KR102024017B1 - 판 스프링 구조 및 이를 이용한 스캐닝 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 판 스프링 구조를 이용한 스캐닝 시스템에 관한 것으로, 빔을 방출하는 광원부; 구동부를 누르면 힌지부가 증폭되어 판 스프링의 탄성구간을 눌러 높이 방향으로 스캐닝하는 스캔부; 간섭 렌즈부를 회전시키면서 스테이지의 직상부에 위치되도록 선택하여 스테이지상의 시료에 대한 측정을 진행하는 렌즈 터릿부; 및 상기 시료로부터 반사된 간섭 무늬를 측정하는 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

판 스프링 구조 및 이를 이용한 스캐닝 시스템{Plate spring and scanning system using thereof}
본 발명은 판 스프링 구조를 이용한 스캐닝 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 평면 방향으로 위치 변화없이 시료의 높이 방향으로 스캐닝하는 판 스프링 구조를 이용한 스캐닝 시스템에 관한 것이다.
산업 공정에서 높이를 나노 단위로 측정하기 위해서 빛의 간섭 원리를 이용해서 3차원 형상을 측정하고 있으며 3차원 형상을 나노 단위로 측정하기 위해서는 시료의 높이 방향으로 스캐닝한다. 이때 카메라 이미지(X-Y평면)의 위치 변화가 없이 시료의 높이 방향으로 스캐닝 되는 것이 무엇보다 중요하다.
그러나 기존의 스캐닝 시스템은 높이 방향으로 구동하는 지지부가 도 1과 같이 가이드(2)로 구성되어 있어 높이 방향으로 스캐닝하는 동안 가이드의 클리어런스에 의해서 카메라가 관찰하는 이미지의 위치가 변화면서 측정 데이터의 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 시료의 높이 방향으로 스캐닝하는 동안 클리어런스 없이 렌즈 초점을 위아래로 조절하는 판 스프링 구조를 제공하는 데 있다.
또한, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 시료의 높이 방향으로 스캐닝하는 동안 카메라 이미지 위치가 변화하는 것을 방지하여 빛의 간섭을 이용한 표면 형상을 나노 단위로 측정하는 판 스프링 구조를 이용한 스캐닝 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 판 스프링 구조를 이용한 스캐닝 시스템은 빔을 방출하는 광원부(10); 구동부(21)를 누르면 힌지부(22)가 증폭되어 판 스프링(60) 구조의 탄성구간을 눌러 시료의 높이 방향으로 스캐닝하는 스캔부(20); 간섭 렌즈부(40)를 회전시키면서 스테이지의 직상부에 위치되도록 선택하여 스테이지상의 시료에 대한 검사를 진행하는 렌즈 터릿부(30); 및 상기 시료로부터 반사된 간섭 무늬를 측정하는 검출부(50);를 포함하고, 상기 판 스프링(60) 구조는, 오목 및 볼록 변형이 일어나는 상면부(61) 및 하면부(62); 상기 상면부(61) 및 하면부(62)의 양측 부분을 지지하는 한 쌍의 고정체(63); 상기 상면부(61)의 오목 변형에 따라 하부로 이동하는 변형체(64); 상기 한 쌍의 고정체(63)의 일측 각각에 상면부(61)의 하부로의 이동을 제한하는 돌기 형상의 제1멈춤부(65); 및 상기 변형체(64)의 하부로의 이동을 고정체(63)의 요홈을 통해 제한하는 제2멈춤부(66);를 포함하고, 상기 상면부(61), 하면부(62), 고정체(63), 변형체(64), 제1멈춤부(65) 및 제2멈춤부(66)는 한 몸체에서 절취되어 형성되고, 상기 제2멈춤부(64)는 상기 변형체(64) 양측면 중앙에 한 쌍으로 형성되고 상기 한 쌍의 고정체(63)의 측면 일측의 요홈 사이에 형성되며, 상기 구동부(21)는 제1 강구(23)를 통해 점접촉으로 상기 힌지부(22)를 누르고, 상기 힌지부(22)도 제2 강구(26)를 통해 점접촉으로 상기 판 스프링(60) 구조의 변형체(64)를 누르는 것을 특징으로 한다.
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이상과 같이, 본 발명에 따르면 시료의 높이 방향으로 스캐닝할 시 카메라 이미지(X-Y평면)의 움직임 없이 간섭무늬를 정확하고 반복적으로 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 종래의 가이드로 구성하지 않고 판 스프링으로 구성함으로써 가이드에 대한 부품을 줄일 수 있어 원가를 현저히 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 스캐닝 시스템을 나타낸 단면 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 판 스프링 구조를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 판 스프링 구조를 이용한 스캐닝 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 스캐닝부를 나타낸 정면 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 스캐닝부를 나타낸 측면 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 판 스프링의 변형을 나타낸 정면 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 판 스프링의 면접촉(A) 및 점접촉(B) 변형을 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 판 스프링 구조를 이용한 스캐닝 방법을 나타낸 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
그러면 본 발명의 일실시예에 따른 판 스프링 구조 및 이를 이용한 스캐닝 시스템에 대하여 설명한다.
먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 판 스프링 구조에 대하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 판 스프링(60) 구조는 오목 및 볼록 변형이 일어나는 상면부(61) 및 하면부(62), 상기 상면부(61) 및 하면부(62)의 양측 부분을 지지하는 한 쌍의 고정체(63), 상기 상면부(61)의 오목 변형에 따라 하부로 이동하는 변형체(64), 상기 한 쌍의 고정체(63)의 일측 각각에 상면부(61)의 하부로의 이동을 제한하는 제1멈춤부(65), 상기 변형체(64)의 하부로의 이동을 고정체의 요홈을 통해 제한하는 제2멈춤부(66)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 판 스프링(60)을 구성하는 상면부(61), 하면부(62), 고정체(63), 변형체(64), 제1 멈춤부(65) 및 제2 멈춤부(66)는 한 몸체로부터 절취되어 형성되며, 이들 구성들은 절취선(67)을 통해 구획될 수 있다.
그리고, 상기 제1멈춤부(65)의 일부와 접하는 부분에 파진 홈(68)을 상면부(61)와 하면부(62)에 각각 형성할 수 있다. 이로 인해, 상면부(61)와 하면부(62)를 누를 때 변형이 잘 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제2 멈춤부(66)는 변형체(64) 양측면 중앙에 한 쌍으로 이루어지면, 한 쌍의 제2 멈춤부(66)는 한 쌍의 고정체(63)의 측면 일측의 요홈 사이에 형성할 수 있다.
이어서, 도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 판 스프링 구조를 이용한 스캐닝 시스템에 대하여 설명한다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 판 스프링 구조를 이용한 스캐닝 시스템은 광원부(10), 스캔부(20), 렌즈 터릿부(30), 간섭 렌즈부(40), 및 검출부(50)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 광원부(10)의 빔은 광유도부(11), 광결상부(12) 및 광분할부(13)를 통해 간섭 렌즈부(40)로 조사된다.
상기 광원부(10)는 빔을 방출하는 레이저, 램프 또는 발광 다이오드 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다.
상기 스캔부(20)는 위치 변화 없이 시료의 높이 방향으로 스캐닝하는 역할을 수행한다.
그리고, 상기 스캔부(20)는 구동기로 이루어진 구동부(21)의 제1 강구(23)를 통해 힘을 가해 힌지부(22)를 누른다. 이때, 구동부(21)가 일정한 거리를 눌렀다면 힌지부(22)는 증폭해서 판 스프링(60)을 아래 방향으로 누른다. 상기 힌지부(22)와 판 스프링(60)은 재질의 탄성구간에서 변형을 하고 변형한 것은 시료의 높이 방향 변위로 이어지게 된다.
이때, 상기 구동부(21)가 힌지부(22)를 누를 경우 도 7(A)과 같이 면접촉으로 누르게 되면 누르는 방향의 법선 방향으로 힘이 작용하고 힌지부(22)의 각도에 의한 변형으로 인해서 선접촉으로 바뀌면서 마찰에 의한 마모가 발생하기 때문에 접촉면의 수명이 단축되고 누르는 위치가 움직이지만, 제2 강구(26)를 이용한 점접촉으로 누르면 도 7(B)와 같이 힌지부(22)의 각도가 바뀌어도 계속 점접촉을 유지하고 누르는 위치도 항상 동일하며, 그래서 구동부(21)가 힌지부(22)를 제1 강구(23)를 통해 누를 경우 및 힌지부(22)가 판 스프링(60)을 제2 강구(26)를 통해 누르는 경우 모두 점접촉으로 누른다.
그리고, 상기 구동부(21)가 판 스프링(60)을 누른 후 구동부(21)가 원래 위치로 돌아오면 판 스프링(60)이 원래 위치로 돌아오기 위한 스프링(24)이 위치하며 렌즈 터릿부(30)와 간섭 렌즈부(40)를 나노 단위로 정밀하게 구동하기 위해서는 위치센서(25)를 통한 피드백 장치를 구성할 수 있다. 여기서, 상기 위치센서(25)는 렌즈 터릿부(30)와 간섭 렌즈부(40)가 변화는 위치에 대해 보상하는 역할을 한다.
상기 렌즈 터릿부(30)는 간섭 렌즈부(40)를 회전시켜가며 스테이지의 직상부에 위치되도록 선택하여 스테이지상의 시료에 대한 측정을 진행할 수 있다.
