KR101390749B1 - 렌즈형 광섬유를 이용한 미세홀 깊이 측정 장치 및 방법 - Google Patents

렌즈형 광섬유를 이용한 미세홀 깊이 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 광대역의 가간섭 광을 조사하는 발광부와, 적어도 하나의 미세홀을 구비하며 상기 발광부로부터 입사되는 광을 상기 미세홀의 바닥면에서 반사하는 피측정물과, 상기 발광부로부터 입사되는 광을 반사하며 상기 미세홀의 바닥면에서 반사된 광과 간섭을 일으키는 기준광을 형성하는 기준면과, 상기 미세홀의 바닥면 및 상기 기준면에서 반사된 광을 수광하여 간섭 신호로부터 상기 미세홀의 깊이를 측정하는 광 검출기와, 광섬유 커플러 및 상기 광섬유 커플러에서 분기되는 제1 광섬유, 제2 광섬유, 제3 광섬유 및 제4 광섬유를 포함하며,
상기 제1 광섬유는 상기 발광부와 연결되며 상기 발광부로부터 입사되는 광을 상기 광섬유 커플러를 통해 상기 제2 광섬유 및 상기 제3 광섬유에 전달하고, 상기 제2 광섬유는 상기 제2 광섬유의 단부가 상기 기준면에 대응되도록 배치되어 상기 기준면에 광을 조사하여 상기 기준면에서 반사된 광을 수광하고, 상기 제3 광섬유는 상기 제3 광섬유의 단부가 상기 미세홀에 대응되도록 배치되어 상기 미세홀에 광을 조사하여 상기 미세홀의 바닥면에서 반사되는 광을 수광하고, 상기 제4 광섬유는 상기 광 검출기에 연결되며 상기 제2 광섬유 및 상기 제3 광섬유로부터 입사되는 광을 상기 광섬유 커플러를 통해 상기 광 검출기에 전달하는 것을 특징으로 하는 미세홀 깊이 측정 장치를 제공한다.

Description

렌즈형 광섬유를 이용한 미세홀 깊이 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring depth of micro-hole using lensed optical fiber}
본 발명은 미세홀 깊이 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 렌즈형 광섬유를 이용하여 간이한 구성으로 미세홀의 깊이를 고속으로 측정할 수 있는 미세홀 깊이 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 전자 제품이 소형화 및 고성능화됨에 따라 초소형 대용량의 반도체 메모리에 대한 요구가 증대되고 있다. 이에 따라, 하나의 반도체 패키지에 여러 개의 반도체 칩을 실장하는 멀티 칩 패키지(Multi Chip Package)를 통하여 반도체 메모리 소자의 저장 용량을 증대시킴으로써 소형화 및 고성능화를 구현하고 있다.
이러한, 여러 개의 반도체 칩에 형성된 회로 패턴들을 전기적으로 연결시키기 위하여 실리콘 웨이퍼 기판을 수직으로 관통하는 비아홀(TSV; Through Silicon Via)을 형성한다.
이때, 비아홀은 정해진 규격에 맞도록 형성되어야 하며, 이러한 규격에 맞지 않는 경우 반도체 패키지의 오동작을 유발할 수 있다.
따라서, 비아홀의 깊이를 정확하게 측정할 필요가 있다. 그러나, 이러한 비아홀은 일반적으로 지름에 비해 깊이가 긴 구조, 즉 종횡비(aspect ratio)가 큰 구조로 형성되므로, 비아홀에 입사되는 광이 비아홀의 바닥면까지 도달하지 못하거나 비아홀의 입구에서 발생하는 회절 현상으로 인해 비아홀의 깊이를 정확히 측정하는 데 어려움이 있다.
하기 특허문헌1은 간섭계를 이용하여 측정물의 표면 형상을 측정하는 장치에 관하여 기재하고 있다. 그러나, 이러한 간섭계를 이용하여 종횡비(aspect ratio)가 큰 비아홀을 측정하는 경우 광손실이 크고, 광이 비아홀의 바닥면까지 도달하지 못해 비아홀의 깊이를 정확하게 측정하기 어렵다는 문제가 있다.
KR 2009-0068838A, 2009.06.29.
