DE102017207635B3

DE102017207635B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung einer Schichtdicke eines Objekts

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Publication number: DE102017207635B3
Application number: DE102017207635.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Hochrein
Original assignee: Skz Kfe Ggmbh; Skz-Kfe Ggmbh
Current assignee: Skz Kfe Ggmbh; Skz-Kfe Ggmbh
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2037-05-06
Also published as: WO2018202697A1

Abstract

Ein Verfahren ermöglicht die eindeutige Messung einer Schichtdicke (d) eines Objekts (3). Zunächst wird das Objekt (3), dessen Schichtdicke (d) zwischen einer minimalen Schichtdicke dund einer maximalen Schichtdicke dliegt, bereitgestellt. Hieraufhin werden mindestens zwei Messschritte durchgeführt. In jedem Messschritt werden Wellen (7) auf das Objekt (3) eingestrahlt, sodass sich die Wellen (7) in dem Objekt (3) unter einem Ausbreitungswinkel e ausbreiten. Von Grenzflächen (13, 14) des Objekts (3) ausgehende Sekundärwellen (15) werden detektiert und hieraus eine Menge möglicher Schichtdicken ermittelt. Anschließend werden die Mengen möglicher Schichtdicken der einzelnen Messschritte zur Bestimmung der Schichtdicke (d) abgeglichen. In jedem Messschritt werden Wellen (7) unterschiedlicher Frequenz, welche zwischen den Grenzflächen (13, 14) des Objekts (3) einer Wellenlänge (λ) entsprechen, eingestrahlt. Die Frequenzen der Wellen (7) der einzelnen Messschritte unterscheiden sich derart, dass höchstens ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches der Wellenlängen (λ) der Messschritte einer Weglänge L entspricht für die gilt:

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Schichtdicke eines Objekts, insbesondere mittels kontinuierlicher Wellen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Schichtdicke eines Objekts aus Kunststoff.
In der industriellen Fertigung, beispielsweise in der Qualitätssicherung, ist es oft nötig, die genaue Schichtdicke eines Objekts zu messen. Die Schichtdicke des Objekts ist hierbei eine Ausdehnung des Objekts zwischen zwei beabstandeten Grenzflächen des Objekts. Ein Beispiel hierfür ist die Wandstärke eines Rohres, das insbesondere aus Kunststoff gefertigt ist.
Für die Dickenmessung ist es bekannt beispielsweise Terahertz- oder Ultraschallmesstechniken einzusetzen. Ein möglicher Ansatz ist die Verwendung von gepulsten Messsignalen, wobei aus gemessenen Laufzeitunterschieden auf die Dicke des Objekts geschlossen werden kann. Alternativ können zur Messung der Schichtdicke kontinuierliche Wellen (CW) genutzt werden. Hierbei erfährt die das Objekt durchlaufende Welle eine Phasenverschiebung. Die hieraus resultierende Phasendifferenz erlaubt es die Schichtdicke zu bestimmen. Die US 4,293,224 A1 beschreibt die Messung einer Schichtdicke.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Messung einer Schichtdicke eines Objekts zu schaffen, das einfach, eindeutig und genau ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Zunächst wird ein Objekt, welches zwei um eine Schichtdicke beabstandete Grenzflächen aufweist, bereitgestellt. Die Schichtdicke liegt hierbei in einem vordefinierten Bereich zwischen einer minimalen Schichtdicke d_min und einer maximalen Schichtdicke d_max. Die Schichtdicken d_min und d_max sind beispielsweise aufgrund von Vorprüfungen oder Konstruktionsdaten des Objekts bekannt. Es werden mindestens zwei Messschritte durchgeführt. In jedem der Messschritte werden Wellen mit einer Frequenz auf das Objekt eingestrahlt und von den Grenzflächen des Objekts ausgehende Sekundärwellen detektiert. Innerhalb des Objekts breiten sich die eingestrahlten Wellen unter einem Ausbreitungswinkel e zu einer Flächennormalen einer der Grenzflächen aus. Aus den detektierten Sekundärwellen jedes Messschritts wird eine Menge möglicher Schichtdicken ermittelt. Anschließend wird durch Abgleich der Mengen möglicher Schichtdicken der einzelnen Messschritte die Schichtdicke des Objekts bestimmt. Das Objekt ist beispielsweise ein Rohr, insbesondere ein Kunststoff-Rohr.
Die Frequenz der Wellen eines Messschritts entspricht zwischen den Grenzflächen des Objekts einer Wellenlänge, welche von einem Brechungsindex des Objekts abhängt. Die Wellenlängen der einzelnen Messschritte unterscheiden sich derart, dass höchstens ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches der Wellenlängen der Messschritte einer Weglänge L entspricht, für die gilt: $d_{m i n} \leq L c o s (e) \leq 2 d_{m a x} .$
Dies gewährleistet eine einfache, eindeutige und genaue Messung der Schichtdicke.
Unter Sekundärwellen werden Wellen verstanden, welche durch Reflexion oder Transmission der eingestrahlten Wellen an den Grenzflächen des Objekts entstehen. Beim Durchlauf durch das Objekt erfahren die Wellen eine Phasenverschiebung. Zur Ermittlung der Menge möglicher Schichtdicken aus den Sekundärwellen wird insbesondere die Phasenverschiebung ausgewertet. Hierbei ist es nicht wichtig, wie die Phasenverschiebung der Sekundärwellen gemessen wird. Dies kann prinzipiell durch beliebige hierfür bekannte Verfahren geschehen. Eine Möglichkeit ist, die Phasenverschiebung durch Interferenzmessungen zu ermitteln. Hierzu können beispielsweise Sekundärwellenanteile, welche von den unterschiedlichen um die Schichtdicke beabstandeten Grenzflächen des Objekts reflektiert werden, überlagert werden. Alternativ können die Sekundärwellen nach Durchlaufen des Objekts auch mit Referenzwellen überlagert werden. Bevorzugt können die eingestrahlten Wellen sowie die Referenzwellen mit der gleichen Quelle erzeugt werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht auch darin die Phasenverschiebung der Sekundärwellen mittels Phasenmodulation der eingestrahlten Wellen zu bestimmen.
Zwar kann durch die Detektion der Sekundärwellen in jedem Messschritt eine Schichtdicke und/oder deren Änderung innerhalb einer Wellenlängenperiode sehr präzise bestimmt werden. Aufgrund der Periodizität der eingestrahlten Wellen kann das gemessene Signal nicht von Signalen mit einer Phasenverschiebung von beliebigen ganzzahligen Vielfachen von 2π unterschieden werden. Daher wird in jedem Messschritt eine Menge möglicher Schichtdicken ermittelt, wobei sich die möglichen Schichtdicken jeweils um einen Wert proportional zu der Wellenlänge der Wellen des Messschritts unterscheiden. Aus der Phasenverschiebung der Sekundärwellen kann in einem einzelnen Messschritt nicht eindeutig auf die Schichtdicke geschlossen werden.
Durch die Durchführung verschiedener Messschritte, deren Wellenlängen in einem zu messenden Schichtdickenbereich zwischen der minimalen Schichtdicke d_min und der doppelten maximalen Schichtdicke d_max kein gemeinsames ganzzahliger Vielfaches aufweisen (vgl. Gleichung (1)), kann durch Abgleich der Mengen unterschiedlicher Schichtdicken der einzelnen Messschritte eindeutig die korrekte Schichtdicke bestimmt werden.
Die einzelnen Messschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden unabhängig voneinander durchgeführt. So können die Messschritte entweder zeitlich seriell oder gleichzeitig durchgeführt werden. Die zeitgleiche Durchführung der einzelnen Messschritte hat den Vorteil einer schnellen Messung. Die zeitlich serielle Messung hingegen ermöglicht, dass die Wellen in den einzelnen Messschritten auf denselben Bereich des Objekts eingestrahlt werden können. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, lokale Schichtdickenunterschiede genau aufzulösen. Insbesondere kann eine gleitende Nachverfolgung der Schichtdicke erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist mindestens zwei Messschritte auf. Es können auch mehr als zwei Messschritte durchgeführt werden. Mit der steigenden Anzahl der Messschritte, das heißt mit steigender Anzahl der verschiedenen verwendeten Wellenlängen, wird das gemeinsame ganzzahlige Vielfache der genutzten Wellenlängen größer. Für die in Gleichung (1) genannte Bedingung bedeutet dies, dass zumindest die obige Schranke 2d_max größer gewählt werden kann. Somit ermöglicht eine große Anzahl von Messschritten auf einfache Weise die eindeutige Messung über einen großen Schichtdickenbereich. Auf der anderen Seite hat die Verwendung weniger Messschritte den Vorteil, dass das Verfahren schnell und unkompliziert durchgeführt werden kann. Zudem kann die Messung mit wenigen Komponenten, wie beispielsweise unterschiedlichen Sendern für die Wellen verschiedener Wellenlängen, durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine kostengünstige Durchführung des Verfahrens. Für den Fall, dass nur wenige Messschritte durchgeführt werden sollen, ist es von Vorteil, die Frequenzen beziehungsweise Wellenlängen der einzelnen Messschritte geschickt zu wählen. Hierfür kann beispielsweise ein Kalibrierschritt, wie er später beschrieben ist, durchgeführt werden.
Der Ausbreitungswinkel e ist zwischen der Ausbreitungsrichtung der Wellen innerhalb des Objekts und einer Flächennormalen einer der Grenzflächen des Objekts, insbesondere der Flächennormalen der den einfallenden Wellen zugewandten Grenzfläche des Objekts, definiert. Der Ausbreitungswinkel e hängt über das Brechungsgesetz von Snellius von einem Einfallswinkel b ab, unter welchem die Wellen auf die Grenzflächen des Objekts eingestrahlt werden.
