专利名称:衬底上薄膜的特性监测设备的制作方法
本发明是关于敷在衬底表面的薄膜用的监测设备，特别是关于光学法测定敷在玻璃板表面上薄膜的特性用的设备。
薄膜一般是敷在玻璃上来吸收或反射阳光的照射的。薄膜厚度测定仪在工业和研究部门具有多种用途。市面上出售有各种这类用途用的装置。例如，表面轮廓监测器用测头跟踪薄膜表面测定薄膜蚀刻到衬底处步长的大小。直接接触会使表面变形或损伤，因而在许多情况下都希望有一种非接触式的测定方法。根据薄膜表面反射光进行测定的方法即采用了这类非接触式探头。
用光学测定薄膜厚度主要有两种不同的方法。第一种方法叫做椭圆对称法，这种方法测定和比较某给定波长的反射系数以及垂直和平行于入射平面的偏振入射角，需要进行大量计算，而且只有当凭直觉知道薄膜的厚度是在某一有限范围(通常在0至3000埃左右)内时才能得出明确的结果。第二种光学测定法是基于波长和/或与反射率有关的入射角，这可在薄膜中作为周知的干涉色观察出来。虽然这种方法的原理很简单，但基于这个原理的仪器并不便宜。而且最简单的仪器甚至不能提供薄膜厚度的直接读数。
美国专利2，655，073公开了上述现有技术第二种方法所使用的是用反射法测定透明或半透明板材厚度的光学厚度测定仪。这种测定仪将光从样品板材上反射到一个可转动的平反射器上。平反射器具有当反射光束同相时能形成干涉条纹的平行表面，且在从样品反射回来的光路中转动到光束同相形成用以显示在一镜面上的条纹时的角度。反射器的转角即为板材厚度的量度。该专利还介绍了光楔的应用，用光楔在反射光束同相时形成干涉条纹，这时光楔厚度就与样品厚度一致。
根据本发明，本发明提供的是一种衬底上薄膜的特选特性测定设备，该设备包括一扫描头，安装得使其可沿距衬底表面一段距离通常为线性的路径运动;一光源，附在所述扫描头上;一导光装置，用以引导所述光源的光束使其照射到衬底表面;一集光装置，附在所述扫描头上，用以将衬底表面反射回来的所述光束的至少一部分收集起来;该薄膜特性测定设备的特征在于还包括输出信号发生装置和薄膜特性测定装置。输出信号发生装置根据所述收集到的光产生表示所述光束的至少两种不同特性的输出信号;薄膜特性测定装置则根据所述输出信号测定在衬底表面上形成的薄膜的至少一种特性。
更详细地说，本发明涉及一种用以扫描和监测诸如b＊值、薄膜边反射率和涂薄层厚度之类的玻璃条板的特性的在线反射率监测器。扫描头系安装得使其可以横切玻璃条板的移动路径运动。扫描头包括一遮光光源和一积分球。遮光光源用以防止系统免受环境光的影响。积分球有一个滤光的检测器，用以产生表示从玻璃条板外部表面反射回来的光的“Y”值和“Z”值的信号。“Y”信号和“Z”信号输入到一个电子计算机中，由该计算机计算出b＊值和涂敷层厚度。有一个三通道装置描出b＊值、涂敷层厚度和反射率的曲线。输入数据和计算出的数据进一步传送到更大型的电子计算机中，由该计算机计算出统计数据并驱动在远处的其它输出装置。
附图中图1是本发明的在线反射率监测系统的方框图;
图2是图1中所示的扫描头经放大的方框图;
图3是应用本发明得出的典型b＊值的曲线图;
图4是应用本发明得出的典型反射率值的曲线图;
图5则是应用本发明得出的典型涂敷层厚度值的曲线图;
图1显示了本发明在线反射率监测系统的方框图。图中，按周知的浮法制成的玻璃条板11之类的衬底表示是朝读者的方向移动，从图中可以看到玻璃条板11的前沿11a，和朝上的外部表面11b，较薄的薄膜涂敷层即敷在外部表面11b上。玻璃条板11在一对彼此相隔一段距离的竖向延伸的支柱12之间通过。支柱12之间延伸有通常是水平的导轨13，导轨13上装有一个扫描头14。扫描头14可藉任何周知的动力装置(图中未示出)沿导轨13从玻璃条板11的一侧到另一侧来回加驱动。
