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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum tiefenaufgelösten Bestimmen der stofflichen Zusammensetzung einer Probe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Eine derartige Vorrichtung ist aus
US 7 440 097 B2 bekannt. Dieses gattungsbildende Dokument offenbart eine Vorrichtung zum tiefenaufgelösten Bestimmen der stofflichen Zusammensetzung einer Probe aus einem an einer Oberfläche mit einer kraterartigen Struktur der Probe erzeugten Plasma. Diese Vorrichtung ist mit einer Ablationsstrahlungsquelle ausgestattet, mit der Ablationsstrahlung erzeugbar. Weiterhin ist eine Strahlformoptik vorhanden, die der Ablationsstrahlungsquelle nachgeordnet und zum Lenken der Ablationsstrahlung der Ablationsstrahlungsquelle auf eine Oberfläche der Probe eingerichtet ist. Des Weiteren sind eine Sammeloptik und ein Spektralanalysator vorhanden, wobei mit dem Spektralanalysator über die Sammeloptik eingespeiste Stoffbestimmungsstrahlung aus dem mit der Ablationsstrahlung der Ablationsstrahlungsquelle erzeugbaren Plasma spektralanalysierbar ist, um die stoffliche Zusammensetzung der Probe zu bestimmen.
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Aus
US 8 982 339 B2 ist eine Materialbearbeitungsvorrichtung bekannt, mit der unter Einsatz einer Abstandsmessung ein Werkstück durch Scannen eines Bearbeitungslasers verhältnismäßig großflächig wie beispielsweise durch einen streifenartigen Materialabtrag oder -auftrag bearbeitbar ist. Zum Führen und Refokussieren des Bearbeitungslasers ist eine Sensorvorrichtung mit einem Spektrometer und wenigstens zwei Sensorlichtquellen vorgesehen, die gemeinsam den Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück mittels eines Laserscanners und einer Objektivlinse unter Ermitteln des Werkstückabstands erfassen.
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Eine weitere Vorrichtung zum tiefenaufgelösten Bestimmen der stofflichen Zusammensetzung einer Probe ist aus dem wissenschaftlichen Artikel „Laser-induced plasma spectrometry: truly a surface analytical tool‟ von J. M. Vadillo, J. J. Laserna, erschienen in Spectrochimica Acta Part B 59 (2004), Seiten 147 bis 161, bekannt. Diese Vorrichtung zum tiefenaufgelösten Bestimmen der stofflichen Zusammensetzung einer Probe aus einem an einer Oberfläche der Probe erzeugten Plasma verfügt über eine Ablationsstrahlungsquelle, mit der zum Erzeugen eines Plasmas gepulste hochintensive Ablationsstrahlung generierbar ist, und über eine der Ablationsstrahlungsquelle nachgeordnete Strahlformoptik zum Lenken der Ablationsstrahlung der Ablationsstrahlungsquelle auf eine Oberfläche einer Probe. Weiterhin sind eine Sammeloptik und ein Spektralanalysator vorhanden, mit dem über die Sammeloptik eingespeiste Stoffbestimmungsstrahlung aus einem mit der gepulsten Ablationsstrahlung der Ablationsstrahlungsquelle erzeugbaren Plasma spektral analysierbar ist, um die stoffliche Zusammensetzung einer Probe zu bestimmen. Ein tiefenaufgelöstes Bestimmen der stofflichen Zusammensetzung einer Probe aus einem an einer Oberfläche der Probe erzeugten Plasma erfolgt nach diesem Artikel dadurch, dass aufgrund einer vorab bestimmten Ablationsrate mit einem eineindeutigen Zusammenhang zwischen einer Pulsanzahl der Ablationsstrahlung und einer Tiefe eines durch die Pulse in der Probe erzeugten kraterartigen Struktur über die applizierte Pulsanzahl auf die Tiefe rückgerechnet wird. In diesem Artikel wird jedoch betont, dass „eine der schwierigsten Aufgaben bei der tiefenaufgelösten LIPS-Analyse die Umrechnung der Anzahl der Laserpulse in die Abtragtiefe“ ist. Es ist nämlich bekannt, dass die Abtragsraten abhängig von der erreichten Abtragtiefe variiert. Eine In-Situ Messung des tatsächlichen Abtrages existiert nicht.
