KR20100134609A - 물체의 표면 형태를 측정하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

물체의 표면 형태를 측정하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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필립 알 르블랑
빅토르 엠 슈나이더
제임스 피 트라이스
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Abstract

물체의 표면 형태를 측정하기 위한 장치는 제1광 빔을 물체의 표면으로 지향시키고, 상기 제1광 빔과 간섭하면서 제1광 빔에 대해 공간적으로 위상-변위된 제2광 빔을 제공하고, 상기 물체의 표면으로부터 제1광 빔의 반사 및 상기 제2광 빔으로부터 간섭 빔을 발생시킬 수 있는 광학 구성을 포함한다. 상기 장치는 상기 간섭 빔을 검출 및 측정하기 위한 적어도 하나의 라인 스캔 센서를 포함한다.

Description

물체의 표면 형태를 측정하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING SURFACE TOPOGRAPHY OF AN OBJECT}
본 출원은 여기에 참조에 의해 반영된 2008년 2월 21일자 출원된 미국특허출원 제12/070,844호에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 물체의 표면 형태를 측정하기 위한 기술에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 물체의 표면 형태를 측정하기 위한 위상 측정 간섭 방법 및 장치에 관한 것이다.
평판 패널 디스플레이, 능동형 전자장치, 광기전 장치, 및 생물학적 어레이와 같은 장치를 만드는데 사용된 기판은 통상 결함이 거의 없으면서 몇 마이크론 내에 평탄성을 갖는 표면을 가져야만 한다. 따라서, 이들 표면에 대한 비교적 용이한 결함 및 평탄성 검사가 중요하다. 위상 측정 간섭계(PMI)는 표면 형태를 측정하기 위한 광학 간섭기술의 일예이다. 일반적으로, PMI는 물체의 표면과 광 빔의 상호작용을 통해 간섭 패턴을 생성하고 그 간섭 패턴을 검출하는 단계를 포함하며, 그 검출된 간섭 패턴은 표면 형태를 재구성하는데 사용된다. 일반적으로, PMI는 간섭 패턴을 검출하기 위해 영역 스캔 카메라에 의존한다. 그러나, 영역-기반 PMI는 평판 패널 디스플레이와 같은 큰 기판의 고속 검사의 사용에 한계가 있다. 영역 스캔 카메라의 하나의 문제점은 한정된 시야에 있다. 영역 스캔 카메라의 또 다른 문제점은 스케일(scale)하기 어렵다는 것이다. 일반적으로, 영역 스캔 카메라가 클수록 영역 스캔 카메라를 더 복잡하게 하여 더 긴 스캐닝 시간 및 고비용을 야기한다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 물체의 표면 형태를 측정하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
한 형태에 있어서, 본 발명은 물체의 표면 형태를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 (i) 제1광 빔을 물체의 표면으로 지향시키고, (ii) 상기 제1광 빔과 간섭하면서 제1광 빔에 대해 공간적으로 위상-변위된 제2광 빔을 제공하고, (iii) 물체의 표면으로부터 제1광 빔의 반사 및 상기 제2광 빔으로부터 간섭 빔을 발생시킬 수 있는 광학 구성을 포함한다. 또한, 상기 장치는 간섭 빔을 검출 및 측정하기 위한 적어도 하나의 라인 스캔 센서를 포함한다.
다른 형태에 있어서, 본 발명은 물체의 표면 형태를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 제1광 빔을 물체의 표면으로 지향시키는 단계, 상기 제1광 빔과 간섭하면서 제1광 빔에 대해 공간적으로 위상-변위된 제2광 빔을 제공하는 단계, 물체의 표면으로부터 제1광 빔의 반사 및 제2광 빔으로부터 간섭 빔을 발생시키는 단계, 및 적어도 하나의 라인 스캔 센서를 이용하여 간섭 빔을 검출 및 측정하는 단계를 포함한다.
또 다른 형태에 있어서, 본 발명은 물체의 표면 형태를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 제1광 빔을 물체의 표면으로 지향시키는 단계, 상기 제1광 빔과 간섭하면서 제1광 빔에 대해 공간적으로 위상-변위된 제2광 빔을 제공하는 단계, 물체의 표면으로부터 제1광 빔의 반사 및 제2광 빔으로부터 간섭 빔을 발생시키는 단계, 다수의 복사 간섭 빔을 형성하는 단계, 다수의 공간 위상 분할기 중 어느 하나를 통해 각각의 복사 간섭 빔을 전달하는 단계, 및 상기 다수의 공간 위상 분할기와 연관된 다수의 라인 스캔 센서를 이용하여 상기 복사 간섭 빔을 검출 및 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 장점들은 이하의 설명 및 부가된 청구항에 의해 명백해질 것이다.
본 발명은 물체의 표면 형태를 측정하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
이하 수반되는 도면들은 본 발명 통상 실시예를 기술하고 있으며, 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아니며, 본 발명을 위한 다른 동일한 유효한 실시예에도 적용될 수 있다. 도면은 치수를 반드시 정할 필요는 없으며, 도면의 소정 특징 및 소정 도시가 치수에 있어 과장되거나 명확성 및 간결성을 위해 개략적으로 도시될 것이다.
도 1은 물체의 표면 형태를 측정하기 위한 장치의 블록도이다.
도 2는 물체의 표면 형태를 측정하기 위한 트위맨-그린 타입(Twyman-Green type)의 개략도이다.
