KR20150116332A - 기하학적 두께와 굴절률 측정을 위한 반사형 광섬유 간섭 장치 - Google Patents

기하학적 두께와 굴절률 측정을 위한 반사형 광섬유 간섭 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 두께 측정 장치 및 두께 측정 방법을 제공한다. 이 두께 측정 광학 장치는 복수의 파장에서 발진하는 광대역 레이저 광원; 상기 광대역 레이저 광원의 출력광을 제1 포트로 제공받아 제2 포트로 제공하고 제2 포트로 제공받은 광을 제3 포트로 출력하는 광서큘레이터; 상기 광서큘레이터의 제2 포트로부터 출력되는 광의 일부를 투과시키고 나머지를 반사시키는 광분할기; 및 상기 광분할기로부터 제공된 광을 반사시키는 미러를 포함한다. 측정 대상은 상기 광분할기와 상기 미러 사이에 배치되고, 상기 측정 대상은 상기 광분할기를 투과한 광의 일부를 반사시키고 나머지를 투과시키어 상기 미러에 제공한다.

Description

기하학적 두께와 굴절률 측정을 위한 반사형 광섬유 간섭 장치 {Reflection-type Interference Apparatus using Optical Fibers for Measuring Geometrical Thickness and Refractive index}
본 발명은 측정 대상의 광학 두께를 측정하는 광학 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로, 광대역 펄스 레이저 광원을 이용함으로써, 연속 발진 레이저 광원을 이용하는 산출 시스템 보다 간단한 작업으로 정확도가 높은 광학 두께를 산출할 수 있는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 디스플레이 산업, 광통신, 정밀광학 소자 분야의 지속적인 발전에 따라 웨이퍼 등과 같은 측정 대상의 특성(광학 두께, 두께, 및 굴절률)의 정확한 측정 및 평가 기술이 요구되고 있다. 다양한 방법으로 물질의 두께 및 굴절률을 측정하는 시스템이 개발되었다.
최근, 반도체 기판은 실장을 위하여 기판의 뒷면을 연마한다. 이러한, 연마된 기판은 서로 적층되어 실장된다. 따라서, 연마된 기판의 두께 측정이 요구된다. 또한, 디스플레이 소자는 유리 기판 또는 유연성 재질의 기판 상에 형성된다. 따라서, 상기 유리 기판의 두께 모니터링이 요구된다.
연속 발진 레이저 투사에 따른 물질 두께 및 굴절률 산출 시스템은 첨두 광량(peak power)이 적다. 따라서, 연속 발진 레이저 투사에 따른 물질 두께 및 굴절률 산출시스템은 펄스 레이저를 사용하는 시스템에 비해 간섭신호의 가시도(visibility) 및 신호대 잡음비(signal to noise)가 떨어진다. 따라서, 연속 발진 레이저 투사에 따른 물질 두께 및 굴절률 산출시스템은 두께 및 굴절률의 측정이 불가능하거나 정확도가 낮아지는 문제점을 가진다.
또한 연속 광대역 IR 광원은 공간 가간섭성이 떨어져 측정 영역이 넓은 물체에 시준(colimation)하여 그의 특성을 산출하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 연속 광대역 IR 광원은 시간 가간섭성 또한 떨어져 가간섭거리가 작아지므로, 굴절률이 큰 실리콘 웨이퍼의 간섭 신호를 얻기 힘들 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 기계적 안정성과 컴팩트한 구조, 및 높은 신호대잡음비를 가진 두께 측정 광학 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치는 복수의 파장에서 발진하는 광대역 레이저 광원; 상기 광대역 레이저 광원의 출력광을 제1 포트로 제공받아 제2 포트로 제공하고 제2 포트로 제공받은 광을 제3 포트로 출력하는 광서큘레이터; 상기 광서큘레이터의 제2 포트로부터 출력되는 광의 일부를 투과시키고 나머지를 반사시키는 광분할기; 및 상기 광분할기로부터 제공된 광을 반사시키는 미러를 포함한다. 측정 대상은 상기 광분할기와 상기 미러 사이에 배치되고, 상기 측정 대상은 상기 광분할기를 투과한 광의 일부를 반사시키고 나머지를 투과시키어 상기 미러에 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광서큘레이터의 제2 포트와 상기 광분할기에 배치되어 상기 제2 포트에서 출력되는 광을 평행광으로 변환하여 상기 광분할기에 제공하는 평행광 렌즈를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광서큘레이터는 광섬유 서큘레이터일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광서큘레이터의 제3 포트에 연결된 스펙트럼 분석기를 더 포함할 수 있다. 상기 스펙트럼 분석기는 상기 광대역 레이저 광원의 파장에 따라 간섭 신호를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스펙트럼 분석기의 출력신호를 제공받아 푸리에변환하고, 상기 측정 대상에 기인한 광 경로 차이를 추출하는 처리부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광대역 레이저 광원은 펨토초 펄스 레이저일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 대상을 이동시키는 이동 스테이지를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광섬유 서큘레이터의 제2 포트로부터 광을 제공받아 시간에 따라 순차적으로 스위칭하는 광스위치;및 상기 광스위치의 복수의 출력단에서 출력되는 광을 각각 평행광으로 변환하여 상기 광분할기에 제공하는 복수의 평행광 렌즈를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광대역 레이저 광원의 파장은 적외선 대역일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 장치는 복수의 파장에서 발진하는 광대역 레이저 광원; 상기 광대역 레이저 광원의 출력광을 제1 포트로 제공받아 제2 포트로 제공하고 제2 포트로 제공받은 광을 제3 포트로 출력하는 광서큘레이터; 상기 광서큘레이터의 제2 포트로부터 출력되는 광의 일부를 투과시키고 나머지를 반사시키는 광분할기; 상기 광분할기로부터 제공된 광을 반사시키는 미러; 및 상기 광서큘레이터의 제2 포트로부터 출력되는 광을 파장에 따라 측정하는 스펙트럼 분석기를 포함한다. 측정 대상은 상기 광분할기와 상기 미러 사이에 배치되고, 상기 측정 대상은 상기 광분할기를 투과한 광의 일부를 반사시키고 나머지를 투과시키어 상기 미러에 제공한다. 상기 측정 대상의 광두께가 직접 관측된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 방법은 복수의 파장에서 동시에 발진하는 광대역 레이저 광을 광서큘레이터의 제1 포트를 통하여 제2 포트에 전달하는 단계; 광서큘레이터의 제2 포트를 통하여 제공된 광대역 레이저 광을 순차적으로 배열된 평행광 렌즈, 광분할기, 측정 대상, 및 미러에 제공하는 단계; 상기 광분할기, 측정 대상, 및 미러에서 반사된 광을 상기 평행광 렌즈, 광서큘레이터의 제3 포트에 연결된 스펙트럼 분석기를 통하여 측정하는 단계; 상기 스펙트럼 분석기를 통하여 측정된 간섭신호를 푸리에 변환하는 단계; 및 상기 푸리에 변환된 신호에서 상기 측정 대상의 광두께에 관한 정보를 직접 추출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 광섬유 광학계를 이용하여 컴팩트한 구조를 제공하고, 안정적이고 정밀한 광학 두께를 산출할 수 있다. 더 구체적으로, 상기 광학 두께는 두께와 굴절률로 분해될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 0.1 초 이내에 안정적이고 정밀한 광학 두께를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 두께 측정 범위는 0~300 mm 일 수 있다. 상기 두께의 측정 불확도(measurement uncertainty of the thickness)는 100 nm 이내일 수 있다. 또한, 접촉식 측정 방법(contact-type method)과 본 발명의 측정 방법은 0.1 μm 이내의 범위에서 서로 동일한 결과를 보였다.
도 1은 다파장 마이켈슨 간섭계를 설명하는 도면이다.
도 2는 다파장 마이켈슨 간섭계의 간섭 신호 및 푸리에 변환을 설명하는 도면이다.
도 3은 측정 대상을 측정하는 다파장 마이켈슨 간섭계를 설명하는 도면이다.
도 4는 도 3의 다파장 마이켈슨 간섭계의 푸리에 변환을 설명하는 도면이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치를 설명하는 개념도이다.
도 6은 도 5의 광학 장치의 간섭 신호를 푸리에 변환한 결과이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치를 설명하는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
본 발명자는 한국 등록특허(KR 10-1105449)에서 펨토초 펄스 레이저를 사용한 실리콘 웨어퍼의 두께 및 굴절률 동시 측정을 위한 간섭계를 제안하였다.
마이켈슨 간섭계는 빛의 간섭 원리를 이용하여 길이를 측정할 수 있다. 광원에서 나온 빛은 광분할기를 거쳐 기준 경로와 측정경로로 분할된다.
간섭 신호의 위상은 상기 광분할기를 기준으로 기준 경로와 측정 경로 사이의 광경로차의 함수로 주어진다. 상기 광경로차가 파장의 반이 될 때마다 상기 간섭 신호는 주기적으로 변동한다. 따라서, 위상의 모호성에 기인하여, 길이 측정을 할 경우, 상기 측정 경로를 변경하면서, 간섭 신호의 개수가 검출될 수 있다.
도 1은 다파장 마이켈슨 간섭계를 설명하는 도면이다.
도 2는 다파장 마이켈슨 간섭계의 간섭 신호 및 푸리에 변환을 설명하는 도면이다.
도 1 내지 도 2을 참조하며, 다파장 간섭계(100)는 광대역 광원(110) 및 마이켈슨 간섭계를 사용하고, 간섭신호는 스펙트럼 분석기(150)를 통하여 파장별로 측정될 수 있다. 상기 파장에 따른 상기 간섭 신호(I(z,t))는 푸리에 변환된다. 상기 간섭 신호의 푸리에 변환의 진폭은 공간 주파수 도메인에서 피크를 가질 수 있다. 상기 피크의 위치에 대응하는 공간 주파수에서, 상기 피크의 위상은 광경로 차이에 관한 정보를 제공할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, I(z,f)는 간섭 신호이고, I 0 는 배경광의 신호이고, z는 기준 경로와 측정 경로의 광 경로 차이고, c는 진공에서의 빛의 속도이고, f는 광의 주파수이다. 따라서, 광대역 광원의 주파수에 따른 간섭 신호가 얻어진다. L1은 광분할기(120)와 기준 거울(140) 사이의 거리이고, L2는 광분할기(120)와 측정 거울(130) 사이의 거리이다. z는 광 경로 차이이다. n은 매질의 굴절율이다.
한편, 상기 간섭 신호는 스펙트럼 분석기(150)에 의하여 위치(주파수에 대응)에 따라 측정된다. 상기 간섭 신호의 푸리에 변환은 소정의 공간 주파수에서 피크를 가질 수 있다. 상기 소정의 공간 주파수는 상기 광 경로 차이(z)로 표시될 수 있다. 따라서, 상기 피크에서 공간 주파수(SF_A)는 상기 광 경로 차이(z)를 제공할 수 있다.
도 3은 측정 대상을 측정하는 다파장 마이켈슨 간섭계를 설명하는 도면이다.
도 4는 도 3의 다파장 마이켈슨 간섭계의 푸리에 변환을 설명하는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 다파장 마이켈슨 간섭계(100a)는 측정 대상(10)의 굴절률 및 두께를 측정할 수 있다. 상기 광원(110)은 펨토초 펄스 레이저(femtosecond pulse laser)일 수 있다. 상기 펨토초 펄스 레이저는 다중 모드에서 발진할 수 있다. 또한, 상기 광원은 펄스 모드로 동작할 수 있다. 이에 따라, 상기 광원의 첨두 출력은 증가할 수 있다.
측정 대상(10)이 상기 측정 경로에 배치될 수 있다. 이 경우, 다양한 광 경로 차이(A,B,C,D)가 발생할 수 있다. 따라서, 간섭 신호의 푸리에 변환은 공간 주파수 도메인에서 복수의 피크들(P_A,P_B,P_C,P_D)을 보인다. 상기 피크들은 광 경로 차이에 기인할 수 있다. 구체적으로, 제1 피크(P_A)의 제1 공간 주파수(SF_A)는 기준 경로(광분할기와 기준 거울 사이의 경로;L1)와 측정 경로(광분할기(120)와 측정 거울(140) 사이의 경로;L2) 사이의 제1 광 경로 차이(A=L2-L1)에 기인한다. 즉, 측정 대상이 제거된 상태에서, 상기 간섭 신호의 측정이 요구된다.
제2 피크 내지 제4 피크(P_B, P_C, P_D)는 측정 대상이 배치된 상태에서 간섭 신호를 푸리에 변환을 통하여 얻어질 수 있다. 제2 피크(P_B)의 제2 공간 주파수(SF_B)는 광분할기(120)와 측정 대상(10)의 전면 사이의 경로(L3)와 상기 기준 경로(L1) 사이의 제2 광 경로 차이(B=L3-L1)에 기인한다.
제3 피크(P_C)의 제3 공간 주파수(SF_C)는 상기 광분할기(120)와 측정 대상(10)의 후면 사이의 경로(L3 + n T)와 상기 기준 경로(L1) 사이의 제3 광 경로 차이(C=L3+nT-L1)에 기인한다.
제4 피크(P_D)의 제4 공간 주파수(SF_D)는 측정 경로(광분할기와 측정 경로 거울 사이의 경로;L2)와 기준 경로(광분할기와 기준 거울 사이의 경로;L1) 사이의 광 경로 차이(L2-L1)와 상기 측정 대상의 두께에 기인한 순 경로 차이( (n-1)T)의 차이(D= L2-L1-(n-1)T)로 주어질 수 있다. 제4 광 경로 차이 D는 D= L2-L1-(n-1)T)로 주어질 수 있다.
상기 제1 내지 제4 공간 주파수(SF_A,SF_B,SF_C,SF_D)는 상기 제1 내지 제4 광경로차이(A,B,C,D)로 각각 변환될 수 있다.
이에 따라, 상기 측정 대상(10)의 두께(T)와 상기 측정 대상(10)의 굴절률(n)은 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00002
상기 측정 대상(10)의 두께(T)를 구하기 위하여, 수학식 2와 같은 연산이 필요하다. 위의 연산은 오차 또는 불확도를 증가시킨다. 또한, 마이켈슨 간섭계 구조는 기준 거울(130)과 측정 거울(140)의 정렬에 어려움을 가진다. 따라서, 또한, 상기 마이켈슨 간섭계는 진동에 취약하다. 상기 마이켈슨 간섭계 구조는 많은 공간을 점유한다. 따라서, 산업에 응용하기 위하여, 마이켈슨 간섭계 구조는 용이하지 않다. 따라서, 본 발명은 새로운 구조의 분광형 간섭계를 제안한다.
안정적인 동작 및 정렬의 어려움을 극복하기 위하여, 측정 거울은 제거되었다. 또한, 광섬유를 사용하여 기준 경로와 측정 경로는 서로 일부분 중첩되도록 설계되었다. 이에 따라, 측정 장치의 공간 활용도가 증가하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 측정 대상의 광경로차만에 기인한 푸리에 변환된 피크를 연산을 통하지 않고 직접 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 측정 대상의 광경로차 또는 광학 두께는 고속으로 연산될 수 있다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치를 설명하는 개념도이다.
도 6은 도 5의 광학 장치의 간섭 신호를 푸리에 변환한 결과이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 두께 측정 광학 장치(200)는 복수의 파장에서 동시에 발진하는 광대역 레이저 광원(210), 상기 광대역 레이저 광원(210)의 출력광을 제1 포트(220a)로 제공받아 제2 포트(220b)로 제공하고 제2 포트(220b)로 제공받은 광을 제3 포트(220c)로 출력하는 광서큘레이터(220), 상기 광서큘레이터(220)의 제2 포트(220b)로부터 출력되는 광의 일부를 투과시키고 나머지를 반사시키는 광분할기(244), 및 상기 광분할기(244)로부터 제공된 광을 반사시키는 미러(230)를 포함한다. 측정 대상(10)은 상기 광분할기(244)와 상기 미러(230) 사이에 배치되고, 상기 측정 대상(10)은 상기 광분할기(244)를 투과한 광의 일부를 반사시키고 나머지를 투과시키어 상기 미러(230)에 제공한다.
상기 광대역 레이저 광원(210)은 펨토초 레이저 또는 광대역 광원일 수 있다. 상기 광대역 레이저 광원(210)의 가간섭 거리는 상기 광분할기(244)와 상기 미러(230) 사이의 거리보다 클 수 있다. 이에 따라, 상기 광분할기(244)에서 반사된 광은 상기 미러에서 반사된 광과 상호 간섭할 수 있다. 상기 광대역 레이저 광원(210)의 파장은 가시 광선 대역 또는 적외선 대역일 수 있다. 상기 광대역 레이저 광원(210)의 이득 커브의 주파수 전반치폭(frequency FWHM)은 파장에 따라 적어도 2개의 사인파를 생성할 수 있다. 상기 광대역 레이저 광원(210)은 모드 록킹 수단(mode-locking means) 또는 스위칭 수단(swithcing means)에 의하여 펄스 발진할 수 있다. 또한, 상기 광대역 레이저 광원(210)은 광 공진기(optical resonator)를 이용하여 광주파수 빛(optical frequency comb)을 출력할 수 있다. 상기 광대역 레이저 광원(210)의 펄스 동작은 첨두 출력을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 광대역 레이저 광원은 복수의 주파수 모드(frequency mode)를 가진 광대역 광을 제공할 수 있다.
광 서큘레이터(220)는 상기 광대역 레이저 광원(210)의 출력광을 제1 포트(220a)로 제공받아 제2 포트(220b)로 출력하고, 제2 포트(220b)의 입력 신호를 제3 포트(220c)로 전달할 수 있다. 상기 광서큘레이터(220)는 광섬유 서큘레이터(optical fiber circulator)일 수 있다. 이에 따라, 제1 포트(220a)는 광섬유를 통하여 상기 광대역 레이저 광원(210)에 연결될 수 있다. 제2 포트(220b)는 광섬유를 통하여 평행광 렌즈(242) 또는 광분할기(244)에 연결될 수 있다. 상기 제3 포트(220c)는 광섬유를 통하여 스펙트럼 분석기(250)에 연결될 수 있다.
평행광 렌즈(242)는 볼록렌즈일 수 있다. 상기 평행광 렌즈(242)의 초점에 상기 제2 포트에 연결된 광섬유의 일단이 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 광섬유에서 출력된 광은 상기 평행광 렌즈(242)를 통하여 평행광으로 변형될 수 있다.
본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 평행광 렌즈(242)의 후단에서는 빔사이즈 변환부(미도시)가 배치될 수 있다. 상기 빔사이즈 변환부는 빔의 사이를 축소 또는 확대시킬 수 있다.
상기 평행광 렌즈(242)를 통하여 형성된 평행광은 광분할기(244)에 제공될 수 있다. 상기 광분할기(244)는 반-은코팅 미러(half-silvered mirror)일 수 있다. 상기 광분할기(244)는 투명한 평행판에 금속 코팅을 통하여 형성될 수 있다. 상기 광분할기(244)는 입력광의 일부를 투과시키고 나머지를 반사시킬 수 있다.
상기 광분할기(244)를 투과한 광은 미러(230)에서 반사될 수 있다. 상기 미러(230)는 평판 미러(flat mirror)일 수 있다.
상기 광섬유의 일단과 상기 평행광 렌즈, 및 상기 광분할기는 일체형으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 광학 정렬이 용이할 수 있다.
측정 대상(10)은 상기 광분할기(242)와 상기 미러(230) 사이 배치될 수 있다. 상기 측정 대상(10)은 실리콘 반도체 기판, 유리 기판, 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 상기 측정 대상(10)은 상기 광대역 레이저 광원(210)의 출력광이 투과할 수 있는 재질일 수 있다.
상기 스펙트럼 분석기(250)는 입력되는 광을 파장 별로 분해하여 동시에 복수의 파장에서 간섭 신호를 동시에 측정할 수 있다. 이에 따서, 하나의 측정 위치에서 측정 시간은 광의 주파수 스캔을 하지 않기 때문에 0.1 초 미만일 수 있다.
상기 측정 대상(10)이 상기 광분할기(242)와 상기 미러(230) 사이에서 제거된 경우, 상기 광분할기(244)에 입사한 광의 일부는 반사되어 기준 광을 제공할 수 있다. 또한, 상기 광분할기(244)를 투과한 광은 상기 미러(230)에서 반사되어 측정광을 제공할 수 있다. 상기 기준광과 상기 측정광는 상기 평행광 렌즈, 상기 광서큘레이터를 통하여 스펙트럼 분석기(250)에 제공될 수 있다. 상기 스펙트럼 분석기(250)는 상기 기준광과 상기 측정광에 의한 간섭 신호를 측정할 수 있다. 상기 간섭 신호는 2차원 광센서를 통하여 동시에 파장 또는 주파수에 따라 측정될 수 있다. 즉, 상기 2차원 광센서의 위치는 광원의 주파수(또는 파장)에 대응할 수 있다. 이에 따라, 상기 간섭 신호는 광센서의 위치(광원의 주파수)에 따른 광의 세기로 표시될 수 있다. 상기 간섭 신호는 디지털 신호로 변환되어 처리부(270)에 제공될 수 있다. 상기 처리부(270)는 디지털 간섭 신호를 공간 주파수 도메인에서 푸리에 변환할 수 있다. 이에 따라, 상기 푸리에 변환된 간섭 신호의 진폭은 특정한 공간 주파수에서 기준 피크(P_AA)를 보일 수 있다. 상기 기준 피크(P_AA)를 보이는 공간 주파수(SF_AA)는 상기 기준광과 상기 측정광 사이의 광 경로 차이(2L)에 의존할 수 있다. L은 광분할기와 상기 미러 사이의 거리이다.
상기 측정 대상(10)이 상기 광분할기(244)와 상기 미러(230) 사이에서 배치된 경우, 상기 광분할기(244)에 입사한 광의 일부는 반사되어 제1 반사광(W1)을 제공할 수 있다. 또한, 상기 광분할기(244)를 투과한 광은 상기 측정 대상(10)의 전면에 반사되어 제2 반사광(W2)을 제공할 수 있다. 또한, 제3 반사광(W3)은 상기 측정 대상의 후면에 반사되어 형성될 수 있다. 제4 반사광(W4)은 미러에서 반사되어 형성될 수 있다. 상기 제1 내지 제4 반사광(W1~W4)은 상기 평행광 렌즈(242) 및 상기 광서큘레이터(220)를 통하여 스펙트럼 분석기(250)에 제공될 수 있다. 상기 제1 내지 제4 반사광(W1~W4)은 간섭 신호를 형성할 수 있다. 상기 제1 반사광과 제4 반사광에 의한 간섭 신호는 공간 주파수 도메인에서 수정 기준 피크(P_BB)를 보일 수 있다. 상기 기준 피크(P_AA)의 위치(SF_AA)는 상기 수정 기준 피크(P_BB)의 위치(SF_BB)와 다를 수 있다. 상기 수정 기준 피크의 위치(P_BB)는 상기 측정 대상에 의한 (n-1)T의 경로차이에 의한 변경될 수 있다. n은 측정대상의 굴절률이다. T는 측정 대상의 두께이다. 상기 측정 대상(10)이 존재하는 경우, 상기 간섭 신호는 푸리에 변환되어 공간 주파수 영역에서 복수의 피크들를 보일 수 있다. 상기 피크들의 위치는 간섭계의 구조 및 측정 대상에 의존할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 공간 주파수 영역에서 상기 측정 대상의 전면에서 반사된 광과 상기 측정 대상의 후면에서 반사된 광의 간섭에 의한 상기 측정 대상 피크(P_WF)가 직접 관측될 수 있다.
위에 설명한 마이켈슨 간섭계 구조인 경우, 간섭 신호의 푸리에 변환은 공간 주파수 영역에서 복수의 피크를 보인다. 그러나, 상기 측정 대상의 전면에서 반사된 광과 상기 측정 대상의 후면에서 반사된 광의 간섭에 의한 피크는 직접적으로 관측되지 않았다.
그러나, 광서큘레이터 구조인 경우, 간섭 신호의 푸리에 변환은 상기 측정 대상(10)의 전면에서 반사된 광과 상기 측정 대상(10)의 후면에서 반사된 광의 간섭에 의한 측정 대상 피크(P_WF)를 보인다. 또한, 상기 측정 대상 피크(P_WF)에서의 측정 대상 공간 주파수는 SF_WF이다. 상기 측정 대상 공간 주파수(SF_WF)는 상기 측정 대상의 전면과 후면의 반사에 기인한 간섭 신호의 결과이다. 상기 측정 대상 공간 주파수(SF_WF)는 측정 대상의 전면과 후면 사이의 광 경로 차이(2nT)에 의존할 수 있다. 이에 따라, 상기 측정 대상(10)의 광 경로 차이는 용이하게 측정될 수 있다. 또한, 다른 피크들의 공간 주파수들을 이용하면, 상기 측정 대상의 굴절률과 두께가 산출될 수 있다.
또한, 상기 측정 대상 피크(P_WF)는 수정 기준 피크(P_BB) 동등한 수준의 세기를 가질 수 있다. 따라서, 높은 신호대노이즈비가 얻어질 수 있다. 또한, 광학 두께만을 관측하는 경우, 측정 대상을 제거한 상태에서 측정된 기준 공간 주파수(SF_AA)가 요구되지 않는다. 따라서, 측정 시간이 감소할 수 있다.
만약, 상기 측정 대상(10)의 굴절률과 두께가 예측값을 알고 있는 경우, 상기 공간 주파수 영역에서 상기 측정 대상 피크의 위치 및 다른 피크들의 위치가 예측될 수 있다. 따라서, 상기 측정 대상 피크의 위치와 다른 피크가 서로 동일한 위치에서 중첩되는 경우, 상기 광분할기(244)의 위치 또는 두께 또는 미러의 위치를 변경하면, 피크들은 서로 분리될 수 있다.
측정 대상 이동부(260)는 상기 측정 대상(10)의 위치를 변경할 수 있다. 이에 따라, 상기 측정 대상의 측정 위치는 스캔될 수 있다. 상기 측정 대상 이동부(260)는 2축 이동 스테이지일 수 있다. 상기 측정 대상 이동부(260)는 상기 처리부(270)에 의하여 제어될 수 있다.
상기 처리부(270)는 컴퓨터일 수 있다. 상기 처리부는 스펙트럼 분석기의 측정 신호를 제공받아 푸리에 변환하고, 푸리에 변환된 신호를 처리하여 상기 측정 대상의 광 두께, 두께, 또는 굴절률을 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 두께 측정 범위는 0~300 mm 일 수 있다. 상기 두께의 측정 불확도(measurement uncertainty of the thickness)는 100 nm 이내일 수 있다. 또한, 접촉식 측정 방법(contact-type method)과 본 발명의 측정 방법은 0.1 μm 이내의 범위에서 서로 동일한 결과를 보였다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 두께 측정 광학 장치를 설명하는 개념도이다. 도 5에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략된다.
도 7을 참조하면, 광서큘레이터(200)의 제2 포트(220b)와 평행광 렌즈(242) 사이에 광 스위치(280)가 배치될 수 있다. 상기 광스위치(280)는 입력 포트(280a)로 입력받은 광 신호를 시간 분할하여 순차적으로 복수의 출력 포트(280b)에 제공할 수 있다. 상기 광스위치의 출력단 각각에는 평행광 렌즈(242)가 배치될 수 있다. 이에 따라, 광학 장치(200a)는 기계적인 스캔 동작없이, 복수의 위치에서 시간 분할하여 광학 두께, 두께, 또는 굴절률을 측정할 수 있다. 상기 평행광 렌즈(242)는 마이크로 렌즈 어레이 구조를 가질 수 있다. 각 렌즈는 광섬유를 통하여 상기 광 스위치의 출력단에 연결될 수 있다. 상기 광 스위치(280)는 입력 포트와 출력 포트로 광섬유를 사용할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
210: 광대역 레이저 광원
220: 광서큘레이터
230: 미러
242: 평행광 렌즈
244: 광분할기
250: 스펙트럼 분석기
270: 처리부

Claims (8)

  1. 복수의 파장에서 발진하는 광대역 레이저 광원;
    상기 광대역 레이저 광원의 출력광을 제1 포트로 제공받아 제2 포트로 제공하고 제2 포트로 제공받은 광을 제3 포트로 출력하는 광서큘레이터;
    상기 광서큘레이터의 제2 포트로부터 출력되는 광의 일부를 투과시키고 나머지를 반사시키는 광분할기; 및
    상기 광분할기로부터 제공된 광을 반사시키는 미러를 포함하고,
    측정 대상은 상기 광분할기와 상기 미러 사이에 배치되고,
    상기 측정 대상은 상기 광분할기를 투과한 광의 일부를 반사시키고 나머지를 투과시키어 상기 미러에 제공하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 광학 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광서큘레이터의 제2 포트와 상기 광분할기에 배치되어 상기 제2 포트에서 출력되는 광을 평행광으로 변환하여 상기 광분할기에 제공하는 평행광 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 광학 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광서큘레이터는 광섬유 서큘레이터인 것을 특징으로 하는 두께 측정 광학 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 광서큘레이터의 제3 포트에 연결된 스펙트럼 분석기를 더 포함하고,
    상기 스펙트럼 분석기는 상기 광대역 레이저 광원의 파장에 따라 간섭 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 광학 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 스펙트럼 분석기의 출력신호를 제공받아 푸리에변환하고, 상기 측정 대상에 기인한 광 경로 차이를 추출하는 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 광학 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 광섬유 서큘레이터의 제2 포트로부터 광을 제공받아 시간에 따라 순차적으로 스위칭하는 광스위치;및
    상기 광스위치의 복수의 출력단에서 출력되는 광을 각각 평행광으로 변환하여 상기 광분할기에 제공하는 복수의 평행광 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 광학 장치.
  7. 복수의 파장에서 발진하는 광대역 레이저 광원;
    상기 광대역 레이저 광원의 출력광을 제1 포트로 제공받아 제2 포트로 제공하고 제2 포트로 제공받은 광을 제3 포트로 출력하는 광서큘레이터;
    상기 광서큘레이터의 제2 포트로부터 출력되는 광의 일부를 투과시키고 나머지를 반사시키는 광분할기;
    상기 광분할기로부터 제공된 광을 반사시키는 미러; 및
    상기 광서큘레이터의 제2 포트로부터 출력되는 광을 파장에 따라 측정하는 스펙트럼 분석기를 포함하고,
    측정 대상은 상기 광분할기와 상기 미러 사이에 배치되고,
    상기 측정 대상은 상기 광분할기를 투과한 광의 일부를 반사시키고 나머지를 투과시키어 상기 미러에 제공하고,
    상기 측정 대상의 광두께가 직접 관측되는 것을 특징으로 하는 두께 측정 광학 장치.
  8. 복수의 파장에서 동시에 발진하는 광대역 레이저 광을 광서큘레이터의 제1 포트를 통하여 제2 포트에 전달하는 단계;
    광서큘레이터의 제2 포트를 통하여 제공된 광대역 레이저 광을 순차적으로 배열된 평행광 렌즈, 광분할기, 측정 대상, 및 미러에 제공하는 단계;
    상기 광분할기, 측정 대상, 및 미러에서 각각 반사된 광을 상기 평행광 렌즈, 광서큘레이터의 제3 포트에 연결된 스펙트럼 분석기를 통하여 측정하는 단계;
    상기 스펙트럼 분석기를 통하여 측정된 간섭신호를 푸리에 변환하는 단계;및
    상기 푸리에 변환된 신호에서 상기 측정 대상의 광두께에 관한 정보를 직접 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께 측정 방법.
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