WO2017045982A1 - Device and method for chromatic confocal examination of a sample - Google Patents

Device and method for chromatic confocal examination of a sample Download PDF

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WO2017045982A1
WO2017045982A1 PCT/EP2016/071056 EP2016071056W WO2017045982A1 WO 2017045982 A1 WO2017045982 A1 WO 2017045982A1 EP 2016071056 W EP2016071056 W EP 2016071056W WO 2017045982 A1 WO2017045982 A1 WO 2017045982A1
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light
sample
reflected
beam splitter
light source
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PCT/EP2016/071056
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Anton Tremmel
Markus Stefan Rauscher
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Technische Universität München
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    • G01B2210/50—Using chromatic effects to achieve wavelength-dependent depth resolution

Definitions

  • the application relates to a device and method for chromatic-confocal examination of a sample.
  • Optically thin films are now used in many applications and fulfill a broad spectrum of functionality. Possible applications include, for example, antireflection coating in the manufacture of glasses, electrical conductivity in the semiconductor industry or isolation in biochemistry.
  • a very promising new application of thin-film technologies is currently opening up in the field of polymer electronics.
  • a variety of new products are being developed, as besides the aspect of extremely economical production by means of print processes, further advantages such as flexible carrier materials are possible.
  • very cheap new innovative products such.
  • B. printed circuits or display products are produced under this area also fall Produlcte as organic solar cells, which have enormous potential z.
  • the layer thickness of the individual layers is decisive.
  • the thickness ie the geometry of the applied layer, determines, for example, the conductivity or reactivity of the applied chemical layer. If the geometry of this layer is incorrect, components will show a defect or behavior that is not useful for proper operation. That's why monitoring the print process is essential. Process monitoring must be non-invasive, so visual inspection is the first choice.
  • a constant homogeneous layer thickness on the measurement object is decisive for a functional end product. It is not sufficient to perform only discrete point measurements, as undetected defects can lead to failure of the product. Therefore, it is desirable to have a technology which instead of discrete measuring points can determine entire measuring surfaces on their layer thickness behavior.
  • a widely used method is x-ray reflectometry (x-ray reflectometry, XRR), in which the reflectivity of x-ray radiation makes it possible to make statements about the layer thickness.
  • XRR x-ray reflectometry
  • layer thicknesses from 2 nm to 1000 nm can be determined with a resolution of less than one nanometer.
  • the long measurement duration of more than 10 s also has a disadvantageous effect. Since the X-rays are only allowed to strike the test object at an angle of a few degrees, a large influence of the measuring distance on the layer thickness measurement and a low lateral resolution are the result. Due to the low lateral resolution, fine structures on the measuring surface can not be distinguished.
  • X-ray-based measurement method is x-ray fluorescence spectroscopy (XRF).
  • XRF x-ray fluorescence spectroscopy
  • Measurable layer thicknesses are in the range of 2 nm to 10 ⁇ m.
  • an ultraviolet light source can also be used for excitation.
  • the problem with this method is that the layers may need to be provided with markers and the measurement of multi-layer systems is complex. For calibration, a reference measurement object is also required.
  • SE spectral ellipsometry
  • TFR thin-film reflectometry
  • the coated surface of the test object is irradiated with polychromatic light and a reflectance spectrum is measured. Due to thin-layer interference in the layer system of the measurement object, the reflection spectrum exhibits extremes whose periodicity allows conclusions to be drawn about the layer thickness. The advantages of this process are above all the robust construction and the short measuring time. Depending on the spectral bandwidth and evaluation method of the measured data, the minimum measurable layer thickness is limited to approximately 30 nm.
  • a widely used method of surface metrology is laser triangulation.
  • the measurement object is illuminated with a laser line which is observed by a camera at a known triangulation angle. Structures on the measurement object deform the line from the perspective of the camera, from which the surface profile can be calculated.
  • the advantages of the method are the great robustness against environmental influences and the simple scalability of the lateral measuring range.
  • the measuring surfaces are too rough or heavily reflective, the result of the measurement will be increasingly distorted.
  • Common devices offer a resolution of a few micrometers, depending on the size of the measuring range.
  • Speckle interferometry exploits the formation of speckles when irradiating a rough surface with coherent light to determine the topography.
  • the specimen pattern is due to interference of the reflected radiation at the structured surface. Due to the interferometric measuring principle, high resolution, short measuring times and a long working distance are possible.
  • a disadvantage for use in an industrial environment is the high sensitivity to shocks.
  • WLT White light interferometry
  • OCT optical coherence tomography
  • Another measuring device for distance determination is the autofocus microscope. The sample is thereby moved stepwise perpendicular to the focal plane of a microscope. At each step, a picture is taken by a camera. The surface topography is then calculated from the sharpness information of the images.
  • the size of the lateral measuring range is determined by the magnification of the microscope and the size of the camera sensor.
  • the achievable distance resolution of common devices is about 20 nm.
  • a confocal proximity sensor is similar to that of the autofocus microscope.
  • a point light source is imaged by a lens on the surface of the measurement object, reflected from there and then focused on a pinhole, behind which a photodiode is mounted.
  • the light intensity at the photodiode is maximum when the measurement object is in the focal plane of the objective.
  • the gradual shifting of the objective for distance measurement is omitted if the dispersion of the optics is utilized and a spectrometer is used instead of the photodiode (chromatic-confocal sensor).
  • the system can either be moved translationally or with a Nipkow Slice, a mirror scanner or be expanded with slit.
  • the advantages of the confocal technique are above all the simple optical design and the short measuring time.
  • the document US 8,654,352 Bl discloses a chromatic-confocal line scanner with a multispectral point light source and a collimator for generating a parallel beam.
  • the collimated light beam is focused via a beam splitter and a hyperchromatic cylindrical lens on an object to be measured.
  • a slot-shaped detection diaphragm, a downstream spectrometer and an image acquisition unit are provided.
  • the document US 2010/0188742 Al describes another chromatic-confocal line scanner with a multispectral point light source.
  • a beam forming into a line already takes place during the collimation via a cylindrical lens, which is arranged directly behind the fiber end.
  • a fan-shaped light measurement line is generated.
  • a multispectral line is projected onto the object and evaluated confocally.
  • the document US 2010/0097693 A1 discloses another embodiment of a chromatic-confocal line scanner.
  • a multispectral line is formed by a slit in front of the multispectral point light source.
  • a slit diaphragm is imaged onto the object.
  • a chromatic aberration is already introduced into the system during the beam shaping in order to generate a parallel beam through a lens.
  • the task is to specify improved technologies for examining a sample, in particular for the optical examination of a sample.
  • the device has a multispectral light source which is arranged in a focal point of a concave mirror. Light emitted by the light source is at least partially reflected by the concave mirror as parallel light rays.
  • the device still has a steel divider arranged in the beam path of the light beams and configured to at least partially direct the light beams to a sample and to transmit light reflected from the sample to a detector means.
  • a first focusing device is provided, which is arranged between the steel divider and the sample and which is configured to focus the light emerging from the beam splitter into a line, so that a first focus light line is generated.
  • the device comprises a second focusing device, which is arranged between the beam splitter and the Detelrtor planted and which is configured to focus the light reflected from the sample to a line, so that a second focus light line is generated, a slit is between the second Focusing rectification and the detector device arranged.
  • the detector device is configured to spectrally evaluate light reflected from the sample.
  • a method comprising the steps of: providing reference data, the reference data including reflectance curves of a material of the sample at different layer thicknesses and a chromatic reference characteristic, comparing a reflectance curve reflected from the sample and detected by a detector means Reference data and determining a layer thickness of the sample and a distance of the sample from the detector device based on the comparison.
  • the method can be carried out, for example, with the device disclosed in the application.
  • a thin layer can be used as a sample, the surface of which is illuminated in order to determine properties of the layer (thin-layer measurement).
  • the sample may comprise one or more materials.
  • the sample may be provided as a layer of a single material.
  • the sample may be provided as a multilayer system with various materials arranged in layers.
  • the sample may contain organic and / or inorganic materials.
  • the sample can be produced, for example, by means of a printing process.
  • the thickness of the sample can be between 30 nm and 3.5 ⁇ .
  • the concave mirror can be designed as a parabolic mirror, for example as an off-axis parabolic mirror.
  • a spherical concave mirror may be provided.
  • the light source may be approximately a point light source. The closer the light source comes to the ideal of the point light source, the better the resolution of the device.
  • the light source may be provided by means of an optical fiber, wherein in one end of the optical fiber light is emitted, which emerges at another end of the optical fiber, and wherein the other end of the optical fiber is arranged in the focal point of the concave mirror.
  • the other end of the optical fiber may also be referred to as an open end.
  • the optical fiber may be a glass fiber.
  • the glass fiber may have a core diameter of at least 50 ⁇ .
  • the core diameter may alternatively be at least 200 ⁇ . It can also glass fibers with a core diameter of less than 50 ⁇ be used, for example, 30 ⁇ , 20 ⁇ or 10 ⁇ . A smaller core diameter can lead to better local resolution.
  • the optical fiber may be designed as a single mode fiber, for example with a core diameter of 9 ⁇ m.
  • the fiber may be implemented as a step index multimode fiber or as a graded index multimode fiber.
  • the use of an optical fiber increases the flexibility of the device. Light from a luminaire can be fed into the device by means of the optical fiber, wherein the arrangement of the luminaire can take place outside the device. As a light, for example, an LED (light emitting diode) can be used.
  • the light source may be provided as a single LED, as a plurality of individual LEDs, or as an LED array. For example, a white light LED can be used. By combining different colored LEDs, for example in an array, a specific spectral distribution of the light source can be set.
  • the light source may be configured to emit light in one of the following spectral ranges: UV (ultraviolet), VIS (visible light), NIR (near infrared), IR (infrared), and a combination thereof.
  • the detector device can be configured to receive and evaluate light in the abovementioned spectral ranges. In particular, the spectral range of the light source can be adapted to the spectral range of the detector device.
  • the light source may be provided as a pulsed light source.
  • a light source controller configured to generate light pulses having a particular pulse length may be provided. When using an LED (individually, several LEDs or in an LED array), a minimum pulse duration of 500 ⁇ can be achieved. With a pulsable broadband light source with sufficiently high power, exposure times in the nanosecond range are also possible.
  • a pulse generating device may be provided, for example an optical shutter (eg a Pockels cell). The pulse generator may be configured to generate pulses having a length of 40 or shorter.
  • the components of the device may be arranged and / or configured such that light rays are incident solely perpendicular to the sample.
  • the device additionally comprises the following components: a first shielding device arranged in a loss path emerging from the beam splitter, the loss path comprising light emitted by the light source and passing through the beam splitter, without being directed in the direction of Sample is deflected, wherein the first shielding means is disposed in the loss path such that a part of the light in the loss path hits the first shielding means and another part of the light in the loss path passes the first shielding means, a mirror behind the first one Shielding device is arranged so that the mirror reflects the past the first shielding light, such that the reflected light to the beam splitter back and is deflected by the beam splitter as a reference light to the detector means, and a second shielding device, the un between the beam splitter d of the first focusing means is arranged in a light path toward the sample such that light having a width corresponding to a width of the light passing the first shield means and reflected by the mirror in the leakage path is shielded in the light path to the sample
  • An attenuation device for attenuating the light may be arranged in the beam path of the reference light, for example in front of the mirror.
  • the light output at the Detel gate device can be controlled (dynamic adaptation). With different measuring objects different amounts of light can be reflected. A worse reflection can be compensated by a higher light output of the light source. However, then the range of the reference path at the detector device can saturate. By means of the dampening device, the reference light can be attenuated in order to avoid saturation.
  • the Abdämpf worn can be designed as a filter. For example, a magazine with different (two or more) grayscale filters may be placed directly in front of the mirror of the reference path to reduce the amount of light in the path.
  • the Detel tor worn can be designed as Hyperspectral detector (Hyperspectral Imager - HSI).
  • HSI have the property of breaking up coupled light into spectral components. Usually, transmissive or reflective optical gratings are used for this purpose.
  • an HSI can not only spectrally resolve a spot, but also a line. Depending on the attached surface camera, it is scanned laterally. Instead of a one-dimensional measurement, an HSI allows a two-dimensional representation.
  • the imaging properties of the gratings used have the consequence that not so high resolutions are achieved in the spectral resolution.
  • the device may have an HSI with reflel tive Konkavgitterianan, for example, a device from the company Headwall, Model Series A.
  • the spectral resolution is given with 2-3 nm at a 25 ⁇ entrance gap.
  • the resolution is high enough to allow layer thickness measurement.
  • the detector device can have a plurality of detector units which have different spectral pickup ranges and / or spectral resolutions. As a result, the measuring range and / or the measurement resolution can be adjusted.
  • the first focusing means may be formed as a cylindrical lens having a chromatic aberration, wherein a change in the focal length of the light is linearly dependent on the wavelength of the light. It is also possible to use a cylindrical lens with a nonlinear characteristic as the first focusing device.
  • the first focusing device may be a cylindrical lens with a non-linear monotone characteristic.
  • the second focusing device can be designed as a cylindrical lens or as a parabolic trough mirror.
  • the first focusing means and / or the second focusing means may comprise an array of a plurality of cylindrical lenses (e.g., a lens).
  • the plurality of cylindrical lenses may be combined such that a linear characteristic of the first focusing device and / or the second focusing device is achieved.
  • the method may further comprise: detecting a reference light of a light source and correcting the reflectance curve in consideration of the reference light.
  • the device allows a line scan of the sample.
  • the device and the sample can be moved relative to one another, for example with a drive device coupled to the device and / or the sample. This allows the determination of a surface.
  • the detector device can be coupled to an evaluation device.
  • the evaluation device can be integrated into the detector device or be formed separately therefrom.
  • the evaluation device can be executed as a data processing device.
  • the evaluation device can have, for example, one or more processors as well as a memory with a volatile (eg main memory) and / or a non-volatile (eg a hard disk and / or a flash memory) memory area.
  • the evaluation device can have communication devices for receiving and / or transmitting data and / or data streams, for example a network connection (LAN), a connection for a wireless network (WLAN), a mobile radio module (eg 2G, 3G and / or 4G), a USB port (USB - universal serial bus), a Bluetooth adapter and / or a Firewire port (IEEE 1394).
  • the evaluation device can have a device for detecting a user input, for example a keyboard, a mouse and / or a touchpad.
  • the evaluation device can be connected to a display device.
  • a display device can be integrated in the evaluation device.
  • the display device may include a touch-sensitive screen for detecting user input.
  • the evaluation device may be configured to execute the method disclosed in the application.
  • the evaluation device can be, for example, a personal computer or a tablet.
  • the device and the method can enable a layer thickness determination on measuring surfaces of a sample. This is done, for example, by means of a hyperspectral imager, which can be used as a detector device.