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Aus
US 5 165 063 A ist eine Vorrichtung bekannt, die eine polychromatische Strahlungsquelle, mit der polychromatische Ausgangsstrahlung erzeugbar ist, und eine Fokussieroptik mit einer chromatisch dispersiven Abbildungscharakteristik aufweist, die von der polychromatischen Ausgangsstrahlung der polychromatischen Strahlungsquelle beaufschlagbar ist. Die Fokussieroptik ist dazu eingerichtet, von einer Oberfläche einer Probe rückgeworfene polychromatische Abstandsmessstrahlung einer chromatisch diskriminierenden Spektralkomponentenbestimmungseinheit einzuspeisen, mit der der Spektralanteil der polychromatischen Abstandsmessstrahlung bestimmbar ist, in dessen Fokus eine Oberfläche einer Probe angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der aus einem an einer Probe erzeugten Plasma die stoffliche Zusammensetzung der Probe bei hoher Ortsauflösung tiefenaufgelöst auch unter rauen Umgebungsbedingungen mit verhältnismäßig hoher Genauigkeit verlässlich bestimmbar ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Durch das kollineare Überlagern der Ablationsstrahlung der Ablationsstrahlungsquelle mit der polychromatischen Ausgangsstrahlung der polychromatischen Strahlungsquelle in einem Strahlabschnitt unmittelbar vor einer Probe mit der Maßgabe, dass die lateralen Dimensionen der fokussierten Ablationsstrahlung im Auftreffbereich auf die Probe größer als die lateralen Dimensionen der fokussierten polychromatischen Ausgangsstrahlung sind lässt sich nunmehr die stoffliche Zusammensetzung der Probe tiefenaufgelöst und bei hoher Ortsauflösung verlässlich dadurch bestimmen, dass die mit der Fokussieroptik chromatisch dispersiv abgebildete und an dem Grund einer von der Ablationsstrahlung erzeugten kraterartigen Struktur rückgeworfene polychromatische Ausgangsstrahlung spektral diskriminierbar und mit der Spektralkomponentenbestimmungseinheit direkt analysierbar ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung ergibt sich ein mechanisch robuster und einfacher Aufbau, der einen Einsatz beispielsweise bei der Überwachung eines industriellen Fertigungsprozesses beim Beschichten einer Probe zulässt.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung mit Bezug auf die Figuren der Zeichnung.
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Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die einen einer Fokussieroptik vorgelagerten Strahlungsteiler aufweist,
- 2 in einer schematischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die einen einer Fokussieroptik nachgeordneten Strahlungsteiler aufweist,
- 3 in einer schematischen Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem dichroitischen Strahlteiler in der Anordnung entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel mit der zusätzlichen Möglichkeit einer Referenzmessung,
- 4 in einer schematischen Darstellung ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Spiegel, der einer Fokussieroptik nachgeordnet ist,
- 5 in einer schematischen Darstellung eine Weiterbildung des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels mit integrierter Referenzmessung,
- 6 in einer schematischen Darstellung eine Abwandlung des in 5 dargestellten Ausführungsbeispiels in Freistrahltechnik und
- 7 in einer schematischen Darstellung eine Abwandlung des in 6 dargestellten Ausführungsbeispiels.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die über eine Abstandsmesseinheit mit einer hochintensiven Weißlichtquelle 103 als eine Ausführung einer polychromatischer Strahlungsquelle verfügt, mit der polychromatische Ausgangsstrahlung 106 erzeugbar ist, deren Wellenlängenanteile sich über einen Bereich von typischerweise wenigstens 100 Nanometer erstrecken.
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Weitere Ausführungen einer polychromatischen Strahlungsquelle stellen verhältnismäßig breitbandige kontinuierliche Strahlungsquellen, die gegenüber einer Weißlichtquelle 103 jedoch schmalbandiger sind, oder eine Anzahl von verhältnismäßig schmalbandigen einzelnen Strahlungselementen mit jeweils verschiedenen, zusammengesetzt jedoch ein quasikontinuierliches Spektrum bildenden Zentralwellenlängen dar.
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Die polychromatische Ausgangsstrahlung 106 ist einer ersten Lichtleitfaser 109 einspeisbar, wobei die polychromatische Ausgangsstrahlung 106 nach Austritt aus der ersten Lichtleitfaser 109 einen dichroitischen Strahlteiler 112 beaufschlagt, im Wesentlichen nicht abgelenkt durch den dichroitischen Strahlteiler 112 durchtritt, weiterhin durch eine dem dichroitischen Strahlteiler 112 nachgeordnete Fokussieroptik 115 der Abstandsmesseinheit durchtritt und durch die Fokussieroptik 115 fokussiert eine Oberfläche 118 einer Probe 121 beaufsch lagt.