본 발명은 렌즈형 광섬유를 이용하여, 종횡비가 큰 미세홀의 바닥면까지 광을 입사시키고 회절 한계로 인해 미세홀에서 회절이 발생하는 현상을 방지함으로써, 직경이 작은 미세홀의 깊이를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 미세홀 깊이 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 광대역의 가간섭 광을 조사하는 발광부와, 적어도 하나의 미세홀을 구비하며 상기 발광부로부터 입사되는 광을 상기 미세홀의 바닥면에서 반사하는 피측정물과, 상기 발광부로부터 입사되는 광을 반사하며 상기 미세홀의 바닥면에서 반사된 광과 간섭을 일으키는 기준광을 형성하는 기준면과, 상기 미세홀의 바닥면 및 상기 기준면에서 반사된 광을 수광하여 간섭 신호로부터 상기 미세홀의 깊이를 측정하는 광 검출기와, 광섬유 커플러 및 상기 광섬유 커플러에서 분기되는 제1 광섬유, 제2 광섬유, 제3 광섬유 및 제4 광섬유를 포함하며,
상기 제1 광섬유는 상기 발광부와 연결되며 상기 발광부로부터 입사되는 광을 상기 광섬유 커플러를 통해 상기 제2 광섬유 및 상기 제3 광섬유에 전달하고, 상기 제2 광섬유는 상기 제2 광섬유의 단부가 상기 기준면에 대응되도록 배치되어 상기 기준면에 광을 조사하여 상기 기준면에서 반사된 광을 수광하고, 상기 제3 광섬유는 상기 제3 광섬유의 단부가 상기 미세홀에 대응되도록 배치되어 상기 미세홀에 광을 조사하여 상기 미세홀의 바닥면에서 반사되는 광을 수광하고, 상기 제4 광섬유는 상기 광 검출기에 연결되며 상기 제2 광섬유 및 상기 제3 광섬유로부터 입사되는 광을 상기 광섬유 커플러를 통해 상기 광 검출기에 전달하는 것을 특징으로 하는 미세홀 깊이 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 의하며, 상기 제2 광섬유 및 상기 제3 광섬유의 단부에는 각각 광을 집속하는 제1 렌즈 및 제2 렌즈가 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 기준면은 상기 피측정물의 일면일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 기준면은 상기 피측정물과 이격되어 배치된 기준 거울의 일면일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제1 광섬유로부터 상기 제3 광섬유에 전달되는 광량이 상기 제2 광섬유에 전달되는 광량보다 클 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 피측정물은 복수 개의 미세홀을 포함하고, 상기 제3 광섬유는 상기 복수 개의 미세홀에 각각 대응되도록 배치된 복수 개의 광섬유를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제2 광섬유 및 상기 제3 광섬유의 길이는 동일할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 제1 내지 제4 광섬유는 단일 모드 광섬유(single-mode optical fiber)일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 광대역의 가간섭 광은 복수 개의 주파수 성분을 포함하며, 상기 광 검출기는 상기 복수 개의 주파수 성분에 각각 대응되는 간섭광들을 검출하는 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 피측정물은 복수 개의 미세홀을 구비하며, 상기 피측정물 또는 상기 제3 광섬유를 이동시키는 구동부를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 광대역의 가간섭 광을 조사하는 발광부와, 적어도 하나의 미세홀을 구비하며, 상기 발광부로부터 입사되는 광을 상기 미세홀의 바닥면에서 반사하는 피측정물과, 광섬유 커플러 및 상기 광섬유 커플러에서 분기되는 제1 광섬유, 단부에 광을 집속하는 제2 렌즈를 구비하는 제3 광섬유 및 제4 광섬유와, 상기 미세홀의 바닥면 및 상기 제3 광섬유에 구비된 제2 렌즈의 표면에서 반사되는 광을 수광하여, 간섭 신호로부터 상기 미세홀의 깊이를 측정하는 광 검출기를 포함하며,
상기 제1 광섬유는 상기 발광부와 연결되며 상기 발광부로부터 입사되는 광을 상기 광섬유 커플러를 통해 상기 제3 광섬유에 전달하고, 상기 제3 광섬유는 상기 제3 광섬유의 단부에 구비된 제2 렌즈의 표면에서 상기 제1 광섬유를 통해 전달받은 광의 일부를 반사하고 상기 제2 렌즈를 투과한 광을 상기 미세홀에 광을 조사하여 상기 미세홀의 바닥면에서 반사되는 광을 수광하며, 상기 제4 광섬유는 상기 광 검출기에 연결되며 상기 제3 광섬유로부터 입사되는 광을 상기 광섬유 커플러를 통해 상기 광 검출기에 전달하는 것을 특징으로 하는 미세홀 깊이 측정 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 적어도 하나의 미세홀을 구비하는 피측정물 및 광섬유 커플러 및 상기 광섬유 커플러에서 분기되는 제1 광섬유, 제2 광섬유, 제3 광섬유 및 제4 광섬유를 구비하는 미세홀 깊이 측정 장치를 이용한 미세홀 깊이 측정 방법에 있어서,
광대역의 가간섭 광을 조사하는 발광부로부터 상기 발광부와 연결되어 있는 상기 제1 광섬유에 광이 입사되며, 상기 광섬유 커플러를 통해 상기 제2 광섬유 및 상기 제3 광섬유에 전달된 광을 각각 기준면 및 상기 미세홀에 조사하는 단계와, 상기 기준면에서 반사된 광을 상기 제2 광섬유에 의해 수광하고, 상기 미세홀의 바닥면에서 반사된 광을 상기 제3 광섬유에 의해 수광하는 단계와, 상기 제2 광섬유 및 상기 제3 광섬유에 의해 수광된 광이 상기 광섬유 커플러를 통해 상기 제4 광섬유에 전달되며, 상기 제4 광섬유와 연결되어 있는 광 검출기에 의해 상기 피측정물의 상기 기준면 및 상기 미세홀의 바닥면에서 반사된 광에 의해 형성된 간섭광을 수광하는 단계를 포함하는 미세홀 깊이 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 일 특징에 의하면, 상기 광을 조사하는 단계는, 복수 개의 주파수 성분을 포함하는 상기 광대역의 가간섭 광을 조사하는 단계를 포함하며, 상기 광 검출기에 의해 간섭광을 수광하는 단계는, 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)에 의해 상기 복수 개의 주파수 성분에 각각 대응되는 간섭광들을 수광하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 피측정물은 복수 개의 상기 미세홀을 구비하며, 상기 피측정물 또는 상기 제3 광섬유를 구동부에 의해 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 피측정물은 복수 개의 상기 미세홀을 구비하며, 상기 제3 광섬유에 전달된 광을 상기 미세홀에 조사하는 단계는 복수 개의 상기 제3 광섬유에 전달된 광을 각각 복수 개의 상기 미세홀에 조사하는 단계를 포함하며, 상기 미세홀의 바닥면에서 반사된 광을 상기 제3 광섬유에 의해 수광하는 단계는 복수 개의 상기 미세홀의 바닥면에서 반사된 광을 각각 복수 개의 상기 제3 광섬유에 의해 수광하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 구성에 의한 미세홀 깊이 측정 장치 및 방법에 의해, 간이한 구성으로 미세홀의 깊이를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 종횡비가 큰 미세홀의 바닥면까지 광을 입사시키고 회절 한계로 인해 미세홀에서 회절이 발생하는 현상을 방지함으로써, 직경이 작은 미세홀의 깊이를 빠르고 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 광대역 광을 사용하여 고속으로 미세홀의 깊이를 측정할 수 있다.
