KR101533994B1 - 광섬유를 이용한 미세 패턴의 선폭 및 깊이 측정 장치 및 측정 방법 - Google Patents

광섬유를 이용한 미세 패턴의 선폭 및 깊이 측정 장치 및 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학 장치 및 표면 형상 측정 장치를 제공한다. 이 장치는 광대역의 가간섭 광을 조사하는 광원부; 입력단으로 상기 광원부의 입사광을 제공받아 제1 출력단 및 제2 출력단으로 상기 제1 입사광 및 제2 입사광을 분기하는 제1 광섬유 커플러; 상기 제1 광섬유 커플러의 제2 출력단으로부터 제2 입사광을 제공받는 제1 단자, 상기 제1 단자로부터 제공받은 상기 제1 입사광을 샘플에 제공하는 제2 단자, 및 상기 샘플에서 반사된 반사광을 상기 제2 단자로 제공받아 출력하는 제3 단자를 포함하는 광 서큘레이터; 상기 제1 광섬유 커플러의 제1 출력단으로부터 제1 입사광을 제공받는 제1 입력단, 상기 반사광을 제공받는 제2 입력단, 및 상기 제2 입사광과 상기 반사광을 결합하여 출력하는 출력단을 포함하는 제2 광섬유 커플러; 및 상기 제2 광섬유 커플러의 출력광을 제공받아 파장에 따라 간섭광의 세기를 측정하는 스펙트럼 분석기를 포함한다.

Description

광섬유를 이용한 미세 패턴의 선폭 및 깊이 측정 장치 및 측정 방법{ Measuring Apparatus For Linewidth And Depth Of Fine Pattern By Using Optical Fiber And Measuring Method Of The Same}
본 발명은 스펙트럼 영역 간섭계에 관한 것으로, 더 구체적으로, 광섬유를 사용한 스펙트럼 영역 간섭계에 관한 것이다.
최근 전자 제품이 소형화 및 고성능화됨에 따라 초소형 대용량의 반도체 메모리에 대한 요구가 증대되고 있다. 이에 따라, 하나의 반도체 패키지에 여러 개의 10 반도체 칩을 실장하는 멀티 칩 패키지(Multi Chip Package)를 통하여 반도체 메모리 소자의 저장 용량을 증대시킴으로써 소형화 및 고성능화를 구현하고 있다.
이러한, 여러 개의 반도체 칩에 형성된 회로 패턴들을 전기적으로 연결시키기 위하여 실리콘 웨이퍼 기판을 수직으로 관통하는 관통비아홀(TSV; Through Silicon Via)을 형성한다. 이때, 관통비아홀은 정해진 규격에 맞도록 형성되어야 하며, 이러한 규격에 맞지 않는 경우 반도체 패키지의 오동작을 유발할 수 있다.
따라서, 관통비아홀이 설정된 깊이 및 형상에 맞게 형성되었는지 검사할 필요가 증대되고 있다. 특히, 다량의 반도체 칩을 빠른 속도로 검사하기 위하여 고속으로 정밀하게 관통비아홀의 깊이 및 형상을 측정하는 장치가 요구된다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 광대역의 가간섭 광과 광섬유소자로 구성된 소자들을 이용하여 간단한 구조의 깊이, 지름, 또는 선폭을 측정하는 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 관통비아홀(TSV)와 같은 미세 패턴의 깊이와 지름을 동시에 고속으로 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 광대역의 가간섭 광을 조사하는 광원부; 입력단으로 상기 광원부의 입사광을 제공받아 제1 출력단 및 제2 출력단으로 상기 제1 입사광 및 제2 입사광을 분기하는 제1 광섬유 커플러; 상기 제1 광섬유 커플러의 제2 출력단으로부터 제2 입사광을 제공받는 제1 단자, 상기 제1 단자로부터 제공받은 상기 제1 입사광을 샘플에 제공하는 제2 단자, 및 상기 샘플에서 반사된 반사광을 상기 제2 단자로 제공받아 출력하는 제3 단자를 포함하는 광 서큘레이터; 상기 제1 광섬유 커플러의 제1 출력단으로부터 제1 입사광을 제공받는 제1 입력단, 상기 반사광을 제공받는 제2 입력단, 및 상기 제1 입사광과 상기 반사광을 결합하여 출력하는 출력단을 포함하는 제2 광섬유 커플러; 및 상기 제2 광섬유 커플러의 출력광을 제공받아 파장에 따라 간섭광의 세기를 측정하는 스펙트럼 분석기를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스펙트럼 분석기의 출력 신호를 제공받아 상기 샘플의 깊이 정보를 추출하는 처리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 서큘레이터의 상기 제3 단자에 연결되어 상기 반사광을 제공받는 입력단, 상기 반사광을 분기하여 상기 제2 광섬유 커플러의 제2 입력단에 제공하는 제1 출력단, 및 상기 반사광을 분기하여 출력하는 제2 출력단을 포함하는 제3 광섬유 커플러; 상기 제3 광섬유 커플러의 출력단의 반사광을 제공받아 특정한 파장을 선택하여 출력하는 파장 선택 필터; 