KR20040067322A - 시료의 물리적 특성 측정장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

시료의 물리적 특성 측정 장치 및 방법이 개시된다. 시료의 물리적 특성 측정장치는 메인 프레임상에 프리즘을 장착할 수 있도록 설치된 프리즘 지지부와, 메인 프레임에 회전가능하게 설치되되 회전 중심선이 프리즘 지지부에 장착된 프리즘을 향하도록 설치된 회전스테이지와, 프리즘으로 광이 입사되도록 회전 스테이지상에 설치된 광원부와, 프리즘을 거쳐 출력되는 광을 수신하는 제1광검출기 및 회전스테이지의 회전구동을 제어하면서 제1광검출기로부터 출력되는 신호를 이용하여 프리즘에 대향되게 설치된 시료의 물리적 특성을 산출하는 신호처리 시스템을 구비한다. 이러한 시료의 물리적 특성 측정장치 및 방법에 의하면, 단층막, 2층막, 후막, 벌크 외에 액상시료 까지 물리적 파리미터를 측정할 수 있는 장점을 제공한다. 또한 프리즘에 대한 광의 입사각도를 변환시킬 때 편광특성이 변동되지 않음으로써 측정 정밀도가 향상된다.

Description

시료의 물리적 특성 측정장치 및 방법{Prism coupler and method of measuring optical parameter}
본 발명은 시료의 물리적 특성 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 측정대상 시료의 굴절율, 두께 및 광 도파 손실을 측정할 수 있는 시료의 물리적 특성 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
통신분야, 반도체 분야, 광재료 연구분야를 비롯한 다양한 분야에서 고집적화 요구에 대응하여 원하는 물리적 특성을 갖는 소재의 개발이 꾸준히 이루어지고 있다.
원하는 특성을 갖는 소재의 개발 및 이용을 위해서는 소재의 굴절률, 두께,도파 손실과 같은 물리적 특성을 측정하는 것이 필요하다.
이러한 소재의 물리적인 특성에 대한 측정을 효율적으로 할 수 있는 방식중의 하나로서 감쇄장(evanescent field)이 박막 도파로 모드에 결합하는 원리를 이용하는 프리즘 커플링 방식이 있다.
프리즘 커플링 방식은 측정 대상 박막 위에 설치된 프리즘에 입사되는 광의 입사각을 가변시켜 박막안으로 여기되는 커플링 모드에 따라 프리즘의 바닥면으로부터 반사되는 광량의 변화를 검출하여 박막의 굴절율과 두께를 측정한다.
이러한 프리즘 커플링 방식이 적용된 프리즘 커플러가 국내 공개 특허공보 제97-47900호에 개시되어 있다. 특허 공개 공보 제97-47900호에 개시된 프리즘 커플러는 주 파장이 632.8나노미터(nm)인 레이저 광원을 이용하고, 프리즘과 검사대상 시료가 장착되는 테이블을 회전시키면서 입사각을 가변시키는 방식이다. 그런데 이러한 프리즘 커플러는 검사대상 시료에 대해 측정할 수 있는 물리적 특성인 굴절률과 두께만으로 제한되는 단점이 있다. 따라서, 시료에 대해 광도파 손실을 측정하기 위해서는 별도의 도파 손실 측정장치를 이용하여 측정하여야 하는 불편함과, 프리즘 커플러로부터 시료를 분리하여 도파 손실 측정장치에 장착하는 과정에서 시료의 오염, 파손의 우려가 있다.
또한, 단일 파장의 광원만 이용하도록 되어 있어, 측정 가능한 시료의 대상이 단층박막으로 제한되는 단점이 있다.
그 밖에 현재 알려진 연산방식은 복소수 형태의 도파조건식으로서, 연산에 소요되는 시간이 많이 걸리는 단점이 있다.
