WO1996025645A1 - Device for determining the depths of coloured layers on transparent substrates - Google Patents
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- WO1996025645A1 WO1996025645A1 PCT/DE1996/000279 DE9600279W WO9625645A1 WO 1996025645 A1 WO1996025645 A1 WO 1996025645A1 DE 9600279 W DE9600279 W DE 9600279W WO 9625645 A1 WO9625645 A1 WO 9625645A1
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- G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
- G01B11/0625—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of absorption or reflection
Definitions
- the invention relates to a device according to the preamble of claim 1.
- the application of thin colored layers of paint is to be monitored.
- a rapid acquisition of the measured value is important in order to also be able to act quickly on the production process.
- photothermal determination is also used for such measurement tasks.
- Sources of error that have a very negative influence on the measurement result are inhomogeneities in the substrate and contamination, such as Dust.
- the wavelengths ⁇ ,, ..., ⁇ n + 1 must have a certain sufficient distance from one another which depends on the absorption properties of the layers.
- the light beams should be aligned so that they strike the same area of the test specimen at the same angle in order to rule out other sources of error.
- the individual light sources are switched so that one after the other which only impinges light of one wavelength on an optical receiving element and the transmitted light power is determined in each case.
- a distinction must be made here whether the light passes through the substrate and the applied layer (s) or not. If the light is radiated directly onto the optical receiving element, these measured values can be used as reference values, so that they are stored in an evaluation and control unit and are available as calibration values for determining the layer thickness or until further notice.
- two monochromatic light sources that emit light with the wavelengths ⁇ x and ⁇ 2 are required to determine the thickness of an applied layer.
- the light is absorbed differently by the layer.
- the light emitted from, for example, LEDs or laser diodes is focused using suitable optics and directed onto the surface to be measured using suitable means, for example mirrors.
- a highly reflecting and a dichroic mirror can be used to combine and align the two measuring beams.
- the performance of both light sources is influenced by an evaluation and control unit such that their light is directed alternately in the direction of the optical receiving element and the transmitted light output is determined.
- the evaluation and control unit monitors which of the two wavelengths ⁇ or ⁇ 2 strikes the optical receiving element and whether or not a test specimen was in the beam path.
- four different additives are used for the subsequent determination of the layer thickness. Stand sizes made available that can be processed computationally.
- the respective measurement signal can be amplified with an amplifier and, after an analog-to-digital conversion in the evaluation and control unit, can be subjected to a calculation process or a comparison with calibration values stored there.
- the thickness of the layer in this case can be recalculated or the measured values can be calculated with values in
- Calibration tables are compared so as to enable an assignment to a specific layer thickness.
- the monitor photodiodes integrated in them can advantageously be used when using laser diodes.
- the light emitted by the light sources is passed through optics to focus the beam so that it is parallel to the sample or focused on the substrate.
- the optical receiving element is surrounded by black shielding surfaces. If this is not sufficient, this influence, which reduces the measuring accuracy, can be further restricted by emitting the light in a frequency-modulated manner and a frequency-adapted filter frequency-selecting the measuring signal.
- the invention is to be described in more detail below using exemplary embodiments.
- Figure 1 shows the block diagram of an inventive device for determining the thickness of an applied layer
- FIG. 2 shows a further exemplary embodiment with a possibility of compensating for digitization defects
- Figure 3 shows an embodiment with a frequency-modulated light output.
- the device shown in FIG. 1 for determining the thickness of a layer applied to a substrate has a sensor head 1 in which the elements for generating and detecting the measurement signals are accommodated.
- the light sources 2 and 3 can be switched on and off via driver circuits 10 and 11, which are again influenced by the control and evaluation unit, in such a way that either light with the wavelength ⁇ or the wavelength ⁇ 2 is emitted becomes.
- the control signals pass through the lines 19 and 20 to the driver circuits 10 and 11.
- the light emerging from the light sources 2 and 3 is focused with the focusing optics 4 and 5 and with the mirrors 15 and 16 onto the optical receiving element 8 directed.
- the mirror 16 is highly reflective and the mirror 15 is dichroic.
- the mirror 15 enables both beams to be aligned identically and both light beams to be same surface area of the test specimen 13, which can be inserted into the beam path, and the optical receiving element 8. This ensures comparable measurement conditions.
- the signal detected by the optical receiving element 8 is amplified in an amplifier 9 and fed to the evaluation and control unit 7 via line 18, after which the measurement signals have been digitized in an A / D converter 6.
- the evaluation and control unit 7 is also provided with a signal from a sensor 12, which indicates whether the light beam hits the optical receiving element (photodiode) 8 unhindered or through an absorbing test specimen 13, and thus a division into four different states is possible makes;
- the evaluation and control unit 7 can assign the measured values to one of these four states at any time.
- the voltages U j , U 2 , U 3 and U 4 which correspond to the power of the light on the detector 8, can be determined according to the following equations:
- U_, U 2 , U 3 and U 4 are the output voltages of the amplifier for the four states; I and I 2 are the currents which occur at the optical receiving element 8 under direct irradiation, ie without test specimen 13; I 3 and I 4 are the currents that occur at the optical receiving element 8 when illuminated by a test specimen 13, each for the light source 2 or 3.
- P [ or P 2 stand for the light powers emitted by the light sources 2 and 3 (in watts ), measured at the outlet from the sensor head 1.
- the sensitivity of the optical receiving element 8 is designated E] and E 2 (ampere / watt) for the two wavelengths.
- K is the amplification factor of the amplifier 9 in volts / amperes.
- A takes into account the absorption of light by dust or dirt in the light path outside the substrate and is assumed to be constant in the spectral range under consideration.
- the losses due to reflection and scatter within the substrate, which have no influence on the layer thickness signal to be determined, are taken into account with the factor B. Both factors are dimensionless.