또한, 외부 진동으로 인한 측정 오차를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 미세홀 깊이 측정 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 미세홀 깊이 측정 장치에 구비된 피측정물에서 반사되는 광을 나타낸 개념도이다.
도 3은 도 1의 미세홀 깊이 측정 장치에 구비된 제3 광섬유의 일 예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 관한 미세홀 깊이 측정 장치를 나타낸 구성도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 미세홀 깊이 측정 장치를 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 미세홀 깊이 측정 장치를 나타낸 구성도이다.
도 7은 도 6의 미세홀 깊이 측정 장치에 구비된 피측정물에서 반사되는 광을 나타낸 개념도이다.
도 8은 도 1의 실시예에 관한 미세홀 깊이 측정 장치를 이용한 미세홀 깊이 측정 방법의 단계들을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 미세홀 깊이 측정 장치(1)를 나타낸 구성도이고, 도 2는 도 1의 미세홀 깊이 측정 장치(1)에 구비된 피측정물(20)에서 반사되는 광을 나타낸 개념도이고, 도 3은 도 1의 미세홀 깊이 측정 장치(1)에 구비된 제3 광섬유(60)의 일 예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 일 실시예에 관한 미세홀 깊이 측정 장치(1)는 광대역의 가간섭 광을 조사하는 발광부(10)와, 적어도 하나의 미세홀(21)을 구비하며 발광부(10)로부터 입사되는 광을 미세홀(21)의 바닥면(21a)에서 반사하는 피측정물(20)과, 발광부(10)로부터 입사되는 광을 반사하며 미세홀(21)의 바닥면(21a)에서 반사된 광과 간섭을 일으키는 기준광을 형성하는 기준면(20a)과, 미세홀(21)의 바닥면(21a) 및 기준면(20a)에서 반사된 광을 수광하여 간섭 신호로부터 미세홀(21)의 깊이(d)를 측정하는 광 검출기(80)와, 광섬유 커플러(30) 및 광섬유 커플러(30)에서 분기되는 제1 광섬유(40), 제2 광섬유(50), 제3 광섬유(60) 및 제4 광섬유(70)를 포함한다.
상기 광섬유들(40, 50, 60, 70)은 중앙에 배치된 코어(61, core), 코어(61)를 둘러싸도록 배치된 클래딩(62, cladding) 및 외부의 충격으로부터 광섬유를 보호하기 위한 합성수지 등으로 구성된 피복(63)으로 구성될 수 있으며, 코어(61)에 광이 일정한 각도로 입사되어 상대적으로 굴절률이 큰 코어(61)와 굴절률이 작은 클래딩(62)의 경계면에서 전반사를 반복하여 광 손실을 최소화하면서 광을 전달할 수 있다.
상기 광섬유 커플러(30)는 광을 여러 곳으로 분배하여 보내거나, 여러 곳에서 입사된 광을 한곳으로 합치는 기능을 하는 수동 소자이며, 본 실시예의 미세홀 깊이 측정 장치(1)에 구비된 광섬유 커플러(30)는 제1 광섬유(40)로부터 입사된 광이 광섬유 커플러(30)를 통해 제2 및 제3 광섬유(50, 60)로 분배되고, 제2 및 제3 광섬유(50, 60)로부터 입사된 광이 광섬유 커플러(30)로부터 제1 및 제4 광섬유(40, 70)로 분배되는 2×2의 형태일 수 있다.
광섬유 커플러(30)는 두 개 이상의 광섬유를 서로 융착하거나, 평면광도파로(PLC; planar lightwave circuit) 형식 등 다양한 방식으로 제작될 수 있다.
상기 제1 광섬유(40)는 발광부(10)와 연결되며, 발광부(10)로부터 입사되는 광을 광섬유 커플러(30)를 통해 제2 광섬유(50) 및 제3 광섬유(60)에 전달한다. 이때, 제1 광섬유(40)를 커넥터(40a)에 의해 발광부(10)와 직접 연결함으로써 광손실을 최소화할 수 있다.
상기 제2 광섬유(50)는 제2 광섬유(50)의 단부가 기준면(20a)에 대응되도록 배치되어 기준면(20a)에 광을 조사하고 기준면(20a)에서 반사되어 되돌아온 광을 수광하며, 제3 광섬유(60)는 제3 광섬유(60)의 단부가 미세홀(21)에 대응되도록 배치되어 미세홀(21)에 광을 조사하고 미세홀(21)의 바닥면(21a)에서 반사되어 되돌아온 광을 수광한다.
이때, 제2 광섬유(50)와 제3 광섬유(60)의 단부에는 각각 광을 집속하는 제1 렌즈(50a)와 제2 렌즈(60a)가 배치될 수 있다. 즉, 제2 광섬유(50) 및 제3 광섬유(60)는 렌즈형 광섬유(lensed fiber)로 구성될 수 있으며, 렌즈형 광섬유는 테이퍼 형태의 렌즈형 광섬유(tapered lensed fiber)일 수 있다.
