KR19980076047A - 회절격자 간격의 절대측정방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회절격자 간격의 절대측정방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 회절격자 간격을 측정하기 위한 종래 기술의 단점을 극복하고 나노미터 영역에 미터표준을 직접 소급시킬 수 있는 새로운 레이저 회절계를 이용한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 회절격자 간격을 측정하기 위한 종래 기술의 단점을 극복하고 나노미터 영역에 미터표준을 직접 소급시킬 수 있는 새로운 레이저 회절계를 이용한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 방법은 회절격자 간격을 절대측정 할 수 있도록 파장 λ인 안정화 레이저와 0차 및 1차 회전빔과 정밀 회전각도 측정기를 이용한 방법과; 안정화 레이저의 두 파장 λ1과 λ2및 1차 회절빔 그리고 정밀 회전각도 측정기를 이용한 방법으로 이루어진다.

Description

회절격자 간격의 절대측정방법 및 그 장치
본발명은 회전격자 간격의 절대측정방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 안정화 레이저와 정밀 회전각도 측정기를 이용하여 회절격자 간격을 절대측정 할 수 있도록 파장 λ인 안정화 레이저와 0차 및 1차 히전빔과 정밀 회전각도 측정기를 이용한 방법과; 안정화 레이저의 두 파장 λ1과 λ2및 1차 회절빔 그리고 정밀 회전각도 측정기를 이용한 방법과 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로 회절격자 간격을 측정하는 종래의 기술은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 즉, 1) 통상적인 레이저 회절계 또는 산란계로 불리우는 방법과 2) 레이저 간섭회절계가 있다.
1) 통상적인 레이저 회절계는 회절격자에서 회절하는 0차, 1차, 2차, ... 등의 회절빔의 각도를 측정하고 회전격자 방정식을 식(1)을 이용하여 회절 격자의 간격을 측정하는 방법이다.
이 레이저 회절계는 구조가 간단한 반면 측정 오차가 입사각 및 회절빔 사이의 각도 측정에 의존하기 때문에 높은 측정 분해능을 얻으려면 매우 큰 실험장치가 필요하다.
이 통상적인 레이저 회절계는 회절빔의 강도분포를 함께 측정하여 회절격자나 미세 패턴의 선폭 측정에 주로 사용된다.
2) 레이저 간섭 회절계는 회절격자 간격을 정밀 측정하기 위해 개발된 두 파장 또는 세파장의 안정화 레이저, 기준 회절격자, 및 마이켈슨 간섭계를 사용하는 간접 측정 방법이다.
이 레이저 간섭 회절계의 측정 원리는 서로 다른 파장에서 다른 회절 차수의 간섭무늬의 간격이 다른 점에 착안하여 제안된 방법이다.
하지만 상기와 같은 종래의 통상적인 레이저 회절계의 문제점으로는 회절 빔의 각도를 측정하기 위해 지름이 매우 큰 회전체 위에 회절격자와 검출기를 동심에 일치시킨 후 검출기만을 회전 시켜 측정해야 하므로 각도 분해능을 높이기 위하여는 지름이 이에 비례하여 커져야하며, 회절격자와 회전체의 편심문제가 있어서 통상적인 실험실 규모의 장치에서는 측정의 정확도가 떨어진다는 문제점이 있다.
또한, 상기와 같은 종래의 레이저 간섭 회절계의 문제점으로는 회절격자 간격을 측정하기위해 두 파장 또는 세 파장의 안정화 레이저 리트로우(Littrow) 형으로 배치된 회절격자를 간섭계의 거울로 사용하는데, 이 방법은 비롤 통상적인 레이저 간섭계보다 분해능을 높일 수는 있지만, 두 파장의 레이저를 사용할 경우 이미 측정되어진 기준 회절격자를 간섭계의 기준 팔에 사용하여 길이 표준이 간접적으로 소급되는 문제점이 있다.
또한 세 파장의 레이저를 사용할 경우 기준 회절격자를 사용 안해도 되나 세 파장의 안정화 레이저가 필요해 장치가 복잡해진다는 문제점이 있다.
