KR102305193B1 - 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법 - Google Patents

백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법은 백색광주사간섭계를 이용하여 비교 객체의 간섭 무늬를 검출하는 단계, 백색광주사간섭계를 이용하여 측정 객체의 간섭 무늬를 검출하는 단계 및 프로세서가 측정 객체의 간섭 무늬와 비교 객체의 간섭 무늬를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계를 포함한다.

Description

백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법{METHOD OF MEASURING REFRACTIVE OF TRANSPARENT FILM INDEX USING WHITE LIGHT SCANNING INTERFEROMETER}
본 발명은 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법에 관한 것이다.
간섭계(Interferometry)는 빛의 간섭 현상을 이용하여 변위를 측정하는 기기를 의미한다. 이와 같은 간섭계 중 하나인 백색광주사간섭계(White Light Scanning Interferometer)는 투명 박막과 같은 측정 객체의 표면에 백색광을 조사하여 측정 객체 표면의 3차원 형상을 측정하데 주로 이용된다.
백색광주사간섭계는 주로 측정 객체 표면의 3차원 형상 측정에 이용된다. 그리고 측정 객체의 굴절률은 편광타원계측법(ellipsometry), 반사도계측법(reflectometry) 등과 같은 방법을 이용하여 측정한다.
이와 같은 방법을 통해 굴절률을 측정하는 경우, 한 번에 단일 파장에 대한 굴절률만을 측정 가능하거나, 측정 객체의 두께를 알고 있어야만 굴절률의 측정이 가능하다. 따라서 넓은 범위의 파장에 대한 굴절률을 측정하기 위하여는 같은 방법을 여러 번 반복 시행하여야 한다. 즉, 넓은 범위의 파장에 대한 굴절률을 측정하기 위해서는 상대적으로 긴 시간이 소요된다.
또한 이와 같은 방법을 이용하면, 측정 객체의 굴절률과 두께만이 측정 가능하며, 좁은 영역에 대한 굴절률 측정과 한 번에 여러 영역에 대한 굴절률 측정이 어렵다. 즉, 측정 객체의 굴절률, 측정 객체의 두께 및 측정 객체 표면의 3차원 형상을 동일한 방법을 통해 측정할 수 없으며, 다양한 파장에 대하여 여러 좁은 영역의 굴절률과 두께를 측정하기 위해서는 별도의 장치를 구성하거나, 긴 시간이 소모하여야 한다. 따라서 측정 객체의 굴절률, 측정 객체의 두께 및 측정 객체 표면의 3차원 형상의 측정이 모두 필요한 경우, 많은 시간 소모와 함께, 백색광주사간섭계, 편광타원계측법, 반사도계측법 등을 이용하여 따로 측정하여야 하는 불편함이 존재한다.
따라서 상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위한 방안의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 하나의 장치로 측정 객체 표면의 3차원 형상, 측정 객체의 두께 및 측정 객체의 굴절률의 측정이 모두 가능한 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 한 번의 측정으로 넓은 범위의 파장에 대한 굴절률의 측정이 가능한 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 μm 단위의 미세 패턴의 여러 영역의 굴절률의 동시 측정이 가능한 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 빛을 조사하는 백색 광원, 상기 백색 광원으로부터 조사된 빛을 반사하는 제1 반투명 거울, 상기 제1 반투명 거울에 의해 반사된 빛을 투과하거나 반사하는 제2 반투명 거울, 상기 제2 반투명 거울에 의해 반사된 빛을 반사하는 간섭 거울 및 상기 제2 반투명 거울을 투과한 후 객체에 의해 반사된 빛과 상기 간섭 거울에 의해 반사된 빛 간의 간섭 무늬를 검출하는 광 검출기를 포함하는 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법은 상기 백색광주사간섭계를 이용하여 비교 객체의 간섭 무늬를 검출하는 단계, 상기 백색광주사간섭계를 이용하여 측정 객체의 간섭 무늬를 검출하는 단계 및 프로세서가 상기 측정 객체의 간섭 무늬와 상기 비교 객체의 간섭 무늬를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법에서 상기 제2 반투명 거울을 투과한 빛은 상기 측정 객체에 수직 입사된다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법에서 상기 측정 객체에 의해 반사된 빛은 상기 제2 반투명 거울을 투과한 후 상기 제1 반투명 거울을 투과하여 상기 광 검출기에 입사된다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법에서 상기 간섭 거울에 의해 반사된 빛은 상기 제2 반투명 거울에 반사된 후 상기 제1 반투명 거울을 투과하여 상기 광 검출기에 입사된다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법의 상기 프로세서가 상기 측정 객체의 간섭 무늬와 상기 비교 객체의 간섭 무늬를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계는 상기 프로세서가 상기 측정 객체의 간섭 무늬 중 상기 측정 객체의 표면에 의해 반사된 빛에 의해 발생한 간섭 무늬인 측정 객체의 표면 간섭 무늬를 추출하는 단계 및 상기 프로세서가 상기 측정 객체의 표면 간섭 무늬와 상기 비교 객체의 간섭 무늬를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법의 상기 프로세서가 상기 측정 객체의 표면 간섭 무늬와 상기 비교 객체의 간섭 무늬를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계를 포함하는 단계는 상기 프로세서가 상기 측정 객체의 표면 간섭 무늬와 상기 비교 객체의 간섭 무늬 각각을 푸리에 변환하는 단계 및 상기 프로세서가 상기 푸리에 변환한 결과를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법의 상기 프로세서가 상기 푸리에 변환한 결과를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계는 상기 프로세서가 상기 측정 객체의 표면 간섭 무늬를 푸리에 변환한 결과를 상기 비교 객체의 간섭 무늬를 푸리에 변환한 결과로 나누어 상기 측정 객체의 반사율과 상기 비교 객체의 반사율의 비를 연산하는 단계 및 상기 프로세서가 상기 측정 객체의 반사율과 상기 비교 객체의 반사율의 비를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법의 상기 프로세서가 상기 측정 객체의 반사율과 상기 비교 객체의 반사율의 비를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계는 상기 프로세서가 상기 측정 객체의 반사율과 상기 비교 객체의 반사율의 비에 상기 비교 객체의 반사율을 곱하여 상기 측정 객체의 반사율을 연산하는 단계 및 상기 프로세서가 상기 측정 객체의 반사율에 기초하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 이용하면, 하나의 장치로 측정 객체 표면의 3차원 형상, 측정 객체의 두께 및 측정 객체의 굴절률의 측정이 모두 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 이용하면, 한 번의 측정으로 넓은 범위의 파장에 대한 굴절률의 측정이 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 이용하면, μm 단위의 미세 패턴의 굴절률의 측정이 가능한 장점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 통해 굴절률을 연산하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 통해 측정된 비교 객체의 간섭 무늬를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 통해 측정된 측정 객체의 간섭 무늬를 나타낸 그래프이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 통해 측정된 측정 객체의 간섭 무늬에서 표면 간섭 무늬를 분리한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 통해 측정된 간섭 무늬를 푸리에 변환한 결과의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 통해 측정된 측정 객체의 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 통해 측정된 측정 객체의 굴절률을 나타낸 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 백색광주사간섭계(100)는 백색 광원(110), 제1 반투명 거울(120), 제2 반투명 거울(130), 간섭 거울(140) 및 광 검출기(150)를 포함한다.
백색 광원(110)은 빛을 조사한다. 이때 백색 광원(110)에 의해 조사되는 빛은 백색광이다. 백색광은 가시광선의 모든 파장의 빛이 혼합된 빛이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계(100)를 이용한 굴절률 측정 방법은 백색광을 이용하여 굴절률을 측정함으로써, 한 번의 측정으로 넓은 범위의 파장에 대한 굴절률을 측정할 수 있다.
백색 광원(110)으로부터 조사된 빛은 제1 반투명 거울(120)로 입사된다.