如下面即将谈到的那样，扫描头14沿输出线15和16分别给一对光学监测器17和18发出一对电信号。各光学监测器17和18可以是美国加利福尼亚州圣莫尼卡市埃迪公司制造的LM-101型光学监测器。各光学监测器17和18分别沿线路19和20给微处理机21发出模拟输出信号。微处理机21将模拟电信号转换成数字值，并用该数字值计算有关玻璃板11的b＊值和涂敷层厚度的特性信号信息。微处理机21所产生的特性信号数据或信息信号可沿线路22传送到三通道条形记录纸记录器23之类的输出装置上，由该记录器描出b＊值、涂敷层厚度和反射率对在玻璃条板11的表面11b上进行测量的位置的关系曲线。
微处理机21的输出数据还可以沿线路24传送到诸如主帧制造过程计算机之类的计算机25。计算机25一般系编程得使其能收集制造过程数据并计算有助于评价制造过程效率的统计数据。计算机25将其数据沿线路26输出，线路26是用以驱动描绘器27进行连接的，描绘器27则可以安置在，例如，质量控制站或试验室中。另一条线路28可以连接到第二描绘器29上，描绘器29则可以安置在玻璃条板生产线的高温端附近供监测之用。输出装置的数目和类型仅受控制这类设备的计算机25的容量的限制。
图2的方框图示意表示了扫描头14更详细的情况。扫描头14装有光源30，电气线路31即可接到电源(图中未示出)给光源30供81。光源30一般装在外罩32的一端，光束33即从外罩32的另一端发射到玻璃条板11的上部表面11b。外罩32可以装遮光器34，遮光器34的作用是在光束33从光源30发射出来时将其遮断。遮光器34按预定的持续时间和预定速率发出一系列光脉冲。从遮光器34发出的光脉冲通过滤光器35。光源30一般为一种作为模拟昼光则红色成分就太多的钨丝灯。蓝光滤光器35是供装在外罩32输出端的透镜36将光脉冲聚焦之前除去一些红光之用。
光束33以预定角度射到玻璃条板11的上部表面11b，并按同样的预定角度作为光束33a反射到装在扫描头14上的积分球37上。该预定角度通常取45度。积分球37有一个入口38，入口38对准反射光束33a，从而使反射光进入积分球37内部。积分球37的直径可大致取4英寸，入口38的直径则可大致取1 3/4 英寸。入口38的大小取决于可利用的光量和玻璃条板11和扫描头14之间可能有的距离和角度范围。
积分球37内部涂敷有反光材料，且在积分球壁上至少开有两个检测器端口39和40。各检测器端口包括光电管之类的检测器，用以根据积分球37内部的反射光产生表示光强的电输出信号。例如，检测器端口39中的检测器39a的输出端可接到线路41上，线路41又通过前置放大器42接到输出线路15上。前置放大器42用以放大检测器输出信号的大小，以便接着由微处理机21进行处理。同样，检测器端口40中的检测器40a由线路43通过前置放大器44连接到输出线路16上。
CIE(国际照明委员会)规定了若干光谱分布已知的施照体作为测色时用的标准。三色刺激色度学是基于这样一个事实，即任何颜色都可以用其它三种在量上受控制的颜色复制出来。三色刺激色标包括X、Y、Z系统，这个系统表示从测量中样品反射回来的光的积分值对从完全漫射体反射回来的光的积分值的比值，这时两者都逐个波长地乘以《标准观测者》的响应曲线并乘以施照体H。1931年的《CIE标准观测者》的响应曲线规定了再生从380毫微米至750毫微米各波长的能量所需各三个一次光(绿、淡黄和蓝)的量，其中绿色曲线为适于人眼的视亮度标准曲线(x为淡黄色，y为绿色，z为蓝色)。