그리고 레이저 간섭 히절계는 회절빔 사이의 각도를 측정하기 위해 간섭무늬 간격을 측정하게 되는데, 이때 간섭무늬 간격을 현미경을 사용하여 측정하기 때문에 현미경의 눈금을 길이 표준에 소급시켜야 하며, 측정 오차가 발생할 가능성이 높다는 문제점이 있다.
상기와 같은 종래 방법의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 회절격자 간격을 측정하기 위한 종래 기술의 단점을 극복하고 나노미터 영역에 미터표준을 직접 소급시킬 수 있는 새로운 레이저 회절계를 이용한 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 회절격자 간격을 측정하기 위한 종래 기술의 단점을 극복하고 나노미터 영역에 미터표준을 직접 소급시킬 수 있는 새로운 레이저 회절계를 이용한 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 단일파장 안정화 레이저와 0차 및 1차 회절빔의 회전각도를 정밀 측정하는 방법과; 두 파장 안정화 레이저와 1차 회절빔 및 회전 각도를 정밀 측정하는 방법을 특징으로 하는 회절격자 간격의 절대측정방법을 제공함으로써 달성된다.
상기와 같은 본 발명의 또다른 목적은 단일파장 안정화 레이저와 0차 및 1차 회절빔의 회전각도를 정밀 측정할 수 있고, 동시에 아무런 장치의 변동없이 두 파장 안정화 레이저, 1차 회절빔 및 회전각도를 정밀 측정할 수 있는 정밀 회전각도 측정기로 구성되는 것을 특징으로 하는 회절격자 간격의 절대 측정장치를 제공함으로써 달성된다.
도 1은 본 발명 회절격자 간격을 절대측정하는 장치의 개략도,
도 2는 정밀각도 측정기와 리트만(Littman) 형으로 배치된 회절격자의 되먹임 구조.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
(1) 안정화 레이저(stable laser)
(2) 시준렌즈(collimator)
(3) 광고립기(Optical isolator)
(4) 반파장판(λ/2 plate)
(5) 광분할기(Beam splitter)
(6) 집속렌즈(Focusing lens)
(7) 핀홀(Pin hole)
(8) 광검출기(Optical detector)
(9) 편광 광분할기(Polarization beam splitter)
(10) 거울(Mirror)
(11) 사분의 일 파장판(λ/4 plate)
(12) 회절격자(Grating)
(13) 1차 회절빔(1st order diffracted beam)
(13a) 1차 빔의 회절각(Diffraction angle for lst order beam)
(14) 0차 회절빔(Oth order diffracted beam)
(14a) 0차 빔의 회절각(Diffraction angle for Oth order beam)
(15) 되반사 거울(Retro-mirror)
(15a) 1차 빔의 되반사거울(Retr-mirror for lst order beam)
15b) 0차 빔의 되반사거울(Retro-mirror for Oth order beam)
(16) 정밀 회전각도 측정기(Precision rotary encorder)
(17) 빔 확대기(Beam Expander)
(18) 입사 레이저빔(Incident laser beam)
(18a) 입사각(Incident angle)
(19) 회절격자의 수직선(Grating normal)
이하 첨부된 도면에 따라 본 발명을 자세히 설명하겠다.
본 발명의 방법 1은 파장 λ인 안정화 레이저(1)와 0차 회절빔(14) 및 1차 회절빔(13) 그리고 정밀 회전각도 측정기(16)를 이용하는 방법으로 도 1에서 파장λ인 안정화 레이저(1)에서 나온 레이저 빔은 시준렌즈(2)에 의해 평행광이 된 다음 광고립기(3)을 통과한다.
이때 레이저 광의 편광은 광고립기에 의해 45도 회전하므로 반파장판(4)을 이용하여 편광광분할기(9)를 통과하도록 45도만큼 회전 시킨다.
