DE4119903C2

DE4119903C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung dünner Schichten

Info

Publication number: DE4119903C2
Application number: DE4119903A
Authority: DE
Inventors: Helmut Fischer
Original assignee: Helmut Fischer GmbH and Co
Current assignee: Immobiliengesellschaft Helmut Fischer GmbH and Co KG
Priority date: 1991-06-17
Filing date: 1991-06-17
Publication date: 2000-07-27
Anticipated expiration: 2011-06-18
Also published as: US5191286A; DE4119903A1; DE4119903C5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Aus der Druckschrift DE 23 45 848 C2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur zerstörungsfreien Messung der Dicke dünner Schichten bekannt geworden, welche zumindest eine erste Spule unverrückbar auf einem Innenkern und zumindest eine weitere Spule aufweist, deren geometrische Mitte und die geometrische Mitte des Innenkernes sich decken, wobei von den Spulen Leitun gen nach außen geführt und an eine Auswerteschaltung zur Berechnung der Schichtdicke aus Ausgabewerten angeschlossen sind.

Zerstörungsfreie Verfahren zur Schichtdickenmessung, welche das weitverbreitete magnetinduktive- oder Wirbelstromverfahren benutzen, beruhen auf der Änderung eines nieder- bzw. hochfrequenten elektromagnetischen Feldes in Abhängigkeit einer auf den Messgegenstand aufgebrachten Schicht. Das zur Messung benutzte Feld besitzt räumliche Ausdehnung und damit ist nicht nur eine gewünschte Ab hängigkeit von der Schichtdicke, sondern auch von der Form des Messgegen standes vorhanden.

Als weitere Störgröße geht bei magnetinduktiven, niederfrequenten Verfahren, welche zur Messung von nichtmagnetischen oder elektrisch nichtleitenden Schichten auf magnetischem Grundwerkstoff eingesetzt werden, die Permeabilität des Messgegenstandes mit in die Messung ein. Bei Wirbelstromverfahren, die hauptsächlich zur Messung von elektrisch nicht- oder schwachleitenden Schichten auf Nichteisenmetallen eingesetzt werden, ist der Einfluß der geometrischen Form des Messgegenstandes wesentlich stärker ausgeprägt. Anstelle der Permeabilität, die bei Nichteisenmetallen praktisch gleich 1 gesetzt werden kann, geht als weitere Störgröße die elektrische Leitfähigkeit des Grundwerkstoffes mit als Störgröße ein. Für letztere Störgröße gibt es neuerdings schaltungstechnische Möglichkeiten, um diesen unerwünschten Einfluß in einem weiten Bereich auszuschließen.

Bei beiden Verfahren bleibt die geometrische Form des Messgegenstandes eine nicht zu vernachlässigende Einflußgröße. In der Messpraxis ist es daher notwendig, eine sogenannte Kalibrierung auf dem Messgegenstand vorzunehmen. Dies geschieht dadurch, indem zuerst auf dem unbeschichteten Messgegenstand der Messwert 0 und dann auf einem Messgegenstand mit bekannter Schicht, die entweder fest aufgebracht ist oder in Form einer Folie auf den unbeschichteten Messgegenstand nachgebildet wird. Auf der bekannten Schichtdicke des Messgegenstandes wird der dem Messwert entsprechende Anzeigewert eingestellt. Diese Kalibrierung kann mit mehreren Schichten zur besseren Anpassung der Kennlinie an die betreffende Messaufgabe durchgeführt werden. Da in aller Regel der Messgegenstand nicht unbeschichtet zur Verfügung steht und oft sehr komplexe Formen aufweist, ist es meist sehr schwierig, Schichtdicken auf konkaven oder konvexen Flächen zu messen. Eine der Möglichkeiten, die geometrische Einflußgröße zu verringern, liegt in der Bauform der Meßsonde. Je kleiner die Meßsonde ist, umso geringer ist die räumliche Ausdehnung des Messfeldes und demnach die Abhängigkeit von der geometrischen Form des Messgegenstandes. Allerdings sind derartige Maßnahmen begrenzt, da für die in der Praxis hauptsächlich interessierenden Schichtdicken im Bereich 0-300 µm die Sonden in den Abmessungen so klein gehalten werden müssten, daß eine Realisierung derartiger Bauformen technisch nicht mehr möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die unerwünschte Abhängigkeit des Messwertes von der geometrischen Form des Messgegenstandes durch eine Anordnung in einem weiten Bereich zu eliminieren. Gleichzeitig soll die Bauform der Meßsonde noch fertigungstechnisch leicht beherrschbar sein, und eine große Empfindlichkeit im praktisch interessierenden Messbereich von etwa 0-500 µm aufweisen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, daß eine krümmungs unabhängige Messwertermittlung ermöglicht ist. Aufgrund der koaxialen Anord nung einer weiteren Spule zu einer ersten Spule und der Abgabe von jeweils durch die Spulen ermittelten unterschiedlichen Ausgabewerten für den gleichen Messgegenstand zu einer Auswerteschaltung ist ermöglicht, daß die auf dem In nenkern vorgesehene Spule Messwerte mit sehr hoher Genauigkeit bezüglich der Schichtdicke abgibt und die weitere Spule eine sogenannte Überwachungsspule darstellt, die Messwerte von der Umgebung des ersten Messpunktes abgibt. Da durch kann ermöglicht werden, daß eine korrigierte Schichtdicke berechnet wer den kann, indem die durch die Rechenvorrichtung ermittelten Daten miteinander kombiniert werden, so daß die störenden Einflüsse aus der Umgebung ermittelt und kompensiert, bzw. herausgerechnet werden können.

