DE19649515B4

DE19649515B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Dicke dünner Schichten sowie Schaltung zur Ansteuerung der Vorrichtung

Info

Publication number: DE19649515B4
Application number: DE19649515A
Authority: DE
Inventors: Helmut Fischer
Original assignee: Immobiliengesellschaft Helmut Fischer GmbH and Co KG
Current assignee: IMMOBILIENGESELLSCHAFT HELMUT FISCHER GMBH & CO. K
Priority date: 1996-11-29
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2016-11-30
Also published as: JPH10160405A; GB2319847B; US5929633A; DE19649515A1; GB9724009D0; GB2319847A; JP4074898B2

Abstract

Vorrichtung zur Messung der Dicke von dünnen Schichten im unteren Mikrometerbereich, mit einem leichten Tragarm,
mit einer Meßsonde an einem Endbereich des Tragarms, die nach einer Schwenkbewegung mit ihrem Meßpol auf der Oberfläche der Schicht aufsetzbar ist,
mit einer Dämpfungsvorrichtung am anderen Endbereich des Tragarms,
mit einer Lagervorrichtung für den Tragarm, deren geometrische Schwenkachse sich senkrecht zur geometrischen Schwenkebene der Schwenkbewegung erstreckt,
und mit einer mit Magnetkräften arbeitenden Antriebsvorrichtung für den Tragarm, die symmetrisch zur Schwenkebene aufgebaut ist und zwei mit dem Tragarm verbundene Permanentmagnete umfaßt, deren gleichnamige Pole jeweils diesseits und jenseits der Schwenkebene liegen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale
a) Die Lagervorrichtung (6) umfaßt ein Torsionsfedermittel (31), dessen beide Enden quer zur Schwenkebene an je einem Lagerbock (32, 33) befestigt sind.
b) Die Schwenkbewegung liegt zumindest im wesentlichen im Hooke'schen Bereich des Torsionsfedermittels (31).
c) Die Dämpfungsvorrichtung arbeitet nach dem Prinzip der...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie das zu der Vorrichtung gehörige Messverfahren und eine Schaltung zur Ansteuerung der Vorrichtung.

In manchen Industriebetrieben, vor allem der Automobilindustrie, werden sehr hohe Stückzahlen, im Bereich von 1 bis 10 Mio. Stück, gefertigt. In Einspritzventilen werden z. B. Stutzen und Anker stirnseitig verchromt. Die Dicke der Chromschichten muss innerhalb vorgegebener Grenzen im Bereich von 3 bis 8 μm liegen. Die zu messenden Flächen sind ringförmig mit einem typischen Durchmesser von 4 mm und einer Breite von 0,5 bis 1,5 mm. Derartige Teile dienen dazu, eine sehr präzise Menge von Kraftstoff elektronisch gesteuert in den Motorraum einzuspritzen. Dies geschieht über einen Spalt, dessen Taktzeit von der Steuerung vorgegeben werden muss. Die typischen Lastspiele der Teile lie gen bei etwa 100 Millionen und entspricht der Fahrleistung eines Motors von etwa 160.000 km. Falls die Chromschichten der Teile zu gering sind, besteht die Gefahr eines Klebens, d. h. dass nicht ausreichend Kraftstoff in den Motorraum gelangt. Umgekehrt besteht bei zu dicker Chromschicht die Gefahr, dass das Ventil nicht schließt und zu große Mengen Kraftstoff eingespritzt werden. In diesem Fall besteht sogar Brandgefahr für den Motor, eine Situation, die in der Regel Produzentenhaftung nach sich zieht.

Aus diesen Gründen ist es erforderlich, diese Teile nicht nur stichprobenweise auszumessen, sondern jedes einzelne Teil auf die Einhaltung der vorgegebenen Toleranzwerte hin zu überprüfen. Folglich muss das hierfür benötigte Messsystem eine hohe Standfestigkeit haben, um die hoch empfindlichen und funktionsbestimmenden Teile mit einem vertretbaren Aufwand kontinuierlich messen zu können.

Eine hohe Standzeit des Messsystems ist insbesondere bei der Messung auf sehr harten und scharfkantigen kristallinen Chromschichten problematisch.

Eine weitere Schwierigkeit bei der Messung dünner Schichten ist, dass bei taktilen Messverfahren immer die Gefahr besteht, dass bei der Messung die zu messende Schicht verformt oder in anderer Weise verändert wird, wodurch Messverfälschungen verursacht werden.

Aus der DE 39 02 095 A1 geht eine Messsonde zur Messung dünner Schichten hervor. Diese Messsonde umfasst einen axial in einer Hülse verschiebbaren Sondenkopf. Während dem Aufsetzen der Sonde auf der zu messenden Oberfläche taucht der Sondenkopf in die Hülse ein. Gleichzeitig erfolgt eine Messung der Schichtdicke. Die Federvorrichtung zwischen dem Sondenkopf und der Hülse ist sehr weich ausgebildet. Dadurch kann eine Messung ohne Verletzung der Oberfläche erfolgen. Diese Vorrichtung ist jedoch hinsichtlich des Einsatzes aufgrund seiner Größe begrenzt.

