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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung einer Leistungsdichteverteilung einer Strahlungsquelle gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1 und einem Verfahren zum Messen einer Leistungsdichteverteilung einer Strahlungsquelle gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 9.
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Vorrichtungen zur Messung, auch zur Online-Messung und -Steuerung eines Laserstrahls, sind verschiedentlich bekannt. So sind aus der
DE 10 2007 062 825 A1 ein Gitterspiegel, eine Überwachungsvorrichtung, ein Laserresonator und eine Strahlführung bekannt, mit denen die Auskopplung und Fokussierung eines Laserstrahls zur Online-Überwachung mittels eines einzigen optischen Elements erfolgen kann. Gekennzeichnet ist diese Lösung durch einen Gitterspiegel, der eine lokale Gitterperiode und eine lokale Ausrichtung der Gitterlinien aufweist, die jeweils derart gewählt sind, dass der Gitterspiegel einen in eine höhere Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl auf mindestens einen Fokuspunkt fokussiert. Hierbei wird der Rohstrahl über einen Spiegel gelenkt, auf welchem zusätzlich das Gitter aufgebracht ist. Der komplette Strahldurchmesser des Laserstrahles wird auf das Gitter gelenkt. Durch dieses Gitter wird in nur eine Beugungsordnung Licht ausgekoppelt, welches zusätzlich durch das Gitter in einem Punkt fokussiert wird, nämlich an der Stelle eines Detektors.
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Der Nachteil dieser Anordnung besteht insbesondere darin, dass diese Fokussierung eine sich lokal ändernde Gitterkonstante über die Fläche des Gitters und die Verwendung des Rohstrahls zwingend erforderlich macht. Dies bedeutet auch, dass diese Lösung bzgl. eines lateralen Intensitätsprofils, also einer Leistungsdichteverteilung, ungeeignet ist, wie es zum Beispiel für Industrielaser zum Teilen von Wafern oder generell bei Laseranwendungen mit kurzen und hohen Strahlungsintensitäten notwendig ist. Ein reflektives Element für kurze Wellenlängen ist hierbei nachteilig. Als problematisch an der Verwendung von (teil-)transmissiven Materialien wie ZnSe, GaAs, Ge, ZnS oder Si als Substrate zur Auskopplung eines Anteils des Laserstrahls wird in der
DE 10 2007 062 825 A1 angesehen, dass die ausgekoppelte Laserstrahlung durch das Substratmaterial hindurch tritt, wodurch eine Kühlung des optischen Elements nicht mehr vollflächig von der Rückseite erfolgen kann und daher entlang des Umfanges erfolgen muss. Die meisten der oben genannten Materialien hätten zudem eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, aus der gemeinsam mit der veränderten Kühlung eine größere Empfindlichkeit gegenüber Zerstörung bei Verschmutzung des zur Auskopplung verwendeten optischen Elements resultieren würde. Ferner könne die Fokussierung oder Abbildung des ausgekoppelten Laserstrahls, falls diese erforderlich ist, in der Regel nur durch ein weiteres optisches Element erreicht werden. Dies ist jedoch nicht bei den bereits oben genannten Anwendungen permanent kritisch, da dies insbesondere im IR-Bereich zutreffend ist und zudem Messungen nicht fortlaufend erforderlich sind.
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Bekannt sind auch Lösungen bei denen die Lichtverteilung entweder über einen optischen Aufbau auf eine CCD-Kamera abgebildet oder mittels absorbierenden Blenden ermittelt und die sich ergebende Intensität hinter der Blende mittels eines total-integrierenden Detektors (Photodiode, kalorimetrischer Detektor, etc.) aufgenommen wird/werden. Bei der/den Blende/n basierten Messsystemen kommen teilweise verschiedene Blenden, wie z. B. beim Schneiden (schräg und gerade) und/oder Schlitze, zum Einsatz. Aus den so gewonnenen Daten wird dann anschließend das Profil errechnet (Dekovolution/Entfalten). Diese Blenden sind in der Regel aus Metall oder einer absorbierenden Metallschicht auf einem transparenten Trägersubstrat hergestellt. Die minimalen Aperturgrößen liegen im Bereich von 2 bis 5 μm.
