KR20080090225A - Apparatus and method for measuring surface shape using polarization split interferometer. - Google Patents
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Abstract
본 발명은 측정 시료의 3차원 표면형상을 정밀 측정하는데 사용하는 광간섭계 및 그 측정방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 편광 분리된 기준 반사광의 광경로를 두개로 구성하고, 제일 기준반사광과 제이 기준반사광의 반사광도를 다르게 설정한 후, 측정시야내의 각 측정점에서 보다 가시도 높은 간섭신호를 선택하여 표면 높이를 계산에 사용함으로써, 저반사율 기판상의 고반사율 패턴 등과 같은 이종 반사율을 갖는 시료의 3차원 표면형상을 보다 정밀하게 측정할 수 있도록 한다.The present invention relates to an optical interferometer and a measuring method thereof for use in precisely measuring a three-dimensional surface shape of a measurement sample. According to the present invention, two optical paths of polarized separated reference reflected light are configured, and reflectances of the first reference reflected light and the second reference reflected light are different from each other, and then the interference signal having higher visibility is selected at each measurement point in the measurement field. By using in the calculation, it is possible to more accurately measure the three-dimensional surface shape of a sample having heterogeneous reflectance such as a high reflectance pattern on a low reflectance substrate.
Description
도1은 종래의 백색광 주사 간섭계 및 광위상 천이 간섭계를 이용한 측정장치 개념도.1 is a conceptual diagram of a measuring apparatus using a conventional white light scanning interferometer and an optical phase shift interferometer.
도2는 본 발명의 편광분리 이종기준면 간섭계를 적용한 표면형상 측정장치 개념도.Figure 2 is a conceptual view of the surface shape measurement apparatus to which the polarization separation reference plane interferometer of the present invention.
도3은 단색광을 예로 한 최적화된 광간섭 가시도에 의한 간섭신호 검출 효과.3 is an interference signal detection effect by optimized optical interference visibility using monochromatic light as an example.
도4a는 본 발명의 이종반사율 측정시료의 표면형상 측정방법 개념도.Figure 4a is a conceptual diagram of the method for measuring the surface shape of the hetero reflectance measurement sample of the present invention.
도4b는 본 발명의 이종반사율 시료의 형상측정을 위한 간섭신호 검출방법 제1 실시예.Figure 4b is a first embodiment of the interference signal detection method for measuring the shape of the heteroreflective sample of the present invention.
도4c는 본 발명의 이종반사율 시료의 형상측정을 위한 간섭신호 검출방법 제2 실시예.Figure 4c is a second embodiment of the interference signal detection method for measuring the shape of the heteroreflective sample of the present invention.
본 발명은 측정물의 표면에 형성된 미세형상을 광간섭 측정방법을 이용하여 정밀하게 측정하는 측정장치에 관한 것으로, 본 측정 방법은 다양한 측정 시료의 미세형상을 비파괴 및 비접촉식으로 정밀하게 측정할 수 있는 유용한 3차원 측정방법이 다.The present invention relates to a measuring device for precisely measuring the fine shape formed on the surface of the workpiece using an optical interference measuring method, and the present measuring method is useful for non-destructive and non-contact precise measurement of the fine shape of various measurement samples. 3D measurement method
최근 반도체, 평판 디스플레이, MEMS, 광 부품, 초정밀 가공 등의 산업계 전반에 걸쳐 공정기술 및 가공기술 등이 정밀해지고 있으며, 더 나아가 현재는 나노 단위의 초정밀 제조 기술를 요구하는 단계로 진입하였다. 또한 정밀 제조공정에 있어서도 단순 2차원 패턴에서 복잡한 3차원 형상으로 변화하고 있으며 이에 따라 3차원 미세형상 측정기술의 중요성도 더욱 요구되고 있다.Recently, the process technology and processing technology have become more precise throughout the industry, such as semiconductor, flat panel display, MEMS, optical components, ultra-precision processing, and moreover, it has entered the stage of demanding ultra-precision manufacturing technology in nano units. In addition, the precision manufacturing process is also changing from a simple two-dimensional pattern to a complex three-dimensional shape, accordingly, the importance of the three-dimensional fine shape measurement technology is also required.
측정물의 표면에 형성된 미세형상을 측정하는데 있어서 광학식 측정방법은, 광위상 천이 간섭계(Phase shifting interferometry), 백색광 주사 간섭계(white light Scanning interferometry), 모아레 측정법(moire measurement), 공초점 주사 현미경(Confocal scanning microscope) 등이 있으며 이들 측정기술은 주로 2차원 평면상의 기하학적 형태와 함께, 표면상에 형성된 3차원 구조의 높이를 측정하여 전 시야내의 3차원 형상을 검사하는 기술이며, 주로 조명계, 광학계 및 카메라로 대표되는 광 검출기로 구성된 광학적 비전시스템(Vision System)과 영상처리 기술에 그 바탕을 두고 있다.Optical measurement methods for measuring microstructures formed on the surface of workpieces include phase shifting interferometry, white light scanning interferometry, moire measurement, confocal scanning microscopy. microscope, etc. These measurement techniques are mainly to check the three-dimensional shape of the entire field of view by measuring the height of the three-dimensional structure formed on the surface along with the geometrical shape on the two-dimensional plane, mainly with the illumination system, optical system and camera It is based on the optical vision system and image processing technology composed of representative light detectors.
광학식 미세형상 측정 방법 중에서 백색광 주사 간섭계와 광위상 천이 간섭계는 반도체 패턴, 디스플레이 패널패턴, 인쇄회로 기판의 회로패턴, MEMS소자 등 미세한 형상의 검사에 있어 폭넓게 적용되는 정밀 비접촉 3차원 측정방법이다.Among the optical micro-shape measuring methods, the white light scanning interferometer and the optical phase shift interferometer are precision non-contact three-dimensional measuring methods widely applied in inspection of minute shapes such as semiconductor patterns, display panel patterns, circuit patterns of printed circuit boards, and MEMS devices.
