DE2054084C3

DE2054084C3 - Zweistrahl-Infrarotmessung im Reflexions- oder Durchstrahlungsverfahren

Info

Publication number: DE2054084C3
Application number: DE2054084A
Authority: DE
Inventors: Donald C Brunton
Original assignee: Brun Sensor Systems Inc Columbus Ohio (vsta)
Current assignee: Brun Sensor Systems Inc Columbus Ohio (vsta)
Priority date: 1969-11-05
Filing date: 1970-11-03
Publication date: 1973-09-27
Also published as: JPS5822682B1; DE2054084B2; JPS5822683B1; US3631526A; GB1348979A; GB1348978A; JPS5715321B1; GB1348980A; DE2054084A1

Description

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35

gegeben ist, wobei A θ iias Eii Taus-Winkelspektrum, d die Dicke des FL'ms und I die Wellenlänge des betreffenden Strahlenbü dels ist.

3. Zweistrahl-Infrarotmessung insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängen A₁ und A₂ der beiden Strahlenbündel so gewählt sind, daß sie im gewünschten Infrarotspektrum relativ nahe beieinander liegen, um dadurch eine minimal kleine Phasenverschiebung zwischen den abgetasteten Komponenten jedes Strahlenbündels zu erhalten.

4. Zweistrahl-Inirarotmessung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwisehen den Wellenlängen A₁ und A₂ durch den mathematischen Ausdruck

festgelegt ist, wobei A die mittlere Wellenlänge jedes Spektrums und d die Dicke des Films ist.

7. Zweistrahl-Infrarotmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der beiden Strahlenbündel Strahlformungsvorrichtungen (20) angeordnet sind, die dafür sorgen, daß die Strahlenbündel divergieren und unter dem gewünschten breiten Winkelspektrum auf den Film (C) auftreffen.

8. Zweistrahl-Infrarotmessung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (10) so ausgelegt ist, daß sie Strahlenbündel der Wellenlänge A₁ und A₂ erzeugt, die im gewünsc ten Infrarotspektrum nahe beieinander liegen, um eine minimal kleine Phasenverschiebung zwischen den abgetasteten Komponenten der Strahlenbündel zu erhalten, wobei die maximal erlaubte Differenz zwischen den Wellenlängen A₁ und A_ä durch den mathematischen Ausdruck

AX X

λ ^ 3Qd

gegeben ist, wobei AX die maximal erlaubte WeI-lenlängeridifferenz, A, die betreffende Wellenlänge und d die Dicke des Films ist.

9. Zweistrahl-Infrarotmessung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (10) Strahlenbündel erzeugt, die ein relativ breites Wellenlängenspektrum umfassen, so daß sich die abgetasteten Strahlungskomponenten unter sämtlichen möglichen Phasenwinkeln addieren, wobei die kleinste erlaubte Breite A X jedes Strahlenbündelspeki rums durch den mathematischen Ausdruck

AX ^ λ

festgelegt ist, wobei X d:s miulcre Wellenlänge jedes Spektrums und d die Dicke des Films ist.

AX

2Qd

gegeben ist, wobei AX die Wellenlängendifferenz und d die Dicke des Films ist.

5. Zweistrahl-Infrarotmessung insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der beiden Strahlenbündel ein derart breites, die betreffenden mittleren Wellenlängen A₁ bzw.

J₂ einschließendes Wellenlängenspektrum JA umfaßt, daß sich die abgetasteten Reflexionskomponenten unter den verschiedensten Phasenwinkeln addieren.

6. Zweistrahl-Infrarotmessung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite jedes Wellenlängenspektrums A λ durch den mathematischen Ausdruck

AX λ ^>

Die Erfindung betrifft die Zweistrahl-Infrarotmessung im Reflexions- oder Durchstrahlungsverfahren zur Bestimmung eines Parameters, z.B. der Dicke eines dünnen strahlungsdurchlässigen Films mit spiegelnden Flächen, unter Verwendung einer Zweistrahl-Infrarotstrahlenquelle, einer Strahlungsempfangssonde und eines Signalverstärker- und Analysatorkreises, wobei die Strahlungsquelle zwei diskrete Strahlenbündel im Infrarotbereich mit den zugehörigen Wellenlängen A₁ und A₂ erzeugt, von denen die eine Wellenlänge so gewählt ist, daß sie in bezug auf das Filmmaterial mehr Absorption zeigt als die andere Wellenlänge.

