DE2935716C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Für die kontinuierliche, kontaktfreie On-line-Messung der Dicke eines Polymer-Films auf der Filmfertigungsstraße werden die beiden nachstehenden Methoden in großem Umfang eingesetzt:

• 1. Ein Verfahren zum Messen der Dicke des Polymer-Films unter Verwendung von Absorption und Streuung von Beta-Strahlen durch den Film.
• 2. Ein Verfahren zum Messen der Dicke des Polymer-Films durch Absorption von Infrarotstrahlen durch den Film.

Diesen beiden Verfahren haften folgende Nachteile an:

Wenn beim ersten Verfahren die zu messende Dicke des Polymer- Films unter etwa 10 bis 30 µm abfällt, ergibt sich ein erheblicher Meßfehler. Bei diesem Verfahren wird davon Gebrauch gemacht, daß die Absorption und Streuung der Beta-Strahlen dem Gewicht des zu messenden Elements entspricht, so daß die Filmdicke durch Teilen des Filmgewichts pro Flächeneinheit durch die Dichte des Films ermittelt werden kann. Es treten daher keine Probleme auf, solange der Meßgegenstand ein Metall o. ä. mit einer hohen Dichte ist. Im Falle eines Polymer-Films jedoch, dessen Dichte nahe bei 1 liegt, ist das Gewicht sehr gering und die Rate der vom Film absorbierten und gestreuten Beta- Strahlen sehr klein, so daß die Messung stark von der Absorption und Streuung der Beta-Strahlen durch die Luft und durch Änderungen der Intensität der Beta-Strahlenquelle, die von einem statistischen Verfall der Beta-Strahlen herrühren, beeinflußt wird. Als Folge davon werden bei Verwendung von Beta- Strahlen für die Filmdickenmessung Änderungen der Streuung und Absorption von Beta-Strahlen aufgrund von Änderungen der Dicke des zu messenden Polymer-Films mit einem geringen Signal/Rausch- Verhältnis, d. h. mit einer geringen Genauigkeit gemessen. Insbesondere die Messung der Dicke eines dünnen Polymer-Films erweist sich als schwierig.

Das zweite genannte Verfahren ist zur Messung der Dicke eines Polymer-Films sicher und dem ersten Verfahren überlegen, da es anstelle einer Strahlung, etwa in Form von Beta-Strahlen, Infrarotstrahlen verwendet, die gegen eine Beeinflussung durch Luft unempfindlich sind. Dieses Verfahren macht Gebrauch vom Prinzip der Dickenmessung eines Films auf der Grundlage der Absorption von monochromatischem Infrarot-Licht durch den Film entsprechend seiner Dicke. Wenn bei Messung eines dünnen Films die Voraussetzung zur Bildung von Interferenzen eines parallele Oberflächen aufweisenden dünnen Films erfüllt ist, ist das auffallende Infrarot-Licht einer Mehrfach-Reflexion im Film unterworfen, die die Lichtinterferenzerscheinung hervorruft. Wenn sich die Filmdicke ändert, ändert sich der Interferenzzustand, wobei das durch den Film übertragene Infrarot-Licht hell wird, wenn die Lichtstrahlen in Phase sind, und dunkel wird, wenn die Lichtstrahlen außer Phase sind. Diese Veränderung der Intensität des Infrarot-Lichts ist völlig ununterscheidbar von der Veränderung der Absorption des Infrarot-Lichts durch den Polymer-Film abhängig von dessen Dicke. Daraus resultiert ein erheblicher Fehler bei der gemessenen Filmdicke. Bei diesem Verfahren, bei dem monochromatisches Infrarot-Licht der Wellenlänge mit der höchsten Absorption durch den Polymer-Film verwendet wird, ist es demzufolge schwierig, die Dicke eines Polymer-Films zu messen, der eine deutliche Lichtinterferenz verursacht, dessen Dicke sehr gering ist und dessen Oberflächen hoch parallel sowie flach und glänzend sind und der ein hohes Maß an Transparenz aufweist.

Es sind daher in Verbindung mit der Filmdickenmessung nach dem zweiten Verfahren verschiedene Vorschläge zur Verringerung der Interferenzerscheinung durch Infrarotstrahlung in einem dünnen Film, die einen Meßfehler hervorruft, bekannt geworden (U. S.- Patentschriften 36 31 526; 36 93 025; 39 73 122 und 40 27 161, DE-OS 16 23 196, DE-AS 20 54 084).

Es sind auch Verfahren zur Messung der Filmdicke unter Ausnutzung der von einem Film hervorgerufenen Lichtinterferenz bekannt. Die US-Patentschrift 32 38 839 offenbart beispielsweise ein Verfahren zur Messung der Dicke eines thermoplastischen Films unter Ausnutzung der Interferenz. Bei diesem Verfahren liegen die Wellenlängen des zur Messung verwendeten Lichts zwischen 0,435 und 0,546 µm; es handelt sich also um sichtbares Licht. Bei Verwendung solch sichtbaren Lichts besteht die Gefahr, daß die Messung durch äußeres Licht beeinflußt und daher weniger zuverlässig wird. Es ist außerdem eine komplizierte Meßvorrichtung erforderlich. Wenn die verwendete Wellenlänge kürzer wird, nehmen Amplitude und Periode der resultierenden Interferenzwellenform ab, d. h., es wird schwierig, die Interferenzwellenform zu erhalten, so daß die Messung schwierig wird. Beim Gegenstand der genannten Patentschrift wird die Interferenzwellenform angezeigt und von der Bedienungsperson von der Anzeige die Wellenanzahl N ausgezählt und zur Errechnung der Filmdicke verwendet. Die bekannte Meßvorrichtung liefert also nicht direkt die Filmdicke als Meßergebnis, sondern erfordert das Auszählen der Wellenanzahl N durch die Bedienungsperson. Diese Methode eignet sich daher nicht für eine On-line-Messung der Dicke eines sich auf einer Fertigungsstraße bewegenden Films. Überdies steht die Meßvorrichtung fest, so daß es nicht möglich ist, die Dicke des sich bewegenden Films über dessen gesamte Breite zu messen.

Die amerikanische Patentschrift 36 01 492 offenbart ebenfalls eine Vorrichtung zur Messung einer Filmdicke unter Ausnutzung der Interferenzerscheinung. Diese Vorrichtung dient der Messung der Dicke eines Silicium-Scheibchens durch Ausnutzung der Interferenz von Infrarot-Licht. Die erhaltenen Interferenzstreifen werden auf einem Oszilloskop angezeigt und Markierungslinien visuell an den angezeigten Interferenzstreifen eingestellt. Da die Markierungslinien mittels des Auges eingestellt werden, ändert sich der Meßwert mit jeder Einstellung und abhängig von der jeweiligen Bedienungsperson, was zu einer ungenauen Messung führt. Die manuelle Bedienung ist darüber hinaus zeitraubend, woraus eine geringe Meßgeschwindigkeit folgt. Der Meßgegenstand und die Meßvorrichtung sind beide fixiert, so daß es unmöglich ist, die Dicke eines bewegten Gegenstandes zu messen, während sich die Meßvorrichtung relativ zu diesem bewegt. Die Infrarotwellenlänge liegt in diesem bekannten Fall im Bereich von 11 bis 35 µm. Falls dieser Wellenlängenbereich zur Messung der Dicke eines Polymer-Films verwendet würde, würden eine Anzahl starker charakteristischer Absorptionsspitzen abhängig vom besonderen Polymer-Film auftreten. Es steht daher zu befürchten, daß eine Messung nicht durchgeführt werden könnte.

