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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der
Dicke einer Chromoxidbeschichtung auf einer Chromschicht auf
einem Substrat, bei dem polarisiertes Licht verwendet wird.
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Ein Verfahren zur Messung einer Beschichtungsdicke, das auf den
Prinzipien der Ellipsometrie basiert und von einem
Beschichtungsdickenmeßgerät Gebrauch macht, ist aus der
EP-A-249 235 bekannt. Das Meßgerät weist eine Lichtquelle zur
Erzeugung linear polarisierten Lichtes, feste Aufteilmittel zum
Aufteilen des durch die Beschichtung reflektierten, elliptisch
polarisierten Lichtes in eine Anzahl von Strahlen, ein Meßgerät
zur Messung der Intensität jeden Strahles und Berechnungsmittel
zur Berechnung der Dicke der Beschichtung aus den gemessenen
Intensitäten auf.
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Beim Gebrauch dieses Meßgerätes wird ein Einfallsstrahl linear
polarisierten Lichtes auf eine zu messende Beschichtung
gerichtet. Der Teil des Einfallstrahls mit einer
Polarisationsrichtung parallel zu der Einfallsebene, die die
Ebene durch den Einfallsstrahl und.den reflektierten Strahl
ist, wird sowohl bezüglich der Phase als auch bezüglich der
Amplitude unterschiedlich von dem Teil des Strahles mit einer
Polarisationsrichtung senkrecht zur Einfallsebene reflektiert.
Das Ergebnis ist ein reflektierter Strahl, der im allgemeinen
elliptisch polarisiert ist; das bedeutet, daß die elektrische
Feldstärke in einer Ebene senkrecht zur Richtung des
reflektierten Strahles eine Ellipse beschreibt. Das Verhältnis
rp/rs zwischen den komplexen Amplituden-Reflexionskoeffizienten
in der parallelen Richtung und der senkrechten Richtung ist
eine Messung der Dicke der Beschichtung. Dieses Verhältnis wird
gemessen, indem von der Beziehung rp/rs - tan Ψ exp jΔ
Gebrauch gemacht wird, und indem Ψ und Δ und eine Intensität
gemessen werden. In dieser Beziehung ist Ψ der Scheitelwinkel,
und der Winkel Δ wird aus dem Verhältnis der langen Achse und
der kurzen Achse der Ellipse, bekannt als die Elliptizität,
berechnet.
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Bei dem Meßgerät der EP-A-249 235 wird die Messung
durchgeführt, indem der reflektierte Strahl in mindestens drei
Teilstrahlen aufgeteilt wird, wobei halbdurchlässige Spiegel
als Aufteilinittel verwendet werden. Teilstrahlen werden jeweils
durch einen Analysator aufgezeichnet, wobei jeder Analysator
einen unterschiedlichen Polarisationswinkel hat. Die Intensität
des Teilstrahles in jeder der drei Polarisationsrichtungen wird
unter Verwendung eines dem Zweck angepaßten Meßgerätes, wie
einem Photodetektor, gemessen.
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Aus dem Verhältnis der drei Intensitäten in unterschiedlichen
Polarisationsrichtungen und unter Verwendung der
Berechnungsmittel können der Scheitelwinkel Ψ und die
Elliptizität der Ellipse berechnet werden. Daraus kann, indem
von der obengenannten Beziehung Gebrauch gemacht wird, die
Dicke der reflektierenden Beschichtung erhalten werden.
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Eine Schwierigkeit bei dieser bekannten Vorrichtung ist, daß
das benötigte optische System relativ kompliziert ist und hqhe
Anforderungen an die optische Ausrichtung stellt. Das ist ein
besonderer Nachteil unter Fertigungsumgebungsbedingungen, z.B.
bei beschichteten Stahlplatten. Eine weitere Schwierigkeit ist,
daß für eine präzise Dickenmessung die optischen Eigenschaften
der verwendeten Kornponenten genau bekannt sein müssen. Diese
Schwierigkeit trifft insbesondere auf halbdurchlässige Spiegel
zu, weil halbdurchlässige Spiegel die Polarisationsrichtung
sowohl des ausgesendeten als auch des reflektierten Strahles
beeinflussen. Dies verursacht einen Fehler bei der Bestimmung
der Ellipse. Eine weitere Schwierigkeit ist, daß eine große
Anzahl von Berechnungen gemacht werden muß, um die Dicke der
reflektierenden Beschichtung zu erhalten.
