KR102568613B1 - 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템 - Google Patents

휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 필름의 재질 특성 및 필름과의 거리 변화에 강인한 필름 두께값 측정 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템은, 제1 렌즈와 박막 필름 및 제2 렌즈가 박막 필름의 수직축선상에 순차로 배치되어 박막 필름으로 측정광이 수직하게 조사하도록 구성되고, 상기 제1 렌즈로부터 박막 필름의 표면과 밑면에서 각각 반사되어 수신되는 서로 다른 반사광을 이용하여 반사 간섭광을 생성하는 반사광 디텍터와, 제2 렌즈로부터 박막 필름을 수직하게 투과한 투과광과 박막 필름내에서 반사 경로를 형성한 후 투과한 투과광을 수신하여 투과 간섭광을 생성하는 투과광 디텍터를 포함하여 구성되는 두께 측정 광학계와, 일정 길이의 라인 레이저를 일정 경사각을 갖도록 박막 필름으로 조사하는 라인 레이저 광원과, 박막 필름의 동일측면에 라인 레이저 광원과 대향되게 배치되어 박막 필름으로부터 반사되는 레이저 반사광의 수신 위치를 검출하는 위치 검출 센서를 포함하여 구성되는 기울기 측정 광학계 및, 상기 반사광 디텍터와 투과광 디텍터로부터 수신된 반사 간섭광과 투과 간섭광을 분석하여 박막 필름의 1차 두께값을 산출하고, 위치 검출 센서로부터 수신된 레이저 반사광 위치정보를 근거로 기울기 보정값을 산출하며, 1차 두께값에 기울기 보정값을 적용하여 해당 박막 필름의 두께값을 결정하는 두께 측정장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템 {System for measuring film thickness having warpage correction function}
본 발명은 필름의 재질 특성 및 필름과의 거리 변화에 강인한 필름 두께값 측정 기술에 관한 것이다.
플라스틱 필름과 같이 유연성을 가지고 폭에 비해 두께가 얇고 긴 소재를 여러 대의 구동부와 Roll 등의 구성부품을 이용하여 이송시키며 소재상에 필요한 일련의 공정을 연속적으로 수행하는 공정을 roll to roll 공정이라 한다.
이러한 roll to roll 공정은 전통적인 인쇄, 섬유 생산 등의 산업에서 광범위하게 사용되고 있던 기술이었는데 최근에는 디스플레이, 태양 전지, 2차 전지, FPCB, 전자 소자(RFID, OLED, MLCC 등) 등과 같은 인쇄 전자 기술의 한 분야로 적용 분야가 지속 확대되고 있다.
이와 같이 반도체 및 평판표시장치에 사용되는 기능성 필름은 산업 현장에서 사용될 때 빛 투과도, 전기적 특성, 강도, 박리성 등 다양한 품질 상태가 요구되며, 가장 중요한 항목 중 하나는 필름의 두께의 균일성이다.
일반적으로 필름의 두께를 측정하기 위한 방법으로 X-Ray, Beta-Ray, Infrared, 초음파 등 다양한 측정 방법이 적용되고 있다.
이 중 필름 두께 측정에 가장 보편적으로 사용되었던 기술은 X-Ray 기반의 XRF라는 기법이다. 그러나, X-Ray 투과방식은 비교적 두껍거나, 매질이 가시광선이 투과하기 어려운 금속성 재질에 주로 사용되는 것으로, 얇고 밀도가 낮은 필름에서는 정밀계측이 제대로 이루어지지 않거나 제품의 층간 분리가 안되는 문제가 있다.
이에 반해 OCT(optical coherence tomography) 기술은 필름과 같이 얇고 밀도가 낮고, 투명한 시료를 높은 정밀도로 계측이 가능하며, 제품에 있는 코팅면의 층간 분리가 가능해 개별로 두께 측정이 가능하여 이러한 OCT 방식의 측정 기법의 최근 선호되고 있다.
특히, 필름을 생산하는 Roll to Roll 공정에서는 필름의 물성치에 맞는 적절한 장력을 유지하는 것이 매우 중요하며, 이를 위해 Roll to Roll 장비에는 필름의 장력을 유지하기 위해 다양한 기구 및 제어 모듈이 장착된다.
그러나, Roll to Roll 공정시 물성치에 맞는 적당한 장력이 유지 되지 않을 경우, 필름이 주름지거나 또는 출렁임 등의 휨(Warpage)현상이 발생할 수 있으며, 정밀 두께 측정기를 이용한 두께 측정에 있어서 측정물(필름)의 자세/위치 변화에 따라 두께 측정결과가 변화한다.
도1에 도시된 바와 같이 두께 측정기에 대해 필름이 정위치에 배치된 상태에서, 필름에 주름이 생기지 않은 부분(1)의 두께(D1)보다 주름이 생긴 부분(2)의 두께(D2)는 동일 필름 두께임에도 불구하고, 주름이 생긴 부분(2)의 두께(D2)가 보다 크게 측정된다.
즉, 필름에 휨이 발생할 경우, 휨에 따른 기울기에 변화에 따라 필름의 측정 두께가 커지는 현상이 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 출원인은 2020년 10월 29일자로 등록된 한국등록특허 제10-2174505호(명칭 : 기울기 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템)를 출원하였다.
그러나, 상기 한국등록특허 제10-2174505호에 개시된 필름의 기울기 측정방식은 두께 측정 광축과 기울기 측정 광축이 동축 구조로 이루어지도록 구성되는 바, 필름과의 거리 변화가 위치 검출 센서의 광점 위치에 영향을 주어 필름의 정확한 기울어짐 측정에 어려움이 있다.
즉, 도2에 도시된 바와 같이 레이저 광원에서 스플리터(B.S.)를 통해 동축 구조로 스팟 레이저를 필름에 조사하고 필름에서 반사되어 위치검출센서(PSD)에 수신된 스팟 레이저의 광점 위치를 근거로 필름의 기울기를 측정하는 경우, 동일 거리에서 도2의 수평상태 필름(A)의 광점 위치와 기울어짐 상태 필름(B)의 광점 위치가 다르게 측정된다. 그러나, 도2의 (B)와 (C)에 의하면 필름의 기울어짐이 동일하더라도 그 측정 거리에 따라서도 광점 위치가 달라지게 된다.
한편, 기능성 필름은 플라스틱 필름 위에 다른 성분을 코팅하거나 증착하는 등의 가공 과정을 통해 필름 원료 자체가 가지지 못한 기능이 추가되고, 이에 따라 필름의 특성 특히, 광 투과 특성 또는 광 반사 특성이 변화될 수 있다.
그러나, 현재 필름 두께를 측정하는 OCT는 반사형 OCT 나 투과형 OCT 중 하나의 광학계로만 구성되어 있어 필름 재질의 변경에 따라 두께 측정이 불가능한 문제가 있다.
1. 한국등록특허 제10-2174505호(명칭 : 기울기 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템) 2. 국내등록특허 제10-116158호 (명칭 : 필름두께 측정시스템 및 그 측정방법)
이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로, 반사형 OCT와 투과형 OCT를 일체화한 복합 광간섭계 구조를 통해 필름의 재질 변화에 적응적인 두께 측정을 수행함과 더불어, 필름과의 거리 변화에 상관없이 기울기 변화에만 반응하는 위치 검출 구성을 통해 필름 기울기에 대응되게 두께값을 보정함으로써, 보다 정확한 필름 두께값을 측정할 수 있도록 해 주는 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템을 제공함에 그 기술적 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 제1 렌즈와 박막 필름 및 제2 렌즈가 박막 필름의 수직축선상에 순차로 배치되어 박막 필름으로 측정광이 수직하게 조사하도록 구성되고, 상기 제1 렌즈로부터 박막 필름의 표면과 밑면에서 각각 반사되어 수신되는 서로 다른 반사광을 이용하여 반사 간섭광을 생성하는 반사광 디텍터와, 제2 렌즈로부터 박막 필름을 수직하게 투과한 투과광과 박막 필름내에서 반사 경로를 형성한 후 투과한 투과광을 수신하여 투과 간섭광을 생성하는 투과광 디텍터를 포함하여 구성되는 두께 측정 광학계와, 일정 길이의 라인 레이저를 일정 경사각을 갖도록 박막 필름으로 조사하는 라인 레이저 광원과, 박막 필름의 동일측면에 라인 레이저 광원과 대향되게 배치되어 박막 필름으로부터 반사되는 레이저 반사광의 수신 위치를 검출하는 위치 검출 센서를 포함하여 구성되는 기울기 측정 광학계 및, 상기 반사광 디텍터와 투과광 디텍터로부터 수신된 반사 간섭광과 투과 간섭광을 분석하여 박막 필름의 1차 두께값을 산출하고, 위치 검출 센서로부터 수신된 레이저 반사광 위치정보를 근거로 기울기 보정값을 산출하며, 1차 두께값에 기울기 보정값을 적용하여 해당 박막 필름의 두께값을 결정하는 두께 측정장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템이 제공된다.
또한, 상기 위치 검출 센서는 박막 필름의 기울기에 따라 레이저 반사광의 수신 위치가 상하 이동되는 것을 특징으로 하는 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템이 제공된다.
