KR100453710B1 - 표면 측정장치 및 그 측정방법 - Google Patents

표면 측정장치 및 그 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면 측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가시광선이 투과할 수 없는 시료의 표면 특성을 측정하는 표면 측정장치에 관한 것으로서, 일정한 파장을 가지는 빛을 발생시키는 가시광 레이저 광원과, 상기 빛을 평행광으로 바꿔주는 광학장치와, 두 개의 경로로 상기 평행광을 분리하여 측정하고자 하는 시료의 양쪽 표면에 각각 조사시키고 상기 각각의 표면에서 반사되는 반사광들이 각각 상기 경로들을 거쳐 상기 평행광의 반대방향으로 하나로 모여 상호 간섭되도록 하는 조사간섭수단과, 상기 반사광들이 상호 간섭되는 간섭광들을 관찰할 수 있도록 표시하여 주는 표시수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 측정장치를 제공함으로써, 평행광을 두개의 경로로 분리시켜 시료의 양쪽 표면에 조사하고 반사시켜 상호 간섭되도록 하여 얻어지는 간섭무늬를 통하여 시료의 양쪽 표면에 대한 평행도 또는 표면 특성을 동시에 간단하게 측정할 수 있으며, 간섭계의 구성 및 정렬이 용이한 이점이 있다.

Description

표면 측정장치 및 그 측정방법{SURFACE MEASUREMENT APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 표면 측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가시광선이 투과할 수 없는 시료의 표면 특성을 측정하는 표면 측정장치에 관한 것이다.
전방관측 적외선 장비에 쓰이는 적외선용 창(窓)이나 적외선 변조전달성능(MTF) 측정장비에 쓰이는 필터와 같은 평면 창은 적외선이 투과하는 경로 상에 설치되는데, 창의 표면특성, 즉 평행도, 표면형상 오차 등은 광파면을 왜곡시켜 광학장비나 측정장비의 성능에 영향을 주게 된다. 이 밖에도 반도체용 실리콘웨이퍼 등에 있어서도 초정밀의 양면 평행도를 요구하게 된다.
한편, 가시광선을 투과하는 평면 창과 같은 시료의 표면형상 측정은 보통 가시광선 레이저로 구성되는 간섭계를 이용하며, 단면의 표면형상뿐만아니라 가시광선 투과후의 광파면을 측정할 수 있어 평면 창이 광학계의 성능에 미치는 영향을 정확히 알 수 있다. 그러나 적외선 창 또는 금속 창 등과 같이, 가시광선이 투과하지 못하므로 가시광선이 투과하는 투명한 창과는 달리 다른 방법에 의하여 표면특성을 측정하여야 한다.
도 1은 종래의 표면 측정장치의 개략도를 나타낸 것이다.
적외선 창, 금속 창은 시료의 표면특성을 측정하기 위한 종래의 표면 측정장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 일정한 파장을 발생시키는 광원(1)과, 상기 광원(1)에서 발생된 빛을 평행광(5)으로 바꿔주는 광학장치(2)와, 상기 평행광(5)을 반사 및 투과시키는 반투과경(3)과, 표면특성을 측정하고자 하는 시료(4)와, 상기 평행광(5)을 재반사시켜 상기 시료(4)의 표면에서 반사되는 반사광과 간섭시키기 위한 기준거울(6)과, 상기 재반사된 평행광(5)과 반사광에 의하여 간섭된 간섭광을 표시하기 위한 표시장치(7)를 포함하여 구성된다.
상기 표시장치(7)는 상기 광원(1)과 광학장치(7) 사이에 위치한 반투과경(7a)과 카메라장치(7b)로 구성된다.
