CH695958A5 - Verfahren zur Einstellung einer Lage eines Messgegenstandes bei der Schichtdickenmessung mit Röntgenfluoreszenz. - Google Patents

Description

  [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur einer Lage eines Messgegenstands bei der Schichtdickenmessung mit Röntgenfluoreszenz gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Die Einstellung der richtigen Lage des Messgegenstandes bezüglich der primären Röntgenstrahlung und bezüglich des Detektors ist bei einer Messung dünner Schichten oder Mehrfachschichten für die Richtigkeit der Messung massgebend. Für eine derartige Schichtanalyse wird eine Röntgenfluoreszenzstrahlung der einzelnen Elemente einer Probe nachgewiesen und in Schichtedicke(n) und Zusammensetzung(en) umgerechnet. Hierfür werden Vorrichtungen eingesetzt, welche eine Röntgenröhre in einem für Röntgenstrahlen im Wesentlichen undurchlässigen Gehäuse aufweisen, wobei durch eine Öffnung in dem Gehäuse ein Austritt eines Röntgenstrahlenbündels gegeben ist.

   Durch einen Kollimator wird die Begrenzung der Röntgenstrahlung auf einen bestimmten Flächenbereich der Probe begrenzt. In diesem Flächenbereich mit einem definierten Abstand zum Kollimator wird ein Messgegenstand auf einem zum Messkopf, bestehend aus Röntgenröhre, Kollimator und den weiteren hierzu erforderlichen Komponenten, bewegbaren Tisch positioniert.

   Der Messkopf weist des Weiteren ein Proportionalzählrohr oder einen Detektor auf, welcher zur Erfassung der Fluoreszenzstrahlung des bestrahlten Bereichs der Oberfläche dient.

[0003] Der Abstand zwischen dem Kollimator und der Oberfläche des Messgegenstandes ist für eine exakte Messung auf einen bestimmten Abstand einzustellen, damit die Fluoreszenzstrahlung mit der hinreichenden Intensität erfasst werden kann.

[0004] Aus der DE 4 003 757 ist eine Einjustierung bekannt geworden, bei welcher der Kollimator selbst unmittelbar als Teil der Einjustierung verwendet wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Kollimatorspitze gegen die Probe gefahren wird, wobei der Kollimator aufgrund einer federnden Aufhängung entsprechend zurückweicht.

   Anschliessend wird eine weitere Relativbewegung zwischen Probe und Vorrichtung gestoppt, und die Einrichtung zieht den Kollimator wieder von der Probe ab. Durch den Betrag der Einfederung des Kollimators kann der Abstand zwischen Kollimator und Probe eingestellt werden. Diese Vorrichtung weist den Nachteil auf, dass es zu einer Beschädigung der Oberfläche kommen kann. Darüber hinaus sind aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten und der Verfahrwege Ungenauigkeiten in der Einstellung des Abstandes gegeben, wobei sich die Fehler hierbei aufsummieren.

[0005] Aus einem Prospekt der Firma Veeco Instruments Inc., Ausgabe 1997 ist ebenfalls eine Vorrichtung zur Messung dünner Schichten durch Röntgenfluoreszenzanalyse bekannt.

   Hierbei ist vorgesehen, dass ein Strahlengang eines optischen Aufzeichnungsgerätes in den Strahlengang der Röntgenstrahlung eingeblendet wird, um die Oberfläche des Messgegenstandes betrachten zu können. Bei diesem Verfahren zur Einstellung des kritischen Abstandes für die Reproduzierbarkeit der Messungen wird ein Laserstrahl eingesetzt. Dieser Laserstrahl fällt schräg auf die Oberfläche des Messgegenstandes ein. Während einer Auf- und Abbewegung des Messgegenstandes wandert der Aufsetzpunkt des Laserstrahls beispielsweise auf der Oberfläche von rechts nach links. In dem Aufzeichnungsgerät ist ein Fadenkreuz eingeblendet, welches auf den Röntgenstrahl einjustiert ist. Sobald nun der auf der Oberfläche des Messgegenstandes abgebildete Laser des Laserstrahls mit dem Fadenkreuz übereinstimmt, ist der exakte Arbeitsabstand eingestellt.

   Diese Auf- und Abbewegung des Messgegenstandes relativ zum Messkopf kann manuell durch eine Bedienperson erfolgen, wobei diese Messergebnisse erhebliche Abweichungen in der besagten Einstellung aufweisen.

[0006] Des Weiteren geht aus diesem Prospekt eine automatische Laserfokussierung hervor, welche die Reproduzierbarkeit der exakten Einstellung erhöhen soll. Dieses automatische Laserfokussierverfahren zur Einstellung des Messabstandes auf eine Oberfläche eines Messgegenstandes weist den Nachteil auf, dass die getroffene Fläche bei stark reflektierenden Oberflächen nur schwach sichtbar ist, was zu einer ungenauen Höheneinstellung führt. Die endliche Grösse und Unschärfe der vom Laser getroffenen Probenoberfläche führt zu Einstellungsfehlern.

   Des Weiteren ist ein zusätzlicher Laser und eine entsprechende Abschirmung erforderlich.

[0007] Nachteilig bei beiden genannten Verfahren ist des Weiteren, dass eine Verkippung der Probenoberfläche nicht erfasst werden kann.

[0008] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einstellen eines Auftreffpunktes einer Röntgenstrahlung auf einem Messgegenstand, der durch einen Abstand eines Kollimators zur Oberfläche des Messgegenstandes bestimmt ist, zu schaffen, welches selbständig eine exakte Einstellung dieses Abstandes ermöglicht.

