WO2018202697A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung einer schichtdicke eines objekts - Google Patents

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WO2018202697A1 PCT/EP2018/061184 EP2018061184W WO2018202697A1 WO 2018202697 A1 WO2018202697 A1 WO 2018202697A1 EP 2018061184 W EP2018061184 W EP 2018061184W WO 2018202697 A1 WO2018202697 A1 WO 2018202697A1
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measuring
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Thomas Hochrein
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Skz-Kfe Ggmbh
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    • G01B17/02—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations for measuring thickness

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for measuring a layer thickness of an object, in particular by means of continuous waves.
  • the invention relates to a method and an apparatus for measuring a layer thickness of a plastic object.
  • the layer thickness of the object here is an extension of the object between two spaced boundary surfaces of the object.
  • An example of this is the wall thickness of a pipe, which is made in particular of plastic.
  • For thickness measurement it is known, for example, to use terahertz or ultrasound measuring techniques.
  • One possible approach is the use of pulsed measuring signals, whereby measured transit time differences can be deduced from the thickness of the object.
  • continuous waves can be used to measure the layer thickness. In this case, the wave passing through the object undergoes a phase shift. The resulting phase difference allows the layer thickness to be determined.
  • This object is achieved by a method having the features specified in claim 1.
  • First, an object having two boundaries spaced apart by a layer thickness is provided.
  • the layer thickness lies in a predefined range between a minimum layer thickness d m in and a maximum layer thickness dmax.
  • the layer thicknesses d m in and dmax are known, for example, on the basis of preliminary tests or design data of the object.
  • At least two measuring steps are carried out. In each of the measuring steps, waves with a frequency are radiated onto the object and are separated from the boundary surfaces of the object. jects outgoing secondary waves detected.
  • the incident waves propagate at a propagation angle e to a surface normal of one of the interfaces.
  • a set of possible layer thicknesses is determined.
  • the layer thickness of the object is determined.
  • the object is for example a pipe, in particular a plastic pipe.
  • the frequency of the waves of a measuring step corresponds between the boundary surfaces of the object of a wavelength, which depends on a refractive index of the object.
  • the wavelengths of the individual measuring steps differ in such a way that at most a common integer multiple of the wavelengths of the measuring steps corresponds to a path length L for which the following applies:
  • Secondary waves are understood to be waves which arise due to reflection or transmission of the incident waves at the interfaces of the object. As they pass through the object, the waves experience a phase shift. To determine the amount of possible
  • Layer thicknesses from the secondary waves in particular the phase shift is evaluated. It is not important how the phase shift of the secondary waves is measured. This can be done in principle by any method known for this purpose. One possibility is to determine the phase shift by interference measurements. For this purpose, for example, secondary wave components which are reflected by the different boundary surfaces of the object spaced apart by the layer thickness can be superimposed. Alternatively, the secondary waves can be superimposed after passing through the object with reference waves. Preferably, the irradiated waves and the reference waves can be generated with the same source.
  • Another possibility is to determine the phase shift of the secondary waves by means of phase modulation of the irradiated waves.
  • a layer thickness and / or its change within a wavelength period can be determined very precisely. Due to the periodicity of the incident waves, the measured signal can not be distinguished from signals with a phase shift of arbitrary integer multiples of 2 ⁇ . Therefore, in each measuring step, a set of possible layer thicknesses is determined, the possible layer thicknesses each differing by a value proportional to the wavelength of the waves of the measuring step. From the phase shift of the secondary waves can not be clearly concluded in a single measurement step on the layer thickness.
  • the correct layer thickness can be determined unambiguously by adjusting the amounts of different layer thicknesses of the individual measuring steps.
  • the individual measuring steps of the method according to the invention are carried out independently of each other.
  • the measuring steps can be carried out either chronologically or simultaneously.
  • the simultaneous execution of the individual measurement steps has the advantage of a fast measurement.
  • the temporal serial measurement makes it possible for the waves in the individual measuring steps to be radiated onto the same area of the object. This makes it possible, for example, to precisely resolve local differences in layer thickness. In particular, a sliding follow-up of the layer thickness can take place.
  • the inventive method has at least two measuring steps. It is also possible to carry out more than two measuring steps. As the number of measuring steps increases, ie as the number of different wavelengths used increases, the common integer multiple of the wavelengths used becomes larger. Conditions referred to in equation (1), this means that at least the upper bounds d max and 2d max can be chosen higher. Thus, a large number of measuring steps enables the clear measurement over a large layer thickness range in a simple manner. On the other hand, the use of fewer measurement steps has the advantage that the procedure can be carried out quickly and easily. In addition, the measurement with few components, such as For example, different transmitters for the waves of different wavelengths, performed. This allows a cost-effective implementation of the method. In the event that only a few measuring steps are to be carried out, it is advantageous to select the frequencies or wavelengths of the individual measuring steps skillfully. For this purpose, for example, a calibration step, as described later, can be carried out.
  • the propagation angle e is defined between the propagation direction of the waves within the object and a surface normal of one of the boundary surfaces of the object, in particular the surface normal of the surface of the object facing the incident waves.
  • the propagation angle e depends on the law of refraction Snellius from an angle of incidence b, under which the waves are irradiated to the interfaces of the object.
  • the incident angle b is defined as the angle between a propagation direction of the irradiated waves outside the object and the surface normal of the transmitter-facing interface of the object.
  • An angle of incidence b 0 ° is referred to as oblique incidence, in particular 0 ° ⁇ b ⁇ 90 °.
  • the incident waves must travel a greater distance between the interfaces of the object. This must be taken into account when calculating the amount of possible layer thicknesses in the individual measuring steps.
  • the measurement is preferably carried out as a reflection measurement.
  • the outgoing secondary waves are detected on the same side of the object from which the waves are irradiated.
  • the reflection measurement thus has the advantage that only one-sided access to the object is required. This makes it possible to measure independently of the further geometry of the object.
  • the secondary waves detected to determine the possible layer thicknesses pass through the object twice during the reflection measurement. In this case, the condition is
  • reflection measurement it is possible, for example, to superimpose secondary waves, which are reflected at the different boundary surfaces of the object, and to determine therefrom the phase shift.
  • the object with its interfaces acts as Fabry-Perot platelets.
  • the measurement can be carried out as a transmission measurement.
  • Transmis- sion measurement is technically easy to implement.
  • the secondary waves are detected after a single pass through the object, so that according to equation (1):
  • the transmission measurement can be provided, for example, to superimpose the transmitted radiation with a reference radiation, which has not passed through the object.
  • the object may be introduced into an arm of a Mach-Zehnder interferometer.
  • the reflection measurements and the transmission measurements can also be carried out on multilayer objects. If the wavelengths of the measuring steps have at most a common integer multiple whose corresponding path length L satisfies both conditions in equation (1), these are suitable both for reflection and for transmission measurements at layer thicknesses between d m in and d max .
  • a method according to claim 2 ensures a simple and accurate measurement.
  • the angle of incidence b corresponds to a substantially vertical incidence.
  • the angle of incidence is about 0 °, which corresponds to a vertical incidence of the waves. This reduces the path length of the waves in the object.
  • the conditions for the common integer multiple of the wavelengths of the individual measurement steps according to equation (1) are simplified.
  • the measurement accuracy is increased.
  • the propagation angle e is also ⁇ 0 °.
  • a method according to claim 3 is simple and accurate. The superimposition ensures a simple and precise determination of the phase shift of the secondary waves and thus the possible layer thicknesses in each measurement step. This has the further advantage that an interference signal can be generated independently of the reflectivity of the interfaces of the object.
  • Electromagnetic waves have over other usable for the process waves - such as ultrasonic waves - the advantage that they can be irradiated and detected without contact and without transmission medium. This allows the object to be measured in ambient air or even in a vacuum.
  • electromagnetic waves have a high permeability, so that even thick objects can be irradiated. Electromagnetic waves are only partially scattered or absorbed by the boundary layers. This is particularly advantageous when measuring on multilayer objects.
  • a method according to claim 5 is simple and accurate.
  • the predetermined spectrum represents a frequency range from which the frequencies of the respective waves can be selected from individual steps.
  • the spectrum covers a frequency range from 0.01 THz to 20 THz, in particular from 0.03 THz to 5 THz, in particular from 0.2 THz to 2 THz. Waves in this frequency range can well penetrate the objects to be measured, in particular objects made of plastic. Plastic is transparent in this frequency range.