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Die Fokussieroptik 115 weist eine chromatisch dispersive Abbildungscharakteristik auf, so dass die polychromatische Ausgangsstrahlung 106 der Weißlichtquelle 103 nach Durchtritt durch die Fokussieroptik 115 in axialer Richtung einer optischen Achse der Fokussieroptik 115 spektral derart zerlegt ist, dass die verschiedenen Spektralkomponenten der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 in unterschiedlichen Abständen von der Fokussieroptik 115 spektralanteilsabhängig fokussiert werden.
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Von der Probe 121 rückgeworfene polychromatische Ausgangsstrahlung 106 beaufschlagt nach Durchtritt durch die Fokussieroptik 115 und durch den dichroitischen Strahlteiler 112 das dem dichroitischen Strahlteiler 112 zugewandte Ende der ersten Lichtleitfaser 109. Nach Passieren einer in der ersten Lichtleitfaser 109 integrierten Y-Weiche 124 tritt die rückgeworfene polychromatische Ausgangsstrahlung in eine zweite Lichtleitfaser 127 ein, deren der Y-Weiche 124 zugewandtes Ende einem Spektrometer 130 einer chromatisch diskriminierenden Spektralkomponentenbestimmungseinheit einspeisbar ist.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist weiterhin mit einem Laser 133 als Ablationsstrahlungsquelle ausgestattet, mit dem gegenüber der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 hochintensive gepulste Ablationsstrahlung 136 erzeugbar ist. Die Ablationsstrahlung 136 beaufschlagt eine dem Laser 133 nachgeordnete, bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 mit Konkavlinsen zum Zerstreuen ausgestattete Strahlformoptik 139, mit der die Ablationsstrahlung 136 des Lasers 133 aufweitbar ist. Nach Durchtritt durch die Strahlformoptik 139 beaufschlagt die aufgeweitete Ablationsstrahlung 136 mit verhältnismäßig geringer Energiedichte den dichroitischen Strahlteiler 112, der bei diesem Ausführungsbeispiel die Ablationsstrahlung 136 ablenkt und in einem Strahlungsabschnitt unmittelbar vor der Probe 121 kollinear mit der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 überlagert. Nach Reflexion an dem dichroitischen Strahlteiler 112 und Durchtritt durch die Fokussieroptik 115 beaufschlagt die Ablationsstrahlung 136 ebenfalls die Oberfläche 118 der Probe 121, wobei durch die hohe zeitliche und räumliche Energiedichte der Ablationsstrahlung 136 an der Oberfläche 118 ein Plasma 142 erzeugbar ist.
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Von dem Plasma 142 erzeugte, für die stoffliche Zusammensetzung der Probe 121 im Bereich des Fokus der Ablationsstrahlung 136 charakteristische Plasmastrahlung 145 ist als Stoffbestimmungsstrahlung bei diesem Ausführungsbeispiel über einen Toroidspiegel 148 als Sammeloptik gebündelt einem Ende einer dritten Lichtleitfaser 151 einspeisbar, mit der ein Anteil der Plasmastrahlung 145 dem Spektrometer 130 als Bestandteil eines Spektralanalysators zum Bestimmen der spektralen Zusammensetzung der Plasmastrahlung 145 einspeisbar ist.
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Im Betrieb des voranstehend erläuterten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt an der Oberfläche 118 der Probe 121 durch das Einwirken der gepulsten hochintensiven Ablationsstrahlung 136 ein Abtrag von Probenmaterial unter Ausbilden einer kraterartigen Struktur, deren Grund von der in axialer Richtung durch die chromatisch dispersive Abbildungscharakteristik der Fokussieroptik 115 spektral zerlegte polychromatische Ausgangsstrahlung 106 beaufschlagt wird. Von dem Grund der kraterartigen Struktur rückgeworfene Anteile der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 weisen daher eine besonders hohe Intensität des Spektralanteiles auf, dessen Fokus am Grund der kraterartigen Struktur liegt, so dass über ein Bestimmen dieses hochintensiv rückgeworfenen Spektralanteils der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 in dem Spektrometer 130 bei bekanntem Abstand der Fokussieroptik 115 von der Oberfläche 118 der Probe 121 die Tiefe der kraterartigen Struktur in Bezug auf die Oberfläche 118 der Probe 121 und damit die stoffliche Zusammensetzung des Plasmas 142 tiefenaufgelöst bestimmbar ist.
