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Dokumentenidentifikation DE10013173C2 28.02.2002
Titel Verfahren und Vorrichtung zur photothermischen Analyse einer Materialschicht, insbesondere zur Schichtdickenmessung
Anmelder Wagner International AG, Altstätten, CH
Erfinder Scheidt, Michael, Dr., Au, CH;
Moser, Hansruedi, Hinterforst, CH;
Adams, Horst, Dr., Altstätten, CH
Vertreter BOEHMERT & BOEHMERT, 28209 Bremen
DE-Anmeldedatum 17.03.2000
DE-Aktenzeichen 10013173
Offenlegungstag 27.09.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.02.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.02.2002
IPC-Hauptklasse G01N 25/72

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur photothermischen Analyse einer Materialschicht nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 14.

Es ist bekannt, photothermische Meßverfahren zur berührungslosen Analyse von Materialschichten und insbesondere zur Schichtdickenmessung zu verwenden.

Die US-A-4,875,175 beschreibt ein Verfahren zum Analysieren eines Schichtmaterials mittels Radiometrie. Eine Probe wird mit einem thermischen Energiestrahl angeregt, dessen Amplitude mit einer hohen Frequenz und mit einer niedrigen Frequenz moduliert wird. Parameter, wie die Absorptionsfähigkeit und der thermische Widerstand an Grenzflächen zwischen zwei Schichten, werden aus der gemessenen Phasenverschiebung und der Amplitude des resultierenden thermischen Signals berechnet. Das Verfahren eignet sich für die nichtzerstörende Prüfung von industriellen Produkten.

Das EP-A-0 097 473 beschreibt ein photothermisches Meßverfahren zum Messen von Schichtdicken auf einem Werkstück durch Analysieren thermischer Wellen, die in dem Werkstück erzeugt werden. Das Werkstück wird Wärme aus einer fokussierten periodischen Wärmequelle ausgesetzt, welche thermische Wellen erzeugt, wobei entweder die Amplitude oder die Phase der thermischen Wellen ausgewertet werden.

Bei einer üblichen Lösung des Standes der Technik wird eine modulierte, kontinuierlich emittierende Lichtquelle eingesetzt, die eine thermische Welle in dem Meßobjekt anregt. Das zugrundeliegende Prinzip, welches auch als photothermische Radiometrie bekannt ist, basiert auf der Erzeugung von Temperaturwellen in einem Prüfgegenstand, welche sich in einer für die Materialbeschaffenheit des Prüfgegenstandes charakteristischen Weise ausbreiten und ähnlich wie Ultraschallwellen an thermischen Inhomogenitäten, wie Schichtgrenzen, Delaminationen, Rissen, Poren etc., gestreut bzw. reflektiert werden. Wesentliche Unterschiede zu Ultraschallverfahren sind eine stärkere Dämpfung und eine erheblich geringere Ausbreitungsgeschwindigkeit. Die reflektierten bzw. gestreuten Anteile der Temperaturwelle interferieren mit der Ursprungs- oder Anregungswelle und bilden, zum Teil auch nach Mehrfachreflexionen bzw. -streuungen, eine Summenvektor der Temperaturwelle. Dieser beinhaltet als Meßinformation über das zu prüfende Werkstücke einen Vektorbetrag (oder eine Amplitude) sowie eine Phase, wobei der Vektorbetrag wegen seiner starken Abhängigkeit von äußeren Faktoren, wie Meßabstand und Einstrahlwinkel, welche bei einer industriellen Anwendung nicht präzise genug einstellbar sind, nur schlecht verwertbar ist. Die Phase dagegen ist von diesen Parametern, und sogar von der Leistung der intensitätsmodulierten Anregungsstrahlung, weitgehend unabhängig, so daß sie verläßlich ausgewertet werden kann. Aufgrund der Phasenverschiebung der von dem Werkstück emittierten Infrarot-Wärmestrahlung relativ zur eingestrahlten Anregungsstrahlung kann die Beschaffenheit, zum Beispiel die Dicke, eine Werkstückoberfläche ermittelt werden. (siehe zum Beispiel DE 195 48 036 C2.)