Solche Verfahren und Geräte wurden speziell zu dem Zweck entwickelt, eine Eigenschaft oder einen Parameter, z. B. die Dicke eines dünnen, strahlungsdurchlässigen Films, zu bestimmen, der entweder eine selbsttragende Folie oder aber einen Überzug auf einer Trägerschicht darstellt. Ein spezielles Beispiel hierfür ist ein dünner Film aus organischem Material, etwa Polyäthylen, auf einer relativ dicken Trägerschicht aus Papier oder Metallfolie. Eine erforderliche Eigenschaft, des Films, der entweder eine

3 ^r 4

selbsttragende Folie oder eine Beschichtung darstellt. Flächen des Films und des dadurch bedingten Inter-

liegt darin, daß der Film spiegelnde Oberflächen auf- ferenzeffekts.

weist und eine auf eine erste oder zweite Oberfläche Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geeinfallende Strahlung stark reflektiert, wobei die löst, daß jedes Strahlenbündel unter einem derart zweite Oberfläche auch die Grenzfläche zwischen dem 5 breiten Winkelspektrum auf die Oberfläche des Films Film und einer darunterliegenden Trägerfolie sein auftrifft, daß durch Reflexion an der oberen und unkann. Eine auf den Film auftreffende Strahlung wird tercn Fläche des Films die Komponenten jedes Strahan der ersten und zweiten Oberfläche reflektiert; diese lenbündels sich unter sämtlichen möglichen Phassnreflektierten Komponenten der Strahlung werden winkeln addieren.

dann, falls es sich um Reflexionsmessungen handelt, io Dadurch wird ein Interferenzeffekt zwischen ersten

durch elektrische Strahlungssonden abgetastet, die so und zweiten Oberfiächenreflexionskomponenten im

geschaltet sind, daß sie ein Ausgangssignal oder eine wesentlichen unterdrückt und somit ein fehlerfreies

Ausgabe liefern, die bezeichnend für den speziellen, Ausgangssignal erzeugt.

zu untersuchenden Parameter ist. Bei Durchstrah- Als Ergänzung zu diesem »Weitwinkelverfahren«

lungsmessungen müssen sich die Strahlungssonden 15 zur Unterdrückung von Interferenzfehlern, das auch

auf der anderen Seite des Films, gegenüber der Strah- als unabhängiges Verfahren zur Fehlerunterdrückung

lungsquelle befinden, um die durch den Film hin- verwendet werden kann, werden die Bezugs- und die

durchgehende Strahlung abzutasten. Absorptionswellenlänge so gewählt, daß sie genügend

Ein ZweistTahi-Reflexionsmeßvevfahren für den In- nahe beieinander liegen, wodurch die relative Phasenfrarotbereich ist in der USA.-Patentschrift 3 017 512 20 verschiebung zwischen den betreffenden ersten und dargelegt und mag zur Erläuterung derjenigen Mes- zweiten Oberflächenrerlexion; omponenten minimal sungen dienen, bei denen das erfindungs^emäße Ver- klein ist. Ein weiteres Verfahren, das in Verbindung fahren zur Interferenzfehlerunterdrückung vorteilhaft mit dem Weitwinkelverfahren oder auch als unabhänverwendet werden kann, um genauere Ergebnisse zu giges Verfahren verwendet werden kann, besteht darerzielen. Ein Herstellungsverfahren, bei dem solche 25 in, daß ein relativ breiter spektraler Wellenlängenbe-Messungen vorzugsweise Anwendung finden, betrifft reicn für den Bezugs- und Absorptionsstrahl verwendie Steuerung eines Parameters eines auf einer beweg- det wird. Bei Verwendung eines breiten spektralen ten, bandförmigen Trägerfolie aufgebrachten Films. Wellenlängenbereichs ergeben sich weitere Reflexions-Beispielsweise soll die Dicke des Films genau gere- komponenten mit sämtlichen möglichen Phasenwingelt werden, um optimale Beschichtungseigenschaften 30 kein, wodurch ebenfalls Interferenzfehler vermieden oder kontrollierte Produktionskosten zu erzielen; werden.

hierfür muß die Filmdicke kontinuierlich überwacht Die Erfindung ist in der 2'eichnung an Hand von und ein Ausgangssignal erzeugt werden, das entweder Ausführungsbeispielen veranschaulicht,
eine Sichtanzeige für von Hand durchgeführte Pro- F i g. 1 ist eine schematische Darstellung eines zeßsteuerung darstellt cder als Signal direkt über 35 Zweistrahl-Reflexionsmeßgerätes für den Infraroteinen Rückkopplungskreis in das Prozeßstcuerungs- bereich und erläutert das Weitwinkelverfahren zur gerät eingegeben wird. Interferenzfehlerunterdrückung;