이러한 문제점을 개선할 수 있는 광 회전방식의 프리즘 커플러(국내 특허출원 제 2001-0055294호)가 본 출원인에 의해 제안된 바 있다. 본 출원인인 선출원된 프리즘 커플러에 대해 구조를 단순화시키고, 측정 정밀도를 향상시키기 위한 노력을 계속 경주해 왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 검사대상 시료의 굴절률, 두께, 도파 손실율에 대한 측정 정밀도를 높일 수 있는 시료의 물리적 특성 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 액상시료에 대한 굴절율도 측정할 수 있는 시료의 물리적 특성 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시료의 물리적 특성 측정장치를 나타내 보인 사시도 이고,
도 2는 도 1의 물리적 특성 측정장치의 배면도이고,
도 3은 도 1의 물리적 특성 측정장치의 광학요소의 배치관계를 개략적으로 나타내 보인 도면이고,
도 4는 도 1의 물리적 특성 측정장치의 정면도이고,
도 5는 도 1의 장치에 적용되는 신호 처리 시스템을 나타내 보인 블록도 이고,
도 6은 도 5의 컴퓨터를 상세하게 나타내 보인 블록도 이고,
도 7은 도 1의 리니어 스테이지를 분리한 상태에서 액상시료의 굴절율을 측정하기 위한 상태를 나타내 보인 사시도이고,
도 8은 도 7의 광학요소의 배치관계를 개략적으로 나타내 보인 도면이고,
도 9는 도 7의 물리적 특성 측정장치의 정면도이고,
도 10은 측정대상 액상 시료의 굴절율을 산출하는 과정을 설명하기 위한 프리즘과 액상 시료를 나타내 보인 도면이고,
도 11은 도 6의 시료 측정 드라이버의 실행에 의해 액상 시료에 대한 제1광검출기를 통해 입사되는 광의 강도와 회전스테이지의 각도와의 관계를 나타내보인 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20: 광원 51: 회전 디스크
52: 탑재플레이트 53: 회전아암
60: 프리즘 장착부 61: 프리즘
80: 리니어 스테이지 100: 측정장치
110: 박막 시료 111: 액상시료
120: 제어부 200: 컴퓨터
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 시료의 물리적 특성 측정장치는 메인 프레임과; 상기 메인프레임상에 프리즘을 장착할 수 있도록 설치된 프리즘 지지부와; 상기 메인 프레임에 회전가능하게 설치되되 회전 중심선이 상기 프리즘 지지부에 장착된 프리즘을 향하도록 설치된 회전스테이지와; 상기 프리즘으로 광이 입사되도록 상기 회전 스테이지상에 설치된 광원부와; 상기 프리즘을 거쳐 출력되는 광을 수신하는 제1광검출기; 및 상기 회전스테이지의 회전구동을 제어하면서 상기 제1광검출기로부터 출력되는 신호를 이용하여 상기 프리즘에 대향되게 설치된 시료의 물리적 특성을 산출하는 신호처리 시스템;을 구비한다.
바람직하게는 상기 프리즘에 대향되게 검사대상 시료를 지지할 수 있게 상기메인프레임상에 설치된 시료 장착부;를 더 구비한다.
상기 광원부는 상기 회전 스테이지상에 설치된 적어도 하나 이상의 광원과;
상기 광원으로부터 출사된 광이 상기 프리즘으로 입사되도록 상기 광원으로부터 상기 프리즘으로 이어지는 상기 회전 스테이지상에 설정된 광경로상에 설치되어 광경로를 변환시키는 적어도 하나 이상의 광경로 변환부재;를 구비한다.
또한, 상기 회전스테이지는 상기 메인프레임에 회전 가능하게 설치된 회전디스크; 및 상기 회전 디스크에 결합되며 상기 회전디스크의 회전중심선과 나란한 방향으로 소정길이 연장된 아암부분을 갖는 회전아암체;를 구비하고, 상기 광경로변환부재는 상기 회전아암체에 설치된 광원으로부터 출사된 광을 상기 회전 중심선과 나란한 방향으로 진행시키도록 상기 회전아암체 상에 설치된 제1미러와; 상기 제1미러로부터 입사되는 광을 상기 프리즘 지지부의 프리즘장착 위치로 진행하도록 상기 회전아암체상에 설치된 제2미러;를 구비한다.
더욱 바람직하게는 상기 제1미러와 상기 제2미러 사이에는 빔사이즈를 조절하기 위한 핀홀이 형성된 핀홀부재가 상기 회전 아암체에 설치되어 있다. 또한, 상기 핀홀부재에는 상기 핀홀과 소정간격 이격된 위치상에 상기 제1미러와 상기 제2미러를 잇는 광경로와 수직한 방향을 따라 소정 길이로 관통홈이 형성되어 있고, 상기 제2미러로부터 상기 관통홈을 통해 진행되는 광을 검출할 수 있도록 설치된 제2광검출기;를 더 구비한다.
상기 프리즘과 상기 시료 장착부에 장작된 시료와의 접합면과 나란한 방향으로 슬라이딩 가능하게 설치된 리니어 스테이지와; 상기 리니어 스테이지상에 도파손실 측정용 용액을 담는 용기를 지지할 수 있도록 설치된 용기지지부와; 상기 시료로 도파되어 상기 용기를 통해 진행되는 광을 검출할 수 있도록 상기 리니어 스테이지 상에 설치된 제3광검출기;를 구비한다.
상기 프리즘 지지부는 상기 메인프레임에 대해 회전가능하게 설치된 것이 바람직하다.
또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 액상시료의 굴절율 측정방법은 메인프레임에 회전 가능하게 설치된 회전스테이지와, 상기 메인 프레임에 프리즘을 장착할 수 있도록 설치된 프리즘 지지부와, 상기 회전스테이지에 설치되어 상기 프리즘으로 광을 입사시킬 수 있도록 설치된 광원부와, 상기 프리즘에서 반사된 광을 검출할 수 있는 광출기를 구비하는 측정장치를 이용한 액상시료의 굴절율 측정방법에 있어서, 가. 액상시료가 담긴 용기를 상기 프리즘에 대향되게 설치하는 단계와; 나. 상기 프리즘과 대향되게 지지된 용기내의 액상 시료에 대해 프리즘에 입사되는 광의 각도를 가변시키는 단계와; 다. 상기 프리즘에 입사되는 광의 각도를 가변시키면서 광량이 하강하는 임계각도 정보를 이용하여 상기 액상시료의 굴절률을 산출하는 단계;를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시료의 물리적 특성 측정장치 및 방법을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시료의 물리적 특성 측정장치를 나타내 보인 사시도이고, 도 2는 도 1의 측정장치의 배면도이고, 도 3은 도 1의 측정장치에서 광학요소들을 발췌하여 그 배치 관계를 나타내 보인 도면이고, 도 4는도 1의 정면도이다. 각 도면에서 동일기능을 하는 요소에 대해 동일 참조부호로 표기한다.
