專利名稱:襯底上薄膜的特性監(jiān)測設(shè)備的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于敷在襯底表面的薄膜用的監(jiān)測設(shè)備，特別是關(guān)于光學(xué)法測定敷在玻璃板表面上薄膜的特性用的設(shè)備。
薄膜一般是敷在玻璃上來吸收或反射陽光的照射的。薄膜厚度測定儀在工業(yè)和研究部門具有多種用途。市面上出售有各種這類用途用的裝置。例如，表面輪廓監(jiān)測器用測頭跟蹤薄膜表面測定薄膜蝕刻到襯底處步長的大小。直接接觸會(huì)使表面變形或損傷，因而在許多情況下都希望有一種非接觸式的測定方法。根據(jù)薄膜表面反射光進(jìn)行測定的方法即采用了這類非接觸式探頭。
用光學(xué)測定薄膜厚度主要有兩種不同的方法。第一種方法叫做橢圓對稱法，這種方法測定和比較某給定波長的反射系數(shù)以及垂直和平行于入射平面的偏振入射角，需要進(jìn)行大量計(jì)算，而且只有當(dāng)憑直覺知道薄膜的厚度是在某一有限范圍(通常在0至3000埃左右)內(nèi)時(shí)才能得出明確的結(jié)果。第二種光學(xué)測定法是基于波長和/或與反射率有關(guān)的入射角，這可在薄膜中作為周知的干涉色觀察出來。雖然這種方法的原理很簡單，但基于這個(gè)原理的儀器并不便宜。而且最簡單的儀器甚至不能提供薄膜厚度的直接讀數(shù)。
美國專利2，655，073公開了上述現(xiàn)有技術(shù)第二種方法所使用的是用反射法測定透明或半透明板材厚度的光學(xué)厚度測定儀。這種測定儀將光從樣品板材上反射到一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的平反射器上。平反射器具有當(dāng)反射光束同相時(shí)能形成干涉條紋的平行表面，且在從樣品反射回來的光路中轉(zhuǎn)動(dòng)到光束同相形成用以顯示在一鏡面上的條紋時(shí)的角度。反射器的轉(zhuǎn)角即為板材厚度的量度。該專利還介紹了光楔的應(yīng)用，用光楔在反射光束同相時(shí)形成干涉條紋，這時(shí)光楔厚度就與樣品厚度一致。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明提供的是一種襯底上薄膜的特選特性測定設(shè)備，該設(shè)備包括一掃描頭，安裝得使其可沿距襯底表面一段距離通常為線性的路徑運(yùn)動(dòng);一光源，附在所述掃描頭上;一導(dǎo)光裝置，用以引導(dǎo)所述光源的光束使其照射到襯底表面;一集光裝置，附在所述掃描頭上，用以將襯底表面反射回來的所述光束的至少一部分收集起來;該薄膜特性測定設(shè)備的特征在于還包括輸出信號(hào)發(fā)生裝置和薄膜特性測定裝置。輸出信號(hào)發(fā)生裝置根據(jù)所述收集到的光產(chǎn)生表示所述光束的至少兩種不同特性的輸出信號(hào);薄膜特性測定裝置則根據(jù)所述輸出信號(hào)測定在襯底表面上形成的薄膜的至少一種特性。
更詳細(xì)地說，本發(fā)明涉及一種用以掃描和監(jiān)測諸如b＊值、薄膜邊反射率和涂薄層厚度之類的玻璃條板的特性的在線反射率監(jiān)測器。掃描頭系安裝得使其可以橫切玻璃條板的移動(dòng)路徑運(yùn)動(dòng)。掃描頭包括一遮光光源和一積分球。遮光光源用以防止系統(tǒng)免受環(huán)境光的影響。積分球有一個(gè)濾光的檢測器，用以產(chǎn)生表示從玻璃條板外部表面反射回來的光的“Y”值和“Z”值的信號(hào)?！癥”信號(hào)和“Z”信號(hào)輸入到一個(gè)電子計(jì)算機(jī)中，由該計(jì)算機(jī)計(jì)算出b＊值和涂敷層厚度。有一個(gè)三通道裝置描出b＊值、涂敷層厚度和反射率的曲線。輸入數(shù)據(jù)和計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳送到更大型的電子計(jì)算機(jī)中，由該計(jì)算機(jī)計(jì)算出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并驅(qū)動(dòng)在遠(yuǎn)處的其它輸出裝置。
