A high speed measurement of surface profiles by using interferometry is presented. It is realized by using a high speed phase shifting interferometer which utilizes the self-injection locking of a frequency tunable laser diode. By using a confocal Fabry-Perot cavity and a linear modulation of the laser diode current, the laser frequency can be locked to the resonant modes of the Fabry-Perot cavity consecutively, which provides equal phase steps. The phase step error was evaluated to be about 3 MHz which corresponds to 0.2 nm in length measurement. To increase the measurement height, a high speed two-wavelength phase shifting interferometry is presented. With our test setup, the measuring range is extended to 10 $\mu$m by using two injection-locked frequency scanning lasers which offer fast and equidistant phase shifting of interference fringes. A technique to determine the unwrapped phase map in a frequency scanning PSI without the ordinary phase unwrapping process is proposed. This technique was realized in a microscope system. Wide frequency tunable range enabled one to have enough phase step interval despite the shortened difference between the lengths of reference and test arm caused by shortening the coherence length.
Developed method to measure the three-dimensional surface shape is applicable to high speed in-line inspection of spacers in liquid crystal display panels or wafer bumps where measuring range is well determined and high speed measurements are essential.
위상 천이 간섭계를 이용하여 표면의 미세형상의 높이를 고속으로 측정하는 방법을 제안하고 이를 구현하였다.
비접촉식이면서 높은 수직 분해능으로 측정이 가능하여 미세 높이를 측정하는데 유리한 위상 천이 간섭계는 간섭계의 참조거울과 측정대상 표면에서 반사된 빛이 형성하는 간섭무늬의 위상을 조절하여 3장 이상의 간섭무늬 패턴을 얻을 수 있도록 구현하여 이 간섭무늬로부터 두 면 사이의 광경로 차이를 구하여 표면의 높이를 측정하는 방식이다. 이러한 위상 이동 간섭계를 이용하여 고속으로 형상을 측정하기 위해서는 위상을 원하는 간격으로 빠르게 이동시켜 위상이동 된 간섭무늬를 짧을 시간에 취득할 수 있어야 한다. 또한 형상이 복원되는 과정까지 고려한다면 취득한 간섭무늬로부터 높이를 구하는 데 소요되는 시간을 단축하는 것 또한 고려되어야 한다.
이러한 조건에 따라 고속 측정을 구현하기 위해서는 우선 고속 측정에 제약이 되고 있는 기계적인 구동부를 없애고, 레이저 주파수를 변조하여 위상을 이동시키는 방식으로 대체할 필요가 있다. 또한 빠르게 위상 이동을 하면서도 이동 후의 주파수를 반복적이고 안정적으로 제공할 수 있어야 하므로 이를 만족하는 광원을 우선적으로 고안하였다.
고속의 위상 이동 간섭계를 구현하기 위하여 주입 잠금 주파수 스캐닝 레이저를 개발하였다. 전류를 변화시켜 주파수 변조가 가능한 레이저 다이오드를 광원으로 하여 출력광의 일부가 공초점 패브리-페롯 공진기를 비스듬히 투과하게 정렬하여 공진기의 공진 모드가 레이저 다이오드로 주입되도록 하였다. 이는 레이저 다이오드가 공초점 패브리-페롯 공진기의 공진 주파수 근처에서 주파주 잠금 현상을 유발하여 레이저 다이오드의 주파수를 공진기의 공진 주파수 근처에 안정시키게 된다. 본 연구에서 구현한 레이저의 경우, 공초점 패브리-패롯 공진기의 공진 주파수 근처 250 MHz 정도의 구간에서 주파수 잠금 현상이 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 레이저를 광원으로 하여 고속 위상 천이 간섭계 (High speed phase shifting laser)를 구현할 수 있었다. 전기적인 방식으로 주파수10 GHz 정도의 구간을 수 kHz의 속도로 빠르게 조절할 수 있으므로 고속으로 위상을 변화시킬 수 있다. 또한, 공초점 패브리-페롯 공진기로 형성되는 주파수 잠근 효과로 등위상 간격의 간섭신호를 3 MHz의 반복도로 얻을 수가 있었다. 이러한 광학적인 피드백은 전기적으로 빠르게 주파수를 변조하는 중에도 공초점 패브로-페로 공진기의 자유 스펙트럼 영역 간격으로 주파수가 거의 일정한 구간이 생성되도록 하여 빠른 위상 변조를 하면서도 별도의 제어나 주파수 안정화에 소요되는 시간 없이 높은 반복도의 등 간격 위상 구간을 형성하고 이러한 특성으로 고속 측정이 가능한 위상 천이 간섭계가 구현될 수 있었다.
측정 가능한 단차 높이를 늘리기 위하여 두 파장의 광원을 사용하여 간섭무늬 위상의 2$\pi$모호성이 없는 구간을 확장하는 한편, 언랭핑으로 소용되는 신호처리 시간을 단축하기 위하여 언랩핑 없이 위상을 복원하는 방식을 연구하였다. 인접한 픽셀에서 얻어진 광경로차의 차이를 누적 합산하여 측정대상의 높이를 구하는 방법대신 각각의 픽셀에서 얻어진 위상 정보로 높이를 유추하는 방식을 사용하여 계산 처리 시간을 단축하고 이 때 각각의 파장의 차수를 결정하는 과정에서 위상의 오프셋을 고려하는 방식으로 반올림 오차를 줄일 수 있어서 한 파장으로 측정한 결과와 같은 분해능으로 형상을 측정할 수 있었다. 이를 확인 하기 위하여 1 $\mu$m, 2 $\mu$m, 5 $\mu$m 의 게이지 블록을 한 번에 측정하여 0.3 nm 정도의 반복도로 측정된 값을 얻을 수 있었다. 이와 같이 고속 위상 천이 간섭계에 두 개의 파장을 광원으로 사용하여 고속으로 10 $\mu$m정도 까지도 측정가능 영역을 확장할 수 있었다.
수평 분해능을 향상시키기 위하여 현미경 간섭계를 이용하여 고속위상이동 간섭계를 구현하였다. 현미경 간섭계에서는 배율 차이에 의해 가간섭성이 낮아져서 간섭계의 두 팔의 길이 차이가 3 mm 이내가 되어야 가시도가 좋은 간섭무늬를 얻을 수 있다. 따라서 주파주 변조 영역이 큰 DFB 레이저를 광원으로 하여 형상을 측정할 수 있도록 하였고 3 $\mu$m, 10 $\mu$m 단차의 표준인증물질의 단차 패턴을 측정하여 성능을 평가하였다. 또한 실질적으로 고속측정이 요구되는 대상인 LCD의 스페이서와 칼라필터, 그리고 PCB 에서 범프의 높이를 측정하여 산업에서의 기술 활용의 가능성을 확인하였다.
광학적 피드백을 이용한 위상이동 방식은 원리적으로 수 백 kHz 이상 고속측정이 가능할 수 있는 기반을 제공하지만 본 논문에서 반복 측정 비율이 380 Hz 인 카메라를 사용하였기 때문에 30 Hz의 속도로 측정하였다. 고속 촬영이 가능한 카메라와 고속으로 데이터를 처리할 수 있는 데이터 처리 장치를 갖추어 측정 속도는 더욱 향상 가능하다.
고속의 형상측정 기술은 LCD의 스페이서나 반도체 패키징에서 기판 사이의 범프 높이 등과 같이 미세 형상의 높이를 빠르게 측정하여 검사하는 데에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
