KR20210157969A - 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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임세준
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현대자동차주식회사
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Abstract

복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른, 인라인(In line) 공정에서 이동되는 시료의 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템은, 선형 편광 상태의 광원을 QWP(Quarter Wave Plate)를 통해 원형 편광 상태로 변환하고, 원주렌즈(Cylindrical Lens)를 통해 시료의 폭 방향(X축)으로 라인 조명(Line Illumination) 및 시료의 길이방향(Y축)으로 포인트 빔(Point Beam) 형태로 조사하는 광 발생모듈; 빔 스플리터(Beam Splitter)를 통해 상기 광원을 분리하여 서로 수직방향에 위치한 미러와 상기 시료에 각각 조사하는 광 조사모듈; 편광 분리기와 영상 분광 측정기(Imaging Spectrometer)를 이용하여 상기 시료의 폭 방향의 모든 지점에 대한 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분의 간섭 분광신호를 동시에 측정하는 영상 측정부; 및 상기 영상 분광 측정부에서 취득된 단층 영상 정보를 분석하여 상기 시료의 단층 구조와 복굴절 특성을 특성을 추출하는 제어부;를 포함한다.

Description

복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템 및 그 방법{IMAGING SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING FAULT OF COMPOSITE MEMBRANE}
본 발명은 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다층 복합 박막에 광원을 조사하여 검출된 복굴절 특성을 통해 단층 별 두께와 구조를 측정하는 박막 측정을 위한 영상 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 광학 단층 촬영 기술의 한 종류인 OCT(Optical Coherence Tomography; OCT)는 반사된 빛의 간섭 현상을 이용해 비침습적으로 단층의 구조적 영상을 고해상도로 취득하는 촬영 기술을 의미한다.
OCT 기술은 기존 의료영상분야뿐만 아니라 산업계 생산기술 분야에서의 검사기술로 확대되고 있으며, 생산공정 중에 생산 및 사용되는 시편 등의 단층 두께와 구조적 특성을 검사하기 위해서는 반사된 빛의 편광 상태 변화까지 측정 할 수 있어야 한다.
이에 편광자를 이용하여 기존 OCT의 단층 영상뿐만 아니라 시편의 복굴절 특성과 같은 구조적 특성으로 인한 반사광의 편광 상태 변화를 측정해 추가적인 대조비 영상을 취득하는 PS-OCT(Polarization Sensitive OCT) 기술이 개발되었다.
한편, 종래의 PS-OCT 구현 방법으로는 레퍼런스 암(Reference Arm) 혹은 샘플(Sample)을 촬영하는 대물렌즈를 기계적으로 움직여 한 점에서의 깊이 방향 정보를 취득하는 TD-OCT(Time Domain OCT)와 라인스캔 카메라(Line-scan Camera)로 여러 파장의 간섭 신호를 한 번에 취득하여 주파수 영역에서의 신호처리로 영상을 복원하는 SD-OCT(Spectral Domain OCT)가 있다.
예컨대, 도 1은 종래의 TD-OCT와 SD-OCT의 구성을 각각 개략적으로 나타낸다.
도 1(A)를 참조하면, TD-OCT는 레퍼런스 암(Reference Arm)에서 미러(Mirror)에 의해 반사된 빛과 샘플에서 반사된 빛의 간섭 신호를 광 검출기(Photo Detector)로 검출한다.
그러나, TD-OCT는 레퍼런스 암(Reference Arm에)서 미러(Mirror)의 위치를 기계적으로 바꿔가며 한 점의 깊이 스캔(Depth Scan)을 해야 하므로 영상 취득 속도가 느린 단점이 있다.
또한, TD-OCT는 미러(Mirror)가 대물렌즈(Objective Lens)의 초점심도(Depth of Focus) 내에서만 움직일 수 있어, 깊이 스캔(Depth Scan)의 깊이에 한계가 있으며, 샘플 2D 영역 단층 촬영을 하기 위해서는 기계적인 2D 스캐팅 미러(Scanning Mirror)를 이용해야 한다.
도 1(B)를 참조하면, SD-OCT는 레퍼런스 암(Reference Arm)에서 미러(Mirror)에 의해 반사된 빛과 샘플에서 반사된 빛의 간섭 신호를 그레이팅(Grating)과 라인스캔 카메라(Line-Scan Camera)를 이용해 파장에 따른 간섭 신호를 검출한다.
