KR20180012963A - 초점위치 오차 검출 장치 및 방법 - Google Patents

초점위치 오차 검출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초점위치 오차 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 광을 집광하여 측정 또는 공정을 수행하는 광학 시스템에 있어, 초점의 위치를 측정하거나, 시편의 표면에 정확히 맺히도록 하기 위한 초점위치 오차 검출 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히. 본 발명에서는 두 가지 광학계를 통합하여 각각의 검출소자에 도달하도록 하는 빛의 세기를 제2빔스플리터를 통하여 조절하도록 함으로써, 좁은 선형구간과 넓은 유효구간을 동시에 얻을 수 있도록 한다.

Description

초점위치 오차 검출 장치 및 방법{Focusing error detecting apparatus and method thereof}
본 발명은 초점위치 오차 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 광을 집광하여 측정 또는 공정을 수행하는 광학 시스템에 있어, 초점의 위치를 측정하거나, 시편의 표면에 정확히 맺히도록 하기 위한 초점위치 오차 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
광을 집광하여 집광 또는 공정을 수행하는 광학 시스템에서는 초점의 위치가 실험 대상의 표면에 정확히 맺히도록 하는 것이 매우 중요하다. 이는 공정 및 초점 정밀성과 직결되는 사안이며, 이를 보정 및 측정하기 위한 포커싱 오차 검출용 광학계가 도 1에 도시되었다.
도 1의 포커싱 오차 검출용 광학계에서는 광원으로부터 나온 빛이 빔스플리터(beam splitter)와 대물렌즈(objective lens)를 거치며 실험 대상(object)인 시편에 집광(focusing)이 되어 초점이 맺히게 된다.
이때, 광원은 실험을 수행하기 위한 광원일 수 있으나, 실험 수행 과정에서 점멸이 이루어지는 경우, 별도의 광원을 이용할 수도 있으므로 측정에 사용되는 광원만을 의미하는 것으로 한다.
이후, 시편으로부터 반사된 빛은 다시 대물렌즈, 빔스플리터를 거치는 과정에서 광원의 방향과는 다른 방향으로 투과하며, 콜리메이션 렌즈(collimation lens) 및 실린더 렌즈(cylinder lens) 등을 통하여 검출소자(detector)에 도달하게 된다.
도 2 내지 도 4에 도시된 것처럼, 상기 포커싱 오차 검출용 광학계에서는 시편의 z축 방향으로의 움직임에 따라 검출소자로부터 신호의 변화가 발생하게 되고, 이를 이용하여 시편의 z축 방향 움직임을 예측할 수 있게 된다.
상기 검출소자는 4개의 영역으로 분리되어 있으며, 초점오차(FE) 신호는 4개의 분리된 소자로부터 광량에 비례하여 발생되는 신호들의 연산, 즉, FE=A+C-(B+D)의 관계식으로부터 얻어지게 된다.
예를 들어, x-z 평면과 y-z 평면으로 상이하게 집광되며 시편에 초점이 정확히 맺힌 경우에는 도2와 같이 원형의 빔 형상을 이루며 오차신호가 0이 되고, 이러한 상황에서 시편이 z축 방향으로 이동하게 되면, 도3 또는 도4와 같이 x-z 평면 및 y-z 평면에 대해 검출소자에 집광되는 빔의 형상이 변화하게 되어, 초점오차는 각각 0이 아닌 값으로 결정된다. 이때, z축방향으로의 위치 변화(Δz)에 대한 그래프는 도5에 도시되었다.
이러한 방식으로 얻을 수 있는 초점오차의 경우 도5 및 도 6에서와 같이 s자형 커브를 그리게 되는데, 위치변화(Δz)와 초점오차신호(FE)가 비례적으로 변화하는 선형구간(linear range)이 존재하며 일반적으로 이 구간 내에서 FE=0이 되는 방향으로 측정 및 제어를 수행하게 된다.
선형구간을 벗어나게 되면, 유효구간(effective range) 까지는 초점 오차 값이 위치변화(Δz)와 비례하지는 않으나, 비선형 제어 방식 등을 통해 위치 제어는 가능하다.
그러나 초점오차의 신호가 유효구간을 벗어나게 되면, 초점오차 신호가 0이 되어 측정값에 의미가 없으며, 위치변화의 방향과 크기 모두 알 수가 없게 되어 정확한 제어가 이루어질 수 없다.
