-
Die
Erfindung betrifft ein Kalibriernormal, insbesondere zur Kalibrierung
von Vorrichtungen zur zerstörungsfreien
Messung der Dicke dünner
Schichten mit einer Trägerschicht
aus einem Grundwerkstoff und einem auf der Trägerschicht aufgebrachten Normal,
welches die Dicke der zu messenden Schicht aufweist, auf welche
die Vorrichtung zu kalibrieren ist.
-
Bei
der zerstörungsfreien
Messung der Dicke dünner
Schichten durch ein magnetinduktives Verfahren oder ein Wirbelstromverfahren
in Abhängigkeit
des Grundwerkstoffes ist erforderlich, dass die Vorrichtungen nach
einer Normierung auf die jeweilige Messaufgabe kalibriert werden.
Durch das Kalibrieren wird eine Differenz zwischen Soll- und Istwerten
festge stellt. Diese Differenz wird korrigiert, wodurch die Vorrichtung
auf die Messaufgabe kalibriert ist.
-
Zur
Korrektur der Differenz zwischen Soll- und Istwert wird eine Messung
mittels Kalibriernormalen durchgeführt. Zunächst wird ein erster Wert auf
einer Trägerschicht
erfasst, die aus einem Grundwerkstoff besteht. Im Anschluß daran
wird ein weiterer Wert auf einem Normal erfasst, welches auf der Trägerschicht
aufgebracht ist. Die Differenz ergibt die gemessene Schichtdicke.
Durch das Normal steht der zu messende Sollwert fest. Nach mehreren
Messungen wird die gemittelte Abweichung zwischen Soll- und Istwerten
erfasst und kalibriert.
-
Die
bisher bekannten Kalibriernormale bestehen aus einer Trägerschicht
des Grundwerkstoffes, auf welchem das Normal als Kunststofffolie
wie bspw. Polyethylenterephtalat (PTFP) ausgelegt oder aufgeklebt
ist. Die Kalibriernormale werden zur Nachbildung von Schichtdicken
von bspw. 40 μm
bis 1000 μm
verwendet. Insbesondere im unteren Bereich der Schichtdicke ist
bei diesen Kalibriernormalen problematisch, dass durch das Auflegen
oder insbesondere durch das Aufkleben bereits geringe Aufwerfungen
durch das Klebemittel entstehen können, wodurch die nachgebildete
Schichtdicke verfälscht wird.
Bei der Verwendung solcher Folien ist der weitere Nachteil gegeben,
dass diese duktil sind und eine raue Oberfläche aufweisen.
-
Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Kalibriernormal
zu schaffen, welches in einfacher Weise herzustellen ist, eine hohe
Präzision und
Wiederholgenauigkeit zur Kalibrierung einer Vorrichtung aufweist.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Kalibriernormal gelöst, bei dem das Normal durch
Anreiben auf der Trägerschicht
dauerhaft angeordnet ist. Durch das Anreiben des Normals auf der
Trägerschicht
wird ermöglicht,
dass ohne Klebemittel oder sonstigen Zusatzstoffen eine Verbindung
zwischen dem Normal und der Trägerschicht
durch Adhäsion
geschaffen wird. Nach dem Anreiben und der Positionierung des Normals
auf der Trägerschicht
erfolgt mit zunehmender Zeitdauer eine Art Kaltver schweißung. Durch
diese Verbindung wird eine sichere und planparallele Anordnung des
Normals auf der Trägerschicht
gewährleistet.
Gleichzeitig wird eine hochpräzise
Ausgestaltung des Kalibriernormals erzielt, da keine zusätzlichen
Stoffe zwischen dem Normal und der Trägerschicht vorgesehen sind,
welche zu einer Verkippung oder Aufwerfung der Oberfläche des
Normal gegenüber
der Trägerschicht
führen
könnte.
-
Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Normal mit geringem Druck durch Verschiebebewegungen auf
der Trägerschicht
positioniert ist. Dadurch kann sichergestellt sein, dass die zwischen
der Auflagefläche
des Normals und einer Messfläche
der Trägerschicht
sich befindende Luftschicht vollständig verdrängt wird, und ein unmittelbares
Aneinanderliegen der Auflagefläche
des Normal zur Messoberfläche
der Trägerschicht
gegeben ist.
-
Der
Grundwerkstoff der Trägerschicht
ist bevorzugt aus Stahl, Eisen oder Nichteisenmetall hergestellt.
