KR0138721B1 - 미세관내면 측정방법 및 장치(tube inner surface measuring method and apparatus) - Google Patents

Abstract

미세관의 중심선에 대해 작은각으로 미세관의 제 1단부를 통해 내면거칠기 측정대상물인 미세관의 내면에 광을 도입하고, 미세관내의 다중반사에 의해 광이 반사된후 미세관의 제 2단부로부터 방출된 광을 측정하여 미세관의 내면거칠기를 평가한다. 측정시 미세관의 제 1단부에 도입될 광을 일단 미세관의 중심선상에 집중시키고 다시 발산시키며, 미세관의 제 1단부에 도입될 광의 편광방향은 미세관의 반사면에 대해 90° 또는 대략 90°의 각도로 설정된다. 따라서, 미세관의 내면거칠기는 광검출기에 의해 미세관으로부터의 방출광의 강도의 검출결과에 따라 계산될 수 있다.

Description

미세관내면 측정방법 및 장치

본 발명은 미세관의 내면 거칠기를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하자면, 예컨대 반도체 제조장치에 가스를 공급하는 미세관의 내면 거칠기를 비파괴적으로 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

(관련기술의 설명)

반도체 제조장치에 있어서 사진제판 기술을 사용하여 실리콘 웨이퍼상에 회로를 형성하는 기판이 제조될 경우 미세회로 패턴은 다수의 층으로 형성된다. 회로패턴의 폭은 대략 1㎛ 정도로 미세하고, 상기 미세회로 패턴을 형성하기 위해서는 반도체 제조장치의 내부를 청전한 상태로 유지하는 것이 중요하다. 따라서, 반도체 제조장치에 미세한 먼지가 수용되는 것을 방지하기 위해서, 회로패턴의 형성에 대하여 천연물질 가스를 공급하는 미세관의 내면에는, 예컨대 먼지가 미세관내면의 불균일한 바닥부에 고착되어 천연물질 가스와 함께 반도체 제조장치안으로 수용되는 문제점이 방지되도록 거울표면 가공법으로 작업되어야 한다.

반도체 제조장치용 미세관내면의 거칠기의 품질을 보장하게 하기 위해 미세관내면 거칠기 평가기술이 사용되는데 그 기술은 내면 거칠기 측정용으로 샘플된 미세관이 길이방향의 축방향으로 분할되며, 그 길이방향 분할에 의해 얻어진 시험편의 내면이 접촉형 표면거칠기 테스터에 의해 측정되는 것이다.

접촉형 미세관내면 거칠기 평가기술에 있어서, 측정대상으로써 시험편의 내면은 작은 반경의 굴곡부를 가진 곡면이 되므로, 내면 거칠기의 안정한 측정의 불가능하다. 또한, 측정된 시험편은 실제 사용되는 미세관중에서 샘플검사를 위해 제조되므로 실제 사용될 미세관의 품질이 보장될 수 없는 문제가 있게 된다. 따라서, 비파괴적으로 검사될 수 있는 실제 사용될 미세관의 내면 거칠기에 의한 측정방법이 요망된다.

(발명의 개요)

본 발명의 목적은 상술된 종래 기술의 상기 문제를 해결하기 위해, 신장된 미세관의 내면 거칠기가 비파괴적으로 검사될 수 있는 미세관내면의 거칠기를 측정하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상술된 목적을 얻기 위해 본 발명의 제1 특징에 따르면, 미세관내면의 거칠기를 측정하는 방법 및 장치는 미세관의 중심선에 대하여 작은 각도로 미세관의 제1 단부를 통하여 내면 거칠기의 측정대상이 되는 미세관의 내면에 광이 도입되어, 미세관내에서 다중 반사에 의해 광이 반사된후 미세관의 제2 단부로부터 방출하는 광의 거칠기가 평가되도록 측정되며, 이러한 구성에 의해 미세관의 제1 단부에 도입된 광은 미세관의 중심선에서 집중되고 다시 발산되며, 미세관의 제1 단부에 도입된 광의 편광방향은 미세관의 반사면에 대해 90°의 각도로 설정된다.

입사광학시스템은 광의 광축을 광원으로부터 조정하는 광축조정기구를 포함하여 광의 집중점이 미세관의 중심선과 대응한다.

미세관내면의 거칠기를 측정하는 장치는 전체 입사광학시스템을 이동가능하게 유지하는 이동가능 테이블을 추가로 포함하여 광원으로부터의 광축이 이동가능 테이블의 위치를 조정함으로써 조정된다.

유지기구는 축둘레에서 미세관을 회전시키는 기구를 포함할 수 있다.

본 발명의 제2 특징에 따르면 미세관내면의 거칠기를 측정하는 방법 및 장치는 미세관 중심선에 대하여 작은 각도로 미세관의 제1 단부를 통하여 내면 거칠기의 측정대상이 되는 미세관의 내면에 광이 도입되어, 미세관내에서 다중반사에 의해 광이 반사된후 미세관의 제2 단부로부터 방출하는 광이 거칠기를 평가하도록 측정되며, 거울반사성분의 광강도와 미세관의 제2 단부로부터 광이 방출하는 확산산란(반사)성분의 광강도를 측정하는 단계와, 거울반사성분의 광강도와 확산산란(반사)성분의 광강도 사이의 비율에 따라 미세관내면의 거칠기를 측정하는 단계를 포함한다.