[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

   Durch die erfindungsgemäss vorgesehenen Schritte zur Durchführung des Verfahrens kann eine automatische Einstellung der Oberfläche eines Messgegenstandes in einem definierten Abstand zum Kollimator erfolgen, wobei für die Positionierung der Oberfläche des Messgegenstandes zum Kollimator eine hohe Wiederholgenauigkeit gegeben ist. Darüber hinaus können durch die Erfassung der Helligkeitsänderungen der Bildpunkte eines Bildes zusätzliche Fehlerquellen eliminiert werden, wie dies beispielsweise bei der Laserfokussierung hinsichtlich des Auftreffpunktes gegeben ist. Des Weiteren kann auch die Wiederholungsgenauigkeit gegenüber der manuellen Fokussierung wesentlich verbessert werden.

   Durch die Auswertung der Helligkeitsänderungen der Bildpunkte, während der Änderung des Abstandes zwischen der Oberfläche des Messgegenstandes und dem Kollimator kann ohne eine zusätzliche Apparatur eine automatische Einstellung erfolgen. Hierfür wird das elektronische Aufzeichnungsgerät, welches einen in den Strahlengang der Röntgenstrahlung eingeblendeten Strahlengang aufweist, verwendet, damit die exakte Einstellung des Abstandes zwischen Kollimator und Messgegenstand durchgeführt wird. Durch die Ermittlung des Maximums der Helligkeitsdifferenz der Bildpunkte der erfassten Bilder fest definierter Abstand der Oberfläche des Messgegenstandes zum Kollimator eingestellt werden.

   Der Strahlengang des elektronischen Aufzeichnungsgerätes ist vorteilhafterweise derart einjustiert, dass der Brennpunkt in einer Messebene liegt, welche den exakten Abstand zum Kollimator aufweist. Beim Ermitteln eines Maximums der Helligkeitsdifferenz kann sichergestellt sein, dass ein scharfes Bild durch das Aufzeichnungsgerät erfasst wird, und dass dadurch dann der definierte Abstand eingestellt ist.

   Durch die vorteilhafte Zuordnung der Helligkeitsänderung der Bildpunkte in einer Messebene zu einer Z-Koordinate ist ermöglicht, dass nach Ermittlung eines Maximums der Helligkeitsdifferenz der Bildpunkte eines Bildes während einem Durchlaufen der Wegstrecke ist eine exakte Einstellung des Abstandes durch eine Positionierung der Oberfläche des Messgegenstandes und dem Kollimator zueinander ermöglicht.

[0010] Die Aufgabe der Erfindung wird ebenso durch ein alternatives Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst. Die Erfassung der Helligkeitsänderungen der Bildpunkte zumindest einer Messebene sowie die Ermittlung des Maximums erfolgt in Analogie zu dem Verfahren gemäss dem Anspruch 1. In Abweichung hierzu ist eine Zuordnung des Bildes in einer Messebene zu einer Z-Koordinate nicht vorgesehen.

   Vorteilhafterweise wird das Maximum der Helligkeitsdifferenz der Bildpunkte eines Bildes ermittelt und ein weiteres Mal der Abstand zwischen der Oberfläche und dem Kollimator verändert, wobei hier eine Richtungsänderung vorgesehen ist. Während der Änderung dieses Abstandes nähert sich die Helligkeitsdifferenz der Bildpunkte eines Bildes in den jeweiligen Messebenen wiederum dem Maximum an.

   Sobald durch einen Vergleich das aktuelle Maximum mit dem Maximum übereinstimmt, welches bei der ersten Änderung des Abstandes ermittelt wurde, wird die Änderung des Abstandes unterbrochen, wodurch eine Scharfstellung des Bildes und somit ein definierter Abstand eines Kollimators zur Oberfläche des Messgegenstandes eingestellt wird.

[0011] Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Ermittlung des Maximalwertes der Helligkeitsdifferenz einer Messebene innerhalb einer Wegstrecke die Bildpunkte y1 bis yN in einem Differenzverfahren ein Funktionswert F gemäss der Funktion F =  ± (yi - yrechter Nachbar)<2> +  ± (yi - yoberer Nachbar)<2> bestimmt wird, wobei yi der Helligkeitswert der benutzten Bildpunkte ist.

   Dadurch kann die Helligkeitsdifferenz zwischen einem rechten und einem oberen Nachbarn ermittelt werden, so dass bei der Bildung der Helligkeitsdifferenz die gesamte Information der Bildpunkte erfasst wird. Diese ermittelte Funktionswert wird für den Vergleich zu weiteren durch Einzelmessungen ermittelten Funktionswerten ausgewertet.

[0012] Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Änderung des Abstandes zwischen Kollimator und Oberfläche des Messgegenstandes einer Wegstrecke entspricht, der zumindest einmal den exakten Abstand zwischen Kollimator und Oberfläche des Messgegenstandes durchlaufen wird.

   Aufgrund der vorteilhaften Einstellung des Strahlenganges des elektronischen Aufzeichnungsgerätes, deren Brennpunkt in der Oberfläche des Messgegenstandes liegt, der dem exakten Abstand eines Kollimators zur Oberfläche des Messgegenstandes entspricht, wird ermöglicht, dass eine erste Unscharfe beispielsweise oberhalb und eine weitere Unschärfe des Brennpunktes beispielsweise unterhalb der Oberfläche des Messgegenstandes erhalten wird, wodurch das im Brennpunkt liegende Maximum der Helligkeitsdifferenz mit Sicherheit ermittelt werden kann.

