KR200405304Y1 - 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치 - Google Patents

광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치 Download PDF

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KR200405304Y1
KR200405304Y1 KR2020050030660U KR20050030660U KR200405304Y1 KR 200405304 Y1 KR200405304 Y1 KR 200405304Y1 KR 2020050030660 U KR2020050030660 U KR 2020050030660U KR 20050030660 U KR20050030660 U KR 20050030660U KR 200405304 Y1 KR200405304 Y1 KR 200405304Y1
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Abstract

본 고안은 광학계를 이용하여 비접촉식으로 측정 대상의 미소 변위를 측정할 수 있는 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치에 관한 것이다.
본 고안에 의하면, 소정 파장의 광을 출력하는 광원, 상기 광원에서 출력되는 광을 시준하는 콜리메이터, 상기 콜리메이터를 통과한 광을 선형 편광시키는 선형 편광자, 상기 선형 편광자를 통과한 광을 투과시키고, 측정 대상으로부터 반사되어 편광되고 굴절 입사하는 굴절광을 반사시키는 '편광 빔 스플리터', 상기 편광 빔 스플리터로부터 입사되는 광을 투과시키고, 측정 대상으로부터 반사되어 위상 지연되어 입사하는 선형 편광된 광을 굴절시켜서 투과하는 복굴절체, 상기 복굴절체로부터 입사된 선형 편광된 광을 원형 편광의 광으로 변환시켜서 투과시키며, 측정 대상으로부터 반사된 원형 편광의 광을 선형 편광의 광으로 변환시켜서 투과시키는 위상 지연기, 상기 편광 빔 스플리터로부터 반사되는 광을 검출하는 광검출기, 및 상기 광검출기에서 검출된 광을 기초로 측정 대상의 변위를 연산하는 연산처리부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 구성에 의하면, 간단한 구성에 의하여 um 단위의 미소 변위를 측정할 수 있는 이점이 있다.
길이 측정, 미소 변위, 복굴절, 위상 지연기

Description

광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치{Non contact Type-Micro Displacement Measuring Device Using Pptical System}
도 1은, 본 고안의 일 실시예에 의한 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치의 구성도이다.
도 2는, 본 고안의 다른 실시예에 의한 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치의 구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110, 210 ; 레이저 120, 220 ; 콜리메이터
130, 230 ; 선형 편광자 140, 240 ; 편광 빔 스플리터
150, 250 ; 복굴절체 160, 260 ; 1/4파장 위상 지연기
170, 270 ; 탐침 180, 280 ; CCD
10 ; 중앙 처리기 11 ; DSP
12 ; 제어부 13 ; 변위 연산부
14 ; 기억부 20 ; 입력부
30 ; 표시부
본 고안은 미소 변위 측정기에 관한 것으로, 특히 광학계를 이용한 간단한 구성에 의하여 비접촉식으로 마이크로미터(㎛) 단위의 미소 변위를 측정하기에 적당하도록 한 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 제조 공정에 있어서의 노광 공정은 탐침과 회로 기판 사이에 일정한 거리를 유지하여야 하는 공정이다.
그리고, 반도체 제조 공정에 있어서, 탐침과 회로 기판 사이에 일정 간격이 유지 되지 않는 경우에는 설계된대로의 회로 패턴이 형성되지 않을 수 있는 문제점이 발생한다.
그러나, 종래 기술에 있어서는, 탐침과 회로 기판 사이의 미소 거리를 실시간으로 그리고 비접촉식으로 측정할 수 있는 기술이 없었다.
따라서, 반도체 제조 공정에 있어서, 탐침과 회로 기판 사이의 거리를 측정하여 탐침과 회로 기판 사이에 일정 간격이 유지되는지 여부를 실시간으로 관측할 수 있는 기술의 필요성이 대두되었다.
본 고안은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로 본 고안에 의한 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치의 목적은, 위상 지연기와 복굴절체와 편광 빔 스플리터 등의 광학계를 이용한 간단한 구성에 의하여 측정 대상의 미소 변위를 측정할 수 있는 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치를 제공하는 데 있다.
본 고안의 다른 목적은, 측정 대상에 직접 접촉하지 않더라도 측정 대상의 변위를 측정할 수 있기에 적당하도록 한 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치를 제공하는 데 있다.
