AT508690A1 - Optische anordnung für ellipsometrie - Google Patents

Description

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Optische Anordnung für Ellipsometrie

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zum Messen spektroskopischer Eigenschaften einer an einer Probenposition befindlichen Probe, mit einem ersten optischen System, das ein eingestrahltes Lichtbündel über einen in Bezug auf die Probenposition ortsfesten ersten bogenförmigen Spiegel (als Hauptspiegel bezeichnet) auf die Probenposition als einstrahlendes Licht in einer Eingangsrichtung in einem einstellbaren Einfallswinkel in Bezug auf eine feste Normalrichtung der Probe lenkt, und einem zweiten optischen System, das von der Probenposition in einer Ausgangsrichtung in einem dem Einfallswinkel entsprechenden Ausgangswinkel in Bezug auf die Normalrichtung ausgestrahltes (reflektiertes) Licht über einen in Bezug auf die Probenposition ortsfesten zweiten bogenförmigen Hauptspiegel als zu messendes Lichtbündel einer Messung zuführt, wobei die Normalrichtung senkrecht auf eine durch die Probenposition verlaufende feste Hauptachse steht.

Die hier betrachteten optischen Einrichtungen dienen zur Reflektions-Absorptions-Spektro-skopie (RAS), insbesondere der Ellipsometrie, unter Verwendung von Licht, insbesondere Licht des Infrarotbereichs (IR-Licht), z.B. für IR-Reflektions-Absorptions-Spektroskopie (IRRAS). Bei ellipsometrischen Messungen wird anhand der Reflektionseigenschaften an einer Oberfläche der zu untersuchenden Probe und der hierbei auftretenden Änderungen der Polarisationen des Lichts die komplexe dielektrische Funktion der Probenmaterials bestimmt, die mit der komplexen Brechzahl in direktem Zusammenhang steht. Die hierbei gemessenen Materialien sind verschiedenster Art, beispielsweise Proben aus Halbleiter-Materialien, organische Leiter, Stoffe zur Materialbeschichtung usw.

Im Rahmen dieser Offenbarung ist unter „licht" die elektromagnetische Strahlung zu verstehen, die der gegenständlichen spektrometrischen Messung zugrunde gelegt wird. Hierbei schließt die Bezeichnung „licht" neben sichtbarem Licht insbesondere auch IR-Licht ein, jedoch ist auch die Verwendung von sichtbarem und/oder UV-Licht nicht ausgeschlossen.

Derzeit gängige RAS-Apparaturen und insbesondere Ellipsometer sind nach dem Goniometer-Prinzip aufgebaut, bei dem einerseits die Lichtquelle und anderseits die Messanordnung für an der während der Messung unbewegten Probe relativ zur Normalen der Probenoberfläche verschwenkt werden. Dies bringt beträchtlich apparativen Aufwand mit sich. Zudem ist nicht der gesamte Winkelbereich einer Messung zugänglich, denn insbesondere Winkel nahe bei 0° ergeben eine Platzkonkurrenz für die Apparaturen des einfallenden und ausgehenden Lichtstrahles.

Eine Ellipsometrie-Einheit, die eine Messung ohne Bewegung der Lichtquelle und Messeinrichtungen gestattet, ist das IR-Ellipsometer SE900 der Sentech Instruments GmbH (Berlin, Deutschland). Hierbei wird das in einer fest bleibenden Richtung eingestrahlte IR-Licht über einen ersten Kippspiegel und einen ersten bogenförmigen Spiegel auf die Probe gerichtet, wobei der bogenfömige Spiegel die Form eines elliptischen Zylinders hat, durch den vom Kippspiegel ausgehendes Licht auf den Probenort zusammengeführt wird, die Kippstellung des Kippspiegels legt hierbei den Einfallswinkel des Lichts auf der Probe fest. Das von der Probe reflektierte Licht wird über einen spiegelbildlich angeordneten zweiten bogenförmigen Spiegel und einen zweiten Kippspiegel wieder in eine fest bleibende Ausstrahlrichtung geleitet. Beide Kippspiegel liegen mit den beiden bogenförmigen Spiegeln in einer Ebene. Während dies eine kompakte Bauweise ermöglicht, ist der messbare Winkelbereich auf 10° bis 80° eingeschränkt. Die stark wechselnden Reflexionswinkel auf den Kippspiegeln führen zu schwerwiegenden Signalproblemen; zudem müssen Polarisator und Analysator vor bzw. nach dem gesamten Strahlengang angeordnet werden, was die Signalqualität zusätzlich verringert.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine optische Anordnung zu schaffen, die die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll die optische Einheit ausreichend kompakt sein, dass sie in eine Probenkammer eines FTIR-Spektrometers eingesetzt werden kann, und die spektroskopische Messung einer Probe über den gesamten Winkelbereich von 0° bis 90° gestatten. Unerwünschte Reflexionen zwischen Polarisatoren (Analysatoren) und der Probe sollen hierbei vermieden werden.

Diese Aufgabe wird von einer Anordnung der eingangs genannten Art gelöst, bei welcher das erste optische System aufweist: - einen auf der Hauptachse in einem Abstand zur Probenposition angeordneten und mit einem aus einer gleichbleibenden Beleuchtungsrichtung einstrahlendem Licht beleuchtbaren ersten Drehspiegel, der um eine erste Drehachse drehbar und in seiner Position der Drehung tun seine Drehachse einstellbar ist, sowie - den ersten Hauptspiegel, dessen Spiegelfläche zumindest einem streifenförmigen Ausschnitt einer Rotationsfläche um die Hauptachse entspricht und eine Formgebung aufweist, die von dem ersten Drehspiegel in dessen verschiedenen einstellbaren Drehpositionen ausgehendes Licht auf die Probenposition wirft; wobei der erste Drehspiegel gegenüber seiner Drehachse um einen Winkel geneigt ist und wobei aus der Beleuchtungsrichtung kommendes Licht über den ersten Drehspiegel und über eine je nach Drehposition des ersten Drehspiegels sich ergebenden Stelle des ersten Hauptspiegels und von dort zu der Probenposition hin führbar ist, wobei gemäß dem sich so ergebenden optischen Pfad der Einfallswinkel mittels der Drehposition des ersten Drehspiegels einstellbar ist, und das zweite optische System aufweist: - einen auf der Hauptachse in einem Abstand zur Probenposition gegenüber dem ersten Drehspiegel angeordneten zweiten Drehspiegel, der um eine zweite Drehachse drehbar und in seiner Position der Drehung um seine Drehachse einstellbar ist, sowie - den zweiten Hauptspiegel, dessen Spiegelfläche zumindest einem streifenförmigen Ausschnitt einer Rotationsfläche um die Hauptachse entspricht und eine Formgebung aufweist, die von der Probenposition in verschiedene Richtungen ausgehendes Licht auf den zweiten Drehspiegel wirft; wobei der zweite Drehspiegel gegenüber seiner Drehachse um einen Winkel geneigt ist und wobei von der Probenposition entlang dem Ausgangswinkel ausgestrahltes Licht über eine jeweils entsprechende Stelle des Hauptspiegels und über den zweiten Drehspiegel in eine gleichbleibende Messrichtung als zu messendes Licht führbar ist, wobei gemäß dem sich so ergebenden optischen Pfad der Ausgangswinkel mittels der Drehposition des zweiten Drehspiegels wählbar ist.

