WO2010127872A1 - Vorrichtung und verfahren zur winkelaufgelösten streulichtmessung - Google Patents

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WO2010127872A1
WO2010127872A1 PCT/EP2010/002828 EP2010002828W WO2010127872A1 WO 2010127872 A1 WO2010127872 A1 WO 2010127872A1 EP 2010002828 W EP2010002828 W EP 2010002828W WO 2010127872 A1 WO2010127872 A1 WO 2010127872A1
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WO
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light
sample
detector
scattered
absorber
Prior art date
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PCT/EP2010/002828
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English (en)
French (fr)
Inventor
Sven SCHRÖDER
Angela Duparré
Tobias Herffurth
Gunther Notni
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Friedrich-Schiller-Universität Jena
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Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., Friedrich-Schiller-Universität Jena filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/303—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity

Definitions

  • the invention relates to a device for the characterization of structures with dimensions down to the submicrometer range on the basis of angle-resolved scattered light measurement on a sample according to the preamble of the main claim and a method for angle-resolved scattered light measurement according to the preamble of the independent claim.
  • Devices and methods for angle-resolved scattered light measurement on a sample are suitable for examining microscopic structures on surfaces, in layer systems and in the material volume of technical objects. Since devices for scattered light measurement in a compact and robust design feasible and appropriate procedures are carried out quickly and without contact with the sample, they are particularly well suited for use in production-close so- like production-integrated measurement and control processes.
  • Microscopic surface structures have a strong influence on the functional properties of technical surfaces, including tribological, optical, electrical and wetting properties. Important areas of application are, therefore, the processing of surfaces in the automotive and mechanical engineering, the production of high-precision optical instruments and in the production of materials with special surface characteristics such as semiconductors, conductive oxides, dielectrics, metals, coated and uncoated surfaces and transparent and non-transparent surfaces , In these and many other fields, there is a great need for devices and methods for the fast, robust and at the same time accurate characterization of structures in the near-surface region and in the material volume, in particular in subsurface detection, for example
  • Surface structures include roughnesses, which are defined as averages over surface deviations, such as square roughness and rms roughness, respectively.
  • the spectral power density of the surface is also of central interest. It contains as a Fourier transform the autocorrelation function of the surface structures information about both the lateral and vertical structural expansions. Furthermore, average roughness values can be calculated by integration from this measured variable. Furthermore allowed they take into account the relevant spatial frequencies for the application and the measuring method. In cases where an analytical approximation of the spectral power density is known, measured values can be extrapolated into spatial frequency ranges for which no measurements exist.
  • DE 4408226 A1 discloses a device suitable for angle-resolved scattered light measurement which has a lighting unit for illuminating a sample with light at a non-zero angle of incidence, the angle of incidence being defined with respect to the macroscopic surface normal of the sample. Furthermore, this device comprises a detector array given by a CCD array for measuring portions of the light emanating from the sample and a collecting lens system for focusing the portion of the light speculatively reflected by the sample onto the detector array, whereby a spatial separation of the specular reflected from the scattered portions of the light can be achieved.
  • specular reflected portions of the light are referred to here and hereinafter light components, which are reflected with a polar angle of reflection, which is similar to the polar angle of incidence, and which are characterized by a vanishing azimuthal angle of reflection.
  • Polar angles ie in particular incidence and reflection angles, are defined relative to a macroscopic surface normal.
  • Azimuthal scattering angles are defined as the angle between an extension of an orthogonal projection of a beam of incident light to a plane defined by the sample and a projection of a scattered light beam onto the same plane. Surface properties of the sample are determinable in the said prior art device via analysis of the gray-scale pattern speckle patterns.
  • the collecting lens system leads to unwanted scattering of the light, which overlaps with the measured variable, the scattered light of the sample. Furthermore, multiple reflections and multiple scattering of the light on optical components lead to interference of the measurement signals, in particular for nanostructures. Another difficulty in the
  • the object of the submitted invention is therefore to propose an apparatus and a method for angle-resolved scattered-light measurement, which are also suitable for measuring structures in the nanometer range and subnanometer range, wherein the apparatus should nevertheless have a structure as compact as possible in order to achieve an uncomplicated design To allow the scattered light measurement.
  • This object is achieved by a device with the characterizing features of the main claim in conjunction with the features of the preamble of the main claim and by a method with the characterizing features of the independent claim in conjunction with the features of the preamble of the independent claim.
  • a particularly compact device with which sufficiently accurate angle-resolved scattered light measurements on a sample are possible in order to obtain information about the scattering properties of the sample in the nanometer or subnanometer range, results from the fact that
  • the illumination device of the proposed device comprises a first collecting lens system and a second collecting lens system and a disposed between these lens systems pinhole, which are arranged so that the outgoing light from the light source is focused by the first collecting lens system on the pinhole and a spekular of The portion of the light transmitted from the pinhole and passing through the second collecting lens system, which is reflected or undirected through the sample, can be focused onto the detector.
  • the detector comprises a sensor matrix which is preferably designed as a CMOS sensor matrix,
  • the device includes an absorber, the like arranged that a portion of the light speculatively reflected by the specimen or propagated through the specimen and focused onto the detector, which is reflected by the detector, impinges on the absorber and is absorbed, and
  • a lighting channel and a detection channel of the device are completely separated from each other.
  • the light emanating from the light source is focused onto a pinhole by a first collecting lens system before collision with the specimen and is bundled by a second collimating lens system arranged between the pinhole and the specimen so that a light emerging from the second collecting lens system then specularly reflected by the sample reflected or unscrupulous transmitted through the sample portion of the light is focused on the detector,
  • CMOS sensor matrix designed advantageously as a CMOS sensor matrix
  • the characteristic features are suitable in their combination to increase the accuracy of an angle-resolved scattered light measurement carried out with a generic device or according to a generic method on a sample in a manner sufficient for the solution of the problem. These features, which are described in more detail below, together serve to condition the light emanating from the illumination device, to reduce the light scattering caused by the components of the device, and to increase the sensitivity and resolving power of the detector.
  • the first collecting lens system contained in the lighting device and the pinhole diaphragm arranged behind it have the effect of a spatial filter and hence the ability to eliminate disturbances in the intensity profile of the light.
  • the second collecting lens system which serves to focus the light on the detector, is a component of the illumination device according to the invention and not, as provided in the prior art, arranged between the sample and the detector. Thus, no additional optical components are needed between the sample and the detector. This will falsify the scattered light distribution emanating from the sample, which would otherwise be unavoidable due to scattering and diffraction phenomena on other optical components in the beam path, and a concomitant lust to prevent information about the scattering at the sample.
  • the proposed construction of the illumination device therefore leads not only to a uniform intensity profile of the light incident on the sample but also to a reduction of inherent scattering by the components of the device and is therefore suitable for increasing the measurement accuracy of the device by focusing to achieve a very high spatial or angular resolution on the detector.
  • the proposed device can also be used for scattered light measurements on particularly smooth surfaces for determining roughnesses in the nanometer range or subnanometer range.
  • the absorber of the claimed device serves to absorb portions of the light reflected by the detector. These proportions have a particularly high intensity.
  • the absorber advantageously prevents such portions of the light from reaching the detector again due to multiple reflections and multiple scattering and leading to measurement inaccuracies which would make an analysis of the required accuracy impossible. Therefore, the arrangement of the absorber, which allows to eliminate the most important interfering light components in a targeted manner, represents a decisive measure for improving the accuracy of the scattered light measurement, without greatly influencing its complexity or compactness.
  • the evaluation unit of the device is programmatically for calculating the rms roughness of the sample according to
  • ⁇ stands for the rms roughness
  • ⁇ for the wavelength of the incident light and Q 1 for the angle of incidence at which the light impinges on the sample
  • P x for a radiant power of the scattered radiation integrated over a solid angle covered by the sensor matrix Part of the light
  • P r denote a radiation power of the specularly reflected or undisturbed transmitted portion of the light. While ⁇ and ⁇ are known, the ratio P s / P r is determined directly from a measurement. A particularly advantageous embodiment of the proposed method accordingly provides that the roughness is calculated according to the formula given in the preceding sentence.
  • rms roughness An important advantage of the roughness calculated in this way, which is also referred to as rms roughness, consists in its direct determinability of the output signals of the detector, which make it possible to conclude all variables which are necessary for the proposed calculation of the roughness.
  • the proposed advantageously simple determination of ⁇ is based on the recognition that the above formula, as just in the case of a relatively smooth surface, yields a good approximation from a known relationship which is known as
  • P 1 represents a total power of the light irradiated to the sample
  • P / a power integrated with a whole half space
  • R represents a Fresnel reflectance of the surface.
  • the room angle element A ⁇ . S can each be given by a pixel of the sensor matrix or with respect.
  • spectral power density which in the described manner can advantageously be determined simply from variables which can be obtained directly from the output signals of the detector, very detailed information about a structure of the sample is obtained.
  • the proposed simple The calculation of the meaningful spectral power density, which in the case of extensive isotropic structures can also be represented as a function of a single variable, is based on the knowledge that a signal as
  • spectral power density Another important advantage of the spectral power density according to the invention is that other important measured variables, such as the rms roughness according to the invention, can be calculated from it by means of integration over the solid angle covered by the detector.
  • spectral power density can be extrapolated into spatial frequency ranges to which no measurements exist, because an analytical form of the spectral power density is known in these areas, then rms roughnesses or other measured variables associated with these spatial frequency ranges can also be calculated .
  • the light source in the illumination device is preferably a laser diode or a laser coupled by a fiber optic and can be used to emit ultraviolet, visible or infra-red light. be executed red light.
  • the wavelength and the intensity of the light are to be selected advantageously as a function of the roughness of the surface of the sample or the size of the structures to be investigated.
  • a further development of the invention comprises an aperture stop arranged between the pinhole and the second collecting lens system for removing diffracted portions of the light produced at the pinhole.
  • the CMOS sensor array of the detector is equipped with a microlens array.
  • a collecting lens can be arranged above each sensor element of the CMOS sensor matrix, which bundles the light incident on the respective picture element onto a photosensitive area of this sensor element.
  • the integration time of the detector is controllable, so that a sensitivity and a signal control of the detector can be adapted to an intensity of the incident light on it.
  • an absorber system with active suppression of interfering light influences is realized by the absorber.
  • the absorber has an area provided with a surface absorber surface, the surface structure surveys with a diameter in a direction parallel to the absorber surface direction, the smaller than one Wavelength of the light, and with a height that is greater than the wavelength of the light includes.
  • Surface structures of such dimensions have the ability to greatly increase the absorptivity of a surface with respect to the light of those wavelengths.
  • the absorber can also have one or more deflecting mirrors for redirecting the light diffracted by interfering scattered light or at optical elements.
  • the invention may comprise a second illumination device with a second light source, preferably also one
  • the second illumination device may further comprise a collecting lens system with which the light can be focused on the sample or the detector.
  • the second illumination device may also comprise an aperture diaphragm which should then be arranged such that the light emanating from the collecting lens system of the second Luminous device is thereby laterally limited so that contained in him Störlichtanteile be intercepted.
  • the second illumination device is particularly suitable for measuring even scattered light components whose scattering angle differs greatly from a direction of the specularly reflected or undirectedly transmitted light component.
  • the double function of the absorber When the sample is irradiated by the first illumination device, it absorbs the specular light reflected by the detector. When the sample is irradiated by the second illumination device, it absorbs the specularly reflected or unscattered transmitted portions of the light emanating directly from the sample. In this way, with the same compact arrangement in two different measuring situations, it is always possible to absorb precisely those portions of the light which, when unabsorbed, would cause the most intense stray light.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that one, several or preferably all of the lenses contained in it by surface roughness of less than 0.5 nm rms in the spatial frequency range of 0.001 "1 to 1 ⁇ m "1 .
  • one, several or preferably all lenses on one or both sides equipped with low-scattering anti-reflection layers to reduce stray light can be tilted relative to an optical axis of the respective lighting device so that multiple reflections generated at the lenses are removed from the main beam path of the light.
  • the detector and the absorber can be selectively positioned on one side of the sample facing the first illumination device and the second illumination device or on the side of the sample remote from the first illumination device and the second illumination device.
  • This is preferably achievable by a modular construction of the device, wherein the illumination device or optionally the two illumination devices are located in a first module and the detector together with the absorber are in a second module which are so composable or movable relative to each other that both above arrangements are feasible.
  • the scope of application of the invention can advantageously be extended by additionally providing the illumination device with a polarizer, with which defined or vanishing polarization states of the light can be generated, whereby scattering properties of the sample can also be investigated as a function of polarization.
  • the handling of the device can be simplified in a further development of the invention, in which the focusing of the light on the sample, on the
  • the focusing can be adjusted by an autofocus routine with which the device can be adjusted, preferably automatically, to changing distances to the sample as well as to different curvatures of the surface of the sample.
  • FIG. 1 shows a schematically illustrated device with two illumination devices and a detector, wherein a sample is illuminated with a first of the two illumination devices for measuring structures on the surface of the sample,
  • FIG. 2 is a perspective view of angular sizes used to describe scattering of light striking the sample.
  • FIG. 3 shows the device from FIG. 1 in a corresponding representation, the sample being illuminated with the second illumination device for measuring structures on the surface of the sample, FIG.
  • Fig. 4 shows the device of FIGS. 1 and 3, in a state in which the detector is arranged on a side of the sample facing away from the illumination devices for measuring structures within a volume of the sample, ie scattering in the forward direction
  • Fig. 5 shows a section of an average of the absorber with surface structures.
  • FIG. 1 shows an example of a device proposed here.
  • the device comprises a first and a second illumination device.
  • the first lighting device includes a light source 1, which is given by a laser diode. Instead of a laser diode, the light source could also be realized by a laser coupled in by a fiber optic.
  • the first illumination device comprises a first collecting lens system 2, by means of which light emitted by the light source 1 is focused onto a pinhole diaphragm 3. In this way, an intensity profile of the through the
  • the first illumination device contains an aperture diaphragm 4 with which the light emanating from the pinhole diaphragm 3 is delimited laterally.
  • the opening of the aperture diaphragm 4 is preferably adjusted so that the portions diffracted by the aperture plate 3 are intercepted by the aperture diaphragm 4 and only the zeroth diffraction order of the light is transmitted.
  • the light is bundled by a second collecting lens system 5 in such a way that specular portions of the light reflected from the sample 6 are focused onto the detector 7.
  • the detector 7, which is given by a CMOS sensor matrix, has a microlens array, with which the light portions incident on the detector 7 are focused on photosensitive sensor elements of the CMOS sensor matrix in order to ensure a sensitivity of the detector. to raise the number 7.
  • An absorber 8 is arranged so that light portions which are specularly reflected by the sample 6 and then reflected again by the detector 7, meet the absorber 8 and are largely absorbed by it. In this case, the absorber 8 is oriented such that portions of the light possibly reflected by it can not fall onto the detector 7.
  • ⁇ an angle of incidence at which the light emitted from the light source 1 falls on the sample 6, and ⁇ s a polar scattering angle at which portions of this light are scattered by the sample 6.
  • the angle O 1 is set to a fixed value, such as in a range of 10 ° to 30 ° before the measurement.
  • a polarizer 12a is arranged, with which the light can be polarized, if certain scattering causes on the sample 6 are to be examined more closely.
  • a light source 9 of the second illumination device is shown, which is also a laser diode, but could equally well be replaced by a laser coupled by a fiber optic.
  • the second illumination device also has a collecting lens system 10, a polarizer 12b, and an aperture stop 11.
  • all lenses contained in the collecting lens systems 2, 5 and 10 have surface roughnesses of less than 0.5 nm rms in a spatial frequency range of 0.001 ⁇ rrT 1 to 1 ⁇ m "1 and low-scattering anti-reflection applied on both sides. layers up.
  • the lenses included in the collecting lens system 2 and 5 of the first lighting device may be slightly tilted with respect to an optical axis of the light source 1, while the lenses included in the collecting lens system 10 of the second lighting device may be tilted with respect to an optical axis of the light source 9 To minimize the influence of reflections attributable to stray light.
  • the device described has a modular construction with a first module containing the two illumination devices, and a second module containing the detector 7 and the absorber 8, wherein in the illustrated device, the two modules are arranged relative to each other so that the detector 7 and the absorber 8 are positioned on a side of the sample 6 facing the two illumination devices. With this arrangement of the two modules scattered light measurements are thus carried out on the surface of the sample 6. An alternative arrangement of these two modules is shown in FIG.
  • a housing of the device is not shown for clarity.
  • the housing advantageously has a window through which the light of the illumination device passes through and impinges on the sample and through which pass out of the sample 6 portions of the light and hit the detector 7.
  • the device can also have a motor, not shown here, with which the position of the second collecting lens system 5 of the first illumination device can then also be set via an autofocus routine in such a way that the specular light reflected by the sample 6 is focused exactly onto the detector 7.
  • the device can have a second motor with which the position of the collecting lens system 10 of the second illumination device can likewise be set via an autofocus routine in order to achieve a desired focusing of the light emerging from the second light source.
  • Another important feature of this device is an evaluation unit 13 connected to the detector 8, which is set up by the program for evaluating output signals of the detector 7. With this, among other things, a roughness of the sample 6 according to the output signals of the detector 7
  • ⁇ is the roughness
  • ⁇ is a wavelength of the incident light
  • Q 1 is the angle of incidence at which the light strikes the sample
  • P s is a radiant power of the scattered radiation integrated over a solid angle covered by the CMOS sensor matrix Share of the light
  • P r a radiation power of specularly reflected - or unscratched in another arrangement of the detector 7 - proportion of the light of the first light source 1 denote.
  • PSD ⁇ f x , f y for the spectral power density expressed as a function of two spatial frequencies, ⁇ s for the polar and ⁇ s for the azimuthal angle of reflection of the portion of the light scattered by the sample and AP s ( ⁇ t , ⁇ s ) represent a radiation power of scattered light components measured in a spatial angle element formed, for example, by a detector pixel, the solid angle element denoted by A ⁇ S belonging to the polar and azimuthal failure angles ⁇ s and ⁇ s .
  • FIG. 2 illustrates the geometry of a scattering of the light striking the sample 6 in the device of FIG. 1.
  • n denotes a macroscopic surface normal of the sample 6 at a position where the light strikes the sample 6, ⁇ , the angle of incidence which the light incident on the sample 6 includes with the surface normal n, and P 1 the power of the sample 6 striking light.
  • the direction of the light scattered by the sample is given by the polar angle ⁇ s measured at the surface normal n and by the azimuthal angle ⁇ s which the projections of the reflected light and the respective scattered light enclose on the surface of the sample.
  • ⁇ P S the power in the corresponding solid angle element ⁇ V falling portions of scattered light.
  • P r stands for a power of the specularly reflected light, that is to say the proportion of light whose angle of incidence ⁇ r equals the angle of incidence and whose azimuthal angle disappears.
  • Fig. 3 the device of Fig. 1 is shown in a different operating mode. Recurring features are here - as in Fig. 4 - again provided with the same reference numerals.
  • the sample 6 is illuminated with light of the second illumination device.
  • an angle of incidence of the light designated as ⁇ 2 is significantly greater than the angle of incidence ⁇ i at which the sample in FIG. 1 is irradiated.
  • the angle ⁇ 2 has a fixed or within certain limits adjustable value between 60 ° and 80 °. This allows the investigation of light scattering on the sample 6, in which the polar scattering angle ⁇ s differ greatly from the angles of incidence Q 1 .
  • the illustrated arrangement namely, those portions of the light incident on the detector 7, which are scattered by the sample 6 at angles of incidence ⁇ s , which are much smaller than the angle of incidence ⁇ 2 .
  • the specular portions of the light reflected from the sample are focused onto the absorber 8 so that these portions of the light are either absorbed by the absorber 8 or reflected so as to be directed away from the sample 6 and detector 7 ,
  • an aperture diaphragm 11 arranged between the collecting lens system 10 and the sample 6, the light emanating from the collecting lens system is bounded laterally.
  • outgoing light is dispensed with in order to achieve the highest possible intensity of the light components scattered by the sample 6.
  • the polarizer 12b which is arranged between the collecting lens system 10 and the aperture diaphragm 11, the light emanating from the light source 9 is polarized if certain scattering causes on the sample 6 are to be examined in more detail.
  • An arrangement of the mentioned modules of the device shown in FIG. 4 differs from the arrangements shown in FIG. 1 and in FIG. 3 only in that the module comprising the detector 7 and the absorber 8 is arranged on one side of the sample 6 is facing away from the module which includes the lighting devices.
  • the sample 6 is irradiated with the first illumination device at the angle B 1 with the device shown in FIG. 4, the light passes through a volume of the sample 6 and exits the sample 6 on the side of the sample 6 facing away from the first illumination devices For example, the scatter in the forward direction of the sample 6 can be measured.
  • the unscrupulously transmitted component which in this arrangement replaces the previously mentioned specularly reflected component, as well as scattered components of the light strike the detector 7.
  • the absorber 8 is now arranged so that the light components which are unscattered by the Sample 6 are transmitted and reflected by the detector 7, hit the absorber and absorbed by him in proportions.
  • the absorber is oriented so that portions of the light reflected from it are deflected away from the sample 6 and the detector 7.
  • the un- transmitted scattered from the sample 6 portion of the light directly impinges on the absorber 8, where it is either absorbed or from the detector 7 and the specimen 6 reflected off.
  • the course of the light of both illumination devices is shown for illustrative purposes.
  • the sample 6 is preferably illuminated simultaneously with either the first or the second illumination device, but not both. It can be seen that the light of the first illumination device is focused on the detector 7 and the light of the second illumination device on the absorber 8.
  • the wavelength ⁇ of the light is selected such that it is adapted to surface structures to be resolved.
  • these are wavelengths from the ultraviolet, visible or infrared spectral range.
  • an integration time of the detector 7 is set such that a sensitivity and a signal output are adapted to the radiation power of the light incident on the detector 7.
  • FIG. 5 shows a detail of a cross section of an advantageous embodiment of the absorber 8.
  • the absorber has an absorber surface formed of silicon with surface structures, which comprises a plurality of needle-shaped elevations 14 whose diameter is parallel to the absorber surface Direction as d and whose heights are referred to as h and are arranged on the absorber surface so close that adjacent protrusions have a distance of not more than d to each other.
  • the diameters d are chosen to be much smaller than a wavelength ⁇ of the light while the heights h are much larger than the wavelength ⁇ of the light. In this way, the light of this wavelength ⁇ is particularly well absorbed when it hits the absorber.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur winkelaufgelösten Streulichtmessung, umfassend eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Lichtquelle (1) zum Beleuchten einer Probe (6) mit Licht unter einem nicht verschwindenden Einfallswinkel (θ i) sowie einen Detektor (7) zum Erfassen eines an der Probe gestreuten Anteils des Lichts, eine Auswerteeinheit (13) zum Auswerten von Ausgangssignalen des Detektors, und einen Absorber (8), wobei die Beleuchtungsvorrichtung ein erstes sammelndes Linsensystem (2) und ein zweites sammelndes Linsensystem (5) sowie eine zwischen diesen Linsensystemen (2, 5) angeordnete Lochblende (3) beinhaltet, die so angeordnet sind, dass das von der Lichtquelle (1) ausgehende Licht durch das erste sammelnde Linsensystem (2) auf die Lochblende (3) fokussiert wird und ein spekular von der Probe (6) reflektierter oder ungestreut durch die Probe (6) transmittierter Anteil des von der Lochblende (3) ausgehenden und durch das zweite sammelnde Linsensystem (5) tretenden Lichts auf den Detektor (7) fokussierbar ist, der Detektor (7) eine CMOS-Sensormatrix beinhaltet und der Absorber (8) so angeordnet ist, dass ein von dem Detektor (7) reflektierter Anteil des von der Probe (6) spekular reflektierten oder ungestreut durch die Probe (6) transmittierten und auf den Detektor fokussierten Anteils des Lichts auf den Absorber (8) trifft. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Charakte- risierung von Strukturen mit Ausdehnungen bis in den Submikrometerbereich auf Basis winkelaufgelöster Streulichtmessung an einer Probe nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung nach dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
Vorrichtungen und Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung an einer Probe eignen sich zur Untersuchung mikroskopischer Strukturen auf Oberflä- chen, in Schichtsystemen und im Materialvolumen technischer Gegenstände. Da Vorrichtungen zur Streulichtmessung in kompakter und robuster Bauweise realisierbar und entsprechende Verfahren schnell und ohne Berührung mit der Probe durchführbar sind, eignen sie sich besonders gut zum Einsatz in fertigungsnahen so- wie produktionsintegrierten Mess- und Kontrollprozessen.
Mikroskopische Oberflächenstrukturen haben hohen Ein- fluss auf die funktionalen Eigenschaften technischer Oberflächen, unter anderem tribologischen, optische, elektrischen und Benetzungseigenschaften. Wichtige Anwendungsgebiete finden sich daher in der Bearbeitung von Oberflächen im Fahrzeug- und Maschinenbau, der Produktion hochpräziser optischer Instrumente und in der Herstellung von Materialien mit speziellen Oberflächencharakteristika wie Halbleiter, leitfähige Oxide, Dielektrika, Metalle, beschichtete und unbeschichtete Oberflächen sowie transparente und nicht transparente Oberflächen. In diesen und in vielen anderen Bereichen besteht ein hoher Bedarf an Vorrichtungen und Verfahren zur schnellen, robusten und gleichzeitig genauen Charakterisierung von Strukturen im oberflächennahen Bereich und im Materialvolumen, insbesondere bei der Subsurface-Detektion etwa zum
Erkennen von Volumendefekten. Dabei sind die aufzulösenden Strukturen oftmals im Nanometerbereich oder sogar im Subnanometerbereich.
Zu den wichtigsten Messgrößen zur Beschreibung von
Oberflächenstrukturen gehören Rauheiten, die als Mittelungen über Oberflächenabweichungen definiert sind, wie etwa die Quadratische Rauheit bzw. rms-Rauheit. Bei der winkelaufgelösten Streulichtmessung ist au- ßerdem die spektrale Leistungsdichte der Oberfläche von zentralem Interesse. Sie beinhaltet als Fourier- Transformierte der Autokorrelationsfunktion der Oberflächenstrukturen Informationen sowohl über die lateralen wie vertikalen Strukturausdehnungen. Aus dieser Messgröße lassen sich ferner gemittelte Rauheitsgrößen per Integration berechnen. Des weiteren erlaubt sie die Berücksichtigung der für die Anwendung sowie das Messverfahren relevanten Ortsfrequenzen. In den Fällen, in denen eine analytische Approximation der spektralen Leistungsdichte bekannt ist, lassen sich Messwerte in Ortsfrequenzbereiche extrapolieren, zu denen keine Messungen existieren.
Aus der Druckschrift DE 4408226 Al ist eine zur winkelaufgelösten Streulichtmessung geeignete Vorrich- tung bekannt, die eine Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung einer Probe mit Licht unter einem nicht verschwindenden Einfallswinkel aufweist, wobei der Einfallswinkel bezüglich der makroskopischen Oberflächennormale der Probe definiert ist. Ferner um- fasst diese Vorrichtung einen durch einen CCD-Array gegebenen Detektor-Array zur Messung von der Probe ausgehender Anteile des Lichts sowie ein sammelndes Linsensystem zur Fokussierung des von der Probe spe- kular reflektierten Anteils des Lichts auf den Detek- tor-Array, wodurch eine räumlichen Trennung des spe- kular reflektierten von den gestreuten Anteilen des Lichts erreichbar ist.
Als spekular reflektierte Anteile des Lichts werden hier und im Folgenden Lichtanteile bezeichnet, welche mit einem polaren Ausfallswinkel reflektiert werden, der dem polaren Einfallswinkel gleicht, und die sich durch einen verschwindenden azimutalen Ausfallswinkel auszeichnen. Polare Winkel, also insbesondere Ein- falls- und Ausfallswinkel, sind relativ zu einer makroskopischen Oberflächennormalen definiert. Azimutale Streuwinkel seien definiert als Winkel zwischen einer Verlängerung einer orthogonalen Projektion eines Strahls des einfallenden Lichts auf eine durch die Probe definierte Ebene und einer Projektion eines gestreuten Lichtstrahls auf die gleiche Ebene. Oberflächeneigenschaften der Probe werden bei der genannten Vorrichtung aus dem Stand der Technik über eine Analyse der Specklemuster der Graustufenbilder bestimmbar.
Der geschilderte Stand der Technik eignet sich zwar für eine fertigungsnahe und produktionsintegrierte Anwendung, jedoch ist die dort beschriebene Vorrich- tung auf eine Messung von Oberflächenstrukturen im Mikrometerbereich eingeschränkt.
Eingeschränkt wird eine erreichbare Auflösung durch folgende Faktoren. Zum einen führt das sammelnde Lin- sensystem zu ungewollten Streuungen des Lichts, die sich mit der Messgröße, dem Streulicht der Probe, ü- berlagern. Ferner führen Mehrfachreflexionen und Mehrfachstreuungen des Lichts an optischen Komponenten zur Sörung der Messsignale, insbesondere für Na- nostrukturen. Eine weitere Schwierigkeit in der
Streulichtmessung an Oberflächen mit sehr kleinen Strukturen liegt im starken Abfall der Streulichtintensität mit einem zunehmenden Winkelabstand von un- gestreuten Lichtanteilen, weil sich die im Stand der Technik beschriebene Detektoren nicht dazu eignen,
Licht mit ausgeprägten Intensitätsgradienten mit hoher Ortsauflösung zu messen.
Der eingereichten Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung vorzuschlagen, die sich auch zur Messung von Strukturen im Nanometerbe- reich und Subnanometerbereich eignen, wobei die Vorrichtung dennoch einen möglichst kompakten Aufbau ha- ben soll, um eine unkomplizierte Durchführung der Streulichtmessung zu erlauben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs sowie durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Nebenanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Nebenanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Eine besonders kompakte Vorrichtung, mit der hinreichend genaue winkelaufgelöste Streulichtmessungen an einer Probe möglich sind, um Informationen auch über die Streueigenschaften der Probe im Nanometerbereich oder Subnanometerbereich zu gewinnen, ergibt sich dadurch, dass
- die Beleuchtungsvorrichtung der vorgeschlagenen Vorrichtung ein erstes sammelndes Linsensystem und ein zweites sammelndes Linsensystem sowie eine zwischen diesen Linsensystemen angeordnete Lochblende beinhaltet, die so angeordnet sind, dass das von der Lichtquelle ausgehende Licht durch das erste sammelnde Linsensystem auf die Lochblende fokussiert wird und ein spekular von der Probe reflektierter oder ungestreut durch die Probe trans- mittierter Anteil des von der Lochblende ausgehenden und durch das zweite sammelnde Linsensystem tretenden Lichts auf den Detektor fokussierbar ist,
- der Detektor eine vorzugsweise als CMOS- Sensormatrix ausgeführte Sensormatrix beinhaltet,
- die Vorrichtung einen Absorber beinhaltet, der so angeordnet ist, dass ein von dem Detektor reflektierter Anteil des von der Probe spekular reflektierten oder ungestreut durch die Probe transmit- tierten und auf den Detektor fokussierten Anteils des Lichts auf den Absorber trifft und absorbiert wird, und
- ein Beleuchtungskanal und ein Detektionskanal der Vorrichtung vollständig voneinander getrennt sind.
Dementsprechend sieht das vorgeschlagene und mit dieser Vorrichtung durchführbare Verfahren vor, dass eine Probe mit Licht einer Lichtquelle unter einem nicht verschwindenden Einfallswinkel beleuchtet und ein an der Probe gestreuter Anteil des Lichts von ei- nem Detektor erfasst wird, wobei AusgangsSignale des Detektors mit einer Auswerteeinheit ausgewertet werden, wobei
- das von der Lichtquelle ausgehende Licht vor dem Auftreffen auf die Probe durch ein erstes sammelndes Linsensystem auf eine Lochblende fokussiert und von einem zwischen der Lochblende und der Probe angeordneten zweiten sammelnden Linsensystem so gebündelt wird, dass ein von dem zweiten sammeln- den Linsensystem ausgehender und anschließend spekular von der Probe reflektierter oder ungestreut durch die Probe transmittierter Anteil des Lichts auf den Detektor fokussiert wird,
- eine vorteilhafter Weise als CMOS-Sensormatrix ausgeführte Sensormatrix als Detektor verwendet wird,
- ein von dem Detektor reflektierter Anteil des von der Probe spekular reflektierten oder ungestreut durch die Probe transmittierten und auf den Detek- tor fokussierten Anteils des Lichts auf einen Absorber trifft
- und ein Beleuchtungskanal und ein Detektionskanal der Vorrichtung vollständig voneinander getrennt werden.
Die kennzeichnenden Merkmale sind in ihrer Kombination geeignet, die Genauigkeit einer mit einer gat- tungsgemäßen Vorrichtung bzw. gemäß einem gattungsgemäßen Verfahren durchgeführten winkelaufgelösten Streulichtmessung an einer Probe in einem für die Lösung der Aufgabe hinreichenden Maße zu erhöhen. Diese im Folgenden näher beschriebenen Merkmale dienen zu- sammengenommen der Aufbereitung des von der Beleuchtungsvorrichtung ausgehenden Lichts, der Verringerung der durch die Komponenten der Vorrichtung hervorgerufenen Lichtstreuungen sowie der Erhöhung der Sensiti- vität und des Auflösungsvermögens des Detektors.
Das in der Beleuchtungsvorrichtung enthaltene erste sammelnde Linsensystem und die dahinter angeordnete Lochblende haben die Wirkung eines Raumfilters und somit die Eignung, Störungen im Intensitätsprofil des Lichts zu beseitigen. Das zweite sammelnde Linsensystem, das der Fokussierung des Lichts auf den Detektor dient, ist Bestandteil der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung und nicht, wie im Stand der Technik vorgesehen, zwischen der Probe und dem Detektor ange- ordnet. Somit werden zwischen der Probe und dem Detektor keine weiteren optischen Komponenten benötigt. Dadurch werden eine Verfälschung der von der Probe ausgehenden Streulichtverteilung, die andernfalls aufgrund von Streuungs- und Beugungserscheinungen an weiteren optischen Komponenten im Strahlenverlauf unvermeidbar wären, und ein damit einhergehender Ver- lust an Informationen über die Streuung an der Probe verhindert . Der vorgeschlagene Aufbau der Beleuchtungsvorrichtung führt also sowohl zu einem gleichmäßigen Intensitätsprofil des auf die Probe einstrah- lenden Lichts als auch zu einer Reduzierung von Eigenstreuungen durch die Komponenten der Vorrichtung und eignet sich somit zu einer Erhöhung der Messgenauigkeit der Vorrichtung, die durch eine Fokussie- rung auf den Detektor eine sehr hohe Orts- oder Win- kelauflösung zu erreichen erlaubt.
Bei Streulichtmessungen an sehr glatten Oberflächen fällt, wie eingangs erwähnt, die Intensität des von der Probe gestreuten Anteils des Lichts in einer un- mittelbaren Umgebung spekular reflektierter oder un- gestreut durch die Probe transmittierter Strahlen besonders schnell ab mit zunehmenden Winkelabstand von diesem Strahl. Um gestreute Lichtanteile dennoch mit einer hinreichend hohen Auflösung detektieren zu kön- nen, ist es daher erforderlich, die Intensität des auf die Probe eingestrahlten Lichts verhältnismäßig hoch zu wählen. Anders als die aus vergleichbaren Anordnungen aus dem Stand der Technik bekannten CCD- Detektoren, bei denen eine Streulichtmessung in der Nähe spekular reflektierter oder ungestreut transmittierter Strahlenanteile dann aufgrund störender Bloo- ming-Effekte nicht mehr möglich wäre, eignet sich die für den Detektor der beanspruchten Vorrichtung vorgeschlagene CMOS-Sensormatrix auch für eine genaue ortsaufgelöste Messung bei den dort zu erwarteten großen Lichtintensitäten und hohen Intensitätsgradienten. Dadurch kann die vorgeschlagene Vorrichtung auch für die Streulichtmessungen an besonders glatten Oberflächen zur Ermittlung von Rauheiten im Nanome- terbereich oder Subnanometerbereich verwendet werden. Der Absorber der beanspruchten Vorrichtung dient der Absorption von durch den Detektor reflektierten Anteilen des Lichts. Diese Anteile besitzen eine besonders hohe Intensität. Der Absorber verhindert in vor- teilhafter Weise, dass solche Anteile des Lichts durch Mehrfachreflexionen und Mehrfachstreuungen erneut den Detektor erreichen und zu Messungenauigkei- ten führen, die eine Analyse der geforderten Genauigkeit unmöglich machen würden. Daher stellt die Anord- nung des Absorbers, der gezielt die wichtigsten Störlichtanteile zu eliminieren erlaubt, eine entscheidende Maßnahme zur Verbesserung der Genauigkeit der Streulichtmessung dar, ohne dabei ihre Komplexität oder Kompaktheit sehr zu beeinflussen.
Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Auswerteeinheit der Vorrichtung programmtechnisch zur Berechnung der rms-Rauheit der Probe gemäß
Figure imgf000011_0001
eingerichtet, wobei σ für die rms-Rauheit, λ für die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts und Q1 für den Einfallswinkel, unter dem das Licht auf die Probe trifft, stehen und ferner Px eine über einen durch die Sensormatrix abgedeckten Raumwinkel integrierte Strahlungsleistung des gestreuten Anteils des Lichts und Pr eine Strahlungsleistung des spekular reflektierten oder ungestreut transmittierten Anteils des Lichts bezeichnen. Während λ und θ, bekannt sind, wird dabei das Verhältnis Ps/Pr direkt aus einer Mes- sung bestimmt. Eine besonders vorteilhafte Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens sieht dementsprechend vor, dass die Rauheit gemäß der im vorangehenden Satz wiedergegebenen Formel berechnet wird. Als gestreuter Anteil sei hier das auf den Detektor fallende Licht unter Aussparung des spekular reflektierten oder un- gestreut transmittierten Anteils bezeichnet, also ein diffus gestreuter Anteil. Zur Bestimmung von Ps können z. B. AusgangsSignale des Detektors, die einem Bereich zuzuordnen sind, in denen ein spekular reflektierter oder ungestreut transmittierter Strahl auftrifft, durch Null ersetzt werden. Eine andere Möglichkeit wäre eine Angabe eines Akzeptanzwinkelbereichs oder ein Algorithmus zur Eliminierung von Peakwerten.
Ein wesentlicher Vorteil der so berechneten Rauheit, die auch als rms-Rauheit bezeichnet wird, besteht in ihrer direkten Bestimmbarkeit aus den AusgangsSigna- len des Detektors, die auf alle Größen schließen lassen, die zur vorgeschlagenen Berechnung der Rauheit nötig sind. Die vorgeschlagene vorteilhaft einfache Ermittlung von σ beruht dabei auf der Erkenntnis, dass sich die genannte Formel als gerade im Fall ei- ner verhältnismäßig glatten Oberfläche gute Näherung aus einem bekannten Zusammenhang ergibt, der als
Figure imgf000012_0001
darstellbar ist, wobei P1 für eine Gesamtleistung des auf die Probe eingestrahlten Lichts, P/ eine über einen ganzen Halbraum integrierte Leistung gestreuten Lichts und R für einen Fresnelschen Reflexionsgrad der Oberfläche stehen. Ein entscheidender Vorteil der vorgeschlagenen Bestimmung der Rauheit besteht darin, dass keine zusätzlichen Kalibrierungsschritte zur Bestimmung der eingestrahlten Leistung P1 oder weiterer Messgrößen, wie etwa des Fresnelsche Reflexionsgrad R1 notwendig sind, weil sich P1 herauskürzt. In einer bevorzugten Weiterentwicklung ist die Auswertevorrichtung der Vorrichtung alternativ oder zusätzlich programmtechnisch zur Berechnung einer spektralen Leistungsdichte der Probe gemäß
Figure imgf000013_0001
eingerichtet, wobei PSD[fx,fy) für die als Funktion zweier Ortsfrequenzen ausgedrückte spektrale Leistungsdichte, θs für den polaren und φs für den azimutalen Ausfallswinkel des von der Probe gestreuten An- teils des Lichts und APs(θs,φs) für eine in einem Raumwinkelelement gemessene Strahlungsleistung von gestreuten Lichtanteilen stehen, wobei das mit ΔΩ^ bezeichnete Raumwinkelelement zu den polaren und azimutalen Ausfallswinkeln θs und φs gehört. Das Raumwin- kelelement AΩ.S kann jeweils durch einen Pixel der Sensormatrix gegeben bzw. bzgl . einem beleuchteten Punkt auf der Probe aufgespannt sein, so dass ΔPs(θs,φs) dann eine in einem Detektorpixel gemessene Strahlungsleistung bezeichnet. Die in die spektralen Leistungsdichte PSD{fx,fy) einzusetzenden Ortsfrequenzen fx und fy hängen dabei über eine Gittergleichung mit den Winkeln θ, , θs und φs zusammen, wie es beispielsweise in J. C. Stover, Optical Scattering: Mea- surement and Analysis (2nd ed. ) , Optical and Electro- Optical Engineering Series (McGraw-Hill, Inc., 1990) beschrieben wird, siehe dort Gleichungen (3.39) und (3.40) auf Seite 75.
Mit der spektralen Leistungsdichte, die sich in be- schriebener Weise vorteilhaft einfach aus Größen bestimmen lässt, die unmittelbar aus den Ausgangssignalen des Detektors gewonnen werden können, werden sehr detaillierte Informationen über eine Struktur der Probe gewonnen. Die vorgeschlagene einfache Be- rechnung der aussagekräftigen spektralen Leistungsdichte, die im Fall weitgehender isotroper Strukturen auch als Funktion einer einzigen Variablen darstellbar ist, beruht dabei auf der Erkenntnis, dass sich ein als
^ AMCl1^P,ljJfoosgl^e,.Q.PSD(f„fr)
darstellbarer bekannter Zusammenhang, in dem Q für einen oberflächenspezifischen optischen Faktor steht, im vorliegenden Fall kleiner Streuwinkel in guter Nä- herung vereinfachen lässt, indem Q durch den als
PfIP1 definierten Fresnelschen Reflexionsgrad ersetzt wird. Ein wichtiger Vorteil der vorgeschlagenen Bestimmung der spektralen Leistungsdichte ist darin zu sehen, dass aufgrund der vorgenommenen Näherungen we- der die eingestrahlte Leistung P1 noch der optische Faktor Q bestimmt werden müssen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen spektralen Leistungsdichte ist, dass aus ihr mittels Integration über die durch den Detektor abgedeckten Raumwinkel andere wichtige Messgrößen, wie etwa die erfindungsgemäße rms-Rauheit, berechenbar sind. In den Fällen, in denen sich die spektrale Leistungsdichte in Ortsfrequenzbereiche, zu denen keine Messungen existieren, extrapolieren lässt, weil in diesen Bereichen etwa eine analytische Form der spektralen Leistungsdichte bekannt ist, sind dann auch für diese Ortsfrequenzbereiche zugehörige rms- Rauheiten oder andere Messgrößen berechenbar.
Die Lichtquelle in der Beleuchtungsvorrichtung ist vorzugsweise durch eine Laserdiode oder einen durch eine Faseroptik eingekoppelten Laser und kann zum E- mittieren von ultraviolettem, sichtbarem oder infra- rotem Licht ausgeführt sein. Bei Lichtquellen dieser Art lassen sich bei einem sehr kompakten Aufbau hinreichend hohe Strahlungsleistungen realisieren. Die Wellenlänge und die Intensität des Lichts sind vor- teilhafterweise in Abhängigkeit von der Rauheit der Oberfläche der Probe bzw. der Größe der zu untersuchenden Strukturen zu wählen. Um ein besonders gleichmäßiges Intensitätsprofil des Lichts zu erreichen, umfasst eine Weiterentwicklung der Erfindung eine zwischen der Lochblende und dem zweiten sammelnden Linsensystem angeordnete Aperturblende zum Entfernen von an der Lochblende erzeugten gebeugten Anteilen des Lichts.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung ist die CMOS-Sensormatrix des Detektors mit einem Mikrolinsenarray ausgestattet. Dabei kann über jedem Sensorelement der CMOS-Sensormatrix eine sammelnde Linse angeordnet sein, die das auf das jewei- lige Bildelement einfallende Licht auf einen lichtempfindlichen Bereich dieses Sensorelements bündelt. Durch diese Maßnahme wird die Sensibilität des Detektors wesentlich erhöht.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Integrationszeit des Detektors steuerbar, so dass eine Sensitivität und eine Signalaussteuerung des Detektors an eine Intensität des auf ihn einfallenden Lichts anpassbar sind.
Vorzugsweise wird durch den Absorber ein Absorbersystem mit aktiver Unterdrückung von Störlichteinflüssen realisiert. Auch in der Beleuchtungsvorrichtung kann eine derartige Unterdrückung von Störlichteinflüssen vorgesehen sein. Eine besonders hohe und im Hinblick auf eine möglichst genaue Messung vorteilhafte Effektivität des Absorbers lässt sich erreichen, wenn der Absorber eine mit einer Oberflächenstruktur versehene Absorber- fläche aufweist, wobei die Oberflächenstruktur Erhebungen mit einem Durchmesser in einer zur Absorberfläche parallelen Richtung, die kleiner als eine Wellenlänge des Lichts ist, und mit einer Höhe, die größer als die Wellenlänge des Lichts ist, umfasst. O- berflächenstrukturen mit solchen Abmessungen besitzen die Eignung den Absorptionsgrad einer Oberfläche bezüglich des Lichts dieser Wellenlängen stark zu erhöhen. Alternativ oder zusätzlich kann der Absorber auch einen oder mehrere Ablenkspiegel zum Umleiten der von störendem Streulicht oder an optischen Elementen gebeugtem Licht aufweisen.
In einer Weiterentwicklung kann die Erfindung eine zweite Beleuchtungsvorrichtung mit einer zweiten Lichtquelle aufweisen, vorzugsweise ebenfalls eine
Laserdiode oder einen durch eine Faseroptik eingekoppelter Laser, mit der die Probe unter flacheren Einfallswinkeln als mit der ersten Beleuchtungsvorrichtung beleuchtbar ist. In einer besonders günstigen Anordnung trifft dabei ein von der Probe spekular reflektierter oder ungestreut transmittierter Anteil des Lichts der zweiten Lichtquelle auf den Absorber, während von der Probe ausgehende verhältnismäßig stark gestreute Anteile dieses Lichts auf den Detek- tor fallen. Die zweite Beleuchtungsvorrichtung kann ferner ein sammelndes Linsensystem umfassen, mit dem das Licht auf die Probe oder den Detektor fokussier- bar ist. Des weiteren kann auch die zweite Beleuchtungsvorrichtung eine Aperturblende umfassen, die dann so angeordnet sein sollte, dass das von dem sammelnden Linsensystem ausgehende Licht der zweiten Be- leuchtungsvorrichtung dadurch lateral so begrenzbar ist, dass in ihm enthaltene Störlichtanteile abgefangen werden.
Die Weiterbildung mit der zweiten Beleuchtungsvorrichtung eignet sich besonders gut zur Messung auch solcher Streulichtanteile, deren Streuwinkel sich stark von einer Richtung der spekular reflektierten oder ungestreut transmittierten Lichtanteils unter- scheiden. Besonders hervorzuheben ist in dieser Anordnung die doppelte Funktion des Absorbers . Wird die Probe durch die erste Beleuchtungsvorrichtung bestrahlt, so absorbiert er das von dem Detektor reflektierte spekulare Licht. Wird die Probe durch die zweite Beleuchtungsvorrichtung bestrahlt, absorbiert er die direkt von der Probe ausgehenden spekular reflektierten oder ungestreut transmittierten Anteile des Lichts. Auf diese Weise sind mit derselben kompakten Anordnung in zwei unterschiedlichen Messsitua- tionen immer genau die Anteile des Lichts absorbierbar, die unabsorbiert das intensivste Störlicht verursachen würden.
Um störende Streuungen und Vielfachreflexionen noch weiter zu verringern, sieht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor, dass eine, mehrere oder vorzugsweise alle der in ihr enthaltenen Linsen sich durch Oberflächenrauheiten von weniger als 0,5 nm rms im Ortsfrequenzbereich von 0,001 μm"1 bis 1 μm"1 auszeichnen. Außerdem sind eine, mehrere oder vorzugsweise alle Linsen ein- oder beidseitig mit niedrigstreuenden Antireflexschichten ausgestattet, um Störlicht zu vermindern. Als eine weitere Maßnahme zu diesem Zweck können eine, mehrere oder vorzugswei- se alle dieser Linsen relativ zu einer optischen Achse der jeweiligen Beleuchtungsvorrichtung gekippt sein, so dass an den Linsen erzeugte Vielfachreflexionen aus dem Hauptstrahlengang des Lichts entfernt werden.
In einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung sind der Detektor und der Absorber wahlweise auf einer der ersten Beleuchtungsvorrichtung und der zweiten Beleuchtungsvorrichtung zugewandten Seite der Probe oder auf einer der ersten Beleuchtungsvorrich- tung und der zweiten Beleuchtungsvorrichtung abgewandten Seite der Probe positionierbar. Dies ist vorzugsweise durch einen modularen Aufbau der Vorrichtung erreichbar, wobei sich die Beleuchtungsvorrichtung oder gegebenenfalls die beiden Beleuchtungsvor- richtungen in einem ersten Modul und der Detektor zusammen mit dem Absorber in einem zweiten Modul befinden, die so zusammensetzbar oder relativ zueinander bewegbar sind, dass beide oben genannten Anordnungen realisierbar sind. Auf diese Weise sind mit der be- schriebenen Vorrichtung - je nach Zusammensetzung der Module - sowohl Streulichtmessungen an einer Oberfläche wie auch in einem Volumen einer Probe, also in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung, durchführbar.
Das Anwendungsspektrum der Erfindung ist auf vorteilhafte Weise erweiterbar, indem die Beleuchtungsvorrichtung zusätzlich mit einem Polarisator ausgestattet wird, mit dem definierte oder verschwindende Po- larisationszustände des Lichts erzeugbar sind, wo- durch Streueigenschaften der Probe auch polarisationsabhängig untersucht werden können.
Die Handhabung der Vorrichtung kann vereinfacht werden in einer Weiterentwicklung der Erfindung, in der die Fokussierung des Lichts auf die Probe, auf den
Detektor oder den Absorber mittels Motoren einstell- bar ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist die Fokussierung durch eine Autofokusroutine einstellbar, mit der die Vorrichtung vorzugsweise automatisiert auf sich ändernde Abstände zur Probe sowie auf unterschiedliche Krümmungen der Oberfläche der Probe einstellbar ist.
Ausführungsbeispiele sind in den Figuren 1 bis 5 dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 eine schematisch dargestellte Vorrichtung mit zwei Beleuchtungsvorrichtungen und einem Detektor, wobei eine Probe mit einer ersten der beiden Beleuchtungsvorrichtungen beleuchtet wird zur Messung von Strukturen auf der Oberfläche der Probe,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung von Winkelgrößen, die zur Beschreibung einer Streuung von auf die Probe treffendem Licht verwendet wird,
Fig. 3 die Vorrichtung aus Fig. 1 in entsprechender Darstellung, wobei die Probe mit der zweiten Beleuchtungsvorrichtung beleuchtet wird zur Messung von Strukturen auf der O- berfläche der Probe,
Fig. 4 die Vorrichtung aus den Fign. 1 und 3, in einem Zustand, in dem der Detektor auf einer den Beleuchtungsvorrichtungen abgewandten Seite der Probe angeordnet ist zur Messung von Strukturen innerhalb eines Volumens der Probe, also Streuung in Vorwärts- richtung, und Fig. 5 ein Ausschnitt eines Durchschnitts des Absorbers mit Oberflächenstrukturen.
In Fig. 1 ist ein Beispiel für eine Vorrichtung hier vorgeschlagener Art dargestellt. Die Vorrichtung um- fasst eine erste und eine zweite Beleuchtungsvorrichtung. Die erste Beleuchtungsvorrichtung beinhaltet eine Lichtquelle 1, die durch eine Laserdiode gegeben ist. Anstelle einer Laserdiode könnte die Lichtquelle auch durch einen durch eine Faseroptik eingekoppelten Laser realisiert sein. Ferner umfasst die erste Beleuchtungsvorrichtung ein erstes sammelndes Linsensystem 2, durch das von der Lichtquelle 1 emittiertes Licht auf eine Lochblende 3 fokussiert wird. Auf die- se Weise wird ein Intensitätsprofil des durch die
Lochblende 3 tretenden Lichts von Unregelmäßigkeiten bereinigt .
Des weiteren enthält die erste Beleuchtungsvorrich- tung eine Aperturblende 4, mit der das von der Lochblende 3 ausgehende Licht lateral begrenzt wird. Dabei wird die Öffnung der Aperturblende 4 vorzugsweise so eingestellt, dass die von der Lochblende 3 gebeugten Anteile von der Aperturblende 4 abgefangen werden und nur die nullte Beugungsordnung des Lichts hindurch gelassen wird. Anschließend wird das Licht durch ein zweites sammelndes Linsensystem 5 so gebündelt, dass spekular von der Probe 6 reflektierte Anteile des Lichts auf den Detektor 7 fokussiert wer- den.
Der Detektor 7, der durch eine CMOS-Sensormatrix gegeben ist, weist ein Mikrolinsenarray auf, mit der die auf den Detektor 7 eintreffenden Lichtanteile auf lichtempfindliche Sensorelemente der CMOS-Sensor- matrix gebündelt werden, um eine Sensitivität des De- tektors 7 zu erhöhen. Ein Absorber 8 ist so angeordnet, dass Lichtanteile, die spekular von der Probe 6 reflektiert und anschließend von dem Detektor 7 erneut reflektiert werden, auf den Absorber 8 treffen und durch ihn weitestgehend absorbiert werden. Dabei ist der Absorber 8 so ausgerichtet, dass von ihm möglicherweise reflektierte Anteile des Lichts nicht auf den Detektor 7 fallen können.
Des weiteren bezeichnen θ, einen Einfallswinkel, unter dem das von Lichtquelle 1 ausgehende Licht auf die Probe 6 fällt, und θs einen polaren Streuwinkel, unter dem Anteile dieses Lichts von der Probe 6 gestreut werden. Der Winkel O1 wird vor der Messung auf einen festen Wert, etwa in einem Bereich von 10° bis 30°, eingestellt. Ferner ist zwischen dem ersten sammelnden Linsensystem 2 und der Lochblende 3 ein Polarisator 12a angeordnet, mit dem das Licht polarisiert werden kann, wenn bestimmte Streuursachen auf der Probe 6 näher untersucht werden sollen.
Ferner ist eine Lichtquelle 9 der zweiten Beleuchtungsvorrichtung dargestellt, bei der es sich ebenfalls um eine Laserdiode handelt, die jedoch genauso gut durch einen durch eine Faseroptik eingekoppelten Laser ersetzt werden könnte. Die zweite Beleuchtungs- vorrichtung weist außerdem, ein sammelndes Linsensystem 10, einen Polarisator 12b sowie eine Aperturblende 11 auf.
Damit Störlichteinflüsse möglichst weitgehend unterdrückt werden, weisen alle in den sammelnden Linsensystemen 2, 5 und 10 enthaltenen Linsen Oberflächenrauheiten von weniger als 0,5 nm rms in einem Ortsfrequenzbereich von 0 , 001 μrrT1 bis 1 μm"1 und beidseitig aufgetragene niedrigstreuende Antireflex- schichten auf . Außerdem können die in den sammelnden Linsensystem 2 und 5 der ersten Beleuchtungsvorrichtung enthaltenen Linsen leicht gegenüber einer optische Achse der Lichtquelle 1 gekippt sein, während die in dem sammelnden Linsensystem 10 der zweiten Beleuchtungsvorrichtung enthaltenen Linsen gegenüber einer optischen Achse der Lichtquelle 9 gekippt sein können, um Einflüsse von auf Reflexionen zurückzuführendem Störlicht zu minimieren.
Die beschriebene Vorrichtung hat einen modularen Aufbau mit einem ersten Modul, das die beiden Beleuchtungsvorrichtungen enthält, und einem zweiten Modul, das den Detektor 7 und den Absorber 8 enthält, wobei in der dargestellten Vorrichtung die beiden Module so relativ zueinander angeordnet sind, dass der Detektor 7 und der Absorber 8 auf einer den beiden Beleuchtungsvorrichtungen zugewandten Seite der Probe 6 positioniert sind. Mit dieser Anordnung der beiden Mo- dule werden somit Streulichtmessungen an der Oberfläche der Probe 6 durchgeführt. Eine alternative Anordnung dieser beiden Module ist in Fig. 4 dargestellt.
Ein Gehäuse der Vorrichtung ist der Übersicht halber nicht dargestellt. Das Gehäuse weist vorteilhafterweise ein Fenster auf, durch welches das Licht der Beleuchtungsvorrichtung hindurch tritt und auf die Probe trifft und durch welches von der Probe 6 ausgehende Anteile des Lichts hindurch treten und auf den Detektor 7 treffen. Es besteht die Möglichkeit das
Fenster derart zu gestalten, dass die Vorrichtung auf der Probe 6 abgestützt werden kann, um einen möglichst konstanten Abstand zwischen der Oberfläche der Probe 6 und den Beleuchtungsvorrichtungen sowie dem Detektor 7 der Vorrichtung zu gewährleisten. Die Vorrichtung kann auch einen hier nicht abgebildeten Motor aufweisen, mit dem über eine Autofokusroutine die Position des zweiten sammelnden Linsensystems 5 der ersten Beleuchtungsvorrichtung dann auch so eingestellt werden kann, dass das spekular von der Probe 6 reflektierte Licht exakt auf den Detektor 7 fokussiert wird. Zusätzlich kann die Vorrichtung einen zweiten Motor aufweisen, mit dem ebenfalls über eine Autofokusroutine die Position des sammelnden Linsensystems 10 der zweiten Beleuchtungsvorrichtung eingestellt werden kann, um eine gewünschte Fokussie- rung des aus der zweiten Lichtquelle ausgehenden Lichts zu erreichen.
Ein weiteres wichtiges Merkmal dieser Vorrichtung ist eine an den Detektor 8 angeschlossene Auswerteeinheit 13, die programmtechnisch zur Auswertung von Ausgangssignalen des Detektors 7 eingerichtet ist. Mit dieser wird aus den Ausgangssignalen der Detektors 7 unter anderem eine Rauheit der Probe 6 gemäß
σ = ■
4TΓCOS0, "VPr
berechnet, wobei σ für die Rauheit, λ für eine Wellenlänge des eingestrahlten Lichts und Q1 für den Einfallswinkel, unter dem das Licht auf die Probe trifft, stehen und ferner Ps eine über einen durch die CMOS-Sensormatrix abgedeckten Raumwinkel integrierte Strahlungsleistung des gestreuten Anteils des Lichts und Pr eine Strahlungsleistung des spekular reflektierten - oder bei einer anderen Anordnung des Detektors 7 ungestreut transmittierten - Anteils des Lichts der ersten Lichtquelle 1 bezeichnen.
Zusätzlich zur Rauheit wird in der Auswerteeinheit 13 durch deren entsprechende Programmierung aus den Aus- gangssignalen des Detektors 7 auch eine spektrale Leistungsdichte der Probe gemäß
λ4
PSD{fx,fy)= ΔPs{θs ,φs )
16;r2 cos 0, cos2 Ö ΔΩ sP r,
berechnet, wobei PSD\fx,fy) für die als Funktion zwei- er Ortsfrequenzen ausgedrückte spektrale Leistungsdichte, θs für den polaren und φs für den azimutalen Ausfallswinkel des von der Probe gestreuten Anteils des Lichts und APs(θt,φs) für eine in einem beispielsweise durch einen Detektorpixel aufgespannten Raum- winkelelement gemessene Strahlungsleistung von gestreuten Lichtanteilen stehen, wobei das mit AΩS bezeichnete Raumwinkelelement zu den polaren und azimutalen Ausfallswinkeln θs und φs gehört . Die als Argumente der spektralen Leistungsdichte PSD\fx,fy) die- nenden Ortsfrequenzen fx und fy hängen dabei, wie bereits weiter oben ausgeführt, mit den Winkeln O1, θs und φs in einer durch Gittergleichungen auszudrückenden Weise zusammen.
In Fig. 2 ist die Geometrie einer in der Vorrichtung aus Fig. 1 erfolgenden Streuung des auf die Probe 6 treffenden Lichts veranschaulicht. Darin bezeichnen n eine makroskopische Oberflächennormale der Probe 6 an einer Stelle, an der das Licht auf die Probe 6 trifft, θ, den Einfallswinkel, den das auf die Probe 6 treffende Licht mit der Oberflächennormalen n einschließt und P1 die Leistung des auf die Probe 6 treffenden Lichts. Die Richtung des von der Probe gestreuten Lichts wird durch den an der Oberflächennor- malen n gemessenen polaren Winkel θs und durch den azimtualen Winkel φs angegeben, den die Projektionen des reflektierten Lichts und des betreffenden gestreuten Lichts auf die Oberfläche der Probe einschließen. Durch ΔPS wird die Leistung der in das entsprechende Raumwinkelelement ΔΩV fallenden Anteile gestreuten Lichts bezeichnet. Ferner steht Pr für eine Leistung des spekular reflektierten Lichts, also des Lichtanteils, dessen Ausfallswinkel θr dem Ein- fallswinkel gleicht und dessen azimutaler Winkel verschwindet .
In Fig. 3 ist die Vorrichtung aus Fig. 1 in einem anderen Betriebsmodus dargestellt. Wiederkehrende Merk- male sind hier - wie auch in Fig. 4 - wieder mit denselben Bezugszeichen versehen. In dem in Fig. 3 dargestellten Betriebsmodus wird die Probe 6 mit Licht der zweiten Beleuchtungsvorrichtung beleuchtet. Dabei ist ein als θ2 bezeichneter Einfallswinkel des Lichts deutlich größer als der Einfallswinkel θi , unter dem die Probe in Fig. 1 bestrahlt wird. Der Winkel θ2 hat einen festen oder in gewissen Grenzen einstellbaren Wert zwischen 60° und 80°. Dies ermöglicht die Untersuchung von Lichtstreuungen an der Probe 6, bei denen sich die polaren Streuwinkel θs stark von den Einfallswinkeln Q1 unterscheiden. Durch die dargestellte Anordnung treffen nämlich solche Anteile des Lichts auf den Detektor 7, die von der Probe 6 unter Ausfallswinkeln θs gestreut werden, die viel kleiner als der Einfallswinkel θ2 sind.
Durch ein sammelndes Linsensystem 10 werden die spekular von der Probe reflektierten Anteile des Lichts auf den Absorber 8 fokussiert, so dass diese Anteile des Lichts durch den Absorber 8 entweder absorbiert oder so reflektiert werden, dass sie von der Probe 6 und vom Detektor 7 weggelenkt werden. Durch eine zwischen dem sammelnden Linsensystem 10 und der Probe 6 angeordnete Aperturblende 11 wird das von dem sam- melnden Linsensystem ausgehende Licht lateral begrenzt. Auf eine weitere Aufbereitung des von der Lichtquelle 9 ausgehenden Lichts wird verzichtet, um eine möglichst hohe Intensität der von der Probe 6 gestreuten Lichtanteile zu erreichen. Des weiteren wird mit dem Polarisator 12b, der zwischen dem sam- melnden Linsensystem 10 und der Aperturblende 11 angeordnet ist, das von der Lichtquelle 9 ausgehende Licht polarisiert, wenn bestimmte Streuursachen auf der Probe 6 näher untersucht werden sollen.
Eine in Fig. 4 dargestellte Anordnung der genannten Module der Vorrichtung unterscheidet sich von den in Fig. 1 und in Fig. 3 dargestellten Anordnungen nur dadurch, dass das den Detektor 7 und den Absorber 8 umfassende Modul auf einer Seite der Probe 6 angeord- net ist, die dem Modul, welches die Beleuchtungsvorrichtungen beinhaltet, abgewandt ist. Wird mit der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung die Probe 6 mit der ersten Beleuchtungsvorrichtung unter dem Winkel B1 bestrahlt, so durchläuft das Licht ein Volumen der Probe 6 und tritt auf der der ersten Beleuchtungsvorrichtungen abgewandten Seite der Probe 6 aus der Probe 6 aus und kann die Streuung in Vorwärtsrichtung der Probe 6 gemessen werden. Der ungestreut transmit- tierte Anteil, der bei dieser Anordnung an die Stelle der zuvor mehrfach erwähnten spekular reflektierten Anteils tritt, sowie gestreute Anteile des Lichts treffen auf den Detektor 7. Der Absorber 8 ist jetzt so angeordnet, dass die Lichtanteile, die ungestreut von der Probe 6 transmittiert und von dem Detektor 7 reflektiert werden, auf den Absorber treffen und von ihm in Anteilen absorbiert werden. Dabei ist der Absorber so ausgerichtet, dass von ihm reflektierte Anteile des Lichts von der Probe 6 und dem Detektor 7 weggelenkt werden.
Wird die Probe 6 mit der zweiten Beleuchtungsvorrich- tung unter dem Winkel θ2 bestrahlt, so trifft der un- gestreut von der Probe 6 transmittierte Anteil des Lichts direkt auf den Absorber 8 und wird dort entweder absorbiert oder von dem Detektor 7 und der Probe 6 weg reflektiert. Die Lichtanteile, die durch die
Probe hindurch treten und durch sie hinreichend stark gestreut werden, treffen auf den Detektor 7.
In Fig. 4 ist zur Veranschaulichung der Verlauf des Lichts beider Beleuchtungsvorrichtungen eingezeichnet . In der praktischen Anwendung wird die Probe 6 allerdings vorzugsweise entweder mit der ersten oder mit der zweiten Beleuchtungsvorrichtung, nicht aber mit beiden gleichzeitig beleuchtet. Es ist erkennbar, dass das Licht der ersten Beleuchtungsvorrichtung auf den Detektor 7 und das Licht der zweiten Beleuchtungsvorrichtung auf den Absorber 8 fokussiert wird.
In den in Fig. 1, 3 und 4 dargestellten Anordnungen und Betriebsmodi der beschriebenen Vorrichtung wird jeweils die Wellenlänge λ des Lichts so gewählt, dass sie an aufzulösende Oberflächenstrukturen ange- passt ist. In der Regel sind dies Wellenlängen aus dem ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spekt- ralbereich. Ferner wird auch eine Integrationszeit des Detektors 7 so eingestellt, dass eine Sensitivi- tät und eine Signalaussteuerung auf die Strahlungsleistung des auf den Detektor 7 eintreffenden Lichts angepasst ist.
In Fig. 5 ist ein Ausschnitt eines Querschnitts einer vorteilhaften Ausführen des Absorbers 8 dargestellt. Der Absorber weist eine aus Silizium gebildete Absorberfläche mit Oberflächenstrukturen auf, welche eine Vielzahl nadeiförmiger Erhebungen 14 umfasst, deren Durchmesser in einer zur Absorberfläche parallelen Richtung als d und deren Höhen als h bezeichnet wird und die auf der Absorberfläche so dicht angeordnet sind, dass benachbarte Erhebungen einen Abstand von nicht mehr als d zueinander haben. In der darge- stellten Ausführung sind die Durchmesser d so gewählt, dass sie viel kleiner als eine Wellenlänge λ des Lichts sind, während die Höhen h viel größer als die Wellenlänge λ des Lichts sind. Auf diese Weise wird das Licht dieser Wellenlänge λ besonders gut absorbiert, wenn es auf den Absorber trifft.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur winkelaufgelösten Streulichtmes- sung, umfassend eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Lichtquelle (1) zum Beleuchten einer Probe (6) mit Licht unter einem nicht verschwindenden
Einfallswinkel ( O1 ) , einen Detektor (7) zum Erfassen eines an der Probe gestreuten Anteils des Lichts, eine Auswerteeinheit (13) zum Auswerten von Ausgangssignalen des Detektors (7) und einen Absorber (8) , wobei
- die Beleuchtungsvorrichtung ein erstes sammelndes Linsensystem (2) und ein zweites sammelndes Linsensystem (5) sowie eine zwischen diesen Linsensystemen (2, 5) angeord- nete Lochblende (3) beinhaltet, die so angeordnet sind, dass das von der Lichtquelle (1) ausgehende Licht durch das erste sammelnde Linsensystem (2) auf die Lochblende (3) fokussiert wird und ein spekular von der Probe (6) reflektierter oder ungestreut durch die Probe (6) transmittierter Anteil des von der Lochblende (3) ausgehenden und durch das zweite sammelnde Linsensystem (5) tretenden Lichts über die Probe (6) auf den Detektor (7) fokussierbar ist,
- der Detektor (7) eine Sensormatrix beinhaltet,
- der Absorber (8) so angeordnet ist, dass ein von dem Detektor (7) reflektierter Anteil des von der Probe (6) spekular reflektierten oder ungestreut durch die Probe (6) trans- mittierten und auf den Detektor fokussierten Anteils des Lichts auf den Absorber (8) trifft, und - ein Beleuchtungskanal und ein Detektionska- nal der Vorrichtung vollständig voneinander getrennt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit programmtech- nisch zur Berechnung der rms-Rauheit der Probe
(6 ) gemäß
Figure imgf000030_0001
eingerichtet ist, wobei σ für die rms-Rauheit , λ für die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts und O1 für den Einfallswinkel, unter dem das
Licht auf die Probe (6) trifft, stehen und ferner P1 eine über einen durch die Sensormatrix abgedeckten Raumwinkel integrierte Strahlungsleistung des gestreuten Anteils des Lichts und Pr eine Strahlungsleistung des spekular reflektierten oder ungestreut transmittierten Anteils des Lichts bezeichnen.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit programmtechnisch zur Berechnung einer spektralen Leistungsdichte der Probe (6) gemäß
Figure imgf000030_0002
eingerichtet ist, wobei PSD\fx,fy) die als Funktion zweier Ortsfrequenzen ausgedrückte spektra- Ie Leistungsdichte, λ eine Wellenlänge des ein- gestrahlten Lichts, θl den Einfallswinkel, unter dem das Licht auf die Probe (6) trifft, θs einen polaren und φs einen azimutalen Ausfallswinkel des von der Probe (6) gestreuten Anteils des Lichts und Pr eine Strahlungsleistung des speku- lar reflektierten oder ungestreut transmittier- ten Anteils des Lichts bezeichnen, wobei ferner ΔPs(θs,φs) eine in einem Raumwinkelelement gemessene Strahlungsleistung von gestreuten Lichtan- teilen bezeichnet, wobei das mit ΔΩ^ bezeichnete Raumwinkelelement zu den polaren und azimutalen Ausfallswinkeln θs und φs gehört.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (7) ein Mikrolinsenarray aufweist zur Bündelung der auf den Detektor eintreffenden Lichtanteile auf lichtempfindliche Sensorelemente der vorzugsweise als CMOS-Sensormatrix ausgeführten Sensormatrix.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Integrations- zeit des Detektors (7) steuerbar ist zur Einstellung einer Sensitivität oder einer Signalaussteuerung des Detektors (7) .
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (8) auf einer dem Detektor (7) zugewandten Seite eine mit einer Oberflächenstruktur versehene Absorberfläche aufweist, wobei die Oberflächen- Struktur Erhebungen (14) mit einem Durchmesser in einer zur Absorberfläche parallelen Richtung, die kleiner als eine Wellenlänge des Lichts ist, und mit einer Höhe, die größer als die Wellenlänge des Lichts ist, umfasst.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich eine zweite Beleuchtungsvorrichtung mit einer zweiten Lichtquelle (9) , vorzugsweise einer Laserdiode oder einem durch eine Faseroptik eingekoppelten
Laser, beinhaltet zur Beleuchtung der Probe (6) mit Licht in einem nicht verschwindenden Einfallswinkel (O2), wobei die zweite Beleuchtungsvorrichtung so angeordnet ist, dass ein von der Probe (6) spekular reflektierter oder ungestreut transmittierter Anteil des Lichts der zweiten Lichtquelle (9) auf den Absorber (8) und von der Probe (6) ausgehende in große Winkel gestreute Anteile des Lichts der zweiten Lichtquelle (9) auf den Detektor (7) treffen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beleuchtungsvorrichtung ferner ein sammelndes Linsensystem (10) um- fasst, mit dem das Licht der zweiten Lichtquelle (9) auf die Probe (6) oder den Detektor (7) fo- kussierbar ist, sowie eine Aperturblende (11) zur Minimierung des von dem sammelnden Linsensystem (10) ausgehenden Störlichts.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der eine oder mehrere in den sammelnden Linsensystemen (2, 5, 10) enthaltene Linsen Oberflächenrauheiten von weniger als 0,5 nm rms in einem Ortsfrequenzbereich von 0,001 μm~' bis 1 μm"1 und/oder ein- oder beidseitig aufgetragene niedrigstreuende Antireflexschichten aufweisen oder gegen eine optische Achse der Beleuchtungs- vorrichtung gekippt sind zur Unterdrückung von Störlichteinflüssen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungs- vorrichtung eine Aperturblende (4) zur Minimierung des aus der Lochblende (3) austretenden Störlichts aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen modularen Aufbau hat mit einem ersten Modul, das die Beleuchtungsvorrichtung enthält, und einem zweiten Modul, das den Detektor (7) und den Absorber (8) enthält, wobei die beiden Module so relativ zueinander bewegbar sind, dass der Detektor (7) und der Absorber (8) wahlweise auf einer der Beleuchtungsvorrichtung zugewandten Seite der Pro- be (6) (Rückwärtsstreuung) oder auf einer der
Beleuchtungsvorrichtung abgewandten Seite der Probe (6) (Vorwärtsstreuung) positionierbar sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, in der die Beleuchtungsvorrichtung und/oder, sofern dieser Anspruch auf Anspruch 7 rückbezogen ist, die zweite Beleuchtungsvorrichtung einen Polarisator (12a, 12b) beinhalten zur Einstellung der Polarisation des auf die Probe (6) ge- richteten Lichts.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) durch eine Laserdiode oder einen durch eine Faseroptik eingekoppelten Laser gegeben ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der eine Fokussierung des Lichts auf die Probe (6), auf den Detektor (7) oder den Absorber (8) über Motoren und vorzugsweise über eine Autofokusroutine einstellbar ist zum Anpassen der Vorrichtung an verschiedene Abstände zwischen der Beleuchtungsvorrichtung und einer dieser Beleuchtungsvorrichtung zugewandten Oberflä- che der Probe (6) .
15. Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung, wobei eine Probe (6) mit Licht einer Lichtquelle (1) unter einem nicht verschwindenden Einfallswinkel ( θ, ) beleuchtet wird, ein an der Probe gestreuter Anteil des Lichts von einem
Detektor (7) erfasst wird und Ausgangssignale des Detektors (7) mit einer Auswerteeinheit ausgewertet werden, wozu eine Vorrichtung mit einem Beleuchtungskanal und einem vom Beleuchtungska- nal vollständig getrennten Detektionskanal verwendet wird, wobei
- das von der Lichtquelle (1) ausgehende Licht vor dem Auftreffen auf die Probe (6) durch ein erstes sammelndes Linsensystem (2) auf eine Lochblende (3) fokussiert und von einem zwischen der Lochblende (3) und der Probe (6) angeordneten zweiten sammelnden Linsensystem so gebündelt wird, dass ein von dem zweiten sammelnden Linsensystem (5) ausge- hender und anschließend spekular von der
Probe (6) reflektierter oder ungestreut durch die Probe (6) transmittierter Anteil des Lichts auf den Detektor (7) fokussiert wird, - eine vorzugsweise als CMOS-Sensormatrix ausgeführte Sensormatrix als Detektor (7) verwendet wird und
- ein von dem Detektor (7) reflektierter Anteil des von der Probe (6) spekular reflek- tierten oder ungestreut durch die Probe (6) transmittierten und auf den Detektor fokus- sierten Anteils des Lichts auf einen Absorber (8) trifft.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinheit die rms- Rauheit der Probe (6) gemäß
Figure imgf000035_0001
berechnet wird, wobei σ für die rms-Rauheit, λ für die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts und O1 für den Einfallswinkel, unter dem das
Licht auf die Probe (6) trifft, stehen und ferner Ps eine über einen durch die Sensormatrix abgedeckten Raumwinkel integrierte Strahlungsleistung des gestreuten Anteils des Lichts und Pr eine Strahlungsleistung des spekular reflektierten oder ungestreut transmittierten Anteils des Lichts bezeichnen.
17. Verfahrennach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswer- teeinheit eine spektralen Leistungsdichte der
Probe (6) gemäß
PSD{fx,fy) = Λ4 ΔP.fe.p,)
16;r2 cos0, cos2 6> ΔΩscPrr
berechnet wird, wobei PSD{fx,fy) die als Funktion zweier Ortsfrequenzen ausgedrückte spektrale Leistungsdichte, λ eine Wellenlänge des eingestrahlten Lichts, θ, den Einfallswinkel, unter dem das Licht auf die Probe (6) trifft, θs einen polaren und φs einen azimutalen Ausfallswinkel des von der Probe (6) gestreuten Anteils des Lichts und Pr eine Strahlungsleistung des speku- lar reflektierten oder ungestreut transmittier- ten Anteils des Lichts bezeichnen, wobei ferner APs(θs,φs) eine in einem Raumwinkelelement gemessene Strahlungsleistung von gestreuten Lichtan- teilen bezeichnet, wobei das mit ΔΩ^ bezeichnete Raumwinkelelement zu den polaren und azimutalen Ausfallswinkeln θs und φs gehört.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Vor- richtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 durchgeführt wird.
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