KR101175661B1

KR101175661B1 - 광학식 복합진단 측정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101175661B1
Application number: KR1020100062401A
Authority: KR
Inventors: 조규만; 박영규; 윤승현; 박준규
Original assignee: 서강대학교산학협력단
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-08-22
Also published as: KR20120001824A

Abstract

본 발명은 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 하나의 결합된 장치로 간섭 신호의 위상과 진폭을 구분하여 측정할 수 있으며, 2π-모호성을 극복하고, 오토포커싱 기능도 함께 수행할 수 있는 복합진단 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치에 있어서, 광원(100)으로부터의 광을 대물렌즈(130) 및 반사경(150)으로 분리하여 안내함과 더불어 반사된 탐지빛과 기준빛을 비점수차렌즈(170)로 안내하는 편광 빛살가르개(Polarizing Beam Splitter, 120); 상기 편광 빛살가르개(120)에 의해 안내된 탐지빛과 기준빛을 통과시켜 비점수차를 발생시키는 비점수차 렌즈(170); 상기 비점수차 렌즈(170)를 통과한 광을 입력받아 위상천이 간섭 신호와 포커스 에러 신호(FES)를 동시에 출력하는 신호출력부(180); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치를 제공한다.

Description

광학식 복합진단 측정 장치 및 방법{Optical Composite Measuring Apparatus and Method}

본 발명은 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 측정대상물의 표면이 가지는 각 지점의 미세한 높이변화(단차)나 돌출, 요입, 표면손상, 표면거칠기 등의 표면 상태 정보 및 측정대상물의 각종 광학적 정보(복소 굴절률, 즉 굴절계수(n) 및 소광계수(k))와 높이변화(단차)에 대한 3가지 정보를 광학식으로 동시에 정확히 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

간섭식 측정장치란 탐지빛(probe beam)과 기준빛(reference beam)을 빛살가르개(Beam Splitter, BS)를 이용하여 합쳐주고 이들 간의 간섭현상을 이용하여 측정 대상물의 광학적 성질을 측정하는 장치이다. 이때 탐지빛과 기준빛의 주파수가 같을 경우 이를 호모다인(homodyne) 간섭계라고 하며, 주파수가 다를 경우 이를 헤테로다인(heterodyne) 간섭계라고 한다.

첨부한 도 9에 나타낸 임의의 측정대상 시편에서 기준면(단차 기준 = 0 nm)을 잡고 간섭계로 측정하면 간섭신호는 탐지빛과 기준빛의 함수로 나타내지는데, 일반적으로 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다.

여기서, I_Sig, I_ref는 신호 빛과 참조 빛의 세기(intensity)(즉,

,

)를 나타내고, Φ는 시스템에 의해 주어지는 위상차로 상수값이며,

는 시편 면에서 반사되어 나오는 신호 빛과 참조 빛의 광 경로차를 나타낸다. 상기 식에서 볼 수 있듯이 간섭신호의 위상은 사인 혹은 코사인 함수로 주기함수의 꼴로 주어진다.

또한 광 경로차에 의해 주어지는 간섭신호의 위상차와 굴절률 및 거리변화(혹은 단차) 사이에는 아래의 수학식 2와 같은 관계가 성립된다.

이러한 간섭계를 통한 광학식 측정 장치는 광원의 파장 이하의 분해능으로 위상변화를 측정하고 측정대상물 표면의 굴절률 및 높이변화(단차)를 정밀하게 측정할 수 있지만 몇 가지 해결해야 할 과제들을 지니고 있다.

첫 번째 과제는, 간섭 현상을 이용한 측정 장치는 일반적으로 아무런 보정 없는 상태에서 파장(λ)의 1/2(반사형 간섭계의 경우 1/4)까지의 위상변화만을 측정 가능하기 때문에 이에 대한 보정이 필요하다는 것이다.

예를 들어, 632nm 파장의 헬륨 네온 레이저를 사용하는 반사형 간섭계의 경우로 굴절률이 일정한 시편의 측정에서는 대략적으로 150nm 근처에서 한계점이 발생하며, 150nm 근처의 높이마다 첨부한 도 8에서 보는 바와 같이 반복되는 패턴이 나타남을 확인할 수 있는데, 이러한 현상을 2π-모호성이라고 한다. 이하, 반사형 간섭계에서 위상과 거리 관계 및 2π-모호성에 대해 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

반사형 간섭계로 시편의 표면변화, 즉 단차를 측정할 경우에 공기의 굴절률은 1이고, 탐지빛의 광경로가 2배 즉, 표면으로 입사할 때와 나올 때 두 번의 광 경로 차이를 느끼게 되므로 2배의 광 경로차를 가지게 된다.

즉, 도 9에서 단차가 없는 지점은 단차가 있는 지점에 비해 기준면으로 들어갈 때와 반사되어 나올 때 각각 광 경로차가 발생하므로 실제 반사형 간섭계에서 측정되는 광 경로차는 실제 단차의 2배가 된다.

따라서, 반사형 간섭계의 경우 위상차로 측정한 거리변화(혹은 단차)는 위상변화의 1/2배가 되어 수학식 2는 아래의 수학식 3과 같이 쓸 수 있다.

간섭계의 반복적인 위상값을 실제 위상변화로 바꾸는 과정을 위상 언랩핑(위상 펴기)(phase unwrapping)이라 한다. 그러나 거리변화(혹은 단차)가 급격하게 λ/4 이상인 지점을 측정할 경우에는 위상 언랩핑시 몇 번째 주기인지를 확인할 방법이 없게 되어 실제 측정 면의 상태와 다른 결과를 가져다준다.

현재 상기한 바의 2π-모호성을 극복하기 위한 다양한 연구 및 방법이 제시되고 있으며, 종래의 방법들을 도면을 참조로 간단히 설명하면 다음과 같다.

측정지점에서 광량을 측정하면 광량의 세기는 도 10의 좌측 도면과 같이 나타나는바, 선형 구간을 일정하게 측정하면 반복되는 간섭신호에 일정한 기울기를 지닌 선이 지나가게 되고, 이때 같은 빛의 세기가 측정되는 곳의 숫자가 몇 번 반복된 후에 간섭 현상인지를 알 수 있게 해준다.

이에, 본원 출원인은 비점수차법을 이용한 포커스 에러 신호(Focus Error Signal, FES 또는 FE 신호로 약칭할 수 있음)로 거리를 측정하는 방법으로 대한민국 특허출원 제2009-0017175호 "광학식 표면 측정 장치 및 방법"을 특허 출원한 바 있다.

그러나 상기 방법은 측정 표면의 특성 및 대물렌즈의 배율에 따라 측정할 수 있는 한계가 발생하며, 실제 측정 전에 항상 보정작업을 거쳐야 하는 단점이 있다.

한편, 본원 출원인은 기존 간섭계의 2π-모호성과 포커스 에러 신호(FES)의 한계를 극복하기 위하여 대한민국 특허출원 제2010-0013336호 "광학식 복합진단 측정 장치 및 방법"을 특허 출원한 바 있다.