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Zweckmäßigerweise verfügt das Ausführungsbeispiel gemäß 1 über eine Zeittorschaltung 154, die mit der Weißlichtquelle 103 und dem Laser 133 verbunden und dazu eingerichtet ist, die Weißlichtquelle 103 und den Laser 133 abwechselnd zum Aussenden von polychromatische Ausgangsstrahlung 106 beziehungsweise Ablationsstrahlung 136 anzusteuern. Dadurch ist sichergestellt, dass zum Vermeiden von spektralen Überlagerungen jeweils nur Strahlungsanteile der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 beziehungsweise durch die Ablationsstrahlung 136 erzeugter Plasmastrahlung 145 das Spektrometer 130 beaufschlagt.
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Der Aufbau des Ausführungsbeispiels gemäß 1 gestattet einen verhältnismäßig geringen Arbeitsabstand von der Probe 121, was zu einer verhältnismäßig hohen Tiefenauflösung führt.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei sich bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 und bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und zum Vermeiden von Wiederholungen im Weiteren zum Teil nicht nochmals näher erläutert sind. Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 zum einen dadurch, dass der dichroitische Strahlteiler 112 der Fokussieroptik 115 in Ausbreitungsrichtung der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 und der Ablationsstrahlung 136 nachgeordnet, also zwischen der Fokussieroptik 115 und der Probe 121 angeordnet, ist, so dass das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 2 gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 eine kompaktere Bauweise aufweist. Zum anderen ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 die Strahlformoptik 139 fokussierend ausgebildet, da der dichroitische Strahlteiler 112 die Ablationsstrahlung 136 direkt auf die Probe 121 lenkt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die Beschichtung der Fokussieroptik 115 verhältnismäßig unproblematisch durchzuführen, da sie nicht für die relativ hohen Strahlungsintensitäten der Ablationsstrahlung 136 ausgelegt sein muss.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer simultanen Referenzmessung frei von relativ zueinander zu bewegenden Teilen, die zweckmäßigerweise insbesondere bei bewegten Proben 121 zum Einsatz kommt, wobei sich bei den voranstehend erläuterten Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 sowie bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 3 einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und zum Vermeiden von Wiederholungen im Weiteren zum Teil nicht nochmals näher erläutert sind. Das dritte Ausführungsbeispiel gemäß 3 baut auf dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 auf und weist zusätzlich zu dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 einen Lichtleitfaserarmabschnitt 303 als Versatzoptik auf, der von einer X-Weiche 306 als ein Ausführungsbeispiel eines optischen Elementes wie hier ein Faserkoppler zum Überlagern und Aufteilen von Strahlung ausgeht, die in der ersten Lichtleitfaser 109 integriert ist.
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Aus 3 ist gut ersichtlich, dass gemäß der Erfindung die lateralen Dimensionen der fokussierten Ablationsstrahlung 136 im Auftreffbereich auf die Probe 121 größer, zweckmäßigerweise um ein Mehrfaches größer, als die lateralen Dimensionen der fokussierten polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 sind, um eine zuverlässige Tiefenbestimmung der kraterartigen Struktur 315 zu erzielen.
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Das der X-Weiche 306 abgewandte Ende des Lichtleitfaserarmabschnittes 303 ist seitlich von dem Ende des Hauptabschnittes 309 der ersten Lichtleitfaser 109 beabstandet, der auf der optischen Achse der Fokussieroptik 115 liegt. Aus dem Lichtleitfaserarmabschnitt 303 tritt somit ebenfalls polychromatische Ausgangsstrahlung 106 aus, die von der Weißlichtquelle 103 erzeugbar ist, durchtritt a-zentrisch die Fokussieroptik 115 und beaufschlagt nach Durchlaufen eines winklig zu dem kollinearen Strahlungsabschnitt ausgerichteten Referenzabschnitts die Oberfläche 118 der Probe 121 in einem Referenzbereich 312, der gegenüber den lateralen Dimensionen der kraterartigen Struktur 315 kleiner ist und typischerweise einige Durchmesser der kraterartigen Struktur 315 seitlich neben der in 3 schematisch dargestellten kraterartigen Struktur 315 liegt, aus der heraus das Plasma 142 erzeugt wird.
