DE3876660T2 - Loesungsueberwachungsverfahren. - Google Patents

Loesungsueberwachungsverfahren.

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Description

    Technisches Feld
  • Die Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Behandlung eines Artikels, in welchem die Zusammensetzung einer in dem Verfahren verwendeten Vielkomponenten-Lösung überwacht wird, indem sehr genaue Messungen des Brechungsindex verwendet werden.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Zahlreiche Arten chemischer Lösungen werden extensiv in der Herstellung von Vorrichtungen und Artikeln verwendet. Typische Beispiele sind Plattierungslösungen, Lösungen zur Ätzung von Oberflächen oder Löcher, Lösungen zur Herrichtung von Oberflächen für zahlreiche Verarbeitungen etc. Der Erfolg dieser Verfahren hängt oft kritisch von der genauen Zusammensetzung dieser Lösungen sowie anderer Verfahrensparameter ab, beispielsweise Temperatur, Berührungszeit etc. Ein kontinuierliches Verfahren zur Überwachung der Lösungszusammensetzung ist deshalb höchst erwünscht, um eine enge Kontrolle des Verfahrens sicherzustellen.
  • In zahlreichen modernen technologischen Verfahren ist in der Tat eine kontinuierliche Reaktion auf Änderungen der Zusammensetzung notwendig, um einen extensiven Verlust an Produkten zu vermeiden und die Herstellung von fehlerhaften Produkten zu verhindern.
  • Ein spezielles Beispiel kann zur Illustration der Bedeutung enger Kontrolle der Lösungszusammensetzung in einigen Verfahren nützlich sein. Lösungen von Dimethylformamid in Wasser werden zur Behandlung von Polymeroberflächen vor der Metallisierung bei der Herstellung von Substraten für Schaltbretter verwendet. Enge Kontrolle der Lösungszusammensetzung ist von kritischer Bedeutung. Eine zu hohe Konzentration von Dimethylformamid in Wasser führt zu einer spröden Oberfläche; eine zu niedrige Konzentration erzeugt ungenügendes Schwellen und häufig eine schwache Bindung des Metalls an der Polymeroberfläche. Eine enge Kontrolle der Lösungskonzentration sowie der Temperatur und der Einwirkzeit führt zu glatten, gut haftenden Metallschichten, die zur Anwendung in Schaltungsbrettern oder Platinen geeignet sind.
  • Ein Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung der Lösungszusammensetzung ist speziell nützlich, um die korrekte Zusammensetzung der Lösung jederzeit sicherzustellen. Ein Rückkopplungssystem zur kontinuierlichen und automatischen Einstellung der Lösungszusammensetzung auf einen vorbestimmten Wert ist ebenfalls nützlich. Es sind zahlreiche Vielkomponenten- Lösungen von Interesse einschließlich 2-Komponenten-Lösungen, 3-Komponenten-Lösungen und Mehrkomponenten-Lösungen.
  • Das US-Patent 4 451 147 offenbart einen Brechungsmesser zur Messung des Brechungsindex index Mediums während eines kontinuierlichen Verfahrens, in welchem ein Lichtstrahlenbündel auf einen prismatischen Körper gerichtet wird, der eine die Grenzfläche des Mediums berührende Mediumoberfläche und eine Spiegeloberfläche aufweist, wobei die Mediumoberfläche einen von dem Medium gebrochenen Meßstrahlenbündel reflektiert und die Spiegeloberfläche ein Referenzstrahlenbündel. Die Referenz- und Medienstrahlenbündel werden jeweiligen Lichtdetektoren zugeführt.
