DE102012005417B4

DE102012005417B4 - Vorrichtung und Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung

Info

Publication number: DE102012005417B4
Application number: DE201210005417
Authority: DE
Inventors: Marcus Trost; Sven Schröder; Matthias Hauptvogel; Gunther Notni; Angela Duparré; Torsten Feigl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2032-03-15
Also published as: DE102012005417A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zur winkelaufgelösten Streulichtmessung, umfassend eine Beleuchtungsvorrichtung (3) zum Beleuchten einer Probe (1) mit Licht unter einem Einfallswinkel &thetas;i, eine Detektoranordnung (4) zum gleichzeitigen Erfassen von mindestens zwei an der Probe (1) gestreuten Anteilen des Lichts, wobei sich diese Anteile durch die Ortsfrequenz f dieser Anteile voneinander unterscheiden, indem für die beiden Anteile jeweils verschiedene Wellenlängen bzw. unterschiedliche polare und azimutale Ausfallswinkel des jeweiligen gestreuten Anteils des Lichts bzw. unterschiedliche Einfallswinkel gewählt werden, wobei die Vorrichtung (2) eine Auswerteeinheit (5) zum Auswerten von Ausgangssignalen der Detektoranordnung (4) umfasst, wobei die Auswerteeinheit (5) eingerichtet ist, für die zumindest zwei gestreuten Anteile des Lichts jeweils in Abhängigkeit von den zu diesen Anteilen gehörigen Ausgangssignalen der Detektoranordnung (4) Werte für eine spektrale Leistungsdichte PSD(f) dieser gestreuten Anteile zu bestimmen und anschließend unter Verwendung dieser Werte Parameter A und n eines fraktalen Zusammenhangs für die spektrale Leistungsdichte auszuwerten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Durchführen einer winkelaufgelösten Streulichtmessung.
Winkelaufgelöste Streulichtmessungen können der Analyse mikroskopischer und nanoskopischer Strukturen an einer Oberfläche einer Probe sowie von Materialeigenschaften der Probe, welche sich jeweils direkt auf Abbildungs- und Streulichteigenschaften der Probe auswirken, dienen. Als Proben kommen typischerweise optische Komponenten in Betracht, wie Linsen, Spiegel oder optische Fenster. Streulicht kann sich insbesondere negativ auf Abbildungseigenschaften einer derartigen optischen Komponente auswirken und zu einer Verschlechterung von Bildkontrasten, zu einer Bilddegradation oder zu optischen Verlusten führen.
Daher besteht für die Fertigung und die Qualitätskontrolle optischer Komponenten ein dringender Bedarf an robusten, schnellen und zerstörungsfreien Verfahren zur quantitativen Charakterisierung der genannten Oberflächenstrukturen und Materialeigenschaften, insbesondere von Defekten oder Imperfektionen an oder direkt unter der Oberflächen oder im Volumen einer optischen Komponente oder einer anderen Probe.
Zu den genannten Strukturen zählen insbesondere stochastische, mikroskopische oder nanoskopische Unebenheiten oder Imperfektionen der Oberfläche, die zur sogenannten Rauheit der Oberfläche beitragen, einzelne Punktdefekte (wie etwa Partikel, Ausplatzungen, Eindrücke, Kratzer, Einschlüsse), Kontaminationen (wie Poliermittelrückstände oder Schmierfilme), Anisotropien (d. h. Strukturen mit einer Vorzugsrichtung, etwa bei diamantgedrehten Oberflächen), und Inhomogenitäten (laterale Schwankungen struktureller Eigenschaften). Die zur Rauheit beitragenden Imperfektionen haben typischerweise laterale Ausdehnungen im Mikrometerbereich und vertikale Ausdehnungen im Nanometerbereich. Die zu untersuchenden Materialien bzw. Proben können sowohl opak (Metalle, Legierungen, Farbgläser) als auch transparent (Gläser, Kristalle, polykristalline Materialien, Keramiken) sein. Die Materialien bzw. Proben können als makroskopischer Körper oder als dünne Schichten vorliegen. Im Folgenden werden die Begriffe „Probe” und „Material” gleichbedeutend verwendet.
Der oben bereits genannte Begriff der Rauheit einer Oberfläche einer Probe bezeichnet eine Messgröße, die als Mittelungen über Oberflächenabweichungen definiert werden kann, wie etwa die quadratische Rauheit bzw. rms-Rauheit. Die Rauheit wirkt sich unmittelbar auf die optischen Eigenschaften, insbesondere die Reflexions- und Streueigenschaften, der Oberfläche aus. Dies erlaubt eine Bestimmung der Rauheit mittels winkelaufgelöster Streulichtmessungen, wobei sich die Rauheit aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt darstellen lässt, im Folgenden auch als Rauheitsspektrum bezeichnet. Welche dieser Komponenten des Rauheitsspektrums man sieht, wird jeweils von Parametern des auf die Oberfläche eintreffenden Lichts, wie etwa einer Wellenlänge λ des Lichts und einem Einfallswinkel θ_i, abhängen. Die Komponenten des Rauheitsspektrums können außerdem bestimmten an der Probe gestreuten Anteilen des Lichts zugeordnet werden. Wird eine Probe mit Licht der Wellenlänge λ unter einem Einfallswinkel θ_i bestrahlt, so lässt sich einem an der Probe gestreuten Anteil des Lichts ein Rauheitsspektrum der Oberfläche in Abhängigkeit von der Ortsfrequenz f dieses gestreuten Anteils zuordnen, wobei für die Ortsfrequenz f
gilt, wobei f_x und f_y gegeben sind durch
wobei θ_s einen polaren und ϕ_s einen azimutalen Ausfallswinkel bezeichnen. Die zugrundeliegende Streulichtgeometrie ist in 1 dargestellt.
Für optische Anwendungen bei kurzen Wellenlängen λ sind vor allem Rauheitskomponenten großer Ortsfrequenzen f relevant, vgl. Gleichungen 1 und 2. Beispielsweise für optische Anwendungen bei extrem ultravioletten Wellenlängen, also im sogenannten EUV-Bereich, der Wellenlängen zwischen 5 nm und 40 nm umfasst, also insbesondere bei der Wellenlänge von 13,5 nm, ist die sogenannte „high-spatial frequency roughness”, kurz HSFR, besonders relevant, welche dem Ortsfrequenzbereich 1 μm^–1 ≤ f ≤ 50 μm^–1 zugeordnet ist.
Die HSFR wirkt sich insbesondere auf die durch Streulicht verursachten optischen Verluste aus. Gleichzeitig nimmt mit abnehmender Wellenlänge der Einfluss der Rauheit auf Streulicht gemäß 1/λ⁴ zu, so dass für Anwendungen im EUV-Bereich, wie beispielsweise die EUV-Lithographie oder Astronomie, selbst kleinste Unebenheiten der Oberfläche, insbesondere auch rms-Rauheiten im Bereich von < 0.5 nm, anwendungsrelevant sind und gemessen werden müssen. Für den Vergleich unterschiedlicher Proben gut geeignet ist also die Bestimmung der rms-Rauheit in unterschiedlichen Ortsfrequenzbereichen, insbesondere die Bestimmung der HSFR und MSFR.
Eine besondere Herausforderung stellt die quantitative Charakterisierung großer (Dimensionen bis 0,5 m und größer) und/oder komplex geformter (wie gekrümmter, asphärischer oder freigeformtem Oberflächen optischer Komponenten und anderer Proben dar. Insbesondere wenn derartige Oberflächen hergestellt werden sollen, für die gleichzeitig Oberflächenabweichungen im Bereich von weniger als 1 nm bei gleichzeitig großflächiger Homogenität, Isotropie und Defektfreiheit erreicht werden soll, besteht ein dringender Bedarf an Vorrichtungen und Verfahren, die neben einer berührungslosen und sensitiven Analyse auch eine möglichst schnelle und flächendeckende quantitative Charakterisierung von Oberflächen ermöglicht.
Bisherige Verfahren sind entweder lokal hochauflösend (wie etwa die Rasterkraftmikroskopie oder Rastertunnelmikroskopie), jedoch aufgrund von langen Messzeiten nicht für eine flächendeckende Charakterisierung geeignet oder die Verfahren sind für eine großflächige Charakterisierung ausgelegt (z. Bsp. Fullaperture Interferometrie), weisen dann aber eine zu geringe Auflösung auf und liefern oft keine Informationen über die relevanten Streuursachen bei den interessierenden Wellenlängen, typischerweise vom visuellen Spektralbereich bis hin zu EUV-Wellenlängen. Überdies sind viele der bekannten Verfahren auf ebene Oberflächen beschränkt.
Somit existiert derzeit kein Verfahren, welches beide Vorteile kombiniert, also ein hochauflösendes und flächendeckendes Verfahren zur Charakterisierung von Oberflächenstrukturen und Materialimperfektionen. Selbst bei einer stichprobenartigen, hochauflösenden Charakterisierung versagen konventionelle Verfahren oft bei komplexen Probengeometrien. Ein weiteres häufig auftretendes Problem sind durch Probenvibrationen hervorgerufene Messartefakte, wie z. B. Rauschen oder Schwingen der Messsignale oder Zeilensprünge.
Für die Charakterisierung von Oberflächenrauheit und Materialimperfektionen etablieren sich zunehmend totale und winkelaufgelöste Streulichtmessverfahren aufgrund der hohen Sensitivität und Robustheit gegenüber lokalen Schwankungen der Rauheitseigenschaften (Mittelung innerhalb des Beleuchtungsflecks) und gegenüber Probenvibrationen. Ein weiterer Vorteil ist das berührungslose und zerstörungsfreie Messprinzip.
Winkelaufgelöste Streulichtmessungen ermöglichen außerdem die Bestimmung des Rauheitsspektrums, also die Bestimmung der Rauheit für unterschiedliche Ortsfrequenzen, beispielsweise in der Form der spektralen Leistungsdichte (PSD), aus der – durch Integration – die sogenannte rms-Rauheit und andere Rauheitskenngrößen ermittelt werden können. Um den für EUV-Anwendungen relevanten hochfrequenten Ortfrequenzbereich abzudecken, müssten die Streulichtmessungen bei EUV-Wellenlängen durchgeführt werden. Dies ist jedoch aus folgenden Gründen nicht praktikabel bzw. nicht möglich:

i. Messungen im EUV-Bereich erfordern Hochvakuumbedingungen aufgrund der starken Absorption von EUV-Strahlung in Luft. EUV-Streulichtmessungen sind daher aufgrund der verfügbaren Kammergrößen bezüglich der Probengröße beschränkt.
ii. Aufgrund des geringen Brechzahlkontrasts zwischen dem Untersuchungsobjekt und Vakuum bei EDV-Wellenlängen ist die Grenzflächenstreuung gegenüber Streuung im Materialvolumen oder Subsurface-Defekten nicht so dominant wie im visuellen Spektralbereich. Die direkte Bestimmung der Grenzflächenrauheit aus den Streulichtdaten bei EUV-Wellenlängen ist daher nicht möglich.

Winkelaufgelöste Streulichtmessungen im visuellen Spektralbereich (400 nm < λ < 800 nm) unterliegen zwar nicht diesen Einschränkungen. Allerdings ist das erfassbare Ortsfrequenzspektrum durch winkelaufgelöste Streulichtmessungen im visuellen Spektralbereich gegenüber EDV-Wellenlängen zu niedrigeren Ortsfrequenzen hin verschoben, so dass der HSFR-Bereich auf diese Weise bestenfalls nur zu kleinen Teilen abgedeckt werden kann.
Winkelaufgelöste Streulichtmessungen, bei denen mit einem einzigen Punktsensor gestreute Anteile des Lichts gemessen werden und zu diesem Zweck die Ausrichtung des Punktsensors relativ zur Probe variiert wird, sind äußerst langwierig und daher für flächendeckende Oberflächencharakterisierungen meistens nicht praktikabel. Bei dem in der Druckschrift WO 2010 127872 A1 beschriebenen Verfahren wird die Messzeit durch die Verwendung einer flächigen Sensormatrix stark verkürzt. Diese Sensormatrix erlaubt eine schnelle Messung einer 3D Streulichtverteilung im Nahwinkelbereich (Messzeit < 1 s), wodurch eine schnelle, großflächige Probencharakterisierung möglich wird. Allerdings limitieren die Abmessungen des Detektors den maximalen Ortsfrequenzbereich auf f < 0.3 μm^–1. Außerdem ist die erfassbare Rauheit auf eine rms-Rauheit von > 0.5 nm beschränkt aufgrund des limitierten Dynamikbereichs, da die Lock-in-Technik nicht genutzt werden kann.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine berührungslose, zerstörungsfreie und genaue Charakterisierung einer Oberfläche einer Probe, insbesondere von sehr glatten, polierten und/oder gekrümmten Oberflächen, vorzuschlagen. Die Erfindung soll es insbesondere auch erlauben, große Oberflächen (mit Durchmessern von 0,5 m oder größer) schnell und genau zu analysieren mit erforderlichen Gesamtmesszeiten von nur wenigen Stunden oder kürzer. Ferner soll es möglich sein, die für den EUV-Bereich relevanten Rauheitskomponenten der Probe, also die HSFR, zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch sowie durch ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch. Spezielle Ausführungsformen und Weiterentwicklungen ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur winkelaufgelösten Streulichtmessung umfasst demnach eine Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten einer Probe mit Licht unter einem Einfallswinkel θ_i (bezogen auf eine lokale Probennormale) und eine Detektoranordnung zum vorzugsweise gleichzeitigen Erfassen von mindestens zwei an der Probe gestreuten Anteilen des Lichts, wobei sich diese Anteile durch verschiedene Ortsfrequenzen f voneinander unterscheiden. Die Ortsfrequenzen sind dabei jeweils durch ihren weiter oben in den Gleichungen 1 und 2 angegebenen Zusammenhang mit geometrischen Größen und der Wellenlänge λ des jeweiligen Anteils definiert.
Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Auswerteeinheit zum Auswerten von Ausgangssignalen der Detektoranordnung, wobei die Auswerteeinheit programmtechnisch eingerichtet ist, für die zumindest zwei gestreuten Anteile des Lichts jeweils in Abhängigkeit von den zu diesen Anteilen gehörigen Ausgangssignalen der Detektoranordnung Werte für eine spektrale Leistungsdichte PSD(f) dieser gestreuten Anteile zu bestimmen und anschließend unter Verwendung dieser Werte Parameter A und n eines durch
darstellbaren Zusammenhangs für die spektrale Leistungsdichte auszuwerten, wobei f wieder für die Ortsfrequenz steht, für die die oben in den Gleichungen 1 und 2 angegebenen Zusammenhänge gelten. Mit dieser Auswertung der Parameter A und n ist dabei gemeint, dass Werte von A und n bestimmt werden, für die das in Gleichung 3 wiedergegebene Modell eine bestmögliche Näherung der spektralen Leistungsdichte PSD(f) bei den Ortsfrequenzen f darstellt, für die die spektrale Leistungsdichte PSD(f) durch Auswertung der für die entsprechenden Anteile erhaltenen Ausgangssignale der Detektoranordnung bestimmt, also gemessen worden ist. Die Auswerteeinheit ist also eingerichtet, A und n unter Zugrundelegung des Modells aus Gleichung 3 so zu bestimmen, dass dieses Modell für die Ortsfrequenzwerte f, die sich durch die Gleichungen 1 und 2 für die genannten von der Streulichtmessung erfassten Anteile ergeben, einen Fit der für diese Anteile bestimmten spektralen Leistungsdichte PSD(f) darstellt. Der Fit kann dabei z. B. durch lineare Regression bestimmt werden.
Die durch die Streulichtmessung bestimmten Werte haben die Funktion von Stützstellen bei der Bestimmung der Parameter A und n des oben angegeben fraktalen Modells für die spektrale Leistungsdichte PSD(f). Nach der Bestimmung der Parameter A und n anhand der zumindest zwei Stützstellen erlaubt dieses Modell die Berechnung der spektralen Leistungsdichte für beliebig andere Ortsfrequenzen. Jedoch ist davon auszugehen, dass ein auf diese Weise berechneter Wert der spektralen Leistungsdichte für gegebene Werte von Ortsfrequenzen um so genauer ist, je dichter diese Ortsfrequenzen an den Ortsfrequenzen einer der Stützstellen liegen. Schließlich stellt dieses Modell eine Extrapolation bzw. eine Interpolation der spektralen Leistungsdichte ausgehend von diesen Stützstellen dar.
Entsprechend sieht das erfindungsgemäße Verfahren, das mit der hier vorgeschlagenen Vorrichtung durchgeführt werden kann, vor, dass mit einer Beleuchtungsvorrichtung eine Probe mit Licht unter einem Einfallswinkel θ_i beleuchtet wird und mit einer Detektoranordnung zumindest zwei an der Probe gestreute Anteile des Lichts vorzugsweise gleichzeitig erfasst werden, wobei sich diese Anteile wiederum durch ihre Ortsfrequenzen f voneinander unterscheiden. Mittels einer entsprechend programmierten Auswerteeinheit werden anschließend für die zumindest zwei gestreuten Anteile des Lichts jeweils in Abhängigkeit von den zu diesen Anteilen gehörigen Ausgangssignalen der Detektoranordnung Werte einer spektralen Leistungsdichte PSD(f) dieser gestreuten Anteile bestimmt und anschließend, wie oben beschrieben, beide Parameter A und n des oben definierten „fraktalen Zusammenhangs” für die spektrale Leistungsdichte aus Gleichung 3 berechnet.
Der Erfindung liegt die Einsicht zugrunde, dass sich die spektrale Leistungsdichte PSD(f) durch das in Gleichung 3 angegebene Potenzgesetz beschreiben lässt. Dieses fraktale Modell für die spektrale Leistungsdichte PSD(f) stellt insbesondere für sehr glatte, bspw. polierte, Oberflächen eine gute Näherung dar, bei der die spektrale Leistungsdichte hauptsächlich auf die Rauheit der Oberfläche, also auf stochastische, mikroskopische und nanoskopische Unebenheiten der Oberfläche, zurückzuführen ist, so dass typischerweise ein fraktaler, d. h. skaleninvarianter Verlauf der spektralen Leistungsdichte in Abhängigkeit von den Ortsfrequenzen erwartet werden kann. Das verwendete Modell aus Gleichung 3 hat daher nur zwei unabhängige Parameter A und n, so dass bereits zwei Stützstellen, also zwei gemessene Werte für die spektrale Leistungsdichte, für die Bestimmung dieser beiden Parameter ausreichen.
Die Erfindung hat somit den besonderen Vorteil, dass im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren eine nur sehr geringe Messzeit pro Messposition notwendig ist und die spektrale Leistungsdichte PSD(f) für eine vorgegebene Ortsfrequenz direkt bestimmt werden kann, so dass sich die Erfindung besonders gut zur Charakterisierung großer Oberflächen mit Durchmessern im Bereich von 0,5 m oder mehr eignet.
Selbstverständlich können auch mehr als zwei Werte gemessen werden. Dann ist es möglich, Abweichungen von dem fraktalen Modell festzustellen. Falls solche Abweichungen vorliegen, kann nachfolgend untersucht werden, ob diese Abweichungen auf einen Defekt der Probe in dieser Messposition zurückgeführt werden können und, falls ein solcher Defekt festgestellt worden ist, kann der Defekt anschließend anhand einer weitergehenden Analyse des an der Probe gestreuten Lichts genauer charakterisiert werden, wie weiter unten im Einzelnen beschrieben wird. Um ein Gütekriterium dafür zu erhalten, wie gut der durchgeführte Fit ist, kann in diesem Fall ein Korrelationskoeffizient oder Unbestimmtheitskoeffizient bestimmt werden.
Es werden nachfolgend verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Wird eine der Ausführungsformen explizit nur im Zusammenhang der Vorrichtung oder nur im Zusammenhang des Verfahrens beschrieben, so lässt sich die jeweilige Beschreibung jeweils immer auch auf das Verfahren bzw. auf die Vorrichtung übertragen. Werden beispielsweise Verfahrensschritte erläutert, kann die Vorrichtung zur Durchführung dieser Verfahrensschritte eingerichtet sein, beispielsweise indem eine Steuervorrichtung oder die Auswerteeinheit der Vorrichtung entsprechend programmiert oder die Detektoranordnung oder die Beleuchtungsvorrichtung entsprechend ausgestaltet ist.
Die Werte der spektralen Leistungsdichte PSD(f) für die mindestens zwei gestreuten Anteile des Lichts, also die genannten Stützstellen zur Bestimmung der Parameter A und n, können, etwa durch eine entsprechende Programmierung der Auswerteeinheit, gemäß dem Zusammenhang
berechnet werden, wobei Q einen optischen Faktor, P_i eine Strahlungsleistung des auf die Probe eintreffenden Lichts und ΔP_s(θ_s, ϕ_s) eine in einem Raumwinkelelement gemessene Strahlungsleistung von gestreuten Lichtanteilen bezeichnen, wobei das mit ΔΩ_s bezeichnete Raumwinkelelement zu den polaren und azimutalen Ausfallswinkeln θ_s und ϕ_s gehört. Die Funktion PSD(f) beinhaltet Information sowohl über vertikale wie auch laterale Oberflächenstrukturen.
Die in Gleichung 4 angegebene Formel für die spektrale Leistungsdichte PSD(f) erlaubt eine Berechnung der Werte für die spektrale Leistungsdichte PSD(f) auf Grundlage der Messgröße ARS(θ_s, ϕ_s) (Angle Resolved Scattering). Diese ist durch
definiert.
Der optische Faktor Q beschreibt die geometrischen Verhältnisse der Streulichtmessung, also insbesondere den Einfallswinkel, die Streuwinkel, die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes, die Polarisationsempfindlichkeit der Detektoranordnung, sowie die optischen Materialeigenschaften der Probe. Die Auswerteeinheit kann entsprechend zur Berechnung des optischen Faktors Q programmiert sein. Aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit des optischen Faktors Q wird dieser Faktor typischerweise bei der Berechnung der spektralen Leistungsdichte für die verwendete(n) Wellenlänge(n) angepasst, was beispielsweise anhand von tabellierten Brechzahlwerten für eine vorgegebene Streulichtgeometrie möglich ist. Der optische Faktor Q kann alternativ auch aus einem gemessenen spekularen Reflexionsgrad, also dem Reflexionsgrad für einen spekular reflektierten Anteil des Lichts, berechnet werden unter Verwendung des Zusammenhangs
wobei R_s(θ) für den spekularen Reflexionsgrad beim jeweiligen Ein- und Ausfallswinkel von s-polarisiertem Licht steht.
Das von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugte Licht kann mehrere Lichtkomponenten beinhalten und wird typischerweise in der Form eines vorzugsweise zusammenhängenden Beleuchtungsflecks mit einem Durchmesser vorzugsweise zwischen 250 μm und 5 mm, besonders bevorzugt zwischen 2 und 3 mm, auf eine vorgegebene Messposition auf der Oberfläche der Probe eingestrahlt. Die genannten Lichtkomponenten können von verschiedenen Lichtquellen erzeugt werden und beispielsweise mittels dichroitischer Spiegel koaxial überlagert und kombiniert werden.
Die an der Probe innerhalb des Beleuchtungsflecks an der Messposition gestreuten und durch die Detektoranordnung erfassten Anteile des Lichts enthalten somit räumlich gemittelte Informationen über die optischen Eigenschaften und insbesondere über Oberflächenstrukturen der Probe innerhalb des Beleuchtungsflecks an der Messposition. Durch diese räumliche Mittelung ist die hier vorgeschlagene Streulichtmessung sehr robust und besonders zur schnellen und vollständigen Charakterisierung großer Oberflächen geeignet.
Die genannten Lichtkomponenten können sich jeweils in einem Parameter, wie etwa der Wellenlänge, voneinander unterscheiden. Zum Erzeugen des Lichts umfasst die Beleuchtungsvorrichtung eine, zwei oder mehrere Lichtquellen, welche beispielsweise durch Laser wie etwa Festkörperlaser oder Laserdioden gegeben sein können. Vorzugsweise hat das Licht, bzw. die einzelnen Lichtkomponenten des Lichts, eine oder mehrere Wellenlängen zwischen 193 nm und 1 μm, vorzugsweise zwischen 400 nm und 800 nm. Mit diesen Wellenlängen können die oben beschriebenen Schwierigkeiten, die bei kürzeren Wellenlängen (wie etwa Brechzahlkontrast, Hochvakuumbedingungen) auftreten, vermieden werden. Andererseits sind die genannten Wellenlängen hinreichend klein, um eine hohe Sensitivität bezüglich der relevanten Oberflächenrauheit zu erzielen und außerdem Rauheitskomponenten bei Ortsfrequenzen im niederfrequenten Bereich der HSFR direkt zu messen.
Es ist möglich, dass die verschiedenen Lichtkomponenten des Lichts zeitgleich auf die Probe eingestrahlt werden und dass die an der Probe gestreuten Anteile dieser Lichtkomponenten von der Detektoranordnung gleichzeitig erfasst werden. Diese parallele Durchführung der Messung kann mittels einer geeigneten Modulation der Lichtkomponenten durchgeführt werden, welche eine eindeutige Zuordnung der Ausgangssignale der Detektoranordnung zu den einzelnen Wellenlängen erlaubt. Eine solche parallele Streulichtmessung ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 118 607 A1 bekannt und wird auch weiter unten genauer beschrieben. Es ist aber auch möglich, dass die Lichtkomponenten des Lichts nacheinander auf die Probe eingestrahlt werden und dass die an der Probe gestreuten Anteile dieser Lichtkomponenten von der Detektoranordnung nacheinander erfasst werden. Jedoch ergeben sich dann in der Regel längere Gesamtmesszeiten als bei der parallelen Messung.