Die sowohl bei Reflexions- als auch bei Durch- F i g. 2 ist eine schematische Darstellung eines

strahlung-messungen an einem Film mit spiegelnden Zweistrahl-Reflexionsmeßgerätes für den Infrarot-

Oberflächen auftretende Schwierigkeit liegt darin, daß 40 bereich und erläutert die beiden Wellenlängenaus-

erste und zweite Oberflächenreflexionen an den ge- wahlverfahren zur Interferenzfehlerunterdrückung,

gegenüberliegendenFlächen des selbsttragenden Films und zwar einerseits das Verfahren, bei dem Absorp-

oder — bei einer beschichteten Trägerfolie — an der tions- und Bezugswellenlänge nahe beieinander lie-

äußeren oder freiliegenden Oberfläche des Films und gen, und andererseits das Verfahren, bei dem ein

an der gegenüberliegenden Grenzfläche zwischen 45 breites Wellenlängenspektrum verwendet wird;

Film und Tragerfolie auftreten. Die ersten und zwei- Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines

ten Oberflächenreflexionen erzeugen entsprechende Zweistrahl-Durchstrahlungsmeßgerätes für den Infra-

Signalkomponenten, Da diese Reflexionskomponen- rotbereich und erläutert das Weitwinkelverfahren zur

ten für jede bestimmte Wellenlänge jedoch eine Pha- Interferenzfehlerunterdrückung.

senverschiebung erleiden, ergibt sich wegen des In- 50 In Fig. 1 ist ein Zweistrahl-Infrarot-Reflexions-

terferenzeffekts ein Ausgangssignal, das eine Funk- meßgerät gezeigt, das mit einer Doppelschichtfolie in

tion dieser Phasenverschiebung ist. Wird die Wellen- Beziehung steht, die aus einer Trägerfolie B und einer

länge des einer Strahls so gewählt, daß keine charak- auf der Oberfläche der Trägerfolie angebrachten Be-

teristische Absorption im Film oder in der Träger- schichtung C besteht. Im vorliegenden Beispiel sei

folie auftritt, während die andere Wellenlänge eine 55 angenommen, daß die Trägerfolie B und die Be-

charakteristische Absorption für den Film aufweist, schichtung C ein langgestrecktes Band darstellen, das

treten ersichtlicherweise auf Grund des Interferenz- einem Verfahren unterworfen wurde, bei dem die Be-

effekte Änderungen der relativen Phasenverschiebun- schichtung auf einer Oberfläche der Trägerfolie auf-

gen der reflektierten Komponenten auf und erzeugen gebracht wurde. Durch die Messung soll eine Eigen-

entsprechende Änderungen des abgetasteten Signals, 60 schaft der Beschichtung C, beispielsweise die Schicht-

was fehlerhafte Messungen zur Folge hat. dicke d, festgestellt werden. Der !etztliche Zweck bei

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, der Bestimmung einer speziellen Eigenschaft einer

eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaf- Schicht, etwa der Schichtdicke, liegt darin, diese In-

fen, bei der Interferenzfehler unterdrückt werden, die formation zur kontinuierlichen Regelung des Be-

sowohl bei Reflexion- als auch Durchstrahlungsmes- 65 Schichtungsvorgangs zu verwenden, also im vorliegen-

sungen an einem Film mit spiegelnden Oberflächen den Beispiel zur Steuerung der Schichtdicke beim

auftreten können, infolge von ersten und zweiten Aufbringen auf die Trägerfolie. Weiterhin sei für das

Oberflächenreflexioüfjn an den gegenüberliegenden vorliegende Beispiel angenommen, daß die Träger-

5 ^Ό 6

folie B aus einem Materia! besteht, das allgemein Strahlungswellenlängen in einer besonderen Ver-

undurchlässig für den speziell verwendeten Infrarot- Suchsanordnung untersucht werden; als Sonde kann

bereich ist und eine spiegelnde Oberfläche O₁ an der eine .Sperrschichtphotozelle oder ein Photowider-

Grenze zur Beschichtung C aufweist. Die Beschich- Standselement verwendet werden. Beide Arten von

lung C soll aus einem für Infrarotstrahlung durch- 5 Sonden enthalten Klemmenanschlüsse, die mit einer

lässigen Material bestehen, beispielsweise einem or- elektronischen Verstärkerschaltung verbunden sind,

ganischen Polyäthylen, das ebenfalls eine spiegelnde und die Kennwerte des Detektors oder der Sonde