附圖中圖1是本發(fā)明的在線反射率監(jiān)測系統(tǒng)的方框圖;
圖2是圖1中所示的掃描頭經(jīng)放大的方框圖;
圖3是應(yīng)用本發(fā)明得出的典型b＊值的曲線圖;
圖4是應(yīng)用本發(fā)明得出的典型反射率值的曲線圖;
圖5則是應(yīng)用本發(fā)明得出的典型涂敷層厚度值的曲線圖;
圖1顯示了本發(fā)明在線反射率監(jiān)測系統(tǒng)的方框圖。圖中，按周知的浮法制成的玻璃條板11之類的襯底表示是朝讀者的方向移動(dòng)，從圖中可以看到玻璃條板11的前沿11a，和朝上的外部表面11b，較薄的薄膜涂敷層即敷在外部表面11b上。玻璃條板11在一對彼此相隔一段距離的豎向延伸的支柱12之間通過。支柱12之間延伸有通常是水平的導(dǎo)軌13，導(dǎo)軌13上裝有一個(gè)掃描頭14。掃描頭14可藉任何周知的動(dòng)力裝置(圖中未示出)沿導(dǎo)軌13從玻璃條板11的一側(cè)到另一側(cè)來回加驅(qū)動(dòng)。
如下面即將談到的那樣，掃描頭14沿輸出線15和16分別給一對光學(xué)監(jiān)測器17和18發(fā)出一對電信號(hào)。各光學(xué)監(jiān)測器17和18可以是美國加利福尼亞州圣莫尼卡市埃迪公司制造的LM-101型光學(xué)監(jiān)測器。各光學(xué)監(jiān)測器17和18分別沿線路19和20給微處理機(jī)21發(fā)出模擬輸出信號(hào)。微處理機(jī)21將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，并用該數(shù)字值計(jì)算有關(guān)玻璃板11的b＊值和涂敷層厚度的特性信號(hào)信息。微處理機(jī)21所產(chǎn)生的特性信號(hào)數(shù)據(jù)或信息信號(hào)可沿線路22傳送到三通道條形記錄紙記錄器23之類的輸出裝置上，由該記錄器描出b＊值、涂敷層厚度和反射率對在玻璃條板11的表面11b上進(jìn)行測量的位置的關(guān)系曲線。
微處理機(jī)21的輸出數(shù)據(jù)還可以沿線路24傳送到諸如主幀制造過程計(jì)算機(jī)之類的計(jì)算機(jī)25。計(jì)算機(jī)25一般系編程得使其能收集制造過程數(shù)據(jù)并計(jì)算有助于評價(jià)制造過程效率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)25將其數(shù)據(jù)沿線路26輸出，線路26是用以驅(qū)動(dòng)描繪器27進(jìn)行連接的，描繪器27則可以安置在，例如，質(zhì)量控制站或試驗(yàn)室中。另一條線路28可以連接到第二描繪器29上，描繪器29則可以安置在玻璃條板生產(chǎn)線的高溫端附近供監(jiān)測之用。輸出裝置的數(shù)目和類型僅受控制這類設(shè)備的計(jì)算機(jī)25的容量的限制。
圖2的方框圖示意表示了掃描頭14更詳細(xì)的情況。掃描頭14裝有光源30，電氣線路31即可接到電源(圖中未示出)給光源30供81。光源30一般裝在外罩32的一端，光束33即從外罩32的另一端發(fā)射到玻璃條板11的上部表面11b。外罩32可以裝遮光器34，遮光器34的作用是在光束33從光源30發(fā)射出來時(shí)將其遮斷。遮光器34按預(yù)定的持續(xù)時(shí)間和預(yù)定速率發(fā)出一系列光脈沖。從遮光器34發(fā)出的光脈沖通過濾光器35。光源30一般為一種作為模擬晝光則紅色成分就太多的鎢絲燈。藍(lán)光濾光器35是供裝在外罩32輸出端的透鏡36將光脈沖聚焦之前除去一些紅光之用。
