DE3144145C2

DE3144145C2 - Blendenvorrichtung zum Messen dünner Schichten

Info

Publication number: DE3144145C2
Application number: DE3144145A
Authority: DE
Inventors: Helmut 7261 Gechingen Fischer
Original assignee: Helmut Fischer & Co Institut fur Elektronik und Messtechnik 7032 Sindelfingen De GmbH
Current assignee: Helmut Fischer & Co Institut fur Elektronik und Messtechnik 7032 Sindelfingen De GmbH
Priority date: 1981-11-06
Filing date: 1981-11-06
Publication date: 1986-06-19
Also published as: DE3144145A1; US4475041A

Abstract

Blendenvorrichtung zum Messen dünner Schichten. Wenn dünne Schichten auf andere aufgebracht werden, wie z.B. Gold auf Messing, und die Trägerschicht ist ein kontinuierliches Band, dann kann man schlecht das Band stoppen, um Einzelmessungen zu machen. Gemäß der Erfindung kann man ein solches Band trotz seiner Lageänderungen beim Vorbeiführen an der Blende messen. Um die Meßgröße trotz Lageänderungen des Bands nicht zu beeinflussen, macht man den Querschnitt der Bohrung groß gegenüber dem Querschnitt des Radio-Nuklids, unterteilt die Bohrung durch einen Raumteiler mit mindestens zwei Kammern, die nach hinten und vorne offen sind, wobei die Scheidewand des Raumteilers strahlungsundurchlässig ist, ordnet in einer der Kammern den Strahlenhalter an, wobei der Querschnitt dieser Kammer ein Mehrfaches des Querschnitts des Strahlerhalters ist und legt die vordere Stirnfläche des Strahlerhalters hinter die vordere Stirnfläche des Raumteilers.

Description

a) der Querschnitt der Bohrung (32) ist groß gegenüber dem Querschnitt des Radionuklids (37):

b) die Bohrung (32) ist durch einen Raumteiler (39) in mindestens zwei Kammern (43,44,46) unterteilt, die nach hinten und nach vorn offen sind und wobei die Scheidewand (41,42) des Raumteilers (39) strahlungsundurchlässig ist;

c) in einer der Kammern (44) ist der Strahlerhalter (33) angeordnet und der Querschnitt dieser Kammer (44) ist ein Mehrfaches des Querschnitts des Strahlerhalters (33);

d) die vordere Stirnfläche des Strahlerhalters (33) liegt hinter der vorderen Stirnfläche (47,48) des Raumteilers (39).

2. Blenden vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Bohrung (32) das 100- bis lOfache oder 90- bis 20fache oder 80- bis 30fache oder 70- bis 40fache oder 60- bis 50fache des Querschnitts des Radionuklids (37) ist.

3. Blendenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (32) kreisrund ist.

4. Blendenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (82) länglich rechteckig ist.

5. Blendenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (32) in ihrem Flächenschwerpunkt das Radionuklid (37) enthält.

6. Blendenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern einfache geometrische Querschnitte haben, wie Kreise, Kreisabschnitte, Parallelogramme, Rechtecke.

7. Blendenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandbereiche (51, 52) der das Röhrchen (33) aufnehmenden Kammer (44) die Halterung für das Röhrchen bilden.

8. Blendenvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen (33) zwischen zwei parallelen Scheidewänden (41,42) liegt.

9. Blendenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheidewände (41, 42) parallel zur Achse des Röhrchens verlaufen.

10. Blendenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheidewände (41,42) etwa so tief sind wie das Röhrchen (33) lang ist.

11. Blendenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Scheidewände klein ist gegen die Querschnittsfläche der Bohrung (32).

IZ Blendenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen (33) koaxial in der kreisrunden Bohrung (32) angeordnet ist.

13. Blendenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Stirnfläche des Röhrchens (33) 0,2—0,7 mm hinter der vorderen Stirnfläche (47,48) des Raumteilers (39) liegt

14. Blendenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die charakteristischen Querschnittsabmessungen der Kammern im Bereich um einen Millimeter herum liegen.

15. Blendenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle zwei Röhrchen (77, 78) aufweist, die zur Längsachse (18) hin strahlen, spitzwinklig dazu geneigt sind und gemeinsam in einer Kammer (44) angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft eine Blendenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Auf solche Blendenvorrichtungen legt man z. B. mit einer Goldschicht versehene Kontaktzungen auf, um die Dicke der Goldschicht zu messen. Die Dicke der Schichten liegt im Mikrometerbereich. Um genaue und reproduzierbare Meßergebnisse zu erhalten, müssen die Teile sehr exakt auf der Blende positioniert werden. Die Bohrung bei kleinen Blenden beträgt ⁴Ao mm. Wackelt der zu messende Teil oder wird er auch nur um einige Mikrometer verschoben, dann ändert sich die Meßgröße ohne weiteres um 30%.

Die Abstandsänderung des Teils von seiner Auflagefläche auf der Blende geht in die Messung ein.

Natürlich sind Abstandsänderungen prinzipiell dann unvermeidbar, wenn das Meßgut nicht — wie im obigen Fall — unbeweglich zur Blende ist, sondern wenn es sich um bewegtes Meßgut handelt. Wegen unvermeidlicher Änderungen in der Dicke des Meßguts und wegen Erschütterungsweggrößen bei bewegtem Meßgut ist die Messung sehr schwierig.
Aus der DE-OS 20 13 270 ist eine gattungsgemäße Blendenvorrichtung bekannt, bei der die Bohrung im Blendenring extra klein gehalten ist, damit die dadurch »sichtbare« Oberfläche gekrümmter Meßobjekte wegen der Kleinheit des Ausschnitts quasi eben erscheint. Die übliche Kennlinie Zählrate/Abstand zeigt die normale Kurvenform mit lediglich geringerer Krümmung beim optimalen Abstand zwischen Strahlerhalter und Oberfläche des Meßobjekts. Demnach ist, besonders wegen der extrem kleinen Bohrung, die Messung an beweglichen Objekten nicht ausreichend genau und zuverlässig.

Um nun den Einfluß von Abstandsänderungen zu reduzieren, hat man gemäß der DE-OS 29 26 580 die Eintrittsöffnung des Strahlendetektors verkleinert, so daß sie nur noch dem 2- bis 15fachen der bestrahlen Meßfläehe am Prüfobjekt entspricht. Die Kennlinie Zählrate/ Abstand erhält damit ein Plateau, doch liegt dieses bei einer niedrigeren Zählrate. Das bedeutet eine Reduzierung der Meßgeschwindigkeit oder der Meßgenauigkeit bei gleicher Strahlungsintensität oder erfordert zum Ausgleich eine intensivere/?-Strahlung.

Eine Blendenvorrichtung der gattungsgemäßen Art ist zudem auch in der nicht vorveröffentlichten älteren DE-OS 30 30 227 beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der Abstandsänderungen des Meßgutes zur Blende innerhalb eines bestimmten Bereiches nicht oder nur unwesentlich in das Meßergebnis eingehen, ohne daß dazu ein Ausgleich durch höhere Strahlungsintensität erforderlich ist

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ersichtlichen Merkmale gelöst

Die Erfindung wird nunmehr anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. Die Zeichnung zeigt maßstäbliche Figuren, wobei zur Bestimmung der Abmessungen von einem Röhrchendurchmesser von 0,7 mm Durchmesser auszugehen ist

In der Zeichnung zeigt

Fi g. 1 die Seitenansicht einer Sonde im Maßstab 1:1, F i g. 2 die Ansicht gemäß dem Pfeil A in F i g. 1,

F i g. 3 einen teilweisen Querschnitt durch die Blendenvorrichtung,

F i g. 4 eine Ansicht gemäß dem Pfeil Bin F i g. 3,

F i g. 5 eine Ansicht gemäß Pfeil B in F i g. 3 auf die Bohrung und der darin enthaltenen Teile,

