Ellipsometric inline inspection of dielectric substrates with nonplanar surfaces

An analytical solution for the determination of either angle of incidence (AOI) and the refractive index from combined ellipsometric and reflectometric measurements at dielectric substrates is presented. The solution is of special importance for retroreflex ellipsometry (but not limited to this application). Overcoming the geometric restrictions of conventional ellipsometers, the patented retroreflex ellipsometry can detect changes of intensity and the state of polarization in or at test objects even with curved surfaces. In contrast to conventional ellipsometers where the AOI is set by the adjustment procedure, the AOI is usually unknown in retroreflex ellipsometry. For quantitative analysis, the knowledge of the AOI is nevertheless essential. The proposed combination of retroreflex-reflectometry and retroreflex-ellipsometry opens the path to precise measurements of either surface geometry and index of refraction of nonplanar dielectric substrates (e. g. surfaces of freeform optics).

Analytische Formeln zur gleichzeitigen Bestimmung des Einfallswinkels und des Brechungsindex dielektrischer Substrate aus reflektometrischen und ellipsometrischen Messwerten werden vorgestellt. Diese Lösungen sind von besonderer Bedeutung für die Retroreflex-Ellipsometrie (aber nicht auf diese beschränkt). Die patentierte Retroreflex-Ellipsometrie überwindet die geometrischen Restriktionen konventioneller Ellipsometer und erlaubt dadurch die Detektion von Änderungen der Intensität und des Polarisationszustands selbst an Proben mit gekrümmten Oberflächen. Bei konventionellen Ellipsometern wird der Einfallswinkel eingestellt und ist somit genau bekannt. Im Gegensatz dazu ist er bei der Retroreflex-Ellipsometrie per se unbekannt. Eine quantitative Auswertung ellipsometrischer Daten ist jedoch nur bei Kenntnis des Einfallswinkels möglich. Die vorgeschlagene Kombination von Retroreflex-Reflektometrie und Retroreflex-Ellipsometrie eröffnet somit die Möglichkeit zur gleichzeitigen präzisen Bestimmung der Oberflächengeometrie und des Brechungsindexes nonplanarer dielektrischer Substrate (z. B. Oberflächen von Freiformoptiken).