[0013] Beim Durchlaufen des Abstandes wird vorteilhafterweise die Einzelmessung aus mehreren Einzelbildern in einem Zeitintervall gemittelt und ein Mittelwert aus den Werten der Einzelbilder gebildet.

   Dadurch können mögliche Störausflüsse sowie Rauschen aufgrund streuender Werte minimiert werden.

[0014] Bevorzugt wird, dass während der Einzelmessung die Geschwindigkeit der Abstandsänderung beibehalten wird. Dadurch kann eine ruckfreie Änderung erfolgen, wodurch gleichzeitig die Qualität für die Erfassung der Helligkeitsänderungen der Bildpunkte erhöht sein kann. Des Weiteren kann in Abhängigkeit der Zeitintervalle eine Echtzeiterfassung für die Einzelmessung erfolgen.

[0015] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Änderung des Abstandes bei der Grobsuche eines Maximums der Helligkeitsdifferenzen mit einer erhöhten Geschwindigkeit durchgeführt wird.

   Dadurch kann in einer ersten Annäherung eine etwaige Lage des exakten einzustellenden Abstandes zwischen dem Kollimator und der Oberfläche des Messgegenstandes ermittelt werden. Anschliessend wird die Feinsuche gegenüber der Grobsuche mit einer reduzierten Geschwindigkeit durchgeführt. Dadurch kann ermöglicht werden, dass in wesentlich engeren Schritten die Einzelmessungen zur Ermittlung des Funktionswertes F durchgeführt werden. Nach Durchlaufen der Feinsuche wird das Maximum dadurch ermittelt, dass der Nulldurchgang der ersten Ableitung näherungsweise per Interpolation berechnet wird.

   Durch gegebenenfalls bildtypische Unsicherheiten, wie beispielsweise Rauschen, können formal mehrere Maxima auftreten, die jedoch durch Glätten verhindert werden.

[0016] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass für eine Feinsuche, die im Abstand zwischen dem Kollimator und der Oberfläche des Messgegenstandes nach Durchführung der Grobsuche mit einer Rückstellgeschwindigkeit auf einen zweiten Ausgangspunkt zurückgesetzt wird.

   Diese Rückstellgeschwindigkeit ist vorteilhafterweise grösser als die Geschwindigkeit der Grobsuche ausgebildet, so dass eine schnelle Durchführung der Einstellung ermöglicht wird.

[0017] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäss Anspruch 1 ist vorgesehen, dass nach der Feinsuche das Maximum der Grob- und der Feinsuche miteinander verglichen werden und ein Verfahrweg errechnet wird, um welchen der Abstand zwischen Kollimator und Oberfläche um das Mass verändert wird, um welches der Abstand während der Feinsuche nach Durchlaufen des Maximums verändert ist. Dadurch kann nach der Feinsuche eine unmittelbare Einstellung des korrekten Abstandes gegeben sein.

[0018] Alternativ ist vorgesehen, dass vor Beginn der Grobsuche ein voreingestellter Abstand zwischen Kollimator und Oberfläche des Messgegenstandes um einen Betrag vergrössert wird.

   Dadurch kann sichergestellt werden, dass bei der sich daran anschliessenden Grobsuche mit hoher Sicherheit ein Maximum durchlaufen wird, wobei während der Vergrösserung des Abstandes beobachtet wird, ob die Helligkeitsdifferenzen abnehmen. Dadurch kann gleichzeitig festgestellt werden, dass der Startpunkt für die Durchführung einer Messung unterhalb des Brennpunktes des exakten Abstandes liegt, um im Anschluss daran eine sichere Einstellung zu ermöglichen.

   Würden die Helligkeitsdifferenzen ansteigen, würde das Verfahren gestoppt und dem Benutzer angezeigt werden, dass eine andere Position vorgewählt wird, um die Einstellung durchzuführen.

[0019] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Verfahren gemäss dem Anspruch 1 und 2 ist vorgesehen, dass die zur Erfassung der Helligkeitsdifferenz in einem Bild ermittelten Bildpunkte, in einzelnen Feldern getrennt erfasst werden. Dadurch kann ermöglicht sein, dass durch einen Vergleich der einzelnen Felder miteinander die Orientierung der Oberfläche des Messgegenstandes ermittelt wird. Die lagerichtige Orientierung ist insbesondere bei Mehrfachschichten-Messungen sowie bei der Messung sehr dicker Schichten von Bedeutung.

   Durch die Erfassung der Orientierung der Probenoberfläche können Ungenauigkeiten aufgrund von einer gegenüber idealen rechtwinkligen Orientierung der Messebene zum Röntgenstrahl ausgeglichen werden.

[0020] Dafür ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass in jedem Feld ein Wert der maximalen Helligkeitsänderung erfasst wird. Dadurch kann ein Vergleich zwischen den einzelnen Feldern ermöglicht sein. Sofern beispielsweise zwei zu einander benachbarte Felder, die gleiche Helligkeitsänderung aufweisen, kann daraus geschlossen werden, dass dieser Bereich keine Höhendifferenz aufweist.

   Sofern mehrere Felder einen annähernd gleichen Wert einer Helligkeitsänderung aufweisen, wird ermittelt, dass die ebene Oberfläche der Messgegenstandes eine lagerichtige Orientierung, also senkrecht zum Röntgenstrahl positioniert ist.

[0021] Nach weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine Aufteilung in vier Felder gewählt wird und zur Charakterisierung der Koeffizienten aus einem rechten Paar Einzelfelder und einem linken Paar Einzelfelder sowie die Koeffizienten aus einem oberen und einem unteren Paar Einzelfelder gebildet wird. Dadurch wird die Verkippung oder die Orientierung der Oberfläche des Messgegenstandes charakterisiert. Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Summe der quadrierten Koeffizienten mit einer Konstanten verglichen wird, welche ein Mass für die Rechtwinkligkeit der Oberfläche zum Röntgenstrahl bildet.