  • particularly effective transmitters such as fully electronic transmitters, can be used to generate waves in this frequency range.
  • the frequency range is selected, for example, from 0.06 THz to 0.4 THz.
  • a method according to claim 6 is simple and unique. To generate the largest possible integer common multiple, it would theoretically be possible to choose the frequencies of the different measuring steps with the smallest possible differences. However, this is not practical, since the measurement under real conditions can not be arbitrarily accurate. Thus, for example, the frequency of the incident waves and the angle of incidence b and thus the propagation angle e can not be set as arbitrarily accurate. Also subject to the Measurement of the phase shift a measurement error. The provision of a minimum frequency spacing makes it possible to carry out the method according to the invention under real conditions, under which measurement errors can not be ruled out.
  • a method according to claim 7 is simple and fast. This has the advantage of a fast and effective measurement, in particular in the case of time-series-executed measuring steps.
  • a method according to claim 8 is simple, accurate and unique.
  • the measurement method can be adapted to the frame condition of the measurement.
  • the measuring method can be adapted to the object to be measured.
  • the number of measuring steps can be minimized by the calibration step. This reduces costs and increases the efficiency of the process.
  • the layer thickness measuring accuracy represents the measurement error in the measurement of the layer thickness. It results from the setting accuracies for the frequencies of the measuring steps, the angle of incidence b, and the measuring accuracies in the detection of the secondary waves.
  • a method according to claim 9 is simple and unique. Only if the checking steps for all possible target layer thicknesses in the layer thickness range result in an unambiguous determination of the respective target layer thickness by the respective frequency pair, can an unambiguous measurement with the frequency pair take place under the predetermined measuring parameters. If even one check step gives an ambiguity, the frequency pair must be discarded. With such a calibration step, frequency pairs can therefore be identified which are suitable for carrying out the method according to the invention with exactly two measuring steps. Conversely, frequency pairs can be excluded, which do not allow a clear measurement.
  • the layer thickness range is determined by the minimum layer thickness d m in and set the maximum layer thickness dmax of the object.
  • the layer thickness range can be selected, for example, from twice the minimum layer thickness 2 d m to twice the maximum layer thickness 2 d max .
  • a calibration step for a transmission measurement can be carried out in the layer thickness range from the minimum layer thickness d m in up to the maximum layer thickness dmax. In both cases, this ensures the unambiguous measurement of the layer thickness of the object.
  • the layer thickness range can also be selected from the minimum layer thickness dmin to twice the maximum layer thickness 2d ma x. As a result, uniqueness of the measurement can be ensured regardless of the measurement setup used. There are also smaller or larger thickness ranges possible. In particular, the layer thickness range can also consist of discontinuous subsets.
  • the layer thickness range can be adapted to optimize the calibration step to the object to be measured and / or the other measurement parameters.
  • the checking step may preferably be performed for a plurality of different frequency pairs. Particularly preferably, the two frequencies of a frequency pair differ in this case at least by the minimum frequency spacing.
  • a method according to claim 10 enables a simple and effective implementation of the checking step for a frequency pair and a target layer thickness.
  • the respective amount of possible layer thicknesses which contains the respective nominal layer thickness, is first calculated for both frequencies of the frequency pair.
  • the quantities of possible layer thicknesses of both frequencies of the frequency pair are then adjusted.
  • integer multiples of the wavelength corresponding to the respective frequency can be added to the respective target layer thickness. If the angle of incidence is b 0, the integer multiple of the respective wavelength must always be multiplied by the cosine of the preparation angle, cos (e).
  • the number of matching possible layer thicknesses between the minimum layer thickness d m in and the maximum layer thickness dmax is determined.
  • layer thicknesses which differ at most by the layer thickness measurement accuracy are preferably evaluated as equal.
  • the checking step takes into account the real achievable coating thickness measuring accuracy. If exactly one possible layer thickness, namely the desired layer thickness, matches for both frequencies of the respective frequency pair, a clear measurement of this desired layer thickness with the frequency pair is possible.
  • a method according to claim 11 is simple and accurate.
  • the numerical calculation makes it possible to carry out the calibration step for any combination of the measurement parameters, refractive index of the object, minimum layer thickness dmin, maximum layer thickness dmax, angle of incidence b and / or layer thickness measurement accuracy.
  • an analytical determination of suitable frequencies is often impossible.
  • the calibration step can be carried out for different measurement parameter sets in order to determine suitable frequency pairs for the respective measurement parameter set. The determined frequency pairs can then be stored and retrieved as needed.
  • the frequencies of the frequency pair can in this case be varied by a frequency increment which corresponds to a setting accuracy and / or a measurement accuracy of the frequencies.
  • the frequency step size can also be chosen to be greater or smaller than the setting accuracy and / or the measurement accuracy of the frequencies.
  • the desired layer thicknesses are preferably varied by the layer thickness measurement accuracy in each step.
  • the step sizes of the iterative calculation can be adapted to optimize the computing time and / or the calibration accuracy.
  • the adjustment of the possible layer thicknesses of the frequencies of a frequency pair in the checking step can be carried out, for example, by recording the possible layer thicknesses in a histogram class whose class size scales with the measurement accuracy of the layer thickness.
  • the histogram reflects the frequency of possible layer thicknesses of both frequencies.
  • the device according to the invention comprises at least one transmitter for emitting waves having frequencies within a spectrum and at least one receiver for detecting the waves emitted by the at least one transmitter. Furthermore, the device has an evaluation. The evaluation is designed for carrying out the measuring method according to the invention. For this purpose, the waves are irradiated to the object in the individual measuring steps by means of the at least one transmitter, so that the
  • the secondary waves emanating from the boundary surfaces of the object are detected by means of the at least one receiver.
  • Transmitter and receiver are controlled by the evaluation electronics.
  • the evaluation electronics determines the quantity of possible layer thicknesses from the detected secondary waves in each measuring step and carries out the comparison of the quantities of possible layer thicknesses of the individual measuring steps to determine the layer thickness. Furthermore, the evaluation electronics can be used to carry out the calibration step before
  • the calibration step can be carried out externally and the appropriate frequencies are transmitted to the evaluation electronics.
  • the further advantages of the device correspond to the advantages of the method according to the invention.
  • the device may be further developed with at least one of the objects of claims 2 to 11.
  • An apparatus according to claim 13 enables a simple and accurate measurement. Electron-magnetic waves have the advantages already mentioned above.
  • the transmitter for electromagnetic waves may be designed in particular for the emission of electromagnetic waves in a spectrum between 0.01 THz and 20 THz, preferably between 0.03 THz and 5 THz, particularly preferably between 0.2 THz and 2 THz.
  • An electromagnetic wave transmitter can be embodied as an electronic system, for example as a radar antenna.
  • An apparatus according to claim 14 enables a simple and accurate measurement.
  • Lasers have proven to be particularly suitable excitation sources for carrying out the method.
  • the electromagnetic waves emitted by a laser have a high intensity and coherence. They are therefore also suitable for non-negligible absorption to accurately determine the phase shift of the secondary waves.
  • a tunable laser can be used.
  • the different measurement steps can be performed serially with only one laser as transmitter.
  • different lasers with fixed frequencies can be used. This allows a simultaneous execution of different measurement steps.
  • the lasers can be designed as terahertz lasers. This allows a simple construction of the transmitter, since the laser already generate the frequencies required for carrying out the method.
  • the radiated waves of two lasers can be superimposed, so that their beat can be converted into an electromagnetic wave with a frequency in the terahertz range.
  • the at least one transmitter comprises a converter module.
  • the conversion of the beat frequency can be done for example via a suitable crystal.
  • two lasers are required to generate the electromagnetic waves of a measuring step. For the generation of two different frequencies, three lasers with three different frequencies are needed, which can be combined in pairs to different beat frequencies.
  • three different beat frequencies which can be converted into terahertz radiation can be generated, which can be used for the serial execution of three measuring steps.
  • An apparatus enables a simple, clear and accurate measurement. Through the interface, the evaluation and thus the implementation of the method can be adapted by the device to changing measurement parameters. This is particularly advantageous if the transmitter is designed for carrying out the calibration step.
  • the device according to the invention can be used flexibly.
