KR100927865B1

KR100927865B1 - Ｉ／ｑ 간섭계와 스캐닝 방법을 이용한 복합 기능 현미경

Info

Publication number: KR100927865B1
Application number: KR1020080000834A
Authority: KR
Inventors: 조규만; 권강혁
Original assignee: 서강대학교산학협력단; 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2008-01-03
Filing date: 2008-01-03
Publication date: 2009-11-23
Also published as: WO2009084766A1; US20100290061A1; US8422028B2; KR20090075069A

Abstract

본 발명은 I/Q 간섭계와 스캐닝 방법을 이용한 복합 기능 현미경에 관한 것이다. 상기 복합 기능 현미경은, 시료에 대한 정보를 포함하는 탐지빛을 I-신호 및 Q-신호로 변환하여 출력하는 I/Q 간섭계, 시료가 배치되는 시료대, XY 스캐너와 스캐너 구동 장치, 상하 이동 기구와 미세거리 조정 장치, 집광/시준 장치 및 컴퓨터를 구비한다. 상기 컴퓨터는 상기 스캐너 구동 장치로 XY 스캐너의 이동을 제어하는 이동 제어 신호를 전송하거나, 상기 미세 거리 조정 장치로 상하 이동 기구의 이동을 제어하는 신호를 전송하며, 상기 I/Q 간섭계로부터 제공되는 I-신호 및 Q-신호를 입력받아 시료의 표면 또는 내부에 대한 정보를 추출하게 된다.

상기 복합 기능 현미경은 시료에 대하여 다단층 스캐닝하거나 일정 위상 스캐닝을 수행하여 시료의 표면이나 내부 구조에 대한 정보를 획득하게 된다.

복합 기능 현미경, I/Q 간섭계, 다단층 스캐닝, 일정위상 스캐닝

Description

Ｉ／Ｑ 간섭계와 스캐닝 방법을 이용한 복합 기능 현미경{Complex function micrometer using heterodyne interferometer and scanning method}

본 발명은 I/Q 간섭계와 스캐닝 방법을 이용한 복합 기능 현미경에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 I/Q 간섭계와 다단층 스캐닝 방법 및 일정 위상 스캐닝 방법을 결합하여 시료의 표면 또는 내부에 대한 물리적 및 구조적 정보를 획득하여 분석할 수 있는 복합 기능 현미경에 관한 것이다.

간섭식 측정장치는 탐지빛(probe beam)과 기준빛(reference beam)을 빛살 가르게(Beamsplitter, BS)를 이용하여 합쳐주고 두 개의 출력단에서 나오는 빛의 세기를 각각 별도의 광검출기로 측정하는 장치이다. 이때 각각의 광검출기에서 출력되는 전기 신호를 광신호라고 하고, 탐지빛과 기준빛의 주파수가 같을 경우 이를 호모다인(homodyne) 간섭계라고 하며, 주파수가 다를 경우 이를 헤테로다인(heterodyne) 간섭계라고 한다.

호모다인 간섭계의 경우, BS의 두 개의 출력단으로 나오는 빛의 세기가 탐지빛과 기준빛의 위상차이에 따라 변하며, 만약 한쪽 출력단으로 나오는 빛이 증강간섭이 일어나는 경우 다른 쪽 출력단으로 나오는 빛은 소멸간섭을 일으킨다. 즉, 각 각의 출력단으로 나오는 빛의 간섭신호는 180도 위상차이를 갖는다. 따라서 두 개의 광신호를 차동증폭기로 빼어 줌으로써 각각의 광신호에 실려있는 서로 상관된 잡음(correlated niose)은 제거되고 광신호는 두 배로 커져 신호 대 잡음비를 높일 수 있으며, 이와 같은 측정방법을 balanced detection 방법이라고 한다. 차동증폭기로부터 출력되는 신호는 수학식 1로 나타난다.

여기서 I _S 와 I _LO 는 각각 탐지빛과 기준빛의 세기를 나타내며, φ _m 과 φ _o 는 각각 측정하고자 하는 시료의 국부적인 구조나 광학적 특성 때문에 탐지빛에 유도되는 위상 값과 이를 제외한 간섭계에서 탐지빛과 기준빛 사이의 광학적인 경로차이에 의한 위상 차이를 나타낸다.

주사 현미경은 주사 과정에서 시료의 구조변화 등에서 오는 국부적인 광학적 특성의 변화를 최적으로 측정하여 이로부터 시료의 표면이나 내부구조 형상을 복원하는 장치를 말하며 따라서 시료 또는 탐지빛을 주사해 가면서 φ _m 을 최적으로 측정해야 한다. 대개의 경우 φ _m 의 크기가 매우 적기 때문에 만약 되먹임(feedback) 장치를 이용하여 φ _o 가 항상 π(2n +1)/2, n = 0, 1, 2, … 가 되게 탐지빛과 기준빛 사이의 경로차이를 조절하여 주면 수학식 1은 수학식 2와 같이 쓸 수 있다.

따라서 간섭신호의 크기는 φ _m 에 비례하게 되어 주사를 통해 시료의 국부적인 위상변화를 매핑(mapping)시킬 수 있다. 그러나 탐지빛의 세기와 위상이 동시에 변하는 경우, 즉, 예를 들어, 표면의 기하학적 구조와 재질이 동시에 변하는 경우 이를 구분해서 볼 수가 없다는 단점이 있어 동일한 재질로 구성된 시료에 대한 분석에는 적합하나 일반적인 시료의 복합적인 현미경 분석에는 한계가 있다.

