DE19739679A1

DE19739679A1 - Stray light sensor to detect light from sample

Info

Publication number: DE19739679A1
Application number: DE19739679A
Authority: DE
Inventors: Horst Prof Dr Truckenbrodt
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1997-09-10
Publication date: 1998-10-01

Abstract

The sensor has a glass plate with an integral optical waveguide system, which transmits the scattered light from the surface of a sample to a CCD target. The entrance surface to the glass plate is connected to a shading-channel plate. The symmetry axis of the channels is parallel to the symmetry axis of the waveguides. The channel plate acts as a transfer region between the scattered light and the waveguides. The channel plate is formed from a silicon disc using a micro-technology process in which the channels are formed in the silicon.

Description

Die Erfindung betrifft einen Streulichtsensor, bei dem das zu ermittelnde Streulicht eines Prüflings mittels in einer Glasplatte integrierter optischer Wellenleiter auf mindestens eine CCD-Zeile übertragen wird. Streulichtsensoren werden zur Bestimmung winkelabhängiger Lichtvertei lungen insbesondere zur Beurteilung der Mikrotopografie von Oberflächen, d. h. zur Beurteilung der Rauheit sowie zur Ermittlung von Defekten an den Oberflächen, eingesetzt.The invention relates to a scattered light sensor in which that to be determined Scattered light from a test object by means of optical integrated in a glass plate Waveguide is transferred to at least one CCD line. Scattered light sensors are used to determine the angle-dependent light distribution lungs in particular for assessing the microtopography of surfaces, d. H. to assess the roughness and to determine defects on the Surfaces.

Im Stand der Technik ist es bekannt, winkelabhängige Lichtverteilungen im Raum mit Präzisionsgoniofotometern zu ermitteln. Diese Einrichtungen sind relativ kostenintensiv. Ein weiterer Nachteil dieser Geräte besteht darin, daß die winkelabhängige Lichtverteilung durch eine motorisierte Scanbewegung eines Goniometerarm es sequentiell aufgezeichnet wird. Dies bedingt eine sehr hohe Meßzeit.It is known in the prior art to use angle-dependent light distributions in the Determine space with precision goniophotometers. These facilities are relatively expensive. Another disadvantage of these devices is in that the angle-dependent light distribution by a motorized Scanning movement of a goniometer arm it is recorded sequentially. This requires a very long measuring time.

Um die Meßzeit erheblich zu verkürzen, ist eine Parallelanordnung von Empfängern in Form von Arrays notwendig. Wegen der notwendigen Miniaturisierung und um die Kosten in Grenzen zu halten, werden hierfür Arrays aus Halbleiterempfängern eingesetzt. Bedingt durch die Herstellung aus monolithischen Waferscheiben, werden diese Arrays industriell so gefertigt, daß die Empfänger stets in einer Ebene liegen. Deshalb kann mit diesen Arrays die winkelabhängige Lichtverteilung nicht unmittelbar erfaßt werden.In order to shorten the measuring time considerably, a parallel arrangement of Receivers in the form of arrays necessary. Because of the necessary Miniaturization and to keep costs in check are used for this Arrays of semiconductor receivers used. Due to the production from monolithic wafer slices, these arrays become industrially so manufactured that the receivers are always in one plane. Therefore, with the angle-dependent light distribution of these arrays is not directly detected will.

Um industriell monolithisch hergestellte Arrays verwenden zu können, ist es notwendig, die winkelabhängige Lichtverteilung mit Hilfe geeigneter Bauelemente in eine ebene laterale Verteilung zu transformieren. Eine Möglichkeit hierfür ist der Einsatz eines fokussierenden Bauelementes, speziell einer Linse.In order to be able to use arrays manufactured industrially, is it is necessary to use appropriate angle-dependent light distribution Transform components into a flat lateral distribution. A The possibility of this is the use of a focusing component, specifically a lens.

Um größere Winkelbereiche zu erfassen, wird das Licht mit Hilfe von halbkreisförmig angeordneten Lichtleitfasern auf die Arrays geleitet.In order to capture larger angular ranges, the light is switched on using semicircular optical fibers routed to the arrays.

Die Herstellung einer derartigen Anordnung ist sehr aufwendig.The manufacture of such an arrangement is very complex.