Aus der Phasenverschiebung kann zum Beispiel mittels einer Kalibrierkurve oder -tabelle die gesuchte Schichtdicke abgeleitet werden. Um mit diesem Verfahren eine gute Meßgenauigkeit zu erreichen, wird der zeitliche Temperaturverlauf über mehrere Perioden der modulierten Anregung gemessen. Die für die Bestimmung der Schichtdicke relevante Phasenverschiebung wird in einem Zeitintervall ausgewertet, in dem sich das System im stabilen, eingeschwungenen Zustand befindet. Dies führt zu einem gravierenden Nachteil des beschriebenen Verfahrens, weil eine sinnvolle Auswertung erst nach einer langen Meßzeit durchgeführt werden kann.

Ein weiteres Verfahren zur photothermischen Bestimmung der Schichtdicke einer Oberflächenbeschichtung wird in der DE 195 20 788 A1 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden ein beschichtetes und ein schichtfreies Substrat mit einem Lichtpuls angeregt, wobei die Impulsdauer so gewählt wird, daß die Differenz der Temperaturverläufe des beschichteten und des unbeschichteten Substrats maximal wird. Es muß hierfür mindestens eine Messung des schichtfreien Substrats durchführt werden. Der zeitabhängige Temperaturverlauf wird mit einem Detektor erfaßt. Die Auswertung kann dann einerseits durch den Vergleich mit empirisch ermittelten Temperaturverläufen erfolgen. Andererseits wird ein Auswerteverfahren vorgeschlagen, welches nach dem Prinzip eines "thermischen Kondensators" arbeitet. Dabei wird von der einfachen 1. Fickschen bzw. 2. Fickschen Gleichung ausgegangen. Dieses Verfahren bietet gegenüber dem oben beschriebenen Verfahren den Vorteil, daß nur mit einem Puls angeregt werden muß und dadurch eine kürzere Meßzeit erzielt werden kann. Das Verfahren in der DE 195 20 788 A1 ist jedoch rechentechnisch sehr aufwendig, und die Auswerteeinheit muß entsprechend leistungsfähig sein.

Alternativ wird daher noch ein einfacheres Verfahren zur Auswertung des Temperaturverlaufs vorgeschlagen. Dazu wird als charakteristische Größe zur Bewertung der Oberflächenbeschaffenheit die Zeit, bei der die maximale Temperatur T0 auf eine Temperatur T = T0 . e-1 abgefallen ist, herangezogen. Dies hat nun wieder den Nachteil, daß sich die Meßzeit verlängert. Zudem ist die Bestimmung dieses Zeitpunkts wegen des Rauschens an dieser Stelle kritisch und mit entsprechenden Unsicherheiten behaftet.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur photothermischen Analyse einer Materialschicht und insbesondere zur Schichtdickenmessung anzugeben, welche die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermeiden und bei kurzer Meßzeit eine ausreichende Analysegenauigkeit gewährleisten sowie mit geringem Rechenaufwand realisierbar sind. Zudem soll das Analyseverfahren numerisch stabil sein; das heißt, daß kleine Meßfehler auch nur zu geringen Fehlern im Analyseergebnis führen dürfen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 14 gelöst.