SD-OCT는 파장에 따른 간섭 신호를 주파수 영역에서 신호처리 하여 깊이 방향에 대한 기계적 스캔 없이 단층 영상을 취득한다.
SD-OCT는 레퍼런스 암(Reference Arm)에서 미러(Mirror)의 위치를 기계적으로 바꿔가며 깊이 스캔(Depth Scan)을 하는 TD-OCT에 비해 영상취득이 빠르다.
그러나, TD-OCT와 마찬가지로 샘플 2D 영역 단층 촬영을 하기 위해서는 기계적인 2D 스캐냉 미러(Scanning Mirror)를 이용해야 한다.
이러한, OCT 기술은 기존 의료영상분야뿐만 아니라 산업계 생산기술 분야에서의 검사기술로 활용되고 있으며, 산업계의 검사기술분야에서는 생체기관과 달리 면적이 넓은 대면적 소재가 많고 생산공정의 인라인(In line) 공정에서 검사/측정이 이루어지는 등의 적용환경을 고려한 시스템 구성이 필요하다.
그러나, 상기 TD-OCT와 SD-OCT 두 기술 모두 2차원 취득 영역(X, Y축)에서의 단층 촬영 영상을 취득하기 위해서는 2D 스캐닝 미러와 같은 광학 기구를 활용한 물리적 스캐닝이 필요하고 점 조명(Point Illumination) 측정 방식에 따른 검사/측정 시간이 오래 걸리는 문제점이 있다. 또한, 제한된 공정시간에 검사/측정을 수행하는 경우 측정범위/검사면적이 제한되어 대면적 시료의 측정/검사에 적합하지 않은 문제점이 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 인라인(In line) 공정에서 박막 시료의 2차원 스캐닝을 1차원 스캐닝으로 변경하여 취득시간을 단축하고 반사광의 편광 상태 변화를 동시에 측정하여 고속 단층별 영상과 복굴절 특성을 취득할 수 있는 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 인라인(In line) 공정에서 이동되는 시료의 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템은, 선형 편광 상태의 광원을 QWP(Quarter Wave Plate)를 통해 원형 편광 상태로 변환하고, 원주렌즈(Cylindrical Lens)를 통해 시료의 폭 방향(X축)으로 라인 조명(Line Illumination) 및 시료의 길이방향(Y축)으로 포인트 빔(Point Beam) 형태로 조사하는 광 발생모듈; 빔 스플리터(Beam Splitter)를 통해 상기 광원을 분리하여 서로 수직방향에 위치한 미러와 상기 시료에 각각 조사하는 광 조사모듈; 편광 분리기와 영상 분광 측정기(Imaging Spectrometer)를 이용하여 상기 시료의 폭 방향의 모든 지점에 대한 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분의 간섭 분광신호를 동시에 측정하는 영상 측정부; 및 상기 영상 분광 측정부에서 취득된 단층 영상 정보를 분석하여 상기 시료의 단층 구조와 복굴절 특성을 특성을 추출하는 제어부;를 포함한다.
또한, 상기 영상 분광 측정기는 상기 편광 분리기와 수직한 위치에 정렬된 회절격자와 단일 2D 영상 센서를 포함할 수 있다.
또한, 상기 편광 분리기는 상기 시료에서 반사된 제1 반사광과 상기 미러에서 반사된 제2 반사광의 간섭광을 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 분리할 수 있다.
또한, 상기 편광 분리기는 월라스톤 프리즘(Wollaston Prism)으로 구성되어 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 분광 된 광을 상기 회절격자를 통해 상기 단일 2D 영상 센서의 서로 다른 공간의 좌표영역에 맵핑할 수 있다.
또한, 상기 편광 분리기는 45도 회전된 편광 빔 스플리터(Polarization Beam Splitter)로 구성되어 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 분광 된 광을 상기 회절격자를 통해 상기 단일 2D 영상 센서의 서로 다른 공간의 좌표영역에 맵핑할 수 있다.
또한, 상기 광 발생모듈은 상기 선형 편광 상태가 아닌 광원 소스를 사용하는 경우 콜리메이터(Collimator, COL)와 상기 QWP 사이에 선형 편광기(Linear Polarizer)가 더 구성될 수 있다.
또한, 상기 빔 스플리터와 미러 사이에는 레퍼런스 암(Reference Arm)에서 빛이 반사될 때 반 파장만큼 편광 상태가 이동하므로 분광 전 상태와 같게 만들기 위하여 상기 미러의 앞에 있는 대물렌즈 앞에 편광기(Polarizer)를 배치할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 단층 영상 정보를 기반으로 상기 시료의 단층별 물리적 두께를 추산할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 단층 영상 정보를 상기 X축 방향으로 평균하여 공기와 박막 및 박막과 박막의 경계면에서 반사신호가 나타나는 X축 방향 평균치 그래프를 도출하고, 특정 임계값 이상의 강한 반사신호를 나타내는 위치를 경계면 근처 지점으로 추정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 경계면 근처 지점을 기준한 위아래의 복수의 N개 지점을 대상으로 질량 중심(Center of Mass)과 가우시안 핏팅법을 사용으로 계산하여 보다 정확한 경계면 위치를 파악할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 경계면 사이의 거리가 개별 박막의 광경로에 해당하며, 상기 광경로는 물질의 물리적 두께와 굴절률의 곱으로 정의되므로 상기 광경로를 해당 물질의 굴절률로 나누어 개별 박막의 물리적 두께를 추산할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 영상 시스템이 인라인(In line) 공정에서 이동되는 시료의 복합막 단층을 측정하는 방법은, a) 선형 편광 상태의 광원을 QWP(Quarter Wave Plate)를 통해 원형 편광 상태로 변환하고, 원주렌즈(Cylindrical Lens)를 통해 시료의 폭 방향(X축)으로 라인 조명(Line Illumination) 및 시료의 길이방향(Y축)으로 포인트 빔(Point Beam) 형태로 조사하는 단계; b) 빔 스플리터(Beam Splitter)를 통해 상기 광원을 분리하여 서로 수직방향에 위치한 미러와 상기 시료에 각각 조사하는 단계; c) 편광 분리기와 영상 분광 측정기(Imaging Spectrometer)를 이용하여 상기 시료의 폭 방향의 모든 지점에 대한 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분의 간섭 분광신호를 동시에 측정하는 단계; 및 d) 상기 영상 분광 측정부에서 취득된 단층 영상 정보를 분석하여 상기 시료의 단층 구조와 복굴절 특성을 특성을 추출하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 b) 단계와 c) 단계 사이에, 상기 시료에서 반사된 제1 반사광과 상기 미러에서 반사된 제2 반사광이 서로 간섭되어 간섭광 형태로 상기 편광 분리기를 향하여 입사되는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 c) 단계는, 상기 편광 분리기를 통해 상기 미러와 상기 시료에서 반사된 간섭광을 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 각각 분광하여 상기 영상 분광 측정기의 회절격자를 통해 단일 2D 영상 센서의 서로 다른 영역에 맵핑하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 편광 분리기는 월라스톤 프리즘(Wollaston Prism) 또는 45도 회전된 편광 빔 스플리터(Polarization Beam Splitter)로 구현될 수 있다.
또한, 상기 d) 단계는, 상기 단층 영상 정보를 기반으로 상기 시료의 단층별 물리적 두께를 추산하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 d) 단계 이후에, 이동수단에 의해 상기 길이방향(Y축)으로 이동되는 상기 시료의 폭(X축)을 연속으로 촬영하여 상기 시료의 2차원 영역(X, Y)에 대한 상기 단층 영상 정보를 연속적으로 취득 및 그 단층 구조와 복굴절 특성을 분석하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 라인 조명(Line Illumination) 방식을 사용하여 단일 측정을 통한 시료의 폭 라인(X축) 공간상의 단층정보를 동시에 측정 할 수 있어 고속 대면적 단층 영상 검사에 최적화 될 수 있는 효과가 있다.
또한, 길이방향(Y축)으로 이동되는 시료(S)의 일정 폭(X축)을 연속적으로 촬영하여 고속으로 시료(S)의 2차원 영역(X, Y)에 대한 단층 영상 취득할 수 있는 효과가 있다.
또한, 편광 분리기를 이용하여 수직 편광 성분과 수평 편광 성분의 간섭광을 단일 2D 영상 센서의 서로 다른 공간의 좌표영역에 맵핑함으로써 부품의 수와 인라인 공정 설비 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 TD-OCT와 SD-OCT의 구성을 각각 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 월라스톤 프리즘(WP)을 이용한 영상 시스템 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 취득된 단층 영상 정보와 단층별 물리적 두께 추산 정보의 예시를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 45도 회전된 편광 빔 스플리터(PBS)를 이용한 영상 시스템 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 영상 시스템의 복합막 단층 측정 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결된다'거나 '접속된다'고 언급되는 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결된다'거나 '직접 접속된다'고 언급되는 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 아니하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 포함한다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템(100)은 공장의 인라인(In line) 공정에 설비된 기구물(미도시)에 의해 장착되며 이동수단에 의해 길이방향으로 이동되는 시료(S)의 일면에 위치된다.
