測量塗層厚度的裝置的製作方法

2023-05-19 01:58:41 2

專利名稱：測量塗層厚度的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量塗層厚度的裝置；特別地，涉及一種能夠在透明材料生成期間測量其厚度的裝置。
眾所周知，保護塗層已廣泛運用於機械、電子及航空和航天工業以賦予各種物品和元件耐磨蝕、磨損、侵蝕及氧化性並提高它們的使用壽命。例如等離子體增強化學氣相澱積(PECVD)、物理氣相澱積(PVD)、電鍍等幾種技術已得到開發並用於在目標製品或表面上形成塗層。該賦予的特性已知隨塗層厚度的不同有很大的變化並且當塗層的厚度保持在一定限度內時會提供一最佳的效果。因此，為了從塗層得到一最佳的效果，需要在塗層形成時，即現場地精確監視塗層的厚度。
在

圖1中，示出了一種在專利號為5208645，題為「光學測量塗層厚度的方法和裝置」的美國專利中公開的用於現場地測量塗層厚度的裝置。該裝置包括一光源10、一第一及一第二透鏡11、12、一具有一側表面24的圓柱形樣品，該側表面被以透明材料塗覆，一第三透鏡13、一探測器15、一放大器16及一伏特計17。在該裝置中，光源10射出的光束，例如H-Ne雷射被第一及第二透鏡11、12擴展。然後，該擴展的光束被導至樣品的側表面24上並自其被反射。該自被塗覆的側表面反射的光束Pr通過第三透鏡13被聚焦在探測器15，例如-Si光電二極體上。該探測器15對作為厚度的函數而變化的反射光束Pr的強度進行探測。探測器15探測的強度首先由放大器16放大並然後被輸入伏特計17，後者將放大的強度轉換成一對應的電壓。然後通過將該電壓變量與一表示自被塗覆的側表面反射的光的強度與塗層厚度之間關係的預定的校準曲線進行比較，可得到塗層厚度。
但是，上述裝置存在有若干問題。首先，光源及光電二極體必須被精確地光學對準以獲得有意義的結果，但實現起來相當困難。
現有該裝置中存在的另一個問題是它要求光源能夠提供一相干且單色光束，例如He-Ne雷射，而這樣的光源通常價格昂貴。
因此，本發明的主要目的是提供一種用於現場測量塗層厚度的裝置，其易於操作並不需使用昂貴的單色光源。
根據本發明，提供了一種現場測量塗覆在一帶有塗覆表面的物品的表面上的透明塗覆材料的厚度的裝置，該裝置包括一白光源，用於射出一光束至物品的表面上，其中該光束在該透明塗覆材料的塗層表面被部分反射生成一第一反射光束，並被部分地透射，該透射的部分隨後被該物品的表面反射回該塗層表面，生成一第二反射光束，其中該第一及第二反射光束由於其間的相位差而相互幹涉，從而產生一幹涉的反射光束；一個或多個濾光器，各濾光器能在一選取的波長範圍內對該幹涉的反射光束進行過濾，從而產生具有一選取的波長範圍的一過濾光束；與並行配置的濾光器數量相同的光電探測單元，各光電探測單元可探測來自相應濾光器的過濾光束的強度並自其生成一計數基準信號，其中各光電探測單元包括一光電探測器，用於探測來自相應濾光器的過濾光束的強度將其轉換成一對應的電流信號，其中該電流信號呈現有多個電流峰值；一安培至電壓轉換器，能將來自光電探測器的電流信號轉換成一相應的電壓信號，該電壓信號呈現有多個電壓峰值，各電壓峰值具有一相關峰值並對應於備電流峰值；一峰值電壓值探測器，用於探測來自安培至電壓轉換器的電壓信號中的峰值電壓值；及一比較器，用於將這些峰值電壓值分別與一預定的閾值比較，從而產生具有邏輯高及低狀態的計數基準信號；一計數器，用於對該計數基準信號的邏輯高狀態進行計數，從而產生一計數數字；及一信號處理器，用於基於該計數數字自多個預定的塗層厚度中選取該塗層厚度。
本發明的上述及其它目的和優點通過以下結合附圖的優選實施例的描述將變得明顯，附圖中圖1提供了一種測量塗層厚度的現有技術的原理圖；圖2描繪了一種根據本發明的一優選實施例的測量塗層厚度的裝置的原理圖；圖3為示出了自塗層表面反射的一光束與自物品表面反射的一光束之間的光程差的原理圖；圖4為圖2中所示光電探測單元的方框圖；及圖5給出了其內裝有多個濾光器及相應數量的光電探測單元的裝置的原理圖。
