DE29506765U1

DE29506765U1 - Vorrichtung zum Messen der Dicke dünner farbiger Schichten

Info

Publication number: DE29506765U1
Application number: DE29506765U
Authority: DE
Original assignee: WISSENSCHAFTLICH TECH OPTIKZEN
Current assignee: "optikzentrum Nrw (oz)" Ik De GmbH
Priority date: 1995-04-21
Filing date: 1995-04-21
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2005-04-22
Also published as: WO1996033387A1; EP0766808A1

Description

Vorrichtung zum Hessen der Dicke

dünner farbiger Schichten

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Dicke dünner farbiger Schichten, die auf transparenten Meßobjekten aufgebracht sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bevorzugt bei der Herstellung optischer Speichermedien, wie CD's oder CD-R's, eingesetzt werden, bei denen farbige Lackschichten auf Polycarbonträgern aufgetragen sind. Dabei sollen die Homogenität und die Dicke der aufgetragenen Lackschichten in einem möglichst frühen Herstellungsstadium überwacht werden können. Es kann aber auch die Dicke farbiger Schichten, die auf Kunststoffolien, Glas oder auf Filmmaterial aufgebracht sind, bestimmt werden.

Bisher ist es üblich, zur Bestimmung der Schichtdicke eine Weißlichtquelle einzusetzen, die Absorption des

Lichtes zu ermitteln und dieses als Maß für die Dicke der Schicht auszuwerten.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von gepulsten Hochleistungslaserdioden, wobei auch in diesem Fall die Absorption das Maß für die Ermittlung der Schichtdicke ist.

Bei den bekannten Verfahren, ist es nachteilig, daß die erreichbare Meßgenauigkeit, insbesondere bei dünnen Schichten nicht ausreichend ist. Zusätzlich treten Meßfehler über die Lebensdauer durch Verschmutzung des Meßaufbaues und Alterung der Lichtquellen auf. Schwierigkeiten treten außerdem auf, wenn die Dicke verschiedenfarbiger Schichten bestimmt werden muß.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung vorzuschlagen, die einfach aufgebaut ist, eine hohe Meßgenauigkeit auch über einen längeren Zeitraum aufweist und zur Bestimmung der Dicke verschiedenfarbiger Schichten geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe, durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich bei Verwendung der in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmale.
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Mit der Verwendung einer auf das Absorptionsmaximum der Farbschicht abgestimmten, als Sender dienenden monochromatischen Laserdiode/Leuchtdiode, die beispielsweise bei einer blauen Farbschicht eine WeI-lenlänge von &lgr; = 670 na aufweist, ist bei der Bestim-

miing der Dicke einer Schicht im Bereich von 50 bis 1000 nm eine Meßgenauigkeit von etwa 1 % erreichbar. Dabei wirkt es sich besonders vorteilhaft aus, wenn die Laserdiode/Leuchtdiode in bezug auf die Intensitat moduliert wird. Zu diesem Zweck wird eine aktive Stromregelung unter Berücksichtigung der Leistung der Laserdiode/Leuchtdiode vorgesehen. Das von der Laserdiode/Leuchtdiode ausgesendete Licht gelangt durch das Meßobjekt auf einen Empfänger. Das von diesem empfangene Signal wird in einer Auswerte- und Steuereinheit mit einer dort in einer Wissensbasis abgelegten Eichkurve verglichen und das Vergleichsergebnis gibt das Maß der auf dem Meßobjekt aufgebrachten Schichtdicke wieder.

In vorteilhafter Weise ist die Laserdiode/Leuchtdiode in einem austauschbaren Sendekopf aufgenommen und kann bei der Bestimmung verschiedenfarbiger Schichten einfach ausgetauscht werden. Damit ist es möglich, einen der zur Messung der Schichtdicke in einer bestimmten Farbe optimalen Sendekopf mit der entsprechend auf diese Farbe abgestimmten Laserdiode/Leuchtdiode zu verwenden.

Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit werden ständig Referenzmessungen durchgeführt, bei denen sich kein Meßobjekt im Strahlengang befindet. Dies kann einfach und unkompliziert immer dann erfolgen, wenn ein Austausch der Meßobjekte zwischen zwei Messungen durchgeführt wird.

Zur Bestimmung größerer Oberflächenbereiche auf dem zu messenden Meßobjekt können Antriebe vorgesehen sein, die das Meßobjekt in bezug auf den Lichtstrahl ausrichten und/oder eine die Laserdiode/Leuchtdiode

gemeinsam mit dem Sendekopf und dem Empfänger aufnehmende Trägereinheit entsprechend in bezug auf das Meßobjekt ausgerichtet wird. Die Ausrichtung kann hierbei durch die Auswerte- und Steuereinheit gesteuert erfolgen. Dadurch ist es möglich, bestimmte vorgegebene Meßpunkte auf dem Meßobjekt anzufahren und die Dicke der Farbschicht an diesen Punkten zu ermitteln. Die Auswerte- und Steuereinheit kann dabei Schrittmotoren, die Bestandteil dieser Antriebe sind, ansteuern und so die Manipulation von Trägereinheit und Meßobjekt erreicht werden.

