KR100814638B1 - 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템 및 그 오차 보정 방법 - Google Patents
레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템 및 그 오차 보정 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 레이저광원, 빔스플릿터, 고정거울, 타겟거울 및 상기 타겟거울에 입사 또는 반사되는 레이저광 방향으로 상기 타겟거울을 왕복 이동시킬 수 있는 스테이지를 포함하는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템에 있어서, 상기 스테이지는 타겟거울이 안착되고, 피에조구동기에 의해 상기 타겟거울을 이동시키며, 정전용량센서를 이용하여 상기 타겟거울의 위치변화를 측정하는 제1스테이지부와 상기 제1스테이지가 안착되고, 스텝모터에 의해 상기 제1스테이지와 독립적으로 상기 타겟거울을 이동시킬 수 있는 제2스테이지부를 포함하고, 상기 변위량 측정 시스템은 변위를 측정하기 전에 상기 제1,2스테이지를 제어하여 기준위치로부터 상기 타겟거울을 소정 거리만큼씩 이동시키면서 상기 레이저 간섭계와 정전용량센서로 각각 변위를 측정하고, 상기 레이저 간섭계와 정전용량센서가 측정한 값을 이용하여 보정상수를 구한 후 변위 측정시 레이져 간섭계가 측정한 값에 상기 보정상수를 적용하여 측정오차를 실시간으로 보정하는 컴퓨터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템 및 그 오차 보정방법은 실제 측정을 하기 이전에 레이저 간섭계가 측정한 값을 동일한 지점에서 상기 레이저 간섭계보다 분해능과 환경요인에 의한 영향이 작은 정전용량센서를 이용하여 측정한 값과 비교하여 보정상수를 구하고, 실제 측정시 레이저 간섭계가 측정한 값에 상기 보정상수를 곱하여 실시간 보정을 수행함으로써 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 코사인 오차 및 아베 오차 같은 선형적인 오차를 줄일 수 있다. 그 결과 본 발명에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템은 수백 밀리미터의 장거리의 변위를 나노미터 급의 정밀도를 가지고 측정할 수 있다는 장점이 있다.
정전용량센서, 레이저 간섭계, 나노스테이지, 마이크로스테이지
Description
도 1은 종래의 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정시스템을 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 제어구성을 나타낸 블럭도.
도 4는 본 발명에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 오차 보정 방법을 나타낸 흐름도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
130: 타깃거울 140: 나노스테이지
150: 마이크로스테이지 160: 스텝모터제어기
170: 피에조제어기 180: 검출기
190: 측정보드 210: 정전용량센서
220: 피에조구동기 230: 리니어스텝모터
본 발명은 정전용량센서를 이용하여 측정오차를 보정하는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템 및 그 오차 보정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나노미터 급의 변위를 측정하는데 사용되는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 측정 정밀도를 향상시키기 위해 더욱 작은 분해능을 갖는 정전용량센서를 이용하여 오차를 보정하는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템 및 그 오차 보정 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 광 간섭계는 나노미터 이하의 거리(또는 길이)를 측정하는데 사용된다.
즉, 상기 광 간섭계는 레이저광을 측정대상 또는 측정대상이 놓인 스테이지에 조사하고 이를 반사시켜 측정대상 또는 스테이지의 이동거리에 대한 정보를 포함한 반사광을 광검출기에서 감지하고, 그 이동한 거리를 계측하는 구조로 되어 있다.
아울러, 레이저 간섭계는 나노미터 급의 정밀도를 유지하면서 수 미터까지의 넓은 변위를 측정할 수 있는 시스템으로서 초정밀 공작기계, 반도체 및 디스플레이 산업, 그리고 생명공학 분야에 널리 응용된다.
특히, 최근의 반도체 소자의 크기 증가에 따라 그 생산성을 증대시키기 위해 웨이퍼의 대형화가 시도되고 있다.
이와 같은 웨이퍼의 크기 증대에 따라 나노미터 급의 정밀도를 지니면서 넓은 변위량을 측정할 수 있는 레이저 간섭계가 변위량 측정에 이용된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 종래에 제안된 레이저 간섭계의 기본 원리를 간단하게 설명하면 아래와 같다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 스테이지의 위치 변화를 측정하기 위해서는 레이저를 이용한 마이켈슨 광 간섭계가 사용된다.