Es sei darauf hingewiesen, daß in dieser Technik die zu messende Schicht nicht gegen Luft gemessen wird, sondern daß die zu messende Schicht immer auf ei nem Trägermaterial sitzt.

Dünne Schichten in diesem Sinne liegen im Bereich von 0 bis einigen hundert Mi krometern, können aber auch z. B. bis zu 15 mm dick sein, wenn z. B. Bitumen- oder Keramikschichten gemessen werden.

Mißt man magnetinduktiv, das heißt in der Sprache dieser Technik "niederfre quent", dann benötigt man zwei Wicklungen, nämlich eine Erregerwicklung und einer Induktionswicklung, wie z. B. die Wicklungen 33, 36 aus der DE 34 37 253 A1. Der Frequenzbereich liegt dabei ungefähr zwischen 20 Hz und 1 KHz. Mißt man nach dem Wirbelstromverfahren, so benötigt man nur eine einzige Spule, denn diese liegt im Schwingkreis eines Oszillators und ändert ja nach Bedämp fung ihre Frequenz. Der verwendete Frequenzbereich liegt hier zwischen 100 KHz und 10 MHz.

Mißt man bei Höchstfrequenz, so kann man zum Meßgegenstand hin offene Hohl raumresonatoren verwenden, die in diesem Frequenzbereich ein magnetisches Feld analog einer Spule erzeugen. Der Frequenzbereich kann dann grob bei 10 MHz bis 10 GHz liegen.

Eine "Spulenvorrichtung" im Sinne der Ansprüche kann daher eine einzige Spule sein, kann sich aus zwei oder mehreren Spulen aufbauen, kann ein Höchstfrequenz bauteil sein, welches ein magnetisches Feld erzeugt, kann in Multi-Layer-Technik oder ähnlicher Technik hergestellt sein.

Die Erfindung wird nunmehr anhand zweier Ausführungsbeispiele beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch den unteren Teil einer Sonde, die ansonsten weiters nicht dargestellt ist, wesentlich vergrößert jedoch maßstäblich,

Fig. 2 die explodierte Darstellung eines ganz ähnlichen Ausführungsbeispiels,

Fig. 3 ein Kurvendiagramm zur Erläuterung der Erfindung,

Fig. 4 eine Rechenvorrichtung für die Erfindung,

Fig. 5 eine erste Tabelle, die darstellt, was die Erfindung leistet,

Fig. 6 eine zweite Tabelle im gleichen Sinn.

Eine Sonde 11 dient zur Messung nach dem Wirbelstromprinzip. Sie hat eine geometrische Längsachse 12. Zu ihr ist ein koaxialer Kern 13 aus Ferrit vorgesehen, der einen Außendurchmesser von 1,4 mm hat. An diesem Maß kann man sich andere Maße herausmessen. Er wird in seinem unteren Bereich durch eine Stufe 14 auf einen Spulenkern 16 reduziert, der unten eine Aufsetzkalotte 17 aus abriebfestem Material aufweist. Auf dem Spulenkern 16 sitzt eine Spute 18 aus Kupferdraht, deren beide Anschlußdrähte 19, 21 nach oben geführt sind und die - soweit sie den Kern 13 passieren - in einer Längsnut 22 des Kerns 13 verlaufen. Mit einer symbolisch dargestellten Abschirmung 23 sind die Anschlußdrähte 19, 21 abgeschirmt und oben an Kontakten 24, 26 einer Anschlußplatte 27 befestigt, die auf nicht dargestellte Weise starr am nicht dargestellten Sondenkorpus befestigt ist.

Die Mitte des magnetischen Felds der Spule 18 und die Mitte des Spulenkerns 16 fallen mit der geometrischen Längsachse 12 zusammen, die die Oberfläche der Aufsetzkalotte 17 exakt in deren Mitte durchstößt.

Koaxial zur geometrischen Längsachse 12 sitzt eine Außenhülse 28 aus Ferrit, deren untere kreisringförmige Stirnfläche 29 senkrecht zur geometrischen Längsachse 12 steht und knapp oberhalb der Aufsetzkalotte 17 endet. Oberhalb des Kerns 13 bildet sich ein Hohlraum 31, in dem die Anschlußdrähte 19, 21 mechanisch und elektro magnetisch geschützt verlaufen. Zwischen der kreiszylindrischen Innenwand 32 und der ebenso gestalteten Außenwand des Kerns 13 ist ein in der Zeichnung nicht darstellbarer Spalt, der eine Relativverschiebung längs der geometrischen Längsachse 12 erlaubt, als magnetischer Widerstand jedoch vernachlässigbar ist. Etwa auf halber Höhe hat die Außenhülse 28 eine nach innen gerichtete Stufe 33. Es entsteht so ein in der Wandstärke etwa halb so dickes, kreiszylindrisches und zur geometrischen Längsachse 12 koaxiales Spulen rohr 34. Auf diesem sitzt eine Spule 36 aus dünnem Kupferdraht, deren magnetisches Feld im Betrieb in seiner Mitte mit der geometrischen Längsachse 12 zusammenfällt. Anschlußdrähte 37, 38 der Spule 39 sind durch eine nach außen offene Längsnut 39 zu Kontakten 41, 42 der Anschlußplatte 27 geführt.

Eine Abschirmhülse 43 aus magnetisierbarem, hochpermeablem Werkstoff ist koaxial zur geometrischen Längsachse 12 und ist ein Kreisringzylinder. Ein Spalt zwischen der Innenwand 44, der Abschirmhülse 43 und der Außenwand 46 der Außenhülse 28 ist vom magnetischen Widerstand her gesehen bedeutungslos, gestattet jedoch eine geführte Relativbewegung der Abschirmhülse 43 auf der Außenhülse 28. Die untere Stirnfläche 47 steht senkrecht zur geometrischen Längsachse 12 und läßt die Stirnfläche 29 und damit auch die Aufsetzkalotte 17 nach unten heraustreten. Oben schließt die Abschirmhülse 43 mit der Außenhülse 28 ab. Alle gegeneinander verschieblichen Teile können z. B. durch Klebstoff nach dem Justieren unverrückbar miteinander verbunden werden.

Die Konstruktion schafft unter anderem zwei kreiszylindrische Ringspalte 48, 49, in denen die auf der gesamten verfügbaren Höhen gewickelten Spulen 18, 36 sitzen.

Das zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich vom soeben geschilderten Aufbau nur dadurch, daß hier die Spulen 51, 52 einen rechteckigen Querschnitt 53, 54 haben. Dabei ist der Querschnitt 54 gemäß Fig. 2 relativ schlanker als der Querschnitt 53.

Die Ringspalte 48, 49 könnte man ansich auch in einem Topfkern einstückig vorsehen. Zur Zeit sind jedoch keine Topfkerne bekannt, die serienmäßig käuflich wären und damit genügend billig wären und zugleich auch die notwendige Maßhaltigkeit und Koaxialität hinsichtlich der geometrischen Längsachse 12 hätten.

Weist der Messgegenstand eine Abweichung von der ebenen Form mit unendlicher Ausdehnung auf, dann liegt ein sogenannter Geometrieeinfluß vor. Die Abweichung von der besagten ebenen Form hat auf die äußere Spule 36 einen größeren Einfluß als auf die innere Spule 18. Aus der äußeren Spule 36 wird ein Signal abgeleitet, welches zur Kompensation des geometrischen Einflußes auf die Messgröße benutzt wird.

Realisiert wird dies, indem die Spule 18 mit einer anderen Frequenz als die äußere Spule 36 erregt wird. Die Frequenzen weisen ein Verhältnis von 1 : 2 bis 1 : 10 auf, wobei die innere Spule 18 zweckmäßigerweise mit der höheren Frequenz erregt wird. Es stehen somit zwei Signale unterschiedlicher Frequenz zur Verfügung, welche sich mit geeigneten Schaltungen decodieren lassen. In der Fig. 3 sind die zur Erklärung notwendigen Kennlinien einer Wirbelstromsonde, welche zur Messung von nicht leitenden bzw. schwach elektrisch leitenden Schichten auf Nichteisenmetall konzipiert ist, abge tragen. Die nominierte Meßgröße wird dadurch gewonnen, indem auf einer Referenz probe mit ebener Fläche, welche gegenüber den Abmessungen der Sonde als unendlich groß anzusehen ist, und die eine Leitfähigkeit von 10-60 mS/m aufweist, elektrische Referenzwerte bestimmt werden. Diese Meßwerte können sowohl als Spannungen als auch in Form von frequenzverschlüsselten Signalen vorliegen. Von der inneren Spule 18 wird bei auf die ebene Referenzfläche aufgesetztem Meßsystem der Meßwert x_o1 gewonnen, welcher in einem Speicher abgelegt wird. In der äußeren Kompensationsspule wird ein zweiter Meßwert x_o2 in einem weiteren Speicher abgelegt. Durch Abheben der Sonde von der ebenen Referenzfläche wird ein weiteres Meßwertepaar x_s1, x_s2 gewonnen, welche als sogenannte Sättigungswerte wiederum in Speichern abgelegt werden, wobei sinngemäß x_s1 zur Spule 18 und x_s2 zur Spule 36 gehört. Die Entfernung von dem Meßgegenstand muß so groß sein, daß keine Beeinflussung mehr durch diesen wahrnehmbar ist. In der Regel ist dies etwa der 4-fache Abstand des Durchmessers der Spule 36. Die unendlich große ebene Referenzfläche ist dann gegeben, wenn diese etwa den 3-fachen Durchmesser der Abschirmhülse 43 besitzt. Es stehen somit vier Referenzwerte x_o1, x_s1 für die Spule 18 und x_o2, x_s2 für die Spule 36 zur Verfügung. Die Signale x₁ der Spule 18 und x₂ der Spule 36 liegen somit immer zwischen den Grenzwerten x_o1 und x_s1 bzw. x_o2 und x_s2 und werden in bekannter Weise wie folgt normiert:

für Spule 18, sowie

für die Spule 36.

Die auf diese Weise normierten Meßgrößen sind in Fig. 3 halblogarithmisch dargestellt. Auf der Abszisse ist die jeweilige normierte Meßgröße und auf der Ordinate der Loga rithmus zur Basis 10 der Schichtdicke abgetragen. Die mit 56 bezeichnete Kennlinie gehört zur inneren Spule 18, die mit 57 bezeichnete Kennlinie gehört zur äußeren Spule 36 nach Eichung auf der unendlich großen Ebene. Definitionsgemäß liegt der jeweils normierte Meßwert zwischen 0 und 1, die beiden Kurven 56 und 57 nähern sich den Grenzwerten 0 und 1 asymptotisch. Wie leicht einzusehen ist, liegt die zur äußern Spule 36 gehörende Kennlinie 57 deutlich über der Kennlinie 56 der inneren Spule 18. Setzt man nun die Sonde 11 auf einen konkav gekrümmten Meßgegenstand, dann ent stehen die mit 58 und 59 bezeichneten Kennlinien, zu welchen die Asymptoten 61 und 62 für die Schichtdicken 0 gehören. Die Kennlinie 58 gehört zur Spule 18 und 59 zur Spule 36. Die Asymptote bei unendlich großer Schichtdicke ist bei beiden Spulen die senkrecht auf dem Abszissenwert 1 stehende Ordinate, da die Spulen 18, 36 im abge hobenen Zustand nicht mehr erkennen, ob zuvor ein konkav gekrümmter oder ebener Meßgegenstand vorhanden war. Will man nun feststellen, wie groß die systematische Einflußgröße bei einer Schichtdicke t und konkaver Krümmung ist, (im vorliegenden Fall ein Zylinder mit 6 mm Durchmesser), dann wird z. B. bei der willkürlich gewählten Schichtdicke von 30 µm der in Fig. 3 der entsprechende Ordinatenwert abgetragen, welcher die Kurve 58 in dem Punkt 63 schneidet. Die Abweichung der Ebene läßt sich bestimmen, indem auf 63 das Lot errichtet wird, welches die zum ebenen Meßgegen stand gehörende Kennlinie 56 im Punkt 64 schneidet. Ohne Korrektur würde der dem Punkt 64 entsprechende Meßwert t₁ angezeigt. Die Strecke 66 ist somit identisch mit der durch die konkave Krümmung des Meßgegenstandes (Zylinder 6 mm Durchmesser) vorgetäuschte zusätzliche Schichtdicke. Der bei 64 zur Innenmeßspule gehörende Meß wert t₁ folgt, wie leicht einzusehen ist, der Beziehung