Zur Erhöhung der Sicherheit, die insbesondere durch die verwendete Laserdiode und die Gefahr des abgesendeten Lichtstrahles erforderlich ist, wird eine Inter lock-Schaltung verwendet. Mit einer solchen Schaltung ist es möglich, die Laserdiode so schnell abzuschalten, daß bei Öffnung eines die Vorrichtung umgebenden Gehäuses eine Gefährdung von Lebewesen verhin-0 dert und die Laserdiode nicht beschädigt wird.

Zur Vermeidung von Meßfehlern, die durch Streulicht hervorgerufen werden, ist dem Empfänger ein elektronisches Frequenzfilter nachgeschaltet, das lediglich das entsprechend mit einem Oszillator modulierte Licht der Laserdiode zur Auswertung zuläßt. Dieses Filter ist so ausgewählt und auf die Frequenz des Oszillators abgestimmt, daß es für sämtliche zu bestimmenden Farbschichten eingesetzt wird.

Ein optisches Filter kann zusätzlich zur Streulichtunterdrückung vor dem Empfänger im Strahlengang des Lichtstrahles angeordnet sein, das bei unterschiedlichen Farbschichten nicht ausgetauscht werden muß.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.

Dabei zeigt die einzige Figur ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die in der Figur gezeigte Vorrichtung ist für den Einsatz in der Fertigung, insbesondere von optischen Speichermedien geeignet und arbeitet berührungslos und zerstörungsfrei. Der Einsatz sollte hierbei vorteilhaft in einer Reinraumumgebung und die Messungen während einer relativ konstanten Raumtemperatur bei zulässigen Schwankungen von +/- I⁰C erfolgen. Das Meßobjekt 2, das in diesem Fall ein mit einer farbigen Lackschicht versehener Polycarbonträger in Form einer CD ist, ist auf einer drehbaren Welle 13 befestigt und kann mit einem Schrittmotor 7, von einer über eine Auswerte- und Steuereinheit 5 angesteuerten Schrittmotorsteuerung 12 bewegt werden. Dadurch kann das Meßobjekt 2 durch Drehung in bezug auf den von der Laserdiode/-0 Leuchtdiode 1 ausgesendeten Lichtstrahl 4 eingestellt und so über den Umfang des Meßobjektes 2 verteilte Meßpunkte berücksichtigt werden.

Die in einem Sendekopf 6 aufgenommene Laserdiode/-Leuchtdiode 1 ist auf einen Träger 8 aufsteckbar und kann auf einfache Weise entsprechend der zu messenden Farbe ausgetauscht werden. Der Empfänger 3, der ebenfalls am Träger 8 befestigt und so ausgerichtet ist, daß der xntensitätsmodulierte Lichtstrahl 4, der von der Laserdiode/Leuchtdiode 1 ausgesendet wird, durch daß Meßobjekt 2 über ein optisches Filter auf ihn fällt, ist unter Zwischenschaltung eines nicht dargestellten elektronischen Filters mit der Auswerte- und Steuereinheit 5 verbunden.
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Der Träger 8 kann ausgehend von der Auswerte- und Steuereinheit 5, die ein PC sein kann, ebenfalls über die Schrittmotorsteuerung 12 mittels eines weiteren Antriebes 9 bewegt werden, so daß in radialer Richtung auf dem Meßobjekt 2 verschiedene Meßpunkte Berücksichtigung finden können.

Bei diesem Beispiel ist ebenfalls schematisch eine Interlock-Schaltung 11 erkennbar, die beispielsweise mit einem Gehäuseverschluß der Vorrichtung verbunden ist und bei Öffnung des nicht dargestellten Gehäuses die Laserdiode 1 sofort abschaltet, um Gefährdungen auszuschließen.

Bei der Bestimmung der Dicke der aufgetragenen Farbschicht wird die Transmission des Lichtstrahles 4 durch das Meßobjekt 2 ermittelt. Dabei sorgt die auf das Absorptionsmaximum der Farbe abgestimmte Laserdiode/Leuchtdiode 1 für die gewünschte hohe Meßgenauigkeit.

Nachfolgend soll die Verarbeitung des Empfängersignals zur Bestimmung der Schichtdicke näher beschrieben werden.