도 3은 제3 광섬유(60)의 일 예를 나타낸 것으로, 제3 광섬유(60)는 테이퍼(taper)를 구비하는 테이퍼형으로, 제3 광섬유(60)의 단부를 볼록면으로 형성함으로써, 제3 광섬유(60)로부터 방출되는 광을 포커싱할 수 있다. 즉, 제3 광섬유(60)에는 광을 집속하는 제2 렌즈(60a)가 일체로 형성될 수 있다. 이러한, 테이퍼 형태의 렌즈형 광섬유는 광섬유와 레이저광 등을 커플링하는 데 적합할 수 있다.
이때, 제2 렌즈(60a)에 의해 집속되는 광의 작동 거리(working distance, WD)와 초점에서의 스팟 지름(spot diameter, SD)은 제2 렌즈(60a)의 곡률 등에 의해 정해지며, 측정하고자 하는 미세홀(21)의 지름(W) 및 깊이(d)를 고려하여 적절한 작동 거리(WD)와 스팟 지름(SD)을 갖도록 제2 렌즈(60a)를 설계할 수 있다.
도 3에서는 제3 광섬유(60)를 예로 설명하였지만, 이는 제2 광섬유(50)에도 동일하게 적용될 수 있다.
상기 제4 광섬유(70)는 광 검출기(80)와 연결되며, 제2 광섬유(50) 및 제3 광섬유(60)로부터 입사되는 광을 광섬유 커플러(30)를 통해 광 검출기(80)에 전달한다. 제4 광섬유(70)는 커넥터(70a)에 의해 광 검출기(80)와 직접 연결되어 광손실을 최소화할 수 있다.
구체적으로, 제2 광섬유(50)를 통해 전달된 기준면(20a)에서 반사된 광과, 제3 광섬유(60)를 통해 전달된 미세홀(21)의 바닥면(21a)에서 반사된 광은 광섬유 커플러(30)를 통해 중첩되면서 간섭광을 형성하고, 간섭광은 제4 광섬유(70)를 통해 전달되어 광 검출기(80)에 의해 수광된다.
광 검출기(80)는 수광된 간섭광으로부터 미세홀(21)의 깊이(d)를 측정할 수 있다.
본 실시예의 미세홀 깊이 측정 장치(1)에서는, 피측정물(20)의 일면이 미세홀(21)의 바닥면(21a)에서 반사된 광과 간섭을 일으키는 기준광을 형성하는 기준면(20a)이 된다.
이러한 구성을 통해, 기준면(20a)이 별도의 부재에 배치되고 기준면(20a)이 배치된 별도의 부재가 외부 조건 등에 의해 진동을 일으키고, 이러한 진동에 의해 발생할 수 있는 간섭 신호의 측정 오차를 줄일 수 있으므로, 미세홀(21)의 깊이(d) 측정의 정밀도가 향상될 수 있다. 즉, 간섭을 일으키는 두 광이 모두 피측정물(20)에서 반사되므로, 피측정물(20)의 진동 등에 의한 오차는 서로 상쇄되므로, 측정 결과에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다.
또한, 본 실시예의 제1 내지 제4 광섬유(40, 50, 60, 70)는 단일 모드 광섬유(single-mode optical fiber)일 수 있으며, 제2 광섬유(50) 및 제3 광섬유(60)의 길이는 실질적으로 동일할 수 있다.
단일 모드 광섬유란, 다중 모드 광섬유에 비하여 코어 지름이 약 10 μm 미만으로 매우 작기 때문에, 전파되는 광의 모드가 하나인 광섬유를 의미한다. 따라서, 본 실시예의 제1 내지 제4 광섬유(40, 50, 60, 70)를 단일 모드 광섬유로 구성함으로써, 중첩되는 광의 가간섭성(coherence)을 증대시킬 수 있다.
또한, 제2 광섬유(50) 및 제3 광섬유(60)의 길이를 동일하게 구성함으로써, 기준면(20a)에서 반사되는 광과, 미세홀(21)의 바닥면(21a)에서 반사되는 광경로의 길이를 거의 동일하게 하여, 두 개의 반사광의 시간적 가간섭성(temporal coherence)를 증대시킬 수 있다.
또한, 제1 광섬유(40)로부터 제3 광섬유(60)에 전달되는 광량은 제2 광섬유(50)에 전달되는 광량보다 클 수 있다. 이는 기준면(20a)에서 반사되는 광과, 미세홀(21)의 바닥면(21a)에서 반사되는 광의 중첩에 의한 간섭광의 콘트라스트비(contrast ratio)를 증대시키기 위한 것이다.
즉, 제1 광섬유(40)로부터 제2 광섬유(50) 및 제3 광섬유(60)에 전달되는 광량이 동일한 경우, 반사 과정에서의 광손실에 의하여 미세홀(21)의 바닥면(21a)에서 반사되어 다시 제3 광섬유(60)에 입사되는 광량이 기준면(20a)에서 반사되어 다시 제2 광섬유(50)에 입사되는 광량에 비하여 작아질 수 있으므로, 제2 및 제3 광섬유(50, 60)에 재입사되는 반사광의 세기를 동일하게 하기 위하여, 제1 광섬유(40)로부터 제3 광섬유(60)에 전달되는 광량을 제2 광섬유(50)에 전달되는 광량보다 크게 하여 간섭광의 콘트라스트비를 증대시킬 수 있다.
