KR101486272B1 - 투명 기판 모니터링 장치 및 투명 기판 측정 방법 - Google Patents

투명 기판 모니터링 장치 및 투명 기판 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투명 기판 모니터링 장치 및 투명 기판 모니터링 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 장치는 광을 조사하는 발광부; 입사 광의 진행 방향을 가로지르는 제1 방향 및 제2 방향으로 정의되는 평면에 배치되고, 상기 제1 방향으로 서로 이격되어 상기 광을 통과시키는 제1 슬릿와 제2 슬릿을 포함하는 이중 슬릿; 상기 발광부와 상기 이중 슬릿의 사이에 배치된 투명 기판의 제1 위치를 투과하고 상기 제1 슬릿을 통과한 제1 광과 상기 투명 기판의 제2 위치를 투과하고 제2 슬릿을 통과한 제2 광에 의하여 스크린 평면 상에 형성된 간섭 패턴(interference pattern)을 측정하거나 상기 간섭 패턴의 위치 이동을 측정하는 광 검출부; 및 상기 광 검출부로부터 신호를 수신하여 상기 제1 위치 및 제2 위치에 기인한 광 위상차 또는 광 경로차를 산출하는 신호 처리부;를 포함한다.

Description

투명 기판 모니터링 장치 및 투명 기판 측정 방법{Transparent Substrate Monitoring Apparatus and Transparent Substrate Monitoring Method}
본 발명은 두께 변화 측정 장치 및 두께 변화 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이중 슬릿을 이용하여 두께의 변화를 정밀하게 측정할 수 있는 두께 변화 측정 장치 및 두께 변화 측정 방법에 관한 것이다.
본 발명은 투명 기판 모니터링 장치 및 투명 기판 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이중 슬릿을 이용하여 광 경로차의 변화를 정밀하게 측정할 수 있는 투명 기판 모니터링 장치 및 투명 기판 측정 방법에 관한 것이다.
반도체 장치나 LCD(liquid crystal display), OLED(organic lightemitting diode)디스플레이와 같은 평판 표시 장치에는 유리 등으로 구성된 기판이 사용된다. 최근, 표시 장치는 점점 대면적화, 고화질화되고 있다. 이에 표시 장치에 포함되는 기판은 또한 대면적화되고 있다. 이러한 기판의 두께의 불균일은 표시 장치의 화질에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 기판의 전면에 걸쳐 두께를 균일하게 유지하는 것이 중요하다.
수 nm 내지 수십 nm 정도의 두께 변화를 측정하기 위하여, 일반적으로 기판의 전면과 후면에서 반사되는 광 사이의 간섭 현상을 이용한 반사형 두께 측정 장치가 이용된다. 그러나, 기판이 대면적화되면서 기판의 두께 측정 과정에서 기판이 휘어질 수 있으며, 기판의 휘어짐 정도에 따라 기판에서 반사되는 광의 경로가 변화되어 기판의 두께를 정밀하게 측정하기 어려운 문제가 발생한다.
본 발명의 목적은 이중 슬릿을 이용하여 피측정물의 두께의 변화를 정밀하게 측정할 수 있는 두께 변화 측정 장치 및 두께 변화 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이중 슬릿을 이용하여 투명 기판의 광 위상차를 측정하고, 이어서 이중 슬릿의 간격 만큼 투명 기판을 이중 슬릿의 슬릿 간격 방향으로 이동시키어 모든 측정 위치를 서로 연결하여 광 위상차의 공간 분포를 제공하는 투명 기판 공정 모니터링 장치 및 공정 모니터링 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 장치는 광을 조사하는 발광부; 입사 광의 진행 방향을 가로지르는 제1 방향 및 제2 방향으로 정의되는 평면에 배치되고, 상기 제1 방향으로 서로 이격되어 상기 광을 통과시키는 제1 슬릿와 제2 슬릿을 포함하는 이중 슬릿; 상기 발광부와 상기 이중 슬릿의 사이에 배치된 투명 기판의 제1 위치를 투과하고 상기 제1 슬릿을 통과한 제1 광과 상기 투명 기판의 제2 위치를 투과하고 제2 슬릿을 통과한 제2 광에 의하여 스크린 평면 상에 형성된 간섭 패턴(interference pattern)을 측정하거나 상기 간섭 패턴의 위치 이동을 측정하는 광 검출부; 및 상기 광 검출부로부터 신호를 수신하여 상기 제1 위치 및 제2 위치에 기인한 광 위상차 또는 광 경로차를 산출하는 신호 처리부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 신호 처리부는 상기 간섭 패턴의 상기 제1 방향으로 이동된 거리를 이용하여 상기 광 경로차를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 투명 기판은 상기 제1 방향으로 이동하고, 상기 투명 기판은 유리 기판일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 검출부는 위치 검출기(position sensitive detector)를 포함하고, 상기 광 검출부 앞에 배치되어 상기 간섭 패턴의 주 최대 패턴(principal maximum pattern)을 투과시키는 핀홀을 더 포함하고, 상기 위치 검출기는 상기 주 최대 패턴의 중심 위치를 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 검출부 앞에 배치되고 상기 제1 방향으로 이격된 제1 핀홀 및 제2 핀홀을 더 포함하고, 상기 광 검출부는 상기 제1 핀홀 뒤에 배치된 제1 광 검출부 및 상기 제2 핀홀 뒤에 배치된 제2 검출부를 포함하고, 상기 제1 핀홀과 상기 핀홀의 간격은 상기 주 최대 패턴의 폭보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 검출부 앞에 배치된 핀홀을 더 포함하고, 상기 광 검출부는 상기 핀홀 뒤에 배치되고 상기 제1 방향으로 배열된 광 센서 어레이를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이중 슬릿과 상기 광 검출부 사이에 배치된 렌즈부를 더 포함하고, 상기 광 검출부는 상기 렌즈부의 초점 거리에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발광부는 광원; 및 상기 광원의 출력광의 광 경로를 변경하여 광 경로가 변경된 광을 상기 이중 슬릿에 제공하는 반사부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발광부는 광원; 상기 광원의 출력광을 제공받는 광섬유;및 상기 광섬유로부터 출력되는 광을 평행광으로 변경하여 상기 이중 슬릿에 제공하는 평행광 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발광부는 제1 파장의 광을 조사하는 제1 광원; 상기 제1 파장과 다른 제2 파장의 광을 조사하는 제2 광원; 상기 제1 광원의 광 경로와 상기 제2 광원의 광 경로를 결합하는 방향성 결합기; 및 상기 방향성 결합기의 출력광을 상기 이중 슬릿에 제공하는 평행광 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광원과 상기 제2 광원은 펄스 모드로 동작하고, 상기 제1 광원과 상기 제2 광원은 순차적으로 상기 이중 슬릿에 출력광을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 방법은 입사 광의 진행 방향을 가로지르는 제1 방향 및 제2 방향으로 정의되는 평면에 배치되고, 상기 제1 방향으로 서로 이격되어 상기 광을 통과시키는 제1 슬릿와 제2 슬릿을 포함하는 이중 슬릿을 제공하는 단계; 가간섭성을 가진 제1 파장의 광을 순차적으로 투명 기판 및 이중 슬릿을 통과시켜 제1 간섭 패턴을 형성하는 단계; 상기 이중 슬릿 앞에 배치된 투명 기판의 제1 위치를 투과하고 상기 제1 슬릿을 통과한 제1 광과 상기 투명 기판의 제2 위치를 투과하고 제2 슬릿을 통과한 제2 광에 의하여 스크린 평면 상에 형성된 상기 제1 간섭 패턴의 이동량을 측정하는 단계; 및 상기 제1 파장의 광에 의한 상기 제1 간섭 패턴의 이동량으로부터 상기 투명 기판에 의한 제1 위상차를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 투명 기판을 상기 이중 슬릿의 슬릿 간격만큼 상기 슬릿 간격 방향으로 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 이전 위치에서 측정된 상기 제1 위상차를 합산하여 상기 투명 기판의 제1 누적 위상차의 공간 분포를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 가간섭성을 가진 제2 파장의 광을 상기 투명 기판 및 상기 이중 슬릿을 통과시켜 제2 간섭 패턴을 형성하는 단계; 상기 제2 파장의 광에 의한 상기 제2 간섭 패턴의 이동량을 측정하여 상기 투명 기판에 의한 제2 위상차를 측정하는 단계; 및 상기 제1 위상차와 상기 제2 위상차를 이용하여 굴절률 차이 및 두께 차이를 추출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 투명 기판을 상기 이중 슬릿의 슬릿 간격만큼 상기 슬릿 간격 방향으로 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 이전 위치에서 측정된 상기 굴절률 차이를 합산하여 굴절률 차이의 공간 분포 및 이전 위치에서 측정된 상기 두께 차이를 합산하여 두께 차이의 공간 분포를 추출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스크린 평면에서 초점을 가지도록 상기 이중 슬릿 뒤에 렌즈를 설치하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 간섭 패턴 중에서 주 최고 패턴만을 통과시키도록 상기 스크린 평면에 핀홀을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 위상차 측정 장치는 광을 조사하는 발광부; 입사 광의 진행 방향을 가로지르는 제1 방향 및 제2 방향으로 정의되는 평면에 배치되고, 상기 제1 방향으로 서로 이격되어 상기 광을 통과시키는 제1 슬릿와 제2 슬릿을 포함하는 이중 슬릿; 상기 발광부와 상기 이중 슬릿의 사이에 배치된 피측정물의 제1 위치를 투과하고 상기 제1 슬릿을 통과한 제1 광과 상기 투명 기판의 제2 위치를 투과하고 제2 슬릿을 통과한 제2 광에 의하여 스크린 평면 상에 형성된 간섭 패턴(interference pattern)을 측정하거나 상기 간섭 패턴의 위치 이동을 측정하는 광 검출부; 및 상기 광 검출부로부터 신호를 수신하여 상기 제1 위치 및 제2 위치에 기인한 광 위상차를 산출하는 신호 처리부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 변화 측정 장치는 광을 조사하는 발광부; 상기 광의 진행 방향을 가로지르는 방향으로 이격되어 광을 통과시키는 제1 개구와 제2 개구를 구비하는 이중 슬릿; 상기 발광부와 상기 이중 슬릿의 사이에 배치되어, 광을 투과시키는 피측정물; 상기 제1 개구와 상기 제2 개구를 통과한 광에 의해 형성된 간섭광을 수광하여 간섭 패턴의 위치변화를 검출하는 광 위치 검출부; 및 상기 광 위치 검출부로부터 신호를 수신하여 상기 피측정물의 두께 변화를 산출하는 신호 처리부;를 구비한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 간섭광의 세기는 상기 피측정물의 상기 제1 개구에 대응하는 제1 영역과 상기 제2 개구에 대응하는 제2 영역의 두께의 차이에 따라 변화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 피측정물을 상기 발광부로부터 방출된 광의 진행 방향을 가로지르는 방향을 따라 이동시키는 이동 제어부를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이중 슬릿과 상기 광 위치 검출부 사이에 배치된 정렌즈를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발광부와 상기 피측정물 사이에 배치되며, 상기 발광부로부터 방출된 광을 평행광으로 만드는 광학 부재를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광 위치 검출부는, 제1 광 검출기와 제2 광 검출기를 구비하며, 상기 제1 광 검출기와 상기 제2 광 검출기는, 상기 간섭광의 세기가 가장 큰 위치로부터 광의 진행 방향을 가로지르는 방향으로 동일한 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 변화 측정 방법은 광을 투과시키는 피측정물과, 광을 통과시키며 서로 이격되어 배치된 제1 개구와 제2 개구를 구비하는 이중 슬릿을 배치하는 단계; 상기 피측정물과 상기 이중 슬릿을 순차적으로 통과하도록 광을 조사하는 단계; 광 위치 검출부에 의해, 상기 제1 개구와 상기 제2 개구를 통과한 광에 의해 형성된 간섭광을 수광하는 단계; 및 상기 광 위치 검출부로부터 신호를 수신하여 피측정물의 두께 변화를 산출하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 피측정물을 상기 발광부로부터 방출된 광의 진행 방향을 가로지르는 방향을 따라 이동시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이중 슬릿과 상기 광 위치 검출부 사이에 정렌즈를 배치하여, 상기 이중 슬릿을 통과한 광을 집속시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발광부와 상기 피측정물 사이에 광학 부재를 배치하여, 상기 발광부로부터 방출된 광을 평행광으로 만드는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 간섭광을 수광하는 단계는, 상기 간섭광의 세기가 가장 큰 위치로부터 광의 진행 방향을 가로지르는 방향으로 동일한 거리만큼 이격되어 배치된 제1 광검출기 및 제2 광 검출기를 구비하는 상기 광 위치 검출부에 의해 상기 간섭광을 수광하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 구성에 의한 두께 변화 측정 장치 및 두께 변화 측정 방법에 의해, 피측정물의 두께의 변화를 정밀하게 측정할 수 있다. 또한 피측정물의 전체 표면에서의 두께 변화의 양상을 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 장치는 진동에 강한 광 위상차를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 장치는 두 개의 파장을 이용하여 광경로차를 굴절률과 두께로 분리할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 두께 변화 측정 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 이중 슬릿을 통과한 광의 간섭 패턴을 도시한 그래프이다.