헤테로다인 간섭계의 경우 탐지빛과 기준빛의 주파수가 다르기 때문에 각각의 출력단에서 검출된 광신호는 수학식 3과 같이 주어진다.

여기서, △ω 탐지빛과 기준빛의 주파수 차이를 나타낸다. 즉, 간섭신호는 두 빛의 차이 주파수에 해당하는 RF 또는 마이크로파 영역의 맥놀이 신호이며, 표면에 의해 탐지빛에 유도된 위상변화나 진폭 변화를 측정하기 위해서는 RF에서 사용되는 전형적인 신호처리 기술들을 사용할 수 있다.

간섭계에서 탐지빛에 유도된 위상 및 진폭 변화를 구분해서 측정할 수 있는 간섭계에 대한 연구가 그동안 본 발명의 발명자 그룹에 의해 진행되어 왔다. 호모다인 I/Q-간섭계의 경우 탐지빛과 기준빛의 편광상태를 이용하여 두 개의 간섭계가 동일한 탐지빛과 기준빛 경로를 가지면서도 간섭신호 사이에 서로 90도의 위상 차 이를 갖는다. 따라서 한 간섭계의 신호가 수학식 4와 같이 나타난다.

다른 간섭계의 신호는 수학식 5가 되어 광신호에 대한 I/Q 복조(demodulation)를 할 수 있다. 즉, 탐지빛에 유도된 위상은 수학시 6으로부터 구할 수 있으며, 탐지빛의 크기 변화는 수학식 7로 주어진다.

따라서 I/Q-간섭계를 사용할 경우 탐지빛에 유도된 위상변화와 크기 변화를 동시에 구분하여 측정할 수 있다. 이러한 간섭계에 대한 자세한 내용과 이용한 표면 현미경에 대한 연구 결과가 참고문헌 1(Heseong Jeong, Jong-Hoi Kim, Kyumann Cho, "Complete mapping of complex reflection coefficient of a surface using a scanning homodyne multiport interferometer.", Optics communication, Vol. 204, pp. 45- 52 (2002) )에 나와 있다. 여기서 표면 분석은 반사형으로 이루어졌으며 탐지빛을 표면의 한 지점에 집광시킨 후 시료를 x, y-축 방향으로 스캔하면서 탐지빛에 대한 국부적인 위상과 크기의 변화를 매핑(mapping)시킴으로써 표면의 구조적, 재질적 특성을 분석할 수 있었다. 이와 같은 현미경은 기존의 간섭계를 이용한 현미경이 갖는 기능을 크게 개선한 것으로 본 발명자 그룹에서는 참고문헌 1에서 이러한 현미경을 이용하여 기존의 현미경으로 구분할 수 없었던 재질적인 손상을 찾을 수 있다는 것을 보였다.

전술한 연구 결과에서 볼 수 있듯이, 호모다인 간섭계의 경우 세 개의 PBS와 4개의 광검출기로 구성되어 있다. 따라서 간섭계가 제대로 작동하기 위해서는 매우 어렵고 전문적인 기술을 필요로 하는 정렬과정을 필요로 한다. 본 발명의 발명자 그룹에서는 같은 기능을 가지면서도 탐지빛에 유도된 위상을 효과적으로 측정할 수 있으며 간단한 광학계 구성 즉, balanced detection 방법외에 하나의 탐지빛 측정에 두 개의 Photo Diode(PD)만으로 구성하고 I/Q 복조화기 앞단에 High-pass filter 혹은 band-pass filter를 사용하여 헤테로다인 간섭계 기술을 개발하였다. 도 5와 같이 서로 주파수가 다른 탐지빛과 기준빛을 BS를 이용하여 간섭시키고 이를 광검출기를 이용하여 전기신호로 바꾸어 주면, 수학식 3과 같이 탐지빛에 실려 있는 진폭과 위상변화에 대한 정보가 RF 또는 마이크로파 대역으로 하향 변환(down conversion)되므로, I/Q-복조방법을 적용할 경우 탐지빛에 유도된 위상과 크기변화를 쉽게 구분하여 측정할 수 있다. 본 발명의 발명자 그룹에서는 I/Q-복조기(복조기)를 사용하여 위상신호를 측정하여 이를 고감도 변위센서에 적용하는 연구를 수행한 바 있으며, 그 결과가 참고문헌 2(문 준, "헤테로다인 I/Q 간섭계를 이용한 하이브리드형 변위 센서", 서강대학교 (2003) )에 기재되었다.

전술한 바와 같이, I/Q 간섭계를 이용한 스캐닝 현미경들은 시료의 표면 또는 내부로부터 반사되거나 이를 투과한 탐지빛에 유도된 위상 변화와 크기 변화를 동시에 구분하여 이미지화할 수 있게 되었다. 그런데, 이러한 현미경들도 위상 변화와 크기 변화가 동시에 일어날 수 있는 여러 가지 요인이 있기 때문에 현재의 스캐닝 방법들로는 정확하게 시료의 표면 또는 내부 구조를 정성적으로 밝히는데 한계를 갖고 있다. 예컨대, 깊이에 변화가 있는 구조를 갖는 시료의 표면에 대하여 현미경 분석을 함에 있어서, 부분적으로 재질이 변하지 않더라도 탐지빛의 초점이 영역 1에 초점이 맞춰진 경우 스캐닝 과정에서 영역 2로 넘어가게 되면 영역 2에서는 표면의 위치가 변하게 되므로 깊이 변화에 의해 탐지빛의 진폭이 변하여 위상과 진폭이 동시에 변할 수 있다. 따라서, I/Q 간섭계를 이용한 스캐닝 현미경이더라도 시료를 분석하는데 한계가 있다.

