KR101620594B1 - 다기능 분광장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다기능 분광장치에 관한 것으로서, 평행광 생성부에서 출사되는 평행빔의 출사방향에 설치되어 상기 평행빔의 광축을 기준으로 중앙부분의 광을 집속시키는 제1렌즈와, 제1렌즈와 대향되게 배치되며 제1렌즈를 경유하여 확산되는 광을 평행광으로 변환하는 제2렌즈와, 제2렌즈를 거친 광을 반사시킬 수 있도록 제2렌즈와 대향되게 설치된 기준미러와, 제1렌즈와 제2렌즈 사이에 설치되며 제1렌즈를 거친 광을 제1렌즈의 광축과 교차되는 방향으로 일부 반사시키고 일부는 제2렌즈를 향하는 방향으로 투과시키는 빔스플릿터와, 빔스플릿터를 거쳐 진행되는 광을 측정대상체로 집속시키는 제3렌즈와, 측정대상체에서 반사되어 역으로 제3미러 및 빔스플릿터를 거쳐 진행되는 광을 집속시키는 제4렌즈와, 제4렌즈의 제2초점을 거쳐 확산되는 광을 평행광으로 변환하는 제5렌즈와, 제5렌즈의 광축에 대해 경사지게 배치되어 제5렌즈를 거쳐 진행되는 평행광을 회절에 의해 분광시키는 회절격자를 구비한다.이러한 다기능 분광장치에 의하면, 통합 광학계를 이용하여 막두께, 표면형상, 굴절율을 원하는 측정방식에 맞게 이용할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

다기능 분광장치{spectroscopy apparatus}

본 발명은 다기능 분광장치에 관한 것으로서, 상세하게는 막두께와 굴절률 및 표면형상 측정을 지원할 수 있도록 된 다기능 분광장치에 관한 것이다.

일반적으로 다층 박막으로 형성되는 다층막 구조물 예를 들면 반도체의 경우 형성되는 막의 두께, 표면 형상, 굴절률 등 성능과 관련되는 요소를 검사하기 위한 다양한 측정방식이 이용되고 있다.

간섭계를 이용하여 두께 및 형상을 측정하는 방식이 국내 등록특허 제10-0916618호에 게시되어 있다.

한편, 간섭계를 이용하는 방식 이외에도 측정대상체에 수직으로 광을 입사시키고, 측정대상체로부터 반사된 광의 세기를 검출하여 두께와 굴절율을 분석하는 방식이 있고, 측정대상체에 경사지게 광을 입사시키고 측정대상체로부터 반사된 광의 편광 및 세기를 분석하여 두께 및 굴절율을 측정하는 방식이 있다.

그런데, 종래의 막두께, 굴절율, 표면형상을 측정하기 위한 장치는 각각 앞서 설명된 적용방식에 따라 독립적으로 구축되어 있어, 측정대상체에 대해 요구되는 정밀도의 수준 등 요구되는 사양에 따라 선택적으로 이용할 수 있는 통합 구조를 제공할 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 구조를 단순화 하면서도 다양한 측정방식을 지원할 수 있는 다기능 분광장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다기능 분광장치는 평행빔을 생성하여 출사하는 평행광 생성부와; 상기 평행광 생성부에서 출사되는 평행빔의 출사방향에 설치되어 상기 평행빔의 광축을 기준으로 중앙부분의 광을 집속시키는 제1렌즈와; 상기 제1렌즈와 대향되게 배치되며 상기 제1렌즈의 제1초점을 경유하여 확산되는 광을 평행광으로 변환하는 제2렌즈와; 상기 제2렌즈를 거친 광을 반사시킬 수 있도록 상기 제2렌즈와 대향되게 설치된 기준미러와; 상기 제1렌즈와 상기 제2렌즈 사이에 설치되며 상기 제1렌즈를 거친 광을 상기 제1렌즈의 광축과 교차되는 방향으로 일부 반사시키고 일부는 상기 제2렌즈를 향하는 방향으로 투과시키도록 배치된 빔스플릿터와; 상기 빔스플릿터를 거쳐 진행되는 광을 측정대상체로 집속시키는 제3렌즈와; 상기 측정대상체에서 반사되어 역으로 상기 제3렌즈 및 상기 빔스플릿터를 거쳐 진행되는 광을 집속시키는 제4렌즈와; 상기 평행광 생성부에서 생성되어 상기 제1렌즈를 벗어난 영역을 향해 진행하면서 상기 제1렌즈를 거치지 않고 상기 빔스플릿터로러로부터 반사되어 상기 제3렌즈의 광축과 나란하게 진행되는 광을 상기 측정대상체의 표면에 경사지게 입사시킬 수 있도록 배치된 제1경사미러와; 상기 제1경사미러로부터 측정대상체를 거친 광을 상기 제3렌즈의 광축과 나란한 방향으로 반사시켜 상기 제4렌즈로 향하도록 경사지게 배치된 제2경사미러;를 구비한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제4렌즈의 제2초점을 거쳐 확산되는 광을 평행광으로 변환하는 제5렌즈와; 상기 제5렌즈의 광축에 대해 경사지게 배치되어 상기 제5렌즈를 거쳐 진행되는 평행광을 회절에 의해 분광시키는 회절격자;를 구비한다.

