KR101436745B1 - 분광계를 이용하여 파장별 측정을 구현하는 형상 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분광계를 이용하여 파장별 측정을 구현하는 형상 측정 장치에 관한 것으로, 간섭무늬를 획득하여 거리를 측정하는 형상 측정 장치에 있어서, 레이저를 출사하는 레이저 광원, 상기 광원에서 출력되는 광을 파장별로 분리하는 분광계, 상기 분광계에서 파장별로 분리된 광을 측정광과 기준광으로 분리하는 빔스플리터, 상기 빔스플리터에서 투과된 광을 통해 기준광을 생성하는 기준미러, 상기 빔스플리터에서 반사된 파장별 광을 측정대상물에 조사한 후 반사되는 간섭광을 획득하는 간섭렌즈, 상기 간섭렌즈를 통해 획득한 간섭광을 획득하는 이미지 센서, 측정 대상물의 해당하는 간섭광을 획득하기 위해 스캐닝하는 구동부 및 상기 구동부를 통해 스캐닝되는 구동값과, 상기 측정대상물에 조사된 짧은 파장과 긴 파장의 파장 차이를 상기 구동값에 보상하여 산출함으로써, 상기 측정 대상물에 대한 이미지 정보를 산출하는 영상 처리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

분광계를 이용하여 파장별 측정을 구현하는 형상 측정 장치{Spectrometer to measure the spectral shape measurement device to implement}

본 발명은 분광계를 이용하여 파장별 측정을 구현하는 형상 측정 장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 짧은 파장과 긴 파장을 이용하여 스캐닝하며 간섭 늬를 획득하고 형상을 측정하는 분광계를 이용하여 파장별 측정을 구현하는 형상 측정 장치에 관한 것이다.

백색광 간섭계를 이용하여, 미세영역에 있어서, 형상을 측정하는 기술은 널리 보급되어 현재 많은 분야에서 활용되고 있다. 백색광 간섭계는 대한민국특허 등록공보 제10-598572호를 보면 잘 설명되어 있다. 백색광간섭계는 반도체 및 LCD(Liquid Crystal Display) 제조 공정 중에서 불투명한 금속 층의 표면상에 투명한 박막 층을 도포하는 공정이 존재하는데, 이 때 투명한 박막 층의 두께나 그 표면 형상에 대한 정보를 측정하는 몇 가지 방법들이 제안되었다.

이러한 투명한 박막층의 표면 형상을 측정하는 방법의 하나로, 백색광 주사 간섭법(WSI : White-light Scanning Interferometry)이 제안되었는데, 종래의 위상 천이 간섭법(PSI : Phase Shifting Interferometry)이 가지는 2π-모호성(2πambiguity)을 극복하여 거친면이나 고단차를 가지는 측정면도 고 분해능으로 측정할 수 있게 되었다.

백색광 주사 간섭법의 기본 측정 원리는 백색광의 짧은 가간섭(Short Coherence Length) 특성을 이용한다. 이는 광분할기인 빔 스플리터(Beam splitter)에서 분리되는 기준광과 측정광이 거의 동일한 광경로차(Optical path difference)를 겪을 때에만 간섭신호(Interference signal)가 발생하는 원리를 이용한다.

그러므로, 측정대상물을 광축 방향으로 PZT 액츄에이터와 같은 이송수단으로 수 나노미터(nanometer)의 미소 간격씩 이동하면서 측정 영역 내의 각 측정점에서의 간섭신호를 관찰하면, 각 점이 기준미러와 동일한 광경로차가 발생하는 지점에서 짧은 간섭신호가 발생한다.

이러한 간섭신호의 발생 위치를 측정 영역 내의 모든 측정점에서 산출하면 측정면의 3차원 형상에 대한 정보를 획득하게 되고, 획득된 3차원 정보로부터 박막층의 표면 형상을 측정하게 된다.

백색광주사간섭계는 광원으로 백색광(일반적으로 텅스텐 할로겐 램프나 제논 램프, 그리고 백색 발광다이오드 등)을 이용하며, 주사방식으로 간섭신호를 획득하기 위하여 광축방향으로 측정면을 미세구동기를 이용하여 이동한다. 이때 측정면의 이동의 의미는 간섭계 전체를 미세구동기를 이용하여 이동하여 측정면과의 거리를 변화하거나, 기준면만을 미세구동기로 주사하는 방법도 포함한다.