Nach DE 41 39 641 ist eine Anordnung zur Messung der winkelabhängigen Lichtverteilung bekannt, bei der eine Abtastung mit CCD-Arrays erfolgt, und die eine integrierte optische Baugruppe enthält, die ein ebenes Array von Lichtwellenleitern darstellt deren Eintrittsöffnungen bogenförmig um das Meßobjekt angeordnet sind.According to DE 41 39 641 is an arrangement for measuring the angle-dependent Known light distribution, in which scanning is carried out with CCD arrays, and which contains an integrated optical assembly which is a flat array of optical fibers represents their entry openings in an arc the measurement object are arranged.

Zur räumlichen Transformation der winkelabhängigen Lichtverteilung des Halbraumes in eine laterale Verteilung kommen Lichtwellenleiterstrukturen in Form eines oder mehrerer integriert optischer Bauelemente zum Einsatz. Die Lichtwellenleiter sind hierzu an ihren Eintrittsöffnungen auf dem Trägersubstrat radial kreisförmig oder elliptisch angeordnet und bilden mit ihren Austrittsöffnungen mindestens eine Ebene. Dadurch entsteht eine laterale Verteilung, die sich mit zeilenförmigen Empfängerarrays (Photodi odenarrays, CCD-Zeilen) abtasten läßt.For the spatial transformation of the angle-dependent light distribution of the Optical waveguide structures come into half space in a lateral distribution in the form of one or more integrated optical components. For this purpose, the optical fibers are at their inlet openings on the Carrier substrate arranged radially circular or elliptical and form with their outlet openings at least one level. This creates one lateral distribution, which is in line with receiver arrays (Photodi ode arrays, CCD lines) can be scanned.

Die Wellenleiter sind durch Ionenaustausch erzeugt worden und befinden sich in einer Glasplatte. Diese wiederum ist an eine CCD-Zeile angekittet.The waveguides have been created and are located by ion exchange yourself in a glass plate. This in turn is cemented onto a CCD line.

Die Eingangsfläche der Glasplatte ist durchgängig transparent, so daß Streulicht auch zwischen den Frontflächen der Wellenleiter in die Glasplatte eintritt und in dieser Störlicht erzeugt. Dieses Störlicht kann innerhalb der Glasplatte in die Wellenleiter eingekoppelt werden oder an der Austrittsfläche zwischen den Ausgängen der Wellenleiter austreten und auf die CCD-Elemente fallen. Das führt zu Störlicht, das durch die CCD-Elemente detektiert wird und reguläres Streulicht des Prüflings vortäuscht.The entrance surface of the glass plate is completely transparent, so that Scattered light also between the front surfaces of the waveguides Glass plate enters and generated in this stray light. This stray light can be coupled into the waveguide within the glass plate or on emerge from the exit surface between the outputs of the waveguides and fall on the CCD elements. This leads to stray light caused by the CCD elements is detected and regular stray light from the test object pretends.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für einen Streulichtsensor anzugeben, mit dem Störlichteinflüsse bei der Messung weitgehend vermieden werden.The invention is therefore based on the object of an arrangement for to specify a scattered light sensor with which the influence of stray light at Measurement can be largely avoided.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an die Glasplatte an der Eintrittsfläche des Streulichtes eine Abschatt-Kanalplatte angekop pelt wird.According to the invention the object is achieved in that on the glass plate A shading channel plate is attached to the entry surface of the scattered light pelt is.

Zur Vermeidung der Störlichteinflüsse wird ein Kanalsystem zur Abschat tung der Räume zwischen den Eintrittsflächen der Wellenleiter eingesetzt. Das Kanalsystem wird mit dem in der Mikrotechnologie bekannten Verfah ren in einer Siliziumscheibe hergestellt. A duct system is used for screening to avoid the effects of stray light device between the entrance surfaces of the waveguide. The channel system is made using the method known in microtechnology ren manufactured in a silicon wafer.