Die Erfindung sieht ein Verfahren zur photothermischen Analyse einer Materialschicht, insbesondere zur Schichtdickenmessung, vor, bei dem die Oberfläche der Materialschicht mit elektromagnetischer Strahlung angeregt wird und von der Schichtoberfläche emittierte Wärmestrahlung erfaßt wird. Zur Charakterisierung der Materialschicht wird aus dem Temperaturverlauf der erfaßten Wärmestrahlung eine amplitudenunabhängige Kennzahl abgeleitet. Dies kann mittels einer geeigneten Normierung realisiert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird für die Bildung der Kennzahl ein erstes Integral (dynamisches Integral genannt) des Temperaturverlaufs der erfaßten Wärmestrahlung in einem Meßintervall, welches den dynamischen Temperaturverlauf enthält (Dynamikintervall), berechnet, ein zweites Integral (Normierungsintegral genannt) des Temperaturverlaufs der erfaßten Wärmestrahlung in einem Normierungsintervall berechnet, ein Quotient aus dem dynamischen Integral und dem Normierungsintegral gebildet, und der Quotient als eine Kennzahl für die Analyse der Materialschicht verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert eine Kennzahl zur Analyse der Materialschicht, die durch Messung und Auswertung insbesondere des ansteigenden Teils des zeitlichen Temperaturverlaufs der emittierten Wärmestrahlung ermittelt werden kann. Dadurch ist es möglich innerhalb kürzester Meßzeit ein aussagekräftiges Maß der Schichtdicke oder anderer Eigenschaften der Materialschicht zu erhalten. Es muß nicht gewartet werden, bis das Meßsystem eingeschwungen ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es bei einer definierten Anregung der Schichtoberfläche mit einer Sprungfunktion für jede Schichtdicke eine charakteristische Anstiegskurve des Temperaturverlaufs gibt. Diese Tatsache wird dazu genutzt, mit dem beanspruchten Normierungsverfahren eine Kennzahl des Temperaturverlaufs zu berechnen, die für die Schichtdicke eindeutig ist. Diese Kennzahl ist unabhängig von der Leistung der Anregungsstrahlung und dem Abstand zwischen Anregungsquelle, Materialschicht und Detektor. Grundsätzlich könnte das gleiche Ergebnis auch erzielt werden, wenn der abfallende Teil des Temperaturverlauf ausgewertet würde.

Das Dynamikintervall umfaßt vorzugsweise den ansteigenden Teil des Temperaturverlaufs, und das Normierungsintervall umfaßt vorzugsweise einen linearen oder im wesentlichen linearen Teil des Temperaturverlaufs. Das Normierungsintervall kann innerhalb des Dynamikintervalls liegen, dieses teilweise überlappen oder ihm nachgeschaltet sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beginnt das Meßintervall früher als die Anregung der Materialschicht und hat eine Dauer, die ca. das 1-fache bis 10-fache der Diffusionszeit der Materialschicht beträgt, vorzugsweise jedoch größer als das 3-fache der Diffusionszeit ist. Dadurch wird sichergestellt, daß die Auswertung der Wärmestrahlung im dynamischen Bereich des Temperaturverlaufs erfolgt und die Meßzeit so kurz wie möglich ist, jedoch ausreichend lang, um aussagekräftige Meßergebnisse zu erhalten. Die Dauer des Normierungsintervalls beträgt vorzugsweise etwa 1/10 bis 1/2, insbesondere etwa 1/6 bis 1/4, der Dauer des Meßintervalls, wobei es vorteilhaft ist, wenn das Normierungsintervall in dem hinteren Bereich des Meßintervalls liegt oder sogar gleichzeitig mit dem Meßintervall endet.

Um einen gut auswertbaren Temperaturverlauf zu erhalten, sollte die Oberfläche der Materialschicht mit einer Sprungfunktion der elektromagnetischen Strahlung angeregt werden, wobei jedoch auch eine modulierte Anregungsquelle verwendet werden kann, die z. B. mehrere Anregungsimpulse abgibt.

Die Auswertung der Kennzahl und die Ermittlung der gesuchten Schichtdicke abhängig davon kann auf verschiedene Weise erfolgen. Zum Beispiel kann die Kennzahl anhand einer Tabelle ausgewertet werden, in der im voraus ermittelte Kennzahlen und zugehörige Schichtdicken gespeichert sind. Die Kennzahl kann mit einer Referenz-Kennzahl einer Referenzschicht verglichen werden, um das Verhältnis der Schichtdicke der angeregten Materialschicht zu einer Referenz-Schichtdicke zu ermitteln. Ein hierfür geeignetes Verfahren ist in der deutschen Patentanmeldung derselben Anmelderin mit dem Titel "Verfahren und Vorrichtung zur photothermischen Analyse einer Materialschicht, insbesondere zur Schichtdickenmessung" mit demselben Anmeldetag beschrieben, auf die Bezug genommen wird. Andere dem Fachmann bekannte Kalibrierverfahren können eingesetzt werden.

Insbesondere bei längeren Meßzeiten kann der Temperaturverlauf einen linearen Anteil/Anstieg aufweisen, der für die erfindungsgemäße Auswertung der Wärmestrahlung nachteilig ist. Es ist daher vorgesehen, den linearen Anteil des Temperaturverlaufs der Wärmestrahlung zu ermitteln und weitgehend zu eliminieren.