도면들을 참조하면, 시료의 물리적 특성 측정장치(100)는 메인 프레임(11), 복수의 광원(20), 다수의 광경로 변환 부재(30), 회전스테이지(50), 프리즘(61), 시료 장착부(70), 제1광검출기(91) 및 리니어 스테이지(80)를 구비한다.
메인프레임(11)은 바닥면에 안정적으로 지지될 수 있는 구조로 형성되어 있다.
회전스테이지(50)는 메인프레임(11)에 회전가능하게 설치되어 있다.
회전 스테이지(50)는 회전 디스크(51), 탑재플레이트(52) 및 회전아암(53)을 구비한다.
회전 디스크(51)는 메인프레임(11)의 상부로 연장된 지지부재(11a)에 회전가능하게 설치되어 있다.
회전디스크(51)는 지지부재(11a)상에 설치된 스텝모터인 제1모터(미도시)에 의해 메인프레임(11)에 대해 회전되게 설치되어 있다.
회전 디스크(51)의 회전 각도를 제한 하기 위해 회전 디스크(51)가 소정 각도로 회전시 간섭신호를 발생할 수 있도록 회전 디스크(51)상에 간섭부재(미도시)가 설치되고, 회전 디스크(51)가 소정 각도로 회전될 때 간섭부재에 간섭될 수 있도록 간섭센서(57)가 지지부재(11a)상에 설치된다. 바람직하게는 회전디스크(51)가 바닥면에 대해 ±45도 이상의 소정각도에서 간섭센서(57)가 간섭될 수 있도록 간섭부재 및 간섭센서(57)가 설치된다. 간섭센서(57)는 리미트 스위치, 근접 스위치 등알려진 다양한 방식의 센서를 적용할 수 있다. 간섭센서(57)는 착탈가능하게 설치되는 것이 바람직하다.
탑재 플레이트(52)는 회전디스크(51)와 연동되어 회전되도록 회전디스크(51)의 후면에 결합되어 있다.
탑재플레이트(52)에는 복수의 광원(20), 복수의 광경로변환부재(30)가 설치되어 있다.
복수의 광원(20a 내지 20d)은 탑재플레이트(52)에 그 광출사축이 상호 나란하도록 설치되어 있다. 바람직하게는 광원(20a 내지 20d) 각각은 중심 파장이 상호 다른 레이저 광원이 적용된다. 예컨대, 레이저 광원(20)은 중심파장이 632.8nm, 830nm, 1310nm, 1550nm인 것이 적용된다. 적용되는 광원(20)의 수 및 각 광원의 중심파장은 위에서 설명된 예에 국한되지 않고, 사용 목적 및 원하는 파장에 따라 적절하게 적용 또는 교체하면 된다. 참조부호 21는 광원(20)을 탑재플레이트(52)에 지지시키기 위한 홀더이다.
각 광원(20a 내지 20d)의 전방에는 출사되는 광빔의 단면적과 광량을 설정된 크기 범위내로 제한시킬 수 있도록 소정 크기의 홀이 형성된 핀홀부재(미도시)가 설치될 수 있다.
각 광원(20a 내지 20d)에서 출사되는 광은 후술하는 제1미러(30g)로 이어지는 공통광경로(33)로 진행하도록 하기 위한 광경로 변환부재(30a 내지 30f)가 설치되어 있다.
참조부호 30a, 30c 및 30e는 미러이고, 30b, 30d 및 30f는 입사되는 광의 방향에 따라 투과 또는 반사시키는 다이크로닉 빔스플릿터이다. 적용하고자 하는 광원(20)의 수 및 배치방식에 따라 광로 변환부재는 적절하게 적용하면 된다.
각 광경로 변환부재(30)는 직교하는 3축방향에 대한 미세 각도를 각각 조절 나사의 조정에 의해 조절할 수 있는 밸런서(31)에 지지되어 장착되어 있다.
밸런서(31)는 조절나사의 조정에 의해 광경로 변환부재(30)를 지지대에 대해 진퇴시킬 수 있는 것으로서 다양한 것이 적용될 수 있다.
탑재 플레이트(52)의 상부에는 광원(20)으로부터 공통광로(33)를 통해 진행되는 광을 회전 아암(53)의 선단에 설치된 제2미러(30h)로 진행하도록 반사시키는 제1미러(30g)가 설치되어 있다. 참조부호 52a는 제1미러(30g)로로부터 제2미러(30h)로의 광경로를 제공하기 위한 관통홀이다.