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Ein Verfahren zur Messung einer Schichtdicke, das ein
Dickenmeßgerät verwendet, das mit einem polarisierenden
Strahlenteiler versehen ist, ist aus der EP-A-278 577 bekannt.
Diese beschreibt ein Verfahren zur Messung einer
Proteinbeschichtung auf einem Substrat. In dem beschriebenen
Beschichtungsdickenmeßgerät wird der Einfallstrahl mit dem
Brewster-Winkel auf die Proteinbeschichtung geworfen und der
reflektierte Strahl mittels eines polarisierenden
Strahlenteilers in einen parallelen Teilstrahl Rp und einen
senkrechten Teilstrahl Rs aufgeteilt.
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Deshalb gibt dieses Schichtdickenmeßgerät nur Informationen
über den Scheitelwinkel Ψ und ist nicht für die Messung der
Dicke einer Chromoxidbeschichtung geeignet.
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Indem man von der Formel N - (Rs - mRp) / (Rs + mRp) gemäß der
Veröffentlichung Gebrauch macht, kann M berechnet werden und M
ist eine Messung der Schichtdicke. Das beschriebene
Beschichtungsdickenmeßgerät ist insbesondere für den Gebrauch
gedacht, wenn der einfallende und der reflektierte Strahl in
der Intensität variieren, z.B. als Ergebnis eines
absorbierenden Substrates, durch das das Licht passieren muß,
um die zu messende Beschichtung zu erreichen. Der
Brewster-Winkel als Einfallswinkel in dem beschriebenen
Schichtdickenmeßgerät ist nur für Substrate bedeutsam, die eine
reelle Brechzahl haben. Im Fall einer Chromoxidbeschichtung auf
Chrom ist ein Brewster-Winkel nicht definiert, weil Chrom eine
komplexe Brechzahl hat.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfacheres Verfahren zur
Messung der Schichtdicke bereitzustellen, daß insbesondere zur
Messung der Dicke einer Chromoxidschicht auf einer Chromschicht
aut einem Substrat geeignet ist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur
Messung der Beschichtungsdicke bereitzustellen, das
insbesondere zum Gebrauch unter Produktionsumgebungsbedingungen
geeignet ist.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zur Messung der
Dicke einer Chromoxidbeschichtung auf einer Chromschicht auf
einem Substrat vor, bei dem linear polarisiertes Licht von
einer Lichtquelle auf die Beschichtung geworfen wird und das
durch die Chromoxidbeschichtung reflektierte elliptisch
polarisierte Licht auf eine Vielzahl von Teilstrahlen
aufgeteilt wird; die Intensität jeden Teilstrahles wird durch
Erfassungsmittel gemessen und die Dicke der
Chromoxidbeschichtung wird aus den gemessenen Intensitäten
berechnet, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierte Licht
in einen Teilstrahl mit einer Polarisationsrichtung in der
Richtung der langen Achse der Polarisationsellipse und in einen
Teilstrahl mit einer Polarisationsrichtung in der Richtung der
kurzen Achse der Polarisationsellipse aufgeteilt wird und
dadurch, daß die Dicke aus dem Verhältnis der zwei gemessenen
Intensitäten der zwei Teilstrahlen berechnet wird, wobei die
Berechnung auf der Annahme basiert, daß der Scheitelwinkel, der
durch das Verhältnis der Reflexionskoeffizienten in der p- und
s-Richtung definiert ist, mehr oder weniger konstant und
unabhängig von der Dicke der Beschichtung ist und daß nur die
Elliptizität, die als Verhältnis zwischen der kurzen und der
langen Achse der Polarisationsellipse definiert ist, mit der
Dicke der Beschichtung variiert. Das Substrat kann Stahl, Chrom
oder jedes andere Material sein.
