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Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung zum optischen Erfassen von Eigenschaften einer Probe, umfassend einen FD-OCT, der einen Beleuchtungsstrahlengang zur Beleuchtung eines linienförmigen Bereiches der Probe, einen Detektionsstrahlengang zur Erfassung von Rückstrahlung von der Probe, eine Überlagerungseinrichtung zur Überlagerung der erfaßten Rückstrahlung mit Referenzstrahlung und ein Spektrometer aufweist, wobei die Rückstrahlung sich längs einer Linienrichtung linienförmig erstreckt, welche quer zur Ausbreitungsrichtung der Rückstrahlung liegt, und wobei die Linienform dem linienförmigen Probenbereich zugeordnet ist, und wobei das Spektrometer die linienförmige Rückstrahlung quer zur Linienrichtung spektral auffächert und auf einen 2D-Detektor leitet, der eine Matrix von Detektorpixeln aufweist.
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Eine solche Vorrichtung, welche überdies eine polarisationssensitive Detektion erlaubt, ist aus der
US 2008/0170225 A1 bekannt.
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Für die Analyse von Materialoberflächen und dünnen Einzelschichten und Schichtstapeln (z. B. Entspiegelungen, elektrisch leitende Schichten, Partikelbeschichtungen, mikro- und nanostrukturierte Schichten) auf Substraten (z. B. Glas, Halbleiter, Metalle) existiert eine Vielzahl analytischer Charakterisierungsmethoden wie z. B. Reflexionsspektroskopie, optische Kohärenztomographie (OCT) oder Röntgenfluoreszenz. Die Charakterisierungsparameter dieser Oberflächen und Schichten sind z. B. Real- und Imaginärteil des komplexen Brechungsindex, Schichtdicken, Rauhigkeiten und Oberflächen und Interfaces, Anteil amorpher und kristalliner Bereiche, Topographie und Morphologie, Eigenschaften von Korngrenzen, Partikeleigenschaften. Die optischen Meßgrößen bei einer Beleuchtung der Oberfläche oder Schicht, durch die eine Korrelation zu oben genannten Materialeigenschaften hergestellt werden, sind z. B. der spekulare Reflex (wellenlängen- und polarisationsabhängig) und Streulicht (wellenlängen-, winkel- und polarisationsabhängig).
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Viele dieser Charakterisierungsmethoden sind im Labor etabliert, jedoch nur bedingt geeignet für den Einsatz in einer Produktionslinie. In der Praxis werde große, im wesentlichen ebene Flächen mit Abmessungen von mehreres dm bis m in einer Dimension und mehreren m bis zu km in der anderen Dimension bearbeitet und veredelt. Beispiele hierfür sind Solarmodule oder beschichtete Glassubstrate sowie alle Produkte aus einem bandartigen Herstellungsprozeß („Roll-to-Roll”, „Reel-to-Can”) wie z. B. Folien und Laminate, flexible Elektronik und Displays und Solarzellen, Batterie-Elektroden und -Separatoren, Kondensatoren, Papier, Textilien. Für die Prozeßentwicklung und Qualitätssicherung sind Charakterisierungsverfahren erforderlich, die im Herstellungsprozeß eingesetzt werden können (inline) und/oder die gesamte Fläche erfassen können, also dementsprechend schnell in der Datenaufnahme und -auswertung sind.
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Für die ortsaufgelöste Erfassung von Streulicht aus dem Volumen eines Materials (Bulk, Einzelschicht oder Schichtstapel) mit einer lateralen Auflösung und Tiefenauflösung bis zu wenigen μm eignen sich optische Kohärenztomographien (OCT). Das Streuverhalten von transparenten oder wenig absorbierenden Schichten mit Dicken oberhalb dieser Auflösungsgrenze kann damit charakterisiert werden.
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Ein klassisches Zeitbereichs-OCT-System („time-domain OCT”) erfaßt das Streulicht sequentiell entlang einer Achse, die in das Volumen eines Materials (Bulk oder Beschichtung) hineinverläuft, durch mechanische Bewegung eines Referenzspiegels (sog. „A-Scan”). Der Ort im Volumen, aus dem Streulicht detektiert wird, und die Tiefenauflösung ergeben sich aus der Kohärenzlänge der Lichtquelle und den optischen Weglängendifferenzen zwischen Probe- und Referenzarm eines Interferometers. Um das Streulicht eines Volumens ortsaufgelöst zu erfassen, wird der Ort der Achse zusätzlich lateral in zwei Dimensionen gescannt (B- und C-Scan).