상기 출원발명은 오토포커싱(Auto focusing, 자동초점조절) 장치의 되먹임 조절용 오차 신호를 간섭계의 신호를 보정하는데 이용하여 2π-모호성 없이 실제의 위상변화 및 높이변화를 간섭계의 높은 분해능을 유지한 상태에서 정확히 읽을 수 있는 광학식 복합진단 측정 장치 및 방법에 대한 기술을 제공한다.

그러나 상기 발명의 2π-모호성 해결 방법은 추가적인 광학계가 요구된다는 단점이 있으며, 따라서 전술한 2π-모호성을 해결하는 동시에 광학계의 구성을 간소화할 수 있는 방안이 필요하다.

간섭계를 이용한 측정 장치의 두 번째 과제는, 측정대상물의 표면 상태 및 광학적 성질을 복합적으로 측정하기 위해 간섭신호의 위상과 진폭을 구분하여 동시에 측정(Quadrature detection)할 수 있어야 한다는 것이며, 더 나아가 상기 [수학식 2]와 같이 위상변화는 굴절률 및 높이변화(단차)에 의해 동시에 변하므로, 복소굴절률 변화 및 높이변화(단차)가 동시에 있는 대상에서는 위상과 진폭뿐만 아니라 실제 측정대상의 높이변화(단차)에 대한 3가지 정보를 구분하여 동시에 측정할 수 있어야 한다는 것이다.

대부분의 간섭계의 경우 복소 굴절률(굴절계수 + 소광계수)이 상수라고 가정하거나 혹은 그러한 환경에서 높이변화(단차)를 측정하거나, 반대로 높이변화(단차)가 없는 측정대상물에서의 복소 굴절률 변화를 측정하는 경우가 대부분이다. 한편, 간섭계와 근접장 광학현미경이 결합된 형태로 복소굴절률 및 높이변화(단차)를 나노급 분해능으로 측정하기도 하지만, 장치 구성 및 조작이 매우 까다로운 단점이 있다. 반대로 원자빔 현미경과 같이 높이변화(단차) 정보를 정확히 측정가능하나 광학적 정보는 제한적인 장치도 있다.

또한, 지금까지 간섭계를 이용한 측정 장치에서 위상과 진폭을 동시에 구분해서 측정(Quadrature detection) 하기 위하여 위상천이 간섭계(Phase-shifting interferometer), I/Q(In-phase/Quadrature-phase) 간섭계와 같은 다양한 방법들이 제시되어 왔다.

먼저, 위상천이(Phase-shifting) 방식이란 참조 빛을 임의의 기준으로부터 0, 1/2pi, pi, 3/2pi의 4단계의 위상 차를 줌으로, 이를 통해 얻어지는 간섭신호를 조합하여 위상과 진폭을 구분해서 측정하는 방식이다. 상기 4단계의 측정을 위해 참조 빛이 반사되는 반사경(reference mirror)을 움직여서 광 경로 차를 변화시키는 방법을 사용한다. 그러나 상기 반사경(reference mirror)을 움직이는 방법은 매번 외부 기기를 움직여야 하므로 측정 시간이 오래 걸리며, 외부의 변화에 민감하게 영향을 받게 되는 단점이 있다.

다음으로, Quadrature 측정이 가능한 I/Q 호모다인 간섭계에 대한 자세한 내용의 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.

도 11은 상기 참고문헌 1의 I/Q 간섭계를 나타내고 있다. 도면을 통해 볼 수 있듯이, 호모다인 간섭계의 경우 세 개의 편광 빛살가르개(Polarizing Beam Splitter)와 4개의 수광소자를 필요로 한다. 따라서 간섭계가 제대로 작동하기 위해서는 매우 어렵고 전문적인 기술의 정렬과정을 필요로 한다.

상기 설명한 바와 같이 높이변화(단차)를 포함하는 간섭신호의 위상과 진폭 즉, 3가지 정보를 동시에 측정하고, 2π-모호성을 해결하기 위해서는 복잡하고 추가적인 장치 및 광학계가 요구되는바, 이들 문제를 해결하면서 동시에 간단한 구조를 가지는 광학식 복합진단 측정 장치 및 방법의 개발이 필요하다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 기존 간섭계의 2π-모호성을 해결하고 높이변화(단차)를 포함하여 간섭신호의 위상과 진폭 3가지 정보를 구분하여 동시에 측정하면서, 광학계의 구조는 간단하게 하는 광학식 복합진단 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 탐지빛과 기준빛의 광 경로가 다름으로 인해 노이즈를 발생하는 종래 기술의 단점을 보완하고, 더욱 정확한 측정을 가능하게 하는 Common-Path 간섭계를 제공하는 것에도 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치에 있어서, 광원(100)으로부터의 광을 대물렌즈(130) 및 반사경(150)으로 분리하여 안내함과 더불어 반사된 탐지빛과 기준빛을 비점수차렌즈(170)로 안내하는 편광 빛살가르개(Polarizing Beam Splitter, 120); 상기 편광 빛살가르개(120)에 의해 안내된 탐지빛과 기준빛을 통과시켜 비점수차를 발생시키는 비점수차 렌즈(170); 상기 비점수차 렌즈(170)를 통과한 광을 입력받아 위상천이 간섭 신호와 포커스 에러 신호(FES)를 동시에 출력하는 신호출력부(180);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에서, 상기 신호출력부(180)는 4개의 위상천이 편광판(182)과 이에 대응되는 4분할 수광소자의 결합으로 구성된 것을 특징으로 하며, 상기 4개의 위상천이 편광판(182)은 4개의 위상천이 신호 중 0, π 위상 변화의 위상천이 편광판(182a, 182c)이 대각선상에 위치하고, π/2, -π/2 위상 변화의 위상천이 편광판(182b, 182d)이 나머지 대각선상에 위치하여 간섭신호에 의한 진동이 제거된 포커스 에러 신호(FES)를 얻는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치는, 상기 신호출력부(180)에서 출력된 포커스 에러 신호(FES)를 기초로 광의 초점이 측정대상물의 표면에 일치되도록 조정하는 되먹임 회로 장치(196)를 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 되먹임 회로 장치(196)로부터 되먹임 조절용 오차 신호를 입력받고, 상기 신호출력부(180)에서 출력된 위상천이 간섭 신호와 상기 되먹임 조절용 오차 신호를 기초로 측정 대상물 표면의 높이 변화, 간섭 신호의 위상 및 진폭 정보를 동시에 구분하여 측정하는 주제어부(190)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, (a) 광원(100)으로부터 전동 스테이지(140)에 고정된 측정대상물 표면으로 광이 조사되는 단계; (b) 광이 조사되는 상태에서 상기 전동스테이지(140)에 의해 측정대상물이 광 축의 수직한 방향으로 이동되는 단계; (c) 측정대상물의 이동 동안 상기 표면에서 반사된 광이 빛살가르개를 통해 비점수차 렌즈(170)를 통과하여 신호출력부(180)로 입력되는 단계; (d) 주제어부가 상기 신호출력부(180)를 통해 출력되는 위상천이 간섭 신호로부터 간섭 신호의 위상과 진폭을 구분하여 동시에 측정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에서, 상기 (d)단계는 주제어부가 상기 신호출력부(180)를 통해 출력되는 위상천이 간섭 신호로부터 간섭 신호의 위상과 진폭을 구분하여 측정하는 동시에 되먹임 회로 장치(196)가 상기 신호출력부(180)에서 출력되는 포커스 에러 신호(FES)를 기초로 광의 초점이 측정대상물의 표면에 일치되도록 조정하는 오토포커싱을 수행하고, 상기 되먹임 조절용 오차 신호와 상기 위상천이 간섭 신호를 기초로 측정대상물 표면의 높이 변화, 간섭 신호의 위상 및 진폭을 동시에 구분하여 측정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치 및 방법에 의하면, 편광판을 4분할 수광소자에 결합하여 기존의 간섭계에서 쓰는 디텍터 시스템을 비점수차 시스템과 결합함으로, 하나의 결합된 장치를 통해 간섭 신호의 위상과 진폭을 독립적으로 측정함과 동시에 프린지 카운팅(fringe counting)을 하여 2π-모호성을 해소할 수 있으며, 오토 포커싱 기능도 함께 수행할 수 있다.