Außenfläche C₁ aufweist. dienen dazu, am Ausgang des Verstärkers ein Signal

Die Apparatur zur Erzeugung der notwendigen In- zu erzeugen. Dieses verstärkte Ausgangssignal wird frurotstrahlung und zum Abtasten der reflektierten io dann entsprechenden Verstärkerschaltungen einge-Komponenten jedes der beiden Infrarotstrahlen ist in speist, die auf die mit den beiden spezifischen Süah Fig. i nur sehematisch wiedergegeben, da sie sich lcnbündeln zusammenhängenden Signalkomponenicn aus bekannten Bauelementen zusammensetzt, ein- ansprechen. Die Ausgangssignale der beiden Verstarschließlich einer /weistrahl-Infrarotstrahlungsquelle kerschaltungen 14 und 15 werden dann einem \u 10, einer Strahlungscmpfangssonde 11 und einem Si- 15 haltnisanalysator 16 eingespeist, dessen Auigang ι in gnalverstärker- und Analysatorkreis 12 Die Strah- Signalausgabegerät 17, etwa ein Aiueigegeiat. helungsquelle 10 soll zwei diskrete Strahlenbündel im treibt. Die abwechselnde Signalfuhrung vom V erstar-Infrarotbereich mit den zugehörigen Wellenlangen 4, kcr 13 zu den Vcrstarkerschaltungen 14 und IS wild N und A₁ erzeugen und auf die Außenfläche C₁ der Be- durch einen elektronischen Schalter 18 gesteuert, der schichtung C auftreffen lassen. Im vorliegenden Bei- 10 in zeitlichem Zusammenhang mit der Quelle 10 arspiel laufen die beiden Strahlenbündel zwar auf dem heilet, die die beiden diskreten .Strahlenbündel er gleichen Weg, werden jedoch nicht gleichzeitig aus- zeugt. Beispielsweise kann der zur Steuciung der FiI-gesendet. sondern zeitlich voneinander getrennt. Der u..- verwendete Mechanismus ein Signal liefern, das hier gezeigte Strahl repräsentiert also beide Strahlen den Schalter 18 synchron betätigt. Bine Leitungsfuli bündel, um den optischen Interferenzvorgang erläu- as r^ng für dieses Schaltsignal ist schematisch bei 19 an tem zu können, der zur Interferenzfehlerunterdrük- gedeutet. In Anbetracht der ausführlichen Darlegung kung fuhrt. In der USA -Patentschrift .1089 382 ist des Strahlungsgenetaturs und Detektors in der USA ein Zweistrahl-Infrarotgenerator dargelegt, der zur Patentschrift * IW) 3H2 soll die im Vorstehenden ge Erzeugung der beiden zeitlich getrennten Strahlen gchene kurze Beschreibung ausreichen, bündel für das Reflexionsmeüverfahren verwendet 30 Bei dem erlindungsgemäßen Verfahren zur Unlei werden kann, wie es grundsätzlich in der schon er drückung von Inierfer-nzfehlern bei Reflexionsines wähnten USA-Patentschrift 3017 512 dargelegt ist sungen enthält die Strahlungsquelle 10 eine nntk'll· Β·_· diese: Apparatur cucugi unt iuiiatoisirahiungs ^traiillurmungsvoirichtung oder I insenanordnung 2(1 quelle polychromatische Strahlung und richtet diese die, wie Fig. I zeigt, im Strahlengang der aus dem Strahlung auf das zu untersuchende Objekt, wobei 35 Filtersystem austretenden parallelen Lichtbündel oder die Strahlung durch Filterelemente hinduichgeht, die aber hinter dei Strahlenquelle vorgesehen sein kann, abwechselnd in den Strahlengang eingebracht werden. wie dies etwa bei einer Reflekturanlage der Fall ist um dadurch die beiden Strahlenbündel zu erzeugen (nicht dargestellt) Diese Linsenanordnung 20 bewirkt Diese Filterelemente sind Bandpaßfilter eines ausge eine Dispersion jedes Strahls, wie Fig. I zeigt. Aiule wählten Wellenlängcnspektrums und werden mccha- 4° rerseits kann eine Strahlformung auch durch die na ni.seh in den Strahlengang eingebracht, beispielsweise tUrliche Dispersion eines nichtgebündelten oder halb auf einer sich drehenden Scheibe, um abwechselnd gebündelten Strahls beim Verlassen der Quelle erfolzwei zeitlich getrennte Strahlenbündel einer mono- gen und würde der durch das gezeigte Linsensystem chromatischen Strahlung zu erzeugen Die Wellen bewirkten Strahlformung äquivalent sein. Auf diese länge des Durchlaßbereiches jedes Filterelements 45 Weise werden die Strahlkoniponenten jedes Strahlen hängt von dem speziellen Beschichtungsmaterial und bündeis divergierend auf die Oberfläche C₁ gelenkt, der zu untersuchenden Eigenschaft oder dem Para- wobei diese divergierenden Komponenten einen Winmeter der Versuchsanordnung ab, um ein Strahlen- kel χ einschließen. Die Strahlenbündel treffen also bündel mit ausgewählter Wellenlänge zu schaffen, bei unter einem breiten Einfallswinkelspektrum auf die der für das Beschichtungsmaterial eine charakte- 50 Oberfläche C₁. Zur schematischen Darstellung des ristische Resonanzabsorption auftritt, während das einfallenden Strahlenbündels sind zwei Linien X_A und andere Strahlenbündel, das als Bezugsstrahl dient, \u ^mtl den zugehörigen Einfallswinkeln Θ, und Θ, j eine Wellenlänge hat. die entweder durch die MaU- eingezeichnet. Diese Biniallsstrahlkomppnenten haben ! rialeigenschafi nicht beeinflußt wird oder aber eine erste und zweite Refiexionskomponenten, die entgeringere Absorption als der Absorptionsstrahl auf- 55 sprechend mit 1^₁, X_Ai und k_Bv Xg_x bezeichnet sind. \ Weist. Die beiden Strahlenbündel werden also bei der In F i g. I ist die Reflexion der Strahlkomponenten , Reflexion an der Materialgrenzschicht verschiedenen nur schematisch und ohne Berücksichtigung der Bre- \ Einflüssen unterworfen, da der eine Strahl absorbiert chung angedeutet, die auf Grund verschiedener fire- j wird, und dieser Unterschied wird durch eine geeig- chungsindizes der Schicht C und des an die Außen- ! nele Detektoranlage abgetastet und liefert eine Si- 60 fläche C₁ anschließenden, umgebenden Mediums auf- · gnalausgabe. - nc ten könnte Eine Vernachlässigung der Brechung