상기와 같은 구성을 가지는 종래의 표면 측정장치는 하나의 광원(1)으로부터 측정하고자 하는 시료(4)의 표면에 평행광(5)을 조사하여 반사되는 빛과 기준이 되는 기준거울(6)에 조사하여 반사되는 빛이 서로 간섭을 일으키도록 하여 시료(4)의 표면특성을 측정하게 된다. 그러나, 측정하고자 하는 시료(4)의 표면 중 한 쪽면만을 측정할 수 있으므로 시료(4)의 광파면에 대한 종합적인 분석을 동시에 할 수 없는 단점이 있으며 이로 인하여 창의 광학적 성능을 정확히 파악할 수 없게 된다.
상기와 같은 문제점을 보완할 수 있는 방안으로는 적외선 창을 투과하는 적외선 레이저로 구성된 간섭계를 이용하면 단면의 표면형상뿐만아니라 적외선 광선 투과후의 광파면도 측정할 수 있다. 그러나 적외선 레이저 간섭계의 경우, 빛이 보이지 않으므로 간섭계 자체의 광학정렬이 어려울 뿐만 아니라, 적외선 매질에 따라서 별도의 레이저 간섭계를 이용해야 되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 시료의 양쪽표면에 평행광을 조사하고, 조사된 평행광에 의하여 반사된 빛들이 간섭을 일으키도록 하여 시료의 양면 평행 도 및 상대적 표면형상을 동시에 측정할 수 있으며, 광학계의 구성 및 정렬이 용이한 표면측정장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 종래의 표면 측정장치의 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 표면 측정장치의 개략도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 표면 측정장치로서 오각프리즘을 사용한 경우의 개략도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 표면 측정장치로서 평행광의 경로가 삼각형 형태인 경우의 개략도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 표면 측정장치가 시료가 없는 상태에서 정렬됐을 때의 간섭무늬를 나타낸 것이다.
도 6a는 종래의 표면 측정장치에 의하여 측정된 시료의 한 쪽면에 대한 간섭무늬를, 도 6b는 도 6a의 간섭무늬로부터 얻어진 시료의 한 쪽면 광파면 형상을 나타낸 것이다.
도 7a는 종래의 표면 측정장치에 의하여 측정된 시료의 다른 쪽면에 대한 간섭무늬를, 도 7b는 도 7a의 간섭무늬로부터 얻어진 시료의 다른 쪽면 광파면 형상을 나타낸 것이다.
도 8a는 본 발명에 따른 표면 측정장치에 의하여 측정된 시료의 양쪽 면에대한 간섭무늬를, 도 8b는 도 8a의 간섭무늬로부터 얻어진 시료의 광파면 형상을 나타낸 것이다.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
11 : 광원 15 : 평행광
12 : 광학장치 16 : 시료
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 것으로서, 본 발명은 일정한 파장을 가지는 빛을 발생시키는 가시광 레이저 광원과, 상기 빛을 평행광으로 바꿔주는 광학장치와, 두 개의 경로로 상기 평행광을 분리하여 측정하고자 하는 시료의 양쪽 표면에 각각 조사시키고 상기 각각의 표면에서 반사되는 반사광들이 각각 상기 경로들을 거쳐 상기 평행광의 반대방향으로 하나로 모여 상호 간섭되도록 하는 조사간섭수단과, 상기 반사광들이 상호 간섭되는 간섭광들을 관찰할 수 있도록 표시하여 주는 표시수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 측정장치를 제공한다.