도 3은 물체의 표면 형태를 측정하기 위한 피조-타입(Fizeau-type)의 개략도이다.
도 4는 선형 픽셀 위상 마스크 및 라인 스캔 센서를 포함하는 이미징 모듈의 개략도이다.
도 5는 선형 픽셀 위상 마스크에 선행하는 1/4 파장판을 갖춘 도 4의 이미징 모듈의 개략도이다.
도 6은 다수의 픽셀 위상 마스크 및 라인 스캔 센서를 포함하는 이미징 모듈의 개략도이다.
도 7은 라인 스캔 센서에 광학적으로 결합된 선형 프리즘 위상 변위기의 투시도이다.
도 8은 도 7의 선형 프리즘 위상 변위기의 정면도이다.
이제, 본 발명은 수반되는 도면에 도시된 바와 같이 몇개의 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 설명될 것이다. 바람직한 실시예를 설명함에 있어서, 다수의 특정 설명들이 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나, 당업자라면 본 발명이 이들 특정 설명들의 일부 또는 모두를 설명하지 않아도 실시될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 다른 예에 있어서, 발명을 불필요하게 불명확하게 하지 않기 위해 공지의 특징 및/또는 공정 단계가 상세히 기술되지 않을 것이다. 또한, 유사한 또는 동일한 참조번호가 공통 또는 유사한 구성요소를 나타내는데 사용된다.
도 1은 테스트 물체(102)의 표면 형태를 측정하기 위한 장치(100)의 블록도이다. 장치(100)는 테스트 물체(102)의 테스트 표면(104)과 광 상호작용을 통해 생성된 간섭 빔 패턴을 측정하는 간섭계(105)를 포함한다. 간섭계(105)는 광 빔을 테스트 표면으로 지향시킨다. 통상 빔 크기는 테스트 표면(104)의 표면 영역보다 더 작다. 간섭계(105)는 테스트 표면(104)의 표면 형태가 재구성될 수 있는 일련의 측정된 간섭 빔 패턴을 획득할 목적으로 이동 스테이지(176)에 탑재되어 테스트 표면(104)을 가로질러 이동된다. 선택적으로, 일련의 측정된 간섭 빔 패턴을 획득할 목적으로 테스트 표면(104)이 간섭계(105)에 대해 이동될 수 있다. 이 경우, 테스트 물체(102)는 테스트 표면(104)과 간섭계(105)간 상대적 이동이 가능하도록 이동 스테이지(도시하지 않음)에 결합될 것이다. 간섭계(105)에 의해 측정되는 테스트 표면(104)은 표면 영역이 작거나 클 수 있다. 테스트 표면(104)은 평평하며, 표면 결함을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 간섭계(105)는 테스트 표면(104)과 기준 표면(도 1에는 도시하지 않음)간 표면 높이 변이를 측정함으로써 테스트 표면(104)에서의 결함을 검출한다. 테스트 표면(104)을 갖는 테스트 물체(102)는 평판 패널 디스플레이, 능동형 전자장치, 광기전 장치, 생물학적 어레이, 및 센서 어레이와 같은 평탄성 및 최소 표면 결함을 갖는 기판을 필요로 하는 장치에 사용하기 위한 기판이 될 것이다. 평판 패널 디스플레이와 같은 장치를 만들기 위한 기판은 예컨대 3m×3m로 매우 클 것이다. 테스트 표면(104)을 갖는 테스트 물체(102)는 글래스, 글래스-세라믹, 및 플라스틱 재료와 같은 의도된 애플리케이션에 적절한 소정 재료로 이루어질 것이다.
간섭계(105)는 간섭 빔 발생기(106), 빔 조절 모듈(108), 및 이미징 모듈(110)을 포함한다. 간섭 빔 발생기(106)는 제1광 빔을 테스트 표면(104)으로 지향시켜 제1광 빔의 반사 및 제2광 빔으로부터 간섭 빔을 발생시키며, 상기 제2광 빔은 제1광 빔과 간섭하면서 제1광 빔에 대해 공간적으로 위상-변위된다. 여기 및 이후 문장에 나타낸 간섭은 일시적인 가간섭이다. 제2광 빔의 위상 변위는 테스트 표면(104)의 형태에 따라 변경된다. 빔 조절 모듈(108)은 간섭 빔 발생기(106)의 광학 구성에 의해 발생된 간섭 빔을 이미징 모듈(110)로 지향시킨다. 빔 조절 모듈(108)은 이미징 모듈(110) 상에 간섭 빔을 형성하고 그 간섭 빔을 포커싱하기 위한 시준 렌즈(collimation lens), 애퍼처(aperture), 및 회절요소와 같은 소정 조합의 옵틱을 포함한다. 이미징 모듈(110)은 간섭 빔 발생기(106)에 의해 발생된 간섭 빔을 검출하여 측정한다. 장치(100)는 이미징 모듈(110)로부터 그 측정된 데이터를 수집하기 위한 데이터 획득 모듈(112)을 포함한다. 데이터 획득 모듈(112)은 이미징 모듈(110)과 통신하기 위한 입력/출력 인터페이스(170), 측정된 데이터를 기록하기 위한 데이터 리코더(172), 및 그 기록된 데이터를 처리하기 위한 데이터 프로세서(174)를 포함한다. 데이터 프로세서(174)는 그 측정된 데이터로부터 테스트 표면(104)의 표면 형태를 재구성하는 프로세스를 실행한다.
