KR20090105288A

KR20090105288A - 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정장치 및 그측정방법

Info

Publication number: KR20090105288A
Application number: KR1020080030655A
Authority: KR
Inventors: 유장우; 류성윤; 김대석; 김수현
Original assignee: 한국과학기술원; 전북대학교산학협력단
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2009-10-07
Also published as: KR100947030B1

Abstract

본 발명은 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상의 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 시편에서 반사되어 나오는 측정광과 차단필터를 통과하고 나온 기준광의 간섭신호를 이용하여 시편의 두께와 형상에 관한 정보를 얻을 수 있는 3차원 두께와 형상의 측정장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상의 측정장치는 광대역의 파장을 가지는 광을 출사하는 광원부; 광을 제 1측정광과 제 1기준광으로 분리시키는 빔분할기와; 제 1측정광을 시편에 조사받게 하는 시편부; 제 1기준광을 특정파장 영역만 선별하여 통과시키는 칼라필터를 포함하는 기준부; 시편부 및 기준부로부터 출사된 제2측정광과 제 2기준광에 대한 신호를 검출하는 검출부; 및 검출부로부터 나온 신호에 대하여 신호처리 및 제어하는 신호처리 제어부;를 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

음향광학변조필터, 칼라필터, 3차원 두께, 듀얼 분광, 박막

Description

칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정장치 및 그 측정방법{Measuring device of 3-dimensional thickness and shape using color filter and measurement method thereof}

본 발명은 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 시편에서 반사되어 나오는 측정광과 차단필터를 통과하고 나온 기준광의 간섭신호를 이용하여 시편의 두께와 형상에 관한 정보를 얻을 수 있는 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 제조공정 중에는 불투명한 금속층의 표면상에 투명한 박막층을 도포하는 공정이 존재한다. 이때 투명한 박막층의 두께나 형상에 대한 정보를 측정하는 기술로서 개발된 것이 종래 백색광 주사간섭계이다.

이러한 광학적 형상 측정시스템 중의 하나인 백색광 주사간섭계는 단색광이 출사되는 광원과 이러한 단색광의 출사방향에 대하여 설치되는 빔스플리터 및 이러한 빔스플리터에서 조사되는 백색광을 분광이미지로 얻을 수 있는 CCD센서 등으로 이루어진다.

이때 광원에서 조사되는 단색광은 빔스플리터에 의해서 기준면과 측정부로 진행하게 된다. 다시 기준면과 측정부에서 반사된 백색광은 빔스플리터를 통과한 후 CCD센서에 조사되어 결상을 맺게 된다. 기준면에 부착된 압전소자는 직선방향으로 주사를 하게 되며, 센서 어레이의 한 점은 측정부의 한 점에 대응한다.

이러한 백색광 주사 간섭계는 백색광의 짧은 가간섭성의 원리를 채택하고 있으며 불투명 측정부의 3차원 형상측정에 사용된다.

하지만 아주 얇은 투명박막이 이와 같은 불투명 측정부위에 도포되어 있을 경우 불투명 측정부에서 반사되어 나오는 파면 이외에 투명박막의 표면으로부터 나오는 광이 간섭에 영향을 미치기 때문에 이를 분리하는 것이 어려운 문제점을 가지고 있었다.

이러한 것에 대한 대응으로 기준면으로 조사되는 백색광에 대한 블록킹 플레이트의 선택적인 차단 여부에 따른 모드별 독립측정으로 다층 구조의 측정대상에 대한 두께 정보와 형상 정보를 독립적 추출이 가능한 방법을 사용하였다.

도 1은 종래의 기술에 따른 형상정보와 두께 정보를 나타내는 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 점선으로 표시된 가상 기준면에 대해 미세 박막층(34)의 상위면까지가 2차원적 표면 형상정보 h(x,y)이고 미세박막층의 하부면에서부터 측정부(35)의 상부에 위치하는 웨이퍼 상부까지가 두께정보 d(x,y)이다.

이러한 두께 정보d(x,y)와 형상정보h(x,y)를 측정하기 위해서는 블록킹 플레이트의 차단 여부에 따라 ON모드와 OFF모드로 분리하여 측정을 실시한다. 이와 같이 분리해서 측정하여 얻어진 형상정보와 두께정보를 조합하여 얻어진 입체 형상정 보를 추출할 수 있다.