본 발명은 또한, 가시광 레이저 광원으로 만들어진 평행광을 2개의 경로로 분리시켜 시료의 양쪽 표면에 조사하여 반사시키는 단계와, 상기 시료의 양쪽 표면에 의해 반사되는 반사광들이 상호 간섭되도록 하는 단계와, 상기 간섭된 반사광의 특성에 따라 한면의 표면 형상을 기준으로 다른 한면의 표면형상을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 측정방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 표면 측정장치를 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 표면 측정장치의 개략도를 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1실시예에 따른 표면 측정장치는 일정한 파장을 가지는 빛을 발생시키는 가시광 레지어 광원(11)과, 상기 빛을 평행광(15)으로 바꿔주는 광학장치(12)와, 두 개의 경로(P1, P2)로 상기 평행광(15)을 분리하여 측정하고자 하는 시료(16)의 양쪽 표면(16a, 16b)에 각각 조사시키고 상기 각각의 표면에서 반사되는 반사광들이 각각 상기 경로(P1, P2)들을 거쳐 상기 평행광의 반대방향으로 하나로 모여 상호 간섭되도록 하는 조사간섭수단과, 상기 반사광들이 상호 간섭되는 간섭광들을 관찰할 수 있도록 표시하여 주는 표시수단(17)을 포함하여 구성된다.
본 발명은 특히, 가시광선 레이저 광원과 광로를 개조한 트위만-그린 간섭계 (Twyman-Green interferometer)를 이용한 것이다. 여기서 트위만-그린 간섭계 (http://cord.org/cm/leot/course10_Mod06/Module10-6.htm 참조)는 렌즈, 프리즘, 평판 창들 등의 광학장치의 구성요소의 결점을 측정하는 데 유용한 장치로 알려져 있다.
상기 조사간섭수단은 평행광(15)의 경로를 두개의 경로(P1, P2)로 분리시켜주는 반투과경(13)과, 상기 각각의 경로(P1, P2)에 배치되어 평행광(15)의 진행방향을 바꿔주는 반사경들로 구성된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 경로들(P1, P2)은 상기 광학장치(12)의 광학축(12a)과 수직을 이루어 분리되는 분리점, 즉 반투과경이 위치된 지점을 제 1 꼭지점으로 하고, 상기 제 1 꼭지점을 기준으로 반시계 방향으로 제 1, 2, 3 및 4 변, 제 2, 3, 4 꼭지점을 가지는 직사각형을 이루는 제 1 및 제 2 경로(P1, P2)로 구성된다.
상기 제 1경로(P1)는 제 1꼭지점으로부터 제 2의 꼭지점을 거쳐 제 2 변 위에 위치한 시료(16)의 한 쪽면(16a)까지로 구성되며, 상기 제 2 경로(P2)는 제 1꼭지점으로부터 제 4 꼭지점 및 제 3 꼭지점을 거쳐 상기 시료(16)의 반대쪽면(16b)까지로 구성된다. 여기서, 상기 시료(16)의 위치는 경우에 따라서는 사각형의 제 1, 3 또는 4 변에 위치될 수 있다.
상기 제 1경로(P1)는 상기 제 2꼭지점에 위치한 반사경(M1)에 의하여 형성되고, 상기 2경로(P2)는 제 4꼭지점에 위치한 한 쌍의 반사경(M3, M4)과 제 3꼭지점에 위치한 반사경(M2)에 의하여 형성되게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 표면 측정장치로서 오각프리즘을 사용한 경우의 개략도를, 도 4는 본 발명에 따른 표면 측정장치로서 평행광의 경로가 삼각형인 경우의 개략도를 나타낸 것이다.
한편, 상기 제 4꼭지점에는 한 쌍의 반사경을 대신하여 도 3에 도시된 바와 같이, 오각프리즘(18)을 설치할 수 있다.
그리고, 도 2에 도시된 표면 측정장치의 경우 평행광(15)의 경로들(P1, P2)이 사각형을 이루고 있으나, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 표면 측정장치에서의 빛의 경로(P1, P2)는 상기 광학장치(12)의 광학축(12a)과 수직을 이루어 분리되는 분리점을 제 1 꼭지점으로 하고, 상기 제 1 꼭지점을 기준으로 반시계 방향으로 하여 제 1, 2 및 3 변, 제 2, 3 꼭지점을 가지는 삼각형을 이루는 제 1 및 제 2 경로(P1, P2)로 구성될 수 있다.