특히 종래 기술에서 Quadrature detection과 2π-모호성의 해결을 위해서 각각 별도의 추가적인 장치가 필요했던 것과는 달리, 본 발명에서는 편광판의 특별한 배치에 비점수차렌즈만을 추가함으로 기존의 Quadrature detection을 위한 장치에 추가적인 광학계를 사용하지 않고도 2π-모호성의 해결 및 오토 포커싱 기능을 함께 수행할 수 있다.

또한, 이러한 오토 포커싱 기능뿐 아니라 오토 포커싱을 위한 되먹임 회로의 오차 신호는 순수하게 표면의 굴곡 즉, 토포그래피(topography)의 정보를 주므로 간섭신호의 위상정보와 비교분석을 통해 굴절률 변화 및 높이변화(단차)를 동시에 분석 가능하다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서 공통 광 경로 유도부를 사용할 경우 기준빛과 탐지빛이 동일한 공간 상을 이동하게 되며 이에 따라 외부 환경 변화의 영향을 적게 받고, 노이즈 발생을 대폭 줄여서 정밀한 측정을 할 수 있게 된다.

상기와 같이 높이변화(단차)를 포함하여 위상신호와 진폭신호 3가지 정보를 구분하여 동시에 측정할 수 있는 본 발명의 광학식 복합진단 측정 장치를 통해 표면의 높낮이 정보와 더불어 반사율 정보를 함께 얻을 수 있으며, 이와 동시에 2π-모호성을 극복하여 측정 정확도 향상은 물론 다양한 광학적 정보의 획득이 가능해져서 다양한 물질을 복합적으로 진단하는데 유용하다. 또한, 간단하고 소형화된 광학식 복합진단 측정 장치를 만들 수 있게 되므로 생산성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합진단 측정 장치의 구성을 도시한 구성도,
도 2a는 비점수차렌즈에 의해 4분할 수광소자에 검출되는 포커스 에러 신호(FES)를 나타내는 도면,
도 2b는 상기 포커스 에러 신호(FES)에 간섭신호에 의한 진동이 첨가된 모습을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에서 되먹임 조절용 오차 신호의 일례를 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에서 되먹임 조절용 오차 신호로 구한 n 값을 이용하여 단차를 보정하는 과정을 예시한 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 4개의 위상천이 편광판의 배치를 도시한 구성도,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합진단 측정 장치의 구성을 도시한 구성도,
도 7은 본 발명의 공통 광 경로 유도부의 구성을 도시한 구성도,
도 8은 간섭현상의 2π-모호성을 설명하는 개략도,
도 9는 기준면으로부터 높이변화가 있는 시편 표면의 개략도,
도 10은 기존의 2π-모호성을 제거하는 방법을 설명하는 도면,
도 11은 종래의 I/Q 간섭계를 이용한 표면 측정 장치의 구성을 나타내는 구성도.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

첨부한 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합진단 측정 장치의 구성을 도시한 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 복합진단 측정 장치는, 광원(100)으로부터의 광을 대물렌즈(130) 및 반사경(150)으로 분리하여 안내함과 더불어 반사된 탐지빛과 기준빛을 비점수차렌즈(170)로 안내하는 편광 빛살가르개(Polarizing Beam Splitter, 120); 상기 편광 빛살가르개(120)에 의해 안내된 탐지빛과 기준빛을 통과시켜 비점수차를 발생시키는 비점수차 렌즈(170); 상기 편광 빛살가르개(120)와 상기 대물렌즈(130), 상기 편광 빛살가르개(120)와 상기 반사경(150), 상기 편광 빛살가르개(120)와 상기 비점수차렌즈(170) 사이에 연결되어 광이 투과되는 1/4파장판(Quarter Wave Plate, 152, 154, 156); 상기 비점수차 렌즈(170)를 통과한 광을 입력받아 위상천이 간섭 신호와 포커스 에러 신호(FES)를 동시에 출력하는 신호출력부(180)를 포함한다.

광원에서 나온 빛은 OI(Optical Isolator, 110)를 거쳐 편광 빛살가르개(120)에 입력된다. 상기 OI(Optical Isolator)는 광학 장치에서 일반적으로 사용되는 부품으로서, 반사되어 되돌아오거나 산란 되어 되돌아오는 빛을 막아주는 장치이다. 광원 내부에 외부 빛 혹은 반사?산란 된 빛이 재유입되면 광원의 안정도가 흔들리게 되며, 이것은 직접적으로 간섭신호의 진폭 및 위상에 영향을 주게 되므로 측정 해상도를 낮게 하는 요인이 된다. 따라서 상기 OI(Optical Isolator)를 통해 광원 내부에 외부 빛 혹은 반사?산란 된 빛이 재유입되는 것을 방지한다.

한편, 상기 편광 빛살가르개(Polarizing Beam Splitter)는 입력되는 광의 편광 상태에 따라 일부는 투과하고 일부는 반사하는 성질을 가지고 있는데, 도 1에서는 상기 편광 빛살가르개(120)를 투과한 편광성분을 탐지빛으로, 반사된 편광성분은 기준빛으로 사용하고 있다(투과된 편광성분을 기준빛, 반사된 편광성분을 탐지빛으로 사용할 수도 있다).

상기 편광 빛살가르개를 투과한 탐지빛은 1/4파장판(152)에 의해 원형으로 편광되고 본 발명의 대물렌즈(130)와 같은 집광장치를 이용하여 측정대상물의 표면에 초점이 맺히게 된다. 표면으로부터 반사된 탐지빛은 다시 1/4파장판(152)을 지남에 따라 편광방향이 원래의 편광방향에 대해 90도 회전하여 편광 빛살가르개에서 반사되는 편광이 되고, 상기 편광 빛살가르개에 의해 반사되어 비점수차렌즈(170) 쪽으로 진행하게 된다. 상기와 같은 과정을 통해 편광 빛살가르개를 투과하는 빛은 빛의 손실없이(이론적으로) 90도 회전하여 편광 빛살가르개에 반사되는 빛으로 변하게 되며, 비점수차렌즈 쪽으로 진행할 수 있다.