도 1은 기존의 마이켈슨 간섭원리에 근거한 백색광주사간섭계의 기본 장치의 구성을 보여준다. 광원(1)에서 나온 백색광은 렌즈(2)에 의해 평행광으로 만들어진 후, 광분할기(3)에 의하여 측정광과 기준광으로 분리되어 측정면(5)과 기준면(6)에 조사되고 각 면에서 반사된 광은 간섭무늬를 생성하고 영상획득부(8)에 의해 획득된다. 이때 미세 형상을 측정하기 위한 고배율의 결상을 위해 현미경 대물렌즈(4)가 일반적으로 사용되고 있다.

백색광주사간섭계의 특징은 백색광이 갖는 짧은 가간섭성을 이용하는 것으로, 레이저와 같은 단색광은 수 미터(m)에 주사거리에 걸쳐서 간섭 신호를 발생시킬 수 있지만, 백색광은 수 마이크로(㎛)이내의 주사거리에서만 간섭 신호를 발생시킨다. 도 1에 도시된 바와 같이 측정면을 광축 방향으로 미소 간격씩 주사 이동하면서 한 측정점에서의 간섭신호를 획득한 후, 이의 간섭강도의 주사거리에 대한 변화를 도시하면, 도 1에서와 같이 측정면(5)과 기준면(6)의 위치 차이가 가간섭 길이 내의 짧은 거리에서만 간섭신호를 나타낸다.

그러므로 측정 면적 영역내의 모든 측정점에 대한 간섭신호를 획득하고, 각각의 측정점에서 얻어진 간섭신호의 강도의 변화에 대한 정점에서의 광축 방향 위치를 높이 값으로 설정하면, 기준면에 대한 측정면의 삼차원 형상을 측정할 수 있다.

이와 같은 백색광주사간섭계는 일반 레이저광을 이용한 간섭이 갖는 절대위상 결정의 모호성으로부터 자유롭기 때문에 수 밀리미터(mm)의 상대적으로 큰 단차도 나노미터(nm)이하의 수직 분해능으로 측정할 수 있어, 최근 초정밀 미세 형상측정분야에서 산업적 검사기술로 널리 활용되고 있다.

하지만, 현미경 대물렌즈(4)를 이용하여 측정면의 삼차원 형상을 획득하는 과정에서, 대물렌즈의 좁은 시각영역(Field of view)에 의해, 한 번에 측정할 수 있는 측정 면적이 일반적으로 가로, 세로 수 밀리미터(mm)의 좁은 영역으로 제한되는 단점이 있게 된다. 따라서 기존의 방법으로 가로와 세로 폭이 수십 밀리미터에 달하는 대면적을 측정하기 위해서는 좁은 영역의 면적으로 나누어 여러 번 측정하고, 이를 정합하여 대면적 측정 결과를 산출하는 방법이 널리 사용되고 있다.

KR 10-0598572호 KR 10-0756300호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 분광계를 통해 분광된 광원의 단파장과 장파장 영역을 이용하여 간섭광의 획득하고 파장간의 차이를 통해 형상을 획득할 수 있는 형상 측정 장치를 제공하고자 하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 간섭무늬를 획득하여 거리를 측정하는 형상 측정 장치에 있어서, 레이저를 출사하는 레이저 광원, 상기 광원에서 출력되는 광을 파장별로 분리하는 분광계, 상기 분광계에서 파장별로 분리된 광을 측정광과 기준광으로 분리하는 빔스플리터, 상기 빔스플리터에서 투과된 광을 통해 기준광을 생성하는 기준미러, 상기 빔스플리터에서 반사된 파장별 광을 측정대상물에 조사한 후 반사되는 간섭광을 획득하는 간섭렌즈, 상기 간섭렌즈를 통해 획득한 간섭광을 획득하는 이미지 센서, 측정 대상물의 해당하는 간섭광을 획득하기 위해 스캐닝하는 구동부 및 상기 구동부를 통해 스캐닝되는 구동값과, 상기 측정대상물에 조사된 짧은 파장과 긴 파장의 파장 차이를 상기 구동값에 보상하여 산출함으로써, 상기 측정 대상물에 대한 이미지 정보를 산출하는 영상 처리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동부는, 측정광의 짧은 파장에서 긴 파장으로 스캐닝되도록 구동되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 분광계를 통해 파장별로 분리된 광을 측정 대상물에 조사하고, 파장별 간섭광과 스캐닝 구동값을 반영하여 측정 대상물에 대한 형상 정보를 획득함에 따라 별도의 간섭 z축 스캐닝 구동 없이 파장별 간섭광의 차이를 이용해 용이하게 획득할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 백색광 간섭계의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 분광계를 이용하여 파장별 측정을 구현하는 형상 측정 장치의 개략적인 구성도,