Die Erfindung sieht somit ein Verfahren vor, mit dem bei kurzer Meßzeit durch Auswerten des dynamischen, insbesondere des ansteigenden Teils des Temperaturverlaufs der Wärmestrahlung eine Kennzahl zur eindeutigen Qualifizierung einer Materialschicht, insbesondere zur Schichtdickenmessung bestimmt werden kann. Die Kennzahl kann dann mit einem geeigneten Kalibrierverfahren ausgewertet werden, um die relative oder absolute Schichtdicke zu ermitteln.

Da der Temperaturverlauf nicht mit der Anregungsstrahlung verglichen wird, wie z. B. bei der Ermittlung der Phasenverschiebung gemäß dem Stand der Technik, und ferner keine Bestimmung der absoluten Temperatur erfolgt, müssen die Leistung der Anregungsquelle sowie die Charakteristik des Detektors nicht bekannt sein. Auch muß der Abstand zwischen der zu analysierenden Materialschicht und der Anregungsquelle bzw. dem Detektor nicht geregelt werden. Dadurch ergibt sich ein besonders robustes, störungssicheres Analyseverfahren, das sogar unabhängig von Veränderungen der Meßumgebung ist.

Die Erfindung ist im folgendem anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur photothermischen Analyse einer Materialschicht gemäß der Erfindung;

Fig. 2 den zeitlichen Temperaturverlauf der emittierten Wärmestrahlung, der erfindungsgemäß ausgewertet wird,

Fig. 3 einen ähnlichen Temperaturverlauf wie in Fig. 2, jedoch über ein längeres Meßintervall;

Fig. 4 zwei Temperaturkurven für zwei Materialschichten unterschiedlicher Dicke, die auf einen Abschaltpunkt normiert sind; und

Fig. 5 die Temperaturkurven der Fig. 4, jedoch auf einen früheren Zeitpunkt normiert.

Die Erfindung ist im folgenden anhand des Beispiels einer Schichtdickenmessung beschrieben. Sie ist jedoch auch für die Analyse anderer Eigenschaften der Materialschicht, wie deren Zusammensetzung, anwendbar.

Fig. 1 zeigt schematisch in Form eines Blockdiagramms eine Vorrichtung zur photothermischen Analyse einer Materialschicht gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung weist eine Anregungsquelle 10 zum Erzeugen einer elektromagnetischen Anregungsstrahlung 5 auf. Die Anregungsquelle 10 ist vorzugsweise eine Laserquelle, wobei jedoch auch Infrarotlicht oder eine elektromagnetische Anregungsstrahlung in einem anderen Wellenlängenbereich verwendet werden kann. Der Anregungsstrahl 5 trifft auf ein Werkstück 12, das ein Substrat 14 und eine Beschichtung 16 aufweist. Durch die Anregungsstrahlung 5 wird die Oberfläche des Werkstücks 12 erwärmt und gibt Wärmestrahlung T ab, die von einem Detektor 18 erfaßt wird. Der Detektor 18 wandelt die erfaßte Wärmestrahlung T in elektrische Signale um und gibt diese an eine Auswerteeinheit 20 weiter.

Die in Fig. 1 gezeigte Auswerteeinheit umfaßt wenigstens eine Integratoreinheit 22, eine Divisionseinheit 24 und einen Speicher 26, der in Fig. 1 in Form einer Tabelle dargestellt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird von der Anregungsquelle 10 Licht mit geeigneter Wellenlänge auf die zu untersuchende Schicht 16 gestrahlt. Dabei kann eine quasi kontinuierliche Lichtquelle verwendet werden, wobei die Einstrahlung höchstens so lange dauern sollte, daß die Schicht 16 nicht negativ beeinflußt wird oder daß bei Verwendung eines Lasers die Vorschriften bezüglich Lasersicherheit eingehalten werden können. Die Anregungsstrahlung wird vorzugsweise in Form einer Sprungfunktion aufgebracht, und spätestens vor einer neuen Messung wird die Anregungsquelle 10 abgeschaltet bzw. die Anregungsstrahlung 5 unterbrochen. Falls an einer Stelle des Werkstücks 12 die Schicht 16 mehrmals gemessen werden soll, sollte zwischen den Messungen eine Zeitspanne zur Abkühlung der Meßstelle berücksichtigt werden.