한편, 상기 편광 빛살가르개에서 반사된 기준빛은 1/4파장판(154)에 의해 원형 편광된 빛으로 바뀌고, 반사경(150)에서 반사되어 같은 경로를 따라 되돌아오면서 다시 상기 1/4파장판(154)을 지나게 됨에 따라 원래의 편광방향에 대하여 90도 회전하게 된다. 상기 기준빛은 편광상태가 90도 회전됨으로 인해 상기 편광 빛살가르개를 투과하는 편광이 되고, 상기 편광 빛살가르개를 투과하여 상기 탐지빛과 합쳐져서 함께 비점수차렌즈 쪽으로 진행하게 된다.

상기 편광 빛살가르개에서 나온 탐지빛과 기준빛은 1/4파장판(156)을 통과하여 다시 원형 편광으로 바뀌어서 비점수차렌즈로 들어가게 되는데, 비점수차렌즈를 통과하면서 비점수차가 발생하게 된다. 비점수차렌즈를 통과한 빛은 최소착란원(Circle of Least Confusion)에서 동그랗게 맺어지며, 측정대상물의 광축(Z축) 방향 거리가 바뀔 시에 빛의 모양이 변경된다. 상기 비점수차렌즈를 통과한 광은 신호출력부(180)로 입력되는데, 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 신호출력부는 4분할 수광소자를 포함할 수 있다.

상기 4분할 수광소자에 입력되는 광은 분할된 수광소자 영역별로 각각 광량이 검출되는데, 첨부한 도 2a는 광축(Z축)을 기준으로 측정대상물 표면과의 거리 변화에 따른 포커스 에러 신호(FES)를 보여주고 있다.

측정대상물의 표면에 초점이 형성되는 경우 광은 동그랗게 맺어지며, 포커스 에러 신호(FES)값은 0이 된다. 그러나 측정대상물이 초점을 기준으로 광축을 따라 움직일 경우 4분할 수광소자에 입력되는 광의 모양은 변하게 되는데, 도 2a에 나타난 바와 같이 측정대상물이 초점 기준점보다 멀어질 경우 상이 A,C 면으로 길어지며, 측정대상물이 초점 기준점보다 가까워질 경우 상이 B,D 면으로 길어지게 된다.

이때, 4분할 수광소자에서 검출되는 신호는 FES 생성회로(192)에 의해 신호 조합되어 포커스 에러 신호(FES)가 FES = (S_A + S_C) - (S_B + S_D)의 형태로 출력된다. 따라서 초점 기준점보다 측정대상물이 점점 멀어질 경우 (S_A + S_C)에 많은 광량이 들어가고 (S_B + S_D)에 적은 광량이 들어가기 때문에 FES가 점점 높은 (+) 신호로 나오게 될 것이다. 반면, 초점 기준점보다 측정대상물이 점점 가까워질 경우 반대로 (S_B + S_D)에 많은 광량이 들어가고 (S_A + S_C)에 적은 광량이 들어가기 때문에 FES는 점점 낮은 (-) 신호로 나오게 될 것이다.

본 발명에서 상기 포커스 에러 신호(FES)는 오토포커싱 동작을 위한 되먹임 회로 장치(196)로 입력될 수 있으며, 되먹임 회로 장치의 출력값은 엑츄에이터를 구동시켜 광의 초점이 측정대상물의 표면과 일치하도록 자동으로 보정 하는 오토포커싱 기능과 함께 되먹임 회로 장치의 오차 신호를 이용하여 2π-모호성을 극복할 수 있는 프린지 카운팅(fringe counting) 기능을 수행할 수 있다.

한편, 본 발명에서 사용된 되먹임 회로 장치(196)란 측정값(본 발명의 경우 포커스 에러 신호 또는 위상신호)을 입력받아 미리 설정해 놓은 기준값과 비교하여 차이나는 부분을 보상하기 위한 출력값을 이용하여 조절하는 장치를 말한다. 이때 되먹임 회로 장치의 오차신호는 항상 미리 설정해둔 기준값과 측정값의 차이값을 나타내게 되는데, 상기 오차신호를 확인하여 현재 시스템의 상태를 알 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 되먹임 회로 장치는 포커스 에러 신호(FES)를 측정값으로 입력받고, 초점위치를 기준값으로 하여 나오는 출력값을 통해 액츄에이터를 이용하여 초점위치를 일정하게 유지한다. 한편, 이때 나오는 오차신호는 기준값과 측정값의 차이를 나타내므로, 이를 이용하면 간섭계의 프린지 카운팅(fringe counting)이 가능하고, 또한 상기 출력값을 그대로 매핑(mapping)하여 측정하는 단차를 그대로 나타낼 수도 있다.

본 발명에서 상기 오토포커싱을 수행하기 위한 액츄에이터는 대물렌즈(130)를 광축 방향으로 이동시킬 수도 있고, 측정 대상물이 놓인 전동스테이지(140)를 광축 방향으로 이동시켜 제어할 수도 있다.

이하 오토포커싱 기능에 대하여 도면을 참조로 상술하면 다음과 같다.

첨부한 도 3은 포커스 에러 신호(FES)를 되먹힘 회로 장치(196)를 이용하여 오토포커싱 기능을 수행하고, 되먹임 회로 장치의 오차 신호를 이용하여 프린지 카운팅이 수행되는 예를 나타낸 도면이다. 이때 되먹임 회로 장치의 오차 신호는 X-Y축 스캔 및 오토포커싱이 수행되는 동안의 되먹임 회로 장치의 기준값과 포커스 에러 신호(FES)의 차이값을 통해 구할 수 있다.

이러한 되먹임 회로 장치(196)에서의 출력값을 참조하여 광의 초점이 측정대상물의 표면에 일치될 수 있도록 대물렌즈의 광축 위치를 포커스 에러가 0이 되는 쪽으로 보정 하며, 그 결과로 되먹임 조절용 오차 신호는 0으로 유지될 수 있다.

다만, 도 3에 나타낸 바와 같이, 측정대상물의 표면의 상측에 도시된 바와 같은 단차가 존재한다고 할 때, 되먹임 조절용 오차 신호의 전압값은 표면의 높낮이 변화가 발생하는 위치에서 피크 형상을 나타내게 된다.

즉, 단차 형상을 상승 엣지와 하강 엣지를 갖는 돌출 단차로 가정할 때, X-Y축 스캔 중 단차가 나타나기 전에는 오토포커싱에 의해 표면을 따라가면서 초점이 형성된 상태로 되먹임 조절용 오차 신호가 0으로 유지된다. 이때, 단차의 상승 엣지가 나타나면 순간적으로 포커스 에러가 발생하면서 되먹임 조절용 오차 신호에 피크 형상이 나타나게 되고, 이후 되먹임을 통한 오토포커싱에 의해 되먹임 조절용 오차 신호는 다시 0으로 유지되게 된다.