또한, 제2 광섬유(50) 및 제3 광섬유(60)에 입사된 반사광는 광섬유 커플러(30)를 통해 제1 광섬유(40) 및 제4 광섬유(70)로 전달될 수 있는데, 이때 발광부(10)에 반사된 광이 입사되는 문제가 발생하지 않도록 제1 광섬유(40)로 전달되는 광량을 최소화하는 것이 바람직하다.
상기 구성에 의해, 본 실시예의 미세홀 깊이 측정 장치(1)는 렌즈형 광섬유를 사용함으로써, 지름(W)에 비하여 깊이(d)가 긴, 즉 종횡비(aspect ratio)가 매우 큰 미세홀(21)에 광을 효율적으로 집속시키고 반사광의 커플링 효율을 높일 수 있다.
또한, 광섬유를 사용하여 미세홀(21)에 광을 조사하므로 미세홀(21)에 대한 접근 및 이동이 용이할 수 있다.
또한, 복수 개의 광학 소자를 사용하여 구성된 마이켈슨 간섭계 등이 아닌, 광섬유 커플러(30) 및 광섬유 커플러(30)에서 분기되는 광섬유를 이용하여 간섭계를 구성함으로써 미세홀 깊이 측정 장치(1)의 구성을 간이화할 수 있다.
이하, 간섭 신호를 이용하여 미세홀(21)의 깊이(d)를 측정하는 방법에 관하여 설명한다.
일반적으로 간섭 신호(I)는 광경로차(L)에 관한 함수이며, 하기의 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112012068908064-pat00001
여기서, I1, I2는 간섭을 일으키는 두 개의 광 각각의 세기(intensity)이며, c는 광속, f는 주파수를 나타내며, 본 실시예의 미세홀(21)의 깊이(d)는 상기 식의 광경로차(L)에 대응된다.
일반적으로 단일 파장을 갖는 광을 사용한 간섭계의 경우, 기준 거울을 이동시키면서 간섭 신호를 획득하고 이를 분석함으로써, 광경로차(L)를 구할 수 있다. 그러나, 본 실시예의 미세홀 깊이 측정 장치(1)는, 복수 개의 주파수 성분을 포함하는 광대역 레이저 광을 사용하므로, 기준면(20a)을 이동시킬 필요 없이 각각의 주파수(f)에 대응되는 복수 개의 간섭 신호로부터 광경로차(L)를 구할 수 있다.
본 실시예의 미세홀 깊이 측정 장치(1)에 구비된 발광부(10)는 광대역의 가간섭 광을 방출하며, 펨토초 펄스 레이저(femtosecond pulse laser) 및 증폭기로 구성될 수 있으며, 증폭기는 EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier) 등일 수 있다.
펨토초 펄스 레이저는, 펄스폭(pulse width)이 수 내지 수백 펨토초를 가지며, 일정한 반복율(repetition rate)로 레이저 광을 방출하는 레이저이다. 펨토초 펠스 레이저는 가간섭성(coherence)을 가지며, 주파수 도메인에서 광대역의 폭 내에 일정한 간격으로 배열된 복수 개의 주파수 성분을 포함할 수 있다.
그러나, 발광부(10)의 구성은 이에 제한되지 않으며 복수 개의 주파수 성분을 포함하는 광대역의 가간섭 광을 방출할 수 있는 다른 구성을 포함한다. 예를 들면, 발광부(10)는 단일 파장의 광을 방출하는 시드 레이저(seed laser)와, 시드 레이저로부터 입사되는 광으로부터 복수 개의 주파수 성분을 포함하는 광대역 레이저를 방출하도록 해주는 주파수 발생기와, 증폭기를 포함하도록 구성될 수 있다. 이때, 주파수 발생기의 반복률은 기준 클럭(Rb-reference clock)에 잠금되어 안정화될 수 있다.
또한, 본 실시예의 미세홀 깊이 측정 장치(1)에 구비된 광 검출기(80)는 광 스펙트럼 분석기(OSA; optical spectrum analyzer)일 수 있으며, 각각의 주파수에 대응되는 간섭 신호의 주기를 구함으로써 광경로차(L), 즉 미세홀(21)의 깊이(d)를 산출할 수 있다.
상기 구성에 의해, 기준면(20a)의 이동 없이 빠르고 정확하게 미세홀(21)의 깊이(d)를 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 관한 미세홀 깊이 측정 장치(2)를 나타낸 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 관한 미세홀 깊이 측정 장치(2)는 다른 구성은 도 1의 미세홀 깊이 측정 장치(1)와 동일하며, 기준면(90a)의 위치 및 피측정물(20)이 복수 개의 미세홀(21)를 구비한다는 차이점만 존재한다.
이하에서는 도 1의 미세홀 깊이 측정 장치(1)와 동일한 구성에 관한 설명은 생략하고, 차이점을 중심으로 설명한다.
본 실시예의 미세홀 깊이 측정 장치(2)는 기준면(90a)이 피측정물(20)과 이격되어 있는 별도의 부재인 기준 거울(90)의 일면으로 구성되며, 피측정물(20)에는 복수 개의 미세홀(21)이 배치될 수 있다.
상기 구성에 의해, 기준면(90a)의 정렬이 용이할 수 있으며 특히 피측정물(20) 또는 제3 광섬유(60)를 이동시키는 경우에도 기준면(90a)을 구비하는 기준 거울(90) 및 기준면(90a)에 광을 조사하는 제2 광섬유(50)를 다시 정렬할 필요가 없다.
또한, 피측정물(20)은 복수 개의 미세홀(21)을 포함하며, 본 실시예의 미세홀 깊이 측정 장치(2)는 피측정물(20) 또는 제3 광섬유(60)를 이동시키는 구동부(미도시)를 더 구비할 수 있다.