제1 반투명 거울(120)은 백색 광원(110)으로부터 조사된 빛을 반사한다. 이때 반투명 거울은 입사된 빛의 일부를 반사하고, 나머지를 투과시키는 거울이다. 따라서 제1 반투명 거울(120)은 백색 광원(110)으로부터 조사된 빛의 일부를 반사하고, 나머지를 투과시킨다.
백색 광원(110)으로부터 조사된 빛 중 제1 반투명 거울(120)을 통해 반사되는 빛이 측정 객체(200)의 굴절률 측정에 이용될 수 있다. 백색 광원(110)으로부터 조사된 빛 중 제1 반투명 거울(120)을 통해 반사되는 빛은 제2 반투명 거울(130)로 입사된다.
제1 반투명 거울(120)은 백색 광원(110)으로부터 조사되는 빛의 입사각이 45˚가 되도록 배치될 수 있다.
제2 반투명 거울(130)은 제1 반투명 거울(120)에 의해 반사된 빛을 투과하거나 반사한다. 다시 말해, 제2 반투명 거울(130)은 제1 반투명 거울(120)에 의해 반사된 빛의 일부를 반사하고, 나머지를 투과시킨다.
제1 반투명 거울(120)에 의해 반사된 빛 중 제2 반투명 거울(130)을 통해 반사된 빛은 간섭 거울(140)로 입사된다. 그리고 제1 반투명 거울(120)에 의해 반사된 빛 중 제2 반투명 거울(130)을 투과한 빛은 측정 객체(200)로 입사된다. 이때 제2 반투명 거울(130)을 투과한 빛은 측정 객체(200)에 수직 입사될 수 있다.
제2 반투명 거울(130)은 제1 반투명 거울(120)에 의해 반사된 빛의 입사각이 45˚ 또는 90˚가 되도록 배치될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외의 다른 각도로 배치될 수도 있다.
간섭 거울(140)은 제2 반투명 거울(130)에 의해 반사된 빛을 반사한다. 간섭 거울(140)은 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometry), 미라우 간섭계(Mirau interferometry), 리닉 간섭계(Linnik interferometry) 등과 같은 간섭계 중 어느 하나의 간섭계가 적용된 거울일 수 있다.
간섭 거울(140)에 의해 반사된 빛은 제2 반투명 거울(130)에 반사된 후 제1 반투명 거울(120)을 투과하여 광 검출기(150)에 입사된다.
측정 객체(200)는 백색광주사간섭계(100)를 이용한 굴절률 측정 방법을 통해 굴절률을 측정하는 대상으로, 일반적으로 투명 박막 형태의 물질이 백색광주사간섭계(100)를 이용한 굴절률 측정 방법의 측정 객체(200)가 될 수 있다.
측정 객체(200)는 제2 반투명 거울(130)을 투과한 빛이 입사되는 면인 제1 면(S1)과, 측정 객체(200)가 놓여진 기판(300)과 접촉하는 면인 제2 면(S2)을 포함한다. 이때 측정 객체(200)는 기판(300)과 접촉할 수 있다. 이하에서 측정 객체(200)의 표면이라 지칭되는 면은 측정 객체(200)의 제1 면(S1)을 의미한다.
제2 반투명 거울(130)을 투과하여 측정 객체(200)로 입사된 빛은 제1 면(S1)에 의해 반사되거나, 제1 면(S1)을 투과할 수 있다.
이때 측정 객체(200)의 제1 면(S1)에 의해 반사된 빛은 제2 반투명 거울(130)로 입사된다. 그리고 측정 객체(200)의 제1 면(S1)을 투과한 빛은 측정 객체(200)의 제2 면(S2)으로 입사된다.
측정 객체(200)의 제1 면(S1)을 투과하여 측정 객체(200)의 제2 면(S2)으로 입사된 빛은 측정 객체(200)의 제2 면(S2)에 의해 반사되거나, 제2 면(S2)을 투과할 수 있다.