본 발명에서는 스캐닝 I/Q 간섭계를 이용한 현미경에 다단층 및 일정 위상 스캐닝 방법을 적용하여 시료의 표면 또는 내부 구조의 분석 능력을 개선하는 방안을 제안하고자 한다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 I/Q 간섭계에 다단층 및 일정 위상 스캐닝 방법을 적용함으로써, 시료로부터 투과 또는 반사된 탐지빛에 유도되는 위상과 진폭 변화를 동시에 측정할 수 있는 복합 기능 현미경을 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징은 다단층 스캐닝 방식을 적용한 복합 기능 현미경에 관한 것으로서, 상기 복합 기능 현미경은

시료로 탐지빛을 제공하고, 상기 시료에 대해 집광 및 시준되어 되돌아온 탐지빛과 기준빛을 I-신호 및 Q-신호로 변환하여 출력하는 I/Q 간섭계;

시료가 배치되는 시료대;

상기 시료대를 탐지빛의 진행 방향에 대해 수직한 두 방향으로 이동시키는 XY 스캐너;

상기 XY 스캐너의 이동을 제어하는 스캐너 구동 장치;

상기 시료대를 탐지빛의 진행 방향과 동일한 방향으로 이동시키는 상하 이동 기구;

상기 상하 이동 기구의 이동을 제어하는 미세거리 조정 장치;

상기 I/Q 간섭계로부터 제공되는 탐지빛을 시료의 표면으로 집광시키거나 시료에 의해 반사되거나 투과된 탐지빛을 시준시켜 I/Q 간섭계로 다시 제공하는 집광 /시준 장치;

상기 스캐너 구동 장치로 XY 스캐너의 이동을 제어하는 이동 제어 신호를 전송하거나, 상기 미세 거리 조정 장치로 상하 이동 기구의 이동을 제어하는 신호를 전송하며, 상기 I/Q 간섭계로부터 제공되는 I-신호 및 Q-신호를 입력받아 시료의 표면 또는 내부에 대한 정보를 추출하는 컴퓨터;

를 구비하고, 상기 컴퓨터는 상하 이동 기구를 임의의 위치에 고정시킨 후 XY 스캐너를 구동하여 시료의 제1 단층에 대하여 스캐닝한 후, 상하 이동 기구를 구동시켜 시료대를 이동시킨 후 XY 스캐너를 구동하여 시료의 제2 단층에 대하여 스캐닝하며, 이러한 과정을 반복적으로 수행하여 시료에 대하여 다단층 스캐닝을 수행한다.

본 발명의 제2 특징에 따른 일정 위상 스캐닝 방식을 적용한 복합 기능 현미경은,

시료가 배치되는 시료대;

상기 XY 스캐너의 이동을 제어하는 스캐너 구동 장치;

상기 I/Q 간섭계로부터 제공되는 탐지빛을 시료의 표면으로 집광시키거나 시료에 의해 반사되거나 투과된 탐지빛을 시준시켜 I/Q 간섭계로 다시 제공하는 집광/시준 장치;

상기 스캐너 구동 장치로 XY 스캐너의 이동을 제어하는 이동 제어 신호를 전송하거나, 상기 미세 거리 조정 장치로 상하 이동 기구의 이동을 제어하는 신호를 전송하며, 상기 I/Q 간섭계로부터 제공되는 I-신호 및 Q-신호를 입력받아 시료의 표면 및 내부의 정보를 추출하는 컴퓨터;

를 구비하고, 상기 컴퓨터는 시료의 특정 위치에 탐지빛의 초점을 맺히게 하여 기준 위상을 설정한 후, 상기 시료를 XY 방향으로 스캐닝할 때 상기 기준 위상이 변하지 않도록 하기 위한 되먹임 조절용 오차 신호를 미세 거리 조정 장치로 제공하며, 상기 되먹임 조절용 오차 신호에 따라 집광/시준 장치와 시료와의 간격을 조정하며, XY 위치에 따른 되먹임 조절용 오차 신호를 이용하여 시료의 표면의 높낮이를 측정한다.

전술한 제1 및 제2 특징에 따른 복합 기능 현미경의 상기 컴퓨터는 스캐닝 결과에서 진폭 신호가 가장 큰 지점을 찾고, 상기 진폭 신호가 가장 큰 지점과 위상이 갖는 지점들을 연결하여 표면 형상에 대한 등고선 또는 등고면을 획득하며,

상기 컴퓨터는 상기 획득된 등고선 또는 등고면에 대한 진폭 신호들로부터 반사율 변화 정도를 검출하고, 검출된 반사율 변화 정도에 따라 시료의 매질의 불균질성을 판단할 수 있다.