도 3은 도 2의 A 영역을 확대하여 간섭광의 강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 1의 두께 변화 측정 장치에서 위상차에 따른 신호의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 1의 실시예에 관한 두께 변화 측정 장치를 이용한 두께 변화 측정 법의 단계들을 나타낸 순서도이다.
도 6a은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 장치를 설명하는 도면이다.
도 6b는 도 6a의 투명 기판 모니터링 장치를 설명하는 사시도이다.
도 7a은 도 6의 투명 기판 모니터링 장치에서 위상차가 있는 경우 간섭 패턴을 설명하는 도면이다.
도 7b는 간섭 패턴의 이동량을 시간에 따라 나타내는 도면이다.
도 7c는 도 7b의 시간에 따른 간섭 패턴의 이동량을 위치에 따른 광 위상차로 표시한 도면이다.
도 7d는 도 7c의 광 위상차를 합산한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 장치를 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투명 기판 공정 모니터링 장치를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 장치를 설명하는 도면이다.
도 11은 도 10의 투명 기판 모니터링 장치의 타이밍 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 기판 공정 모니터링 방법을 설명하는 도면이다.
도 13은 도 12의 방법을 사용하여 처리한 결과이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 광경로차 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 기판의 두께가 다르면 상기 투명 기판을 투과한 빛의 광경로(Optical path length)가 달라진다. 따라서, 각 지점에서 유리를 투과한 빛의 위상이 차이가 발생한다. 위상 차이를 측정하기 위하여, 광원에서 방출된 빔은 평행광으로 만들어지고 상기 투명 기판을 투과한다. 상기 투명 기판을 투과한 빔은 슬릿 간격(a)을 가진 이중 슬릿에 입사된다. 상기 이중 슬릿을 투과한 빛은 회절에 의해 광 검출부가 배치된 스크린 평면에서 간섭무늬를 형성한다. 이중 슬릿의 각각의 광 경로에 의한 위상차가 없으면, 상기 이중 슬릿의 중심에 간섭무늬의 최대 피크가 위치한다. 이중 슬릿의 각각의 광 경로에 의한 위상차가 발생하면, 상기 이중 슬릿의 중심에 간섭무늬의 최대 피크가 슬릿 간격 방향인 x 축 방향으로 상하 이동한다. 따라서, 광 검출부를 이용해 간섭무늬의 피크 점의 위치가 어떻게 변하는지를 측정하면, 두 지점에서의 투명 기판의 두께 차이가 알 수 있다.
또한, 이중슬릿을 이용하여 측정한 광 경로 차이는 굴절률과 두께(또는 거리)의 곱으로 표시된다. 상기 광 경로 차이로부터 굴절률과 두께의 정보를 분리하려면, 추가적인 측정이 필요하다. 서로 다른 2개의 파장으로 동일한 지점의 광경로 차이를 측정하면, 두께 차이와 굴절률 차이가 구해질 수 있다.
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 두께 변화 측정 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1에 나타난 실시예에 관한 두께 변화 측정 장치는, 광을 조사하는 발광부(10)와, 발광부(10)의 광을 통과시키는 제1 개구(31)와 제2 개구(32)를 갖는 이중 슬릿(30)과, 발광부(10)와 이중 슬릿(30)의 사이에 배치되어 광을 투과시키는 피측정물(20)과, 이중 슬릿(30)을 통과한 광에 의해 형성된 간섭광을 수광하여 신호를 발생하는 광 위치 검출부(40)와, 광 위치 검출부(40)의 신호를 수신하여 피측정물(20)의 두께 변화를 산출하는 신호 처리부(80)를 구비한다.
발광부(10)는 피측정물(20)의 두께 변화를 측정하기 위해 광을 방출하는 기능을 수행하며, 상기 광은 가간섭성(coherence)을 갖는다. 발광부(10)는 예를 들어 레이저(laser)를 발생시키는 레이저 광원으로 구현될 수 있다. 발광부(10)은 하나의 파장으로 발진하는 레이저이거나 서로 다른 파장으로 발진하는 두 개의 레이저일 수 있다.
이중 슬릿(30)은 발광부(10)에서 방출된 광이 진행하는 방향을 가로지르는 방향으로 연장한다. 이중 슬릿(30)은 발광부(10)의 광의 진행 방향을 가로지르는 방향으로 이격되어 광을 통과시키는 제1 개구(31)와 제2 개구(32)를 구비한다.
이중 슬릿(30)과 발광부(10)의 사이에는 피측정물(20)이 배치된다. 피측정물(20)은 발광부(10)의 광을 통과시킬 수 있는 광투과성 소재이다.
발광부(10)와 피측정물(20)의 사이에는 광학 부재(15)가 배치될 수 있다. 광학 부재(15)는 발광부(10)에서 방출된 광을 평행광으로 만드는 콜리메이터(collimator)일 수 있으며, 예를 들면, 초점 거리가 서로 다른 2개의 정렌즈로 구성될 수 있다.
발광부(10)로부터 방출된 광이 피측정물(20)을 통과하고, 피측정물(20)을 통과한 후에 이중 슬릿(30)의 제1 개구(31)와 제2 개구(32)의 각각을 통과한다. 광이 이중 슬릿(30)의 제1 개구(31)와 제2 개구(32)의 각각을 통과하면서 회절되고, 회절된 광이 서로 결합함으로써 간섭광이 발생된다.
이중 슬릿(30)으로부터 이격되어 배치된 가상 스크린 면(60)에는 도 2와 같은 소정의 간섭 패턴이 형성되며, 이들 간섭 패턴 중에서 하나나 여럿을 선택하여 피측정물(20)이 이동할 때 간섭 패턴이 이동되는 양을 측정한다. 가상 스크린 면(60)에는 간섭광을 수광하여 간섭신호의 위치가 변하는 양을 측정하는 광 위치 검출부(40)가 배치된다. 광 위치 검출부(40)는 제1 광 검출기(41)와 제2 광 검출기(42)를 구비한다. 제1 광 검출기(41)와 제2 광 검출기(42)는 피측정물(20)이 존재하지 않는 상태에서 제1 개구(31)와 제2 개구(32)를 통과한 광에 의해 발생한간섭 패턴 중 하나를 선택하여 간섭광의 세기가 가장 큰 위치로부터 광의 진행 방향을 가로지르는 방향으로 동일한 거리만큼 이격되도록 배치된다.
광 위치 검출부(40)는 여러 개의 포토 다이오드(photodiode)로 구성될 수 있으며, 포토 다이오드의 전면에는 핀홀(pinhole)이 배치될 수 있다.
그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 광 위치 검출부(40)는 포토 다이오드 어레이(photodiode array)나 CCD(charge coupled device)로 구성될 수도 있다.
이중 슬릿(30)과 광 위치 검출부(40)의 사이에는 정렌즈(50)가 배치될 수 있으며, 광 위치 검출부(40)는 정렌즈(50)의 초점 거리에 대응되는 영역에 배치될 수 있다.
피측정물(20)은 발광부(10)와 이중 슬릿(30)의 사이에서 발광부(10)로부터 방출된 광의 진행 방향을 가로지르는 방향을 따라 이동 가능하게 배치될 수 있다. 피측정물(20)은 구동부(91)에 의해 신축 가능하게 이동하는 실린더(92)의 단부에 결합된 가압부(93)에 의해 가압됨으로써 발광부(10)의 광의 방향을 가로지르는 방향으로 이동할 수 있다.