  • the interface may be implemented as an input device for a user or as a wired or wireless data connection. It can also be provided that the device according to the invention is modular. Thus, for example, the at least one transmitter and the at least one receiver can be exchanged in order to be able to generate waves of different frequencies. Thus, the device is adaptable to changing measurement parameters. Further features, advantages and details of the invention will become apparent from the following embodiments and the accompanying figures.
  • 1 shows a schematic measuring setup for carrying out a transmission measurement of a layer thickness of an object
  • FIG. 2 is a schematic representation of the operation of a transmitter with three lasers
  • Measuring step, 4 shows an exemplary measurement of the layer thickness of the object according to FIG. 3 with two measuring steps
  • FIG. 7 is a schematic representation of a measurement setup for reflection measurement of a layer thickness of an object.
  • FIG. 1 shows a schematic measuring structure 1 with a device 2 for measuring a layer thickness d of an object 3.
  • the measuring structure 1 is suitable for carrying out a transmission measurement on the object 3.
  • the device 2 comprises a transmitter 4 and a receiver 5.
  • the object 3 is introduced into an intermediate space between the transmitter 4 and the receiver 5.
  • the device 2 comprises evaluation electronics 6, which is connected in signal- and data-transmitting manner with the transmitter 4 and the receiver 5.
  • the evaluation electronics 6 controls the transmitter 4 and the receiver 5 and receives data from the receiver 5.
  • the device 2, in particular the evaluation electronics 6, are designed for carrying out a method for measuring the layer thickness d of the object 3.
  • electromagnetic waves 7 are irradiated onto the object 3 with a different frequency f for each measurement step Mi.
  • the transmitter 4 is designed to emit electromagnetic waves 7 with different frequencies f.
  • the transmitter 4 may for example comprise an electromagnetic source, such as example, a radar antenna include.
  • the transmitter 4 can emit laser waves.
  • the transmitter 4 can comprise a tunable laser, in particular a terahertz laser, with which waves 7 having a different frequency f can be radiated onto the object 3 in the individual measuring steps Mi.
  • a tunable laser in particular a terahertz laser
  • the emitter 4 allows time-serial measuring steps Mi to be carried out.
  • the emitter 4 comprises different sources, such as different lasers, which are designed for the emission of electromagnetic waves 7 with different frequencies f. In such an embodiment, the simultaneous implementation of the different measuring steps Mi is possible.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a transmitter 4 is shown in FIG.
  • the transmitter 4 shown schematically in Figure 2 is suitable for the emission of electromagnetic waves 7 with three different frequencies f.
  • the transmitter 4 comprises three lasers 8, which can each generate laser radiation 9 with a laser frequency Vi.
  • the superposition of two of these laser frequencies Vi produces a beat, which is converted by means of a converter module 10 in the electromagnetic waves 7 with the frequencies f.
  • FIG. 2 which represents the emission of the electromagnetic waves 7 with the three different frequencies f
  • the transmitter 4 is suitable for temporally serial emission of the electromagnetic waves 7 with different frequencies f.
  • the converter module 10 is designed as a suitable crystal for the conversion of the beat frequencies into the electromagnetic waves 7 with the respective frequency fi.
  • transmitters 4 which are each designed for the emission of electromagnetic waves 7 with a certain frequency fi.
  • the receiver 5 is suitable for the detection of electromagnetic waves 7 with the frequencies fi, which are emitted by the transmitter 4.
  • a plurality of receivers 5 are provided, which are each designed for the detection of electromagnetic waves 7 with one of the frequencies emitted by the transmitter 4 frequencies f.
  • the evaluation electronics 6 comprises a control module 11 and an interface 12.
  • the control module 11 comprises a computing unit and memory unit.
  • the interface 12 is used to enter measurement parameters, which can be offset by the control module 11 and affect the implementation of the measurement method.
  • the interface 12 as an input device for a user or for a wired
  • the measurement parameters include properties of the measurement setup 1 and of the object 3 to be measured.
  • the object 3 to be measured has an interface 13 facing the transmitter 4 and an interface 14 facing away from the transmitter 4.
  • the boundary surfaces 13, 14 are spaced apart by the layer thickness d of the object 3.
  • the object 3 is made of a material having a refractive index n.
  • the object 3 may have, in addition to the layer of layer thickness d enclosed by the boundary surfaces 13, 14, further layers.
  • the object 3 is a plastic component, such as the wall of a plastic pipe.
  • the layer thickness d of the object 3 lies between a minimum layer thickness d m in and a maximum layer thickness dmax.
  • the refractive index n, the minimum layer thickness dmin and the maximum layer thickness dmax are measurement parameters which influence the performance of the measurement.
  • the electromagnetic waves 7 are irradiated onto the object 3 by means of the transmitter 4.
  • the waves 7 are irradiated onto the object 3 at an incident angle b.
  • the incident angle b is defined as the angle between the propagation direction 26 of the electromagnetic waves 7 and a surface normal 27 of the interface 13.
  • the electromagnetic waves 7 are refracted and propagate at a propagation angle e to the surface normal 27.
  • the angle b 0 °, that is, the electromagnetic waves 7 are irradiated perpendicular to the interface 13.
  • the propagation angle e 0 °.
  • electromagnetic waves 7 are irradiated with different frequencies f.
  • the measurement steps Mi are performed serially in time. This means that only electromagnetic waves 7 of exactly one frequency f are simultaneously radiated onto the object 3.
  • the electromagnetic waves 7 with frequency f have within the object 3, that is, between the interfaces 13, 14, a wavelength ⁇ ; on.
  • the wavelength ⁇ ; can be calculated from the frequency as follows: where c is the vacuum light velocity and n is the refractive index of the object 3.
  • the electromagnetic waves 7 irradiated onto the object 3 strike the interface 13 and after passing through the object 3 onto the interface 14.
  • secondary waves 15 are generated at the interfaces 13, 14.
  • FIG. 1 only secondary shafts 15 are shown which, after passing through the object 3, emerge from the surface 14 facing away from the transmitter 4.
  • the illustrated secondary waves 15 are transmitted waves.
  • the secondary waves 15 have the same frequency f as the electromagnetic waves 7 which are irradiated on the object 3.
  • the electromagnetic waves 7 Due to the refractive index n of the object 3, which differs from a refractive index of the medium surrounding the object 3, the electromagnetic waves 7 exhibit
  • the secondary waves 15 are detected by the receiver 5.
  • the receiver 5 determines the phase shift of the secondary waves 15, from which conclusions on the Allow layer thickness d to be drawn.
  • reference waves 16 are used in the measurement setup 1.
  • the reference waves 16 do not pass through the object 3 and therefore have no phase shift.
  • an interference signal can be generated from which the phase shift of the secondary waves 15 can be determined.
  • the reference wave 16 has the same frequency f as the electromagnetic waves 7.
  • the reference waves 16 are likewise emitted by the transmitter 4.
  • the transmitter 4 may comprise, for example, a beam splitter.
  • the beam splitter may also be arranged outside of a transmitter.
  • the reference waves can also be generated by a reference transmitter operated coherently with a transmitter.
  • the phase shift of the secondary waves can also be determined without reference waves.
  • the measuring principle for measuring the layer thickness d will be described below with reference to FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 3 shows the schematic evaluation of a measurement of the layer thickness d of the object 3 with only a single measuring step Mi with a fixed frequency fi.
  • the shaft 7 passing through the object 3 has exactly 15 full wavelengths ⁇ within the object 3.
  • the phase shift of the secondary waves 15 is a multiple of 2 ⁇ .
  • phase shifts of arbitrary integer multiples of 2 ⁇ can not be distinguished. Rather, every object with a layer thickness which corresponds to an integer multiple of the wavelength ⁇ would cause the same measurement signal.
  • the concrete layer thickness d can therefore not be unambiguously determined in a single measurement step Mi with the frequency fi. Rather, it can be in everyone Measuring step Mi only a set of possible layer thicknesses ⁇ di ⁇ can be determined.
  • the amount of possible layer thicknesses ⁇ di ⁇ of a measuring step Mi generally results in transmission measurements where cpi is the phase shift measured in the measuring step Mi.
  • only possible layer thicknesses are taken into account, which lie between the minimum layer thickness d m in and the maximum layer thickness dmax.
  • FIG. 3 now shows the set of all possible layer thicknesses ⁇ di ⁇ of the measuring step Mi.
