DE19545249A1 - Verfahren, Vorrichtung sowie deren Verwendung für die Bestimmung der Dicke transparenter Schichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung sowie deren Verwendung für die Bestimmung der Dicke von auf Trägermedien aufgebrachten trans­ parenten Schichten, insbesondere von UV-Schutzlack­ schichten auf CD′s oder artverwandten Produkten, auf­ gebrachten transparenten Schichten auf Halbleiterele­ menten oder solchen die auf Folien oder Glas aufge­ bracht werden.

Es ist bekannt, die Schichtdicke einer transparenten Schicht auf einem durchsichtigen oder undurchsichti­ gen Trägermedium, nach dem Prinzip der Weißlichtin­ terferenz zu messen. Hierbei wird Licht der Weiß­ lichtquelle punktförmig, üblicherweise mit Lichtleit­ fasern, auf die zu bestimmende Schicht gerichtet und daß von dieser reflektierte Licht ebenfalls über eine Lichtleitfaser auf einem Spektrometer abgebildet, dort spektral zerlegt und mit Hilfe einer Extremwert­ auswertung die Schichtdicke bestimmt. Bei einer sol­ chen Vorgehensweise kann die Schichtdickenmessung lokal aufgelöst, nur für einzelne Meßpunkte durchge­ führt werden. Dies führt dazu, für den Fall, daß eine flächendeckende Überwachung der Schichtdicke erfor­ derlich ist, daß ein erheblicher Zeitaufwand in Kauf genommen werden muß.

Andere bekannte Lösungen verwenden ebenfalls eine Weißlichtquelle, bei denen jedoch nur eine monochro­ matische Lichtkomponente ausgenutzt wird, was dazu führt, daß keine absolute Schichtdicke, sondern nur Änderungen bestimmbar sind. Eine solche Möglichkeit ist beispielsweise aus der EP 0 601 580 A1, EP 0 545 738 A2 bekannt. In der letztgenannten EP 0 545 738 A2 wird darauf hingewiesen, daß die erfaßten Meßwerte, mit rechnerisch bestimmten oder durch Vergleichsmes­ sungen ermittelten Meßwerten, ausgewertet werden.

Aus der EP 0 011 723 B1 ist es auch bekannt, die Schichtdickenänderung durch durch Interferenz entste­ hende Intensitätsschwankungen des reflektierten oder durchgelassenen Lichts bei zwei oder mehr Wellenlän­ gen zu bestimmen. Hierbei werden Wellenlängen mit bestimmtem Wellenlängenverhältnis zueinander ausge­ wählt.

Bei den bekannten Meßverfahren gibt es je Meßpunkt nur einen einzigen Interferenzintensitätswert, was wie bereits ausgeführt, nur eine relative Bestimmung der Änderung der Schichtdicke zuläßt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Bestimmung der Dicke transparenter auf Trägermedien aufgetrage­ nen Schichten, in verkürzter Zeit, mit hoher Meßge­ nauigkeit durchzuführen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1, für das Verfahren und die Merkmale des Anspruchs 5, für die Vorrichtung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen ergeben sich bei Verwendung der in den untergeordne­ ten Ansprüchen enthaltenen Merkmale.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Dicke transparenter Schichten auf un- oder durchsichtigen Trägermedien, beispielsweise CD′s, Halbleiterelemen­ ten oder großflächigen Folien, unter Ausnutzung der Weißlichtinterferenz bestimmt. Dabei wird mit einer geeignet ausgewählten Optik das Licht der Weißlicht­ quelle (z. B. Halogenlampe) auf die Optik gerichtet und mit dieser ein relativ großflächiger Beleuch­ tungsfleck auf die zu messende Schicht gesendet. Die Anordnung bzw. die Ausführung der Optik kann dabei dafür sorgen, daß ein elliptischer Beleuchtungsfleck erzeugt wird, dessen größere Ausdehnung in Richtung einer Achse die Meßebene bestimmt. Das reflektierte Licht wird auf einer dispersiven Optik, also einem optischen Aufbau mit einem dispersiven Element (opti­ sches Gitter, Prisma o. a.) und mit einem Spektrome­ ter abgebildet und spektral zerlegt auf ein zweidi­ mensional ausgebildetes Detektorfeld gerichtet. Dabei wird ebenfalls eine zweite Optik benutzt, um jeweils eine Wellenlänge auf einen einzelnen Detektor des Detektorfeldes zu richten. Mit den so wellenlängen­ aufgelöst gemessenen Reflexionen oder des Streulich­ tes kann die Schichtdicke bei bekanntem Brechungsin­ dex bestimmt werden. Dabei entspricht die jeweilige Spalte eines Detektors im Detektorfeld der spektralen Zuordnung und die jeweilige Zeile der lokalen Zuord­ nung des Meßpunktes auf dem Trägermedium.