구동부(91)는 이동 제어부(90)에 전기적으로 연결되며 이동 제어부(90)로부터 인가되는 제어 신호에 의해 작동함으로써 피측정물(20)를 일정한 속도로 이동시킬 수 있다.
도 2는 이중 슬릿을 통과한 광의 간섭 패턴을 도시한 그래프이다.
도 2는 도 1에서 피측정물(20)이 제거되거나, 피측정물(20)의 제1 영역의 두께(t1)와 제2 영역의 두께(t2)가 동일하여, 이중 슬릿(30)의 제1 개구(31)와 제2 개구(32)를 통과한 광의 위상이 동일할 때에 가상 스크린 면(60) 상에 형성된 간섭 패턴을 나타낸다.
θ는 가상 스크린 면(60)에 형성된 간섭 패턴의 위치를 나타내는 각도를 나타내며, 이중 슬릿(30)의 중심으로부터 스크린(60)을 잇는 수직선으로부터 벗어난 각도에 해당한다. 도 2의 그래프의 광 강도 I(θ)는 수학식 1로 표현되며, θ가 0일 때 간섭광의 강도가 최대값에 해당한다.
광 위치 검출부(40)의 제1 광 검출기(41)와 제2 광 검출기(42)는 스크린(60)에서 θ가 0 또는 π에 해당하여 간섭광의 강도가 최대가 되는 지점에서 동일한 거리만큼 이격 되게 배치된다.
Figure 112013021253090-pat00001
수학식 1에서, I0는 광원에서 나온 광의 강도이고, α는 아래의 수학식 2의 값에 해당하고, β는 수학식 3에 해당한다.
Figure 112013021253090-pat00002
Figure 112013021253090-pat00003
상술한 수학식 2와 수학식 3에서, a는 이중 슬릿(30)의 제1 개구(31)와 제2 개구(32)의 간격이고, b는 이중 슬릿(30)의 제1 개구(31)와 제2 개구(32)의 각각의 폭에 해당하며, k는 2π/λ에 해당한다(λ는 사용한 빛의 파장임).
도 2에 도시된 그래프는 이중 슬릿(30)의 제1 개구(31)와 제2 개구(32)를 통과한 광의 위상이 동일할 때에 해당한다. 그러나 도 1에 도시된 것과 같이 이중 슬릿(30)과 발광부(10)의 사이에 제1 영역의 두께(t1)와 제2 영역의 두께(t2)가 상이한 피측정물(20)이 배치됨으로써 제1 개구(31)와 제2 개구(32)를 통과한 광 사이에 위상차가 생기는 경우에는, 간섭광에 의해 가상 스크린 면(60)에 형성되는 간섭 패턴의 형태가 변화할 수 있다.
도 3은 도 2의 A 영역을 확대하여 간섭광의 강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1에 도시된 것과 같이 이중 슬릿(30)의 제1 개구(31)에 대응하는 피측정물(20)의 제1 영역(21)의 두께(t1)와, 제2 개구(32)에 대응하는 피측정물(20)의 제2 영역(22)의 두께(t2)가 상이할 수 있다. 이와 같이 제1 영역(21)와 제2 영역(22)의 두께가 상이한 경우에는 제1 개구(31)와 제2 개구(32)를 통과하는 광의 위상에 차이가 발생한다.
도 3은 제1 개구(31)와 제2 개구(32)의 사이에 존재하는 광의 위상 차이로 인해 발생하는 간섭 패턴의 변화를 도시한다.
제1 광 검출기(41)와 제2 광 검출기(42)는 피측정물(20)이 존재하지 않거나, 이중 슬릿(30)의 제1 개구(31)와 제2 개구(32)를 통과한 광 사이에 위상차가 존재하지 않을 때에 간섭광의 세기가 최대인 지점에서 동일한 거리(Z0)만큼 이격되도록 배치된다. 따라서 제1 개구(31)와 제2 개구(32)를 통과한 광 사이에 위상차가 존재하지 않을 때의 간섭 패턴(100)에 따라 동일한 강도의 간섭광(100a, 100b)이 제1 광 검출기(41)와 제2 광 검출기(42)의 각각에 입사된다.
그러나 도 3(a)에 도시된 것과 같이 피측정물(20)의 두께의 변화로 인해 회절광의 간섭 패턴이 우측으로 이동한 패턴(101)으로 변화하면, 제1 광 검출기(41)로 입사하는 간섭광의 강도(101b)가 제2 광 검출기(42)로 입사하는 간섭광의 강도(101a) 보다 작아진다.
또한 도 3(b)에 도시된 것과 같이 피측정물(20)의 두께의 변화로 인해 회절광의 간섭 패턴이 좌측으로 이동한 패턴(102)으로 변화하면, 제1 광 검출기(41)로 입사하는 간섭광의 강도(102b)가 제2 광 검출기(42)로 입사하는 간섭광의 강도(102a) 보다 커진다.
제1 개구(31)와 제2 개구(32)에서의 광의 위상 차이가 φ0일 때, 제1 광 검출기(41)와 제2 광 검출기(42)에서의 간섭광의 전기장(E)을 나타내는 신호는 수학식 4로 표현될 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00004
수학식 4에서 φ0은 도 1에서 제 1개구(31)과 제 2개구(32)에 도달한 빛의 위상 차이이고, c는 반사나 손실을 고려한 상수이고, R은 이중 슬릿(30)에서 가상 스크린 면(60)까지의 거리, ω는 빛의 각주파수, b는 슬릿의 폭이고, k는 빛의 파수이고, t는 시간이다. 도 1에서 피측정물(20)이 배치되어 이중 슬릿(30)의 제1 개구(31)와 제2 개구(32)를 통과한 광의 위상에 차이가 발생하였을 때에 가상 스크린 면(60)에 간섭 패턴을 형성하는 간섭광의 강도는 아래의 수학식 5로 표현할 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00005
수학식 5에서 제1 개구(31)과 제2 개구(32)에 도달한 빛의 위상차인 φ0의 값이 변화함에 따라 간섭광의 의해 형성된 간섭 패턴(fringe)이 좌우로 이동함을 알 수 있다.
수학식 5를 이용하여 이중 슬릿(30)의 제1 개구(31)와 제2 개구(32)에서의 광의 위상 차이에 따른 제1 광 검출기(41)와 제2 광 검출기(42)의 신호 차이를 구하기 위해 아래의 수학식 6을 도출할 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00006
수학식 6에서 A는 광 검출기의 이득을 고려한 I-V 변환 상수이다.
도 4는 도 1의 두께 변화 측정 장치에서 위상차 φ0에 따른 신호 V(φ0)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 이중 슬릿(30)의 제1 개구(31)와 제2 개구(32)에서의 광의 위상 차이에 따른 제1 광 검출기(41)와 제2 광 검출기(42)의 신호 차이를 도시한다.
제1 광 검출기(41)와 제2 광 검출기(42)의 신호 차이가 V이고, 제1 개구(31)와 제2 개구(32)에서의 광의 위상 차이가 φ0일 때, 신호 차이 V(φ0)는 수학식 7로 표현된다.
Figure 112013021253090-pat00007
a는 제1 개구(31)와 제2 개구(32)의 간격이고, k는 2π/λ에 해당하며(λ는 사용한 빛의 파장임), Zo는 제1 광 검출기(41)와 제2 광 검출기(42)의 사이의 간격의 반절에 해당하고, F는 렌즈의 초점 거리이고, 수학식 6과 수학식 7에서 A 는 수학식 8과 같다.
Figure 112013021253090-pat00008
제1 광 검출기(41)와 제2 광 검출기(42)의 신호의 차이로부터 제1 개구(31)와 제2 개구(32)에서의 광의 위상 차이 φ0를 산출할 수 있으며, φ0로부터 피측정물(20)의 제1 영역의 두께(t1)와 제2 영역의 두께(t2)의 차이를 산출할 수 있다.
여기서, φ0는 2(n-1)π/λ(t1-t2)이며, n은 피측정물의 굴절률이다.
도 1에 도시된 바와 같이 제1 광 검출기(41)의 신호와 제2 광 검출기(42)의 신호가 증폭기(70)를 통해 처리부(80)로 인가되면, 처리부(80)는 제1 광검출기(41)와 제2 광 검출기(42)의 신호의 차이로부터 피측정물(20)의 두께의 변화를 산출할 수 있다. 그러므로 처리부(80)는 발광부(10)가 광을 방출하는 동안 피측정물(20)을 이동시킬 때에 발생하는 제1 광 검출기(41)의 신호와 제2 광 검출기(42)의 신호의 변화를 처리하여 피측정물(20)의 두께의 변화를 정밀하게 측정할 수 있으며, 이로 인해 피측정물(20)의 표면에서의 두께 변화의 양상을 알 수 있다.
도 5는 도 1의 실시예에 관한 두께 변화 측정 장치를 이용한 두께 변화 측정 방법의 단계들을 나타낸 순서도이다.
도 5에 나타난 실시예에 관한 두께 변화 측정 방법은, 광을 투과시키는 피측정물과 이중 슬릿을 배치하는 단계(S110)와, 피측정물과 이중 슬릿에 순차적으로 광을 조사하는 단계(S120)와, 광 위치 검출부를 이용하여 이중 슬릿을 통과한 간섭광을 수광하는 단계(S130)와, 광 위치 검출부로부터 신호를 수신하여 피측정물의 두께 변화를 산출하는 단계(S140)를 포함한다. 이러한 두께 변화 측정 방법의 단계들에서, 도 1에 도시된 두께 변화 측정 장치의 발광부(10)와, 처리부(80)와, 이동 제어부(90) 등과 연결되어 각 구성 요소들의 작동을 제어할 수 있는 컴퓨터에 의해 동작될 수 있으며, 두께 변화 측정 방법의 각각의 단계들이 컴퓨터에서 실행 가능한 프로그램으로 작성되어 비휘발성 기록 매체에 기록될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 장치 및 투명 기판 모니터링 방법이 설명된다.
유리 기판은 고온에서 생산되어 냉각되면서 고체 상태를 유지한다. 유리 기판 또는 플라스틱 기판은 구동부에 의하여 이송된다. 상기 구동부는 이송용 롤러일 수 있다. 상기 유리 기판의 두께 및 굴절률과 같은 물질적 성질이 조사될 필요가 있다. 또한, 투명 기판 또는 유리 기판에 박막이 증착되거나 오염 물질이 증착된 경우, 상기 투명 기판을 모니터링하는 방법이 요구된다.