Der Einfallswinkel b ist definiert als der Winkel zwischen einer Ausbreitungsrichtung der eingestrahlten Wellen außerhalb des Objekts und der Flächennormalen der dem Sender zugewandten Grenzfläche des Objekts. Der Einfallswinkel b = 0° bedeutet also einen senkrechten Einfall der Wellen auf die Grenzfläche des Objekts. Bei senkrechtem Einfall der Wellen ist auch der Ausbreitungswinkel e = 0°. Im Gegensatz dazu würde ein Einfallswinkel b = 90° bedeuten, dass die Wellen parallel zu der Grenzfläche des Objekts verlaufen. Ein Einfallswinkel b ≠ 0° wird als schräger Einfall bezeichnet, wobei insbesondere gilt 0° < b < 90°. Im Falle des schrägen Einfalls müssen die eingestrahlten Wellen zwischen den Grenzflächen des Objekts eine größere Strecke zurücklegen. Dies muss bei der Berechnung der Menge möglicher Schichtdicken in den einzelnen Messschritten berücksichtigt werden.
Bevorzugt wird die Messung als Reflexionsmessung durchgeführt. Bei der Reflexionsmessung werden die ausgehenden Sekundärwellen auf der gleichen Seite des Objekts detektiert, von der die Wellen eingestrahlt werden. Die Reflexionsmessung hat somit den Vorteil, dass nur ein einseitiger Zugang zu dem Objekt erforderlich ist. Hierdurch ist eine Messung unabhängig von der weiteren Geometrie des Objekts möglich. Die zur Ermittlung der möglichen Schichtdicken detektierten Sekundärwellen durchlaufen bei der Reflexionsmessung das Objekt zwei Mal. In diesem Fall lässt sich die Bedingung der Gleichung (1) schreiben als: $2 d_{m i n} \leq L cos (e) \leq 2 d_{m a x} .$
Bei der Reflexionsmessung ist es beispielsweise möglich, Sekundärwellen, welche an den unterschiedlichen Grenzflächen des Objekts reflektiert werden zu überlagern und hieraus die Phasenverschiebung zu ermitteln. In diesem Fall wirkt das Objekt mit seinen Grenzflächen als Fabry-Perot-Plättchen.
Alternativ kann die Messung als Transmissionsmessung durchgeführt werden. Die Transmissionsmessung ist technisch einfach umsetzbar. In diesem Fall werden die Sekundärwellen nach einem einmaligen Durchlauf durch das Objekt detektiert, sodass sich die Bedingung von Gleichung (1) schreiben lässt als: $d_{m i n} \leq L cos (e) \leq d_{m a x}$
Bei der Transmissionsmessung kann beispielsweise vorgesehen sein, die transmittierte Strahlung mit einer Referenzstrahlung, welche das Objekt nicht durchlaufen hat, zu überlagern. In einem beispielhaften Messaufbau kann das Objekt in einen Arm eines Mach-Zehnder-Interferometers eingebracht werden.
Die Reflexionsmessungen und die Transmissionsmessungen können auch an mehrschichtigen Objekten durchgeführt werden.
Ein Verfahren nach Anspruch 2 gewährleistet eine einfache und genaue Messung. Der Einfallswinkel b entspricht einem im Wesentlichen senkrechten Einfall. Besonders bevorzugt ist der Einfallswinkel etwa 0°, was einem senkrechten Einfall der Wellen entspricht. Dies verringert die Weglänge der Wellen in dem Objekt. Hierdurch wird die Bedingung für das gemeinsame ganzzahlige Vielfache der Wellenlängen der einzelnen Messschritte gemäß Gleichung (1) vereinfacht. Zudem wird die Messgenauigkeit erhöht. Für einen im Wesentlichen senkrechten Einfall ist auch der Ausbreitungswinkel e ≈ 0°.
Ein Verfahren nach Anspruch 3 ist einfach und genau. Die Überlagerung gewährleistet eine einfache und präzise Bestimmung der Phasenverschiebung der Sekundärwellen und somit der möglichen Schichtdicken in jedem Messschritt. Dies hat weiterhin den Vorteil, dass ein Interferenzsignal unabhängig von der Reflektivität der Grenzflächen des Objekts erzeugt werden kann.
Ein Verfahren nach Anspruch 4 ist einfach und genau. Elektromagnetische Wellen haben gegenüber anderen für das Verfahren verwendbaren Wellen - wie beispielsweise Ultraschallwellen - den Vorteil, dass diese berührungslos und ohne Übertragungsmedium eingestrahlt und detektiert werden können. Hierdurch kann das Objekt in Umgebungsluft oder sogar im Vakuum gemessen werden. Zudem weisen elektromagnetische Wellen ein hohes Durchdringungsvermögen auf, sodass auch dicke Objekte durchstrahlt werden können. Elektromagnetische Wellen werden durch die Grenzschichten nur bedingt gestreut oder absorbiert. Dies ist insbesondere bei der Messung an mehrschichtigen Objekten vorteilhaft.
Ein Verfahren nach Anspruch 5 ist einfach und genau. Das vorgegebene Spektrum stellt einen Frequenzbereich dar, aus welchem die Frequenzen der jeweiligen Wellen aus einzelnen Schritte ausgewählt werden können. Das Spektrum deckt einen Frequenzbereich von 0,01 THz bis 20 THz, insbesondere von 0,03 THz bis 5 THz, insbesondere von 0,2 THz bis 2 THz ab. Wellen in diesem Frequenzbereich können die zu vermessenden Objekte, insbesondere Objekte aus Kunststoff, gut durchdringen. Kunststoff ist in diesem Frequenzbereich transparent. Zudem können zur Erzeugung von Wellen in diesem Frequenzbereich besonders effektive Sender, wie beispielsweise vollelektronische Sender, eingesetzt werden. Der Frequenzbereich ist beispielsweise von 0,06 THz bis 0,4 THz gewählt.
Ein Verfahren nach Anspruch 6 ist einfach und eindeutig. Zur Erzeugung eines möglichst großen ganzzahligen gemeinsamen Vielfachen wäre es theoretisch denkbar, die Frequenzen der unterschiedlichen Messschritte mit möglichst kleinen Unterschieden zu wählen. Dies ist jedoch nicht praktikabel, da die Messung unter realen Bedingungen nicht beliebig genau erfolgen kann. So können beispielsweise die Frequenz der eingestrahlten Wellen sowie der Einfallswinkel b und damit der Ausbreitungswinkel e nicht beliebig genau eingestellt werden. Auch unterliegt die Messung der Phasenverschiebung einem Messfehler. Das Vorsehen eines Mindestfrequenzabstandes ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter realen Bedingungen, unter welchen Messfehler nicht ausgeschlossen werden können.
Ein Verfahren nach Anspruch 7 ist einfach und schnell. Dies hat, insbesondere bei zeitlich seriell ausgeführten Messschritten, den Vorteil einer schnellen und effektiven Messung. Hierdurch werden der Durchsatz erhöht und die Kosten des Verfahrens reduziert. Des Weiteren ist der Rüstaufwand für die Durchführung des Verfahrens verringert.
Ein Verfahren nach Anspruch 8 ist einfach, genau und eindeutig. Durch den Kalibierschritt kann das Messverfahren an die Rahmenbedingung der Messung angepasst werden. Insbesondere kann das Messverfahren an das zu vermessende Objekt angepasst werden. Vorteilhafterweise kann die Anzahl der Messschritte durch den Kalibierschritt minimiert werden. Dies verringert die Kosten und erhöht die Effizienz des Verfahrens. Die Schichtdicken-Messgenauigkeit stellt den Messfehler bei der Messung der Schichtdicke dar. Sie ergibt sich aus den Einstellgenauigkeiten für die Frequenzen der Messschritte, den Einfallswinkel b, sowie die Messgenauigkeiten bei der Detektion der Sekundärwellen.
Ein Verfahren nach Anspruch 9 ist einfach und eindeutig. Nur falls die Überprüfungsschritte für alle möglichen Soll-Schichtdicken in dem Schichtdicken-Bereich eine eindeutige Bestimmbarkeit der jeweiligen Soll-Schichtdicke durch das jeweilige Frequenzpaar ergeben, kann eine eindeutige Messung mit dem Frequenzpaar unter den vorgegebenen Messparametern erfolgen. Wenn auch nur ein Überprüfungsschritt eine Uneindeutigkeit ergibt, muss das Frequenzpaar verworfen werden. Mit einem derartigen Kalibierschritt lassen sich also Frequenzpaare identifizieren, welche zur Durchführung des erfmdungsgemäßen Verfahrens mit genau zwei Messschritten geeignet sind. Im Umkehrschluss lassen sich Frequenzpaare ausschließen, welche keine eindeutige Messung ermöglichen.
