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Die
Erfindung gehört
zu dem Bereich des Messwesens und kann zum Kalibrieren der Schichtdickennormale
angewendet werden.
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Die
Schichtdickennormale ist zur Verkörperung, Aufbewahrung und Reproduzierung
des bestimmten Wertes der Schichtdicke vorgesehen. Als Konstruktion
stellen diejenige aus vorgegebenem Material gewöhnlich Parallelepipeden oder
anderen Grundlagen dar, wobei die Schicht, deren Dicke genau gemessen
wird, in die Mitte deren Oberfläche oder
in die auf der Oberfläche
gebildete rechteckige Nut Substrate vorgegebenem Material aufgetragen ist.
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Die
Schichtdickennormale ist als die Arbeitsnormale zur Kalibrierung
von Geräten
mit unterschiedlichem Arbeitsprinzip zur zerstörungsfreien Messung der Dicke
dünner
Schichten vorgesehen. Nur mit dem kalibrierten Schichtdickenmessgerät kann ein
rückverfolgbares
und zuverlässiges
Messergebnis der Schichtdicke gewährleistet werden.
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Die
Schichtdickennormale als Glied einer Rückverfolgbarkeitskette muss
auch kalibriert sein.
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Bekannt
ist die Methode zur Kalibrierung von Schichtdickennormalen mit einer
Nut (SU 813129), die darin besteht, dass die Oberfläche des
Substrates und die Grundfläche
der auf der Ober fläche
gebildeten rechteckigen Nut der Schichtdickennormalen mit Hilfe
eines Schleifsteines möglichst
eben und spiegelglatt bearbeitet sind. Eine solche Bearbeitung ermöglicht,
die Tiefe der auf der Oberfläche
gebildeten Nut von der Oberfläche
der bis zum Boden der Nut z. B. mit Hilfe der Interferenzmethode
mit hoher Genauigkeit zu messen. Nach der Tiefemessung der Nut wird
die auf ein Normal formierte Nut mit vorgegebenem Material so beschichtet,
dass die Oberfläche
der Schicht im Vergleich mit der Oberfläche des Substrats zusammengefallen
ist. Dann wird die Übereinstimmung
der Oberflächen
des Substrats und der Schicht kontrolliert. Auf diese Weise wird
durch die Beschichtung der Nut auch das Schichtdickennormal durch
das Messergebnis der Tiefe der Nut kalibriert.
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Die
Lückenhaftigkeit
dieser Methode besteht darin, dass die Fertigungstechnologie für die Übereinstimmung
der Oberfläche
der in die Nut beschichtete Schicht und der Oberfläche des
Substrats sehr arbeitsaufwendig und problematisch wird. Dieses aber
wirkt gerade auf die Genauigkeit der Kalibrierung aus. Ebenso kann
man diese Methode nur bei derartigen Schichtdickennormalen benutzt
werden, bei denen die Schicht in die auf der Oberfläche des Schichtdickenormales
formierte Nut, deren Tiefe vorher gemessen ist, aufgetragen wird.
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Bekannt
ist auch die Kalibriermethode von Stufen-Schichtdickennormalen (SU 1337646),
bei den die Schicht in der Mitte der Oberfläche des Substrats der Schichtdickennormalen
aufgetragen wird. Diese Methode basiert auf der Anwendung des Tastschnittgerätes „Profilometer-Profilograf". Bei dieser Methode
wird neben der Stufen-Schichtdickennormalen auf der Grundlage des
analogischen Normalelementes, dessen Oberfläche vorher kalibriert wurde, so
aufgetragen, dass die Oberfläche
des Elements und der Schichtdickennormalen gleich hoch und die Oberfläche des
Elements die Verlängerung
für die Oberfläche der
Schichtdickennormalen ist. Mit Hilfe der Kontaktmethode wird mit
dem empfindlichen Taster des Tastschnittgerätes die Oberfläche der
Grundlage und der Schicht der Stufen- Schichtdickennormalen mit einem bestimmten
Schritt von der Oberfläche
des seitlich gelegenen Elements als Basis hin und her getastet.