상기 투명 기판은 이송되면서 진동을 유발한다. 이에 따라, 통상적인 공정 모니터링 방법은 상기 진동에 의하여 에러를 유발한다. 투명 기판의 진동에 의한 에러가 발생하지 않고, 상기 투명 기판 특성을 실시간으로 모니터링하는 장치 및 방법이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 간섭광은 진동하는 투명 기판을 투과한다. 따라서, 투명 기판의 진동에 의한 에러가 억제될 수 있다.
도 6a은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 장치를 설명하는 도면이다.
도 6b는 도 6a의 투명 기판 모니터링 장치를 설명하는 사시도이다.
도 7a은 도 6의 투명 기판 모니터링 장치에서 위상차가 있는 경우 간섭 패턴을 설명하는 도면이다.
도 7b는 간섭 패턴의 이동량을 시간에 따라 나타내는 도면이다.
도 7c는 도 7b의 시간에 따른 간섭 패턴의 이동량을 위치에 따른 광 위상차로 표시한 도면이다.
도 7d는 도 7c의 광 위상차를 합산한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 장치(200)는 광을 조사하는 발광부(210), 상기 광의 진행 방향(z축 방향)을 가로지르는 제1 방향(x축) 및 제2 방향(y축)으로 정의되는 제1 평면(xy 평면, 241)에 배치되고, 상기 제1 방향으로 서로 이격되어 광을 통과시키는 제1 슬릿(242)와 제2 슬릿(244)을 포함하는 이중 슬릿(240), 및 상기 발광부(210)와 상기 이중 슬릿(240)의 사이에 배치된 투명 기판(220)의 제1 위치(x1)를 투과하고 상기 제1 슬릿(242)을 통과한 제1 광(211a)과 상기 투명 기판(220)의 제2 위치(x2)를 투과하고 제2 슬릿(244)을 통과한 제2 광(211b)에 의하여 스크린 평면(261) 상에 형성된 간섭 패턴(interference pattern)을 측정하는 광 검출부(260), 및 상기 광 검출부(260)로부터 신호를 수신하여 상기 투명 기판(220)에 기인한 광 위상차(optical phase difference) 또는 광 경로차(Optical path difference)를 산출하는 신호 처리부(미도시)를 포함한다.
상기 발광부(210)는 가간섭성(coherence)을 가지는 광원일 수 있다. 구체적으로, 상기 발광부(210)는 레이저, 레이저 다이오드, 또는 LED일 수 있다. 상기 발광부의 파장은 가시 광선 영역 또는 적외선 영역일 수 있다. 상기 발광부의 파장은 투명 기판의 특성에 의존할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 기판은 적외선 영역에서는 투명할 수 있다. 유리 기판은 적외선 영역 및 가시 광선 영역에서 투명할 수 있다.
상기 이중 슬릿(240)은 평행광을 제공받을 수 있다. 평행광 렌즈부(미도시)는 상기 발광부(210)와 상기 이중 슬릿(240) 사이에 배치되어 평행광을 상기 이중 슬릿(240)에 제공할 수 있다.
상기 이중 슬릿(240)은 입사광의 진행 방향(z축 방향)에 수직한 제1 평면(x-y 평면, 241)에 배치될 수 있다. 상기 이중 슬릿(240)은 상기 제1 평면(241)에 배치되고, 제1 슬릿(242) 및 제2 슬릿(244)을 포함할 수 있다. 상기 제1 슬릿(242) 및 상기 제2 슬릿(244)은 스트립 라인 형상의 슬릿일 수 있다. 상기 제1 슬릿(242)과 상기 제2 슬릿(242)은 일정한 폭(b)과 길이(l)를 가질 수 있다. 상기 제1 슬릿(242)과 상기 제2 슬릿(244)은 일정한 간격(a)을 가질 수 있다. 상기 제1 슬릿(242)과 상기 제2 슬릿(244)은 x축 방향으로 서로 이격되어 배치되고, 상기 슬릿(242,244)의 길이 방향은 y축 방향일 수 있다. 상기 슬릿의 간격(a)는 0.1 mm 또는 0.05 mm일 수 있다. 상기 슬릿의 폭(b)은 0.01 mm 또는 0.02 mm일 수 있다. 상기 슬릿의 길이(l)는 수 밀리미터일 수 있다.
상기 제1 슬릿(242)을 통과한 제1 광은 회절될 수 있다. 상기 제2 슬릿(244)을 통과한 제2 광은 회절될 수 있다. 상기 제1 광과 상기 제2 광은 스크린 평면(261) 상에 간섭 무늬를 형성할 수 있다. 상기 이중 슬릿(240)은 제1 슬릿 및 제2 슬릿을 통하여 광을 통과시키며 다른 영역을 통하여는 광을 통과시키지 않는다. 따라서, 상기 이중 슬릿(240)의 제1 슬릿 및 제2 슬릿은 관통홀 형태일 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 이중 슬릿(240)은 투명한 판에 제1 슬릿 과 제2 슬릿을 제외한 다른 영역은 광을 흡수하거나 반사하는 물질로 코팅된 구조를 가질 수 있다.
상기 투명 기판(220)은 상기 발광부(210)와 상기 이중 슬릿(240) 사이에 배치될 수 있다. 상기 투명 기판(220)의 배치 평면은 x-y 평면일 수 있다. 상기 투명 기판(230)은 구동부(290)에 의하여 x축 방향으로 일정한 속도로 이송될 수 있다.
상기 투명 기판(220)은 상기 이중 슬릿(240)의 배치 평면과 나란히 배치될 수 있다. 상기 투명 기판(220)은 x축 방향으로 일정한 속도를 가지고 연속적으로 이동할 수 있다. 상기 투명 기판(220)은 유리 기판, 플라스틱 기판, 실리콘 기판, 사파이어 기판, 또는 투명 필름일 수 있다. 상기 투명 기판(220)의 두께는 수십 마이크로미터 내지 수십 밀리미터일 수 있다. 상기 투명 기판(220) 상에 박막, 패턴, 또는 오염물이 증착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공정 모니터링 장치는 위치에 따른 상기 투명 기판의 상대적 광 위상차 또는 상대적 광경로차를 측정할 수 있다. 또한, 상기 공정 모니터링 장치는 박막에 관한 정보 및 오염물에 관한 정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 투명 기판의 배치 평면은 이중 슬릿의 배치 평면은 서로 나란하지 않을 수 있다.
렌즈부(250)는 상기 광 검출부(260)와 상기 이중 슬릿(240) 사이에 배치될 수 있다. 바람직하게는 상기 렌즈부(250)는 상기 이중 슬릿(240)에 치우치도록 배치될 수 있다. 상기 이중 슬릿(240)의 중심축과 상기 렌즈부(250)의 중심축은 서로 일치할 수 있다. 상기 렌즈부(250)는 초점 거리(F)의 볼록 렌즈일 수 있다. 상기 렌즈부(250)의 초점에 스크린 평면(261)이 배치될 수 있다. 상기 스크린 평면(261)에 상기 광 검출부(260)가 배치될 수 있다. 상기 이중 슬릿(240)이 x 축 방향으로 이격되어 배치되므로, 간섭 패턴은 x축 방향을 따라 띠 형태를 가질 수 있다.
상기 광 검출부(260)는 상기 이중 슬릿(240)에 의한 간섭 무늬를 검출한다. 상기 광 검출부(260)의 중심축은 상기 렌즈부(250)의 중심축 또는 상기 이중 슬릿(240)의 중심축과 일치할 수 있다.
상기 간섭 무늬는 최대의 세기를 가지는 주 최대 패턴(principal maximum pattern)와 사이드로브 패턴(sidelobe pattern)으로 분리될 수 있다. 상기 간섭 무늬는 y축으로 연장되는 띠 형상을 가지고, x축 따라 배열될 수 있다. 따라서, 상기 광 검출부(260)는 x축 방향으로 배열된 광 센서 어레이 또는 위치 검출기(position sensitive detector)일 수 있다.
상기 광 센서 어레이는 CCD(Charge coupled device) 센서, CIS 센서(CMOS image sensor), 포토다이오드 어레이일 수 있다. 상기 광 검출부가 광 센서 어레이인 경우, 상기 광 검출부 앞에 배치된 핀홀은 제거될 수 있다.
또는 상기 광 검출부(260)는 상기 간섭 패턴에서 특정한 하나의 패턴의 세기 분포를 검출할 수 있다. 또는 상기 광 검출부(260)는 특정한 고정된 위치의 패턴의 세기를 검출할 수 있다.
상기 위치 검출기는 광 스폿(optical spot) 또는 특정한 패턴의 위치를 측정하는 반도체 소자일 수 있다. 상기 위치 검출기는 x 축 방향으로 정렬되고, 광의 세기가 최대인 지점의 위치를 출력할 수 있다. 상기 위치 검출기는 1차원 또는 2차원 소자일 수 있다.
상기 위치 검출기는 상기 간섭 패턴 중에서 하나의 패턴의 위치 이동을 측정할 수 있다. 예를 들어, 상기 위치 검출기는 최대의 세기를 가지는 주 최대 패턴(principal maximum pattern)의 중심 위치를 검출할 수 있다. 상기 간섭 패턴에서 주 최대 패턴(principal maximum pattern)만을 검출하기 위하여, 상기 광 검출기(260) 앞에는 사이드로브 패턴(sidelobe pattern)를 제거하는 핀홀(262)이 배치될 수 있다. 상기 핀홀(262)의 폭은 상기 주 최대 패턴(principal maximum pattern)의 폭과 같거나 작을 수 있다. 상기 핀홀은 직사각형 형태일 수 있다. 상기 핀홀의 폭은 상기 주 최대 패턴(principal maximum pattern)의 폭과 같거나 작을 수 있다. 상기 핀홀(262)의 길이는 상기 이중 슬릿(240)의 길이보다 작을 수 있다. 상기 위치 검출기는 수 마이크로미터 이하의 분해능을 가질 수 있다. 이에 따라, 광 경로차 또는 광 위상차가 결정될 수 있다.
상기 스크린 평면 상의 복사 조도(irradinace;I)는 x축 방향 또는 렌즈부의 중심축과 소정의 스크린 평면 상의 x축의 위치에 의하여 정의되는 각도(θ)에 따라 수학식 1 내지 수학식 3과 같이 주어질 수 있다. 여기서 I0는 하나의 슬릿에 의한 복수 조도이다. a는 슬릿의 간격이고, b는 슬릿의 폭이고, k는 파수이다.