Aus der DE-AS 11 47 406 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, bei dem ein dünner Film mit weißem, also sichtbarem Licht bestrahlt wird. Der Film hat nur eine schwache Absorption und ist auf einen nicht absorbierenden Träger aufgebracht. Das vom Film reflektierte Licht wird mittels eines Prismas spektral zerlegt. Es werden dann die Winkel und Wellenlängen für zwei Minima im sich ergebenden Interferenzspektrum ermittelt und hieraus die Dicke des Films berechnet. Das vom Film reflektierte Licht wird zu diesem Zweck durch einen Polarisator zu einem Spektrometer geleitet. Zur Ermittlung der Wellenlängen ist das Spektrometer entsprechend geeicht.

Die DE-OS 24 14 034 beschreibt eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 zur Messung der Dicke mehrerer übereinander liegender Schichten. Diese Vorrichtung macht von der Reflexion polarisierten Lichts an dem zu messenden Film Gebrauch. Das vom Film reflektierte Licht wird bei sich ändernder Wellenlänge mit Hilfe eines Spektrophotometers aufgefangen und die Intensität für verschiedene Wellenlängen aufgezeichnet. Die so erhaltene Meßkurve wird mit rechnerisch oder experimentell für verschiedene Dicken von zusammengesetzten Schichten ermittelten Kurven verglichen, um auf diese Weise auf dem Weg einer Iteration die gewünschten Dicken zu erhalten. Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist offensichtlich sehr zeitraubend und basiert nicht auf der direkten Errechnung der gesuchten Dicke anhand von Meßwerten.

Ausgehend vom Stand der DE-AS 11 47 406 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Dicke des Films unter Ausnutzung von Interferenzerscheinungen zu schaffen, mit denen es möglich ist, mit hoher Genauigkeit die Dicke des dünnen Polymerfilms zu messen, wobei die Messung im wesentlichen ohne manuelle Bedienung und kontinuierlich mit hoher Genauigkeit auch bei einem sich bewegenden Polymerfilm berührungslos möglich sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 bzw. 4 gelöst.

Ein zu messender Polymer-Film mit weniger als 30 µm Dicke wird mit Infrarot-Licht bestrahlt. Das Infrarot-Licht wird vor oder nach der Bestrahlung spektroskopisch zerlegt, damit ein vom Polymer-Film verursachtes Infrarot-Interferenzstreifenmuster erzeugt wird. Die Extrempunkte dieses Spektrums werden durch arithmetische Verarbeitung festgestellt, um auf diese Weise die Dicke des Polymer-Films zu ermitteln.

Zur Erleichterung eines besseren Verständnisses der Erfindung sollen zunächst die an sich bekannten Prinzipien der Filmdickenmessung unter Verwendung der Infrarot-Interferenz beschrieben werden.

Es ist bekannt, daß bei einem dünnen Film, dessen Vorder- und Rückseite parallel zueinander sind (ein solcher Film wird nachfolgend als Parallel-Flächen-Dünnfilm bezeichnet), eine Lichtinterferenz aufgrund der Mehrfach-Reflexion des Lichts auftritt. Wenn Licht senkrecht auf den Parallel-Flächen-Dünnfilm auftrifft, dann ergibt sich die Bedingung dafür, daß der Anteil des von diesem Film durchgelassenen Lichts maximal und der Anteil des reflektierten Lichts minimal wird, aus folgender Gleichung:

Die Bedingung, daß der durchgelassene Lichtanteil minimal und der reflektierte Lichtanteil maximal wird, ist durch folgende Gleichung gegeben:

2nd = N λ (2)

In den Gleichungen (1) und (2) ist n die Brechzahl des Parallel- Flächen-Dünnfilms, d die Filmdicke, N eine positive ganze Zahl (der Grad der Interferenzstreifen) und λ die Wellenlänge des Lichts. Wie aus den Gleichungen (1) und (2) ersichtlich, werden die Interferenzstreifen bei den folgenden gleichen Wellenzahlintervallen erzeugt.

Durch Messung des Wellenzahlintervalls Δν kann in bekannter Weise die Filmdicke gemessen werden. Das heißt, wobei λ _A und λ _B Wellenlängen des Lichts sind, die die Gleichungen (1) und (2) erfüllen, während m eine Differenz im Grad zwischen Interferenzstreifen ist und einer Differenz des Wertes von N zwischen den Fällen von g _A und λ _B in den Gleichungen (1) oder (2) entspricht.

Oben wurden der Zustand der Interferenzstreifen im Parallel- Flächen-Dünnfilm und die bekannte Beziehung zwischen den Interferenzstreifen und der Filmdicke dargelegt. Wenn die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu messende Dicke eines Polymer-Films gering ist (weniger als 30 µ, das hängt von der Art und dem optischen Zustand des Polymer-Films ab), dann ergibt sich der oben im Hinblick auf den Parallel-Flächen-Dünnfilm beschriebene Zustand, und es wird ein deutliches Interferenzmuster, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, erzeugt. Dies ist ein Beispiel eines Infrarotlichtspektrums eines 10.5 µ dicken Polyvinylidenchlorid-Films. Solche eine deutliche Interferenz wird durch eine interne Mehrfach-Reflexion im Film hervorgerufen. Aufgrund der Tatsache, daß, wenn ein dünner Kunststoff-Film die Interferenzbedingung des Parallel-Flächen-Dünnfilms erfüllt, eine Infrarot-Interferenz im Infrarotbereich zur Erzeugung eines Interferenzmusters hervorgerufen wird, nutzt die Erfindung das Interferenzmuster im Interferenzbereich zur Messung der Filmdicke auf der Basis der Beziehung zwischen dem Zustand des Interferenzmusters und der Filmdicke aus.

Als nächstes werden spezielle Arbeitsbeispiel von Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung im einzelnen beschrieben.

Zur kontinuierlichen On-line-Messung der Dicke des Polymer-Films ist es unmöglich, die bekannte Methode zur Erzielung des Interferenzstreifen- oder -musterspektrums durch ein Infrarot-Spektrometer einzusetzen. Notwendig für die Erfindung ist es daher, das Interferenzmuster durch eine mit hoher Geschwindigkeit erfolgende spektroskopische Zerlegung (im folgenden einfach als Zerlegung bezeichnet) des Infrarot-Lichts rasch zu erhalten. Dies schließt eine mit hoher Geschwindigkeit erfolgende Spektrum- Abstastung über einen bestimmten Infrarotwellenlängenbereich ein, so daß eine kontinuierliche On-line-Messung erreicht wird. Unter Verwendung eines auf diese Weise mittels der schnellen Infrarotlichtzerlegung erhaltenen Interferenzstreifen-Spektrumsignals und eines Infrarotwellenlängensignals wird die Filmdicke durch eine mit hoher Geschwindigkeit erfolgende arithmetische Verarbeitung gemessen, die auf der Beziehung zwischen dem Interferenzmuster und der Filmdicke basiert, wobei die Brechzahl des Polymer-Films als Konstante eingeht.

Eine Vorrichtung zur praktischen Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt grundsätzlich eine mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Infrarotlicht-Zerlegungseinheit zur Ermittlung des Interferenzstreifenwellenlängenspektrums und eine mit hoher Geschwindigkeit arbeitende Verarbeitungseinheit für die arithmetische Ermittlung der Filmdicke aus dem Wellenlängenspektrum der Interferenzstreifen und, falls nötig, dem Wellenlängensignal.