- the wavelength-dependent 1 / e absorption length of the colored layer is ⁇ ( ⁇ ) and is given in meters.
- the determined layer thickness value d can be reproduced on the display 21 for manual monitoring and / or can be used via an interface 14 for automatic process control.
- the control signal can already be generated in the evaluation and control unit 7 and transmitted to the coating device via the interface 14 in order to influence it in the required form as quickly as possible.
- the absorption of one of the two light beams with the wavelengths ⁇ , or ⁇ 2 are so large that an evaluation is no longer possible and one of the two values U 3 or U 4 can no longer be processed.
- the limit for this can already be set by the resolution of the A / D converter 6.
- FIG. Another possibility for solving this problem is shown in FIG.
- two different amplifiers 9a, 9b with the amplification factors K, (V / A) and K 2 (dimensionless) are used.
- An analog switch 22 controlled by the evaluation and control unit 7 determines whether the
- Measuring signal is amplified only by amplifier 9a or by both amplifiers 9a and 9b by establishing the connection between amplifier 9a or 9b to the A / D converter 6.
- the amplifier 9a in the states 1, 2 and 4 can be switched through to the converter 6.
- the amplifier 9b with an amplification factor K 2 which is set such that its voltage supplied to the A / D converter 6 can also be easily digitized, can also be effective in state 3.
- the gain factor K 2 is kept constant over a period of time.
- a defined voltage is applied to the amplifier input of 9b and then the output voltage of this amplifier 9b is determined.
- the light emitted by the light sources 2 and 3 is clocked at a frequency in the kHz or MHz range.
- the clock frequency specifies an oscillator 24 connected to the driver circuits 10 and 11. If one of the two light sources 2 or 3 is switched on by the driver circuits 10 or 11, light which is modulated with the oscillator frequency is emitted. Suitable light sources are to be used for this. In this case, for example with the aid of reference detectors, it is not the average power of the light sources, but the amplitude of the modulation that must be kept constant.
- the optical receiving element 8 is followed by a narrow-band electronic filter 23, in which the transmission is greatest at the oscillator frequency. This prevents the low-frequency light caused by daylight or room light
- the filtered measurement signal can then be evaluated in the form already described.
- the invention is not limited to only one layer, but can also be used for several layers.
- at least one monochromatic light source must be used more than the number of layers n to be measured. Otherwise, the procedure is as described above. It only complicates the control of the light sources and the evaluation, since several light sources are switched on in a controlled manner and the corresponding measurement signals have to be assigned for the evaluation.
- the measurements are carried out once with and once without a test specimen 13 for each emitted wavelength ⁇
- the coefficients in the square brackets are layer constants independent of the layer thickness and with the n equations the layer thicknesses d ,, ..., d n for n layers can be calculated.
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Abstract
The invention concerns a device for determining layer depths of coloured layers on transparent substrates by measuring the attenuation of a light beam as it passes through a given layer: monochromatic light sources of known wavelengths, the number (n + 1) of which is one greater than the number (n) of the layer depths to be determined, can be directed alternately at an optical sensor element in such a way that at any given time, only light of one wavelength (μi) falls on the sensor. By comparing the transmitted power of light of different wavelengths (μi) passing through the substrate and layer(s) with the power of light falling directly on the optical sensor element without undergoing such absorption, it is possible to determine the depths of the individual layers (di).
Description
Vorrichtung zur Bestimmung der Schichtdicke farbiger Schichten auf transparenten Substraten Device for determining the layer thickness of colored layers on transparent substrates
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dabei soll insbesondere der Auftrag dünner farbiger Lackschichten überwacht werden. Bei der Messung der aufgetragenen Schicht¬ dicke ist eine schnelle Erfassung des Meßwertes von Bedeutung, um ebenfalls schnell auf den Fertigungs¬ prozeß einwirken zu können.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1. In particular, the application of thin colored layers of paint is to be monitored. When measuring the applied layer thickness, a rapid acquisition of the measured value is important in order to also be able to act quickly on the production process.
Neben der ellipsometrischen Messung dünner Schichten wird auch die photothermische Bestimmung für solche Meßaufgaben eingesetzt.In addition to the ellipsometric measurement of thin layers, photothermal determination is also used for such measurement tasks.
Diese Verfahren erfordern jedoch einen hohen Aufwand 2und erreichen nicht die oft erforderlichen Meßge¬ schwindigkeiten, um den Ausschußanteil bei der Mas¬ senproduktion kleinzuhalten.
Neben diesen Verfahren ist es auch möglich, die ab¬ sorbierende Wirkung der Schichten auszunutzen und den Absorptionsgrad von Licht, das durch die Schichten gelangt, zu ermitteln und als Maß für die Dicke der entsprechenden Schicht zu verwenden.However, these methods require a great deal of effort and do not achieve the measuring speeds which are often required in order to keep the reject fraction low in mass production. In addition to these methods, it is also possible to utilize the absorbing effect of the layers and to determine the degree of absorption of light that passes through the layers and to use this as a measure of the thickness of the corresponding layer.
Fehlerquellen, die das Meßergebnis stark negativ be¬ einflussen, sind dabei Inhomogenitäten im Substrat und Verschmutzungen, wie z.B. Staub.Sources of error that have a very negative influence on the measurement result are inhomogeneities in the substrate and contamination, such as Dust.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung mit einfachem Aufbau zu schaffen, mit der in kurzer Zeit mit ausreichender Genauigkeit die Dicke farbiger Schichten bestimmt werden kann.It is therefore an object of the invention to provide a device with a simple structure with which the thickness of colored layers can be determined in a short time with sufficient accuracy.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn¬ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiter- bildungen ergeben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmalen.According to the invention, this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and further developments result from the features contained in the subordinate claims.