光束33以預(yù)定角度射到玻璃條板11的上部表面11b，并按同樣的預(yù)定角度作為光束33a反射到裝在掃描頭14上的積分球37上。該預(yù)定角度通常取45度。積分球37有一個(gè)入口38，入口38對準(zhǔn)反射光束33a，從而使反射光進(jìn)入積分球37內(nèi)部。積分球37的直徑可大致取4英寸，入口38的直徑則可大致取1 3/4 英寸。入口38的大小取決于可利用的光量和玻璃條板11和掃描頭14之間可能有的距離和角度范圍。
積分球37內(nèi)部涂敷有反光材料，且在積分球壁上至少開有兩個(gè)檢測器端口39和40。各檢測器端口包括光電管之類的檢測器，用以根據(jù)積分球37內(nèi)部的反射光產(chǎn)生表示光強(qiáng)的電輸出信號(hào)。例如，檢測器端口39中的檢測器39a的輸出端可接到線路41上，線路41又通過前置放大器42接到輸出線路15上。前置放大器42用以放大檢測器輸出信號(hào)的大小，以便接著由微處理機(jī)21進(jìn)行處理。同樣，檢測器端口40中的檢測器40a由線路43通過前置放大器44連接到輸出線路16上。
CIE(國際照明委員會(huì))規(guī)定了若干光譜分布已知的施照體作為測色時(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)。三色刺激色度學(xué)是基于這樣一個(gè)事實(shí)，即任何顏色都可以用其它三種在量上受控制的顏色復(fù)制出來。三色刺激色標(biāo)包括X、Y、Z系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)表示從測量中樣品反射回來的光的積分值對從完全漫射體反射回來的光的積分值的比值，這時(shí)兩者都逐個(gè)波長地乘以《標(biāo)準(zhǔn)觀測者》的響應(yīng)曲線并乘以施照體H。1931年的《CIE標(biāo)準(zhǔn)觀測者》的響應(yīng)曲線規(guī)定了再生從380毫微米至750毫微米各波長的能量所需各三個(gè)一次光(綠、淡黃和藍(lán))的量，其中綠色曲線為適于人眼的視亮度標(biāo)準(zhǔn)曲線(x為淡黃色，y為綠色，z為藍(lán)色)。
各光電管可接上一濾光器，僅供檢測反射光的預(yù)定特性。例如，檢測器端口39可接上一濾光器39b，用以過濾積分球37內(nèi)的光以便只獲取其“Z”分量。為取得所希望的結(jié)果，濾光器39b可以是單個(gè)的濾光器或由兩個(gè)或多個(gè)濾光器組合而成。同樣，檢測器端口40也可接有濾光器40b供獲取積分球37內(nèi)部的光的“Y”分量。若積分球37內(nèi)可利用的光不足以可靠地獲取所希望的特性，可在積分球上增設(shè)另外的檢測器端口、光電管和濾光器并將它們連接起來，以增加加到前置放大器42和44中其中一個(gè)有關(guān)的前置放大器上的信號(hào)的大小。一般說來，鎢絲燈在“Z”區(qū)域中可加以利用的能量太小，因此要獲取適當(dāng)?shù)男盘?hào)電平，必須采用兩個(gè)光電管檢測器。
近年來，L，a，b三色刺激系統(tǒng)廣泛受歡迎。L表示人眼非線性黑白響應(yīng)的數(shù)學(xué)近似值。全白的值為一百，全黑的值為零?！癮”和“b”值用以鑒定樣品的色調(diào)和色度或顏色?！癮”值為正時(shí)表示紅色，“a”值為負(fù)時(shí)表示綠色、“b”值為正時(shí)表示黃色，為負(fù)時(shí)表示藍(lán)色。1976年CIEL＊、a＊、b＊色標(biāo)或CIEAB色標(biāo)與CIE x、y、z色標(biāo)具有下列關(guān)系L＊＝116(Y/Yo)1/3-16a＊＝500〔(X/Xo)1/3-(Y/Yo)1/3〕b＊＝200〔Y/Yo)1/3-(Z/Zo)1/3〕其中X/Xo、Y/Yo和Z/Zo各個(gè)都大于0.01，Xo、Yo、Zo則表示標(biāo)稱白物體色刺激的顏色。