Die Grundwerkstoffe Stahl und Eisen werden für das magnetinduktive Messverfahren
verwendet. Für
das Wirbelstromverfahren wird der Grundwerkstoff aus einem Nichteisenmetall,
Messing, Kupfer oder aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung für die Trägerschicht
ausgewählt.
-
Die
Trägerschicht
weist bevorzugt eine Messfläche
auf, die poliert oder geläppt
ausgebildet ist. Dadurch wird eine Oberfläche mit einer geringen gemittelten
Oberflächenrauhigkeit
geschaffen, so dass beim Aufsetzen der Messsonde auf der Messfläche gleichbleibende
Bedingungen gegeben sind. Bevorzugt ist diese Oberfläche gehärtet.
-
Das
Normal ist vorteilhafterweise als Isolierschicht ausgebildet. Diese
Isolierschicht ist bevorzugt aus einem Halbleitermaterial hergestellt.
Hierbei können
Elementhalbleiter, wie beispielsweise Germanium oder Silizium oder
Verbindungshalbleiter, die beispielsweise aus Verbindungen von Elementen
der III. und V. Hauptgruppe, wie GaAs, InSb usw, oder aus der II.
und IV. Hauptgruppe, wie CdS, ZnS usw. bestehen, eingesetzt werden.
Diese Halbleitermaterialien werden in Wafern bereitgestellt und
auf die gewünschte
Form des Normals gebracht. Das Normal kann eckig oder rund ausgebildet
sein. Dieses Halbleitermaterial weist den Vorteil auf, dass die
Wafer in exakten Schichtdicken hergestellt werden. Dies wird dadurch
erzielt, dass einzelne Atomlagen definiert aufwachsen, wodurch definierte
Schichtdicken erzielt werden. Zum Einsatz können Halbleitermaterialien kommen,
die dotiert, teilsdotiert oder im Hinblick auf die Implementierung
von einzelnen Elementen oder Dotierungen fehlerhaft sind. Dotierungen
des Halbleitermaterials haben auf die Messung keinen Einfluss. Die
Oberfläche
von solchen Wafers ist von hoher Festigkeit, einer geringen Rauhigkeit
und spiegelblank und ermöglicht
somit über
die gesamte Messfläche
des Normals gleichbleibende Aufsetzbedingungen für eine Messsonde. Darüber hinaus
ist dieses Material nahezu abnutzungsfrei, wodurch bspw. bei einer
Anzahl von 60 000 Messungen an demselben Messpunkt eine Abweichung
von 0,8 μm
bei einer Dicke des Normals von 200 μm ermittelt wurde.
-
Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass dem Normal ein Hilfspol zugeordnet ist. Dieser Hilfspol ist
in einem vorbestimmten Abstand zum Normal an einem Grundkörper angeordnet,
so dass eine Vorrichtung zur Messung der Dicke dünner Schichten, insbesondere
ein Handmessgerät,
mit einem Fuss- oder Aufsetzpunkt bzw. Widerlager einfach und sicher
kalibriert werden kann.
-
Vorteilhafterweise
ist vorgesehen, dass eine mehrere Normale aufnehmende Trägerschicht
auf einer Auflagefläche
am Grundkörper
positionierbar ist, wobei die Auflagefläche am Grundkörper planparallel zum
Hilfspol ausgebildet ist. Dadurch kann eine exakte Ausrichtung der
Messflächen
der Trägerschicht und
den Normalen und der Auflageflächen
am Grundkörper
ermöglicht
sein.
-
Nach
einer ersten Ausführungsform
eines Kalibriernormal, welche mehrere Normale und diesen zugeordneten
Hilfspolen aufweist, ist vorgesehen, dass die Aufsetzfläche des
Hilfspol stufenlos durch eine Versteileinrichtung, insbesondere
durch ein Gewinde in dem Grundkörper
aufgenommen ist und auf das jeweils zugeordnete Normal einstellbar ist.
Da durch wird ermöglicht,
dass die Aufsetzflächen des
Hilfspol und die des Normals in einer Ebene liegen. Somit kann eine
verkippungsfreie Messung durchgeführt werden. Bevorzugt ist benachbart
zum Hilfspol eine Auflagefläche
am Grundkörper
vorgesehen, die in einer Ebene mit der Messfläche der Trägerschicht des zugehörigen Normals
liegt, so dass zunächst
die Messvorrichtung auf einer zur Messfläche der Trägerschicht ebenen Auflagefläche am Grundkörper aufgesetzt
wird, um eine Nulllage zu erfassen und anschließend auf dem Hilfspol und dem zugeordneten
Normal aufgesetzt wird, um die Schichtdicke zu messen und die Kalibrierung
der Messvorrichtung vorzunehmen.