Diese erfindungsgemäße Lösung rückt die Drehspiegel aus den Ebenen, die von dem ersten bzw. zweiten Hauptspiegel aufgespannt wird, heraus. Dies wird möglich durch eine besondere innovative Kombination von Drehspiegeln und Hauptspiegeln, die die eine besondere Formgebung einer (nicht-zylindrischen, sondern in Bezug auf die Hauptachse lokal geneigten) Drehfläche um die Hauptachse haben. Dadurch ist eine Nutzung des gesamten Einfallswinkelbereichs möglich, und Messungen sind im gesamten Bereich von 0° bis 90° erreichbar. Durch die Anordnung können nach Bedarf optische Elemente, insbesondere ein Polarisator und/oder Analysator innerhalb der Hauptspiegel positioniert werden. Die erfindungsgemäße optische Einheit ermöglicht die standardmäßige Verwendung sowohl für spektrometrische Ellipsometrie als auch für Reflektions-Absorptions-Spektroskopie, insbesondere IRRAS.

Unter einem Neigungswinkel eines Spiegels wird im Rahmen dieser Offenbarung jener Winkel verstanden, mit der die Normalrichtung des Spiegels (bei einem gekrümmten Spiegel jeweils in Bezug auf die lokale Tangentialebene) gegenüber einer bestimmten Richtung geneigt ist.

Hierbei können in der Regel der erste und der zweite Drehspiegel zueinander synchron in gegengleiche Richtungen zum Einstellen veränderlicher, aber dem Betrag nach zueinander gleicher Einfalls- und Ausgangswinkel drehbar sein. P11427 '

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In einer bevorzugten Konfiguration der erfindungsgemäßen Anordnung kann die Drehachse des ersten Drehspiegels in der Hauptachse liegen, und die Beleuchtungsrichtung des auf den ersten Drehspiegel eingestrahlten Lichts entlang dieser Drehachse verlaufen. Dies verringert den Einfluss der Drehstellung des Drehspiegels auf mögliche Polarisationsrichtungen des Lichts. In gleichem Sinne ist es vorteilhaft, wenn die Drehachse des zweiten Drehspiegels in der zweiten Hauptachse liegt, und die Richtung, in die das Licht von dem zweiten Drehspiegel gelenkt wird, entlang dieser Drehachse verläuft.

Damit der gesamte Messbereich des Einfallswinkels von 0° bis 90° abgedeckt werden kann, ist es von Vorteil, wenn die Spiegelfläche des ersten und des zweiten Hauptspiegels jeweils einen streifenförmigen Bereich im Ausmaß eines Winkels von zumindest 90°, beispielsweise um die jeweilige Hauptachse beschreibt.

Um den Einfluss der Drehposition der Drehspiegel auf andere Eigenschaften des Lichts auszuschließen, ist es günstig, wenn der erste und der zweite Drehspiegel Planspiegel sind, die um einen fest gewählten Winkel, vorzugsweise von 22,5°, gegenüber ihrer Drehachse geneigt sind, und die Spiegelfläche des ersten und des zweiten Hauptspiegels gegenüber der Richtung zu der Probenposition hinsichtlich ihrer lokalen Normalrichtung um denselben fest gewählten Winkel geneigt sind. Wenn die Hauptspiegel-Spiegelfläche gekrümmt ist, gilt dies für die Punkte entlang der Mittellinie der Spiegelfläche.

Eine für die Ellipsometrie besonders geeignete Formgebung der Spiegelfläche des ersten Hauptspiegels und/oder des zweiten Hauptspiegels ist die Form einer Kegelschnitt-Rotationsfläche, insbesondere eines Rotationsellipsoids, wobei ein Brennpunkt dieser Rotationsfläche mit der Probenposition zusammenfällt. Insbesondere kann die Kegelschnitt-Rotationsfläche ein Rotationsellipsoid sein, dessen zweiter Brennpunkt auf dem ersten bzw. zweiten Drehspiegel liegt. Dies ermöglicht eine von der Polarisation des Lichtstrahls unabhängige Fokussierung entlang des Strahlengangs in der Apparatur.

In einer einfacheren Variante dagegen kann die Form des ersten Hauptspiegels und/ oder des zweiten Hauptspiegels die eines Streifens eines Kreiskegelmantels um die erste bzw. zweite Hauptachse sein. Für spektrometrische Messungen ist es von besonderem Vorteil, wenn die eingesetzten Polarisatoren und Analysatoren, die nach bekannter Art zum Einstellen ausgewählter Polarisationsrichtungen des Lichts dienen, möglichst unmittelbar bei der untersuchten Probe liegen, ohne dazwischen auftretende Reflexionen. Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass dies in der erfindungsgemäßen Konfiguration möglich ist, wobei das erste opti- P11427 1 P11427 1

·»··*·· · • · · · *· «·· ······ t • · · « · · · -5- sche System einen Polarisator aufweist, dessen Position gemäß dem Einfallswinkel in den optischen Pfad zwischen erstem Hauptspiegel und der Probenposition einstellbar ist, und das zweite optische System einen Analysator aufweist, dessen Position gemäß dem Ausgangswinkel in den optischen Pfad zwischen der Probenposition und dem zweitem Hauptspiegel einstellbar ist.

In einer vereinfachten Variante kann das erste optische System den Polarisator an einer Stelle haben, die zwischen dem ersten Drehspiegel und dem ersten Hauptspiegel angeordnet ist.

Eine besonders einfache und übersichtliche Geometrie ergibt sich, wenn die Hauptspiegel - genauer gesagt ihre Mittellinien - in jener Ebene verlaufen, die durch die Probenposition verläuft und auf die feste Hauptachse senkrecht steht. Bei dieser Geometrie stehen dann nicht nur die Normalrichtung, sondern auch Eingangs- und Ausgangsrichtung (Winkel φ, φ') senkrecht auf die Hauptachse.

Die Erfindung samt weiteren Vorzügen wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Die Ausführungsformen haben lediglich beispielhaften Charakter und sind nicht so auszulegen, dass diese den Umfang der Erfindung einschränken. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 das erfindungsgemäße Prinzip der Spiegel und des Strahlengangs in einer perspektivischen Skizze;

Fig. 2 eine optische Einheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittansicht senkrecht zur Hauptachse;

Fig. 3 die optische Einheit der Fig. 2 in einer Schnittansicht senkrecht zur Seitenachse;

Fig. 4 die optische Einheit der Fig. 2 in einer Aufsicht;

Fig. 5 die Form der Spiegelfläche eines Hauptspiegels in einer verbesserten Variante der optischen Einheit der Fig. 2;

Fig. 6 und 7 illustrieren das Konstruktionsprinzip der Spiegelfläche der Fig. 5;

Fig. 8 zeigt eine optische Einheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 9 die optische Einheit der Fig. 8 ohne Gehäuse;

Fig. 10 die optischen Elemente des zweiten Ausführungsbeispiels der Fig. 8 und 9; P11427 «· P11427 «·

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Fig. 11 bis 13 die optischen Elemente analog zu Fig. 10, in je einer Seitenansicht entlang und quer zu der Hauptachse sowie in einer Aufsicht; und

Fig. 14 und 15 illustrieren die Form der Spiegelfläche eines Hauptspiegels der optischen Einheit der Fig. 8.

Fig. 1 zeigt das Prinzip einer optischen Einheit 1 gemäß der Erfindung. In dem Zentrum der optischen Einheit ist die Position 2 der zu untersuchenden Probe, beispielsweise auf einem in der Höhe einjustierbaren Probentisch 3, auf dem die Probe derart eingestellt werden kann, dass ihre Oberfläche mit hoher Genauigkeit entlang einer vorgegebenen Messebene zu liegen kommt. In der Messebene sind zwei Achsen definiert, eine Hauptachse 4, die auch als Dreh-Symmetrieachse der Anordnung bezeichnet werden kann, und eine Seitenachse 5, sowie senkrecht zur Messebene die Normalachse 6; diese Achsen können jeweils mit den Richtungen X, Y bzw. Z eines kartesischen Achsensystems wie in Fig. 1 gezeigt identifiziert werden, wobei die Z-Richtung, die wie üblich mit der Vertikalrichtung identifiziert wird, nach oben zeigt. Begriffe wie „oben", „unten", „oberhalb" usw. verstehen sich im Rahmen dieser Offenbarung stets in Bezug auf dieses mit der optischen Einheit feststehende Achsensystem.