  • Gemäß vorliegender Erfindung ist ein in Anspruch 1 definiertes Verfahen vorgesehen.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung bietet ein Verfahren zur Behandlung einer Vorrichtung dar, wobei das Verfahren eine Lösung beinhaltet, in welcher die Zusammensetzung der Lösung durch ein spezielles Meßverfahren für den Brechungsindex überwacht wird. Das Meßverfahren beinhaltet die Verwendung einer doppelten Wellenlängentechnik, um für innewohnende Stabilität zu sorgen, und eine Glasoberfläche in Kontakt mit der Lösung, um für eine extrem hohe Empfindlichkeit zu sorgen. Das Verfahren ist zur Lieferung extrem genauer Brechungsindexmessungen über den engen interessierenden Indexbereich in den Messungen der Lösungszusammensetzung ausgelegt. Der Indexbereich wird durch geeignete Auswahl des Glasmaterials, Einfallwinkel und Wellenlänge festgelegt. Zwei Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; werden so ausgewählt, daß eine partielle Reflexion der einen Wellenlänge (λ&sub1;) und vollständige Reflexion der anderen Wellenlänge λ&sub2; eintritt. Die zweite Wellenlänge λ&sub2; liefert ein Bezugsstrahlenbündel, um Schwankungen in zahlreichen Parametern zu korrigieren, beispielsweise die Lichtquellenintensität. Die erste Wellenlänge (λ&sub1;) wird zur Messung des Brechungsindex benutzt. Ein derartiges System sorgt für ein Überwachungsschema, in welchem die Lösungszusammensetzung eine Funktion der Intensität des reflektierten Lichts ist. Eine solche enge Kontrolle der Lösungszusammensetzung führt zu exzellenten Ergebnissen, insbesondere für das Quellen bei zu metallisierenden Polymeroberflächen für Schaltungsbretter oder Platinen und andere Anwendungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Fig. 1 zeigt ein optisches Strahlendiagramm des Überwachungssystems für die Lösungszusammensetzung;
  • Fig. 2 zeigt eine Kalibrierung der Lichtintensität über der Lösungszusammensetzung für Dimethylformamid in Wasserlösung;
  • Fig. 3 zeigt eine Skizze eines typischen Geräts zur Überwachung der Lösungszusammensetzung gemäß Erfindung und
  • Fig. 4 zeigt Daten der Brechungsintensität über der Zusammensetzung einer Lösung von Dimethylformamat in Wasser.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die Erfindung basiert auf der Entdeckung, daß der Brechungsindex einer Lösung sehr genau und in einer Form gemessen werden kann, die für die Prozeßüberwachung äusserst passend ist, indem die Lösung in Kontakt mit einer Oberfläche eines Prismas gebracht wird, der Einfallswinkel des Lichtstrahlenbündels auf die Prismenoberfläche so eingestellt wird, daß kleine Änderungen des Brechungsindex der Flüssigkeit zu Itensitätsänderungen des reflektierten Lichts führen. Wenn sich der Index der Flüssigkeit dem Index des Glasprismas nähert, wird immer mehr Licht in die Flüssigkeit hineingebrochen und weniger von der Flüssigkeit weg reflektiert (siehe Fig. 1). Eine Anordnung mit doppeltem Strahl wird in dem Meßverfahren benutzt, wobei die beiden Bündel des Lichts oder der Strahlung unterschiedliche Wellenlängen einnehmen. Der erste Lichtstrahl mit der Wellenlänge λ&sub1; wird zur Messung des Brechungsindex der Lösung, wie zuvor beschrieben, benutzt. Der andere Lichtstrahl mit der Wellenlänge λ&sub2; wird als Soll- oder Bezugsstrahl verwendet, um zahlreiche Schwankungen von Parametern zu korrigieren, beispielsweise Änderungen der Intensität der Lichtquelle, der Sensitivität des Detektors, des Verstärkungsfaktors von Verstärker, der Bildung des Oberflächenfilms auf dem Prisma usw. Die Temperatur der Lösung wird auch gemessen, um Änderungen von Parametern infolge Temperaturänderungen auszukorrigieren.
  • Der Bezugsstrahl wird weitgehend an der Zwischenfläche Glas-Flüssigkeit reflektiert, wobei geringe oder keine Brechung in die Flüssigkeit hinein stattfindet. Dies wird gewöhnlich als Totalreflexion des Strahls bezeichnet. In der Praxis beträgt die Reflexion zur ungefähr 95% infolge zahlreicher Fehlstellen in der Zwischenschicht Glas-Flüssigkeit, beispielsweise Kratzer, Staub usw. Zweckdienlich wird die Reflexion als Totalreflexion bezeichnet, obzwar ihre bedeutende Charakteristik ihre Unabhängigkeit von Schwankungen des Brechungsindex der Flüssigkeit ist.
