2020基于激光共焦反射传感器的透明多层膜大面积厚度测量.

1、基于激光共焦反射传感器的透明多层膜大面积厚度测量摘要( 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.为了制造高质量的涂覆透明薄膜， 在大面积范围内保持涂覆厚度的均匀是至 关重要的。 光学测厚技术具有测量时间短、 无损检测等优点。 在

5、现有的光学技术 中，激光共焦法检测反射光在层之间的接口提供了高度可靠和准确的信息。 由于 共焦传感器利用聚焦光学， 在根据记录的聚焦透镜的位移校准实际厚度时， 必须 同时考虑聚焦透镜的数值孔径和薄膜材料的折射率。 在本文中， 我们提出了一种 测量方法校准的实际厚度的单层和双层透明薄膜。 此外，我们开发了一套大面积 的透明基材厚度测量系统， 并使用激光共聚焦反射传感器对涂层样品的均匀性进 行了评估。实验结果与用机械测厚仪测得的厚度进行了比较。一、引言由于消费电子公司最近展示了多种多样的柔性显示器和可穿戴设备， 柔性设 备受到了广泛的关注。塑料，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)，聚萘二甲酸乙

6、二醇酯 (PEN)和聚酰亚胺 (PI)被认为是实现柔性器件的候选基板。然而，塑料基 板不够坚固，不能承受粗糙的处理和划痕， 特别是在触摸界面电子产品等应用中。 因此，需要在薄膜上涂上一层坚硬的涂层来提高表面硬度 1 。作为一种硬涂料， 丙烯酸酯树脂具有良好的光学透明性和附着力。 硬质涂层的厚度通常为 1-10 m。 在典型情况下，槽模涂层用于大规模制造硬涂层塑料薄膜。为了确认大尺寸薄膜上的硬质涂层的均匀性， 必须准确地测量厚度， 并保证 足够快的速度， 以保持较高的生产率。 对于厚度测量， 许多触觉和光学方法是可 用的2 。触控笔是一种典型的触控方式，无论触控笔的光学性能如何，触控笔 都能提供

7、强健的触控效果。 但是， 使用手写笔测量配置文件非常耗时。 在平面层 的情况下， 测试样品必须刮除以进行仿形。 尽管触控笔的工作压力非常低， 但它 仍然会影响表面质量。光学方法包括椭偏 3 、干涉测量法 4 6、光学荧光 7、 光学相干层析 8,9、热成像10和共焦反射 11 14。光学方法具有很大的优势， 特别是对在线检查， 因为它们是快速和无损的。 表 1 展示了光学厚度测量技术的 特点。其中，共焦反射由于光学结构简单，适合于大尺寸测量。 z 扫描可以通过 振动扫描来解决，比如音叉扫描 15。Cox 等人提出了共焦厚度测量，用于测量 光盘11上的薄透明层。由于轴向分辨率的关系，共焦测量具有

8、最小可测厚度。 在12 中，Wang 等人使用了一种新的差分共焦系统来测量透镜厚度，提高了测 量精度。此外，共焦反射法可以测量透明材料的折射率。 Kuo 等人开发了一种双 光束共聚焦显微镜， 使用诺玛斯基棱镜来测量透明材料的折射率和厚度， 如盖板 玻璃和微透镜阵列。然而，该方法仅使用单层结构 13 进行了演示。 Wang 等人 提出了一种简单而强大的共焦技术， 可以测量折射率测量。 但是，演示仅限于球 形透镜 14 。为了获得较高的厚度测量精度， 需要考虑共焦光学和测量材料的信息。 在以 往的研究中， 表观厚度与真实厚度之间存在差异 11,16。多层结构使得这种差异 更加复杂。 本文提出了一种