Die Detektoranordnung kann zum Erfassen der mindestens zwei gestreuten Anteile des Lichts bzw. der Lichtkomponenten nur einen einzigen Punktsensor oder zwei oder mehrere räumlich voneinander getrennte Punktsensoren umfassen. Diese Punktsensoren können durch Photodioden oder Photomultiplier tubes gegeben sein und können für eine, mehrere oder vorzugsweise alle Wellenlängen des eingestrahlten Lichts sensitiv sein. Durch die Sensitivität der Punktsensoren gegenüber mehreren Wellenlängen kann die Anzahl der gemessenen Werte der spektralen Leistungsdichte PSD(f) vervielfacht werden, ohne dass es dabei zu einer Verlängerung der Messzeit kommt, falls die Lichtkomponenten unterschiedlicher Wellenlängen gleichzeitig auf die Probe eingestrahlt und erfasst werden (parallele Ausführungsform). Außerdem ist es möglich, durch Ausnutzung der Wellenlängenabhängigkeit von Transparenz- und Reflexionseigenschaften der Probe, Oberflächen- und Volumenstreuung voneinander zu trennen. Punktsensoren oder Punktdetektoren sind dabei auch wegen ihrer typischerweise linearen Kennlinien und hohen Dynamik von Vorteil, weil sie den Einsatz von Lock-In-Technik erlauben.
Die räumliche Ausrichtung der Detektoranordnung, alsobeispielsweise des Punktsensors oder der Punktsensoren, relativ zur Beleuchtungsvorrichtung und/oder relativ zur Probennormalen wird in Abhängigkeit von den Ortsfrequenzen f der zu erfassenden gestreuten Anteile und deren Komponenten f_x und f_y sowie der Wellenlänge(n) des Lichts gemäß dem in den Gleichungen 1 und 2 angegebenen Zusammenhang eingestellt. Hierzu kann ein motorisierter Antrieb verwendet werden, wie weiter unten ausgeführt wird. Vorzugsweise wird die relative Ausrichtung zwischen Detektoranordnung relativ zur Beleuchtungsvorrichtung für verschiedene Messpositionen auf der Probe festgehalten.
Im speziellen Fall, dass die Detektoranordnung nur einen einzigen Punktsensor aufweist, umfasst das Licht, wie oben beschrieben, vorzugsweise zumindest zwei Lichtkomponenten, die sich jeweils in ihrer Wellenlänge voneinander unterscheiden, so dass sich die mit diesem einen Punktsensor erfassten gestreuten Anteile dieser Lichtanteile in ihren jeweiligen Ortsfrequenzen f für die nachfolgende Auswertung hinreichend voneinander unterscheiden.
Vorzugsweise werden diese beiden Lichtkomponenten im Fall nur eines einzigen Punktsensors gleichzeitig auf die Probe eingestrahlt und die Ausgangssignale des Punktdetektors parallel ausgewertet zur Reduzierung der Messzeit gegenüber einem entsprechenden seriellen Messverfahren. Zusätzlich oder alternativ zu dem einen oder zwei oder mehreren Punktsensoren kann die Detektoranordnung selbstverständlich auch ein, zwei oder mehrere andere lichtsensitive Detektoren, wie etwa einen, zwei oder mehrere flächige und entsprechend angeordnete Sensormatrizen aufweisen.
Die Beleuchtungsvorrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, das Licht mit einem nicht verschwindenden Wert des Einfallswinkels θ_i auf eine vorgegebene Messposition auf der Probe zu lenken, vorzugsweise mit einem Wert des Einfallswinkels θ_i zwischen 15° und 25°. Entsprechend kann die Detektoranordnung dazu eingerichtet sein, mindestens einen der Anteile des an der Probe gestreuten Lichts bei polaren Ausfallswinkeln θ_s von über 25° zu erfassen, vorzugsweise von über 30°. Der mindestens eine weitere Anteil kann auch nah an dem spekularen Reflex liegen und unter Umständen mit einem CCD-Bildsensor oder einem anderen Matrixsensor gemessen werden, der so angeordnet sein kann, dass er insbesondere den an der Probe spekular reflektierten Anteil des Lichts erfasst.
Die Detektoranordnung kann z. B. so angeordnet und die Wellenlänge(n) λ sowie der Einfallswinkel θ_i des eingestrahlten Lichts können so gewählt werden, dass mindestens einer der genannten und vorzugsweise gleichzeitig erfassten Anteile des gestreuten Lichts eine Ortsfrequenz aufweist, für die jeweils 1 μm^–1 f ≤ 50 μm^–1 gilt, wobei f wiederum gemäß den Gleichung 1 und 2 mit λ und θ_i zusammenhängt. Die Ortsfrequenzen können aber auch außerhalb des angegebenen Intervalls liegen – wenn auch dann vorzugsweise möglichst nah an diesem Intervall –, weil das erwähnte Modell in den Bereich dieses Intervalls zu extrapolieren erlaubt.
Bei einer typischen Messzeit von weniger als 0,5 s pro Messposition können auch große Oberflächen in wenigen Stunden (insbesondere beim parallelen Messverfahren) charakterisiert werden, indem beispielsweise das hier vorgeschlagene Verfahren an einer Vielzahl von Messpositionen durchgeführt wird, wobei diese Messpositionen vorzugsweise in der Form eines Rasters angeordnet sind, welches eine Teiloberfläche oder eine Gesamtoberfläche der Probe vollständig abdeckt. Dabei liegen benachbarte Messpositionen vorzugsweise derart voneinander entfernt, dass sich durch die Beleuchtungsvorrichtung ausgeleuchtete Beleuchtungsflecken benachbarter Messpositionen auf der Probe um zwischen 10% und 50%, vorzugsweise zwischen 10% und 20% überlappen.
Die Streulichtmessung, bei der die zumindest zwei an der Probe gestreuten Anteile erfasst und ausgewertet werden, kann also sukzessive an verschiedenen Messpositionen auf der Probe durchgeführt werden, die dazu mit der Beleuchtungsvorrichtung (3) beleuchtet werden. Dann können eine oder mehrere Karten gebildet werden, die jeder dieser Messpositionen jeweils einen für diese Messposition ermittelten Messwert zuordnen. Die die jeweilige Karte definierenden Messwerte können dabei gewählt werden als eine Rauheit σ(f_min, f_max) oder als eine andere direkt gemessene oder durch Extrapolation gewonnene Rauheitskenngröße oder als ein Durchmesser d_Defekt eines lokalen Defekts oder als anderes Maß für einen lokalen Defekt oder als Maß für eine Isotropie oder Anisotropie an der jeweiligen Messposition. Weiter unten wird beschrieben, wie dazu die Rauheit σ(f_min, f_max) für verschiedene durch f_min und f_max begrenzten Ortsfrequenzbereiche und die Durchmesser d_Defekt der Defekte bestimmt werden können. Bei den anderen Rauheitskenngrößen, deren Ortsabhängigkeit durch eine der Karten wiedergegeben werden kann, kann es sich z. B. um die Parameter A und n handeln.
Wenn mehrere Karten dieser Art angefertigt werden, wird zur Darstellung aller dieser Karten vorzugsweise ein gemeinsames Koordinatensystem verwendet, das die Geometrie der Oberfläche oder der untersuchten Teiloberfläche der Probe parametrisiert. So erhält man eine sehr übersichtliche Darstellung von hilfreichen Informationen über die Oberfläche der Probe, die z. B. als Grundlage für eine weitere Bearbeitung dieser Oberfläche dienen können. Den Karten wird man z. B. gut entnehmen können, wo aufgrund zu großer lokaler Rauhigkeiten oder Defekte eine weitere Politur notwendig ist.
Die Auswerteeinheit kann durch eine entsprechende Programmierung eingerichtet sein, nach einer Durchführung der Streulichtmessung an verschiedenen Messpunkten eine oder mehrere Karten der beschriebenen Art als Funktionen von Koordinatenwerten zu definieren, durch die die Messpunkte parametrisiert sind.
In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Messkopf auf, in dem die Beleuchtungsvorrichtung und die Detektoranordnung integriert sind, wobei die Vorrichtung außerdem einen mittels einer Steuereinheit der Vorrichtung steuerbaren, motorisierten Antrieb, etwa in der Form eines Detektorarms, umfasst zur Herstellung einer relativen Ausrichtung zwischen der Probe und dem Messkopf in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Messposition auf der Probe, einem vorgegebenen Abstand zwischen Beleuchtungsvorrichtung und Probe und einem vorgegebenen Einfallswinkel θ_i. Bei Vorliegen der genannten Ausrichtung ist die Beleuchtungseinheit also auf die vorgegebene Messposition mit dem vorgegebenen Einfallswinkel θ_i ausgerichtet und nimmt den vorgegebenen Abstand zur Probe ein.
Die Vorrichtung kann auch einen motorisierten Antrieb für die relative räumliche Ausrichtung zwischen der Detektoranordnung (bzw. des Punktsensors oder der Punktsensoren oder anderen Detektoren der Detektoranordnung) und der Beleuchtungsvorrichtung entsprechend den Ortsfrequenzen f der zu erfassenden gestreuten Anteile umfassen.
Zum Herstellen der genannten relativen Ausrichtung ist es möglich, dass der Messkopf bewegt wird und die Probe festgehalten wird. Es ist aber auch möglich, dass der Messkopf festgehalten und die Probe ausgerichtet wird. Vorzugsweise werden die gleichbleibenden Ausrichtungsfreiheitsgrade zwischen der Beleuchtungsvorrichtung und der Detektoranordnung (bzw. eine relative Ausrichtung der Beleuchtungsvorrichtung und des Punktsensors oder der Punktsensoren) beim Herstellen einer anderen Messposition nicht verändert, sondern festgehalten. Auf diese Weise kann beim Anfahren mehrerer Messpositionen die Anzahl der notwendigen Motorbewegungen besonders gering gehalten werden.
Der motorisierte Antrieb kann beispielsweise drei translatorische und zwei rotatorische Freiheitsgrade aufweisen, um auch Oberflächen mit komplexen Oberflächengeometrien flächig charakterisieren zu können. Im Fall einer Probe mit einer rotationssymmetrischen Oberfläche kann die motorisierte Einstellung eines Freiheitsgrades entfallen, wenn die Probe um ihre Symmetrieachse gedreht wird zur Einstellung der relativen Ausrichtung zwischen Messkopf und Probe.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, den Antrieb zum Herstellen einer Abfolge verschiedener relativer Ausrichtungen zwischen Messkopf und Probe anzusteuern gemäß einer vorgegebenen Abfolge von Messpositionen auf der Probe, wobei die Messpositionen vorzugsweise ein Raster ausbilden, welches eine Gesamtoberfläche oder eine Teiloberfläche der Probe abdeckt und wobei ferner vorzugsweise der Einfallswinkel θ_i sowie der Abstand zwischen Messkopf und Probe für jede der Messpositionen gleich ist.
Es ist auch möglich, dass das vorgeschlagene Verfahren „on-the-fly” durchgeführt wird, dass also die einzelnen Messpositionen beleuchtet werden, ohne dass der Messkopf während der Beleuchtung der Messposition relativ zur Probe still steht, sondern der Messkopf durch eine geeignete Relativbewegung zwischen Messkopf und Probe mit vorzugsweise konstanter Geschwindigkeit über die einzelnen Messposition hinwegbewegt wird.
Vorzugsweise weist die Detektoranordnung möglichst kurze Integrationszeiten, vorzugsweise von weniger als 0,1 s auf, so dass für die Streulichtmessungen an den Messpositionen jeweils Messzeiten von weniger als 0,1 s benötigt werden. Dann ist es möglich, auch Proben mit Oberflächen mit den oben genannten Durchmessern innerhalb von Gesamtmesszeiten von nur wenigen Stunden vollständig zu charakterisieren.
In einer Weiterentwicklung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Überprüfung der relativen Ausrichtung zwischen Messkopf und der Probe einen Positionsrückkoppelkreis mit zwei – eventuell auch mehr als zwei – Positionsprüfern aufweist, wobei jeder der Positionsprüfer eine Lichtquelle und eine dieser Lichtquelle zugeordnete Sensormatrix umfasst. Die Lichtquellen der Positionsprüfer sind auf einen vorgegebenen, gemeinsamen Ortspunkt ausgerichtet. Die Sensormatrix eines jeden der Positionsprüfer ist so ausgerichtet, dass, falls die vorgegebene relative Ausrichtung zwischen Messkopf und Probe hergestellt ist, ein Lichtstrahl, der von der Lichtquelle dieses Positionsprüfers ausgeht, in dem genannten Ortspunkt an der Probe reflektiert wird und auf vorbestimmte Referenzpixel der Sensormatrix auftrifft, und, falls die vorgegebene relative Ausrichtung nicht hergestellt ist, der genannte Lichtstrahl nicht auf diese Referenzpixel auftrifft, sondern ggf. auf andere Pixel der Sensormatrix.
Mittels der entsprechend programmierten Steuereinheit kann der Antrieb in Abhängigkeit von Ausgangssignalen der Matrixsensoren der mindestens zwei Positionsprüfer so angesteuert werden, dass durch den Antrieb die genannte relative Ausrichtung zwischen Messkopf und Probe hergestellt wird. Ist die Oberfläche der Probe zu weit oder zu nah an dem Messkopf positioniert, äußert sich dies darin, dass die genannten Lichtstrahlen auf den Sensormatrizen der Positionsprüfer bezüglich der Probennormale zu weit außen (Probe zu weit entfernt vom Detektor) oder weit innen (Probe zu nah am Detektor) relativ zu den genannten Referenzpixel liegen. Bei einer Verkippung geschieht eine Verschiebung der Lichtstrahlen auf den Sensormatrizen in die gleiche Richtung. Somit kann eindeutig zwischen einem falschen Abstand zwischen Probe und Messkopf und einem falschen Einfallswinkel unterschieden werden. Als Sensormatrizen können sowohl Bildsensoren (wie etwa CMOS- oder CCD-Sensoren) als auch positionsempfindliche Matrixsensoren genutzt werden. Die Sensormatrizen der Positionsprüfer können außerdem auch als Teil der Detektoranordnung der Vorrichtung für winkelaufgelöste Streulichtmessungen verwendet werden, etwa zur Analyse von Defekten der Probe und zur Bestimmung des Rauheitsspektrums, wie weiter unten beschrieben wird.
Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, die Beleuchtungsvorrichtung zum Beleuchten der Probe mit dem Licht in den jeweiligen Messpositionen anzusteuern. Die Steuereinheit kann auch dazu eingerichtet sein, die Detektoranordnung und/oder die Auswerteeinheit zum Beginnen und/oder Beenden des Erfassens der an der Probe gestreuten Anteile des Lichts, des Auslesens, des Integrierens und/oder des Auswertens anzusteuern.
In einer Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, für die Probe eine Rauheit σ(f_min, f_max) eines durch f_min und f_max begrenzten Ortsfrequenzbereich unter Verwendung des Zusammenhangs
zu berechnen, wobei f_min und f_max vorzugsweise so gewählt sind, dass f_min und/oder f_max zwischzen 1 μm^–1 und 50 μm^–1 (hochfrequente Rauheit – HSFR) oder zwischen 0,001 μm^–1 und 1 μm^–1 (mittelfrequente Rauheit – MSFR) liegen. Für den Fall n = 2 ist die Formel aus Gleichung 6 zu ersetzen durch den Zusammenhang
Die Rauheit kann auch durch Integration der spektralen Leistungsdichte gemäß
berechnet werden.
Die minimale auf diese Weise messbare Rauheit σ(f_min, f_max) wird durch die Sensitivitätsgrenze der Streulichtmessungen vorgegeben. Insofern diese in der Nähe des Hintergrundsignals liegt, welches durch die Streuung des auf die Probe einfallenden Lichts an Luft hervorgerufen wird, ist es möglich eine HSFR < 0,1 nm zu bestimmen. Dies liegt im Bereich der Auflösungsgrenze eines Rasterkraftmikroskops (AFM).
Die Berechnung des optischen Faktors Q kann vereinfacht werden, falls die Beleuchtungseinheit dazu eingerichtet ist, das Licht zum Beleuchten der Probe in s-polarisierter Form zu erzeugen und falls die Detektoranordnung dazu eingerichtet ist, die mindestens zwei Anteile des an der Probe gestreuten Lichts bei einem Wert des azimutalen Ausfallswinkels ϕ_s von 0° oder 180° und in s-polarisierter Form zu erfassen. Dann kann die Auswerteeinheit dazu eingerichtet sein, den optischen Faktor Q durch
zu ersetzen, wobei R_s(θ) einen spekularen Reflexionsgrad der Probe von s-polarisiertem Licht bezeichnet, welches in einem Winkel θ auf die Probe auftrifft. Es kann außerdem vorgesehen sein, dass der spekulare Reflexionsgrad bei der Durchführung des Verfahrens gemessen wird, so dass die hier vorgeschlagene Streulichtmessung auch zur Charakterisierung von Proben unbekannter Materialien geeignet ist.
In einer Ausführungsform werden zusätzlich zu den mindestens zwei gestreuten Anteilen des Lichts, welche zur Bestimmung des fraktalen Zusammenhangs der spektralen Leistungsdichte PSD(f) verwendet werden, eventuell vorhandene Defekte der Probe und Anisotropien der Rauheit unter Verwendung der winkelaufgelösten Streufunktion ARS(θ_s, ϕ_s) bei kleinen Streuwinkeln (d. h. nah an einem spekularen Reflex) analysiert. Zum Messen der Streufunktion ARS(θ_s, ϕ_s) mit einer möglichst hohen Winkelauflösung bei kleinen Streuwinkeln (Nahwinkelstreuung) kann die Detektoranordnung eine flächige Sensormatrix umfassen, die dazu eingerichtet und angeordnet ist, einen an der Probe spekular reflektierten Anteil des Lichts und gleichzeitig an der Probe mit kleinen Streuwinkeln gestreute Anteile des Lichts zu erfassen.
Außerdem können alle der in der Druckschrift WO 2010 127872 A1 beschriebenen Vorkehrungen zur Verbesserung der Genauigkeit dieser Streulichtmessung bei kleinen Streuwinkeln getroffen werden. Insbesondere kann also die Beleuchtungsvorrichtung ein erstes sammelndes Linsen- oder Speigelsystem und ein zweites sammelndes Linsen- oder Spiegelsystem sowie eine zwischen diesen Linsensystemen angeordnete Lochblende beinhalten, die so angeordnet sind, dass das von der Beleuchtungsvorrichtung ausgehende Licht durch das erste sammelnde Linsensystem auf die Lochblende fokussiert wird und ein spekular von der Probe reflektierter Anteil des von der Lochblende ausgehenden und durch das zweite sammelnde Linsensystem tretenden Lichts über die Probe auf die Sensormatrix, vorzugsweise ein CMOS-Sensor oder CCD-Sensor, fokussierbar ist. Der Durchmesser der Lochblende (Pinhole) ist vorzugsweise gerade so groß, dass die 0-te Beugungsordnung des Lichts nicht beschnitten wird, während höhere Beugungsordnungen gefiltert werden.
In einer besonders vorteilhaften Bauweise ist die Beleuchtungsvorrichtung entlang der Strahlrichtung des Lichts innerhalb des Messkopfes mechanisch verstellbar bzw. verfahrbar, um die fokussierende Wirkung einer Probe mit einer gekrümmten Oberfläche auszugleichen (ohne dabei die Ortsfrequenzen der erfassten gestreuten Anteile zu verändern), so dass die Lochblende immer optimal auf die Detektoranordnung abgebildet wird.
Die Vorrichtung kann außerdem einen Absorber beinhaltet, der so angeordnet ist, dass ein von dem der Sensormatrix reflektierter Anteil des von der Probe spekular reflektierten und auf die Sensormatrix fokussierten Anteil des Lichts auf den Absorber trifft. Hierfür ist die Sensormatrix gegenüber der optischen Achse um den Winkel α geneigt, so dass das von der Sensormatrix reflektierte Licht nicht auf die Probe zurückfällt, sondern durch den Absorber oder eine Strahlfalle aufgefangen werden kann. Der um den spekularen Reflex erfassbare Streuwinkelbereich ergibt sich zu: Δθ_s = ±arctan( dcosα / 2α – dsinα) (Gl. 8) wobei d die Ausdehnung der Sensormatrix beschreibt und a den Abstand zwischen Detektor und Probe.
Außerdem können zur Unterdrückung von Störlichteinflüssen ein Beleuchtungskanal und ein Detektionskanal der Vorrichtung vollständig voneinander getrennt sein.
Zur weiteren Analyse von Defekten kann die Auswerteeinheit dazu eingerichtet sein, die winkelaufgelöste, normierte Streuleistung ARS(θ_s, ϕ_s) gemäß Gleichung 5 zu berechnen und lokale Minima der Streuleistung ARS(θ_s, ϕ_s) zu finden, sofern solche Minima vorhanden sind, und Durchmesser d_Defekt eines diese Minima hervorrufenden Defektes der Probe unter Ausnutzung der Zusammenhänge
und cos(θ_m) = cos(θ_i)cos(θ_s) + sin(θ_i)sin(θ_s)cos(ϕ_s) (Gl. 10) zu berechnen, wobei m eine natürliche Zahl ist, die die Minima, ausgehend von einer Strahlrichtung des spekular reflektierten Anteils, aufsteigend durchnummeriert.
Durch die Messung bzw. Berechnung des Durchmessers d_Defekt für unterschiedliche Azimutrichtungen kann auch die Form eines Defektes bestimmt werden. Durch die zusätzliche Erkennung von Defekten oder anisotropen Rauheitsstrukturen lässt sich auch die Zuverlässigkeit und Robustheit des fraktalen Modells der spektralen Leistungsdichte und der daraus berechneten Rauheit verbessern. Bei Vorliegen eines Defektes oder einer Anisotropie in einer Messposition kann die Berechnung der Rauheit unter Verwendung der Modellfunktion aus Gleichung 3, also des fraktalen Modells, für unterschiedliche und durch die Anisotropie unterscheidbare Richtungen jeweils separat durchgeführt werden. Die Berechnung kann in diesem Fall für die unterschiedlichen Anisotropierichtungen, z. B. für eine Richtung maximaler Rauheit und eine Richtung minimaler Rauheit, skaliert werden.
Die Erfindung erlaubt es, schnell erfassbare Aussagen zur Homogenität und zu Defekten zu treffen. Darüberhinaus lässt sich auf Basis der Rauheitsinformationen ein Reflexionsgrad R einer optischen Komponente bei der Anwendungswellenlänge bereits vor einer Beschichtung dieser optischen Komponente bestimmen. Dazu kann nach Bestimmung der spektralen Leistungsdichte PSD(f) im relevanten Ortsfrequenzbereich die daraus gemäß
berechnete Streuleistung ARS(θ_s, ϕ_s) über θ_s und ϕ_s integriert werden, wobei der spekular reflektierte Anteil ausgelassen wird. Dafür geeignete Integrationsgrenzen ergeben sich z. B. aus der DIN-Norm EN ISO 13696. Diese Integration ergibt den Streulichtverlust. Dann kann der zu erwartende Reflexionsgrad R berechnet werden gemäß R = R₀ – TS, wobei TS der durch das Integral über ARS(θ_s, ϕ_s) erhaltene Streulichtverlust (total scattering) ist und R₀ für den idealen Reflexionsgrad der optischen Komponente steht, den das System ohne Rauheit hätte und der sich aus Brechzahlen und Schichtdicken des Oberflächensystems bestimmen lässt.
Somit kann beispielsweise ein unzureichender Politurgrad frühzeitig erkannt und korrigiert werden und auf diese Weise die Kosten für die weiteren Verarbeitungsschritte auf diese Weise gespart werden. Die ortsaufgelösten Informationen (Reflexionsgrad und Streulicht) können auch im Optikdesign genutzt werden, um die Auswirkungen von unzureichend polierten Bereichen auf die optische Abbildung der betreffenden optischen Komponente durch sogenannte „ray-tracing” Algorithmen vorherzusagen.
In einer Ausführungsform, welche sich für das oben beschriebene parallele Messverfahren eignet, ist vorgesehen, dass die Beleuchtungseinheit mindestens eine Lichtquelle aufweist zum Erzeugen des Lichts zum Beleuchten der Probe, wobei zwischen der mindestens einen Lichtquelle und der Probe mindestens zwei verschiedene Strahlengänge für mindestens zwei sich in ihren Wellenlängen unterscheidende Lichtkomponenten vorgesehen sind, die abschnittsweise unterschiedlich verlaufen, wobei die Lichtkomponenten unabhängig voneinander in ihrer Intensität modulierbar sind.
Die Vorrichtung weist dann außerdem eine Steuervorrichtung auf, die eingerichtet ist zum Modulieren der Lichtkomponenten mit unterschiedlichen Modulationssignalen, wobei die Auswerteeinheit mehrere Signalkanäle aufweist und dazu eingerichtet ist, in jedem der Signalkanäle jeweils einen von zeitlich mit den verschiedenen Modulationssignalen korrelierten Anteilen der Ausgangssignale der Detektoranordnung herauszufiltern, sodass jeder der genannten Lichtkomponenten mindestens einem der Signalkanäle eindeutig zugeordnet ist. Zum Modulieren der Lichtkomponenten kann in mindestens einem der Strahlengänge ein über die Steuervorrichtung steuerbarer Modulator angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung für mindestens eine der Lichtkomponenten eine eigene modulierbare Lichtquelle aufweisen. Der Modulator umfasst vorzugsweise einen mechanischen Chopper oder einen akustooptischen Modulator. Die modulierbare Lichtquelle umfasst vorzugsweise eine Laserdiode oder einen Festkörperlaser. Durch Verwendung der modulierbaren Lichtquelle kann die Lichtkomponente bereits direkt bei ihrer Erzeugung mit einer Modulation versehen werden, sodass keine weiteren Bauteile im Strahlengang vorgesehen werden müssen und die Anordnung platzsparender ausgeführt werden kann. Außerdem ist hierdurch eine Modulierung mit einem sinusförmigen Modulationssignal, welches hinsichtlich des Übersprechenverhaltens günstiger ist, einfacher möglich.
Für die serielle Durchführung des Verfahrens können einzelne Lichtkomponenten beispielsweise mittels Strahlfallen geblockt werden, so dass diese Lichtkomponente nicht mehr auf die Probe oder auf die Detektoranordnung trifft.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann zum Erzeugen der verschiedenen Lichtkomponenten zwei oder mehr Lichtquellen aufweisen, welche zur Erzeugung von Lichtkomponenten mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen oder Spektren ausgebildet sind.