및 상기 파장 선택 필터의 출력광의 세기를 검출하는 광 검출기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스펙트럼 분석기의 출력 신호를 제공받아 상기 샘플의 깊이 정보를 추출하고, 상기 광 검출기의 출력 신호를 제공받아 상기 샘플의 표면 형상 정보를 추출하는 처리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 서큘레이터의 제3 단자에 연결된 광섬유의 말단에 배치된 렌즈부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 렌즈부와 상기 광 서큘레이터의 제3 단자 사이에 배치된 광 스위치를 더 포함하고, 상기 광 스위치는 상기 광 서큘레이터로부터 제공되는 상기 입사광을 복수의 출력단 중에서 어느 하나의 출력단에 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광섬유 커플러의 제1 출력단과 상기 제2 광섬유 커플러의 제1 입력단 사이에 배치된 광경로 조절부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표면 형상 측정 방법은 광대역의 입사광을 제1 광섬유 커플러를 사용하여 기준 암 경로 및 샘플 암 경로로 분기하는 단계; 광 서큘레이터를 사용하여 상기 샘플 암 경로에 제공된 입사광을 샘플에 제공하고 상기 샘플에서 반사된 반사광을 샘플 암 경로에 제공하는 단계; 상기 샘플 암 경로의 반사광과 상기 기준 암 경로의 입사광을 제2 광섬유 커플러를 사용하여 결합하여 간섭 신호를 생성하는 단계; 상기 간섭 신호를 분석하여 상기 샘플의 표면 깊이 정보를 추출하는 단계; 상기 광 서큘레이터가 제공하는 상기 샘플에서 반사된 광을 분기하여 특정 파장을 선택하여 상기 반사광의 세기를 검출하는 단계; 및 상기 샘플에 조사되는 입사광의 위치를 변경하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 위치에 따른 상기 반사광의 세기는 상기 샘플의 형상 정보를 제공하고, 상기 간섭 신호는 상기 샘플의 표면 깊이 정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 간섭 시스템 전체가 광섬유로 구성되어 간단하고, 광학 정렬을 요구하지 않는다. 또한, 상기 광학 장치는 샘플의 표면에 형성된 패턴의 지름 혹은 선폭과 깊이를 동시에 측정할 수 있다. 또한, 상기 광학 장치는 지름이 작은 미세 패턴에도 적용될 수 있다.
상기 광학 장치에서, 광검출기는 공초점 현미경 방식으로 표면의 형상 및 기하학적 정보를 얻고, 스펙트럼분석기는 스펙트럼 영역 간섭계 방식으로 표면의 깊이 정보를 얻을 수 있다. 따라서, 상기 광학 장치는 광축 방향으로 혹은 깊이방향으로 스캐닝이 필요 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치를 설명하는 도면이다.
반도체 칩은 반도체 기판 상에 형성되고, 상기 반도체 칩은 일정한 크기를 가지는 반복적으로 배치된다. 반도체 기판을 수직으로 관통하는 관통비아홀(TSV)은 상기 반도체 기판의 일면에 깊은 홀을 형성하고, 상기 반도체 기판의 타면을 연마하여 형성된다. 따라서, 상기 홀은 상기 반도체 기판 상에 일정한 간격으로 형성되며, 상기 홀의 형상 및 깊이의 측정이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 빠르고 간단한 측정을 위하여 광섬유 시스템으로 구성된다. 또한, 스펙트럼 영역 간섭계를 사용하여 깊이 측정을 위한 측정시간이 감소된다. 또한, 상기 스페트럼 영역 간섭계는 광섬유를 사용하여 정렬 오차의 문제를 최소화하였다.
또한, 상기 홀은 일정한 간격을 가질 수 있다. 따라서, 광 스위치는 일정한 간격을 가지고 정렬된 복수의 렌즈부에 입사광을 순차적으로 조사할 수 있다. 복수의 홀은 샘플의 공간적인 이동없이 순차적으로 측정할 수 있다. 따라서, 측정 시간을 단축할 수 있다.
또한, 홀의 형상을 측정하기 위하여, 광학 장치는 공초점 현지경과 유사하게 기능하도록 상기 광 서큘레이터를 채용할 수 있다. 상기 광 서큘레이터는 입사광을 샘플에 제공할 수 있다. 광섬유 커플러는 상기 반사광을 분기하여 스펙트럼 영역 관섭계 및 광검출기에 동시에 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 광 검출기는 홀의 형상을 추출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원부에서 출력된 입사광은 1x2 커플러(OC1)를 통하여 분리하여 제1 입사광과 제2 입사광으로 분기되고, 제2 입사광은 광 서큘레이터-샘플 쪽으로 광섬유를 통하여 진행한다. 제2 입사광이 진행한 경로는 샘플 암 경로를 제공한다.
