DE4119903C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung dünner Schichten - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Messung dünner SchichtenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und
eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Aus der Druckschrift DE 23 45 848 C2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines
Verfahrens zur zerstörungsfreien Messung der Dicke dünner Schichten bekannt
geworden, welche zumindest eine erste Spule unverrückbar auf einem Innenkern
und zumindest eine weitere Spule aufweist, deren geometrische Mitte und die
geometrische Mitte des Innenkernes sich decken, wobei von den Spulen Leitun
gen nach außen geführt und an eine Auswerteschaltung zur Berechnung der
Schichtdicke aus Ausgabewerten angeschlossen sind.
Zerstörungsfreie Verfahren zur Schichtdickenmessung, welche das weitverbreitete
magnetinduktive- oder Wirbelstromverfahren benutzen, beruhen auf der Änderung
eines nieder- bzw. hochfrequenten elektromagnetischen Feldes in Abhängigkeit
einer auf den Messgegenstand aufgebrachten Schicht. Das zur Messung benutzte
Feld besitzt räumliche Ausdehnung und damit ist nicht nur eine gewünschte Ab
hängigkeit von der Schichtdicke, sondern auch von der Form des Messgegen
standes vorhanden.
Als weitere Störgröße geht bei magnetinduktiven, niederfrequenten Verfahren,
welche zur Messung von nichtmagnetischen oder elektrisch nichtleitenden
Schichten auf magnetischem Grundwerkstoff eingesetzt werden, die Permeabilität
des Messgegenstandes mit in die Messung ein. Bei Wirbelstromverfahren, die
hauptsächlich zur Messung von elektrisch nicht- oder schwachleitenden Schichten
auf Nichteisenmetallen eingesetzt werden, ist der Einfluß der geometrischen Form
des Messgegenstandes wesentlich stärker ausgeprägt. Anstelle der Permeabilität,
die bei Nichteisenmetallen
praktisch gleich 1 gesetzt werden kann, geht als weitere Störgröße die elektrische
Leitfähigkeit des Grundwerkstoffes mit als Störgröße ein. Für letztere Störgröße
gibt es neuerdings schaltungstechnische Möglichkeiten, um diesen unerwünschten
Einfluß in einem weiten Bereich auszuschließen.
Bei beiden Verfahren bleibt die geometrische Form des Messgegenstandes eine
nicht zu vernachlässigende Einflußgröße. In der Messpraxis ist es daher notwendig,
eine sogenannte Kalibrierung auf dem Messgegenstand vorzunehmen. Dies geschieht
dadurch, indem zuerst auf dem unbeschichteten Messgegenstand der Messwert 0
und dann auf einem Messgegenstand mit bekannter Schicht, die entweder fest
aufgebracht ist oder in Form einer Folie auf den unbeschichteten Messgegenstand
nachgebildet wird. Auf der bekannten Schichtdicke des Messgegenstandes wird der
dem Messwert entsprechende Anzeigewert eingestellt. Diese Kalibrierung kann
mit mehreren Schichten zur besseren Anpassung der Kennlinie an die betreffende
Messaufgabe durchgeführt werden. Da in aller Regel der Messgegenstand nicht
unbeschichtet zur Verfügung steht und oft sehr komplexe Formen aufweist, ist es
meist sehr schwierig, Schichtdicken auf konkaven oder konvexen Flächen zu messen.
Eine der Möglichkeiten, die geometrische Einflußgröße zu verringern, liegt in der
Bauform der Meßsonde. Je kleiner die Meßsonde ist, umso geringer ist die räumliche
Ausdehnung des Messfeldes und demnach die Abhängigkeit von der geometrischen Form
des Messgegenstandes. Allerdings sind derartige Maßnahmen begrenzt, da für die in
der Praxis hauptsächlich interessierenden Schichtdicken im Bereich 0-300 µm die
Sonden in den Abmessungen so klein gehalten werden müssten, daß eine Realisierung
derartiger Bauformen technisch nicht mehr möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die unerwünschte Abhängigkeit des Messwertes von
der geometrischen Form des Messgegenstandes durch eine Anordnung in einem
weiten Bereich zu eliminieren. Gleichzeitig soll die Bauform der Meßsonde noch
fertigungstechnisch leicht beherrschbar sein, und eine große Empfindlichkeit im
praktisch interessierenden Messbereich von etwa 0-500 µm aufweisen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die
Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale
des Anspruchs 8 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, daß eine krümmungs
unabhängige Messwertermittlung ermöglicht ist. Aufgrund der koaxialen Anord
nung einer weiteren Spule zu einer ersten Spule und der Abgabe von jeweils
durch die Spulen ermittelten unterschiedlichen Ausgabewerten für den gleichen
Messgegenstand zu einer Auswerteschaltung ist ermöglicht, daß die auf dem In
nenkern vorgesehene Spule Messwerte mit sehr hoher Genauigkeit bezüglich der
Schichtdicke abgibt und die weitere Spule eine sogenannte Überwachungsspule
darstellt, die Messwerte von der Umgebung des ersten Messpunktes abgibt. Da
durch kann ermöglicht werden, daß eine korrigierte Schichtdicke berechnet wer
den kann, indem die durch die Rechenvorrichtung ermittelten Daten miteinander
kombiniert werden, so daß die störenden Einflüsse aus der Umgebung ermittelt
und kompensiert, bzw. herausgerechnet werden können.
