KR101537854B1 - 두께 측정 장치 및 이를 이용한 두께 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 두께 측정 장치에 관한 것이며, 본 발명의 두께 측정 장치는 반사광도계(Reflectometer)를 이용하는 두께 측정 장치에 있어서, 광을 방출하는 광원;상기 광원으로부터 방출되는 광을 제공받아 서로 다른 복수개의 주파수에 대하여 선택적으로 투과시켜 강도분포를 갖는 광으로 변조하되 상기 강도분포를 갖는 광의 파장 폭을 조절할 수 있는 광필터부; 상기 광필터부로부터 변조된 광을 측정대상물 측으로 조사하고, 상기 측정대상물 측으로부터 반사되는 광이 입사되는 광학계; 상기 광학계를 통과한 광을 제공받아 반사도 정보를 획득하는 광검출부; 상기 광필터부를 투과가능한 복수개의 주파수를 설정하여 상기 광필터부에 의해 변조되는 광의 파장 폭을 조절하며, 수학식에 의해 모델링되어 기저장된 이론반사도 정보와 상기 광검출부를 통해 획득된 반사도 정보를 비교함으로써 측정대상물의 두께를 측정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 측정대상물의 소재 또는 측정 위치에 상관없이 두께 측정 정확도를 향상시킬 수 있는 할 수 있는 두께 측정 장치가 제공된다.

Description

두께 측정 장치 및 이를 이용한 두께 측정 방법{APPARATUS FOR MEASURING THICKNESS AND METHOD FOR MEASURING THICKNESS FOR THE SAME}
본 발명은 두께 측정 장치 및 이를 이용한 두께 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 측정대상물의 소재 또는 측정 위치에 상관없이 두께 측정 정확도를 향상시킬 수 있는 두께 측정 장치 및 이를 이용한 두께 측정 방법에 관한 것이다.
LCD, 반도체 분야에서 많이 사용되는 투명 박막은 그 특성상 두께의 분포도가 후공정에 큰 영향을 미치므로 투명 박막의 두께를 모니터링할 수 있는 시스템이 사회 전반적으로 요구된다.
일반적으로 박막의 두께는 탐침(stylus)를 이용한 기계적인 방법 및 광학적인 방법에 의해 측정될 수 있으며, 광학적인 방법으로는 간섭계(Interferometer)와 반사계(Reflectometer)가 널리 이용되고 있다.
도 1은 종래의 반사광도계(Reflectometry)를 이용한 두께 측정 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 1을 참고하면, 종래의 반사광도계를 이용한 두께 측정 장치의 경우, 광원(10)으로부터 조사된 광은 각종 렌즈(21, 22)를 통과한 후, 광분할기(30)를 통해 측정대상물 측으로 입사되며 대물렌즈(31)에 의해 집속된다. 그 후, 투명박막(S)에 의해 반사된 광은 광분할기(30)를 통과하여 분광기(Spetrometer)(40) 또는 카메라(50)로 입사된다. 여기서 분광기(40)를 이용하여 측정대상물로부터 반사된 광의 파장에 대한 반사도를 변화를 나타내는 반사도 분포곡선을 획득한다.
여기서, 투명박막(S)의 두께를 결정하기 위하여, 분광기(40)로부터 측정된 반사도 분포곡선과 수학식에 의해 리모델링된 반사도 분포곡선을 비교하는 방법이 활용되고 있다.(참고선행문헌 한국공개특허 제10-2013-0021425호).
먼저, 서로 다른 두께를 갖는 다양한 투명박막(S)을 가정하고, 각각의 투명박막(S) 마다 수학식을 이용하여 반사도 분포곡선을 생성한다. 이후, 모델링된 다수의 반사도분포곡선 중에서 측정된 반사도 분포곡선과 가장 일치하는 모델링된 반사도분포곡선을 채택함으로써, 그 모델링된 반사도 분포곡선에 대응되는 두께를 박막층의 두께로 결정한다.
그런데, 종래의 두께 측정 장치에서는 측정대상물의 중심부에 대해서는 측정된 반사도 곡선의 생성이 용이하나, 측정대상물의 가장자리 측으로 갈수록 반사도 분포곡선의 반사도 수치가 떨어져 모델링된 반사도 분포곡선과 비교하기 어렵거나 불가능한 문제가 발생한다.
또한, 측정대상물의 소재 특성에 의해 측정대상물로부터 측정되는 반사도 분포곡선의 반사도 수치가 너무 높아 모델링된 반사도 분포곡선과 비교하기 어렵거나 불가능한 문제가 발생한다.
