elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum zeitaufgelösten Erfassen gepulster elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung mit einem Generator, wobei der Generator derart einge- richtet ist, dass der Generator in einem Betrieb der Vorrichtung Impulse elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung erzeugt, und einem Detektor, wobei der Detektor derart eingerichtet und angeordnet ist, dass der Detektor in dem Betrieb der Vorrichtung die Feldstärke oder die Intensität der von einer Probe reflektierten Impulse als Funktion der Zeit erfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum zeitaufgelösten Erfassen gepulster elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung mit den Schritten: Erzeugen von Impulsen elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung mit einem Generator, Bestrahlen einer Probe mit den Impulsen und Erfassen der Feldstärke der von der Probe reflektierten Impulse als Funktion der Zeit mit einem Detektor.

Seit geraumer Zeit werden Terahertz-Zeitbereichsspektrometer als Anrege-Abfrage-Messverfah- ren eingesetzt. Ein erzeugter elektromagnetischer Impuls im Terahertz-Frequenzbereich wird nach Durchlaufen einer Probe oder nach Reflexion an einer Probe in einem Detektor mit Hilfe eines optischen Impulses abgetastet. Dabei macht man sich zunutze, dass der optische Impuls zur Ab- tastung zeitlich deutlich kürzer ist als der Impuls der elektromagnetischen Strahlung im Terahertz- Frequenzbereich. Mit Hilfe dieses Messverfahrens wird das elektrische oder magnetische Feld der elektromagnetischen Terahertz-Impulse zeitaufgelöst erfasst. Aus der so erfassten Funktion der Feldstärke von der Zeit lassen sich insbesondere durch Fourier-Transformation Frequenzbereichsdaten errechnen, aber auch Informationen bspw. über Schichtdicken einer Mehrschichtprobe er- halten.

Dieses abtastende Messverfahren liefert brauchbare Messergebnisse solange der Zeitversatz zwischen dem abtastenden optischen Impuls und dem Terahertz-Impuls durch die Messapparatur wohldefiniert ist und keinen Störungen unterliegt. Ändert sich der Zeitversatz zwischen den abtas- tenden optischen Impulsen und den Terahertz-Impulsen durch mechanische Störeinflüsse während der Abtastung, so liefert dieses Verfahren eine verzerrte Funktion der Feldstärke des Tera- hertz-lmpulses von der Zeit, das Spektrum des Impulses wird verfälscht und die Messung wird unbrauchbar. Insbesondere in industriellen Umgebungen und bei robotergestützten Messungen sind mechanische Schwingungen jedoch kaum vermeidbar, was zu hohen Anforderungen an die mechanische Stabilität und ggf. mechanische Entkopplung des Messsystems führt. Ein Ansatz, den Einfluss mechanischer Störungen zu reduzieren liegt in der Erhöhung der Messrate pro Abtastvorgang für einen Impuls. Die innerhalb einer Messung auftretende Störung ist relativ gesehen umso kleiner, je höher die Messrate ist. Allerdings ist die maximal mögliche Abtastoder Messrate für ein Terahertz-Zeitbereichsspektrometer durch die verwendeten Verzögerungseinrichtungen beschränkt. Zudem liefert die Erhöhung der Messrate keine fundamentale Lösung des Problems, sondern lindert dieses nur auf die Weise, dass Störungen in einen tieferen Frequenzbereich transformiert werden.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum zeitaufgelösten Erfassen gepulster elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung bereitzustellen, wel- che die Einflüsse durch mechanische Störungen auf die Messung reduzieren.

Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird durch eine Vorrichtung zum zeitaufgelösten Erfassen gepulster elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung gelöst mit einem Generator, wobei der Generator derart eingerichtet ist, dass der Generator in einem Betrieb der Vorrichtung Im- pulse elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung erzeugt, und einem Detektor, wobei der Detektor derart eingerichtet und angeordnet ist, dass der Detektor in dem Betrieb der Vorrichtung die Feldstärke der von einer Probe reflektierten Impulse als Funktion der Zeit erfasst, wobei die Vorrichtung darüber hinaus ein Abstandsmesssystem und eine mit dem Detektor und dem Abstands- messsystem verbundene Auswerteeinrichtung aufweist, wobei das Abstandsmesssystem derart eingerichtet und angeordnet ist, dass das Abstandsmesssystem in dem Betrieb der Vorrichtung eine Änderung eines Abstands zwischen dem Generator und der Probe und/oder zwischen der Probe und dem Detektor als Funktion der Zeit erfasst, und wobei die Auswerteeinrichtung derart eingerichtet ist, dass die Auswerteeinrichtung aus der erfassten Funktion der Feldstärke von der Zeit und der erfassten Funktion der Änderung des Abstands von der Zeit eine korrigierte Funktion der Feldstärke von der Zeit berechnet.

Entscheidend für die vorliegende Erfindung ist, dass unabhängig von dem Generator und dem Detektor für die Impulse der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung, d.h. insbesondere unabhängig von dem Terahertz-Zeitbereichsspektrometer, Änderungen des Abstands zwischen dem Generator und der Probe und/oder zwischen der Probe und dem Detektor als Funktion der Zeit erfasst werden. Auf diese Weise kann die Zeitbasis der erfassten Feldstärke der Impulse der Hochfrequenzstrahlung derart korrigiert werden, dass sie nur von der von der Vorrichtung vorgegebenen Zeitbasis abhängt. Zu diesem Zweck müssen der Generator und der Detektor für die Hochfrequenzstrahlung einerseits und das Abstandsmesssystem andererseits voneinander getrennte und unabhängige Messsysteme sein.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Abstandsmesssystem ein Interferometer oder ein Radarsystem. In einer Ausführungsform weist ein optisches Interferometer als Abstandsmesssystem im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Genauigkeit im Bereich von 10 μιη oder besser auf. In einer Ausführungsform hat das Abstandsmesssystem eine Abtastrate von 0,5 MHz oder mehr.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist keine Bestimmung des absoluten Abstands zwischen dem Generator und der Probe und/oder zwischen der Probe und dem Detektor erforderlich. Vielmehr gilt es Änderungen dieses Abstands zu erfassen.

Daher ist in einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Bestimmung der Änderung des Abstands mithilfe eines Interferometers oder eines Radarsystems erfolgt, keine Bestimmung des absoluten Abstandes erforderlich.

In einer Ausführungsform der Erfindung liegt die Frequenz der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung in einem Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 THz, vorzugsweise von 100 GHz bis 5 THz. Dieser Frequenzbereich wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung als Terahertz-Fre- quenzbereich bezeichnet.

Es versteht sich, dass dabei die Impulse der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung nicht monofrequent sind, sondern in Abhängigkeit von der Impulsdauer eine endliche spektrale Bandbreite aufweisen.

Während es grundsätzlich möglich ist, mit einem Detektor für die Impulse der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung die elektrische oder die magnetische Feldstärke zeitaufgelöst zu erfassen, wird es für die meisten Ausführungsformen der Erfindung zweckmäßig sein, die Feldstärke des elektrischen Feldes zu erfassen.

In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein Zeitbereichsspektrometer, wobei der Generator für die Impulse der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung und der Detek- tor für die Impulse der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung Bestandteile dieses Zeitbe- reichsspektrometers sind. Zudem umfasst das Zeitbereichsspektrometer eine Kurzpulslaserquelle, die derart eingerichtet ist, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung impulsförmige optische elektromagnetische Strahlung erzeugt. Diese kurzen optischen Impulse dienen dann dazu, den Generator zu treiben und den Detektor zu schalten.

Derartige Generatoren und Detektoren für elektromagnetische Strahlung im Terahertz-Frequenz- bereich, welche von elektromagnetischen Impulsen getrieben oder von diesen geschaltet werden, sind insbesondere nicht-lineare optische Kristalle, sog. photokonduktive oder photoleitfähige Schalter auf Basis von Halbleiterbauelementen und spintronische auf einer Vielzahl von metallischen Schichten beruhende Generatoren und Detektoren.

Bei der Verwendung eines photokonduktiven Schalters, ggf. in Kombination mit jeweils einer daran angeschlossenen Antenne, bewirkt das Auftreffen eines kurzen elektromagnetischen Impulses auf den photoleitfahigen Schalter bei einer entsprechenden elektrischen Vorspannung des Schalters einen kurzzeitigen Stromfluss in dem Bauteil und somit die Abstrahlung elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung. Der elektromagnetische Impuls auf der Detektorseite dient demgegenüber dazu, den Detektor mithilfe des photokonduktiven Schalters kurzzeitig zu schalten und so das elektrische Feld der gleichzeitig auf den Detektor auftreffenden elektromagnetischen Hochfre- quenzstrahlung messbar zu machen.

Misst man an den Zuleitungen des photokonduktiven Schalters des Detektors einen Strom, so lässt sich das Feld der elektromagnetischen Terahertz-Strahlung, welches auf das Hochfrequenzbauteil auftrifft, zeitaufgelöst erfassen. Das elektrische Feld der auf den Detektor auftreffenden elektro- magnetischen Terahertz-Strahlung treibt dabei Ladungsträger in Längsrichtung über den Schalter. Ein Stromfluss ist nur dann möglich, wenn gleichzeitig der photokonduktive Schalter geschlossen ist, d.h. der Schalter mit der ersten elektromagnetischen Strahlung bestrahlt wird.

Ist ein zum Schalten oder Gaten des photokonduktiven Schalters des Detektors verwendeter elekt- romagnetischer Impuls kurz gegenüber dem Zeitverlauf des elektrischen Feldes des von dem Detektor empfangenen Impulses im Terahertz-Frequenzbereich, so lässt sich das elektrische Feld des Terahertz-Signals zeitaufgelöst abtasten bzw. messen.

Dazu wird ein Zeitversatz zwischen den auf den Detektor auftreffenden Terahertz-Impulsen und den zum Schalten des Detektors verwendeten elektromagnetischen Impulsen eingeführt und während der Messung variiert. Es versteht sich, dass das Terahertz-Zeitbereichsspektrometer in einer Ausführungsform mit einem photokonduktiven Schalter als Detektor einen geeigneten Strom- oder Spannungsverstärker aufweist, welcher einerseits zum Erfassen der Ströme über den Schalter des Detektors mit diesem und andererseits mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist.

In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Strahlteilereinrichtung auf, der derart eingerichtet und angeordnet ist, dass sie in einem Betrieb der Vorrichtung einen ersten Teil der optischen Impulse auf den Generator und einen zweiten Teil der optischen Impulses auf den Detektor leitet. In einer Ausführungsform ist eine solche Strahlteilereinrichtung ein Strahlteiler, beispielsweise ein Faserschmelzkoppler. In einer Ausführungsform ist eine solche Strahlteilereinrichtung durch eine Laserquelle realisiert, welche die optischen Impulse für Generator und Detektor derart erzeugt, dass sie bereits in räumlich getrennten Strahlpfaden bereitgestellt werden.

Zudem weist die Vorrichtung in einer Ausführungsform eine Verzögerungseinrichtung auf, die der- art eingerichtet ist, dass mit der Verzögerungseinrichtung in dem Betrieb der Vorrichtung eine zeitliche Verzögerung zwischen dem Auftreffen der Hochfrequenz-Impulse und der optischen Impulse auf dem Detektor einstellbar veränderbar ist. Dabei ist die Verzögerungseinrichtung weiterhin mit der Auswerteeinrichtung verbunden, wobei die Auswerteeinrichtung derart eingerichtet ist, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung die Verzögerungseinrichtung und damit die zeitliche Verzöge- rung zwischen Hochfrequenz-Impuls und optischen Impuls auf dem Detektor steuert.

Die Verzögerungseinrichtung gibt in dieser Ausführungsform die Zeitbasis für die erfasste Funktion der Feldstärke von der Zeit vor. Diese Zeitbasis erfordert jedoch nur dann keine Korrektur, wenn die tatsächliche Verzögerung zwischen der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung und der optischen Strahlung auf dem Detektor keinen anderen Einflüssen unterliegt als der von der Verzögerungseinrichtung vorgegebenen zeitlichen Variation. Ändert sich aber bspw. durch mechanische Erschütterungen der Abstand zwischen dem Generator und der Probe und/oder zwischen der Probe dem Detektor, so wird die von der Verzögerungseinrichtung vorgegebenen Zeitbasis verfälscht.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es nun, diese Zeitbasis zu korrigieren, indem das Abstands- messsystem Abstandsänderung zwischen dem Generator und der Probe und/oder zwischen der Probe und dem Detektor als Funktion der Zeit erfasst. In der Auswerteeinrichtung wird dann aus der erfassten Funktion der Feldstärke von der Zeit und der erfassten Funktion der Änderung des Abstands von der Zeit eine korrigierte Funktion der Feldstärke von der Zeit berechnet.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung ein entsprechend programmierter Rechner oder Mikroprozessor mit den notwendigen Schnittstellen. Die Schnittstellen dienen in einer Ausführungsform dazu, die Feldstärke der Hochfrequenzstrahlung zu erfassen, die Änderung des Abstands zwischen Generator und Probe und/oder zwischen Probe und Detektor als Funktion der Zeit zu erfassen und die korrigierte Funktion der Feldstärke von der Zeit zu berechnen. Dazu ist die Auswerteeinrichtung in einer Ausführungsform über eine Steuerleitung mit der Verzögerungsstrecke, bspw. dem Encoder eines Linearverstellers der Verzögerungsstrecke, verbunden. Darüber hinaus ist die Auswerteeinrichtung in einer Ausführungsform mit dem Detektor für die Hochfrequenzstrahlung verbunden. In einer Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung mit einem Detektor des Abstandsmesssystems verbunden, um die Funktion einer Änderung des Ab- Stands zwischen dem Generator und der Probe und/oder zwischen der Probe und dem Detektor als Funktion der Zeit aufnehmen und auswerten zu können.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung derart eingerichtet, dass sie zum Berechnen der korrigierten Funktion der Feldstärke von der Zeit die erfasste Feldstärke eines Impulses zu jedem Zeitpunkt t zu einem Zeitpunkt V transferiert wird, welcher demjenigen Zeitpunkt entspricht, zu dem die Feldstärke erfasst worden wäre, wenn sich der Abstand zwischen dem Generator und der Probe und/oder zwischen der Probe und dem Detektor während der Abtastung des Impulses nicht geändert hätte. Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird auch durch ein Verfahren zum zeitaufgelösten Erfassen gepulster elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung gelöst mit den Schritten: Erzeugen von Impulsen elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung mit einem Generator, Bestrahlen einer Probe mit den Impulsen, Erfassen der Feldstärke der von der Probe reflektierten Impulse als Funktion der Zeit mit einem Detektor, Erfassen einer Änderung eines Abstands zwischen dem Ge- nerator und der Probe und/oder zwischen der Probe und dem Detektor als Funktion der Zeit mit einem Abstandsmesssystem und Berechnen einer korrigierten Funktion der Feldstärke von der Zeit aus der erfassten Funktion der Feldstärke von der Zeit und der Funktion der Änderung des Abstands von der Zeit. Soweit zuvor Aspekte der Erfindung im Hinblick auf die Vorrichtung zum zeitaufgelösten Erfassen gepulster elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung beschrieben wurden, so gelten diese auch für das entsprechende Verfahren. Soweit das Verfahren mit einer Vorrichtung zum zeitaufgelösten Erfassen gepulster elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung gemäß dieser Erfindung ausgeführt wird, so weist diese die entsprechenden Einrichtungen hierfür auf. Insbesondere sind Ausfüh- rungsformen der Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens geeignet. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die korrigierte Funktion der Feldstärke von der Zeit berechnet, indem die erfasste Feldstärke eines Impulses zu jedem Zeitpunkt t zu einem Zeitpunkt V transferiert wird, welcher demjenigen Zeitpunkt entspricht, zu dem die Feldstärke erfasst worden wäre, wenn sich der Abstand zwischen dem Generator und der Probe und/oder zwischen der Probe und dem Detektor während der Dauer der Abtastung des Impulses nicht geändert hätte.

Wenn zu einem Zeitpunkt t oder um diesen herum keine Änderung des Abstands zwischen dem Generator und der Probe und/oder zwischen der Probe und dem Detektor mit Hilfe des Abstands- messsystems erfasst wird, so verbleibt die Feldstärke diesem Zeitpunkt t zugeordnet, der somit ausschließlich von der von der Verzögerungseinrichtung vorgegebenen Zeitbasis vorgegeben ist. Wird allerdings zu dem Zeitpunkt t eine Änderung des Abstands erfasst, so wird die Feldstärke von dem von der Verzögerungseinrichtung vorgegebenen Zeitpunkt t zu einem Zeitpunkt V transferiert oder verschoben, welcher dem zeitlichen Versatz zwischen optischem Impuls und Hochfrequenz- Impuls auf dem Detektor entspricht wenn keine Änderung des Abstands zwischen dem Generator und der Probe und/oder zwischen der Probe und dem Detektor aufgetreten wäre.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zum Bestimmen von Schichtdicken einer Mehrzahl von N übereinander angeordneten Schichten, wie z.B. Lackschichten, geeignet. Daher weist in einer Ausführungsform der Erfindung die Probe einer Mehrzahl von N übereinander angeordneten Schichten S, in jeweils einer Schichtdicke di auf, wobei / ^' gleich 1,2,3, ..., N, wobei aus der korrigierten Funktion der Feldstärke von der Zeit die Schichtdicken di aller N Schichten bestimmt werden. Zum Bestimmen der Schichtdicken wird die Impulsantwort der Probe, d.h. die von der Probe reflektierte und mit der Probe gewechselwirkte Hochfrequenzstrahlung mit einem Modell gefittet.

Dazu umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung das Bestimmen der Schichtdicken d, die Schritte:

a) Auswählen einer Schichtdicke di, eines Absorptionsindex / , und eines Brechungsindex n, für jede Schicht S,, mit / ^' = 1,2,3, ..., N,

b) Berechnen einer zeitabhängigen Feldstärke EMH) für die von der Probe reflektierte elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung anhand eines Modells, wobei das Modell eine entsprechende Anzahl von N+1 Grenzflächen zwischen einer Messumgebung und der Probe sowie zwischen den einzelnen Schichten jeweils eine zeitabhängige Feldstärke Ej(t), mit j = 0, 1, 2,3, ... ,N, berücksichtigt, wobei die Feldstärke E _s (t) in Abhängigkeit von den Schichtdicken di, den Absorptionsindizes kj und den Brechungsindizes n, zu der zeitabhängigen Feldstärke EMH) addiert werden, c) Vergleichen der berechneten zeitabhängigen Feldstärke E/w fJ mit der korrigierten Funktion der Feldstärke von der Zeit, wobei

d) dann, wenn eine Abweichung Q zwischen der berechneten Feldstärke EMH) und der korrigierten Funktion der Feldstärke größer ist als eine vorbestimmte Toleranz Γ, zumindest die Schicht- dicken d, solange variiert und die Schritte b) bis d) wiederholt werden bis die Abweichung Q kleiner als die Toleranz 7 ^" ist, und

e) Bereitstellen der Schichtdicken di als Ergebnis der Schichtdickenbestimmung.

Dabei werden in einer Ausführungsform in Schritt d) auch die Absorptionsindizes / , und die Bre- chungsindizes n, variiert, um die Schichtdicke zu bestimmen.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Anzahl der Iterationsschritte dadurch reduziert, dass Annahmen über die Dispersion, d.h. die Frequenzabhängigkeit der Absorptionsindizes / , und Brechungsindizes n, innerhalb der Frequenzbandbreite der verwendeten elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung getroffen werden und diese Annahmen in das Berechnen in Schritt b) einfließen.

In einer Ausführungsform weist die in dem Generator erzeugte elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung eine vorgegebene Frequenzbandbreite auf und es wird davon ausgegangen, dass in- nerhalb der vorgegebenen Frequenzbandbreite der Hochfrequenzstrahlung keine Dispersion auftritt, d.h. über die Frequenzbandbreite der verwendeten elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung werden die Absorptionsindizes / , und Brechungsindizes n, beim Berechnen in Schritt b) als konstant angenommenen. In einer dazu alternativen Ausführungsform weist die in dem Generator erzeugte elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung eine vorgegebene Frequenzbandbreite auf und für die Frequenzabhängigkeit der Absorptionsindizes / , und der Brechungsindizes n, über die vorgegebene Frequenzbandbreite wird beim Berechnen in Schritt b) eine einfache, die Abhängigkeit beschreibendes Funktion, z.B. nach Drude-Lorentz, angenommen.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform werden weist die in dem Generator erzeugte elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung eine vorgegebene Frequenzbandbreite auf und die Frequenzabhängigkeiten der Brechungsindizes n, und der Absorptionsindizes / , über die vorgegebene Frequenzbandbreite wird für alle Schichten getrennt vorab in Kalibrationsmessungen erfasst und die so erhaltenen Messwerte werden der Berechnung in Schritt b) zu Grunde gelegt.

In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Erfassen der Änderung des Abstands zwischen dem Generator und der Probe oder zwischen der Probe und dem Detektor als Funktion der Zeit mit einer Messrate von 100 kHz oder mehr, vorzugsweise von 150 kHz oder mehr und besonders bevorzugt von 200 kHz oder mehr.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren deutlich. ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum zeitaufgelösten Erfassen gepulster elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung. ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum zeitaufgelösten Erfassen der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung mit der Vorrichtung aus Figur 1. zeigt eine Schichtdickenmessung an einer Probe mit 3 Schichten ohne die erfindungsgemäße Abstandskorrektur. zeigt das Messergebnis der Schichtdickenbestimmung der Probe mit 3 Schichten aus Figur 3 jedoch mit der erfindungsgemäßen Abstandskorrektur.

In den Figuren sind identische Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.

Figur 1 zeigt ein Terahertz-Zeitbereichsspektrometer 1 1 als Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum zeitaufgelösten Erfassen gepulster elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung im Sinne der vorliegenden Erfindung.

Das Zeitbereichsspektrometer 1 umfasst einen Generator 2 zum Erzeugen der gepulsten elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung 8 und einen Detektor 3 zum Erfassen der elektrischen Feldstärke der von einer Probe 4 reflektierten Impulse als Funktion der Zeit.

Bei der Probe 4 handelt es sich um eine dreischichtige Lackprobe, wobei das Terahertz-Zeitbe- reichsspektrometer 1 1 dazu dient, die Dicken aller drei Schichten der Lackprobe 4 zu bestimmen. Sowohl der Generator 2 als auch der Detektor 3 sind über optische Glasfasern 5, 6 mit einem Femtosekundenlaser als Kurzpulslaserquelle im Sinne der vorliegenden Anmeldung verbunden. Der Femtosekundenlaser ist Teil einer in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 7 versehenen und nur schematisch dargestellten Anordnung. Die von dem Femtosekundenlaser generierten kurzen optischen Impulse werden mithilfe eines ebenfalls in der Anordnung 7 vorgesehenen Faserschmelz- kopplers auf zwei Strahlpfade aufgeteilt, sodass ein Teil der Impulse über die Glasfaser 5 auf den Generator 2 geleitet wird und ein anderer Teil der Impulse über die Glasfaser 6 auf den Detektor 3.

Darüber hinaus ist in der Anordnung 7 eine Verzögerungsstrecke als Verzögerungseinrichtung im Sinne der vorliegenden Anmeldung aus einem einstellbar veränderbaren optischen Weg vorgesehen. Diese dient dazu, die optischen Impulse, die auf den Generator 2 gelangen und diejenigen, die auf den Detektor 3 gelangen gegeneinander zu verzögern, um so eine Abtastung und die zeitlich aufgelöste Erfassung des elektrischen Feldes der von dem Generator 2 generierten und mit der Probe gewechselwirkten Terahertz-Strahlung 8' in dem Detektor 3 zu ermöglichen.

Sowohl bei dem Generator 2 als auch bei dem Detektor 3 handelt es sich um photokonduktive Schalter, welche in Antennen für die Terahertz-Strahlung eingebunden sind. Während die erste Schalter-/Antennenkombination 2 zum Erzeugen der Terahertz-Strahlung 8 verwendet wird, wird die zweite Schalter-/Antennenkombination 3 zur zeitaufgelösten Erfassung der von einer Probe 4 reflektierten Terahertz-Strahlung 8' eingesetzt.

Bei kurzzeitigem Schließen des photokonduktiven Schalters des Generators 2 mithilfe der ultrakurzen optischen Impulse, die durch die Glasfaser 5 auf den Schalter geleitet werden, wird dieser kurzzeitig elektrisch leitend, sodass bei einer entsprechenden Vorspannung ein Stromimpuls durch den Schalter fließt und zur Abstrahlung eines elektromagnetischen Hochfrequenz-Impulses führt. In dem photokonduktiven Schalter, welcher einen Teil des Detektors 3 bildet, führt das elektrische Feld eines auftreffenden Terahertz-Impulses dann zum Treiben von freien Ladungsträgern über den photokonduktiven Schalter, wenn dieser gerade mithilfe eines aus der Glasfaser 6 austretenden optischen Impulses beleuchtet ist. Dann ist über den photokonduktiven Schalter des Detektors 3 ein Strom messbar, welcher proportional zum momentanen elektrischen Feld des Terahertz-Impulses ist. Da der optische Impuls zum Schalten des Detektors 3 zeitlich ungleich kürzer ist als die zeitliche Ausdehnung der Oszillation des elektrischen Feldes des Terahertz-Impulses lässt sich durch ein Verzögern des optischen Impulses gegenüber dem Terahertz-Impuls auf dem photokonduktiven Schalter des Detektors 3 der Terahertz-Impuls zeitaufgelöst abtasten.

Zu diesem Zweck ist der Detektor 3 über einen Messverstärker mit einer Auswerteeinrichtung 9 verbunden. Diese Auswerteeinrichtung 9 übernimmt zudem die Steuerung der Verzögerungsstrecke in der Anordnung 7. Die aktuelle Position der Verzögerungsstrecke gibt dann die Zeitbasis für die Erfassung erfasste Funktion des elektrischen Feldes von der Zeit vor.

In der rechten Hälfte der Figur 1 ist beispielhaft die Zeitabhängigkeit des elektrischen Felds eines von der Probe 4 reflektierten Terahertz-Impulses dargestellt. Gezeigt ist in der mit dem Bezugszeichen 10 versehenen Darstellung die elektrische Feldstärke aufgetragen gegen die Zeit. Der auf diese Weise erhaltene Signalverlauf ist jedoch nur dann der tatsächliche Verlauf des elektrischen Feldes mit der Zeit, wenn sich der Abstand zwischen dem der Probe 4 und dem Detektor 3 nicht gleichzeitig ändert. Andernfalls wird die Zeitbasis durch Änderungen dieses Abstands ver- fälscht, das diese Abstandsänderungen der Zeitbasis in dem Signal 10 nicht berücksichtigt sind. Das Signal 10 ist dann verzerrt.

Erfindungsgemäß wird nun die durch die Verzögerungsstrecke in der Anordnung 7 generierte Zeitbasis mit Hilfe der Schwankungen des Abstands zwischen der Probe und dem Detektor 3 korrigiert. Dazu verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 neben dem Terahertz-Zeitbereichsspektrometer

1 1 über ein Abstandsmesssystem in Form eines optischen Interferometers 12. Das Interferometer

12 dient dazu, Abstandsänderungen zwischen der Probe 4 und dem Detektor 3 mit der gleichen Abtastrate zu erfassen, mit welcher auch das elektrische Feld mithilfe des Terahertz-Zeitbereichs- spektrometers 1 1 erfasst wird.

Die Abstandsänderung der Probe 4 von dem Generator 2 und dem Detektor 3 ist in der rechten Seite der Figur 1 als Funktion der Zeit aufgetragen und mit dem Bezugszeichen 13 versehen. Für die schematische Betrachtung der Figur 1 wird angenommen, dass die Probe 4 um einen Ausgangspunkt herum eine Vibrationsbewegung ausführt, sodass sich der Abstand zwischen der Probe 4 und dem Detektor 3 im Wesentlichen sinusförmig ändert.

Auch diese Funktion der erfassten Abstandsänderung von der Zeit wird in der Auswerteeinrichtung 9 verarbeitet und, wie ebenfalls in der rechten Hälfte der Figur 1 schematisch angedeutet, zur Korrektur der Zeitbasis der erfassten Funktion 10 der Feldstärke von der Zeit verwendet. Als Er- gebnis erhält man dann eine korrigierte Funktion 14 der Feldstärke von der Zeit.

Anhand der Diagramme aus Figur 2 wird nun noch einmal im Detail ausgeführt, wie die Auswerteeinrichtung 9 aus der erfassten Funktion 10 der Feldstärke von der Zeit und der erfassten Funktion 13 der Änderung des Abstands von der Zeit eine korrigierte Funktion 14 der Feldstärke von der Zeit berechnet.

Figur 2 c) zeigt eine Darstellung der von der Verzögerungsstrecke vorgegebenen Wegdifferenz S zwischen dem Terahertz-Impuls und dem optischen Impuls auf dem Detektor 3 gegenüber der Zeit V. Dabei entspricht die von der Verzögerungsstrecke eingefügte Wegdifferenz S einer zeitlichen Verzögerung τ, welche durch die Verzögerungsstrecke laufende elektromagnetische Strahlung gegenüber Strahlung in einem Referenzpfad erfährt. Diese zeitliche Verzögerung τ ist die von der Verzögerungsstrecke für die Messung vorgegebene Zeitbasis. Figur 2 c) geht davon aus, dass die Änderungsrate der Wegdifferenz gegenüber der Zeit konstant ist. Allerdings unterliegt die Wegdifferenz S zwischen dem Terahertz-Impuls und dem optischen Impuls auf dem Detektor 3 zusätzlich Schwankungen aufgrund von Änderungen des Abstands d zwischen der Probe 4 und dem Detektor 3. Figur 2 a) zeigt den Abstand d zwischen der Probe 4 und dem Detektor 3 aufgetragen gegenüber der Zeit t. Deutlich sind die Schwankungen des Abstands zu erkennen. Aus dieser Änderung des Abstands d mit der Zeit t ergibt sich, dass die tatsächliche Wegdifferenz S gegenüber der verstrichenen Zeit t anders als in Figur 2 c) dargestellt keine lineare Funktion ist, sondern einen Verlauf aufweist, so wie er beispielhaft in Figur 2 b) gezeigt ist.

Um nun die Messung des elektrischen Feldes der Terahertz-Strahlung 8 gegenüber der Zeit aus Figur 2 d) zu korrigieren, betrachtet man beispielsweise einen ersten Messpunkt zum Zeitpunkt ti. Zu diesem Zeitpunkt U ist der Weglängenunterschied zwischen dem Terahertz-Impuls und dem optischen Impuls auf dem Detektor 3 Si, welcher einer Verzögerung τ\ entspricht. Dieser Weglän- gendifferenz Si entspricht jedoch bei einer idealisierten, nur von der Verzögerungsstrecke vorgegebenen Zeitbasis einer Zeit t'i. Entsprechend wird der Messwert Et des elektrischen Feldes £ in dem Diagramm aus Figur 2 d) von dem Zeitpunkt U zu dem Zeitpunkt t't verschoben. Führt man diese Transformation für alle Messpunkte des elektrischen Feldes £ gegenüber der Zeit t aus den Rohdaten der Figur 2 d) durch, so erhält man die korrigierte und um die Abstandsschwankungen aus Figur 2 a) bereinigte Funktion des elektrischen Felds £ gegenüber der Zeit V aus Figur 2 e).

Die Erfindungsgemäße Vorrichtung wird in der hier diskutierten Ausführungsform zum Bestimmen der Schichtdicken der drei übereinander angeordneten Schichten der Probe 4 verwendet. Bei dem Bestrahlen der Probe 4 mit den Impulsen der Terahertz-Strahlung mit einer vorgegebenen Fre- quenzbandbreite wird die auftreffende Strahlung an jeder Grenzfläche, also zwischen der Messumgebung und der Probe sowie zwischen zwei aneinandergrenzenden Schichten teilweise reflektiert. Die zeitabhängigen elektrischen Felder dieser Teilreflexe überlagern sich zu dem zeitabhängigen elektrischen Feld der Probe, welches bei der Messung mit dem Detektor 3 zeitaufgelöst erfasst wird. Bei genauer Betrachtung umfasst das elektrische Feld Ep(t) der Probe zusätzlich auch Mehr- fachreflexe, die durch wiederholte Reflexionen der Hochfrequenzstrahlung an den Grenzflächen entstehen. Die zeitliche Abfolge der Teilreflexe und deren Phasen hängen von den Materialparametern der Schichten ab.