따라서, 구동부(미도시)에 의해 피측정물(20) 및/또는 제3 광섬유(60)를 도 4의 화살표(A, B) 방향으로 이동시키면서 복수 개의 미세홀(21) 각각의 깊이를 측정할 수 있다.
이때, 발광부(10)는 도 1의 미세홀 깊이 측정 장치(1)와 마찬가지로 복수 개의 주파수 성분을 포함하는 광대역의 가간섭 광을 방출하며, 광 검출기(80)는 광 스펙트럼 분석기(OSA; optical spectrum analyzer)일 수 있으므로, 미세홀(21)의 깊이를 측정하기 위하여 기준 거울(90)을 이동시킬 필요는 없다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 미세홀 깊이 측정 장치(3)를 나타낸 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 관한 미세홀 깊이 측정 장치(3)는 다른 구성은 도 1의 미세홀 깊이 측정 장치(1)와 동일하며, 피측정물(20)이 복수 개의 미세홀(21)를 구비하고, 제3 광섬유(60)가 복수 개의 미세홀(21) 각각에 대응되도록 배치된 복수 개의 제3 광섬유(61, 62, 63)로 구성된다는 차이점만 존재한다.
상기 구성에 의해, 복수 개의 미세홀(21)의 깊이(d)를 측정하기 위해 피측정물(20) 또는 제3 광섬유(60)를 이동시킬 필요가 없으므로 구동부가 불필요하고 고속으로 복수 개의 미세홀(21)을 측정할 수 있다.
이때, 본 실시예의 미세홀 깊이 측정 장치(3)는 복수 개의 제3 광섬유(61, 62, 63) 각각에 대응되도록 제4 광섬유(70)를 복수 개의 제4 광섬유(71, 72, 73)로 구성하고, 제4 광섬유(71, 72, 73) 각각에 연결되어 있는 복수 개의 광 검출기(81, 82, 83)를 구비할 수 있다.
그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 제4 광섬유(70) 및 광 검출기(80)를 하나로 구성하고, 멀티플렉서(multiplexer) 등의 별도의 스위칭 소자(미도시)를 통해 각각의 제3 광섬유(61, 62, 63)로부터 입사되는 반사광을 온/오프(on/off) 시킴으로써 각각의 미세홀(21)의 깊이를 측정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 미세홀 깊이 측정 장치(4)를 나타낸 구성도이고, 도 7은 도 6의 미세홀 깊이 측정 장치(4)에 구비된 피측정물(20)에서 반사되는 광을 나타낸 개념도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예에 관한 미세홀 깊이 측정 장치(4)는 다른 구성은 도 1의 미세홀 깊이 측정 장치(1)와 동일하며, 피측정물(20)에 구비된 미세홀(21)의 바닥면(21a)에서 반사된 광과 간섭을 일으키는 기준광을 수광하기 위한 제2 광섬유(50)이 생략된다는 차이점만 존재한다.
본 실시예의 미세홀 깊이 측정 장치(4)에서, 기준광은 제3 광섬유(60)의 단부에 구비된 제2 렌즈(60a)의 표면에서 반사된 광(R1)이 된다. 즉, 제1 광섬유(40)로부터 광섬유 커플러(30)를 통해 제3 광섬유(60)로 광이 전달되고, 전달된 광의 일부는 제2 렌즈(60a)의 표면에서 반사되고, 일부는 제2 렌즈(60a)를 투과하면서 집속된다.
제2 렌즈(60a)를 투과한 광은 미세홀(21)에 조사되고, 미세홀(21)에 조사된광은 미세홀(21)의 바닥면(21a) 등에서 다시 반사된다.
따라서, 제2 렌즈(60a)의 표면에서 반사된 광(R1)과 미세홀(21)의 바닥면(21a)에서 반사된 광(R2)의 중첩에 의한 간섭 신호를 광 검출기(80)를 통해 수광함으로써 미세홀(21)의 깊이(d)를 측정할 수 있다.
구체적으로, 광 검출기(80)는 상기 R1과 R2의 간섭 신호뿐 아니라, R1과 피측정물(20)의 표면에서 반사된 광의 중첩에 의한 간섭 신호를 동시에 수광한다.
이때, R1과 R2의 간섭 신호로부터 얻어지는 광경로차는 제2 렌즈(60a)의 표면에서부터 미세홀(21)의 바닥면(21a)까지의 거리이고, R1과 피측정물(20)의 표면에서 반사된 광의 중첩에 의한 간섭 신호로부터 얻어지는 광경로차는 제2 렌즈(60a)의 표면에서부터 피측정물(20)의 표면까지의 거리이므로, 두 개의 간섭 신호로부터 측정된 광경로차의 차이가 미세홀(21)의 깊이(d)가 된다.
상기 구성 및 방법에 의해 미세홀(21)의 깊이(d)를 정확하게 측정할 수 있다.
본 실시예의 미세홀 깊이 측정 장치(4)는 2×2 광섬유 커플러가 아닌, 2×1 광섬유 커플러를 구비하며, 더욱 간소한 구성으로 미세홀(21)의 깊이(d)를 측정할 수 있다는 장점이 있다.
