KR100520305B1 - 레이저 변위 센서를 이용하여 마스크와 기판 사이의간격을 측정하는 간격 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

레이저 변위 센서를 이용하여 마스크와 기판 사이의간격을 측정하는 간격 측정 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

간격 측정 장치 및 그 방법을 제공한다. 본 발명은 일정 간격 떨어져 있는 마스크와 기판 상부에 위치하고, 상기 마스크와 기판 상에서 수평이동하면서 레이저빔을 발사하고 상기 마스크와 기판에서 각각 반사되어 돌아오는 레이저빔의 수광위치를 근거로 측정한 거리값의 변화로 상기 마스크와 기판 사이의 간격을 측정하는 레이저 변위 센서를 포함한다. 이상과 같이 본 발명은 마스크와 기판 사이의 간격을 레이저 변위 센서를 이용하여 원하는 위치에서 간단하게 마스크와 기판 사이의 간격을 측정할 수 있다.

Description

레이저 변위 센서를 이용하여 마스크와 기판 사이의 간격을 측정하는 간격 측정 장치 및 그 방법{Gap measurement device for measuring a gap between a mask and a substrate using a laser displacement sensor, and measuring method thereof}
본 발명은 반도체 소자 및 디스플레이 등의 제조 중에 수행하는 노광 공정에 이용되는 간격 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마스크와 기판 사이의 간격을 측정하는 간격 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 정보 전자 기술을 뒷받침하여 주는 핵심요소로서 반도체 소자 및 디스플레이가 있다. 이러한 반도체 소자 및 디스플레이를 만들기 위해 사용되는 노광 공정은 마스크와 기판(반도체 기판이나 유리 기판) 사이의 간격이 노광 품질을 결정하는 중요한 인자로 작용한다. 따라서, 상기 노광 공정에는 마스크와 기판 사이의 간격을 정확히 측정한 후 조정해주는 작업이 필수적이다. 이러한 두 기판간의 간격을 측정하고 조정하는 작업은 노광 공정외에도 여러 가지 분야에 이용되고 있다.
도 1은 종래 기술에 의해 2차원 CCD(Charge Coupled Device)를 이용한 간격 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 종래의 간격 측정 장치에서는 레이저발진기(51)가 레이저빔을 발사하면 레이저빔은 제1 렌즈(53)를 지나 제1 반사경(55)에 의해 일정한 각도로 마스크(M)와 기판(S)에 도달하게 된다. 상기 레이저빔의 일부는 마스크(M)의 아랫면에서 반사되고, 일부는 기판(S)의 윗면에서 반사되어 각각 다른 경로로 제2 반사경(61)에 의해 제2 렌즈(63)를 지나게 된다. 2차원 CCD(65)는 상기 다른 경로로 들어온 두 개의 레이저빔의 수광 위치를 인식하고 그 좌표값을 신호처리부(67)로 보낸다. 상기 신호처리부(67)에서는 그 좌표값의 차이를 이용하여 마스크(M)와 기판(S) 사이의 간격을 계산한 다음 콘트롤러(69)에 간격값을 보낸다. 상기 2차원 CCD(65)에서 얻은 영상은 화상처리부(70)로 보내어져 모니터를 통해 시각적으로 표시한다.
그런데, 도 1의 간격 측정 장치는 2차원 CCD(65)를 이용하여 반사된 레이저빔의 위치를 인식함으로써 간격 측정을 수행한다. 그러나, 도 1의 간격 측정 장치는 가격이 비싸고 넓은 면적 중 원하는 위치에서 간단히 간격을 측정할 수 없는 단점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 레이저 변위 센서로 원하는 위치에서 마스크와 기판 사이의 간격을 간단하고 저렴하게 측정할 수 있는 간격 측정 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 레이저 변위 센서로 마스크 또는 기판 위를 이동하면서 마스크와 기판 사이의 간격을 간단하고 저렴하게 측정할 수 있는 간격 측정 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 간격 측정 장치는 일정 간격 떨어져 있는 마스크와 기판 상부에 위치하고, 상기 마스크와 기판 상에서 수평이동하면서 레이저빔을 발사하고 상기 마스크와 기판에서 각각 반사되어 돌아오는 레이저빔의 수광 위치를 근거로 측정한 거리값의 변화로 상기 마스크와 기판 사이의 간격을 측정하는 레이저 변위 센서를 포함한다.
상기 레이저 변위 센서와 마스크 및 기판 사이의 수직 거리(Z방향 거리)를 조정할 수 있는 Z방향 이송부가 설치되어 있다. 상기 레이저 변위 센서를 상기 마스크 및 기판과 평행한 평면상에서 가로 방향(X방향)으로 이동할 수 있게 하는 X방향 이송부가 설치되어 있다. 상기 레이저 변위 센서를 상기 마스크 및 기판과 평행한 평면상에서 세로 방향(Y방향)으로 이동할 수 있게 하는 Y방향 이송부가 설치되어 있다.
상기 레이저 변위 센서에는 상기 레이저 변위 센서가 간격을 측정하고 있는 상기 마스크 상의 위치를 시각적으로 확인할 수 있도록 영상 획득 장치가 연결되어 있을 수 있다. 상기 영상 획득 장치에는 상기 영상 획득 장치에서 얻어진 영상을 표시할 수 있는 디스플레이 장치가 연결되어 있을 수 있다. 상기 레이저 변위 센서가 측정한 측정값을 저장하여 상기 마스크와 기판 사이의 간격을 계산하는 기능을 수행하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 간격 측정 방법은 일정 간격 떨어져 있는 마스크 및 기판 상부의 일정 위치로 레이저 변위 센서를 이동시킨다. 상기 레이저 변위 센서의 작동 거리에 맞도록, 상기 마스크나 기판과 상기 레이저 변위 센서 사이의 수직 거리를 조정한다. 상기 레이저 변위 센서를 이용하여 상기 마스크를 통과하여 상기 기판 윗면쪽으로 레이저빔을 발사하고 상기 기판 윗면에서 반사되어 돌아오는 레이저빔의 수광 위치를 근거로 제1 거리값을 측정한다. 상기 레이저 변위 센서를 이용하여 상기 마스크의 아랫면에 위치하는 마스크 패턴쪽으로 레이저빔을 발사하고 상기 마스크 패턴에서 반사되어 돌아오는 레이저빔의 수광 위치를 근거로 제2 거리값을 측정한다. 상기 제1 거리값과 제2 거리값의 차이로 상기 마스크와 기판 사이의 간격을 결정한다.
이상과 같이 본 발명은 마스크와 기판 사이의 간격을 레이저 변위 센서를 이용하여 원하는 위치에서 간단하게 마스크와 기판 사이의 간격을 측정할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도 2 내지 도 7에서, 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 의한 간격 측정 장치를 도시한 도면이다.
구체적으로, 본 발명에 의한 간격 측정 장치는 일정 간격 떨어져 있는 기판(S) 및 마스크(M) 상부에 레이저 변위 센서(111)가 설치되어 있다. 상기 기판(S)은 디스플레이용 기판으로 구성될 수 있고, 상기 마스크(M)는 유리 기판으로 구성될 수 있다. 상기 마스크(M)는 빛이 투과하지 않은 마스크 패턴이 형성된 영역(M1)과 마스크 패턴이 형성되지 않은 영역(M2)이 형성되어 있다. 상기 레이저 변위 센서(111)는 레이저빔을 발사하고 상기 마스크(M)나 기판(S)에서 각각 반사되어 돌아오는 레이저빔의 수광 위치의 변화로 마스크(M)나 기판(S)사이의 간격을 측정하는 역할을 한다. 상기 레이저 변위 센서(111)는 측정 대상물체에 레이저빔을 발사하는 레이저빔 소스부와 측정 대상물체에서 반사되어 들어오는 레이저빔을 받아 위치를 검출하는 레이저빔 위치 검출부로 이루어진다. 상기 레이저 변위 센서(111)의 구성 및 상기 레이저 변위 센서(111)를 이용한 간격 측정 원리에 대해서는 후에 자세하게 설명한다.
상기 마스크(M) 또는 기판(S)과 평행한 평면은 X-Y 평면이고, 그 평면에 수직한 방향은 Z 방향으로 규정한다. 상기 마스크(M) 또는 기판(S)의 X방향 양측에 위치하면서 Y방향으로 상기 레이저 변위 센서(111)를 이동시킬 수 있게 가이드 역할을 하는 Y방향 이동 가이드(113)가 설치되어 있다. 상기 Y방향 이동 가이드(113)에 지지되고, Y방향 이동 가이드(113)에 따라 Y방향으로 이동되며, X방향 이동 가이드 역할을 하는 Y방향 이송부(115)가 설치되어 있다. 상기 Y방향 이송부(115)에 의해 X방향으로 이송되며 Z 방향 이송 가이드 역할을 하는 X 방향 이송부(117)가 설치되어 있다. 상기 X방향 이송부(117)에 의해 지지되고 Z방향으로 이송되며 레이저 변위 센서(111)를 장착하는 Z방향 이송부(119)가 설치되어 있다.
