KR101212382B1 - 박막 두께 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스펙트로미터를 이용한 비접촉 광학방식으로 제품의 손상을 방지하고 다양한 배율에서 필름이나 글라스 또는 반도체 등에 코팅된 박막의 두께를 신속하게 측정할 수 있는 박막 두께 측정장치에 관한 것이다.
이를 위해 일정거리 이격된 제1 및 제2 수직광로; 제1 수직광로와 연통된 제1 수평광로; 제1 수평광로와 이격되어 제1 및 제2 수직광로를 연통시키는 제2 수평광로; 제1 광원과 연결된 발광라인과 스펙트로미터와 연결된 수광라인이 내장되고, 일단이 제1 수직광로의 상단에 고정설치된 제1 광케이블; 배율이 다른 복수의 대물렌즈와, 대물렌즈 중 어느 하나가 제1 수직광로의 하단에 위치하도록 수평이동시키는 1축 로봇이 구비된 현미경 렌즈부; 제2 광원과 연결되고, 일단이 제2 수직광로의 상단에 고정설치된 제2 광케이블; 제1 수평광로에 설치되어 제1 수직광로의 영상을 획득하는 카메라; 제1 수평광로와 제1 수직광로의 교차부, 제1 수직광로와 제2 수평광로의 교차부 및 제2 수평광로와 제2 수직광로의 교차부에 각각 설치되어 제2 광원의 조명을 카메라로 안내하는 반거울; 및 현미경 렌즈부의 하부에 배치되고, 박막 샘플이 놓여지는 샘플 스테이지;를 포함하는 박막 두께 측정장치가 제공된다.

Description

박막 두께 측정장치{Apparatus for measuring thickness of thin layer}
본 발명은 박막 두께 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스펙트로미터를 이용한 비접촉 광학방식으로 제품의 손상을 방지하고 다양한 배율에서 필름이나 글라스 또는 반도체 등에 코팅된 박막의 두께를 신속하게 측정할 수 있는 박막 두께 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 공정에서는 필름이나 글라스 또는 반도체 등에 미세 패턴을 형성하는 공정이 필수적으로 이루어지고 있다. 반도체 공정은 제품에 대한 높은 신뢰성이 요구되기 때문에 미세 패턴층과 같은 박막 코팅층의 두께를 정확하게 측정할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
박막의 두께를 측정하기 위해 통상 광학적 방법이 사용되고 있는데 그 원리에 대해 설명하면 다음과 같다. 빛은 매질의 표면에 부딪혀 반사되는데 이때 입사각과 반사각은 동일하고, 빛이 매질의 표면을 통과하는 경우 매질의 굴절률에 따라 굴절하게 되고 이때 빛의 일부가 매질에 흡수되어 투과 광량은 줄어드는 성질을 갖는다. 그리고 빛이 다층 매질에 입사되는 경우 일부는 상부 매질의 표면에서 반사되고, 일부는 굴절되어 하부 매질과의 계면에서 다시 반사되는데 상기 반사광들의 위상차를 측정하여 매질의 두께를 측정할 수 있다.
이와 같은 원리를 이용한 종래의 기술로 스펙트로미터(Spectrometer, 분광계)를 이용한 광학적 측정방법이 있다. 스펙트로미터는 빛을 분산시켜 스펙트럼을 만들고 여러 파장위치에서의 정량적인 측정값을 얻을 수 있는 장치이다. 즉, 스펙트로미터를 이용하여 박막 표면과 하부의 계면에서 각각 반사되는 반사광들의 굴절률 또는 반사율에 근거하여 위상차를 구하고, 데이터 해석에 의하여 박막의 두께를 측정할 수 있는 것이다.
그러나, 종래의 스펙트로미터를 이용한 박막 두께 측정장치는 측정하고자 하는 박막 샘플의 두께에 따라 다양한 배율의 현미경 렌즈가 사용되는데, 렌즈를 직접 갈아끼우거나 수동으로 조작하는 방식이어서 측정시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.
또한, 종래기술에 따른 박막 두께 측정장치는 박막 샘플이 놓이는 샘플 스테이지가 고정된 상태로 있기 때문에, 현미경 렌즈의 초점 조절을 위한 기계적 구성이 추가되어 광학계의 구조가 복잡해지고 제조비용 및 비효율성을 증가시키는 요인이 되고 있다.