전술한 제1 및 제2 특징에 따른 복합 기능 현미경이 상기 시료의 표면을 스캐닝할 때 상기 탐지빛은 각 위치에 대한 위상 변화와 진폭 변화에 대한 정보를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 복합 기능 현미경에 의하여, 시료로부터 투과 또는 반사된 탐지빛에 유도되는 위상과 진폭변화를 동시에 측정하기 때문에 시료의 표면 또는 내부의 구조 및 재질에 대한 분석이 용이하다. 따라서 본 발명에서 개발된 I/Q-간섭계를 이용한 복합 기능 현미경은 바이오 또는 반도체 소자나 소재를 복합적으로 진단할 수 있는 매우 유용하게 활용될 수 있다. 본 발명은 기존의 여러 가지 현미경들이 갖는 단점들을 보완한 것으로 반도체나 바이오 등 첨단 산업의 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

전술한 본 발명에 따른 복합 기능 현미경은 시료의 표면이나 내부에서 반사 또는 투과된 탐지빛에 유도된 위상과 진폭변화를 동시에 구분하여 측정함으로써 표면이나 내부의 국부적인 구조 및 재질에 대한 복합적인 정보를 얻을 수 있으며 탐지빛을 주사시킴으로써 원하는 영역에 대한 복합적인 진단을 할 수 있는 기능을 갖는 현미경이다.

본 발명은 이제까지 적용되고 있는 여러 가지 광학현미경 기술들이 가지고 있는 기능을 크게 개선하였으며, 광학현미경으로서 할 수 있는 가장 효과적인 복합 진단기능을 갖추었다. 따라서 본 발명은 반도체 소재 및 소자, 이종물질로 구성된 소재 및 소자, 능동 및 수동 광전자소자, 바이오 소재 및 소자, 등의 광학적인 진 단에 매우 유용하게 사용될 수 있으며, 해당분야의 기초과학 연구나 산업기술에 지대한 파급효과를 가져올 수 있다.

본 발명은 스캐닝 I/Q-간섭계가 갖는 위상 및 진폭 변화를 독립적으로 영상화시킬 수 있는 기능에 공초점 현미경(confocal microscope)의 다 단층 스캐닝 기술 또는 동일 위상 스캐닝 기술을 적용함으로써 스캐닝 I/Q-간섭계나 공초점현미경으로는 구분할 수 없었던 시료의 복합적인 국부적 특성을 진단할 수 있는 장치이다.

본 발명은 스캐닝 I/Q 간섭계를 이용한 현미경에 다 단층 및 일정위상 스캐닝 방법을 적용하여 시료의 표면 또는 내부구조의 분석능력을 크게 개선하였다. 다 단층 스캐닝 방법에서는 집광장치의 초점 위치 또는 시료의 위치를 일정한 간격으로 z-축 방향으로 이동시키면서 각각의 위치에서 xy-방향으로 스캐닝 시킴으로써, 즉 시료를 층별로 스캐닝 시킴으로써 각 층에 대한 국부적인 위상과 진폭 변화를 영상화 시키고 이를 분석하여 시료의 표면 또는 내부구조를 보다 정확하고 복합적으로 분석할 수 있는 기술이며, 일정위상 스캐닝 방법은 되먹임 위치조절 장치를 이용하여 간섭계로부터 얻은 위상변화 신호가 스캐닝 시키는 동안에 항상 일정한 값을 유지하게 하여 집광장치의 초점이 항상 시료의 표면에 위치하게 하는 기술로 위치조절에 필요한 오차신호(error signal)로부터 표면의 입체구조를 알 수 있으며 탐지빛의 진폭변화로부터 표면의 재질의 변화를 알 수 있다.

본 발명에서는 스캐닝 I/Q-간섭계를 이용한 복합 기능 현미경 장치의 기능을 더욱 확장시키기 위해 다 단층 스캐닝과 일정위상 스캐닝 방법을 적용한 것으로 다 단층 스캐닝의 경우 z-축 방향으로 일정한 스텝으로 이동시켜 가면서 각 스텝마다 x-y 방향으로 스캐닝 함으로써 시료의 기하학적 구조 및 재질에 대한 정보를 좀 더 정확하게 얻을 수 있는 기술이며, 일정위상 스캐닝 방법의 경우는 I/Q-간섭계로부터 얻은 위상값이 항상 일정한 값으로 유지되도록 시료표면과 집광장치 사이의 간격을 되먹임(feedback) 위치조절장치를 이용하여 조절해가며 스캐닝하는 기술이다. 전자의 경우 반사와 투과 모드 모두에 적용될 수 있으며 후자의 경우는 주로 반사 모드에 적용될 수 있다.

제1 실시예

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 다단층 스캐닝 방법을 적용한 복합 기능 현미경에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 기능 현미경을 전체적으로 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 복합 기능 현미경(10)은 광원(100), I/Q 간섭계(110), 탐지빛 입출력 장치(120), 집광/시준(collimation) 장치(130), 상하이동기구(140), XY스캐너(142), 컴퓨터(150), 스캐너 구동 장치(160) 및 미세 거리 조절 장치(170)를 구비한다. 전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 주사 현미경(10)은 I/Q 간섭계와 다단층 스캐닝 방법을 결합함으로써, 기존의 현미경으로는 얻을 수 없는 시료의 표면 또는 내부의 국부적인 광학적 특성을 분석하여 시료에 대한 구조적 및 물질적 정보를 얻을 수 있게 된다. 이하, 본 실시예에 따른 복합 기능 현미경을 구성하는 구성 요소들에 대하여 구체적으로 설명한다.

상기 광원(100)은 I/Q 간섭계로 임의의 주파수의 빛을 제공하게 된다.