各光电管可接上一滤光器，仅供检测反射光的预定特性。例如，检测器端口39可接上一滤光器39b，用以过滤积分球37内的光以便只获取其“Z”分量。为取得所希望的结果，滤光器39b可以是单个的滤光器或由两个或多个滤光器组合而成。同样，检测器端口40也可接有滤光器40b供获取积分球37内部的光的“Y”分量。若积分球37内可利用的光不足以可靠地获取所希望的特性，可在积分球上增设另外的检测器端口、光电管和滤光器并将它们连接起来，以增加加到前置放大器42和44中其中一个有关的前置放大器上的信号的大小。一般说来，钨丝灯在“Z”区域中可加以利用的能量太小，因此要获取适当的信号电平，必须采用两个光电管检测器。
近年来，L，a，b三色刺激系统广泛受欢迎。L表示人眼非线性黑白响应的数学近似值。全白的值为一百，全黑的值为零。“a”和“b”值用以鉴定样品的色调和色度或颜色。“a”值为正时表示红色，“a”值为负时表示绿色、“b”值为正时表示黄色，为负时表示蓝色。1976年CIEL＊、a＊、b＊色标或CIEAB色标与CIE x、y、z色标具有下列关系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各个都大于0.01，Xo、Yo、Zo则表示标称白物体色刺激的颜色。
来自光学监测器18的“Y”信号和来自光学监测器17的“Z”信号都是模拟形式的，因而得由微处理机21转换成数字形式。微处理机21系编程得使其可根据b＊＝200〔(Y/Yo)1/3-(Z/Zo)1/3〕的算式计算b＊值。“Yo”和“Zo”是方程的常数基准值。然后描出所得出的b＊值相对于在玻璃条板上获取该值的位置的关系曲线。位置值可从连接到微处理机21以便在线路46上产生位置信号的位置传感器45获取。参看图3，这就是所述的那种关系曲线图，b＊值标在纵坐标上，扫描头相对于玻璃条板一侧的位置以英寸为单位标在横坐标上。视扫描头14的运动速率和玻璃条板11的运动速率而定，图3的曲线可表示沿基本上垂直于玻璃条板纵向轴线或与纵向轴线成预定角度的线上的值。图4是反射率的曲线图，反射率值标在纵坐标上，扫描头的位置标在横坐标上。反射率是从光学监测器18获取的“Y”值。如上所述，钨丝光源系过滤成昼程内的模拟光。例如，带有适当滤光器校正的钨丝灯能模拟出诸如通常称之为CIE施照体C的全阴天的一般昼光。
图5的曲线，纵坐标上标的是涂敷层厚度值，横坐标上标的是扫描头的位置。涂敷层厚度可从“Y”和“Z”值计算出来。但通过查找存储在微处理机21中原先计算出来的数值一览表可以更快获取所希望求出的值，而且精确度相当好。诸存储值系参照“Y”和“b＊”值。
图3至5所示的曲线是由其中一个输出装置上的计算机25产生的，该输出装置可以是描绘器或打印机27和29之类的图形显示器。所述数值可以由操作人员加以监控并/或借助电子方式加以监控，以便万一数值处在规定范围之外时纠正生产过程。若b＊值过高，则反射光的黄光太多。若b＊值过低，则反射光的蓝光太多。这些测定对建筑用的玻璃在建筑物的多重窗户要求具有同样的颜色的场合特别重要。若玻璃的配方系以a＊值为关键值，则可在积分球37中另外装设检测器，以便获取计算a＊值所需的光的“X”分量。
权利要求
1.一种衬底上薄膜特选特性测定设备，该测定设备包括一扫描头，安装得使其可沿距某一衬底表面一段距离通常为线性的路径运动；一光源，附在所述扫描头上；一导光装置，用以引导所述光源的光束使其照射到衬底表面；一集光装置，附在所述扫描头上，用以将衬底表面反射回来的所述光束的至少一部分收集起来；其特征在于，该测定设备还包括一输出信号发生装置，用以根据所述收集到的光产生表示所述光束的至少两种不同特性的输出信号；和一薄膜特性测定装置，用以根据所述输出信号测定在衬底表面上形成的薄膜的至少一种特性。
2.如权利要求
1所述的设备，其特征在于，所述扫描头是安装在衬底表面上支撑的导轨上。
3.如权利要求
2所述的设备，其特征在于，所述衬底是玻璃条板，所述导轨的两端用一对位于条板两对向侧通常竖向延伸的支柱支撑着。
4.如权利要求