Die Eindeutigkeit der Messung mit den im Kalibrierschritt bestimmten Frequenzen ist für alle Schichtdicken innerhalb des Schichtdicken-Bereichs, in welchem die Soll-Schichtdicken liegen, gegeben. Vorzugsweise wird der Schichtdicken-Bereich durch die minimale Schichtdicke d_min und die maximale Schichtdicke d_max des Objekts festgelegt. Für eine durchzuführende Reflexionsmessung kann der Schichtdicken-Bereich beispielsweise von der doppelten minimalen Schichtdicke 2d_min bis zu der doppelten maximalen Schichtdicke 2d_max gewählt werden. Ein Kalibrierschritt für eine Transmissionsmessung kann in dem Schichtdicken-Bereich von der minimalen Schichtdicke d_min bis zu der maximalen Schichtdicke d_max durchgeführt werden. In beiden Fällen gewährleistet dies die eindeutige Messung der Schichtdicke des Objekts. Der Schichtdicken-Bereich kann auch von der minimalen Schichtdicke d_min bis zu der doppelten maximalen Schichtdicke 2d_max gewählt werden. Hierdurch kann eine Eindeutigkeit der Messung unabhängig von dem verwendeten Messaufbau gewährleistet werden. Es sind auch kleinere oder größere Schichtdicken-Bereiche möglich. Insbesondere kann der Schichtdicken-Bereich auch aus unzusammenhängenden Teilmengen bestehen. Der Schichtdicken-Bereich kann zur Optimierung des Kalibrierschritts an das zu vermessende Objekt und/oder die weiteren Messparameter angepasst werden.
Der Überprüfungsschritt kann bevorzugt für eine Vielzahl von verschiedenen Frequenzpaaren durchgeführt werden. Besonders bevorzugt unterscheiden sich die zwei Frequenzen eines Frequenzpaars hierbei mindestens um den Mindestfrequenzabstand.
Ein Verfahren nach Anspruch 10 ermöglicht eine einfache und effektive Durchführung des Überprüfungsschritts für ein Frequenzpaar und eine Soll-Schichtdicke. Hierzu wird zunächst für beide Frequenzen des Frequenzpaars die jeweilige Menge möglicher Schichtdicken, welche die jeweilige Soll-Schichtdicke enthält, errechnet. Hierauf werden die Mengen möglicher Schichtdicken beider Frequenzen des Frequenzpaars abgeglichen.
Zur Errechnung der Menge möglicher Schichtdicken, welche die jeweilige Soll-Schichtdicke enthält, können zu der jeweiligen Soll-Schichtdicke ganzzahlige Vielfache der der jeweiligen Frequenz entsprechenden Wellenlänge addiert werden. Ist der Einfallswinkel b ≠ 0 muss das ganzzahlige Vielfache der jeweiligen Wellenlänge stets mit dem Kosinus des Ausbereitungswinkels, cos(e), multipliziert werden. Vorteilhafterweise genügt es hierbei die Menge möglicher Schichtdicken auf einen Schichtdicken-Bereich zu begrenzen.
Zum Abgleich der Mengen möglicher Schichtdicken beider Frequenzen wird die Anzahl übereinstimmender möglicher Schichtdicken zwischen der minimalen Schichtdicke d_min und der maximalen Schichtdicke d_max bestimmt. Vorzugsweise werden hierbei Schichtdicken, welche sich höchstens um die Schichtdicken-Messgenauigkeit unterscheiden, als gleich gewertet. Hierdurch berücksichtigt der Überprüfungsschritt die real erzielbare Schichtdicken-Messgenauigkeit. Falls für beide Frequenzen des jeweiligen Frequenzpaars genau eine mögliche Schichtdicke, nämlich die Soll-Schichtdicke, übereinstimmt, ist eine eindeutige Messung dieser Soll-Schichtdicke mit dem Frequenzpaar möglich.
Ein Verfahren nach Anspruch 11 ist einfach und genau. Die numerische Berechnung ermöglicht eine Durchführung des Kalibierschritts für beliebige Kombinationen der Messparameter, Brechungsindex des Objekts, minimale Schichtdicke d_min, maximale Schichtdicke d_max, Einfallswinkel b und/oder Schichtdicken-Messgenauigkeit. Für beliebige Kombinationen von Messparametern ist eine analytische Bestimmung geeigneter Frequenzen oftmals unmöglich. Beispielsweise kann vorgesehen sein, den Kalibierschritt für die konkreten Messparameter direkt vor der Messung durchzuführen. Alternativ kann der Kalibierschritt für verschiedene Messparameter-Sets durchgeführt werden, um geeignete Frequenzpaare für das jeweilige Messparameter-Set zu ermitteln. Die ermittelten Frequenzpaare können dann gespeichert werden und bei Bedarf abgerufen werden.
Zur Durchführung der numerischen Berechnung kann vorgesehen sein, verschiedene Frequenzpaare unterschiedlicher Frequenzen innerhalb des vorgegebenen Spektrums und verschiedene Soll-Schichtdicken iterativ zu durchlaufen. Vorteilhafterweise können die Frequenzen des Frequenzpaars hierbei um eine Frequenz-Schrittweite variiert werden, welche einer Einstellgenauigkeit und/oder einer Messgenauigkeit der Frequenzen entspricht. Alternativ kann die Frequenz-Schrittweite auch größer oder kleiner als die Einstellgenauigkeit und/oder die Messgenauigkeit der Frequenzen gewählt werden. Die Soll-Schichtdicken werden vorzugsweise in jedem Schritt um die Schichtdicken-Messgenauigkeit variiert. Die Schrittweiten der iterativen Berechnung lassen sich zur Optimierung der Rechenzeit und/oder der Kalibriergenauigkeit anpassen.
Der Abgleich der möglichen Schichtdicken der Frequenzen eines Frequenzpaars im Überprüfungsschritt kann beispielsweise durch die Eintragung der möglichen Schichtdicken in eine Histogrammklasse, deren Klassengröße mit der Messgenauigkeit der Schichtdicke skaliert, erfolgen. Das Histogramm spiegelt die Häufigkeit der möglichen Schichtdicken beider Frequenzen wider.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur einfachen, eindeutigen und genauen Messung der Schichtdicke eines Objekts bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens einen Sender zur Abstrahlung von Wellen mit Frequenzen innerhalb eines Spektrums und mindestens eines Empfängers zur Detektion der von dem mindestens einen Sender abgestrahlten Wellen. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Auswerteelektronik auf. Die Auswerteelektronik ist für die Durchführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens ausgelegt. Hierzu werden in den einzelnen Messschritten die Wellen mittels des mindestens einen Senders auf das Objekt eingestrahlt, sodass sich die Wellen in dem Objekt unter dem Ausbreitungswinkel e zu einer Flächennormalen der Grenzflächen, insbesondere zu der Flächennormalen einer dem mindestens einen Sender zugewandten Grenzfläche, ausbreiten. Die von den Grenzflächen des Objekts ausgehenden Sekundärwellen werden mittels des mindestens einen Empfängers detektiert. Sender und Empfänger werden hierbei von der Auswerteelektronik angesteuert. Die Auswerteelektronik ermittelt aus den detektierten Sekundärwellen in jedem Messschritt die Menge möglicher Schichtdicken und vollzieht den Abgleich der Mengen möglicher Schichtdicken der einzelnen Messschritte zur Bestimmung der Schichtdicke.
Die Auswerteelektronik kann des Weiteren zur Durchführung des Kalibrierschritts vor einer Messung ausgelegt sein. Alternativ kann der Kalibrierschritt extern durchgeführt werden und die geeigneten Frequenzen an die Auswerteelektronik übermittelt werden.
Die weiteren Vorteile der Vorrichtung entsprechen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung kann mit mindestens einem der Gegenstände der Ansprüche 2 bis 11 weitergebildet werden.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 13 ermöglicht eine einfache und genaue Messung. Elektronmagnetische Wellen haben die oben bereits genannten Vorteile.
Der Sender für elektronmagnetische Wellen kann insbesondere zur Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen in einem Spektrum zwischen 0,01 THz und 20 THz, bevorzugt zwischen 0,03 THz und 5 THz, besonders bevorzugt zwischen 0,2 THz und 2 THz ausgelegt sein. Ein Sender für elektromagnetische Wellen kann als elektronisches System, beispielsweise als Radarantenne ausgeführt sein.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 14 ermöglicht eine einfache und genaue Messung. Laser haben sich als besonders geeignete Anregungsquellen für die Durchführung des Verfahrens erwiesen. Die von einem Laser ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen weisen eine hohe Intensität und Kohärenz auf. Sie eignen sich daher auch bei nicht vernachlässigbarer Absorption zur genauen Bestimmung der Phasenverschiebung der Sekundärwellen.
Zur Durchführung der unterschiedlichen Messschritte kann beispielsweise ein durchstimmbarer Laser verwendet werden. In diesem Fall können die verschiedenen Messschritte seriell mit nur einem Laser als Sender durchgeführt werden.
Alternativ können auch verschiedene Laser mit festen Frequenzen verwendet werden. Dies ermöglicht eine zeitgleiche Durchführung verschiedener Messschritte.
Die Laser können als Terahertz-Laser ausgeführt sein. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau des Senders, da die Laser schon die für die Durchführung des Verfahrens benötigten Frequenzen erzeugen. Alternativ können die abgestrahlten Wellen zweier Laser überlagert werden, sodass deren Schwebung in eine elektromagnetische Welle mit einer Frequenz im Terahertz-Bereich gewandelt werden kann. In diesem Fall umfasst der mindestens eine Sender ein Wandlermodul. Die Wandlung der Schwebungsfrequenz kann beispielsweise über einen geeigneten Kristall erfolgen. In diesem Fall sind für die Erzeugung der elektromagnetischen Wellen eines Messschritts zwei Laser erforderlich. Für die Erzeugung zweier unterschiedlicher Frequenzen werden drei Laser mit drei unterschiedlichen Frequenzen benötigt, welche jeweils paarweise zu unterschiedlichen Schwebungsfrequenzen kombiniert werden können. In diesem Fall sind vorzugsweise drei unterschiedliche in Terahertzstrahlung wandelbare Schwebungsfrequenzen erzeugbar, die für die serielle Durchführung dreier Messschritte genutzt werden können. Alternativ ist auch möglich, nur zwei Schwebungsfrequenzen in Terahertz-Wellen zu wandeln und nur zwei Messschritte durchzuführen.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 15 ermöglicht eine einfache, eindeutige und genaue Messung. Durch die Schnittstelle kann die Auswerteelektronik und damit die Durchführung des Verfahrens durch die Vorrichtung an veränderte Messparameter angepasst werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Auswerteelektronik für die Durchführung des Kalibrierschritts ausgelegt ist. Die erfmdungsgemäße Vorrichtung ist flexibel einsetzbar.