제1 입사광은 광경로 거리 조절용 광섬유를 지나 다른 2x1 커플러(OC2) 쪽으로 광섬유를 통하여 진행한다. 상기 제1 입사광이 진행한 경로는 기준 암 경로를 제공한다.
샘플 방향으로 진행한 제2 입사광은 샘플에서 반사되어 반사광을 형성한다. 상기 반사광은 광 서큘레이터로 돌아가서 광원부 쪽이 아닌 또 다른 1x2커플러(OC3)로 진행한다. 또 다른 1x2커플러(OC3)에 의해서 반사광은 제1 반사광과 제2 반사광으로 분기된다. 제1 반사광과 제1 입사광은 2x1 커플러(OC2)에서 합쳐져 간섭신호를 생성한다. 상기 간섭 신호는 스펙트럼 분석기를 통하여 패턴의 깊이 정보를 제공할 수 있다.
상기 제2 반사광은 광검출기에 제공된다. 광 검출기는 샘플에서 반사된 제1 반사광만으로 공초점 현미경의 원리로 패턴의 지름 혹은 표면 형상을 측정한다.
전체가 광섬유로 이루어진 간섭 시스템에서 샘플 암 경로와 기준 암 경로의 광경로 거리 조절이 어렵다. 따라서, 광경로 조절부는 광경로 거리를 조절할 수 있다. 광경로 조절부는 반경 방향으로 늘어나는 압전소자에 광섬유를 감아, 압전소자에 전압을 주어 광섬유의 길이를 미세하게 조절할 수 있다. 간섭은 편광에 영향을 크게 받을 수 있으므로 편광 유지(polarization maintaining;PM) 광섬유가 사용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 광학 장치(100)는 광섬유로 구성된 스펙트럼 영역 간섭계를 이용하여 스펙트럼 영역 간섭 신호를 측정하여, 샘플의 표면 깊이 정보를 추출할 수 있다. 또한, 상기 광학 장치(100)는 공초점 현미경의 원리를 이용하여 상기 샘플(20)의 표면 형상 정보를 측정할 수 있다. 이에 따라, 상기 샘플(20)의 표면 깊이 정보와 상기 표면 형상 정보는 상기 샘플의 3차원 구조를 제공할 수 있다.
한편, 상기 광학 장치(100)는 통상적인 공초점 현미경과 달리 초점 거리 방향으로 스캔이 제거될 수 있다. 초점 거리 방향의 깊이 정보는 스펙트럼 영역 간섭계를 통하여 획득될 수 있다. 따라서, 빠른 깊이 측정이 가능하다.
상기 광학 장치(100)는 광대역의 가간섭 광을 조사하는 광원부(110), 입력단(IN)으로 상기 광원부(110)의 입사광(32)을 제공받아 제1 출력단(OUT1) 및 제2 출력단(OUT2)으로 상기 제1 입사광(32a) 및 제2 입사광(32b)을 분기하는 제1 광섬유 커플러(120), 상기 제1 광섬유 커플러(120)의 제2 출력단(OUT2)으로부터 제2 입사광(32b)을 제공받는 제1 단자(P1), 상기 제1 단자(P1)로부터 제공받은 상기 제2 입사광(32b)을 샘플(20)에 제공하는 제2 단자(P2), 및 상기 샘플(20)에서 반사된 반사광(34)을 상기 제2 단자(P2)로 제공받아 출력하는 제3 단자(P3)를 포함하는 광 서큘레이터(130), 상기 제1 광섬유 커플러(120)의 제1 출력단(OUT1)으로부터 제1 입사광(32a)을 제공받는 제1 입력단(IN1), 상기 반사광(34)을 제공받는 제2 입력단(IN2), 및 상기 제1 입사광(32a)과 상기 반사광(34)을 결합하여 출력하는 출력단(OUT)을 포함하는 제2 광섬유 커플러(172), 및 상기 제2 광섬유 커플러(172)의 출력광을 제공받아 파장에 따라 간섭광의 세기를 측정하는 스펙트럼 분석기(174)를 포함할 수 있다.
스펙트럼 영역 간섭계는 다파장 간섭계와 유사하게 복수 개의 파장을 사용하여 위상차, 광 경로차, 또는 절대 거리를 측정할 수 있다. 다파장 간섭계는 수 개의 셀 수 있는 파장을 사용한다. 그러나, 상기 스펙트럼 영역 간섭계는 수 개 이상의 많은 파장을 사용한다. 이에 따라, 간섭 신호의 분석 방법이 서로 다르다.