광원(20)으로부터 출사된 광의 편광상태를 전환 시킬 수 있도록 광원(20)으로부터 프리즘(61)으로 이어지는 광경로상의 소정위치에서 광경로를 가로지르는 방향으로 광원의 편광을 P파에서 S파 또는 S파에서 P파로 변환시키는 하프 플레이트를 입출 시킬 수 있도록 하프플레이트 장착부(37)가 설치되어 있다.
즉, 도 2 및 도 3에 상세히 도시된 바와 같이 하프 플레이트 장착부(37)는 제어신호에 따라 공통 광경로를 가로질러 진퇴될 수 있도록 탑재 플레이트(52)상에 설치되어 있다.
하프 플레이트 장착부(37)는 해당 파장별 하프 플레이트(37a 내지 37d)를 삽입할 수 있는 삽입홈(38a)이 형성된 하프 플레이트 장착부(38)와, 하프 플레이트 장착부(38)를 진퇴시킬 수 있도록 설치된 에어 실린더(39) 및 하프 플레이트(37a내지 37d)가 광경로를 가로지르도록 하는 소정 위치를 전진 목표위치로 가이드하기 위한 블록킹 부재(40)가 마련되어 있다. 블록킹 부재(40)와 하프 플레이트 장착부(38) 상호간의 대향면에는 상호 정합될 수 있는 홈(40a)과, 홈(40a)에 대응되는 돌출부(38b)가 마련되어 있다.
회전 아암(53)은 회전디스크(51)와 연동되어 회전되도록 탑재 플레이트(52)에 결합되어 있고, 제1미러(30g)를 통해 입사되는 광의 경로를 변환시켜 프리즘(61)에 입사시킬 수 있도록 광로를 변환시키기 위한 광로 변환부재인 제2미러(30h))가 선단에 설치되어 있다.
제1 내지 제2미러(30g)(30h)도 각도 조정용 밸런서(31)에 의해 지지되어 설치되어 있다.
더욱 바람직하게는 제2미러(30h)의 각도 조정용 밸런서(31h)는 조절나사(31i)의 조작에 따른 이동 거리 값을 눈금을 통해 표시하여 사용자가 인식할 수 있는 마이크로미터가 적용된다. 이 경우 사용자는 제2미러(30h)의 셋팅값을 기록한 다음에 추후 셋팅시 이용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 광원(20)으로부터 출사되어 공통 광경로(33) 및 제2미러(30h)로 이어지는 광경로를 광이 진행하는 동안 광빔의 크기 및 공통 광경로를 유지할 수 있는 성분을 필터링할 수 있도록 핀홀 부재(25)가 광경로상에 배치되는 것이 바람직하다.
일 예로서, 제1미러(30g)와 제2미러(30h) 사이의 회전아암(53)상에 핀홀이 형성된 핀홀부재(25)를 설치한다.
더욱 바람직하게는 제1미러(30g)와 제2미러(30h) 사이에 설치된 핀홀부재(25)의 핀홀(25a)로부터 소정간격 이격된 위치상에 제1미러(52)와 제2미러(53)를 잇는 광경로에 수직한 방향을 따라 소정 길이로 관통홈(25b)이 형성된다. 그리고, 프리즘(61)의 표면으로부터 반사되어 제2미러(30h)를 거쳐 역 진행하여 관통홈(25b)을 통해 진행되는 광을 검출할 수 있도록 제2광검출기(92)가 설치된다.
제2광검출기(92)는 제2미러(30h)로부터 프리즘(61)으로 입사되는 광이 프리즘(61)의 광 입사면에 수직하게 입사되는 기준 위치인 영점을 조정하기 위해 이용된다.
회전디스크(51)의 회전중심을 연장하는 선상에 프리즘(61)을 장착할 수 있도록 프리즘 지지부(60)가 메인프레임(11)에 설치되어 있다.
바람직하게는 프리즘 지지부(60)는 프리즘(61)의 지지위치 및 시료의 장착위치를 조정할 수 있도록 메인프레임(11)에 회전가능하게 설치된 보조 회전테이블(62)에 설치된다.
보조 회전테이블(62)은 회전 디스크(51)와 동축상으로 메인프레임(11)에 소정 높이로 설치된 지지부재(11b)에 회전가능하게 설치된다. 보조회전테이블(62)은 스텝모터(미도시)인 제2모터에 의해 회전된다.
프리즘 지지부(60)는 보조 회전 테이블(62)에 결합된 베이스(63)에 장착되어 프리즘(61)을 삽입하여 지지할 수 있도록 소정거리 이격되어 대향되게 배치된 픽킹아암(64a)을 갖는 홀딩부(64)를 구비한다.
홀딩부(64)는 조절나사(65)에 의해 베이스(63)에 착탈할 수 있도록 되어 있고, 픽킹아암(64a) 사이에 프리즘(61)이 삽입 지지된다.
프리즘 지지부(60)는 픽킹아암(64a)에 프리즘(61)이 장착되었을 때 프리즘(61)이 회전 디스크(51)의 회전중심에 위치되도록 설치된다.
베이스(63)에는 프리즘(61)을 거쳐 입사된 광을 검출할 수 있도록 제1광검출기(91)가 설치되어 있다.
보조 회전 테이블(62)에는 프리즘(61)에 대해 박막 시료(110)를 지지할 수 있도록 설치된 시료장착부(70)가 설치되어 있다.