상기 제 1경로(P1)는 제 1꼭지점으로부터 제 2의 꼭지점에 위치한 반사경(M1)을 거쳐 제 2 변 위에 위치한 시료(16)의 한 쪽면(16a)까지로 구성되며,상기 제 2 경로(P2)는 제 1꼭지점으로부터 제 3 꼭지점에 위치한 반사경(M2)을 거쳐 상기 시료(16)의 반대쪽면(16b)까지로 구성된다.
또한, 상기 제 1경로 및 제 2경로(P1, P2)는 평행광들이 각각의 경로를 따라서 진행하여 각각 시료(16)가 위치하는 지점에서 정확히 일치하도록 형성된다.
상기 표시수단(17)은 상기 가시광 레이저 광원(11)과 광학장치(12) 사이에 위치하여 상기 광학장치(12)를 통하여 들어오는 간섭된 평행광을 반사시키는 반투과경(17a)과, 상기 반투과경(17a)에 의하여 반사되는 평행광을 촬영하는 카메라장치(17b)를 포함하여 구성된다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 표면 측정장치는 가시광선 불투과 창을 가시광선 투과 창처럼 광 투과후의 광파면을 측정하는 것과 동일하다. 즉, 적외선 창 매질의 굴절률을 n(λ')라 하고 균일한 굴절률 분포를 갖는다고 가정하고, 측정된 상대적 형상오차가 창구경에 대하여 W(r,ψ)라면, 창을 통과한 후 광파면 W'는 다음과 같은 수학식 1로 표현된다.
W'(r,ψ) = n(λ')W(r,ψ)/λ'
여기서 λ는 적외선 파장을 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 표면 측정장치를 정렬했을 때의 간섭무늬를 나타낸 것이다.
표면 측정장치의 정렬은 도 2에 도시된 바와 같이, 간섭계의 출력 평행광이 반투과경(13)에서 분할된 후, 시계방향과 반시계 방향으로 진행하는 빛이 반사경에서 다시 만나도록 정렬한다. 그리고 광학계 구조상 빔의 직경은 상하방향으로 크기가 변하게 된다. 따라서 광학계의 광축정렬은 시료(16)의 위치 상에 스크린 상에서 빔 직경이 일치하도록 반사경들을 조정한 후, 핀홀을 스크린의 위치에 놓은 후, 모니터를 보면서 양방향으로 진행하는 빛에 의하여 형성된 두 핀홀의 상이 일치하도록 미세조정을 수행한다. 핀홀의 위치를 이동하면서 정렬을 확인한 후, 정렬이 완성되면 핀홀을 제거하고 간섭무늬를 확인하게 된다.
간섭무늬는 전화면에 걸쳐 1개 이하가 되도록 정렬하며, 광학 정렬 후 얻은 간섭무늬는 도 5에 도시된 바와 같다. 이후 측정하고자 하는 시료(16)를 표면 측정장치의 스크린 위치에 놓고 시료(16)의 표면으로부터 반사된 빔이 수직으로 표면 측정장치에 입사되도록 조정하면 된다.
도 6a는 종래의 표면 측정장치에 의하여 측정된 시료의 한 쪽면에 대한 간섭무늬를, 도 6b는 도 6a의 간섭무늬로부터 얻어진 시료의 한 쪽면 광파면 형상을 나타낸 것이다.
도 7a는 종래의 표면 측정장치에 의하여 측정된 시료의 다른 쪽면에 대한 간섭무늬를, 도 7b는 도 7a의 간섭무늬로부터 얻어진 시료의 다른 쪽면 광파면 형상을 나타낸 것이다.
도 8a는 본 발명에 따른 표면 측정장치에 의하여 측정된 시료의 양쪽 면에 대한 간섭무늬를, 도 8b는 도 8a의 간섭무늬로부터 얻어진 시료의 광파면 형상을 나타낸 것이다.
한편, 종래의 표면 측정장치로 시료의 표면을 측정한 결과와 본 발명에 따른표면 측정장치에 의하여 측정한 결과를 비교하면, 다음과 같다.
