KR100228036B1

KR100228036B1 - 표면에너지 분포측정장치 및 측정방법

Info

Publication number: KR100228036B1
Application number: KR1019970003804A
Authority: KR
Inventors: 요코 후쿠나가
Original assignee: 니시무로 타이죠; 가부시키가이샤 도시바
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1997-02-06
Publication date: 1999-11-01
Also published as: US5815256A; KR970062684A

Abstract

표면에너지 분포측정장치 및 측정방법에 있어서는 피검기판을 수면중에 삽입하고, 피검기판과 수면과의 접촉부에 생기는 메니스커스의 상태를 대표하는 파라메터를 수면에 따라 측정한다. 이 측정을 피검기판을 하강 또는 상승시키면서 행함으로써, 상기 파라메터를 피검면의 전면에 걸쳐 측정하여 피검면의 표면에너지의 면내분포를 산출한다.

Description

표면에너지 분포측정장치 및 측정방법

본 발명은 반도체 디바이스나 액정디스플레이의 제조에 있어서, 프로세스 조건을 최적화 하면서 관리를 용이하게 하기 위해 이용되는 표면에너지 분포측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 특히 액정디스플레이의 FTT 및 셀형성 프로세스에 있어서 세정, 표면처리, 레지스트 도포나 박리, 배향막 도포나 소성, 러빙 등의 처리를 평가하기 위한 기술에 관한 것이다.

반도체 디바이스나 액정디스플레이의 제조에 있어서, 세정, 표면처리, 레지스트 도포, 박리 등의 처리를 받는 기판 피처리면의 젖음성을 확인하는 것은, 목적의 디바이스 구조나 디바이스 특성을 갖기 때문에 중요한 조건으로 되고, 예컨대 액정디스플레이에 있어서의 TFT형성 프로세스와 같이 대형기판상에 많은 반도체 디바이스가 늘어선 경우에는 젖음성의 면내분포를 균일하게 확보하는 것이 요구되고 있다. 이것은 반도체장치의 소자특성의 균일성에 연관된다. 또한, 통상의 액정셀은 배향막의 표면상태를 제어함으로써 액정을 일정방향으로 배향시키는 것을 원리상의 특징으로 하고 있다. 이 때문에, 안정한 배향을 얻기 위해 표면에너지의 균일성을 확보하는 것이 중요한 과제로 되고 있다.

지금까지 기판 표면에너지를 반영하는 젖음성의 평가법으로서는 [액적법(液滴法)] 및 [호기법(呼氣法)]이 이용되어 왔다.

[액적법]으로는, 기판상에 소량의 액체방울(많은 경우 물방울)을 떨어뜨릴 때 생기는 물방울과 기판면과의 접촉각을 측정하는 것이다. [액적법]은 접촉각을 정량적으로 측정할 수 있는 것이 특징인 반면, 떨어뜨린 부분의 계면에서의 접촉각 밖에 구해지지 않는다는 결점이 있다. 따라서, 기판간 전면에 걸쳐 표면에너지를 측정하기 위해서는 1방울씩 떨어뜨려, 측정의 작업을 반복할 필요가 있고, 목적의 분해능(액정디스플레이에서 말하자면 화소크기)으로 면내분포를 정량화 하는 것은 실질적으로 곤란하다.

한편, [호기법]은 기판 전면에 수증기를 접촉시킴으로써, 기판 전면에 미소한 물방울을 부착시키는 것이다. 기판면내의 표면에너지의 차이에 의해 부착수단(접촉각, 물방울 크기, 물방울 밀도)이 다르기 때문에, 광산란 특성의 차이를 관찰하여 판단함으로써 젖음성의 얼룩을 볼 수 있다. 이 방법은 면내분포를 한눈으로 본다는 특징이 있는 반면, 물방울을 하나씩 하나씩 정량적으로 측정할 수 없기 때문에 정량적인 데이터가 얻어지지 않는다는 결점이 있다.

상술한 바와 같이, 종래의 표면에너지 평가방법에서는 표면에너지의 면내 분포를 정량적으로 구하는 것이 곤란하였다.

본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 기판의 표면에너지 분포를 기판면내에 걸쳐 정량적으로 용이하게 평가하는 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

제1(a), (b)도는 본 발명의 표면에너지 분포의 측정방법을 설명하기 위한 개념도.

제2도는 접촉각의 면내 분포를 나타내는 도면.

제3도는 기체, 액체, 기판의 3중점에서의 힘의 평형을 나타내는 도면.

제4도는 기판에 걸리는 힘을 나타내는 도면.

제5(a), (b)도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면에너지 분포측정장치를 나타내는 도면.

제6도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면에너지 분포측정장치를 나타내는 도면.

제7(a), (b)도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면에너지 분포측정장치의 주요부를 나타내는 횡단면도 및 종단측면도.

제8(a), (b)도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면에너지 분포측정장치의 주요부를 나타내는 횡단면도 및 종단측면도.

제9(a)

(c)도는 광섬유로서 사용되는 번들섬유(bundle fiber)의 구조를 나타내는 도면.

제10도는 본 발명의 제1실시예에 따른 표면에너지 분포측정장치의 시스템 구성도.

제11도는 제10도에 나타낸 장치에 있어서의 메니스커스(meniscus)의 형상의 관측방법을 나타내는 도면.

제12도는 본 발명의 제2실시예에 따른 표면에너지 분포측정장치의 시스템 구성도.

제13도는 제12도에 나타낸 장치에 있어서의 메니스커스의 높이의 측정방법을 나타내는 도면.

제14도는 제12도에 나타낸 장치의 선(line)발광광원으로서의 가는관 형광등의 구조를 나타내는 도면.

제15도는 본 발명의 제3실시예에 따른 표면에너지 분포측정장치의 시스템 구성도.

제16도는 본 발명의 제4실시예에 따른 표면에너지 분포측정장치의 시스템 구성도.

제17도는 본 발명의 제5실시예에 따른 표면에너지 분포측정장치의 시스템 구성도.

제18(a), (b)도는 실험 1에 있어서의 액정디스플레이용 기판의 PI전 세정의 평가 결과를 나타내는 도면.