레이저 광원에서 발생한 광을 두 갈래로 나누고, 어느 한쪽 광 경로에 지연 시간을 주어 다시 모이도록 하면 두 광의 경로 차이에 의하여 간섭 무늬가 발생한다.
즉, 레이저 광원(11)에서 발생한 광은 빔 스플리터(Beam Splitter: 12)에 의하여 두 개의 광으로 나뉘게 되는데, 제 1광 경로(L1)는 빔 스플리터(12)를 통과하여 직진하고 제 2광 경로(L2)는 빔 스플리터(12)에서 반사되어 제 1광 경로(L1)와 수직인 방향으로 진행된다.
일반적으로 측정에 사용되는 레이저 광원(11)은 그 파장이 632.8㎚로 가장 안정한 He-Ne 레이저를 사용한다.
상기 제 1, 2광을 각각 거울(13 및 14)로 반사시켜 그 경로를 다시 빔 스플리터(12)로 되돌리면, 제 1광 경로(L1)는 빔 스플리터(12)에서 반사되어 광 디텍터(15)로 들어가고, 제 2광 경로(L2)는 빔 스플리터(12)를 통과하여 광 디텍터(15)로 들어간다.
이때 두 광을 각각 되돌린 거울 중 하나는 고정시킨 고정경(reference mirror: 13)을 사용하고 나머지 하나는 앞뒤로 이동할 수 있는 이동경(stage mirror: 14)을 사용하여, 두 광의 경로에 거리 차를 주게 되면, 광 디텍터(15)에 모인 두 광은 위상 차이에 의하여 간섭 무늬가 발생한다.
이러한 레이저를 이용한 광 간섭계가 사용되는 이유는, 레이저의 가간섭(coherence) 길이가 길어 광 간섭 무늬를 쉽게 관측할 수 있고, 이러한 간섭 무늬는 레이저 파장의 정수배로 나타나기 때문에 광 파장에 해당하는 매우 미소한 변화까지도 측정 가능하기 때문이다.
위와 같은 간섭계를 노광 장비에 구성하되, 간섭계의 이동경(14)을 노광 장비의 스테이지에 장착하여 스테이지와 함께 움직이도록 하면, 광 디텍터(15)에서 관측되는 간섭 무늬는 스테이지의 위치 변화에 따라 변화하므로 이를 전기적 신호로 판독하여 스테이지의 위치 변화를 판독할 수 있다.
그러나, 상기 레이저 간섭계는 매우 민감하여 외부의 영향에 의해서 그 간섭 무늬가 변화할 수 있다.
즉, 스테이지의 위치변화뿐만 아니라 공기의 대류 또는 복사에 의한 요동에 의해서 공기의 굴절률이 변화되어 광 경로가 변하게 되므로 간섭 무늬 판독에 혼란이 초래되는 문제점이 있다.
그리고, 레이저 간섭계의 설치상의 오차, 레이저 간섭계 고유의 오차 및 온도, 습도, 진동 등의 환경 변화에 따른 오차 등에 의한 정밀한 변위량 측정에 장애가 되는 문제점이 있다.
최근에는 상기 레이저 간섭계보다 더욱 작은 분해능을 가지고 환경요인에 의한 영향을 작게 받는 정전용량센서가 나노미트 급의 측정에 이용된다.