먼저 상대적 표면형상의 측정대상은 적외선 변조전달성능(MTF) 측정장비에 사용되는 적외선 필터로 하였다.
종래의 표면 측정장치 또는 측정방법에 의하여 측정된 상기 시료의 한쪽 면의 간섭무늬는 도 6a에 도시된 바와 같으며, 도 6a의 간섭무늬로부터 간섭무늬 해석 프로그램으로 얻어낸 한쪽 면의 광파면 형상은 도 6b에 도시된 바와 같다.
표면형상 오차는 광파면 오차를 2로 나눈 것과 같으며, 측정된 광파면의 제르니케(Zernike) 계수는 디포커스(defocus)가 0.83λ, 비점수차가 5.43λ, 코마가 4.01λ, 구면수차가 1.98λ 이다. 여기서 λ는 표면 측정장치에 사용된 광원인 He-Ne 레이저의 파장인 0.63㎛ 이다.
종래의 표면 측정장치 또는 표면 측정방법에 의하여 측정된 반대쪽 면의 간섭무늬와 간섭무늬 해석 프로그램으로 얻어낸 광파면 오차는 각각 도 7a 및 7b에 도시된 바와 같다. 마찬가지로 표면형상 오차는 광파면 오차를 2로 나눈 것과 같으며, 측정된 광파면의 제르니케(Zernike) 계수는 디포커스(defocus)가 3.13λ, 비점수차가 3.7λ, 코마가 9.27λ, 구면수차가 13.13λ이다.
한편, 본 발명에 따른 표면 측정장치 또는 표면 측정방법에 의하여 측정된 간섭무늬 및 이 간섭무늬를 근거로 획득한 윈도우의 광파면 오차는 각각 도 8a 및 8b에 도시된 바와 같다.
간섭무늬 해석결과, 측정된 광파면의 제르니케(Zernike) 계수는 틸트(tilt) 가 1.98λ, 디포커스(defocus)가 -0.68λ, 비점수차가 0.69λ, 코마가 1.83λ, 구면수차가 -1.68λ 이다. 여기서 틸트(tilt)는 양면간의 평행도를 나타내는 양이며, 나머지 계수는 시료의 한면을 기준으로 다른 면의 상대적 형상오차를 나타낸다. 따라서 적외선용 창을 통과한 후 광파면의 제르니케(Zernike) 계수는 매질의 굴절률 n(λ')를 곱한 후 적외선 파장으로 나눈 값이 된다. 여기서 λ' 는 적외선 사용파장을 나타낸다.
상기와 같이, 종래의 표면 측정장치 또는 측정방법에 의한 경우 시료의 표면을 한 면씩 번갈아서 측정하게 되면 두 면간의 평행도를 알 수 없을 뿐아니라 측정하고자 하는 위치를 정확히 일치시키기도 어려워 측정에 많은 오차가 발생하게 되나, 본 발명에 따른 표면 측정장치 또는 측정방법에 의한 경우, 측정된 간섭무늬외 간섭무늬로부터 얻어지는 광파면의 형상은 각각의 면에 대하여 상대적인 값을 가지게 되므로 시료의 양쪽 표면에 대한 평행도 또는 표면 특성을 간단하게 측정할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 표면 측정장치 또는 측정방법은 평행광을 두개의 경로로 분리시켜 시료의 양쪽 표면에 조사하고 반사시켜 상호 간섭되도록 하여 얻어지는 간섭무늬를 통하여 시료의 양쪽 표면에 대한 평행도 또는 표면 특성을 동시에 간단하게 측정할 수 있으며, 간섭계의 구성 및 정렬이 용이한 이점이 있다.