Bei der Messung der Dicken mehrerer aufgetragener Schichten ist es erforderlich, eine monochromatische Lichtquelle mehr einzusetzen als die Anzahl n der Schichten. Dabei müssen die Wellenlängen λ,,...,λn+1 einen bestimmten ausreichenden Abstand voneinander haben, der von den Absorptionseigenschaften der Schichten abhängt.When measuring the thicknesses of several applied layers, it is necessary to use a monochromatic light source more than the number n of layers. The wavelengths λ ,, ..., λ n + 1 must have a certain sufficient distance from one another which depends on the absorption properties of the layers.
Über geeignete Optiken sollten die Lichtstrahlen so ausgerichtet werden, daß sie im gleichen Winkel auf den gleichen Bereich des Prüflings auftreffen, um andere Fehlerquellen auszuschließen. Dabei werden die einzelnen Lichtquellen so geschaltet, daß nacheinan-
der jeweils nur Licht einer Wellenlänge auf ein opti¬ sches Empfangselement auftrifft und jeweils die transmittierte Lichtleistung ermittelt wird. Hierbei muß noch unterschieden werden, ob das Licht durch Substrat und aufgetragene Schicht(en) gelangt oder nicht. Wird das Licht direkt auf das optische Empfangselement gestrahlt, können diese Meßwerte als Referenzwerte verwendet werden, so daß sie in einer Auswerte- und Steuereinheit abgelegt werden und zur Bestimmung der Schichtdicke bzw. bis auf weiteres als Kalibrierwerte zur Verfügung stehen.Using suitable optics, the light beams should be aligned so that they strike the same area of the test specimen at the same angle in order to rule out other sources of error. The individual light sources are switched so that one after the other which only impinges light of one wavelength on an optical receiving element and the transmitted light power is determined in each case. A distinction must be made here whether the light passes through the substrate and the applied layer (s) or not. If the light is radiated directly onto the optical receiving element, these measured values can be used as reference values, so that they are stored in an evaluation and control unit and are available as calibration values for determining the layer thickness or until further notice.
Für die Bestimmung der Dicke von einer aufgetragenen Schicht sind demzufolge zwei monochromatische Licht- quellen, die Licht mit den Wellenlängen \x und λ2 abstrahlen, erforderlich. Das Licht wird von der Schicht unterschiedlich absorbiert. Das aus bei¬ spielsweise LED's oder Laserdioden abgestrahlte Licht wird mit geeigneten Optiken fokussiert und mit geeig- neten Mitteln, beispielsweise Spiegeln, auf die zu messende Oberfläche gerichtet. Zur Kombination und Ausrichtung beider Meßstrahlen können für diesen Fall ein stark reflektierender und ein dichroitischer Spiegel verwendet werden.Accordingly, two monochromatic light sources that emit light with the wavelengths \ x and λ 2 are required to determine the thickness of an applied layer. The light is absorbed differently by the layer. The light emitted from, for example, LEDs or laser diodes is focused using suitable optics and directed onto the surface to be measured using suitable means, for example mirrors. In this case, a highly reflecting and a dichroic mirror can be used to combine and align the two measuring beams.
Die Leistung beider Lichtquellen wird durch eine Aus¬ werte- und Steuereinheit so beeinflußt, daß ihr Licht alternierend in Richtung auf das optische Empfangs¬ element gerichtet und die transmittierte Licht- leistung ermittelt wird. Mit der Auswerte- und Steu¬ ereinheit wird dabei überwacht, welche der beiden Wellenlängen λ, oder λ2 auf dem optischen Empfangs¬ element auftrifft und ob ein Prüfling im Strahlengang war oder nicht. Somit werden für die nachfolgende Bestimmung der Schichtdicke vier verschiedene Zu-
Standsgrößen zur Verfügung gestellt, die rechentech¬ nisch verarbeitet werden können.The performance of both light sources is influenced by an evaluation and control unit such that their light is directed alternately in the direction of the optical receiving element and the transmitted light output is determined. The evaluation and control unit monitors which of the two wavelengths λ or λ 2 strikes the optical receiving element and whether or not a test specimen was in the beam path. Thus, four different additives are used for the subsequent determination of the layer thickness. Stand sizes made available that can be processed computationally.
Das jeweilige Meßsignal kann mit einem Verstärker verstärkt werden und nach einer Analog-Digital-Wand- lung in der Auswerte- und Steuereinheit einem Berech¬ nungsvorgang bzw. einem Vergleich mit dort abgelegten Kalibrierwerten unterzogen werden. So kann die Dicke der in diesem Fall einen Schicht ständig neu berech- net werden oder die Meßwerte können mit Werten inThe respective measurement signal can be amplified with an amplifier and, after an analog-to-digital conversion in the evaluation and control unit, can be subjected to a calculation process or a comparison with calibration values stored there. The thickness of the layer in this case can be recalculated or the measured values can be calculated with values in
Kalibriertabellen verglichen werden, um so eine Zu¬ ordnung zu einer bestimmten Schichtdicke zu ermögli¬ chen.Calibration tables are compared so as to enable an assignment to a specific layer thickness.
Zur Vermeidung von Fehlern, die durch Schwankungen der Lichtleistungen der einzelnen Lichtquellen her¬ vorgerufen werden, werden diese mit Referenzdetekto¬ ren überwacht. Vorteilhaft können hierfür bei der Verwendung von Laserdioden die in ihnen integrierten Monitorphotodioden verwendet werden.To avoid errors caused by fluctuations in the light outputs of the individual light sources, these are monitored with reference detectors. For this purpose, the monitor photodiodes integrated in them can advantageously be used when using laser diodes.
Das von den Lichtquellen ausgestrahlte Licht wird durch Optiken geführt, um den Strahl zu bündeln, so daß er parallel auf die Probe ausgerichtet oder auf das Substrat fokussiert ist.The light emitted by the light sources is passed through optics to focus the beam so that it is parallel to the sample or focused on the substrate.