Die strahlungsempßndliche Sonde 11 befindet sich dient zur Vereinfachung der Beschreibung und ist j

unter einem vorgewählten Winkel zur Quelle 10, so zulässig, da die Brechung auf das Verfahren zur Un- j

daß die von der ersten und zweiten Oberfläche der terdrückung von Interferenzfehlern keinen Einfluß j

Beschichtung C₁ und B₁ reflektierten Strahlungskoni- 65 hat. Eine Reflexion der Slrahikomponenten bewirkt

pnncnicn auf eine Slrahlur.gscmpfangsfläche der jedoch eine weitere Divergenz dieser Komponenten,

Sonde auf treffen Spezielle Kennwerte der Sonde Il so daß ein Detektor oder eine Sonde 11 mit relativ

lassen sich dadurch bestimmen, daß die jeweiligen breiter Strahlungsempfangsfläche verwendet werden

muß, die der Divergenz der Strahlen Rechnung trägt. Die erforderliche Fliichcngröße für einen Detektor hängt von der speziellen geometrischen Anordnung ab, etwa von» Divergenzwinkel und von dem linearen Abstand im Strahlengang. Grottflächige Detektoren mit entsprechenden Eigenschaften sind im Handel erhältlich, weshalb sich eine eingehende Beschreibung eines Ffsziellen Aufbaus erübrigt.

Jedes auf die spiegelnde Außenfläche C₁ der strahlungsdurchlässigen Schicht C auftretende Strahlenbündel erfährt an dieser ersten Fläche: eine Teillcflexion und liefert an der Grenzfläche O₁ zwischen der Beschichtung und der Trägerfolie B eine zweite Oherflächenreflexionskomponente, die zumindest •inen I eil des an der ersten Fläche nicht reflektierten und durch die Beschichtung hindurchgelassenen Strahls umfaßt. Das ist auch der Fall, wenn die Trägerfolie Ii für die einfallende Wellenlänge nicht undurchlässig ist. Wenn man die beiden Einfallsstrahlen A_i und X₁, betrachtet, die in h ig. I die Grenzen des divergierenden Strahlenbündel darstellen, sieht man, daß jeder dieser Finfallsstrahlen zugehörige erste und zweite Oberflächenreflexionskomponenten i_At, X₁₁, und -1..,J. X_tti erzeugt, die auf die Strahlungsempfangsfläche der Sonde 11 auf treffen und die erforderliche Breite der Hmpfangsfläche festlegen. Zwiichen den an der ersten und zweiten Oberfläche reflektierten Slrahlkomponenlen herrscht eine Phasenverschiebung, die an der Sonde 11 Intcrtcrenz erzeugt und i'uhirch die Ausgabe beeinflußt. Dieser Interfereiueffekt macht sich insbesondere in bezug auf das Strahiviibur.iL! 1~ merkbar, de^ü --/id! g-vahUo Wellenlänge Resonanzabsorption zeigt, denn derjenige Slrahlenbündelabschnitt, der eine Reflexion an der zweiten Oberfläche und Absorption erfährt, liefert eine Angabe über den zu messenden Parameter der Schicht, ist jedoch gegenüber demjenigen Strahlenhüiuldabschnitt relativ phasenverschoben, der nut eine Reflexion an der ersten Oberfläche erfährt und nicht durch Absorption beeinflußt wird, wudur. h in der Ausgabenan/eige ein Fehler entsteht