제19(a), (b)도는 실험 2에 있어서의 액정디스플레이용 배향막의 소성조건의 평가결과를 나타내는 도면.

제20(a), (b)도는 실험 3에 있어서의 액정디스플레이용 배향막의 러빙조건의 평가결과를 나타내는 도면.

제21(a), (b)도는 실험 3에 있어서의 기판에 걸리는 힘의 측정결과를 나타내는 도면.

제22(a), (b)도는 실험 3에 있어서의 액정디스플레이용 배향막의 러빙조건의 평가방법을 나타내는 도면.

본 발명의 제1특징은 표면에너지 분포측정장치에 있어서, 피검면을 갖춘 피검기판을 침적하기 위한 액체를 액면을 형성하도록 수납하는 액체용기와, 상기 피검기판을 지지하면서, 상기 액면에 대해 상기 피검면이 교차하는 상태에서 상기 액체용기내의 상기 액체에 상기 피검기판을 침적하기 위한 지지수단, 상기 피검면과 상기 액면과의 접촉부에 생기는 메니스커스(meniscus)의 상태를 대표하는 파라메터를 수평방향에 따라 광학적으로 측정하기 위한 측정수단, 상기 지지수단을 매개로 상기 액체와 상기 피검기판을 수직방향으로 상대적으로 이동시키기 위한 이동수단 및, 상기 파라메터의 측정치 또는 상기 측정치로부터 산출된 변환치의 상기 피검면상에 있어서의 면내분포를 형성하기 위한 분포형성수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2특징은 표면에너지 분포측정방법에 있어서, 피검면을 갖춘 피검기판을 액체에 침적하는 공정과, 상기 액체의 액면에 대해서 상기 피검면이 교차하는 상태에서 상기 피검면과 상기 액면과의 접촉부에 생기는 메니스커스의 상태를 대표하는 파라메터를 수평방향에 따라 광학적으로 측정하는 공정, 상기 액체와 상기 피검기판을 수직방향으로 상대적으로 이동시키는 공정 및, 상기 파라메터의 측정치 또는 상기 측정치로부터 산출된 변환치의 상기 피검면상에 있어서의 면내분포를 형성하는 공정을 구비한 것을 특징으로 한다.

[실시예]

본 발명은, 피검기판의 피검면을 액체에 담글때에 생기는 메니스커스의 기판과의 접촉각의 [선]의 정보를, 피검기판을 상승 또는 하강시킴으로써 메니스커스의 위치를 시시각각으로 변화시켜 이 [선]의 시계열(時系列)의 정보를 전면에 걸쳐 측정하는 것이다. 구체적으로는, 제1(a)도에 나타낸 바와 같이 피검기판(1)을 물 등의 액체(2)중에 삽입하고, 액체의 액면에 생기는 메니스커스를 측정한다. 예컨대, 피검기판과 액면과의 접촉각(

)을 기판과 액면과의 계면(界面), 즉 선의 정보로서 측정한다. 다음에, 피검기판(1)을 상하방향으로 이동함으로써, 기판전면에 걸쳐 메니스커스의 상태(이 경우 각(

))를 정량적으로 측정하는 것으로, 기판전면에 걸쳐 표면에너지 분포상태를 정량적으로 평가하는 것이 가능하게 된다.

제1(b)도에 나타낸 바와 같이, 피검기판(1)을 상하방향으로 스캔하고 있을 때에 메니스커스의 변화하는 부분(FP)이 관측되게 한다. 이 경우, [선]의 정보를 상하방향으로 연속시킴으로써, 제2도에 나타낸 바와 같이 변화부분(FP)의 [면]의 정보인 얼룩(PEP)을 얻을 수 있다. 제2도는 메니스커스의 상태로부터 접촉각(

)을 산출하여, 접촉각(

)의 면내분포를 가시화한 예를 나타낸다.

이하에, 접촉각 측정의 원리에 대해서 설명한다.

제3도에 나타낸 바와 같이, 액체(2)중에 피검기판(1)을 삽입하면, 기체(4), 고체(1; 피검기판), 액체(2)의 3가지의 상태가 접촉하는 3중점에 있어서, 액체의 형상이 변화한다. 이 3중점에서의 액체의 형상은 [메니스커스(3)]로 부른다. 메니스커스(3)가 일정한 형태를 유지할 때, 기체(4)/고체(1), 기체(4)/액체(2), 액체(2)/고체(1)에서의 계면장력이 메니스커스(3)의 각도(

)에서 균형을 이룬다. 이 때의 3중점에서의 힘의 평형의 관계(Young의 식)를 이하에 나타냈다.

γ_SL

γ_LVcos

+γ_SV

cos

(γ_SV-γ_SL)/γ_LV

단, γ_SL: 고체/액체 계면에서의 계면장력,

γ_LV: 액체/기체 계면에서의 계면장력,

γ_SV: 고체/기체 계면에서의 계면장력,

: 고체/액체 계면에서의 접촉각.

계면장력은 계면 자유에너지의 면적미분이다. 즉, 메니스커스의 형상을 대표하는 파라메터를 측정하는 것은, 계면에너지의 대소관계를 측정하고 있는 것이다. 이것은 표면에너지가 기체와의 계면에너지이기 때문에 메니스커스의 형상을 대표하는 파라메터를 측정한다는 것은, 액체를 프르브로서 표면에너지의 대소를 측정하고 있는 것 밖에 없다.

Young의 식에 있어서는, 메니스커스의 형상의 파라메터로서 접촉각(

)이 들어가 있다. 접촉각(

)의 측정방법으로서는 제3도에 나타낸 바와 같이 3중점으로부터 액체계면에 따라 접선을 그어

를 구하는 방법이 가장 일반적이다. 이하에 나타낸 메니스커스의 높이 h(z(0))와 접촉각(

)의 관계식(Neumann, A. W., Z. Phys. Chem., 14, 339-352(1964))을 이용해서

를 구하는 것도 가능하다.

z(x)

[{2γ_LV(1-sin

)}/{ρ_L-ρ_V)}]1/2

sin

1-z2(x){ρ_L-ρ_V)g/2γ_LV}

단,

: 접촉각,

z(x): 기판표면으로부터의 거리(x)에 있어서의 수평면으로부터의 메니스커스의 높이,

ρ_V: 기체의 비중,

ρ_L: 액체의 비중,

g: 중력가속도,

γ_LV: 액체/기체 계면에서의 계면장력.