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Eine schnellere Datenaufnahme desselben Volumens ermöglicht ein Frequenzbereichs-OCT-System, das unter dem Begriff FD-OCT bekannt ist (vgl. Povazay et al., „Full-field time-encoded frequency-domain optical coherence tomography”, Optics Express 14, 7661, 2006). Hierbei wird die Interferenz der einzelnen spektralen Komponenten erfaßt, die durch die entlang der Achse generierte Rückstreuung entsteht. Die spektrale Aufspaltung im Detektionsstrahlengang erfolgt über ein dispersives optisches Element (z. B. Gitter) und wird mit einem Zeilendetektor aufgenommen. Vorteil dieser Methode ist die instantane Erfassung des Streulichts entlang der Achse ohne mechanisch bewegte Elemente und einer besseren Ausnutzung der eingestrahlten optischen Leistung.
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Für die schnelle und großflächige Charakterisierung von ebenen Oberflächen und Schichten in der Produktion, insbesondere Platten, Module oder Bandmaterial, das sich während des Produktionsprozesses mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, eignet sich das eingangs charakterisierte, gattungsgemäße OCT mit einer linienförmigen Beleuchtung der Probe. Die Relativgeschwindigkeit zwischen der Probe und dem OCT wird genutzt zur kontinuierlichen Datenaufnahme. Hierfür kann, wie in der gattungsbildenden Schrift, Grajciar et al., „Parallel Fourier-domain OCT for in vivo measurement of the human eye”, Optics Express 13, 1131, 2005, beschrieben ist, ein linienförmiger Probenbereich beleuchtet und das Spektrum jedes Punktes auf dieser Linie über ein dispersives optisches Element (z. B. Gitter) auf einen 2D-Detektor abgebildet werden. Die Ortsinformation ist entlang der ersten Dimension und die Spektralinformation entlang der zweiten Dimension des 2D-Detektors codiert. In der Medizintechnik wurde dieses Prinzip bereits eingesetzt (siehe auch Endo et al., „Line-field Fourier-domain optical coherence tomography”, Proc. SPIE, Vol. 5690, 168 (2005) oder Graf et al., „Parallel frequency-domain OCT scatter-mode imaging of the hamster cheek pouch using a thermal light source”, Optics Letters 33, 1285, 2008).
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Weiter ist zur Oberflächencharakterisierung die Ellipsometrie bekannt. Hierfür ist aus der
DE 10146945 A1 ein Spektralellipsometer bekannt, das vor einem zweidimensionalen Detektor ein Array aus Einzelpolarisatoren aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art, die auf der FD-OCT beruht, dahingehend weiterzubilden, daß eine detailliertere Probenanalyse, insbesondere hinsichtlich Schichteigenschaften, möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Meßvorrichtung zum optischen Erfassen von Eigenschaften einer Probe, umfassend einen FD-OCT, der einen Beleuchtungsstrahlengang zur Beleuchtung eines linienförmigen Bereiches der Probe, einen Detektionsstrahlengang zur Erfassung von Rückstrahlung von der Probe, eine Überlagerungseinrichtung zur Überlagerung der erfaßten Rückstrahlung mit Referenzstrahlung und ein Spektrometer aufweist, wobei die Rückstrahlung sich längs einer Linienrichtung linienförmig erstreckt, welche quer zur Ausbreitungsrichtung der Rückstrahlung liegt, und wobei die Linienform dem linienförmigen Probenbereich zugeordnet ist, und wobei das Spektrometer die linienförmige Rückstrahlung quer zur Linienrichtung spektral auffächert und auf einen 2D-Detektor leitet, der eine Matrix von Detektorpixeln aufweist, wobei dem Detektor ein Polarisationsfilter vorgeordnet ist, der in einer Matrix angeordnete, polarisationsmanipulierende Elemente aufweist, wobei die Matrix der polarisationsmanipulierenden Elemente der Matrix der Detektorpixel entspricht und wobei mehrere Arten von polarisationsmanipulierenden Elementen vorgesehen sind, die sich hinsichtlich der von ihnen gefilterten Polarisationszustände unterscheiden und sich in der Matrix der polarisationsmanipulierenden Elemente in einem bestimmten Muster wiederholen.
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Erfindungsgemäß wird also dem Detektor ein Polarisationsfilter vorgeordnet, das es erlaubt, den Polarisationszustand der Strahlung, die aus dem FD-OCT stammt, auszuwerten. Das OCT-Prinzip leistet dabei eine Tiefenselektion, und die Polariationsanalyse erlaubt eine weitere Strukturaufklärung, insbesondere hinsichtlich Brechzahl des Materials, Schichtstruktur, Schichtdicken etc.