미세관으로부터 방출하는 광은 집중될 수 있고, 그 집중된 광의 중앙부에서의 광강도와 그 변환된 광의 주변부에서의 광강도는 거울반사성분과 확산산란(반사)성분의 광강도를 측정하도록 서로 분리적으로 측정될 수 있다.

또한, 미세관내면의 거칠기를 측정하는 장치는 내면 거칠기의 측정대상이 되는 미세관을 유지하는 유지기구와, 미세관의 중심선에 대하여 작은 입사각도에서 광원으로부터 미세관으로 광을 도입하는 입사광학시스템과, 소정의 집중위치에서 미세관의 제2 단부로부터 방출하는 광을 집중시키기 위한 수광시스템과, 집중광의 중앙부에서의 광강도와 집중광의 주변부에서 광강도를 상호분리하여 측정하는 방출광의 집중위치에 배치된 광검출기와, 집중광 중앙부의 광강도와 광검출기에 의해 측정된 집중광의 주변부의 광강도 사이에서의 비율에 따라 미세관내면의 거칠기를 계산하는 신호처리수단을 포함한다.

본 발명의 제1 특징에 따르면, 입사광은 미세관의 중심선에서 일단 집중하여 다시 발산하므로, 미세관내면에 반사된 광은 미세관내면의 수직평면을 통과하고 따라서 반사광은 미세관의 중심선을 통과하며 다중반사가 반복되는 동안 미세관으로 전파된다.

또한, 입사광의 편광평면은 반사면에 대해 90도 혹은 대략 90도에 설정되므로, 반사율은 미세관의 재료에 따라 최대값과 동일하게 된다.

그리고, 미세관 제2 단부로부터 방출하는 광강도는 미세관내면상의 다중 반사점에서 반사율의 곱에 비례하여 증가한다. 한편, 미세관내면의 거칠기가 증가함에 따라 미세관내면상의 반사율이 감소되고, 방출광의 강도는 미세관내면상의 반사점의 표면거칠기에 대응하는 광강도 측정 광검출기에 의해 측정된다.

이에 따라, 미세관내면의 거칠기는 방출광이 강도에 따라 측정된다.

또한, 광의 집중점은 광축조정기구에 의해 미세관의 중심선과 대응하고 방출광의 강도가 감소되지 않으며, 방출광의 충분한 강도가 보장된다.

또한, 전체 입사광학시스템은 광의 광축을 조정하기 위해 이동가능 테이블에 의해 이동될 수 있으므로 광의 집중점이 광검출기의 중심과 대응될 수 있다.

더욱이, 미세관이 유지기구에 의해 광축 둘레에서 회전될 경우 입사광은 미세관의 전체내면을 거쳐 다중반사의 반복을 진행하고, 전체내면의 표면거칠기가 측정될 수 있다.

본 발명의 제2 특징에 따르면, 미세관내면의 거칠기가 증가함에 따라 방출광의 거울반사성분은 확산산란(반사)성분이 증가하는 동안 감소된다. 이에 따라, 거울반사성분의 감소와 확산산란(반사)성분의 증가를 이용함으로써 미세관내면의 거칠기는 2성분간 비율에 따라 고정확도로 측정될 수 있다.

미세관의 제1 단부로의 입사광의 광축이 미세관의 축중앙선으로부터 오프세트(offset)될 때, 미세관의 제2 단부로부터의 방출광의 강도의 전체값은 커다란 변화를 나타낸다. 하지만 거울반사성분 및 확산산란(반사)성분 사이의 비율은 거의 변화를 나타내지 않는다. 광원으로부터 방출되고 미세관으로 도입된 광의 강도가 변화할 때, 거울반사성분의 광강도와 확산산란(반사)성분의 광강도 모두에 유사한 결과가 나타난다. 따라서, 두 성분 사이의 비율이 계산되어 진다면, 두성분의 영향력은 보상되며 광강도 사이의 비율은 광원으로부터의 방출광의 강도의 변화의 영향으로부터 영향을 받지 않는다. 따라서, 만일 두 광강도 사이의 비율에 따라 내면의 거칠기가 측정된다면, 입사광의 변화의 영향은 제거된다.

또한 미세관의 제2 단부로부터 나오는 광이, 미세관의 제2 단부로부터 나오는 광의 거울반사성분을 중앙부에 집중시키고 확산산란(반사)성분을 주변부에 산포시키는 상태에서 방출되는 경우, 미세관의 내면의 거칠기는 중앙부에서의 광강도와 주변부에서의 광강도 사이의 비율에 따라 측정되어질 수 있다.

반면에, 미세관으로부터의 방출광이 수광요소에 집중되는 경우, 집중광의 중앙부에서의 광강도 및 집중광의 주변부에서의 광강도는 수광요소에 대해 각기 서로로부터 개별적으로 측정되어 진다.

