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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum flächenhaften
Erfassen von Höhenwerten eines Oberflächenprofils
von Messobjekten mittels Weißlichtinterferometrie.
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Um
Höhenstrukturen auch an gestuften Objekten flächenhaft
mit hoher Genauigkeit optisch zu messen, eignet sich vor allem die
vertikal scannende Weißlichtinterferometrie (WLI), wie
das in der Patentschrift
DE
10 2004 022 341 in umfassender Form beschreibend dargestellt
wurde.
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Danach
stellen das Michelson-, Linnik- und das Mirau-Interferometer übliche
interferometrische Anordnungen dar. In der WLI wird eine Weißlichtquelle,
typischerweise eine Halogenlampe, zur Beleuchtung eingesetzt. Während
der Messung wird die optische Weglängendifferenz zwischen
dem Mess- und dem Referenzstrahlengang kontinuierlich vergrößert oder
verringert, während im Abstand von weniger als 100 nm Interferenzbilder
des Objektes schrittweise im allgemeinen mit einem flächig
auflösenden Pixelsensor (z. B. CCD- oder CMOS-Array) aufgezeichnet werden.
Die optische Weglängenänderung kann durch eine
Bewegung des Messobjektes in Richtung des Interferometers, eine
Bewegung des Interferometers in Richtung auf das Objekt, eine Bewegung eines
Referenzspiegels entlang der optischen Achse im Referenzstrahlengang
erzeugt werden. Dieser Vorgang wird als „vertikales Scannen"
bezeichnet. Der von der optischen Weglängendifferenz abhängige
Intensitätsverlauf für jedes Kamerapixel, das
so genannte Korrelogramm, wird zur weiteren Signalauswertung zugeführt.
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Bei
der WLI-Signalauswertung wird zwischen der zur weiteren Kohärenzpeak-Auswertung, die
eine vergleichsweise grobe Abschätzung der Höhenlage
eines Messpunktes mit Abweichungen von teilweise über 100
nm liefert und der Phasenauswertung unterschieden, die Messunsicherheiten
im Nanometer- oder Subnanometerbereich erlaubt. Der Höhenmessbereich
wird dabei lediglich durch den Verfahrweg und den Längenmessbereich
des verwendeten hochauflösenden Wegmesssystems eingeschränkt,
innerhalb dessen eine geregelte Positionierung entlang der Höhenachse
erfolgt.
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Laterale
Geometriemerkmale von Messobjekten lassen sich über die
digitale Auswertung von Pixelbildern bestimmen. Bei mikroskopischen
Objekten wer den folglich Messmikroskope mit geeigneten Kameras ausgerüstet,
um solche Pixelbilder aufzuzeichnen und anschließend digital
auszuwerten. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht in der hohen
Messgeschwindigkeit, relativ zum „vertikalen Scannen", die
es gestattet, bei entsprechender Synchronisation zwischen dem Bildeinzug
und der Anregung des Messobjektes auch Untersuchungen des dynamischen
Verhaltens entsprechender Messobjekte vorzunehmen. Sämtliche
Verfahren sind hinsichtlich der erreichbaren lateralen Auflösung
jedoch den durch die beugungsbegrenzte Abbildung gegebenen Einschränkungen
unterworfen. Dies führt bei Verwendung von sichtbarem Licht
zu minimalen lateralen Auflösungen von ca. 0,5 μm.
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Soll
die auf digitalisierten lichtmikroskopischen Aufnahmen basierende
Auswertung lateraler Strukturen mit einer der oben genannten Interferometer-Anordnungen
durchgeführt werden, wirken sich die in der Interferenzmikroskopie
zwangsläufig auftretenden Interferenzeffekte aufgrund der
dadurch bedingten zusätzlichen Bildkontraste störend
aus. Bei gegenwärtig bekannten Systemen ist mindestens der
Austausch des Objektivs erforderlich, um weißlichtinterferometrische
und laterale bildverarbeitungsbasierte Messungen vornehmen zu können. Hierbei
geht jedoch der genaue Bezug zwischen der mittels WLI bestimmten
Höhenlage und einem mit begrenzter Schärfentiefe
aufgenommenen lichtmikroskopischen Bild verloren. Ein weiterer Nachteil
sind die Kosten für das zusätzliche Objektiv und
ggf. dem Objektivrevolver, der für eine automatisierte
Umschaltung zwischen den beiden Messmodi erforderlich ist.
