KR100900477B1 - 두께변화 측정장치 및 그를 이용한 측정방법 - Google Patents

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Abstract

두께변화 측정장치 및 그를 이용한 측정방법을 제공한다. 상기 두께변화 측정장치는 레이저(10); 상기 레이저(10)에서 발생한 빔의 일부를 통과시키며 나머지 빔을 수직으로 분할시키는 빔스플리터(20); 상기 빔스플리터(20)에 의해 수직으로 분할된 빔을 통과된 빔과 평행하게 반사시키는 반사미러(30); 상기 빔스플리터(20) 후단에 설치되어 상기 반사미러(30)에 의해 반사된 빔이 입사각을 갖도록 빔스플리터(20)를 통과한 빔과 시료기판(1)으로 집광되도록 하는 제 1 렌즈(40); 상기 빔스플리터(20)와 상기 시료기판(1) 사이 일직선상에 배치되어 상기 빔스플리터(20)를 통과한 빔과 상기 제 1 렌즈(40)에 의해 집광되는 빔을 통과시켜 시료기판(1)으로 조사되도록 하며 시료기판(1)의 양면으로부터 각각 반사된 빔을 재반사시키는 편광빔스플리터(50); 상기 편광빔스플리터(50)에 의해 재반사된 각각의 레이저 빔을 검출하는 광검출기(61,62); 및 상기 광검출기(61,62)로부터 각각 검출된 빔의 간섭신호를 이용하여 두께변화 및 두께의 증감을 분석하는 데이터 분석기(70); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
LCD, 기판, 두께측정

Description

두께변화 측정장치 및 그를 이용한 측정방법{Apparatus of thickness variation and measuring method using the same}
도 1은 제조 공정 중 기판 두께변화 측정장치의 개략적인 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 두께변화 측정장치의 개략적인 구조를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 두께변화 측정장치의 측정원리를 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 설명 *
100 ; 두께변화 측정장치 200 ; 시료 기판
300: 이송장치
1: 시료기판 10: 레이저
20: 빔스플리터 30: 반사미러
40: 제 1 렌즈 50: 편광빔스플리터
61,62: 광검출기 70: 데이터 분석기
본 발명은 두께변화 측정장치 및 그를 이용한 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 간섭계를 이용한 시료 기판의 두께변화 측정장치 및 그를 이용한 측정방법에 대한 것이다.
최근 들어 정보통신 기술의 급격한 발달로 인해, 이를 위한 표시 매체 산업도 또한 급속히 성장하고 있다. 표시 장치로서 기존의 CRT는 공간, 무게, 소비전력, 해상도 등의 제약으로 신개념의 정보통신 매체로서 부적합하다. 따라서 기존의 CRT를 대체하는 LCD(liquid crystal display), PDP(plasma display panel), OLED(organic light emission display)등의 평판 표시 장치(flat panel display) 산업이 급속히 성장하고 있다.
상기 평판 표시 장치는 일반적으로 표시 기판으로 유리 기판을 사용하게 된다. 액정표시장치(LCD)의 경우 백라이트 유닛에서 발생되는 광원을 액정(liquid crystal)의 배열에 따라 선택적으로 투과시킴으로써 원하는 색상 및 명암으로 디스플레이를 조절하게 되고, 상기 조절된 빛은 유리 기판을 통하여 외부의 사용자에게 전달된다. 액정표시장치의 선명하고 깨끗한 화질을 위하여, 표시 기판인 유리 기판의 두께는 넓은 면적에 있어서 두께변화가 거의 없도록 균일해야한다.
따라서, 액정표시장치와 같은 평판 표시 장치용 유리 기판의 정밀한 제조를 위해, 유리 기판의 제조 과정 중 수 nm의 두께 변화를 측정하는 것이 필요하다. 그러나, 제조 공정상에서 유리 기판의 진동, 주위 환경의 온도와 압력 변화와 같은 외부 잡음이 발생할 수 있으며, 이는 기판의 두께 측정 시 오차를 가져오는 문제 요인으로 작용한다. 그러므로, 수 nm 이내 정밀한 범위의 두께 측정을 위해서는 상 기와 같은 제조 현장의 여러 가지의 잡음 요인에 무관하게 유리 기판의 두께만을 측정할 수 있는 기술이 필요하다.
