszenzspektrale
Differenzmessung].
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Die
Erfindung betrifft allgemein spektroskopische Messungen funktioneller
Charakteristika dünner
Filme und insbesondere die Ausnutzung der Photoisomeren innewohnenden
dualen Absorptionsspektren-Charakteristik und Fluoreszenz-Natur.
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Die
Kalibermessung dünner
Filme und auf die dünnen
Filme aufgebrachter 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 physikalischer Meßtechniken
ein. Diese Techniken sind jedoch auf eine einzelne Sonde der Fluoreszenz
oder Extinktion in einer einzelnen funktionellen Beschichtung oder
einem einzelnen Dünnfilm
beschränkt. Nunmehr
haben viele Dünnfilm-Erzeugnisse
mehrere funktionelle 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.
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DE 30 38 908 betrifft ein
Verfahren zur lumineszenzspektroskopischen Bestimmung von Aufträgen und
Auftragsprofilen.
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DE 38 90 059 C2 betrifft
Verfahren und Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Menge eines auf
einen Gegenstand aufgebrachten Klebstoffs.
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DE 32 42 489 A1 betrifft
die Verwendung einer chemischen Substanz als Aktinometer zur Messung
der Intensität
monochromatischer Lichtquellen im ultravioletten Wellenlängenbereich.
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US 3,961,948 betrifft ein
Verfahren, bei dem Licht die Eigenschaften einer photochromen Schicht ändert und
eine spezifische photochrome Verbindung.
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JP 60015666 A betrifft
ein Verfahren zur Umwandlung von Röntgenstrahlen in sichtbares
Licht mittels eines photoisomeren Films.
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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
induziert wird. Während
das Photoisomer aktiviert wird, erleidet es Messungen der Absorption
von Licht oder der Emission von Fluoreszenzlicht. Der Grad der Absorption
oder Fluoreszenz wird dann dazu verwendet, eine funktionelle Charakteristik
der als Schicht auf den Dünnfilm
aufgetragenen funktionellen Beschichtung zu berechnen. Die Erfindung
ist von besonderem Nutzen als ein on-line-Meß- und Überwachungs-System für die Steuerung
des Verfahrens der Herstellung von Dünnfilm-Beschichtungen und als Meßwerkzeug
für die
Qualitätsbewertung
des Herstellungsverfahrens.
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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 desaktivierten Zustand.
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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.
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3 zeigt
eine graphische Darstellung der Kurve des Fluoreszenz-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.
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4 zeigt
eine perspektive schematische Darstellung eines Werkzeugs, das beim
Aufbringen der funktionellen Beschichtungen auf Dünnfilme
eingesetzt wird.
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5a zeigt
eine perspektive schematische Darstellung eines anderen Typs des
Werkzeugs, das beim Aufbringen der funktionellen Beschichtungen auf
Dünnfilme
eingesetzt wird.
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5b zeigt
im Querschnitt eine Seitenansicht des in der 5a abgebildeten
Werkzeugs.
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6 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer on-line-Ausführungsform
der Erfindung.
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7 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer anderen on-line-Ausführungsform
der Erfindung.
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8 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer anderen on-line-Ausführungsform
der Erfindung.
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Die
Erfindung betrifft eine on-line-Einrichtung zur Durchführung genauer
Messungen dünner
Filme und auf dünne
Filme aufgetragener funktioneller Beschichtungen. Das US-Patent
US 546 4986 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
Fluoreszenz-Sonden in anderen Schichten, fluoreszierendem Beschichtungsmaterial
oder von dem Dünnfilm,
auf den die Beschichtungen aufgebracht sind.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt die dualen Absorptionsspektren-Charakteristik und
Fluoreszenz photoisomerer Verbindungen aus. Der Begriff "Photoisomer", wie er im Folgenden
verwendet wird, bezeichnet eine einzelne chemische Species, die
Photochromie erlei det. "Photochromie" ist, in einer einzigen
chemischen Species, eine Veränderung
zwischen zwei Zuständen
mit unterscheidbar verschiedenen Absorptionsspektren. Die Veränderung
des Absorptionsspektrums wird, in wenigstens einer Richtung, durch
die Einwirkung einer elektromagnetischen Strahlung induziert. Die
geeignete induzierende Lichtwellenlänge, wenn sie von einem Photoisomer
absorbiert wird, verändert
das Photomer von einem isomeren Zustand zu einem anderen. Diese
Veränderung,
oder Aktivierung, des Photoisomers durch das Licht einer ersten
Wellenlänge,
als induzierender Wellenlängen-Bereich
A bezeichnet, bewirkt eine Veränderung
des Absorptionsspektrums des Photoisomers. Im allgemeinen verändert dies
das Absorptionsspektrum zu einem unterschiedlichen Wellenlängen-Bereich,
als Δ-Absorptions-Wellenlängen-Bereich
B bezeichnet. Diese Wellenlängen-Bereiche der
induzierenden elektromagnetischen Strahlung sowie die Δ-Absorptionsspektren
liegen gewöhnlich 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 Erfindung als Sonden in den funktionellen Beschichtungen
nutzbar, die als Schichten auf Dünnfilme
aufgetragen wurden.