상기 투명 기판(220)에 의하여 제1 광(211a)과 제2 광(211b)의 위상차가 없는 경우, 상기 주 최대 패턴의 중심 위치는 상기 렌즈부(250)의 중심축과 일치할 수 있다.
한편, 제1 슬릿을 진행하는 제1 광과 제2 슬릿을 진행하는 제2 광 사이의 상대 위상차(φ0)가 존재하는 경우, 상기 스크린 평면 상의 복사 조도(irradinace;I)는 x축 방향 또는 렌즈부의 중심축과 소정의 스크린 평면 상의 x축의 위치에 의하여 정의되는 각도(θ)에 따라 수학식 5와 같이 주어질 수 있다.
즉, 간섭 패턴의 최대점의 위치 또는 최소점의 각도가 스크린 평면 상에서 (ka/2)sinθ에 상대적으로 φ0만큼 이동한다.
만약, 상기 투명 기판(220)에 의하여 제1 광(211a)과 제2 광(211b)의 위상차(φ0)가 있는 경우, 상기 주 최대 패턴의 중심 위치는 상기 렌즈부(250)의 중심축에서 벗어나 x축 방향으로 Δx 만큼 이동할 수 있다. 상기 주 최대 패턴의 중심 위치의 이동량(Δx)은 제1 광과 제2 광의 상대 광위상차(φ0)에 의존할 수 있다. 상기 주 최대 패턴의 중심 위치의 이동량(Δx)은 다음과 같이 근사적으로 주어질 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00009
여기서, φ0 (x1,x2)는 제1 지점(x1)과 제2 지점(x2)에 의한 상대 광 위상차이고, F는 렌즈부(250)의 초점 거리이고, a는 제1 슬릿과 제2 슬릿 사이의 간격이고, k는 발광부(210)에서 방출되는 광의 파수(wave number; k=2π/λ)이다. λ는 발광부(210)에서 방출되는 광의 파장이다. 즉, 상기 주 최대 패턴의 중심 위치의 이동량(Δx)은 상대 광 위상차에 대응될 수 있다.
신호 처리부는 상기 광 검출부(260)의 출력 신호를 제공받아, 상기 투명 기판(220)에 기인한 광 위상차(optical phase difference) 또는 광 경로차(Optical path difference)를 산출한다.
구체적으로, 상기 광 검출부(260)가 광 센서 어레이인 경우, 상기 광 검출부(260)는 공간적인 광의 세기를 출력한다. 이에 따라, 상기 신호 처리부는 공간적인 광의 세기를 제공받아 상기 간섭 무늬의 패턴을 인식한다. 상기 신호 처리부는 상기 간섭 패턴의 특정한 패턴의 중심 위치를 산출할 수 있다. 상기 특정한 패턴의 중심 위치가 이동한 경우, 상기 신호 처리부는 상기 중심 위치의 이동량을 광 위상차(optical phase difference)으로 변환할 수 있다.
한편, 상기 광 검출부(260)가 위치 검출기인 경우, 상기 위치 검출기는 주 최대 패턴의 중심 위치를 직접 출력할 수 있다. 신호 처리부는 상기 광 검출부의 출력 신호를 제공받아, 주 최대 패턴의 중심 위치의 이동량(Δx)을 계산한다. 이에 따라, 소정의 알고리즘을 사용하여, 상기 신호 처리부는 제1 광과 제2 광의 위상차(φ0)를 산출할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 광 검출부(260)은 φ0를 측정할 수 있도록 다양하게 변형될 수 있다.
한편, 제1 광과 제2 광의 위상차(φ0)가 임의의 위치에서 측정되는 경우, 측정되는 한 쌍의 위치 사이의 상대적인 위상차 만이 확인된다.
하나의 기준 위치(x1)를 기준으로 광 위상차의 공간 분포가 측정될 필요가 있다. 이를 위하여, 새로운 측정을 위한 한 쌍의 위치는 종래의 측정된 한 쌍의 위치 중에서 한 점을 포함할 수 있다. 즉, 종래의 한 쌍의 위치가 제1 위치(x1)와 제2 위치(x2)이었다면, 새로운 측정을 위한 한 쌍의 위치는 상기 제2 위치(x2)와 새로운 제3 위치(x3)가 된다. 따라서, 연속적인 측정은 투명 기판을 상기 슬릿 간격(a)씩 이동하면서 수행된다. 누적 광 위상차(Φ)는 이전의 측정 위치에서 광 위상차의 합으로 표시될 수 있다. 이에 따라, 기준 위치에 대한 누적 광 위상차(Φ)의 공간 분포가 계산될 수 있다.
누적 광 위상차(Φ)는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00010
상기 누적 광 위상차(Φ)의 공간 분포는 공정 모니터링을 위하여 사용될 수 있다. 즉, 상기 누적 광 위상차는 광 경로차와 일대일 대응된다. 한편, 광 경로차는 굴절률과 두께의 함수이다. 만약, 굴절률이 일정하다고 가정하면, 상기 누적 광 위상차의 공간 분포는 상대적 두께의 공간 분포를 나타낼 수 있다. 만약, 상기 누적 광 위상차의 공간 분포가 소정의 임계값을 초과하는 경우, 상기 투명 기판은 불량으로 처리될 수 있다.
상기 투명 기판 상에 국부적으로 오염물이 있거나 패턴이 있는 경우, 상기 오염물 또는 패턴에 의하여 상기 누적 광 위상차가 변경될 수 있다. 따라서, 오염물이 형성된 위치가 확인될 수 있다. 또한, 패턴의 두께 및 위치가 확인될 수 있다. 박막이 형성된 후의 누적 광 위상차의 공간 분포와 박막이 형성되기 전의 누적 광 위상차로부터, 공간적인 박막의 상대적인 두께 분포가 확인될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 투명 기판이 이송되면서 동시에 투명 기판에 증착 공정 또는 식각 공정을 수행하는 동안, 누적 광 위상차가 위치에 따라 측정될 수 있다. 이에 따라, 실시간 공정 모니터링이 가능하다.
도 7b 내지 도 7d를 참조하면, 투명 기판(220)이 양의 x축 방향으로 일정한 속도로 움직임에 따라, 간섭 패턴의 이동량(Δx)은 시간에 따라 일정한 양의 값을 가지다가 음의 값을 가질 수 있다. 시간은 상기 투명 기판의 위치에 대응되고, 간섭 패턴의 이동량(Δx)은 광 위상차(φ0(x1,x2))에 대응될 수 있다. 누적 광 위상차(Φ(xn))는 광 위상차를 거리에 대하여 적분하여 얻을 수 있다. 누적 광 위상차(Φ(xn))는 누적 광 경로차에 대응될 수 있다. 또한, 상기 투명 기판의 굴절률이 일정한 경우, 상기 누적 광 경로차는 두께 차이에 대응할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 장치는 투과형 간섭 광학계를 사용하기 때문에 상기 투명 기판의 진동에 영향을 받지 않는다. 따라서, 투명 기판 모니터링 장치가 진동을 발생시키는 이송 장치에 설치된 경우에도 상대적인 광 위상차 및 광 위상차의 공간 분포를 안정적으로 측정할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 투명 기판 상에 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명 전극이 증착된 경우에도, ITO의 위상차가 측정될 수 있다. 또한, 투명 기판 상에 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 실리콘, 광이 투과할 수 있는 얇은 두께의 도전막, 오염막이 증착될 수 있다. 본 발명은 이 경우에도 적용될 수 있다. 상기 투명 기판은 유리 기판, 플라스틱 기판, 실리콘 기판, 및 투명 필름일 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 이중 슬릿의 슬릿 사이의 간격(a)은 가변될 수 있다. 예를 들어, 다른 간격을 가진 이중 슬릿이 종래의 이중 슬릿을 대체할 수 있다. 이에 따라, 한 쌍의 측정 위치 사이의 거리가 조절될 수 있다. 예를 들어, 투명 기판의 이송 속도가 증가함에 따라, 상기 이중 슬릿의 슬릿 사이의 간격(a)은 증가할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 제1 위치(x1)는 이미 두께 및 굴절률을 알고 있는 기준 투명 기판 상에 위치하고, 제 2 위치(x2)는 피측적용 투명 기판 상에 위치할 수 있다. 따라서, 피측정용 투명 기판 상에 절대 광 위상차 또는 절대 광 경로차가 산출될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 장치를 설명하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 투명 기판 모니터링 장치(300)는 광을 조사하는 발광부(310), 상기 광의 진행 방향을 가로지르는 제1 방향 및 제2 방향으로 정의되는 평면에 배치되고, 상기 제1 방향으로 서로 이격되어 상기 광을 통과시키는 제1 슬릿와 제2 슬릿을 포함하는 이중 슬릿(340), 상기 발광부(310)와 상기 이중 슬릿(340)의 사이에 배치된 투명 기판(320)의 제1 위치를 투과하고 상기 제1 슬릿을 통과한 제1 광과 상기 투명 기판의 제2 위치를 투과하고 제2 슬릿을 통과한 제2 광에 의하여 스크린 평면 상에 형성된 간섭 패턴(interference pattern)을 측정하거나 상기 간섭 패턴의 위치 이동을 측정하는 광 검출부(360), 및 상기 광 검출부로부터 신호를 수신하여 상기 제1 위치 및 제2 위치에 기인한 광 위상차 또는 광 경로차를 산출하는 신호 처리부(370)를 포함한다.
상기 광 위상차(φ0=φ1-φ2)는 제1 위치(x1)에 기인한 위상(φ1)과 제2 위치(x2)에 기인한 위상(φ2)의 차이일 수 있다. 상기 제1 위치(x1)에 기인한 위상(φ1)은 투명 기판의 두께와 굴절율의 함수일 수 있다.
상기 발광부(310)는 광원(312) 및 반사부(314)를 포함할 수 있다. 상기 부(314)는 상기 광원(312)의 출력광의 광 경로를 변경할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 반사부(314)는 x축 방향으로 직선운동을 제공할 수 있다. 이 경우, 상기 광원(312) 및 상기 투명 기판(320)은 고정되고, 상기 반사부(314), 상기 이중 슬릿(340) 및 상기 광 검출부(360)는 동시에 x축 방향으로 이동될 수 있다. 상기 반사부(314)의 직선 운동에 따라, 투명 기판의 서로 다른 위치에서, 광 위상차(optical phase difference) 또는 광 경로차(Optical path difference)가 측정될 수 있다.