여기서, (x, z)는 메니스커스 표면의 위치의 좌표이고, x는 피검면과 직각인 방향에 있어서의 액체/기판 계면으로부터의 수평거리, z는 평평한 액면으로부터의 수직거리를 표시한다. 따라서, x

0일 때의 z의 값이 피검면상에 있어서의 메니스커스 표면의 위치, 즉 평평한 액면으로부터 메니스커스의 선단까지의 높이로 된다. 기체 및 액체의 조성, 온도, 압력이 일정한 조건인 것으로, z(x)는

만의 함수로 된다.

메니스커스의 표면의 곡선형상[복수의 (x, z)좌표의 조(組)]로부터

를 구하는 경우에는 γ_LV를 동시에 구하는 것이 가능하게 된다. 바꾸어 말하면, 메니스커스의 표면의 곡선형상으로부터

를 구하는 것은 메니스커스 표면의 곡선에 따른 복수장소의 2차원 좌표를 측정하고, 이것에 기초해서

를 산출하는 것을 말한다. 또한, γ_LV측정용의 기판(후에 기술하는 Wilhelmy Plate)을 이용하여 γ_LV에 실험치를 대입하는 것으로 측정밀도를 향상시킬 수 있다.

그 외에,

를 간접적으로 측정하는 방법으로서 기판을 인장하는 힘(F)을 측정하는 방법이 있다. 이하에 기판을 인장하는 힘(F)에 의해 접촉각(

)을 구하는 방법에 대해서 설명한다.

제4도에 나타낸 바와 같이, 액체(2)중에 삽입한 피검기판(1)이 일정위치에 유지되어 있을 때, 힘의 평형이 성립하고 있다. 이 때의 기판에 걸리는 힘을 나타내는 식(Neumann의 식)을 다음과 같이 표시한다.

F

Mg-

_V _LV

단, F: 평형을 유지하기 위한 상향의 힘,

Mg: 중력,

_V

γ_LV: 기체/액체 계면에서의 계면장력,

: 액체/기체의 접촉각,

L: 기판의 주위길이.

힘의 평형식에 있어서, Mg, L은 정수,

_V는 기판의 잠겨져 있는 체적이 일정한 것에서는 정수이고, 또한 γ_LV에 대해서도 액체 및 기체의 조성(분압), 온도가 일정한 조건인 것에서는 정수로 되고, F는

에만 의존한다. 따라서, F의 측정에 의해

를 구하는 것이 가능하다.

기판을 인장하는 힘의 측정은, 접촉각(

)뿐만 아니라 γ_LV를 구하는 정수로서도 사용할 수 있다. 그 경우에는 γ_LV를 측정하기 위한 기판(Wilhelmy Plate)을 별도 준비하고, 본원 발명의 표면에너지 분포측정장치에 추가하는 것이 유효하다.

이하에, 접촉각의 측정에 필요한 하드웨어의 기본구성에 대해서 설명한다.

우선, 접촉각 측정에 불가결한 액체 및 기체에 대해서 설명한다. 측정원리에 의해 알 수 있는 바와 같이, 액체 및 기체는 피검기판의 표면에너지를 측정하기 위한 프르브에 불과하다. 따라서, 본 발명에 이용하는 액체 및 기체의 종류는 측정원리에 있어서 규정되는 것은 아니다. 액체로서는 기체의 분위기를 일정하게 유지하기 위해 휘발성이 낮은 것이 바람직하다. 휘발성이 높은 액체를 이용하는 경우에는, 기체의 분위기(온도, 분압)를 일정하게 유지하기 위한 유니트가 필요하다. 기체로서는 기판에 흡착해서 γ_SV가 변화하는 것을 피하기 위해 불활성기체가 바람직하다. 취급의 용이성을 고려하면, 액체로서는 물, 기체로서는 N₂또는 공기가 바람직하다. 액체에 대해서는 알칸, 에틸렌글리콜, 수은, 액정을 사용할 수도 있다.` 액체의 온도를 일정하게 유지하기 위한 온도조절 유니트를 겸하고 있는 것이 바람직하다. 이하에, 본 발명에 이용하는 액체로 상압의 공기와의 계면장력, 즉 표면장력이 이미 알려져 있는 것에 대해서 그 값을 나타낸다.

더욱이, 표면장력의 분산력성분(γ^d _L), 쌍극자성분(γ^p _L), 수소결합성분(γ^h _L)이 이미 알려진 3가지 이상의 액체를 이용해서 동일한 피검기판에 대해 각각의 액체에 대해서 접촉각 분포를 측정함으로써, 피검기판의 표면장력의 분산력성분(γ^d _L), 쌍극자성분(γ^p _L), 수소결합성분(γ^h _L)을 구할 수 있다. 이 용도로 사용하는 액체로서는 예컨대, n-헥산, n-헥사데칸, α-프로모나프탈렌, 옥화메틸렌, 홀룸아미드, 물 등이 있다. 특히, 물, 옥화메틸렌 α-프로모나프탈렌의 3종류의 액체를 이용하는 것이 실용상 유효하다. 이하에, 이 3종류의 액체의 20℃에 있어서의 표면장력의 각 성분을 나타낸다.

다음에, 액체용기의 소재에 대해서 기술한다. 액체용기로서는 불순물(특히, 금속이온 등)의 용출을 피하기 위한 재질을 이용한다. 구체적으로는 불소계 수지재질 또는 불소계 수지의 표면도금을 이용하는 것이 바람직하다.

무알카리글라스 또는 석영글라스에 실란 처리 등을 실시해서 소수화(疏水化)한 것도 유효하다. 진동에 민감한 메니스커스를 측정하기 때문에, 액체용기는 방진(防振)대 위에 위치시킨다. 액표면을 항상 청정하게 유지하기 위해, 표면의 오염된 액을 빨아올리는 [액면세정 유니트]를 설치하는 것이 바람직하다.

다음에, 기판지지 유니트의 상하 이동기구에 대해서 설명한다.