Die Schnittstelle kann als Eingabegerät für einen Benutzer oder als kabelgebundene oder drahtlose Datenverbindung ausgeführt sein.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die erfmdungsgemäße Vorrichtung modular aufgebaut ist. So können beispielsweise der mindestens eine Sender und der mindestens eine Empfänger ausgetauscht werden, um Wellen unterschiedlicher Frequenzen erzeugen zu können. Somit ist die Vorrichtung an wechselnde Messparameter anpassbar.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Figuren. Es zeigen:

1 ein schematischer Messaufbau zur Durchführung einer Transmissionsmessung einer Schichtdicke eines Objekts,
2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Senders mit drei Lasern,
3 eine exemplarische Messung der Schichtdicke eines Objekts mit nur einem Messschritt,
4 eine exemplarische Messung der Schichtdicke des Objekts gemäß 3 mit zwei Messschritten,
5 eine exemplarische Darstellung eines Ergebnisses eines Kalibrierschritts,
6 ein Verfahrensablauf einer Messung einer Schichtdicke,
7 eine schematische Darstellung eines Messaufbaus zur Reflexionsmessung einer Schichtdicke eines Objekts, und
8 eine schematische Darstellung eines weiteren Messaufbaus zur Transmissionsmessung einer Schichtdicke eines Objekts.

1 zeigt einen schematischen Messaufbau 1 mit einer Vorrichtung 2 zur Messung einer Schichtdicke d eines Objekts 3. Der Messaufbau 1 eignet sich zur Durchführung einer Transmissionsmessung an dem Objekt 3.
Die Vorrichtung 2 umfasst einen Sender 4 und einen Empfänger 5. Für die Transmissionsmessung ist das Objekt 3 in einen Zwischenraum zwischen dem Sender 4 und dem Empfänger 5 eingebracht. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 2 eine Auswerteelektronik 6, welche in signal- und datenübertragender Weise mit dem Sender 4 und dem Empfänger 5 verbunden ist. Die Auswerteelektronik 6 steuert den Sender 4 und den Empfänger 5 an und empfängt Daten von dem Empfänger 5.
Die Vorrichtung 2, insbesondere die Auswerteelektronik 6, sind für die Durchführung eines Verfahrens zur Messung der Schichtdicke d des Objekts 3 ausgelegt. Das Verfahren umfasst mindestens zwei Messschritte M_i, wobei i = 1, 2,.... In jedem Messschritt werden elektromagnetische Wellen 7 mit einer für jeden Messschritt M_i unterschiedlichen Frequenz f_i auf das Objekt 3 eingestrahlt. Hierzu ist der Sender 4 zur Abstrahlung elektronmagnetischer Wellen 7 mit unterschiedlichen Frequenzen f_i ausgelegt. Die genaue Ausgestaltung des Senders 4 ist hierbei nicht entscheidend. Der Sender 4 kann beispielsweise eine elektromagnetische Quelle, wie beispielsweise eine Radarantenne, umfassen. Alternativ kann der Sender 4 Laserwellen aussenden. Beispielsweise kann der Sender 4 einen durchstimmbaren Laser, insbesondere einen Terahertz-Laser, umfassen, mit welchem Wellen 7 mit unterschiedlicher Frequenz f_i in den einzelnen Messschritten M_i auf das Objekt 3 eingestrahlt werden können. Ein derartiger Sender 4 erlaubt die Durchführung zeitlich serieller Messschritte M_i. In einer alternativen Ausführungsform umfasst der Sender 4 verschiedene Quellen, wie beispielsweise verschiedene Laser, welche für die Ausstrahlung von elektromagnetischen Wellen 7 mit unterschiedlicher Frequenz f_i ausgelegt sind. Bei einer derartigen Ausführung ist die gleichzeitige Durchführung der verschiedenen Messschritte M_i möglich.
Eine exemplarische Ausführung eines Senders 4 ist in 2 gezeigt. Der in 2 schematisch dargestellte Sender 4 eignet sich zur Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen 7 mit drei unterschiedlichen Frequenzen f_i. Hierzu umfasst der Sender 4 drei Laser 8, welche jeweils Laserstrahlung 9 mit einer Laserfrequenz ν_i erzeugen können. Die Überlagerung jeweils zweier dieser Laserfrequenzen ν_i erzeugt eine Schwebung, die mittels eines Wandlermoduls 10 in die elektromagnetischen Wellen 7 mit den Frequenzen f_i umgewandelt wird.
Die Darstellung in 2, welche die Ausstrahlung der elektromagnetischen Wellen 7 mit den drei unterschiedlichen Frequenzen f_i darstellt, ist rein schematisch zu verstehen. Der Sender 4 eignet sich zur zeitlich seriellen Abstrahlung der elektromagnetischen Wellen 7 mit unterschiedlichen Frequenzen f_i Hierzu werden jeweils nur zwei der Laser 8 gleichzeitig aktiviert, deren Laserstrahlung 9 überlagert und mittels des Wandlermoduls 10 zu einer elektromagnetischen Welle 7 mit einer Frequenz f₁, f₂ oder f₃ gewandelt wird. Das Wandlermodul 10 ist als geeigneter Kristall für die Umwandlung der Schwebungsfrequenzen in die elektromagnetischen Wellen 7 mit der jeweiligen Frequenz f_i ausgeführt.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform des Messaufbaus können auch mehrere Sender 4 vorgesehen sein, welche jeweils für die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen 7 mit einer bestimmten Frequenz f_i ausgelegt sind.
Der Empfänger 5 eignet sich für die Detektion von elektromagnetischen Wellen 7 mit den Frequenzen f_i, die von dem Sender 4 abgestrahlt werden. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform sind mehrere Empfänger 5 vorgesehen, die jeweils für die Detektion von elektromagnetischen Wellen 7 mit einer der von dem Sender 4 abgestrahlten Frequenzen f_i ausgelegt sind.
Die Auswerteelektronik 6 umfasst ein Steuermodul 11 und eine Schnittstelle 12. Das Steuermodul 11 umfasst eine Recheneinheit und Speichereinheit. Die Schnittstelle 12 dient zur Eingabe von Messparametern, welche durch das Steuermodul 11 verrechnet werden können und die Durchführung des Messverfahrens beeinflussen. Hierzu kann die Schnittstelle 12 etwa als Eingabegerät für einen Benutzer oder für eine kabelgebundene oder drahtlose Datenverbindung ausgelegt sein. Die Messparameter umfassen Eigenschaften des Messaufbaus 1 und des zu messenden Objekts 3.
Das zu vermessende Objekt 3 weist eine dem Sender 4 zugewandte Grenzfläche 13 und eine vom Sender 4 abgewandte Grenzfläche 14 auf. Die Grenzflächen 13, 14 sind um die Schichtdicke d des Objekts 3 beabstandet. Das Objekt 3 besteht aus einem Material mit einem Brechungsindex n. Ein typischer Brechungsindex ist n= 1,5. Natürlich sind auch andere Brechungsindices möglich. Das Objekt 3 kann neben der von den Grenzflächen 13, 14 umschlossenen Schicht mit Schichtdicke d noch weitere Schichten aufweisen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Objekt 3 ein Kunststoffbauteil, wie beispielsweise die Wandung eines Kunststoffrohrs. Die Schichtdicke d des Objekts 3 liegt zwischen einer minimalen Schichtdicke d_min und einer maximalen Schichtdicke d_max. Der Brechungsindex n, die minimale Schichtdicke d_min und die maximale Schichtdicke d_max sind Messparameter, welche die Durchführung der Messung beeinflussen.
Zur Messung der Schichtdicke d werden mittels des Senders 4 die elektromagnetischen Wellen 7 auf das Objekt 3 eingestrahlt. Im Allgemeinen werden die Wellen 7 unter einem Einfallswinkel b auf das Objekt 3 eingestrahlt. Der Einfallswinkel b ist als der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung 26 der elektromagnetischen Wellen 7 und einer Flächennormalen 27 der Grenzfläche 13 definiert. An der Grenzfläche 13 werden die elektromagnetischen Wellen 7 gebrochen und breiten sich unter einem Ausbreitungswinkel e zu der Flächennormalen 27 aus. In dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel b = 0°, das heißt die elektromagnetischen Wellen 7 werden senkrecht auf die Grenzfläche 13 eingestrahlt. Somit ist auch der Ausbreitungswinkel e = 0°.
In jedem Messschritt M_i werden elektromagnetische Wellen 7 mit unterschiedlichen Frequenzen f_i eingestrahlt. Bei der in 1 schematisch dargestellten Messung werden die Messschritte M_i zeitlich seriell ausgeführt. Das bedeutet, dass immer nur elektromagnetische Wellen 7 genau einer Frequenz f_i gleichzeitig auf das Objekt 3 eingestrahlt werden. Die elektromagnetischen Wellen 7 mit Frequenz f_i weisen innerhalb des Objekts 3, das heißt zwischen den Grenzflächen 13, 14 eine Wellenlänge λ_i auf. Die Wellenlänge λ_i lässt sich aus der Frequenz wie folgt errechnen: $λ_{i} = \frac{c}{n f_{i}},$
wobei c die Vakuumlichtgeschwindigkeit und n der Brechungsindex des Objekts 3 ist.
