DE4333419C2

DE4333419C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Schichtdickenmessung und Meßsonde für eine kombinierte Schichtdickenmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE4333419C2
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: 1998-12-10
Anticipated expiration: 2013-10-01
Also published as: DE4333419A1; US5343146A; JPH06317401A; USRE35703E; GB2271641B; JP2698749B2; GB2271641A; DE4333419C5; GB9319413D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schichtdickenmessung von eisenfreien oder nicht-magne tischen Schichten auf einem eisenhaltigen oder magnetischen Substrat und von nicht leitenden Schichten auf einem lei tenden Substrat. Die Erfindung betrifft ferner eine Meßson de zur Schichtdickenmessung.

In der Vergangenheit waren Betreiber von Schichtdickenmeß vorrichtungen 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 Sondenkonfiguration ausgewählt und sodann die entsprechende Dickenmessung durchgeführt. In der Regel benötigt der Be diener dabei zwei getrennte unabhängige Meßsysteme bzw. zwei unabhängige Sonden, die zu einer Meßvorrichtung kom biniert sein können. Zusätzlich dazu hat der Bediener die Eigenschaften der Probe (Kombination aus Schicht und Sub strat) zu bestimmen, bevor die eigentliche Schichtdicken messung auf dem derartigen charakterisierten Substrat durchgeführt wird.

Daher besteht seit langem ein Bedürfnis nach einer Vorrich tung, die in der Lage ist, Substrateigenschaften und Mes sungen der Schichtdicke auf dem Substrat automatisch durch zuführen. 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 fest zustellen und automatisch die Schichtdicke zu messen.

Nach dem Stand der Technik sind bereits mehrere elektro magnetische 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 Wirbelstrom verfahren 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 zwi schen 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 ei nen 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 nie derfrequenten Frequenz (unter 300 Hz) betrieben, während hoch frequente 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 Fre quenz der Anregungsspule) in Abhängigkeit der magnetischen Ei genschaft des Substrats aufwendig per Hand eingestellt werden.

Das US-Patent Nr. 4 005 359 von. SMOOT beschreibt ebenfalls eine elektronische Dickenmeßvorrichtung zur Messung von Schichtdic ken auf eisenhaltigen oder leitenden Substraten. Dabei ist die Meßprobe quer zum Spalt eines an der Stirnseite offenen Trans formators zwischen dessen Polflächen angeordnet. Je nach Dicke der zu messenden Schicht auf der Probe treten Änderungen der Eigeninduktivität sowie der Kopplungseigenschaften des Trans formators auf, welche anhand der Veränderungen der Peakfrequenz eines niederfrequenten Anregungsstromes erfaßt werden. Auf die se Weise können sowohl Schichtdicke als auch magnetische Eigen schaften des Substrats in einem Meßvorgang bestimmt werden. Die bekannte Anordnung verwendet hierfür jedoch weder einen magne tischen Flußdichtesensor noch einen Wirbelstromsensor, um die gewünschte Schichtdickenmessung durchzuführen. Da die Dicken meßvorrichtung von SMOOT außerdem einen Transformator mit offe ner 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 be schichteten 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 Schichtdickenmeßvor richtung zur kontinuierlichen Messung der Dicke einer sich be wegenden Meßprobe, z. B. einer Folie oder eines Bleches, nach dem Induktionsprinzip. Dabei geht es auch darum, etwaige Effek te durch Temperaturschwankungen über Gegenmaßnahmen zu kompen sieren.

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 Schichtdicken meßsonde, die eisenhaltige Substrate und eisenfreie Sub strate überprüfen und messen kann, wobei bevorzugt automa tisch von einem Meßbetriebsmodus in den anderen geschaltet werden kann.