Für die schnelle Infrarot-Zerlegung gibt es die folgenden beiden Methoden:

(1) Infrarot-Licht von einer Infrarot-Strahlenquelle, etwa einer Wolfram-Lampe oder einem Nichrom-Draht wird senkrecht oder schräg auf den zu messenden Polymer-Film gerichtet, ohne spektroskopisch in monochromatisches Licht zerlegt worden zu sein, und das vom Film durchgelassene odere reflektierte Infrarot-Licht wird schnell in ein Lichtspektrum zerlegt, welches von einem Infrarot-Detektor erfaßt wird, um das Interferenzstreifenmuster zu erhalten;

(2) Infrarot-Licht von einer Infrarot-Strahlenquelle wird vorher schnell in ein Lichtspektrum zerlegt und das resultierende monochromatische Infrarot-Licht über die Zeit nach der Wellenlänge abgetastet und nacheinander senkrecht oder schräg auf den Polymer-Film gestrahlt, wobei das vom Film durchgelassene oder reflektierte Infrarot-Licht mittels des Infrarot-Detektors ermittelt wird, um das Interferenzstreifenspektrum zu erhalten. Als Einrichtung zur schnellen Zerlegung des Infrarot-Lichts kann bei beiden Methoden ein Beugungsgitter, ein Prisma oder ein ähnliches optisches Streu-Element verwendet werden. Es ist aber ebenso möglich, daß ein variables Schmalband-Interferenzfilter für kontinuierliche Wellenlängen innerhalb eines gewissen Winkelbereichs vor der Lichtquelle oder dem Infrarot-Detektor gedreht oder in Schwingungen versetzt wird. Auch ist es möglich, das Infrarot-Licht mittels des erwähnten optischen Streu-Elements mit der Zeit der Wellenlänge nach abzutasten und aufeinanderfolgend mittels eines einzigen Detektors das Infrarot-Licht der unterschiedlichen Wellenlängen zu erfassen. Schließlich ist es auch möglich, monochromatische Infrarot-Lichter, die durch Zerlegung des Infrarot-Lichts gewonnen wurden, auf einer Detektoranordnung mit einer Anzahl eng beieinander angeordneter Infrarot- Detektoren zu fokussieren, so daß die Infrarot-Lichter der jeweiligen Wellenlängen von den jeweiligen Detektor-Elementen gleichzeitig erfaßt werden. Die Anordnung zur schnellen Infrarot- Lichtzerlegung ist grob in folgender Weise in zwei geteilt:

• a) Eine Anordnung, bei der unzerlegtes Infrarot-Licht auf einen zu messenden Film geworfen wird und ein vom Film produziertes Interferenzlicht mit hoher Geschwindigkeit zerlegt wird und die zerlegten Lichtanteile je mittels eines Infrarot-Detektors erfaßt werden, um ein Interferenzstreifenspektrum zu erhalten; diese Anordnung umfaßt eine Lichtprojektionseinheit und eine Lichtzerlegungs- und Detektoreinheit;
• b) Eine Anordnung, bei der chromatisches Licht mit hoher Geschwindigkeit von Infrarot-Licht abgespalten und auf einen zu messenden Film geworfen wird und ein vom Film produziertes Interferenzlicht mittels eines Infrarot-Detektors erfaßt wird, um ein Interferenzstreifenspektrum zu erhalten; diese Anordnung umfaßt eine Spektrumprojektionseinheit und eine Detektoreinheit.

Wenn als Infrarot-Wellenlängenbereich für die Infrarot-Lichtzerlegung ein Bereich gewählt wird, innerhalb dessen das Infrarot-Licht nicht so sehr von dem Film absorbiert wird, damit das Interferenzstreifenspektrum mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann, und wenn man berücksichtigt, daß die Filmdicke unabhängig von der Art der Lichtquelle, des Detektors und des Films soll gemessen werden können, dann ist es günstig, Infrarot-Licht innerhalb des Wellenlängenbereichs von 0,8 bis 2,2 µ zu verwenden. Der Grund hierfür ist folgender: In diesem Wellenlängenbereich ist die Anzahl von Infrarot-Absorptionsspitzen des Polymer-Films gewöhnlich gering, und selbst wenn Absorptionsspitzen existieren, ist der Absorptions-Koeffizient klein, so daß der dünne Polymer-Film als transparent gegenüber dem Infrarot-Licht dieses Wellenlängenbereichs betrachtet werden kann. Außerdem kann dann ein gewöhnlicher Phototransistor aus Silicium oder Germanium oder ein Infrarot-Detektor aus Bleisulfid, der bei Raumtemperatur betreibbar ist, als Detektor eingesetzt werden. Der zu verwendende Wellenlängenbereich ist jedoch nicht speziell auf den Bereich von 0,8 bis 2,2 µ beschränkt, es ist vielmehr auch möglich, daß entsprechend der Art des Films, dessen Dicke zu messen ist, ein Wellenlängenbereich, bei dem die Absorption durch den Film gering ist, geeignet ausgewählt wird. Beispielsweise ist möglich, zusätzlich zum Wellenlängenbereich von 0,8 bis 2,2 µ Wellenlängenbereiche von 2,4 bis 3,2 µ und 4,2 bis 6,8 µ für einen Polyäthylen-Film, 2,4 bis 3,2 µ und 4,0 bis 5,5 µ für einen Polyäthylenvinylacetat-Film und 2,4 bis 3,2 µ und 4,0 bis 6,8 µ für einen Polyvinylidenchlorid-Film zu verwenden. Auch kann ein Infrarot-Wellenlängenbereich geringerer Wellenlänge entsprechend der Art der Infrarot-Strahlenquelle oder des verwendeten Infrarot-Strahlendetektors und der Filmdicke eingesetzt werden.

Bei der Interferenz-Filmdickenmessung ist es möglich, eine Dicke von etwa der Hälfte der verwendeten Wellenlänge zu messen; bei Verwendung kurzer Wellenlängen können daher dünne Filme gemessen werden. Im Fall des Polymer-Films liegt jedoch die Dickenschwankung in einem Punktbereich des Films bei ungefähr 0,4 µ, so daß, falls eine Wellenlänge von weniger als 0,8 µ verwendet wird, keine klare Interferenzwellenform erzielt werden kann. Dies beruht auf der Auslöschung in dem Teil des Polymer-Films, der mit dem Infrarot-Lichtstrahl bestrahlt ist, unter dem Einfluß der geringen Schwankungen der Filmdicke. Eine genaue Messung kann daher nicht durchgeführt werden. Die Wellenlänge von weniger als 0,8 µ ist die untere Grenze der Infrarot-Strahlung, und kürzere Wellenlängen liegen nahe beim sichtbaren Licht, so daß bei Verwendung solcher Wellenlängen eine große Wahrscheinlichkeit der Beeinflussung der Messung durch äußeres Licht besteht. Je länger die verwendete Infrarot-Wellenlänge ist, desto größer wird die Amplitude des resultierenden Interferenzmusters, so daß sich ein Ausgangssignal mit gutem Signal/Rausch-Verhältnis ergibt und die Periode der Interferenzstreifen groß wird mit der Folge, daß die Messung leichter wird. In Anbetracht dessen ist eine lange Wellenlänge vorzuziehen. Bei Wellenlängen über 2,2 µ tritt im Fall des Polymer-Films eine verhältnismäßig große Anzahl von Absorptionsspitzen auf. Unabhängig von der Art des zu messenden Films ist es daher günstig, aus grundsätzlichen Erwägungen Wellenlängen von weniger als 2,2 µ zu verwenden.