Die auf das Objekt 3 eingestrahlten elektromagnetischen Wellen 7 treffen auf die Grenzfläche 13 und nach Durchlaufen des Objekts 3 auf die Grenzfläche 14. Durch Reflexion und Transmission an den Grenzflächen 13, 14 werden an den Grenzflächen 13, 14 Sekundärwellen 15 erzeugt. In der 1 sind nur Sekundärwellen 15 dargestellt, welche nach Durchlaufen des Objekts 3 aus der dem Sender 4 abgewandten Oberfläche 14 austreten. Die dargestellten Sekundärwellen 15 sind transmittierte Wellen. Die Sekundärwellen 15 haben die gleiche Frequenz f_i wie die elektromagnetischen Wellen 7, welche auf das Objekt 3 eingestrahlt werden.
Aufgrund des Brechungsindex n des Objekts 3, der sich von einem Brechungsindex des das Objekt 3 umgebenden Mediums unterscheidet, weisen die elektromagnetischen Wellen 7 beim Durchlauf durch das Objekt 3 eine veränderte Wellenlänge λ_i und eine veränderte Ausbreitungsgeschwindigkeit auf. Hierdurch erfahren die das Objekt 3 durchlaufenden elektromagnetischen Wellen 7 eine Phasenverschiebung. Somit weisen auch die transmittierten Sekundärwellen 15 diese Phasenverschiebung auf.
Die Sekundärwellen 15 werden mittels des Empfängers 5 detektiert. Der Empfänger 5 ermittelt hierbei die Phasenverschiebung der Sekundärwellen 15, aus welcher sich Rückschlüsse auf die Schichtdicke d ziehen lassen. Um die Phasenverschiebung der Sekundärwellen 15 zu ermitteln, werden im Messaufbau 1 Referenzwellen 16 verwendet. Die Referenzwellen 16 durchlaufen nicht das Objekt 3 und weisen daher keine Phasenverschiebung auf. Durch Überlagerung der Sekundärwellen 15 mit den Referenzwellen 16 in dem Empfänger 5 kann ein Interferenzsignal erzeugt werden, aus welchem sich die Phasenverschiebung der Sekundärwellen 15 bestimmen lässt. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die Referenzwelle 16 die gleiche Frequenz f_i aufweist wie die elektromagnetischen Wellen 7. In dem schematischen Messaufbau 1 von 1 werden die Referenzwellen 16 ebenfalls von dem Sender 4 ausgestrahlt. Hierzu kann der Sender 4 beispielsweise einen Strahlteiler umfassen. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Strahlteiler auch außerhalb eines Senders angeordnet sein. In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können die Referenzwellen auch durch einen kohärent mit einem Sender betriebenen Referenzsender erzeugt werden. In anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Phasenverschiebung der Sekundärwellen auch ohne Referenzwellen bestimmt werden.
Im Folgenden wird mit Bezugnahme auf die 3 und 4 das Messprinzip zur Messung der Schichtdicke d beschrieben.
In 3 ist die schematische Auswertung einer Messung der Schichtdicke d des Objekts 3 mit nur einem einzigen Messschritt M₁ mit einer festen Frequenz f₁ dargestellt. Das vermessene Objekt 3 weist eine Schichtdicke d = 30 mm auf. Die Frequenz f₁ der elektromagnetischen Wellen 7 beträgt f₁ = 0,1 THz. Der Brechungsindex n des Objekts 3 ist hierbei derart gewählt, dass die Frequenz f₁ einer Wellenlänge λ₁ = 2 mm entspricht (bei einer gerundeten Lichtgeschwindigkeit von c = 3 · 10⁹ m/s wäre dies ein Brechungsindex von n= 1,5). In diesem Fall weist die das Objekt 3 durchlaufende Welle 7 genau 15 volle Wellenlängen λ₁ innerhalb des Objekts 3 auf. In diesem Fall ist die Phasenverschiebung der Sekundärwellen 15 ein Vielfaches von 2π. Aufgrund der Periodizität der elektromagnetischen Wellen 7 können Phasenverschiebungen von beliebigen ganzzahligen Vielfachen von 2π nicht unterschieden werden. Vielmehr würde jedes Objekt mit einer Schichtdicke, welche einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge λ₁ entspricht, das gleiche Messsignal hervorrufen. Die konkrete Schichtdicke d kann in einem einzelnen Messschritt M₁ mit der Frequenz f₁ daher nicht eindeutig bestimmt werden. Vielmehr kann in jedem Messschritt M_i nur eine Menge möglicher Schichtdicken {d_i} ermittelt werden. Die Menge möglicher Schichtdicken {d_i} eines Messschritts M_i ergibt sich bei Transmissionsmessungen allgemein zu ${d_{i}} = {d_{j} = λ_{i} c o s (e) (j + \frac{φ_{i}}{2 π}) | j \in ℕ °, d_{m i n} \leq d_{j} \leq d_{m a x}},$
wobei φ_i die in dem Messschritt M_i gemessene Phasenverschiebung ist. Hierbei werden nur mögliche Schichtdicken berücksichtigt, welche zwischen der minimalen Schichtdicke d_min und der maximalen Schichtdicke d_max liegen.
In 3 ist nun die Menge aller möglichen Schichtdicken {d_i} des Messschritts M₁ gezeigt. Hierzu ist die Häufigkeit H der jeweiligen möglichen Schichtdicken über eine der Dicke entsprechende Länge L aufgetragen. Da in dem konkreten Beispiel b = 0° und φ_i = 0 sind, entsprechen diese möglichen Schichtdicken, d. h. die Schichtdicken mit Häufigkeit H = 1, jeweils einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge λ₁. Die Durchführung nur eines Messschritts M₁ erlaubt die eindeutige Bestimmung der Schichtdicke d = 30 mm nur dann, wenn bekannt ist, dass die minimal zu messende Schichtdicke d_min und die maximal zu messende Schichtdicke d_max jeweils weniger als einmal die Wellenlänge λ₁ von 30 mm abweichen. Das Messverfahren mit nur einem Messschritt M₁ ist daher stark eingeschränkt und erlaubt nur in wenigen Spezialfällen eine eindeutige Bestimmung der Schichtdicke d.
In 4 ist die Bestimmung der Schichtdicke d = 30 mm des Objekts 3 mittels zweier Messschritte M₁ und M₂ dargestellt. Die Art der Auftragung entspricht der aus 3. Die Frequenz des zweiten Messschritts beträgt F₂ = 0,11 THz. Dies entspricht einer Wellenlänge λ₂ = 1,82 mm. Die Wellenlängen λ₁ und λ₂ sind so gewählt, dass es nur bei 1:11 der ganzzahligen Vielfachen der Wellenlängen eine Überdeckung gibt. In 4 sind die in beiden Messschritten M₁, M₂ ermittelten möglichen Schichtdicken {d₁}, {d₂} gemeinsam aufgetragen. Aufgrund der nur wenigen Überschneidungen der ganzzahligen Vielfachen der Wellenlängen λ₁, λ₂ weisen die Mengen möglicher Schichtdicken {d₁}, {d₂} beider Messschritte M₁, M₂ nur wenige identische mögliche Schichtdicken mit Häufigkeit H = 2 auf. Da die korrekte Schichtdicke d in jedem Messschritt M₁, M₂ ermittelt wird, können nur mögliche Schichtdicken mit Häufigkeit H = 2 der korrekten Schichtdicke d entsprechen. Durch den Abgleich der Mengen möglicher Schichtdicken {d₁}, {d₂} kann die korrekte Schichtdicke d = 30 mm mit einer erhöhten Eindeutigkeit bestimmt werden.
Durch die Wahl der Frequenzen f₁, f₂ der Messschritte M₁, M₂ ist es möglich, die Schichtdicke d zwischen einer minimalen Schichtdicke d_min > 10 mm und einer maximalen Schichtdicke d_max < 50 mm eindeutig zu bestimmen. Der Grund hierfür ist, dass die Wellenlängen λ₁, λ₂ zwischen der minimalen Schichtdicke d_min und der maximalen Schichtdicke d_max höchstens ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches aufweisen.