도 8은 도 1의 실시예에 관한 미세홀 깊이 측정 장치(1)를 이용한 미세홀 깊이 측정 방법의 단계들을 나타낸 순서도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 미세홀 깊이 측정 방법은, 광대역의 가간섭 광을 조사하는 발광부(10)로부터 발광부(10)와 연결되어 있는 제1 광섬유(40)에 광이 입사되며, 광섬유 커플러(30)를 통해 제2 광섬유(50)에 전달된 광을 기준면(20a)에 조사하는 단계(S110) 및 제3 광섬유(60)에 전달된 광을 미세홀(21)에 조사하는 단계(S120)와, 기준면(20a)에서 반사된 광을 제2 광섬유(50)에 의해 수광하는 단계(S130) 및 미세홀(21)의 바닥면(21a)에서 반사된 광을 제3 광섬유(60)에 의해 수광하는 단계(S140)와, 제2 광섬유(50) 및 상기 제3 광섬유(60)에 의해 수광된 반사광이 광섬유 커플러(30)를 통해 상기 제4 광섬유(70)에 전달되며 제4 광섬유(70)와 연결되어 있는 광 검출기(80)에 의해 피측정물(20)의 기준면(20a) 및 미세홀(21)의 바닥면(21a)에서 반사된 광에 의해 형성된 간섭광을 수광하는 단계(S150)와, 수광된 간섭광으로부터 미세홀(21)의 깊이(d)를 산출하는 단계(S160)를 포함한다.
이때, 광을 조사하는 단계(S110, S120)는, 복수 개의 주파수 성분을 포함하는 광대역의 가간섭 광을 조사하는 단계를 포함하며, 광 검출기(80)에 의해 간섭광을 수광하는 단계(S150)는, 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)에 의해 복수 개의 주파수 성분에 각각 대응되는 간섭광들을 수광하는 단계를 포함할 수 있다.
본 실시예의 미세홀 깊이 측정 방법은, 도 1의 미세홀 깊이 측정 장치(1)에 의한 방법에 관한 것으로, 도 4의 미세홀 깊이 측정 장치(2)에 의해 미세홀(21)을 측정하는 경우, 피측정물(20)은 복수 개의 미세홀(21)을 구비하며, 하나의 미세홀(21)의 깊이(d)를 상술한 방법으로 측정한 후에, 피측정물(20) 또는 제3 광섬유(60)를 구동부(미도시)에 의해 이동시켜 동일한 방법으로 다른 미세홀(21)의 깊이(d)를 측정할 수 있다.
또한, 도 5의 미세홀 깊이 측정 장치(3)에 의해 미세홀(21)을 측정하는 경우, 피측정물(20)은 복수 개의 미세홀(21)을 구비하며, 제3 광섬유(60)에 전달된 광을 미세홀(21)에 조사하는 단계는 복수 개의 제3 광섬유(60)에 전달된 광을 각각 복수 개의 미세홀(21)에 조사하는 단계를 포함하며, 미세홀(21)의 바닥면(21a)에서 반사된 광을 제3 광섬유(60)에 의해 수광하는 단계는 복수 개의 미세홀(21)의 바닥면(21a)에서 반사된 광을 각각 복수 개의 제3 광섬유(60)에 의해 수광하는 단계를 포함할 수 있다.
미세홀 깊이 측정 방법에 관해서는, 도 1의 미세홀 깊이 측정 장치(1)에 관한 설명과 함께 기술되었으므로, 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1, 2, 3, 4: 미세홀 깊이 측정 장치
10: 발광부 20: 피측정물
20a, 90a: 기준면 21: 미세홀
21a: 미세홀의 바닥면 30: 광섬유 커플러
40: 제1 광섬유 50: 제2 광섬유
50a: 제1 렌즈 60: 제3 광섬유
60a: 제2 렌즈 70: 제4 광섬유
80: 광 검출기 90: 기준 거울

Claims (15)

  1. 광대역의 가간섭 광을 조사하는 발광부;
    적어도 하나의 미세홀을 구비하며, 상기 발광부로부터 입사되는 광을 상기 미세홀의 바닥면에서 반사하는 피측정물;
    상기 발광부로부터 입사되는 광을 반사하며, 상기 미세홀의 바닥면에서 반사된 광과 간섭을 일으키는 기준광을 형성하는 기준면;
    상기 미세홀의 바닥면 및 상기 기준면에서 반사된 광을 수광하여, 간섭 신호로부터 상기 미세홀의 깊이를 측정하는 광 검출기; 및
    광섬유 커플러 및 상기 광섬유 커플러에서 분기되는 제1 광섬유, 제2 광섬유, 제3 광섬유 및 제4 광섬유;를 포함하며,
    상기 제1 광섬유는 상기 발광부와 연결되며, 상기 발광부로부터 입사되는 광을 상기 광섬유 커플러를 통해 상기 제2 광섬유 및 상기 제3 광섬유에 전달하고,
    상기 제2 광섬유는 상기 제2 광섬유의 단부가 상기 기준면에 대응되도록 배치되어 상기 기준면에 광을 조사하여 상기 기준면에서 반사된 광을 수광하고,
    상기 제3 광섬유는 상기 제3 광섬유의 단부가 상기 미세홀에 대응되도록 배치되어 상기 미세홀에 광을 조사하여 상기 미세홀의 바닥면에서 반사되는 광을 수광하고,
    상기 제4 광섬유는 상기 광 검출기에 연결되며, 상기 제2 광섬유 및 상기 제3 광섬유로부터 입사되는 광을 상기 광섬유 커플러를 통해 상기 광 검출기에 전달하는 것을 특징으로 하는 미세홀 깊이 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 광섬유 및 상기 제3 광섬유의 단부에는 각각 광을 집속하는 제1 렌즈 및 제2 렌즈가 배치된 미세홀 깊이 측정 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 기준면은 상기 피측정물의 일면인 미세홀 깊이 측정 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 기준면은 상기 피측정물과 이격되어 배치된 기준 거울의 일면인 미세홀 깊이 측정 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광섬유로부터 상기 제3 광섬유에 전달되는 광량이 상기 제2 광섬유에 전달되는 광량보다 큰 미세홀 깊이 측정 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 피측정물은 복수 개의 미세홀을 포함하고, 상기 제3 광섬유는 상기 복수 개의 미세홀에 각각 대응되도록 배치된 복수 개의 광섬유를 포함하는 미세홀 깊이 측정 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 광섬유 및 상기 제3 광섬유의 길이는 동일한 미세홀 깊이 측정 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 광섬유는 단일 모두 광섬유(single-mode optical fiber)인 미세홀 깊이 측정 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 광대역의 가간섭 광은 복수 개의 주파수 성분을 포함하며, 상기 광 검출기는 상기 복수 개의 주파수 성분에 각각 대응되는 간섭광들을 검출하는 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)인 미세홀 깊이 측정 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 피측정물은 복수 개의 미세홀을 구비하며, 상기 피측정물 또는 상기 제3 광섬유를 이동시키는 구동부를 더 구비하는 미세홀 깊이 측정 장치.