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Überraschenderweise wurde aus Versuchen herausgefunden, daß für
normale Beschichtungsdicken, wenn linear polarisiertes Licht
von einer Chromoxidbeschichtung auf Chrom innerhalb eines
gewissen Bereiches konstanter Einfallswinkel des linear
polarisierten Lichtes reflektiert wird, der Scheitelwinkel Ψ
des reflektierten Lichtes und demzufolge der Winkel der langen
Achse der Ellipse bezüglich der Einfallsebene konstant ist. Der
Einfallswinkel ist der Winkel zwischen dem linear polarisiertem
Lichtstrahl und der Normalen auf das Substrat. Mit einem
konstanten und bekannten Scheitelwinkel Ψ ist es dann
vollständig möglich, den Winkel Δ zu bestimmen, indem der
reflektierte Strahl in zwei mit einem bekannten Winkel
bezüglich zueinander polarisierte Teilstrahlen aufgeteilt wird
und die Intensität eines jeden Teilstrahles gemessen wird. Aus
den zwei gemessenen Intensitäten kann der Winkel Δ berechnet
werden. Die Dicke der zu messenden Beschichtung kann direkt aus
der dann bekannten Elliptizität der auf diese Weise bestimmten
Ellipse bestimmt werden.
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Die EP-A-75 689 beschreibt ein photometrisches Polarimeter, in
dem der von einer Materialprobe reflektierte Lichtstrahl einem
Polarisations-Strahlenteiler zugeführt wird. Die aufgeteilten
reflektierten Lichtstrahlen gehen zu Detektoren für jeweils die
senkrecht und parallel polarisierten Anteile des Lichtstrahls.
Die Detektorenausgängen werden verwendet um Informationen über
das Prüfstück zu erhalten. Mögliche erhaltene Informationen
betreffen das Schichtwachstum auf der Materialprobe. Aus den
senkrecht und parallel polarisierten Anteilen des Lichtstrahls
kann nur der Winkel Ψ berechnet werden. Im Fall von Chromoxid
auf Chrom wurde herausgefunden, daß der Winkel Ψ praktisch
konstant ist. Deshalb ist diese Vorrichtung nicht zur
Verwendung bei der Bestimmung von Chromoxidschichtdicken
geeignet. Wenn sie für Schichtdickenmessungen angewandt wird,
erfordert sie zur Normierung auch eine Messung der Intensität
des Einfallstrahls, um die Elliptizität der Polarisation des
reflektierten Strahles berechnen zu können. Das bedeutet, daß
drei Intensitäten gemessen und in der Berechnung verwendet
werden.
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Besonders einfach und besonders geeignet für den Gebrauch unter
Produktionsumgebungsbedingungen ist ein Verfahren zur Messung
einer Beschichtungsdicke gemäß der Erfindung, bei dem die
Aufteilmittel einen polarisierenden Strahlenteiler aufweisen.
Gemäß den Feststellungen der Erfinder ist der Scheitelwinkel Ψ,
bei dem die Ellipse steht, konstant und innerhalb eines
weiteren Bereiches konstanter Einfallswinkel bekannt. Mit einem
bekannten Scheitelwinkel Ψ kann der polarisierende
Strahlenteiler derart positioniert werden, daß die zwei
Teilstrahlen, die aus ihm austreten, die elektrischen
Feldbestandteile entlang der zwei Hauptachsen der Ellipse sind.
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Folglich werden in der Berechnung gemäß der Erfindung feste
Daten verwendet, die sich auf den bekannten und konstanten
Scheitelwinkel Ψ beziehen, der in der Berechnung der
Elliptizität aus den gemessenen Intensitäten verwendet wird.
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Bei dem Beschichtungsdickenmessungsverfahren gemäß der
Erfindung wird bevorzugterweise ein Kompensator verwendet, um
die zwei polarisierten Strahlen mit einem bekannten Winkel
zueinander in Phase zusammen zu bringen. Dieses
Ausführungsbeispiel ist insbesondere zur Messung der
Beschichtungsdicke in den Fällen geeignet, in denen der Winkel
in der Gegend von 90º ist.