Zur Verringerung der Einflüsse, die Streulicht aus¬ üben kann, ist das optische Empfangselement von schwarzen Abschirmflächen umgeben. Sollte dies nicht ausreichen, kann dieser die Meßgenauigkeit ver¬ ringernde Einfluß weiter eingeschränkt werden, indem das Licht frequenzmoduliert abgestrahlt wird und ein der Frequenz angepaßter Filter das Meßsignal entspre¬ chend frequenzselektiert.
Nachfolgend soll die Erfindung an Ausführungsbeispie¬ len näher beschrieben werden.In order to reduce the influences that scattered light can exert, the optical receiving element is surrounded by black shielding surfaces. If this is not sufficient, this influence, which reduces the measuring accuracy, can be further restricted by emitting the light in a frequency-modulated manner and a frequency-adapted filter frequency-selecting the measuring signal. The invention is to be described in more detail below using exemplary embodiments.
Dabei zeigen:Show:
Figur 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke einer aufgetragenen Schicht;Figure 1 shows the block diagram of an inventive device for determining the thickness of an applied layer;
Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Möglichkeit der Kompensation von Digitali- sierungsmängeln undFIG. 2 shows a further exemplary embodiment with a possibility of compensating for digitization defects and
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel mit einer frequenz¬ modulierten Lichtabgabe.Figure 3 shows an embodiment with a frequency-modulated light output.
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung zur Bestim¬ mung der Dicke einer auf ein Substrat aufgetragenen Schicht verfügt über einen Sensorkopf 1, in dem die Elemente zur Erzeugung und Erfassung der Meßsignale untergebracht sind. Hierbei sind zwei Lichtquellen 2, 3 zur Erzeugung monochromatischen Lichts, das von der zu messenden Schicht unterschiedlich absorbiert wird, vorhanden. Die Lichtquellen 2 und 3 werden über Trei¬ berschaltungen 10 und 11, die wieder von der Steuer- und Auswerteeinheit beeinflußt werden, ein- und aus- schaltbar, und zwar so, daß entweder Licht mit der Wellenlänge λ, oder der Wellenlänge λ2 abgestrahlt wird. Die Steuersignale gelangen dabei durch die Lei¬ tungen 19 und 20 zu den Treiberschaltungen 10 und 11. Das aus den Lichtquellen 2 und 3 austretende Licht wird mit den Fokussieroptiken 4 und 5 fokussiert und mit den Spiegeln 15 und 16 auf das optische Empfangs¬ element 8 gerichtet. Dabei sind der Spiegel 16 stark reflektierend und der Spiegel 15 dichroitisch. Der Spiegel 15 ermöglicht es, daß beide Strahlen iden- tisch ausgerichtet sind und beide Lichtstrahlen den
gleichen Oberflächenbereich des Prüflings 13, der in den Strahlengang eingeschoben werden kann, und des optischen Empfangselementes 8 treffen. Somit sind vergleichbare Meßverhältnisse gesichert.The device shown in FIG. 1 for determining the thickness of a layer applied to a substrate has a sensor head 1 in which the elements for generating and detecting the measurement signals are accommodated. There are two light sources 2, 3 for generating monochromatic light which is absorbed differently by the layer to be measured. The light sources 2 and 3 can be switched on and off via driver circuits 10 and 11, which are again influenced by the control and evaluation unit, in such a way that either light with the wavelength λ or the wavelength λ 2 is emitted becomes. The control signals pass through the lines 19 and 20 to the driver circuits 10 and 11. The light emerging from the light sources 2 and 3 is focused with the focusing optics 4 and 5 and with the mirrors 15 and 16 onto the optical receiving element 8 directed. The mirror 16 is highly reflective and the mirror 15 is dichroic. The mirror 15 enables both beams to be aligned identically and both light beams to be same surface area of the test specimen 13, which can be inserted into the beam path, and the optical receiving element 8. This ensures comparable measurement conditions.
Das vom optischen Empfangselement 8 erfaßte Signal wird in einem Verstärker 9 verstärkt und über Leitung 18 der Auswerte- und Steuereinheit 7 zugeführt, nach¬ dem die Meßsignale in einem A/D-Wandler 6 digitali- siert worden sind.The signal detected by the optical receiving element 8 is amplified in an amplifier 9 and fed to the evaluation and control unit 7 via line 18, after which the measurement signals have been digitized in an A / D converter 6.
Der Auswerte- und Steuereinheit 7 wird außerdem ein Signal eines Sensors 12 zur Verfügung gestellt, das aussagt, ob der Lichtstrahl ungehindert oder durch einen absorbierenden Prüfling 13 auf das optische Em¬ pfangselement (Photodiode) 8 trifft und damit eine Einteilung in vier verschiedene Zustände möglich macht;The evaluation and control unit 7 is also provided with a signal from a sensor 12, which indicates whether the light beam hits the optical receiving element (photodiode) 8 unhindered or through an absorbing test specimen 13, and thus a division into four different states is possible makes;
- Messung ohne Substrat, λ, ein und λ2 aus;- Measurement without substrate, λ, on and λ 2 off;
Messung ohne Substrat, λj aus und λ2 ein;Measurement without substrate, λ j off and λ 2 on ;
Messung mit Substrat, λ, ein und λ2 aus;Measurement with substrate, λ, on and λ 2 off;
Messung mit Substrat, λj aus und λ2 ein.Measurement with substrate, λ j off and λ 2 on .