시료장착부(70)는 프리즘(61)에 대해 박막 시료(110)를 밀착시킬 수 있도록 된 에어 실린더(71)를 구비한다.
바람직하게는 박막시료(110)와 프리즘(61) 사이에 형성되는 미세한 공기층의 간격을 조절할 수 있도록 에어실린더(71)의 헤드가 박막 시료(110)를 프리즘(61)에 가압하는 가압력을 조절할 수 있는 압력조절기(미도시)가 구비된다.
한편, VAMFO(Variale Angle Monochromatic Fringe Observation)방식에 의한 박막 시료(110)의 두께 측정을 지원할 수 있도록 시료장착부(70)는 에어실린더(71)를 분리하고, 대신에 진공흡착기(미도시)를 교체하여 장착할 수 있도록 구조되어 있다. 진공흡착기가 장착되어 VAMFO방식에 의해 박막 시료를 측정할 때는 프리즘 홀딩부(64)를 베이스(63)로부터 분리시켜 제2미러(30h)로부터 입사되는 빔이 검사대상 시료로 직접 입사되도록 하면 된다.
리니어 스테이지(80)는 수직상으로 승하강 될 수 있는 승하강 장치(81)에 대해 슬라이딩 가능하게 설치되어 있다. 참조부호 81a는 지지프레임이고, 81b는 지지프레임(81a)에 대해 승하강될 수 있게 결합된 승하강 프레임이다.
리니어 스테이지(80)는 승하강 프레임(81b)과 경사지게 결합된 경사 가이드판(82)에 대해 제3모터(85)의 구동에 의해 진퇴 될 수 있도록 설치되어 있다.
리니어 스테이지(80)상에는 굴절율 정합액을 담는 용기(86)를 지지할 수 있는 용기 지지부(87)와, 용기(86)와 대향되는 위치에서 용기(86)를 거쳐 진행되는 광을 수광할 수 있도록 설치된 제3광검출기(93)가 설치되어 있다. 바람직하게는 용기(86)내의 굴절율 정합액에서 굴절되는 파장별 굴절률을 고려하여 광검출기(93)의 설치 위치를 조정할 수 있도록 구조된다.
리니어 스테이지(80)는 제3모터(85)의 구동에 의해 박막 시료(110)와 프리즘(61)의 접촉면에 나란한 방향으로 진퇴된다.
회전 디스크(51)의 회전각도 제어 및 각 광검출기(91 내지 93)에서 출력되는 신호를 처리하여 시료의 굴절율, 두께 및 도파 손실을 산출하는 신호 처리시스템의 예가 도 5에 도시되어 있다.
신호 처리 시스템은 각 광검출기(PD1, PD2, PD3)(91 내지 93)에서 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환시켜 통신인터페이스(121)를 통해 컴퓨터(200)로 출력하는 제어부(120)와, 제어부(120)로부터 출력된 신호에 따라 제1모터(55), 제2모터(56), 제3모터(85)를 구동하는 모터 구동부(123)(125)(127)를 구비한다. 제1모터(55)는 회전 디스크(51)를 회전 구동하는 모터이고, 제2모터(56)는 보조회전 테이블(62)를 회전구동하는 모터이고, 제3모터(85)는 리니터 스테이지(80)를 구동하는 모터이다.
바람직하게는 제1 및 제2 광검출기(91 내지 92)로부터 출력되는 신호의 이득 조절과 오프셋량을 조절할수 있도록 이득조절부(미도시) 및 오프셋 조절부(미도시)가 마련된다.
조작패널(130)상에는 측정 기능을 조절할 수 있는 각종 조작키가 마련되어 있다. 예컨대, 광검출기(91 내지 93)의 이득, 오프셋 량을 조절할 수 있는 키, 회전디스크(51)의 회전을 매뉴얼로 조잘할 수 있는 키, 에어실린더(71)의 압력을 조절할 수 있는 키, 광원(20)을 온/오프 하는 키 등 다양한 키가 마련되어 있다. 또한, 조작패널(130)상에는 광검출기(91 내지 93)의 출력신호 레벨을 사용자가 확인 할 수 있는 미터기(미도시)가 설치되는 것이 바람직하다.
제어부(120)는 회전 디스크(51)를 회전시키는 스캔 구동시 회전각 제한 검출센서인 간섭센서(57)로부터 신호가 수신되면 제1모터(55)의 구동을 중지시킨다.
컴퓨터(200)는 RS232 또는 GPIB와 같은 통신인터페이스(121)를 통해 제어부(120)와 접속된다.
컴퓨터(200)는 도 6에 도시된 바와 같이 중앙처리장치(CPU)(210), 롬(ROM)(211), 램(RAM)(212), 표시장치(220), 입력장치(230), 기억장치(240) 및 통신장치(270)를 구비한다.
기억장치(240)에는 윈도우 98, 2000, 윈도우 NT와 같은 운영체계(O/S)(250) 및 시료 측정 드라이버(260)가 설치되어 있다.
