KR101987402B1 - 편광픽셀어레이를 이용한 박막과 후막의 두께 및 삼차원 표면 형상 측정 광학 장치 - Google Patents

편광픽셀어레이를 이용한 박막과 후막의 두께 및 삼차원 표면 형상 측정 광학 장치 Download PDF

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박정재
김재완
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는, 가간섭성(coherence)을 가진 광대역 광원; 상기 광대역 광원의 출력광을 제공받아 제1 편광 상태를 가진 빔을 투과시키고 상기 제1 편광 상태에 수직한 제2 편광 상태를 가진 빔을 반사시키는 편광 빔 분리기; 상기 편광 빔 분리기를 투과한 제1 편광 상태의 빔을 반사시키는 기준 거울; 상기 기준 거울과 상기 편광 빔 분리기 사이에 배치된 제1 1/4 파장판; 상기 제2 편광 상태를 가진 빔을 샘플에 집속하는 제1 렌즈; 상기 제1 렌즈와 상기 편광 빔 분리기 사이에 배치된 제2 1/4 파장판; 및 상기 기준 거울에서 반사된 후 상기 편광 빔 분리기에서 반사된 기준 빔과 상기 샘플에서 반사된 후 상기 편광 빔 분리기를 투과한 샘플 빔을 파장에 따라 분광하는 분광 검출부를 포함한다.

Description

편광픽셀어레이를 이용한 박막과 후막의 두께 및 삼차원 표면 형상 측정 광학 장치 {Optical measuring system for thicknesses of thin and thick films and 3D surface profile using a polarized pixel array}
본 발명은 광학 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 가간섭성을 가진 광대역 광원을 이용한 분광 반사계(spectroscopic reflectometry) 및 분광 간섭계(spectral domain interferometer)를 통합한 광학 장치에 관한 것이다.
1 μm 이하의 박막의 두께를 측정하기 위한 광학 기술에는, 백색광 간섭계 및 분광 반사계 (spectroscopic reflectometry), 타원계 (ellipsometry)등이 있다. 분광 반사계는 박막의 두께에 따라 반사율이 변하는 현상을 이용한 측정 기술이다. 분광기를 이용하여 파장별로 반사율을 획득한 뒤, 이를 분석하여 박막의 두께가 계산된다.
분광 간섭계는 가간섭성을 가진 광대역 광원과 분광기를 이용하여 기준빔과 샘플빔 사이의 간섭에 의해 발생하는 간섭 스펙트럼을 측정함으로써 광경로차를 측정하는 기술이다. 이를 이용하면 1 μm 이상의 후막 두께, 삼차원 표면 형상을 측정할 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 차세대 디스플레이인 OLED, AMOLED, 지능형 반도체의 공정에서 널리 사용되는 적층형 샘플의 삼차원 표면 형상, 박막 및 후막 두께를 동시에 측정할 수 있는 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는, 가간섭성(coherence)을 가진 광대역 광원; 상기 광대역 광원의 출력광을 제공받아 제1 편광 상태를 가진 빔을 투과시키고 상기 제1 편광 상태에 수직한 제2 편광 상태를 가진 빔을 반사시키는 편광 빔 분리기; 상기 편광 빔 분리기를 투과한 제1 편광 상태의 빔을 반사시키는 기준 거울; 상기 기준 거울과 상기 편광 빔 분리기 사이에 배치된 제1 1/4 파장판; 상기 제2 편광 상태를 가진 빔을 샘플에 집속하는 제1 렌즈; 상기 제1 렌즈와 상기 편광 빔 분리기 사이에 배치된 제2 1/4 파장판; 및 상기 기준 거울에서 반사된 후 상기 편광 빔 분리기에서 반사된 기준 빔과 상기 샘플에서 반사된 후 상기 편광 빔 분리기를 투과한 샘플 빔을 파장에 따라 분광하는 분광 검출부를 포함한다. 