In einem der zwischen der mindestens einen Lichtquelle und der Probe gelegenen Strahlengänge und/oder in einem zwischen der Probe und der Detektoranordnung gelegenen Strahlengang kann eine Abschwächvorrichtung, vorzugsweise ein Filter, wie etwa ein Neutraldichtefilter, zum Einstellen einer Intensität des Lichts, einer der Lichtkomponenten oder eines der gestreuten Anteile des Lichts angeordnet sein. Die Anpassung der Sensitivität und Signalaussteuerung der Detektoranordnung kann auch durch Einstellung der Integrationszeit der lichtempfindlichen Sensorelemente der Sensormatrix erfolgen. Probenseitig vor den Sensorelementen können Neutraldichtefilter angeordnet sein, um ein optimales Signal-zu-Rausch Verhältnis zu erzielen. Für den Fall paralleler Streulichtmessungen mit zwei oder mehr verschiedenen Wellenlängen kann außerdem vorzugsweise unmittelbar vor der Sensormatrix für die Defektanalyse ein Farbfilter angeordnet sein, der nur für eine dieser Wellenlängen transparent ist. Die Sensormatrix kann neben der Defektanalyse auch zu Berechnung des Rauheitsspektrums genutzt werden kann. Da bei der Sensormatrix typischerweise das Lock-in-Prinzip nicht angewendet werden kann, kann es dann notwendig sein, Farbfilter zur Trennung der unterschiedlichen Wellenlängen zu verwenden.
Die Auswertevorrichtung kann zum Herausfiltern der zeitlich mit den verschiedenen Modulationssignalen korrelierten Anteile des Ausgangssignals in jedem der Signalkanäle mindestens einen Lock-in-Verstärker umfassen. Hierdurch werden nur die erwünschten Anteile des Ausgangssignals, welche also ein passendes Modulationssignal aufweisen bzw. zeitlich mit dem passenden Modulationssignal korreliert sind, einer Weiterverarbeitung zugeführt. Außerdem wird dadurch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis für die Weiterverarbeitung verbessert.
Eine vorteilhafte Ausführungsform kann vorsehen, dass die den verschiedenen Signalkanälen zugeordneten Anteile des Ausgangssignals mittels der Auswerteeinheit einzeln zeitgleich weiterverarbeitet werden. Durch die zeitlich parallele Weiterverarbeitung wird die für die Streulichtmessung und die Analyse dieser Messung benötigte Zeit minimiert. Durch das Aufteilen in mehrere Signalkanäle ist die zeitgleiche, parallele Weiterverarbeitung der in den einzelnen Signalkanälen geführten Signale problemlos möglich.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand spezieller Ausführungsbeispiele, die in den folgenden Figuren schematisch dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigt:
1 eine typische Streugeometrie bei der Durchführung einer Streulichtmessung,
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung hier vorgeschlagener Art,
3 den Verlauf der Messgröße ARS(θ_s, ϕ_s) und der daraus berechneten Funktion PSD(f),
4 die Messung einer relativen Ausrichtung zwischen der in 2 gezeigten Vorrichtung und einer Probe,
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung hier vorgeschlagener Art,
6 eine schematische Darstellung eines Verfahrens hier vorgeschlagener Art.
Wiederkehrende Bezugszeichen bezeichnen gleiche oder entsprechende Merkmale. Merkmale, die nur für eine spezielle Ausführungsform gezeigt werden, können auch auf jede andere Ausführungsform der Erfindung übertragen werden. Dies gilt insbesondere für alle solche Merkmale, die nicht im allgemeinen Teil der Beschreibung, sondern nur nachfolgend im speziellen Teil der Beschreibung beschrieben werden.
In 1 ist eine Streugeometrie einer mit einer Vorrichtung hier vorgeschlagener Art erfolgenden Streuung des auf eine Probe 1 treffenden Lichts veranschaulicht. Darin bezeichnen n eine makroskopische Oberflächennormale der Probe 1 an einer Messposition, an der das Licht auf die Probe 1 trifft, θ_i den Einfallswinkel, den das auf die Probe 1 treffende Licht mit der Oberflächennormalen n einschließt und P_i eine Leistung des auf die Probe 1 treffenden Lichts. Die Richtung des von der Probe gestreuten Lichts wird durch den an der Oberflächennormalen n gemessenen polaren Winkel θ_s und durch den azimutalen Winkel φ_s angegeben (die griechischen Buchstaben φ und ϕ werden gleichbedeutend verwendet), den die Projektionen des einstrahlenden Lichts und des betreffenden gestreuten Lichts auf die Oberfläche der Probe einschließen. Durch ΔP_s wird die Leistung der in das entsprechende Raumwinkelelement ΔΩ_s fallenden Anteile gestreuten Lichts bezeichnet. Ferner steht P_r für eine Leistung des spekular reflektierten Lichts, also des Lichtanteils, dessen Ausfallswinkel θ_r dem Einfallswinkel gleicht und dessen azimutaler Winkel verschwindet.
In 2 ist eine Vorrichtung 2 hier vorgeschlagener Art zur winkelaufgelösten Streulichtmessung schematisch dargestellt. Sie umfasst eine Beleuchtungsvorrichtung 3 zum Beleuchten einer Probe 1 mit Licht unter einem Einfallswinkel θ_i (bezogen auf eine lokale Probennormale n), eine Detektoranordnung 4 zum gleichzeitigen Erfassen von vier an der Probe 1 gestreuten Anteilen des Lichts.
Diese gestreuten Anteile unterscheiden sich durch verschiedene Ortsfrequenzen f voneinander, wobei für diese Ortsfrequenzen f jeweils
gilt, wobei f_x und f_y gegeben sind durch
Die Vorrichtung 1 umfasst außerdem eine Auswerteeinheit 5 zum Auswerten von Ausgangssignalen der Detektoranordnung 4, wobei die Auswerteeinheit 5 programmtechnisch eingerichtet ist, für die zumindest zwei gestreuten Anteile des Lichts jeweils in Abhängigkeit von den zu diesen Anteilen gehörigen Ausgangssignalen der Detektoranordnung 4 Werte für eine spektrale Leistungsdichte PSD(f) dieser gestreuten Anteile zu bestimmen und anschließend unter Verwendung dieser Werte Parameter A und n eines durch
darstellbaren Zusammenhangs für die spektrale Leistungsdichte auszuwerten. Die Auswerteeinheit berechnet die Werte für die spektrale Leistungsdichte PSD(f) unter Verwendung der Formel
wobei Q einen optischen Faktor bezeichnet und ARS(θ_s, ϕ_s) (Angle Resolved Scattering) eine durch
definierte Messgröße ist. Darin ist P_i eine Strahlungsleistung des auf die Probe eintreffenden Lichts und ΔP_s(θ_s, ϕ_s) eine in einem Raumwinkelelement gemessene Strahlungsleistung von gestreuten Lichtanteilen, wobei das mit ΔΩ bezeichnete Raumwinkelelement zu den polaren und azimutalen Ausfallswinkeln θ_s und ϕ_s gehört.
Die Berechnung der Werte für die PSD(f) erfolgt also auf Grundlage der Messgröße ARS(θ_s, ϕ_s).
Das von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugte Licht beinhaltet in diesem Beispiel zwei Lichtkomponenten, die sich in ihren Wellenlängen voneinander unterscheiden. Das Licht wird in der Form eines zusammenhängenden Beleuchtungsflecks mit einem Durchmesser von 3 mm auf eine vorgegebene Messposition auf der Oberfläche der Probe 1 eingestrahlt. Die genannten Lichtkomponenten werden von zwei verschiedenen, durch Laserdioden gegebenen Lichtquellen 6 erzeugt und mittels eines dichroitischen Spiegels 7 koaxial überlagert.
Die Wellenlängen der Lichtkomponenten betragen 400 nm und 800 nm. Die Lichtkomponenten des Lichts werden zeitgleich auf die Probe 1 eingestrahlt, und die an der Probe gestreuten Anteile dieser Lichtkomponenten werden von der Detektoranordnung 4 gleichzeitig erfasst. Diese parallele Durchführung der Messung wird mittels einer Modulation der beiden Lichtkomponenten durchgeführt, welche eine eindeutige Zuordnung der Ausgangssignale der Detektoranordnung zu den einzelnen Wellenlängen erlaubt, wie weiter unten detailliert beschrieben wird.
Die Detektoranordnung 4 umfasst zwei räumlich voneinander getrennte Punktsensoren 8, die durch Sekundärelektronenvervielfacher oder Photomultiplier tubes (PMTs) gegeben sind und für die Wellenlängen beider Lichtkomponenten sensitiv sind. Die räumliche Ausrichtung der Punktsensoren 8 relativ zur Beleuchtungsvorrichtung 3 und relativ zur Probe wird in Abhängigkeit der Ortsfrequenzen f der zu erfassenden gestreuten Anteile und deren Komponenten f_x und f_y und den Wellenlängen des Lichts gemäß dem oben angegebenen Zusammenhang eingestellt. Hierzu wird ein motorisierter Antrieb verwendet (hier nicht dargestellt).
Die Beleuchtungsvorrichtung 3 ist dazu eingerichtet, das Licht mit dem Einfallswinkels θ_i = 20° auf eine vorgegebene Messposition auf der Probe 1 zu lenken, Die Detektoranordnung ist dazu eingerichtet, die vier Anteile des an der Probe 1 gestreuten Lichts bei polaren Ausfallswinkeln θ_s von 5° und 60° und verschwindenden azimutalen Ausfallswinkel zu erfassen. Dabei liegt zumindest eine der Ortsfrequenzen im HSFR-Bereich, der durch 1 μm^–1 ≤ f ≤ 50 μm^–1 definiert ist.
Es ergeben sich somit die in 3 dargestellten vier Messwerte für ARS(θ_s, ϕ_s) (linkes Diagramm) und aus denen die vier Stützstellen für PSD(f) berechnet werden können. Daraus lassen sich anschließend die Parameter A und n des fraktalen Zusammenhangs für PSD(f) berechnen, siehe rechtes Diagramm. In der gezeigten doppellogarithmischen Darstellung erkennt man die Bedeutung des Parameters n als Steigung der Funktion PSD(f). Zusätzlich zu diesen vier Messwerten können auch die Messwerte einer zusätzlich vorgesehenen Sensormatrix 12 zur Bestimmung der Paramter A und n genutzt werden.
Bei der gezeigten Probe 1 handelt es sich um einen ellipsenförmigen Spiegel mit einem Durchmesser von 0,5 m für Anwendungen im EUV-Bereich. Bei einer Messzeit von kleiner als 0,5 s pro Messposition kann die Oberfläche der dieser Probe 1 in nur 2 Stunden vollständig analysiert werden, indem das Messverfahren an einer Vielzahl von Messpositionen durchgeführt wird, wobei diese Messpositionen in der Form eines Rasters angeordnet sind, welches die Gesamtoberfläche der Probe 1 vollständig abdeckt. Dabei nehmen benachbarte Messpositionen voneinander einen Abstand ein, der so gewählt ist, dass eine Überlappung zwischen den Beleuchtungsflecken zweier benachbarter Messpositionen 10% bis 50% der Fläche des jeweiligen Beleuchtungsflecks beträgt.
Die Vorrichtung 2 weist einen Messkopf 9 auf, in dem die Beleuchtungsvorrichtung 3 und die Detektoranordnung 4 integriert sind, wobei die Vorrichtung 1 außerdem einen mittels einer Steuereinheit 10 der Vorrichtung 2 steuerbaren, motorisierten Antrieb 11 der Form eines Detektorarms umfasst zur Herstellung einer relativen Ausrichtung zwischen der Probe 1 und dem Messkopf 9 in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Messposition auf der Probe 1, einem vorgegebenen Abstand zwischen Beleuchtungsvorrichtung und Probe und einem vorgegebenen Einfallswinkel θ_i. Bei Vorliegen der genannten Ausrichtung ist die Beleuchtungseinheit also auf die vorgegebene Messposition mit dem vorgegebenen Einfallswinkels θ_i ausgerichtet und nimmt den vorgegebenen Abstand zur Probe ein.
Die Vorrichtung 2 weist auch einen hier nicht dargestellten motorisierten Antrieb für die relative räumliche Ausrichtung zwischen der Detektoranordnung 4, also den Punktsensoren 8 und der Sensormatrix 12, und der Beleuchtungsvorrichtung 3 entsprechend den Komponenten f_x und f_y der Ortsfrequenzen f der zu erfassenden gestreuten Anteile auf.
Zum Herstellen der genannten relativen Ausrichtung zwischen Messkopf 9 und Probe 1 wird der Messkopf bewegt und zusätzlich die Probe um ihrer Symmetrieachse rotiert. Der motorisierte Antrieb 11 hat drei translatorische und zwei rotatorische Freiheitsgrade.
Die Steuereinheit 10 ist eingerichtet, den Antrieb 11 zum Herstellen der durch das Raster definierten Abfolge verschiedener relativer Ausrichtungen zwischen Messkopf und Probe anzusteuern. Dabei wird der Einfallswinkel θ_i sowie der Abstand zwischen Messkopf 9 und Probe 1 für jede der Messpositionen beibehalten. Dabei werden die einzelnen Messpositionen beleuchtet, ohne dass der Messkopf 9 während der Beleuchtung der Messposition relativ zur Probe still steht. Der Messkopf 9 wird vielmehr durch eine geeignete Relativbewegung zwischen Messkopf 9 und Probe 1 (Rotation der Probe 1, radiale Bewegung des Messkopfes 9) mit konstanter Geschwindigkeit über die einzelnen Messposition hinwegbewegt. Die Steuereinheit 10 ist eingerichtet, die Detektoranordnung 4 zum Beginnen und Beenden des Erfassens der an der Probe gestreuten Anteile des Lichts in den einzelnen Messpositionen anzusteuern und die Auswerteeinheit 5 zum Auslesen der Detektoreinheit 4 und zum Auswerten der Ausgangssignale anzusteuern.
