KR101120527B1

KR101120527B1 - 포인트 소스를 이용한 간섭계 및 그 측정 방법

Info

Publication number: KR101120527B1
Application number: KR1020090088135A
Authority: KR
Inventors: 정미숙; 주원돈
Original assignee: 한국산업기술대학교산학협력단
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2012-03-06
Also published as: KR20110030143A

Abstract

본 발명은 레이저빔을 마이크로미터 급(예를 들어, 1마이크로미터)의 핀홀(pinhole)에 통과시킨 포인트 소스 형태의 빔을 기준 빔으로 이용함으로써, 이러한 포인트 소스 형태의 완벽한 기준 빔이 측정 빔과 간섭 무늬를 형성할 때 주위 온도나 진동 등의 주변 환경의 변화에도 민감하지 않게 안정적이고 높은 정밀도로 측정이 가능하고 고가의 정밀 광학계 없이도 저렴하게 구성할 수 있는 간섭계 및 그 측정 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일면에 따른 간섭계는, 핀홀을 갖는 미러를 이용해 레이저 빔을 상기 핀홀에 통과시킨 포인트 소스 형태의 기준 빔과 레이저 빔이 측정 대상체로부터 반사되는 측정 빔을 발생하여 상기 기준 빔과 상기 측정 빔의 간섭 패턴을 형성하기 위한 것을 특징으로 한다.

핀홀(pinhole), 포인트 소스, 기준 빔, 측정 빔, 간섭 패턴(무늬)

Description

포인트 소스를 이용한 간섭계 및 그 측정 방법{Interferometer System using Point Source and Measurement Method thereof}

본 발명은 간섭계 및 그 측정 방법에 관한 것으로서, 특히, 레이저빔을 마이크로미터 급(예를 들어, 1마이크로미터)의 핀홀(pinhole)에 통과시킨 포인트 소스 형태의 빔을 기준 빔으로 이용함으로써, 이러한 포인트 소스 형태의 완벽한 기준 빔이 측정 빔과 간섭 무늬를 형성할 때 주위 온도나 진동 등의 주변 환경의 변화에도 민감하지 않게 안정적이고 높은 정밀도로 측정이 가능하고 고가의 정밀 광학계 없이도 저렴하게 구성할 수 있는 간섭계 및 그 측정 방법에 관한 것이다.

간섭계는 정밀 측정이 필요한 광학부품 소자 가공 산업, 다이아몬드 연마 공정, 정밀 기계 가공, 반도체 노광 장비 등 정밀 분야에서 많이 사용되고 있다. 특히, 레이저를 간섭계의 광원으로 이용하는 레이저 간섭계는 더욱 다양한 분야에서 더욱 정밀한 측정을 가능하게 만들었다. 레이저 간섭계를 이용하여 1마이크로미터 이하의 미소 변위까지 측정이 요구되는 경우의 예로서, 반도체 노광 장비에 있어서 마스크와 웨이퍼의 정렬을 위해 스테이지의 변위를 정확히 측정해야 하는 경우, 원자 현미경(AFM: Atomic Force Microscopy) 또는 근접 현미경(SNOM: Scanning Near- field Optical Microscopy)과 같은 나노측정 장비의 스테이지의 이동을 측정해야 하는 경우, 나노미터 단위의 오차 범위 내에서의 위치 추적이 필요한 광자기 디스크의 헤드 스캔 위치를 모니터링 하는 경우 등이 있다.

레이저 간섭계를 이용한 정밀 측정의 원리는 레이저빔을 기준 빔과 측정 빔으로 분리하고, 측정 빔이 측정 대상체를 경유하여 나올 때의 빔과 기준 빔에 의하여 형성되는 간섭 무늬를 분석하는 과정에 의하여 이루어질 수 있다.

이와 같은 레이저 간섭계를 이용한 정밀 측정에 의하여 현미경과 같은 광학계나 렌즈 등의 광 부품을 평가할 수 있는데, 기존의 레이저 간섭계에서는 레이저 빔을 광원으로 하여 정밀 광학계를 이용한 기준 빔(reference beam)을 만들고 광학계나 광 부품의 평가를 위하여 고가의 다양한 초점 길이(focal length)를 가진 대물렌즈를 필요로 한다. 즉, 기존의 레이저 간섭계는 많은 정밀 보조 광학계로 구성되며 주위 온도나 진동 등의 주변 환경에 민감한 특성을 가지고 있어 사용장소에 제한이 있다. 최근 이러한 주변 환경에 대하여 영향이 적은 간섭계들이 개발되고 있지만 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 주위 온도나 진동 등의 주변 환경의 변화에도 민감하지 않게 안정적이고 높은 정밀도로 측정이 가능하고 고가의 정밀 광학계 없이도 저렴하게 구성할 수 있도록 하기 위하여, 레이저빔을 마이크로미터 급(예를 들어, 1마이크로미터)의 핀 홀(pinhole)에 통과시킨 포인트 소스 형태의 완벽한 빔을 기준 빔으로 이용하여 광학계나 광 부품의 평가에 사용할 수 있는 간섭계 및 그 측정 방법을 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른 간섭계는, 핀홀을 갖는 미러를 이용해 레이저 빔을 상기 핀홀에 통과시킨 포인트 소스 형태의 기준 빔과 레이저 빔이 측정 대상체로부터 반사되는 측정 빔을 발생하여 상기 기준 빔과 상기 측정 빔의 간섭 패턴을 형성하기 위한 것을 특징으로 한다.

상기 핀홀의 직경은 마이크로미터 급(예를 들어, 0.1 내지 3 마이크로미터)를 포함한다.

상기 간섭계는, 일정 스폿 사이즈의 레이저 빔을 발생하는 레이저 장치; 상기 레이저 장치로부터의 레이저 빔을 서로 다른 경로의 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔으로 분리하는 빔 분리기; 및 상기 제1 레이저 빔을 반사시켜 상기 핀홀로 입사시키기 위한 복수의 미러들을 포함하고, 상기 제1 레이저 빔이 상기 핀홀을 통과한 빔을 상기 기준 빔으로 이용하고, 상기 제2 레이저 빔이 직접 상기 핀홀을 통과한 빔을 상기 측정 대상체로 입사하는 측정 빔으로 이용한다.

상기 제2 레이저 빔이 상기 측정 대상체로 입사된 후 상기 측정 대상체로부터 반사되는 측정 빔은 상기 핀홀을 갖는 미러의 하부면에서 반사되어 상기 기준 빔과 한점에서 모이도록 작동한다.

상기 복수의 미러들은 입사되는 빔을 수직 방향으로 순차 반사시키기 위한 두 개의 미러들을 포함한다.

상기 간섭계는, 상기 복수의 미러들과 상기 핀홀을 갖는 미러 사이에 배치되고, 상기 복수의 미러들에서 반사되는 상기 제1 레이저 빔의 초점을 조절하여 상기 핀홀로 입사시키기 위한 제1 포커싱 렌즈; 및 상기 빔 분리기와 상기 핀홀을 갖는 미러 사이에 배치되고, 상기 빔 분리기로부터의 상기 제2 레이저 빔의 초점을 조절하여 상기 핀홀로 입사시키기 위한 제2 포커싱 렌즈를 더 포함할 수 있다.

상기 기준 빔과 상기 측정 빔의 간섭 패턴을 촬영하여 해당 영상 신호를 생성하는 광검출기를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 일면에 따른 간섭계의 측정 방법은, 핀홀을 갖는 미러를 이용해 레이저 빔을 상기 핀홀에 통과시킨 포인트 소스 형태의 기준 빔과 레이저 빔이 측정 대상체로부터 반사되는 측정 빔을 발생하여 상기 기준 빔과 상기 측정 빔의 간섭 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 간섭계의 측정 방법은, 광학계의 성능 측정이나 광학계 부품의 특성 측정에 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 간섭계 및 그 측정 방법에 따르면, 레이저빔을 마이크로미터 급(예를 들어, 1마이크로미터)의 핀홀(pinhole)에 통과시킨 포인트 소스 형태의 완벽한 빔을 기준 빔으로 이용하여, 광학계나 광 부품의 평가 측정 시에 주위 온도나 진동 등의 주변 환경의 변화에도 민감하지 않게 안정적이고 높은 정밀도로 측정이 가능하고 고가의 정밀 광학계 없이도 저렴하게 구성할 수 있다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 간섭계(100)를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 간섭계(100)는, 레이저 장치(110), 빔 분리기(beam splitter)(120), 제1 미러(mirror)(130), 제2 미러(140), 핀홀(pinhole)을 갖는 미러(150), 및 광 검출기(160)를 포함한다.

레이저 장치(110)는 레이저 광을 발생하는 레이저 발생기(111)와 빔 확장기(beam expander)(112)를 포함한다. 레이저 발생기(111)는 He과 Ne의 혼합가스를 이용하여 레이저 광을 발생시킬 수 있다. 경우에 따라서는 레이저 발생기(111)는 레이저 반도체 소자를 이용하여 레이저 광을 발생시킬 수도 있다. 빔 확장기(112)는 레이저 발생기(111)에서 발생되는 레이저 광을 적절한 빔 스폿(spot) 사이즈가 되도록 빔의 직경을 확대시킨 레이저 빔을 출력할 수 있다.

빔 분리기(120)는 이와 같이 레이저 장치(110)를 통해 적절한 빔 직경으로 방출되는 레이저 빔을 서로 다른 경로의 두 개의 레이저 빔으로 분리할 수 있다.

빔 분리기(120)에서 분리된 두 개의 레이저 빔 중 제1 레이저 빔은 제1 미러(130) 및 제2 미러(140)를 통해 각각 입사 방향에 수직 방향으로 순차 반사된 후, 핀홀을 갖는 미러(150)의 핀홀로 입사될 수 있다. 이에 따라 핀홀을 갖는 미 러(150)의 핀홀을 통과하는 포인트 소스 형태의 기준 빔(151)이 만들어 질 수 있다. 여기서, 핀홀의 직경은 마이크로미터 급의 관통 홀로서, 예를 들어, 0.1 내지 3 마이크로미터의 직경을 갖는 홀일 수 있으며, 핀홀의 직경을 1 마이크로미터로 하는 것이 바람직하다.

또한, 빔 분리기(120)에서 분리된 두 개의 레이저 빔 중 제2 레이저 빔은 핀홀을 갖는 미러(150)의 핀홀을 통과해 측정 대상체로 입사될 수 있고, 이에 따라 핀홀로 통과된 후 측정 대상체로부터 반사되는 측정 빔(152)이 발생될 수 있다. 이와 같이 측정 대상체로부터 반사되는 측정 빔(152)은 핀홀을 갖는 미러(150)의 하부면(예를 들어, 핀홀의 바로 옆)에서 반사되어 기준 빔(151)과 한점에서 모이도록 작동한다

도면에는 도시되지 않았으나, 제2 미러(140)와 핀홀을 갖는 미러(150) 사이에 포커싱 렌즈(focusing lens)를 배치하여, 제2 미러(140)에서 반사되는 상기 제1 레이저 빔의 초점을 조절하여 미러(150)의 핀홀로 입사되도록 할 수 있다. 또한, 빔 분리기(120)와 핀홀을 갖는 미러(150) 사이에 다른 포커싱 렌즈를 배치하여, 빔 분리기(120)로부터의 상기 제2 레이저 빔의 초점을 조절하여 미러(150)의 핀홀로 입사되도록 할 수 있다.

이와 같이, 기준 빔(151)과 측정 빔(152)이 한점에서 모아져 간섭 패턴을 형성하도록 작동하면, 광검출기(160)는 해당 간섭 패턴을 촬영하여 해당 영상 신호, 예를 들어, 디지털 신호를 생성할 수 있다. 광검출기(160)는 CCD(Charge Coupled Device) 등을 이용하여 영상을 촬영할 수 있으며, 광검출기(160)로부터 출력되는 영상 신호는 컴퓨터 등 신호 분석 장치에 의하여 분석 되어 측정 대상체의 성능이나 특성이 파악될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일실시예에 따른 간섭계(100)는, 원자 현미경(AFM: Atomic Force Microscopy), 근접 현미경(SNOM: Scanning Near-field Optical Microscopy)과 같은 각종 광학계의 성능 측정에 활용될 수 있고, 이와 같은 광학계에 구비되는 렌즈 등의 부품의 특성 측정에 활용될 수 있다.

도 2는 도 1의 간섭계(100)를 이용한 광학계의 성능 평가를 설명하기 위한 도면이다.

도 2와 같이, 예를 들어, 원자 현미경, 근접 현미경과 같은 각종 광학계의 성능 평가를 위하여 간섭계(100)의 미러(150) 하부에 해당 광학계를 설치하고, 해당 광학계의 하부에는 측정 빔(152)의 반사를 위한 미러를 배치할 수 있다.

레이저 장치(110)에서 일정 스폿 사이즈의 레이저 빔이 발생되면, 빔 분리기(120)에서 분리된 제1 레이저 빔은 제1 미러(130)와 제2 미러(140)를 경유하여 미러(150)의 핀홀로 통과된 후 포인트 소스 형태의 기준 빔(151)이 된다. 빔 분리기(120)에서 분리된 제2 레이저 빔은 미러(150)의 핀홀로 통과된 후, 평가될 해당 광학계를 통과하여 하부의 미러에서 반사된 후 다시 상기 광학계를 투과하여 미러(150) 하부면의 핀홀 바로 옆에서 반사되어 측정 빔(152)으로 나온다.

이와 같은 기준 빔(151)과 측정 빔(152)은 한 점에서 모아져 특성 평가 대상 광학계의 성능(예를 들어, 굴절율, 투과율, 반사율 등)에 따른 간섭 패턴을 형성하게 되고, 이때 광검출기(160)는 해당 간섭 패턴을 촬영하여 해당 광학계의 성능 평가를 위한 분석에 이용될 영상 신호를 출력할 수 있다.

도 3은 도 1의 간섭계를 이용한 오목 렌즈의 평가를 설명하기 위한 도면이다.

도 3과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 간섭계(100)는, 간섭계(100)의 미러(150) 하부에 오목 렌즈 등 각종 시료를 놓고 측정 함으로써 시료의 광학 특성을 파악하는데 활용될 수도 있다.

도 3에서도, 레이저 장치(110)에서 일정 스폿 사이즈의 레이저 빔이 발생되면, 빔 분리기(120)에서 분리된 제1 레이저 빔은 제1 미러(130)와 제2 미러(140)를 경유하여 미러(150)의 핀홀로 통과된 후 포인트 소스 형태의 기준 빔(151)이 된다. 빔 분리기(120)에서 분리된 제2 레이저 빔은 미러(150)의 핀홀로 통과된 후, 평가될 해당 시료에 입사되고 시료의 표면에서 반사된 후 미러(150) 하부면의 핀홀 바로 옆에서 반사되어 측정 빔(152)으로 나온다.

이와 같은 기준 빔(151)과 측정 빔(152)은 한 점에서 모아져 시료, 예를 들어, 렌즈의 표면 특성에 따른 간섭 패턴을 형성하게 되고, 이때 광검출기(160)는 해당 간섭 패턴을 촬영하여 해당 광학계의 성능 평가를 위한 분석에 이용될 영상 신호를 출력할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 간섭계(100)에서는 레이저빔을 마이크로미터 급(예를 들어, 1마이크로미터)의 핀홀(pinhole)에 통과시킨 포인트 소스 형태의 빔을 기준 빔으로 이용한다. 이에 따라, 포인트 소스 형태의 완벽한 기준 빔이 측정 빔과 간섭 무늬를 형성할 때 주위 온도나 진동 등의 주변 환경의 변화에도 민감하지 않게 안정적이고 높은 정밀도로 측정이 가능하도록 할 수 있으며, 고가의 정밀 광 학계 없이도 저렴하게 구성하여 각종 정밀 측정에 활용할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 간섭계를 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 도 1의 간섭계를 이용한 광학계 평가를 설명하기 위한 도면이다.

Claims

핀홀을 갖는 미러; 일정 스폿 사이즈의 레이저 빔을 발생하는 레이저 장치; 상기 레이저 장치로부터의 레이저 빔을 서로 다른 경로의 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔으로 분리하는 빔 분리기; 및 상기 제1 레이저 빔을 반사시켜 상기 핀홀로 입사시키고 상기 핀홀을 통과한 기준 빔을 형성하기 위한 복수의 미러들을 포함하고,

상기 제2 레이저 빔이 상기 핀홀을 통과한 측정 빔을 측정 대상체로 입사한 후 상기 측정 대상체로부터 반사되는 측정 빔을 상기 핀홀을 갖는 미러의 하부면에서 반사시켜 상기 기준 빔과 한점에서 모이도록 하여 간섭 패턴을 형성하기 위한 간섭계.
제1항에 있어서,

상기 핀홀의 직경은 0.1 내지 3 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 간섭계.
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빔 분리기를 이용해 레이저 빔을 서로 다른 경로의 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔으로 분리하고,

복수의 미러들을 이용해 상기 제1 레이저 빔을 반사시켜 핀홀을 갖는 미러의 상기 핀홀로 통과시킨 기준빔을 형성하며,

상기 제2 레이저 빔이 상기 핀홀을 통과한 측정 빔을 측정 대상체로 입사한 후 상기 측정 대상체로부터 반사되는 측정 빔을 상기 핀홀을 갖는 미러의 하부면에서 반사시켜 상기 기준 빔과 한점에서 모이도록 하여 간섭 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 간섭계의 측정 방법.
제5항에 있어서,

광학계의 성능 측정이나 광학계 부품의 특성 측정에 이용하는 것을 특징으로 하는 간섭계의 측정 방법.