즉, 제어의 용이성을 위해서는 유효구간은 가능한 넓어야 하며, 이와 동시에 매우 민감한 초점오차신호를 발생시켜 매우 정교하고 정밀한 초점위치 제어를 수행하고자 하는 경우에는 선형구간이 좁으며 그 기울기가 커야 한다.
그러나 종래의 광학계에서는 광학계 구성의 특성상, 유효구간과 선형구간을 독립적으로 조절할 수 없어, 넓은 측정범위를 통해 제어가 용이하면서도, 정밀도를 높이는 것이 불가능했다.
국내등록특허 제1533690호(등록일 2015.06.29, 명칭: 모듈형 광학 장치) 국내등록특허 제1043123호(등록일 2011.06.14, 명칭: 광학 장치)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 집광된 빔을 이용하여 다양한 실험을 수행하도록 하는 광학 장치에서, 초점위치 오차 검출 시, 높은 민감도와, 넓은 측정 범위를 가질 수 있도록 하기 위한 초점위치 오차 검출 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 초점위치 오차 검출 장치는 광을 조사하는 광원; 상기 광원으로부터 조사된 빛이 반사되는 제1빔스플리터; 상기 제1빔스플리터에서 반사되어 입사된 평행 빔이 시편 상에 집광되도록 하는 대물렌즈; 상기 시편에서 반사되어 대물렌즈 및 제1빔스플리터를 거친 빛이 기설정된 투과율 및 반사율에 따라 분할되는 제2빔스플리터; 상기 제2빔스플리터를 통과한 빛의 광 경로상 배치되어 비점 수차를 발생시키는 제1비점수차 발생부; 상기 제2빔스플리터에서 반사된 빛의 광 경로상 배치되어 비점 수차를 발생시키는 제2비점수차 발생부; 상기 제1비점수차 발생부를 통과한 빛을 검출하는 제1검출기; 및 상기 제2비점수차 발생부를 통과한 빛을 검출하는 제2검출기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 초점위치 오차 검출 장치는 상기 제2빔스플리터와 제2비점수차 발생부 사이에 반사미러가 더 구비되며, 상기 제2빔스플리터 및 상기 반사미러에서 반사된 빛의 광 경로상 상기 제2비점수차 발생부가 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 초점위치 오차 검출 장치는 상기 제1검출기 및 제2검출기를 구성하는 수광소자가 동일 기판 상에 장착될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 초점위치 오차 검출장치는 상기 반사미러의 각도 조절을 통해 상기 제2검출기에 빛이 수광되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 초점위치 오차 검출 장치는 상기 제1비점수차 발생부가 제1콜리메이션 렌즈 및 제1실린더 렌즈로 이루어지며, 상기 제2비점수차 발생부가 제2콜리메이션 렌즈 및 제2실린더 렌즈로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 제1비점수차 발생부 및 제2비점수차 발생부는 서로 다른 설계 값을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 설계 값은 제1콜리메이션 렌즈, 제1실린더 렌즈, 제2콜리메이션 렌즈, 제2실린더 렌즈 각각의 초점거리와, 제1콜리메이션 렌즈, 제1실린더 렌즈 및 제1검출기 간의 거리와, 제2콜리메이션 렌즈, 제2실린더 렌즈 및 제2검출기 간의 거리일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 제2빔스플리터는 투과율 k값과, 반사율 1-k 값을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 초점위치 오차 검출 장치는 상기 제1검출기 및 제2검출기에서 얻어진 초점 위치 오차 값의 연산으로 최종 초점위치 오차 값을 계산하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 장치.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 초점위치 오차 검출 장치는 상기 제1비점수차 발생부 및 제2비점수차 발생부의 설계 값과, 상기 제2빔스플리터의 투과율 및 반사율을 설정하는 k값의 변화에 따라, 상기 제어부에서 계산되는 초점위치 오차의 선형범위 및 유효범위가 조절될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초점위치 오차 검출장치에서, 초점위치 오차 신호를 검출하는 방법에 있어서, 광원에서 조사된 빛이 시편에서 반사된 다음, 대물렌즈 및 제1빔스플리터를 거쳐 제2빔스플리터에 도달하는 제1단계; 상기 제2빔스플리터에서 기설정된 광량의 비율에 따라 투과된 빛은 제1비점수차 발생부를 통과하고, 반사된 빛은 제2비점수차 발생부를 통과하는 제2단계; 상기 제1비점수차 발생부 및 제2비점수차 발생부를 통과한 빛이 제1검출기 및 제2검출기에 수광되어 각각의 초점위치 오차 값이 계산되는 제3단계; 및 제어부에서 상기 제1검출기 및 제2검출기에서 얻어진 초점위치 오차 값의 연산을 통해 최종의 초점위치 오차 값을 계산하는 제4단계; 를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 제2단계에서는 상기 빔스플리터의 투과율이 k, 반사율 1-k일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 제3단계에서는 상기 제1검출기에서 계산된 초점위치 오차 값(FE1)이 아래의 수학식 1로 계산되며, 상기 제2검출기에서 계산된 초점위치 오차 값(FE2)이 아래의 수학식 2로 계산되는 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 방법.