Das Interferenzstreifenspektrumsignal, das durch schnelle Zerlegung des Infrarot-Lichts eines solchen Wellenlängenbereichs gewonnen wird, wird zusammen mit dem Infrarot-Wellenlängensignal als Grundlage für die arithmetische Ermittlung der Filmdicke genommen. Für die arithmetische Verarbeitung zur Gewinnung der Filmdicke können wahlweise die beiden folgenden Methoden verwendet werden:

(1) Hoch-genaues Filmdicken-Ermittlungsverfahren

Bei diesem Verfahren erhält man das Wellenzahlintervall Δν für die Filmdickenmessung nach obiger Gleichung (4) aus den beiden Infrarot-Wellenlängen λ _A und λ _B , die Maxima oder Minima der Interferenzstreifen bzw. des Interferenzmusters darstellen, nach folgender Gleichung:

Wenn hierbei ein Wellenlängenpaar benachbarter Maxima oder Minima des Interferenzmusters ausgewählt wird, beträgt die Differenz der Ordnung der Interferenzstreifen m = 1.

Falls die schnelle Infrarot-Zerlegung durch eine Wellenlängenabtastung bei gleichen Wellenzahl-Intervallen durchgeführt wird, wird das Interferenzstreifenspektrum zu gleichen Zeitintervallen festgestellt. Wenn daher die pro Zeiteinheit abgetastete Wellenzahl bekannt ist, kann der Wert des Wellenzahlintervalls Δν durch Messen der Zeitintervalle zwischen den Maxima oder Minima des Interferenzstreifenspektrums leicht ermittelt werden. Falls die schnelle Infrarot-Zerlegung durch Wellenlängenabtastung in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Wellenlängenintervall ausgeführt wird, ist es durch Verwendung des Infrarot-Wellenlängensignals erforderlich, die Infrarot-Wellenlänge zu ermitteln, die das Maximum oder Minimum des Interferenzstreifenmusters repräsentiert.

(2) Weniger genaue Filmdicken-Ermittlung

Dieses Verfahren dient dazu, eine scheinbare Interferenzstreifen- Wellenzahldifferenz Δν a aus der Anzahl von Maxima oder Minima des Interferenzstreifenspektrums innerhalb eines bestimmten Infrarot-Wellenlängenbereichs oder der Summe der Maxima oder Minima zu erhalten. Diese scheinbare Interferenzstreifen-Wellenzahldifferenz Δν a ermittelt man auf folgende Weise: wobei Δν R eine Differenz zwischen einer maximalen Wellenzahl und einer minimalen in einem bestimmten Infrarot-Wellenlängenbereich ist, während N die Anzahl der Maxima oder Minima des Interferenzstreifenspektrums innerhalb des Bereichs von Δν R ist. Alternativ gilt, wobei N′ die Summe der Anzahl von Maxima und Minima des Interferenzstreifenspektrums innerhalb des Bereichs von Δν R ist. In beiden Fällen der Gleichungen (6) und (7) wird das Interferenzmuster nicht immer maximal oder minimal bei den Wellenlängen an beiden Enden des bestimmten Infrarot- Wellenlängenbereichs, so daß das mittels der beiden obigen Gleichungen erhaltene Δν a im Vergleich zum tatsächlichen Δν einen Fehler enthält. Der angenäherte Wert der Filmdicke kann jedoch allein durch Zählen der Anzahl der Maximal und/oder Minima innerhalb des Wellenlängenbereichs gemessen werden. Demzufolge ist diese Art der Verarbeitung einfacher, als die der Bestimmung der Wellenlänge wie bei der vorerwähnten hoch-genauen Filmdicken-Ermittlung. Falls außerdem der Infrarot-Wellenlängenbereich zu 1,0 bis 2,0 µ (10 000 bis 5 000 cm^-1 als Wellenanzahl) gewählt wird, können Filme von etwa 10 µ Dicke mit einem Fehler von 0,5 bis 1,0 µ gemessen werden. Dies ist für den praktischen Gebrauch genau genug.

Durch Ermittlung des Wellenzahlintervalls Δν des Interferenzmusters entweder durch Verwendung des sehr genauen oder des weniger genauen Filmdicken-Ermittlungsverfahrens kann die Dicke des Polymer-Films gemessen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Darstellung eines Beispiels eines Infrarot-Interferenzstreifenspektrums eines Polyvinylidenchlorid-Films mit 10,5 µ Dicke;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem eine Spektrum-Detektoreinheit und eine Lichtprojektionseinheit auf derselben Seite des zu messenden Films angeordnet sind;

Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem eine Spektrum-Projektionseinheit und eine Detektoreinheit auf derselben Seite des zu messenden Films angeordnet sind;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine Lichtprojektionseinheit und eine Spektrum-Detektoreinheit auf entgegengesetzten Seiten des zu messenden Films angeordnet sind,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem eine Spektrum-Projektionseinheit und eine Detektoreinheit auf entgegengesetzten Seiten des zu messenden Films angeordnet sind;

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine Verarbeitungseinheit aufweist;

Fig. 7 eine Darstellung, die den Zusammenhang zwischen Speicheradressen und Wellenformen erkennen läßt, und

Fig. 8 ein Flußdiagramm, das ein Beispiel der Arbeitsweise der Verarbeitungseinheit zeigt.

Die folgenden Ausführungen beziehen sich zunächst auf Fig. 2. Infrarot-Strahlen, die von einer Infrarotquelle 1 ausgesandt werden, werden mittels eines Linsensystem 2 in ein paralleles Strahlenbündel umgesetzt, durch einen halbdurchlässigen Spiegel 3 geleitet und dann durch einen Filter 4 auf einen Polymer-Film 5 projiziert, dessen Dicke gemessen werden soll. Das Filter 4 stellt eine Sperre für sichtbare Strahlen dar und läßt nur Infrarot-Stralen innerhalb eines erforderlichen Wellenlängenbereichs durch.

Die Infrarot-Wellenlänge ändert sich mit der Art der verwendeten Infrarot-Quelle 1. Zur Erzielung einer Infrarot-Wellenlänge, die kürzer als 2,5 µ ist, wird eine Wolfram-Lampe vorgezogen, während für längere Wellenlängen ein Nichrom-Draht oder eine Globar-Lampe geeignet sind. Das Linsensystem 2 dient der Umwandlung der Infrarot-Strahlen von der Infrarot-Quelle 1 in ein paralleles Strahlenbündel und kann daher ein optisches Parallel-Strahlensystem mit einem Konkavspiegel sein. Der halbdurchlässige Spiegel 3 läßt das auf ihn über das Linsensystem 2 von der Infrarot-Quelle 1 gerichtete Strahlenbündel durch, während er gleichzeitig dazu dient, Infrarot-Licht vom Film 5 zum nächsten spektral-optischen System zu lenken. Da es sich bei dem Film 5 um einen Parallel-Flächen-Dünnfilm handelt, unterliegt das auftreffende Licht infolge der Mehrfach-Reflexion im Film 5 einer Interferenz. Das in dieser Weise durch den Film 5 zur Interferenz gebrachte Infrarot-Licht trifft auf einen nachfolgend als Winkelspiegel bezeichneten Tripelspiegel 6 auf. Der Winkelspiegel 6 soll einen einfallenden Lichtstrahl auf denselben optischen Weg, den dieser genommen hat, reflektieren. Hierfür können optische Einrichtungen verwendet werden, die in der Lage sind, einfallendes Infrarot-Licht entgegengesetzt zur Einfallrichtung zurückzureflektieren.