Aus der DE 34 08 554 A1 geht eine Messvorrichtung zur Messung von Eigenschaften von festen Stoffen hervor. Diese Prüfvorrichtung weist einen Prüfkörper mit einem einpoligen Tastspitzen-Einsatz auf, der auf der Oberfläche des zu prüfenden Stoffes aufgesetzt wird. Über einen elektromotorischen Antrieb wird der Prüfkörper mit einer bestimmten, aber veränderbaren Kraft auf die Oberfläche des Stoffes gedrückt. Diese Prüfvorrichtung benötigt eine nur sehr kleine Andruckkraft, die keine Spuren oder Schäden an der zu prüfenden Oberfläche hinterlässt, wobei eine Dickenänderung bis zu 0,05 μm je nach Messbereich erfassbar ist. Diese Messvorrichtung hat sich im praktischen Einsatz bewährt. Die Qualitätsanforderungen sind jedoch gestiegen. Darüber hinaus werden auch sehr kurze Mess- und Prüfzeiten gefordert. Darüber hinaus müssen die Messvorrichtungen sehr kleine und sehr empfindliche Oberflächenbeschichtungen einsetzbar sein, welche eine Reduzierung der Reibung in nerhalb der Antriebsvorrichtung erfordert.

Hiervon austehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung und ein Verfahren sowie eine Schaltung zur Ansteuerung der Vorrichtung zu schaffen, die eine präzise Messung der Dicke von dünne Schichten ermöglicht und gleichzeitig eine hohe Standzeit aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Im Betrieb wird die auf dem Tragarm angeordnete Messsonde durch die mit Magnetkräften arbeitende Antriebsvorrichtung sehr schnell und in kürzester Zeit auf die Schichtoberfläche zubewegt. Dabei wird der Tragarm in der Lagervorrichtung verschwenkt und das Torsionsfedermittel im Wesentlichen im Hooke'schen Bereich tordiert. Dadurch erfolgt die Verschwenkung praktisch reibungsfrei. Die Dämpfungsvorrichtung verhindert, dass die Messsonde mit hoher Geschwindigkeit auf der zu messenden Oberfläche aufprallt. Ein Vorteil der Wirbelstromdämpfung ist, dass dabei ebenfalls keine mechanische Reibung entsteht, die insbesondere beim Übergang von Haft- zu Gleitreibung großen Schwankungen untworfen ist, was insbesondere unmittelbar vor bzw. bei dem Aufsetzen der Messsonde auf der zu messenden Schicht nachteilig wäre. Ein weiterer Vorteil der Wirbelstromdämpfung ist, dass die Dämpfungskraft mit abnehmender Geschwindigkeit der

Messsonde abnimmt, wodurch ein sanftes Aufsetzen der Messsonde auf der zu messenden Schicht erleichtert wird.

Die Antriebsvorrichtung ist durch eine elektrische Antriebsspule realisiert, die schnell anspricht und einfach ansteuerbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Im Hinblick auf die hohen Stückzahlen, in denen Einspritzventile hergestellt werden, ist eine weitere Forderung der Praxis, daß die Messung der Schichtdicke bei hoher Genauigkeit innerhalb einer kurzen Zeitspanne ausgeführt wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Meßverfahren anzugeben, das es einerseits ermöglicht, Messungen sehr rasch auszuführen und andererseits jegliche durch den Meßvorgang hervorgerufene Veränderungen der zu messenden Schicht vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 25 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst die Meßsonde in einer Annäherungsphase mit großer Geschwindigkeit an die zu messende Schicht angenähert. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Meßsonde den größten Teil der Wegstrecke in einer kurzen Zeitspanne zurücklegt. Dadurch wird die für die Messung insgesamt benötigte Zeit erheblich reduziert. Würde die Meßsonde jedoch mit dieser Geschwindigkeit auf die zu messende Schicht aufprallen, würde diese beschädigt werden. In einer daran anschließenden Verzögerungsphase wird deshalb die Bewegung der Meßsonde so weit verzögert, daß eine Beschädigung der zu messenden Schicht ausgeschlossen ist. Im Idealfall kommt die Meßsonde genau dann zum Stillstand, wenn sie auf der zu messenden Schicht aufsetzt.

Zur Erzeugung definierter Meßverhältnisse und um Fremd- oder Staubpartikel wegzudrücken, wird die Meßsonde in der nachfolgenden Meßphase durch eine von den Betriebsspulen erzeugte Meßkraft auf die zu messende Schicht gedrückt.

Der Arbeitszyklus des Verfahrens wird durch eine Rückholphase des Verfahrens geschlossen, während die Meßsonde durch Rückstellkräfte in ihre Ausgangsstellung zurückgesetzt wird.

Im einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel können die Rückstellkräfte zumindest teilweise mittels der Antriebsspulen erzeugt werden.