   In Abhängigkeit der Konstanten kann die Toleranz grösser oder kleiner vorgebildet werden.

[0022] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Helligkeitsdifferenzen innerhalb eines jeden Feldes erfasst und mit den benachbarten Feldern verglichen wird und die Orientierung ermittelt wird, wobei ein Tisch mit einer Neigungskorrektur in eine XY-Ebene zum Kollimator angesteuert wird. Dadurch kann eine Einjustierung einer gegenüber der idealen Ebene zum Röntgenstrahl abweichenden Orientierung der Oberfläche ermöglicht sein.

[0023] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

[0024] Anhand der nachfolgenden Zeichnungen werden besonders bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens näher beschrieben.

   Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Messen dünner Schichten durch Röntgenstrahlung,


  <tb>Fig. 2<sep>eine schematische Ansicht eines Strahlenganges einer elektronischen Anzeigeeinrichtung, deren Brennpunkt in einer Oberfläche eines Messgegenstandes liegt,


  <tb>Fig. 3<sep>eine schematische Darstellung gemäss Fig. 2, bei welcher der Brennpunkt oberhalb der Oberfläche liegt,


  <tb>Fig. 4<sep>eine schematische Darstellung gemäss Fig. 2, bei der der Brennpunkt unterhalb der Oberfläche liegt,


  <tb>Fig. 5<sep>eine schematische Darstellung von aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten zur Einstellung des Abstandes zwischen Kollimator und Oberfläche des Messgegenstandes,


  <tb>Fig. 6<sep>eine schematische Darstellung einer alternativen Aneinanderreihung von Verfahrensschritten gemäss Fig. 5,


  <tb>Fig. 7<sep>eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines weiteren alternativen Verfahrens zur Einstellung eines Auftreffpunktes einer Röntgenstrahlung auf einen Messgegenstand,


  <tb>Fig. 8 u. 9<sep>eine schematische Darstellung eines Bildes einer Einzelmessung mit einer Aufteilung eines Messfeldes in beispielsweise vier Einzelfelder zur Ermittlung der Orientierung und


  <tb>Fig. 10 u. 11<sep>eine schematische Darstellung einer alternativen Anordnung von Einzelfeldern innerhalb eines Bildes zur Ermittlung der Orientierung bei konvexen oder konkaven Oberflächen.

[0025] In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 11 zur Messung dünner Schichten oder zur Schichtdickenanalyse durch Röntgenstrahlung, insbesondere durch Röntgenfluoreszenz-strahlung dargestellt. Eine derartige Vorrichtung 11 weist eine Röntgenröhre 12 zur Erzeugung von Röntgenstrahlen in einem Gehäuse 13 auf. Über eine Öffnung in dem Gehäuse 13 tritt ein Röntgenstrahlbündel aus und trifft auf eine Oberfläche 14 eines Messgegenstandes 16. Durch einen in einem definierten Abstand 26 zur Oberfläche 14 angeordneten Kollimator 17 wird ein bestimmter Flächenbereich der Röntgenstrahlung auf der Oberfläche 14 des Messgegenstandes 16 begrenzt.

   Von einem Proportionalzählrohr 18 oder einem anderen Detektor wird die von der bestrahlten Probe emittierte Fluoreszenzstrahlung erfasst und ausgewertet.

[0026] Die Vorrichtung 11 weist ein elektronisches Anzeigegerät 21 aus, deren Strahlengang 22 über einen halbdurchlässigen Spiegel 23 in den Strahlengang der Röntgenstrahlung eingeblendet und auf eine Oberfläche 14 des Messgegenstandes 16 gerichtet ist. Durch dieses Anzeigegerät 21 kann auf einem nicht näher dargestellten Monitor das Bild der Oberfläche 14 wiedergegeben werden.

[0027] Für die Genauigkeit der Schichtdickenmessung ist erforderlich, dass ein exakter Abstand 26 zwischen der Oberfläche 14 des Messgegenstandes 16 und dem Kollimator 17 eingestellt ist, welcher den Auftreffpunkt einer Röntgenstrahlung auf einem Gegenstand bestimmt.

   Dieser Abstand 26 wird an einer Vorrichtung einmal festgelegt Es ist anschliessend erforderlich, dass dieser Abstand 26 immer wieder genau eingestellt wird. Dies beruht u.a. auch darauf, dass eine bestimmte Position des Proportionalzählrohres 18 zur Erfassung der emittierenden Sekundärstrahlung erforderlich ist, um eine Mindestintesität der Strahlung erfassen. Die Komponenten, wie beispielsweise Röhre 12, Gehäuse 13, Kollimator 17, Proportionalzählrohr 18 bilden einen Messkopf 27. Der Messgegenstand 16 ist dem gegenüber auf einem in drei Dimensionen bewegbaren Tisch 28 angeordnet. Die nachfolgenden Ausführungsformen werden ausgehend von einem feststehenden Messkopf 27 und einem bewegbaren Tisch 28, insbesondere in der Z-Koordinate, also der Verringerung oder Vergrösserung des Abstandes 26 beschrieben.

   Es versteht sich, dass ebenso der Tisch 28 fest angeordnet und der Messkopf 27 variabel hierzu, oder dass sowohl der Messkopf 27 als auch der Tisch 28 zueinander bewegt werden können bzw., dass ein Teil der Bewegung der Tisch 28, ein Teil der Bewegung der Messkopf 27 oder sonstige variable Bewegungsmuster vorgesehen sein können.