Um die Dicke eines sich auf einer Fertigungsstraße bewegenden Polymer-Films kontinuierlich messen zu können, ist es notwendig, ein Meßgliederpaar über und unter dem Film 5 anzuordnen und diese über dem Film zu bewegen. Bei einer solchen Anordnung ist jedoch die Wahrscheinlichkeit sehr groß, daß eine Positions- oder Winkelabweichung zwischen den beiden Meßgliedern infolge von Änderungen ihrer Bewegungsgeschwindigkeit o. ä. auftritt. In solchem Fall reflektiert ein gewöhnlicher Reflektor das einfallende Infrarot-Licht in eine Richtung zurück, die sich von der Einfallrichtung unterscheidet, so daß eine Abweichung der optischen Achse zwischen dem einfallenden und dem zurückkehrenden Strahlenbündel nicht ausgeschaltet werden kann. Bei Verwendung des Winkelspiegels 6 ist es jedoch möglich, eine solche Abweichung der optischen Achsen zu vermeiden und damit die Genauigkeit der kontinuierlichen Messung der Dicke des Films 5 in seiner Breitenrichtung sicherzustellen. Mit anderen Worten wird das vom Winkelspiegel 6 reflektierte Infrarot-Licht längs genau derselben Bahn wie das einfallende Licht erneut auf den Film 5 geworfen. Der Auftreffpunkt auf dem Film 5 ist in diesem Fall identisch mit dem Punkt, von dem aus das Infrarot-Licht den Film in Richtung auf den Winkelspiegel 6 verläßt. Während das Infrarot-Licht den Film 5 zweimal durchläuft, unterliegt es einer Interferenz durch den Film 5. Das Interferenzmuster bzw. die Interferenzstreifen werden verstärkt und deutlich, verglichen mit einem Interferenzmuster eines Infrarot-Lichts, das nur einmal den Film 5 durchlaufen hat. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Messung weiter verbessert werden.

Das auf diese Weise durch den Film 5 geleitete Infrarot-Licht durchläuft erneut das Filter 4 und wird vom halbdurchlässigen Spiegel 3 reflektiert und auf eine Spektrum-Detektoreinheit 15 gerichtet, bei der es sich um ein mit hoher Geschwindigkeit arbeitendes optisches System zur spektroskopischen Abtastung handelt. Die Spektrum-Detektoreinheit 15 umfaßt eine geeignete Kombination bekannter optischer Elemente und kann ein optisches System sein, das ein Beugungsgitter oder Prisma als optisches Streuglied verwendet, oder ein optisches System, das ein Schmalband-Interferenzfilter variabler Wellenlänge verwendet. Die in Fig. 2 dargestellte Spektrum-Detektoreinheit 15 benutzt ein Beugungsgitter 9. Das vom halbdurchlässigen Spiegel 3 reflektierte Infrarot-Licht wird von einem Schwingspiegel 7 reflektiert. Der Schwingspiegel 7 wird von einem optischen Abtaster 8 in Schwingungen versetzt, so daß das Licht zu dem Beugungsgitter 9 gerichtet wird und unter einem Einfallwinkel auf dieses auftrifft, der sich mit der Zeit kontinuierlich ändert. Der Schwingspiegel 7 und der optische Abtaster 8, der den Schwingspiegel über einen vorgegebenen Winkelbereich in Schwingungen versetzt, können ersetzt werden durch die Kombination aus einem Vielflächenspiegel mit einem zugehörigen Antriebsmotor. Das Beugungsgitter 9 ist entsprechend dem verwendeten Wellenlängenbereich ausgewählt. Dadurch, daß man den Beugungswinkel des Infrarot-Lichts vom Beugungsgitter 9 konstant macht und mit der Zeit den Einfallwinkel des Lichts auf das Beugungsgitter 9 mittels des optischen Abtasters ändert, wird auf diese Weise über der Zeit nach Wellenlängen abgetastetes monochromatisches Infrarot-Licht gebeugt, um zum nachfolgenden Detektorsystem gerichtet zu werden.

Das monochromatische Licht vom Beugungsgitter 9 wird mittels eines Spiegels 10 zu einem Konkavspiegel 11 reflektiert und von diesem weiter zu einem Infrarot-Detektor 12 reflektiert und fokussiert. Der Infrarot-Detektor 12 setzt eine Änderung der Intensität des Infrarot-Lichts in ein elektrisches Signal, etwa eine Spannung, um, das einer mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden arithmetischen Einheit 18 zugeführt wird. Bei der beschriebenen Anordnung kann die schnelle Infrarot-Lichtzerlegungseinrichtung auch eine Einrichtung sein, die das Infrarot-Licht mittels eines Streuglieds spektroskopisch räumlich in monochromatische Infrarot-Lichtanteile zerlegt, die jeweils auf ein kleines Detektor-Element einer Detektoranordnung abgebildet werden, um gleichzeitig die erforderlichen Interferenzstreifenspektren zu erhalten.

Die Infrarot-Quelle 1, das Linsensystem 2 und das Filter 4 bilden einen Lichtprojektor 13, während der Lichtprojektor 13, der Winkelspiegel 6 und die Spektrum-Detektoreinheit 15 eine schnelle spektroskopische Infrarot-Lichtabtasteinheit 17 bilden. Die Lichtprojektionseinheit 13 und die Spektrum- Detektoreinheit 15 sind bezogen auf den Film 5 auf derselben Seite angeordnet. Wenn man daher beide relativ zueinander fixiert, dann ist das vom halbdurchlässigen Spiegel 3 reflektierte Licht immer längs derselben Bahn zur Spektrum-Detektoreinheit 15 gerichtet, was stabile Messungen der Filmdicke sicherstellt. Der Winkelspiegel 6 kann in Form eines aus der Ecke eines Glas- oder Quarzwürfels ausgeschnittenen Prismas oder in der Form eines Spiegels sein, der drei rechtwinklig zusammengesetzte ebene Spiegel aufweist. Es ist auch möglich, die Filmdicke unter ausschließlicher Verwendung des reflektierten Lichts vom Film 5 ohne Verwendung des Winkelspiegels 6 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Fig. 2 zu messen. Dies wird praktiziert, wenn der Winkelspiegel nicht auf der anderen Seite des Films 5 als der Lichtprojektor 13 angeordnet werden kann. Es ist ferner möglich, daß das vom halbdurchlässigen Spiegel 3 reflektierte Infrarot-Licht mittels einer optischen Faser zu der an einer vom bewegten Teil entfernten Stelle sich befindenden Spektrum-Detektoreinheit 15 geleitet wird. Die Verwendung der optischen Faser dient der schnellen spektroskopischen Lichtabtastung mit hoher Genauigkeit und der Verminderung des Gewichts der bewegten Meßteile.