상기 Y방향 이송부(115)는 상기 레이저 변위 센서(111)를 상기 마스크(M) 또는 기판(S)과 평행한 평면상에서 세로 방향(Y방향)으로 이동할 수 있게 한다. 상기 X방향 이송부(117)는 상기 레이저 변위 센서(111)를 상기 마스크(M) 또는 기판(S)과 평행한 평면상에서 가로 방향(X 방향)으로 이동할 수 있게 한다. 즉, Y방향 이송부(115)와 X방향 이송부(117)는 레이저 변위 센서(111)를, 간격을 측정하고자 하는 위치로 이동시키는 역할을 수행한다. 이에 따라, Y방향 이송부(115)와 X방향 이송부(117)에 의해 상기 레이저 변위 센서(111)는 마스크(M) 상의 마스크 패턴이 형성된 영역(M1)과 마스크 패턴이 형성되지 않은 영역(M2) 사이를 이동할 수 있다.
상기 Z방향 이송부(119)는 상기 레이저 변위 센서(111)와 마스크(M)와 기판(S) 사이의 거리를 조정할 수 있게 한다. 이에 따라, 상기 Z방향 이송부(119)는 마스크 패턴이 있는 아랫면과 기판(S)의 윗면이 레이저 변위 센서(111)의 작동거리 범위 안에 들어오도록 위치를 조정할 수 있게 한다.
더하여, 상기 레이저 변위 센서(111)에는 상기 레이저 변위 센서(111)가 마스크(M)와 기판(S)간의 간격을 측정하고 있는 상기 마스크(M) 상의 위치를 시각적으로 확인할 수 있도록 영상 획득 장치(121)가 연결되어 있다. 상기 영상 획득 장치(121)에는 상기 영상 획득 장치(121)에서 얻어진 영상을 표시할 수 있는 디스플레이(123)가 연결되어 있다. 상기 디스플레이(123)에는 상기 레이저 변위 센서(111)가 측정값으로 출력하는 값을 저장하여 상기 마스크(M)와 기판(S) 사이의 간격을 계산하는 기능을 수행하는 제어부(125)가 연결되어 있다.
도 3은 도 2의 간격 측정 장치에 이용된 레이저 변위 센서의 구성 및 그 기본 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 본 발명에 이용된 레이저 변위 센서(도 2의 111)는 측정 대상물체(211)에 레이저빔(217)을 발사하는 레이저빔 소스부(213)와 측정 대상물체(211)에서 반사되어 들어오는 레이저빔(217)을 받아 위치를 검출하는 레이저빔 위치 검출부(215)로 이루어진다. 상기 레이저 변위 센서의 동작을 살펴보면, 레이저빔 소스부(213)에서 발사된 레이저빔(217)이 기준면(219)에서 일정한 각도로 반사되어 되돌아오는 것을 레이저빔 위치 검출부(215)에서 그 수광 위치를 감지하여 변위측정의 기준거리로 정한다. 그런 다음 측정대상물체(211)가 이동하여 측정거리가 변할 경우, 레이저빔 위치 검출부에서의 수광 위치가 달라지게 되고 그 차이를 이용하여 측정대상물체(211)의 변위(거리)를 계산한다.
도 3에 도시한 레이저 변위 센서의 변위측정 계산과정은 다음과 같다. 도 3에서 아래와 같은 [수학식 1] 내지 [수학식 4]와 같은 관계가 성립한다.
상기 [수학식 1], [수학식 2], [수학식 3] 및 [수학식 4]들을 변위값인 D에 관해 풀면 다음과 같은 [수학식 5]가 된다.
이하에서는, 도 2의 간격 측정 장치를 이용한 간격 측정 방법에 대하여 설명한다. 종래의 간격 측정 장치에서는 마스크(M) 아랫면에서 반사되는 레이저빔과 기판(S)의 윗면에서 반사되는 레이저빔의 수광 위치를 검출하고 그 차이를 이용하여 마스크(M)와 기판(S) 사이의 간격을 계산하지만, 본 발명에 채용된 레이저 변위 센서는 한 번에 한 개의 측정대상물체까지의 거리를 측정한 후, 복수 위치의 측정거리의 차이를 이용하여 마스크와 기판 사이의 간격을 계산한다.
도 4는 본 발명의 일 예에 의해 도 2의 간격 측정 장치를 이용한 간격 측정 방법을 설명하기 위하여 도시한 흐름도이다.
구체적으로, 도 2의 간격 측정 장치의 X방향 이송부와 Y방향 이송부를 이용하여 일정 간격 떨어져 있는 마스크 및 기판 상부의 일정 위치로 레이저 변위 센서를 이동시킨다(스텝 300).