Durch die Auswertung der Messdaten wird die mittlere Schichtdicke
des Schichtdickennormales berechnet und ableitend daraus bekommt man
das Kalibrierergebnis.
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Die
Lückenhaftigkeit
dieser Methode besteht darin, dass diese Methode nur die Kalibrierung
von Stufen-Schichtdickennormalen ermöglicht. Gleichzeitig erfordert
diese Methode die Existenz der sehr genauen und zusätzlichen
Substratfläche,
von der ausgehend die Schichtdicke der Schichtdickennormalen bei
der Kalibrierung berechnet wird.
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Ebenso
ist die Kalibriermethode zur Kalibrierung von Stufen-Schichtdickennormalen
(EVS Teataja, 1999. N 7, 8. S. 13–17, 3)
bekannt, bei der die Oberfläche
ohne Schicht und die Oberfläche
der Schicht der Schichtdickennormalen mit dem Taster des Tastschnittgerätes abgetastet
wird. Es wird in einem bestimmten Umfang in drei oder mehr voneinander
unabhängigen
bestimmten Abständen
in den Querrichtungen getastet und danach die Schichtdicke aus den
verschiedenen Profillinien berechnet.
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Die
Lückenhaftigkeit
dieser technischen Lösung
besteht darin, dass diese Methode nur für die Kalibrierung in den bestimmten
Schnittflächen
der Stufen-Schichtdickennormale gebraucht werden kann. Gleichfalls
findet Abschätzen
der Schichtdicke aus den von Oberflächen der Schichtdickennormalen erhaltenen
Profillinien von dem anliegenden Substrat statt.
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Bekannt
ist auch die Methode zur Kalibrierung von Stufen-Schichtdickennormalen (Hoffmann, et
al Surface and Coating Technology 169-170 (2003) pp 732-734),
die darin besteht, dass die Oberfläche der Schichtdickennormalen
topographisch getastet wird. Aus der resultierenden topographischen
Abbildung wird die Schichtdicke abgeschätzt.
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Die
beschriebene technische Lösung
ist die nächstliegende
Lösung
zu hier vorgeschlagen Erfindung und wird deshalb als gattungsgemäße Lösung gewählt.
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Die
Lückenhaftigkeit
der beschriebenen technischen Lösung
besteht darin, dass diese Methode zur Kalibrierung der Stufen-Schichtdickennormale
gebraucht werden kann. Diese Lösung
ermöglicht
die Messung der Schichtdicke nur ausgehend von der topographischen
Abbildung des anliegenden Substrats, gesetzt den Fall, dass diese
topographische Abbildung der anliegenden Substratfläche unterhalb
der Schicht entsteht. Weil die Schichtdicke als Abstand zwischen
der oberen und unteren Grenzfläche
der Schicht definiert ist, geht mit der angebenen Methode das erhaltene
Kalibrierergebnis nicht von der unteren Grenzfläche der Schicht, sondern von der
anliegenden Substratfläche
und deren topographischer Abbildung aus, welche die Genauigkeit
aber markant vermindert.
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Ziel
für die
als Erfindung der vorgeschlagenen Kalibriermethode ist eine Allgemeingültigkeit
von Kalibriermöglichkeiten
für die
konstruktiv verschiedenen Schichtdickennormalen und eine Erhöhhung der Genauigkeit
der Kalibrierung von Schichtdickennormalen.