다음에는 사분의 일 파장판(11)을 지난 레이저빔의 편광은 원편광으로 바뀌며, 빔 확대기(17)에서 10배 빔이 확대된 후 측정하고자 하는 회절격자(12)로 입사한다.
이때, 레이저빔은 도 2에서와 같이 0차 1차 ... 등으로 레이저 파장 λ와 회절격자의 간격 D에 따라 다음과 같은 회절 방정식을 만족하면서 회절한다.
식(1)에서 λ와 βm는 각각 도 2에서 회절격자의 수직선(18)에 대해서 입사각과 m차빔의 회절각을 나타내며, ± 부호는 m차 회전빔이 회절격자의 수직선(18)의 왼쪽에 있으면 +, 오른쪽에 있으며 -부호를 사용하여야 한다. 이하 본 발명에서는 이러한 기호의 사용규칙을 계속 이용한다.
방법 1 및 방법 2에서는 기존의 방법에서와 같이 1차 회절빔을 이용하므로 1차 빔이 생기는 조건인 Dλ/2를 만족할 때에만 적용할 수 있다.
방정식(1)에서 0차 회절빔과 1차 회절빔에 대한 방정식으로부터 회절격자 간격 D에 관한 방정식을 입사각 α와 0차회절빔의 각도 β0, 및 1차 회절빔의 회절각도 β1의 차 Φ=β0-β1를 이용하여 식(2)와 같이 표현할 수 있다.
식(2)는 측정하려고 하는 회절격자 간격 D가 안정화 레이저의 파장 λ와 두 회절빔의 회절 각도차 Φ 및 입사각 α로만 표현됨을 알 수 있다.
일반적으로 안정화 레이저 파장의 정확도는 1×10-7보다 높으므로 방법 1 및 방법 2에 의한 회절격자 간격의 측정시 오차를 주지 않는다.
따라서 입사각 α와 두 회절빔의 회절 각도차 Φ를 측정할 때 생기는 오차 만이 남게 된다.
따라서, 본 발명에서는 입사각 α와 두 회절빔의 회절 각도차 Φ를 정밀 측정하기 위해 도 1에서처럼 각도 분해능이 높은 정밀 회전각도 측정기(16)를 이용하고, 회절격자(12)를 리트만(Littman)형으로 배치한 다음 되먹임 거울(15)을 이용하여 레이저 빔을 4번 왕복시킨다.
즉, 회절빔의 각도 측정의 분해능을 높이기 위해 되반사 거울에서 반사된 레이저 빔은 사분의 일 파장판(11)을 지나 편광광분할기(9)에서 반사되고 거울(10)에 의해 다시 회절격자에 입사하게 되며 방정식(1)을 따라 다시 회절하게 된다.
그러면 두 번째로 회절한 빔은 다시 되먹임 거울에 의해 반사한 다음 사분의 일 파장판(11)에 의해 수직 편광으로 바뀌어서 광분할기(5)에서 반사되어 집광렌즈(6)와 핀홀(7)을 지나 광검출기(8)에서 검출된다.
정밀 회전각도 측정기의 분해능이 10-4도(degree, =1.7×10-6rad) 정도이므로 회절격자(12)부터 광검출기(8)까지의 광학길이가 L일 때 10-6L의 조건을 만족하도록 집속렌즈(6)의 초점거리와 핀홀(7)의 크기를 조절하면 2×10-6의 각도 분해능으로 각도를 측정할 수 있다.
그리고 입사각 α를 2×10-6의 분해능으로 측정하기 위해 입사 각도(17a)를 초기치와 다른 값으로 조절하고, 각각의 입사각도에 대한 0차 회절빔의 회절각도(14a)와 1차 회절빔의 회절각도(13a)의 차를 정밀 회전각도 측정기를 이용하여 측정한다.
즉, 두 입사각을 α1과 α2라 하면
α2= α1+ Δα(3)
가 된다.
여기서 Δα는 정밀 회전각도 측정기로 측정한 입사각의 차이다.
도 2에서 입사각이(18a) α1과 α2일때 1차 회절빔에 대한 되반사 거울(15a)과 0차빔에 대한 되반사 거울(15b)이 이루는 각을 각각 Φ1과 Φ2라고 하면, 식(2)와 식(3)을 이용하여 회절격자(12) 간격 D를 실험에서 2×10-6의 분해능으로 측정하는 값 Δα, Φ1및 Φ2만을 이용하여 다음과 같이 표현할 수 있다. 즉,
이다. 여기서
이다.
따라서 본 발명에서는 식(4)와 (5) 및 (6)에서 알 수 있는 바와 같이 파장 λ인 안정화 레이저(1)와 정밀 회전각도 측정기(16)를 이용하여 Δα, Φ1및 Φ2를2×10-6이하의 분해능으로 측정함으로써 회절격자의 간격 D를 절대측정 할 수 있다.
본 발명의 또다른 측정방법인 안정화 레이저(1)의 두 파장 λ1과 λ2및 1차 회절빔(13) 그리고 정밀 회전각도 측정기(16)를 이용한 방법 2는 방법 1에서 0차 회절빔(14)과 1차 회절빔(13)을 이용하는 대신 안정화 레이저(1)의 두 파장 λ1과 λ2, 그리고 1차 회절빔(13)만을 이용한다.
따라서 두 파장에 대한 1차 회절빔(13)만을 사용하므로 회절격자(12) 간격의 표현식이 식(2), (4), (5), (6)과는 다르게 표현된다.
두 파장의 파장차를 Δλ(=λ2- λ10), 그리고 파장 λ1및 λ2의 1차 회절빔의 회절 각을 각각 βλ1및 βλ2그리고 이들의 차를 Θ라면, 방법 2에서는 회절격자 간격 D가 다음과 같이 표현된다.
방법 2에서는 안정화 레이저(1)의 파장 및 그들의 차이를 정밀 파장계를 이용하여 쉽게 1×10-7의 정확도 이하로 측정가능 하므로 방법 1과 같은 분해능 및 정밀도로 D의 절대 측정이 가능하다.
식(7)에서는 두파장에서 1차 회절빔(13)의 위치에 따라 4개의 부호조항이 생김에 유의해야 한다.
그리고 방법 1에서와 같이 파장 λ1에서의 회절각 βλ1을 2×10-6의 분해능으로 측정하기 위해 두개의 다른 입사각, 즉 βλ1와 βλ1'에 대해 두파장에서 1차 회절빔간의 각도를 측정한다.
이 두 각도의 차를 Δβ라고 하면,
βλ1= βλ1' + Δβ(8)
라 쓸 수 있다.
그리고 βλ1및 βλ1'에 대해 두파장에서 정밀 회전각도 측정기(16)로 측정한 1차 회절빔간의 각도차를 각각 Θ1, Θ2라고하면, 회절격자 간격 D는 다음과 같이 표현된다.
여기서,
이다.
따라서 방법 2에서도 방법 1에서와 마찬가지로 두 입사각, 즉 1차 회절빔의 회절각(13a)의 차 Δβ, 그리고 두 입사각에 대한 두 파장에서의 1차 회절빔의 회절각차 Θ1, Θ2를 측정함으로써 방법 1에서와 동일한 분해능으로 회절격자(12)의 간격을 절대측정할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예를 설명하겠다.
[실시예]
본 발명의 방법중 하나인 파장 λ인 안정화 레이저(1)와 0차 및 1차 회절빔 그리고 정밀 회전각도 측정기를 이용하는 방법을 이용하여 상용의 회절격자(2160g/㎜; Milton Roy, 35-53-04-040)의 회절격자 간격을 절대측정하여 본 발명의 방법과 장치의 타당성을 검증하였다.
실험에 사용한 레이저(1)는 파장 안정도가 1×10-8이상인 반도체 레이저 펌핑 532㎚ Nd:YAG 레이저를 이용하였다.
상온에서 레이저의 파장은 정밀 파장계로 측정한 결과 λ=532.3390㎚ 이었다.