추가로, 미세관의 내면의 거칠기는 수광요소에 의해 측정된 집중광의 주변부에서의 광강도와 집중광의 중앙부에서의 광강도 사이의 비율에 따라서 신호처리수단에 의해 계산되어질 수 있다.

결과적으로 미세관의 내면의 거칠기는 미세관으로의 입사광의 변화 혹은 입사광의 광축의 오프세트에 의해 영향을 받음이 없이 비파괴적으로 고정확도로 검사되어질 수 있다.

(바람직한 실시예의 상세한 설명)

하기에서는 본 발명이 구체화된 실시예가 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 도면을 참조로하여 설명되어질 것이다. 아래에 설명될 실시예는 단지 본 발명의 일실시예이며 본 발명의 기술적인 범위를 한정하는 성격이 아님을 유의해야 한다. 여기서, 제1도는 본 발명의 실시예에 따른 미세관내면 거칠기 측정장치(1)의 일반적인 구조를 도시하는 측면도, 제2도는 이 측정장치(1)의 평면도, 제3도는 입사광이 미세관내에서 반사되는 방법을 설명하는 개략도, 제4도는 입사광의 각에 대해 반사율의 변화를 도시하는 그래프, 제5도는 미세관의 내면의 결함길이에 대해 방출광의 강도변화를 도시하는 그래프, 그리고 제6도는 미세관내면의 거출기와 방출광의 강도 사이의 관계를 설명하는 그래프이다. 제1도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 미세관내면 거칠기 측정장치(1)는 스테인레스 강으로 만들어진 내부직경 4mm×외부직경 6mm×4m 길이의 크기를 지닌 미세관(2)을 유지하며 내면 거칠기의 측정을 위한 대상으로서의 역할을 하는 유지기구(10), 미세관(2)의 제1 단부에 조사되어지는 레이저광원(21)으로부터의 광입사 상태를 결정하는 입사광학시스템(20), 미세관(2)의 제2 단부 혹은 다른 단부로부터 방출하는 광을 집광하기 위한 집광렌즈(30)(수신광학시스템에 대응하는), 집광렌즈(30)에 의해 집광된 수신광의 강도를 측정하기 위한 광검출기(40) 및 광검출기(40)로부터의 전기신호를 처리하기 위한 신호처리회로(신호처리수단에 대응하는)(50)를 포함한다.

유지기구(10)는 미세관(2)의 대향단부를 유지하는 콜릿척(11)의 쌍을 포함한다. 콜릿척(11)은 입사광학시스템(20)의 광축과 일치하는 미세관의 축중앙에서 소정거리를 미세관(2)의 대향단부를 유지하며 미세관(2)의 외부직경에 대한 수신광학시스템(30)을 유지한다. 콜릿척(11)의 각각은 회전테이블(12)을 갖는다. 콜릿척(11)에 의해 조여진 미세관(2)은 미세관(2)의 전체 내면에 거칠기를 측정하기 위해 회전테이블(12)에 의해 회전된다.

미세관(2)의 제1 단부에서 개구속으로 광을 조사하기 위한 입사광학시스템(20)은 0.7mm의 비임직경 5mW 전력의 출력인 내장인 헬륨네온 레이저가 레이저광원(21)으로부터 방출된 레이저광의 비임직경을 증가시키기 위한 비임익스팬더(22)를 포함한다. 비임익스팬더(22)는 레이저광이 미세관(2)의 제2 단부로 전달된 후일지라도, 미세관의 내면 직경보다 작은 약 3mm에서 비임직경을 유지한다. 레이저광원(21)은 레이저광을 편광하기 위한 도시되지 않은 내장형 편광수단을 갖는다. 레이저광의 편광방향은 미세관(2)의 내부 표면에 대해 90° 혹은 약 90°도의 각도로 설정된다. 레이저광원(21) 및 비임익스팬더(22)는 제2도에 확대된 척도로 도시된 평면도에서 볼 수 있는 바와 같이 레이저광을 미세관(2)의 축중앙에 대해 5° 경사진 입사각 85°에서 조사한다.

예를 들면, 25mm 길이의 초점거리를 갖는 원통렌즈(23)는 비임익스팬더(22)와 미세관(2)의 제1 단부 사이에 배치된다. 원통렌즈(23)는 원통렌즈(23)의 수직위치를 조정하기 위한 광축조정지그(24)상에 유지되며 비임익스팬더(24)로부터의 광출력의 비임을 일단 렌즈의 초점에 선형으로 집중시킨 후에 비임을 발산한다. 원통렌즈(23)는 미세관(2)의 축중앙선과 일치하는 미세관(2)의 제1 단부속으로 레이저광의 도입되기 위한 초점을 갖는다. 입사광학시스템(20)에 의해 미세관(2)으로 도입된 레이저광은 미세관(2)에서 진행할 때까지 미세관(2) 내면상에서 다수의 반복적인 반사를 겪은 후에 미세관(2)의 제2 단부로부터 방출된다.