이때 측정 객체(200)의 제2 면(S2)에 의해 반사된 빛은 측정 객체(200)의 제1 면(S1)으로 입사된다. 그리고 측정 객체(200)의 제2 면(S2)에 의해 반사되어 측정 객체(200)의 제1 면(S1)으로 입사된 빛은 측정 객체(200)의 제1 면(S1)에 의해 반사되거나, 제1 면(S1)을 투과할 수 있다. 이 중 측정 객체(200)의 제1 면(S1)을 투과한 빛은 제2 반투명 거울(130)로 입사되고, 측정 객체(200)의 제1 면(S1)에 의해 반사된 빛은 측정 객체(200)의 제2 면(S2)으로 입사된다.
이와 같이, 제2 반투명 거울(130)을 투과한 후 측정 객체(200)의 제1 면(S1)을 투과하여 측정 객체(200)의 내부로 들어온 빛은 측정 객체(200)의 내부에서 수차례 반사된 후 제2 반투명 거울(130)로 입사될 수 있다.
이와 같은 과정을 통해 측정 객체(200)에 의해 반사된 빛은 제2 반투명 거울(130)을 투과한 후 제1 반투명 거울(120)을 투과하여 광 검출기(150)에 입사된다.
광 검출기(150)는 제2 반투명 거울(130)을 투과한 후 객체에 의해 반사된 빛과 간섭 거울(140)에 의해 반사된 빛 간의 간섭 무늬를 검출한다. 이때 객체는 측정 객체(200) 또는 비교 객체일 수 있다.
광 검출기(150)에 의해 검출된 간섭 무늬는 프로세서(160)로 전송될 수 있다.
프로세서(Processor; 160)는 백색광주사간섭계(100)를 통해 검출된 측정 객체(200)의 간섭 무늬와 비교 객체의 간섭 무늬를 이용하여 측정 객체(200)의 굴절률을 연산한다. 이와 같은 프로세서(160)는 데스크탑 PC(Personal Computer, PC), 노트북 PC, 스마트 폰(Smart phone) 등과 같은 전자 기기의 내부에 설치된 형태일 수 있다.
프로세서(160)를 통한 측정 객체(200)의 굴절률을 연산 방법은 도 3을 참조하여 후술하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 우선 백색광주사간섭계(100)를 이용하여 비교 객체의 간섭 무늬를 검출한다(S210).
비교 객체는 반사율 및 굴절률을 알고 있는 물질로, 예를 들어 Si와 같은 물질이 이용될 수 있다. 비교 객체의 간섭 무늬는 기판(300) 상에 측정 객체(200) 대신 비교 객체를 올려놓은 후, 백색광주사간섭계(100)를 통해 비교 객체로 빛을 입사시킨 후, 광 검출기(150)로 입사되는 빛을 이용하여 검출할 수 있다.
이때 비교 객체의 간섭 무늬 검출은 최초 1회만 수행하고, 검출된 비교 객체의 간섭 무늬를 계속 이용할 수 있다.
비교 객체의 간섭 무늬를 검출하고 나서, 백색광주사간섭계(100)를 이용하여 측정 객체(200)의 간섭 무늬를 검출한다(S220).
측정 객체(200)의 간섭 무늬는 기판(300) 상에 측정 객체(200)를 올려놓은 후, 백색광주사간섭계(100)를 통해 비교 객체로 빛을 입사시킨 후, 광 검출기(150)로 입사되는 빛을 이용하여 검출할 수 있다.
측정 객체(200)의 간섭 무늬를 검출하고 나서, 프로세서(160)는 비교 객체의 간섭 무늬와 측정 객체(200)의 간섭 무늬를 이용하여 측정 객체(200)의 굴절률을 연산한다(S230).