이하 설명에 있어서, 상기 시료(S)의 이동방향/길이방향을 Y축, 시료(S)의 폭 방향을 X축 및 시료(S)의 깊이(Depth, 즉, 높이) 방향을 Z축으로 정의한다.
또한, 상기 시료(S)는 광 투과성 재질의 다층 복합 박막 구조를 가지며, 필요에 따라 박막 시편, 박막 소재, 박막 소자, 박막 필름, 박막 시트 및 박막 패널 등으로 명명될 수 있다.
영상 시스템(100)은 고속 광 간섭 단층 촬영을 위한 조사부(110), 영상 측정부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.
조사부(110)는 광 발생모듈(111) 및 광 조사모듈(112)를 포함한다.
광 발생모듈(111)은 광원 소스(Wave Guide)에서 발생된 선형 편광 상태의 광원을 QWP(Quarter Wave Plate)를 통해 원형 편광 상태로 변환하고, 원주렌즈(Cylindrical Lens, CL)를 통해 X축 상으로는 라인 조명(Line Illumination), Y축 상으로는 포인트 빔(Point Beam) 형태로 광원을 조사한다.
광 조사모듈(112)은 빔 스플리터(Beam Splitter, BS)를 통해 상기 광원을 분리하여 서로 수직방향에 위치한 미러(M)와 시료(S)에 각각 조사한다.
영상 측정부(120)는 2D 영상 센서(121a)와 회절격자(Diffraction Grating)(121b)를 포함하는 영상 분광 측정기(Imaging Spectrometer)(121)와 편광 분리기(122)가 결합된 구조로 모듈화된다. 영상 측정부(120)는 단일 영상 분광 측정기(121)를 이용하여 상기 X축 상의 모든 지점에 대한 수평 및 수직 상태 간섭 분광신호를 동시에 측정하여 시료(S)의 단층 정보를 취득한다.
편광 분리기(122)은 상기 시료(S)에서 반사된 빛(이하, 제1 반사광이라 명명함)과 상기 미러(M)에서 반사된 빛(이하, 제2 반사광이라 명명함)의 간섭광을 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 각각 분리할 수 있다.
영상 측정부(120)는 편광 분리기(122)와 수직한 위치에 정렬된 단일 2D 영상 센서(121a)를 통해 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 분광 된 빛을 동시에 검출할 수 있다.
이러한, 영상 측정부(120)는 이동수단에 의해 길이방향(Y축)으로 이동되는 시료(S)의 일정 폭(X축)을 연속으로 촬영하여 고속으로 시료(S)의 2차원 영역(X, Y)에 대한 단층 영상 취득할 수 있다.
제어부(130)는 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템(100)의 전반적인 동작을 제어하는 컴퓨팅 시스템으로 이를 위한 적어도 하나의 프로그램 및 데이터를 포함한다. 나아가 제어부(130)는 시료(S) 이동수단 등 인라인(In line) 설비들과 연동되어 시료(S)의 이송 중 단층검사 공정을 수행할 수 있다.
제어부(130)는 영상 측정부(120)에서 취득된 단층 정보를 기반으로 시료(S)의 단층별 물리적 두께를 추산한다.
즉, 제어부(130)는 상기 단층 정보를 분석하여 반사광의 편광 상태 변화를 동시에 측정하고 고속 단층별 구조와 복굴절 특성 영상을 취득할 수 있다.
한편, 본 발명의 영상 시스템(100)은 편광 분리기(122)를 월라스톤 프리즘(Wollaston Prism, WP) 또는 45도 회전된 편광 빔 스플리터(Polarization Beam Splitter, PBS)를 이용하여 구현할 수 있다.
예컨대, 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 월라스톤 프리즘(WP)을 이용한 영상 시스템 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 월라스톤 프리즘(WP)를 이용한 영상 시스템(100)의 정면도(A)와 우측면도(B)를 각각 보여준다.
영상 시스템(100)은 인라인(In line) 공정에 설비된 기구물에 의해 장착되며 이동수단에 의해 Y축 방향으로 이동되는 박막 시료(S)의 일면에 수직으로 정렬되며, 조사부(110) 및 영상 측정부(120)및 제어부(130, 미도시)를 포함한다.
조사부(110)는 광원 소스(Wave Guide)에서 발생된 선형 편광 상태의 광원을 QWP(Quarter Wave Plate)를 통해 원형 편광 상태로 변환한다. 여기서, 조사부(110)는 위에 한정되지 않고 상기 선형 편광 상태가 아닌 광원 소스를 사용하는 경우 콜리메이터(Collimator, COL)와 QWP 사이에 선형 편광기(Linear Polarizer)가 더 구성될 수 있다.
조사부(110)는 원주 렌즈(Cylindrical Lens, CL)를 이용하여 박막 시료(S)의 폭 방향(X축)으로는 라인 빔(Line Beam, LB) 형태의 광원을 조사하고, 박막 시료(S)의 이동방향(Y축)으로는 포인트 빔(Point Beam, PB) 형태로 광원을 조사한다.
그리고, 조사부(110)는 빔 스플리터(Beam Splitter, BS)를 통해 상기 광원을 분광하여 서로 수직방향에 위치한 미러(M)와 시료(S)에 각각 조사할 수 있다.
상기 광원은 빔 스플리터(BS)를 이용해 미러(M)에 의해 반사되어 돌아오는 레퍼런스 암(Reference Arm)과 시료를 조사하는 샘플 암(Sample Arm)으로 분광된다. 여기서, 상기 빔 스플리터(BS)와 미러(M) 사이에는 상기 레퍼런스 암(Reference Arm)에서 빛이 반사될 때 반 파장만큼 편광 상태가 이동하므로 분광 전 상태와 같게 만들기 위하여 미러(M)의 앞에 있는 대물렌즈(Objective lens)앞에 편광기(Polarizer, P)를 배치 할 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 영상 측정부(120)는 단일 영상 분광 측정기(121)를 활용하여 라인 조명에 대한 단층 복굴절 특성의 영상을 취득하되, 편광 분리기(122)를 월라스톤 프리즘(WP)으로 구성하여 수직 편광 성분과 수평 편광 성분의 간섭광을 2D 영상 센서(121a)의 서로 다른 공간의 좌표영역에 맵핑하는 것을 특징으로 한다.
영상 측정부(120)는 시료(S)의 X축 공간 좌표별 각각 수직 편광 성분과 수평 편광 성분의 간섭 신호 측정을 위해 월라스톤 프리즘(WP)을 사용하여 편광상태 별로 분광한다. 이후 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 분광 된 광을 회절격자(121b)를 통해 단일 2D 영상 센서(121a)의 서로 다른 공간에 맵핑함으로써 공간별 및 편광상태 별 간섭 분광신호를 동시에 측정할 수 있다. 여기서, 상기 2D 영상 센서(121a)가 LxM의 픽셀로 구성된 센서인 경우 L 픽셀은 공간 좌표에 맵핑되고, 가로축 M픽셀은 반으로 나누어 각각 다른 편광신호의 분광신호를 측정할 수 있다.
제어부(130)는 2D 영상 센서(121a)에서 동시에 취득된 정보를 공간별 좌표와 편광상태 별로 분리하여 분석처리하고 이를 통해 시료(S)의 단층 구조와 복굴절 정보를 추출할 수 있다.
이 때, 제어부(130)는 영상 측정부(120)에서 취득된 단층 영상 정보를 기반으로 시료(S)의 단층별 물리적 두께를 추산할 수 있다.
예컨대, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 취득된 단층 영상 정보와 단층별 물리적 두께 추산 정보의 예시를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 취득된 시편(S)의 단층 영상 정보(A)와 취득된 신호의 X축 방향 평균치 그래프(B)를 보여준다. 단층 영상 정보(A)는 깊이에 따른 지수 함수적 신호 감소를 고려하여 신호를 로그(Log) 스케일로 변환하였다.
제어부(130)는 취득된 단층 영상 정보(A)를 X축 방향으로 평균하여 분석할 경우 공기와 박막, 박막과 박막의 경계면에서 강한 반사신호가 나타나는 X축 방향 평균치 그래프(B)를 도출할 수 있다.
제어부(130)는 상기 경계면의 정확한 위치를 도출하기 위하여, 사용자에 지정된 경계면 근방의 위치나, 별도의 알고리즘을 통해 특정 임계값 이상의 강한 반사신호를 나타내는 위치를 선택한 후 깊이 방향 미분값이 특정값이 이상이 되는 부분을 경계면 근처 지점으로 추정할 수 있다.