  • the measuring method with only one measuring step Mi is therefore severely restricted and permitted only in a few special cases an unambiguous determination of the layer thickness d.
  • the type of application corresponds to that of FIG. 3.
  • the wavelengths ⁇ and ⁇ 2 are chosen so that there is an overlap only at 1: 11 of the integer multiples of the wavelengths.
  • the possible layer thicknesses ⁇ di ⁇ , ⁇ d 2 ⁇ determined in both measuring steps Mi, M 2 are plotted together.
  • the frequencies fi, f 2 of the measuring steps Mi, M 2 it is possible to unambiguously determine the layer thickness d between a minimum layer thickness d m in> 10 mm and a maximum layer thickness dmax ⁇ 50 mm.
  • the reason for this is that the wavelengths ⁇ , ⁇ 2 between the minimum layer thickness dmin and the maximum layer thickness dmax have at most one common integer multiple.
  • the uniqueness of the measurement can be further increased by further measuring steps M 3 , M 4 , ... with different frequencies f 3 , fit, ... are performed.
  • the more measuring steps Mi are performed with different frequencies f the greater is a layer thickness range from the minimum layer thickness dmin to the maximum layer thickness dmax in which the correct layer thickness d can be determined.
  • the condition that the highest a common integer multiple of the wavelengths ⁇ of the measuring steps Mi corresponds to a path length L within the object 3 for which the following applies:
  • the general case of an oblique incidence (b 0) causes refraction of the incident electromagnetic waves 7 at the interface 13.
  • the electromagnetic waves 7 propagate in the object 3 at the propagation angle e.
  • the propagation angle e is calculated from the angle of incidence b according to the law of refraction of Snellius.
  • a refractive index of the surrounding medium is equal to 1.
  • sin ö sin e.
  • the general case of the oblique incidence (b 0, e 0) therefore requires a further optical path of the electromagnetic waves 7 in the object 3. Due to the longer optical path, the following results for the transmission measurement under oblique incidence:
  • two different possible layer thicknesses can be interpreted as the same layer thickness, if the two possible layer thicknesses differ by less than the layer thickness measurement accuracy Ad.
  • FIG. 4 for example, with a thickness of 32 mm, two possible layer thicknesses of the different measuring steps Mi, M 2 can be seen, which hardly differ.
  • a minimum frequency spacing between the frequencies f of the individual measuring steps Mi must be maintained.
  • an expected layer thickness measurement accuracy Ad must be taken into account when choosing the frequencies f of the individual measuring steps Mi.
  • the layer thickness measurement accuracy Ad represents a measurement parameter to be taken into account, which influences the implementation of the method.
  • the calibration step takes into account the measurement parameters refractive index n of the object 3, minimum layer thickness d m in, maximum layer thickness d max , angle of incidence b and layer thickness measurement accuracy Ad.
  • the measurement parameters are output variables for the calibration step. They must be known for performing the calibration step.
  • the calibration step may be performed by the control module 11. For this purpose, the measurement parameters can be entered by means of the interface 12. Alternatively, the calibration step can also be performed externally.
  • the determined suitable frequency pairs can then be transferred by means of the interface 12 to the control module 11.
  • calibration steps are also conceivable which determine instead of a frequency pair suitable frequency triplets, frequency quatrupels or tuples of five of the more different frequencies.
  • the implementation of the measurement with a frequency pair of two different frequencies f has the advantage of a reduced set-up effort.
  • the chronological serial measurement can be carried out with only two measuring steps Mi in a shorter time.
  • a spectrum must be defined, from which the frequencies f of the frequency pair are to be selected.
  • Suitable frequency spectra can cover frequency ranges from 0.01 THz to 20 THz, in particular 0.03 THz to 5 THz, in particular from 0.2 THz to 2 THz, for example from 0.06 THz to 0.4 THz.
  • the numerical calibration step all frequency pairs of two different frequencies f from the selected spectrum are iterated. Since the different frequencies f have to comply with a minimum frequency spacing, which results mainly from the setting accuracy and / or the measurement accuracy Af of the frequencies f, it is advantageous to use the step size for iteratively traversing the different frequency pairs equal to the setting accuracy and / or the measurement accuracy Af of the frequencies f to choose. In principle, the calibration step is also possible with larger or smaller increments. The step size can be changed to optimize the computing time. Furthermore, it is advantageous for optimizing the computing time to select only frequency pairs with frequencies fi ⁇ f 2 .
  • a checking step is performed in which a unique determinability the respective desired layer thickness d is so i checked by the pair of frequencies.
  • the amount of possible layer thicknesses ⁇ di ⁇ which contains the respective target layer thickness d so i are calculated to both frequencies f of the respective frequency pair.
  • the amount of possible layer thicknesses ⁇ di ⁇ is calculated in the calibration step for a transmission measurement according to FIG.
  • the amounts of possible layer thicknesses ⁇ di ⁇ are adjusted in each checking step.
  • the quantities of possible layer thicknesses ⁇ di ⁇ of both frequencies f are plotted in a common histogram.
  • Possible layer thicknesses which differ by less than the layer thickness measurement accuracy Ad are interpreted as identical.
  • the target layer thickness d is i if and to the frequency pair clearly determined if from the sets of possible layer thicknesses ⁇ di ⁇ only the target layer thicknesses d i so agree. As soon as further possible layer thicknesses match, an unambiguous determination of the desired layer thickness dsoi with the frequency pair is not possible.
  • the verification step is repeated for all possible target layer thicknesses d i so that are iterated through, performed. Only when the verification steps of all target layer thicknesses d i as a unique determinability the respective desired layer thickness d arise as i, the respective frequency pair allows unambiguous measurement with the predetermined measurement parameters. If even if only one check step results in an ambiguity, the frequency pair must be discarded.
  • FIG. 5 plots a possible result of a calibration step.
  • the maximum layer thickness dmax 50 mm.
  • all combinations for frequency pairs are now plotted by the frequency fi is plotted on the x-axis and the frequency f 2 on the y-axis.
  • Possible frequency pairs are symbolized by black dots. Areas without a black dot represent frequency pairs, which do not allow a clear measurement. From Figure 5 it can be seen that only a few frequency pairs allow a clear measurement. Performing the calibration step is therefore indispensable for most measurements.
  • FIG. 5 plots a possible result of a calibration step.
  • the object 3 is provided with the boundary surfaces 13, 14, which are spaced apart by the layer thickness d.
  • the measurement parameters minimum layer thickness d m in, maximum layer thickness dmax, refractive index n of the object 3 and a spectrum suitable for measuring the object 3 are also known.
  • the incident angle b and the layer thickness measuring accuracy Ad are also obtained.
  • all measurement parameters are known.
  • the provisioning step 17 is followed by a calibration step 18.
  • the frequencies fi are determined for carrying out the measuring steps Mi.
  • a numerical calculation as outlined above, can be performed.
  • suitable measurement steps Mi with suitable frequencies fi can be read from a database. If the object 3 largely corresponds to a previously measured object, the calibration step 18 can also be omitted.
  • the calibration step 18 is followed by measurement steps Mi.
  • electromagnetic waves 7 having the frequency fi are irradiated onto the object 3 in a radiation step 19.
  • the secondary waves 15 emanating from the boundary surfaces 13, 14 of the object 3 are detected in a detection step 20.
  • Einstrahl intimid 19 and detection step 20 take place at the same time.
  • the phase shift of the secondary waves 15 is measured.
  • a calculation step 21 the set of possible layer thicknesses ⁇ di ⁇ of the respective measurement step Mi is determined from the secondary waves 15 detected in the detection step 20.
  • the next measuring step Mi + i takes place. At least two measuring steps Mi are performed.
  • the measuring steps Mi can take place serially or simultaneously.
  • the measuring method illustrated in FIG. 6 can be carried out with the device 2 from FIG. In this case, the measuring steps Mi are performed serially in time. In the irradiation step 19, the electromagnetic waves 7 of each measuring step Mi are irradiated by means of the transmitter 4. The detection step 20 takes place by means of the receiver 5, wherein transmitted secondary därwellen 15 are measured. The control of the transmitter 4 and the detector 5 and the calculation step 21 are carried out by means of the evaluation electronics 6, in particular the control module 11.
  • FIG. 6 The method illustrated in FIG. 6 is also possible with alternative measurement setups.