이어서, 레이저 변위 센서의 작동거리에 맞도록 도 2의 간격 측정 장치의 Z방향 이송부를 이용하여 일정 간격 떨어져 있는 마스크나 기판과 레이저 변위 센서 사이의 수직 거리를 조정한다(스텝 320).
다음에, 상기 레이저 변위 센서를 상기 마스크와 기판 상에서 수평이동하면서 레이저빔을 발사하고 상기 마스크와 기판에서 각각 반사되어 돌아오는 레이저빔의 수광 위치를 근거로 측정한 거리값의 변화로 상기 마스크와 기판 사이의 간격을 측정한다.
도 5는 본 발명의 다른 예에 의해 도 2의 간격 측정 장치를 이용한 간격 측정 방법을 설명하기 위하여 도시한 흐름도이고, 도 6은 도 5의 간격 측정 방법을 설명하기 위해 레이저 변위 센서의 이동 관계를 나타낸 도면이다.
구체적으로, 도 2의 간격 측정 장치의 X방향 이송부와 Y방향 이송부를 이용하여 일정 간격 떨어져 있는 마스크 및 기판 상부의 일정 위치로 레이저 변위 센서를 이동시킨다(스텝 400).
이어서, 레이저 변위 센서의 작동거리에 맞도록 도 2의 간격 측정 장치의 Z방향 이송부를 이용하여 일정 간격 떨어져 있는 마스크나 기판과 레이저 변위 센서 사이의 수직 거리를 조정한다(스텝 420).
다음에, 도 6에 도시한 바와 같이 레이저 변위 센서를 상기 마스크의 마스크 패턴이 없는 영역(M2)의 기판 상부로 이동시킨다(440). 이어서, 상기 레이저 변위 센서를 이용하여 상기 마스크를 통과하여 상기 기판 윗면쪽으로 레이저빔을 발사하고 상기 기판 윗면에서 반사되어 돌아오는 레이저빔의 수광 위치를 근거로 제1 거리값을 측정한다. 다시 말해, 마스크 패턴이 없는 영역(M2)에 레이저빔을 발사하여 거리값을 측정하게 하면 상기 레이저 변위 센서는 기판(S)의 윗면까지의 거리를 측정하게 된다(스텝 460).
다음에, 도 6에 도시한 바와 같이 레이저 변위 센서를 마스크의 마스크 패턴이 있는 영역(M1) 상부로 이동시킨다(스텝 480). 이어서, 상기 레이저 변위 센서를 이용하여 상기 마스크의 아랫면에 위치하는 마스크 패턴쪽으로 레이저빔을 발사하고 상기 마스크 패턴에서 반사되어 돌아오는 레이저빔의 수광 위치를 근거로 제2 거리값을 측정한다. 다시 말해, 상기 마스크 패턴이 있는 영역(M1)을 레이저빔을 발사하여 거리값을 측정하게 하면 상기 레이저 변위 센서는 마스크(M)의 아랫면까지의 거리를 측정하게 된다(스텝 500).
다음에, 상기 제1 거리값과 제2 거리값의 차이로 상기 마스크와 기판 사이의 간격을 결정한다. 다시 말해, 마스크(M)의 아랫면과 기판(S)의 윗면까지의 거리의 차가 바로 마스크(M)와 기판(S) 사이의 간격이 된다(스텝 520).
도 5 및 도 6에서는, 레이저 변위 센서가 마스크 패턴이 없는 영역(M2)에서 거리를 먼저 측정하고, 마스크 패턴이 있는 영역에서 거리를 측정하여 그 거리차를 마스크와 기판 사이의 간격으로 측정하였다. 이와는 반대로, 레이저 변위 센서가 마스크 패턴이 있는 영역(M2)에서 거리를 먼저 측정하고, 마스크 패턴이 있는 없는 영역에서 거리를 측정하여 그 거리차를 마스크와 기판 사이의 간격으로 결정하여도 무방하다.
도 7은 도 2의 간격 측정 장치를 이용할 때 마스크에서 굴절이 일어날 경우의 레이저 변위 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 마스크(M)가 특정한 굴절률을 갖는 소다라임 유리나 석영으로 만들어지기 때문에 레이저빔이 마스크(M)를 지날 때 굴절이 일어나므로 거리측정값을 그대로 사용할 수 있는지 확인해 보아야 한다. 도 7에서는 레이저빔이 마스크 패턴이 있는 형성되어 있는 영역(M1)에서 반사되어 레이저빔 위치 검출부로 들어가는 경우와 마스크 패턴이 없다고 가정하여 기판(S)에서 반사되어 레이저빔 위치 검출부로 들어가는 경우를 나타내고 있다. 이때 다음과 같은 [수학식 6] 내지 [수학식 9]가 성립한다.