하지만, 상기 정전용량센서는 최대 측정범위가 수 마이크로미터에 한정되는 단점이 있어 넓은 변위를 측정하는데 제한이 있는 등 실용성에 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 측정 범위를 유지하면서 측정 데이터의 정밀도는 정전용량센서의 수준을 보장하여 측정 데이터의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 레이저광원, 빔스플릿터, 고정거울, 타겟거울 및 상기 타겟거울에 입사 또는 반사되는 레이저광 방향으로 상기 타겟거울을 왕복 이동시킬 수 있는 스테이지를 포함하는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템에 있어서, 상기 스테이지는 타겟거울이 안착되고, 피에조구동기에 의해 상기 타겟거울을 이동시키며, 정전용량센서를 이용하여 상기 타겟거울의 위치변화를 측정하는 제1스테이지부와 상기 제1스테이지가 안착되고, 스텝모터에 의해 상기 제1스테이지와 독립적으로 상기 타겟거울을 이동시킬 수 있는 제2스테이지부를 포함하고, 상기 변위량 측정 시스템은 변위를 측정하기 전에 상기 제1,2스테이지를 제어하여 기준위치로부터 상기 타겟거울을 소정 거리만큼씩 이동시키면서 상기 레이저 간섭계와 정전용량센서로 각각 변위를 측정하고, 상기 레이저 간섭계와 정전용량센서가 측정한 값을 이용하여 보정상수를 구한 후 변위 측정시 레이져 간섭계가 측정한 값에 상기 보정상수를 적용하여 측정오차를 실시간으로 보정하는 컴퓨터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 오차 보정방법은 레이저광원, 빔스플릿터, 고정거울, 타겟거울 및 상기 타겟거울에 입사 또는 반사되는 레이저광 방향으로 상기 타겟거울을 왕복 이동시킬 수 있는 스테이지를 포함하는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 오차 보정방법에 있어서, 변위를 측정하기 전에 상기 타겟거울을 기준위치로 이동시킨 후 소정 거리 만큼씩 복수 회 이동시키면서 상기 레이저 간섭계와 상기 스테이지에 포함된 정전용량센서로 타겟거울의 위치 변화를 각각 측정하는 제1단계, 상기 각 이동 지점에서 레이저 간섭계와 정전용량센서가 각각 측정한 값을 이용하여 보정상수를 구하는 제2단계 및 상기 제2단계에서 구한 보정상수를 상기 레이져 간섭계가 실제 변위 측정시 측정한 값에 적용하여 그 측정오차를 실시간으로 보정하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1단계는 타겟거울을 기준위치에 배치한 후 소정 거리만큼 이동시키는 단계, 해당 이동 지점에서 레이저 간섭계와 정전용량센서를 이용하여 상기 타겟거울의 위치변화를 각각 복수 회 측정하는 단계, 상기 레이저 간섭계와 정전용량센서가 측정한 값을 각각 평균하는 단계, 상기 각각의 평균값을 이용하여 상기 이동 지점에서의 오차비를 구하는 단계 및 정해진 회수 동안 상기 단계들을 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2단계는 각 이동 지점에 대해 구한 오차비를 적어도 어느 하나의 지점에서 레이저 간섭계가 복수 회 측정한 값(Xl)에 곱하여 상기 측정값(Xl)에 대응하여 정전용량센서가 측정한 값(Xc)과의 차이를 각각 구하는 단계와 각 측정단계에서 구한 차이의 절대값을 각각 합산하여 그 값이 가장 작은 오차비를 보정상수로 설정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 오차 보정방법은 레이저광원, 빔스플릿터, 고정거울, 타겟거울 및 상기 타겟거울에 입사 또는 반사되는 레이저광 방향으로 상기 타겟거울을 왕복 이동시킬 수 있는 스테이지를 포함하는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 오차 보정방법에 있어서, 변위를 측정하기 전에 상기 타겟거울을 기준위치로 이동시킨 후 소정 거리 만큼씩 복수 회 이동시키면서 상기 레이저 간섭계와 상기 스테이지에 포함된 정전용량센서로 타겟거울의 위치 변화를 각각 측정하는 제1단계, 상기 각 이동 지점에서 레이저 간섭계와 정전용량센서가 각각 측정한 값을 이용하여 보정상수를 구하는 제2단계 및 상기 제2단계에서 구한 보정상수를 상기 레이져 간섭계가 실제 변위 측정시 측정한 값에 적용하여 그 측정오차를 실시간으로 보정하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1단계는 타겟거울을 기준위치에 배치한 후 소정 거리만큼 이동시키는 단계, 해당 이동 지점에서 레이저 간섭계와 정전용량센서를 이용하여 상기 타겟거울의 위치변화를 각각 복수 회 측정하는 단계, 상기 레이저 간섭계와 정전용량센서가 측정한 값을 각각 평균하는 단계, 상기 각각의 평균값을 이용하여 상기 이동 지점에서의 오차비를 구하는 단계 및 정해진 회수 동안 상기 단계들을 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2단계는 각 이동 지점에 대해 구한 오차비를 적어도 어느 하나의 지점에서 레이저 간섭계가 복수 회 측정한 값(Xl)에 곱하여 상기 측정값(Xl)에 대응하여 정전용량센서가 측정한 값(Xc)과의 차이를 각각 구하는 단계와 각 측정단계에서 구한 차이의 절대값을 각각 합산하여 그 값이 가장 작은 오차비를 보정상수로 설정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
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(실시예)
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한 다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 제어구성을 나타낸 블럭도이다.
