KR101436666B1 - 투명 기판에서의 결함의 정량화 방법 - Google Patents

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Abstract

투명 기판, 특히 유리 시트 내에서의 결함을 검출 및 정량화하기 위한 방법이 개시된다. 상기 방법은 상부면 및 저면을 갖는 투명한 평면 기판을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 제공된 투명한 평면 표면 중 상부면의 적어도 일부에 대한 표면 지세(topography)를 측정하여 서브-나노미터 수준의 정밀성을 갖는 3차원 상부면 프로파일을 수득한다. 상기 3차원 표면 프로파일 측정으로부터, 미리 결정된 허용한계보다 큰 크기(amplitude)를 갖는 상기 3차원 표면 프로파일에서 하나 이상의 표면 변이의 존재를 식별 및/또는 정량화할 수 있다.
정량화, 유리기판, 무라결함, 광학 간섭기, 프로파일

Description

투명 기판에서의 결함의 정량화 방법{A METHOD FOR QUANTIFYING DEFECTS IN A TRANSPARENT SUBSTRATE}
본 발명은 투명 기판, 보다 상세하게는 유리 시트에서의 결함에 대한 검출 및 정량화(quantification)를 위한 시스템, 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 투명기판, 예를 들어 유리 시트에서의 무라(Mura) 결함의 검출에 많은 관심이 집중되고 있는데, 이는 세계 시장에서의 액정 디스플레이(LCD) 텔레비전의 인기 및 수용력에 주로 기인한다. 이에 따라, 상기 산업은 엄격한 LCD 모드의 설계 사양에 부합하는 기판을 공급하면서도 증가되는 양적 요구를 맞추기 위한 도전에 직면하고 있다. 통상적으로, 줄무늬(streak), 코드(cord), 및 표면 불연속(discontinuity)과 같은 결함은 검사관 및 수작업을 이용하여 검출된다. 그러나 이러한 일반적인 검출 방식으로는 현재의 제품 사양에 의하여 요구되는 정밀함 및 정확성에 필요한 수준을 달성할 수 없다.
예를 들어, LCD 유리에서 줄무늬 및 코드의 속성은 시각적 검사를 통하여 관찰될 수 없는 물리적 이상이다. 이들은 유리 연신 방향에서 길이방향으로 연장되며, 표면 돌출(projection) 또는 함몰(depression)로 통상 명확하게 나타나는, 날 카로운 “미세표면(microsurface)”불연속성으로 이루어진다. 줄무늬 결함은 일반적으로 단일의 분리된 선으로 나타나나, 코드 결합은 모든 수 밀리미터마다 이격된 복수의 선으로 이루어진다. 코드 결함은 통상 수 밀리미터의 주기를 갖는 수 나노미터 정도로 작은 광경로(optical path length (OPL)) 변이(variations)를 이룬다. 두께나 굴절률 변이로부터 기인하는 이러한 작은 변이는 일반적으로 렌징(lensing)이라 일컫는 효과에 의하여 스크린 상에 광 세기를 변화(modulate)시킨다. 유리 표면상의 줄무늬 특성은 셀 간극 두께 내에 변이를 도입하여 최종 패널의 광학 특성에 영향을 미친다.
수동 검사는 현재 코드 및 줄무늬 특성을 특징화하기 위해 실시되고 있다. 예를 들어, 액정 디스플레이에 사용되는 유리기판에서의 코드 및 줄무늬와 같은 결함을 검출함에 있어, 그림자법(shadow method)은 결함을 검출하는데 사용된다. 이 방법에 의하면, 유리 시트(통상 약 1미터 너비X 2미터 길이)가 자유 회전하는 L-브라켓 스탠드에 설치되고 제논 광원에 의하여 조사된다. 상기 광원은 전체 시트를 조사하도록 발산한다. 유리의 그림자가 검출기에 의한 흰색 스크린상에 비추어 진다. 결함은 상기 스크린상에 대비되어 일차원의 선으로 나타난다. 상기 선들의 방향은 예를 들어 유리시트가 제조되는 다운드로우 장치 내에서 유리시트가 연신된 방향과 평행하다. 일단 결함이 확인되면, 검사자는 시트 내에서 상기 결함영역 다음의 제한 샘플을 유지시키고, 줄무늬 특성이 밝은지 어두운지 결정하기 위해 흰색 보드 상에서 이미지를 비교한다. 그러나 상이한 LCD 모드에서 제안된 새로운 줄무늬에 관한 사양은 20nm (IPS 모드), 30nm (VA 모드), 및 40nm (TN)과 같다. 현재 기술이 수작업이기 때문에, 작업자는 그렇게 밀접하게 이격된 줄무늬 높이(즉, 20, 30 & 40nm 줄무늬 높이)를 구별하는 것이 불가능하다.
LCD 유리에서 줄무늬의 정량화(quantify)를 위해 이전에 개발된 다른 접근 방법은 유리의 일면을 통하여 향해지고 다른 측면상으로 유리를 빠져나가며, 그 다음 광검출기로 포커싱되도록 시준된(collimated) 레이저빔을 사용한다. 유리 내의 줄무늬 결함은 레이저 빔의 상변조를 도입하여 회절 격자형 광 효과를 나타낸다. 회절된 빔은 이들이 유리를 통하여 전파되면서 구조적으로(constructively), 또한 소거적으로(destructively) 방해하여 줄무늬 크기(amplitude)에 의존하는 광검출기 상에서의 광세기 변이(light intensity variation)를 유발하게 한다. 그러나 광 검출기에 의하여 보여지는 순(net) 강도 변이는 시트의 양면 상의 평균 줄무늬 크기의 작용이다. 따라서 단일면 줄무늬 크기, 특히 좌우 대칭의 줄무늬를 갖는 시트에서는 이러한 기술로부터 제공될 수 없다.
나아가, 줄무늬 결함을 측정하는데 사용되는 이전의 또 다른 접근방법은 접촉 표면 굴곡측정기(profilometer)의 사용을 포함한다. 그러나 상기 접촉 표면 굴곡측정기는 업계에 의하여 수립되는 허용 가능한 높이 아래에서 줄무늬 결함을 측정하도록 그 성능이 제한되었다.
표면 불연속(discontinuities)은 유리 바디 내에 포함된 함유물(inclusions)이다. 이러한 함유물은 실리카나 백금 물질 또는 기포일 수 있으며, 고체이거나 가스상 형태일 수 있다. 큰 함유물, 또는 유리 표면에 가까운 것은 표면을 통하여 돌출되는 표면 불규칙이나 불연속을 유발할 수 있다. 업계에서는 그러한 함유물의 크 기에 대하여 관심을 가지고 있는데, 완성된 LCD 패널에서의 바람직하지 않은 픽셀 차단 때문이다. 그러나, 줄무늬 높이의 우려와 유사하게, 함유물 높이에 대한 지식은 중요할 수 있는데, 그러한 결함은 완성된 LCD 패널에서 가시화되기 시작하는 국부화된 셀 간극 두께 변이를 도입할 수 있기 때문이다. 현재 함유된 실리카나 백금 함유물과 같은 표면 불연속의 높이를 정량화하기 위한 방법은 제조과정에 존재하지 않는다.
코드 및 줄무늬 결함에 대한 반복가능하며 신뢰할 수 있는 시각적 검사, 특히 수작업적 방법은 극히 어렵다는 것이 증명되었으며, 오늘날의 공업표준에 부합하는데 필요한 정확성 및 정밀합의 요구 수준을 달성하는 것도 불가능하다. 따라서 업계의 증가된 요구를 만족시킬 수 있는 투명한 기판의 일차원 광 경로 길이의 변이를 측정할 수 있는 장치, 시스템, 및/또는 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 유리 시트와 같은 투명 기판의 표면에서 일어날 수 있는 표면 결함, 특히 무라(Mura) 결함의 위치 및 크기에 대한 검출 및 정량화(quantification)를 위한 방법을 제공한다.