Weiter sollte die Meßzeit mindestens gleich oder größer der thermischen Diffusionszeit t sein:





Dabei bedeuten:

α = thermische Diffusivität (m2/s)

k = Wärmeleitfähigkeit (W/(mK))

ρ = Massendichte (kg/m3)

c = spezifische Wärmekapazität (J/(kgK))

ls = Schichtdicke (m)

Die Anregungsdauer ist für das erfindungsgemäße Auswerteverfahren somit ein unkritischer Faktor.

Die durch die Anregung erzeugte Wärmestrahlung wird mit einem geeigneten Detektor 18 erfaßt, d. h. der zeitliche Temperaturverlauf wird gemessen. Dabei kann bei der quasi kontinuierlichen Anregung im allgemeinen von Beginn bis zum Ende der Anregung gemessen werden.

Die Fig. 2 zeigt einen typischen zeitlichen Temperaturverlauf. Dabei bedeuten:

tAB = Beginn der Anregung

tAE = Ende der Anregung

tDB = Beginn des Dynamikintervalls

tDE = Ende des Dynamikintervalls

tNB = Beginn des Normierungsintervalls

tNE = Ende des Normierungsintervalls

Grundsätzlich kann der zeitliche Temperaturverlauf im Zeitintervall tAB bis tAE gemessen werden. Es ist aber auch denkbar, die Messung des Temperaturverlaufs bereits vor dem Zeitpunkt tAB zu beginnen und/oder die Messung über den Zeitpunkt tAE hinaus zu erstrecken oder die Messung vor dem Zeitpunkt tAE zu stoppen. Generell wird das Intervall, in dem gemessen wird, als Meßintervall bezeichnet. Der gemessene Temperaturverlauf vor dem Zeitpunkt tAB kann beispielsweise zur Bestimmung des Nullpunktes der Temperaturkurve verwendet werden.

Für die Auswertung gemäß der Erfindung genügt grundsätzlich ein zeitlicher Temperaturverlauf vom Zeitpunkt tDB, welcher vorteilhaft nahe beim Zeitpunkt tAB liegt (auch vor dem Zeitpunkt tAB), bis zum Zeitpunkt tDE zwischen tAB und tAE, wobei das Zeitintervall tDB-tDE wenigstens der Diffusionszeit τ entsprechen und für eine zuverlässige Auswertung nicht größer als die 10-fache Diffusionszeit τ sein sollte. Ein bevorzugter Wert für dieses Zeitintervall liegt zwischen der ca. 3-fachen und der ca. 10-fachen Diffusionszeit τ.

Weiter besteht natürlich die Möglichkeit eine modulierte Anregungsquelle einzusetzen, die beispielsweise eine Reihe von Anregungsimpulsen ausgibt. In diesem Fall kann der Temperaturverlauf auch über mehrere Perioden oder ein einzelner beliebiger Temperaturanstieg gemessen werden. Die Auswertung kann dann ebenfalls mit einem beliebigen Temperaturanstieg durchgeführt werden.

Der gemessene zeitliche Temperaturverlauf im Zeitintervall tDB-tDE und der zeitliche Temperaturverlauf im Zeitintervall tNB-tNE, falls dieser außerhalb des Dynamikintervalls tDB-tDE liegt, wird nun zur Identifikation der Schichtdicke verwendet. Das im folgenden beschriebene Auswerteverfahren gemäß der Erfindung zeichnet sich unter anderem dadurch aus, daß keine absolute Bestimmung der Temperatur durchgeführt werden muß. Da das erfindungsgemäße Auswerteverfahren mit relativen Größen arbeitet, müssen die Leistung der Anregungsquelle 10 und die Charakteristik des Detektors 18 nicht bekannt sein. Weiter erübrigt sich auch eine Abstandsregelung zwischen dem Werkstück 12 und der Anregungsquelle 10 bzw. dem Detektor 18.