미세관(2)으로부터의 광출력을 집광하기 위한 집광렌즈(30)와 광검출기(40)는 레이저광이 출력되는 곳으로부터 미세관(2)의 제2 단부에 인접하여 연속적으로 배치된다. 집광렌즈(30)의 초점거리는 미세관(2)으로부터의 레이저광 출력이 광검출기(40)에 집광되어지도록 설정된다. 광검출기(40)는 수신된 레이저의 광의 광강도를 전기흐름으로 변환하며 신호처리회로(50)의 광-전기흐름을 출력한다.

신호처리회로(50)는 미세관(2) 내면상에서 광의 반사율(r)을 계산하기 위해 미세관(2)의 제2 단부로부터의 출력인 광출력의 강도를 계산한다. 반사율(r)은 미세관(2)의 내면이 전체 길이에 걸쳐 균일하고, 광에 대한 반사율(r)은 고정되며, 광의 어떠한 발산도 유발되지 않는 경우 하기의 식에 의해 계산된다.

P0 = Pi × rⁿ……(1)

여기서, P0는 방출광의 각도, Pi는 입사광의 강도, n은 다중반사의 횟수이다.

다중반사의 횟수 n은 다음 방정식(2)에 의해 주어진다:

n = L/(d/tan(θ)) ……(2)

여기서, L은 미세관(2)의 전체길이, d는 미세관(2)의 내부직경, θ는 미세관(2)의 축중심선에 대한 레이저광의 입사각이다.

상기에 주어진 방정식(1)과 (2)로부터, 반사율(r)은 계산된다. 특히, 미세관(2)으로부터 방출된 광의 강도는 광의 다중반사점에서 반사율의 곱에 비례해서 증가한다. 동시에, 미세관(2)의 내면 거칠기가 증가함에 따라 반사율이 감소하는 성질이 있기 때문에 방출광의 광학강도, 즉 방출광강도(P0)가 측정된다면 반사율(1)은 미세관(2)의 내면의 반사점에서 거칠기가 상수란 것과 같이 반영되는 값으로 얻어진다.

계속해서, 상술한 실시예의 장치에 의한 내면 거칠기 측정이 설명된다. 먼저, 레이저광원(21)에 의해서 소정의 방향으로 편광되는 레이저광의 비임직경은 비임익스팬더(22)에 의해서 확장되고, 레이저광은 85°의 입사각에서 미세관(2)의 제1단으로 도입되어 미세관(2)의 축중심선상에서 먼저 집중되고 그 후 발산된다. 이 예에서, 미세관(2)은 유지기구(10)에 의해서 회전조건으로 유지되고, 레이저광은 미세관(2)의 전체 내면상에 조사되도록 도입된다. 미세관(2)에 도입된 레이저광이 미세관(2)의 축중심선 상에서 한번 집중되고 발산된 후, 제3도에 도시된 바와 같이 미세관(2)의 내면(3)에 의해서 레이저광은 반사되어 다중 반사를 반복하기 위해 다시 축 방향의 미세관(2)의 중심선으로 돌아온다. 따라서 미세관(2)에 도입된 레이저 광은, 이것이 미세관의 제2 단부로 전파될 때가지 미세관(2)의 내면에서 다중반사에 의해서 반사된다. 레이저광이 미세관(2)으로 전파되는 동안 다중반사에 의해 레이저광 강도의 감소는 상기 방정식(1)에서 주어진다. 한편, 광검출기(40)에 의해서 검출될 수 있는 광의 강도에 대한 제한은 보통 거의 1μW이고 레이저광원(21)의 출력은 5mW이다. 따라서, 레이저광이 미세관(2)에 전파되는 동안 허용가능한 감쇄량은 1μW/5mW = 2×10^-4이 된다.

여기서, 스테인레스강으로 만들어진 미세관으로의 입사광의 입사각과 편광방향이 변화할 때 미세관(2)의 내면(3)에 대한 광의 반사율이 측정되는데, 측정의 결과는 제4도에 도시되어 있다. 편광면이 반사면과 직교할 때의 특성선(55)과 편광면이 제4도의 반사면과 평행할때의 다른 특성선(56)으로부터, 입사각이 85° 등과 같은 큰 각으로 설정될 때 광의 반사율이 거의 95%되는 것을 볼 수 있다. 내면(3)에 대한 광의 반사율이 편광방향과 이런 식의 입사광의 입사각에 의해서 변화되는 이유는, 광이 금속물질의 표면상에 올때 와전류가 광의 교류자기장 때문에 금속물질에서 흐르며 광의 에너지 일부가 와전류 손실로서 소모되는 것으로 설명된다. 이 경우, 복합된 반사율을 사용하여 광의 반사율을 표현하고자 한다면, 고조이시구조씨의 ˝광학˝(교리츠도쇼수판, 제1판, 1953, pp 160 내지 153 참조)의 방정식(66)과 (67)과 같이 표현된다. 광의 반사율이 이런 식으로 편광방향에 의해서 변화된다는 것은 이미 알려져 있다.