Es sei darauf hingewiesen, daß in dieser Technik die zu messende Schicht nicht
gegen Luft gemessen wird, sondern daß die zu messende Schicht immer auf ei
nem Trägermaterial sitzt.
Dünne Schichten in diesem Sinne liegen im Bereich von 0 bis einigen hundert Mi
krometern, können aber auch z. B. bis zu 15 mm dick sein, wenn z. B. Bitumen-
oder Keramikschichten gemessen werden.
Mißt man magnetinduktiv, das heißt in der Sprache dieser Technik "niederfre
quent", dann benötigt man zwei Wicklungen, nämlich eine Erregerwicklung und
einer Induktionswicklung, wie z. B. die Wicklungen 33, 36 aus der DE 34 37 253 A1.
Der Frequenzbereich liegt dabei ungefähr zwischen 20 Hz und 1 KHz. Mißt
man nach dem Wirbelstromverfahren, so benötigt man nur eine einzige Spule,
denn diese liegt im Schwingkreis eines Oszillators und ändert ja nach Bedämp
fung ihre Frequenz. Der verwendete Frequenzbereich liegt hier zwischen 100 KHz
und 10 MHz.
Mißt man bei Höchstfrequenz, so kann man zum Meßgegenstand hin offene Hohl
raumresonatoren verwenden, die in diesem Frequenzbereich ein magnetisches
Feld analog einer Spule erzeugen. Der Frequenzbereich kann dann grob bei 10
MHz bis 10 GHz liegen.
Eine "Spulenvorrichtung" im Sinne der Ansprüche kann daher eine einzige Spule
sein, kann sich aus zwei oder mehreren Spulen aufbauen, kann ein Höchstfrequenz
bauteil sein, welches ein magnetisches Feld erzeugt, kann in Multi-Layer-Technik
oder ähnlicher Technik hergestellt sein.
Die Erfindung wird nunmehr anhand zweier Ausführungsbeispiele beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch den unteren Teil einer Sonde, die ansonsten
weiters nicht dargestellt ist, wesentlich vergrößert jedoch maßstäblich,
Fig. 2 die explodierte Darstellung eines ganz ähnlichen Ausführungsbeispiels,
Fig. 3 ein Kurvendiagramm zur Erläuterung der Erfindung,
Fig. 4 eine Rechenvorrichtung für die Erfindung,
Fig. 5 eine erste Tabelle, die darstellt, was die Erfindung leistet,
Fig. 6 eine zweite Tabelle im gleichen Sinn.
Eine Sonde 11 dient zur Messung nach dem Wirbelstromprinzip. Sie hat eine
geometrische Längsachse 12. Zu ihr ist ein koaxialer Kern 13 aus Ferrit
vorgesehen, der einen Außendurchmesser von 1,4 mm hat. An diesem Maß kann man
sich andere Maße herausmessen. Er wird in seinem unteren Bereich durch eine
Stufe 14 auf einen Spulenkern 16 reduziert, der unten eine Aufsetzkalotte 17 aus
abriebfestem Material aufweist. Auf dem Spulenkern 16 sitzt eine Spute 18 aus
Kupferdraht, deren beide Anschlußdrähte 19, 21 nach oben geführt sind und die
- soweit sie den Kern 13 passieren - in einer Längsnut 22 des Kerns 13 verlaufen.
Mit einer symbolisch dargestellten Abschirmung 23 sind die Anschlußdrähte 19, 21
abgeschirmt und oben an Kontakten 24, 26 einer Anschlußplatte 27 befestigt, die
auf nicht dargestellte Weise starr am nicht dargestellten Sondenkorpus befestigt ist.
Die Mitte des magnetischen Felds der Spule 18 und die Mitte des Spulenkerns 16
fallen mit der geometrischen Längsachse 12 zusammen, die die Oberfläche der
Aufsetzkalotte 17 exakt in deren Mitte durchstößt.
