KR20050103100A

KR20050103100A - 박막의 굴절률 및 두께 측정장치

Info

Publication number: KR20050103100A
Application number: KR1020040028525A
Authority: KR
Inventors: 최태일; 김한수; 김동호; 전건익
Original assignee: 케이 비 광통신 주식회사
Priority date: 2004-04-24
Filing date: 2004-04-24
Publication date: 2005-10-27

Abstract

본 발명은 박막의 굴절률 및 두께 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일반적인 프리즘 커플러를 사용하여 측정할 수 없는 높은 굴절률을 갖는 박막의 굴절률도 측정 가능하고, 입사광의 기준점을 정밀하게 제어할 수 있어 측정의 정확성을 향상시킨 박막의 굴절률 및 두께 측정장치에 관한 것이다.

본 발명은 일정한 파장을 갖는 신호광을 피측정물에 입사시키고, 피측정물로 투과되는 출력광을 측정하여 굴절률과 두께를 컴퓨터에 의해 계산측정하는 박막의 굴절률 및 두께 측정장치에 있어서, 상기 신호광을 회전시키면서 입력하는 신호광원 입력부와, 상기 신호광원 입력부의 신호광을 일면이 격자 형상으로 형성된 커플러(그레이팅 커플러)를 통해 피측정물에 입사시키고, 피측정물로 투과되는 출력광을 측정하는 투과율측정부가 포함되는 것을 특징으로 하고, 바람직하게는 상기 신호광원 입력부의 회전축상에 피측정물인 박막, 후박, 벌크막이 놓여지는 두께측정대와, 상기 두께측정대의 높낮이를 조절하는 높이조절레버와, 상기 두께측정대의 피측정물에 반사되는 반사광을 검출하는 두께 수광부로 구성되는 두께측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

박막의 굴절률 및 두께 측정장치{MEASUREMENT APPARATUS FOR REFRACTIVE INDEX AND THICKNESS OF OPTICAL FILM}

일반적으로 박막의 굴절률과 두께를 측정하는 장치로는 프리즘 커플러를 사용한다. 상기 프리즘 커플러는 유기물 또는 무기물을 박막형태로 제작하였을 경우에 박막의 굴절률 및 두께를 레이저빔 및 광학부품을 이용하여 비파괴적으로 측정하는 장치이다. 상기 레이져빔의 입사각을 변화시키면서 프리즘의 사면에 신호광을 입사시키면, 프리즘의 사면을 통과한 후 프리즘으 바닥에 도달하게 되는데, 이 때 바닥에서 전반사를 하여 대부분은 맞은편에 위치한 검출기에서 전반사된 광을 검출한다. 그러나 특정한 입사각에서는 프리즘 밑면에서 전반사 되는게 아니라 곧바로 아래의 피측정체(주로 박막임)로 광이 세어나가게 된다. 이른바 피측정체인 박막으로의 광의 결합(coupling)현상이 발생하면, 광의 누설로 말미앎아 검출기에 도달하는 광은 그 세기가 급격히 감소하게 된다. 이것은 프리즘에서 박막 안으로의 광의 결합현상에 의해 일어나는데, 특정 입사각으로 들어온 광은 박막에서 광의 도파 조건을 만족하게 되며, 이 때문에 광 검출기에서 검출되는 광의 강도가 현저히 줄어들게 된다. 상기 광의 결합현상은 여러개의 특정한 입사각도에서 만족하게 되므로 광의 강도가 현저히 줄어드는 극소점은 여러개 존재하게 된다.

광의 강도가 극소점이 되는 여러개의 수치를 얻은 후, 이를 도파조건을 만족하는 수식에 대입하여 수치해석적인 방법으로 굴절률과 두께를 계산하여 측정한다.

국내 등록특허 제0352585호(발명의 명칭: 프리즘 커플러 장치 및 제어방법)는 프리즘 커플러에 관한 것으로, 특히 리니어 트랜스레이터(Linear Translator)를 이용하여 피측정물에 대하여 프리즘과 레이져를 정확히 배치시켜, 피측정물의 굴절률과 두께를 정확히 측정할 수 있는 장치 및 방법이 개시되어 있다.