나아가, 종래기술에 따른 박막 두께 측정장치는 광학계에 구비된 광로(光路)의 영상을 획득하기 위하여 카메라를 설치하는 경우 카메라의 조명을 위한 광원을 설치하기가 까다로운 구조적인 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 다양한 배율의 현미경 렌즈를 신속하게 교체할 수 있고 현미경 렌즈의 초점이 용이할 뿐만 아니라 광로의 영상을 획득하기 위한 효율적인 구조를 가진 박막 두께 측정장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치는, 일정거리 이격된 제1 및 제2 수직광로; 제1 수직광로와 연통된 제1 수평광로; 제1 수평광로와 이격되어 제1 및 제2 수직광로를 연통시키는 제2 수평광로; 제1 광원과 연결된 발광라인과 스펙트로미터와 연결된 수광라인이 내장되고, 일단이 제1 수직광로의 상단에 고정설치된 제1 광케이블; 배율이 다른 복수의 대물렌즈와, 대물렌즈 중 어느 하나가 제1 수직광로의 하단에 위치하도록 수평이동시키는 1축 로봇이 구비된 현미경 렌즈부; 제2 광원과 연결되고, 일단이 제2 수직광로의 상단에 고정설치된 제2 광케이블; 제1 수평광로에 설치되어 제1 수직광로의 영상을 획득하는 카메라; 제1 수평광로와 제1 수직광로의 교차부, 제1 수직광로와 제2 수평광로의 교차부 및 제2 수평광로와 제2 수직광로의 교차부에 각각 설치되어 제2 광원의 조명을 카메라로 안내하는 반거울; 및 현미경 렌즈부의 하부에 배치되고, 박막 샘플이 놓여지는 샘플 스테이지;를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치에 있어서, 제1 광원과 제2 광원은 할로겐 램프 또는 LED 램프인 것이 바람직하다.
또한, 1축 로봇은 대물렌즈가 일정간격으로 배열되어 고정된 가동프레임과, 가동프레임을 안내하는 가이드프레임과, 가동프레임이 삽입 설치된 스크류축과, 스크류축을 회전 구동시키는 모터로 이루어진다.
또한, 본 발명에 따른 박막 두께 장치에 있어서, 샘플 스테이지를 x축, y축 및 z축으로 가동시키는 3축 로봇이 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 박막 두께 측정장치는 1축 로봇을 이용하여 다양한 배율의 대물렌즈를 신속하게 교체할 수 있기 때문에 측정하고자 하는 박막 샘플의 두께에 따라 신속한 측정이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명의 박막 두께 측정장치는 광케이블을 이용하여 광학계의 구조를 단순화시킬 수 있다. 아울러 광학계의 광로 영상을 획득하기 위하여 제1 및 제2 수직광로와 제1 및 제2 수평광로와 다수의 반거울이 구비됨으로써 카메라에 효율적인 조명제공이 가능한 장점이 있다. 이와 같은 광학계 구조를 통해 제조비용의 절감을 이룰 수 있을 뿐만 아니라 보다 신뢰성 있는 박막 두께 측정이 가능하다.
나아가, 본 발명의 박막 두께 측정장치는 3축 로봇을 이용하여 샘플 스테이지를 3차원 상에서 이동시킬 수 있다. 이때, 3축 로봇의 z축 조절을 통해 현미경 렌즈의 미세 조정이 가능하다. 그리고, x축 및 y축 조절을 통해 샘플 스테이지를 광학계 하부로부터 이격시킬 수 있기 때문에 박막 샘플을 착탈하는데 있어 편리함을 제공하는 이점이 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막 두께 측정장치의 사시도,
도 2는 도 1의 측면도,
도 3은 광학계의 내부구조를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 도면부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면에 표시되었다 하더라도 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
(박막 두께 측정장치의 구성)
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막 두께 측정장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 측면도이고, 도 3은 광학계의 내부구조를 나타내는 도면이다. 본 발명의 일실시예에 따른 박막 두께 측정장치(1)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 크게 광학계와 샘플 스테이지부로 구성된다. 이때, 광학계는 소정 높이의 수직 프레임(10)으로부터 연장된 수평 프레임(20)의 말단부에 설치된다.