Schließlich ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung zu schaffen, die die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung gemäß Anspruch 27 gelöst.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltung ist Gegenstand von Anspruch 28.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen
1a das Sondensystem in einer perspektivischen Ansicht von der Seite,
1b einen Querschnitt durch den Sockel und die Spannbügel des Sondensystems unter Weglassung des Trägerbalkens,
2a, 2b den Tragarm in einer Draufsicht von oben und im Querschnitt in jeweils anderen Maßstäben,
3a einen Querschnitt durch den Fassungskörper,
3b einen Längsschnitt durch den Fassungskörper längs der Linie III-III in 3a,
4a eine schematische Ansicht der Meßvorrichtung von der Seite, teilweise im Querschnitt,
4b eine schematische Ansicht des Bodenteils der Meßvorrichtung von unten,
4c eine schematische Ansicht der Meßvorrichtung in einer Ansicht von oben,
5 eine Dämpfungsplatte in einer Draufsicht auf deren Innenseite,
6a den Weg des Sondensystems aufgetragen über relativen Zeiteinheiten und
6b die Steuerspannung für die Antriebsspulen aufgetragen über relativen Zeiteinheiten.
1a zeigt das als Ganzes mit 1 bezeichnete Meßsystem. Das Meßsystem 1 umfaßt im wesentlichen einen Sockel 2, eine Meßsonde 3, einen Tragarm 4 und dessen Lagerung 6.
Die Meßsonde 3, die im Betrieb auf einen Gegenstand mit einer auszumessenden Schicht aufgesetzt wird, ist an dem einen Ende 7 des länglichen Trägerbalkens 4 angeordnet. Die Meßsonde 3 umfaßt eine in der 1a nicht sichtbare Erregerwicklung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes. Die Erregerwicklung umgibt einen Meßpol aus einem magnetisch hochpermeablem Material, dessen unteres Ende aus der Meßsonde 3 herausragt. In diesem Ende des Meßpols ist ein harter Stift aufgenommen, der eine ballige Aufsetzfläche 8 bildet. Um den Meßpol ist weiterhin eine Induktionswicklung gewickelt. Das von der Erregerwicklung erzeugte elektromagnetische Feld verändert sich abhängig von der Dicke der zu messenden Schicht unterhalb des Meßpols. Die Veränderungen des magnetischen Feldes werden mittels der Induktionsspule gemessen und ausgewertet. Eine solche Meßsonde 3 ist z.B. aus der DE-PS 34 37 253 bekannt.
2a und 2b zeigen den T-förmig ausgebildeten Tragarm 4. Den Quersteg 9 des Trägerbalkens 4 bildet ein Streifen aus dünner Federbronze, der in seiner Mitte mit einer V-förmigen Sicke 11 versehen ist. In die Sicke 11 ist ein Längssteg 12 aus demselben Material eingesetzt und durch zwei Klebenähte 13 und 14 mit dem Quersteg 9 verklebt. Die Verklebung bildet eine stabile stoffschlüssige Verbindung ohne die Masse des Trägerbalkens 4 wesentlich zu erhöhen. Um zu vermeiden, daß bei einer mechanischen Bearbeitung der Federbronze Spannungen in dem Material erzeugt werden, wird die Kontur des Quer- und des Längssteges 9, 12 aus einer Folie geätzt, die beispielsweise eine Dicke von 100 μm aufweist. Wie in 1a gezeigt ist, weist der Längssteg 12 drei laschenartige Verbreiterungen 16, 17 und 18 auf. Eine erste und mittlere Lasche 16 teilt den Tragarm 4 ungefähr im Verhältnis 1:2 in zwei Abschnitte 19, 21 und ist in 1 nach unten gerichtet. Die erste Lasche 16 ist mit einem Durchgangsloch 22 versehen, in das ein Fassungskörper 23 eingesteckt ist. Der Fassungskörper 23 ist mit der ersten Lasche 16 verklebt.
Die zweite Lasche 17 des Längssteges 12 des Trägerbalkens 4 befindet sich an dem Ende des kurzen Abschnittes 19 und ist wie die erste Lasche 16 in 1 ebenfalls nach unten gerichtet. Diese Lasche 17 bildet eine Zunge, an der zu beiden Seiten jeweils ein flacher zylindrischer Permanentmagnet 24, 25 fest angeordnet, beispielsweise geklebt ist (2a). Die beiden Magnete 24, 25 haben eine große Feldstärke von z.B. 1,2 T und ihre Magnetpole sind so orientiert, daß sich – durch die Zunge 17 voneinander getrennt – zwei ungleichnamige Magnetpole gegenüberliegen. Aus einem außen liegenden, von der Zunge 17 abgewandten Magnetpol treten Magnetfeldlinien aus, um in den zweiten außen liegenden Magnetpol wieder einzutreten. Dabei entsteht ein axialsymmetrisches Magnetfeld außerhalb der Magnete 24, 26.
An dem gegenüberliegenden Ende des Trägerbalkens 4 befindet sich eine dritte Lasche 18 des Längssteges 12, die in die entgegengesetzte Richtung wie die beiden anderen Laschen 16, 17, d.h. in der Figur nach oben, weist. Im Bereich der dritten Lasche 18 ragt der Längssteg 12 über den Quersteg 9 hinaus. Es ist daher möglich, die Meßsonde 3 auf der dritten Lasche 18 zu haltern, ohne daß dies durch den Quersteg 9 behindert ist. Durch Verkleben ist zwischen der dritten Lasche 18 und der Meßsonde 3 eine feste Verbindung geschaffen. In der 1a ist die Meßsonde 3 schematisch oberhalb der Lasche 18 angedeutet.
In den 3a und 3b ist der Fassungskörper 23 im einzelnen dargestellt. Der Fassungskörper 23 ist mit einem schmalen Bund 26 versehen, der mit dem Rand des Durchgangsloches 22 in Anlage kommt, wodurch die Einbaustellung des Fassungskörpers 23 festgelegt ist. Auf der in der 3a oben liegenden Seite weist der Fassungskörper 23 eine Abflachung 27 auf, die mit einer Nut 28 versehen ist, die die gesamte Breite der Abflachung 27 einnimmt. Der Fassungskörper 23 ist weiterhin mit einer radialen Nut 29 versehen, die sich über die gesamte Länge des Fassungskörpers 23 erstreckt. Die Nut 29 weist einen Nutenboden 30 auf, der im wesentlichen entlang der Mittelachse des Fassungskörpers 23 verläuft.
Wie aus 1a ersichtlich ist, ist in der Nut 28 ein als Spannband ausgebildeter Federstreifen 31 gefaßt und mit dem Fassungskörper 23 verklebt. Der Federstreifen 31 bildet eine Schwenkachse für den Tragarm 4, die mit der Mittelachse des Fassungskörpers 23 zusammenfällt. Bei einer Verschwenkung des Tragarms 4 wird der Federstreifen 31 tordiert, wobei die Tordierung jedoch stets innerhalb des Hooke'schen Bereichs bleibt, so daß keine verbleibende mechanische Reibung auftritt. Dadurch kann die Messung reproduzierbar und mit hoher Meßgenauigkeit erfolgen. Um Spannungen in dem Federstreifen 31 zu vermeiden, die durch eine mechanische Bearbeitung bei der Formgebung entstehen könnten, wird der Federstreifen 31 in der richtigen Form aus einer Folie geätzt. Ein geeignetes Material für den Federstreifen ist Kupferberyllium (Cu-Be) mit 2% Beryllium Anteil.