來自光學(xué)監(jiān)測器18的“Y”信號(hào)和來自光學(xué)監(jiān)測器17的“Z”信號(hào)都是模擬形式的，因而得由微處理機(jī)21轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。微處理機(jī)21系編程得使其可根據(jù)b＊＝200〔(Y/Yo)1/3-(Z/Zo)1/3〕的算式計(jì)算b＊值?！癥o”和“Zo”是方程的常數(shù)基準(zhǔn)值。然后描出所得出的b＊值相對于在玻璃條板上獲取該值的位置的關(guān)系曲線。位置值可從連接到微處理機(jī)21以便在線路46上產(chǎn)生位置信號(hào)的位置傳感器45獲取。參看圖3，這就是所述的那種關(guān)系曲線圖，b＊值標(biāo)在縱坐標(biāo)上，掃描頭相對于玻璃條板一側(cè)的位置以英寸為單位標(biāo)在橫坐標(biāo)上。視掃描頭14的運(yùn)動(dòng)速率和玻璃條板11的運(yùn)動(dòng)速率而定，圖3的曲線可表示沿基本上垂直于玻璃條板縱向軸線或與縱向軸線成預(yù)定角度的線上的值。圖4是反射率的曲線圖，反射率值標(biāo)在縱坐標(biāo)上，掃描頭的位置標(biāo)在橫坐標(biāo)上。反射率是從光學(xué)監(jiān)測器18獲取的“Y”值。如上所述，鎢絲光源系過濾成晝程內(nèi)的模擬光。例如，帶有適當(dāng)濾光器校正的鎢絲燈能模擬出諸如通常稱之為CIE施照體C的全陰天的一般晝光。
圖5的曲線，縱坐標(biāo)上標(biāo)的是涂敷層厚度值，橫坐標(biāo)上標(biāo)的是掃描頭的位置。涂敷層厚度可從“Y”和“Z”值計(jì)算出來。但通過查找存儲(chǔ)在微處理機(jī)21中原先計(jì)算出來的數(shù)值一覽表可以更快獲取所希望求出的值，而且精確度相當(dāng)好。諸存儲(chǔ)值系參照“Y”和“b＊”值。
圖3至5所示的曲線是由其中一個(gè)輸出裝置上的計(jì)算機(jī)25產(chǎn)生的，該輸出裝置可以是描繪器或打印機(jī)27和29之類的圖形顯示器。所述數(shù)值可以由操作人員加以監(jiān)控并/或借助電子方式加以監(jiān)控，以便萬一數(shù)值處在規(guī)定范圍之外時(shí)糾正生產(chǎn)過程。若b＊值過高，則反射光的黃光太多。若b＊值過低，則反射光的藍(lán)光太多。這些測定對建筑用的玻璃在建筑物的多重窗戶要求具有同樣的顏色的場合特別重要。若玻璃的配方系以a＊值為關(guān)鍵值，則可在積分球37中另外裝設(shè)檢測器，以便獲取計(jì)算a＊值所需的光的“X”分量。
權(quán)利要求
1.一種襯底上薄膜特選特性測定設(shè)備，該測定設(shè)備包括一掃描頭，安裝得使其可沿距某一襯底表面一段距離通常為線性的路徑運(yùn)動(dòng)；一光源，附在所述掃描頭上；一導(dǎo)光裝置，用以引導(dǎo)所述光源的光束使其照射到襯底表面；一集光裝置，附在所述掃描頭上，用以將襯底表面反射回來的所述光束的至少一部分收集起來；其特征在于，該測定設(shè)備還包括一輸出信號(hào)發(fā)生裝置，用以根據(jù)所述收集到的光產(chǎn)生表示所述光束的至少兩種不同特性的輸出信號(hào)；和一薄膜特性測定裝置，用以根據(jù)所述輸出信號(hào)測定在襯底表面上形成的薄膜的至少一種特性。
2.如權(quán)利要求
1所述的設(shè)備，其特征在于，所述掃描頭是安裝在襯底表面上支撐的導(dǎo)軌上。
3.如權(quán)利要求
2所述的設(shè)備，其特征在于，所述襯底是玻璃條板，所述導(dǎo)軌的兩端用一對位于條板兩對向側(cè)通常豎向延伸的支柱支撐著。
4.如權(quán)利要求
1所述的設(shè)備，其特征在于，所述襯底呈條板材的形式，可沿平行于襯底縱向軸線的路徑運(yùn)動(dòng)，所述通常為線性的掃描頭路徑則通常垂直于所述條板兩對向側(cè)之間的所述縱向軸線延伸。
5.如權(quán)利要求
1所述的設(shè)備，其特征在于，所述光源包括鎢絲燈。
6.如權(quán)利要求
5所述的設(shè)備，其特征在于，所述光源包括一濾光器，用以減少所述光束的紅色分量。
7.如權(quán)利要求
1所述的設(shè)備，其特征在于，所述光源包括一遮光器，用以使所述光束形成一系列光脈沖。
8.如權(quán)利要求