렌즈부(350)의 초점에 광 검출부(360)가 배치될 수 있다. 상기 광 검출부(360)가 광 센서 어레이인 경우, 상기 광 센서 어레이는 슬릿의 간격 방향(x축 방향)으로 배열될 수 있다. 또한, 상기 핀홀(362)은 제거될 수 있다. 상기 광 검출부(360)는 간섭 패턴을 측정할 수 있다. 이에 따라, 신호 처리부(370)는 상기 간섭 패턴을 인식하고, 상기 간섭 패턴의 이동량(Δx)을 추출할 수 있다.
한편, 상기 광 검출부(360)가 광 센서 어레이인 경우에도, 상기 광 검출부 앞에 핀홀(362)이 배치될 수 있다. 상기 핀홀(362)은 측정하고자 하는 하나의 패턴만 측정하도록 불필요한 패턴을 제거할 수 있다. 이에 따라, 상기 광 검출부(360)는 측정하고자 하는 영역의 간섭 패턴만을 측정할 수 있다. 예를 들어, 상기 핀홀(362)은 간섭 패턴의 주 최대 패턴(principal maximum pattern)만을 통과시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 신호 처리부(370)의 연산량이 감소될 수 있다.
또한, 상기 신호 처리부(370)는 구동부(390)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 상기 구동부(390)는 투명 기판을 일정한 속도로 이동하거나 정지킬 수 있다. 상기 구동부(390)는 이송 롤러를 이용한 이송 장치, 진공 흡착하여 이송하는 이송장치, 또는 공중 부양식 이송 장치일 수 있다.
또한, 위치 센서부(380)는 상기 투명 기판(320)의 이송 거리를 센싱할 수 있다. 상기 위치 센서부(380)는 광 센서 또는 초음파 센서일 수 있다. 상기 위치 센서부(380)의 출력 신호는 상기 신호 처리부(370)에 제공되어 측정 위치를 보정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투명 기판 공정 모니터링 장치를 설명하는 도면이다.
도 9를 참조하면, 투명 기판 공정 모니터링 장치(400)는 광을 조사하는 발광부(410), 입사 광의 진행 방향을 가로지르는 제1 방향 및 제2 방향으로 정의되는 평면에 배치되고, 상기 제1 방향으로 서로 이격되어 상기 광을 통과시키는 제1 슬릿과 제2 슬릿을 포함하는 이중 슬릿(440), 및 상기 발광부(410)와 상기 이중 슬릿(440)의 사이에 배치된 투명 기판(420)의 제1 위치(x1)를 투과하고 상기 제1 슬릿을 통과한 제1 광과 상기 투명 기판(420)의 제2 위치(x2)를 투과하고 제2 슬릿을 통과한 제2 광에 의하여 스크린 평면 상에 형성된 간섭 패턴(interference pattern)을 측정하거나 상기 간섭 패턴의 위치 이동을 측정하는 광 검출부(460), 및 상기 광 검출부(460)로부터 신호를 수신하여 상기 제1 위치 및 제2 위치에 기인한 광 위상차 또는 광 경로차를 산출하는 신호 처리부(470)를 포함한다.
상기 발광부(410)는 광원(412), 상기 광원(412)의 출력광을 제공받는 광섬유(414), 및 상기 광섬유(414)로부터 출력되는 광을 평행광으로 변경하여 상기 이중 슬릿(440)에 제공하는 평행광 렌즈(416)를 포함할 수 있다.
광 검출부(460)는 제1 광 검출부(460a)와 제2 광 검출부(460b)를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 광 검출부(460a,460b)는 한 쌍의 핀홀(462) 뒤에 각각 배치될 수 있다. 상기 제1 및 제2 광 검출부(460a,460b)는 상기 핀홀(462)을 통과한 광의 세기를 각각 검출할 수 있다. 상기 핀홀(462)의 폭은 좁을수록 바람직하나, 너무 좁은 경우, 투과하는 광량이 감소할 수 있다. 상기 핀홀(462)은 y축 방향으로 연장될 수 있다. 상기 핀홀 사이의 거리(2Z0)는 상기 핀홀(462)의 폭의 수 배 또는 수십 배일 수 있다. 상기 제1 광 검출부(460a)와 제2 광 검출부(460b)의 출력신호는 차동 증폭기(464)의 입력 신호로 제공된다. 상기 차동 증폭기(464)는 상기 제1 광 검출부(460a)의 출력 신호와 상기 제2 광 검출부(460b)의 출력 신호의 차이를 증폭하여 상기 신호 처리부(470)에 제공할 수 있다.
상기 핀홀의 중심에서 Z0 의 거리에 제1 핀홀이 있다. 제1 핀홀의 각도는 θ1이다. 또한, 상기 핀홀의 중심에서 -Z0 의 거리에 제2 핀홀이 있다. 제2 핀홀의 각도는 -θ1이다. 따라서, 제1 핀홀과 제2 핀홀에서 측정된 복사 조도의 차이는 수학식 6 내지 수학식 7과 같이 주어질 수 있다. θ1=Z0 /F 로 근사될 수 있다. F는 렌즈부(450)의 초점 거리이다. 즉, 렌즈부(450)의 초점에 상기 핀홀(462)이 배치될 수 있다.
만약, 투명 기판이 없는 경우, 상기 차동 증폭기의 출력 신호는 영으로 보정될 수 있다. 투명 기판에 기인한 위상차가 있는 경우, 상기 차동 증폭기의 출력 신호는 위상차에 따라 변할 수 있다.
간섭 패턴의 주 최대 패턴(principal maximum pattern)의 이동량 또는 위상차를 검출하기 위하여, 수학식 6 내지 수학식 8이 사용될 수 있다. 상기 핀홀 사이의 거리(2Z0)는 간섭 패턴의 주 최대 패턴(principal maximum pattern)의 폭보다 작을 수 있다.
상기 신호 처리부(470)는 소정의 알고리즘을 이용하여 간섭 패턴의 주 최대 패턴(principal maximum pattern)의 이동량 또는 위상차를 연산할 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 렌즈부(450)의 중심축 상에 하나의 핀홀이 배치될 수 있다. 이 경우, 하나의 핀홀의 뒤에 하나의 광 검출부가 배치될 수 있다. 상기 광 검출부는 주 최대 패턴의 중심 위치의 이동에 따른 주 최대 패턴의 세기를 측정할 수 있다. 상기 주 최대 패턴의 세기만으로 상기 주 최대 패턴의 이동량이 추출될 수 있다.
또한, 상기 신호 처리부(470)는 구동부(490)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 상기 구동부(490)는 투명 기판을 일정한 속도로 이동하거나 정지킬 수 있다. 상기 구동부(490)는 이송 롤러를 이용한 이송 장치, 진공 흡착하여 이송하는 이송장치, 또는 공중 부양식 이송 장치일 수 있다.
또한, 위치 센서부(480)는 상기 투명 기판(420)의 이송 거리를 센싱할 수 있다. 상기 위치 센서부(480)는 광 센서 또는 초음파 센서일 수 있다. 상기 위치 센서부(480)의 출력 신호는 상기 신호 처리부(470)에 제공되어 측정 위치를 보정할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 장치를 설명하는 도면이다.
도 11은 도 10의 투명 기판 모니터링 장치의 타이밍 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 투명 기판 모니터링 장치(500)는 광을 조사하는 발광부(510), 입사 광의 진행 방향을 가로지르는 제1 방향 및 제2 방향으로 정의되는 평면에 배치되고, 상기 제1 방향으로 서로 이격되어 상기 광을 통과시키는 제1 슬릿(542)와 제2 슬릿(544)을 포함하는 이중 슬릿(540), 상기 발광부(510)와 상기 이중 슬릿(540)의 사이에 배치된 투명 기판(520)의 제1 위치(x1)를 투과하고 상기 제1 슬릿(542)을 통과한 제1 광과 상기 투명 기판(520)의 제2 위치(x2)를 투과하고 제2 슬릿(544)을 통과한 제2 광에 의하여 스크린 평면 상에 형성된 간섭 패턴(interference pattern)을 측정하거나 상기 간섭 패턴의 위치 이동을 측정하는 광 검출부(560), 및 상기 광 검출부(560)로부터 신호를 수신하여 상기 제1 위치 및 제2 위치에 기인한 광 위상차 또는 광 경로차를 산출하는 신호 처리부(570)를 포함한다.
상기 발광부(510)는 제1 파장(1)의 광을 조사하는 제1 광원(512a), 상기 제1 파장(1)과 다른 제2 파장(2)의 광을 조사하는 제2 광원(51b), 상기 제1 광원(512a)의 광 경로와 상기 제2 광원(512b)의 광 경로를 결합하는 방향성 결합기(513), 및 상기 방향성 결합기(513)의 출력광을 상기 이중 슬릿(540)에 제공하는 평행광 렌즈(516)를 포함할 수 있다.
이하, 2 개의 광원(512a,512b)을 이용하여 광경로 차이(또는 광 위상 차이)로부터 투명 기판의 두께 차이와 굴절률 차이를 식별하는 방법이 설명된다.
φo는 피측정물(투명 기판)의 제1 위치(x1)의 위상(φ1)와 제2 위치(x2)의 위상(φ2)의 광 위상차이다. 상기 광 위상차(φo)는 광경로 차이로 표시될 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00011
여기서, λ는 상기 제1 광원(512a) 또는 제2 광원(512b)의 진공에서의 파장이고, ΔL은 광경로 차이이다.
광경로(L)는 굴절율(n)과 두께(l)의 함수이다. 상기 광경로(L)는 굴절률과 두께로 분리될 수 있다. 이를 위하여, 서로 다른 2개의 파장에 대한 상기 광경로 차이(ΔL)의 측정이 요구된다.
광경로(L(x,λ))는 투명 기판의 굴절률(n(x,λ)과 투명 기판의 두께(l(x))로 표시될 수 있다. n(x,λ)는 투명 기판의 위치와 파장의 함수인 굴절률이다. 투명 기판의 물리적 두께(l(x))는 위치의 함수이다.