도 2와 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템은 레이저 광속을 발생시키는 레이저 광원(110), 상기 레이저 광원(110)에서 조사된 레이저를 분할하기 위한 광분할기(미도시)와 광을 되돌리기 위한 고정거울(미도시)로 구성된 광학시스템(120), 이동시키고자 하는 스테이지의 변위를 측정하기 위한 타겟거울(130), 스테이지 위치의 변화에 의한 레이저 간섭 효과를 측정할 수 있는 광검출기(180)로 구성된 레이저 간섭계(100), 상기 광검출기(180)로부터 측정된 레이저 간섭 효과를 수치로 변환하기 위한 측정보드(190), 타겟거울(130)이 안착되고 나노미터 급의 단거리 변위의 측정을 위해 타겟거울(130)을 일축 방향으로 왕복 이송 가능한 나노스테이지(140), 상기 나노스테이지(140)를 구동하고 변위를 측정하기 위한 피에조제어기(170), 상기 나노스테이지(140)의 하부에 위치하며 수 밀리미터 급의 장거리 변위의 측정을 위해 상기 나노스테이지(140)와 독립적으로 타겟거울(130)을 일축 방향으로 왕복 이송 가능한 마이크로스테이지(150), 상기 마이크로스테이지(150)를 구동하기 위한 스텝모터제어기(160), 상기 피에조제어기(170)와 스템모터제어기(160)에 제어신호를 전달하고, 측정보드(190)로부터 읽은 레이저 간섭계의 측정값과 상기 피에조제어기(170)에서 측정한 값을 이용하여 변위량 측정 시스템의 측정오차를 보정하는 컴퓨터(200, 이하 PC)로 구성된다.
상기 마이크로스테이지(150)는 수 밀리미터의 장거리 변위를 구동하기 위하여 최대 구동 범위 306밀리미터, 분해능 0.1마이크로미터의 리니어스텝모터(230)가 구성되고, 상기 리니어스텝모터(230)를 구동하기 위하여 상기 스텝모터제어기(160)를 사용한다.
상기 나노스테이지(140)는 수 나노미터 단위의 정밀도를 가지고 정확한 위치를 측정할 수 있는 정전용량센서(210)와 수 나노미터 및 수 마이크로미터의 단거리 변위를 구동하기 위하여 최대 구동 범위 100마이크로미터, 분해능 0.1나노미터인 피에조구동기(220)로 구성되고, 상기 피에조제어기(170)가 피에조구동기(220)를 구동하고 정전용량센서(210)를 이용해 변위량을 측정하여 PC(200)로 전송한다.
상기 정전용량센서(210)는 상기 레이저 간섭계(100)보다 더욱 작은 분해능을 가지며 나노미터 급의 측정에 사용된다. 또한, 상기 측정보드(190)는 본 분야에 관용적으로 사용되는 레이저 측정보드를 사용한다.
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또한, 상기 측정보드(190)로부터 읽은 상기 레이저 간섭계(100)의 측정값과 상기 정전용량센서(210)를 이용하여 피에조제어기(170)에서 측정한 측정값은 버스방식 및 본 분야의 관용적으로 이용되는 통신 방식에 의하여 상기 PC(200)로 전달되도록 하는 인터페이스 시스템이 구성된다.
상기 레이저 광원(110)은 일정한 파장을 갖는 단일 레이저 광이 사용되는데, 이러한 레이저 광은 고체 레이저, 기체 레이저 또는 반도체 레이저가 사용될 수 있다.
상기 레이저 광원(110)에서 조사된 레이저는 상기 광학시스템(120)으로 입사된다.
