KR102213026B1 - 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템에 관한 것으로서, 시편이 안착되는 시편 고정대; 상기 시편 고정대의 상부에 형성되며 시편에 대한 시험을 수행하는 측정부; 상기 시편 고정대에 대한 상기 측정부의 상대적인 위치를 x축, y축 및 z축 방향으로 변화시키는 이동모듈; 및 상기 측정부와 상기 이동모듈을 제어하는 제어부;를 포함하여 이루어지며, 상기 측정부는 상기 이동모듈에 고정되는 몸체부와 상기 몸체부에 탈착 가능하게 고정되는 측정 프로브를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 다수 미소 재료의 물성을 정확하게 측정하는 것이 가능한 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템에 관한 것이다.

Description

박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템{A high-throughput measurement system for mechanical and electrical properties of thin films}
본 발명은 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미소 재료의 다양한 물성을 정확하게 측정하는 것이 가능한 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템에 관한 것이다.
재료의 물성을 파악하기 위해서는 인장 시험이나 가압 시험과 같은 시험 등을 진행하고 이러한 시험의 진행을 위해서는 시험별 시험기가 필요하다.
그런데 실리콘 웨이퍼 위의 박막과 같은 미소 재료의 물성을 파악하는 데에는 일반적인 스케일의 시험기를 사용할 수 없기 때문에 마이크로 스케일 또는 나노 스케일의 시험기를 사용하여야 한다.
한편, 실리콘 웨이퍼 위에는 많은 수의 박막이 빽빽하게 배치되므로 각 박막의 물성을 신속하게 측정하기 위하여 기존의 미소 스케일 시험기는 측정부의 위치를 이동시켜 가면서 측정 작업을 진행하였다.
그런데 박막들 사이의 간격만큼 시험기의 측정부 위치를 이동시켜가면서 박막들의 물성 측정 작업을 진행하더라도 측정부 이동시 오차가 발생할 수 있고, 측정 작업이 연속적으로 진행됨에 따라 측정부 이동의 오차가 누적되면 후반부에 진행되는 측정 작업의 정확도는 크게 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
그리고 실리콘 웨이퍼 위의 박막에 대해서는 기계적, 전기적, 구조적인 물성 시험이 다양하게 진행될 수 있는데, 각 시험별로 시험기를 구비하는 것은 경제적인 면에서 쉽지 않다.
KR 10-1786589 B1
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 미소 스케일을 가지는 재료들의 물성 시험을 신속하면서도 정확하게 진행할 수 있는 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템을 제공함에 있다.
또한, 미소 재료에 대한 다양한 물성 시험을 경제적으로 진행할 수 있는 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 위에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 시편이 안착되는 시편 고정대; 상기 시편 고정대의 상부에 형성되며 시편에 대한 시험을 수행하는 측정부; 상기 시편 고정대에 대한 상기 측정부의 상대적인 위치를 x축, y축 및 z축 방향으로 변화시키는 이동모듈; 및 상기 측정부와 상기 이동모듈을 제어하는 제어부;를 포함하여 이루어지며, 상기 측정부는 상기 이동모듈에 고정되는 몸체부와 상기 몸체부에 탈착 가능하게 고정되는 측정 프로브를 구비하는 것을 특징으로 하는 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템에 의해 달성된다.
상기 시편 고정대에 안착된 시편을 촬영하는 비전부를 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 비전부는, 상기 시편 고정대에 대하여 직각을 이루는 광축을 가지는 제1 비전 카메라와 상기 시편 고정대에 대하여 비스듬한 광축을 가지는 제2 비전 카메라를 구비하는 것이 바람직하다.
상기 제1 비전 카메라는 상기 시편 고정대의 하부에 배치되고, 상기 시편 고정대에는 상하로 관통하는 관찰창이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 시편 고정대는, 중앙부에 상기 관찰창을 구비하고 서로 크기가 다른 다수 개의 고정판을 구비하고, 크기가 작은 고정판은 크기가 큰 고정판의 관찰창에 맞물리도록 배치되는 것이 바람직하다.