Aus 1a und 1b ist zu entnehmen, daß zu diesem Zweck an zwei einander gegenüberliegenden Seiten eines Sockels 2 zwei als Blattfedern ausgebildete Spannbügel 32, 33 fest angeordnet sind, bspw. mit diesem verschraubt sind. Im Unterschied zu dem Federstreifen 31 sind die Spannbügel 32, 33 wie der Tragarm 4 aus kostengünstiger Federbronze hergestellt. Die Spannbügel 32, 33 erstrecken sich bezüglich der Oberfläche des Sockels 2 in senkrechter Richtung und sind bezüglich des Sockels 2 nach außen vorgespannt. An den freien Enden 34, 36 (1b) sind die Spannbügel 32, 33 mit jeweils zwei Schlitzen 37, 38 versehen, so daß die Spannbügel 32, 33 in diesem Bereich jeweils drei Lappen 41, 42 und 43 aufweisen. Der jeweils mittlere Lappen 42 ist in seinem oberen Bereich so weit nach innen umgebogen, daß dessen freies Ende 44 nach unten weist, wie am besten aus 1a zu ersehen ist. Dabei entsteht eine abgerundete Fläche 46 im mittleren Bereich des Lappens 42, über den der Federstreifen 31 gelegt ist. Zweckmäßigerweise ist der mittlere Lappen 42 deshalb ungefähr so breit wie der Federstreifen 31, der beidseitig an den Spannbügeln 32, 33 anliegend nach unten abgebogen ist. Zur Befestigung ist der Federstreifen 31 in einem bestimmten Abstand von der abgerundeten Fläche 46 an den Spannbügeln 32, 33 bspw. angeklebt. Durch diese Art der Führung und Befestigung des Federstreifens 31 werden Verspannungen des Federstreifens 31 vermieden. Gleichzeitig erfolgt die Verklebung jedoch so, daß der Federstreifen 31 in seiner Längsrichtung unter einer leichten Zugspannung steht.
Auf diese Weise ist der Tragarm 4 federnd gelagert und bildet einen zweiarmigen Hebel, der um den Federstreifen 31 verschwenkbar ist. Die Längen der Hebelarme 19, 21 des Trägerbalkens 4 sind so gewählt, daß der Tragarm 4 austariert ist. Bei einer Verschwenkung des Tragarms 4 wird der Federstreifen 31 tordiert und erzeugt Rückstellkräfte. Die Rückstellkräfte des Federstreifens 31 führen dazu, daß der Tragarm 4 bei einer Auslenkung stets in seine waagerechte Ruhestellung zurückkehrt. Die abgerundete Fläche 46 des mittleren Lappens 42 gewährleistet, daß der Federstreifen 31 bei der Tordierung an keiner Stelle geknickt oder einer anderen Belastung ausgesetzt ist, die zu Reibung, Kerbwirkungen oder zusätzlichen Torsionsmomenten führt.
Durch seine Breite sorgt der Federstreifen 31 auch für eine gute Führung des Tragarms 4 quer zu dessen Längserstreckung, was zu einer hohen Aufsetzgenauigkeit des Meßpoles beiträgt. Trotzdem kann der Federstreifen 31 bei einem anderen Ausführungsbeispiel durch einen Torsionsdraht ersetzt sein.
Die jeweils zwei elektrischen Anschlußleitungen der Erreger- und der Induktionsspule der Meßsonde 3 werden paarweise in den Eckbereichen zwischen dem Quer- und dem Längssteg 9, 12 zu dem Fassungskörper 23 geführt. Die Anschlußleitungen sind dann in der Nut 29 im wesentlichen im Zentrum des Fassungskörpers 23 von dem Tragarm 4 weg zu den Spannbügeln 32, 33 hin nach außen geführt. Diese Art der symmetrischen Führung der Anschlußleitungen ermöglicht eine besonders einfache und stabile Befestigung der Anschlußleitungen, damit sich diese im Betrieb nicht verlagern und das Gleichgewicht des Tragarms 4 stören oder Reibung erzeugen. Außerdem werden bei einer Verschwenkung des Tragarms 4 die Anschlußleitungen praktisch überhaupt nicht bewegt, weil sie fast genau mit der Schwenkachse zusammenfallen. Weiterhin können die Anschlußleitungen wegen der unmittelbaren Nachbarschaft zu der Schwenkachse und des damit verbundenen, äußerst kurzen wirksamen Hebelarmes kein Drehmoment auf den Tragarm 4 ausüben, das den Tragarm 4 spürbar beeinflussen könnte. Von dem Fassungskörper 23 führen die Anschlußleitungen schließlich durch eine Öffnung 47 in jedem Spannbügel 32, 33, beispielsweise zu einer Anschlußklemme.
Die Stromstärken für die Meßsonde können so gewählt werden, daß z.B. Leitungsquerschnitte von 4 × 10^–4 mm² ausreichend sind. Grundsätzlich ist auch die Stromzuführung durch geätzte Leiterbahnen möglich, die mittels einer isolierenden Zwischenfolie auf den Tragarm 4 geklebt werden. Auf diese Weise kann das Gewicht des Tragarms 4 noch weiter reduziert und die Herstellung vereinfacht werden.
In 4a ist das in ein rechteckiges Bodenteil 51 eingebaute Meßsystem 1 dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber ist die Lagerung 6 des Tragarms 4, die den Sockel 2 und die Spannbügel 32, 33 umfaßt, weggelassen. Das Bodenteil 51 weist hierzu einen im wesentlichen rechteckigen Durchbruch 52 auf, der so bemessen ist, daß einerseits die Spannbügel 32, 33 mit einem seitlichen Zwischenraum aufnehmbar sind und andererseits der Sockel 2 den Durchbruch 52 übergreift. Der Sockel 2 ist mit zwei Langlöchern versehen, von denen nur eines sichtbar und mit dem Bezugszeichen 53 bezeichnet ist, so daß der Sockel 2 in Querrichtung auf dem Bodenteil 51 justierbar ist. Auf der in Einbaulage dem Bodenteil 51 zugewandten Seite trägt der Sockel 2 zwei rechteckige flache Vorsprünge 56, 57, die in eine Quernut 58 in dem Bodenteil 51 eingreifen. Auf diese Weise ist es unmöglich, den Sockel 2 auf dem Bodenteil 51 zu verdrehen. Gleichzeitig ist dessen genaue Lage in Längsrichtung festgelegt.
In 4b ist das Bodenteil 51 in einer Ansicht von unten dargestellt. Das Bodenteil 51 ist mit einem Schlitz 59 für den Tragarm 4 versehen, der so lang ist, daß der Tragarm 4 darin verschwenkbar ist. Die Breite des Schlitzes 59 ist so bemessen, daß der Tragarm 4 auch bei Ausnutzung der vollen Verstellbarkeit des Sockels 2 entlang dessen Langlöchern mit den Seitenwänden 61, 62 des Schlitzes 59 nicht in Berührung kommt.