Gemäß dem erlindungsgemaßen Weitwinkelvcr fahren zur Interferenzfehlerunterdrückung divergieren die durch das I insensystern 20 hindurchgegangenen Strahlenbündel und treffen dadurch auf der Oberfläche C₁ der Schicht ( unter einem breiten Winkeljpektrum auf. Dieses Winkelspektrum reicht, wie Fig I zeigt, von H₁ bis h_„ entsprechend den zugehörigen Sirahlenelementen ) , und λ,,, die die äußere Begrenzung des Strahlenbündels bilden. Die Phasenverschiebung zwibchen den ersten und zweiten Oberiächcnreflexionskomponenten ist eine «Funktion des Einfallswinkels. Durch geeignete Auswahl eines breiten Winkelspektrums für das einfallende Strahlenbün del vetzen sich die Reflexionskomponenten aus samt liehen möglichen Phasenwinkeln zusammen, wodurch ein Interferenzfehler unterdrückt wird. Dieser breite F.infallswinkelbereich kann angenähert werden durch den mathematischen Ausdruck

rf sin H

wobei I H die Dilferenz /wischen den Grenzeinfalls- »inkciii H₁ und H₂, i die Wellenlänge der Strahlung und ίί die Dicke der Schicht C ist. Beispielsweise be Iriigt dies·.· UinfalKwinkeldifiercnz hei einer Poly siihvlenschichl mit einer Dicke von etwa 0.0025 cm (0,0(H") größenordnungsgemäß 10° oder mehr, um die zur Interferenzfehlerunterdrückung notwendige Phasenverschiebung zu schaffen.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung stellt das Gerät zum Erzeugen der Infrarotzweistrahlreflexion am Probenmaterial im wesentlichen das gleiche Gerät wie in Flg. 1 dar, nur ohne dieoplische Strahlformungsvorrichtung 20. Ein typisches Gerät ohne dieses optische System 20 ist schematisch in

<o F i g. 2 gezeigt. Hier bestehen die einfallenden Strahlenbündel /, und X₁₁, dl. h. die Bezugs- und Absorptionswellenlänge, aus parallelen Strahlkomponenten, die durch eine herkömmliche Kollimatorlinse hergestellt werden können, wie in den angeführten Schriften dargelegt ist. Ein weiterer Unterschied zu der in F i g. I gezeigten Apparatur liegt darin, daß die Strahlensonde 11 in Fig 2 kein großflächiger Detektor wie in F i g. I zu sein braucht. Wegen des ahnlichen Apparateaufbaus für die beiden Verfahren sind ahn-

ao liehe Komponenten und Elemente des Geräts aus Fig. 2 mit den gleichen Bezugsziffern und -buchstaben wie in Fig. 1 gekennzeichnet.

Jedes Strahlenbündel λ, oder X₁, iriflfi auf der Oberfläche C₁ der Schicht C unter einem einzigen Einfalls-

»5 winkel auf, so daß nur die zwei deutlich unterschiedenen Reflexionskomponenten X₁ und X₁ erzeugt werden, die die ersten und zweiten Oberflächenreflexionskomponenten darstellen. Für dieses /weite Verfahren werden die Wellenlängen X^ und X₁, der beiden Strahlenbündel speziell so gewählt, daß sie im gewünschten Infrarotbereich des Strahlenspektrums relativ dicht beieinander hegen, wobt·! trotzdem das dnc Strahlenbündel Absorption und das andere keine Absorption zeigt D'e Phasenverschiebung der in die Schicht C eintretenden und an der Grenzfläche O₁ reflektierten Strahlung ist eine Funktion der Weglänge durch das Material und kann mit der Dicke de ι Schichte, durch die die Strahlung hindurchgeht, in Beziehung gesetzt werden, die in diesem Fall mit </ bezeichnet isl Durch Auswahl geeignet nahe bcieinanderliegender Wellenlängen kann der Einfluß der Weglänge innerhalb der Schicht auf die Phasenverschiebung minimal klein gehalten werden, wobei die maximal erlaubte Differenz durch einen mathemalisehen Ausdruck angenähert werden kann. Die maxi mal erlaubte Differenz zwischen den Wellenlängen λ ι und /./, ist gegeben durch den mathematischen Ausdruck