상기 광학시스템(120)으로 조사된 레이저 중 일부는 상기 검출기(180)에서 검출되어 전기신호로 변환되어 기준 광이 된다.
그리고, 상기 광학시스템(120)을 통과한 레이저는 상기 타겟거울(130)로 입사되어 상기 나노스테이지(140)와 상기 마이크로스테이지(150)의 이동 거리에 따라 변위를 측정하는데 사용된다.
상기 타겟거울(130)은 상기 나노스테이지(140)와 상기 마이크로스테이지(150) 상에 설치되어, 함께 이동 가능한 구조이며, 상기 광학시스템(120)을 통과한 일부 레이저를 다시 반사하여 복귀시킬 수 있는 위치에 설치된다.
상기 마이크로스테이지(150)는 수 밀리미터 범위 내에서 이동(도 2에서 화살표 방향)되고, 상기 나노스테이지(140)는 수 마이크로미터 및 수 나노미터 범위 내에서 이동(도 2에서 화살표 방향)되는데, 상기 나노스테이지(140) 또는 마이크로스테이지(150)의 이동에 따른 타겟거울(130)의 위치변화로 인하여 상기 타겟거울(130)에서 반사되어 상기 광학시스템(120)에서 조사되어 나오는 레이저의 시간차이가 발생한다.
이 시간차이가 발생된 레이저가 위치변위 광이 되고, 상기 검출기(180)는 상기 기준 광을 기준으로 하여 상기 타깃거울(130)로부터 되돌아온 상기 위치변위 광의 위치변위 정도를 검출하여 위치변화를 검출하고, 상기 위치변화를 전기신호로 변환하여 상기 측정보드(190) 측으로 전송한다.
즉, 상기 레이저 광원(110)에서 발생한 광을 상기 광학시스템(120)을 통해 두 갈래로 나누고, 어느 한쪽 광 경로에 지연 시간을 주어 다시 모이도록 하면 두 광의 경로 차에 의하여 간섭 무늬가 발생한다.
상기 측정보드(190)에서는 상기 검출기(180)의 출력신호인 기계적인 위치변위량을 획득하고 수치데이터로 변환하여 알려진 레이저의 파장길이를 참조함으로써 상기 스테이지(140, 150)의 이동거리를 산출하게 된다. 이러한 상기 측정보드(190)의 출력신호는 상기 PC(200)로 전달되어 저장 및 표시된다.
한편, 정전용량센서(210)를 이용한 타겟거울(130)의 변위 측정 방법은 공지된 방법 중 어느 하나를 이용하여 바람직하게 구현될 수 있다.
도4는 본 발명에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 측정 오차를 보정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
우선, 상기 레이저 간섭계(100)를 이용한 본격적인 측정이 이루어지기 이전에 PC(200)는 스텝모터제어기(160)를 제어하여 상기 마이크로스테이지(150)를 임의의 한 기준점으로 이동(도 2에서 화살표 방향)시킨다(S100). 이때, 카운트(i)는 0으로 세팅된다.
S100 단계가 완료되면 PC(200)는 카운트(i)가 설정값(M)에 도달하였는지 여부를 판단하여(S200), 설정값에 도달하지 않은 경우이면 피에조제어기(170)를 제어하여 상기 나노스테이지(140)를 소정 거리 이동(도 2에서 화살표 방향)시켜 정지상태로 유지하고 카운트(i)를 1만큼 증가시킨다(S300).
본 실시예에서는 상기 설정값(M)이 10이고, 소정 거리는 10마이크로미터인 경우를 일예로서 설명하나 이에 한정되지 않는다.
S300 단계가 완료되면 PC(200)는 상기 레이저 간섭계(100)로 위치를 측정하여 얻은 측정값(xℓ)과 상기 정전용량센서(210)로 위치를 측정하여 얻은 측정값(xc)을 미도시된 메모리 장치에 저장한다. 이때, 측정오차를 최소화하기 위하여 xℓ과 xc를 k=1 부터 k=N 까지 복수 회에 걸쳐 측정을 한다(S400).