Der Tragarm 4 ragt mit seinem die Meßsonde 3 tragenden Arm 21 über das Bodenteil 51 hinaus und wird durch eine endseitig geschlossene Hülse 63 gegen mechanische Beschädigungen geschützt. Die Hülse 63 weist eine Meßöffnung 64 auf, durch die die Meßsonde 3 bei einer Auslenkung des Tragarms 4 durchtreten kann. Wie aus 4c zu ersehen ist, ist parallel zu dem Durchbruch 52 in dem Bodenteil 51 eine längliche Vertiefung 66 vorgesehen, in die zwei identische L-förmige Dämpfungsplatten 67 eingesetzt sind. Der Übersichtlichkeit halber ist in dieser Figur das Meßsystem weggelassen.
Auf jeder Außenseite des breiten Schenkels 69 jeder Dämpfungsplatte 67 ist eine Antriebsspule 71 angeordnet. Die beiden Antriebsspulen 71 der beiden Dämpfungsplatten 67 sind konzentrisch zueinander angeordnet, wenn die Dämpfungsplatten 67 in der Vertiefung 66 eingebaut sind. Werden die Antriebsspulen 71 von einem Gleichstrom durchflossen, dann entsteht wie bei Permanentmagneten ein axialsymmetrisches zeitlich unveränderliches Magnetfeld. Die gemeinsame Symmetrieachse 70 (4a) der Antriebsspulen 71 ist in Einbaulage gegenüber der Symmetrieachse der Permanentmagnete 24, 25 in der Weise versetzt, daß sich die jeweiligen Magnetfelder zumindest teilweise überdecken und bei gleicher Polarität der Magnetfelder zu einer Anziehung zwischen diesen führen. Die Anziehungskraft bewirkt eine Auslenkung des Tragarms 4, die zu einer Annäherung der Meßsonde 3 an die zu messende Oberfläche führt.
In 5 ist die Innenseite 72 einer der Dämpfungsplatten 67 in einer Draufsicht dargestellt. Die Dämpfungsplatte 67 weist einen breiten und einen schmalen Schenkel 69, 73 auf, wobei die Dicke des breiten Schenkels 69 gegenüber der des schmalen reduziert ist. In dem breiten Schenkel 69 ist außerdem mittig eine wannenartige Vertiefung 74 angeordnet. Die beiden Dämpfungsplatten 67 ragen mit den breiten Schenkeln 69 in die Vertiefung 66 des Bodenteils 51. Die schmalen und dickeren Schenkel 73 liegen dabei aneinander an, so daß wegen der geringeren Abmessungen der breiten Schenkel 69 ein Spalt zwischen diesen besteht. In diesen Spalt ragt der Bereich des Tragarms 4, bei dem der Quersteg 9 bis auf die Breite der Sicke 11 vejüngt ist. Die Permanentmagnete 24, 25 sind im montierten Zustand in dem Raum frei beweglich, der von den beiden wannenartigen Vertiefungen 74 in den breiten Schenkeln 69 der Dämpfungsplatten 67 gebildet ist, wobei der dazwischen gebildete Spalt möglichst klein ausgebildet ist, damit so wenig Kraftlinien wie möglich im Luftspalt verlaufen.
Die Dämpfungsplatten 67 bilden im Zusammenwirken mit den Permanentmagneten 24, 25 eine Wirbelstromdämpfung für den Tragarm 4, wobei die Dämpfungsplatten 67 fest am Meßsystem 1 angeordnet sind. Die Wirbelstromdämpfung beruht auf dem Prinzip, daß eine Relativbewegung zwischen einem Magnetfeld und einem elektrischen Leiter elektrische Ströme induziert werden. Die elektrischen Ströme sind so gerichtet, daß sie der genannten Relativbewegung entgegengerichtete Verzögerungskräfte erzeugen. Die die Dämpfung der Relativbewegung herbeiführenden Verzögerungskräfte sind umso größer, je größer die elektrische Leitfähigkeit der von dem Magnetfeld durchsetzten elektrischen Leiter ist. Aus diesem Grund sind bei der Erfindung die Dämpfungsplatten 67 aus elektrolytischem Kupfer gefertigt, das sich durch eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit auszeichnet.
Eine Dämpfung der Bewegung des Tragarms 4 ist notwendig, weil dieser reibungsfrei an dem Federstreifen 31 aufgehängt ist. Einmal durch die Antriebsspulen 71 angezogen, würde die Meßsonde 3 ohne Dämpfung ungebremst auf die zu messende Schicht aufprallen und diese beschädigen. Eine mechanische Dämpfung ist jedoch ungeeignet, weil eine solcherart erzeugte Dämpfung zu großen Schwankungen unterworfen ist. Weiterhin bereitet der Übergang von Haft- auf Gleitreibung mit stark unterschiedlichen Reibbeiwerten bei der Messung Schwierigkeiten, z.B. wenn sich die Meßsonde 3 bereits ganz in der Nähe der zu messenden Oberfläche befindet. Ein besonderer Vorteil der Wirbelstromdämpfung ist, daß bei ruhender Meßsonde 3 die Dämpfungskraft verschwindet. Die vorliegende Gestaltung, bei der die Permanentmagnete 24, 26 auf dem Tragarm 4 angeordnet sind und gegenüber den ruhenden Dämpfungsplatten 67 bewegbar sind, bietet bei geringstmöglicher Masse des Tragarms 4 eine größtmögliche Wirkung der Wirbelstromdämpfung.
Wenn die Vorrichtung in einer korrosiven Umgebung betrieben werden soll, ist es ohne weiteres möglich die Kupferplatten zu vergolden, ohne die Funktion der Wirbelstromdämpfung zu beeinträchtigen.
Auch unter dem Aspekt der Dämpfung ist es wünschenswert, daß die bewegte Masse des Sondensystems 1 möglichst gering ist, damit dessen kinetische Energie möglichst gering ist, was bei vorgegebener Dämpfungswirkung zu einer raschen Verzögerung führt.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Masse ungefähr 0,5 g; eine weitere Verringerung der Masse würde in bezug auf die gestellten Anforderungen wenig Vorteile bringen. Wesentlich wirkungsvoller ist es, die Geschwindigkeit des Meßsystems im Augenblick des Aufsetzens der Meßsonde auf der zu messenden Schicht zu reduzieren. Bekanntlich geht die Geschwindigkeit quadratisch in die kinetische Energie ein, die Masse jedoch nur linear.
Das Bodenteil 51 ist mit weiteren Gehäuseteilen verbunden, von denen nur zwei Stirnplatten 76, 77 dargestellt sind. Auf diese Weise ist die gesamte Vorrichtung vor Umgebungseinflüssen und mechanischen Beschädigungen geschützt.
Die insoweit beschriebene Vorrichtung funktioniert folgendermaßen:
Ein Schichtdickenmessung wird in mehreren Schritten durchgeführt, die in 6a und 6b veranschaulicht sind. In 6a ist der Weg, den die Meßsonde 3 zurücklegt in relativen Wegeinheiten über relativen Zeiteinheiten aufgetragen. Die relative Wegeinheit 0 bezeichnet eine Position der Meßsonde 3 in der die zu messende Schicht keinen Einfluß mehr auf diese ausübt. Die relative Wegeinheit 1 bezeichnet die Lage der zu messenden Schicht. In 6b ist der dazugehörige zeitliche Verlauf des Stroms durch die Antriebsspulen 71 dargestellt.