투명 기판의 굴절률은 서로 독립적인 위치 및 파장의 함수로 n(x,λ)= n0 + g(λ)+w(x)로 근사될 수 있다. n0는 투명 기판의 굴절률 대푯값, g(λ)는 파장에 의존하는 굴절률이고, w(x)는 위치에 의존하는 굴절률이다.
또한, 상기 투명 기판의 물리적 두께는 위치의 함수로 l(x)= l0+ δ(x)로 근사될 수 있다. 여기서, l0는 고정된 두께이고, δ(x)는 위치에 따라 변하는 상대 두께일 수 있다. 광 경로(L(x,λ))는 다음과 같이 근사될 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00012
제1 파장(λ1)에서 인접한 두 지점 x1, x2에서 광경로는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00013
또한, 제2 파장(λ2)에서 인접한 두 지점 x1,x2에서 광경로는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00014
제1 파장(λ1)에서 두 지점의 광 경로 차이는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00015
또한, 제2 파장(λ2)에서 두 지점의 광 경로 차이는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00016
따라서, [δ(x1)-δ(x2)]은 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00017
l0 [w(x1)-w(x2)]은 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00018
즉, 두께 차이(δ(x1)-d(x2)) 및 위치에 의존하는 굴절률 차이([w(x1)-w(x2)])가 구해질 수 있다.
이에 따라, 임의 위치(xn)에서 두께 차이는 기준위치(x1)에 대하여 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00019
또한, 임의 위치(xn)에서의 굴절률 차이는 기준위치(x1)에 대하여 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00020
따라서, 스캔하는 위치에 따라, 두께 차이 분포 및 굴절률 차이 분포가 구해질 수 있다.
상기 제1 광원(512a)의 제1 파장은 700 nm 내지 2000 nm 범위일 수 있다. 상기 제2 광원(512b)의 파장은 상기 제1 광원의 제1 파장과 다른 파장을 가지고, 700 nm 내지 2000 nm 범위일 수 있다. 상기 제1 광원 및 제2 광원은 다이오드일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 광원 및 제2 광원은 슈퍼루미너슨트 다이오드(superluminescent diode; SLD)일 수 있다.
상기 방향성 결합기(513)는 상기 제1 광원(512a)의 출력광을 제1 입력 포트로 제공받고, 제2 광원(512b)의 출력광을 제2 입력 포트로 제공받아 출력 포트로 상기 제1 광원(512a)의 출력광 및 제2 광원(512b)의 출력광을 제공할 수 있다. 상기 방향성 결합기(513)의 출력 포트는 광섬유에 제공될 수 있다. 상기 광 섬유를 통과한 광은 상기 평행광 렌즈(516)에 제공될 수 있다. 상기 평행광 렌즈(516)는 상기 광 섬유(514)의 출력광을 평행광으로 변환할 수 있다.
투명 기판(520)은 일정한 속도를 가지고 x축 방향으로 이동할 수 있다. 구동부(590)는 상기 투명 기판을 일정한 속도로 이송할 수 있다.
상기 제1 광원(512a)은 주기적으로 T1 시간 동안 동작할 수 있다. 상기 제1 광원(512a)의 동작 시간(T1)은 주기(T0)에 비하여 매우 작을 수 있다. 또한, 상기 제2 광원(512b)은 주기적으로 제2 시간(T2) 동안 동작할 수 있다. 상기 제2 광원(512b)의 동작 시간(T2)은 주기(T0)에 비하여 매우 작을 수 있다. 상기 제1 광원(512a)의 동작 시간(T1)과 상기 제2 광원(512b)으로 동작 시간(T2)은 시간적으로 서로 겹치지 않을 수 있다. 이에 따라, 스크린 평면 상에 상기 제1 광원(512a)에 의한 제1 간섭 패턴이 상기 제1 동작 시간(T1) 동안 형성될 수 있다. 이어서, 스크린 평면 상에 상기 제2 광원(512b)에 의한 제2 간섭 패턴이 상기 제2 동작 시간(T2) 동안 형성될 수 있다.
한편, 상기 투명 기판(520)의 특성을 측정하기 위한 간섭 패턴의 측정 시간은 주기(T0)에 비하여 매우 작다. 또한, 상기 제1 광원(512a) 및 제2 광원(512b)의 펄스 동작 주파수는 MHz 수준일 수 있다. 따라서, 상기 제1 동작 시간(T1) 및 제2 동작 시간(T2) 동안, 상기 투명 기판(520)의 이동 거리는 무시할 수 있다.
광 검출부(560)는 상기 제1 동작 시간(T1) 중에 제1 간섭 패턴의 이동량(Δx(1))을 측정할 수 있다. 또한, 상기 광 검출부(560) 상기 제2 동작 시간(T2) 중에 제2 간섭 패턴의 이동량(x(1))을 측정할 수 있다. 상기 광 검출부는 위치 검출기(position sensitive detector)일 수 있다. 주 최고 패턴(principal maximum pattern)만을 측정하기 위하여 상기 광 검출부 앞에는 핀홀(562)이 배치될 수 있다.
위치 센서부(580)는 상기 투명 기판(520)의 이송 거리를 센싱할 수 있다. 상기 위치 센서부(580)는 광 센서 또는 초음파 센서일 수 있다. 상기 위치 센서부(580)의 출력 신호는 상기 신호 처리부(570)에 제공되어 측정 위치를 보정할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 기판 공정 모니터링 방법을 설명하는 도면이다.
도 13은 도 12의 방법을 사용하여 처리한 결과이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 제1 간섭 패턴의 이동량(Δx(1))은 제1 간섭 패턴의 광위상차(φ0 (λ1))로 표시되고, 제2 간섭 패턴의 이동량(Δx(2))은 제2 간섭 패턴의 광위상차(φ0 (λ2))로 표시될 수 있다. k(λ1)는 파수이고, b는 슬릿의 폭이고, F는 렌즈부(550)의 초점 거리이다. 이 경우, 제1 간섭 패턴의 이동량(Δx(1)) 및 제2 간섭 패턴의 이동량(Δx(2))은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure 112013021253090-pat00021
신호 처리부(570)는 상술한 알고리즘으로 두께 차이(δ(x1)-δ(x2)) 및 위치에 의존하는 굴절률 차이([w(x1)-w(x2)])를 추출할 수 있다.
상기 신호 처리부(570)는 제1 위치 및 제2 위치에 대하여, 제1 파장(λ1)에 대하여 간섭 패턴의 이동량(Δx(λ1))을 이용하여 광 경로차(ΔL(λ1))를 추출할 수 있다.
이어서, 상기 신호 처리부(570)는 제1 위치 및 제2 위치에 대하여, 제2 파장(λ2)에 대하여 간섭 패턴의 이동량(Δx(λ2))을 이용하여 광 경로차(ΔL(λ2))를 추출할 수 있다. 상기 신호 처리부(570)는 상기 광경로차(ΔL(λ1), ΔL(λ2))를 이용하여, 두께 차이(δ(x1)-δ(x2)) 및 굴절률 차이(w(x1)-w(x2))를 추출할 수 있다.
이어서, 상기 투명 기판(530)은 이송되어, 제2 위치(x2) 및 제3 위치(x3)에 위의 동작을 반복할 수 있다. 따라서, 기준 위치(x1)에 대한 제3 위치(x3)의 두께 차이(δ(x1)-δ(x3))가 구해질 수 있다. 또한, 기준 위치(x1)에 대한 제3 위치(x3)의 굴절률 차이(w(x1)-w(x3))가 구해질 수 있다.
이어서, 상기 투명 기판(530)은 이송되어, 제3 위치(x3) 및 제4 위치(x4)에 위의 동작을 반복할 수 있다. 따라서, 기준 위치(x1)에 대한 제4 위치(x4)의 두께 차이(δ(x1)-δ(x4))가 구해질 수 있다. 또한, 기준 위치(x1)에 대한 제4 위치(x4)의 굴절률 차이(w(x1)-w(x4))가 구해질 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6 내지 도 7, 및 도 14를 참조하면, 투명 기판 모니터링 방법은 이중 슬릿을 제공하는 단계를 포함한다(S210). 상기 이중 슬릿은 입사 광의 진행 방향을 가로지르는 제1 방향 및 제2 방향으로 정의되는 평면에 배치되고, 상기 제1 방향으로 서로 이격되어 상기 광을 통과시키는 제1 슬릿와 제2 슬릿을 포함한다.
가간섭성을 가진 제1 파장의 광은 순차적으로 투명 기판 및 이중 슬릿을 통과하여 제1 간섭 패턴을 형성한다(S220).
상기 제1 간섭 패턴은 상기 이중 슬릿 앞에 배치된 투명 기판의 제1 위치를 투과하고 상기 제1 슬릿을 통과한 제1 광과 상기 투명 기판의 제2 위치를 투과하고 제2 슬릿을 통과한 제2 광에 의하여 스크린 평면 상에 형성된다. 상기 제1 간섭 패턴의 이동량이 광 검출부를 사용하여 측정될 수 있다(S230).
상기 제1 파장의 광에 의한 상기 제1 간섭 패턴의 이동량으로부터 상기 투명 기판에 의한 제1 위상차가 추출될 수 있다(S240).
상기 투명 기판은 구동부에 의하여 상기 이중 슬릿의 슬릿 간격만큼 상기 슬릿 간격 방향으로 이동될 수 있다(S250).
이전 위치에서 측정된 상기 제1 위상차는 합산될 수 있다. 이에 따라, 상기 투명 기판의 제1 위상차의 공간 분포가 산출될 수 있다(S260). 누적 광 위상차(Φ)는 이전의 측정 위치에서 제1 위상차의 합으로 표시될 수 있다. 이에 따라, 기준 위치에 대한 누적 광 위상차(Φ)의 공간 분포가 계산될 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 기판 모니터링 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 10 내지 도 13 및 도 15를 참조하면, 투명 기판 모니터링 방법은 이중 슬릿을 제공하는 단계를 포함한다(S310). 상기 이중 슬릿은 입사 광의 진행 방향을 가로지르는 제1 방향 및 제2 방향으로 정의되는 평면에 배치되고, 상기 제1 방향으로 서로 이격되어 상기 광을 통과시키는 제1 슬릿와 제2 슬릿을 포함한다.
가간섭성을 가진 제1 파장의 광은 순차적으로 투명 기판 및 이중 슬릿을 통과하여 제1 간섭 패턴을 형성한다(S320).