상기 분광 검출부는, 파장에 따라 상기 기준 빔과 상기 샘플 빔을 분광하는 분광부; 상기 분광부에 의하여 공간적으로 분광된 광을 측정하는 2차원 광검출부; 상기 2차원 광검출부의 앞단에 배치되어 파장별로 동일한 편광 상태를 제공하는 제1 편광자들; 및 상기 제1 편광자들과 이격되어 나란히 배치되어 상기 제1 편광자들과 다른 편광 상태를 제공하고 상기 2차원 광검출부의 앞단에 배치되어 파장별로 동일한 편광 상태를 제공하는 제2 편광자들을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 편광자들은 상기 샘플 빔만을 투과시키도록 설정된 편광 방향을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 편광자들은 상기 샘플 빔의 일부와 상기 기준 빔의 일부를 투과시키도록 설정된 편광 방향을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 2차원 광검출부의 출력 신호를 처리하는 신호 처리부를 더 포함할 수 있다. 상기 신호 처리부는 파장에 따른 상기 샘플 빔의 세기를 처리하여 상기 샘플의 박막 및 후막의 두께를 추출할 수 있다. 상기 신호 처리부는 파장에 따른 상기 샘플 빔의 일부와 상기 기준 빔의 일부의 광 간섭 신호의 세기를 처리하여 상기 샘플의 표면 형상 정보를 추출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 편광 빔 분리기와 상기 분광 검출부 사이에 배치되고 상기 샘플 빔과 상기 기준 빔을 집속하는 제2 렌즈; 및 상기 제2 렌즈에서 초점에 배치되고 상기 집속된 샘플 빔과 상기 집속된 기준 빔을 상기 분광 검출부에 전달하는 광섬유를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 샘플을 지지하는 샘플 지지대를 더 포함할 수 있다. 상기 샘플 지지대는 상기 샘플의 배치평면에서 2차원적으로 스캐닝하고, 상기 제1 렌즈는 샘플의 수직 방향으로 스캐닝할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광대역 광원의 출력광을 전달하는 보조 광섬유; 상기 보조 광섬유를 통하여 전달된 광을 평행광으로 변환하는 시준 렌즈; 상기 시준 렌즈와 상기 편광 빔 분리기 사이에 배치된 보조 선형 편광판; 및
상기 보조 선형 편광판과 상기 편광 빔 분리기 사이에 배치된 1/2 파장판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 샘플 빔과 기준 빔 사이의 간섭 신호를 이용하여 샘플의 삼차원 표면 형상 정보를 추출하고, 샘플 빔만의 간섭 신호를 이용하여 샘플 상의 후막 및 박막의 두께 정보를 추출할 수 있다. 이에 따라, 상기 광학 장치는 동시에 또는 선택적으로 샘플의 표면 형상 정보와 박막 및 후막 두께 정보를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 도 1 의 광학 장치에서 파장에 따른 샘플빔 만의 파장별 반사율과 기준 빔과 샘플빔의 파장별 간섭 신호를 나타낸다.
도 3a는 기준 빔과 샘플 빔의 파장별 간섭 신호의 편광 상태를 설명한다.
도 3b는 기준 거울과 샘플의 표면 사이의 광경로 차이를 설명하는 도면이다.
도 3c는 주파수에 따른 기준 빔과 샘플빔의 간섭 신호를 나타낸다.
도 4a는 샘플빔 내의 반사 간섭 신호를 설명하는 도면이다.
도 4b는 샘플에서 박막의 다중 반사를 설명하는 도면이다.
도 4c는 파장에 따른 박막의 반사율과 피팅 결과를 나타내는 도면이다.
도 4d는 파장에 따른 후막의 간섭 신호를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 편광을 이용하여 분광 간섭계와 분광 반사계를 동시에 구현할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치를 설명하는 개념도이다.
도 2는 도 1 의 광학 장치에서 파장에 따른 샘플빔 만의 파장별 반사율과 기준 빔과 샘플빔의 파장별 간섭 신호를 나타낸다.
도 3a는 기준 빔과 샘플 빔의 파장별 간섭 신호의 편광 상태를 설명한다.
도 3b는 기준 거울과 샘플의 표면 사이의 광경로 차이를 설명하는 도면이다.
도 3c는 주파수에 따른 기준 빔과 샘플빔의 간섭 신호를 나타낸다.