Auf zwei verschiedenen Stellen der Hauptachse 4 befinden sich zwei drehbar ausgeführte Planspiegel 7,17 in einem Abstand d zur Probenposition 2. Zwei Hauptspiegel (Ringspiegel) 8,18 sind im Bereich oberhalb der Probenposition 2 angeordnet. Die Hauptspiegel haben die Form eines in gleichbleibendem Abstand r um die Hauptachse verlaufenden Streifens mit einer Winkellänge von 90° (Ringsektor). Beispielsweise nimmt, von der Probenposition aus gesehen, der erste Hauptspiegel einen Streifen von der negativen Y-Achse bis zu einer Position oberhalb der Probenposition ein (Z-Achse), und der zweite Hauptspiegel den gegenüber liegenden Streifen von der positiven Y-Achse bis zur Z-Achse. In der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Konfiguration befinden sich die beiden Hauptspiegel 8,18 in einer zur Hauptachse 4 senkrechten Ebene, die auch durch die Probenposition 2 verläuft. Zudem sind (in Fig. 1 nur angedeutet, vgl. auch Fig. 3,6 und 15) die Flächen in einem Winkel gegenüber der Hauptachse geneigt, durch den eine Reflektion von Strahlen, die von dem zugeordneten Drehspiegel 7,17 ausgehen, über die Mittellinie der Hauptspiegelfläche 8, 18 auf die Probenposition 2 gewährleistet wird. Außerdem sind die Abstände d der Drehspiegel 7, 17 bevorzugterweise so gewählt, dass sie mit dem Radius r der Hauptspiegel 8, 18 übereinstimmen. Ein Hauptspiegel kann auch eine andere Position einnehmen, z.B. zu dem zugehörenden Drehspiegel hin gerückt, und/oder die Abstände d und r können anders gewählt sein, sofern die Neigungswinkel der Drehspiegel und der Hauptspiegel entsprechend angepasst werden, sodass wieder eine Reflektion des von einem Drehspiegel ausgehenden Lichts über den zugeordneten Hauptspiegel zu der Probenposition 2 bzw. umgekehrt gewährleistet ist. P11427 · • · • · • · ···· • ·♦ • · • · • • · • · • * • · ·· • · « • · · • ·* • • • · • · • · · • · • · • · • • • -7-

Diese erfindungsgemäße Konfiguration ermöglicht es, einen Einfallswinkel φ (griechischer Buchstabe phi) eines auf die Probe einzustrahlenden Lichts - rund in entsprechender Weise den Ausgangswinkel φ' des von der Probe reflektierten und zu messenden Lichts - in einem Winkelbereich von 0° bis 90° gegenüber der Normalrichtung frei einzustellen. Der Winkelbereich von 0° bis 90° wird dadurch erreicht, dass das auf die Probe einzustrahlende Licht ausgehend von dem ersten Drehspiegel 7 schräg auf den ersten Hauptspiegel 8 in Form eines 90°-Streifens einer Rotationsfläche, vorzugsweise eines Kegelmantels oder eines Ellipsoids, fällt und von diesem Spiegel auf die Probenposition 2 reflektiert wird, die sich auf der Hauptachse bzw. in dem Brennpunkt des Spiegels befindet. Der Spiegel 8 (genauer gesagt die an den Spiegel in einem Punkt auf der Mittellinie des Spiegels gelegte Tangentialebene) hat einen Steigungswinkel von 90°/4 = 22,5° gegenüber der Hauptachse 4. Daher reflektiert der Hauptspiegel 8 Licht, das von einem Punkt auf der Hauptachse in einem Winkel von 45° kommt, in einer Weise, dass es genau innerhalb der von dem Hauptspiegel aufgespannten Ebene auf die Probe fällt. Das von der Probe reflektierte Licht wird in ganz entsprechender Weise durch den zweiten Hauptspiegel 18, der eine gleichartige Formgebung, allerdings in einer um die vertikale Achse 6 gedrehten Orientierung, wie der erste Hauptspiegel 8 hat, wieder auf einen Punkt auf die Hauptachse 4 gespiegelt. Die beiden Drehspiegel 7,17 sind jeweils an den beiden genannten Punkten auf der Hauptachse angeordnet.

Hierbei haben die beiden Hauptspiegel zweckmäßiger Weise die gleiche Hauptachse. Dies entspricht dem in aller Regel geltenden physikalischen Prinzip der Reflektion, bei der das reflektierte Licht eine Richtung mit dem gleichem Winkel zur Normalen der Probenoberfläche und in derselben Normalebene wie das einfallende Licht hat.

Wie bereits erläutert befinden sich die beiden Drehspiegel 7,17 jeweils an den beiden Punkten, die auf der Hauptachse in einem Abstand d = r von der Probe liegen; diese sind nämlich, wie aus bereits Gesagten ersichtlich ist, dadurch ausgezeichnet, dass Licht, das von einem dieser Orte - insbesondere von dem Ort des ersten Drehspiegels 7 - ausgehend auf einen Hauptspiegel geworfen wird, von dem optischen System, das aus erstem Hauptspiegel 8, der Oberfläche der Probe am Probenort 2 und zweitem Hauptspiegel 8 gebildet ist, so reflektiert wird, dass es auf den anderen Punkt gespiegelt wird, insbesondere auf den zweiten Drehspiegel 17. Die Drehspiegel 7,17 können um eine feste Drehachse rotiert werden, beispielsweise um die Hauptachse 4, und sind gleichfalls gegenüber der Drehachse bzw. Hauptachse geneigt, beispielsweise tun 90°/ 4 = 22,5°. Hierbei werden die beiden Drehspiegel synchron gegengleich um ihre Drehachse gedreht. Durch diese Geometrie kann Licht - unabhängig von der gewählten Drehstellung der Drehspiegel - auf den ersten Drehspiegel 7 aus einer gleichbleibenden Einstrahlrichtung e, beispielsweise entlang der Hauptachse 4 oder parallel zur Seitenachse 5, eingestrahlt werden und verläuft innerhalb der optischen Einheit derart, PI1427 1 • · · • * · • · · ♦ · ·· • # • ·♦ • · • ♦ ···· · ·· • · ·· · · ··· · # · • · · ♦·♦ • · · · -8-dass das zu messende Licht wieder entlang einer gleichbleibenden Ausstrahlrichtung e' von dem zweiten Drehspiegel 17 ausgeht, beispielsweise entlang der Hauptachse 4 oder parallel zur Seitenachse 5.

Durch diesen Aufbau ist ausreichend Platz zwischen den Hauptspiegeln 8,18 und der Probenposition 2, was es ermöglicht, direkt vor und nach der Probe in dem Strahlengang drehbare Polarisatoren unterzubringen, nämlich einen Polarisator 9 in den Strahlengang des auf die Probe einfallenden Lichts und einen sogenannten Analysator 19 in den Strahlengang des reflektierten Lichts. Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass durch diese Anordnung sämtliche Reflexionen zwischen Polarisator und Analysator, die nicht zu Probe gehören, eliminiert werden können; denn solche Reflexionen würden Störeinflüsse darstellen und die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messung beeinträchtigen.

Jeder der Polarisatoren 9, 19 ist in einer Einheit (Polarisatoreinheit; in Fig. 1 nicht gezeigt) gehalten und in der Einheit drehbar, und die gesamte Einheit ist auf einem Schwenkarm, der mit einer Schwenkachse in der Hauptachse gelagert ist, angeordnet und kann auf diese Weise um die Hauptachse rotieren.