한편 4mm의 내부직경을 갖는 미세관(2)의 내면(3)에 대한 광의 반사율이 95%이고 입사레이저광의 출력이 5mW인 곳에서 선택될 수 있는 입사각은, 레이저광이 미세관(2)의 전체길이에 걸쳐 전파되고 광검출기(40)에 의해서 검출될 수 있는 조건에서 출력되도록 80˚ 보다 작은 것을 아래에 주어지는 표 1로부터 알 수 있다. 더욱이, 상술한 방정식(2)로부터 검사되는 미세관(2)의 전체길이와 내부직경은 결정될 수 있고, 미세관(2)내의 반사횟수가 미세관의 전체길이와 내부직경으로부터 결정되기 때문에, 레이저광의 입사각을 약 85˚로 설정하는 것이 바람직하다. 여기서, 표 1은 입사각에 대한 방출광강도와 입사광강도 사이의 비율의 값변화를 나타낸다.

표 1

상술한 바와 같이, 미세관(2)의 내면(3)에 대한 광의 반사율은 광검출기(40)에 의해서 미세관(2)으로부터 방출광의 강도를 측정함으로써 정확히 계산될 수 있고, 미세관(2)의 내면(3)의 거칠기는 광의 반사율로부터 평가될 수 있다. 이 경우에서, 만약 미세관(2)의 내부직경이 증가한다면, 미세관(2)에 대한 레이저광의 입사각이 감소한다 할지라도 내면(3)의 거칠기를 평가하는 것은 가능하게 된다.

미세관(2)으로부터 방출광의 강도측정결과, 특히 표면거칠기가 큰 비연마부가 미세관(2)의 내면(3)에 집중적으로 제공되어 있는 방출광의 중심부에서 광의 강도(H)를 사용하는 방출광의 강도는 제5도의 그래프와 같이 도시된다. 제5도로부터, 만약 결함이 생긴 비연마부의 길이가 100mm이면, 미세관(2)의 내면(3)상의 비연마부의 존재는, 미세관(2)의 내면(3)이 전체길이에 걸쳐 연마되는 방출광의 중심부에서 광강도의 최소값(H)과 평균값(H0) 사이의 비교를 통해 검출될 수 있다.

다수의 미세관(2)의 내면(3)이 서로 다른 거칠기를 갖는 다수의 미세관(2)에 대해서 방출광의 강도가 측정될 때 방출광의 강도와 내면(3)의 거칠기 사이의 관계는 제6도에 설명된다. 제6도로부터 방출광의 강도(K)는 내면(3)의 거칠기(Rmax)가 감소함에 따라 증가하는 것을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예로 한정되는 것이 아니고 다양한 변경이 있을 수 있음에 유의해야 한다. 예컨대, 광을 편광하지 않는 램프(60)가 제7도에 도시된 바와 같이 광원으로 사용되는 곳에서, 램프(60)로부터의 광은 집광렌즈시스템으로 도입되고 편광기(62)로 도입되어서 집광렌즈시스템(61)의 방출광은 소정의 편광각의 광으로 편광되고, 따라서 편광된 광은 원통렌즈(63)를 경유하여 미세관(2)에 도입된다.

레이저광원(21)으로부터의 광이 오목거울(70)에 의해서 미세관(2)의 제1 단부로 도입될 수 있도록 레이저광원(21)이 미세관(2)의 제1 단부 아래에 배치될 때 미세관(2)의 제1 단부와 대향하는 관계로 원통면을 갖는 오목거울(70)을 제8도에 도시한 바와 같이 배치하는 것도 또한 가능하다.

더욱이, 미세관(2)의 축중심선과 광학시스템의 광학축 사이에 오프세트를 수정하기 위해서, 전체 광학시스템을 이동가능한 테이블에 두며, 전체 광학시스템의 위치를 조정하는 기구를 광검출기(40)에 의해서 수신된 방출광의 강도가 최대 레벨을 나타내는 위치로 제공하는 것이 가능하다.

본 발명의 측정시스템에서, 만약 오프세트 크기가 미세관(2)의 축중심과 입사광의 축사이에 존재한다면, 반사광은 동일면내에서 다중반사에 의해서 반사되는 것이 아니라 나선형으로 전파되고, 미세관(2)으로부터 방출되는 방출광의 강도는 광의 반사율에 따르는 편광방향에 의해서 감소된다.

그러나, 본 변경예에서, 만약 광학시스템의 광학축이 수직방향으로 조정된다면 미세관(2)으로부터 방출광의 강도가 최대 레벨을 나타내는 조건으로 입사광은 미세관(2)에 도입된다. 그 결과, 광학시스템으로부터 방출되는 광은 입사광의 경사방향으로 진행되고, 상술된 오프세트에 의해 광강도의 감소는 수정될 수 있다. 따라서 이런 방법으로 입사광을 도입하여 미세관(3)의 내면의 거칠기를 구함으로써 측정오차를 줄일 수 있다.

상기 설명한 발명에서는 미세관내면에 조사될 광의 편광면은 그 광의 반사율이 높은 값을 나타내도록 조정되며, 미세관의 제1 단부를 통해서 광이 그 내면에 도입될 때 그 입사광의 초점은 미세관의 축과 일치하고 그 입사광의 광축은 미세관의 축중심에 대해 경사지므로 입사광은 미세관의 내면상에서 다중반사로써 반사하는 동안 미세관의 제2 단부로부터 방출하는 광의 강도는 측정함으로써 그 미세관내면의 거칠기를 구하게 된다.