  • Die Erfindung wird zweckdienlich anhand des Geräts beschrieben, das zur Messung der Lösungszusammensetzung dient. Zwei Wellenlängen werden bei der Messung benutzt, wobei eine Wellenlänge partiell von der Zwischenfläche fest-flüssig reflektiert und die andere Wellenlänge total reflektiert wird und als ein Intensitätsbezug dient. Das Reflexionsvermögen des teilweise reflektierten Stahls hängt von dem Brechungsindex der Flüssigkeit ab. Es können zahlreiche Anordnungen benutzt werden, um sich an die beiden Wellenlängen anzupassen. Zwei Lichtstrahlenbündel können als ein Strahlenbündel mit den beiden Wellenlängen benutzt werden. Auch ein Lichtstrahl mit einem Bereich von Wellenlängen kann mit geeigneter Auswahl jeder Wellenlänge (beispielsweise durch Anwendung optischer Filter) an den Detektoren verwendet werden.
  • Die allgemeine Struktur und die Messidee kann auf eine große Vielfalt von Lösungen angewendet werden, einschließlich binärer Lösungen und Lösungen mit mehr als zwei Komponenten. Für die Zwecke hier werden Lösungen mit mehr als zwei Komponenten als Vielkomponenten-Lösungen bezeichnet. Spezielle Konstruktionsmerkmale hängen von dem Bereich des Index ab, welche gemessen werden muß, um die Zusammensetzung der Lösung zu überwachen.
  • Um ein konkretes Beispiel vorzustellen, wird eine Dimethylformulat-Wasser-Lösung mit einer Zusammensetzung von ungefähr 86 ± 3 Volumenprozent Dimethylformamat verwendet.
  • Der Brechungsindex bei Umgebungstemperatur ist ungefähr 1,42. Der Bereich des Index um diesen Index, der zur Kontrolle der Zusammensetzung bei gewöhnlicher Umgebungstemperatur nützlich ist, beträgt ungefähr ± 0,005. Das Verfahren ist so ausgelegt, maximale Indexempfindlichkeit in diesem Indexbereich sicherzustellen.
  • Indem das Verfahren auf eine spezifische Lösung angewendet wird, werden Parameter so gewählt, daß eine genaue Messung über den interessierenden Indexbereich möglich ist. Der Indexbereich hängt von der Lösung ab und wie sich der Index mit der Zusammensetzung und den erwarteten Temperaturschwankungen ändert und wie dies den Index betrifft. Unter den auszuwählenden Parametern sind der Brechungsindex und der Dispersionindex von Glas, der Einfallwinkel des Meßstrahls und des Bezugsstrahls und die Wellenlängen des Meßstrahls und des Bezugsstrahls.
  • Die zahlreichen Parameter können in einer Anzahl von Möglichkeiten ausgewählt werden. Gewöhnlich ist es am passendsten, zunächst das Glas (oder die transparente Substanz) auszuwählen, welches in dem Prisma in Kontakt mit der Lösung verwendet wird. Obzwar eine Anzahl von transparenten Substanzen einschließlich Kunststoff, Einkristall usw. benutzt werden können, ist Glas das passendste und wird gewöhnlich von der zu messenden Lösung nicht schädlich beeinträchtigt. Glas von optischer Qualität wird zumeist bevorzugt. Typische optische Materialien sind Quarz, Flintglas und Krongläser. Eine große Vielzahl von optischen Materialien einschließlich optischer Gläser werden in zahlreichen Handelskatalogen angetroffen einschließlich "The Optical Purchasing Directory", Buch 2, The Optical Publishing Co., Inc., Pittsfield, Massachusetts. Es wird darauf hingewiesen, daß das Glas mit der Bezeichnung SF-11 (hergestellt von Schott oder Ohara) mit einem Index von 1,785 bei der Natriumlinie D, Abbe Nummer 25,7 für eine große Vielfalt von Anwendungen nützlich ist.