In den Fig. 2 bis 4 ist der gesamte Strahlengang einer erfindungsgemäßen optischen Einheit 101 nach einer ersten Ausführungsform dargestellt, die in die Probenkammer eines FTIR-Spektrometers des Typs Bruker ifs66v/s der Bruker Optics (Ettlingen, Deutschland; Billerica, MA/USA), in den Zeichnungen mit dem Bezugszeichen 104 dargestellt, eingesetzt werden kann. FTIR-Spektrometer dieser Art und ihr Aufbau mit Lichtquelle, Probenkammer und Messeinrichtung sind wohlbekannt. Die Probenkammer weist zwei Fenster 105, 115 an jeweils gegenüber liegenden Seiten auf; durch das Eintrittsfenster 105 wird Spektrometerlicht in Form des konvergenten eingestrahlten Strahlenbündels eingestrahlt und tritt durch das Austrittsfenster 115 in Form eines dem Spektrometer entsprechend divergenten Strahlenbündels aus. In dem Spektrometer wird in einer (nicht gezeigten) Lichtquelle, die vor dem Eintrittsfenster 105 der Probenkammer angeordnet ist, Licht der gewünschten Art erzeugt und durch das Fenster 105 in die Probenkammer eingestrahlt. Das Licht liegt hierbei in Form eines eingestrahlten Lichtbündels vor, das gemäß dem Typ des Spektrometers auf einen fest eingestellten Brennpunkt konvergiert und eine bestimmte Aperturblende aufweist; in entsprechender Weise ist das Spektrometer für die Messung von Licht in Form eines austretenden Lichtbündels eingerichtet, das von einem fest eingestellten Brennpunkt ausgeht und eine bestimmte Aperturblende aufweist. Bei dem genannten Bruker ifs66v/s fallen diese beiden Spektrometerbrennpunkte zusammen und die Geometrien des eingestrahlten und des ausgehenden Strahlenbündels sind symmetrisch. Hinter dem Austrittsfenster 105 ist eine P11427 P11427 • ·· ·· · ♦ • · · • ··· • ♦ »*· ·♦ ·· ·· ♦ · ···· » · « · · · · * · · ♦ ♦# ·♦# » · · · · · » · · ♦ · · · ·· ♦· ·· ·«· 9- (nicht gezeigte) Messeinrichtung des Spektrometers zur Analyse des austretenden Lichts angeordnet.

Die optische Einheit 101 ist in der Probenkammer so orientiert, dass ihre Seitenachse parallel zu der durch die Fenster 105 und 115 verlaufenden Geraden verläuft, entlang der das Licht in das Eintrittsfenster 105 einfällt und schließlich auch beim Austrittsfenster 115 austritt. Die zu untersuchende Probe ist in der Probenposition 102 mithilfe eines Probentisches 103 bekannter Art positioniert, und zwar mit der zu untersuchenden Oberfläche nach oben und parallel zur X-Y-Ebene orientiert. Aufgrund des nachfolgend erläuterten Strahlenganges in der optischen Einheit 101 ist es nicht notwendig, die Probe am Ort der Spektrometerbrennpunkte zu platzieren; in den hier betrachteten Ausführungsbeispielen beispielsweise ist die Probenposition 102 gegenüber den Spektrometerbrennpunkten geringfügig um je einen Betrag in X- und Z-Richtung verschoben.

Das durch das Eintrittsfenster 105 eingestrahlte Licht wird über eine Abfolge von Präparationsspiegeln 106 auf den ersten Drehspiegel 107 gelenkt, wobei diese Präparationsspiegel nacheinander beispielsweise folgende Spiegel, die jeweils tim 45° zu dem optischen Pfad des von ihnen geleiteten Lichts geneigt sind, beinhalten: einen ersten Planspiegel 111, der das Licht vertikal nach unten richtet; einen zweiten Planspiegel 112, der das Licht parallel zur Hauptachse lenkt; einen Parabolspiegel 113, der das Licht wieder in die Vertikale nach oben lenkt und hierbei in einen parallelen Strahl formt; sowie einen dritten und einen vierten Planspiegel 114,115, die das Licht schließlich in eine zur Hauptrichtung senkrechten Richtung i, beispielsweise entlang der Seitenachse, auf den ersten Drehspiegel 107 werfen. Der Drehspiegel 107 weist in der gezeigten Geometrie eine gegenüber der Hauptachse um 90°/2 = 45° geneigte, horizontal liegende Drehachse auf und ist gegenüber der Drehachse um 90°/4 = 22,5° geneigt. Dadurch ist gewährleistet, dass der Drehspiegel 107 in jeder Position der Drehung das Licht aus der Richtung e auf den ersten Hauptspiegel 108 reflektiert.

Der erste Hauptspiegel 108 weist eine nach innen gerichtete spiegelnde Fläche auf, die einem 90°-Streifen eines Kegelmantels entspricht, der zu dem ersten Drehspiegel geöffnet ist und einen Öffnungswinkel 2γ = 45° aufweist (γ = griechischer Buchstabe gamma). An diesem Hauptspiegel wird daher das von dem ersten Drehspiegel 107 kommende Licht auf die Probenposition 102 reflektiert. Hierbei durchläuft das Licht den in den Strahlengang positionierten Polarisator 109. In Fig. 2 bis 4 sind beispielhaft drei mögliche Strahlengänge gezeigt die verschiedenen Einfallswinkeln 0°, 45° und 90° entsprechen; der Polarisator kann in Abhängigkeit von dem über die Drehstellung des ersten Drehspiegels 107 eingestellten Einfallswinkels nachgeführt werden, wie dies an den beispielhaften alternativen Positionen 109, 109' (bei 90° bzw. 45°) veranschaulicht ist. P11427 * ·· ·· ·« ···« • ·· • • · • • • ·· • • · • • · * • • • • ·· · • • · • ♦ ♦ * ♦ -10-

Das an der Probe reflektierte Licht wird mit einem - dem Einfallswinkel dem Betrag nach gleich großen - Ausgangswinkel zu dem zweiten Hauptspiegel 118 hin ausgestrahlt. Hierbei kann in den Strahlengang ein als Analysator 119 dienender zweiter Polarisator positioniert werden, der so wie der Polarisator 109 in eine je nach Ausgangswinkel geeignete Position (symbolisiert durch die alternativen Positionen 119, 119') nachgeführt werden kann. Der Einfallswinkelbereicht ist in der 0°-Richtung durch den Polarisator 109 und den Analysator 119 eingeschränkt; derartige steile Einfallswinkel sind in der Ellipsometrie allerdings unbedeutend. Für die Verwendung mit RAS wird der Analysator entfernt, und in diesem Fall kann der Polarisator 109 auch den gesamten Strahlengang mit einem Winkelbereich von 0° bis 90° erfassen. Dies ist beispielsweise für Kramers-Kronig-Transformationen von Reflektions-spektren sehr vorteilhaft. Bei Bedarf kann zusätzlich die Position des Polarisators 109 modifiziert werden, nämlich derart, dass dieser im Strahlengang zwischen Drehspiegel 107 und Hauptspiegel 108 angeordnet ist, wodurch jegliche Behinderung des an der Probe reflektierten Strahles entfällt.

Das von der Probe ausgehende Licht wird über den zweiten Hauptspiegel 118 auf den zweiten Drehspiegel 117 geworfen, und von dort über eine Abfolge von Konditionierspiegeln 116, die die Spiegel 125, 124, 123, 122 und 121 beinhaltet, durch das Austrittsfenster 115 in einer zur Eintrittsrichtung parallelen Richtung gelenkt. Hierbei entsprechen die Spiegel 118, 117,116 (125-121) der Ausgangsseite den Spiegeln 108,107,106 (115-111) der Eingangsseite, werden jedoch in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen und sind hierzu in analoger Weise angeordnet, nämlich in entsprechenden Positionen, die im Wesentlichen einer Drehung um die Normalachse (Z-Richtung) entsprechen.

