KR20070012488A

KR20070012488A - 표면의 3차원 검사 및 측정을 위한 이중 기술(공초점 및간섭계) 광학 프로필로미터

Info

Publication number: KR20070012488A
Application number: KR1020067024000A
Authority: KR
Inventors: 페란 라구아르타 베르트라느; 로게르 아르티가스 푸르살스; 크리스티나 카데발 아르티구에스
Original assignee: 유니베르시타트 폴리테크니카 데 카탈루냐
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2007-01-25
Also published as: EP1739471B1; KR100854976B1; CA2562380A1; JP4521028B2; JP2007534019A; ATE372528T1; EP1739471A1; DE602005002361T2; TWI355508B; US20070165241A1; CN100498416C; ES2243129A1; CN1961238A; WO2005103790A1; TW200538757A; ES2243129B1; DE602005002361D1; CA2562380C; US7636167B2

Abstract

본 발명은 표면의 3차원 검사 및 측정을 위한 이중 기술(공초점 및 간섭계) 광학 프로필로미터에 관한 것이다. 본 발명은 다음을 포함한다 : 광원(LED), (적어도 하나는 편광인) 빔 분할기, 조명 패턴 발생 수단(LCOS 마이크로 디스플레이), 및 공초점 이미지를 얻을 때 사용될 수 있는 통상적인 렌즈 및 간섭계 이미지를 얻을 때 사용될 수 있는 간섭계 렌즈인 교환 가능한 현미경 렌즈. 본 발명에 따라, 마이크로 디스플레이는 일련의 조명 패턴을 발생시켜 공초점 이미지를 얻거나, 전체 조명 픽셀들을 모두 개방시켜 간섭계 이미지를 얻을 수 있게 한다. 본 발명의 프로필로미터의 디자인은 간결하며, 서로 다른 물질을 함유하는 구조화 또는 층화된 샘플을 포함하는 모든 종류의 표면 형태와 재질을 접촉하지 않고도 마이크로 및 나노 스케일로 빠르게 측정할 수 있게 한다.

3차원 검사, 공초점, 간섭계, 프로필로미터, 광원(LED)

Description

표면의 3차원 검사 및 측정을 위한 이중 기술(공초점 및 간섭계) 광학 프로필로미터{DUAL TECHNOLOGY (CONFOCAL AND INTEREROMETRIC) OPTICAL PROFILOMETER FOR THE INSPECTION AND THREE-DIMENSION MEASUREMENT OF SURFACES}

본 발명은 표면의 3차원 검사 및 측정을 위한 이중 (공초점 및 간섭계) 기술 광학 프로필로미터에 관한 것으로, 상세하게는 광 계측학, 즉 측정 장치와 분석 대상 샘플 간에 물리적인 접촉이 없는 광 계측학 기술 분야에 관한 것이다.

어떠한 물체 표면의 지형에 대한 지식을 필요로 하는 제품들은 무수히 많으며, 이에 따라 그 현미경적 형태를 결정할 필요가 있다. 이러한 분석은, 예컨대 품질 제어 공정의 일부를 형성한다.

물질에 대한 새로운 제품과 새로운 제조공정이 도입되면 표면 검사를 위한 과정과 광학 프로필로미터의 발전을 위한 시장의 요구가 조직적으로 증가하게 된다.

이와 관련하여, 현재 광 표면 계측학 시장을 지배하기 위해 이미지 형성에 기초한 두 가지 기술이 최근 치열하게 경쟁하고 있다.

공초점 기술과 간섭계 기술은 모두 표면 지형을 정밀하게 그리고 마이크로 및 나노 스케일로 신뢰성 있게 측정할 수 있게 한다.

그러나, 이하에서 설명되는 바와 같이, 공초점 기술과 간섭계 기술에 포함된 측정 원리는 서로 매우 다르고, 결과적으로 두 기술의 성능은 서로 일치하기보다는 상호 보완적이다.

공초점 프로필로미트리( confocal profilometry )

공초점 프로필로미터는 표면상의 각 지점이 초점을 통과하도록 샘플을 단계별로 수직 스캔함으로써 다양한 재질을 갖는 표면(매우 거친 표면으로부터 매우 매끄러운 표면까지)의 높이를 측정할 수 있게 한다. 각 지점에서 샘플의 높이는 축 응답의 최대값을 갖는 지점을 탐지하여 확정한다. 표면상의 오직 하나 또는 매우 소수개의 지점이 동시에 조명되기 때문에, 사용 렌즈의 보기 영역 내에 있는 모든 지점에 대한 각 수직 단계에 있어서의 축 응답 즉, 공초점 이미지를 구축하기 위해서는 평면 스캔(in-plane scan)이 수행되어야 한다.

이러한 종류의 필로필로미터의 예가 예컨대, 유럽특허 제EP O,485,803호에 기술되어 있으며, 조명 어레이 및 검출기 어레이를 구비한 공초점 빔의 경로를 사용한 광학 장치에 대해 언급하고 있다. 조명 어레이의 이미지는 물체 표면 상이나 그 주변의 초점 면에 맺힌다. 초점 면에서 반사된 방사선은 CCD 장치의 수신기 표면 상으로 빔 분할기에 의해 직접 보내진다. 조명 어레이의 수신기 표면상으로의 영상화는 수신기의 광민감성 영역이 공초점 조리개로 작용하도록 수행된다. 초점 면 외부로 산란된 빛만을 수용하는 검출기 부재로부터의 신호는 평가에 고려되지 않거나 독립적으로 고려된다.

미국특허 제5,239,178호는 조명 격자 및 검출기 격자가 물체와 관련된 공초 점 장에 마련되는 유사 광학 장치를 개시하고 있다. 조명 격자는 크기가 가변적으로 형성된 예컨대, LED 격자로 구비될 수 있다.

간섭계 프로필로미트리( interferometric profilometry )

이 경우, 광빔은 빔 분할기를 통과한다. 빔의 일부는 샘플의 표면으로 보내지고, 다른 일부는 기준 거울로 보내진다. 이들 표면에서 반사된 빛은 재결합되고 간섭 무늬 패턴을 형성한다.

간섭계 프로필로미터는 매우 매끄러운 표면의 지형을 나노미터 이하의 해상도로 측정할 수 있는 위상 전이 간섭계 (PSI; phase shift interferometry)를 사용한다. 초점에 위치해야 하는 샘플은 고도로 정밀한 파장 부분으로서 단계적으로 수직 스캔된다. 프로파일화 알고리즘은 표면의 위상 지도(phase map)를 생성하고, 이는 소정의 연속화 과정에 의해 그 대응되는 높이 지도(height map)로 변환된다.

간섭계 프로필로미터는 또한 매끄럽거가 적당히 거친 표면 지형을 측정하기 위해 백광의 수직 주사 간섭계 (VSI; vertical scanning interferometry)를 사용한다. 간섭 무늬 콘트라스트비의 최대값은 샘플 표면상의 각 지점에 대한 초점의 최적 지점에서 생긴다. 샘플은 표면상의 각 지점이 초점을 통과하도록 단계적으로 수직 스캔된다. 각 지점에서의 표면 높이는 간섭 그림의 포락선(envelope)의 최대 위치를 검출함으로써 얻어진다.

이러한 종류의 프로필로미터의 예는 간섭계 표면 프로필로미터에 대해 언급한 미국특허 제5,563,706호에서 기술하고 있다. 기준 표면과 샘플 표면에서 반사된 빛은 빔 분할기를 통해 영상화 광학 시스템으로 보내지고, 위의 두 표면에서 반 사된 빛으로부터 형성된 간섭 무늬는 검출 광학 시스템에 의해 관찰된다. 정렬 광학 부재는 정렬 광학 부재의 후 초점 면이 이미지 면에 위치하게 되도록 영상화 광학 시스템과 간섭 무늬의 이미지 면 사이의 광학 경로에 배치된다.

예컨대, 미국특허 제6,665,075호는 위상 전이 간섭계(PSI)를 사용하고, 송신기, 빔 분할기, 위상 변환기 및 수신기를 추가적으로 포함하는 영상 시스템을 기술하고 있다. 송신기는 측정 펄스와 기준 펄스로 분할되는 펄스 신호를 전송한다. 측정 펄스는 샘플에 인가되고, 대비되는 위상 전이는 수신기에 의해 검출되는 결합 펄스를 형성하기 위해 재결합되는, 위상 변환기에 의한 두 펄스 사이에 도입된다.

미국특허 제6,636,317호는 수직으로부터 입사 광빔으로 약간 경사지도록 배치된 빔 분할기를 제공한다. 광학 간섭계 설명에 있어서, 입사 광빔은 빔 분할기에 의해 직각으로 교차되는 두 개의 광학 경로로 분할된다. 각 광학 경로에서, 반사광은 제1반사 유닛에 의해 모두 반사되며, 송신광은 제2반사 유닛에 의해 모두 반사된다. 이들 반사 유닛에 의한 반사광은 빔 분할기에 의해 다시 파동 결합되고, 광 수신기에 의해 수신된다.

이상에서 언급된 PSI 및 VSI 간섭계는 마이크로미터 및 나노미터 스케일로 매우 빠른 측정을 수행할 수 있다. 또한, VSI 기술은 그 수직 측정 범위에 있어서 본질적인 제한은 없다. 그러나, 이들 두 가지 기술은 고도로 경사지고 매끄러운 표면을 갖거나 서로 다른 물질을 함유하는 구조화된 샘플을 용이하게 다룰 수 없는 단점을 가지고 있다.

PSI 장치는 사용자가 0.1 ㎚보다 작은 스케일의 모양 및 재질감을 측정할 수 있도록 한다. 그러나, 극도로 제한된 수직 측정 범위에 있어서는 단점을 가지고 있다.

이상에서 기술한 바와 같은 이미지 형성에 기초한 공초점 프로필로미터는 간섭계 기술에 관한 여러 가지 문제점들에 대한 해결책을 제공하며, 심지어 최적의 측면 해상도가 가능한 광학 시스템을 제공할 수도 있다. 그러나, 개구수 값으로 부과된 수직 해상도의 한계와, 0.1 ㎚ 수준의 반복 재현성을 달성하지 못하는 한계를 가지고 있다.

공초점 프로필로미터에는 고배율 및 개구수가 각각 최대 150X 및 0.95인 렌즈가 사용될 수 있다. 한편, PSI 및 VSI 장치에 가능한 배율은 실제상으로 50X로 제한된다. 고배율을 달성하려면 다른 종류의 렌즈를 사용하여야 가능하나, 이는 고비용이고 비실용적이다.

따라서, 나노미터 이하 스케일의 해상도를 갖는 서로 다른 물질 샘플의 모양, 재질 등을 결정하기 위해 매끄럽거나 비교적 거친 표면 대표값을 소정의 경사도로 제공할 수 있는 프로필로미터를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명은 비물리적 접촉식 표면 측정을 위한 새로운 광학 표면 계측 장치를 제공한다. 두 가지 기술의 장점을 결합시킨 이중 (공초점 및 간섭계의) 기술 프로필로미터로서, 콤팩트한 크기에 이동부가 없는 장치이다.

본 발명의 프로필로미터는 공초점 프로필로미터 또는 간섭계 프로필로미터로 사용될 수 있기 때문에, 적용 범위가 다양하며 보다 큰 장점을 제공하기에 유용하다. 결과적으로, 본 발명의 이중 기술 광학 프로필로미터는 샘플의 표면 분석에 필요한 모든 특징들을 제공하며, 나노미터 범위의 종횡비를 갖는 매우 평탄하고 매끄러운 표면을 재현성있고 정확하게 측정하는 데 적합하다.

본 발명의 프로필로미터는 또한 매우 큰 종횡비와 가파른 경사를 가진 매우 거친 표면을 측정할 때 사용될 수 있다. 높이 측정은 또한 같은 장치를 사용해서 위에서 언급한 바와 같은 서로 다른 물질과 경사면을 포함하는 구조화되고 층화된 샘플에 대해서 수행될 수 있다.

본 발명은 발광 다이오드, 빔 분할기, CCD 장치 및 교환 가능한 다수의 현미경 렌즈를 포함하여 구성되는 이중 (공초점 및 간섭계의) 광학 프로필로미터를 제공한다. 상기 교환 가능한 현미경 렌즈는 공초점 이미지를 얻을 때 사용될 수 있는 종래의 렌즈와 간섭계 이미지를 얻을 때 사용될 수 있는 간섭계 렌즈를 포함하여 구성된다. 이들 교환 가능한 현미경 렌즈는 모두 회전 부재 상에 장착되어 원하는 종류의 프로필로미터 기능에 따라 용이하게 바꿀 수 있도록 되어 있다.

본 발명의 프로필로미터에는 실리콘 상의 액정(LCOS; liquid crystal on silicon) 마이크로 디스플레이를 포함하여 구성되는 조명 패턴 발생 수단이 마련된다. LCOS 마이크로 디스플레이는 소정의 알고리즘을 적용하여 공초점 이미지를 제공하는 일련의 조명 패턴을 발생 가능케 하거나, 조명 픽셀을 모두 개방시켜 간섭계 이미지를 얻을 수 있도록 한다. 프로필로미터는 마이크로 디스플레이와 결합된 편광 빔 분할기를 마련함으로써 완성된다.

발광 다이오드는 바람직하게 2 내지 10 ㎛ 범위의 결맞음 길이(coherence length)의 빛 스펙트럼을 방출한다. 상기한 범위에서 위상 전이의 간섭계 프로필로미트리 기술(PSI) 또는 백광 수직 스캔의 프로필로미트리 기술(VSI) 모두를 적용할 수 있다. 방출 광 스펙트럼의 결맞음 길이에 적합한 값의 범위는 4 내지 6 ㎛이다.

마지막으로, 프로필로미터는 표면상의 모든 지점들이 초점을 통과하도록 소정의 샘플에 수직 스캔 과정을 수행하기 위한 스캔 시스템을 포함한다. 스캔 과정은 공초점 프로필로미트리 및 간섭계 프로필로미트리(PSI 및 VSI) 모두에 필요하다.

샘플의 표면 형태 측정을 위한 수직 스캔 과정은 모터 구동식 수단 또는 압전 구동식 수단(PZT; piezoelectric-driven means)일 수 있는 수직 스캔 시스템에 의해 수행된다. 상기 두 시스템(모터 혹은 압전 구동식 수단)은 모두 개방 루프 또는 바람직하게는 폐쇄 루프 시스템에 의해 조절될 수 있다.

이러한 간단한 구조적 구성으로 견고하고 콤팩트한 디자인의 비접촉식 측정기기인 프로필로미터를 제공하며, 이는 공정제어 단계에서 어려운 위치, 예컨대 경사진 위치에서 측정을 수행하는, 예컨대 로봇의 팔에 부착될 수 있다.

본 발명에 따른 이중성 (공초점 및 간섭계의) 프로필로미터는 공초점 이미지화 및 프로파일화 장치로서 작동될 수 있거나, 간섭계 이미지화 및 프로파일화 장치로서 작동될 수 있어, 상부에 렌즈가 장착된 회전 부재에 의해 상기 장치상에 적합한 현미경 렌즈를 단순히 선택함으로써 표면을 분석할 수 있다.

본 발명의 프로필로미터는 서로 다른 물질을 함유하는 구조화되거나 층화된 샘플을 포함하는 모든 종류의 표면의 모양 및 재질을 마이크로 및 나노미터 스케일로 정확하게 측정할 만큼 다방면으로 매우 유용하다.

본 발명의 프로필로미터는 여러 가지로 다양하게 응용하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 프로필로미터는, 예컨대 홈, 구성 또는 톱니 모양의 마디, 예컨대 마이크로 렌즈 및 마이크로 프리즘으로서 혹은 Si 상의 마이크로 가공된 표면으로서의 마이크로 광학 구조의 그것과 같은 급경사의 연마 표면, 또는 예컨대 종이와 같이 가파르고 거칠면서 잘 반사되지 않는 표면, 예컨대 광학 혹은 전자 마이크로 장치와 같이 서로 다른 물질을 함유하는 매우 낮은 거칠기를 갖는 표면, 장 봉합(field stitching) 등의 사양으로 측정될 수 있는, 예컨대 몰드, 주화 혹은 웨이퍼와 같이 다른 재질이면서 비교적 큰 사이즈의 표면을 보이는 표면 등과 같이 높은 종횡비 표면을 측정하는 데 사용될 수 있다.

본 발명의 프로필로미터의 이중 작동은 아래와 같이 실행된다.

공초점 모드에서, 사용자는 종래의 현미경 렌즈를 선택해서 본 모드와 연관된 획득 프로그램을 활성화시킨다. 광원(LED)는 조준기 및 편광 빔 분할기(PBS)를 통과하는 조절된 광빔을 방출한다. PBS에 의해 반사된 빛은 LCOS 마이크로 디스플레이 상에 낙하되며, 각각의 대표 조명 패턴에 대한 각 픽셀에 할당된 상태에 좌우되는 편광으로 반사된다. LCOS에 의해 반사된 빛은 서로 다른 편광 사이에서 구별되는 PBS와 보조 광학 시스템을 다시 한번 통과하게 되고, 또 다른 빔 분할기에 의해 현미경 렌즈로 반사된다. 광빔은 측정하게 될 샘플 표면상에 낙하되고, 그 위에서 LCOS에 의해 발생된 광 패턴이 투영된다. 샘플 표면상에서 반사되거나 확산된 빛은 다시 한번 현미경 렌즈, 빔 분할기 및 보조 광학 시스템(장 렌즈)를 통과해서 동시에 초점에 샘플 표면의 이미지가 투영되는 CCD 장치상에 낙하된다.

공초점 모드에서, 샘플 표면상의 오직 하나 또는 소수의 점들은 LCOS 마이크로 디스플레이 상으로 묘화되는 조명 패턴에 의해 동시에 조명되고, 각 점들에 대한 축 응답은 적합한 알고리즘을 사용해서 계산된다. 측정하게 될 표면상의 모든 점들을 포함하기 위해, 보기 장 내에 낙하되는 모든 점들에 대한 축 응답 값을 얻도록 일련의 조명 패턴이 위 표면상으로 투영되어야 한다. 이때, 공초점 이미지는 각 점에 대한 축 응답에 대응되는 값이 초점 위치에 가까우면 가까울수록 더 커지는 특정의 수직 지점에서 얻어진다. 이와 같이, 공초점 이미지는 매우 높은 콘트라스트비를 제공하는 데, 이는 빛이 초점 가까운 영역에서만 인지되고, 초점에서 먼 영역에서는 어둡게 나타나기 때문이다.

표면 형태의 측정에는 다른 높이에 위치한 샘플의 다른 면 내에서 일련의 공초점 이미지가 필요하다. 이들 이미지에 기초하고 적합한 소프트웨어를 사용하여, 표면의 3차원 재구성을 얻어낸다. 이들 일련의 이미지를 얻기 위해서 필요한 것은 샘플의 수직 스캔 시스템이다.

이상과 같은 공초점 모드에 있어서, 프로필로미터는 특이한 측면 해상도의 측정을 수행 가능하게 한다. 이는 공간 표본화의 값을 종래 150X 렌즈에 대해 0.10 ㎛까지 감소시킬 수 있게 하고, 임계 치수를 나노미터 스케일로 이상적으로 측정할 수 있게 한다. 본 모드에서, 개구수(NA; numerical aperture)가 큰 렌즈를 사용할 수 있으며, 이는 경사도가 매우 큰(최대 70°) 연마 표면 측정을 가능하게 한다. 초대형 작동 거리(SLWD; super large working distance)를 갖는 렌즈를 사용하는 것도 또한 가능하여, 큰 종횡비를 갖는 표면도 측정 가능하게 한다. 모든 경우에 있어서, 서로 다른 물질을 함유한 구조화 샘플도 역시 측정할 수 있다.

간섭계 모드에 있어서, 사용자는 간섭계 현미경 렌즈를 선택하고, 이 렌즈와 관련된 획득 프로그램을 또한 활성화시킨다. 공초점 모드와는 대조적으로, 마이크로 디스플레이는 그 모든 픽셀을 개방시켜 바로 분석하게 될 전체 표면을 조명한다. 즉, 간섭계 모드에 있어서, 조명 패턴은 투영되지 않고 그 대신에 전체 표면을 조명하여 분석 대상 각 면에 대한 간섭계 이미지를 얻는다. 방출 빔은, 모든 광을 샘플 표면으로 보내는, 분할기를 통과하고, 표면 이미지는 CCD 장치상으로 투영된다. 샘플의 수직 스캔을 통해 얻는 일련의 간섭계 이미지는 분석대상 샘플의 표면 형태를 적합한 알고리즘에 의해 제공한다.

본 모드에서, PSI 기술은 나노미터 이하의 수직 재현성으로 연속적이고 매우 매끄러운 표면을 사용되는 간섭계 렌즈, 즉 모든 개구수의 값과는 상관없이 측정할 때 사용될 수 있다. 마찬가지로, VSI 기술은 모든 개구수 값에 대한 나노미터급의 수직 재현성으로 연마 표면이나 거친 표면을 측정할 때 사용될 수 있다. 또한, VSI 기술에 의해 수직 측정 범위는 본질적으로 제한되지 않으며, 매우 큰 스캔 속도(최대 100 ㎛/s)를 사용할 수 있다.

본 발명의 프로필로미터는 이상에서 살펴본 기능 모드의 프로그램을 관리하는 컴퓨터 시스템을 포함하며, 텍스트, 이미지 또는 그래프 형태로 표시되는 결과를 모니터에 표시한다. 표시 데이터는 표준 현미경, 샘플 표면의 공초점 및 간섭계 이미지뿐만 아니라, 측정 지형의 예컨대 등척성, 윤곽선 또는 프로파일 대표값, 히스토그램, 고속 푸리어 변환(FFT; fast Fourier transform) 등이다.

소프트웨어를 설계하여 분석 대상 표면의 지형학적 파라미터(높이, 폭, 경사, 체적)를 분석 파라미터(거칠기, 파상도 등)와 함께 결정하도록 하고, 데이터의 필터링이나 보간 기능을 실행할 수 있게 하여 비측정된 점들을 재저장토록 한다. 소프트웨어는 또한 텍스트 형식 혹은 이진 파일 형태로 데이터를 추출하도록 설계되며, 보고서 출력을 가능하게 한다.

본 발명의 이중 기술 광학 프로필로미터에 기반한 측정 장치는 프로필로미터의 광축에 수직인 평면에서 X-Y 이동되는 두 단계를 포함하는 샘플 정위 시스템을 구비함으로써 완성된다. 이들 단계는 수동 조작될 수 있거나, 모터 구동식으로 조작될 수 있다. 이때, 프로필로미터의 자체 소프트웨어는 샘플 표면의 위치 정하기가 조이스틱에 의해 사용중인 렌즈의 보기 장 내에서 측정될 수 있도록 하고, 또한 장 봉합 기술에 의해 렌즈의 보기 장 너머로 확장되는 프로파일 또는 지형을 지형학적으로 자동 측정 가능하게 한다. 측정 장치는 또한 보기 장에서 나타나는 다수의 간섭 무늬를 최소화하기 위해 PSI 및 VSI 간섭계 기술을 사용할 때 필요한 팁-틸트(tip-tilt) 단계를 구비함으로써 완성될 수도 있다.

이하에서는 표면의 3차원 검사 및 측정에 대한 이중 기술 광학 프로필로미터의 구현예를 설명한다. 본 발명의 프로필로미터의 특징 및 장점들은 더욱 명확해질 것이다. 본 명세서에 첨부되고 본 발명에 따른 광학 프로파일러(profiler)를 도식적으로 나타낸 개념도를 비제한적인 예로서 참조하여 이하에서 설명한다.

본 명세서에 포함된 도면에 예로서 나타낸 이중 기술 광학 프로필로미터는 일반적으로 (1)로 나타내었다.

도시된 이중 기술 광학 프로필로미터(1)는 기본적으로 480 ㎚의 파장과 램버트(Lambert) 발광 패턴을 갖는 고전력 발광 다이오드로 구성되는 광원(2)을 포함하여 구성된다. 발광 다이오드(2)에 의해 방출된 빛의 스펙트럼은 2 내지 10 ㎛, 바람직하게는 4 내지 6 ㎛ 범위의 결맞음 길이를 가지므로 위상 전이 간섭계 프로필로미트리 기술(PSI) 및 수직 스캔 백광 프로필로미트리 기술(VSI) 모두에 적용 가능하다.

광학 프로피로미터(1)는 또한 빔 분할기(3, 4)를 포함하며, 그 중 하나는 마이크로 디스플레이(5)에 결합된 편광 빔 분할기(3)이다.

회전 지지체(9) 상에 장착되는 세 개의 현미경 렌즈(6, 7, 8)는 용이하게 교환 가능하며, 사용자가 사용하기 원하는 프로필로미터(1)의 작동 모드에 의존하여 기능한다. 현미경 렌즈(6, 7, 8)는 공초점 이미지를 얻을 때 사용될 수 있는 통상적인 렌즈이고, 간섭계 이미지를 얻을 때 사용될 수 있는 간섭계 렌즈이다.

상기 마이크로 디스플레이(5)는 조명 패턴 발생 수단의 일부를 형성한다. 도시된 구현예에 있어서, 상기 마이크로 디스플레이(5)는 일련의 조명 패턴을 발생시킬 수 있는 강유전체 실리콘 상의 액정(F-LCOS; ferroelectric liquid crystal on silicon) 마이크로 디스플레이이다. 이들 일련의 조명 패턴은 공초점 이미지를 얻을 수 있게 하거나 조명 픽셀 모두를 전체 개방시켜 간섭계 이미지를 얻을 수 있게 구성함으로써 프로필로미터(1)가 공초점 모드 또는 필요 시 간섭계 모드에서 작동될 수 있도록 한다.

보조 광학 시스템(14, 15)은 또한 현미경 렌즈(6, 7, 8)와 함께 작동되도록 구성되어 상기 LCOS 마이크로 디스플레이(5)의 평면 이미지가 CCD 장치(12) 상에 교대로 투영되는 샘플(1) 표면상에 투영되도록 한다.

공초점 모드에서, 능동 현미경 렌즈(8)는 통상적인 현미경 렌즈이고, 상기 작동 모드와 결합된 획득 프로그램이 또한 활성화된다. 상기 광원(LED)(2)은 광빔이 편공 빔 분할기(PBS)(3)에 도달하기 전에 조준기(10)에 의해 조준되는 변조 광빔을 방출한다. PBS에 의해 반사된 광빔의 일부는 LCOS 마이크로 디스플레이(5) 상에 낙하되며, 표현되는 각 조명 패턴에 대한 각 픽셀에 할당되는 상태에 따라 편광을 갖고 반사된다. LCOS(5)에 의해 반사된 빔은 PBS(3)와 광학 시스템(15)을 다시 한번 통과하고, 빔 분할기(4)에 의해 도 1에 보인 바와 같은 현미경 렌즈(8)에 반사된다. 광빔은 측정하게 될 샘플(11) 표면상에 낙하되고, 그 위에서 LCOS에 의해 발생된 광 패턴이 투영된다(5). 샘플 표면상에서 반사되거나 확산된 빛은 현미경 렌즈(8)와 빔 분할기(4) 및 보조 광학 시스템(장 렌즈)(14)를 다시 한번 통과하여 프로필로미터의 CCD 장치(12) 상으로 낙하된다.

샘플 표면은 LCOS 마이크로 디스플레이(5) 수단에 의해 일련의 조명 패턴으로 조명되고, 보기 장, 즉 초점 평면의 공초점 이미지 내로 낙하되는 모든 점에 대한 축 응답값을 얻는 데 적합한 알고리즘을 사용한다. 이들 공초점 이미지는 콘트라스트비가 매우 큰데, 이는 초점과 가까운 영역에서만 빛이 인지되고 초점과 먼 영역에서는 어둡게 나타나기 때문이다.

표면 지형 측정은 샘플(11)을 수직 스캔 시스템(13)에 의해 수직 스캔함으로써 달성되고, 이에 따라 다양한 높이에 위치한 샘플(11)의 다른 평면상에서 일련의 공초점 이미지를 얻게 된다. 이들 이미지에 기초하여, 그리고 적합한 소프트웨어에 의해, 샘플(11) 표면의 3차원 재구성을 얻게 된다. 분석 대상 표면(11)의 각 지점에 대해, 상기 소프트웨어는 최대 축응답이 얻어지는 지점에서의 지형적 좌표값을 결정한다.

수직 스캔 시스템(13)은 모터 구동식 수단 또는 압전 구동식 수단(PZT; piezoelectric-driven means)을 포함하여 구성된다. 이들 시스템(모터 또는 압전 구동식 수단)은 모두 개방 루프 혹은 바람직하게는 폐쇄 루프 시스템으로 제어된다.

이상 살펴본 모드에 있어서, 큰 종횡비의 표면 측정을 가능하게 하는 초대형 작동 거리(SLWD)를 갖는 렌즈뿐만 아니라, 매우 큰 경사도(최대 70°)의 연마 표면 측정을 가능하게 하는 큰 개구수(NA; numerical aperture)의 렌즈를 사용할 수 있다. 이들 모든 경우에 있어서, 서로 다른 물질을 함유하는 구조화된 샘플도 측정할 수 있다.