參照圖2，其示出了根據本發明的一優選實施例的用於測量一物品表面24上形成的塗層厚度的裝置100的原理圖，其中物品上形成的塗層是由例如金剛石類碳(DLC)的透明材料，是通過使用例如增強等離子化學氣相澱積方法而形成的。如在此使用的，金剛石類碳是指具有短程有序的碳分子的三維配置，與在金剛石結構中所觀察到的相類似，其中各個碳分子被其它四個碳分子所圍繞，但與金剛石結構不同的是缺少一長程有序，即該結構單元沒有在規則的間隔上被重複。在表面24上形成的塗層材料產生了確定塗層材料與塗覆環境間一界面的塗層表面。出於對本發明裝置示例性描述的目的，圖2中所示的裝置100包括一白光源20、一濾光器28、一光電探測單元30、一計數器52及一信號處理器60。
如圖3中所示，白光源20射出的光束在塗層表面26被部分地反射生成一第一反射光束，同時被部分透射，該透射的部分通過物品表面24被隨後反射回塗層表面26，生成一第二反射光束，該第一和第二反射光束分別由記號I1及I2表示。該第一和第二反射光束I1、I2由於其間的相位差而互相干涉，從而產生一幹涉的反射光束。
返回參照圖2，濾光器28在一選取的波長範圍內對該幹涉的反射光束進行過濾，從而產生一具有該選取的波長範圍的過濾的光束。
返回參照圖3，其示出了一說明第一及第二反射光束間的一光程差的示意圖。如果d為塗層厚度，θ為自表面24反射的光束與表面法向之間的角度及λo為在真空內所測量的第一及第二反射光束的波長，則第一及第二反射光束之間的光程差為2dCOSθ且相應的它們之間的相位差δ由下式得出=4odcos----(1)]]>其中n為塗層材料的折射率，參照式(1)，該塗層厚度為d=o4ncos-----(2)]]>每當δ＝(2N＋1)π時，即會產生第一和第二反射光束的相長幹涉，N為一整數，在這樣的情況下，反射光束的強度為最大。在相長幹涉的各點處的塗層厚度為dN=(2N+1)o4ncos----(3)]]>其中dN表示在N取各值時的塗層厚度。整數N也可稱為幹涉級。
在本發明的優選實施例中，θ及DLC的折射率分別近似等於0°和1.8—2.2。因此，式(3)可進一步簡化為dN(2N+1)o8----(4)]]>返回參照圖2，來自濾光器28的過濾的光束被饋送給光電探測單元30。光電探測單元30探測該過濾光束的強度並自其生成一相應的計數基準信號，該計數基準信號最後被用於獲得一計數數字，以確定該塗層厚度。
在圖4中，給出了圖2中所示的光電探測單元30的詳細方框圖。該光電探測單元30包括一光電探測器33、一安培至伏特轉換器35、一峰值電壓值檢測器37及一比較器39。該光電探測器33探測來自濾光器28的過濾光束的強度並將強度轉換成一相應的電流信號。該電流信號呈現有多個電流峰值，每當來自塗層表面26及表面24的反射光束在選取的波長範圍內相互相長幹涉時，即每當δ＝(2N＋1)π被滿足時(N為整數)，就會出現各電流峰值。來自光電探測器33的該電流信號然後被提供給安培至電壓轉換器35，將該電流信號轉換成一相應的電壓信號。類似地，該電壓信號呈現有多個電壓峰值，各電壓峰值相應於各電流峰值。峰值電壓值檢測器37接收來自安培至電壓轉換器35的電壓信號並檢測該電壓信號中的峰值電壓。在比較器39，將這些峰值電壓值分別與一預定的閾值進行比較，從而產生包括邏輯高及低狀態的一計數基準信號。當該峰值電壓值大於預定的閾值時，比較器39在計數基準信號中產生一邏輯高狀態，否則，產生一邏輯低狀態。
返回參照圖2，計數器52接收來自光電探測單元30的計數基準信號並計數該計數基準信號中邏輯高狀態的數量，從而產生一計數數字。然後，該計數數字被饋送給信號處理器60，後者基於該計數數字M，從使用式(3)及DLC塗層的情況下使用式(4)計算出的多個預定的塗層厚度中選取該塗層厚度。
表1示出對於例如具有一選取的5800埃-6000埃的波長範圍，即黃色光束，塗層厚度與計數數字M之間的關係。如果M等於1，即相當於觀察到在所選取的5800埃-6000埃的波長範圍內在第一及第二反射光束間的第一相長幹涉。即觀察到電流及電壓信號中的第一峰值，及在計數基準信號中的第一邏輯高狀態。根據表1，當塗層厚度大約為700埃-750埃時，將觀察到這一現象，因此該DLC塗層厚度約為700埃-750埃時，類似地，如果M等於2，信號處理器60輸出的塗層厚度為2200埃-2300埃。不用說，為了應用表1，圖2中所示的濾光器必須僅能通過具有5800埃-6000埃波長範圍的光束。