Diese Reihenfolge ist nicht unbedingt einzuhalten, es ist ausreichend, die Messungen ohne Substrat in grö¬ ßeren Abständen durchzuführen und die Meßwerte dafür in der Auswerte- und Steuereinheit 7 zur Verfügung zu halten. Ausnahmen hiervon sind nur bei auftretenden Schwankungen der Lichtleistungen der Lichtquellen 2, 3 oder beim Einschalten der Vorrichtung erforderlich.This sequence cannot be strictly adhered to, it is sufficient to carry out the measurements without a substrate at larger intervals and to keep the measured values available for this purpose in the evaluation and control unit 7. Exceptions to this are only necessary if there are fluctuations in the light outputs of the light sources 2, 3 or when the device is switched on.
Die Auswerte- und Steuereinheit 7 kann die Meßwerte zu jeder Zeit einem dieser vier Zustände zuordnen.
Nach dem Lambert-Beer'sehen Gesetz lassen sich die Spannungen Uj, U2, U3 und U4, die der Leistung des Lichtes auf dem Detektor 8 entsprechen, nach folgen¬ den Gleichungen bestimmen:The evaluation and control unit 7 can assign the measured values to one of these four states at any time. According to the Lambert-Beer's law, the voltages U j , U 2 , U 3 and U 4 , which correspond to the power of the light on the detector 8, can be determined according to the following equations:
U, = K*Ij = K*P1*E,*(1-A) (I)U, = K * I j = K * P 1 * E, * (1-A) (I)
U2 = K*I2 = K*P2*E2*(1-A) (II)U 2 = K * I 2 = K * P 2 * E 2 * (1-A) (II)
U3 = K*I3 = K*P1*E1*(l-A)*(l-B)*exp(-d/μ(λ1) ) (III)U 3 = K * I 3 = K * P 1 * E 1 * (lA) * (lB) * exp (-d / μ (λ 1 )) (III)
U4 = K*I4 = K*P2*E2*(l-A)*(l-B)*exp(-d/μ(λ2) ) (IV)U 4 = K * I 4 = K * P 2 * E 2 * (lA) * (lB) * exp (-d / μ (λ 2 )) (IV)
In der Auswerte- und Steuereinheit 7 wird dannThen in the evaluation and control unit 7
W = (U2*U3) / (U,*U4) = exp[d*(l/μ(λ2)-l/μ(λ,)] (V)W = (U 2 * U 3 ) / (U, * U 4 ) = exp [d * (l / μ (λ 2 ) -l / μ (λ,)] (V)
und daraus die Dicke der aufgetragenen Schicht mit d = In W / (l/μ(λ2) - 1 / μ (λ,) ) (VI)and from this the thickness of the applied layer with d = In W / (l / μ (λ 2 ) - 1 / μ (λ,)) (VI)
bestimmt.certainly.
Dabei sind U_, U2, U3 und U4 die Ausgangsspannungen des Verstärkers für die vier Zustände; I, und I2 sind die Ströme, die am optischen Empfangs¬ element 8 bei direkter Bestrahlung, d.h. ohne Prüf¬ ling 13, auftreten; I3 und I4 sind die Ströme, die am optischen Empfangselement 8 bei Durchleuchtung durch einen Prüfling 13 auftreten, jeweils für die Lichtquelle 2 oder 3. P[ bzw. P2 stehen für die von den Lichtquellen 2 und 3 emittierten Lichtleistungen (in Watt), jeweils am Austritt aus dem Sensorkopf 1 gemessen. Die Empfindlichkeit des optischen Empfangs¬ elementes 8 ist für die beiden Wellenlängen mit E] und E2 (Ampere/Watt) bezeichnet. K ist der Verstär¬ kungsfaktor des Verstärkers 9 in Volt/Ampere. A be¬ rücksichtigt die Absorption des Lichts durch Staub
oder Schmutz im Lichtweg außerhalb des Substrates und wird im betrachteten Spektralbereich als konstant angenommen. Die Verluste durch Reflexion und Streuung innerhalb des Substrates, die keinen Einfluß auf das zu ermittelnde Schichtdickensignal haben, werden mit dem Faktor B berücksichtigt. Beide Faktoren sind di¬ mensionslos. Die wellenlängenabhängige 1/e-Absorp- tionslänge der farbigen Schicht ist μ(λ) und wird in Metern angegeben. Bei der Auswahl der Lichtquellen ist darauf zu achten, daß μ(λ,) ungleich μ(λ2) ist.U_, U 2 , U 3 and U 4 are the output voltages of the amplifier for the four states; I and I 2 are the currents which occur at the optical receiving element 8 under direct irradiation, ie without test specimen 13; I 3 and I 4 are the currents that occur at the optical receiving element 8 when illuminated by a test specimen 13, each for the light source 2 or 3. P [ or P 2 stand for the light powers emitted by the light sources 2 and 3 (in watts ), measured at the outlet from the sensor head 1. The sensitivity of the optical receiving element 8 is designated E] and E 2 (ampere / watt) for the two wavelengths. K is the amplification factor of the amplifier 9 in volts / amperes. A takes into account the absorption of light by dust or dirt in the light path outside the substrate and is assumed to be constant in the spectral range under consideration. The losses due to reflection and scatter within the substrate, which have no influence on the layer thickness signal to be determined, are taken into account with the factor B. Both factors are dimensionless. The wavelength-dependent 1 / e absorption length of the colored layer is μ (λ) and is given in meters. When selecting the light sources, make sure that μ (λ,) is not equal to μ (λ 2 ).
Je größer der Unterschied, um so genauer kann gemes¬ sen werden.The greater the difference, the more precisely it can be measured.
Der ermittelte Schichtdickenwert d kann auf der An- zeige 21 zur manuellen Überwachung wiedergegeben wer¬ den und/oder über eine Schnittstelle 14 zur automati¬ schen Prozeßsteuerung verwendet werden. Dabei kann das Steuersignal bereits in der Auswerte- und Steuer¬ einheit 7 erzeugt und über die Schnittstelle 14 an die Beschichtungsvorrichtung gegeben werden, um diese auf schnellstem Wege in der geforderten Form zu be¬ einflussen.The determined layer thickness value d can be reproduced on the display 21 for manual monitoring and / or can be used via an interface 14 for automatic process control. In this case, the control signal can already be generated in the evaluation and control unit 7 and transmitted to the coating device via the interface 14 in order to influence it in the required form as quickly as possible.