  • further measurement setups are shown in FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 7 shows an embodiment of a measurement setup 1a.
  • Identical components bear the same reference numerals as in the measuring structure 1 already described above with reference to FIG. 1, to which reference is hereby made. Structurally different, but functionally similar parts receive the same reference numerals with a following a.
  • the measuring structure 1a has a device 2a for carrying out the measuring method.
  • the measuring structure 1a with the device 2a is suitable for performing a reflection measurement for determining the layer thickness d of the object 3.
  • the device 2a comprises a transmitter 4a and a receiver 5a, which are arranged on the same side of the object 3. This means that the receiver 5a faces the interface 13 of the object 3 facing the transmitter 4a.
  • the transmitter 4a and the receiver 5a are connected in signal- and data-transmitting manner with a transmitter 6a.
  • the evaluation electronics 6a comprises an interface 12 and a control module I Ia.
  • electromagnetic waves 7 having frequencies f are radiated by means of the transmitter 4a onto the boundary surface 13 of the object 3 at an angle of incidence b 0 °. This means that the propagation direction 26a of the waves 7 does not run parallel to the surface normal 27 of the interface 13.
  • the transmitter 4a is suitable for carrying out various measuring steps Mi for emitting electromagnetic waves 7 at different frequencies f.
  • the radiated electromagnetic waves 7 hit the
  • Interface 13 under the angle of incidence b.
  • parts of the irradiated electromagnetic waves 7 are reflected and radiated as secondary waves 23 in the direction of the device 2a.
  • the electromagnetic waves 7 penetrating into the object 3 are refracted and propagate in a propagation direction 26b at the propagation angle e.
  • the electromagnetic waves 7 penetrated into the object 3 have a wavelength ⁇ corresponding to the frequency f and the refractive index n of the object 3; on.
  • parts of the electromagnetic waves 7 are reflected at the second boundary surface 14, which faces away from the device 2a.
  • the waves reflected at the second interface 14 pass through the layer thickness d of the object 3 again and then run as secondary waves 24 in the direction of the device 2a.
  • the secondary waves 24 have passed through the object 3, the secondary waves 24 have a phase shift.
  • the secondary waves 24 can be superposed with the secondary waves 23.
  • the secondary waves 23 have not passed through the object 3 and therefore have no phase shift.
  • the superposition of the secondary waves 23, 24 results in an interference, from which the phase shift of Can determine secondary waves 24.
  • the transmitter 4a is designed only for the radiation of the electromagnetic waves 7, which are irradiated on the object 3. Since the electromagnetic waves 7 in the reflection measurement pass through the object 3 twice, the optical path of the electromagnetic waves 7 in the object 3 and thus the phase shift of the secondary waves 24 relative to the phase shift in the transmission measurement is doubled.
  • the amount of possible layer thicknesses ⁇ di ⁇ of a measuring step Mi generally results in reflection measurements where cpi is the phase shift measured in the measuring step Mi.
  • cpi is the phase shift measured in the measuring step Mi.
  • only possible layer thicknesses are taken into account, which lie between the minimum layer thickness d m in and the maximum layer thickness dmax.
  • the doubled optical path must be taken into account when determining the suitable frequencies f of the measuring steps Mi. Therefore, at most one common integer multiple of the wavelengths ⁇ ; the measuring steps Mi correspond to a path length L, for which applies:
  • the condition for the integer multiples of the wavelengths ⁇ ; the measurement steps Mi are generally formulated for transmission and reflection measurements: ⁇ L cos (e) ⁇ 2
  • a calibration step for a transmission and reflection measurement can be carried out, in which the desired layer thicknesses are iterated between the minimum layer thickness d m in and twice the maximum layer thickness 2 d max .
  • a sufficient proportion of the irradiated waves 7 must be reflected at the boundary surfaces 13, 14 of the object 3, so that the secondary waves 23 and 24 can be superimposed.
  • a mirror is mounted on the side of the interface 14 to reflect waves after passing through the object 3 back towards the device 2a.
  • a reflection measurement can also be carried out with low reflectivity of the boundary surfaces 13, 14.
  • the secondary waves reflected at a mirror are superimposed with reference waves.
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of a measurement setup 1b.
  • Identical components bear the same reference numerals as in the alternative already described above with reference to Figure 1, to which reference is hereby made.
  • Structurally different but functionally similar components bear the same reference numerals with a following b.
  • the measuring structure 1b shown in FIG. 8 has a device 2b for carrying out a transmission measurement of a layer thickness d of an object 3.
  • the structure 1b differs from the structure 1, as shown in Figure 1, only by the construction and operation of the receiver 5b.
  • the secondary waves 15 and the reference waves 16 are not measured simultaneously for determining the phase shift.
  • the receiver 5b is fed once with reference waves 16 and once with secondary waves 15.
  • the receiver 5b is moved by means of a displacement device 25 between two positions.
  • the receiver 5 b is shown in a position in which it is fed with the secondary waves 15.
  • the displacement device 25 it can be displaced into a position shown in dashed lines in FIG. 8, in which it is fed with the reference shafts 16.
  • the phase shift is determined here without direct superposition of the secondary waves 15 with the reference waves 16.

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 dmin und einer maximalen Schichtdicke dmax liegt, 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 (λi) entsprechen, eingestrahlt. Die Frequenzen der Wellen (7) der einzelnen Messschritte unterscheiden sich derart, dass höchstens ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches der Wellenlängen (λi) der Messschritte einer Weglänge L entspricht, für die gilt: d min ≤ L cos(e) ≤ d max und/oder 2 d min ≤L cos(e) ≤ 2 d max.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung einer Schichtdicke eines Objekts
Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 207 635.6 in Anspruch, deren Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
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.
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 dmin und einer maximalen Schichtdicke dmax. Die Schichtdicken dmin und dmax 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 Ob- jekts 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 Schichtdi- cken 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:
CLmin < L cos(e) < und/oder
2 dmin < L cos(e) < 2 dmax . (1)
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 beispiels- weise Sekundärwellenanteile, welche von den unterschiedlichen um die Schichtdicke beabstan- deten 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 Signa- len 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 höchstens ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches aufweisen, dessen entsprechende Weglänge L eine oder beide der Bedingungen gemäß Gleichung (1) erfüllt, 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) genannten Bedingungen bedeutet dies, dass zumindest die oberen Schranken dmax bzw. 2dmax größer gewählt werden können. 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 bei- spielsweise 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 de- tektierten Sekundärwellen durchlaufen bei der Reflexionsmessung das Objekt zwei Mal. In die- sem Fall ist die Bedingung
^ ttmin < L cos(e) < 2 U-max der Gleichung (1) maßgeblich.
Bei der Reflexionsmessung ist es beispielsweise möglich, Sekundärwellen, welche an den unter- schiedlichen 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 Transmissi- onsmessung ist technisch einfach umsetzbar. In diesem Fall werden die Sekundärwellen nach einem einmaligen Durchlauf durch das Objekt detektiert, sodass gemäß Gleichung (1) gilt:
< L cos(e) < Umax . 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. Haben die Wellenlängen der Messschritte höchstens ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches, dessen entsprechende Weglänge L beide Bedingungen in Gleichung (1) erfüllt, sind diese sowohl für Reflexions- als auch für Transmissionsmessungen an Schichtdicken zwischen dmin und dmax geeignet.