[0028] In Fig. 2 ist der Strahlengang 22 von dem elektrischen Anzeigegeräte 21 zur Oberfläche 14 dargestellt. In dieser Einstellung liegt ein Brennpunkt 31 in einer Messebene 32, welche der Oberfläche 14 in dieser Position entspricht. Das Anzeigegerät 21 ermittelt ein scharfes Bild der Oberfläche 14. In dieser Position der Oberfläche 14 ist auch eine exakte Einstellung des Abstandes 26 zwischen dem Kollimator 17 und der Oberfläche 14 gegeben.

   Somit ist der exakte Arbeitsabstand 26 bei der grösstmöglichsten Scharfstellung gegeben.

[0029] Das durch das Anzeigegerät 21 erfasste Bild wird in einzelnen Pixeln ausgelesen. Dies kann beispielsweise über einen CCD-Kamerachip erfolgen, wobei über eine Frame-Grabber-Karte digitalisierte Signale zu einer Graphikkarte übermittelt werden können, wobei dies ohne Prozessorunterstützung erfolgen kann.

[0030] In Abhängigkeit der Positionierung der Oberfläche 14 kann die durch den Brennpunkt 31 gebildete Messebene 32 oberhalb der Oberfläche 14 liegen, wie dies beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist oder unterhalb der Oberfläche 14, wie dies beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist.

   Je weiter die Messebene 32 von der Oberfläche 14 entfernt ist, desto grösser wird die Unschärfe und desto geringer werden Helligkeitsdifferenzen zwischen den einzelnen Bildpunkten yN, wobei N der Zahl der Bildpunkte entspricht, welche für die nachfolgend noch zu erläuternde Auswertung in einem Messfeld 36 ausgelesen werden. Je weiter die Messebene 32 von der Oberfläche 14 entfernt ist, desto unschärfer wird das erfasste Bild und desto geringer werden die Helligkeitsdifferenzen zwischen dem jeweils zu einander benachbarten Bildpunkten.

   Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass bei Anordnung der Messebene 32 in der Oberfläche 14 die Helligkeitsdifferenzen am grössten sind und dieses Maximum die Scharfstellung des Bildes einerseits bzw. durch die Korrelation mit der Position der Oberfläche 14 für einen exakten Abstand 26 steht.

[0031] Es werden somit sämtliche Bildpunkte rausgelesen und ein Funktionswert F nach folgender Gleichung bestimmt: F =  ± (yi-yrechter Nachbar)<2> +  ± (yi - yoberer Nachbar)<2>, wobei yi der Helligkeitswert eines Bildpunktes ist. Dieser wird beispielsweise mit einem rechten Nachbarn einerseits und einem oberen Nachbarn andererseits verglichen. Es kann ebenso vorgesehen sein, dass anstelle des rechten Nachbarn der linke Nachbar und anstelle des oberen Nachbarn der untere Nachbar gewählt wird.

   Somit kann über den Funktionswert F die Summe der Helligkeitsdifferenzen ermittelt werden.

[0032] Bei einer ersten erfindungsgemässen Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Position der Oberfläche 14 in Bezug auf die z-Achse erfasst wird. Daraus ergibt sich, dass der Funktionswert F sich ändert, wodurch sich ergibt, dass F = f (Z) ist. Dadurch ergibt sich eine erste Ausführungsform zur Durchführung des Verfahrens zur Einstellung eines Auftreffpunktes einer Röntgenstrahlung auf einen Messgegenstand. Bei dieser Ausführungsform wird die Z-Koordinate, entlang welcher der Röntgenstrahl verläuft, als weitere Kenngrösse berücksichtigt.

   Das Verfahren zur Einstellung eines Auftreffpunktes einer Röntgenstrahlung auf einen Messgegenstand in einem definierte Abstand 26 zwischen dem Kollimator 17 und der Oberfläche 14 kann folgendermassen erfolgen:

[0033] Der Tisch 28 mit dem Messgegenstand 16 wird in eine Position übergeführt, in welcher die Messebene 32 oberhalb der Oberfläche 14 des Messgegenstandes 16 liegt. Diese Ausgangsposition 41 ist in Fig. 5 dargestellt. Nunmehr wir der Tisch 28 entlang der Z-Koordinate auf den Kollimator 17 zubewegt, bis eine erste Zwischenposition 42 erreicht ist, welche beispielsweise einer Position gemäss Fig. 4 entspricht. Der Betrag der Wegstrecke ist frei wählbar. Dieser weist jedoch eine Mindestverfahrstrecke auf, damit mit Sicherheit der exakte Abstand 26 zwischen Kollimator 17 und der Oberfläche 14 durchlaufen wird.

   Die Verfahrgeschwindigkeit kann bei einem ersten Verfahrensschritt, der als Grobsuche ausgebildet ist, relativ schnell erfolgen. Zwischen der Ausgangsposition 41 und der ersten Zwischenposition 42 werden vorteilhafterweise durchgehend Einzelmessungen durchgeführt, wobei die Einzelmessung aus beispielsweise zwei oder mehreren Einzelwerten innerhalb eines definierten Intervalls ermittelt werden, so dass die Einzelmessung aus einem Mittelwert von mehreren Einzelwerten besteht. Diese Einzelmessungen der Bilder werden entsprechend der Funktion F ausgewertet. Nach dem Durchlaufen der Grobsuche wird ein Maximum ermittelt, in dem der Nulldurchgang der ersten Ableitung näherungsweise per Interpolation berechnet wird. Dieses erste Maximum wird abgespeichert.

