KR100795543B1 - 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 회절 및 간섭을 이용하여 디스플레이 산업 등 다양한 분야에서 그 응용성이 날로 증가하는 기판 상에 규칙적으로 공정된 미세광학소자 어레이(Micro-optics Array)의 균일도 및 그 형상을 고속으로 측정이 가능하도록 하는 마이크로 광학소자 어레이의 고속 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.

본 발명에 의한 마이크로 광학소자 어레이의 고속 측정장치는 측정대상물의 측방향에 소정각도를 이루도록 설치되어 광대역 파장의 레이저빔을 조사하도록 하는 레이저; 조사된 상기 레이저빔이 상기 측정대상물로부터 직접반사되는 직접반사빔, 회절 및 간섭되는 회절 및 간섭빔, 산란되는 산란빔을 각각 검출하는 광검출장치; 상기 광검출장치로부터 검출된 레이저빔을 전기적 신호로 변환시키는 A/D변환기; 상기 A/D변환기에 의해 변환된 전기신호를 이용하여 프로그래밍된 프로그램에 의해 3차원 표면조도를 연산하는 마이크로 컴퓨터; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 본 발명은 광학적 회절한계 정도의 공간적 측정 정밀도를 유지하면서, 각각의 미세광학소자의 3차원적인 형상을 대면적에서 고속으로 3차원적인 형상뿐만 아니라 기판상의 균일도를 고속으로 측정이 가능하며, 광대역 파장의 레이저에 의해 다양한 재질의 마이크로 광학소자 어레이의 표면조도 측정이 가능하여 별도의 레이저의 구입 및 설치시간을 줄일 수 있고, 측정대상물에 의해 산란되는 레이저빔을 배제되도록 함으로써 높은 정밀도로 측정이 가능하도록 하며, 실시간으 로 측정 및 분석을 통한 공정을 제어함으로써 제품의 품질을 향상시킬 수 있고 고가의 향후 제품 공정 전에 기판의 품질을 관리함으로써 발생하는 원가의 획기적인 절감을 가져오는 효과가 있다.

마이크로 광학소자 어레이, 3차원 형상, 회절 및 간섭, 대면적 고속측정, 3차원 프로파일러

Description

마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치{Three demensional surface illumination measuring apparatus for Micro optical element array}

도 1은 본 발명에 의한 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치의 구조를 나타낸 도면.

도 2a는 측정예로서 미세광학소자 어레이의 원자현미경법으로 측정된 결과를 나타낸 도면.

도 2b는 측정 원리를 설명하기 위하여 1차원 어레이의 예상 모양에 대한 모식도.

도 2c는 blaze angle 변화에 따른 회절된 빔의 스폿(spot)의 세기가 변화하는 현상에 대한 이론적 설명을 나타낸 모식도.

도 3은 도 2a에서와 같은 미세광학소자에 어레이가 공정된 기판위에 633nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 조사하였을 경우 반사된 영역에서 관찰된 회절 간섭된 빔의 spot을 촬영한 사진.

도 4는 본 발명에 의한 광학적 프로파이러의 운용시스템의 운용에 관한 흐름도.

도 5는 다양한 샘플에 대한 직접반사 및 1차 회절 된 레이저 spot의 빔 세기 의 비를 측정한 결과에 대한 예시도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

1: 레이저 2: 레이저빔 집속장치

3: 광검출장치 4: CCD 카메라

5: 스테이지 6: 마이크로 컴퓨터

7: 샘플 핸들러 8: A/D변환기

9: 디스플레이

본 발명은, 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광대역 레이저를 이용하여 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도를 측정하는 표면조도 측정장치에 관한 것이다.

다양한 디스플레이 등 다양한 관련 산업분야에서 그 응용성 및 수요가 최근 급격하게 증가하는 기판 상에 규칙적으로 공정된 micro-optics 어레이의 균일도 및 그 3차원적인 형상을 고속으로 측정이 필요하다.

특히 LED 및 대형 display 소자 등에서의 발산되는 광발광 효율을 증가하기 위한 panel 표면에 공정된 마이크로 광학소자(micro-optics) 등은 그 균일도 및 형상의 정밀도에 의하여 최종 제품의 성능이 좌우된다고 알려져 있으므로 이에 대한 고속 전수검사를 위한 기술이 매우 중요하다. 즉 기판에서의 불량 유무 및 균일도에 의한 성능이 정도에 의하여 이후 공정상에서의 뒤따르는 고가의 공정 비용을 절감할 수 있도록 할 수 있는 검사 및 측정 기술은 반드시 필요한 것이 자명하다.

기존의 잘 알려진 접촉식 측정 기법에서 발생하는 근본적인 문제점 즉 낮은 측정 속도 및 부가적으로 발생하는 기계적 손상으로부터 자유로우면서도 측정의 정밀도를 비교적 그대로 유지하며 그 한계를 극복하는 기술 개발을 위하여 무엇보다 먼저 그 측정속도를 획기적으로 증가하는 새로운 측정 개념 및 관련 기술 개발이 반드시 필요하다.