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 werden die Bedingungen 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 Interferenz- signal 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 Mindestfrequenzab- standes 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 Messfeh- 1er 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 Detek- tion 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 identifizie- ren, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen 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 dmin und die maximale Schichtdicke dmax des Objekts festgelegt. Für eine durchzuführende Reflexi- onsmessung kann der Schichtdicken-Bereich beispielsweise von der doppelten minimalen Schichtdicke 2dmin bis zu der doppelten maximalen Schichtdicke 2dmax gewählt werden. Ein Kalibrierschritt für eine Transmissionsmessung kann in dem Schichtdicken-Bereich von der mini- malen Schichtdicke dmin bis zu der maximalen Schichtdicke dmax durchgeführt werden. In beiden Fällen gewährleistet dies die eindeutige Messung der Schichtdicke des Objekts. Der Schichtdicken-Bereich kann auch von der minimalen Schichtdicke dmin bis zu der doppelten maximalen Schichtdicke 2dmax 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 dmin und der maximalen Schichtdicke dmax 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 dmin, maximale Schichtdicke dmax, 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 Einstellgenauig- keit 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 His- togrammklasse, 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 Merk- malen. 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 hier- bei von der Auswerteelektronik angesteuert. Die Auswerteelektronik ermittelt aus den detektier- ten 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 Ver- fahrens. 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 elektromag- netischen 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 erfindungsgemäße 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 erfindungsgemäße 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: ein schematischer Messaufbau zur Durchführung einer Transmissionsmes- einer Schichtdicke eines Objekts,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Senders mit drei Lasern,
Fig. 3 eine exemplarische Messung der Schichtdicke eines Objekts mit nur einem
Messschritt, Fig. 4 eine exemplarische Messung der Schichtdicke des Objekts gemäß Fig. 3 mit zwei Messschritten,
Fig. 5 eine exemplarische Darstellung eines Ergebnisses eines Kalibrierschritts,
Fig. 6 ein Verfahrensablauf einer Messung einer Schichtdicke,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Messaufbaus zur Reflexionsmessung einer Schichtdicke eines Objekts, und
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines weiteren Messaufbaus zur
Transmissionsmessung einer Schichtdicke eines Objekts.
Figur 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 ein- gebracht. 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 Mi, wobei i = 1 , 2, .... In jedem Messschritt werden elektromagnetische Wellen 7 mit einer für jeden Messschritt Mi unterschiedlichen Frequenz f auf das Objekt 3 eingestrahlt. Hierzu ist der Sender 4 zur Abstrahlung elektronmagnetischer Wellen 7 mit unter- schiedlichen Frequenzen f ausgelegt. Die genaue Ausgestaltung des Senders 4 ist hierbei nicht entscheidend. Der Sender 4 kann beispielsweise eine elektromagnetische Quelle, wie beispiels- weise eine Radarantenne, umfassen. Alternativ kann der Sender 4 Laserwellen aussenden. Beispielsweise kann der Sender 4 einen durchstimmbaren Laser, insbesondere einen Terahertz-La- ser, umfassen, mit welchem Wellen 7 mit unterschiedlicher Frequenz f in den einzelnen Messschritten Mi auf das Objekt 3 eingestrahlt werden können. Ein derartiger Sender 4 erlaubt die Durchführung zeitlich serieller Messschritte Mi. 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 ausgelegt sind. Bei einer derartigen Ausführung ist die gleichzeitige Durchführung der verschiedenen Messschritte Mi möglich.
Eine exemplarische Ausführung eines Senders 4 ist in Figur 2 gezeigt. Der in Figur 2 schematisch dargestellte Sender 4 eignet sich zur Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen 7 mit drei unterschiedlichen Frequenzen f. Hierzu umfasst der Sender 4 drei Laser 8, welche jeweils Laserstrahlung 9 mit einer Laserfrequenz Vi erzeugen können. Die Überlagerung jeweils zweier dieser Laserfrequenzen Vi erzeugt eine Schwebung, die mittels eines Wandlermoduls 10 in die elektromagnetischen Wellen 7 mit den Frequenzen f umgewandelt wird.
Die Darstellung in Figur 2, welche die Ausstrahlung der elektromagnetischen Wellen 7 mit den drei unterschiedlichen Frequenzen f darstellt, ist rein schematisch zu verstehen. Der Sender 4 eignet sich zur zeitlich seriellen Abstrahlung der elektromagnetischen Wellen 7 mit unterschiedlichen Frequenzen f. 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 fi, 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 fi 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 fi ausgelegt sind.
Der Empfänger 5 eignet sich für die Detektion von elektromagnetischen Wellen 7 mit den Frequenzen fi, 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 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 Schichtdi- cke 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 dmin und einer maximalen Schichtdicke dmax. Der Brechungsindex n, die minimale Schichtdicke dmin und die maximale Schichtdicke dmax 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 Figur 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 Ausbreitungs winkel e = 0°. In jedem Messschritt Mi werden elektromagnetische Wellen 7 mit unterschiedlichen Frequenzen f eingestrahlt. Bei der in Figur 1 schematisch dargestellten Messung werden die Messschritte Mi zeitlich seriell ausgeführt. Das bedeutet, dass immer nur elektromagnetische Wellen 7 genau einer Frequenz f gleichzeitig auf das Objekt 3 eingestrahlt werden. Die elektromagnetischen Wellen 7 mit Frequenz f weisen innerhalb des Objekts 3, das heißt zwischen den Grenzflächen 13, 14 eine Wellenlänge λ; auf. Die Wellenlänge λ; lässt sich aus der Frequenz wie folgt errechnen:
Figure imgf000018_0001
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 Figur 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 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 Ob- jekt 3 umgebenden Mediums unterscheidet, weisen die elektromagnetischen Wellen 7 beim
Durchlauf durch das Objekt 3 eine veränderte Wellenlänge λ; 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 er- zeugt werden, aus welchem sich die Phasenverschiebung der Sekundärwellen 15 bestimmen lässt. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die Referenzwelle 16 die gleiche Frequenz f aufweist wie die elektromagnetischen Wellen 7. In dem schematischen Messaufbau 1 von Figur 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 Figuren 3 und 4 das Messprinzip zur Messung der Schichtdicke d beschrieben.
In Figur 3 ist die schematische Auswertung einer Messung der Schichtdicke d des Objekts 3 mit nur einem einzigen Messschritt Mi mit einer festen Frequenz fi dargestellt. Das vermessene Objekt 3 weist eine Schichtdicke d = 30 mm auf. Die Frequenz fi der elektromagnetischen Wellen 7 beträgt fi = 0,1 THz. Der Brechungsindex n des Objekts 3 ist hierbei derart gewählt, dass die Frequenz fi einer Wellenlänge λι = 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 Ob- jekt 3 durchlaufende Welle 7 genau 15 volle Wellenlängen λι 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 λι entspricht, das gleiche Messsignal hervorrufen. Die konkrete Schichtdicke d kann in einem einzelnen Messschritt Mi mit der Frequenz fi daher nicht eindeutig bestimmt werden. Vielmehr kann in jedem Messschritt Mi nur eine Menge möglicher Schichtdicken {di} ermittelt werden. Die Menge möglicher Schichtdicken {di} eines Messschritts Mi ergibt sich bei Transmissionsmessungen allgemein zu
Figure imgf000020_0001
wobei cpi die in dem Messschritt Mi gemessene Phasenverschiebung ist. Hierbei werden nur mögliche Schichtdicken berücksichtigt, welche zwischen der minimalen Schichtdicke dmin und der maximalen Schichtdicke dmax liegen.
In Figur 3 ist nun die Menge aller möglichen Schichtdicken {di } des Messschritts Mi 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 (pi = 0 sind, entsprechen diese möglichen Schichtdicken, d. h. die Schichtdicken mit Häufigkeit H = 1, jeweils einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge λι. Die Durchführung nur eines Messschritts Mi erlaubt die eindeutige Bestimmung der Schichtdicke d = 30 mm nur dann, wenn bekannt ist, dass die minimal zu messende Schichtdicke dmin und die maximal zu messende Schichtdicke dmax jeweils weniger als einmal die Wellenlänge λι von 30 mm abweichen. Das Messverfahren mit nur einem Messschritt Mi ist daher stark eingeschränkt und erlaubt nur in wenigen Spezialfällen eine eindeutige Bestimmung der Schichtdicke d.
In Figur 4 ist die Bestimmung der Schichtdicke d = 30 mm des Objekts 3 mittels zweier Messschritte Mi und M2 dargestellt. Die Art der Auftragung entspricht der aus Figur 3. Die Frequenz des zweiten Messschritts beträgt F2 = 0,11 THz. Dies entspricht einer Wellenlänge λ2 = 1,82 mm. Die Wellenlängen λι und λ2 sind so gewählt, dass es nur bei 1 : 11 der ganzzahligen Vielfachen der Wellenlängen eine Überdeckung gibt. In Figur 4 sind die in beiden Messschritten Mi, M2 ermittelten möglichen Schichtdicken {di}, {d2} gemeinsam aufgetragen. Aufgrund der nur wenigen Überschneidungen der ganzzahligen Vielfachen der Wellenlängen λι, λ2 weisen die Mengen möglicher Schichtdicken {di}, {d2} beider Messschritte Mi, M2 nur wenige identische mögliche Schichtdicken mit Häufigkeit H = 2 auf. Da die korrekte Schichtdicke d in jedem Messschritt Mi, M2 ermittelt wird, können nur mögliche Schichtdicken mit Häufigkeit H = 2 der korrekten Schichtdicke d entsprechen. Durch den Abgleich der Mengen möglicher Schichtdicken {di}, {d2} kann die korrekte Schichtdicke d = 30 mm mit einer erhöhten Eindeutigkeit bestimmt wer- den.