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Dies hat wiederum den Nachteil, dass einerseits die CCD-basierten Messsysteme nur geringen Intensitäten Stand halten. Wird die Intensität stärker, so muss der Laserstrahl abgeschwächt werden, um die CCD-Kamera nicht zu beschädigen. Diese Abschwächung geschieht in der Regel über Neutraldichtefilter. Hier kann es allerdings aufgrund von Oberflächenunregelmäßigkeiten oder der Bildung von thermischen Linsen zu Verzerrungen in der Abbildung des Laserstrahls kommen. Damit wird die Messung teilweise stark verfälscht.
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Bei hohen Intensitäten werden deshalb die Blenden- oder Schneidensysteme verwendet. Hier besteht aber der Nachteil, dass bei sehr hohen Intensitäten, insbesondere bei gepulsten Lasern, auch das absorbierende Blendenmaterial abgetragen wird und die Blende somit schnell degradiert.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Messung einer Leistungsdichteverteilung einer Strahlungsquelle zur Verfügung zu stellen, die insbesondere bei hohen Leistungsdichten, beispielsweise im VUV Bereich, eingesetzt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird eine Vorrichtung zur Messung einer Leistungsdichteverteilung einer Strahlungsquelle vorgestellt, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
eine Strahlungsquelle, die ausgebildet ist, einen Lichtstrahl in eine Strahlungsrichtung auszusenden;
ein der Strahlungsquelle in Strahlungsrichtung nachgeordnetes Substrat mit einer Ausdehnung in eine x-Richtung und eine y-Richtung, wobei das Substrat einen ersten Bereich und zumindest einen weiteren zweiten Bereich aufweist und der erste Bereich eine diffraktive Struktur umfasst, die ausgebildet ist, den auf das Substrat auftreffenden Lichtstrahl in eine nullte Beugungsordnung und zumindest eine erste Beugungsordnung zu trennen; und
eine dem Substrat in Strahlungsrichtung nachgeordnete Detektoreinheit, die ausgebildet ist, die Intensität der durch das Substrat transmittierten ersten Beugungsordnung zu messen und daraus eine Leistungsdichteverteilung abzuleiten.
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass bei einer diffraktiven Struktur der Degradationsgrad wesentlich geringer ist, da der Lichtstrahl nicht absorbiert, sondern nur abgelenkt beziehungsweise transmittiert wird. Die Erfindung benutzt somit ausschließlich die transmittierte Strahlung. Damit hat die Vorrichtung eine wesentlich höhere Lebensdauer und kann auch bei Intensitäten eingesetzt werden, bei denen eine absorbierende Blende gemäß dem Stand der Technik versagen würde. Durch die erhöhte Lebensdauer wird damit ein kosteneffizienterer Betrieb der Vorrichtung ermöglicht. Unter dem technischen Merkmal „diffraktive Struktur” wird erfindungsgemäß jedes optische Element zur Formung eines Lichtstrahls verstanden. Beispielswiese kann es sich bei der Struktur um einen Bereich eines Glasträgers handeln, auf dem durch Fotolithografie Mikrostrukturen aufgebracht werden. In ihnen kommt es durch unterschiedliche optische Weglängen der Teilstrahlen zu Phasenmodulationen, wodurch Interferenzmuster entstehen.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass statt der ersten Beugungsordnung wahlweise eine höhere Beugungsordnung verwendet wird, falls eine noch größerer Abschwächung der Intensität nötig ist, da die höheren Beugungsordnungen in der Regel eine geringere Beugungseffizienz und damit eine geringere Intensität aufweisen. Somit ist erfindungsgemäß unter der ersten Beugungsordnung auch eine höhere Beugungsordnung zu verstehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann der gesamte Lichtstrahl auf die diffraktive Struktur auftreffen. Somit wird der gesamte Lichtstrahl gebeugt und kann mittels der Detektoreinheit gemessen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erste