I/Q 간섭계가 호모다인 또는 광음향 변조기와 같은 주파수 편향기를 사용하여 서로 주파수가 다른 두 빛살을 사용하는 헤테로다인 시스템의 경우, 광원은 단일 모우드로 발진하는 안정화된 레이저를 사용하거나, 레이저의 발진특성에 의해 서로 수직한 두 선형 편광된 두 모우드로 발진하는 안정화된 레이저를 사용한다. 상기 광원으로부터 제공되는 빛은 빛살 가르게나 편광빛살가르게(polarizing beam splitter, PBS)를 이용하여 I/Q 간섭계의 탐지빛과 기준빛으로 활용한다.

상기 I/Q 간섭계(110)는 탐지빛을 스캐너위에 배치된 시료(sample)에 집광시키고 시료의 표면 또는 내부로부터 반사되어 온 탐지빛(probe beam)이나 시료를 투과한 빛의 위상과 진폭에 대한 정보를 갖는 I신호와 Q 신호를 출력하게 된다. 탐지빛은 투과 또는 반사모드로 분석하고자 하는 시료에 대하여 3차원 구조와 재질 등을 평가하는 데 사용할 수 있다.

상기 탐지빛 입출력 장치(120)는 상기 I/Q 간섭계(110)로부터 제공되는 탐지빛을 집광/시준 장치로 제공하거나, 상기 집광/시준 장치로부터 입력되는 팀지빛은 I/Q 간섭계로 제공하게 된다.

상기 집광/시준 장치(130)는 탐지빛을 시료(X)위에 집광시키거나, 시료(X)로부터 반사되거나 투과된 탐지빛이 시준이 되도록 한다.

본 발명에 따른 복합 기능 현미경은 반사 방식 또는 투과 방식으로 작동될 수 있다. 도 2는 본 발명에 따른 복합 기능 현미경이 반사 방식으로 작동되는 경우, 탐지빛이 집광/시준 장치에 의해 집광된 후 시료의 표면에 의해 반사되어 시준 이 되는 경로를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 I/Q 간섭계(110)로부터 나온 탐지빛은 시료(X)의 표면에 집광되고, 시료의 표면 또는 내부로부터 반사되어 온 빛이 다시 동일한 광학계를 통해 시준이 되어 I/Q 간섭계(110)로 되돌아간다.

도 3은 본 발명에 따른 복합 기능 현미경이 투과 방식으로 작동되는 경우의 집광/시준 장치(130) 및 시료(X)를 예시적으로 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 집광/시준 장치는 집광 장치(302), 시준 장치(304) 및 거울(306)을 구비하며, 집광 장치(302)와 시준 장치(304)가 분리되어 시료(X)의 전면과 배면에 각각 배치된다. 투과 방식은, 집광장치(302)를 이용하여 시료(X)의 내부에 초점을 맺히게 하고 투과된 탐지빛을 다시 시준장치(304)를 이용하여 시준시킨 후 이를 거울(306) 등을 사용하여 다시 I/Q 간섭계(110)에 입력시킨다. 투과 방식도 반사 방식과 마찬가지 로 스캔 영역에 대한 위상과 진폭변화 이미지를 얻을 수 있으며, 이들로부터 시료의 내부구조에 대한 복합적인 진단이 가능하다.

I/Q 간섭계로부터 출력된 탐지빛이 시료(X)로 집광되고 시료로부터 반사되거나 시료를 투과한 후 시준되어 I/Q 간섭계로 입력되는데, 집광 및 시준되는 과정에서 시료(X)의 표면에 대한 국부적인 구조적 및/또는 광학적 특성에 따라 탐지빛의 위상 변화와 진폭 변화가 유도된다. I/Q 간섭계는 시료에 따라 위상 변화와 크기 변화가 유도된 탐지빛이 입력되고, 입력된 탐지빛에 대하여 I/Q-복조 방법을 적용하여 탐지빛의 위상 변화와 진폭 변화를 구분하여 측정하게 되며, 측정된 결과를 I 신호 및 Q 신호로 출력하게 된다.

본 실시예는 I/Q 간섭계와 다단층 스캐닝 방식을 결합하여 시료의 표면 또는 내부의 국부적인 광학적 특성을 복합적으로 분석할 수 있는 복합 기능 현미경을 구성하는 것이 목적이다. I/Q-간섭계를 이용하여 표면으로부터 반사되거나 시료 내부를 투과한 탐지빛의 위상과 진폭변화를 동시에 구분하여 측정하고 주사를 통하여 원하는 영역의 국부적인 광학적 특성을 매핑(mapping) 시킬 수 있다. 주사 과정에서 시료(X)의 표면으로부터 반사된 탐지빛의 위상변화로부터 표면의 구조적 형상을 알 수 있으며 진폭의 변화로부터 표면의 물질적 특성의 변화를 알 수 있다. 또한, 시료를 투과한 탐지빛의 위상과 진폭은 시료를 구성하는 매질의 굴절률과 흡수계수에 의해 주어지기 때문에 I/Q-간섭계를 이용하여 투과된 빛의 위상과 진폭변화를 구분하여 측정함으로써 시료의 내부 구조와 물질에 대한 복합적인 진단이 가능하다. 따라서 일반적인 반도체 또는 바이오 시료에 대한 진단에 있어서 반사 및 투과 방식에 의한 진단을 함께 수행함으로써 시료에 대한 많은 구조적 및 물질적 정보를 알 수 있다.