도 4a는 샘플빔 내의 반사 간섭 신호를 설명하는 도면이다.
도 4b는 샘플에서 박막의 다중 반사를 설명하는 도면이다.
도 4c는 파장에 따른 박막의 반사율과 피팅 결과를 나타내는 도면이다.
도 4d는 파장에 따른 후막의 간섭 신호를 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 광학 장치(100)는, 가간섭성(coherence)을 가진 광대역 광원(110); 상기 광대역 광원(110)의 출력광을 제공받아 제1 편광 상태를 가진 빔을 투과시키고 상기 제1 편광 상태에 수직한 제2 편광 상태를 가진 빔을 반사시키는 편광 빔 분리기(polarization beam splitter, 128); 상기 편광 빔 분리기(128)를 투과한 제1 편광 상태의 빔을 반사시키는 기준 거울(134); 상기 기준 거울(134)과 상기 편광 빔 분리기(128) 사이에 배치된 제1 1/4 파장판(132); 상기 제2 편광 상태를 가진 빔을 샘플에 집속하는 제1 렌즈(143); 상기 제1 렌즈(143)와 상기 편광 빔 분리기(128) 사이에 배치된 제2 1/4 파장판(142); 및 상기 기준 거울(134)에서 반사된 후 상기 편광 빔 분리기(128)에서 반사된 기준 빔과 상기 샘플에서 반사된 후 상기 편광 빔 분리기(128)를 투과한 샘플 빔을 파장에 따라 분광하는 분광 검출부(170)를 포함한다.
상기 분광 검출부(170)는, 파장에 따라 상기 기준 빔과 상기 샘플 빔을 분광하는 분광부(172); 상기 분광부(172)에 의하여 공간적으로 분광된 광을 측정하는 2차원 광검출부(175); 상기 2차원 광검출부(175)의 앞단에 배치되어 파장별로 동일한 편광 상태를 제공하는 제1 편광자들(174a); 및 상기 제1 편광자들와 이격되어 나란히 배치되어 상기 제1 편광자들(174a)과 다른 편광 상태를 제공하고 상기 2차원 광검출부(175)의 앞단에 배치되어 파장별로 동일한 편광 상태를 제공하는 제2 편광자들(174b)을 포함한다.
광대역 광원(110)은 펄스 레이저 또는 연속 레이저일 수 있다. 상기 광대역 광원은 수십 nm 이상의 대역 폭을 가질 수 있다. 상기 광대역 광원(110)은 가간섭성을 가질 수 있다. 광대역 광원(110)은 적외선 대역 또는 가시광선 대역의 광을 출력할 수 있다.
보조 광섬유(112)는 상기 광대역 광원(110)의 출력광을 상기 편광 빔 분리기(128)에 전달할 수 있다. 상기 보조 광섬유(112)는 다중 모드 광섬유일 수 있다.
시준 렌즈(122)는 상기 보조 광섬유(122)를 통하여 전달된 광을 평행광으로 변환할 수 있다.
보조 선형 편광판(124)은 상기 시준 렌즈(122)와 상기 편광 빔 분리기(128) 사이에 배치될 수 있다. 상기 보조 선형 편광판(124)은 랜덤한 편광 상태의 광을 제공받아 선형 편광된 출력광을 제공할 수 있다.
1/2 파장판(126)은 상기 보조 선형 편광판(124)과 상기 편광 빔 분리기(128) 사이에 배치될 수 있다. 상기 1/2 파장판(126)은 선형 편광의 편광 방향을 회전시킬 수 있다.