F i g. 6 das axial geschnittene Röhrchen samt einer Scheidewand vor dem Einbau,

F i g. 7 eine Ansicht gemäß dem Pfeil Caus F i g. 6,

F i g. 8 eine Ansicht ähnlich F i g. 5 eines weiteren Ausführungsbeispiels,

F i g. 9 eine Ansicht ähnlich F i g. 5 eines dritten Ausführungsbeispiels,

F i g. 10 eine Ansicht ähnlich F i g. 6, jedoch mit zwei zueinander hin geneigten Röhrchen,

F i g. 11 die Ansicht gemäß dem Pfeil D aus F i g. 10,

F i g. 12 eine Ansicht ähnlich F i g. 5, jedoch für einen Flächenstrahler,

Fig. 13 ein Zählraten-Abstandsverlauf, erzielbar durch eine Anordnung gemäß den F i g. 1 bis 7.

Eine Sonde 14 besitzt ein Anschlußkabel 16 zur Spannungsversorgung und zur Abnahme von Signalimpulsen eines üblichen GM-Zählrohrs, das in üblicher Weise im metallischen, kreiszylindrischen Gehäuse 17 koaxial zu einer geometrischen Längsachse vorgesehen ist. Zwecks Halterung der Blendenvorrichtung 19 der F i g. 3 bis 5 sind in üblicher Weise Außenumfangsnuten 21,22 in das Gehäuse 17 eingestochen, in denen Sprengringe 23, 24 liegen. Ein Teilbereich des Sprengrings 23 durchquert die Innnenfläche des Gehäuses 17 und liegt in der V-Nut 26 des Basisrings 27 an.

Wie F i g. 3 und 4 zeigen, hat die Biendenvcrrichtung 19 in üblicher Weise den Basisring 27, den darauf aufbauenden Stufenring 28, den wiederum hierauf einstükkig aufbauenden Kegelstumpf 29 und am oberen Ende des Kegelstumpfes 29 eine kreisringförmige Stirnfläche 31. Abweichend von der seither bekannten Konstruktion ist jedoch die kreisringförmige Bohrung 32 im Durchmesser rund dreimal so groß wie das in üblicher Weise aufgebaute Röhrchen 33, das bei idealem Einbau koaxial zur Längsachse 18 liegt, eine Durchgangsbohrung 34 aufweist, hinten in der Durchgangsbohrung 34 mit Dämm-Material 36 strahlungsmäßig verdämmt ist, im vorderen Bereich ein Radionuklidkügelchen 37 trägt, das z. B. aus Promethium 147 oder Ruthenium 106 sein kann. Vorne ist das Röhrchen 33 mit einer strahlungsdurchlässigen Membrane 38 verschlossen, so daß nach außen das übliche koMimierte Strahlungsbündel austreten kann.

In der Bohrung 32 ist ein Raumteiler 39 aus einem strahlungsundurchlässigen Metall vorgesehen. Der Raumteiler 39 umfaßt zwei Scheidewände 41,42 in einer Anordnung, bei der drei Kammern 43,44,46 entstehen. Die Scheidewände 41, 42 verlaufen parallel zur Längsachse 18, so daß man in der Ansicht der F i g. 5 nur ihre vorderen Stirnflächen 47, 48 sieht Die Kammer 43 ist gleich groß wie die Kammer 46, und zwar sowohl der Querschnittsfläche nach als auch der geometrischen Gestalt nach. Sie haben beim Ausführungsbeispiel etwa Viertelsmond-förmige Gestalt
Wie F i g. 5 zeigt, hat die Kammer 44 querschnittsmä-Big etwa die Gestalt zweier sich an ihrer Grundfläche berührender Parallelogramme.

