KR20090068838A - 표면 형상 검사 장치 - Google Patents

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강민구
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Abstract

본 발명은 빛을 한점으로 모으는 능력이 뛰어난 현미경 대물렌즈를 간섭계에 적용하여 대면적의 검사 영역에 대한 간섭무늬 획득이 원활하게 이루어지도록 하는 표면 형상 검사 장치에 관한 것이다.
이를 위한, 본 발명의 표면 형상 검사 장치는, 조명부와 상기 조명부로부터의 조명광이 각각 기준미러의 기준면과 측정물의 측정면에 조사되도록 분할시키는 빔분할기와, 상기 측정면과 상기 기준면으로부터 각각 반사되는 기준광과 측정광의 간섭에 의해 생성된 간섭무늬를 촬영하는 광검출소자, 및 상기 광검출소자를 통해 촬상된 화상으로부터 백색광 간섭무늬 해석을 통해 표면 형상 정보를 획득하고 획득된 정보를 통해 결함 유무 검출을 하는 제어 컴퓨터를 포함하는 표면 형상 측정 시스템에 있어서, 상기 조명부는 광원과, 상기 광원의 광을 집광시키되 빛을 점광원 형태로 만드는 현미경 대물렌즈와, 상기 현미경 대물렌즈의 광 경로에 구비되는 핀 홀이 형성된 슬릿과, 상기 핀 홀을 통과한 빛을 상기 빔 분할기로 제공하는 투영렌즈를 포함한다.
현미경 대물렌즈, 표면 형상, 간섭, 점광원, 초점

Description

표면 형상 검사 장치{APPARATUS FOR INSPECTION OF SURFACE SHAPE}
본 발명은 표면 형상 검사 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 빛을 한점으로 모으는 능력이 뛰어난 현미경 대물렌즈를 간섭계에 적용하여 대면적의 검사 영역에 대한 간섭무늬 획득이 원활하게 이루어지도록 하는 표면 형상 검사 장치에 관한 것이다.
최근, 전자, 기계 부품의 소형화 및 정밀화에 의해, 복잡한 단차 형상(step shape)을 갖는 미세 구조물의 가공과 제조 상태를 확인하기 위해서는 치수, 형상, 표면 조도에 대한 계측 고정밀도화가 요구되고 있다.
따라서, 현재에는 소형의 전자, 기계부품 등의 계측에는 광학식 2차원 측정장치를 이용한 치수 측정 방법과, 광학식 3차원 측정장치를 이용한 형상이나 두께(표면조도)를 측정 방법이 사용되고 있다.
종래의 광학식 3차원 측정 장치의 하나로 백색광 주사 간섭법(WSI : White-light Scanning Interferometry)이 제안된바 있다.
도 3을 참조하면, 백색광 주사 간섭법은 광원(100)으로부터 발생되어 빔 스플리터(Beam splitter : 200)에서 분리된 기준광과 측정광이 각각 기준미러(400)의 기준면과 측정물(300) 측정면(P)으로부터 반사되어 상호 간섭신호(Interference signal)를 발생하면 이를 광검출소자(500)로 촬영한 후 해석하는 원리를 이용하는 것으로서, 기준광과 측정광이 동일한 광경로차(Optical path difference)를 겪을 때에만 간섭신호를 나타내는 특성을 이용하여, 위치를 검출을 통해 3차원 형상을 계측하는 것이다.
이러한 원리를 이용하여, PZT 액추에이터와 같은 이송수단으로 측정물을 광축 방향으로 미소 간격씩 이동하면서 측정 영역 내의 각 측정점에서의 간섭신호를 관찰하면, 각 점의 측정광이 기준광과 동일한 광경로차가 발생하는 지점에서 짧은 간섭신호가 발생한다.
따라서, 간섭신호의 발생 위치를 측정 영역 내의 모든 측정점에서 산출하면 측정면의 3차원 형상에 대한 정보를 획득 하게 되고, 획득된 3차원 정보로부터 박막층의 두께 및 형상을 측정할 수 있는 것이다.
이러한 간섭무늬는 광원의 파장이 좁거나 레이저 광원과 같은 점광원(Point source)을 이용할 경우 잘 나타나는데, 종래의 백색광 간섭계의 경우 점광원 형태가 아니기 때문에 특정 파장대에서 간섭무늬가 순간적으로 형성된다.
이에 따라, 순간적으로 간섭무늬가 생성될 때의 신호를 획득하면 해당 신호에 대응되는 영역의 검사를 수행할 수 있는 것으로서, 미세한 검사 영역(Field of view) 측정에 유리한 이점이 있다.
그런데, 이러한 종래의 간섭계는 미세 영역에 대해서 순간적으로 간섭무늬가 잘 생성되는 반면에, 대면적을 가지는 검사 대상의 경우 검사 영역(Field of view) 이 증가하여, 대면적의 검사 영역 중 일 부분에만 간섭무늬가 잘 생성되고 전체 영역에 대해서는 간섭무늬가 잘 생성되지 않아 검사가 어려운 단점이 있다.
본 발명의 목적은 백색광 주사 간섭계를 이용한 표면 형상 측정에 있어서, 빛을 한점으로 모아 점광원의 형태로 만드는 능력이 뛰어난 현미경 대물렌즈를 이용하여, 광의 파장은 유지하여 수직 방향의 분해능은 유지하면서 수형 방향의 간섭무늬에 대한 가시도를 높일 수 있도록 하는 표면 형상 검사 장치를 제공함에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 표면 형상 검사 장치는, 조명부와 상기 조명부로부터의 조명광이 각각 기준미러의 기준면과 측정물의 측정면에 조사되도록 분할시키는 빔분할기와, 상기 측정면과 상기 기준면으로부터 각각 반사되는 기준광과 측정광의 간섭에 의해 생성된 간섭무늬를 촬영하는 광검출소자, 및 상기 광검출소자를 통해 촬상된 화상으로부터 백색광 간섭무늬 해석을 통해 표면 형상 정보를 획득하고 획득된 정보를 통해 결함 유무 검출을 하는 제어 컴퓨터를 포함하는 표면 형상 측정 시스템에 있어서, 상기 조명부는 광원과, 상기 광원의 광을 집광시키되 빛을 점광원 형태로 만드는 현미경 대물렌즈와, 상기 현미경 대물렌즈의 광 경로에 구비되는 핀 홀이 형성된 슬릿과, 상기 핀 홀을 통과한 빛을 상기 빔 분할기로 제공하는 투영렌즈를 포함한다.
본 발명은 광의 파장을 유지하여 수직 방향 분해능은 유지하면서, 수평 방향 즉 대면적 검사 영역 전체에 대한 가시도를 높여 대면적의 검사 영역에 대한 검사 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 표면 형상 검사 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 조명부(1)와, 빔 분할기(2)와, 광검출 소자(5) 및 제어 컴퓨터(6)를 포함하여 구성된다.
여기서, 조명부(1)는 광원(11)과, 현미경 대물렌즈(12)와, 슬릿(13) 및 투영렌즈(14)를 포함한다.
현미경 대물렌즈(12)는 빛을 점광원 형태로 만드는 능력이 뛰어난 특성을 가지는 것으로서, 광원(11)의 광을 점광원의 형태로 집광시킨다.
슬릿(13)은 현미경 대물렌즈(12)로부터 점광원 형태로 출사된 빛을 통과시키는 핀 홀(131)이 형성된 것이고, 투영렌즈(14)는 핀 홀(131)을 통과한 빛을 상기 빔 분할기(2)로 제공하는 것이다.
이러한 조명부(1)의 구성에 따라, 광원(11)으로부터의 광이 현미경 대물렌즈(12)를 통해 점광원의 형태로 집광된 후, 슬릿(13)의 핀 홀(131)을 통해 점광원(11) 형태의 광이 전방으로 확산되어 조사된다.
즉, 기존의 간섭계의 경우 특정 파장대에서 간섭무늬가 순간적으로 잘 생성되므로, 순간적으로 형성되는 간섭무늬를 획득하면 해당 영역에 대한 가시도가 뛰어난 간섭무늬를 얻을 수 있어, 미세한 영역에 대한 측정에 유리하였다.
그러나, 본 발명의 현미경 대물렌즈(12)를 이용한 간섭계의 경우 점광원 형태의 광을 검사 영역 전체에 고르게 분산시켜줌으로써, 대면적의 검사 영역 전체에 가시도가 좋은 간섭무늬가 형성되는바, 대면적 검사에 유용하게 이용된다.
더욱 상세하게는, 현미경 대물렌즈(12)는 빛을 한점으로 모으는 능력이 뛰어나, 간섭계에 현미경 대물렌즈를 적용하는 경우 파장은 그래도 유지되기 때문에 수직 방향에 대한 분해능은 유지되고, 수평 방향에 대한 간섭무늬 가시도가 높아진다.
다시 말해, 파장을 높이면 분해능이 저하되는데 본 발명의 실시예와 같이 현미경 대물렌즈를 이용하면 광의 파장은 그대로 유지되어, 수직 방향에 대한 광 분해능은 그대로 유지된다.
그리고, 빛을 한점으로 모아 점광원의 형태로 만드는 능력이 뛰어난 현미경 대물렌즈를 이용하면 광원(11)으로부터의 광을 점광원(11) 형태로 만들어 주며, 점광원(11) 형태로 만들어준 광을 슬릿(13)의 핀 홀(131)을 통해 다시 퍼트려, 검사 영역 전체에 점광원 형태의 광을 투영시키는 것이다.
이와 같이, 대면적의 검사 영역 전체에 점광원 형태의 광이 고르게 투영시켜 검사 영역 전체의 간섭무늬 가시도를 높여, 검사 정확도를 향상시킬 수 있게 하는 것이다.
한편, 빔 분할기(2)는 조명부(1)로부터의 조명광이 각각 기준미러(4)와 측정물(3) 표면에 조사되도록 분할시킨다.
또한, 광검출 소자(5)는 측정면(P)과 상기 기준면(R)으로부터 각각 반사되는 기준광과 측정광의 간섭에 의해 생성된 간섭무늬를 촬영하는 것으로서, CCD 카메라 등이 이용된다.
그리고, 제어 컴퓨터(6)는 광검출소자(5)를 통해 촬상된 화상으로부터 백색광 간섭무늬 해석을 통해 표면 형상 정보를 획득하고 획득된 정보를 통해 결함 유무를 검출한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이 보조 기준광 생성 수단(7)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 간섭무늬란 측정광과 기준 초점이 맞아야 하고 및 광경로가 동일할 경우 발생하므로, 측정물의 최고점과 최저점에 대한 간섭무늬를 한번에 획득하기 위해서는 최고점 측정광과 최저점 측정광에 동일한 초점 및 광경로를 가지는 기준광을 모두 생성해야 한다.
본 발명의 부가적인 양상은 보조 기준광 생성 수단(7)을 이용하여 최고점과 최저점 단차를 가지는 검사 대상에 대한 영상을 한번에 획득할 수 있는 것이다.
여기서, 보조 기준광 생성 수단(7)은 빔분할기(2)와 기준미러(4) 사이에 구비되는 보조빔분할기(71)와, 기준미러(71)와 이웃하는 상기 보조빔분할기(71)의 측면에 구비되는 보조기준미러(72)로 구성된다.
여기서, 보조빔분할기(71)는, 빔분할기(2)로부터의 광이 조사하는 평면형 전면과 상기 전면과 평행한 후면을 갖는 평판형 빔분할기(71a)와, 평판형빔분할기(71a) 후면에 밀착되는 보상판(71b)으로 구성될 수 있다.
이때, 평판형 빔분할기(71a)는 전면에 반사방지(Anti-Reflection) 코팅이 되고, 후면에 광분할 코팅 된 것을 이용하되, 광분할은 분할비를 50% : 50%로 설정한다.
또한, 보상판(71b)은 후면이 반사방지 코팅된 것이다.
이러한 본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 기준미러(4)에서 생성되는 기준광(R1)과 보조기준미러(72)에서 생성되는 기준광(R2)은 어느 하나가 최고점 측정광(M1)과 동일한 광경로를 가질 경우 다른 하나는 최저점 측정광(M2)과 동일한 광경로를 갖도록 위치 조절이 이루어짐이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 표면 형상 측정 시스템의 장치 구성도.
도 2는 도 1의 보조광원의 실시예를 나타낸 장치 사시도.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 도 1의 조명부의 변형예를 나타낸 장치 구성도.
도 6은 본 발명의 표면 형상 측정 방법의 실시예를 도시한 예시도.
도 7은 종래 기술에 의한 백색광 주사 간섭을 이용한 표면 형상 측정 시스템 장치 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1 : 조명부
11 : 광원
12 : 현미경 대물렌즈
13 : 슬릿, 131 : 핀 홀
14 : 투영렌즈
2 : 빔분할기
3 : 측정물
4 : 기준미러
5 : 광검출소자
6 : 제어 컴퓨터
P : 기준면, R : 측정물 표면
7 : 보조 기준광 생성수단

Claims (4)

  1. 조명부(1)와,
    상기 조명부(1)로부터의 조명광이 각각 기준미러(4)의 기준면(R)와 측정물(3)의 측정면(P)에 조사되도록 분할시키는 빔분할기(2)와,
    상기 측정면(P)과 상기 기준면(R)으로부터 각각 반사되는 기준광과 측정광의 간섭에 의해 생성된 간섭무늬를 촬영하는 광검출소자(5), 및
    상기 광검출소자(5)를 통해 촬상된 화상으로부터 백색광 간섭무늬 해석을 통해 표면 형상 정보를 획득하고 획득된 정보를 통해 결함 유무 검출을 하는 제어 컴퓨터(6)를 포함하는 표면 형상 측정 시스템에 있어서,
    상기 조명부(1)는;
    광원(11)과,
    상기 광원(11)의 광을 집광시키되 빛을 점광원 형태로 만드는 현미경 대물렌즈(12)와,
    상기 현미경 대물렌즈(12)로부터 점광원 형태로 출사된 빛을 통과시키는 핀 홀(131)이 형성된 슬릿(13)과,
    상기 핀 홀(131)을 통과한 빛을 상기 빔 분할기(2)로 제공하는 투영렌즈(14)를 포함함을 특징으로 하는 표면 형상 검사 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 빔분할기(2)와 상기 기준미러(4) 사이에 구비되는 보조빔분할기(71)와,
    상기 기준미러(71)와 이웃하는 상기 보조빔분할기(71)의 측면에 구비되는 보조기준미러(72)로 구성되는 보조 기준광 생성 수단(7)을 더 구비함을 특징으로 하는 표면 형상 검사 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 보조빔분할기(71)는;
    상기 빔분할기(2)로부터의 광이 조사하는 평면형 전면과 상기 전면과 평행한 후면을 갖는 평판형 빔분할기(71a)인 것을 특징으로 하는 입체 형상 측정 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 보조빔분할기(71)는 상기 기준미러(3)와 보조기준미러(72)로의 광 경로를 조절하기 위하여 평판형빔분할기(71a) 후면에 밀착되는 보상판(71b)을 더 구비함을 특징으로 하는 입체 형상 측정 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101628761B1 (ko) * 2015-03-06 2016-06-09 (주) 인텍플러스 비대칭 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치

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