상기 스펙트럼 영역 간섭계는 간섭 신호(I(f))의 스펙트럼을 획득하여 분석한다. 상기 스펙트럼 영역 간섭계에 사용되는 광원의 파장 대역폭(wavelength bandwidth; wavelength BW)은 수 nm 내지 수백 nm 일 수 있다. 상기 스펙트럼 간섭계의 간섭 신호는 기준 팔 경로(reference arm path)와 샘플 팔 경로(sample arm path) 사이의 광경로차(optical path difference)에 의존한다. 기준 팔 경로(reference arm path)는 제1 광섬유 커플러(120), 광 경로 조절부(176), 및 제2 광섬유 커플러(172)의 광 경로를 포함할 수 있다. 샘플 팔 경로(sample arm path)는 제1 광섬유 커플러(120), 광 서큘레이터(130), 광 스위치(140), 렌즈부(150), 샘플(20), 상기 광 스위치(140), 상기 광 서큘레이터(130), 제3 광섬유 커플러(160), 및 제2 광 섬유 커플러(172)의 광 경로를 포함할 수 있다. 상기 스펙트럼 영역 간섭계는 광대역 광원을 사용하므로 주파수 스캔을 사용하지 않아 빠른 측정을 제공할 수 있다.
주파수에 따라 간섭광의 세기가 변하지 않고, 두 개의 전자기파가 간섭하는 경우, 상기 스펙트럼 영역 간섭계의 간섭 신호(I(f))는 파장 또는 주파수에 따라 다음과 같이 주어진다.
Figure 112013097678487-pat00001
여기서, L은 스펙트럼 영역 간섭계의 광 경로차이며, f는 광의 주파수이고, c는 빛의 속도이고, γ는 간섭 신호의 가시도(상수)이고, I 0 는 배경광의 크기(상수)이다.
따라서, 상기 간섭 신호(I(f))의 주파수(f)에 대한 스펙트럼 주기는 c/L이다. 따라서, 주파수(f)에 대한 상기 간섭신호(I(f))의 스펙트럼을 분석하면, 상기 스펙트럼 주기(c/L)가 추출될 수 있다. 따라서, 상기 스펙트럼 주기(c/L)를 이용하면, 상기 광경로차(L)는 구해질 수 있다. 한편, 상기 스펙트럼 주기(c/L)를 구하기 위하여, 주파수에 대한 간섭 신호(I(f))는 푸리에 변환(Fourier Transformation)을 통하여 변환될 수 있다. 푸리에 영역(또는 시간 영역)에서, 진폭이 최대인 위치가 추출될 수 있다. 이에 따라, 상기 스펙트럼 주기(c/L)가 결정될 수 있다.
상기 스펙트럼 영역 간섭계를 이용하여 샘플의 위치 별로 광 경로차가 측정되면, 3차원적인 형상이 얻어질 수 있다.
공초점 현미경(Confocal Microscopy)는 레이저에서 조사된 일정 파장의 빛이 샘플에 닿고 그에 의해서 여기되어 방출되는 빛이 공초점 어퍼쳐(confocal aperture)를 통과하여 감지기에 닿는 원리를 이용한다. 초점이 맞지 않는 방출광을 상기 공초점 어퍼쳐를 이용하여 차단하므로 초점이 일치하는 부분의 광만을 감지기가 받아들여 콘트라스트(contrast)를 증가시켜 전체적으로 해상도(resoultion)을 향상시킨다. 공초점 현미경은 단일 파장의 광을 이용한다. 따라서, 상기 스펙트럼 영역 간섭계에 사용되는 광대역 광은 파장 선택 필터(182)에 제공되고, 상기 파장 선택 필터(182)는 상기 샘플(20)에서 반사된 광 중에서 특정한 하나의 파장을 선택한다. 이에 따라, 선택된 파장의 광은 광검출기(188)를 통하여 측정된다. 상기 광검출기(188)는 특정 파장의 반사광의 세기를 이용하여 형상 정보를 제공할 수 있다. 그러나, 상기 광 검출기(188)는 정확한 깊이 정보를 제공할 수 없다. 공초점 현미경이 깊이 정보를 제공하기 위하여 상기 초점 방향의 스캔이 이루어져야 한다. 그러나, 이러한 초점 방향의 스캔은 측정 시간을 증가시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 통상적인 공초점 현미경과 달리 초점 방향의 스캔은 스펙트럼 영역 간섭계에 의하여 대체될 수 있다. 따라서, 상기 공초점 현미경은 깊이에 관한 정보가 없는 형상 정보를 제공하고, 스펙트럼 영역 간섭계는 특정한 위치에서의 깊이를 제공할 수 있다.
한편, 스펙트럼 영역 간섭계는 xy 평면에 대항 스캔을 수행한 경우 깊이를 포함한 3차원 형상 정보를 제공할 수 있다. 그러나, 상기 스펙트럼 영역 간섭계는 많은 계산량을 요구하며, 홀과 같은 형상의 경우, 홀의 경사진 부위에서 정확한 깊이 정보를 제공하지 못할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 형상 정보는 공초점 현미경에 의하여 주어지고, 깊이 정보는 스펙트럼 영역 간섭계에 의하여 주어질 수 있다. 즉, 상기 공초점 현미경과 상기 스펙트럼 영역 간섭계는 서로 일체형으로 형성되고, 필요에 따라 상호 보완적으로 동작할 수 있다. 구체적으로, 상기 공초점 현미경은 형상 정보(홀의 지름 또는 형태)를 측정하고, 상기 상기 스펙트럼 영역 간섭계는 상기 홀의 중심에서의 깊이 정보를 제공할 수 있다.