t₁ = t + c

Die gleiche Betrachtungsweise kann mit den Kennlinien 57, 59, welche zur äußeren Spute 36 gehören, angestellt werden. Der zur gleichen Schichtdicke gehörende Meßwert schneidet die Kennlinie 59 im Punkt 67 und man kann auf der zum ebenen Meß gegenstand gehörenden Kennlinie 57 den im Punkt 68 gelesenen Meßwert t₂ bestimmen. Wie ersichtlich, ist die krümmungsbedingte Einflußgröße

c . z(x_n) (1)

wie nicht anders zu erwarten, wesentlich größer als bei der Spule 18. Man kann deshalb zwei Gleichungen wie folgt anschreiben:

t₁ = t + c (2a)

t₂ = t + cz(x_n) (2b)

Der Faktor z(x_n) ist in erster Näherung eine nahezu konstante Größe, d. h. ein vom Durchmesserverhältnis der Spulen 18, 36 abhängiger konstanter Faktor. Aus den beiden Gleichungen läßt sich nun die störende, von der Geometrie des Maßgegenstandes abhängige, systematische Einflußgröße eliminieren und folgende Gleichung anschreiben:

Anstelle von t wird t_corr geschrieben, da z(x_n) im mathematischen Sinn nie exakt für alle Einflussgrössen konstant ist.

In dieser Formel bedeuten t₁ und t₂ definitionsgemäß die bei der beliebigen Schicht dicke t zu den gleichen konvexen oder konkaven Krümmungen gehörenden Meßwerte, welche von der Spule 18 und der Spule 36 abgeleitet wurden. Falls auf der Ebene gemessen wird, ist definitionsgemäß t₁ = t₂ und somit der Subtrahend in Gl (3) = 0. In diesem Sonderfall entspricht die gemessene Schichtdicke t dem Meßwert t₁ der Spule 18. Je größer die Differenz t₂ - t₁ ist, umso größer wird der Subtrahend um welche, wie leicht einzusehen ist, t₁ verringert ist, weil jede konvexe Krümmung gegenüber der Ebene eine zusätzliche Schicht vortäuscht. Da der Zahlenfaktor z(x) bei einem Verhältnis der Spule 36 zur Spule 18 von etwa 2 einen Wert von ca. 12 besitzt, ist diese Größe nicht kritisch. Ein fester Zahlenwert für z erlaubt bereits im Bereich 0 < x < 0.6 eine um den Faktor 20-100-fache Verringerung des systematischen Einflußes, bei einem Durchmesser einer zylindrischen gekrümmten Oberfläche, welche etwa dem Durchmesser der Spule 36 entspricht. Bei einem doppelt so großen Wert ist die Kompensation nahezu ideal mit einem konstanten Zahlenfaktor z möglich.