9、共焦反射测厚方法。 该测量方法同时考虑了物镜的数 值孔径和多层膜各层的折射率来计算厚度。 此外，我们开发了一种大面积厚度测 量系统，可以处理 2G(第二代)显示面板大小 (370 毫米 470毫米)的基板。利用该 系统，实现了对大型透明多层膜厚度均匀性的快速评价。二、大面积薄膜测厚系统图 1(a)为所开发的大面积厚度测量系统。它由一个高精度的 XYZ 平台和一 个厚度传感器组成。 为了达到高水平的位置精度， 该阶段是由直线电机沿空气轴 承导轨。该平台安装在一个沉重的花岗岩框架上， 由气动隔振器支撑， 消除了外 部振动的影响。厚度传感器由 XYZ 三坐标控制可以测量 2G 大小( 370mm47

10、0mm)的衬底 基片或薄膜用真空固定在多孔的平板吸盘上。 厚度可以连续测量， 也可以逐点测 量。作为厚度传感器， 为了测量透明层的厚度， 使用了商业激光共焦反射传感器 (LT-9011, Keyence)，如图 1(b)所示。 表 2 列出了传感器的规格。 摘要在层状薄膜 共焦厚度测量中， 利用音叉对激光光束进行高速 z向振动物镜的扫描。 反射到界 面上的激光束会聚在一个针孔上， 然后进入光探测器。 通过同时记录反射激光束的强度和物镜的高度，测量层状薄膜界面之间的距离，即厚度。然而，在这方面 我们需要谨慎对待。 从物镜位置的距离到准确的胶片厚度的平移不是简单的线性 比例。细节将在下一节讨论。图

11、 1. 大面积厚度测量系统 （a） 全系统 （b） 激光共焦反射传感器表 2. 激光共焦传感器的光学规格激光波长（ nm）655光斑尺寸（ m）2数值孔径（ NA ）0.37最小轴向分辨率（ m）0.01表 1. 光学厚度测量技术类型优点缺点椭圆测量术高精度薄层 (< 10nm) 有效同时测量厚度和折射率光学复杂，成本高干涉测量高精度需要可调激光源折射率测量薄层不准确 (<50 nm)光学荧光简单测量荧光染料需要需要预校核光学相干断层成像术宽量程测量( >500m)精度相对不高热成像大面积检测用热导率的间接测量不透明层测量花费高共焦反射宽厚度范围( >1mm )需要 Z

12、 扫描简单低成本光学最小可测量的厚度 (>0.5 )m三、用激光共焦传感器测量厚度3.1 单层厚度测量图 2 为共聚焦反射法测量透明薄膜厚度的原理， 其中 n1 和 n2 分别为空气和 薄膜材料的折射率， n2 大于 n1图 2. 激光共焦反射法检测单层透明薄膜厚度的原理(n1 < n2)激光共焦传感器探测不同折射率材料之间的界面反射。 共焦传感器具有较高 的轴向分辨率， 能够准确地检测出界面及其高度位置。 此外， 它可以通过测量顶 部和底部表面来测量层的厚度。 然而，由于空气与透明膜的界面发生折射， 使得 聚焦透镜的位移与透明膜的实际厚度不匹配。由斯涅耳法则 可知，聚焦透镜位移与

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 为聚焦透镜的数值孔径， 1 和 2 分别为入射角和透射角。假设 NA 非常小，则空气中测得的厚度可以简单地假设为 :tzsin gle n2(3)由于它简单实用，在工业应用中得到了广泛的应用。然而， NA 在许多情况 下不能被忽视，因为光学聚焦技术通常使用具有高数值孔径的透镜来获得高轴向 分辨率。即使对于多层厚度的测量，也应该更仔细地考虑 NA 。否则，一些错误 不可

14、避免地发生 16 。下一节介绍双层透明膜的厚度测量方法。3.2 双层厚度测量对于双层透明薄膜， 如图 3 所示，所测得的聚焦透镜位移如下所示， 其叠加形式为 (2):(6)图 3. 激光共焦反射法检测双层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分别为顶层和底层的折射率和厚度。共焦传感器的 最大可测焦重为 400lm。总厚度(t2 + t3)的最大可测厚度略大于 400lm。结合(2)(4)， 双层测量与单层测量

