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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Schichtdicke einer flächig auf ein Substrat aufgetragenen dünnen Schicht durch Messung von optischen Dünnschichtinterferenzen, wobei die Schicht beleuchtet wird, das von Grenzflächen der Schicht reflektierte Licht gemessen und anhand der Messwerte des reflektierten Lichtes die Schichtdicke ermittelt wird.
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Es sind verschiedene im Labor erprobte sowie industriell nutzbare Verfahren zum Auftragen einer dünnen Schicht aus einem vorgegebenen Schichtmaterial auf einem Substrat bekannt, das seinerseits aus einem nahezu beliebigen Material bestehen kann. Bereits seit vielen Jahren können dünne Schichten beispielsweise durch Bedampfen oder Galvanisieren hergestellt werden. Das Auftragen dünner funktionaler Schichten mittels geeigneter Druckverfahren ist Gegenstand der aktuellen Forschung.
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In der industriellen Herstellung dünner Schichten oder Beschichtungen ist es oftmals notwendig, die Dicke der mit einem geeigneten Fertigungsverfahren hergestellten Schicht möglichst präzise zu messen.
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Die aus der Praxis bekannten Verfahren zur Ermittlung einer Schichtdicke, wie beispielsweise die Schichtdickenbestimmung mit einem Elektronenmikroskop oder mit Hilfe von hoch energetischen Strahlen erfordern oftmals eine vorausgehende Präparation der Messproben und benötigen üblicherweise eine lange Messdauer. Optische Messverfahren, wie beispielsweise die Ellipsometrie oder Interferenzmessungen, ermöglichen eine zerstörungsfreie Messung der Schichtdicke einer dünnen Schicht, benötigen jedoch oftmals lange Messdauern sowie komplexe und kostspielige Messvorrichtungen.
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In vielen Anwendungsbereichen und insbesondere bei der Herstellung dünner Schichten wäre es wünschenswert, wenn die Schichtdicke der zu messenden dünnen Schicht für einen großen Flächenbereich in einer möglichst kurzen Zeit ermittelt werden kann. Erst mit geeigneten Verfahren zur Ermittlung der Schichtdicke können die im Labor oder in der Praxis erprobten Herstellungsverfahren für dünne Schichten in einem industriellen Maßstab und mit einer ausreichenden Genauigkeit durchgeführt werden.
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Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein Verfahren zur Ermittlung einer Schichtdicke durch Messung von optischen Dünnschichtinterferenzen so auszugestalten, dass in möglichst kurzer Zeit die Schichtdicke in einem möglichst großen Flächenbereich einer Schicht ermittelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mit einer optischen Bilderfassungseinrichtung eine flächengetreue Abbildung des an zwei gegenüberliegenden Grenzflächen der dünnen Schicht reflektierten Lichts aufgenommen wird, und dass ein über einen Wellenlängenbereich integrierter Intensitätswert des reflektierten Lichts mit einem theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwert verglichen wird, um die Schichtdicke der zu messenden Schicht zu ermitteln. Es hat sich gezeigt, dass sich die Intensität des an zwei gegenüberliegenden Grenzflächen der dünnen Schicht reflektierten Lichts ausgehend von einem Ausgangswert mit zunehmender Schichtdicke zunächst nur geringfügig ändert und durch einen Vergleich eines gemessenen Intensitätswerts mit einem theoretisch berechneten Intensitätsreferenzwert die gemessene Schichtdicke vergleichsweise präzise ermitteln lässt.
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Der theoretisch ermittelte Intensitätsreferenzwert kann mit zunehmender Schichtdicke stark schwanken und mehrdeutig werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist deshalb für geringe Schichtdicken besonders gut geeignet. Weiterhin sollte die zu messende dünne Schicht transluzent, bzw. semi-transparent sein, um eine ausreichende Reflexion des einfallenden Lichts an den beiden gegenüberliegenden Grenzflächen und insbesondere an der der Lichtquelle abgewandten Grenzfläche der dünnen Schicht zu ermöglichen, damit Interferenzen zwischen dem an beiden Grenzflächen reflektierten Licht auftreten und Intensitätswerte des reflektierten Lichts zuverlässig gemessen werden können.