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Das
Ziel wird dadurch erreicht, dass die Oberfläche des Substrats oder die
Oberfläche
mit der in die Oberfläche
gebildeten rechteckigen Nut der Schichtdickennormalen vor der Beschichtung
und die Oberfläche
der Schichtdickennormalen nach der Beschichtung dreidimensional
(topographisch) vermessen und aus diesen Messergebnissen mit der
Hilfe des Messmodells die Schichtdicke des Schichtdickennormales
berechnet wird. Dabei wird die Messung der oben genannten Flächen über das
gesamte vorgegebene Gebiet mit Hilfe des Abtastens der Oberflächen durchgeführt. Die
topographische Messdaten (topographische Abbildungen) werden gespeichert
und auf dem Bildschirm des Rechners angezeigt. Danach werden die
gleichen Bereiche der topografischen Abbildungen, die vor und nach
der Beschichtung mit Hilfe des Abtastens der Oberflächen erhalten
sind, miteinander angepasst und in einem Messmodell erfasst. Das
Kalibrierergebnis wird durch die Benutzung des Messmodells berechnet und
erscheint mit der Messunsicherheit auf dem Bildschirm. Dabei kann
man als Messmo dell die mathematischen Zusammenhänge der Dicke in bestimmten
Punkten oder der mittleren Dicke oder der geometrischen Dicke und
der Messunsicherheiten von Messergebnissen der Schicht, die sich
zwischen den beiden Abbildungen bildet, nutzen. Als Messmodell kann
man auch die Zusammenhänge
des Abstandes zwischen beiden Abbildungen in beliebigen Punkten des
Substrats mit Koordinaten X und Y nutzen. Bei der vorgeschlagenen
Methode kann man die Messdaten der topographischen Abbildungen des
Schichtdickennormales auf dem Datenträger speichern, genannten Daten
auf dem Bildschirm des Rechners anführen, die gleichen Bereiche
der topographischen Abbildungen, die vor und nach der Beschichtung
des Schichtdickennormales erhalten sind, übereinstimmend machen und dadurch
das Messmodell verfassen. Auf Grund von oben genannter Beschreibung kann
man die Dicke im bestimmten Punkt oder die mittlere Dicke oder die
geometrische Dicke und die Messunsicherheit von Messergebnissen
berechnen und auf dem Bildschirm des Rechners zeigen.
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Zur
Erklärung
der beschriebenen Methode sind die folgenden Figuren vorgelegt:
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In
der 1 ist die Nachbildung der vorgezeigten topographischen
Abbildung auf dem Bildschirm des Rechners bei der topographischen
Messung der Grundlage des Stufen-Schichtdickennormales
und auf Grund der bekommenden Messdaten dargestellt.
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In
der 2 ist die Nachbildung der vorgezeigten topographischen
Abbildung auf dem Bildschirm des Rechners bei der topographischen
Messung der Grundlage der Schichtdickennormalen mit der Nut und
auf Grund der erhaltenen Messdaten dargestellt.
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In
der 3 ist die Nachbildung der vorgezeigten topographischen
Abbildung auf dem Bildschirm des Rechners bei der topographischen
Messung der Oberfläche
des Stufen-Schichtdickennormales
nach der Beschichtung und auf Grund der erhaltenen Messdaten dargestellt.
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In
der 4 ist die Nachbildung der vorgezeigten topographischen
Abbildung auf dem Bildschirm des Rechners bei der topographischen
Messung der Oberfläche
des Schichtdickennormales mit der Nut nach der Beschichtung und
auf Grund der erhaltenen Messdaten dargestellt.
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In
der 5 ist auf dem Bildschirm des Rechners eine auf
Grund der Zusammensetzung von der in den 1 und 3 gezeigten
Abbildungen erhaltene Nachbildung, wo die gleichen Bereiche der topografischen
Abbildungen übereinstimmend
gemacht sind, dargestellt.
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In
der 6 wird auf dem Bildschirm des Rechners eine auf
Grund der Zusammensetzung von den in den 2 und 4 gezeigten
Abbildungen erhaltene Nachbildung, wo die gleichen Bereiche der topografischen
Abbildungen übereinstimmend
gemacht sind, dargestellt.