  11. 광대역의 가간섭 광을 조사하는 발광부;
    적어도 하나의 미세홀을 구비하며, 상기 발광부로부터 입사되는 광을 상기 미세홀의 바닥면에서 반사하는 피측정물;
    광섬유 커플러 및 상기 광섬유 커플러에서 분기되는 제1 광섬유, 단부에 광을 집속하는 제2 렌즈를 구비하는 제3 광섬유 및 제4 광섬유; 및
    상기 미세홀의 바닥면 및 상기 제3 광섬유에 구비된 제2 렌즈의 표면에서 반사되는 광을 수광하여, 간섭 신호로부터 상기 미세홀의 깊이를 측정하는 광 검출기;를 포함하며,
    상기 제1 광섬유는 상기 발광부와 연결되며, 상기 발광부로부터 입사되는 광을 상기 광섬유 커플러를 통해 상기 제3 광섬유에 전달하고,
    상기 제3 광섬유는 상기 제3 광섬유의 단부에 구비된 제2 렌즈의 표면에서 상기 제1 광섬유를 통해 전달받은 광의 일부를 반사하고, 상기 제2 렌즈를 투과한 광을 상기 미세홀에 광을 조사하여 상기 미세홀의 바닥면에서 반사되는 광을 수광하며,
    상기 제4 광섬유는 상기 광 검출기에 연결되며, 상기 제3 광섬유로부터 입사되는 광을 상기 광섬유 커플러를 통해 상기 광 검출기에 전달하는 것을 특징으로 하는 미세홀 깊이 측정 장치.
  12. 적어도 하나의 미세홀을 구비하는 피측정물; 및
    광섬유 커플러 및 상기 광섬유 커플러에서 분기되는 제1 광섬유, 제2 광섬유, 제3 광섬유 및 제4 광섬유;를 구비하는 미세홀 깊이 측정 장치를 이용한 미세홀 깊이 측정 방법에 있어서,
    광대역의 가간섭 광을 조사하는 발광부로부터 상기 발광부와 연결되어 있는 상기 제1 광섬유에 광이 입사되며, 상기 광섬유 커플러를 통해 상기 제2 광섬유 및 상기 제3 광섬유에 전달된 광을 각각 기준면 및 상기 미세홀에 조사하는 단계;
    상기 기준면에서 반사된 광을 상기 제2 광섬유에 의해 수광하고, 상기 미세홀의 바닥면에서 반사된 광을 상기 제3 광섬유에 의해 수광하는 단계; 및
    상기 제2 광섬유 및 상기 제3 광섬유에 의해 수광된 광이 상기 광섬유 커플러를 통해 상기 제4 광섬유에 전달되며, 상기 제4 광섬유와 연결되어 있는 광 검출기에 의해 상기 피측정물의 상기 기준면 및 상기 미세홀의 바닥면에서 반사된 광에 의해 형성된 간섭광을 수광하는 단계;를 포함하는 미세홀 깊이 측정 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 광을 조사하는 단계는, 복수 개의 주파수 성분을 포함하는 상기 광대역의 가간섭 광을 조사하는 단계를 포함하며,
    상기 광 검출기에 의해 간섭광을 수광하는 단계는, 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)에 의해 상기 복수 개의 주파수 성분에 각각 대응되는 간섭광들을 수광하는 단계를 포함하는 미세홀 깊이 측정 방법. .
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 피측정물은 복수 개의 상기 미세홀을 구비하며,
    상기 제2 광섬유 및 상기 제3 광섬유에 전달된 광을 각각 기준면 및 상기 미세홀에 조사하는 단계 전에, 상기 피측정물 또는 상기 제3 광섬유를 구동부에 의해 이동시키는 단계를 더 포함하는 미세홀 깊이 측정 방법.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 피측정물은 복수 개의 상기 미세홀을 구비하며,
    상기 제3 광섬유에 전달된 광을 상기 미세홀에 조사하는 단계는 복수 개의 상기 제3 광섬유에 전달된 광을 각각 복수 개의 상기 미세홀에 조사하는 단계를 포함하며, 상기 미세홀의 바닥면에서 반사된 광을 상기 제3 광섬유에 의해 수광하는 단계는 복수 개의 상기 미세홀의 바닥면에서 반사된 광을 각각 복수 개의 상기 제3 광섬유에 의해 수광하는 단계를 포함하는 미세홀 깊이 측정 방법.
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