a) Während eines ersten Zeitintervalls T1 wird ein großer Strom durch die Antriebsspulen 71 geschickt, um den Tragarm 4 stark zu beschleunigen und um die Meßsonde 3 mit einer hohen Geschwindigkeit an die zu messenden Schicht anzunähern. Der Weg, den die Meßsonde 3 zurücklegt, ist in 6a als durchgezogene Linie I dargestellt. Bei Sonden mit einer hohen Auflösung liegt die Meßsonde 3 beispielsweise 1 mm vom Meßort entfernt. Bei weniger hoch auflösenden Sonden kann der Abstand 2 mm zum Meßort betragen, wobei die Zeit vom Unendlichpunkt (Meßsonde in Ausgangsposition) zum Meßgegenstand nur unwesentlich größer ist. Am Ende des Zeitintervalls T1 befindet sich die Meßsonde 3 am Ort A1 ganz nahe bei der zu messenden Schicht. Würde der Spulenstrom in dieser Stärke aufrechthalten, so würde die Meßsonde 3 mit einer hohen Geschwindigkeit auf die Schicht aufprallen, wie es durch die punktierte Linie dargestellt ist. In diesem Fall würde die zu messende Schicht beschädigt werden und der Meßpol rasch abnutzen.
b) Deshalb wird während eines zweiten Zeitintervalls T2 der Spulenstrom auf einen wesentlich kleineren Wert oder ganz auf Null reduziert. Jetzt wird der Tragarm 4 unter dem Einfluß der Wirbelstromdämpfung und der zunehmenden Rückstellkraft des Federstreifens 31 stark abgebremst. Die Eigenschaft der Wirbelstromdämpfung, daß die Dämpfung mit der Geschwindigkeit abnimmt, führt zu einem sanften Aufsetzen der Meßsonde 3 auf der Schicht mit einer sehr geringen Geschwindigkeit. Das Aufsetzen ist in 6a durch den Punkt A2 dargestellt. Auch an dieser Stelle wirkt sich die geringe bewegte Masse des Sondensystems 1 günstig aus: Bei der niedrigen Aufsetzgeschwindigkeit ist die kinetische Energie des Sondensystems 1 so gering, daß Beschädigungen der Schicht ausgeschlossen sind und der Meßpol geschont wird.
c) Nun wird während eines dritten Zeitintervalls T3 der Spulenstrom bspw. wieder auf den ursprünglichen Wert erhöht, um eine definierte Andrückkraft für die Meßsonde 3 zu erzeugen. Die Andrückkraft ist so groß, daß eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Messung erzielt wird, aber so klein, daß keine Deformation der Schicht auftritt. Gleichzeitig können durch die Andrückkraft Partikel beiseite gedrückt werden. Während des Zeitintervalls T3 erfolgt die Schichtdickenmessung in an sich bekannter Weise nach einem induktiven Verfahren.
d) Nach Abschluß der Messung wird die Meßsonde 3 wieder vom Meßgegenstand entfernt. Dies geschieht einerseits durch die Rückstellkraft des Federstreifens 31 und andererseits durch eine Umkehrung der Stromrichtung des Spulenstroms, was zu einer Abstoßung zwischen den Antriebsspulen 71 und den Permanentmagneten 24, 25 führt. Aus den einzelnen Schritten der Durchführung der Schichtdickenmessung wird deutlich, daß die Geschwindigkeit, insbesondere beim Aufsetzen auf der zu messenden Schicht möglichst klein gehalten wird. Daraus ist auch ersichtlich, daß dies im wesentlichen aufgrund der sehr kleinen Masse des Gesamtsystems ermöglicht ist, wodurch die Trägheit des Systems erheblich verringert werden kann.