   Anschliessend wird der Tisch 28 in eine zweite Zwischenposition 43 übergeführt, von welcher aus eine Feinsuche bis zur dritten Zwischenposition 44 erfolgt. Die Fahrgeschwindigkeit des Tisches 28 für die Feinsuche ist wesentlich langsamer als bei der Grobsuche. Es werden wiederum Einzelmessungen der Bilder durchgeführt und gemäss dem Verfahren der Grobsuche ausgewertet. Des Weiteren wird wiederum das Maximum ermittelt. Aufgrund der Erfassung der Z-Koordinate ist nunmehr die Position 44 des Tisches bekannt. Ebenso ist die Z-Koordinate des Maximums der Feinsuche bekannt, welches vorteilhafterweise mit der Grobsuche verglichen wird.

   Anschliessend wird der Tisch 28 von der Zwischenposition 44 unmittelbar in eine Position 45 übergeführt, wodurch der exakte Abstand 26 zwischen der Oberfläche 14 des Messgegenstandes 16 und dem Kollimator 17 eingestellt ist.

[0034] Der Vorteil dieser Verfahrensweise, bei der die Grobsuche als auch die Feinsuche eine gleiche Bewegungsrichtung des Tisches 28 aufweisen, ist eine höhere Genauigkeit der Ermittlung des Maximums und somit des exakten Abstandes 26. Ebenso kann die Annäherung auf das Maximum ebenfalls die gleiche Bewegungsrichtung wie die der Grob- und Feinsuche aufweisen.

[0035] Eine weitere alternative Durchführung des Verfahrens ist in Fig. 6 dargestellt. Vor Beginn der Messung wird eine erste Verfahrstrecke zwischen einem Startpunkt 40 und der Ausgangsposition 41 durchgeführt. Dadurch wird erkannt, dass die Voreinstellung ordnungsgemäss erfolgt ist.

   Durch Abnahme der Helligkeitsdifferenz der Bildpunkte zwischen dem Punkt 40 und 41 aufgrund der grösser werdenden Unschärfe wird sichergestellt, dass der Tisch 28 sich von dem Kollimator 17 wegbewegt. Dadurch kann gleichzeitig sichergestellt sein, dass der Tisch 28 nicht gegen den Kollimator 17 läuft, sofern der Betrag der Unschärfe grösser wird.

   Im Anschluss daran können die Verfahrensschritte zu Fig. 5 durchgeführt werden.

[0036] Eine weitere alternative Ausgestaltung des Verfahrens zu Einstellung eines Auftreffpunktes einer Röntgenstrahlung auf einen bestimmten Abstand 26 zwischen dem Kollimator 17 und der Oberfläche 14 des Messgegenstandes 16 ist nachfolgend näher beschrieben und beispielhaft an Fig. 7 erläutert:

[0037] Die Grobsuche als auch Feinsuche, wie diese in Fig. 5 und 6 beschrieben ist, sowie auch eine Rückwärtsbewegung aus einer ersten Zwischenposition 42 in eine zweite Zwischenposition 43 erfolgt in Analogie zu den Ausführungsformen des Verfahrens gemäss Fig. 5 und 6. Das vorliegende Verfahren erfolgt ohne der Zuordnung des Funktionswertes F einer Z-Koordinate.

   Nach der Grobsuche zwischen der Ausgangsposition 41 und der ersten Zwischenposition 42 erfolgt eine schnelle Rückstellung in die zweite Zwischenposition 43. Anschliessend erfolgte eine Feinsuche, während dieser der Funktionswert F mit dem Maximum des Funktionswertes F mit dem der Grobsuche verglichen wird. Nachdem während der Feinsuche das Maximum des Funktionswerts F erreicht wird, der im Wesentlichen dem der Grobsuche entspricht, wonach im Anschluss daran die Feinsuche gestoppt wird. Dadurch ist die Oberfläche 14 wiederum zum Kollimator 17 in dem Abstand 26 positioniert.

   Das Anhalten des Tisches 28 kann auch dann erfolgen, wenn das Maximum geringfügig überschritten ist, um sicherzustellen, dass keine Unschärfen als Maximum interpretiert werden.

[0038] Eine weitere Alternative der Fig. 5 und 6 kann darin bestehen, dass die Grobsuche bei der ersten Zwischenposition 42 beginnt und bis zur zweiten Position 43 durchgeführt wird. Anschliessend erfolgt die Feinsuche bis zur Zwischenposition 44 und die Positionierung zu Punkt 45.

[0039] Alle vorgenannten Ausfuhrungsformen des Verfahrens gemäss den Fig. 5 bis 7 haben gemeinsam, dass die Grob- und oder Feinsuche ein oder mehrmals wiederholt werden können, wobei auch die Verfahrgeschwindigkeit und Anzahl der Messungen während eine Grob- und einer Feinsuche variiert werden können.

   Je häufiger eine Suche nach dem Maximum durchgeführt wird, desto exakter kann der Abstand 26 zum Kollimator 27 eingestellt werden. In Abhängigkeit der Genauigkeitsanforderungen können somit ein oder mehrere Verfahrensschritte aneinandergereiht werden, um die Genauigkeit noch weiter zu erhöhen, wobei die Zeitdauer bis zur Positionierung der Oberfläche 14 des Messgegenstandes 16 in einer Endlage zum Kollimator 17 mit dem exakten Abstand 26 ansteigt.

[0040] Für die Auswertung der Bildpunkte eines Bildes ist vorteilhafterweise ein Bereich 36 gewählt, der mindestens die Grösse des Auftreffpunktes einer Röntgenstrahlung aufweist. Die Grösse des Bildes kann wahlweise eingestellt werden.