Die Eindeutigkeit der Messung kann weiter erhöht werden, indem weitere Messschritte M₃, M₄, ... mit unterschiedlichen Frequenzen f₃, f₄, ... durchgeführt werden. Je mehr Messschritte M_i mit unterschiedlichen Frequenzen f_i durchgeführt werden, desto größer ist ein Schichtdickenbereich von der minimalen Schichtdicke d_min bis zur maximalen Schichtdicke d_max in welchem die korrekte Schichtdicke d bestimmt werden kann. Allgemein ergibt sich für die Transmissionsmessung daher die Bedingung, dass höchsten ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches der Wellenlängen λ_i der Messschritte M_i einer Weglänge L innerhalb des Objekts 3 entspricht, für die gilt: $d_{min} \leq L \leq d_{max} .$
Die obigen Ausführungsbeispiele und Überlegungen basieren auf der Annahme eines senkrechten Einfalls der elektromagnetischen Wellen 7 auf die Grenzfläche 13 des Objekts 3. Dies entspricht einem Einfallswinkel b = 0°. Der allgemeine Fall eines schrägen Einfalls (b ≠ 0) bedingt eine Brechung der eingestrahlten elektromagnetischen Wellen 7 an der Grenzfläche 13. Die elektromagnetischen Wellen 7 breiten sich in dem Objekt 3 unter dem Ausbreitungswinkel e aus. Der Ausbreitungswinkel e errechnet sich aus dem Einfallswinkel b nach dem Brechungsgesetz von Snellius. Für den Fall, dass das das Objekt 3 umgebende Medium Luft oder Vakuum ist, ist ein Brechnungsindex des umgebenden Mediums gleich 1. Für den Ausbreitungswinkel e gilt dann: $sin b = n sin e .$
Der allgemeine Fall des schrägen Einfalls (b ≠ 0, e ≠ 0) bedingt daher einen weiteren optischen Weg der elektromagnetischen Wellen 7 in dem Objekt 3. Aufgrund des längeren optischen Wegs ergibt sich für die Transmissionsmessung unter schräger Einfall die Bedingung: $d_{m i n} \leq L cos (e) \leq d_{m a x} .$
In den bisherigen Überlegungen wurden Messfehler und endliche Einstellgenauigkeiten der Vorrichtung 2 vernachlässigt. Somit könnten beliebig feine Schichtdickenunterschiede identifiziert werden. Reale Messungen sind jedoch oftmals durch endliche Messgenauigkeiten und Einstellgenauigkeiten in ihrer Genauigkeit eingeschränkt. So können unterschiedliche Frequenzen nur auf einer Einstellgenauigkeit und/oder Messgenauigkeit Δf genau eingestellt bzw. gemessen werden. Auch die Messung der Phasenverschiebung ist nur mit endlicher Messgenauigkeit möglich. Des Weiteren kann auch der Einfallswinkel b und damit der Ausbreitungswinkel e nicht immer exakt bestimmt werden. Die Messgenauigkeiten und Einstellgenauigkeiten addieren sich zu einer endlichen Schichtdicken-Messgenauigkeit Δd bei der Bestimmung der Schichtdicke d. So können zwei unterschiedliche mögliche Schichtdicken als die gleiche Schichtdicke interpretiert werden, wenn sich die beiden möglichen Schichtdicken um weniger als die Schichtdicken-Messgenauigkeit Δd unterscheiden. In 4 sind beispielsweise bei einer Dicke von 32 mm zwei mögliche Schichtdicken der unterschiedlichen Messschritte M₁, M₂ zu sehen, welche sich kaum unterscheiden. Bei einem System mit endlicher Schichtdicken-Messgenauigkeit Δd könnten diese möglichen Schichtdicken als gleich interpretiert werden und somit die Eindeutigkeit der Messung der korrekten Schichtdicke d = 30 mm beeinträchtigt werden. Um auch bei endlichen Messgenauigkeiten eine eindeutige Messung zu ermöglichen, muss ein Mindestfrequenzabstand zwischen den Frequenzen f_i der einzelnen Messschritte M_i eingehalten werden. Zudem muss eine zu erwartende Schichtdicken-Messgenauigkeit Δd bei der Wahl der Frequenzen f_i der einzelnen Messschritte M_i berücksichtigt werden. Die Schichtdicken-Messgenauigkeit Δd stellt einen zu berücksichtigenden Messparameter dar, welcher die Durchführung des Verfahrens beeinflusst.
Im Folgenden soll ein Kalibrierschritt beschrieben werden, welcher die Festlegung geeigneter Frequenzpaare aus zwei unterschiedlichen Frequenzen f_i innerhalb eines vorgegebenen Spektrums ermöglicht, sodass eine eindeutige Messung der Schichtdicke d zwischen einer vorgebenden minimalen Schichtdicke d_min und einer vorgebenden maximalen Schichtdicke d_max möglich ist. Der Kalibrierschritt berücksichtigt hierbei die Messparameter Brechungsindex n des Objekts 3, minimale Schichtdicke d_min, maximale Schichtdicke d_max, Einfallswinkel b und Schichtdicken-Messgenauigkeit Δd. Die Messparameter sind Ausgangsgrößen für den Kalibrierschritt. Sie müssen für die Durchführung des Kalibrierschritts bekannt sein. Der Kalibrierschritt kann von dem Steuermodul 11 durchgeführt werden. Hierzu können die Messparameter mittels der Schnittstelle 12 eingegeben werden. Alternativ kann der Kalibrierschritt auch extern durchgeführt werden. Die ermittelten geeigneten Frequenzpaare können dann mittels der Schnittstelle 12 an das Steuermodul 11 übergeben werden.
Prinzipiell sind auch Kalibrierschritte denkbar, welche anstatt eines Frequenzpaars geeignete Frequenztripel, Frequenzquatrupel oder Tupel von fünf der mehr unterschiedlichen Frequenzen ermitteln. Die Durchführung der Messung mit einem Frequenzpaar aus zwei unterschiedlichen Frequenzen f_i hat jedoch den Vorteil eines verringerten Rüstaufwands. Des Weiteren kann insbesondere die zeitlich serielle Messung mit nur zwei Messschritten M_i in einer kürzeren Zeit durchgeführt werden.
Zunächst muss ein Spektrum definiert werden, aus welchem die Frequenzen f_i des Frequenzpaar ausgewählt werden sollen. Geeignete Frequenzspektren können Frequenzbereiche von 0,01 THz bis 20 THz, insbesondere 0,03 THz bis 5 THz, insbesondere von 0,2 THz bis 2 THz, beispielsweise von 0,06 THz bis 0,4 THz abdecken.
Aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher Messparameter ist die Bestimmung geeigneter Frequenzpaare schwierig und im Allgemeinen nicht analytisch möglich. Es hat sich daher als vorteilhaft erwiesen, den Messschritt als numerische Berechnung durchzuführen.
In dem numerischen Kalibrierschritt werden alle Frequenzpaare zweier unterschiedlicher Frequenzen f_i aus dem gewählten Spektrum iterativ durchlaufen. Da die unterschiedlichen Frequenzen f_i einen Mindestfrequenzabstand, welcher sich hauptsächlich aus der Einstellgenauigkeit und/oder der Messgenauigkeit Δf der Frequenzen f_i ergibt, einhalten müssen, ist es vorteilhaft die Schrittweite beim iterativen Durchlaufen der unterschiedlichen Frequenzpaare gleich der Einstellgenauigkeit und/oder der Messgenauigkeit Δf der Frequenzen f_i zu wählen. Prinzipiell ist der Kalibrierschritt auch mit größeren oder kleineren Schrittweiten möglich. Die Schrittweite kann zur Optimierung der Rechenzeit verändert werden. Weiterhin ist es zur Optimierung der Rechenzeit vorteilhaft, nur Frequenzpaare mit Frequenzen f₁ < f₂ zu wählen.
Für jedes Frequenzpaar werden anschließend alle möglichen Soll-Schichtdicken d_sol zwischen der minimalen Schichtdicke d_min und der maximalen Schichtdicke d_max durchlaufen. Eine geeignete Schrittweite hierfür ist die Schichtdicken-Messgenauigkeit Δd.
Für jedes Frequenzpaar und jede Soll-Schichtdicke d_sol wird ein Überprüfungsschritt durchgeführt, in dem eine eindeutige Bestimmbarkeit der jeweiligen Soll-Schichtdicke d_sol durch das Frequenzpaar überprüft wird.
In jedem einen Frequenzpaar und einer Soll-Schichtdicke d_sol zugeordneten Überprüfungsschritt werden zu beiden Frequenzen f_i des jeweiligen Frequenzpaars die Menge möglicher Schichtdicken {d_i}, welche die jeweilige Soll-Schichtdicke d_sol enthält, errechnet. Die Menge möglicher Schichtdicken {d_i} errechnet sich in dem Kalibrierschritt für eine Transmissionsmessung gemäß ${d_{i}} = {d_{j} = d_{s o l l} + j λ_{i} c o s (e) | j \in ℤ, d_{m i n} \leq d_{j} \leq d_{m a x}} .$
Zur Ermittlung der eindeutigen Bestimmbarkeit der jeweiligen Soll-Schichtdicke d_sol mittels des Frequenzpaars werden die Mengen möglicher Schichtdicken {d_i} in jedem Überprüfungsschritt abgeglichen. Hierzu werden die Mengen möglicher Schichtdicken {d_i} beider Frequenzen f_i in einem gemeinsamen Histogramm aufgetragen. Mögliche Schichtdicken, welche sich um weniger als die Schichtdicken-Messgenauigkeit Δd unterscheiden, werden als identisch interpretiert. Die Soll-Schichtdicke d_sol ist genau dann mit dem Frequenzpaar eindeutig bestimmbar, wenn aus den Mengen möglicher Schichtdicken {d_i} nur die Soll-Schichtdicken d_sol übereinstimmen. Sobald weitere mögliche Schichtdicken übereinstimmen, ist eine eindeutige Bestimmung der Soll-Schichtdicke d_sol mit dem Frequenzpaar nicht möglich.
Der Überprüfungsschritt wird für alle möglichen Soll-Schichtdicken d_sol, welche iterativ durchlaufen werden, durchgeführt. Nur wenn die Überprüfungsschritte aller Soll-Schichtdicken d_sol eine eindeutige Bestimmbarkeit der jeweiligen Soll-Schichtdicke d_sol ergeben, ermöglicht das jeweilige Frequenzpaar eine eindeutige Messung mit den vorgegebenen Messparametern. Wenn auch nur ein Überprüfungsschritt eine Uneindeutigkeit ergibt, muss das Frequenzpaar verworfen werden.