여기서의 기판지지 유니트는 기판의 상단을 지지하는 것으로, 모터에 연결되어 있고, 기판을 지지한 상태로 상승 및 하강하는 기능을 갖춘다. 측정중의 기판의 이동속도는 일정하게 하는 것을 기본으로 한다. 기판의 상하 이동 속도는 100[mm/s]이하, 이동속도의 오차는 ±0.1[%] 이내로 하는 것이 바람직하다.

다음에, 표면에너지의 분포의 표시파라메터에 대해서 설명한다.

본 발명에 있어서는, 기판의 상승/하강에 의해 메니스커스의 기판에 있어서의 위치를 스캔하기 위해 엄밀하게는 동적인 접촉각을 측정한다. 기판하강시의 접촉각

a는 [전진접촉각], 기판상승시의 접촉각

r은 [후퇴접촉각]으로 칭하고, 일반적으로

a>

r이다. 본 발명에 있어서의 표면에너지의 면내 분포의 표시방법으로서는

a,

r중 어느 한쪽을 측정하고,

a,r 또는 cos

a, cos

r중 어느 한쪽의 면내분포로서 표시하는 것도 가능하게 하고, [전진접촉각]과 [후퇴접촉각]의 차의 평균, 즉

(cos

r-cos

a)/2 또는 arccos[(cos

r-cos

a)/2]의 면내분포로서 표시하는 것도 유효하다. γ_LV가 이미 알려진 경우에는 γ_LVcos

r, γ_LVcos

a, γ_LV(cos

r-cos

a)/2의 3가지의 파라메터중 어느 하나로 표시하는 것도 유효하다.

이하에, 피검기판의 표면장력의 분산력성분(γ^d _L), 쌍극자성분(γ^p _L), 수소결합성분(γ^h _L)의 계산방법에 대해서 기술한다. 계산식의 도출방법에 대해서는 문헌(표면장력의 이해를 위해; 이노모토 미노루著 고분자간행회(1992))을 참조한다.

γ_L(1+cos

)

2(γ^d _L

γ^d _S

γ^p _L

γ^p _S

γ^h _L

γ^h _S)

γ^d _L: 액체의 표면장력(분산력 성분),

γ^p _L: 액체의 표면장력(쌍극자력 성분),

γ^h _L: 액체의 표면장력(수소결합 성분),

γ^d _S: 고체의 표면장력(분산력 성분),

γ^p _S: 고체의 표면장력(쌍극자력 성분),

γ^h _S: 고체의 표면장력(수소결합 성분).

피검기판의 각 좌표에 대해서, γ^d _L, γ^p _L, γ^h _L를 계산하고, γ^d _S, γ^p _S, γ^h _S각각에 대해서 면내분포를 표시하는 것이 유효하다.

또한, 접촉각

의 측정방법으로서는, 상슬한 바와 같이 메니스커스의 높이를 측정하는 방법과, 메니스커스의 형상(메니스커스의 표면의 곡선에 따른 복수개소의 2차원 좌표)을 측정하는 방법이 있다. 이들의 측정은, 광학적 측정부재를 이용하여 메니스커스에 있어서의 밝기의 대조를 관측함으로써 행할 수 있다.

메니스커스의 높이를 측정하는 방법에 있어서, 광학적 측정부재가 피검면의 폭의 전체에 걸쳐서 존재하는 광검출부를 갖는 경우는 [선]의 정보를 일괄하여 얻을 수 있다. 제5(a)도는 메니스커스의 엣지선 방향(메니스커스의 선단에 의해 규정되는 실질적으로 수평인 선에 있어서의 지배적인 방향)과 평행하게 배열한 복수의 광센서소자군(5e)으로부터의 정보를 모니터 디스플레이(MD)로 화상처리함으로써, [선]의 정보를 일괄하여 얻는 시스템을 나타낸다. 제5(b)도는 메니스커스의 엣지선 방향과 평행하게 광섬유(8)를 배치하고, 광센서를 내장하는 모니터디스플레이(MD)에 [선]의 정보를 일괄입력하는 시스템을 나타낸다.

메니스커스의 높이를 측정하는 방법에 있어서는 광학적 측정부재가 점형상의 광검출부를 갖추는 경우는, 이것을 메니스커스의 엣지선 방향에 따라 이동시키면서 [점]의 정보를 점차 입력함으로써, [선]의 정보를 얻을 수 있다.

예컨대, 제6도에 나타낸 바와 같이, 모니터 디스플레이(MD)에 접속된 단일 광센서(5)를 횡방향으로 이동가능한 홀더에 지지시켜 스캐닝 조작 가능하게 한다.

한편, 메니스커스의 형상을 측정하는 방법은, 예컨대 메니스커스의 표면에 대해 기울어져 횡으로부터 광을 조사하고, 그 반사광을 광학적 측정부재로 검출함으로써 행할 수 있다.

제7(a), (b)도는 그 일례의 각각 횡단면도 및 종단면도를 나타낸다. 여기서, 선광원(7)이 메니스커스의 엣지선 방향에 대해서 직각으로 또 수면에 대해서 약 45도로 배치된다. 또한, 메니스커스 표면으로부터의 반사광을 받도록 광센서(8)가 배치된다. 선광원(7) 및 광센서(8)가 쌍을 이룬 상태에서 이들을 일체적으로 메니스커스의 엣지선 방향으로 이동함으로써, [선]의 정보를 얻을 수 있다. 또, 선광원(7)으로부터 광을 평행광으로 함과 동시에 피검부에만 광을 조사하도록 하기 위해, 콜리메터렌즈(7a) 및 슬릿(7b)이 배치된다. 제8(a), (b)도는 광센서(8) 대신에 후술하는 PSD어레이(9)를 사용한 경우의 각각의 횡단평면도 및 종단측면도를 나타낸다.

광학적 측정부재의 검출단자로서는 포토다이오드를 이용하는 것이 유효하다. 보다 구체적으로는, 2차원으로 분할된 포토다이오드를 이용한 고체 이미지센서인 CCD(Charge Coupled Device), CPD(Charge Priming Device), MOS(Metal Oxide Semiconductor)를 이용한다.