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Nach
derzeitigem Stand eingesetzte Weißlichtinterferometer in
Form eines Michelson-, Mirau- oder Linnik-Interferometers lassen
zudem aufgrund der Beleuchtungsverhältnisse und der eingesetzten Objektive
nur einen sehr geringen Arbeitsabstand im Bereich weniger Millimeter
(< 5 mm) zu. Größere
Arbeitsabstände im Bereich bis 15 mm sind nur durch spezielle
Objektive möglich. Diese sind sehr kostenaufwendig. Der
geringe Arbeitsabstand erlaubt es zudem, nur Proben zu vermessen,
deren Höhenprofil einen kleineren Bereich aufweist als
der Arbeitsabstand. Ebenfalls ist geometrisch bedingt die Verkippung
der Probe gegenüber dem Objektiv eingeschränkt.
Bohrungen, Hinter schneidungen oder anderweitige kompliziertere Oberflächenstrukturen
können daher nur eingeschränkt vermessen werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, ein Verfahren
sowie eine zur Ausübung des Verfahrens geeignete Einrichtung
zum flächenhaften Erfassen von Höhenwerten eines
Oberflächenprofils mittels WLI anzugeben, mit welchen größere
Arbeitsabstände, größer als 15 mm, erreicht und
vermessen werden können. Es gehört ferner zur Aufgabenstellung
der Erfindung, unter Verwendung des Prinzips ein Linnik-Interferometer
mit zwei identischen Long-Working-Distance-Objektiven, davon eines
in den Messstrahlengang und ein zweites in den Referenzstrahlengang
einzusetzen und zur Anwendung zu bringen, um den Arbeitsabstand
von mehr als 20 mm zu erreichen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den Patentansprüchen
charakterisierten technischen Merkmalen der Verfahrensdurchführung
und unter Zuhilfenahme der dazugehörigen Einrichtung gelöst.
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Diese
dort bezeichneten Lösungsmittel erlauben es, durch die
Anwendung zweier herkömmlich bekannter Long-Working-Distance-Objektive,
ein kompaktes Messmodul zu schaffen, wobei nur ein Objektiv auf
das Messobjekt gerichtet ist und mit einem Arbeitsabstand (Abstand
zwischen Objektiv und Objekt) von vorzugsweise zwischen 20 und 50
mm zu betreiben. Somit wird die Erfassung komplexer Oberflächenstrukturen
wie beispielsweise tiefe Senken und Bohrungen oder auch abrupter
Anstieg des Höhenprofils im Bereich bis 36 mm möglich.
Ebenfalls gestattet der Arbeitsabstand von mindestens 36 mm eine
Verkippung der Probe in dieser Größenordnung,
so dass auch Hinterschneidungen und ähnliche komplexe Strukturen
vermessen werden können.
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Insgesamt
sind alle Systeme der Einrichtung stabil und schwingungssicher aufgebaut.
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Der
Arbeitsabstand von Objektiv zum Objekt wird mittels weggeregeltem
Feinpositioniersystem entweder durch vertikales Verschieben des
Messkopfes oder durch vertikales Verschieben der Probe verändert.
In einem ausgewählten Bereich wird das Höhenprofil
der Probe in Z-Richtung abgefahren.
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Mittels
manueller oder motorisch gesteuerter Blende im Referenzstrahlengang
kann zwischen den Modi „interferometrische Messung" und „laterale
Bildaufnahme" umgeschaltet werden. Durch den geringen Tiefenschärfebereich
von beispielsweise 1,6 μm der verwendeten Objektive kann
im lateralen Bildaufnahmemodus ebenfalls eine schichtweise Aufzeichnung
des Höhenprofils der Probe erfolgen.
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Das
Objekt wird mittels Hellfeldbeleuchtung ausgeleuchtet, wobei als
Lichtquelle eine LED Beleuchtung mit breitbandigem weißen
Licht zum Einsatz kommt, die durch den Strahlenteiler im Objektstrahlengang
eingespiegelt wird. Die Weißlicht-LED wird ggf. mit geeignetem
Farbfilter genutzt, deren Spektrum > 150 nm sich oberhalb einer Wellenlänge von < 500 nm erstreckt.