시료 측정 드라이버(260)는 운영체계(250)의 지원하에 통신장치(270)를 통해 제어부(120)로부터 수신된 신호를 처리하고, 제어부(120)를 제어한다.
시료 측정 드라이버(260)는 수신된 데이터를 사용자가 쉽게 인식할 수 있도록 각도별 데이터를 그래프로 표시하여 처리하고, 측정방식에 대한 선택메뉴를 제공한다. 또한, 취득된 데이터에 대해 사용자가 입력한 파일명으로 저장처리한다.
이러한 시료 측정 드라이버(260)는 검사대상 시료에 대해 단층, 2층, VAMFO, 벌크, 액상시료 다섯가지 타입중 어느 하나를 선택하여 굴절률과 두께를 산출할 수 있도록 메뉴를 제공한다. 또한 도파 손실 산출을 선택할 수 있는 메뉴를 제공한다. 시료 측정 드라이버(260)에 의한 단층, 2층, VAMFO, 벌크로 구분된 네가지 타입에 대한 굴절률, 두께, 도파손실율 측정과정 및 방법에 대해서는 본 출원인에 의해 출원된 국내 특허 출원 제 2001-0055294호에 상세히 개시되어 있어 세세한 설명은 선출원된 내용으로 대신한다. 참고로 선출원된 국내 특허 제 2001-0055294호에는 본원에서 시료 측정 드라이버로 명기된 요소가 박막 측정드라이버로 명명되어 있고, 그 밖의 동일 기능을 하는 일부 요소에 대해서도 보다 적합한 용어로 변경되었다.
한편, 액상시료에 대한 굴절율 측정은 벌크 타입과 같은 방식으로 수행하면 된다. 따라서, 측정 메뉴에 단층, 2층, VAMFO, 벌크 외에 추가로 액상시료 메뉴를 추가할 수도 있고, 벌크 메뉴를 이용하여 측정하여도 된다.
이하에서는 도 7 내지 도 11을 참조하면서 액상시료에 대한 굴절율 측정과정을 설명한다. 앞서 도시된 도면에서와 동일 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.
먼저, 액상시료를 측정하기 위해서 리니어 스테이지를 본체로부터 분리한 다음 측정에 관련되는 각 장치를 기동시킨다. 즉, 컴퓨터(200), 구동하고자 하는 광원을 온시킨다.
그런 다음, 시료장착부(70)에 액체시료(111)가 담긴 용기(88)를 프리즘(61)에 대향지지되게 설치한다. 즉, 액상시료(111)가 담긴 용기(88)가 바닥면과 나란하게 시료장착부(70)에 의해 지지될 수 있도록 보조회전 테이블(62)을 소정 각도 회전시킨 상태에서 도 7에 도시된 바와 같이 측정대상 액상시료(111)가 담긴 용기(88)를 프리즘(61)에 밀착시킨 상태에서 시료 장착부(60)의 에어실린터(71)가 전진하도록 조작하여 시료(110)를 장착한다.
도 8은 액상시료에 대해 굴절율을 측정할 때의 광학적 배치관계를 나타낸 것이다.
이후, 시료 측정 드라이버(260)의 영점조정 메뉴(미도시)을 조작한다. 그러면 제어부(120)는 회전 디스크(61)를 설정된 각도 범위로 회전시키면서 제2광검출기(92)에서 출력되는 신호가 최대가 되는 지점을 영점으로 판단하고, 이 각도위치를 영점으로 결정한다. 액상시료에 대한 굴절율 측정시의 영점기준은 도 9를 참조할 때 회전아암(53)이 오른쪽으로 약 45도 정도 기울인 각도 정도에서 결정된다.
영점 조정을 사용자가 미세하게 조정하고자 할 경우에는 매뉴얼로 영점 조정과 대응되는 요소를 조작하여 제2광검출기(92)를 출력되는 신호가 최대가 되게 각요소의 위치를 조정하고, 영점설정키(미도시)를 선택하면 된다.
영점조정이 완료된 것으로 판단되면, 검사대상 시료(111)에 대해 이후 취득될 데이터를 저장하기 위한 파일명 등 필요한 데이터를 물리적 파라미터 측정 드라이버에 의해 표시장치에 의해 표시된 화면내에 있는 입력창에 입력한다.
다음은 제1광검출기(91)에서 출력되는 신호가 설정된 범위내에서 가변되도록 조작패널(130)상에 마련된 이득 조절기와 오프셋량을 조절기 소정 값으로 선택한다.
그리고 나서, 회전 시작 각도와 각도 범위, 샘플링율을 설정한다.
이후 스캔키(미도시)를 조작하여 컴퓨터(200)의 표시장치(220) 또는 미터기를 통해 표시되는 광검출기(91)의 출력 신호의 레벨 및 오프셋 레벨이 적절한 지를 검토하고, 적절한 범위가 될 때 까지 위 과정을 반복한다.
제1광검출기(91)의 출력신호 레벨이 적절하다고 판단되면, 다시 스캔 각도 범위가 적절한지를 표시장치(220)를 통해 출력되는 데이터를 보고 판단한다.
스캔 각도 범위가 적절하다고 판단되면, 스캔 동안 제1광검출기(91)를 통해 취득된 데이터에 대해 굴절율을 산출하기 위한 모드를 선택한다.
