KR20080101714A - 피측정물로부터의 반사광을 이용하는 광학 특성 측정 장치및 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

측정용 광원(10)은 피측정물의 광학 특성의 측정에 이용되는 측정광을 생성하고, 측정광은 피측정물의 광학 특성의 측정 범위의 파장을 포함한다. 관찰용 광원(22)은 피측정물에의 초점 맞춤이나 측정 위치의 확인에 사용되는 관찰광을 생성하고, 관찰광은 피측정물에서의 반사 가능한 파장을 포함하도록 선택된다. 이와 같이 측정광과 관찰광을 각각 독립적으로 공통의 대물 렌즈(40)를 통해 피측정물에 조사함으로써, 광학 특성의 측정 정밀도의 향상과 피측정물에 대한 초점 맞춤의 용이화를 동시에 실현한다.
Figure P1020080044791
광원, 피측정물, 측정광, 관찰광, 광학 특성 측정 장치

Description

피측정물로부터의 반사광을 이용하는 광학 특성 측정 장치 및 측정 방법 {OPTICAL CHARACTERISTIC MEASURING APPARATUS AND MEASURING METHOD USING LIGHT REFLECTED FROM OBJECT TO BE MEASURED}
본 발명은 광학 특성 측정 장치 및 그것을 이용한 측정 방법에 관한 것으로, 보다 특정적으로는 박막의 반사율 등의 광학 특성을 보다 높은 정밀도로 측정하는 기술에 관한 것이다.
기판 상 등에 형성된 박막에 대해 광을 조사하고 그 반사광을 분광 계측함으로써 당해 박막의 반사율, 굴절률, 감쇠 계수 및 막 두께 등의 광학 특성(광학 정수)을 측정하기 위한 대표적인 광학 특성 측정 장치로서 현미 분광 장치가 알려져 있다.
일반적인 현미 분광 장치는, 예를 들어 일본 특허 출원 공개 평11-230829호 공보의 도1에 개시되는 구성으로 되어 있다. 이 현미 분광 장치는, 광원으로부터 출사된 조명광을 하프 미러를 통해 테이블 상에 적재된 측정 시료로 유도하는 조명 광학계와, 측정 시료에 있어서 반사된 광을 회절 격자 및 모니터용 광학계로 유도하는 결상 광학계를 구비한다. 그리고, 회절 격자는 측정 시료 상의 측정 영역으 로부터의 관찰광을 분광하는 분광 수단으로서 기능하고, 분광 스펙트럼을 라인 센서 상에 결상한다. 그리고, 라인 센서에서 측정되는 분광 스펙트럼에 의해 광학 특성이 산출된다. 한편, 모니터용 광학계는 측정 시료의 확대 이미지를 릴레이 렌즈에 의해 2차원의 CCD 카메라 상에 결상한다. 그리고, CCD 카메라에 의해 촬상된 측정 시료의 확대 이미지는 측정 위치의 확인이나 대략적인 초점 맞춤에 사용된다.
상술한 바와 같이 일반적인 현미 분광 장치에서는, 광원으로부터 출사된 조명광을 분광 스펙트럼의 측정과 초점 맞춤에 겸용하고 있다.
통상, 광학 특성을 측정하고자 하는 경우에는, 측정 대상의 파장 범위의 스펙트럼을 측정할 필요가 있다. 한편, 사용자가 육안으로 보고 측정 시료의 초점 맞춤을 행하기 위해서는, 관찰광이 가시 대역의 파장을 포함하도록 해야 한다. 그로 인해, 조명광의 광원으로서는 측정 대상의 파장 범위 및 가시 대역을 포함하는 비교적 넓은 파장 대역을 갖는 것을 채용할 필요가 있다. 동시에, 초점 맞춤을 행하기 위해서는 소정의 밝기와 비교적 넓은 관찰 시야를 확보해야 하므로, 조명광의 빔 직경을 비교적 크게 할 필요도 있다.
여기서, 보다 높은 정밀도로 광학 특성을 측정하기 위해서는 강도 변화가 적은 안정된 조명광을 이용할 필요가 있지만, 넓은 파장 대역을 갖고 또한 안정된 조명광을 비교적 큰 빔 직경으로 직접적으로 얻는 것은 곤란하다. 그로 인해, 상대적으로 작은 빔 직경의 조명광을 생성하는 광원과, 당해 조명광의 빔 직경을 확대하는 익스팬더를 이용하는 구성이 일반화되어 있다. 그러나 빔 직경을 확대하면, 조명광의 단위 면적당의 광 강도(광량)는 감소해 버린다.
즉, 광학 특성의 측정 정밀도를 보다 높게 하는 관점에서는 보다 작은 빔 직경이 바람직한 한편, 초점 맞춤을 행하는 관점에서는 보다 큰 빔 직경이 바람직하다. 이와 같이, 종래의 현미 분광 장치는 서로 양립할 수 없는 요구를 잠재적으로 포함하고 있어, 광학 특성의 측정 정밀도의 향상에는 한계가 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 그 목적은 광학 특성의 측정 정밀도를 향상시키는 동시에, 피측정물에 대한 초점 맞춤을 보다 용이하게 행할 수 있는 광학 특성 측정 장치 및 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 국면에 따르는 광학 특성 측정 장치는, 측정용 광원과, 관찰용 광원과, 집광 광학계와, 광 주입부와, 광 분리부와, 출력부와, 조정 기구를 포함한다. 측정용 광원은 피측정물에 대한 측정 범위의 파장을 포함하는 측정광을 발생한다. 관찰용 광원은 피측정물에서 반사 가능한 파장을 포함하는 관찰광을 발생한다. 집광 광학계는 측정광 및 관찰광이 입사되고, 입사된 광을 집광한다. 광 주입부는 측정용 광원으로부터 집광 광학계까지의 광학 경로 상의 소정 위치에 있어서 관찰광을 주입한다. 광 분리부는 피측정물에서 발생되는 반사광 중, 측정 반사광과 관찰 반사광을 분리한다. 출력부는 관찰 반사광에 의해 얻어지는 반사 이미지 및 당해 반사 이미지에 따른 신호 중 적어도 한쪽을 출력한다. 조정 기구는 집광 광학계와 피측정물 사이의 위치 관계를 변경 가능하다.
본 발명에 따르면, 측정용 광원이 피측정물의 광학 특성의 측정에 이용되는 측정광을 생성하는 동시에, 관찰용 광원이 피측정물에의 초점 맞춤이나 측정 위치의 확인에 사용되는 관찰광을 생성한다. 그로 인해, 측정광 및 관찰광의 광학적 파라미터를 각각 독립적으로 설정할 수 있다. 이에 의해, 측정광의 빔 직경 및/또 는 파장 범위를 광학 특성 측정에 적합한 값 또는 범위로 설정할 수 있는 동시에, 관찰광의 빔 직경 및/또는 파장 범위를 피측정물의 관찰에 적합한 값 또는 범위로 설정할 수 있다.
따라서, 광학 특성의 측정 정밀도를 향상시키는 동시에, 피측정물에 대한 초점 맞춤을 보다 용이하게 행하는 것이 가능해진다.
바람직하게는, 광 주입부에 있어서의 측정광의 빔 직경은 광 주입부에 있어서의 관찰광의 빔 직경과 비교하여 작다.
바람직하게는, 광학 특성 측정 장치는 측정 반사광의 스펙트럼을 측정하는 분광 측정부를 더 포함하고, 광 분리부는 피측정물에서 발생되는 반사광이 전파하는 광학 경로 상에 배치된 광 반사부를 포함하고, 광 반사부는 피측정물에서 발생되는 반사광의 광축에 대응하는 위치에, 측정 반사광의 빔 직경과 비교하여 작은 직경의 구멍 개방부를 갖고, 분광 측정부는 구멍 개방부를 통과한 반사광을 수광하도록 배치된다.
바람직하게는, 집광 광학계는 볼록면 반사경 및 오목면 반사경을 포함하고, 볼록면 반사경은 측정광의 광축과 직교하는 단면에 있어서 당해 광축으로부터 소정의 반경 거리 이상의 영역에 입사하는 광을 오목면 반사경으로 유도하고, 오목면 반사경은 볼록면 반사경으로부터의 광을 피측정물에 집광한다.
바람직하게는, 광학 특성 측정 장치는 피측정물에 소정의 관찰 기준 이미지가 투사되도록 관찰광의 일부를 마스크하는 마스크부를 더 포함한다.
바람직하게는, 출력부는 반사 이미지를 표시하는 표시부를 포함한다.
바람직하게는, 관찰용 광원은 측정 반사광을 이용한 측정 중에 있어서, 관찰광의 발생을 정지한다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 광학 특성 측정 장치를 이용하여 피측정물의 광학 특성을 측정하는 측정 방법을 제공한다. 광학 특성 측정 장치는 측정용 광원과, 관찰용 광원과, 집광 광학계와, 광 주입부와, 광 분리부와, 조정 기구를 포함한다. 측정용 광원은 피측정물에 대한 측정 범위의 파장을 포함하는 측정광을 발생한다. 관찰용 광원은 피측정물에서 반사 가능한 파장을 포함하는 관찰광을 발생한다. 집광 광학계는 측정광 및 관찰광이 입사되고, 입사된 광을 집광한다. 광 주입부는 측정용 광원으로부터 집광 광학계까지의 광학 경로 상의 소정 위치에 있어서 관찰광을 주입한다. 광 분리부는 피측정물에서 발생되는 반사광 중, 측정 반사광과 관찰 반사광을 분리한다. 조정 기구는 집광 광학계와 피측정물 사이의 위치 관계를 변경 가능하다. 측정 방법은 관찰용 광원이 관찰광을 발생하는 단계와, 광 분리부에 의해 분리되는 관찰 반사광으로부터 반사 이미지를 취득하는 단계와, 반사 이미지가 나타내는 포커싱 상태를 기초로 하여 조정 기구를 구동하는 단계와, 측정용 광원이 측정광을 발생하는 단계와, 광 분리부에 의해 분리되는 측정 반사광의 스펙트럼을 측정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 측정 방법은 측정광의 발생이 개시되면 관찰용 광원으로부터의 관찰광의 발생을 정지하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 광학 특성의 측정 정밀도를 향상시키는 동시에, 피측정물 에 대한 초점 맞춤을 보다 용이하게 행할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 국면 및 이점은, 첨부한 도면과 관련하여 이해되는 본 발명에 관한 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중의 동일 또는 상당 부분에 대해서는, 동일한 부호를 부여하여 그 설명은 반복하지 않는다.
[제1 실시 형태]
본 발명의 제1 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)는, 대표적으로 현미 분광식 측정 장치이며, 피측정물로부터의 반사광의 스펙트럼을 측정함으로써 피측정물에 형성된 박막 등에 대한 (절대 및/또는 상대)반사율, 굴절률, 감쇠 계수 및 막 두께 등의 광학 특성(광학 정수)을 측정한다.
또한, 피측정물의 대표예로서는 반도체 기판, 유리 기판, 사파이어 기판, 석영 기판 및 필름과 같은 재료의 표면에 박막이 형성(코팅)된 것이다. 보다 구체적으로는, 박막 형성된 유리 기판은 액정 디스플레이(LCD : Liquid Crystal Disp1ay)나 플라즈마 디스플레이 패널(PDP : Plasma Display Panel) 등의 플랫 패널 디스플레이(FPD : Flat Panel Display)의 디스플레이 유닛으로서 사용되고 있다. 또한, 박막 형성된 사파이어 기판은 질화물 반도체(GaN : Gallium Nitride)계의 LED(Light Emitting Diode)나 LD(Laser Diode)로서 사용되고 있다. 또한, 박막 형성된 석영 기판은 각종 광학 필터나 광학 부품 및 프로젝션 액정 부품 등에 사용되 고 있다.
특히, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)는 피측정물의 광학 특성의 측정에 이용되는 측정광과, 피측정물에 대한 초점 맞춤에 이용되는 관찰광을 각각 독립적으로 피측정물에 조사함으로써, 광학 특성의 측정 정밀도의 향상과 피측정물에 대한 초점 맞춤의 용이화를 동시에 실현하는 것이다.
도1을 참조하여, 광학 특성 측정 장치(100A)는 측정용 광원(10)과, 콜리메이트 렌즈(12)와, 커트 필터(14)와, 결상 렌즈(16, 36)와, 조리개부(18)와, 빔 스플리터(20, 30)와, 관찰용 광원(22)과, 광 섬유(24)와, 출사부(26)와, 핀홀 미러(32)와, 축 변환 미러(34)와, 관찰용 카메라(38)와, 표시부(39)와, 대물 렌즈(40)와, 스테이지(50)와, 가동 기구(52)와, 분광 측정부(60)와, 데이터 처리부(70)를 구비한다.
측정용 광원(10)은 피측정물의 광학 특성의 측정에 이용되는 측정광을 생성하는 광원으로, 대표적으로 중수소 램프(D2 램프)나 텅스텐 램프, 또는 그들의 조합으로 이루어진다. 그리고, 측정용 광원(10)이 발생하는 측정광은, 피측정물에 대한 광학 특성의 측정 범위(일예로서, 유리 기판 상에 형성된 박막에서는 250 ㎚ 내지 750 ㎚)의 파장을 포함한다. 특히, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)에서는 측정광을 초점 맞춤에 사용하지 않으므로 측정광의 파장 대역을 임의로 설정 가능하며, 적외 대역이나 자외 대역과 같은 가시 대역 이외의 파장만을 포함하는 측정광을 이용해도 좋다.
콜리메이트 렌즈(12)와, 커트 필터(14)와, 결상 렌즈(16)와, 조리개부(18)는, 측정용 광원(10)과 빔 스플리터(30)를 연결하는 광축(AX2) 상에 배치되어, 측정용 광원(10)으로부터 출사되는 측정광을 광학적으로 조정한다.
콜리메이트 렌즈(12)는 측정용 광원(10)으로부터의 측정광이 최초로 입사하는 광학 부품으로, 확산 광선으로서 전파하는 측정광을 굴절시켜 평행 광선으로 변환한다. 콜리메이트 렌즈(12)를 통과한 측정광은 커트 필터(14)에 입사한다.
커트 필터(14)는 측정광에 포함되는 파장을 광학 특성의 측정에 필요한 파장 범위로 제한하기 위한 광학 필터이다. 즉, 측정광에 포함되는 측정 범위 이외의 파장 성분은 측정 오차 요인이 되기 때문에, 커트 필터(14)가 측정 범위 이외의 파장 성분을 커트한다. 대표적으로, 커트 필터(14)는 유리 기판 등에 증착된 다층막에 의해 형성된다.
결상 렌즈(16)는 측정광의 빔 직경을 조정하기 위해, 커트 필터(14)를 통과한 측정광을 평행 광선으로부터 수렴 광선으로 변환한다. 결상 렌즈(16)를 통과한 측정광은 조리개부(18)로 입사한다.
조리개부(18)는 측정광의 광량을 소정량으로 조정한 후에 빔 스플리터(30)로 출사한다. 바람직하게는, 조리개부(18)는 결상 렌즈(16)에 의해 변환된 측정광의 결상 위치에 배치된다. 또한, 조리개부(18)의 조임량은 피측정물에 입사하는 측정광의 피사계 심도나 필요한 광 강도 등에 따라서 적절하게 설정된다.
한편, 관찰용 광원(22)은 피측정물에의 초점 맞춤이나 측정 위치의 확인에 사용되는 관찰광을 생성하는 광원이다. 그리고, 관찰용 광원(22)이 발생하는 관찰 광은 피측정물에서 반사 가능한 파장을 포함하도록 선택된다. 특히, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)에서는, 관찰광은 광학 특성의 측정에 사용되지 않으므로 피측정물에의 초점 맞춤이나 측정 위치의 확인에 적합한 파장 대역 및 광량을 갖는 광원을 채용할 수 있다. 관찰용 광원(22)은 광 섬유(24)를 통해 출사부(26)와 접속되어 있고, 관찰용 광원(22)에서 생성된 관찰광은 광 도파로인 광 섬유(24)로 전파된 후에 출사부(26)로부터 빔 스플리터(20)를 향해 출사된다.
출사부(26)는 피측정물에 소정의 관찰 기준 이미지가 투사되도록 관찰용 광원(22)에서 생성된 관찰광의 일부를 마스크하는 마스크부(26a)를 포함한다. 즉, 관찰용 광원(22)에서 생성된 직후의 관찰광의 빔 단면에 있어서의 광 강도(광량)는 대략 균일하지만, 마스크부(26a)가 이 관찰광의 일부를 마스크(차폐)함으로써, 관찰광에는 그 빔 단면에 있어서 광 강도가 대략 제로인 영역(그림자 영역)이 형성된다. 이 그림자 영역이 관찰 기준 이미지로서 피측정물에 투사된다. 또한, 관찰 기준 이미지를 레티클(reticle) 이미지라고도 칭한다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)는, 레티클 이미지를 포함하는 관찰광을 피측정물에 조사함으로써, 그 표면에 아무런 모양(패턴)도 형성되어 있지 않은 피측정물(대표적으로, 투명한 유리 기판 등)에 대해서도, 당해 투사된 레티클 이미지를 기초로 하여 사용자가 용이하게 초점 맞춤을 행할 수 있다. 또한, 레티클 이미지의 형상은 어떠한 것이라도 좋지만, 일예로서 동심원 형상이나 열십자 형상의 패턴 등을 이용할 수 있다.
스테이지(50)는 피측정물을 배치하기 위한 시료대로, 그 배치면은 평탄하게 형성된다. 이 스테이지(50)는, 일예로서 기계적으로 연결된 가동 기구(52)에 의해 3방향(X방향·Y방향·Z방향)으로 자유롭게 구동된다. 가동 기구(52)는, 대표적으로 3축분의 서보 모터와, 각 서보 모터를 구동하기 위한 서보 드라이버를 포함하여 구성된다. 그리고, 가동 기구(52)는 사용자 또는 도시하지 않은 제어 장치 등으로부터의 스테이지 위치 지령에 응답하여 스테이지(50)를 구동한다. 이 스테이지(50)의 구동에 의해, 피측정물과 후술하는 대물 렌즈(40) 사이의 위치 관계가 변경된다.
대물 렌즈(40)와, 빔 스플리터(20)와, 빔 스플리터(30)와, 핀홀 미러(32)는 스테이지(50)의 평탄면에 수직인 방향으로 연신하는 광축(AX1) 상에 배치된다.
빔 스플리터(30)는 측정용 광원(10)에서 생성되는 측정광을 반사함으로써, 그 전파 방향을 광축(AX1)의 지면(紙面) 하향으로 변환한다. 또한, 빔 스플리터(30)는 광축(AX1)을 지면 상향으로 전파하는 피측정물로부터의 반사광을 투과시킨다. 대표적으로, 빔 스플리터(30)는 하프 미러로 구성된다.
한편, 빔 스플리터(20)는 관찰용 광원(22)에서 생성되는 관찰광을 반사함으로써, 그 전파 방향을 광축(AX1)의 지면 하향으로 변환한다. 동시에, 빔 스플리터(20)는 광축(AX1)을 지면 하향으로 전파하는 빔 스플리터(30)에서 반사된 측정광을 투과시킨다. 즉, 빔 스플리터(20)는 측정용 광원(10)으로부터 집광 광학계인 대물 렌즈(40)까지의 광학 경로 상의 소정 위치에 있어서 관찰광을 주입하는 광 주입부로서 기능한다. 이 빔 스플리터(20)에서 합성된 측정광과 관찰광은 대물 렌즈(40)에 입사한다. 또한, 빔 스플리터(20)는 광축(AX1)을 지면 상향으로 전파하 는 피측정물로부터의 반사광을 투과시킨다. 대표적으로, 빔 스플리터(20)는 하프 미러로 구성된다.
대물 렌즈(40)는 광축(AX1)에서 지면 하향으로 전파하는 측정광 및 관찰광을 집광하기 위한 집광 광학계이다. 즉, 대물 렌즈(40)는 피측정물 또는 그 근접한 위치에서 결상하도록 측정광 및 관찰광을 수렴시킨다. 또한, 대물 렌즈(40)는 소정의 배율(예를 들어, 10배, 20배, 30배, 40배 등)을 갖는 확대 렌즈로, 이에 의해 피측정물의 광학 특성을 측정하는 영역을 대물 렌즈(40)에 입사하는 광의 빔 단면과 비교하여 보다 미소화할 수 있다. 그로 인해, 피측정물의 보다 미소한 영역에 대한 광학 특성을 측정할 수 있다.
또한, 대물 렌즈(40)로부터 피측정물에 입사한 측정광 및 관찰광은, 피측정물에서 반사되어, 광축(AX1) 상에서 지면 상향으로 전파한다. 이 반사광은, 대물 렌즈(40)를 투과한 후 빔 스플리터(20 및 30)도 투과하여 핀홀 미러(32)까지 도달한다.
핀홀 미러(32)는 피측정물에서 발생되는 반사광 중, 측정 반사광과 관찰 반사광을 분리하는 광 분리부로서 기능한다. 구체적으로는, 핀홀 미러(32)는 광축(AX1)에서 지면 상향으로 전파하는 피측정물로부터의 반사광을 반사하는 반사면을 포함하고, 그 반사면과 광축(AX1)의 교점을 중심으로 하는 구멍 개방부(핀홀)(32a)가 형성되어 있다. 이 핀홀(32a)의 크기는, 측정용 광원(10)으로부터의 측정광이 피측정물에서 반사되어 발생하는 측정 반사광의 핀홀 미러(32)의 위치에 있어서의 빔 직경과 비교하여 작아지도록 형성된다. 또한, 이 핀홀(32a)은 각각 측정광 및 관찰광이 피측정물에서 반사되어 발생하는 측정 반사광 및 관찰 반사광의 결상 위치와 일치하도록 배치된다. 이러한 구성에 의해, 피측정물에서 발생된 반사광 중 광축(AX1) 근방의 성분은, 핀홀(32a)을 통과하여 분광 측정부(60)에 입사한다. 한편, 반사광의 잔부는 그 전파 방향이 변환되어 축 변환 미러(34)에 입사한다.
분광 측정부(60)는 핀홀 미러(32)를 통과한 측정 반사광의 스펙트럼을 측정하고, 그 측정 결과를 데이터 처리부(70)로 출력한다. 보다 상세하게는, 분광 측정부(60)는 회절 격자(그레이팅)(62)와, 검출부(64)와, 커트 필터(66)와, 셔터(68)를 포함한다.
커트 필터(66)와, 셔터(68)와, 회절 격자(62)는 광축(AX1) 상에 배치된다. 커트 필터(66)는 핀홀을 통과하여 분광 측정부(60)에 입사하는 측정 반사광에 포함되는 측정 범위 밖의 파장 성분을 제한하기 위한 광학 필터로, 특히 측정 범위 밖의 파장 성분을 커트한다. 셔터(68)는 검출부(64)를 리셋할 때 등에, 검출부(64)에 입사하는 광을 차단하기 위해 사용된다. 셔터(68)는 대표적으로 전자기력에 의해 구동하는 기계식 셔터로 이루어진다.