상기 [수학식 6] 내지 [수학식 9]를 마스크(M)와 기판(S) 사이의 간격인 g에 대해 풀면 다음과 같은 [수학식 10]이 된다.
이어서, [수학식 9]와 [수학식 10]을 관련하여 풀면 [수학식 11]이 된다.
결과적으로, [수학식 11]을 정리하면 [수학식 12]가 된다.
상기 [수학식 12]는 앞에서 계산된 하나의 측정대상물체가 변위 D만큼 이동했을 때 계산되는 값과 같은 식이다. 즉 하나의 레이저 변위 센서가 마스크(M)의 아랫면과 기판(S)의 윗면까지의 거리를 각각 측정했을 때 그 측정거리값의 차이가 바로 마스크(M)와 기판(S) 사이의 간격이 되는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 마스크와 기판 사이의 간격을 레이저 변위 센서를 이용하여 원하는 위치에서 간단하게 마스크와 기판 사이의 간격을 측정할 수 있고, 특히 넓은 면적의 원하는 위치에서도 간단히 간격을 측정할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의해 2차원 CCD를 이용한 간격 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 간격 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 간격 측정 장치에 이용된 레이저 변위 센서의 구성 및 그 기본 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 예에 의해 도 2의 간격 측정 장치를 이용한 간격 측정 방법을 설명하기 위하여 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 예에 의해 도 2의 간격 측정 장치를 이용한 간격 측정 방법을 설명하기 위하여 도시한 흐름도이다.
도 6은 도 5의 간격 측정 방법을 설명하기 위해 레이저 변위 센서의 이동 관계를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 2의 간격 측정 장치를 이용할 때 마스크에서 굴절이 일어날 경우의 레이저 변위 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.

Claims (6)

  1. 일정 간격 떨어져 있는 마스크와 기판 상부에 위치하고, 상기 마스크와 기판 상에서 수평이동하면서 레이저빔을 발사하고 상기 마스크와 기판에서 각각 반사되어 돌아오는 레이저빔의 수광 위치를 근거로 측정한 거리값의 변화로 상기 마스크와 기판 사이의 간격을 측정하는 레이저 변위 센서;
    상기 레이저 변위 센서와 마스크 및 기판 사이의 수직 거리(Z방향 거리)를 조정할 수 있는 Z방향 이송부;
    상기 레이저 변위 센서를 상기 마스크 및 기판과 평행한 평면상에서 가로 방향(X 방향)으로 이동할 수 있게 하는 X방향 이송부; 및
    상기 레이저 변위 센서를 상기 마스크 및 기판과 평행한 평면상에서 세로 방향(Y방향)으로 이동할 수 있게 하는 Y방향 이송부로 구성되는 것을 특징으로 하는 간격 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저 변위 센서에는 상기 레이저 변위 센서가 간격을 측정하고 있는 상기 마스크 상의 위치를 시각적으로 확인할 수 있도록 영상 획득 장치가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 간격 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 영상 획득 장치에는 상기 영상 획득 장치에서 얻어진 영상을 표시할 수 있는 디스플레이 장치가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 간격 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 레이저 변위 센서가 측정한 측정값을 저장하여 상기 마스크와 기판 사이의 간격을 계산하는 기능을 수행하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간격 측정 장치.
  5. 삭제
  6. 일정 간격 떨어져 있는 마스크 및 기판 상부의 일정 위치로 레이저 변위 센서를 이동시키는 단계;
    상기 레이저 변위 센서의 작동 거리에 맞도록, 상기 마스크나 기판과 상기 레이저 변위 센서 사이의 수직 거리를 조정하는 단계;
    상기 레이저 변위 센서를 이용하여 상기 마스크를 통과하여 상기 기판 윗면쪽으로 레이저빔을 발사하고 상기 기판 윗면에서 반사되어 돌아오는 레이저빔의 수광 위치를 근거로 제1 거리값을 측정하는 단계;
    상기 레이저 변위 센서를 이용하여 상기 마스크의 아랫면에 위치하는 마스크 패턴쪽으로 레이저빔을 발사하고 상기 마스크 패턴에서 반사되어 돌아오는 레이저빔의 수광 위치를 근거로 제2 거리값을 측정하는 단계; 및
    상기 제1 거리값과 제2 거리값의 차이로 상기 마스크와 기판 사이의 간격을 결정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 간격 측정 방법.
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