Auch das US-Patent Nr. 4,255,709 von ZATSEPIN et al. be schreibt eine Vorrichtung zur Dickenbestimmung von aufge tragenen 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 dielek trischen Schichten, die auf metallischen Proben aufgetragen sind, und von nicht-magnetischen galvanischen Abtragungen bzw. Niederschlägen auf ferromagnetischen Proben. Die Vor richtung mißt dann die Schichtdicke von nicht-magneti schen, stromleitenden Schichten auf nicht-magnetischen, stromleitenden Materialien mit einer geeignet ausgewählten Dickenmeßsonde. Das Schichtdickenmeßsystem von ZATSEPIN et al. verwendet zwar eine automatische Meßbereich-Schaltein heit. 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 automati sches Umschalten von einem Meßbetriebsmodus der Schicht dickenmessung in einen anderen ermöglicht, - und zwar in Abhängigkeit der Eigenschaften des darunterliegenden Sub strats, 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 Vorrich tungsteils und entlang der Länge dieses metallischen, rohr förmigen 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 Mate rialien, die eine kontrollierte bekannte Hitzeladung auf einem begrenzten Bereich der Schicht anlegt und die Ver änderung 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 manu elles Schalten der Detektoren bzw. Meßmodi je nach der ma gnetischen Eigenschaft des Substrats verwirklichen können.

Daher besteht seit langem auch ein Bedürfnis nach einer kompakten Meßsonde für eine kombinierte Schichtdickenmeß vorrichtung 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 Ober fläche des beschichteten Substrats an höchstens einer Stel le 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 nicht leitenden Schichten auf leitenden Substraten ermöglicht. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, eine hierfür geeigne te Meßsonde zur Verfügung zu stellen.

Dieses Ziel erreicht die Erfindung durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 5 und 14. Weitere bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrie ben.

Danach werden bei einem Verfahren zur Schichtdickenmessung von eisenfreien oder nicht-magnetischen Schichten auf einem eisenhaltigen oder magnetischen Substrat sowie von nicht- leitenden Schichten auf einem leitenden eisenfreien Sub strat mit Hilfe einer Schichtdickenmeßvorrichtung die Sub strateigenschaften mit einer einzigen Meßsonde automatisch bestimmt, und es wird eine Schichtdickenmessung auf dem charakterisierten Substrat durchgeführt. Hierfür umfaßt das Verfahren bevorzugt folgende Schritte: Prüfen, ob ein ei senhaltiges Substrat vorliegt, durch Messen einer magneti schen Flußdichte an einem Pol eines Magneten, insbesondere Permanentmagneten, der in der Meßsonde angeordnet ist und Bestimmen der Schichtdicke anhand der gemessenen Fluß dichte; Automatisches Umschalten der Schichtdickenmeßvorr ichtung um zu Prüfen, ob ein leitendes eisenfreies Substrat vorliegt, falls kein eisenhaltiges Substrat nachgewiesen wird; und Messen von Wirbelstromeffekten, die in einem lei tenden eisenfreien Substrat durch Magnetfelder der Schicht dickenmeßvorrichtung erzeugt werden, und Bestimmen der Schichtdicke anhand dieser Messung.

Ferner umfaßt eine Schichtdickenmeßvorrichtung, insbeson dere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, zur Messung sowohl von eisenfreien bzw. nicht-magnetischen Schichten auf einem eisenhaltigen bzw. magnetischen Sub strat, als auch von nicht leitenden Schichten auf einem leitenden eisenfreien Substrat: einen Magneten, insbesonde re Permanentmagneten; ein magnetisches Flußdichtesensormit tel, insbesondere einen magnetischen Flußdichtesensor, das in Nähe einer Polfläche des Permanentmagneten angeordnet ist, um ein Magnetfeld in Nähe der Polfläche zu erfassen bzw. zu messen; eine Wirbelstrommeßspule, die in der Umge bung der Polfläche angeordnet ist; und Steuermittel zum Empfang von Eingangssignalen des Sensormittels, insbesonde re Sensors, sowie von der Meßspule und zur Berechnung einer Schichtdicke auf der Grundlage von einem oder mehreren Eingangssignalen.

Eine derartige kombinierte Schichtdickenmeßvorrichtung, die vorzugsweise als tragbare Handvorrichtung ausgebildet ist, ist besonders vorteilhaft in der Lage, sowohl eine eisen freie Schicht auf einem eisenhaltigen Substrat, als auch eine nicht-leitende Schicht auf einem leitenden eisenfreien Substrat zu messen. Sie ist außerdem in der Lage ist, Sub strateigenschaften und Messungen der Schichtdicke auf dem Substrat automatisch durchzuführen. Eine derartige Vorrich tung 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.