Bei der Bestimmung von Schichten mit größerer Dicke und auch bei stark unterschiedlichen Werten für die wellenlängenabhängige 1/e-Absorptionslänge der farbi¬ gen Schicht μ(λt) und μ(λ2) kann die Absorption einer der beiden Lichtstrahlen mit den Wellenlängen λ, oder λ2 so groß sein, daß eine Auswertung nicht mehr mög- lieh ist und einer der beiden Werte U3 oder U4 nicht mehr verarbeitbar ist. Die Grenze kann dafür bereits durch das Auflösungsvermögen des A/D-Wandlers 6 ge¬ setzt werden.
In einem solchen Fall ist es möglich, mit unter¬ schiedlichem Verstärkungsfaktor für die vom optischen Empfangselement 8 erfaßten Meßsignale zu arbeiten. Dies kann dadurch erfolgen, daß ein umschaltbarer Verstärker, der von der Auswerte- und Steuereinheit 7 gesteuert wird, verwendet und je nach eingeschalteter Lichtquelle 2 oder 3 der Verstärkungsfaktor K verän¬ dert wird.When determining layers with greater thickness and also with very different values for the wavelength-dependent 1 / e absorption length of the colored layer μ (λ t ) and μ (λ 2 ), the absorption of one of the two light beams with the wavelengths λ, or λ 2 are so large that an evaluation is no longer possible and one of the two values U 3 or U 4 can no longer be processed. The limit for this can already be set by the resolution of the A / D converter 6. In such a case, it is possible to work with a different gain factor for the measurement signals detected by the optical receiving element 8. This can be done by using a switchable amplifier, which is controlled by the evaluation and control unit 7, and by changing the amplification factor K, depending on the light source 2 or 3 that is switched on.
In der Figur 2 ist zur Lösung dieses Problems eine andere Möglichkeit dargestellt. Hierbei werden zwei verschiedene Verstärker 9a, 9b mit den Verstärkungs¬ faktoren K, (V/A) und K2 (dimensionslos) verwendet. Von einem von der Auswerte- und Steuereinheit 7 ge- steuerten Analogschalter 22 wird bestimmt, ob dasAnother possibility for solving this problem is shown in FIG. Here, two different amplifiers 9a, 9b with the amplification factors K, (V / A) and K 2 (dimensionless) are used. An analog switch 22 controlled by the evaluation and control unit 7 determines whether the
Meßsignal nur von Verstärker 9a oder von beiden Ver¬ stärkern 9a und 9b verstärkt wird, indem die Verbin¬ dung zwischen Verstärker 9a oder 9b zum A/D-Wandler 6 hergestellt wird.Measuring signal is amplified only by amplifier 9a or by both amplifiers 9a and 9b by establishing the connection between amplifier 9a or 9b to the A / D converter 6.
So kann beispielsweise der Verstärker 9a bei den Zu¬ ständen 1, 2 und 4 zum Wandler 6 durchgeschaltet wer¬ den. Der Verstärker 9b mit einem Verstärkungsfaktor K2, der so eingestellt ist, daß seine an den A/D- Wandler 6 gelieferte Spannung ebenfalls gut digitali¬ sierbar ist, kann im Zustand 3 zusätzlich wirksam werden.For example, the amplifier 9a in the states 1, 2 and 4 can be switched through to the converter 6. The amplifier 9b with an amplification factor K 2 , which is set such that its voltage supplied to the A / D converter 6 can also be easily digitized, can also be effective in state 3.
Günstig ist es, wenn der Verstärkungsfaktor K2 zeit- lieh konstant gehalten wird. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, Referenzmessungen durchzuführen, um das den Faktor K2 zu überwachen. Dabei wird eine de¬ finierte Spannung an den Verstärkereingang von 9b
gelegt, und anschließend wird die Ausgangsspannung dieses Verstärkers 9b ermittelt.It is expedient if the gain factor K 2 is kept constant over a period of time. However, it is also possible to carry out reference measurements in order to monitor the factor K 2 . A defined voltage is applied to the amplifier input of 9b and then the output voltage of this amplifier 9b is determined.
Die mit einer Vorrichtung nach Figur 2 ermittelten Meßwerte und verwendbaren Gleichungen sind nachfol¬ gend wiedergegeben:
The measured values and equations that can be used with a device according to FIG. 2 are reproduced below:
U2 = K,*I2 = K,*P2*E2*(1-A) (II')U 2 = K, * I 2 = K, * P 2 * E 2 * (1-A) (II ')
U3 = K,*K2*I3 = K,*K2*P,*E,*(l-A)*(l-B)*exp(-d/μ(λ1) ) (III')U 3 = K, * K 2 * I 3 = K, * K 2 * P, * E, * (lA) * (lB) * exp (-d / μ (λ 1 )) (III ')
U4 = K,*I4 = K,*P2*E2*(l-A)*(l-B)*exp(-d/μ(λ2) ) (IV)U 4 = K, * I 4 = K, * P 2 * E 2 * (lA) * (lB) * exp (-d / μ (λ 2 )) (IV)
W=(U,*U3)/{(U,*U4)*K2} = exp{d*(l/μ(λ2)-l/μ(λ,)} (V)W = (U, * U 3 ) / {(U, * U 4 ) * K 2 } = exp {d * (l / μ (λ 2 ) -l / μ (λ,)} (V)
und d = In W / (l/μ(λ2) - 1 / μ (λ,)) (VI')and d = In W / (l / μ (λ 2 ) - 1 / μ (λ,)) (VI ')
Mit der in der Figur 3 als Blockschaltbild darge¬ stellten Vorrichtung kann der Einfluß von Streulicht oder störendem Hintergrundlicht unterdrückt werden. Dabei wird das von den Lichtquellen 2 und 3 abge¬ strahlte Licht mit einer Frequenz im kHz- bzw. MHz- Bereich getaktet. Die Taktfrequenz gibt ein mit den Treiberschaltungen 10 und 11 verbundener Oszillator 24 vor. Wird eine der beiden Lichtquellen 2 oder 3 durch die Treiberschaltungen 10 oder 11 eingeschal¬ tet, wird Licht, das mit der Oszillatorfrequenz modu¬ liert ist, abgestrahlt. Hierfür sind geeignete Licht¬ quellen zu verwenden. In diesem Fall ist z.B. mit Hilfe von Referenzdetektoren nicht die Durchschnitts¬ leistung der Lichtquellen, sondern die Amplitude der Modulation konstant zu halten.
