KR20050119008A - Phase shifting method and system for horizontal scanning of light phase interferrometry” - Google Patents
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Abstract
본 발명은 측정물의 표면 형상을 정밀하게 측정하는 데에 이용되는 광위상 간섭 측정 방법 및 이를 이용한 측정 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an optical phase interference measuring method used to precisely measure the surface shape of a workpiece and a measuring device using the same.
본 발명의 광위상 간섭 측정 방법 및 장치는 광경로차를 발생시켜 간섭 광강도를 획득함에 있어서 기준이 되는 기준면을 측정면에 대하여 일정한 각도를 갖도록 하고, 측정면이 측정광에 대하여 수직방향으로 이동하도록 하여, 기준면에 별도의 기계적 위상 변화를 가하지 않더라도 위상 천이가 발생되는 방법 및 장치이다.The optical phase interference measuring method and apparatus of the present invention generate the optical path difference so that the reference plane, which is a reference in obtaining the interference light intensity, has a constant angle with respect to the measurement plane, and the measurement plane moves in the vertical direction with respect to the measurement light. The present invention provides a method and apparatus for generating a phase shift even without applying a separate mechanical phase change to a reference plane.
본 발명의 기준면 배치 및 측정면 이동 방법 및 측정 장치를 적용함으로써 기존의 광위상 간섭 측정 방법 및 장치가 갖고 있던 단점, 즉 간섭 신호를 획득하는 센서의 감지 영역별로 측정하기 때문에 넓은 측정 영역을 측정하기 위해서 서로 중첩되는 여러 개의 감지 영역을 측정한 후 정합시키는 과정을 거쳐야만 하는 번거로움이 해소될 수 있다.Measuring the measurement area by measuring the detection area of the sensor that acquires the interference signal, that is, the disadvantages of the conventional optical phase interference measurement method and apparatus by applying the reference plane arrangement and measurement plane moving method and measuring apparatus of the present invention In order to eliminate the trouble of having to measure and match a plurality of sensing areas overlapping each other.
본 발명은 수평 방향의 스캐닝으로 넓은 측정 영역을 측정할 수 있는 스캔 측정 방식으로서 각각의 감지 영역에서 얻은 결과들을 정합시켜서 최종적인 결과를 얻는 종래의 기술보다 그 응용 범위가 매우 넓은 유용한 기술이다.The present invention is a useful scanning technique that can be applied to a wider measurement area by scanning in the horizontal direction than the conventional technique of matching the results obtained in each sensing area to obtain a final result.
Description
본 발명은 측정물의 표면 형상을 정밀하게 측정하는 데에 이용되는 광위상 간섭 측정 방법 및 이를 이용한 측정 장치에 관한 것으로서, 측정 기준면에 별도의 기계적 위상 변화를 가하지 않고도 간섭 광강도를 획득할 수 있는 유용한 기술이다.The present invention relates to an optical phase interference measuring method used to accurately measure the surface shape of a workpiece and a measuring device using the same, which is useful for acquiring an interference light intensity without adding a mechanical phase change to a measurement reference plane. Technology.
최근의 산업계 전분야에 걸친 급속한 기술 발전은 반도체, MEMS, 평판 디스플레이, 광부품 등의 분야에서 미세가공을 요구하고 있으며, 더 나아가 현재는 나노 단위의 초정밀 제조 기술을 요구하는 단계로 진입하고 있다.Recently, rapid technological developments in all fields of the industry require micromachining in the fields of semiconductors, MEMS, flat panel displays, and optical components, and are now entering a stage requiring ultra-precision manufacturing technology in nano units.
이러한 가공에 있어서 요구되는 가공의 형상도 단순한 2차원 패턴에서 이제는 복잡한 3차원 형상으로 변화하고 있으며, 이에 따라 3차원 미세 형상을 측정하는 기술의 중요성은 더욱 부각되고 있다.The shape of processing required for such processing has also changed from a simple two-dimensional pattern to a complex three-dimensional shape, and accordingly, the importance of a technique for measuring three-dimensional fine shapes is becoming more important.
정밀 부품의 미세한 표면 형상을 측정하는 방법으로는 촉침식(Stylus type) 측정법, 주사식 전자 현미경(Scanning Electron Microscope) 측정법, 주사식 촉침 현미경(Scanning Probe Microscope) 측정법, 광위상 천이 간섭계(Phase Shifting Interferometry) 측정법, 백색광 주사 간섭계(White-Light Scanning Interferometry) 측정법, 동초점 주사 현미경(Confocal Scanning Microscope) 측정법 등이 있다.Measuring the fine surface shape of precision parts includes stylus type measurement, scanning electron microscopy, scanning probe microscope, and phase shifting interferometry. ), White-light scanning interferometry, and confocal scanning microscopy.
이러한 측정법들은 주로 2차원 평면상의 기하학적 형상, 예를 들어 원이나 선, 각도, 선폭 등을 측정하거나 패턴의 결함, 이물질, 비대칭성 등을 검사하며, 주로 광학 현미경, 조명, 그리고 CCD 카메라로 대표되는 촬상소자로 구성된 프로브 시스템과 영상처리기술에 그 바탕을 두고 있다.These methods mainly measure geometric shapes on two-dimensional planes, such as circles, lines, angles, and line widths, or inspect patterns for defects, foreign objects, and asymmetry, and are typically represented by optical microscopes, illumination, and CCD cameras. It is based on a probe system composed of imaging devices and image processing technology.
이러한 측정기술은 현재 산업계 전반에 걸쳐 주요한 측정 및 검사기술로 자리를 잡고 있으며, 고속검사 정밀측정이라는 기치 아래 많은 기술 발전이 이루어지고 있다.Such measurement technology is now becoming a major measurement and inspection technology throughout the industry, and many technological advances have been made under the banner of high-speed inspection precision measurement.
이들 측정법 중에서 백색광 주사 간섭계 측정법 및 광위상 천이 간섭계 측정법은 반도체 패턴 측정에서부터 연질재료의 표면거칠기 측정, BGA(Ball Grid Array) 볼 측정, 레이저 마킹 패턴 측정, Via Hole 측정 등 미세형상에 대한 3차원 측정 전반에 폭넓게 적용되는 비접촉식 측정법으로서 각광을 받고 있다.Among these methods, the white light scanning interferometer and the optical phase interferometer are three-dimensional measurements of micro shapes such as semiconductor pattern measurement, surface roughness measurement of soft materials, ball grid array (BGA) ball measurement, laser marking pattern measurement, and via hole measurement. It is attracting attention as a non-contact measuring method widely applied to the first half.
이들 두 가지 측정법은 서로 다른 측정 원리에 기초한 것이지만 다중파장과 단색파장을 이용한다는 점을 제외하고는 동일한 광학 및 측정 시스템에서 구현할 수 있으므로 상용화된 측정 시스템에서는 이 두 가지 측정법을 함께 이용할 수 있다.Although these two methods are based on different measurement principles, they can be implemented in the same optical and measurement system except that they use multiple wavelengths and monochromatic wavelengths, so they can be used together in commercial measurement systems.
종래의 백색광 주사 간섭계 측정법으로는 도1의 미국등록특허 제4,639,139호의 기술이나 도2의 대한민국등록특허 제173509호의 기술이 대표적이다.Conventional white light scanning interferometer measurement method is a technique of US Patent No. 4,639,139 of Figure 1 or the Republic of Korea Patent No. 173509 of Figure 2 is representative.
이들 측정법은 광 간섭 신호를 이용하는데, 광 간섭 신호란, 임의의 기준점에서 동시에 출발한 광이 각기 다른 광경로(Optical Path)를 이동한 후 합쳐질 때 두 개의 광이 지난 거리차(Optical Path Difference)에 따라 빛이 밝고 어두운 형태로 표현되는 것을 말한다.These measurements use an optical interference signal, which is the optical path difference between two light beams that originate simultaneously from any reference point and then merge after traveling through different optical paths. According to the light is expressed in a light and dark form.
두 개의 광 중에서 한 개의 광은 기준광으로서 고정밀도로 가공된 기준면(Reference Plane) 또는 기준미러에 입사되고, 다른 광은 측정광으로서 측정하고자 하는 면에 조사된다.One of the two lights is incident on a reference plane or a reference mirror processed with high precision as reference light, and the other light is irradiated on a surface to be measured as measurement light.
종래의 측정법에서 기준면은 완벽한 평면으로서 백색광 주사 간섭계 및 광위상 천이 간섭계의 광 검출소자를 통해 획득되는 영상의 간섭신호는 이 기준면에 대한 상대적인 높이 정보를 포함하게 된다.In the conventional measurement method, the reference plane is a perfect plane, and the interference signal of the image obtained through the photodetecting elements of the white light scanning interferometer and the optical phase shift interferometer includes relative height information with respect to the reference plane.
이러한 간섭신호는 사용하는 광원의 파장과 밀접한 관계가 있는데, 일반적으로는 간섭신호 간격, 즉 간섭신호의 주기는 사용하는 광원 파장의 반 파장에 해당한다.The interference signal is closely related to the wavelength of the light source to be used. In general, the interval of the interference signal, that is, the period of the interference signal corresponds to half the wavelength of the wavelength of the light source to be used.
백색광 주사 간섭계 및 광위상 천이 간섭계는 이러한 기본적인 간섭신호의 원리에 디지털 신호 처리 기술을 이용해 더욱 상세히 해석함으로써 측정면의 3차원 형상을 측정할 수 있는 것이다.The white light scanning interferometer and the optical phase shift interferometer are able to measure the three-dimensional shape of the measurement plane by interpreting the basic interference signal in more detail by using digital signal processing technology.
광위상 천이 간섭계 및 백색광 주사 간섭계의 기본적인 측정원리는 도3에 도시되어 있는 바와 같이 기본적으로는 광원으로부터의 조명광을 각각 기준면과 측정면에 조사한 후, 광분할기를 이용해 합쳐서 측정면의 영상과 줄무늬의 간섭신호를 획득하는 것이다.Basically, the measurement principle of the optical phase shift interferometer and the white light scanning interferometer is basically irradiated with the illumination light from the light source to the reference plane and the measurement plane, respectively, and then combined using a light splitter to combine the image of the measurement plane and the stripes. Acquiring an interference signal.
이러한 복수 개의 광 간섭신호 영상을 획득한 후, 광 검출소자에서 발생하는 간섭신호의 위상(Phase)을 계산함으로써 높이를 측정한다.After acquiring the plurality of optical interference signal images, the height is measured by calculating a phase of the interference signal generated by the photodetecting device.
초기의 위상 간섭 측정법은 간섭신호 추적법이라고 해서 간섭신호의 간격이 광원 파장의 반파장에 해당하는 점과 그 사이의 간섭신호 변화를 조화함수로 보간해 간접적으로 간섭신호의 위상을 계산하는 방법을 사용하였다.In the early phase interference measurement method, an interference signal tracking method is a method of calculating the phase of an interference signal indirectly by interpolating a point where an interval of an interference signal corresponds to a half wavelength of a light source wavelength and a change in the interference signal therebetween. Used.
그러나 이 방법은 측정면이 복잡한 구조를 가질 경우 간섭신호 추적이 불가능하고, 보간법을 이용하기 때문에 측정오차 및 분해능에서 상당한 제약이 있었다.However, this method is impossible to track the interference signal when the measuring surface has a complicated structure, and there is a significant limitation in the measurement error and resolution because the interpolation method is used.
하지만 간섭신호 해석법에 있어서 위상 천이법(Phase Shifting Method)이 개발되면서 nm 이하의 측정 분해능을 구현할 수 있게 되었다.However, with the development of the phase shifting method in the interference signal analysis, it is possible to realize sub-nm measurement resolution.
이 방법은 간섭신호의 위상을 강제로 이동시키는 방법으로서 도면 제3도에 나타낸 바와 같이 기준미러에 압전 구동기(PZT, Piezoelectric Transducer)와 같은 미세 구동기를 장착해 기준면을 이동시키면서 여러 장의 간섭신호를 획득하고, 이로부터 영상 내의 각 측정점에서의 간섭신호의 형태와 높이와의 수학적 관계를 해석하는 것이다.This method is a method of forcibly shifting the phase of an interference signal. As shown in FIG. 3, a micro driver such as a piezoelectric transducer (PZT) is mounted on a reference mirror to acquire several interference signals while moving a reference plane. From this, the mathematical relationship between the shape and the height of the interference signal at each measurement point in the image is analyzed.
이 방법은 1960년대에 개발되어 ‘Wyko’사에서 처음으로 산업계에 적용할 수 있는 측정기를 출시하였다.The method was developed in the 1960s and Wyko released the first measuring instrument for the industry.
그러나 이 방법은 빠른 측정속도, 높은 측정 분해능 등의 장점이 있지만, 단색 파장 조명광을 이용함에 따른 2π 모호성으로 인해 인접한 두 측정점의 높이차가 광원 파장의 1/4 이상일 경우에는 측정오차가 발생하는 단점을 갖고 있었다.However, this method has the advantages of fast measurement speed and high measurement resolution.However, due to 2π ambiguity due to the use of monochromatic wavelength illumination light, measurement error occurs when the height difference between two adjacent measurement points is more than 1/4 of the light source wavelength. Had.
백색광 주사 간섭법은 이러한 광위상 천이 간섭법의 단점을 극복하고 nm 수준의 높은 분해능을 가지는 새로운 측정법으로서 1990년대 이후부터 상용화되기 시작했다.The white light scanning interference method overcomes the disadvantages of the optical phase shift interference method and has been commercialized since the 1990s as a new measurement method having high resolution at the nm level.
이 방법은 전술한 광위상 천이 간섭법과는 달리 다중 파장의 광이 갖는 짧은 결맞춤(Coherence) 길이를 이용하는 방법이다.This method uses a short coherence length of light of multiple wavelengths, unlike the optical phase shift interference method described above.
결맞춤 길이란, 사용하는 광원의 특성으로서 간섭신호가 발생하는 광 경로 길이를 의미하며, 기준광과 측정광이 지나는 물리적인 거리차로 표현된다.The coherence length is a characteristic of the light source to be used, which means the length of the optical path in which the interference signal is generated, and is represented by the physical distance difference between the reference light and the measurement light.
레이저와 같은 광원은 이 결맞춤 길이가 수 km에 해당하므로 어떠한 상황에서도 간섭신호를 쉽게 얻을 수 있지만, 텅스텐 할로겐 램프와 같은 다중 파장의 빛은 여러 빛에 의한 간섭신호들이 서로 상호작용을 하기 때문에 대략 수 μm 이내의 거리차에서만 간섭신호가 발생하는 특징을 갖는다.A light source such as a laser can easily obtain interference signals under this coherence length of several kilometers, but multi-wavelength light such as tungsten halogen lamps are roughly because the interference signals from multiple lights interact with each other. The interference signal is generated only within a distance difference of several μm.
백색광 주사 간섭계는 백색광의 이러한 짧은 결맞춤 길이를 이용한 것으로서, 쉽게 생각하면 카메라의 자동초점 기능과 유사하다고 보면 된다.The white light scanning interferometer uses this short coherence length of white light, which can be thought of as analogous to the camera's autofocus function.
단지 카메라에서는 자동초점을 카메라 영상의 선명도(Contrast)를 이용하며, 백색광 주사 간섭계에서는 각 화소에서 발생하는 간섭신호를 이용한다.Only the camera uses auto focus for the contrast of the camera image, and the white light scanning interferometer uses the interference signal generated from each pixel.
프로브 시스템이 광축 방향으로 수십 nm의 미소 간격으로 이동하면서 영상 내의 모든 화소에서 간섭신호 발생여부를 점검한다.The probe system moves in the direction of the optical axis at minute intervals of several tens of nm and checks for interference signals in all the pixels in the image.
임의의 화소점에서의 높이는 간섭신호가 최대로 커지는 위치로 설정되며, 이를 전체 영상내의 화소에 대해 수행함으로써 3차원 형상을 산출하는 것이다.The height at an arbitrary pixel point is set to a position at which the interference signal is maximized, and the three-dimensional shape is calculated by performing this on the pixels in the entire image.
백색광 주사 간섭계는 수 μm 에 이르는 단차를 나노미터 분해능의 고정밀도로 측정할 수 있다는 장점과 위상 모호성이 없다는 장점으로 인해 최근에 그 수요가 증가하는 추세이다.White light scanning interferometers have recently been increasing in demand due to the advantages of being able to measure steps of several micrometers with high accuracy of nanometer resolution and lack of phase ambiguity.
종래의 백색광 주사 간섭계나 광위상 천이 간섭계 측정법들은 특정 측정점에서 위상이 다른 광강도를 얻기 위하여 앞서 설명한 바와 같이 광축에 수직한 방향으로 기준 미러를 미소 간격씩 움직이는 위상 천이법(Phase Shifting method)을 공통적으로 이용한다.Conventional white light scanning interferometers or optical phase shift interferometry methods commonly use the phase shifting method of moving the reference mirrors at small intervals in a direction perpendicular to the optical axis as described above to obtain light intensity out of phase at specific measurement points. Use as.
이하에서는 이들 간섭계 측정법의 특징을 도4에 도시된 내용을 중심으로 설명하고자 한다.Hereinafter, the characteristics of these interferometer measuring methods will be described based on the contents shown in FIG. 4.
예를 들어 도4에 나타낸 바와 같이 3개의 광강도만을 가지고 측정물의 표면 형상을 측정하는 방법을 고려하자. 이 알고리즘을 사용하기 위해서 위상이 각각 0도, 90도, 180도인 광강도값이 필요하다고 가정한다.For example, consider a method of measuring the surface shape of a workpiece with only three light intensities as shown in FIG. In order to use this algorithm, it is assumed that a light intensity value having a phase of 0 degrees, 90 degrees, and 180 degrees is required, respectively.
이를 얻기 위해서 먼저 미소 구동 메커니즘이 작동되지 않은 기준 상태에서 영상을 1장 획득하고, 다음으로 사용하는 광원의 파장(λ)의 1/8 거리 만큼 이동시킨 상태에서 2번째 영상을, 그리고 마지막으로 파장의 1/4 거리 만큼 이동시킨 후 3번째 영상을 획득한다.In order to achieve this, first, one image is obtained in a reference state in which the micro-driving mechanism is not operated, and then the second image is moved with the distance of 1/8 of the wavelength (λ) of the light source to be used next, and finally, the wavelength. After moving the 1/4 distance of, obtain the third image.
이렇게 하면 광 검출 소자에 대응하는 화소점은 위상이 다른 3개의 광강도 값을 가지며, 이를 이용하여 측정면의 3차원 형상을 복원할 수 있고, CCD(전하 결합 소자, Charge Coupled Device)와 같은 광 검출소자의 화소점(pixel)으로 이루어진 전체 감지 영역(FOV, Field of View)에서 측정 신호가 발생되는 것이다.In this way, the pixel points corresponding to the photodetecting elements have three light intensity values that are out of phase, and can be used to restore the three-dimensional shape of the measurement surface, and use a light such as a CCD (charge coupled device). across the sensing area (FOV, f ield f V iew o) consisting of the pixel point (pixel) of the detector element to which the measuring signal is generated.
이때 획득하는 영상의 개수(N)는 사용하고자 하는 알고리즘에 따라 다르며, 이에 따른 기준면의 이동량은 사용하는 광원 파장를 N등분한 값에 해당한다.In this case, the number N of images acquired depends on the algorithm to be used, and the amount of movement of the reference plane corresponds to the value obtained by dividing the wavelength of the light source to be used by N.
각각의 알고리즘으로는 1963년 프랑스의 카레(Carre')가 제시한 방법으로부터 최근의 A-버킷(Bucket)에 이르기까지 다양한 위상 계산 수식이 존재한다.Each algorithm has various phase calculation formulas ranging from the method proposed by Carre 'of France in 1963 to the latest A-bucket.
3개의 영상을 이용하는 가장 단순한 3점 측정법(Three Measurement)에 의하면 위상차 φ는 1번째 영상의 광강도가 I1, 2번째 영상의 광강도가 I2, 3번째 영상의 광강도가 I3 인 경우, 다음의 수학식으로 결정된다.According to the simplest three-point measurement method using three images, the phase difference φ is obtained when the light intensity of the first image is I 1 , the light intensity of the second image is I 2 , and the light intensity of the third image is I 3 . , Is determined by the following equation.
[수학식 1] [Equation 1]
측정점의 높이는 다음 수학식으로 산출된다.The height of the measuring point is calculated by the following equation.
[수학식 2] [Equation 2]
기타 4점 측정(Four Measurement), Hariharan 5점 측정, Carre' 방정식 등의 수식들에 대해서는 교과서나 논문 등에 자세히 기재되어 있고, 본 발명은 알고리즘의 전개 형태에 특징이 있는 기술은 아니므로 여기에서는 상세한 알고리즘의 적용에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.Equations such as Four Measurement, Hariharan Five Measurement, and Carre 'Equation are described in detail in textbooks and papers. The description of the application of the algorithm will be omitted.
기존의 광위상 간섭법에서의 위상 천이(phase shifting) 방법은 기준면 또는 측정면을 광축 방향(또는 측정에 사용되는 광이 진행하는 방향)으로 미소 간격씩 이동(스테핑 또는 스캐닝)시키는 것을 기본으로 하고 있다.The phase shifting method in the conventional optical phase interference method is based on shifting the reference plane or the measurement plane (stepping or scanning) by minute intervals in the direction of the optical axis (or the direction in which the light used for the measurement proceeds). have.
종래의 방법은 기준면 또는 측정면을 광축 방향으로 미소 간격 이동시키기 위하여 도1 및 도2에 나타낸 바와 같이 압전 구동기(PZT, Piezoelectric transducer)와 PZT 드라이버를 사용하며, 기준 미러의 위치를 정밀하게 제어해야만 한다.The conventional method uses a piezoelectric transducer (PZT) and a PZT driver as shown in Figs. 1 and 2 to move the reference plane or the measurement plane in the optical axis direction in small intervals, and must precisely control the position of the reference mirror. do.
또한 이러한 측정 위상 천이 방법을 사용한 광위상 간섭 측정법은 간섭 신호를 획득하는 광 검출 소자(일반적으로 CCD 카메라)의 감지 영역(FOV, Field of View)만큼을 한번에 측정하며, 넓은 영역을 측정하기 위해서는 서로 중첩되는 여러 감지 영역을 측정한 후 정합(stitching)이란 과정을 통하여 넓은 영역의 측정 데이터를 맵핑하는 스텝 측정 방식을 사용한다.Optical Phase interferometry using this measure the phase shift method also measures the light detecting element to obtain an interference signal detection region (typically a CCD camera) (FOV, F ield o f V iew) by one time, and measuring a large area In order to measure the overlapping sensing areas, a step measuring method is used to map measurement data of a wide area through a process called stitching.
그러나, 이러한 측정 방법은 LCD, PDP, 유기 EL 등의 디스플레이 장치와 같이 넓은 영역의 표면이 측정되어져야만 하는 경우에는 매우 비효율적인 방법으로서 신속한 표면 측정을 근본적으로 저해하는 요인이 된다.However, such a measuring method is a very inefficient method when a large area surface must be measured, such as a display device such as an LCD, a PDP, or an organic EL, and is a factor that fundamentally inhibits rapid surface measurement.
또한, 중첩되는 영역만큼은 불필요하게 이중으로 측정되는 단점을 갖는 것이고, 정합의 과정 또한 별도의 데이터 처리 시간을 요하기 때문에 스캐닝을 하며 표면을 측정할 수 있는 혁신적인 기술의 도입이 절실이 요구된다.In addition, the overlapping area has the disadvantage of unnecessarily double measurement, and since the matching process also requires a separate data processing time, it is urgently required to introduce an innovative technology that can measure the surface by scanning.
본 발명은 기존의 기준 미러 또는 측정물의 기계적 위상 변화 방식을 탈피하여 기계적 메커니즘이 필요하지 않는 위상 천이 방식을 제시하며, 이를 통하여 기존의 스텝 측정 방식이 아닌 수평방향의 스캐닝을 통하여 대영역을 측정할 수 있는 스캔(scan) 측정 방식을 구현한 것이다.The present invention provides a phase shift method that does not require a mechanical mechanism by escaping the mechanical phase change method of the conventional reference mirror or the measured object, and through this, it is possible to measure a large area through horizontal scanning rather than the conventional step measurement method. It is an implementation of a scan measurement method.
앞에서 설명한 바와 같이 임의의 한 측정점의 높이 정보를 계산하기 위해서는 최소 3개 이상의 위상차가 나는 광강도(intensity)값이 필요하다.As described above, in order to calculate the height information of any one measurement point, at least three phase difference intensity values are required.
이를 기계적인 광경로차(optical path difference)의 변화없이 획득하기 위해서 본 발명에서는 2차원 공간상에 광경로차가 발생하도록 하는 기준미러 형상을 도입하고, 이 영역 내에 임의의 한 측정점을 추적하여 원하는 광경로차가 발생할 때 광 강도를 획득하도록 한다.In order to obtain this without changing the optical path difference, the present invention introduces a reference mirror shape for generating an optical path difference in a two-dimensional space, and traces any one measurement point in this area to a desired view. The light intensity is obtained when a rocha occurs.
획득된 복수개의 광 강도는 종래의 알고리즘에 따라 해석함으로서 해당 측정점의 높이값을 계산한다.The obtained plurality of light intensities are analyzed according to a conventional algorithm to calculate the height value of the corresponding measuring point.
반도체 Wafer, LCD 판넬 등과 같이 전 영역 혹은 일부 선택 영역에서 고속 측정과 스캐닝에 의한 연속 측정이 가능하도록 하는 것이 본 발명이 해결하고자 하는 가장 중요한 기술적 과제이다. The most important technical problem to be solved by the present invention is to enable continuous measurement by high-speed measurement and scanning in all or some selected areas such as semiconductor wafers and LCD panels.
본 발명의 광위상 간섭 측정 방법 및 장치는 광경로차를 발생시켜 간섭 광강도를 획득함에 있어서 도5에 나타낸 바와 같이 기준이 되는 기준면 또는 기준미러를 측정면에 대하여 일정한 각도를 갖도록 하고, 측정물의 측정면이 측정광에 대하여 수직방향으로 이동하도록 하여 기준면에 별도의 기계적 위상 변화가 가하여지지 않더라도 위상 천이가 발생될 수 있도록 하는 방법 및 장치이다.In the optical phase interference measuring method and apparatus of the present invention, the reference plane or the reference mirror as a reference plane as shown in FIG. A method and apparatus for causing a phase shift to occur even if a separate mechanical phase change is not applied to a reference plane by moving the measurement plane in a vertical direction with respect to the measurement light.
본 발명의 기준면 배치 및 측정면 이동 방법 및 장치를 적용함으로써 기존의 광위상 간섭 측정 방법 및 장치가 갖고 있던 단점, 즉 간섭 신호를 획득하는 광 검출 소자의 감지 영역(FOV)만큼만 측정할 수 있어, 넓은 영역을 측정하기 위해서는 서로 중첩되는 여러 개의 감지 영역을 측정한 후 정합시키는 스텝 측정 과정을 거쳐야만 하는 단점을 근본적으로 극복할 수가 있다.By applying the reference plane arrangement and measurement plane movement method and apparatus of the present invention, it is possible to measure only the disadvantage of the conventional optical phase interference measurement method and apparatus, that is, only the detection area (FOV) of the optical detection element that acquires the interference signal, In order to measure a large area, it is possible to fundamentally overcome the disadvantage of having to go through a step measuring process in which several sensing areas overlapping each other are measured and matched.
앞에서도 설명한 바와 같이 임의의 특정 측정점의 높이 정보를 계산하기 위해서는 최소 3개 이상의 위상차가 나는 광 강도(intensity)값이 필요하다.As described above, in order to calculate the height information of any particular measurement point, at least three phase difference light intensity values are required.
본 발명에서는 이를 기계적인 광 경로차(optical path difference)의 변화없이 획득할 수 있도록 2차원 공간상에 광 경로차가 발생하게 기준 미러 형상을 도입하고, 이 영역 내에 임의의 한 측정점을 추적하면서 원하는 광경로차가 발생할 때 광강도를 획득하여, 이를 알고리즘에 따라 복수개로 획득/해석함으로서 해당 측정점의 높이값을 계산하는 방식을 안출하였다.In the present invention, a reference mirror shape is introduced so that an optical path difference occurs in a two-dimensional space so that the optical path difference can be obtained without changing the optical path difference, and a desired sight point is tracked while tracking any one measurement point in this area. The light intensity was obtained when the rocha occurred, and the method of calculating the height value of the corresponding measurement point was devised by acquiring / analyzing a plurality of them according to an algorithm.
이하 도6을 참조하여 본 발명의 측정 원리를 설명한다.Hereinafter, the measuring principle of the present invention will be described with reference to FIG.
먼저 설명을 간단하게 하기 위하여 3개의 위상변화만을 이용하여 높이를 계산하는 알고리즘을 이용한다고 가정하고, 이를 위하여 각각의 위상이 0도, 90도, 180도 차이가 나는 3개의 광 강도 정보를 추출한다고 가정한다.First, for simplicity, it is assumed that an algorithm that calculates the height using only three phase changes is used. For this purpose, three pieces of light intensity information having a phase difference of 0 degrees, 90 degrees, and 180 degrees are extracted. Assume
도6에서 측정점 A가 광 강도를 획득하고자 하는 위치라고 할 때, 1단계에서 첫번째 광 강도값을 획득한다. 그리고 측정면이 그림에서와 같이 스캐닝 축으로 일정 거리(ι)만큼 이동한 후 두번째 광 강도값을 획득하고, 다시 측정면이 일정거리 이동하였을 때 3번째 광 강도값을 획득한다.In FIG. 6, when the measurement point A is a position to acquire the light intensity, the first light intensity value is acquired in step 1. FIG. Then, as shown in the figure, the second light intensity value is obtained after moving the scanning axis by a certain distance (ι), and the third light intensity value is obtained when the measuring plane is moved by a certain distance.
이때 이동거리 ι은 첫번째 광 강도값 획득위치를 기준으로 할 때 사용하는 광원 파장(λ)의 1/8이 되어야 한다.At this time, the moving distance ι should be 1/8 of the light source wavelength λ used when the first light intensity value is obtained.
기준면이 그림에서와 같이 측정면이 놓인 평면에 대하여 θ의 기울기를 가진다고 가정할 때 이송거리 ι은Assuming that the reference plane has an inclination of θ with respect to the plane on which the measurement plane lies, as shown in the figure, the transport distance ι is
[수학식 3] [Equation 3]
의 관계를 가진다.Has a relationship with
즉 측정점 A는 그림에서와 같이 스캐닝 축으로 등속으로 이동하면서, 상기 수식을 만족하는 지점에서 광강도 정보를 획득한 후 마지막 지점에서 계산된다.That is, the measurement point A is calculated at the last point after obtaining the light intensity information at the point satisfying the above equation while moving at a constant velocity along the scanning axis as shown in the figure.
그리고 측정면 상의 A 다음에 위치한 측정점도 이와 같은 방법으로 높이를 계산한다. 즉 측정물을 스캐닝 축으로 등속 이동하면서 센서 내에 위치한 모든 측정점의 높이 정보를 추출할 수 있게 된다.The height of the measuring point next to A on the measuring surface is calculated in this manner. That is, it is possible to extract the height information of all the measuring points located in the sensor while moving the workpiece at the same speed on the scanning axis.
수학식1을 좀 더 포괄적으로 기술하면, 사용하고자 하는 알고리즘에서 변화시켜야 하는 위상 변화량이 φ(radian)일 경우 수학식 3은 다음과 같이 표현될 수 있다.In more comprehensive description, Equation 1 may be expressed as follows when the amount of phase change to be changed in the algorithm to be used is phi (radian).
[수학식 4] [Equation 4]
위 수식에서 θ값은 기준면과 광축에 수직한 평면이 이루는 기울기를 나타내는 것으로서, 사용하는 알고리즘에 해당하는 처음과 마지막 광 강도 획득위치의 관계로부터 계산할 수 있다.In the above equation, θ represents the slope between the reference plane and the plane perpendicular to the optical axis, and can be calculated from the relationship between the first and last light intensity acquisition positions corresponding to the algorithm used.
이 값은 수학식 4와 관련이 있으며 기준면이 가져야 하는 설계 요소에 해당한다.This value is related to Equation 4 and corresponds to the design element that the reference plane must have.
[수학식 5] [Equation 5]
수학식 5에서 는 광원의 파장, φ는 각 광강도값 사이에서 가져야 하는 위상 변화량, ι은 각 광강도 획득 위치 사이의 물리적 거리에 해당한다.In equation (5) Where is the wavelength of the light source, φ is the amount of phase change that should be between each light intensity value, ι is the physical distance between each light intensity acquisition position.
이와 같이 본 발명의 가장 중요한 부분은 측정면에 대하여 각도를 가지는 기준면을 생성하는 것이다.Thus, the most important part of the present invention is to generate a reference plane having an angle with respect to the measurement plane.
종래의 기술은 기준면이 측정면에 대하여 평행하게(θ=0°) 되도록 설치한 것이었다.The prior art has been provided so that the reference plane is parallel to the measurement plane (θ = 0 °).
본 발명에 있어서는 광경로차를 발생시켜 간섭 광강도를 획득함에 있어서 도5 및 도6에 나타낸 바와 같이 기준이 되는 기준면 또는 기준 미러를 측정면에 대하여 일정한 각도를 갖도록 하고, 측정면은 측정광에 대하여 수직방향으로 이동하도록 하여 위상차가 발생하도록 한다.In the present invention, in generating the optical path difference to obtain the interference light intensity, as shown in Figs. 5 and 6, the reference plane or reference mirror, which is a reference, has a constant angle with respect to the measurement plane, and the measurement plane The phase difference is caused to move in the vertical direction with respect to.
본 발명에서는 위상차를 발생시키는 기준면을 여러가지 형태로 하여 광 강도값을 측정할 수 있는데, 실시예 1은 도7의 (a)에 나타낸 바와 같이 블레이즈(Blaze) 격자를 이용하는 것이다.In the present invention, the light intensity value can be measured by using various forms of reference planes for generating a phase difference. In Example 1, a blaze grating is used as shown in Fig. 7A.
블레이즈 격자란 도7 (a)에 나타낸 바와 같이 격자 면이 좌우 대칭 구조가 아니라 격자면에 대하여 각도를 가진 것을 말한다.The blaze lattice means that the lattice plane has an angle with respect to the lattice plane, as shown in FIG.
이 격자를 이용하여 블레이즈 격자의 파셋(facet) 면이 측정광 진행 방향에 대하여 수직이 되도록 설치할 경우 기준면은 측정면에 대하여 θ의 각도를 가지게 되는 것이다.Using this grating, when the facet plane of the blaze grating is installed perpendicular to the direction of measurement light, the reference plane has an angle of θ with respect to the measurement plane.
이때 격자 패턴의 피치 간격은 센서의 분해능보다 작게 제작하여야 한다.At this time, the pitch interval of the grid pattern should be made smaller than the resolution of the sensor.
이 방법을 이용할 경우 측정광이 파셋 면에 수직으로 입사한 후 반사되므로 기준면의 각도에 상관없이 최대의 광효율을 사용할 수 있다는 장점을 가진다.In this method, since the measurement light is incident after being reflected perpendicularly to the facet plane, the maximum light efficiency can be used regardless of the angle of the reference plane.
다음으로 실시예2는 평면 미러를 기울이는 방법으로서, 이 방법은 도7 (b)에 나타낸 바와 같이 기존의 평면 미러를 측정광의 진행 방향에 대하여 일정한 각도(θ)만큼 기울여 설치하는 것이다.Next, Example 2 is a method of tilting a planar mirror. As shown in FIG.
이 방법은 θ값이 작을 때 적용 가능하며,기존의 광위상 간섭 시스템의 평면형 기준 미러를 사용할 수 있기 때문에 간편하게 구현이 가능한 방법이다.This method is applicable when the value of θ is small and can be easily implemented because the planar reference mirror of the existing optical phase interference system can be used.
또다른 실시예는 쐐기 형태의 미러를 사용하는 방법으로서 도7 (c)에 나타낸 바와 같다.Another embodiment is a method of using a wedge shaped mirror as shown in Figure 7 (c).
본 발명의 경사진 기준 미러의 채택은 도1에 나타낸 미국등록특허 4,639,139호의 구성 중에서 광로상에 놓인 기준 미러를 일정 경사각을 갖도록 배치하는 형태로도 적용이 가능하다.Adopting the inclined reference mirror of the present invention is also applicable to the configuration of the reference mirror placed on the optical path of the configuration of US Patent No. 4,639,139 shown in FIG.
그 밖에 본 발명의 광위상 간섭 측정 방법 및 장치가 갖는 특징인 기준미러 또는 기준면을 측정면에 대하여 일정한 각도를 갖도록 하는 구성으로서 위에서 언급한 실시예 이외의 방식으로서 해당 기술 분야의 종사자가 통상적으로 채택할 수 있는 구성 또한 본 발명의 기술 내용에 포함되는 것이다.In addition, it is a configuration in which the reference mirror or reference plane, which is a characteristic of the optical phase interference measuring method and apparatus of the present invention, has a constant angle with respect to the measurement plane, and is generally adopted by those skilled in the art as a method other than the above-mentioned embodiments. Possible configurations are also included in the technical contents of the present invention.
본 발명의 요부 구성으로 측정 시스템을 구축함에 있어서는 도1이나 도2에 나타낸 바와 같이 컴퓨터, 영상보드, 인터페이스 회로, 모니터 등의 구성이 필요하며, 측정물을 이송하는 이송 메커니즘도 갖추어야 한다.In constructing the measurement system with the main configuration of the present invention, as shown in Figs. 1 and 2, a configuration of a computer, an image board, an interface circuit, a monitor, and the like is required, and a transfer mechanism for transferring the measurement object is also required.
통상 종래의 광위상 간섭 측정 장치에서는 측정물을 놓아 두는 스테이지가 수평방향으로 움직일 수 있도록 스텝 모터 등의 구동 수단을 구비하고 있으므로, 본 발명의 측정면이 측정광에 대하여 수직 방향으로 이동되도록 하는 구성도 도8에 나타낸 바와 같이 X방향 이송 스테이지와 Y방향 이송 스테이지로 용이하게 구현할 수가 있다.In general, the conventional optical phase interference measuring apparatus is provided with a driving means such as a step motor so that the stage on which the workpiece is placed can move in the horizontal direction, so that the measuring surface of the present invention is moved in the vertical direction with respect to the measuring light. As shown in FIG. 8, it can implement easily with a X direction feed stage and a Y direction feed stage.
위상차를 발생시키는 방향, 즉 기준 미러가 기울어진 방향으로 측정 대상물을 이송하는 Y방향 이송 스테이지의 구성은 본 발명에서 매우 중요한 요소이며, 특히 Y방향 이송 스테이지의 정밀한 이송 제어를 위한 이송 메커니즘의 도입이 필요하다.The configuration of the Y-direction conveying stage for conveying the measurement object in the direction in which the phase difference is generated, that is, the direction in which the reference mirror is inclined, is a very important element in the present invention. need.
이송 스테이지의 세부 구성은 각종 측정 장비나 초정밀 기계 가공 장치 등에서 통상 채택되는 공지된 리니어 모터 이송 메커니즘, 벨트 구동 메커니즘 등이 필요에 따라 선택되어질 수 있다.The detailed configuration of the conveying stage can be selected as required by known linear motor conveyance mechanisms, belt drive mechanisms, and the like, which are commonly employed in various measuring equipment, ultra-precision machining equipment and the like.
또한 도8에 나타낸 본 발명의 광위상 간섭 측정 장치에 있어서, 광원은 종래의 단일 파장 광원이나 다중 파장 광원이 필요에 따라 선택적으로 사용되어 단일 파장 광원을 사용하는 경우에는 광위상 천이 간섭계 방식의 해석이, 다중 파장 광원을 사용하는 경우에는 백색광 주사 간섭계 방식의 해석이 적용 될 수 있으며, 광 검출소자도 평면형 CCD나 복수개의 리니어 CCD 또는 Photo Detector Array 등이 필요에 따라 채택될 수 있다.In addition, in the optical phase interference measuring apparatus of the present invention shown in Fig. 8, a conventional single wavelength light source or a multi wavelength light source is selectively used as necessary, and when the single wavelength light source is used, analysis of the optical phase shift interferometer method In the case of using a multi-wavelength light source, an analysis of a white light scanning interferometer method may be applied, and a photodetector may be adopted as a planar CCD, a plurality of linear CCDs, or a photo detector array as necessary.
광 검출소자로서 CCD 이외에 공지된 광 센서류를 채택하는 등의 해당 기술 분야 종사자가 통상 행할 수 있는 설계 변경 사항 또한 본 발명이 청구하고자 하는 권리의 범위에 포함되는 것이다.Design changes that can be commonly made by those skilled in the art, such as adopting known optical sensors other than CCDs as the optical detection elements, are also included in the scope of the claims to which the present invention claims.
본 발명의 광위상 간섭 측정 장치는 측정 대상물의 표면을 Y방향으로 수평 방향 스캐닝한 후 측정 대상물의 양단부 중에서 한 곳에 이르면 X방향으로 일정 위치 이송시켜 다시금 수평방향 스캐닝하고, 측정 대상물의 다른 단부에 이르면 X방향으로 다시금 일정 위치 이송시켜 스캐닝하는 과정을 순차적으로 진행함으로써 넓은 측정 영역을 용이하게 측정할 수가 있다.The optical phase interference measuring apparatus of the present invention scans the surface of the measurement object in the horizontal direction in the Y direction, and then reaches one of both ends of the measurement object, transfers it to a certain position in the X direction, and scans in the horizontal direction again, and reaches the other end of the measurement object. It is possible to easily measure a wide measurement area by sequentially carrying out the scanning process by transferring the predetermined position again in the X direction.
본 발명은 기준면에 별도의 기계적 위상 변화를 가하지 않더라도 위상 천이를 발생시킬 수 있는 방법 및 장치이다.The present invention is a method and apparatus capable of generating a phase shift even without applying a separate mechanical phase change to a reference plane.
본 발명의 기준면 배치 및 측정면 이동 방법 및 측정 장치를 적용함으로써 기존의 광위상 간섭 측정 방법 및 장치가 갖고 있던 단점, 즉 간섭 신호를 획득하는 센서의 감지 영역별로 측정하기 때문에 넓은 측정 영역을 측정하기 위해서는 서로 중첩되는 여러 개의 감지 영역을 측정한 후 정합시키는 과정을 거쳐야만 하는 번거로움을 근본적으로 극복할 수가 있다.Measuring the measurement area by measuring the detection area of the sensor that acquires the interference signal, that is, the disadvantages of the conventional optical phase interference measurement method and apparatus by applying the reference plane arrangement and measurement plane moving method and measuring apparatus of the present invention In order to fundamentally overcome the hassles of measuring and matching several sensing regions overlapping each other.
즉, 본 발명은 각각의 감지 영역에서 얻은 결과들을 정합시켜서 최종적인 결과를 얻는 기존의 스텝 측정 방식이 아닌 수평 방향의 스캐닝으로 넓은 측정 영역을 측정할 수 있는 스캔 측정 방식으로서 그 응용 범위가 매우 넓다.That is, the present invention is a scan measurement method that can measure a wide measurement area by scanning in the horizontal direction, rather than a conventional step measurement method that matches the results obtained in each detection area to obtain a final result, and its application range is very wide. .
또한 본 발명은 위상 천이 발생을 위하여 압전 구동기를 필요로 하지 않으며 따라서 압전 구동기 드라이버의 구성도 배제할 수 있고, 기존의 광위상 간섭 측정 장치에 사용되는 이송 메커니즘과 이송 제어 수단을 위상 천이 발생을 위한 기본 구성으로서 병용할 수가 있어, 구성 부품의 수를 줄일 수 있는 효과도 갖는다.In addition, the present invention does not require a piezoelectric driver to generate a phase shift, and thus can also eliminate the configuration of the piezoelectric driver driver. It can be used together as a basic structure, and it also has an effect which can reduce the number of components.
도1은 종래의 광위상 간섭 측정 방법 및 장치(미국등록특허 제4,639,139호)1 is a conventional optical phase interference measuring method and apparatus (US Patent No. 4,639,139)
도2는 종래의 광위상 간섭 측정 방법 및 장치(대한민국등록특허 제173509호)Figure 2 is a conventional optical phase interference measuring method and apparatus (Korean Patent No. 173509)
도3은 종래의 광위상 간섭 측정 방법의 기본 개념도3 is a basic conceptual view of a conventional optical phase interference measuring method
도4는 종래의 광위상 간섭 측정 방법에서의 위상 천이 개념도4 is a conceptual diagram of phase shift in a conventional optical phase interference measuring method;
도5는 본 발명의 광위상 간섭 측정 방법에서의 위상 천이 개념도5 is a conceptual diagram of phase shift in the optical phase interference measuring method of the present invention
도6는 본 발명의 광위상 간섭 측정 방법의 개념도6 is a conceptual diagram of the optical phase interference measuring method of the present invention
도7은 본 발명의 광위상 간섭 측정의 주요 구성 요소인 경사진 기준 미러7 is an inclined reference mirror which is a main component of the optical phase interference measurement of the present invention.
도8은 본 발명의 광위상 간섭 측정 장치Figure 8 is an optical phase interference measuring apparatus of the present invention
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