도1은 종래의 백색광 주사 간섭계와 광위상 천이 간섭계의 대표적인 구성을 나타낸다.Fig. 1 shows a representative configuration of a conventional white light scanning interferometer and a light phase shift interferometer.
백색광 주사 간섭계와 광위상 천이 간섭계는 서로 다른 측정원리에 기초하지만, 공 통적인 특징으로 광간섭 신호를 이용하여 측정하는 것으로서, 전자는 광대역 파장의 광원, 후자는 협대역 파장의 광원을 이용한다는 점을 제외하고는 동일한 광학시스템에서 구현 가능하므로 상용화된 측정 시스템에서는 두 가지 측정법을 함께 이용한다.Although the white light scanning interferometer and the optical phase shift interferometer are based on different measurement principles, a common feature is that they are measured using optical interference signals, the former using a broad wavelength light source and the latter using a narrow band light source. Except for this, it can be implemented in the same optical system, so the two measurement methods are used together in the commercialized measurement system.
광 간섭신호란, 임의의 기준점에서 동시에 출발한 광이 각기 다른 광경로(Optical path)를 이동한 후 합쳐질 때 두 광이 지나온 거리차(Optical path difference)에 따른 물리적 현상이 빛의 밝고 어두운 형태로 표현되는 것을 말한다.An optical interference signal is a light and dark form of a physical phenomenon caused by the optical path difference between two light beams when light simultaneously starting from an arbitrary reference point is combined after moving through different optical paths. Say what is expressed.
광원(100)으로부터 나온 광은 집광렌즈(101)를 거쳐 평행광이 되어 광속분할기(102)에 의해 광간섭 대물렌즈(103)로 입사된다.Light emitted from the
광간섭 대물렌즈(103)에 입사된 광은 광간섭 대물렌즈 내의 광속분할기(105)에 의해 두개의 광으로 분리되는데, 두개의 광 중에서 한 개의 광은 기준광으로서 고정도로 가공된 기준면(104)에 입사되고 다른 광은 측정광으로서 측정하고자 하는 측정물(106)에 조사된다. 기준면과 측정면에 입사 후 반사된 광은 동일 광로에서 만나서 간섭현상을 일으키게 되며, 간섭광 신호는 결상렌즈(107)를 거쳐 광검출기(108)에 도달한다.The light incident on the optical interference
기준면은 광학적으로 평면으로 생각할 수 있는 거울면을 사용하고 있으므로 광검출기를 통하여 획득되는 영상의 간섭 신호는 이 기준면에 대한 상대적인 높이 정보를 포함하고 있게 된다. 이러한 광검출기에 의해 검출된 간섭신호 주기(간섭신호 간격)는 사용하는 광원의 파장과 일정한 관계를 가지며 일반적으로 간섭신호의 주기는 사용한 광파장의 반파장에 해당한다.Since the reference plane uses a mirror plane that can be considered as an optical plane, the interference signal of the image acquired through the photodetector includes the height information relative to the reference plane. The period of the interference signal detected by the photodetector (interference signal interval) has a constant relationship with the wavelength of the light source to be used, and in general, the period of the interference signal corresponds to the half wavelength of the used light wavelength.
백색광 간섭계 및 광위상 천이 간섭계는 기본적인 간섭신호의 원리에 디지털 영상신호처리 기술을 이용해 해석함으로서 측정면의 3차원 형상을 측정할 수 있는 측정 방법으로 본 명세서에서는 백색광 주사 간섭계를 중심으로 설명하도록 한다.The white light interferometer and the optical phase shift interferometer are a measurement method that can measure the three-dimensional shape of the measurement surface by analyzing the principle of the basic interference signal using digital image signal processing technology.
백색광 주사 간섭계는 광대역 파장광의 짧은 가간섭 길이(Coherent length)를 이용한다. 가간섭 길이란 사용하는 광원의 특성으로 간섭 신호가 발생하는 광경로(optical path) 차를 의미하며 기준광과 측정광이 지나는 물리적인 거리차로 표현된다. 레이저와 같은 광원은 가간섭 길이가 수 km에 해당하여 어떠한 상황 하에서도 쉽게 간섭 신호를 얻을 수 있지만, 백색광과 같은 광대역파장의 빛은 여러파장의 빛에 의한 간섭 신호들이 서로 상호 작용을 하기 때문에 대략 수 um이내의 거리차에서만 간섭 신호가 발생한다.White light scanning interferometers use a short coherent length of broadband wavelength light. The interference length is a characteristic of a light source used, which means an optical path difference in which an interference signal is generated, and is expressed as a physical distance difference between a reference light and a measurement light. A light source such as a laser has a interference length of several km, and thus an interference signal can be easily obtained under any circumstances. However, a broadband light such as white light is roughly because interference signals caused by light of various wavelengths interact with each other. Interference signals occur only within a distance difference of several um.
기준면에 대한 측정샘플의 상대적인 높이 정보를 가지고 있는 간섭신호를 얻기 위해 광학 측정 시스템이 수직스캔(Vertical Scan)을 하여 광축 방향으로 수십 nm의 미소간격으로 이동하면서 카메라와 같은 광검출기의 영상내의 모든 화소(Pixel)에서 발생한 간섭 신호를 획득한다. 수직스캔 동안 임의의 화소점에서의 높이는 간섭 신호가 최대로 큰 곳으로 설정되며, 이를 카메라 영상내의 모든 화소에 대하여 수행함으로써 측정샘플의 높이와 함께 삼차원 형상을 산출하게 된다.All pixels in the image of a photodetector, such as a camera, while the optical measurement system performs a vertical scan and moves at a small interval of several tens of nm in the direction of the optical axis to obtain an interference signal having the relative height information of the measurement sample relative to the reference plane Acquire an interference signal generated at (Pixel). The height at any pixel point during the vertical scan is set to the place where the interference signal is the largest, and this is performed for all the pixels in the camera image to calculate the three-dimensional shape along with the height of the measurement sample.