Dem optischen Empfangselement 8 ist ein schmalbandi- ges elektronisches Filter 23 nachgeschaltet, bei dem der Durchlaß bei der Oszillatorfrequenz am größten ist. Hiermit wird verhindert, daß das durch Tages- oder Raumlicht hervorgerufene niederfrequente LichtWith the device shown as a block diagram in FIG. 3, the influence of stray light or disturbing background light can be suppressed. The light emitted by the light sources 2 and 3 is clocked at a frequency in the kHz or MHz range. The clock frequency specifies an oscillator 24 connected to the driver circuits 10 and 11. If one of the two light sources 2 or 3 is switched on by the driver circuits 10 or 11, light which is modulated with the oscillator frequency is emitted. Suitable light sources are to be used for this. In this case, for example with the aid of reference detectors, it is not the average power of the light sources, but the amplitude of the modulation that must be kept constant. The optical receiving element 8 is followed by a narrow-band electronic filter 23, in which the transmission is greatest at the oscillator frequency. This prevents the low-frequency light caused by daylight or room light
Einfluß auf das Meßsignal hat, da die dadurch hervor¬ gerufenen Spannungswerte das Filter 23 nicht passie¬ ren können.Has an influence on the measurement signal, since the voltage values caused thereby cannot pass the filter 23.
Die Auswertung des gefilterten Meßsignals kann dann in der bereits beschriebenen Form erfolgen.The filtered measurement signal can then be evaluated in the form already described.
Zum Verständnis der erfindungsgemäßen Lösung wurde bei der Beschreibung der Beispiele lediglich auf die Bestimmung der Dicke von nur einer aufgetragenenTo understand the solution according to the invention, the description of the examples only applied to determining the thickness of only one
Schicht abgestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf nur eine Schicht begrenzt, sondern kann auch für mehrere Schichten Verwendung finden. Hierfür muß min¬ destens eine monochromatische Lichtquelle mehr als die Anzahl der zu messenden Schichten n eingesetzt werden. Im übrigen wird entsprechend verfahren, wie dies bereits beschrieben wurde. Es wird lediglich die Steuerung der Lichtquellen und die Auswertung kompli¬ zierter, da mehrere Lichtquellen gesteuert einge- schaltet und die entsprechenden Meßsignale für die Auswertung zugeordnet werden müssen.Shift turned off. However, the invention is not limited to only one layer, but can also be used for several layers. For this, at least one monochromatic light source must be used more than the number of layers n to be measured. Otherwise, the procedure is as described above. It only complicates the control of the light sources and the evaluation, since several light sources are switched on in a controlled manner and the corresponding measurement signals have to be assigned for the evaluation.
Die Messungen erfolgen auch hier einmal mit und ein¬ mal ohne Prüfling 13 für jede abgestrahlte Wellenlän- ge λ|, wobei i mindestens n+1 Werte erreicht.Here too, the measurements are carried out once with and once without a test specimen 13 for each emitted wavelength λ | , where i reaches at least n + 1 values.
Es gelten einmal für den Zustand ohne Substrat und einmal für den Zustand mit Substrat die Gleichungen:The equations apply once for the state without substrate and once for the state with substrate:
Uiι0hne = K*Pi*Ei*(l-A) (VII)
Ui.mit = K*Pi*Ei*(l-A)*(l-B)* exp[-d1/μ1(λi)-d2/μ2(λi)U iι0hne = K * Pi * Ei * (lA) (VII) Ui.mi t = K * P i * E i * (lA) * (lB) * exp [-d 1 / μ 1 (λ i ) -d 2 / μ 2 (λ i )
...-dn/μn(λi)] (VIII)...- d n / μ n (λ i )] (VIII)
Dabei sind P; die Leistungen der einzelnen Lichtquel¬ len, Ej die Detektorempfindlichkeiten bezüglich (i=l, ..., n+1) , d: die Dicke der j-ten Schicht und μ: (λ^ die 1/e- Absorptionslänge von Schicht j bei der Wellenlänge λj (j= 1, ... , n) .P ; the powers of the individual light sources, E j the detector sensitivities with respect to (i = 1, ..., n + 1), d: the thickness of the jth layer and μ: (λ ^ the 1 / e absorption length of the layer j at the wavelength λj (j = 1, ..., n).
Mit der Auswerte- und Steuereinheit 7 wird die Zuord¬ nung der einzelnen Meßsignale durchgeführt, und es werden Werte Qk für k= 1, ..., n gebildet.The evaluation and control unit 7 carries out the assignment of the individual measurement signals, and values Q k for k = 1,..., N are formed.