상기 편광 빔 분리기(128)는 글랜-톰슨 프리즘(Glan-Thomson prism)일 수 있다. 상기 편광 빔 분리기(128), 상기 기준 거울, 및 상기 샘플은 마이켈슨 간섭계를 구성할 수 있다. 상기 편광 빔 분리기(128)는 진행방향에 서로 수직인 성분들을 가지는 빔을 제공받아 제1 편광 상태를 가진 빔을 투과시키고 상기 제1 편광에 수직한 제2 편광 상태를 가진 빔을 반사시킬 수 있다. 상기 제1 편광 상태를 가진 빔은 상기 편광 빔 분리기(128)를 투과하여 기준 빔을 형성할 수 있다. 상기 제2 편광 상태를 가진 빔은 상기 편광 빔 분리기(128)에 의하여 반사되어 샘플 빔을 형성할 수 있다. 샘플암(sample arm)은 상기 샘플과 상기 편광빔 분리기 사이의 광경로를 제공하고, 기준암(reference arm)은 상기 기준 거울과 상기 편광빔 분리기 사이의 광경로를 제공할 수 있다. 샘플빔은 상기 샘플암을 진행하는 빔이고, 기준 빔은 상기 기준암을 진행하는 빔이다.
상기 기준 거울(134)은 상기 제1 편광 상태를 가진 빔을 반사시켜 상기 기준 빔을 형성할 수 있다. 상기 기준 거울(134)은 평면 거울일 수 있다.
제1 1/4 파장판(132)은 상기 편광 빔 분리기(128)와 상기 기준 거울(134) 사이에 배치되고, 왕복 경로에 대하여 상기 기준 빔의 편광 상태를 90도 회전시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 기준 빔은 상기 편광 빔 분리기(128)에서 반사되어 분광 검출부에 제공될 수 있다.
제2 1/4 파장판(142)은 상기 편광 빔 분리기(128)와 샘플(10) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제2 1/4 파장판(142)은 왕복 경로에 대하여 상기 샘플 빔의 편광 상태를 90도 회전시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 샘플 빔은 상기 편광 빔 분리기(128)를 투과하여 분광 검출부(170)에 제공될 수 있다.
제1 렌즈(143)는 상기 편광 빔 분리기에서 제2 편광상태의 반사된 기준 빔을 제공받아 샘플(10)에 집속할 수 있다. 상기 제1 렌즈(143)는 현미경의 대물렌즈일 수 있다. 상기 제1 렌즈(143)는 샘플의 수직 방향으로 스캐닝할 수 있다. 스캐닝 수단은 상기 제1 렌즈(143)를 이동시키어 상기 제1 렌즈의 초점을 상기 샘플의 상부면에 위치시킬 수 있다.
샘플(10)은 상기 샘플 빔을 반사시킬 수 있다. 상기 샘플(10)은 그 표면에 박막(11)을 포함할 수 있으며, 표면 형상을 가질 수 있다. 상기 표면 형상에 기인하여, 상기 샘플 빔과 상기 기준 빔 사이에 광경로차가 발생할 수 있다. 상기 광경로차는 상기 샘플의 표면 형상에 대한 정보를 제공할 수 있다.
상기 샘플(10)은 표면에 형성된 박막(11) 및 후막에 의하여 다중 반사를 통하여 샘플 간섭 신호를 형성할 수 있다. 후막은 상기 샘플의 두께의 수준으로 수백 마이크로미터 수준일 수 있다. 상기 샘플 간섭 신호 중에서 박막(111)에 기인한 신호는 반사율로 변환되어, 상기 박막(11)의 두께(d)가 산출될 수 있다. 상기 샘플 간섭 신호 중에서 후막에 기인한 신호는 자체 간섭에 기인하여 분광 간섭계의 원리가 적용되어 강도의 주기를 추출하여 후막의 두께를 산출할 수 있다.
샘플 지지대(150)는 상기 샘플을 지지할 수 있다. 상기 샘플 지지대(150)는 상기 샘플의 배치평면에서 2차원적으로 스캐닝할 수 있다.
상기 편광 빔 분리기(128)를 투과한 샘플 빔과 상기 편광 빔 분리기(128)에서 반사된 기준 빔은 동일한 광 경로를 가지며 서로 수직한 편광 상태를 가질 수 있다. 상기 샘플 빔은 선형 편광되고 상기 기준 빔 또한 선형 편광될 수 있다.
상기 샘플 암에서 발생한 상기 샘플 빔에 기인한 샘플 간섭 신호만을 분광 분석하면, 분광 반사계가 동작할 수 있다. 한편, 상기 기준 빔과 상기 샘플 빔은 서로 수직한 편광 상태를 가지므로, 서로 간섭하도록 상기 기준 빔과 상기 샘플 빔의 편광 상태를 각각 조절하면, 분광 간섭계가 동작할 수 있다.