Koaxial zur geometrischen Längsachse 12 sitzt eine Außenhülse 28 aus Ferrit,
deren untere kreisringförmige Stirnfläche 29 senkrecht zur geometrischen Längsachse 12
steht und knapp oberhalb der Aufsetzkalotte 17 endet. Oberhalb des Kerns 13 bildet
sich ein Hohlraum 31, in dem die Anschlußdrähte 19, 21 mechanisch und elektro
magnetisch geschützt verlaufen. Zwischen der kreiszylindrischen Innenwand 32 und
der ebenso gestalteten Außenwand des Kerns 13 ist ein in der Zeichnung nicht
darstellbarer Spalt, der eine Relativverschiebung längs der geometrischen Längsachse 12
erlaubt, als magnetischer Widerstand jedoch vernachlässigbar ist. Etwa auf halber
Höhe hat die Außenhülse 28 eine nach innen gerichtete Stufe 33. Es entsteht so
ein in der Wandstärke etwa halb so dickes, kreiszylindrisches und zur geometrischen
Längsachse 12 koaxiales Spulen rohr 34. Auf diesem sitzt eine Spule 36 aus dünnem
Kupferdraht, deren magnetisches Feld im Betrieb in seiner Mitte mit der geometrischen
Längsachse 12 zusammenfällt. Anschlußdrähte 37, 38 der Spule 39 sind durch eine
nach außen offene Längsnut 39 zu Kontakten 41, 42 der Anschlußplatte 27 geführt.
Eine Abschirmhülse 43 aus magnetisierbarem, hochpermeablem Werkstoff ist koaxial
zur geometrischen Längsachse 12 und ist ein Kreisringzylinder. Ein Spalt zwischen
der Innenwand 44, der Abschirmhülse 43 und der Außenwand 46 der Außenhülse 28
ist vom magnetischen Widerstand her gesehen bedeutungslos, gestattet jedoch eine
geführte Relativbewegung der Abschirmhülse 43 auf der Außenhülse 28. Die untere
Stirnfläche 47 steht senkrecht zur geometrischen Längsachse 12 und läßt die
Stirnfläche 29 und damit auch die Aufsetzkalotte 17 nach unten heraustreten. Oben
schließt die Abschirmhülse 43 mit der Außenhülse 28 ab. Alle gegeneinander
verschieblichen Teile können z. B. durch Klebstoff nach dem Justieren unverrückbar
miteinander verbunden werden.
Die Konstruktion schafft unter anderem zwei kreiszylindrische Ringspalte 48, 49,
in denen die auf der gesamten verfügbaren Höhen gewickelten Spulen 18, 36 sitzen.
Das zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich vom soeben
geschilderten Aufbau nur dadurch, daß hier die Spulen 51, 52 einen rechteckigen
Querschnitt 53, 54 haben. Dabei ist der Querschnitt 54 gemäß Fig. 2 relativ
schlanker als der Querschnitt 53.
Die Ringspalte 48, 49 könnte man ansich auch in einem Topfkern einstückig
vorsehen. Zur Zeit sind jedoch keine Topfkerne bekannt, die serienmäßig käuflich
wären und damit genügend billig wären und zugleich auch die notwendige
Maßhaltigkeit und Koaxialität hinsichtlich der geometrischen Längsachse 12 hätten.
Weist der Messgegenstand eine Abweichung von der ebenen Form mit unendlicher
Ausdehnung auf, dann liegt ein sogenannter Geometrieeinfluß vor. Die Abweichung
von der besagten ebenen Form hat auf die äußere Spule 36 einen größeren Einfluß
als auf die innere Spule 18. Aus der äußeren Spule 36 wird ein Signal abgeleitet,
welches zur Kompensation des geometrischen Einflußes auf die Messgröße benutzt
wird.
Realisiert wird dies, indem die Spule 18 mit einer anderen Frequenz als die äußere
Spule 36 erregt wird. Die Frequenzen weisen ein Verhältnis von 1 : 2 bis 1 : 10 auf,
wobei die innere Spule 18 zweckmäßigerweise mit der höheren Frequenz erregt wird.
