DE102009036383B3

DE102009036383B3 - Vorrichtung und Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung

Info

Publication number: DE102009036383B3
Application number: DE102009036383A
Authority: DE
Inventors: Sven Dr. Schröder; Angela Dr. Duparré; Tobias Herffurth; Gunther Dr. Notni
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2009-05-04
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2029-08-06
Also published as: WO2010127872A1

Abstract

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

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Charakterisierung von Strukturen mit Ausdehnungen bis in den Submikrometerbereich auf Basis winkelaufgelöster Streulichtmessung an einer Probe nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung nach dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
Vorrichtungen und Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung an einer Probe eignen sich zur Untersuchung mikroskopischer Strukturen auf Oberflächen, in Schichtsystemen und im Materialvolumen technischer Gegenstände. Da Vorrichtungen zur Streulichtmessung in kompakter und robuster Bauweise realisierbar und entsprechende Verfahren schnell und ohne Berührung mit der Probe durchführbar sind, eignen sie sich besonders gut zum Einsatz in fertigungsnahen sowie produktionsintegrierten Mess- und Kontrollprozessen.
Mikroskopische Oberflächenstrukturen haben hohen Einfluss auf die funktionalen Eigenschaften technischer Oberflächen, unter anderem tribologischen, optische, elektrischen und Benetzungseigenschaften. Wichtige Anwendungsgebiete finden sich daher in der Bearbeitung von Oberflächen im Fahrzeug- und Maschinenbau, der Produktion hochpräziser optischer Instrumente und in der Herstellung von Materialien mit speziellen Oberflächencharakteristika wie Halbleiter, leitfähige Oxide, Dielektrika, Metalle, beschichtete und unbeschichtete Oberflächen sowie transparente und nicht transparente Oberflächen. In diesen und in vielen anderen Bereichen besteht ein hoher Bedarf an Vorrichtungen und Verfahren zur schnellen, robusten und gleichzeitig genauen Charakterisierung von Strukturen im oberflächennahen Bereich und im Materialvolumen, insbesondere bei der Subsurface-Detektion etwa zum Erkennen von Volumendefekten. Dabei sind die aufzulösenden Strukturen oftmals im Nanometerbereich oder sogar im Subnanometerbereich.
Zu den wichtigsten Messgrößen zur Beschreibung von Oberflächenstrukturen gehören Rauheiten, die als Mittelungen über Oberflächenabweichungen definiert sind, wie etwa die Quadratische Rauheit bzw. rms-Rauheit. Bei der winkelaufgelösten Streulichtmessung ist außerdem die spektrale Leistungsdichte der Oberfläche von zentralem Interesse. Sie beinhaltet als Fourier-Transformierte der Autokorrelationsfunktion der Oberflächenstrukturen Informationen sowohl über die lateralen wie vertikalen Strukturausdehnungen. Aus dieser Messgröße lassen sich ferner gemittelte Rauheitsgrö ßen per Integration berechnen. Des weiteren erlaubt sie die Berücksichtigung der für die Anwendung sowie das Messverfahren relevanten Ortsfrequenzen. In den Fällen, in denen eine analytische Approximation der spektralen Leistungsdichte bekannt ist, lassen sich Messwerte in Ortsfrequenzbereiche extrapolieren, zu denen keine Messungen existieren.
Aus der Druckschrift DE 4408226 A1 ist eine zur winkelaufgelösten Streulichtmessung geeignete Vorrichtung bekannt, die eine Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung einer Probe mit Licht unter einem nicht verschwindenden Einfallswinkel aufweist, wobei der Einfallswinkel bezüglich der makroskopischen Oberflächennormale der Probe definiert ist. Ferner umfasst diese Vorrichtung einen durch einen CCD-Array gegebenen Detektor-Array zur Messung von der Probe ausgehender Anteile des Lichts sowie ein sammelndes Linsensystem zur Fokussierung des von der Probe spekular reflektierten Anteils des Lichts auf den Detektor-Array, wodurch eine räumlichen Trennung des spekular reflektierten von den gestreuten Anteilen des Lichts erreichbar ist.
Als spekular reflektierte Anteile des Lichts werden hier und im Folgenden Lichtanteile bezeichnet, welche mit einem polaren Ausfallswinkel reflektiert werden, der dem polaren Einfallswinkel gleicht, und die sich durch einen verschwindenden azimutalen Ausfallswinkel auszeichnen. Polare Winkel, also insbesondere Einfalls- und Ausfallswinkel, sind relativ zu einer makroskopischen Oberflächennormalen definiert. Azimutale Streuwinkel seien definiert als Winkel zwischen einer Verlängerung einer orthogonalen Projektion eines Strahls des einfallenden Lichts auf eine durch die Probe definierte Ebene und einer Projektion eines gestreuten Lichtstrahls auf die gleiche Ebene.
Oberflächeneigenschaften der Probe werden bei der genannten Vorrichtung aus dem Stand der Technik über eine Analyse der Specklemuster der Graustufenbilder bestimmbar.
Der geschilderte Stand der Technik eignet sich zwar für eine fertigungsnahe und produktionsintegrierte Anwendung, jedoch ist die dort beschriebene Vorrichtung auf eine Messung von Oberflächenstrukturen im Mikrometerbereich eingeschränkt.
Eingeschränkt wird eine erreichbare Auflösung durch folgende Faktoren. Zum einen führt das sammelnde Linsensystem zu ungewollten Streuungen des Lichts, die sich mit der Messgröße, dem Streulicht der Probe, überlagern. Ferner führen Mehrfachreflexionen und Mehrfachstreuungen des Lichts an optischen Komponenten zur Sörung der Messsignale, insbesondere für Nanostrukturen. Eine weitere Schwierigkeit in der Streulichtmessung an Oberflächen mit sehr kleinen Strukturen liegt im starken Abfall der Streulichtintensität mit einem zunehmenden Winkelabstand von ungestreuten Lichtanteilen, weil sich die im Stand der Technik beschriebene Detektoren nicht dazu eignen, Licht mit ausgeprägten Intensitätsgradienten mit hoher Ortsauflösung zu messen.
In der Druckschrift DE 198 24 623 A1 ist eine ähnliche Anordnung zur Streulichtmessung an Oberflächen beschrieben, bei der eine Sammellinse so zwischen einer zum Beleuchten einer Probe verwendeten Lichtquelle und der Probe angeordnet ist, dass ein spekular von der Probe reflektierter Anteil von der Lichtquelle ausgehenden Lichts über die Probe auf eine Sensormatrix fokussiert wird. Auch mit dieser Anordnung werden nur einige der Nachteile der zuvor be schriebenen Vorrichtung aus dem Stand der Technik vermieden.
Der eingereichten Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung vorzuschlagen, die sich auch zur Messung von Strukturen im Nanometerbereich und Subnanometerbereich eignen, wobei die Vorrichtung dennoch einen möglichst kompakten Aufbau haben soll, um eine unkomplizierte Durchführung der Streulichtmessung zu erlauben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs sowie durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Nebenanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Nebenanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Eine besonders kompakte Vorrichtung, mit der hinreichend genaue winkelaufgelöste Streulichtmessungen an einer Probe möglich sind, um Informationen auch über die Streueigenschaften der Probe im Nanometerbereich oder Subnanometerbereich zu gewinnen, ergibt sich dadurch, dass

– die Beleuchtungsvorrichtung der vorgeschlagenen Vorrichtung ein erstes sammelndes Linsensystem und ein zweites sammelndes Linsensystem sowie eine zwischen diesen Linsensystemen angeordnete Lochblende beinhaltet, die so angeordnet sind, dass das von der Lichtquelle ausgehende Licht durch das erste sammelnde Linsensystem auf die Lochblende fokussiert wird und ein spekular von der Probe reflektierter oder ungestreut durch die Probe transmittierter Anteil des von der Lochblende ausgehenden und durch das zweite sammelnde Linsensystem tretenden Lichts auf den Detektor fokussierbar ist,
– der Detektor eine vorzugsweise als CMOS-Sensormatrix ausgeführte Sensormatrix beinhaltet,
– die Vorrichtung einen Absorber beinhaltet, der so angeordnet ist, dass ein von dem Detektor reflek tierter Anteil des von der Probe spekular reflektierten oder ungestreut durch die Probe transmittierten und auf den Detektor fokussierten Anteils des Lichts auf den Absorber trifft und absorbiert wird, und
– ein Beleuchtungskanal und ein Detektionskanal der Vorrichtung vollständig voneinander getrennt sind.

Dementsprechend sieht das vorgeschlagene und mit dieser Vorrichtung durchführbare Verfahren vor, dass eine Probe mit Licht einer Lichtquelle unter einem nicht verschwindenden Einfallswinkel beleuchtet und ein an der Probe gestreuter Anteil des Lichts von einem Detektor erfasst wird, wobei Ausgangssignale des Detektors mit einer Auswerteeinheit ausgewertet werden, wobei

– das von der Lichtquelle ausgehende Licht vor dem Auftreffen auf die Probe durch ein erstes sammelndes Linsensystem auf eine Lochblende fokussiert und von einem zwischen der Lochblende und der Probe angeordneten zweiten sammelnden Linsensystem so gebündelt wird, dass ein von dem zweiten sammelnden Linsensystem ausgehender und anschließend spekular von der Probe reflektierter oder ungestreut durch die Probe transmittierter Anteil des Lichts auf den Detektor fokussiert wird,
– eine vorteilhafter Weise als CMOS-Sensormatrix ausgeführte Sensormatrix als Detektor verwendet wird,
– ein von dem Detektor reflektierter Anteil des von der Probe spekular reflektierten oder ungestreut durch die Probe transmittierten und auf den Detektor fokussierten Anteils des Lichts auf einen Ab sorber trifft
– und ein Beleuchtungskanal und ein Detektionskanal der Vorrichtung vollständig voneinander getrennt werden.

Die kennzeichnenden Merkmale sind in ihrer Kombination geeignet, die Genauigkeit einer mit einer gattungsgemäßen Vorrichtung bzw. gemäß einem gattungsgemäßen Verfahren durchgeführten winkelaufgelösten Streulichtmessung an einer Probe in einem für die Lösung der Aufgabe hinreichenden Maße zu erhöhen. Diese im Folgenden näher beschriebenen Merkmale dienen zusammengenommen der Aufbereitung des von der Beleuchtungsvorrichtung ausgehenden Lichts, der Verringerung der durch die Komponenten der Vorrichtung hervorgerufenen Lichtstreuungen sowie der Erhöhung der Sensitivität und des Auflösungsvermögens des Detektors.
Das in der Beleuchtungsvorrichtung enthaltene erste sammelnde Linsensystem und die dahinter angeordnete Lochblende haben die Wirkung eines Raumfilters und somit die Eignung, Störungen im Intensitätsprofil des Lichts zu beseitigen. Das zweite sammelnde Linsensystem, das der Fokussierung des Lichts auf den Detektor dient, ist Bestandteil der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung und nicht, wie im Stand der Technik vorgesehen, zwischen der Probe und dem Detektor angeordnet. Somit werden zwischen der Probe und dem Detektor keine weiteren optischen Komponenten benötigt. Dadurch werden eine Verfälschung der von der Probe ausgehenden Streulichtverteilung, die andernfalls aufgrund von Streuungs- und Beugungserscheinungen an weiteren optischen Komponenten im Strahlenverlauf unvermeidbar wären, und ein damit einhergehender Verlust an Informationen über die Streuung an der Probe verhindert. Der vorgeschlagene Aufbau der Beleuchtungsvorrichtung führt also sowohl zu einem gleichmäßigen Intensitätsprofil des auf die Probe einstrahlenden Lichts als auch zu einer Reduzierung von Eigenstreuungen durch die Komponenten der Vorrichtung und eignet sich somit zu einer Erhöhung der Messgenauigkeit der Vorrichtung, die durch eine Fokussierung auf den Detektor eine sehr hohe Orts- oder Winkelauflösung zu erreichen erlaubt.
Bei Streulichtmessungen an sehr glatten Oberflächen fällt, wie eingangs erwähnt, die Intensität des von der Probe gestreuten Anteils des Lichts in einer unmittelbaren Umgebung spekular reflektierter oder ungestreut durch die Probe transmittierter Strahlen besonders schnell ab mit zunehmenden Winkelabstand von diesem Strahl. Um gestreute Lichtanteile dennoch mit einer hinreichend hohen Auflösung detektieren zu können, ist es daher erforderlich, die Intensität des auf die Probe eingestrahlten Lichts verhältnismäßig hoch zu wählen. Anders als die aus vergleichbaren Anordnungen aus dem Stand der Technik bekannten CCD-Detektoren, bei denen eine Streulichtmessung in der Nähe spekular reflektierter oder ungestreut transmittierter Strahlenanteile dann aufgrund störender Blooming-Effekte nicht mehr möglich wäre, eignet sich die für den Detektor der beanspruchten Vorrichtung vorgeschlagene CMOS-Sensormatrix auch für eine genaue ortsaufgelöste Messung bei den dort zu erwarteten großen Lichtintensitäten und hohen Intensitätsgradienten. Dadurch kann die vorgeschlagene Vorrichtung auch für die Streulichtmessungen an besonders glatten Oberflächen zur Ermittlung von Rauheiten im Nanometerbereich oder Subnanometerbereich verwendet werden.
Der Absorber der beanspruchten Vorrichtung dient der Absorption von durch den Detektor reflektierten Anteilen des Lichts. Diese Anteile besitzen eine besonders hohe Intensität. Der Absorber verhindert in vorteilhafter Weise, dass solche Anteile des Lichts durch Mehrfachreflexionen und Mehrfachstreuungen erneut den Detektor erreichen und zu Messungenauigkeiten führen, die eine Analyse der geforderten Genauigkeit unmöglich machen würden. Daher stellt die Anordnung des Absorbers, der gezielt die wichtigsten Störlichtanteile zu eliminieren erlaubt, eine entscheidende Maßnahme zur Verbesserung der Genauigkeit der Streulichtmessung dar, ohne dabei ihre Komplexität oder Kompaktheit sehr zu beeinflussen.
Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Auswerteeinheit der Vorrichtung programmtechnisch zur Berechnung der rms-Rauheit der Probe gemäß
eingerichtet, wobei σ für die rms-Rauheit, λ für die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts und θ_i für den Einfallswinkel, unter dem das Licht auf die Probe trifft, stehen und ferner P_s eine über einen durch die Sensormatrix abgedeckten Raumwinkel integrierte Strahlungsleistung des gestreuten Anteils des Lichts und P_r eine Strahlungsleistung des spekular reflektierten oder ungestreut transmittierten Anteils des Lichts bezeichnen. Während λ und θ_i bekannt sind, wird dabei das Verhältnis P_s/P_r direkt aus einer Messung bestimmt. Eine besonders vorteilhafte Ausführung des vorgeschlagenen Verfahrens sieht dementsprechend vor, dass die Rauheit gemäß der im vorangehenden Satz wiedergegebenen Formel berechnet wird. Als gestreuter Anteil sei hier das auf den Detektor fallende Licht unter Aussparung des spekular reflektierten oder un gestreut transmittierten Anteils bezeichnet, also ein diffus gestreuter Anteil. Zur Bestimmung von P_s können z. B. Ausgangssignale des Detektors, die einem Bereich zuzuordnen sind, in denen ein spekular reflektierter oder ungestreut transmittierter Strahl auftrifft, durch Null ersetzt werden. Eine andere Möglichkeit wäre eine Angabe eines Akzeptanzwinkelbereichs oder ein Algorithmus zur Eliminierung von Peakwerten.
Ein wesentlicher Vorteil der so berechneten Rauheit, die auch als rms-Rauheit bezeichnet wird, besteht in ihrer direkten Bestimmbarkeit aus den Ausgangssignalen des Detektors, die auf alle Größen schließen lassen, die zur vorgeschlagenen Berechnung der Rauheit nötig sind. Die vorgeschlagene vorteilhaft einfache Ermittlung von σ beruht dabei auf der Erkenntnis, dass sich die genannte Formel als gerade im Fall einer verhältnismäßig glatten Oberfläche gute Näherung aus einem bekannten Zusammenhang ergibt, der als
darstellbar ist, wobei P_i für eine Gesamtleistung des auf die Probe eingestrahlten Lichts, P_s' eine über einen ganzen Halbraum integrierte Leistung gestreuten Lichts und R für einen Fresnelschen Reflexionsgrad der Oberfläche stehen. Ein entscheidender Vorteil der vorgeschlagenen Bestimmung der Rauheit besteht darin, dass keine zusätzlichen Kalibrierungsschritte zur Bestimmung der eingestrahlten Leistung P_i oder weiterer Messgrößen, wie etwa des Fresnelsche Reflexionsgrad R, notwendig sind, weil sich P_i herauskürzt.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung ist die Auswertevorrichtung der Vorrichtung alternativ oder zusätzlich programmtechnisch zur Berechnung einer spektralen Leistungsdichte der Probe gemäß
eingerichtet, wobei PSD(f_x, f_y) für die als Funktion zweier Ortsfrequenzen ausgedrückte spektrale Leistungsdichte, θ_s für den polaren und φ_s für den azimutalen Ausfallswinkel des von der Probe gestreuten Anteils des Lichts und ΔP_s(θ_s, φ_s) für eine in einem Raumwinkelelement gemessene Strahlungsleistung von gestreuten Lichtanteilen stehen, wobei das mit ΔΩ_s bezeichnete Raumwinkelelement zu den polaren und azimutalen Ausfallswinkeln θ_s und φ_s gehört. Das Raumwinkelelement ΔΩ_s kann jeweils durch einen Pixel der Sensormatrix gegeben bzw. bzgl. einem beleuchteten Punkt auf der Probe aufgespannt sein, so dass ΔP_s(θ_s, φ_s) dann eine in einem Detektorpixel gemessene Strahlungsleistung bezeichnet. Die in die spektralen Leistungsdichte PSD(f_x, f_y) einzusetzenden Ortsfrequenzen f_x und f_y hängen dabei über eine Gittergleichung mit den Winkeln θ_i, θ_s und φ_s zusammen, wie es beispielsweise in J. C. Stover, Optical Scattering: measurement and analysis (2nd ed.), Optical and Electro-Optical Engineering Series (McGraw-Hill, Inc., 1990) beschrieben wird, s. dort Gleichungen (3.39) und (3.40).
Mit der spektralen Leistungsdichte, die sich in beschriebener Weise vorteilhaft einfach aus Größen bestimmen lässt, die unmittelbar aus den Ausgangssignalen des Detektors gewonnen werden können, werden sehr detaillierte Informationen über eine Struktur der Probe gewonnen. Die vorgeschlagene einfache Berechnung der aussagekräftigen spektralen Leistungs dichte, die im Fall weitgehender isotroper Strukturen auch als Funktion einer einzigen Variablen darstellbar ist, beruht dabei auf der Erkenntnis, dass sich ein als
darstellbarer bekannter Zusammenhang, in dem Q für einen oberflächenspezifischen optischen Faktor steht, im vorliegenden Fall kleiner Streuwinkel in guter Näherung vereinfachen lässt, indem Q durch den als P_r/P_i definierten Fresnelschen Reflexionsgrad ersetzt wird. Ein wichtiger Vorteil der vorgeschlagenen Bestimmung der spektralen Leistungsdichte ist darin zu sehen, dass aufgrund der vorgenommenen Näherungen weder die eingestrahlte Leistung P_i noch der optische Faktor Q bestimmt werden müssen.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen spektralen Leistungsdichte ist, dass aus ihr mittels Integration über die durch den Detektor abgedeckten Raumwinkel andere wichtige Messgrößen, wie etwa die erfindungsgemäße rms-Rauheit, berechenbar sind. In den Fällen, in denen sich die spektrale Leistungsdichte in Ortsfrequenzbereiche, zu denen keine Messungen existieren, extrapolieren lässt, weil in diesen Bereichen etwa eine analytische Form der spektralen Leistungsdichte bekannt ist, sind dann auch für diese Ortsfrequenzbereiche zugehörige rms-Rauheiten oder andere Messgrößen berechenbar.
Die Lichtquelle in der Beleuchtungsvorrichtung ist vorzugsweise durch eine Laserdiode oder einen durch eine Faseroptik eingekoppelten Laser und kann zum Emittieren von ultraviolettem, sichtbarem oder infrarotem Licht ausgeführt sein. Bei Lichtquellen dieser Art lassen sich bei einem sehr kompakten Aufbau hinreichend hohe Strahlungsleistungen realisieren. Die Wellenlänge und die Intensität des Lichts sind vorteilhafterweise in Abhängigkeit von der Rauheit der Oberfläche der Probe bzw. der Größe der zu untersuchenden Strukturen zu wählen. Um ein besonders gleichmäßiges Intensitätsprofil des Lichts zu erreichen, umfasst eine Weiterentwicklung der Erfindung eine zwischen der Lochblende und dem zweiten sammelnden Linsensystem angeordnete Aperturblende zum Entfernen von an der Lochblende erzeugten gebeugten Anteilen des Lichts.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die CMOS-Sensormatrix des Detektors mit einem Mikrolinsenarray ausgestattet. Dabei kann über jedem Sensorelement der CMOS-Sensormatrix eine sammelnde Linse angeordnet sein, die das auf das jeweilige Bildelement einfallende Licht auf einen lichtempfindlichen Bereich dieses Sensorelements bündelt. Durch diese Maßnahme wird die Sensibilität des Detektors wesentlich erhöht.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Integrationszeit des Detektors steuerbar, so dass eine Sensitivität und eine Signalaussteuerung des Detektors an eine Intensität des auf ihn einfallenden Lichts anpassbar sind.
Vorzugsweise wird durch den Absorber ein Absorbersystem mit aktiver Unterdrückung von Störlichteinflüssen realisiert. Auch in der Beleuchtungsvorrichtung kann eine derartige Unterdrückung von Störlichteinflüssen vorgesehen sein.
Eine besonders hohe und im Hinblick auf eine möglichst genaue Messung vorteilhafte Effektivität des Absorbers lässt sich erreichen, wenn der Absorber eine mit einer Oberflächenstruktur versehene Absorberfläche aufweist, wobei die Oberflächenstruktur Erhebungen mit einem Durchmesser in einer zur Absorberfläche parallelen Richtung, die kleiner als eine Wellenlänge des Lichts ist, und mit einer Höhe, die größer als die Wellenlänge des Lichts ist, umfasst. Oberflächenstrukturen mit solchen Abmessungen besitzen die Eignung den Absorptionsgrad einer Oberfläche bezüglich des Lichts dieser Wellenlängen stark zu erhöhen. Alternativ oder zusätzlich kann der Absorber auch einen oder mehrere Ablenkspiegel zum Umleiten der von störendem Streulicht oder an optischen Elementen gebeugtem Licht aufweisen.
In einer Weiterentwicklung kann die Erfindung eine zweite Beleuchtungsvorrichtung mit einer zweiten Lichtquelle aufweisen, vorzugsweise ebenfalls eine Laserdiode oder einen durch eine Faseroptik eingekoppelter Laser, mit der die Probe unter flacheren Einfallswinkeln als mit der ersten Beleuchtungsvorrichtung beleuchtbar ist. In einer besonders günstigen Anordnung trifft dabei ein von der Probe spekular reflektierter oder ungestreut transmittierter Anteil des Lichts der zweiten Lichtquelle auf den Absorber, während von der Probe ausgehende verhältnismäßig stark gestreute Anteile dieses Lichts auf den Detektor fallen. Die zweite Beleuchtungsvorrichtung kann ferner ein sammelndes Linsensystem umfassen, mit dem das Licht auf die Probe oder den Detektor fokussierbar ist. Des weiteren kann auch die zweite Beleuchtungsvorrichtung eine Aperturblende umfassen, die dann so angeordnet sein sollte, dass das von dem sammelnden Linsensystem ausgehende Licht der zweiten Beleuchtungsvorrichtung dadurch lateral so begrenzbar ist, dass in ihm enthaltene Störlichtanteile abgefangen werden.
Die Weiterbildung mit der zweiten Beleuchtungsvorrichtung eignet sich besonders gut zur Messung auch solcher Streulichtanteile, deren Streuwinkel sich stark von einer Richtung der spekular reflektierten oder ungestreut transmittierten Lichtanteils unterscheiden. Besonders hervorzuheben ist in dieser Anordnung die doppelte Funktion des Absorbers. Wird die Probe durch die erste Beleuchtungsvorrichtung bestrahlt, so absorbiert er das von dem Detektor reflektierte spekulare Licht. Wird die Probe durch die zweite Beleuchtungsvorrichtung bestrahlt, absorbiert er die direkt von der Probe ausgehenden spekular reflektierten oder ungestreut transmittierten Anteile des Lichts. Auf diese Weise sind mit derselben kompakten Anordnung in zwei unterschiedlichen Messsituationen immer genau die Anteile des Lichts absorbierbar, die unabsorbiert das intensivste Störlicht verursachen würden.
Um störende Streuungen und Vielfachreflexionen noch weiter zu verringern, sieht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor, dass eine, mehrere oder vorzugsweise alle der in ihr enthaltenen Linsen sich durch Oberflächenrauheiten von weniger als 0,5 nm rms im Ortsfrequenzbereich von 0,001 μm^–1 bis 1 μm^–1 auszeichnen. Außerdem sind eine, mehrere oder vorzugsweise alle Linsen ein- oder beidseitig mit niedrigstreuenden Antireflexschichten ausgestattet, um Störlicht zu vermindern. Als eine weitere Maßnahme zu diesem Zweck können eine, mehrere oder vorzugsweise alle dieser Linsen relativ zu einer optischen Achse der jeweiligen Beleuchtungsvorrichtung gekippt sein, so dass an den Linsen erzeugte Vielfachreflexi onen aus dem Hauptstrahlengang des Lichts entfernt werden.
In einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung sind der Detektor und der Absorber wahlweise auf einer der ersten Beleuchtungsvorrichtung und der zweiten Beleuchtungsvorrichtung zugewandten Seite der Probe oder auf einer der ersten Beleuchtungsvorrichtung und der zweiten Beleuchtungsvorrichtung abgewandten Seite der Probe positionierbar. Dies ist vorzugsweise durch einen modularen Aufbau der Vorrichtung erreichbar, wobei sich die Beleuchtungsvorrichtung oder gegebenenfalls die beiden Beleuchtungsvorrichtungen in einem ersten Modul und der Detektor zusammen mit dem Absorber in einem zweiten Modul befinden, die so zusammensetzbar oder relativ zueinander bewegbar sind, dass beide oben genannten Anordnungen realisierbar sind. Auf diese Weise sind mit der beschriebenen Vorrichtung – je nach Zusammensetzung der Module – sowohl Streulichtmessungen an einer Oberfläche wie auch in einem Volumen einer Probe, also in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung, durchführbar.
Das Anwendungsspektrum der Erfindung ist auf vorteilhafte Weise erweiterbar, indem die Beleuchtungsvorrichtung zusätzlich mit einem Polarisator ausgestattet wird, mit dem definierte oder verschwindende Polarisationszustände des Lichts erzeugbar sind, wodurch Streueigenschaften der Probe auch polarisationsabhängig untersucht werden können.
Die Handhabung der Vorrichtung kann vereinfacht werden in einer Weiterentwicklung der Erfindung, in der die Fokussierung des Lichts auf die Probe, auf den Detektor oder den Absorber mittels Motoren einstellbar ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist die Fokussierung durch eine Autofokusroutine ein stellbar, mit der die Vorrichtung vorzugsweise automatisiert auf sich ändernde Abstände zur Probe sowie auf unterschiedliche Krümmungen der Oberfläche der Probe einstellbar ist.
Ausführungsbeispiele sind in den 1 bis 5 dargestellt. Es zeigt
1 eine schematisch dargestellte Vorrichtung mit zwei Beleuchtungsvorrichtungen und einem Detektor, wobei eine Probe mit einer ersten der beiden Beleuchtungsvorrichtungen beleuchtet wird zur Messung von Strukturen auf der Oberfläche der Probe,
2 eine perspektivische Darstellung von Winkelgrößen, die zur Beschreibung einer Streuung von auf die Probe treffendem Licht verwendet wird,
3 die Vorrichtung aus 1 in entsprechender Darstellung, wobei die Probe mit der zweiten Beleuchtungsvorrichtung beleuchtet wird zur Messung von Strukturen auf der Oberfläche der Probe,
4 die Vorrichtung aus den 1 und 3, in einem Zustand, in dem der Detektor auf einer den Beleuchtungsvorrichtungen abgewandten Seite der Probe angeordnet ist zur Messung von Strukturen innerhalb eines Volumens der Probe, also Streuung in Vorwärtsrichtung, und
5 ein Ausschnitt eines Durchschnitts des Absorbers mit Oberflächenstrukturen.
In 1 ist ein Beispiel für eine Vorrichtung hier vorgeschlagener Art dargestellt. Die Vorrichtung umfasst eine erste und eine zweite Beleuchtungsvorrichtung. Die erste Beleuchtungsvorrichtung beinhaltet eine Lichtquelle 1, die durch eine Laserdiode gegeben ist. Anstelle einer Laserdiode könnte die Lichtquelle auch durch einen durch eine Faseroptik eingekoppelten Laser realisiert sein. Ferner umfasst die erste Beleuchtungsvorrichtung ein erstes sammelndes Linsensystem 2, durch das von der Lichtquelle 1 emittiertes Licht auf eine Lochblende 3 fokussiert wird. Auf diese Weise wird ein Intensitätsprofil des durch die Lochblende 3 tretenden Lichts von Unregelmäßigkeiten bereinigt.
Des weiteren enthält die erste Beleuchtungsvorrichtung eine Aperturblende 4, mit der das von der Lochblende 3 ausgehende Licht lateral begrenzt wird. Dabei wird die Öffnung der Aperturblende 4 vorzugsweise so eingestellt, dass die von der Lochblende 3 gebeugten Anteile von der Aperturblende 4 abgefangen werden und nur die nullte Beugungsordnung des Lichts hindurch gelassen wird. Anschließend wird das Licht durch ein zweites sammelndes Linsensystem 5 so gebündelt, dass spekular von der Probe 6 reflektierte Anteile des Lichts auf den Detektor 7 fokussiert werden.
Der Detektor 7, der durch eine CMOS-Sensormatrix gegeben ist, weist ein Mikrolinsenarray auf, mit der die auf den Detektor 7 eintreffenden Lichtanteile auf lichtempfindliche Sensorelemente der CMOS-Sensormatrix gebündelt werden, um eine Sensitivität des Detektors 7 zu erhöhen. Ein Absorber 8 ist so angeordnet, dass Lichtanteile, die spekular von der Probe 6 reflektiert und anschließend von dem Detektor 7 er neut reflektiert werden, auf den Absorber 8 treffen und durch ihn weitestgehend absorbiert werden. Dabei ist der Absorber 8 so ausgerichtet, dass von ihm möglicherweise reflektierte Anteile des Lichts nicht auf den Detektor 7 fallen können.
Des weiteren bezeichnen θ_i einen Einfallswinkel, unter dem das von Lichtquelle 1 ausgehende Licht auf die Probe 6 fällt, und θ_s einen polaren Streuwinkel, unter dem Anteile dieses Lichts von der Probe 6 gestreut werden. Der Winkel θ_i wird vor der Messung auf einen festen Wert, etwa in einem Bereich von 10° bis 30°, eingestellt. Ferner ist zwischen dem ersten sammelnden Linsensystem 2 und der Lochblende 3 ein Polarisator 12a angeordnet, mit dem das Licht polarisiert werden kann, wenn bestimmte Streuursachen auf der Probe 6 näher untersucht werden sollen.
Ferner ist eine Lichtquelle 9 der zweiten Beleuchtungsvorrichtung dargestellt, bei der es sich ebenfalls um eine Laserdiode handelt, die jedoch genauso gut durch einen durch eine Faseroptik eingekoppelten Laser ersetzt werden könnte. Die zweite Beleuchtungsvorrichtung weist außerdem, ein sammelndes Linsensystem 10, einen Polarisator 12b sowie eine Aperturblende 11 auf.
Damit Störlichteinflüsse möglichst weitgehend unterdrückt werden, weisen alle in den sammelnden Linsensystemen 2, 5 und 10 enthaltenen Linsen Oberflächenrauheiten von weniger als 0,5 nm rms in einem Ortsfrequenzbereich von 0,001 μm^–1 bis 1 μm^–1 und beidseitig aufgetragene niedrigstreuende Antireflexschichten auf. Außerdem können die in den sammelnden Linsensystem 2 und 5 der ersten Beleuchtungsvorrichtung enthaltenen Linsen leicht gegenüber einer optische Achse der Lichtquelle 1 gekippt sein, während die in dem sammelnden Linsensystem 10 der zweiten Beleuchtungsvorrichtung enthaltenen Linsen gegenüber einer optischen Achse der Lichtquelle 9 gekippt sein können, um Einflüsse von auf Reflexionen zurückzuführendem Störlicht zu minimieren.
Die beschriebene Vorrichtung hat einen modularen Aufbau mit einem ersten Modul, das die beiden Beleuchtungsvorrichtungen enthält, und einem zweiten Modul, das den Detektor 7 und den Absorber 8 enthält, wobei in der dargestellten Vorrichtung die beiden Module so relativ zueinander angeordnet sind, dass der Detektor 7 und der Absorber 8 auf einer den beiden Beleuchtungsvorrichtungen zugewandten Seite der Probe 6 positioniert sind. Mit dieser Anordnung der beiden Module werden somit Streulichtmessungen an der Oberfläche der Probe 6 durchgeführt. Eine alternative Anordnung dieser beiden Module ist in 4 dargestellt.
Ein Gehäuse der Vorrichtung ist der Übersicht halber nicht dargestellt. Das Gehäuse weist vorteilhafterweise ein Fenster auf, durch welches das Licht der Beleuchtungsvorrichtung hindurch tritt und auf die Probe trifft und durch welches von der Probe 6 ausgehende Anteile des Lichts hindurch treten und auf den Detektor 7 treffen. Es besteht die Möglichkeit das Fenster derart zu gestalten, dass die Vorrichtung auf der Probe 6 abgestützt werden kann, um einen möglichst konstanten Abstand zwischen der Oberfläche der Probe 6 und den Beleuchtungsvorrichtungen sowie dem Detektor 7 der Vorrichtung zu gewährleisten.
Die Vorrichtung kann auch einen hier nicht abgebildeten Motor aufweisen, mit dem über eine Autofokusroutine die Position des zweiten sammelnden Linsensystems 5 der ersten Beleuchtungsvorrichtung dann auch so eingestellt werden kann, dass das spekular von der Probe 6 reflektierte Licht exakt auf den Detektor 7 fokussiert wird. Zusätzlich kann die Vorrichtung einen zweiten Motor aufweisen, mit dem ebenfalls über eine Autofokusroutine die Position des sammelnden Linsensystems 10 der zweiten Beleuchtungsvorrichtung eingestellt werden kann, um eine gewünschte Fokussierung des aus der zweiten Lichtquelle ausgehenden Lichts zu erreichen.
Ein weiteres wichtiges Merkmal dieser Vorrichtung ist eine an den Detektor 8 angeschlossene Auswerteeinheit 13, die programmtechnisch zur Auswertung von Ausgangssignalen des Detektors 7 eingerichtet ist. Mit dieser wird aus den Ausgangssignalen der Detektors 7 unter anderem eine Rauheit der Probe 6 gemäß
berechnet, wobei σ für die Rauheit, λ für eine Wellenlänge des eingestrahlten Lichts und θ_i für den Einfallswinkel, unter dem das Licht auf die Probe trifft, stehen und ferner P_s eine über einen durch die CMOS-Sensormatrix abgedeckten Raumwinkel integrierte Strahlungsleistung des gestreuten Anteils des Lichts und P_r eine Strahlungsleistung des spekular reflektierten – oder bei einer anderen Anordnung des Detektors 7 ungestreut transmittierten – Anteils des Lichts der ersten Lichtquelle 1 bezeichnen.
Zusätzlich zur Rauheit wird in der Auswerteeinheit 13 durch deren entsprechende Programmierung aus den Ausgangssignalen des Detektors 7 auch eine spektrale Leistungsdichte der Probe gemäß
berechnet, wobei PSD(f_s, f_y) für die als Funktion zweier Ortsfrequenzen ausgedrückte spektrale Leistungsdichte, θ_s für den polaren und φ_s für den azimutalen Ausfallswinkel des von der Probe gestreuten Anteils des Lichts und ΔP_s(θ_s, φ_s) für eine in einem beispielsweise durch einen Detektorpixel aufgespannten Raumwinkelelement gemessene Strahlungsleistung von gestreuten Lichtanteilen stehen, wobei das mit ΔΩ_s bezeichnete Raumwinkelelement zu den polaren und azimutalen Ausfallswinkeln θ_s und φ_s gehört. Die als Argumente der spektralen Leistungsdichte PSD(f_x, f_y) dienenden Ortsfrequenzen f_x und f_y hängen dabei, wie bereits weiter oben ausgeführt, mit den Winkeln θ_i, θ_s und φ_s in einer durch Gittergleichungen auszudrückenden Weise zusammen.
In 2 ist die Geometrie einer in der Vorrichtung aus 1 erfolgenden Streuung des auf die Probe 6 treffenden Lichts veranschaulicht. Darin bezeichnen n eine makroskopische Oberflächennormale der Probe 6 an einer Stelle, an der das Licht auf die Probe 6 trifft, θ_i den Einfallswinkel, den das auf die Probe 6 treffende Licht mit der Oberflächennormalen n einschließt und P_i die Leistung des auf die Probe 6 treffenden Lichts. Die Richtung des von der Probe gestreuten Lichts wird durch den an der Oberflächennormalen n gemessenen polaren Winkel θ_s und durch den azimtualen Winkel φ_s angegeben, den die Projektionen des reflektierten Lichts und des betreffenden gestreuten Lichts auf die Oberfläche der Probe einschließen. Durch ΔP_s wird die Leistung der in das entsprechende Raumwinkelelement ΔΩ_s fallenden Anteile gestreuten Lichts bezeichnet. Ferner steht P_r für eine Leistung des spekular reflektierten Lichts, also des Lichtanteils, dessen Ausfallswinkel θ_r dem Einfallswinkel gleicht und dessen azimutaler Winkel ver schwindet.
In 3 ist die Vorrichtung aus 1 in einem anderen Betriebsmodus dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind hier – wie auch in 4 – wieder mit denselben Bezugszeichen versehen. In dem in 3 dargestellten Betriebsmodus wird die Probe 6 mit Licht der zweiten Beleuchtungsvorrichtung beleuchtet. Dabei ist ein als θ₂ bezeichneter Einfallswinkel des Lichts deutlich größer als der Einfallswinkel θ_i, unter dem die Probe in 1 bestrahlt wird. Der Winkel θ₂ hat einen festen oder in gewissen Grenzen einstellbaren Wert zwischen 60° und 80°. Dies ermöglicht die Untersuchung von Lichtstreuungen an der Probe 6, bei denen sich die polaren Streuwinkel θ_s stark von den Einfallswinkeln θ₂ unterscheiden. Durch die dargestellte Anordnung treffen nämlich solche Anteile des Lichts auf den Detektor 7, die von der Probe 6 unter Ausfallswinkeln θ_s gestreut werden, die viel kleiner als der Einfallswinkel θ₂ sind.
Durch ein sammelndes Linsensystem 10 werden die spekular von der Probe reflektierten Anteile des Lichts auf den Absorber 8 fokussiert, so dass diese Anteile des Lichts durch den Absorber 8 entweder absorbiert oder so reflektiert werden, dass sie von der Probe 6 und vom Detektor 7 weggelenkt werden. Durch eine zwischen dem sammelnden Linsensystem 10 und der Probe 6 angeordnete Aperturblende 11 wird das von dem sammelnden Linsensystem ausgehende Licht lateral begrenzt. Auf eine weitere Aufbereitung des von der Lichtquelle 9 ausgehenden Lichts wird verzichtet, um eine möglichst hohe Intensität der von der Probe 6 gestreuten Lichtanteile zu erreichen. Des weiteren wird mit dem Polarisator 12b, der zwischen dem sammelnden Linsensystem 10 und der Aperturblende 11 an geordnet ist, das von der Lichtquelle 9 ausgehende Licht polarisiert, wenn bestimmte Streuursachen auf der Probe 6 näher untersucht werden sollen.
Eine in 4 dargestellte Anordnung der genannten Module der Vorrichtung unterscheidet sich von den in 1 und in 3 dargestellten Anordnungen nur dadurch, dass das den Detektor 7 und den Absorber 8 umfassende Modul auf einer Seite der Probe 6 angeordnet ist, die dem Modul, welches die Beleuchtungsvorrichtungen beinhaltet, abgewandt ist. Wird mit der in 4 dargestellten Vorrichtung die Probe 6 mit der ersten Beleuchtungsvorrichtung unter dem Winkel θ_i bestrahlt, so durchläuft das Licht ein Volumen der Probe 6 und tritt auf der der ersten Beleuchtungsvorrichtungen abgewandten Seite der Probe 6 aus der Probe 6 aus und kann die Streuung in Vorwärtsrichtung der Probe 6 gemessen werden. Der ungestreut transmittierte Anteil, der bei dieser Anordnung an die Stelle der zuvor mehrfach erwähnten spekular reflektierten Anteils tritt, sowie gestreute Anteile des Lichts treffen auf den Detektor 7. Der Absorber 8 ist jetzt so angeordnet, dass die Lichtanteile, die ungestreut von der Probe 6 transmittiert und von dem Detektor 7 reflektiert werden, auf den Absorber treffen und von ihm in Anteilen absorbiert werden. Dabei ist der Absorber so ausgerichtet, dass von ihm reflektierte Anteile des Lichts von der Probe 6 und dem Detektor 7 weggelenkt werden.
Wird die Probe 6 mit der zweiten Beleuchtungsvorrichtung unter dem Winkel θ₂ bestrahlt, so trifft der ungestreut von der Probe 6 transmittierte Anteil des Lichts direkt auf den Absorber 8 und wird dort entweder absorbiert oder von dem Detektor 7 und der Probe 6 weg reflektiert. Die Lichtanteile, die durch die Probe hindurch treten und durch sie hinreichend stark gestreut werden, treffen auf den Detektor 7.
In 4 ist zur Veranschaulichung der Verlauf des Lichts beider Beleuchtungsvorrichtungen eingezeichnet. In der praktischen Anwendung wird die Probe 6 allerdings vorzugsweise entweder mit der ersten oder mit der zweiten Beleuchtungsvorrichtung, nicht aber mit beiden gleichzeitig beleuchtet. Es ist erkennbar, dass das Licht der ersten Beleuchtungsvorrichtung auf den Detektor 7 und das Licht der zweiten Beleuchtungsvorrichtung auf den Absorber 8 fokussiert wird.
In den in 1, 3 und 4 dargestellten Anordnungen und Betriebsmodi der beschriebenen Vorrichtung wird jeweils die Wellenlänge λ des Lichts so gewählt, dass sie an aufzulösende Oberflächenstrukturen angepasst ist. In der Regel sind dies Wellenlängen aus dem ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich. Ferner wird auch eine Integrationszeit des Detektors 7 so eingestellt, dass eine Sensitivität und eine Signalaussteuerung auf die Strahlungsleistung des auf den Detektor 7 eintreffenden Lichts angepasst ist.
In 5 ist ein Ausschnitt eines Querschnitts einer vorteilhaften Ausführen des Absorbers 8 dargestellt. Der Absorber weist eine aus Silizium gebildete Absorberfläche mit Oberflächenstrukturen auf, welche eine Vielzahl nadelförmiger Erhebungen 14 umfasst, deren Durchmesser in einer zur Absorberfläche parallelen Richtung als d und deren Höhen als h bezeichnet wird und die auf der Absorberfläche so dicht angeordnet sind, dass benachbarte Erhebungen einen Abstand von nicht mehr als d zueinander haben. In der dargestellten Ausführung sind die Durchmesser d so ge wählt, dass sie viel kleiner als eine Wellenlänge λ des Lichts sind, während die Höhen h viel größer als die Wellenlänge λ des Lichts sind. Auf diese Weise wird das Licht dieser Wellenlänge λ besonders gut absorbiert, wenn es auf den Absorber trifft.

Claims

Vorrichtung zur winkelaufgelösten Streulichtmessung, umfassend eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Lichtquelle (1) zum Beleuchten einer Probe (6) mit Licht unter einem nicht verschwindenden Einfallswinkel (θ_i), einen Detektor (7) zum Erfassen eines an der Probe gestreuten Anteils des Lichts, eine Auswerteeinheit (13) zum Auswerten von Ausgangssignalen des Detektors (7) und einen Absorber (8), wobei – die Beleuchtungsvorrichtung ein erstes sammelndes Linsensystem (2) und ein zweites sammelndes Linsensystem (5) sowie eine zwischen diesen Linsensystemen (2, 5) angeordnete Lochblende (3) beinhaltet, die so angeordnet sind, dass das von der Lichtquelle (1) ausgehende Licht durch das erste sammelnde Linsensystem (2) auf die Lochblende (3) fokussiert wird und ein spekular von der Probe (6) reflektierter oder ungestreut durch die Probe (6) transmittierter Anteil des von der Lochblende (3) ausgehenden und durch das zweite sammelnde Linsensystem (5) tretenden Lichts über die Probe (6) auf den Detektor (7) fokussierbar ist, – der Detektor (7) eine Sensormatrix beinhaltet, – der Absorber (8) so angeordnet ist, dass ein von dem Detektor (7) reflektierter Anteil des von der Probe (6) spekular reflektierten oder ungestreut durch die Probe (6) transmittierten und auf den Detektor fokussierten Anteils des Lichts auf den Absorber (8) trifft, und – ein Beleuchtungskanal und ein Detektionskanal der Vorrichtung vollständig voneinander getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit programmtechnisch zur Berechnung der rms-Rauheit der Probe (6) gemäß
eingerichtet ist, wobei σ für die rms-Rauheit, λ für die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts und θ_i für den Einfallswinkel, unter dem das Licht auf die Probe (6) trifft, stehen und ferner P_s eine über einen durch die Sensormatrix abgedeckten Raumwinkel integrierte Strahlungsleistung des gestreuten Anteils des Lichts und P_r eine Strahlungsleistung des spekular reflektierten oder ungestreut transmittierten Anteils des Lichts bezeichnen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit programmtechnisch zur Berechnung einer spektralen Leistungsdichte der Probe (6) gemäß
eingerichtet ist, wobei PSD(f_x, f_y) die als Funktion zweier Ortsfrequenzen ausgedrückte spektrale Leistungsdichte, λ eine Wellenlänge des eingestrahlten Lichts, θ_i den Einfallswinkel, unter dem das Licht auf die Probe (6) trifft, θ_s einen polaren und φ_s einen azimutalen Ausfallswinkel des von der Probe (6) gestreuten Anteils des Lichts und P_r eine Strahlungsleistung des spekular reflektierten oder ungestreut transmittierten Anteils des Lichts bezeichnen, wobei ferner ΔP_s(θ_s, φ_s) eine in einem Raumwinkelelement gemessene Strahlungsleistung von gestreuten Lichtanteilen bezeichnet, wobei das mit ΔΩ_s bezeichnete Raumwinkelelement zu den polaren und azimutalen Ausfallswinkeln θ_s und φ_s gehört.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (7) ein Mikrolinsenarray aufweist zur Bündelung der auf den Detektor eintreffenden Lichtanteile auf lichtempfindliche Sensorelemente der vorzugsweise als CMOS-Sensormatrix ausgeführten Sensormatrix.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Integrationszeit des Detektors (7) steuerbar ist zur Einstellung einer Sensitivität oder einer Signalaussteuerung des Detektors (7).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (8) auf einer dem Detektor (7) zugewandten Seite eine mit einer Oberflächenstruktur versehene Absorberfläche aufweist, wobei die Oberflächenstruktur Erhebungen (14) mit einem Durchmesser in einer zur Absorberfläche parallelen Richtung, die kleiner als eine Wellenlänge des Lichts ist, und mit einer Höhe, die größer als die Wellenlänge des Lichts ist, umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich eine zweite Beleuchtungsvorrichtung mit einer zweiten Lichtquelle (9), vorzugsweise einer Laserdiode oder einem durch eine Faseroptik eingekoppelten Laser, beinhaltet zur Beleuchtung der Probe (6) mit Licht in einem nicht verschwindenden Einfallswinkel (θ₂), wobei die zweite Beleuchtungsvorrichtung so angeordnet ist, dass ein von der Probe (6) spekular reflektierter oder ungestreut transmittierter Anteil des Lichts der zweiten Lichtquelle (9) auf den Absorber (8) und von der Probe (6) ausgehende in große Winkel gestreute Anteile des Lichts der zweiten Lichtquelle (9) auf den Detektor (7) treffen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Beleuchtungsvorrichtung ferner ein sammelndes Linsensystem (10) umfasst, mit dem das Licht der zweiten Lichtquelle (9) auf die Probe (6) oder den Detektor (7) fokussierbar ist, sowie eine Aperturblende (11) zur Minimierung des von dem sammelnden Linsensystem (10) ausgehenden Störlichts.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der eine oder mehrere in den sammelnden Linsensystemen (2, 5, 10) enthaltene Linsen Oberflächenrauheiten von weniger als 0,5 nm rms in einem Ortsfrequenzbereich von 0,001 μm^–1 bis 1 μm^–1 und/oder ein- oder beidseitig aufgetragene niedrigstreuende Antireflexschichten aufweisen oder gegen eine optische Achse der Beleuchtungsvorrichtung gekippt sind zur Unterdrückung von Störlichteinflüssen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung eine Aperturblende (4) zur Minimierung des aus der Lochblende (3) austretenden Störlichts aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen modularen Aufbau hat mit einem ersten Modul, das die Beleuchtungsvorrichtung enthält, und einem zweiten Modul, das den Detektor (7) und den Absorber (8) enthält, wobei die beiden Module so relativ zueinander bewegbar sind, dass der Detektor (7) und der Absorber (8) wahlweise auf einer der Beleuchtungsvorrichtung zugewandten Seite der Probe (6) (Rückwärtsstreuung) oder auf einer der Beleuchtungsvorrichtung abgewandten Seite der Probe (6) (Vorwärtsstreuung) positionierbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, in der die Beleuchtungsvorrichtung und/oder, sofern dieser Anspruch auf Anspruch 7 rückbezogen ist, die zweite Beleuchtungsvorrichtung einen Polarisator (12a, 12b) beinhalten zur Einstellung der Polarisation des auf die Probe (6) gerichteten Lichts.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) durch eine Laserdiode oder einen durch eine Faseroptik eingekoppelten Laser gegeben ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der eine Fokussierung des Lichts auf die Probe (6), auf den Detektor (7) oder den Absorber (8) über Motoren und vorzugsweise über eine Autofokusroutine einstellbar ist zum Anpassen der Vorrichtung an verschiedene Abstände zwischen der Beleuchtungsvorrichtung und einer dieser Beleuchtungsvorrichtung zugewandten Oberfläche der Probe (6).
Verfahren zur winkelaufgelösten Streulichtmessung, wobei eine Probe (6) mit Licht einer Lichtquelle (1) unter einem nicht verschwindenden Einfallswinkel (θ_i) beleuchtet wird, ein an der Probe gestreuter Anteil des Lichts von einem Detektor (7) erfasst wird und Ausgangssignale des Detektors (7) mit einer Auswerteeinheit ausgewertet werden, wozu eine Vorrichtung mit einem Beleuchtungskanal und einem vom Beleuchtungskanal vollständig getrennten Detektionskanal verwendet wird, wobei – das von der Lichtquelle (1) ausgehende Licht vor dem Auftreffen auf die Probe (6) durch ein erstes sammelndes Linsensystem (2) auf eine Lochblende (3) fokussiert und von einem zwischen der Lochblende (3) und der Probe (6) angeordneten zweiten sammelnden Linsensystem so gebündelt wird, dass ein von dem zweiten sammelnden Linsensystem (5) ausgehender und anschließend spekular von der Probe (6) reflektierter oder ungestreut durch die Probe (6) transmittierter Anteil des Lichts auf den Detektor (7) fokussiert wird, – eine vorzugsweise als CMOS-Sensormatrix ausgeführte Sensormatrix als Detektor (7) verwendet wird und – ein von dem Detektor (7) reflektierter Anteil des von der Probe (6) spekular reflektierten oder ungestreut durch die Probe (6) transmittierten und auf den Detektor fokussierten Anteils des Lichts auf einen Absorber (8) trifft.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinheit die rms-Rauheit der Probe (6) gemäß
berechnet wird, wobei σ für die rms-Rauheit, λ für die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts und θ_i für den Einfallswinkel, unter dem das Licht auf die Probe (6) trifft, stehen und ferner P_s eine über einen durch die Sensormatrix abgedeckten Raumwinkel-integrierte Strahlungsleistung des gestreuten Anteils des Lichts und P_r eine Strahlungsleistung des spekular reflektierten oder ungestreut transmittierten Anteils des Lichts bezeichnen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinheit eine spektralen Leistungsdichte der Probe (6) gemäß
berechnet wird, wobei PSD(f_x, f_y) die als Funktion zweier Ortsfrequenzen ausgedrückte spektrale Leistungsdichte, λ eine Wellenlänge des eingestrahlten Lichts, θ_i den Einfallswinkel, unter dem das Licht auf die Probe (6) trifft, θ_s einen polaren und φ_s einen azimutalen Ausfallswinkel des von der Probe (6) gestreuten Anteils des Lichts und P_r eine Strahlungsleistung des spekular reflektierten oder ungestreut transmittierten Anteils des Lichts bezeichnen, wobei ferner ΔP_s(θ_s, φ_s) eine in einem Raumwinkelelement gemessene Strahlungsleistung von gestreuten Lichtanteilen bezeichnet, wobei das mit ΔΩ_s bezeichnete Raumwinkelelement zu den polaren und azimutalen Ausfallswinkeln θ_s und φ_s gehört.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 durchgeführt wird.