즉, 측정대상물의 소재, 측정 위치 등에 따라 두께 측정 정확도가 떨어지는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 측정대상물의 소재 또는 측정 위치에 상관없이 두께 측정 정확도를 향상시킬 수 있는 두께 측정 장치 및 이를 이용한 두께 측정 방법을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 반사광도계(Reflectometer)를 이용하는 두께 측정 장치에 있어서, 광을 방출하는 광원; 상기 광원으로부터 방출되는 광을 제공받아 기설정된 서로 다른 주파수에 대하여 선택적으로 투과시켜 강도분포를 갖는 광으로 변조하되 상기 강도분포를 갖는 광의 파장 폭을 조절할 수 있는 광필터부; 상기 광필터부로부터 변조된 광을 측정대상물 측으로 조사하고, 상기 측정대상물 측으로부터 반사되는 광이 입사되는 광학계; 상기 광학계를 통과한 광을 제공받아 반사도 정보를 획득하는 광검출부; 상기 광필터부를 투과가능한 복수개의 주파수를 설정하여 상기 광필터부에 의해 변조되는 광의 파장 폭을 조절하며, 수학식에 의해 모델링되어 기저장된 이론반사도 정보와 상기 광검출부를 통해 획득된 반사도 정보를 비교함으로써 측정대상물의 두께를 측정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 광필터부는 광원으로부터 방출되는 광의 진행방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 복수개의 음향광학변조필터(Acousto-Optical Tunable Filter)인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 광필터부는 상기 기설정된 복수개의 주파수 각각을 투과한 광들의 파장을 유지한 상태로 결합함으로써 상기 광필터부로부터 투과된 광이 강도분포를 가지도록 변조하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 광학계는 상기 광필터부에 의해 변조된 광을 반사하거나 측정대상물로부터 반사된 광을 투과시키는 제1 광분할기; 상기 제1 광분할기와 측정대상물 사이에 마련되어 상기 제1 광분할기로부터 반사된 광을 측정대상물 측으로 집속시키는 렌즈부;를 포함하며, 상기 광학계로부터 상기 측정대상물로부터 반사된 광을 제공받아 측정대상물의 영상 정보를 획득하는 카메라부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 광필터부를 투과가능한 복수개의 주파수를 설정하는 주파수 설정모듈; 수학식에 의해 모델링되며, 각각의 두께마다 대응되는 복수개의 이론반사도 정보를 저장하는 저장모듈; 상기 광검출부로부터 측정된 반사도 정보와 상기 저장모듈에 저장된 이론반사도 정보를 비교함으로써 측정대상물의 두께를 판단하는 비교판단모듈;을 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제어부는 상기 주파수 설정모듈에 의해 조절된 주파수에 대응하여 상기 광검출부로부터 측정된 반사도 정보 및 상기 저장 모듈에 저장된 이론반사도 정보 중 적어도 어느 하나를 변환하는 변환모듈을 더 포함하며, 상기 비교판단모듈은 상기 반사도 정보 및 상기 이론반사도 정보 중 적어도 어느 하나의 변환된 정보를 이용하여 측정대상물의 두께를 측정하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 광원으로부터 방출되는 광을 변조하는 광필터부를 투과가능한 복수개의 주파수를 설정하여 상기 광필터부를 통해 변조되는 광의 강도분포의 파장 폭을 조절하는 변조단계; 수학식을 통해 각각의 두께에 대응하는 이론반사도 정보를 마련하는 이론반사도 정보 마련단계; 측정대상물 측으로 상기 광필터부에 의해 변조된 광을 조사하여 측정대상물의 반사도 정보를 획득하는 반사도 정보 획득단계; 상기 이론반사도 정보와 상기 반사도 정보를 비교하여 상기 이론반사도 정보 중에서 상기 반사도 정보와 가장 유사한 이론반사도 정보를 선택하는 매칭단계; 상기 매칭단계에서 선택된 이론반사도 정보에 대응되는 두께를 측정대상물의 두께로 결정하는 두께결정단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 이론반사도 정보 마련단계는 상기 변조단계를 통해 설정된 복수개의 주파수를 고려하여 상기 이론반사도 마련단계를 통해 마련된 이론반사도 정보를 변환하는 변환단계를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 매칭단계에서 상기 반사도 정보와 가장 유사한 이론반사도 정보를 선택 불가능시 상기 변조단계를 재수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 측정대상물로 입사되는 강도분포를 갖는 광의 파장 폭을 용이하게 조절할 수 있는 두께 측정 장치 및 이를 이용한 두께 측정 방법이 제공된다.