Um einen Fehler zweiter Ordnung zu eliminieren, kann z als Funktion von x_n1 oder x_n2 berechnet werden. Zweckmäßigerweise wählt man x_n1. Nachfolgend wird deshalb nur noch die Schreibweise x_n verwendet. Dies, wie bereits beschrieben, geht aus der Schreibweise z(x_n) hervor. Die Funktion z(x_n) kann z. B. wie folgt aussehen:

z(x_n) = z_o(1 - αX^p _n) 2 < p < 5; 0,2 < α < 0,6 (4)

Da z(x_n) < 1 läßt sich nach Differentiation von Gl. (3) folgende Näherung anschreiben:

Die relative Änderung Δ z(x_n)/z(x_n) ist, wie ausgeführt, in Abhängigkeit von x_n gering und führt, wie aus Gl. (4) hervorgeht, in dem meßtechnisch interessierenden Bereich von x = 0 bis 0.6 somit zu einem faktisch zu vernachlässigbarem Fehler Δt. Da die Differenz t₂ - t₁ sowohl von z(x_n) als auch von der relativen Abweichung geschwächt wird, ist in dem weniger wichtigen Bereich von x_n 0.6 unter Berücksichtigung von Gl. (4) desgleichen eine hervorragende Krümmungskompensation möglich, da, wie aus Gl. (5) ersichtlich, das Produkt aus den beiden Quotienten den Restfehler zweiter Ordnung bestimmt.

Den gezeigten Kennlinien in Fig. 3 liegt ein Durchmesser der inneren Spule 18 von ca. 1.5 mm und der äußeren Spule 36 von ca. 3 mm zugrunde. Mit einer derartigen Sonde 11 lassen sich mühelos Schichtdicken krümmungskompensiert bis 1500 µm messen. Vergrößert man das System linear, dann ist auch der Messbereich entsprechend größer. Die Kompensationsfähigkeit der Krümmung wird dann allerdings entsprechend geringer. Desgleichen die Messempfindlichkeit für dünne Schichten.

Aus Fig. 5 und 6, welche sich auf die Kennlinien in Fig. 3 beziehen, ist ersichtlich, zu welch hervorragenden Ergebnissen man mit der erfindungsgemäß beschriebenen Anordnung gelangt. Nach dem heutigen Stand der Digitaltechnik ist es unter Verwendung von Mikroprozessoren ohne Schwierigkeiten möglich, den mathematischen Algorithmus in Bruchteilen einer Sekunde abzuarbeiten, so daß die Bildung des Messwertes durch Zusatzalgorithmen nicht belastet wird. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kommt man dem Ideal einer krümmungs unabhängigen Messung nach Eichung auf der Ebene sehr nahe. Da der Messgegenstand in den meisten Fällen nur beschichtet vorliegt und eine Eichung auf einem ebenen Referenzwerkstoff ohne Schwierigkeiten zu Kontrollzwecken möglich ist, ist für den Anwender eine erheblich Vereinfachung der Messverfahren gegeben.

In Fig. 5 ist links die Sollschichtdicke, d. h. die tatsächliche Schichtdicke in µm angegeben. Hätte man nur die Spule 18, dann würde man Schichtdicken von 79.3, 103.2 usw. µm messen. Es würden Messwerte angezeigt, welche um den Faktor 3 . . . 2 grösser wären als der wahre Messwert, bezogen auf einen Zylinder von 6 mm Durchmesser. Die nächste Spalte stellt die durch die Erfindung ermittelbare Schichtdicke von 26.4, 49.5 usw. dar. In der ganz rechten Spalte ist die Differenz zwischen der korrigierten Schichtdicke und der Sollschichtdicke in µm dargestellt. Wie man sieht, erhält man durch die Erfindung eine nahezu vollständige Kompensation des Krümmungseinflusses.

Während Fig. 5 den Fall zeigt, bei dem ein Meßgegenstand mit konstantem Durch messer, nämlich 6 mm Durchmesser, mit unterschiedlichen Schichtdicken beschichtet ist, zeigt Fig. 6 die Variante unterschiedliche Durchmesser in µm bei stets gleich dicker Beschichtung von 49 µm. Auch hier sieht man, welch erhebliche Verbesserung durch die Erfindung erzielbar ist.

Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm zur Berechnung der korrigierten Schichtdicke t_o aus den Meßwerten x₁ und x₂ der Spulen 18 und 36. Die beiden mit runden Ecken gezeichneten Kästchen bedeuten Programmspeicher, in denen - links - der Meßwert x_o1 für den ebenen unbeschichteten Meßgegenstand und der Meßwert für die Sätti gungsschichtdicke x_s1 abgelegt ist und zwar für die Spule 18. Dasselbe ist rechts für die Spule 36 angegeben. Diese Rechenformel ist in der Beschreibung angegeben. Man erhält also x_n1 und x_n2, so daß die Meßgröße sich nur zwischen 0 und 1 bewegen kann, wie dies Fig. 3 zeigt. Nunmehr wird links die normierte Meßgröße x_n1 mit den Parametern der Spule 1 verknüpft, das heißt in diesem Programmspeicher liegt der Verlauf der Kurve 56. Durch die Verknüpfung erhält man die Schichtdicke t₁, die sich auch in Fig. 3 findet.

Sinngemäß das Gleiche findet rechts statt, d. h. in den Programmspeicher "Parameter Spule 2" wurde der Verlauf der Kurve 58 abgelegt. Es wird dann rechts die Differenz t₁ - t₂ gebildet. Auf gleicher Höhe links liegt in einem Programmspeicher der Para meter für z. Dieser ist ja weitgehend konstant, z. B. gleich der Zahl 12 und hat eine merkliche Veränderung nur im oberen Bereich der normierten Meßgröße. Die weiteren Verknüpfungen lassen sich anhand der Formeln leicht nachvollziehen. Wie aus der Gl. (3) ersichtlich ist, muß t₁ noch mit dem dort angeschriebenen Quotienten ver knüpft werden, so daß man auf die korrigierte Schichtdicke t_c kommt, die gleich t in Gl. (3) ist und die sich auch in den Fig. 5 und 6 in der zweiten Spalte von rechts befindet.

In Fig. 4 bedeuten die eckigen Umrahmungen Meßwerte oder Ergebnisse von Berech nungen. Umrahmungen mit runden Ecken bedeuten Parameter, die im Programmspeicher abgelegt sind. Diese Parameter sind entweder fest vorgegeben oder zu einem früheren Zeitpunkt durch Messung bestimmt worden. Runde Kreise bezeichnen eine Rechen operation.

Die geringe Korrektur des Rechenfaktors z(x_n) kann sowohl in Abhängigkeit von x_n1 (wie in Fig. 3 eingezeichnet) vorgenommen werden als auch in Abhängigkeit von x_n2. Da die Schichtdicke und insbesondere die korrigierte Schichtdicke eine Funktion von x_n1 ist, ist es zweckmäßig, die Korrektur von z(x_n) in Abhängigkeit von x_n1 vorzunehmen.

Die Erfindung ist zahlreicher Variationen fähig. Die Berechnung der korrigierten Schichtdicke t_corr muß nicht unbedingt über eine Normierung erfolgen. Vielmehr kann man auch ohne Normierung die Kurven aufnehmen und dann später rechnen, was bei den heutigen Rechenvorrichtungen kein Problem ist. Der Vorteil bei der Normierung besteht darin, dass eine Kalibrierung auf einem ebenen unbeschichteten Messgegenstand vorgenommen werden kann, welche nur in grösseren Zeitinter vallen überprüft werden muss.

Claims

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Messung der Dicke dünner Schichten mit einer Sonde (11), die zumindest eine erste Spule (18; 51) unverrückbar auf einem Innenkern und zumindest eine weitere Spule (36; 52) aufweist, deren geometrische Mitte (12) und die geometrische Mitte (12) des Innenkernes sich decken, wobei von den Spulen (18, 36; 51, 52) Leitungen (19, 21; 38, 39) nach außen geführt und an eine Auswerteschaltung zur Berechnung der Schichtdicke aus Ausgabewerten angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet,
daß während eines Meßvorganges von der zumindest ersten Spule (18; 51) und der zumindest einen weiteren Spule (36; 52), die zumindest teilweise koaxial zur ersten Spule (18; 51) angeordnet ist, jeweils unterschiedliche Ausgabewerte für den gleichen Meßgegenstand abgegeben werden und
daß während des Meßvorganges auftretende Ausgabewerte der Spulen (18, 36; 51, 52) in einer Rechenvorrichtung nach der Schichtdicke t aufgelöst werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke t durch die Gleichung
ermittelt wird, wobei die Größe t_corr von der normierten krümmungsbedingten Größe z(x_n) abhängig ist und der krümmungsunabhängigen Schichtdicke t entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabegröße der einen Spule (18; 51) vom Typ
t₁ = Δ₁+ t
ist, wobei t₁ der Meßwert, Δ₁ eine Konstante und t die gesuchte Schichtdicke ist und die Ausgabegröße der anderen Spule (36; 52) vom Typ
t₂ = Δ₂+ t
ist, wobei t₂ deren Meßgröße und Δ₂ deren Konstante ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß gesetzt wird
Δ₁ = c und Δ₂ = c.z(x_n),
wobei z eine Konstante und x_n eine normierte Meßgröße der jeweiligen Spu len (18, 36; 51, 52) ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinien (56, 57, 58, 59) Meßgröße/Schichtdicke für einen ebenen Meßgegenstand in der Rechenvorrichtung gespeichert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinien (56, 57, 58, 59) in einer Form gespeichert sind, bei der die Meßgröße nor miert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße auf einen Bereich zwischen 0 und 1 normiert wird.

8. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung der Dicke dünner Schichten, ins besondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Sonde (11) vorgesehen ist, die einen Innenkern (13) zumindest mit einer unverrückbar darauf angeordneten Spule (18; 51) aufweist,
daß zumindest eine weitere Spule (36; 52) vorgesehen ist, wobei die geo metrische Mitte (12) des Innenkerns (13) und die geometrische Mitte (12) der Spulen (18, 36; 51, 52) sich decken,
daß die zumindest eine weitere Spule (36; 52) zumindest teilweise koaxial zur ersten Spule (18; 51) angeordnet ist,
daß Leitungen (19, 21, 38, 39) vorgesehen sind, die von den Spulen (18, 36; 51, 52) nach außen geführt und an eine Auswerteschaltung zur Berechnung der Schichtdicke aus Ausgabewerten angeschlossen sind,
daß die Spulen (18, 36; 51, 52) unterschiedliche Ausgabewerte bei einem Meßvorgang an demselben Meßgegenstand an die Auswerteschaltung einer Rechnervorrichtung zur Ermittlung der Schichtdicke t abgeben.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen (18, 36; 51, 52) einen unterschiedlichen mittleren Durchmesser haben.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18, 36) aus Draht gewickelte Spulen umfassen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen Höchstfrequenzbauteile sind, die gebündelte magnetische Felder erzeugen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18, 36; 51, 52) konzentrisch zur geometrischen Mittenachse (12) der Sonde (11) angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18, 36; 51, 52) kreisförmig sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (51, 52) einen konstant länglich rechteckigen Querschnitt (53, 54) haben.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18, 36; 51, 52) bei einem niederfrequenten magnetinduktiven Betrieb auf einem Kern aus hochpermeablem Eisen sitzen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Eisen Silizium-Eisen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18, 36; 51, 52) bei einem hochfrequenten Wirbelstromprinzip auf einem Kern aus ferritischem Werkstoff sitzen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18, 36; 51, 52) bei höchstfrequentem Betrieb auf einem nichtleitenden Werkstoff, vorzugsweise Keramik oder Kunststoff oder dergleichen, sitzen.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 18, dadurch ge kennzeichnet, daß bei niederfrequentem Betrieb zwischen beiden Spulen (18, 36; 51, 52) eine Abschirmung vorgesehen ist, die aus hochpermeablem Eisen, insbesondere Silizium-Eisen besteht.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei hochfre quentem Betrieb die Abschirmung (43) aus ferritischem Werkstoff ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei höchstfre quentem Betrieb die Abschirmung (43) aus gut leitendem Metall, vorzugs weise Kupfer oder Silber, ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschir mung (43) verschiebbar ist.

23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung eine kreisringförmige Wand ist, die konzentrisch zur geometrischen Mitte (12) der Sonde (11) ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine die äuße ren Spulen (36, 52) überfangende Abschirmhülse (43) vorgesehen ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zu Abgleich zwecken zumindest ein Teil der Sonde (11) relativ zu anderen Teilen der Sonde (11) verschiebbar ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Innenkern (13) und eine Außenhülse (28) einstückig sind und daß die Auf nahmeräume (48, 49) für die Spulen (18, 36; 51, 52) aus dem Vollen heraus gearbeitet sind.