Bereich derart ausgebildet ist, dass nur ein bestimmter Anteil des Lichtstrahles in eine nullte Beugungsordnung und zumindest eine erste Beugungsordnung getrennt wird und das Substrat und/oder die Strahlungsquelle bewegbar ausgebildet sind und durch eine Bewegung des Substrats und/oder der Strahlungsquelle eine Vielzahl von Anteilen des Lichtstrahles in eine nullte Beugungsordnung und zumindest eine erste Beugungsordnung, was bedeutet, dass die Verwendung einer höheren Beugungsordnung dabei nicht ausgeschlossen sein soll, getrennt werden können. Die diffraktive Struktur kann daher auf einer sehr kleinen, limitierten Fläche umgesetzt werden, die nur wenige Quadratmikrometer zu betragen braucht. Mit dieser Anordnung kann ein bestimmter Anteil, bevorzugt ein einzelner Punkt des Lichtstrahls evaluiert werden. Durch eine Bewegung oder ein Scannen des Substrats kann anschließend ein zweidimensionales Bild der Leistungsdichteverteilung aufgenommen werden. Bevorzugt ist auch vorgesehen, dass das Substrat mehrere erste Bereiche aufweist, die jeweils ausgebildet sind zumindest einen bestimmten Anteil des Lichtstrahles in eine nullte Beugungsordnung und zumindest eine erste Beugungsordnung zu trennen. Somit kann die Messgeschwindigkeit insgesamt erhöht werden.
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Ferner kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Strahlungsquelle als eine Laserstrahlungsquelle, insbesondere mit einer Wellenlänge von 343 nm, ausgebildet sein. Eine derartige Laserstrahlungsquelle ist besonders für die Materialbearbeitung geeignet, für die die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die diffraktive Struktur als ein binäres Gitter ausgebildet, wobei die Gitterlinien des binären Gitters in x- und/oder y-Richtung ausgerichtet sind. Besonders bevorzugt könnte eine Ausführungsform derart ausgebildet sein, dass die diffraktive Struktur eines ersten Bereiches und die diffraktive Struktur eines unmittelbar benachbarten weiteren ersten Bereiches in x- beziehungsweise in y-Richtung ausgerichtet sind. Somit könnte neben einer ortsaufgelösten Information der Leistungsdichtverteilung auch Information über die lokale Polarisierung gewonnen werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das binäre Gitter eine Gitterperiode auf, wobei die Gitterperiode innerhalb des Gitters variiert. Durch eine derartige Ausführungsform können verschiedene Ablenkwinkel der ersten Beugungsordnung generiert werden. Somit ist eine ortsaufgelöste Messung der Leistungsdichteverteilung möglich.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Substrat um einen bestimmten Winkel geneigt sein und/oder eine Flächennormale des Substrats kann gegenüber einer bevorzugten Orientierung des Gitters eine Neigung aufweisen. Durch eine Neigung beziehungsweise einen Neigevorgang kann gezielt mehr Licht in eine der beiden ersten Beugungsordnungen gelenkt werden. Diese Vorgehensweise kann dazu genutzt werden, die Detektoreinheit abzustimmen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ferner eine Auswerte- und Steuereinheit vorgesehen sein, die die von der Detektoreinheit gemessenen Daten auswertet und ausgebildet ist, Steuersignale an die Strahlungsquelle weiterzugeben. Somit kann durch eine rückgekoppelte Steuerung die Intensität der Strahlungsquelle beeinflusst werden.
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Da die ausgekoppelte Signalintensität, je nach Leistung der verwendeten Strahlungsquelle, unter Umständen noch sehr hoch sein könnte, ist es möglich, dass die Detektoreinheit während der Messung beschädigt werden könnte. Durch die diffraktive Struktur ist es möglich, sehr einfach das gebeugte Licht über die Gittertiefe und das Aspektverhältnis zwischen Graben und Steg innerhalb einer Gitterperiode in seiner Intensität zu steuern.