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Der
Schritt des Aktivierens beinhaltet, wie oben angegeben ist, die
Absorption einer geeigneten elektromagnetischen Strahlungsenergie,
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 allgemeinen 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 sie bei einer Kohlenstoff-Kohlen stoff-Doppelbindung
auftreten können.
Andere Photoisomere erfahren eine Aktivierung unter reversibler
Quasi-Zerstörung
einer chemischen Bindung, etwa einer homolytischen Spaltung, wodurch
die Absorptionsspektren-Charakteristik dieses Photoisomer-Typs verändert wird.
Es gibt zahlreiche geeignete Photoisomere, und eine repräsentative
Liste enthält
solche Verbindungen wie:
Stilben; Chrysen; 2-(2,4-Dinitrobenzyl)pyridin;
(Diphenylthiocarbazono)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 Photoisomeren Vorteile zu ziehen.
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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-Wellenlängen-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.
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Wenn
das Licht aus dem Δ-Absorptions-Wellenlängen-Bereich
B zum Abtasten eines Photoisomers, das erhöhte Absorption zeigt, eingesetzt
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
nichtaktivierten Zustand.
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1 zeigt
eine graphische Darstellung einer Kurve 10 der spektralen
Licht-Durchlässigkeit
für das
Photoisomer 1,3',3'-Trimethyl-6'-nitrospiro-(2-H'-1'-benzopyran-2,2'-indolin) (BIPS)
im desaktivierten Zustand. BIPS ist eine Verbindung aus der Spiroxazin-Familie
der Photoisomeren. BIPS erfährt eine
reversible chemische Ringöffnungs-Reaktion.
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Wie
in 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
induzierenden Wellenlängen-Bereichs
A ist in der 1 als Wellenlängen-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.
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Die
Aktivierung des BIPS durch Licht aus dem induzierenden Wellenlängen-Bereich
A führt,
infolge der photoisomeren Natur des BIPS, zu einer Erhöhung der
Absorption in dem Δ-Absorptions-Wellenlängen-Bereich
B für BIPS.
Wie durch die spektrale Kurve 16 in 2 gezeigt
wird, werden die photoisomeren Veränderungen augenscheinlich erwiesen durch
eine herabgesetzte Licht-Durchlässigkeit
in dem Δ-Absorptions-Wellenlängen-Bereich
B von ungefähr
500 nm bis 650 nm und partiell angezeigt durch den Wellenlängen-Bereich 18 mit
seinem Zentrum bei 580 nm bis 600 nm.
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Eine
andere Veränderung,
die in BIPS zusammen mit der Aktivierung durch Licht aus dem induzierenden
Wellenlängen-Bereich
A stattfindet, ist die Fluoreszenz-Emission in einem Fluoreszenz-Wellenlängen-Bereich
C bei ungefähr
550 nm bis 640 nm, wenn es durch Licht aus der Δ-Absorption oder dem Anregungs-Wellenlängen-Bereich
B angeregt wird. 3 zeigt die Kurve des Fluoreszenz-Emissionsspektrums 22 für BIPS,
wenn Erreger-Licht von 500 nm verwendet wird. Wie dar gestellt ist,
gibt es relativ intensive Emissionen im Wellenlängen-Bereich 24, der
um 600 nm herum zentriert ist. Nicht-aktiviertes BIPS zeigt diese Fluoreszenz-Charakteristik
nicht.
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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
funktionellen Beschichtung einer Dünnschicht. Einige Beispiele
für eine
funktionelle Charakteristik einer funktionellen Beschichtung einer
Dünnschicht
sind die Dicke, das Gewicht und die Aushärtungs-Geschwindigkeit. Nach
dem Messen der Photoisomer-Sonde in einer Schicht einer funktionellen Beschichtung
kann die Sonde sofort desaktiviert werden, so daß sie irgendwelche nachfolgenden
Schritte des Messens nicht stört.
Die gleiche Photoisomer-Sonde, eingemischt 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.
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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
Veränderung
oder des Hinzufügens
zusätzlicher aktivierender
Lichtquellen oder Detektoren ausschaltet. Dieses wäre die bevorzugte
Verwendung. Alternativ ermöglicht
der Einsatz mehrerer unterschiedlicher Photoisomerer, eines für jede Schicht,
die Vielseitigkeit 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
Aktivierung, Absorption, Fluoreszenz und Desaktivierung.
