TW202246733A - 用於量測平面粗度及/或瑕疵的量測裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

一種測量裝置100，其被配置用於在待檢測的樣品1的表面的多個表面區段2上進行粗糙度和/或瑕疵測量，該量測裝置100包括具有至少兩個光源11A、11B、11C、11D的照明裝置10，其被建構成用於以測量光照射一表面的測量區域3，感測器裝置20具有感測器陣列21，感測器陣列21具有多個感測器像素，這些感測器像素被配置成於擷取在表面散射的散射光，以及求值裝置30，其被配置用於從擷取的散射光中確定表面的至少一個粗度特徵。至少兩個光源11A、11B、11C、11D被配置用於在相對於表面的表面法線的不同入射角下沿著至少兩個照射光束路徑LA、 LB、LC、LD照射測量區域3，至少兩個光源11A、11B、11C、11D能夠相對於感測器裝置20被固定，感測器裝置20設置有成像光學元件22，其配置成用於使表面的測量區域3在感測器陣列21上成像，感測器裝置20被配置用於檢測至少兩個散射光影像4A、4B、4C、4D，在相對於表面的表面法線的預定視角處，在被照射的測量區域3中的表面區段2中，由感測器像素接收的散射光的部分，這些部分在每種情況下由在其中一個照射形成照明光束路徑LA、LB、LC、LD，在每種情況下具有共同的空間頻率，並且求值裝置30被配置用於從至少兩個散射光影像4A、4B、4C、4D中確定表面區段2的至少一個粗度特徵。還記載一種粗度及/或瑕疵測量方法。

Description

用於量測表面粗度及/或瑕疵的量測裝置及方法
本發明係有關於一種用於在待檢測樣品的表面的多個表面區段上測量粗度及/或瑕疵的測量裝置及方法，特別是有關於一種用於結構化表面上的粗糙度和/或瑕疵測量，例如 用於晶片的夾持裝置的突起(burl)。 本發明可以應用於表面的檢查，特別是晶片夾持裝置，例如用於檢測表面的使用或處理狀態。
在本說明書中，參考了以下現有技術，其代表了本發明的技術背景： [1] DE 102012005417B4； [2] M. Zerrad et al. “Development of a goniometric light scatter instrument with sample imaging ability” in “Proc. of SPIE” “Optical Fabrication, Testing, and Metrology III” Vol. 7102, page 710207 (2008), doi: 10.1117/12.797621 [3] R. Bousquet et al. “Scattering from multilayer thin films: theory and experiment” in “Journal of the Optical Society of America” 71(9), 1115 (1981); [4]     A. Duparré et al. “Surface characterization techniques for determining the root-mean-square roughness and power spectral densities of optical components” in “Applied Optics” 41(1), 154-171 (2002); [5]     E. L. Church et al. “Residual surface roughness of diamond-turned optics” in “Applied Optics” 14(8), 1788 - 1795 (1975); [6]     J. C. Stover, Optical Scattering: Measurement and analysis, 3rd ed. (SPIE, Bellingham, Wash., 2012); [7]     P. Bobbert et al. “Light scattering by a sphere on a substrate” in “Physica A: Statistical Mechanics and its Applications” 137, 209-242 (1986); and [8]     Sven Schröder, Alexander von Finck and Angela Duparré “Standardization of light scattering measurements” in “Adv. Opt. Techn.” 2015; 4(5-6): 361-375.
用於保持部件的保持裝置通常是已知的，例如用於在蝕刻半導體處理中，特別是在晶片生產中保持矽晶片的保持裝置。如果使用靜電力來達成保持作用，則保持裝置也稱為靜電保持裝置、靜電夾持裝置、靜電夾具(ESC)或靜電卡盤。保持裝置傳統上包括具有至少一個平面載體表面的板狀，所保持的部件是藉由該載體表面來承載。載體表面由多個突出的突起(protruding burls)形成，特別是由突起的平面端面形成。例如，提供了數千個突起，每個突起具有在次毫米範圍內的端面直徑。
眾所周知，突起端面的粗糙度，以及可能出現的瑕疵，如污染和/或材料損壞，決定性地影響相互作用特性，如晶片和ESC間的摩擦力、附著力和光滑度。反過來，當夾持晶圓時，突起與晶圓間的相互作用特性對側向不穩定性有決定性影響，因此其影響蝕刻結構化情況下不同製造步驟(覆蓋)的結構的可實現品質和重疊精度。為了準確可靠地操作晶片，粗度應設置為盡可能可再現，並可靠地識別可能的瑕疵。在這種情況下，具有高空間頻率(例如超過 0.3 µm -1)的粗糙結構特別令人感興趣。此外，旨在防止由於瑕疵，特別是粗的粗糙結構或雜質，例如端面上的顆粒或材料損壞對所保持的晶片的均勻性和蝕刻製程品質的損害。因此，在生產期間、操作期間和/或在ESC重工的情況下檢測突起端面的粗度是有意義的。
通常在實踐中使用的常規研究方法包括使用原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)測量粗糙度。使用AFM接近和檢查單個的突起。雖然可以藉由AFM直接測量具有高空間頻率的粗糙結構，但缺點是AFM的測量場非常小，通常小於50 x 50 µm 2，AFM測量非常耗時，並且因此AFM的使用僅限於研究幾個有代表性的突起。在例如直徑為300毫米的表面上測量所有 ESC突起將需要大約 200天，這是不切實際的。因此，在實踐中，載體表面上的局部粗糙度的變動或雜質無法藉由AFM測量被檢測到或者只能不可靠地檢測到。此外，原子力顯微鏡不允許全面檢測瑕疵。
或者，也可以藉由白光干涉儀(white light interferometry ，WLI)測量突起。儘管這使得比使用AFM時更高的測量速度，但其需要的測量時間對於實際應用來說過長。此外，由於成像物鏡的低通特性，更大的WLI 測量場只能可靠地檢測到大約 ＜ 0.3 µm -1的空間頻率。
從 [1]、[3]、[4]、[5] 和 [6] 已知藉由散射光量測以檢測光學組件(例如透鏡)的功率譜密度函數(PSD 函數)，即其粗糙度特性。通常，為此目的，藉由角度掃描感測器來得到樣品的局部測量點處的散射光分佈。在[1]所述的方法中，將被測樣品表面上的測量點以不同的角度或使用不同的波長照射，並藉由多個感測器在多個視角在測量處得到散射光。PSD 函數由感測器訊號確定。然而，這種方法的缺點是其只能在局部進行準時測量，因此作為側向掃描方法非常耗時。檢測 ESC 的所有單個突起將持續大約 2 天，這與 WLI 測量時間大致相同。此外，傳統方法僅提供關於散射增加的原因的有限資訊。此外，根據[1]的方法具有有限的應用領域，因為空間分辨率受照明光斑直徑的限制。
進一步的掃描散射光測量是從[2]已知的測角方法，其中照明光源相對於樣品進行掃描，並且藉由攝像感測器得到以不同照明角度散射之光的散射光圖像。該方法適用於例如檢測晶片表面上的顆粒。從散射光圖像可以確定在成像區域中是否存在散射粒子以及在何處存在散射粒子。如果檢測到顆粒，則能夠以局部受限的方式提供對表面區段的精確檢測。根據[2]的方法的特徵還在於高時間要求和有限的應用領域。
傳統的掃描散射光方法還具有通常實現從1mm到3mm的測量場直徑的缺點，使得在ESC上進行測量的情況下，將同時照亮多個突起。雖然複雜的照明光學元件可以實現小於0.2 mm的測量區域直徑，但這需要一個精確的絕對定位系統(樣本坐標)，並且必須準確地檢測到突起的各個位置並將其傳輸到定位系統。此外，在檢測到突起端面時，存在邊緣結構的散射光或衍射效應疊加在端面形貌的散射光上的風險。防止這種風險的措施會減慢掃描過程。此外，無法檢測到大約＜ 2 o到5 o的小散射角，因為對於＜0.2mm的測量場直徑，照明光束必須聚焦在樣品上，而不是在感測器平面上，因為如果不是如此的態樣就是習知的技術。可反射的照明光束因此以發散方式反射，並以小散射角疊加在散射光上。
所提到的限制，特別是關於粗糙度測量或瑕疵識別的速度、空間分辨率和空間頻率的限制，不僅出現在測量突起端面的情況下，而且出現在測量其他部件的情況下，例如在光學元件的表面，特別是透鏡、楔形物或反射鏡。
本發明的目的是提供一種改進的測量設備和改進的方法，用於在待檢測樣品的表面的多個表面區段上測量粗糙度及/或瑕疵，由其避免傳統技術的缺點及限制。本發明尤其旨在使得能夠以提高的速度及/或精度以執行粗糙度及/或瑕疵的測量，感測具有提高的空間頻率的結構，降低資料處理的處理複雜性，且/或提供具有增多資訊內容的結果粗糙度及/或瑕疵測量。粗糙度及/或瑕疵測量應特別適用於可靠且快速地檢測用於晶片保持的保持裝置的突起粗糙度，在檢測所有突起時盡可能以大約一小時或更短的測量時間進行。
此目的係於每種情況下藉由包括獨立請求項的特徵的測量設備和方法來實現。本發明的較佳實施例和應用由附屬請求項得出。
根據本發明的第一總體方面，上述目的藉由一種量測裝置來實現，該量測裝置被建構成用於量測代檢測的一樣品的一表面的複數個表面區段的粗糙度及/或瑕疵，特別是在一結構化的表面，例如用於保持晶圓的保持裝置的突起端面。
量測裝置包括具有至少兩個光源的照明裝置，至少兩個光源被配置成使用測量光照射表面的量測區域，量測區域包括多個表面區段。根據本發明，至少兩個光源被配置用於沿著至少兩個照明光束路徑以相對於表面的表面法線的不同入射角照明量測區域中的表面區段。此外，至少兩個光源可以相對於感測器裝置固定。
量測設備還包括具有感測器陣列的感測器裝置，感測器陣列由多個感測器像素構成，這些感測器像素被配置成用於檢測在表面處散射的散射光。根據本發明，感測器裝置配備有成像光學元件，藉由成像光學元件，表面的量測區域在感測器陣列上成像，感測器裝置被配置成用於在一個位置擷取被照射的測量區域的至少兩個散射光影像。相對於表面的表面法線的既定視角，以及在每個照明光束路徑中由感測器像素接收的散射光的部分在每種情況下具有共同的空間頻率。
此外，量測裝置包括求值裝置，該求值裝置被建構成用於從擷取的散射光中確認該表面的至少一個粗糙度特徵。根據本發明，求值裝置被建構成用於從至少兩個散射光影像中確定每個表面區段的至少一個粗糙度特徵。
根據本發明的第二總體方面，所述目的通過一種用於測量待檢測樣品的一表面的表面區段的粗糙度及/或瑕疵的方法實現，特別是在結構化表面上，例如用於保持晶圓的保持裝置的突起端面。
用於粗糙度及/或瑕疵測量的方法包括以下步驟：用測量光沿著相對於表面的表面法線以不同入射角的至少兩個照射光束路徑照射結構化表面的測量區域，測量區域包含多個表面區段，使用包括由多個感測器像素組成的感測器陣列的感測器裝置捕獲在表面上散射的散射光，並從捕獲的散射光確定表面的至少一個粗糙度特徵。
根據本發明，照明包括使用至少兩個固定佈置的光源沿至少兩個照明光束路徑以相對於表面的表面法線的不同入射角對測量區域中的表面區段進行定向照明。感測器裝置配備有成像光學元件，表面的照射測量區域通過該成像光學元件在感測器陣列上成像，以相對於表面法線的預定視角捕獲照射測量區域的至少兩個散射光影像其中，在每個照明光束路徑中由感測器像素接收的散射光的部分在每種情況下具有共同的空間頻率。對於每個表面區段，從至少兩個散射光圖像確定至少一個粗糙度特徵。
根據本發明的用於粗糙度及/或瑕疵測量的方法或其實施例較佳地使用根據本發明的第一總體方面或其實施例的量測裝置來執行。
根據本發明，粗糙度的測量及/或瑕疵的檢測是在表面的表面區段上進行的。每個表面區段是表面的一部分，散射光從該表面上成像於單個感測器像素或一組感測器像素上。所考慮的所有表面區段係較佳地具有相同的形狀和表面積。整個表面區段可以完全或部分覆蓋所檢測的表面。
粗糙度的測量及/或瑕疵的檢測係較佳在結構化的表面上進行。用語「結構化表面」是指封閉或間斷的任何表面，即由部分表面組成，較佳包括彼此分隔的、具有不同表面結構或紋理的部分。在結構化表面的情況下，所考慮的表面區段特別較佳地是在每種情況下具有相同表面結構或紋理的結構化表面的區段，即表面區段是表面的部分，其彼此界定並且具有相同的表面與其餘表面的表面結構或紋理不同的局部結構或紋理。
例如，待檢測的樣品包括用於靜電保持部件的保持裝置，多個突出的突起佈置在保持裝置的表面上。保持裝置的表面形成結構化表面，表面區段包括突起的端面。
以不同於從[1]已知的方法的方式，根據本發明，配置至少兩個光源，使得至少兩個不同的照明光束路徑形成為相對於表面的表面法線具有不同的入射角。測量光以至少兩個不同的入射角被導引至樣品，每個光源被配置用於以該等入射角的其中之一進行照明。特別是在記錄至少兩個散射光影像期間，光源相對於感測器裝置是固定的。由感測器裝置檢測到的散射光的振幅在每個入射角處藉由量測光在散射結構處的散射來確定，具有限定的空間頻率。換言之，在每個入射角處，檢測到具有不同空間頻率的散射光影像。這有利地允許在更大的空間頻率範圍內確定粗糙度特徵，特別是在從0.005μm -1到100μm -1的空間頻率範圍內的空間頻率處。
在確定至少一個粗度特徵時包括高的空間頻率對於在保持設備的突起端面處的粗度及/或瑕疵測量特別有利，例如 ESC。因為具有高空間頻率的結構特別影響突起的附著特性，因此影響保持裝置的功能及其特徵，特別是防止保持晶圓時的側向不穩定性。
在固定入射角的情況下，與[2]中描述的方法相比，粗糙度及/或瑕疵測量以不同的方式進行。避免了用於設置不同入射角的光源的移動，由此簡化了量測裝置的結構，並且加速了粗糙度的量測。使用固定入射角的照明的另一個優點是固定的入射角允許固定定位光束阱，這是可選的，光束阱吸收來自表面的直接反射，藉此由光散射抑制雜散光量測系統內的反射。在 [2] 中描述的方法的情況下，光束阱必須與反射一起運送，因此習知測量的複雜性增加。
此外，以不同於[1]的方式，由於提供了成像光學元件，感測器裝置被配置用於擷取影像。有利地，可以同時檢測多個表面區段的散射光的振幅，由此顯著加速全表面粗糙度和/或瑕疵測量，並且可以更容易地實現更高的橫向分辨率。高分辨率甚至對於表面截面識別、瑕疵識別和瑕疵分類也是有利的。在[1]中描述的方法的情況下，為此必須顯著減小照明光斑尺寸，從而產生已經描述的缺點(長的測量時間、由於必要的聚焦導致的小散射角的疊加)。
術語「粗度特徵」是指任何數量或數據量，例如函數過程，它定量地表示粗度(被檢測表面的表面高度的不均勻性)。粗度特徵是對表面形狀不均勻性及/或由於瑕疵造成的不均勻性的量度。可以有利地識別表面區段的不同粗糙度特徵。待識別的至少一個粗度特徵例如可以根據特定應用中的要求來選擇。粗度特徵較佳地從ARS值(ARS：角度分辨散射)及/或從其獲得的變量，例如積分散射的值及/或至少一個PSD函數(功率譜密度函數)導出，從中可以確 rms 粗糙度(rms：均方根)。特別較佳地，得到PSD函數及/或rms粗糙度作為粗糙度特徵。
瑕疵包括表面上的污染及/或材料損壞，特別是所考慮的表面區段。瑕疵較佳地從至少一個粗度特徵和/或角分辨散射中識別。
根據本發明的有利實施例，照明裝置可以被建構成用於對至少兩個光源的時間控制，使得可以時間上彼此分離的方式記錄至少兩個散射光影像，其中求值裝置被建構成用於從至少兩個散射光影像確定被照射量測區域中的表面區段的PSD函數，並且照明裝置被建構成用於由散射函數計算每個表面區段的至少一個粗度特徵，特別是ARS函數。
至少兩個光源的時間控制以使得至少兩個散射光影像被順序地並且以在時間上彼此分離的方式被記錄，包括在每種情況下連續交替地啟動其中一個光源，使得啟動的光源被開啟，而所有其他光源均處於非活動狀態(關閉或屏蔽)。如以下更詳細說明者，每個表面區段的PSD函數以本身已知的方式由散射光影像的振幅確定。每個表面區段的至少一個粗度特徵的計算可以包括例如根據表面區段的平均PSD函數及/或表面區段內的PSD方差來計算粗度值。
可以為感測器裝置的感測器陣列的每個感測器像素確定PSD函數。如果來自單個表面區段的散射光，例如由多個感測器像素接收，例如2到20個感測器像素，可以計算每個表面區段的平均散射光振幅，並且可以根據不同入射角的平均散射光振幅確定PSD函數。或者，也可以對每個像素計算的 PSD 函數計算平均值。平均化有利地使得可以減少要處理的資料量。此外，每個表面區段使用多個感測器像素對識別瑕疵提供了優勢。
可替代地或另外地，根據本發明的另一有利實施例，照明裝置可以被建構成用於強度控制，使得可以在每個表面區段記錄至少兩個散射光影像，具有至少兩個光源的定向照明的加權輻照度(每表面積的能量)。較佳地，至少兩個散射光影像以加權輻照度被同時記錄在每個表面區段或一組表面區段處。
定向照明的加權輻照度由每個表面區段處的至少兩個光源提供，其中輻照度，例如光源的照明強度，被設置為使得光源對應於均勻的半球形照明。加權輻照度(E)特別設置為與sin(θi)cos(θi)成比例，θi是各個表面區段的照明的入射角。在這種情況下，求值裝置被建構成用於確定積分散射(S函數或S值)或特別是總散射(TS函數或TS值，等於2至85 o的散射角範圍內的積分散射)，在照明測量區域中的結構化表面，來自至少兩個散射光影像，並且用於計算每個表面區段的至少一個粗度特徵，來自表面區段上的積分散射。
包括至少兩個散射光影像的強度控制及同時記錄的本發明的實施例具有的特定優點是散射光影像可以僅使用一個單一的照明實例來記錄，使得測量持續時間顯著減少。
實現照明裝置的強度控制，特別是使得每個表面區段被加權輻照度照明，其中光源以不同的能量，特別是不同的功率、脈衝持續時間及/或脈衝寬度模數來驅動，且/或在照明光束路徑中，特別是在光源處，提供了既定的減光器。減光器較佳地包括波束形成光學元件及/或位置可變的減光器，例如灰色濾光片。
包括時間控制和包括強度控制的本發明的實施例可被組合，藉此有利地增加測量的資訊內容。
可以根據本發明的具體使用條件，特別是根據所需的測量速度，有利地選擇光源的數量。兩個光源足以提供至少兩個照明光束路徑，例如為了構建PSD函數。更多數量的光源可能有利於提高測量的準確性，但也會導致測量的持續時間增加，包括資料處理。照明裝置的光源的數量較佳地選擇為在3至70或更多的範圍內，例如多達 100 個。在實際應用中，在保持裝置上進行粗度測量，例如提供 10 到 60 個光源。在光源的合適配置中，例如光纖，其末端輻射，也可以用於更多光源，例如最多可提供 100 個或更多光源。
光源較佳地配置在垂直於所檢測樣品的表面的至少一個方位平面中，從而有利地產生緊湊的配置。備選地，光源可以具有不同的佈置，特別是可以配置在感測器裝置旁邊的多個側面上。特別地，可以在不同的方位角處實現沿照明光束路徑的照明，特別是在多個方位角平面中，其中在識別或抑制干擾的局部反射或高方差係數方面實現優勢，其可以疊加在附近的測量點。此外，這種佈置簡化了各向異性表面結構和瑕疵的識別。
根據本發明的另一有利實施例，照明裝置被配置用於在所有照射光束路徑中產生測量光，使得其具有相同的波長。在這種情況下，其簡化了測量裝置的構造及至少一個粗度特徵的確定。
根據本發明的替代實施例，照明裝置被配置用於在所有輻射束路徑中產生測量光，從而具有不同波長及/或不同偏振。例如藉由使用具有合適光譜發射的光源來提供不同的波長。為了提供不同的偏振，例如使用可調節的偏振分束器及/或偏振濾光片。如此在選擇在照明光束路徑中檢測到的空間頻率時有利地提供了額外的自由度。此外，更容易檢測散射結構是表面瑕疵還是表面結構，或者是否以非表面形狀方式散射，使得其可更好地識別瑕疵。如果識別出瑕疵，則較佳地可以做出關於隨後清潔表面的決定。或者，如果識別出表面結構，則對表面，例如突起端面，較佳地可進行後處理。這種區分的可能性有利地允許顯著減少的後處理處理時間和減少的費用。
根據在照明光束路徑中使用不同波長的較佳變化例，照明裝置被配置用於在至少一個照明光束路徑中產生測量光，以便具有至少兩個不同波長且/或以便至少有兩種不同的極化特性。
求值裝置設備特別較佳地被配置用於確定照明測量區域中的表面區段的至少兩個PSD函數，特別是具有相等的空間頻率(即共同的空間頻率或空間頻率範圍)，及/或至少兩個實例積分散射，特別是具有相同的空間頻率範圍，並且用於從至少兩個PSD函數及/或積分散射的至少兩個實例識別表面區段上的結構。表面區段上的結構可以從至少兩個PSD函數及/或至少兩個積分散射實例的偏差，例如差或商中獲得。由此有利地進一步簡化了瑕疵和表面結構之間的區分。
根據本發明的另一實施例，求值裝置被配置用於識別測量區域中的表面區段，尤其是散射光影像中的表面區段。對於每個表面區段，至少一個粗糙度特徵的確定尤其可以由至少兩個散射光影像來實現。可替代地，可以僅對部分表面區段組進行求值。表面區段的識別，特別是在散射光影像中的識別，提高了確定至少一個粗度特徵的準確性，並且來自表面區段的邊緣結構的可能的散射光或由於衍射效應造成的不希望的干擾，可以被檢測和預防。
有利地，散射光影像中的圖像區域與表面區段(確定性結構)相關聯並且與諸如瑕疵或雜質的隨機結構區分開來是可能的。至少一個粗度特徵的計算可以限於表面區段。此外，資訊也可以在各個表面區段上求平均值。
表面區段的識別可以藉由散射光影像所經受的圖像識別方法來實現。根據本發明的一個特別較佳的實施例，求值裝置被配置用於經由使用類神經網路及/或機器學習方法來識別表面區段。本發明的該實施例的特徵在於將調諧到極高空間頻率的成像散射光測量方法與學習數值方法相結合。有利地，由此可以提高表面區段識別的可靠性，即使存在瑕疵時也是如此。
求值裝置較佳地被建構成用於藉由使用數位影像遮罩從至少兩個散射光影像中識別表面區段上的結構。數位影像遮罩包括例如既定形狀及/或尺寸的既定參考影像，其為表面上預期的瑕疵的特徵。瑕疵包括例如異物污染，如顆粒或纖維，或者是材料損壞，如邊緣斷裂或裂縫。將影像遮罩與散射光影像進行比較，可以識別瑕疵並選擇性地進行分類(例如灰塵、纖維、邊緣斷裂等)及/或尺寸確定。數位影像遮罩的使用有利地使得可以加速散射光影像的求值。
影像遮罩尤其可以更容易地僅部分地對散射光影像進行求值，例如僅從表面區段中的散射光資料計算粗糙度，特別是在突起上。在識別顆粒的情況下，能以類似的方式利用影像遮罩提取顆粒的散射光資料，以便使用其他求值算法來確定尺寸。遮罩創建及瑕疵分類可以經由機器學習方法(特別是類神經網路)來實現。提取的散射光資料的求值通常可以使用本身已知的模型來執行，可以根據識別的瑕疵類型來進行模型選擇。例如，可以使用 Bobbert Vlieger 模型求出單個顆粒以根據 ARS 數據確定尺寸，可以經由像素計數/表面確定的尺寸確定來評估瑕疵，且/或突起可藉由使用 Rayleigh Rice 模型從 ARS 資料計算粗度。
根據另一較佳實施例，感測器裝置的成像光學元件是遠心光學元件，這為測量設備的構造提供了優勢，因為不需要復雜的單獨光學元件。
根據本發明，散射光影像由感測器裝置以相對於所檢測的樣品表面的固定視角記錄就足夠了。感測器裝置的視角優選地平行於所檢測樣品表面的表面法線延伸。遠心光學元件的優勢在於每個像素的視角或散射角相同，因此所有像素的空間頻率也相同。這也是有利的，因為在整個視場中，由於樣品的較佳垂直觀察，可以更準確地測量橫向尺寸。此外，所有像素的立體角相同，有利於校準。
進一步的優點，特別是用於檢測保持裝置的突起端面，其為若照明裝置被建構成用於在88 o至75 o範圍內的淺入射角使用具有小波長λ＜300nm，並且求值裝置被建構成用於確定表面區段的偏斜度參數(skewness parameter)。偏斜度參數是從其平均值對各個端面的表面形狀不對稱的類型與程度的統計定量測量。 確定偏斜度參數可以確定晶圓與突起的特定相互作用特性，這些特性又對晶圓的橫向變形起決定性作用。
根據本發明的另一有利實施例，提供至少一個另外的感測器裝置，包括成像光學元件和具有多個感測器像素的感測器陣列，該至少一個額外的感測器裝置係建構成用於以相對於表面的表面法線的至少一個另外的視角來擷取至少兩個被照射的測量區域的散射光影像觀察。例如，提供至少一個第二感測器裝置，該第二感測器裝置相對於所檢測樣品的樣品法線形成比第一感測器裝置更大的視角。因此可以有利地檢測具有更高空間頻率的結構。
另一實施例包括至少一個照明，其入射角被選擇為使得直接鏡面反射衝擊至少一個附加感測器。有利地可以通過附加感測器的測量值確定樣品的局部反射係數，這提高了求值的準確性。為了確定與表面法線平行的入射角處的反射係數，可以在檢測光路的光路中使用分光器，這樣就可以在平行於表面的同時觀察樣品表面法線，並以與表面法線平行的方式照射所述樣品。
本發明的另一個優點是照明裝置不限於特定類型的光源。術語「光源」是指任何形式的發光元件，其被配置用於以預定的入射角照射待檢測的樣品。
光源較佳地是主動式發光元件，例如發光二極體或雷射，其發光係導向樣品。由於具有高照明強度的組件的可用性、窄帶發射器的可用性以及定向發射，發光二極體或雷射具有優勢。發光二極體由於其不相干性而可能是有利的，因為在樣品上不會產生干擾散斑圖案。雷射可以包括例如雷射二極體或固態雷射。
或者，光源包含被動式發光元件(被發光元件)，例如光纖，特別是光纖的光纖端部，或反射器，其與發光二極體或雷射的組合。多個或所有光纖可以耦合到共同的發光二極體或共同的雷射。在這些變化例中，多個光源的密集配置產生優勢，例如，光纖端，其用於設置多個入射角。
照明裝置可以包括相同或不同變化例的光源，其入射角不同。例如，直接照射樣品的雷射及/或發光二極體可以與耦合到相同或另外的雷射及/或發光二極體的光纖組合。
每個光源較佳地設置有照明光學元件。照明光學元件為將照明朝向樣品定向且/或在樣品表面上形成照明測量區域提供了優勢。如果光源包括發光二極體或光纖，則照明光學元件較佳地是準直透鏡。如果光源包括雷射，則照明光學元件較佳地是擴展透鏡和準直透鏡的組合。或者，對於照明實例的較少固有散射光，或為了改善照明的較寬光譜範圍內的像差及透射或反射損失，也可以使用鏡面光學元件。
散射光影像可以覆蓋待檢測樣品的整個表面。或者，散射光圖像可以覆蓋待檢測的樣品表面的一部分，並且可以藉由在不同部分重複測量來捕獲整個表面。在後者情況下，根據本發明的另一較佳實施例，用於接收樣品的樣品架及/或由照明裝置和感測器裝置組成的組件可相對於彼此移動，使得照明裝置可以設置用於照射結構化表面的不同測量區域(部分)，並且可以藉由感測裝置擷取不同測量區域的散射光圖像，測量裝置被配置用於在不同測量中在表面區段重複測量粗度結構化表面的區域。每個部分包括至少兩個，通常至少20個表面區段。在保持裝置上進行粗度測量的情況下，一個部分覆蓋例如大約50個突起端面。
粗糙度測量可以有利地與進一步的檢測及/或處理方法相結合。例如，根據本發明的較佳變化例，可以另外使用干涉測量、形貌及/或光譜測量方法，特別是干涉測量、共焦顯微術、螢光光譜學或拉曼測量法有目的地檢測選定的表面區段，特別是具有增加的粗糙度的表面區段光譜學。樣品的處理可以包括例如在測量區域中的製備及/或樣品的表面處理，例如拋光。進一步檢測及/或處理方法較佳的在根據本發明的粗度測量之後隨後進行。或者，也可以在粗度測量之前進行檢測。
特別較佳地，提供至少一種隨後的第二測量方法，其較佳為干涉測量法、形貌測量法及/或光譜測量法，例如干涉測量法(特別是白光干涉測量法)、共焦顯微術、螢光光譜法或拉曼光譜法，在為了有目的地再次測量單個已識別的瑕疵或結構。較佳地檢測具有增加的粗度及/或增加的至少兩個PSD函數之間的偏差及/或至少兩個積分散射的表面區段，因為這些偏差可以顯示瑕疵或特別是污染。作為結果可用的附加資訊及資料然後可用於獲得與結構和瑕疵有關的更準確的資訊(例如通過/失敗)，或用於訓練和提高來自散射光測量的類神經網路的求值精度資料。此外，通過使用其他測量方法的先前或後續測量已知的其他產品特性，例如耐磨性，可以與根據本發明的粗度測量的資料相關聯，例如通過調整或訓練求值算法或類神經網路。此外，結果還可以擴展可檢測的空間頻率範圍。
在形貌測量方法的情況下，可以使用感測器裝置執行至少一個進一步的測量，其中設置改變的焦平面。結果，可以重建表面的形貌。例如，可以確定表面結構或部分的局部傾斜角，相對於樣品在執行根據本發明的粗度測量的共同測量區域中的橫向範圍。由此可以有利地精確地確定局部入射角和散射角，用於計算至少一個粗度特徵，並且可以改進求值的精確度。
較佳地，可以提供焦點變化測量(也稱為「離焦形狀」方法)和/或Makyoh成像測量(Makyoh地形測量)作為表面樣貌測量方法。較佳在暗場中進行的焦點變化測量的情況下，感測器裝置的焦平面的變化(掃描)和焦平面的感測發生在各個影像紋理最清晰的地方，由此確定表面的高度輪廓，特別是局部表面傾斜度。在較佳地在明場中進行的真鏡成像的情況下，較佳地在焦點之外獲取至少一個攝像圖像。局部樣本曲率影響離焦圖像的強度，這使得計算高度輪廓成為可能，特別是局部表面傾斜度。對於該計算，例如假設測量區域中的均勻入射照明分佈及恆定的局部反射係數。或者，也可以通過使用具有已知反射的樣本校準感測器裝置來計算入射照明分佈和局部反射係數。
結合測量裝置及其實施例公開的特徵也構成根據本發明的方法的較佳特徵，反之亦然。上述方面以及進步性與較佳的特徵，特別是關於量測裝置的構造以及結合量測裝置描述的各個元件的尺寸和組成，因此也適用於該方法。如上所述的本發明的較佳實施例、變化例及特徵可以相互組合。
本發明的實施例的特徵將在下文中以示例的方式參考平面ESC 1形式的樣品的粗度及/或瑕疵測量(其部分被示意性地示出)來說明。需要強調的是，本發明的應用不限於在平面 ESC (靜電夾具)上的測量，而是還包括在其他保持裝置上的測量，包括跨過載體表面的突起，以及在其他平面或彎曲元件上的測量，例如光學反射鏡或鏡片或黏合板。在對彎曲元件進行測量的情況下，表面法線等方向規範局部地指的是測量的當前測量區域中的各個方向。在描述至少一個粗度特徵的確定時，參考了角度、方向和其他變量，如圖 5 所示。
圖式是表示本發明實施例的特徵的示意圖，其未表示出所描述的配置的細節，例如光源的載體、相機外殼或樣品架，這些細節本身從現有技術中為已知。
作為示例，參考本發明的實施例，其中在反射狀態中檢測來自樣品的散射光，即，照明和感測器裝置配置在樣品一側的公共半空間中。如果在透射狀態中檢測來自樣品的散射光，即照明裝置和感測器裝置配置在樣品相對側的不同半空間中，則本發明能以相應的方式應用。
圖1的頂部示意性地示出了用於在ESC(靜電夾具)1上測量粗度及/或瑕疵的量測裝置100，該裝置包括照明裝置10、具有攝像機的感測裝置20、求值裝置30及樣品架40。在圖1的底部表示出求值裝置30的配置以及由求值裝置30確定至少一個粗糙度特徵的方法，其包括確定粗糙度和/或識別瑕疵。
求值裝置30包括計算機單元，其被配置為執行資料處理程序以處理由感測器裝置20記錄的散射光影像資料。求值裝置30較佳地還設有用於控制量測裝置100的控制單元。或者或此外，為了控制量測裝置100，可以與求值裝置30分開提供附加的控制單元(未示出)。
ESC1呈平板形狀，在其表面上佈置有多個突起1A，每個突起1A具有端面2。 ESC1在詳細視圖中示意性地示出，僅具有幾個突起1A。實際上，例如以小於3000μm的間距密集排列數萬個突起1A，突起1A的端面2的直徑小於0.5mm，橫跨ESC1的承載面，用於承載晶圓。 ESC1在參考平面(這裡：X-Y平面)中延伸，並且ESC1的表面法線垂直於參考平面(這裡：Z方向)延伸。端面2較佳地位於與參考平面平行的共同平面中。攝像機的焦深及軸向色差較佳地允許在兩個平面上同時在不同波長處進行清晰成像，或者可以使用攝像機通過重新聚焦來同時清晰地記錄平面。可選地，ESC 1的表面的形貌及/或局部高度變化可以例如藉由焦點變化測量及/或Makyoh成像測量來檢測。
ESC1配置在樣品架40上(示意性地示出)，其包括例如用於在X-Y平面中保持和移動ESC的xy台。ESC1相對於照明裝置10和感測器裝置20的位置，特別是在ESC1的整個表面內由照明裝置10照明的測量區域3，可以通過樣品架設置40。
照明裝置10包含一組光源11A、11B、11C、11D，每個光源包括發光二極體，例如發光二極體 M300L4 型(波長340 nm，功率53mW，製造商 Thorlabs GmbH)。光源11A、11B、11C、11D固定在共同的載體及/或外殼(未示出)上並且每個都設置有照明光學元件(準直光學元件)12。可選地，至少一個光源可以且較佳地所有光源都配備一個可移動的減光器，例如灰色濾光片(見圖 3)。減光器可以在各個光源的光束路徑中縮回和延伸，以增加測量的動態性。
光源11A、11B、11C、11D的照明光學元件12各自包括準直透鏡，用於形成朝向ESC 1的準直照明光束路徑LA、LB、LC、LD。光源11A、11B、11C、11D和相關聯的照明光學元件12被配置為以如此方式固定，即對於照明光束路徑LA、LB、LC、LD中的每一個相對於ESC 1的表面的表面法線形成不同的入射角θi ，並且指向共同測量區域3。鑒於所使用的照明光學元件12，在照明光束路徑LA、LB、LC、LD中的照明通常是圓形或橢圓形的，並且大於所考慮的測量區域3。測量區域3例如是矩形或正方形形狀，其適合於感測器裝置20的感測器陣列21的形狀，其中測量區域3具體地具有在從0.1cm到10cm範圍內的邊長。
舉例而言，其表示出四個光源，在實際使用中可能提供額外的光源，例如光提供10個或更多的光源。入射角例如可以佈置成分佈在從2 o到75 o的範圍內。入射角較佳地以這種方式分佈在該範圍內，使其允許盡可能均勻地掃描所檢測的空間頻率。因此，根據等式(1)(見下文)，在小入射角處會產生更高密度的光源。如果期望在樣本上具有特定空間頻率的散射結構，則可以優選地根據期望的空間頻率的範圍來設置入射角。
光源11A、11B、11C、11D連同相關的照明光學元件12具有相對於感測器裝置20且因而相對於X-Y平面的固定位置及方位。至少在量測裝置100的操作期間，在所有散射光影像的記錄期間，設置固定位置及方向，以便確定至少一個粗糙度特徵。為了適應修正的測量條件，光源11A、11B、11C、11D連同相關的照明光學元件12能夠可釋放地固定在載體上或外殼中並且可調節。
照明裝置10和樣品架40係耦合至求值裝置30的控制單元(參見雙箭頭)或單獨的控制單元。控制單元提供光源11A、11B、11C、11D的時間控制或可選的強度控制以及ESC 1的定位，如下文進一步詳細說明者。
感測器裝置20包括具有感測器陣列21的照相機，例如 OrcaFusion類型的光學元件(製造商Hamamatsu)，以及成像光學元件22，其較佳地是遠心光學元件。感測器裝置20被配置成相對於ESC 1的表面的表面法線具有固定的視角θs。視角較佳地為0 o，即感測器裝置20的光軸平行於表面法線(Z 方向)。或者，視角可以偏離 0°(參見例如圖 2)。
感測器陣列21，例如CMOS矩陣，包括多個感測器像素，用於在沿著照射光束路徑LA、LB、LC、LD照射測量區域3的情況下空間分辨地記錄散射光。感測器陣列21的輸出訊號為同一測量區域3的多個散射光影像4A、4B、4C、4D、…。在涉及照明裝置的時間控制的實施例中，這些影像的數量為至少與光源的數量相同。在記錄照明系列時，例如為了增加確定性結構或瑕疵識別的可靠性，散射光影像4A、4B、4C、4D的數量較佳地與光源數量的整數倍相同。照明系列可以配置為例如具有不同的積分時間，以增加動態並因此例如獲得 HDR(高動態範圍)圖像。散射光影像4A、4B、4C、4D被傳送到求值裝置30，通過該求值裝置30執行用於確定至少一個粗度特徵的方法。
根據本發明的第一實施例，提供對光源11A、11B、11C、11D的時間控制，使得散射光影像4A、4B、4C、4D、...以時間上與一個影像分離的方式被記錄。另一個，對於每個入射角。在記錄散射光圖像4A、4B、4C、4D、...期間，感測器裝置20的位置保持不變。借助求值裝置30，光源11A、11B、11C、11D相繼被啟動。光源中的一個在每種情況下被啟動預定的照明持續時間，例如40 毫秒，而所有其他光源都被停用。在使用其中一個光源的每個照明階段，散射光影像被記錄並傳輸到求值裝置 30。例如，25x25 mm 2測量區域的 10 個散射光影像 4A、4B、4C、4D、...只需 0.5 秒即可記錄，這些影像在照明光束路徑 LA、LB、LC、LD、...方面有所不同。
每個散射光影像是振幅值影像，其特徵在於，在感測器像素處單獨記錄的散射光振幅值在每種情況下由結構上的光散射確定，例如表面區段2、顆粒5或纖維6，根據 [6]具有共同的的空間頻率 f f = [sin(Θ s) - sin(Θ i)] / λ         (1) (參見圖 5，Θs：觀察或散射角，Θi：入射角，λ：照明波長)。 空間頻率 f 也可以根據下式計算
Figure 02_image001
.              (2) 以下將 f x 及 f y 帶入：
Figure 02_image003
und
Figure 02_image005
.      (3) φs 是相對於垂直於表面法線延伸並位於入射平面中的軸的方位角，該入射平面由具有入射角 θi 和表面法線的照明方向跨越(見圖 5)。 因此，空間頻率 fx 和 fy 與由入射光束方向定義的散射幾何坐標相關。 如果入射光束不在樣品的 X 軸上，即圍繞表面法線圍繞方位角 φi 旋轉，則空間頻率藉由旋轉到樣品空間頻率 fx 和 fy 上進行如下變換：
Figure 02_image007
,
Figure 02_image009
散射光影像中的散射光振幅由角度分辨散射 ARS 根據 [6] 定義
Figure 02_image011
.                      (4) ΔΩ 表示立體角，ΔPs 表示散射功率，Pi 表示入射功率(見圖 5)。
利用求值裝置30，從散射光影像4A、4B、4C、4D、...中確定照射測量區域3中的表面區段2的PSD函數，並將所述函數作為測量區域的粗度特徵輸出。從每個PSD函數計算相關表面區段2，或相關表面區段2的至少一個導出的粗度特徵，例如rms值。
或者，表面區段2在照明測量區域3中的積分散射S由散射光影像4A、4B、4C、4D、...，且相關表面區段2的至少一個導出的粗度特徵，如 rms 值，是根據每個 S 值計算的。替代地或附加地，求值裝置30從散射光影像4A、4B、4C、4D、...中識別且表示ESC表面上的瑕疵。
詳細地，在步驟S1(圖1的底部)中，使用本身可用的圖像識別方法，可選地使用類神經網路，確定散射結構是否為確定性結構，即表面區段2如果不是這種情況，則在步驟S2中，通過影像識別來確定散射結構是否包括瑕疵。在這種情況下，根據既定的瑕疵(例如顆粒 5、纖維 6、材料斷裂或裂縫)進行分類，以便隨後更準確地表示相關瑕疵。對應地，步驟S2包括多個子步驟，其中圖1僅作為示例而表示出識別瑕疵是否由顆粒形成的子步驟。
當使用類神經網路進行影像識別時，類神經網路可以經由機器學習不斷適應。為此，可以使用來自樣貌檢視過程 Rev(見下文)及/或其他局部及/或全局測量(例如樣品的耐磨性質)的資訊。因此，還可以預測僅與測量值間接相關的後期產品特性。此外，結果可以不斷提高局部產品特性(例如結構的表面粗度或瑕疵的大小)的推導精度。
如果在步驟 S1 和 S2 之後沒有將散射結構識別為表面區段 2 或瑕疵，則可以捨棄相關數據並重複影像記錄，且/或可以單獨接近散射結構並使用不同的測量方法及/或更高的空間分辨率。
如果在步驟 S1 和 S2 中經由檢查定量誤差程度來識別確定性結構或瑕疵，其可靠性水平足以使後續計算至少一個粗糙度特徵不需要進一步的影像記錄，因此可以控制光源，使得其不再進行照明，以節省測量時間。
在步驟 S1 中識別表面區段 2 後，在步驟 S3 和 S4 中，經由使用散射光影像 4A、4B、4C、4D、...內的數位遮罩將這些部分切掉(根據其局部位置選擇結構在感測器陣列上)，為了隨後在步驟 S5 和 S6 中的每一個中確定 ARS 值，並在步驟 S7 和 S8 中從中計算，考慮到觀察幾何形狀(感測器設備的立體視角 Ω)，表面區段2上散射結構的PSD函數 。ARS值直接來自檢測到的散射光振幅，即感測器像素的輸出訊號。
所選結構內每個像素中的 PSD 函數之間的關係，取決於空間頻率 f 和 ARS 值，遵循如下(參見例如 [3])：
Figure 02_image013
(5)
在方程式 (5) 中，Q 是一個光學因子，其包含有關待檢測樣品的散射幾何形狀(入射角和散射角、光偏振)及材料特性(複折射率)的資訊([6]、[8] ])。或者，Q 也可以經由反射係數 ([6]，[8]) 來近似，反射係數 ([6]，[8]) 可以通過使用所描述的測量檢測直接反射從樣品的反射測量中以局部解析的方式確定方法。
PSD 函數可以通過測量至少兩個支持點來確定，即不同的空間頻率 f 或不同的入射角，然後外推到整個感興趣的空間頻率範圍。有利地，外推是可能的，因為對於拋光和塗層表面，PSD函數通常連續延伸並且沒有突然的跳躍，使得僅幾個採樣點就足夠了。
rms 粗糙度 σ 可以根據 PSD 函數計算，作為相關表面區段的粗糙度特徵，根據
Figure 02_image015
(6) (見例如[4])
或者，可以例如從表面區段內的平均PSD函數計算粗糙度。
在步驟S2中識別出瑕疵5之後，在步驟S9及S10中，藉由使用散射光影像4A、4B、4C、4D、...內的數位遮罩將其去除，以便隨後計算粒徑，在步驟S11中，從影像數據中，例如從覆蓋瑕疵的感測器像素的數量及感測器設備的成像特性。或者是還可以使用如[7]的粒子散射模型從例如散射光影像中計算識別的小粒子。
替代地或除了上述使用適用於要被切除的確定性結構(表面區段2)的數字掩模之外，求值裝置30中的分析掩模也可以適用於覆蓋確定性結構之間的圖像部分。
圖1示意性地示出了可以使用求值裝置30執行至少一個檢視過程Rev，以便識別與表面區段或瑕疵有關的進一步資訊。取決於至少一個粗度特徵的識別結果，較佳地經由諸如白光干涉測量法及/或AFM之類的形貌測量方法來執行至少一個檢視過程Rev。替代地或附加地，可以提供基於根據本發明的方法的至少一個檢視過程Rev並且提供附加的或更精確的資訊，例如。其中求出進一步的散射角及/或進一步的波長及/或相位資訊。
測量區域3中的瑕疵的粗糙度及/或特性被記錄並且可選地作為結果輸出。為了測量ESC 1的整個表面，ESC 1與樣品架40一起相對於照明及感測器裝置20、30重複移動，且在每個位置進行測量。
圖2示出了根據圖1的實施例的修改變化例，除了感測器裝置20以外還提供了包括感測器陣列21A及成像光學元件22A的另一感測器裝置20A。例如，照明裝置10表示出包括兩個光源11A、11B，每個光源具有成像光學元件12，實際上可以提供更多光源。光源11A、11B以兩個不同的入射角依次交替地照亮測量區域3。提供求值裝置(圖2中未示出)用於處理散射光影像，如參考圖1所述。作為示例，其表示出感測器陣列21A的傾斜，其可以提供用於均勻聚焦(Scheimpflug 法則)。
第一感測器裝置20配置成具有感測器陣列21和在0 o視角的成像光學元件22，用於記錄至少兩個散射光影像，如參考圖1所述。另外的感測器裝置20A是相對於例如60 o的表面的表面法線以不同的視角配置。根據所描述的時間控制，交替地啟動光源11A、11B，以便記錄不同入射角的散射光影像。對於每個入射角，第一及另外的感測器裝置20、20A在不同的視角記錄被照射的測量區域3的兩個散射光影像。由此可以有利地檢測具有高空間頻率的散射特徵。藉由第一及另外的感測器裝置20、20A的散射光影像的記錄較佳地同時發生。
替代地或附加地，感測器裝置可以具有不同的光譜靈敏度。這有利地允許使用更大光譜範圍內的照明波長。此外，還可以同時執行具有不同波長的照明的情況，然後由於感測器裝置的不同光譜靈敏度而發生波長的分離。此外，分束光學元件可以在相同的視角使用多個感測器裝置，但光譜靈敏度或偏振靈敏度不同。這種分離有利於提高測量速度或提高對單個結構或瑕疵的敏感性，或提高區分不同結構或瑕疵的能力。
根據本發明的第二實施例，如圖3和圖4所示，同時記錄散射光影像，並且提供光源11A、11B、11C的強度控制，使得照明裝置20提供 照明光束路徑在測量區域3中的不同照明強度。
通過求值裝置(圖 3 中未顯示)從總散射 TS 中直接計算每個像素的 rms 粗糙度 σ 係根據以下公式進行：
Figure 02_image017
(7) (見[5])，TS由總半球散射功率PTS和入射功率Pi計算得出(TS=PTS/Pi)，R表示所檢測表面的反射係數。總散射是根據 ISO13696 對於在至少 2 o到 85 o的角度範圍內的極散射角 θs 獲得的。然而，這裡描述的粗糙度測量同樣適用於較小的角度範圍；在這種情況下，測量變量通常稱為積分散射。
為了使用感測器裝置20獲得具有與總散射或積分散射成比例的散射光振幅的散射光影像，執行各個照明實例的輻照度E＝ΔPi/ΔA的加權G，其中ΔPi表示入射在測量區域3中的表面元件ΔA上的功率。表面元件ΔA可以對應於感測器像素。因此，所有照明實例都可以同時照亮樣品 (ESC 1)。雖然散射分佈ARS(θs,φs)的角度分辨資訊丟失，因而無法再計算PSD函數，但與總散射的比例意味著光源11A、11B、11C的時間控制不可行需要更長的時間，以便在所有入射角照明的情況下，可以藉由一單一的同時影像記錄來執行粗度測量。結果可以有利地顯著減少測量時間。
第二實施例中的至少一個粗度特徵的確定，包括光源的強度控制(圖3)，是基於從現有技術已知的對總散射的確定的修改，如所描述的在下面的。
在現有技術中，總散射是經由準垂直照明和直接半球檢測來確定的。用技術術語來說，半球形檢測通常是使用 Coblentz 或 Ulbricht 球 [8] 來實現的，這樣光會被整體收集並偏轉到感測器。或者，在準垂直光入射和散射光半球掃描的情況下，通過角分辨散射的測量數據的數值積分來確定總散射 [8]：
Figure 02_image019
(8)
在同位散射表面的情況下，在攝像機垂直觀察的情況下，ARS 關於表面法線旋轉對稱。然後足以確定在方位角 φs 處的角度分辨散射 ARS，然後應用以下
Figure 02_image021
(9)
相反，在本發明第二實施例中確定總散射時，入射方向及檢測方向產生交換。當傳播方向交換時，ARS 轉變為 ARS(θ s) = ARS(θ i) cos(θ i)/cos(θ s)。重新排列後的結果如下
Figure 02_image023
(10)
樣本的散射分佈 ARS 由角度 θ 和 φ 處的各個照明實例檢測，或者在一維的情況下，僅在 θ 處檢測。在使用感測器裝置 20 進行垂直觀察的情況下，其中 θs = 0 o，並且在 N 個具有入射角 θ 1到 θ N(參見圖 4A)和 φ = 0 的照明實例下掃描 ARS，其中 0 ＞ θ 1＞ θ N，TS的積分根據
Figure 02_image025
(11) 其中Δθ是相關照明的代表性全角(見圖4a)或照明實例之間的步距角。
很明顯，必須對訊號 ARSN 進行不同的加權，以實現與 TS 成比例的測量訊號。在測量方法中通過對各個輻照度進行加權來執行測量訊號 ARS(θ N) 的加權。然後根據以下公式計算加權因子
Figure 02_image027
(12)
對於測量區域 3 中的表面元素 ΔA 上的每個光源的各個照明實例的輻照度 E = ΔPi/ΔA，這導致以下結果：
Figure 02_image029
(13) 其中E0是輻照度，較佳地選擇該輻照度，使得在相機檢測的情況下測量區域3中的表面元件上的整體照明導致有利的信噪比。如果在單個或多個極角θ N的情況下分別使用多個光源，這些光源配置在不同的方位角，則所述光源應該較佳地具有相同的輻照度，其總輻照度 E(θ N) 也對應於方程式 (13)。
為了從樣本的感測器測量訊號計算TS值，利用所描述的照明加權，使用具有已知TS值的校準樣本，如從現有技術中已知的。
由於在鏡面反射周圍的散射角的情況下，ARS 通常非常陡峭地延伸，因此在該區域中保持立體角盡可能小是有利的，以減少測量不確定性。在相對於鏡面反射的廣角情況下，ARS 以較淺的方式延伸，並且散射功率顯著降低。在該區域中，將掃描間距和立體角選擇得大是有利的。
為了在測量區域 (3) 中和在各個角度 θ N(參見圖 4B) 處提供樣品的均勻照明，波束形成光學元件或位置可變的減光器 13，例如可以提供灰色濾光片，或以不同能量(即不同功率、脈衝持續時間或脈衝寬度調製)對光源的相應驅動。
根據圖3的實施例可以測量具有空間頻譜的rsm粗糙度，該空間頻譜由光源的最小和最大入射角以及波長λ 1(參見方程式(1))確定。為了擴大空間頻率範圍，可以使用更多的照明波長 λ N，這也可以同時以現有波長照明樣品。
由於 rms 粗糙度的計算取決於波長(見上文)，在這種情況下，具有不同波長的照明實例的照明強度也相互適應。由於樣品特有的反射係數也取決於測量波，因此最好也藉由調整波長對其進行校正。當使用多個測量波長時，以下附加加權因子適用於各個照明實例：
Figure 02_image031
(14)
如果感測器裝置20也具有光譜靈敏度，則相應地對其進行校正。
在以下段落中，概述本發明的較佳特徵。
一種量測裝置(100)，其被配置用於在待檢測的樣品(1)的表面的多個表面區段(2)上進行粗糙度和/或瑕疵測量，其包括具有至少兩個光的照明裝置(10)光源(11A、11B、11C、11D)，其被佈置用於用測量光照射表面的測量區域(3)，感測器裝置(20)具有感測器陣列(21)，感測器陣列(21)具有配置的多個感測器像素用於擷取在表面散射的散射光，以及配置用於從捕獲的散射光確定表面的至少一個粗糙度特徵的求值裝置(30)，其中至少兩個光源(11A、11B、11C， 11D)被配置用於以相對於表面的表面法線的不同入射角沿至少兩個照明光束路徑(LA、LB、LC、LD)照明測量區域(3)，其中至少兩個光源(3) 11A, 11B, 11C, 11D) 能夠相對於感測器裝置 (20) 被固定，感測器裝置 (20) 設置有成像光學元件 (22)，該成像光學元件 (22) 被配置用於使表面的測量區域 (3)在感測器陣列 (21) 上成像，感測器裝置(20)被配置用於以相對於表面法線的預定視角在照明測量區域(3)中擷取表面區段(2)的至少兩個散射光影像(4A、4B、4C、4D)，其中由感測器像素接收的散射光的部分，在每種情況下由照明光束路徑(LA、LB、LC、LD)之一中的照明形成，在每種情況下具有共同的空間頻率，並且求值裝置(30)被配置用於從至少兩個散射光影像(4A、4B、4C、4D)中確定表面區段(2)的至少一個粗度特徵。
照明裝置(10)可以被配置用於至少兩個光源(11A、11B、11C、11D)的時間控制，使得至少兩個散射光圖像(4A、4B、4C、4D)可以是以時間分離的方式連續記錄，求值裝置(30)被配置用於從至少兩個散射光確定照明測量區域(3)中的表面區段(2)的功率譜密度函數(PSD函數)圖像(4A、4B、4C、4D)，並且求值裝置(30)被配置用於根據PSD函數或從表面區段的積分散射計算每個表面區段(2)的至少一個粗度特徵(2)。
照明裝置(10)可以被配置用於強度控制，使得可以在具有至少兩個光源(11A、11B、11C、11D)的定向照明的加權輻照度的每個表面區段(2)處記錄至少兩個散射光影像(4A、4B、4C、4D)特徵，其中提供定向照明的加權輻照度是因為輻照度被設置為使得光源的照明對應於均勻的半球形照明時，求值裝置(30)被配置用於從至少兩個散射光圖像(4A、4B、4C、4D)中確定結構化表面在照明測量區域(3)中的積分散射，並且求值裝置(30)被配置用於從表面區段(2)上的積分散射計算每個表面區段(2)的至少一個粗度特徵。
較佳地，提供至少一個特徵，包括選擇照明裝置(10)的光源(11A、11B、11C、11D)的數量以在3至100的範圍內，照明裝置(10)被配置為在所有照明光束路徑(LA、LB、LC、LD)中產生相同波長的測量光，並且照明裝置(10)被配置為在所有照明光路(LA、LB、LC、LD)中產生具有不同的波長及/或不同的偏振特性的測量光。如果照明設備(10)被配置用於在照明光束路徑(LA、LB、LC、LD)中產生具有不同的波長及/或不同的偏振特性的測量光，則照明設備(10)較佳地被配置為用於在至少一個照明光束路徑(LA、LB、LC、LD)中產生測量光，以便具有至少兩種不同的波長及/或至少兩種不同的偏振。
照明裝置(10)可以被配置用於在照明光束路徑(LA、LB、LC、LD)中產生測量光以具有不同的波長，求值裝置(30)被配置用於確定至少兩個PSD函數及/或在照明測量區域(3)中表面區段(2)的至少兩個整體散射實例，並且求值裝置(30)被配置為從至少兩個 PSD 函數和/或至少兩個積分散射實例確認表面區段(2)上的結構。
較佳地，求值裝置(30)被配置用於藉由使用數位影像遮罩識別測量區域(3)中的表面區段(2)。較佳地，求值裝置(30)被配置用於藉由使用類神經網絡及/或機器學習方法識別表面區段(2)，且/或求值裝置(30)被配置用於使用數位影像遮罩從至少兩個散射光影像(4A、4B、4C、4D)中確認表面區段(2)上的結構。
感測器裝置(20)的成像光學元件(22)可以是遠心光學元件，及/或感測器裝置(20)的視角可以平行於表面法線延伸。
較佳地，照明裝置(10)被配置用於使用具有小波長λ＜300nm的測量光以88 o至75 o範圍內的淺入射角對表面區段(2)進行定向照明，並且求值裝置(30)用於確定表面區段(2)的偏斜度參數。
可以提供至少一個另外的感測器裝置(20A)，包括成像光學元件(22A)及具有多個感測器像素的感測器陣列(21A)，其中該至少一個另外的感測器裝置(20A)被配置用於在至少一個散射光影像(4A、4B、4C、4D)在相對於表面的表面法線的至少一個另外的視角處被照亮的測量區域(3)。
較佳地，所述至少兩個光源(11A、11B、11C、11D)包括發光二極體、雷射及耦合到至少一個發光二極體及/或至少一個雷射的光纖中的至少其中之一以及/或每個光源都配備有照明光學元件(12)。
可選地，用於接收樣品(1)的樣品架(40)及/或由照明裝置(10)及感測器裝置(20)組成的組件可相對於彼此移動，使得照明裝置(10)可用於照射結構化表面的不同測量區域，感測裝置(20)可擷取不同測量區域的散射光影像(4A、4B、4C、4D)，量測裝置(100)被配置用於在結構化表面的不同測量區域中的表面區段(2)處重複地進行粗度測量。
照明裝置(10)和感測器裝置(20、20A)可以被配置用於以反射及/或透射而擷取來自樣品(1)的散射光。
一種用於對待檢測的樣品的表面的表面區段(2)進行粗度及/或瑕疵測量的方法，包括用測量光照射表面的測量區域(3)的步驟，測量區域(3)包含多個表面區段(2)，擷取在表面散射的散射光，使用具有感測器陣列(21)的感測器裝置(20)，該感測器陣列(21)具有多個感測器像素，並確定至少一個粗度特徵根據擷取的散射光對表面進行照明，其中該照明包括使用至少兩個固定配置的光源(11A、11B、11C、11D)沿相對於表面的表面法線以不同入射角沿至少兩個照明光束路徑(LA、LB、LC、LD)對測量區域(3)中的表面區段(2)進行的直接照明，感測器裝置(20)配備有成像光學元件(22)，藉由使表面的測量區域 (3) 成像於感測器陣列(21)，感測器裝置(20)以相對於表面法線的預定視角擷取照明測量區域(3)的至少兩個散射光影像(4A、4B、4C、4D)在每個照明光束路徑(LA、LB、LC、LD)中，感測器像素接收的部分散射光在每種情況下都具有共同的空間頻率，並且對於每個表面區段(2)，其至少一個粗度特徵是從至少兩個散射光影像(4A、4B、4C、4D)中確認。
可以提供對至少兩個光源(11A、11B、11C、11D)的時間控制，使得至少兩個散射光影像(4A、4B、4C、4D)是以暫時彼此分離的方式被記錄，其中從所述至少兩個散射光圖像(4A、4B、4C、4D)中決定被照射測量區域(3)中的表面區段(2)的功率譜密度函數(PSD函數)，且對於每個表面區段(2)，根據PSD函數或表面區段(2)的積分散射計算至少一個粗糙度特徵。
可以提供強度控制，使得至少兩個散射光影像(4A、4B、4C、4D)被記錄在每個表面區段(2)處，其中至少兩個光源的定向照明的加權輻照度( 11A、11B、11C、11D)，其中提供定向照明的加權輻照度，其中輻照度被設置為使得光源產生均勻的半球形照明，其中結構化表面在照明測量中的積分散射區域(3)由至少兩個散射光圖像(4A、4B、4C、4D)確定，並且對於每個表面區段(2)，由表面區段上的積分散射計算至少一個粗度特徵(2)。
所有照明光束路徑(LA、LB、LC、LD)中的測量光可以產生為具有相同波長。
可以生成照明光束路徑(LA、LB、LC、LD)中的測量光以具有不同的波長及/或不同的偏振特性。較佳地，在至少一個照明光束路徑(LA、LB、LC、LD)中的測量光被生成為具有至少兩種不同的波長及/或至少兩種不同的偏振特性，且/或至少兩種PSD函數及/或至少兩個表面區段 (2) 在照明測量區域 (3) 中的積分散射實例被確定，其中表面區段 (2) 上的結構是從至少兩個PSD 函數及/或至少兩個積分散射實例。
可以生成照明光束路徑(LA、LB、LC、LD)中的測量光以具有不同的波長及/或不同的偏振。較佳地，在至少一個照明光束路徑(LA、LB、LC、LD)中的測量光被生成為具有至少兩種不同的波長及/或至少兩種不同的偏振特性，且/或在照明測量區域(3)中的兩個表面區段 (2)的至少兩種PSD 函數及/或積分散射實例被確定，其中表面區段(2)上的結構是從至少兩個PSD 函數及/或至少兩個積分散射實例得到。
可以提供至少兩個散射光影像(4A、4B、4C、4D)中的表面區段(2)的識別。較佳地，表面區段(2)藉由使用類神經網路及/或機器學習方法識別，且/或表面區段(2)上的結構從至少兩個散射光影像(4A、4B、 4C，4D)藉由使用數位影像遮罩確認。
可以使用具有小波長λ＜300nm的測量光以88 o至75 o範圍內的淺入射角照射表面區段(2)，其中表面區段(2)的偏斜度參數由散射光圖像(4A、4B、4C、4D)決定。
較佳地，可提供至少一個另外的感測器裝置(20)，包括成像光學元件(22)和具有多個感測器像素的感測器陣列(21)，其中至少一個散射光影像(4A、4B、4C、4D)，在相對於表面的表面法線的至少一個另外的視角處擷取被照亮的測量區域(3)。
可以照亮結構化表面的多個不同測量區域，並且經由感測器裝置(20)擷取不同測量區域的散射光影像(4A、4B、4C、4D)，其中粗度測量在結構化表面的不同測量區域中重複在表面區段 (2) 的測量。
較佳地，選擇的表面區段，特別是在至少兩個PSD函數及/或表面區段(2)的至少兩個整體散射實例之間具有增加的粗度及/或增加的偏差的表面區段，有目的地使用干涉測量、樣貌學及/或光譜測量方法，特別是干涉測量法、共焦顯微術、螢光光譜法或拉曼光譜法。
表面或選定的表面區段可以經受焦點變化測量及/或Makyoh成像測量，以便確定高度輪廓，特別是表面的局部表面傾斜度。
較佳地，待檢測樣品(1)包括用於保持部件的保持裝置，其中多個突出的突起設置在保持裝置的表面上，並且表面區段(2)包括突起的端面。
來自樣品(1)的散射光可以在反射及/或透射中被擷取。
在上述描述、圖式及申請專利範圍中揭示的本發明的特徵，對於在其各種實施例中實施本發明而言，無論是單獨的還是組合的或子組合的，都具有重要意義。
1:ESC(靜電夾具) 1A:突起 2:表面區段 3:測量區域 4A、4B、4C、4D:散射光影像 5:顆粒 6:纖維 10:照明裝置 11A、11B、11C、11D:光源 12:照明光學元件 20:感測裝置 21:感測器陣列 22:成像光學元件 30:求值裝置 40:樣品架 100:量測裝置 fx、fy:空間頻率 LA、LB、LC、LD:照明光束路徑 Pi:入射功率 Pr:反射功率 Rev:檢視過程 S1-S10:步驟 θ i:入射角 θ s:散射角 φs:相對於垂直於表面法線延伸並位於入射平面中的軸的方位角 ΔΩs:散射立體角 ΔPs:散射功率