1所述的設(shè)備，其特征在于，所述導(dǎo)光裝置包括一透鏡，用以將光從所述光源聚焦成所述光束。
9.如權(quán)利要求
1所述的設(shè)備，其特征在于，所述集光裝置包括一積分球，呈空心球的形式，球壁上開有一入口，朝向襯底表面，從而使從襯底表面反射回來的所述光束至少有一部分通過所述入口進(jìn)入所述球中，并在所述球中收集起來。
10.如權(quán)利要求
9所述的設(shè)備，其特征在于，所述積分球的所述球壁的內(nèi)表面敷有反光材料。
11.如權(quán)利要求
9所述的設(shè)備，其特征在于，所述輸出信號(hào)發(fā)生裝置包括一在所述積分球的所述球壁上形成的檢測器端口和一安置在所述檢測器端口中用以根據(jù)在所述積分球中所收集到的所述光產(chǎn)生其中一個(gè)所述輸出信號(hào)的光電探測器。
12.如權(quán)利要求
9所述的設(shè)備，其特征在于，所述輸出信號(hào)發(fā)生裝置包括至少一對在所述積分球的所述球壁上形成的檢測器端口以及第一和第二光電探測器，第一和第二光電探測器安置在所述檢測器端口的相應(yīng)端口中，用以根據(jù)在所述積分球中所收集到的所述光分別產(chǎn)生第一和第二輸出信號(hào)。
13.如權(quán)利要求
12所述的設(shè)備，其特征在于，所述輸出信號(hào)發(fā)生裝置包括第一和第二濾光裝置，裝在那里用以過濾所述收集在所述積分球中并分別由所述第一和第二光電探測器檢測的光。
14.如權(quán)利要求
13所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一濾光裝置將所述具有CIE X、Y、Z三色刺激色標(biāo)的“Y”分量值的光傳送到所述第一光電探測器中，且所述第一輸出信號(hào)表示所述“Y”分量光的強(qiáng)度。
15.如權(quán)利要求
13所述的設(shè)備，其特征在于，所述第二濾光裝置將所述具有CIE X、Y、Z三色刺激色標(biāo)的“Z”分量值的光傳送到所述第二光電探測器中，且所述第二輸出信號(hào)表示所述“Z”分量光的強(qiáng)度。
16.如權(quán)利要求
1所述的設(shè)備，其特征在于，所述輸出信號(hào)呈模擬形式，且所述測定至少一種特性用的裝置包括一微處理機(jī)，該微處理機(jī)用以根據(jù)所述輸出信號(hào)將所述模擬形式轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，并用以以數(shù)字形式處理所述輸出信號(hào)以產(chǎn)生一特性信號(hào)，且包括一顯示器，用以根據(jù)所述特性信號(hào)可見地顯示襯底上薄膜的預(yù)定特性。
17.如權(quán)利要求
16所述的設(shè)備，其特征在于，所述預(yù)定特性是有關(guān)CIELAB三色刺激色標(biāo)的b值。
18.如權(quán)利要求
16所述的設(shè)備，其特征在于，所述預(yù)定特性是反射率值。
19.如權(quán)利要求
16所述的設(shè)備，其特征在于，所述預(yù)定特性是薄膜厚度值。
20.一種基本上如上述參照附圖所介紹的襯底上薄膜的特選特性測定設(shè)備。
專利摘要
一種測定和顯示敷在玻璃條板表面的薄膜的精選特性的設(shè)備，該設(shè)備包括一裝在導(dǎo)軌上以便在玻璃條板帶薄膜的表面上方移動(dòng)的掃描頭。掃描頭有一光脈沖源，該光脈沖源由一鎢絲燈和一遮光器產(chǎn)生，經(jīng)濾光以模擬晝光，然后聚焦到敷有薄膜的表面上。掃描頭上還有裝有一積分球，球壁上開有一入口，用以收集從薄膜表面反射回來的部分光。
文檔編號(hào)G01N21/27GK87107260SQ87107260
公開日1988年8月10日 申請日期1987年12月3日
發(fā)明者沃爾特·迪·麥庫姆, 理查德·迪·沙維, 格雷戈里·舒·李, 安德魯·韋·魯?shù)婪?申請人:利比-歐文斯-福特公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan