DE4333419C5

DE4333419C5 - Verfahren und Vorrichtung zur Schichtdickenmessung und Meßsonde für eine kombinierte Schichtdickenmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE4333419C5
Application number: DE4333419A
Authority: DE
Inventors: Frank J. Koch; Leon C. Vandervalk; David J. Beamish
Original assignee: Defelsko Corp
Current assignee: Defelsko Corp
Priority date: 1992-10-05
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2013-10-01
Also published as: GB2271641A; GB2271641B; GB9319413D0; DE4333419C2; JP2698749B2; US5343146A; JPH06317401A; USRE35703E; DE4333419A1

Abstract

Verfahren zur Schichtdickenmessung von eisenfreien oder nicht-magnetischen Schichten auf einem eisenhaltigen oder magnetischen Substrat sowie von nicht-leitenden Schichten auf einem leitenden Substrat, wobei:
– eine Schichtdickenmeßvorrichtung mit einer einzigen Meßsonde zum Durchführen beider Meßarten an einer einzigen Stelle verwendet wird, um mit der einzigen Meßsonde automatisch die Substrateigenschaften zu bestimmen und eine Schichtdickenmessung auf dem charakterisierten Substrat durchzuführen;
– die einzige Meßsonde auf die Oberfläche eines beschichteten Substrats aufgesetzt und geprüft wird, ob ein eisenhaltiges Substrat vorliegt, durch Anlegen eines magnetischen Gleichfeldes durch einen in der Meßsonde befindlichen Gleichfeldmagneten (30) und Messen der magnetischen Flußdichte in der Umgebung der Polfläche des Gleichfeldmagneten (30);
– die Schichtdicke anhand der gemessenen magnetischen Flußdichte bestimmt wird, falls ein eisenhaltiges Substrat ermittelt wird; oder
– automatisch in einen Modus umgeschaltet wird, um im Substrat auftretende Wirbelstromeffekte zu messen und die Schichtdicke anhand dieser Messung zu bestimmen, falls ein leitendes Substrat...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schichtdickenmessung von eisenfreien oder nicht-magnetischen Schichten auf einem eisenhaltigen oder magnetischen Substrat und von nicht leitenden Schichten auf einem leitenden Substrat. Die Erfindung betrifft ferner eine Meßsonde zur Schichtdickenmessung.
In der Vergangenheit waren Betreiber von Schichtdickenmeßvorrichtungen in der Regel gezwungen, den Substrattyp zu bestimmen, bevor die eigentliche Messung der Dicke einer Schicht auf diesem Substrat durchgeführt wurde. In Kenntnis des Substrattyps hat dann der Betreiber eine geeignete Sonderkonfiguration ausgewählt und sodann die entsprechende Dickenmessung durchgeführt. In der Regel benötigt der Bediener dabei zwei getrennte unabhängige Meßsysteme bzw. zwei unabhängige Sonden, die zu einer Meßvorrichtung kombiniert sein können. Zusätzlich dazu hat der Bediener die Eigenschaften der Probe (Kombination aus Schicht und Substrat) zu bestimmen, bevor die eigentliche Schichtdickenmessung auf dem derartigen charakterisierten Substrat durchgeführt wird.
Daher besteht seit langem ein Bedürfnis nach einer Vorrichtung, die in der Lage ist, Substrateigenschaften und Messungen der Schichtdicke auf dem Substrat automatisch durchzuführen. Eine derartige Vorrichtung würde dem Bediener erlauben, die einzelne Meßsondenspitze der Vorrichtung auf der Probe zu plazieren und mit geeigneten Meßinstrumenten, die mit der Meßsonde verbunden sind, den Substrattyp festzustellen und automatisch die Schichtdicke zu messen.
Nach dem Stand der Technik sind bereits mehrere elektromagnetische Dickenmeßvorrichtungen bekannt, die mehrere Zwecke erfüllen:
Z. B. beschreibt das US-Patent Nr. 3 986 105 (basierend auf der DE 24 10 047 A1 ) von NIX et al. eine Meßsonde, die zwei Spulen verwendet, welche um einen verlängerten ferromagnetischen Kern gewunden sind. Auch dort ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schichtdickenmessung von nicht leitenden Schichten auf elektrisch leitender Unterlage bzw. von elektrisch leitenden Schichten auf nicht leitender Unterlage nach dem Wirbelstromverfahren offenbart. Für die Messung der Schichtdicke von nicht-magnetischen Schichten auf magnetischer Unterlage wird jedoch ein magnet-induktives Verfahren verwendet. Dabei wird im wesentlichen die Änderung des magnetischen Widerstandes zwischen einer Meßsonde und einer magnetischen Schicht ausgenutzt. Durch Änderung der Induktivität der Meßsonde in Abhängigkeit des Abstandes zur magnetischen Schicht können Rückschlüsse auf die Schichtdicke der zu messenden nicht-magnetischen Schicht gewonnen werden. Hierfür umfaßt die vorgeschlagene Meßsonde einen Permanentmagneten, der zur Vormagnetisierung eines Polkerns dient, also zur Verstärkung der in den Meßwicklungen erfaßten Signale. Der Permanentmagnet hat sonst keine weitere Funktion. Der Polkern ist weiter von einer Erregerwicklung und zwei in Differenzschaltung gekoppelten Meßwicklungen umgeben. In diesem magnet-induktiven Meßmodus wird die Anregerspule mit einer niederfrequenten Frequenz (unter 300 Hz) betrieben, während hochfrequente Anregungsströme (oberhalb 1000 Hz) die Messung von Schichtdicken im Wirbelstrommodus ermöglichen.
Außerdem müssen bei der bekannten Meßsonde von NIX et al. die Meßbetriebszustände der Dickenmessung (geringe oder hohe Frequenz der Anregungsspule) in Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaft des Substrats aufwendig per Hand eingestellt werden.
Das US-Patent Nr. 4 005 359 von SMOOT beschreibt ebenfalls eine elektronische Dickenmeßvorrichtung zur Messung von Schichtdicken auf eisenhaltigen oder leitenden Substraten. Dabei ist die Meßprobe quer zum Spalt eines an der Stirnseite offenen Transformators zwischen dessen Polflächen angeordnet. Je nach Dicke der zu messenden Schicht auf der Probe treten Änderungen der Eigeninduktivität sowie der Kopplungseigenschaften des Transformators auf, welche anhand der Veränderungen der Peakfrequenz eines niederfrequenten Anregungsstromes erfaßt werden. Auf diese Weise können sowohl Schichtdicke als auch magnetische Eigenschaften des Substrats in einem Meßvorgang bestimmt werden. Die bekannte Anordnung verwendet hierfür jedoch weder einen magnetischen Flußdichtesensor noch einen Wirbelstromsensor, um die gewünschte Schichtdickenmessung durchzuführen. Da die Dickenmeßvorrichtung von SMOOT außerdem einen Transformator mit offener Stirnseite erfordert und das Substrat quer zum Spalt des Transformators angeordnet hat, befindet sich die Vorrichtung zwingend an wenigstens zwei Stellen in Kontakt mit dem beschichteten Substrat, so daß die für die Messung erforderlichen Kontaktflächen mit dem Substrat relativ groß sind. Aufgrund dieser Bauweise kann die bekannte Dickenmeßvorrichtung auch nicht kompakt in einer einzigen Meßsonde untergebracht werden.
Ferner offenbart die DE 26 40 155 A1 eine Schichtdickenmeßvorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Dicke einer sich bewegenden Meßprobe, z. B. einer Folie oder eines Bleches, nach dem Induktionsprinzip. Dabei geht es auch darum, etwaige Effekte durch Temperaturschwankungen über Gegenmaßnahmen zu kompensieren.
Auch die EP 0 028 487 A1 beschreibt eine Schichtdickenmessung auf einem ferromagnetischen Substrat nach dem Hall-Effekt-Prinzip. Es fehlt dabei aber bereits an der Möglichkeit der Schichtdickenmessung auf einem leitenden eisenfreien Substrat.
Nach alledem besteht das Bedürfnis nach einer kombinierten Meßvorrichtung mit einer einzigen kompakten Schichtdickenmeßsonde, die eisenhaltige Substrate und eisenfreie Substrate überprüfen und messen kann, wobei bevorzugt automatisch von einem Meßbetriebsmodus in den anderen geschaltet werden kann.
Auch das US-Patent Nr. 4,255,709 von ZATSEPIN et al. beschreibt eine Vorrichtung zur Dickenbestimmung von aufgetragenen Schichten, die je nach der speziellen Anwendung einen unterschiedlichen Typ von Dickenmeßsonden benötigt, z. B. vom elektromagnetischen, vom Mikrowellen- oder vom Ultraschalltyp. Die Vorrichtung mißt die Dicke von dielektrischen Schichten, die auf metallischen Proben aufgetragen sind, und von nicht-magnetischen galvanischen Abtragungen bzw. Niederschlägen auf ferromagnetischen Proben. Die Vorrichtung mißt dann die Schichtdicke von nicht-magnetischen, stromleitenden Schichten auf nicht-magnetischen, stromleitenden Materialien mit einer geeignet ausgewählten Dickenmeßsonde. Das Schichtdickenmeßsystem von ZATSEPIN et al. verwendet zwar eine automatische Meßbereich-Schalteinheit. Diese wird jedoch zum automatischen Umschalten von einem Dickenmeßbereich in einen anderen eingesetzt, ohne Rücksicht auf die magnetische Eigenschaft des darunter liegenden Substrats. Denn bei ZATSEPIN et al. werden die Dickenmesser aufwendig per Hand und nicht automatisch in Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaft des Substrats umgestellt bzw. umgeschaltet. Daher besteht ferner das Bedürfnis nach einer kompakten Einzelmeßsonde für eine kombinierte Schichtdickenmeßvorrichtung, die ein automatisches Umschalten von einem Meßbetriebsmodus der Schichtdickenmessung in einen anderen ermöglicht, – und zwar in Abhängigkeit der Eigenschaften des darunterliegenden Substrats, die automatisch bestimmt werden sollen.
Eine weitere Vorrichtung zur Schichtdickenmessung offenbart das US-Patent Nr. 4,722,142 von SCHMIDT zur Dickenmessung von Schichten, die kaum leitend sind, z. B. Kunststoff, an der Innenwand eines metallischen, rohrförmigen Vorrichtungsteils und entlang der Länge dieses metallischen, rohrförmigen Teils. Vorzugsweise verwendet die Vorrichtung einen Nahwirkungsdetektor, basierend auf elektronischen Wirbelstromverlusten, um die Schichtdicke zu messen.
Das US-Patent 5,015,950 von ROSE et al. beschreibt eine Vorrichtung für die zerstörungsfreie Untersuchung von Sperr- bzw. Grenzschichten auf elektrisch leitenden Materialien, die eine kontrollierte bekannte Hitzeladung auf einem begrenzten Bereich der Schicht anlegt und die Veränderung in der elektrischen Leitfähigkeit des darunter liegenden Materials mit Hilfe einer Wirbelstromspule mißt. Die elektrische Leitfähigkeit des Materials wird beeinflußt durch Temperaturänderungen aufgrund der thermischen Leitung in das Material durch die darüber liegende Schicht, so daß die Dicke der Schicht, ihre thermische Leitfähigkeit und/oder ihre strukturellen Eigenschaften untersucht werden können, und zwar für jeden beliebigen Schichttyp.
Zwar verwenden die Schichtdickenmeßsysteme von SCHMIDT und ROSE et al. Wirbelstromdetektoren, um die Schichtdicken auf leitenden Substraten zu messen, aber weder SCHMIDT noch ROSE et al. verwenden einen Hall-Generator für die Messung von Schichtdicken auf eisenhaltigen Substraten, so daß weder SCHMIDT noch ROSE et al. ein automatisches oder manuelles Schalten der Detektoren bzw. Meßmodi je nach der magnetischen Eigenschaft des Substrats verwirklichen können.
Aus der Fachzeitschrift ”Verkehrsunfall und Fahrzeugtechnik”, Heft 6, Juni 1991, Seite 178, ”Elektronischer Schichtdicken-Anzeiger (ELSA)” ist eine Schichtdickenmeßvorrichtung bekannt, welche für Stahlblech und Aluminiumblech einsetzbar ist, z. B. zum Erkennen von Ungleichmäßigkeiten an mit einer Lackschicht überzogenen Karosserieblechen aus Stahl oder Aluminium. Die bekannte Vorrichtung arbeitet bei nicht-magnetischen Schichten auf Eisenmetall nach einem magnet-induktiven Verfahren und bei nicht-leitenden Schichten auf Nicht-Eisenmetall nach einem Wirbelstromverfahren. Die Meßsonde der Vorrichtung ist über ein Koaxialkabel mit einem separaten Auswertungsgerät verbunden. Zur Bestimmung der Schichtdicke werden die Änderungen des magnetischen Kraftflusses bei nicht-magnetischen Schichten bzw. die durch einen metallischen Grundstoff bestimmten Induktionsstromunterschiede bei nicht-leitenden Schichten an einem elektrischen Schwingkreis ausgewertet. In der Veröffentlichung ist des weiteren eine automatische Anpassung an den Substratwerkstoff angesprochen, jedoch nicht im Detail ausgeführt.
Daher besteht seit langem auch ein Bedürfnis nach einer kompakten Meßsonde für eine kombinierte Schichtdickenmeßvorrichtung zur Bestimmung der Schichtdicke von sowohl eisenfreien Schichten auf einem eisenhaltigen Substrat, als auch von nicht leitenden Schichten auf einem leitenden, eisenfreien Substrat. Dabei sollte die Meßsonde die Oberfläche des beschichteten Substrats an höchstens einer Stelle mit einer relativ kleinen Kontaktfläche berühren.
Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Schichtdickenmessung zu schaffen, die eine besonders einfache und mit geringem Arbeitsaufwand verbundene Schichtdickenmessung, sowohl von eisenfreien Schichten auf eisenhaltigen Substraten, als auch von nichtleitenden Schichten auf leitenden Substraten ermöglicht. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, eine hierfür geeignete Meßsonde zur Verfügung zu stellen.
Dieses Ziel erreicht die Erfindung durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 4 und 11. Weitere bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine kombinierte Schichtdickenmeßvorrichtung, die vorzugsweise als tragbare Handvorrichtung ausgebildet ist, ist besonders vorteilhaft in der Lage, sowohl eine eisenfreie Schicht auf einem eisenhaltigen Substrat, als auch eine nicht-leitende Schicht auf einem leitenden eisenfreien Substrat zu messen. Sie ist außerdem in der Lage, Substrateigenschaften und Messungen der Schichtdicke auf dem Substrat automatisch durchzuführen. Eine derartige Vorrichtung erlaubt es besonders vorteilhaft dem Bediener, nur eine einzelne Meßsondenspitze der Vorrichtung auf der Probe zu plazieren und mit geeigneten Meßinstrumenten, die mit der Meßsonde verbunden sind, den Substrattyp festzustellen und automatisch die Schichtdicke zu bestimmen.
Ferner wird eine kompakte Schichtdickenmeßsonde realisiert, die eisenhaltige Substrate mit Hilfe des Hall-Sensors und eisenfreie Substrate mit Hilfe der Wirbelstromuntersuchungsspule untersucht, wobei automatisch von einem Betriebszustand in den anderen geschaltet wird, und wobei die Meßsonde die Oberfläche des beschichteten Substrats an höchstens einem Ort mit einer relativ kleinen Kontaktfläche kontaktiert.
Außerdem ermöglicht die Meßsonde besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen kombinierten Schichtdickenmeßvorrichtung die automatische Bestimmung der Substrateigenschaften mit einer einzelnen Sonde und gleichzeitig die Durchführung einer Messung der Schichtdicke in Abhängigkeit des Substrattyps. In der Meßsonde sind die Sensoren, die für die Durchführung beider Arten von Messungen benötigt werden, in einer kompakten Sonde integriert.
Als eine Idee verwendet die Technik zur Schichtdickenmessung von Schichten auf einem eisenhaltigen Substrat einen Magneten, der einen konstanten magnetischen Fluß anlegt, sowie einen Hall- und einen Temperatursensor, insbesondere einen Thermistor, die an einem der Pole des Permanentmagneten angeordnet sind, um die von der Temperatur abhängige magnetische Flußdichte zu messen. Dabei besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der magnetischen Flußdichte am Magnetpol und der Dicke einer eisenfreien Schicht auf einem eisenhaltigen Substrat.
Die erfindungsgemäße Technik zum Messen von nicht leitenden Schichten auf einem leitenden eisenfreien Substrat basiert im wesentlichen auf sogenannten Wirbelstromeffekten. Eine Spule in der Nähe der Meßsondenspitze wird durch einen veränderlichen Strom angeregt, der zwischen ca. 6 MHz und ca. 12 MHZ oszilliert. Diese Spule induziert Wirbelströme an der Oberfläche des leitenden Substrate. Die resultierenden Wirbelströme bauen ihrerseits ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld auf, das umgekehrt auf die angeregte Spule einwirkt. Diese Wirbelstromeffekte an der Spule werden bestimmt bzw. quantifiziert durch Messen der Impedanz der Spule, und die Veränderung (insbesondere Abnahme) der Wirbelstromeffekte an der Spule stehen im Zusammenhang mit der Schichtdicke der nicht leitenden Schicht auf einem leitenden Substrat. Das heißt, die Spulenimpedanz ist ein Maß für die Schichtdicke einer nicht leitenden Schicht, die auf einem leitenden Substrat aufgetragen ist.
Die Meßsonde der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung bestimmt außerdem den Substrattyp, schaltet dann automatisch in den geeigneten Meßbetriebsmodus und bestimmt sodann die Schichtdicke der Schicht auf dem bestimmten bzw. charakterisierten Substrat.
Die erfindungsgemäße Meßsonde wird vorzugsweise in einer Schichtdickenmeßvorrichtung eingesetzt, die vorerst untersucht, ob ein eisenhaltiges Substrat vorliegt, – durch Messen der temperaturkompensierten bzw. -korrigierten magnetischen Flußdichte an einem Pol des Permanentmagneten mit Hilfe des Hall-Sensors und des Temperatursensors, insbesondere Thermistors. Dabei werden die Meßergebnisse der magnetischen Flußdichte und der Temperatur in temperaturkompensierte magnetische Flußdichtenwerte umgewandelt, die proportional sind zur Schichtdicke einer Schicht auf einem eisenhaltigen Substrat. Falls kein eisenhaltiges Substrat nachgewiesen wird, schaltet die Schichtdickenmeßvorrichtung automatisch in einen Betriebsmodus für die Untersuchung auf einem leitenden eisenfreien Substrat um, wobei die Wirbelstromeffekte, die im leitenden eisenfreien Substrat durch Magnetfelder der Schichtdickenmeßvorrichtung erzeugt werden, mit Hilfe einer Wirbelstrommeßspule untersucht bzw. gemessen werden. Dabei werden die Wirbelstrommeßergebnisse in einen Wirbelstromfrequenzwert umgewandelt, der proportional ist zur Schichtdicke einer Schicht auf einem leitenden eisenfreien Substrat.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. In der Beschreibung wird auf die beigefügte schematische Zeichnung Bezug genommen. In der Zeichnung zeigen:
1(a) einen Querschnitt einer Meßsonde einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung entlang der Linie IA-IA in 1(b);
1(b) einen Querschnitt einer Meßsonde einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung entlang der Linie IB-IB in 1(a);
2 eine Darstellung der Orientierung von Strömen und Feldern zur Veranschaulichung des Hall-Effekts;
3(a) eine Darstellung von magnetischen Feldlinien eines Permanentmagneten in einem Abstand d₁ oberhalb eines eisenhaltigen Substrats;
3(b) eine Darstellung von magnetischen Feldlinien eines Permanentmagneten in einem Abstand d₂ oberhalb eines eisenhaltigen Substrats, wobei d₂ < d₁ in 3(a);
4(a) ein Querschnitt einer Wirbelstromspule für die Verwendung in einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel entlang der Linie IIIA-IIIA in 4(b);
4(b) ein Querschnitt einer Wirbelstromspule für die Verwendung in einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel entlang der Linie IIIB-IIIB in 4(a);
5(a) eine Darstellung von magnetischen Feldlinien einer elektromagnetischen Spule in einem Abstand D₁ oberhalb eines eisenfreien leitenden Substrats;
5(b) eine Darstellung von Magnetfeldlinien einer elektromagnetischen Spule in einem Abstand D₂ oberhalb eines eisenfreien leitenden Substrats, wobei D₂ kleiner als D₁ in 5(a);
6 eine Darstellung einer Steuervorrichtung für eine Meßvorrichtung entsprechend einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel; und
7 ein Flußdiagramm, das die Arbeitsschritte der Steuervorrichtung in 6 veranschaulicht.
Die 1(a) und (b) zeigen ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Meßsonde einer Schichtdickenmeßvorrichtung im Querschnitt. Dabei sind die Querschnitte entlang der Linien IA-IA in 1(b) bzw. der Linie IB-IB in 1(a) gezogen. Ein zylindrisches Sondengehäuse 20 umgibt einen zylindrischen Sondenkern 10. Der Sondenkern 10 enthält eine ringförmige Wirbelstrommeßspule 60, die in kompakter Bauweise einen zylindrischen Hall-Effekt-Magnetsensor 50 umschließt. Dabei ist die Wirbelstrommeßspule 60 vorzugsweise in thermisch leitendem Epoxidharz 80 eingebettet, derart, daß die Wirbelstrommeßspule 60 im Sondenkern 10 befestigt ist und daß die Hitze abgeleitet wird, die durch Anregung der Wirbelstrommeßspule 60 erzeugt wird. Falls die Wirbelstrommeßspule 60 durch einen Wechselstrom mit einer ausreichend hohen Frequenz (größer als etwa 1000 Hz) angeregt wird, erzeugt die Spule 60 Wirbelströme in einem darunter liegenden leitenden Substrat zwischen der Substratoberfläche und der typischen Eindringtiefe des Substrats. Die Eindringtiefe des Substrats ist abhängig von der Frequenz der Wechselstromanregung der Wirbelstrommeßspule 60 und ist darüberhinaus abhängig vom Substrattyp. Bei der Meßsonde entsprechend der vorliegenden Erfindung kann die Wirbelstrommeßspule 60 durch Wechselstrom von ausreichend hoher Frequenz derart angeregt werden, daß die Eindringtiefe der Wirbelströme in das leitende Substrat so stark verringert wird, daß die Wirbelstromeffektmessung im wesentli chen unempfindlich ist gegenüber Substratdickenschwankungen.
Der Hall-Effekt-Magnetsensor 50 ist an einem Ende eines zylindrischen Permanentmagenten 30 angeordnet, um die magnetische Flußdichte in der Umgebung der Polfläche des Magneten 30 in nächster Nähe zum Hall-Effekt-Magnetsensor 50 zu messen. Dabei wird der sogenannte Hall-Effekt ausgenützt, um das Magnetfeld B_i durch den Hall-EffektMagnetsensor 50 zu bestimmen. Dabei steht das Magnetfeld B_i in Beziehung mit dem magnetischen Fluß (nachfolgend ”magnetische Flußdichte φ” durch eine Querschnittsfläche gemäß φ = ∫Σ iBidAi wobei sich die Integration über die relevante Querschnittsfläche mit dem Differentialflächenelement dA_i erstreckt.
2 ist eine Darstellung der Orientierung von Strömen und Feldern zur Veranschaulichung des Hall-Effekts. 2 zeigt eine plattenförmige Probe 400 eines Leiters oder eines Halbleiters mit einer Dicke t in z-Richtung und einer Weite w in y-Richtung. Die Probe führt eine Stromdichte J_X in x-Richtung und befindet sich in einem Magnetfeld B_Z in z-Richtung. Die Stromdichte J_X besteht aus einer Dichte n von Ladungsträgern, die jeweils eine Ladung q transportieren und sich mit einer Driftgeschwindigkeit v_X in x-Richtung bewegen. Die Lorentzkraft F_i ^Lorentz ergibt sich dabei aus: Fi Lorentz = qEi + qεijknjBk wobei E_i irgendein elektrisches Feld ist, welchem die Ladungsträger ausgesetzt sind, und wobei ε_ijk ein vollständig anti-symmetrischer Tensor in den drei Raumrichtungen ist. Zu Beginn hat E_i, den Wert Null, und die Lorentzkraft F_i ^Lorentz = F_y ^Lorentz = –qv_XB_z = –(J_X/b)B_Z in die negative y-Richtung gerichtet, so daß die Ladungsträger in die negative y-Richtung abgelenkt werden. Sobald sich die Ladungsträger an der Stirnseite der Probe 400 (senkrecht zur negativen y-Richtung) sammeln, wird ein elektrisches Feld E_i = E_y = v_XB_Z = (J_X/(nq))B_Z in positiver y-Richtung aufgebaut, um die gesamte Lorentzkraft F_i ^Lorentz zu neutralisieren bzw. um der Lorenzkraft das Gleichgewicht zu halten. Dies führt zu einem Kräftegleichgewicht, wobei die Kräfte genau ausgeglichen sind.
Das elektrische Kompensationsfeld E_y ist die Ursache für eine sogenannte Hall-Spannung V_Hall = wE_y, die quer zur Probe 400 (in y-Richtung) verläuft und als Auswirkung des Hall-Effekts mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden kann. Der Hall-Strom I_Hall durch die Probe 400 ergibt sich einfach aus der Stromdichte J_X, wie I_Hall = wtJ_X, und kann ebenso wie die Hall-Spannung V_Hall mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden. Der Hall-Widerstand R_Hall, ist dann definiert durch
wobei die Beziehungen V_Hall = wE_y = w(J_X/(nq))B_Z und I_Hall = wtJ_X verwendet wurden. Hervorgehoben sei der vorstehende Zusammenhang zwischen dem Hall-Widerstand R_Hall und dem Hall-Koeffizienten R = (1/(nq)). Der Hall-Koeffizient R wurde bereits für viele Leiter- und Halbleitermaterialien experimentell bestimmt. Daher kann bei bekanntem Hall-Koeffizient R für das Material der Probe 400 und bei bekannter Dicke t der Probe 400 sowie durch genaues Messen der Hall-Spannung V_Hall und des Hall-Stromes I_Hall die Stärke des Magnetfeldes B_Z, dem die Probe 400 ausgesetzt ist, einfach bestimmt werden.
Dabei hängt der Hall-Koeffizient R = (1/(nq)) für ein bestimmtes Material von der Ladungsträgerdichte n im Material ab. Die Ladungsträgerdichte n im Material hängt umgekehrt von der Temperatur des Materials ab, d. h. n = n(T), wobei T die absolute Temperatur des Materials ist. Daher sind Messungen von Magnetfeldern mit Hilfe des Hall-Effekts empfindlich von der Temperatur eines Hall-Effekt-Magnetsensors abhängig.
Erfindungsgemäß ist daher ein Temperatursensor 40, insbesondere ein Thermistor, am Hall-Effekt-Magnetsensor 50 angeordnet und steht in Kontakt mit dem Permanentmagneten 30. Der Temperatursensor 40 mißt die Temperatur des Hall-Effekt-Magnetsensors und liefert die Temperaturmeßergebnisse an eine Steuervorrichtung 90 der Schichtdickenmeßvorrichtung.
Eine Sondenspitze 70, die mit dem Sondenkern 10 verbunden ist, ragt durch bzw. aus dem Boden des Sondengehäuses 20 hervor. Die Sondenspitze 70 dient als Puffer zwischen dem Sondenkern 10 und einer Oberfläche des beschichteten Substrats, so daß ein bestimmter Abstand d zwischen dem beschichteten Substrat und dem Sondenkern 10 eingehalten wird – in der Annahme, daß die Achse der zylindrischen Symmetrie des Sondenkerns 10 im wesentlichen senkrecht zur planaren Oberfläche des beschichteten Substrats orientiert ist. Die Achse des zylindrischen Sondenkerns 10 wird vorzugsweise deshalb im wesentlichen senkrecht zur planaren Oberfläche des beschichteten Substrats gehalten, weil eine derartige Konfiguration eine größere Homogenität und Gleichmäßigkeit in den Messungen der magnetischen Flußdichte φ im Hall-Effekt-Magnetsensor 50 versichert. Aufgrund der definierten Sondenspitze 70 ist der Abstand zwischen Hall-Effekt-Magnetsensor 50 und der Schichtoberfläche bekannt; außerdem ist der Abstand zwischen der Polfläche des Permanentmagneten 30 des Hall-Effekt-Magnetsensors 50 und der Oberfläche der zu messenden Schicht auf dem Substrat bekannt. Bei der Durchführung einer Schichtdickenmessung wird die Sondenspitze 70 durch ein Bedienpersonal auf der zu messenden Schicht plaziert, derart, daß die Achse der zylindrischen Symmetrie des Sondenkerns 10 im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des beschichteten Substrats verläuft. Die Steuervorrichtung 90 führt dann Messungen der magnetischen Flußdichte φ am Hall-Effekt-Magnetsensor 50 durch. Des weiteren führt die Steuervorrichtung 90 auch Messungen der Temperatur T des Hall-Effekt-Magnetsensors 50 durch. Dabei ist die Polfläche des Permanentmagneten 30 in unmittelbarer Nähe der Schichtoberfläche im wesentlichen parallel zur Schichtoberfläche orientiert, und damit auch im wesentlichen parallel zum darunter liegenden Substrat, was zusätzlich für eine größere Gleichmäßigkeit in der Messung der magnetischen Flußdichte φ sorgt. Die Messung der magnetischen Flußdichte φ wird mit Hilfe des Hall-Effekt-Magnetsensors 50 durchgeführt, der in Nähe der Polfläche des Permanent-Magneten 30 befestigt ist, und die Messung der Temperatur wird mit Hilfe des Temperatursensors 40 durchgeführt, der sowohl am Hall-Effekt-Magnetsensor 50, als auch am Permanent-Magnet 30 befestigt ist.
Der Hall-Effekt-Magnetsensor 50 ist mit der Steuervorrichtung 90 verbunden, um in konventioneller Art und Weise die magnetische Flußdichte φ in der Nähe der Polfläche des Permanentmagneten 30 anzuzeigen bzw. zu signalisieren. Analog dazu ist der Temperatursensor 40 mit der Steuervorrichtung 90 verbunden, um die Temperatur T des Hall-Effekt-Magnetsensors 50 anzuzeigen. Sodann wandelt die Steuervorrichtung 90 die angezeigten Meßwerte der magnetischen Flußdichte φ und der Temperatur T in bekannter Art und Weise in eine Größe um, die proportional ist zur temperaturkompensierten bzw. -korrigierten, magnetischen Flußdichte φ^tempcomp in der Nähe der Polfläche des Permanentmagneten 30.
Die 3(a) und (b) veranschaulichen schematisch die magnetischen Feldlinien 31 sowie den Einfluß auf die magnetische Flußdichte φ an der Polfläche des Permanentmagneten 32, sobald der Magnet 32 in die Nähe eines eisenhaltigen Substrates 100 gebracht wird, dessen Oberfläche 102 im wesentlichen parallel zur Polfläche des Magneten 32 orientiert ist. 3(a) zeigt den Magneten 32 in einem Abstand d₁ über einem eisenhaltigen Substrat 100, das im wesentlichen parallel zur Polfläche des Magneten 32 ausgerichtet ist. Die magnetische Flußdichte φ₁, wird dabei dargestellt durch die Anzahl von magnetischen Flußlinien 31, die durch einen Flächenabschnitt A laufen, dessen Flächengröße im wesentlichen derjenigen der Polfläche des Magneten 32 entspricht. Das Flächensegment A ist in der Nähe der Polfläche des Magneten 32 angeordnet, und zwar zwischen dem Magneten 32 und dem eisenhaltigen Substrat 100, und ist im wesentlichen parallel sowohl zur Polfläche des Magneten 32 als auch zum eisenhaltigen Substrat 100 orientiert.
Analog dazu zeigt 3(b) den Magneten 32 in einem Abstand d₂ über einem eisenhaltigen Substrat 100, das im wesentlichen parallel zur Polfläche des Magneten 32 angeordnet ist. Die magnetische Flußdichte φ₂ entspricht der Anzahl der Magnetfeldlinien 31, die durch das Flächenelement A laufen, dessen Flächenausdehnung im wesentlichen derjenigen der Polfläche des Magneten 32 entspricht. Das Flächenelement A ist in der Nähe der Polfläche des Magneten 32 angeordnet, und zwar zwischen dem Magneten 32 und dem eisenhaltigen Substrat 100 und ist im wesentlichen parallel sowohl zur Polfläche des Magneten 32, als auch zum eisenhaltigen Substrat 100 orientiert.
Sobald der Magnet 32 an das eisenhaltige Substrat angenähert wird, nimmt die Anzahl der Magnetfeldlinien 31 zu, die von der Polfläche des Magneten 32 ausgehen, und im ferromagnetischen eisenhaltigen Substrat hoher Permeabilität 100 münden. Daher nimmt auch die Anzahl der Magnetfeldlinien 31 zu, die durch den Flächenabschnitt A laufen, sobald der Magnet 32 näher an das eisenhaltige Substrat 100 heranrückt. D. h., daß die magnetische Flußdichte φ zunimmt, wenn der Abstand d zwischen Magnet 32 und eisenhaltigem Substrat 100 abnimmt. Die 3(a) und (b) veranschaulichen, daß φ₂ > φ₁, falls d₂ < d₁. Somit steht die magnetische Flußdichte φ in reziprokem Verhältnis zum Abstand d zwischen Magnet 32 und eisenhaltigem Substrat 100. Die Beziehung zwischen gemessener magnetischer Flußdichte φ und dem Abstand d zwischen Magnet 32 und eisenhaltigem Substrat 100 kann verwendet werden, um eine Meßvorrichtung zu kalibrieren, welche die Dicke einer eisenfreien Schicht auf einem eisenhaltigen Substrat 100 bestimmt.
Das Ausgangssignal des Temperatursensors 40, das der Temperatur T des Hall-Effekt-Sensors 50 entspricht, wird von der Steuervorrichtung 90 dazu verwendet, um eine Temperaturkompensation für das Ausgangssignal der magnetischen Flußdichte φ vom Hall-Effekt-Magnetsensor 50 durchzuführen, indem experimentell bestimmte Kompensations- bzw. Korrekturfaktoren für jede beliebige Kombination von Hall-Effekt-Sensor 50 und Permanentmagnet 30 verwendet werden. Für die temperaturkompensierte magnetische Flußdichte φ^tempcomp kann experimentell eine Beziehung zum Abstand d^coating zwischen der Sondenspitze 70 und einem darunter liegenden eisenhaltigen Substrat(oberfläche) gefunden werden, was der Schichtdicke einer Schicht auf dem Substrat entspricht. Hierdurch kann eine mathematische Beziehung, vorzugsweise in der Form
wobei v ein entsprechend anpaßbarer Exponent ist, bestimmt werden, um die experimentellen Punkte bzw. den experimentellen Kurvenverlauf näherungsweise auszugleichen. Mit Hilfe dieser experimentell bestimmten mathematischen Funktion kann die Steuervorrichtung 90 die Schichtdicke d^coating einer eisenfreien Schicht aus Messungen der temperaturkompensierten magnetischen Flußdichte φ^tempcomp bestimmt werden.
Der Aufbau mit Wirbelstrommeßspule 60 ist in den 4(a) und (b) veranschaulicht. Dabei ist die Spule 60 parallel zur Schicht und zum Substrat angeordnet, um eine bessere Gleichmäßigkeit der Messungen entlang der Fläche der Spule 60 zu erzielen, die durch den Innendurchmesser aufgespannt wird, wie in 4(a) gezeigt. Vorzugsweise wird die Spule 60 aus ca. 60 Windungen von 30 AWG (American Wire Gauge) Draht gefertigt, die in Scheibenspulenkonfigurationen gewickelt sind, mit einem Innendurchmesser von ca. 3 mm, einem Außendurchmesser von ca. 5,25 mm und einer Dicke von ca. 0,5 mm. Wie in den 1(a) und (b) gezeigt, ist die Wirbelstrommeßspule 60 um den Hall-Effekt-Magnetsensor 50 herumgewickelt, wobei hierdurch Platz gespart wird, ein kompakter Sondenkern 10 realisiert wird, und daher insgesamt ein kompakter Aufbau der Meßsonde ermöglicht wird. Eine derartige kompakte Meßsonde hat insbesondere den Vorteil, daß sie nur eine relativ kleine Kontaktfläche mit dem beschichteten Substrat benötigt. Erfindungsgemäß wird die Kontaktfläche durch die Ausdehnung bzw. Fläche der Sondenspitze 70 am Kontaktpunkt mit dem beschichteten Substrat bestimmt. Eine möglichst geringe Kontaktfläche ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Schichtdicke einer Schicht auf einem erhitzten beschichteten Substrat bestimmt werden soll. Außerdem verringert die erfindungsgemäße Anordnung der Spule 60 dicht an der Sondenspitze 70, d. h. in unmittelbarer Nähe der Oberfläche des beschichteten Substrats, den Spalt bzw. Luftspalt zwischen der Spule 60 und den im Substrat induzierten Wirbelströmen. Hierdurch wird die ma gnetische Kopplung zwischen der Spule 60 und den induzierten Wirbelströmen verstärkt und genaueste Messungen der gegenseitigen Einflüsse ermöglicht, die Spule 60 und die induzierten Wirbelströme gegenseitig ausüben.
Die Wirbelstrommeßspule 60 wird durch einen Wechselstrom angeregt, der mit einer Frequenz zwischen ca. 6 MHZ und ca. 12 MHZ oszilliert, so daß Wirbelströme an bzw. in der Nähe der Oberfläche des leitenden Substrats 110 induziert werden. Die Wirbelströme, die durch die Spule 60 induziert werden, bewirken umgekehrt ein Magnetfeld in entgegengesetzter Richtung, entsprechend der Lenz’schen Regel. Die Wirbelstrommeßspule 60 weist demnach eine resultierende magnetische Nettoflußdichte φ^net auf, welche der Differenz zwischen der magnetischen Anregungsflußdichte φ^excite und der magnetischen Wirbelstromflußdichte φ^eddy gemäß der Gleichung φnet(z, t) = φexcite(z, t) – φeddy(z, t)entspricht. In dieser Gleichung sind die Abhängigkeiten der magnetischen Flußdichten φ von der Zeit t und der Höhe z der Spule 60 über der planaren Oberfläche des eisenfreien planaren Substrats angegeben, das senkrecht zur Symmetrieachse der Spule 60 angeordnet ist. Die magnetische Nettoflußdichte φ^net durch die Spule 60 beeinflußt die Impedanz Z^coil der Spule 60.
Die 5(a) und (b) veranschaulichen schematisch eine Momentaufnahme der Magnetfeldlinien 31 und die Auswirkungen auf die magnetischen Nettoflußdichte φ^net, welche die Spule 60 umgibt, sobald die Spule 60 in die Nähe eines eisenfreien leitenden Materials 110 gebracht wird, dessen Oberfläche 112 im wesentlichen parallel zur Querschnittsfläche der Spule 60 verläuft. Die Momentaufnahme in den 5(a) und (b) entspricht dem Zeitpunkt, in dem das durch die Spulen induzierte Magnetfeld einen Maximalwert mit nach unten gerichteter Feldkomponente erreicht. 5(a) zeigt die Spule 60 in einem Abstand D₁ über der Oberfläche 112 eines eisenfreien leitenden Substrats 110, die im wesentlichen parallel zur Querschnittsfläche der Spule 60 angeordnet ist. Die momentane magnetische Flußdichte φ^excite im Abstand D₁ wird dargestellt durch die Anzahl der nach unten gerichteten Magnetfeldlinien 31, die durch die Spule 60 hindurchlaufen. Analog dazu wird die momentane magnetische Gleichstromflußdichte φ^eddy im Abstand D₁ dargestellt durch die Anzahl der nach oben gerichteten Magnetfeldlinien 31, die durch die Spule 60 hindurchtreten. Die momentanen Wirbelströme 32 sind ebenfalls an der Oberfläche 112 dargestellt.
5(b) zeigt die Spule 60 in einem Abstand D₂ über der Oberfläche 112 eines eisenfreien leitenden Substrats 110, das im wesentlichen parallel zur Querschnittsfläche der Spule 60 ausgerichtet ist. Auch hier wird die momentane magnetische Flußdichte φ^excite in einem Abstand D₂ dargestellt durch die Anzahl der nach unten gerichteten Magnetfeldlinien 31, die durch die Spule 60 hindurchtreten. Die momentane magnetische Wirbelstromdichte φ^eddy im Abstand D₂ entspricht der Anzahl der nach oben gerichteten Magnetfeldlinien 31, die durch die Spule 60 hindurchtreten, wobei die momentanen Wirbelströme 32 an der Oberfläche 112 ebenfalls dargestellt sind.
Sobald die Spule 60 näher an das eisenfreie leitende Substrat 110 heranrückt, nimmt die Nettoanzahl der Magnetfeldlinien 31 ab, welche die Spule 60 umgeben. Daher nimmt auch die Nettoanzahl der Magnetfeldlinien 31 ab, die durch die Querschnittsfläche der Spule 60 hindurchtreten, sobald die Spule 60 näher am eisenfreien leitenden Substrat 110 ist, so daß auch die magnetische Nettoflußdichte φ^net abnimmt, sobald der Abstand D zwischen der Spule 60 und dem eisenfreien leitenden Substrat 110 abnimmt. Die 5(a) und (b) veranschaulichen eindrucksvoll, daß die magnetische Nettoflußdichte φ^net = φ^excite ... φ^eddy abnimmt, falls D₂ < D₁. D. h., daß die magnetische Flußdichte φ^net in einer direkten Relation zum Abstand D zwischen der Spule 60 und dem eisenfreien leitenden Substrat 110 steht. Diese Beziehung zwischen der gemessenen magnetischen Flußdichte φ^net und dem Abstand D zwischen der Spule 60 und dem eisenfreien leitenden Substrat 110 kann verwendet werden, um eine Meßvorrichtung zu kalibrieren, welche die Dicke einer nicht leitenden Schicht auf einem eisenfreien leitenden Substrat 110 bestimmt.
Sobald also die Spule 60 näher an die planare Oberfläche 112 des eisenfreien leitenden Substrats 110 herangebracht wird (wobei die Oberfläche 112 senkrecht zur Symmetrieachse der Spule 60 orientiert ist), umgibt ein größerer Anteil der magnetischen Wirbelstromflußdichte φ^eddy die Spule 60, wobei hierdurch die gesamte die Spule 60 umgebende Nettoflußdichte φ^net reduziert wird. Da die Impedanz Z^coil der Spule 60 proportional zur magnetischen Nettoflußdichte φ^net ist, welche die Spule 60 umgibt, ist die Impedanz Z^coil der Spule 60 ebenfalls abhängig vom Abstand der Spule 60 von der Oberfläche des leitenden Substrats 110.
Erfindungsgemäß ermittelt die Steuervorrichtung 90, die mit der Spule 60 verbunden ist, auf konventionelle Art und Weise die Impedanz Z^coil der Spule 60. Aus derartigen Experimenten kann ohne weiteres eine Beziehung zwischen der gemessenen Impedanz Z^coil der Spule 60 und dem Abstand D^coating zwischen der Sondenspitze 70 und einer darunter liegenden leitenden Substratoberfläche (wobei der Abstand D^coating der Dicke einer auf dem Substrat aufgetragenen Schicht entspricht), bestimmt werden. Hieraus kann eine mathematische Beziehung, vorzugsweise in der Form Zcoil ∝ φnet ∝ (Dcoating)ξ bestimmt werden, wobei ξ ein entsprechend anpaßbarer Exponent ist, um die experimentell gewonnenen Daten bzw. Punkte anzunähern. Mit Hilfe einer derartigen experimentell gewonnenen mathematischen Funktion bestimmt die Steuervorrichtung 90 die Schichtdicke D^coating einer nicht leitenden Schicht auf einem leitenden Substrat aus den Messungen der Impedanz Z^coil der Spule 60.
Wie in den 1(a) und (b) sowie in 6 gezeigt, empfängt die Steuervorrichtung 90 Eingangssignale vom Hall-Effekt-Magnetsensor 50, vom thermischen Sensor 40 und von der Wirbelstrommeßspule 60, und gibt Steuersignale an diese weiter. Die Steuervorrichtung 90 gibt ebenfalls Signale an das Anzeigegerät 95 aus, um die gemessene Schichtdicke anzuzeigen. Die Steuervorrichtung 90 empfängt Eingangssignale von einer Anwenderschnittstelle bzw. Interface 120. Elektrische Verbindungen sind in 6 durch durchgezogene Linien dargestellt, während thermische Verbindungen bzw. Kopplungen in 6 durch gestrichelte Linien veranschaulicht werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die thermische Kopplung zwischen Wirbelstrommeßspule 60, thermischem Sensor 40, Hall-Effekt-Magnetsensor 50 und Permanentmagnet 30 durch thermisch leitendes Epoxidharz 80 realisiert, wie in 1(b) dargestellt.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die Steuervorrichtung 90 einen geeigneten konventionellen Mikroprozessor, der mit den erforderlichen Eingang-/Ausgang-Übertragungskanälen ausgestattet ist. Die Steuervorrichtung 90 beschränkt den Meßbereich von d^coating auf einem eisenhaltigen Substrat auf einen bestimmten, beliebig ausgewählten Wert d^max, derart, daß die Steuervorrichtung 90 bei der Anzeige von d^coating auf einem eisenhaltigen Substrat größer als d^max automatisch umschaltet, und versucht, die Schichtdicke mit Hilfe konventioneller Wirbelstromtechniken zu messen, die ebenfalls die Wirbelstrommeßspule 60 verwenden. Der vorgegebene beliebige Wert d^max wird in bekannter Form in einem Speicherfeld der Steuervorrichtung 90 abgelegt. Beispielsweise wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung, die für die Messung von Schichtdicken bis zu ca. 60 mil (= Millizoll; ca. 1,524 mm) verwendet wird, der Wert von d^max vorzugsweise auf ca. 80 mil (ca. 2,032 mm) wahlweise festgelegt.
Der Einfluß von Wirbelströmen, die in ein darunter liegendes, eisenfreies leitendes Substrat induziert wurden, auf ein externes Magnetfeld in der Nähe des Substrates ist physikalisch unabhängig davon, ob das externe Magnetfeld durch einen Permanentmagneten, z. B. Permanentmagnet 30, oder durch eine elektromagnetische Spule, z. B. Spule 60, erzeugt wird. Wie in 5(b) gezeigt, besagt die Lenz’sche Regel, daß die resultierende Wirkung des Magnetfeldes, das durch die induzierten Wirbelströme 32 im leitenden Substrat erzeugt wird, daß die Nettoanzahl der Magnetfeldlinien 31 durch den Flächenabschnitt A reduziert wird, – und zwar durch Subtraktion der Anzahl der nach oben gerichteten Magnetfeldlinien durch den Flächenabschnitt A von der Anzahl der nach unten gerichteten Magnetfeldlinien durch den Flächenabschnitt A. Daher nimmt die magnetische Nettoflußdichte φ^net ab, aufgrund der im leitenden Substrat induzierten Wirbelströme. Die Verringerung der magnetischen Nettoflußdichte φ^net als Ergebnis der Wirbelströme 32, die im leitenden Substrat induziert wurden, ist umso größer, je näher die Sondenspitze 70 an das darunter liegende leitende Substrat heranrückt, d. h., die Verringerung von φ^net nimmt zu für dünnere Schichten. Die Abnahme der magnetischen Nettoflußdichte φ^net – als Ergebnis der in einem darunter liegenden leitenden Substrat induzierten Wirbelströme 32 bei Verringerung der Distanz des Abstandes d zwischen der Sondenspitze 70 und dem darunter liegenden leitenden Substrat – verhält sich genau entgegengesetzt zur Zunahme der magnetischen Nettoflußdichte φ^net, sobald der Abstand d zwischen der Sondenspitze 70 und einem darunter liegenden eisenhaltigen Substrat abnimmt.
Falls die temperaturkompensierte magnetische Flußdichte φ^tempcomp einer Schichtdicke d^coating entspricht, welche den vorbestimmten Schwellenwert d^max überschreitet, nimmt die Steuerung 90 automatisch an, daß anstelle einer außerordentlich dicken eisenfreien Schicht mit einer Schichtdicke d^coating auf einem eisenhaltigen Substrat ein darunter liegendes leitendes Substrat vorhanden sein muß. Sodann schaltet die Steuerung 90 automatisch auf den Meßmodus um, um die induzierten Wirbelstromeffekte direkt und mit hoher Genauigkeit zu messen und auf diese Weise die Schichtdicke D^coating der nicht leitenden Schicht auf dem eisenfreien leitenden Substrat zu bestimmen.
Falls der Anwender schon im Vorfeld der Messung weiß, daß nur eine Messung von einer nicht leitenden Schicht auf einem leitenden Substrat benötigt wird, kann er die Steuerung 90 mit Hilfe der Anwenderschnittstelle 120 derart schalten bzw. sperren, daß nur Schichtdickenmessungen mit Hilfe der Wirbelstrommeßspule 60 durchgeführt werden. Falls aber der Bediener die Steuerung 90 nicht schaltet bzw. sperrt, bestimmt die Steuerung 90 zuerst die temperaturkompensierte magnetische Flußdichte φ^tempcomp und führt eine Prüfung durch, ob d^coating größer ist als d^max, bevor die induzierten Wirbelstromeffekte tatsächlich gemessen werden.
Die operationelle Betriebsweise der Steuerung 90 wird in 7 in Form eines Flußdiagramms veranschaulicht. Zunächst prüft die Steuerung 90 im Schritt 900, ob die Steuerung 90, wie vorstehend erwähnt, vom Bediener gesperrt wurde, bzw. ob die Sperre gesetzt wurde. Falls die Sperre auf AN ist (d. h. gesetzt ist), fährt die Steuerung 90 mit Schritt 1060 fort. Falls die Sperre auf AUS ist, geht die Steuerung 90 zu Schritt 1000 über. Die Steuerung 90 aktiviert den Hall-Effekt-Magnetsensor 50 und die vom Hall-Effekt-Magnetsensor gemessene magnetische Flußdichte φ wird an die Steuerung 90 im Schritt 1000 eingegeben. Im Schritt 1010 wird die durch den Thermistor 40 gemessene Temperatur T ebenfalls in die Steuerung 90 eingegeben. Die Steuerung 90 verwendet dann die Eingabe der magnetischen Flußdichte φ und der Temperatur T dazu, um die temperaturkompensierte magnetische Flußdichte φ^tempcomp im Schritt 1020 zu bestimmen. Des weiteren stellt die Steuerung 90 einen Zusammenhang zwischen der temperaturkompensierten magnetischen Flußdichte φ^tempcomp und dem Abstand d^coating zwischen der Sondenspitze 70 und einem darunter liegenden eisenhaltigen Substrat im Schritt 1030 her. Vorzugsweise stellt die Steuerung 90 eine Beziehung zwischen der temperaturkompensierten magnetischen Flußdichte φ^tempcomp und dem Abstand d^coating im Schritt 1030 her, anhand der nachfolgenden mathematischen Beziehung
wobei k_EXP eine experimentell bestimmte Proportionalitätskonstante und v_EXP ein experimentell bestimmter Exponent ist.
Sodann prüft die Steuerung 90 im Schritt 1040, ob der Abstand d^coating, der im Schritt 1030 berechnet wurde, größer ist als ein vorbestimmter Maximalwert d^max. Falls der Abstand d^coating kleiner ist als der vorbestimmte Maximalwert d^max, gibt die Steuerung 90 dem Anzeigegerät 95 im Schritt 1050 ein Signal, um den Abstand d^coating als die gemessene Schichtdicke einer eisenfreien Schicht auf einem eisenhaltigen Substrat anzuzeigen. Die Steuerung kehrt dann zum Schritt 900 zurück, um wiederum zu prüfen, ob die Sperre gesetzt wurde oder nicht.
Falls die Prüfung im Schritt 1040 ergibt, daß d^coating größer ist als der vorbestimmte Maximalwert d^max, aktiviert die Steuerung 90 die Wirbelstrommeßspule 60 und empfängt dann die magnetische Nettoflußdichte φ^net = φ^exite – φ^eddy im Schritt 1060. Die Steuerung 90 stellt eine Beziehung her zwischen der magnetischen Nettoflußdichte φ^net und dem Abstand D^coating zwischen der Sondenspitze 70 und einem darunter liegenden eisenfreien leitenden Substrat im Schritt 1070. Vorzugsweise stellt die Steuerung 90 eine Beziehung zwischen der magnetischen Nettoflußdichte φ^net und dem Abstand D^coating her im Schritt 1070 anhand der nachfolgenden mathematischen Beziehung
wobei K_EXP eine experimentell bestimmte Proportionalitätskonstante und ξ_EXP ein experimentell bestimmter Exponent ist.
Nachfolgend prüft die Steuerung 90 im Schritt 1075, ob der Abstand D^coating, der im Schritt 1070 berechnet wurde, größer ist als ein vorbestimmter Maximalwert D^max. Falls der Abstand D^coating kleiner ist als der vorbestimmte Maximalwert D^max übergibt die Steuerung 90 dem Anzeigegerät 95 im Schritt 1080 ein Signal, um den Abstand D^coating als die gemessene Schichtdicke einer nicht leitenden Schicht auf einem eisenfreien Substrat anzuzeigen. Sodann kehrt die Steuerung 90 zum Schritt 900 zurück, um erneut zu prüfen, ob die Sperre gesetzt wurde oder nicht.