광학계는 본체(100)의 상단에 제1 및 제2 경통(150, 160)이 구비되고, 제1 경통(150)과 제2 경통(160)의 상단에는 제1 광케이블(200)과 제2 광케이블(400)이 연결된다. 그리고, 광학계 본체(100)의 일측면에는 카메라(500)가 구비되고, 본체(100)의 하단에는 대물렌즈(312, 314, 316)와 1축 로봇(320)으로 구성된 현미경 렌즈부가 구비된다. 이하, 도 3을 참조하여 광학계의 구성에 대하여 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 3에서와 같이 광학계 본체(100) 내부에는 일정거리 이격된 제1 및 제2 수직광로(110, 120)가 형성되어 있다. 그리고, 제1 수직광로(110)와 제2 수직광로(120)는 제1 경통(150)과 제2 경통(160)을 통해 상측으로 각각 연장된 구조를 가진다. 이때, 광학계 본체(100)의 제1 수직광로(110)와 제2 수직광로(120)에는 초점 조절을 위한 렌즈(112, 122)가 각각 구비될 수 있다.
제1 수평광로(130)는 광학계 본체(100)에 제1 수직광로(110)와 연통되도록 형성되고, 카메라(500)가 제1 수평광로(130)와 나란한 상태에서 본체(100)의 측면에 설치된다. 이때, 카메라(500)의 전방측에는 초점 조절을 위한 렌즈(132)가 구비될 수 있다.
제2 수평광로(140)는 제1 수직광로(110)와 제2 수직광로(120)를 연통시키도록 형성된다. 이때, 제1 수평광로(130)와 제2 수평광로(140)는 도 3에서와 같이 일정거리 이격되어 평행하게 형성된다.
제1 광케이블(200)은 도 3에서와 같이 중심부에 위치한 수광라인(220)과 수광라인(220) 바깥쪽으로 다수의 발광라인(210)이 내장되어 있다. 이와 같은 제1 광케이블(200)은 제1 경통(150)의 상단에 연결되어 고정된다. 그리고, 제1 광테이블(200)의 말단부는 발광라인(210)과 수광라인(220)이 Y자 형태로 나뉘어진다. 이때, 발광라인(210)은 할로겐 램프 또는 LED 램프로 이루어진 제1 광원(212)과 연결되고, 수광라인(220)은 스펙트로미터(222)와 연결된다.
현미경 렌즈부는 배율이 다른 다수의 대물렌즈(312, 314, 316)와, 대물렌즈(312, 314, 316) 중 어느 하나가 제1 수직광로(110)의 하단에 위치하도록 수평이동시키는 1축 로봇(320)으로 구성된다.
대물렌즈(312, 314, 316)는 비교적 두꺼운 필름이나 베어글라스의 두께를 측정하기 위한 저배율 렌즈와, LCD나 PDP 등에 형성된 반도체 패턴의 코팅층 두께를 측정하기 위한 고배율 렌즈까지 다양하게 구비되는 것이 바람직하다. 예를 들어 대물렌즈(312, 314, 316)의 배율을 5배, 10배, 20배로 구성할 수 있다.
1축 로봇(320)은 가이드프레임(322), 가동프레임(324), 스크류축(326) 및 모터(328)를 포함하여 구성된다. 가이드프레임(322)은 상술된 수평 프레임(20)에 고정설치된다. 가동프레임(324)은 다수의 대물렌즈(312, 314, 316)가 배율에 따라 차례대로 일정거리 이격되어 고정되고, 가이드프레임(324)상에서 안내되도록 설치된다. 스크류축(326)은 가이드프레임(322)에 회전가능하도록 설치되고, 가동프레임(324)이 스크류축(326)에 삽입 설치된다. 따라서, 스크류축(326)의 회동방향에 따라 가동프레임(324)이 스크류축(326)을 따라 선형 운동할 수 있다. 모터(328)는 스텝모터를 사용하는 것이 바람직하고, 스크류축(326)을 회전 구동시키게 된다.
이와 같은 구성된 1축 로봇(320)은 상술된 대물렌즈(312, 314, 316)를 도 1에 도시된 바와 같이 y축 상에서 이동시켜 대물렌즈(312, 314, 316) 중 어느 하나가 제1 수직광로(110)의 하단에 위치시킴으로써 현미경 렌즈부의 배율을 조절할 수 있다.
제2 광케이블(400)은 할로겐 램프 또는 LED 램프의 제2 광원(402)과 연결되고, 도 3에서와 같이 제2 수직광로(120)의 상단에 고정설치된다.
카메라(500)는 제1 수평광로(130)와 나란하도록 하여 광학계 본체(100)의 측면부에 설치되고, 제1 수직광로(110)의 영상을 획득하게 된다. 획득된 영상 정보는 광학계의 배율조절 및 초점 조절하는데 활용함으로써 박막 두께를 측정하는 데 있어 보다 신뢰성 있는 측정을 가능케 한다.