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Um den als Vergleichswert herangezogenen Intensitätsreferenzwert theoretisch berechnen zu können sind zweckmäßigerweise die hierfür erforderlichen Eigenschaften und Parameter des Schichtaufbaus mit der zu bestimmenden dünnen Schicht bekannt oder durch vorausgehende Messungen ermittelt worden. Die als bekannt vorausgesetzten und für die Berechnung des theoretischen Intensitätsreferenzwertes verwendeten Eigenschaften und Parameter umfassen beispielsweise die relevanten Brechungsindizes in dem Wellenlängenbereich der zur Beleuchtung verwendeten Lichtquelle, und die spektralen Übertragungsfunktionen des Messsystems, mit denen die Lichtquelle, der optische Weg der an verschiedenen Grenzflächen reflektierten Intensitäten sowie Filter oder andere optische Komponenten berücksichtigt werden.
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Der gemessene Intensitätswert kann dabei über einen Wellenlängenbereich integriert werden, so dass bereits eine sehr kurze Belichtungszeit ausreicht, um mit einer handelsüblichen optischen Bilderfassungseinrichtung eine für die nachfolgende Auswertung und Schichtdickenbestimmung ausreichende flächengetreue Abbildung der dünnen Schicht aufzunehmen. Eine spektrale, bzw. Wellenlängen abhängige Erfassung des reflektierten Lichts ist nicht notwendig, so dass auf spektrale Messgeräte oder Spektralzerlegungen des reflektierten Lichts verzichtet werden kann. Es ist ebenfalls nicht notwendig, eine Lichtquelle mit monochromatischem oder kohärentem Licht zu verwenden, wodurch die apparativen Anforderungen erheblich gesenkt und Kosten reduziert werden können.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann innerhalb kurzer Zeit von vergleichsweise großen Flächen eines Substrats die Schichtdicke einer flächig aufgetragenen Schicht ermittelt werden. Das Verfahren kann dazu verwendet werden, im Rahmen eines Herstellungsprozesses kontinuierlich die Schichtdicke einer flächig aufgetragenen Schicht ortsaufgelöst zu ermitteln, um die Beschichtungsprozesse während des Auftragens der Schicht zu kontrollieren. Damit ist es unter anderem möglich, das bislang lediglich unter experimentellen Laborbedingungen mögliche Aufdrucken dünner Schichten auf ein Substrat industriell nutzbar und wirtschaftlich durchführbar werden zu lassen.
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Einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass der gemessene Intensitätswert mit einem Beleuchtungsintensitätswert normiert und mit einem theoretisch ermittelten normierten Intensitätsreferenzwert verglichen wird. Der Beleuchtungsintensitätswert kann vor jeder Messung oder für einen vorgegebenen und im Nachhinein nicht mehr veränderbaren Aufbau einer Messapparatur ermittelt und abgespeichert werden. Es ist ebenfalls denkbar, dass vor oder im Verlauf jeder Messung eines integrierten Intensitätswertes ein Beleuchtungsintensitätswert gemessen und abgespeichert wird. Durch die Normierung des gemessenen Intensitätswert mit dem Beleuchtungsintensitätswert wird erreicht, dass die tatsächliche Beleuchtung sowie Eigenschaften der für die Messung verwendeten Leuchtquelle und der Umgebungsbedingungen für die Ermittlung der Schichtdicke keine oder jedenfalls nur eine nachrangige Bedeutung haben können. Der für die Normierung verwendete Beleuchtungsintensitätswert kann ebenfalls über einen Wellenlängenbereich integriert sein. Die experimentelle Ermittlung des Beleuchtungsintensitätswerts, der für die Normierung verwendet wird, muss bei der rechnerischen Ermittlung des normierten Intensitätsreferenzwertes berücksichtigt werden, der für die Normierung des theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwertes verwendet wird.