  • the device may generate a measurement line that is orthogonal to the sample, for example.
  • the reflections of the light from the sample can in turn be formed into a line and focused on the slit (entrance slit) of the hyperspectral imager.
  • the functionality of a hyperspectral imager allows a spectrum to be obtained for each laterally resolvable position, which enables a calculation of the layer thickness.
  • the device makes it possible, for example, to implement the reflectometric measurement principle on hyperspectral images. If the hyper- spectral image or the sample linearly uniform in one direction, such. B. in continuous web printing, the full-surface measurement of layers can be guaranteed.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a further embodiment of the device
  • FIG. 4 shows a construction drawing of an embodiment of the device
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the device, on the left side of Fig. 1, the device with the measuring concept is shown along the measuring line (longitudinal measuring range 9) and on the right side of Fig. 1, the device with the measuring concept shown transverse to the measuring line (lateral measuring range 10).
  • the starting point is a punctiform light source 5.
  • the property of the point fidelity is of great importance for the achievable lateral resolving power of the device.
  • the (approximate) polarity of the light source is generated using a multimode fiber.
  • An open end of a multimode fiber models a punctiform light source 5, with the additional advantage that the feeding of light into the measuring system can be done flexibly.
  • the punctiform light source 5 is collimated by means of an off-axis parabolic mirror 7 without chromatic aberration and fed through a 50/50 beam splitter 4 in a measuring path.
  • a rectangular aperture 6 is arranged in front of the beam splitter 4 .
  • Cylindrical lenses 8a, 8b focus the parallelized steel to a flat focal line orthogonal to the measuring object 11.
  • the incident light reflects at the various interfaces of the thin layers on the measuring object 11.
  • the reflected components interfere with each other according to the law of multi-beam interference and thus produce a characteristic spectral course.
  • the reflected components are in turn fed back into the measurement path.
  • the reflected radiation passes through the beam splitter 4 again and is imaged by another cylindrical lens 3 to a line.
  • This line is focused on an input slit 2 of a hyperspectral imager (HSI) 1, which is configured to split the line both laterally and spectrally.
  • the resolution of the HSI 1 determines how finely the measurement line can be subdivided. That is, with increasing resolution of the imager 1, the lateral resolution of the measuring unit also increases. Due to the system, the HSI 1 offers a number of spectral pixels for each lateral pixel. Here it applies that a higher spectral resolution allows a more exact thickness determination.
  • a parabolic trough mirror can also be used instead of the cylindrical lens 3, a parabolic trough mirror can also be used. This mirror has the advantage of not introducing any additional chromatic aberration into the system.
  • the spectra can be used to analyze the layer structure and thickness. In doing so one uses the optical modeling of the examined layers.
  • the reflectance response can be simulated using physical laws. If one simulates all the layer thicknesses of the examined material, a database of different reflectance curves at certain layer thicknesses is created. The measured reflectance curve is then compared to the curves of the database. The layer thickness is the value at which the curves best overlap.
  • the cylindrical lens 19 also has dispersion, whereby in the case of broadband light the focus is wavelength-dependent and therefore not localized.
  • the dispersive properties of the lens 19 produce shorter focal lengths with short-wave light than with long-wave light.
  • the parallel light beams 17 are directed by the beam splitter 4 to the measurement object 11. The parallel beam path is retained here.
  • the cylindrical lens 19 the light beams are refracted, whereby different wavelengths undergo a different refraction.
  • the cylindrical lens may be configured such that the dependence of the focal length on the wavelength is linear.
  • the rays reflected by the measuring object 11 are transmitted through the beam splitter 4.
  • the cylindrical lens 18 refocuses the beams and directs them to the entrance slit 21 presented to the detector (HSI). If portions of the incident radiation, which are not in focus, are cut out at the detector, the height of the measurement object 11 can be determined. This happens at the entrance slit 21. of the HSI. Only those wavelengths that are sufficiently focused can pass through the gap 21. If the spectrum obtained is evaluated according to the colored components, it can be determined in which height the measuring object 11 is located. In addition to the area-based analysis of layer thicknesses, this also enables the direct detection of the topography of the surface.
  • the method is based on thin-layer spectroscopy or spectral reflectometry.
  • the use of an intense, pulsed light source allows a measurement on fixed or moving objects.
  • the reflections of the light pulse at the boundary layers of the measurement object interfere. These interferences are evaluated spectrally.
  • the measurement object can move under the sensor head.
  • the evaluation is carried out by means of a model-based estimator (process- and material-optimized model)
  • the estimator's free parameters represent the quantities to be measured.
  • the evaluation follows the principle of spectral thin-layer interferometry. This measuring method is well known and utilizes the physical effect that measuring light at the boundary layers or at the surface of transparent Thin films is reflected, with the reflected measuring light interferences occur, which can be evaluated with respect to the layer properties. be evaluated to obtain statements about the properties of the investigated layer. These statements may refer to the transparent layer on the surface of the layer and possibly to further transparent layers below the transparent layer on the surface. As transparent layers are considered, which are permeable at least for a part of the measuring light.
  • the evaluation of the measurement result is carried out by comparing the measured data or the merlanale of the layer obtained therefrom, from which a feature space results.
  • Fit-based means the following: Using physical models of the layer sequence and the measuring apparatus, a spectrum is calculated, as measured for the layer thicknesses and optical layer properties incorporated into the model would. This simulated spelctram is compared to the actual measured spectrum. The parameters of the simulation are adjusted until the simulation and the real measured value match.
  • a chromatic detuning ie a spectral dependence of the focus wavelength is used to determine the height or position of the measurement object.
  • This detuning is introduced by the focus lens and ideally has an approximately linear course over the spectral width.
  • the measured reflectance curve is modulated by the chromatic detuning of the lens.
  • the distance of the measurement object to the sensor head can be determined from the measurement data set.
  • the analysis of each measurement point results in a topographical surface map.
  • Reflectometric thin-layer measurements are subject to the fluctuations of a source, as a result of which the determined layer thicknesses are likewise subject to these fluctuations.
  • the source spectrum can be co-determined in order to measure the swelling be able to compensate.
  • Fig. 3 shows this by way of example.
  • the beam splitter 4 entering collimated light 16 is deflected to a part in the direction of the measuring object 11. Another part of the light passes through the beam splitter 4 without deflection. This is the so-called loss light in the loss path.
  • a diaphragm 13a is arranged, which absorbs a portion of the loss light. Another portion of the loss light passes the aperture 13 a and is reflected by a mirror 12.
  • the reflected portion of the loss of light is deflected by the beam splitter 4 to the input gap 2.
  • An aperture 13b in the measuring path ensures that there are no overlappings at the entrance slit 2.
  • measuring light 15 reflected by the measuring object 11 and reference light 12 reflected by the mirror 12 arrive at the entrance slit 2.
  • the separation of the measured data from the source can be implemented by means of software in the evaluation device.
  • a reference measurement of the light source before or during the measurements may be necessary to determine the reflectivity of the measurement object. This reference measurement can be made possible in particular via the reference beam path.
  • a reference measurement parallel to each measurement allows the use of time-variant light sources, i. a light source whose intensity and spectrum can vary from measuring pulse to measuring pulse. Reference measurements during or between the measurement pulses allow control of the light source. This can e.g. necessary to compensate for environmental influences.
  • FIG. 4 shows the construction drawing of the device.
  • the device comprises a fiber connector 30, a collimator unit 31, a beam splitter holder 32, a lens 33, diaphragm holder 34, a reference mirror holder 35, an M42 connection for a hyperspectral imager 36 and a detector lens adjustment unit 37.
  • the components were attached to a Headwall VNIR A-Series Hyperspectral Imager.
  • the data of the hyperspectral imager were led by means of a frame grabber to a commercial PC on which the data processing took place.
  • the device and method have several advantages.
  • One advantage lies in the possibility of combining reflectometric thin-film measurement and chromatic-confocal distance measurement, which makes it possible to determine both the layer thickness and the surface profile by means of a single measuring system.
  • the measuring device is also in the ge to measure a line several millimeters long on the measuring surface in one step.
  • the measuring time is considerably reduced when measuring two-dimensional objects. While with point sensors a sampling of the measurement surface must take place in two dimensions, a scan in one dimension perpendicular to the measurement line is sufficient for the presented line sensor.
  • a fiber as an optical connection between the light source and imaging optics, a high degree of flexibility in the use of the measuring device is achieved.
  • the spatial separation between the measuring head and light source can be achieved, which greatly simplifies the integration of the measuring system in production facilities.
  • the fiber can be dispensed with by the use of the fiber as a point light source on the illumination of a light source gap, whereby the optical design requires fewer components.
  • the longitudinal measuring range is determined by changing the focal length of the objective over the observed wavelength range and determines the maximum height of the structures to be measured on the measurement surface.
  • the lateral measuring range describes the length of the line, which can be scanned in one step on the measuring surface.
  • the size of the lateral measurement region depends exclusively on the length of the input gap of the hyperspectral imager and the aperture of the cylindrical lenses.
  • the ability to co-determine fluctuations in the spectrum of the light source and to apply it instantaneously to the measurement is not possible in the prior art.
  • the reference spectrum could be co-determined instantaneously only with considerable effort, for example with a further spectrometer.
  • a distance or thin film measurement is subject to the fluctuations of the light source and thus reduces the achievable accuracy.
  • the hyperspectral imager requires very high light intensities at the input slit because the light within the device must be spectrally decomposed. In combination with the refielctometric thin-film measurement technique, this can be disadvantageous since only small intensities are reflected depending on the measurement object. Decisive for a successful measurement is therefore an efficient light coupling into the glass fiber.
  • the choice of fiber diameter also plays a decisive role here. The light power that can be coupled into the system depends on the square of the radius of the glass fiber. Due to a deterioration of the achievable lateral and longitudinal resolution with increasing fiber diameter, a compromise between the required light output and the desired resolution must be found.
  • the lateral resolution was investigated as a function of the fiber diameter.
  • the beam path in the measurement path must be very well collimated. This succeeds only with very point sources.
  • the quality of collimation increases with my expectant fiber end.
  • the simulation in FIG. 6 shows what influence the fiber diameter has on the lateral resolution.
  • a sharp edge was considered at the position 0 ⁇ at different fiber diameters. As can be seen, the sharp edge is mapped at a fiber diameter 200 ⁇ to a range of 400 ⁇ . Small fiber diameter laterally solve up to 20 ⁇ .
  • the test object is a silicon wafer with glass layers of different heights. Thus, two different layer thicknesses in certain areas are available on the test object. These layers were applied to the support in the form of a reactor. An electronic translation stage allows the sample to move under the measurement line. This creates a complete record of the layer constellation.
  • FIGS. 7 and 8 show a microreactor of the test object, once recorded with a microscope (FIG. 7) and once taken with the device according to the invention (FIG. 8).
  • the measuring system is also suitable for determining thinner layers up to approx. 30 nm.
  • the device makes it possible to generate spectroscopic data of surfaces. The focus is on the application to thin-film technologies. With the device, the reflectometric measuring principle in combination with the confocal technique is applied to hyper-spectral images. Thus, layer heights of single-layer and multi-layer systems down to the nanometer range can be measured. The technology allows topographical maps of the measured surfaces to be generated and visualized. If it is known which layer thickness the examined object has, the refractive index can, conversely, be determined as a function of location. To emphasize is the very high measuring speed and performance of the device. Another advantage is the ability to attach the device as an attachment to almost any hyperspectral imager. Almost all manufacturers of imagers have a standard optical connection on their devices, such as a C-mount or M42. These connections are standardized and guarantee faultless installation.

Abstract

Shown is a device for chromatic confocal examination of a sample, comprising a multi-spectral light source arranged at a focus of a concave mirror such that light emitted by the light source is reflected, at least in part, as parallel light rays by the concave mirror, a beam splitter arranged in the beam path of the light rays, said beam splitter being configured to at least partly guide the light rays to a sample and pass light reflected by the sample to a detector apparatus, a first focusing apparatus arranged between the beam splitter and the sample and configured to focus the light emerging from the beam splitter in the direction of the sample into a line such that a first focus light line is generated, a second focusing apparatus arranged between the beam splitter and the detector apparatus and configured to focus the light reflected by the sample into a line such that a second focus light line is generated, and a slit diaphragm arranged between the second focusing apparatus and the detector apparatus. Here, the detector apparatus is configured to spectrally evaluate light reflected by the sample.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR CHROMATIS CH-KONFOKALEN  DEVICE AND METHOD FOR CHROMATIS CH CONFOCALS
UNTERSUCHUNG EINER PROBE Die Anmeldung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur chromatisch- konfokalen Untersuchung einer Probe.  INVESTIGATION OF A SAMPLE The application relates to a device and method for chromatic-confocal examination of a sample.
HINTERGRUND BACKGROUND
Optisch dünne Schichten finden heute in vielen Bereichen Anwendung und erfüllen ein breites Spektrum an Funktionalität. Anwendungsmöglichlceiten sind beispielsweise Entspiegelung in der Brillenherstellung, elektrische Leitfähigkeit in der Halbleiterindustrie oder Isolation in der Biochemie. Ein sehr vielversprechendes neues Einsatzgebiet von Dünnschichttechnologien öffnet sich gerade im Bereich der Polymerelektronik. Vielfältige neue Produkte werden entwickelt, da neben dem Aspekt der äußerst wirtschaftlichen Erzeugung durch Printverfahren weitere Vorteile wie flexible Trägermaterialien möglich werden. Somit können äußerst preiswert neue innovative Produkte wie z. B. gedruckte Schaltkreise oder Displayerzeugnisse hergestellt werden, Unter diesen Bereich fallen auch Produlcte wie organische Solarzellen, welche ein enormes Potential z. B. auf Textilien oder anderen, nicht ebenen oder flexiblen Untergründen haben. Optically thin films are now used in many applications and fulfill a broad spectrum of functionality. Possible applications include, for example, antireflection coating in the manufacture of glasses, electrical conductivity in the semiconductor industry or isolation in biochemistry. A very promising new application of thin-film technologies is currently opening up in the field of polymer electronics. A variety of new products are being developed, as besides the aspect of extremely economical production by means of print processes, further advantages such as flexible carrier materials are possible. Thus, very cheap new innovative products such. B. printed circuits or display products are produced under this area also fall Produlcte as organic solar cells, which have enormous potential z. B. on textiles or other, non-planar or flexible substrates.