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Ferner wird ein Verfahren zum Messen einer Leistungsdichteverteilung einer Strahlungsquelle vorgestellt, wobei das Verfahren nach einer Ausführungsform der zuvor vorgestellten Vorrichtung ausführbar ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Strahlungsquelle, die ausgebildet ist, einen Lichtstrahl in eine Strahlungsrichtung auszusenden;
Bereitstellen eines der Strahlungsquelle in Strahlungsrichtung nachgeordneten Substrates mit einer Ausdehnung in eine x-Richtung und eine y-Richtung, wobei das Substrat einen ersten Bereich und zumindest einen weiteren zweiten Bereich aufweist und der erste Bereich eine diffraktive Struktur umfasst, die ausgebildet ist, den auf das Substrat auftreffenden Lichtstrahl in eine nullte Beugungsordnung und zumindest eine erste Beugungsordnung zu trennen;
Bereitstellen einer dem Substrat in Strahlungsrichtung nachgeordneten Detektoreinheit;
Messen einer Intensität der durch das Substrat transmittierten ersten Beugungsordnung mittels der Detektoreinheit; und
Ableiten einer Leistungsdichteverteilung aus der gemessenen Intensität.
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Auch kann in einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens die nullte Beugungsordnung zum Bearbeiten eines Werkstücks benutzt werden und die Strahlquelle nachjustiert werden, falls die abgeleitete Leistungsdichteverteilung nicht einer vorgegebenen Leistungsdichtverteilung entspricht. Der Schritt des Nachjustierens kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass mittels der Auswerte- und Steuereinheit, die von der Detektoreinheit gemessenen Daten ausgewertet werden und Steuersignale an die Strahlungsquelle weitergegeben werden. Die Vorrichtung kann daher auch zur Überwachung und Steuerung während eines Arbeitsprozesses, z. B. Schneideprozess bei Wafern, geeignet sein, um somit ein höchstes Maß an Gleichmäßigkeit an und in den bearbeiteten Werkstücken und der gewünschten Formen zu erreichen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung einer Leistungsdichteverteilung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung einer Leistungsdichteverteilung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine weitere schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung einer Leistungsdichteverteilung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4–6 diverse Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen ersten Bereiches, der als eine diffraktive Struktur ausgebildet ist;
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7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung einer Leistungsdichteverteilung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung einer Leistungsdichteverteilung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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9 Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur Messung einer Leistungsdichteverteilung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung ist ausgebildet, eine Leistungsdichteverteilung einer nicht näher dargestellten Strahlungsquelle zu messen, die einen Lichtstrahl L in eine Strahlungsrichtung SR aussendet. Bei der Strahlungsquelle kann es sich beispielsweise um eine Laserstrahlungsquelle handeln, die dazu ausgelegt ist, ein nicht näher dargestelltes Werkstück zu bearbeiten. Um die Güte der Strahlung, also deren Leistungsdichteverteilung zu bestimmen, ist diese Vorrichtung vorgesehen.
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Die Vorrichtung 1 weist ein Substrat 2 auf, das aus einem transparenten Material geformt ist. Das Substrat weist einen ersten Bereich 3 und einen zweiten Bereich 4 auf. Der erste Bereich 3 ist als eine diffraktive Struktur 5 ausgebildet. Diese Struktur ist geeignet, den Lichtstrahl in eine nullte Beugungsordnung 6 und eine erste Beugungsordnung 7 sowie höhere Beugungsordnungen zu trennen, wobei in 1 der Übersichtlichkeit halber nur der Strahlengang einer ersten Beugungsordnung dargestellt ist. Die erste Beugungsordnung wird mittels einer Fokussierlinse F auf eine Detektoreinheit 8 fokussiert und deren Intensität gemessen und daraus eine Leistungsdichteverteilung abgeleitet.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur Messung einer Leistungsdichteverteilung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Unterschied dieses Ausführungsbeispiels zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 besteht darin, dass nur ein gewisser Anteil des Lichtstrahles in eine nullte Beugungsordnung 6 beziehungsweise erste Beugungsordnung 7 getrennt wird. Um den gesamten Lichtstrahl zu vermessen, ist in dieser Ausführungsform vorgesehen, dass das Substrat 2 durch eine nicht näher dargestellte Vorrichtung bewegbar ausgebildet ist. Eine etwaige Bewegung des Substrats 2 soll durch einen Pfeil M anschaulich verdeutlicht werden. 3 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 gemäß 2. Der 3 ist entnehmbar, dass der erste Bereich flächenmäßig kleiner ausgebildet ist, als der zweite Bereich 4. Für eine analysierende Fläche von 2 bis 5 μm können beispielsweise 5 bis 15 Gitterperioden eines binären Gitters verwendet werden.