Die Detektoranordnung 4 weist kurze Integrationszeiten von weniger als 0,1 s auf, so dass für die Streulichtmessungen an den Messpositionen jeweils Messzeiten von weniger als 0,1 s benötigt werden, so dass die Probe 1 in weniger als zwei Stunden vollständig charakterisierbar ist.
Mit der Auswerteeinheit wird außerdem eine Rauheit σ(f_min, f_max) eines durch vorgegebene Wert f_min = 1 μm^–1 und f_max = 50 μm^–1 begrenzten Ortsfrequenzbereich unter Verwendung des Zusammenhangs
oder im Fall n = 2 gemäß
berechnet.
Das mit der Beleuchtungseinheit 3 erzeugte Licht ist s-polarisiert, und die Detektoranordnung 4 ist zum erfassen von s-polarisierten Licht ausgestaltet. Die Der optische Faktor Q wird mittels der Auswerteeinheit 5 gemäß
berechnet, wobei R_S(θ) einen spekularen Reflexionsgrad der Probe von s-polarisiertem Licht bezeichnet, welches in einem Winkel O auf die Probe auftrifft. Der spekulare Reflexionsgrad wird mittels der Sensormatrix 12 gemessen und unter Verwendung des Zusammenhangs R = P_r/P_i berechnet, wobei P_r eine Strahlungsleistung des an der Probe spekular reflektierten Anteils des Lichts ist.
Zusätzlich zu den vier gestreuten Anteilen des Lichts, welche zur Bestimmung des fraktalen Zusammenhangs der spektralen Leistungsdichte PSD(f) verwendet werden, werden eventuell vorhandene Defekte der Probe 1 und Anisotropien der Rauheit unter Verwendung der winkelaufgelösten Streufunktion ARS(θ_s, ϕ_s) bei kleinen Streuwinkeln (d. h. nah an einem spekularen Reflex) analysiert. Zum Messen der Streufunktion ARS(θ_s, ϕ_s) mit einer möglichst hohen Winkelauflösung bei kleinen Streuwinkeln (Nahwinkelstreuung) umfasst die Detektoranordnung die flächige Sensormatrix 12, die dazu eingerichtet und angeordnet ist, einen an der Probe spekular reflektierten Anteil des Lichts und gleichzeitig an der Probe mit kleinen Streuwinkeln gestreute Anteile des Lichts zu erfassen.
Außerdem können alle der in der Druckschrift WO 2010 127872 A1 beschriebenen Vorkehrungen zur Verbesserung der Genauigkeit dieser Streulichtmessung bei kleinen Streuwinkeln getroffen werden. Insbesondere weist die Beleuchtungsvorrichtung 3 ein erstes sammelndes Spiegelsystem und ein zweites sammelndes Spiegelsystem sowie eine zwischen diesen Spiegelsystemen angeordnete Lochblende auf (jeweils in Bauteil 14 integriert), die so angeordnet sind, dass das von der Beleuchtungsvorrichtung 3 ausgehende Licht durch das erste sammelnde Spiegelsystem auf die Lochblende fokussiert wird und ein spekular von der Probe reflektierter Anteil des von der Lochblende ausgehenden und durch das zweite sammelnde Spiegelsystem tretenden Lichts über die Probe auf die Sensormatrix 12, gegeben durch einen CMOS-Sensor, fokussierbar ist. Der Durchmesser der Lochblende ist gerade so groß, dass die 0-te Beugungsordnung des Lichts nicht beschnitten wird, während höhere Beugungsordnungen gefiltert werden.
Die Baugruppe 14 umfasst außerdem einen Polarisator in Kombination mit einem λ/4-Plättchen zur Einstellung einer Polarisation des Lichts, insbesondere der bereits genannten s-Polarisation.
Zusätzlich ist die Beleuchtungsvorrichtung 3, also Elemente 6, 7, 13 und Teile von 14, entlang der Strahlrichtung des Lichts innerhalb des Messkopfes 9 mechanisch verstellbar bzw. verfahrbar, um die fokussierende Wirkung der Probe 1 auszugleichen ohne dabei die Ortsfrequenzen der erfassten gestreuten Anteile zu verändern, so dass die Lochblende immer optimal auf die Detektoranordnung abgebildet wird.
Die Vorrichtung 2 beinhaltet außerdem einen Absorber (nicht dargestellt), der so angeordnet ist, dass ein von der Sensormatrix reflektierter Anteil des von der Probe spekular reflektierten und auf die Sensormatrix fokussierten Anteils des Lichts auf den Absorber trifft. Hierfür ist die Sensormatrix 12 gegenüber der optischen Achse um den Winkel α geneigt, so dass das von der Sensormatrix reflektierte Licht nicht auf die Probe zurückfällt, sondern durch den Absorber oder eine Strahlfalle aufgefangen werden kann. Der um den spekularen Reflex erfassbare Streuwinkelbereich ergibt sich zu: Δθ_s = ±arctan( dcosα / 2α – dsinα) wobei d die Ausdehnung der Sensormatrix beschreibt und a den Abstand zwischen Detektor und Probe.
Außerdem sind zur Unterdrückung von Störlichteinflüssen ein Beleuchtungskanal und ein Detektionskanal der Vorrichtung vollständig voneinander getrennt.
Zur weiteren Analyse von Defekten wird mittels der Auswerteeinheit 5 die winkelaufgelöste, normierte Streuleistung ARS(θ_s, ϕ_s) ausgewertet und lokale Minima der Streuleistung ARS(θ_s, ϕ_s) bestimmt, sofern solche Minima vorhanden sind, und Durchmesser d_Defekt eines diese Minima hervorrufenden Defektes der Probe unter Ausnutzung der Zusammenhänge
und cos(θ_m) = cos(θ_i)cos(θ_s) + sin(θ_i)sin(θ_s)cos(ϕ_s) berechnet, wobei m in der weiter oben erläuterten Weise definiert ist. Durch die Berechnung mehrerer Durchmesser d_Defekt in unterschiedlichen Azimutrichtungen wird auch die Form des Defektes bestimmt.
Wie aus 2 zu erkennen ist, sind zwischen den beiden Lichtquellen 6 und der Probe zwei verschiedene Strahlengänge für die zwei sich in der Wellenlänge unterscheidenden Lichtkomponenten des Lichts vorgesehen, die abschnittsweise, nämlich bis zum dichroitischen Spiegel 7, unterschiedlich verlaufen. Durch diese räumliche Trennung können die beiden Lichtkomponenten unabhängig voneinander moduliert und modifiziert werden, beispielsweise mittels Neutraldichtefilter 13, mittels denen die Lichtkomponenten in ihrer Intensität angepasst werden können.
Bei großen Dynamikunterschieden der gestreuten Anteile können mehrere Streulichtmessungen bei unterschiedlichen Belichtungszeiten (Integrationszeiten) der Sensormatrix zu einem High-Dynamik-Range Bild der Sensormatrix 12 kombiniert werden. Anschließend kann eine Korrektur über ein Dunkelbild (Bild ohne Beleuchtung bei den genannten unterschiedlichen Belichtungszeiten) und ein Weißbild (Bild bei homogener Ausleuchtung) zur Kompensation von thermischem Rauschen und Pixelausfällen durchgeführt werden.
Die Lichtquellen 6 sind als in ihrer Intensität modulierbare Laserdioden ausgestaltet, so dass die von ihnen ausgehenden Lichtkomponenten jeweils mit einem Modulationssignal überlagerbar oder überlagert sind. Die Auswerteeinheit 5 weist vier Signalkanäle auf und ist dazu eingerichtet, in jedem der Signalkanäle jeweils einen von zeitlich mit den verschiedenen Modulationssignalen korrelierten Anteilen der Ausgangssignale der Detektoranordnung herauszufiltern, sodass jeder der genannten Lichtkomponenten mindestens einem der Signalkanäle eindeutig zugeordnet werden kann.
Die Auswertevorrichtung 5 umfasst zum Herausfiltern der zeitlich mit den verschiedenen Modulationssignalen korrelierten Anteile der Ausgangssignale der Detektoren 8 in jedem der Signalkanäle einen Bandpassfilter und einen Lock-in-Verstärker, um nur die erwünschten Anteile des Ausgangssignals, welche also ein passendes Modulationssignal aufweisen bzw. zeitlich mit dem passenden Modulationssignal korreliert sind, einer Weiterverarbeitung zuzuführen und außerdem das Signal-zu-Rausch-Verhältnis für die Weiterverarbeitung zu verbessern.
Die in den verschiedenen Signalkanälen verbleibenden Anteile des Ausgangssignals werden in der Auswerteeinheit 5 einzeln zeitgleich weiterverarbeitet, insbesondere zur Berechnung der Stützstellen der spektralen Leistungsdichte.
Die Anpassung der Sensitivität und Signalaussteuerung der Detektoranordnung 4 wird durch Einstellung der Integrationszeit der Sensormatrix 12 vorgenommen. Zusätzlich sind zu diesem Zweck Neutraldichtefilter 13 direkt vor diesen Elementen 8, 12 angeordnet, um ein optimales Signal-zu-Rausch Verhältnis zu erzielen. Außerdem ist unmittelbar vor der Sensormatrix 12 für die Defektanalyse ein Farbfilter (nicht dargestellt) angeordnet, der nur für eine der beiden Wellenlängen transparent ist.
Die in 2 gezeigte Vorrichtung 2 weist einen Positionsrückkoppelkreis mit zwei Positionsprüfern auf, von denen einer eine der beiden Lichtquellen 6 der Beleuchtungsvorrichtung sowie die Sensormatrix 12 beinhaltet. Die Positionsprüfer sind auch in 4 dargestellt.
4 zeigt die Positionsprüfer einer Vorrichtung hier vorgeschlagener Art zur Überprüfung der relativen Ausrichtung zwischen einem Messkopf der Vorrichtung und der Probe 1 in zwei verschiedenen Konfigurationen. Jeder der Positionsprüfer umfasst eine Lichtquelle 15, 15' und eine dieser Lichtquelle 15, 15' zugeordnete Sensormatrix 16, 16'. Die Lichtquellen 15, 15' der Positionsprüfer sind auf einen vorgegebenen, gemeinsamen Ortspunkt 17 ausgerichtet. Die Sensormatrix 16, 16' eines jeden der Positionsprüfer ist so ausgerichtet, dass, falls die vorgegebene relative Ausrichtung zwischen Messkopf und Probe hergestellt ist, ein Lichtstrahl, der von der Lichtquelle dieses Positionsprüfers ausgeht, in dem genannten Ortspunkt 17 an der Probe reflektiert wird und auf vorbestimmte Referenzpixel 18, 18' der Sensormatrix 16, 16' auftrifft, und, falls die vorgegebene relative Ausrichtung nicht hergestellt ist, der genannte Lichtstrahl nicht auf diese Referenzpixel 18, 18' auftrifft, sondern ggf. auf andere Pixel der Sensormatrix 16, 16'.
Mittels der entsprechend programmierten Steuereinheit 10 kann der Antrieb 11 der Vorrichtung 2, vgl. 2, in Abhängigkeit von Ausgangssignalen der Matrixsensoren 16, 16' der mindestens zwei Postionsprüfer so angesteuert werden, dass durch den Antrieb die genannte relative Ausrichtung zwischen Messkopf 9 und Probe 1 hergestellt wird.
In 5 ist zur Erläuterung des parallelen Messverfahrens eine schematische Teilansicht einer weiteren Vorrichtung hier vorgeschlagener Art zur winkelaufgelösten Streulichtmessung dargestellt. Drei Laser 6, 6', 6'' bzw. Laserdioden erzeugen jeweils eine Lichtkomponente, die in einem Strahlengang zu einer Probe 1 geführt wird. Insgesamt weist die dargestellte Vorrichtung 2 genau so viele Strahlengänge wie Lichtquellen auf. Die in den verschiedenen Strahlengängen geführten Lichtkomponenten unterscheiden sich in voneinander in ihrer Wellenlänge, da die Laser 6, 6', 6'' jeweils unterschiedliche Wellenlängen emittieren. Die einzelnen Lichtkomponenten werden durch einen Spiegel 19 und zwei dichroitische Spiegel 7 und 7' kombiniert und als ein Probenstrahl auf die Probe 1 geleitet. Vor dem dichroitischen Spiegel 7' sind die Strahlengänge jedoch unterschiedlich geführt. In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind lediglich die drei Laser 6, 6', 6'' als Lichtquellen dargestellt, es können aber natürlich auch mehr oder weniger als drei Lichtquellen und eine entsprechend höhere Anzahl von Strahlengängen vorgesehen sein. Stattdessen könnte auch nur eine einzelne Lichtquelle vorgesehen sein und das von dieser Lichtquelle erzeugte Licht beispielsweise durch einen Strahlteiler in mehrere Lichtkomponenten aufgespalten werden, die dann wieder in jeweils einem eigenen Strahlengang geführt würden. Insbesondere im letztgenannten Fall kann den Lichtkomponenten durch Farbfilter jeweils eine von den anderen Lichtkomponenten verschiedene Wellenlänge oder spektrale Zusammensetzung gegeben werden.