상기 광학 장치(100)는 스펙트럼 영역 간섭계를 포함한다. 상기 스펙트럼 영역 간섭계는 광원부(110), 제1 광섬유 커플러(120), 광 서큘레이터(130), 제2 광섬유 커플러(172), 및 스펙트럼 분석기(174)를 포함할 수 있다.
상기 광원부(110)는 광대역의 가간섭 광을 방출하며, 펨토초 펄스 레이저일 수 있다. 상기 펌토초 펄스 레이저는 증폭기를 포함할 수 있다. 상기 증폭기는 EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifer)일 수 있다. 상기 펨토초 펄스 레이저는 펄스 폭이 수 내지 수백 펨토초를 가지며, 일정한 반복률로 레이저 광을 방출하는 레이저일 수 있다. 상기 펨토초 펄스 레이저는 가간섭성(coherence)을 가지며, 주파수 도메인에서 광대역의 폭 내지 일정한 간격으로 배열된 복수 개의 주파수 성분을 포함할 수 있다.
그러나, 상기 광원부(110)의 구성은 이에 제한되지 않지 않으며 복수 개의 주파수 성분을 포함하는 광대역의 가간섭 광을 방출할 수 있는 다른 구조를 포함할 수 있다. 상기 광원부(110)의 출력 파장은 적외선 대역일 수 있다.
광섬유 커플러는 광섬유로 구성되어 있으며 적어도 하나의 입력단과 적어도 하나의 출력단을 가지는 레시프로컬 수동 소자(reciprocal passive device)이다.
상기 제1 광섬유 커플러(120)는 입력단(IN), 제1 출력단(OUT1), 및 제2 출력단(OUT2)을 포함할 수 있다. 상기 입력단(IN)은 상기 광원부(110)에 광섬유(12a)를 통하여 연결될 수 있다. 상기 제1 광섬유 커플러(120)는 입사광(32)을 상기 입력단(IN)으로 제공받아, 상기 입사광(32)을 분기하여 제1 입사광(32a) 및 제2 입사광(32b)을 생성할 수 있다. 상기 제1 입사광(32a)은 제1 출력단(OUT1)으로 출력하고, 제2 입사광(32b)은 제2 출력단(OUT2)으로 출력될 수 있다.
상기 광 서큘레이터(130)는 제1 단자(P1), 제2 단자(P2), 및 제3 단자(P3)를 포함할 수 있다. 상기 제1 단자(P1)에 제공되는 제2 입사광(32b)은 상기 제2 단자(P2)로 출력될 수 있다. 제2 단자(P2)에 제공되는 반사광은 제3 단자(P3)로 출력될 수 있다.
상기 광 스위치(140)는 상기 광 서큘레이터(130)의 제2 단자(P2)와 광섬유(12b)를 통하여 연결될 수 있다. 상기 광 스위치(140)는 하나의 입력단과 복수의 출력단을 포함할 수 있다. 상기 광 스위치(140)는 입력단으로 제공된 제2 입사광(32b)을 처리부(192)의 제어 신호에 따라 특정한 출력단에 제2 입사광(32b)을 출력할 수 있다. 상기 광 스위치(140)는 순차적으로 출력단을 선택할 수 있다. 이에 따라, 제2 입사광은 순차적으로 서로 다른 샘플 위치에 조사될 수 있다. 상기 광 스위치의 출력단은 광섬유(12c)를 통하여 렌즈부(150)에 연결될 수 있다. 상기 광섬유의 일단은 상기 광 스위치(140)의 출력단에 연결되고, 상기 광섬유의 타단에는 렌즈부(150)가 배치될 수 있다. 따라서, 샘플의 위치를 변경하지 않고, 복수의 위치에서 깊이 정보가 획득될 수 있다.
상기 렌즈부(150)는 상기 제2 입사광을 집속하여 상기 샘플 표면에 조사할 수 있다. 상기 샘플 표면에서 반사된 반사광은 상기 렌즈부를 통하여 상기 광섬유에 입사할 수 있다. 상기 렌즈부는 일차원 또는 2차원적으로 배열된 렌즈 어레이일 수 있다. 상기 렌즈 어레이의 간격은 샘플(반도체 기판)에 배열된 반도체 칩 상에 형성된 홀의 간격과 일치할 수 있다.
상기 광 스위치(140)는 복수의 출력단을 포함하고, 각 출력단에 연결된 광섬유는 x 축 방향 및/또는 y 축 방향으로 정렬될 수 있다. 또는 상기 광 섬유는 일정한 간격을 가지고 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 광 스위치(140)는 제거되고, 상기 광 서큘레이터의 제2 단자(P2)는 광섬유를 통하여 상기 렌즈부에 직접 연결될 수 있다.