여기서, 상기 간섭 렌즈부(40)는 빔을 기준광과 측정광으로 분할하는 광분할부와, 기준광을 반사시켜 광분할부에 입사시키는 기준 미러부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 광분할부는 기준광을 기준 미러부의 표면 굴곡부에 입사되도록 하고, 측정광을 측정면의 시료에 입사되도록 하며, 기준 미러부의 표면 굴곡부로부터 반사된 기준광과 시료로부터 반사된 측정광을 수집하여 간섭 무늬를 생성할 수 있다.
상기 검출부(50)는 측정면의 시료로부터 반사된 측정광의 광경로차에 의해 발생 가능한 간섭 무늬에 대한 광세기 정보로부터 컴퓨터를 통해 3차원 형상 정보를 측정할 수 있다.
그리고, 상기 검출부(50)는 광분할부(13)와 시료로부터 반사된 측정광을 결상하기 위한 결상렌즈(51)와, 상기 결상렌즈(51)를 통해 포집된 영상 이미지를 촬상하는 카메라(52)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 카메라(52)는 판 스프링(60)의 변위로 움직이는 시간동안 컴퓨터에 카메라 영상을 획득하고, 획득된 이미지를 통해서 각각의 픽셀에서 간섭 신호(Interferogram Signal)를 해석하는데 여러 이미지의 간섭 신호 중에 강도가 가장 높은 이미지를 정점으로 계산하고 모든 픽셀에 대해서 이 과정을 거치면 3차원 형상이 이루어진다.
다음으로, 도 8을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 판 스프링 구조를 이용한 스캐닝 방법에 대하여 설명한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 판 스프링 구조를 이용한 스캐닝 방법은 초점을 조정 후(S100) 조명을 조정한다(S110).
이어서, 시료의 스캔 범위를 설정하면(S120) 스캔과(S130) 동시에 판 스프링 (60) 변위를 발생시키면(S140) 시료로부터 반사된 측정광의 광경로차에 의해 발생 가능한 간섭 무늬를 카메라(52)를 통해 영상을 획득 시작하며(S150) 스캔을 종료하면(S170) 카메라(52)의 영상획득을 종료하게 된다.
이어서, 획득한 영상의 모든 픽셀에 대한 간섭 신호를 컴퓨터를 통해 해석하여(S180) 3차원 형상을 획득할 수 있다(S190).
본 발명에 따르면 재료의 탄성변형 구간을 이용해서 스캐닝하면 클리어런스(틈새)가 없기 때문에 카메라 이미지(X-Y평면)가 움직임이 없어 간섭무늬를 정확하고 반복적으로 측정할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 광원부 20: 스캔부
21: 구동부 22: 힌지부
23: 제1 강구 26: 제2 강구
24 : 스프링
25: 위치센서 30: 렌즈 터릿부
40: 간섭 렌즈부 50: 검출부
51: 결상렌즈 52: 카메라
60: 판 스프링

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  4. 빔을 방출하는 광원부(10);
    구동부(21)를 누르면 힌지부(22)가 증폭되어 판 스프링(60) 구조의 탄성구간을 눌러 시료의 높이 방향으로 스캐닝하는 스캔부(20);
    간섭 렌즈부(40)를 회전시키면서 스테이지의 직상부에 위치되도록 선택하여 스테이지상의 시료에 대한 검사를 진행하는 렌즈 터릿부(30); 및
    상기 시료로부터 반사된 간섭 무늬를 측정하는 검출부(50);를 포함하고,
    상기 판 스프링(60) 구조는,
    오목 및 볼록 변형이 일어나는 상면부(61) 및 하면부(62);
    상기 상면부(61) 및 하면부(62)의 양측 부분을 지지하는 한 쌍의 고정체(63);
    상기 상면부(61)의 오목 변형에 따라 하부로 이동하는 변형체(64);
    상기 한 쌍의 고정체(63)의 일측 각각에 상면부(61)의 하부로의 이동을 제한하는 돌기 형상의 제1멈춤부(65); 및
    상기 변형체(64)의 하부로의 이동을 고정체(63)의 요홈을 통해 제한하는 제2멈춤부(66);를 포함하고,
    상기 상면부(61), 하면부(62), 고정체(63), 변형체(64), 제1멈춤부(65) 및 제2멈춤부(66)는 한 몸체로부터 절취되어 형성되며,
    상기 제2멈춤부(66)는 상기 변형체(64) 양측면 중앙에 한 쌍으로 형성되고 상기 한 쌍의 고정체(63)의 측면 일측의 요홈 사이에 형성되며,
    상기 구동부(21)는 제1 강구(23)를 통해 점접촉으로 상기 힌지부(22)를 누르고, 상기 힌지부(22)도 제2 강구(26)를 통해 점접촉으로 상기 판 스프링(60) 구조의 변형체(64)를 누르는 것을 특징으로 하는 판 스프링 구조를 이용한 스캐닝 시스템.
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