Zum Bestimmen aller drei Schichtdicken der Probe 4 mit einer Mehrzahl von N= 3 übereinander angeordneten Schichten S,, mit / ^' = 1, 2, 3, werden die folgenden Schritte ausgeführt: Jede dieser Schichten weist ein Brechungsindex n,, ein Absorptionsindex / , und eine Schichtdicke di auf, die die Reflexions- und Transmissionseigenschaften der Schichten für die verwendete elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung beeinflussen. In einem Schritt a) werden für jede Schicht S, eine Schichtdicke di, ein Brechungsindex n, und ein Absorptionsindex k, als Startwerte ausgewählt. In einem anschließenden Schritt b) wird ein zeitabhängiges, elektrisches Feld Eu(i) für die von der Probe reflektierte oder durch die Probe transmittierte elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung anhand eines Modells berechnet. Das Modell umfasst entsprechend einer Anzahl von N+1 Grenz- flächen zwischen der Messumgebung und der Probe sowie zwischen den einzelnen Schichten jeweils ein zeitabhängiges elektrisches Feld E fJ, mit j = 0, 1, 2, 3, wobei die elektrischen Felder Ej(t) zu dem zeitabhängigen elektrischen Feld wffJ des Modells in Abhängigkeit der Schichtdicken di, der Brechungsindizes n, und den Absorptionsindizes / , addiert werden. Das Modell beruht dabei auf der Annahme, dass der Brechungsindex n, und der Absorptionsindex / , einer jeden Schicht S, über die Frequenzbandbreite der verwendeten Hochfrequenzstrahlung konstant, also von der Frequenz der Hochfrequenzstrahlung unabhängig ist. Anschließend wird in einem Schritt c) das berechnete elektrische Feld wffJ des Modells mit dem erfassten elektrischen Feld Ep(t) der Probe verglichen, wobei in Schritt d) wenn eine Abweichung Q zwischen dem berechneten elektrischen Feld EMH) und dem erfassten elektrischen Feld Ep(t) größer als eine vorbestimmte Toleranz T ist, die Schichtdicken di, die Brechungsindizes n, und die Absorptionsindizes k _t solange variiert und die Schritte b) bis d) wiederholt werden bis die Abweichung Q kleiner als die Toleranz T ist.

Ist die Abweichung Q kleiner als die Toleranz T, werden in einem Schritt e) die Schichtdicken di als Ergebnis der Schichtdickenbestimmung bereitgestellt.

Figur 3 zeigt Messergebnisse einer entsprechenden Bestimmung der drei Schichtdicken der Probe 4, wobei die Korrektur in der Auswerteeinrichtung 9 ausgeschaltet ist. D.h. die Schichtdicken wurden anhand der erfassten Funktion der Feldstärke von der Zeit bestimmt. Aufgetragen in der Figur 3 ist das Ergebnis der Schichtdickenmessung für die als Layer 1 bis Layer 3 bezeichneten drei Schichten der Probe 4 gegen die Ordnungsnummer der entsprechenden Messung. Deutlich ist zu erkennen, dass die einzelnen Messwerte eine Streuung von bis zu 2,5 μιη um einen Mittelwert der Dicke aufweisen.

Dem gegenüber zeigt Figur 4 die Messergebnisse der Bestimmung der Schichtdicken der drei Schichten der gleichen Probe 4. Wieder ist das Ergebnis der Schichtdickenmessung für die als Layer 1 bis Layer 3 bezeichneten drei Schichten der Probe 4 gegen die Ordnungsnummer der entsprechenden Messung aufgetragen. Bei diesen Messungen erfolgte die Schichtdickenbestimmung jedoch mit eingeschalteter Korrektur. D.h. die Schichtdicken wurden mit der korrigierten Funktion der Feldstärke von der Zeit bestimmt. Bemerkenswert ist nicht nur, dass die Streuung der einzelnen Messwerte um einen Mittelwert gegenüber den Messungen ohne Korrektur für jede der Schichten erheblich reduziert ist, sondern auch, dass die Absolutwerte der Schichtdicken eine erhebliche Korrektur erfahren haben. Hierin zeigt sich der erhebliche Einfluss einer Verzerrung der Zeitbasis der erfassten Funktion des elektrischen Felds gegenüber der Zeit durch Schwankungen im Abstand der Probe 4 von dem Detektor 3.

Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinatio- nen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarerer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.

Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dar- gestellt und beschreiben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.

Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort„aufweisen" nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel„eine" oder „ein" schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.

Bezugszei chen l iste

I Vorrichtung zum zeitaufgelösten Erfassen gepulster elektromagnetischer Hochfrequenzstrahlung

2 Generator

3 Detektor

4 Probe

5, 6 Glasfaser

7 Anordnung mit Kurzpulslasersystem, Verzögerungsstrecke und Strahlteiler

8 von dem Generator 2 generierte Terahertz-Strahlung

8' mit der Probe 4 gewechselwirkte Terahertz-Strahlung

9 Auswerteeinrichtung

10 erfasste elektrische Feldstärke der Terahertz-Strahlung als Funktion der Zeit

I I Terahertz-Zeitbereichsspektrometer

12 optisches Interferometer

13 Abstand als Funktion der Zeit

14 korrigierte elektrische Feldstärke der Terahertz-Strahlung als Funktion der Zeit