제어부(130)는 경계면의 보다 정확한 위치 파악을 위하여, 상기 경계면 근처 지점을 기준한 위/아래의 복수의 N개 지점을 대상으로 아래의 수학식 1과 같은 질량 중심(Center of Mass)과 가우시아 핏팅 법을 사용으로 계산하여 보다 정확한 경계면 위치를 파악할 수 있다.
Figure pat00001
(여기서,
Figure pat00002
는 m번째 경계면 픽셀 위치,
Figure pat00003
는 i+m 픽셀의 반사신호,
Figure pat00004
은 m+i 번째 픽셀을 의미한다.)
위에서 파악된 경계면 사이의 거리가 개별 박막의 광경로에 해당하며(
Figure pat00005
), 광경로는 물리적 두께와 굴절률의 곱으로 정의된다.
그러므로, 제어부(130)는 박막의 물리적 두께는 아래의 수학식 2와 같이 상기 광경로를 해당 물질의 굴절률로 나누어 추산할 수 있다.
Figure pat00006
(여기서, tm은 박막 m층의 물리적 두께, nm은 박막 m층의 굴절률을 의미한다.)
한편, 도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 45도 회전된 편광 빔 스플리터(PBS)를 이용한 영상 시스템 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 45도 회전된 편광 빔 스플리터(PBS)를 이용한 영상 시스템(100)의 정면도(A)와 우측면도(B)를 각각 보여준다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 영상 시스템(100)은 앞서 설명된 제1 실시 예와 유사하며 편광 분리기(122)를 45도 회전된 편광 빔 스플리터(PBS)로 구성한 점만 다르므로 중복되는 설명은 생략하고 다른 구성을 위주로 설명한다.
영상 측정부(120)는 시료(S)의 X축 공간 좌표별 각각 수직 편광 성분과 수평 편광 성분의 간섭 신호 측정을 위해 45도 회전된 편광 빔 스플리터(PBS)를 사용하여 편광상태 별로 분광한다. 여기서, 기존 기술과 같이 편광 빔 스플리터(PBS)를 45도 회전시키지 않을 경우, 수직 및 수평 편광 성분으로 분리 된 광이 수직방향(Z)과 수평 방향(Y)으로 조사되므로 이에 대응되는 두 개의 영상 검출기를 필요로 하여 부품 및 비용이 늘어나고 설비가 복잡해지는 단점이 있다.
이에, 본 발명의 제2 실시 예와 같이, 편광 빔 스플리터(PBS)를 45도 회전하여 편광 분리기(122)를 구현한 경우 단일 영상 분광 측정기(121)를 활용하여 두 개의 편광상태 정보를 동시 측정 가능한 이점이 있다.
즉, 영상 측정부(120)는 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 분광 된 광을 회절격자(121b)를 통해 단일 2D 영상 센서(121a)의 서로 다른 공간에 맵핑함으로써 공간별 및 편광상태 별 간섭 분광신호를 동시에 측정할 수 있다.
한편, 전술한 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템(100)의 구성을 바탕으로 본 발명의 실시 예에 따른 복합막 시료의 단층 측정 방법을 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 영상 시스템의 복합막 단층 측정 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 영상 시스템(100)은 공정 내 이동수단을 통해 시료(S)가 로딩되면 광섬유(Optical Fiber)와 같은 광원 소스(Wave Guide)를 선형 편광 상태의 광원을 발생한다(S1).
영상 시스템(100)은 상기 선형 편광 상태의 광원을 QWP(Quarter Wave Plate)를 이용하여 원형 편광 상태로 변환한다(S2).
영상 시스템(100)은 원주 렌즈(CL)를 통해 시료(S)의 폭 방향(X축)으로는 라인 빔(LB) 형태의 광원을 조사하고, 박막 시료(S)의 이동방향(Y축)으로는 포인트 빔(PB) 형태의 광원을 조사한다(S3).
이 때, 영상 시스템(100)은 빔 스플리터(Beam Splitter, BS)를 통해 상기 광원을 분광하여 서로 수직방향에 위치한 미러(M)와 시료(S)에 각각 조사한다. 즉, 상기 광원은 빔 스플리터(BS)를 이용해 미러(M)에 의해 반사되어 돌아오는 레퍼런스 암(Reference Arm)과 시료를 조사하는 샘플 암(Sample Arm)으로 분광된다.