상기 제1 간섭 패턴은 상기 이중 슬릿 앞에 배치된 투명 기판의 제1 위치를 투과하고 상기 제1 슬릿을 통과한 제1 광과 상기 투명 기판의 제2 위치를 투과하고 제2 슬릿을 통과한 제2 광에 의하여 스크린 평면 상에 형성된다. 상기 제1 간섭 패턴의 이동량이 광 검출부를 사용하여 측정될 수 있다(S330).
상기 제1 파장의 광에 의한 상기 제1 간섭 패턴의 이동량으로부터 상기 투명 기판에 의한 제1 위상차가 추출될 수 있다(S340).
가간섭성을 가진 제2 파장의 광은 상기 투명 기판 및 상기 이중 슬릿을 통과시켜 제2 간섭 패턴을 형성할 수 있다(S350).
상기 제2 파장의 광에 의한 상기 제2 간섭 패턴의 이동량이 측정될 수 있다. 신호 처리부는 상기 제2 간섭 패턴의 이동량을 이용하여 상기 투명 기판에 의한 제2 위상차를 산출할 수 있다(S360).
상기 제1 위상차와 상기 제2 위상차를 이용하여 굴절률 차이 및 두께 차이가 추출될 수 있다(S370).
상기 투명 기판은 구동부에 의하여 상기 이중 슬릿의 슬릿 간격만큼 상기 슬릿 간격 방향으로 이동될 수 있다(S380).
이전 위치에서 측정된 상기 굴절률 차이를 합산하여 굴절률 차이의 공간 분포 및 이전 위치에서 측정된 상기 두께 차이를 합산하여 두께 차이의 공간 분포가 추출될 수 있다(S390).
상기 스크린 평면에서 초점을 가지도록 상기 이중 슬릿 뒤에 렌즈가 설치될 수 있다. 상기 제1 간섭 패턴 중에서 주 최고 패턴만을 통과시키도록 상기 스크린 평면에 핀홀이 제공될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 광경로차 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 16을 참조하면, 측정 범위는 150 mm이고, 유리 기판의 이동 속도는 250 mm/sec이며, 데이터 획득 간격(이중 슬릿의 간격)은 0.1 mm이다.
사각형은 접촉식 측정 방법을 통하여 측정한 값이며, 실선은 본 발명의 일 실시예에 따라 측정한 값이다. 전체적으로, 사인파 형태의 광경로차가 존재한다. 접촉식 측정 결과는 초기 위치(x=10 mm)에서 본 발명에 따른 측정 결과와 일치하도록 상수 값을 빼주었다. 또한, 본 발명에 따른 측정은 기판의 이동 방향에 수직하게 0 mm, 5 mm, 및 10 mm 이동하여 3 번 측정되었다. 따라서, 2번 측정한 접촉식 측정 결과(동그라미, 네모)와 본 발명의 측정 결과(실선)가 일치함을 알 수 있다. 또한, 광경로차는 유리 기판의 굴절율은 일정하다고 가정하여 두께 차이로 표시되었다. 유리 기판의 두께는 위치에 따라 약 200 mm (밀리미터)의 주기 및 1 um(마이크로 미터)의 진폭을 가지고 사인파 형태로 변한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 분해능은 수 nm 이내일 수 있다.
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.
20: 피측정물 21: 제1 영역
22: 제2 영역 30: 이중 슬릿
31: 제1 개구 32: 제2 개구
40: 광 위치 검출부 41: 제1 광 검출기
42: 제2 광 검출기 50: 정렌즈
60: 가상 스크린 면 70: 증폭기
80: 처리부 90: 이동 제어부
91: 구동부 92: 실린더
93: 가압부 100: 간섭 패턴

Claims (20)

  1. 광을 조사하는 발광부;
    입사 광의 진행 방향을 가로지르는 제1 방향 및 제2 방향으로 정의되는 평면에 배치되고, 상기 제1 방향으로 서로 이격되어 상기 광을 통과시키는 제1 슬릿와 제2 슬릿을 포함하는 이중 슬릿;
    상기 발광부와 상기 이중 슬릿의 사이에 배치된 투명 기판의 제1 위치를 투과하고 상기 제1 슬릿을 통과한 제1 광과 상기 투명 기판의 제2 위치를 투과하고 제2 슬릿을 통과한 제2 광에 의하여 스크린 평면 상에 형성된 간섭 패턴(interference pattern)을 측정하거나 상기 간섭 패턴의 위치 이동을 측정하는 광 검출부; 및
    상기 광 검출부로부터 신호를 수신하여 상기 제1 위치 및 제2 위치에 기인한 광 위상차 또는 광 경로차를 산출하는 신호 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 신호 처리부는 상기 간섭 패턴의 상기 제1 방향으로 이동된 거리를 이용하여 상기 광 경로차를 산출하는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 투명 기판은 상기 제1 방향으로 이동하고, 상기 투명 기판은 유리 기판인 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 광 검출부는 위치 검출기(position sensitive detector)를 포함하고,
    상기 광 검출부 앞에 배치되어 상기 간섭 패턴의 주 최대 패턴(principal maximum pattern)을 투과시키는 핀홀을 더 포함하고,
    상기 위치 검출기는 상기 주 최대 패턴의 중심 위치를 출력하는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 광 검출부 앞에 배치되고 상기 제1 방향으로 이격된 제1 핀홀 및 제2 핀홀을 더 포함하고,
    상기 광 검출부는 상기 제1 핀홀 뒤에 배치된 제1 광 검출부 및 상기 제2 핀홀 뒤에 배치된 제2 검출부를 포함하고,
    상기 제1 핀홀과 상기 핀홀의 간격은 주 최대 패턴의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 광 검출부 앞에 배치된 핀홀을 더 포함하고,
    상기 광 검출부는 상기 핀홀 뒤에 배치되고 상기 제1 방향으로 배열된 광 센서 어레이를 포함하는 투명 기판 모니터링 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 이중 슬릿과 상기 광 검출부 사이에 배치된 렌즈부를 더 포함하고,
    상기 광 검출부는 상기 렌즈부의 초점 거리에 배치되는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 발광부는:
    광원; 및
    상기 광원의 출력광의 광 경로를 변경하여 광 경로가 변경된 광을 상기 이중 슬릿에 제공하는 반사부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 발광부는:
    광원;
    상기 광원의 출력광을 제공받는 광섬유;및
    상기 광섬유로부터 출력되는 광을 평행광으로 변경하여 상기 이중 슬릿에 제공하는 평행광 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 발광부는:
    제1 파장의 광을 조사하는 제1 광원;
    상기 제1 파장과 다른 제2 파장의 광을 조사하는 제2 광원;
    상기 제1 광원의 광 경로와 상기 제2 광원의 광 경로를 결합하는 방향성 결합기; 및
    상기 방향성 결합기의 출력광을 상기 이중 슬릿에 제공하는 평행광 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 장치.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 광원과 상기 제2 광원은 펄스 모드로 동작하고,
    상기 제1 광원과 상기 제2 광원은 순차적으로 상기 이중 슬릿에 출력광을 제공하는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 장치.
  12. 입사 광의 진행 방향을 가로지르는 제1 방향 및 제2 방향으로 정의되는 평면에 배치되고, 상기 제1 방향으로 서로 이격되어 상기 광을 통과시키는 제1 슬릿와 제2 슬릿을 포함하는 이중 슬릿을 제공하는 단계;
    가간섭성을 가진 제1 파장의 광을 순차적으로 투명 기판 및 이중 슬릿을 통과시켜 제1 간섭 패턴을 형성하는 단계;
    상기 이중 슬릿 앞에 배치된 투명 기판의 제1 위치를 투과하고 상기 제1 슬릿을 통과한 제1 광과 상기 투명 기판의 제2 위치를 투과하고 제2 슬릿을 통과한 제2 광에 의하여 스크린 평면 상에 형성된 상기 제1 간섭 패턴의 이동량을 측정하는 단계; 및
    상기 제1 파장의 광에 의한 상기 제1 간섭 패턴의 이동량으로부터 상기 투명 기판에 의한 제1 위상차를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 투명 기판을 상기 이중 슬릿의 슬릿 간격만큼 상기 슬릿 간격 방향으로 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    이전 위치에서 측정된 상기 제1 위상차를 합산하여 상기 투명 기판의 제1 누적 위상차의 공간 분포를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 방법.
  15. 제12 항에 있어서,
    가간섭성을 가진 제2 파장의 광을 상기 투명 기판 및 상기 이중 슬릿을 통과시켜 제2 간섭 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제2 파장의 광에 의한 상기 제2 간섭 패턴의 이동량을 측정하여 상기 투명 기판에 의한 제2 위상차를 측정하는 단계; 및
    상기 제1 위상차와 상기 제2 위상차를 이용하여 굴절률 차이 및 두께 차이를 추출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 투명 기판을 상기 이중 슬릿의 슬릿 간격만큼 상기 슬릿 간격 방향으로 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    이전 위치에서 측정된 상기 굴절률 차이를 합산하여 굴절률 차이의 공간 분포 및 이전 위치에서 측정된 상기 두께 차이를 합산하여 두께 차이의 공간 분포를 추출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 방법.
  18. 제12 항에 있어서,
    상기 스크린 평면에서 초점을 가지도록 상기 이중 슬릿 뒤에 렌즈를 설치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 간섭 패턴 중에서 주 최고 패턴만을 통과시키도록 상기 스크린 평면에 핀홀을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 기판 모니터링 방법.
  20. 광을 조사하는 발광부;
    입사 광의 진행 방향을 가로지르는 제1 방향 및 제2 방향으로 정의되는 평면에 배치되고, 상기 제1 방향으로 서로 이격되어 상기 광을 통과시키는 제1 슬릿와 제2 슬릿을 포함하는 이중 슬릿;
    상기 발광부와 상기 이중 슬릿의 사이에 배치된 피측정물의 제1 위치를 투과하고 상기 제1 슬릿을 통과한 제1 광과 상기 피측정물의 제2 위치를 투과하고 제2 슬릿을 통과한 제2 광에 의하여 스크린 평면 상에 형성된 간섭 패턴(interference pattern)을 측정하거나 상기 간섭 패턴의 위치 이동을 측정하는 광 검출부; 및
    상기 광 검출부로부터 신호를 수신하여 상기 제1 위치 및 제2 위치에 기인한 광 위상차를 산출하는 신호 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 위상차 측정 장치.
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