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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-Absorptions-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 Desaktivierung
von BIPS in der Verwendung von Licht aus einer Quelle, die in dem Δ-Absorptions-Wellenlängen-Bereich
B emittiert. Demzufolge 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.
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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 zusammen und ist deshalb am empfindlichsten
für Änderungen
der Konzentration. 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 Absorptions-Messung
benötigt
wird, und aus diesem Grunde wird der Grad des durch die Desaktivierung
ausgelösten
Fehlers vergleichsweise vernachlässigbar
klein. Wenn der Dünnfilm
in Bewegung versetzt wird, wird gleichbleibend neuer Film an der Lichtquelle
vorbeigeführt.
Eine solche Bewegung ergibt Veränderungen
der Desakti vierung, die im Zuge von Messungen, die während der
Produktion durchgeführt
werden, nicht zutage treten.
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Das
Aufbringen funktioneller Beschichtungen auf einen Dünnfilm kann
ein oder mehrere Werkzeuge) zum Auftragen der funktionellen Beschichtungen
benutzen. In der vorliegenden Erfindung werden jedoch Beispiele
für solche
Werkzeuge mit den Konfigurationen der 4, 5a und 5b dargestellt.
In der 4 ist das Werkzeug 26 so konfiguriert,
daß es
zwei flüssige
funktionelle Beschichtungen 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 4 dargestellt ist, ist das Werkzeug 26 mit
zwei Außenwänden 40 und 42 so
konstruiert, 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.
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Eine
in den 5a und 5b dargestellte andere
Ausführungsform
verwendet ein Werkzeug 50 mit Werkzeug-Seitenwand-Lichtzuführungen 52, 72,
die so ausgeführt
sind, daß sie
sich transparenter Abdeckungen 53 bedienen, die in den
Außenwänden 62 und 64 befestigt
sind und aus geeignetem Material hergestellt sind, um einen Lichtzutritt
von den Lichtquellen 54 und 56 zu ermöglichen.
Das Werkzeug 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 funktionellen Beschichtungen
werden an ihre jeweiligen Kammern 63, 65 abgegeben.
Der Inhalt der Kammer 63 wird durch den Werkzeug-Spalt 68 extrudiert,
wobei die Kammer 65 in dem Werkzeug-Spalt 70 endet.
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Die
sich durch die Kammern 63, 65 bewegenden jeweiligen
funktionellen Beschichtungen werden unabhängig voneinander aktiviert.
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6 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform 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 Rückkopplung 134;
eine Quelle der funktionellen Beschichtung 136; und Mittel
zur Steuerung der Bahn-Vorschubgeschwindigkeit 138. Wie
in der 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
Aktivierungs-Lichtquellen 118, 120 und 122 sind physikalisch
so angeordnet, dass die Abgabeleistung jeder Aktivierungs-Lichtquelle 118, 120 und 122 auf die
jeweils benachbarten Leitungen 112, 114 und 116 für die funktionellen
Beschichtungen begrenzt wird. Die Aktivierungs-Lichtquellen 118, 120 und 122 sind jeweils
unabhängig
steuerbar, was eine unabhängige Aktivierung
jeder funktionellen Beschichtung durch Licht ermöglicht, das das durch die annähernd transparenten
Leitungen 112, 114 und 116 gerichtet
ist, deren Bauweise derjenigen der in 4 gezeigten transparenten
Wandungen 36 und 38 ähnelt.
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Eine
mögliche
Sequenz des Betriebs des Systems 100 ist die folgende:
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 verwendeten 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. Beispielsweise 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 Absorptions-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, umfassen.
Ein der Intensität
der Fluoreszenz des Photoisomers proportionales Signal wird von
den Photodetektor-Meßmitteln 126 zu
einem Signal-Demodulator 128 gesandt, um dort in ein Signal
umgewandelt 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
Beschichtungs-Schicht 106 liefern. Dieser Wert der funktionellen
Charakteristik 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.
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Das
System 100 ist befähigt,
nacheinander jede funktionelle Beschichtung zu messen. Nach dem
Messen der funktionellen Charakteristik der funktionellen Schicht 106 können die
verbleibenden funktionellen Schichten 108 und 110 dadurch
gemessen werden, daß die
Aktivierungs-Lichtquelle 118 ausgeschaltet und eine der
anderen 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 funktionellen Beschichtungs-Flüssigkeit 112 das
Werkzeug 102 freimacht, kann die nächste funktionelle Beschichtungs-Flüssigkeit,
beispielsweise eine in der Leitung 114 transportierte Beschichtungs-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.