Eine erfindungsgemäße Meßsonde für eine kombinierte Schi chtdickenmeßvorrichtung zur Schichtdickenmessung von sowohl einer eisenfreien bzw. nicht-magnetischen Schicht auf einem eisenhaltigen bzw. magnetischen Substrat, als auch einer nicht leitenden Schicht auf einem leitenden Substrat ist derart ausgebildet, daß die Substrateigenschaften mit einer einzigen Sonde automatisch bestimmt werden und eine Schichtdickenmessung auf dem charakterisierten Substrat durchgeführt wird. Hierfür weist die Meßsonde auf: einen Magnet, insbesondere Permanentmagnet; ein Hall-Effekt-Ma gnetsensormittel, insbesondere einen Hall-Effekt-Magnetsen sor, die in Nähe einer Polfläche des Permanentmagneten der art angeordnet sind, um ein Magnetfeld in Nähe der Polflä che zu messen; eine Wirbelstrommeßspule, die in Umgebung der Polfläche angeordnet ist; und ein Temperatursensormit tel, insbesondere einen Thermistor, das mit den Hall-Eff ekt-Magnetsensormittel verbunden ist, um die Temperatur in Nähe des Hall-Effekt-Magnetsensormittels zu messen, wobei die gemessene Temperatur verwendet werden kann, um eine temperaturkompensierte bzw. -korrigierte magnetische Fluß dichtenmessung zu liefern.

Hierdurch wird eine kompakte Schichtdickenmeßsonde reali siert, die eisenhaltige Substrate mit Hilfe des Hall-Sen sors und eisenfreie Substrate mit Hilfe der Wirbelstrom untersuchungsspule 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 Schichtdickenmeßvorrich tung die automatische Bestimmung der Substrateigenschaften mit einer einzelnen Sonde und gleichzeitig die Durchführung einer Messung der Schichtdicke in Abhängigkeit des Sub strattyps. In der Meßsonde sind die Sensoren, die für die Durchführung beider Arten von Messungen benötigt werden, vorzugsweise in einer kompakten Sonde integriert.

Als eine Idee verwendet die Technik zur Schichtdickenmes sung 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 Permanentmagne ten angeordnet sind, um die von der Temperatur abhängige magnetische Flußdichte zu messen. Dabei besteht ein ein deutiger 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 resultie renden Wirbelströme bauen ihrerseits ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld auf, das umgekehrt auf die angeregte Spule einwirkt. Diese Wirbelstromeffekte an der Spule wer den 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. charak terisierten Substrat.

Die erfindungsgemäße Meßsonde wird vorzugsweise in einer Schichtdickenmeßvorrichtung eingesetzt, die vorerst unter sucht, ob ein eisenhaltiges Substrat vorliegt, - durch Messen der temperaturkompensierten bzw. -korrigierten ma gnetischen Flußdichte an einem Pol des Permanentmagneten mit Hilfe des Hall-Sensors und des Temperatursensors, ins besondere Thermistors. Dabei werden die Meßergebnisse der magnetischen Flußdichte und der Temperatur in temperatur kompensierte 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 Wirbel stromeffekte, die im leitenden eisenfreien Substrat durch Magnetfelder der Schichtdickenmeßvorrichtung erzeugt wer den, mit Hilfe einer Wirbelstrommeßspule untersucht bzw. gemessen werden. Dabei werden die Wirbelstrommeßergebnisse in einen Wirbelstromfrequenzwert umgewandelt, der propor tional ist zur Schichtdicke einer Schicht auf einem leiten den eisenfreien Substrat.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der vorliegenden Er findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele. In der Beschreibung wird auf die beigefügte schematische Zeichnung Bezug genommen. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1(a) einen Querschnitt einer Meßsonde einer er findungsgemäßen Meßvorrichtung entlang der Linie IA-IA in Fig. 1(b);

Fig. 1(b) einen Querschnitt einer Meßsonde einer er findungsgemäßen Meßvorrichtung entlang der Linie IB-IB in Fig. 1(a);

Fig. 2 eine Darstellung der Orientierung von Strö men und Feldern zur Veranschaulichung des Hall-Effekts;

Fig. 3(a) eine Darstellung von magnetischen Feldlinien eines Permanentmagneten in einem Abstand d₁ oberhalb eines eisenhaltigen Substrats;