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In der Praxis werden mit einem Verfahren gemäß der Erfindung
gute Ergebnisse erzielt, indem die Lichtquelle so montiert
wird, daß das linear polarisierte Licht das Substrat mit einem
Winkel von ungefähr 60º gegen die Normale auf die
Substratoberfläche trifft. Innerhalb gewisser Grenzen nimmt die
Empfindlichkeit des Verfahrens mit zunehmendem Winkel zwischen
dem einfallenden Strahl und der Normalen auf das Substrat, d.h.
dem Einfallswinkel, zu. Es wurde herausgefunden, daß der Winkel
über einen beträchtlichen Bereich des Einfallswinkels konstant
ist. Über einen Bereich von 0º bis ungefähr 70º variiert
sehr wenig und ist ungefähr 40º. Jedoch variiert die
Empfindlichkeit von Δ für die Dicke der Beschichtung mit dem
Einfanfallswinkel und es wurde herausgefunden, daß sie bei
einem Einfallswinkel von ungefähr 60º ein praktisches Optimum
hat. Eine Schwierigkeit eines großen Winkels ist es, daß die
Lichtquelle und die Aufteilmittel nahe der Ebene des Substrates
montiert werden müssen. Ist das Substrat ein sich bewegender
Streifen, dann sind die Lichtquelle und Aufteilmittel
störungsanfällig. Ein guter Kompromiß zwischen
Störungsanfälligkeit, Betriebsicherheit und Empfindlichkeit
wurde bei einem Winkel von ungefähr 60º, d.h. 50º bis 70º
gefunden. Für praktische Zwecke der Dickenmessung einer
Chromoxidschicht auf Chrom ist der Winkel innerhalb dieses
Bereichs konstant.
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Die Empfindlichkeit des Beschichtungsdickenmeßgerätes ist gut,
wenn die Lichtquelle dafür geeignet ist, ein Licht mit einer
Wellenlänge zwischen 633 nm und 254 nm zu senden. Es ist
vorzuziehen, daß die kleinste mögliche Wellenlänge gewählt
wird, die praktisch zu erreichen ist, weil mit kleineren
Wellenlängen die Empfindlichkeit des Verfahrens zunimmt.
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Die Genauigkeit des Verfahrens kann weiter vergrößert werden,
wenn Unterstützungsmittel verwendet werden, um den
Einfallswinkel des einfallenden Lichtes konstant zu halten und
insbesondere, wenn die Unterstützungsmittel eine Tragrolle
aufweisen, um die Lichtquelle auf dem Substrat abzustützen,
d.h. eine Rolle, die direkt mit dem bewegenden Substrat Kontakt
hat. Die Empfindlichkeit des Verfahrens hängt von dem
Einfallswinkel zwischen dem einfallenden Strahl und der
Normalen auf das Substrat ab. Als Ergebnis dieses Sachverhaltes
hängt die gemessene Dicke auch von den Variationen des
Einfallswinkels ab. Mit einer Untestützung der Lichtquelle,
wird die Position des Substrates relativ zum einfallenden
Lichtstrahl und damit auch der Einfallswinkel vollständig
fixiert.
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Eine hier besprochene Chromoxidbeschichtung ist nicht auf eine
Beschichtung aus reinem Chromoxid beschränkt, sondern umfaßt
auch eine Beschichtung, die im wesentlichen Chromoxid enthält,
wie es auf verchromtem Stahl vorkommt. Eine derartige
Chromoxidbeschichtung enthält auch Chromhydroxid, Unreinheiten
und Poren.
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In der Praxis wurde herausgefunden, daß die Genauigkeit des
Verfahrens für eine solche Chromschicht vergrößert wird, wenn
die berechnet Dicke auf eine absolute spezifische Mengeneinheit
Chromoxid pro Flächeneinheit des Substrates geeicht wird. Wenn
man ein absolutes chemisches Meßverfahren wie die
AAS/Photometrie verwendet, wird die Mengeneinheit Chrom in der
Beschichtung des Chromoxides pro Flächeneinheit gemessen. Aus
dem auf diese Weise erhaltenen Resultat kann die
Beschichtungsdicke berechnet und der mit dem korrespondierenden
Verfahren berechnete Wert geeicht werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun mit Hilfe von
nicht einschränkenden Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen
veranschaulicht werden.