1所述的设备，其特征在于，所述衬底呈条板材的形式，可沿平行于衬底纵向轴线的路径运动，所述通常为线性的扫描头路径则通常垂直于所述条板两对向侧之间的所述纵向轴线延伸。
5.如权利要求
1所述的设备，其特征在于，所述光源包括钨丝灯。
6.如权利要求
5所述的设备，其特征在于，所述光源包括一滤光器，用以减少所述光束的红色分量。
7.如权利要求
1所述的设备，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脉冲。
8.如权利要求
1所述的设备，其特征在于，所述导光装置包括一透镜，用以将光从所述光源聚焦成所述光束。
9.如权利要求
1所述的设备，其特征在于，所述集光装置包括一积分球，呈空心球的形式，球壁上开有一入口，朝向衬底表面，从而使从衬底表面反射回来的所述光束至少有一部分通过所述入口进入所述球中，并在所述球中收集起来。
10.如权利要求
9所述的设备，其特征在于，所述积分球的所述球壁的内表面敷有反光材料。
11.如权利要求
9所述的设备，其特征在于，所述输出信号发生装置包括一在所述积分球的所述球壁上形成的检测器端口和一安置在所述检测器端口中用以根据在所述积分球中所收集到的所述光产生其中一个所述输出信号的光电探测器。
12.如权利要求
9所述的设备，其特征在于，所述输出信号发生装置包括至少一对在所述积分球的所述球壁上形成的检测器端口以及第一和第二光电探测器，第一和第二光电探测器安置在所述检测器端口的相应端口中，用以根据在所述积分球中所收集到的所述光分别产生第一和第二输出信号。
13.如权利要求
12所述的设备，其特征在于，所述输出信号发生装置包括第一和第二滤光装置，装在那里用以过滤所述收集在所述积分球中并分别由所述第一和第二光电探测器检测的光。
14.如权利要求
13所述的设备，其特征在于，所述第一滤光装置将所述具有CIE X、Y、Z三色刺激色标的“Y”分量值的光传送到所述第一光电探测器中，且所述第一输出信号表示所述“Y”分量光的强度。
15.如权利要求
13所述的设备，其特征在于，所述第二滤光装置将所述具有CIE X、Y、Z三色刺激色标的“Z”分量值的光传送到所述第二光电探测器中，且所述第二输出信号表示所述“Z”分量光的强度。
16.如权利要求
1所述的设备，其特征在于，所述输出信号呈模拟形式，且所述测定至少一种特性用的装置包括一微处理机，该微处理机用以根据所述输出信号将所述模拟形式转换成数字形式，并用以以数字形式处理所述输出信号以产生一特性信号，且包括一显示器，用以根据所述特性信号可见地显示衬底上薄膜的预定特性。
17.如权利要求
16所述的设备，其特征在于，所述预定特性是有关CIELAB三色刺激色标的b值。
18.如权利要求
16所述的设备，其特征在于，所述预定特性是反射率值。
19.如权利要求
16所述的设备，其特征在于，所述预定特性是薄膜厚度值。
20.一种基本上如上述参照附图所介绍的衬底上薄膜的特选特性测定设备。
专利摘要
一种测定和显示敷在玻璃条板表面的薄膜的精选特性的设备，该设备包括一装在导轨上以便在玻璃条板带薄膜的表面上方移动的扫描头。扫描头有一光脉冲源，该光脉冲源由一钨丝灯和一遮光器产生，经滤光以模拟昼光，然后聚焦到敷有薄膜的表面上。扫描头上还有装有一积分球，球壁上开有一入口，用以收集从薄膜表面反射回来的部分光。
文档编号G01N21/27GK87107260SQ87107260
公开日1988年8月10日 申请日期1987年12月3日
发明者沃尔特·迪·麦库姆, 理查德·迪·沙维, 格雷戈里·舒·李, 安德鲁·韦·鲁道夫 申请人:利比-欧文斯-福特公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan