KR101171362B1 - 위상검출수단이 개선된 헤테로다인 레이저 간섭계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 2개의 주파수 성분을 갖는 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원; 상기 레이저 빔의 경로를 분리하여 기준광과 측정광을 제공하는 간섭 광학계; 및 상기 기준광에 대응하는 전기적 광신호와 상기 측정광에 대응하는 전기적 광신호에 대하여 각각 제로 크로싱 타임을 계측하여 위상을 검출하는 TDC 모듈과, 상기 기준광과 측정광에 대응하는 광신호들 간의 위상차를 계산하는 로직 모듈을 구비한 위상검출기;를 포함하는 헤테로다인 레이저 간섭계를 개시한다.

Description

위상검출수단이 개선된 헤테로다인 레이저 간섭계{HETERODYNE LASER INTERFEROMETER IMPROVED IN PHASE DETECTING MEANS}

본 발명은 헤테로다인 레이저 간섭계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기준광과 측정광의 경로차이에 따른 위상차를 검출하여 측정 대상체에 대한 물리량을 측정하는 헤테로다인 레이저 간섭계에 관한 것이다.

일반적으로 헤테로다인 레이저 간섭계는 2개의 주파수를 갖는 레이저 빔을 기준광과 측정광으로 분리하고, 측정 대상체의 움직임에 의해 발생하는 기준광과 측정광 간의 경로차이에 따른 간섭현상을 이용하여 측정 대상체의 변위 등을 계측하도록 구성된다.

이러한 헤테로다인 레이저 간섭계는 측정 정밀도가 매우 높아 반도체/FPD(Flat Panel Display)용 노광장비, FPD용 잉크젯 프린터, 초정밀 3차원 측정기, 초정밀 가공기, 각종 변위센서나 스테이지(Stage)의 보정장치 등 다양한 산업분야에 널리 활용되고 있다.

헤테로다인 레이저 간섭계는 레이저 이득물질에 자장을 가하여 2개의 주파수를 얻는 지만(Zeeman) 레이저를 사용하는 방식과, 음향-광 변조기(Acousto-Optic Modulator: AOM)를 사용하는 방식으로 구분될 수 있다. 통상적으로 AOM 방식은 지만 레이저 방식에 비해 비트 주파수(Beat frequency)가 높고 빠른 측정속도를 구현할 수 있으나, AOM 방식은 광손실이 큰 단점이 있어 지만 레이저 방식의 시장 점유율이 상대적으로 높은 것으로 알려져 있다.

헤테로다인 레이저 간섭계에 대한 기술을 개시하고 있는 특허문헌의 예로는 대한민국 공개특허 제1995-0019635호, 공개특허 제2004-0001099호를 들 수 있다.

대한민국 공개특허 제1995-0019635호에서는 3개의 종모드로 발진하는 레이저를 광원으로 사용하여 3개 주파수 사이의 2차 비트 주파수 편이를 측정함으로써 분해능을 높이는 3주파수 헤테로다인 레이저 간섭계를 개시하고 있다.

대한민국 공개특허 제2004-0001099호에서는 헬륨-네온 레이저를 사용할 때 비트 주파수가 큼에 따라 대두되는 측정 분해능 저하문제를 해결하기 위해 국부발진기에서 인위적으로 임의의 주파수 성분을 갖는 임의신호를 만들어 이를 측정신호와 기준신호에 인가하는 구성을 가진 헤테로다인 레이저 간섭계를 개시하고 있다.

하지만, 종래기술에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계는 위상검출기술에 한계가 있어 예컨대, 100ps 이내의 높은 시간분해능을 실현하기가 현실적으로 곤란한 문제가 있다. 이러한 취약점으로 인해 기존의 헤테로다인 레이저 간섭계는 노광장비 내에 정렬된 웨이퍼의 미세진동을 검출하지 못하거나, 대면적 디스플레이용 유리기판과 같이 제조공정 중에 대기중에 노출되는 대형 물체의 경우, 10m 내외의 장거리 계측이 불가능하고 공기의 굴절률 변화나 난류(Turbulence), 각종 노이즈에 따른 진동을 검출하지 못하는 문제가 종종 발생하는 것으로 알려져 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 기준광과 측정광에 대한 광신호 파형의 시간 영역(Time domain)을 디지털 처리하여 위상차를 검출하는 구조를 가진 헤테로다인 레이저 간섭계를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 TDC(Time to Digital Converter)를 구비한 위상검출기를 가진 헤테로다인 레이저 간섭계를 개시한다.

즉, 본 발명에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계는 적어도 2개의 주파수 성분을 갖는 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원; 상기 레이저 빔의 경로를 분리하여 기준광과 측정광을 제공하는 간섭 광학계; 및 상기 기준광에 대응하는 전기적 광신호와 상기 측정광에 대응하는 전기적 광신호에 대하여 각각 제로 크로싱 타임을 계측하여 위상을 검출하는 TDC 모듈과, 상기 기준광과 측정광에 대응하는 광신호들 간의 위상차를 계산하는 로직 모듈을 구비한 위상검출기;를 포함한다.

상기 레이저 광원은 서로 수직하게 편광된 2개의 주파수 성분이 포함된 레이저 빔을 생성하는 것이 바람직하다.

상기 간섭 광학계는, 상기 레이저 광원에서 생성된 레이저 빔에서 상기 기준광을 분리하는 빔 스플리터와, 상기 측정광을 제공하기 위하여 상기 레이저 빔에 포함된 2개의 주파수를 수평편광 성분과 수직편광 성분으로 분리하는 편광 빔 스플리터와, 고정상태에서 상기 수평편광 성분 및 수직편광 성분 중 어느 하나를 반사시키는 기준 리플렉터와, 측정 대상체에 장착되어 상기 수평편광 성분 및 수직편광 성분 중 다른 하나를 반사시키는 이동 리플렉터를 포함할 수 있다.

헤테로다인 레이저 간섭계는 상기 기준 리플렉터를 진동시켜 광학오차를 보정하는 바이브레이터;를 더 포함할 수 있다.

상기 바이브레이터는 상기 기준 리플렉터의 배면에 부착되는 피에조 플레이트인 것이 바람직하다.

상기 위상검출기는, 상기 기준광과 측정광에 포함된 2개 주파수의 합성에 따른 비트 주파수를 카운트하는 카운터;를 더 포함하고, 상기 로직 모듈은 상기 카운터의 카운트값과 상기 TDC 모듈의 계측값을 가산하여 위상차를 계산하는 처리를 수행할 수 있다.

본 발명에 따르면 헤테로다인 레이저 간섭계에 TDC를 적용하여 위상차 검출 정밀도를 높임으로써 나노미터(㎚)급의 미세진동에 따른 측정 대상체의 변위를 고분해능, 고반복률로 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 헤테로다인 레이저 간섭계에서 발생하는 2 파장의 광 혼합에 의한 광학오차를 제거할 수 있다.

따라서, 본 발명의 적용시 1㎚ 이내의 고정밀도로 미세진동을 측정하는 것이 가능하고, 10m 이상의 장거리 계측이나 동시 다축 계측이 가능한 헤테로다인 레이저 간섭계를 구현할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계의 구성도,
도 2는 도 1에서 위상검출기의 구성을 도시한 블록도,
도 3은 도 2에서 기준광과 측정광에 대응하는 광신호의 파형을 나타낸 그래프,
도 4는 도 2에서 카운터와 TDC 모듈에 입력되는 디지털 신호를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계의 구성도,
도 6은 도 5에서 위상검출기에 입력되는 광신호에 포함된 혼합성분에 따른 광학오차 발생정도를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계는 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원(100)과, 레이저 빔의 경로를 분리하여 기준광과 측정광을 제공하는 간섭 광학계(110)와, TDC를 이용하여 기준광과 측정광 간의 위상차를 검출하는 위상검출기(130)를 포함한다.

레이저 광원(100)은 적어도 2개의 주파수 성분을 갖는 레이저 빔을 생성한다. 레이저 광원(100)으로는 서로 수직하게 편광된 2개의 주파수 성분(f₁, f₂)이 포함된 레이저 빔을 생성하는 지만 레이저가 채용되는 것이 바람직하다.

간섭 광학계(110)는 레이저 광원(100)에서 생성된 레이저 빔에서 기준광을 분리하는 빔 스플리터(Beam splitter)(112)와, 빔 스플리터(112)에서 분리된 기준광 이외의 레이저 빔을 측정 대상체로 안내하기 위한 편광 빔 스플리터(Polarization beam splitter)(113)를 구비한다.

빔 스플리터(112)에 입사되는 레이저 빔에는 2개의 주파수 성분(f₁, f₂)이 포함된다. f₁ 과 f₂ 는 레이저 광원(100)과 빔 스플리터(112) 사이에 구비된 λ/4 플레이트(111)에 의해 각각 수직 모드와 수평 모드로 선형편광(Linear polarization)된 주파수 성분이다.

빔 스플리터(112)에서 반사되어 분리된 기준광은 f₁ 과 f₂를 포함하고, f₁ 과 f₂는 편광자(120)를 통과하여 합성되고 그에 따른 비트 주파수 f₂ - f₁ 는 광검출기(120)에 의해 전기적 광신호로 변환된 후 위상검출기(130)에 입력된다.

편광 빔 스플리터(113)는 빔 스플리터(112)를 통과한 레이저 빔에 포함된 2개의 주파수 성분(f₁, f₂)을 편광 모드별로 분리하여 서로 다른 방향으로 안내한다. 즉, 편광 빔 스플리터(113)는 레이저 빔에서 f₂와 f₁을 분리하여 각각을 기준 리플렉터(Reference reflector)(114)와 이동 리플렉터(Moving reflector)(115)로 안내한다.

기준 리플렉터(114)는 고정상태로 설치되어 편광 빔 스플리터(113)에서 분리된 f₂ 성분을 다시 편광 빔 스플리터(113)로 반사하고, 이동 리플렉터(115)는 측정 대상체에 장착되어 편광 빔 스플리터(113)에서 분리된 f₁ 성분을 다시 편광 빔 스플리터(113)로 반사한다.

이동 리플렉터(115)는 측정 대상체와 일체로 이동하게 되므로 도플러 효과(Doppler effect)에 따른 도플러 주파수(f_D) 성분이 f₁ 성분에 합성되어 편광 빔 스플리터(113)로 반사된다. 여기서, 측정 대상체로는 예컨대, 웨이퍼나 디스플레이 기판이 정렬되는 스테이지가 해당될 수 있다. 측정 대상체는 직선축 방향은 물론, 요우(Yaw), 피치(Pitch), 롤(Roll) 방향으로 자유도를 갖는 형태로 제공될 수 있다.

기준 리플렉터(114)와 이동 리플렉터(115)로는 코너 리플렉터(Corner reflector) 소자가 채용될 수 있으며, 대안으로 소정의 미러(Mirror)가 채용될 수도 있다.

기준 리플렉터(114)와 이동 리플렉터(115)에서 반사되어 편광 빔 스플리터(113)로 돌아온 f₂와 f₁ ± f_D 성분은 동일한 광축으로 진행한 후 미러(116)에 의해 편광자(117)로 안내된다. f₂와 f₁ ± f_D 성분은 편광자(117)를 통과하면서 합성되고 그에 따른 비트 주파수 f₂ - (f₁ ± f_D)는 광검출기(120)에 의해 전기적 광신호로 변환된 후 위상검출기(130)에 입력된다.

도 2에 도시된 바와 같이 위상검출기(130)는 광검출기(120)로부터 입력되는 기준광과 측정광에 대응되는 비트 주파수를 카운트하기 위한 카운터(131)와, 광신호의 위상을 검출하는 TDC 모듈(132)과, 위상차를 계산하는 로직 모듈(133)을 포함한다.

광검출기(120)는 예컨대, 포토 다이오드를 포함하여 구성될 수 있다. 도 3의 (a), (b)는 광검출기(120)에서 출력되는 기준광과 측정광에 대응하는 광신호 파형의 예를 나타내며, 도 3의 (c)는 측정 대상체가 이동함에 따른 변위의 예를 나타낸다.

광검출기(120)에서 출력된 광신호는 도 4에 도시된 바와 같이 디지털 형태로 변환된 후 카운터(131)와 TDC 모듈(132)로 입력된다.

카운터(131)는 기준광과 측정광에 각각 대응하는 비트 주파수를 카운트하는 기능을 수행한다. 카운터(131)는 펄스의 상승 순간, 즉 상승에지(Rising edge)를 연속적으로 카운트한다. 바람직하게 카운터(131)로는 통상의 링 카운터(Ring counter)가 채용 가능하다.

TDC 모듈(132)은 기준광과 측정광에 각각 대응하도록 2개가 구비된다. TDC 모듈(132)은 기준광에 대응하는 광신호와 측정광에 대응하는 광신호의 파형에 대하여 각각 제로 크로싱 타임(Zero-crossing time)을 계측하고 주기와의 관계로부터 위상을 검출한다.

로직 모듈(133)은 카운터(131)와 TDC 모듈(132)의 측정값을 이용하여 기준광과 측정광 간의 위상차를 계산하고 그 결과값에 대응하는 신호를 출력한다. 구체적으로, 로직 모듈(133)은 카운터 #1에서 출력되는 카운트값과 카운터 #2에서 출력되는 카운트값 간의 차이값(DC)을 계산하는 한편, TDC 모듈 #1에서 출력되는 측정값과 TDC 모듈 #2에서 출력되는 측정값 간의 차이값(dt)을 계산하고, DC와 dt를 가산한 후 그 결과값을 출력하는 알고리즘을 수행하도록 구성될 수 있다.

헤테로다인 레이저 간섭계에 있어서 측정거리(d)와 위상각(θ) 간의 관계는 아래의 수학식 1과 같이 표현되므로, 상기 알고리즘을 통해 기준광과 측정광에 대한 비트 주파수의 카운트값과, 광신호 파형의 주기 및 시간으로부터 산출된 위상 검출값을 가산 처리하면 고정밀도로 측정 대상체의 변위를 측정할 수 있다. 수학식 1에서 λ는 레이저광의 파장, n은 정수를 나타낸다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계의 구성도이다. 도 5에서 도 1과 동일한 참조부호는 전술한 실시예와 동일한 구성요소에 해당하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 헤테로다인 레이저 간섭계는 2개의 주파수 성분이 혼합되어 비트 주파수로 변조된 광신호에서 발생하는 광학오차를 보정하기 위한 수단이 구비된다.

비트 주파수로 변조된 광신호에서 광학오차가 존재하지 않는 경우 광신호는 '1+Cos[ωt-φ]'의 형식으로 표현되고, 광학오차를 유발하는 혼합성분 a가 존재하는 경우 광신호는 '1+a²+2aCos[φ-tω]+2aCos[tω]+Cos[φ-tω]+a² Cos[φ+tω]'의 형식으로 표현된다.

도 6에 도시된 바와 같이 혼합성분 a값의 증가함에 따라 실제값에 대한 광학오차는 점차 증가하게 된다. 예를 들어, 레이저광의 파장이 632㎚이고 혼합성분 a가 0.3인 경우에는 실제값에 대하여 30㎚ 정도의 광학오차가 발생함을 확인할 수 있다.

상기와 같은 광학오차의 보상을 위해 헤테로다인 레이저 간섭계에는 기준 리플렉터(114)를 특정주파수로 진동시킴으로써 광학오차를 제거하는 바이브레이터(Vibrator)(145)가 구비된다.

바이브레이터(145)로는 기준 리플렉터(114)의 배면에 부착되는 피에조 플레이트(Piezo plate)가 채용되는 것이 바람직하다. 바이브레이터(145)는 그에 대응하는 드라이버(Driver)(144) 및 신호발생기(143)에 의해 구동되어 기준 리플렉터(114)에 대하여 수 ㎑ 정도의 바이브레이션을 가하는 작용을 하게 된다.

광학오차의 보정 처리를 위하여 헤테로다인 레이저 간섭계는 드라이버(144)에 연결된 구동신호 계측모듈(141)과, 위상검출기(130)에 연결된 광학오차 계측모듈(142)과, 위상검출기(130)와 광학오차 계측모듈(142)로부터 측정값을 입력받아 오차보정 제어를 수행하는 오차보정 회로모듈(140)을 포함한다.

상기와 같은 구성에 의하면 위상검출기(130)에서 출력되는 신호에서 광학오차가 검출되었을 때 실시간으로 바이브레이터(145)를 구동하여 기준 리플렉터(114)를 특정주파수로 진동시켜 혼합성분을 제거함으로써 오차를 보상하는 것이 가능하다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100: 레이저 광원 110: 간섭 광학계
111: λ/4 플레이트 112: 빔 스플리터
113: 편광 빔 스플리터 114: 기준 리플렉터
115: 이동 리플렉터 116: 미러
117: 편광자 120: 광검출기
130: 위상검출기 145: 바이브레이터

Claims (6)

1. 기준광과 측정광 간의 경로차이에 따른 간섭현상을 이용하여 측정 대상체의 변위를 계측하는 헤테로다인 레이저 간섭계에 있어서,
   서로 수직하게 편광된 적어도 2개의 주파수 성분을 갖는 레이저 빔을 생성하는 레이저 광원;
   상기 레이저 빔의 경로를 분리하여 기준광과 측정광을 제공하는 간섭 광학계; 및
   상기 기준광에 대응하는 전기적 광신호와 상기 측정광에 대응하는 전기적 광신호에 대하여 각각 제로 크로싱 타임을 계측하여 위상을 검출하는 TDC 모듈과, 상기 기준광과 측정광에 대응하는 광신호들 간의 위상차를 계산하는 로직 모듈을 구비한 위상검출기;를 포함하고,
   상기 간섭 광학계는,
   상기 레이저 광원에서 생성된 레이저 빔에서 상기 기준광을 분리하는 빔 스플리터와, 상기 측정광을 제공하기 위하여 상기 레이저 빔에 포함된 2개의 주파수를 수평편광 성분과 수직편광 성분으로 분리하는 편광 빔 스플리터와, 고정상태에서 상기 수평편광 성분 및 수직편광 성분 중 어느 하나를 반사시키는 기준 리플렉터와, 측정 대상체에 장착되어 상기 수평편광 성분 및 수직편광 성분 중 다른 하나를 반사시키는 이동 리플렉터를 구비한 것을 특징으로 하는 헤테로다인 레이저 간섭계.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 기준 리플렉터를 진동시켜 광학오차를 보정하는 바이브레이터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 레이저 간섭계.
5. 제4항에 있어서,
   상기 바이브레이터는 상기 기준 리플렉터의 배면에 부착된 피에조 플레이트인 것을 특징으로 하는 헤테로다인 레이저 간섭계.
6. 제1항에 있어서, 상기 위상검출기는,
   상기 기준광과 측정광에 포함된 2개 주파수의 합성에 따른 비트 주파수를 카운트하는 카운터;를 더 포함하고,
   상기 로직 모듈은 상기 카운터의 카운트값과 상기 TDC 모듈의 계측값을 가산하여 위상차를 계산하는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 레이저 간섭계.

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