In 5 ist ein mögliches Ergebnis eines Kalibrierschritts aufgetragen. Für den dargestellten Kalibrierschritt wurde das Spektrum möglicher Frequenzen zwischen 0,1 THz und 0,13 THz festgelegt. Die minimale Schichtdicke war d_min = 10 mm, die maximale Schichtdicke d_max = 50 mm. Die Schichtdicken-Messgenauigkeit wurde zu Δd = 300 µm bestimmt. In 5 sind nun alle Kombinationen für Frequenzpaare aufgetragen, indem die Frequenz f₁ auf der x-Achse und die Frequenz f₂ auf der y-Achse aufgetragen ist. Mögliche Frequenzpaare werden durch schwarze Punkte symbolisiert. Bereiche ohne schwarzen Punkt stellen Frequenzpaare dar, welche keine eindeutige Messung ermöglichen. Aus 5 ist ersichtlich, dass nur wenige Frequenzpaare eine eindeutige Messung ermöglichen. Das Durchführen des Kalibrierschritts ist daher für die meisten Messungen unabdingbar.
In 6 ist ein schematischer Verfahrensablauf zur Messung der Schichtdicke d des Objekts 3 dargestellt. Zunächst wird in einem Bereitstellungsschritt 17 das Objekt 3 mit den Grenzflächen 13, 14, welche um die Schichtdicke d beabstandet sind, bereitgestellt. Mit der Bereitstellung des Objekts 3 sind auch die Messparameter minimale Schichtdicke d_min, maximale Schichtdicke d_max, Brechungsindex n des Objekts 3 sowie ein zur Vermessung des Objekts 3 geeignetes Spektrum bekannt. Je nach verwendeter Messvorrichtung und Ausrichtung des Objekts 3 ergibt sich auch der Einfallswinkel b und die Schichtdicken-Messgenauigkeit Δd. Somit sind mit dem Bereitstellungsschritt 17 alle Messparameter bekannt.
Auf den Bereitstellungsschritt 17 folgt ein Kalibrierschritt 18. In dem Kalibrierschritt 18 werden die Frequenzen f_i zur Durchführung der Messschritte M_i bestimmt. Hierzu kann eine numerische Berechnung, wie sie oben umrissen wurde, durchgeführt werden. Alternativ können geeignete Messschritte M_i mit geeigneten Frequenzen f_i aus einer Datenbank ausgelesen werden. Sollte das Objekt 3 einem zuvor gemessenen Objekt weitestgehend entsprechen, kann der Kalibrierschritt 18 auch entfallen.
An den Kalibrierschritt 18 schließen sich Messschritte M_i an. In jedem Messschritt M_i werden in einem Einstrahlschritt 19 elektromagnetische Wellen 7 mit der Frequenz f_i auf das Objekt 3 eingestrahlt. Die von den Grenzflächen 13, 14 des Objekts 3 ausgehenden Sekundärwellen 15 werden in einem Detektionsschritt 20 detektiert. Einstrahlschritt 19 und Detektionsschritt 20 finden zeitgleich statt. Im Detektionsschritt 20 wird die Phasenverschiebung der Sekundärwellen 15 gemessen. Anschließend folgt ein Rechenschritt 21. In dem Rechenschritt 21 wird aus den im Detektionsschritt 20 detektierten Sekundärwellen 15 die Menge möglicher Schichtdicken {d_i} des jeweiligen Messschritts M_i ermittelt. Nach der Durchführung eines Messschritts M_i erfolgt der nächste Messschritt M_i+1. Es werden mindestens zwei Messschritte M_i durchgeführt. Die Messschritte M_i können zeitlich seriell oder gleichzeitig erfolgen.
Nach Durchführung aller Messschritte M_i folgt ein Abgleichschritt 22, in welchem die in Rechenschritt 21 ermittelten Mengen möglicher Schichtdicken {d_i} abgeglichen werden, um die Schichtdicke d eindeutig zu bestimmen.
Das in 6 dargestellte Messverfahren ist mit der Vorrichtung 2 aus 1 durchführbar. In diesem Fall werden die Messschritte M_i zeitlich seriell durchgeführt. Im Einstrahlschritt 19 werden die elektromagnetischen Wellen 7 eines jeden Messschritts M_i mittels des Senders 4 eingestrahlt. Der Detektionsschritt 20 erfolgt mittels des Empfängers 5, wobei transmittierte Sekundärwellen 15 gemessen werden. Die Ansteuerung des Senders 4 und des Detektors 5 sowie der Rechenschritt 21 werden mittels der Auswerteelektronik 6, insbesondere dem Steuermodul 11 durchgeführt.
Das in 6 dargestellte Verfahren ist auch mit alternativen Messaufbauten möglich. Beispielhafte weitere Messaufbauten sind in den 7 und 8 dargestellt.
In 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines Messaufbaus 1a gezeigt. Identische Komponenten tragen die gleichen Bezugszeichen wie in dem vorstehend unter Bezugnahme auf 1 bereits beschriebenen Messaufbau 1, auf den hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten die Selben Bezugszeichen mit einem nachgestellten a.
Der Messaufbau 1a weist eine Vorrichtung 2a zur Durchführung des Messverfahrens auf. Der Messaufbau 1a mit der Vorrichtung 2a eignet sich zur Durchführung einer Reflexionsmessung zur Bestimmung der Schichtdicke d des Objekts 3. Die Vorrichtung 2a umfasst einen Sender 4a und einen Empfänger 5a, welche auf der gleichen Seite des Objekts 3 angeordnet sind. Dies bedeutet, dass der Empfänger 5a der dem Sender 4a zugewandten Grenzfläche 13 des Objekts 3 zugewandt ist. Der Sender 4a und der Empfänger 5a sind in signal- und datenübertragender Weise mit einer Auswerteelektronik 6a verbunden. Die Auswerteelektronik 6a umfasst eine Schnittstelle 12 sowie ein Steuermodul 11a.
In dem in 7 gezeigten Messaufbau 1a werden elektromagnetische Wellen 7 mit Frequenzen f_i mittels des Senders 4a auf die Grenzfläche 13 des Objekts 3 unter einem Einfallwinkel b ≠ 0° eingestrahlt. Dies bedeutet, dass die Ausbreitungsrichtung 26a der Wellen 7 nicht parallel zu der Flächennormalen 27 der Grenzfläche 13 verläuft. Der Sender 4a eignet sich für die Durchführung verschiedener Messschritte M_i zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen 7 mit unterschiedlichen Frequenzen f_i. Die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen 7 treffen auf die Grenzfläche 13 unter den Einfallswinkel b. An der Grenzfläche 13 werden Teile der eingestrahlten elektromagnetischen Wellen 7 reflektiert und als Sekundärwellen 23 in Richtung der Vorrichtung 2a abgestrahlt. Die elektromagnetischen Wellen 7, welche in das Objekt 3 eindringen, werden gebrochen und breiten sich in einer Ausbreitungsrichtung 26b unter dem Ausbreitungswinkel e aus. Die in das Objekt 3 eingedrungenen elektromagnetischen Wellen 7 weisen eine der Frequenz f_i und dem Brechungsindex n des Objekts 3 entsprechende Wellenlänge λ_i auf. Nach Durchlaufen der Schichtdicke d des Objekts 3 werden Teile der elektromagnetischen Wellen 7 an der zweiten Grenzfläche 14, welche der Vorrichtung 2a abgewandt ist, reflektiert. Die an der zweiten Grenzfläche 14 reflektierten Wellen durchlaufen die Schichtdicke d des Objekts 3 erneut und laufen anschließend als Sekundärwellen 24 in Richtung der Vorrichtung 2a. Da die Sekundärwellen 24 das Objekt 3 durchlaufen haben, weisen die Sekundärwellen 24 eine Phasenverschiebung auf. Zur Messung der Phasenverschiebung der Sekundärwellen 24 können die Sekundärwellen 24 mit den Sekundärwellen 23 überlagert werden. Die Sekundärwellen 23 haben das Objekt 3 nicht durchlaufen und weisend daher keine Phasenverschiebung auf. Die Überlagerung der Sekundärwellen 23, 24 ergibt eine Interferenz, aus welcher sich die Phasenverschiebung der Sekundärwellen 24 bestimmen lässt. In dem Messaufbau 1a werden keine Referenzwellen benötigt. Dementsprechend ist der Sender 4a nur zur Abstrahlung der elektromagnetischen Wellen 7, welche auf das Objekt 3 eingestrahlt werden, ausgelegt.
Da die elektromagnetischen Wellen 7 in der Reflexionsmessung das Objekt 3 zweimal durchlaufen, ist der optische Weg der elektromagnetischen Wellen 7 in dem Objekt 3 und damit die Phasenverschiebung der Sekundärwellen 24 relativ zu der Phasenverschiebung bei der Transmissionsmessung verdoppelt. Dies muss bei der Ermittlung der Menge der möglichen Schichtdicken {d_i} berücksichtigt werden. Die Menge möglicher Schichtdicken {d_i} eines Messschritts M_i ergibt sich bei Reflexionsmessungen allgemein zu ${d_{i}} = {d_{j} = \frac{1}{2} λ_{i} c o s (e) (j + \frac{φ i}{2 π}) | j \in ℕ °, d_{m i n} \leq d_{j} \leq d_{m a x}},$
wobei φ_i die in dem Messschritt M_i gemessene Phasenverschiebung ist. Hierbei werden nur mögliche Schichtdicken berücksichtigt, welche zwischen der minimalen Schichtdicke d_min und der maximalen Schichtdicke d_max liegen.