Für bestimmte Anwendungen kann auch parallel eine Halogenlampe
oder grüne, rote bzw. blaue LED Beleuchtung zum Einsatz kommen,
die über eine vorgeschaltete Beleuchtungsstrahlteiler eingespiegelt
werden und ebenfalls einzeln anwählbar sind, ohne mechanische
oder motorische Betätigung.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich als
kompaktes Sensormodul ausführen und ermöglicht
bei vergleichsweise geringen Gerätekosten eine Vielzahl
von Anwendungen, speziell aus dem Bereich Mikrosystemtechnik. Sie
trägt den ständig wachsenden Ansprüchen
an die Messgenauigkeit, die Messgeschwindigkeit und die prozessnahe,
flexible Einsetzbarkeit Rechnung. Der Einsatz von standardisierten
Long-Distance-Mikroskopobjektiven und die Anwendung von LED Beleuchtungen
bringen gegenüber den in der WLI verbreiteten thermischen Strahlern
deutliche Vorteile hinsichtlich Gestaltungsfreiheit, Kompaktheit,
Lebensdauer und Reduzierung thermischer Störeffekte.
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Die
Bildaufnahmen können ohne Umbau des Systems sowohl im Farb-
als auch im schwarz-weißen Modus durchgeführt
werden.
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Farbaufnahmen
in Rot-Grün-Blau haben den Vorteil, dass die Interferenzen
und somit die Kontraste im jeweiligen Farbkanal einzeln aufgenommen werden
können. Da die Interferenzen bei der WLI, bedingt durch
die eingesetzten Objektive, bezogen auf die einzelnen Farbanteile
rot, grün und blau phasenverschoben gegenüber
der optischen Weglänge auftreten, kann durch die getrennte
Bildaufnahme und -auswertung der einzelnen Farbkanäle eine
Kon traststörung infolge der Überlagerung dieser
phasenverschobenen Interferenzeffekte vermieden werden. Damit ist
die Zuordnung von optischer Weglänge zu den jeweiligen
Interferenzstreifen bzw. Intensitätsänderung eindeutig
möglich und erlaubt eine wesentlich genauere Positionsbestimmung
der Höhenpunkte des Objektes.
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Die
Koppelung der Messvorrichtung mit mechanischen Positioniereinheiten
für die x, y, z-Achse, die mit geeigneten Inkrementalmesssystemen
ausgestattet sein können, erlaubt es, Messungen unterschiedlicher
Objektbereiche zueinander in Beziehung zu setzen. Je nach Messaufgabe
können auch rotatorische Positionierachsen zweckmäßig
sein.
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Das
beispielsweise unter Verwendung einer blauen LED als Lichtquelle
aufgenommene lichtmikroskopische Bild dient der lateralen Erfassung
von Geometrieaufnahmen mit hoher Auflösung. Allein aufgrund
der geringen Wellenlänge des blauen Lichtes lassen sich
laterale Auflösungen < 0,5 μm
erreichen. Mit Hilfe einer externen Lichtquelle (Dunkelfeld) auf
Basis blauer LEDs, z. B. eine segmentweise ansteuerbare Ringlicht-Beleuchtung,
kann im lateralen Bildaufnahmemodus auch auf geneigten spiegelnden
Flanken, zum Beispiel in Bohrungen, gemessen werden, ohne das Messobjekt
aufwendig kippen zu müssen.
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Die
interferometrische Anordnung lässt sich erfindungsgemäß auch
im Phasenschiebemodus betreiben. In diesem Fall wird eine näherungsweise
monochromatische Lichtquelle für die interferometrische Messung
verwendet. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden
die Einzelsysteme der Messvorrichtung so aufeinander abgestimmt
betrieben, dass die jeweilige Messaufgabe in optimaler Weise gelöst wird.
Dabei werden laterale Strukturgrößen mittels Bildverarbeitung
analysiert, Höhenstrukturen mittels Weißlichtinterferometrie
erfasst und weitere Merkmale, z. B. Mikrostrukturen auf senkrechten
Flanken (Rauheit) erfasst. Sämtliche Messdaten liegen im selben
Bezugssystem vor und können miteinander verglichen werden.
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Die
Auswertung der Interferogramme ist beim erfindungsgemäßen
Verfahren sowohl einzeln in jeweils einem Farbkanal (Rot, Grün,
Blau) als auch in einer Kombination dieser Farbkanäle bzw.
aller Farbkanäle möglich. Dadurch erlaubt das
Auswerteverfahren einen geschwindigkeitsoptimierten und andererseits
einen genauigkeitsoptimierten Betrieb, wobei die vertikale Auflösung
bis auf einige Nanometer möglich ist (kleiner 10 nm).