Es stehen somit zwei Signale unterschiedlicher Frequenz zur Verfügung, welche sich
mit geeigneten Schaltungen decodieren lassen. In der Fig. 3 sind die zur Erklärung
notwendigen Kennlinien einer Wirbelstromsonde, welche zur Messung von nicht leitenden
bzw. schwach elektrisch leitenden Schichten auf Nichteisenmetall konzipiert ist, abge
tragen. Die nominierte Meßgröße wird dadurch gewonnen, indem auf einer Referenz
probe mit ebener Fläche, welche gegenüber den Abmessungen der Sonde als unendlich
groß anzusehen ist, und die eine Leitfähigkeit von 10-60 mS/m aufweist, elektrische
Referenzwerte bestimmt werden. Diese Meßwerte können sowohl als Spannungen als
auch in Form von frequenzverschlüsselten Signalen vorliegen. Von der inneren Spule 18
wird bei auf die ebene Referenzfläche aufgesetztem Meßsystem der Meßwert xo1
gewonnen, welcher in einem Speicher abgelegt wird. In der äußeren Kompensationsspule
wird ein zweiter Meßwert xo2 in einem weiteren Speicher abgelegt. Durch Abheben
der Sonde von der ebenen Referenzfläche wird ein weiteres Meßwertepaar xs1, xs2
gewonnen, welche als sogenannte Sättigungswerte wiederum in Speichern abgelegt
werden, wobei sinngemäß xs1 zur Spule 18 und xs2 zur Spule 36 gehört. Die Entfernung
von dem Meßgegenstand muß so groß sein, daß keine Beeinflussung mehr durch diesen
wahrnehmbar ist. In der Regel ist dies etwa der 4-fache Abstand des Durchmessers
der Spule 36. Die unendlich große ebene Referenzfläche ist dann gegeben, wenn diese
etwa den 3-fachen Durchmesser der Abschirmhülse 43 besitzt. Es stehen somit vier
Referenzwerte xo1, xs1 für die Spule 18 und xo2, xs2 für die Spule 36 zur Verfügung.
Die Signale x1 der Spule 18 und x2 der Spule 36 liegen somit immer zwischen den
Grenzwerten xo1 und xs1 bzw. xo2 und xs2 und werden in bekannter Weise wie folgt
normiert:
für Spule 18, sowie
für die Spule 36.
Die auf diese Weise normierten Meßgrößen sind in Fig. 3 halblogarithmisch dargestellt.
Auf der Abszisse ist die jeweilige normierte Meßgröße und auf der Ordinate der Loga
rithmus
zur Basis 10 der Schichtdicke abgetragen. Die mit 56 bezeichnete Kennlinie gehört
zur inneren Spule 18, die mit 57 bezeichnete Kennlinie gehört zur äußeren Spule 36
nach Eichung auf der unendlich großen Ebene. Definitionsgemäß liegt der jeweils
normierte Meßwert zwischen 0 und 1, die beiden Kurven 56 und 57 nähern sich den
Grenzwerten 0 und 1 asymptotisch. Wie leicht einzusehen ist, liegt die zur äußern
Spule 36 gehörende Kennlinie 57 deutlich über der Kennlinie 56 der inneren Spule 18.
Setzt man nun die Sonde 11 auf einen konkav gekrümmten Meßgegenstand, dann ent
stehen die mit 58 und 59 bezeichneten Kennlinien, zu welchen die Asymptoten 61 und
62 für die Schichtdicken 0 gehören. Die Kennlinie 58 gehört zur Spule 18 und 59 zur
Spule 36. Die Asymptote bei unendlich großer Schichtdicke ist bei beiden Spulen die
senkrecht auf dem Abszissenwert 1 stehende Ordinate, da die Spulen 18, 36 im abge
hobenen Zustand nicht mehr erkennen, ob zuvor ein konkav gekrümmter oder ebener
Meßgegenstand vorhanden war. Will man nun feststellen, wie groß die systematische
Einflußgröße bei einer Schichtdicke t und konkaver Krümmung ist, (im vorliegenden
Fall ein Zylinder mit 6 mm Durchmesser), dann wird z. B. bei der willkürlich gewählten
Schichtdicke von 30 µm der in Fig. 3 der entsprechende Ordinatenwert abgetragen,
welcher die Kurve 58 in dem Punkt 63 schneidet. Die Abweichung der Ebene läßt sich
bestimmen, indem auf 63 das Lot errichtet wird, welches die zum ebenen Meßgegen
stand gehörende Kennlinie 56 im Punkt 64 schneidet. Ohne Korrektur würde der dem
Punkt 64 entsprechende Meßwert t1 angezeigt. Die Strecke 66 ist somit identisch mit
der durch die konkave Krümmung des Meßgegenstandes (Zylinder 6 mm Durchmesser)
vorgetäuschte zusätzliche Schichtdicke. Der bei 64 zur Innenmeßspule gehörende Meß
wert t1 folgt, wie leicht einzusehen ist, der Beziehung
t1 = t + c
Die gleiche Betrachtungsweise kann mit den Kennlinien 57, 59, welche zur äußeren
Spute 36 gehören, angestellt werden. Der zur gleichen Schichtdicke gehörende Meßwert
schneidet die Kennlinie 59 im Punkt 67 und man kann auf der zum ebenen Meß
gegenstand gehörenden Kennlinie 57 den im Punkt 68 gelesenen Meßwert t2 bestimmen.