이제까지 상품화되거나 발표된 미세광학소자 어레이를 높은 정밀도를 유지하며 대면적에 공정된 기판상에서 고속으로 측정하는 기술은 알려져 있지 않다. 한편 전자 현미경등을 이용하여 기판상에 형성된 나노 구조물을 매우 정교하게 측정하여 구조물의 형상을 삼차원적으로 분석할 수 있는 기술을 본 측정에 기술적으로는 적용이 가능하다. 그러나 잘 알려져 있는 바와 같이 광학소자으로 사용되는 대부분의 재료는 부도체로 이루어져 있으므로 이상의 전자현미경 기술을 직접적으로 응용할 수는 없다. 이를 위하여서는 반드시 광학소자의 표면에 금속성 재료를 박막의 형태로 도포하여 전도성을 갖게 하여야 하므로 파괴적인 단점뿐만 아니라 측정상의 특징으로 인하여 제품의 품질 관리를 위하여 반드시 필요한 전수검사를 할 수 없고 샘플링(sampling)을 통한 검사만이 가능하다.

다음과 같은 기존의 타 재료의 표면을 측정하는 장비로 발표되고 사용되어지는 서피스 프로파일러(Surface Profiler)들 또한 마이크로 광학소자 어레이의 형상 을 측정하기 위하여 적용이 가능한 기술이다. 이들은 크게 접촉식와 비접촉식으로 나눌 수 있으며 그들 중 비접촉 방식은 원자현미경이나 광간섭 현상을 기반으로 하는 광학 프로파일러 등이 있으며 접촉식으로는 스타일러스(Stylus) 방식이 가장 보편화되어 일반적으로 사용되어지는 방식이다.

이상의 기술들 중 스타일러스(Stylus) 방식은 재료표면의 굴곡에 따른 스타일러스(Stylus)의 상하움직임을 LVDT(Linear Variable Differential Transformers) 센서를 통하여 측정함으로써, 표면의 3차원적인 형상을 측정하는 것이다. 이러한 측정 방식은 측정 정밀도가 1nm 정도로 매우 좋은 장점이 있는 것으로 발표되어지고 있으나, 접촉식 측정기술의 한계로써 속도를 충분히 낼 수 없다. 또한 사용하는 팁의 크기 및 강도로 인하여 곡률반경이 매우 적은 마이크로광학소자 어레이에서는 팁의 손상뿐만 아니라 직접적으로 측정 대상 물체의 표면에 심각한 손상을 줄 수 있으므로 본 발명의 측정 대상물인 미세광학소자 어레이에 직접적으로 적용하는데 많은 제한점이 있다고 판단한다.

비접촉식 표면 측정 기술들 중 원자현미경 기술이 있다. 이 기술은 매우 작은 나노 탐침을 측정 대상 물체에 접근함에 따라 발생하는 탐침과 물체표면위의 원자 상호간의 인력을 이용하여 대상 물질 표면의 형상을 측정하는 원리를 기반으로 하고 있다. 한편 이러한 측정기술은 정밀도 측면에서는 원리적으로 원자 하나하나의 위치를 측정할 수 있을 정도로 매우 뛰어나나 넓은 면적을 고속으로 측정하기 위하여 많은 기술적으로 제약이 뒤따른다.

특히 원자현미경(AFM, Atomic Force Microscopy)기술로 잘 알려진 초소형 탐 침을 이용한 접촉식/비접촉식 측정방법은 원리상 측정 분해능을 매우 뛰어나지만 너무 낮은 측정 속도를 갖고 있다. 이러한 측정 기법의 대면적으로의 확장을 위하여서는 충분한 평탄도를 갖고 넓은 면적에 대한 적용 가능한 고가의 스캐닝 스테이지(scanning stage) 등을 극복하여야 하는 기술-경제적 난제를 갖고 있다. 따라서 원자현미경 측정 기술을 원리 그대로 고속-대면적으로 확대되어야 하는 차세대 디스플레이 판넬(display panel) 등에 고정된 마이크로 광학소자 어레이(micro-optics array) 측정 및 평가에는 그 적용이 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 또한 interferometry등 기존의 매우 얇은 두께를 측정하는 기술은 비교적 큰 영역에서의 균일한 박막에 대한 측정에는 매우 적합하나 수 ㎛ 이내에서의 변화가 매우 심한 마이크로 광학소자 어레이(micro-optics array)에는 이 또한 적용이 불가능하다고 알려져 있다.

또 다른 하나의 알려진 비접촉식 표면 형상 측정기술은 광학적인 간섭성을 이용하여 시료의 표면에 광을 입사하고 반사된 빛의 상(phase)의 차이를 인터페로메트리(interferometry) 방식으로 읽음으로써 대상 물체의 표면을 3차원으로 형상화 하는 광학적 프로파일러 방식이다. 이 기술은 기존의 매우 얇은 두께의 박막이나 미세 구조를 측정하는 기술로써 비교적 큰 영역에서의 비교적 균일한 박막에 대한 측정에서 매우 적합하나 ㎛ 이내에서의 변화가 매우 심한 미세광학소자 어레이는 이 또한 적용이 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 특히 첨단의 디스플레이(display) 소자표면에 공정되는 미세광학소자 어레이의 첨두 부분의 크기는 광학적 회절한계 이하인 곡류반경이 100nm 이하이므로 이에 대한 적용이 거의 불가능하다.