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Weiterhin liegen die Enden des Lichtleitfaserarmabschnittes 303 und des Hauptabschnittes 309 in einer Richtung normal zu der Oberfläche 118 der Probe 121 in unterschiedlichen Abständen zu der Oberfläche 118, so dass aufgrund der Lochblendenwirkung der Enden des Lichtleitfaserarmabschnittes 303 und des Hauptabschnittes 309 unterschiedliche spektrale Anteile auf die Probe 121 abgebildet werden, die somit in dem Spektrometer 130 spektral getrennt und gleichzeitig analysierbar sind.
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Der aus dem Referenzbereich 312 rückgeworfene Anteil der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 beaufschlagt ebenfalls das Spektrometer 130, so dass durch Vergleich der Spektralkomponenten höchster Intensität der von dem Grund 318 der kraterartigen Struktur 315 und als Referenz von dem Referenzbereich 312 rückgeworfenen Anteile der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 eine Störungen wie Vibrationen, mechanisches Driften oder thermische Effekte reduzierende direkte Bestimmung der Tiefe der kraterartigen Struktur 315 gegenüber der Oberfläche 118 der Probe 121 geschaffen ist.
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Zweckmäßigerweise ist die chromatisch dispersive Abbildungscharakteristik der Fokussieroptik 115 so eingerichtet, dass bereits bei einer verhältnismäßig geringen Tiefe des Grundes 318 der kraterartigen Struktur 315 in Bezug auf die Oberfläche 118 der Probe 121 die maximalen Intensitäten der jeweils rückgeworfenen Spektralanteile der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 so unterschiedlich sind, dass sie durch das Spektrometer 130 auflösbar sind.
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4 zeigt in einer schematischen Darstellung ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei sich bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 3 und bei dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß 4 einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und zum Vermeiden von Wiederholungen zum Teil nicht nochmals näher erläutert sind. Das vierte Ausführungsbeispiel gemäß 4 unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 dadurch, dass anstatt eines dichroitischen Strahlteilers 112 der Fokussieroptik 115 nachgeordnet ein verhältnismäßig kleinflächiger Totalreflexionsspiegel 403 angeordnet ist, mit dem die Ablationsstrahlung 136 der Ablationsstrahlungsquelle 133 auf die Oberfläche 118 der Probe 121 ablenkbar ist. Dies hat bei hinreichender Intensität der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 unter Inkaufnahme einer gewissen Abschattung durch den Totalreflexionsspiegel 403 den Vorteil, dass zum einen ein Überlappen im Spektralbereich der Ablationsstrahlung 136 und der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 tolerabel ist und der dichroitische Strahlteiler 112 oder/und die Fokussieroptik 115 nicht den verhältnismäßig hohen Intensitäten der Ablationsstrahlung 136 ausgesetzt ist beziehungsweise sind.
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5 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Weiterbildung des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels mit integrierter Referenzmessung, wobei sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 und bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und zum Vermeiden von Wiederholungen im Weiteren zum Teil nicht nochmals näher erläutert sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind die Fokussieroptik 115, der Lichtleitfaserarmabschnitt 303 und der Hauptabschnitt 309, die auf der der Fokussieroptik 115 zugewandten Seite der X-Weiche 306 liegen, in eine Autofokuseinheit 503 integriert. Die Autofokuseinheit 503 ist in einer Richtung rechtwinklig zu der Probe 121 versetzbar, um den Arbeitsbereich der Tiefenmessung in Bezug auf die Probe 121 anzupassen. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass mit Versetzen der Autofokuseinheit 503 derart, dass der das Spektrometer 130 beaufschlagende Anteil der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 zu Beginn einer Messung im kurzweiligen Spektralbereich der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 liegt, sichergestellt ist, dass mit zunehmendem Abstand des Grundes 318 der kraterartigen Struktur 315 von der Oberfläche 118 der Probe 121 und einer damit einhergehenden Verschiebung des das Spektrometer 130 beaufschlagende Anteils der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 in den langwelligeren Bereich verlässlich eine kontinuierliche Tiefenmessung stattfindet.
