DE102015007054A1

DE102015007054A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Dicke von dünnen organischen Schichten

Info

Publication number: DE102015007054A1
Application number: DE102015007054.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Huth-Fehre; Michael Tummuscheit
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-06-02
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2016-12-08

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der Dicke organischer Schichten, insbesondere von Schmierstofffilmen, auf rauen Oberflächen, insbesondere von Metalloberflächen, vorgeschlagen, bei dem die Oberfläche mit Strahlung mit Infrarotanteill bestrahlt wird und die reflektierte Strahlung in Wellenlängenbereichen gemessen wird, die für Grundschwingungen der in der Beschichtung vorkommenden Moleküle charakteristisch sind und derselbe Messfleck mit UV-Licht geeigneter Wellenlänge zur Fluoreszenz angeregt wird und diese Fluoreszenz quantitativ erfasst wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen der Dicke organischer Schichten, insbesondere Ölfilmen, auf rauhen Oberflächen, insbesondere Metalloberflächen.
Hintergrund der Erfindung:
Die Kenntnis der Beschichtungsdicke ist z. B. bei der Produktion von Bandstahl oder Aluminium von größter Wichtigkeit, um sowohl eine vollständige, als auch eine gleichmäßig dicke Beölung, die für bestimmte Weiterverarbeitungsschritte unabdingbar ist, garantieren zu können und die in diesem Produktionszweig enormen Reklamationskosten zu vermeiden. Problematisch in diesem Bereich ist dabei, dass die verwendeten Oberflächen zum einen sehr vielfältig sind und sie zum anderen eine gewisse und zum Messzeitpunkt oft unbekannte Rauigkeit aufweisen. Zur berührungslosen und zerstörungsfreien Ermittlung der Dicke von Schichten auf Oberflächen sind verschiedene Verfahren bekannt. Für glatte Oberflächen, wie sie z. B. Wafer und polierte Optiken aufweisen, finden die Ellipsometrie (Beispiel-Schriften: US 4695162 , US 5220405 , US 4453828 , US 5999267 ) und die Interferenz an dünnen Schichten (Beispiel-Schriften: US 4606641 , US 4254337 , 3708229 ) Anwendung. Viele Oberflächen sind für derartige Verfahren jedoch zu rauh (z. B. Bandstahl, Gussteile, Drehteile, ...).
Stand der Technik:
Um organische Schichten auf rauhen Oberflächen bestimmen zu können, bietet sich die Messung der Infrarotabsorption der Schicht an. Zur empfindlichsten Messung ist dazu die Grundschwingung der Moleküle heranzuziehen.
Alternativ wird auch die UV-stimulierte Fluoreszenz der Schichten erfasst und mit der Schichtdicke korreliert.
IR-Absorption:
Dazu wird die Oberfläche mit Strahlung, die von der interessierenden Beschichtung absorbiert wird, beleuchtet und das zurück gestreute Licht eingesammelt und spektral selektiv detektiert, woraus dann das spektrale Reflexionsvermögen der Oberfläche ermittelt wird. Hierbei ist es vorteilhaft, nur das außerhalb des Direktreflexes diffus gestreute Licht zu erfassen. Das so gemessene Reflexionsvermögen lässt sich als Produkt des Reflexionsvermögens der reinen Oberfläche mit dem Absorptionsspektrum der zu vermessenden Schicht auffassen. Kennt man das spektrale Reflexionsvermögen der reinen Oberfläche, so lässt sich die Absorption bestimmen und mit Hilfe des Lambert-Beer'schen Gesetzes oder einer seiner Näherungen für dünne Schichten in eine Schichtdicke umrechnen. Das Reflexionsvermögen der reinen Oberfläche lässt sich entweder an unbeschichtetem Material direkt messen, oder muss an beschichtetem Material durch Messung der Absorption außerhalb der Molekülabsorptionsbande ermittelt und dann für den Bereich der Molekülabsorption extrapoliert werden. Dies geschieht am besten, wenn der Untergrund auf beiden Seiten der Schmierstoffabsorption erfasst wird, wie in den Schriften WO 9412865 A und WO 01/92820 offenbart.
UV-Fluoreszenz:
Diese Methode wird schon seit vielen Jahren benutzt, wie in den Schriften JP5052527 , JP3264850 oder JP000H09113231A beispielhaft dargelegt. In diesen Schriften wird die Linienstrahlung des Quecksilberdampfs zur Anregung benutzt.
Nachteile des Standes der Technik:
IR-Absorption:
Das Lambert-Beer-Gesetz beschreibt einen logarithmischen Zusammenhang zwischen der Absorption und der Schichtdicke. Weist die Schicht z. B. durch Tröpfchenbildung so kleinräumige Inhomogenitäten auf, dass Gebiete unterschiedlicher Schichtdicke gleichzeitig vom Messstrahl erfasst werden, so findet eine lineare Mittelung über einen nichtlinearen Prozess statt, was zu starken Abweichungen (Minderanzeigen) des Messergebnisses führen kann. Besonders bei elektrostatisch aufgetragenen wachshaltigen Beschichtungen kann es zu stalagnitenartigen Anhäufungen kommen, bei denen die Minderanzeige mehr als einen Faktor 10 betragen kann.
UV-Fluoreszenz:

– Da im gesamten UV die molekulare Absorption schwächer ist, als im IR bei den Wellenlängen der C-H-Grundschwingung, sind die Sättigungseffekte schwacher und die Fehlmessung bei räumlicher Integration über inhomogen beschichtete Flächen ebenfalls schwächer. Bei extrem dreidimensional strukturierten Beschichtungen wie den oben beschriebenen „Stalagniten” kehrt sich durch Oberflächenvergrößerung der Effekt sogar um und kann bis zu dem Fünffachen an Zuvielanzeige bewirken.
– Der Hauptnachteil ist jedoch in der Abhängigkeit der Fluoreszenzstärke von der genauen chemischen Zusammensetzung der Nachbarschaft der fluoreszierenden Moleküls zu sehen.

Bei komplexen Schmierstoffen muss nicht nur individuell auf den Schmierstoff kalibriert werden, sondern es sind schon Unterschiede zwischen verschiedenen Chargen der gleichen Mixtur messbar, wie in der Dissertation Trockel (Bestimmung dünner Ölschichten auf Stahloberflächen mit Hilfe der Fluoreszenzspektroskopie – Dissertation zur Erlangung des akademischen Gerades „Dr. rer. nat." vorgelegt von Jessica Trockel an der Fakultät für Chemie der Universität Duisburg-Essen bei Prof. Dr. Karl Molt, September 2010) dargelegt.
Als weitere Komplikation, die besonders bei dünnen Schichten hervortritt, wirkt der Umstand, dass die beschichtete Oberfläche im direkten Kontakt zum fluoreszierenden Molekül als „quenchendes Medium” auftritt, das Anregungsenergie in Wärme verwandelt und somit die Fluoreszenz schwächt.
Aufgabe:
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, die beiden oben beschrieben Messprinzipien so zu kombinieren, dass sie sich gegenseitig ihre Nachteile ausgleichen und so im Vergleich zum Stand der Technik eine präzisere Messung der Schmierstoffauflage möglich wird, insbesondere bei dünnen Schichten, Oberflächen variierender Rauhigkeit und Struktur und bei unbekannten oder schwankenden Schmierstoffzusammensetzungen.
Synergien der beiden Methoden:

– das nach WO 01/92820 ermittelte Reflexionsvermögender Oberfläche wird benutzt, um die Fluoreszenzstärke darauf zu normieren.
– wenn bei Messungen an laufenden Bändern das UV-Signal sich ändert, während die IR-Methode konstante Werte liefert, ist von einer Änderung der Ölzusammensetzung auszugehen.
– Wenn sich beide Signale gleichsinnig ändern, ist von einer Schichtdickenvariation auszugehen.
– Wenn sich die Signale beider Methoden gegensinnig ändern, ist von Inhomogenitäten der Beschichtung auszugehen.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen:

– Beide Methoden (IR und UV) vermessen die räumlich möglichst selbe Fläche, oder im Falle gleichförmig bewegter Bänder identisch geformte und in Bandlaufrichtung gegeneinander verschobene Flächen so nacheinander, dass die erhobenen Daten von ein und dem selben Messfleck stammen.
– Nur vom infraroten Licht wird nur der außerhalb des Direktreflexes diffus zurück gestreute Anteil eingesammelt.
– Bei einer oder beiden Methoden kann durch das sequenzielle Einschalten mehrerer die Oberfläche unter verschiedenen Winkeln beleuchtenden Lichtquellen das räumliche Streuvermögen der Oberfläche und der Beschichtung genauer erfasst und zur Verbesserung des Schichtdickenmesswertes eingesetzt werden. Eine hierfür geeignete Vorrichtung ist in 1 gezeigt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4695162 [0002]
US 5220405 [0002]
US 4453828 [0002]
US 5999267 [0002]
US 4606641 [0002]
US 4254337 [0002]
US 3708229 [0002]
WO 9412865 A [0005]
WO 01/92820 [0005, 0010]
JP 5052527 [0006]
JP 3264850 [0006]
JP 00009113231 A [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Dissertation Trockel (Bestimmung dünner Ölschichten auf Stahloberflächen mit Hilfe der Fluoreszenzspektroskopie – Dissertation zur Erlangung des akademischen Gerades „Dr. rer. nat.” vorgelegt von Jessica Trockel an der Fakultät für Chemie der Universität Duisburg-Essen bei Prof. Dr. Karl Molt, September 2010) [0008]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Dicke von organischen Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass die beschichtete Oberfläche mit Strahlung, die in der zu messenden Beschichtung eine Grundschwingung der Moleküle anregen kann, beleuchtet wird und das zurückgestreute Licht eingesammelt und spektral selektiv detektiert wird und derselbe Messfleck mit UV-Licht geeigneter Wellenlänge zur Fluoreszenz angeregt wird und diese Fluoreszenz quantitativ erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nur vom infraroten Licht nur der außerhalb des Direktreflexes diffus zurückgestreute Anteil eingesammelt wird.