또한, 상기 박막 필름으로 두께 측정을 위한 측정광을 일정 경사각을 갖도록 조사하고, 박막 필름을 바로 투과한 제1 경사 투과광과 박막 필름내에서 반사 경로를 가지면서 투과한 제2 경사 투과광에 의해 생성된 경사 간섭광 정보를 출력하는 경사 OCT 광학계를 추가로 구비하여 구성되고, 상기 두께 측정장치는 상기 경사 간섭광 정보를 푸리에 변환하여 획득한 수직 차수와 경사 차수를 이용하여 박막 필름의 굴절률을 산출하고, 상기 투과광 디텍터로부터 수신된 투과 간섭광 정보를 푸리에 변환하여 획득한 주 파장 및 차수정보와 경사 간섭광 정보에 의해 산출된 굴절률을 이용하여 투과 간섭광에 의한 투과광 두께를 산출하되, 상기 박막 필름의 투과광 두께(d)는 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정 시스템이 제공된다. 여기서, λ는 주 파장, m 은 차수, n 은 굴절률임.
또한, 상기 박막 필름의 굴절률(n)은 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정 시스템이 제공된다. 여기서, m1 은 수직 차수, m2 는 경사 차수, θ1은 경사각임.
또한, 상기 두께 측정장치는 반사 간섭광과 투과 간섭광을 푸리에 변환하여 진폭값을 각각 획득하고, 보다 큰 진폭값을 갖는 반사 간섭광 또는 투과 간섭광 중 하나의 간섭광을 이용하여 산출된 두께값을 제1 두께값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정 시스템이 제공된다.
또한, 상기 두께 측정장치는 반사 간섭광과 투과 간섭광을 푸리에 변환하여 진폭값을 각각 획득하고, 진폭값에 대응되는 반사 가중치와 투과 가중치를 생성하며, 반사 간섭광을 이용하여 산출된 반사 두께값에 반사 가중치를 적용하고 투과 간섭광을 이용하여 산출된 투과 두께값에 투과 가중치를 적용한 후 이들을 합 연산하여 제1 두께값을 산출하는 것을 특징으로 하는 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정 시스템이 제공된다.
본 발명에 의하면, 반사형 OCT와 투과형 OCT를 일체화한 복합 광간섭계 구조를 통해 필름의 재질 변화에 적응적인 두께 측정을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은 라인 레이저를 필름으로 측면 조사하여 라인 레이저 광원의 대향면에 배치된 위치 검출 센서에서 필름으로부터 반사된 레이저 반사광의 수신 위치를 검출함으로써, 필름과의 거리 변화에 상관없이 기울기 변화에 대응되게 필름 두께값을 보정할 수 있다.
도1은 필름에 형성된 주름 여부에 따른 필름 두께값 차이를 설명하기 위한 도면.
도2는 종래 필름 기울기 측정 구조의 문제를 설명하기 위한 도면.
도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도4는 도3에 도시된 두께 측정 광학계(100)의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도5는 도4에서 투과형 디텍터(150)로 수신되는 투과광을 설명하기 위한 도면.
도6은 도3에 도시된 기울기 측정 광학계(200) 구조 및 레이저 반사광 수신 특성을 설명하기 위한 도면.
도7은 본 발명에 따른 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템의 장치 형상을 예시한 도면.
도8은 도3에 도시된 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템의 동작을 설명하기 위한 도면.
도9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도10은 도9에 도시된 경사 OCT 광학계(400)의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도11은 도10에 도시된 경사광 디텍터(420)로 수신되는 경사 투과광을 설명하기 위한 도면.
도12는 도9에 도시된 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템의 동작을 설명하기 위한 도면.
도13은 입사광의 서로 다른 매질에서의 굴절률 특성을 설명하기 위한 도면.
본 발명에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예 및 도면에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도3을 참조하면, 본 발명에 따른 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템은 두께 측정 광학계(100)와 기울기 측정 광학계(200) 및 두께 측정장치(300)를 포함한다.
두께 측정 광학계(100)는 필름(10)에 대해 반사형 OCT장치와 투과형 OCT장치가 일체로 구성된 복합 광학 구조로 이루어진다.
이러한 두께 측정 광학계(100)는 도4에 도시된 바와 같이, 측정 광원(110)과 제1 렌즈(120), 제2 렌즈(130), 반사광 디텍터(140) 및 투과광 디텍터(150)를 포함하여 구현된 복합 광 간섭계로 이루어지고, 측정 광원(110)과 제1 렌즈(120), 제2 렌즈(130)는 박막 필름(10)의 수직축선상에 순차로 배치되어 측정광이 박막 필름(10)으로 수직하게 조사되도록 구성된다. 여기서, 반사광 디텍터(140)와 투과광 디텍터(150)는 빛을 분산시켜 스텍트럼을 생성하고, 각 파장에 대한 스텍트럼 강도를 정량적으로 측정하는 분광기(spectrometer)로 구성될 수 있다.
즉, 측정 광원(110)은 측정광을 제1 렌즈(120)를 통해 박막 필름(10)으로 수직하게 조사한다.
제1 렌즈(120)는 측정 광원(110)과 박막 필름(10) 사이에 배치되어 측정광을 박막 필름(10)으로 출력함과 더불어, 박막 필름(10)으로부터 입력되는 반사광을 반사광 디텍터(140)로 출력한다.
이러한 제1 렌즈(120)는 초점 거리가 비교적 짧은 15mm 의 단초점 렌즈로 구성된다. 이는 초점 거리가 긴 50mm 렌즈의 경우 박막 필름(10)에 기울기가 0°인 경우에는 신호대 잡음비(S/N비)가 높지만, 기울기가 커질수록 신호대잡음비가 급격히 낮아져 간섭신호의 세기를 분석하는데 무리가 있는데 반하여, 15mm 렌즈의 경우 4°이상의 기울기에 대해서는 전체적으로 유사한 신호대잡음비 특성을 갖는 것을 고려한 것이다.
또한, 측정 광원(110)으로부터 출력되는 측정광은 제1 광섬유(160)를 통해 제1 렌즈(120)로 인가되고, 제1 렌즈(120)로부터 출력되는 반사광은 제1 광섬유(160)를 통해 반사광 디텍터(150)로 출력될 수 있다.
이때, 박막 필름(10)에서 반사되는 반사광은 제1 경계면(필름의 표면)에서 반사된 제1 반사광과 박막 필름(10)의 제2 경계면(필름의 밑면)에서 반사되어 제1 경계면을 투과한 제2 반사광으로 이루어지며, 반사광 디텍터(150)는 제1 반사광과 제2 반사광의 간섭에 의해 생성되는 반사 간섭광정보를 두께 측정장치(300)로 출력한다.
한편, 박막 필름(10)으로 수직 입사되는 측정광은 박막 필름(10)에서 반사되어 제1 렌즈(120)를 통해 반사광 디텍터(140)로 입력되거나, 박막 필름(10)을 투과하여 제2 렌즈(130)를 통해 투과광 디텍터(150)로 입력된다.
제2 렌즈(130)는 박막 필름(10)의 하측에 배치되어 박막 필름(10)을 투과한 측정광을 투과광 디텍터(150)로 출력한다. 이때, 박막 필름(10)으로부터 출력되는 투과광은 제2 광섬유(170)를 통해 투과광 디텍터(150)로 입력될 수 있다.
이때, 투과광 디텍터(160)로 입력되는 투과광은 도5에 도시된 바와 같이 박막 필름(10)의 제1 경계면(필름의 표면)에서 제2 경계면(필름의 밑면)으로 바로 투과되는 제1 투과광(X)과 박막 필름(10) 내에서 반사 경로를 형성한 후 제2 경계면으로 투과되는 제2 투과광(Y)으로 이루어지며, 투과광 디텍터(150)는 제1 투과광(X)과 제2 투과광(Y)의 간섭에 의해 생성되는 투과 간섭광정보를 두께 측정장치(300)로 출력한다.
한편, 기울기 측정 광학계(200)는 박막 필름(10)의 기울기 정보를 획득하여 두께 측정장치(300)로 제공한다. 이때, 기울기 측정 광학계(200)는 박막 필름(10)으로 기 설정된 경사각을 갖도록 일징 길이를 갖는 라인 레이저를 조사하고, 이에 대해 박막 필름(10)에서 반사되는 레이저 반사광의 수신 위치 정보를 두께 측정장치(300)로 출력한다.
이러한 기울기 광학계(200)는 도6에 도시된 바와 같이 라인 레이저 광원(210)에서 박막 필름(10)으로 조사된 라인 레이저가 박막 필름(10)에서 반사되어 위치 검출 센서(220)로 수신될 수 있도록 라인 레이저 광원(210)과 위치 검출 센서(220)가 박막 필름(10)의 동일 측면상에 상호 대향되게 배치된다. 여기서, 위치 검출 센서는 거리 측정을 위한 PSD(Position Sensitive Device)로 이루어진다.
도6에는 박막 필름(10)의 기울기와 위치 검출 센서(220)와 박막 필름(10)간 거리에 따른 위치 검출 센서(230)에서의 레이저 반사광 수신 특성이 예시되어 있다.
도6에서 (A)는 검사 대상 박막 필름(10)의 기울기가 0°인 수평 상태로서, 위치 검출 센서(220)의 기준 라인(L) 중앙부분에 라인 형태의 레이저 반사광의 중심점이 위치된다.