S400 단계가 완료되면 PC(200)는 상기 저장된 복수의 측정값(xℓ, xc)으로부터 수학식 1에 의하여 각각의 평균값(^xl, ^xc)을 구하고(S500), 상기 평균값(^xℓ, ^xc)을 이용하여 수학식 2에 의하여 오차비(^Γ)를 구한다(S600).
S600 단계가 완료되면, PC(200)는 카운트(i)가 M(본 실시예에서는 10)이 될 때까지 상기 S200 내지 S600 단계를 반복한다.
한편, S200 단계에서 카운트(i)가 M인 경우이면 i=1 부터 i=M 까지 구한 오차비(^Γ(i))를 이용하여 수학식 3에 의해 상기 레이저 간섭계(100)로 측정한 측정값(xℓ)에 대한 보정상수(Γ)를 얻는다(S700).
이때, 수학식 3의 의미는 각 구간(즉, i=1 내지 i=M)에서 구한 오차비(^Γ)를 상기 각 구간 중 적어도 하나의 구간에서 레이저 간섭계(100)로 측정한 값(xℓ)에 각각 곱하여 상기 측정값(xℓ)에 대응하여 정전용량센서(210)를 이용하여 측정한 값(xc)과 비교하여 가장 근사한 값이 되도록 하는 오차비(^Γ)를 실제 레이저 간섭계(100)로 측정한 측정값에 대한 보정상수(Γ)로 한다는 것이다.
또한, 상기 비교결과 가장 근사한 값이라 함은 일예로서 적어도 하나의 구간에서 xℓ에 오차비를 곱한 값과 xc의 차이를 구하고, 그 절대값을 합산한 값이 가장 작은 오차비를 의미한다.
S700 단계가 완료되면, 본 실시예에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템은 본격적인 측정을 수행하게 되고 이 경우 PC(200)는 측정보드(190)로부터 전송된 측정값에 수학식 4와 같이 S700 단계에서 얻은 보정상수(Γ)를 곱하여 레이저 간섭계(100)가 변위량을 측정하는 단계에서 여러 가지 요인에 의해 발생되는 오차를 실시간으로 보정하게 된다(S800).
본 실시예에서는 상술한 바와 같이 상기 레이저 간섭계(100)의 측정오차 보정방법을 본 측정에 앞서 프로그램에 의해 자동으로 수행하도록 함으로써 본 측정시에 실시간으로 오차 보정이 이루어지도록 하여 외부 환경 요인이 변화하는 경우에도 나노미터 수준까지 정확한 위치변위 값을 계산하여 얻을 수 있다.
즉, 상기 레이저 광원(110)에서 발생한 광을 상기 광학시스템(120)을 통해 두 갈래로 나누고, 어느 한쪽 광 경로에 지연 시간을 주어 다시 모이도록 하면 두 광의 경로 차에 의하여 간섭 무늬가 발생한다.
상기 측정보드(190)에서는 상기 검출기(180)의 출력신호인 기계적인 위치변위량을 획득하고 수치데이터로 변환하여 알려진 레이저의 파장길이를 참조함으로써 상기 스테이지(140, 150)의 이동거리를 산출하게 된다. 이러한 상기 측정보드(190)의 출력신호는 상기 PC(200)로 전달되어 저장 및 표시된다.
한편, 정전용량센서(210)를 이용한 타겟거울(130)의 변위 측정 방법은 공지된 방법 중 어느 하나를 이용하여 바람직하게 구현될 수 있다.
도4는 본 발명에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 측정 오차를 보정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
우선, 상기 레이저 간섭계(100)를 이용한 본격적인 측정이 이루어지기 이전에 PC(200)는 스텝모터제어기(160)를 제어하여 상기 마이크로스테이지(150)를 임의의 한 기준점으로 이동(도 2에서 화살표 방향)시킨다(S100). 이때, 카운트(i)는 0으로 세팅된다.
S100 단계가 완료되면 PC(200)는 카운트(i)가 설정값(M)에 도달하였는지 여부를 판단하여(S200), 설정값에 도달하지 않은 경우이면 피에조제어기(170)를 제어하여 상기 나노스테이지(140)를 소정 거리 이동(도 2에서 화살표 방향)시켜 정지상태로 유지하고 카운트(i)를 1만큼 증가시킨다(S300).