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Die
Realisierung der Methode wird folgend abgehandelt. Das Substrat
der Schichtdickennormalen, deren Oberfläche mit einer bestimmten Methode möglichst
eben und spiegelglatt verarbeitet wurde, oder des Substrats mit
ebener und glatter Oberfläche und
mit in der Oberfläche
des Substrats gebildeter, rechteckiger Nut, deren Grundfläche eben,
glatt und parallel mit der Oberfläche des Substrats ist, wird
auf dem Messtisch des Messgerätes
befestigt, z. B. auf einem Messtisch des Messkomplexes „Perthometer Concepts" zur Messung der
Rauheit und der Form von Oberflächen.
Dabei ist die Steuerschraube des Messtisches in der Querrichtung
mit einem Schrittmotor fest gekoppelt, z. B. mit dem Schrittmotor „Stepper
motor for crosstable PKT range adjustemnt 0,24-17,5 mm", wobei der Schrittmotor
mit einem Steuerprogramm, z. B. mit „Perthometer concept Option.
Topography", gesteuert
wird. Mit einem Messgerät,
z. B. mit dem Messkomlpex „Perthometer
Concept", wird oben
genannte Oberfläche
oder werden oben genannte Oberflächen
des Substrates der Schichtdickennormalen mit dem entsprechenden Sensor
berührungslos
oder berührend
abgetastet oder gescannt. Die erhaltenen Messdaten werden auf einem
Datenträger
gespeichert, z. B. in dem Datenspeicher des Rechners des Messkomplexes.
Auf Grund der Messdaten wird danach auf dem Bildschirm des Rechners,
abhängig
von dem Typ der Schichtdickennormalen, eine topographische Abbildung
der Oberfläche ähnlich der
entweder in 1 oder in 2 gezeigten
Nachbildung angezeigt. Die Messdaten der topografischen Abbildung
werden für die
weitere Verwendung im Rechner oder in separaten Datenträgern, z.
B. in Memorysticks, gespeichert. Danach wird das Substrat der Schichtdickennormalen
von dem Messtisch genommen. Mit der abgestimmten Methode, abhängig von
benötigten
Materialien der Schicht und des Substrats, wird die Schicht entweder
auf die Mitte der Oberfläche
des Substrats oder auf die Grundfläche der auf die Oberfläche der Grundlage
gebildeten rechteckigen Nut aufgetragen, wobei die Schichtdickennormale
fertiggestellt ist. Als nächstens
wird die Schichtdickennormale wieder auf demselben Messtisch des
Messgerätes,
hier des Messkomplexes „Perthometer
Concept", befestigt. Die
Messung der Oberfläche
der Schichtdickennormalen wird mit Hilfe eines berührungslosen
oder berührenden
Sensors nahezu von derselben Stelle (Punkt), aus begonnen, von der
auch die Messung der Oberfläche
der Schichtdickennormalen vor die Beschichtung gestartet wurde.
Auf Grund des Abtastens (des Scannens) der Oberfläche der
Schichtdickennormalen werden, abhängig von dem Typ der Schichtdickennormalen,
topografische Abbildungen der Oberflächen ähnlich der entweder in 3 oder in 4 gezeigten
Nachbildungen angezeigt.
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Abhängig von
dem Typ des Schichtdickennormales, werden dann mit den topographischen
Daten oder von dem Bildschirm des Rechners gemeinsame Bereiche der
topografischen Abbildungen der Oberfläche des Substrates, die vor
und nach der Beschichtung gemessen wurde, zueinander angepasst. Das
heißt,
die in den 1, 2, 3 und 4 dargestellten
topographischen Bereiche 1 und 2 oder 3 und 4,
die mit Hilfe der Zusammenstellung der obengenanten Abbildungen
auf dem Bildschirm des Rechners erhältlichen Nachbildungen der
Abbildungen sind in den 5 und 6 gezeigt.