이후 하강 엣지가 나타나면 다시 순간적인 포커스 에러가 발생하면서 되먹임 조절용 오차 신호에 반대 방향의 피크 평상이 나타나게 되고, 이후 되먹임을 통해 다시 0으로 유지되게 된다.

이와 같이 되먹임 조절용 오차 신호는 측정대상물의 표면에 존재하는 단차 및 높낮이 변화 정보를 반영하게 되며, 순간적으로 나타나는 피크 전압값은 반사율과는 무관하게 자동 초점 형성(오토포커싱)을 위해 광축(Z축) 방향으로 대물렌즈를 실제 움직이는 값 즉, 측정대상물의 표면정보를 나타내게 된다.

본 발명에서는 표면 측정시 주제어부(190)가 되먹임 회로 장치(196)로부터 입력된 되먹임 조절용 오차 신호에서 나타나는 피크 전압값을 미리 설정된 임계값과 비교하여 n 값을 카운팅할 수 있는데, 되먹임 조절용 오차 신호의 피크 전압값이 어느 상, 하 임계값 사이에 위치되는지를 판별하여 n 값을 결정하게 된다. 이때, 임계값은 설계치로서 미리 정해지는 값이다.

예를 들어, 도 3을 참조하면, 피크 전압값이 C1과 C2 사이에 위치되면 n 값은 0이고, C2와 C3 사이에 위치되면 n 값은 1이며, C3와 C4 사이에 위치되면 n 값은 2가 된다.

이렇게 n 값의 카운팅이 이루어지면, 주제어부는 결정된 n 값을 사용하여 간섭계의 측정값을 보정하게 되는데, 간섭계의 측정값을 보정하는 방법은 특허출원 제2009-17175호에 개시된 바와 동일하다. 즉, n 값이 구해지면, 주제어부는 산출된 n 값과 간섭계의 간섭신호(위상신호)로부터 간섭계의 모호성을 제거하기 위한 위상 펴기 연산을 수행한다.

예컨대, 상기 n 값과 위상신호로부터 얻은 거리변화값을 이용하여 아래의 수학식 4로부터 실제 거리변화값(단차값)을 연산하게 되고, 또한 그로부터 표면 단차 등 표면 정보를 획득할 수 있다.

여기서, λ는 광원에서 나온 빛의 파장을 나타낸다.

이와 같이 주제어부(190)는 상기 신호출력부에서 측정된 반사광의 위상신호로부터 거리변화값(위상변화값)을 연산하고 연산된 거리변화값을 되먹임 조절용 오차 신호를 이용해 보정하여 실제 거리변화값(실제 위상변화값)을 계산하게 된다.

첨부한 도 4는 본 발명에서 n 값을 이용하여 보정된 거리변화(단차) 신호를 예시한 도면으로, (1)은 측정대상물의 표면을 예시한 것이고, (2)는 신호출력부로 측정된 거리변화 신호이며, (3)은 보정된 거리변화 신호를 나타낸다.

도 4에서와 같이 임의의 측정대상물 표면에 일정 간격(1㎛)으로 단차가 있는 경우의 예를 들어 설명하며, 계산의 편의를 위해 파장(λ)이 600 nm(He-Ne 레이저의 경우 632 nm의 파장을 가짐)인 레이저를 이용하는 반사형 간섭계로 가정하기로 한다.

도 4를 참조하면, 레이저 파장이 600 nm이므로 150 nm마다 주기가 반복됨을 알 수 있다. 도 5의 (1)과 같이 단차가 250 nm로 순간적으로 변할 경우에는 간섭계의 신호만을 이용할 때 (2)와 같이 250 nm의 단차도 150 nm의 단차가 사라진 100 nm로 측정된다.

반면, 본 발명에서는 도 4의 표면 패턴에서 단차가 100 nm인 경우에는 n = 0이므로 신호출력부의 간섭신호만으로 단차가 계산되어 100 nm로 측정되고, 4번째 측정지점(실제 단차 250 nm임)에서는 n = 1이므로 λ/4 = 600/4 = 150 nm에 신호 출력부의 간섭신호로부터 계산된 100 nm를 더하여 250 nm가 정확히 측정될 수 있게 된다(도 4의 (3) 참조)

이와 같이 신호출력부의 간섭신호만을 이용할 경우 높이변화가 λ/4 이상이 되는 지점이 있을 경우 모두 단차를 100 nm로 읽게 되나, 본 발명에서는 되먹임 조절용 오차 신호로부터 n 값을 판별한 뒤 이 n 값과 간섭계의 신호를 토대로 정확한 단차를 계산할 수 있게 된다. 즉, n 값을 알아냄으로써 간섭신호에서 몇 번째 주기인지를 판별하고 간섭신호로부터 얻은 단차에 λ/4×n의 높이를 더해주어 최종의 결과값을 얻을 수 있게 되는 것이다.

따라서, 본 발명에서는 되먹임 회로 장치(196)의 되먹임 조절용 오차 신호를 간섭신호를 보정하는데 이용하므로 2π-모호성 없이 실제의 높이를 높은 분해능을 유지한 상태에서 정확히 읽을 수 있다. 또한, 포커스 에러 신호(FES)가 항상 0인 상태를 유지하므로, 모호성을 극복하여 측정할 수 있는 범위는 대물렌즈의 이동 가능한 거리가 무한대라면 이론상 무한대가 된다. 또한, 실제 표면 측정 동안 실시간으로 보정을 위한 데이터를 획득한 뒤 간섭신호를 보정 하여 측정결과를 얻을 수 있기 때문에, 측정시간의 단축과 측정과정의 간소화가 가능해지는 장점이 있게 된다.

또한, 오토포커싱 과정에서 구해지는 되먹임 조절용 오차 신호를 이용하여 n 값을 카운팅하고 결정된 n 값으로 간섭신호를 보정함과 동시에, 반사율 등의 재질 특성에 기인하는 오차 발생을 줄일 수 있고, 이질성을 갖는 측정대상물(부분적으로 복소굴절률 및 표면 높낮이가 상이한 물질들)에 대해서도 정확한 측정이 가능해진다.

일반적으로 간섭신호를 측정하면 진폭(반사율 혹은 투과율) 및 위상을 측정하게 되는데, 반사율은 난반사와 같은 경우를 제외하고는 물질의 복소굴절률(굴절계수 + 소광계수)의 영향을 받게 된다. 한편 위상변화는 상기 [수학식 2]를 참조로 하면 복소굴절률의 굴절계수 n과 탐지빛?기준빛의 상대적 거리변화인 d의 변화로부터 기인한다. 결론적으로 측정된 위상변화는 굴절률 변화와, 탐지빛의 측정 대상물의 요철(혹은 거울일 경우 앞뒤로 움직인 거리)의 변화에 의해 발생한다.