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Filtert man als Polarisationszustände die linearen Zustände von 0°, 45° und 90° sowie den zirkularen Polarisationszustand, kann man den Stokes-Vektor der Strahlung der Rückstrahlung rekonstruieren.
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Die Erfindung besitzt den Vorteil, daß auch eine direkte Streulichtdetektion aus einer Ausleuchtungslinie erreicht werden kann, ohne daß mechanisch bewegte Teile nötig waren. Es wird somit eine schnelle, hochparallele Datenaufnahme realisiert.
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Dieser Vorteil führt dazu, daß unproblematisch große Flächen, insbesondere von Bandmaterial, welches sich in der Produktion mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, ohne zusätzliche Scaneinheit analysiert werden können.
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Zweckmäßigerweise wird man die verschiedenen Arten von polarisationsmanipulierenden Elementen in einer Gruppe zusammenfassen, die sich dann im bestimmten Muster wiederholt. Die Gruppe bildet ein „Superpixel”, und ihre Größe legt die Ortsauflösung fest. Hierbei sind für die Gruppe n×m-, n×n- oder 1×k-Muster möglich, insbesondere 2×2- oder 1×4-Anordnungen.
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Besonders bevorzugt ist es im Sinne einer Schichtaufklärung, im Beleuchtungsstrahlengang eine Einrichtung zum Einstellen eines Polarisationszustandes der Strahlung, mit welcher der linienförmige Probenbereich beleuchtet ist, vorzusehen. Dadurch kann ein definierter Polarisationszustand bei der Beleuchtung realisiert und bei der Auswertung der Polarisationszustände, welche das dem Detektor vorgeordnete Polarisationsfilter ermöglicht, eingesetzt werden.
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Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung kann dahingehend weitergebildet werden, daß eine Winkeleinstellrichtung vorgesehen ist, mit der ein Einstrahlwinkel, unter dem im Beleuchtungsstrahlengang der Probenbereich beleuchtet ist, und ein Detektionswinkel, unter dem im Detektionsstrahlengang die Rückstrahlung erfaßt ist, einstellbar ist. üblicherweise bezieht man diese Winkel auf eine Normale zur Oberfläche der Probe. Diese Weiterbildung der Meßvorrichtung realisiert eine Kombination aus einem Ellipsometer und einem optischen Kohärenztomographen.
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Möchte man streuende Oberflächen analysieren, ist es zweckmäßig, zusätzlich eine Einrichtung zur Selektion eines Einstrahl- oder Rückstrahlungswinkelbereiches vorzusehen. Zweckmäßigerweise umfaßt diese Einrichtung eine Blende. Damit können beliebig wählbare Teile einer Streukeule, in der die Strahlung von der streuenden Oberfläche angekoppelt wird, gemessen werden.
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Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
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1 zeigt schematisch eine Meßvorrichtung umfassend ein FD-OCT,
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2 eine Schemadarstellung der Detektoreinrichtung des FD-OCT der 1 und
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3 eine Schemadarstellung der Anordnung von Polarisationsfiltern in der Detektoreinrichtung der 2.
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1 zeigt schematisch eine Meßvorrichtung in Form eines OCT 1, das rein exemplarisch als Michelson-Interferometer-Aufbau dargestellt ist. Die Strahlung aus einer breitbandigen Lichtquelle 2 wird über einen Strahlteiler 3 in zwei Anne aufgeteilt. Ein Meßarm führt die Strahlung zur Probe P, und ein Referenzarm die Strahlung zu einem Referenzreflektor 4. Der Strahlteiler 3 vereinigt die aus dem Referenzarm bzw. Meßarm zurückkehrende Strahlung, d. h. Referenzstrahlung und an der Probe P rückgestreute oder rückreflektierte Rückstrahlung und leitet sie überlagert auf eine Detektoreinheit, die hier als Spektrometer ausgebildet ist. Ein dispersives Element 5 im Spektrometer fächert die Strahlung spektral auf und leitet sie auf einen zweidimensionalen Detektor 8, dem ein noch zu erläuterndes Polarisationsfilter 7 vorgeordnet ist. Der Aufbau des OCT 1 ist hier rein exemplarisch für ein bekanntes FD-OCT zu sehen, das natürlich auch in anderen Interferometerstrukturen und insbesondere als faseroptischer Interferometeraufbau realisiert werden kann. Grundsätzlich kommen alle bekannten OCT-Bauweisen in Frage, insbesondere auch solche, die mittels Vor- oder Nachinterferometer nach dem Doppelstrahlprinzip arbeiten, bei denen also der Referenzstrahlengang ebenfalls die Probe beinhaltet.