수학식 1. FE1 = k * {A1+C1-(B1+D1)} (A1, B1, C1, D1: 제1검출기의 각 영역에 수광된 빛의 양)
수학식 2. FE2 = (1-k) * {A2+C2-(B2+D2)} (A2, B2, C2, D2: 제2검출기의 각 영역에 수광된 빛의 양)
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 제4단계에서는 상기 제어부에서 계산된 최종 초점위치 오차 값(FE)이 아래의 수학식 3으로 계산되는 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 방법.
수학식 3. FE = FE1 + FE2
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 초점위치 오차 신호 획득 방법은 상기 제1비점수차 발생부 및 제2비점수차 발생부의 설계 값과, 상기 제2빔스플리터의 투과율 및 반사율을 설정하는 k값을 조절하여, 초점위치 오차의 선형범위 및 유효범위를 조절하는 제5단계; 를 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 초점위치 검출 장치 및 방법은 높은 민감도와 넓은 측정범위를 가질 수 있도록 구성됨으로써, 정밀하고 편리한 초점위치 제어가 가능하다는 장점이 있다.
더욱 상세하게, 기존의 비점수차를 이용한 초점위치 검출 장치에서는 광학계 구성의 특성 상, 콜리메이션 렌즈와 실린더 렌즈의 형상 또는 위치에 따라 초점오차 신호가 그리는 s자형 커브의 선형구간과 유효구간의 제어에 있어서, s자형 커브가 전체적으로 좁아지거나 넓어지는 등의 변화만 발생되어, 민감도를 높이고 선형구간을 좁히려 하면 유효구간 역시 좁게 되고, 반대로 유효구간을 넓게 하려면 선형 구간도 넓어지며 동시에 민감도 역시 낮아지는 문제가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 두 가지 광학계를 통합하여 각각의 검출소자에 도달하도록 하는 빛의 세기를 제2빔스플리터를 통하여 조절하도록 함으로써, 좁은 선형구간과 넓은 유효구간을 동시에 얻을 수 있다는 장점이 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 초점위치 검출 장치 및 방법은 광학 빔을 이용한 측정 및 공정 등 다양한 분야에서의 초점위치 측정에 있어 보다 효율적인 측정이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 포커싱 오차 검출용 광학계 구성에 대한 개념도.
도2 내지 도4는 종래의 포커싱 오차 검출 방법에 대한 개념도.
도5 및 도6은 종래의 포커싱 오차 검출에 의한 포커싱 오차 신호 변화 그래프.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 초점오차 검출 장치의 개념도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초점오차 검출 장치의 개념도.
도 9는 본 발명에서 제2빔스플리터의 투과율 및 반사율의 정의를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에서 제2빔스플리터의 투과율(k)에 따른 초점오차 신호의 변화에 대한 그래프.
도 11은 본 발명에서 제2빔스플리터의 투과율(k)이 0.5인 경우, 초점오차 신호의 변화에 대한 그래프.
도 12는 본 발명에서 제1비점수차 발생부의 설계 값에 대한 실시예를 나타낸 도면.
도 13은 도 12의 실시예에 따른 제1검출기에서의 초점오차 신호의 변화에 대한 그래프.
도 14는 본 발명에서 제2비점수차 발생부의 설계 값에 대한 실시예를 나타낸 도면.