상기한 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 제조 공정 상의 외부 잡음에 무관하게 시료 기판의 두께를 측정할 수 있는 두께변화 측정장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 액정표시장치용 기판의 제조 공정 과정 중 사용 가능한 구조를 가지는 두께변화 측정장치를 제공하는 것이다.
또, 본 발명의 또 다른 목적은 시료기판의 두께 측정 뿐만 아니라, 두께의 증감변화를 측정할 수 있도록 하는 두께변화 측정장치를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 두께변화 측정장치는 레이저(10); 상기 레이저(10)에서 발생한 빔의 일부를 통과시키며 나머지 빔을 수직으로 분할시키는 빔스플리터(20); 상기 빔스플리터(20)에 의해 수직으로 분할된 빔을 통과된 빔과 평행하게 반사시키는 반사미러(30); 상기 빔스플리터(20) 후단에 설치되어 상기 반사미러(30)에 의해 반사된 빔이 입사각을 갖도록 빔스플리터(20)를 통과한 빔과 시료기판(1)으로 집광되도록 하는 제 1 렌즈(40); 상기 빔스플리터(20)와 상기 시료기판(1) 사이 일직선상에 배치되어 상기 빔스플리터(20)를 통과한 빔과 상기 제 1 렌즈(40)에 의해 집광되는 빔을 통과시켜 시료기판(1)으로 조사되도록 하며 시료기판(1)의 양면으로부터 각각 반사된 빔을 재반사시키는 편광빔스플리 터(50); 상기 편광빔스플리터(50)에 의해 재반사된 각각의 레이저 빔을 검출하는 광검출기(61,62); 및 상기 광검출기(61,62)로부터 각각 검출된 빔의 간섭신호를 이용하여 두께변화 및 두께의 증감을 분석하는 데이터 분석기(70); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명은 상기 광검출기(61,62)로부터 검출된 빔의 세기( I )와 시료기판의 두께( L(x,y) )와의 관계식은 하기의 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112007043457778-pat00001
--- (1)
(단, I 1 , I 2 은 시료기판의 양면에서 각각 반사되어 광검출기에 검출된 광의 세기이고, λ는 레이저 빔의 파장이다.)
또한, 본 발명은 상기 편광빔스플리터(50)와 시료기판(1) 사이에 4분할 파장판(51)이 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 상기 편광빔스플리터(50)와 상기 광검출기(61,62) 사이에 제 2 렌즈(52)가 더 구비된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 제 1 렌즈(40)에 의해 상기 반사미러(30)에 의해 반사된 빔이 입사각(θ)을 갖도록 집광될 때, 빔이 시료기판(1)을 통과한 거리와 시료기판(1)의 두께와의 차와 굴절률(n)과의 곱이 레이저 빔의 파장의 1/8 이면(n×(L - Lcosθ) = 1/8 λ), 상기 광검출기(62)로부터 검출된 빔의 세기( I PD2 )와 시료기판의 두께( L(x,y) )와의 관계식은 하기식에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112007043457778-pat00002
(단, I 1 , I 2 은 시료기판의 양면에서 각각 반사되어 광검출기에 검출된 광의 세기이다.)
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 제조 공정 중 기판 두께 측정장치를 나타낸 구조도이다.
도면을 참조하면, 두께를 측정하고자 하는 기판(200) 상에 두께변화 측정장치(100)가 위치한다. 상기 기판(200)은 평판 표시 장치용 기판일 수 있으며, 나아가서, 상기 평판 표시 장치용 기판은 유리 기판일 수 있다. 상기 기판(200)은 이송장치(300) 상에 위치하여 일정한 방향으로 이동하게 되고, 그 상부에 위치한 상기 두께변화 측정장치가 일정하게 레이저 빔을 조사하고 반사된 빔을 측정하고 분석함으로써 두께측정을 수행하게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 두께변화 측정장치의 개략적인 구조를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 두께변화 측정장치의 측정원리를 나타낸 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 두께변화 측정장치(100)는 레이저(10)를 구비한 다. 레이저 빔의 파장을 일정하게 조사시키기 위해, 상기 레이저(10)는 온도 안정화기(11)가 구비될 수 있다. 상기 온도 안정화기(11)는 상기 레이저(10)의 온도를 조절하고 현재 온도를 확인하며 공지된 것을 사용한다. 또한, 상기 레이저(10)는 레이저 다이오드를 사용한 것일 수 있다.