상기 이동부(194)는 상기 샘플(20)의 위치를 변경할 수 있다. 구체적으로, 상기 이동부(194) 상에 상기 샘플이 배치되고, 상기 이동부(194)는 상기 샘플(20)의 측정 위치를 변경할 수 있다. 구체적으로, 상기 이동부(194)는 상기 홀(22)과 상기 렌즈부(150)를 정렬시키고, 정렬된 위치 주위에서 상기 홀의 형상을 측정하기 위하여 x 축 방향 및/또는 y 축 방향으로 스캔할 수 있다. 이에 따라, 측정하고자 하는 영역의 깊이 정보 및 형상 정보가 측정될 수 있다.
상기 렌즈부(150)는 상기 제2 입사광을 상기 샘플 표면에 조사하고 상기 샘플 표면에서 반사된 방사광을 집속하여 상기 광섬유(12c)에 제공할 수 있다. 상기 렌즈부(150)는 매트릭스 형태로 배열된 렌즈 어레이일 수 있다.
상기 광섬유(12c)에 모인 반사광(34)은 상기 광 스위치(140)를 경유하여 상기 광 서큘레이터(130)의 제2 단자(P2)에 제공될 수 있다. 상기 광 서큘레이터(130)의 제2 단자(P2)에 제공된 반사광은 제3 단자(P3)로 출력될 수 있다.
제3 광 섬유 커플러(160)는 입력단(IN), 제1 출력단(OUT1), 및 제2 출력단(OUT2)을 포함할 수 있다. 상기 제3 광섬유 커플러(160)의 입력단은 광 섬유를 통하여 상기 광 서큘레이터(130)의 제3 단자(P3)와 연결될 수 있다. 상기 제3 광 섬유 커플러(160)의 입력단(IN)은 반사광을 제공받아 분기하여 제1 출력단(OUT1) 및 제2 출력단(OUT2)으로 제1 반사광(34a) 및 제2 반사광(34b)을 각각 출력할 수 있다.
상기 제2 광섬유 커플러(172)는 제1 입력단(IN1), 제2 입력단(IN2), 및 출력단(OUT)을 포함할 수 있다. 상기 제2 광섬유 커플러(172)의 제1 입력단(IN1)은 상기 광 경로 조절부(176)에 광섬유를 통하여 연결되고, 상기 제2 광섬유 커플러(172)의 제2 입력단(IN2)은 상기 제3 광섬유 커플러(160)의 제1 출력단(OUT1)에 광섬유를 통하여 연결될 수 있다. 상기 제2 광섬유 커플러(172)는 기준 암 경로를 통하여 제공되는 제1 입사광(32a)과 샘플 암 경로를 통하여 제공되는 상기 반사광(34a)을 결합하여 간섭광을 출력할 수 있다. 상기 간섭광은 상기 스펙트럼 분석기(174)에 제공될 수 있다. 상기 제1 입력단(IN1)은 상기 기준 암 경로에 연결될 수 있다. 상기 제2 입력단(IN2)은 상기 샘플 암 경로에 연결될 수 있다. 구체적으로, 상기 샘플 암 경로와 상기 기준 암 경로의 광 경로차(L)는 상기 샘플의 표면 깊이에 의존할 수 있다.
광 경로 조절부(176)는 상기 기준 암 경로에 배치되어, 상기 기준 암 경로를 변경할 수 있다. 이에 따라, 상기 광 경로차(L)가 조절될 수 있다. 구체적으로, 상기 광 경로 조절부(176)는 상기 제1 광섬유 커플러의 제1 출력단과 상기 제2 광섬유 커플러의 제1 입력단 사이에 배치될 수 있다. 상기 광경로 조절부(176)는 반경 방향으로 외부 전압에 따라 팽창하거나 수축하는 압전 소자와 상기 압전 소자를 감싸는 광섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 광경로 조절부(176)는 서로 다른 길이 광섬유일 수 있다. 상기 서로 다른 길이의 광섬유는 광 경로차이를 조절하기위하여 교환될 수 있다.
스펙트럼 분석기(174)는 주파수 또는 파장에 따라 간섭 신호의 세기를 측정할 수 있다. 이에 따라, 홀의 깊이(d)가 구해질 수 있다.
공초점 현미경을 구현하기 위하여, 상기 광학 장치는 제3 광섬유 커플러, 필터, 및 광검출기를 포함할 수 있다.
상기 렌즈부(150)와 상기 광섬유(12c)는 초점에서 출발한 반사광이 상기 광섬유에 집속되도록 정렬될 수 있다. 이에 따라, 상기 렌즈부(150)와 상기 광섬유(12c)는 공초점 시스템의 일부를 구성할 수 있다.
제3 광섬유 커플러(160)의 제2 출력단(OUT2)은 상기 필터에 광섬유를 통하여 연결될 수 있다. 상기 제3 광섬유 커플러는 상기 제2 출력단을 통하여 제2 반사광을 상기 필터(182)에 제공할 수 있다.
필터(182)는 제2 반사광 중에서 특정한 파장을 선택하는 파장 선택 필터일 수 있다. 상기 필터(182)는 광섬유 필터일 수 있다.