Fig. 3(b) eine Darstellung von magnetischen Feldlinien eines Permanentmagneten in einem Abstand d₂ oberhalb eines eisenhaltigen Substrats, wo bei d₂ < d₁ in Fig. 3(a);

Fig. 4(a) ein Querschnitt einer Wirbelstromspule für die Verwendung in einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel entlang der Linie IIIA- IIIA in Fig. 4(b);

Fig. 4(b) ein Querschnitt einer Wirbelstromspule für die Verwendung in einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel entlang der Linie IIIB- IIIB in Fig. 4(a);

Fig. 5(a) eine Darstellung von magnetischen Feldlinien einer elektromagnetischen Spule in einem Abstand D₁ oberhalb eines eisenfreien lei tenden Substrats;

Fig. 5(b) eine Darstellung von Magnetfeldlinien einer elektromagnetischen Spule in einem Abstand D₂ oberhalb eines eisenfreien leitenden Sub strats, wobei D₂ kleiner als D₁ in Fig. 5 (a);

Fig. 6 eine Darstellung einer Steuervorrichtung für eine Meßvorrichtung entsprechend einem er findungsgemäßen Ausführungsbeispiel; und

Fig. 7 ein Flußdiagramm, das die Arbeitsschritte der Steuervorrichtung in Fig. 6 veranschau licht.

Die Fig. 1(a) und (b) zeigen ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Meßsonde einer Schichtdickenmeß vorrichtung im Querschnitt. Dabei sind die Querschnitte entlang der Linien IA-IA in Fig. 1 (b) bzw. der Linie IB-IB in Fig. 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-Magnet sensor 50 umschließt. Dabei ist die Wirbelstrommeßspule 60 vorzugsweise in thermisch leitendem Epoxidharz 80 eingebet tet, derart, daß die Wirbelstrommeßspule 60 im Probenkern 60 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 Wirbelstrommeß spule 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 wesentlichen unempfindlich ist gegenüber Substratdicken schwankungen.

Der Hall-Effekt-Magnetsensor 50 ist an einem Ende eines zylindrischen Permanentmagenten 30 angeordnet, um die ma gnetische 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 ausge nützt, um das Magnetfeld B_i durch den Hall-Effekt-Magnetsen sor 50 zu bestimmen. Dabei steht das Magnetfeld B_i in Bezie hung mit der magnetischen Flußdichte ϕ durch eine Quer schnittsfläche gemäß

wobei sich die Integration über die relevante Querschnitts fläche mit dem Differentialflächenelement dA_i erstreckt.

Fig. 2 ist eine Darstellung der Orientierung von Strömen und Feldern zur Veranschaulichung des Hall-Effekts. Fig. 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:

F_i ^Lorentz = qE_i + qε_ijkn_jB_k

wobei E_i irgendein elektrisches Feld ist, welchem die La dungsträger ausgesetzt sind, und wobei ε_ijk ein vollständig antisymmetrischer 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 gerich tet, 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-Rich tung) sammeln, wird ein elektrisches Feld E_i = E_y = v_XB_Z = (J_X/(nq))B_Z in positiver y-Richtung aufgebaut, um die gesam te Lorentzkraft F_i ^Lorentz zu neutralisieren bzw. um der Lorenz kraft 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 gemes sen 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 Zusam menhang zwischen dem Hall-Widerstand R_Hall und dem Hall-Koef fizienten R = (1/(nq)). Der Hall-Koeffizient R wurde be reits für viele Leiter- und Halbleitermaterialien experi mentell 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 be stimmtes 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-Magnetsen sors abhängig.

Erfindungsgemäß ist daher ein Temperatursensor 40, insbe sondere 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 Temperaturmeßergeb nisse an eine Steuervorrichtung 90 der Schichtdickenmeßvor richtung.