Claims (13)

  1. 일정한 파장을 가지는 빛을 발생시키는 가시광 레이저 광원과;
    상기 빛을 평행광으로 바꿔주는 광학장치와;
    두 개의 경로로 상기 평행광을 분리하여 측정하고자 하는 시료의 양쪽 표면에 각각 조사시키고 상기 각각의 표면에서 반사되는 반사광들이 각각 상기 경로들을 거쳐 상기 평행광의 반대방향으로 하나로 모여 상호 간섭되도록 하는 조사간섭수단과;
    상기 반사광들이 상호 간섭되는 간섭광들을 관찰할 수 있도록 표시하여 주는 표시수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 경로는 상기 광학장치의 광학축과 수직을 이루어 분리되는 분리점을 제 1 꼭지점으로 하고, 상기 제 1 꼭지점을 기준으로 일방향으로 제 1, 2, 3 및 4 변, 제 2, 3, 4 꼭지점을 가지는 직사각형을 이루는 제 1 및 제 2 경로를 포함하며,
    상기 제 1경로는 제 1꼭지점으로부터 제 2의 꼭지점을 거쳐 제 2 변 위에 위치한 시료의 한 쪽면까지로 구성되며, 상기 제 2 경로는 제 1꼭지점으로부터 제 4 꼭지점 및 제 3 꼭지점을 거쳐 상기 시료의 반대쪽면까지로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면 측정장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 1꼭지점에는 반투과경을 위치시켜 상기 평행광의 경로를 제 1 및 제 2 경로로 분리시키는 것을 특징으로 하는 표면 측정장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제 2 꼭지점에는 반사경이 설치되고, 상기 제 4 꼭지점에는 한 쌍의 반사경이 설치되고, 상기 제 3 꼭지점에는 반사경이 설치되는 것을 특징으로 하는 표면 측정장치.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 제 2 꼭지점에는 반사경이 설치되고, 상기 제 4 꼭지점에는 오각프리즘이 설치되고, 상기 제 3 꼭지점에는 반사경이 설치되는 것을 특징으로 하는 표면 측정장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 경로는 상기 광학장치의 광학축과 수직을 이루어 분리되는 분리점을 제 1 꼭지점으로 하고, 상기 제 1 꼭지점을 기준으로 일방향으로 제 1, 2 및 3 변, 제 2, 3 꼭지점을 가지는 삼각형을 이루는 제 1 및 제 2 경로를 포함하며,
    상기 제 1경로는 제 1꼭지점으로부터 제 2의 꼭지점을 거쳐 제 2 변 위에 위치한 시료의 한 쪽면까지로 구성되며, 상기 제 2 경로는 제 1꼭지점으로부터 제 3 꼭지점을 거쳐 상기 시료의 반대쪽면까지로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면 측정장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 제 1 꼭지점에는 반투과경이, 상기 제 2 꼭지점 및 제 3 꼭지점에는 반사경이 설치된 것을 특징으로 하는 표면 측정장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 표시수단은 상기 광원과 광학장치 사이에 위치하여 상기 광학장치를 통하여 들어오는 간섭된 평행광을 반사시키는 반투과경과;
    상기 반투과경에 의하여 반사되는 평행광을 촬영하는 카메라장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 측정장치.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 평행광은 상기 광학장치의 광학축 상에 위치된 반투과경에 의하여 두개의 경로로 분리되는 것을 특징으로 하는 표면 측정장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 빛은 가시광선인 것을 특징으로 하는 표면 측정장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 시료는 가시광선이 투과할 수 없는 불투과성을 가지는 표면 측정장치.
  12. 가시광 레이저 광원으로 만들어진 평행광을 2개의 경로로 분리시켜 시료의 양쪽 표면에 조사하여 반사시키는 단계와;
    상기 시료의 양쪽 표면에 의해 반사되는 반사광들이 상호 간섭되도록 하는 단계와;
    상기 간섭된 반사광의 특성에 따라 한면의 표면 형상을 기준으로 다른 한면의 표면형상을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 측정방법.
  13. 삭제
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