KR100416497B1 - 박막패턴 검사장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 검사 대상물에 레이저를 주사하여 반사되는 간섭광을 이용하여 박막 표면의 패턴을 검사할 수 있는 박막 패턴 검사장치에 관한 것이다.
본 발명은, 레이저 발생기와; 상기 레이저 발생기에서 출사되는 레이저광을 선택적으로 변조하는 레이저 변조기와; 상기 레이저 변조기에서 변조된 광을 검사대상물에 주사하는 광학계와; 상기 검사대상물에 주사되어 반사되는 레이저광을 반사광으로 검출하는 반사광 검출장치와; 상기 레이저 발생기에서 출사되는 광을 참조광으로 검출하는 참조광 검출장치와; 상기 참조광 검출장치에서 검출된 참조광과 상기 반사광 검출장치에서 검출된 반사광의 위상차를 포함하는 신호의 주파수 해석에 의해 박막의 패턴 불량을 검출하는 데이터 처리장치를 포함한다.

Description

박막패턴 검사장치{Pattern Inspection System}
본 발명은 박막 패턴의 검사장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 검사 대상물에 레이저를 주사하여 반사되는 반사광을 이용하여 박막 표면의 패턴을 검사할 수 있는 박막 패턴 검사장치에 관한 것이다.
일반적으로 광학부품이나 웨이퍼(wafer), 유리제품, 대화면 박막 디스플레이의 설계와 제조에 있어서 검사 공정은 매우 중요하며, 종래의 박막 패턴의 검사장치로는 표면처리 과정에서 형성시킨 박막의 두께를 측정함으로써 박막의 표면 거칠기 등을 검사하는 방식이 있었으나, 박막의 패턴의 불균일은 박막의 두께 이외의 다른 요인에 의해서도 좌우되는 것이므로 박막의 두께에 오차가 없다고 하여 반드시 패턴의 형성이 완전하게 되는 것은 아니라는 이유 등으로 상기 두께 측정방법에 의한 박막의 패턴 검사에는 한계가 있었다.
한편, 상기 박막 패턴의 두께 검사에 의한 박막의 패턴검사의 문제점을 보완하기 위한 방법으로 영상처리기법을 이용한 박막의 패턴검사방식도 제안되어 있다. 그러나, 이 방법은 검사 대상물의 검사 부위를 촬영한 영상을 확대하여 검사를 하는 방식이므로, 최근 표시장치의 대형화와 고집적화가 진행됨에 따라 촬영된 영상의 확대 등에 많은 시간이 소요되어 실제 공정에서 모든 제품의 전수검사에는 여러 문제점이 있다. 특히, 최근들어 노트북 컴퓨터 등에 사용되는 평판 표시 장치의 패널 같은 대형 제품의 제조 공정은 고속(약 20초 이내)으로 이루어지기 때문에, 종래의 기술에 의해서는 생산공정 중에서 모든 제품의 두께와 표면 거칠기, 패턴 구성 등을 측정하는 것이 불가능하다. 즉, 평판 표시 장치에 많이 사용되는 유리 패널(600mm ×750mm 및 470mm ×480mm)의 전면에 대한 패턴 검사를 이 방법으로 검사하는 데에는 보통 10분 이상이 소요되고, 또, HDTV에 사용되는 대형 패널은 1시간이상 소요되어 20초 이내의 고속으로 진행되는 제조 공정에서 종래 기술을 사용한 검사는 사실상 불가능하다.한편, 박막의 패턴검사를 위한 다른 방법으로는, 기판에 패턴을 형성 후, 이 형성된 패턴의 2차원 평면상의 임의의 2점간의 저항 값을 측정함으로써 이 측정된 저항 값의 편차에 의하여 2점 사이의 패턴이 정확한지 부정확한지를 검사하는 방법도 제안되어 있다. 그러나, 이 방법 역시 패턴의 미세한 결함을 측정하는 데에는 한계가 있을 뿐 아니라, 불량 패턴의 위치나 형태를 알 수도 없으므로 결함 검사의 보조적인 수단으로 밖에 사용할 수 없다.
상기와 같이, 종래의 측정 기술로는 고속으로 진행되는 제조 공정에서 모든 부품의 결함에 대한 검사를 행하는 것이 불가능하므로 통상은 임의의 표본 추출 방식의 검사를 행하기 때문에, 결함을 발견하는데 많은 시간이 소요되고, 또 결함이 발견되었을 때에는 이미 많은 양의 부품이 그 공정을 거쳐 다음 공정으로 이동되어 불량율이 높고 재료의 낭비가 많다.
특히 PDP와 같이 대형 화면에 사용되는 표시 장치를 제조하기 위한 유리 패널은 크기가 크므로 측정 시간이 더 많이 소요되고, 불량의 증가에 따른 비용의 손실도 크게 증가한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기준이 되는 레이저광과 상기 레이저를 검사대상물에 주사하여 반사되는 반사광으로부터 얻은 위상차를 포함하는 신호의 주파수 해석에 의해 박막의 패턴 구성과 표면 거칠기를 고속으로 측정할 수 있는 박막 패턴검사장치를 제공하고자 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 위상차 해석부의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 위상차 해석부에 의해 검사 대상물을 레이저 스캔하는 과정을 설명하는 도면이며,
도 3은 도 1의 레이저 위상차 해석부와 가시광 영상신호 해석부를 조합한 구성도이고,
도 4는 도 1의 데이터 처리장치의 세부 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 레이저 발생기 2 : 레이저 변조기
31 : 반사 거울 33 : 변조광 케이블
34 : 비변조광 케이블 41,42,43 : 원주 렌즈
51,52,53 : 볼록 렌즈 32,61,62 : 반투과 거울
7 : 검사 대상물
201 : 주사방향 202 : 검사 대상물
202 : 슬릿광 레이저 빔
401 : 레이저 발생부 402 : 검사 대상물
403 : 레이저 다이오드 어레이 404 : 위상 검출부
406 : 아날로그-디지털 변환부 407 : 디지털 신호 처리부
408 : 신호 해석부 409 : 그래픽 표시부
410 : 데이터 저장부
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 소정 파장의 레이저광을 출사하는 레이저 발생기와; 상기 레이저 발생기에서 출사되는 레이저광을 선택적으로 변조하는 레이저 변조기와; 상기 레이저 변조기에서 변조된 광을 검사대상물에 주사하는 광학계와; 상기 검사대상물에 주사되어 반사되는 레이저광을 반사광으로 검출하는 반사광 검출장치와; 상기 레이저 발생기에서 출사되는 광을 참조광으로 검출하는 참조광 검출장치와; 상기 참조광 검출장치에서 검출된 참조광과 상기 반사광 검출장치에서 검출된 반사광의 위상차를 포함하는 신호의 주파수 해석에 의해 박막의 패턴 불량을 검출하는 데이터 처리장치를 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 먼저 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 고속 영상 검사 시스템의 일실시 예는, 소정 파장의 레이저빔을 발생하여 출력하는 레이저 발생기(1)와, 상기한 레이저 발생기(1)로부터 출력되는 레이저빔을 변조(modulation) 또는 비변조 (unmodulation)시키는 레이저 변조기(2)와, 상기한 레이저 발생기(1)에서 출력되는 레이저빔의 일부를 참조광으로 검출하는 참조광 검출장치(92)와, 상기한 레이저 변조기(2)를 통하여 변조된 레이저빔을 테이블(72)에 적재된 검사 대상물(71)로 주사하는 광학계와, 상기 검사대상물(71)에 부딪혀서 반사되는 레이저빔을 검출하는 반사광 검출장치(91)와, 상기한 참조광 검출장치(92)와 반사광 검출장치(91)로부터 검출된 위상차를 포함하는 신호를 비교하고, 그 주파수를 해석하여 측정대상물의 패턴 구성의 차이 또는 표면 거칠기를 판단하는 데이터처리장치(10)를 포함한다.
상기 레이저 발생기(1)는, 예를 들어, 633nm 파장의 레이저를 발생시키도록 구성할 수 있다. 또한, 레이저 변조기(2), 참조광 검출장치(92), 반사광검출장치 (91), 데이터처리장치(10)는 발생되는 레이저의 파장에 따라 적합한 규격의 것을 선정하는 것이 바람직하다.
상기한 레이저 발생기(1)는 편광성을 갖는 TE모드(transverse electric mode) 또는 TM모드(transverse magnetic mode)의 싱글모드로 작동하도록 구성되고, 파워레벨의 범위는 40∼60mW CW(continuous wave)로 하는 것이 바람직하다.
상기한 레이저 변조기(2)는 상기한 레이저 발생기(1)로부터 출력되는 레이저빔의 일부에 대하여 그 주파수를 변조시키는 것으로, 예를 들어, 레이저 변조기(2)에 인가되는 제어전압을 조절함으로써 변조되는 신호의 시프트(shift)와 언시프트(unshift) 비율을 조절하는 방식 등에 의해 레이저 발생기(1)로부터 출력되는 레이저빔의 일부에 대하여 그 주파수를 변조시킬 수 있다.
상기한 레이저 변조기(2)는, 예를 들어, 상기한 레이저 발생기(1)가 파장이 633nm인 HeNe 레이저를 발생시키는 경우에는 이 파장에 대응하여 설계하고, 레이저빔의 발산각은 변조된 신호와 비변조된 신호 사이의 분리가 쉽도록 6.5o로 제어하는 것이 바람직하다.
상기한 광학계는 제 1 볼록렌즈(51)와, 원주렌즈(41)와 반투과 거울(61) 및 제 2 볼록렌즈(53)의 조합하여 이루어진다.
상기 광학계의 원주렌즈(41)는 상기한 레이저 발생기(1)로부터 출력되어 상기한 레이저 변조기(2)에서 변조된 레이저빔을 부채꼴로 확대시킨다. 또, 상기 제 1 볼록렌즈(51)는 상기한 원주렌즈(41)에 의해 부채꼴로 확대된 레이저광을 평행광으로 만들어 주며, 이 평행광을 일명 슬릿광 혹은 스트립 빔(stripped beam)이라 부른다. 이 레이저 평행광은 검사대상물(71)에 반사되어 돌아 나온다.
또 상기한 참조광 검출장치(92)와 반사광 검출장치(91)는 각각 응답시간이 빠른 고속 포토다이오드 어레이로 이루어지는 반사광 검출센서(81) 및 참조광 검출센서(82)를 포함하며, 이들 포토다이오드 어레이는 집적화된 표면 실장형 부품에 의하여 별도로 구성된다. 그리고 상기한 참조광 검출 장치(91)와 반사광 검출장치(92)는 200MHz 이상의 응답속도를 갖는 PLD(Programed Logic Device) 등을 이용하여 이루어진다.
상기한 원주 렌즈(41)는, 예를 들어 초점거리가 35cm인 렌즈를 사용하고, 상기한 반투과 거울(61)은 레이저빔 파장( λ)의 1/4보다 작은 평면도를 갖는 반사 거울을 사용하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기한 원주 렌즈(41)를 통하여 전송되는 레이저빔은 광케이블(34)을 통과하여 직진하여 진행되며, 이 레이저빔은 원주 렌즈(41)에 의하여 부채꼴로 확대된 다음 제 1 볼록 렌즈(51)에 의하여 평행광이 된다. 이 평행광은 상기한 테이블(72)에 적재된 검사대상물(71)에 주사되고, 상기 검사대상물(71)에 주사되어 반사되는 레이저빔은 반투과(예를 들어, 50% 투과) 거울(61)에 의해 반사되어 경로가 90o로 꺽인 다음 제 2 볼록 렌즈(53)에 의해 집속된 후 고속 포토다이오드 어레이로 이루어진 반사광 검출센서(81)에 도달한다.
한편, 레이저 발생기(1)에서 출력되는 레이저빔의 일부는 반사거울(31)에 의하여 그 진행경로가 변경된 후, 광케이블(33)을 통과하여 반투과 거울(32)에 의해 2개의 빔 경로로 나누어진다.
이 중, 한 개의 빔은 직진하여 원주 렌즈(43)에 의하여 부채꼴로 확대된 다음 제 3 볼록렌즈(52)에서 평행광이 된다. 이 평행광은 반투과 거울(62)에 반사되어 경로가 90o로 꺽인 다음 상기 검사대상물에 주사되어 반사된 광과 함께 제 2 볼록 렌즈(53)에 의해 집속되어 반사광 검출센서(81)에 도달된다.
상기한 반사광 검출센서(81)는 상기 검사대상물에서 반사된 반사광에 의한 광학적 신호를 전기적 신호로 변환하며, 좋은 공간 응답성을 가지는 것으로, 바람직하게는 응답시간이 대략 2nsec 정도로 매우 빠른 속도의 포토다이오드를 이용하여 이루어진다.
한편, 상기 상기 레이저 발생기(1)에서 출력되어 반사거울(31)에 의하여 그 진행경로가 변경된 후, 광케이블(33)을 통과하여 반투과 거울(32)에 의해 2개의 빔 경로로 나누어진 레이저빔 중 다른 하나의 레이저광은 원주렌즈(42)에 의해 부채꼴로 확대된 다음 참조광 검출센서(82)에 의해 전기신호로 변환되어 참조광 검출장치(92)에 인가된다.
상기한 참조광 검출센서(82) 역시 상기한 반사광 검출센서(81)와 마찬가지의 구성으로 할 수 있다.
상기한 데이터처리장치(50)에서는 상기한 참조광 검출장치(92)를 통하여 검출된 참조광과, 검사대상물에(71)에 반사되는 과정에서 위상차가 변화된 반사광을 상기한 반사광 검출장치(92)를 이용하여 얻어서, 이를 시간 영역과 주파수 영역에서 해석한 데이터에 의하여 검사대상물(71)의 박막의 패턴 구성의 차이와 표면 거칠기 등을 판독한다.
일반적으로 레이저빔은 직진성과 간섭성을 가지므로 두께 및 표면 거칠기 등의 측정에 많이 이용하며, 레이저빔을 포함한 단색광은 소정의 굴절율을 가진 투명한 매질인 측정물을 통과할 때 빛의 속도가 변한다는 것이 알려져 있다.
변화하는 빛의 속도는 공기중을 통과하는 참조광과 비교함으로써 구할 수 있으며, 다음의 수학식 1과 같이 변화하는 두 빛(참조광과 측정광) 사이의 위상차( ø)를 이용하여 측정할 수 있다.
[수학식 1]
상기에서 μv는 진공의 굴절률이고, dz(=z1-z2)는 검사대상물(7) 내부의 경로 길이(또는 측정물의 두께)이다. 따라서 μv=1이고, 위상차( ø)는 μ0가 검사대상물(7)에서 굴절률의 평균 값일때 간단하게 (1-μ0)kd 로 나타내어 진다. 그리고 반사광(측정광)과 참조광의 파형은 각각 다음의 수학식 2와 수학식 3과 같다.
[수학식 2]
[수학식 3]
상기에서a와b는 상수이고,X S 는 측정광의 파형이며,X r 는 참조광의 파형이다. 또 검출되는 출력(X S +X r ) 2 는 제곱법칙에 의하여 다음의 수학식 4와 같이 산출 된다.
[수학식4]
(Xs+Xr)2=
상기와 같이 나타내어지는 반사광 또는 투과광의 파형은 전송되는 반사광 또는 투과광의 변화로부터 기대되는 파형의 진폭변화에 민감하고, 위상차( ø)가 두께의 증가와 감소 사이의 차이점을 구별할 수 없기 때문에 상기한 레이저 변조기(2)를 이용하여 변조를 행한다. 즉, 레이저광을 변조하면 그 주파수는 감소하나 위상차는 동일한 원리에 따라, 비변조된 레이저광의 주파수와 변조된 후 검사대상물에 주사되어 반사된 레이저광의 주파수의 차이를 구함으로써 검사를 용이하게 한다.