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Figur 1 zeigt eine schematische Wiedergabe der Reflexion eines
Lichtstrahles auf einer dünnen Beschichtung und Figur 2 zeigt
eine schematische Darstellung eines Schichtdickenmeßgerätes,
das das Verfahren gemäß der Erfindung verwendet.
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Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine verchromte
Stahlblechplatte. Die Figur zeigt die Luft (1) über der
Blechplatte, eine Beschichtung (2) aus Chromoxid, von dem die
Dicke zu messen ist, eine Schicht (3) aus Chrom und ein
Substrat (4) aus Stahl. Während der elektrolytischen
Verchromung eines Stahlstreifens lagert sich eine
Chrombeschichtung auf dem Stahl ab, aber auf der Chromschicht
auf der vom Stahl wegzeigenden Seite wird eine Beschichtung aus
im wesentlichen Chromoxid gebildet, die aber auch
Chromhydroxid, Unreinheiten und Poren enthält. In dieser
Beschreibung ist die Beschichtung eine Chromoxidbeschichtung
wie auch eine in der Praxis gebildete Beschichtung.
Ein Lichtstrahl fällt mit einem Winkel a gegen die Normale (6)
auf das Substrat auf die Oberfläche der verchromten
Stahlblechplatte. Ein Teil dieses Strahls wird mit dem gleichen
Winkel a reflektiert wie der Strahl (7). Ein Teil des Strahls
(6) wird mit dem gleichen Winkel gebrochen wie der Strahl (7).
Ein Teil des Strahls (6) wird am Übergang (1-2) gebrochen und
dringt als ein reflektierter Stahl (8) in die Chromoxidschicht
ein. Ein Teil des gebrochenen Strahls (8) wird am Übergang
(2-3) reflektiert und kehrt als Strahl (9) zu dem Übergang
(1-2) zurück. Auf seinem Rückweg wird der Strahl (9) wieder
teilweise als Strahl (10) am Übergang (1-2) reflektiert und
verläßt teilweise die Chromoxidbeschichtung als Strahl (11).
Alle aus der Chromoxidoberfläche austretenden Strahlen zusammen
formen in Übereinstimmung mit dem hier beschriebenen Prozeß den
reflektierten Strahl.
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Figur 2 zeigt den einfallenden Strahl 5, der mit der Normalen
(15) auf die Oberfläche des verchromten Streifens (16) den
Einfallswinkel a bildet. Der Strahl (5) wird mit Hilfe eines
Helium-Neon-Lasers (17) erzeugt. Der Vektor Ei zeigt die
Folarisationsrichtung des Einfallstrahles an. Der Vektor Ei ist
in eine Komponente Epi und eine Komponente Esi zerlegt. Die
Komponente Epi ist parallel zu der Einfallsebene durch den
Einfallstrahl (5) und den reflektierten Strahl (18); die
Komponente Esi ist senkrecht zur Einfallsebene.
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Die Richtung parallel zu der Einfallsebene wird die p-Richtung
genannt; die Richtung senkrecht auf die Einfallsebene wird die
s-Richtung genannt. Es ist im allgemeinen wünschenswert, den
Winkel b zwischen dem Vektor Ei und seiner Komponente Epi mit
45º zu wählen, so daß Epi und Esi in der Größe gleich sind. Der
durch die Chromoxidbeschichtung auf dem verchromten Streifen
(16) reflektierte Strahl ist elliptisch polarisiert. Das Ende
des elektrischen Feldvektors Et des reflektierten Lichts
beschreibt eine Ellipse in einer zu dem reflektierten Strahl
senkrechten Ebene.