회절 격자(62)는 입사하는 측정 반사광을 분광한 후에, 각 분광파를 검출부(64)로 유도한다. 구체적으로는, 회절 격자(62)는 반사형 회절 격자로, 소정의 파장 간격마다의 회절파가 대응하는 각 방향으로 반사하도록 구성된다. 이러한 구성을 갖는 회절 격자(62)에 측정 반사파가 입사하면, 포함되는 각 파장 성분은 대응하는 방향으로 반사되어 검출부(64)의 대응하는 검출 영역으로 입사한다. 회절 격자(62)는 대표적으로 플랫 포커스형 구면 그레이팅으로 이루어진다.
검출부(64)는, 측정 반사광의 스펙트럼을 측정하기 위해, 회절 격자(62)에서 분광된 측정 반사광에 포함되는 각 파장 성분의 광 강도에 따른 전기 신호를 출력한다. 검출부(64)는, 대표적으로 포토다이오드 등의 검출 소자를 어레이 형상으로 배치한 포토다이오드 어레이나, 매트릭스 형상으로 배치된 CCD(Charged Coupled Device) 등으로 이루어진다.
또한, 회절 격자(62) 및 검출부(64)는 광학 특성의 측정 파장 범위 및 측정 파장 간격 등에 따라서 적절하게 설계된다.
데이터 처리부(70)는 검출부(64)로부터의 측정 결과(전기 신호)를 기초로 하여 각종 데이터 처리(대표적으로는, 피팅 처리나 노이즈 제거 처리)를 행하여, 피측정물의 반사율, 굴절률, 감쇠 계수 및 막 두께 등의 광학 특성(광학 정수)을 출력한다.
한편, 핀홀 미러(32)에서 반사된 관측 반사광은 광축(AX3)을 따라 전파하여 축 변환 미러(34)로 입사한다. 축 변환 미러(34)는 관측 반사광의 전파 방향을 광축(AX3)으로부터 광축(AX4)으로 변환한다. 그러면, 관측 반사광은 광축(AX4)을 따라 전파하여 관찰용 카메라(38)로 입사한다.
관찰용 카메라(38)는 관찰 반사광에 의해 얻어지는 반사 이미지를 취득하는 촬상부로, 대표적으로는 CCD(Charged Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal 0xide Semiconductor) 센서 등으로 이루어진다. 또한, 관찰용 카메라(38)는 대표적으로 가시 대역에 감도를 갖는 것으로, 소정의 측정 범위에 감도를 갖는 검출 부(64)와는 다른 감도 특성을 갖는 경우가 많다. 그리고, 관찰용 카메라(38)는 관찰 반사광에 의해 얻어지는 반사 이미지에 따른 영상 신호를 표시부(39)로 출력한다. 표시부(39)는 관찰용 카메라(38)로부터의 영상 신호를 기초로 하여 반사 이미지를 표시한다. 사용자는 이 표시부(39)에 표시되는 반사 이미지를 육안으로 보고, 피측정물에 대한 초점 맞춤이나 측정 위치의 확인 등을 행한다. 표시부(39)는 대표적으로 액정 디스플레이(LCD) 등으로 이루어진다. 또한, 관찰용 카메라(38) 및 표시부(39) 대신에, 사용자가 반사 이미지를 직접적으로 육안으로 볼 수 있는 파인더를 설치해도 좋다.
상술한 도1과 본원 발명과의 대응 관계에 대해서는, 측정용 광원(10)이「측정용 광원」에 상당하고, 대물 렌즈(40)가「집광 광학계」에 상당하고, 관찰용 광원(22)이「관찰용 광원」에 상당하고, 빔 스플리터(20)가「광 주입부」에 상당하고, 핀홀 미러(32)가「광 분리부」및「광 반사부」에 상당하고, 핀홀(32a)이「구멍 개방부」에 상당하고, 관찰용 카메라(38)가「출력부」에 상당하고, 가동 기구(52)가「조정 기구」에 상당하고, 분광 측정부(60)가「분광 측정부」에 상당하고, 마스크부(26a)가「마스크부」에 상당하고, 표시부(39)가「표시부」에 상당한다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)는, 피측정물의 광학 특성의 측정에 이용되는 측정광을 발생하는 측정용 광원(10)과, 피측정물에 대한 초점 맞춤에 이용되는 관찰광을 발생하는 관찰용 광원(22)을 각각 독립적으로 설치하는 것이다. 그로 인해, 광학 특성의 측정 정밀도를 보다 향상시키는 동시에, 피측정물에 대한 초점 맞춤을 보다 용이하게 행하기 위해서는, 측정 광의 파장 대역 및 빔 직경 및 관찰광의 파장 대역 및 빔 직경을 이하에 서술하는 바와 같이 최적화하는 것이 바람직하다.
우선, 광학 특성의 측정 정밀도를 보다 향상시키는 관점에서는, 피측정물에 입사하는 측정광의 빔 직경은 상대적으로 작은 것이 바람직하다. 이것은, 빔 직경을 작게 함으로써 단위 면적당의 광 강도(광량)가 커져, 피측정물로부터의 반사광의 단위 면적당의 광 강도도 커지기 때문에, 스펙트럼을 보다 고정밀도로 측정할 수 있기 때문이다. 또한, 측정광의 전파시에 그 광학 경로 상에 있는 렌즈의 표면에서 약간이기는 하지만 반사가 발생하거나, 측정 반사광이 핀홀(32a)로부터 어긋난 위치에서의 결상이 발생한다. 이러한 분광 측정부(60)에 바람직하지 않은(입사되기를 원하지 않는) 광은 내부 반사광이라고도 칭해지며, 측정 오차의 요인으로 될 수 있지만, 전파 중인 측정광의 빔 직경을 작게 함으로써, 핀홀(32a)에 입사하는 이러한 내부 반사광을 저감할 수 있다. 예를 들어, 측정광의 빔 직경을 1/8로 하면, 단순 계산으로 내부 반사광은 약 1/64로 저감할 수 있다. 또한, 반사 불균일이나 난반사의 영향도 억제할 수 있으므로, 실제로는 내부 반사광을 보다 저감하는 것이 가능해진다.
이에 대해, 피측정물에 대한 초점 맞춤을 보다 용이하게 행하는 관점에서는, 피측정물에 입사하는 관찰광의 빔 직경은 상대적으로 큰 것이 바람직하다. 이것은, 가능한 한 큰 관찰 시야를 확보하기 위함이다.
그래서, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)에서는, 빔 스플리터(20)에 있어서의 측정광의 빔 직경이, 빔 스플리터(20)에 있어서의 관찰광의 빔 직경과 비교하여 작아지도록 설계된다. 도2는 관찰용 카메라(38)에 의해 취득되는 반사 이미지의 일예를 나타내는 도면이다. 도2는 관찰용 광원(22)으로부터 출사되는 관찰광의 빔 직경이 6 ㎜로, 대물 렌즈(40)가 10배의 배율을 갖는 경우의 일예를 나타낸다.
도2를 참조하여, 관찰광에 의해 확보되는 관찰 시야(80)는 약 0.6 ㎜(6 ㎜ × 1/10배)가 된다. 또한, 도2의 눈금은 설명의 편의상 표시하는 것이며, 실제의 피측정물에는 이러한 눈금은 반드시 필요한 것은 아니다. 이 관찰 시야(80)의 중심부에는, 핀홀 미러(32)에 설치되는 핀홀(32a)(도1)에 의한 그림자부(82)가 존재하고, 이 그림자부(82)에 상당하는 광이 측정 반사광으로서 분광 측정부(60)로 입사한다.
또한, 광학 특성의 측정 정밀도를 보다 향상시키는 관점에서는, 측정광의 파장 대역은 측정 범위에 가능한 한 일치시키는 것이 바람직하다. 이것은, 측정 범위 밖의 파장 성분이 측정 오차의 요인이 되기 때문이다.
이에 대해, 피측정물에 대한 초점 맞춤을 보다 용이하게 행하는 관점에서는, 피측정물에서의 반사율이 상대적으로 큰 파장을 많이 포함하는 관찰광을 이용하는 것이 바람직하다. 이것은, 피측정물로부터의 반사광(즉, 반사 이미지)에 의해, 피측정물의 상태가 눈으로 확인되기 때문이다. 일반적인 피측정물인 경우에는, 관찰광으로서 가시 대역의 파장을 포함하는 광을 이용함으로써 충분하지만, 가시 반사 방지막 등이 피측정물인 경우에는, 가시 대역의 파장의 반사율이 매우 작으므로 충분한 반사 이미지를 얻을 수 없어 초점 맞춤을 행할 수 없다. 이러한 경우에는, 관찰광으로서 가시 대역 이외의 파장을 갖는 광(예를 들어, 근적외광 등)을 이용하는 동시에, 관찰용 카메라(38)로서 근적외광에 감도를 갖는 근적외용 카메라를 이용함으로써, 초점 맞춤을 행할 수 있다. 또한, 필름 등의 매우 얇은 피측정물에서는, 표면과 이면 사이의 포커싱 상태의 차이가 작아 판별하는 것이 어렵다. 즉, 가시 대역의 파장은 필름을 투과하기 때문에 표면에서의 반사광과 이면에서의 반사광이 혼합되어 버려, 어느 쪽의 면에 초점이 맞추어져 있는 것인지를 판정하는 것이 곤란해진다. 그래서 관찰광으로서, 필름에 대한 투과율이 낮고 필름 표면에서만 반사하는 자외광을 사용함으로써, 표면에 초점을 맞추는 것을 용이화할 수 있다. 또한, 이러한 자외광을 가시화하기 위해, 관찰용 카메라(38)로서 자외광에 감도를 갖는 자외용 카메라가 이용된다.
또한, 광학 특성의 측정 정밀도를 보다 향상시키는 관점에서는, 분광 측정부(60)에서의 측정 중에는 관찰용 광원(22)으로부터의 관찰광의 발생을 차단하는 것이 바람직하다. 그래서, 관찰용 광원(22)은 분광 측정부(60)에서의 측정 상태 신호(도시하지 않음)에 응답하여, 관찰광의 발생을 정지한다.
도3a 및 도3b는, 피측정물로서 가시 반사 방지막을 이용한 경우의 관찰용 카메라(38)에 의해 취득되는 반사 이미지의 일예를 나타내는 도면이다. 도3a는 관찰광으로서 가시 대역 파장을 갖는 광을 이용한 경우를 나타내고, 도3b는 관찰광으로서 근적외 파장을 갖는 광을 이용한 경우를 나타낸다.
도3a에 나타내는 바와 같이, 가시 반사 방지막은 가시 대역 파장에 대한 반사율이 매우 작으므로, 가시 대역 파장을 갖는 관찰광을 이용하였다고 해도 눈으로 확인 가능한 반사 이미지를 얻을 수 없다. 한편, 도3b에 나타내는 바와 같이 가시 반사 방지막에서는 근적외 파장에 대한 반사율이 상당 정도 존재하므로, 근적외 파장을 갖는 관찰광을 이용함으로써 시인 가능한 관찰 시야(80)를 얻을 수 있다. 또한, 이 관찰 시야(80)의 중심부에는, 핀홀 미러(32)에 설치되는 핀홀(32a)(도1)에 의한 그림자부(82)가 존재하고 있고, 또한 마스크부(26a)(도1)에서 생성된 레티클 이미지(관찰 기준 이미지)(86)가 투사되어 있다. 그로 인해, 사용자는 이 레티클 이미지를 참조하면서 초점 맞춤을 행할 수 있다.
이하, 도4에 나타내는 흐름도를 참조하여, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)를 이용하여 피측정물의 광학 특성을 측정하는 순서에 대해 설명한다.
도4는 본 발명의 제1 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)를 이용한 피측정물의 광학 특성의 측정 순서를 나타내는 흐름도이다.
도4를 참조하여, 우선 사용자 조작 등에 응답하여, 관찰용 광원(22)이 관찰광의 발생을 개시한다(단계 S100). 이 발생된 관찰광이 대물 렌즈(40)를 통해 피측정물에 입사하면, 피측정물에서 발생된 관찰 반사광이 핀홀 미러(32) 등을 통해 관찰용 카메라(38)에 입사한다. 관찰용 카메라(38)는 이 관찰 반사광으로부터 반사 이미지를 취득하고(단계 S102), 표시부(39)가 관찰용 카메라(38)에 의해 촬영된 반사 이미지를 표시한다(단계 S104).
이 표시부(39)에 표시되는 반사 이미지의 포커싱 상태를 참조하면서, 사용자가 가동 기구(52)에 스테이지 위치 지령을 부여하여, 피측정물[스테이지(50)]과 대 물 렌즈(40) 사이의 위치 관계를 변경한다(단계 S106).
초점 맞춤이 완료되면, 사용자는 광학 측정 개시의 지령을 부여한다. 이 지령에 응답하여, 관찰용 광원(22)이 관찰광의 발생을 정지하는(단계 S1O8) 동시에, 측정용 광원(10)이 측정광의 발생을 개시한다(단계 S110). 이 발생된 측정광이 대물 렌즈(40)를 통해 피측정물에 입사하면, 피측정물에서 발생된 측정 반사광이 핀홀 미러(32)의 핀홀(32a)을 통과하여 분광 측정부(60)에 입사한다. 분광 측정부(60)는 이 측정 반사광의 스펙트럼을 측정하고(단계 S112), 그 측정 결과를 데이터 처리부(70)로 출력한다(단계 S114). 또한, 데이터 처리부(70)가 검출부(64)로부터의 측정 결과를 기초로 하여 각종 데이터 처리를 행하여, 피측정물의 반사율, 굴절률, 감쇠 계수 및 막 두께 등의 광학 특성을 출력한다(단계 S116).
이상과 같은 일련의 처리에 따라서, 피측정물의 광학 특성을 측정할 수 있다.
또한, 상술한 설명에서는, 사용자가 표시부(39)에 표시되는 반사 이미지의 포커싱 상태를 참조하면서, 피측정물과 대물 렌즈(40) 사이의 위치 관계를 변경하는 구성에 대해 예시하였지만, 공지의 오토 포커스(자동 초점) 기술을 이용하여 도시하지 않은 제어 장치가 초점 맞춤을 행하도록 해도 좋다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따르면, 측정용 광원이 피측정물의 광학 특성의 측정에 이용되는 측정광을 생성하는 동시에, 관찰용 광원이 피측정물에의 초점 맞춤이나 측정 위치의 확인에 사용되는 관찰광을 생성한다. 그로 인해, 측정광 및 관찰광의 광학적 파라미터를 각각 독립적으로 설정할 수 있다. 이에 의해, 측정광 의 빔 직경이나 파장 범위를 광학 특성 측정에 적합한 값 또는 범위로 설정할 수 있는 동시에, 관찰광의 빔 직경 및 파장 범위를 피측정물 관찰에 적합한 값 또는 범위로 설정할 수 있다.
따라서, 광학 특성의 측정 정밀도를 향상시키는 것과, 피측정물에 대한 초점 맞춤을 보다 용이하게 행하는 것을 양립할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시 형태에 따르면, 측정광의 빔 직경을 임의로 설정할 수 있으므로, 빔 직경을 상대적으로 작게 함으로써 렌즈의 표면 등에서 발생하는 내부 반사광에 기인하는 측정 오차를 저감할 수 있다. 따라서, 측정 정밀도를 향상시키는 동시에, 피측정물의 미소 영역에 있어서의 광학 특성을 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시 형태에 따르면, 관찰광의 파장 범위를 임의로 설정할 수 있으므로, 피측정물에서의 반사율이 상대적으로 큰 파장을 포함하는 관찰광을 이용함으로써 가시 대역의 파장에서는 초점 맞춤이 곤란한 가시 반사 방지막이나 필름 등에 대해서도 초점 맞춤을 용이하게 행할 수 있다.
[제2 실시 형태]
상술한 본 발명의 제1 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100A)에서는, 대물 렌즈로서 굴절형 렌즈를 이용하는 구성에 대해 예시하였지만, 피측정물의 종류에 따라서는 피측정물의 표면에 초점 맞춤을 하고 있음에도 불구하고, 피측정물의 이면으로부터의 반사광이 미광(迷光)으로서 나타나 측정 정밀도를 악화시키는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 이하에 서술하는 바와 같은 반사 대물 렌즈를 이 용하는 것이 바람직하다.
도5는 본 발명의 제2 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100B)의 개략 구성도이다.
도5를 참조하여, 본 발명의 제2 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100B)는, 도1에 도시하는 광학 특성 측정 장치(100A)에 있어서, 대물 렌즈(40) 대신에 반사 대물 렌즈(42)를 이용하여 구성한 것이다. 그 밖의 부위에 대해서는, 도1에 도시하는 광학 특성 측정 장치(100A)와 동일하므로 상세한 설명은 반복하지 않는다.
반사 대물 렌즈(42)는 대표적으로 카세그레인형의 반사 대물 렌즈이다. 구체적으로는, 반사 대물 렌즈(42)는 서로 조합된 볼록면 반사경(42a) 및 오목면 반사경(42b)을 포함한다.
볼록면 반사경(42a) 및 오목면 반사경(42b)은 모두 그 중심축이 광축(AX1)과 일치하도록 배치된다. 볼록면 반사경(42a)은 광축(AX1) 상을 전파하는 관찰광 및 측정광의 일부를 반사하여 오목면 반사경(42b)으로 유도한다. 오목면 반사경(42b)은 동심원 형상의 미러이다. 또한, 도5에는 오목면 반사경(42b)의 단면 형상을 개략적으로 도시한다. 그리고, 오목면 반사경(42b)은 볼록면 반사경(42a)에서 반사된 관찰광 및 측정광의 일부를 피측정물에 집광한다. 또한, 피측정물로부터의 반사광은 입사 경로와 동일한 광학 경로를 반대 방향으로 전파한다.
도6은 본 발명의 제2 실시 형태에 따르는 반사 대물 렌즈(42)의 보다 상세한 구성도이다.
도6을 참조하여, 볼록면 반사경(42a)은 광축(AX1)을 따라 입사하는 광(측정광 및 관찰광) 중, 광축(AX1)과 직교하는 단면에 있어서 광축(AX1)으로부터 소정의 반경 거리 r 이상의 영역으로 입사하는 광만을 오목면 반사경(42b)으로 유도한다. 이에 대해, 광축(AX1)으로부터 소정의 반경 거리 r 미만의 영역, 환언하면 광축(AX1)의 근방 영역으로 입사하는 광은 볼록면 반사경(42a)에서 반사되어 오목면 반사경(42b)으로는 도입되지 않는다. 즉, 볼록면 반사경(42a)의 광축(AX1)으로부터 소정의 반경 거리 r 이상의 영역으로 입사하는 측정광 및 관찰광만이 피측정물(OBJ)에 조사되게 된다. 그로 인해, 피측정물(OBJ)에 입사하는 도중의 광의 빔 단면은 그 중심부가 마스크된 동심원 형상(도넛 형상)이 된다. 이러한 동심원 형상의 빔 단면을 갖는 광을 이용함으로써, 피측정물(OBJ)의 이면에서 반사되어 발생하는 이면 반사광(미광)의 영향을 회피할 수 있다.
도7은 굴절 대물 렌즈를 이용한 경우에 있어서의 이면 반사광의 발생 상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도7을 참조하여, 특히 피측정물(OBJ)의 막 두께가 상대적으로 작은 경우 등에는, 굴절형 대물 렌즈(40)의 렌즈 수차 등에 의해 피측정물(OBJ)의 표면(90) 및 이면(92) 중 어느 쪽의 경계면에 있어서도 반사광이 발생할 수 있다. 즉, 본래 피측정물(OBJ)의 표면(90)으로부터의 반사광만이 필요함에도 불구하고, 이면(92)으로부터의 반사광이 미광으로서 혼재하게 된다. 이 이면(92)으로부터의 반사광이 측정 오차 요인이 된다.
다음에 도8a 및 도8b를 참조하여, 반사 대물 렌즈(42)를 이용함으로써 이러 한 이면(92)으로부터의 반사광의 영향을 회피할 수 있는 이유에 대해 설명한다.
도8a 및 도8b는 반사 대물 렌즈를 이용한 경우에 있어서의 이면 반사광의 발생 상태를 설명하기 위한 개념도이다. 도8a는 피측정물(OBJ)의 표면(90)으로부터의 반사광을 도시하고, 도8b는 피측정물(OBJ)의 이면(92)으로부터의 반사광을 도시한다.
반사 대물 렌즈(42)의 초점이 피측정물(OBJ)의 표면(90)에 맞추어져 있는 경우에는, 피측정물(OBJ)의 표면(9O)에서의 반사에 의해 발생하는 측정 반사광은 반사 대물 렌즈(42)를 통해 광축(AX1)을 따라 지면 상측을 향해 전파한다. 도8a에 도시하는 바와 같이, 이 측정 반사광의 결상 위치는 핀홀 미러(32)(도5)의 핀홀(32a) 위치와 대략 일치하도록 설계되므로, 측정 반사광은 빔 직경이 좁아진 상태에서 핀홀 미러(32)에 도달한다. 그로 인해, 측정 반사광은 핀홀(32a)을 통과하여 분광 측정부(60)(도5)로 입사한다. 이와 같이 결상 위치와 핀홀(32a)의 위치가 대략 일치하는 경우에는 핀홀(32a)에서 동심원 형상의 빔 단면으로 되지 않는다. 즉, 충분한 강도를 유지한 상태로 분광 측정부(60)로 입사한다.
한편, 도8b에 도시하는 바와 같이 피측정물(OBJ)의 이면(92)에서의 반사에 의해 발생하는 이면 반사광 결상 위치는, 도8a에 도시하는 측정 반사광의 결상 위치와 비교하여 반사 대물 렌즈(42)측으로 이동한다. 이 결상 위치로부터 핀홀(32a)까지 광학 경로에 있어서, 이면 반사광은 도넛 형상 빔이 되므로 핀홀(32a)에 근접해짐에 따라서 빔 직경이 확대된다. 그리고, 이면 반사광의 빔 강도가 없는 영역(빔 단면의 내경 영역)이 핀홀(32a) 구멍 직경보다 커지면, 이면 반사광은 핀홀(32a)을 통과할 수 없다. 즉, 상술한 바와 같은 광학적인 차이를 실현할 수 있으면 이면 반사광에 의한 측정 오차의 영향을 회피할 수 있다.
그래서, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100B)에서는, 표면으로부터의 반사광과 이면으로부터의 반사광 사이에서, 도8a 및 도8b에 도시하는 광학적 차이가 생기도록 피측정물(OBJ)의 막 두께 등에 따라서 반사 대물 렌즈(42)의 크기 등이 적절하게 설정된다.
또한, 도8a 및 도8b에 도시하는 바와 같이 이면 반사광의 영향을 회피하기 위해서는, 측정광의 빔 직경을 적절하게 설정하는 것이 중요하다. 이 측정광의 빔 직경 영향에 대해 도9a 및 도9b를 이용하여 설명한다.
도9a 및 도9b는, 측정광의 빔 직경에 따른 이면 반사광의 영향 정도의 변화를 설명하기 위한 개념도이다. 도9a는 측정광의 빔 직경을 상대적으로 크게 한 경우를 도시하고, 도9b는 측정광의 빔 직경을 상대적으로 작게 한 경우를 도시한다.
도9a에 도시하는 바와 같이, 측정광이 조리개부(18)에 의해 빔 직경이 충분히 조여지지 않고 반사 대물 렌즈(42)에 입사하면, 피측정물(OBJ)의 이면(92)에서 반사되어 발생하는 이면 반사광은 그 빔 단면 자체가 커지므로, 핀홀(32a)의 위치에서의 빔 강도에는 마스크된 부분이 존재하지 않게 된다. 즉, 핀홀(32a)의 위치에 있어서의 이면 반사광의 빔 강도는 도넛 형상이 아니라 원 형상으로 되어 버리고, 그 일부는 핀홀(32a)을 통과하여 분광 측정부(60)에 입사하게 된다. 이 결과, 이면 반사광에 의한 영향을 충분히 회피할 수 없다. 그로 인해, 도9b에 도시하는 바와 같이 조리개부(18)에 의해 측정광의 빔 직경을 적절하게 조인 후에, 반사 대 물 렌즈(42)에 입사시키는 것이 바람직하다.
(측정 결과예)
도10은 본 발명의 제2 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100B)를 이용하여 피측정물의 반사율을 측정한 결과를 종래의 광학 특성 측정 장치에 의한 결과와 비교한 도면이다. 도10은 실용상 반사 방지막으로서 이용되는 저반사율 시료인, 유리 상의 산화 실리콘 박막을 피측정물로 하여 피측정물의 반사율 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸다. 또한, 도10 중의 측정 결과 200A는, 일본 특허 출원 공개 평11-230829호 공보(특허 문헌 1)의 도1에 도시되는 바와 같은 측정광과 관찰광을 공통의 광원에 의해 생성하는 종래의 광학 특성 측정 장치에 의해 얻어진 데이터를 나타낸다. 또한, 측정 결과 200B는, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(1O0B)에 의해 얻어진 데이터를 나타낸다.
종래의 광학 특성 측정 장치에 의한 측정 결과 200A는, 측정 결과 200B와 비교하여 약 1.5배나 높은 수치를 나타내고 있다. 이것은, 측정 반사광과 관측 반사광을 충분히 분리할 수 없기 때문에, 관찰 반사광의 일부가 미광이 되어 분광 측정부(60)에 입사함으로써 발생되는 측정 오차에 기인하는 것이라 고려되며, 이 피측정물과 같은 저반사율 시료일수록 현저해진다.
도11은 본 발명의 제2 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100B)를 이용하여 피측정물의 반사율을 측정한 결과를 종래의 광학 특성 측정 장치에 의한 결과와 비교한 도면이다. 도11은 두께 0.2 ㎜의 PET 필름을 피측정물으로 하여 반사율 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸다. 또한, 도11 중의 측정 결과 220A는 종래 의 광학 특성 측정 장치에 의해 얻어진 데이터를 나타낸다. 측정 결과 220B는 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100B)에 의해 얻어진 데이터를 나타낸다. 이론치 220C는 PET 필름(피측정물)의 이미 알고 있는 굴절률과 감쇠 계수에 의해 계산된 PET 필름 표면으로부터만의 반사율 스펙트럼의 이론 계산치를 나타낸다.
도11을 참조하여, 종래의 광학 특성 측정 장치에 의한 측정 결과 220A는, 이론치 220C의 약 2배로 되어 있는 것을 알 수 있다. 이것은 PET 필름의 표면 반사광에 부가하여 이면 반사광이 혼입되어 있기 때문이다. 한편, 측정 결과 220B는 이론치 220C와 잘 일치하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100B)는, 피측정물의 두께가 약 0.2 ㎜와 같은 비교적 얇은 경우라도 이면 반사광 영향을 회피하여 피측정물의 광학 특성을 보다 높은 정밀도로 측정할 수 있는 것을 의미하고 있다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따르면, 상술한 제1 실시 형태에 의해 얻어지는 효과에 부가하여 이면 반사광의 영향을 회피할 수 있다. 즉, 반사 대물 렌즈(42)를 이용함으로써 피측정물의 이면에서 반사되어 발생하는 이면 반사광이 분광 측정부(60)에 입사하는 것을 억제할 수 있으므로, 이면 반사광에 기인하는 측정 오차를 저감할 수 있다. 따라서, 이면 반사광의 영향이 발생하기 쉬운 비교적 얇은 피측정물이라도, 광학 특성을 보다 높은 정밀도로 측정할 수 있다.
[제3 실시 형태]
상술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치에서는, 반사광(측정 반사광 및 관찰 반사광) 전파 경로 상에 빔 스플리터(20)를 배 치하여 관찰광을 주입하는 구성에 대해 설명하였지만, 관찰광을 주입하는 위치는 측정용 광원(10)으로부터 집광 광학계인 대물 렌즈(40)까지의 광학 경로 상이면 어느 것이라도 좋다. 그래서, 본 발명의 제3 실시 형태에서는 측정용 광원(10)으로부터 빔 스플리터(30)까지의 광학 경로 상에서 관찰광을 주입하는 구성에 대해 설명한다.
도12는 본 발명의 제3 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100C)의 개략 구성도이다.
도12를 참조하여, 본 발명의 제3 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100C)는 도1에 도시하는 광학 특성 측정 장치(100A)에 있어서, 측정용 광원(10)으로부터 빔 스플리터(30)까지의 광학 경로 상으로 빔 스플리터(20)의 위치를 변경하고, 이 위치 변경에 수반하여 관찰용 광원(22)과, 광 섬유(24)와, 출사부(26)의 위치에 대해서도 변경한 것이다. 그 밖의 기능 및 구성은, 도1에 도시하는 광학 특성 측정 장치(100A)와 동일하므로 상세한 설명은 반복하지 않는다.
본 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100C)에 따르면, 피측정물로부터의 반사광(측정 반사광 및 관찰 반사광)이 1개의 빔 스플리터(30)만을 통과한다. 빔 스플리터(30)는 대표적으로 하프 미러로 구성된다. 하프 미러의 이론적인 투과율은 그 이름과 같이 50 ％이므로, 하프 미러를 통과하는 전후에서 그 광 강도는 반감(50％)되어 버린다. 그로 인해, 반사광이 통과하는 빔 스플리터의 개수를 저감함으로써, 분광 측정부(60)에 입사하는 반사광의 감쇠량을 억제할 수 있다. 따라서, 분광 측정부(60)에서 검출되는 스펙트럼의 SN(Signal to Noise)비를 보다 높 은 상태로 유지할 수 있다.
본 발명의 제3 실시 형태에 따르면, 상술한 제1 실시 형태에 의해 얻어지는 효과에 부가하여 보다 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
[제4 실시 형태]
도13은 본 발명의 제4 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100D)의 개략 구성도이다.