Dabei sind als Ergebnis der Übereinstimmung
der gemeinsamen Bereichen 1 und 2 oder 3 und 4 der
in den 1 und 2 oder in den 3 und 4 gezeigten Abbildungen
die zusammengestellten topographischen Bereiche 5 und 6 herausgekommen.
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Als
Ergebnis der Kalibrierung der Schichtdickennormalen wird jetzt das
Messmodell zur Errechnung des Wertes der Schichtdicke in einem beliebigen
Punkt oder der mittleren Schichtdicke oder der geometrischen Schichtdicke
des Schichtdickennormales und der Messunsicherheiten dieser Werte brauchbar.
Das Messmodell ist abhängig
von den Messdaten der Zwischenschicht, von topographischen Abbildungen,
von der Kalibrieraufgabe (welche Schichtdicke, die Schichtdicke
in dem vorgegebenen Punkt, die mittlere Schichtdicke usw.) und von dem
vorgegebenen Berechnungszusammenhang zusammengestellt. Auf dem Bildschirm
des Rechners wird diese Zwischenschicht durch die in den 5 und 6 gezeigten
Teilen 7 und 8 charakterisiert.
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Bei
der Kalibrierung registrierte Messdaten, die die Gestalt der in
den 5 und 6 gezeigten topographischen
Abbildungen annehmen, ist es möglich,
den Standort des beliebigen Punktes der Abbildung in dem Querkoordinatensystem
auf der Oberfläche
der Schichtdickennormalen festzusetzen. Jeder Punkt auf der Oberfläche der
Schicht wird mit dem Abstand von diesem Punkt bis dem Punkt, der auf
der Oberfläche
des Subtrats oder der Grundfläche
der Nut unterhalb dieses Punktes liegt, definiert, d. h. als Schichtdicke
definiert.
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Die
erhaltenen topographischen Messdaten oder diese Daten in Form der
topographischen Abbildungen werden mit zwei dreidimensionalen Matrixen vorgelegt,
die die Fläche
der Oberfläche
der Schicht und die unter der Schicht gelegenen Oberfläche des Substrats
beschreiben. Die Koordinaten der Punkte beider Flächen werden
gewöhnlich
in der Form (X, Y, Z) angegeben, wobei die Koordinaten X und Y die
horizontale Position des Punktes bestimmen und die Koordinate Z
die vertikale Höhe
von dem Punkt der horizontalen Position, d. h. die Schichtdicke,
bestimmt.
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Bei
der Berechnung der mittleren Schichtdicke werden die Z-Koordinaten der Punkte
der gefundenen topographischen Abbildungen auf die zwei Ebenen,
d. h. auf die vorstellbare Ebene der Grundfläche der Schicht und auf die
vorstellbare Ebene der Oberfläche
der Schicht, unter Nutzung der in Mathematik bekannten Methode der
kleinsten Quadrate untergebracht und auf Grund derselben wird das
Messmodell verfasst. Der erhaltene Abstand zwischen den zwei Ebenen
wird in dem Messmodell an der gegebenen Schichtdickennormalen die
mittlere arithmetische Schichtdicke oder von der Aufstellung der Übung, die
geometrische Schichtdicke bestimmt.
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Für die Berechnung
der Schichtdicke in verschiedenen Punkten, d. h. in den Punkten
mit den Koordinaten X und Y auf der Oberfläche der Schicht, kann man voraussehen,
dass die Z-Koordinaten
der Punkte für
die Bestimmung der Schichtdicke die vollkommen gleichen Werte der
Koordinaten X und Y haben und aus diesen das Messmodell verfasst
wird.
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Bei
der weiteren periodischen Kalibrierung der Schichtdickennormalen
werden die vor der Beschichtung bei dem Abtasten der Oberfläche des Substrats
erhaltene und die mit dem Messgerät fixierten topographischen
Messdaten oder auf Grund dieser Daten die topographischen Abbildungen,
die ähnlich
der in 1 oder 2 dargestellten Abbildung sind,
verwendet. Diese topographischen Messdaten kann man auf dem Datenträger, z.