제8(a), (b)도에 나타낸 바와 같이, PSD(Position Sensitive Detectors)어레이를 이용하는 경우에는 PSD어레이와 동등한 크기의 선광원을 엣지선 방향과 직각으로 배치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 각각의 PSD의 긴변은 엣지선 방향에 따라 배치하고, 이 선광원과 2차원 PSD를 일체로 해서 엣지선 방향으로 이동시킨다. 이 경우도, 검출단자를 지지하는 부재 등을 모터에 접속하고, 모터를 일정속도로 이동시킴으로서 스캔조작을 행한다.

광섬유로서 제9(a)

(c)도에 나타낸 바와 같은 번들섬유(BF)를 이용할 수 있다.

제9(a)도는 번들섬유(BF)의 전체를 나타낸 선 도면, 제9(b)도는 그 선단의 입사구(DP)내를 확대해서 나타낸 횡단정면도, 제9(c)도는 입사구(DP)내에 있어서의 광섬유(OF)의 상태를 더욱 확대해서 나타낸 종단정면도이다.

입사구(DP)를 갖춘 케이스(CA)내에 복수의 광섬유(OF)가 수납된다. 입사구(DP)는 길이(L) 및 폭(W)을 갖추고, 그 길이(L)의 긴변이 메니스커스와 평행하게 되도록 배치된다. 광섬유(OF)의 타단부는 광센서(SE)에 접속된다. 광섬유(OF)는 경계붕(棚) PP로 구획되어 규칙적으로 늘어서게 되고, 충전제(FI)에 의해 고정된다. 또, 도면 중 FS, FC는 각각의 광섬유의 코어 및 피복을 나타낸다.

본 발명에 있어서, 액면의 높이방향의 분해능은 높은 것이 필요하지만, 수평방향은 원래 물의 중력의 영향으로 원리상 분해능이 제한되어 있다. 따라서, 경계붕 PP에 의해 수평방향으로 광섬유를 늘어놓아도 실질적인 문제가 생기지 않는다.

광센서로서는 상술한 포토다이오드류 중 CCD, CPD, MOS를 이용하는 것이 유효하다. 광원으로서는 메니스커스 전체를 조사 가능한 것을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 섬유와 메니스커스간에 메니스커스의 엣지선 방향에 따라 실린드리컬렌즈를 추가함으로써 열점합을 행해, 메니스커스의 높이방향의 분해능을 올리는 것이 유효하다. 광섬유의 길이는 측정하는 기판의 길이에 맞추어 설정한다. 광섬유의 폭은 100[㎛]이상인 것이 바람직하다.

[제1실시예]

제10도는 본 발명의 표면에너지 분포측정장치의 제1실시예의 시스템 구성을 나타낸 것이다. 이하에 각각의 부품에 대해서 설명한다.

수평인 피검면을 갖춘 방진대(11)상에 액체용기(10)가 배치되어 있다.

액체용기(10)는 알루미늄 블록을 봉합하여 만들어지고, 표면은 불소도금되어 있다. 액체용기(10)는 순수한 물(또는 이온교환수)로 이루어지는 액체(2)로 채워지고, 액체온도 조절유니트(12)에 연결되어 있다. 액체온도 조절유니트(12)는 온도조절기능과 순환기능을 가지고 있기 때문에, 이것에 의해 액체용기(10)의 온도는 ±0.5℃정도로 일정하게 유지된다.

Wilhelmy Plate(13)는 액체의 표면장력을 측정하기 위한 판이다. Wilhelmy Plate(13)로서는 완전 젖음성(접촉각

0°)의 재질이 이용된다. 구체적으로는 여과지, 인쇄 글라스를 이용한다. 이 Wilhelmy Plate(13)에 걸리는 힘을 Wilhelmy Plate(13)에 연결된 차동트랜스(14; 예컨대, 변형게이지)에 의해 측정하고, 수단에서 기술한 Neumann의 식에

0℃를 대입한 아래식

F-Mg-

_V+γ_LV

γ_LV: 액체의 표면장력,

F: Wilhelmy Plate가 물에 담근 상태에서 차동트랜스에 걸리는 힘,

Mg: Wilhelmy Plate가 공기중에 있는 상태에서 차동트랜스에 걸리는 힘,

L: 기판의 물에 잠겨져 있는 주위 길이.

를 이용해서 γ_LV를 구한다. 여과지를 이용하는 경우에는

_V는 무시할 수 있다(

_V

0).

액면세정 유니트(15)는 로터리 펌프(16)와, 액체병(17) 및, 노즐(18)을 조합시킨 것으로, 밸브(19)를 여는 것에 의해 노즐(18)이 액체표면의 오염을 흡입하고, 흡입된 액체를 액체병(17)에 모은다. 액면세정노즐(20)의 높이를 조절함으로써 액면의 높이를 조절하는 것이 가능하게 된다. 액면의 높이로서는 액체용기의 단면(端面)보다 1

3[mm]솟아 오르도록 한다(물의 표면장력을 이용한다).

액면의 세정은 기판을 물에 담그기 직전에 행한다. 세정의 경우에는 경계판(21)을 X축 모터(22)를 콘트롤러(22)를 매개로 조절함으로써 Wilhelmy Plate(13)의 앞까지 이동시켜 이 상태로 액면세정노즐(20)로 액체표면의 오염을 흡입한다. Wilhelmy Plate(13)에 걸리는 힘으로부터 계산되는 물의 γ_LV가 표 1의 값(72.75)에 근사하게 된(

표면의 오염이 되었다) 것을 확인한 후에, 재차 경계판(21)을 X선모터(22)에 의해 액체용기(10) 좌단(左端)근방까지 이동시킨 후에 측정에 들어간다.

피검기판(1)은 그 상단을 기판지지 유니트(23)에 의해 유지된다. 기판지지 유니트(23)는 Z축모터(24)에 연결된다. Z축모터(24)의 이동은 콘트롤러에 의해 제어된다.