상기 레이저(10)의 빔 방출 선상에는 빔스플리터(Beam Splitter)(20)가 구비된다. 상기 빔스플리터(20)는 상기 레이저(10)에서 발생한 빔의 일부를 통과시키며 나머지 빔을 수직으로 분할시키는 역할을 한다. 상기 빔스플리터(20)에 의해 수직으로 분할된 빔은 반사미러(30)에 의해 반사되게 된다.
상기 시료기판(1)은 평판 디스플레이용 기판일 수 있으며, 나아가서, 상기 평판 디스플레이용 기판은 유리 기판일 수 있다.
상기 반사미러(30)는 상기 빔스플리터(20)에 의해 수직으로 분할된 빔을 반사시켜 상기 빔스플리터(20)를 통과한 빔과 평행하도록 하여 반사시키는 역할을 한다.
상기 제 1 렌즈(40)는 상기 빔스플리터(20) 후단에 설치되어 상기 반사미러(30)에 의해 반사된 빔이 입사각을 갖도록 빔스플리터(20)를 통과한 빔과 시료기판(1)으로 집광되도록 하는 역할을 한다.
상기 제 1 렌즈(40)로 인해 상기 레이저 빔이 상기 시료기판(1)에서 초점이 맺히도록 조정될 수 있다. 즉, 상기 제 1 렌즈(40)는 상기 시료기판(1) 상에서 레이저 빔을 집속하게 함으로써 횡방향 분해능을 향상시켜 준다. 또한, 상기 시료기판(1)에서 반사된 신호만 광검출기(61,62)에 입사하도록 함으로써 신호의 잡음을 감소시키는 역할도 수행한다.
상기 제 1 렌즈(40)와 시료기판(1) 사이 일직선상에는 상기 빔스플리터(20)를 통과한 빔과 상기 제 1 렌즈(40)에 의해 집광되는 빔을 통과시켜 시료기판(1)으로 조사되도록 하며 시료기판(1)의 양면으로부터 각각 반사된 빔을 재반사시키는 편광빔스플리터(50)가 배치된다.
이때, 상기 편광빔스플리터(50)와 시료기판(1) 사이에 4분할 파장판(51)이 더 구비된 것이 바람직하다.
상기 사분할 파장판(51)은 상기 시료기판(1)에서 반사된 레이저 빔(I1, I2)을 통과시킴으로써 편광의 방향을 90도 만큼 돌아가게 하는 역할을 수행한다. 따라서, 상기 시료기판(1)에서 반사된 신호(I1, I2)가 레이저 방향으로 진행되지 않고, 광검출기(40) 방향으로 진행되도록 할 수 있다. 상기 레이저(10), 편광광속분할기(20) 및 사분할 파장판(51)은 레이저빔의 발생, 분할, 편광 등의 역할을 수행하며 레이저 간섭계를 구성하게 된다.
상기와 같은 구성으로 되어 상기 빔스플리터(20)를 통과한 빔(beam 1)과, 상기 빔스플리터(20)에 의해 수직으로 분할되어 상기 반사미러(30)에 의해 반사되고 상기 제 1 렌즈(40)에 의해 집광되는 빔(beam 2) 사이의 각 θ를 가지게 된다.
이때, beam 1과 beam 2가 시료기판에 입사될 때 두 빔은 시료기판을 지나면서 느끼는 광경로는 각각 다음과 같이 된다.
Figure 112007043457778-pat00003
--- (2)
Figure 112007043457778-pat00004
--- (3)
(단, n은 시료기판의 굴절률이고, L(x,y)는 위치 (x,y)에서의 시료기판의 두께이다.)
그러므로, beam 1과 beam 2가 시료기판에 입사될 때 두 빔은 시료기판을 지나면서 다음과 같은 위상차이가 생긴다.
Figure 112007043457778-pat00005
--- (4)
상기 편광빔스플리터(50)에 의해 재반사된 각각의 레이저 빔은 광검출기(61,62)에 의해 각각 검출되게 된다. 상기 광검출기(61,62)는 적어도 둘이상 구비할 수 있으며, 이로 인해 다각도로 반사된 레이저 빔들을 검출할 수 있다. 상기 광검출기(61,62)는 상기 데이터 분석기(70)와 연결되어 배치됨으로써 상기 광검출기(61,62)로 인해 검출된 신호들을 분석하게 된다.