  • Um partielle Reflexion des Lichtstrahls von der Zwischenfläche Glas-Lösung anzutreffen, sollte der Index des Glases um mindestens 0,1 höher als der Index der zu messenden Lösung sein. Dies dient zur Sicherstellung vernünftiger Reflexionen an der Glas-Lösung-Zwischenfläche. Es wird bevorzugt, daß der Index des Glases nicht mehr als ungefähr 0,6 Einheiten größer als der Lösung ist, und zwar wegen der Schwierigkeit des Erhalts einer Reflexion an der Glas-Lösung- Zwischenfläche bei vernünftigen Einfallwinkeln. Im allgemeinen ist ein Glasindex, der um ungefähr 0,3 bis 0,4 Einheiten größer als der der Lösung ist, höchst passend.
  • Zweitens wird der Einfallwinkel so gewählt, daß eine vernünftige Reflexionsintensität bei der interessierenden Lösungszusammensetzung erhalten wird. Es wird bevorzugt, daß diese Reflexionsintensität merklich mit der Zusammensetzung sich ändert und daß diese Änderung ungefähr linear mit der Lösungszusammensetzung variiert. Die Wellenlänge des Meßstrahls (λ&sub1;) und des Bezugsstrahls (λ&sub2;) werden so gewählt, daß der Meßstrahl partiell an der Zwischenfläche und der Bezugsstrahl komplett an der Glas-Flüssigkeit-Zwischenfläche reflektiert werden.
  • Eine Berechnung wird ausgeführt, um die Natur der Funktion der reflektierten Intensität über der Lösungszusammensetzung zu bestimmen. Die Berechnung wird am besten unter Bezugnahme auf den Aufbau 10 in Fig. 1 erläutert. Die zu messende Lösung 11 hat einen Brechungsindex n und das Glasprisma 12 einen Brechungsindex ng. Das einfallende Strahlenbündel 13 hat einen Einfallswinkel von und einen Brechungswinkel des gebrochenen Strahls 14 von '. Der Einfallswinkel wird so gewählt, daß für λ&sub1; ungefähr 50 % Reflexion nahe des Mittelpunkts des zu kontrollierenden Indexbereichs erzeugt wird und daß grob genommen eine lineare Reaktion auf Änderung der Zusammensetzung gegeben ist. Gleichzeitig wird nahezu totale Reflexion für λ&sub2; über den gesamten Bereich der Lösungszsuammensetzung und der Temperatur gewünscht. Um dieses Ergebnis zu erzielen, werden Berechnungen über den Reflexionskoeffizienten bei unterschiedlichen Brechungsindizes gemacht, welche die Lösung bei den interessierenden Zusammensetzungen und den wahrscheinlichen Lösungstemperaturen beim reflektierten Strahl 15 zeigt. Sowohl der Meßstrahl als auch der Bezugsstrahl sind gewöhnlich in dem einfallenden Strahlenbündel enthalten; der Meßstrahl bei einer Wellenlänge, bei der nur partielle Reflexion vorkommt und der Bezugsstrahl bei einer Wellenlänge, bei der Totalreflexion eintritt.
  • Die Intensität des reflektierten Lichtstrahls kann theoretisch unter Anwendung der Fresnel'schen Reflexionskoeffizienten charakterisiert werden. Licht wird durch Phase und Amplitude des elektrischen Felds in zwei zueinander senkrechten Ebenen charakterisiert. Die Ebene des einfallenden und des reflektierten Strahls wird durch den Index p und die Ebene senkrecht dazu durch den Index s definiert. Die allgemeine Theorie bezieht sich auf absorbierendes Medium und die Reflexionskoeffizienten sind komplexe Variable. Für den vorliegenden Fall jedoch werden sowohl das Glasprisma als auch die Lösungen als verlustlose Dielektrika angenommen und es werden vereinfachte Koeffizienten benutzt. Das Verhältnis der Amplitude des reflektierten und des einfallenden elektrischen Feldes sind rp und rs für nach p und s polarisiertes Licht:
  • Der Brechungswinkel ' steht mit dem Einfallswinkel durch das Snell'sche Gesetzt in Beziehung:
  • ng sin ( ) = n sin ( ') (3)
  • Die Intensitäten der reflektierten Strahlen werden durch Quadratbildung der Reflexionskoeffizienten der Amplitude erhalten und als Rp und Rs bezeichnet.