또한, 반사도분포곡선의 반사도 수치가 떨어지는 측정대상물의 가장자리 영역에서도 정확한 두께 측정을 실시할 수 있다.
또한, 측정대상물이 반사도 분포곡선의 반사도 수치가 너무 높게 형성되는 소재로 형성되더라도 정화학 두께 측정을 실시할 수 있다.
도 1은 종래의 반사광도계(Reflectometry)를 이용한 두께 측정 장치를 개략적으로 도시한 개념도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 두께 측정 장치를 개략적으로 도시한 개념도이고,
도 3은 도 2에 따른 두께 측정 장치에서 광필터부를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 4는 도 2에 따른 두께 측정 장치에서 제어부의 구성을 개략적으로 도시한 개념도이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 두께 측정 방법을 개략적으로 도시한 순서도이고,
도 6은 도 5에 따른 두께 측정 방법에서 변조단계 전후의 광의 강도를 파장에 대하여 개략적으로 도시한 그래프이고,
도 7은 도 5에 따른 두께 측정 방법에서 변조단계 전후의 광에 의한 반사도 정보를 개략적으로 도시한 그래프이고,
도 8은 도 5에 따른 두께 측정 방법에서 변환단계를 개략적으로 도시한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 두께 측정 장치 및 이를 이용한 두께 측정 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 두께 측정 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 두께 측정 장치(100)는 측정대상물(S)로 입사되기 이전에 광을 강도분포를 갖는 광으로 변조하고, 강도분포를 갖는 광의 파장 폭을 조절함으로써 측정대상물(S)로부터 반사된 이후의 측정되는 반사도 정보를 향상시킬 수 있는 것으로서, 광원(110)과 광필터부(120)와 광학계(130)와 광검출부(140)와 카메라부(150)와 제어부(160)를 포함한다.
상기 광원(110)은 광을 방출하는 것으로서, 본 발명의 일실시예에서는 백색광을 방출하도록 마련되나 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 광원(110)으로서 할로겐 램프가 사용되나 이에 제한되는 것은 아니며, 다양한 소스의 광원이 사용될 수 있다.
도 3은 도 2에 따른 두께 측정 장치에서 광필터부를 개략적으로 도시한 도면으로, (a)에는 서로 다른 주파수를 갖는 3개의 음파발생부가 구비된 광필터부, (b)에는 서로 다른 주파수를 갖는 5개의 음파발생부가 구비된 광필터부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참고하면, 상기 광필터부(120)는 광원(110)으로부터 방출되는 광을 제공받아 기설정된 복수개의 주파수에 대하여 선택적으로 투과시킴으로써 강도분포를 갖는 광으로 변조하고, 강도분포를 갖는 광의 파장 폭을 조절하는 것이다.
한편, 여기서는 설명의 편의를 위해 도 3(a)에 도시된 광필터부(120)를 기준으로 설명한다.
본 발명의 일실시예에서 광필터부(120)는 광의 진행방향과 교차하는 방향으로 특정한 주파수의 음파를 방출하는 음파발생부(121)를 통해 광을 미세한 파장 폭을 가지도록 변조한다.
여기서, 음파발생부(121)는 광의 진행방향을 따라 복수개가 배치되며, 각각의 음파발생부(121)는 서로 다른 주파수의 음파를 발생하도록 마련된다.
본 발명의 일실시예에서 음파발생부(121)는 광의 진행방향을 따라 각각 120MHz, 130MHz, 140MHz 의 주파수를 가지는 음파를 발생하는 제1 음파발생부(121a)와 제2 음파발생부(121b)와 제3 음파발생부(121c)를 포함하나 이에 제한되는 것은 아니며, 변조된 광의 파장 폭을 넓히거나 좁히기 위하여 각각의 음파발생부(121)의 주파수 차이를 증가하거나 감소할 수 있다.
한편, 광원(110)으로부터 방출되는 광은 각각의 음파발생부(121a, 121b, 121c)를 통해 특정 주파수를 가지되 미세한 파장 폭을 가지는 광으로 변조된다.
여기서, 음파발생부(121a, 121b, 121c)를 통해 광들은 각각의 특정 주파수가 보존된 상태로 결합되어 강도분포를 가지는 광으로 변조된다.