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Der elektrische Feldvektor Et hat eine durch Ept angegebene
Amplitude in der p-Richtung und eine durch Est angegebene
Amplitude in der s-Richtung.
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Nun wird die Beziehung Ept/Est = rp/rs = tan Ψ exp jΔ
angewendet. Die Dicke der Chromoxidbeschichtung (2), die den
reflektierten Strahl verursacht hat, kann aus den
ellipsometrischen Größen Ψ und Δ abgeleitet werden.
Überraschenderweise wurde herausgefunden, daß für die
Chrom/Chromoxid-Kombination der Scheitelwinkel Ψ mehr oder
weniger konstant und ungefähr 40º ist, unabhängig von der Dicke
der Chromoxidbeschichtung, und daß nur die Elliptizität der
Ellipse, die des Verhältnis zwischen der kurzen und der langen
Achse ist, mit der Dicke der Chromoxidbeschichtung variiert.
Wegen des konstanten und ungefähr 40º großen Scheitelwinkels
ist der durch die lange Achse der Ellipse gegen die s-Richtung
geformte Ellipsenwinkel ebenso konstant und ungefähr gleich
40º. Deshalb ist es in Abhängigkeit des gewählten mechanischen
Aufbaus des Dickenmeßgerätes möglich, die Polarisierung des
Strahls (5) so zu wählen, daß der Scheitelwinkel Ψ mit einem
Winkel von ungefähr 45º konstant ist.
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Das Verhältnis der kurzen Achse und der langen Achse wird
dadurch vorbestimmt, daß man den reflektierten Strahl auf einem
polarisierenden Strahlenteiler (19) fallen läßt, der mit dem
Ellipsenwinkel von ungefähr 45º positioniert ist. Wenn eine
Beschichtung gemessen wird, deren Winkel Δ im Bereich von
π/2 im Bogenmaß liegt, ist die kurze Achse verhältnismäßig
lang. Um die Empfindlichkeit des Beschichtungsdickenmeßgerätes
aufrecht zu erhalten, wird das Beschichtungsdickenmeßgerät mit
einem Kompensator (14) versehen, der den Winkel Δ um einen
gegebenen Betrag verändert. Die Intensität eines jeden der zwei
Strahlen (20) und (21), die von dem polarisierenden
Strahlenteiler ausgehen, wird unter Verwendung der
Photodetektoren (22) und (23) gemessen.
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Der Ausgang jeden Photodetektors (22) und (23) ist mit der
Berechnungseinheit (24) verbunden. Die Berechnungseinheit
berechnet der Verhältnis q der langen Achse der Ellipse und der
kurzen Achse der Ellipse durch Ziehen der Wurzel des Quotienten
der zwei gemessenen Intensitäten. Innerhalb einiger praktischer
Grenzen ist dieses Verhältnis q gemäß einer linearen Gleichung
q = A - Bd mit der Dicke d der Chromoxidbeschichtung verbunden.
Die Konstanten A und B werden mit Hilfe einer absoluten
Meßmethode bestimmt. Es würde herausgefunden, daß die
AAS/Photometrie eine geeignete absolute Methode ist.
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Weil die Berechnungseinheit (24) praktisch schon feste Daten
bezüglich des konstanten Scheitelwinkels Ψ für die Reflexion
an einer Chromoxidschicht enthält, braucht Ψ nicht separat
gemessen zu werden, und es ist möglich, die
Polarisationelliptizität allein aus den Ausgängen der zwei
Detektoren (22) und (23) zu berechnen. Die Messung der
Intensität des Einfallstrahles wird nicht benötigt. Deswegen
sind sowohl die Messung als auch die Berechnungen einfach.
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Das Dickenmeßgerät ist insbesondere zur kontinuierlichen
Messung der Chromoxidbeschichtung und als Meßeinheit in einem
automatisierten System geeignet. Ein Röntgenfluoreszenzgerät
kann für die gesamte Chrommenge auf dem Stahlstreifen verwendet
werden. In der Praxis ist die Dicke der Chromschicht ungefähr
10 nm und die Dicke der Chromoxidbeschichtung zwischen 2 nm und
4 nm.