U
X

30 d

dabei ist I/ die Welltmlängendifferenz für die mittlere Wellenlänge X und d die Dicke der Schicht C. Bei einet Schichtdicke d in der Größenordnung der Wellenlängen, etwa 2,5 Mikron (μ), läßt sich beispielsweise die maximal erlaubte WellenlängendifTerenz auf etwa 0,08 μ festlegen. Diese Ausführung des erfindung.sgemäßen Verfahrens läßt sich nur bei relativ

So dünnen filmen anwenden. Wenn beispielsweise die Filmdicke angenähert 0,0025 cm (0,001") beträgt, ergibt sich nach der obigen Formel eine so kleine WcI-lenlängcndilfcrenz, dai eine Trennung der Wellenlängen /, und X_tt in eitii absorbiertes und ein nicht ab-Mirbicrio Strahlenbündel nicht durchzuführen ist.

Dieses Wellcnlängenauswalilverfahrcn zur Interfercii/fchlerunlcrdrückung läßt sich als unabhängige. Verfahren oder aber in Kombination mit d-rh in

309 (S39/75

9 10

Fig. I beschriebenen Wcitwinkclverfahrcn verwen- Dicke d und die gegenüberliegenden Oberflächen C₁ den. Eine Kombination dieser beiden Verfahren, und B₁. Die Gerätekomponenten sind die gleichen nämlich des Wcitwinkclverfahrens und des Verfah- wie bei der bisherigen Beschreibung, nur daß der rens zur Auswahl benachbarter Wellenlängen, verbes- Detektor 11 auf der anderen Seite des Films C, gesert die Intcrferenzfehlerunterdrückung in der An- 5 genüber der Strahlenquelle 10, liegt,
zeigenausgabe der Apparatur. Die ergänzende Wir- Im vorliegenden Beispiel ist das Weitwinkelverfahkung der beiden Verfahren ist offensichtlich und for- ren zur Interferenzfehlerunterdrückung dargestellt, dert keine nähere Erläuterung. jedoch können auch das Verfahren zur Auswahl be-Eine dritte Ausführungsform der Erfindung zur In- nachbartcr Wellenlängen und das Breitbandverfahren terferenzfchleruntcrdrückurig bei Rcllexionsmcssun- io verwendet werden, und zwar als unabhängige Vergen verwendet die in Fig. 2 beschriebene Apparatur. fahren oder in Verbindung mit dem Weitwinkelvcr-Bei diesem Verfahren werden die beiden Strahlen- fahren. Im vorliegenden Beispiel ist ein divergentes bündel so gewählt, daß jedes Bündel einen relativ Strahlenbündel mit den Grenzen λ_Λ und X_n eingebreiten Spektralbercich umfaßt, der die mittleren zeichnet, das auf die Oberfläche C₁ auftrifft. Die hin-Wellcnlängen X_A und X_n einschließt. Die Phasenver- «s durchgehenden und an der gegenüberliegenden Fläche Schiebung zwischen den ersten und zweiten Ober- B_x austretenden Komponenten sind X_Av Χ_Λ., und flächenreflexionskomponenten ist auch eine Funktion X_n,, X_n._z. Ein Teil jeder Strahlkomponente wird innen der speziellen Wellenlänge und kann weitgehend eli- an der spiegelnden Fläche B₁ und dann innen an der miniert werden, wenn sich die Reflexionskomponen- spiegelnden Fläche C₁ reflektiert, ehe dieser Strahlenten der Strahlenbündel unter verschiedensten Phasen- ao bündelabschnitt aus dem Film austritt. Wegen dieser winkeln addieren. Hierfür wählt man für jedes Strah- größeren Weglänge innerhalb des Films weist die lenbündel einen breiten Spektralbercich, so daß sich Komponente Χ_Λί cine relative Phasenverschiebung gedie Reflexionskomponenten unter sämtlichen tnög- genüber der Komponente X_A , auf und erzeugt dalichen Phasenwinkeln addieren. Die notwendige spek- durch Interferenzfchler. In ähnlicher Weise ist die Irale Bandbreite I λ für jede spezifische Wellenlänge as Komponente X_n., gegenüber der Komponente X_n , rekann angenähert werden durch den mathematischen lativ phasenverschoben, was ebenfalls zu Interferenz-Ausdruck fehlern führt. Wenn man die Strahlenbündclkompo- ,\X λ nenten unter genügend großem Winkel einfallen läßt,