다시 설명하면, 각각의 음파발생부(121a, 121b, 121c)를 통과한 광들을 결합하면 강도분포를 갖게 되지만, 강도분포의 범위 내에서 광들이 연속적으로 연결되는 것이 아닌, 각각의 특정주파수를 가지는 광들만이 단속적으로 연결된다.
이로 인해, 광의 변조시 강도분포를 갖는 것과 동시에 노이즈가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 광필터부(120)에 의해 변조된 광이 사용자가 원하는 강도분포를 갖도록 각각의 음파발생부(121a, 121b, 121c)를 통해 광의 강도를 조절하는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명의 일실시예에서는 제2 음파발생부(121b)에 의해 변조되는 광이 가장 강한 강도를 갖도록 제어되고, 제1 음파발생부와 (121a) 및 제3 음파발생부(121c)에 의해 변조되는 광은 거의 동일한 강도를 가지도록 제어된다.
본 발명의 일실시예에서는 광필터부(120)를 광의 진행방향을 따라 서로 이격되는 복수개의 음향광학변조필터(Acousto-Optical Tunable Filter)로 마련되나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 광학계(130)는 상술한 광필터부(120)를 통해 변조된 광을 제공받아 측정대상물(S) 측으로 입사시키고 측정대상물(S)로부터 반사되는 광이 입사되는 것으로서, 광분할기(Beam splitter)(131)와 렌즈부(132)와 반투과미러(133)를 포함한다.
상기 광분할기(131)는 광필터부(120)를 통해 변조된 광을 제공받아 측정대상물(S) 측으로 반사시키거나, 측정대상물(S)로부터 반사된 광을 투과시키는 것이다.
상기 렌즈부(132)는 광분할기(131)로부터 반사된 광을 측정대상물(S) 측으로 집속시키는 것으로 대물 렌즈로 마련될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 반투과미러(133)는 측정대상물(S)로부터 반사되는 광의 일부를 반사시키거나 또는 투과시킴으로써 후술할 광검출부(140) 측이나 카메라부(150) 측으로 진행방향을 안내하는 것이다.
한편, 광분할기(131)와 반투과미러(133) 사이에는 측정대상물로부터 반사된 광을 집속시키는 제2 렌즈부(132b)를 구비할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 광학계(130)의 구성은 주지하므로 상술한 구성에 제한되는 것은 아니며, 다른 구성을 포함하거나 생략한 광학계(130)를 이용할 수 있음은 당연하다.
상기 광검출부(140)는 측정대상물(S)로부터 반사되 광학계(130)를 통과한 광을 제공받아 스펙트럼을 분석하여 반사도 정보를 획득하는 것이다.
본 발명의 일실시예에서 반사도 정보란 빛의 강도와 파장에 대한 반사도 변화를 나타내는 반사도 분포곡선을 의미하나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 카메라부(150)는 측정대상물(S)로부터 반사되어 광학계(130)를 통과한 광을 제공받아 측정대상물의 영상 정보를 획득하는 것이다. 본 발명의 일실시예에서 카메라부(150)는 측정하고자 하는 영역에 적합한 화수 개수를 가지는 CCD 카메라(Charge coulped device) 카메라를 이용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4는 도 2에 따른 두께 측정 장치에서 제어부의 구성을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 4를 참고하면, 상기 제어부(160)는 광필터부(120)를 투과가능한 복수개의 주파수를 설정하여 광필터부(120)에 의해 변조되는 광의 파장 폭을 조절하며, 수학식에 의해 모델링되어 기저장된 이론반사도 정보와 광검출부(140)를 통해 획득된 반사도 정보를 비교함으로써 측정대상물(S)의 두께를 측정하는 것으로서, 주파수 설정모듈(161)과 저장모듈(162)과 변환모듈(163)과 비교판단모듈(164)를 포함한다.
상기 주파수 설정모듈(161)은 광필터부(120)를 투과가능한 복수개의 주파수를 설정하는 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면 각각의 음파발생부(121)로부터 방출되는 음파의 특정 주파수를 설정하는 것이다.
여기서, 각각의 음파발생부(121)로부터 방출되는 음파의 특정 주파수의 차이 또는 발생되는 음파의 개수 등을 제어함으로써 광필터부(120)에 의해 변조되는 광의 강도분포의 파장 폭을 변경할 수 있다.