Wie ersichtlich, ist die krümmungsbedingte Einflußgröße
c . z(xn) (1)
wie nicht anders zu erwarten, wesentlich größer als bei der Spule 18. Man kann
deshalb zwei Gleichungen wie folgt anschreiben:
t1 = t + c (2a)
t2 = t + cz(xn) (2b)
Der Faktor z(xn) ist in erster Näherung eine nahezu konstante Größe, d. h. ein vom
Durchmesserverhältnis der Spulen 18, 36 abhängiger konstanter Faktor. Aus den beiden
Gleichungen läßt sich nun die störende, von der Geometrie des Maßgegenstandes
abhängige, systematische Einflußgröße eliminieren und folgende Gleichung anschreiben:
Anstelle von t wird tcorr geschrieben, da z(xn) im mathematischen Sinn nie
exakt für alle Einflussgrössen konstant ist.
In dieser Formel bedeuten t1 und t2 definitionsgemäß die bei der beliebigen Schicht
dicke t zu den gleichen konvexen oder konkaven Krümmungen gehörenden Meßwerte,
welche von der Spule 18 und der Spule 36 abgeleitet wurden. Falls auf der Ebene
gemessen wird, ist definitionsgemäß t1 = t2 und somit der Subtrahend in Gl (3) = 0.
In diesem Sonderfall entspricht die gemessene Schichtdicke t dem Meßwert t1 der
Spule 18. Je größer die Differenz t2 - t1 ist, umso größer wird der Subtrahend um
welche, wie leicht einzusehen ist, t1 verringert ist, weil jede konvexe Krümmung
gegenüber der Ebene eine zusätzliche Schicht vortäuscht. Da der Zahlenfaktor z(x) bei
einem Verhältnis der Spule 36 zur Spule 18 von etwa 2 einen Wert von ca. 12 besitzt,
ist diese Größe nicht kritisch. Ein fester Zahlenwert für z erlaubt bereits im Bereich
0 < x < 0.6 eine um den Faktor 20-100-fache Verringerung des systematischen
Einflußes, bei einem Durchmesser einer zylindrischen gekrümmten Oberfläche, welche
etwa dem Durchmesser der Spule 36 entspricht. Bei einem doppelt so großen Wert
ist die Kompensation nahezu ideal mit einem konstanten Zahlenfaktor z möglich.
Um einen Fehler zweiter Ordnung zu eliminieren, kann z als Funktion von xn1 oder
xn2 berechnet werden. Zweckmäßigerweise wählt man xn1. Nachfolgend wird deshalb
nur noch die Schreibweise xn verwendet. Dies, wie bereits beschrieben, geht aus der
Schreibweise z(xn) hervor. Die Funktion z(xn) kann z. B. wie folgt aussehen:
z(xn) = zo(1 - αXp n) 2 < p < 5; 0,2 < α < 0,6 (4)
Da z(xn) < 1
läßt sich nach Differentiation von Gl. (3) folgende Näherung anschreiben:
Die relative Änderung Δ z(xn)/z(xn) ist, wie ausgeführt, in Abhängigkeit von xn
gering und führt, wie aus Gl. (4) hervorgeht, in dem meßtechnisch interessierenden
Bereich von x = 0 bis 0.6 somit zu einem faktisch zu vernachlässigbarem Fehler Δt.
Da die Differenz t2 - t1 sowohl von z(xn) als auch von der relativen Abweichung geschwächt
wird, ist in dem weniger wichtigen Bereich von xn 0.6 unter Berücksichtigung von Gl. (4)
desgleichen eine hervorragende Krümmungskompensation möglich, da, wie aus Gl. (5)
ersichtlich, das Produkt aus den beiden Quotienten den Restfehler zweiter Ordnung
bestimmt.
Den gezeigten Kennlinien in Fig. 3 liegt ein Durchmesser der inneren Spule 18
von ca. 1.5 mm und der äußeren Spule 36 von ca. 3 mm zugrunde. Mit einer
derartigen Sonde 11 lassen sich mühelos Schichtdicken krümmungskompensiert
bis 1500 µm messen. Vergrößert man das System linear, dann ist auch der
Messbereich entsprechend größer. Die Kompensationsfähigkeit der Krümmung
wird dann allerdings entsprechend geringer. Desgleichen die Messempfindlichkeit
für dünne Schichten.