Durch die Wahl der Frequenzen fi, f2 der Messschritte Mi , M2 ist es möglich, die Schichtdicke d zwischen einer minimalen Schichtdicke dmin > 10 mm und einer maximalen Schichtdicke dmax < 50 mm eindeutig zu bestimmen. Der Grund hierfür ist, dass die Wellenlängen λι, λ2 zwischen der minimalen Schichtdicke dmin und der maximalen Schichtdicke dmax höchstens ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches aufweisen. Die Eindeutigkeit der Messung kann weiter erhöht werden, indem weitere Messschritte M3, M4, ... mit unterschiedlichen Frequenzen f3, fit, ... durchgeführt werden. Je mehr Messschritte Mi mit unterschiedlichen Frequenzen f durchgeführt werden, desto größer ist ein Schichtdickenbereich von der minimalen Schichtdicke dmin bis zur maximalen Schichtdicke dmax in welchem die korrekte Schichtdicke d bestimmt werden kann. Allgemein ergibt sich für die Transmissionsmes- sung daher die Bedingung, dass höchsten ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches der Wellenlängen λί der Messschritte Mi einer Weglänge L innerhalb des Objekts 3 entspricht, für die gilt:
Figure imgf000021_0001
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 Brechungsindex des umgebenden Mediums gleich 1. Für den Ausbreitungswinkel e gilt dann: sin ö = 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:
< L cos(e) <
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 Einstell- genauigkeiten in ihrer Genauigkeit eingeschränkt. So können unterschiedliche Frequenzen nur auf einer Einstellgenauigkeit und/oder Messgenauigkeit Af 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 Ad 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 Ad unterscheiden. In Figur 4 sind beispielsweise bei einer Dicke von 32 mm zwei mögliche Schichtdicken der unterschiedlichen Messschritte Mi , M2 zu sehen, welche sich kaum unterscheiden. Bei einem System mit endlicher Schichtdicken-Messgenauigkeit Ad 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 der einzelnen Messschritte Mi eingehalten werden. Zudem muss eine zu erwartende Schichtdicken-Messgenauigkeit Ad bei der Wahl der Frequenzen f der einzelnen Messschritte Mi berücksichtigt werden. Die Schichtdicken-Messgenauigkeit Ad 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 innerhalb eines vorgegebenen Spektrums ermöglicht, sodass eine eindeutige Messung der Schichtdicke d zwischen einer vorgebenden minimalen Schichtdicke dmin und einer vorgebenden maximalen Schichtdicke dmax möglich ist. Der Kalibrierschritt berücksichtigt hierbei die Messparameter Brechungsindex n des Objekts 3, minimale Schichtdicke dmin, maximale Schichtdicke dmax, Einfallswinkel b und Schichtdicken- Messgenauigkeit Ad. 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 hat jedoch den Vorteil eines verringerten Rüstaufwands. Des Weiteren kann insbesondere die zeitlich serielle Messung mit nur zwei Messschritten Mi in einer kürzeren Zeit durch- geführt werden.
Zunächst muss ein Spektrum definiert werden, aus welchem die Frequenzen f 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, beispiels- weise 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 aus dem gewählten Spektrum iterativ durchlaufen. Da die unterschiedlichen Frequenzen f einen Mindestfrequenzabstand, welcher sich hauptsächlich aus der Einstellgenauigkeit und/oder der Messgenauigkeit Af der Frequenzen f ergibt, einhalten müssen, ist es vorteilhaft die Schrittweite beim iterativen Durchlaufen der unterschiedlichen Frequenzpaare gleich der Einstellgenauigkeit und/oder der Messgenauigkeit Af der Frequenzen f 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 fi < f2 zu wählen.
Für jedes Frequenzpaar werden anschließend alle möglichen Soll-Schichtdicken dsoi zwischen der minimalen Schichtdicke dmin und der maximalen Schichtdicke dmax durchlaufen. Eine geeignete Schrittweite hierfür ist die Schichtdicken-Messgenauigkeit Ad.
Für jedes Frequenzpaar und jede Soll-Schichtdicke dsoi wird ein Überprüfungsschritt durchgeführt, in dem eine eindeutige Bestimmbarkeit der jeweiligen Soll-Schichtdicke dsoi durch das Frequenzpaar überprüft wird.
In jedem einen Frequenzpaar und einer Soll-Schichtdicke dsoi zugeordneten Überprüfungsschritt werden zu beiden Frequenzen f des jeweiligen Frequenzpaars die Menge möglicher Schichtdicken {di} , welche die jeweilige Soll-Schichtdicke dsoi enthält, errechnet. Die Menge möglicher Schichtdicken {di} errechnet sich in dem Kalibrierschritt für eine Transmissionsmessung gemäß
{d/} = {d/ = dSoii + j λ,- cos(e) \ j E TL, dmi„ < d/ < dmax] .
Zur Ermittlung der eindeutigen Bestimmbarkeit der jeweiligen Soll-Schichtdicke dsoi mittels des Frequenzpaars werden die Mengen möglicher Schichtdicken {di} in jedem Überprüfungsschritt abgeglichen. Hierzu werden die Mengen möglicher Schichtdicken {di} beider Frequenzen f in einem gemeinsamen Histogramm aufgetragen. Mögliche Schichtdicken, welche sich um weniger als die Schichtdicken-Messgenauigkeit Ad unterscheiden, werden als identisch interpretiert. Die Soll-Schichtdicke dsoi ist genau dann mit dem Frequenzpaar eindeutig bestimmbar, wenn aus den Mengen möglicher Schichtdicken {di} nur die Soll-Schichtdicken dsoi übereinstimmen. Sobald weitere mögliche Schichtdicken übereinstimmen, ist eine eindeutige Bestimmung der Soll- Schichtdicke dsoi mit dem Frequenzpaar nicht möglich.
Der Überprüfungsschritt wird für alle möglichen Soll-Schichtdicken dsoi, welche iterativ durch- laufen werden, durchgeführt. Nur wenn die Überprüfungsschritte aller Soll-Schichtdicken dsoi eine eindeutige Bestimmbarkeit der jeweiligen Soll-Schichtdicke dsoi 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 Figur 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 dmin = 10 mm, die maximale Schichtdicke dmax = 50 mm. Die Schichtdicken-Messgenauigkeit wurde zu Ad = 300 μιη bestimmt. In Figur 5 sind nun alle Kombinationen für Frequenzpaare aufgetragen, indem die Frequenz fi 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 Figur 5 ist ersichtlich, dass nur wenige Frequenzpaare eine eindeutige Messung ermöglichen. Das Durchführen des Kalibrierschritts ist daher für die meisten Messungen unabdingbar. In Figur 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 dmin, maximale Schichtdicke dmax, Brechungsindex n des Objekts 3 sowie ein zur Vermessung des Objekts 3 geeignetes Spekt- rum bekannt. Je nach verwendeter Messvorrichtung und Ausrichtung des Objekts 3 ergibt sich auch der Einfallswinkel b und die Schichtdicken-Messgenauigkeit Ad. Somit sind mit dem Bereitstellungsschritt 17 alle Messparameter bekannt.
Auf den Bereitstellungsschritt 17 folgt ein Kalibrierschritt 18. In dem Kalibrierschritt 18 werden die Frequenzen fi zur Durchführung der Messschritte Mi bestimmt. Hierzu kann eine numerische Berechnung, wie sie oben umrissen wurde, durchgeführt werden. Alternativ können geeignete Messschritte Mi mit geeigneten Frequenzen fi 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 Mi an. In jedem Messschritt Mi werden in einem Einstrahlschritt 19 elektromagnetische Wellen 7 mit der Frequenz fi 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 {di} des jeweiligen Messschritts Mi ermittelt. Nach der Durchführung eines Messschritts Mi erfolgt der nächste Messschritt Mi+i. Es werden mindestens zwei Messschritte Mi durchgeführt. Die Mess- schritte Mi können zeitlich seriell oder gleichzeitig erfolgen.