In jedem der Strahlengänge ist ein Modulator 20, 21, 22 enthalten, welcher die jeweilige Lichtkomponente unabhängig von anderen Lichtkomponenten in ihrer Intensität moduliert. Die Modulatoren 20, 21, 22 modulieren die verschiedenen Lichtkomponenten dabei mit unterschiedlichen Modulationssignalen, mit denen die Modulatoren 20, 21, und 22 dazu angesteuert werden und die sich in Frequenz, Signalform und Phase voneinander unterscheiden können. Der Modulator 20 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein akustooptischer Modulator, während die Modulatoren 21 und 22 mechanische Chopper sind. In einer alternativen Ausführungsform können auch die Laser 6, 6', 6'' selbst modulierbar sein, beispielsweise durch Verwendung modulierbarer Laserdioden. Die Modulatoren 20, 21, 22 werden jeweils über in 5 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Steuervorrichtungen unabhängig voneinander angesteuert. Alternativ kann auch nur eine einzige Steuervorrichtung mit mehreren Ausgängen zum Ansteuern der Modulatoren 20, 21, 22 vorgesehen sein. Wenn die Laser 6, 6', 6'' selbst extern oder intern modulierbar sind, werden statt der dann wegfallenden Modulatoren 20, 21 und 22 die Laser 6, 6', 6'' entsprechend angesteuert.
In jedem der Strahlengänge ist ein optischer Filter 13, 13', 13'' angeordnet, der dafür sorgt, dass die einzelnen Lichtkomponenten eine derart angepasste Intensität haben, dass die später detektierten gestreuten Anteile aller Lichtkomponenten Leistungen gleicher Größenordnung haben. Dies dient einer Beschränkung eines Übersprechverhaltens auf zwischen drei und zehn Zehnerpotenzen, um eine zuverlässige Messung zu ermöglichen. Eine erforderliche Anzahl an Filterstufen für ein Erreichen des für die Streulichtmessung notwendigen Dynamikbereichs kann außerdem durch eine Verbesserung des Übersprechverhaltens des Lock-in-Verstärkers reduziert werden. Aufgrund einer extrem hohen Dynamik von Streulichtmessungen ist ein derart niedriges Übersprechverhalten zwischen den einzelnen Signalkanälen entscheidend für das Gelingen der Messung.
Außerdem ist in den Strahlengängen jeweils eine optische Komponente bzw. Baugruppe 14, 14', 14'' zur Strahlformung enthalten, welche auch aus mehreren einzelnen Bauteilen bestehen kann, also durch eine Bauteilgruppe realisiert werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die optischen Komponenten 14, 14', 14'' jeweils einen Raumfilter zur Homogenisierung der jeweiligen Lichtkomponente sowie einen Spiegel zur Einstellung eines Fokus auf die Probe 1. Über den Spiegel 19 sowie die dichroitischen Spiegel 7 und 7' werden die Lichtkomponenten zusammengeführt und gemeinsam als Probenstrahl auf die Probe 1 geleitet. Der Probenstrahl durchläuft hierbei einen weiteren optischen Filter 23, der die Intensität des Probenstrahls auf ein die Probe 1 nicht schädigendes Niveau anpasst und bzw. oder die Intensität des an der Probe 1 gestreuten Lichts derart anpasst, dass ein Signal-zu-Rauschen-Verhältnis eines zur Detektion verwendeten Punktsensors 8 optimiert wird und bzw. oder die Intensität im linearen Bereich des Detektors liegt.
Der Probenstrahl kann insbesondere auch über eine Faser auf die Probe 1 geleitet werden, wodurch eine kompakte Strahlführung und eine kompakte Bauweise der Anordnung bei genauer Überlagerung der Lichtkomponenten und geringer Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Instabilitäten bei langen Strahlengängen möglich ist. Zum Kombinieren der Lichtkomponenten werden allerdings bevorzugt Spiegel bzw. Linsen mit Superpolituren, also geringstreuenden Oberflächen, verwendet. Falls die optischen Komponenten 14, 14', 14'' keinen Raumfilter umfassen, weisen vorzugsweise sämtliche der verwendeten Spiegel und Linsen Superpolituren auf, andernfalls werden in vorteilhafter Weise lediglich für in den Strahlengängen zwischen dem Raumfilter und der Probe 1 angeordnete Spiegel und ggf. Linsen derartige Bauelemente mit Superpolituren eingesetzt. Spiegel sind Linsen im Allgemeinen vorzuziehen aufgrund der geringeren Anzahl optischer Oberflächen und einer damit verbundenen geringeren unerwünschten Streustrahlung.
Die optischen Komponenten 14, 14', 14'' dienen auch einer Einstellung eines möglichst gleich großen Strahldurchmessers und einer möglichst gleich großen Divergenz bzw. Homogenisierung der einzelnen Lichtkomponenten. Außerdem können in den Strahlengängen noch in den 2 bzw. 5 nicht dargestellte Raumfilter oder Blenden angeordnet sein bzw. optische Komponenten zur Einstellung einer Polarisation wie Polarisatoren oder λ/4-Platten bzw. λ/2-Platten. Es kann auch, insbesondere bei der Verwendung polychromatischer Lichtquellen, ein wellenlängenselektives Element wie beispielsweise ein Farbfilter vorgesehen sein, um der durch den jeweiligen Strahlengang geführten Lichtkomponente eine von den Lichtkomponenten der anderen Strahlengänge unterschiedliche Wellenlänge oder spektrale Zusammensetzung zu geben.
Ein von der Probe 1 gestreuter und spekular reflektierter Anteil des Lichts wird von dem Detektor 8 bzw. 12 detektiert. Der Detektor 8 bzw. 12 umfasst einen Photomultiplier, kann allerdings auch eine Photodiode oder eine Sensormatrix aufweisen. Der Detektor 8 kann in verschiedenen Winkeln zur Probe 1 eingestellt werden, um unter verschiedenen Streuwinkeln θ_s gestreute Anteile des Lichts zu erfassen. Die Streuwinkel θ_s können auch azimutale Streuwinkel sein. Es können auch, wie bei dem Ausführungsbeispiel aus 2, mehrere Detektoren zum Erfassen des Streulichts unter verschiedenen Streuwinkeln vorgesehen sein, was eine Vervielfachung einer Ortsfrequenzabtastung ermöglicht. Durch Verwenden von mehreren Detektoren mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit, die aber dasselbe Gesichtsfeld haben können, kann eine Verbreiterung der gesamten spektralen Empfindlichkeit erreicht werden.
Vor dem Punktdetektor 8 können auch weitere optische Komponenten zum Einstellen eines Gesichtsfelds, eines erfassten Raumwinkels und/oder zum Einstellen einer Polarisation, wie beispielsweise Blenden, Linsen, Spiegel oder Polarisationsoptiken, angeordnet sein. Insbesondere durch Verwenden von Polarisationsoptiken, wie entsprechend orientierten λ/4-Platten bzw. λ/2-Platten, oder Polarisatoren können Polarisationseigenschaften der Probe 1 umfassender charakterisiert werden, um Rückschlüsse auf unterschiedliche Streuursachen ziehen zu können. Ebenso ist es möglich, Lichtleiter, Wellenleiter oder Fasern zu verwenden, um den gestreuten Anteil des Lichts zum Detektor 8 bzw. 12 zu führen, was wiederum eine kompakte Bauweise der Anordnung erlaubt.
Der Punktdetektor 8 wandelt den gestreuten Anteil des Lichts in ein elektrisches Ausgangssignal um, welches in einer drei Lock-in-Verstärker 24, 25, 26 umfassenden Auswerteeinheit in mehrere Signalkanäle aufgeteilt wird. In jedem der Signalkanäle ist einer der Lock-in-Verstärker 24, 25, 26 angeordnet. Ausgangs-signale der Lock-in-Verstärker können zeitgleich einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Die Auswerteeinheit weist somit mehrere parallele Signalkanäle auf. An einem Referenzeingang jedes der Lock-in-Verstärker 24, 25, 26 liegt jeweils ein Referenzsignal an, das dem Modulationssignal einer der Lichtkomponenten entspricht, wobei alle Modulationssignale im vorliegenden Fall jeweils an genau einem der Lock-in-Verstärker 24, 25, 26 anliegen. Die jeweiligen Referenzsignale werden von den Steuervorrichtungen hierzu zusätzlich zu den Modulatoren 20, 21, 22 auch an die Lock-in-Verstärker 24, 25, 26 übertragen. Die Auswerteeinheiten 24, 25, 26 filtern dadurch einen zeitlich mit dem jeweiligen Modulationssignal korrelierten Anteil des Ausgangssignals heraus, welcher in den Signalkanälen dann einer weiteren Verarbeitung zugeführt wird. Somit ist jeder der genannten Lichtkomponenten einer der Signalkanäle eindeutig zugeordnet – bei Abwandlungen könnten auch jeweils mehr als ein Signalkanal für jede der Lichtkomponenten vorgesehen sein, beispielsweise bei einer Verwendung von mehreren Detektoren, deren Anfangssignale zeitgleich ausgewertet werden. Statt der Lock-in-Verstärker 24, 25, 26 können auch Bandpassfilter zum Herausfiltern der auf die verschiedenen Lichtkomponenten zurückzuführenden Anteile des Ausgangssignals des Detektors 8 Verwendung finden.
In 6 ist eine spezielle Ausführung des hier vorgeschlagenen Verfahrens in der Form eines Flussdiagramms dargestellt. Dieses Verfahren kann mit der in 2 dargestellten Vorrichtung 2 durchgeführt werden. 6 zeigt dabei einen typischen Ablauf der Streulichtmessungen und die dazugehörigen Auswertungsschritte.
Gezeigt sind die Schritte, die in einer der Messpositionen auf einer Probe durchgeführt werden, wobei die Messpositionen rasterförmig die gesamte Oberfläche der Probe abdecken, so dass eine Charakterisierung der gesamten Oberfläche durchgeführt wird. Die Ergebnisse dieser Charakterisierung werden in ortsaufgelösten Karten 27, 28, 29 der Oberfläche graphisch dargestellt. In einer oder mehreren Rauheitskarten – beispielhaft gezeigt die Karte 27 – wird die mit dem vorgeschlagenen Verfahren gemessene Rauheit der Oberfläche dargestellt, in einer Defektkarte werden gegebenenfalls gefundene Defekte der Probe und in einer Isotropiekarte der Karte 29 gegebenenfalls festgestellte Anisotropien der Oberfläche eingetragen.
Nach dem Anfahren eines neuen Messpunktes erfolgt die Ausrichtung zwischen Probe und Detektor. Dazu wird das zuvor anhand der 4 beschriebene Verfahren eingesetzt. Anschließend werden die Messsignale aller Punktsensoren 4 und das Bild der Sensormatrix 12 aufgenommen, was in 6 als Messwertaufnahme verschiedener Kanäle und als Aufnahme eines Kamerabildes bezeichnet ist.
Die Messsignale der Punktsensoren 8 werden idealerweise über einen Lock-in-Verstärker aufgezeichnet, was die Sensitivität gegenüberüber sehr kleinen Messsignalen erhöht und das Signal-Rausch-Verhältnis deutlich verbessert. Der Aufnahme der Messung mit der Sensormatrix 12 geht eine Anpassung der Integrationszeit des Sensors voraus, bei der auf eine bestmögliche Aussteuerung der Pixelgrauwerte optimiert wird. Führt dies nicht zu einem zufriedenstellenden Ergebnis, können ggf. mehrere Aufnahmen in einem HDR-Modus kombiniert werden. Für alle Aufnahmen mit der Sensormatrix 12 werden gegebenenfalls zusätzliche Aufnahmen bei Dunkelheit und voller Ausleuchtung durchgeführt um Fehlerpixel zu erkennen und korrigieren zu können.
Dadurch stehen hochsensitive Streulichtinformationen bei großen Streuwinkeln und hochaufgelöste 3D-Streulichtinformationen bei kleinen Streuwinkeln zur Verfügung. Alle diese Informationen fließen in die Berechnung des Rauheitsspektrums PSD(f) ein.
Weiterhin erfolgt eine zusätzliche Analyse des Bildes der Sensormatrix 12 um beispielsweise Isotropie, Defekte oder Verunreinigungen untersuchen zu können. Treten im Bild Oszillationen des Messignals auf, so ist dies auf Partikel auf der Oberfläche zurückzuführen. Ist der fraktale Verlauf des Rauheitsspektrums PSD(f) – also dessen Abhängigkeit von der Ortsfrequenz gemäß dem weiter oben genannten Modell – gestört, deutet dies ebenfalls auf Partikel hin, die kleiner als die Oszillationen hervorrufenden Partikel sind. Um das festzustellen, werden die Informationen der Sensormatrix 12 und der Punktsensoren 8 kombiniert. Durch die Auswertung des integralen Streuwertes der 3D-Streuverteilung auf dem die Sensormatrix 12 bildenden Sensorchip und der Isotropie dieser Streuverteilung lässt sich darüber hinaus entscheiden, ob Kratzer bzw. anisotrope oder isotrope Oberflächenrauheiten vorliegen.