Aus Fig. 5 und 6, welche sich auf die Kennlinien in Fig. 3 beziehen, ist
ersichtlich, zu welch hervorragenden Ergebnissen man mit der erfindungsgemäß
beschriebenen Anordnung gelangt. Nach dem heutigen Stand der Digitaltechnik
ist es unter Verwendung von Mikroprozessoren ohne Schwierigkeiten möglich, den
mathematischen Algorithmus in Bruchteilen einer Sekunde abzuarbeiten, so daß
die Bildung des Messwertes durch Zusatzalgorithmen nicht belastet wird. Mit
der erfindungsgemäßen Anordnung kommt man dem Ideal einer krümmungs
unabhängigen Messung nach Eichung auf der Ebene sehr nahe. Da der Messgegenstand
in den meisten Fällen nur beschichtet vorliegt und eine Eichung auf einem ebenen
Referenzwerkstoff ohne Schwierigkeiten zu Kontrollzwecken möglich ist, ist
für den Anwender eine erheblich Vereinfachung der Messverfahren gegeben.
In Fig. 5 ist links die Sollschichtdicke, d. h. die tatsächliche Schichtdicke in µm
angegeben. Hätte man nur die Spule 18, dann würde man Schichtdicken von 79.3, 103.2
usw. µm messen. Es würden Messwerte angezeigt, welche um den Faktor 3 . . . 2 grösser
wären als der wahre Messwert, bezogen auf einen Zylinder von 6 mm Durchmesser.
Die nächste Spalte stellt die durch die Erfindung ermittelbare Schichtdicke von 26.4,
49.5 usw. dar. In der ganz rechten Spalte ist die Differenz zwischen der korrigierten
Schichtdicke und der Sollschichtdicke in µm dargestellt. Wie man sieht, erhält man
durch die Erfindung eine nahezu vollständige Kompensation des Krümmungseinflusses.
Während Fig. 5 den Fall zeigt, bei dem ein Meßgegenstand mit konstantem Durch
messer, nämlich 6 mm Durchmesser, mit unterschiedlichen Schichtdicken beschichtet
ist, zeigt Fig. 6 die Variante unterschiedliche Durchmesser in µm bei stets
gleich dicker Beschichtung von 49 µm. Auch hier sieht man, welch erhebliche
Verbesserung durch die Erfindung erzielbar ist.
Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm zur Berechnung der korrigierten Schichtdicke to aus
den Meßwerten x1 und x2 der Spulen 18 und 36. Die beiden mit runden Ecken
gezeichneten Kästchen bedeuten Programmspeicher, in denen - links - der Meßwert
xo1 für den ebenen unbeschichteten Meßgegenstand und der Meßwert für die Sätti
gungsschichtdicke xs1 abgelegt ist und zwar für die Spule 18. Dasselbe ist rechts
für die Spule 36 angegeben. Diese Rechenformel ist in der Beschreibung angegeben.
Man erhält also xn1 und xn2, so daß die Meßgröße sich nur zwischen 0 und 1
bewegen kann, wie dies Fig. 3 zeigt. Nunmehr wird links die normierte Meßgröße xn1
mit den Parametern der Spule 1 verknüpft, das heißt in diesem Programmspeicher
liegt der Verlauf der Kurve 56. Durch die Verknüpfung erhält man die Schichtdicke
t1, die sich auch in Fig. 3 findet.
Sinngemäß das Gleiche findet rechts statt, d. h. in den Programmspeicher "Parameter
Spule 2" wurde der Verlauf der Kurve 58 abgelegt. Es wird dann rechts die Differenz
t1 - t2 gebildet. Auf gleicher Höhe links liegt in einem Programmspeicher der Para
meter für z. Dieser ist ja weitgehend konstant, z. B. gleich der Zahl 12 und hat eine
merkliche Veränderung nur im oberen Bereich der normierten Meßgröße. Die weiteren
Verknüpfungen lassen sich anhand der Formeln leicht nachvollziehen. Wie aus der
Gl. (3) ersichtlich ist, muß t1 noch mit dem dort angeschriebenen Quotienten ver
knüpft werden, so daß man auf die korrigierte Schichtdicke tc kommt, die gleich
t in Gl. (3) ist und die sich auch in den Fig. 5 und 6 in der zweiten Spalte
von rechts befindet.