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6 stellt in einer schematischen Darstellung eine Abwandlung des in 5 dargestellten Ausführungsbeispiels in Freistrahltechnik dar, wobei sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 und bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und zum Vermeiden von Wiederholungen im Weiteren zum Teil nicht nochmals näher erläutert sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 kommen als Ersatz für die Lichtleitfasern 109, 127 sowie die X-Weiche 306 mit dem Lichtleitfaserarmabschnitt 303 und dem Hauptabschnitt 309 Freistrahloptiken zum Einsatz.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 weisen die Freistrahloptiken einen Strahlteilerwürfel 603 als Beispiel eines Strahlteilers auf, mit dem die polychromatische Ausgangsstrahlung 106 in Richtung der Probe 121 umlenkbar ist und den von der Probe 121 rückgeworfene Anteile 606 der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 passieren, die über einen Einkoppelspiegel 609 als weiterem Element der Freistrahloptiken dem Spektrometer 130 einspeisbar sind.
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Weiterhin weisen die Freistrahloptiken einen Umlenkspiegel 612 auf, mit dem der den Strahlteilerwürfel 603 passierende Anteil der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 in Richtung der Probe 121 umlenkbar ist.
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Der von dem Strahlteilerwürfel 603 abgelenkte Teil der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 ist über eine Tiefenfokussierlinse 615 und über eine der Tiefenfokussierlinse 615 nachgeordneten Tiefenlochblende 618 als weiteren Elementen der Freistrahloptiken der Fokussieroptik 115 zuführbar. Mit einer dem Umlenkspiegel 612 nachgeordneten Referenzfokussierlinse 621 und einer der Referenzfokussierlinse 621 nachgeordneten Referenzlochblende 624 als weiteren Elementen der Freistrahloptiken ist nach Durchtritt des entsprechenden Teils der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 durch die Fokussieroptik 115 durch deren seitlichen Versatz und ein schräges Ausrichten der optischen Achse des Umlenkspiegel 612 und/oder der Referenzfokussierlinse 621 entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 auf der Oberfläche 118 der Probe 121 ein neben der kraterartigen Struktur 315 liegender Referenzbereich 312 mit polychromatischer Ausgangsstrahlung 106 beaufschlagt.
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Nach Zuführen des von dem Referenzbereich 312 rückgeworfenen Anteils der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 über die Referenzfokussierlinse 621, den Umlenkspiegel 612, den Strahlteilerwürfel 603 und den Einkoppelspiegel 609 in das Spektrometer 130 lässt sich entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 die Tiefe des Grundes 318 der kraterartigen Struktur 315 in Bezug auf die Oberfläche 118 der Probe 121 über die spektrale Differenz der jeweils rückgeworfenen Anteile der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 bestimmen.
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Entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind die Tiefenlochblende 618 und die Referenzlochblende 624 in einer Richtung normal zu der Oberfläche 118 der Probe 121 in unterschiedlichen Abständen zu der Oberfläche 118, so dass unterschiedliche spektrale Anteile auf die Probe 121 abgebildet werden, die somit in dem Spektrometer 130 spektral getrennt und gleichzeitig analysierbar sind.
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Entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind zum Kalibrieren zu Beginn einer Messung die Tiefenfokussierlinse 615, die Tiefenlochblende 618, die Referenzfokussierlinse 621 und die Referenzlochblende 624 rechtwinklig zu der Oberfläche 118 der Probe 121 bewegbar.
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7 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Abwandlung des in 6 dargestellten Ausführungsbeispiels, wobei sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 und bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und zum Vermeiden von Wiederholungen im Weiteren zum Teil nicht nochmals näher erläutert sind. Abweichend von dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist das Ausführungsbeispiel gemäß 7 mit einer der Tiefenfokussierlinse 615 nachgeordneten Tiefenfokussieroptik 703 und mit einer der Referenzfokussierlinse 621 nachgeordneten Referenzfokussieroptik 706 der Freistrahloptiken ausgestattet, wobei die optischen Achsen der Tiefenfokussierlinse 615 und der Referenzfokussierlinse 621 parallel, aber seitlich versetzt zueinander ausgerichtet sind. Dadurch ergibt sich ein verhältnismäßig einfach zu justierender Strahlengang.
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Die Ausführungsbeispiele mit Referenzmessung gemäß 3, 5, 6 und 7 zeichnen sich insbesondere bei bewegten Proben 121 durch eine simultane Messung der Tiefe der kraterartigen Struktur 315 in Bezug auf den Referenzbereich 312 an der Oberfläche 118 der Probe 121 aus.