Qk= in ( (Un+lιθhne*Ukmit) / (Un+l mit*Uk>ohne) )Q k = in ((U n + lιθhne * U kmit ) / (U n + l with * U k> without ))
= d,[l/μ,(λIl+,)-l/μ1(λk)] + d2[l/μ2(λn+1)-l/μ,(λk)] + ... + dn[l/μn(λn+I)-l/μn(λk)] (IX)= d, [l / μ, (λ Il + ,) - l / μ 1 (λ k )] + d 2 [l / μ 2 (λ n + 1 ) -l / μ, (λ k )] + .. . + d n [l / μ n (λ n + I ) -l / μ n (λ k )] (IX)
Die Koeffizienten in den eckigen Klammern sind schichtdickenunabhange Materialkonstanten und mit den n Gleichungen können die Schichtdicken d,,...,dn für n Schichten berechnet werden.
The coefficients in the square brackets are layer constants independent of the layer thickness and with the n equations the layer thicknesses d ,, ..., d n for n layers can be calculated.
Claims
1. Vorrichtung zur Bestimmung der Schichtdicke far- biger Schichten auf transparenten Substraten durch Bestimmung der Abschwächung eines Licht¬ strahls beim Durchgang durch die Schicht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine um eins gegenüber der Anzahl der zu bestimmenden Dicken von Schichten (n) vermehrte1. Device for determining the layer thickness of colored layers on transparent substrates by determining the attenuation of a light beam as it passes through the layer, so that an increase in the number of layers (s) to be determined increases by one compared to the number of thicknesses to be determined
Anzahl (n+1) monochromatischer Lichtquellen (2, 3) bekannter Wellenlängen, so auf ein optisches Empfangselement (8) alternierend richtbar sind, daß zu jedem Zeitpunkt nur Licht einer Wellen- länge (λi) auftrifft und durch Vergleich der transmittierten Lichtleistungen des Lichts mit verschiedener Wellenlänge ( ) beim Durchgang durch das Substrat (13) und die Schicht(en) und ohne eine solche Absorption mit direktem Auf- treffen auf das optische Empfangselement (8) dieNumber (n + 1) of monochromatic light sources (2, 3) of known wavelengths, so that an optical receiving element (8) can be alternately directed so that only light of one wavelength (λi) is incident at any time and by comparing the transmitted light outputs of the light with different wavelengths () when passing through the substrate (13) and the layer (s) and without such absorption with direct impact on the optical receiving element (8)
Dicke der einzelnen Schichten (dj) bestimmbar ist.Thickness of the individual layers (d j ) can be determined.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß die monochromatischen Lichtquellen2. Device according to claim 1, characterized in that the monochromatic light sources
(2, 3) über eine Steuereinrichtung alternierend ein- und ausschaltbar sind.(2, 3) can be switched on and off alternately via a control device.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Lichtstrahlen der mono¬ chromatischen Lichtquellen (2, 3) mit gleichem Einfallswinkel auf den gleichen Punkt auf den Prüfling (13) auftreffen. 3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the light beams of the monochromatic light sources (2, 3) impinge on the test object (13) with the same angle of incidence at the same point.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom optischen Empfangselement (8) ermittelten Signale ver¬ stärkt, digitalisiert und einer Auswerte- und Steuereinheit (7) zur Durchführung des Ver¬ gleichs zuführbar sind.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the signals determined by the optical receiving element (8) are amplified, digitized and can be fed to an evaluation and control unit (7) for carrying out the comparison.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (2, 3) Laserdioden sind.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the light sources (2, 3) are laser diodes.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (2, 3) LED's sind.6. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the light sources (2, 3) are LEDs.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (2, 3) über von einer Steuereinheit (7) steuerbaren Treiberschaltungen (10, 11) schaltbar sind.Device according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the light sources (2, 3) can be switched via driver circuits (10, 11) which can be controlled by a control unit (7).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die fokussierten Strahlen der Lichtquellen (2, 3) mittels Spie¬ geln (15, 16) auf das optische Empfangselement (8) gerichtet sind.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the focused beams of the light sources (2, 3) by means of mirrors (15, 16) are directed to the optical receiving element (8).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein di- chroitischer Spiegel (15) zur Kombination und Ausrichtung zweier verschiedener Lichtstrahlen vorhanden ist. 9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least one dichroic mirror (15) for combining and aligning two different light beams is present.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sen¬ sor (12) zur Erfassung, ob sich ein Prüfling (13) im Strahlengang befindet oder nicht, vor- handen ist.10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that at least one sensor (12) for detecting whether a test specimen (13) is in the beam path or not is present.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ver¬ stärker (9) das Meßsignal des optischen Em- pfangselementes (8) verstärkt.11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that at least one amplifier (9) amplifies the measurement signal of the optical receiving element (8).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche l bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (9) schaltbare Verstärkungsstufen aufweist.12. Device according to one of claims l to 11, characterized in that the amplifier (9) has switchable amplification stages.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Steuereinheit (7) zwei Verstärker (9a, 9b) , die die Meßsignale des optischen Empfangselementes selektiert verstärken, schaltet.13. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the evaluation and control unit (7) switches two amplifiers (9a, 9b), which selectively amplify the measurement signals of the optical receiving element.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator (24) die Leistung des abgestrahlten Lichtes der Lichtquellen (2, 3) mit einer Frequenz moduliert und dem optischen Empfangselement (8) ein elek¬ tronisches Filter (23) nachgeschaltet ist, des¬ sen Transmission bei der Oszillatorfrequenz ma¬ ximal ist.14. Device according to one of claims 1 to 13, characterized in that an oscillator (24) modulates the power of the emitted light from the light sources (2, 3) with a frequency and the optical receiving element (8) an electronic filter (23rd ) is connected downstream, the transmission of which is maximum at the oscillator frequency.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtemissionen der Lichtquellen (2, 3) mittels Referenzdetekto¬ ren überwachbar sind. 15. The device according to one of claims 1 to 14, characterized in that the light emissions of the light sources (2, 3) can be monitored by means of reference detectors.
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