為了提高裝置100的精確度，如圖5所示，可增加附加的濾光器及與濾光器數量相同的光電探測單元。圖5中所示的裝置200包括其內附加的濾光器，例如29，及相應數量的光電探測單元，例如50。應當注意在圖2及圖5中出現的相同的部分由相同的參考數字表示。在這種情況下，並行配置的各濾光器能夠對在所選取的波長範圍的幹涉的反射光束進行過濾。各濾光器將要過濾的波長範圍能以這樣的方式被選取，即使得對於各被過濾的光束的電壓峰值及該計數基準信號不會與來自其它被過濾光束得到的信號相重疊。各被過濾的光束然後被饋送入各光電探測單元，從而生成多個計數基準信號，備計數基準信號對應備被過濾的光束。計數器62分別對來自各光電探測單元的計數基準信號中的邏輯高狀態的數量進行計數，並計數該計數數字的和，從而生成一個總計數字T，該總計數字然後被饋送給信號處理器60，且信號處理器60從與表1相類似的表2中選取相應的塗層厚度，表2與表1的不同在於其包括有有關塗層厚度及總計數字的更詳細的數據。
表2示出了對於一包括例如三個濾光器，各濾光器能分別對3800埃-4000埃、4900埃-5100埃、5800埃-6000埃的選取的波長範圍進行過濾的裝置，塗層厚度與總計數字T之間的關係。通過自表2選取塗層厚度。有可能獲得一更精確的塗層厚度。
與現有的測量裝置相比較，本發明裝置的結構更簡單，所需的元件數量更少及製造成本更低。這是通過裝有一替代相干且單色光源的白色光源，從而省去了現有裝置中的許多透鏡，減少了製成該系統的元件總量，並也免去精確光學對準的需要而實現的。
雖然已相對於特定的實施例展示與描述了本發明，但對於熟悉本技術的人員而言，顯然可以在不脫離所附的權利要求所定義的發明精神及範圍的前提下，作出許多改變與修正。
權利要求
1.一種現場測量塗覆在一帶有塗覆表面的物品的表面上的透明塗覆材料的厚度的裝置，該裝置包括一白光源，用於射出一光束至物品的表面上，其中該光束在該透明塗覆材料的塗層表面被部分反射生成一第一反射光束，並被部分地透射，該透射的部分隨後被該物品的表面反射回該塗層表面，生成一第二反射光束，其中該第一及第二反射光束由於其間的相位差而相互幹涉，從而產生一幹涉的反射光束；一個或多個濾光器，各濾光器能在一選取的波長範圍內對該幹涉的反射光束進行過濾，從而產生具有一選取的波長範圍的一過濾光束；與並行配置的濾光器數量相同的光電探測單元，各光電探測單元可探測來自相應濾光器的過濾光束的強度並自其生成一計數基準信號，其中各光電探測單元包括一光電探測器，用於探測來自相應濾光器的過濾光束的強度將其轉換成一對應的電流信號，其中該電流信號呈現有多個電流峰值；一安培至電壓轉換器，能將來自光電探測器的電流信號轉換成一相應的電壓信號，該電壓信號呈現有多個電壓峰值，備電壓峰值具有一相關峰值並對應於各電流峰值；一峰值電壓值探測器，用於探測來自安培至電壓轉換器的電壓信號中的峰值電壓值；及一比較器，用於將這些峰值電壓值分別與一預定的閾值比較，從而產生具有邏輯高及低狀態的計數基準信號；一計數器，用於對該計數基準信號的邏輯高狀態進行計數，從而產生一計數數字；及一信號處理器，用於基於該計數數字自多個預定的塗層厚度中選取該塗層厚度。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中該多個預定的塗層厚度由下式確定dN=(2N+1)O4ncos]]>其中N、λo，n，dN及θ分別表示幹涉級，真空中測量的光束的波長，透明塗覆材料的折射率，在第N次幹涉時的塗層厚度及塗層材料中的第二反射光束與表面法線間的角度。
全文摘要
一種測量形成在一元件表面上的塗層厚度的裝置，包括射出被元件表面反射的光束的白光源，一個或多個濾光器，各濾器可在一選取的波長範圍內過濾該反射光束，與濾光器數量相同的光電探測單元，各光電探測單元用於將該反射光束的強度轉換成一帶有邏輯高及低狀態的計數基準信號，一用於對邏輯高狀態計數並生成一計數數字的計數器及一基於該計數數字計算塗層厚度的信號處理器。各光電探測單元有一光電探測器、一安培至電壓轉換器、一峰值電壓值檢測器及一比較器。
文檔編號G01B11/06GK1128346SQ9511698
公開日1996年8月7日 申請日期1995年9月19日 優先權日1994年11月16日
發明者尹熙星 申請人:大宇電子株式會社