비교 객체의 간섭 무늬와 측정 객체(200)의 간섭 무늬를 이용하여 측정 객체(200)의 굴절률을 연산하는 방법은 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 통해 굴절률을 연산하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 우선 프로세서(160)는 검출된 측정 객체(200)의 간섭 무늬 중 측정 객체(200)의 표면에 의해 반사된 빛에 의해 발생한 간섭 무늬인 측정 객체(200)의 표면 간섭 무늬를 추출한다(S310).
이때 측정 객체(200)의 간섭 무늬(Isam,z)는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021011277713-pat00001
여기서 k는 파수, T는 광 검출기(150)의 노출 시간, ak는 파수 k의 백색광이 측정 객체(200)에 의해 반사된 후 광 검출기(150)에 도달하는 최종 전기장의 세기, bk는 파수 k의 백색광이 간섭 거울(140)에 의해 반사된 후 광 검출기(150)에 도달하는 최종 전기장의 세기, ck는 파수 k의 백색광이 측정 객체(200)에 의해 반사된 후 광 검출기(150)에 도달하는 최종 전기장의 위상, dk는 파수 k의 백색광이 간섭 거울(140)에 의해 반사된 후 광 검출기(150)에 도달하는 최종 전기장의 위상을 나타낸다.
위와 같은 수학식 1을 하기 수학식 2를 이용하여 변형하면, 하기 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021011277713-pat00002
Figure 112021011277713-pat00003
여기서
Figure 112021011277713-pat00004
로, 측정 객체(200)로 입사된 빛이 측정 객체(200)의 제1 면(S1)과 측정 객체(200)의 제2 면(S2) 사이를 왕복하면서 발생하는 위상의 변화를 나타낸다. 그리고 w는 각 진동수, t는 시간, θ는 입사각, z는 간섭 거울(140)과 측정 객체(200) 간의 광 경로차가 0인 지점을 기준으로 하는 헤드의 높이, d는 측정 객체(200)의 두께, n1은 측정 객체(200)의 굴절률, θ1은 측정 객체(200)에서의 빛의 진행 각도, aj,k는 파수 k 의 백색광이 측정 객체(200)에 의해 반사된 후 광 검출기(150)에 도달한 j번째 간섭 무늬의 최종 전기장의 세기, cj,k는 파수 k의 백색광이 측정 객체(200)에 의해 반사된 후 광 검출기(150)에 도달한 j번째 간섭 무늬의 최종 전기장의 위상, r01,k는 파수 k의 백색광이 진공에서 측정 객체(200)로 진입 시의 반사율, r10,k는 파수 k의 백색광이 측정 객체(200)에서 진공으로 진입 시의 반사율, r12,k는 파수 k의 백색광이 측정 객체(200)에서 기판(300)으로 진입 시의 반사율, t01,k는 파수 k의 백색광이 진공에서 측정 객체(200)로 진입 시의 투과율, t10,k는 파수 k의 백색광이 측정 객체(200)에서 진공으로 진입 시의 투과율, t12,k는 파수 k의 백색광이 측정 객체(200)에서 기판(300)으로 진입 시의 투과율, Ak는 akeick 로 표현된 전기장 중 측정 객체(200)에 의해 발생한 전기장을 제외한 모든 전기장을 나타낸다.
수학식 3과 같은 측정 객체(200)의 간섭 무늬(Isam,z)에서 측정 객체(200)의 표면 간섭 무늬(I01,z)를 추출하면 하기 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021011277713-pat00005
즉, 프로세서(160)는 광 검출기(150)에서 측정된 측정 객체(200)의 간섭 무늬(Isam,z)를 나타내는 수학식 1로부터 측정 객체(200)의 표면 간섭 무늬(I01,z)를 나타내는 수학식 4을 도출함으로써, 측정 객체(200)의 표면 간섭 무늬(I01,z)를 추출할 수 있다.
그 다음, 프로세서(160)는 측정 객체(200)의 표면 간섭 무늬(I01,z)와 비교 객체의 간섭 무늬 각각을 푸리에 변환한다(S320).