본 실시예에서는 상기 설정값(M)이 10이고, 소정 거리는 10마이크로미터인 경우를 일예로서 설명하나 이에 한정되지 않는다.
S300 단계가 완료되면 PC(200)는 상기 레이저 간섭계(100)로 위치를 측정하여 얻은 측정값(xℓ)과 상기 정전용량센서(210)로 위치를 측정하여 얻은 측정값(xc)을 미도시된 메모리 장치에 저장한다. 이때, 측정오차를 최소화하기 위하여 xℓ과 xc를 k=1 부터 k=N 까지 복수 회에 걸쳐 측정을 한다(S400).
S400 단계가 완료되면 PC(200)는 상기 저장된 복수의 측정값(xℓ, xc)으로부터 수학식 1에 의하여 각각의 평균값(^xl, ^xc)을 구하고(S500), 상기 평균값(^xℓ, ^xc)을 이용하여 수학식 2에 의하여 오차비(^Γ)를 구한다(S600).
S600 단계가 완료되면, PC(200)는 카운트(i)가 M(본 실시예에서는 10)이 될 때까지 상기 S200 내지 S600 단계를 반복한다.
한편, S200 단계에서 카운트(i)가 M인 경우이면 i=1 부터 i=M 까지 구한 오차비(^Γ(i))를 이용하여 수학식 3에 의해 상기 레이저 간섭계(100)로 측정한 측정값(xℓ)에 대한 보정상수(Γ)를 얻는다(S700).
이때, 수학식 3의 의미는 각 구간(즉, i=1 내지 i=M)에서 구한 오차비(^Γ)를 상기 각 구간 중 적어도 하나의 구간에서 레이저 간섭계(100)로 측정한 값(xℓ)에 각각 곱하여 상기 측정값(xℓ)에 대응하여 정전용량센서(210)를 이용하여 측정한 값(xc)과 비교하여 가장 근사한 값이 되도록 하는 오차비(^Γ)를 실제 레이저 간섭계(100)로 측정한 측정값에 대한 보정상수(Γ)로 한다는 것이다.
또한, 상기 비교결과 가장 근사한 값이라 함은 일예로서 적어도 하나의 구간에서 xℓ에 오차비를 곱한 값과 xc의 차이를 구하고, 그 절대값을 합산한 값이 가장 작은 오차비를 의미한다.
S700 단계가 완료되면, 본 실시예에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템은 본격적인 측정을 수행하게 되고 이 경우 PC(200)는 측정보드(190)로부터 전송된 측정값에 수학식 4와 같이 S700 단계에서 얻은 보정상수(Γ)를 곱하여 레이저 간섭계(100)가 변위량을 측정하는 단계에서 여러 가지 요인에 의해 발생되는 오차를 실시간으로 보정하게 된다(S800).
본 실시예에서는 상술한 바와 같이 상기 레이저 간섭계(100)의 측정오차 보정방법을 본 측정에 앞서 프로그램에 의해 자동으로 수행하도록 함으로써 본 측정시에 실시간으로 오차 보정이 이루어지도록 하여 외부 환경 요인이 변화하는 경우에도 나노미터 수준까지 정확한 위치변위 값을 계산하여 얻을 수 있다.
아울러, 본 발명에 사용한 광학시스템(예를 들면, 거울, 분할기 등)은 당업자의 수준에서 필요에 따라 첨가하거나 삭제할 수 있고, 레이저의 경로 역시 적절한 광학시스템의 재배치를 통해 동일한 동작을 구현하면서도 변경할 수 있음은 물론이다.
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본 발명에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템 및 그 오차 보정방법은 실제 측정을 하기 이전에 레이저 간섭계가 측정한 값을 동일한 지점에서 상기 레이저 간섭계보다 분해능과 환경요인에 의한 영향이 작은 정전용량센서를 이용하여 측정한 값과 비교하여 보정상수를 구하고, 실제 측정시 레이저 간섭계가 측정한 값에 상기 보정상수를 곱하여 실시간 보정을 수행함으로써 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 코사인 오차 및 아베 오차 같은 선형적인 오차를 줄일 수 있다. 그 결과 본 발명에 따른 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템은 수백 밀리미터의 장거리의 변위를 나노미터 급의 정밀도를 가지고 측정할 수 있다는 장점이 있다.