상기 I/Q 간섭계(110)는 탐지빛을 제공하고 상기 탐지빛은 시료(X)에 집광 및 시준되어 상기 시료의 표면 정보를 포함하여 다시 I/Q 간섭계(110)로 입력된 후, I-신호 및 Q-신호로 변환되어 컴퓨터(150)로 제공된다.

한편, 상기 컴퓨터(150)는 시료(X)가 놓이는 시료대를 이동시키는 XY 스캐너(142)의 이동을 제어하는 스캐너 구동장치(160)로 이동제어신호를 전송하며, 상기 스캐너 구동장치(160)는 상기 전송된 이동제어신호에 따라 상기 XY 스캐너(140)의 이동을 제어한다. 상기 XY 스캐너(142)는 시료대를 탐지빛의 진행 방향에 대해 수직한 두 방향으로 이동시키도록 구성된다. 또한, 상기 컴퓨터(150)는 상기 시료(X)가 놓이는 시료대를 상하 이동 기구(140)의 상하 이동 거리를 제어하는 미세 거리 조절 장치(170)로 위치 조절 오차 신호를 전송하며, 상기 미세 거리 조절 장치(170)는 상기 위치 조절 오차 신호에 따라 상기 상하 이동 기구(140)의 상하 이동을 제어한다. 상기 상하 이동 기구(140)는 시료대를 탐지빛의 진행 방향과 동일한 방향으로 이동시키도록 구성된 것으로서, 시료대를 z-축 방향으로 정밀이송이 가능한 PZT 이송장치나 스텝 모터 이송장치등이 사용될 수 있다.

컴퓨터에 연결되어 있는 XY 스캐너에 의해 정밀하게 위치를 바꿔가면서 관심 있는 영역을 주사함으로써 해당 영역에 대한 위상 및 진폭변화 맵(map)을 구할 수 있고 이를 통하여 시료의 표면이나 내부의 구조와 재질에 대한 복합적인 현미경 진단이 가능하다.

이하, 도 4를 참조하여 본 실시예에 따라 전술한 구성을 갖는 복합 기능 현미경에 다단층 스캐닝 방법을 적용하여 시료의 단층별 스캐닝하는 과정을 설명한다. 도 4는 본 실시예에 따라 다단층 스캐닝하는 복합 기능 현미경의 동작을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 다단층 스캐닝 과정은, 먼저 시료(X)를 시료대에 놓은 후, 상하이동기구를 이용하여 시료대를 z-축 상의 한 위치에 고정시킨 후 XY 스캐너를 이용하여 xy-방향으로 스캐닝을 해가면서 (x, y) 위치에 따라 변하는 위상 및 진폭값을 I/Q-간섭계로부터 측정하여 이를 컴퓨터에 저장한다. 다음, 상하이동기구를 z-축 방향으로 한 스텝 이송시켜 z-축상의 위치를 변경시킨 후 다시 xy-방향으로 스캐닝하면서 위상과 진폭 변화에 대한 데이터를 얻게 된다. 이와 같이 z-축 방향으로의 이송 후에 xy-방향 스캐닝을 통해 위상과 진폭변화 정보를 얻는 것을 반복적으로 수행하여, 여러 단층에 대한 스캐닝을 하게 된다. 이 때 z-축 방향으로의 이송 스텝 간격과 이송 횟수는 시료에 따라 수동적으로 설정할 수도 있고, 단층별 스캐닝 결과를 비교해가면서 소프트웨어를 통해 조절하는 자동설정 기능을 적용할 수 있다.

상기 컴퓨터는 시료를 단층별로 스캐닝하면서 탐지빛에 유도된 위상과 진폭변화 신호를 I/Q 간섭계로부터 제공받아 저장시키고, 저장된 각 단층별 스캐닝 결과로부터 해당 단층에 대한 국부적인 위상변화와 진폭변화 맵(map)을 구할 수 있으며, 여러 단층에 대한 스캐닝 결과들을 종합함으로써 시료(X)의 3차원 기하학적 구조 및 재질분포에 대하여 정량적인 분석이 가능해 진다.

다단층 스캐닝 기술을 적용함으로써 각 단층별로 초점과 같은 높이에 있는 시료면의 구조에 대한 복합분석이 가능하고, 각 단층에서 얻어진 분석결과들을 종합함으로써 시료의 3차원 구조와 재질에 관한 정량적인 정보를 얻을 수 있다. 이때 단층과 단층 사이의 간격과 단층의 수는 시료의 특성, 집광장치의 초점깊이(depth of focus)등을 고려하여 수동으로 정하거나, 소프트웨어를 이용하여 단층과 단층 사이의 변화를 비교하여 자동적으로 간격과 단층의 수를 결정할 수도 있다.

다 단층 스캐닝을 이용하여 표면진단하는 경우, 먼저 초점이 정확하게 표면에 위치했을 때 진폭신호의 크기가 가장 크다는 점을 이용하여 우선 단층 스캐닝 결과에서 진폭신호의 크기가 가장 큰 점을 찾는다. 다음, 진폭 신호의 크기가 가장 큰 지점과 위상이 같은 지점들을 연결하여 표면 형상(topography)에 대한 등고선(等高線, contour) 또는 등고면(等高面)을 얻을 수 있으며, 해당 등고선 또는 면들에 대한 진폭신호로부터 표면의 불균질성 등에 의한 반사율 변화에 대한 정보를 얻을 수 있다. 또한, 상기 지점들은 항상 초점이 위치하기 때문에 해당 지점에서 집광장치가 갖는 최적의 분해능으로 시료를 분석할 수 있다.