한편, 종래에 사용된 레이저를 이용한 표면조도 측정장치는 대부분 단파장 레이저를 이용하게 된다. 이에 따라 광학소자 어레이의 표면조도를 측정하기 위해서는 광학소자 어레이와 상응하는 파장을 갖는 레이저를 사용하여야 한다. 이에 따라 다른 파장에 의해 표면측정이 가능한 재질을 갖는 광학소자 어레이의 경우에는 이와 상응하는 파장을 갖는 레이저로 교체하여야 하므로, 교체 및 설치시간이 많이 소요되며 다른 파장을 갖는 레이저를 구비하여야 하므로 구입비용이 많이 소요되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 기존의 미세광학소자 등에 적용하고자 하였던 정밀 측정 기술의 문제점, 즉 측정 대상물을 파괴적이거나 매우 낮은 측정 속도에서 발생하는 문제점을 극복하기 위하여 기존의 잘 알려진 광학적 회절 및 간섭현상을 이용하며, 광학적 회절한계 정도의 공간적 측정 정밀도를 유지하면서, 각각의 미세광학소자의 3차원적인 형상을 대면적에서 고속으로 3차원적인 형상뿐만 아니라 시판상의 균일도를 고속으로 측정이 가능하도록 하는 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 광대역 파장의 레이저에 의해 다양한 재질의 마이크로 광학소자 어레이의 표면조도 측정이 가능한 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치를 제공하는 것이다.

또, 본 발명의 또 다른 목적은 측정대상물에 의해 산란되는 레이저빔을 배제 되도록 함으로써 높은 정밀도로 측정이 가능하도록 하는 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치를 제공하는 것이다.

아울러, 본 발명의 또 다른 목적은 실시간으로 3차원 표면조도 측정이 가능하도록 하는 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치는, 측정대상물의 측방향에 소정각도를 이루도록 설치되어 광대역 파장의 레이저빔을 조사하도록 하는 레이저; 조사된 상기 레이저빔이 상기 측정대상물로부터 직접반사되는 직접반사빔, 회절 및 간섭되는 회절 및 간섭빔, 산란되는 산란빔을 각각 검출하는 광검출장치; 상기 광검출장치로부터 검출된 레이저빔을 전기적 신호로 변환시키는 A/D변환기; 상기 A/D변환기에 의해 변환된 전기신호를 이용하여 프로그래밍된 프로그램에 의해 3차원 표면조도를 연산하는 마이크로 컴퓨터; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 마이크로 컴퓨터에 의해 연산된 3차원 표면조도값을 화면에 출력하도록 하는 디스플레이;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명은 산란된 레이저빔이 배제되도록 하기식에 의해 연산된 값을 상기 마이크로 컴퓨터에 의한 표면조도 연산에 적용시키는 것을 특징으로 한다.

R=(B-C)/(A-C)

(A: 직접 반사된 레이저빔의 강도,

B: 1차 회절된 레이저빔 강도,

C: 측정대상물의 산란원에 의한 산란된 레이저빔의 강도)

또한, 본 발명의 상기 측정대상물은 스테이지에 의해 이송됨과 동시에 3차원 표면조도가 측정되는 특징으로 한다.

또, 본 발명은 상기 측정대상물의 상부에 설치되어 상기 측정대상물의 측정되는 표면을 실시간으로 모니터링하기 위한 CCD 카메라가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성으로 된 본 발명에 의한 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치를 이용한 측정방법은 a) 측정대상물과 소정각도를 이루도록 설치되는 레이저에 의해 광대역 파장의 레이저빔을 측정대상물에 조사하는 단계; b) 조사된 상기 레이저빔이 상기 측정대상물로부터 직접반사되는 직접반사빔, 회절 및 간섭되는 회절 및 간섭빔, 산란되는 산람빔을 광검출장치에 의해 각각 검출하는 단계; c) 상기 광검출장치들로부터 검출된 레이저빔을 A/D변환기에 의해 전기적 신호로 변환시키는 단계; d) 상기 A/D변환기에 의해 변환된 전기신호를 이용하여 프로그래밍된 마이크로 컴퓨터에 의해 3차원 표면조도를 연산하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명은 e) 상기 3차원 표면조도 연산단계에서 연산된 3차원 표면조도값을 화면에 출력하는 단계;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 표준물질을 이용하여 마이크로 컴퓨터에 의한 연산 단계를 교정하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명은 상기 측정대상물은 스테이지에 의해 이송됨과 동시에 3차원 표면조도가 측정되는 특징으로 한다.

아울러, 본 발명은 상기 측정대상물의 상부에 설치되어 상기 측정대상물의 측정되는 표면을 CCD 카메라에 의해 실시간으로 모니터링되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 이상의 회절 현상 중 입사한 레이저 빔의 영차 회절(0th-order, 직접 반사)을 기준으로 1차 회절(1th-order) 및 그 이상의 고차 회절에 의하여 발생된 회절된 레이저 빔 스폿(spot)의 세기를 감지함으로써 가장 손쉽게 마이크로 광학소자(micro-optics)의 형상의 균일도를 대면적에서 고속으로 측정 및 평가를 가능하게 할 수 있도록 하였다. 본 발명 장치는 광원으로서의 레이저시스템 측정범위를 제한함으로써 그 공간적 분해능을 결정하는 레이저 빔 직속 광학계와 회절된 빔의 스폿(spot)의 빛 세기를 측정할 수 있는 광 광검출장치 및 자동으로 샘플(sample)을 로딩할 수 있는 핸들러, 측정 대상물을 정밀하게 위치 제어할 수 있는 스테이지 및 광검출장치의 운용 및 측정치로부터 연산하여 데이터를 형상화하는 프로그램된 마이크로 컴퓨터 등으로 구성된다.

이에 따라 본 발명은 원자의 배율 등을 초정밀하게 측정할 수 있는 분야에서 매우 오랫동안 적용되어 왔던 X-ray 원리를 가시광선 영역의 전자기파로 확장하고 이를 규칙적으로 배열된 micro-optics array에서 회절 간섭된 레이저 빔의 point들 에 대한 측정을 함으로써 검출된 회절 레이저 빔 패턴을 인지하고 이를 역변환 함으로써 micro-optics가 공정된 넓은 면적의 pannel에서의 균일도 뿐만 아니라 각각의 micro-optics 의 형상을 고속으로 측정이 가능하도록 하였다. 기판으로부터 직접 회절되어 나오는 빛의 세기를 측정치로 허용하는 본 발명의 기술은 특히 LED 등 광발광 소자 내부에 발생되어 wave-guide 형태로 매질 내에서 구속되어 진행하다가 소멸되어 버리는 효율 저하 유발 현상을 극복하고 발광 효율을 제고하기 위하여 고안된 기판 상 micro-optics에 대한 적용은 직접적으로 외부 방출 빛의 양에 대한 직접적인 정보를 갖고 있기 때문에 더욱이 중요하다고 볼 수 있다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2a는 측정예로서 미세광학소자 어레이의 원자현미경법으로 측정된 결과를 나타낸 도면이며, 도 2b는 측정 원리를 설명하기 위하여 1차원 어레이의 예상 모양에 대한 모식도이고, 도 2c는 blaze angle 변화에 따른 회절된 빔의 스폿(spot)의 세기가 변화하는 현상에 대한 이론적 설명을 나타낸 모식도이며, 도 3은 도 2a에서와 같은 미세광학소자에 어레이가 공정된 기판위에 633nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 조사하였을 경우 반사된 영역에서 관찰된 회절 간섭된 빔의 spot을 촬영한 사진이고, 도 4는 본 발명에 의한 광학적 프로파이러의 운용시스템의 운용에 관한 흐름도이며, 도 5는 다양한 샘플에 대한 직접반사 및 1차 회절 된 레이저 spot의 빔 세기의 비를 측정한 결과에 대한 예시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치는 측정대상물에 광대역 파장의 레이저빔을 조사하도록 하는 레이저(1); 상기 측정대상물로부터 직접반사빔, 회절 및 간섭빔, 산란빔을 각각 검출하는 광검출장치(3); 검출된 레이저빔을 전기적 신호로 변환시키는 A/D변환기(8); 변환된 전기신호를 이용하여 프로그래밍된 프로그램에 의해 3차원 표면조도를 연산하는 마이크로 컴퓨터(6); 로 구성된다.

상기 레이저(1)는 측정대상물의 측방향에 소정각도를 이루도록 설치되어 레이저빔을 발산하며 레이저빔은 레이저빔 집속장치(2)에 의해 집속되어 조사되게 된다. 이때, 상기 레이저(1)는 광대역 파장의 레이저 빔을 조사하도록 한다.

이와 같이 상기 레이저(1)를 광대역 파장을 갖는 레이저빔을 조사하도록 하게 되면 다양한 재질의 마이크로 광학소자 어레이의 표면조도 측정이 가능하게 된다. 즉, 단파장에 의해 회절 및 간섭이 일어나는 특정재질의 마이크로 광학소자 어레이뿐만 아니라 다양한 파장에 의해 회절 및 간섭이 발생되는 다양한 재질의 마이크로 광학소자 어레이의 표면조도 측정이 가능하게 되는 것이다.

상기 측정대상물의 상부에는 상기 측정대상물의 측정되는 표면을 실시간으로 모니터링하기 위한 CCD 카메라(4)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 이용되는 회절-간섭의 원리를 설명하면 다음과 같다.