Nach Durchführung aller Messschritte Mi folgt ein Abgleichschritt 22, in welchem die in Rechenschritt 21 ermittelten Mengen möglicher Schichtdicken {di} abgeglichen werden, um die Schichtdicke d eindeutig zu bestimmen.
Das in Figur 6 dargestellte Messverfahren ist mit der Vorrichtung 2 aus Figur 1 durchführbar. In diesem Fall werden die Messschritte Mi zeitlich seriell durchgeführt. Im Einstrahlschritt 19 werden die elektromagnetischen Wellen 7 eines jeden Messschritts Mi mittels des Senders 4 eingestrahlt. Der Detektionsschritt 20 erfolgt mittels des Empfängers 5, wobei transmittierte Sekun- därwellen 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 Figur 6 dargestellte Verfahren ist auch mit alternativen Messaufbauten möglich. Beispiel- hafte weitere Messaufbauten sind in den Figuren 7 und 8 dargestellt.
In Figur 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines Messaufbaus la gezeigt. Identische Komponenten tragen die gleichen Bezugszeichen wie in dem vorstehend unter Bezugnahme auf Figur 1 bereits beschriebenen Messaufbau 1, auf den hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, je- doch funktionell gleichartige Teile erhalten die Selben Bezugszeichen mit einem nachgestellten a. Der Messaufbau la weist eine Vorrichtung 2a zur Durchführung des Messverfahrens auf. Der Messaufbau la 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 be- deutet, 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 I Ia. In dem in Figur 7 gezeigten Messaufbau la werden elektromagnetische Wellen 7 mit Frequenzen f 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 Mi zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen 7 mit unter- schiedlichen Frequenzen f. 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 Ausbreitungs- winkel e aus. Die in das Objekt 3 eingedrungenen elektromagnetischen Wellen 7 weisen eine der Frequenz f und dem Brechungsindex n des Objekts 3 entsprechende Wellenlänge λ; 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 la 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 {di} berücksichtigt werden. Die Menge möglicher Schichtdicken {di} eines Messschritts Mi ergibt sich bei Reflexionsmessungen allgemein zu
Figure imgf000028_0001
wobei cpi die in dem Messschritt Mi gemessene Phasenverschiebung ist. Hierbei werden nur mögliche Schichtdicken berücksichtigt, welche zwischen der minimalen Schichtdicke dmin und der maximalen Schichtdicke dmax liegen.
Zudem muss der verdoppelte optische Weg bei der Bestimmung der geeigneten Frequenzen f der Messschritte Mi berücksichtigt werden. Für die Reflexionsmessung darf daher höchstens ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches der Wellenlängen λ; der Messschritte Mi einer Weglänge L entsprechen, für die gilt:
< L cos(e) < 2 d
Dementsprechend muss in dem oben beschriebenen Kalibrierschritt für jedes Frequenzpaar aus zwei unterschiedlichen Frequenzen f über alle möglichen Soll-Schichtdicken zwischen der doppelten minimalen Schichtdicke 2 dmin und der doppelten maximalen Schichtdicke 2 dmax iteriert werden.
Alternativ kann die Bedingung für die ganzzahligen Vielfachen der Wellenlängen λ; der Messschritte Mi allgemein für Transmissions- und Reflexionsmessungen formuliert werden: < L cos(e) < 2
Dementsprechend kann ein Kalibrierschritt für eine Transmissions- und Reflexionsmessung durchgeführt werden, in dem die Soll-Schichtdicken zwischen der minimalen Schichtdicke dmin und der doppelten maximalen Schichtdicke 2 dmax iteriert werden.
Bei der Reflexionsmessung mit dem Messaufbau la 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 Ausfüh- rungsbeispielen 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 Figur 8 ist ein Ausführungsbeispiel eines Messaufbaus lb gezeigt. Identische Komponenten tragen die gleichen Bezugszeichen wie in der vorstehend unter Bezugnahme auf die Figur 1 bereits beschriebene Alternative, auf die hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Komponenten tragen die gleichen Bezugszeichen mit einem nach- gestellten b.
Der in Figur 8 gezeigte Messaufbau lb weist eine Vorrichtung 2b zur Durchführung eines Transmissionsmessung einer Schichtdicke d eines Objekts 3 auf. Der Aufbau lb unterscheidet sich von dem Aufbau 1 , wie er in Figur 1 gezeigt ist nur durch die Konstruktion und Funktionsweise des Empfängers 5b. In dem Messaufbau lb 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 Figur 8 ist der Empfänger 5b in einer Position gezeigt, in welcher er mit den Sekundär- wellen 15 gespeist wird. Mittels der Verschiebevorrichtung 25 kann er in eine - in Figur 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 dmin bis zu einer maximalen Schichtdicke dmax liegt,
- Durchführen mindestens zweier Messschritte (Mi), wobei jeweils
— Wellen (7) mit einer Frequenz (f) 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 (f) zwischen den Grenzflächen (13, 14) des Objekts (3) einer Wellenlänge (λ;) entspricht und
— wobei höchstens ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches der Wellenlängen (λ;) der Messschritte (Mi) einer Weglänge L entspricht, für die gilt: dmin ^ L cos(e) < dmax und/oder
2 dmin < L cos(e) < 2 dmax ,
— 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 ({di}) ermittelt wird, und
Abgleichen der Mengen möglicher Schichtdicken ({di}) 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) der Messschritte (Mi) in einem vorgegebenen Spektrum zwischen 0,01 THz und 20 THz liegen.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Frequenzen (f) der unterschiedlichen Messschritte (Mi) sich um einen Mindestfrequenzab- stand unterscheiden, welcher mindestens einer Einstellgenauigkeit und/oder einer Messgenauigkeit (Af) der Frequenzen (fi) entspricht.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass g zwei Messschritte (Mi) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kalibrierschritt (18) zur Festlegung der Frequenzen (fi) der unterschiedlichen Messschritte (Mi) in dem vorgegebenen Spektrum (B) anhand eines Brechungsindex (n) des Objekts (3), der minimalen Schichtdicke dmin, der maximalen Schichtdicke dmax, dem Einfallswinkel b und/oder einer Schichtdicken-Messgenauigkeit (Ad).
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 (Ad) unterscheidende Soll-Schichtdicken (dsoi) jeweils ein Überprüfungsschritt durchgeführt wird, in dem eine eindeutige Bestimmbarkeit der jeweiligen Soll- Schichtdicke (dsoi) durch das Frequenzpaar überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem einem quenzpaar und einer Soll-Schichtdicke (dsoi) zugeordneten Überprüfungsschritt zu beiden Frequenzen (fi) des jeweiligen Frequenzpaars die Menge möglicher Schichtdicken ( {di}), welche die jeweilige Soll-Schichtdicke (dsoi) enthält, errechnet wird, und die Mengen möglicher Schichtdicken ( {di}) 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 (f) 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 (Mi), wobei jeweils
— mittels des mindestens einen Senders (4; 4a) Wellen (7) mit einer Frequenz (f) 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 (f) zwischen den Grenzflächen (13, 14) des Objekts (3) einer Wellenlänge (λ;) entspricht und
— wobei höchstens ein gemeinsames ganzzahliges Vielfaches der Wellenlängen (λ;) der Messschritte (Mi) einer Weglänge L entspricht, für die gilt: d-min < L cos(e) < dmax und/oder
2 d-min — L cos(e) < 2 dmax , wobei dmin eine minimal zu messende Schichtdicke und dmax 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; 5 a; 5b) detektiert werden, und — aus den detektierten Sekundärwellen (15; 23, 24) eine Menge möglicher Schichtdicken ({di}) ermittelt wird, und
- Abgleichen der Mengen möglicher Schichtdicken ({di}) der einzelnen Messschritte (Mi) zur Bestimmung der Schichtdicke (d).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sender (4; 4a) zum Abstrahlen elektromagnetischer Wellen (7) ausgeführt ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sender (4, 4a) mindestens einen Laser (8) umfasst.
15. 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 messende Schichtdicke dmin, der maximal zu messende Schichtdicke dmax, einem Einfallswinkel b und/oder einer Schichtdicken-Messgenauigkeit (Ad) umfasst.
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