도13을 참조하여, 본 발명의 제4 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치(100D)는 도5에 도시하는 광학 특성 측정 장치(100B)에 있어서, 측정용 광원(10)으로부터 빔 스플리터(30)까지의 광학 경로 상으로 빔 스플리터(20)의 위치를 변경하고, 이 위치 변경에 수반하여 관찰용 광원(22)과, 광 섬유(24)와, 출사부(26)의 위치에 대해서도 변경한 것이다. 그 밖의 기능 및 구성은, 도5에 도시하는 광학 특성 측정 장치(100B)와 동일하므로 상세한 설명은 반복하지 않는다. 또한, 상술한 제3 실시 형태에서도 설명한 바와 같이, 반사광이 통과하는 빔 스플리터의 개수를 저감함으로써 분광 측정부(60)에 입사하는 반사광의 감쇠량을 억제할 수 있다. 따라서, 분광 측정부(60)에서 검출되는 스펙트럼의 SN비를 보다 높은 상태로 유지할 수 있다.
본 발명의 제4 실시 형태에 따르면, 상술한 제2 실시 형태에 의해 얻어지는 효과에 부가하여, 보다 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명을 상세하게 설명하여 나타내 왔지만, 이것은 예시를 위한 것일 뿐이며 한정으로 되는 것은 아니고, 발명의 범위는 첨부한 청구범위에 의해 해석되는 것이 명백하게 이해될 것이다.
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치의 개략 구성도.
도2는 관찰용 카메라에 의해 취득되는 반사 이미지의 일예를 나타내는 도면.
도3a 및 도3b는 피측정물으로서 가시광 반사 방지막을 이용한 경우의 관찰용 카메라에 의해 취득되는 반사 이미지의 일예를 나타내는 도면.
도4는 본 발명의 제1 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치를 이용한 피측정물의 광학 특성의 측정 순서를 나타내는 흐름도.
도5는 본 발명의 제2 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치의 개략 구성도.
도6은 본 발명의 제2 실시 형태에 따르는 반사 대물 렌즈의 보다 상세한 구성도.
도7은 굴절 대물 렌즈를 이용한 경우에 있어서의 이면 반사광의 발생 상태를 설명하기 위한 개념도.
도8a 및 도8b는 반사 대물 렌즈를 이용한 경우에 있어서의 이면 반사광의 발생 상태를 설명하기 위한 개념도.
도9a 및 도9b는 측정광의 빔 직경에 따른 이면 반사광의 영향 정도의 변화를 설명하기 위한 개념도.
도10은 본 발명의 제2 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치를 이용하여 피측정물의 반사율을 측정한 결과를 종래의 광학 특성 측정 장치에 의한 결과와 비 교한 도면.
도11은 본 발명의 제2 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치를 이용하여 피측정물의 반사율을 측정한 결과를 종래의 광학 특성 측정 장치에 의한 결과와 비교한 도면.
도12는 본 발명의 제3 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치의 개략 구성도.
도13은 본 발명의 제4 실시 형태에 따르는 광학 특성 측정 장치의 개략 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100A, 100B, 100C, 100D : 광학 특성 측정 장치, 10 : 측정용 광원, 12 : 콜리메이트 렌즈, 14 : 커트 필터, 16, 36 : 결상 렌즈, 18 : 조리개부, 20, 30 : 빔 스플리터, 22 : 관찰용 광원, 24 : 광 섬유, 26 : 출사부, 32 : 핀홀 미러, 34 : 축 변환 미러, 38 : 관찰용 카메라, 39 : 표시부, 40 : 대물 렌즈, 50 : 스테이지, 52 : 가동 기구, 60 : 분광 측정부, 70 : 데이터 처리부

Claims (9)

  1. 피측정물에 대한 측정 범위의 파장을 포함하는 측정광을 발생하는 측정용 광원과,
    상기 피측정물에서 반사 가능한 파장을 포함하는 관찰광을 발생하는 관찰용 광원과,
    상기 측정광 및 상기 관찰광이 입사되고, 입사된 광을 집광하는 집광 광학계와,
    상기 측정용 광원으로부터 상기 집광 광학계까지의 광학 경로 상의 소정 위치에 있어서 상기 관찰광을 주입하는 광 주입부와,
    상기 피측정물에서 발생되는 반사광 중, 측정 반사광과 관찰 반사광을 분리하는 광 분리부와,
    상기 관찰 반사광에 의해 얻어지는 반사 이미지 및 당해 반사 이미지에 따른 신호 중 적어도 한쪽을 출력하는 출력부와,
    상기 집광 광학계와 상기 피측정물 사이의 위치 관계를 변경 가능한 조정 기구를 구비하는 광학 특성 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 주입부에 있어서의 상기 측정광의 빔 직경은, 상기 광 주입부에 있어서의 상기 관찰광의 빔 직경에 비해 작은 광학 특성 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 측정 반사광의 스펙트럼을 측정하는 분광 측정부를 더 구비하고,
    상기 광 분리부는 상기 피측정물에서 발생되는 반사광이 전파하는 경로 상에 배치된 광 반사부를 포함하고,
    상기 광 반사부는 상기 피측정물에서 발생되는 반사광의 광축에 대응하는 위치에, 상기 측정 반사광의 빔 직경과 비교하여 작은 직경의 구멍 개방부를 갖고,
    상기 분광 측정부는 상기 구멍 개방부를 통과한 반사광을 수광하도록 배치되는 광학 특성 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 집광 광학계는 볼록면 반사경 및 오목면 반사경을 포함하고,
    상기 볼록면 반사경은 상기 측정광의 광축과 직교하는 단면에 있어서 상기 광축으로부터 소정의 반경 거리 이상의 영역에 입사하는 광을 상기 오목면 반사경으로 유도하고,
    상기 오목면 반사경은 상기 볼록면 반사경으로부터의 광을 상기 피측정물에 집광하는 광학 특성 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 피측정물에 소정의 관찰 기준 이미지가 투사되도록 상기 관찰광의 일부를 마스크하는 마스크부를 더 구비하는 광학 특성 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 출력부는 상기 반사 이미지를 표시하는 표시부를 포함하는 광학 특성 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 관찰용 광원은 상기 측정 반사광을 이용한 측정 중에 있어서, 상기 관찰광의 발생을 정지하는 광학 특성 측정 장치.
  8. 광학 특성 측정 장치를 이용하여 피측정물의 광학 특성을 측정하는 측정 방법이며,
    상기 광학 특성 측정 장치는,
    피측정물에 대한 측정 범위의 파장을 포함하는 측정광을 발생하는 측정용 광원과,
    상기 피측정물에서 반사 가능한 파장을 포함하는 관찰광을 발생하는 관찰용 광원과,
    상기 측정광 및 상기 관찰광이 입사되고, 입사된 광을 집광하는 집광 광학계와,
    상기 측정용 광원으로부터 상기 집광 광학계까지의 광학 경로 상의 소정 위치에 있어서 상기 관찰광을 주입하는 광 주입부와,
    상기 피측정물에서 발생되는 반사광 중, 측정 반사광과 관찰 반사광을 분리하는 광 분리부와,
    상기 집광 광학계와 상기 피측정물 사이의 위치 관계를 변경 가능한 조정 기 구를 구비하고,
    상기 측정 방법은,
    상기 관찰용 광원이 상기 관찰광을 발생하는 단계와,
    상기 광 분리부에 의해 분리되는 상기 관찰 반사광으로부터 반사 이미지를 취득하는 단계와,
    상기 반사 이미지가 나타내는 포커싱 상태를 기초로 하여 상기 조정 기구를 구동하는 단계와,
    상기 측정용 광원이 상기 측정광을 발생하는 단계와,
    상기 광 분리부에 의해 분리되는 상기 측정 반사광의 스펙트럼을 측정하는 단계를 구비하는 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 측정광의 발생이 개시되면 상기 관찰용 광원으로부터의 상기 관찰광의 발생을 정지하는 단계를 더 구비하는 측정 방법.
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