Um eine relative Auswertung zu ermöglichen, wird zur Normierung des gemessenen Temperaturverlaufs folgendes Verfahren angewendet:

Zunächst wird ein erstes Integral D (Dynamikintegral) über das Zeitintervall tDB-tDE (das Dynamikintervall genannt wird) gebildet. Die Normierung wird anschließend mit Hilfe eines zweiten Integrals N (Normierungsintegral) durchgeführt. Das Integral N wird über ein beliebiges Zeitintervall tNB-tNE (das Normierungsintervall genannt wird), welches innerhalb des Meßintervalls liegt, gebildet, d. h. das Normierungsintervall kann auch hinter dem Dynamikintervall liegen, also z. B. zwischen tDE und tAE.

Vorzugsweise liegt das Normierungsintervall des zweiten Integrals N nahe oder unmittelbar beim Zeitpunkt tDE. Die Breite des Normierungsintervalls tNB-tNE wird unter anderem durch das Rauschen der Messung bestimmt, d. h. durch eine geeignete Breite wird das Rauschen der Messung größtenteils ausgemittelt. Als Richtwert kann eine Breite von 0.2 . (tDE-tDB) angenommen werden.

Um für unterschiedliche Schichten vergleichbare Kennzahlen zu erhalten, ist hierbei wichtig, daß das Dynamikintervall und das Normierungsintervall immer in einem genau definierten Verhältnis zueinander stehen.

Mit diesen zwei Integralen wird ein Quotient D/N gebildet. Dieser Quotient kann als Kennzahl für die gemessene Schichtdicke betrachtet werden.

Dank dieser Normierung kann der Kurvenverlauf ohne eine numerisch aufwendige und instabile Differenzierung bewertet werden. Die Integration läßt sich numerisch einfach realisieren und ist gegenüber der Differenzierung stabiler.

Mit der Kennzahl D/N der gemessen Schicht 16 kann nun mit Hilfe eines Kalibrierverfahrens die relative oder die absolute Schichtdicke ermittelt werden. Ein Beispiel für ein solches Kalibrierverfahren ist in der oben genannten parallelen Anmeldung derselben Anmelderin beschrieben.

Ein weiteres besonders einfaches Kalibrierverfahren kann z. B. dadurch realisiert werden, daß empirisch ermittelte Kennzahlen, die sich bei verschiedenen Schichtdicken ergeben, zusammen mit den zugehörigen Schichtdicken in einer Tabelle 26 gespeichert und von der Auswerteeinheit 20 nach Bedarf abgerufen werden. Gegebenenfalls können geeignete Interpolations- oder Extrapolationsalgorithmen eingesetzt werden.

In den bisherigen Ausführungen wurde davon ausgegangen, daß das Zeitintervall tDB-tDE nicht größer als die 10-fache Diffusionszeit τ ist. Wird die Meßzeit deutlich verlängert, bzw. die Auswertung über ein entsprechend langes Zeitintervall ausgeführt, muß folgendes Phänomen beachtet werden: Bei einer Meßzeit, welche wesentlich länger als die 10-fache Diffusionszeit τ ist, zeigt sich ein deutlicher linearer Anteil (Offset) im Temperaturverlauf Fig. 3 zeigt den Temperaturverlauf für eine Meßzeit, die einer ca. 20-fachen Diffusionszeit τ entspricht. Wird nun ebenfalls auf den hinteren Teil normiert, d. h. liegt das Normierungsintervall im hinteren Bereich der Meßkurve in dem linearen Anteil, so überschneiden sich die normierten Temperaturverläufe zweier Schichten M, N mit unterschiedlicher Dicke. Dies ist in Fig. 4 deutlich zu sehen. Daher ist eine sinnvolle Auswertung nicht möglich, d. h. die Kennzahlen der beiden Schichten M, N können nicht jeweils einer Schicht eindeutig zugeordnet werden.