따라서 레이저빔의 일부는 ω의 주파수에서 변조되고, 상기한 참조광 검출장치 (92)와 반사광 검출장치(91)에서 검출되는 최종 파형은 다음의 수학식 5 및 수학식 6과 같이 나타내어진다.
[수학식 5]
[수학식 6]
상기에서S s 는 반사광 검출장치(92)에서 검출되는 최종 파형이고,S r 는 참조광 검출장치(91)에서 검출되는 최종 파형이다. 또 상기에서 Φ1=2k1π이고 어Φ2=2k2π이면 Sr과 SS의 제로 교차가 발생한다. 상기에서 k1과 k2는 각각 1, 2, 3...으로 주어진다.
따라서 위상차( ø)는 다음의 수학식 7과 같이 나타내어진다.
[수학식 7]
또 ø는 시간의 선형함수라 가정하고, 함수 cosΦ의 유사 주기 τ를 사용하면 위상차( ø) 는 다음의 수학식 8와 같이 나타 내어진다.
[수학식 8]
따라서, 위상차( ø)는 진폭에 관계없이 측정되고,의 신호는 적정하게 해석할 수 있는 신호의 변화로 명백하게 결정된다.
도 2는 검사 대상물(202)에 대한 레이저광의 주사 순서의 일 실시 예를 나타낸 것이다. 검사대상물(71)은 직선 주행장치 위에 놓여 앞, 뒤로 움직이며, 이는 도 2에서 수직 방향 (201)으로 표시되어 있다. 이에 따라 수평 방향으로 표시된 레이저 슬릿광(203)은 대상물의 전체 면을 순차로 주사하게 된다. 본 실시 예의 광학계는 움직이는 부분이 없이 일체 고정되어 있고 대상물(202)은 직선 주행 장치에 의해 한 방향으로만 움직이도록 하여 기계 구동부를 단순화함으로서 위치의 정밀도를 높이고 있다.
도 3은 본 발명에 의한 검사 장치를 실제 공정에 적용한 예를 도시한 도면이다. 먼저 공지의 두께 검사부(301)에 의해 표시 장치의 패턴 형성과 품질에 영향을 주는 박막의 두께를 검사한 후, 본 발명에 의한 박막의 패턴검사장치인 위상차 해석부(302)에 의해 검사대상물에 주사되어 반사된 광과 참조광의 위상차를 구하고, 이에 의해 공지의 가시광 패턴 처리부(303)에 의해 오류 패턴의 위치 정보를 얻은 다음, 패턴 수정부(304)에서 수정 가능한 패턴은 수정하여 정상 제품으로 복구한다. 레이저빔의 수광 소자의 구성은 가시광 패턴 검사장치에서 요구되는 해상도 보다 낮은 밀도에서 구성되므로, 비록 상기 해석의 결과에 의해 불량 패턴의 내용은 알수 없으나, 패널상에 형성된 박막 패턴 중 정상 패턴과의 차이를 나타내는 블록의 위치를 알 수 있으므로 그 데이터에 따라서 고배율의 가시광 패턴 검사 장치(303)에서는 불량 블록 영역만을 검사할 수 있다. 또한, 이 과정의 공정간의 데이터는 디지털화된 컴퓨터 정보이므로 완전한 자동화 공정으로 구성할 수 있다.