특히 상기 방법은 상부면 및 저면을 갖는 투명한 평면 기판을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 투명한 평면 표면 중 상부면의 적어도 일부에 대한 표면 지세(topography)가 그 다음 측정되어 서브-나노미터 수준의 정밀성을 갖는 3차원 상부면 프로파일을 수득한다. 상기 표면 프로파일 측정으로부터, 소정의 허용한계보다 큰 크기(amplitude)를 갖는 상기 3차원 표면 프로파일에서 하나 이상의 표면 변이의 존재가 식별 및 정량화된다.
일구체예에서, 본 발명은 상기 표면 지세 측정을 위해 광학 간섭기(optical interferometry)를 이용한다. 수학적 알고리즘과 조합하여 광학 간섭기를 사용함으로써, 본 발명은 전통적인 측정 기술의 전체적인 반복가능성 및 재생산성을 감소시킨 이전의 데이터 분석에 있어 조작자 대 조작자의 주관성을 보다 배제할 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 방법의 개선된 정확성 및 정밀성과 함께 개선된 반복성은 특정한 기판에서 표면 결함을 검출하고 정량화하는, 보다 신뢰할 수 있는 방법을 가능하게 한다.
본 발명의 추가적 구체예는 상세한 설명 및 또한 상세한 설명에서 파생된 후술하는 청구항에서 부분적으로 개시될 것이며, 본 발명의 실시에 의하여 습득될 수 있다. 전술한 일반적인 설명과 후술되는 상세한 설명 모두 단지 예시적이며 설명적인 것이고 개시 및/또는 청구되는 본 발명을 한정하는 것이 아님을 이해하여야 한다.
본 발명의 다음 설명은 현재 알려진 측면에서 본 발명의 가능한 교시를 제공한다. 따라서, 당업자는 여기서 설명된 본 발명의 다양한 측면에서 본 발명의 유리한 결과를 얻으면서 많은 변화가 만들어질 수 있음을 인식할 것이고, 또한 그것이 명백할 것이다. 본 발명의 바람직한 일정 장점은 다른 특징을 이용하지 않고 본 발명의 특징의 일부를 선택함에 의하여 얻을 수 있음이 명백하다. 따라서, 당업자는 본 발명의 다양한 변형 및 변경이 가능하고 일정 환경에서 바람직할 수 있다는 것을 인식할 것이고, 이는 본 발명의 일부를 이룬다. 그러므로, 이어지는 상세한 설명은 본 발명의 원리의 설명으로서 제공되는 것이지, 본 발명을 제한하기 위함이 아니다.
본 명세서에 사용되는 것으로서, 단수 형태의 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명백하게 다른 것을 지시하지 않는다면 다수의 대상을 포함한다. 그러므로, 예를 들어, "이미징 장치"는 문맥상 명확하게 다른 것을 지적하지 않는다면, 둘 이상의 이러한 이미징 장치를 갖는 구체예를 포함한다.
범위는 "약" 하나의 특정 값으로부터, 및/또는 "약" 다른 특정 값까지와 같이 본 명세서에서 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현된 경우, 다른 면은 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 유사하게, 선행사로 "약"의 사용에 의하여 값이 근사값으로 표현된 경우, 상기 특정값이 다른 측면을 형성할 수 있음이 이해되어야 한다. 상기 범위의 각각의 끝점은 상기 다른 끝점과 상당히 관련되며, 상기 다른 끝점과 독립적이라는 것이 또한 이해될 것이다.
상기에서 간략히 요약된 바와 같이, 본 발명은 투명한 평면 기판 및 특히 액정 디스플레이 (LCD)에 사용되는 것과 같은 유리 시트에서의 결함을 정량화하는 방법을 제공한다. 본 방법이 검출 및/또는 정량화하는데 사용될 수 있는 상기 특정 결함은 한정되는 것은 아니나, 줄무늬(streak), 코드, 및 표면 불연속과 같은 무라(Mura) 결함을 포함한다. 이에 따라, 당업자라면 이해할 바와 같이, “무라”는 얼룩에 해당하는 일본어이며 액정 디스플레이에서 시각적 결함을 설명하기 위해 디스플레이 업계에서 통상적으로 사용되고 있다. 줄무늬, 코드 및 표면 불연속과 같은 무라 결함의 존재는 LCD 셀 간극의 두께 비-균일성을 초래할 수 있으며 디스플레이 장치를 통한 불균일한 가시광 세기를 일으킨다. 육안에 의하여 보여지는 경우, 이러한 불균일한 광분포는 유리 패널의 결함 영역과 주위의 정상 영역 사이의 대비변이(contrast variation)를 초래할 수 있다.