Um eine eindeutige Charakterisierung der Schichten zu erhalten, besteht nun einerseits die Möglichkeit, die Normierung in einem Zeitintervall durchzuführen, welches kleiner als die 10-fache Diffusionszeit τ ist, oder, mit anderen Worten, das Normierungsintervall in einen Abschnitt der Temperaturkurve vor der 10-fachen Diffusionszeit zu legen. Das Ergebnis ist in Fig. 5 gezeigt. In diesem Fall wird eine Überschneidung der normierten Temperaturverläufe vermieden, und eine Auswertung ist wieder möglich. Vorzugsweise wird die Auswertung jedoch im dynamischen Teil der Temperaturkurve nur bis ungefähr zum Ende des Normierungsintervalls, wie in Fig. 2 gezeigt, durchgeführt, da der hintere, lineare Teil des Temperaturverlaufs keine wesentlichen Informationen über die Schichtdicke oder andere Eigenschaften der Schicht 16 enthält.

Andererseits kann der Offset aber auch erfaßt und vom gemessenen Temperaturverlauf subtrahiert werden. In diesem Fall wird ein Überschneiden von normierten Temperaturverläufen generell vermieden, und die Meßzeit bzw. das Dynamikintervall hat keine obere Begrenzung mehr. Nachteilig ist jedoch, daß bei zu langer Meßzeit die Genauigkeit des Verfahrens z. B. durch Instabilitäten der Anregungsquelle verschlechtert wird. Daher wird die Messung vorzugsweise innerhalb eines Zeitintervalls durchgeführt, in welchem gerade noch eine genügend genaue Bestimmung des Offsets möglich ist.

Eine einfache Möglichkeit zum Eliminieren des Offsets besteht z. B. darin, die Steigung des linearen Anteils der Temperaturkurve zu ermitteln und von dem Temperaturverlauf zu subtrahieren.

Da die Information über die Schichtdicke, wie bereits erläutert, im vorderen Teil des Temperaturverlaufs steckt und zudem eine möglichst kurze Meßzeit erwünscht ist, wird das Auswerteverfahren bevorzugt auf ein Meßintervall angewendet, welches kleiner als die 10-fache Diffusionszeit τ ist.

Zur Verbesserung der Genauigkeit des Verfahrens könnte aber auch in diesem Fall der Offset kompensiert werden. Dazu müßte die Meßzeit jedoch wieder so verlängert werden, daß mit einer genügenden Genauigkeit der Offset bestimmt werden könnte. Dies kann realisiert werden, wenn längere Meßzeiten akzeptabel sind.

Mit der Erfindung wird somit eine Verfahren zur Auswertung der Meßkurve einer photothermischen Schichtdickenmessung vorgeschlagen, mit dem sich innerhalb kürzester Zeit aus dem ansteigenden Teil des Temperaturverlaufs eine Kennzahl zur Charakterisierung der Schichtdicke, oder auch eines anderen Merkmals einer Materialschicht ableiten läßt. Hierzu werden im ansteigenden Teil der Meßkurve ein Dynamikintervall und ein Normierungsintervall definiert, die Integrale über das Dynamikintervall und das Normierungsintervall werden berechnet, und aus diesen zwei Integralen wird ein Quotient gebildet. Dieser Quotient kann als Kennzahl zur Bestimmung der relativen oder absoluten Schichtdicke verwendet werden. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Auswerteverfahren muß das Meßergebnis nicht in ein Verhältnis zur Anregungsstrahlung gesetzt werden. Es findet kein Verglich von Kurvenverläufen statt, und der Rechenaufwand wird minimiert. Die Erfindung liegt der Kenntnis zugrunde, daß es für jede Schichtdicke genau eine charakteristische Anstiegskurve des Temperaturverlaufs gibt, welche die Schichtdicke eindeutig kennzeichnet.

Die Erfindung kann mit einer Vorrichtung realisiert werden, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Die Erfindung kann auch in einem Computerprogramm zur Auswertung der mit dem Detektor 18 erfaßten Temperaturverläufe realisiert werden. Die Auswerteeinheit 20 kann somit in Hardware oder Software ausgeführt sein. Das Computerprogramm kann auf einem Datenträger gespeichert sein und die beanspruchten Verfahrensschritte auf einer elektronischen Datenverarbeitungsvorrichtung ausführen.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination zur Realisierung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur photothermischen Analyse einer Materialschicht (16), insbesondere zur Schichtdickenmessung, bei dem die Oberfläche der Materialschicht (16) mit elektromagnetischer Strahlung (S) angeregt wird und von der Schichtoberfläche emittierte Wärmestrahlung (T) erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