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Ausführungsbeispiel:
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Die
Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher dargestellt und erläutert werden.
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Die
zugehörige Zeichnung stellt
- • die
Aufbauten des Messkopfes als Linnik-Weißlichtinterferometer
mit umschaltbarer LED-Beleuchtung und Z-Achse dar.
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Die
Lichtquellen entweder (11) oder (12), wobei eine
Halogenlampe bzw. weiße, blaue, grüne oder rote
LEDs zum Einsatz kommen können, werden über einen
Strahlenteiler (10) mit nachgeschaltetem Kondensor (9),
der als herkömmliches Mikroskopobjektiv ausgeführt
sein kann, durch eine einstellbare Aperturblende (8) auf
dem Kondensor (7) abgebildet, wobei im Ergebnis ein nahezu
parallel verlaufender Beleuchtungsstrahlengang entsteht.
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Zusätzlich
kann durch ein Filter (13) das Spektrum der Lichtquelle
variiert werden. Durch die Aperturblende (8) wird Licht
anderer Schwingungsrichtung- und Ebenen eingeschränkt.
Im Strahlenteiler (5) wird die nahezu parallel eintretende
Beleuchtungsstrahlung zum einen auf das Long-Distance-Objektiv (3)
des Objektstrahlengangs projiziert, womit das Objekt (1)
im Hellfeld beleuchtet wird, und zum anderen wird die nahezu parallel
verlaufende Beleuchtungsstrahlung auf das Long-Distance-Objektiv
(4) des Referenzstrahlengangs projiziert. Durch den Vorderflächenplanspiegel
(2) wird das kohärente Licht des Referenzstrahlengangs
zurück reflektiert und über das Long-DistanceObjektiv (4)
auf den Strahlenteiler (5) abgebildet. Durch das Long-DistanceObjektiv
(3) des Objektstrahlengangs wird die Abbildung des Objektes
(1) auf den Strahlenteiler (5) projiziert und
mit dem kohärenten Licht des Referenzstrahlengangs überlagert.
Liegen die Höhenpunkte des Objektes (1) auf der
Ebene gleicher optischer Weglänge gegenüber dem
Referenzstrahlengang, so führt die Überlagerung
im Strahlenteiler (5) von Referenzstrahlungsabbildung und
Objektabbildung zu Interferogrammen, die auf den Kamerasensor (14)
projiziert werden. Durch einen Filter (15) im Referenzstrahlengang
kann sowohl die Beleuchtungsintensität als auch das Spektrum
des Lichts vom Referenzstrahlengang den optischen Eigenschaften
der Probe wie beispielsweise Re flexionsgrad oder Farbe angepasst
werden. Das von Kamerasensor (14) aufgenommene und digitalisierte
lichtmikroskopische Bild wird an einen Auswerterechner (16)
zur Zwischenpufferung weitergeleitet. Als Kamerasensor (14)
kommt beispielsweise eine 3-Chip Pixelkamera mit einer Bildgröße
von 739×572 Pixeln zum Einsatz, wobei jeder Farbkanal (rot,
grün, blau) mittels Vorfilter und eigenständigem
Chip aufgenommen werden.
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Der
Auswerterechner (16) besitzt eine Schnittstelle zum Einlesen
der digitalisierten farbigen Aufnahmen und eine weitere Schnittstelle
zum Ansteuern der weggeführten Regelung (17) für
die z-Achse (18).
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Die
interferometrische Messung erfolgt dadurch, dass bei eingeschalteter
Weißlicht-LED der Messkopf (2–13)
bezogen auf den Abstand zur Probe (1) entlang der optischen
Achse mittels Feinpositioniereinheit (z-Achse 18) verschoben
wird und für verschiedene Höhenpositionen des
Objektes Interferenzbilder aufgenommen werden. Dabei ist jedem Interferenzbild
eine eineindeutige absolute vertikale Position zugeordnet. Durch
die geringe Tiefenschärfe (beispielsweise 1,6 μm
bei 20 × LWD-Objektiv) wird nur dieser Bereich der Probe
an der aktuellen vertikalen Position scharf abgebildet. Das hat
den Vorteil, dass anderweitige oberflächenbedingte Reflexionen oder
sonstige Bildstörungen außerhalb des Tiefenschärfebereichs
unterdrückt werden. Dieser Bildaufnahmevorgang wird beginnend
von einer vertikalen Startposition in einer Schleife von n-Iterationen
bis zu einer vertikalen Endposition durchgeführt. Somit
ist die vertikale Schrittweite und Anzahl der Messungen beliebig
skalierbar, je nachdem ob geschwindigkeitsoptimiert oder genauigkeitsoptimiert
gemessen werden soll (1 nm = < deltaZ < = 1000 nm Unterabtastung
der Interferogramme beachten!). Die anderen Lichtquellen sind bei
der interferometrischen Messung nicht eingeschaltet.