Fig. 3 zeigt eine optische Anordnung, die der weiter oben mit (b) bezeichneten Ausführung entspricht. Hierbei wird das mittels einer Spektrum-Projektionseinheit 16 monochromatisch gemachte Infrarot-Licht schnell über der Zeit nach Wellenlängen abgetastet und monochromatische Lichtanteile unterschiedlicher Wellenlänge je mittels des halbdurchlässigen Spiegels 3 reflektiert, um den Film 5 zweimal längs desselben Weges zu durchlaufen, wie in Fig. 2 gezeigt. Das auf diese Weise zweimal der Interferenz durch den Film 5 unterlegene Licht durchläuft den halbdurchlässigen Spiegel 3 und ein Linsensystem 19, um dann von dem Infrarot-Detektor 12 erfaßt zu werden. Eine auf diese Weise vom Infrarot-Detektor 12 wahrgenommene Helligkeitsänderung des Interferenzmusters wird zusammen mit einem die Wellenlänge des monochromatischen Lichts angebenden Signal der schnellen arithmetischen Einheit 18 zugeführt. Auch in diesem Fall kann von der Anordnung Gebrauch gemacht werden, bei der auf den Winkelspiegel verzichtet wird oder eine optische Faser eingesetzt wird, wie es in Verbindung mit der vorherigen Ausführungsform anhand von Fig. 2 erläutert wurde. In Fig. 3 bilden das Filter 4, das Linsensystem 19 und der Infrarot-Detektor 12 eine Detektoreinheit 14. Die Spektrum-Projektionseinheit 16 kann beispielsweise dadurch erhalten werden, daß man in der Spektrum-Detektoreinheit 15 von Fig. 2 gemäß Darstellung in Fig. 3 den Infrarot-Detektor 12 durch die Infrarot-Quelle 1 ersetzt.

Es ist auch möglich, den Lichtprojektor 13 auf einer und die Spektrum-Detektoreinheit 15 auf der anderen Seite des hochmolekularen Films 5 anzuordnen, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Hier durchläuft das Infrarot-Licht vom Lichtprojektor 13 den Polymer-Film 5 und tritt dann in die Spektrum-Detektoreinheit 15 ein. Diese Anordnung ist von besonderer Nützlichkeit, wenn sie eingesetzt wird, wo die Verschiebeeinrichtungen, die den Lichtprojektor 13 bzw. die Spektrum-Detektoreinheit 15 tragen, sich mit hoher Genauigkeit bewegen, so daß keine Abweichung der optischen Achsen zwischen dem auf den Film 5 einfallenden Licht und dem von ihm ausgehenden Licht auftritt. Nützlich ist diese Anordnung auch in dem Fall, wo der Lichtprojektor 13 und die Spektrum-Detektoreinheit 15, die beidseitig des Films 5 angeordnet sind, relativ zueinander fixiert werden können. In diesem Fall ist es auch möglich, die Spektrum-Detektoreinheit zu fixieren und das Meßinstrument zu bewegen, so daß das Interferenzlicht über eine optische Faser zur Spektrum-Detektoreinheit geleitet wird.

Weiter ist es auch möglich, gemäß Darstellung in Fig. 5 die Spektrum-Projektionseinheit 16 und die Detektoreinheit 14 beidseitig des Polymer-Films 5 anzuordnen. Hiermit lassen sich dieselben Wirkungen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 4 erzielen.

Unter Bezug auf Fig. 6 soll nachfolgend ein spezielles Betriebsbeispiel für die Verarbeitungseinheit oder arithmetische Einheit 18 beschrieben werden, die die Abtasteinheit 17 von Fig. 2 verwendet. Ein Sinus-Wellensignal von einem Sinusgenerator 21 ist über einen Leistungsverstärker 22 an eine Treiberschaltung 23 angelegt, die ihrerseits den optischen Abtaster 8 ansteuert, um den Schwingspiegel 7 mit einer Periode von beispielsweise 20 bis 60 Millisekunden in Schwingungen zu versetzen. Bei jeder Bewegung des Schwingspiegels 7 in eine Richtung werden die Wellenlängen von beispielsweise 1,5 bis 2,2 µ abgetastet und monochromatische Lichtanteile dieser Wellenlängen nacheinander erhalten. Die so erhaltenen monochromatischen Lichtanteile werden je vom Infrarot-Detektor 12 in ein elektrisches Signal umgesetzt, und dieses elektrische Signal, d. h. ein Interferenzwellenformsignal, falls nötig, von einer Infrarot-Detektorschaltung 24 verstärkt und an einen Signalformer 25, beispielsweise mit einem Hochpaßfilter zur Entfernung von Rausch- oder Störsignalen, angelegt. Das geformte Signal wird einem Analog-Digital-Umsetzer 26 zugeführt. Das analoge Eingangssignal des A-D-Umsetzers 26 wird von diesem beispielsweise in ein 8-bit- Digitalsignal umgesetzt. Das auf diese Weise in digitaler Form erhaltene Interferenzwellenformsignal wird zur Speicherung einem Mikrocomputer geliefert.

Der Mikrocomputer 27 führt eine arithmetische Operation aus, um die Filmdicke für jede Spektrumabtastung durch den Schwingspiegel zu ermitteln. Für diese arithmetische Operation muß das digitale Eingangssignal vom A-D-Umsetzer 26 mit der Wellenlänge in der Spektrumabtastung koordiniert werden. Um dies zu erreichen, wird beispielsweise ein Impuls erzeugt, wenn der Schwingspiegel 7 eine bestimmte Winkeleinstellung einnimmt, d. h., es wird jedesmal ein Impuls erzeugt, wenn eine bestimmte Wellenlänge abgetastet wird. Dieser Impuls wird von einem Impulsgenerator 28 erzeugt und dem Mikrocomputer 27 als Startsignal für die arithmetische Operation geliefert. Während des Vorwärtshubs des Schwingspiegels 7 wird das Interferenzwellenformsignal vom Infrarot-Detektor 12 an den Mikrocomputer 27 angelegt, während beim Rückwärtshub des Schwingspiegels 7 das Interferenzwellenformsignal einer arithmetischen Operation unterzogen wird.

Bei der arithmetischen Operation werden Maxima oder Minima (Berge oder Täler) des Interferenzwellenformsignals festgestellt und dann die Filmdicke aufgrund der schon erwähnten Gleichung (4) berechnet, die die Beziehung zwischen dem Interferenzzustand und der Filmdicke darstellt. Im Fall der Filmdickenberechnung mit geringer Genauigkeit wird die Anzahl von Maxima oder Minima oder ihrer Summe festgestellt und dann unter Benutzung der Gleichungen (6) oder (7) das Wellenzahlintervall ermittelt, woraufhin dann unter Benutzung dieses Wellenzahlintervalls die Gleichung (4) durchgerechnet wird.