도 4는 도 1의 데이터 처리장치의 세부 구성도로, 레이저 발생기(401)에서 발생한 레이저광은 변조기에서 변조된 후 검사대상물(402)에 주사되고, 그 반사파는 레이저 다이오드 어레이(403)에 의해 전기신호로 변환되어 검출되고, 또 레이저 발생기(401)의 출력광은 참조광 검출기(404)에서 검출된 후 레이저 다이오드 어레이(403)에 의해 전기신호로 출력되며, 이 두 신호는 데이터 처리장치(10)의 PLL블록 어레이(405)에서 위상의 차이가 검출되고, 이 위상차를 갖는 신호는 AD변환기(406)로 입력된다. AD변환기(406)에서 변환된 디지털 신호는 신호 처리부(407)에서 연산 처리된다. 이 연산 처리의 결과는 신호 분석 처리부(408)를 거치며, 상기 신호분석 처리된 각종 값은 저장 장치(410)에 각각 저장되고, 필요에 따라 표시장치(409)에 각종 분석 데이터의 결과치가 그래프 등으로 표시가 이루어진다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 대하여 설명하였으며 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하다. 그리고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
상기와 같이 구성되고 작동되는 본 발명에 따른 고속 영상 검사 시스템에 의하면, 매우 빠른 속도로 측정물의 패턴 구성의 차이와 표면 거칠기를 측정하는 것이 가능하므로 고속으로 진행되는 표시 장치의 제조 공정에서 전후 공정간의 라인 밸런스(line balance)의 유지가 가능하고 모든 제품에 대한 전수검사가 가능하다. 그러므로 완성된 제품의 불량율이 크게 감소한다. 또 불량이 발생한 제품은 즉시 제거하는 것이 가능하므로 소정의 롯트가 제조된 다음 불량이 발견되어 제거되는 종래에 비하면 재료의 낭비가 크게 감소한다.
대화면 표시장치의 제조 공정의 초기 절차에는 반드시 박막 코팅이 요구되며, 이 박막의 두께 형성이 불균일하면 다음 공정의 부식이나 에칭 과정에 불량이 야기된다. 그러므로 박막의 두께를 균일하게 유지하는 것이 공정 불량을 줄이는 필요 요건이다. 그러나 박막의 두께가 균일하게 유지되어도 다음 공정 내에서 불량이 생길수 있으므로 부식이나 에칭 과정후에 형성된 패턴을 검사하는 것이 보다 적극적인 대응방법이며, 본 발명에 의한 패턴 검사를 통하여 불량을 알아내고 불량의 내용에 따라서 부품의 폐기나 불량 수리를 할 수 있다.
본 발명에 따른 구성은 가시 영역내에서 이루어지는 패턴 검사 장비의 구성에 비하여 저가의 구성이 가능하고 고속 처리가 되므로 활용도가 매우 높다.
그리고 측정한 값이 그때마다 저장되고 활용되므로 제조설비의 가공 정밀도의 추이를 정밀하게 확인할 수 있다.

Claims (10)

  1. 소정 파장의 레이저광을 출사하는 레이저 발생기와;
    상기 레이저 발생기에서 출사되는 레이저광을 선택적으로 변조하는 레이저 변조기와;
    상기 레이저 변조기에서 변조된 광을 검사대상물에 주사하는 광학계와;
    상기 검사대상물에 주사되어 반사되는 레이저광을 반사광으로 검출하는 반사광 검출장치와;
    상기 레이저 발생기에서 출사되는 광을 참조광으로 검출하는 참조광 검출장치와;
    상기 참조광 검출장치에서 검출된 참조광과 상기 반사광 검출장치에서 검출된 반사광의 위상차를 포함하는 신호의 주파수 해석에 의해 박막의 패턴 불량을 검출하는 데이터 처리장치를 포함하는 박막패턴 검사장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학계는,
    상기 레이저 변조기에서 변조된 레이저광을 부채꼴 형상의 광으로 확산시키는 원주렌즈와;
    상기 원주렌즈에 의해 확산된 레이저광을 평행광으로 만들어주는 제 1 볼록렌즈(51)와;
    상기 검사대상물에서 반사되는 반사광의 경로를 변경하는 반투과 거울; 및
    상기 경로가 변경된 반사광을 집속하는 제 2 볼록렌즈를 포함하는 박막패턴 검사장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 검사대상물에 주사되어 반사된 반사광은 상기 레이저 발생기에서 출사된 레이저광과 합성되며, 상기 반사광 검출장치는 상기 합성광을 검출하는 박막패턴 검사장치.
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