Als Detektorfeld kann beispielsweise eine handelsüb­ liche CCD-Kamera verwendet werden, wobei die Anord­ nung der einzelnen optischen Komponenten so gewählt wird, daß das Spektrum jedes Meßpunktes auf jeweils einer Spalte des CCD-Chip′s abgebildet wird. Die An­ zahl der Spalten des CCD-Chip′s bestimmt dabei die Anzahl der Meßpunkte, die zum gleichen Zeitpunkt ge­ messen werden können. So ist es mit einer Matrix-Ka­ mera von 514 × 514 Pixel möglich, 514 Meßpunkte gleichzeitig zu messen.

Erfolgt die Auswertung mit einer elektronischen Da­ tenverarbeitungseinheit, die eine hohe Rechenleistung aufweist, kann für jeden Meßpunkt einzeln eine Ab­ standsbestimmung der gemessenen Reflexionsmaxima im sichtbaren spektralen Bereich des Lichtes durchge­ führt werden und dadurch das absolute Maß der Schichtdicke bestimmt werden. Mit dieser Verfahrens­ weise, unter Ausnutzung der Weißlichtinterferenz kann je Meßpunkt ein breites Interferenzspektrum mit Maxi­ ma und Minima ausgewertet werden.

Eine weitere Möglichkeit, die nicht so hohe Anforde­ rungen an die Kapazität des Rechners stellt, besteht darin, an den Meßpunkten der Meßebene, die jeweiligen Interferenzstreifen auszuwerten, die über den gesam­ ten Bildausschnitt der CCD-Kamera, senkrecht zu den CCD-Chipspalten, aufgenommen werden. Wird ein Sprung in einem so gemessenen Interferenzstreifen ermittelt, gibt dies wieder, daß eine stufenförmige Schichtdicken­ änderung der Schicht vorhanden ist, die eine Fehl­ stelle in der Lackschicht sein kann, und ein entspre­ chendes Fehlersignal kann generiert werden, um anzu­ zeigen, daß ein Qualitätsmangel bei der aufgetragenen Schicht vorhanden ist. Dabei entspricht ein Interfe­ renzstreifen jeweils einem Meßpunkt. Dieser kann mit einer entsprechenden zusätzlichen Elektronik und Steuerung auch in bezug auf seine Lage ermittelt wer­ den.

Die verwendeten Optiken und die Anzahl der Pixel der CCD-Kamera sollen so abgestimmt werden, daß eine li­ neare Meßpunktauflösung auf der Oberfläche der Schicht erreicht wird, die < 1 mm ist, um eine nahezu 100%-ige Überprüfung der Beschichtung zu gewährlei­ sten.

Gegenüber den bekannten Lösungen, die bisher etwa 10 Meßpunkte pro Sekunde erfassen, ist es mit der erfin­ dungsgemäßen Lösung möglich, mehr als 400 Meßpunkte pro Sekunde zu erfassen und mit einer entsprechend ausgebildeten Auswerteelektronik auszuwerten.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungs­ beispiel, für die Messung von transparenten UV- Schutzlackschichten auf CD′s beschrieben werden. Da­ bei zeigen die Fig. 1 und 2 die schematische An­ ordnung einer entsprechend erfindungsgemäß ausgebil­ deten Vorrichtung in zwei Ansichten.

Das Licht einer Weißlichtquelle, bevorzugt einer Ha­ logenlampe 1, die mit einem nicht dargestellten Lüf­ ter kühlbar und einfach austauschbar ist, über eine erste Optik 2, auf die zu bestimmende Schicht gerich­ tet wird. Dabei können die Abmaße der Vorrichtung an verschiedene Einbauanforderungen in den CD-Ferti­ gungsanlagen angepaßt werden. So kann der Meßabstand zwischen 80 und 550 mm liegen und die Ausrichtung bzw. Anpassung an die geometrischen Verhältnisse mit der ersten Optik 2 erfolgen. Bei der Kontrolle der Beschichtungen auf CD′s wird der Beleuchtungsfleck mit Hilfe der ersten Optik 2 so eingestellt, daß er 50 mm lang und 25 mm breit ist. Daraus ergibt sich eine Meßebene zur Schichtdickenbestimmung, die 50 mm lang und 1 mm breit ist. Die Größe dieser Meßebene sichert, daß eine Hälfte der CD vollständig überdeckt ist und für die Messung der gesamten Beschichtung nur eine Umdrehung der CD erforderlich ist. Bei entspre­ chend großer Pixelanzahl der CCD-Kamera 5 oder einer entsprechend verringerten Meßpunktauflösung kann die Meßebene auch vergrößert werden, so daß die gesamte CD überstrichen wird und nur noch eine halbe Umdre­ hung für alle Messungen erforderlich ist. Dabei kann die Meßzeit nochmals verkürzt werden.