Insbesondere ist die nach innen gerichtete spiegelnde Fläche des zweiten Hauptspiegels 118 nach Art eines 90°-Streifens eines Kegelmantels mit Öffnungswinkel 2γ' = 45° geformt, der zu dem zweiten Drehspiegel 117 geöffnet ist (γ = griechischer Buchstabe gamma). An diesem Hauptspiegel wird daher das von der Probenposition 102 kommende Licht zu dem zweiten Drehspiegel 117 reflektiert. Um dieses Licht durch das Austrittsfenster 115 austreten zu lassen, wird es über eine Abfolge von Konditionierspiegeln 116 gelenkt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind dies ein fünfter und ein sechster Planspiegel 125,124, die das von dem Drehspiegel 117 in einer zur Hauptrichtung senkrechten Richtung e', beispielsweise entlang der Seitenachse, ausgehende Licht in eine vertikale Richtung lenken; ein Parabolspiegel 123 lenkt das Licht in eine horizontalen Richtung auf den nächsten Spiegel 112 und formt das Lichtbündel in einen aus einem (virtuellen) Brennpunkt ausgehenden Lichtstrahl P11427 ·· ·♦ ««··#· · ·· ······· ·· · · • · · · »· 9*· · · · • * · 1 * · · · ·** ······ · · · ·· ·· ·· ··· ·♦· ·« -11- gemäß dem Brennpunkt des Spektrometers; von dem siebten Planspiegel 112 wird über einen achten Planspiegel 111 das Licht durch die Austrittsöffnung gespiegelt.

Die Planspiegel der optischen Anordnung, insbesondere die Drehspiegel 107, 117, sind bevorzugter Weise aus Gold-bedampften Pyrex-Glas hergestellt. Die Parabolspiegel 113, 123 und die Hauptspiegel können aus Aluminium hergestellt sein, dessen 3D-Form mit bekannten Verfahren erzeugt wurde und bei dem die spiegelnden Flächen durch Bedampfung mit z.B. einer Goldschicht hergestellt werden. Die Genauigkeitsanforderungen sind insbesondere bei IR-Spektrometrie, wegen der großen Wellenlänge des verwendeten IR-Lichts, nicht allzu groß. Bei einem typischen Anwendungsbereich mit 2,5 bis 25 μιη Wellenlänge ist eine Rauigkeit von unter 10 nm verlangt, was mit bekannten Herstellungsverfahren ohne Weiteres erreichbar ist.

Die Präparationsspiegel 111 -115 und Konditionierspiegel 121 -125 dienen der Anpassung des Strahlengangs an die geometrischen Anforderungen der vorgegebenen Probenkammer, insbesondere der Anordnung der Fenster 105, 115 und die Richtung des eingestrahlten Lichts sowie benötigte Konvergenz/Divergenz der Lichtstrahlen (Aperturblende, Spektrometerbrennpunkte). Es ist für den Fachmann einleuchtend, dass diese Spiegelabfolgen je nach vorgegebener Spektrometergeometrie abgeändert werden können. Die erfindungsgemäße optische Einheit kann daher ebenso in Probenkammem (Untersuchungskammem) anderer Spektrometergeräte verwendet werden, wobei gegebenenfalls geringfügige Änderungen an den Präparations- und Konditionierspiegeln (insbesondere Parabolspiegeln 113, 123 zur Anpassung an spezifische Brennweiten) zur Anpassung an die jeweilige Strahlgeometrie vorgenommen werden können.

Ein weiterer großer Vorteil der erfindungsgemäßen Konfiguration ist der große Freiraum unterhalb der Probe. Damit kann z.B. als Probentisch 103 ein Drehtisch vorgesehen sein, der eine Justierung der Probe neben der Positionierung (transversale Verschiebung, insbesondere in Bezug auf die Höhe = Z-Richtung) auch in ihrer Orientierung gestattet und somit - wie bei einem 3-Kreis-Goniometer - die Vermessung von anisotropen Proben in allen Freiheitsgraden ermöglicht.

In einer Weiterentwicklung der Erfindung haben die Spiegelflächen der Hauptspiegel 108, 118 eine Paraboloid-artige Formgebung. Mit dieser Gestaltung ist eine verbesserte Fokussierung des von dem ersten Drehspiegel 107 auf den ersten Hauptspiegel 108 gelenkten Strahlenbündels, das dort parallelen Strahlverlauf aufweist, möglich. Dies ist insbesondere für ellipsometrische Messungen von Bedeutung, die eine gleichartige Behandlung der beiden Polarisationsrichtungen des Spektrometerlichts verlangen. Die Art der Fokussierung der

Polarisationsrichtungen kann bei der Reflektion des Lichtstrahls an einem Hauptspiegel problematisch sein, wenn dieser wie in dem ersten Ausführungsbeispiel beschreiben als Kegelmantelausschnitt geformt ist. Denn diese Formgebung entspricht einem Spiegel der in verschiedene Richtungen verschieden fokussiert der Strahl wird in Bezug auf die um die Hauptachse herum führende („perimetrische") Richtung fokussiert (nämlich mit einer Brennweite, die gemäß den bekannten Gesetzmäßigkeiten eines Hohlspiegels gleich dem halben Radius ist), während die Spiegelfläche in der anderen Richtung - d.i. parallel zu einer Mantelgeraden durch die Kegelspitze - nicht fokussierend wirkt. Folglich ist die Strahlengeometrie je nach Polarisationrichtung unterschiedlich, was zu systematischen Fehlem bei der Ellipsometrie führen kann.

Anstelle eines Kegelausschnitts beruht in dieser Weiterbildung die Form der Spiegelfläche des Hauptspiegels auf einer Rotationsfigur, die in Fig. 5 gezeigt ist. Die Struktur dieser Rotationsfigur 110 ist auch in den Fig. 6 und 7 erläutert, die einen Schnitt längs einer durch die Hauptachse verlaufenden Ebene sowie eine Sicht in Richtung der Hauptachse auf die Rotationsfigur 110 zeigen. Wie aus diesen Zeichnungen ersichtlich ist, entspricht die Rotationsfigur 110 einem 90°-Sektor einer Rotationsfläche, die bei der Rotation eines Parabelsegments, das von dem Ort des Scheitels der Parabel um 45° (gesehen vom Brennpunkt aus) ausgerückt ist, (45 °-Off-Axis-Parabelsegment) um die Hauptachse (in Fig. 5 und 6 als X-Achse dargestellt) entsteht, dessen Brennpunkt in der Mitte zwischen dem Probenort und dem (hier um 22,5°) geneigten Scheitelpunkt (bei X = 0) des Parabelsegments liegt. Der Scheitelpunkt erzeugt bei der die Fläche erzeugenden Rotation die Mittellinie der so erzeugten Spiegelfläche. Durch diese Maßnahme liegt der Brennpunkt des Parabelsegments dort, wo auch die Kreiskrümmung des durch die Rotation des Scheitels gebildeten Kreises um die X-Achse hin fokussiert. Es ergibt sich somit ein gemeinsamer Brennpunkt für beide Polarisationsrichtungen, wobei sich der Brennpunkt je nach Einfallswinkel des Strahles auf den Hauptspiegel auf einem Punkt auf der in Fig. 5 und 7 gezeigten kreisförmigen Brennlinie 120 befindet.

Die Fläche der Figur 110 kann mathematisch gemäß folgender Gleichung 1 dargestellt werden:

Afo(0,cp) = (x, y, z) = (-α+ß, (a+ß+f0) cos φ, (a+ß+f0) sin cp ) (1) mit den Abkürzungen a = 0/V2 sowie ß = (l-V2O2)/(2f0) + (l+V2)f0/4, wobei der Winkel Θ in rad (Radiant) angegeben ist. Der Parameter f0 ist die effektive Brennweite des Off-Axis-Parabols, die gemäß dem oben Gesagten dem halben Radius r des Hauptspiegels (gemessen als Abstand eines Punktes auf der Mittelinie von der Hauptachse) entspricht, f0 = r/2. In den graphischen Darstellungen der Fig. 5 und 14 sind die Werte 2f0 = r = d = 95 verwendet. P11427 * P11427 * * *· ·· · · • · · • ··· • · ··· I» : ? : : .··, ··· • * · · · · · ·· ·· ·« *·· -13

Im Übrigen entspricht diese Weiterbildung der weiter oben besprochenen ersten Ausführungsform der Erfindung.