-
Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Kalibriernormals
ist vorgesehen, dass bei der Ausgestaltung von zumindest einem Normal
und einem diesem zugeordneten Hilfspol die Messflächen der
Normale in einer Ebene liegen und eine Auflagefläche des Grundkörpers in
derselben Ebene wie die Normale liegt und dass gestuft ausgebildete
Hilfspole am Grundkörper
vorgesehen sind, die den gestuft ausgebildeten Messflächen der
Trägerschichten zugeordnet
sind. Bei dieser Ausführungsform
sind somit die Hilfspole in unterschiedlicher Höhe vorgesehen, wie auch die
Messfläche
der Trägerschichten, wobei
die Normalen und die Hilfspole in einer gemeinsamen Ebene liegen.
Eine alternative Ausführungsform
sieht eine Umkehrung vor. Bei einer solchen Umkehrung ist die Trägerschicht
in einer Ebene mit der Auflagefläche
am Grundkörper
vorgesehen. Die Hilfspole sind gestuft in Analogie zu den Messflächen der
Normale vorgesehen.
-
Bevorzugt
ist vorgesehen, dass das Normal von einem Rahmen umgeben ist, der
vorzugsweise unmittelbar an die Messfläche des Normals angrenzt. Diese
Ausführungsform
weist den Vorteil auf, dass das Normal in seiner flächigen Erstreckung
sehr klein zum Aufsetzen eines Sensorelementes der Messsonde ausgebildet
sein kann und der sich daran anschließende Rahmen eine Vergrößerung der
Aufsetzfläche
für eine
Sondenhülse
der Messsonde bildet. Zumeist ist das Sensorelement der Messsonde beweglich
in einer Sondenhülse
geführt.
Dadurch wird ermöglicht,
dass das Normal in seiner Größe sehr
klein ausgebildet werden kann und somit Kosten eingespart werden,
wobei durch den ergänzenden Rahmen
dieselbe Funktion wie bei einem großflächig ausgebildeten Normal gegeben
ist.
-
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des Normals mit einem das Normal umgebenden
Rahmen sieht vor, dass der Rahmen aus einem Nichteisenmetall, aus
Kunststoff, Glas, Keramik ausgebildet ist. Solche Materialien sind
kostengünstiger
als die für
das Normal verwendete Materialien. Darüber hinaus lassen sich jegliche
Schichtdicken als auch Geometrien zur Aufnahme des Normals in solchen
Materialien einbringen.
-
Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
derselben werden im Folgenden anhand den in den Zeichnungen dargestellten
Beispielen näher
beschrieben und erläutert.
Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale
können
einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt
werden. Es zeigen:
-
1 eine
schematische Seitenansicht des Kalibriernormals,
-
2 eine
schematische Draufsicht auf das Kalibriernormal,
-
3a eine
perspektivische Darstellung eines Kalibriernormals, welchem ein
Hilfspol zugeordnet ist,
-
3b eine
perspektivische Darstellung einer alternativen Ausführungsform
eines Kalibriernormals zu 3a,
-
4 eine
perspektivische Darstellung einer alternativen Ausführungsform
zu 3, und
-
5 eine
perspektivische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform
zu 3 und 4.
-
In 1 ist
schematisch das erfindungsgemäße Kalibriernormal 11 dargestellt.
Dies umfasst eine Trägerschicht 12 mit
einer Auflagefläche 14 zur Positionierung
des Kalibriernormals 11 auf einem Messtisch oder einer
Arbeitsfläche.
Auf der gegenüberliegenden
Seite ist eine Messfläche 16 der
Trägerschicht 12 vorgesehen,
welche planparallel zur Auflagefläche 14 hergestellt
ist. Diese Messoberfläche 16 ist
bevorzugt hochglanzpoliert. Auf dieser Messfläche 16 ist das Normal 17 vorgesehen.
Dieses liegt mit einer Auflagefläche 18 auf
der Messoberfläche 16 auf.
Gegenüberliegend
ist eine Messfläche 19 des
Normals 17 ausgebildet, wobei die Auflagefläche 18 planparallel
zur Messfläche 19 ausgerichtet
ist.