여기에서 사용되는 바와 같이, 줄무늬 결함은 유리 연신 방향에서 길이방향으로 연장되는, 표면 돌출 또는 함몰로서 통상 명확화되는 "미세표면(microsurface)" 불연속을 일컫는다. 줄무늬 결함은 통상 단일의 분리된 선으로 나타나나, 코드 결합은 모든 수 밀리미터마다 이격된 복수의 선으로 이루어진다. 두께나 굴절률 변이로부터 기인하는 이러한 작은 변이는 일반적으로 렌징(lensing)이라 일컫는 효과에 의하여 스크린상에 광 세기를 변화(modulate)시킨다.
여기에서 사용되는 바와 같이, 표면 불연속 결함은 기판의 표면 내에 실리카나 백금 물질과 같은 함유물질을 일컬으며, 이를 포함한다.
본 발명에 따른 방법은 첫째로 상부면 및 대향되는 저면을 갖는 투명한 평면 기판을 제공하는 단계를 포함하며, 상술한 바와 같이, 상기 기판은 일측면으로 유리 시트 물질일 수 있다. 기판 자체는 또한 어떠한 바람직한 크기, 형태 및/또는 두께를 가질 수 있다. 상기 투명한 평면 기판의 상부면의 적어도 일부에 관한 표면 지세는 그 다음 상기 기판의 상부 표면에 대한 3차원 상부면 프로파일을 얻기 위해 측정된다. 표면 지세는 3차원 표면 지세 측정을 수득하기에 적합한 어떠한 종래 기술을 사용하여 얻어질 수 있다. 예를 들어, 일 측면으로, 상부면의 표면 지세는 광학 간섭기를 이용하여 얻어질 수 있다. 또한 다른 측면으로, 상기 광학 간섭기는 0.1nm의 해상도를 갖고 표면 지세를 측정할 수 있는 능력을 갖는 것이 바람직하다. 기판에 대한 표면 지세를 얻기에 적합한 상업적으로 비 제한적인 광학 간섭기는 Zygo NewView 6200 광학 굴곡 측정기(Profilometer)로서, 미국 코네티컷, 미들필드의 Zygo사로부터 입수가능하다. 상기 Zygo NewView 6200은 시험 표면의 3차원 이미지를 생성하는 백색광 간섭기를 이용하는 고정밀의 현미경이다. 전자 결합 소자(charged coupled device, CCD) 카메라 상에 수집된 광학 간섭 데이터는 결함의 조사에 있어 표면 지세의 표본(representative)인, 고 해상도의 3차원 표면 지도를 나노미터 급에서 마이크론 스케일로 생성하도록 처리된다.
일단 3차원 표면 지세 데이터가 얻어지면, 상기 표면 지세 데이터는 그 다음 소정의 용인한계보다 큰 크기(amplitude)를 갖는 3차원 표면 프로파일에서의 하나 이상의 표면 변이를 검출하는데 사용되어, 이에 따라 투명한 평면 기판의 상부면에서의 하나 이상의 표면 결함의 존재를 검출 및/또는 정량화할 수 있다. 특히, 일단 표면 지도가 생성되면, 2차 다항 방정식이 줄무늬 또는 표면 불연속 결함의 높이와 폭을 계산하기 위한 측정 데이터에 적용될 수 있다. 일 측면으로, 상기 프로파일의 제1 및 제2 도함수(derivative)가 계산될 수 있고, 이는 포착된(captured) 프로파일을 가로지르는 특정한 거리당 표면 지세 변화의 속도에 대응한다. 본 결함의 최대 및 최소값 및 이에 따른 결함 높이는 상기 도함수 프로파일로부터 결정될 수 있다.
