2020基于激光共焦反射傳感器的透明多層膜大面積厚度測量.

1、基于激光共焦反射傳感器的透明多層膜大面積厚度測量摘要( Abstract )It is critical to maintain uniform coating thicknesses over large area in order to manufacture high-quality coated transparent films. Optical thickness measurement technique gives relatively short measurement time and non-destructive measurement. Among the avail

2、able optical techniques, a laser confocal共( 焦的 ) method that detects reflected light at the interfaces between layers provides highly reliable and accurate height information. Because confocal sensors utilize focusing optics, both the numerical aperture of the focusing lens and refractive index of t

3、he film material mustbe considered when calibrating the actual thickness from the recorded displacement of themity .the focusing lens. In this paper, we proposed a measurement method calibrated foractual thickness of single- and double-layer transparent films. Also, we developed alarge-area thicknes

4、s measurement system for transparent substrates and the uniforof hardcoated samples is evaluated using the laser confocal reflection sensoExperimental results are compared with the thickness measured using a mechanicalthickness gauge.為了制造高質(zhì)量的涂覆透明薄膜， 在大面積范圍內(nèi)保持涂覆厚度的均勻是至 關重要的。 光學測厚技術具有測量時間短、 無損檢測等優(yōu)點。 在

5、現(xiàn)有的光學技術 中，激光共焦法檢測反射光在層之間的接口提供了高度可靠和準確的信息。 由于 共焦傳感器利用聚焦光學， 在根據(jù)記錄的聚焦透鏡的位移校準實際厚度時， 必須 同時考慮聚焦透鏡的數(shù)值孔徑和薄膜材料的折射率。 在本文中， 我們提出了一種 測量方法校準的實際厚度的單層和雙層透明薄膜。 此外，我們開發(fā)了一套大面積 的透明基材厚度測量系統(tǒng)， 并使用激光共聚焦反射傳感器對涂層樣品的均勻性進 行了評估。實驗結果與用機械測厚儀測得的厚度進行了比較。一、引言由于消費電子公司最近展示了多種多樣的柔性顯示器和可穿戴設備， 柔性設 備受到了廣泛的關注。塑料，包括聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET)，聚萘二甲酸乙

6、二醇酯 (PEN)和聚酰亞胺 (PI)被認為是實現(xiàn)柔性器件的候選基板。然而，塑料基 板不夠堅固，不能承受粗糙的處理和劃痕， 特別是在觸摸界面電子產(chǎn)品等應用中。 因此，需要在薄膜上涂上一層堅硬的涂層來提高表面硬度 1 。作為一種硬涂料， 丙烯酸酯樹脂具有良好的光學透明性和附著力。 硬質(zhì)涂層的厚度通常為 1-10 m。 在典型情況下，槽模涂層用于大規(guī)模制造硬涂層塑料薄膜。為了確認大尺寸薄膜上的硬質(zhì)涂層的均勻性， 必須準確地測量厚度， 并保證 足夠快的速度， 以保持較高的生產(chǎn)率。 對于厚度測量， 許多觸覺和光學方法是可 用的2 。觸控筆是一種典型的觸控方式，無論觸控筆的光學性能如何，觸控筆 都能提供

7、強健的觸控效果。 但是， 使用手寫筆測量配置文件非常耗時。 在平面層 的情況下， 測試樣品必須刮除以進行仿形。 盡管觸控筆的工作壓力非常低， 但它 仍然會影響表面質(zhì)量。光學方法包括橢偏 3 、干涉測量法 4 6、光學熒光 7、 光學相干層析 8,9、熱成像10和共焦反射 11 14。光學方法具有很大的優(yōu)勢， 特別是對在線檢查， 因為它們是快速和無損的。 表 1 展示了光學厚度測量技術的 特點。其中，共焦反射由于光學結構簡單，適合于大尺寸測量。 z 掃描可以通過 振動掃描來解決，比如音叉掃描 15。Cox 等人提出了共焦厚度測量，用于測量 光盤11上的薄透明層。由于軸向分辨率的關系，共焦測量具有

8、最小可測厚度。 在12 中，Wang 等人使用了一種新的差分共焦系統(tǒng)來測量透鏡厚度，提高了測 量精度。此外，共焦反射法可以測量透明材料的折射率。 Kuo 等人開發(fā)了一種雙 光束共聚焦顯微鏡， 使用諾瑪斯基棱鏡來測量透明材料的折射率和厚度， 如蓋板 玻璃和微透鏡陣列。然而，該方法僅使用單層結構 13 進行了演示。 Wang 等人 提出了一種簡單而強大的共焦技術， 可以測量折射率測量。 但是，演示僅限于球 形透鏡 14 。為了獲得較高的厚度測量精度， 需要考慮共焦光學和測量材料的信息。 在以 往的研究中， 表觀厚度與真實厚度之間存在差異 11,16。多層結構使得這種差異 更加復雜。 本文提出了一種