In Fig. 4 bedeuten die eckigen Umrahmungen Meßwerte oder Ergebnisse von Berech
nungen. Umrahmungen mit runden Ecken bedeuten Parameter, die im Programmspeicher
abgelegt sind. Diese Parameter sind entweder fest vorgegeben oder zu einem früheren
Zeitpunkt durch Messung bestimmt worden. Runde Kreise bezeichnen eine Rechen
operation.
Die geringe Korrektur des Rechenfaktors z(xn) kann sowohl in Abhängigkeit von xn1
(wie in Fig. 3 eingezeichnet) vorgenommen werden als auch in Abhängigkeit von xn2.
Da die Schichtdicke und insbesondere die korrigierte Schichtdicke eine Funktion von
xn1 ist, ist es zweckmäßig, die Korrektur von z(xn) in Abhängigkeit von xn1 vorzunehmen.
Die Erfindung ist zahlreicher Variationen fähig. Die Berechnung der korrigierten
Schichtdicke tcorr muß nicht unbedingt über eine Normierung erfolgen. Vielmehr
kann man auch ohne Normierung die Kurven aufnehmen und dann später rechnen,
was bei den heutigen Rechenvorrichtungen kein Problem ist. Der Vorteil bei der
Normierung besteht darin, dass eine Kalibrierung auf einem ebenen unbeschichteten
Messgegenstand vorgenommen werden kann, welche nur in grösseren Zeitinter
vallen überprüft werden muss.
Claims (26)
1. Verfahren zur zerstörungsfreien Messung der Dicke dünner Schichten mit
einer Sonde (11), die zumindest eine erste Spule (18; 51) unverrückbar auf
einem Innenkern und zumindest eine weitere Spule (36; 52) aufweist, deren
geometrische Mitte (12) und die geometrische Mitte (12) des Innenkernes
sich decken, wobei von den Spulen (18, 36; 51, 52) Leitungen (19, 21; 38,
39) nach außen geführt und an eine Auswerteschaltung zur Berechnung der
Schichtdicke aus Ausgabewerten angeschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß während eines Meßvorganges von der zumindest ersten Spule (18; 51) und der zumindest einen weiteren Spule (36; 52), die zumindest teilweise koaxial zur ersten Spule (18; 51) angeordnet ist, jeweils unterschiedliche Ausgabewerte für den gleichen Meßgegenstand abgegeben werden und
daß während des Meßvorganges auftretende Ausgabewerte der Spulen (18, 36; 51, 52) in einer Rechenvorrichtung nach der Schichtdicke t aufgelöst werden.
daß während eines Meßvorganges von der zumindest ersten Spule (18; 51) und der zumindest einen weiteren Spule (36; 52), die zumindest teilweise koaxial zur ersten Spule (18; 51) angeordnet ist, jeweils unterschiedliche Ausgabewerte für den gleichen Meßgegenstand abgegeben werden und
daß während des Meßvorganges auftretende Ausgabewerte der Spulen (18, 36; 51, 52) in einer Rechenvorrichtung nach der Schichtdicke t aufgelöst werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke t
durch die Gleichung
ermittelt wird, wobei die Größe tcorr von der normierten krümmungsbedingten Größe z(xn) abhängig ist und der krümmungsunabhängigen Schichtdicke t entspricht.
ermittelt wird, wobei die Größe tcorr von der normierten krümmungsbedingten Größe z(xn) abhängig ist und der krümmungsunabhängigen Schichtdicke t entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgabegröße der einen Spule (18; 51) vom Typ
t1 = Δ1 + t
ist, wobei t1 der Meßwert, Δ1 eine Konstante und t die gesuchte Schichtdicke ist und die Ausgabegröße der anderen Spule (36; 52) vom Typ
t2 = Δ2 + t
ist, wobei t2 deren Meßgröße und Δ2 deren Konstante ist.
t1 = Δ1 + t
ist, wobei t1 der Meßwert, Δ1 eine Konstante und t die gesuchte Schichtdicke ist und die Ausgabegröße der anderen Spule (36; 52) vom Typ
t2 = Δ2 + t
ist, wobei t2 deren Meßgröße und Δ2 deren Konstante ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß gesetzt wird
Δ1 = c und Δ2 = c.z(xn),
wobei z eine Konstante und xn eine normierte Meßgröße der jeweiligen Spu len (18, 36; 51, 52) ist.
Δ1 = c und Δ2 = c.z(xn),
wobei z eine Konstante und xn eine normierte Meßgröße der jeweiligen Spu len (18, 36; 51, 52) ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinien
(56, 57, 58, 59) Meßgröße/Schichtdicke für einen ebenen Meßgegenstand in
der Rechenvorrichtung gespeichert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinien
(56, 57, 58, 59) in einer Form gespeichert sind, bei der die Meßgröße nor
miert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße auf
einen Bereich zwischen 0 und 1 normiert wird.
8. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Dicke dünner Schichten, ins
besondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Sonde (11) vorgesehen ist, die einen Innenkern (13) zumindest mit einer unverrückbar darauf angeordneten Spule (18; 51) aufweist,
daß zumindest eine weitere Spule (36; 52) vorgesehen ist, wobei die geo metrische Mitte (12) des Innenkerns (13) und die geometrische Mitte (12) der Spulen (18, 36; 51, 52) sich decken,
daß die zumindest eine weitere Spule (36; 52) zumindest teilweise koaxial zur ersten Spule (18; 51) angeordnet ist,
daß Leitungen (19, 21, 38, 39) vorgesehen sind, die von den Spulen (18, 36; 51, 52) nach außen geführt und an eine Auswerteschaltung zur Berechnung der Schichtdicke aus Ausgabewerten angeschlossen sind,
daß die Spulen (18, 36; 51, 52) unterschiedliche Ausgabewerte bei einem Meßvorgang an demselben Meßgegenstand an die Auswerteschaltung einer Rechnervorrichtung zur Ermittlung der Schichtdicke t abgeben.
daß eine Sonde (11) vorgesehen ist, die einen Innenkern (13) zumindest mit einer unverrückbar darauf angeordneten Spule (18; 51) aufweist,
daß zumindest eine weitere Spule (36; 52) vorgesehen ist, wobei die geo metrische Mitte (12) des Innenkerns (13) und die geometrische Mitte (12) der Spulen (18, 36; 51, 52) sich decken,
daß die zumindest eine weitere Spule (36; 52) zumindest teilweise koaxial zur ersten Spule (18; 51) angeordnet ist,
daß Leitungen (19, 21, 38, 39) vorgesehen sind, die von den Spulen (18, 36; 51, 52) nach außen geführt und an eine Auswerteschaltung zur Berechnung der Schichtdicke aus Ausgabewerten angeschlossen sind,
daß die Spulen (18, 36; 51, 52) unterschiedliche Ausgabewerte bei einem Meßvorgang an demselben Meßgegenstand an die Auswerteschaltung einer Rechnervorrichtung zur Ermittlung der Schichtdicke t abgeben.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden
Spulen (18, 36; 51, 52) einen unterschiedlichen mittleren Durchmesser haben.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18,
36) aus Draht gewickelte Spulen umfassen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen
Höchstfrequenzbauteile sind, die gebündelte magnetische Felder erzeugen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18,
36; 51, 52) konzentrisch zur geometrischen Mittenachse (12) der Sonde (11)
angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18,
36; 51, 52) kreisförmig sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (51,
52) einen konstant länglich rechteckigen Querschnitt (53, 54) haben.
15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18,
36; 51, 52) bei einem niederfrequenten magnetinduktiven Betrieb auf einem
Kern aus hochpermeablem Eisen sitzen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen
Silizium-Eisen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18,
36; 51, 52) bei einem hochfrequenten Wirbelstromprinzip auf einem Kern aus
ferritischem Werkstoff sitzen.
18. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18,
36; 51, 52) bei höchstfrequentem Betrieb auf einem nichtleitenden Werkstoff,
vorzugsweise Keramik oder Kunststoff oder dergleichen, sitzen.
19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 18, dadurch ge
kennzeichnet, daß bei niederfrequentem Betrieb zwischen beiden Spulen
(18, 36; 51, 52) eine Abschirmung vorgesehen ist, die aus hochpermeablem
Eisen, insbesondere Silizium-Eisen besteht.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei hochfre
quentem Betrieb die Abschirmung (43) aus ferritischem Werkstoff ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei höchstfre
quentem Betrieb die Abschirmung (43) aus gut leitendem Metall, vorzugs
weise Kupfer oder Silber, ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschir
mung (43) verschiebbar ist.
23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abschirmung eine kreisringförmige Wand ist, die
konzentrisch zur geometrischen Mitte (12) der Sonde (11) ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine die äuße
ren Spulen (36, 52) überfangende Abschirmhülse (43) vorgesehen ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zu Abgleich
zwecken zumindest ein Teil der Sonde (11) relativ zu anderen Teilen der
Sonde (11) verschiebbar ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein
Innenkern (13) und eine Außenhülse (28) einstückig sind und daß die Auf
nahmeräume (48, 49) für die Spulen (18, 36; 51, 52) aus dem Vollen heraus
gearbeitet sind.
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