그러나 상기 방법에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있다. 즉, 관이 미세관의 제1 단부를 통하여 미세관안으로 도입될 때 그 입사광의 강도가 입사상태에 따라서 변하게 되어 그 입사광의 강도는 측정결과에 영향을 주게 된다. 더욱이, 광원으로서 레이저광을 이용할 경우 방출된 레이저광의 강도가 변하며 그 방출된 레이저광의 변화는 측정결과에 영향을 준다.

아래에 설명하는 또 다른 실시예에서는 미세관내면의 거칠기를 측정하는 장치가 제공되는데 이것에 따르면 앞서의 문제점을 해결하기 위하여 입사광이 미세관내면내로 입사될 때 그 입사광의 강도는 변화에 의해서 영향을 받지 않고 그 내면의 거칠기를 측정할 수 있다.

제1도에서는 그 거울반사성분이 중앙부에 집중되어 있으면서 그 확산산란(반사)성분을 주변부에서 산란되는 조건에서 미세관(2)의 제2 단부로부터 나오는 레이저광이 방출된다. 만약 미세관(2)의 내면의 거칠기가 증가되면, 방출광의 거출반사성분의 광의 강도는 줄어들고 확산산란(반사)성분의 광의 강도는 증가한다는 특징이 있다. 그후 미세관(2)의 제1 단부에 대해서 입사광의 광축이 미세관(2)의 축중심선으로부터 오프세트되면 미세관(2)의 제2 단부로부터 나오는 광이 강도의 일반값은 크게 변화하지만 거울반사성분의 광의 강도와 확산산란(반사)성분의 광의 강도간의 비율은 작은 변화를 나타낸다. 또한 레이저광원(21)으로부터 방출된 광의 강도가 변할 경우 동일한 정도의 영향이 거울반사성분의 광의 강도와 확산산란(반사)성분의 광의 강도 모두에 나타나므로, 만약 두 광의 강도의 비를 계산한다면 그들의 영향은 상쇄되고, 두 광의 강도간의 비는 레이저광원(21)으로부터 방출된 광의 강도가 변함에 따라 영향을 받지 않는다.

미세관(2)로부터 방출되는 광을 집광하기 위한 집광렌즈(30)와 광검출기(40)가 레이저광이 나오는 미세관(2)의 제2 단부에 근접해서 차례대로 배치된다. 집광렌즈(30)의 초점거리는 미세관(2)으로부터 방출되는 레이저광의 거출반사성분에 광검출기에 집중되도록 설정된다. 제1도의 광검출기(40)의 부분확대도로부터 볼 수 있는 바와 같이 이 광검출기(40)는 레이저광의 거울반사성분을 수신하기 위해 그 중앙부에 형성되는 직경 0.5mm의 원형의 중앙수광부(41)와 이 중앙수광부(41) 주위의 일부에 조사되는 레이저광의 확산산란(반사)성분을 수신하기 위하여 1.5mm의 폭(B)과 2.5mm의 높이(H)의 구형파 수신영역내에 형성된 주변수광부(42)를 구비한다. 이 광검출기(40)는 신호처리회로(50)에 관계없이 중앙수광부(41)로부터 광전류를 출력하고 주변수광부(42)로부터 또다른 광전류를 출력한다.

제 9도에 도시되는 바와 같이, 신호처리신호(50)는 중앙수광부(41)와 주변수광부(52)로부터의 광전류를 전압으로 변환하기 위한 한쌍의 전류/전압 변환회로(51 및 52)와 이 전류/전압 변환회로(51 및 52)로부터 전압신호를 수신하여 중앙수광부(41)로부터의 광전류와 주변수광부(42)로부터의 광전류간의 비율을 계산하는 분배회로(53)를 포함한다.

실시예의 장치에 의해서 미세관(2)의 내면 거칠기를 측정하는 방법은 아래에 설명한다.