이에 반하여, 도6의 (B)와 (C)는 검사 대상 박막 필름(10)에 기울기가 형성된 상태로서, 위치 검출 센서(220)의 기준 라인(L)의 하측부분에 라인 형태의 레이저 반사광의 중심점이 위치된다. 이때, 도6의 (B)와 (C)는 박막 필름(10)의 기울기는 동일하나 위치 검출 센서(220)와 박막 필름(10)간의 거리는 다른 상태로서, 거리의 변화에 상관없이 박막 필름(10)의 기울기 변화에만 위치 검출 센서(220)의 레이저 반사광 수신 위치가 상하 이동됨을 알 수 있다. 즉, 위치 검출 센서(220)는 박막 필름(10)의 제1 경계면과 제2 경계면에서 반사된 레이저 반사광에 대해 동일한 기울기에 대해 동일한 레이저 반사광 위치 정보를 수신하게 된다.
이때, 위치 검출 센서(220)는 레이저 반사광의 중심점 위치값에 해당하는 전류 또는 전압을 두께 측정장치(300)로 제공한다.
한편, 두께 측정장치(300)는 두께 측정 광학계(100)로부터 인가되는 간섭광 정보를 근거로 박막 필름(10)의 두께값을 산출하고, 상기 기울기 측정 광학계(200)로부터 인가되는 위치값을 근거로 기울기 보정값을 획득한 후, 상기 박막 필름(10)의 두께값에 상기 기울기 보정값을 적용하여 해당 박막 필름(10)에 대한 두께 측정값을 결정하도록 구성된다.
이때, 두께 측정장치(300)는 박막 필름(10)의 반사 간섭광과 투과 간섭광을 푸리에 변환하여 각 간섭광에 대한 진폭값을 산출하고, 보다 큰 진폭값을 갖는 간섭광을 이용하여 두께값을 산출할 수 있다.
또한, 두께 측정장치(300)는 반사 간섭광의 투과 간섭광간의 진폭값 차이에 대응되는 반사 가중치와 투과 가중치를 산출하고, 반사 간섭광에 의해 산출된 반사 두께값과 투과 간섭광에 의해 산출된 두께값에 반사 가중치와 투과 가중치를 각각 적용하여 두께값을 산출할 수 있다. 이때, 반사 가중치와 투과 가중치의 합은 "1"이다. 예컨대, 반사 간섭광의 진폭값이 투과 간섭광의 진폭값보다 20% 작은 경우, 반사 가중치는 "0.4" 투과 가중치는 "0.6"으로 설정될 수 있다.
또한, 두께 측정장치(300)는 위치 검출 센서(220)의 레이저 반사광 위치값별 기울기 보정값이 저장된 룩업테이블을 구비하고, 상기 위치 검출센서(220)로부터 인가되는 위치값에 대응되는 기울기 보정값을 룩업테이블에서 호출하여 두께 측정 광학계(100)를 통해 수신된 간섭광에 의해 산출된 박막 필름의 두께값을 보정할 수 있다.
도7에는 본 발명에 따른 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템의 장치 형상이 예시되어 있다.
이어, 상기한 구성으로 된 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템의 동작을 도8을 참조하여 설명한다.
먼저, 두께 측정장치(300)는 두께 측정 광학계(100)를 통해 측정광을 박막 필름(10)으로 조사하도록 제어하고, 이에 대한 반사 간섭광정보와 투과 간섭광정보를 각각 수신한다(ST110).
이어, 두께 측정장치(300)는 기울기 측정 광학계(200)를 통해 일정 길이를 갖는 라인 레이저를 박막 필름(10)으로 일정 입사각을 가지면서 조사하도록 제어하고, 이에 대한 레이저 반사광의 위치값을 수신한다(ST120).
이때, 레이저 반사광의 위치값은 박막 필름(10)과의 거리에 상관없이 기울기에 대응하여 그 수신 위치가 변화된다. 예컨대, 박막 필름(10)의 수평축을 기준으로 박막 필름(10)의 우측면이 수평축 아래측으로 기울어진 경우, 레이저 반사광의 중심점은 위치 검출 센서 기준라인(L)의 상측으로 이동되고, 박막 필름(10)의 좌측면이 수평축 아래측으로 기울어진 경우, 레이저 반사광의 중심점은 위치 검출 센서 기준라인(L)의 하측으로 이동되며, 그 이동량은 즉 기준 라인과의 레이저 반사광의 중심점 이격 거리는 기울기 각도에 대응된다.
즉, 박막 필름(10)의 기울기가 클수록 위치 검출센서(220)에서 수신되는 기준 라인과의 레이저 반사광의 중심점 이격 거리가 더 커지게 된다.