In einer zweiten Ausführungsform 200 der Erfindung, die in den Fig. 8 bis 15 illustriert ist, haben die erfindungsgemäßen Hauptspiegel Spiegelflächen mit einer vorzugsweise ellipsoi-dischen Formgebung. Dies ermöglicht eine verbesserte Fokussierung des Lichtstrahles ohne Störungen auf die Probenoberfläche.

Fig. 8 zeigt die gesamte Anordnung 200, die in einem Gehäuse 204 untergebracht ist; Fig. 9 stellt die Anordnung ohne das Gehäuse 204 dar. Der Strahlengang geht aus den Fig. 10 bis 13 hervor, die lediglich die optischen Komponenten des Systems unter Fortlassung der zum Halten und Positionieren der optischen Komponenten dienenden Bestandteile zeigen.

Die in Fig. 10 bis 13 gezeigten optischen Komponenten sind jeweils: 211: Planspiegel zur Umlenkung nach unten. 212: Planspiegel zur Umlenkung nach links. Im Folgenden wird der Brennpunkt des Spektrometers durchlaufen. 213: 90°-Off-Axis-Parabolspiegel, dessen Abstand vom Brennpunkt des Spektrometers seiner eigenen effektiven Brennweite entspricht. Dieser Spiegel erzeugt einen nach oben reflektierten Parallelstrahl der deutlich kleiner ist, als der Parallelstrahl des Spektrometers vor der Probenkammer. 214: Planspiegel zur Umlenkung auf die Position des Fokussierspiegels 215. Dieser Spiegel dient der Anpassung des Strahlverlaufs an die vom Spektrometer vorgegebene Geometrie des Strahlverlaufs. Die Position des Strahls in der Probenkammer des Spektrometers Bruker ifs66v/s ist in der X-Richtung versetzt, was zu einer unsymmetrischen Positionierung der Konditionierspiegel vor bzw. nach den Drehspiegeln 217,277 führt. Der eingehende Strahl hat daher einen etwas längeren Weg bis zum ersten Parabolspiegel 213, und zur Vermeidung von Platzkonflikten mit dem zweiten Parabolspiegel 215 und dem Schwenkarm des Analysators wird der optische Weg über diesen Spiegel 214 geführt. 215: 90°-Off-Axis-Parabolspiegel, dessen effektive Brennweite dem Weg über Spiegel 216 auf den ersten Drehspiegel 217 entspricht. Hierdurch wird der Strahl auf den Mittelpunkt des Drehspiegels 217 fokussiert. 216: Planspiegel in der Dreh-Symmetrieachse des Systems, um den fokussierten Strahl in der Richtung h, die entlang der Hauptachse verläuft, auf den Drehspiegel zu werfen. 217: Erster Drehspiegel mit einem Neigungswinkel von 22,5° zur Hauptachse. Der Rotationswinkel des Drehspiegels um die Drehachse entspricht dem Einfallswinkel φ des P11427 ·· ·· ·» ···· • ·· • · • • • · • ·· · · * · • • ·· ··· • · · 9 • • * · • ··· • * • • • · • • · ·· ·· ·· ··· ··· ·· -14-

Strahles auf die Probe. Der Rotationswinkel wird hierbei ausgehend von jener Position, die dem Einfallswinkel φ=0° entspricht, bestimmt. 218: Erster Hauptspiegel in Form eines um die Drehachse des Systems rotationssymmetrischen Spiegels, dessen Längsschnitt (entlang einer durch die Hauptachse gehenden Ebene) ein Segment einer Ellipse beschreibt, die ihre Brennpunkte auf dem Mittelpunkt des Drehspiegels 217 und auf der Probenposition 202 hat. 219: Polarisator. 220: Probentisch mit darauf positionierter Probe (Probenposition 202). 229: Analysator. 228: Zweiter Hauptspiegel. Analog zu dem ersten Hauptspiegel 218, mit einem Brennpunkt auf der Probenposition 202 und einem auf dem Mittelpunkt des Drehspiegels 227. 227: Drehspiegel, entsprechend 217, lenkt von dem Hauptspiegel 228 kommendes Licht in die Richtung h' entlang der Hauptachse nach innen. 226: Planspiegel in der Dreh-Symmetrieachse des Systems (entspricht Spiegel 216). 225: 90°-Off-Axis-Parabolspiegel (entspricht Spiegel 215), dessen effektive Brennweite dem Weg über Spiegel 226 auf den zweiten Drehspiegel 227 entspricht Somit wird der Strahl, der aus dem Brennpunkt am Drehspiegel 227 reflektiert wird, als Parallelstrahl nach unten auf den nachfolgenden Fokussierspiegel 224 reflektiert. 223: 90°-Off-Axis-Parabolspiegel (entspricht Spiegel 213), dessen Abstand vom ausgangsseitigen Brennpunkt des Spektrometers seiner eigenen effektiven Brennweite entspricht. Dieser Spiegel erzeugt wieder die ursprüngliche Strahlform des Spektrometers. 222: Planspiegel zum Reflektieren des Lichts nach oben in Richtung des ursprünglichen Strahls des Spektrometers (entspricht Spiegel 212). 221: Planspiegel in der Achse des ursprünglichen Spektrometerstrahles (entspricht Spiegel 211).

Die Spiegel 211-216 dienen zum einen der Verkleinerung des Strahldurchmessers und haben zum anderen die Aufgabe, den Strahl aus der Richtung der Drehachse auf den ersten Drehspiegel 217 zu fokussieren. Die Drehspiegel 217, 227, die Hauptspiegel 218,228, der Polarisator 219, die Probe (am Probenort 202) und der Analysator 229 stellen die zentralen Komponenten der optischen Anordnung dar und entsprechen, soweit im Folgenden nicht anders vermerkt, den analogen Komponenten der ersten Ausführungsform. Die Spiegel 221-226 dienen wiederum der Einkoppelung des Strahles in seiner ursprünglichen Form in den weiteren Strahlengang des Spektrometers und entsprechen jeweils den Spiegeln 211-216.

Wie bereits erwähnt haben die Hauptspiegel 218, 228 auf ihren inneren Seiten Spiegelflächen, die zu den jeweiligen Drehspiegeln 217 bzw. 227 hin gewandt sind und jeweils die Gestalt eines Ringsektors eines Ellipsoids haben. Das zugrunde gelegte Ellipsoid hat einen PI1427 - PI1427 -

• · · · ·« ··· ·»*··· · ·····» · "-15- ersten Brennpunkt an der Probenposition 202 und einen zweiten Brennpunkt in dem Mittelpunkt des jeweils zugeordneten Drehspiegels 217 bzw. 227. Wenn man nun also den eingehenden Strahl bereits auf den drehbaren Planspiegel 217 fokussiert, so ergibt sich der Effekt, das der auf die Probe einfallende Strahl dort fokussiert wird, da sich an dieser Stelle der zweite Brennpunkt befindet. Dies gilt auch für die „perimetrische" Richtung, da der von dem Drehspiegel zu dem Hauptspiegel verlaufende Strahl kein Parallelstrahl ist, sondern in Bezug auf den Mittelpunkt des Drehspiegels divergent; daher fokussiert der Hauptspiegel 218 für beide Polarisationsrichtungen auf den Probenmittelpunkt. Entsprechendes gilt in gleicher Weise für den zweiten Hauptspiegel 228 in Bezug auf den Drehspiegel 227. Es ergibt sich somit ein Strahl, der einerseits symmetrisch in S- und P-Polarisation ist und andererseits auf die Probenoberfläche fokussiert werden kann, ohne dass die Funktion des ursprünglichen Aufbaus beeinträchtigt wäre. Lediglich ein zusätzlicher Fokussierspiegel 215, 225 in den beiden Strahlengängen (vor dem Drehspiegel 217 bzw. nach dem Drehspiegel 227) wird zur Fokussierung des Lichtstrahls auf den Mittelpunkt des Drehspiegels 217,227 benötigt.