상기 제어부는, 시편에 대한 시험시마다 상기 제1 비전 카메라에서 촬영된 영상을 토대로 상기 측정부가 시편의 중심과 일치하도록 상기 이동모듈을 제어하는 것이 바람직하다.
상기 시편 고정대, 상기 측정부, 상기 이동모듈 및 상기 비전부는 방진 테이블에 고정되는 것이 바람직하다.
상기 측정부는 나노 스테이지를 통해 상기 이동모듈에 고정되는 것이 바람직하다.
상기 제어부는, 시편에 대한 시험시마다 상기 측정부의 z축 방향 위치가 보정되도록 상기 측정부와 상기 이동모듈을 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템에 의하면, 다수의 시편에 대하여 물성 측정 작업을 신속하게 진행할 수 있고, 시편 각각에 대하여 정확한 시험을 진행할 수 있다.
이러한 효과는 미소하고 집적되어 배치된 시편들에 대해 물성 시험을 진행하는 경우에 특히 유효하다고 할 수 있다.
그리고 비전부를 통해 시험의 진행 상황을 실시간으로 확인하는 것이 가능하기 때문에 시험에 문제가 발생하면 문제 상황을 바로 파악할 수 있다.
본 발명에 의한 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템은 또한, 다양한 크기의 시편에 대해 다양한 물성 측정 시험을 용이하게 진행할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 의한 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템의 전체 사시도,
도 2는 본 발명에 의한 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템을 구성하는 측정부에 관한 설명도
도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템을 구성하는 시편 고정대에 관한 설명도,
도 5는 본 발명에 의한 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템을 구성하는 제1 비전 카메라가 고정되는 방법에 관한 설명도이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참고하여 자세하게 설명하도록 한다.
도 1에는 본 발명에 의한 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템의 전체 사시도가 도시되어 있다.
본 발명에 의한 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템(1)은 시편 고정대(10), 측정부(20), 이동모듈(30) 및 제어부(미도시)를 포함하여 이루어진다.
참고로, 본 발명에 의한 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템은 실리콘 웨이퍼 위의 박막이나 구성 성분의 비율이 조금씩 다른 합금과 같이 측정 대상 시편이 좁은 면적 내에 빽빽하게 배치된 경우에 사용될 수 있다.
시편 고정대(10)는 전체적인 형상이 평평한 판형으로 이루어지는 것으로서 그 상부에 시편이 안착되어 고정된다.
측정부(20)는 시편 고정대(10)의 상부에 위치하며 시편에 대한 시험을 수행하는 역할을 한다. 예를 들어, 시편의 기계적인 물성을 측정하는 경우에는 측정부(20)가 로드셀을 포함할 수 있고, 시편의 전기적인 물성을 측정하는 경우에는 측정부(20)가 4점 프로브 저항 측정기를 포함할 수 있다.
측정부(20)는 보다 구체적으로 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 몸체부(21)와 측정 프로브(22)로 이루어질 수 있다.
몸체부(21)는 아래에서 설명할 이동모듈(30)에 고정되는 부분이며, 측정 프로브(22)는 시편과 직접 접촉하면서 물성 측정을 진행하는 부분으로 몸체부(21)에 탈착 가능하게 고정된다. 이러한 측정부(20)는 물성 시험의 종류에 따라 측정 프로브(22) 부분을 쉽게 바꾸어줄 수 있다.
측정 프로브(22)는 예를 들어, 볼트와 너트를 통해 몸체부(21)에 탈착 가능하게 고정될 수 있다.
이동모듈(30)은 시편 고정대(10)에 대한 측정부(20)의 상대적인 위치를 x축, y축 및 z축 방향으로 변화시킨다. 이에 따라, 실리콘 웨이퍼 위의 박막의 물성을 측정하는 경우와 같이 시편 고정대(10) 상에 놓여진 시편이 다수인 경우에 각 시편의 위치와 측정부(20)의 위치를 맞추어 가면서 측정 작업을 진행할 수 있다.