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In besonders vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass ein gemessener Kontrastwert als Differenz des gemessenen Intensitätswertes abzüglich eines gemessenen Intensitätsreferenzwertes ermittelt und mit einem theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwert verglichen wird, der ebenfalls als Differenz des theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwertes abzüglich eines theoretisch ermittelten Referenzwertes ermittelt wird. Der Intensitätsreferenzwert kann beispielsweise zeitgleich an einer räumlich benachbart angeordneten dünnen Schicht mit einer bekannten Schichtdicke gemessen werden. Durch die Kontrastbildung können beispielsweise Intensitätsschwankungen der verwendeten Lichtquelle oder der Umgebungsbedingungen reduziert bzw. vollständig eliminiert werden.
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Um die Genauigkeit des Verfahrens, bzw. der mit dem Verfahren ermittelten Schichtdicke zu verbessern, ist vorgesehen, dass in einem weiteren Verfahrensschritt eine bekannte oder vorgegebene Schichtdicke einer Referenzschicht gemessen wird, um anschließend die unbekannte Schichtdicke zu ermitteln. Die bekannte oder vorgegebene Schichtdicke kann dazu verwendet werden, eine Übereinstimmung zwischen dem theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwert und dem über einen Wellenlängenbereich integrierten Intensitätswert vorzugeben, bzw. zu bestätigen. Mit einer zunehmend, von der bekannten Schichtdicke abweichenden unbekannten Schichtdicke kann sich der gemessene Intensitätswert ebenso wie der theoretisch ermittelte Intensitätsreferenzwert deutlich von dem Ausgangswert unterscheiden. In einem Bereich um die bekannte, bzw. vorgegebene Schichtdicke herum ist die Abweichung des gemessenen Intensitätswertes zunächst linear und im Anschluss daran zunehmend nicht linear, jedoch noch eineindeutig. Erst bei großen Abweichungen der unbekannten Schichtdicke von der bekannten Schichtdicke können Mehrdeutigkeiten bei dem gemessenen Intensitätswert, bzw. bei dem theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwert auftreten, die eine zuverlässige Bestimmung der Schichtdicke erschweren oder unmöglich werden lassen.
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Die bekannte Schichtdicke der Referenzschicht kann beispielsweise räumlich beabstandet zu der unbekannten Schichtdicke ermittelt werden. Es ist ebenfalls möglich, dass während der Herstellung eines mehrschichtigen Aufbaus die jeweils vorangehend ermittelte Schichtdicke der jeweils zuletzt hergestellten Schicht als Referenzschicht und Ausgangswert für die im Anschluss daran zu ermittelnde Schichtdicke einer neu aufgebrachten Schicht zu verwenden, die auf der dann bereits fertiggestellten Schicht aufgebracht wird.
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Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass die vorgegebene oder vorangehend ermittelte Schichtdicke der Referenzschicht einen Referenz-Nullwert darstellt. Die vorgegebene Schichtdicke kann beispielsweise ein Bereich des Substrats sein, der nicht von der dünnen Schicht bedeckt wird, deren Schichtdicke gemessen werden soll. Es ist ebenfalls möglich, bei komplexen Schichtfolgen oder unbekannten Beschichtungen eines ebenfalls nicht näher bekannten Substrats punktuell oder an ausgewählten Positionen mit anderen Verfahren den Schichtaufbau und die jeweiligen Schichtdicken zu ermitteln, die dann als bekannt, bzw. als vorgegeben vorausgesetzt werden. Im Anschluss daran können beispielsweise eine räumliche Variation der zu messenden Schichtdicke um die bekannte Schichtdicke herum oder der während eines Herstellungsprozesses erfolgende Auftrag einer dünnen Schicht mit dem vorangehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden.
