KR20140093818A - 프로파일 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

광원, 상기 광원에서 생성된 빛을 성형하는 빔 셰이퍼, 상기 빔 셰이퍼에 의해 성형된 빛의 일부를 투과시키고 다른 일부를 반사하는 빔 스플리터, 상기 빔 스플리터로부터 상기 빛을 받아 가공물을 안착시키는 스테이지로 조사하는 대물 렌즈, 및 연속적으로 변화하는 다수의 초점들을 갖는 프로파일 추정부를 포함하고, 상기 프로파일 추정부가 포커싱 렌즈 및 상기 포커싱 렌즈를 투과한 빛을 받는 수광부를 포함하는 프로파일 측정 시스템이 설명된다.

Description

프로파일 측정 시스템{System of Measuring Surface Profile}

본 발명은 가공물의 표면의 프로파일을 광학적으로 측정하는 시스템에 관한 것이다.

가공물의 표면의 프로파일을 광학적으로 측정하기 위한 시스템들은 촬상 영역을 바꾸어가며 다수회 측정하여 최적의 초점 위치를 산출하여 각 위치별 프로파일을 추정한다. 이러한 시스템들은 분해능(resolution)을 높이기 어렵고 처리 능력(throughput)이 낮아 양산 공정에 적용하기 어렵다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 가공물의 표면의 프로파일을 광학적으로 측정하는 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 가공물의 표면을 프로파일을 광학적으로 측정하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 연속적으로 변화하는 초점 라인을 갖는 프로파일 추정부를 포함하는 시스템일 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당 업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템은 광원, 상기 광원에서 생성된 빛을 성형하는 빔 셰이퍼, 상기 빔 셰이퍼에 의해 성형된 빛의 일부를 투과시키고 다른 일부를 반사하는 빔 스플리터, 상기 빔 스플리터로부터 상기 빛을 받아 가공물을 안착시키는 스테이지로 조사하는 대물 렌즈, 및 연속적으로 변화하는 다수의 초점들을 갖는 프로파일 추정부를 포함할 수 있다. 프로파일 추정부는 포커싱 렌즈 및 상기 포커싱 렌즈를 투과한 빛을 받는 수광부를 포함할 수 있다.

상기 프로파일 측정 시스템은 상기 광원과 상기 빔 셰이퍼 사이에 배치된 필드 렌즈를 더 포함할 수 있다.

상기 필드 렌즈는 상기 광원으로부터 받은 방사형 빛을 평행 빛으로 변환할 수 있다.

상기 빔 셰이퍼는 상기 광원으로부터 받은 빛을 바 모양으로 성형할 수 있다.

상기 빔 셰이퍼는 바 모양의 슬릿을 가진 광학적 어퍼쳐를 포함할 수 있다.

상기 빔 셰이퍼는 음향-광학적 회절기를 포함할 수 있다.

상기 빔 셰이퍼는 회절성 그래이팅을 포함할 수 있다.

상기 프로파일 추정부는 상기 바 모양의 빛의 장변 방향과 수직하는 방향으로 연속적으로 변하는 다수의 초점 거리들을 가질 수 있다.

상기 바 모양의 빛은 상기 스테이지 상에 장변이 가로 방향으로 놓인 바 모양의 조사 영역으로 조사될 수 있다.

상기 조사 영역은 세로 방향으로 스캐닝될 수 있다.

상기 스캐닝 부는 회전 가능한 미러를 포함할 수 있다.

상기 스테이지는 세로 방향으로 수평적으로 이동할 수 있다.

상기 포커싱 렌즈는 반원통 모양의 실린더 형 렌즈를 포함할 수 있다.

상기 포커싱 렌즈는 제1 단부, 제2 단부, 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 렌즈 바디를 가질 수 있고, 상기 제1 단부는 제1 초점 거리를 갖고, 상기 제2 단부는 상기 제1 초점 거리보다 먼 제2 초점 거리를 갖고, 및 상기 렌즈 바디는 상기 제1 초점 거리와 상기 제2 초점 거리 사이의 제3 초점 거리를 가질 수 있다.

상기 제3 초점 거리는 상기 제1 초점 거리로부터 상기 제2 초점 거리까지 연속적으로 변할 수 있다.

상기 제1 단부는 제1 곡률 반경을 갖고, 상기 제2 단부는 상기 제1 곡률 반경보다 큰 제2 곡률 반경을 갖고, 및 상기 렌즈 바디는 상기 제1 곡률 반경과 상기 제2 곡률 반경 사이의 제3 곡률 반경을 가질 수 있다.

상기 제3 곡률 반경은 상기 제1 곡률 반경으로부터 상기 제2 곡률 반경까지 연속적으로 변할 수 있다.

상기 제1 단부, 상기 제2 단부, 및 상기 렌즈 바디는 동일한 두께를 가질 수 있다.

상기 제1 단부는 제1 두께를 갖고, 상기 제2 단부는 상기 제1 두께보다 큰 제2 두께를 갖고, 및 상기 렌즈 바디는 상기 제1 두께와 상기 제2 두께의 사이의 제3 두께를 가질 수 있다.

상기 제3 두께는 상기 제1 두께로부터 상기 제2 두께까지 연속적으로 변할 수 있다.

상기 제1 단부, 상기 제2 단부, 및 상기 렌즈 바디는 동일한 곡률 반경을 가질 수 있다.

상기 포커싱 렌즈는 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 하나의 연속적인 초점 라인을 가질 수 있다.

상기 포커싱 렌즈와 상기 수광부는 모두 광축에 수직하게 배치될 수 있다.

상기 포커싱 렌즈는 제1 단부, 제2 단부, 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 렌즈 바디를 가질 수 있다.

상기 제1 단부는 상기 수광부와 제1 거리를 갖고, 상기 제2 단부는 상기 수광부와 상기 제1 거리보다 먼 제2 거리를 갖고, 및 상기 렌즈 바디는 상기 제1 거리와 상기 제2 거리 사이의 제3 거리를 가질 수 있다.

상기 포커싱 렌즈는 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 하나의 연속적인 초점 라인을 가질 수 있다.

상기 초점 라인은 광축에 대하여 경사지게 배치될 수 있다.

상기 포커싱 렌즈의 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 하나의 초점 라인을 갖고, 상기 초점 라인은 광축에 수직하고, 및 상기 수광부의 표면은 상기 광축에 경사지게 배치될 수 있다.

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템은, 빛을 광원, 상기 광원에서 생성된 빛을 바 모양으로 성형하는 빔 셰이퍼, 상기 바 모양의 빛을 투과시켜 가공물의 표면 상의 조사 영역 상에 조사하는 대물 렌즈, 및 상기 가공물의 상기 표면 상의 상기 조사 영역으로부터 반사된 빛을 받아 프로파일 추정부로 전달하는 빔 스플리터를 포함할 수 있다. 상기 프로파일 추정부는 상기 조사 영역으로부터 반사된 빛의 상기 늘어진 방향과 수직하는 방향으로 연장하는 초점 라인을 갖는 실린더형 포커싱 렌즈 및 상기 포커싱 렌즈를 투과한 빛이 상기 초점 라인과 동일한 방향으로 스플릿되는 센싱면을 갖는 수광부를 포함할 수 있다.

기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들에 의한 프로파일 측정 시스템에 의하면 가공물의 표면의 특정한 위치의 레벨, 선 모양의 조명 영역의 프로파일, 스퀘어 모양의 영역의 프로파일이 정밀하고 신속하게 측정될 수 있다. 본 발명의 다른 효과들은 본문 내에서 언급될 것이다.

도 1a는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템의 개략적인 도면이고, 도 1b는 상기 프로파일 측정 시스템의 포커싱 렌즈를 개념적으로 도시한 도면이고, 및 도 2a 내지 2c는 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템을 이용하여 가공물의 표면의 레벨을 측정하는 것을 설명하는 도면들이다.
도 3a는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템의 개략적인 도면이고, 도 3b는 상기 프로파일 측정 시스템의 포커싱 렌즈를 개념적으로 도시한 도면이고, 및 도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템을 이용하여 가공물의 표면의 레벨을 측정하는 것을 설명하는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 프로 파일 측정 시스템의 개략적인 도면이고, 도 6a 내지 6c는 상기 프로 파일 측정 시스템을 이용하여 가공물의 표면의 레벨을 측정하는 것을 설명하는 도면들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 프로 파일 측정 시스템의 개략적인 도면이고, 도 8a 내지 8c는 상기 프로 파일 측정 시스템을 이용하여 가공물의 표면의 레벨을 측정하는 것을 설명하는 도면들이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템의 개략적인 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템의 개략적인 도면이고, 및 도 11a 및 11b는 상기 프로파일 측정 시스템(100f)을 이용하여 가공물의 표면 프로파일을 측정하는 것을 설명하는 도면들이다.
도 12a 및 12b는 본 발명의 실시예들에 의한 프로파일 측정 시스템들을 개략적으로 도시한 도면들이고, 및 도 13a 및 13b는 상기 프로파일 측정 시스템들을 이용하여 가공물의 표면 프로파일을 측정하는 것을 설명하는 도면들이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

공간적으로 상대적인 용어인 '아래(below)', '아래(beneath)', '하부(lower)', '위(above)', '상부(upper)' 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 '아래(below)' 또는 '아래(beneath)'로 기술된 소자는 다른 소자의 '위(above)'에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 '아래'는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.

명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.

도 1a는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100a)의 개략적인 도면이다.

도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100a)은 광원(110, light source), 필드 렌즈(120, field lens), 빔 스플리터(130, beam splitter), 대물 렌즈(140, objective lens), 프로파일 추정부(150a, profile estimating part), 및 스테이지(190)를 포함할 수 있다. 프로파일 측정 시스템(100a)은 프로파일 추정부(150a)와 통신할 수 있는 제어부(180, control part)를 더 포함할 수 있다. 프로파일 추정부(150a)는 포커싱 렌즈(160a) 및 수광부(170)를 포함할 수 있다.

광원(110)은 UV 빛, 레이저 같은 빛(L)을 방사형으로 생성할 수 있다. 빛(L)은 단 파장을 가질 수 있다. 광원(120)은 점(spot), 라인(line), 바(bar), 원(circle), 디스크(disk), 또는 다각형(polygon) 등, 다양한 모양을 가진 빛(L)을 생성할 수 있다. 광원(110)에서 발생한 빛(L)은 필드 렌즈(120)로 조사될 수 있다. 필드 렌즈(120)는 광원(110)로부터 받은 빛(L)을 직진하는 평행 빔으로 조절하여 빔 스플리터(130)로 조사할 수 있다. 빔 스플리터(130)는 광원(110) 및/또는 필드 렌즈(120)로부터 받은 빛(L)의 일부를 반사하고, 및 다른 일부를 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 빔 스플리터(130)는 반투명 거울(semi-transparent mirror) 또는 반반사 렌즈(semi-reflctive lens)를 포함할 수 있다. 대물 렌즈(140)는 빔 스플리터(130)로부터 받은 빛(L)을 가공물(W, workpiece) 상으로 조사할 수 있다. 가공물(W)은 반도체 웨이퍼, LCD 같은 평판 디스플레이 패널, 기타 표면 프로파일을 측정하고자 하는 다양한 타겟을 포함할 수 있다. 가공물(W)에 조사된 빛(L)은 다시 대물 렌즈(140)를 향하여 반사될 수 있다. 가공물(W)로부터 반사된 빛(L)은 대물 렌즈(140)를 투과하여 빔 스플리터(130)로 되조사(irradiated back)될 수 있다. 빔 스플리터(130)로 되조사된 빛(L)의 일부는 빔 스플리터(130)를 투과하여 프로파일 추정부(150a)의 포커싱 렌즈(160a)로 조사될 수 있다.

프로파일 추정부(150a)는 연속적으로 변화하는 다수의 초점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 프로파일 추정부(150a)는 연속적인 곡률 변화를 갖는 포커싱 렌즈(160a, focusing lens) 및 수광부(170, light detector)를 포함할 수 있다.

포커싱 렌즈(160a)는 빔 스플리터(130)로부터 받은 빛(L)을 다양한 초점 위치를 갖도록 조절하여 수광부(170)로 조사할 수 있다. 포커싱 렌즈(160a)는 빛(L)을 받는 면이 광축(LX)과 수직하도록 배치될 수 있다.

수광부(170)는 포커싱 렌즈(160a)로부터 전달, 조사되는 빛(L)을 수집할 수 있다. 예를 들어, 수광부(170)는 포커싱 렌즈(160a)로부터 받은 빛(L)을 광학적 이미지 또는 빛의 인텐시티 프로파일 등, 다양한 형태로 모니터 상에 디스플레이하거나 광학적 이미지 또는 전자적 파일 데이터로 변환할 수 있다. 예를 들어, 수광부(170)는 CCD (charge coupled device) 또는 CIS (CMOS image sensor)를 포함할 수 있다. 수광부(170) 센싱면(175)은 광축(LX)에 수직하게 배치될 수 있다.

제어부(180)는 수광부(170)로부터 광학적 이미지 또는 인텐시티 프로파일 등, 전자적 파일 데이터를 받아 가공물(W)의 표면 프로파일을 분석 및/또는 추정할 수 있다. 제어부(180)는 마이크로프로세서 및 데이터 저장부를 포함할 수 있다.

스테이지(190)는 가공물(W)을 안착하고 상하 및 좌우로 이동할 수 있다. 예를 들어, 대물 렌즈(140)의 초점 위치 또는 초점 평면에 따라 3차원적으로 이동할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100a)은 가공물(W)의 표면의 레벨을 단 한 번의 광학적 촬상을 통하여 측정할 수 있다. 프로파일 측정 시스템(100a)은 선형적 또는 연속적으로 변화하는 라인 형태의 초점들을 가지므로, 가공물(W)의 표면의 레벨이 단 한 번의 광학적 촬영을 통하여 정확하게 측정될 수 있다.

도 1b는 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100a)의 포커싱 렌즈(160a)를 개념적으로 도시한 도면이다.

도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 포커싱 렌즈(160a)는 선형적 또는 연속적인 곡률 변화를 갖는 반원통(half-cylinder) 모양의 실린더 렌즈(cylindrical lens)를 포함할 수 있다. 포커싱 렌즈(160a)는 제1 단부(Ea1), 제2 단부(Ea2), 및 제1 단부(Ea1)와 제2 단부(Ea2) 사이의 렌즈 바디(LBa)를 가질 수 있다. 제1 단부(Ea1)는 제1 곡률 반경(R1)을 가질 수 있고, 제2 단부(Ea2)는 제1 곡률 반경(R1)보다 큰 제2 곡률 반경(R2)을 가질 수 있고, 및 렌즈 바디(LBa)는 제1 곡률 반경(R1)과 제2 곡률 반경(R2) 사이의 바디 곡률 반경들(R3, R4, R5)을 가질 수 있다. (R1 < R3 < R4 < R5 < R2) 제1 곡률 반경(R1), 바디 곡률 반경들(R3, R4, R5), 및 제2 곡률 반경(R2)은 아날로그적 또는 연속적으로 변할 수 있다. 포커싱 렌즈(160a)는 전체적으로 동일한 최대 두께(t)를 가질 수 있다. 따라서, 포커싱 렌즈(160a)는 곡률 반경들(R1, R2, R3, R4, R5)에 따라 다수의 초점들(Fa1, Fa2, Fa3, Fa4, Fa5)을 가질 수 있다. 예를 들어, 포커싱 렌즈(160a)의 제1 단부(Ea1)는 제1 초점 거리(d1)의 제1 초점(Fa1)을 가질 수 있고, 제2 단부(Ea2)는 제1 초점 거리(d1)보다 큰 제2 초점 거리(d2)의 제2 초점(Fa2)를 가질 수 있고, 및 렌즈 바디(LBa)는 제1 초점 거리(d1)와 제2 초점 거리(d2) 사이의 중간 초점 거리들(d3, d4, d5)의 중간 초점들(Fa3, Fa4, Fa5)을 가질 수 있다. (d1 > d3 > d4 > d5 > d2) 포커싱 렌즈(160a)의 초점들(Fa1, Fa2, Fa3, Fa4, Fa5)은 곡률 반경들(R1, R2, R3, R4, R5) 및/또는 초점 거리들(d1, d2, d3, d4, d5)의 변화에 따라 모든 초점들(Fa1, Fa2, Fa3, Fa4, Fa5)을 연결하는 연속적인 직선 형태의 초점 라인(FLa)을 형성할 수 있다. 초점 라인(FLa)은 광축(LX) 및 수광부(170)의 센싱면(175)과 경사질 수 있다.

도 2a 내지 2c는 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100a)을 이용하여 가공물(W)의 표면의 레벨을 측정하는 것을 설명하는 도면들이다. 본 발명의 기술적 사상을 이해하기 쉽도록 설명하기 위하여, 몇 개의 핵심적인 구성 요소들만 도시된다.

도 2a 내지 2c를 참조하면, 가공물(W)로부터 반사된 빛(L1, L2, Li)은 포커싱 렌즈(160a)를 투과하여 수광부(170)의 센싱면(175)으로 조사되되, 포커싱 렌즈(160a)의 초점들(Fa1, Fa2, Fai)이 다양하게 위치할 수 있다. 상대적으로 작은 제1 곡률 반경(R1)을 가진 포커싱 렌즈(160a)의 제1 단부(Ea1)를 투과한 빛(L1)은 포커싱 렌즈(160a)와 상대적으로 가까운 제1 초점(Fa1)을 가질 수 있고, 상대적으로 큰 제2 곡률 반경(R2)을 가진 포커싱 렌즈(160a)의 제2 단부(Ea2)를 투과한 빛(L2)은 포커싱 렌즈(160a)와 상대적으로 먼 제2 초점(Fa2)을 가질 수 있고, 제1 곡률 반경(R1)과 제2 곡률 반경(R2)의 사이의 중간 곡률 반경(Ri)을 가진 포커싱 렌즈(160a)의 렌즈 바디(LBa)를 투과한 빛(Li)은 제1 초점(Fa1)과 제2 초점(Fa2) 사이에 위치한 중간 초점(Fai)을 가질 수 있다.

예를 들어, 도 2a를 참조하여, 대물 렌즈(140)의 초점 면(Fo)과 일치하도록 가공물(W)의 표면이 위치하는 경우, 포커싱 렌즈(160a)의 렌즈 바디(LBa)를 투과한 빛(Li)이 수광부(170)의 센싱면(175) 상에 초점화(focused)된다고 가정하면, 포커싱 렌즈(160a)의 제1 단부(Ea1)에 가까운 부분을 투과하는 빛(L1)은 센싱면(175)의 앞에서 초점화될 것이고, 포커싱 렌즈(160a)의 제2 단부(Ea2)를 투과하는 빛(L2)은 센싱면(175)의 뒤에서 초점화될 것이다. 이 경우, 중간 초점(Fai)과 일치하는 센싱면(175)에서 빛(Li)의 최대 인텐시티가 얻어질 것이다.

도 2b를 참조하면, 대물 렌즈(140)의 초점 면(Fo)보다 가깝게 가공물(W)의 표면이 위치하는 경우, 포커싱 렌즈(160a)의 제1 단부(Ea1)에 가까운 부분을 투과하는 빛(L1)이 센싱면(175) 상에 초점화될 수 있다. 이 경우, 제1 초점(Fa1)에 가까운 센싱면(175)에서 빛(L1)의 최대 인텐시티가 얻어질 것이다.

도 2c를 참조하면, 대물 렌즈(140)의 초점 면(Fo)보다 멀게 가공물(W)의 표면이 위치하는 경우, 포커싱 렌즈(160a)의 제2 단부(Ea2)에 가까운 부분을 투과하는 빛(L2)이 센싱면(175) 상에 초점화될 수 있다. 이 경우, 제2 초점(Fa2)에 가까운 센싱면(175)에서 빛(L2)의 최대 인텐시티가 얻어질 것이다.

도 2a 내지 2c를 다시 참조하면, 수광부(170)의 센싱면(175)에 도달한 빛들(L1, L2, Li)의 인텐시티 프로파일을 분석하면 가공물(W)의 표면과 대물 렌즈(140)의 초점면(Fo)의 상호 위치 관계가 추정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 포커싱 렌즈(160a)는 선형적 또는 연속적으로 변화하는 곡률을 갖기 때문에, 가공물(W)의 표면에서 반사된 빛(L1, L2, Li)이 센싱면(175) 상에서 연속적인 인텐시티 분포를 보인다. 예를 들어, 센싱면(175) 상에서, 빛(L1, L2, Li)의 인텐시티는 가우시안 분포를 보일 것이다. 따라서, 단 한 번의 촬영만으로 가공물(W)의 표면의 레벨이 측정 및 추정될 수 있다.

도 3a는 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100b)의 개략적인 도면이다.

도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100b)은 광원(110), 필드 렌즈(120), 빔 스플리터(130), 대물 렌즈(140), 프로파일 추정부(150b), 및 스테이지(190)를 포함할 수 있다. 프로파일 측정 시스템(100b)은 프로파일 추정부(150b)와 통신할 수 있는 제어부(180)를 더 포함할 수 있다. 프로파일 추정부(150b)는 연속적으로 변화하는 다수의 초점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 프로파일 추정부(150b)는 연속적인 두께 변화를 갖는 포커싱 렌즈(160b) 및 수광부(170)를 포함할 수 있다.

도 3b는 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100b)의 포커싱 렌즈(160b)를 개념적으로 도시한 도면이다.

도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 포커싱 렌즈(160b)는 선형적 또는 연속적인 두께 변화를 갖는 반원통(half-cylinder) 모양의 실린더 렌즈(cylindrical lens) 렌즈를 포함할 수 있다.

예를 들어, 포커싱 렌즈(160b)는 제1 두께(t1)를 갖는 제1 단부(Eb1), 제1 두께(t2)보다 큰 제2 두께(t2)를 갖는 제2 단부(Eb2), 및 제1 두께(t1)와 제2 두께(t2) 사이에서 연속적으로 변하는 중간 두께들(t3, t4, t5)을 가진 렌즈 바디(LBb)를 포함할 수 있다. (t1 < t3 < t4 < t5 < t2) 포커싱 렌즈(160b)는 전체적으로 동일한 곡률 반경(R)을 가질 수 있다.

따라서, 포커싱 렌즈(160b)는 위치별 두께들(t1, t2, t3, t4, t5)에 따라 다수의 초점들(Fb1, Fb2, Fb3, Fb4, Fb5)을 가질 수 있다. 곡률 반경(R)이 동일하므로, 포커싱 렌즈(160b)로부터 초점들(Fb1, Fb2, Fb3, Fb4, Fb5)까지의 거리(d)는 동일하다.

포커싱 렌즈(160b)의 다수의 초점들(Fb1, Fb2, Fb3, Fb4, Fb5)은 두께들(t1, t2, t3, t4, t5)에 따라 모든 초점들(Fb1, Fb2, Fb3, Fb4, Fb5)을 연결하는 연속적인 직선 형태의 초점 라인(FLb)을 형성할 수 있다.

도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100b)을 이용하여 가공물(W)의 표면의 레벨을 측정하는 것을 설명하는 도면들이다. 본 발명의 기술적 사상을 이해하기 쉽도록 설명하기 위하여, 몇 개의 핵심적인 구성 요소들만 도시된다.

도 4a 내지 4c를 참조하면, 가공물(W)로부터 반사된 빛(L1, L2, Li)은 포커싱 렌즈(160b)를 투과하여 수광부(170)의 센싱면(175)으로 조사되되, 포커싱 렌즈(160b)의 초점들(Fb1, Fb2, Fbi)이 다양하게 위치할 수 있다. 상대적으로 얇은 제1 두께(t1)을 가진 포커싱 렌즈(160b)의 제1 단부(Eb1)를 투과한 빛(L1)은 포커싱 렌즈(160b)와 상대적으로 가까운 제1 초점(Fb1)을 가질 수 있고, 상대적으로 두꺼운 제2 두께(t2)을 가진 포커싱 렌즈(160b)의 제2 단부(Eb2)를 투과한 빛(L2)은 포커싱 렌즈(160b)와 상대적으로 먼 제2 초점(Fb2)을 가질 수 있고, 제1 두께(t1)과 제2 두께(t2)의 사이의 중간 두께(ti)을 가진 포커싱 렌즈(160b)의 렌즈 바디(LBb)를 투과한 빛(Li)은 제1 초점(Fb1)과 제2 초점(Fb2) 사이에 위치한 중간 초점(Fbi)을 가질 수 있다.

예를 들어, 도 4a를 참조하면, 대물 렌즈(140)의 초점 면(Fo)과 일치하도록 가공물(W)의 표면이 위치하는 경우, 포커싱 렌즈(160b)의 렌즈 바디(LBb)를 투과한 빛(Li)이 수광부(170)의 센싱면(175) 상에 초점화(focused)된다고 가정하면, 포커싱 렌즈(160b)의 제1 단부(Eb1)에 가까운 부분을 투과하는 빛(L1)은 센싱면(175)의 앞에서 초점화될 것이고, 포커싱 렌즈(160b)의 제2 단부(Eb2)를 투과하는 빛(L2)은 센싱면(175)의 뒤에서 초점화될 것이다. 이 경우, 중간 초점(Fbi)과 일치하는 센싱면(175)에서 빛(Li)의 최대 인텐시티가 얻어질 것이다.

도 4b를 참조하면, 대물 렌즈(140)의 초점 면(Fo)보다 가깝게 가공물(W)의 표면이 위치하는 경우, 포커싱 렌즈(160b)의 제1 단부(Eb1)에 가까운 부분을 투과하는 빛(L1)이 센싱면(175) 상에 초점화될 수 있다. 이 경우, 제1 초점(Fb1)에 가까운 센싱면(175)에서 빛(L1)의 최대 인텐시티가 얻어질 것이다.

도 4c를 참조하면, 대물 렌즈(140)의 초점 면(Fo)보다 멀게 가공물(W)의 표면이 위치하는 경우, 포커싱 렌즈(160b)의 제2 단부(Eb2)에 가까운 부분을 투과하는 빛(L2)이 센싱면(175) 상에 초점화될 수 있다. 이 경우, 제2 초점(Fb2)에 가까운 센싱면(175)에서 빛(L2)의 최대 인텐시티가 얻어질 것이다.

도 4a 내지 4c를 다시 참조하면, 수광부(170)의 센싱면(175)에 도달한 빛들(L1, L2, Li)의 인텐시티 프로파일을 분석하면 가공물(W)의 표면과 대물 렌즈(140)의 초점면(Fo)의 상호 위치 관계가 추정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 포커싱 렌즈(160b)는 선형적 또는 연속적으로 변화하는 두께를 갖기 때문에, 가공물(W)의 표면에서 반사된 빛(L1, L2, Li)이 센싱면(175) 상에서 연속적인 인텐시티 분포를 보인다. 예를 들어, 센싱면(175) 상에서, 빛(L1, L2, Li)의 인텐시티는 정확한 초점을 중심으로 대칭적인 가우시안 분포를 보일 것이다. 따라서, 단 한 번의 촬영만으로 가공물(W)의 표면의 레벨이 측정 및 추정될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 프로 파일 측정 시스템(100c)의 개략적인 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100c)은 광원(110), 필드 렌즈(120), 빔 스플리터(130), 대물 렌즈(140), 프로파일 추정부(150c), 및 스테이지(190)을 포함하고, 프로파일 추정부(150c)는 광축(LX)과 경사지게 배치된 포커싱 렌즈(160d)를 포함할 수 있다. 포커싱 렌즈(160d)는 곡률 및 두께가 일정한 반원통(half-cylinder) 모양의 실린더형 렌즈(cylindrical lens)를 포함할 수 있다. 수광부(170)의 센싱면(175)는 광축(LX)에 수직할 수 있다. 따라서, 프로파일 추정부(150c)는 연속적으로 변화하는 다수의 초점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 포커싱 렌즈(160d)가 광축(LX)과 경사지게 배치되므로써, 포커싱 렌즈(160d)의 초점들이 센싱면(175) 상에 연속적으로 변화하도록 포커싱될 수 있다.

도 6a 내지 6c는 본 발명의 일 실시예에 의한 프로 파일 측정 시스템(100c)을 이용하여 가공물(W)의 표면의 레벨을 측정하는 것을 설명하는 도면들이다.

도 6a 내지 6c를 참조하면, 가공물(W)로부터 반사된 빛(L1, L2, Li)은 포커싱 렌즈(160d)를 투과하여 수광부(170)의 센싱면(175)으로 조사되되, 포커싱 렌즈(160d)의 초점들(Fc1, Fc2, Fci)이 다양하게 위치할 수 있다. 상대적으로 센싱면(175)과 먼 포커싱 렌즈(160d)의 제1 단부(Ec1)를 투과한 빛(L1)은 센싱면(175)과 상대적으로 먼 제1 초점(Fc1)을 가질 수 있고, 상대적으로 센싱면(175)과 가까운 포커싱 렌즈(160d)의 제2 단부(Ec2)를 투과한 빛(L2)은 센싱면(175)과 상대적으로 가까운 제2 초점(Fc2)을 가질 수 있고, 포커싱 렌즈(160d)의 렌즈 바디(LBc)를 투과한 빛(Li)은 제1 초점(Fc1)과 제2 초점(Fc2) 사이에 위치한 중간 초점(Fci)을 가질 수 있다.

예를 들어, 도 6a를 참조하여, 대물 렌즈(140)의 초점 면(Fo)과 일치하도록 가공물(W)의 표면이 위치하는 경우, 포커싱 렌즈(160d)의 렌즈 바디(LBc)를 투과한 빛(Li)이 수광부(170)의 센싱면(175) 상에 초점화(focused)된다고 가정하면, 포커싱 렌즈(160d)의 제1 단부(Ec1)에 가까운 부분을 투과하는 빛(L1)은 센싱면(175)의 앞에서 초점화될 것이고, 포커싱 렌즈(160d)의 제2 단부(Ec2)를 투과하는 빛(L2)은 센싱면(175)의 뒤에서 초점화될 것이다. 이 경우, 중간 초점(Fci)과 일치하는 센싱면(175)에서 빛(Li)의 최대 인텐시티가 얻어질 것이다.

도 6b를 참조하면, 대물 렌즈(140)의 초점 면(Fo)보다 가깝게 가공물(W)의 표면이 위치하는 경우, 포커싱 렌즈(160d)의 제1 단부(Ec1)에 가까운 부분을 투과하는 빛(L1)이 센싱면(175) 상에 초점화될 수 있다. 이 경우, 제1 초점(Fc1)에 가까운 센싱면(175)에서 빛(L1)의 최대 인텐시티가 얻어질 것이다.

도 6c를 참조하면, 대물 렌즈(140)의 초점 면(Fo)보다 멀게 가공물(W)의 표면이 위치하는 경우, 포커싱 렌즈(160d)의 제2 단부(Ec2)에 가까운 부분을 투과하는 빛(L2)이 센싱면(175) 상에 초점화될 수 있다. 이 경우, 제2 초점(Fc2)에 가까운 센싱면(175)에서 빛(L2)의 최대 인텐시티가 얻어질 것이다.

도 6a 내지 6c를 다시 참조하면, 수광부(170)의 센싱면(175)에 도달한 빛들(L1, L2, Li)의 인텐시티 프로파일을 분석하면 가공물(W)의 표면과 대물 렌즈(140)의 초점면(Fo)의 상호 위치 관계가 추정될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 프로 파일 측정 시스템(100d)의 개략적인 도면이다.

도 7를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100d)은 광원(110), 필드 렌즈(120), 빔 스플리터(130), 대물 렌즈(140), 프로파일 추정부(150d), 및 스테이지(190)을 포함하고, 프로파일 추정부(150d)는 광축(LX)과 경사지게 배치된 센싱면(175)을 가진 수광부(170)를 포함할 수 있다. 포커싱 렌즈(160d)는 곡률 및 두께가 일정한 반원통(half-cylinder) 모양의 실린더형 렌즈(cylindrical lens)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로파일 추정부(150c)는 연속적으로 변화하는 다수의 초점들을 가질 수 있다. 포커싱 렌즈(160d)의 다수의 초점들은 초점 라인을 형성할 수 있다. 따라서, 센싱면(175)이 광축(LX)과 경사지게 배치되므로써, 포커싱 렌즈(160d)의 초점 라인은 센싱면(175) 상에 연속적으로 변화하도록 포커싱될 수 있다.

도 8a 내지 8c는 본 발명의 일 실시예에 의한 프로 파일 측정 시스템(100c)을 이용하여 가공물(W)의 표면의 레벨을 측정하는 것을 설명하는 도면들이다.

도 8a 내지 8c를 참조하면, 가공물(W)로부터 반사된 빛(L1, L2, Li)은 포커싱 렌즈(160d)를 투과하여 수광부(170)의 센싱면(175)으로 조사되되, 포커싱 렌즈(160d)의 초점들(Fd1, Fd2, Fdi)이 센싱면(175)과 경사지도록 위치할 수 있다.

예를 들어, 도 8a를 참조하여, 대물 렌즈(140)의 초점 면(Fo)과 일치하도록 가공물(W)의 표면이 위치하는 경우, 포커싱 렌즈(160d)의 렌즈 바디(LBd)를 투과한 빛(Li)이 수광부(170)의 센싱면(175) 상에 초점화(focused)된다고 가정하면, 포커싱 렌즈(160d)의 제1 단부(Ed1)에 가까운 부분을 투과하는 빛(L1)은 센싱면(175)의 뒤에서 초점화될 것이고, 포커싱 렌즈(160d)의 제2 단부(Ed2)를 투과하는 빛(L2)은 센싱면(175)의 앞에서 초점화될 것이다. 이 경우, 중간 초점(Fdi)과 일치하는 센싱면(175)에서 빛(Li)의 최대 인텐시티가 얻어질 것이다.

도 8b를 참조하면, 대물 렌즈(140)의 초점 면(Fo)보다 가깝게 가공물(W)의 표면이 위치하는 경우, 포커싱 렌즈(160d)의 제1 단부(Ed1)에 가까운 부분을 투과하는 빛(L1)이 센싱면(175) 상에 초점화될 수 있다. 이 경우, 제1 초점(Fd1)에 가까운 센싱면(175)에서 빛(L1)의 최대 인텐시티가 얻어질 것이다.

도 8c를 참조하면, 대물 렌즈(140)의 초점 면(Fo)보다 멀게 가공물(W)의 표면이 위치하는 경우, 포커싱 렌즈(160d)의 제2 단부(Ed2)에 가까운 부분을 투과하는 빛(L2)이 센싱면(175) 상에 초점화될 수 있다. 이 경우, 제2 초점(Fd2)에 가까운 센싱면(175)에서 빛(L2)의 최대 인텐시티가 얻어질 것이다.

도 8a 내지 8c를 다시 참조하면, 수광부(170)의 센싱면(175)에 도달한 빛들(L1, L2, Li)의 인텐시티 프로파일을 분석하면 가공물(W)의 표면과 대물 렌즈(140)의 초점면(Fo)의 상호 위치 관계가 추정될 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100e)의 개략적인 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100e)은 광원(110), 필드 렌즈(120), 제1 빔 스플리터(131), 대물 렌즈(140), 제2 빔 스플리터(132), 제1 프로파일 추정부(151), 및 제2 프로파일 추정부(152)를 포함할 수 있다. 제2 빔 스플리터(132)는 가공물(W)로부터 반사되어 제1 빔 스플리터(131)를 투과한 빛(L)을 받아 일부를 반사하고 일부를 투과시킬 수 있다. 제2 빔 스플리터(132)로부터 반사된 빛(Lr)은 제1 프로파일 추정부(151)에서 분석될 수 있고, 제2 빔 스플리터(132)를 투과한 빛(Lt)은 제2 프로파일 추정부(152)에서 분석될 수 있다. 제1 프로파일 추정부(151)는 제1 포커싱 렌즈(161) 및 제1 수광부(171)를 포함할 수 있고, 및 제2 프로파일 추정부(152)는 제2 포커싱 렌즈(162) 및 제2 수광부(172)를 포함할 수 있다. 제1 프로파일 추정부(151) 및 제2 프로파일 추정부(152)는 앞서 설명된 다양한 프로파일 추정부들(150a, 150b, 150c, 150d) 중 하나 이상을 각각 포함할 수 있다. 제1 포커싱 렌즈(161) 및 제2 포커싱 렌즈(162)는 앞서 설명된 다양한 포커싱 렌즈들(160a, 160b, 160d) 중 하나 이상을 각각 포함할 수 있다. 제1 수광부(171) 및 제2 수광부(172)는 앞서 설명된 센싱면(175)을 갖는 수광부(170)를 각각 포함할 수 있다. 본 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100e)은 별도로 분리된 프로파일 추정부들(151, 152)을 포함하므로, 가공물(W)의 특성, 또는 가공물(W)의 표면의 특성에 따라 최적의 프로파일 추정부들(151, 152)을 선택하여 가공물(W)의 표면의 레벨을 측정할 수 있다. 또는 동시에 두 프로파일 추정부들(151, 152)을 이용하여 가공물(W)의 표면의 레벨을 보다 정확하게 측정할 수 있다. 예를 들어, 두 프로파일 추정부들(151, 152)은 서로 다른 내부 길이들(La, Lb)을 가질 수 있다. 포커싱 렌즈들(161, 162) 또는 수광부들(171, 172)의 특성에 따라 내부 길이들(La, Lb)을 서로 다르게 할 수 있다. 내부 길이들(La, Lb)은 포커싱 렌즈들(161, 162)과 수광부들(171, 172)의 거리를 의미할 수 있다.

도 1a, 3a, 5, 7 및 9에 도시된 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 프로파일 측정 시스템들(100a-100e)에 의하면, 단 한 번의 촬영만으로 가공물(W)의 특정한 지점의 표면 높이가 정확하게 측정될 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100f)을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100f)은 광원(110), 빔 셰이퍼(125), 빔 스플리터(130), 전달 렌즈들(135), 대물 렌즈(140), 스테이지(190), 및 프로파일 추정부(150)를 포함할 수 있다. 프로파일 추정부(150)는 포커싱 렌즈(160) 및 수광부(170)를 포함할 수 있다. 프로파일 추정부(150)는 앞서 설명된 다양한 실시예들에 의한 프로파일 추정부(150a, 150b, 150c, 150d)를 참조하여 이해될 수 있을 것이다. 프로파일 측정 시스템(100f)은 도 1a, 3a, 5, 7 및 9에 도시된 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 프로파일 측정 시스템들(100a-100e)과 호환될 수 있다. 본 발명의 기술적 사상이 다양하게 응용될 수 있다는 것을 보이기 위하여 1a, 3a, 5, 7 및 9에 도시된 프로파일 측정 시스템들(100a-100e)과 다른 디자인을 포함하는 것으로 도시되었다.

광원(110)은 점 광원(point source)에 의해 생성된 원형 또는 다각형 빛(L)을 생성할 수 있다. 광원(110)으로부터 발생한 빛(L)은 빔 셰이퍼(125)에 의해 선 모양(line shape) 또는 바 모양(bar shape)을 갖도록 늘어진 모양의 선형 빛(Ll)으로 성형(be shaped)될 수 있다. 빔 셰이퍼(125)는 선 모양 또는 바 모양의 슬릿을 가진 광학적 어퍼쳐(optical aperture)를 포함할 수 있다. 이하에서, 빛의 모양은 선형 빛(Ll, line type light)으로 용어가 통일될 것이다. 빔 셰이퍼(125)에 의해 성형된 선형 빛(Ll)은 빔 스플리터(130)로 조사될 수 있다. 빔 스플리터(130)로 조사된 선형 빛(Ll)의 일부는 빔 스플리터(130)를 투과하여 전달 렌즈들(135)로 조사될 수 있다. 전달 렌즈들(135)로 조사된 선형 빛(Ll)은 전달 렌즈들(135)을 투과하여 대물 렌즈(140)로 조사될 수 있다. 대물 렌즈(140)로 조사된 선형 빛(Ll)은 대물 렌즈(140)를 투과하여 스테이지(190) 상의 가공물(W)의 표면으로 조사될 수 있다. 선형 빛(Ll)은 가공물(W)의 표면 상에 Xw축 방향으로 늘어진 선 모양 또는 바 모양의 조명 영역(Rw)으로 조사될 수 있다. 가공물(W)의 표면의 조명 영역(Rw)으로 조사된 선형 빛(Ll)은 반사되어 다시 대물 렌즈(140)로 되조사(irradiated back)될 수 있다. 대물 렌즈(140)로 되조사된 선형 빛(Ll)은 대물 렌즈(140)를 투과하여 전달 렌즈들(135)로 되조사될 수 있다. 전달 렌즈들(135)로 되조사된 선형 빛(Ll)은 전달 렌즈들(135)을 투과하여 빔 스플리터(130)로 되조사될 수 있다. 빔 스플리터(130)로 되조사된 선형 빛(Ll)의 일부는 빔 스플리터(130)의 표면에서 반사되어 프로파일 추정부(150)의 포커싱 렌즈(160)로 조사될 수 있다. 포커싱 렌즈(160)로 조사된 선형 빛(Ll)은 수광부(170)의 센싱면(175)으로 조사될 수 있다. 센싱면(175)으로 조사된 선형 빛(Ll)은 가우시안 분포의 명도(brightness) 차이를 갖는 스펙트럼 형태의 인텐시티 프로파일, 광학적 이미지, 또는 다양한 형태로 모니터 상에 디스플레이 되거나 광학적 또는 전자적 파일로 변환될 수 있다. 센싱면(175) 상의 스펙트럼 이미지들(SI)은 예시적으로 3개로 분리, 도시되었다. 실제로는 선형 빛(Ll)은 분리되지 않은 하나의 2차원적인 스펙트럼으로 센싱면(175)에 수광될 것이다. 수광부(170) 옆의 수직한 선 모양 또는 바 모양의 수광 영역(Rr)은 가공물(W)의 표면 상의 조명 영역(Rw)이 수광부(170)에 반사되는 모양을 의미한다. 예를 들어, 가공물(W)의 조명 영역(Rw)의 가로 방향의 Xw축은 수광부(170) 상의 수광 영역(Rr)의 Xr축으로 변환될 수 있고, 조명 영역(Rw)의 Yw축은 수광 영역(Rr)의 Yr축으로 변환될 수 있다. 따라서, 가공물(W)의 조명 영역(Rw)은 프로파일 추정부(150)에 의하여 센싱면(175) 상에 Yr축 방향으로 다수의 가우시안 분포들을 가진 스펙트럼 이미지(SI)를 형성할 수 있다.

도 11a 및 11b는 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100f)을 이용하여 가공물(W)의 표면 프로파일을 측정하는 것을 설명하는 도면들이다. 본 발명의 기술적 사상을 이해하기 쉽도록 하기 위하여, 센싱면(175)의 픽셀 별로 다른 밝기 또는 인텐시티를 갖고, 하나의 픽셀이 동일한 밝기 또는 인텐시티를 갖는 것으로 가정되었다.

도 11a를 참조하면, 광원(110)으로부터 발생한 선형 빛(Ll)은 가공물(W)의 표면 상의 조명 영역(Rw)으로부터 반사되어 수광부(170)의 센싱면(175) 상에 1차원 방향으로 다수의 가우시안 분포 형태의 명도 차이들를 갖는 2차원적인 스펙트럼(SI)으로 수광될 수 있다.

도 11b를 참조하면, 가장 인텐시티가 높은 위치, 영역, 또는 픽셀들을 연결하는 스텍트럼 프로파일(Ps)을 그래프화 또는 이미지화 하면 가공물(W)의 조명 영역(Rw)의 표면 프로파일(Pw)을 얻을 수 있다. 예를 들어, 이미지 스펙트럼(SI)에서 가장 명도가 높은 위치가 가공물(W)의 표면이 위치한 레벨에 해당하는 것으로 예상될 수 있으므로, Yr축 방향을 높이 또는 레벨을 의미하는 Zw축으로 변환하고, Xr축 방향을 Xw축 방향으로 변환하면 가공물(W)의 조명 영역(Rw)의 표면의 프로파일(Pw)이 그래프 또는 시각적 이미지로 얻어질 수 있다. 이 과정은 제어부(180)에서 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100f)에 의하면, 단 한 번의 촬상만으로 가공물(W)의 선 모양(line shape) 또는 바 모양(bar shape)을 가진 조명 영역(Rw)의 표면 프로파일이 정확하게 측정될 수 있다.

도 12a 및 12b는 본 발명의 실시예들에 의한 프로파일 측정 시스템들(100g, 100h)을 개략적으로 도시한 도면들이다.

도 12a 및 12b를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 의한 프로파일 측정 시스템들(100g, 100h)은, 광원(110), 필드 렌즈(120), 빔 셰이퍼(125a, 125b, beam shaper), 빔 스플리터(130), 전달 렌즈들(135), 대물 렌즈(140), 스테이지(190), 및 프로파일 추정부(150)를 포함할 수 있다. 프로파일 추정부(150)는 포커싱 렌즈(160) 및 수광부(170)를 포함할 수 있다. 프로파일 추정부(150)는 앞서 설명된 다양한 실시예들에 의한 프로파일 추정부(150a, 150b, 150c, 150d)를 참조하여 이해될 수 있을 것이다. 광원(110)은 점 광원(point source)에 의해 생성된 원형 또는 다각형 빛(L)을 생성할 수 있다. 빛(L)은 단 파장을 가질 수 있다. 광원(110)에서 생성된 빛(L)은 필드 렌즈(120)를 거쳐 빔 셰이퍼(125a, 125b)로 조사될 수 있다. 빔 셰이퍼(125a, 125b)는 빛(L)을 하나 또는 다수의 선형 빛(Ll)으로 성형(shaping)하여 빔 스플리터(130)로 조사할 수 있다. 빔 셰이퍼(125a, 125b)가 하나의 선형 빛(Ll)을 성형하는 경우는 도 10, 11a 및 11b를 참조하여 이해될 수 있을 것이다. 본 실시예에서는 특히, 빔 셰이퍼(125a, 125b)가 다수의 선형 빛들(Ll)을 성형하는 경우가 설명된다.

도 12a를 참조하면, 빔 셰이퍼(125a)는 광원(110)과 빔 스플리터(130)의 사이에 배치된 음향-광학 회절기(acousto-optic diffractor)를 포함할 수 있다. 도 12b를 참조하면, 빔 셰이퍼(125b)는 광원(110)과 빔 스플리터(130)의 사이에 배치된 회절성 그래이팅(diffractive grating)을 포함할 수 있다. 회절성 그래이팅의 일 표면은 워시보드(washboard) 모양 같은 요철을 포함할 수 있다. 프로파일 측정 시스템들(100g, 100h)은 도 1a, 3a, 5, 7, 9, 및 10에 도시된 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 프로파일 측정 시스템들(100a-100e)과 호환될 수 있다. 본 발명의 기술적 사상이 다양하게 응용될 수 있다는 것을 보이기 위하여 1a, 3a, 5, 7, 9, 및 10에 도시된 프로파일 측정 시스템들(100a-100f)과 다른 디자인을 포함하는 것으로 도시되었다.

도 13a 및 13b는 도 12a 및 12b에 예시된 본 발명의 실시예들에 의한 프로파일 측정 시스템들(100g, 100h)을 이용하여 가공물(W)의 표면 프로파일을 측정하는 것을 설명하는 도면들이다.

도 13a를 참조하면, 빔 셰이퍼에 의하여 발생한 선형 빛들(Ll)은 가공물(W)의 표면 상의 조명 영역들(Rw)으로부터 반사되어 수광부(170)의 센싱면(175) 상에 Yr축 방향으로 다수의 가우시안 분포 형태의 명도 차이들를 갖는 2차원적인 스펙트럼(SI)으로 수광될 수 있다. 예를 들어, 스펙트럼(SI)은 선형 빛(Ll)의 개수에 해당하는 인텐시티 프로파일들을 보일 수 있다.

도 13b를 참조하면, 가장 인텐시티가 높은 위치, 영역, 또는 픽셀들을 연결하여 그래프화 또는 이미지화 하면 가공물(W)의 조명 영역들(Rw)의 표면 프로파일을 얻을 수 있다. 예를 들어, 조명 영역들(Rw) 별로 존재하는 다수의 최고 인텐시티 영역들을 연결하면 가공물(W)의 조명 영역들(Rw)의 표면 프로파일이 그래프 또는 시각적 이미지로 얻어질 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의한 표면 프로파일 측정 시스템(100g, 100h)에 의하면, 단 한 번의 촬상으로 가공물(W)의 표면의 스퀘어 영역의 프로파일이 정확하게 측정될 수 있다.

다시 도 10, 12a 및 12b를 참조하면, 광원(110) 또는 빔 셰이퍼들(125a, 125b)에 의해 조명 영역(Rw)은 Xw축 방향으로 늘어진 모양을 가질 수 있고, 스테이지(190)는 Yw축 방향으로 이동할 수 있다. 따라서, 가공물(W)의 모든 표면이 스캔 및 조명될 수 있고, 가공물(W)의 모든 표면의 프로파일이 아날로그적, 연속적으로 정확하게 측정될 수 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100i)을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100i)은, 광원(110), 필드 렌즈(120), 빔 셰이퍼(125), 빔 스플리터(130), 제1 전달 렌즈들(135a), 스캐닝 부(145), 제2 전달 렌즈들(135b), 대물 렌즈(140), 스테이지(190), 및 프로파일 추정부(150)를 포함할 수 있다. 프로파일 추정부(150)는 포커싱 렌즈(160) 및 수광부(170)를 포함할 수 있다. 프로파일 추정부(150)는 앞서 설명된 다양한 실시예들에 의한 프로파일 추정부(150a, 150b, 150c, 150d)를 참조하여 이해될 수 있을 것이다. 빔 셰이퍼(125)는 도 12a 및 12b에 도시된 음향-광학 회절기 또는 회절성 그래이팅을 포함할 수 있다. 프로파일 측정 시스템(100i)은 도 1a, 3a, 5, 7, 9, 10, 12a, 및 12b에 도시된 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 프로파일 측정 시스템들(100a-100h)과 호환될 수 있다. 본 발명의 기술적 사상이 다양하게 응용될 수 있다는 것을 보이기 위하여 1a, 3a, 5, 7, 9, 10, 12a 및 12b에 도시된 프로파일 측정 시스템들(100a-100h)과 다른 디자인을 포함하는 것으로 도시되 었다.

도 10을 참조하여, 빔 셰이퍼(125)는 광학적 어퍼쳐를 포함할 수도 있다. 스캐닝 부(145)는 예를 들어, 갈바노 미러(galvano mirror)처럼 Yw축 방향으로 선형 빛(Ll)이 스캐닝되도록 미러 축(MX)을 기준으로 화살표 방향으로 회전 또는 유동하는 미러를 포함할 수 있다. 프로파일 측정 시스템(100i)의 스테이지(190)는 고정될 수도 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 프로파일 측정 시스템(100i)에 의하면, 광원(110) 또는 빔 셰이퍼(125)에 의해 조명 영역(Rw)은 Xw축 방향으로 늘어진 모양을 가질 수 있고, 스캐닝 미러(145)에 의해 가공물(W)의 모든 표면이 스캔 및 조명될 수 있다. 따라서, 가공물(W)의 모든 표면의 프로파일이 아날로그적, 연속적으로 정확하게 측정될 수 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

100a-100j: 프로파일 측정 시스템
110: 광원 120: 필드 렌즈
125: 빔 셰이퍼 130: 빔 스플리터
135: 전달 렌즈 140: 대물 렌즈
145: 스캐닝 부 150: 프로파일 추정부
160: 포커싱 렌즈 170: 수광부
175: 센싱면 180: 제어부
190: 스테이지
d1: 제1 초점 거리 d2: 제2 초점 거리
da3-da5: 중간 초점 거리들
Ea1, Eb1: 제1 단부 Ea2, Eb2: 제2 단부
Fa1-Fa5, Fai, Fb1-Fb5, Fbi: 초점들
FLa, FLb: 초점 라인
LBa, LBb: 렌즈 바디
R: 곡률 반경 Ra1: 제1 곡률 반경
Rb2: 제2 곡률 반경 Ra3-Ra5: 중간 곡률 반경들
t, t1-t4, ti: 두께들
W: 가공물 LX: 광축
MX: 미러 축 Rx: 조명 영역
Rr: 수광 영역

Claims (10)

1. 빛을 생성하는 광원;
   상기 광원에서 생성된 빛을 성형하는 빔 셰이퍼;
   상기 빔 셰이퍼에 의해 성형된 빛의 일부를 투과시키고 다른 일부를 반사하는 빔 스플리터;
   상기 빔 스플리터로부터 상기 빛을 받아 가공물을 안착시키는 스테이지로 조사하는 대물 렌즈; 및
   연속적으로 변화하는 다수의 초점들을 갖는 프로파일 추정부를 포함하고,
   상기 프로파일 추정부는:
   포커싱 렌즈; 및
   상기 포커싱 렌즈를 투과한 빛을 받는 수광부를 포함하는 프로파일 측정 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 빔 셰이퍼는 상기 광원으로부터 받은 빛을 바 모양으로 성형하는 프로파일 측정 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 프로파일 추정부는 상기 바 모양의 빛의 장변 방향과 수직하는 방향으로 연속적으로 변하는 다수의 초점 거리들을 갖는 프로파일 측정 시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 바 모양의 빛은 상기 스테이지 상에 장변이 가로 방향으로 놓인 바 모양의 조사 영역으로 조사되고,
   상기 조사 영역은 세로 방향으로 스캐닝되는 프로파일 측정 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 포커싱 렌즈는,
   반원통 모양의 실린더 형 렌즈를 포함하는 프로파일 측정 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 포커싱 렌즈는,
   제1 단부, 제2 단부, 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 렌즈 바디를 갖고,
   상기 제1 단부는 제1 초점 거리를 갖고,
   상기 제2 단부는 상기 제1 초점 거리보다 먼 제2 초점 거리를 갖고, 및
   상기 렌즈 바디는 상기 제1 초점 거리와 상기 제2 초점 거리 사이의 제3 초점 거리를 갖는 프로파일 측정 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 단부는 제1 곡률 반경을 갖고,
   상기 제2 단부는 상기 제1 곡률 반경보다 큰 제2 곡률 반경을 갖고, 및
   상기 렌즈 바디는 상기 제1 곡률 반경과 상기 제2 곡률 반경 사이의 제3 곡률 반경을 갖는 프로파일 측정 시스템.
8. 제6항에 있어서,
   상기 제1 단부는 제1 두께를 갖고,
   상기 제2 단부는 상기 제1 두께보다 큰 제2 두께를 갖고, 및
   상기 렌즈 바디는 상기 제1 두께와 상기 제2 두께의 사이의 제3 두께를 갖는 프로파일 측정 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1 단부, 상기 제2 단부, 및 상기 렌즈 바디는 동일한 곡률 반경을 갖는 프로파일 측정 시스템.
10. 제5항에 있어서,
    상기 포커싱 렌즈는,
    제1 단부, 제2 단부, 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 렌즈 바디를 갖고,
    상기 제1 단부는 상기 수광부와 제1 거리를 갖고,
    상기 제2 단부는 상기 수광부와 상기 제1 거리보다 먼 제2 거리를 갖고, 및
    상기 렌즈 바디는 상기 제1 거리와 상기 제2 거리 사이의 제3 거리를 갖는 프로파일 측정 시스템.

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