B. auf dem Memorystick, das bei dem Satz der Schichtdickennormale zum
Bestand gehört,
speichern.
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Bei
der nächsten
Kalibrierung des Schichtdickennormales werden vor der Kalibrierung
die vor der Beschichtung erhältlichen
topographischen Messdaten der Oberfläche des Substrats dieser Schichtdickennormalen
in dem Rechner des Messgerätes,
z. B. des in der diesen Methode beschriebenen Messgerätes, oder
eines ähnlichen
Messgerätes,
gespeichert. Danach wird das Abtasten (das Scannen) der Oberfläche der
Schichtdickennormalen mit Hilfe des oben genannten oder eines ähnlichen Messgerätes durchgeführt und
als Ergebnis erhält man
die topographischen Messdaten der Oberfläche der Schichtdickennormalen,
die auf dem Datenträger,
wo die topographischen Messdaten der Oberfläche zuvor gespeichert wurden,
gespeichert werden können.
Diese Messdaten kann man auch auf dem Bildschirm des Rechners des
Messgerätes
als Form, die in der 3 oder in der 4 dargestellt
ist, vorlegen. Nachfolgend werden mit dem entsprechenden Programm
die gemeinsamen topographischen Messdaten übereinstimmend gemacht. Diese
gemeinsamen topographischen Daten charakterisieren die gemeinsamen
Teilbereiche der Oberfläche
des Substrats oder die gemeinsamen Teilbereiche der auf dem Bildschirm
des Rechners erhältlichen
Abbildungen. Als Ergebnis bekommt man die Teilbereiche 5 und 6 der
topographischen Abbildungen, die in den 5 und 6 gezeigt
sind. Für
das Kalibrierergebnis braucht man die von den topographischen Messdaten
gebildete Schicht 7 zwischen Abbildungen, die auf der 5 gezeigt
ist, wenn die Stufen-Schichtdickennormale kalibriert wird, oder
die von den topographischen Messdaten gebildete Schicht 8 zwischen
Abbildungen, die auf der 6 gezeigt ist, wenn die Schichtdickennormale
mit der Nut kalibriert wird. Auf Grund der topographischen Daten
der Schicht zwischen den Abbildungen fängt das Programm an, auf der
Basis des verfassten Messmodells die Schichtdicke und deren Messunsicherheit zu
berechnen. Bei der Verwendung des oben beschriebenen Messmodells
und des Rechnerprogramms wird durch die Bearbeitung der auf den
Datenträger übergetragenen
Messdaten oder der auf dem Bildschirm des Rechners das Kalibrierergebnis der
Schichtdickennormalen, d. h. das Messergebnis der Schichtdicke nach
Bedarf, das Messergebnis der Schichtdicke in einem vorgegebenen
(gewissen) Punkt oder mittlere Schichtdicke oder geometrische Schichtdicke
der Schichtdickennormalen mit der das erhaltene Ergebnis charakterisierten
Messunsicherheit, das als Ergebnis der Wiederholungskalibrierung ist,
erzielt. Entsprechend wird die Kalibrierung der Schichtdickennormalen
jedes Mal bei der Wiederholungskalibrierung durchgeführt.
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Der
Effekt dieser Methode besteht darin, dass infolgedessen die Kalibrierung
der Schichtdickennormalen die Schichtdicke direkt als der Abstand
zwischen den zwei Grenzflächen
der Schicht der Schichtdickennormalen gemessen werden kann, d. h.
dass die Methode der Messprozedur, die genau auf die Definition
der Schichtdicke erfüllt,
realisiert wird. Ein Ergebnis der Verwendung der beschriebenen Methode
ist auch die bedeutend höhere
Genauigkeit der Kalibrierung.