상기 ST120 단계에서 기울기 측정 광학계(200)는 위치 검출 센서 기준 라인(L)과 레이저 반사광의 중심점간 이격 거리정보를 두께 측정장치(300)로 제공할 수 있다.
한편, 두께 측정장치(300)는 두께 측정 광학계(100)를 통해 수신된 간섭광에 대응되는 두께값을 산출한다(ST130). 이때, 두께 측정장치(300)는 반사 간섭광과 투과 간섭광을 각각 푸리에 변환하여 각 진폭값을 산출하고, 진폭값을 근거로 반사 간섭광과 투과 간섭광 중 어느 하나의 간섭광을 이용하여 두께값을 산출하거나, 각 간섭광에 해당 진폭값의 차이에 대응되는 가중치를 적용하여 두께값을 산출할 수 있다.
이어, 두께 측정장치(300)는 기울기 측정 광학계(200)를 통해 수신된 레이저 반사광 위치값을 근거로 두께 보정값을 획득한다(ST140). 이때, 박막 필름(10)의 기울기가 클수록 두께 보정값은 크게 설정된다.
그리고, 두께 측정장치(300)는 상기 ST130 단계에서 산출된 두께값에 기울기에 따른 두께 보정값을 적용하여 해당 박막 필름(10)의 최종 두께 측정값을 결정한다(ST150).
한편, 박막 필름(10)을 투과한 측정값을 이용하여 산출되는 투과 두께값은 박막 필름(10)의 굴절률에 영향을 많이 받는다. 이에, 본 발명에서는 박막 필름(10)의 굴절률을 근거로 투과 두께값을 보정하도록 실시할 수 있다.
도9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도9를 참조하면, 본 발명에 따른 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템은, 두께 측정 광학계(100)와 기울기 측정 광학계(200), 경사 OCT 광학계(400) 및 두께 측정장치(500)를 포함하여 구성된다. 여기서, 두께 측정 광학계(100)와 기울기 측정 광학계(200)는 도1과 동일하므로 그 상세한 설명은 생략한다.
도9에서 경사 OCT 광학계(400)는 도10에 도시된 바와 같이, 측정 광원(410)에서 박막 필름(10)으로 일정 경사각을 갖도록 광원을 조사하여 경사 측정광을 박막 필름(10)으로 조사하고, 박막 필름(10)을 투과한 경사 투과광이 경사 디텍터(420)를 통해 두께 측정장치(300)로 인가되도록 구성된다.
이때, 경사 OCT 광학계(400)는 측정 광원(410)과 박막 필름(10) 사이와 박막 필름(10) 하측에는 제1 및 제2 렌즈(430,440)가 추가로 구비될 수 있고, 측정 광원(410)으로부터 출력되는 경사 측정광은 제3 광섬유(450)를 통해 박막 필름(10)으로 인가될 수 있다. 그리고, 박막 필름(10)을 투과한 경사 투과광은 제4 광섬유(460)를 통해 집속되어 경사 디텍터(420)로 인가될 수 있다.
여기서, 박막 필름(10)을 통해 출력되는 경사 투과광은 도11에 도시된 바와 같이, 박막 필름(10)의 제1 경계면에서 제2 경계면으로 바로 투과된 제1 경사 투과광(R)과 박막 필름(10) 내에서 반사 경로를 형성한 후 제2 경계면으로 투과되는 제2 경사 투과광(Q)으로 이루어진다. 이때, 경사 디텍터(420)는 제1 경사 투과광(R)과 제2 경사 투과광(Q)의 간섭에 의해 생성되는 경사 간섭광정보를 출력한다.
두께 측정장치(500)는 반사 간섭광과 투과 간섭광을 이용하여 두께값을 산출하되, 투과 간섭광을 이용한 두께값 산출시 경사 OCT 광학계(400)로부터 수신된 경사 간섭광을 이용하여 굴절률 및 이 굴절률에 의해 보정된 두께값을 산출한다.
이때, 두께 측정 광학계(100)의 투과광 디텍터(150)로부터 수신된 투과 간섭광은 박막 필름(10)에 수직 입사된 측정광의 수직 OCT 투과광에 대한 간섭광이다.
이에, 두께 측정장치(500)는 두께 측정 광학계(100)의 투과광 디텍터(150)로부터 수신된 투과 간섭광과 경사 OCT 광학계(400)로부터 수신된 경사 간섭광의 파자열 빛의 강도 데이터를 획득하고, 이 강도 데이터를 푸리에 변환하여 결정된 주 파장 및 광경로 차수를 이용하여 투과 두께값을 산출하되, 경사 간섭광에 의해 산출된 박막 필름의 굴절률을 투과 두께값 산출시 반영함으로써, 박막 필름의 굴절률에 의해 보정된 투과 두께값을 산출한다.