9、共焦反射測厚方法。 該測量方法同時考慮了物鏡的數(shù) 值孔徑和多層膜各層的折射率來計算厚度。 此外，我們開發(fā)了一種大面積厚度測 量系統(tǒng)，可以處理 2G(第二代)顯示面板大小 (370 毫米 470毫米)的基板。利用該 系統(tǒng)，實現(xiàn)了對大型透明多層膜厚度均勻性的快速評價。二、大面積薄膜測厚系統(tǒng)圖 1(a)為所開發(fā)的大面積厚度測量系統(tǒng)。它由一個高精度的 XYZ 平臺和一 個厚度傳感器組成。 為了達到高水平的位置精度， 該階段是由直線電機沿空氣軸 承導軌。該平臺安裝在一個沉重的花崗巖框架上， 由氣動隔振器支撐， 消除了外 部振動的影響。厚度傳感器由 XYZ 三坐標控制可以測量 2G 大小( 370mm47

10、0mm)的襯底 基片或薄膜用真空固定在多孔的平板吸盤上。 厚度可以連續(xù)測量， 也可以逐點測 量。作為厚度傳感器， 為了測量透明層的厚度， 使用了商業(yè)激光共焦反射傳感器 (LT-9011, Keyence)，如圖 1(b)所示。 表 2 列出了傳感器的規(guī)格。 摘要在層狀薄膜 共焦厚度測量中， 利用音叉對激光光束進行高速 z向振動物鏡的掃描。 反射到界 面上的激光束會聚在一個針孔上， 然后進入光探測器。 通過同時記錄反射激光束的強度和物鏡的高度，測量層狀薄膜界面之間的距離，即厚度。然而，在這方面 我們需要謹慎對待。 從物鏡位置的距離到準確的膠片厚度的平移不是簡單的線性 比例。細節(jié)將在下一節(jié)討論。圖

11、 1. 大面積厚度測量系統(tǒng) （a） 全系統(tǒng) （b） 激光共焦反射傳感器表 2. 激光共焦傳感器的光學規(guī)格激光波長（ nm）655光斑尺寸（ m）2數(shù)值孔徑（ NA ）0.37最小軸向分辨率（ m）0.01表 1. 光學厚度測量技術類型優(yōu)點缺點橢圓測量術高精度薄層 (< 10nm) 有效同時測量厚度和折射率光學復雜，成本高干涉測量高精度需要可調(diào)激光源折射率測量薄層不準確 (<50 nm)光學熒光簡單測量熒光染料需要需要預校核光學相干斷層成像術寬量程測量( >500m)精度相對不高熱成像大面積檢測用熱導率的間接測量不透明層測量花費高共焦反射寬厚度范圍( >1mm )需要 Z

12、 掃描簡單低成本光學最小可測量的厚度 (>0.5 )m三、用激光共焦傳感器測量厚度3.1 單層厚度測量圖 2 為共聚焦反射法測量透明薄膜厚度的原理， 其中 n1 和 n2 分別為空氣和 薄膜材料的折射率， n2 大于 n1圖 2. 激光共焦反射法檢測單層透明薄膜厚度的原理(n1 < n2)激光共焦傳感器探測不同折射率材料之間的界面反射。 共焦傳感器具有較高 的軸向分辨率， 能夠準確地檢測出界面及其高度位置。 此外， 它可以通過測量頂 部和底部表面來測量層的厚度。 然而，由于空氣與透明膜的界面發(fā)生折射， 使得 聚焦透鏡的位移與透明膜的實際厚度不匹配。由斯涅耳法則 可知，聚焦透鏡位移與

13、 Dz ，厚度 t，表示如下 2:tan 1zsin gletan 2zsin glen2 1 (sin 1 /n2)2n1 1 (sin 1 /n1)2zsin glen22 - NA2 n12- NA2(2)(2)其中 NA 為聚焦透鏡的數(shù)值孔徑， 1 和 2 分別為入射角和透射角。假設 NA 非常小，則空氣中測得的厚度可以簡單地假設為 :tzsin gle n2(3)由于它簡單實用，在工業(yè)應用中得到了廣泛的應用。然而， NA 在許多情況 下不能被忽視，因為光學聚焦技術通常使用具有高數(shù)值孔徑的透鏡來獲得高軸向 分辨率。即使對于多層厚度的測量，也應該更仔細地考慮 NA 。否則，一些錯誤 不可

14、避免地發(fā)生 16 。下一節(jié)介紹雙層透明膜的厚度測量方法。3.2 雙層厚度測量對于雙層透明薄膜， 如圖 3 所示，所測得的聚焦透鏡位移如下所示， 其疊加形式為 (2):(6)圖 3. 激光共焦反射法檢測雙層透明薄膜厚度的原理(n1 < n3 < n2)zdouble t2 ttaann 2tant tan 3t3 tan 12 n22 -NA2t3n12 -NA2n32 -NA2(4)其中，n2和 n3、t2和 t3分別為頂層和底層的折射率和厚度。共焦傳感器的 最大可測焦重為 400lm?？偤穸?t2 + t3)的最大可測厚度略大于 400lm。結合(2)(4)， 雙層測量與單層測量