15、的关系为 :n12 - NA2zdouble t22zsin glen22 -NA2若 NA 可忽略且空气 n1 为 1 ，则测得位移可简单表示为 :zt2 t3zdouble( 6)n2 n3但是，当 NA 变大时， Eq.(6)的误差不可忽略。例如，图 4 显示了使用 Eqs 时，在不同厚度的硬表面层 (丙烯酸酯硬涂层 )上涂布 188mm PET 薄膜的测量总 厚度的模拟结果。 (5)、 (6)，其中，硬质涂层与基体分别对应于 t2、t3，如图 3 所示。在模拟中，我们使用的波长为 655 nm，数值孔径为 0.37。PET薄膜和 hart 涂层的折射率分别为 1.607 和 1.515

16、。另外，如果忽略数值孔径 (图 4(a)中的红色 圆圈 )，则在大范围的硬质涂层厚度上存在较大的偏移。如图4(b)所示，当测量较薄的硬质涂层时，会导致精度大大降低。例如，在厚度为 188毫米的 PET 薄 膜上覆盖 10 毫米厚的硬涂层时， 85%的误差会发生。然而，我们可以使用考虑 折射率的测量方法获得精确的结果， 如式(4)所述。图 4(a)显示，所述方法的测量 厚度与物理厚度完全匹配。图 4. 双层膜厚度测量的仿真结果。 (a)双层膜的实测总厚度由厚 188 mm 的 PET 底层和厚 10 - 100 mm 不等的硬质涂层组成。黑色的方块和红色的圆圈分别显示了使用折射率和NA ，以及仅

17、使用折射率校正后的厚度结果。 蓝线表示物理厚度。 (b)厚度误差与顶层 (硬质涂层)厚度之比。四、实验结果4.1 单层透明基片厚度测量测量了一个 15mm*15mm 盖玻璃片 (D263M, Schott)。实际厚度为 147 毫米， 用厚度计 (547 401,Mitutoyo)测量。厚度计的分辨率为 1 毫米，不确定度为 3 毫米。 然后，用共焦传感器测量了盖玻片中心的厚度。记录位移为 92.8 mm。利用提供 的折射率 1.523，利用式(3)计算厚度为 141.3 mm，误差 3.9%，未考虑 NA 效应。 但是，考虑到 NA 的影响，使用式 (2)，测得的厚度为 147.6 mm，误

18、差仅为 0.4%4.2 双层透明基片的厚度测量和均匀性测量 我们测量了大面积硬膜的厚度均匀性，将丙烯酸酯树脂涂覆在 PET 薄膜 (V7200, SKC)上，采用辊对辊开槽模涂覆。用共焦传感器和测厚仪测得PET 裸膜厚度分别为 188.2 mm (r = 0.80 mm, 3r = 1.3%) 和 189.4 mm (r = 1.26 mm, 3r = 2.0%)。制备了两种不同涂膜厚度的样品，尺寸为 180mm*270mm。采样间隔为 15mm，我们测试了 247个点( 13*19 网格)。利用公式 (5)将共焦传感器记录的 位移转化为实际厚度，然后将样本切成 150块( 10*15 的网格

19、)，然后用厚度计 测量每一块的中心厚度。图 5 为扫描电子显微镜观察到的 PET 硬膜的横断面图像。薄的上紫菜为硬 涂层，底层为 PET。上表面及硬质涂层与基材之间的界面平整均匀。 共焦传感器 在所有表面和界面都有峰值强度。 然而， 在硬质涂层和基体的界面处， 由于硬质 涂层和 PET 的折射率相似，光束反射太弱，无法可靠地检测到共焦反射信号。 因此，我们假设 PET 薄膜的厚度是恒定的，为 188.2 m。这是合理的，因为标 准差只有 0.80 m。图 6 显示了使用激光共焦传感器和厚度计进行薄硬涂敷的 PET 的厚度图。 两幅图的厚度分布相似， 右上区域比其他区域厚。 激光共焦传感器测量的总平均 厚度为 196.9 mm, 3均匀度为 1.8%，硬质涂层厚度估计为 8.7 m。在图 6 中， 无论是机器方向 (MD) 还是交叉方向 (CD)都没有明显的趋势。机器方向是基片在 涂布机上移动