결함 위치 및 크기(이하 “피크” 및 “밸리”라 한다)를 결정하는 데 사용될 수 있는 예시적인 알고리즘은 미국, 텍사스주 오스틴, National Instruments으로부터 구할 수 있는 피크 디텍터 알고리즘이다. 이러한 알고리즘은 표면 지세의 플롯으로부터 얻어진 데이터 포인트의 연속 그룹에 대하여 2차 다항식을 일치시키고, 수립된 발단 수준(threshold level)에 대한 적합성(fit)을 테스트한다.
특히, 얻어진 표면 지세의 주어진 교차 영역은 X-Z 축 프로파일 데이터를 위해 분석된다. 이러한 프로파일 데이터는 상기 프로파일에 대한 전통적인 최소 제곱 선형 적합성 회귀 모델(least squares linear fit regression model)을 처음으로 적용함으로써 어떠한 잔류 경사(residual tilt)를 제거하도록 처음에 균일화(level)될 수 있다. 상기 프로파일 데이터를 균일화한 이후에, 제1 도함수 이동 윈도우(moving window)의 계산은 상기 프로파일 데이터에 걸쳐 적용된다. 어떤 크기의 이동 윈도우도 적용될 수 있으나, 일 측면에서 4mm 너비의 윈도우 크기가 사용되는 것이 바람직하다. 제2 도함수 이동 윈도우는 그 다음 상기 제1 도함수로부터 얻어진 프로파일 데이터에 적용된다. 이 제2 도함수 플롯의 “피크” 및 “밸리”의 변곡점(inflection point)의 크기는 표면 함몰 또는 돌출에 해당한다. 이러한 측정은 제1 도함수 플롯의 “피크” 및 “밸리”의 변곡점을 조사함으로써 또한 입증될 수 있다. 상기 제1 도함수 플롯의 “피크” 및 “밸리”의 변곡점은 그 후 검출된 줄무늬 특성의 최대 이탈 위치를 측정하는데 사용된다. 또한 제2 도함수 플롯의 “피크” 및 “밸리”의 변곡점도 줄무늬 크기가 계산되는 기준선(baseline)을 수립하는데 사용될 프로파일의 X-축 위치를 측정하는데 사용된다.
하나 이상의 줄무늬 파라미터를 정량화하기 위한 전술의 공정은 또한 표면 불연속의 크기를 정량화하는데 사용될 수 있다. 그러나 또 다른 측면에서, 표면 불연속을 계산하기 위한 단순화된 공정이 사용될 수 있다. 특히 대상 표면 불일치 결함 상 및 그 주위에서의 표면 지세 데이터의 수집은 상대적으로 평탄한 배경 프로파일 데이터의 생성으로 이어질 수 있다. 따라서 예시적인 추출 공정에 따르면, 표면 불연속의 피크 크기는 처음으로 측정될 수 있다. 피크 크기의 양 쪽면에서의 최소 프로파일 크기 위치는 그 다음 측정될 수 있다. 선형 적합성(linear fit)은 그 다음 그러한 점을 사용하여 수행되고 상기 프로파일 데이터로부터 차감(subtracted)하여 표면 불연속의 크기를 정량화할 수 있다.
서브-나노미터 수준의 정밀성을 갖는 광학 굴곡 측정기를 사용함으로써, 본 발명의 방법은 대략 5nm 만큼 작은 크기를 갖는 하나 이상의 표면 결함을 검출 및 정량화할 수 있다. 따라서, 일 측면에서, 본 발명에 따른 방법은 5nm 이상의 크기를 갖는 하나 이상의 표면 결함을 검출 및 정량화할 수 있다. 또한 상기 방법은 5nm 내지 100 nm 범위의 크기를 갖는 결함을 검출 및 정량화하는데 사용될 수 있다. 또한 본 방법에 의하여 달성되는 증가된 수준의 프로세션은 전통적인 데이터 분석에서 초래되는 조작자 대 조작자 간의 주관성을 배제시킬 수 있다. 결과적으로, 본 발명은 보다 개선된 반복성 및 정확성을 제공한다.