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 분광계를 이용하여 파장별 측정을 구현하는 형상 측정 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 분광계를 이용하여 파장별 측정을 구현하는 형상 측정 장치는, 간섭무늬를 획득하여 거리를 측정하는 형상 측정 장치에 있어서, 레이저를 출사하는 레이저 광원, 상기 광원에서 출력되는 광을 파장별로 분리하는 분광계, 상기 분광계에서 파장별로 분리된 광을 측정광과 기준광으로 분리하는 빔스플리터, 상기 빔스플리터에서 투과된 광을 통해 기준광을 생성하는 기준미러, 상기 빔스플리터에서 반사된 파장별 광을 측정대상물에 조사한 후 반사되는 간섭광을 획득하는 간섭렌즈, 상기 간섭렌즈를 통해 획득한 간섭광을 획득하는 이미지 센서, 측정 대상물의 해당하는 간섭광을 획득하기 위해 스캐닝하는 구동부 및 상기 구동부를 통해 스캐닝되는 구동값과, 상기 측정대상물에 조사된 짧은 파장과 긴 파장의 파장 차이를 상기 구동값에 보상하여 산출함으로써, 상기 측정 대상물에 대한 이미지 정보를 산출하는 영상 처리부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 분광계를 이용하여 파장별 측정을 구현하는 형상 측정 장치는, 분광계를 통해 측정광을 파장별로 분리하여 측정대상물에 조사하고, 측정 대상물의 파장별 간섭광과 스캐닝에 대한 구동값을 보상하여 간섭광을 영상처리함으로써 측정 대상물의 형상 정보를 획득할 수 있는 것을 주요 기술적 요지로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 분광계를 이용하여 파장별 측정을 구현하는 형상 측정 장치의 개략적인 구성도이다.

본 발명에 따른 형상 측정 장치는, 측정 대상물(200)의 표면 형상을 측정하기 위해 광을 출력하는 광원(100), 상기 광원에서 출력되는 광을 파장별로 분리하는 분광계(110), 상기 분광계를 통해 파장별로 분리된 광을 기준광과 측정광으로 분리하는 빔스플리터(120), 기준광을 생성하는 기준미러(130), 상기 측정광을 측정 대상물에 조사하는 간섭렌즈(140), 측정 대상물의 측정 포인트에 파장별 조사후 간섭된 광을 획득하는 CCD(이미지 센서 ; 150), 상기 이미지 센서에서 획득한 간섭광을 측정 대상물을 구동한 구동값과, 측정 포인트에 대한 파장의 차이와 상기 구동값을 보상하여 간섭광을 형상 정보로 처리하는 영상 처리부(160)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 측정 포인트에 대하여 파장별 간섭광을 획득하고 이를 구동값에 보상하여 최종적으로 해당 포인트에 대한 형상 정보를 획득함에 따라 형상 측정 장치의 시스템을 간소화시킬 수 있고, 고속 측정을 구현할 수 있는 장점이 있다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100 : 광원
110 : 분광계
120 : 빔스플리터
130 : 기준미러
140 : 간섭렌즈
150 : CCD
160 : 영상 처리부
200 : 측정 대상물

Claims (2)

1. 간섭무늬를 획득하여 거리를 측정하는 형상 측정 장치에 있어서,
   레이저를 출사하는 레이저 광원;
   상기 광원에서 출력되는 광을 파장별로 분리하는 분광계;
   상기 분광계에서 파장별로 분리된 광을 측정광과 기준광으로 분리하는 빔스플리터;
   상기 빔스플리터에서 투과된 광을 통해 기준광을 생성하는 기준미러;
   상기 빔스플리터에서 반사된 파장별 광을 측정대상물에 조사한 후 반사되는 간섭광을 획득하는 간섭렌즈;
   상기 간섭렌즈를 통해 획득한 간섭광을 획득하는 이미지 센서;
   측정 대상물의 해당하는 간섭광을 획득하기 위해 스캐닝하는 구동부; 및
   상기 구동부를 통해 스캐닝되는 구동값과, 상기 측정대상물에 조사된 짧은 파장과 긴 파장의 파장 차이를 상기 구동값에 보상하여 산출함으로써, 상기 측정 대상물에 대한 이미지 정보를 산출하는 영상 처리부;를 포함하여 구성되는 분광계를 이용하여 파장별 측정을 구현하는 형상 측정 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 구동부는,
   측정광의 짧은 파장에서 긴 파장으로 스캐닝되도록 구동되는 분광계를 이용하여 파장별 측정을 구현하는 형상 측정 장치.

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