  • Für unpolarisiertes Licht und ohne Polarisationauswahl in dem Detektorsystem wird der Reflexionskoeffizient ausgedrückt durch
  • R = 0.5 (r2p + r2s) (4)
  • Der Reflexionsindex sowohl des Glasprismas als auch der Lösung sind Funktionen der Wellenlänge. Der Brechungsindex der Lösung ist eine Funktion der Tempertur und der Zusammensetzung. Für Zwecke der Auslegung wird die Temperaturabhängigkeit von Glas vernachlässigt.
  • Für Auslegungszwecke wird die Intensität des reflektierten Meßstrahls als Funktion des Brechungsindex für interessierende Indizes in der Meßzusammensetzung der Lösung berechnet. Dies wird für zahlreiche Einfallswinkel durchgeführt, um eine vernünftig lineare Beziehung zwischen der Zusammensetzung und der Reflexionsintensität und einer vernünftigen Änderung der Reflexionsintensität mit der Zusammensetzung sicherzustellen.
  • Ein typischer Satz von Kurven ist in Fig. 2 gezeigt, wo der Intensitätsreflexionskoeffizient als Funktion der Zusammensetzung einer Dimethylformamid-Wasserlösung aufgezeichnet ist. Es werden drei Kurven für drei unterschiedliche Einfallswinkel gezeigt. Bei = 52,65º ist die Kurve R über der Zusammensetzung stark nichtlinear und bei = 52,15º ist die Änderung von R mit der Zusammensetzung nicht sehr groß.
  • Bei einem Wert von = 52,40º ist die Kurve nahezu linear und die Änderung von R mit der Zusammensetzung ist vernünftig groß. Daher sind für Einfallswinkel nahe bei = 52,40º die Abhängigkeit von R auf Zusammensetzungen offensichtlich zufriedenstellend für Meßzusammensetzungen. Auch zeigen die Berechnungen für den Bezugsstrahl bei einer Wellenlänge von 486 nm vollständige Reflexion über den interessierenden Zusammensetzungsbereich und den interessierenden Lösungstemperaturbereich.
  • Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Überwachung der Zusammensetzung einer Lösung gemäß der Erfindung. Diese mißt im wesentlichen den Brechungsindex der Lösung infolge der Intensität des reflektierten Lichtes an der Glas-Lösung-Zwischenfläche. Die Vorrichtung 30 ist aus einer Lichtquelle 31, einem Linsen- und Apertursystem zur Erzeugung kollimatierten Lichts 32 und einem Glasprisma 33 zusammengesetzt, das zu der zu messenden Lösung 34 an einer Zwischenfläche 35 angrenzt, wo ein Anteil des Lichts reflektiert und dann in einem weiteren Linsensystem 36 gesammelt wird. Das gesamte Licht wird in zwei Teile aufgeteilt, der eine Teil 37 ist zu einem Nachweissystem geführt, welches nur auf Licht bei der Meßstrahlwellenlänge (810 um in dem Beispiel) anspricht, und der andere Teil 38 spricht nur auf Licht bei der Wellenlänge des reflektierten Strahls (450um in dem Beispiel) an. Lichtfilter 39 und 40 werden häufig vor den Lichtdetektoren angewendet, um dies zu bewirken.
  • Nachdem die Parameter für eine spezielle Anwendung festgelegt worden sind, ist es häufig vorteilhaft, eine Kalibrierungskurve sowohl für zusätzliche Genauigkeit und zur Bestätigung der linearen Beziehung zwischen der reflektierten Intensität und der Zusammensetzung zu erzeugen. Messungen werden auf Lösungen bekannter Zusammensetzung ausgeführt. Eine standardisierte Reflexionsintensität, und zwar die Intensität des Meßstrahls (bei 810 um in diesem Fall) geteilt durch die Intensität des Bezugsstrahls (450 um in diesem Fall), wird in den Eich- oder Kalibrierungsmessungen und in der nachfolgenden Konzentrationsmessung benutzt. Eine typische Kalibrierungs- oder Eichmessung ist in Fig. 4 für 22º C gezeigt. Andere Eichkurven können für andere Temperaturen gemessen werden. Durch geeignete Messung der standardisierten Reflexionsintensität und der Temperatur kann die Lösungszusammensetzung bestimmt werden. Auch wird vorteilhaft ein rückkoppelndes Steuersystem mit diesem System benutzt.