Diese Ausführungsform 201 beinhaltet außerdem die Verbesserung, dass die verwendeten Drehspiegel 217, 227 für entlang der Hauptachse eingestrahltes bzw. auslaufendes Licht (Richtungen h, h') ausgelegt sind. Hierzu sind die Drehspiegel 217, 227 als um die Hauptachse drehbare Spiegel realisiert, die um 22,5° gegenüber der Hauptachse geneigt sind. Durch diese Konfiguration ergibt sich eine übersichtlichere Strahlführung, zudem ist der Reflektionswinkel am Drehspiegel 217, 227 unabhängig von seiner Drehposition stets 22,5°, was bei einer anderen Ein/ Ausstrahlrichtung (wie die Richtungen e, e') nicht der Fall ist.

Wie aus Fig. 9 ersichtlich ist, ist jeder der Polarisatoren 219, 229 in einer Polarisatoreinheit 291, 292 gehalten und in seiner Einheit drehbar. Je eine gesamte Polarisatoreinheit 291, 292 befindet sich am Ende eines Schwerikarms 293, 294, der auf einer Welle gelagert ist, die entlang der Hauptachse verläuft. Auf diese Weise können die Polarisatoren um die Hauptachse gedreht werden, wobei die Verschwenkungsbewegung der beiden Schwenkarme 293, 294 gegengleich ausgeführt wird.

Die gesamte Bewegung der beweglichen Komponenten wird mithilfe von Schrittmotoren erreicht. Insbesondere wird die Rotation der beiden Drehspiegel 217, 227 und das Nachführen der Polarisatoren/ Analysatoren 219, 229 mithilfe der Schwenkarme 293, 294 mithilfe von Schrittmotoren über Zahnriemen angetrieben, wobei die Schwenkung der Polarisatoren und die Drehung der Drehspiegel mit dem Einfallswinkel φ geführt wird. Ein Schrittmotor 295 treibt über ein Riemengetriebe, das aus einer ersten (nicht gezeigten) Zahnriemenscheibe und eine mit dieser über einen (nicht gezeigten) Zahnriemen verbundenen zweiten Zahnriemenscheibe 296 gebildet ist, die Achse 297 des Schwenkarms 293 an; gleiches gilt für den P11427 * P11427 *

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Schwenkarm 294, jedoch ist in Fig. 9 nur die zugehörende Zahnriemenscheibe 298 der Schwenkarmachse sichtbar. Der Drehspiegel 227 (vgl. Fig. 10) ist auf einer als Drehlagerung dienenden Justieraufhängung 271 montiert und wird von einem Schrittmotor 272 über ein Riemengetriebe, gebildet aus zwei Zahnriemenscheiben 273, 274 und einem (der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigten) Zahnriemen, angetrieben. Auch der Schrittmotor 276 des Drehspiegels 217 ist in Fig. 9 sichtbar. Für diese Bewegungssteuerung geeignete Antriebe, insbesondere Zahnriemenantriebe sowie andere Riemenantriebe, sind wohlbekannt und dem Fachmann geläufig. Ebenso können die Rotation der Polarisatoren sowie gegebenenfalls die Positionierung der Probe mittels eines Antriebs über Schrittmotoren gesteuert werden. In der gezeigten Ausführungsform haben die Schwenkarme und Drehspiegel getrennte Antriebe, die synchron gesteuert werden; diese Lösung vereinfacht den Aufbau der Antriebgetriebe und gestattet ein unabhängiges Einjustieren der Schwenkarme und Drehspiegel. Es ist in einer Variante freilich auch möglich, dass ein Schwenkarm zusammen mit dem zugehörenden Drehspiegel von einem gemeinsamen Schrittmotor über ein entsprechend ausgelegtes Antriebsgetriebe angetrieben wird.

Die Zahnriemen bestehen vorzugsweise aus einem geeigneten Kunstoffmaterial wie z.B. faserverstärktem Kunststoff, die Zahnriemenscheiben ebenfalls oder aus eloxiertem Aluminium. Das Profil der Zahnriemengetriebe kann z.B. mit einer metrische Teilung des Typs HTD 3m gestaltet sein. Als Antriebe werden vorzugsweise Schrittmotoren verwendet, wie z.B. PreciStep® Schrittmotoren der PRECIstep/Faulhaber (Schönaich, Deutschland; La Chaux-de-F onds, Schweiz).

Fig. 14 und 15 illustrieren die erwähnte ellipsoidische Formgebung der Spiegelfläche der Hauptspiegel am Beispiel des ersten Hauptspiegels 218. Fig. 15 zeigt eine perspektivische Ansicht der geometrischen Fläche 210, die der Spiegelfläche zugrunde liegt, und Fig. 16 eine Ansicht entlang der Seitenachse (Blick auf die X-Z-Ebene). Die Fläche 210 entspricht einem Ringsektor eines Ellipsoids, das gemäß der folgenden Parametrisierung (Gleichung 2) darstellbar ist:

Bfo(0,q>) = (X/ yr z) = (f0/ 2) · (1 + a cos Θ , b sin Θ cos φ , b sin Θ sin φ) (2) mit den Abkürzungen a = (1+V2) sowie b = V(a2-1) = V(2a), wobei f0 die Brennweite ist; analog zu Fig. 5 gilt auch hier f0 = r/2 = d/2. Die Bezugszeichen 201, 202 bezeichnen die Brennpunkte der Fläche 210; diese liegen wie erläutert an den Orten des Drehspiegelmittel-punkts bzw. des Probenorts. P11427 ♦

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Die Erfindung erleichtert auch den Einsatz modulierter IR-Spektroskopie. Ein derzeit häufig verwendetes Verfahren ist die Polarisationsmodulationsspektroskopie, bei welcher mit Hilfe eines Photoelastischen Modulators (PEM) - das ist im Prinzip ein durch einen Schwingquarz akustisch angeregter anisotroper Kristall - der Polarisationszustand des einfallenden Lichtes sinusförmig moduliert wird. Anschließend kann das Signal mittels Lock-In-Technik zurückgewonnen werden. Auch bei dieser Technik betrachtet man meist das Verhältnis von S- zu P-polarisiertem Spektrum; bei Reflexionsspektroskopie an metallischen Flächen kann hierbei das S-polarisierte Spektrum als reines Hintergrundspektrum betrachten werden (sogenannte Surface Selection Rule). Eine weitere bekannte Modulationstechnik ist die dynamische FTJLR-Spektroskopie, bei der die Probe unter modulierte mechanische Spannung gesetzt wird, und dadurch eine Verschiebung der molekularen Anordnung in der Probe herbeigeführt wird. Hier kann man Informationen über intramolekulare Bindungen erhalten (z.B Wasserstoffbrücken in Zellulose), die mit gewöhnlicher FTIR nicht auflösbar sind.