또한, 상기 회절격자를 거쳐 진행되는 0차 회절광을 집속하는 제6렌즈와; 상기 회절격자를 거쳐 진행되는 1차 회절광을 집속하는 제7렌즈;를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 제6렌즈와 상기 제7렌즈 각각을 통해 집속된 광을 검출하는 제1 및 제2검출부와; 상기 평행광 생성기와 상기 제1렌즈 사이 내로 입출되면서 상기 평행광 생성기에서 생성되어 상기 제1렌즈를 벗어난 영역을 향하는 광을 투과 또는 차단시킬 수 있도록 된 제1셔터와; 상기 제2렌즈와 상기 기준미러 사이 내로 입출되면서 상기 제2렌즈를 통과한 광을 상기 기준미러로 향하도록 투과시키거나 흡수시킬 수 있도록 된 제2셔터;를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제4렌즈를 통과한 광을 검출하는 광검출부를 더 구비하고, 상기 평행광 생성부는 파장을 가변하여 출사하는 광원과; 상기 광원에서 출사되는 광의 파장이 설정된 가변조건에 따라 가변되게 출사되게 상기 광원을 구동하는 광원구동부;를 구비한다.

본 발명에 따른 다기능 분광장치에 의하면, 통합 광학계를 이용하여 막두께, 표면형상, 굴절율을 원하는 측정방식에 맞게 이용할 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 분광장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다기능 분광장치를 나타내 보인 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다기능 분광장치를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 분광장치를 나타내 보인 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 다기능 분광장치(100)는 평행광 생성부(110), 제1 내지 제7렌즈(121 내지 127), 빔스플릿터(131), 기준미러(141), 회절격자(160), 슬릿(171), 제1 및 제2 경사미러(181)(182)를 구비한다.

평행광 생성부(110)는 평행빔을 생성하여 출사한다.

평행광 생성부(110)는 광원(111)과, 광원(111)에서 출사된 광을 평행광으로 변환하는 콜리메이팅 렌즈(113)로 되어 있다.

광원(111)은 다파장 광을 출사하는 광대역 광원이 적용된다.

도시된 예와 다르게 평행광 생성부(110)는 평행한 광빔을 출사하는 레이저 장치가 적용될 수 있음은 물론이다.

제1렌즈(121)는 평행광 생성부(110)에서 출사되는 평행빔의 광축방향 즉, 콜리메이팅 렌즈(113)의 광축과 자신의 광축이 일치하게 설치되어 평행빔의 광축을 기준으로 중앙부분의 광을 제1초점(f1)으로 집속시킨다.

여기서 제1렌즈(121)의 외경은 평행빔 생성부(110)에서 생성되는 평행빔의 단면적보다 적은 것이 적용된다.

제2렌즈(122)는 제1렌즈(121)와 동일 광축선상에 대향되게 배치되며 제1렌즈(121)의 제1초점(f1)을 경유하여 확산되는 광을 평행광으로 변환시켜 기준미러(141)로 향하는 방향으로 출사한다.

기준미러(141)는 제2렌즈(122)를 거쳐 입사되는 평행광을 다시 제2렌즈(122)를 향하도록 반사시킬 수 있게 제2렌즈(122)와 대향되게 설치되어 있다.

빔스플릿터(131)는 제1렌즈(121)와 제2렌즈(122) 사이에 설치되며 제1렌즈(121)를 거쳐 진행되는 광을 제1렌즈(121)의 광축과 직교되게 교차되는 방향으로 일부 반사시키고 일부는 투과시키도록 연장방향이 제1렌즈(121)의 광축에 대해 경사지게 배치되어 있다.

제3렌즈(123)는 제1렌즈의 광축과 직교하는 방향에 대해 빔스플릿터(131)의 하면 하부에 설치되어 빔스플릿터(131)를 거쳐 진행되는 광을 측정대상체(10)로 집속시킨다.

제4렌즈(124)는 빔스플릿터(131)를 기준으로 제3렌즈(123) 반대편에 설치되어 측정대상체(10)에서 반사되어 제3렌즈(123) 및 빔스플릿터(131)를 거쳐 진행되는 광을 제2초점(f2)으로 집속시킬 수 있도록 되어 있다.