, ^j' der durch den mathematischen Ausdruck
X a

dabei ist X die mittlere Wellenlänge des zugehörigen i<-> >

Strahlenbündels und d die Dicke der Schichte. Bei """ αύηθ

einer Schichtdicke rf von 0,0025 cm (0,001") ergibt

sich aus diesem mathematischen Ausdruck, daß die gegeben ist, addieren sich die hindurchgelassenen

spektrale Bandbreite für eine effektive Wellenlänge X 35 Strahlenkomponenten unter sämtlichen möglichen

= 2,5 μ mehr als 0,25 μ betragen sollte. Phasenwinkeln und unterdrücken dadurch Inter-

Bei Verwendung dieses dritten Verfahrens als un- fcrenzfehler.

abhängiges Verfahren werden Interfcrenzfehler weit- Das Verfahren zur Wellenlängenauswahl, bei dem

gehend ausgeschaltet; jedoch läßt sich dieses Breit- die absorbierte und die Bezugs-Wellenlänge relativ

bandverfahren auch mit dem in Fig. 1 beschriebenen 40 dicht beieinander liegen, gemäß dem mathematischen

Weitwinkelverfahren kombinieren. Auch in diesem Ausdruck

Fall ist die verbessernde Wirkung des kombinierten Λ X ^ χ

Verfahrens aus Weitwinkel- und Breitbandverfahren ^ 3Qd '
offensichtlich und erfordert keine nähere Erläuterung.

Die bisher erläuterten Ausführungsformen zur In- 45 läßt sich auch für Durchstrahlungsmcssungen vorterferenzfehlerunterdrückung bezogen sich auf Re- wenden. Dieses Verfahren kann auf eine einzige flexionsmessungen, lassen sich jedoch auch für Durch- Strahlkomponente X_A bezogen werden und läßt sich Strahlungsmessungen verwenden. DurchstraMungs- entweder als unabhängiges Verfahren oder in Vermessungen können entweder an selbsttragenden bindung mit dem Weitwinkeiverfahren anwenden, in Filmschichten oder an Filmschichten auf einer Trä- 50 ähnlicher Weise kann das Breitbandverfahren, bei gerfolie durchgeführt werden, die ebenfalls strah- dem jedes Strahlenbündel ein Wellenlängenspektrum lungsdurchlässig ist, und zwar sowohl für die Absorp- gemäß der Beziehung
tionswellen längen als auch für die nicht absorbierten

Weilenlängen. Eine Anordnung für Durchstrahlungs- ^ > A
messungen ist in Fig. 3 gezeigt und bezieht sich im 55 X^d
vorliegenden Fall zur Vereinfachung der Beschreibung auf einen selbsttragenden Film. Der Film ist umfaßt, für sich allein oder in Verbindung mit dem wieder mit dem Buchstiben· C bezeichnet und hat die Weitwinkeiverfahren verwendet werden.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zweistrahl-Infrarotmessung im Reflexions- oder Durchstrahlungsverfahren zur Bestimmung eines Parameters, z. B. der Dicke eines dünnen strahlungsdurchlässigen Films mit spiegelnden Flächen, unter Verwendung einer Zweistrahl-Infrarotstrahlungsquelle, einer Strahlungsempfangssonde und eines Signalverstärker- und Analysatorkreises, wobei die Strahlungsquelle zwei diskrete Strahlenbündel im Infrarotbereich mit den zugehörigen Wellenlängen A₁ und A₂ erzeugt, von denen die eine Wellenlänge so gewählt ist, daß sie in bezug auf das Filmmaterial mehr Absorption zeig: als die andere Wellenlänge, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Strahlenbündel unter einem derart breiten Winkelspektrum auf die Oberfläche (C₁) des Films (C) auftrifft, daß durch Reflexion an -':r oberen und unteren Fläche (A₁, C₁) des Films die Komponenten jedes Strahlenbündels sich unter sämtlichen möglichen Phasenwinkeln addieren.

2. Zweistrahl-Infrarotmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Winkelspektrum für die einfallende Strahlung durch den mathematischen Ausdruck