下面將參照圖式說明本發明的進一步細節和優點。圖式示意性地顯示： 圖1：量測裝置的較佳實施例的特徵以及用於粗度及/或瑕疵測量的方法的特徵，其中具有光源的時間控制。 圖2：根據圖1的量測裝置的修改實施例，包括多個感測器裝置。 圖3：具有光源強度控制的量測裝置的進一步改進的實施例。 圖4：根據圖3的量測裝置的功能示意圖。 圖 5：確定至少一個粗度特徵時參考的角度和方向的圖式。
1:ESC(靜電夾具)
1A:突起
2:表面區段
3:測量區域
4A、4B、4C、4D:散射光影像
5:顆粒
6:纖維
10:照明裝置
11A、11B、11C、11D:光源
12:照明光學元件
20:感測裝置
21:感測器陣列
22:成像光學元件
30:求值裝置
40:樣品架
100:量測裝置
LA、LB、LC、LD:照明光束路徑
Rev:檢視過程
S1-S10:步驟

Claims (15)

  1. 一種量測裝置(100)，其被建構成用於在待檢查的一樣品(1)的一表面的複數個表面區段(2)上進行粗度及/或瑕疵的量測，其包括： 一照明裝置(10)，其具有至少兩個光源(11A，11B，11C，11D)，該等光源係配置成以量測光線照明該表面的一量測區域(3)， 一感測器裝置(20)，其具有一感測器陣列(21)，該感測器陣列具有複數個感測像素，該等感測像素系配置成用於擷取散設置該表面的散射光線，以及 一求值裝置(30)，其係建構成用於從所擷取的該散射光線決定該表面的至少一個粗度特徵， 其特徵在於 該至少兩個光源(11A，11B，11C，11D)係建構成用於沿著至少兩個照明光束路徑(LA，LB、LC、LD)以相對於該表面的表面法線的不同入射角照明該量測區域(3)，其中該至少兩個光源(11A，11B，11C，11D)能夠相對於該感測器裝置(20)被固定， 該感測器裝置(20)包括一成像光學件(22)，其被配置成用於在該感測器陣列(21)對該表面的該量測區域(3)產生影像， 該感測器裝置(20)係建構成用於以相對於該表面的該表面法線的不同既定視角擷取在該量測區域(3)的該表面區段(2)的至少兩個散射光影像(4A，4B，4C，4D)，其中由該等感測像素所接收的該等散射光線的部分係在每個情況下於該等照明光束路徑(LA，LB、LC、LD)的其中之一上形成，每種情況具有一共同的空間頻率，以及 該求值裝置(30)係建構成用於由該至少兩個散射光影像(4A，4B，4C，4D)決定該表面區段(2)的該至少一粗度特徵。
  2. 如請求項1所述之量測裝置，其中 該照明裝置(10)係建構成用於對該至少兩個光源(11A，11B，11C，11D)的時間控制，使得該至少兩個散射光影像(4A，4B，4C，4D)能夠以連續且暫時分離的方式被記錄， 該求值裝置(30) 係建構成用於由該至少兩個散射光影像(4A，4B，4C，4D)決定在該量測區域(3)的該表面區段(2)的功率譜密度函數(power spectral density function，PSDF)，且 該求值裝置(30)係建構成用於從該功率譜密度函數或該表面區段(2)的積分散射(integral scattering)計算該表面區段(2)的該至少一粗度特徵。
  3. 如請求項1或2所述之量測裝置，其中 該照明裝置(10)係建構成用於強度控制，使得該至少兩個散射光影像(4A，4B，4C，4D)在每個該表面區段(2)由該至少兩個光源(11A，11B，11C，11D)產生定向照明所導致的加權幅照度，其中該定向照明所導致的加權幅照度係於發光狀態是設置成該等光源的照明是均勻的半球照明下提供， 該求值裝置(30)係建構成用於從該至少兩個散射光影像(4A，4B，4C，4D) 決定在該量測區域(3)的已結構化的該表面的一積分散射，且 該求值裝置(30)係建構成用於由該表面區段(2)的該積分散射計算每個該表面區段(2)的該至少一粗度特徵。
  4. 如請求項1、2或3所述之量測裝置，其具有至少一個以下的特徵： 該照明裝置(10)的光源(11A，11B，11C，11D)的數量係選擇而在3至100的範圍內； 該照明裝置(10)係建構成在所有的該等照明光束路徑(LA，LB、LC、LD)上產生該量測光線，使得該等量測光線具有相同的波長，且 該照明裝置(10)係建構成在該等照明光束路徑(LA，LB、LC、LD)上產生該量測光線，使得該等量測光線具有不同的波長及/或不同的偏極化特性。
  5. 如請求項4所述之量測裝置，其中 該照明裝置(10)係建構成在該等照明光束路徑(LA，LB、LC、LD)上產生該量測光線，使得該等量測光線具有不同的波長及/或不同的偏極化特性，且 該照明裝置(10)係建構成在至少一個該照明光束路徑(LA，LB、LC、LD)上產生該量測光線，使得該量測光線具有至少兩種不同的波長及/或至少兩種不同的偏極化特性。
  6. 如請求項4或5所述之量測裝置，其中 該照明裝置(10)係建構成在該等照明光束路徑(LA，LB、LC、LD)上產生該量測光線，使得該等量測光線具有不同的波長， 該求值裝置(30)係建構成用於決定在該量測區域(3)的該表面區段(2)的至少兩個功率譜密度函數及/或至少兩個積分散射的例子，且 該求值裝置(30)係建構成用於由該至少兩個功率譜密度函數及/或該至少兩個積分散射的例子確認在該表面區段(2)上的結構。
  7. 如請求項1至6中任一項所述之量測裝置，其中 該求值裝置(30)係建構成使用數位影像遮罩確認在該量測區域(3)的該表面區段(2)。
  8. 如請求項7所述之量測裝置，其中 該求值裝置(30)係建構成使用類神經網路及/或機器學習方法確認在該量測區域(3)的該表面區段(2)。
  9. 如請求項7或8所述之量測裝置，其中 該求值裝置(30)係建構成使用數位影像遮罩從該至少兩個散射光影像(4A，4B，4C，4D) 確認在該量測區域(3)的該表面區段(2)的結構。
  10. 如請求項1至9中任一項所述之量測裝置，其中 該感測器裝置(20)的該成像光學件(22)為遠心光學元件(telecentric optic)，且/或 該感測器裝置(20)的該視角延伸至與該表面法線平行。
  11. 如請求項1至10中任一項所述之量測裝置，其中 該照明裝置(10)係建構成使用具有小波長λ＜300nm的量測光以範圍為88 o至75 o的淺入射角具方向性地照亮該表面區段(2)，且 該求值裝置(30)係建構成用於決定該表面區段(2)的一偏斜度參數。
  12. 如請求項1至11中任一項所述之量測裝置，其中 其更包括另外至少一感測器裝置(20A)，其包括一成像光學元件(22A)及一具有複數個感測器像素的感測器陣列(21A)，其中該另外至少一感測器裝置(20A)係建構成用於以相對於該表面的表面法線的另外至少一視角擷取該該量測區域(3)的該散射光影像(4A，4B，4C，4D)。
  13. 如請求項1至12中任一項所述之量測裝置，其中 該至少兩個光源(11A，11B，11C，11D)包括至少一發光二極體、至少一雷射及多根光纖，該等光纖係耦接於該至少一發光二極體及/或該至少一雷射，且/或 每個該光源具有照明光學元件(12)。
  14. 如請求項1至13中任一項所述之量測裝置，其中 一樣品保持器(40)用於容納一樣品(1)，及/或包含該照明裝置(10)及該感測器裝置(20)的該總成係可彼此相對移動，使得該照明裝置(10)能夠配置成照明結構化的該表面的不同的量測區域，該感測器裝置(20) 能夠擷取該不同的量測區域的該散射光影像(4A，4B，4C，4D)，且 該量測裝置(100)係建構成用於在結構化的該表面的不同量測區域的該表面區段(2)重複地進行粗度量測。
  15. 一種方法，在待檢查的一樣本(1)的一表面的複數個表面區段(2)上進行粗度及/或瑕疵的量測，包括下列步驟： 以量測光線照明該表面的一量測區域(3)，該量測區域(3)包括該等表面區段(2)， 使用具有一感測器陣列(21)的感測器裝置(20)擷取在該表面散射的散射光，該感測器陣列(21)具有複數個感測器像素，且 從擷取的該散射光決定該表面的至少一粗度特徵， 其特徵在於 該照明包括使用至少兩個固定配置的光源(11A，11B，11C，11D)沿著至少兩個照明光束路徑(LA，LB、LC、LD)以相對於該表面的表面法線的不同入射角對在的該等表面區段(2)的定向照明， 該感測器裝置(20)具有成像光學元件(22)，藉此該表面的該量測區域(3)成像於該感測器陣列(21)， 該感測器裝置(20)以相對於該表面的該表面法線的既定視角擷取在該量測區域(3)的至少兩個散射光影像(4A，4B，4C，4D)，該等感測像素所接收的該等散射光線的部分係在每個情況下於該等照明光束路徑(LA，LB、LC、LD)的其中之一上形成，每種情況具有一共同的空間頻率，以及 由該至少兩個散射光影像(4A，4B，4C，4D)決定該表面區段(2)的該至少一粗度特徵。
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