우선 레이저광원(21)으로부터 방출된 레이저광의 비임직경이 비임익스프팬더(22)에 의해 확정되고, 그 후 그 레이저비임은 원통렌즈(23)에 의해 축방향에서 미세관(2)의 중심선에 집중되어 발산되도록 85˚의 입사각도로 미세관(2)의 제1 단부로 들어간다. 이 경우 미세관(21)은 유지기구(10)에 의해 회전상태로 유지된다. 미세관(2)내로 도입된 레이저광은 그 제 2단부를 통과하는 동안 미세관(2)의 내면상의 다중방사에 의해 반사되고 그 후 제2단부로부터 방출된다. 미세관(2)으로부터 방출되는 광은 집광렌즈(30)에 의해서 광검출기(40)상에 집광된다. 방출광의 거울반사성분은 광검출기(40)의 중앙수광부(41)에 도입되며, 한편, 방출광의 확산산란(반사)성분은 광검출기(40)의 주변수광부(42)에 도입된다. 이들 성분은 광변화에 대해 각각 광전류로 변환된다. 이 광전류는 신호처리회로(50)로 입력된다. 이 신호처리회로(50)에서 광전류는 입력되어 전류/전압 변환회로(51 및 52)에 의해 전압으로 변환된다. 이 전압값은 분배회로(53)에 의해 분배되며, 광검출기(40)의 중앙수광부(41)의 광전류와 주변수광부(42)의 광전류간의 비가 계산된다. 신호처리회로(50)에 의하여 중앙수광부(41)의 광전류와 주변수광부(42)의 광전류간의 비를 계산하는 것은 중앙수광부(41)에 의해 수신된 거울반사성분의 수신된 광의 강도와 주변수광부(42)에 의해 수신된 확산산란(반사)성분의 수신된 광의 강도간의 비를 계산하는 것에 대응한다. 만약 미세관(2)의 내면의 거칠기가 증가하면 거울반사성분은 감소하고 확산산란(반사)성분을 증가한다. 결과적으로, 미세관(2)의 내면의 거칠기를 이 두 성분간의 비율, 즉 중앙수광부(41)의 광전류와 주변수광부(42)의 광전류간의 비에 따라서 높은 정확도로서 측정할 수 있다.

상기에 설명한 이러한 측정방법은 거칠기가 서로 다른 내면을 갖는 다수의 미세관에 대해서 행하여졌으며, 거칠기(Rmax)에 대해서 중앙수광부(41)의 수신된 광의 강도와 주변수광부(42)의 수신된 광의 강도간의 비율값(P)이 그래프상에 그려진다. 그 결과, 제10도에 도시되는 바와 같은 특징을 얻었다. 이 특징으로부터 값(P)는 거칠기(Rmax)에 대해서 역으로 증가하고 있음을 볼 수 있으며 높은 정확도를 갖는 거칠기(Rmax)를 값(P)으로부터 측정할 수 있다. 입사광학시스템(2)의 광학축이 단일의 미세관(2)에 대해서 변할 때 중앙수광부(41)의 수신된 광의 강도와 주변수광부(42)의 수신된 광의 강도의 측정결과가 아래의 표 2에 도시된다. 표 2로부터는 입사광학시스템(20)의 광학축이 변할 때 중앙수광부(41) 또는 주변수광부(42)의 수신된 광의 강도가 광범위하게 변함을 알 수 있다. 반면에 중앙수광부(41)의 수신된 광의 강도와 주변수광부(42)의 수신된 광의 강도간의 비율값(P)의 변화는 수신된 광의 강도의 절대값의 변화나 비교하면 그리 큰 것이 아님을 알 수 있다. 따라서 입사광학시스템(20)의 광축이 미세관(2) 재질의 일측 위치때문에 또는 어떤 다른 이유때문에 미세관(2)의 내면에 대해 오프세트되어 있더라도, 미세관(2)의 내면의 거칠기는 하나의 평가치로써 중앙수광부(41)에 수신된 광의 강도 및 주변수광부(42)에 수신된 광강도간의 비율(P)을 사용하여 고정밀도로 평가될 수 있다.

표 2

하기와 같은 다양한 변형이 가능함을 유의해야 한다. 예컨대 제1도에 도시된 원통렌즈(23)를 사용한 입사광학시스템(20) 대신에, 예컨대 10˚의 정각(apex angle)의 원뿔면을 가진 레이저비임이 미세관(2)에 도입되게 하기 위해 레이저광이 원뿔렌즈에 의해 형상화된 비임에 의해 형상화되도록 원뿔렌즈가 그 중앙선의 미세관(2)의 축중앙선에 정렬되어 장착될 수 있다. 한편 신호처리수단은 중앙수광부(41) 및 주변수광부(42)로부터의 광전류를 디지탈 변화와 유사하게 변환시킬 수 있고 그 결과 얻어진 디지탈신호는 CPU 또는 다른장치에 입력되어, 중앙수광부(41)에 수신된 광의 강도 및 주변수광부(42)에 수신된 광의 강도간의 비율이 CPU 등에 의한 소프트웨어 처리에 의해 계산되어 미세관(2)의 내면의 거칠기가 평가된다.

본 발명의 제1형에 따른 미세관내면 거칠기 측정방법 및 장치는 미세관의 제2 단부로부터 방출된 광의 강도는 미세관의 내면상의 다중반사 됨에서의 반사율의 곱에 비례하여 증가하고 동시에 미세관의 내면상의 굴절율은 미세관의 내면 거칠기가 증가할 때 감소하는 특성을 가진다. 따라서, 광검출기에 의해 측정된 방출광의 강도는 미세관의 내면상의 반사점에서의 표면 거칠기에 반응하여 변한다.

그 결과, 미세관의 내면 거칠기는 미세관으로부터의 방출광의 강도를 광검출기가 검출한 결과에 따라 신호처리수단에 의해 판별될 수 있다.

본 발명의 제2형에 따라, 미세관의 내면 거칠기는 미세관으로부터 방출된 광의 주변부에서의 광강도 및 중앙부에서의 광강도간의 비율에 따라 비파괴적으로 고 정밀도로 측정될 수 있다. 결론적으로 미세관의 내면 거칠기는 미세관으로의 입사광의 강도 변화 또는 입사광의 광축오프세트에 영향을 받지 않고 고 정밀도로 비파괴적으로 검사될 수 있다.