본 고안의 또 다른 목적은, 예컨대 반도체 제조 공중 중 노광공정에서의 탐침과 회로 기판과 같이 일정한 거리를 유지해야 하는 시스템에 있어서, 타겟(target)의 미소 변위를 실시간으로 확인할 수 있는 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안인 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치는, 소정 파장의 광을 출력하는 광원, 상기 광원에서 출력되는 광을 시준하는 콜리메이터(Collimator), 상기 콜리메이터를 통과한 광을 선형 편광시키는 선형 편광자(Linear Polarizer), 상기 선형 편광자를 통과한 광을 투과시키고, 측정 대상으로부터 반사된 후 편광되고 굴절되어 입사하는 광을 반사시키는 '편광 빔 스플리터'(Polarization Beam Splitter), 상기 편광 빔 스플리터로부터 입사되는 광을 투과시키고, 측정 대상으로부터 반사되어 위상 지연되어 입사하는 선형 편광된 광을 굴절시켜서 투과하는 복굴절체, 상기 복굴절체로부터 입사된 선형 편광된 광을 원형 편광(Circular Polraization)의 광으로 변환시켜서 투과시키며, 측정 대상으로부터 반사된 원형 편광의 광을 선형 편광의 광으로 변환시켜서 투과시키는 위상 지연기, 상기 편광 빔 스플리터로부터 반사되는 광을 검출하는 광검출기, 및 상기 광검출기에서 검출된 광을 기초로 측정 대상의 변위를 연산하는 연산 처리부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
본 고안인 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치가, 상기 위상 지연기는, 1/4파장 위상 지연기(Quarter Waveplate)인 것을 특징으로 한다.
본 고안인 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치는, 상기 연산처리부가, 상기 광검출기로부터 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하며, 광이 검출된 위치 정보를 추출하는 DSP(Digital Signal Processor), 상기 DSP로부터 수신한 디지털 신호를 기초로 전체 구성을 제어하는 제어부, 상기 제어부의 제어에 의하여 측정 대상의 미소 변위를 연산하는 미소 변위 연산부, 설정된 측정 대상의 기준 거리와 상기 CCD에 의해서 검출된 광의 위치 정보가 저장되어 있는 기억부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 고안인 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치는, 상기 연산부가, 비례 연산에 의하여 상기 미소 변위를 연산하는 것을 특징으로 한다.
본 고안인 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치는, 상기 광검출기가, CCD(Charge Coupled Device)인 것을 특징으로 한다.
다음은 본 고안인 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 기초로 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 고안의 일 실시예에 의한 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치의 구성도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치는, 측정의 대상이 되는 측정 대상이 고정되고 탐침(170)이 움직이는 경우이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 고안의 일 실시예에 의한 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치는, 레이저(110)와 콜리메이터(120)와 선형 편광자(130)와 편광 빔 스플리터(140)와 복굴절체(150)와 1/4파장 위상 지연기(160)와 CCD(Charge Coupled Device)(180)와 중앙처리기(10)와 입력부(20)와 표시부(30)를 포함하여 구성된다.
상기 레이저(110)는 예컨대, He-Ne 레이저 또는 레이저 다이오드로 구현되어서 소정 파장의 광('빔(beam)'의 의미를 가지며, 이는 본원 명세서 전체에서 동일하다)을 출력한다.
상기 콜리메이터(120)는 상기 레이저(110)에서 나오는 광을 시준한다. 상기 콜리메이터(120)는 복수의 오목렌즈 및/또는 볼록렌즈의 조합으로 구현가능함은 물론이다.
상기 선형 편광자(130)는 상기 콜리메이터(120)를 투과한 광을 예컨대, 수평 편광으로 선형 편광시킨다.
상기 '편광 빔 스플리터'(140)는 상기 선형 편광자(140)를 통과한 광을 투과시키고, 상기 복굴절체(150)에 의해서 굴절된 굴절광을 반사시킨다.
상기 복굴절체(150)는 상기 편광 빔 스플리터(140)로부터 입사되는 광을 투과시키고, 상기 1/4파장 위상 지연기(160)로부터 입사되는 수직 편광으로 선형 편광된 광을 소정각으로 굴절시켜서 투과시킨다. 그리고, 상기 복굴절체(150)는 예컨대 방해석으로 구현가능할 것이다.