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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 eingestellten
Steuerungs-Parameter als Teil eines Produkt-Qualitätssicherungs-Programms
zu steuern. Beispiele für
Fertigungs-Parameter, die einer Steuerung zugänglich sind, sind Schichtdicke
und Aushärtungs-Geschwindigkeiten
oder Flüssigkeitsdrücke, Temperaturen
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.
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7 stellt
eine andere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung dar, das System 150, das aus dem
Absorptions-Wellenlängen-Bereich B in einem
aktivierten Photoisomer Vorteile zieht. Das System 150 in
der 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 gewählten Photoisomers,
beispielsweise BIPS, verfügbar macht;
Photodetektor-Meßmittel 176;
einen Analog/Digital(A/D)-Signal-Demodulator 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-Vorschubgeschwindigkeit 188.
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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 Aktivierungs-Lichtquellen 168, 170 und 172 entgegengesetzten
Seite, die ähnlich
gebaut sind, wie die transparenten Wandungen 36 und 38 aus 4.
Die Aktivierungs-Lichtquellen 168, 170 und 172 werden
unabhängig
voneinander gesteuert und aktivieren, infolge einer geeigneten Abschirmung,
nur die Photoisomer-Sonde, die innerhalb der funktionellen 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
Beschichtungs-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 betreffende
funktionelle Beschichtung als Schicht auf der Dünnfilm-Bahn 154 erscheint,
passiert sie den von der Lichtquelle 174 emittierten 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 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 Wellenlänge des von der Lichtquelle 174 emittierten
Lichtes erfassen und messen. Die Photodetektor-Messmittel 176 können einen
Monochromator 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 (A/D)-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. Beispiele 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.
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8 stellt
eine andere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung als ein System 200 dar, das die
Desaktivierungs-Charakteristiken 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-Mittel 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 abgebildet sind,
um das Fertigungsverfahren zum schichtweisen Ablegen der funktionellen
Beschichtungen auf die Dünnfilm-Bahnen
zu steuern, wie repräsentativ
in den 6 und 7 dargestellt ist.
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Wie
in 8 gezeigt ist, empfängt das Werkzeug 202 eine
funktionelle 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 Aktivierung
des Photoisomers im Inneren der Leitung 208 durch Licht
ermöglicht,
das von der Aktivierungs-Lichtquelle 214 emittiert wird.
Das Werkzeug 202 legt das aus der Leitung 208 aufgenommene
funktionelle 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 Photoisomer emittert. Die Anregung des Photoisomers resultiert
in der Fluoreszenz des Photoisomers, die durch die Photodetektor-Meßmittel 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 Photodetektor, 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 umwandelt. 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.
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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 Wärmequelle
mit einer Temperatur einschließen,
die ausreicht, um das verwendete Photoisomer vollständig zu
desaktivieren. Die Anwendung von Wärme ist besonders praktisch,
da viele funktionelle Beschichtungen im Zuge des Vorgangs des Erhitzens
ausgehärtet
werden. Andere 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 funktionelle Beschichtungs-Schicht 222 weitere
Messungen stört.
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Das
desaktivierte Photoisomer der funktionelle Beschichtungs-Schicht 222 stört keinen
der nachfolgenden Meßschritte,
selbst wenn das gleiche Photoisomer, wie BIPS, in jenen nachfolgenden Schritten
verwendet wird. Wie in der 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 funktionelle Beschichtungs-Schicht 222 ab. Wenn das gleiche
Photoisomer, zum Beispiel BIPS, wie es in der funktionelle Beschichtungsschicht 222 benutzt wurde,
in der funktionellen Beschichtungsschicht 224 verwendet
wird, findet keinerlei Reaktivierung des in der funktionelle Beschichtungs-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 funktionelle Beschichtungs-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 funktionelle Beschichtungs-Schicht 224 zu
gelangen. Das in der Schicht 224 vorliegende Photoisomer
wird desaktiviert, sobald sich die Dünnfilm-Bahn an den Desaktivierungsmitteln 238 vorbeibewegt.
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Wie
in der 8 dargestellt ist, wiederholt das System 200 den
Vorgang ein drittes Mal, obwohl eine beliebige Zahl von Messsequenzen
für eine
beliebige Zahl erzeugter Schichten verwendet werden kann, wobei
ein mehrere Photoisomere zum Einsatz kommen können, je nach dem angestrebten
Ergebnis. Die in der 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 Beschichtung in bekannter Menge zugesetzt und wird
durch Licht aktiviert, 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-Intensität
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 funktionellen Charakteristik zu berechnen.
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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-Rückkopplungs-Steuerung des
Fertigungsverfahren zu ermöglichen.
Die Erfindung ist dahingehend vielseitig, daß sie eine Anpassung an praktisch
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.