간섭계(105)는 위상 측정 간섭계(PMI)에 적절한 트위맨-그린 타입, 피조 타입, 또는 다른 간섭계 타입이 될 수 있다. 그러나, 표면 형태를 측정하기 위한 공지의 PMI-기반 간섭계와 반대로, 간섭계(105)는 선형 옵틱의 시스템을 사용한다. 간섭계(105)는 단일 간섭 빔으로부터 동시에 다수의 간섭량(interferogram)을 검출하여 측정하기 위해 라인 스캔 센서에 기초한 이미징 모듈(110)을 사용한다. 고해상도의 측정을 위해, 간섭계(105)의 모듈들은 이미징 모듈(110)에 의해 검출된 간섭 빔이 거의 선형인 프로파일(profile)을 갖도록 디자인된다.
도 2는 트위맨-그린 구성의 간섭계(105)를 나타낸다. 도 2에 있어서, 간섭 모듈(106)은 테스트 표면(104)을 측정하는데 사용된 광 빔(BI)을 제공하는 광원(114)을 포함한다. 광 빔(BI)은 광원(114)으로부터 근거리 또는 원거리에 있는 능동 및/또는 수동 요소(각각 도시하지 않음)를 이용하여 제공될 것이다. 능동 요소는 광원(114)에서 원거리에 있고, 렌즈, 미러, 및 광섬유와 같은 수동 요소는 원거리 위치로부터 광 빔을 라우트(route)하는데 사용되며, 광 빔은 광원(114)에서 발생된다. 광원(114)에 의해 제공된 광 빔(BI)은 저간섭 레이저 빔 또는 다른 저간섭 광 빔이 될 것이다. 몇몇 실시예에 있어서, 간섭 빔 발생기(106)의 광학 구성은 광 빔(BI)을 원하는 형태로 형성하기 위한 빔 형성기(116)를 포함한다. 이미징 모듈(110)의 성능 강화를 위해, 빔 형성기(116)는 비선형 광 빔, 예컨대 원형 빔을 거의 원형 빔, 예컨대 라인 빔, 거의 타원 빔, 또는 다른 높은 종횡비 빔으로 형성하는 라인 발생기가 바람직하다. 빔 형성기(116)는 예컨대 회절요소 또는 홀로그래픽 확산기일 것이다.
간섭 빔 발생기(106)의 광학 구성은 편광 빔 분할기(122)를 더 포함하고 렌즈(125)를 더 포함한다. 간섭 빔 발생기(106)에 있어서, 광 빔(BI)은 빔 형성기(116)를 통과하여 렌즈(125)에 의해 편광 빔 분할기(122) 상에 포커스된다. 편광 빔 분할기(122)는 광 빔(BI)을 2개의 직교 편광 빔(BT, BR)으로 분할한다. 일반적으로, 광 빔(BR)은 광 빔(BT)과 간섭하면서 광 빔에 대해 공간적으로 위상-변위되거나 위상-분리된다. 간섭 빔 발생기(106)의 광학 구성은 평탄하면서 공지의 표면 형태를 갖는 기준 표면(120)을 갖는 기준 물체(118)를 포함한다. 통상, 기준 물체(118)는 전면 미러(front-surface mirror)이고, 또 기준 표면(120)은 반사 재료로 이루어지거나 코팅된 표면일 것이다. 편광 빔 분할기(122)에 의해 발생된 광 빔(BT, BR)은 각각 테스트 표면(104) 및 기준 표면(120)으로 지향된다. 광 빔(BT, BR)은 각각 테스트 표면(104) 및 기준 표면(120)에 부딪혀, 각각 반사된 광 빔(BTR, BRR)으로 편광 빔 분할기(122)로 다시 반사된다. 그 반사된 광 빔(BTR, BRR)의 경로 길이는 각각의 테스트 표면(104) 및 기준 표면(120)의 형태에 의해 좌우된다.
저간섭 시스템의 경우, 편광 빔 분할기(122)는 이 편광 빔 분할기(122)와 각각의 테스트 표면(104) 및 기준 표면(120)간 광학 길이가 광원(114)의 광학 간섭길이 내에 있도록 테스트 표면(104) 및 기준 표면(120)에 대해 상대적으로 위치된다. 간섭길이는 광학 거리이고, 2개의 광 빔은 이들 위상 관계가 랜덤(random)해지기 전에 이동된다(따라서 간섭 패턴이 생성되지 않는다). 광 빔(BT)이 테스트 표면(104)에 입사되면, 광 빔(BT)의 일부는 반사된 광 빔(BTR)으로서 간섭계(105)로 다시 반사된다. 반사된 광 빔(BTR)은 기준 표면(120)으로부터의 반사된 광 빔(BRR)과 재결합되어 이미징 모듈(110)에서 검출되는 간섭 빔(IB)을 발생시킨다. 만약 광원(114)의 간섭길이가 테스트 물체(102)의 광학 두께보다 2배 이상이면, 테스트 표면(104)을 통과하여 테스트 물체(102)의 배면(103; back surface)으로 전달되는 광 빔(BT)의 일부는 간섭계(105)로 또 다시 반사되고, 간섭 빔(IB)에 기여하여, 반사된 광 빔(BTR, BRR)과 재결합될 것이다. 간섭 패턴에 대한 배면 반사의 기여를 최소화하거나 방지하기 위해, 저간섭길이를 갖는 광원(114)이 요구된다. 일반적으로, 바람직하게 광원(114)의 간섭길이는 테스트 물체(104)의 광학 두께 이하이다. 일반적으로 그리고 보다 바람직하게, 광원(114)의 간섭길이는 테스트 물체(104)의 광학 두께 2배 이하이다. 테스트 물체(102)의 광학 두께는 광 빔(BT)의 입사방향을 따라 측정된 테스트 물체(102)의 두께(T; 간섭계(105)의 측정 아암(arm)을 따라 측정된)와 이 테스트 물체(102)의 굴절률의 곱이다.