이때 측정 객체(200)의 표면 간섭 무늬(I01,z)를 푸리에 변환하면, 하기 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021011277713-pat00006
그리고 비교 객체의 간섭 무늬(Isi,k)는 하기의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021011277713-pat00007
여기서, asi,k는 파수 k의 백색광이 비교 객체에 의해 반사된 후 백색광주사간섭계(100)를 통과한 최종 전기장의 세기를 나타낸다.
이때 비교 객체의 간섭 무늬(Isi,k)를 푸리에 변환하면, 하기 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021011277713-pat00008
그 다음 프로세서(160)는 측정 객체(200)의 표면 간섭 무늬(I01,z)를 푸리에 변환한 결과를 비교 객체의 간섭 무늬(Isi,k)를 푸리에 변환한 결과로 나누어 측정 객체(200)의 반사율과 비교 객체의 반사율의 비를 연산한다. 이때 프로세서(160)는 측정 객체(200)의 표면 간섭 무늬(I01,z)를 푸리에 변환한 결과의 크기와 비교 객체의 간섭 무늬(Isi,k)를 푸리에 변환한 결과의 크기를 이용하여 측정 객체(200)의 반사율과 비교 객체의 반사율의 비를 연산할 수 있다. 이는 하기의 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021011277713-pat00009
이와 같이 측정 객체(200)의 표면 간섭 무늬(I01,z)를 푸리에 변환한 결과를 비교 객체의 간섭 무늬(Isi,k)를 푸리에 변환한 결과로 나누면, 공통되는 항이 약분됨으로써, 측정 객체(200)의 반사율과 비교 객체의 반사율의 비가 나오게 된다.
그 다음 프로세서(160)는 측정 객체(200)의 반사율과 비교 객체의 반사율의 비에 비교 객체의 반사율의 이론값을 곱하여 측정 객체(200)의 반사율을 연산한다(S340).
이때 상술한 바와 같이 비교 객체는 반사율 및 굴절률을 알고 있는 물질이므로, 프로세서(160)는 S330 단계에서 연산된 측정 객체(200)의 반사율과 비교 객체의 반사율의 비에 비교 객체의 반사율을 곱함으로써 측정 객체(200)의 반사율을 연산할 수 있다.
그 다음, 프로세서(160)는 측정 객체(200)의 반사율에 기초하여 측정 객체(200)의 굴절률을 연산한다(S350).
일반적으로 반사율(r)과 굴절률(
Figure 112021011277713-pat00010
) 간의 관계는 하기 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021011277713-pat00011
여기서 к 는 흡수율을 나타낸다. 이때 측정 대상이 투명 박막인 경우, к=0이므로, 이를 이용하면 굴절률은 하기 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021011277713-pat00012
이때 측정 대상이 되는 측정 객체(200)의 굴절률은 대부분 n>1이므로, 측정 객체(200)의 굴절률은 하기 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021011277713-pat00013
즉, 프로세서(160)는 수학식 1 내지 수학식 11을 이용하여 측정 객체(200)의 간섭 무늬와 미리 측정된 비교 객체의 간섭 무늬에 기초하여 측정 객체(200)의 굴절률을 연산할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 통해 얻은 간섭 무늬, 반사율 및 굴절률은 도 4 내지 도 9를 통해 확인할 수 있다. 이때 도 4 내지 도 9는 측정 객체로 SiO2를 이용하여 얻은 데이터이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 통해 측정된 비교 객체의 간섭 무늬를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 통해 측정된 측정 객체의 간섭 무늬를 나타낸 그래프이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 통해 측정된 측정 객체의 간섭 무늬에서 표면 간섭 무늬를 분리한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 백색광주사간섭계(100)를 통해 검출된 빛의 세기(I)를 측정 객체(200)와 백색광주사간섭계(100) 간의 거리(z)에 따라 나타낸 그래프들을 확인할 수 있다.
우선, 비교 객체의 간섭 무늬는 도 4와 같이 z가 약 8μm 내지 10μm 의 값을 가지는 영역에서 관찰된다.