이동모듈(30)은 측정부(20)만을 이동시키거나 시편 고정대(10)와 측정부(20)를 모두 이동시켜 시편 고정대(10)에 대한 측정부(20)의 상대적인 위치를 변화시킬 수 있다. 도 1에서는 예를 들어, 시편 고정대(10)가 x축 이동모듈(31)과 y축 이동모듈(32)에 의해 x축과 y축 방향으로 위치가 조절되고 측정부(20)가 z축 이동모듈(33)에 의해 z축 방향으로 위치가 조절되는 경우가 도시되어 있다.
제어부는 측정부(20)와 이동모듈(30)을 제어하는 역할을 한다. 즉, 이동모듈(30)을 제어하여 시편 고정대(10) 상에 안착된 시편의 위치와 측정부(20)의 위치를 맞추어주며, 측정부(20)를 제어하여 시편에 대한 물성 측정 작업을 진행한다.
이처럼 본 발명에 의한 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템(1)은 시편 고정대(10) 대한 측정부(20)의 상대적인 위치를 조절할 수 있도록 형성되어 시편 고정대(10) 상에 놓여진 다수의 시편에 대하여 물성 측정 작업을 신속하게 진행할 수 있다. 또한, 측정부(20)의 측정 프로브(22)가 탈착 가능하게 형성되기 때문에 물성 시험의 종류에 따라 측정 프로브(22) 부분을 쉽게 바꾸어가면서 하나의 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템(1)으로 측정 프로브(22)만을 변경함으로써 다양한 물성 시험을 진행할 수 있다.
본 발명에 의한 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템(1)은 비전부(40)를 더 구비할 수 있다.
비전부(40)는 시편 고정대(10)에 안착된 시편을 촬영하여 시편 고정대(10) 상의 시편 위치를 정확하게 파악할 수 있도록 하며, 시험 진행 상황을 실시간으로 파악할 수 있도록 한다.
제어부는 비전부(40)에서 파악된 시편의 위치에 대한 데이터를 토대로 측정부(20)와 시편의 위치를 정확하게 맞추어 주는 것이 가능하다.
비전부(40)는 실리콘 웨이퍼 위의 박막과 같이 미소하고 집적되어 배치된 시편들에 대해 물성 시험을 진행하는 경우와 같이 측정부(20)와 시편이 접촉하는 위치에 의해 측정의 정확성이 크게 좌우되는 경우에 특히 유효하다고 할 수 있다. 즉, 비전부(40)에 의해 측정부(20)와 시편의 위치를 정확하게 맞추어 주는 것이 가능하기 때문에 미소 시편 각각에 대하여 정확한 측정값을 얻을 수 있다.
그리고 비전부(40)를 통해 시험의 진행 상황을 실시간으로 확인하는 것이 가능하기 때문에 시험에 문제가 발생하면 문제 상황을 바로 파악할 수 있다.
비전부(40)는 보다 구체적으로, 시편 고정대(10)에 대하여 직각을 이루는 광축을 가지는 제1 비전 카메라(41)와 시편 고정대(10)에 대하여 비스듬한 광축을 가지는 제2 비전 카메라(42)를 구비할 수 있다.
제1 비전 카메라(41)의 광축은 시편 고정대(10)에 놓여진 시편의 표면과 직각을 이루므로 제1 비전 카메라(41)로 시편을 촬영한 영상에서 시편이 거의 왜곡되지 않고, 따라서 시편의 중심을 쉽게 파악하는 것이 가능하다.
물성 측정의 정확성을 높이기 위해서는 측정부(20)가 시편의 중심과 접촉하면서 측정 작업이 진행되는 것이 바람직한데, 제1 비전 카메라(41)에 의해 시편의 중심을 쉽게 파악할 수 있으므로 제어부가 제1 비전 카메라(41)에서 촬영된 영상을 토대로 이동모듈(30)을 제어하여 측정부(20)에서 시편에 접촉되는 부분이 시편의 중심과 정확하게 일치하도록 이동시켜 줄 수 있다.
제1 비전 카메라(41)에서 촬영된 영상에서는 시편인 부분과 시편이 아닌 부분의 색상차를 통해 시편의 경계를 인식할 수 있고, 인식된 경계를 기준으로 시편의 중심을 계산할 수 있다.
시편의 중심과 측정부(20) 중심의 일치화 작업은 각 시편에 대한 시험시마다 진행함으로써 시험의 정확성을 높일 수 있다.
제2 비전 카메라(42)는 제1 비전 카메라(41)와 다른 각도로 배치되어 제1 비전 카메라(41)로 촬영하기 어려운 위치를 촬영함으로써 시험의 진행 상황을 쉽고 정확하게 파악할 수 있도록 한다.
제2 비전 카메라(42)는 제1 비전 카메라(41)보다 넓은 범위를 촬영하여 시험의 진행 상황을 전체적으로 파악하도록 할 수 있다.
제1 비전 카메라(41)와 제2 비전 카메라(42)는 시편이 미소 스케일로 이루어지는 것을 고려하여 현미경 카메라로 이루어질 수 있다.
제1 비전 카메라(41)는 시편 고정대(10)의 하부에 형성되고, 이때 시편 고정대(10)에는 상하로 관통하는 관찰창(W)이 형성될 수 있다.
시편 고정대(10)의 하부에 배치되는 제1 비전 카메라(41)는 시편 고정대(10) 상에 놓여진 시편에 대한 시험을 수행하는 측정부(20)와 간섭하지 않는다. 관찰창(W)은 시편 고정대(10) 하부에 위치하는 제1 비전 카메라(41)가 시편 고정대(10) 상에 놓여진 시편을 촬영할 수 있도록 해준다.
시편 고정대(10)는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 크기가 서로 다른 다수 개의 고정판(11)을 구비하고, 각각의 고정판(11) 중앙부에는 관찰창(W)이 형성될 수 있다.
크기가 작은 고정판(11)은 테두리 부분이 큰 고정판(11)의 관찰창(W)에 맞물리도록 형성되어, 크기가 작은 고정판(11)이 크기가 큰 고정판(11)의 관찰창(W)에 삽입되도록 배치될 수 있다.
이러한 고정판(11)들은 시편의 크기에 따라 사용될 수 있다. 즉, 시편의 크기가 큰 경우에는 도 4의 (a)에 도시되어 있는 바와 같이 크기가 큰 고정판(11)의 관찰창(W)에서 크기가 작은 고정판(11)을 제거하고 크기가 큰 고정판(11)의 관찰창(W)에 시편(S)을 안착시킨 상태에서 시험을 진행한다. 그리고 시편의 크기가 작은 경우에는 도 4의 (b)에 도시되어 있는 바와 같이 크기가 작은 고정판(11)을 크기가 큰 고정판(11)의 관찰창(W)에 삽입한 상태에서 크기가 작은 고정판(11)의 관찰창(W)에 시편(S)을 안착시켜 시험을 진행한다.
이처럼 시편 고정대(10)가 크기가 다른 다수 개의 고정판(11)을 구비하는 경우에는 다양한 크기의 시편을 시편 고정대(10) 상에 안정적으로 안착시키는 것이 가능하다.
시편 고정대(10), 측정부(20), 이동모듈(30) 및 비전부(40)는 방진 테이블(50)에 고정되는 것이 바람직하다.
나노 스케일의 미소 시편에 대해 물성 측정 시험을 진행하는 경우에는 외부의 작은 진동에 의해서도 비전부(40)로 촬영하는 영상의 정확성이나 측정부(20) 이동의 정확성이 저하될 수 있다.
비전부(40) 등을 방진 테이블(50)에 고정하면 외부 진동에 의해 촬영된 영상 등의 정확성이 떨어지는 것을 방지하여, 물성 측정의 정확성이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
제1 비전 카메라(41)는 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 방진 테이블(50)에 별도의 방진 댐퍼(D)를 통해 고정되어, 시편 고정대(10)나 측정부(20)가 이동하면서 발생하는 진동이 제1 비전 카메라(41)로 전달되지 않도록 할 수 있다.
측정부(20)는 나노 스테이지(60)를 통해 이동모듈(30)에 고정될 수 있다.