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 Sub strats, so daß ein bestimmter Abstand d zwischen dem be schichteten 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-Ma gnetsensor 50 und der Schichtoberfläche bekannt; außerdem ist der Abstand zwischen der Polfläche des Permanentmagne ten 30 des Hall-Effekt-Magnetsensors 50 und der Oberfläche der zu messenden Schicht auf dem Substrat bekannt. Bei der Durchführung einer Schichtdickenmessung wird die Sonden spitze 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 Steu ervorrichtung 90 führt dann Messungen der magnetischen Fluß dichte ϕ am Hall-Effekt-Magnetsensor 50 durch. Des weiteren führt die Steuervorrichtung 90 auch Messungen der Tempera tur T des Hall-Effekt-Magnetsensors 50 durch. Dabei ist die Polfläche des Permanentmagneten 30 in unmittelbarer Nähe der Schichtoberfläche im wesentlichen parallel zur Schicht oberfläche orientiert, und damit auch im wesentlichen par allel zum darunter liegenden Substrat, was zusätzlich zu einer größeren Gleichmäßigkeit in der Messung der magneti schen 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 Perma nent-Magnet 30 befestigt ist.

Der Hall-Effekt-Magnetsensor 50 ist mit der Steuervorrich tung 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 Steuervor richtung 90 verbunden, um die Temperatur T des Hall-Effekt- Magnetsensors 50 anzuzeigen. Sodann wandelt die Steuervor richtung 90 die angezeigten Meßwerte der magnetischen Fluß dichte ϕ und der Temperatur T in bekannter Art und Weise in eine Größe um, die proportional ist zur temperaturkompen sierten bzw. -korrigierten, magnetischen Flußdichte ϕ^tempcomp in der Nähe der Polfläche des Permantmagneten 30.

Die Fig. 3(a) und (b) veranschaulichen schematisch die magnetischen Feldlinien 31 sowie den Einfluß auf die magne tische 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 orien tiert ist. Fig. 3(a) zeigt den Magneten 32 in einem Ab stand d₁ über einem eisenhaltigen Substrat 100, das im wesentlichen parallel zur Polfläche des Magneten 32 ausge richtet ist. Die magnetische Flußdichte ϕ₁, wird dabei darge stellt 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 Pol fläche 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 Fig. 3(b) den Magneten 32 in einem Abstand d₂ über einem eisenhaltigen Substrat 100, das im wesentlichen parallel zur Polfläche des Magneten 32 ange ordnet ist. Die magnetische Flußdichte ϕ₂ entspricht der Anzahl der Magnetfeldlinien 31, die durch das Flächenele ment 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 eisen haltigen Substrat 100 orientiert.

Sobald der Magnet 32 an das eisenhaltige Substrat angenä hert wird, nimmt die Anzahl der Magnetfeldlinien 31 zu, die von der Polfläche des Magneten 32 ausgehen, und im ferroma gnetischen 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 heran rückt. D. h., daß die magnetische Flußdichte ϕ zunimmt, wenn der Abstand d zwischen Magnet 32 und eisenhaltigem Substrat 100 abnimmt. Die Fig. 3(a) und (b) veranschaulichen, daß ϕ₂ < ϕ₁, falls d₂ < d₁. Somit steht die magnetische Fluß dichte ϕ in reziprokem Verhältnis zum Abstand d zwischen Magnet 32 und eisenhaltigem Substrat 100. Die Beziehung zwischen gemessener magnetischer Flußdichte ϕ und dem Ab stand d zwischen Magnet 32 und eisenhaltigem Substrat 100 kann verwendet werden, um eine Meßvorrichtung zu kalibrie ren, welche die Dicke einer eisenfreien Schicht auf einem eisenhaltigen Substrat 100 bestimmt.

Das Ausgangssignal des Temperatursensors 40, das der Tem peratur T des Hall-Effekt-Sensors 50 entspricht, wird von der Steuervorrichtung 90 dazu verwendet, um eine Tempera turkompensation für das Ausgangssignal der magnetischen Flußdichte ϕ vom Hall-Effekt-Magnetsensor 50 durchzuführen, indem experimentell bestimmte Kompensations- bzw. Korrek turfaktoren 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 experimen tellen Kurvenverlauf näherungsweise auszugleichen. Mit Hilfe dieser experimentell bestimmten mathematischen Funk tion kann die Steuervorrichtung 90 die Schichtdicke d^coating einer eisenfreien Schicht aus Messungen der temperaturkom pensierten magnetischen Flußdichte ϕ^tempcomp bestimmt werden.