그러나 간섭신호의 진폭과 위상을 동시에 측정하는 일반적인 Quadrature detection의 경우에도 굴절률이 변한 것인지 단차가 변한 것인지 정확하게 판단하는 것은 불가능하다. Quadrature detection을 통해 간섭신호의 진폭과 위상을 알 수 있으나, 실제 이러한 신호를 변화시키는 것은 굴절계수(n), 소광계수(k) 및 단차(혹은 변한 거리, d)이므로, 이 중 한 성분은 알고 있어야 분석이 가능하다. 즉, 측정 대상의 복소 굴절률이 일정하다면 문제가 되지 않지만, 복소 굴절률 및 표면의 높낮이가 동시에 변하는 시료에서는 간섭신호만으로 상기 굴절계수, 소광계수 및 단차를 동시에 결정할 수 없게 된다.

반면에, 오토포커싱 기능이 추가된 본 발명의 측정장치에서는, 오토포커싱의 되먹임 조절용 오차 신호는 순수하게 표면 높낮이에 대한 정보를 나타내고, 간섭계의 위상신호는 실수 굴절률 변화(n) 및 표면 높낮이 변화(d)가 곱해진 형태로, 진폭신호는 표면의 반사율을 나타내는 값으로서 복소굴절률의 함수로 나타나므로, 세 신호의 분석을 통해서 각각의 정보를 정확히 분리하여 측정이 가능케 되어 국소적인 굴절률 및 표면 높낮이에 대한 정보를 복합적으로 알 수 있게 된다.

즉, 복소굴절률이 일정한(균일한 물질의) 시료의 경우에는 기존의 방법과 같이 일반적인 Quadrature detection 모드 또는 오토포커싱 모드를 통해 측정대상 물질의 정확한 정보를 알 수 있으며, 부분적으로 복소굴절률이 일정하지 않은 시료나 미지의 시료를 측정할 경우에는 상기 Quadrature detection 모드와 오토포커싱 모드를 함께 수행하여 나오는 신호를 분석하여 측정대상 물질의 굴절계수, 소광계수 및 단차에 대한 모든 정보를 알 수 있게 된다.

그러므로 본 발명에서는, 상기 Quadrature detection과 오토포커싱을 함께 수행할 수 있는 장치를 제공함으로 반사율 변화와 단차가 복합적으로 측정결과에 영향을 주어 실제 단차가 존재함에도 평탄한 면으로 측정되거나, 실제 평탄한 면임에도 복소 굴절률의 차이로 단차가 존재하는 것으로 측정되는 문제점을 해결될 수 있게 된다.

이를 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 상기 신호출력부(180)가 상기 4분할 수광소자에 편광판이 결합 된 형태로 구성될 수 있다. 첨부된 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 편광판 배열을 도시하고 있다.

상기 설명한 바와 같이, 측정대상물의 표면 상태와 더불어 반사율과 같은 광학적 성질을 복합적으로 측정하기 위해서는 간섭신호의 위상과 진폭을 구분해서 측정(Quadrature detection)해야 한다. 본 발명에서는 위상천이(Phase-shifting) 방식으로 4개의 서로 다른 위상 변화를 준 간섭 신호를 얻기 위해, 4개의 서로 다른 위상 변화를 주는 편광판 배열(Polarizer array)을 사용할 수 있다.

도 5는 간섭신호에 각각 0, -1/2π(3/2π), π, 1/2π의 위상 변화를 주기 위한 4개의 편광판 A(182a), B(182b), C(182c), D(182d)를 나타내고 있다.

이때, 각각의 편광판으로부터 얻게 되는 신호를 이용하여 간섭신호의 진폭과 위상을 측정하는 과정을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 편광판 A~D에서 얻게 되는 위상천이 간섭 신호의 세기 I₀, I_π/2, I_π, I₃ _π/2는 각각 다음과 같이 나타낼 수 있다.

상기 위상천이 간섭 신호는 위상진폭 생성 회로(194)에 입력되며, 상기 위상진폭 생성 회로에 의해 생성된 간섭신호의 위상(φ)과 진폭(r)은 다음과 같다.

이와 같이, 각 위상천이 편광판(182a~182d)에서 얻게 되는 신호를 조합하면 간섭 신호의 위상과 진폭을 독립적으로 측정하는 것이 가능하다.

기존의 위상천이 간섭계에서는 상기와 같은 구성을 위해 추가적인 장치가 필요하게 되어 광학계가 복잡해지는 단점이 있었다. 그러나 본 발명에서는 상기 위상천이 편광판을 비점수차 방법(오토포커싱)을 사용하기 위한 상기 4분할 수광소자에 결합함으로써 추가적인 광학계의 설치 없이도 간단한 구조가 가능하게 할 수 있다.

한편, 상기와 같이 간섭신호와 오토포커싱을 위한 신호를 동일한 수광소자(4분할 수광소자)로 받게 되면, 간섭계에 의한 신호의 진동 즉,

에서,

사인 혹은 코사인으로 진동되는 신호(간섭텀)에 의해 오토포커싱의 S-커브 혹은 포커스 에러 신호(FES)의 일반적인 형태에 진동이 첨가되는 문제가 발생한다. 첨부된 도 2b는 도 2a에서 나타내는 포커스 에러 신호(FES)에 간섭텀에 의한 진동이 첨가된 모습을 확대하여 개략적으로 나타내고 있다. 상기 오토포커싱의 S-커브 혹은 포커스 에러 신호(FES)에 이와 같은 진동이 첨가되면 정밀한 제어가 힘들어지며, 이는 오토포커싱 기능 뿐만 아니라 프린지 카운팅 기능에도 문제를 야기하게 될 수 있다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 도 5에 나타난 바와 같이, 상기 위상천이 편광판 중 0, π의 위상 변화를 주는 편광판(182a, 182c)이 대각선상에 위치하고, π/2, 3π/2(-π/2)의 위상 변화를 주는 편광판(182b, 182d)이 나머지 대각선상에 위치하도록 배열될 수 있다. 즉, 위상변화 값 0을 갖는 편광판을 중심으로 시계방향으로 3π/2, π, π/2의 위상변화 값을 주는 편광판이 배열될 수 있다.

이와 같은 배열을 통해 본 발명은 상기 간섭신호에 의한 진동이 제거된 포커스 에러 신호(FES)를 얻을 수 있게 된다. 실제로 포커스 에러 신호(FES)를 얻기 위해서는 상기 설명한 바와 같이 4분할 수광소자에서의 대각 성분의 신호를 각각 더하게 되는데, 이때 상기 수학식 5에서의 I₀와 I_π, I_π/2와 I₃ _π/2를 각각 더해주면 사인 혹은 코사인 함수에 해당하는 간섭텀이 사라지게 된다. 따라서 상기 I₀와 I_π및 I_π/2와 I₃ _π/2를 대각선상에 위치하도록 배열함으로 표면의 간섭 여부에 상관없이 진동 성분이 배제된 포커스 에러 신호(FES)를 얻을 수 있게 된다.

상기와 같은 배열을 통해 본 발명의 2π-모호성을 해결하기 위한 포커스 에러 신호(FES)는 포커스 에러 신호(FES) 생성 회로(192)를 통해 다음과 같이 구할 수 있다.