상기 시료(S)에서 반사된 제1 반사광과 상기 레퍼런스 암(Reference Arm)의 미러(M)에서 반사된 제2 반사광은 서로 간섭되어 간섭광 형태로 편광 분리기(122)를 향하여 입사된다. 상기 편광 분리기(122)는 월라스톤 프리즘(WP) 또는 45도 회전된 편광 빔 스플리터(PBS)로 구성될 수 있다.
영상 시스템(100)은 편광 분리기(122)를 통해 상기 제1 반사광과 제2 반사광을 포함하는 간섭광을 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 각각 분광하여 영상 분광 측정기(121)의 회절격자(121b)를 통해 단일 2D 영상 센서(121a)의 서로 다른 영역에 맵핑한다(S4).
영상 시스템(100)은 편광 분리기(122)로부터 수직 위치에 배치된 단일 2D 영상 센서(121a)에서 촬영된 시료(S)의 단층 영상 정보를 공간별 좌표와 편광상태 별로 분리하여 분석처리하고 이를 통해 시료(S)의 단층 구조와 복굴절 특성을 추출하고 이를 메모리에 저장한다(S5).
이 때, 제어부(130)는 상기 단층 영상 정보를 기반으로 시료(S)의 단층별 물리적 두께를 추산할 수 있다.
이후, 영상 시스템(100)은 위와 같은 방식으로 이동수단에 의해 길이방향(Y축)으로 이동되는 시료(S)의 일정 폭(X축)을 연속으로 촬영하여 고속으로 시료(S)의 2차원 영역(X, Y)에 대한 단층 영상을 연속 취득 및 그 구조를 분석할 수 있다(S6).
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 라인 조명(Line Illumination) 방식을 사용하여 단일 측정을 통한 시료의 폭 라인(X축) 공간상의 단층정보를 동시에 측정 할 수 있어 고속 대면적 단층 구조 검사에 최적화 되는 효과가 있다.
또한, 길이방향(Y축)으로 이동되는 시료(S)의 일정 폭(X축)을 연속적으로 촬영하여 고속으로 시료(S)의 2차원 영역(X, Y)에 대한 단층 영상 취득할 수 있다.
또한, 편광 분리기를 이용하여 수직 편광 성분과 수평 편광 성분의 간섭광을 단일 2D 영상 센서의 서로 다른 공간의 좌표영역에 맵핑함으로써 부품의 수와 인라인 공정 설비 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 영상 시스템 110: 조사부
111: 광 발생모듈 112: 광 조사모듈
120: 영상 측정부 121: 영상 분광 측정기
121a: 2D 영상 센서 121b: 회절격자
122: 편광 분리기 130: 제어부
S: 시료

Claims (17)

  1. 인라인(In line) 공정에서 이동되는 시료의 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템에 있어서,
    선형 편광 상태의 광원을 QWP(Quarter Wave Plate)를 통해 원형 편광 상태로 변환하고, 원주렌즈(Cylindrical Lens)를 통해 시료의 폭 방향(X축)으로 라인 조명(Line Illumination) 및 시료의 길이방향(Y축)으로 포인트 빔(Point Beam) 형태로 조사하는 광 발생모듈;
    빔 스플리터(Beam Splitter)를 통해 상기 광원을 분리하여 서로 수직방향에 위치한 미러와 상기 시료에 각각 조사하는 광 조사모듈;
    편광 분리기와 영상 분광 측정기(Imaging Spectrometer)를 이용하여 상기 시료의 폭 방향의 모든 지점에 대한 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분의 간섭 분광신호를 동시에 측정하는 영상 측정부; 및
    상기 영상 분광 측정부에서 취득된 단층 영상 정보를 분석하여 상기 시료의 단층 구조와 복굴절 특성을 특성을 추출하는 제어부;
    를 포함하는 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영상 분광 측정기(Imaging Spectrometer)는
    상기 편광 분리기와 수직한 위치에 정렬된 회절격자와 단일 2D 영상 센서를 포함하는 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 편광 분리기는
    상기 시료에서 반사된 제1 반사광과 상기 미러에서 반사된 제2 반사광의 간섭광을 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 분리하는 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템.