Der Aufbau mit Wirbelstrommeßspule 60 ist in den Fig. 4(a) und (b) veranschaulicht. Dabei ist die Spule 60 par allel 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 Fig. 4(a) gezeigt. Vorzugsweise wird die Spule 60 aus ca. 60 Windungen von 30 AWG (American Wire Gauge) Draht gefertigt, die in Scheibenspulenkonfigu rationen 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 Fig. 1(a) und (b) ge zeigt, 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 er möglicht wird. Eine derartige kompakte Meßsonde hat ins besondere 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 beschichte ten Substrat bestimmt werden soll. Außerdem verringert die erfindungsgemäße Anordnung der Spule 60 dicht an der Son denspitze 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 magnetische Kopplung zwischen der Spule 60 und den induzierten Gleichströmen verstärkt und genaue ste Messungen der gegenseitigen Einflüsse ermöglicht, die Spule 60 und die induzierten Gleichströme gegenseitig aus üben.

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 wer den. Die Gleichströme, die durch die Spule 60 induziert werden, bewirken umgekehrt ein Magnetfeld in entgegenge setzter Richtung, entsprechend der Lenz'schen Regel. Die Wirbelstrommeßspule 60 weist demnach eine resultierende magnetische Nettoflußdichte ϕ^netauf, welche der Differenz zwischen der magnetischen Anregungsflußdichte ϕ^excite und der magnetischen Wirbelstromflußdichte ϕ^eddy gemäß der Gleichung

ϕ^net(z,t) = ϕ^excite(z,t) - ϕ^eddy(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 Symmetrie achse der Spule 60 angeordnet ist. Die magnetische Netto flußdichte ϕ^net durch die Spule 60 beeinflußt die Impedanz Z^coil der Spule 60.

Die Fig. 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 eisenfrei en leitenden Materials 110 gebracht wird, dessen Oberfläche 112 im wesentlichen parallel zur Querschnittsfläche der Spule 60 verläuft. Die Momentaufnahme in den Fig. 5(a) und (b) entspricht dem Zeitpunkt, in dem das durch die Spulen induzierte Magnetfeld einen Maximalwert mit nach unten gerichteter Feldkomponente erreicht. Fig. 5(a) zeigt die Spule 60 in einem Abstand D₁ über der Oberfläche 112 eines eisenfreien leitenden Substrats 110, die im we sentlichen 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 Wir belströme 32 sind ebenfalls an der Oberfläche 112 darge stellt.

Fig. 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 Magnetfeld linien 31, die durch die Spule 60 hindurchtreten. Die mo mentane magnetische Wirbelstromdichte ϕ^eddy im Abstand D₂ entspricht der Anzahl der nach oben gerichteten Magnetfeld linien 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 Sub strat 110 heranrückt, nimmt die Nettoanzahl der Magnetfeld linien 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 eisen freien leitenden Substrat 110 abnimmt. Die Fig. 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 Rela tion zum Abstand D zwischen der Spule 60 und dem eisenfrei en 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 Sub strat 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 Netto flußdichte 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 Experi menten kann ohne weiteres eine Beziehung zwischen der ge messenen 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 ent spricht), bestimmt werden. Hieraus kann eine mathematische Beziehung, vorzugsweise in der Form

Z^coil ∝ ϕ^net∝ (D^coating)^ξ

bestimmt werden, wobei ξ ein entsprechend anpaßbarer Expo nent ist, um die experimentell gewonnenen Daten bzw. Punkte anzunähern. Mit Hilfe einer derartigen experimentell gewon nenen mathematischen Funktion bestimmt die Steuervorrich tung 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 Fig. 1(a) und (b) sowie in Fig. 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 Eingangssi gnale von einer Anwenderschnittstelle bzw. Interface 120. Elektrische Verbindungen sind in Fig. 6 durch durchgezoge ne Linien dargestellt, während thermische Verbindungen bzw. Kopplungen in Fig. 6 durch gestrichelte Linien veranschau licht werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die thermische Kopplung zwi schen Wirbelstrommeßspule 60, thermischem Sensor 40, Hall- Effekt-Magnetsensor 50 und Permanentmagnet 30 durch ther misch leitendes Epoxidharz 80 realisiert, wie in Fig. 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 ver wenden. Der vorgegebene beliebige Wert d^max wird in bekann ter Form in einem Speicherfeld der Steuervorrichtung 90 abgelegt. Beispielsweise wird bei einem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel 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 fest gelegt.