Der vom Empfänger 3 gelieferte Strom I hängt einmal von der Leistung P der Laserdiode/Leuchtdiode, die während der Messungen durch eine aktive Regelung des Stromes auf einem konstanten Wert gehalten wird, von einem Geometriefaktor G, der zeitlich konstant ist, von der Empfindlichkeit E (A/W), des Empfängers 3, die aufgrund der konstanten Wellenlänge zeitunabhängig ist (E etwa 0,5 A/W), einem Faktor A, der die Verluste des Meßobjektes 2 berücksichtigt und der Dicke d der Lackschicht ab. Die durch die Lackschicht

hervorgerufene Absorption ist wellenlängenabhängig. Dabei ist &mgr; die 1/e-Absorptionslänge der Lackschicht bei der Wellenlänge des von der Laserdiode/Leuchtdiode 1 abgestrahlten Lichtes, daß heißt die Schichtdicke d schwächt die auftreffende Lichtleistung (ohne Berücksichtigung der Reflexionsverluste) auf 1/e = 36,8% ab. &mgr; liegt im Bereich von einigen 100 nm. Der vom Empfänger 3 ermittelte Strom I ist dann bei Messung mit eingefügtem Meßobjekt 2 I &ldquor;fcfcfc = P * G * E * A * &bgr;""*.

Bei der Auswertung wird zunächst der Empfängerstrom I_ohne ohne eingesetztes Meßobjekt 2 ermittelt und ergibt sich zu I_ohne = P * G * E. Die Messung ohne eingesetztes Meßobjekt 2 wird zwischen den Messungen zweier Meßobjekte 2 durchgeführt und der gemessene Wert als Referenzwert zwischengespeichert.

Zur Bestimmung des Faktors A wird ein unbeschichtetes Meßobjekt 2 eingesetzt. In diesem Falle ergibt sich 0 der Empfängerstrom I_unbesch ^a^^s Produkt aus Leistung der Laserdiode P, dem Geometriefaktor G, der Empfindlichkeit des Empfängers E und dem Faktor A, der die Verluste des Meßobjektes 2 berücksichtigt. Das Verhältnis der beiden so ermittelten Ströme ist hierbei A.

Zur Bestimmung der Dicke der Schicht wird nun der Empfängerstrom Ischicht durch den durch das Meßobjekt 2 bestimmten Wert A und den ohne ein eingesetztes Meßobjekt 2 ermittelten Wert der Stromstärke I_ohne dividiert. Der so bestimmte Quotient ist &thgr;.~^{&aacgr;/&mgr;}. Nach Logarithmieren ergibt sich dann d/&mgr; und so ist die Dicke d der zu messenden Schicht bestimmbar.

Mit einer Kallibriermessung an einem Meßobjekt bekannter Schichtdicke ist &mgr; bestimmbar. Da dieser Wert wellenlängenabhängig ist, und die Emissionswellenlänge der Laserdiode 1 temperaturabhängig ist, sind KaI-liebriermessungen bei den eigentlichen Meßtemperaturen vorzunehmen.

Verschmutzungen auf dem Meßobjekt 2, Inhomogenitäten im Meßobjekt 2 und ein Verkanten des Meßobjektes 2 bei der Messung sind zu vermeiden, um diese Fehler hervorrufenden Einflüsse auszuschließen.

Claims

Schutzansprüche

1. Vorrichtung zum Messen der Dicke dünner farbiger Schichten auf transparenten Meß

objekten unter Verwendung einer Laserdiode/Leuchtdiode ,

dadurch gekennzeichnet , daß mit einer in bezug auf die Intensität modulierbaren, auf das Absorptionsmaximum der Farb

schicht abgestimmten, als Sender dienenden, monochromatischen Laserdiode/Leuchtdiode (1), ein Lichtstrahl (4) durch ein Meßobjekt (2) auf einen Empfänger (3) richtbar und in einer Auswerte- und Steuereinheit (5) ein der Transmis

sion des empfangenen Lichtstrahles (4) proportionales Signal mit einer in einer Wissensbasis abgelegten Eichkurve vergleichbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode/ Leuchtdiode (1) in einem austauschbaren Sendekopf (6) aufgenommen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode/ Leuchtdiode (1) mittels einer aktiven Stromregelung in bezug auf die Intensität stabilisierbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (4) mittels eines Oszillators intensitätsmoduliert und zwischen Empfänger (3) und Auswerte- und Steuereinheit (5) ein auf die Modulationsfre

quenz abgestimmtes elektronisches Filter geschaltet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Empfänger (3) und Meßobjekt (2) ein optisches Filter zur zusätzlichen Streulichtunterdrückung angeordnet

ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (2)

von der Auswerte- und Steuereinheit (5) mit einem Antrieb (7) bezüglich des Meßpunktes im Lichtstrahl (4) ausrichtbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß eine den Sendekopf (6) und den Empfänger (3) aufnehmende Trägereinheit (8) von der Auswerte- und Steuereinheit (5)

0 über einen Antrieb (9) in bezug auf das Meßob

jekt (2) ausrichtbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromversorgung

(10) für die Laserdxode/Leuchtdiode (1) mittels eines Interlock-Schalters (11) ausschaltbar ist.