즉, 단일층, 복합층, VAMFO, 벌크, 액상시료 모드 중 어느 하나를 선택할 수 있는 키(미도시)를 조작하여 액상시료 모드를 선택한다. 액상시료와 벌크모드를 공통으로 이용하도록 메뉴가 제공되는 경우에는 벌크모드를 선택하면 된다.
그러면, 시료 측정 드라이버(260)는 선택된 모드에 대응되는 연산 프로세스에 의해 측정대상 파라미터인 굴절율을 산출한다.
이러한 측정 과정은 벌크 시료 대신에 액상시료를 넣었다는 것 말고는 하드웨어적으로 프리즘 커플링 방법과 모두 같다.
이를 도 10을 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 프리즘(61)과 액상시료(111) 사이에 얇은 공기층이 형성되고, 프리즘(61)을 통해 입사된 광은 프리즘(61)과 액상시료(111)가 접하는 면에서 반사되어 제1광검출기(91)로 진행한다.
프리즘(61)에 액상시료(111)가 대향되게 놓여 있으므로 회전 아암(53)이 회전함에 따라 프리즘(61)에 대한 광의 입사각(θi)이 점점 변하게 된다.
만일 프리즘(61) 밑면에 광이 입사한 입사각(θi)이 임계각(θc) 보다 큰 상태에서 임계각(θc) 보다 작은 상태로 점점 작아 진다면, 임계각(θc) 보다 작아지기 시작하는 각도(P)에서 도 11에 도시된 그래프 처럼 갑작스런 광파의 전이가 프리즘(61)으로부터 액상시료(111)로 발생되어, 제1광검출기(91)에 도달하는 광의 강도가 갑자기 떨어질 것이다.
따라서, 프리즘 커플링 원리에 따라 입사각(θi)을 변화시키기 위해 회전 디스크(61)를 점진적으로 회전시키면, 제1 광검출기(91)에 입사되는 광량의 변화에 대한 데이터를 얻을 수 있고, 이로부터 시료(111)의 굴절율을 측정할 수 있다.
이를 보다 상세히 설명하면, 먼저, 프리즘(61)에 입사된 광의 각도변화에 따라 제1광검출기(91)에 입사되는 광량이 변하게 된다. 입사각(θi)이 전반사 도파조건을 만족하면 제1광검출기(91)에 입사되는 광량은 급격하게 떨어진다.
광량이 급격하게 하강하는 지점(P)이 전반사조건에 해당하며, 시료(111)의 굴절율(n)은 스넬의 법칙인 이하의 수학식 1과, 임계각(θc)의 관계식인 아래의 수학식 2를 이용하여 구하면 된다.
여기서, n은 구하고자하는 액상시료(111)의 굴절율이며, np는 알고 있는 프리즘(61)의 굴절율 이다.
여기서, θp는 알고 있는 프리즘의 각도이고, θi는 광량이 급격히 감소하기 시작하는 지점(P)의 입사각이다.
이러한 프리즘 커플러(100)는 광원(20)에서 광이 출사된 이후 프리즘에 도달하기 전까지 회전스테이지의 회전에 대해 편광특성이 변하질 않아 본 출원인에 의해 선출원된 프리즘 커플러 보다 스캔에 대응되어 취득되는 데이터의 정밀도가 향샹됨으로써, 측정 정밀도가 높아지고 구조가 단순화 된다.
또한, 액상시료까지도 굴절율을 측정할 수 있어 측정기능이 향상되고, 다양한 파장에 대한 액상 시료의 굴절률을 각각 측정할 수 있는 장점을 제공한다.
지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 시료의 물리적 특성 측정장치 및 방법에 의하면, 단층막, 2층막, 후막, 벌크 외에 액상시료 까지 물리적 파리미터를 측정할 수 있는 장점을 제공한다. 또한 프리즘에 대한 광의 입사각도를 변환시킬 때 편광특성이 변동되지 않음으로써 측정 정밀도가 향상된다.

