KR20130035464A - 편광을 이용한 3차원 형상 및 두께 측정 장치 - Google Patents

편광을 이용한 3차원 형상 및 두께 측정 장치 Download PDF

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Abstract

편광을 이용한 3차원 형상 및 두께 측정 장치 및 방법이 개시된다. 백색광을 조사하는 백색광원, 백색광원으로부터 입사된 백색광을 기준광과 측정광으로 분리하여 기준미러 및 측정물체에 각각 조사되도록 하고, 기준미러 및 측정물체로부터 반사된 기준광 및 측정광을 간섭시켜 간섭광을 생성하는 제1 광분할기, 제1 광분할기와 기준미러 사이에 개재되며, 기준광이 제1 편광성분만을 가지도록 선형 편광시키는 선형 편광기, 제1 광분할기에서 출사되는 간섭광 중 제1 편광성분 및 제2 편광성분 중 하나는 제1 경로로 경로 변경시키고 다른 하나는 투과시키는 제2 광분할기, 제2 광분할기를 투과한 간섭광을 제2 경로로 경로 변경시키는 미러 및 제1 경로 및 제2 경로 상에 배치되어 제1 경로 및 제2 경로를 통해 입사되는 제1 편광성분의 간섭광과 제2 편광성분의 간섭광으로부터 각각 제1 간섭신호 및 제2 간섭신호를 검출하는 분광기를 포함하는 3차원 형상 및 두께 측정 장치에 의하면, 편광을 이용하여 측정물체의 표면 형상 및 두께에 대한 정보를 일시에 획득하는 것이 가능하다.

Description

편광을 이용한 3차원 형상 및 두께 측정 장치{Three dimensional shape and depth measuring device using polarized light}
본 발명은 편광을 이용한 3차원 형상 및 두께 측정 장치에 관한 것이다.
평면 디스플레이, 반도체, 미세 정밀 부품 등의 결함을 검출하기 위해, 물체의 표면을 검사하고 3차원 형상을 측정할 필요가 있으며, 일반적으로 간섭계적인 방법이 이용되고 있다. 측정 대상이 되는 물체의 표면에 대한 간섭계 패턴을 생성하고 분석함으로써 물체의 입체 형상을 얻는 것이 가능하다.
이를 위한 방법 중에 하나로 백색광 주사 간섭 측정법(WSI: White light Scanning Interferometry)이 있다. 1990년 이후부터 활발히 연구되고 있는 백색광 주사 간섭 측정법은 위상 천이 간섭법(phase-shifting interferometry)의 위상 모호성을 극복하기 위하여 개발되었으며, 현재 수 um의 큰 단차를 가지는 형상에 대해서도 수 nm의 분해능으로 측정할 수 있는 장점을 가진다.
백색광 주사 간섭법이란 조명으로 백색광을 이용하여, 간섭 신호를 획득하기 위하여 광축 방향으로 미소 간격씩 상대 이동하는 것에서 유래된 말이다.
도 1은 백색광 주사 간섭법의 기본 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 도 1을 참조하면, 백색광원(10), 광분할기(20), 기준미러(30), 측정물체(40), 검출기(50)를 포함하는 백색광 주사 간섭계가 도시되어 있다.
이러한 백색광 주사 간섭계는 일반적으로 리닉(Linnik), 마이켈슨(Michelson), 미라우(Mirau), 트와이만-그린(Twyman-GreeN) 방식 중 하나를 사용한다.
백색광원(10)에서 나온 조명광(예를 들어, 백색광(white light))은 광분할기(20)에 의해 측정광과 기준광으로 분리되고, 측정면(측정물체(40)의 표면)과 기준면(기준미러(30)의 표면)에 각각 조사된다. 각 면에서 반사된 광은 동일한 광경로를 거쳐 간섭 신호를 생성한다.
이러한 백색광 주사 간섭계의 특징은 백색광의 짧은 가간섭성(coherence length)을 이용하는 것으로, 레이저와 같은 단색광은 수 m에 걸쳐서 간섭 신호를 발생시킬 수 있지만, 백색광은 수 um 이내에서만 간섭 신호를 발생시키는 특성을 이용한다.
도 1에서와 같이 측정물체를 광축 방향(z축 방향)으로 미소 간격씩 이동하면서 한 측정점에서의 간섭 신호를 관찰하면, 그림에서와 같이 측정점과 기준면의 위치 차이가 가간섭 길이 내의 짧은 거리에 있는 경우, 즉 측정점이 기준면과 동일한 광경로차가 발생하는 지점에서만 간섭 신호가 나타난다. 그러므로 측정 영역내의 모든 측정점에 대한 간섭 신호를 획득하고, 각 간섭 신호의 정점에서의 광축 방향위치를 높이값으로 설정하면, 기준면에 대한 측정면의 3차원 표면 형상을 측정할 수 있다.
이러한 백색광 주사 간섭계에 대해서는 공개특허 10-2000-0061037호 등에 개시되어 있다.
하지만 백색광 주사 간섭계의 경우, 측정물체를 광축 방향으로 미소 간격씩 이동시켜야 하기 때문에, 평면 디스플레이 기판 전체 면적에 대하여 측정을 하고자 하는 경우 많은 시간이 소요되어 측정 속도가 느리며, 기계적인 이송 구동부(예를 들어, 측정물체를 거치하는 스테이지)의 광축 방향으로의 구동에 의해 발생하는 진동에 민감하여 측정 결과가 부정확한 문제점이 있었다.
백색광 간섭법의 또 다른 응용으로는, 파장가변레이저나 음향광학변조기, 또는 액상결정공진기 등을 사용하여 광원의 파장을 다양하게 변조시킴으로써 광범위하게 파장을 생성시켜 사용하는 것이 있다. 백색광 주사 간섭법과는 달리 별도의 기계적인 이송 구동부 없이 빠르게 파장을 주사시키기 때문에 측정속도가 빠르다는 장점이 있다. 하지만 실제로 광원을 변조시킬 수 있는 대역폭이 한정되어 있기 때문에 넓은 파장대역에 걸친 간섭 신호를 얻기에는 문제가 있다.
이러한 점을 극복하기 위해 많이 시도되고 있는 방법이 간섭된 백색광 신호를 회절격자나 프리즘 등과 같은 광 분산장치를 이용하여 직접 분광 시키는 분산 백색광 간섭법(DWI: Dispersive White light Interferometry)이다.
분산 백색광 간섭법은 백색광의 넓은 분광대역폭을 사용하여 측정물체와 기준면광의 광경로차에 의해 생기는 간섭신호를 파장 별로 분광시키기 때문에 실시간 측정이 가능하고, 외부 진동이나 환경에 둔감한 장점이 있다. 분산 백색광 간섭법의 기본원리가 도 2에 도시되어 있다.
도 2는 분산 백색광 간섭법의 기본 원리를 설명하기 위한 개념도로서, 백색광원(110), 광분할기(120), 측정면(140), 기준면(130), 분산장치(160), 검출기(170)를 포함하는 분산 백색광 간섭계가 도시되어 있다.
백색광원(110)에서 나온 조명광(예를 들어, 백색광)은 광분할기(120)에 의해 측정광과 기준광으로 분리되고, 측정면(140)과 기준면(130)에 각각 조사된다. 각 면에서 반사된 광은 동일한 광경로를 거쳐 간섭 신호를 생성한다. 여기서, 기준면(130)은 기준미러의 표면일 수 있다. 이 경우 측정면(140)과 기준면(130)과의 광경로차에 의해 발생하는 간섭 신호를 파장 별로 분광하여 측정면(140)에 대한 거리정보를 얻는다.
이를 위해 분산 백색광 간섭계는 예를 들어 회절격자나 프리즘 등과 같은 분산장치(160)와 예를 들어 CCD나 CMOS와 같은 검출기(170)로 이루어진 분광기를 사용하여 사용 광원인 백색광의 광대역에 걸친 파장을 분광시켜 스펙트럼을 분석하게 된다. 이 과정 중에 별도의 기계적인 구동부가 필요없기 때문에 전술한 백색광 주사 간섭계에 비해 측정 속도가 빠르다는 장점이 있다.
이러한 분산형 백색광 간섭계에 대해서는 공개특허 10-2006-0052004호 등에 개시되어 있지만, 전술한 간섭계의 경우 측정대상물의 형상만을 측정할 수 있을 뿐이었으며, 두께를 측정하기 위해서는 형상 측정을 위한 백색광과 별도의 백색광을 조사해야 했다. 이로 인해, 측정대상물의 형상 정보 및 두께 정보가 별도의 백색광 조사 및 영상 처리 과정을 통해 획득하게 되어 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.