Durch die Ausbildung des relativ großen Beleuchtungs­ fleckes, ist es gesichert, daß bei einer Verkippung der CD während der Drehung, die Messung nicht unter­ brochen werden muß. Es erfolgt bei einer solchen Ver­ kippung lediglich eine Verschiebung des jeweiligen Meßpunktes auf der Schicht, was aber keinen Einfluß auf das Überprüfungsergebnis der Beschichtung hat, wenn gesichert ist, daß die durch die Größe des Be­ leuchtungsfleckes vorgegebene Meßebene trotzdem die gesamte zu überprüfende Beschichtung überstreicht.

Das von der Beschichtung reflektierte Licht wird von einer zweiten Optik 3 auf ein Spektrometer 4, das diskret aufgebaut ist, abgebildet und spektral zer­ legt. Mit Hilfe einer dritten Optik 6 wird das spek­ tral zerlegte Licht auf eine ein Detektorfeld vorge­ bende CCD-Kamera abgebildet.

Die einzelnen optischen Komponenten werden so aufein­ ander abgestimmt bzw. eingestellt, daß jeweils das Spektrum jedes einzelnen Meßpunktes auf eine Spalte des CCD-Chips, der CCD-Kamera abgebildet wird.

Die Auswertung der wellenlängenaufgelöst gemessenen Reflexionen, kann dann mit einer an die CCD-Kamera anschließbaren Auswerteeinheit in den oben beschrie­ benen Vorgehensweisen erfolgen und eine Aussage über die Qualität der Beschichtung getroffen werden.

Für den Fall, daß die Auswertung über die Abstände der Reflexionsmaxima erfolgt, kann, da die absolute Schichtdicke bestimmt werden kann, auch Einfluß auf das Beschichtungsverfahren genommen werden, um die Beschichtung und den Verbrauch des Beschichtungsstof­ fes zu optimieren.

In ähnlicher Weise kann auch die Beschichtung von Halbleiterelementen oder großflächigen Kunststoff­ folien und Gläsern durchgeführt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Bestimmung der Dicke von auf Trä­ germedien aufgebrachten transparenten Schichten, bei dem Licht einer Weißlichtquelle auf die zu bestimmende Schicht, mittels einer ersten Optik ein großflächiger Beleuchtungsfleck gerichtet,
das reflektierte Licht auf eine dispersive Optik abgebildet,
spektral zerlegt auf ein zweidimensional ausge­ bildetes Detektorfeld gerichtet und
mit einer Auswerteeinheit mittels, der mit den einzelnen Detektoren des Detektorfeldes erfaßten wellenlängenaufgelösten Reflexionen oder des Streulichtes die Schichtdicke bei bekanntem Bre­ chungsindex der Schicht bestimmt wird,
wobei die jeweilige Spalte eines Detektors die spektrale Zuordnung und die jeweilige Zeile die eigentliche lokale Zuordnung des Meßpunktes auf dem Trägermedium wiedergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abstände der Interferenz-Maxima bestimmt werden und daraus für jeden Meßpunkt bei vorausgesetzt bekanntem Brechungsindex n die Schichtdicke bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Fehlersignal ausgelöst wird, wenn ein Sprung in einem Interferenzstreifen, der in einem Detektor einer Reihe des Detektorfeldes zugeordnet ist, erfaßt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Beleuch­ tungsfleck in einer Achsrichtung, zumindest die halbe zu bestimmende Oberfläche des Trägermedi­ ums überdeckt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungs­ fleck elliptisch ausgebildet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Weißlichtquelle (1) Licht über eine Optik (2), auf die zu bestimmende Schicht richtend, daß von der Schicht reflektierte Licht (direkt reflek­ tierte Licht oder gestreute Licht) mittels einer dispersiven Optik (4) wellenlängenaufgelöst, in einem Detektorfeld (5) zuführend, angeordnet und die Meßsignale der einzelnen Detektoren Wel­ lenlängen- und Meßpunkt zugeordnet einer Aus­ werteeinheit zuführbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Detektorfeld (5) zweidimensio­ nal ist wie bei einer CCD-Kamera.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anzahl der Pixel der CCD-Kame­ ra (5) eine lineare Meßpunktauflösung auf der Oberfläche der Schicht < 1 mm sichert.

9. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 und der Vorrichtung nach Anspruch 6, zur Bestimmung der Dicke von auf CD′s und artverwandten Produk­ ten, z. B. CD-ROM, aufgetragenen UV-Schutzlack­ schichten.

10. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 und der Vorrichtung nach Anspruch 6, zur Bestimmung der Schichtdicke von auf Halbleiterelementen aufgebrachten transparenten Schichten.

11. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 und der Vorrichtung nach Anspruch 6, zur Bestimmung der Dicke von auf Folien oder Glas aufgetragenen transparenten Schichten.