Claims (14)

  1. 메인 프레임과;
    상기 메인프레임상에 프리즘을 장착할 수 있도록 설치된 프리즘 지지부와;
    상기 메인 프레임에 회전가능하게 설치되되 회전 중심선이 상기 프리즘 지지부에 장착된 프리즘을 향하도록 설치된 회전스테이지와;
    상기 프리즘으로 광이 입사되도록 상기 회전 스테이지상에 설치된 광원부와;
    상기 프리즘을 거쳐 출력되는 광을 수신하는 제1광검출기; 및
    상기 회전스테이지의 회전구동을 제어하면서 상기 제1광검출기로부터 출력되는 신호를 이용하여 상기 프리즘에 대향되게 설치된 시료의 물리적 특성을 산출하는 신호처리 시스템;을 구비하는 것을 특징으로 하는 시료의 물리적 특성 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘에 대향되게 검사대상 시료를 지지할 수 있게 상기 메인프레임상에 설치된 시료 장착부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시료의 물리적 특성 측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시료 장착부는 시료를 진공 흡착에 의해 흡착할 수 있도록 된 진공흡착기인 것을 특징으로 하는 시료의 물리적 특성 측정장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광원부는
    상기 회전 스테이지상에 설치된 적어도 하나 이상의 광원과;
    상기 광원으로부터 출사된 광이 상기 프리즘으로 입사되도록 상기 광원으로부터 상기 프리즘으로 이어지는 상기 회전 스테이지상에 설정된 광경로상에 설치되어 광경로를 변환시키는 적어도 하나 이상의 광경로 변환부재;를 구비하는 것을 특징으로 하는 시료의 물리적 특성 측정장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 회전스테이지는
    상기 메인프레임에 회전 가능하게 설치된 회전디스크; 및
    상기 회전 디스크에 결합되며 상기 회전디스크의 회전중심선과 나란한 방향으로 소정길이 연장된 아암부분을 갖는 회전아암체;를 구비하고,
    상기 광경로변환부재는 상기 회전아암체에 설치된 광원으로부터 출사된 광을 상기 회전 중심선과 나란한 방향으로 진행시키도록 상기 회전아암체 상에 설치된 제1미러와;
    상기 제1미러로부터 입사되는 광을 상기 프리즘 지지부의 프리즘장착 위치로 진행하도록 상기 회전아암체상에 설치된 제2미러;를 구비하는 것을 특징으로 하는 시료의 물리적 특성 측정장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1미러와 상기 제2미러 사이에는 빔사이즈를 조절하기 위한 핀홀이 형성된 핀홀부재가 상기 회전 아암체에 설치된 것을 특징으로 하는 시료의 물리적 특성 측정장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 핀홀부재에는 상기 핀홀과 소정간격 이격된 위치상에 상기 제1미러와 상기 제2미러를 잇는 광경로와 수직한 방향을 따라 소정 길이로 관통홈이 형성되어 있고, 상기 제2미러로부터 상기 관통홈을 통해 진행되는 광을 검출할 수 있도록 설치된 제2광검출기;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시료의 물리적 특성 측정장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 광원은 그 광출사축이 상호 나란하게 되도록 복수개 설치되어 있고,
    상기 광원 각각으로부터 출사된 광이 상기 제1미러로 이어지는 공통광로로 향하도록 상기 광경로변환부재가 더 구비된 것을 특징으로 하는 시료의 물리적 특성 측정장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광원에 각각 대응되는 하프 플레이트를 장작할 수 있도록 상기 회전스테이지상에 설치되되, 상기 공통광로로부터 상기 제1미러로 이어지는 광경로상의 소정 위치에서 광경로로 입출될 수 있도록 설치된 하프 플레이트 장착부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시료의 물리적 특성 측정장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 회전 디스크의 회전 각도 범위를 제한할 수 있도록 상기 회전 디스크상에 설치된 간섭부재와;
    상기 회전 디스크가 소정 각도로 회전될 때 상기 간섭부재에 간섭될 수 있도록 설치된 리미트 스위치;를 구비하는 것을 특징으로 하는 시료의 물리적 특성 측정장치.
  11. 제2항에 있어서, 상기 프리즘과 상기 시료 장착부에 장작된 시료와의 접합면과 나란한 방향으로 슬라이딩 가능하게 설치된 리니어 스테이지와;
    상기 리니어 스테이지상에 도파 손실 측정용 용액을 담는 용기를 지지할 수 있도록 설치된 용기지지부와;
    상기 시료로 도파되어 상기 용기를 통해 진행되는 광을 검출할 수 있도록 상기 리니어 스테이지 상에 설치된 제3광검출기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 시료의 물리적 특성 측정장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 프리즘 지지부는 상기 메인프레임에 대해 회전가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 시료의 물리적 특성 측정장치.
  13. 메인프레임에 회전 가능하게 설치된 회전스테이지와, 상기 메인 프레임에 프리즘을 장착할 수 있도록 설치된 프리즘 지지부와, 상기 회전스테이지에 설치되어 상기 프리즘으로 광을 입사시킬 수 있도록 설치된 광원부와, 상기 프리즘에서 반사된 광을 검출할 수 있는 광출기를 구비하는 측정장치를 이용한 액상시료의 굴절율 측정방법에 있어서,
    가. 액상시료가 담긴 용기를 상기 프리즘에 대향되게 설치하는 단계와;
    나. 상기 프리즘과 대향되게 지지된 용기내의 액상 시료에 대해 프리즘에 입사되는 광의 각도를 가변시키는 단계와;
    다. 상기 프리즘에 입사되는 광의 각도를 가변시키면서 광량이 하강하는 임계각도 정보를 이용하여 상기 액상시료의 굴절률을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액상시료의 굴절율 측정방법
  14. 제14항에 있어서, 상기 다 단계는 전반사 임계조건에 대한 스넬의 법칙에 의해
    과,에 의해 상기 액상시료의 굴절율을 구하고,
    상기 n은 액상시료의 굴절율이고, nP는 알고 있는 상기 프리즘의 굴절율이고, θp는 알고 있는 프리즘의 각도이고, θi는 임계각에서의 광의 프리즘으로의 입사각임을 특징으로 하는 액상시료의 굴절율 측정방법.
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