제2 실시예

이하, 본 발명의 제2 실시예에 따른 일정 위상 스캐닝 방법을 적용한 복합 기능 현미경에 대하여 설명한다. 본 실시예에 따른 복합 기능 현미경은 일정 위상 스캐닝 방법을 적용하여 시료(X)의 표면 구조를 분석하게 된다. 도 5는 본 발명에 따른 복합 기능 현미경에 일정 위상 스캐닝 방법을 적용하여 시료의 표면 구조를 분석하는 과정을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.

일정 위상 스캐닝의 경우 탐지빛의 초점을 시료상의 원하는 위치에 맺히게 한 후 이 때의 위상값을 기준으로 하여 시료를 xy-방향으로 스캐닝할 때 위상이 항상 일정한 값을 갖도록 집광장치와 시료사이의 간격을 되먹임 조절해주는 방법이다. 되먹임 조절용 오차신호로부터 일정 위상을 갖는 면의 높낮이를 알 수 있으며, 진폭신호로부터 재질변화 등에 의해 주어지는 반사율의 변화에 대한 정보를 알 수 있다.

예를 들어, 3차원 구조를 갖는 미세 구조물의 경우 오차신호는 3차원 구조의 높낮이에 의해 주어지므로 컴퓨터에 저장된 오차신호로부터 구조물의 3차원 형상을 정확하게 형상화 할 수 있으며, 이때 구조물의 재질에 변화가 없다면 측정된 진폭 신호는 항상 일정한 값을 가져야 한다. 만약 이와 같은 구조물에 불순물이 첨가되어 국부적으로 반사계수가 달라졌을 경우 진폭신호가 달라지므로 이로부터 구조물의 이상여부를 진단할 수 있다. 표면을 구성하는 매질이 일정하지 않을 경우 역시 오차신호로부터 표면의 3차원 구조를 형상화 시킬 수 있으며, 크기 신호의 변화에 따라 재료의 이질성에 대하여 정량적으로 알 수 있다. 따라서 이와 같은 현미경 방법을 통하여 표면의 3차원 구조와 재질을 명확하게 진단할 수 있다.

일정위상 스캐닝 방법의 경우에는 우선 초점이 놓여있는 한 지점에서의 위상 값을 기준으로 하여 스캐닝하는 동안, 상기 컴퓨터(150)는 탐지빛의 위상이 항상 일정한 값을 유지할 수 있도록 하기 위하여 되먹인 조절에 대한 오차 신호를 미세거리 조정 장치(170)로 제공한다. 상기 컴퓨터는 상기 되먹임 조절용 오차신호를 이용하여 시료의 표면에 대한 기하학적인 3차원 구조를 이미지화 할 수 있고 크기 신호로부터 시료를 구성하는 매질에 대한 균질도를 알 수 있다. 시료의 표면을 스캐닝하는 동안 탐지빛의 초점면이 항상 시료의 표면에 놓여있기 때문에 최상의 분해능을 유지할 수 있다.

본 발명은 반사형 또는 투과형으로 사용할 수 있는 데 반사형의 경우 시료의 표면 또는 내부로부터 반사되어온 탐지빛을 I/Q-간섭계로 분석함으로써 시료의 표면과 내부를 진단하는 방법이며 표면에서의 반사를 이용하는 경우는 광학적으로 투과계수가 적은 시료에 대하여 적용되고, 광학적으로 투과계수가 적당한 시료에 대해서는 표면과 내부에 대한 진단을 모두 수행할 수 있다. 투과형 현미경의 경우 투과계수가 적지 않은 시료의 복합진단에 적용될 수 있으며 탐지빛이 집광된 영역에 서 시료의 평균적인 광학 두께(optical thickness)와 흡수 및 반사에 의한 진폭변화를 알 수 있다. 따라서 이 방법은 반사형의 내부 탐사 방식과 함께 투과계수가 적지 않은 시료에 대하여 내부의 물질 구성, 광학두께의 변화 등 중요한 특성들을 복합적으로 진단할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.

그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 복합 기능 현미경을 전체적으로 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명에 따른 복합 기능 현미경이 반사 방식으로 작동되는 경우, 탐지빛이 집광/시준 장치에 의해 집광된 후 시료의 표면에 의해 반사되어 시준이 되는 경로를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 복합 기능 현미경이 투과 방식으로 작동되는 경우의 집광/시준 장치(130) 및 시료(X)를 예시적으로 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 다단층 스캐닝 방식을 적용한 복합 기능 현미경의 동작을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따라 일정 위상 스캐닝 방법을 적용한 복합 기능 현미경의 동작을 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 복합 기능 현미경

100 : 광원

110 : I/Q 간섭계

120 : 탐지빛 입출력 장치

130 : 집광/시준(collimation) 장치

140 : 상하이동기구

142 : XY스캐너

150 : 컴퓨터

160 : 스캐너 구동 장치

170 : 미세 거리 조정 장치

302 : 집광 장치

304 : 시준 장치

306 : 거울

X : 시료

Claims

시료로 탐지빛을 제공하고, 상기 시료에 대해 집광 및 시준되어 되돌아온 탐지빛과 기준빛을 I-신호 및 Q-신호로 변환하여 출력하는 I/Q 간섭계;

시료가 배치되는 시료대;

상기 시료대를 탐지빛의 진행 방향에 대해 수직한 두 방향으로 이동시키는 XY 스캐너;