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In den 4 bis 6 sind verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen diffraktiven Struktur 5 beziehungsweise die Ausrichtung der die Struktur bildenden Gitterlinien dargestellt. Der Fachmann kann den Figuren entnehmen, dass die Gitterlinien einerseits entlang einer x- oder eine y-Richtung oder in eine andere Richtung orientiert sein können. Es können auch mehrere diffraktive Strukturen auf dem Substrat angeordnet sein, wobei die Gitterlinien unterschiedlicher diffraktiver Strukturen eine gleiche (siehe z. B. 6b) oder eine unterschiedliche Orientierung haben können (siehe z. B. 6a).
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Gemäß den Ausführungsbeispielen, die in den 7 und 8 dargestellt sind, weist die Vorrichtung 1 noch zusätzlich eine Auswerte- und Steuereinheit 9 auf. Diese Einheit 9 dient dazu, die von der Detektoreinheit 8 gemessenen Daten auszuwerten, und entsprechende Steuersignale an die Strahlungsquelle 11 weiterzugeben. Somit könnte die Strahlungsquelle 11 bei der Bearbeitung eines Werkstückes 12 gesteuert werden. Optional könnte die Vorrichtung 1 gemäß 7 eine weitere optische Kontrolleinheit 10 umfassen.
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9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Messen einer Leistungsdichteverteilung einer Strahlungsquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 400 zum Messen einer Leistungsdichtverteilung ist in Verbindung mit bzw. unter Verwendung der Vorrichtung aus den 1, 2 bzw. 7 und 8 vorteilhaft ausführbar.
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Das Verfahren 400 weist einen Schritt 401 des Bereitstellens einer Strahlungsquelle auf, die ausgebildet ist, einen Lichtstrahl L in eine Strahlungsrichtung SR auszusenden. Auch weist das Verfahren 400 einen auf den Schritt 401 des Bereitstellens folgenden Schritt 402 des Bereitstellens eines der Strahlungsquelle in Strahlungsrichtung nachgeordneten Substrates 2 mit einer Ausdehnung in eine x-Richtung und eine y-Richtung auf, wobei das Substrat einen ersten Bereich 3 und zumindest einen weiteren zweiten Bereich 4 aufweist und der erste Bereich eine diffraktive Struktur 5 umfasst, die ausgebildet ist, den auf das Substrat auftreffenden Lichtstrahl in eine nullte Beugungsordnung 6 und zumindest eine erste Beugungsordnung 7 zu trennen. Ferner weist das Verfahren 400 einen auf den Schritt 402 des Bereitstellens folgenden Schritt 403 des Bereitstellens einer dem Substrat 2 in Strahlungsrichtung nachgeordneten Detektoreinheit 7 auf. Ferner weist das Verfahren 400 einen auf den Schritt 403 des Bereitstellens folgenden Schritt 404 des Messens einer Intensität der durch das Substrat transmittierten ersten Beugungsordnung mittels der Detektoreinheit auf. Ferner weist das Verfahren 400 einen auf den Schritt 404 des Messens folgenden Schritt 405 des Ableitens einer Leistungsdichteverteilung aus der gemessenen Intensität auf.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder”-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007062825 A1 [0002, 0003]