간섭계 모드에 있어서, 능동 현미경 렌즈(8)는 간섭계 현미경 렌즈이고, 이 렌즈와 결합된 획득 프로그램이 또한 활성화된다. 이때, 마이크로 디스플레이(5)는 모든 픽셀들을 개방시켜 바로 분석하게 될 전체 표면(11)을 조명하게 된다. 여기서, 조명 패턴은 투영되지 않지만, 그 대신에 전체 면적(11)이 조명되어 각 분석 대상 평면에 대한 간섭계 이미지가 얻어진다. 방출 빔은 분할기(4)를 통과하고, 광빔을 샘플(11) 표면으로 보내고, 표면에서 반사되어 CCD 장치(12) 상으로 낙하된다. 샘플의 수직 스캔으로부터 얻어진 일련의 간섭계 이미지는 분석 대상 샘플의 표면 지형을 적합한 알고리즘에 의해 제공한다.

본 발명의 이중 (공초점 및 간섭계의) 기술 광학 프로필로미터가 첨부된 도면에 따라 어떻게 구성되는지를 충분하게 설명하였으므로, 첨부된 특허청구범위에 요약된 바와 같은 본 발명의 요지를 변경하지 않는 한, 구체적인 수정 사항을 본 발명에 적합하게 도입시킬 수 있을 것이다.

Claims

광원(2), 빔 분할기(3, 4) 및 일련의 현미경 렌즈(6, 7, 8)를 포함하여 구성되며, 추가적으로 조명 패턴 발생 수단(5)을 포함하고, 상기 현미경 렌즈(6, 7, 8)는 교환 가능하고, 상기 현미경 렌즈(6, 7, 8)는 샘플(11) 표면의 공초점 이미지를 얻을 때 사용되는 통상적인 렌즈, 및 샘플(11) 표면의 간섭계 이미지를 얻을 때 사용되는 간섭계 렌즈를 포함하는 것인 이중 (공초점 및 간섭계) 기술 광학 프로필로미터(1).
제1항에 있어서, 상기 조명 패턴 발생 수단은 LCOS 마이크로 디스플레이(5)를 포함하는 것인 이중 (공초점 및 간섭계) 기술 광학 프로필로미터(1).
제1항에 있어서, 상기 광원은 발광 다이오드(2)인 이중 (공초점 및 간섭계) 기술 광학 프로필로미터(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 빔 분할기(3)는 상기 마이크로 디스플레이(5)와 결합된 편광 빔 분할기인 이중 (공초점 및 간섭계) 기술 광학 프로필로미터(1).
제2항에 있어서, 상기 마이크로 디스플레이(5)는 일련의 조명 패턴을 발생시 켜 공초점을 얻거나, 모든 조명 픽셀들을 개방시켜 간섭계 이미지를 얻도록 하는 것인 이중 (공초점 및 간섭계) 기술 광학 프로필로미터(1).
제3항에 있어서, 상기 발광 다이오드(2)는 2 내지 10 ㎛ 범위의 결맞음 길이를 갖는 빛의 스펙트럼을 방출하여, 위상 전이 간섭계 프로필로미트리(PSI) 기술, 및 수직 스캔의 백광 프로필로미트리(VSI) 기술 모두에 적용되는 것인 이중 (공초점 및 간섭계) 기술 광학 프로필로미터(1).
제1항에 있어서, 샘플의 수직 스캔 시스템(13)을 포함하며, 샘플(11)의 표면 지형을 적합한 알고리즘을 사용하여 얻도록 하는 높이가 다른 샘플(11)의 다른 평면에서 일련의 공초점 또는 간섭계 이미지가 얻어지는 것인 이중 (공초점 및 간섭계) 기술 광학 프로필로미터(1).
제7항에 있어서, 샘플(11)의 상기 수직 스캔 시스템(13)은 모터 구동식 수단을 포함하는 것인 이중 (공초점 및 간섭계) 기술 광학 프로필로미터(1).
제7항에 있어서, 샘플(11)의 수직 스캔 시스템(13)은 압전 구동식 수단(PZT)을 포함하는 것인 이중 (공초점 및 간섭계) 기술 광학 프로필로미터(1).
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 수직 스캔 시스템(13)은 개방 루프 또는 폐쇄 루프 시스템에 의해 제어되는 것인 이중 (공초점 및 간섭계) 기술 광학 프로필로미터(1).