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Die Ausführungsbeispiele mit Faseroptiken gemäß 1 bis 5 bieten sich unter Einsatzbedingungen an, bei denen es auf flexible und einfach zu bewerkstelligende Aufbaumöglichkeiten insbesondere auch über größere Entfernungen mit relativ wenigen zu justierenden Komponenten, wie beispielsweise das Realisieren der Funktion von Lochblenden durch den Kerndurchmesser der Faseroptiken, ankommt, während die Ausführungsbeispiele mit Freistrahloptiken gemäß 6 und 7 ihren Einsatz bevorzugt unter Randbedingungen finden, bei denen Einkoppelverluste und/oder Dämpfung wie beispielsweise bei Verwendung von Strahlung im ultravioletten Spektralbereich zu minimieren sind.
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Bei einer weiteren nicht dargestellten Abwandlung weist die Sammeloptik anstatt des Toroidspiegels 148 ein Linsensystem auf.
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Die Dauer der Pulse der Ablationsstrahlung 136 liegt für höchste Genauigkeit im Femtosekundenbereich oder für hohe Genauigkeit auch im Pikosekundenbereich, um bei aufgrund der Kürze der Pulse nicht auftretenden thermischen Effekten mit einer geringen Abtragstiefe pro Puls und damit einer verhältnismäßig hohen Tiefenauflösung eine qualitativ hochwertige kraterartige Struktur 315 mit einem definierten Grund 318 zu erhalten. Aufgrund der Verfügbarkeit von Lasern 133 mit Pulsdauern im Pikosekundenbereich als Industriestandard ist im Pikosekundenbereich ein guter Kompromiss zwischen guter Tiefenauflösung und Kosten beim Arbeiten mit verhältnismäßig dünnen Proben 121 oder Proben 121 mit beispielsweise relativ dünnen Schichten erzielt.
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Grundsätzlich können die Pulsdauern jedoch auch im Nanosekundenbereich liegen, wobei sich entsprechend eingerichtete Laser 133 durch relativ geringe Kosten auszeichnen, die dann von Bedeutung sind, falls eine verhältnismäßig geringe Tiefenauflösung aufgrund relativ hoher Abtragsraten und thermischer Ablation noch akzeptabel sind.
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Mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind Tiefenauflösungen von weniger als 100 Nanometer erreichbar, wobei eine für praktische Anwendungen noch vertretbare Obergrenze bei etwa 10 Mikrometer liegt.
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Bei der Auswertung der rückgeworfenen Spektralanteile der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 kommen Verfahren mit Schwerpunktbildung, Fitting- oder Fourierfilterung zum Einsatz. Die Auswertung der Spektralanteile der Plasmastrahlung 145 setzt beispielsweise „Principal Components Analysis (PCA)“ ein.
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Typischerweise beträgt der Arbeitsabstand der Fokussieroptik 115 etwa 5 Zentimeter oder mehr. Typische Messraten liegen bei mehr als 1 Hertz, bevorzugt höher als 10 Hertz.
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Typischerweise läuft ein Meßzyklus wie nachfolgend erläutert ab.
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Zu Beginn erfolgt eine Abstandsmessung zu der noch unveränderten Oberfläche 118 der Probe 121 über ein spektrales Bestimmen der von der polychromatischen Ausgangsstrahlung 106 in das Spektrometer 130 eingekoppelten Anteile zum Bestimmen eines ersten Abstandswertes. Anschließend erfolgt eine Ablation mittels der Ablationsstrahlung 136 und eine Analyse der Spektralkomponenten der Plasmastrahlung 145 in dem Spektrometer 130 zum Bestimmen der stofflichen Zusammensetzung des bei dieser Ablation erzeugten Plasmas 142. Anschließend erfolgt wie oben beschrieben ein Bestimmen eines zweiten Abstandswertes, so dass die stoffliche Zusammensetzung des Plasmas 142 einem bestimmten Dickenbereich der Probe 121 zuzuordnen ist.
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Anschließend wird diese Prozedur beginnend mit dem zweiten Abstandswert als neuem ersten Abstandswert wiederholt, bis der Meßzyklus abgeschlossen und die stoffliche Zusammensetzung der Probe 121 in einem vorbestimmten Dickenbereich bestimmt ist.