즉 백색광을 시편에 주사한 후 시편을 맞고 나온 광과 기준면을 맞고 나온 광 사이의 간섭신호를 음향광학변조필터에 통과시키면, 음향광학변조필터에 가진되는 주파수에 따라 특정파장의 회절신호를 얻게 된다. 그런데, 이러한 회절신호를 전파장에 대하여 획득한 후 이 신호를 분석함으로써 시편의 두께 및 형상정보를 측정할 수 있는 것이다.

그런데 아주 얇은 투명 박막이 불투명 측정부위에 도포가 되어 있는 시편의 경우 불투명 측정부에서 반사되어 나오는 파면이외에 투명박막의 표면으로부터 반사되어 나오는 광이 간섭에 영향을 미친다. 하지만 이러한 광을 분리하는 것이 힘들기 때문에 기존에 사용되었던 방법인 소프트웨어적인 알고리즘을 이용하여 분리할 경우 많은 시간이 소요된다는 단점이 존재한다.

이를 극복하기 위한 음향광학변조필터를 이용한 3차원 형상측정장치의 경우에는 기준면으로 조사되는 백색광에 대한 블록킹 플레이트의 선택적인 차단 여부에 따른 모드별 독립측정방법을 사용하였다. 이때 다층구조의 측정대상에 대한 두께 정보와 형상정보를 획득할 수 있는 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상측정장치의 제공이 가능하였다.

하지만 음향광학변조필터를 이용한 투명박막의 3차원 형상측정장치의 경우 측정하고자 하는 시편에 대하여 블록킹 플레이트를 장착한 상태와 장착하지 않은 상태에 대하여 측정이 2번씩 이루어져야 한다는 단점이 존재하였다.

또한 이때 블록킹 플레이트를 장착한 상태와 제거한 상태에서 시스템의 정렬 이 어긋나거나, 2번의 측정과정에서 외부 환경이 변할 경우 측정오차가 발생할 수 있는 문제점을 가지고 있었다.

또한 블로킹 플레이트가 설치된 상태와 제거된 상태에서 측정하여야 하므로 측정시간이 오래 걸리는 문제점이 존재하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로써, 측정부와 기준부를 분리함으로써 측정부에서 나온 회절신호로부터 두께에 관한 정보를 얻고, 기준부를 통과하여 나온 회절신호로부터 두께와 형상에 관한 정보를 획득할 수 있는 칼라필터를 이용한 3차원 두께 형상 측정장치를 제공하고자 하는 것이 본 발명의 제 1 목적이다.

본 발명의 제 2 목적은 두께와 형상에 관한 정보를 개별적으로 획득하는 것이 아니라 한 번의 측정으로 획득하여 고속으로 정밀하게 시편의 두께와 형상을 측정할수 있는 칼라필터를 이용한 3차원 두께 형상 측정장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명하여질 것이다.

본 발명에 따른 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상의 측정장치는 광대역의 파장을 가지는 광을 출사하는 광원부; 광을 제1측정광과 제1기준광으로 분리시키는 빔분할기와; 제1측정광을 시편에 조사받게 하는 시편부; 제1기준광을 특정파장 영역만 선별하여 통과시키는 칼라필터를 포함하는 기준부; 시편부 및 기준부로부터 출사된 제2측정광과 제 2기준광에 대한 신호를 검출하는 검출부; 및 검출부로 부터 나온 신호에 대하여 신호처리 및 제어하는 신호처리 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 측정장치는 제2측정광과 제 2기준광을 입사받아 검출기로 출력시키는 음향광학변조필터를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

특히, 광원부는 광을 평행광으로 만들어주거나 광량을 조절하는 렌즈부를 더 포함하고 있다.

특히, 특정파장의 대역은 차단파장이상의 파장대역 또는 차단파장이하의 파장대역이다.

특히. 시편은 특정파장의 특정형상위에 박막이 도포되어 있는 형태, 특정세포, 광학소자 중의 어느 하나이다.

특히, 넓은 대역폭을 가지는 광은 백색광 또는 파장이 가변인 레이저이다.