반거울(612, 614, 616)은 입사광의 일부를 반사하고 나머지는 투과시키는 반투명 거울(half mirror)이다. 반거울(612, 614, 616)은 도 3에서와 같이 제1 수평광로(130)와 제1 수직광로(110)의 교차부, 제1 수직광로(110)와 제2 수평광로(140)의 교차부 및 제2 수평광로(140)와 제2 수직광로(120)의 교차부에 각각 배치됨으로써 제2 광원(402)의 조명을 카메라(500)로 안내하는 역할을 한다. 또한, 제1 광케이블(200)의 발광라인(210)에서 나온 빛은 제1 수직광로(110)에 설치된 반거울(612, 614)을 통과할 수 있고, 박막 샘플에서 반사된 빛이 다시 통과하여 수광라인(220)에 입사될 수 있다.
샘플 스테이지부는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 샘플 스테이지(700)와 3축 로봇(800)으로 구성되어 베이스 프레임(802) 상에 설치된다.
샘플 스테이지(700)는 측정하고자 하는 박막 샘플이 놓여지고, 이를 고정하는 역할을 한다.
3축 로봇(800)은 x축, y축 및 z축의 3차원 상에서 샘플 스테이지(700)의 위치를 이동시키는 역할을 한다. 구체적으로 3축 로봇(800)은 제1 모터(812)와 제1 가동자(814)가 구비된 x축 가동부와, 제2 모터(822)와 제2 가동자(824)가 구비된 y축 가동부와, 제3 모터(832)와 제3 가동자(834)가 구비된 z축 가동부로 구성된다. 이때, 제1 내지 제3 모터(812, 822, 832)는 스텝모터인 것이 바람직하다. 그리고, 각 가동부는 제1 내지 제3 모터(812, 822, 832)의 회전력을 제1 내지 제3 가동자(814, 824, 834)의 선형 운동으로 변환함으로써 앞서 설명한 현미경 렌즈부의 1축 로봇(320)과 유사한 구조를 가진다.
한편, 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치(1)는 상술된 제1 및 제2 광원(212, 402), 스펙트로미터(222), 1축 로봇(320), 카메라(500) 및 3축 로봇(800)을 제어하기 위한 제어부(미도시)와, 스펙트로미터(222)에서 얻은 데이터를 소정의 프로그램에 의하여 연산처리함으로써 박막의 두께를 출력하는 컴퓨터(미도시)가 더 구비된다.
(박막 두께 측정장치의 작동 및 이를 이용한 측정방법)
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 박막 두께 측정장치(1)의 작동 및 이를 이용한 측정방법에 대하여 설명한다.
먼저, 본 발명의 박막 두께 측정장치(1)를 이용하여 위해서는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 샘플 스테이지부가 광학계로부터 이격된 상태에서 측정하고자 하는 박막 샘플을 샘플 스테이지(700)에 올려놓게 된다.
그리고, 3축 로봇(800)의 제1 및 제2 모터(812, 822)를 구동시켜 샘플 스테이지(700)를 광학계 본체(100)의 하측에 위치시키게 된다.
그리고, 박막 샘플의 두께에 따라 1축 로봇(320)을 이동시켜 대물렌즈(312, 314, 316) 중 어느 하나를 제1 수직광로(110)의 하단측에 위치시키게 된다. 도 3에서는 저배율의 대물렌즈(312)를 이용하여 비교적 두꺼운 필름이나 베어글라스 등의 두께를 측정하기 위한 상태를 나타낸다. 그리고, LCD나 PDP 등에 형성된 반도체 패턴의 코팅층과 같이 얇은 두께를 측정하는 경우에는 가이드프레임(322) 상에서 가동프레임(424)을 이동시킴으로써 고배율의 대물렌즈(314, 316)를 사용하게 된다.
이때, 상기 대물렌즈(312, 314, 316)의 배율에 따른 초점 조절을 위해 3축 로봇(800)의 제3 모터(832)를 구동시켜 샘플 스테이지(700)를 상하로 이동시켜 미세 조정하게 된다.
그리고, 제1 광원(212)을 on시키면 제1 광케이블(200)의 발광라인(210)으로부터 조사된 빛이 제1 수직광로(110)를 통해 박막 샘플(미도시)에 입사되고, 반사광은 다시 제1 수직광로(110)와 수광라인(220)을 거쳐 스펙트로미터(222)에 전송됨으로써 박막의 두께를 측정할 수 있다.