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Weiter verfügt die Meßvorrichtung über eine in den Zeichnungen nicht weiter dargestellte Steuereinheit, welche mit dem Detektor 8 und ggf. der Lichtquelle und weiteren ansteuerbaren Elementen, wie z. B. einer Scaneinrichtung verbunden ist und die Signale des Detektors 8 ausliest und die Lichtquelle 2 ggf. passend ansteuert.
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Das OCT 1 beleuchtet die Probe P in einem linienförmigen Bereich, der hier senkrecht zur Zeichnungsachse orientiert ist. Auch die Rückstrahlung wird linienförmig bzw. zeilenförmig aufgenommen (die Begriffe werden hier austauschbar verwendet). Optional ist eine Scaneinrichtung vorgesehen, die den einen linienförmigen Bereich relativ zur Probe verschiebt. Diese Scaneinrichtung kann auch durch eine Probenbewegungs- oder eine Fördereinrichtung realisiert sein.
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Das Spektrometer und insbesondere das dispersive Element 5 fächert die Strahlung quer zur Linienrichtung auf. Der Detektor 8 wie auch das vorgeordnete Polarisationsfilter sind zweidimensional aufgebaut, so daß eine Detektordimension (x) der Wellenlängenauflösung, die andere Detektordimension (y) der Auflösung längs der Linie dient. Damit kann ein linienförmiger Bereich in der Probe P gleichzeitig, d. h. mit einem einzigen Meßvorgang erfaßt werden.
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2 zeigt schematisch, wie der Detektor 8 und das Polarisationsfilter 7 zueinander angeordnet sind. Das Polarisationsfilter 7 umfaßt eine Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Filterpixeln 32 bis 35, das jedes einem Detektorpixel 23 zugeordnet sind (vorzugsweise, aber nicht zwingend genau einem Detektorpixel), wie in der schematischen Explosionsdarstellung eines Abschnitts des Detektors 8 und des Polarisationsfilters 7 in 2 ersichtlich ist. Dabei bilden jeweils 2×2 Filterpixel eine Pixelgruppe 36, wobei drei Filterpixel 32, 33, 34 der Pixelgruppe 36 Analysatoren mit unterschiedlicher Durchlaß- bzw. Hauptachsenrichtung (z. B. 0°, 45°, 90°) für polarisierte Strahlung sind. Das vierte Filterpixel 35 filtert zirkuläre Polarisationszustände. Mit den den vier Pixeln 32 bis 35 zugeordneten Detektorpixeln 23 kann somit der Polarisationszustand der (i. d. R. interferierend) überlagerten Referenz- und Rückstrahlung erfaßt werden. Durch diese Bauweise ist zwar die Auflösung um den Faktor 2 im Vergleich zu einer Bauweise ohne Polarisationsfilter 7 verringert, jedoch werden zusätzlich noch Informationen über den Polarisationszustand gewonnen, so daß das OCT 1 zugleich eine Polarisationsinformation in einer einzigen Messung liefert.
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3 zeigt schematisch in Draufsicht noch einmal die Anordnung der Pixel, wobei exemplarisch eine Pixelgruppe 36 verdeutlicht eingetragen ist. Zugleich ist in 3 die Informationscodierung im Signal, das der 2D-Detektor 8 liefert, eingetragen. Eine Richtung codiert die Wellenlänge, die andere den Ort in der zeilenförmig beleuchteten Probe.
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Die Meßvorrichtung kann dahingehend weitergebildet werden, daß zusätzlich eine Einrichtung 9 im Meßstrahlengang angeordnet ist, mit der der Winkel eingestellt werden kann, unter welchem die einfallende Strahlung die Probe P beleuchtet. Zugleich oder alternativ stellt die Einrichtung 9 den Winkel ein, unter dem Rückstrahlung wieder in das OCT 1 eingekoppelt wird. Zusätzlich kann die Einrichtung 9 optional auch noch so ausgebildet werden, daß sie den Winkelbereich, aus dem die Rückstrahlung stammt, bzw. der beleuchtet wird, entsprechend filtert. Letzteres ist zur Auswertung streuender Proben vorteilhaft.