-
Die
Trägerschicht 12 umfasst
einen Grundwerkstoff bspw. Stahl und Eisen für das magnetinduktive Schichtdickenmessverfahren
und einen nichtferromagnetischen Grundwerkstoff z.B. nichtmagnetischer
Stahl, Aluminium und deren Legierung für die Schichtdickenmessung
durch das Wirbelstromverfahren.
-
Das
Normal 17 ist als Isolierschicht aus einem Halbleitermaterial
hergestellt. Hierzu werden die Normale 17 aus einem Wafer
aus Halbleitermaterialien, insbesondere Silizium oder Germanium,
hergestellt.
-
Zum
Aufbringen des Normals 17 auf der Trägerschicht 12 wird
die Messoberfläche 16 zumindest mit
einem nichtfasernden Stoff sauber abgerieben und von Staub befreit.
Zusätzlich
kann die Messoberfläche 16 mit
Alkohol oder dgl. gereinigt werden. Ebenso wird die Auflagenfläche 18 des
Normals 17 gereinigt. Zusätzlich kann die Auflagefläche 18 poliert
werden. Anschließend
wird das Normal 17 auf die Messoberfläche 16 durch Anschieben
oder Aufreiben aufgebracht. Bevorzugt wird unter leichtem Druck
und einer schiebenden Bewegung das Normal 17 zu einer gewünschten
Position auf der Trägerschicht 12 positioniert.
Durch mehrmaliges Hin- und Herbewegen des Normals 17 um
den gewünschten Punkt,
kann das Normal 17 zur Trägerschicht 12 positioniert
werden. Nach der Positionierung des Normal 17 auf der Trägerschicht 12 verbleibt
das Normal 17 durch die Adhäsionskräfte und einer beginnenden und
sich einstellenden Kaltverschweißung dauerhaft auf der Trägerschicht 12.
-
Auf
der Trägerschicht 12 wird
zusätzlich noch
der Nennwert der Schichtdicke für
das Normal 17 sowie der Grundwerkstoff der Trägerschichten 12 oder
einer Schicht-Trägerkombination
angegeben.
-
Das
Normal 17 kann in Schichtdicken von bis zu 1000 μm bereitgestellt
und aufgebracht werden. Selbst Schichtdicken bspw. von 10 μm des Normals 17 können durch
Anschieben auf der Trägerschicht 12 zur
Herstellung des erfindungsgemäßen Kalibriernormals 11 vorgesehen
sein. Die Messung der Dicke des Normals 17 kann rückführbar mit
mechanischem Präzisionsverfahren
geführt
werden, welche wiederum kalibriert sind.
-
In 3a ist
ein Kalibriernormal 11 dargestellt, welches insbesondere
für Vorrichtungen
vorgesehen ist, die zusätzlich
zur Messsonde ein Aufsetzpunkt oder Widerlager aufweisen, mit welchem
die Messvorrichtung zunächst
auf einer Messoberfläche aufgesetzt
wird, bevor die Messsonde auf die zu messende Schichtdicke aufgesetzt
wird. Um insbesondere solche Messvorrichtungen, die bspw. als Handgeräte ausgebildet
sind, zu kalibrieren, wird ein Kalibriernormal 11 vorgeschlagen,
welches zumindest ein Normal 17 und zumindest ein dem Normal 17 zugeordneten
Hilfspol 21 aufweist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind beispielhaft drei Normale 17 zu
einem Kalibriernormal 11 zusammengefasst. Diese Normale 17 stehen
für unterschiedliche
Schichtdicken wie bspw. 50 μm,
100 μm und
500 μm.
Der Hilfspol 21 ist an einem Grundkörper 25 vorgesehen.
Dieser Grundkörper 25 weist
eine Auflagefläche 26 auf,
welche eine Oberflächenqualität in Analogie
zur Messfläche 16 der
Trägerschicht 12 umfasst.
Der Grundkörper 25 nimmt
Trägerschicht 12 auf,
wobei eine planparallele Auflagefläche zur Auflagefläche 26 geschaffen
ist, auf der die Trägerschicht 12 aufliegt.
-
In
diesem Ausführungsbeispiel
liegt die Messfläche 16 zur
Auflagefläche 26 in
einer Ebene. Dadurch kann zunächst
die Messvorrichtung mit ei nem Aufsetzpunkt auf der Messfläche 26 aufgesetzt werden,
um anschließend
die Messsonde auf der Messfläche 16 aufzusetzen.