Nebenbei bemerkt kann die Erfassung des Maximums oder Minimums des Interferenzwellenformsignals in gleicher Weise durchgeführt werden wie die Ermittlung des Maximums oder Minimums eines Eingangssignals bei verschiedenen Digitalprozessoren. Zur Durchbrechung der Gleichung (4) ist es erforderlich, die den Maxima oder Minima entsprechenden Wellenlängen zu kennen. Diese Wellenlängen können auf der Basis der Änderungen des Interferenzwellenformsignals über der Zeit für einen Standardfilm bekannter Dicke und der Wellenlänge bei jedem Maximum oder Minimum errechnet werden. Es ist günstig, für die zeitliche Änderungen des Interferenzwellenformsignals Speicheradressen zu verwenden. Beispielsweise wird das Interferenzwellenformsignal synchron mit Impulsen von Impulsgenerator 28, also synchron mit der Spektrumabtastung, unter bestimmten Adressen im Mikrocomputer 27 gespeichert. Auf diese Weise sind die Speicheradresse und die Wellenlänge zu dem Zeitpunkt, als das Signal gespeichert wurde, miteinander koordiniert, und die Wellenlänge des Maximums oder Minimums kann von der Adresse abgeleitet werden, unter der das Maximum oder Minimum der Interferenzwellenform gespeichert war. In einer ähnlichen Weise wird das Interferenzwellenformsignal für den Standardfilm gespeichert. Da die Dicke des Standardfilms bekannt ist, sind auch die Wellenlängen bekannt, bei denen sich das Maximum oder Minimum der Interferenzwellenform ergibt. Von jenen der Adressen, unter denen das Interferenzwellenformsignal für den Standardfilm gespeichert ist, bei welchen ein Maximum oder Minimum vorliegt, und von den schon bekannten Wellenlängen kann der Zusammenhang zwischen den Wellenlängen und den Adressen leicht abgeleitet werden.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel. Ein Interferenzwellenformsignal ist unter Adressen A₁ bis A _n gespeichert. In einem Speicherbereich 29 a jeder Adresse sind 8 bits des Interferenzwellenformsignals für den Standardfilm gespeichert, während in einem Speicherbereich 29 b 8 bits des Interferenzwellenformsignals von dem zu messenden Film gespeichert sind. In Fig. 7 sind die in den Speicherbereichen 29 a und 29 b gespeicherten Werte als Wellenformen 31 a bzw. 31 b darstellt. Es ist von vornherein bekannt, daß die Maxima des Interferenzwellenformsignals vom Standardfilm bei Wellenlängen von beispielsweise 2,14 µ, 2,00 und 1,88 µ liegen. Beim Auftreten der Maxima des Standardfilm-Interferenzwellenformsignals werden die Adressen 4025, 4055 und 4080, wo diese Maxima gespeichert werden, festgestellt. Auf diese Weise ergibt sich die Zuordnung der Adressen zu den Wellenlängen.

Bei Auftreten der Maxima des Interferenzwellenformsignals vom zu messenden Film kann man durch Berechnung auf der Grundlage der Adressen, unter denen diese Maxima gespeichert werden, und der Zuordnung dieser Adressen zu Wellenlängen als Wellenlängen, bei denen diese Maxima auftreten, 2,2 µ, 2,08 µ, 1,95 µ und 1,83 µ feststellen. Es ist hierbei günstig, zur Erhöhung der Rechengenauigkeit zu interpolieren. λ _A und λ _B in Gleichung (4) seien 2,22 µ bzw. 1,83 µ und m = 3.

Unter Bezug auf Fig. 8 soll nun ein Beispiel eines Flußdiagramms für ein von dem in Fig. 6 gezeigten Mikrocomputer 27 durchgeführten Programm gegeben werden. Nach dem Start wird die Anfangseinstellung verschiedener Parameter, etwa der Abtastintervalle im A-D-Umsetzer 26, der Brechzahl eines Films bzw. einer zu messenden Probe, der die Extrempunkte (Maximum oder Minimum) darstellenden Wellenlängen des Interferenzwellenformsignals des Standardfilms, der Anzahl von Messungen usw. im Schritt S₁ durchgeführt. Im Schritt S₂ wird dann geprüft, ob es sich bei der Meßprobe um den zu messenden Film (Meßobjekt) oder den Standardfilm handelt. Ist es der Standardfilm, dann wird der Schritt S₃ ausgeführt, bei dem das Interferenzwellenformsignal in ein Digitalsignal umgesetzt wird, welches im Schritt S₄ im Speicherbereich 29 a jeder der Adressen A₁ bis A _n gespeichert wird. Danach wird im Schritt S₅ das gespeicherte Interferenzwellenformsignal ausgelesen, wobei die Adressen festgestellt werden, bei denen Extrempunkte, also die Maxima oder die Minima oder beide, vorliegen. Als nächstes wird im Schritt S₆ aus den festgestellten Adressen und den anfänglich eingestellten Wellenlängen des Standardfilms die Zuordnung zwischen den Adressen und den Wellenlängen berechnet und dann gespeichert. Der Ablauf kehrt dann zum Schritt S₂ zurück.

Wenn die Prüfung im Schritt S₂ ergibt, daß es sich bei dem Film um das Meßobjekt handelt, geht der Ablauf auf den Schritt S₇ über, bei dem das Interferenzwellenformsignal in ein Digitalsignal umgesetzt wird, welches im Schritt S₈ im Speicherbereich 29 b jeder der Speicheradressen A₁ bis A _n gespeichert wird, wo die Wellenform des Standardfilms gelöscht wurde. Nach einer Wellenlängenabtastung werden im Schritt S₉ die Speicherbereiche 29 b der Adressen A₁ bis A _n ausgelesen und die Adressen festgestellt, bei denen Extremwerte des Interferenzwellenformsignals vorliegen. Im Schritt S₁₀ werden die festgestellten Adressen dann jeweils auf der Basis des Zusammenhangs zwischen Adressen und Wellenlängen in eine Wellenlänge umgesetzt. Im Schritt S₁₁ wird die Filmdicke aus der umgesetzten Wellenlänge auf der Basis der Gleichung (4) errechnet und das Rechenergebnis gespeichert. Im Schritt S₁₂ wird dann geprüft, ob die Anzahl der Filmdickenberechnungen gleich der anfangs eingestellten Zahl von Meßdurchläufen ist oder nicht. Ist dies nicht der Fall, dann kehrt der Ablauf zum Schritt S₇ zurück. Ergibt die Prüfung im Schritt S₁₂ jedoch, daß die Meßhäufigkeit die anfangs eingegebene Anzahl erreicht hat, dann wird der Mittelwert der bis dahin erhaltenen Filmdicken errechnet und das Rechenergebnis im Schritt S₁₃ ausgedruckt. Im Schritt S₁₄ wird der so erhaltene Mittelwert der Filmdicke dann in ein Analog-Signal umgesetzt, welches mittels eines Meßinstruments im Schritt S₁₅ angezeigt und gleichzeitig im Schritt S₁₆ einem X-Y-Schreiber o. ä. geliefert wird.

Entsprechend sind auch bei der Anordnung von Fig. 6 ein Drucker 32 zum Ausdruck der im Mikrocomputer 27 ermittelten Filmdicke und ein D-A-Umsetzer 33 zur Umsetzung der Filmdicke in eine analoge Form vorgesehen. Der Ausgang des D-A-Umsetzers 33 ist mit einem Meßinstrument 34 und einem X-Y-Schreiber 35 verbunden. Ein Teil oder mehrere Teile von Drucker 32, Meßinstrument 34 und Schreiber 35 können auch weggelassen werden. In Fig. 8 werden die Schritte S₃, S₄ und S₅ im selben Unterprogramm wie die Schritte S₇, S₈ bzw. S₉ ausgeführt.