Das erfindungsgemäße Abschatt-Kanalsystem zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:
The shading channel system according to the invention is characterized by the following advantages:

1. The stray light coming from the test object is only from the shading channel system added. As a result, only this of the subsequent waveguides are transferred to the CCD line. Disturbing light between the waveguides cannot arise.
2. The used entrance aperture of the waveguide is through the channels decreased. As a result, the exit aperture used is also used is reduced. This creates the crosstalk effect of neighboring waves avoided or reduced the ladder to receiver elements.
3. The shading channel system prevents or reduces the overlay of the scattered light from the sample surface due to scattered light full of back surfaces transparent samples. The back surface scattered light is not caused by the Channels, or it is absorbed in them.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.The invention is described below using an exemplary embodiment explained in more detail.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the accompanying drawing:

Fig. 1 die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Streu lichtmessung an einer Probe, Fig. 1 shows the application of the arrangement according to the invention for measuring scattered light on a sample,

Fig. 2 die Ausgangsseite der Wellenleiter und Fig. 2 shows the output side of the waveguide and

Fig. 3 die Verhältnisse an einer transparenten Probe. Fig. 3 shows the conditions on a transparent sample.

In Fig. 1 ist die Funktionsweise der Anordnung zur Untersuchung an einer Probe erläutert. Das von der Probe reflektierte Streulicht trifft auf die Eingangsfläche der Kanalplatte auf. Die Kanäle sind zu den Eingangsflä chen der Wellenleiter justiert, so daß das Licht, das durch die Kanäle hindurchgeht, vollständig erfaßt wird.In Fig. 1 the operation of the arrangement for examination on a sample is explained. The scattered light reflected by the sample strikes the input surface of the channel plate. The channels are aligned with the input surfaces of the waveguides so that the light that passes through the channels is fully detected.

In Fig. 2 ist die Ausgangsseite der Wellenleiter dargestellt. Auf Grund von baulichen Bedingungen der CCD-Zeile muß ein Abstand b zwischen dem Ausgang der Wellenleiter und den Empfängerflächen der Pixel der CCD-Zeile eingehalten werden, der wesentlich größer als die Pixelabmes sung ist. Dadurch bedingt werden von einem Wellenleiter mehrere Pixel bestrahlt. Die Zahl ist von der Apertur des Wellenleiters abhängig. Je kleiner diese Apertur ist, desto weniger Pixel werden von einem Wellenlei ter bestrahlt. Das ermöglicht wiederum einen geringeren Abstand der Wellenleiter, denn es muß zwischen der registrierten Intensität und dem dazugehörigen Streuwinkel eine eindeutige Zuordnung realisiert werden. Eine höhere Packungsdichte der Wellenleiter ermöglicht eine höhere Streu winkeldichte, d. h. einen geringeren Winkelabstand.In Fig. 2 the output side of the waveguide is shown. Due to structural conditions of the CCD line, a distance b must be maintained between the output of the waveguide and the receiving surfaces of the pixels of the CCD line, which is much larger than the Pixelabmes solution. As a result, several pixels are irradiated by a waveguide. The number depends on the aperture of the waveguide. The smaller this aperture is, the fewer pixels are irradiated by a waveguide. This in turn enables a smaller distance between the waveguides, because a clear assignment must be realized between the registered intensity and the associated scattering angle. A higher packing density of the waveguides enables a higher scattering angle density, ie a smaller angular distance.

Fig. 3 erläutert die Verhältnisse an einer transparenten Probe, bei der Streulicht von Reflexionen an der Probenrückseite auftreten. Diese Refle xionen führen üblicherweise zu Fehlmessungen. Bei der erfindungsgemä ßen Anordnung wird das Störlicht jedoch zum größten Teil nicht von den Kanälen aufgenommen, so daß derartige Fehlmessungen vermieden werden. Fig. 3 illustrates the relationships of a transparent sample, may occur in the stray light from reflections off the sample back. These reflections usually lead to incorrect measurements. In the arrangement according to the invention, however, the stray light is largely not picked up by the channels, so that such incorrect measurements are avoided.

Claims

1. Scattering sensor, in which the scattered light to be determined is measured in a Glass plate integrated optical waveguide on at least one CCD line transfer is characterized in that the glass plate at the entry surface for the scattered light with a sound channel plate is connected, the axes of symmetry of the channels each in one Direction with the axes of symmetry of the respective waveguide on the Entrance area.

2. Scattered light sensor according to claim 1, characterized in that the Channel plate made from a process using microtechnology Silicon wafers are formed in the trenches.