여기서, 광필터부(120)에 의해 변조되는 광의 강도분포의 파장 폭이 변경되면, 추후 광검출부(140)로부터 획득되는 반사도 정보의 반사도 수치가 변경되며, 주파수 설정모듈(161)을 제어하여 반사도 정보의 반사도 값이 이론반사도 정보와 비교하기에 최적의 값을 갖도록 할 수 있다.
상기 저장 모듈(162)은 수학식에 의해 각각의 두께에 대응되는 복수개의 이론반사도 정보를 저장하는 것이다.
여기서, 이론반사도 정보를 모델링하는 수학식은 하기와 같다.
<수학식 1>
Figure 112013085937606-pat00001
여기서, Rp(d,λ)는 입사면에 평행인 P파의 토털 반사계수이고, rp 12는 공기층과 측정대상물의 경계면에서의 P파의 프레넬(Fresnel) 반사계수이고, rp 23은 측정대상물과 측정대상물을 지지하는 지지층의 경계면에서의 P파의 프레넬 반사계수이고, β는 빛(L)이 측정대상물을 지날 때 발생하는 위상변화량이다.
<수학식 2>
Figure 112013085937606-pat00002
여기서, Rs(d,λ)는 입사면에 수직인 S파의 토털 반사계수이고, rs 12는 공기층(12)과 측정대상물의 경계면에서의 S파의 프레넬(Fresnel) 반사계수이고, rs 23은 측정대상물과 지지층의 경계면에서의 S파의 프레넬 반사계수이다.
<수학식 3>
Figure 112013085937606-pat00003
여기서, d는 측정대상물의 두께이고,
Figure 112013085937606-pat00004
는 측정대상물의 복소 굴절률이고, φ2는 측정대상물에서의 굴절각이다.
<수학식 4>
Figure 112013085937606-pat00005
여기서, R1은 수학적 모델링에 의한 이론반사도이고, Ii는 입사되는 빛(L)의 강도(intensity)이고, Ir은 반사되는 빛(L)의 강도이다.
수학식 1 내지 수학식 3을 수학식 4에 대입하여, 일정 두께에 대하여 이론반사도를 구할 수 있고, 파장을 변화시키면서 반사도 분포를 그래프로 도시하여 이론반사도분포곡선을 생성할 수 있다.
한편, 상술한 수학식 4에 의하여 생성된 이론반사도분포곡선에 측정대상물로부터 반사되는 광의 강도분포를 곱하여 이론적분반사도분포곡선을 구할 수 있으며, 이는 하기 수학식에 의해 계산된다.
<수학식 5>
Figure 112013085937606-pat00006
여기서, R2는 수학적 모델링에 의한 이론적분반사도이고, λ*는 특정파장이고, Ii는 입력강도이고, Ir은 출력강도이고, I0는 특정파장에서의 강도의 최대값이고, I0×Fλ는 특정파장의 강도분포곡선이고, R1은 이론반사도분포곡선이다.
즉, 저장모듈(162)은 각각의 두께에 대응되는 반사도분포곡선을 획득한 후, 이를 통해 각각의 두께에 대응되는 적분반사도곡선을 획득하여 저장한다.
한편, 저장모듈(162)은 주파수 설정모듈(161)에 의해 광의 강도분포가 변화시, 변화된 강도분포값을 이용하여 이론반사도 정보를 재획득하여 저장할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 후술할 변환모듈(162)을 통해 기저장된 이론반사도 정보를 변환할 수 있다.
상기 변환모듈(163)은 주파수 설정모듈(161)에 의한 주파수 조절시 광검출부(140)로부터 측정되는 반사도정보 또는 저장모듈(162)에 저장된 이론반사도 정보 중 적어도 어느 하나를 변환하는 것이다.
상술한 것과 같이, 수학적 모델링에 의하여 이론반사도 정보를 획득하는 경우, 입사되는 광의 광도를 초기 설정된 값으로 가정하고 계산한다.
여기서, 주파수 설정모듈(161)에 의해 광의 강도분포가 변경되는 경우에는 입사되는 광의 강도도 변경되므로 반사도 정보와 이론반사도 정보가 동일한 조건 아래서 비교되지 않는 문제점이 발생할 수 있으며, 이러한 조건을 일치시키도록 둘 중 어느 하나의 조건을 변환시킬 필요가 있다.
본 발명의 일실시예에서는 저장모듈(162)에 기저장된 이론반사도 정보를 변환하는 방법을 채택하며, 변환된 적분반사도분포곡선은 하기 수학식에 의해 결정된다.