도 15는 도 14의 실시예에 따른 제2검출기에서의 초점오차 신호의 변화에 대한 그래프.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 초점위치 오차 검출 장치 및 방법을 도면을 참조로 하여 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 초점오차 검출 장치의 개념도이고, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초점오차 검출 장치의 개념도이며, 도 9는 본 발명에서 제2빔스플리터의 투과율 및 반사율의 정의를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명에서 제2빔스플리터의 투과율(k)에 따른 초점오차 신호의 변화에 대한 그래프이며, 도 11은 본 발명에서 제2빔스플리터의 투과율(k)이 0.5인 경우, 초점오차 신호의 변화에 대한 그래프이고, 도 12는 본 발명에서 제1비점수차 발생부의 설계 값에 대한 실시예를 나타낸 도면이며, 도 13은 도 12의 실시예에 따른 제1검출기에서의 초점오차 신호의 변화에 대한 그래프이고, 도 14는 본 발명에서 제2비점수차 발생부의 설계 값에 대한 실시예를 나타낸 도면이며, 도 15는 도 14의 실시예에 따른 제2검출기에서의 초점오차 신호의 변화에 대한 그래프이다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 초점위치 오차 검출 장치(1)는 크게 광원(100), 제1빔스플리터(210), 대물렌즈(300), 제2빔스플리터(220), 제1비점수차 발생부(310), 제2비점수차 발생부(320), 제1검출기(410) 및 제2검출기(420)를 포함한다.
본 발명은 비점수차를 이용한 초점위치 검출 장치에 있어서, 두 가지 광학계를 통합하여, 각각의 검출소자에 도달하도록 하는 빛의 세기를 제2빔스플리터(220)를 통하여 조절하도록 함으로써, 좁은 선형구간과 넓은 유효구간을 동시에 얻을 수 있도록 하는 것을 가장 큰 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 비점수차를 발생시키는 제1비점수차 발생부(310) 및 제2비점수차 발생부(320)로 반사 또는 투과되는 빛의 반사율과 투과율을 제2빔스플리터(220)를 통해 조절하게 된다. 또한, 본 발명은 제1비점수차 발생부(310)를 통과하여 제1검출기(410)에서 계산된 초점위치 오차 값과, 제2비점수차 발생부(320)를 통과하여 제2검출기(420)에서 계산된 초점위치 오차 값을 통해 최종 초점위치 오차 값을 계산하게 된다.
이하에서는, 상술한 바와 같이, 비점수차를 이용한 초점위치 검출 장치에서, 두 가지 광학계를 통합하여 구성한 실시예에 대해 설명하기로 한다.
실시예 1.
실시예 1은 도 7에 도시된 초점위치 오차 검출 장치(1)에 관한 것으로, 광원(100), 제1빔스플리터(210), 대물렌즈(300), 제2빔스플리터(220), 제1비점수차 발생부(310), 제2비점수차 발생부(320), 제1검출기(410) 및 제2검출기(420)를 포함한다.
상기 광원(100)은 광을 조사하는 것으로, LED, 레이저 등 다양한 종류의 광원(100)이 사용될 수 있다.
상기 제1빔스플리터(210)는 상기 광원(100)으로부터 조사된 빛이 반사되어 광경로가 90도 변화되도록 한다.
상기 대물렌즈(300)는 상기 제1빔스플리터(210)에서 반사되어 입사된 평행 빔이 시편(S) 상에 집광되도록 하며, 시편(S)에서 반사된 빔을 평행 빔으로 바꿔주는 역할을 하게 된다.
상기 제2빔스플리터(220)는 상기 시편(S)에서 반사되어 대물렌즈(300) 및 제1빔스플리터(210)를 거친 빛이 기설정된 투과율 및 반사율에 따라 분할되도록 하는 것으로, 도 9에 도시된 것처럼, 투과율을 k라고 설정하면, 반사되는 빛의 비율은 1-k값이 된다.
상기 제1비점수차 발생부(310)는 상기 제2빔스플리터(220)를 통과한 빛의 광 경로상 배치되어 비점 수차를 발생시키게 되며, 상기 제2비점수차 발생부(320)는 상기 제2빔스플리터(220)에서 반사된 빛의 광 경로상 배치되어 비점 수차를 발생시키게 된다.
이때, 상기 제1비점수차 발생부(310)는 제1콜리메이션 렌즈(311)와 제1실린더 렌즈(312)로 이루어지고, 제2비점수차 발생부(320)는 제2콜리메이션 렌즈(321)와 제2실린더 렌즈(322)로 이루어질 수 있다.
여기서 제1실린더 렌즈(312) 및 제2실린더 렌즈(322)는 초점 오차를 검출하기 위해 비점수차가 발생되도록 하는 역할을 한다.
상기 제1실린더 렌즈(312) 및 제2실린더 렌즈(322)는 구면렌즈 대신 가로, 세로 방향의 곡률이 다른 토릭(toric) 렌즈가 이용될 수도 있다.
상기 제1콜리메이션 렌즈(311) 및 제2콜리메이션 렌즈(321)는 상기 제2빔스플리터(220)를 투과하거나 반사된 빛을 집광해주는 역할을 하며, 도 12 및 도 14와 같이 구면렌즈가 이용될 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 초점위치 오차 검출 장치(1)는 상기 제1비점수차 발생부(310) 및 제2비점수차 발생부(320)가 서로 다른 설계 값을 갖도록 구성된다.
이때, 상기 설계 값은 제1콜리메이션 렌즈(311), 제1실린더 렌즈(312), 제2콜리메이션 렌즈(321), 제2실린더 렌즈(322) 각각의 초점거리와, 제1콜리메이션 렌즈(311), 제1실린더 렌즈(312) 및 제1검출기(410) 간의 거리와, 제2콜리메이션 렌즈(321), 제2실린더 렌즈(322) 및 제2검출기(420) 간의 거리를 의미하며, 도 12 및 도 14와 같이 구성될 수 있다.
다음으로, 상기 제1검출기(410)는 상기 제1비점수차 발생부(310)를 통과한 빛을 검출하며, 제2검출기(420)는 제2비점수차 발생부(320)를 통과한 빛을 검출하게 된다.
도 7에 도시된 것처럼, 상기 제1검출기(410) 및 제2검출기(420)는 수광 면이 4개의 수광부로 분할된 사분할 수광소자일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초점오차 검출 장치(1)는 상기 제1검출기(410) 및 제2검출기(420)에서 얻어진 초점 위치 오차 값의 연산으로 최종 초점위치 오차 값을 계산하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 초점오차 검출 장치(1)는 상기 제1검출기(410) 및 제2검출기(420)에 도달하도록 하는 빛의 세기를 상기 제2빔스플리터(220)를 통하여 조절하도록 구성된다.
상기 제1검출기(410) 및 제2검출기(420)로부터 얻어지는 초점위치 오차 값은 FE1 = k * {A1+C1-(B1+D1)}, FE2 = (1-k) * {A2+C2-(B2+D2)}가 되며, 상기 제어부에서 최종의 초점오차는 FE = FE1 + FE2로 얻어진다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초점오차 검출 장치(1)는 제2빔스플리터(220)의 투과율 및 반사율을 적절히 조절함으로써, 초점오차(FE)의 변화에 따른 선형범위와 유효범위가 독립적으로 조절되도록 할 수 있다.
예를 들어 도 11에 도시된 바와 같이, k=0.5인 경우, 본 발명의 실시예에 따른 초점오차 검출 장치(1)는 좁은 선형구간과, 넓은 유효구간을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 초점오차 검출 장치(1)는 제1비점수차 발생부(310) 및 제2비점수차 발생부(320)의 설계 값에 따라, 도 13과 같이 제1검출기(410)에서 선형구간 약 8um, 제2검출기(420)에서 선형구간 약 54um이 발생되도록 할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 초점오차 검출 장치(1)는 상기 제1비점수차 발생부(310) 및 제2비점수차 발생부(320)의 설계 값과, 상기 제2빔스플리터(220)의 투과율 및 반사율을 설정하는 k값의 변화에 따라, 상기 제어부에서 계산되는 초점위치 오차의 선형범위 및 유효범위가 독립적으로 조절될 수 있다.
실시예 2.
실시예 2는 도 8에 도시된 초점위치 오차 검출 장치(1)에 관한 것으로, 광원(100), 제1빔스플리터(210), 대물렌즈(300), 제2빔스플리터(220), 제1비점수차 발생부(310), 제2비점수차 발생부(320), 제1검출기(410) 및 제2검출기(420)와, 반사미러(230)를 더 포함한다.
이는 실시예 1과 동일하나, 제1검출기(410) 및 제2검출기(420)가 동일 평면상에 형성된다는 점에서 가장 큰 특징을 갖는다.
구성에 대해 살펴보면, 상기 제1빔스플리터(210)는 상기 광원(100)으로부터 조사된 빛이 반사되어 광경로가 90도 변화되도록 한다.
상기 대물렌즈(300)는 상기 제1빔스플리터(210)에서 반사되어 입사된 평행 빔이 시편(S) 상에 집광되도록 하며, 시편(S)에서 반사된 빔을 평행 빔으로 바꿔주는 역할을 하게 된다.
상기 제2빔스플리터(220)는 상기 시편(S)에서 반사되어 대물렌즈(300) 및 제1빔스플리터(210)를 거친 빛이 기설정된 투과율 및 반사율에 따라 분할되도록 하는 것으로, 도 9에 도시된 것처럼, 투과율을 k라고 설정하면, 반사되는 빛의 비율은 1-k값이 된다.
상기 제1비점수차 발생부(310)는 상기 제2빔스플리터(220)를 통과한 빛의 광 경로상 배치되어 비점 수차를 발생시키게 되며, 상기 제2비점수차 발생부(320)는 상기 제2빔스플리터(220)에서 반사된 빛의 광 경로상 배치되어 비점 수차를 발생시키게 된다.
이때, 상기 제1비점수차 발생부(310)는 제1콜리메이션 렌즈(311)와 제1실린더 렌즈(312)로 이루어지고, 제2비점수차 발생부(320)는 제2콜리메이션 렌즈(321)와 제2실린더 렌즈(322)로 이루어질 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 초점위치 오차 검출 장치(1)는 상기 제1비점수차 발생부(310) 및 제2비점수차 발생부(320)가 서로 다른 설계 값을 갖도록 구성된다.
상기 설계 값은 제1콜리메이션 렌즈(311), 제1실린더 렌즈(312), 제2콜리메이션 렌즈(321), 제2실린더 렌즈(322) 각각의 초점거리와, 제1콜리메이션 렌즈(311), 제1실린더 렌즈(312) 및 제1검출기(410) 간의 거리와, 제2콜리메이션 렌즈(321), 제2실린더 렌즈(322) 및 제2검출기(420) 간의 거리를 의미하며, 도 12 및 도 14와 같이 구성될 수 있다.
상기 반사미러(230)는 상기 제2빔스플리터(220)와 제2비점수차 발생부(320) 사이에 더 구비되는 것으로, 상기 제1빔스플리터(210)를 투과하여 상기 제2빔스플리터(220)에서 1-k의 반사율로 90도 반사된 빛이 다시 90도 반사되도록 한다.
상기 반사미러(230)에서 반사된 빛의 광경로 상에는 상기 제2비점수차 발생부(320)와 제2검출기(420)가 배치된다.
상기 제1검출기(410)는 상기 제1비점수차 발생부(310)를 통과한 빛을 검출하며, 제2검출기(420)는 제2비점수차 발생부(320)를 통과한 빛을 검출하게 된다.
도 7에 도시된 것처럼, 상기 제1검출기(410) 및 제2검출기(420)는 수광 면이 4개의 수광부로 분할된 사분할 수광소자일 수 있다.
이때, 상기 제1검출기(410) 및 제2검출기(420)는 상기 반사미러(230)에 의해 동일평면상에 배치될 수 있으며, 필요에 따라 제1검출기(410)를 이루는 수광소자와 제2검출기(420)를 이루는 수광소자는 동일 기판 상 적절한 간격으로 일체 형성될 수 있다.
상기 제1검출기(410) 및 제2검출기(420)로부터 얻어지는 초점위치 오차 값과, 최종 오차 값에 대한 설명은 실시예 1과 동일하므로 생략하기로 한다.
실시예 3.
실시예 3은 실시예 1 및 실시예 2에 따른 초점위치 오차 검출 장치(1)를 이용하여 초점위치 오차 신호를 획득하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 초점위치 오차 검출 방법은 광원(100)에서 조사된 빛이 시편(S)에서 반사된 다음, 대물렌즈(300) 및 제1빔스플리터(210)를 거쳐 제2빔스플리터(220)에 도달하는 제1단계; 상기 제2빔스플리터(220)에서 기설정된 광량의 비율에 따라 투과된 빛은 제1비점수차 발생부(310)를 통과하고, 반사된 빛은 제2비점수차 발생부(320)를 통과하는 제2단계; 상기 제1비점수차 발생부(310) 및 제2비점수차 발생부(320)를 통과한 빛이 제1검출부 및 제2검출부에 수광되어 각각의 초점위치 오차 값이 계산되는 제3단계; 및 제어부에서 상기 제1검출기(410) 및 제2검출기(420)에서 얻어진 초점위치 오차 값의 연산을 통해 최종의 초점위치 오차 값을 계산하는 제4단계; 를 포함한다.
도 7에 도시된 실시예의 오차신호 검출 장치를 이용한 오차 검출 방법에 대해 설명하면,
먼저, 광원(100)에서 조사된 빛은 제1빔스플리터(210) 및 대물렌즈(300)를 통과하여 시편(S)에 도달한 다음, 시편(S)에서 반사된 빛이 대물렌즈(300)를 거쳐 평행 빔의 형태로 제1빔스플리터(210)를 통과하게 된다.
이후, 제2빔스플리터(220)에 도달한 빛은 제2빔스플리터(220)에서 기설정된 투과율 k와, 반사율 1-k에 따라 빛이 분할되어 제1비점수차 발생부(310)로 빛이 통과되고, 제2비점수차 발생부(320)로 빛이 반사된다.
다음, 제1비점수차 발생부(310)를 통과한 빛은 제1검출기(410)에 도달하게 되며, 이때, 제1검출기(410)에서 얻어지는 초점위치 오차 값은 FE1 = k * {A1+C1-(B1+D1)}가 된다.
또한, 제2비점수차 발생부(320)를 통과한 빛은 제2검출기(420)에 도달하게 되며, 이때, 제1검출기(410)에서 얻어지는 초점위치 오차 값은 FE2 = (1-k) * {A2+C2-(B2+D2)}가 된다.
상기 제어부에는 상기 제1검출기(410) 및 제2검출기(420)에서 얻어진 초점위치 오차 값인 FE1 및 FE2를 합산하여 최종 초점오차를 계산하게 된다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 초점위치 오차 검출 방법은 상기 제1비점수차 발생부(310) 및 제2비점수차 발생부(320)의 설계 값과 상기 제2빔스플리터(220)의 투과율 및 반사율을 설정하는 k값의 변화에 따라 상기 제어부에서 계산되는 초점위치 오차의 선형범위 및 유효범위를 조절하는 제5단계를 더 포함하게 된다.
이때, k값의 변화에 따른 초점위치 오차(FE)의 변화는 도 10에 도시된 바 있다.
이에 따라, 본 발명에서는 두 가지 광학계를 통합하여 각각의 검출소자에 도달하도록 하는 빛의 세기를 제2빔스플리터(220)를 통하여 조절하도록 함으로써, 좁은 선형구간과 넓은 유효구간을 동시에 얻을 수 있다는 장점이 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 초점위치 검출 장치 및 방법은 광학 빔을 이용한 측정 및 공정 등 다양한 분야에서의 초점위치 측정에 있어 보다 효율적인 측정이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1: 초점위치 오차 검출 장치
S: 시편
100: 광원
210: 제1빔스플리터 220: 제2빔스플리터
230: 반사미러
300: 대물렌즈
310: 제1비점수차 발생부
311: 제1콜리메이션 렌즈 312: 제1실린더 렌즈
320: 제2비점수차 발생부
321: 제2콜리메이션 렌즈 322: 제2실린더 렌즈
410: 제1검출기 420: 제2검출기

Claims (15)

  1. 광을 조사하는 광원;
    상기 광원으로부터 조사된 빛이 반사되는 제1빔스플리터;
    상기 제1빔스플리터에서 반사되어 입사된 평행 빔이 시편 상에 집광되도록 하는 대물렌즈;
    상기 시편에서 반사되어 대물렌즈 및 제1빔스플리터를 거친 빛이 기설정된 투과율 및 반사율에 따라 분할되는 제2빔스플리터;
    상기 제2빔스플리터를 통과한 빛의 광 경로상 배치되어 비점 수차를 발생시키는 제1비점수차 발생부;
    상기 제2빔스플리터에서 반사된 빛의 광 경로상 배치되어 비점 수차를 발생시키는 제2비점수차 발생부;
    상기 제1비점수차 발생부를 통과한 빛을 검출하는 제1검출기; 및
    상기 제2비점수차 발생부를 통과한 빛을 검출하는 제2검출기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 초점위치 오차 검출 장치는
    상기 제2빔스플리터와 제2비점수차 발생부 사이에 반사미러가 더 구비되며, 상기 제2빔스플리터 및 상기 반사미러에서 반사된 빛의 광 경로상 상기 제2비점수차 발생부가 배치되는 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 초점위치 오차 검출 장치는
    상기 제1검출기 및 제2검출기를 구성하는 수광소자가 동일 기판 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 초점위치 오차 검출장치는
    상기 반사미러의 각도 조절을 통해 상기 제2검출기에 빛이 수광되도록 하는 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 초점위치 오차 검출 장치는
    상기 제1비점수차 발생부가 제1콜리메이션 렌즈 및 제1실린더 렌즈로 이루어지며,
    상기 제2비점수차 발생부가 제2콜리메이션 렌즈 및 제2실린더 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1비점수차 발생부 및 제2비점수차 발생부는
    서로 다른 설계 값을 갖는 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 설계 값은
    제1콜리메이션 렌즈, 제1실린더 렌즈, 제2콜리메이션 렌즈, 제2실린더 렌즈 각각의 초점거리와,
    제1콜리메이션 렌즈, 제1실린더 렌즈 및 제1검출기 간의 거리와,
    제2콜리메이션 렌즈, 제2실린더 렌즈 및 제2검출기 간의 거리인 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제2빔스플리터는
    투과율 k값과, 반사율 1-k 값을 가지는 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 초점위치 오차 검출 장치는
    상기 제1검출기 및 제2검출기에서 얻어진 초점 위치 오차 값의 연산으로 최종 초점위치 오차 값을 계산하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 초점위치 오차 검출 장치는
    상기 제1비점수차 발생부 및 제2비점수차 발생부의 설계 값과, 상기 제2빔스플리터의 투과율 및 반사율을 설정하는 k값의 변화에 따라, 상기 제어부에서 계산되는 초점위치 오차의 선형범위 및 유효범위가 조절되는 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 장치.
  11. 제 1항 내지 10항에 의한 초점위치 오차 검출장치에서, 초점위치 오차 신호를 검출하는 방법에 있어서,
    광원에서 조사된 빛이 시편에서 반사된 다음, 대물렌즈 및 제1빔스플리터를 거쳐 제2빔스플리터에 도달하는 제1단계;
    상기 제2빔스플리터에서 기설정된 광량의 비율에 따라 투과된 빛은 제1비점수차 발생부를 통과하고, 반사된 빛은 제2비점수차 발생부를 통과하는 제2단계;
    상기 제1비점수차 발생부 및 제2비점수차 발생부를 통과한 빛이 제1검출기 및 제2검출기에 수광되어 각각의 초점위치 오차 값이 계산되는 제3단계; 및
    제어부에서 상기 제1검출기 및 제2검출기에서 얻어진 초점위치 오차 값의 연산을 통해 최종의 초점위치 오차 값을 계산하는 제4단계; 를 포함하는 초점위치 오차 검출 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제2단계에서는
    상기 빔스플리터의 투과율이 k, 반사율 1-k인 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제3단계에서는
    상기 제1검출기에서 계산된 초점위치 오차 값(FE1)이 아래의 수학식 1로 계산되며,
    상기 제2검출기에서 계산된 초점위치 오차 값(FE2)이 아래의 수학식 2로 계산되는 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 방법.
    수학식 1.
    FE1 = k * {A1+C1-(B1+D1)} (A1, B1, C1, D1: 제1검출기의 각 영역에 수광된 빛의 양)
    수학식 2.
    FE2 = (1-k) * {A2+C2-(B2+D2)} (A2, B2, C2, D2: 제2검출기의 각 영역에 수광된 빛의 양)
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제4단계에서는
    상기 제어부에서 계산된 최종 초점위치 오차 값(FE)이 아래의 수학식 3으로 계산되는 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 방법.
    수학식 3.
    FE = FE1 + FE2
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 초점위치 오차 신호 획득 방법은
    상기 제1비점수차 발생부 및 제2비점수차 발생부의 설계 값과, 상기 제2빔스플리터의 투과율 및 반사율을 설정하는 k값을 조절하여, 초점위치 오차의 선형범위 및 유효범위를 조절하는 제5단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초점위치 오차 검출 방법.
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