상기 편광 빔 분리기(128)를 통과하여 제공된 상기 기준 빔과 상기 샘플 빔은 제2 렌즈(162)에 입사할 수 있다. 상기 제2 렌즈(162)는 상기 편광 빔 분리기(128)와 상기 분광 검출부(170) 사이에 배치되고 상기 샘플 빔과 상기 기준 빔을 집속할 수 있다.
광섬유(164)의 일단은 상기 제2 렌즈(162)의 초점에 배치되고 집속된 샘플 빔과 기준 빔을 상기 분광 검출부(170)에 전달한다. 상기 광섬유(164)는 편광 유지 광섬유일 수 있다.
분광 검출부(170)는 분광부(172)와 2차원 광검출부(175)를 포함할 수 있다. 상기 광섬유를 통하여 전달된 상기 기준빔과 상기 샘플빔은 상기 분광부(172)에 의하여 분광된다. 상기 분광부(172)는 프리즘 또는 그레이팅일 수 있다. 상기 분광부(172)는 상기 기준빔과 상기 샘플빔을 파장에 따라 공간적으로 분리한다. 상기 분광부(172)는 제1 파장(λ1)에서 제2 파장(λ2) 까지를 분광할 수 있다.
상기 2차원 광검출부(175)는 분광된 기준빔과 샘플빔을 검출할 수 있다. 상기 2차원 검출부(175)는 CCD 카메라 또는 CIS 카메라일 수 있다.
제1 편광자들(174a)은 상기 2차원 광검출부(170)의 앞단에 배치되어 파장별로 동일한 편광 상태를 제공할 수 있다. 상기 제1 편광자들(174a)은 특정 방향으로 편광된 라인 형태의 편광판일 수 있다. 상기 제1 편광자들(174a) 각각은 상기 2차원 검출부(175)의 픽셀에 대응할 수 있다. 상기 제1 편광자들(174a)은 분광된 파장 방향으로 직선으로 정렬할 수 있다. 상기 제1 편광자들(174a)은 상기 샘플 빔만을 투과시키도록 설정된 편광 방향을 가질 수 있다. 상기 제1 편광자들(174a)의 편광 방향은 샘플 빔의 편광 방향과 동일할 수 있다. 상기 제1 편광자들(174a)을 투과한 상기 샘플 빔은 분광 반사 신호를 제공할 수 있다. 상기 분광 반사 신호는 샘플의 박막에서의 다중 반사에 기인한 간섭 신호일 수 있다.
상기 분광 반사 신호는 반사율(reflectance)로 변환된 후, 상기 반사율은 박막의 두께를 추출하도록 피팅될 수 있다.
신호 처리부(180)는 상기 2차원 광검출부의 출력 신호를 처리할 수 있다.
상기 신호 처리부(180)는 파장에 따른 상기 샘플 빔의 세기를 처리하여 상기 샘플의 박막(11)의 두께를 추출할 수 있다. 샘플이 박막 및 후막을 모두 포함한 경우, 상기 샘플 빔의 세기는 저주파 성분의 박막 신호와 고주파수 성분의 후막 신호로 분리될 수 있다. 상기 저주파 성분의 박막 신호는 반사 간섭계의 원리를 이용하여 박막 두께가 산출될 수 있다. 상기 고주파 성분의 후막 신호에서 분광 간섭계의 원리에 의하여 파장에 따른 진동하는 사인파의 주기를 이용하여 후막 두께가 산출될 수 있다.
상기 신호 처리부(180)는 파장에 따른 상기 샘플 빔의 일부와 상기 기준 빔의 일부의 광 간섭 신호의 세기를 처리하여 상기 샘플의 표면 형상 정보를 추출할 수 있다.
분광 반사계는 박막의 두께에 따라 반사율(Rsam)을 측정할 수 있다. 통상적으로, 최소자승법(Least squares method)은 박막 두께 측정을 위하여 사용된다. 박막의 두께와 물질의 굴절율을 알고 있는 경우, 파장별 반사율(reflectance)은 이론적으로 계산된다. 최소자승법을 사용하면, 실측 데이터와 가장 유사한 반사율을 가지도록 이론적 두께(d)가 산출될 수 있다.