  4. 제2항에 이어서,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항 항 있어서,
    상기 편광 분리기는
    월라스톤 프리즘(Wollaston Prism)으로 구성되어 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 분광 된 광을 상기 회절격자를 통해 상기 단일 2D 영상 센서의 서로 다른 공간의 좌표영역에 맵핑하는 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항 항 있어서,
    상기 편광 분리기는
    45도 회전된 편광 빔 스플리터(Polarization Beam Splitter)로 구성되어 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 분광 된 광을 상기 회절격자를 통해 상기 단일 2D 영상 센서의 서로 다른 공간의 좌표영역에 맵핑하는 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광 발생모듈은
    상기 선형 편광 상태가 아닌 광원 소스를 사용하는 경우 콜리메이터(Collimator, COL)와 상기 QWP 사이에 선형 편광기(Linear Polarizer)가 더 구성되는 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 빔 스플리터와 미러 사이에는
    레퍼런스 암(Reference Arm)에서 빛이 반사될 때 반 파장만큼 편광 상태가 이동하므로 분광 전 상태와 같게 만들기 위하여 상기 미러의 앞에 있는 대물렌즈 앞에 편광기(Polarizer)를 배치하는 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 단층 영상 정보를 기반으로 상기 시료의 단층별 물리적 두께를 추산하는 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 단층 영상 정보를 상기 X축 방향으로 평균하여 공기와 박막 및 박막과 박막의 경계면에서 반사신호가 나타나는 X축 방향 평균치 그래프를 도출하고, 특정 임계값 이상의 강한 반사신호를 나타내는 위치를 경계면 근처 지점으로 추정하는 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 경계면 근처 지점을 기준한 위아래의 복수의 N개 지점을 대상으로 질량 중심(Center of Mass)과 가우시안 핏팅 법을 사용으로 계산하여 보다 정확한 경계면 위치를 파악하는 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 경계면 사이의 거리가 개별 박막의 광경로에 해당하며, 상기 광경로는 물질의 물리적 두께와 굴절률의 곱으로 정의되므로 상기 광경로를 해당 물질의 굴절률로 나누어 개별 박막의 물리적 두께를 추산하는 복합막 단층 측정을 위한 영상 시스템.
  12. 영상 시스템이 인라인(In line) 공정에서 이동되는 시료의 복합막 단층을 측정하는 방법에 있어서,
    a) 선형 편광 상태의 광원을 QWP(Quarter Wave Plate)를 통해 원형 편광 상태로 변환하고, 원주렌즈(Cylindrical Lens)를 통해 시료의 폭 방향(X축)으로 라인 조명(Line Illumination) 및 시료의 길이방향(Y축)으로 포인트 빔(Point Beam) 형태로 조사하는 단계;
    b) 빔 스플리터(Beam Splitter)를 통해 상기 광원을 분리하여 서로 수직방향에 위치한 미러와 상기 시료에 각각 조사하는 단계;
    c) 편광 분리기와 영상 분광 측정기(Imaging Spectrometer)를 이용하여 상기 시료의 폭 방향의 모든 지점에 대한 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분의 간섭 분광신호를 동시에 측정하는 단계; 및
    d) 상기 영상 분광 측정부에서 취득된 단층 영상 정보를 분석하여 상기 시료의 단층 구조와 복굴절 특성을 특성을 추출하는 단계;
    를 포함하는 복합막 단층 측정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 b) 단계와 c) 단계 사이에,
    상기 시료에서 반사된 제1 반사광과 상기 미러에서 반사된 제2 반사광이 서로 간섭되어 간섭광 형태로 상기 편광 분리기를 향하여 입사되는 단계를 포함하는 복합막 단층 측정 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 c) 단계는,
    상기 편광 분리기를 통해 상기 미러와 상기 시료에서 반사된 간섭광을 상기 수직 편광 성분과 수평 편광 성분으로 각각 분광하여 상기 영상 분광 측정기의 회절격자를 통해 단일 2D 영상 센서의 서로 다른 영역에 맵핑하는 단계를 포함하는 복합막 단층 측정 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 편광 분리기는
    월라스톤 프리즘(Wollaston Prism) 또는 45도 회전된 편광 빔 스플리터(Polarization Beam Splitter)로 구현되는 복합막 단층 측정 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 d) 단계는,
    상기 단층 영상 정보를 기반으로 상기 시료의 단층별 물리적 두께를 추산하는 단계를 포함하는 복합막 단층 측정 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 d) 단계 이후에,
    이동수단에 의해 상기 길이방향(Y축)으로 이동되는 상기 시료의 폭(X축)을 연속으로 촬영하여 상기 시료의 2차원 영역(X, Y)에 대한 상기 단층 영상 정보를 연속적으로 취득 및 그 단층 구조와 복굴절 특성을 분석하는 단계를 더 포함하는 복합막 단층 측정 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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