공개특허 10-2000-0061037호 공개특허 10-2006-0052004호
본 발명은, 편광을 이용하여 측정물체의 표면 형상 및 두께에 대한 정보를 일시에 획득하는 것이 가능한 3차원 형상 및 두께 측정 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 편광 빔 스플리터와 미러를 소정 간격 이격시켜 배치함으로써 측정물체의 표면 형상에 대한 정보를 싣고 있는 일 방향 편광성분(기준광 및 측정광의 간섭신호)과 측정물체의 두께에 대한 정보를 싣고 있는 타 방향 편광성분(측정광의 반사신호)이 분광기 내의 서로 다른 검출 영역 내에 입사되어 측정물체의 표면 형상 및 두께에 대한 정보를 일시에 획득하는 것이 가능한 3차원 형상 및 두께 측정 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 편광을 이용하여 높은 가격의 분광기를 하나만 사용함으로써 전체적으로 소형화가 가능하고, 비용 절감의 효과가 있으며, 전체 시스템을 단순화시키는 것이 가능한 3차원 형상 및 두께 측정 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 백색광을 조사하는 백색광원, 백색광원으로부터 입사된 백색광을 기준광과 측정광으로 분리하여 기준미러 및 측정물체에 각각 조사되도록 하고, 기준미러 및 측정물체로부터 반사된 기준광 및 측정광을 간섭시켜 간섭광을 생성하는 제1 광분할기, 제1 광분할기와 기준미러 사이에 개재되며, 기준광이 제1 편광성분만을 가지도록 선형 편광시키는 선형 편광기, 제1 광분할기에서 출사되는 간섭광 중 제1 편광성분 및 제2 편광성분 중 하나는 제1 경로로 경로 변경시키고 다른 하나는 투과시키는 제2 광분할기, 제2 광분할기를 투과한 간섭광을 제2 경로로 경로 변경시키는 미러 및 제1 경로 및 제2 경로 상에 배치되어 제1 경로 및 제2 경로를 통해 입사되는 제1 편광성분의 간섭광과 제2 편광성분의 간섭광으로부터 각각 제1 간섭신호 및 제2 간섭신호를 검출하는 분광기를 포함하는 3차원 형상 및 두께 측정 장치가 제공된다.
제1 간섭신호로부터 측정물체의 형상 데이터를 생성하고, 제2 간섭신호로부터 측정물체의 두께 데이터를 생성하는 데이터 처리부를 더 포함할 수 있다. 제1 간섭신호는 기준미러에서 반사된 기준광 및 측정물체에서 반사된 측정광이 서로 간섭된 간섭광일 수 있다. 제2 간섭신호는 측정물체에서 반사된 측정광일 수 있다.
분광기는 공간적으로 복수의 검출 영역으로 분리 구획되고, 제1 편광성분의 간섭광과 제2 편광성분의 간섭광은 서로 중첩되지 않도록 분광기의 서로 다른 검출 영역 내에 각각 입사될 수 있다.
분광기는, 제1 경로 및 제2 경로 상에 배치되는 슬릿을 포함하는 슬릿부와, 슬릿부를 통과한 제1 간섭신호 및 제2 간섭신호를 슬릿의 길이방향에 수직하도록 파장 별로 공간적으로 분산시키는 분산부와, 분산부에 의해 분산된 제1 간섭신호 및 제2 간섭신호를 공간적으로 분리 구획된 서로 다른 검출영역에서 검출하는 영상획득부를 포함할 수 있다.
제1 경로 및 제2 경로는 서로 중첩되지 않으면서 평행할 수 있다.
미러는 제2 광분할기와 간섭광의 폭 이상만큼 이격되어 배치되어 있을 수 있다.
제1 광분할기와 측정물체 사이에 개재되며, 측정광이 기준광과 위상차가 없도록 하는 보상판을 더 포함할 수 있다.
제1 광분할기는 일반적인 빔 스플리터이고, 제2 광분할기는 입사되는 광을 제1 편광성분과 제2 편광성분을 가지는 광으로 분리 출사하는 편광 빔 스플리터일 수 있다.
제1 편광성분은 수직 편광성분 및 수평 편광성분 중 어느 하나이고, 제2 편광성분은 수직 편광성분 및 수평 편광성분 중 다른 하나일 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 편광을 이용하여 측정물체의 표면 형상 및 두께에 대한 정보를 일시에 획득하는 것이 가능하다. 특히, 편광 빔 스플리터와 미러를 소정 간격 이격시켜 배치함으로써 측정물체의 표면 형상에 대한 정보를 싣고 있는 일 방향 편광성분(기준광 및 측정광의 간섭신호)과 측정물체의 두께에 대한 정보를 싣고 있는 타 방향 편광성분(측정광의 반사신호)이 분광기 내의 서로 다른 검출 영역 내에 입사되어 측정물체의 표면 형상 및 두께에 대한 정보를 일시에 획득하는 것이 가능하다.
또한, 편광을 이용하여 높은 가격의 분광기를 하나만 사용함으로써 전체적으로 소형화가 가능하고, 비용 절감의 효과가 있으며, 전체 시스템을 단순화시키는 효과가 있다.
도 1은 백색광 주사 간섭법의 기본 원리를 설명하기 위한 개념도,
도 2는 분산 백색광 간섭법의 기본 원리를 설명하기 위한 개념도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 및 두께 측정 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면,
도 4는 도 3에 도시된 분광기의 검출영역을 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 및 두께 측정 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 분광기의 검출영역을 나타낸 도면이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 3차원 형상 및 두께 측정 장치(200), 백색광원(210), 시준렌즈(215), 제1 및 제2 광분할기(220, 270), 제1 및 제2 대물렌즈(245, 265), 선형 편광기(230), 보상판(250), 기준미러(280), 측정물체(260), 미러(280), 분광기(290), 슬릿부(310), 분산부(320), 영상획득부(330), 제1 및 제2 검출영역(332, 334), 제1 및 제2 경로(L1, L2)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 3차원 형상 및 두께 측정 장치(200)는 분산형 백색광 간섭법 및 편광을 이용하여 고속으로 측정물체의 표면 형상 및 두께를 입체적으로 측정한다. 이에 의하면 측정면에는 백색광이 그대로 조사되지만 기준면에는 일 방향 편광된 광이 조사되기 때문에, 간섭광 중 일 방향 편광성분에는 기준면과 측정면의 차이에 따른 형상 정보가 포함되어 있고 타 방향 편광성분에는 측정면에 대한 두께 정보가 포함되어 있어 측정물체의 표면 형상 및 두께를 일시에 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 따른 3차원 형상 및 두께 측정 장치(200)는 백색광원(210), 제1 광분할기(220), 선형 편광기(230), 기준미러(280), 측정물체(260), 제2 광분할기(270), 미러(280), 분광기(290)를 기본 골격으로 한다.
백색광원(210)은 측정물체(260)의 표면 형상 및 두께에 대한 데이터를 획득하기 위한 조명광을 조사하는 광원으로서, 예를 들어 텅스텐 할로겐 램프, 제논 램프, 백색 발광다이오드 등 중 하나일 수 있으며, 조명광은 예를 들어 광대역의 백색광일 수 있다.
백색광원(210)에서 출사된 백색광은 시준렌즈(collimating lens)(215)에 의해 평행광으로 시준되어 제1 광분할기(220)로 입사된다.
제1 광분할기(220)는 백색광원(210)으로부터 입사된 백색광의 일부는 그대로 투과시키고 나머지는 소정 방향으로 반사시키는 빔 스플리터(beam splitter)이다. 도면에서는 반사된 백색광이 기준미러(280)에 조사되는 기준광으로서 기능하고, 투과된 백색광이 기계적 이송 구동부 상에 거치된 측정물체(260)에 조사되는 측정광으로서 기능하는 것으로 도시되어 있으며, 이하에서도 이를 가정하여 설명하기로 한다. 하지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라 투과광이 기준광으로서 기능하고 반사광이 측정광으로서 기능할 수도 있음은 당연하다.
기준광의 광경로 상에는 선형 편광기(linear polarizer)(230)가 배치되어 있어 기준광을 선형적으로 편광시켜 기준광이 일 방향의 편광성분(이하, 제1 편광성분이라 함)만을 가지도록 할 수 있다. 이하에서는 선형 편광기(230)를 통과한 기준광은 수직 편광성분을 가지는 것을 가정하여 설명하지만, 이는 일 실시예에 불과하며, 수평 편광성분을 가질 수도 있음은 물론이다.
또한, 측정광의 광경로 상에는 보상판(compensating plate)(250)이 배치되어 있어 기준광이 선형 편광기(230)를 거침으로 인해 발생하게 되는 측정광과의 위상차(phase difference)를 보상해 줄 수 있다.
기준광의 광경로 상에는 제1 대물렌즈(245)가 배치되어 있어 기준광을 집광함으로써 기준미러(280)의 표면(기준면) 상의 소정 위치에 일정 크기의 영역에 제1 편광성분만을 가지도록 일방향 선형 편광된 기준광이 조사되도록 한다. 또한, 측정광의 광경로 상에는 제2 대물렌즈(265)가 배치되어 있어 측정광을 집광함으로써 측정물체(260)의 표면(측정면) 상의 소정 위치에 일정 크기의 영역에 측정광이 조사되도록 한다.
본 실시예에서, 측정물체(260)는 기계적 이송 구동부(예를 들어, 스테이지) 상에 거치되어 있어 XY 평면 상에서 측정영역이 변경되도록 이동할 수 있지만, Z축(광축) 방향으로의 이동은 불필요하게 된다.
기준미러(280)에서 반사된 기준광(기준면의 반사광)은 다시 제1 광분할기(220)에 입사되어 그대로 투과되며, 측정물체(260)에서 반사된 측정광(측정면의 반사광)은 다시 제1 광분할기(220)에 입사되어 기준광이 투과되는 방향으로 반사된다.
즉, 제1 광분할기(220)는 백색광을 기준광과 측정광으로 분리시키고, 분리되었던 기준광과 측정광이 반사되어 되돌아오면 이를 간섭시켜 간섭광으로 만든다.
여기서, 기준면의 반사광은 제1 편광성분(수직 편광성분)만을 가지고 있으며, 측정면의 반사광은 제1 편광성분 및 이에 수직하는 제2 편광성분(수평 편광성분)을 모두 가지고 있게 된다. 즉, 간섭광의 제1 편광성분은 기준면의 반사광과 측정면의 반사광이 서로 간섭된 간섭광이고, 제2 편광성분은 측정면의 반사광이 된다.
간섭광은 제2 광분할기(270)로 입사되며, 편광성분에 따라 그대로 투과하거나 (후술할 분광기(290)를 향해) 소정 방향으로 반사됨으로써 편광성분별로 분리된다. 본 실시예에서 제2 광분할기(270)는 입사되는 광을 편광성분에 따라 서로 분리시키는 편광 빔 스플리터(polarized beam splitter)일 수 있다.
제2 광분할기(270)에서는 제1 편광성분이 소정 방향으로 경로 변경되고 제2 편광성분이 그대로 투과하거나, 제1 편광성분이 그대로 투과하고 제2 편광성분이 소정 방향으로 경로 변경될 수 있다. 이하에서는 도면에 예시된 것과 같이 제1 편광성분이 반사되고 제2 편광성분이 그대로 투과하는 경우를 가정하여 설명하지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아님은 물론이다.
제2 광분할기(270)에 의해 분리된 간섭광의 제1 편광성분은 제1 경로(L1)를 따라 분광기(290)의 제1 검출영역(332)에 입사된다. 그리고 제2 광분할기(270)에 의해 분리된 간섭광의 제2 편광성분은 그대로 투과하여 진행하던 중 제2 광분할기(270)와 소정 간격 이격된 미러(280)에 의해 (분광기(290)를 향해) 소정 방향으로 반사됨으로써 제2 경로(L2)를 따라 분광기(290)의 제2 검출영역(334)에 입사된다.
분광기(290)는 슬릿부(310), 분산부(320) 및 영상획득부(330)를 포함하며(도 4 참조), 간섭광이 슬릿부(310)를 통과한 후 분산부(320)에 의해 파장 별로 공간적으로 분산되며, 영상획득부(330)에 의해 공간적으로 분산된 간섭신호의 광강도에 대한 정보를 획득한다. 도면에서는 하나의 슬릿(312)이 상하로 2개의 영역으로 구분되어 제1 경로(L1) 및 제2 경로를 통해 입사되는 간섭광의 제1 편광성분(P1) 및 제2 편광성분(P2)을 통과시키는 것으로 예시되어 있으나, 이는 일 실시예에 불과하며, 복수의 슬릿이 형성되어 있어 편광성분 각각을 따로 통과시킬 수도 있을 것이다.
분산부(320)는 슬릿(312)을 통과한 간섭광을 슬릿(312)의 길이방향에 수직한 평면 공간을 통해 파장 별로 분산시킨다. 이러한 분산부(320)는 예를 들어 회절격자 혹은 프리즘과 같이 입사되는 광을 파장 별로 공간적으로 분산하는 장치일 수 있다.
영상획득부(330)는 분산부(320)에 의해 분산된 간섭광을 받아들여 전기적 신호인 영상 데이터로 변환한다. 영상획득부(330)는 공간적으로 분리 구획된 복수의 검출영역(도면에서는 제1 및 제2 검출영역(332, 334))을 포함하며, 제1 검출영역(332)에는 간섭광의 제1 편광성분(P1)이 분산되어 입사되고 제2 검출영역(334)에는 간섭광의 제2 편광성분(P2)이 분산되어 입사된다. 이러한 영상획득부(330)는 예를 들어 CCD 혹은 CMOS 타입의 카메라와 같이 소정 영역을 입사되는 광의 광강도를 검출할 수 있는 이미지 센서일 수 있다.
데이터 처리부(미도시)는 영상획득부(330)에서 검출된 제1 편광성분 및 제2 편광성분에 대하여 소정의 영상 처리를 수행하여 측정물체(260)의 표면에 대한 형상 데이터 및 두께 데이터를 생성한다.
데이터 처리부에서는 제1 편광성분을 이용하여 기준면과 측정면에서 각각 반사된 광을 간섭시킨 결과를 획득하여 측정물체의 표면 형상에 대한 정보를 획득하고, 제2 편광성분을 이용하여 측정면에서 반사된 광으로부터 측정물체의 두께에 대한 정보를 획득할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 두께 및 표면 형상을 동시에 측정할 수 있어 측정 시간을 단축하여 고속 측정이 가능하고, 별도의 측정에 의해 발생 가능한 측정물체의 오정렬, 시변하는 광특성 등에 영향을 받지 않는 정확한 측정이 가능한 장점이 있다.
또한, 편광을 이용하여 높은 가격의 분광기를 하나만 사용함으로써 전체적으로 소형화가 가능하고, 비용 절감의 효과가 있으며, 전체 시스템을 단순화시키는 효과가 있다.
본 실시예에서 백색광원(210), 시준렌즈(215), 제1 광분할기(220), 선형 편광기(230), 제1 대물렌즈(245), 기준미러(280), 보상판(250), 제2 대물렌즈(265), 측정물체(260), 제2 광분할기(270), 미러(280), 분광기(290)는 광학적으로 연결되어 있다. 광학적 현상은 광의 반사, 회절, 굴절 등 다양한 현상이 있으며, 여기에서 '광학적으로 연결된다'는 의미는 다양한 광학적 현상에 의해 한쪽 구성요소에서 출사된 광을 다른 쪽 구성요소에서 수광하는 관계에 있음을 의미한다.
본 실시예에서, 간섭광의 제1 편광성분 및 제2 편광성분이 각각 진행하는 제1 경로(L1) 및 제2 경로(L2)는 서로 중첩되지 않으면서 평행할 수 있다.
또한, 제2 광분할기(270)와 미러(280)의 이격 정도는 간섭광의 폭(width) 이상일 수 있다. 제2 광분할기(270)와 미러(280) 사이의 간격이 간섭광의 폭보다 작은 경우 제1 경로(L1) 와 제2 경로(L2)의 일부분이 서로 중첩되게 되는데, 중첩된 부분은 분광기(290)에서 측정물체(260)의 표면 형상이나 두께 정보를 획득하는데 이용되지 않는 간섭광에 해당하기 때문이다. 다만, 이 경우에도 슬릿부(310)에서 중첩되지 않은 부분만이 통과하도록 복수의 슬릿이 중첩된 부분의 폭 이상으로 이격되어 형성되어 각 편광성분만을 통과시킬 수도 있을 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
200: 3차원 형상 및 두께 측정 장치
210: 백색광원 215: 시준렌즈
220: 제1 광분할기 230: 선형 편광기
240: 기준미러 250: 보상판
260: 측정물체 270: 제2 광분할기
280: 미러 290: 분광기
310: 슬릿부 320: 분산부
330: 영상획득부

Claims (11)

  1. 백색광(white light)을 조사하는 백색광원;
    상기 백색광원으로부터 입사된 백색광을 기준광과 측정광으로 분리하여 기준미러 및 측정물체에 각각 조사되도록 하고, 상기 기준미러 및 상기 측정물체로부터 반사된 상기 기준광 및 상기 측정광을 간섭시켜 간섭광을 생성하는 제1 광분할기;
    상기 제1 광분할기와 상기 기준미러 사이에 개재되며, 상기 기준광이 제1 편광성분만을 가지도록 선형 편광시키는 선형 편광기;
    상기 제1 광분할기에서 출사되는 간섭광 중 상기 제1 편광성분 및 제2 편광성분 중 하나는 제1 경로로 경로 변경시키고 다른 하나는 투과시키는 제2 광분할기;
    상기 제2 광분할기를 투과한 상기 간섭광을 제2 경로로 경로 변경시키는 미러; 및
    상기 제1 경로 및 상기 제2 경로 상에 배치되어 상기 제1 경로 및 상기 제2 경로를 통해 입사되는 상기 제1 편광성분의 간섭광과 상기 제2 편광성분의 간섭광으로부터 각각 제1 간섭신호 및 제2 간섭신호를 검출하는 분광기를 포함하는 3차원 형상 및 두께 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 간섭신호로부터 상기 측정물체의 형상 데이터를 생성하고, 상기 제2 간섭신호로부터 상기 측정물체의 두께 데이터를 생성하는 데이터 처리부를 더 포함하는 3차원 형상 및 두께 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 간섭신호는 상기 기준미러에서 반사된 기준광 및 상기 측정물체에서 반사된 측정광이 서로 간섭된 간섭광인 것을 특징으로 하는 3차원 형상 및 두께 측정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 간섭신호는 상기 측정물체에서 반사된 측정광인 것을 특징으로 하는 3차원 형상 및 두께 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분광기는 공간적으로 복수의 검출 영역으로 분리 구획되고,
    상기 제1 편광성분의 간섭광과 상기 제2 편광성분의 간섭광은 서로 중첩되지 않도록 상기 분광기의 서로 다른 검출 영역 내에 각각 입사되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 및 두께 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분광기는,
    상기 제1 경로 및 상기 제2 경로 상에 배치되는 슬릿을 포함하는 슬릿부와,
    상기 슬릿부를 통과한 제1 간섭신호 및 상기 제2 간섭신호를 상기 슬릿의 길이방향에 수직하도록 파장 별로 공간적으로 분산시키는 분산부와,
    상기 분산부에 의해 분산된 상기 제1 간섭신호 및 상기 제2 간섭신호를 공간적으로 분리 구획된 서로 다른 검출영역에서 검출하는 영상획득부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 및 두께 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 경로 및 상기 제2 경로는 서로 중첩되지 않으면서 평행한 것을 특징으로 하는 3차원 형상 및 두께 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 미러는 상기 제2 광분할기와 상기 간섭광의 폭(width) 이상만큼 이격되어 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 및 두께 측정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광분할기와 상기 측정물체 사이에 개재되며, 상기 측정광이 상기 기준광과 위상차가 없도록 하는 보상판(compensating plate)을 더 포함하는 3차원 형상 및 두께 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광분할기는 일반적인 빔 스플리터(beam splitter)이고, 상기 제2 광분할기는 입사되는 광을 상기 제1 편광성분과 상기 제2 편광성분을 가지는 광으로 분리 출사하는 편광 빔 스플리터(polarized beam splitter)인 것을 특징으로 하는 3차원 형상 및 두께 측정 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 편광성분은 수직 편광성분 및 수평 편광성분 중 어느 하나이고, 상기 제2 편광성분은 수직 편광성분 및 수평 편광성분 중 다른 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 형상 및 두께 측정 장치.
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