여기서 제4렌즈(124)는 후술되는 제2경사미러(182)를 거쳐 진행되는 광도 집속시킬 수 있는 크기를 갖는 것을 적용한다.

제5렌즈(125)는 제4렌즈(124)의 제2초점(f2)을 거쳐 확산되는 광을 평행광으로 변환하여 회절격자(160)로 투사한다.

회절격자(160)는 제5렌즈(125)의 광축에 대해 경사지게 예를 들면, 45도로 경사지게 배치되어 제5렌즈(125)를 거쳐 진행되는 평행광을 회절에 의해 분광시킨다.

제6렌즈(126)는 회절격자(160)를 거쳐 진행되는 0차 회절광을 집속한다.

제7렌즈(127)는 회절격자를 거쳐 진행되는 1차 회절광을 집속한다.

제1경사미러(181)는 평행광 생성부(110)에서 생성되어 제1렌즈(121)를 거치지 않고 진행하여 빔스플릿터(131)로부터 반사되어 제3렌즈(123)의 광축과 나란하게 진행되는 광을 측정대상체(10)의 표면에 경사지게 입사시킬 수 있도록 배치되어 있다.

제2경사미러(182)는 제1경사미러(181)로부터 측정대상체(10)를 거친 광을 제3렌즈(123)의 광축과 나란한 방향으로 반사시켜 제4렌즈(124)로 향하도록 경사지게 배치되어 있다.

슬릿(171)은 제4렌즈(124)의 제2초점위치(f2)에 설치되며 제2초점(f2)을 중심으로 하여 광을 투과시키는 투과홀(171a)이 형성되어 있다.

제1광검출부(191)는 제6렌즈(126)를 통해 집속된 광을 검출한다.

제2광검출부(192)는 제7렌즈(127)를 통해 집속된 광을 검출한다.

제1 및 제2검출부(191)(192)는 CCD카메라 등 입사된 광에 대응되게 전기적 신호를 생성하여 출력하거나, 광의 세기 또는 파장별 세기를 검출할 수 있는 요소가 적용될 수 있다.

제1셔터(151)는 평행광 생성기(110)와 제1렌즈(121) 사이 영역 내로 입출되면서 평행광 생성기(110)에서 생성되어 제1렌즈(121)를 벗어난 영역을 향하는 광을 투과 또는 차단시킬 수 있도록 설치되어 있다.

또한, 제1셔터(151)는 평행광 생성기(110)와 제1렌즈(121) 사이 영역 내로 입출되면서 평행광 생성기(110)에서 생성된 광 중 제1렌즈(121)를 벗어난 영역을 향하는 광만 투과시키고 제1렌즈(121)를 향하는 광은 차단시키도록 구축될 수 있음은 물론이다.

제1셔터(151)는 제1액츄에이터(A1)(155)에 의해 진퇴되면서 제1경사미러(181)로 광이 진행 또는 차단되게 구축될 수 있다.

제2셔터(153)는 제2렌즈(122)와 기준미러(141) 사이 영역 내로 입출되면서 제2렌즈(122)를 통과한 광을 기준미러(141)로 향하도록 투과시키거나 흡수시켜 광의 진행을 차단시킬 수 있도록 설치되어 있다.

제2셔터(153)도 제2액츄에이터(A2)(157)에 의해 진퇴되면서 기준미러(141)로 광이 진행 또는 차단되게 구축될 수 있다.

참조부호 20은 측정대상체를 수평이동시킬 수 있도록 된 안착 테이블이다.

이러한 다기능 분광장치(100)는 측정대상체(10)의 막두께가 0.1㎛ 이상의 후막인 경우 측정대상체(10)에 대해 제3렌즈(123)를 통과한 광만으로 측정대상체의 막두께 또는 굴절율을 측정하고자 하는 경우 제1셔터(151)에 의해 제1경사미러(181)로 향하는 광이 차단되게 하면서 회절격자(160)를 거친 광을 검출하여 측정하면 된다.

또한, 측정대상체(10)의 막두께가 0.1㎛ 미만의 박막인 경우 측정대상체(10)에 대해 제1경사미러(181)를 통해 경사지게 광이 입사되도록 하여 측정하면 된다.

또한, 간섭계를 적용하는 경우에는 제2셔터(153)가 제2렌즈 광투사 영역을 벗어난 위치에 배치되고, 간섭계를 적용하지 않는 경우에는 제2셔터(153)가 제2렌즈 광투사 영역을 차폐하는 위치에 배치되게 하면 된다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 앞서 도시된 도면에서와 동일 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.

도 2를 참조하면, 다기능 분광기(100)는 제4렌즈(124)를 통과한 광을 검출하는 광검출부(170)를 구비한다.

여기서 광검출부(170)는 CCD카메라가 적용될 수 있다.

또한 평행광 생성부(110)는 파장을 가변하여 출사하는 광원(111)과, 광원(111)에서 출사되는 광의 파장이 설정된 가변조건에 따라 가변되게 출사되게 광원(111)을 구동하는 광원구동부(115)를 구비한다.

이 경우 평행광 생성부(110)에서 파장이 가변되면서 출사되는 광에 따라 광검출부(170)에서는 가변되는 파장에 대응되어 측정대상체(10)로부터 반사된 광을 검출할 수 있어 회절격자에 대응되는 분광효과의 데이터를 얻을 수 있다.

이러한 다기능 분광장치(100)는 측정하고자 하는 방식을 다양하게 지원함으로써 막두께, 표면형상, 굴절율을 원하는 측정방식에 맞게 이용할 수 있는 장점을 제공한다.

110: 평행광 생성부 121 내지 127: 제1 내지 제7렌즈
131: 빔스플릿터 141: 기준미러(141)
160: 회절격자 181, 182: 제1 및 제2 경사미러

Claims (7)

1. 평행빔을 생성하여 출사하는 평행광 생성부와;
   상기 평행광 생성부에서 출사되는 평행빔의 출사방향에 설치되어 상기 평행빔의 광축을 기준으로 중앙부분의 광을 집속시키는 제1렌즈와;
   상기 제1렌즈와 대향되게 배치되며 상기 제1렌즈의 제1초점을 경유하여 확산되는 광을 평행광으로 변환하는 제2렌즈와;
   상기 제2렌즈를 거친 광을 반사시킬 수 있도록 상기 제2렌즈와 대향되게 설치된 기준미러와;
   상기 제1렌즈와 상기 제2렌즈 사이에 설치되며 상기 제1렌즈를 거친 광을 상기 제1렌즈의 광축과 교차되는 방향으로 일부 반사시키고 일부는 상기 제2렌즈를 향하는 방향으로 투과시키도록 배치된 빔스플릿터와;
   상기 빔스플릿터를 거쳐 진행되는 광을 측정대상체로 집속시키는 제3렌즈와;
   상기 측정대상체에서 반사되어 역으로 상기 제3렌즈 및 상기 빔스플릿터를 거쳐 진행되는 광을 집속시키는 제4렌즈와;
   상기 평행광 생성부에서 생성되어 상기 제1렌즈를 벗어난 영역을 향해 진행하면서 상기 제1렌즈를 거치지 않고 상기 빔스플릿터로부터 반사되어 상기 제3렌즈의 광축과 나란하게 진행되는 광을 상기 측정대상체의 표면에 경사지게 입사시킬 수 있도록 배치된 제1경사미러와;
   상기 제1경사미러로부터 측정대상체를 거친 광을 상기 제3렌즈의 광축과 나란한 방향으로 반사시켜 상기 제4렌즈로 향하도록 경사지게 배치된 제2경사미러;를 구비하는 것을 특징으로 하는 다기능 분광기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제4렌즈의 제2초점을 거쳐 확산되는 광을 평행광으로 변환하는 제5렌즈와;
   상기 제5렌즈의 광축에 대해 경사지게 배치되어 상기 제5렌즈를 거쳐 진행되는 평행광을 회절에 의해 분광시키는 회절격자;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다기능 분광기.
3. 제2항에 있어서, 상기 제4렌즈의 제2초점위치에는 제2초점을 중심으로 광을 투과시키는 투과홀이 형성된 슬릿;이 더 구비된 것을 특징으로 하는 다기능 분광기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 회절격자를 거쳐 진행되는 0차 회절광을 집속하는 제6렌즈와;
   상기 회절격자를 거쳐 진행되는 1차 회절광을 집속하는 제7렌즈;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다기능 분광기.
5. 제4항에 있어서, 상기 제6렌즈와 상기 제7렌즈 각각을 통해 집속된 광을 검출하는 제1 및 제2검출부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다기능 분광기.
6. 제1항에 있어서, 상기 평행광 생성부와 상기 제1렌즈 사이 내로 입출되면서 상기 평행광 생성부에서 생성되어 상기 제1렌즈를 벗어난 영역을 향하는 광을 투과 또는 차단시킬 수 있도록 된 제1셔터와;
   상기 제2렌즈와 상기 기준미러 사이 내로 입출되면서 상기 제2렌즈를 통과한 광을 상기 기준미러로 향하도록 투과시키거나 흡수시킬 수 있도록 된 제2셔터;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다기능 분광기.
7. 제1항에 있어서, 상기 제4렌즈를 통과한 광을 검출하는 광검출부를 더 구비하고,
   상기 평행광 생성부는
   파장을 가변하여 출사하는 광원과;
   상기 광원에서 출사되는 광의 파장이 설정된 가변조건에 따라 가변되게 출사되게 상기 광원을 구동하는 광원구동부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 다기능 분광기.

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