상기 1/4파장 위상 지연기(160)는, 상기 복굴절체(150)로부터 입사된 수직 편광으로 선형 편광된 광을 원형 편광(Circular Polraization)의 광으로 변환시켜서 투과시키며, 측정 대상으로부터 반사되어 원형 편광된 광을 수직 편광으로 선형 편광된 광으로 변환시켜서 투과시킨다.
그리고, 도면 부호 (170)은 탐침(probe)으로, 본원 고안에 의한 미소 변위 측정 장치는 탐침(170)과 측정 대상(O)과의 거리를 측정한다.
그리고, 상기 탐침(170)과 1/4파장 위상 지연기(160)와 복굴절체(150)는 하나의 마운트(mount)(미도시)에 구비되어 있어서, 함께 무빙(moving)한다.
상기 CCD(180)는 상기 복굴절체(150)에 의해서 굴절되어 상기 편광 빔 스플리터(140)로부터 반사되는 광을 전기적 신호로 변환하여 검출하는 광검출기이다.
상기 중앙 처리기(10)는 설정되어 있는 데이터와 검출된 광의 위치를 기초로 측정 대상의 변위를 연산한다.
상기 표시부(30)는 상기 중앙 처리기(10)에서 연산한 측정 대상의 변위를 사용자에게 표시한다.
상기 입력부(20)는 상기 중앙 처리기(10)에서 연산하는 측정 대상의 변위를 연산하기 위한 기준값을 입력하기 위한 사용자 인터페이스이다.
도 2에는 본 고안의 다른 실시예에 의한 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치의 구성도가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치는 탐침(170)이 고정되어 있고 타겟인 측정 대상이 무빙(moving)하는 경우이다.
도 2에 도시된 측정 대상이 움직이는 경우에 있어서도, 그 구성은 도 1에 도 시된 구성과 기본적으로 같으므로, 그 구성에 대한 상세 설명은 생략한다.
다음은 상기와 같은 구성을 가지는 본 고안인 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치에 의하여 측정 대상의 미소 변위를 측정하는 과정에 대하여 기술한다.
먼저, 도 1을 기초로 타겟인 측정 대상은 고정되어 있고 탐침이 움직이는 경우에 있어서 측정 대상의 미소 변위를 측정하는 과정에 대하여 기술한다.
먼저, 탐침(170)과 측정 대상(O)과의 기준 거리(d1)에서, 레이저(110)를 동작한다. 그리고, 상기 기준 거리(d1)은 입력부(20)를 통해서 입력되어져서 기억부(14)에 기억되어 있다.
상기 레이저(110)를 통해서 출력된 광은 콜리메이터(120)를 투과하고, 상기 선형 편광자(130)에 의해서 선형 편광된다. 본 고안의 일 실시예에 의한 선형 편광자(130)는 편광되지 않은 광을 도 1에 도시된 바와 같이 수평 편광(horizontal polarization)시킨다.
그리고, 상기 선형 편광자(130)에 의해서 수평 편광된 광은 편광 빔 스플리터(140)와 복굴절체(150)를 편광의 변화 없이 투과한다.
상기 복굴절체(150)를 투과한 광은 1/4파장 위상 지연기(160)를 통과하면서 '오른 원형 편광'(right circular polarization)의 광으로 편광 상태가 변환된 후 측정 대상(O)에서 반사한다.
상기 측정 대상(O)에서 반사된 광은 '왼 원형 편광'(left circular polarization)의 광으로 편광이 변환된다.
상기와 같이 측정 대상(O)에 반사되면서 '왼 원형 편광'된 광은 1/4파장 위상 지연기(160)에 입사되고, 수직 편광(vertical polarization)되어서 투과된다.
상기 1/4파장 위상 지연기(160)에 의해서 수직 편광된 광은 복굴절체(150)로 입사한다. 상기와 같이, 복굴절체(150)로 입사한 광은 처음에 편광 빔 스플리터(140)로부터 복굴절체(150)로 입사된 광과 편광 상태가 다르기 때문에 전파 속도가 다르고 그 결과 소정 각도로 굴절되어서 복굴절체(150)를 투과한다.
상기와 같이, 복굴절체(150)에 의해서 굴절된 광은 편광 빔 스플리터(140)에 의해서 반사되어서 도 1에 도시된 바와 같은 광로(I)로서 CCD(180)로 입사한다.
만약, 복굴절체(150)가 없었다면 광로는 도 1에 도시된 광로(Ⅲ)로서 CCD(180)에 입사할 것이다.
CCD(180)는 입사된 광을 검출하여 전기적 신호로 변환한다.
상기 DSP(11)는 CCD(180)로부터 입력된 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하고, 상기 제어부(12)는 상기 DSP(11)에 의해서 신호 처리된 광 검출 위치를 기억부(14)에 저장시킨다.
따라서, 중앙 처리기(10)의 기억부(14)에는 입력부(20)를 통해서 입력된 기준 거리(d1)와 상기 기준 거리(d1)에 해당하는 광 검출 위치(D1)가 기억부(14)에 기억되어 있게 된다.
이제, 탐침(170)과 측정 대상(O)(즉, 타겟)의 거리가 변화하는 경우에 있어서, 탐침(170)과 측정 대상(O)과의 변화된 미소 변위(δ)를 측정하는 과정에 대하여 기술한다.
탐침(170)이 도 1에 도시된 바와 같이 미소 변위(δ)가 일어나는 경우, 상기 탐침(170)과 함께 연동하는 1/4파장 위상 지연기(160)와 복굴절체(150)도 함께 미소 변위(δ)만큼 무빙한다.
상기와 같이 1/4파장 위상 지연기(160)와 복굴절체(150)가 미소 변위(δ)만큼 무빙하면, 상기 편광 빔 스플리터(140)와의 거리도 상기 미소 변위(δ)만큼 더 멀어지게되고, 그 결과 측정 대상에서 반사되는 광의 광로도 변경된다.
즉, 탐침(170)이 미소 변위(δ)만큼 무빙하면, 도 1에 도시된 바와 같은 광로(Ⅱ)를 형성하면서 CCD(180)의 D2 위치에 입사하게 된다.
따라서, 탐침(170)이 미소 변위(δ)만큼 무빙하면(즉, 탐침(170)과 측정 대상(O)사이의 거리가 d2로 되면), 레이저(110)에서 출력된 광은 CCD(180)의 D2 위치에서 검출된다.
그리고, DSP(11)는 CCD(180)에서 검출된 광의 픽셀 정보를 디지털 신호로 처리하고, 연산부(13)는 제어부(12)의 제어에 의해서 d1, D1, D2의 정보를 기초로 d2 정보를 연산한다.
상기 연산부(13)가 d2를 연산하는 방법은, 예컨대 식 (1)과 같은 비례식에 의하여 연산할 수 있을 것이다.
d1/d2 = D1/D2 . . . . . (1)
다음은 도 2를 기초로 탐침(270)이 고정되어 있고 측정 대상(O)이 무빙하는 경우에 있어서, 측정 대상과 탐침(270) 사이의 거리를 측정하는 방법에 대하여 설명한다.
이와 같은 경우에 있어서도 기본적으로 탐침(270)과 측정 대상(O) 사이의 거리는 상기 도 1에서 설명한 방법과 동일하다.
기준 거리(d1')를 입력부(20)를 통해서 입력하여 기억부(14)에 기억시키고, 레이저(210)를 작동시켜서 출력되는 광은 콜리메이터(220)와 선형 편광자(230)와 편광 빔 스플리터(240)와 복굴절체(250)와 1/4파장 위상 지연기(260)를 통과한 후 측정 대상(O)에 반사되고, 상기 측정 대상(O)에서 반사된 광은 '왼 원형 편광'(left circular polarization)의 광으로 편광이 변환되고, 1/4파장 위상 지연기(260)에 입사되어 수직 편광(vertical polarization)되며, 상기 1/4파장 위상 지연기(260)에 의해서 수직 편광된 광은 복굴절체(150)로 입사하며, 복굴절체(250)로 입사한 광은 굴절되어 편광 빔 스플리터(140)에 의해서 반사되어서 도 2에 도시된 바와 같은 광로(Ⅰ')로서 CCD(280)로 입사되며, CCD(280)에 입사된 광은 DSP(11)에 의해서 신호 처리되고, 제어부(12)의 제어에 의해서 기억부(14)에 저장된다.
따라서, 중앙 처리기(10)의 기억부(14)에는 입력부(20)를 통해서 입력된 기준 거리(d1')와 상기 기준 거리(d1')에 해당하는 광 검출 위치(D1')가 기억부(14)에 기억되어 있게 된다.
도 2에 도시된 광로(Ⅲ')은 복굴절체(250)가 없는 경우의 광로이다.
이제, 타겟이 움직여서 탐침(170)과 측정 대상(O)과의 거리가 d2'로 되는 경우(즉, 측정 대상(O)이 미소 변위(δ')만큼 무빙한 경우), d2'를 측정하는 과정 역시 상기에서 설명한 바와 동일하다.
즉, 측정 대상(O)이 무빙하면, 도 2에 도시된 바와 같은 광로(Ⅱ')를 형성하 면서 CCD(280)의 D2' 지점에 입사하게 되고, DSP(11)는 CCD(280)에서 검출된 광의 픽셀 정보를 디지털 신호로 처리하고, 연산부(13)는 제어부(12)의 제어에 의해서 d1', D1', D2'의 정보를 기초로 d2' 정보를 연산한다.
상기 연산부(13)가 d2'를 연산하는 방법은, 예컨대 식 (2)과 같은 비례식에 의하여 연산할 수 있을 것이다.
d1'/d2' = D2'/D1' . . . . . (2)
상기의 본 고안의 실시예는 본 고안의 기술적 사상의 일실시예에 불과하며, 동업계의 통상의 기술자에 있어서는, 본 고안의 기술적인 사상 내에서 다른 변형된 실시가 가능함은 물론이다.
상기와 같은 구성과 동작 과정을 가지는 본 고안인 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 위상 지연기와 복굴절체와 편광 빔 스플리터 등의 광학계를 이용한 간단한 구성에 의하여 측정 대상의 미소 변위를 측정할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 광학계를 이용하는 구성에 의하여 측정 대상에 직접 접촉하지 않더라도 측정 대상의 변위를 측정할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 시스템과 타겟이 소정 거리를 유지해야 하는 시스템에 있어서 타겟의 변위를 실시간으로 확인할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 소정 파장의 광을 출력하는 광원;
    상기 광원에서 출력되는 광을 시준하는 콜리메이터(Collimator);
    상기 콜리메이터를 통과한 광을 선형 편광시키는 선형 편광자(Linear Polarizer);
    상기 선형 편광자를 통과한 광을 투과시키고, 측정 대상으로부터 반사된 후 편광되고 굴절되어 입사하는 광을 반사시키는 '편광 빔 스플리터'(Polarization Beam Splitter);
    상기 편광 빔 스플리터로부터 입사되는 광을 투과시키고, 측정 대상으로부터 반사되어 위상 지연되어 입사하는 선형 편광된 광을 굴절시켜서 투과하는 복굴절체;
    상기 복굴절체로부터 입사된 선형 편광된 광을 원형 편광(Circular Polraization)의 광으로 변환시켜서 투과시키며, 측정 대상으로부터 반사된 원형 편광의 광을 선형 편광의 광으로 변환시켜서 투과시키는 위상 지연기;
    상기 편광 빔 스플리터로부터 반사되는 광을 검출하는 광검출기; 및,
    상기 광검출기에서 검출된 광을 기초로 측정 대상의 변위를 연산하는 연산처리부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 위상 지연기는,
    1/4파장 위상 지연기인 것을 특징으로 하는 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 연산처리부는,
    상기 광검출기로부터 수신한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하며, 광이 검출된 위치 정보를 추출하는 DSP(Digital Signal Processor);
    상기 DSP로부터 수신한 디지털 신호를 기초로 전체 구성을 제어하는 제어부;
    상기 제어부의 제어에 의하여 측정 대상의 미소 변위를 연산하는 미소 변위 연산부;
    설정된 측정 대상의 기준 거리와 상기 CCD에 의해서 검출된 광의 위치 정보가 저장되어 있는 기억부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 연산부는,
    비례 연산에 의하여 상기 미소 변위를 연산하는 것을 특징으로 하는 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부의 제어에 의해서 상기 연산부가 연산한 미소 변위 데이터를 표 시하는 표시부가 더 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 광학계를 이용한 비접촉식 미소 변위 측정장치.
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