분광 반사계를 이용한 박막 두께 측정은 박막의 두께가 영인 기준 시편의 반사율(Rref)을 계산한다. 상기 기준 시편에 대한 기준 반사 신호 스펙트럼(Gref)을 측정한다. 박막을 가진 기판의 측정 반사 신호 스펙트럼(Gsam)을 측정한다. 박막을 가진 기판의 반사율(Rsam)은 (Gsam/Gref ) X Rref로 주어진다. 박막을 가진 기판의 이론적 반사율이 설정된다. 상기 반사율은 박막의 두께(d)의 함수일 수 있다. 박막을 가진 기판의 측정 반사율과 이론 반사율의 차이를 최소자승법을 사용하여 최소화하도록 박막의 두께(d)를 결정한다.
샘플이 박막 및 후막(예를 들어 기판)을 모두 포함한 경우, 상기 샘플 빔의 세기는 저주파 성분의 박막 신호와 고주파수 성분의 후막 신호로 분리될 수 있다. 상기 저주파 성분의 박막 신호는 반사 간섭계의 원리를 이용하여 박막 두께가 산출될 수 있다. 상기 고주파 성분의 후막 신호에서 분광 간섭계의 원리에 의하여 파장에 따른 진동하는 사인파의 주기를 이용하여 후막 두께가 산출될 수 있다. 예를 들어, 기판 (후막)의 두께 및 굴절률은 a 및 n3이고, 박막의 두께 및 굴절율은 d 및 n2이고, 공기의 굴절률은 n1일 수 있다. 이 경우, 후막 신호로부터, 사인파의 주기는 c/(2 X n3 X a)로 표시될 수 있다.
제2 편광자들(174b)은 특정 방향으로 편광된 라인 형태의 편광판일 수 있다. 제2 편광자들(174b)은 상기 제1 편광자들(174a)와 이격되어 나란히 배치되어 상기 제1 편광자들과 다른 편광 상태를 제공할 수 있다.
상기 제2 편광자들(174b) 각각은 상기 2차원 검출부(175)의 픽셀에 대응할 수 있다. 상기 제2 편광자들(174b)은 상기 2차원 광검출부의 배치평면에서
분광된 파장 방향으로 직선으로 정렬할 수 있다.
제2 편광자들(174b)은 상기 2차원 광검출부의 앞단에 배치되어 파장별로 동일한 편광 상태를 제공할 수 있다. 제2 편광자들(174b)의 편광 방향은 상기 기준 빔의 편광 방향을 기준으로 상기 샘플빔의 편광 방향으로 45도 회전할 수 있다.
상기 제2 편광자들(174b)은 상기 샘플 빔과 상기 기준 빔을 모두 투과시키도록 설정된 편광 방향을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 기준 빔의 편광 방향과 상기 샘플 빔의 편광 방향에 의하여 정의된 좌표에서, 상기 제2 편광자들(174b)은 상기 기준 빔의 편광 방향을 기준으로 45도 회전한 편광 상태를 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 기준 빔의 일부는 상기 제2 편광자들(174b)을 투과하고, 상기 샘플 빔의 일부는 상기 제2 편광자들(174b)을 투과할 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 편광자들(174b)을 투과한 상기 기준 빔의 일부와 상기 샘플 빔의 일부는 동일한 편광 상태를 가지므로, 간섭 신호를 형성할 수 있다. 상기 간섭 신호는 분광 간섭 신호를 제공할 수 있다. 상기 분광 간섭 신호는 상기 기준 빔과 상기 샘플 빔 사이의 광경로차를 제공하고, 상기 광경로차는 상기 샘플의 표면 형상에 대한 정보를 제공할 수 있다.
분광 간섭계의 간섭 신호(I(f))는 파장 또는 주파수에 따라 다음과 같이 주어진다.