<수학식 6>
Figure 112013085937606-pat00007
여기서, Fλ**(λ)은 초기 설정값에 대한 광의 강도의 변화량을 의미하며, 다른 수식은 상술한 것과 같다.
한편, 본 발명의 일실시예와 같이 이론반사도 정보를 변환하여 반사도 정보와 동일한 조건에서 수행되도록 하는 방법도 가능하나, 반사도 정보를 이론반사도 정보의 조건과 동일하도록 변환시킬 수 있다.
상기 비교판단모듈(164)는 광검출부(140)를 통해 획득한 반사도 정보와 저장모듈(162) 및 변환모듈(163)을 통해 변환된 이론반사도 정보를 비교하여 측정대상물의 두께를 결정하는 것이다.
즉, 광검출부(140)를 통해 획득한 반사도 정보와 이론반사도 정보를 비교하여 가장 유사한 이론반사도 정보를 검색하고, 가장 유사한 이론반사도 정보를 검색시 가장 유사한 이론반사도와 대응되는 두께 값을 측정대상물의 두께로 결정한다.
지금부터는 상술한 두께 측정 장치 및 이를 이용한 두께 측정 방법의 일실시예의 작동에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 두께 측정 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 두께 측정 방법은 이론반사도 정보와 비교하기 좋은 반사도를 갖도록 반사도 정보의 반사도를 조절함으로써 두께 측정 정확성을 향상시킬 수 있는 것으로서 변조단계(S110)와 이론반사도 정보 마련단계(S120)와 변환단계(S125)와 반사도정보 획득단계(S130)와 매칭단계(S140)와 두께결정단계(S150)를 포함한다.
상기 변조단계(S110)는 광필터부(120)를 투과가능한 복수개의 주파수를 설정하여 광원(110)으로부터 방출되는 광이 광필터부(120)를 통해 변조시 강도분포를 갖되 파장 폭을 조절하는 단계이다.
여기서, 파장 폭은 음파발생부(121)로부터 방출되는 음파의 개수 및 주파수 값을 통해 결정되며, 후술할 반사도정보 획득단계(S140)에서 획득되는 반사도 정보의 반사도 수치와 연관된다.
도 6은 도 5에 따른 두께 측정 방법에서 변조단계 전후의 광의 강도를 파장에 대하여 개략적으로 도시한 그래프이고, 도 7은 도 5에 따른 두께 측정 방법에서 변조단계 전후의 광에 의한 반사도 정보를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 6 또는 도 7을 참고하면, 변조단계(S110)를 수행함에 따라 광의 강도 및 반사도 정보에서의 반사도 수치가 변경됨을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서는 복수개의 음파발생부(121) 중에서 음파를 방출하는, 즉 작동하는 음파발생부(121)의 개수를 결정하고, 작동하는 음파발생부(121)로부터 방출되는 음파의 주파수를 개별적으로 결정함으로써 변조단계(S110)를 수행할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일실시예에서는 변조단계(S110)를 통해 3개의 음파발생부(121)를 작동시키며, 각각의 음파발생부(121a,121b,121c)로부터 방출되는 음파는 각각 120MHz, 130MHz, 140MHz를 가진다.
한편, 본 발명의 일실시예에서 각각의 음파발생부(121)로부터 방출되는 음파는 광원(110)으로부터 멀어질수록 순차적으로 커지도록 마련되나 이에 제한되는 것은 아니며, 순차적으로 작아지거나 불규칙적으로도 배치될 수 있다.
또한, 각각의 음파발생부(121)로부터 방출되는 음파의 중에서 최소값과 최대값의 차이가 클수록 변조되는 광의 강도분포는 넓어지고. 최소값과 최대값의 차이 좁을수록 변조되는 광의 강도분포는 좁아진다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따르면 각각의 음파발생부(121)로부터 방출되는 음파는 광원(110)으로부터 멀어질수록 10MHz씩 일정하게 증가하도록 마련되나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 이론반사도 정보 마련단계(S120)는 상술한 저장모듈(162)에 수학적 모델링에 의해 이론반사도 정보를 저장하는 단계로서 모델링 단계(S124)와 변환단계(S125)를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면 이론반사도 정보는 특정 주파수의 미세한 파장폭을 갖는 광을 최초 광의 강도 값으로 결정하나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 모델링 단계(S124)는 본 발명의 일실시예에 따르면 이론반사도분포곡선 및 이론적분반사도분포곡선을 결정하는 단계로서 상술하였으므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
도 8은 도 5에 따른 두께 측정 방법에서 변환단계를 개략적으로 도시한 그래프로서, (a)는 변조단계를 통해 광의 강도가 변화되는 모습을 나타내는 도면이고, (b)는 광의 강도 변화에 따라 동일한 두께에서의 반사도 정보와 이론반사도 정보가 상이해지는 것을 나타내는 도면이고, (c)는 변환단계를 통해 동일한 두께에서의 반사도 정보와 이론반사도 정보가 일치됨을 나타내는 도면이다.