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Das
Verschieben des gesamten Messkopfes erlaubt einen wesentlich schnelleren
Messablauf, da die weggeregelte z-Achse auf die Dynamik des Messkopfes
optimiert eingestellt ist. Somit können unterschiedlich
große und unterschiedlich schwere Proben problemlos erfasst
werden. Die Dynamik der Wegregelung des Messkopfes ist exakt abgestimmt, d.
h. die Performance der Z-Verstellung ist bezogen auf die Geschwindigkeit
und Positioniergenau igkeit optimiert. Die kleinste Auflösung
in Z-Richtung beträgt 2 nm, da zur Ansteuerung der z-Achse
ein 16 bit D/A-Wandler zum Einsatz kommt. Da der Messkopf eine gleich
bleibende Masse hat, ist somit immer eine genaue und performante
Bildaufnahme der Z-Serie unabhängig von der Masse und Größe
der Probe möglich. Der Gesamtstellbereich der verwendeten z-Achse
Messkopfes beträgt 109 μm. D. h. bei Verwendung
eines Feinpositioniersystems über einen größeren
Stellbereich ist die Aufnahme von Proben mit entsprechend größerer
Streuung (Bereich) des Höhenprofils möglich. Weiterhin
kann im lateralen Bildaufnahmemodus beispielsweise bei eingeschalteter
blauen oder grünen LED die Messung erfolgen, wobei die
Interferenzen nicht auftreten wegen der Phasenverschiebung des Kontrastmaximums
der Interferogramme, die nun außerhalb des Tiefenschärfebereiches
liegen würden. Ein mechanischer Umbau bzw. eine motorisch
angesteuerte Änderung der Messanordnung ist hierbei nicht
notwendig.
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Sowohl
im lateralen wie auch im interferometrischen Bildaufnahmemodus ist
eine schnelle Vermessung der Probe möglich, da die Höhenstruktur anhand
einer zwischengespeicherten Reihe (z-Serie) von Bildaufnahmen die
Auswertung erfolgt. Gegenüber taktilen Verfahren entfällt
ein aufwendiges laterales Positionieren bezüglich der einzelnen
Höhenpunkte des Oberflächenprofils.
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Durch
die Verwendung von Objektiven kleineren, beispielsweise 1x–5x,
oder größeren beispielsweise 20x–150x,
Abbildungsmaßstabes kann die laterale Auflösung
skaliert werden. Aufgrund der geänderten Apertur dieser
Objektive kann das Messsystem entsprechend der Messaufgabe an eine
stärkere Flankenneigung der Oberflächenstrukturen
angepasst werden.
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Durch
Kombination dieses Messsystems mit einer motorischen lateralen Verfahreinheit
(x-y-Achsen) lassen sich auch größere Proben durch
Zusammensetzen der einzelnen örtlichen Messungen mit überlappenden
Bereichen im Raum vermessen.
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Der
Einsatz von LED-Beleuchtungen gestattet einen sehr kompakten, kostengünstigen
Aufbau der Messeinrichtung. Weiterhin zeichnen sich die LED- Dioden
durch Langlebigkeit und niedrigen Stromverbrauch aus. Eine automatisierte
Ansteuerung der Beleuchtungsintensität durch den Steuerungsrechner
ist einfach realisierbar und somit können die Messverfahren
individuell auf das Reflexionsverhalten der Probe mit automatischen
Einstellroutinen vorgenommen werden.
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Im
interferometrischen Messmodus können im Hellfeld selbst
Proben aufgenommen mit einem Reflexionsgrad von etwa 0,05. Die Messung
an solchen Proben im Hellfeld, wie beispielsweise den PKD-Werkstoffen,
wird aufgrund der Lichtverstärkung im Interferenzbild möglich.
Auch raue, reflektierende Proben mit steilen Flanken (Flankenwinkel > 37°) können
aufgrund der Streuung und dieser Überlagerung dieser zurückreflektierten
Strahlung im Interferenzbild vermessen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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