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Die Bestimmung der Schichtdicke kann deutlich verbessert und der Schichtdickenbereich, in dem eine zuverlässige Bestimmung der Schichtdicke möglich ist, kann deutlich erweitert werden, indem mehrere, jeweils über verschiedene Wellenlängenbereiche integrierte Intensitätswerte ermittelt und mit jeweils zugeordneten theoretisch berechneten Intensitätsreferenzwerten verglichen werden. Beispielsweise werden bei handelsüblichen optoelektronischen Sensoren, die beispielsweise auch bei Fotokameras oder Videokameras verwendet werden, farbige Bildinformationen getrennt nach roten, blauen und grünen Wellenlängenbereichen erfasst. Für jeden dieser Wellenlängenbereiche kann ein Intensitätswert gemessen und ein zugeordneter Intensitätsreferenzwert theoretisch berechnet werden. In Abhängigkeit von der Schichtdicke verändern sich die jeweiligen Intensitätswerte und ergeben bei zunehmender Schichtdicke eine räumliche Kurve in einem von den drei Wellenlängenbereichen rot, grün und blau erzeugten dreidimensionalen Koordinatensystem.
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In einer Umgebung um eine bekannte Schichtdicke kann anhand der gemessenen drei Intensitätswerte für den roten, den grünen und den blauen Wellenlängenbereich der kleinste Abstand zu dem theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwert bestimmt werden.
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Da die gemessenen Intensitäten für einen beispielsweise roten Wellenlängenbereich eine deutlich abweichende Abhängigkeit von der Schichtdicke als die gemessenen Intensitäten eines beispielsweise blauen Wellenlängenbereichs aufweisen, kann durch einen Vergleich der für eine zu ermittelnde Schichtdicke gemessenen Intensitäten verschiedener Wellenlängenbereiche eine deutlich genauere Aussage getroffen werden. Zudem wird durch eine Messung der Intensitäten in verschiedenen Wellenlängenbereichen der maximale Bereich der eindeutig ermittelbaren Schichtdicke erheblich vergrößert, bevor für alle Wellenlängenbereiche gleichzeitig Mehrdeutigkeiten bei dem Vergleich zwischen den theoretisch ermittelten Intensitätswerten und den tatsächlich gemessenen Intensitätswerten auftreten.
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Aufgrund der geringen konstruktiven Anforderungen an die für das Verfahren erforderliche Messvorrichtung ist es kostengünstig möglich, für mehrere, räumlich beabstandete Bereiche der Schicht die Schichtdicke zu bestimmen. Auf diese Weise kann für einen großen Flächenbereich die Schichtdicke einer auf das Substrat aufgebrachten Schicht gleichzeitig, bzw. innerhalb kürzester Zeit ermittelt werden. In Verbindung mit Druckverfahren, mit denen dünne Schichten auf das Substrat aufgedruckt werden, können großflächige Substrate sehr rasch und äußerst kostengünstig mit einer Schicht beschichtet werden, dessen Schichtdicke während oder unmittelbar im Anschluss an deren Herstellung präzise bekannt ist bzw. kontrolliert werden kann, um einen derartigen Beschichtungsprozess einer wirtschaftlich sinnvollen Nutzung zuzuführen.
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Nachfolgend werden verschiedene Aspekte und Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer optischen Messvorrichtung zur Schichtdickenbestimmung einer dünnen Schicht eines mit zwei dünnen Schichten beschichteten Substrats,
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2 eine schematische Ansicht einer flächengetreuen Abbildung des von dem in 1 dargestellten Substrat reflektierten Lichts,
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3 eine schematische Darstellung von theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwerten CR, CG und CB für einen roten Wellenlängenbereich, einen grünen Wellenlängenbereich und für einen blauen Wellenlängenbereich des an der dünnen Schicht reflektierten Lichts in Abhängigkeit von einer Schichtdicke der dünnen Schicht, und
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4 eine schematische Darstellung des Verlaufs der in 3 gezeigten theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwerte sowie überlagert dargestellte gemittelte Intensitätswerte für jeweils mehrere mit der optischen Messvorrichtung gemessene Intensitätswerte.