Bei größter Schonung des Meßpoles und der zu messenden Schicht ist es mit dieser Vorrichtung möglich zehn Messungen pro Sekunde auszuführen.
Zum Vergleich ist in 6a mit der durchgezogenen Linie II auch der Fall der aperiodischen Dämpfung des Tragarms 4 aufgetragen. In diesem Fall nähert sich die Meßsonde 3 der Oberfläche asymptotisch an, so daß der Meßpol mit der Geschwindigkeit Null auf der Oberfläche aufsetzt. Dies stellt hinsichtlich der Schonung der Oberfläche und des Meßpoles das Optimum dar. Allerdings dauert es viel länger als bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform, um die Meßsonde an die Oberfläche anzunähern, so daß die Anzahl der pro Zeiteinheit möglichen Messung entsprechend vermindert ist.
Selbstverständlich kann der in 6b gezeigte Spulenstrom auch einen anderen Verlauf haben als den, der mit der durchgezogenen Linie I dargestellt ist. Zum Beispiel kann der Spulenstrom treppenartig gestuft sein (gestrichelte Linie II) oder auch einen stetigen Verlauf (strichpunktierte Linie III) haben.
Es ist auch denkbar, die Abbremsung der Meßsonde 3 durch eine Umkehrung der Stromrichtung in den Antriebsspulen 71 zu bewirken. Das setzt aber voraus, daß der Zeitpunkt des Umpolens präzise bestimmt und eingehalten wird. Schon sehr geringe Verschiebungen des Zeitpunkts zu dem die Bremswirkung einsetzt hätte ein unkontrolliertes Aufsetzen des Meßpols zur Folge. Dies würde zu einem erhöhten Verschleiß des Meßpols, zu einer Beschädigung der zu messenden Schicht und zu einer schlechten Reproduzierbarkeit der Messung führen.
Wenn nach einer sehr großen Zahl von z.B. 4 Millionen Messungen, die Meßsonde verschlissen ist, kann sie durch eine neue ersetzt werden. Die anderen Teile der Vorrichtung arbeiten praktisch verschleißfrei und können noch viel länger betrieben werden.

