Concepts fondamentaux de la mesure de l'épaisseur de couche

La qualité d'un revêtement de protection ou conceptuel doit être constamment contrôlée pendant le procédé d'enduction afin de garantir la fonctionnalité des couches et ainsi répondre aux besoins du client. Les tests réalisés sur les échantillons issus du procédé de production en continu peuvent être réalisés sous la forme d'un prélèvement aléatoire ou comme une mesure en continu.

Théorie de mesure
L'éclairage des échantillons avec de la lumière blanche permet de créer des spectres d'interférence en fonction de l'épaisseur de la couche géométrique et de l'indice de réfraction des matériaux. Une interférence se produit lorsque la lumière blanche est incidente sur des couches optiquement transparentes, car la différence de trajet entre les longueurs d'onde spécifiques est exactement un multiple de l'épaisseur de la couche optique. L'épaisseur maximale mesurable est liée à la puissance de résolution spectrale, l'épaisseur minimale à la bande spectrale à couvrir. La mesure des couches encore plus minces exige de connaître la valeur de l'intensité absolue. Une précision absolue élevée de la longueur d'onde garantit un résultat de mesure exact.

Suivant l'état de la couche, l'épaisseur peut être calculée en utilisant deux méthodes :

Méthode de la crête :
L'épaisseur de la couche est dérivée du maxima et du minima du spectre d'interférence. Cette méthode est très précise et rapide, mais cependant sensible au bruit. Elle convient pour des couches simples < 5 µm.

Méthode de la transformée de Fourier rapide (FFT) :
L'épaisseur de la couche est calculée à partir de la périodicité du spectre d'interférence. Cette méthode insensible au bruit et adaptée aux couches épaisses, elle nécessite cependant un grand effort de calcul et elle est moins précise. Elle convient pour les systèmes mono- et multi-couche de 1-200 µm.

Avantages
Sans contact et non destructive
Résultats hautement précis
Convient pour une répétabilité à court et à long terme
Réinitialisation rapide des paramètres de revêtement, ce qui résulte en un faible coût concernant la qualité et la consommation de matériaux
Exemples d'utilisation
Fournit de précieuses informations d'épaisseur des résines photosensibles, des films et des couches diélectriques pour la R&D et de contrôle qualité dans des domaines d'application tels que l'automobile, les plastiques, la peinture, la chimie, l'emballage et la microélectronique
Génération des interférences
Génération des interférences
Ce qui suit est basé sur le cas théoriquement le plus simple d'une couche à faces parallèles ayant un indice de réfraction n et une épaisseur géométrique d. En partant de la source de lumière ponctuelle P0, un rayon SO est partiellement réfléchi au point A (rayon S1 à l'angle α) et il partiellement réfracté dans la couche (à l'angle β). À la limite inférieure de la couche, le rayon est de nouveau réfléchi au point B et réfracté au point C. Pour terminer, le rayon S2 quitte la couche limite supérieure parallèlement à S1 et ressort dans l'air. Des réflexions supplémentaires dans la couche réfractent le rayon S0 à l'infini et le divisent en rayons parallèles avec une intensité fortement décroissante. Comme tous les rayons réfléchis et réfractés ont leur origine dans le rayon S0, ils sont cohérents et peuvent donc interférer les uns avec les autres. Suivant la différence de trajet Γ, les deux rayons réfléchis principaux S1 et S2 peuvent interférer l'uns avec l'autre.
Cette différence de trajet est calculée :

Pour une incidence verticale de la lumière, la formule est simplifiée en :

L'interférence maximale se produit sous la condition :

La variable i représente l'ordre d'interférence et elle est constituée d'un nombre premier (i = 0, 1, 2, ...).

Calcul de la couche

Calcul de l'épaisseur de la couche

L'épaisseur de la couche peut être calculée en utilisant deux méthodes, suivant l'épaisseur à mesurer :

Méthode de la crête

Dans la méthode de la crête, l'épaisseur de la couche est dérivée du maxima et du minima du spectre d'interférence (I = numéro atomique). Voici un exemple :

Avantage	très précise et rapide
Inconvénient	sensible au bruit
Application	pour des couches uniques < 5 µm

Transformée de Fourier rapide (FFT)

Dans la méthode FFT, l'épaisseur de la couche est calculée à partir de la périodicité du spectre d'interférence.

Avantage	insensible aux bruits, adaptée pour les couches épaisses
Inconvénient	effort de calcul important, précision limitée
Application	pour les systèmes mono- et multi-couche de 1-200 µm

Calcul de la réflexion

Calcul de la réflexion

L'intensité du rayon secondaire réfléchi dépend de l'indice de réfraction des éléments impliqués. Pour une incidence verticale de la lumière, la réflectance R, lors du passage d'un milieu ayant l'indice de réfraction n₁ à un autre ayant l'indice de réfraction n₂, est au total de :

Si vous regardez une surface en Makrolon (n = 1,59) revêtue de verre acrylique (n = 1,49), la réflectance de la surface limite entre l'air (n = 1) et le verre acrylique est de :

La réflectance de la surface limite entre le verre acrylique et le Makrolon est de :

Les valeurs de l'intensité se rapportent aux intensités du rayon primaire (100 %). La valeur de l'intensité de réflexion du maximum est calculée par (R₁ + R₂) = 4 %, celle du minimum par (R₁ - R₂) = 3,8 %. Si le composant de réflexion du côté arrière de l'échantillon d'environ 4 % ne peut pas être supprimé, les deux valeurs augmentent de ce montant. Les relations représentées s'appliquent uniquement aux extrêmes fortement adjacentes (couches épaisses), car la dépendance de l'indice de réfraction à la longueur d'onde ne joue aucun rôle dans ce cas.

Mesure de l'épaisseur