도12는 도9에 도시된 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템의 동작을 설명하기 위한 흐름도로서, 도12에는 투과 두께값 산출 과정이 도시되어 있다.
먼저, 두께 측정장치(300)는 두께 측정 광학계(100)를 통해 투과 간섭광정보를 수신한다(ST210).
즉, 두께 측정 광학계(100)는 측정 광원(110)으로부터 출력되는 수직 측정광이 박막 필름(10)을 투과하여 출력되고, 박막 필름(10)의 제1 경계면에서 제2 경계면으로 바로 투과되는 제1 투과광과 박막 필름(10) 내에서 반사 광경로를 형성한 후 제2 경계면으로 투과되는 제2 투과광간의 간섭에 의해 생성되는 투과 간섭광정보를 두께 측정장치(300)로 제공한다.
또한, 두께 측정장치(300)는 경사 OCT 광학계(400)를 통해 경사 간섭광정보를 수신한다(ST220)
즉, 두께 측정장치(300)는 경사 OCT 측정장치(400)를 통해 박막 필름(10)의 제1 경계면에 대해 일정 경사각을 갖는 경사 측정광을 박막 필름(10)으로 조사하도록 제어하고, 경사 측정광은 박막 필름(10)을 투과하는 바, 경사 OCT 측정장치(400)는 박막 필름(10)의 제1 경계면에서 제2 경계면으로 바로 투과되는 제1 경사 투과광과 박막 필름(10) 내에서 반사 광경로를 형성한 후 제2 경계면으로 투과되는 제2 경사 투과광간의 간섭에 의해 생성되는 경사 간섭광정보를 두께 측정장치(300)로 제공한다.
상기한 상태에서, 두께 측정장치(300)는 경사 간섭광을 분석하여 박막 필름(10)의 굴절률을 산출한다(ST230).
먼저, 도13과 같이 서로 다른 매질에서의 굴절률은 수학식1과 같은 성질을 갖는다.
여기서, θ1은 입사각, θ2는 굴절각, v1은 대기중에서의 입사 속도, v2는 매질에서의 속도, n1 은 공기의 굴절률, n2는 매질의 굴절률이다.
이러한 원리를 적용하여 상기 ST230 단계에서 굴절률은 하기 수학식2를 통해산출될 수 있다.
여기서, θ1은 입사각, θ2는 굴절각, m1은 수직 차수, m2는 경사 차수, n1 은 공기의 굴절률, n2는 필름의 굴절률이다. 이때, 수직 차수(m1)과 경사 차수(m2)는 경사 간섭광의 파장별 빛의 강도 데이터를 퓨리에 변환하여 획득할 수 있고, 입사각(θ1)과 공기의 굴절률(n1)은 미리 설정된다. 그리고, 굴절각(θ2)은 도4에서 "r"이다.
이어, 두께 측정장치(300)는 투과 간섭광을 분석하여 주 파장과 차수를 획득하고, 주 파장과 차수 및 상기 ST230 단계에서 산출된 굴절률을 이용하여 박막 필름(10)의 투과 두께값을 산출한다(ST240). 이때, 측정 광원(110)으로부터 박막 필름(10)으로 조사되는 측정광은 입사각이 0°로 박막 필름(10)내에서의 굴절각 또한 0°가 된다. 이에 도5와 같은 수직 측정광의 경우, 제1 투과광(X)과 제2 투과광(Y)간의 광경로차(OPD)는 필름 두께의 2배로 설정할 수 있다.
즉, 상기 ST240 단계에서 투과 두께값 산출식은 하기 수학식3과 같다.
여기서, OPD 는 광경로차, d 는 필름의 두께값, m 은 차수, n 은 필름의 굴절률, λ는 광경로차의 주 파장, m 은 주 파장의 차수이다.
이때, 박막 필름 내에서의 광경로차는 파장의 배수(차수, m)로 반복하여 발생하는 바, 두께 측정장치(300)는 투과 간섭광의 파장별 빛의 강도 데이터를 퓨리에 변환하여 가장 높은 스펙트럼을 갖는 주파수를 추출하고, 이 주파수를 주 파장(λ)으로 설정하며, 스펙트럼으로부터 이 주 파장(λ)의 차수(m)를 획득한다.
즉, 상기 ST240 단계에서 두께 측정장치(300)는 박막 필름(10)의 굴절률에 대응되게 보정된 박막 필름(10)의 투과 두께값을 산출한다.