그리고 측정 객체(200)의 간섭 무늬는 z가 약 7μm 내지 10μm의 값을 가지는 영역과 z가 약 12μm 내지 15μm의 값을 가지는 영역에서 관찰된다. 이 중 z가 약 12μm 내지 15μm의 값을 가지는 영역에서 발견되는 간섭 무늬(P1)는 측정 객체(200)의 표면 간섭 무늬이고, z가 약 7μm 내지 10μm의 값을 가지는 영역에서 발견되는 간섭 무늬(P2)는 측정 객체(200)와 기판(300)이 접하는 면에 반사된 빛에 의해 발생한 간섭 무늬이다.
이와 같은 측정 객체(200)의 간섭 무늬 중 z가 약 12μm 내지 15μm의 값을 가지는 영역에서 발견되는 간섭 무늬(P1)를 제외한 영역에 대하여 상수인 간섭무늬 밝기의 평균값으로 처리하면 표면의 간섭무늬만 분리되어, 도 6과 같이 측정 객체(200)의 간섭 무늬가 나오게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 통해 측정된 간섭 무늬를 푸리에 변환한 결과의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 파수(k)에 따른 간섭 무늬를 푸리에 변환한 결과의 크기를 나타낸 그래프를 확인할 수 있다.
점선으로 나타낸 그래프는 비교 객체의 간섭 무늬를 푸리에 변환한 결과의 크기를 나타낸 그래프이다. 즉, 점선으로 나타낸 그래프는 상기 수학식 7의 크기를 파수에 따라 나타낸 그래프이다.
그리고 이중 쇄선으로 나타낸 그래프는 측정 객체(200)의 간섭 무늬를 푸리에 변환한 결과의 크기를 나타낸 그래프이다. 즉, 이중 쇄선으로 나타낸 그래프는 상기 수학식 3을 푸리에 변환한 결과의 크기를 파수에 따라 나타낸 그래프이다.
그리고 실선으로 나타낸 그래프는 측정 객체(200)의 표면 간섭 무늬를 푸리에 변환한 결과의 크기를 나타낸 그래프이다. 즉, 실선으로 나타낸 그래프는 상기 수학식 5의 크기를 파수에 따라 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 통해 측정된 측정 객체의 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 파수(k)에 따른 측정 객체(200)의 반사율을 나타낸 그래프를 확인할 수 있다.
점선으로 나타낸 그래프는 파수(k)에 따른 측정 객체(200)의 반사율의 이론값을 나타낸 그래프이다.
그리고 실선으로 나타낸 그래프는 파수(k)에 따른 측정 객체(200)의 반사율을 본 발명에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 이용하여 얻은 실험값을 나타낸 그래프이다. 이때 실선으로 나타낸 그래프는 도 7의 점선으로 나타낸 그래프와 도 7의 실선으로 나타낸 그래프에 상기 수학식 10을 적용하여 얻을 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 이용하면, 이론값과 적은 오차를 가지는 반사율을 얻을 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광주사간섭계를 통해 측정된 측정 객체의 굴절률을 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 파수(k)에 따른 측정 객체(200)의 굴절률을 나타낸 그래프를 확인할 수 있다.
점선으로 나타낸 그래프는 파수(k)에 따른 측정 객체(200)의 굴절률의 이론값을 나타낸 그래프이다.