Falls die Prüfung im Schritt 1040 ergibt, daß D^coating größer ist als der vorbestimmte Maximalwert D^max, meldet die Steuerung 90 dem Anzeigegerät 95 im Schritt 1085, den Meßwert als ungültig anzuzeigen. Die Steuerung 90 kehrt sodann zum Schritt 900 zurück, um zu überprüfen, ob die Sperre gesetzt wurde.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßsonde wird der Permanentmagnet 30 durch ein zylindrisches ferromagnetisches Kernstück ersetzt. Bei dieser vorteilhaften Ausführung ist die Spule 60 nicht um den Hall-Effekt-Magnetsensor 50 gewickelt, sondern um das Ende des zylindrischen ferromagnetischen Kernstückes, das am nächsten beim Hall-Effekt-Magnetfenster 50 liegt. Sobald die Steuerung 90 die Spule 60, die rund um das zylindrische ferromagnetische Kernstück gewickelt ist, mit einem Nullfrequenzstrom, d. h. einem Gleichstrom (D. C.), anregt, wird dadurch ein Elektromagnet erzielt, der besonders effektiv den Platz des Permanentmagneten 30 im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel einnimmt. Bei dieser alternativen Ausführung wird besonders vorteilhaft durch die Steuerung 90 versichert, daß die Spule 60 im wesentlichen zur selben Zeit mit Gleichstrom angeregt wird, wie der Hall-Effekt-Magnetsensor 50 aktiviert wird (sobald die Meßvorrichtung die Messung der Schichtdicke einer eisenfreien Schicht auf einem eisenhaltigen Substrat angeht).
Die vorliegende Erfindung sowie ihre Vorteile wurden vorstehend anhand von spezifischen Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Dabei ist es dem Fachmann klar, daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist und daß die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien ausgeführt und angewendet werden können in Vorrichtungen und Verfahren, die geringfügig von den vorstehend spezifisch Beschriebenen abweichen können. Beispielsweise ist die verwendete Bezeichnung ”eisenhaltige Substrate” nicht einschränkend zu verstehen, sondern bezieht sich ganz allgemein auf alle Arten von ”magnetischen Substraten” und ähnliche. Dasselbe gilt für die Bezeichnung ”eisenfreie Schichten”, worunter ganz allgemein sämtliche Arten von ”nicht-magnetischen Schichten” und ähnliche zu verstehen sind. Daher sollte die Erfindung nicht als auf die beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt verstanden werden.

Claims

Verfahren zur Schichtdickenmessung von eisenfreien oder nicht-magnetischen Schichten auf einem eisenhaltigen oder magnetischen Substrat sowie von nicht-leitenden Schichten auf einem leitenden Substrat, wobei: – eine Schichtdickenmeßvorrichtung mit einer einzigen Meßsonde zum Durchführen beider Meßarten an einer einzigen Stelle verwendet wird, um mit der einzigen Meßsonde automatisch die Substrateigenschaften zu bestimmen und eine Schichtdickenmessung auf dem charakterisierten Substrat durchzuführen; – die einzige Meßsonde auf die Oberfläche eines beschichteten Substrats aufgesetzt und geprüft wird, ob ein eisenhaltiges Substrat vorliegt, durch Anlegen eines magnetischen Gleichfeldes durch einen in der Meßsonde befindlichen Gleichfeldmagneten (30) und Messen der magnetischen Flußdichte in der Umgebung der Polfläche des Gleichfeldmagneten (30); – die Schichtdicke anhand der gemessenen magnetischen Flußdichte bestimmt wird, falls ein eisenhaltiges Substrat ermittelt wird; oder – automatisch in einen Modus umgeschaltet wird, um im Substrat auftretende Wirbelstromeffekte zu messen und die Schichtdicke anhand dieser Messung zu bestimmen, falls ein leitendes Substrat vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichfeldmagnet (30) ein Permanentmagnet verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ferner eine Temperaturkompensation oder -korrektur der magnetischen Flußdichte mit Hilfe eines Temperatursensors (40) durchgeführt wird.
Schichtdickenmeßvorrichtung zum automatischen Messen sowohl von eisenfreien oder nicht-magnetischen Schichten auf einem eisenhaltigen oder magnetischen Substrat als auch von nicht-leitenden Schichten auf einem leitenden Substrat, mit: a) einem Gleichfeldmagnet (30); b) einem nahe einer Polfläche des Gleichfeldmagneten (30) angeordneten magnetischen Flußdichtesensormittel (50), um ein Magnetfeld in Umgebung der Polfläche des Gleichfeldmagneten zu messen; c) einer in Umgebung der Polfläche angeordneten Wirbelstrommeßspule (60); und d) Steuermitteln (90) zum Empfangen von Eingangssignalen aus dem Flußdichtesensormittel (50) und der Wirbelstrommeßspule (60), zum automatischen Umschalten von dem Flußdichtesensormittel (50) auf die Wirbelstrommeßspule (60) und zum Berechnen einer Schichtdicke auf der Grundlage eines ausgewählten Eingangssignals; wobei der Gleichfeldmagnet (30), das magnetische Flußdichtesensormittel (50) und die Wirbelstrommeßspule (60) in einer einzigen Meßsonde untergebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichfeldmagnet (30) ein Permanentmagnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch ein mit dem magnetischen Flußdichtesensormittel (50) gekoppeltes Temperatursensormittel (40) zur Tem peraturmessung in Umgebung des magnetischen Flußdichtesensormittels (50).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Flußdichtesensormittel ein Hall-Effekt-Magnetsensor (50) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperatursensormittel (40) ein Thermistor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstrommeßspule (60) etwa 60 Windungen von 39 AWG-Draht aufweist, die in einer Scheibenspulenkonfiguration gewickelt sind, mit einem Innendurchmesser von ca. 3 mm, einem Außendurchmesser von ca. 5,25 mm und einer Dicke von ca. 0,5 mm.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstrommeßspule (60) durch einen Wechselstrom angeregt wird, der mit einer Frequenz zwischen ca. 6 MHz und ca. 12 MHz oszilliert.
Meßsonde für eine kombinierte Schichtdickenmeßvorrichtung zur Schichtdickenmessung von sowohl einer eisenfreien oder nicht-magnetischen Schicht auf einem eisenhaltigen oder magnetischen Substrat als auch ei ner nicht-leitenden Schicht auf einem leitenden Substrat, wobei die Meßsonde umfaßt: a) einen Gleichfeldmagnet (30); b) ein nahe einer Polfläche des Gleichfeldmagneten (30) angeordnetes Hall-Effekt-Magnetsensormittel (50), um ein Magnetfeld in Umgebung der Polfläche zu messen; c) eine in Umgebung der Polfläche angeordnete Wirbelstrommeßspule (60); d) ein mit dem Hall-Effekt-Magnetsensormittel (50) gekoppeltes Temperatursensormittel (40) zur Temperaturmessung in Nähe des Hall-Effekt-Magnetsensormittels, um eine hinsichtlich der gemessenen Temperatur kompensierte oder korrigierte magnetische Flußdichtemessung zu liefern; und e) Steuermittel als Steuerung oder Steuervorrichtung, wobei der Gleichfeldmagnet (30), das Hall-Effekt-Magnetsensormittel (50), die Wirbelstrommeßspule (60) und das Temperatursensormittel (40), mit der Steuerung verbunden sind.
Meßsonde nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichfeldmagnet (30) ein Permanentmagnet ist.
Meßsonde nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde mit den Steuermitteln gekoppelte Anzeigemittel zum Anzeigen der Schichtdickenmessung am charakterisierten Substrat aufweist.
Meßsonde nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde ferner Anwender-Schnitt stellenmittel aufweist, die mit den Steuermitteln verbunden sind, um die Bedienung der Steuermittel zu erleichtern.