15、的關系為 :n12 - NA2zdouble t22zsin glen22 -NA2若 NA 可忽略且空氣 n1 為 1 ，則測得位移可簡單表示為 :zt2 t3zdouble( 6)n2 n3但是，當 NA 變大時， Eq.(6)的誤差不可忽略。例如，圖 4 顯示了使用 Eqs 時，在不同厚度的硬表面層 (丙烯酸酯硬涂層 )上涂布 188mm PET 薄膜的測量總 厚度的模擬結果。 (5)、 (6)，其中，硬質(zhì)涂層與基體分別對應于 t2、t3，如圖 3 所示。在模擬中，我們使用的波長為 655 nm，數(shù)值孔徑為 0.37。PET薄膜和 hart 涂層的折射率分別為 1.607 和 1.515

16、。另外，如果忽略數(shù)值孔徑 (圖 4(a)中的紅色 圓圈 )，則在大范圍的硬質(zhì)涂層厚度上存在較大的偏移。如圖4(b)所示，當測量較薄的硬質(zhì)涂層時，會導致精度大大降低。例如，在厚度為 188毫米的 PET 薄 膜上覆蓋 10 毫米厚的硬涂層時， 85%的誤差會發(fā)生。然而，我們可以使用考慮 折射率的測量方法獲得精確的結果， 如式(4)所述。圖 4(a)顯示，所述方法的測量 厚度與物理厚度完全匹配。圖 4. 雙層膜厚度測量的仿真結果。 (a)雙層膜的實測總厚度由厚 188 mm 的 PET 底層和厚 10 - 100 mm 不等的硬質(zhì)涂層組成。黑色的方塊和紅色的圓圈分別顯示了使用折射率和NA ，以及僅

17、使用折射率校正后的厚度結果。 藍線表示物理厚度。 (b)厚度誤差與頂層 (硬質(zhì)涂層)厚度之比。四、實驗結果4.1 單層透明基片厚度測量測量了一個 15mm*15mm 蓋玻璃片 (D263M, Schott)。實際厚度為 147 毫米， 用厚度計 (547 401,Mitutoyo)測量。厚度計的分辨率為 1 毫米，不確定度為 3 毫米。 然后，用共焦傳感器測量了蓋玻片中心的厚度。記錄位移為 92.8 mm。利用提供 的折射率 1.523，利用式(3)計算厚度為 141.3 mm，誤差 3.9%，未考慮 NA 效應。 但是，考慮到 NA 的影響，使用式 (2)，測得的厚度為 147.6 mm，誤

18、差僅為 0.4%4.2 雙層透明基片的厚度測量和均勻性測量 我們測量了大面積硬膜的厚度均勻性，將丙烯酸酯樹脂涂覆在 PET 薄膜 (V7200, SKC)上，采用輥對輥開槽模涂覆。用共焦傳感器和測厚儀測得PET 裸膜厚度分別為 188.2 mm (r = 0.80 mm, 3r = 1.3%) 和 189.4 mm (r = 1.26 mm, 3r = 2.0%)。制備了兩種不同涂膜厚度的樣品，尺寸為 180mm*270mm。采樣間隔為 15mm，我們測試了 247個點( 13*19 網(wǎng)格)。利用公式 (5)將共焦傳感器記錄的 位移轉(zhuǎn)化為實際厚度，然后將樣本切成 150塊( 10*15 的網(wǎng)格

19、)，然后用厚度計 測量每一塊的中心厚度。圖 5 為掃描電子顯微鏡觀察到的 PET 硬膜的橫斷面圖像。薄的上紫菜為硬 涂層，底層為 PET。上表面及硬質(zhì)涂層與基材之間的界面平整均勻。 共焦傳感器 在所有表面和界面都有峰值強度。 然而， 在硬質(zhì)涂層和基體的界面處， 由于硬質(zhì) 涂層和 PET 的折射率相似，光束反射太弱，無法可靠地檢測到共焦反射信號。 因此，我們假設 PET 薄膜的厚度是恒定的，為 188.2 m。這是合理的，因為標 準差只有 0.80 m。圖 6 顯示了使用激光共焦傳感器和厚度計進行薄硬涂敷的 PET 的厚度圖。 兩幅圖的厚度分布相似， 右上區(qū)域比其他區(qū)域厚。 激光共焦傳感器測量的總平均 厚度為 196.9 mm, 3均勻度為 1.8%，硬質(zhì)涂層厚度估計為 8.7 m。在圖 6 中， 無論是機器方向 (MD) 還是交叉方向 (CD)都沒有明顯的趨勢。機器方向是基片在 涂布機上移動