Die Erkenntnisse aus den beschriebenen Analysen können anschließend in verschiedene Übersichtskarten oder Karten 27, 28, 29 eingetragen werden, die sich alle auf die gleiche Probengeometrie – hier dargestellt als ein die Probengeometrie parametrisierendes Koordinatensystem 30 – beziehen. Somit können die unterschiedlichsten Karten 27, 28, 29 in Verbindung gebracht und für die abschließende Auswertung kombiniert werden.
Rauheiten für unterschiedliche Ortsfrequenzbereiche (z. B. MSFR; HSFR, ...) können jeweils in eigene Übersichtskarten eingezeichnet und miteinander verglichen werden. Zusätzlich zu der hier dargestellten Karte 27 können also weitere Rauheitskarten angefertigt werden. Dabei ist es möglich, die Werte in Graustufen skaliert oder als Falschfarben darzustellen. So besteht die Möglichkeit direkt gemessene und extrapolierte Rauheitskenngrößen zu vergleichen. In einer weiteren Karte 28, die der gleichen Geometrie zugeordnet ist, lassen sich auftretende Kratzer und Defekte sowie defektfreie Stellen markieren. Die Darstellung der Isotropie der Probenoberfläche kann in einer weiteren Karte 29 erfolgen. Die Kennzeichnung erfolgt anhand von Pfeilen bzw. Strichen unterschiedlicher Länge und Stärke, die ein Maß für die Isotropieverhältnisse an der jeweiligen Stelle geben.
Zusätzlich ist es denkbar, Karten mit der Genauigkeit des PSD-Fits, den Parametern A und n der fraktalen PSDs oder auch des Depolarisationsverhältnisses, was Rückschlüsse auf Sub-Surface-Defekte erlaubt, zu erzeugen und auszuwerten.

Claims

Vorrichtung (2) zur winkelaufgelösten Streulichtmessung, umfassend eine Beleuchtungsvorrichtung (3) zum Beleuchten einer Probe (1) mit Licht unter einem Einfallswinkel θ_i, eine Detektoranordnung (4) zum Erfassen von mindestens zwei an der Probe (1) gestreuten Anteilen des Lichts, wobei sich diese Anteile durch verschiedene Ortsfrequenzen f voneinander unterscheiden, wobei für die Ortsfrequenz f jeweils
gilt, wobei f_x und f_y gegeben sind durch
wobei λ eine Wellenlänge des eingestrahlten Lichts, θ_s einen polaren und ϕ_s einen azimutalen Ausfallswinkel des jeweiligen gestreuten Anteils des Lichts bezeichnen, wobei die Vorrichtung (2) eine Auswerteeinheit (5) zum Auswerten von Ausgangssignalen der Detektoranordnung (4) umfasst, wobei die Auswerteeinheit (5) eingerichtet ist, für die zumindest zwei gestreuten Anteile des Lichts jeweils in Abhängigkeit von den zu diesen Anteilen gehörigen Ausgangssignalen der Detektoranordnung (4) Werte für eine spektrale Leistungsdichte PSD(f) dieser gestreuten Anteile zu bestimmen und anschließend unter Verwendung dieser Werte Parameter A und n eines durch
darstellbaren Zusammenhangs für die spektrale Leistungsdichte auszuwerten.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) dazu eingerichtet ist, die Werte der spektralen Leistungsdichte PSD(f) für die mindestens zwei gestreuten Anteile des Lichts gemäß dem Zusammenhang
zu berechnen, wobei Q einen optischen Faktor bezeichnet, welcher in Abhängigkeit von Materialeigenschaften der Probe (1) und von geometrischen Verhältnissen der Streulichtmessung oder aus einem gemessenen spekularen Reflexionsgrad bestimmbar ist, P_i eine Strahlungsleistung des auf die Probe (1) eintreffenden Lichts bezeichnet und ΔP_s(θ_s, φ_s) eine in einem Raumwinkelelement gemessene Strahlungsleistung von gestreuten Lichtanteilen bezeichnet, wobei das mit ΔΩ_s bezeichnete Raumwinkelelement zu den polaren und azimutalen Ausfallswinkeln θ_s und φ_s gehört.
Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) dazu eingerichtet ist, für die Probe (1) eine Rauheit σ(f_min, f_max) eines durch f_min und f_max begrenzten Ortsfrequenzbereichs unter Verwendung des Zusammenhangs
oder, falls n = 2, gemäß
zu berechnen oder durch Integration der spektralen Leistungsdichte gemäß
zu berechnen, wobei f_min und f_max vorzugsweise so gewählt sind, dass 1 μm^–1 ≤ f_min < f_max ≤ 50 μm^–1 (hochfrequente Rauheit) oder 0,001 μm^–1 ≤ f_min < f_max ≤ 1 μm^–1 (mittelfrequente Rauheit) gilt.
Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoranordnung (4) einen Punktsensor (8) oder zwei oder mehrere räumlich voneinander getrennte Punktsensoren (8) umfasst zum Erfassen der mindestens zwei gestreuten Anteile des Lichts.
Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (3) und die Detektoranordnung (4) in einem Messkopf (9) der Vorrichtung (2) integriert sind, wobei die Vorrichtung (2) einen motorisierten Antrieb (11) umfasst zur Herstellung einer relativen Ausrichtung zwischen der Probe (1) und dem Messkopf (9) in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Messposition auf der Probe (1), einem vorgegebenen Abstand zwischen Beleuchtungsvorrichtung (3) und Probe (1) und einem vorgegebenen Einfallswinkel θ_i, wobei bei Vorliegen der genannten Ausrichtung die Beleuchtungsvorrichtung (3) auf die vorgegebene Messposition mit dem vorgegebenen Einfallswinkel ausgerichtet ist und den vorgegebenen Abstand zur Probe (1) einnimmt.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) eine Steuereinheit (10) umfasst, die dazu eingerichtet ist, den Antrieb zum Herstellen einer Abfolge verschiedener relativer Ausrichtungen zwischen Messkopf (9) und Probe (1) anzusteuern gemäß einer vorgegebenen Abfolge von Messpositionen auf der Probe (1), wobei die Messpositionen vorzugsweise ein Raster ausbilden, welches eine Gesamtoberfläche oder eine Teiloberfläche der Probe (1) abdeckt und wobei ferner vorzugsweise der Einfallswinkel θ_i sowie der Abstand zwischen Messkopf (9) und Probe (1) für jede der Messpositionen gleich ist.
Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (3) mindestens eine Lichtquelle aufweist zum Erzeugen des Lichts zum Beleuchten der Probe (1), wobei zwischen der mindestens einen Lichtquelle und der Probe (1) mindestens zwei verschiedene Strahlengänge für mindestens zwei sich in ihren Wellenlängen unterscheidende Lichtkomponenten des Lichts vorgesehen sind, die abschnittsweise unterschiedlich verlaufen, wobei die Lichtkomponenten unabhängig voneinander in ihrer Intensität modulierbar sind und die Vorrichtung (2) eine Steuervorrichtung aufweist, die eingerichtet ist zum Modulieren der Lichtkomponenten mit unterschiedlichen Modulationssignalen, und wobei die Auswerteeinheit (5) mehrere Signalkanäle aufweist und dazu eingerichtet ist, in jedem der Signalkanäle jeweils einen von mehreren zeitlich mit den verschiedenen Modula- tionssignalen korrelierten Anteilen der Ausgangssignale der Detektoranordnung (4) herauszufiltern, sodass jeder der genannten Lichtkomponenten mindestens einem der Signalkanäle eindeutig zugeordnet ist.
Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (3) dazu eingerichtet ist, das Licht mit einem nicht verschwindenden Wert des Einfallswinkels θ_i auf die Probe (1) zu lenken, vorzugsweise mit einem Wert des Einfallswinkels θ_i zwischen 15° und 25° an, wobei die Detektoranordnung (4) ferner dazu eingerichtet ist, mindestens einen der Anteile des an der Probe (1) gestreuten Lichts bei einem polaren Ausfallswinkel θ_s von über 25°, vorzugsweise von über 30°, zu erfassen.
Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (3) dazu eingerichtet ist, das Licht zum Beleuchten der Probe (1) mit einer Wellenlänge zu erzeugen, die die Bedingung 193 nm < λ < 1 µm erfüllt, vorzugsweise 400 nm < λ < 800 nm.
Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (3) dazu eingerichtet ist, das Licht in der Form eines Beleuchtungsflecks mit einem Durchmesser von vorzugsweise zwischen 250 μm und 5 mm auf eine vorgegebene Messposition auf der Oberfläche der Probe (1) zu richten.
Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoranordnung (4) eine Sensormatrix umfasst, die dazu eingerichtet ist, einen an der Probe (1) spekular reflektierten Anteil des Lichts und gleichzeitig an der Probe (1) gestreute Anteile des Lichts zu erfassen, wobei die Auswerteeinheit (5) dazu eingerichtet ist, eine winkelaufgelöste, normierte Streuleistung ARS(θ_s, ϕ_s) gemäß der Definition
zu berechnen, wobei P_i eine Strahlungsleistung des auf die Probe (1) eintreffenden Lichts, ΔP_s(θ_s, φ_s) eine in einem Raumwinkelelement gemessene Strahlungsleistung von gestreuten Lichtanteilen bezeichnet, wobei das mit ΔΩ_s bezeichnete Raumwinkelelement zu den polaren und azimutalen Ausfallswinkeln θ_s und φ_s gehört, wobei die Auswerteeinheit (5) ferner dazu eingerichtet ist, lokale Minima der Streuleistung ARS(θ_s, ϕ_s) zu finden, sofern solche Minima vorhanden sind, und Durchmesser d_Defekt eines diese Minima hervorrufenden Defektes der Probe (1) unter Ausnutzung der Zusammenhänge
und cos(θ_m) = cos(θ_i)cos(θ_s) + sin(θ_i)sin(θ_s)cos(ϕ_s) zu berechnen, wobei m eine natürliche Zahl ist, die die Minima, ausgehend von einer Strahlrichtung des spekular reflektierten Anteils, aufsteigend durchnummeriert.
Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung, bei dem mit einer Beleuchtungsvorrichtung (3) eine Probe (1) mit Licht unter einem Einfallswinkel θ_i beleuchtet wird und mit einer Detektoranordnung (4) zumindest zwei an der Probe (1) gestreute Anteile des Lichts erfasst werden, wobei sich diese Anteile durch verschiedene Ortsfrequenzen f voneinander unterscheiden, wobei für die Ortsfrequenz f jeweils
gilt, wobei f_x und f_y gegeben sind durch
wobei λ eine Wellenlänge des eingestrahlten Lichts, θ_s einen polaren und ϕ_s einen azimutalen Ausfallswinkel des jeweiligen gestreuten Anteils des Lichts bezeichnen, wobei mittels einer Auswerteeinheit (5) für die zumindest zwei gestreuten Anteile des Lichts jeweils in Abhängigkeit von den zu diesen Anteilen gehörigen Ausgangssignalen der Detektoranordnung (4) Werte für eine spektrale Leistungsdichte PSD(f) dieser gestreuten Anteile bestimmt werden und anschließend unter Verwendung dieser Werte Parameter A und n eines durch
darstellbaren Zusammenhangs für die spektrale Leistungsdichte ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der spektralen Leistungsdichte PSD(f) für die mindestens zwei gestreuten Anteile des Lichts gemäß dem Zusammenhang
berechnet werden, wobei Q einen optischen Faktor bezeichnet, welcher in Abhängigkeit von Materialeigenschaften der Probe (1) und von geometrischen Verhältnissen der Streulichtmessung oder aus einem gemessenen spekularen Reflexionsgrad bestimmt wird, P_i eine Strahlungsleistung des auf die Probe (1) eintreffenden Lichts bezeichnet und ΔP_s(θ_s, φ_s) eine in einem Raumwinkelelement gemessene Strahlungsleistung von gestreuten Lichtanteilen bezeichnet, wobei das mit ΔΩ_s bezeichnete Raumwinkelelement zu den polaren und azimutalen Ausfallswinkeln θ_s und φ_s gehört.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) eine Rauheit σ(f_min, f_max) der Probe (1) für einen durch Ortsfrequenzen f_min und f_max begrenzten Ortsfrequenzbereich unter Verwendung des Zusammenhangs
oder, falls n = 2, gemäß
berechnet oder durch Integration der spektra- len Leistungsdichte gemäß
berechnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Streulichtmessung, bei der die zumindest zwei an der Probe gestreuten Anteile erfasst und ausgewertet werden, sukzessive an verschiedenen Messpositionen auf der Probe (1) durchgeführt wird, die dazu mit der Beleuchtungsvorrichtung (3) beleuchtet werden und die vorzugsweise ein zumindest einen Teil der Oberfläche der Probe (1) abdeckendes Raster bilden, und dass eine oder mehrere Karten (27, 28, 29) gebildet werden, die jedem dieser Messpositionen jeweils einen für diese Messposition ermittelten Messwert zuordnen, wobei die die jeweilige Karte definierenden Messwerte gewählt werden als eine Rauheit σ(f_min, f_max) oder als eine andere direkt gemessene oder durch Extrapolation gewonnene Rauheitskenngröße oder als ein Durchmesser d_Defekt eines lokalen Defekts oder als anderes Maß für einen lokalen Defekt oder als Maß für eine Isotropie oder Anisotropie an der jeweiligen Messposition.