1/4 파장판(124, 126)은 각각 편광 빔 분할기(122)와 테스트 및 기준 표면(104, 120) 사이의 광로에 배치된다. 1/4 파장판(124, 126)은 선형 편광을 원 편광으로 그리고 그 반대로 변경한다. 순방향에 있어서, 1/4 파장판(124, 126)은 편광 빔 분할기(122)에서 선형 편광되는 광 빔(BT, BR)을 테스트 및 기준 표면(104, 120)에서 원 편광시키도록 기능한다. 역방향에 있어서, 1/4 파장판은 테스트 및 기준 표면(104, 120)에서 원 편광되는 반사된 광 빔(BTR, BRR)을 편광 빔 분할기(122)에서 선형 편광시키도록 기능한다. 몇몇 실시예에 있어서, 포커싱 렌즈(128)는 편광 빔 분할기(122) 또는 1/4 파장판(124)으로부터의 광 빔(BT)을 테스트 표면(104) 상에 포커스하는데 사용된다. 유사하게, 편광 빔 분할기(122) 또는 1/4 파장판(126)으로부터의 빔(BR)을 기준 표면(120) 상에 포커스하기 위한 포커싱 렌즈(도시하지 않음)가 사용될 것이다.
편광 빔 분할기(122)에서 수신된 반사된 광 빔(BTR, BRR)은 편광 빔 분할기(122)를 빠져나감에 따라 재결합 빔(RB)을 형성한다. 재결합 빔(RB)은 빔 조절 모듈(108)에서 수신되어 간섭 빔(IB)으로서 빔 조절 모듈(108)을 빠져나간다. 이미징 모듈(110)은 간섭 빔(IB)을 검출 및 측정한다. 앞서 언급한 바와 같이, 빔 조절 모듈(108)은 빔을 조절하여 이미징 모듈(110) 상에 포커싱하기 위한 옵틱을 포함한다. 도 2에 나타낸 예에 있어서, 빔 조절 모듈(108)은 재결합 빔(RB)을 이미징 모듈(110) 상에 포커싱하기 위한 포커싱 렌즈(123)를 포함한다. 빔 조절 모듈(108)은 광학적으로 복사(copy)의 재결합 빔을 만들어 이미징 모듈(110)에 그 복사의 재결합 빔을 제공하기 위한 옵틱 모듈(149)을 포함할 것이다. 옵틱 모듈(149)은 예컨대 회절요소 또는 홀로그래픽 확산기를 포함할 것이다. 옵틱 모듈(149)은 이후 상세히 기술하는 바와 같이 이미징 모듈(110)이 간섭 빔을 측정하기 위한 다수의 라인 스캔 센서를 포함할 경우 효과적이다.
도 3은 국제공개공보 WO 2006/080923에 기술한 바와 같은 피조 구성의 간섭계(105)를 나타낸다. 도 3에 있어서, 간섭 빔 발생기(106)는 상술한 바와 같이 테스트 물체(102)의 테스트 표면(104)을 측정하는데 사용되는 광 빔(BI)을 제공하는 광원(114)을 포함한다. 광원(114)에 의해 제공된 광 빔(BI)은 상술한 바와 같은 빔 형성기(116), 1/4 파장판(163), 및 빔 확장 렌즈(162)를 통과한 후, 빔 분할기(160)로 입사된다. 빔 분할기(160)에 부딪힘에 따라 광 빔(BI)은 테스트 물체(102)의 테스트 표면(104) 및 기준 물체(169)의 기준 표면(167) 쪽으로 반사된다. 빔 분할기(160)로부터의 광 빔(BI)은 시준 렌즈(165)에 의해 표면(104) 상에 포커스될 것이다. 도 3에 나타낸 구성에 있어서, 테스트 표면(104) 및 기준 표면(167)은 이들 표면으로부터 반사된 빔(BTR, BRR)이 공간적으로 분리되도록 서로에 대해 틸트(tilt) 및 인라인(inline)된다. 이전 예에서와 같이, 또한 광 빔(BTR, BRR)은 간섭된다. 일반적으로, 바람직하게 광원(114)의 간섭길이는 테스트 물체(104)와 기준 물체(169)의 광학 두께의 합보다 짧다. 일반적으로, 보다 바람직하게 광원(114)의 간섭길이는 테스트 물체(104)와 기준 물체(169)의 광학 두께 합의 2배 이하이다. 테스트 물체(102)의 광학 두께는 상기와 같이 규정된다. 기준 물체(169)의 광학 두께는 기준 물체(169)의 두께(간섭계(105)의 측정 아암을 따라 측정된)와 기준 물체(169)의 굴절률의 곱이다. 도 3에 나타낸 구성에 있어서, 기준 물체(169)는 투명재료로 이루어진다. 기준 물체(169)는 예컨대 평평한 기준 표면(167)을 갖는 투명 렌즈가 된다. 반사된 빔(BTR, BRR)은 빔 분할기(160)를 통과하여 빔 조절 모듈(108)로 수신된다. 빔 조절 모듈(108)에 있어서, 반사된 빔(BTR, BRR)은 시준 렌즈(164)의 초점면의 지점에서 수렴된다. 공간 편광 필터(166)는 시준 렌즈(164)를 떠나는 반사된 광 빔이 직교 편광 상태를 갖도록 시준 렌즈(164)의 초점면에 배열된다. 직교 편광 상태를 갖는 광 빔은 추가로 이미징 렌즈(171) 및 편광 빔 분할기(173)를 통과하여 간섭 빔(IB)으로서 빔 조절 모듈을 빠져나간다. 이미징 모듈(110)은 간섭 빔(IB)을 검출하여 측정한다.
도 1 내지 3에 따르면, 이미징 모듈(110)은 빔 조절 모듈(108) 하류에 배열된다. 몇몇 실시예에 있어서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 이미징 모듈(110)은 공간 위상 분할기로서 선형 픽셀 위상 마스크(130)를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 선형 픽셀 위상 마스크(130)는 반복 패턴의 선형 어레이 편광요소(134)가 된다. 몇몇 실시예에 있어서, 선형 어레이의 편광요소(134)의 배열은 동일한 편광각을 갖는다. 여기서, 편광각은 검출 축 또는 간섭계(도 1~3의 105)의 기준 아암과 관련된다. 각각의 반복 유닛(132)은 각기 다른 편광각을 갖는 편광요소(134)를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 각각의 반복 유닛은 0°, 90°, 180°, 및 270°로부터 선택된 편광각을 각각 갖는 4개의 편광요소를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 각각의 반복 유닛 내의 편광요소(134)는 인접한 편광요소(134)간 편광각의 차가 90°이도록 배열된다. 일예로서, 반복 유닛(132)은 0°의 편광각을 갖는 편광요소(134a), 90°의 편광각을 갖는 편광요소(134b), 180°의 편광각을 갖는 편광요소(134c), 및 270°의 편광각을 갖는 편광요소(134b)의 순차 배열을 포함한다.
도 5는 선형 픽셀 위상 마스크(130)를 선행하는 1/4 파장판(136)을 갖는 도 4의 이미징 모듈(110)을 나타낸다. 1/4 파장판(136)은 원 편광 입사 빔을 선형 편광 입사 빔으로 그리고 그 반대로 변환시키며, 이미징 모듈(110) 내의 입사 빔(IB)이 원 편광 또는 선형 편광되지 않을 경우 유용하다. 도 4 및 5에 있어서, 선형 픽셀 위상 마스크(130)는 각기 다른 위상 지연 또는 위상 변위로 입사 빔의 강도를 인식한다. 다수의 위상 변위가 선형 픽셀 위상 마스크(130) 내에 나타난 다수의 각기 다른 편광 상태에 대응된다. 예컨대, 선형 픽셀 위상 마스크(130)는 편광요소의 반복 유닛을 갖고, 각각의 반복 유닛은 4개의 다른 편광각을 포함하며, 입사 빔에서 측정된 다수의 위상 지연은 4개가 될 것이다. 이것은 이미징 모듈(110)이 동시에 4개의 간섭량을 검출하여 측정하게 한다.
도 4 및 5에 있어서, 이미징 모듈(110)은 픽셀 위상 마스크(130)를 통과하는 간섭량을 검출 및 측정하기 위한 픽셀 위상 마스크(130)와 연관된 라인 스캔 센서(146)를 더 포함한다. 라인 스캔 센서(146)는 선형 어레이의 포토 요소(148)를 포함한다. 도 4 및 5에 나타낸 특정 배열은 라인 스캔 센서(146)의 포토 요소(148)와 선형 픽셀 위상 마스크(130)의 편광요소(134)간 1 대 1 맵핑이다. 라인 스캔 센서(146)는 선형 픽셀 위상 마스크(130)에 나타난 위상 지연 및 각기 다른 편광 상태로 선형 픽셀 위상 마스크(130)를 통과하는 간섭 빔의 강도를 검출 및 측정한다.
도 6은 이미징 모듈(110)이 선형 편광 어레이 138a, 138b, 138c, 138d를 포함하는 예를 도시한다. 일반적으로, 이미징 모듈(110)은 2개 이상의 선형 편광 어레이를 가지는데, 통상 바람직하게는 적어도 3개의 선형 편광 어레이를 갖는다. 각각의 선형 편광 어레이(138a, 138b, 138c, 138d)는 세트의 편광요소를 포함한다. 일예에 있어서, 선형 편광 어레이(138a)는 제1편광각을 갖는 편광요소를 포함하고, 선형 편광 어레이(138b)는 제2편광각을 갖는 편광요소를 포함하고, 선형 편광 어레이(138c)는 제3편광각을 갖는 편광요소를 포함하고, 선형 편광 어레이(138d)는 제4편광각을 갖는 편광요소를 포함하며, 상기 제1, 2, 3, 및 4편광각은 각각 다르다. 일예로서, 제1, 2, 3, 및 4편광각은 0°, 90°, 180°, 및 270°로부터 선택된다. 이러한 배열에 있어서, 각각의 선형 편광 어레이(138a, 138b, 138c, 138d)는 각기 다른 위상 지연 또는 위상 변위로 입사 빔의 강도를 인식한다. 도 5에서와 같이, 각각의 선형 편광 어레이(138a, 138b, 138c, 138d)는 입사 빔이 선형 편광될 경우 1/4 파장판이 선행된다. 선형 편광 어레이(138a, 138b, 138c, 138d)는 각각의 편광 어레이가 단일 편광 상태로 제공되는 것을 제외하고는 선형 픽셀 위상 마스크(도 4 및 5의 130)에 대해 유사하게 동작한다. 4개의 복사된 입사 또는 간섭 빔(IB)은 4개의 선형 편광 어레이(138a, 138b, 138c, 138d)에 요구된다. 4개의 복사된 입사 빔(IB)은 빔 조절 모듈(도 2의 108)의 회절요소 또는 홀로그래픽 확산기와 같은 옵틱 모듈(도 2의 149)에 의해 제공될 수 있다. 4개의 복사된 입사 빔(IB)을 제공하는 옵틱 모듈은 또한 빔 조절 모듈이 아니라 이미징 모듈(110)의 입력단에 위치될 수도 있다.
도 6에 있어서, 이미징 모듈(110)은 각각 선형 편광 어레이(138a, 138b, 138c, 138d)와 연관된 라인 스캔 센서(146a, 146b, 146c, 146d)를 포함한다. 라인 스캔 센서(146a, 146b, 146c, 146d)는 도 4 및 5에 도시된 라인 스캔 센서(146)와 유사하며, 각각 선형 편광 어레이(138a, 138b, 138c, 138d)를 통과하는 간섭량을 측정한다.
도 7 및 8은 공간 위상 분할기로서 그리고 선형 픽셀 위상 마스크(도 4~5의 130 및 도 6의 138a~d) 대신 사용되는 선형 프리즘 위상 변위기(160)를 나타낸다. 선형 프리즘 위상 변위기(160)는 선형 스택으로 배열된 빔 분할기(162), 편광 빔 분할기(164), 빔 분할기(166), 및 프리즘 또는 미러(168)를 포함한다. 스택의 분할기들(160, 162, 164) 및 프리즘 또는 미러(168) 인근에는 각각 선형 스택으로 배열된 베어 판(162a; bare plate), 1/4 파장판(164a), 베어 판(166a), 및 1/4 파장판(168a)이 배치되어 있다. 스택의 판들 인근에는 선형 스택으로 배열된 삼각 프리즘(162b, 164b, 166b, 168b)이 배치되어 있다. 도 8에 따르면, 입사 빔(IB)이 빔 분할기(162)에서 수신된다. 빔 분할기(162)는 입사 빔(IB)을 2개의 광 빔(I1, I2)로 분할한다. 광 빔(I1)은 베어 판(162a)을 통과하여 프리즘(162b)으로 전달된다. 일부의 라인 스캔 센서(도 7의 146)는 프리즘(162b)으로부터의 출사 빔을 수신하기 위해 프리즘(162b)과 일직선으로 정렬될 것이다. 광 빔(I2)은 편광 빔 분할기(164)로 진행되고, 다시 직교 편광 상태를 갖는 2개의 광 빔(I21, I22)으로 분할된다. 광 빔(I21)은 1/4 파장판(164a)을 통과하여 프리즘(164b)으로 전달된다. 일부의 라인 스캔 센서(도 7의 146)는 프리즘(164b)으로부터의 출사 빔을 수신한다. 광 빔(I22)은 빔 분할기(166)로 진행되고, 2개의 광 빔(I221, I222)으로 분할된다. 광 빔(I221)은 베어 판(166a) 및 프리즘(166b)을 통과하여 라인 스캔 센서(도 7의 146)에서 수신한다. 광 빔(I222)의 반사된 빔(I2221)은 1/4 파장판(168a) 및 프리즘(168b)을 통과한다. 일부의 라인 스캔 센서(도 7의 146)는 프리즘(168b)의 출력을 수신한다. 빔 분할기 및 편광 빔 분할기(162, 164, 166, 168)는 바람직하게 출사 빔이 강도에 가깝게 매칭되고 유사한 신호 대 잡음비를 갖도록 디자인 된다.
도 1 내지 3에 따르면, 간섭 빔 발생기(106)는 테스트 물체(102)의 테스트 표면(104)과의 광 상호작용을 통해 간섭 빔을 발생시킨다. 그 간섭 빔(IB)은 빔 조절 모듈(108)을 통과하여 이미징 모듈(110) 상에 포커스된다. 이미징 모듈(110) 내부에서, 입사 빔(IB)은, 그 이미징 모듈(110)의 구성이 사용됨에 따라, 공간 위상 분할기(들)와 집합적으로 연관된 선형 픽셀 위상 마스크(도 4 및 5의 130) 또는 선형 편광 어레이(도 6의 138a~d) 또는 선형 프리즘 위상 변위기(도 7 및 8의 160)에 의해 각기 다른 위상 지연으로 인식된다. 이미징 모듈(110) 내부에서, 라인 스캔 센서(도 4 및 5의 146) 또는 다수의 라인 스캔 센서(도 6의 146a~d)는, 그 이미징 모듈(110)의 구성이 사용됨에 따라, 공간 위상 분할기(들)와 집합적으로 연관된 선형 픽셀 위상 마스크(도 4 및 5의 130) 또는 선형 편광 어레이(도 6의 138a~d) 또는 선형 프리즘 위상 변위기(도 7 및 8의 160)를 통과하는 간섭량을 검출 및 측정한다. 간섭 빔 발생기(106)가 테스트 표면(104)을 가로질러 간섭계(105)의 각각의 위치에 간섭 빔을 발생시키는 동안 간섭계(105)는 테스트 표면(104)을 가로질러 선형적으로 이동한다. 선택적으로, 간섭 빔 발생기(106)가 간섭 빔을 발생시키는 동안 테스트 표면(104)이 간섭계(105)에 대해 선형적으로 이동될 수 있다. 간섭계(105)에 의해 발생된 간섭 빔은 앞서 기술한 바와 같이 이미징 모듈(110)에 의해 검출되어 측정된다. 간섭 빔 발생기(106)에 의해 발생된 각각의 간섭 빔에 대해, 이미징 모듈(110)은 동시에 간섭 빔으로부터 다수의 간섭량을 검출 및 측정한다. 그 측정된 데이터는 데이터 획득 모듈(도 1의 112)로 전송되어, 1985년 Cheng 및 Wyant에 의해 제공된 옵틱, 24, p.3049에 기술된 바와 같은 공지의 기술을 이용하여 표면 형태를 재구성하도록 처리된다.
간섭계(105)의 선형성은 표면 형태 측정 시스템의 확장성을 용이하게 한다. 테스트 표면의 표면 형태를 측정하기 위해, 단지 간섭계(105)의 크기를 하나의 치수 또는 제1치수를 따라 테스트 표면과 일치시키기만 하면 된다. 전체 표면 형태는 간섭계(105)의 측정 동안 제1치수에 거의 직교하는 제2치수를 따라 선형 간섭계(105)와 테스트 표면간 상대적인 이동에 의해 획득된다. 공간 위상 분할기(도 4 및 5의 130; 도 6의 138a~d; 도 7 및 8의 160) 및 라인 스캔 센서(도 4 및 5의 146; 도 6의 146a~d)에 대한 선형 방향으로 필요한 모든 구성요소가 추가되기 때문에 이미징 모듈(110)의 구성요소의 선형 스케일링(linear scaling)이 비교적 용이하면서 저렴하게 행해질 수 있다. 선택적으로, 선형 어레이의 간섭계(105)가 제1선형방향에 따른 테스트 표면을 커버하도록 사용될 수 있으며, 상기 제1선형방향에 거의 직교하는 제2선형방향에 따른 테스트 표면과 선형 어레이의 간섭계(105)간 상대적 이동이 2차원 표면 형태를 생성하는데 사용될 수 있다. 간섭계(105)의 선형성 때문에, 테스트 표면을 갖는 간섭계(105)의 정렬이 비교적 간단하다. 이는 제조 환경에서 온라인 측정을 위한 간섭계(105)의 배치를 용이하게 한다.
장치(100)는 물체의 표면 형태의 온라인 측정을 위해 사용될 수 있다. 그 측정된 표면 형태는 물체의 측정된 표면 상의 결함의 존재를 검출하는데 사용될 수 있다. 평판 패널 디스플레이를 제조하는데 사용된 기판과 같은 물체에 있어서, 이들 결함은 수백 미크론에서 수 밀리미터 정도가 될 수 있고 물체의 측정 표면 상에 어디에든 발생할 수 있다. 측정 표면은 예컨대 3m×3m로 매우 클 것이다. 높이 1 미크론 이하의 결함의 경우, 진동이 문제가 된다. 장치(100)는 테스트 또는 측정 표면의 라인을 따라 이루어진 측정에 영향을 미치는 진동의 영향을 거의 없애기 위해 순간 위상 측정 간섭계(i-PMI)를 이용한다. i-PMI에 있어서, 단일 간섭 빔으로부터 다수의 간섭량이 추출된다. 간섭 빔은 테스트 표면이 거의 "프로즌(frozen)"된 시기에 발생된다. 5 마이크로초 간섭계 노출에서, 20 Hz 주파수 이상 및 50 마이크로미터 진폭 이상의 테스트 표면 진동이 거의 "프로즌"될 것이고, 이는 표면 형태가 정확하게 1 nm 또는 그 이하로 측정될 수 있게 한다. 또한, 고속의 스캔 속도로 간섭계(105)를 그 측정 표면에 대해 이동시킴으로써 최소 로컬 진동 영향으로 2차원 표면 형태가 생성될 수 있다. 고속의 스캔 속도에서, 라인에 따른 측정 및 로컬 영역에 따른 측정 모두 진동이 프로즌된다. 이때, 2차원 표면 형태는 테스트 표면이 거의 "프로즌"되는 시기 동안 캡쳐된 각각의 로컬 형태 측정의 연결이 될 것이다. 각각의 로컬 형태 측정 내에서, 결함의 검출이 일정하면서 신뢰될 수 있을 것이다. 한편, 로컬 결함 표시를 위한 큰 형태 맵을 분석하기 위한 다양한 방법이 존재한다. 그러한 방법 중 한 방법은 그러한 큰 형태 맵을 공간 주파수(또는 스캔 속도 공지로 인한 시간 주파수)의 퓨리에 맵으로 전달하는 단계 및 그 결함을 분리시키기 위해 고역 통과 필터 또는 대역-통과 필터를 제공하는 단계를 포함한다.
장치(100)는 참조로 여기에 반영된 Dockerty에 의해 제시된 미국특허 제3,338,696호 및 제3,682,609호에 기술된 바와 같이 퓨전 드로우 공정을 이용하여 시트 재료를 형성하는 동안 표면 형태를 측정하기 위해 사용될 수도 있다. 퓨전 드로우 공정에 있어서, 시트 재료는 드로우되는 동안 진동과 같은 동작을 격게될 것이다. 만약 간섭계(105)가 그 시트 재료의 진동보다 빠른 속도로 시트 재료를 가로질러 지나갈 경우 고해상도 측정이 이루어질 수 있다.
본 발명이 한정된 수의 실시예들로 기술되었지만, 본 발명은 여기에 개시된 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 이점을 갖는 다른 실시예들이 실시될 수 있다는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 부가된 청구항들에 의해서만 한정될 것이다.
105 : 간섭계, 106 : 간섭 빔 발생기,
110 : 이미징 모듈, 112 : 데이터 획득 모듈,
114 : 광원, 116 : 빔 형성기,
122 : 편광 빔 분할기, 123 : 포커싱 렌즈.

Claims (21)

  1. 물체의 표면 형태를 측정하기 위한 방법에 있어서,
    제1광 빔을 물체의 표면으로 지향시키는 단계;
    상기 제1광 빔과 간섭하면서 제1광 빔에 대해 공간적으로 위상-변위된 제2광 빔을 제공하는 단계;
    상기 물체의 표면으로부터 제1광 빔의 반사 및 상기 제2광 빔으로부터 간섭 빔을 발생시키는 단계; 및
    적어도 하나의 라인 스캔 센서를 이용하여 상기 간섭 빔을 검출 및 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1광 빔 및 제2광 빔은 선형인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 간섭 빔을 검출 및 측정하는 단계는 각기 다른 위상 지연으로 간섭 빔을 인식하는 공간 위상 분할기를 통해 상기 간섭 빔을 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    간섭 빔을 발생시키는 단계는 공지의 형태를 갖는 기준 표면으로 제2광 빔을 지향시키는 단계 및 물체의 표면으로부터 제1광 빔의 반사 및 기준 표면으로부터 제2광 빔의 반사에 의해 간섭 빔을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    적어도 하나의 라인 스캔 센서를 이용하여 간섭 빔을 검출 및 측정하는 단계는 간섭 빔으로부터 다수의 간섭량을 동시에 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    물체의 표면 형태를 재구성하기 위해 간섭량을 이용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 물체의 표면 형태를 측정하기 위한 방법에 있어서,
    제1광 빔을 물체의 표면으로 지향시키는 단계;
    상기 제1광 빔과 간섭하면서 제1광 빔에 대해 공간적으로 위상-변위된 제2광 빔을 제공하는 단계;
    상기 물체의 표면으로부터 제1광 빔의 반사 및 제2광 빔으로부터 간섭 빔을 발생시키는 단계;
    다수의 복사 간섭 빔을 형성하는 단계;
    다수의 공간 위상 분할기 중 어느 하나를 통해 각각의 복사 간섭 빔을 전달하는 단계; 및
    상기 다수의 공간 위상 분할기와 연관된 다수의 라인 스캔 센서를 이용하여 상기 복사 간섭 빔을 검출 및 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 물체의 표면 형태를 측정하기 위한 장치에 있어서,
    (i) 제1광 빔을 물체의 표면으로 지향시키고, (ii) 상기 제1광 빔과 간섭하면서 제1광 빔에 대해 공간적으로 위상-변위된 제2광 빔을 제공하고, (iii) 상기 물체의 표면으로부터 제1광 빔의 반사 및 상기 제2광 빔으로부터 간섭 빔을 발생시키는 광학 구성; 및
    상기 간섭 빔을 검출 및 측정하기 위한 적어도 하나의 라인 스캔 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    물체의 광학 두께 2배 이하의 간섭길이를 갖는 소스 광 빔을 제공하는 광원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    광학 구성은 소스 광 빔을 제1광 빔 및 제2광 빔으로 분할하는 빔 분할기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    광학 구성은 제2광 빔과 상호작용하는 기준 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    광학 구성은 소스 광 빔을 선형 빔으로 형성하는 빔 형성기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 청구항 8에 있어서,
    각기 다른 위상 지연으로 간섭 빔을 인식하기 위한 적어도 하나의 라인 스캔 센서에 광학적으로 결합된 적어도 하나의 공간 위상 변위기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    적어도 하나의 공간 위상 변위기는 편광요소의 선형 배열을 포함하는 선형 픽셀 위상 마스크인 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 청구항 13에 있어서,
    편광요소는 반복 패턴으로 배열되고, 각각의 반복 패턴의 편광요소는 각기 다른 편광각을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 청구항 12에 있어서,
    적어도 하나의 공간 위상 변위기는 선형 프리즘 위상 변위기인 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 청구항 8에 있어서,
    다수의 독립된 라인 스캔 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    각기 다른 위상 지연으로 간섭 빔을 인식하기 위한 다수의 라인 스캔 센서에 광학적으로 결합된 다수의 공간 위상 변위기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    복사의 간섭 빔이 각각의 공간 위상 변위기에 수신되도록 복사 간섭 빔을 형성하기 위한 광학 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 청구항 8에 있어서,
    물체의 표면에 대해 적어도 하나의 라인 스캔 센서 및 광학 구성을 이동시키기 위한 메카니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 청구항 8에 있어서,
    적어도 하나의 라인 스캔 센서로부터 데이터를 수집하고, 표면 형태를 재구성하기 위해 상기 데이터를 처리하기 위한 데이터 획득 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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