Die Scheidewände 41, 42 liegen punktsymmetrisch zur geometrischen Längsachse 18 als auch symmetrisch zu einer durch diese Längsachse 18 gehenden Radialebene 49. Die mittleren Wandbereiche 51,52 sind gerade und gehen an ihren beiden Enden in wesentlich kürzere, aufeinanderzulaufende Wandbereiche 53, 54, 56, 57 über.
Abweichend von der üblichen idealisierten Zeichnungsweise zeigt Fig.5 die Gestalt eines tatsächlich ausgeführten Ausführungsbeispiels, aus dem u. a. hervorgeht, daß das Röhrchen 33 durchaus nicht exakt koaxial zur Längsachse 18 liegen muß. Auch brauchen die Scheidewände 41, 42 keine idealisierte geometrische Form haben. Wie F i g. 6 besonders deutlich zeigt, fluchtet radial die Stirnfläche 31 mit den Stirnflächen 47, 48. Jedoch ist das Röhrchen 33 und damit auch das Radionuklid 37 von dieser Ebene der Stirnfläche 31,47,48 um rund einen Röhrchendurchmesser oder 0.7 mm weiter nach innen versetzt. Das Röhrchen 33 ist zwischen die Wandbereiche 51,52 eingeklemmt und benützt diese als Halterung. Es kann also dadurch in seiner axialen Lage und auch in seiner Lage in der Radialebene 49 leicht eingestellt werden und ist damit gut gehaltert und gut geschützt. Zur endgültigen Fixierung ist das Röhrchen 33 mit Klebstoff 58 an der Innenseite der mittleren Wandbereiche 51,52 festgeklebt.

Bei der Fertigung haben die Scheidewände 41,42 die aus F i g. 6 und 7 ersichtliche Gestalt. Ihre Außenflügel 59,61 sind stoffschlüssig miteinander verbunden. In dieser Gestalt werden sie in einen Radialschlitz 62, 63 im Kegelstumpf 29 eingesetzt und dort fixiert. Danach wird der über die Außenfläche des Kegelstumpfs 29 hinaus ragende Teilbereich 64,66 entfernt, so daß die in F i g 6 eingezeichnete gestrichelte Linie 67,68 mit dem Außenumfang des Kegelstumpfs 29 fluchtet.

Trägt man gemäß Fig. 13 auf der einen Achse den Abstand a und auf der anderen Achse die Zählrate η auf, so erhält man über einen Bereich von 0,1 bis etwa 0,3 mm ein Plateau 69. das im wesentlichen parallel zur a-Achse verläuft und erst danach abfällt. Dies bedeutet, daß in diesem Bereich die Zählrate η nahezu abstandsunabhängig ist. 0,1 bis 0,3 mm sind heutzutage grobmechanische Maße.

Obwohl diese Erklärung nicht unbedingt richtig zu sein braucht, ist der Erfinder der Ansicht, daß dieses Plateau 69 erreicht wird durch die Überlagerung zweier Kurven 71,72. Dabei gehört die Kurve 71 zu dem durch die innere Kammer 44 in den Detektor zurückgestreuten Anteil, wenn die zu messende Schicht direkt auf den Stirnflächen 31,47,48 aufliegt. Dieser Anteil gemäß der Kurve 71 wird mit zunehmendem Abstand geringer. Im gleichen Maß, wie dieser Anteil fällt, steigt jedoch der nun mit wachsendem Abstand aus der Kurve 72 entnehmbare Teil der Rückstreuung durch die Kammern 43,46.

Gemäß Fig. 8 muß die Kammergestalt nicht unbedingt Viertelsmond-förmig/Doppelrhombisch/Viertels-

mond-förmig sein. Vielmehr kann sie auch Wände 73 haben, die radial verlaufen. Im vorliegenden Fall liegen die Wände 73 um 120° versetzt, so daß drei Wände 73 vorhanden sind. Es können aber auch lediglich zwei Wände 73 um 180° versetzt vorhanden sein. Diese treffen dann auf einen inneren Kreiszylinder 74. Sowohl die Wände 73 als auch der Kreiszylinder 74 verläuft parallel zur Längsachse 18. Konzentrisch zum Kreiszylinder 74 wäre dann ein Röhrchen 33 nach innen versetzt — wie dies Fig.6 zeigt — zu haltern. Gemäß Fig.8 hat man eine innere Kammer und drei äußere Kammern.

