[发明专利]监测薄膜厚度的方法和设备

说明书

本发明涉及一种监测基材上薄膜厚度的方法，特别是监测涂敷在基材上的透明涂层，例如在玻璃上的涂层的方法。

涂敷到玻璃板的，特别是新形成的玻璃带的涂层的厚度以及折射率的控制是重要的。正如本专业所熟悉的，为了多种目的，一种或多种涂层被涂敷到玻璃板上。这些涂层常常很薄，例如小于100纳诺米，这样厚度的薄膜的测量存在许多困难，特别是希望在大面积的玻璃上进行快速而连续的测量以及在沿玻璃带或板和横跨玻璃带或板测定厚度的变化的场合下。

在控制由所涂敷的玻璃板制成的窗用玻璃的质量方面，这些涂层的厚度是很重要的要素。玻璃窗的物理和光学性质与涂层厚度有密切关系。涂层的几何厚度和折射率在涂覆板的干涉性质中起主要作用。

如果人们证实样品厚度的测量值超出允许值，那么当时所涂敷的玻璃板就报废。当时所涂敷的玻璃板是否已经接受进一步涂敷或已制成窗用玻璃板是一个特殊的问题。

所以，希望在工业生产线中涂层沉积后尽可能快地监测涂层的厚度。

英国专利说明书BG-2069130(RCA)描述了一种通过把多色光照射在样品上，接着照射在有已知厚度涂层的对比样品上，同时改变比较涂层的厚度一直到反射光谱一致来监测涂层的光学厚度的方法。该方法适用于150-3000纳诺米的涂层光学厚度。该方法还需要准确地校准比较涂层。

GB2069130描述的这一方法不能对薄于约75纳诺米(给出接近2的涂层折射率)的几何厚度进行对比。另外，所描述的方法不涉及到涂层厚度的连续控制，在这里测量值落在阈值以外，也不可能用所描述的设备监测涂层厚度的均匀性。而且，GB2069130所描述的设备直接随涂层定位也是困难的。

根据本发明，提供了一种监测涂敷到板形基材上透明涂层的厚度和均匀性的方法，该方法包括把多色光照射在涂层上多处并测量从它们反射的光强度，其中至少在两个分离的监测波长下测量每处的反射光的强度，并处理所述的测量值产生电信号，该电信号可与一个或多个预定的阈值比较并与其他处产生的这种电信号比较，得到涂层的厚度是否在预定的允许值范围内的显示。

本发明还提供一种监测涂敷在基材上的透明涂层的厚度和厚度均匀性的设备，该设备包括：

(i)用于把多色光照射在涂层上多处的光源；

(ii)至少在两个分离的监测波长下测量从所述的涂层每处反射的光强度的设备；以及

(iii)处理该测量值产生电信号的设备，该电信号可与一个或多个预定的阈值比较并与在其他处产生的这种电信号比较，得到涂层的厚度是否在预定的允许值范围内的显示。

按照本发明的方法和设备能在预定的允许值范围内很容易地监测涂层的厚度、厚度均匀性和可选择地监测折射率。本发明还能以简单的方式在涂层形成后迅速进行这一监测。

所谓“分离”的监测波长，我们指的是彼此分开至少50纳诺米的波长。两个分离的监测长最好都在可见光谱范围内，即在380-780纳谋米范围内。最优选的分离监测波长在400-480纳诺米(兰色)和580-750纳诺米(红色)范围内。这是由于发现对于许多商业涂层来说，在这两个分离的监测波长下得到的测量值之间的差值随涂层厚度显著变化。

已知光从已涂敷的基材的反射率尤其与反射光的波长、涂层厚度和基材、涂层和空气的折射率有关。直接从两个分离的监测波长的反射率测量值导出能够计算涂层厚度的所有必要参数是复杂的，实际上，例如从载有已知厚度的涂层的样品的反射率测量值确定允许值更为方便。

反射光测量值的输出最好送到微处理机，在那里处理这些信号(正如下面进一步说明的那样)，产生涂层厚度的显示。在取决于涂层的光学厚度的某些波长下，发生造成该光学厚度的反射光谱特征的干涉。对于具有给定厚度的给定涂层来说，发生相长干涉的主波长通常在可见光谱内，正是这个主波长决定已涂敷的基材的外观。

我们发现，对于很小的厚度和接近主波长的分离监测波长，在两个波长下的反射率之间的差值正比于涂层的光学厚度，因此在涂层的折数率不变的场合下正比于涂层的几何厚度。

但是，在不同波长下的反射率之间的准确关系是复杂的。本发明包括确定每类涂层的允许极限值，而不是测量绝对厚度。这些允许极限值用试凑法确定。

当在两个分离的监测波长下的测量值不足以提供涂层厚度的准确显示时，例如分离的监测波长未靠近主波长时，应该在至少三个波长下取测量值，第三个分离的监测波长最好是在480-580纳诺米(灰色)范围内。然后可从所取的三个测量值中，选取最适合的测量值对，产生涂层厚度的显示。三个测量值的平均值提供有关光反射率的更准确的信息，该信息可在某些最佳实施例中用作折射率的显示。