Damit die Funlctionalität dieser Technologien gewährleistet werden kann, ist unter anderem die Schichtdicke der einzelnen Schichten ausschlaggebend. Die Dicke, also die Geometrie der aufgebrachten Schicht, bestimmt beispielsweise die Leitfähigkeit oder Reaktionsfreudigkeit der aufgetragenen chemischen Schicht. Ist die Geometrie dieser Schicht nicht korrekt, zeigen Bauteile einen Defekt oder ein Verhalten, welches für eine ordnungsgemäße Funktionsweise nicht brauchbar ist. Deshalb ist eine Überwachung des Printprozesses unumgänglich. Dabei muss die Prozessüberwachung nichtinvasiv erfolgen, sodass eine optische Überprüfung die erste Wahl ist. Wie bereits erläutert, ist eine konstant homogene Schichtdicke auf dem Messobjekt ausschlaggebend für ein funlctionierendes Endprodukt. Dabei reicht es nicht aus, nur diskrete Punktmessungen durchzuführen, da nicht detektierte Fehlstellen zum Versagen des Produktes führen können. Deshalb ist es wünschenswert, über eine Technologie zu verfügen, welche anstatt diskreter Messpunkte ganze Messflächen auf deren Schichtdickenverhalten bestimmen kann. In order to ensure the functionality of these technologies, among other things, the layer thickness of the individual layers is decisive. The thickness, ie the geometry of the applied layer, determines, for example, the conductivity or reactivity of the applied chemical layer. If the geometry of this layer is incorrect, components will show a defect or behavior that is not useful for proper operation. That's why monitoring the print process is essential. Process monitoring must be non-invasive, so visual inspection is the first choice. As already explained, a constant homogeneous layer thickness on the measurement object is decisive for a functional end product. It is not sufficient to perform only discrete point measurements, as undetected defects can lead to failure of the product. Therefore, it is desirable to have a technology which instead of discrete measuring points can determine entire measuring surfaces on their layer thickness behavior.
Gegenwärtig wird eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren zur Vermessung dünner Schich- ten angewendet, die im Folgenden vorgestellt werden. Dabei werden nur Verfahren berücksichtigt, die sich zur kontaktlosen und zerstörungsfreien Messung eignen. At present, a variety of different methods for measuring thin layers are used, which are presented below. Only methods that are suitable for contactless and non-destructive measurement are considered.
Ein weit verbreitetes Verfahren ist die Röntgenreflektometrie (x-ray reflectometry, XRR), bei der durch das Reflexions vermögen von Röntgenstrahlung Aussagen über die Schichtdicke getroffen werden können. Je nach Material sind Schichtdicken von 2 nm bis 1000 nm mit einer Auflösung von unter einem Nanometer bestimmbar. Nachteilig wirkt sich neben der Notwenigkeit des Einsatzes von Röntgenstrahlung auch die lange Messdauer von mehr als 10 s aus. Da die Röntgenstrahlen nur unter einem Winkel von wenigen Grad auf das Messobjekt auftreffen dürfen, sind ein großer Einfluss des Messabstandes auf die Schichtdickenmessung sowie eine geringe laterale Auflösung die Folge. Durch die geringe laterale Auflösung können feine Strukturen auf der Messoberfläche nicht unterschieden werden. A widely used method is x-ray reflectometry (x-ray reflectometry, XRR), in which the reflectivity of x-ray radiation makes it possible to make statements about the layer thickness. Depending on the material, layer thicknesses from 2 nm to 1000 nm can be determined with a resolution of less than one nanometer. In addition to the necessity of using X-radiation, the long measurement duration of more than 10 s also has a disadvantageous effect. Since the X-rays are only allowed to strike the test object at an angle of a few degrees, a large influence of the measuring distance on the layer thickness measurement and a low lateral resolution are the result. Due to the low lateral resolution, fine structures on the measuring surface can not be distinguished.
Ein ebenfalls auf Röntgenstrahlung basierendes Messverfahren ist die Röntgenfluores- zenzanalyse (x-ray fluorescence spectroscopy, XRF). Nach Anregung des Messobjekts mit Röntgenstrahlung kann durch die dabei auftretende Fluoreszenz auf Schichtdicke und Zusammensetzung geschlossen werden. Sowohl Messabstand als auch Oberflächenrauheit haben, verglichen mit der XXR geringeren Einfluss auf das Messergebnis. Messbare Schichtdicken liegen im Bereich von 2 nm bis 10 μιη. Je nach Material kann zur Anregung auch eine ultraviolette Lichtquelle verwendet werden. Problematisch ist bei diesem Verfahren, dass die Schichten eventuell mit Markern versehen werden müssen und die Vermessung von Mehrschichtsystemen komplex ist. Zur Kalibration ist zudem ein Referenzmessobjekt nötig. Another X-ray-based measurement method is x-ray fluorescence spectroscopy (XRF). After excitation of the test object with X-radiation, it is possible to deduce the layer thickness and composition by the fluorescence that occurs. Both measuring distance and surface roughness have less influence on the measurement result compared to the XXR. Measurable layer thicknesses are in the range of 2 nm to 10 μm. Depending on the material, an ultraviolet light source can also be used for excitation. The problem with this method is that the layers may need to be provided with markers and the measurement of multi-layer systems is complex. For calibration, a reference measurement object is also required.
Ähnliche Hindernisse ergeben sich beim APEL-V erfahren (alpha particle energy loss). Dabei werden zunächst geringe Mengen eines α-Strahlers in das Trägersubstrat eingebracht, danach erfolgt der Auftrag der dünnen Schicht. Durch Messung der Abschwächimg der Strahlung durch die dünne Schicht kann anschließend auf deren Dicke geschlossen werden. Die Messdauer und erreichbare Genauigkeit sind stark vom eingesetzten Material und der Aktivität der radioaktiven Substanz abhängig. Typische Messzeiten liegen zwischen einigen Sekunden und mehreren Stunden. Neben den notwendigen Strahlenschutzvorkehrungen limitiert auch das aufwändige Einbringen des α-Strahlers in das Trägersubstrat sowie die radioaktive Kontamination des Messobjekts die möglichen Einsatzgebiete. Similar obstacles arise with the APEL-V experienced (alpha particle energy loss). Initially, small amounts of an α-radiator are introduced into the carrier substrate, after which the application of the thin layer takes place. By measuring the attenuation of the radiation through the thin layer, it is then possible to deduce its thickness. The measurement time and achievable accuracy are highly dependent on the material used and the activity of the radioactive substance. Typical measuring times are between a few seconds and several hours. In addition to the necessary radiation protection measures, this also limits elaborate introduction of the α-emitter into the carrier substrate as well as the radioactive contamination of the DUT the possible fields of application.
Eine weitere Messmethode stellt die spektrale Ellipsometrie (SE) dar. Bei diesem Verfahren wird die Änderung des Polarisationszustandes von Licht bei der Reflexion an der Oberfläche des Messobjekts gemessen, um auf die Schichtdicke schließen zu können. Durch Anpassung eines optischen Strulcturmodells an das gemessene Spektrum kann die Dicke - neben anderen optischen Eigenschaften der Schicht - mit einer Genauigkeit von besser als einem Nanometer bestimmt werden. Die minimal bestimmbare Schichtdiclce beträgt wenige Nanometer. Nach- teilig wirken sich allerdings der komplexe Aufbau und der große Messwinkel aus, der keine hohe laterale Auflösung ermöglicht. Another method of measurement is spectral ellipsometry (SE). In this method, the change in the polarization state of light during reflection at the surface of the test object is measured in order to be able to conclude the layer thickness. By adapting an optical structure model to the measured spectrum, the thickness, among other optical properties of the layer, can be determined with an accuracy better than one nanometer. The minimum determinable Schichtdiclce is a few nanometers. However, the complex structure and the large measuring angle, which does not allow a high lateral resolution, have a disadvantageous effect.
Auf einem Interferenzeffekt beruht die reflektometrische Dünnschichtmessung (thin film re- flectometry, TFR). Die beschichtete Oberfläche des Messobjekts wird dabei mit polychroma- tischem Licht bestrahlt und es wird ein Reflexionsspektram gemessen. Durch Dünnschichtinterferenz im Schichtsystem des Messobjekts weist das Reflexionsspektrum Extrema auf, deren Periodizität Rückschlüsse auf die Schichtdicke zulässt. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen vor allem im robusten Aufbau und der geringen Messdauer. Je nach spektraler Bandbreite und Aus wertungsmethode der Messdaten ist die minimal messbare Schichtdicke auf circa 30 nm begrenzt. An interference effect is based on thin-film reflectometry (TFR). The coated surface of the test object is irradiated with polychromatic light and a reflectance spectrum is measured. Due to thin-layer interference in the layer system of the measurement object, the reflection spectrum exhibits extremes whose periodicity allows conclusions to be drawn about the layer thickness. The advantages of this process are above all the robust construction and the short measuring time. Depending on the spectral bandwidth and evaluation method of the measured data, the minimum measurable layer thickness is limited to approximately 30 nm.
Einige gängige Messverfahren zur Vermessung der Oberflächenstruldur einer reflektierenden Messoberfläche werden im Folgenden beschrieben. Ein weit verbreitetes Verfahren der Oberflächenmesstechnik stellt die Lasertriangulation dar. Das Messobjekt wird dazu mit einer Laserlinie beleuchtet, die durch eine Kamera unter einem bekannten Triangulationswinkel beobachtet wird. Durch Strukturen auf dem Messobjekt wird die Linie aus Sicht der Kamera verformt, woraus das Oberflächenprofil berechnet werden kann. Die Vorteile des Verfahrens sind die große Robustheit gegenüber Umgebungseinflüssen und die einfache Skalierbarkeit des lateralen Messbereichs. Bei zu rauen oder stark spiegelnden Messoberflächen wird das Messergebnis jedoch zunehmend verfälscht. Gängige Geräte bieten je nach Größe des Messbereichs eine Auflösung von wenigen Mikrometern. Die Speckle-Interferometrie nutzt die Entstehung von Speckies bei der Bestrahlung einer rau- en Oberfläche mit kohärentem Licht zur Bestimmung der Topografie. Das Specidemuster entsteht durch Interferenz der reflektierten Strahlung an der strukturierten Oberfläche. Durch das interferometrische Messprinzip sind eine hohe Auflösung, kurze Messzeiten und ein gro- ßer Arbeitsabstand möglich. Nachteilig für den Einsatz in industrieller Umgebung wirkt sich die große Empfindlichkeit gegenüber Erschütterungen aus. Some common measuring methods for measuring the surface texture of a reflective measuring surface are described below. A widely used method of surface metrology is laser triangulation. For this purpose, the measurement object is illuminated with a laser line which is observed by a camera at a known triangulation angle. Structures on the measurement object deform the line from the perspective of the camera, from which the surface profile can be calculated. The advantages of the method are the great robustness against environmental influences and the simple scalability of the lateral measuring range. However, if the measuring surfaces are too rough or heavily reflective, the result of the measurement will be increasingly distorted. Common devices offer a resolution of a few micrometers, depending on the size of the measuring range. Speckle interferometry exploits the formation of speckles when irradiating a rough surface with coherent light to determine the topography. The specimen pattern is due to interference of the reflected radiation at the structured surface. Due to the interferometric measuring principle, high resolution, short measuring times and a long working distance are possible. A disadvantage for use in an industrial environment is the high sensitivity to shocks.
Weißlichtinterferometrie (WLT) und optische Kohärenztomografie (OKT) sind ebenfalls Verfahren, die ein Interferometer zur Bestimmung des Objektabstands verwenden. Kritisch ist bei diesen Verfahren vor allem die kurze Kohärenzlänge von weißem Licht, welche bei wenigen Mikrometern liegt und damit einen sehr präzisen Aufbau erfordert. Die Auflösung der Messergebnisse liegt unter einem Mikrometer, allerdings ist die Messzeit mit mehreren Sekunden pro Abstandswert verhältnismäßig lang. Ein weiteres Messgerät zur Abstandsbestimmung stellt das Autofokus-Mikroskop dar. Die Probe wird dabei schrittweise senkrecht zur Fokusebene eines Mikroskops bewegt. Bei jedem Schritt wird durch eine Kamera ein Bild aufgenommen. Die Berechnung der Oberflächento- pografie erfolgt anschließend aus der Schärfeinformation der Bilder. Die Größe des lateralen Messbereichs wird durch den Abbildungsmaßstab des Mikroskops und die Größe des Kame- rasensors bestimmt. Die erreichbare Abstandsauflösung gängiger Geräte beträgt ca. 20 nm. White light interferometry (WLT) and optical coherence tomography (OCT) are also methods that use an interferometer to determine the object distance. Critical in these methods is above all the short coherence length of white light, which is a few micrometers and thus requires a very precise structure. The resolution of the measurement results is less than a micrometer, but the measurement time is relatively long with several seconds per distance value. Another measuring device for distance determination is the autofocus microscope. The sample is thereby moved stepwise perpendicular to the focal plane of a microscope. At each step, a picture is taken by a camera. The surface topography is then calculated from the sharpness information of the images. The size of the lateral measuring range is determined by the magnification of the microscope and the size of the camera sensor. The achievable distance resolution of common devices is about 20 nm.
Die Funktionsweise eines konfokalen Abstandssensors ähnelt der des Autofokus-Mikroskops. Eine punktförmige Lichtquelle wird durch ein Objektiv auf die Oberfläche des Messobjekts abgebildet, von dort reflektiert und anschließend auf eine Lochblende fokussiert, hinter der eine Photodiode angebracht ist. Die Lichtintensität an der Photodiode ist maximal, wenn sich das Messobjekt in der Fokusebene des Objektivs befindet. Das schrittweise Verschieben des Objektivs zur Abstandsmessung entfällt, wenn die Dispersion der Optik ausgenutzt und statt der Photodiode ein Spektrometer eingesetzt wird (chromatisch-konfokaler Sensor), Um einen lateralen Messbereich punktweise abzutasten, kann das System entweder translatorisch ver- schoben werden oder mit einer Nipkow-Scheibe, einem Spiegelscanner oder mit Schlitzblenden erweitert werden. Die Vorteile der Konfokaltechnik sind vor allem der einfache optische Aufbau und die kurze Messzeit. Das Dokument US 8,654,352 Bl offenbart einen chromatisch-konfokalen Linienscanner mit einer multispektralen Punktlichtquelle und einem Kollimator zur Erzeugung eines parallelen Strahlenbündels. Das parallel gerichtete Lichtstrahlenbündel wird über einen Strahlteiler und eine hyperchromatische Zylinderlinse auf ein zu vermessendes Objekt fokussiert. Des Weite- ren sind eine schlitzförmige Detektionsblende, ein nachgeschaltetes Spektrometer und eine Bilderfassungseinheit vorgesehen. The operation of a confocal proximity sensor is similar to that of the autofocus microscope. A point light source is imaged by a lens on the surface of the measurement object, reflected from there and then focused on a pinhole, behind which a photodiode is mounted. The light intensity at the photodiode is maximum when the measurement object is in the focal plane of the objective. The gradual shifting of the objective for distance measurement is omitted if the dispersion of the optics is utilized and a spectrometer is used instead of the photodiode (chromatic-confocal sensor). In order to scan a lateral measuring range point by point, the system can either be moved translationally or with a Nipkow Slice, a mirror scanner or be expanded with slit. The advantages of the confocal technique are above all the simple optical design and the short measuring time. The document US 8,654,352 Bl discloses a chromatic-confocal line scanner with a multispectral point light source and a collimator for generating a parallel beam. The collimated light beam is focused via a beam splitter and a hyperchromatic cylindrical lens on an object to be measured. Furthermore, a slot-shaped detection diaphragm, a downstream spectrometer and an image acquisition unit are provided.
Das Dokument US 2010/0188742 AI beschreibt einen weiteren chromatisch-konfokalen Linienscanner mit einer multispektralen Punktlichtquelle. Eine Strahlformung zu einer Linie erfolgt bereits bei der Kollimation über eine Zylinderlinse, die direkt hinter dem Faserende angeordnet ist. Es wird eine fächerförmige Licht-Messlinie erzeugt. Dadurch ist ein verstärktes chromatisches Übersprechen entlang der linienförmigen Detektionsblende möglich, was die laterale Auflösung in dieser Richtung verschlechtert. Eine multispektrale Linie wird auf das Objekt projiziert und konfokal ausgewertet. The document US 2010/0188742 Al describes another chromatic-confocal line scanner with a multispectral point light source. A beam forming into a line already takes place during the collimation via a cylindrical lens, which is arranged directly behind the fiber end. A fan-shaped light measurement line is generated. As a result, an increased chromatic crosstalk along the line-shaped detection aperture is possible, which degrades the lateral resolution in this direction. A multispectral line is projected onto the object and evaluated confocally.
Das Dokument US 2010/0097693 AI offenbart eine weitere Ausführungsform eines chromatisch-konfokalen Linienscanners. Eine multispektrale Linie wird durch einen Schlitz vor der multispektralen Punktlichtquelle geformt. Eine Schlitzblende wird auf das Objekt abgebildet. Eine chromatische Aberration wird bereits bei der Strahlformung zur Erzeugung eines Paral- lelstrahls durch eine Linse in das System eingebracht. The document US 2010/0097693 A1 discloses another embodiment of a chromatic-confocal line scanner. A multispectral line is formed by a slit in front of the multispectral point light source. A slit diaphragm is imaged onto the object. A chromatic aberration is already introduced into the system during the beam shaping in order to generate a parallel beam through a lens.
ZUSAMMENFASSUNG SUMMARY
Aufgabe ist es, verbesserte Technologien zur Untersuchung einer Probe anzugeben, insbeson- dere zur optischen Untersuchung einer Probe. The task is to specify improved technologies for examining a sample, in particular for the optical examination of a sample.
Es ist eine Vorrichtung mit den Merlanalen nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9 geschaffen. Weitere Ausfuhrungsformen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen. There is provided a device with the merlanals according to claim 1 and a method according to claim 9. Further embodiments are the subject of dependent claims.
Es ist eine Vorrichtung zur chromatisch-konfokalen Untersuchung einer Probe offenbart. Die Vorrichtung weist eine multispektrale Lichtquelle auf, die in einem Brennpunkt eines Hohlspiegels angeordnet ist. Von der Lichtquelle abgegebenes Licht wird von dem Hohlspiegel zumindest teilweise als parallele Lichtstrahlen reflektiert. Die Vorrichtung weist weiterhin einen im Strahlengang der Lichtstrahlen angeordneten Stahlteiler auf, der konfiguriert ist, die Lichtstrahlen zumindest teilweise zu einer Probe zu lenken und von der Probe reflektiertes Licht zu einer Detektoreinrichtung durchzulassen. Des Weiteren ist eine erste Fokussierein- richtung vorgesehen, die zwischen dem Stahlteiler und der Probe angeordnet ist und die kon- figuriert ist, das aus dem Strahlteiler austretende Licht zu einer Linie zu fokussieren, so dass eine erste Fokuslichtlinie erzeugt wird. Die Vorrichtung umfasst eine zweite Fokussierein- richtung, die zwischen dem Strahlteiler und der Detelrtoreinrichtung angeordnet ist, und die konfiguriert ist, das von der Probe reflektierte Licht zu einer Linie zu fokussieren, so dass eine zweite Fokuslichtlinie erzeugt wird, Eine Spaltblende ist zwischen der zweiten Fokussie- reim chtung und der Detektoreinrichtung angeordnet. Die Detektoreinrichtung ist konfiguriert, von der Probe reflektiertes Licht spektral auszuwerten. An apparatus for chromatic-confocal examination of a sample is disclosed. The device has a multispectral light source which is arranged in a focal point of a concave mirror. Light emitted by the light source is at least partially reflected by the concave mirror as parallel light rays. The device still has a steel divider arranged in the beam path of the light beams and configured to at least partially direct the light beams to a sample and to transmit light reflected from the sample to a detector means. Furthermore, a first focusing device is provided, which is arranged between the steel divider and the sample and which is configured to focus the light emerging from the beam splitter into a line, so that a first focus light line is generated. The device comprises a second focusing device, which is arranged between the beam splitter and the Detelrtoreinrichtung and which is configured to focus the light reflected from the sample to a line, so that a second focus light line is generated, a slit is between the second Focusing rectification and the detector device arranged. The detector device is configured to spectrally evaluate light reflected from the sample.
Nach einem anderen Aspekt ist ein Verfahren offenbart, mit folgenden Schritten: Bereitstellen von Referenzdaten, wobei die Referenzdaten Reflektanzkurven eines Materials der Probe bei unterschiedlichen Schichtdicken und eine chromatische Referenzkennlinie umfassen, Vergleichen einer von der Probe reflektierten und mittels einer Detektoreinrichtung erfassten Reflek- tanzkurve mit den Referenzdaten und Bestimmen einer Schichtdicke der Probe sowie eines Abstands der Probe von der Detektoreinrichtung anhand des Vergleichs. Das Verfahren kann beispielsweise mit der in der Anmeldung offenbarten Vorrichtung ausgeführt werden. According to another aspect, there is disclosed a method comprising the steps of: providing reference data, the reference data including reflectance curves of a material of the sample at different layer thicknesses and a chromatic reference characteristic, comparing a reflectance curve reflected from the sample and detected by a detector means Reference data and determining a layer thickness of the sample and a distance of the sample from the detector device based on the comparison. The method can be carried out, for example, with the device disclosed in the application.
Als Probe kann insbesondere eine dünne Schicht zum Einsatz kommen, deren Oberfläche beleuchtet wird, um Eigenschaften der Schicht zu ermitteln (Dünnschichtvermessung). Die Probe kann ein oder mehrere Materialien aufweisen. Die Probe kann als eine Schicht aus einem einzelnen Material bereitgestellt sein. Alternativ kann die Probe als mehrschichtiges Sys- tem bereitgestellt sein, wobei verschiedene Materialien in Schichten angeordnet sind. Die Probe kann organische und / oder anorganische Materialien enthalten. Die Probe kann beispielsweise mittels eines Druckprozesses hergestellt sein. Die Dicke der Probe kann zwischen 30 nm und 3,5 μπι betragen. Durch die Verwendung des Hohlspiegels zur teilweisen parallelen Ausrichtung des von der Lichtquelle abgegebenen Lichts wird eine chromatische AbeiTation vermieden, wie sie beim Einsatz von Kollimatorlinsen in der Regel auftritt. Der Hohlspiegel kann als Parabolspiegel ausgeführt sein, beispielsweise als Off-Axis Parabolspiegel. Alternativ kann ein sphärischer Hohlspiegel vorgesehen sein. Die Lichtquelle kann näherungsweise eine Punktlichtquelle sein. Je näher die Lichtquelle dem Ideal der Punktlichtquelle kommt, umso besser ist die Auflösung der Vorrichtung. Die Lichtquelle kann mittels einer Lichtleitfaser bereitgestellt sein, wobei in ein Ende der Lichtleitfaser Licht eingespeist wird, das an einem anderen Ende der Lichtleitfaser austritt, und wobei das andere Ende der Lichtleitfaser im Brennpunkt des Hohlspiegels angeordnet ist. Das andere Ende der Lichtleitfaser kann auch als offenes Ende bezeichnet werden. Die Lichtleitfaser kann eine Glasfaser sein. Die Glasfaser kann einen Kerndurchmesser von wenigsten 50 μπι aufweisen. Der Kerndurchmesser kann alternativ wenigstens 200 μηι betragen. Es können auch Glasfasern mit einem Kerndurchmesser von weniger als 50 μιη verwendet werden, beispielsweise 30 μιη, 20 μιη oder 10 μιη. Ein kleinerer Kerndurchmesser kann zu einer besseren örtlichen Auflösung führen. In einer Ausführungsform kann die Lichtleitfaser als Singlemodefaser ausgeführt sein, beispielsweise mit einem Kerndurchmesser von 9 μιη. Die Glasfaser kann als Stufenindex-Multimode-Glasfaser oder als Gradientenindex-Multimode-Glasfaser ausge- führt sein. Die Verwendung einer Lichtleitfaser erhöht die Flexibilität der Vorrichtung. Licht aus einer Leuchte kann mittels der Lichtleitfaser in die Vorrichtung eingespeist werden, wobei die Anordnung der Leuchte außerhalb der Vorrichtung erfolgen kann. Als Leuchte kann beispielsweise eine LED (light emitting diode) verwendet werden. Die Lichtquelle kann als einzelne LED, als mehrere einzelne LEDs oder als LED-Array bereitgestellt sein. Beispiels- weise kann eine Weißlicht-LED eingesetzt werden. Durch eine Kombination verschiedenfarbiger LEDs, beispielsweise in einem Array, kann eine bestimmte Spektralverteilung der Lichtquelle eingestellt werden. Die Lichtquelle kann konfiguriert sein, Licht in einer der folgenden Spektralbereiche abzugeben: UV (ultraviolett), VIS (sichtbares Licht), NIR (nahes Infrarot), IR (Infrarot) und eine Kombination hiervon. Die Detektoreinrichtung kann konfigu- riert sein, Licht in den vorgenannten Spektralbereichen zu empfangen und auszuwerten. Insbesondere kann der Spektralbereich der Lichtquelle an den Spektralbereich der Detektoreinrichtung angepasst sein. In particular, a thin layer can be used as a sample, the surface of which is illuminated in order to determine properties of the layer (thin-layer measurement). The sample may comprise one or more materials. The sample may be provided as a layer of a single material. Alternatively, the sample may be provided as a multilayer system with various materials arranged in layers. The sample may contain organic and / or inorganic materials. The sample can be produced, for example, by means of a printing process. The thickness of the sample can be between 30 nm and 3.5 μπι. The use of the concave mirror for partially parallel alignment of the light emitted by the light source avoids chromatic erosion, which usually occurs when using collimator lenses. The concave mirror can be designed as a parabolic mirror, for example as an off-axis parabolic mirror. Alternatively, a spherical concave mirror may be provided. The light source may be approximately a point light source. The closer the light source comes to the ideal of the point light source, the better the resolution of the device. The light source may be provided by means of an optical fiber, wherein in one end of the optical fiber light is emitted, which emerges at another end of the optical fiber, and wherein the other end of the optical fiber is arranged in the focal point of the concave mirror. The other end of the optical fiber may also be referred to as an open end. The optical fiber may be a glass fiber. The glass fiber may have a core diameter of at least 50 μπι. The core diameter may alternatively be at least 200 μηι. It can also glass fibers with a core diameter of less than 50 μιη be used, for example, 30 μιη, 20 μιη or 10 μιη. A smaller core diameter can lead to better local resolution. In one embodiment, the optical fiber may be designed as a single mode fiber, for example with a core diameter of 9 μm. The fiber may be implemented as a step index multimode fiber or as a graded index multimode fiber. The use of an optical fiber increases the flexibility of the device. Light from a luminaire can be fed into the device by means of the optical fiber, wherein the arrangement of the luminaire can take place outside the device. As a light, for example, an LED (light emitting diode) can be used. The light source may be provided as a single LED, as a plurality of individual LEDs, or as an LED array. For example, a white light LED can be used. By combining different colored LEDs, for example in an array, a specific spectral distribution of the light source can be set. The light source may be configured to emit light in one of the following spectral ranges: UV (ultraviolet), VIS (visible light), NIR (near infrared), IR (infrared), and a combination thereof. The detector device can be configured to receive and evaluate light in the abovementioned spectral ranges. In particular, the spectral range of the light source can be adapted to the spectral range of the detector device.
Die Lichtquelle kann als gepulste Lichtquelle bereitgestellt sein. Es kann eine Steuereinrich- tung für die Lichtquelle vorgesehen sein, die konfiguriert ist, Lichtpulse mit einer bestimmten Pulslänge zu erzeugen. Bei Verwendung einer LED (einzeln, mehrere LEDs oder in einem LED Array) lässt sich eine minimale Pulsdauer von 500 με erreichen. Mit einer pulsbaren breitbandigen Lichtquelle mit ausreichend hoher Leistung sind auch Belichtungszeiten im Nanosekundenbereich möglich. Des Weiteren kann eine Pulserzeugungseinrichtung vorgesehen sein, beispielsweise ein optischer Shutter (z.B. eine Pockels-Zelle). Die Pulserzeugungseinrichtung kann konfiguriert sein, Pulse mit einer Länge von 40 oder kürzer zu erzeugen. The light source may be provided as a pulsed light source. A light source controller configured to generate light pulses having a particular pulse length may be provided. When using an LED (individually, several LEDs or in an LED array), a minimum pulse duration of 500 με can be achieved. With a pulsable broadband light source with sufficiently high power, exposure times in the nanosecond range are also possible. Furthermore, a pulse generating device may be provided, for example an optical shutter (eg a Pockels cell). The pulse generator may be configured to generate pulses having a length of 40 or shorter.
Die Komponenten der Vorrichtung können derart angeordnet und / oder konfiguriert sein, dass Lichtstrahlen ausschließlich senkrecht auf die Probe einfallen. The components of the device may be arranged and / or configured such that light rays are incident solely perpendicular to the sample.
Nach einer Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich die folgenden Komponenten auf: eine erste Abschirmeinrichtung, die in einem aus dem Strahlteiler austretenden Verlustpfad angeordnet ist, wobei der Verlustpfad Licht umfasst, das von der Lichtquelle abgegeben wird und das durch den Strahlteiler tritt, ohne in Richtung der Probe abgelenkt zu werden, wobei die erste Abschirmeinrichtung derart in dem Verlustpfad angeordnet ist, dass ein Teil des Lichts im Verlustpfad auf die erste Abschirmeinrichtung trifft und ein anderer Teil des Lichts im Verlustpfad an der ersten Abschirmeinrichtung vorbei geht, einen Spiegel, der hinter der ersten Abschirmeinrichtung angeordnet ist, so dass der Spiegel das an der ersten Abschirmeinrichtung vorbei gehende Licht reflektiert, derart, dass das reflektierte Licht zum Strahlteiler zurück läuft und von dem Strahlteiler als Referenzlicht zur Detektoreinrichtung umgelenkt wird, und eine zweite Abschirmeinrichtung, die zwischen dem Strahlteiler und der ersten Fokussiereinrichtung derart in einem Lichtpfad in Richtung zu der Probe angeordnet ist, dass Licht mit einer Breite, die einer Breite des an der ersten Abschirmeinrichtung vorbei gehenden und von dem Spiegel reflektierten Lichts im Verlustpfad entspricht, in dem Lichtpfad zur Probe abgeschirmt wird. Im Strahlengang des Referenzlichts kann eine Abdämpfeinrichtung zum Abschwächen des Lichts angeordnet sein, beispielsweise vor dem Spiegel. Hierdurch kann die Lichtleistung an der Detel toreinrichtung gesteuert werden (Dynamikanpassung). Bei unterschiedlichen Messobjekten kann unterschiedlich viel Licht reflektiert werden. Eine schlechtere Reflektion kann durch eine höhere Lichtleistung der Lichtquelle kompensiert werden. Allerdings kann dann der Bereich des Referenzpfads an der Detektoreinrichtung in Sättigung gehen. Mittels der Abdämpfeinrichtung kann das Referenzlicht abge- schwächt werden, um die Sättigung zu vermeiden. Die Abdämpfeinrichtung kann als Filter ausgeführt sein. Beispielsweise kann ein Magazin mit verschiedenen (zwei oder mehr) Graustufenfiltern direkt vor dem Spiegel des Referenzpfades angeordnet sein, um die Lichtmenge in dem Pfad zu verringern. Es kann auch ein Display oder ein variabler Filter vorgesehen sein, wobei die Einstellung von einem Algorithmus vorgenommen bzw. geregelt werden kann. Die Detel toreinrichtung kann als Hyperspektraldetektor (Hyperspektralimager - HSI) ausgeführt sein. Wie ein Spektrometer besitzen HSI die Eigenschaft, eingekoppeltes Licht in spektrale Komponenten zu zerlegen. Üblicherweise kommen hierzu transmissive oder reflektive optische Gitter zum Einsatz. Im Gegensatz zu einem Spektrometer kann ein HSI nicht nur einen Messfleck spektral auflösen, sondern auch eine Linie. Je nach angebauter Flächenkamera wird diese lateral abgetastet. Anstatt einer eindimensionalen Messung erlaubt ein HSI eine zweidimensionale Darstellung. Die abbildenden Eigenschaften der verwendeten Gitter haben zur Folge, dass beim spektralen Auflösungsvermögen nicht so hohe Auflösungen erreicht werden. Die Vorrichtung kann ein HSI mit reflel tiven Konkavgitterelementen aufweisen, beispielsweise ein Gerät der Firma Headwall, Model Serie A. Die spektrale Auflösung istmit 2-3 nm bei einem 25 μηι Eingangsspalt angegeben. Die Auflösung ist hoch genug, um Schichtdickenmesstechrrik zu ermöglichen. Die Detektoreinrichtung kann mehrere Detektoreinheiten aufweisen, welche unters cliiedliche spektrale Aufnahmebereiche und / oder spektrale Auflösungen haben. Hierdurch kann der Messbereich und / oder die Messauflösung angepasst werden. According to one embodiment, the device additionally comprises the following components: a first shielding device arranged in a loss path emerging from the beam splitter, the loss path comprising light emitted by the light source and passing through the beam splitter, without being directed in the direction of Sample is deflected, wherein the first shielding means is disposed in the loss path such that a part of the light in the loss path hits the first shielding means and another part of the light in the loss path passes the first shielding means, a mirror behind the first one Shielding device is arranged so that the mirror reflects the past the first shielding light, such that the reflected light to the beam splitter back and is deflected by the beam splitter as a reference light to the detector means, and a second shielding device, the un between the beam splitter d of the first focusing means is arranged in a light path toward the sample such that light having a width corresponding to a width of the light passing the first shield means and reflected by the mirror in the leakage path is shielded in the light path to the sample. An attenuation device for attenuating the light may be arranged in the beam path of the reference light, for example in front of the mirror. As a result, the light output at the Detel gate device can be controlled (dynamic adaptation). With different measuring objects different amounts of light can be reflected. A worse reflection can be compensated by a higher light output of the light source. However, then the range of the reference path at the detector device can saturate. By means of the dampening device, the reference light can be attenuated in order to avoid saturation. The Abdämpfeinrichtung can be designed as a filter. For example, a magazine with different (two or more) grayscale filters may be placed directly in front of the mirror of the reference path to reduce the amount of light in the path. It is also possible to provide a display or a variable filter, wherein the setting can be made or regulated by an algorithm. The Detel toreinrichtung can be designed as Hyperspectral detector (Hyperspectral Imager - HSI). Like a spectrometer, HSI have the property of breaking up coupled light into spectral components. Usually, transmissive or reflective optical gratings are used for this purpose. Unlike a spectrometer, an HSI can not only spectrally resolve a spot, but also a line. Depending on the attached surface camera, it is scanned laterally. Instead of a one-dimensional measurement, an HSI allows a two-dimensional representation. The imaging properties of the gratings used have the consequence that not so high resolutions are achieved in the spectral resolution. The device may have an HSI with reflel tive Konkavgitterelementen, for example, a device from the company Headwall, Model Series A. The spectral resolution is given with 2-3 nm at a 25 μηι entrance gap. The resolution is high enough to allow layer thickness measurement. The detector device can have a plurality of detector units which have different spectral pickup ranges and / or spectral resolutions. As a result, the measuring range and / or the measurement resolution can be adjusted.
Die erste Fokussiereinrichtung kann als eine Zylinderlinse ausgebildet sein, welche eine chromatische Aberration aufweist, wobei eine Änderung der Brennweite des Lichts linear von der Wellenlänge des Lichts abhängig ist. Es kann auch eine Zylinderlinse mit einer nichtlinearen Kennlinie als erste Fokussiereinrichtung eingesetzt werden. Die erste Fokussiereinrichtung kann eine Zylinderlinse mit einer nicht-linearen, monotonen Kennlinie sein. Die zweite Fokussiereinrichtung kann als Zylinderlinse oder als parabolischer Rinnenspiegel aus- geführt sein. Die erste Fokussiereinrichtung und / oder die zweite Fokussiereinrichtung können eine Anordnung von mehreren Zylinderlinsen (z.B. ein Objektiv) umfassen. Die mehreren Zylinderlinsen können derart kombiniert sein, dass eine lineare Kennlinie der ersten Fokussiereinrichtung und / oder der zweiten Fokussiereinrichtung erzielt wird. Das Verfahren kann des Weiteren umfassen: Erfassen eines Referenzlichts einer Lichtquelle und Korrigieren der Reflektanzkurve unter Berücksichtigung des Referenzlichts. The first focusing means may be formed as a cylindrical lens having a chromatic aberration, wherein a change in the focal length of the light is linearly dependent on the wavelength of the light. It is also possible to use a cylindrical lens with a nonlinear characteristic as the first focusing device. The first focusing device may be a cylindrical lens with a non-linear monotone characteristic. The second focusing device can be designed as a cylindrical lens or as a parabolic trough mirror. The first focusing means and / or the second focusing means may comprise an array of a plurality of cylindrical lenses (e.g., a lens). The plurality of cylindrical lenses may be combined such that a linear characteristic of the first focusing device and / or the second focusing device is achieved. The method may further comprise: detecting a reference light of a light source and correcting the reflectance curve in consideration of the reference light.
Die Vorrichtung ermöglicht einen Linienscan der Probe. Die Vorrichtung und die Probe können relativ zueinander bewegt werden, beispielsweise mit einer an die Vorrichtung und / oder die Probe gekoppelten Antriebseinrichtung. Dies ermöglicht die Bestimmung einer Fläche. Die Detektoreinrichtung kann mit einer Auswerteeinrichtung gekoppelt sein. Die Auswerteeinrichtung kann in die Detektor einrichtung integriert sein oder getrennt hiervon gebildet sein. Die Auswerteeimichtung kann als Datenverarbeitungseinrichtung arxsgeführt sein. Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise einen oder mehrere Prozessoren sowie einen Speicher mit einem flüchtigen (z.B. Arbeitsspeicher) und / oder einem nicht flüchtigen (z.B. eine Festplatte und / oder einen Flash-Speicher) Speicherbereich aufweisen. Des Weiteren kann die Auswerteeinrichtung Kommunikationseinrichtungen zum Empfangen und / oder Senden von Daten und / oder Datenströmen aufweisen, beispielsweise einen Netzwerkanschluss (LAN - local area network), einen Anschluss für ein kabelloses Netzwerk (WLAN - wireless local area network), ein Mobilfunkmodul (z.B. 2G, 3G und / oder 4G), einen USB-Anschluss (USB - universal serial bus), einen Bluetooth-Adapter und / oder einen Firewire-Anschluss (IEEE 1394). Die Auswerteeinrichtung kann eine Vorrichtung zum Erfassen einer Benutzereingabe aufweisen, beispielsweise eine Tastatur, eine Maus und / oder ein Touchpad. Die Auswerteeinrichtung kann mit einer Anzeigeeinrichtung verbunden sein. Alternativ kann eine Anzeigeeimichtung in der Auswerteeinrichtung integriert sein. Die Anzeigeeinrichtung kann einen berührungsempfmdlichen Bildschirm (touch screen) zum Erfassen einer Benutzereingabe aufweisen. Die Auswerteeirrrichtung kann konfiguriert sein, das in der Anmeldung offenbarte Verfahren auszuführen. Die Auswerteeimichtung kann beispielsweise ein Personalcomputer oder ein Tablet sein. Die Vorrichtung und das Verfahren können eine Schichtdickenbestimmung auf Messflächen einer Probe ermöglichen, Dies geschieht beispielsweise mittels eines Hyperspektralimagcrs, welcher als Detektoreinrichtung genutzt werden kann. Die Vorrichtung kann eine Messlinie erzeugen, welche beispielsweise orthogonal zur Probe ist. Die Reflexionen des Lichts von der Probe können wiederum zu einer Linie geformt und auf die Spaltblende (Eingangsschlitz) des Hyperspektralimagers fokussiert werden. Die Funktionalität eines Hyperspektralimagers erlaubt es, zu jeder lateral auflösbaren Position ein Spektrum zu erhalten, was eine Berechnung der Schichtdicke ermöglicht, Somit ermöglicht die Vorrichtung beispielsweise eine Umsetzung des reflektometrischen Messprinzips an Hyperspektralimagern. Bewegt sich der Hyper- spektralimager oder die Probe linear gleichförmig in eine Richtung, wie z. B. bei Endlos- Bahndrucken, kann das vollflächige Messen von Schichten gewährleistet werden. The device allows a line scan of the sample. The device and the sample can be moved relative to one another, for example with a drive device coupled to the device and / or the sample. This allows the determination of a surface. The detector device can be coupled to an evaluation device. The evaluation device can be integrated into the detector device or be formed separately therefrom. The evaluation device can be executed as a data processing device. The evaluation device can have, for example, one or more processors as well as a memory with a volatile (eg main memory) and / or a non-volatile (eg a hard disk and / or a flash memory) memory area. Furthermore, the evaluation device can have communication devices for receiving and / or transmitting data and / or data streams, for example a network connection (LAN), a connection for a wireless network (WLAN), a mobile radio module (eg 2G, 3G and / or 4G), a USB port (USB - universal serial bus), a Bluetooth adapter and / or a Firewire port (IEEE 1394). The evaluation device can have a device for detecting a user input, for example a keyboard, a mouse and / or a touchpad. The evaluation device can be connected to a display device. Alternatively, a display device can be integrated in the evaluation device. The display device may include a touch-sensitive screen for detecting user input. The evaluation device may be configured to execute the method disclosed in the application. The evaluation device can be, for example, a personal computer or a tablet. The device and the method can enable a layer thickness determination on measuring surfaces of a sample. This is done, for example, by means of a hyperspectral imager, which can be used as a detector device. The device may generate a measurement line that is orthogonal to the sample, for example. The reflections of the light from the sample can in turn be formed into a line and focused on the slit (entrance slit) of the hyperspectral imager. The functionality of a hyperspectral imager allows a spectrum to be obtained for each laterally resolvable position, which enables a calculation of the layer thickness. Thus, the device makes it possible, for example, to implement the reflectometric measurement principle on hyperspectral images. If the hyper- spectral image or the sample linearly uniform in one direction, such. B. in continuous web printing, the full-surface measurement of layers can be guaranteed.
Die für die Vomchtung offenbarten Merkmale sind in analoger Weise auf das Verfahren an- wendbar und anders herum. The features disclosed for the apparatus are analogously applicable to the method and vice versa.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen Description of exemplary embodiments
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Es zeigen: Exemplary embodiments are explained in more detail below with reference to FIGS. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausfuhrlingsform der Vorrichtung, 1 is a schematic representation of an exporting form of the device,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Abstandsmessung, 2 is a schematic representation of a distance measurement,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung, Fig. 4 eine Konstruktionszeichnung einer Ausführungsform der Vorrichtung,  3 shows a schematic representation of a further embodiment of the device, FIG. 4 shows a construction drawing of an embodiment of the device,
Fig. 5 Simulationsergebnisse zum Einfluss des Faserdurchmessers auf den longitudinalen Messbereich,  5 simulation results on the influence of the fiber diameter on the longitudinal measuring range,
Fig. 6 Simulationsergebnisse zum Einfluss des Faserdurchmessers auf die laterale Auflösung der Vorrichtung,  6 shows simulation results on the influence of the fiber diameter on the lateral resolution of the device,
Fig. 7 Messergebnisse für einen Siliziumwafer und Fig. 7 measurement results for a silicon wafer and
Fig. 8 Messergebnisse für einen Siliziumwafer. 8 shows measurement results for a silicon wafer.
Im Folgenden beziehen sich gleiche Referenznummern auf gleiche Komponenten. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung, Auf der linken Seite von Fig. 1 ist die Vorrichtung mit dem Messkonzept längs zur Messlinie dargestellt (longitudinaler Messbereich 9) und auf der rechten Seite von Fig. 1 ist die Vorrichtung mit dem Messkonzept quer zur Messlinie (lateraler Messbereich 10) gezeigt. Ausgangspunkt ist eine punktförmige Lichtquelle 5. Die Eigenschaft der Punktförrnigkeit ist von großer Be- deutung für das erzielbare laterale Auflösungsvermögen der Vorrichtung. Die (näherungsweise) Punl tförmigkeit der Lichtquelle wird mithilfe einer Multimode-Glasfaser erzeugt. Ein offenes Ende einer Multimode-Faser modelliert eine punktförmige Lichtquelle 5, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass die Einspeisung von Licht in das Messsystem flexibel geschehen kann. Es erweisen sich Glasfasern mit einem Kerndurchmesser ab 50 μηι oder ab 200 m als geeignet, um gute Ergebnisse zu erzielen. Die punktförmige Lichtquelle 5 wird mithilfe eines Off-Axis Parabolspiegels 7 ohne chromatische Aberration kollimiert und durch einen 50/50 Strahlteiler 4 in einen Messpfad eingespeist. Vor dem Strahlteiler 4 ist eine Rechteckblende 6 angeordnet. Zylinderlinsen 8a, 8b fokussieren den parallelisierten Stahl zu einer ebenen Fo- kuslinie orthogonal zum Messobjekt 11. Das eingestrahlte Licht reflektiert an den verschieden Grenzflächen der dünnen Schichten auf dem Messobjekt 11. Die reflektierten Anteile interferieren nach dem Gesetz der Mehrstrahlinterferenz miteinander und erzeugen so einen charakteristischen spektralen Verlauf. Die reflektierten Anteile werden wiederum in den Messpfad zurückgekoppelt. Die reflektierte Strahlung durchläuft den Strahlteiler 4 erneut und wird von einer weiteren Zylinderlinse 3 zu einer Linie abgebildet. Diese Line ist auf einen Eingangspalt 2 eines Hyperspel tralimagers (HSI) 1 fokussiert, welcher konfiguriert ist, die Linie sowohl lateral als auch spektral zu zerlegen. Die Auflösung des HSI 1 bestimmt, wie fein die Messlinie unterteilt werden kann. Das heißt, mit steigender Auflösung des Imagers 1 steigt auch die laterale Auflösung der Messeinheit. Systembedingt bietet der HSI 1 zu jedem lateralen Pixel eine Reihe an spektralen Pixeln an. Hier gilt, dass eine höhere spektrale Auflösung eine genauere Dickenbestimmung zulässt. Alternativ kann anstatt der Zylinderlinse 3 auch ein parabolischer Rinnenspiegel verwendet werden. Dieser Spiegel hat den Vorteil, keine zusätzliche chromatische Aberration in das Sys- tem einzubringen. Hereinafter, like reference numerals refer to like components. Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the device, on the left side of Fig. 1, the device with the measuring concept is shown along the measuring line (longitudinal measuring range 9) and on the right side of Fig. 1, the device with the measuring concept shown transverse to the measuring line (lateral measuring range 10). The starting point is a punctiform light source 5. The property of the point fidelity is of great importance for the achievable lateral resolving power of the device. The (approximate) polarity of the light source is generated using a multimode fiber. An open end of a multimode fiber models a punctiform light source 5, with the additional advantage that the feeding of light into the measuring system can be done flexibly. It prove to be glass fibers with a core diameter from 50 μηι or from 200 m as suitable for good results. The punctiform light source 5 is collimated by means of an off-axis parabolic mirror 7 without chromatic aberration and fed through a 50/50 beam splitter 4 in a measuring path. In front of the beam splitter 4 a rectangular aperture 6 is arranged. Cylindrical lenses 8a, 8b focus the parallelized steel to a flat focal line orthogonal to the measuring object 11. The incident light reflects at the various interfaces of the thin layers on the measuring object 11. The reflected components interfere with each other according to the law of multi-beam interference and thus produce a characteristic spectral course. The reflected components are in turn fed back into the measurement path. The reflected radiation passes through the beam splitter 4 again and is imaged by another cylindrical lens 3 to a line. This line is focused on an input slit 2 of a hyperspectral imager (HSI) 1, which is configured to split the line both laterally and spectrally. The resolution of the HSI 1 determines how finely the measurement line can be subdivided. That is, with increasing resolution of the imager 1, the lateral resolution of the measuring unit also increases. Due to the system, the HSI 1 offers a number of spectral pixels for each lateral pixel. Here it applies that a higher spectral resolution allows a more exact thickness determination. Alternatively, instead of the cylindrical lens 3, a parabolic trough mirror can also be used. This mirror has the advantage of not introducing any additional chromatic aberration into the system.
Sind die Brechzahlen der untersuchten Medien bekannt, kann mithilfe der Spektren die Schichtenstruktur und Dicke analysiert werden. Dabei bedient man sich der optischen Modellierung der untersuchten Schichten. Die Reflektanzantwort kann mithilfe der physikalischen Gesetzmäßigkeiten simuliert werden. Simuliert man sämtliche Schichtdicken des untersuchten Materials, entsteht eine Datenbanlc aus verschiedenen Reflektanzkurven bei bestimmten Schichtdicken. Die gemessene Reflektanzkurve wird dann mit den Kurven der Datenbank verglichen. Als Schichtdicke erhält man denjenigen Wert, bei welchem sich die Kurven am besten überdecken. If the refractive indices of the investigated media are known, the spectra can be used to analyze the layer structure and thickness. In doing so one uses the optical modeling of the examined layers. The reflectance response can be simulated using physical laws. If one simulates all the layer thicknesses of the examined material, a database of different reflectance curves at certain layer thicknesses is created. The measured reflectance curve is then compared to the curves of the database. The layer thickness is the value at which the curves best overlap.
Zusätzlich zur Schichtdickenbestimmung besteht die Möglichkeit, die Oberflächenstruktur oder den Abstand des Messobjekts zu erfassen. Dazu wird das Prinzip der Konfokaltechnik verwendet. Wie in Fig. 2 dargestellt, weist auch die Zylinderlinse 19 Dispersion auf, wodurch bei breitbandigem Licht der Fokus wellenlängenabhängig und deshalb nicht ortsgebunden ist. Die dispersiven Eigenschaften der Linse 19 erzeugen bei kurzwelligem Licht kleinere Fokuslängen als bei langwelligem Licht. Die parallelen Lichtstrahlen 17 werden von dem Strahlteiler 4 zum Messobjekt 11 gelenkt. Der parallele Strahlengang bleibt hierbei erhalten. Mittels der Zylinderlinse 19 werden die Lichtstrahlen gebrochen, wobei unterschiedliche Wellenlän- gen eine unterschiedliche Brechung erfahren. Die Zylinderlinse kann derart konfiguriert sein, dass die Abhängigkeit der Brennweite von der Wellenlänge linear ist. Die von dem Messobjekt 11 reflektierten Strahlen werden durch den Strahlteiler 4 durchgelassen. Die Zylinderlinse 18 fokussiert die Strahlen erneut und führt sie auf den Eingangsspalt 21, der dem Detektor (HSI) vorgestellt ist. Werden an dem Detektor Anteile der eintreffenden Strahlung, welche nicht im Fokus liegen, ausgeschnitten, kann die Höhe des Messobjektes 11 bestimmt werden. Dies geschieht am Eingangsspalt 21 . des HSI. Nur diejenigen Wellenlängen, welche hinreichend fokussiert sind, können den Spalt 21 passieren. Wird das erhaltene Spektrum nach den farbigen Anteilen ausgewertet, kann bestimmt werden, in welcher Höhe sich das Messobjekt 11 befindet. Das ermöglicht neben der flächenbasierten Analyse von Schichtdicken, auch die direkte Erfassung der Topografie der Oberfläche. In addition to the layer thickness determination, it is possible to detect the surface structure or the distance of the measurement object. For this purpose the principle of confocal technique is used. As shown in FIG. 2, the cylindrical lens 19 also has dispersion, whereby in the case of broadband light the focus is wavelength-dependent and therefore not localized. The dispersive properties of the lens 19 produce shorter focal lengths with short-wave light than with long-wave light. The parallel light beams 17 are directed by the beam splitter 4 to the measurement object 11. The parallel beam path is retained here. By means of the cylindrical lens 19, the light beams are refracted, whereby different wavelengths undergo a different refraction. The cylindrical lens may be configured such that the dependence of the focal length on the wavelength is linear. The rays reflected by the measuring object 11 are transmitted through the beam splitter 4. The cylindrical lens 18 refocuses the beams and directs them to the entrance slit 21 presented to the detector (HSI). If portions of the incident radiation, which are not in focus, are cut out at the detector, the height of the measurement object 11 can be determined. This happens at the entrance slit 21. of the HSI. Only those wavelengths that are sufficiently focused can pass through the gap 21. If the spectrum obtained is evaluated according to the colored components, it can be determined in which height the measuring object 11 is located. In addition to the area-based analysis of layer thicknesses, this also enables the direct detection of the topography of the surface.
Im Folgenden wird das Verfahren näher erläutert: The following is a more detailed explanation of the method:
Dem Verfahren liegt die Dünnschichtspektroskopie bzw. die spektrale Reflektometrie zu- gründe. Der Einsatz einer intensiven, gepulsten Lichtquelle ermöglicht eine Messung an feststehenden oder an bewegten Objekten. Die Reflexionen des Lichtpulses an den Grenzschichten des Messobjektes interferieren. Diese Interferenzen werden spektral ausgewertet. Innerhalb des Lichtpulses kann sich das Messobjekt unter dem Sensorkopf bewegen. Durch eine der Messobjektgeschwindigkeit angepasste (kurze) Pulszeit wird diese Bewegung während der Messung„eingefroren" und damit eine ausreichend hohe laterale Auflösung erreicht. Die Auswertung erfolgt mittels eines modellbasierten Schätzers (prozess- und materialoptimiertes Modell). Das physikalische Modell der Schichtabfolge wird dabei an das gemessene Spektrum angepasst. Die freien Parameter des Schätzers stellen die zu messenden Größen dar. Die A iswertung folgt dem Prinzip der spektralen Dünnschichtinterferometrie. Dieses Messverfahren ist allgemein bekannt und nutzt den physikalischen Effekt, dass Messlicht an den Grenzschichten bzw. an der Oberfläche von transparenten Dünnschichten reflektiert wird, wobei bei dem reflektierten Messlicht Interferenzen auftreten, die hinsichtlich der Schichteigenschaften ausgewertet werden können. Die hierbei entstehenden Interferenzen können aus- gewertet werden, um Aussagen über die Eigenschaften der untersuchten Schicht zu erlangen. Diese Aussagen können sich auf die transparente Lage an der Oberfläche der Schicht und evtl. auf weitere transparente Lagen unterhalb der transparenten Lage an der Oberfläche beziehen. Als transparent werden Lagen angesehen, welche zumindest für einen Teil des Messlichtes durchlässig sind. The method is based on thin-layer spectroscopy or spectral reflectometry. The use of an intense, pulsed light source allows a measurement on fixed or moving objects. The reflections of the light pulse at the boundary layers of the measurement object interfere. These interferences are evaluated spectrally. Within the light pulse, the measurement object can move under the sensor head. By means of a (short) pulse time adapted to the target velocity, this movement is "frozen" during the measurement and thus a sufficiently high lateral resolution is achieved.The evaluation is carried out by means of a model-based estimator (process- and material-optimized model) The estimator's free parameters represent the quantities to be measured.The evaluation follows the principle of spectral thin-layer interferometry.This measuring method is well known and utilizes the physical effect that measuring light at the boundary layers or at the surface of transparent Thin films is reflected, with the reflected measuring light interferences occur, which can be evaluated with respect to the layer properties. be evaluated to obtain statements about the properties of the investigated layer. These statements may refer to the transparent layer on the surface of the layer and possibly to further transparent layers below the transparent layer on the surface. As transparent layers are considered, which are permeable at least for a part of the measuring light.
Insgesamt erfolgt die Auswertung des Messergebnisses durch einen Vergleich der gemessenen Daten bzw. der daraus gewonnenen Merlanale der Schicht, aus denen sich ein Merkmalsraum ergibt. Overall, the evaluation of the measurement result is carried out by comparing the measured data or the merlanale of the layer obtained therefrom, from which a feature space results.
Zum Vergleich werden entsprechende Daten- oder Merkmale herangezogen, die sich als Sollgrößen ergeben müssen. Die Sollgrößen der Merkmale lassen sich beispielsweise durch eine Messung an einem nachgewiesenermaßen qualitativ hochwertigen Messobjekt erzeugen. Es kann aber auch eine sogenannte Fit-basierte Methode zum Einsatz kommen, Fit-basiert be- deutet folgendes: Man berechnet mit Hilfe physikalischer Modelle der Schichtabfolge sowie der Messapparatur ein Spektrum, wie es für die in das Modell eingeflossenen Schichtdicken und optischen Schichteigenschaften gemessen werden müsste. Dieses simulierte Spelctram wird mit dem tatsachlich gemessenen Spektrum verglichen. Die Parameter der Simulation werden so lange angepasst, bis Simulation und realer Messwert übereinstimmen. For comparison, appropriate data or characteristics are used, which must be determined as setpoints. The nominal values of the features can be generated, for example, by a measurement on a proven high-quality measurement object. However, a so-called fit-based method can also be used. Fit-based means the following: Using physical models of the layer sequence and the measuring apparatus, a spectrum is calculated, as measured for the layer thicknesses and optical layer properties incorporated into the model would. This simulated spelctram is compared to the actual measured spectrum. The parameters of the simulation are adjusted until the simulation and the real measured value match.
Eine chromatische Verstimmung, d.h. eine spektrale Abhängigkeit der Fokuswellenlänge wird dahingehend benutzt, um die Höhe bzw. die Lage des Messobjektes zu bestimmen. Diese Verstimmung wird durch die Fokuslinse eingebracht und weist idealerweise einen annähernd linearen Verlauf über die spektrale Breite auf. Die gemessene Reflektanzkurve wird durch die chromatische Verstimmung der Linse moduliert. Mithilfe der bekannten chromatischen Kennlinie kann aus dem Messdatensatz der Abstand des Messobjektes zum Sensorkopf ermittelt werden. Aus der Analyse jedes Messpunktes ergibt sich eine topographische Oberflächenkarte. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, neben der Zeilenabtastung in Kombination mit der Konfokaltechnik, das Quellspektrum der Lichtquelle 5 instantan mitzubestimmen. Reflekto- metrische Dünnschichtmessungen unterliegen den Schwankungen einer Quelle, wodurch die ermittelten Schichtdicken ebenso diesen Schwankungen unterworfen sind. Es kann bei jeder Einzelmessung das Quellspektrum mitbestimmt werden, um die auftretenden Quellschwan- kungen kompensieren zu können. Fig. 3 zeigt dies beispielhaft. In den Strahlteiler 4 eintretendes kollimiertes Licht 16 wird zu einem Teil in Richtung des Messobjekts 11 abgelenkt. Ein anderer Teil des Lichts tritt durch den Strahlteiler 4 ohne Ablenkung hindurch. Dies ist das sogenannte Verlustlicht im Verlustpfad. Im Verlustpfad ist eine Blende 13a angeordnet, wel- che einen Anteil des Verlustlichts absorbiert. Ein weiterer Anteil des Verlustlichts geht an der Blende 13a vorbei und wird von einem Spiegel 12 reflektiert. Der reflektierte Anteil des Verlustlichtes wird durch den Strahlteiler 4 auf den Eingangsspalt 2 umgelenkt. Durch eine Blende 13b im Messpfad wird sichergestellt, dass es zu keinen Überlagerungen am Eingangsspalt 2 kommt. Am Eingangsspalt 2 kommen somit von dem Messobjekt 11 reflektiertes Messlicht 15 und von dem Spiegel 12 reflektiertes Referenzlicht 12 an. Die Separierung der Messdaten von der Quelle kann mittels Software in der Auswerteeinrichtung umgesetzt werden. A chromatic detuning, ie a spectral dependence of the focus wavelength is used to determine the height or position of the measurement object. This detuning is introduced by the focus lens and ideally has an approximately linear course over the spectral width. The measured reflectance curve is modulated by the chromatic detuning of the lens. With the aid of the known chromatic characteristic, the distance of the measurement object to the sensor head can be determined from the measurement data set. The analysis of each measurement point results in a topographical surface map. Furthermore, in addition to the line scan in combination with the confocal technique, it is also possible to co-determine the source spectrum of the light source 5 instantaneously. Reflectometric thin-layer measurements are subject to the fluctuations of a source, as a result of which the determined layer thicknesses are likewise subject to these fluctuations. For each individual measurement, the source spectrum can be co-determined in order to measure the swelling be able to compensate. Fig. 3 shows this by way of example. In the beam splitter 4 entering collimated light 16 is deflected to a part in the direction of the measuring object 11. Another part of the light passes through the beam splitter 4 without deflection. This is the so-called loss light in the loss path. In the loss path, a diaphragm 13a is arranged, which absorbs a portion of the loss light. Another portion of the loss light passes the aperture 13 a and is reflected by a mirror 12. The reflected portion of the loss of light is deflected by the beam splitter 4 to the input gap 2. An aperture 13b in the measuring path ensures that there are no overlappings at the entrance slit 2. Thus, measuring light 15 reflected by the measuring object 11 and reference light 12 reflected by the mirror 12 arrive at the entrance slit 2. The separation of the measured data from the source can be implemented by means of software in the evaluation device.
Eine Referenzmessung der Lichtquelle vor oder während der Messungen kann notwendig sein, um die Reflektivität des Messobjektes zu bestimmen. Diese Referenzmessung kann ins- besondere über den Referenzstrahlengang ermöglicht werden. Eine Referenzmessung parallel zu jeder Messung ermöglicht den Einsatz zeitlich varianter Lichtquellen, d.h. einer Lichtquelle, deren Intensität und Spektrum von Messpuls zu Messpuls variieren kann. Referenzmessungen während bzw. zwischen den Messpulsen ermöglichen eine Regelung der Lichtquelle. Dies kann z.B. notwendig sein, um Umwelteinflüsse zu kompensieren. A reference measurement of the light source before or during the measurements may be necessary to determine the reflectivity of the measurement object. This reference measurement can be made possible in particular via the reference beam path. A reference measurement parallel to each measurement allows the use of time-variant light sources, i. a light source whose intensity and spectrum can vary from measuring pulse to measuring pulse. Reference measurements during or between the measurement pulses allow control of the light source. This can e.g. necessary to compensate for environmental influences.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung wurde mit Hilfe von THORLABS Einzelkomponenten umgesetzt und auf Funktion überprüft. Fig. 4 zeigt die Konstruktionszeichnung der Vorrichtung. Die Vorrichtung weist einen Faseranschluss 30, eine Kollimatoreinheit 31, einen Strahlteilerhalter 32, ein Objektiv 33, Blendenhalter 34, einen Referenzspiegelhalter 35, einen M42-Anschluss für einen Hyperspektralimager 36 und eine Detektorlinsenjustiereinheit 37 auf. Die Komponenten wurden an einen Headwall VNIR Hyperspektralimager der A-Serie angebracht. Die Daten des Hyperspektralimagers wurden mittels eines Framegrabbers zu einem handelsüblichen PC geführt, auf welchem die Datenverarbeitung stattfand. Die Vorrichtung und das Verfahren haben verschiedene Vorteile. Ein Vorteil liegt in der Möglichkeit der Kombination von reflektometrischer Dünnschichtmessung und chromatisch- konfokaler Abstandsmessung, wodurch sowohl die Bestimmung der Schichtdicke als auch des Oberflächenprofils durch ein einziges Messsystem ermöglicht wird. Durch den Einsatz eines Hyperspektralimagers anstelle eines Spektrometers ist das Messgerät zudem in der La- ge, eine mehrere Millimeter lange Linie auf der Messoberfläche in einem Arbeitsschritt zu vermessen. In Gegenüberstellung mit gängigen Verfahren, bei denen lediglich ein Punkt pro Messung untersucht wird, verringert sich bei der Vermessung zweidimensionaler Objekte die Messdauer erheblich. Während bei Punktsensoren eine Abtastung der Messoberfläche in zwei Dimensionen stattfinden muss, genügt beim vorgestellten Zeilensensor eine Abtastung in einer Dimension senkrecht zur Messlinie. An embodiment of the device was implemented with the aid of THORLABS individual components and checked for function. Fig. 4 shows the construction drawing of the device. The device comprises a fiber connector 30, a collimator unit 31, a beam splitter holder 32, a lens 33, diaphragm holder 34, a reference mirror holder 35, an M42 connection for a hyperspectral imager 36 and a detector lens adjustment unit 37. The components were attached to a Headwall VNIR A-Series Hyperspectral Imager. The data of the hyperspectral imager were led by means of a frame grabber to a commercial PC on which the data processing took place. The device and method have several advantages. One advantage lies in the possibility of combining reflectometric thin-film measurement and chromatic-confocal distance measurement, which makes it possible to determine both the layer thickness and the surface profile by means of a single measuring system. By using a hyperspectral imager instead of a spectrometer, the measuring device is also in the ge to measure a line several millimeters long on the measuring surface in one step. Compared with current methods, in which only one point per measurement is examined, the measuring time is considerably reduced when measuring two-dimensional objects. While with point sensors a sampling of the measurement surface must take place in two dimensions, a scan in one dimension perpendicular to the measurement line is sufficient for the presented line sensor.
Durch den Einsatz einer Faser als optische Verbindung zwischen Lichtquelle und Abbildungsoptik wird eine hohe Flexibilität beim Einsatz des Messgeräts erreicht. So kann dadurch die räumliche Trennung zwischen Messkopf und Lichtquelle erreicht werden, was die Integration des Messsystems in Produktionsanlagen erheblich vereinfacht. Darüber hinaus kann durch den Einsatz der Faser als Punktlichtquelle auf die Beleuchtung eines Lichtquellenspaltes verzichtet werden, wodurch der optische Aufbau mit weniger Bauteilen auskommt. By using a fiber as an optical connection between the light source and imaging optics, a high degree of flexibility in the use of the measuring device is achieved. Thus, the spatial separation between the measuring head and light source can be achieved, which greatly simplifies the integration of the measuring system in production facilities. In addition, can be dispensed with by the use of the fiber as a point light source on the illumination of a light source gap, whereby the optical design requires fewer components.
Durch die Abbildung eines beleuchteten Spalts auf die Messoberfläche, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, sind erhebliche Abbildungsfehler zu erwarten. Bei einer mehrere Millimeter langen Messlinie würde dies unweigerlich zu einer Verschlechterung des lateralen Auflösungsvermögens führen, was nur durch den Einsatz spezieller und damit teurer Objektive kompensiert werden kann. Durch die mögliche Verwendung von Zylinderlinsen findet lediglich die Fokussierung des kollimierten Lichts in einer Richtung statt. Dadurch werden Abbildungsfehler entlang der Messlinie verringert und die Abbildungsqualität bleibt über die gesamte Länge konstant. By imaging an illuminated gap on the measuring surface, as is known in the prior art, considerable aberrations are to be expected. With a measuring line several millimeters long, this would inevitably lead to a deterioration of the lateral resolution, which can only be compensated by the use of special and therefore more expensive lenses. The possible use of cylindrical lenses merely focuses the collimated light in one direction. This reduces imaging errors along the measurement line and the image quality remains constant over the entire length.
Ein weiterer Vorteil gegenüber einem Aufbau mit sphärischen Linsen liegt in der Entkopplung von longitudinalem Messbereich und der Größe des lateralen Messbereichs. Der longitu- dinale Messbereich wird durch die Änderung der Fokuslänge des Objektivs über den betrachteten Wellenlängenbereich festgelegt und bestimmt die maximale Höhe der zu vermessenden Strukturen auf der Messoberfläche. Der laterale Messbereich beschreibt die Länge der Linie, die in einem Arbeitsschritt auf der Messoberfläche abgetastet werden kann. Bei der Verwendung von sphärischen Linsen hat eine Vergrößerung des lateralen Messbereichs nahezu unweigerlich eine Vergrößerung des longitudinalen Messbereichs (und damit bei gegebener spektraler Auflösung eine Verschlechterung der longitudinalen Auflösung) zur Folge. Dieser Umstand wird durch die notwendige Vergrößerung der Objektivbrennweite verursacht, die eine Veränderung des wellenlängenabhängigen Verlaufs der Fokuslänge nach sich zieht. Im Gegensatz dazu ist bei der offenbarten Vorrichtung die Größe des lateralen Messbereichs ausschließlich von der Länge des Eingangsspalts des Hyperspektralimagers sowie der Apertur der Zylinderlinsen abhängig. Die Möglichkeit, Schwanlcungen im Spektrum der Lichtquelle mitzubestimmen und instantan auf die Messung anzuwenden, ist im Stand der Technik nicht möglich. In den bekannten Messvorrichtungen könnte nur mit erheblichem Aufwand, beispielsweise mit einem weiteren Spektrometer, das Referenzspektrum instantan mitbestimmt werden. Somit unterliegt eine Abstands- bzw, Dünnschichtmessung den Schwanlcungen der Lichtquelle und reduziert somit die erreichbare Genauigkeit. Another advantage over a spherical lens design is the decoupling of the longitudinal measuring range and the size of the lateral measuring range. The longitudinal measuring range is determined by changing the focal length of the objective over the observed wavelength range and determines the maximum height of the structures to be measured on the measurement surface. The lateral measuring range describes the length of the line, which can be scanned in one step on the measuring surface. When spherical lenses are used, an increase in the lateral measuring range almost invariably results in an increase in the longitudinal measuring range (and thus a deterioration in the longitudinal resolution for a given spectral resolution). This circumstance is caused by the necessary increase in the lens focal length, which entails a change in the wavelength-dependent course of the focal length. in the In contrast, in the disclosed device, the size of the lateral measurement region depends exclusively on the length of the input gap of the hyperspectral imager and the aperture of the cylindrical lenses. The ability to co-determine fluctuations in the spectrum of the light source and to apply it instantaneously to the measurement is not possible in the prior art. In the known measuring devices, the reference spectrum could be co-determined instantaneously only with considerable effort, for example with a further spectrometer. Thus, a distance or thin film measurement is subject to the fluctuations of the light source and thus reduces the achievable accuracy.
Der Hyperspektralimager benötigt systembedingt sehr hohe Lichtintensitäten am Eingangss- spalt, da das Licht innerhalb des Gerätes spektral zerlegt werden muss. In Kombination mit der refielctometrischen Dünnschichtmesstechnik kann dies unvorteilhaft sein, da je nach Messobjekt nur geringe Intensitäten reflektiert werden. Entscheidend für eine erfolgreiche Messung ist deshalb eine effiziente Lichteinkopplung in die Glasfaser. Auch die Wahl des Faserdurchmessers spielt hier eine entscheidende Rolle. Die in das System einkoppelbare Lichtleistung hängt vom Quadrat des Radius der Glasfaser ab. Aufgrund einer Verschlechterung der erreichbaren lateralen und longitudinalen Auflösung mit steigendem Faserdurchmes- ser muss ein Kompromiss zwischen benötigter Lichtleistung und gewünschter Auflösung gefunden werden. Due to the system, the hyperspectral imager requires very high light intensities at the input slit because the light within the device must be spectrally decomposed. In combination with the refielctometric thin-film measurement technique, this can be disadvantageous since only small intensities are reflected depending on the measurement object. Decisive for a successful measurement is therefore an efficient light coupling into the glass fiber. The choice of fiber diameter also plays a decisive role here. The light power that can be coupled into the system depends on the square of the radius of the glass fiber. Due to a deterioration of the achievable lateral and longitudinal resolution with increasing fiber diameter, a compromise between the required light output and the desired resolution must be found.
Die Vorrichtung wurde mit der Optiksimulationssoftware ZEMAX simuliert und so auf ihre Funktion hin überprüft. So wurde z. B, die chromatische Kennlinie des Gesamtsystems bei verschiedenen Glasfaserdurchmessern ermittelt. Diese Kennlinie beschreibt, welche Empfindlichkeit bei der topografischen Höhenmessung erreicht werden kann. Je steiler diese Kurve liegt, desto besser können kleine Höhenunterschiede detektiert werden: Aus der Simulation in Fig. 5 folgt, dass ein kleiner Faserdurchmesser um 10 μιη eine besonders hohe Empfindlichkeit gegenüber der chromatischen Verschiebung aufweist. Der Wellenlängenschwerpunlct verschiebt sich hier im Messbereich (200 μηα) um 100 nm. Dem gegenüber ruft eine Faser mit 200 μηι Kerndurchmesser im gleichen Messbereich einen Wellenlängenshift um nur ca. 20 nm hervor. Selbst dieser kleine Shift kann aber hinreichend genau sein, um topografische Daten zu erfassen. Des Weiteren wurde die laterale Auflösung in Abhängigkeit des Faserdurchmessers untersucht. Um möglichst scharfe Abbildungen am Detektor zu erhalten, muss der Strahlengang im Messpfad sehr gut kollimiert sein. Dies gelingt nur mit sehr punktförmigen Quellen. Je kleiner der Kerndurchmesser einer Glasfaser ist, desto punktförmiger kann die Lichtquelle ange- nornmen werden. Wie bereits beschlieben, steigt die Kollimierungsgüte mit Meiner werdendem Faserende. Je besser es gelingt den Lichtkegel zu parallelisieren, desto höher wird auch die laterale Auflösung, Die Simulation in Fig. 6 zeigt, welchen Einfluss der Faserdurchmesser auf das laterale Auflösungsvermögen hat. Hierbei wurde eine scharfe Kante an der Position 0 μιη bei verschiedenen Faserdurchmessern betrachtet. Wie zu sehen, wird die scharfe Kante bei einem Faserdurchmesser 200 μιη auf einen Bereich um 400 μπι abgebildet. Kleine Faserdurchmesser lösen lateral bis zu 20 μπι auf. The device was simulated with the optics simulation software ZEMAX and thus checked for their function. So z. B, the chromatic characteristic of the whole system at different glass fiber diameters determined. This characteristic describes the sensitivity that can be achieved in topographic altitude measurement. The steeper this curve is, the better the small height differences can be detected: From the simulation in FIG. 5 it follows that a small fiber diameter of 10 μm has a particularly high sensitivity to the chromatic shift. The wavelength difference is shifted by 100 nm in the measurement range (200 μηα). In contrast, a fiber with a core diameter of 200 μm in the same measurement range causes a wavelength shift of only about 20 nm. But even this small shift can be sufficiently accurate to capture topographic data. Furthermore, the lateral resolution was investigated as a function of the fiber diameter. To obtain the sharpest possible images on the detector, the beam path in the measurement path must be very well collimated. This succeeds only with very point sources. The smaller the core diameter of a glass fiber, the more punctiform the light source can be taken. As already mentioned, the quality of collimation increases with my expectant fiber end. The better it is possible to parallelize the light cone, the higher the lateral resolution becomes. The simulation in FIG. 6 shows what influence the fiber diameter has on the lateral resolution. Here, a sharp edge was considered at the position 0 μιη at different fiber diameters. As can be seen, the sharp edge is mapped at a fiber diameter 200 μιη to a range of 400 μπι. Small fiber diameter laterally solve up to 20 μπι.