Während die seither beschriebenen Ausführungsbeispiele doppelte Symmetrie aufweisen, zeigt F i g. 9, daß auch andere Aufteilungen möglich sind. Innerhalb der Bohrung 32 ist hier eine kreiszylindrische Scheidewand 76 parallel, aber nicht koaxial zur Längsachse iS vorgesehen. Längs einer Außenmantellinie ist die Scheidewand 76 an einer Innenfläche der Bohrung 32 befestigt. Das Röhrchen 33 kann hier entweder koaxial zur kreiszylindrischen Scheidewand 76 z. B. durch eine Speichenanordnung gehaltert sein. Das Röhrchen 33 kann aber auch außermittig an der Innenwand der Scheidewand 76 vorgesehen sein. Dann würde qualitativ die Kurve 71 demjenigen Strahlungsanteil entsprechen, der durch den von der Scheidewand 76 umschlossenen Raum nach rückwärts zum GM-Rohr reflektiert wird. Bringt man das Röhrchen 33 auf der Außenseite der Scheidewand 76 an, dann entspricht qualitativ die Kurve 72 demjenigen Anteil, der durch dasjenige Volumen zurückreflektiert wird, das durch die Scheidewand 76 umschlossen ist.

Ein viertes Ausführungsbeispiel nach F i g. 10 und 11 zeigt, daß man auch zwei Röhrchen 77, 78 in der mittleren Kammer 44 vorsehen kann. Die Röhrchen 77, 78 stehen hier unter einem Winkel von etwa 45° zur Mittenachse 18 hin geneigt Entsprechend dieser Neigung sind hier die Stoßstellen, wie die Außenflügel 59, 61 aufeinandertreffen, nicht parallel zur Längsachse 18. Vielmehr verlaufen diese Stoßstellen 79, 81 ebenfalls unter einem Winkel von 45° zur Längsachse 18 hin. In der so gebildeten Nische liegen die Röhrchen 77, 78. Nach wie vor hat man hier drei Kammern 43,44,46.

Bei der Bemessung der Geometrien ist — wie aus dem obigen hervorgeht — darauf zu achten, daß der mit wachsendem Abstand a fallende Anteil und der mit wachsendem Abstand steigende Anteil durch die diversen Kammerflächen sich gerade kompensiert, so daß man ein Plateau 69 erhält

Beim letzten Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 hat die Bohrung 82 rechteckige Gestalt Ihre Längsseiten sind länger als die Querseiten. In der Bohrung 82 ist wieder ein Raumteiler 83 vorgesehen, so daß Kammern 84,86,87 entstehen, ähnlich den Kammern 43, 44, 46. In der Kammer 86 sind mehrere Röhrchen 88 parallel zur Längsachse 18 vorgesehen. Die Röhrchen 88 müssen einen solchen Abstand voneinander haben, daß auch tatsächlich ein Verlauf gemäß der Kurve 71 realisiert werden kann.

Nicht zeichnerisch dargestellt ist daß auf den äußeren Stirnflächen 31,47,48 eine strahlungsdurchlässige Folie aufliegt, die das Innere der Sonde gegen Schmutz schützt Ein solcher Schmutzschutz durch eine Folie ist bei der Erfindung zum erstenmal praxisfähig möglich.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patemansprüche:

1. Blendenvorrichtung zum Messen dünner Schichten mit dem yi-Strahlen-Rückstreuverfahren, mit einem Blendenring, der aus einem Material einer solchen Dicke ist, das gegenüber der Strahlung von Radionukliden undurchdringlich ist,
mit einer sich senkerecht zum Blendenring erstrekkenden Bohrung für austretende und reflektierte Strahlung,

mit einer Strahlenquelle, bestehend aus mindestens einem seitlich und nach hinten strahlungsundurchlässigen, kollimierenden Strahlerhalter, insbesondere Röhrchen, der nach vorne strahlungsdurchlässig ist, der ein Radionuklid beherbergt, das einen bestimmten Durchmesser aufweist und der mit seinem vorderen Rand hinter dem vorderen Rand der Bohrung liegt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: