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CN116964410A - 用于在表面上进行粗糙度和/或缺陷测量的测量装置和方法 - Google Patents

用于在表面上进行粗糙度和/或缺陷测量的测量装置和方法 Download PDF

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CN116964410A
CN116964410A CN202280019927.2A CN202280019927A CN116964410A CN 116964410 A CN116964410 A CN 116964410A CN 202280019927 A CN202280019927 A CN 202280019927A CN 116964410 A CN116964410 A CN 116964410A
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Abstract

一种测量装置(100)，被配置为用于在待研究样品(1)的表面的多个表面区段(2)上进行粗糙度和/或缺陷测量，包括：照射设备(10)，具有至少两个光源(11A、11B、11C、11D)，该至少两个光源(11A、11B、11C、11D)被布置用于使用测量光照射表面的测量区域(3)；检测器设备(20)，具有带有多个检测器像素的检测器阵列(21)，该多个检测器像素被布置用于捕获在表面处散射的散射光；以及评估设备(30)，评估被配置用于根据所捕获的散射光确定表面的至少一个粗糙度特征，该至少两个光源(11A、11B、11C，11D)被配置用于以相对于表面的表面法线的不同入射角沿着至少两个照射射束路径(LA、LB、LC、LD)照射测量区域(3)，该至少两个光源(11A、11B、11C、11D)能够相对于检测器设备(20)固定，该检测器设备(20)被设置有成像光学器件(22)，该成像光学器件(22)被布置用于在检测器阵列(21)上对表面的测量区域(3)进行成像，检测器设备(20)被配置用于以相对于表面的表面法线的预定视角来检测所照射的测量区域(3)中的表面区段(2)的至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)，由检测器像素接收的散射光的部分在每种情况下具有共同空间频率，这些部分在每种情况下都由照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中的一个照射射束路径中的照射形成，并且评估设备(30)被配置用于根据至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)确定表面区段(2)的至少一个粗糙度特征。还描述了用于进行粗糙度和/或缺陷测量的方法。

Description

用于在表面上进行粗糙度和/或缺陷测量的测量装置和方法
技术领域
本发明涉及一种测量装置和一种用于在待研究样品的表面的多个表面区段上进行粗糙度和/或缺陷测量的方法，特别是用于在结构化表面上进行粗糙度和/或缺陷测量(诸如用于晶片的保持装置的突节)的方法。本发明可以应用于表面的研究，特别是，晶片保持装置的研究，例如，用于检测表面的使用或处理状态。
背景技术
在本说明书中，参考以下现有技术，这些现有技术表示本发明的技术背景：
[1]DE 10 2012 005 417 B4；
[2]M.Zerrad等人的“Development of a goniometric light scatterinstrument with sample imaging ability”，载于“Proc.of SPIE”“OpticalFabrication,Testing,and Metrology III”第7102卷，第710207页(2008)，doi:10.117/12.797621；
[3]R.Bousquet等人的“Scattering from multilayer thin films:theory andexperiment”，载于“Journal of the Optical Society of America”71(9)，1115(1981)；
[4]A.Duparré等人的“Surface characterization techniques fordetermining the root-mean-square roughness and power spectral densities ofoptical components”，载于“Applied Optics”41(1)，154-171(2002)；
[5]E.L.Church等人的“Residual surface roughness of diamond-turnedoptics”，载于“Applied Optics”14(8)，1788-1795(1975)；
[6]J.C.Stover，Optical Scattering:Measurement and analysis，第3版(SPIE，Bellingham，Wash.，2012年)；
[7]P.Bobbert等人的“Light scattering by a sphere on a substrate”，载于“Physica A:Statistical Mechanics and its Applications”137，209-242(1986)；以及
[8]SvenAlexander von Finck和Angela Duparré的“Standardization of light scattering measurements”，载于“Adv.Opt.Techn.”2015；4(5-6):361-375。
通常已知用于保持部件(诸如在光刻半导体处理中，特别是在芯片生产中，用于保持硅片)的保持装置。如果使用静电力实现保持，则保持装置也被称为静电保持装置、静电夹持设备、静电夹具(ESC)或静电卡盘。保持装置通常包括具有至少一个平面承载表面的板的形状，所保持的部件由该平面承载表面承载。承载表面由多个突出突节形成，具体地，由突节的平面端面形成。例如，提供了数千个突节，每个突节的端面直径在亚毫米范围内。
众所周知，突节的端面的粗糙度和可能出现的缺陷(诸如污染物和/或材料损坏)决定性地影响晶片与ESC之间的相互作用特性，诸如摩擦、粘附和滑动。突节与晶片之间的相互作用特性反过来对当夹持晶片时的横向不稳定性具有决定性影响，因此在光刻结构化的情况下，它们影响来自不同制造步骤(套刻)的结构的可实现质量和套刻精确度。为了准确可靠地操作晶片，粗糙度应当被设置为尽可能可重现，并且可靠地标识可能缺陷。在这种情况下，具有高空间频率(例如，超过0.3μm-1)的粗糙度结构特别令人感兴趣。此外，旨在防止缺陷(具体地，粗劣的粗糙度结构或杂质，诸如端面上的颗粒或材料损坏)对所保持的晶片的均匀性和光刻过程的质量的损害。因此，在生产期间、在操作期间和/或在ESC返工的情况下，检测突节端面的粗糙度特别令人感兴趣。
通常在实践中使用的常规的研究方法包括：使用原子力显微镜(AFM)测量粗糙度。使用AFM来接近和研究各个突节。尽管可以借助于AFM直接测量具有高空间频率的粗糙度结构，但不利的是，AFM具有非常小的测量场，通常小于50×50μm2，AFM测量非常耗时，因此AFM的使用仅限于研究具有代表性的几个突节。在例如300mm直径的表面上测量所有ESC突节可能需要近似200天，这并不实际。因而，在实践中，借助于AFM测量，不能检测到或只能不可靠地检测到承载表面上的局部粗糙度波动或杂质。此外，AFM不允许对缺陷进行全面检测。
备选地，还可以借助于白光干涉测量法(WLI)来测量突节。尽管这允许比使用AFM时更高的测量速度，但对于实际应用而言，它需要过长的测量时间。此外，由于成像物镜的低通特性，所以只有高达近似<0.3μm-1的空间频率才能被更大的WLI测量场可靠地检测到。
根据[1]、[3]、[4]、[5]和[6]可知，借助于散射光测量来检测诸如透镜之类的光学部件的功率谱密度函数(PSD函数)，该PSD函数是粗糙度的特征。通常，为此目的，借助于角度扫描检测器来获取样品的局部测量点处的散射光分布。在[1]中描述的方法中，以不同角度或使用不同的波长照射所研究的样品的表面上的测量斑点，并且借助于多个检测器以多个视角获取在测量斑点处散射的光。PSD函数由检测器信号确定。然而，这种方法的缺点在于，它只能准时局部测量，因此作为横向扫描方法非常耗时。对ESC的所有各个突节的检测可能会持续近似2天，这与WLI测量时间近似相同。而且，常规方法仅提供关于散射增加的原因的有限信息。此外，由于空间分辨率受到照射斑点的直径的限制，所以根据[1]的方法的应用领域有限。
另一扫描散射光测量是从[2]已知的测角法，其中照射光源相对于样品扫描，并且借助于相机检测器获取以不同照射角度散射的光的散射光图像。该方法适用于例如检测晶片表面上的颗粒。根据散射光图像，可以确定散射颗粒是否存在于所成像的区域中以及散射颗粒存在于所成像的区域中的何处。如果检测到颗粒，可以以局部受限方式提供对表面区段的精确研究。根据[2]的方法的特征还在于高时间要求和有限的应用领域。
常规的扫描散射光方法还具有以下缺点：通常实现从1mm至3mm的测量场直径，使得在ESC上进行测量的情况下，多个突节可能会被同时照射。尽管复杂的照射光学器件可以实现小于0.2mm的测量场直径，但这需要精确的绝对定位系统(样品坐标)，并且必须精确地检测突节的各个位置并且将其传输到定位系统。此外，在检测到突节端面时，可能存在边缘结构的散射光或衍射效应叠加在端面的形貌的散射光上的风险。预防这种风险的措施可能会减缓扫描过程。此外，因为对于<0.2mm的测量场直径，照射射束必须聚焦在样品上，而非像常规的那样聚焦在检测器平面中，所以无法检测到近似<2°至5°的小散射角。因此，光谱照射射束以发散方式反射，并且以小散射角度叠加在散射光上。
所提及的约束(具体地，关于粗糙度测量或缺陷标识的速度、空间分辨率和空间频率的约束)不仅在对突节端面进行测量的情况下出现，而且在对其他部件(诸如光学部件(具体地，透镜、楔形物或反射镜)的表面)进行测量的情况下也出现。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的测量装置和一种用于在待研究样品的表面的多个表面区段上进行粗糙度和/或缺陷测量的改进方法，借助于该测量装置和方法，避免了传统技术的缺点和限制。本发明具体旨在使得能够以增加的速度和/或精度执行粗糙度和/或缺陷测量，检测具有增加的空间频率的结构，降低数据处理的处理复杂性，和/或递送具有增加的信息内容的粗糙度和/或缺陷测量的结果。当检测到所有突节时，粗糙度和/或缺陷测量应当具体适用于尽可能在近似一小时或更短的测量时间内可靠和快速地检测用于晶片保持的保持装置的突节的粗糙度。
在每种情况下，该目的都由包括独立权利要求的特征的测量装置和方法实现。本发明的优选实施例和应用源于从属权利要求。
根据本发明的第一一般方面，上述目的由测量装置实现，该测量装置被配置用于在待研究样品的表面的多个表面区段上(具体地，在结构化表面上，诸如在用于晶片保持的保持装置的突节端面上)进行粗糙度和/或缺陷测量。
测量装置包括具有至少两个光源的照射设备，该至少两个光源被布置用于使用测量光照射表面的测量区域，该测量区域包括多个表面区段。根据本发明，至少两个光源被配置用于沿着至少两个照射射束路径以相对于表面的表面法线的不同入射角度照射测量区域中的表面区段。此外，至少两个光源可以相对于检测器设备固定。
测量装置还包括检测器设备，该检测器设备具有由多个检测器像素组成的检测器阵列，这些检测器像素被布置用于检测在表面处散射的散射光。根据本发明，检测器设备被设置有成像光学器件，借助于该成像光学器件，将表面的测量区域被成像在检测器阵列上，检测器设备被配置用于以相对于表面的表面法线的预定视角捕获所照射的测量区域的至少两个散射光图像，并且在每种情况下，在照射射束路径中的每个照射射束路径中，由检测器像素接收的散射光的各部分具有共同空间频率。
此外，测量装置包括评估设备，该评估设备被配置用于根据所捕获的散射光来确定表面的至少一个粗糙度特征。根据本发明，评估设备被配置用于根据至少两个散射光图像确定每个表面区段的至少一个粗糙度特征。
根据本发明的第二一般方面，所述目的由一种在待研究样品的表面的表面区段上(具体地，在结构化表面上，诸如在用于晶片保持的保持装置的突节端面上)进行粗糙度和/或缺陷测量的方法实现。
用于进行粗糙度和/或缺陷测量的方法包括以下步骤：使用测量光沿着至少两个照射射束路径以相对于表面的表面法线的不同入射角度照射结构化表面的测量区域，该测量区域包括多个表面区段；使用包括由多个检测器像素组成的检测器阵列的检测器设备捕获散射在表面上的散射光；并且根据所捕获的散射光确定表面的至少一个粗糙度特征。
根据本发明，照射包括：以相对于表面的表面法线的不同入射角度沿着至少两个照射射束路径使用至少两个固定布置的光源对测量区域中的表面区段进行定向照射。该检测器设备被设置有成像光学器件，借助于该成像光学器件，将表面的所照射的测量区域成像在检测器阵列上，该检测器设备以相对于表面的表面法线的预定视角捕获所照射的测量区域的至少两个散射光图像，其中在每种情况下，在照射射束路径中的每个照射射束路径中，由检测器像素接收的散射光的各部分具有共同空间频率。对于每个表面区段，从至少两个散射光图像中确定至少一个粗糙度特征。
根据本发明的用于进行粗糙度和/或缺陷测量的方法或其实施例优选使用根据本发明第一一般方面的测量装置或其实施例来执行。
根据本发明，对表面的表面区段执行粗糙度的测量和/或缺陷的检测。每个表面区段是表面的一部分，散射光从该部分被成像在单个检测器像素或检测器像素组上。所考虑的所有表面区段优选地具有相同的形状和表面积。整个表面区段可以完全或部分覆盖所研究的表面。
优选地，对结构化表面执行粗糙度的测量和/或缺陷的检测。术语“结构化表面”是指被封闭或中断的任何表面，即，由部分表面组成，优选地，包括彼此界定的部分，这些部分具有不同的表面结构或纹理。在结构化表面的情况下，所考虑的表面区段特别优选地是在每种情况下具有相同表面结构或纹理的结构化表面的部分，即，表面区段是彼此界定的表面的部分并且局部具有相同表面结构或纹理，这些表面结构或纹理与剩余表面的表面结构或纹理不同。
例如，待研究样品包括用于部件的静电保持的保持装置，多个突出突节被布置在保持装置的表面上。保持装置的表面形成结构化表面，表面区段包括突节的端面。
以偏离从[1]已知的方法的方式，根据本发明，至少两个光源被布置使得至少两个不同的照射射束路径被形成为相对于表面的表面法线具有不同的入射角。测量光以至少两个不同的入射角被引导到样品上，每个光源被布置用于以入射角中的一个入射角照射。具体地，在记录至少两个散射光图像期间，光源相对于检测器设备固定。通过测量光在具有定义的空间频率的散射结构处的散射在每个入射角下确定由检测器设备检测到的散射光的振幅。换句话说，在每个入射角度下，检测具有不同空间频率的散射光图像。这有利地允许在更大的空间频率范围内(具体地，在0.005μm-1至100μm-1的空间频率内的空间频率下)确定粗糙度特征。
由于具有高空间频率的结构具体影响突节的粘附特性，并且因此影响保持装置的功能及其特征，具体地，当夹持晶片时，防止横向不稳定性，所以在确定至少一个粗糙度特征时包括高空间频率对于在保持装置(例如，ESC)的突节端面处进行粗糙度和/或缺陷测量特别有利。
在牢固设置入射角度的情况下，与[2]中描述的方法相比较，粗糙度和/或缺陷测量以不同方式进行。避免了用于设置不同入射角的光源的移动，因此简化了测量装置的结构，并且加速了粗糙度测量。使用牢固设置的入射角的照射的另一优点在于，固定入射角允许射束陷阱的固定定位，这些射束陷阱被可选地提供，这些射束陷阱吸收来自表面的直接反射，从而通过测量系统内的反射的光散射来抑制杂散光。在[2]中所描述的方法的情况下，射束陷阱必须与反射一起被携带，因此常规测量的复杂性增加。
此外，以偏离[1]的方式，由于提供了成像光学器件，所以检测器设备被配置用于图像获取。有利地，可以同时检测多个表面区段的散射光的振幅，因此显著加速了全表面粗糙度和/或缺陷测量，并且可以更容易地实现更高的横向分辨率。即使对于表面区段标识、缺陷标识和缺陷分类，高分辨率也是有利的。在[1]中所描述的方法的情况下，为此目的，必须显著减小照射斑点尺寸，从而产生已经描述的缺点(测量时间长，由于必要聚焦而叠加小散射角)。
术语“粗糙度特征”是指任何数量或数据量，诸如函数过程，其以定量方式表示粗糙度(所研究的表面的表面高度的不均匀性)。粗糙度特征是对形貌不均匀性和/或由于缺陷而引起的不均匀性的度量。有利地，可以标识表面区段的不同粗糙度特征。例如，可以依据特定应用中的要求来选择要标识的至少一个粗糙度特征。粗糙度特征优选地从ARS值(ARS：角度分辨散射)和/或由此获得的变量(诸如积分散射的值和/或至少一个PSD函数(功率谱密度函数))导出，由此可以确定rms粗糙度(rms：均方根)。特别优选地，获取PSD函数和/或rms粗糙度作为粗糙度特征。
缺陷包括对表面(具体地，所考虑的表面区段)的污染和/或材料损坏。优选地，根据至少一个粗糙度特征和/或角度分辨散射来标识缺陷。
根据本发明的有利实施例，照射设备可以被配置用于对至少两个光源进行时间控制，使得至少两个散射光图像可以以在时间上彼此分离的方式被记录，其中评估设备被配置用于根据至少两个散射光图像来确定所照射的测量区域中的表面区段的PSD函数，并且照射设备被配置用于根据表面区段的散射函数(具体地，ARS函数)来计算每个表面区段的至少一个粗糙度特征。
以顺序地且在时间上彼此分离的方式记录至少两个散射光图像的方式对至少两个光源进行时间控制包括：在每种情况下，相继交替激活光源中的一个光源，使得所激活的光源打开，同时所有其他光源不工作(关闭或屏蔽)。根据散射光图像的振幅以本身已知的方式确定每个表面区段的PSD函数，如下文所更详细地解释的。每个表面区段的至少一个粗糙度特征的计算可以例如包括：根据表面区段的平均PSD函数和/或表面区段内的PSD方差来计算粗糙度值。
可以为检测器设备的检测器阵列的每个检测器像素确定PSD函数。如果来自单个表面区段(例如，来自突节)的散射光被多个检测器像素(例如，2个至20个检测器像素)接收，则可以为每个表面区段计算平均散射光振幅，并且可以根据不同入射角处的平均散射光振幅来确定PSD函数。备选地，还可以对按照像素计算的PSD函数取平均值。取平均有利地使得可以减少待处理数据量。此外，每个表面区段使用多个检测器像素为标识缺陷提供了优点。
备选地或另外，根据本发明的另一有利实施例，照射设备可以被配置用于强度控制，使得可以在表面区段中的每个表面区段处记录至少两个散射光图像，该至少两个散射光图像具有通过至少两个光源进行的定向照射的加权辐照度(每表面积的能量)。优选地，至少两个散射光图像以加权辐照度同时记录在表面区段中的每个表面区段或表面区段组上。
定向照射的加权辐照度由至少两个光源在表面区段中的每个表面区段处提供，原因在于辐照度(例如，光源的照射强度)被设置为使得光源与均匀半球照射对应。加权辐照度(E)具体地被设置为以便与sin(θi)cos(θi)成比例，该θi是各个表面区段的照射的入射角。在这种情况下，评估设备被配置用于根据至少两个散射光图像确定所照射的测量区域中的结构化表面的整体散射(S函数或S值)，具体地，总散射(TS函数或TS值，等于2°至85°散射角范围内的积分散射)；以及用于根据表面区段上的积分散射来计算每个表面区段的至少一个粗糙度特征。
包括强度控制和同时记录至少两个散射光图像的本发明的实施例具有特定优点：可以仅使用一个单个照射实例来记录散射光图像，使得显著减少了测量持续时间。
照射设备的强度控制具体被实现为使得表面区段中的每个表面区段由加权辐照度照射，原因在于光源以不同的能量(具体地，不同的功率、脉冲持续时间和/或脉冲宽度调制)被启动，并且/或者在照射射束路径中(具体地，在光源处)提供预定缩减器。缩减器优选地包括波束形成光学器件和/或位置可变缩减器，诸如灰色滤光片。
可以组合包括时间控制和包括强度控制的本发明的实施例，使得有利地增加测量的信息内容。
可以有利地依据本发明的具体使用条件(具体地，依据测量的期望速度)来选择光源的数目。两个光源足以提供至少两个照射射束路径，例如，为了构造PSD函数。大量的光源可能有利于提高测量的准确性，但也会导致包括数据处理在内的测量的持续时间增加。照射设备的光源的数目优选地被选择为以便在3至70或更多(例如，高达100)的范围内。在对保持装置进行的粗糙度测量的实际应用中，例如，提供10个至60个光源。在光源(例如，其端部辐照的纤维)的适当配置中，还可以提供更多的光源，例如，高达100个或更多个光源。
光源优选地被布置在垂直于所研究的样品的表面的至少一个方位平面中，从而有利地产生紧凑配置。备选地，光源可以具有不同的布置，具体地，可以被布置在检测器设备旁边的多个侧面上。具体地，可以以不同的方位角(具体地，在多个方位平面中)实现沿着照射射束路径的照射，其中在标识或抑制干扰局部反射或高方差系数方面实现了优点，这些干扰局部反射或高方差系数可以叠加在附近测量点上。另外，这种布置简化了对各向异性表面结构和缺陷的标识。
根据本发明的另一有利实施例，照射设备被配置用于在所有照射射束路径中生成测量光，以便具有相同的波长。在这种情况下，简化了测量装置的构造和至少一个粗糙度特征的确定。
根据本发明的备选实施例，照射设备被配置用于在所有辐射射束路径中生成测量光，以便具有不同的波长和/或不同的偏振。例如，通过使用具有合适光谱发射的光源来提供不同的波长。为了提供不同的偏振，例如，使用可调整偏振分束器和/或偏振滤光片。有利地，在选择照射射束路径中检测到的空间频率时提供了附加自由度。此外，更容易检测散射结构是表面缺陷还是表面结构，或它是否以非形貌方式散射，从而可以更好地标识缺陷。如果标识出缺陷，则可以优选地做出关于表面的后续清洁的决策。备选地，如果标识出表面结构，则优选地可以对表面进行后处理，例如，对突节端面的表面进行后处理。这种区分的可能性有利地允许显著减少后处理过程时间并且减少支出。
根据在照射射束路径中使用不同波长的优选变型，照射设备被配置用于在照射射束路径中的至少一个照射射束路径上生成测量光，以便具有至少两个不同的波长和/或以便具有至少两个不同的偏振。
评估设备特别优选地被配置用于确定所照射的测量区域中的表面区段的至少两个PSD函数(具体地，具有相等的空间频率(即，共同空间频率或空间频率范围))和/或至少两个积分散射实例(特别地，具有相同的空间频率范围)；并且用于根据至少两个PSD函数和/或至少两个积分散射实例来标识表面区段上的结构。可以从至少两个PSD函数和/或至少两个积分散射实例的偏差(例如，差或商)获取表面区段上的结构。从而有利地进一步简化了缺陷与表面结构之间的区分。
根据本发明的另一实施例，评估设备被配置用于标识测量区域中的表面区段，具体地，散射光图像中的表面区段。对于每个表面区段，可以具体根据至少两个散射光图像来实现对至少一个粗糙度特征的确定。备选地，评估设备可以仅针对待评估的表面区段的部分组来提供评估。对(具体地，散射光图像中的)表面区段的标识提高了确定至少一个粗糙度特征的准确性，并且可以检测和防止由来自表面区段的边缘结构的可能散射光或由于衍射效应而引起的不期望的干扰。
有利地，散射光图像中的图像区域可以与表面区段(确定性结构)相关联并且与诸如缺陷或杂质之类的随机结构区分开。对至少一个粗糙度特征的计算可以被约束到表面区段。此外，还可以在各个表面区段上对信息求平均值。
对表面区段的标识可以借助于散射光图像所经受的图像识别方法来实现。根据本发明的一个特别优选实施例，评估设备被配置用于通过使用神经网络和/或机器学习方法来标识表面区段。本发明的该实施例的特征在于将被调谐到极高空间频率的成像散射光测量方法与学习数值方法相结合。有利的是，即使在存在缺陷的情况下，也可以由此提高对表面区段的标识的可靠性。
评估设备优选地被配置用于通过使用数字图像掩模根据至少两个散射光图像来标识表面区段上的结构。数字图像掩模包括例如预定形状和/或尺寸的预定参考图像，这些预定参考图像是表面上被预期的缺陷的特点。例如，缺陷包括具有诸如颗粒或纤维之类的异物的污染或诸如边缘断裂或裂纹之类的材料损坏。将图像掩模与散射光图像进行比较使得可以标识缺陷并且可选地进行分类(例如，灰尘、纤维、边缘断裂等)和/或尺寸确定。使用数字图像掩模有利地使得可以加速对散射光图像的评估。
具体地，图像掩模可以使得更容易仅部分地评估散射光图像，例如，以仅在表面区段中(具体地，在突节上)根据散射光数据计算粗糙度。在所标识的颗粒的情况下，可以以类似方式使用图像掩模来提取颗粒的散射光数据，以便使用其他评估算法来确定尺寸。掩模创建和缺陷分类可以借助于机器学习方法(具体地，神经网络)来实现。对所提取的散射光数据的评估通常可以使用本身已知的模型来执行，可以以取决于所标识的缺陷类型来进行模型选择。例如，可以使用Bobbert-Vlieger模型对各个颗粒进行评估，以根据ARS数据确定尺寸，可以通过借助于像素计数/表面确定进行的尺寸确定来评估缺陷，和/或可以借助于使用Rayleigh-Rice模型从ARS数据计算表面粗糙度来评估突节。
根据另一优选实施例，检测器设备的成像光学器件是远心光学器件，从而因为无需复杂的单独的光学器件，所以为测量装置的构造提供了优点。
根据本发明，散射光图像由检测器设备以相对于所研究的样品表面的固定视角记录就足够了。检测器设备的视角优选地平行于所研究的样品的表面的表面法线延伸。远心光学器件的优点在于：视角或散射角对于每个像素都相同，并且因此空间频率对于所有像素也相同。这也是有利的，由于在整个视场中优选地垂直观察样品，所以可以更准确地测量横向尺寸。此外，立体角对于所有像素都是相同的，从而对于校准是有利的。
具体地，对于研究保持装置的突节端面而言，如果照射设备被配置用于使用具有小波长λ＜300nm的测量光以88°至75°范围内的浅入射角对表面区段进行定向照射，则会产生其他优点，并且评估设备被配置用于确定表面区段的偏斜度参数。偏斜度参数是根据其平均值对各个端面的形貌不对称性的类型和程度进行统计的定量量度。确定偏斜度参数使得可以确定晶片与突节的特定相互作用特性，这些特性反过来又对晶片的横向形变起决定性作用。
根据本发明的另一有利实施例，提供了至少一个其他检测器设备，该检测器设备包括成像光学器件和具有多个检测器像素的检测器阵列，该至少一个其他检测器设备被配置用于以相对于表面的表面法线的至少一个其他视角捕获所照射的测量区域的至少两个散射光图像。例如，提供至少一个第二检测器设备，该第二检测器设备相对于所研究的样品的样品法线形成比第一检测器设备更大的视角。因此，可以有利地检测具有更高空间频率的结构。
另一实施例包括至少一个照射，其入射角被选择为使得直接的镜面反射撞击至少一个附加检测器。可以有利地借助于所测量的附加检测器的值来确定样品的局部反射系数，从而增加了评估的准确性。为了确定在与表面法线平行的入射角下的反射系数，可以在检测射束路径的光路中使用分束器，这使得既可以平行于表面法线观察样品，又可以平行于表面法线照射所述样品。
本发明的另一优点是照射设备不限于特定类型的光源。术语“光源”是指被布置用于以预定入射角照射待研究样品的任何形式的发光元件。
优选地，光源是有源发光元件，诸如发光二极管或激光器，其发射指向样品。由于具有高照射强度的部件的可用性、窄带发射器的可用性以及定向发射，所以发光二极管或激光器具有优点。发光二极管由于其非相干性而可能是有利的，因为没有在样品上生成干涉散斑图案。激光器可以包括例如激光二极管或固态激光器。
备选地，光源包含无源发光元件(所照射的元件)(诸如光纤，具体地，光纤的纤维端)或反射器(与发光二极管或激光器组合)。多个或全部光纤可以耦合到共同发光二极管或共同激光器。在这些变型中，多个光源(例如，纤维端)的密集布置具有优点，用于设置多个入射角。
照射设备可以包括相同或不同变型的光源，这些光源的入射角不同。例如，直接照射样品的激光器和/或发光二极管可以与光纤相结合，这些光纤耦合到同一或更多的激光器和/或发光二极管。
优选地，每个光源被设置有照射光学器件。照射光学器件为将照射朝向样品的定向和/或在样品的表面上形成所照射的测量区域提供了优点。如果光源包括发光二极管或光纤，则照射光学器件优选地为准直透镜。如果光源包括激光器，则照射光学器件优选地是扩展透镜和准直透镜的组合。备选地，对于照射实例中较少的固有散射光或为了在更宽的照射光谱范围内改善像差和透射或反射损失，还可以使用反射镜光学器件。
散射光图像可以覆盖待研究样品的整个表面。备选地，散射光图像可以覆盖待研究样品的表面的一部分，并且可以通过在不同部分中重复测量来捕获整个表面。在后一情况下，根据本发明的另一优选实施例，用于接收样品的样品保持器和/或由照射设备和检测器设备组成的组件可以相对于彼此移动，使得照射设备可以被布置用于照射结构化表面的不同测量区域(部分)，并且不同测量区域的散射光图像可以由检测器设备捕获，测量装置被配置用于在结构化表面的不同测量区域中的表面区段处重复粗糙度测量。每个部分包括至少两个(通常至少20个)表面区段。在保持装置上进行粗糙度测量的情况下，部分覆盖例如近似50个突节端面。
粗糙度测量可以有利地与其他研究和/或处理方法相结合。例如，根据本发明的优选变型，可以使用干涉测量方法、形貌测量方法和/或光谱测量方法(具体地，干涉测量、共聚焦显微镜、荧光光谱或拉曼光谱)对所选表面区段(具体地，粗糙度增加的表面区段)进行附加的目的性研究。对样品的处理可以包括例如在测量区域中的制备和/或对样品的表面处理(诸如抛光)。优选地，在根据本发明的粗糙度测量之后，随后执行其他研究和/或处理方法。备选地，也可以在粗糙度测量之前进行研究。
特别优选地，提供至少一种后续的第二测量方法，优选地，干涉测量方法、形貌测量方法和/或光谱测量方法，诸如干涉测量(具体地，白光干涉测量)、共聚焦显微镜、荧光光谱或拉曼光谱，以便有目的地再次测量所标识的各个缺陷或结构。优选地，由于这些偏差可以指示缺陷，或具体地，污染，所以对粗糙度增加的和/或在至少两个PSD函数之间的偏差增加的表面区段和/或表面区段的至少两个积分散射进行研究。然后，作为可用结果的附加信息和数据可以用于获得与结构和缺陷有关的更准确的信息(例如，通过/失败)，或用于根据散射光测量数据训练和提高神经网络的评估准确性。此外，使用其他测量方法根据先前或后续测量已知的其他产品特性(诸如，耐磨性)可以与根据本发明的粗糙度测量的数据相关，例如，通过调整或训练评估算法或神经网络。另外，结果还可以扩展可检测的空间频率范围。
在形貌测量方法的情况下，可以使用检测器设备执行至少一个其他测量，其中设置已改变的焦平面。结果，可以重构表面的形貌。例如，在其中执行根据本发明的粗糙度测量的公共测量区域中，可以相对于样品的横向范围来确定表面结构或表面区段的局部倾斜角。因此，可以有利地准确确定局部入射角和散射角，以用于计算至少一个粗糙度特征并且用于提高评估的准确性。
优选地，可以提供焦点变化测量(还被称为“来自散焦的形状”方法)和/或Makyoh成像测量(Makyoh形貌测量)作为形貌测量方法。在优选地在暗场中执行的焦点变化测量的情况下，检测器设备的焦平面的变化(扫描)和焦平面的检测发生在各个图像纹理最清晰的位置，从该位置确定表面的高度轮廓，具体地，局部表面倾斜度。在Makyoh成像(优选地，其在亮场中进行)的情况下，优选地在焦点外部获取至少一个相机图像。局部样品曲率影响失焦图像的强度，这使得可以计算高度轮廓(具体地，局部表面倾斜度)。对于该计算，例如，假设测量区域中的均匀入射照射分布和恒定的局部反射系数。备选地，还可以通过使用具有已知反射的样品校准检测器设备来计算入射照射分布和局部反射系数。
结合测量装置及其实施例所公开的特征也构成根据本发明的方法的优选特征，反之亦然。上文所提及的方面以及发明和优选特征(具体地，关于测量装置的构造以及结合测量装置所描述的各个部件的尺寸和组成)因此也适用于该方法。上文所描述的本发明的优选实施例、变型和特征可以彼此组合。
附图说明
下文参考附图描述本发明的其他细节和优点。附图示意性地示出了：
图1：测量装置和用于通过光源的时间控制进行粗糙度和/或缺陷测量的方法的优选实施例的特征；
图2：根据图1的包括多个检测器设备的测量装置的经修改的实施例；
图3：具有对光源的强度控制的测量装置的其他经修改的实施例；
图4：根据图3的测量装置的函数的图示；以及
图5：确定至少一个粗糙度特征时所参考的角度和方向的图示。
具体实施方式
在下文中通过示例参考平面ESC 1形式的样品上的粗糙度和/或缺陷测量对本发明的实施例的特征进行描述(其部分被示意性地示出)。应当强调，本发明的应用不限于平面ESC上的测量，而是还包括对包括横跨承载表面的突节的其他保持装置以及其他平面或弯曲部件(诸如光学反射镜或透镜或粘合板)的测量。在对弯曲部件进行测量的情况下，方向规范(诸如表面法线)局部是指测量的当前测量区域中的相应方向。当描述对至少一个粗糙度特征的确定时，参考了角度、方向和其他变量，它们在图5示出。
附图是示出本发明的实施例的特征的示意性图示。所描述的配置的细节(诸如光源的载体、相机外壳或样品保持器)没有示出，只要这些本身是从现有技术已知的。
通过示例，参考本发明的实施例，其中在反射时检测到来自样品的散射光，即，照射设备和检测器设备被布置在样品的一个侧面上的共同半空间中。如果在透射时检测到来自样品的散射光，则可以以对应方式应用本发明，即，照射设备和检测器设备被布置在样品的相对侧面的不同半空间中。
图1的顶部示意性地示出了用于在ESC 1上进行粗糙度和/或缺陷测量的测量装置100，该设备包括照射设备10、包括相机的检测器设备20、评估设备30和样品保持器40。图1的底部图示了评估设备30的配置和由评估设备30所执行的用于确定至少一个粗糙度特征的方法，该方法包括：确定粗糙度和/或标识缺陷。
评估设备30包括计算机单元，该计算机单元被配置用于执行用于处理由检测器设备20记录的散射光图像数据的数据处理程序。评估设备30优选地还设置有用于控制测量装置100的控制单元。备选地或附加地，为了控制测量装置100，可以与评估设备30分开地提供附加控制单元(未示出)。
ESC 1呈平面板形状，在其表面上布置有多个突节1A，每个突节1A具有端面2。在细节视图中示意性地示出了ESC 1，其仅具有几个突节1A。在实践中，例如，提供了间隔小于3000μm的数万个突节1A的密集布置，这些布置中的突节的端面2各自具有小于0.5mm的直径，并且横跨用于晶片的ESC 1的承载表面。ESC 1在参考平面(本文中：X-Y平面)中延伸，并且ESC 1的表面法线垂直于参考平面(本文中：Z方向)延伸。端面2优选地位于与参考平面平行的共同平面中。相机的聚焦深度和轴向色差优选地允许同时在两个平面中和在不同波长下进行清晰成像，或可以使用相机借助于重新聚焦同时清晰地记录平面。可选地，可以例如通过焦点变化测量和/或Makyoh成像测量来检测ESC 1的表面的形貌和/或局部高度变化。
ESC 1被布置在(示意性示出的)样品保持器40上，该样品保持器包括例如用于在X-Y平面中保持和移动ESC的xy载物台。ESC 1在ESC 1的整个表面内相对于照射设备10和检测器设备20的位置(具体地，由照射设备10照射的测量区域3)可以借助于样品保持器40来设置。
照射设备10包含光源11A、11B、11C、11D组，每个光源都包括发光二极管，例如，M300L4型(340nm波长、53mW功率、制造商Thorlabs GmbH)的发光二极管。光源11A、11B、11C、11D被紧固在共用的载体和/或外壳(未示出)上，并且每个光源都设置有照射光学器件(准直光学器件)12。可选地，至少一个光源(并且优选地，所有光源)都可以设置有可移位缩减器，诸如灰色滤光片(参见图3)。缩减器可以在相应光源的射束路径中缩回和伸出，以增加测量的动态性。
光源11A、11B、11C、11D的照射光学器件12各自包括用于形成朝向ESC 1的经准直的照射射束路径LA、LB、LC和LD的准直透镜。光源11A、11B、11C、11D和相关联的照射光学器件12被布置为固定，使得照射射束路径LA、LB、LC和LD中的每个照射射束路径相对于ESC 1的表面的表面法线形成不同的入射角θi，并且被引导到公共测量区域3。由于所使用的照射光学器件12，所以照射射束路径LA、LB、LC和LD中的照射通常为圆形或椭圆形，并且大于所考虑的测量区域3。测量区域3例如为矩形或二次形状，其与检测器设备20的检测器阵列21的形状适配，其中测量区域3的边长具体地在0.1cm至10cm的范围内。
通过示例，示出了四个光源，实际使用时，可以提供其他光源，例如，总共10个或更多个光源。例如，入射角可以被布置为分布在2°至75°的范围内。入射角优选地分布在该范围中，使得它们允许扫描所检测到的尽可能均匀的空间频率。因此，根据方程(1)(参见下文)，更高密度的光源在小入射角下产生。如果在样品上预期具有特定空间频率的散射结构，则入射角可以优选地根据预期空间频率的范围来设置。
光源11A、11B、11C、11D与相关联的照射光学器件12一起相对于检测器设备20并且相应地也相对于X-Y平面具有固定位置和定向。在记录所有散射光图像的持续时间内，至少在操作测量装置100期间，设置固定位置和定向，以便确定至少一个粗糙度特征。为了与经修订的测量条件适配，光源11A、11B、11C、11D与相关联的照射光学器件12一起可以可释放地被固定在载体上或外壳中并且在载体上或在外壳中可调。
照射设备10和样品保持器40耦合到评估设备30的控制单元(参见双箭头)或耦合到单独的控制单元。控制单元提供光源11A、11B、11C、11D的时间或可选的强度控制以及ESC1的定位，如下文所进一步详细描述的。
检测器设备20包括具有例如OrcaFusion型(制造商Hamamatsu)的检测器阵列21和成像光学器件22的相机，该成像光学器件22优选地为远心光学器件。检测器设备20被布置为相对于ESC 1的表面的表面法线具有固定视角θs。视角优选地为0°，即，检测器设备20的光轴平行于表面法线(Z方向)延伸。备选地，视角可以偏离0°(例如，参见图2)。
诸如CMOS矩阵之类的检测器阵列21包括多个检测器像素，用于在沿着照射射束路径LA、LB、LC和LD照射测量区域3的情况下对散射光进行空间分辨记录。检测器阵列21的输出信号是同一测量区域3的多个散射光图像4A、4B、4C、4D、......，在包括对照射设备的时间控制的实施例中，这些图像的数目与光源的数目至少相同。在记录照射序列时，例如，为了增加对确定性结构或缺陷的标识的可靠性，散射光图像4A、4B、4C、4D的数目优选地与光源的数目的整数倍相同。照射系列可以被配置为例如具有不同的积分时间，以便增加动态性，从而例如获得HDR(高动态范围)图像。散射光图像4A、4B、4C、4D被递送到评估设备30，借助于该评估设备30，执行用于确定至少一个粗糙度特征的方法。
根据本发明的第一实施例，提供对光源11A、11B、11C、11D的时间控制，使得以在时间上彼此分开的方式记录散射光图像4A、4B、4C、4D、......。在记录散射光图像4A、4B、4C、4D、......期间，检测器设备20的位置保持不变。光源11A、11B、11C、11D借助于评估设备30依次被激活。在每种情况下，光源中的一个光源被激活预定照射持续时间，例如，40ms，同时所有其他光源被停用。在使用光源中的一个光源的每个照射阶段，记录散射光图像并且将其传输到评估设备30。例如，可以仅在0.5s内记录25×25mm2测量场的10个散射光图像4A、4B、4C、4D、......，这些图像在照射射束路径LA、LB、LC、LD、......方面不同。
每个散射光图像都是振幅图像，该振幅图像的特征在于，在检测器像素处单独记录的散射光振幅在每种情况下都通过诸如表面区段2、颗粒5或纤维6之类的结构处的光散射来确定，这些结构具有根据[6]的共同空间频率f：
(参见图5，θs为视角或散射角，θi为入射角，λ为照射波长)。备选地，空间频率f可以根据下式计算：
以下内容适用于fx和fy：
fx＝(sinθscosφs-sinθi)/λ und fy＝(sinθssinφs)/λ. (3)
φs是相对于垂直于表面法线延伸并且位于入射平面中的轴线的方位角，该入射平面由入射角为θi的照射方向和表面法线所横跨(参见图5)。因此，空间频率fx和fy与由入射射束的方向定义的散射几何形状的坐标有关。如果入射射束不位于样品的X轴上，即，围绕表面法线旋转方位角φi，则通过旋转到样品空间频率fx和fy上，空间频率变换如下：
fX＝fxcosφi+fysinφi，fY＝-fxsinφi+fycosφi
散射光图像中的散射光振幅根据[6]由角度分辨散射ARS定义：
ΔΩ表示立体角，ΔPs表示散射功率，Pi表示入射功率(参见图5)。
利用评估设备30，根据散射光图像4A、4B、4C、4D、......，确定所照射的测量区域3中的表面区段2的PSD函数，并且所述函数被输出为相关联的表面区段2的粗糙度特征，或根据每个PSD函数计算的相关联的表面区段2的所导出的至少一个粗糙度特征，诸如rms值。
备选地，根据散射光图像4A、4B、4C、4D、......确定所照射的测量区域3中的表面区段2的积分散射S，并且根据每个S值计算相关联的表面区段2的所导出的至少一个粗糙度特征，诸如rms值。备选地或附加地，评估设备30根据散射光图像4A、4B、4C、4D、......标识并表征ESC表面上的缺陷。
详细地，在步骤S1(图1的底部)中，使用本身可用的图像识别方法(可选地，使用神经网络)确定散射结构是否是确定性结构，即，表面区段2。如果不是这种情况，则在步骤S2中，借助于图像识别确定散射结构是否包括缺陷。在这种情况下，根据预期缺陷(诸如颗粒5、纤维6、材料断裂或裂纹)执行分类，以便随后更精确地表征相关缺陷。因而，步骤S2包括多个子步骤，其中图1仅通过示例示出了标识缺陷是否由颗粒形成的子步骤。
当使用神经网络进行图像识别时，可以通过机器学习对神经网络进行连续调整。为此，可以使用来自形貌评估过程Rev(参见下文)和/或其他局部测量和/或全局测量(诸如样品的耐磨性质)的信息。结果，还可以预测仅与所测量的值间接有关的随后的产品特性。另外，结果，可以连续提高局部产品特性(诸如结构的表面粗糙度或缺陷的尺寸)的导出的准确性。
如果在步骤S1和S2之后，散射结构尚未被标识为表面区段2或缺陷，则可以丢弃相关联的数据并且重复图像记录，和/或可以单独接近散射结构，并且使用不同的测量方法和/或较高的空间分辨率来研究散射结构。
如果在步骤S1和S2中，通过检查误差的定量程度，以足以使对至少一个粗糙度特征的后续计算不需要其他图像记录的可靠性水平标识出确定性结构或缺陷，则可以相应地控制光源，使得不执行其他照射，以便节省测量时间。
在步骤S1中标识出表面区段2之后，在步骤S3和S4中，通过在散射光图像4A、4B、4C、4D、......内使用数字掩模来切出这些表面区段(根据它们在传感器矩阵上的局部位置来选择结构)，以便后续在步骤S5和S6中的每个步骤中确定ARS值，并且在步骤S7和S8(考虑到观察几何形状(检测器设备的立体视角Ω))中根据ARS值计算表面区段2上的散射结构的PSD函数。ARS值根据所检测到的散射光振幅(即，检测器像素的输出信号)而直接得出。
依据空间频率f和ARS值，所选结构内的每个像素中的PSD函数之间的关系根据下式得出(参见例如[3])：
在方程(5)中，Q是光学因子，它包含关于待研究样品([6]、[8])的散射几何(入射角和散射角、光偏振)和材料特性(复折射率)的信息。备选地，Q也可以通过反射系数([6]、[8])来近似，该反射系数可以通过使用所描述的测量方法来检测直接反射来根据样品的反射测量以局部分辨方式确定。
PSD函数可以通过至少两个支持点处的测量(即，不同的空间频率f或不同的入射角)并且随后外推到整个感兴趣空间频率范围来确定。外推可能是有利的，因为对于经抛光和涂覆的表面，PSD函数通常以连续方式并且在没有突然跳跃的情况下延伸，使得仅几个采样点就已足够。
可以根据下式从PSD函数计算rms粗糙度σ，作为相关表面区段的粗糙度特征：
σ2＝2π∫PSD(f)fdf (6)
(参见例如[4])。
备选地，可以例如根据表面区段内的平均PSD函数来计算粗糙度。
在步骤S2中标识出缺陷5之后，在步骤S9和S10中，通过在散射光图像4A、4B、4C、4D、......内使用数字掩模来切除这些缺陷，以便随后在步骤S11中根据图像数据(例如，根据覆盖缺陷的检测器像素的数目)和检测器设备的成像特性来计算粒径。备选地，还可以使用粒子散射模型(诸如[7])例如根据散射光图像计算所标识的小颗粒。
备选地或除了上文所提及的使用与要被切除的确定性结构(表面区段2)适配的数字掩模之外，评估设备30中的分析掩模还可以适用于覆盖确定性结构之间的图像区段。
图1示意性地示出了可以使用评估设备30执行至少一个评估过程Rev以便标识出与表面区段或缺陷有关的其他信息。依据至少一个粗糙度特征的标识的结果，优选地，借助于形貌测量方法，诸如白光干涉测量和/或AFM，执行至少一个审查过程Rev。备选地或附加地，可以提供至少一个评估过程Rev，该至少一个评估过程Rev基于根据本发明的方法并且提供附加的或更精确的信息，例如，在该信息中，评估其他散射角和/或其他波长和/或相位信息。
记录并因此可选输出测量区域3中的缺陷的粗糙度和/或特性。为了测量ESC 1的整个表面，ESC 1与样品保持器40一起相对于照射和检测器设备20、30被重复移动，并且在每个位置中被测量。
图2示出了根据图1的实施例的经修改的变型，除了检测器设备20之外，还提供了包括检测器阵列21A和成像光学器件22A的另一检测器设备20A。通过示例，示出了包括两个光源11A、11B的照射设备10，每个光源都具有成像光学器件12，在实践中可以提供更多个光源。光源11A、11B以两个不同的入射角交替连续地照射测量区域3。如参考图1所描述的，提供了一种用于处理散射光图像的评估设备(图2未示出)。通过示例，示出了检测器阵列21A的倾斜，该倾斜可以被提供用于均匀聚焦(Scheimpflug原理)。
第一检测器设备20以0°视角被布置为具有检测器阵列21和成像光学器件22，以用于记录至少两个散射光图像，如参考图1所描述的。另一检测器设备20A相对于表面的表面法线以例如60°的不同视角布置。根据所描述的时间控制，交替激活光源11A、11B，以便记录不同入射角下的散射光图像。对于每个入射角，第一检测器设备20和另一检测器设备20A以不同视角记录所照射的测量区域3的两个散射光图像。有利地，可以由此检测具有高空间频率的散射特征。借助于第一检测器设备20和另一检测器设备20A记录散射光图像优选地同时进行。
备选地或另外，检测器设备可以具有不同的光谱灵敏度。这有利地允许在更大的光谱范围内使用照射波长。此外，还可以同时执行具有不同波长的照射实例，然后，由于检测器设备的不同光谱灵敏度而进行波长的分开。射束分离光学器件还可以在同一视角但不同光谱灵敏度或偏振灵敏度下使用多个检测器设备。这种分开有利于提高测量速度或提高对各个结构或缺陷的灵敏度或用于提高区分不同结构或缺陷的能力。
根据本发明的第二实施例，如图3和图4所示，同时记录散射光图像，并且提供对光源11A、11B、11C的强度控制，使得照射设备20通过照射射束路径在测量区域3中提供不同的照射强度。
借助于评估设备(图3中未示出)，根据下式从总散射TS直接计算每个像素的rms粗糙度σ：
(参见[5])，TS由总半球散射功率PTS和入射功率Pi计算得出(TS＝PTS/Pi)，R表示所研究的表面的反射系数。根据ISO13696，在至少2°至85°的角度范围内，获取极性散射角θs的总散射。然而，本文中所描述的对粗糙度的测量同样适用于较小角度范围；在这种情况下，测量变量通常被称为积分散射。
为了使用检测器设备20获得具有与总散射或积分散射成比例的散射光振幅的散射光图像，执行对各个照射实例的辐照度E＝ΔPi/ΔA的加权G，其中ΔPi表示入射在测量区域3中的表面元件ΔA上的功率。表面元件ΔA可以与检测器像素对应。结果，所有照射实例都可以同时照射样品(ESC 1)。尽管散射分布的角度分辨信息丢失，使得PSD函数不再能够被计算，但是与总散射成比例意味着不再需要对光源11A、11B、11C的时间控制，使得在以所有入射角的照射的情况下，可以借助于一个单个同时图像记录来执行粗糙度测量。结果，可以有利地显著减少测量时间。
包括对光源的强度控制(图3)在内的、在第二实施例中对至少一个粗糙度特征的确定基于根据现有技术已知的总散射的确定的修改，如以下所描述的。
在现有技术中，通过准垂直照射和直接半球形检测来确定总散射。按技术术语而言，通常使用Coblentz或Ulbricht球体[8]实现半球形检测，使得光就可以被整体收集，并且偏转到检测器。备选地，在准垂直光入射和扫描散射光半球的情况下，借助于对角度分辨散射的测量数据进行数值积分来确定总散射[8]：
在同位素散射表面的情况下，ARS在通过相机进行垂直观察的情况下关于表面法线旋转对称。然后，足以在方位角下确定角度分辨散射ARS，然后应用下式：
相比之下，当在本发明的第二实施例中确定总散射时，入射方向和检测方向被交换。当传播方向被调换时，ARS变为ARS(θs)＝ARS(θi)cos(θi)/cos(θs)。重新排列后，结果如下：
样品的散射分布ARS由角度θ和φ处的各个照射实例检测，或在一个维度的情况下，仅由θ处的照射实例检测。在使用检测器设备20进行垂直观察(其中θs＝0°)并且在入射角为θ1至θN和φ＝0(其中0>θ1>θN)的N个照射实例处扫描ARS(参见图4A)，TS的积分根据下式计算：
其中Δθ是相关照射的代表性全角(参见图4a(see Fig.4a))或照射实例之间的阶跃角。
显而易见的是，为了实现与TS成比例的测量信号，必须对信号ARSN进行不同的加权。对测量信号ARS(θN)的这种加权在测量方法中通过对各个辐照度进行加权来执行。然后，加权因子根据下式计算：
G(θN)＝cosθNsinθNΔθN (12)
对于测量区域3中的表面元件ΔA上的每个光源的各个照射实例的辐照度E＝ΔPi/ΔA，结果如下：
E(θN)＝E0G＝E0 cosθN sinθNΔθN， (13)
其中E0是辐照度，该辐照度优选地被选择为使得在相机检测的情况下测量区域3中的表面元件上的整体照射产生有利的信噪比。如果在单个或多个极角θN的情况下，在每种情况下都使用多个光源，这些光源被布置在不同的方位角，则所述光源应当优选地具有相同的辐照度，其总辐照度E(θN)也对应于方程13。
为了使用所描述的照射加权根据样品的检测器测量信号来计算TS值，使用具有已知TS值的校准样品，如根据现有技术所已知的。
由于在镜面反射周围的散射角的情况下，ARS通常非常陡峭地延伸，所以在该区域中保持尽可能小的立体角以便减少测量不确定性是有利的。在相对于镜面反射的广角的情况下，ARS以较浅方式延伸，并且散射功率显著较低。在该区域中，将扫描和立体角的间距选择得较大是有利的。
为了在测量区域(3)中和在各个角度θN(参见图4B)处提供对样品的均匀照射，可以提供射束形成光学器件或位置可变缩减器13(例如，灰色滤光片)或以不同能量(即，不同功率、脉冲持续时间或脉宽调制)对光源的对应启动。
根据图3的实施例，可以测量具有空间频谱的rms粗糙度，该空间频谱由光源的最小入射角和最大入射角以及波长λ1确定(参见方程1)。为了扩大空间频率范围，可以使用其他照射波长λN，还可以在现有波长下同时照射样品。
由于对rms粗糙度的计算取决于波长(参见上文)，所以在这种情况下，具有不同波长的照射实例的照射强度也彼此适配。由于样品特定反射系数也取决于测量波，所以可以优选还通过调整波长来校正该样品特定反射系数。当使用多个测量波长时，以下附加加权因子适用于各个照射实例：
如果检测器设备20还具有光谱灵敏度，则该光谱灵敏度相应地被校正。
在下文中，总结了本发明的优选特征。
一种测量装置(100)，被配置用于在待研究样品(1)的表面的多个表面区段(2)上进行粗糙度和/或缺陷测量，该测量装置包括：照射设备(10)，该照射设备具有至少两个光源(11A、11B、11C、11D)，该至少两个光源被配置用于使用测量光照射表面的测量区域(3)；检测器设备(20)，具有带有多个检测器像素的检测器阵列(21)，该多个检测器像素被布置用于捕获在表面处散射的散射光；以及评估设备(30)，被配置用于根据所捕获的散射光确定表面的至少一个粗糙度特征，其中至少两个光源(11A、11B、11C、11D)被配置用于沿着至少两个照射射束路径(LA、LB、LC、LD)以相对于表面的表面法线的不同入射角照射测量区域(3)，其中至少两个光源(11A、11B、11C、11D)能够相对于检测器设备(20)固定，检测器设备(20)被设置有成像光学器件(22)，该成像光学器件被布置用于在检测器阵列(21)上对表面的测量区域(3)进行成像，检测器设备(20)被配置用于以相对于表面的表面法线的预定视角捕获所照射的测量区域(3)中的表面区段(2)的至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)，其中由检测器像素接收的散射光的部分在每种情况下在每种情况下具有共同空间频率，其中这些部分通过在照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中的一个照射射束路径中的照射形成，并且评估设备(30)被配置用于根据至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)确定表面区段(2)的至少一个粗糙度特征。
照射设备(10)被配置用于对至少两个光源(11A、11B、11C、11D)进行时间控制，使得至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)能够接连以时间上分开的方式被记录；评估设备(30)被配置用于根据至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)确定照射测量区域(3)中的表面区段(2)的功率谱密度函数(PSD函数)；并且评估设备(30)被配置用于根据表面区段(2)的PSD函数或积分散射来计算每个表面区段(1)的至少一个粗糙度特征。
照射设备(10)被配置用于强度控制，使得能够在具有由至少两个光源(11A、11B、11C、11D)进行的定向照射的加权辐照度的表面区段(2)中的每个表面区段处记录至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)，其中提供定向照射的加权辐照度，因为辐照度被设置为使得通过光源进行的照射与均匀半球形照射对应；评估设备(30)被配置用于根据至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)确定所照射的测量区域(3)中的结构化表面的积分散射；并且评估设备(30)被配置用于根据表面区段(2)上的积分散射来计算每个表面区段(2)的至少一个粗糙度特征。
优选地，提供特征中的至少一个特征，包括照射设备(10)的光源(11A、11B、11C、11D)的数目被选择为处于3至100的范围内；照射设备(10)被配置为在所有照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中生成测量光，以便具有相同的波长，并且照射设备(10)被配置用于在照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中生成测量光，以便具有不同的波长和/或不同的偏振。如果照射设备(10)被配置用于在照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中生成测量光，以便具有不同的波长和/或不同的偏振；并且照射设备(10)优选地被配置用于在照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中的至少一个照射射束路径中生成测量光，以便具有至少两个不同的波长和/或至少两个不同的偏振。
照射设备(10)被配置用于在照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中生成测量光，以便具有不同波长；评估设备(30)被配置用于确定所确定的测量区域(3)中的表面区段(2)的至少两个PSD函数和/或至少两个积分散射实例；并且评估设备(30)被配置用于根据至少两个PSD函数和/或至少两个积分散射实例来标识表面区段(2)上的结构。
优选地，评估设备(30)被配置用于通过使用数字图像掩模来标识测量区域(3)中的表面区段(2)。优选地，评估设备(30)被配置用于通过使用神经网络和/或机器学习方法来标识表面区段(2)，并且/或者评估设备(30)被配置用于通过使用数字图像掩模从至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)标识表面区段(2)上的结构。
检测器设备(20)的成像光学器件(22)可以是远心光学器件，并且/或者检测器设备(20)的视角可以平行于表面法线延伸。
优选地，照射设备(10)被配置用于使用具有小波长λ＜300nm的测量光以88°至75°范围内的浅入射角对表面区段(2)进行定向照射；并且评估设备(30)被配置用于确定表面区段(2)的偏斜度参数。
可以提供至少一个其他检测器设备(20A)，该至少一个其他检测器设备(20A)包括成像光学器件(22A)和具有多个检测器像素的检测器阵列(21A)，其中至少一个其他检测器设备(20A)被配置用于以相对于表面的表面法线的至少一个其他视角捕获所照射的测量区域(3)的至少一个散射光图像(4A、4B、4C、4D)。
优选地，至少两个光源(11A、11B、11C、11D)包括耦合到至少一个发光二极管和/或至少一个激光器的以下各项中的至少一项：发光二极管、激光器和光纤；并且/或者每个光源都设置有照射光学器件(12)。
可选地，用于接收样品(1)的样品保持器(40)和/或由照射设备(10)和检测器设备(20)组成的组件能够相对于彼此移动，使得照射设备(10)能够被布置为用于照射结构化表面的不同测量区域，并且不同测量区域的散射光图像(4A、4B、4C、4D)能够由检测器设备(20)捕获；并且测量装置(100)被配置用于在结构化表面的不同测量区域中的表面区段(2)处重复粗糙度测量。
照射设备(10)和检测器设备(20、20A)可以被布置用于在反射和/或透射时捕获来自样品(1)的散射光。
一种用于在待研究样品的表面的表面区段(2)上进行粗糙度和/或缺陷测量的方法，包括以下步骤：使用测量光照射表面的测量区域(3)，该测量区域包含多个表面区段(2)；使用具有检测器阵列(21)的检测器设备(20)捕获在表面处散射的散射光，该检测器阵列(21)具有多个检测器像素；以及根据所捕获的散射光确定表面的至少一个粗糙度特征，其中照射包括使用固定布置的至少两个光源(11A、11B、11C、11D)以相对于表面的表面法线的不同入射角沿着至少两个照射射束路径(LA、LB、LC、LD)对测量区域(3)中的表面区段(2)进行定向照射；检测器设备(20)设置有成像光学器件(22)，借助于该成像光学器件，表面的测量区域(3)被成像在检测器阵列(21)上；检测器设备(20)以相对于表面的表面法线的预定视角捕获所照射的测量区域(3)的至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)，并且由检测器像素接收的散射光的部分在每种情况下在照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中的每个照射射束路径具有共同空间频率，并且对于每个表面区段(2)，根据至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)确定至少一个粗糙度特征。
可以提供对至少两个光源(11A、11B、11C、11D)的时间控制，使得至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)以彼此时间上分开的方式被记录，其中根据至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)来确定所照射的测量区域(3)中的表面区段(2)的功率谱密度函数(PSD函数)，并且对于每个表面区段(2)，根据表面区段(2)的PSD函数或积分散射来计算至少一个粗糙度特征。
可以提供强度控制，使得在具有由至少两个光源(11A、11B、11C、11D)进行的定向照射的加权辐照度的表面区段(2)中的每个表面区段处记录至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)，其中提供定向照射的加权辐照度，因为辐照度被设置为使得光源生成均匀半球形照射，其中根据至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)确定所照射的测量区域(3)中的结构化表面的积分散射，并且对于每个表面区段(2)，根据表面区段(2)上的积分散射来计算至少一个粗糙度特征。
所有照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中的测量光可以被生成为具有相同波长。
照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中的测量光可以被生成为具有不同的波长和/或不同的偏振。优选地，照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中的至少一个照射射束路径中的测量光被生成为以便具有至少两个不同波长和/或至少两个不同偏振，并且/或者确定所照射的测量区域(3)中的表面区段(2)的至少两个PSD函数和/或至少两个积分散射实例，其中从至少两个PSD函数和/或至少两个积分散射实例获取表面区段(2)上的结构。
可以提供对至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)中的表面区段(2)的标识。优选地，通过使用神经网络和/或机器学习方法来标识表面区段(2)，并且/或者通过使用数字图像掩模从至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)标识表面片段(2)上的结构。
可以使用具有小波长λ<300nm的测量光以88°至75°范围内的浅入射角照射表面区段(2)，其中从散射光图像(4A、4B、4C、4D)确定表面区段(2)的偏斜度参数。
优选地，可以提供至少一个其他检测器设备(20)，该至少一个其他检测器设备(20)包括成像光学器件(22)和具有多个检测器像素的检测器阵列(21)，其中所照射的测量区域(3)的至少一个散射光图像(4A、4B、4C、4D)以相对于表面的表面法线的至少一个其他视角被捕获。
可以照射结构化表面的多个不同测量区域，并且借助于检测器设备(20)获取不同测量区域的散射光图像(4A、4B、4C、4D)，其中在结构化表面的不同测量区域中重复在表面区段(2)处的粗糙度测量。
优选地，使用干涉测量方法、形貌测量方法和/或光谱测量方法，具体地，干涉测量、聚焦显微镜、荧光光谱或拉曼光谱来有目的性地研究所选表面区段，具体地在表面区段(2)的至少两个PSD函数和/或至少两个积分散射实例之间具有增加的粗糙度和/或增加的偏差的表面区段。
可以对表面区段或所选表面区段进行焦点变化测量和/或Makyoh成像测量，以便确定高度轮廓，具体地，表面的局部表面倾斜度。
优选地，待研究样品(1)包括用于保持部件的保持装置，其中在保持装置的表面上布置多个突出突节，并且表面区段(2)包括突节的端面。
来自样品(1)的散射光可以在反射和/或透射时被捕获。
在上面的描述、附图和权利要求中公开的本发明的特征对于在本发明的各种实施例中实施本发明来说，无论是单独地还是组合或子组合都具有重要意义。

Claims (15)

1.一种测量装置(100)，被配置用于在待研究样品(1)的表面的多个表面区段(2)上进行粗糙度和/或缺陷测量，所述测量装置(100)包括：
-照射设备(10)，具有至少两个光源(11A、11B、11C、11D)，所述至少两个光源(11A、11B、11C、11D)被布置用于使用测量光照射所述表面的测量区域(3)，
-检测器设备(20)，具有带有多个检测器像素的检测器阵列(21)，所述多个检测器像素被布置用于捕获在所述表面处散射的散射光，以及
-评估设备(30)，被配置用于根据所捕获的所述散射光确定所述表面的至少一个粗糙度特征，
其特征在于，
-所述至少两个光源(11A、11B、11C、11D)被配置用于以相对于所述表面的表面法线的不同入射角沿着至少两个照射射束路径(LA、LB、LC、LD)照射所述测量区域(3)，其中所述至少两个光源(11A、11B、11C、11D)能够相对于所述检测器设备(20)固定，