대물렌즈의 개구수(N.A)의 영향을 고려하지 않을 때 백색광 간섭계의 간섭신호는 다음 수학식과 같이 표현된다.Without considering the influence of the numerical aperture (N.A) of the objective lens, the interference signal of the white light interferometer is expressed by the following equation.
I (z)= I0 + v(h-z)cos(2kc(h-z)+φ)I (z) = I 0 + v (hz) cos (2kc (hz) + φ)
상기 수학식에서의 I는 백색광 간섭신호로서 이는 I0로 표현되는 간섭신호의 평균 광강도와 가시도 함수 v, 그리고 백색광 중심주파수 kc 와 위상 φ로 표현되는 cosine함수로 표현된다. 가시도 함수 v 는 측정물의 반사도, 대물렌즈의 개구수, 광원의 주파수 분포등에 의해 결정되는 간섭무늬의 크기함수로서 일반적으로 가우시안(Gaussian) 형태나 2차이상의 다차 함수등 좌우 대칭형 함수로 표현된다.In the above equation, I is a white light interference signal, which is represented by the average light intensity and visibility function v of the interference signal represented by I 0 , and the cosine function represented by the white light center frequency kc and the phase φ. The visibility function v is a size function of the interference fringe determined by the reflectivity of the measurement object, the numerical aperture of the objective lens, the frequency distribution of the light source, and is generally expressed as a left-right symmetric function such as a Gaussian shape or a quadratic function of two or more orders of magnitude.
기준면과 측정점사이의 광경로차가 0이 되는 지점에서 최대의 간섭신호를 발생하며, 또한 기준면 반사광과 측정면 반사광의 광세기가 동일할 때 가장 높은 가시도를 나타낸다.The maximum interference signal is generated at the point where the optical path difference between the reference plane and the measurement point becomes zero, and also shows the highest visibility when the light intensity of the reference plane reflected light and the measurement plane reflected light is the same.
간섭렌즈 기준면은 고반사율의 금속막이나 유전막 코팅으로 이루어져 있는데, 낮은 반사율을 가진 시료를 측정할 경우, 합성되어 간섭무늬를 생성하는 기준면 반사광과 저반사율 시편으로부터 반사광의 세기가 많이 차이가 나면, 둘 간의 평균 광량 차이에 의해 간섭신호의 가시도가 낮아지게 된다.The reference plane of the interference lens is composed of a high reflectivity metal film or a dielectric film coating. When measuring a sample having a low reflectance, if the intensity of the reflected light differs greatly from the reference reflectance light and the low reflectance test specimen, which are synthesized to generate an interference pattern, the two The visibility of the interference signal is lowered by the difference in the average amount of light therebetween.
일반적으로 카메라로 대표되는 광검출기는 고유한 특성값을 가지는 일정범위의 노이즈(Dark noise)를 가지고 있는데 이러한 노이즈는 검출신호가 매우 낮을 경우 신호분석에 있어 오차로 작용하게 되어, 가시도가 작을 경우 오차 영향을 더 주게 되므로 간섭신호의 분석에 있어 보다 큰 측정 오차로 나타나게 된다. In general, a photodetector represented by a camera has a certain range of dark noise with unique characteristics. Such noise acts as an error in signal analysis when the detection signal is very low. Since the error affects more, the larger the measurement error appears in the analysis of the interference signal.
따라서, 검출기의 측정오차에 대비하여 측정정확도를 높이기 위해서는 가능한 한 가시도가 크게 되어야 하고, 이를 위해서는 기준면 반사광과 측정면 반사광의 광세기가 동일하여야 한다.Therefore, the visibility should be as large as possible in order to increase the measurement accuracy against the measurement error of the detector. For this purpose, the light intensity of the reference plane reflected light and the measurement plane reflected light should be the same.
종래의 백색광 주사 간섭계를 이용한 미세형상 측정에 있어 측정영역 내에 저반사율 기판상의 고반사율 금속패턴과 같은 광반사율 차가 큰 물질로 구성된 이종 반사율 측정시료의 경우, 기준면이 하나이기 때문에 다른 반사율을 갖는 두 시료 위치에 최적의 광량 측정 조건을 설정하기가 불가능하다. 또한 기준면의 반사율이 고정되어 있으므로 다양한 측정시료에 대하여 신호대 잡음비가 높은 최상의 간섭신호를 얻도록 조정할 수가 없다.In the case of a heterogeneous reflectance measurement sample composed of a material having a large difference in light reflectance such as a high reflectance metal pattern on a low reflectance substrate in a measurement area in a microscopic measurement using a conventional white light scanning interferometer, two samples having different reflectances because they have one reference plane It is not possible to set the optimal light quantity measurement conditions at the position. In addition, because the reflectance of the reference plane is fixed, it cannot be adjusted to obtain the best interference signal with a high signal-to-noise ratio for various measurement samples.
일례로 인쇄회로기판의 표면검사에 있어서 인쇄회로기판의 고반사율 금속회로에 대하여 조명설정 등의 측정조건을 설정 시 인쇄회로기판의 낮은 반사율로 인하여 기판에 대한 검출신호를 얻기가 힘들고, 반대로 낮은 반사율을 가진 인쇄회로기판의 가시도를 높이기 위하여 저 반사율 기판에 대하여 조명을 설정하면 반사율이 높은 금속패턴에 대하여 광검출기의 포화현상이 발생하여 측정신호를 얻을 수 없게 된다.For example, in the surface inspection of a printed circuit board, it is difficult to obtain a detection signal for the substrate due to the low reflectance of the printed circuit board when measuring conditions such as lighting settings are set for the high reflectivity metal circuit of the printed circuit board. If the illumination is set on a low reflectivity substrate to increase the visibility of a printed circuit board having a high degree of visibility, a saturation phenomenon of the photodetector occurs for the metal pattern with high reflectance, and thus a measurement signal cannot be obtained.
이와 같이 종래의 백색광 주사간섭계를 이용한 미세형상측정의 경우, 저 반사율 시료나 이종반사율 시료와 같은 다양한 측정시편을 측정할 때 높은 가시도의 명확한 간섭신호를 얻기 어려우므로 측정 정확도가 떨어지게 된다.As described above, in the case of a microscopic measurement using a conventional white light scanning interferometer, it is difficult to obtain a clear signal of high visibility when measuring various measurement specimens such as low reflectance samples or heterogeneous reflectance samples, so that measurement accuracy is lowered.
본 발명은 백색광 주사 간섭계와 같은 광간섭을 이용한 3차원 표면형상 측정장치에 있어서 저반사 측정시료 혹은 저반사율 시료와 고반사율 시료가 혼재한 이종 반사율 측정시료와 같은 다양한 측정시료에 대하여 상기에서 언급한 문제점을 해결하기 위하여 간섭신호의 가시도를 조절할 수 있고, 이종반사율 시료의 경우에는 분리된 두개의 광간섭 경로의 개별 간섭신호 중에서 보다 나은 가시도의 간섭신호를 선택사용하여 보다 정확한 측정이 가능한 표면형상 측정용 간섭계를 제안하고자 한다.The present invention relates to various measurement samples such as a low reflectance measurement sample or a heterogeneous reflectance measurement sample in which a low reflectance sample and a high reflectance sample are mixed in a three-dimensional surface shape measurement device using optical interference such as a white light scanning interferometer. In order to solve the problem, the visibility of the interference signal can be adjusted, and in the case of hetero reflectance samples, a surface capable of more accurate measurement by selecting an interference signal having better visibility among the individual interference signals of two separate optical interference paths. An interferometer for shape measurement is proposed.
본 발명의 광 간섭 측정방법 및 장치는 광경로차를 발생시켜 간섭 광강도를 획득함에 있어 기준이 되는 기준면을 측정면에 대하여 비슷한 광반사율을 갖도록 조절하여 이상적인 간섭신호 가시도를 얻을 수 있으며, 또한 서로 다른 광 반사율을 갖는 이종의 기준면을 가지는 편광분리형 간섭계를 적용함으로써 반사율 차이가 있는 이종 반사율 측정시료를 보다 정확하게 측정하는 방법 및 장치이다.The optical interference measuring method and apparatus of the present invention can obtain an ideal interference signal visibility by adjusting a reference plane, which is a reference, to have a similar light reflectance with respect to a measurement plane in generating an optical path difference to obtain interference light intensity. A method and apparatus for more accurately measuring a heterogeneous reflectance measurement sample having a difference in reflectance by applying a polarization split interferometer having heterogeneous reference planes having different light reflectances.
본 발명의 구성 및 측정원리를 도2에 도시하였다.The configuration and measuring principle of the present invention is shown in FIG.
광원(200)으로부터 나온 백색광은 집광렌즈(201)를 거쳐 평행광이 되어 편광장치(202)로 입사한다.The white light emitted from the
집광렌즈(201)를 거쳐 편광장치(202)를 통과한 평행광은 임의의 편광상태의 광으로 된다. 즉 편광장치(202)는 입사한 평행광이 수평편광된 광과 수직편광된 광의 크기가 동일하도록 만들어 주는 작용을 한다.The parallel light passing through the polarizing
편광장치(202)에 의해 수평 및 수직편광된 광을 가지는 입사광은 1차 광속분할기(203)을 거쳐 2차 광속분할기(204)로 입사하게 된다.Incident light having light horizontally and vertically polarized by the
2차 광속분할기(204)는 기준면(210, 212)과 측정면(206)으로 입사광을 분리시킨다. 2차 광속분할기(204)는 기준면(210, 212)과 측정면(206)으로 분리된 광강도가 5:5, 3:7등의 비율이 되도록 선택적으로 구성할 수 있다.The secondary beam splitter 204 separates incident light into the
2차 광분할기(204)에서 분리된 측정광은 대물렌즈(205)를 거쳐 측정면(206)에 입사 되고, 기준광은 편광분할기(208)로 입사한다.The measurement light separated by the
편광분할기(208)에 입사된 기준광은 편광분할기(208)에 의하여 수직편광된 광과 수평편광된 광으로 분리되어 각각 수직편광기준면(210)과 수평편광기준면(212)에 입사된다. 수직편광된 광은 수직편광기준면(210)에 의해 반사되고 수평편광된 광은 수평편광기준면(212)에 의해 반사된다.The reference light incident on the
수직편광기준면(210)과 수평편광기준면(212)은 서로 다른 반사율을 가진 기준면으로 구성되거나, 수직편광기준면(210)과 수평편광기준면(212) 이전에 광 투과율 조절필터(209, 211)를 구성하여 광 투과율 조절에 의해 각각의 기준광의 반사율을 조절한다.The vertical
광 투과율 조절필터(209, 211)는 회색필터(Gray filter; Neutral density filter), 혹은 단계적으로 광투과율이 다른 선형 가변형 회색필터(Linear variable gray filter)나 회전 가변형 회색필터(Variable gray filter wheel)로 구성될 수 있으며, 또는 전기적 신호로 이색성분자(Dichroic molecules)의 배열을 조정하여 광투과율을 조정하는 액정셀(Liquid crystal cell)을 이용한 가변형 광 감쇠기(Variable light attenuator)를 이용한 광반사율 조절장치로 구성될 수 있다.The light
대물렌즈(205)를 통과한 뒤 측정면(206)으로부터 반사된 측정광과 각각의 기준면(210, 212)으로부터 반사된 기준광은 동일 광경로 상에서 합성되어 간섭광를 이루는데 이때의 간섭광은 수직편광기준면(210)에 대한 측정면(206)의 간섭정보와 수평편광기준면(212)에 의한 측정면(206)의 간섭정보로 구성된다.After passing through the
즉 측정면(206)으로부터 반사된 수직편광된 광은 수직편광기준면(210)으로부터 반 사된 수직편광된 기준광과 동일 광경로상에서 간섭신호를 이루고, 측정면(206)으로부터 반사된 수평편광된 광은 수평편광기준면(212)으로부터 반사된 수편편광된 기준광과 동일 광경로상에서 간섭신호를 이룬다.That is, the vertically polarized light reflected from the
각각의 기준면(210, 212)으로부터 형성된 간섭광은 1차 광속분할기(203)와 결상렌즈(213)를 거쳐 광검출기(216, 217) 이전에 위치한 편광분할기(214)에 입사한다. 결상렌즈(213)는 측정물의 이미지를 광검출기(216, 217)에 결상시키는 작용을 한다.Interfering light formed from each of the reference planes 210 and 212 is incident on the
광검출기(216, 217)이전에 위치한 편광분할기(214)는 각각의 광검출기1(216)과 광검출기2(217)로 수직편광된 간섭광과 수평편광된 간섭광을 분리하는 역할을 하며 분리된 간섭신호는 광검출기1(216)과 광검출기2(217)로 검출된다.The
각각의 광검출기(216, 217)에 검출된 분리된 간섭신호는 측정시료의 반사율에 대하여 수직편광기준면(210)과 수평편광기준면(212)의 반사율을 조절함으로써 가시도 높은 간섭신호를 얻는다.The separated interference signal detected by each of the
각각의 기준면(210, 212)에 대한 측정시료(206)의 높이 정보를 가지고 있는 간섭신호를 얻기 위해 광축 방향으로 수십 nm의 미소간격으로 이동하면서 광검출기1(216)과 광검출기2(217)의 모든 화소(Pixel)에서 간섭신호 발생여부를 점검하고, 각각의 광검출기(216, 217)에서 얻은 데이터를 조합하고 분석하여 측정시료의 삼차원 형상을 산출한다.Photodetector 1 (216) and photodetector 2 (217) while moving at a small interval of several tens of nm in the optical axis direction to obtain an interference signal having the height information of the
도3는 기준면과 측정면과의 반사율이 비슷하게 설정되었을 경우 최적화된 광간섭 가시도에 의한 간섭신호 검출에 있어서의 효과를 나타낸다.Fig. 3 shows the effect in the interference signal detection by the optimized optical interference visibility when the reflectance between the reference plane and the measurement plane is set similarly.
단색광을 예로서 설명하면 입사광속이 기준면(210,212)과 측정면(206)에 입사된 후 반사된 광파의 방정식은 다음과 같다.Referring to the monochromatic light as an example, the equation of the light waves reflected after the incident light beams are incident on the reference planes 210 and 212 and the
Er=Aexp(i2kl)Er = Aexp (i2kl)
Em=Bexp[i(2k(l+h-z)-α)]Em = Bexp [i (2k (l + h-z) -α)]
여기서here
Er: 기준면 반사광, Em: 측정물 반사광.Er: reference plane reflected light, Em: workpiece reflected light.
A, B: 광파의 진폭.A, B: amplitude of light waves.
k=2 π/λ: 단색광의 전파상수k = 2 π / λ: Propagation constant of monochromatic light
α: 측정점에서의 위상변화α: phase change at the measuring point
l: 광속분할기에서 기준면까지의 거리l: distance from the beam splitter to the reference plane
h: 측정물의 형상h: shape of workpiece
z: 측정물의 광축방향 위치.z: Optical axis position of the workpiece.
반사된 두 광이 동일 광로상에서 다시 합성되어 생성되는 간섭무늬는 다음 수학식으로 표현된다.An interference fringe generated by combining two reflected lights on the same optical path is represented by the following equation.
I = <(Er+Em)2> = A2+B2+2ABcos(2k(h-z)+α) = Ik[1+vcos(ΔΦ)] 수학식 1I = <(Er + Em) 2 > = A 2 + B 2 + 2ABcos (2k (hz) + α) = I k [1 + vcos (ΔΦ)]
여기서here
< >: 시간 평균치<>: Time average
Ik= A2+B2: 빛의 평균강도I k = A 2 + B 2 : average intensity of light
v=(2AB)/ (A2+B2): 단일파장에서의 간섭무늬 가시도.v = (2AB) / (A 2 + B 2 ): Interference pattern visibility at single wavelength.
ΔΦ=2k(h-z)+α: 광경로차 및 측정점에서의 위상변화에 의한 합성위상차ΔΦ = 2k (h-z) + α: Synthetic phase difference due to optical path difference and phase change at measuring point
상기수학식의 [vcos(ΔΦ)] 항은 간섭효과를 나타내는 간섭항으로서 간섭무늬의 밝기는 가시도 함수와 cos값에 의해 결정된다.[Vcos (ΔΦ)] in the above equation is an interference term that exhibits an interference effect, and the brightness of the interference fringe is determined by a visibility function and a cos value.
도3의 (a)는 기준면과 측정물과의 반사율 차이가 클 경우, 기준광과 측정광에 대한 광파(기준광=Er, 측정광=Em)를 표현한 것이다.3 (a) shows light waves (reference light = Er and measurement light = Em) for the reference light and the measurement light when the difference in reflectance between the reference plane and the measurement object is large.
세로축은 광검출기의 검출크기를 표시한 것으로, 동일 광세기에서 기준광과 측정광의 반사율차이에 의한 검출크기에 있어 차이를 나타낸다.The vertical axis represents the detection size of the photodetector and shows a difference in the detection size due to the difference in reflectance between the reference light and the measurement light at the same light intensity.
이들 기준광과 측정광이 동일경로상에서 합성되어 간섭계의 광축방향에 대한 미소이동에 따라 (c)의 점선으로 표현되는 작은 검출크기(S)의 간섭신호를 나타내게 된다.These reference light and measurement light are synthesized on the same path to show an interference signal having a small detection size S represented by a dotted line of (c) in accordance with the micro movement in the optical axis direction of the interferometer.
도3의 (b)는 기준면과 측정물과의 반사율 차이가 클 경우, 기준광의 반사율을 조절하여 측정광과 동일한 반사율을 갖도록 했을 경우의 광파(기준광=Er, 측정광=Em)를 표현한 것이다. 즉 기준광의 광세기를 조절하여 측정광과 비슷한 광세기로 조정하면 각 광들의 평균광세기는 같게 된다.FIG. 3B illustrates light waves (reference light = Er and measurement light = Em) when the reflectance difference between the reference plane and the measurement object is large and the reflectance of the reference light is adjusted to have the same reflectance as the measurement light. That is, when the light intensity of the reference light is adjusted to a light intensity similar to the measurement light, the average light intensity of each light becomes the same.
이들 기준광과 측정광이 동일경로상에서 합성되어 간섭계의 광축방향에 대한 미소이동에 따라 (c)의 실선으로 표현되는 큰 검출크기(L)의 간섭신호를 나타내게 된다.These reference light and measurement light are synthesized on the same path to show an interference signal having a large detection size L represented by the solid line of (c) in accordance with the small shift in the optical axis direction of the interferometer.
수학식 1 (I = A2+B2+2ABcos(2k(h-z)+α) = Ik[1+vcos(ΔΦ)] )로부터 From Equation 1 (I = A 2 + B 2 + 2ABcos (2k (hz) + α) = I k [1 + vcos (ΔΦ)])
간섭무늬의 최대복사조도는The maximum illuminance of the interference pattern
Imax= A2+B2+2AB 이며, 이때 ΔΦ =0, ±2nπ (n=1.2.3..)로 보강간섭을 이룬다.I max = A 2 + B 2 + 2AB, where constructive interference occurs with ΔΦ = 0 and ± 2nπ (n = 1.2.3 ..).
간섭무늬의 최소복사조도는 The minimum illuminance of the interference pattern
Imin= A2+B2-2AB 이며, 이때 ΔΦ =0, ±(2n+1)π (n=1.2.3..)로 소멸간섭을 이룬다.I min = A 2 + B 2 -2AB, where the extinction interference occurs as ΔΦ = 0 and ± (2n + 1) π (n = 1.2.3 ..).
단일파장에서의 간섭무늬 가시도 v=(2AB)/ (A2+B2) 로서 동일한 광세기를 가진 광파가 합성될 때 가장 큰 값을 가지며, 간섭무늬의 보강간섭 및 상쇄간섭간의 진폭이 극대화 된다. 이러한 검출크기가 큰 간섭신호의 경우 데이터 획득 및 처리에 있어 카메라 노이즈와 같은 외적 잡음신호의 영향을 배제한 안정적인 신호검출의 효과가 있다.Interference pattern visibility at single wavelength, v = (2AB) / (A 2 + B 2 ), has the highest value when the light waves with the same light intensity are synthesized, and the amplitude between the constructive and destructive interference of the interference pattern is maximized. do. In the case of such an interference signal having a large detection size, there is an effect of stable signal detection that excludes the influence of an external noise signal such as camera noise in data acquisition and processing.
일반적으로 광원의 대역폭(Band width)이 클수록 광간섭 무늬의 가시도 저하는 단일파장에서의 광간섭 가시도보다 더욱 크게 작용한다. 즉, 광대역폭이 큰 광원을 이용하는 백색광 주사 간섭계를 이용한 표면형상 측정장치에 있어서, 기준면과 측정면간의 광반사율 차이는 광간섭 가시도의 저하가 더욱 크게 되고 이는 더욱 작은 간섭신호의 검출크기를 나타내며, 카메라의 고유 노이즈와 같은 외적 잡음신호의 영향에 민감하게 작용하여 간섭신호 분석을 통한 측정결과값의 오차가 더욱 크게 된다.In general, the greater the bandwidth of the light source, the lower the visibility of the optical interference fringe is greater than the optical interference visibility at a single wavelength. In other words, in the surface shape measurement apparatus using a white light scanning interferometer using a wide bandwidth light source, the difference in light reflectance between the reference plane and the measurement plane further decreases the visibility of the optical interference, which indicates a smaller detection signal size. In addition, it is sensitive to the influence of external noise signals such as the inherent noise of the camera, resulting in greater error in the measurement result through the interference signal analysis.
측정물의 형상측정에 있어서 기준광과 측정광의 광반사율을 동일하게 설정하고 이들에 의한 평균광강도를 카메라 검출크기의 반으로 설정하여, 최적화된 간섭신호 가시도에 의해 보강간섭 및 상쇄간섭의 최대 진폭이 카메라의 검출크기 전영역에 걸쳐서 설정되면 간섭신호 검출에 있어서 카메라 노이즈와 같은 측정에 영향을 주는 외적 잡음신호의 영향을 배제한, 안정적인 신호검출이 용이하고, 이는 간섭신호분석을 통하여 측정물의 표면형상 측정값의 오차를 최소화한다.In measuring the shape of the workpiece, the light reflectances of the reference light and the measurement light are set equal to each other, and the average light intensity by them is set to half of the camera detection size, so that the maximum amplitude of constructive interference and destructive interference is achieved by the optimized interference signal visibility. When the detection size of the camera is set over the entire area, it is easy to detect a stable signal, excluding the influence of an external noise signal affecting a measurement such as camera noise in the interference signal detection, which measures the surface shape of the workpiece through the interference signal analysis. Minimize the error of the value.
도4a는 저반사율 시료와 고반사율 시료가 측정영역에 공존하는 이종반사율 측정시료의 표면형상 측정방법을 나타낸 개념도이다.4A is a conceptual diagram illustrating a method for measuring the surface shape of a hetero reflectance measurement sample in which a low reflectance sample and a high reflectance sample coexist in a measurement region.
이종반사율 측정시료에 대하여, 단계1에서 이종의 편광분리 기준면을 통하여 저반사시료와 고반사시료에 대한 간섭신호를 분리한 후, 이종의 광검출기(카메라)를 통하여 이종반사율 시료에 대한 간섭신호를 검출한다. 즉 예로서 광검출기1(216)은 고반사율 패턴(A)에 대한 수직편광 간섭신호를 얻고, 광검출기2(217)는 저반사율기판(B)에 대한 수평편광 간섭신호를 얻는다. 광검출기 내의 점선은 각각의 광검출기에 대한 선택된 검출영역(Region of interest)을 표시한다.For the hetero-reflectance measurement sample, in
단계2에서 각각의 광검출기를 통하여 얻은 간섭신호를 분석하고 광검출기 간의 영상정보의 병합을 통하여 측정시료 전체에 대한 표면형상을 산출한다.In
도4b는 이종반사율 측정시료의 형상측정을 위한 간섭신호 검출방법에 대한 제1 실시예를 나타낸다.Figure 4b shows a first embodiment of the interference signal detection method for measuring the shape of the hetero reflectance measurement sample.
저반사율기판상(B)의 고반사율 패턴(A)이 있는 경우(혹은 반대의 경우로 고반사율 기판상의 저반사율 패턴) 고반사율 패턴(A)를 기준으로 광원(백색광) 조명을 조절한 후 수직편광 간섭을 위한 수직편광기준면(210)의 반사율을 고반사율 패턴(A)과 비슷하게 조절(광투과율 조절필터(209)를 조절)한다. 이때 수평편광 간섭을 위한 수평편광기준면(212)은 저반사율 기판(B)의 반사율과 비슷한 반사율로 조절(광투과율 조절필터(211)를 조절)하여 구성한다.When there is a high reflectance pattern (A) on the low reflectivity substrate (B) (or vice versa, a low reflectance pattern on the high reflectivity substrate), the light source (white light) is adjusted based on the high reflectance pattern (A) and then vertical The reflectance of the vertical
각각의 시료에 최적화된 가시도를 가진 수직편광기준면(210)과 수평편광기준면(212)의 수직편광 혹은 수평편광 간섭신호는 상기에서 설명한 광경로에 의해 광검출기1(216)과 광검출기2(217)로 분리되어 검출된다.The vertically polarized or horizontally polarized interference signal of the vertical
광검출기1(216)은 고반사율 패턴(A)에 대한 수직편광 간섭신호를 얻고, 광검출기2(217)는 저반사율기판(B)에 대한 수평편광 간섭신호를 얻는다.
백색광조명은 고반사율 패턴(A)을 기준으로 조정되어 있어 저반사율 기판(B)의 간섭데이터를 얻는 광검출기2(217)는 감도가 낮아 신호검출이 용이하지 못할 경우, 광검출기2(217)에 대한 감도이득(Gain)을 높여 저반사율기판(B)에 대한 간섭정보를 얻는다.When the white light is adjusted based on the high reflectance pattern A and the
즉 도4a와 같이 단계1에서 고반사율 패턴(A)과 저반사율기판(B)에 대한 간섭신호를 분리하여 각각의 광검출기1(216)과 광검출기2(217)에서 간섭정보를 얻고, 단계2에서 개별 광검출기의 영상의 병합 및 측정결과 조합을 통하여 측정시료의 단차형상을 산출한다.That is, as shown in FIG. 4A, the interference signals for the high reflectance pattern A and the low reflectance substrate B are separated in
도4c는 이종반사율 측정시료의 형상측정을 위한 간섭신호 검출방법에 대한 제2 실시예를 나타낸다.Figure 4c shows a second embodiment of the interference signal detection method for measuring the shape of the hetero reflectance measurement sample.
상기 제1 실시예와의 다른 방법은 저반사율기판(B)을 기준으로 백색광 조명을 조절한 후 수평편광 간섭을 위한 수평편광기준면(212)의 반사율을 저반사율시료(B)에 비슷하게 조절(광투과율 조절필터(211) 조절)한다. 이때 수직편광 간섭을 위한 수 직편광기준면(210)의 반사율은 고반사율 패턴(A)의 반사율과 비슷하게 조절(광투과율 조절필터(209)를 조절)하여 구성한다.The method different from the first embodiment adjusts the white light illumination based on the low reflectance substrate B, and then adjusts the reflectance of the horizontal
각각의 시료에 최적화된 가시도를 가진 수평편광기준면(212)과 수직편광기준면(210)의 수평편광 혹은 수직편광 간섭신호는 광검출기2(217)와 광검출기1(216)에 의해 분리되어 검출된다.The horizontal polarization or vertical polarization interference signals of the horizontal
광검출기1(216)은 고반사율 패턴(A)에 대한 수직편광 간섭신호를 얻고, 광검출기2(217)는 저반사율기판(B)에 대한 수평편광 간섭신호를 얻는다.
백색광 조명은 저반사율기판(B)을 기준으로 조정되어 있어 고반사율패턴(A)의 간섭데이터를 얻는 광검출기1(216)은 높은 광세기로 인하여 포화되어 신호검출을 할 수가 없을 경우, 광검출기1(216)의 노출(Shutter 조정)을 짧게 하여 감지할 수 있는 영역으로 설정 후 고반사율패턴(A)에 대한 간섭정보를 얻는다.When the white light illumination is adjusted based on the low reflectance substrate B, and the
즉 도4a와 같이 단계1에서 고반사율 패턴(A)과 저반사율기판(B)에 대한 간섭신호를 분리하여 각각의 광검출기1(216)과 광검출기2(217)에서 간섭정보를 얻고, 단계2에서 개별 광검출기의 영상의 병합 및 측정결과 조합을 통하여 측정시료의 단차형상을 산출한다.That is, as shown in FIG. 4A, the interference signals for the high reflectance pattern A and the low reflectance substrate B are separated in
상기와 같이 이종반사율 측정시료에 대하여 As described above, for the measurement of dissimilar reflectance
수직 혹은 수평 편광기준면의 반사율을 이종의 반사율시료에 맞도록 조절하는 단계;Adjusting the reflectance of the vertical or horizontal polarization reference plane to match the heterogeneous reflectance sample;
수직 혹은 수평으로 편광분리된 이상적인 간섭신호 가시도를 형성하는 단계;Forming an ideal interference signal visibility polarized vertically or horizontally;
이종 반사율시료에 대한 간섭정보를 얻기 위해 각각의 광검출기 설정을 조정하는 단계;Adjusting each photodetector setting to obtain interference information for the heterogeneous reflectance sample;
광학 간섭계의 미소이동을 통하여 광검출기1과 2로부터 간섭신호를 획득하는 단계;Obtaining an interference signal from
측정시료에 대한 형상정보를 포함한 각각의 광검출기의 간섭신호를 조합 및 분석하는 단계; Combining and analyzing the interference signals of each photodetector including shape information on the measurement sample;
등을 통하여 측정시료의 3차원 형상을 산출한다.The three-dimensional shape of the measurement sample is calculated through the above.
또한 본 발명의 실시예에서는 수직 혹은 수평편광기준면의 반사율을 조절함에 있어 광투과율 조절필터를 적용하는 것으로 하였으나, 이종반사율 시료에 대한 각 기준면으로부터 가시도 높은 간섭신호를 얻기 위하여 In addition, in the embodiment of the present invention, in order to adjust the reflectance of the vertical or horizontal polarization reference plane to apply a light transmittance control filter, in order to obtain a high-visibility interference signal from each reference plane for heteroreflective samples
수평편광기준면 반사율: 수직편광기준면 반사율 = N%: (100-N)%, N=1.2.3..의 고정반사율 기준면으로 구성되고, 이들 기준면으로부터 이종반사율 측정시료에 대한 보다 나은 가시도의 간섭신호를 선택하여 표면형상정보를 획득하는 것도 가능하다.Horizontal polarization reference plane reflectivity: Vertical polarization reference plane reflectance = N%: (100-N)%, consisting of a fixed reflectivity reference plane of N = 1.2.3 .. From these reference planes, better visibility interference to the hetero reflectance measurement sample It is also possible to obtain surface shape information by selecting a signal.
본 발명은 측정면에 대하여 기준면의 반사율을 조절함으로서 측정광과 기준광에 의한 최적화된 간섭신호 가시도를 얻을 수 있고, 또한 저반사율 시료 혹은 측정영역내에 저반사율 시료와 고반사율 시료가 혼재한 이종 반사율 측정시료의 측정에 있어 기존 광간섭을 이용한 측정방법 및 장치가 가지고 있던 단점, 즉 저반사율 시료와 기준면의 반사율차에 의해 간섭신호 가시도가 저하되고 이종반사율 시료에 대한 광검출기의 감도가 달라 보다 정확한 표면형상 측정이 되지 않는 점을 극복할 수 있다.The present invention obtains an optimized interference signal visibility by measuring light and reference light by adjusting the reflectance of the reference plane with respect to the measurement plane, and also a heterogeneous reflectance in which a low reflectance sample and a high reflectance sample are mixed in a low reflectance sample or a measurement region. Disadvantages of measuring methods and devices using conventional optical interference in measuring samples are that the interference signal visibility is lowered due to the difference in reflectance between the low reflectance sample and the reference plane and the sensitivity of the photodetector to the heterogeneous reflectance sample is different. Overcome the lack of accurate surface measurements.
즉 본 발명은 저반사율 시료에 대하여 기준면 반사율을 조절하여 최적화된 간섭신 호 가시도를 형성하고, 이종 광반사율 조절형 기준면을 통하여 이종반사율 측정시료에 대하여 선택적으로 가시도 높은 간섭신호를 분리하여 획득함으로써, 다양한 측정시료에 대하여 가시도 높은 간섭신호를 얻을 수 있는 능동적인 측정대응을 가지는 광간섭을 이용한 측정방법 및 장치이다.That is, the present invention forms an optimized interference signal visibility by adjusting the reference plane reflectance for the low reflectance sample, and selectively separates the interference signal having high visibility for the heterogeneous reflectance measurement sample through the heterogeneous light reflectivity adjustable reference plane. Accordingly, the present invention provides a measuring method and apparatus using optical interference having an active measuring response capable of obtaining interference signals having high visibility with respect to various measurement samples.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PA0201 | Request for examination | ||
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20080522 Patent event code: PE09021S01D |
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Patent event date: 20090102 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20080612 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I Patent event date: 20080522 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |
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| E601 | Decision to refuse application | ||
| PE0601 | Decision on rejection of patent |
Patent event date: 20090121 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PE06012S01D Patent event date: 20080612 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I Patent event date: 20080522 Comment text: Notification of reason for refusal Patent event code: PE06011S01I |