이후, 두께 측정장치(300)는 반사 간섭광에 의해 산출된 반사 두께값과 투과 간섭광에 의해 산출된 투과 두께값 중 어느 하나 또는 이들 두께값에 해당 가중치를 각각 부여하여 합 연산하여 두께값을 산출한다.
그리고, 두께 측정장치(300)는 이와 같이 산출된 두께값에 기울기 측정 광학계(200)로부터 수신된 레이저 반사광 위치값에 의해 결정된 기울기 보정값을 적용하여 최종 박막 필름 두께값을 결정한다.
100 : 두께 측정 광학계, 200 ; 기울기 측정 광학계,
300, 500 : 두께 측정장치, 400 : 경사 OCT 광학계,
110, 410 : 측정 광원, 120,130, 430, 440 : 렌즈,
140 : 반사광 디텍터, 150 : 투과광 디텍터,
160, 170, 450, 460 : 광섬유, 210 : 라인 레이저 광원,
220 : 위치검출센서, 420 : 경사광 디텍터.

Claims (6)

  1. 제1 렌즈와 박막 필름 및 제2 렌즈가 박막 필름의 수직축선상에 순차로 배치되어 박막 필름으로 측정광이 수직하게 조사하도록 구성되고, 상기 제1 렌즈로부터 박막 필름의 표면과 밑면에서 각각 반사되어 수신되는 서로 다른 반사광을 이용하여 반사 간섭광을 생성하는 반사광 디텍터와, 제2 렌즈로부터 박막 필름을 수직하게 투과한 투과광과 박막 필름내에서 반사 경로를 형성한 후 투과한 투과광을 수신하여 투과 간섭광을 생성하는 투과광 디텍터를 포함하여 구성되는 두께 측정 광학계와,
    일정 길이의 라인 레이저를 일정 경사각을 갖도록 박막 필름으로 조사하는 라인 레이저 광원과, 박막 필름의 동일측면에 라인 레이저 광원과 대향되게 배치되어 박막 필름으로부터 반사되는 레이저 반사광의 수신 위치를 검출하는 위치 검출 센서를 포함하여 구성되는 기울기 측정 광학계 및,
    상기 반사광 디텍터와 투과광 디텍터로부터 수신된 반사 간섭광과 투과 간섭광을 분석하여 박막 필름의 1차 두께값을 산출하고, 위치 검출 센서로부터 수신된 레이저 반사광 위치정보를 근거로 기울기 보정값을 산출하며, 1차 두께값에 기울기 보정값을 적용하여 해당 박막 필름의 두께값을 결정하는 두께 측정장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위치 검출 센서는 박막 필름의 기울기에 따라 레이저 반사광의 수신 위치가 상하 이동되는 것을 특징으로 하는 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 박막 필름으로 두께 측정을 위한 측정광을 일정 경사각을 갖도록 조사하고, 박막 필름을 바로 투과한 제1 경사 투과광과 박막 필름내에서 반사 경로를 가지면서 투과한 제2 경사 투과광에 의해 생성된 경사 간섭광 정보를 출력하는 경사 OCT 광학계를 추가로 구비하여 구성되고,
    상기 두께 측정장치는 상기 경사 간섭광 정보를 푸리에 변환하여 획득한 수직 차수와 경사 차수를 이용하여 박막 필름의 굴절률을 산출하고, 상기 투과광 디텍터로부터 수신된 투과 간섭광 정보를 푸리에 변환하여 획득한 주 파장 및 차수정보와 경사 간섭광 정보에 의해 산출된 굴절률을 이용하여 투과 간섭광에 의한 투과광 두께를 산출하되,
    상기 박막 필름의 투과광 두께(d)는 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정 시스템.

    여기서, λ는 주 파장, m 은 차수, n 은 굴절률임.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 박막 필름의 굴절률(n)은 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정 시스템.

    여기서, m1 은 수직 차수, m2 는 경사 차수, θ1은 경사각임.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 두께 측정장치는 반사 간섭광과 투과 간섭광을 푸리에 변환하여 진폭값을 각각 획득하고, 보다 큰 진폭값을 갖는 반사 간섭광 또는 투과 간섭광 중 하나의 간섭광을 이용하여 산출된 두께값을 제1 두께값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정 시스템.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 두께 측정장치는 반사 간섭광과 투과 간섭광을 푸리에 변환하여 진폭값을 각각 획득하고, 진폭값에 대응되는 반사 가중치와 투과 가중치를 생성하며, 반사 간섭광을 이용하여 산출된 반사 두께값에 반사 가중치를 적용하고 투과 간섭광을 이용하여 산출된 투과 두께값에 투과 가중치를 적용한 후 이들을 합 연산하여 제1 두께값을 산출하는 것을 특징으로 하는 휨 보정 기능을 갖는 필름 두께 측정 시스템.
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