KR20130088585A - 승하강이 조절되는 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치 - Google Patents

승하강이 조절되는 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치에 관한 것으로서, 베이스, 상기 베이스에 결합되며 측정대상물이 상면에 안착되는 작업대, 상기 작업대의 상부에 배치되며 레이저 빔을 조사하여 상기 측정대상물의 두께를 측정하는 레이저간섭계 및 일측이 상기 레이저간섭계 또는 상기 작업대와 결합하여 슬라이딩 가능하도록 지지하며 타측이 상기 베이스에 고정 결합하는 지지유닛 및 일측이 상기 지지유닛에 고정 결합되고 타측이 상기 레이저간섭계 또는 상기 작업대와 결합되며 일부가 압전소재로 이루어져 신축을 통해 상기 레이저간섭계의 상하방향 슬라이딩을 조절하는 신축부재를 포함하는 승하강모듈을 포함하는 승하강이 조절되는 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치가 개시된다.

Description

승하강이 조절되는 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치{Thickness Measuring Apparatus Using Lifting Controllable Laser Interferometer}
본 발명은 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 레이저간섭계와 작업대사이의 거리가 조절 가능하도록 구성된 승하강이 조절되는 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치에 관한 것이다.
우리 생활에서 반도체를 이용한 제품이 많이 개발되며 이에 따라서 반도체 의 공정에 따른 기술들이 많이 개발되고 있다.
특히, 반도체의 공정에 있어서 사용되는 박막의 두께는 점점 더 얇아지고 있으며, 반도체 공정 및 그 밖의 응용공정 등에서 사용하는 박막의 두께측정에는 다양한 방법이 있다.
그 중에서 광학적 방법은 박막 표면에서 반사광과 하부의 계면으로부터의 반사광들에 의한 간섭현상 또는 광의 위상차를 이용하여 박막의 특성들을 결정하는 것이다. 따라서 이 방법을 이용하면 박막의 두께 및 조도는 물론 광학적 상수도 측정할 수 있다. 탐침을 이용한 기계적인 방법과 비교하여 광학적 측정 방법은 정확도 및 측정 속도가 우수하다.
특히, 박막이 투명하고 광 간섭성을 유지할 수 있다면 어떠한 종류의 시료라도 측정할 수 있으며, 다층 박막 구조라 하더라도 수학적인 계산에 의해 각각의 박막 두께를 측정할 수 있다. 측정 시료의 표면을 손상하지 않으면서 설치가 용이하고 빠른 측정속도로 극히 얇은 막에서부터 두꺼운 막까지의 측정에 용이한 광학적 측정법이 최근에는 주류를 이루고 있는 추세이다.
이는 반도체 생산 공정 기술의 발달에 따라 점점 초 박막화 되어가고 있으며 두께뿐만 아니라 굴절률이나 흡광계수, 반사도 등의 광학상수도 동시에 측정할 필요가 있고, 미세 패턴회로 측정하는 부위의 크기가 작아야 하며 생산에 적용할 수 있도록 전처리 공정 등에서 비파괴적으로 빠른 시간에 측정하려는 방향으로 가고 있는데 이런 요구에 부응할 수 있기 때문이다.
또한 photoregister 등 다양한 물질에 대한 박막 측정 요구도 높아지고 있으며 기판의 종류도 웨이퍼 뿐만 아니라 유리, 금속, 폴리머 등 다양하게 사용되고 있다. 특히 디스플레이 산업에서는 다양한 소재물질에 따른 측정 기술이 요구되고 있는 추세이다.
광학적 측정법으로는 현재 분광 반사 광도계 (spectral reflectrometer)와 엘립소미터(Ellipsometer)가 광범위하게 사용되며, 간섭계를 이용하여 측정하는 기술은 최근에 주목을 받고 있다.
반사광도계는 측정광이 시료의 표면에 수직으로 입사될 때 파장에 따라 박막으로부터 반사되는 빛의 강도를 측정하는 것이다.
엘립소미터는 반사광의 간섭을 해석하는 점에서는 유사하지만, 측정광의 편광상태와 입사각이 다르다.
간섭계를 이용한 방식은 레이저의 평행광을 분광기로 입사하여 상기 분광기에서 2개의 빛살로 나누어 거울에 반사시긴 광과 측정시료의 반사광을 받아 생기는 간섭현상과 빛의 강도를 측정하는 것이다.
이와 같은 방법들 중에서 간섭계를 이용하여 미세한 박막의 두께를 측정하는 방법 및 장치가 다양하게 개발되고 있다.
일반적으로 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치는 측정대상물이 놓여지는 작업대, 상기 작업대의 상부에서 레이저 빔을 조사하여 반사된 간섭 신호를 측정하는 레이저간섭계 및 상기 작업대와 상기 레이저간섭계의 거리를 조절하는 거리조절모듈로 구성된다.
상기 작업대 상면에 측정대상물이 놓여진 후, 상기 거리조절모듈에 의해서 상기 레이저간섭계와 상기 작업대와의 거리를 조절하여 레이저 빔을 조사한다. 그리고 상기 측정센서에서 측정된 간섭 신호를 통해서 상기 작업대에 안착된 측정대상물의 두께를 측정할 수 있다. 여기서, 상기 레이저간섭계로부터 조사되는 레이저 빔이 상기 측정대상물에 조사될 때, 조사되는 레이저 빔의 초점이 상기 측정대상물에 맞지 않으면 상기 측정센서에서 측정되는 간섭 신호의 명확하게 측정되지 않는다.
하지만, 종래에 사용되던 상기 레이저간섭계와 상기 작업대사이의 거리를 조절하는 모듈은 상기 레이저간섭계로부터 조사되는 레이저 빔의 파장이 미세하기 때문에 상기 측정대상물과 상기 레이저간섭계간의 거리를 미세하게 조절하기 어려운 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 종래의 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 레이저간섭계와 작업대간의 거리를 조절할 때, 별도의 신축부재를 구비하여 미시적인 거리를 조절함과 동시에 승하강조절부를 구비하여 거시적인 거리의 조절이 가능한 승하강이 조절되는 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치를 제공함에 있다.
상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치에 있어서, 베이스, 상기 베이스에 결합되며 측정대상물이 상면에 안착되는 작업대, 상기 작업대의 상부에 배치되며 레이저 빔을 조사하여 상기 측정대상물의 두께를 측정하는 레이저간섭계 및 일측이 상기 레이저간섭계 또는 상기 작업대와 결합하여 슬라이딩 가능하도록 지지하며 타측이 상기 베이스에 고정 결합하는 지지유닛 및 일측이 상기 지지유닛에 고정 결합되고 타측이 상기 레이저간섭계 또는 상기 작업대와 결합되며 일부가 압전소재로 이루어져 신축을 통해 상기 레이저간섭계의 상하방향 슬라이딩을 조절하는 신축부재를 포함하는 승하강모듈을 포함한다.
또한, 상기 승하강모듈은 상기 레이저 간섭계에 연결되어 연직방향으로 승하강을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 지지유닛은 일측이 상기 레이저간섭계의 일측에 슬라이딩 가능하도록 연결되어 외력에 의해서 상기 레이저간섭계가 슬라이딩이동을 하도록 하는 슬라이딩프레임, 일측이 상기 베이스와 고정 결합되고 타측이 상기 슬라이딩프레임의 타측에 연결되어 외력에 의해 상기 슬라이딩프레임이 슬라이딩 가능하도록 하는 지지프레임 및 일측이 상기 슬라이딩프레임과 연결되고 타측이 상기 지지프레임과 연결되어 상기 슬라이딩프레임이 슬라이딩 가능하도록 외력을 제공하는 승하강조절부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 승하강조절부는 상기 슬라이딩프레임 및 상기 레이저간섭계의 승하강을 동시에 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 승하강조절부는 상기 지지프레임에 상부방향으로 회전 가능하도록 결합되어 외력에 의해 회전하는 회전부재 및 일측이 상기 제 슬라이딩프레임의 상부에 고정 결합되고 타측이 상기 조절부재의 외측 일부를 감싸도록 구성되며 상기 회전부재의 회전에 의해 승하강 하도록 구성된 승하강부재를 포함하며 상기 승하강부재의 승하강에 따라 상기 슬라이딩프레임의 슬라이딩을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 신축부재는 적어도 두 개 이상으로 구성되어 각각의 상기 신축부재의 신축에 따라 상기 레이저간섭계의 레이저 빔 조사방향을 조절할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 승하강모듈은 상기 작업대에 연결되어 연직방향으로 승하강 시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 작업대 위치가 횡 방향으로 조절 가능하도록 하는 횡방향조절모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
레이저간섭계와 작업대 사이의 거리를 조절하는 승하강모듈에 압전소재를 이용하여 신축이 가능하도록 구성된 신축부재를 포함하여, 레이저간섭계와 작업대 사이의 거리를 미세하게 조절하여 레이저간섭계로부터 조사되는 레이저 짐의 초점이 작업대 상면에 위치하도록 함으로써, 측정센서에서 측정되는 간섭신호를 명확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 별도의 승하강조절부를 더 구비함으로써, 레이저간섭계와 작업대 사이의 거시적인 거리를 조절할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 두께측정장치의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도;
도 2는 도 1의 레이저간섭계의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도;
도 3은 도 2의 레이저간섭계에서 레이저 빔의 조사에 의해 간섭 신호가 생기는 과정을 나타낸 도면;
도 4은 도 2의 집속렌즈에 의해 측정센서에서 측정되는 간섭신호의 발생과정을 미시적으로 나타낸 도면;
도 5는 도 3의 집속렌즈에 의해 레이저 빔이 집속 된 집속지점과 측정대상물과의 거리에 따른 차이를 나타낸 도면;
도 6은 도 1의 레이저간섭계의 거시적인 승하강상태를 나타낸 도면; 및
도 7은 도 1의 레이저간섭계의 미시적인 승하강상태를 나타낸 도면이다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 승하강이 조절되는 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정형태로 한정하려는 것이 아니라 본 실시예를 통해서 좀더 명확한 이해를 돕기 위함이다.
또한, 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 두께측정장치의 개략적인 구성을 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 두께측정장치의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 두께측정장치는 크게 베이스(100), 작업대(200), 레이저간섭계(300) 및 승하강모듈(400)을 포함하여 구성된다.
상기 베이스(100)는 전체를 지지하도록 구성되며 상기 작업대(200) 및 상기 레이저간섭계(300)와 결합된다.
상기 작업대(200)는 상기 베이스(100)에 결합되며 상면에 측정대상물(T)이 안착되고 상기 측정대상물(T)이 안착되는 상면은 일정수준이상의 반사율을 가지도록 구성된다.
여기서, 상기 베이스(100)는 상기 작업대(200)의 하부에 구비되며 상기 작업대(200)가 횡 방향으로 위치가 조절 가능하도록 하는 횡방향조절모듈(110)이 구비된다.
상기 횡방향조절모듈(110)은 상기 작업대(200)의 하부에 배치되며 적층된 형태로 구성된 제 1이동부(112) 및 제 2이동부(112)로 구성된다. 제 1이동부(112)는 상기 작업대(200)를 일 방향으로 이동시키며 상기 제 2이동부(112)는 상기 제 1이동부(112)와 교차된 방향으로 이동시키도록 구성된다.
상기 레이저간섭계(300)는 상기 작업대(200)의 상부에 배치되며 상기 작업대(200)의 상면에 안착된 상기 측정대상물(T)에 레이저 빔을 조사하여 상기 측정대상물(T)의 두께를 측정한다. 상기 레이저간섭계(300)의 내부 구성은 도 2를 참조하여 후술하기로 한다.
상기 승하강모듈(400)은 크게 일측이 상기 레이저간섭계(300) 또는 상기 작업대(200)와 결합되어 슬라이딩 가능하도록 지지하며 타측이 상기 베이스(100)에 고정 결합되는 지지유닛(410) 및 일측이 상기 지지유닛(410)에 고정 결합되고 타측이 상기 레이저간섭계(300) 또는 상기 작업대(200)와 결합되어 상기 레이저간섭계(300)의 상하방향 슬라이딩을 조절하는 신축부재(420)로 구성된다.
본 실시예에서 상기 지지유닛(410) 및 상기 신축부재(420)의 타측은 상기 레이저간섭계(300)와 연결된다. 이는 상기 레이저간섭계(300)를 승하강 시키는 구조이며 특정형태로 한정하는 것이 아니라 본 발명에 따른 실시예의 명확한 이해를 돕도록 선택한 것이다. 본 실시예와 달리 상기 지지유닛(410) 및 상기 신축부재(420)의 타측이 상기 작업대(200)에 연결되는 구성이라도 본 발명의 의도에 벗어남이 없다.
상기 지지유닛(410)은 크게 슬라이딩프레임(412), 지지프레임(414) 및 승하강조절부(416)로 구성된다.
상기 슬라이딩프레임(412)은 일측이 상기 레이저간섭계(300)의 일측에 슬라이딩 가능하도록 연결되며 상기 신축부재(420)에 의해서 상기 레이저간섭계(300)가 슬라이딩이동을 하도록 지지한다.
상기 지지프레임(414)은 일측이 상기 베이스(100)와 고정 결합되고 타측이 상기 슬라이딩프레임(412)의 타측에 연결되어 외력에 의해 상기 슬라이딩프레임(412)이 상하방향으로 슬라이딩 가능하도록 지지하는 한다.
그리고 상기 승하강조절부(416)는 일측이 상기 슬라이딩프레임(412)과 연결되고 타측이 상기 지지프레임(414)과 연결되어 상기 슬라이딩프레임(412)이 상기 지지프레임(414)을 따라 슬라이딩 가능하도록 외력을 제공한다.
상기 승하강조절부(416)는 상기 지지프레임(414)에 상부방향으로 회전 가능하도록 결합되어 외력에 의해 회전하는 회전부재(416a) 및 일측이 상기 제 슬라이딩프레임(412)의 상부에 고정 결합되고 타측이 상기 회전부재(416a)의 외측 일부를 감싸도록 구성되며 상기 회전부재(416a)의 회전에 의해 승하강 하도록 구성된 승하강부재(416b)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 회전부재(416a)는 외주면에 나사산이 형성되고 상기 승하강부재(416b)는 상기 회전부재(416a)의 일부를 감싸도록 형성되며 내측면이 상기 나사산에 대응되는 형태로 형성된다.
그래서 상기 회전부재(416a)의 회전에 따라 상기 승하강부재(416b)가 승하강하고 승하강부재(416b)의 승하강에 따라 상기 슬라이딩프레임(412)의 슬라이딩을 조절할 수 있다.
또한, 상기 승하강조절부(416)는 상기 슬라이딩프레임(412) 및 상기 레이저간섭계(300)의 승하강을 동시에 조절할 수도 있다.
상기 신축부재(420)는 일측이 상기 슬라이딩프레임(412)에 고정 결합되고 타측이 상기 레이저간섭계(300)에 경합되며, 일부가 압전소재로 이루어져 신축을 통해서 길이가 변하도록 구성됨으로써, 상기 레이저간섭계(300)의 상하방향 슬라이딩을 조절하는 하도록 구성된다.
도시된 바와 같이, 상기 승하강모듈(400) 및 상기 레이저간섭계(300)의 결합을 살펴보면, 상기 레이저간섭계(300)와 상기 지지프레임(414) 사이에 상기 슬라이딩프레임(412)이 구비되며 상기 슬라이딩프레임(412)은 상기 지지프레임(414)에 의해서 지지되며 슬라이딩이 가능하도록 구성된다.
여기서, 상기 슬라이딩프레임(412)은 상기 승하강조절부(416)의 조작에 의해서 상기 지지프레임(414)을 따라 상하방향으로 슬라이딩된다. 이와 함께, 상기 슬라이딩프레임(412)은 상기 레이저간섭계(300)와 슬라이딩 가능하게 결합되어 상기 신축부재(420)에 의해 상기 레이저간섭계(300)가 상기 슬라이딩프레임(412)을 따라 승하강 되는 것을 지지한다.
상기 레이저간섭계(300), 상기 슬라이딩프레임(412) 및 상기 지지프레임(414)의 결합에 대해서 보다 상세하게 살펴보면, 상기 레이저간섭계(300)의 외측에 돌출되어 형성된 돌출부재(301)가 한 쌍으로 대응되도록 구비되며 상기 슬라이딩프레임(412)은 상기 레이저간섭계(300) 방향으로 돌출되어 상기 돌출부재(301)에 대응되도록 형성된 제 1슬라이딩가이드(412a)가 구비된다. 상기 돌출부재(301)는 상기 제 1슬라이딩가이드(412a)에 결합되며 상기 레이저간섭계(300)가 상기 제 1슬라이딩가이드(412a)를 따라서 이탈되지 않고 슬라이딩이 되도록 한다.
그리고 상기 지지프레임(414)도 상기 레이저간섭계(300)와 마찬가지로 외측에 돌출되어 형성된 슬라이딩부재(414a)가 한 쌍으로 대응되도록 구비된다. 또한 상기 슬라이딩프레임(412)은 상기 지지프레임(414)방향으로 돌출되어 상기 슬라이딩부재(414a)에 대응되도록 형성된 제 2슬라이딩가이드(412b)가 더 구비된다.
상기 슬라이딩부재(414a)는 상기 제 2슬라이딩가이드(412b)에 결합되며 상기 슬라이딩프레임(412)이 상기 제 2슬라이딩가이드(412b)에 의해 이탈되지 않고 슬라이딩되도록 지지한다.
한편, 상기 레이저간섭계(300)의 상면 및 상기 슬라이딩프레임(412)의 측면에 양측이 결합되며 일부가 압전소재로 구성된 상기 신축부재(420)는, 외부로부터 전력을 인가받아 신축을 하며 이에 따라 상기 레이저간섭계(300)가 상기 슬라이딩프레임(412)을 따라서 상하방향으로 슬라이딩 하도록 외력을 제공한다.
또한, 상기 슬라이딩프레임(412)의 상면 및 상기 지지프레임(414)의 상부에 연결된 승하강조절부(416)는 상기 회전부재(416a)의 회전에 의해 상기 승하강부재(416b)가 승하강 되고 이에 따라서 상기 슬라이딩프레임(412)이 상기 지지프레임(414)을 따라서 상하방향으로 슬라이딩한다.
이와 같은 구성을 통해서, 상기 레이저간섭계(300)는 상기 작업대(200)와의 거리가 조절된다. 여기서, 상기 신축부재(420)는 상기 레이저간섭계(300)의 미시적인 승하강을 조절하고 상기 승하강조절부(416)는 상기 레이저간섭계(300)의 거시적인 승하강을 조절하게 된다.
그리고 도면에는 도시되지 않았지만, 상기 신축부재(420)가 복수 개로 분리되어 구성할 수 있다. 상기 신축부재(420)가 분리되어 구성됨으로써, 상기 신축부재(420) 각각이 별도로 전력을 인가받아 신축되는 길이가 서로 다르게 조절되어 상기 레이저간섭계(300)의 미세한 회전을 조절할 수 있도록 구성될 수 있다
다음으로, 도 2를 참조하여 상기 레이저간섭계(300)의 개략적인 구성을 설명하면 다음과 같다.
도 2는 도 1의 레이저간섭계(300)의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 레이저간섭계(300)는 크게 조사부(310), 분광부(320), 집속렌즈(330), 미러(340) 및 측정센서(350)로 구성된다.
상기 조사부(310)는 레이저 빔을 조사하는 레이저다이오드(312) 및 지향렌즈(314)로 구성된다.
상기 레이저다이오드(312)는 전력을 인가받아 선택적으로 단일한 파장을 가지는 레이저 빔을 전방으로 조사하여 조사한다.
상기 지향렌즈(314)는 상기 레이저다이오드(312)에 의해 조사되는 레이저 빔의 경로상에 배치되며, 조사되는 레이저 빔이 소정굵기를 가지고 동일한 방향으로 지향성을 가지도록 한다.
상기 분광부(320)는 상기 조사부(310)에서 조사되는 레이저 빔의 이동경로상에 구비되며 소정각도 경사지도록 배치된다. 그래서 상기 조사부(310)에서 조사된 레이저 빔이 상기 분광부(320)에 닿으면, 레이저 빔의 일부는 상기 분광부(320)를 통과하여 진행방향을 따라 지속적으로 조사되며, 나머지 일부는 반사되어 측면으로 향하게 된다.
상기 집속렌즈(330)는, 상기 조사부(310)에서 조사되는 레이저 빔이 상기 분광부(320)를 투과하여 진행하는 방향에 배치되며, 상기 지향렌즈(314)를 통해 소정 굵기를 가지고 조사되는 레이저 빔을 상기 작업대(200) 또는 상기 측정대상물(T)에 초점이 맞도록 집속 시킨다.
상기 집속렌즈(330)를 통과하면서 조사되는 레이저 빔의 중심부와 중심부로부터 외측에 위치한 레이저 빔이 한 지점으로 집속 된다. 여기서, 상기 집속렌즈(330)는 상기 작업대(200) 또는 상기 측정대상물(T)과의 이격된 거리에 따라서 레이저 빔의 집속 초점이 조절되도록 구성될 수 있다.
상기 미러(340)는 상기 분광부(320)에서 반사되어 이동하는 레이저 빔의 이동방향에 배치되며, 상기 조사부(310)에서 조사되는 레이저 빔의 일부가 상기 분광부(320)에 의해서 상기 미러(340) 방향으로 반사된 레이저 빔을 다시 상기 분광부(320) 방향으로 반사시키도록 한다. 이는, 후에 상기 작업대(200) 또는 상기 측정대상물(T)에 조사된 후 반사되는 레이저 빔과 만나서 간섭을 일으킴으로써 그 간섭 신호를 측정할 수 있도록 한다.
그리고 상기 미러(340)가 5-30도정도 각을 주어 틀어지도록 설계할 수 있으며, 이는 상기 측정센서(350)에서 측정되는 간섭신호의 세기가 잘 나타나도록 하기 위함이다.
상기 측정센서(350)는 상기 미러(340)에서 반사되는 레이저 빔이 상기 분광부(320)를 투과하여 진행하는 방향에 배치되며, 상기 미러(340)에서 반사된 레이저 빔과 상기 작업대(200) 또는 상기 측정대상물(T)에 조사된 후 반사되는 레이저 빔의 간섭에 의해서 발생된 간섭 신호를 측정할 수 있다.
상기 측정센서(350)는 일반적으로 사용되는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)센서가 사용될 수 있다.
다음으로, 도 3을 참조하여 상기 레이저간섭계(300)에서 레이저 빔의 조사에 의해 이동하는 레이저 빔의 경로에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
도 3은 도 2의 레이저간섭계(300)에서 레이저 빔의 조사에 의해 간섭 신호가 생기는 과정을 나타낸 도면이다.
먼저, 상기 레이저다이오드(312)에서 상기 작업대(200) 방향으로 레이저 빔을 조사한다. 조사된 레이저 빔은 경로상에 구비된 상기 분광부(320)를 경유하며, 조사된 레이저 빔의 일부는 상기 분광부(320)에서 상기 미러(340)방향으로 반사되고 나머지는 상기 분광부(320)를 투과하여 상기 작업대(200)로 향하게 된다.
이때, 상기 레이저다이오드(312)와 상기 분광부(320) 사이에 배치된 상기 지향렌즈(314)에 의해서 상기 레이저다이오드(312)로부터 조사되는 레이저 빔이 소정굵기를 가지며 동일한 방향으로 평행하게 조사된다.
이와 같이, 상기 분광부(320)에 의해서 상기 레이저다이오드(312)로부터 조사되는 레이저 빔의 일부는 상기 미러(340)방향으로 반사되고 다시 상기 미러(340)에서 반사되어 상기 분광부(320)를 투과한 후 상기 측정센서(350)로 향하게 된다.
이와 함께, 상기 레이저다이오드(312)로부터 조사되는 레이저 빔 중에서 상기 미러(340)방향으로 반사되지 않고 상기 분광부(320)를 투과한 레이저 빔은 상기 작업대(200) 방향으로 향하게 된다. 상기 작업대(200)방향으로 향한 레이저 빔은 상기 작업대(200)에서 반사되어 다시 상기 분광부(320) 방향으로 이동한 후 상기 분광부(320)에서 상기 측정센서(350) 방향으로 반사된다.
이와 같이, 상기 미러(340)에서 반사된 레이저 빔과 상기 작업대(200)에서 반사된 레이저 빔은 상기 측정센서(350)로 향하게 된다. 여기서, 각각의 레이저 빔은 서로 간섭을 일으키게 되며, 상기 측정센서(350)에서는 간섭이 일어난 레이저 빔을 감지하여 간섭 신호를 측정하게 된다.
이어서, 도 4를 참조하여 상기 레이저간섭계(300)에서 측정되는 간섭 신호의 측정 방법에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
도 4은 도 2의 집속렌즈에 의해 측정센서에서 측정되는 간섭신호의 발생과정을 미시적으로 나타낸 도면이다.
상기 조사부(310)에서 상기 지향렌즈(314)에 의해서 소정굵기를 가지며 조사되는 레이저 빔이 상기 분광부(320)를 경유하여 일부는 투과되고 일부는 상기 미러(340)방향으로 반사된다. 본 실시예에서 조사되는 레이저 빔은 실제로 연속적으로 이루어지지만 편의상 세 개의 영역으로 분리하여 설명한다.
상기 지향렌즈(314)를 통과한 레이저 빔은 중심축을 중심으로 우측방향 외측에서 조사되는 레이저 빔을 제 1레이저(L1), 중심축을 따라 조사되는 레이저 빔을 제 2레이저(L2) 및 중심축을 중심으로 좌측방향 외측에서 조사되는 레이저 빔을 제 3레이저(L3)로 명명한다.
먼저, 상기 제 1레이저(L1)는 상기 지향렌즈(314)를 통과하여 상기 작업대(200) 방향으로 조사된다. 여기서, 상기 제 1레이저(L1)는 조사되는 경로상에 구비된 상기 분광부(320)의 P1지점을 경유하게 되며, 조사되는 상기 제 1레이저(L1)의 일부가 반사되어 상기 미러(340)로 반사되고 상기 제 1레이저(L1)의 나머지는 상기 분광부(320)를 투과하여 조사된다.
그리고 상기 분광부(320)를 투과한 상기 제 1레이저(L1)는 상기 집속렌즈(330)에 의해서 집속지점인 F지점으로 집속 된다. 이때, 상기 F지점은 상기 작업대(200)의 상면이 되며 조사되는 상기 제 1레이저(L1)는 상기 작업대(200)의 F지점에서 반사된다.
여기서, 상기 제 1레이저(L1)는 상기 F지점에 조사되는 각도가 상기 작업대(200)를 기준으로 수직방향이 아닌 소정각도 경사진 상태로 입사되기 때문에 반사의 법칙에 따라 입사되는 각도와 동일한 각도를 가지고 반대방향으로 반사된다.
상기 F지점에서 반사된 상기 제 1레이저(L1)는 다시 상기 분광부(320) 방향으로 조사되며 상기 분광부(320)의 P3지점에서 반사되어 상기 측정센서(350)로 조사된다.
한편, 상기 분광부(320)의 P1지점에서 반사된 상기 제 1레이저(L1)의 일부는 상기 미러(340)로 반사된다. 상기 미러(340)로 반사된 상기 제 1레이저(L1)는 다시 상기 미러(340)에서 반사되어 다시 상기 분광부(320)로 향하며 상기 분광부(320)의 P1지점을 투과하여 상기 측정센서(350)로 조사된다.
이와 같은 과정을 통해 상기 분광부(320)에서 분광된 각각의 상기 제 1레이저(L1)는 상기 측정센서(350)에서 측정된다.
여기서, 상기 분광부(320)는 상기 조사부(310)에서 조사되는 레이저 빔과 마찬가지로 연속적으로 구성되어 있지만, 본 발명의 명확한 설명을 위해서 세 곳의 지점(P1, P2, P3)으로 분리하여 나타내었다.
이어서, 상기 제 2레이저(L2)의 이동과정을 살펴보면, 상기 조사부(310)에서 조사되는 레이저 빔의 중심축에 위치하며 상기 분광부(320)의 P2지점에서 일부는 상기 미러(340)로 반사되고 나머지는 상기 분광부(320)의 P2지점을 투과하여 상기 작업대(200)로 조사된다.
상기 분광부(320)를 투과한 상기 제 2레이저(L2)는 상기 집속렌즈(330)를 거쳐 상기 작업대(200)의 집속지점인 F지점으로 조사된다. 이때, 상기 제 2레이저(L2)는 조사되는 레이저 빔의 중심축에 위치하기 때문에 상기 집속렌즈(330)를 거쳐도 경로가 변하지 않고 상기 작업대(200)에 수직방향으로 조사된다.
상기 작업대(200)의 F지점에 수직으로 조사된 상기 제 2레이저(L2)는 조사된 경로와 동일하게 반사되며, 반사된 상기 제 2레이저(L2)는 상기 분광부(320)의 P2지점에서 반사되어 상기 측정센서(350)로 조사된다.
한편, 상기 분광부(320)의 P2지점에서 상기 미러(340)방향으로 반사된 상기 제 2레이저(L2)의 일부는 상기 미러(340)에서 다시 반사되어 상기 분광부(320)로 향하며 상기 분광부(320)의 P2지점을 투과하여 상기 측정센서(350)로 조사된다.
이와 같은 과정을 통해 상기 분광부(320)에서 분광된 각각의 상기 제 2레이저(L2)는 상기 측정센서(350) 측정된다. 즉, 상기 측정센서(350)는 상기 제 2레이저(L2)가 분광되어 상기 작업대(200)와 상기 미러(340)에서 반사된 후 다시 합쳐짐과 동시에 서로 간섭이 일어난 결과를 측정하게 된다.
그리고 상기 제 3레이저(L3)의 이동과정을 살펴보면, 상기 조사부(310)에서 조사되는 레이저 빔의 좌측방향 외측에서 조사되며 상기 분광부(320)의 P3지점에서 일부는 상기 미러(340)로 반사되고 나머지는 상기 분광부(320)의 P3지점을 투과하여 상기 작업대(200)로 조사된다.
상기 분광부(320)를 투과한 상기 제 3레이저(L3)는 상기 집속렌즈(330)에 의해서 상기 작업대(200)상에 위치한 집속지점인 F지점으로 집속 된다. 이때, 상기 제 3레이저(L3)는 상기 집속렌즈(330)에 의해 집속 되는 과정을 통해서 굴절되어 상기 F지점에 조사된다. 상기 F지점은 상기 작업대(200)의 상면이며, 상기 제 3레이저(L3)는 상기 F지점에서 반사된다.
여기서, 상기 제 3레이저(L3)는 상기 F지점에 조사되는 각도가 상기 작업대(200)를 기준으로 숙직방향이 아닌 경사진 상태로 입사되기 때문에 반사의 법칙에 따라 입사되는 각도와 동일한 각도를 가지고 반대방향으로 반사된다.
상기 F지점에서 반사된 상기 제 3레이저(L3)는 다시 상기 분광부(320) 방향으로 조사되며, 상기 분광부(320)의 P1지점에서 반사되어 상기 측정센서(350)로 조사된다.
한편, 상기 분광부(320)의 P3지점에서 반사된 상기 제 3레이저(L3)의 일부는 상기 미러(340)로 반사된다. 상기 미러(340)로 반사된 상기 제 3레이저(L3)는 다시 상기 미러(340)에서 반사되어 다시 상기 분광부(320)로 향하며 상기 분광부(320)의 P3지점을 투과하여 상기 측정센서(350)로 조사된다.
이와 같이, 각각의 상기 제 1레이저(L1) 내지 상기 제 3레이저(L3)는 상기 분광부(320)에서 분리되어 상기 미러(340) 및 상기 작업대(200)에서 반사되어 상기 측정센서(350)에서 측정된다.
여기서, 상기 측정센서(350)를 세 지점으로 분리하여 측정되는 상기 제 1레이저(L1) 내지 제 3레이저(L3)를 살펴보면, 상기 측정센서(350)의 S1지점에서 측정되는 레이저 빔은 상기 제 1레이저(L1) 중에서 상기 분광부(320)의 P1지점에서 상기 미러(340)로 반사된 후 상기 미러(340)에서 반사되어 상기 분광부(320)의 P1지점을 투과한 상기 제 1레이저(L1)의 일부와 상기 제 3레이저(L3) 중에서 상기 분광부(320)의 P3지점을 투과하여 상기 작업대(200)에서 반사된 후 상기 분광부(320)의 P1지점에서 반사되는 상기 제 3레이저(L3)의 일부가 혼합되어 서로 간섭이 일어난 레이저 빔이 측정된다. 즉, 상기 측정센서(350)의 S1지점에서 측정되는 레이저 빔은 상기 측정센서(350)로 조사되기 전에 상기 P1지점을 경유한 레이저가 서로 간섭을 일으킨 결과가 측정된다.
이와 마찬가지로, 상기 측정센서(350)의 P3지점에서 측정되는 레이저 빔은 상기 제 1레이저(L1) 중에서 상기 분광부(320)의 P3지점에서 상기 미러(340)로 반사된 후 상기 미러(340)에서 반사되어 상기 분광부(320)의 P3지점을 투과한 상기 제 3레이저(L3)의 일부와 상기 제 1레이저(L1) 중에 상기 분광부(320)의 P1지점을 투과하여 상기 작업대(200)에서 반사된 후, 상기 분광부(320)의 P3지점에서 반사되는 상기 제 1레이저(L1)의 일부가 합쳐짐과 동시에 간섭이 일어난 레이저 빔이 측정된다.
또한, 상기 측정센서(350)의 P2지점에서 측정되는 레이저 빔은 상기 제 2레이저(L2)가 상기 분광부(320)의 P2지점에서 분리되어 각각 상기 미러(340) 및 상기 작업대(200)에서 반사된 후 다시 상기 분광부(320)의 P2지점을 투과하거나 반사되어 합쳐짐과 동시에 간접이 일어난 레이저 빔이 측정된다.
이와 같은 과정을 통해서 상기 측정센서(350)에서 레이저 빔의 간섭 신호가 측정된다. 그리고 상기 측정센서(350)는 측정된 간섭 신호를 이용하여 상기 측정대상물(T)의 두께를 산출하게 된다.
다음으로, 도 5를 참조하여 상기 작업대(200)와 상기 레이저간섭계(300)간의 거리에 따른 차이를 살펴보면 다음과 같다.
도 5는 도 3의 집속렌즈(330)에 의해 레이저 빔이 집속 된 집속지점과 측정대상물(T)과의 거리에 따른 차이를 나타낸 도면이다.
도 5의 (a)를 살펴보면, 상기 분광부(320)를 투과한 레이저 빔은 상기 집속렌즈(330)에 의해서 상기 작업대(200)로 조사된다. 이때, 레이저 빔은 상기 집속렌즈(330)에 의해서 집속지점인 상기 F지점으로 레이저 빔을 조사한다. 이와 같이, 조사되는 레이저 빔의 집속지점인 상기 F지점이 상기 작업대(200)의 상면에 위치하면 조사된 레이저 빔은 다시 반사되어 상기 측정센서(350)에 간섭 신호를 측정한다.
하지만, 도 5의 (b)와 같이 상기 레이저간섭계(300)와 상기 작업대(200)간의 거리가 적절하지 않은 경우, 상기 집속렌즈(330)를 통과한 레이저 빔은 집속지점인 상기 F지점으로 집속 되지만, 상기 F지점이 상기 작업대(200)의 상면에 위치하지 않으므로 도시된 도면과 같이 조사된 레이저 빔의 이동경로가 변경되어 상기 측정센서(350)에서 적절한 간섭 신호를 측정할 수 없다.
또한, 도시되지는 않았지만 상기 레이저간섭계(300)와 상기 작업대(200)간의 거리가 너무 가까워도 동일한 결과가 발생한다.
그래서 상기 레이저간섭계(300)를 이용하여 측정대상물(T)의 두께를 측정하는 경우, 상기 작업대(200)가 상기 집속렌즈(330)에 의해 집속 되는 레이저 빔의 집속지점에 위치하도록 상기 작업대(200)와 상기 레이저간섭계(300) 사이의 거리를 조절하여야 한다.
다음으로, 도 6 및 도 7을 참조하여 상기 레이저간섭계(300)의 승하강상태에 대해서 설명하면 다음과 같다.
도 6은 도 1의 레이저간섭계(300)의 거시적인 승하강상태를 나타낸 도면이고 도 7은 도 1의 레이저간섭계(300)의 미시적인 승하강상태를 나타낸 도면이다.
먼저 도 6을 살펴보면, 상기 레이저간섭계(300)는 상기 작업대(200)의 상부에서 고정된 상태이다. 여기서, 상기 승하강조절부(416)를 이용하여 상기 레이저간섭계(300)의 승하강을 조절하는 경우, 상기 회전부재(416a)에 외력을 가하여 회전시킨다.
상기 회전부재(416a)가 회전을 함으로써, 상기 회전부재(416a)의 외측 이부를 감싸도록 구성된 상기 승하강부재(416b)는 상기 회전부재(416a)의 회전에 따라 승하강을 한다.
그래서 도 6에 도시된 바와 같이 상기 회전부재(416a)의 회전에 의해서 상기 승하강부재(416b)는 하부방향으로 이동되고 이에 따라서 상기 슬라이딩프레임(412)은 상기 지지프레임(414)의 횡 방향을 따라서 하부방향으로 슬라이딩 이동하여 하강한다.
그래서 상기 슬라이딩프레임(412)이 하강함으로써, 상기 슬라이딩프레임(412)에 연결된 상기 레이저간섭계(300)도 동시에 하강하게 된다.
이와 마찬가지로, 도면에 도시되지는 않았지만 상기 회전부재(416a)를 반대방향으로 회전시킴으로써, 상기 슬라이딩프레임(412)을 상부방향으로 슬라이딩이동 시킬 수 있다.
이와 같이, 상기 승하강조절부(416)를 이용하여 상기 레이저간섭계(300)를 승하강 시킬 수 있으며, 이는 상기 레이저간섭계(300)의 거시적인 승하강을 조절하게 된다.
이어서, 도 7을 참조하여 상기 레이저간섭계(300)의 미시적인 승하강을 조절하는 과정에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
도 7을 살펴보면 상기 레이저간섭계(300)는 상기 작업대(200)의 상부에서 고정된 상태이다. 여기서, 상기 신축부재(420)에 전력을 인가하면 상기 신축부재(420)의 일부는 압전소재로 구성되었기 때문에 길이가 늘어나게 된다.
상기 신축부재(420)의 길이가 늘어나면 상기 레이저간섭계(300)가 상기 슬라이딩프레임(412)의 횡 방향을 따라서 하부방향으로 하강된다. 상기 신축부재(420)의 일측이 상기 레이저간섭계(300)의 상면에 결합되고 타측이 상기 슬라이딩프레임(412)의 측면에 결합되어있기 때문에 늘어나는 길이에 따라 상기 레이저간섭계(300)가 상기 슬라이딩프레임(412)을 따라서 승하강이 될 수 있다.
이와 같이, 상기 신축부재(420)의 신축에 따라서 상기 레이저간섭계(300)의 승하강이 조절되어 상기 작업대(200)와의 거리를 조절할 수 있으며, 이는 상기 레이저간섭계(300)의 미시적인 승하강을 조절하게 된다.
상기 레이저간섭계(300)로부터 조사되는 레이저 빔은 상기 측정대상물(T)의 미세한 두께를 측정하기 때문에, 레이저간섭계(300)를 이용한 두께측정장치에 있어서, 상기 레이저간섭계(300)와 상기 작업대(200)의 미시적인 거리를 조절하는 방법이 필요하다.
이와 같이, 상기 레이저간섭계(300)와 상기 작업대(200)사이의 거리를 조절함으로써, 상기 레이저간섭계(300)로부터 조사되는 레이저 빔의 초점이 상기 작업대(200)의 상면에 위치하게 되고 이에 따라서 상기 측정센서(350)에서 측정되는 간섭 신호가 명확하게 검출될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명한 실시예 외에도 본 발명의 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그러므로 본 실시예는 특정형태로 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100: 베이스 110: 횡방향조절모듈
200: 작업대 300: 레이저간섭계
310: 조사부 320: 분광부
330: 집속렌즈 340: 미러
350: 측정센서 400: 승하강모듈
410: 지지유닛 412: 슬라이딩프레임
414: 지지프레임 416: 승하강조절부
420: 신축부재

Claims (8)

  1. 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치에 있어서,
    베이스;
    상기 베이스에 결합되며 측정대상물이 상면에 안착되는 작업대;
    상기 작업대의 상부에 배치되며 레이저 빔을 조사하여 상기 측정대상물의 두께를 측정하는 레이저간섭계; 및
    일측이 상기 레이저간섭계 또는 상기 작업대와 결합하여 슬라이딩 가능하도록 지지하며 타측이 상기 베이스에 고정 결합하는 지지유닛 및 일측이 상기 지지유닛에 고정 결합되고 타측이 상기 레이저간섭계 또는 상기 작업대와 결합되며 일부가 압전소재로 이루어져 신축을 통해 상기 레이저간섭계의 상하방향 슬라이딩을 조절하는 신축부재를 포함하는 승하강모듈;
    을 포함하는 승하강이 조절되는 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 승하강모듈은,
    상기 레이저 간섭계에 연결되어 연직방향으로 승하강을 조절하는 것을 특징으로 하는 승하강이 조절되는 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 지지유닛은,
    일측이 상기 레이저간섭계의 일측에 슬라이딩 가능하도록 연결되어 외력에 의해서 상기 레이저간섭계가 슬라이딩이동을 하도록 하는 슬라이딩프레임;
    일측이 상기 베이스와 고정 결합되고 타측이 상기 슬라이딩프레임의 타측에 연결되어 외력에 의해 상기 슬라이딩프레임이 슬라이딩 가능하도록 하는 지지프레임; 및
    일측이 상기 슬라이딩프레임과 연결되고 타측이 상기 지지프레임과 연결되어 상기 슬라이딩프레임이 슬라이딩 가능하도록 외력을 제공하는 승하강조절부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 승하강이 조절되는 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 승하강조절부는,
    상기 슬라이딩프레임 및 상기 레이저간섭계의 승하강을 동시에 조절하는 것을 특징으로 하는 승하강이 조절되는 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 승하강조절부는,
    상기 지지프레임에 상부방향으로 회전 가능하도록 결합되어 외력에 의해 회전하는 회전부재; 및
    일측이 상기 제 슬라이딩프레임의 상부에 고정 결합되고 타측이 상기 조절부재의 외측 일부를 감싸도록 구성되며 상기 회전부재의 회전에 의해 승하강 하도록 구성된 승하강부재;
    를 포함하며 상기 승하강부재의 승하강에 따라 상기 슬라이딩프레임의 슬라이딩을 조절하는 것을 특징으로 하는 승하강이 조절되는 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 신축부재는,
    적어도 두 개 이상으로 구성되어 각각의 상기 신축부재가 별도로 구성되며 신축에 따라 상기 레이저간섭계의 레이저 빔 조사방향을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 승하강이 조절되는 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 승하강모듈은,
    상기 작업대에 연결되어 연직방향으로 승하강 시키는 것을 특징으로 하는 승하강이 조절되는 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 작업대 위치가 횡 방향으로 조절 가능하도록 하는 횡방향조절모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 승하강이 조절되는 레이저간섭계를 이용한 두께측정장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160002548U (ko) * 2015-01-12 2016-07-20 주식회사 럭키산업 칫솔모 고정용 평선 길이 측정장치
KR20200038718A (ko) * 2018-10-04 2020-04-14 한국기계연구원 와이어 특성 평가장치
CN112858880A (zh) * 2021-01-12 2021-05-28 安徽华为硕半导体科技有限公司 一种集成电路的测试装置

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