도 8을 참고하면, 상기 변환단계(S125)는 변조단계(S110)를 통해 이론반사도 정보 마련단계(S120)에서 설정된 최초 광의 강도 값과는 상이한 강도 값을 갖는 광으로 변조될 시 이론반사도 정보를 변환하는 단계이다.
상술한 것과 같이, 이론반사도 정보는 이론반사도 정보 마련단계(S120)에서 설정된 광의 강도 값을 기준으로 이론적분반사도분포곡선을 획득한다.
여기서, 설정된 광의 강도 값이 변경되면 이론반사도 정보와 반사도 정보를 비교할 수 있는 전제조건이 어긋나는 것으로서 두께 결정의 정확성을 기대할 수 없다.
따라서, 이론 반사도 정보를 변경된 강도 값을 기준으로 변환하거나 반사도 정보를 최초 강도 값으로 변환하는 과정이 필요하며, 본 발명의 일실시예에서는 이론 반사도 정보를 변경된 강도 값을 기준으로 이를 변환한다.
상기 반사도정보 획득단계(S130)는 측정대상물(S)로부터 반사되는 광을 광검출부(140)에서 입력받아 반사도분포곡선을 획득하는 단계이다.
반사도정보 획득단계(S130)에서 광검출부(140)를 통해 반사도분포곡선을 획득하는 것은 주지하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
상기 매칭단계(S140)는 이론반사도 정보 획득단계(S120)를 통해 획득한 이론반사도 정보와 반사도정보 획득단계(S140)를 통해 획득한 반사도정보를 비교하여 반사도정보와 가장 유사한 이론반사도 정보를 검색하는 단계이다.
가장 유사한지 여부는 최소 자승법을 이용한 오차 함수를 구하여 최소의 오차를 가지는 이론반사도 정보와 반사도 정보를 "가장 유사한" 것으로 판단하며, 이러한 방법은 주지하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
다만, 상술한 것과 같이 최소 자승법뿐만 아니라 다른 방법을 통해 "가장 유사한" 것인지 여부를 판단할 수 있음은 당연하다.
한편, 매칭단계(S140)를 통해 광검출부(140)를 통해 측정되는 반사도 정보의 반사도값이 비교할 수 없거나 비교하기 어려울 정도로 낮거나 높게 측정될 수 있다.
이러한 경우, 상술한 변조단계(S110)를 재수행하되, 반사도 정보의 반사도 값이 너무 낮게 측정되면 변조단계(S110)에서 광의 강도분포 파장폭이 넓어지도록 주파수의 수치 및 개수 등을 재설정하며, 반사도 정보의 반사도 값이 너무 높게 측정되면 변조단계(S110)에서 광의 강도분포 파장폭이 좁아지도록 주파수의 수치 및 개수 등을 재설정한다.
즉, 변조단계(S110)를 재수행함으로써 추후 매칭단계(S150)에서 반사도 정보와 이론반사도 정보를 용이하게 비교할 수 있도록 반사도 수치를 가공한다.
여기서, 변조단계(S110)의 재수행을 통해 변경된 수치를 기반으로 이론반사도 정보를 재획득하여 저장한 후, 매칭단계(S140)를 재수행하여 반사도 정보와 가장 유사한 이론반사도 정보를 검색한다.
상기 두께결정단계(S150)는 반사도정보와 가장 유사한 이론반사도 정보를 선택하여, 선택된 이론반사도 정보에 대응되는 두께를 측정대상물의 두께로 결정한다.