   Ebenso kann diese Auswertung der wahlweise Bildpunkte erfolgen, wenn die Oberfläche gezoomt bzw. in einer vergrösserten Abbildung auf einem Monitor sichtbar gemacht wurde.

[0041] Je differenzierter die Bildbereiche für die Auswertung der Helligkeitsdifferenz der Bildpunkte gewählt werden, desto sicherer kann die Einstellung auf den richtigen Abstand 26 erfolgen.

[0042] Des Weiteren kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass mit dem vorgenannten Verfahren zur Ermittlung eines Maximums in Bezug auf die Helligkeitsdifferenz der Bildpunkte in einem Bereich derart weitergebildet werden, dass eine Orientierung der Oberfläche 14 erfasst wird.

   Hierzu ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Bereich 36 in vier einzelne Felder 51, 52, 53, 54 beispielsweise gemäss Fig. 8 untergliedert ist, wobei das Maximum der Helligkeitsdifferenz für jedes Feld gesondert ermittelt wird.

[0043] Eine optimale Ausrichtung der Oberfläche 14 ist dann gegeben, wenn die Messebene 32 der Oberfläche 14 rechtwinklig zur Z-Koordinate ausgerichtet ist. Durch einen Vergleich, der beispielsweise Felder 51, 52, 53, 54 gemäss Fig. 8 bzw. deren Maximum durch die erste Ableitung, wird für jedes Feld ein Z-Wert zugeordnet. Sofern diese Werte innerhalb einer gewissen Fehlertoleranz gleich sind, wird daraus geschlossen, dass die Orientierung nahezu ideal, d.h. senkrecht zur optischen Achse der Beobachtungsoptik des Anzeigegerätes 21 bzw. zum Röntgenstrahl ausgerichtet ist.

   Dies kann beispielsweise durch Standardabweichungen der Z-Werte überwacht sein.

[0044] Die Charakterisierung der Verkippung bzw. die Ermittlung der Orientierung hinsichtlich der Abweichung von der idealen Messebene kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Koeffizient K1 zwischen den rechten und linken Feldern 51, 53, 52, 54 gebildet wird gemäss der Gleichung K1 = (z51 ¾ +z53 ¾)/(z52 ¾ +z54 ¾) - 1, sowie ein Koeffizient K2 zwischen den oberen und unteren Feldern 51, 52, 53, 54, wodurch die Gleichung K2 = (z51 ¾ +z52 ¾)/(z53 ¾ +z54 ¾) - 1 gebildet wird. Durch die Prüfung gemäss (K1)2 + (K2) 2 < C lässt sich die Verkippung der Oberfläche des Messgegenstandes ermitteln. Hierbei ist eine Konstante C vorgesehen, welche zuvor empirisch für eine ideal ebene und ausgerichetete Probe nach der Formel x = (K1)<2> + (K2)<2> ermittelt wird.

   Hierbei können Messreihen beispielsweise 5, 10, 15 oder 20 Messungen umfassen. Die Konstante C soll dann beispielsweise den dreifachen Mittelwert von X betragen. Nachdem die Bedingungen erfüllt sind, kann eine Scharfstellung auf einen Mittelwert (z51 ¾+ z52 ¾ + z53 ¾ +z54)/4 erfolgen.

[0045] Alternativ kann vorgesehen sein, dass durch Auslesen der einzelnen Bildpunkte innerhalb der Felder 51, 52, 53, 54 der Grad der Verkippung ermittelt wird, um im Anschluss daran einen Kipptisch, der zumindest zwei Bewegungsfreiheitsgrade aufweist, nachzuregeln, so dass die Oberfläche rechtwinklig zur z-Koordinate positioniert werden kann.

[0046] Eine alternative Ausführungsform zu Fig. 8 ist in Fig. 9 dargestellt.

   Es können ebenso mehrere Felder 51, 52, 53, 54 in Zeilen und Spalten vorgesehen sein, um grössere ebene Messfelder 36 bezüglich deren Verkippung mit einer Einzelmessung zu erfassen.

[0047] Eine weitere alternative Anordnungen von Feldern 51, 52, 53, 54, 55 für die Auslesung eines Bildes einer Einzelmessung ist in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Diese Anordnungen sind vorteilhafterweise zur Erfassung von konvex oder konkav gekrümmten Oberflächen vorgesehen. Eine Scharfstellung des Bildes erfolgt vorteilhafterweise aufgrund der Ableitung des z55-Wertes des zentralen Feldes 55. Die Verkippung kann in Analogie zu den in Fig. 8 und 9 beschriebenen Feldern 51, 52, 53, 54 überwacht werden. Weitere Kombinationen und Anordnungen der Felder zur Ermittlung der Orientierung als auch des Verlaufs von Oberflächen können ebenso vorgesehen sein.

Claims (10)

1. Verfahren zur Einstellung einer Lage eines Messgegenstandes bei der Schichtdickenmessung mit Röntgenfluoreszenz, bei dem ein Strahlengang eines elektronischen Aufzeichnungsgerätes in den Strahlengang der Röntgenstrahlung eingeblendet wird und bei dem die Oberfläche des Messgegenstandes erfasst und als ein aus mehreren Bildpunkten bestehendes Bild ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, - dass der Abstand (26) zwischen der Oberfläche (14) und dem Kollimator (17) um einen Betrag einer Wegstrecke verändert wird, - dass während der zumindest einen Änderung des Abstandes (26) zwischen der Oberfläche (14) und dem Kollimator (17) Heiligkeitswerte der Bildpunkte erfasst werden, - dass nach der zumindest einen betragsmässigen Änderung des Abstandes (26) das Maximum der Helligkeitsdifferenz der Bildpunkte eines Bildes ermittelt wird und - dass der Abstand (26)

zwischen Kollimator (17) und Oberfläche (14) des Messgegenstands (16) auf die Position des ermittelten Maximums der Helligkeitsdifferenz eingestellt wird.