Der Einfluß von Wirbelströmen, die in ein darunter liegen des, 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 Fig. 5(b) gezeigt, besagt die Lenz'sche Regel, daß die resultierende Wirkung des Magnet feldes, das durch die induzierten Wirbelströme 32 im lei tenden Substrat erzeugt wird, daß die Nettoanzahl der Ma gnetfeldlinien 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 Netto flußdichte ϕ^net - als Ergebnis der in einem darunter liegen den leitenden Substrat induzierten Wirbelströme 32 bei Verringerung der Distanz des Abstandes d zwischen der Son denspitze 70 und dem darunter liegenden leitenden Substrat - verhält sich genau entgegengesetzt zur Zunahme der magne tischen Nettoflußdichte ϕ^net, sobald der Abstand d zwischen der Sondenspitze 70 und einem darunter liegenden eisenhal tigen Substrat abnimmt.

Falls die temperaturkompensierte magnetische Flußdichte ϕ^tempcomp einer Schichtdicke d^coating entspricht, welche den vor bestimmten Schwellenwert d^max überschreitet, nimmt die Steuerung 90 automatisch an, daß anstelle einer außeror dentlich dicken eisenfreien Schicht mit einer Schichtdicke d^coating auf einem eisenhaltigen Substrat ein darunter liegen des leitendes Substrat vorhanden sein muß. Sodann schaltet die Steuerung 90 automatisch auf den Meßmodus um, um die induzierten Wirbelstromeffekte direkt und mit hoher Genau igkeit 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 Steue rung 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 temperaturkom pensierte magnetische Flußdichte ϕ^tempcomp und führt eine Prü fung durch, ob d^coating größer ist als d^max, bevor die induzier ten Wirbelstromeffekte tatsächlich gemessen werden.

Die operationelle Betriebsweise der Steuerung 60 wird in Fig. 7 in Form eines Flußdiagramms veranschaulicht. Zu nächst prüft die Steuerung 90 im Schritt 900, ob die Steue rung 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 akti viert den Hall-Effekt-Magnetsensor 50 und die vom Hall- Effekt-Magnetsensor gemessene magnetische Flußdichte so 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 Flußdich te 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 Proportionalitäts konstante und v_EXP ein experimentell bestimmter Exponent ist.

Sodann prüft die Steuerung 90 im Schritt 1040, ob der Ab stand 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 zu rück, 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. Vorzugs weise 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 Bezie hung

wobei K_EXP eine experimentell bestimmte Proportionalitäts konstante 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 Ab stand 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 eisen freien 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 Steue rung 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 erfin dungsgemäßen 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 Null frequenzstrom, d. h. einem Gleichstrom (D. C.), anregt, wird dadurch ein Elektromagnet erzielt, der besonders effektiv den Platz des Permanentmagneten 30 im vorstehend beschrie benen 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 vor stehend anhand von spezifischen Ausführungsbeispielen ver anschaulicht. Dabei ist es dem Fachmann klar, daß die Er findung 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 spezi fisch Beschriebenen abweichen können. Beispielsweise ist die verwendete Bezeichnung "eisenhaltige Substrate" nicht einschränkend zu verstehen, sondern bezieht sich ganz all gemein 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 be schriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt verstanden werden.

Claims

1. Verfahren zur Schichtdickenmessung von eisenfreien oder nicht-magnetischen Schichten auf einem eisenhal tigen oder magnetischen Substrat sowie von nichtlei tenden Schichten auf einem leitenden Substrat mittels einer einzigen Meßsonde in einer Schichtdickenmeßvor richtung, um die Substrateigenschaften zu bestimmen und eine Schichtdickenmessung auf dem charakterisier ten Substrat durchzuführen, wobei das Verfahren fol gende Schritte umfaßt:

a) Prüfen, ob ein eisenhaltiges Substrat vorliegt, durch Messen einer magnetischen Flußdichte an einem Pol eines in der Meßsonde befindlichen Ma gneten (30);
b) Bestimmen der Schichtdicke anhand der gemessenen magnetischen Flußdichte, falls ein eisenhaltiges Substrat ermittelt wird; oder
c) Messen von im Substrat auftretenden Wirbelstrom effekten und Bestimmen der Schichtdicke anhand dieser Messung, falls ein leitendes Substrat vor liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnet (30) ein Permanentmagnet verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß automatisch in einen Modus umgeschaltet wird, um zu prüfen, ob ein leitendes Substrat vorliegt, falls im Schritt a) kein eisenhaltiges Substrat er mittelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß ferner eine Temperaturkom pensation oder -korrektur der magnetischen Flußdichte mit Hilfe eines Temperatursensors (40) durchgeführt wird.