-所述检测器设备(20)被设置有成像光学器件(22)，所述成像光学器件(22)被布置用于在所述检测器阵列(21)上对所述表面的所述测量区域(3)进行成像，
-所述检测器设备(20)被配置用于以相对于所述表面的所述表面法线的预定视角捕获所照射的所述测量区域(3)中的表面区段(2)的至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)，其中由所述检测器像素接收的所述散射光的部分在每种情况下具有共同空间频率，其中所述散射光的部分在每种情况下由在所述照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中的一个照射射束路径中的所述照射形成，并且
-所述评估设备(30)被配置用于根据所述至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)确定所述表面区段(2)的所述至少一个粗糙度特征。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其中
-所述照射设备(10)被配置用于对所述至少两个光源(11A、11B、11C、11D)进行时间控制，使得所述至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)能够以时间上分离的方式被连续地记录，
-所述评估设备(30)被配置用于根据所述至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)确定所述照射测量区域(3)中的所述表面区段(2)的功率谱密度函数PSD函数，并且
-所述评估设备(30)被配置用于根据所述表面区段(2)的所述PSD函数或积分散射来计算针对每个表面区段(2)的所述至少一个粗糙度特征。
3.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中
-所述照射设备(10)被配置用于强度控制，使得能够在所述表面区段(2)中的每个表面区段处记录所述至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)，所述表面区段(2)具有由通过所述至少两个光源(11A、11B、11C、11D)进行的所述定向照射的加权辐照度，其中所述定向照射的所述加权辐照度被提供，因为所述辐照度被设置为使得通过所述光源进行的所述照射与均匀半球形照射对应，
-所述评估设备(30)被配置用于根据所述至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)确定所照射的所述测量区域(3)中的结构化表面的积分散射，并且
-所述评估设备(30)被配置用于根据所述表面区段(2)上的所述积分散射来计算针对每个表面区段(2)的所述至少一个粗糙度特征。
4.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，具有以下特征中的至少一个特征：
-所述照射设备(10)的光源(11A、11B、11C、11D)的数目被选择为在3至100的范围内；
-所述照射设备(10)被配置用于在所有所述照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中生成所述测量光，以便具有相同的波长，以及
-所述照射设备(10)被配置用于在所述照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中生成所述测量光，以便具有不同的波长和/或不同的偏振。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其中
-所述照射设备(10)被配置用于在所述照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中生成所述测量光，以便具有不同的波长和/或不同的偏振，并且
-所述照射设备(10)被配置用于在所述照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中的至少一个照射射束路径中生成所述测量光，以便具有至少两个不同的波长和/或至少两个不同的偏振。
6.根据权利要求4或5所述的测量装置，其中
-所述照射设备(10)被配置用于在所述照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中生成所述测量光，以便具有不同波长，
-所述评估设备(30)被配置用于确定所照射的所述测量区域(3)中的所述表面区段(2)的至少两个PSD函数和/或至少两个积分散射的实例，并且
-所述评估设备(30)被配置用于根据所述至少两个PSD函数和/或至少两个积分散射的实例来标识所述表面区段(2)上的结构。
7.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中
-所述评估设备(30)被配置用于通过使用数字图像掩模来标识所述测量区域(3)中的所述表面区段(2)。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其中
-所述评估设备(30)被配置用于通过使用神经网络和/或机器学习方法来标识所述表面区段(2)。
9.根据权利要求7或8所述的测量装置，其中
-所述评估设备(30)被配置用于通过使用数字图像掩模从所述至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)标识所述表面区段(2)上的结构。
10.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中
-所述检测器设备(20)的所述成像光学器件(22)是远心光学器件，并且/或者
-所述检测器设备(20)的所述视角平行于所述表面法线延伸。
11.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中
-所述照射设备(10)被配置用于使用具有小波长λ＜300nm的测量光以88°至75°的范围内的浅入射角对所述表面区段(2)进行定向照射，并且
-所述评估设备(30)被配置用于确定所述表面区段(2)的偏斜度参数。
12.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中
-至少一个其他检测器设备(20A)被提供，所述至少一个其他检测器设备(20A)包括成像光学器件(22A)和具有多个检测器像素的检测器阵列(21A)，其中所述至少一个其他检测器设备(20A)被配置用于以相对于所述表面的所述表面法线的至少一个其他视角来捕获所照射的所述测量区域(3)的至少一个散射光图像(4A、4B、4C、4D)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中
-所述至少两个光源(11A、11B、11C、11D)包括耦合到至少一个发光二极管和/或至少一个激光器的以下各项中的至少一项：发光二极管、激光器和光纤，并且/或者
-每个光源都被设置有照射光学器件(12)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其中
-用于接收所述样品(1)的样品保持器(40)和/或由所述照射设备(10)和所述检测器设备(20)组成的所述组件能够相对于彼此移动，使得所述照射设备(10)能够被布置用于照射所述结构化表面的不同测量区域，并且所述不同测量区域的所述散射光图像(4A、4B、4C、4D)能够由所述检测器设备(20)捕获，并且
-所述测量装置(100)被配置用于在所述结构化表面的所述不同测量区域中的所述表面区段(2)处重复进行粗糙度测量。
15.一种用于在待研究样品的表面的表面区段(2)上进行粗糙度和/或缺陷测量的方法，包括以下步骤：
-使用测量光照射所述表面的测量区域(3)，所述测量区域(3)包含所述多个表面区段(2)；
-使用检测器设备(20)捕获在所述表面处散射的散射光，所述检测器设备(20)具有带有多个检测器像素的检测器阵列(21)；以及
-根据所捕获的所述散射光确定所述表面的至少一个粗糙度特征，
其特征在于
-所述照射包括使用固定布置的至少两个光源(11A、11B、11C、11D)沿着至少两个照射射束路径(LA、LB、LC、LD)以相对于所述表面的表面法线的不同入射角对所述测量区域(3)中的所述表面区段(2)进行定向照射，
-所述检测器设备(20)被设置有成像光学器件(22)，借助于所述成像光学器件(22)，所述表面的所述测量区域(3)被成像在所述检测器阵列(21)上，
-所述检测器设备(20)以相对于所述表面的所述表面法线的预定视角捕获所照射的所述测量区域(3)的至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)，并且由所述检测器像素接收的所述散射光的部分在所述照射射束路径(LA、LB、LC、LD)中的每个照射射束路径中在每种情况下具有共同空间频率，并且
-针对每个表面区段(2)，根据所述至少两个散射光图像(4A、4B、4C、4D)确定所述至少一个粗糙度特征。
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