레이저 간섭계를 이용한 3차원 표면형상 측정

목차

1. 서론

2. 간섭계를 이용한 표면형상 측정
2-1 두 빛살 간섭계
2.2 Heterodyne I/Q-간섭계
2.3 Homodyne I/Q-간섭계

3. 실험 및 결과

4. 결론

본문내용

광다이오드의 responsivity, 신호빛의 진폭, 기준빛의 진폭을 나타내며 ΔΦ는 신호빛과 기준빛 사이의 위상 차이를 나타낸다. 반면에 PBS3와 PBS4에 의한 간섭신호가 π/2의 위상 차이를 갖기 때문에 PBS4에 의하여 검출된 간섭신호들은 차동증푹기를 거친 후
i78 = REsoElosinΔΦ (13)
가 된다. 따라서,
i_56 over i_78}=tan DELTA phi
(14)
가 되어 신호빛과 표준빛 사이의 위상 차이는 신호빛의 세기 변화에 상관없이
DELTA phi =tan^-1}i_56 over i_78
(15)
로 주어짐을 알 수 있다. 또한 식(12)와 식(13)으로부터
SQRT { i_56^2 + i_78^2}=E_so}E_lo
(16)
가 되어 신호빛의 위상 변화에 상관없이 신호빛의 세기를 측정할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 신호빛과 기준빛 사이의 위상 차이를 신호빛의 세기 변화에 상관없이 측정할 수 있으며 신호빛의 세기 변화를 위상값에 상관없이 측정할 수 있음을 알 수 있다. 따라서 대상 표면을 작은 변위간격으로 이동시켜 가면서 위상 차이의 변화와 세기 변화를 측정하면 위상 차이에 대한 변화로 부터는 표면의 3차원 구조적 변화를 알 수 있고, 세기 변화 신호로 부터는 국부적인 굴절률 변화를 알 수 있다.
3. 실험 및 결과
표면 형상을 3차원적으로 측정하기 위해서 그림 1과 같은 heterodyne 간섭계 및 그림 2와 같은 homodyne 간섭계를 구성한 후, 측정 대상물을 PZT로 변위가 조절되는 stage에 고정시켰다. 측정 대상의 표면은 광축(z축)에 대하여 수직이 되도록 고정시켰으며 컴퓨터로 조절되는 PZT를 이용하여 x축과 y축 방향으로 시료를 움직여 가며 위상의 변화를 측정하였다. 측정된 위상값은 컴퓨터에 의해 변위로 환산되어 이로부터 표면의 3차원 형상을 정밀 측정할 수 있었다. 시료로는 Si 기판 위에 새겨진 미세선 구조, Ra가 각각 0.3μm, 1.5μm인 냉연강판을 사용하였다. 그림 3은 heterodyne 방식으로 측정한 Si 기판 위에 새겨진 미세선 구조로써 3차원 형상이 명확하게 나타나 있다. 그림 4 및 5는 평균 표면조도 0.3μm 및 1.5μm인 냉연강판의 3차원 표면구조이다. 시편으로 사용한 냉연강판의 경우 표면에서의 난반사에 의해 신호빛의 위치에 따른 세기 변화폭이 매우 크기 때문에 RF I/Q-demodulator의 작동 범위를 벗어나 heterodyne 방식이 적합치 않으므로 homodyne 방식으로 측정하였다. 본 측정결과를 상업용 3차원 형상 측정장치와 비교한 결과 이들은 서로 유사한 측정결과를 나타내었다. 또한 실험결과의 신뢰도를 확인하기 위하여 거울면에 대한 3차원 구조를 측정하여 보았다. 그림 6은 homodyne 방식으로 측정한 거울면의 3차원 표면 형상으로써 표면 높이가 균일함을 확인할 수 있다.
본 실험에서는 사용된 PZT의 변위 한계에 해당하는 30 30μm2 영역을 100 100의 data point로 나누어 주사(scan)하여 표면의 형상을 얻었다.
4. 결론
본 논문에서는 표면의 3차원 형상을 높은 해상도로 정밀하게 측정할 수 있는 새로운 진단기기에 대하여 논의하였다. 표면의 3차원 형상을 비접촉식 방법으로 측정하기 위하여 간섭계를 이용하였으며 거칠기가 심한 표면의 3차원 형상을 측정하기 위하여 우리가 개발한 I/Q-간섭계를 이용하였다. I/Q-간섭계는 신호빛의 위상 변화와 세기 변화를 구분하여 측정할 수 있기 때문에 상대적으로 거칠기가 심한 대상 표면에서 국부적인 난반사에 의한 급격한 세기 변화에 상관없이 표면의 3차원 구조를 측정할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 heterodyne 간섭계의 경우에는 위상 변조된 신호의 변조풀이에 사용되는 I/Q-demodulator가 정상적으로 작동하기 위해 신호값의 크기가 주어진 범위 내에서 변해야 하기 때문에 거친 표면의 3차원 형상 측정에는 적합치 못함을 알 수 있었다. 즉, 거친 표면으로부터 반사된 빛의 세기는 위치에 따라 큰 폭으로 변화하기 때문에 RF 신호의 크기가 최적 위상변조 풀이에서 요구되는 신호 크기의 범위에서 벗어나 신뢰성있는 3차원 형상을 얻는데 어려움이 있었다. 따라서 heterodyne 간섭계를 이용한 표면진단 방법은 상대적으로 거칠기가 심하지 않은 반도체 소자의 구조물이나 광학부품의 표면 형상을 얻는데는 이상적이지만, 냉연강판 등과 같이 표면 거칠기가 큰 표면의 진단에는 적합하지 않음을 알 수 있었다.
5. 참고문헌
1. R. Dandiker, R. Thalmann and D. Prongul, Opt. Lett., 13, 339 (1988).
2. R. Dandiker, K. Hug, J. Politch and E. Zimmermann, Opt. Eng., 34, 2407-2412 (1995).
3. J. F. Willemin, R. Dandiker, and S. M. Khanna, J. Acoust. Soc. Am., 83, 787 (1988).
4. R. Dandiker, E. Zimmermann and G. Frosio, Opt. Lett., 17, 679-681 (1992).
5. U. Schnell, E. Zimmermann and R. Dandiker, Pure Appl. Opt., 4, 643-651 (1995).
6. P. F. Luo, Y. J. Chao, and M. A. Sutton, Opt. Eng., 33, 981-990 (1994).
Figure Captions
그림 1. 3차원 표면형상 측정용 heterodyne-I/Q 간섭계의 구성도.
그림 2. 3차원 표면형상 측정용 homodyne-I/Q 간섭계의 구성도.
그림 3. Heterodyne 간섭방법으로 측정한 미세선의 구조.
그림 4. Homodyne-I/Q 간섭계를 이용하여 측정한 냉연강판의 3차원 표면구조 (Ra = 0.3 m).
그림 5. Homodyne-I/Q 간섭계를 이용하여 측정한 냉연강판의 3차원 표면구조 (Ra = 1.5 m).
그림 6. Homodyne-I/Q 간섭계를 이용하여 측정한 거울의 3차원 표면구조.

키워드

레이저,   간섭계,   3차원,   표면형상,   Homodyne I/Q-간섭계,   간섭계를 이용한 표면형상 측정