Zur Kalibrierung der Messvorrichtung wird anschließend ein
Aufsetzpunkt der Messvorrichtung auf einer Auflagefläche 23 des Hilfspols 21 aufgesetzt
und die Messsonde auf der Messfläche 19 des
zugeordneten Normals 17. Die Auflagefläche 23 des Hilfspol 21 liegt
in derselben Ebene planparallel zu dem zugeordneten Normal 17.
-
Durch
ein solches Kalibriernormal 11 kann eine verkippungsfreie
Messung mit solchen Handgeräten
durchgeführt
werden und eine exakte Kalibrierung erfolgen. Die Anzahl der auf
dem Kalibriernormal 11 vorgesehenen Normale 17 und
deren zugeordneten Hilfspole 21 ist nur beispielhaft. Die
Hilfspole 21 sind in dieser Ausführungsform durch ein Gewinde
in dem Grundkörper 25 vorgesehen
und können
auf die Dicke des Normals 17 eingestellt werden.
-
In 3b ist
eine alternative Ausführungsform
eines Kalibriernormals 11 zu 3a dargestellt. Bei
dieser Ausführungsform
sind die Normale 17 in der Größe verringert. Um eine hinreichend
große Auflagefläche für eine Sondenhülse der
Messsonde zu erzielen, ist das Normal von einem Rahmen 31 umgeben.
Dieser Rahmen 31 grenzt vorteilhafterweise unmittelbar
an das Normal 17 an. Eine Auflagefläche 32 des Rahmens 31 geht
bevorzugt bündig
in die Auflagefläche 19 des
Normals 17 über.
Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass diese Auflagefläche 32 in
einer Ebene zur Auflagefläche 19 liegt,
da das Sensorelement gegenüber
der Sondenhülse
verschiebbar gelagert ist und in die Sondenhülse eintauchen kann. Dieser
Rahmen 31 ist bevorzugt aus einem kostengünstigerem
Material als das Normal 17 ausgebildet. Beispielsweise
kann ein Nichteisenmetall, Glas, Keramik oder insbesondere Kunststoff
vorgesehen sein. Die Form des Rahmens 31 kann rund oder
eckig ausgebildet werden. Eine Ausnehmung im Rahmen 31 zur
Aufnahme des Normals 17 ist an die Geometrie des Normals 17 angepasst.
-
Die
Zuordnung eines Rahmens 31 zu einem Normal 17 kann
bei einem Kalibriernormal 11 gemäß den Ausführungen in den 3a, 4 und 5 als
auch bei einer Ausführungsform
gemäß den 1 und 2 vorgesehen
sein. Ein solcher Rahmen 31 kann zusätzlich eine Schutzfunktion
aufweisen, um einen Übergang
zwischen den aneinander liegenden Auflageflächen 16 und 18 von
der Trägerschicht 12 und
dem Normal 17 zu schützen.
-
In 4 ist
eine alternative Ausführungsform zu 3 dargestellt. Anstelle von einstellbaren
Hilfspolen 21 sind in dem Grundkörper 25 durch Fräsbearbeitung
eingearbeitete Aufsetzflächen 23 vorgesehen.
Die Auflagefläche 26 des
Grundkörpers 25 ist wiederum
zur Messfläche 16 der
Trägerschicht 12 planparallel
und in derselben Ebene liegend vorgesehen.
-
In 5 ist
eine alternative Ausführungsform der 3 und 4 und insbesondere
eine Umkehrung der Ausführungsform
zu 4 dargestellt. Die Messflächen 19 der Normale 17 liegen
in einer gemeinsamen Ebene. In dieser Ebene ist auch der Hilfspol 21 mit
einer Aufsetzfläche 23 am
Grundkörper 25 zur
Aufnahme des Aufsetzpunktes der Messvorrichtung vorgesehen. Die
Messfläche 16 der
jeweiligen Trägerschicht 12 ist
gegenüber
der Aufsetzfläche 23 um
die Dicke des Normal 17 versetzt. Analoges gilt für die Auflagefläche 26.
-
Diese
erfindungsgemäße Kalibriernormale 11 zur
Schichtdickenmessung sind hoch präzise.
-
Sämtliche
vorgenannten Merkmale sind für sich
erfindungswesentlich und können
beliebig miteinander kombiniert werden.