상기 XY 스캐너의 이동을 제어하는 스캐너 구동 장치;

상기 시료대를 탐지빛의 진행 방향과 동일한 방향으로 이동시키는 상하 이동 기구;

상기 상하 이동 기구의 이동을 제어하는 미세 거리 조정 장치;

상기 I/Q 간섭계로부터 제공되는 탐지빛을 시료의 표면으로 집광시키거나 시료에 의해 반사되거나 투과된 탐지빛을 시준시켜 I/Q 간섭계로 다시 제공하는 집광/시준 장치;

상기 스캐너 구동 장치로 XY 스캐너의 이동을 제어하는 이동 제어 신호를 전송하거나, 상기 미세 거리 조정 장치로 상하 이동 기구의 이동을 제어하는 신호를 전송하며, 상기 I/Q 간섭계로부터 제공되는 I-신호 및 Q-신호를 입력받아 시료의 표면 또는 내부에 대한 정보를 추출하는 컴퓨터;

를 구비하고, 상기 컴퓨터는 상하 이동 기구를 임의의 위치에 고정시킨 후 XY 스캐너를 구동하여 시료의 제1 단층에 대하여 스캐닝한 후, 상하 이동 기구를 구동시켜 시료대를 이동시킨 후 XY 스캐너를 구동하여 시료의 제2 단층에 대하여 스캐닝하며, 이러한 과정을 반복적으로 수행하여 시료에 대하여 다단층 스캐닝을 수행하며,

상기 시료의 표면을 스캐닝할 때 상기 집광/시준 장치에 의해 I/Q 간섭계로 다시 제공되는 탐지빛은 시료의 각 위치에 대한 위상 변화와 진폭 변화에 대한 정보를 포함하며,

상기 컴퓨터는 상기 시료의 표면을 스캐닝할 때 획득된 상기 탐지빛의 위상 변화에 대한 정보를 이용하여 시료의 표면에 대한 구조적 형상을 판단하며, 상기 탐지빛의 진폭 변화에 대한 정보를 이용하여 시료의 표면에 대한 물질적 특성을 판단하는 것을 특징으로 하는 복합 기능 현미경.
시료로 탐지빛을 제공하고, 상기 시료에 대해 집광 및 시준되어 되돌아온 탐지빛과 기준빛을 I-신호 및 Q-신호로 변환하여 출력하는 I/Q 간섭계;

시료가 배치되는 시료대;

상기 시료대를 탐지빛의 진행 방향에 대해 수직한 두 방향으로 이동시키는 XY 스캐너;

상기 XY 스캐너의 이동을 제어하는 스캐너 구동 장치;

상기 시료대를 탐지빛의 진행 방향과 동일한 방향으로 이동시키는 상하 이동 기구;

상기 상하 이동 기구의 이동을 제어하는 미세거리 조정 장치;

상기 I/Q 간섭계로부터 제공되는 탐지빛을 시료의 표면으로 집광시키거나 시료에 의해 반사되거나 투과된 탐지빛을 시준시켜 I/Q 간섭계로 다시 제공하는 집광/시준 장치;

상기 스캐너 구동 장치로 XY 스캐너의 이동을 제어하는 이동 제어 신호를 전송하거나, 상기 미세 거리 조정 장치로 상하 이동 기구의 이동을 제어하는 신호를 전송하며, 상기 I/Q 간섭계로부터 제공되는 I-신호 및 Q-신호를 입력받아 시료의 표면 및 내부의 정보를 추출하는 컴퓨터;

를 구비하고, 상기 컴퓨터는 시료의 특정 위치에 탐지빛의 초점을 맺히게 하여 기준 위상을 설정한 후, 상기 시료를 XY 방향으로 스캐닝할 때 상기 기준 위상이 변하지 않도록 하기 위한 되먹임 조절용 오차 신호를 미세 거리 조정 장치로 제공하며, 상기 되먹임 조절용 오차 신호에 따라 집광/시준 장치와 시료와의 간격을 조정하며, XY 위치에 따른 되먹임 조절용 오차 신호를 이용하여 시료의 표면의 높낮이를 측정하며,

상기 시료를 스캐닝할 때 상기 집광/시준 장치에 의해 I/Q 간섭계로 다시 제공되는 탐지빛은 시료의 각 위치에 대한 위상 변화와 진폭 변화에 대한 정보를 포함하며,

상기 컴퓨터는 상기 시료의 표면을 스캐닝할 때 획득된 상기 탐지빛의 위상 변화에 대한 정보를 이용하여 시료의 표면에 대한 구조적 형상을 판단하며, 상기 탐지빛의 진폭 변화에 대한 정보를 이용하여 시료의 표면에 대한 물질적 특성을 판단하는 것을 특징으로 하는 복합 기능 현미경.
제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컴퓨터는 스캐닝 결과에서 진폭 신호가 가장 큰 지점을 찾고, 상기 진폭 신호가 가장 큰 지점과 위상이 같은 지점들을 연결하여 표면 형상에 대한 등고선 또는 등고면을 획득하는 것을 특징으로 하는 복합 기능 현미경.
제3항에 있어서, 상기 컴퓨터는 상기 획득된 등고선 또는 등고면에 대한 진폭 신호들로부터 반사율 변화 정도를 검출하고, 검출된 반사율 변화 정도에 따라 시료의 매질의 불균질성을 판단하는 것을 특징으로 하는 복합 기능 현미경.
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