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Claims (11)
- 레이저광원, 빔스플릿터, 고정거울, 타겟거울 및 상기 타겟거울에 입사 또는 반사되는 레이저광 방향으로 상기 타겟거울을 왕복 이동시킬 수 있는 스테이지를 포함하는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템에 있어서,상기 스테이지는 타겟거울이 안착되고, 피에조구동기에 의해 상기 타겟거울을 이동시키며, 정전용량센서를 이용하여 상기 타겟거울의 위치변화를 측정하는 제1스테이지;와상기 제1스테이지가 안착되고, 스텝모터에 의해 상기 제1스테이지와 독립적으로 상기 타겟거울을 이동시킬 수 있는 제2스테이지를 포함하고,상기 변위량 측정 시스템은 변위를 측정하기 전에 상기 제1,2스테이지를 제어하여 기준위치로부터 상기 타겟거울을 소정 거리만큼씩 이동시키면서 상기 레이저 간섭계와 정전용량센서로 각각 변위를 측정하고, 상기 각각의 이동 지점에서 레이저 간섭계와 정전용량센서가 측정한 값을 이용하여 보정상수를 구한 후 변위 측정시 레이져 간섭계가 측정한 값에 상기 보정상수를 적용하여 측정오차를 실시간으로 보정하는 컴퓨터를 더 포함하되,상기 컴퓨터는 상기 각각의 이동 지점에서 구한 상기 레이저 간섭계와 정전용량센서의 측정값 오차비를 적어도 어느 하나의 지점에서 레이저 간섭계가 복수 회 측정한 값(Xl)에 곱한 후 상기 복수의 측정값(Xl)에 대응하여 정전용량센서가 측정한 값(Xc)과의 차이를 각각 구하고, 상기 각각의 차이의 절대값을 합산하여 그 값이 가장 작은 오차비를 보정상수로 설정하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템.
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- 레이저광원, 빔스플릿터, 고정거울, 타겟거울 및 상기 타겟거울에 입사 또는 반사되는 레이저광 방향으로 상기 타겟거울을 왕복 이동시킬 수 있는 스테이지를 포함하는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 오차 보정방법에 있어서,변위를 측정하기 전에 상기 타겟거울을 기준위치로 이동시킨 후 소정 거리 만큼씩 복수 회 이동시키면서 상기 각각의 이동 지점에서 레이저 간섭계와 상기 스테이지에 포함된 정전용량센서로 타겟거울의 위치 변화를 측정하는 제1단계;상기 각각의 이동 지점에서 레이저 간섭계와 정전용량센서가 각각 측정한 값을 이용하여 보정상수를 구하는 제2단계; 및상기 제2단계에서 구한 보정상수를 상기 레이져 간섭계가 실제 변위 측정시 측정한 값에 적용하여 그 측정오차를 실시간으로 보정하는 제3단계를 포함하되,상기 제2단계는 상기 각각의 이동 지점에서 구한 상기 레이저 간섭계와 정전용량센서의 측정값 오차비를 적어도 어느 하나의 지점에서 레이저 간섭계가 복수 회 측정한 값(Xl)에 곱한 후 상기 복수의 측정값(Xl)에 대응하여 정전용량센서가 측정한 값(Xc)과의 차이를 각각 구하고, 상기 각각의 차이의 절대값을 합산하여 그 값이 가장 작은 오차비를 보정상수로 설정하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 오차 보정방법.
- 제6항에 있어서,상기 제1단계는 타겟거울을 기준위치에 배치한 후 소정 거리만큼 이동시키는 단계, 해당 이동 지점에서 레이저 간섭계와 정전용량센서를 이용하여 상기 타겟거울의 위치변화를 각각 복수 회 측정하는 단계, 상기 레이저 간섭계와 정전용량센서가 측정한 값을 각각 평균하는 단계, 상기 각각의 평균값을 이용하여 상기 이동 지점에서의 오차비를 구하는 단계 및 정해진 회수 동안 상기 단계들을 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 간섭계를 이용한 변위량 측정 시스템의 오차 보정방법.
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