상기 프리즘 커플러는 도5에 도시된 바와 같이 프리즘의 각도가 θ_P 이고, 프리즘의 굴절률이 n_P 인 프리즘을 이용하여, 굴절률이 n이고, 두께가 T인 박막을 밀착시킨 후에 입사각을 θi 하여 신호광을 입력시키면, 프리즘 내에서 박막에 대한 수평축(Z축)방향의 전파상수는 k_ZP = θ_P + sin^-1 (sin θi/n_P) 가 되며, 첨자 p는 프리즘을 상징한다. 이때 프리즘 밑면에 밀착시킨 피측정체인 박막에서, 광의 도파가 가능한 Z축 방향의 전파상수를 k_Zf 라면, k_ZP = k_Zf 조건이 만족되는 입사각에서 광파가 프리즘으로부터 박막으로 전이된다는 원리를 이용하여 프리즘 커플러를 만든다.

상기와 같이 프리즘 커플러를 이용하는 경우에는 광이 박막으로 전이되기 위하여 프리즘의 굴절률 n_P 가 갖추어야 할 조건으로는, “프리즘의 굴절률 n_P 는 반드시 박막의 굴절률 n보다 커야 한다”는 조건이 도파조건으로부터 나온다.

그러나 상기와 같은 프리즘 커플러에서는 박막보다 큰 굴절률을 갖는 프리즘 재료를 구하기 어렵고, 박막의 두께가 두꺼운 후막의 굴절률은 측정하기 어려운 문제점이 있다. 또한 상기와 같은 프리즘 커플러에서는 전반사가 발생되는 정확한 각도를 정하기가 쉽지 않다. 다시 말해 레이져빔을 통한 신호광이 프리즘에 입사되는 입사각에 대한 기준점을 명확하게 설정하기가 어려운 문제점이 있다(θi 의 정확한 측정이 어렵다).

한편 종래의 프리즘 커플러는 프리즘의 각도를 측정하는 기능이 없으며, 두꺼운 박막인 후막의 두께를 측정할 수 있는 기능이 복잡하다. 다시 말해 종래의 프리즘 커플러는 후막의 두께를 측정하기 위하여, 프리즘을 프리즘 커플러로부터 제거하고, 측정할 후막을 공기흡입기를 사용하여 부착하여야 하는 번거로움이 있고, 두께를 측정하기 위한 기준점이 후막의 표면에 정확히 일치해야 되지만, 공기흡입기로 박막을 지탱하면 상기 기준점을 설정하기가 매우 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 일면이 격자형상으로 형성된 그레이팅 커플러를 사용하여 높은 굴절률을 갖는 박막의 굴절률을 측정할 수 있고, 레이저빔의 입사원점을 명확히 잡고, 두께운 박막인 후막을 측정함에 있어서 새로운 부품을 제거하고 갈아끼우는 번거로움을 제거하고, 벌크재료의 굴절률을 TM 모우드의 브루스터각을 이용하여 구하며 그리고 광학부품의 모서리진 부분의 각도를 측정하기 위하여, 신호광(입사광)의 광경로상에 광분배기(Beam splitter)를 둠으로써 두 부분으로 분배하였다. 이 때 두 개로 분배된 광 중에서, 하나의 분배된 광으로는 박막의 두께 및 굴절률 그리고 박막에서 광의 전파손실을 측정하는데 사용하고, 나머지 하나의 분배된 광으로는 두꺼운 두께를 갖는 후막의 두께, 벌크재료의 굴절률 그리고 광학 부품의 모서리진 부분의 각도를 측정할 수 있는 그레이팅 커플러를 이용한 박막의 굴절률 및 두께 측정장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 일정한 파장을 갖는 신호광을 피측정물에 입사시키고, 투과되는 출력광을 측정하여 굴절률과 두께를 컴퓨터에 의해 계산측정하는 박막의 굴절률 및 두께 측정장치에 있어서, 상기 신호광을 회전시키면서 입력하는 신호광원 입력부와, 상기 신호광원 입력부의 신호광을 일면이 격자 형상으로 형성된 커플러를 통해 피측정물에 입사시키고 반사된 출력광을 측정하는 투과율측정부가 포함되는 것을 특징으로 하고, 바람직하게는 상기 신호광원 입력부의 회전축상에 피측정물인 박막, 후박, 벌크막이 놓여지는 두께측정대와, 상기 두께측정대의 높낮이를 조절하는 높이조절레버와, 상기 두께측정대의 피측정물에 반사되는 반사광을 검출하는 두께 수광부로 구성되는 두께측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 일정한 파장을 갖는 신호광을 일면이 격자형상으로 형성된 결합기인 커플러(이하 그레이팅 커플러라 칭함)를 통해 피측정물에 입사시키고, 피측정물에서 투과되는 출력광을 측정하여, 굴절률과 두께를 컴퓨터에 의해 계산측정하는 측정장치이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 박막의 굴절률 및 두께 측정장치를 상세히 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있으며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 의한 박막의 굴절률 및 두께 측정장치의 개략적인 구성도이고, 도2는 본 발명의 일실시예에 의한 박막의 굴절률 및 두께 측정장치에서 신호광의 광경로를 설명하기 위한 설명도이며, 도3은 본 발명에 의한 박막의 굴절률과 두께 측정장치에서 박막과 후막의 두께, 그리고 광학부품의 모서리진부분의 각도측정을 위한 설명도이고, 도4는 본 발명에 의한 박막의 굴절률과 두께 측정장치에서 박막의 굴절률 및 두께측정을 위한 설명도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의한 박막의 굴절률 및 두께 측정장치는 상기 도1 내지 도4에 도시된 바와 같이, 일정한 크기의 프레임(50)에, 일정한 파장을 갖는 신호광을 회전시키면서 입력하는 신호광원 입력부(100)와, 상기 신호광원 입력부(100)의 신호광을 커플러를 통해 피측정물에 입사시키고 피측정물에서 투과하는 출력광을 측정하는 투과율측정부(300)와, 상기 신호광원 입력부(100)의 신호광을 광분배기를 통해 분해하여 박막의 두께를 측정하는 두께측정부(200)를 포함하여 구성된다. 이 때 상기 신호광원 입력부(100)의 신호광의 종류는 선택적으로 할 수 있고, 상기 투과율측정부(300)와 두께측정부(200)를 통한 검출신호에 의해 박막의 굴절률과 두께의 수치해석은 도시되지 않은 컴퓨터를 통해 수행한다.

상기 신호광원 입력부(100)는 상기 프레임(50)에 고정되는 로터리 스테이지(160)와, 상기 로터리 스테이지(160)의 일측에 연결되어 상기 투과율측정부(300)와 두께측정부(200)에 일정한 신호광을 출력하며 상기 로터리 스테이지(160)의 제어에 의해 일정 속도로 회전되는 회전가이드(110)로 구성된다.

또한 상기 회전가이드(110)에는 상기 신호광을 출력하는 복수개의 광원(120)과, 상기 광원(120)의 신호광을 전반사시키는 제1반사부(130)와, 상기 제1반사부(130)를 통한 신호광을 일부분은 상기 두께측정부(200)에 출력시키고 일부분은 통과되도록 분배시키는 광분배기(Beam spliter:140)와, 상기 광분배기(140)를 통한 신호광을 상기 투과율측정부(300)에 출력되도록 전반사시키는 제2반사부(150)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 광분배기(140)의 일측에는 상기 제2반사부(150)를 통해 반사된 신호광을 검출하는 영점 수광부(145)가 더 포함되어 구성된다. 상기 신호광원 입력부(100)는 외부의 컴퓨터에 의해 제어되며, 상기 광원(120)은 635㎚, 1310㎚, 1350㎚의 파장등 다양한 광원을 사용할 수 있다.

상기 두께측정부(200)는 피측정물인 박막, 후박, 벌크 그리고 모서리진 부분의 각도를 측정하기위한 광학부품등이 놓여지는 두께측정대(220)와, 상기 두께측정대(220)의 높낮이를 조절하는 높이조절레버(230)와, 상기 두께측정대(220)의 피측정물에 반사되는 반사광을 검출하는 두께수광부(210)를 포함하여 구성된다.

상기 피측정물은 두께가 0.1㎛에서 30㎛인 것을 박막이라 칭하고, 두께가 박막의 영역에서부터 약 150 ㎛에 이르는 두꺼운 막을 후막이라 칭한다. 상기 두께측정대(220)에 놓인 피측정물은 도2에 도시된 바와 같이 로터리 스테이지(160)의 회전축과 일치되도록 먼저 높이조절레버(230)을 조절하게 된다. 그 후 회전축과 일치되면, 상기 로터리 스테이지(160)를 회전시키면서 광원(120)으로부터 신호광을 출력시키며, 출력된 신호광은 광분배기(140)를 통해 피측정물에 입사된다. 입사된 신호광은 반사되어 두께수광부(210)에 의해 광의 세기를 측정하게 된다. 이 때 상기 두께의 측정은 VAMFO(Variable Angle Monochromatic Fringe Observation)방법으로 박막에 입사한 단색광의 각도를 변화시키면서 발생한 간섭무늬의 최대값과 최소값의 위치로부터 두꺼운 박막인 후막의 두께를 측정하게 된다. 한편 여기에 벌크막를 두면 TM 모우드의 특정한 회전각에서 반사율이 최소로 측정이 되는데, 이 각을 브루스터각(brewster angle)이라고 칭하고, 브루스터각으로부터 벌크막의 굴절률이 결정된다. 그리고 동일한 위치에 모서리의 각도를 측정하고자 하는 광학 부품을 두면, 모서리의 두면에 광이 수직하게 입사되면 수직하게 약 4%가 반사되는데 이 반사광을 두면에서 측정하면 모서리의 각도도 측정할 수 있게 된다.

상기 투과율측정부(300)는 피측정물이 그레이팅커플러에 밀착되도록 장착되는 굴절률 및 두께측정대(310)와, 상기 그레이팅커플러에 의해 박막으로 투과되는 투과광을 검출하는 투과율수광부(320)와, 상기 피측정물을 통해 투과되는 투과광을 박막과 함께 굴절률 정합액(박막의 굴절률보다 굴절률이 더 높음)에 담근 후 정합액으로 누설되어 나오는 출력광을 측정하는 전파 손실측정용 수광부(325)와, 상기 피측정물을 일정한 압력으로 상기 커플러에 밀착시키는 피스톤(330)을 포함하여 구성된다. 상기 피스톤(330)은 도2에 도시된 바와 같이 일정한 압력으로 피측정물(345)을 커플러에 밀어주기 때문에 피측정물(345)에 관계없이 커플러에 밀착시킬 수 있다.

특히, 다시 강조하면 상기 커플러는 도4에 도시된 바와 같이, 일측면이 격자 형상으로 형성된 커플러를 사용하며(그레이팅커플러), 상기 그레이팅 커플러(350)는 박막의 굴절률 크기에 관계없이 박막의 굴절률을 측정하기 위한 것으로, 신호광의 광파에서 방사모드를 여기시켜서 방사모드를 피측정체인 박막으로 빠져 나가게하고 박막에서 계속 직진한 광을 투과율수광부(320)를 통해 측정한다.

이를 좀 더 상세히 설명하면, 상기 도4에 도시된 바와 같이 기준점(14)를 기준으로 입사각을 θi 로 입사하면(16), 그레이팅 커플러 내에서 Z방향 전파상수는 다음 수학식1과 같다.

k_GZ = k₀ sinθi + 2π/Λ

여기서, 전파상수 k_GZ 의 기하학적 의존성은 입사각 θi 와, 그레이팅의 격자 주기 Λ이다. 만약 그레이팅에 밀착되어 장착된 피측정체인 박막의 전파상수의 Z방향성분인 k_fZ 가 k_GZ와 같게되는 입사각 θi가 존재하면, 박막에서 광파의 도파조건이 만족되어서 광파가 그레이팅에서 박막으로 전이된다. 이 순간 광파는 투과율측정 수광부(320)에 최대로 전달되어서 입사각에 대한 검출기에 도달한 광파의 세기는 극대 피크점을 갖는다. 상기 피크점을 적어도 2개 이상 구하여 그 피크점에 해당되는 k_fZ = k_GZ (이하 본조건을 만족할시 kz 라 칭함) 광의 도파조건식인 다음의 수학식2를 적용하여 박막의 굴절률 n과 두께 T 를 구하게 된다.

2k_2XT - φ₁ - φ₃ = 2πm, m=0, 1, 2, 3, .....

여기서 , 이고, k₀는 진공중 전파상수, 이다.

상기 수학식2에서 도파모드 차수 m과 k_Z 는 측정에 의해서 확인하고, 미지수는 굴절률 n과 두께 T이므로, 적어도 2개의 도파모드를 구하면, 상기 수학식2에 의해 박막의 굴절률 n과 두께 T를 구하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 동작 효과를 설명하면, 먼저 피측정물의 두께와 굴절률을 측정하기 위해 투과율측정부(300)에 장착되는 피측정물(345)은 피스톤(330)을 작동시켜 그레이팅 커플러(350)에 밀착되도록 안착시킨다. 이 때 그레이팅 커플러(350)에 입사되는 입사각이 0도가 되도록 기준점을 정하게 된다.

일반적으로 커플러에 기준점이 수직되게 되는 경우에는 입사광의 약 4%가 반사된다. 상기 반사된 반사광은 제2반사부(150)를 통해 광분배기(140)로 조사되고, 조사된 반사광은 영점 수광부(145)를 통해 검출하여 정확한 기준점(14)을 설정하게 된다.

그 후 도4에 도시된 바와 같이 기준점(14)에 대하여 입사광(16)을 입사각(θi)에 따라 변화시키면서 입사하면, 그레이팅 커플러(350)에서 도파되어 반사율 수광부(320)를 통해 검출한다. 이 때 2개 이상의 피크점을 측정하고 상기 수학식2를 계산하는 프로그램이 내장된 외부의 컴퓨터를 통해 피측정물(345)의 굴절률이 n인 두께 T 값을 계산한다.

한편, 박막, 후막 또는 벌크막의 두께를 측정하는 경우에는 피측정물을 두께측정대(220)에 안착시키고, 광분배기(140)를 통해 신호광을 입사시킨다. 즉, 도3에 도시된 바와 같이, 두께가 T인 박막(12)에 기준점(14)을 기준으로 입사광(16)을 입사각(θi)에 따라 입사시키면 박막(12)에 반사되는 반사광(18)을 두께수광부(210)에서 검출한다. 이러한 것은 위층에서 반사된 광과 아래층에서 반사된 광간에 간에 소멸 및 보강간섭 조건을 사용하여 박막의 두께를 수치해석하여 측정한다. 한편 여기에 벌크막을 두면 TM 모우드의 특정한 회전각에서 반사율이 최소로 측정이 되는데, 브루스터각으로부터 벌크막의 굴절률이 결정된다. 그리고 동일한 위치에 모서리의 각도를 측정하고자 하는 광학 부품을 두면 모서리의 2면에 광이 수직하게 입사되면 수직하게 약 4%가 반사되는데 이 반사광을 2면에서 측정하면 모서리의 각도도 측정할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 첫째, 박막의 굴절률 크기에 상관없이 그레이팅 커플러를 통해 굴절률을 측정하고, 둘째, 광분배기를 신호광의 경로상에 삽입하므로서 정확한 입사원점의 위치를 정할 수 있고, 셋째, 후막의 두께를 측정함에 있어서 정밀도 증가 및 방법의 편리함을 추구하며, 넷째, 벌크막의 굴절률을 브루스터각을 이용하여 측정할 수 있는 편이함이 있고, 광학 부품의 각도를 로터리스테이지(160)의 분해능의 한계까지 측정할 수 있으며, 다섯째, 부품을 갈아끼울 필요가 없어서 측정기계로서의 기구적 안정성을 높일 수 있다.

도1은 본 발명의 일실시예에 의한 박막의 굴절률 및 두께 측정장치의 개략적인 구성도,

도2는 본 발명의 일실시예에 의한 박막의 굴절률 및 두께 측정장치에서 신호광의 광경로를 설명하기 위한 설명도,

도3은 본 발명에 의한 박막의 굴절률과 두께 측정장치에서 박막 및 후막의 두께측정, 벌크막의 굴절률측정 그리고 모서리진 광학부품의 각도를 측정하기 위한 설명도,

도4는 본 발명에 의한 박막의 굴절률과 두께 측정장치에서 박막의 굴절률 및 두께측정을 위한 설명도,

도5는 종래의 일반적인 프리즘 커플러를 이용한 굴절률의 측정하기 위한 설명도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 기판 12: 박막

14: 기준점 16: 입사각

100: 신호광 입력부 110: 회전가이드

120: 광원 130: 제1반사부

140: 광분배기 145: 영점 수광부

150: 제2반사부 160: 로터리 스테이지

200: 두께측정부 210: 두께수광부

220: 두께측정대 230: 높이조절레버

300: 투과율측정부 310: 굴절률 및 두께측정대

320: 투과광수광부 325: 손실측정용 수광부

330: 피스톤 350: 그레이팅 커플러

345: 피측정물(박막)

Claims

일정한 파장을 갖는 신호광을 피측정물에 입사시키고, 반사되는 출력광을 측정하여 굴절률과 두께를 컴퓨터에 의해 계산측정하는 박막의 굴절률 및 두께 측정장치에 있어서,

상기 신호광을 회전시키면서 입력하는 신호광원 입력부와, 상기 신호광원 입력부의 신호광을 일면이 격자 형상으로 형성된 커플러를 통해 피측정물에 입사시키고 반사된 출력광을 측정하는 투과율측정부가 포함되는 것을 특징으로 하는 박막의 굴절률 및 두께 측정장치.
제1항에 있어서,

상기 신호광원을 광분배기로 분배하여 신호광입력부의 회전축상에 피측정물인 박막, 후박, 벌크막 또는 모서리지는 부분의 각도를 측정하는 두께측정대와, 상기 두께측정대의 높낮이를 조절하는 높이조절레버와, 상기 두께측정대의 피측정물에 반사되는 반사광을 검출하는 두께 수광부로 구성되는 두께측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막의 굴절률 및 두께 측정장치.