5. Schichtdickenmeßvorrichtung zum 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 Magnet (30);
b) einem nahe einer Polfläche des Magneten (30) an geordneten magnetischen Flußdichtesensormittel (50), um ein Magnetfeld in Umgebung der Polfläche zu messen;
c) einer in Umgebung der Polfläche angeordneten Wir belstrommeßspule (60); und
d) Steuermitteln (90) zum Empfangen von Eingangssi gnalen aus dem Flußdichtesensormittel (50) und der Wirbelstrommeßspule (60) und zum Berechnen einer Schichtdicke auf der Grundlage eines oder mehrerer ausgewählter Eingangssignal.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (30) ein Permanentmagnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch ein mit dem magnetischen Flußdichtesensormittel (50) gekoppeltes Temperatursensormittel (40) zur Tem peraturmessung in Umgebung des magnetischen Flußdich tesensormittels (50), insbesondere um eine hin sichtlich der gemessenen Temperatur kompensierte oder korrigierte Magnetfeldmessung durch das Flußdichtesen sormittel (50) zu liefern.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (30), das magnetische Flußdichtesensormittel (50) und die Wirbelstrommeß spule (60) in einer einzigen Meßsonde untergebracht sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Flußdichtesensor mittel ein Hall-Effekt-Magnetsensor (50) ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperatursensormittel (40), insbesondere ein Temperatursensor, ein Thermistor ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, 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.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelstrommeßspule (60) durch einen Wechselstrom angeregt wird, der mit einer Fre quenz zwischen ca. 6 MHz und ca. 12 MHz oszilliert.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdickenmeßvorrichtung für eine automatische Kombinationsschichtdickenmessung ausgelegt ist, wobei die Steuermittel automatisch ein oder mehrere Eingangssignale auswählen und die Schichtdicke auf der Grundlage des ausgewählten Ein gangssignals bestimmen.

14. Meßsonde für eine kombinierte Schichtdickenmeßvorrich tung zur Schichtdickenmessung von sowohl einer eisen freien oder nicht-magnetischen Schicht auf einem ei senhaltigen oder magnetischen Substrat als auch einer nicht-leitenden Schicht auf einem leitenden Substrat, wobei die Meßsonde umfaßt:

a) einen Magnet (30);
b) ein nahe einer Polfläche des Magneten (30) ange ordnetes Hall-Effekt-Magnetsensormittel (50), um ein Magnetfeld in Umgebung der Polfläche zu mes sen;
c) eine in Umgebung der Polfläche angeordnete Wir belstrommeßspule (60); und
d) ein mit dem Hall-Effekt-Magnetsensormittel gekop peltes Temperatursensormittel zur Temperaturmes sung in Nähe des Hall-Effekt-Magnetsensormittels, um eine hinsichtlich der gemessenen Temperatur kompensierte oder korrigierte magnetische Fluß dichtemessung zu liefern.

15. Meßsonde nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (30) ein Permanentmagnet ist.

16. Meßsonde nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn zeichnet, daß die Meßsonde Steuermittel, insbesondere eine Steuerung oder Steuervorrichtung, aufweist, wobei der Magnet, das Hall-Effekt-Magnetsensormittel, die Wirbelstrommeßspule (60) und das Temperatursensormit tel, mit der Steuerung verbunden sind.

17. Meßsonde nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde mit den Steuermitteln gekoppelte Anzeige mittel, insbesondere ein Anzeigegerät zum Anzeigen der Schichtdickenmessung am charakterisierten Substrat, aufweist.

18. Meßsonde nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn zeichnet, daß die Meßsonde ferner Anwender-Schnitt stellenmittel, insbesondere eine Anwender-Schnittstel le oder Interface, aufweist, die mit den Steuermitteln verbunden sind, um die Bedienung der Steuermittel zu erleichtern.