즉, 반사광은 스펙트로미터(222) 내의 렌즈, 프리즘, 격자 등을 거쳐 파장별로 분리된 후 선형배열 CCD(Charge-Coupled Device)에 의해 전기적인 신호로 변형되고, DSP(Digital Signal Processor) 보드에서 디지털 신호로 변환되어 컴퓨터로 전송된다. 그리고, 소정의 프로그램에 의해 데이터 연산처리가 이루어짐으로써 박막의 두께를 출력하게 된다.
그리고, 제2 광원(402)을 on시켜서 카메라(500)에 조명을 제공할 수 있고, 카메라(500)는 제1 수직광로(110) 상의 영상 정보를 획득할 수 있다. 획득된 영상 정보는 광학계의 배율조절 및 초점 조절하는데 활용함으로써 박막 두께를 측정하는 데 있어 보다 신뢰성 있는 측정을 가능케 한다.
상기한 본 발명의 특정 실시예와 관련하여 도면을 참조하여 상세히 설명하였지만 본 발명을 이와 같은 특정 구조에 한정하는 것은 아니다. 당업계에서 통상의 지식을 가진 당업자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 벗어나지 않고서도 용이하게 수정 또는 변경할 수 있을 것이다. 그러나 이러한 단순한 설계변형 또는 수정사항에 의한 등가물 및 변형물은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속함을 미리 밝혀둔다.
1 : 박막 두께 측정장치
10 : 수직 프레임
20 : 수평 프레임
100 : 광학계 본체
110 : 제1 수직광로
112 : 렌즈
120 : 제2 수직광로
122 : 렌즈
130 : 제1 수평광로
132 : 렌즈
140 : 제2 수평광로
150 : 제1 경통
160 : 제2 경통
200 : 제1 광케이블
210 : 발광라인
212 : 제1 광원
220 : 수광라인
222 : 스펙트로미터
312, 314, 316 : 대물렌즈
320 : 1축 로봇
322 : 가이드프레임
324 : 가동프레임
326 : 스크류축
328 : 모터
400 : 제2 광케이블
402 : 제2 광원
500 : 카메라
612, 614, 616 : 반거울
700 : 샘플 스테이지
800 : 3축 로봇
802 : 베이스 프레임
812 : 제1 모터
814 : 제1 가동자
822 : 제2 모터
824 : 제2 가동자
832 : 제3 모터
834 : 제3 가동자

Claims (4)

  1. 일정거리 이격된 제1 및 제2 수직광로(110, 120);
    상기 제1 수직광로(110)와 연통된 제1 수평광로(130);
    상기 제1 수평광로(110)와 이격되어 상기 제1 및 제2 수직광로(110, 120)를 연통시키는 제2 수평광로(140);
    제1 광원(212)과 연결된 발광라인(210)과 스펙트로미터(222)와 연결된 수광라인(220)이 내장되고, 일단이 상기 제1 수직광로(110)의 상단에 고정설치된 제1 광케이블(200);
    배율이 다른 복수의 대물렌즈(312, 314, 316)와, 상기 대물렌즈(312, 314, 316) 중 어느 하나가 상기 제1 수직광로(110)의 하단에 위치하도록 수평이동시키는 1축 로봇(320)이 구비된 현미경 렌즈부;
    제2 광원(402)과 연결되고, 일단이 상기 제2 수직광로(120)의 상단에 고정설치된 제2 광케이블(400);
    상기 제1 수평광로(130)에 설치되어 상기 제1 수직광로(110)의 영상을 획득하는 카메라(500);
    상기 제1 수평광로(130)와 상기 제1 수직광로(110)의 교차부, 상기 제1 수직광로(110)와 상기 제2 수평광로(140)의 교차부 및 상기 제2 수평광로(140)와 상기 제2 수직광로(120)의 교차부에 각각 설치되어 상기 제2 광원(402)의 조명을 상기 카메라(500)로 안내하는 반거울(612, 614, 616); 및
    상기 현미경 렌즈부의 하부에 배치되고, 박막 샘플이 놓여지는 샘플 스테이지(700);를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광원(212)과 상기 제2 광원(402)은 할로겐 램프 또는 LED 램프인 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 1축 로봇(320)은
    상기 대물렌즈(312, 314, 316)가 일정간격으로 배열되어 고정된 가동프레임(324)과,
    상기 가동프레임(324)을 안내하는 가이드프레임(322)과,
    상기 가동프레임(324)이 삽입 설치된 스크류축(326)과,
    상기 스크류축(326)을 회전 구동시키는 모터(328)로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 스테이지(700)를 x축, y축 및 z축으로 가동시키는 3축 로봇(800)이 더 구비된 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정장치.
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