메니스커스의 형상은 제11도에 나타낸 바와 같이 선광원(25)과 CCD(26)를 조합시킴으로써 관측된다. 선광원(25)과 CCD(26)는 일체로 해서 Y축모터(27)에 연결되어 Z축모터(24)를 움직이면서 Y축모터(27)도 움직이게 된다. Y축의 스캔속도는 Z축의 스캔속도에 비해 충분히 크도록 설정된다. Y축 및 Z축에 있어서의 위치 및 그 위치에 있어서의 메니스커스의 형상의 정보는 화상처리장치를 내장하는 CPU(5)에 순차전송되고, 수단에 기술한 아래식에 의해 접촉각(

)이 계산된다.

z(x)

[2γ_LV(1-sin

)/(ρ_L-ρ_V)g]

z(x)의 기준으로 되는 액면(z

0)에 대해서 레이저 변위계(51)에 의해 수평면에서의 액면의 높이를 측정함으로써 구해진다. 또, Y축모터의 흔들림을 보정하기 위해서는 레이저 변위계(51)를 CCD에 일체적으로 연결하는 것이 바람직하다.

CCD(20)로부터의 신호에서 산출된 접촉각(

)의 [선]의 정보는 Z축의 스캔조작에 따라 수직방향에 순서로 축적된다. CPU(50)는 [선]의 정보를 축적에 기초해서 접촉각(

)의 피검면상에 있어서의 면내분포, 즉 표면에너지 분포를 형성하고, 이것을 모니터 디스플레이(MD)상에 표시한다.

[제2실시예]

제12도는 본 발명의 표면에너지 분포측정장치의 제2실시예의 시스템 구성을 나타낸 것이다. 이하에, 각각의 부품에 대해서 설명한다.

제1실시예와 공통인 경계판(21) 및 그 제어계, 액체온도 조절유니트(12), 액면세정 유니트(15), 방진대(11), Wilhelmy Plate(13) 및 차동트랜스(14)에 대해서는 설명을 생략한다. 액체로서는 제1실시예와 동일한 물을 이용하고 있다.

본 실시예에 있어서는, 접촉각 측정기구로서 메니스커스의 높이를 측정한다. 그 외에는 제1실시예와 동일하다. 메니스커스의 높이의 측정방법을 제12도, 제13도, 제14도에 나타낸다. 광원으로서는 기판과 같은 정도의 길이의 선광원을 이용한다. 선광원으로서는 Ø 2

4[mm]의 냉음극관 형광등(28)에 0.1

1.0[mm]의 슬릿 부착 반사커버(29)를 감은 것을 이용한다. 기판으로서는 글라스기판 등의 투명기판을 이용한다. 이 선광원을 기판단으로 입사기킴으로써, 공기/기판 계면과 물/기판 계면과의 굴절률차(n(공기)

1.0, n(글라스기판)

1.5, n(물)

1.33)에 의한 전반사각의 차이를 이용해서 대조차를 얻어 메니스커스의 높이를 측정한다. 대조할 목적으로, 액체용기로서는 불소계 수지(예컨대, 테프론, 폴리프론 등)의 백색소재를 잘라내어 이용한다.

Y축 및 Z축에 있어서의 접촉각 및 그 위치에 있어서의 메니스커스의 높이의 정보는 화상처리장치를 내장하는 CPU(50)에 순차전송되고, 아래식에 의해 접촉각(

)이 계산된다.

sin

1-h²{(ρ_L-ρ_V)g/2γ_LV}

단, h: 메니스커스의 높이, ρ_V: 기체의 비중, ρ_L: 액체의 비중, g: 중력가속도, γ_LV: 기체/액체 계면에서의 계면장력.

CCD(26)로부터의 신호에서 계산된 접촉각(

)의 [선]의 정보는, Z축의 스캔조작에 따라 수직방향으로 차례로 축적된다. CPU(50)는 [선]의 정보를 축적에 기초해서 접촉각(

[제3실시예]

제15도는 본 발명의 표면에너지 분포측정장치의 제3실시예의 시스템 구성을 나타낸 것이다. 이하에, 각각의 부품에 대해서 설명한다.

본 실시예에 있어서도, 제2실시예와 동일하게 접촉각 측정기구로서 메니스커스의 높이를 측정한다. 본 실시예의 장치는 측정을 위한 광학계를 제외하고 제2실시예의 장치와 동일하다. 액체용기(10)의 재료로서 소수성이 높으면서 백색소재인 테프론을 이용해서 광선으로서 광섬유광원(31)을 이용하고 있다.

본 실시예에서는 액체의 표면장력을 이용해서 액면을 액체용기(10)로부터 솟아오르게 한다. 또한, 피검기판(1)의 이면(1b: 피검면(1a)의 반대측)과 테프론 벽면(10a)과의 거리를 수mm 이내로 함으로써, 소수성의 벽면(10a)의 영향으로 이면측의 메니스커스의 높이가 피검면측의 메니스커스의 높이 보다도 낮게 되도록 한다. 이와 같이 해서, 투명한 피검기판을 투과해서 피검면(1a)측의 메니스커스를 이면(1b)측으로부터 관찰할 수 있도록 하고 있다.

또한, 백색소재의 벽면에서의 확산반사 및 기체/액체 계면에서의 전반사를 이용하여 액체측이 밝아지는 것을 이용하여 충분한 대조를 얻고 있다. 더욱이, CCD(26)를 다수 배치함으로써, 메니스커스의 높이를 일괄 입력가능하게 하고 있다. 각 CCD(26)와 피검기판(1)간에는 렌즈(32)를 배치하고 있다. CCD(26)로부터의 메니스커스의 높이정보는 화상처리장치를 내장하는 CPU(50)에 순차 전송되고, 제2실시예와 동일한 처리를 받음으로써 접촉각(

)의 피검면상에 있어서의 면내분포가 형성된다.

[제4실시예]

제16도는 본 발명의 표면에너지 분포측정장치의 제4실시예의 시스템 구성을 나타낸 것이다. 이하에, 각각의 부품에 대해서 설명한다. CCD의 입력이 광섬유인 것을 제외하고는 제2실시예와 동일하다. 광섬유로서 제9(a)

(c)에 나타낸 바와 같은 번들섬유(BF)를 이용한다. 광섬유의 길이는 피검기판(1)의 길이와 동일하게 하고, 광섬유의 폭은 1[mm]로 한다.

Z축 위치 및 그 위치에 있어서의 메니스커스의 높이의 [선]으로서의 정보는 화상처리장치에 순차 전송되고, 아래식에 의해 접촉각(

)이 계산된다.

sin

1-h²{(ρ_L-ρ_V)g/2γ_LV}

[제5실시예]

제17도는 본 발명의 표면에너지 분포측정장치의 제5실시예의 시스템 구성을 나타낸 것이다. 이하에, 각각의 부품에 대해서 설명한다. 제1실시예와 공통인 경계판(21) 및 그 제어계, 액체온도 조절유니트(12), 액면세정 유니트(15), 방진대(11), Wilhelmy Plate(13) 및 차동트랜스(14)에 대해서는 설명을 생략한다. 액체로서는 제1실시예와 동일한 물을 이용하고 있다.

본 실시예에 있어서는, 접촉각 측정기구로서 피검기판(1)에 걸리는 힘을 측정하고 있다. 그 외에 대해서는 제1실시예와 동일하다. 기판에 걸리는 힘은 기판지지 유니트(23)에 연결된 전자저울에 걸리는 하중에 의해 측정한다.

전자저울(36) 전체는 Z축모터(24)에 연결된다. Z축 모터(24)의 이동은 콘트롤러에 의해 제어된다. Z축에 있어서의 위치 및 그 위치에 있어서 기판에 걸리는 힘(F)의 정보는 화상처리장치에 순차 전송된다.

다음에, 기판의 침척방향을 90° 회전시켜 동일한 측정을 행한다. F의 측정결과를 이용하는 아래식(Neummann의 식)으로부터 접촉각(

)이 계산된다.

F

Mg-

V+Lγ_LVcos

단, Mg: 기판이 공기중에 있는 상태에서의 전자저울의 독출,

V: (수중에 있는 기판의 체적)

[(물의 비중)-(기판의 비중)], F: 기판에 걸리는 힘(전자저울의 독출), L: 기판의 물에 잠겨져 있는 주위길이, γ_LV: 기판의 표면장력.

다음에, 실험 1로부터 실험 3에, 본 발명의 표면에너지 분포측정장치를 액정 디스플레이의 셀제조라인에 있어서 불량해석에 이용한 예를 나타낸다.

[실험 1]

제2실시예의 표면에너지 분포측정장치를, 액정디스플레이의 셀제조라인에 있어서의 PVA(Polyvinylalchol)박리공정의 평가에 이용, PI(Polyimide)는 자기불량과의 대응을 구했다. 피검기판 및 측정조건은 이하와 같다.

피검기판은, 360[mm]

460[mm], 0.7t, 컬러필터기판(2면으로 함), 측정조건은,

수온 : 20±0.5[℃],

Z축 이동속도 : 1.0[mm/s], Z축 분해능 3.6[mm],

Y축 이동속도 : 100[mm/s], Z축 분해능 3.6[mm],

Y축 샘플링수 : 64포인트/LINE Y축 분해능 5.6[mm].

제18(a)도는 실험 1에 있어서 얻어진 접촉각의 면내분포를 전진접촉각(a)을 이용해서 나타낸다. 제18(b)는 PI는 자기부(41)가 발생한 기판의 PI는 자기상태의 스케치를 나타낸다.

제18(a), (b)도에서 전진접촉각(

a)이 20° 이상에서 PI는 자기가 일어남을 알았다. 즉, PI는 자기를 방지하기 위해서는 전진접촉각(

a)을 20° 미만으로 하도록 관리하면 좋다.

[실험2]

제4실시예의 표면에너지 분포측정장치를 액정디스플레이의 셀제조라인에 있어서의 PI(Polyimide)소성공정의 평가에 이용하여 액정셀 조립 후의 프리틸트(pre tilt)각의 얼룩과의 대응을 구했다. 프리틸트각으로는 액정의 긴축방향과 기판이 이루는 각을 정의한다. 프리틸트각의 측정은 일본전자 제조의 레이저현미경을 이용한 프리틸트각 측정장치에 의해 행했다. 피검기판 및 측정조건은 이하와 같이 했다.

피검기판, 360[mm]

460[mm], 0.7t, TFT기판(2면으로 함), 측정조건은,

샘플링 : 60회/S

수온 : 20±0.5[℃],

Z축 이동속도 : 1.0[mm/s], Z축 분해능 0.017[mm],

Y축 샘플링수 : 500포인트/LINE Y축 분해능 0.72[mm].

제19(a)도는 실험 2에 있어서 얻어진 접촉각의 면내분포를, 이하식으로 정의되는 전진접촉각과 후퇴접촉각의 평균(

av)으로 나타낸다. 제10(d)도는 프리틸트각의 면내분포를 나타낸다.

av

arccos[(cos

r-cos

a)/2]

제19(a), (b)도에서

av가 80° 이상에 프리틸트 얼룩이 생기는 것을 알았다.

즉, 프리틸트 얼룩불량을 방지하기 위해서는

av를 80° 미만으로 되도록 관리하면 좋다.

[실험3]

제5실시예의 표면에너지 분포측정장치를, 액정디스플레이의 셀제조라인에 있어서의 러빙공정의 평가에 이용하여 액정셀조립 후의 표시불량의 대응을 구했다. 피검기판 및 측정조건은 이하와 같이 했다.

피검기판은, 360[mm]

460[mm], 0.7t, 컬러필터기판(2면으로 함), 측정조건은,

수온 : 20±0.5[℃],

Z축 이동속도 : 50[mm/s],

러빙방향(RD)에 평행 및 수직의 2방향으로 측정(제22(a), (b)도 참조).

제21(a), (b)도에 기판에 걸리는 힘(F)를 기판의 주위길이(L)로 나눈 결과를 나타낸다. 이들의 그래프에 있어서 횡축은 기판의 침수깊이(D)를 나타낸다. 기판을 러빙방향(RD)과 평행하게 이동한 경우, 주기(pa)에서 기판에 걸리는 힘이 작아지는 영역이 나타났다. 기판을 러빙방향(RD)과 수직으로 이동한 경우(1B), 이와 같은 영역은 나타나지 않았다.

제21(a), (b)도에 있어서의 기판의 침수깊이(D)에 대응하는 경사로부터 부력을 구하고, 이하식으로 정의되는 전진접촉각과 후퇴접촉각의 평균(

av)

cos

av

(cos

r-cos

a)/2

를 이용해서 면내분포로서 표시한 결과를 제20도에 나타낸다. 또한, 제20(b)도에 액정셀 조립 후의 표시불량의 스케치를 나타낸다. 접촉각의 이상영역(42)이 표시불량부(43)에 대응하고 있음을 알았다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 표면에너지 분포측정장치를 이용함으로써, 반도체 디바이스나 액정디스플레이의 제조프로세스, 특히 대형기판을 이용하는 프로세스에 있어서, 디바이스 특성으로부터 요구되는 표면에너지의 제어를 공정마다 최적화하는 것이 가능해진다. 각 공정마다 디버그(debug)가 가능하기 때문에, 프로세스조건의 최적화를 위해 상승하는 비용이 절감된다. 또한, 양산시에 있어서 본 발명을 발취검사용, 또한 전수검사에 이용함으로써, 안정한 수율을 확보할 수 있다.

Claims

피검면을 갖춘 피검기판을 침적하기 위한 액체를 액면을 형성하도록 수납하는 액체용기와, 상기 피검기판을 지지하면서, 상기 액면에 대해 상기 피검면이 교차하는 상태에서 상기 액체용기내의 상기 액체에 상기 피검기판을 침적하기 위한 지지수단, 상기 피검면과 상기 액면과의 접촉부에 생기는 메니스커스의 상태를 대표하는 파라메터를 수평방향에 따라 광학적으로 측정하기 위한 측정수단, 상기 지지수단을 매개로 상기 액체와 상기 피검기판을 수직방향으로 상대적으로 이동시키기 위한 이동수단 및, 상기 파라메터의 측정치 또는 상기 측정치로부터 산출된 변환치의 상기 피검면상에 있어서의 면내분포를 형성하기 위한 분포형성수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 표면에너지 분포측정장치.
제1항에 있어서, 상기 변환치가 상기 메니스커스의 접촉각인 것을 특징으로 하는 표면에너지 분포측정장치.
제2항에 있어서, 상기 파라메터가 상기 메니스커스의 표면의 곡선 형상에 따른 복수개소의 2차원좌표(x, z)이고, 다음식,
단,
: 접촉각; x: 피검면과 직각의 방향에 있어서 액체/기체 계면으로부터의 수평거리; z: 액면으로부터의 수직거리; ρ_V: 기체의 비중; ρ_L: 액체의 비중; g: 중력가속도; γ_LV: 액체/기체 계면에서의 계면장력.
제3항에 있어서, 상기 측정수단이 상기 피검면의 수평방향의 폭 전체에 걸쳐 존재하는 광검출부를 갖추고, 상기 폭의 전체에 걸치는 파라메터를 일괄하여 검출하는 것을 특징으로 하는 표면에너지 분포측정장치.
제4항에 있어서, 상기 광검출부가 복수의 광센서소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 표면에너지 분포측정장치.
제4항에 있어서, 상기 광검출부가 광센서에 접속된 광섬유 다발의 요부를 구비하는 것을 특징으로 하는 표면에너지 분포측정장치.
제3항에 있어서, 상기 측정수단이 점형상의 광검출부를 갖추고, 상기 광검출부가 상기 메니스커스에 따라 수평방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 표면에너지 분포측정장치.
제3항에 있어서, 상기 피검기판이 투명하고, 상기 측정수단이 상기 피검면과는 반대의 면으로부터 상기 피검기판을 투과해서 상기 메니스커스의 상태를 대표하는 상기 파라메터를 측정하는 것을 특징으로 하는 표면에너지 분포측정장치.
제2항에 있어서, 상기 파라메터가 상기 액면으로부터의 상기 메니스커스의 높이이고, 다음식,
단,
: 접촉각; h: 메니스커스의 높이; ρ_V: 기체의 비중; ρ_L: 액체의 비중; g: 중력가속도; γ_LV: 액체/기체 계면에서의 계면장력에 기초해서 상기 접촉각이 계산되는 것을 특징으로 하는 표면에너지 분포측정장치.
제1항에 있어서, 상기 액면상의 오염을 제거하기 위한 수단이 상기 액체용기에 설치되는 것을 특징으로 하는 표면에너지 분포측정장치.
제10항에 있어서, 상기 액체의 표면장력을 검출하기 위한 수단이 상기 액체용기에 설치되는 것을 특징으로 하는 표면에너지 분포측정장치.
피검면을 갖춘 피검기판을 액체에 침적하는 공정과, 상기 액체의 액면에 대해서 상기 피검면이 교차하는 상태에서 상기 피검면과 상기 액면과의 접촉부에 생기는 메니스커스의 상태를 대표하는 파라메터를 수평방향에 따라 광학적으로 측정하는 공정, 상기 액체와 상기 피검기판을 수직방향으로 상대적으로 이동시키는 공정 및, 상기 파라메터의 측정치 또는 상기 측정치로부터 산출된 변환치의 상기 피검면상에 있어서의 면내분포를 형성하는 공정을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 표면에너지 분포측정방법.
제12항에 있어서, 상기 변환치가 상기 메니스커스의 접촉각인 것을 특징으로 하는 표면에너지 분포측정방법.
제13항에 있어서, 상기 파라메터가 상기 메니스커스의 표면의 곡선형상에 따른 복수개소의 2차원좌표(x, z)이고, 다음식
단,
: 접촉각; x: 피검면과 직각인 방향에 있어서 액체/기체 계면으로부터의 수평거리; z: 액면으로부터의 수직거리; ρ_V: 기체의 비중; ρ_L: 액체의 비중; g: 중력가속도; γ_LV: 액체/기체 계면에서의 계면장력에 기초해서 상기 접촉각이 계산되는 것을 특징으로 하는 표면에너지 분포측정방법.
제13항에 있어서, 상기 파라메터가 상기 액면으로부터의 상기 메니스커스의 높이이고, 다음식,
단, 단,
: 접촉각; h: 메니스커스의 높이; ρ_V: 기체의 비중; ρ_L: 액체의 비중; g: 중력가속도; γ_LV: 액체/기체 계면에서의 계면장력에 기초해서 상기 접촉각이 계산되는 것을 특징으로 하는 표면에너지 분포측정방법.