광 검출기(188)는 상기 필터가 출력한 특정한 파장의 반사광(34c)을 제공받을 수 있다. 상기 광 검출기(188)는 상기 반사광(34c)의 세기를 측정할 수 있다. 상기 광 검출기는 포토다이오드일 수 있다. 상기 광검출기(188)의 출력 신호는 상기 렌즈부(150)와 상기 샘플(20)의 표면 사이의 거리에 의존할 수 있다.
상기 기준 암 경로와 상기 샘플 암 경로는 광 섬유를 통하여 구성될 수 있다. 상기 광 섬유는 편광 유지 광섬유일 수 있다. 구체적으로, 상기 광원부(110)와 상기 제1 광섬유 커플러(120)는 광섬유(12a)를 통하여 연결될 수 있다. 상기 제1 광섬유 커플러(120)와 상기 제2 광 섬유 커플러(172)는 광섬유를 통하여 연결될 수 있다. 상기 제1 광섬유 커플러(120)와 상기 광 서큘레이터(130)는 광섬유를 통하여 연결될 수 있다. 상기 광 서큘레이터(130)와 상기 광 스위치(140)는 광 섬유(12b)를 통하여 연결될 수 있다. 상기 광 서큘레이터(130)와 상기 제3 광섬유 커플러(160)는 광 섬유를 통하여 연결될 수 있다. 상기 제3 광섬유 커플러(160)와 상기 제2 광섬유 커플러(172)는 광섬유를 통하여 연결될 수 있다.
샘플(20)은 반도체 기판일 수 있다. 상기 반도체 기판에 형성된 홀(22)은 반도체 기판을 수직으로 관통하는 관통비아홀(TSV; Through Silicon Via)일 수 있다. 상기 관통비아홀은 상기 홀(22)이 형성된 상기 반도체 기판의 뒷면을 연마하여 형성될 수 있다. 상기 샘플의 상부면에는 복수의 홀이 형성될 수 있다. 상기 홀의 깊이를 측정하기 위하여, 상기 렌즈부는 상기 홀에 정렬될 수 있다. 상기 홀의 깊이를 측정하기 위하여, 상기 스펙트럼 영역 간섭계 또는 상기 광학 장치가 사용될 수 있다. 상기 홀의 형상을 측정하기 위하여, 상기 샘플(20)은 이동부에 의하여 xy 평면에서 이동될 수 있다. 상기 샘플은 x축 방향 및 y축 방향에 의하여 정의된 평면에 배치될 수 있다.
광원으로 적외선을 사용하는 경우, 상기 반도체 기판은 적외선에 투명할 수 있다. 따라서, 샘플은 뒤집어 배치될 수 있다. 상기 반도체 기판의 홀이 형성된 표면이 상기 이동부를 마주보도록 배치될 수 있다. 상기 렌즈부의 초점이 상기 홀의 하부면에 일치하도록 조절되면, 동시에 지름과 깊이가 동시에 측정될 수 있다.
상기 샘플은 이동부(194) 상에 장착될 수 있다. 상기 이동부(194)는 x축 방향 및 y축 방향으로 이동할 수 있는 2 축 이동 스테이지일 수 있다.
상기 광 스위치(140)는 복수의 출력단을 포함하고, 각 출력단에 연결된 광섬유(12c)는 x 축 방향 및/또는 y 축 방향으로 정렬될 수 있다. 또는 상기 광 섬유(12c)는 일정한 간격을 가지고 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 상기 렌즈부는 상기 광 섬유와 정렬되어 매트릭스 형태로 배열될 수 있다.
상기 이동부(194)는 상기 샘플을 이동시키고, 상기 스펙트럼 분석기는 측정 영역의 깊이 정보를 추출하고, 광 검출기는 형상 정보를 추출할 수 있다.