Im folgenden wird ein praktisch ausgeführtes Beispiel der Erfindung beschrieben. Als Infrarot-Quelle wurde eine Wolfram-Lampe verwendet, und die Anordnung der optischen Instrumente entsprach der in Fig. 2 gezeigten. Nichtchromatisches Infrarot-Licht wurde auf einen Polyvinylidenchlorid-Film (unter dem Warenzeichen "Saran" von der Asahi-Dow K. K. vertrieben) von 10 µ Dicke gerichtet, um die Dicke des Films zu messen. Der optische Abtaster 8 für den Antrieb des Schwingspiegels 7, bei dem es sich um einen Abtast-Galvanometertyp handelte, wurde mit einer Frequenz von 20 bis 30 Schwingungen pro Sekunde angetrieben. Das Beugungsgitter 9 hatte 600 Linien pro Millimeter. Der Infrarot-Detektor 12 bestand aus Bleisulfid (PbS). Der Winkelspiegel 6 bestand aus Quarz. Ein Infrarot- Spektralbereich von 1,5 bis 2,2 µ wurde abgetastet. Das Interferenzstreifenspektrumsignal vom Infrarot-Detektor 12 wurde mittels des A-D-Umsetzers 26 umgesetzt. Als Mikrocomputer 27 wurde zur Speicherung und zur Filmdickenberechnung ein unter der Bezeichnung M 6800 bekannter Mikrocomputer der Motorola Inc. verwendet. Der auf diese Weise ermittelte Filmdickenwert wurde ausgedruckt und nach D-A-Umsetzung in analoger Form auf einem X-Y-Schreiber dargestellt. Es konnten auf diese Weise Änderungen der Dicke des "Saran"-Films mit einer Auflösung von 0,2 µ genau gemessen werden.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung ersichtlich, unterscheiden sich Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung wesentlich von Bisherigen dadurch, daß sie bewußt die Interferenzerscheinung ausnutzen, die bislang Fehlerquelle bei Filmdickenmessungen unter Verwendung der Infrarot-Absorption eines Films war. Die Erfindung ermöglicht es, auf der Grundlage des Zusammenhangs zwischen einem Interferenzstreifenspektrum, das durch schnelles spektroskopisches Abtasten eines Infrarot-Interferenzstreifenspektrums durch einen dünnen Polymer-Film erhalten wird, und der Dicke des Films die Filmdicke zu messen, so daß die Filmdicke eines dünnen Polymer-Films, deren Messung bislang schwierig war, kontinuierlich, berührungslos auf On-line- oder Off-line-Basis durchgeführt werden kann. Daher eignet sich die Erfindung besonders für die Qualitätskontrolle von Polymer-Filmen auf ihrer Fertigungsstraße und ist somit von großem industriellen Wert.

Claims (10)

1. Verfahren zur laufenden Ermittlung der Dicke eines Films, bei dem

• (a) der Film mit Licht, für das er im wesentlichen durchlässig ist, bestrahlt wird und das Licht vor oder nach dem Durchgang durch den Film spektroskopisch zerlegt wird,
• (b) Intensitätsmaxima und/oder -minima des dabei erhaltenen Interferenzspektrums sowie die ihnen jeweils zugeordneten Wellenlängen ermittelt werden und
• (c) hieraus in Verbindung mit bekannten Größen die Filmdicke errechnet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• (d) als Licht IR-Licht verwendet wird,
• (e) die Intensität des von einem Bezugsfilm bekannter Dicke durchgelassenen bzw. reflektierten Lichts zeitlich nacheinander für eine Folge von verschiedenen Wellenlängen des IR-Lichts gemessen wird und die Meßwerte unter aufeinanderfolgenden Speicheradressen in einem ersten Speicherbereich eines Speichers gespeichert werde, so daß jeder Speicheradresse eine bestimmte Wellenlänge zugeordnet ist,
• (a1) beim Schritt (a) die Intensität des von dem zu messenden Film durchgelassenen bzw. reflektierten Lichts für die verschiedenen Wellenlängen derselben Reihenfolge wie beim Schritt (e) gemessen wird und die Meßwerte unter den aufeinanderfolgenden Speicheradressen mit gleicher Zuordnung zu den Wellenlängen wie beim Schritt (e) in einem zweiten Speicherbereich des Speichers gespeichert werden,
• (b1) im Schritt (b) mittels einer elektronischen Rechenvorrichtung diejenigen Speicheradressen ermittelt werden, unter denen im Speicher Extremwerte der im Schritt (a1) gewonnenen Meßwerte gespeichert sind und
• (b2) die zu den ermittelten Extremwerten gehörigen Wellenlängen mittels der elektronischen Rechenvorrichtung anhand der Meßwerte im ersten Speicherbereich sowie der bekannten Dicke des Bezugsfilms errechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Schritten (a) und (b) polychromatisches Licht vor oder nach dem Durchlaufen des Films nacheinander in die einzelnen monochromatischen Bestandteile zerlegt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß IR-Licht innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 0,8 bis 2,2 µm verwendet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, umfassend
eine Lichtquelle zur Abgabe von Licht verschiedener Wellenlängen,
einen Detektor, der Licht von der Lichtquelle auffängt, das durch den Film gelaufen ist, und nacheinander für eine Reihe von Wellenlängen ein der jeweiligen Intensität des aufgefangenen Lichts entsprechendes Ausgangssignal erzeugt, und
eine elektronische Rechenvorrichtung zur Bestimmung der gesuchten Dicke auf der Basis dieser Intensitäten und der ihnen zugeordneten Wellenlängen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtquelle (1) eine IR-Lichtquelle ist,
daß eine Spektraleinrichtung zum spektroskopischen Zerlegen des IR-Lichts vorhanden ist,
daß des IR-Lichts vorhanden ist,
daß dem Detektor (12) ein A/D-Umsetzer (26) nachgeschaltet ist, der die Ausgangssignale des Detektors in digitale Pegelwerte umsetzt,
daß ein erster Speicherbereich (29 a) zur Speicherung der für die Reihe von Wellenlängen von einem Bezugsfilm bekannter Dicke erhaltenen Pegelwerte unter aufeinanderfolgenden Speicheradressen vorhanden ist,
daß ein zweiter Speicherbereich (29 b) zur Speicherung der für die Reihe von Wellenlängen von dem zu messenden Film erhaltenen Pegelwerte unter den aufeinanderfolgenden Speicheradressen vorhanden ist,
daß eine Adressenermittlungseinrichtung (27) zur Bestimmung von Extremwerten der im zweiten Speicherbereich (29 b) gespeicherten Pegelwerte sowie der Speicheradressen, unter denen diese gespeichert sind, vorhanden ist, und
daß eine Wellenlängenbestimmungseinrichtung (27) zur Bestimmung der Wellenlängen, die den von der Adressenermittlungseinrichtung ermittelten Speicheradressen zugeordnet sind, anhand der im ersten Speicherbereich (29 a) gespeicherten Pegelwerte und bekannter Größen des Bezugsfilms, vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (Tripelspiegel 6), mittels derer das IR-Licht zweifach an derselben Stelle durch den Film (5) sendbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (Tripelspiegel 6) eine Reflektoreinrichtung ist, die auf der der Lichtquelle (1) entgegengesetzten Seite des Films (5) angeordnet ist, und das einfallende Licht in die Einfallrichtung reflektiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinrichtung ein Tripelspiegel (6) ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn der Rechenoperation durch die Adressenermittlungseinrichtung und die Wellenlängenbestimmungseinrichtung mit dem Betrieb der Spektraleinrichtung (Abtasteinrichtung 17) synchronisiert ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Adressenermittlungseinrichtung und die Wellenlängenbestimmungseinrichtung von einem Mikrocomputer (27) gebildet sind.