    ein erstes Integral (D) des Temperaturverlaufs der erfaßten Wärmestrahlung (T) in einem Dynamikintervall (tDB-tDE) gebildet wird, ein zweites Integral (N) des Temperaturverlaufs der erfaßten Wärmestrahlung (T) in einem Normierungsintervall (tNB- tNE) gebildet wird,

    ein Quotient (D/N) aus dem ersten und dem zweiten Integral gebildet wird, und der Quotient als eine Kennzahl für die Analyse der Materialschicht (16) verwendet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Normierungsintervall kleiner ist als das Dynamikintervall (tDB-tDE).
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Normierungsintervall in dem Dynamikintervall (tDB-tDE) liegt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Normierungsintervall dem Dynamikintervall (tDB-tDE) folgt.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßintervall etwas früher als die Anregung der Materialschicht (16) beginnt und eine Dauer hat, die ca. das 1-fache bis 10-fache der Diffusionszeit der Materialschicht (16) beträgt und vorzugsweise größer als das 3-fache der Diffusionszeit ist.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die Dauer des Normierungsintervalls (tNB-tNE) etwa 1/10 bis 1/2 der Dauer des Dynamikintervall (tDB -tDE) beträgt und das Normierungsintervall im hinteren Bereich des Meßintervalls liegt.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dynamikintervall einen ansteigenden Teil des Temperaturverlaufs der erfaßten Wärmestrahlung (T) umfaßt und das Normierungsintervall einen linearen oder näherungsweise linearen Anteil des Temperaturverlaufs der erfaßten Wärmestrahlung (T) umfaßt.
  8. 8. Verfahren zur photothermischen Analyse einer Materialschicht (16), insbesondere zur Schichtdickenmessung, bei dem die Oberfläche der Materialschicht (16) mit elektromagnetischer Strahlung (S) angeregt wird und von der Schichtoberfläche emittierte Wärmestrahlung (T) erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Analyse der Materialschicht (16) aus dem Temperaturverlauf der erfaßten Wärmestrahlung (T) eine amplitudenunabhängige Kennzahl abgeleitet wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die amplitudenunabhängige Kennzahl durch eine Normierung des Temperaturverlaufs ermittelt wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Materialschicht (16) mit einer Sprungfunktion der elektromagnetischen Strahlung angeregt wird.
  11. 11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennzahl anhand einer Tabelle (26) ausgewertet wird, in der im voraus ermittelte Kennzahlen und zugehörige Schichtdicken gespeichert sind.
  12. 12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennzahl mit einer Referenz-Kennzahl einer Referenz- Materialschicht (16) verglichen wird, um das Verhältnis der Schichtdicke der angeregten Materialschicht zu einer Referenz-Schichtdicke zu ermitteln.
  13. 13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein linearer Anteil des Temperaturverlaufs der erfaßten Wärmestrahlung (T) ermittelt und weitgehend eliminiert wird.
  14. 14. Vorrichtung zur photothermischen Analyse einer Materialschicht, insbesondere zur Schichtdickenmessung, mit

    einer Anregungsquelle (10) zum Anregen der Oberfläche der Materialschicht (16) mit elektromagnetischer Strahlung (S);

    einem Detektor (18) zum Erfassen der von der Schichtoberfläche emittierten Wärmestrahlung (T), und

    einer Recheneinrichtung (20);

    dadurch gekennzeichnet, daß

    die Recheneinrichtung (20) Integriermittel (22) zum Bilden eines ersten Integrals (D) des Temperaturverlaufs der erfaßten Wärmestrahlung (T) in einem Dynamikintervall (tDB-tDE) und eines zweiten Integrals (N) des Temperaturverlaufs der erfaßten Wärmestrahlung (T) in einem Normierungsintervall (tNB-tNE) sowie Divisionsmittel (24) zum Bilden eines Quotienten (D/N) aus dem ersten und dem zweiten Integral aufweist, wobei der Quotient als eine Kennzahl für die Analyse der Materialschicht (16) verwendbar ist.






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