Aus den Simulationsergebnissen folgt, dass mit kleiner werdenden Faserdurchmessern die Auflösungsgüte zunimmt. Bereits mit einer 50 μιη Faser können sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Für den Einsatz an realen Messobjekten stellt eine Reduzierung des Faserdurchmessers auf 50 μηι in Punkto Lichtintensität kein Problem dar. From the simulation results it follows that with decreasing fiber diameters the resolution quality increases. Already with a 50 μιη fiber very good results can be achieved. For use on real objects to measure a reduction of the fiber diameter to 50 μηι in terms of light intensity is no problem.
Als Testobjekt dient ein Siliziumwafer mit verschieden hohen Glasschichten. Somit stehen auf dem Testobjekt zwei verschiedene Schichtdicken in bestimmten Bereichen zur Verfü- gung. Diese Schichten wurden in Form eines Reaktors auf den Träger aufgebracht. Mithilfe eines elektronischen Verschiebetischs kann die Probe unter der Messlinie hindurchbewegt werden. Somit entsteht ein vollständiger Datensatz der Schichtenkonstellation. Fig. 7 und 8 zeigen einen Mikroreaktor des Testobjekts, einmal aufgenommen mit einem Mikroskop (Fig. 7) sowie einmal aufgenommen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Fig. 8). The test object is a silicon wafer with glass layers of different heights. Thus, two different layer thicknesses in certain areas are available on the test object. These layers were applied to the support in the form of a reactor. An electronic translation stage allows the sample to move under the measurement line. This creates a complete record of the layer constellation. FIGS. 7 and 8 show a microreactor of the test object, once recorded with a microscope (FIG. 7) and once taken with the device according to the invention (FIG. 8).
Zu jedem lateralen Pixel aus dem zusätzlichen Spektrum ist eine Berechnung der Schichthöhe möglich. Das heißt, zu den hier 900 Pixeln in der lateralen Breite kommen pro Frame 1000 Pixel in der spektralen Dimension. Dieser Datensatz multipliziert sich mit der Anzahl an vorhandenen Frames. Im konkreten Beispiel sind das 900 · 1000 · 140 = 126*106 Datenpunkte. Aus diesen Datenpunkten lässt sich eine topografische Karte der absoluten Schichthöhen berechnen. Es können Schichthöhen bestimmt werden, wie sie sich auf dem Träger befinden. Im Prinzip kann man dies mit topgrafischen Geländekarten vergleichen. Das Berechnen der Höhe erfolgte mithilfe der eingangs beschriebenen Vergleichsmethode zwischen gemessenen und simulierten Spektren. Somit wurde das Funktionsprinzip mit diesem Testobjekt eindeutig be- legt. Die gemessenen Schichthöhen befinden sich im Bereich zwischen 800 nm und 2,8 μηι. Das Messsystem ist auch dazu geeignet, dünnere Schichten bis hin zu ca. 30 nm zu bestimmen. Die Vorrichtung ermöglicht es, spektroskopische Daten von Flächen zu generieren. Dabei steht die Anwendung auf Dünnschichttechnologien im Vordergrund. Mit der Vorrichtung wird das reflektometrische Messprinzip in Kombination mit der Konfokaltechnik auf Hyper- spektralimager angewandt. So können Schichthöhen von Ein- und Mehr Schichtsystemen bis in den Nanometerbereich gemessen werden. Die Technologie lässt es zu, dass topographische Karten der gemessen Flächen erzeugt und visualisiert werden. Ist bekannt, welche Schichtdicke das untersuchte Objekt aufweist, kann im Umkehrschluss die Brechzahl ortsabhängig ermittelt werden. Hervorzuheben ist die sehr hohe Messgeschwindigkeit und Performanz der Vorrichtung. Ein weiterer Vorteil ist die Fähigkeit, dass die Vorrichtung als Vorsatz an nahezu jedem Hyperspektralimager angebracht werden kann. Fast alle Hersteller von Imagern ha- ben einen Standardobj ektivanschluss an ihren Geräten wie z. B. C-Mount oder M42. Diese Anschlüsse sind standardisiert und garantieren eine fehlerfreie Montage. For each lateral pixel from the additional spectrum, a calculation of the layer height is possible. That is, for every 900 pixels in the lateral width, there are 1000 pixels in the spectral dimension per frame. This record multiplies by the number of existing frames. In the concrete example, this is 900 x 1000 x 140 = 126 x 106 data points. From these data points a topographical map of the absolute layer heights can be calculated. Layer heights can be determined as they are on the carrier. In principle, this can be compared to topographic terrain maps. The height was calculated using the comparison method described above between measured and simulated spectra. Thus, the functional principle with this test object was clearly sets. The measured layer heights are in the range between 800 nm and 2.8 μηι. The measuring system is also suitable for determining thinner layers up to approx. 30 nm. The device makes it possible to generate spectroscopic data of surfaces. The focus is on the application to thin-film technologies. With the device, the reflectometric measuring principle in combination with the confocal technique is applied to hyper-spectral images. Thus, layer heights of single-layer and multi-layer systems down to the nanometer range can be measured. The technology allows topographical maps of the measured surfaces to be generated and visualized. If it is known which layer thickness the examined object has, the refractive index can, conversely, be determined as a function of location. To emphasize is the very high measuring speed and performance of the device. Another advantage is the ability to attach the device as an attachment to almost any hyperspectral imager. Almost all manufacturers of imagers have a standard optical connection on their devices, such as a C-mount or M42. These connections are standardized and guarantee faultless installation.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander für die Verwirk- lichung von Ausführungsformen von Bedeutung sein. The features disclosed in the foregoing description, the claims and the figures may be of importance for the realization of embodiments either individually or in any combination with one another.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur chromatisch-konfokalen Untersuchung einer Probe, mit 1. Apparatus for chromatic-confocal examination of a sample, with
- einer multispektralen Lichtquelle, die in einem Brennpunkt eines Hohlspiegels angeordnet ist, so dass von der Lichtquelle abgegebenes Licht von dem Hohlspiegel zumindest teilweise als parallele Lichtstrahlen reflektiert wird,  a multispectral light source arranged in a focal point of a concave mirror, so that light emitted by the light source is at least partially reflected by the concave mirror as parallel light beams,
- einem im Strahlengang der Lichtstrahlen angeordneten Stahlteiler, der konfiguriert ist, die Lichtstrahlen zumindest teilweise zu einer Probe zu lenken und von der Probe reflektiertes Licht zu einer Detelctoreinrichtung durchzulassen,  a steel divider arranged in the beam path of the light beams and configured to at least partially direct the light beams to a sample and to transmit light reflected from the sample to a detector means,
- einer ersten Fokussiereinrichtung, die zwischen dem Stahlteiler und der Probe angeordnet ist und die konfiguriert ist, das aus dem Sti-ahlteiler in Richtung der Probe austretende Licht zu einer Linie zu fokussieren, so dass eine erste Fokuslichtlinie erzeugt wird,  a first focussing device, which is arranged between the steel divider and the sample and which is configured to focus the light leaving the slide divider in the direction of the sample into a line, so that a first focus light line is generated,
- einer zweiten Fokussiereinrichtung, die zwischen dem Strahlteiler und der Detek- toreiniichtung angeordnet ist, und die konfiguriert ist, das von der Probe reflektierte Licht zu einer Linie zu fokussieren, so dass eine zweite Fokuslichtlinie erzeugt wird, und  a second focusing device, which is arranged between the beam splitter and the detector device and which is configured to focus the light reflected from the sample into a line, so that a second focus light line is generated, and
- einer Spaltblende, die zwischen der zweiten Fokussiereimichtung und der Detektoreinrichtung angeordnet ist,  a slit diaphragm arranged between the second focusing direction and the detector device,
wobei die Detektoreinrichtung konfiguriert ist, von der Probe reflektiertes Licht spektral auszuwerten.  wherein the detector device is configured to spectrally evaluate light reflected from the sample.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Flohlspiegel als Parabolspiegel ausgeführt ist. 2. Device according to claim 1, wherein the Flohlspiegel is designed as a parabolic mirror.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquelle mittels einer Lichtleitfaser bereitgestellt ist, wobei in ein Ende der Lichtleitfaser Licht eingespeist wird, das an einem anderen Ende der Lichtleitfaser austritt, und wobei das andere Ende der Lichtleitfaser im Brennpunkt des Hohlspiegels angeordnet ist. 3. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the light source is provided by means of an optical fiber, wherein in one end of the optical fiber light is emitted, which exits at another end of the optical fiber, and wherein the other end of the optical fiber is arranged in the focal point of the concave mirror ,
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Lichtleitfaser eine Glasfaser mit einem Kerndurchmesser von wenigsten 50 μπι ist. 4. Apparatus according to claim 3, wherein the optical fiber is a glass fiber with a core diameter of at least 50 μπι.
5. Vomchtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter aufweisend: - eine erste Abschirmeinrichtung, die in einem aus dem Strahlteiler austretenden Verlustpfad angeordnet ist, wobei der Verlustpfad Licht umfasst, das von der Lichtquelle abgegeben wird und das durch den Strahlteiler tritt, ohne in Richtung der Probe abgelenkt zu werden, wobei die erste Abschirmeinrichtung derart in dem Verlustpfad angeordnet ist, dass ein Teil des Lichts im Verlustpfad auf die erste Abschirmeinrichtung trifft und ein anderer Teil des Lichts im Verlustpfad an der ersten Abschirmeinrichtung vorbei geht, 5. The device according to one of the preceding claims, further comprising: a first shield means arranged in a loss path exiting the beam splitter, the loss path comprising light emitted by the light source and passing through the beam splitter without being deflected towards the sample, the first shield means being in such a manner the loss path is arranged such that a part of the light in the loss path strikes the first shielding device and another part of the light passes in the loss path at the first shielding device,
- einen Spiegel, der hinter der ersten Abschirmeinrichtung angeordnet ist, so dass der Spiegel das an der ersten Abschirmeinrichtung vorbei gehende Licht reflektiert, derart, dass das reflektierte Licht zum Strahlteiler zurück läuft und von dem Strahlteiler als Referenzlicht zur Detektoreinrichtung umgelenkt wird, und  a mirror disposed behind the first shielding means so that the mirror reflects the light passing the first shielding means, such that the reflected light travels back to the beam splitter and is deflected by the beam splitter as reference light to the detecting means, and
- eine zweite Abschirmeinrichtung, die zwischen dem Strahlteiler und der ersten Fo- kussiereinrichtimg derart in einem Lichtpfad in Richtung zu der Probe angeordnet ist, dass Licht mit einer Breite, die einer Breite des an der ersten Abschirmeinrichtung vorbei gehenden und von dem Spiegel reflektierten Lichts im Verlustpfad entspricht, in dem Lichtpfad zur Probe abgeschirmt wird.  a second shielding device, which is arranged between the beam splitter and the first focusing device in a light path in the direction of the sample such that light having a width which corresponds to a width of the light passing through the first shielding device and reflected by the mirror Loss path corresponds to shielded in the light path to the sample.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Fokussierein- richtung als eine Zylinderlinse ausgebildet ist, welche eine chromatische Aberration aufweist, wobei eine Änderung der Brennweite des Lichts linear von der Wellenlänge des Lichts abhängig ist. 6. Device according to one of the preceding claims, wherein the first focusing device is formed as a cylindrical lens having a chromatic aberration, wherein a change in the focal length of the light is linearly dependent on the wavelength of the light.
VoiTichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Fokussierein- richtung als Zylinderlinse oder als parabolischer Rinnenspiegel ausgeführt ist. VoiTichtung according to any one of the preceding claims, wherein the second focusing device is designed as a cylindrical lens or as a parabolic trough mirror.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Detektoreinrichtung als Hyperspektraldetektor ausgeführt ist. Device according to one of the preceding claims, wherein the detector device is designed as a hyperspectral detector.
Verfahren zur chromatisch-konfokalen Untersuchung einer Probe, mit folgenden Schritten: Method for the chromatic-confocal examination of a sample, comprising the following steps:
- Bereitstellen von Referenzdaten, wobei die Referenzdaten Reflektanzkurven eines Materials der Probe bei unterschiedlichen Schichtdicken und eine chromatische Referenzkennlinie umfassen, - Vergleichen einer von der Probe reflektierten und mittels einer Detektoreinrichtung erfassten Reflektanzkurve mit den Referenzdaten, Providing reference data, the reference data comprising reflectance curves of a material of the sample at different layer thicknesses and a chromatic reference characteristic, Comparing a reflectance curve reflected by the sample and detected by a detector device with the reference data,
- Bestimmen einer Schichtdicke der Probe sowie eines Abstands der Probe von der Detektoreinrichtung anhand des Vergleichs.  - Determining a layer thickness of the sample and a distance of the sample from the detector device based on the comparison.
10. Verfahren nach Anspruch 9, weiter umfassend: 10. The method of claim 9, further comprising:
- Erfassen eines Referenzlichts einer Lichtquelle und  - Detecting a reference light of a light source and
- Korrigieren der Reflektanzkurve unter Berücksichtigung des Referenzlichts.  - Correct the reflectance curve taking into account the reference light.
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