  • Lösungsen mit mehr als zwei Komponenten können mit zusätzlicher Information gemessen werden. Beispielsweise können Dichtemesser-Messungen in Verbindung mit Messungen des Brechungsindex benutzt werden, um die zusätzliche Information zu liefern, oder zahlreiche andere Arten von Messungen (Kalorimetrie usw.) können Verwendung finden. Zahlreiche Annahmen können außerdem gemacht werden, beispielsweise daß zwei Komponenten in dem gleichen Verhältnis bleiben, um die zusätzliche Information für die dritte Komponente zu liefern.
  • Verfahren unter Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung führten zu ausgezeichneten Ergebnissen einschließlich eines extrem gleichförmigen und konstanten Betrags der Quellung und gleichförmiger Oberflächenplattierung. Zusätzlich führten elektrofreie Metallplattierungen (beispielsweise Kupfer oder Nickel), auf solche Oberflächen aufgebracht, nachdem diese in geeigneter Weise aufgequollen worden sind, zu ausgezeichneten metallisierten Oberflächen, die für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet waren, einschließlich für elektronische Vorrichtungen, gedruckte Schaltungsplatinen sowie kosmetische Artikel und Schmuck.

Claims (9)

1. Verfahren zur Behandlung eines Artikels, in dem mindestens ein Teil einer Oberfläche des Artikels mit entweder einer Vielkomponenten-Lösung oder einem Reaktionsprodukt der Vielkomponenten-Lösung und mindestens einem Reaktionsmittel in Berührung gebracht und die Zusammensetzung der Lösung überwacht wird, wobei die Überwachung folgende Schritte umfaßt:
die Lösung oder das Reaktionsprodukt wird in Berührung mit einem durchsichtigten Festkörper gebracht, so daß eine Zwischenfläche zwischen dem Festkörper und der Lösung gebildet wird,
auf die Zwischenfläche wird mindestens ein Lichtbündel einer Strahlung gerichtet,
der Brechungsindex der Lösung wird gemessen,
der mindestens eine Lichtbündel weist eine Strahlung mit zwei Wellenlängen auf, die unterschiedlich zueinander sind und so ausgewählt sind, daß für eine Wellenlänge ein Teil der Strahlung reflektiert und ein anderer Teil an der Zwischenfläche gebrochen wird. wobei der reflektierte und gebrochene Strahlungsanteil dieser einen Wellenlänge von dem Brechungsindex der Vielkomponenten-Zusammensetzung abhängt und für eine andere der beiden Wellenlängen wird die Strahlung von der transparenten Zwischenfläche fest-flüssig reflektiert und ist gänzlich unabhängig von dem Brechungsindex der Vielkomponenten- Zusammensetzung und
die Messung umfaßt die Messung der Intensität der Strahlung mit der einen Wellenlänge und mit der anderen Wellenlänge.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
in welcher die Vielkomponenten-Lösung eine Zweikomponenten- Lösung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
in welcher die Vielkomponenten-Lösung Dimethylformamat in Wasser umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
in welcher der transparente Feststoff als Glas in Form eines Prismas vorliegt.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
in welcher der Brechungsindex des Glasses von 0,1 bis 0,6 Einheiten größer als der der Vielkomponenten-Lösung ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
in welcher der Brechungsindex der Vielkomponenten-Lösung 1,42 ± 0,01 beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
in welcher das Glas einen Brechungsindex von 1,785 ± 0,020 bei der Natriumlinie D und eine Abbe-Zahl von 25,7 ± 0,3 aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 1,
in welchem die Oberfläche des Artikels eine Polymeroberfläche ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
in welchem die Oberfläche einem elektrofreien Metallplattieren ausgesetzt wird.
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