Figure 112018018346005-pat00001
여기서, L은 스펙트럼 영역 간섭계의 샘플 빔과 기준 빔 사이의 광 경로차이며, f는 광의 주파수이고, c는 빛의 속도이다. γ는 상수이고, I0는 배경광의 크기이다.
따라서, 주파수 영역에서 간섭 스펙트럼의 주기는 c/L이다. 주파수(f)에 대한 간섭 신호를 분석하면, 스펙트럼 주기(c/L)가 추출될 수 있다. 스펙트럼 주기(c/L)를 이용하면, 광경로차(L) 또는 표면 형상이 구해질 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110: 광대역 광원
128: 편광 빔 분리기
134; 기준 거울
170: 분광 검출부

Claims (7)

  1. 가간섭성(coherence)을 가진 광대역 광원;
    상기 광대역 광원의 출력광을 제공받아 제1 편광 상태를 가진 빔을 투과시키고 상기 제1 편광 상태에 수직한 제2 편광 상태를 가진 빔을 반사시키는 편광 빔 분리기;
    상기 편광 빔 분리기를 투과한 제1 편광 상태의 빔을 반사시키는 기준 거울;
    상기 기준 거울과 상기 편광 빔 분리기 사이에 배치된 제1 1/4 파장판;
    상기 제2 편광 상태를 가진 빔을 샘플에 집속하는 제1 렌즈;
    상기 제1 렌즈와 상기 편광 빔 분리기 사이에 배치된 제2 1/4 파장판; 및
    상기 기준 거울에서 반사된 후 상기 편광 빔 분리기에서 반사된 기준 빔과 상기 샘플에서 반사된 후 상기 편광 빔 분리기를 투과한 샘플 빔을 파장에 따라 분광하는 분광 검출부를 포함하고,
    상기 분광 검출부는:
    파장에 따라 상기 기준 빔과 상기 샘플 빔을 분광하는 분광부;
    상기 분광부에 의하여 공간적으로 분광된 광을 측정하는 2차원 광검출부;
    상기 2차원 광검출부의 앞단에 배치되어 파장별로 동일한 편광 상태를 제공하는 제1 편광자들; 및
    상기 제1 편광자들과 이격되어 나란히 배치되어 상기 제1 편광자들과 다른 편광 상태를 제공하고 상기 2차원 광검출부의 앞단에 배치되어 파장별로 동일한 편광 상태를 제공하는 제2 편광자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 편광자들은 상기 샘플 빔만을 투과시키도록 설정된 편광 방향을 가지는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 편광자들은 상기 샘플 빔의 일부와 상기 기준 빔의 일부를 투과시키도록 설정된 편광 방향을 가지는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 2차원 광검출부의 출력 신호를 처리하는 신호 처리부를 더 포함하고,
    상기 신호 처리부는 파장에 따른 상기 샘플 빔의 세기를 처리하여 상기 샘플의 박막 또는 후막의 두께를 추출하고,
    상기 신호 처리부는 파장에 따른 상기 샘플 빔의 일부와 상기 기준 빔의 일부의 광 간섭 신호의 세기를 처리하여 상기 샘플의 삼차원 표면 형상 정보를 추출하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 편광 빔 분리기와 상기 분광 검출부 사이에 배치되고 상기 샘플 빔과 상기 기준 빔을 집속하는 제2 렌즈; 및
    상기 제2 렌즈에서 초점에 배치되고 상기 집속된 샘플 빔과 상기 집속된 기준 빔을 상기 분광 검출부에 전달하는 광섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 샘플을 지지하는 샘플 지지대를 더 포함하고,
    상기 샘플 지지대는 상기 샘플의 배치평면에서 2차원적으로 스캐닝하고,
    상기 제1 렌즈는 샘플의 수직 방향으로 스캐닝하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 광대역 광원의 출력광을 전달하는 보조 광섬유;
    상기 보조 광섬유를 통하여 전달된 광을 평행광으로 변환하는 시준 렌즈;
    상기 시준 렌즈와 상기 편광 빔 분리기 사이에 배치된 보조 선형 편광판; 및
    상기 보조 선형 편광판과 상기 편광 빔 분리기 사이에 배치된 1/2 파장판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
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