본 발명에 따른 방법을 실행함에 있어 Zygo NewView6200과 같은 광학 간섭기는 대향된(opposed) 기판 표면의 지세로부터 영향을 받지 않고 기판의 단일 표면에 대한 표면 지세를 측정할 수 있다는 것도 명확할 것이다. 반대로, 결함을 검출하는 전통적인 기술은 기판을 통과하는 빛에 의존하며 평균 결함 값은 개별 측면(sides)으로부터의 높이 기여(height contributions)를 분리할 수 없는 능력으로 계산되었다. 이러한 전통적인 기술의 단점은 기판의 대향면에서의 결함 크기가 대칭인 경우에 보다 문제가 될 수 있다. 따라서 전통적인 기술을 사용하면 ‘양호’라는 잘못된 결과를 얻을 가능성이 있다.
마지막으로, 본 발명은 특정의 설명 및 구체예에 대하여 상세하게 설명되었으나, 첨부된 청구범위에서 규정된 바와 같은 본 발명의 광의의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 수많은 변형이 가능한 것이며, 이를 제한하려고 하는 것이 아님이 고려되어야 한다.

Claims (10)

  1. 상부면 및 저면을 갖는 투명한 평면 기판을 제공하는 단계와,
    투명한 평면 기판의 상부면의 적어도 일부에 대한 표면 지세(topography)를 측정하여 서브-나노미터 수준의 정밀성을 갖는 3차원 상부면 프로파일을 수득하는 단계와,
    3차원 상부면 프로파일에 2차 다항 방정식을 적용하는 단계와,
    3차원 상부면 프로파일을 가로지르는 선택된 거리에 대하여 표면 지세가 변화하는 속도에 대응하는 2차 다항 방정식의 제1 도함수 및 제2 도함수를 계산하는 단계와,
    2차 다항 방정식의 제1 도함수 및 제2 도함수를 계산하는 단계로부터 수득한 도함수 프로파일에 기초하여 각 표면 변이의 최대 값, 최소 값 및 크기(amplitude)를 결정하는 단계와,
    3차원 표면 프로파일에서 미리 결정된 허용한계보다 큰 크기를 갖는 하나 이상의 표면 변이를 식별하여 투명한 평면 기판의 상부면에서 하나 이상의 표면 결함을 정량화하는 단계를 포함하는, 투명한 평면 기판에서의 결함을 정량화하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 투명한 평면 기판의 상부면의 표면 지세는 광학 간섭기(optical interferometry)로 측정되는, 투명한 평면 기판에서의 결함을 정량화하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 하나 이상의 상부면 결함은 무라(Mura)결함을 포함하는, 투명한 평면 기판에서의 결함을 정량화하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 무라 결함은 줄무늬 및/또는 표면 불연속을 포함하는, 투명한 평면 기판에서의 결함을 정량화하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 무라 결함은 투명한 평면 기판 내에 실리카 및/또는 백금 물질을 포함하는 표면 불연속 결함인, 투명한 평면 기판에서의 결함을 정량화하는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 무라 결함은 줄무늬 결함이며 길이방향으로 연장된 표면 돌출 및/또는 함몰을 포함하는, 투명한 평면 기판에서의 결함을 정량화하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 5nm 이상의 크기를 갖는 하나 이상의 표면 결함을 식별 가능한 것을 특징으로 하는, 투명한 평면 기판에서의 결함을 정량화하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 5nm 내지 100 nm 범위의 크기를 갖는 하나 이상의 표면 결함을 식별 가능한 것을 특징으로 하는, 투명한 평면 기판에서의 결함을 정량화하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 투명한 평면 기판의 상부면에서의 하나 이상의 결함에 대한 식별은 투명한 평면 기판의 저면으로부터 영향을 받지 않는, 투명한 평면 기판에서의 결함을 정량화하는 방법.
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