그리고 정밀 회전각도 측정기는 1.7 ×10-6rad(만분의 1도)의 각도 분해능을 갖는 Heiden-Hain사의 VRZ480 모델을 이용하였다.
그리고 회절격자(12)로부터 검출기 까지의 광학 거리 L은 약 10m 이었다.
이때 2×10-6의 각도 분해능을 얻기 위해 핀홀(7)에서 빔의 크기를 약 100㎛이하로 집속하였다.
측정결과 회절격자(12)의 간격 D가 D = 429.3㎚ 그리고 1σ 표준편차는 0.3㎚로 측정되어, 본 발명의 방법과 장치에 대한 타당성 및 기존의 방법에 대한 우수성이 검증되었다.
상기와 같은 본 발명은 한 실험장치에 아무런 장치의 변동없이 두가지 방법으로 측정이 가능한 장점이 있다.
그리고, 본 발명에서 발명한 두가지 방법에서는 회절격자를 리트만(Littman) 형으로 배치하고 레이저 빔이 같은 광경로를 4번 지나가게 함으로써 큰 회전팔을 사용해야하는 기존의 문제점을 해결하고, 작은 실험장치에서도 높은 각도 분해능으로 회절격자의 간격을 절대 측정할 수 있는 장점이 있다.
특히, 입사 각도를 두가지로 선택하여 측정함으로써 회절격자 간격 측정시 입사각도 측정의 오차를 완전히 없앴으며, 측정 오차가 오직 정밀 회전각도 측정기의 각도 측정 분해능에 달려있어서 앞으로 분해능을 훨씬 높일 수 있다는 효과가 있다.
따라서, 회절격자 간격의 절대측정을 위한 두 가지 방법은 기존에 존재하던 나노미터 영역에서의 회절격자 간격 측정법의 단점을 해결하고 길이 표준원기인 안정화 레이저로부터 직접 길이 표준이 소급되므로 앞으로 1) 나노미터 영역에서 선표준물과 같은 길이표준 기준물의 제작과, 2) CD 등과 같은 영상기록 매체에 새겨진 주기적인 미세구조선 간격의 정밀 측정과, 3) 전자 현미경(SEM, TEM), 광학현미경, 광학근접현미경(Optical near field microscope) 및 원자힘 현미경(AFM) 등과 같은 초정밀 측정비에 나노미터 영역까지 길이표준을 직접 소급시킬 수 있는 표준 회절격자의 제작 같은 산업분야에 지대한 영향을 미칠 것으로 기대된다.

Claims (4)

  1. 회절격자 간격을 측정하는 방법에 있어서,
    으로 표현되는 회절격자 간격에 관한 관계식을 이용하여 파장 λ인 안정화 레이저(1)와 0차 회절빔(14) 및 1차 회절빔(13) 그리고 정밀 회전각도 측정기(16)를 사용하여 회절격자 간격을 측정하는 것을 특징으로 하는 회절격자 간격의 절대측정방법.
  2. 회절격자 간격을 측정하는 방법에 있어서,
    으로 표현되는 회절격자 간격에 관한 관계식을 이용하여 안정화 레이저(1)의 두 파장 λ1과 λ2및 1차 회절빔(13) 그리고 정밀 회전각도 측정기(16)를 사용하여 회절격자 간격을 측정하는 것을 특징으로 하는 회절격자 간격의 절대측정방법.
  3. 회절격자 간격을 측정하는 장치에 있어서,
    안정화 레이저(1)의 두 파장 λ1과 λ2및 1차 회절빔(13) 그리고 정밀 회전각도 측정기(16)로 구성된 것을 특징으로 하는 회절격자 간격의 절대측정장치.
  4. 회절격자 간격을 측정하는 장치에 있어서,
    안정화 레이저(1)의 두 파장 λ1과 λ2및 1차 회절빔(13) 그리고 정밀 회전각도 측정기(16)로 구성된 것을 특징으로 하는 회절격자 간격의 절대측정장치.
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