다양한 파장의 레이저빔을 측정 대상물 표면에 집속 조사하여 표면에서 반사될 경우 시료 표면에 존재하는 도 2a와 같은 형태의 미세광학소자 어레이에 의한 회절-간섭 현상에 의하여, 예를 들어 도 3과 같은 여러 다양한 형태로 레이저빔 스 폿(spot)의 패턴(pattern)이 이루어진다. 이때 각각의 spot들의 공간적인 위치는 측정위치에 거치된 대상물체 표면에 존재하는 규칙적인 미세 광학소자의 패턴에 의하여 결정된다. 따라서 상기 이미지를 역변환하여 분석하면 각각의 소자의 위치에 관한 물리적인 정보를 획득할 수 있다. 한편 이러한 회절된 빛에 대해 각각의 스폿(spot)에서의 세기는 레이저 빛이 각각의 광학소자를 구성 하는 물체의 표면에서 수직으로 기우러져 있을 정도 즉 도 2c의 각도 γ에 의하여 회절정도에 의하여 결정된다. 이러한 각도를 일반적으로 분광학적인 응용을 위한 격자에서는 blazed angle이라 지칭한다. 한편 좀더 정량적으로 이를 표현한 식은 다음과 같다.

a sin(-2γ) = mλ ---[식1]

이때 a는 기판의 특성에 의하여 결정되는 굴절률에 의하여 결정되는 상수이며 γ는 앞서 설명한 blazed angle에 이며, m은 회절되는 빔의 spot의 차수를 의미한다. 한편 λ는 입사한 레이저의 빛의 파장이다.

이러한 식을 바탕으로 주어진 동일이 기판 즉 동일한 광학 특성을 지니는 기판위에 가공된 어레이 형태이 미세광학소자위에 레이저를 조사하는 동일한 파장으로 이루어진 레이저에 의한 회절현상이므로 회절 된 spot의 세기와 직접 반사된 세기를 측정하여 연산된 비는 기판으로부터 기울어져 있는 각도 γ와 직접적인 상관관계를 갖고있다. 한편 이러한 이론적 논의를 바탕으로 도 2a에서 보여주는 실질적으로 사파이어 기판에 공정된 미세광학소자 어레이에 적용한 예를 도 2b에서 보여주고 있다. 한 장의 기판위에 어레이를 등간격으로 (동일 피치) 이루어져있을 경우 가공 깊이에 따른 높이의 변화를 측정한다고 가정하면 높이의 변화는 기판오로부터 기울어져있는 정도즉 blaze angle γ는 다음과 같은 식 [2]에 의하여 계산된다.

γ = tan-1(2h/a) ---[식2]

이때 a는 array의 피치이고 h는 관심 있는 어레이의 높이에 해당된다. 이러한 논의를 현재의 LED등 광발광 소자에서 일반적으로 상용화되는 기판의 공정상 사용되는 전형적인 값들을 적용한 경우를 도 2의 (b)에서 보여주고 있다. 즉 미세광학소자 어레이 간이 피치가 4㎛이고 높이가 각각 0.7 1.0과 1.3㎛로 이루어진 경우, 각각의 소자 옆면이 기판으로부터 기울어져 있는 각도는 각각 19, 27, 33도이다. 이러한 논의는 실직적인 측정에서의 측정 정밀도에 대한 정도를 시사하는바가 매우 크다고 할 수 있다. 다른 말로 하면 ,회절 된 빛의 세기의 비를 정밀하게 측정 하였을 경우 측정치로부터 매우 높은 측정 정밀도를 갖고 있으며, 100nm이하의 변화를 갖는 마이크로 광학소자 어레이의 광학적 특성을 측정 평가할 수 있으며 이를 기판의 품질 및 공정 정밀도의 획기적인 향상을 할 수 있게 된다.

상기 광검출장치(3)는 조사된 상기 레이저빔이 상기 측정대상물로부터 직접반사되는 직접반사빔, 회절 및 간섭되는 회절 및 간섭빔, 산란되는 산란빔을 각각 검출하게 된다.

상기 A/D변환기(8)는 상기 광검출장치(3)로부터 검출된 레이저빔을 전기적 신호로 변환시키는 역할을 한다.

상기 마이크로 컴퓨터(6)는 상기 A/D변환기(8)에 의해 변환된 전기신호를 이용하여 프로그래밍된 프로그램에 의해 3차원 표면조도를 연산한다.

이때, 상기 마이크로 컴퓨터(6)에 의해 연산되는 프로그램은 표준물질을 이 용하여 교정되도록 하여 세팅되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명은 상기 마이크로 컴퓨터(6)에 의해 연산된 3차원 표면조도값을 화면에 출력하도록 하는 디스플레이(9)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 도 1에 도시한 광학회절 프로파일러를 제작하여 다음과 같이 직접적으로 사파이어 기판위에 제작된 미세 광학소자 어레이에 대한 광학적 특성을 측정하여 이를 원자현미경법으로 측정된 물리적인 형상 측정 결과와 직접적으로 비교하는 연구를 수행하였다. 먼저 직접 반사된 레이저빔의 spot세기 (A) 및 1차 회절된 레이저빔 spot의 세기(B)와 공정기판위에 항상 발생되는 미세 스크레치와 산란원에 의한 산란된 레이저빛 세기(C)를 각각이 3개의 다른 광검출기를 이용하여 고속으로 측정한다. 이들 중 1차 회절 된 빔 spot 및 직접반사된 빔 spot의 광세기의 정확한 비는, 각각의 광세기에 동일하게 포함되어 있다고 생각되는 산란된 빛의 양의 효과를 제거하기 위하여 다음과 같은 산술적 표현을 할 수 있다.

R = (B - C)/(A -C) ---[식 3]

본 발명에서의 예시되는 이들의 측정 정밀도 및 측정 속도를 최고로 하기 위하여 광검출 기로부터 측정된 각각의 측정량 A,B,C를 디지털화하지 않고 아날로그 시리얼을 직접 연산하는 방식을 채택하였고 마지막 연산이 완전히 끝난 후에는 이를 컴퓨터에 디지털화하여 저장되도록 하였다.

이상의 측정과정은 마이크로 광학소자 어레이 상의 레이저가 접속된 면적위에 한하여 모든 회절현상이 이루어지도록 각각 하나하나의 미세광학소자에 의한 현상은 아니며 이들의 총합에 의한 평균적인 현상으로 이해된다. 따라서 미세소자의 크기가 광학적 회절한계보다 무척 작지만 않으면 이들의 총합에 의한 회절 현상은 계속적으로 일어나기 때문에 100nm급의 크기의 소자까지도 측정이 가능한 것이다. 또한 레이저빔의 조사 면적 또한 광학 회절 한계까지 줄일 수 있으므로 공간적 측정 정밀도 또한 수백 nm 정도로 유지할 수 있다.

이상의 매우 좋은 정밀도 및 공간적 분해능과 마이크로 어레이의 높이 변화율을 측정 가능한 방법을 하나의 포인트에서 뿐만 아니라, 넓은 기판 위에서 고속으로 진행하기 위하여 샘플의 위치 변화 및 샘플의 로딩을 자동적으로 할 필요가 있다. 이를 위하여 도 1에 도시된 바와 같은 초정밀 스테이지(5) 및 핸들러를 본 광학 회절 프로파일러 시스템에 결부 채용하였다.

샘플의 위치 제어 및 각각의 위치에서의 측정치를 저장하고 이를 분석하기 위하여 도 4와 같은 형태의 흐름도를 완성하여 측정을 하였다. 이를 좀더 자세히 살펴보면 측정시스템은 크게 광학회절 측정시스템과 이를 제어하기 위한 제어보드로 구성되었다. 광학 검출기, 레이저 및 빔의 전달 및 집속을 위한 광학 장치, 측정 대상 샘플을 이송하기 위한 스테이지 및 구동 장치와 샘플을 자동적으로 변환하기 위한 샘플 핸들러(7), 시그널을 연산하기 위한 연산 장치 등을 포함하는 하드웨어와 함께 샘플 위치 및 종류를 바꾸기 위한 하드웨어들을 제어 및 광학 신호로부터 연산되어 계산된 값을 컴퓨터상에서 해석하고 이를 디스플레이할 수 있는 소프트웨어로 구성되었다. 이들은 체계적으로 또한 순서적으로 운용함으로써 충분히 많은 숫자 및 측정 점의 밀도를 고속으로 얻을 수 있다.

이상의 구성된 광학회절 측정기기를 이용하여 현실적인 적용예를 얻기 위하여 도 5에서 보여 주는 바와 같이 마이크로 광학소자가 array형태로 공정된 2인치 지름의 기판에 대한 측정 실험을 수행하였다. 도 5의 첫 번째 컬럼에서는 각각 다른 6개의 샘플의 중심 부근에서의 표면에 대하여 측정이 시도된 원자력 현미경 측정 결과를 보여주고 있다. 이러한 측정 결과를 바탕으로 얻어진 중심 부근의 높이를 분석하여본 결과 시료 중심에 분표한 미세 소자의 높이는 각각 평균적으로 1.49, 1.53, 1.34, 1.70, 2.06, 2.12 ㎛임을 보여주고 있으며, 각각의 소자간의 피치는 비교적 동일하게 분포되어 있음을 알 수 있다. 이러한 시료를 본 발명에서 제안하는 광학적 회절 프로파일러를 이용하여 2인치 지름의 샘플의 표면적 중 간격 10mm를 띄운 두 줄의 라인에서 측정된 직접반사 및 1차 회절된 레이저 스폿(spot)의 빔 세기의 비를 측정한 결과를 도 5의 세 번째 컬럼에 도시하였다. 이때 그림상의 변화를 뚜렷하게 할 목적으로 비의 값을 LOG함수 꼴로 나타내었다. 각각의 측정 점들은 각각 5mm간격으로 측정하였으며 이를 채워진 원과 사각형으로 표시하였다. 그 결과를 보면 샘플 표면에서 각 부위별로 공정상에서 발생하는 높이의 변화에 의한 심한 차이를 보여주고 있음이 분명하다. 이는 고정상에서 사용된 플라즈마 에칭(etching) 공정의 각 부위별 분포의 변이를 분명하게 보여주고 있다. 이러한 변이를 감안하더라도 본 발명에서 측정된 결과는 원자력현미경 기술로 측정된 높이의 변이와 거의 일치하게 변화 하는 것을 알 수 있다. 즉 가장 낮은 높이의 미세소자를 확인할 수 있었던 1.34 ㎛의 샘플 즉 세 번째 샘플에 대한 회절광학 프로파일러 측정치가 가장 작은 값을 보여주고 있으며 반면에 가장 높이가 큰 5번째와 6번째 샘플에 대한 측정치가 전체적인 기판의 표면에서 큰 값을 보여주고 있음을 보여주고 있다. 즉 앞서 상술한 이론적 고찰에서 기술된 바와 같이 본 발명에서 제안한 광학회절 프로파일러 측정 기술은 미세 광학소자가 거의 같은 모양을 갖고 같은 공간적 위치에 있을 경우 높이의 변화를 매우 정밀하게 측정할 수 있는 기술임을 보여주고 있다.

한편 이상의 측정 기술은 그 측정 기법이 스타일러스(stylus)와 같은 접촉식 혹은 기존의 광학적 상(phase)변화를 간섭현상을 이용 측정하거나 원자간 인력을 기반으로 하는 측정기술 등 기존의 타 측정 방법에 비하여 그 측정법 및 측정 장치가 매우 단순하게 고안됨으로써 광학적 회절한계 정도의 높은 정밀도를 유지하면서도 측정 속도를 매우 높이 할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 측정 속도의 향상은 기존의 제품들 중 선택에 의한 몇 개의 샘플만의 측정-검사를 수행함으로써 발생할 수 있는 품질의 비균질화 및 공정 품질이 좋지 않은 기판을 이용하여 고가의 후 공정 수행에 따른 제품의 원가 상승 등의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 측정 기술로써 그 가치가 있다. 또한 본 기술의 간단함을 직접적으로 마이크로 광학소자 어레이를 제작하는 고정 라인에 직접적으로 적용이 가능하게 함으로써, 제품의 전체 고정 속도 및 고정 정밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 장점은 본 기술이 타 접촉식 혹은 전자현미경 측정 기술 등과는 달리 비접촉식이며 비파괴적인 방법이기 때문에 가능하다.

또한 본 기술은 확장하면 다음과 같은 마이크로 광학소자의 3차원적인 물리적인 구조와 함께 공정된 표면의 광학적 성질의 변화 및 정도를 관리하는 경우에 적용될 수 있다. 즉 앞서 언급한 바와 같이 미세 광학소자 어레이에서 일어나는 광학적 회절-간섭 현상은 각각의 미세소자의 규칙성 및 그 규칙성으로부터 벗어나는 정도뿐만 아니라 3차원적인 광학특성 특히 굴절률의 변화에 대한 모든 정보를 포함하고 있다.

이러한 현상은 원자의 규칙적으로 배열된 공간적 분포에 따른 x-ray 영역에서 관찰되는 x-ray 회절 현상과 완전하게 일치한다. 이러한 x-ray 영역에서의 회절에 관한 이론적인 분석법은 이미 확고하게 성립되어 있으므로 이러한 분석이론을 근거하여 본 발명에서 제한하는 레이저빔에 의하여 회절된 각각의 고차 회절빔의 세기에 대한 이미지를 2차원적으로 측정하여 이를 역전환 함으로써 각각의 미세소자의 규칙성 및 위치, 광학적 성질의 변이를 매우 높이는 정밀도하에서 측정이 가능하도록 할 수 있다. 이러한 측정 기술은 양각된 미세광학소자 뿐만 아니라 음각 된 광학소자, 광학소재 내부의 굴절률을 변화시킴으로써 제작된 모든 경우의 미세광학소자 어레이에 적용할 수 있음을 의미한다.

결론적으로 본 발명은 기존의 미세광학소자 등에 적용하고자 하였던 정밀 측정 기술의 문제점, 즉 측정 대상물을 파괴적이거나 매우 낮은 측정 속도 등에서 발생하는 문제점을 극복하는 기술에 관한 것이다. 접촉식 측정 기법에서 발생하는 근본적인 문제점, 즉 낮은 측정 속도 및 부가적으로 발생하는 기계적 손상으로부터 자유로우면서도 측정의 정밀도를 비교적 그대로 유지하며 그 한계를 극복하는 기술 개발은 먼저 그 속도를 증가하는 기술 개발이 선행되어야 한다. 이러한 기술적 난제를 극복하기 위하여 본 발명에서는 기존에 적용되지 않았던 미세광학소자 어레이 에 의한 회절간섭성 성질을 이용하여 새로운 측정 기술을 개발하였다. 이러한 기술은 공간적으로 광학적 회절한계까지의 측정 정밀도를 유지하면서도 측정의 간단함을 유지하도록 설계되어 측정의 속도를 획기적으로 증가시키도록 하였으며 비접촉식 측정을 유지함으로써 비파괴적인 특성을 갖고 있도록 고안되었다. 이렇게 고안된 회절광학계 프로파일러는 향후 양각 및 음각 혹은 굴절률(refractive index)를 변환하여 광학적 특성을 달리하는 다양한 형태의 미세광학소자 어레이의 광학 특성 및 공간적인 3차원형태를 고정밀 고속 측정에 공전전후 및 공정 간에서 조차 그 적용이 가능하도록 하였다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치는 광학적 회절한계 정도의 공간적 측정 정밀도를 유지하면서, 각각의 미세광학소자의 3차원적인 형상을 대면적에서 고속으로 3차원적인 형상뿐만 아니라 시판상의 균일도를 고속으로 측정이 가능하며, 광대역 파장의 레이저에 의해 다양한 재질의 마이크로 광학소자 어레이의 표면조도 측정이 가능하여 별도의 레이저의 구입 및 설치시간을 줄일 수 있고, 측정대상물에 의해 산란되는 레이저빔을 배제되도록 함으로써 높은 정밀도로 측정이 가능하도록 하며, 실시간으로 측정 및 분석을 통한 공정을 제어함으로써 제품의 품질을 향상시킬 수 있고 고가의 향후 제품 공정 전에 기판의 품질을 관리함으로써 발생하는 원가의 획기적인 절감을 가져오는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 삭제
2. 측정대상물의 측방향에 소정각도를 이루도록 설치되어 광대역 파장의 레이저빔을 조사하도록 하는 레이저;

   조사된 상기 레이저빔이 상기 측정대상물로부터 직접반사되는 직접반사빔, 회절 및 간섭되는 회절 및 간섭빔, 산란되는 산란빔을 각각 검출하는 광검출장치;

   를 포함하며,

   산란된 레이저빔이 배제되도록 하기식에 의해 연산된 값을 상기 마이크로 컴퓨터에 의한 표면조도 연산에 적용시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치.

   R=(B-C)/(A-C)

   (A: 직접 반사된 레이저빔의 강도,

   B: 1차 회절된 레이저빔 강도,

   C: 측정대상물의 산란원에 의한 산란된 레이저빔의 강도)
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 측정대상물은 스테이지에 의해 이송됨과 동시에 3차원 표면조도가 측정 되는 특징으로 하는 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 광검출장치로부터 검출된 레이저빔을 전기적 신호로 변환시키는 A/D변환기;

   상기 A/D변환기에 의해 변환된 전기신호를 이용하여 프로그래밍된 프로그램에 의해 3차원 표면조도를 연산하는 마이크로 컴퓨터;

   를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 마이크로 컴퓨터에 의해 연산된 3차원 표면조도값을 화면에 출력하도록 하는 디스플레이;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 측정대상물의 상부에 설치되어 상기 측정대상물의 측정되는 표면을 실시간으로 모니터링하기 위한 CCD 카메라가 더 구비된 것을 특징으로 하는 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정장치.
7. a) 측정대상물과 소정각도를 이루도록 설치되는 레이저에 의해 광대역 파장의 레이저빔을 측정대상물에 조사하는 단계;

   b) 조사된 상기 레이저빔이 상기 측정대상물로부터 직접반사되는 직접반사빔, 회절 및 간섭되는 회절 및 간섭빔, 산란되는 산람빔을 광검출장치에 의해 각각 검출하는 단계;

   c) 상기 광검출장치들로부터 검출된 레이저빔을 A/D변환기에 의해 전기적 신호로 변환시키는 단계;

   d) 상기 A/D변환기에 의해 변환된 전기신호를 이용하여 프로그래밍된 마이크로 컴퓨터에 의해 3차원 표면조도를 연산하되,

   산란된 레이저빔이 배제되도록

   R=(B-C)/(A-C)

   (A: 직접 반사된 레이저빔의 강도,

   B: 1차 회절된 레이저빔 강도,

   C: 측정대상물의 산란원에 의한 산란된 레이저빔의 강도)

   식에 의해 연산된 값을 적용하여 3차원 표면조도를 연산하는 단계;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   e) 상기 3차원 표면조도 연산단계에서 연산된 3차원 표면조도값을 화면에 출력하는 단계;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정방법.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,

   표준물질을 이용하여 마이크로 컴퓨터에 의한 연산 단계를 교정하는 것을 특징으로 하는 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 측정대상물은 스테이지에 의해 이송됨과 동시에 3차원 표면조도가 측정되는 특징으로 하는 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 측정대상물의 상부에 설치되어 상기 측정대상물의 측정되는 표면을 CCD 카메라에 의해 실시간으로 모니터링되는 것을 특징으로 하는 마이크로 광학소자 어레이의 3차원 표면조도 측정방법.

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