상기 처리부(192)는 공초점 현미경의 원리를 이용한 광 검출기 및 이동부를 통하여 형상 정보 영상을 형성하고, 스펙트럼 영역 간섭계의 원리를 이용하여 깊이 정보를 산출할 수 있다. 따라서, 상기 깊이 정보와 상기 형상 정보 영상을 합성하여, 3차원 영상이 추출될 수 있다. 상기 깊이 정보는 깊이가 변하는 영역에서 부정확할 수 있다. 따라서, 형상 정보는 전체적인 홀의 지름 또는 홀의 형상을 결정하고, 상기 홀의 하부면의 깊이 정보는 상기 스펙트럼 영역 간섭계의 측정 결과가 사용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110: 광원부
120: 제1 광섬유 커플러
130: 광 서큘레이터
140: 광 스위치
150: 렌즈부
160: 제3 광섬유 커플러
172: 제2 광섬유 커플러
174: 스펙트러럼 분석기
182: 파장 선택 필터
188: 광검출기

Claims (9)

  1. 광대역의 가간섭 광을 조사하는 광원부;
    입력단으로 상기 광원부의 입사광을 제공받아 제1 출력단 및 제2 출력단으로 제1 입사광 및 제2 입사광을 각각 분기하는 제1 광섬유 커플러;
    상기 제1 광섬유 커플러의 제2 출력단으로부터 상기 제2 입사광을 제공받는 제1 단자, 상기 제1 단자로부터 제공받은 상기 제1 입사광을 샘플에 제공하는 제2 단자, 및 상기 샘플에서 반사된 반사광을 상기 제2 단자로 제공받아 출력하는 제3 단자를 포함하는 광 서큘레이터;
    상기 제1 광섬유 커플러의 제1 출력단으로부터 제1 입사광을 제공받는 제1 입력단, 상기 반사광을 제공받는 제2 입력단, 및 상기 제1 입사광과 상기 반사광을 결합하여 출력하는 출력단을 포함하는 제2 광섬유 커플러;
    상기 제2 광섬유 커플러의 출력광을 제공받아 파장에 따라 간섭광의 세기를 측정하는 스펙트럼 분석기;
    상기 광 서큘레이터의 상기 제3 단자에 연결되어 상기 반사광을 제공받는 입력단, 상기 반사광을 분기하여 상기 제2 광섬유 커플러의 제2 입력단에 제공하는 제1 출력단, 및 상기 반사광을 분기하여 출력하는 제2 출력단을 포함하는 제3 광섬유 커플러;
    상기 제3 광섬유 커플러의 출력단의 반사광을 제공받아 특정한 파장을 선택하여 출력하는 파장 선택 필터; 및
    상기 파장 선택 필터의 출력광의 세기를 검출하는 광 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  2. 광대역의 가간섭 광을 조사하는 광원부;
    입력단으로 상기 광원부의 입사광을 제공받아 제1 출력단 및 제2 출력단으로 제1 입사광 및 제2 입사광을 각각 분기하는 제1 광섬유 커플러;
    상기 제1 광섬유 커플러의 제2 출력단으로부터 상기 제2 입사광을 제공받는 제1 단자, 상기 제1 단자로부터 제공받은 상기 제1 입사광을 샘플에 제공하는 제2 단자, 및 상기 샘플에서 반사된 반사광을 상기 제2 단자로 제공받아 출력하는 제3 단자를 포함하는 광 서큘레이터;
    상기 제1 광섬유 커플러의 제1 출력단으로부터 제1 입사광을 제공받는 제1 입력단, 상기 반사광을 제공받는 제2 입력단, 및 상기 제1 입사광과 상기 반사광을 결합하여 출력하는 출력단을 포함하는 제2 광섬유 커플러;
    상기 제2 광섬유 커플러의 출력광을 제공받아 파장에 따라 간섭광의 세기를 측정하는 스펙트럼 분석기;
    상기 광 서큘레이터의 제3 단자에 연결된 광섬유의 말단에 배치된 렌즈부; 및
    상기 렌즈부와 상기 광 서큘레이터의 제3 단자 사이에 배치된 광 스위치를 포함하고,
    상기 광 스위치는 상기 광 서큘레이터로부터 제공되는 상기 입사광을 복수의 출력단 중에서 어느 하나의 출력단에 제공하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 스펙트럼 분석기의 출력 신호를 제공받아 상기 샘플의 깊이 정보를 추출하는 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 스펙트럼 분석기의 출력 신호를 제공받아 상기 샘플의 깊이 정보를 추출하고, 상기 광 검출기의 출력 신호를 제공받아 상기 샘플의 표면 형상 정보를 추출하는 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 광 서큘레이터의 제3 단자에 연결된 광섬유의 말단에 배치된 렌즈부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  6. 삭제
  7. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제1 광섬유 커플러의 제1 출력단과 상기 제2 광섬유 커플러의 제1 입력단 사이에 배치된 광경로 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  8. 광대역의 입사광을 제1 광섬유 커플러를 사용하여 기준 암 경로 및 샘플 암 경로로 분기하는 단계;
    광 서큘레이터를 사용하여 상기 샘플 암 경로에 제공된 입사광을 샘플에 제공하고 상기 샘플에서 반사된 반사광을 샘플 암 경로에 제공하는 단계;
    상기 샘플 암 경로의 반사광과 상기 기준 암 경로의 입사광을 제2 광섬유 커플러를 사용하여 결합하여 간섭 신호를 생성하는 단계;
    상기 간섭 신호를 분석하여 상기 샘플의 표면 깊이 정보를 추출하는 단계;
    상기 광 서큘레이터가 제공하는 상기 샘플에서 반사된 광을 분기하여 특정 파장을 선택하여 상기 반사광의 세기를 검출하는 단계; 및
    상기 샘플에 조사되는 입사광의 위치를 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 형상 측정 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    위치에 따른 상기 반사광의 세기는 상기 샘플의 형상 정보를 제공하고, 상기 간섭 신호는 상기 샘플의 표면 깊이 정보를 제공하는 것을 특징을 하는 표면 형상 측정 방법.
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