2. Verfahren zur Einstellung einer Lage eines Messgegenstandes bei der Schichtdickenmessung mit Röntgenfluoreszenz, bei dem ein Strahlengang eines elektronischen Aufzeichnungsgerätes in den Strahlengang der Röntgenstrahlung eingeblendet wird und bei dem die Oberfläche des Messgegenstandes erfasst und als ein aus mehreren Bildpunkten bestehendes Bild ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, - dass der Abstand (26) zwischen der Oberfläche (14) und dem Kollimator (17) um einen Betrag einer Wegstrecke verändert wird, - dass während der zumindest einen Änderung des Abstandes (26) zwischen der Oberfläche (14) und dem Kollimator (17) Helligkeitswerte der Bildpunkte erfasst werden, - dass nach der zumindest einen betragsmässigen Änderung nach der Änderung des Abstandes (26) das Maximum der Helligkeitsdifferenz der Bildpunkte eines Bildes ermittelt wird,

- dass eine zur Erfassung der Helligkeitsänderung entgegengesetzte Richtung zur Änderung des Abstandes (26) gewählt wird und - dass die Änderung des Abstandes (26) unmittelbar beim Erreichen des Maximums der Helligkeitsdifferenz gestoppt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildpunkte gemäss der Funktion F = ± (yi - yrechter Nachbar)<2> + ± (yi - yoberer Nachbar)<2> bestimmt werden, wobei yi der Helligkeitswert der Bildpunkte ist und diese Bildpunkte zur Ermittlung des Maximalwertes der Helligkeitsdifferenz, welche die Lage des Brennpunkts auszeichnet, dienen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Abstandes (26) zwischen Kollimator(17) und der Oberfläche (24) des Messgegenstandes (16) einem Betrag der Messstrecke entspricht, bei welchem zumindest der im Abstand (26) zum Kollimator (17) liegende Brennpunkt (31) durchlaufen wird und die Geschwindigkeit zur Durchführung der Einzelmessung für die Abstandsänderung zwischen Kollimator (17) und Oberfläche (14) des Messgegenstandes (16) konstant gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Abstandes (26) bei einer Grobsuche eine erste Ermittlung eines Maximus der Helligkeitsdifferenz mit einer erhöhten Geschwindigkeit durchgeführt wird und eine Feinsuche mit einer gegenüber der Grobsuche reduzierten Geschwindigkeit durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimator (17) und die Oberfläche (16) nach einer ersten Zwischenposition (41) mit einer Rückstellgeschwindigkeit auf eine zweite Zwischenposition (42) mit einer Rückstellgeschwindigkeit auf eine zweite Zwischenposition zurückgesetzt wird, die vorzugsweise nach der Startposition ist und die Rückstellgeschwindigkeit gleich oder grösser als die der Grobsuche eingestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinsuche gestoppt wird, nachdem die Oberfläche (14) des Messgegenstandes (16) den im Abstand zum Kollimator (17) liegenden Brennpunkt (31) durchlaufen hat, und die Oberfläche (14) des Messgegenstandes (16) auf die dem Maximum der Helligkeitsdifferenzen zugeordnete z-Koordinate eingestellt wird oder vor einem Beginn der Grobsuche ein voreingestellter Abstand zwischen dem Kollimator (17) und der Oberfläche (14) des Messgegenstandes (16) vergrössert wird oder die Änderung des Abstandes (16) zwischen Kollimator (17) und Oberfläche (14) entlang der z-Achse erfolgt und die Einzelmessung eines Bildes einem Zeitpunkt einer entsprechenden z-Koordinate zugeordnet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Bild erfassten Bildpunkte zur Ermittlung der Helligkeitsdifferenz in einzelnen Feldern (51, 52, 53, 54, 55) getrennt erfasst wird und für jedes Feld (51, 52, 53, 54, 55) ein Wert der maximalen Helligkeitsänderung erfasst wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Aufteilung in vier Felder (51, 52, 53, 54) gewählt wird und zur Charakterisierung einer Verkippung der Koeffizient K1 = (z51 ¾ + z53 ¾)/(z52 ¾ + z54 ¾) - 1 und der Koeffizient K2 = (z51 ¾ + z52 ¾)/(z53 ¾ + z54 ¾) - 1 der Einzelfelder gebildet werden, wobei die Koeffizienten K1 und K2 gemäss der Formel (K1)<2> + (K2)<2><C ausgewertet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Helligkeitsdifferenz innerhalb eines jeden Feldes (51, 52, 53, 54, 55) erfasst und mit dem benachbarten Feld (51, 52, 53, 54) verglichen wird und dass die Winkelabweichung in Koordinaten umgerechnet wird, durch welche ein den Messgegenstand (16) aufnehmender Kipptisch angesteuert wird, oder dass zur Ermittlung der Orientierung von konvex oder konkav gekrümmten Oberflächen von Messgegenständen (16) ein zentrales Feld (55) und vier den Seitenkanten oder den Ecken zugeordnete Felder (51, 52, 53, 54) vorgesehen sind, wobei das zentrale Feld zur Einstellung des Abstandes (26) ausgewertet wird und die daran angrenzenden wenigstens vier Felder (51, 52, 53, 54) zur Ermittlung der Verkippung ausgewertet werden.