제1도는 본 발명의 실시예에 따른 미세관내면 거칠기 측정장치의 일반적인 구조를 도시하는 측면도,

제2도는 제1도의 미세관내면 거칠기 측정장치의 일반적인 구조를 도시하는 평면도,

제3도는 미세관내에 입사광이 반사되는 방법을 설명하는 개략도,

제4도는 입사광의 각에 대해 반사율의 변화를 도시하는 그래프,

제5도는 미세관내면의 결함길이에 대한 방출광의 강도 변화를 도시하는 그래프,

제6도는 미세관의 내면의 거칠기와 방출광의 강도 사이의 관계를 설명하는 그래프,

제7도는 입사광학시스템의 또다른 형태를 도시하는 개략도,

제8도는 원통형 표면을 갖는 오목거울을 사용하는 입사광학시스템의 또다른 형태를 도시하는 개략도,

제9도는 미세관내면의 거칠기 측정장치에 설비된 신호처리회로의 회로구성을 도시하는 블록도,

제10도는 미세관으로부터의 중앙광의 강도와 방출광의 주변광 강도사이의 비율에 대한 표면거칠기의 변화를 도시하는 그래프,

＊도면의 주요부부에 대한 부호의 설명

2 : 미세관3 : 미세관내면10 : 유지기구

11 : 콜릿척12 : 회전테이블21 : 레이저광원

22, 24 : 비임익스펜더23, 63 : 원통렌즈 30, 61 : 집광렌즈

40 : 광검출기41 : 중앙수광부42 : 주변수광부

50 : 신호처리회로 51, 52 : 전류/전압 변환회로53 : 분배회로

60 : 램프62 : 편광기70 : 오목거울

발명의 배경

Claims (8)

1. 미세관의 중심선에 대해 작은각으로 미세관의 제1 단부를 통해 내면 거칠기 측정 대상물인 미세관의 내면에 광을 도입하고, 미세관내의 다중반사에 의해 광이 반사된 후 미세관의 제2 단부로부터 방출된 광을 측정하여 미세관의 내면 거칠기를 측정하는 방법에 있어서, 미세관의 중심선상에 미세관의 제1 단부에 도입할 광을 집중시키고 다시 광을 발산시키는 단계; 및

   미세관의 제1 단부에 도입할 광의 편광방향을 미세관의 반사면에 대해 90˚의 각도로 설정하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 방법.
2. 미세관의 내면 거칠기를 측정하는 장치에 있어서, 내면 거칠기 측정대상물인 미세관을 유지하는 유지기구;

   광원으로부터의 광의 편광방향을 미세관내 반사면에 대해 90˚의 각도로 조정하는 편광수단;

   미세관의 중심선에 대해 작은 입사각으로 상기 광원으로부터 미세관으로 광을 도입하고,

   미세관의 중심선상에 먼저 광을 집중시키고, 그 후 광을 발산시키는 입사광학시스템;

   미세관의 제2 단부로부터 방출된 광을 받아 광의 강도에 대응하는 전기신호를 출력하는 광검출기; 및

   상기 광검출기로부터 출력된 전기신호에 따라 미세관의 내면 거칠기를 계산하는 신호처리 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 입사광학시스템은 상기 광원으로부터의 광의 광축을 조정하는 광축고정기구를 포함하여 광의 집중점이 미세관의 중심선과 일치하도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 입사광학시스템 전체를 그위에 이동가능하게 고정하는 이동가능 테이블을 더 포함하며, 광원으로부터의 광의 광축은 상기 이동가능 테이블의 위치를 조정함에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제2항에 있어서, 상기 유지기구는 그 축 주위로 미세관을 회전시키는 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제1항에 있어서, 미세관의 제2 단부로부터 방출된 광의 확산산란(반사)성분의 광강도와 거울반사성분의 광강도를 측정하는 단계; 및

   확산산란(반사)성분의 광강도와 거울반사성분의 광강도 간의 비율에 따라 미세관의 내면 거칠기를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제6항에 있어서, 미세관으로부터 방출된 광을 집중하고 집중광의 중앙부에서의 광강도와 집중광의 주변부에서의 광강도를 서로 분리하여 측정하여, 거울반사성분의 광강도와 확산산란(반사)성분의 광강도를 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제2항에 있어서, 상기 장치는 소정의 집중위치에서 미세관의 제2 단부로부터 방출된 광을 집중하는 수광시스템을 더 포함하고;

   상기 광검출기는 집중광의 주변부에서의 광강도와 중앙부에서의 광강도를 각각 분리하여 측정하는 방출광의 집중위치에 장착된 광검출기이고; 그리고

   상기 신호처리수단은 상기 광검출기에 의해 측정된 집중광의 주변부에서의 광강도와 중앙부에서의 광간도 간의 비율에 따라 미세관의 내면 거칠기를 계산하는 신호처리수단인 것을 특징으로 하는 장치.