따라서, 본 발명은 4개의 편광판 배열과 4분할 수광소자가 결합된 신호출력부(180)를 통해 간섭신호의 위상과 진폭을 독립적으로 측정할 수 있고, 동시에 2π-모호성 문제를 함께 해결할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합진단 측정 장치의 구성을 도시한 구성도이다.

구성을 살펴보면, 본 발명의 복합진단 측정 장치는 광원(100)으로부터의 광을 공통 광 경로 유도부(160)로 안내함과 더불어 반사된 탐지빛과 기준빛을 비점수차렌즈(170)로 안내하는 빛살가르개(Beam Splitter, 122); 상기 빛살가르개(122)와 상기 대물렌즈(130) 사이에 위치하여 탐지빛과 기준빛이 공통된 공간에서의 광 경로를 유지하도록 안내하는 공통 광 경로 유도부(160); 상기 빛살가르개(122)에 의해 안내된 탐지빛과 기준빛을 통과시켜 비점수차를 발생시키는 비점수차 렌즈(170); 상기 공통 광 경로 유도부(160)와 상기 대물렌즈(130), 상기 빛살가르개(122)와 상기 비점수차렌즈(170) 사이에 연결되어 광이 투과되는 1/4파장판(Quarter Wave Plate, 152, 156); 상기 비점수차 렌즈(170)를 통과한 광을 입력받아 위상천이 간섭 신호와 포커스 에러 신호(FES)를 동시에 출력하는 신호출력부(180)를 포함한다.

이 중 비점수차 렌즈(170), 1/4파장판(152, 156), 신호출력부(180)의 구성은 첨부된 도 1의 실시예와 구성이 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다. 또한, 도면에 도시하지는 않았지만 주제어부(190), FES 생성회로(192), 위상 진폭 생성 회로(194) 및 되먹임 회로 장치(196)의 구성 및 기능 역시 도 1의 실시예와 동일하다.

도 6의 광원에서 나온 광은 OI(110)를 거쳐 빛살가르개(122)에 입력된다. 상기 빛살가르개(Beam Splitter, BS)는 첨부된 도 1의 편광 빛살가르개(120)와 달리 입력되는 광원의 편광상태를 고려하지 않고 빛을 갈라주는 역할을 한다. 상기 빛살가르개를 통과한 광은 공통 광 경로 유도부(160)로 입력된다. 상기 공통 광 경로 유도부에 대해 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 7은 도 6에서 점선으로 표시된 영역, 특히 공통 광 경로 유도부(160)의 구성을 구체적으로 도시하는 구성도이다. 여기서 대물렌즈(130)는 도 7에 도시되지 않았으나, 1/4파장판(152)와 전동스테이지(140) 사이에 위치한다.

상기 공통 광 경로 유도부는 1개의 편광 빛살가르개(162)와 2개의 내부 반사경(164a, 164b)으로 구성되어 있다. 상기 편광 빛살가르개는 입력되는 광원의 편광상태에 따라 일부는 투과하고 일부는 반사하며, 내부 반사경은 상기 편광 빛살가르개에서 반사되는 광을 다시 편광 빛살가르개로 되돌려주는 역할을 한다.

도 7에서는 입력되는 광 중 상기 편광 빛살가르개(162)를 투과한 편광성분이 탐지빛으로, 반사된 편광성분이 기준빛으로 사용되고 있다. 도면에서 실선으로 표시된 2, 3, 4, 5는 탐지빛의 경로를 나타내며, 점선으로 표시된 2', 3'는 기준빛의 경로를 나타내고 있다.

편광 빛살가르개(162)에 입력되는 광(경로 1) 중 탐지빛은 편광 빛살가르개를 투과한다. 상기 편광 빛살가르개(162)를 투과한 탐지빛은 1/4파장판(152)에 의해 원형으로 편광되고, 측정대상물의 표면에서 반사된 후, 다시 1/4파장판(152)을 지남에 따라 편광방향이 원래의 편광방향에 대해 90도 회전하여 편광 빛살가르개(162)로 입력된다(경로 2). 상기 탐지빛은 원래의 편광방향에 대해 90도 회전함에 따라 편광 빛살가르개(162)에서 반사되는 편광이 된다. 따라서 상기 탐지빛은 편광 빛살가르개(162)에 의해 반사되어 내부 반사경(164b)으로 향하게 되며, 상기 내부 반사경(164b)에 의해 반사된 탐지빛은 다시 상기 편광 빛살가르개(162)로 돌아간다(경로 3). 상기 탐지빛은 여전히 편광 빛살가르개에서 반사되는 편광상태이므로 편광 빛살가르개에서 반사된다. 상기 탐지빛은 편광 빛살가르개(162)에서 다시 반사되어 상기 경로 2와 같은 경로를 가지고 측정대상물에 반사되어 온다(경로 4). 이때, 상기 탐지빛은 1/4파장판(152)을 지남에 따라 편광방향이 다시 90도 회전하게 되며, 이제는 편광 빛살가르개(162)를 투과하는 편광이 된다. 상기 탐지빛은 편광 빛살가르개(162)를 투과하게 되며 공통 광 경로 유도부(160)를 빠져나가게 된다(경로 5).

한편, 편광 빛살가르개에 입력되는 광(경로1) 중 기준빛은 편광 빛살가르개(162)에서 반사된다. 상기 편광 빛살가르개(162)에서 반사된 기준빛은 내부 반사경(164a)으로 향하게 되며, 상기 내부 반사경(164b)에 의해 반사된 탐지빛은 다시 상기 편광 빛살가르개(162)로 돌아간다(경로 2'). 상기 기준빛은 여전히 편광 빛살가르개에서 반사되는 편광상태이므로 편광 빛살가르개에서 반사된다. 상기 기준빛은 편광 빛살가르개(162)에서 다시 반사되어 상기 탐지빛과 함께 공통 광 경로 유도부(160)를 빠져나가게 된다(경로 3').

상기 공통 광 경로 유도부를 빠져나간 탐지빛과 기준빛은 빛살가르개(122)에 의해 비점수차렌즈(170)로 향하게 되며, 그 이후의 구성 및 단계는 앞서 설명한 도 1의 구성 및 단계와 동일하다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 탐지빛과 기준빛은 상기 공통 광 경로 유도부(160) 내에서 반사와 투과를 반복하므로 두 신호가 같은 공간상의 경로(Common-Path)를 움직일 수 있다. 종래 기술에서는 탐지빛과 기준빛이 각각 다른 공간상의 경로를 움직임으로 양 공간의 공기 상태 등 외부 환경의 차이로 의해 노이즈가 발생했던 것과 달리, 본 발명에서는 두 신호의 광 경로가 대부분 같은 공간상에 위치하기 때문에(다만, 기술적으로 탐지빛의 광 경로 일부는 다른 공간상에 위치할 수 있다.) 노이즈 발생을 줄이고, 측정의 정밀도를 대폭 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 실시예에서 탐지빛은 편광 빛살가르개와 측정 대상물 사이를 2회 왕복하게 된다(Double-Pass). 이에 따라, 앞서 언급한 2π-모호성에 의하여 아무런 보정이 없는 상태에서 측정 가능한 단차는 파장(λ)의 1/4에서 파장(λ)의 1/8로 줄어들 수 있다. 그러나 본 발명은 앞서 언급한 2π-모호성을 해결할 수 있는 장치를 구비하고 있으므로, 충분히 정확한 측정 결과를 제공할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있다. 따라서 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에 속한 사람이 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.