Die Erfindung ermöglicht hierbei, da für eine Veränderung des Einfallswinkels lediglich die Rotation des Drehspiegels nötig ist, der nur die Ausmaße eines kleinen Umlenkspiegels hat, eine Modulation des Einfallswinkels und eine Datengewinnung über Lock-In-Technik. Dabei müssten die Polarisatoren vor und hinter der Probe entfernt oder in eine Neutralposition geschwenkt werden. Hierbei können die rotierenden Spiegel als einfache Spiegel oder als Spiegelsystem mit mehreren Spiegelflächen, z.B. in Form eines vierseitigen Pyramidenstumpfes, ausgebildet sein und somit in einer Umdrehung des Spiegels mehrmals, im genannten Beispiel viermal, den Winkelbereich von 0° bis 90° durchlaufen. Wird der Spiegel klein genug ausgeführt, so kann man auch in Kauf nehmen, dass seine Rotationsachse nicht exakt durch die Spiegeloberfläche läuft. Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Anordnung auch für eine einfallswinkelmodulierte Spektroskopie verwendbar, die den gesaunten Einfallswinkelbereich abdecken kann.

Wien, den 2 & Aug. 2009

Claims (11)

1. P11427 P

   -18- Patentansprüche 1. Optische Anordnung (1,101,102) zum Messen spektroskopischer Eigenschaften einer an einer Probenposition (2,102,202) befindlichen Probe, mit einem ersten optischen System, das ein eingestrahltes Lichtbündel über einen in Bezug auf die Probenposition ortsfesten ersten bogenförmigen Hauptspiegel (8,108, 218) auf die Probenposition in einer Eingangsrichtung in einem einstellbaren Einfallswinkel (φ) in Bezug auf eine feste Normalrichtung (6) der Probe lenkt, und einem zweiten optischen System, das von der Probenposition in einer Ausgangsrichtung in einem dem Einfallswinkel entsprechenden Ausgangswinkel (φ’) in Bezug auf die Normalrichtung ausgestrahltes (reflektiertes) Licht über einen in Bezug auf die Probenposition ortsfesten zweiten bogenförmigen Hauptspiegel (18,118, 228) als zu messendes Lichtbündel einer Messung zuführt, wobei die Normalrichtung (6) senkrecht auf eine durch die Probenposition verlaufende feste Hauptachse (4) stehen, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische System aufweist: - einen auf der Hauptachse in einem Abstand zur Probenposition (2,102, 202) angeordneten und mit einem aus einer gleichbleibenden Beleuchtungsrichtung (e, h) einstrahlendem Licht beleuchtbaren ersten Drehspiegel (7,107,217), der um eine erste Drehachse drehbar und in seiner Position der Drehung um seine Drehachse einstellbar ist, sowie - den ersten Hauptspiegel (8,108, 218), dessen Spiegelfläche zumindest einem streifenförmigen Ausschnitt einer Rotationsfläche um die Hauptachse entspricht und eine Formgebung aufweist, die von dem ersten Drehspiegel (7,107,217) in dessen verschiedenen einstellbaren Drehpositionen ausgehendes Licht auf die Probenposition wirft; wobei der erste Drehspiegel (7,107, 217) gegenüber seiner Drehachse um einen Winkel geneigt ist und wobei aus der Beleuchtungsrichtung (e, h) kommendes Licht über den ersten Drehspiegel und über eine je nach Drehposition des ersten Drehspiegels sich ergebenden Stelle des ersten Hauptspiegels (8,108, 218) und von dort zu der Probenposition (2,102, 202) hin führbar ist, wobei gemäß dem sich so ergebenden optischen Pfad der Einfallswinkel mittels der Drehposition des ersten Drehspiegels einstellbar ist, und das zweite optische System aufweist: - einen auf der Hauptachse in einem Abstand zur Probenposition (2,102, 202) gegenüber dem ersten Drehspiegel (7,107,217) angeordneten zweiten Drehspiegel (17,117,227), der um eine zweite Drehachse drehbar und in seiner Position der Drehung um seine Drehachse einstellbar ist, sowie - den zweiten Hauptspiegel (18,118, 228), dessen Spiegelfläche zumindest einem streifenförmigen Ausschnitt einer Rotationsfläche um die Hauptachse entspricht und eine Form- gebung aufweist, die von der Probenposition in verschiedene Richtungen ausgehendes Licht auf den zweiten Drehspiegel (17,117,227) wirft; wobei der zweite Drehspiegel (17, 117, 227) gegenüber seiner Drehachse um einen Winkel geneigt ist und wobei von der Probenposition (2, 102, 202) entlang dem Ausgangswinkel ausgestrahltes Licht über eine jeweils entsprechende Stelle des Hauptspiegels (18,118, 228) und über den zweiten Drehspiegel in eine gleichbleibende Messrichtung (e1, h') als zu messendes Licht führbar ist, wobei gemäß dem sich so ergebenden optischen Pfad der Ausgangswinkel mittels der Drehposition des zweiten Drehspiegels wählbar ist.
2. 2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Drehspiegel (7,107, 217; 17,117, 227) zueinander synchron in gegengleiche Richtungen zum Einstellen veränderlicher, aber dem Betrag nach zueinander gleicher Einfalls- und Ausgangswinkel drehbar sind.
3. 3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse des ersten Drehspiegels (7, 107, 217) in der Hauptachse liegt, und die Beleuchtungsrichtung des auf den ersten Drehspiegel eingestrahlten Lichts entlang dieser Drehachse verläuft.
4. 4. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse des zweiten Drehspiegels (17,117,227) in der Hauptachse liegt, und die Richtung, in die das Licht von dem zweiten Drehspiegel gelenkt wird, entlang dieser Drehachse verläuft.
5. 5. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelfläche des ersten und des zweiten Hauptspiegels (8,108, 218; 18,118, 228) jeweils einen streifenförmigen Bereich im Ausmaß eines Winkels von zumindest 90° um die Hauptachse beschreibt.
6. 6. Optische Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Drehspiegel (7,107, 217; 17,117, 227) Planspiegel sind, die tun einen fest gewählten Winkel, vorzugsweise von 22,5°, gegenüber ihrer Drehachse geneigt sind, und die Spiegelfläche des ersten und des zweiten Hauptspiegels (8,108, 218; 18, 118, 228) gegenüber der Richtung zu der Probenposition hinsichtlich ihrer lokalen Normalrichtung um denselben fest gewählten Winkel geneigt sind. fr P11427 * . ' ·· ·· *·

   -20-
7. 7. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des ersten Hauptspiegels und/oder des zweiten Hauptspiegels (218; 228) die einer Kegelschnitt-Rotationsfläche ist, insbesondere eines Rotationsellipsoids (210), wobei ein Brennpunkt dieser Rotationsfläche mit der Probenposition (202) zusammenfällt.
8. 8. Optische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelschnitt-Rotationsfläche ein Rotationsellipsoid (210) ist, dessen zweiter Brennpunkt (201) auf dem ersten bzw. zweiten Drehspiegel liegt.
9. 9. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des ersten Hauptspiegels und/oder des zweiten Hauptspiegels (8,108; 18,118) die eines Streifens eines Kreiskegelmantels um die erste bzw. zweite Hauptachse ist.
10. 10. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische System einen Polarisator (9, 109, 219) aufweist, dessen Position mithilfe eines ersten Schwenkarms (293) gemäß dem Einfallswinkel in den optischen Pfad zwischen erstem Hauptspiegel und der Probenposition einstellbar ist, und das zweite optische System einen Analysator (19,119,229) aufweist, dessen Position mithilfe eines zweiten Schwenkarms (294) gemäß dem Ausgangswinkel in den optischen Pfad zwischen der Probenposition und dem zweitem Hauptspiegel einstellbar ist.
11. 11. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellinien der Hauptspiegel (8, 108, 218; 18, 118, 228) in einer Ebene verlaufen, die durch die Probenposition (2,102, 202) verläuft und auf die Hauptachse senkrecht steht, und die Normalrichtung sowie Eingangs- und Ausgangsrichtung senkrecht auf die durch die Probenposition verlaufende feste Hauptachse stehen Wien, den 2 β· Aug. 2009