Claims

Vorrichtung zur Messung der Dicke von dünnen Schichten im unteren Mikrometerbereich, mit einem leichten Tragarm, mit einer Meßsonde an einem Endbereich des Tragarms, die nach einer Schwenkbewegung mit ihrem Meßpol auf der Oberfläche der Schicht aufsetzbar ist, mit einer Dämpfungsvorrichtung am anderen Endbereich des Tragarms, mit einer Lagervorrichtung für den Tragarm, deren geometrische Schwenkachse sich senkrecht zur geometrischen Schwenkebene der Schwenkbewegung erstreckt, und mit einer mit Magnetkräften arbeitenden Antriebsvorrichtung für den Tragarm, die symmetrisch zur Schwenkebene aufgebaut ist und zwei mit dem Tragarm verbundene Permanentmagnete umfaßt, deren gleichnamige Pole jeweils diesseits und jenseits der Schwenkebene liegen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale a) Die Lagervorrichtung (6) umfaßt ein Torsionsfedermittel (31), dessen beide Enden quer zur Schwenkebene an je einem Lagerbock (32, 33) befestigt sind. b) Die Schwenkbewegung liegt zumindest im wesentlichen im Hooke'schen Bereich des Torsionsfedermittels (31). c) Die Dämpfungsvorrichtung arbeitet nach dem Prinzip der Wirbelstromdämpfung und umfaßt zwei beiderseits der Schwenkebene angeordnete elektrisch leitende Metallklötze (67), die je eine zur Schwenkebene hin gerichtete, den Magnetpolen der Permanentmagnete (24, 25) mit geringem Abstand gegenüberliegende, im wesentlichen parallel zur Schwenkebene liegende, die magnetische Kraftlinien schneidende Innenoberfläche (72) haben. d) Auf der Außenseite der Metallklötze (67) ist wenigstens eine über Leitungen ansteuerbare elektromagnetische Antriebsspule (71) vorgesehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der beiden Lagerböcke (32, 33) durch einen Spannbügel (32, 33) gebildet ist, der das Torsionsfedermittel (31) in dessen Längserstreckung unter Zugspannung setzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Torsionsfedermittel (31) durch ein Metall-Folien-Band (31) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Folien-Band (31) im wesentlichen quer zur Längserstreckung des Quersteges (9) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Folien-Band (31) zumindest im wesentlichen frei von Eigenspannungen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Folien-Band (31) durch Ätzen seiner Kontur hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragarm (4) einen Quersteg (9) umfaßt, der sich zumindest im wesentlichen senkrecht zur Schwenkebene erstreckt und einen Längssteg (12) umfaßt, der sich zumindest im wesentlichen parallel zur Schwenkebene erstreckt und mit seiner Längskante mittig auf den Quersteg (9) stößt und dort spannungsfrei und stoffschlüssig befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Stege (9, 12) spannungsfrei konturgeätzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagervorrichtung (6) ein Blattfederpaar (32, 33) umfaßt, das entsprechend der Vorspannung nach außen abgebogen ist und an dessen freiem Endbereich der jeweilige Endbereich des Folien-Bandes (31) zumindest mittelbar befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Blattfeder des Blattfederpaares (32, 33) in ihrem freien Endbereich (34, 36) mit einem Rahmen unter Ausbildung einer abgerundeten Fläche (46) L-förmig abgebogen ist und daß das Folien-Band (31) oberhalb des freien L-Stegs verläuft, um die abgerundete Fläche (46) herum verläuft und dann mit größerem Abstand von der abgerundeten Fläche (46) auf der Blattfeder (32, 33) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die abgerundete Fläche (46) einen konstanten Radius aufweist, der sich parallel zur Schwenkachse erstreckt und ein Biegeradius ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragarm (4) im Bereich des Folien-Bands (31) einen hervorspringenden Lappen (16) hat, den das Folien-Band (31) einstückig durchsetzt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fassungskörper (23) vorgesehen ist, der in einer Nut (28) das ebene Folien-Band (31) in seiner spannungslosen Lage faßt und daß der Fassungskörper (23) seinerseits starr an dem Tragarm (4) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Anschlußleitungen der Meßsonde (3) am Tragarm befestigt sind und durch wenigstens eine radiale Nut (29) in dem Fassungskörper (23) nahe bei der Schwenkachse des Trägerbalkens (4) herausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Folien-Band (31) in dessen Torsionsbereich nicht mit den Anschlußleitungen verbunden ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleitungen symmetrisch zum Längssteg (12) an diesem angeklebt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebestelle sich im Eckbereich zwischen dem Quersteg (9) und dem Längssteg (12) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Quersteg (9) in seinem mittleren Längsbereich eine V-förmige Sicke (11) aufweist, die die Längskante des Längsstegs (12) aufnimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkbewegung im Anfangsbereich des Hooke'schen Bereichs des Metall-Folien-Bands (31) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (24, 25) an einer Zunge (17) des Tragarms (4) befestigt sind, die genau in der Schwenkebene liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge (17) ein einstückiger Teil des Längsstegs (12) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallklötze (67) wannenförmige Ausnehmungen (74) haben, die die Permanentmagnete (24, 25) zumindest teilweise mit ihren Umfangsflächen aufnehmen und so die Ausnehmung (74) einen Käfig für die Feldlinien des Permanentmagneten (24, 25) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Antriebsspule (71) gegen die Ruhelage der Permanentmagnete (24, 25) in Richtung der Schwenkbewegung verschoben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Koerzitivkraft der Permanentmagnete (24, 25) wesentlich größer als die Feldstärke der wenigstens einen Antriebsspule (71) ist.
Verfahren zur Messung der Dicke einer dünnen Schicht nach einem elektrischen Verfahren, bei dem zur Messung eine Meßsonde auf die zu messende Schicht aufgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß a) in einer Annäherungsphase die Meßsonde (3) mit großer Geschwindigkeit aus einer Ausgangsstellung an die zu messende Schicht angenähert wird, b) in einer Verzögerungsphase die Meßsonde (3) bis auf eine Geschwindigkeit verzögert wird, mit der sie auf der Schicht aufsetzt und die Meßstellung einnimmt, wobei die Geschwindigkeit beim Aufsetzen der Meßsonde (3) so niedrig ist, daß eine Beschädigung der zu messenden Schicht ausgeschlossen ist, c) in einer Meßphase die Andrückkraft der Meßsonde (3) in der Meßstellung auf der zu messenden Schicht erhöht wird und d) in einer Rückholphase die Meßsonde (3) durch Rückstellkräfte wieder in die Ausgangsstellung zurückgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellkräfte zumindest teilweise durch eine Wechselwirkung des Magnetfeldes der Permanentmagnete (24, 25) und der wenigstens einen Antriebsspule (71) erzeugt werden.
Schaltung zur Ansteuerung einer Vorrichtung zur Messung von dünnen Schichten im unteren Mikrometerbereich, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewegung der Meßsonde (3) vom Abstand quasi unendlich bis zum Aufsetzen des Meßpols (8) auf die Oberfläche der Schicht wenigstens eine Antriebsspule (71) der Schaltung einen Strom zuführt, der bei fortgesetzter Stromzufuhr mit diesem ersten Betrag zu einem Aufprallen des Meßpols (8) auf der Schicht führen würde, daß der Meßpol (8) bei Erreichen eines Nahbereichs der Meßsonde (3) derart angesteuert wird, daß der Strom um einen Bruchteil des ersten Betrags auf einen zweiten Betrag oder auf Null reduziert wird, der bis zum Aufsetzen des Meßpols (8) aufrechterhalten wird, daß nach dem Aufsetzen des Meßpols (8) der Strom auf einen höheren dritten Betrag erhöht wird, der zum festen Anliegen des Meßpols (8) auf der zu messenden Schicht ausreicht.
Schaltung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Meßvorgang ein negativer, das Zurückschwingen der Meßsonde (3) beschleunigender Strom zugeführt wird.