한편, 측정대상물(S)의 검사표면을 마이크로 또는 나노 스케일로 마련되는 복수개의 영역으로 구획하고, 각각의 영역마다 검사하여 측정된 결과를 조합하면 측정대상물(S) 표면의 두께, 3차원 형상 등을 포함하는 측정대상물(S)의 검사표면의 종합적인 정보를 산출하고 이를 가시화할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100: 두께 측정 장치 S: 측정대상물
110: 광원 120: 광필터부
130: 광학계 140: 광검출부
150: 카메라부 160: 제어부
S100: 두께 측정 방법 S110: 변조단계
S120: 이론반사도 정보 마련단계 S130: 반사도 정보 획득단계
S140: 매칭단계 S150: 두께결정단계

Claims (9)

  1. 반사광도계(Reflectometer)를 이용하는 두께 측정 장치에 있어서,
    광을 방출하는 광원;
    상기 광원으로부터 방출되는 광을 제공받아 서로 다른 복수개의 주파수에 대하여 선택적으로 투과시켜 강도분포를 갖는 광으로 변조하되 상기 강도분포를 갖는 광의 파장 폭을 조절할 수 있는 광필터부;
    상기 광필터부로부터 변조된 광을 측정대상물 측으로 조사하고, 상기 측정대상물 측으로부터 반사되는 광이 입사되는 광학계;
    상기 광학계를 통과한 광을 제공받아 반사도 정보를 획득하는 광검출부;
    상기 광필터부를 투과가능한 복수개의 주파수를 설정하여 상기 광필터부에 의해 변조되는 광의 파장 폭을 조절하며, 수학식에 의해 모델링되어 기저장된 이론반사도 정보와 상기 광검출부를 통해 획득된 반사도 정보를 비교함으로써 측정대상물의 두께를 측정하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 광필터부를 투과가능한 복수개의 주파수를 설정하는 주파수 설정모듈; 수학식에 의해 모델링되며, 각각의 두께마다 대응되는 복수개의 이론반사도 정보를 저장하는 저장모듈; 상기 광검출부로부터 측정된 반사도 정보와 상기 저장모듈에 저장된 이론반사도 정보를 비교함으로써 측정대상물의 두께를 판단하는 비교판단모듈; 및, 상기 주파수 설정모듈에 의해 조절된 주파수에 대응하여 상기 광검출부로부터 측정된 반사도 정보 및 상기 저장 모듈에 저장된 이론반사도 정보 중 적어도 어느 하나를 변환하는 변환모듈;을 포함하며,
    상기 비교판단모듈은 상기 반사도 정보 및 상기 이론반사도 정보 중 적어도 어느 하나의 변환된 정보를 이용하여 측정대상물의 두께를 측정하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광필터부는 광원으로부터 방출되는 광의 진행방향을 따라 서로 이격되게 배치되는 복수개의 음향광학변조필터(Acousto-Optical Tunable Filter)인 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 광필터부는 상기 광원으로부터 제공되는 광을 상기 기설정된 복수개의 주파수 각각에 대해서 투과시키고, 투과된 광들의 파장을 유지한 상태로 결합함으로써 강도분포를 갖는 광으로 변조하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 광학계는 상기 광필터부에 의해 변조된 광을 반사하거나 측정대상물로부터 반사된 광을 투과시키는 제1 광분할기; 상기 제1 광분할기와 측정대상물 사이에 마련되어 상기 제1 광분할기로부터 반사된 광을 측정대상물 측으로 집속시키는 렌즈부;를 포함하며,
    상기 광학계로부터 상기 측정대상물로부터 반사된 광을 제공받아 측정대상물의 영상 정보를 획득하는 카메라부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 광원으로부터 방출되는 광을 변조하는 광필터부를 투과가능한 복수개의 주파수를 설정하여 상기 광필터부를 통해 변조되는 광의 강도분포의 파장 폭을 조절하는 변조단계;
    수학식을 통해 각각의 두께에 대응하는 이론반사도 정보를 마련하는 이론반사도 정보 마련단계;
    측정대상물 측으로 상기 광필터부에 의해 변조된 광을 조사하여 측정대상물의 반사도 정보를 획득하는 반사도 정보 획득단계;
    상기 이론반사도 정보와 상기 반사도 정보를 비교하여 상기 이론반사도 정보 중에서 상기 반사도 정보와 가장 유사한 이론반사도 정보를 선택하는 매칭단계;
    상기 매칭단계에서 선택된 이론반사도 정보에 대응되는 두께를 측정대상물의 두께로 결정하는 두께결정단계;를 포함하며,
    상기 이론반사도 정보 마련단계는 상기 변조단계를 통해 설정된 복수개의 주파수를 고려하여 상기 이론반사도 마련단계를 통해 마련된 이론반사도 정보를 변환하는 변환단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 매칭단계에서 상기 반사도 정보와 가장 유사한 이론반사도 정보를 선택 불가능시 상기 변조단계를 재수행하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 방법.
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