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Eine in 1 exemplarisch und schematisch dargestellte Messvorrichtung 1 weist eine Lichtquelle 2 auf, deren Licht durch eine Blende 3 auf einen teildurchlässigen Spiegel 4 fällt. Das von dem teildurchlässigen Spiegel 4 reflektierte Licht wird durch eine Kollimatoreinrichtung 5 auf eine dünne Schicht 6 gerichtet, die auf einem Trägersubstrat 7 und auf einer unmittelbar auf dem Trägersubstrat 7 angeordneten Referenzschicht 8 aufgebracht ist. Das von einer oberen Grenzfläche 9 und von einer unteren Grenzfläche 10 der dünnen Schicht 6 reflektierte Licht wird durch die Kollimatoreinrichtung 5 und durch den teildurchlässigen Spiegel 4 mit Hilfe einer Sensor-Spiegelanordnung 11 auf einen optischen Intensitätssensor 12 gerichtet. Unmittelbar vor dem Intensitätssensor 12 können wahlweise verschiedene Filter 13 angeordnet werden, mit denen ein jeweils zugeordneter Wellenlängenbereich durchgelassen und reflektiertes Licht mit einer Wellenlänge außerhalb des zugelassenen Wellenlängenbereichs aus dem Strahlengang herausgefiltert werden kann.
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Die Blende 3 kann einen im Wesentlichen streifenförmigen Lichtvorhang erzeugen. Die Intensität des an den Grenzflächen 9 und 10 der dünnen Schicht 6 reflektierten Lichts kann mit einem ebenfalls streifenförmigen Intensitätssensor 12 gemessen werden. Als Intensitätssensor 12 kann beispielsweise eine zeilenförmiger CCD-Sensor oder CMOS-Sensor verwendet werden, wie er in aus der Praxis bekannten handelsüblichen Scanner-Einrichtungen oder Fax-Geräten eingesetzt wird.
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Die Lichtquelle 2, die Blende 3, der teildurchlässige Spiegel 4, die Kollimatoreinrichtung 5, die Spiegelanordnung 11, der Intensitätssensor 12 und die Filter 13 bilden die optischen Komponenten der Messvorrichtung 1. Alle diese optischen Komponenten 2, 3, 4, 5, 11, 12 und 13 können gemeinsam in einem Gehäuse 14 angeordnet und im Wesentlichen parallel zu der unteren Grenzfläche 10 der dünnen Schicht 6 verlagert werden. Es ist ebenfalls möglich, beispielsweise die Lichtquelle 2, die Blende 3, die Filter 13 und den Intensitätssensor 12 ortsfest anzuordnen und lediglich die Kollimatoreinrichtung 5, den teildurchlässigen Spiegel 4 und die Spiegelanordnung 11 relativ zu der dünnen Schicht 6 zu verlagern. Die verlagerbaren optischen Komponenten 2, 3, 4, 5, 11, 12 und 13 bzw. 4, 5 und 11 können dabei entweder eindimensional längs einer Raumrichtung oder zweidimensional in zwei Raumrichtungen jeweils parallel zu der dünnen Schicht 6 verlagert werden.
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Mit der Messvorrichtung 1 kann innerhalb kürzester Zeit eine flächengetreue Abbildung der von den Grenzflächen 9 und 10 der dünnen Schicht 6 reflektierten Lichtintensität erzeugt und gemessen werden.
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In 2 ist exemplarisch eine flächengetreue Abbildung der mit der Messvorrichtung 1 gemessenen Intensität des reflektierten Lichts dargestellt, das von den Grenzflächen 9 und 10 der dünnen Schicht 6 sowie von weiteren Grenzflächen der Referenzschicht 8 und des Trägersubstrats 7 reflektiert wurde. Anhand eines Vergleichs der gemessenen Intensitätswerte mit in Abhängigkeit von einer angenommenen Schichtdicke theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwerten kann eine Schichtdicke der dünnen Schicht 6 oder der Referenzschicht 8 ermittelt werden, für welche der tatsächlich gemessene Intensitätswert bestmöglich mit dem theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwert übereinstimmt.