본 발명에 따른 칼라필터를 이용한 3차원 두께 및 형상 측정방법에 있어서, 광원부에서 광 대역의 파장의 광을 발생시키는 단계(S10,S11); 광 대역의 파장의 광을 광선분리부에서 2개의 신호로 분리하는 단계(S20,S21); 2개의 신호 중의 하나는 기준부로 입사하고, 다른 하나는 시편부로 입사하는 단계(S30,S31); 기준부로 입사한 광은 칼라필터를 통과하여 특정파장 대역이상의 파장과 시편부를 통과한 신호가 음향광학변조필터로 입사되는 단계(S40,S41); 음향광학 변조필터에서 나온 제1,2회절광에 대하여 신호를 검출하는 단계(S50,S51); 검출된 신호에 대하여 신호처리하고 제어하는 단계(S60,S61);를 포함한다.

특히, 제1회절광은 전 파장대역의 신호인 제2측정광의 회절 신호이다.

특히, 제2회절광은 특정파장 이상의 신호인 제2기준광과 시편부를 통과한 신호인 제2측정광의 회절신호이다.

특히, 신호의 제어처리및 검출단계(S60,S61)에서 푸리에 변환을 수행한다.

본 발명에 따른 칼라필터를 이용한 3차원 두께 및 형상 동시 측정장치는 칼라필터를 통과하는 광과 통과하지 않은 광을 분리함으로써 3차원 두께 및 형상에 대한 정보를 한번에 측정할 수 있다.

즉, 단 한 번의 측정으로 3차원 두께 및 형상에 대한 정보를 획득할 수 있기 때문에 단시간에 측정할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

(장치의 구성)

도2는 본 발명에 따른 칼라필터를 포함하는 3차원 형상 및 두께 측정장치의 구성을 보여주는 블록도이다. 도2에 도시된 바와 같이, 광원부(20), 빔분할기(10), 시편부(30), 기준부(40), 음향광학변조필터(50), 검출부(60)및 신호처리 제어부(70)로 구성되어 있다. 이러한 각각의 구성에 대한 상세는 도 4에서 후술하기로 한다.

광원부(20)에서는 시편부(30)와 기준부(40)에 투사되어야 할 광이 나오도록 구성되어 있다. 여기서, 제1측정광(8a)은 광원부(20)에서 출사되어 빔분할기(10)에 서 분리된 광으로 시편부(30)로 입사되고, 제2측정광(8b)은 시편부(30)에서 출사된 광이다. 또한 제1기준광(9a)은 광원부(20)에서 출사되어 빔분할기(10)에서 분리된 광이 기준부(40)로 입사되는 광이다. 그리고 제2기준광(9b)은 기준부(40)에서 출사된 광이다.

이러한 광은 서로 간섭신호를 만들어내면서, 음향광학변조필터(50)에 입사된다. 음향광학변조필터(50)는 음향광학변조필터 드라이버(71)로부터 입사되는 음향광학변조필터 조절신호를 받는다. 여기서 음향광학변조필터 드라이버(71)로부터 입사되는 신호는 RF신호(73)이다. 그리고 이러한 RF신호(73)는 시편부(30)에서 들어오는 제2측정광(8b)과 기준부(40)에서 들어오는 제2기준광(9b)을 회절시킨다. 이렇게 음향광학변조필터(50)에서 발생한 제1,2회절광(10a,10b)은 측정하려고 하는 시편(32)의 두께와 형상에 대한 정보를 포함하고 있다. 그리고 이러한 신호를 선별해내는 장소가 검출부(60)이다. 하지만 이처럼 검출부(60)에서 나오는 신호는 파장별신호이다. 특히, 특정파장이상에서는 제2기준광(9b)과 제2측정광(8b)에 대한 신호가 간섭을 일으킨 신호이다. 이러한 제1,2회절광(10a,10b)에 대한 처리를 하는 장소가 신호처리 제어부(70)이다. 이러한 신호처리 제어부(70)에서는 음향광학변조필터 드라이버(71)에 RF신호(73)를 음향광학변조필터(50)에 주사하도록 명령을 한다.

도3은 본 발명에 따른 음향광학변조필터(50)의 구성을 보여주는 단면도이다. 도3에 도시된 바와 같이, 음향광학변조필터(50)는 비등방성 결정(51)의 양단에 PZT(PbZrTiO₃)패드(52a,52b)가 부착되어 있다. 그리고 이러한 음향광학변조필터(50) 에서는 음향광학변조필터 드라이버(71)로부터 오는 RF신호(73)가 입력된다. 이러한 RF신호(73)에 의해서 음향파의 정상파가 발생한다.

여기서 입사광은 제2측정광(8b)과 제2기준광(9b)으로 구성되어 있다. 이와 같이 음향광학변조필터에 입사된 입사광은 결정의 비등방성 결정(51)의 구조내에서 회절을 일으킨다. 이러한 결과로 출력되는 것이 제1회절광(10a)과 제2회절광(10b)이다. 이러한 제1,제2회절광(10a,10b)은 회절현상에 의하여 RF신호(73)에 해당하는 특정파장 대역폭을 갖는다.

이러한 제1,제2회절광(10a,10b)의 파장(λ)은 광속(c), 비등방성결정(51)의 각 방향의 굴절률의 차이(△n),그리고 RF신호(73)의 주파수(F)에 의하여 결정된다.

도4는 본 발명에 따른 칼라필터(41)를 포함하는 3차원 형상 및 두께 측정장치의 구성을 보여주는 블록상세도이다. 도4에 도시된 바와 같이, 광원부(20)에서 나온 광은 제1렌즈(22)를 통과하고 난 후 광선분리부(23)로 입사된다. 이러한 광선분리부(23)에서 나온 광 중 하나는 기준부(40)로의 입사광인 제1기준광(9a)이 되고, 다른 하나는 시편부(30)로의 입사광인 제1측정광(8a)이 된다.

광원부(20)는 광원(21), 제1렌즈부(22) 및 광선분리부(23)로 구성된다. 이때 광원(21)은 광 대역폭을 가지는 백색광 혹은 파장이 가변하는 레이저 등이 사용될 수 있다. 제1렌즈부(22)는 광원(21)에서 나온 광을 평행광으로 만들어주거나 광량 을 조절할 수 있는 형태로 구성된다.

시편부(30)는 제2렌즈부(31)와 두께와 형상을 측정하고자 하는 시편(32) 및 시편(32)이 장착되는 시편장착부(33)로 구성된다. 이때의 시편(32)은 특정 형상 위에 박막이 도포되어 있는 형태이거나 특정세포 혹은 광학소자 등이 될 수 있다.

기준부(40)는 칼라필터(41), 제2렌즈부(42) 및 반사경(43)으로 구성된다. 칼라필터(41)는 특정파장 대역의 광만을 통과시킬 수 있는 필터를 말한다. 이에 따라 특정파장이상의 파장을 갖는 광에 대해서만 통과하게 만들거나 특정파장이하의 파장을 갖는 광에 대해서만 통과하도록 한다. 또는 특정파장대역의 광만 통과시킬 수 있는 대역통과필터일 수 있다.

이때 기준부(40)로 입사된 광은 편광기(미도시)를 통과하면서 평행광이 된다. 이러한 평행광이 제3렌즈부(42)를 통과하여 반사경(43)에 초점이 맺힌다. 그리고 반사경(43)을 통해서 반사되어 나온 광이 광선분리부(23)로 다시 입사된다.

이때 칼라필터(41)의 작용에 의해서 특정 파장대역에서는 제2측정광(8b)에 관한 정보만이 포함되어 있으며, 나머지 부분의 파장대역에서는 제2측정광(8b)과 제2기준광(9b)에 대한 정보가 모두 포함한다. 이처럼 제2측정광(8b)과 제2기준광(9b)에 대한 제1,2회절광(10a,10b)을 같이 얻는다고 할 수 있다. 이것을 통해 한 번의 측정을 통해서 두께와 형상이라는 두 개의 서로 다른 정보를 얻을 수 있다.

음향광학변조필터(50)에서는 입사된 광을 특정파장을 가지는 정상파로 회절시킨다. 시편(32)에서 반사된 제2측정광(8b)과 제2기준광(9b)은 음향광학변조필터(50)로 입사되며, 편광 및 분광특성에 따라 변형된다. 이때 음향광학변조필 터(50)는 음향광학변조필터 드라이버(71)로부터 RF신호(73)를 받는다. 음향광학변조필터(50)에 의해 제1,제2회절광(10a,10b)을 발생시키며, 이때 기준부(40)에 위치한 칼라필터(41)에 의해서 제1,2회절광(10a,10b)에는 차단파장을 전후하여 서로 다른 정보가 포함된다. 제1회절광(10a)은 제2측정광(8b)에 대한 정보가 제2회절광(10b)에는 제2기준광(9b)과 제2측정광(8b)에 대한 정보가 모두 포함된다.

이처럼 혼합되어 있는 신호를 분리함으로써 듀얼모드 이미징 시스템의 구현이 가능하다.

검출부(60)는 결상 또는 광의 집광을 위한 제4렌즈부(61)가 장착될 수 있다. 음향광학변조필터의 제1,2회절광(10a,10b)을 2차원 결상소자(62)로 측정한다. 이와 같은 2차원 결상소자(62)는 신호처리 및 제어부(70)에 의해서 동기화 및 제어되며, 측정된 결과는 신호처리 및 제어부(70)로 전송된다.

칼라필터(41)는 일종의 대역 통과필터라고 할 수 있는데, 광 대역의 파장의 광 중 제1기준광(9a)중 일부 파장범위의 광만이 칼라필터(41)를 통과한다. 칼라필터(41)를 통과한 제2기준광(9b)은 시편부(30)에서 반사되어 나온 제2측정광(8b)과 간섭을 일으킨다.

<측정방법>

이하에서는 칼라필터(41)가 차단파장 이상의 광만 기준부(40)에 입사되도록 칼라필터(41)를 선택하였다고 가정하고 서술하기로 한다.

도5는 본 발명에 따른 모드1에서 파장에 따른 간섭신호를 나타낸 그래프이다. 도5에 도시된 바와 같이, 모드1에서 파장에 따른 제1,제2회절광(10a,10b)의 강 도를 측정한 결과는 박막시편(32)의 자체 간섭신호에 해당한다.

이때 박막 자체 간섭신호는 [수학식2]와 같다.

여기서 I는 광의 강도(intensity)를, i₀는 강도 성분 중 DC 항을 나타내고, τ는 광의 가시도(visibility)를 나타내며, Ψ는 두 광 사이에 발생하는 위상차를 나타낸다. 또한 k는 전파상수를 나타내며, d는 두께 정보를 표현한다.

위 [수학식2]를 푸리에 변환하면, 주파수에 따른 강도함수로 표현하는 것이 가능하다. 이때, 0차,1차,-1차의 공간주파수 성분에서 두께 정보가 나타난다. 이때 0차와 1차 성분의 최고점 사이의 거리가 바로 박막의 두께이다.

[수학식3]은 [수학식2]를 푸리에 변환한 결과이다. 푸리에 변환은 주파수(f)의 함수로 나타낸 것을 말한다.

이러한 박막자체 간섭신호에 대한 푸리에 변환결과로부터 얻을 수 있는 것은 시편의 두께d이다. 이와 같은 모드 1은 본 발명에 따른 칼라필터를 이용한 3차원 두께 및 형상 측정장치에서 기준부(40)로부터 나오는 제2기준광(9b)을 제외하고 제2측정광(8b)의 간섭신호에 해당한다.

두께와 형상에 대한 정보를 얻기 위해서는 기준부(40)로부터 나오는 제2기준광(9b)에 대한 간섭신호를 합하여 측정한다.

도6은 본 발명에 따른 칼라필터(41)를 이용한 3차원 두께와 형상측정의 원리를 설명하는 개념도이다. 도6에 도시된 바와 같이, 표면패턴위에 박막이 증착되어 있는 시편(32)은 박막의 자체간섭(32)신호가 모드 1에서 발생한다. 그리고 모드2영역에서는 도6에서 박막의 자체 간섭(S1-S2)과 제2기준광(9b)과 박막의 간섭(R-S1과 R-S2)을 모두 포함한다. 따라서 이 영역에서는 [수학식4]와 같은 간섭신호를 얻게 된다.

[수학식2]와 달리, 간섭신호에 형상정보와 두께정보가 포함되어 있다는 것을 알 수 있다. 물론 이로부터 3차원 두께와 형상정보를 획득하기 위해서는 이러한 두께와 형상에 대한 정보를 가지고 있는 간섭신호에 대한 푸리에 변환이 수행되어야 한다.

이러한 칼라필터를 이용한 3차원 형상 및 두께 측정방법은 다음과 같다. 광원부(20)에서 광 대역의 파장의 광이 발생한다(S10,S11).

이러한 광은 렌즈부(22)에서 평행광으로 바뀌고, 광선분리부(23)로 입사된다(S20,S21).

광선분리부(23)에서는 2개의 광으로 분리되어 제1측정광(8a)은 시편부(30) 에, 제1회절광(9a)은 기준부(40)에 입사된다(S30,S31).

이처럼 기준부(40)로 입사된 제1기준광(9a)은 칼라필터(41)를 통과한다. 칼라필터(41)는 특정파장이상의 광만을 통과시킨다. 이렇게 칼라필터(41)를 통과한 광은 다시 제3렌즈부(42)를 통과한다. 이러한 제3렌즈부(42)를 통과한 광이 반사경에 의하여 반사되어 되돌아 온다. 이렇게 되돌아 온 광이 제3렌즈부(42)를 통과한 후 다시 광선분리부(23)에 입사된다(S40). 이 광이 제2기준광(9b)이다.

그리고 측정부(30)로 입사한 제1측정광(8a)은 시편부(30)로 입사하여 시편(32)에서 회절되어 나온 제2측정광(8b)은 다시 광선분리부(23)로 입사된다(S41). 이러한 제2측정광(8b)과 제2기준광(9b)이 음향광학변조필터(50)의 입사광이다.

이처럼 음향광학변조필터(50)의 입사광은 2개의 제1,제2회절광(10a,10b)을 발생시킨다(S50,S51). 이러한 제1,2회절광(10a,10b)에는 모드 1에서의 두께에 관한 정보와 모드 2에서의 두께와 형상에 관한 정보를 모두 포함하고 있다.

검출부(60)로 입사된 제1,제2회절광(10a,10b)은 제2측정광(8b)과 제2기준광(9b)에 대한 정보를 모두 포함하고 있다. 이러한 제1,2회절광(10a,10b)에 대한 검출이 종료되면, 신호처리 및 제어부(70)로 데이터가 입력되고 이로부터 푸리에 변환과정을 겪어서 주파수별 분광신호를 얻는다(S60,S61).

도8은 본 발명에 따른 박막의 두께와 표면 형상 분포와 관련된 공간주파수 분포도이다. 도8에 도시된 바와 같이, 모드1에서는 두께d에 대한 정보만을 얻을 수 있다. 반면 모드2에서는 두께d와 형상h에 관한 정보를 얻을 수 있다.

결론적으로 모드1에서는 반사계로서 작동하므로 박막시편(32)의 두께 정보를 얻을 수 있고, 모드2에서는 두께와 형상에 관한 정보가 모두 포함되어 있다. 즉 모드 2에서는 모드1에서의 결과를 바탕으로 표면 형상정보를 추출할 수 있다.

< 변형례1 >

상기에서 설명한 방법은 음향광학변조필터(50)의 분광 결상 특성과 칼라필터(41)의 대역 통과 기능을 이용하여 시편의 특정 결상 영역에 대한 3차원 두께 및 형상을 고속으로 측정하는 것이다. 하지만 이러한 칼라필터(41)를 이용한 측정 장치는 음향광학변조필터(50)를 이용한 결상 광학 장치뿐만 아니라 다른 광학 장치에도 응용될 수 있다.

도 9는 광파이버 주사 분광 시스템에 칼라필터가 삽입된 상태를 보여주는 개념도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 시편의 박막 두께 및 형상을 측정하거나 세포의 형상 및 굴절률 등을 측정할 때 많이 사용되는 광파이버 주사 분광 시스템에 칼라필터(41)를 삽입하여 다중 모드 측정을 구현할 수 있다. 이때 빔분할기(10)로는 파이퍼 빔분할기가 사용된다.

광원(20)에서 출사된 광은 빔분할기(10)를 통과하면서 기준광과 측정광으로 각각 분리된다. 이때 기준광은 기준부(40)로 입사되고, 측정광은 시편부(30)로 입사된다. 기준부(40)는 렌즈(100a)와 칼라필터(41)가 포함되어 있어 입사된 기준광이 렌즈(100a)와 칼라필터(41)를 차례대로 통과한다. 이때 칼라필터(41)를 통과한 광은 반사경(130a)에 의해 반사되어 다시 칼라필터(41)를 통해 입사된다. 시편부(30)로 입사된 광은 렌즈(100b)를 통과하여 반사경(130b)에 의해 반사되면서 시편(160)의 박막 두께 및 형상을 측정하게 된다. 이때 반사경(130b)에 의해 반사된 광은 렌즈(100c)를 통과하여 시편(160)을 측정한다.

상기와 같이 반사경(130a)에 의해 반사된 측정광과 시편(160)에서 반사되거나 투과된 광은 빔분할기(10)로 다시 입사되어 검출부(60)에서 검출되게 된다.

광파이퍼 주사 분광 시스템은 음향광학변조필터를 이용한 결상 광학 시스템과는 달리 공초점 방식을 이용하여 시편(160)의 특정 영역이 아닌 한 지점에만 백색광을 입사한 후 이 지점에서 반사되거나 투과된 백색광을 검출기(60)를 이용하여 파장별 분해하여 원하는 정보를 획득한다. 한 지점에 대한 정보가 획득되면 시편부(30)에 위치한 반사경(130b)의 각도를 가변함으로써 다음 지점에 대한 유용한 정보를 획득하게 된다. 이러한 과정을 통하여 원하는 영역에 대한 전체 3차원 정보를 획득하게 되는 것이다.

이때 검출부(60)는 일반적인 회절격자 및 프리즘, 혹은 음향광학변조필터가 모두 사용될 수 있다.

상기에서 설명된 방법과 동일하게 기준부(40)에 칼라필터(41)를 위치시키면 사용된 광원부(20)의 파장을 특정 범위로 나누어 각각의 파장 영역에 각기 다른 정보를 포함시킴으로써 하나의 광학 시스템을 이용하여 다중 모드 측정을 구현할 수 있다.

< 변형례2 >

이러한 칼라필터를 이용한 3차원 두께 및 형상측정장치가 꼭 박막의 형상 및 두께의 측정에 한정되는 것은 아니다. 즉 특정세포 또는 광학소자 등이 사용될 수 있다.

특정세포의 경우에는 그 크기가 미세하여 형상이나 두께를 측정하는 것이 어렵다. 그리고 주사전자 현미경 혹은 투과 전자 현미경의 소재로 사용하기 위해서는 가공과정이 따로 수반되어야 하는 단점이 있었다. 본 발명에 따른 3차원 형상 및 두께 측정장치에 따르면, 2개의 모드를 사용하는 방법을 통해서 두께와 형상을 직접 보지 않고 측정할 수 있다. 이러한 원리는 광학소자의 경우에도 동일하게 적용가능하다.

이러한 칼라필터를 이용한 3차원 두께 및 형상측정장치의 경우에는 반도체 산업과 더불어 FPD(Flat Panel Display) 산업의 공정중에서 박막의 두께와 형상을 제어할 수 있는 기술로 응용이 가능할 것이다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

도 1은 종래의 기술에 따른 박막의 두께와 형상정보를 표시하는 개념도.

도 2는 본 발명에 따른 칼라필터를 이용한 3차원 두께, 형상 측정장치의 구성을 보여주는 블록도.

도 3은 본 발명에 따른 음향광학변조필터의 구성을 보여주는 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 칼라필터를 이용한 3차원 두께, 형상 측정장치의 구성의 상세를 보여주는 블록도.

도 5는 본 발명에 따른 모드1에서 파장에 따른 간섭신호의 강도를 나타내는 그래프.

도 6은 본 발명에 따른 칼라필터를 이용한 3차원 두께, 형상 측정의 원리를 설명하는 개념도.

도 7은 본 발명에 따른 모드1과 모드2에서 파장에 따른 간섭신호의 강도를 나타내는 그래프.

도 8은 본 발명에 따른 박막의 두께와 표면 형상 분포와 관련된 공간주파수 분포도.

도 9는 광파이버 주사 분광 시스템에 칼라필터가 삽입된 상태를 보여주는 개념도.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

8a,8b:제1,2측정광,

9a,9b:제1,2기준광,

10 : 빔분할기

10a,10b:제1,2 회절광,

20:광원부,

22:제1렌즈부,

23:광선분리부,

30:시편부,

32:시편,

33:시편장착대,

34:미세박막층,

35:측정부,

40:기준부,

41:칼라필터,

50:음향광학변조필터,

60:검출부,

70:신호처리 및 제어부,

71:음향광학변조필터 드라이버,

73:RF신호,

100a, 100b, 100c : 렌즈,

43, 130a, 130b : 반사경

160 : 시편

Claims

광대역의 파장을 가지는 광을 출사하는 광원부(20);

상기 광을 제1측정광(8a)과 제1기준광(9a)으로 분리시키는 빔분할기(10)와;

상기 제1측정광(8a)을 시편에 조사받게 하는 시편부(30);

상기 제1기준광(9a)을 특정파장 영역만 선별하여 통과시키는 칼라필터(41)를 포함하는 기준부(40);

상기 시편부(30) 및 상기 기준부(40)로부터 출사된 제2측정광(8b)과 제 2기준광(9b)에 대한 신호를 검출하는 검출부(60); 및

상기 검출부(60)로부터 나온 신호에 대하여 신호처리 및 제어하는 신호처리 제어부(70);를 포함하는 것을 특징으로 하는 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 측정장치는 상기 제2측정광(8b)과 상기 제 2기준광(9b)을 입사받아 검출기(60)로 출력시키는 음향광학변조필터(50)를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 광원부(20)는 상기 광을 평행광으로 만들어 주거나, 광량을 조절하는 제1렌즈부(22)를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 칼라필터(41)는 차단파장이상의 대역, 차단 파장이하의 대역 또는 특정파장대역을 통과시키는 필터인 것을 특징으로 하는 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 시편(32)은 특정 형상 위에 박막이 도포되어 있는 형태, 특정세포 및 광학소자 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 광은 백색광 또는 파장이 가변적인 레이저인 것을 특징으로 하는 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정장치.
3차원 두께 및 형상측정방법에 있어서,

광원부(20)에서 광 대역의 파장의 광을 발생시키는 단계(S10,S11);

상기 광 대역의 파장의 광을 광선분리부(23)에서 제1측정광(8a)와 제1기준 광(9a)로 분리하는 단계(S20,S21);

상기 제1측정광(8a)은 시편부(30)로 입사하고, 제1기준광(9a)은 기준부(40)로 입사하는 단계(S30,S31);

상기 기준부(40)의 칼라필터(41)를 통과한 제2기준광(9b)과 상기 시편부(30)를 통과한 제2측정광(8b)이 음향광학변조필터(50)로 입사하는 단계(S40,S41);

상기 음향광학 변조필터부(50)에서 나온 제1,2회절광(10a,10b)에 대하여 신호를 검출하는 단계(S50,S51);

상기 검출된 신호에 대하여 신호처리하고 제어하여 검출하는 단계(S60,S61);를 포함하는 것을 특징으로 하는 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정방법.
제 7항에 있어서,

상기 제 1 회절광(10a)은 전 파장대역의 신호인 상기 제2측정광(8b)의 회절신호인 것을 특징으로 하는 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정방법.
제 7항에 있어서,

상기 제 2회절광(10b)은 상기 제2기준광(9b)과 시편부(30)를 통과한 광인 상기 제2측정광(8b)의 회절신호인 것을 특징으로 하는 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정방법.
제 7항에 있어서,

상기 신호의 제어처리및 검출단계(S60,S61)에서 푸리에 변환을 수행하는 것릍 특징으로 하는 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정방법.
제 7항에 있어서,

상기 제2측정광(8b)은 상기 시편부(30)의 시편(32)의 두께에 관한 정보를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정방법.
제 7항에 있어서,

상기 제2기준광(9b)과 상기 제2측정광(8b)의 간섭신호는 시편(32)의 두께와 형상에 관한 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 칼라필터를 이용한 3차원 두께와 형상 동시 측정방법.