Zudem muss der verdoppelte optische Weg bei der Bestimmung der geeigneten Frequenzen f_i der Messschritte M_i berücksichtigt werden. Für die Reflexionsmessung darf daher höchstens ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches der Wellenlängen λ_i der Messschritte M_i einer Weglänge L entsprechen, für die gilt: $2 d_{m i n} \leq L c o s (e) \leq 2 d_{m a x} .$
Dementsprechend muss in dem oben beschriebenen Kalibrierschritt für jedes Frequenzpaar aus zwei unterschiedlichen Frequenzen f_i über alle möglichen Soll-Schichtdicken zwischen der doppelten minimalen Schichtdicke 2 d_min und der doppelten maximalen Schichtdicke 2 d_max iteriert werden.
Alternativ kann die Bedingung für die ganzzahligen Vielfachen der Wellenlängen λ_i der Messschritte M_i allgemein für Transmissions- und Reflexionsmessungen formuliert werden: $d_{m i n} \leq L c o s (e) \leq 2 d_{m a x} .$
Dementsprechend kann ein Kalibrierschritt für eine Transmissions- und Reflexionsmessung durchgeführt werden, in dem die Soll-Schichtdicken zwischen der minimalen Schichtdicke d_min und der doppelten maximalen Schichtdicke 2 d_max iteriert werden.
Bei der Reflexionsmessung mit dem Messaufbau 1a muss ein ausreichender Anteil der eingestrahlten Wellen 7 an den Grenzflächen 13, 14 des Objekts 3 reflektiert werden, sodass die Sekundärwellen 23 und 24 überlagert werden können. In alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen ist auf der Seite der Grenzfläche 14 ein Spiegel angebracht, um Wellen nach dem Durchlaufen des Objekts 3 zurück in Richtung der Vorrichtung 2a zu reflektieren. In diesem Fall kann eine Reflexionsmessung auch bei geringer Reflektivität der Grenzflächen 13, 14 durchgeführt werden. In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden die an einem Spiegel reflektierten Sekundärwellen mit Referenzwellen überlagert.
In 8 ist ein Ausführungsbeispiel eines Messaufbaus 1b gezeigt. Identische Komponenten tragen die gleichen Bezugszeichen wie in der vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bereits beschriebene Alternative, auf die hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Komponenten tragen die gleichen Bezugszeichen mit einem nachgestellten b.
Der in 8 gezeigte Messaufbau 1b weist eine Vorrichtung 2b zur Durchführung eines Transmissionsmessung einer Schichtdicke d eines Objekts 3 auf. Der Aufbau 1b unterscheidet sich von dem Aufbau 1, wie er in 1 gezeigt ist nur durch die Konstruktion und Funktionsweise des Empfängers 5b. In dem Messaufbau 1b werden zur Bestimmung der Phasenverschiebung die Sekundärwellen 15 und die Referenzwellen 16 nicht gleichzeitig gemessen. Vielmehr wird der Empfänger 5b einmal mit Referenzwellen 16 und einmal mit Sekundärwellen 15 gespeist. Hierzu ist der Empfänger 5b mittels einer Verschiebevorrichtung 25 zwischen zwei Positionen verfahrbar. In 8 ist der Empfänger 5b in einer Position gezeigt, in welcher er mit den Sekundärwellen 15 gespeist wird. Mittels der Verschiebevorrichtung 25 kann er in eine - in 8 gestrichelt dargestellte - Position verlagert werden, in der er mit den Referenzwellen 16 gespeist wird. Die Phasenverschiebung wird hierbei ohne direkte Überlagerung der Sekundärwellen 15 mit den Referenzwellen 16 bestimmt.

Claims

Verfahren zur Messung einer Schichtdicke (d) eines Objekts (3), umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Objekts (3), welches zwei um eine Schichtdicke (d) beabstandete Grenzflächen (13, 14) aufweist, wobei die Schichtdicke (d) in einem vordefinierten Bereich von einer minimalen Schichtdicke d_min bis zu einer maximalen Schichtdicke d_max liegt, - Durchführen mindestens zweier Messschritte (M_i), wobei jeweils -- Wellen (7) mit einer Frequenz (f_i) auf das Objekt (3) eingestrahlt werden, --- wobei sich die Wellen (7) in dem Objekt (3) unter einem Ausbreitungswinkel e zu einer Flächennormalen (27) einer der Grenzflächen (13; 14) ausbreiten, --- wobei die Frequenz (fi) zwischen den Grenzflächen (13, 14) des Objekts (3) einer Wellenlänge (λ_i) entspricht und --- wobei höchstens ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches der Wellenlängen (λ_i) der Messschritte (Mi) einer Weglänge L entspricht, für die gilt: $d_{m i n} \leq L c o s (e) \leq 2 d_{m a x},$
-- von den Grenzflächen (13, 14) des Objekts (3) ausgehenden Sekundärwellen (15; 23, 24) detektiert werden, und -- aus den detektierten Sekundärwellen (15; 23, 24) eine Menge möglicher Schichtdicken ({d_i}) ermittelt wird, und - Abgleichen der Mengen möglicher Schichtdicken ({d_i}) der einzelnen Messschritte (Mi) zur Bestimmung der Schichtdicke (d).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einfallswinkel b, unter welchem die Wellen (7) auf das Objekt (3) eingestrahlt werden, kleiner als 10°, insbesondere kleiner als 5°, insbesondere kleiner als 1°, bevorzugt etwa 0° ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwellen (15) vor ihrer Detektion mit Referenzwellen (16) überlagert werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Wellen (7) auf das Objekt (3) eingestrahlt werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen (f_i) der Messschritte (M_i) in einem vorgegebenen Spektrum zwischen 0,01 THz und 20 THz liegen.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen (f_i) der unterschiedlichen Messschritte (M_i) sich um einen Mindestfrequenzabstand unterscheiden, welcher mindestens einer Einstellgenauigkeit und/oder einer Messgenauigkeit (Δf) der Frequenzen (f_i) entspricht.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Messschritte (M_i) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kalibrierschritt (18) zur Festlegung der Frequenzen (f_i) der unterschiedlichen Messschritte (M_i) in dem vorgegebenen Spektrum (B) anhand eines Brechungsindex (n) des Objekts (3), der minimalen Schichtdicke d_min, der maximalen Schichtdicke d_max, dem Einfallswinkel b und/oder einer Schichtdicken-Messgenauigkeit (Δd).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kalibrierschritt (18) für mindestens ein Frequenzpaar aus zwei unterschiedlichen Frequenzen (fi) innerhalb des vorgegebenen Spektrums (B) und alle sich in einem Schichtdicken-Bereich um die Schichtdicken-Messgenauigkeit (Δd) unterscheidende Soll-Schichtdicken (d_sol) jeweils ein Überprüfungsschritt durchgeführt wird, in dem eine eindeutige Bestimmbarkeit der jeweiligen Soll-Schichtdicke (d_sol) durch das Frequenzpaar überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem einem Frequenzpaar und einer Soll-Schichtdicke (d_sol) zugeordneten Überprüfungsschritt - zu beiden Frequenzen (f_i) des jeweiligen Frequenzpaars die Menge möglicher Schichtdicken ({d_i}), welche die jeweilige Soll-Schichtdicke (d_sol) enthält, errechnet wird, und - die Mengen möglicher Schichtdicken ({d_i}) beider Frequenzen (fi) abgeglichen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierschritt (18) als numerische Berechnung durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Messung der Schichtdicke (d) eines Objekts (3), umfassend: - mindestens einen Sender (4; 4a) zur Abstrahlung von Wellen (7) mit Frequenzen (fi) in einem Spektrum (B), - mindestens einen Empfänger (5; 5a; 5b) für die von dem mindestens einen Sender (4; 4a) abgestrahlten Wellen (7), und - eine Auswerteelektronik (6; 6a), wobei die Auswerteelektronik (6; 6a) für die Durchführung eines Messverfahrens mit den folgenden Schritten ausgelegt ist: - Durchführen mindestens zweier Messschritte (M_i), wobei jeweils -- mittels des mindestens einen Senders (4; 4a) Wellen (7) mit einer Frequenz (fi) auf ein Objekt (3) mit zwei um eine Schichtdicke (d) beabstandete Grenzflächen (13, 14) eingestrahlt werden, --- wobei sich die Wellen (7) in dem Objekt (3) unter einem Ausbreitungswinkel e zu einer Flächennormalen (27) einer der Grenzflächen (13; 14) ausbreiten, --- wobei die Frequenz (fi) zwischen den Grenzflächen (13, 14) des Objekts (3) einer Wellenlänge (λ_i) entspricht und --- wobei höchstens ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches der Wellenlängen (λ_i) der Messschritte (M_i) einer Weglänge L entspricht, für die gilt: $d_{m i n} \leq L cos (e) \leq 2 d_{m a x},$
wobei d_min eine minimal zu messende Schichtdicke und d_max eine maximal zu messende Schichtdicke ist, --- von den Grenzflächen (13, 14) des Objekts (3) ausgehenden Sekundärwellen (15; 23, 24) mittels des mindestens einen Empfängers (5; 5a; 5b) detektiert werden, und -- aus den detektierten Sekundärwellen (15; 23, 24) eine Menge möglicher Schichtdicken ({d_i}) ermittelt wird, und - Abgleichen der Mengen möglicher Schichtdicken ({d_i}) der einzelnen Messschritte (M_i) zur Bestimmung der Schichtdicke (d).
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sender (4; 4a) zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen (7) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sender (4, 4a) mindestens einen Laser (8) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik (6; 6a) eine Schnittstelle (12) zur Eingabe von einem Brechungsindex (n) des Objekts (3), der minimal zu messenden Schichtdicke d_min, der maximal zu messenden Schichtdicke d_max, einem Einfallswinkel b und/oder einer Schichtdicken-Messgenauigkeit (Δd) umfasst.