그리고 실선으로 나타낸 그래프는 파수(k)에 따른 측정 객체(200)의 굴절률을 본 발명에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 이용하여 얻은 실험값을 나타낸 그래프이다. 이때 실선으로 나타낸 그래프는 도 8의 실선으로 나타낸 그래프에 상기 수학식 11을 적용하여 얻을 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 이용하면, 이론값과 적은 오차를 가지는 굴절률을 얻을 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 이용하면, 하나의 장치로 측정 객체(200) 표면의 3차원 형상, 측정 객체(200)의 두께 및 측정 객체의 굴절률의 측정이 모두 가능한 장점이 있다. 또한 본 발명에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 이용하면, 한 번의 측정으로 넓은 범위의 파장에 대한 굴절률의 측정이 가능한 장점이 있다. 또한 본 발명에 따른 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법을 이용하면, μm 단위의 미세 패턴의 굴절률의 측정이 가능한 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 백색광주사간섭계
110: 백색 광원 120: 제1 반투명 거울
130: 제2 반투명 거울 140: 간섭 거울
150: 광 검출기 160: 프로세서
200: 측정 객체 300: 기판

Claims (8)

  1. 빛을 조사하는 백색 광원, 상기 백색 광원으로부터 조사된 빛을 반사하는 제1 반투명 거울, 상기 제1 반투명 거울에 의해 반사된 빛을 투과하거나 반사하는 제2 반투명 거울, 상기 제2 반투명 거울에 의해 반사된 빛을 반사하는 간섭 거울 및 상기 제2 반투명 거울을 투과한 후 객체에 의해 반사된 빛과 상기 간섭 거울에 의해 반사된 빛 간의 간섭 무늬를 검출하는 광 검출기를 포함하는 백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법에 있어서,
    상기 백색광주사간섭계를 이용하여 비교 객체의 간섭 무늬를 검출하는 단계;
    상기 백색광주사간섭계를 이용하여 측정 객체의 간섭 무늬를 검출하는 단계; 및
    프로세서가 상기 측정 객체의 간섭 무늬와 상기 비교 객체의 간섭 무늬를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계를 포함하는
    백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반투명 거울을 투과한 빛은 상기 측정 객체에 수직 입사되는
    백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정 객체에 의해 반사된 빛은 상기 제2 반투명 거울을 투과한 후 상기 제1 반투명 거울을 투과하여 상기 광 검출기에 입사되는
    백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 간섭 거울에 의해 반사된 빛은 상기 제2 반투명 거울에 반사된 후 상기 제1 반투명 거울을 투과하여 상기 광 검출기에 입사되는
    백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서가 상기 측정 객체의 간섭 무늬와 상기 비교 객체의 간섭 무늬를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계는
    상기 프로세서가 상기 측정 객체의 간섭 무늬 중 상기 측정 객체의 표면에 의해 반사된 빛에 의해 발생한 간섭 무늬인 측정 객체의 표면 간섭 무늬를 추출하는 단계; 및
    상기 프로세서가 상기 측정 객체의 표면 간섭 무늬와 상기 비교 객체의 간섭 무늬를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계를 포함하는
    백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프로세서가 상기 측정 객체의 표면 간섭 무늬와 상기 비교 객체의 간섭 무늬를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계를 포함하는 단계는
    상기 프로세서가 상기 측정 객체의 표면 간섭 무늬와 상기 비교 객체의 간섭 무늬 각각을 푸리에 변환하는 단계; 및
    상기 프로세서가 상기 푸리에 변환한 결과를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계를 포함하는
    백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프로세서가 상기 푸리에 변환한 결과를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계는
    상기 프로세서가 상기 측정 객체의 표면 간섭 무늬를 푸리에 변환한 결과를 상기 비교 객체의 간섭 무늬를 푸리에 변환한 결과로 나누어 상기 측정 객체의 반사율과 상기 비교 객체의 반사율의 비를 연산하는 단계; 및
    상기 프로세서가 상기 측정 객체의 반사율과 상기 비교 객체의 반사율의 비를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계를 포함하는
    백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서가 상기 측정 객체의 반사율과 상기 비교 객체의 반사율의 비를 이용하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계는
    상기 프로세서가 상기 측정 객체의 반사율과 상기 비교 객체의 반사율의 비에 상기 비교 객체의 반사율을 곱하여 상기 측정 객체의 반사율을 연산하는 단계; 및
    상기 프로세서가 상기 측정 객체의 반사율에 기초하여 상기 측정 객체의 굴절률을 연산하는 단계를 포함하는
    백색광주사간섭계를 이용한 투명막 굴절률 측정 방법.
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