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Um die Auswirkungen von zeitlich veränderlichen Größen wie beispielsweise Intensitätsschwankungen der Lichtquelle 2 möglichst zu reduzieren oder zu eliminieren kann ein gemessener Kontrastwert als Differenz des gemessenen Intensitätswertes an der dünnen Schicht 6 abzüglich eines gemessenen Intensitätsreferenzwertes ermittelt werden, der an der Referenzschicht 8 gemessen wurde. Dieses Kontrastwert wird dann mit einem theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwert verglichen wird, der ebenfalls als Differenz des theoretisch ermittelten Intensitätsreferenzwertes für die dünne Schicht 6 abzüglich eines theoretisch ermittelten Referenzwertes der Referenzschicht 8 ermittelt wird.
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In 3 sind jeweils für einen mit geeigneten Filtern 13 vorgegebenen roten Wellenlängenbereich, für einen grünen Wellenlängenbereich und für einen blauen Wellenlängenbereich die theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwerte CR, CG und CB des an der dünnen Schicht 6 reflektierten Lichts in Abhängigkeit von einer Schichtdicke λ der dünnen Schicht 6 dargestellt. Während für kleine Schichtdicken λ < 100 nm für alle Wellenlängenbereiche die theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwerte CR, CG und CB eine eineindeutige Funktion der Schichtdicke λ darstellen, können für größere Schichtdicken λ > 100 nm die einzelnen Kontrastreferenzwerte CR, CG und CB für sich betrachtet mehrdeutig werden und nicht mehr eindeutig einer einzigen Schichtdicke λ zugeordnet werden. Werden die Kontrastreferenzwerte CR, CG und CB jedoch gemeinsam einer einheitlichen Auswertung zugeführt, kann auch für Schichtdicken λ in einem Bereich bis λ > 600 nm jedem Wertetriple der Kontrastreferenzwerte CR, CG und CB eindeutig eine einzige Schichtdicke λ zugeordnet werden.
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In 4 ist für einen Bereich der Schichtdicke λ von 0 nm ≤ λ ≤ 600 nm ein Vergleich zwischen der theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwerte CR, CG und CB und den gemittelten Kontrastwert-Triplen für jeweils mehrere mit der optischen Messvorrichtung gemessene Intensitätswerte bzw. für die Kontrastwerte eines Referenz-Schichtaufbaus mit vorgegebenen Schichtdicken von 0 nm (gemittelter gemessener Kontrastwert #0) bis 500 nm (gemittelter gemessener Kontrastwert #6) in Schritten von 100 nm. Für die Darstellung wurden die theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwerte CR, CG und CB in ein durch die drei Kontrastreferenzwerte CR, CG und CB aufgespanntes dreidimensionales Koordinatensystem eingetragen.
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Die gemessenen Kontrastwert-Triple #0 bis #6 stimmen im Rahmen der Messgenauigkeit mit den theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwerten überein. Selbst bei geringen Abweichungen der im Einzelfall tatsächlich gemessenen Kontrastwerte von den theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwerten CR, CG und CB würde für jeden tatsächlich gemessenen Kontrastwert-Triple eindeutig ein zugeordnetes Werte-Triple der theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwerte CR, CG und CB zugeordnet werden können, welches den geringsten Abstand zu dem tatsächlich gemessenen Kontrastwert-Triple aufweist. Der diesem theoretisch ermittelten Kontrastreferenzwerte CR, CG und CB zugeordnete Wert der Schichtdicke λ entspricht dann der für die gemessenen Kontrastwerte verantwortlichen Schichtdicke der dünnen Schicht 6.