100 : 광원 110 : OI
120 : 편광 빛살가르개 122 : 빛살가르개
130 : 대물렌즈 140 : 전동 스테이지
150 : 반사경 152, 154, 156 : 1/4파장판
160 : 공통 광 경로 유도부 162 : 편광 빛살가르개
164a, 164b : 내부 반사경 170 : 비점수차렌즈
180 : 신호출력부
182a, 182b, 182c, 182d : 위상천이 편광판
190 : 주제어부 192 : FES 생성회로
194 : 위상 진폭 생성 회로 196 : 되먹임 회로 장치

Claims

간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치에 있어서,
광원(100)으로부터의 광을 대물렌즈(130) 및 반사경(150)으로 분리하여 안내함과 더불어 반사된 탐지빛과 기준빛을 비점수차렌즈(170)로 안내하는 편광 빛살가르개(Polarizing Beam Splitter, 120);
상기 편광 빛살가르개(120)에 의해 안내된 탐지빛과 기준빛을 통과시켜 비점수차를 발생시키는 비점수차 렌즈(170);
상기 비점수차 렌즈(170)를 통과한 광을 입력받아 위상천이 간섭 신호와 포커스 에러 신호(FES)를 동시에 출력하는 신호출력부(180);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 신호출력부(180)는 4개의 위상천이 편광판(182)과 이에 대응되는 4분할 수광소자의 결합으로 구성된 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 4개의 위상천이 편광판(182)은 4개의 위상천이 신호 중 0, π 위상 변화의 위상천이 편광판(182a, 182c)이 대각선상에 위치하고, π/2, -π/2 위상 변화의 위상천이 편광판(182b, 182d)이 나머지 대각선상에 위치하여 간섭신호에 의한 진동이 제거된 포커스 에러 신호(FES)를 얻는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치는,
상기 신호출력부(180)에서 출력된 포커스 에러 신호(FES)를 기초로 광의 초점이 측정대상물의 표면에 일치되도록 조정하는 되먹임 회로 장치(196)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치는,
상기 되먹임 회로 장치(196)로부터 되먹임 조절용 오차 신호를 입력받고, 상기 신호출력부(180)에서 출력된 위상천이 간섭 신호와 상기 되먹임 조절용 오차 신호를 기초로 측정 대상물 표면의 높이 변화, 간섭 신호의 위상 및 진폭 정보를 동시에 구분하여 측정하는 주제어부(190)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치.
간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치에 있어서,
광원(100)으로부터의 광을 공통 광 경로 유도부(160)로 안내함과 더불어 반사된 탐지빛과 기준빛을 비점수차렌즈(170)로 안내하는 빛살가르개(Beam Splitter, 122);
측정대상물의 표면에 초점이 맺히게 하는 대물렌즈(130)와 상기 빛살가르개(122) 사이에 위치하여 탐지빛과 기준빛이 공통된 공간에서의 광 경로를 유지하도록 안내하는 공통 광 경로 유도부(160);
상기 빛살가르개(122)에 의해 안내된 탐지빛과 기준빛을 통과시켜 비점수차를 발생시키는 비점수차 렌즈(170);
상기 비점수차 렌즈(170)를 통과한 광을 입력받아 위상천이 간섭 신호와 포커스 에러 신호(FES)를 동시에 출력하는 신호출력부(180);
를 포함하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 공통 광 경로 유도부(160)는 광원(100)으로부터의 광을 편광 상태에 따라 투과 및 반사하는 편광 빛살가르개(Polarizing Beam Splitter, 162)와 상기 편광 빛살가르개(162)로부터 반사된 빛을 편광 빛살가르개(162)로 되돌려 보내는 내부 반사경(164a, 164b)으로 구성된 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 신호출력부(180)는 4개의 위상천이 편광판(182)과 이에 대응되는 4분할 수광소자의 결합으로 구성된 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 4개의 위상천이 편광판(182)은 4개의 위상천이 신호 중 0, π의 위상천이 편광판(182a, 182c)이 대각선상에 위치하고, π/2, -π/2의 위상천이 편광판(182b, 182d)이 나머지 대각선상에 위치하여 간섭신호에 의한 진동이 제거된 포커스 에러 신호(FES)를 얻는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치는,
상기 신호출력부(180)에서 출력된 포커스 에러 신호(FES)를 기초로 광의 초점이 측정대상물의 표면에 일치되도록 조정하는 되먹임 회로 장치(196)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치는,
상기 되먹임 회로 장치(196)로부터 되먹임 조절용 오차 신호를 입력받고, 상기 신호출력부(180)에서 출력된 위상천이 간섭 신호와 상기 되먹임 조절용 오차 신호를 기초로 측정 대상물 표면의 높이 변화, 간섭 신호의 위상 및 진폭 정보를 동시에 구분하여 측정하는 주제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 장치.
(a) 광원(100)으로부터 전동 스테이지(140)에 고정된 측정대상물 표면으로 광이 조사되는 단계;
(b) 광이 조사되는 상태에서 상기 전동스테이지(140)에 의해 측정대상물이 광 축의 수직한 방향으로 이동되는 단계;
(c) 측정대상물의 이동 동안 상기 표면에서 반사된 광이 빛살가르개를 통해 비점수차 렌즈(170)를 통과하여 신호출력부(180)로 입력되는 단계;
(d) 주제어부가 상기 신호출력부(180)를 통해 출력되는 위상천이 간섭 신호로부터 간섭 신호의 위상과 진폭을 구분하여 동시에 측정하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 (d)단계는 주제어부가 상기 신호출력부(180)를 통해 출력되는 위상천이 간섭 신호로부터 간섭 신호의 위상과 진폭을 구분하여 측정하는 동시에 되먹임 회로 장치(196)가 상기 신호출력부(180)에서 출력되는 포커스 에러 신호(FES)를 기초로 광의 초점이 측정대상물의 표면에 일치되도록 조정하는 오토포커싱을 수행하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 (d)단계는 상기 주제어부가 상기 되먹임 회로 장치로부터 되먹임 조절용 오차 신호를 입력받아, 이를 이용해 상기 위상천이 간섭 신호를 보정 하여 간섭계의 모호성을 제거하기 위한 위상 펴기 연산을 수행하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 방법.
청구항 14에 있어서,
상기 (d)단계는 상기 주제어부가 상기 되먹임 조절용 오차 신호와 상기 위상천이 간섭 신호를 기초로 측정대상물 표면의 높이 변화, 간섭 신호의 위상 및 진폭을 동시에 구분하여 측정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 광학식 복합진단 측정 방법.