이때, 광검출기(Photodiode;PD 1)(61)는 시료기판에 수직으로 입사되어 시료기판의 양면에서 반사된 빛이 서로 간섭을 일으키는 신호를 검출하게 되며, 광검출기(Photodiode;PD 2)(62)는 시료기판에 입사각 θ로 입사되어 시료기판의 양면에서 반사된 빛이 서로 간섭을 일으키는 신호를 검출하게 된다. 이 신호는 유리의 두께에 따라 신호의 세기가 다음과 같은 식으로 변하게 된다.
Figure 112007043457778-pat00006
--- (5)
(단, I 1 , I 2 은 시료기판의 양면에서 각각 반사되어 광검출기에 검출된 광의 세기이고, n은 시료기판의 굴절률, λ는 레이저 빔의 파장, L(beam i)는 (i =1, 2) 광검출기 PD1과 PD2에 입사된 빛의 시료기판을 지난 광경로이다.)
이를 좀더 자세히 설명하면, 레이저에서 나온 빔은 시료기판(1)의 앞면과 뒷면에서 각각 반사하여 I 1 , I 2 로 되고, 편광빔스플리터(50)과 4분할 파장판(51)의 조합에 의해 광검출기(61,62)쪽으로 반사된다.
시료기판(1)의 앞면과 뒷면에서 반사하는 빛은 서로 간섭을 일으키는데, 이 간섭 현상은 페브리 페로 간섭원리로 설명될 수 있다. 유리 기판처럼 양면의 반사율이 낮을 경우에는 앞면에서 반사된 빔(I1)과 뒷면에서 반사된 빔(I2)만 고려해도 충분하다. 따라서, 단순한 두 파동의 간섭으로 해석할 수 있다.
이 경우 간섭된 두 파동의 신호의 세기는 광검출기(61,62)에서 검출되며 수학식 2와 수학식 3을 수학식 5에 대입하면 신호 세기가 다음 식과 같이 변한다.
Figure 112007043457778-pat00007
--- (6)
Figure 112007043457778-pat00008
--- (7)
(단, I PD1 , I PD2 은 각각 광검출기 (61)과 (62)에 입사된 광의 세기이다.)
I 1 , I 2 가 일정하다면 신호의 세기는 L에 따라서만 변하므로 유리두께 L의 변화를 알 수 있게 된다. 또한, 상기 시료기판(1)이 z축 방향으로 이동하는 경우, 즉 상기 시료기판(1)의 두께 방향으로 이동하는 경우에는 상기 레이저 빔이 조사하 는 위치가 변하지 않으므로, 두께 변화 및 간섭 신호의 변화는 없다. 따라서, 외부의 진동이나 기판 자체의 진동에는 무감한 측정이 가능하게 되는 장점이 있다. 이로 인해, 제조 현장의 여러 가지의 잡음 요인에 무관하게, 유리 기판의 제조 공정상에서 수 nm의 두께 변화를 측정할 수 있게 된다. 따라서, 양질의 대화면 디스플레이용 유리기판을 제조할 수 있는 효과가 있다.
만약 식(6)이나 식(7) 중 하나만 아는 경우에는 유리두께 L의 변화를 알 수 있으나, 두께가 증가하는지 감소하는지는 알 수 없다.
따라서, 두개의 빔을 사용하고 하나의 빔(beam 1)은 수직입사를 하고 또 다른 빔(beam2)이 θ만큼 기울어서 입사하면 이 빔이 느끼는 유리의 두께는 Lcosθ 이므로 n(L - Lcosθ) = 1/8 λ 이면 이 빔은 beam 1과 90도 위상차가 생기므로 다음 식과 같이 표현된다.
Figure 112007043457778-pat00009
--- (8)
따라서, sin 과 cos 신호를 알기 때문에 L의 증가/감소를 알 수 있게 된다.
이와 같이 sin과 cos 신호를 알면 L의 두께 변화 뿐만 아니라 두께의 증가감소를 모두 알 수 있어 두께 변화를 측정할 수 있다.
상기 데이터 분석기(70)는 상기 광검출기(61,62)로부터 각각 검출된 빔의 간섭신호를 이용하여 두께변화 및 두께의 증감을 분석하는 역할을 한다.
또, 본 발명은 상기 편광빔스플리터(50)와 상기 광검출기(61,62) 사이에 상기 광검출기(61,62)에 의해 검출되기 용이하도록 빔을 집광시키는 제 2 렌즈(52)가 더 구비된 것이 바람직하다. 또한 나아가서, 상기 제 2 렌즈(52)와 상기 광검출기(61,62) 사이에 구멍(aperture, 미도시됨)이 배치될 수 있다. 상기 제 2 렌즈(52)는 상기 편광빔스플리터(50)로부터 재 반사된 레이저 빔을 상기 광검출기(61,62)로 모이도록 집속해주며, 상기 구멍은 원하지 않는 표면에서 재반사된 잡음 신호를 제거하는 역할을 수행한다.
도 4는 본 발명에 의한 두께변화 측정장치를 이용한 측정 반복도를 나타낸 그래프이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 의한 두께변화 측정장치를 이용하여 측정을 반복한 결과, 시료기판의 위치에서의 두께변화 증감변화가 거의 일치하게 나타난 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 두께변화 측정장치 및 그를 이용한 측정방법은 레이저의 간섭현상을 이용함으로써 외부 환경의 잡음, 즉 기판의 진동이나 대기의 온도와 압력 변화에 무관하게 기판의 위치에 따른 두께변화 뿐만 아니라 두께의 증감변화를 측정할 수 있는 장점이 있다. 이는 대형화 되어가고 있는 디스플레이용 유리 기판의 제조 과정에 있어서, 사용이 가능한 간단한 구조와 두께 측정의 정밀성을 가짐으로써 공정 비용 및 공정 시간을 감소시키는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영 역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 레이저(10);
    상기 레이저(10)에서 발생한 빔의 일부를 통과시키며 나머지 빔을 수직으로 분할시키는 빔스플리터(20);
    상기 빔스플리터(20)에 의해 수직으로 분할된 빔을 통과된 빔과 평행하게 반사시키는 반사미러(30);
    상기 빔스플리터(20) 후단에 설치되어 상기 반사미러(30)에 의해 반사된 빔이 입사각(θ)을 갖도록 빔스플리터(20)를 통과한 빔과 시료기판(1)으로 집광되도록 하는 제 1 렌즈(40);
    상기 빔스플리터(20)와 상기 시료기판(1) 사이 일직선상에 배치되어 상기 빔스플리터(20)를 통과한 빔과 상기 제 1 렌즈(40)에 의해 집광되는 빔을 통과시켜 시료기판(1)으로 조사되도록 하며 시료기판(1)의 양면으로부터 각각 반사된 빔을 재반사시키는 편광빔스플리터(50);
    상기 편광빔스플리터(50)에 의해 재반사된 각각의 레이저 빔을 검출하는 광검출기(61,62); 및
    상기 광검출기(61,62)로부터 각각 검출된 빔의 간섭신호를 이용하여 두께변화 및 두께의 증감을 분석하는 데이터 분석기(70); 를 포함하며,
    상기 광검출기(61,62)로부터 검출된 빔의 세기( I )와 시료기판의 두께( L(x,y) )와의 관계식은 하기의 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 두께변화 측정장치.
    Figure 112009008078770-pat00016
    (단, I1 , I2 은 시료기판의 양면에서 각각 반사되 어 광검출기에 검출된 광의 세기이고, n은 시료기판의 굴절률이며, λ는 레이저 빔의 파장이다.)
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈(40)에 의해 상기 반사미러(30)에 의해 반사된 빔이 입사각(θ)을 갖도록 집광될 때, 빔이 시료기판(1)을 통과한 거리와 시료기판(1)의 두께 와의 차와 굴절률(n)과의 곱이 레이저 빔의 파장의 1/8 이면(n×(L - Lcosθ) = 1/8 λ), 상기 광검출기(62)로부터 검출된 빔의 세기( I PD2 )와 시료기판의 두께( L(x,y) )와의 관계식은 하기식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 두께변화 측정장치.
    Figure 112007043457778-pat00011
    (단, I 1 , I 2 은 시료기판의 양면에서 각각 반사되어 광검출기에 검출된 광의 세기이다.)
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