이동모듈(30)이 시편 고정대(10)나 측정부(20)를 마이크로 스케일로 이동시킨다면, 나노 스테이지(60)는 측정부(20)를 나노 스케일로 이동시킨다. 즉, 이동모듈(30)은 측정부(20)가 시편 바로 위에 위치할 수 있도록 하고, 나노 스테이지(60)는 측정부(20)를 z축 방향으로 미세하게 이동시켜 측정부(20)와 시편의 접촉 상태를 조절한다.
이에 따라, 마이크로 스케일로만 시편 고정대(10)나 측정부(20)를 이동시킴으로써 물성 측정의 정확성이 떨어지거나, 나노 스케일로만 시편 고정대(10)나 측정부(20)를 이동시킴으로써 측정부(20) 이동의 효율과 경제성이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
제어부는 시편에 대한 시험시마다 측정부(20)의 z축 방향 위치가 보정되도록 측정부(20)와 이동모듈(30)을 제어하는 것이 바람직하다.
시편 고정대(10) 상에 놓여진 다수의 시편이 기울어지거나 높이 차를 가지고 위치하는 경우, 각 시편에 대한 시험시에 측정부(20)를 z축 방향 상에서 동일하게 이동시키면 측정부(20)가 시편과 접촉하면서 시편에 가해지는 가압력이 각 시편마다 달라져 시험의 정확성이 떨어질 수 있다.
따라서, 각 시편에 대한 시험시마다 측정부(20)의 z축 방향 위치를 보정한다.
측정부(20)의 z축 방향 위치 보정은, 측정부(20)를 측정 대상 시편의 바로 상부로 위치시킨 후 측정부(20)를 하부로 이동시켜가면서 측정부(20)와 시편이 접촉하는 지점을 찾음으로써 가능하다. 측정부(20)와 시편이 접촉했다는 것은 측정부(20)에서 측정되는 값, 예를 들어 측정부(20)가 로드셀을 구비하는 경우 부하값이 확연하게 달라지는 것을 통해 확인할 수 있다.
측정부(20)와 시편이 접촉하는 지점을 찾고 상기 접촉하는 지점을 기준으로 측정부(20)를 z축 방향 상에서 일정 거리 이동시키면 측정부(20)가 각 시편에 대해 동일한 가압력을 가하면서 접촉할 수 있다.
본 발명에 의한 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템(1)은 상기한 것과 같은 구성들 외에도 측정부(20)가 결합된 이동모듈(30)을 고정하는 고정 프레임(70)을 더 구비할 수 있다. 고정 프레임은 x축, y축 및 z축 방향으로 연장되어, 측정 작업이 시편에 대해 정확하게 수직으로 이루어지도록 할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
1 : 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템
10 : 시편 고정대 11 : 고정판
20 : 측정부 21 : 몸체부
22 : 측정 프로브 30 : 이동모듈
40 : 비전부 41 : 제1 비전 카메라
42 : 제2 비전 카메라 50 : 방진 테이블
60 : 나노 스테이지
W : 관찰창

Claims (9)

  1. 시편이 안착되는 시편 고정대;
    상기 시편 고정대의 상부에 형성되며 시편에 대한 시험을 수행하는 측정부;
    상기 시편 고정대에 안착된 시편을 촬영하는 비전부;
    상기 시편 고정대에 대한 상기 측정부의 상대적인 위치를 x축, y축 및 z축 방향으로 변화시키는 이동모듈; 및
    상기 측정부와 상기 이동모듈을 제어하는 제어부;를 포함하여 이루어지며,
    상기 측정부는 상기 이동모듈에 고정되는 몸체부와 상기 몸체부에 탈착 가능하게 고정되는 측정 프로브를 구비하고,
    상기 비전부는, 상기 시편 고정대의 하부에 배치되고 상기 시편 고정대에 대하여 직각을 이루는 광축을 가지는 제1 비전 카메라를 구비하고,
    상기 시편 고정대에는 상하로 관통하는 관찰창이 형성되며,
    상기 제어부는 시편에 대한 시험시마다 상기 제1 비전 카메라에서 촬영된 영상을 토대로 상기 측정부가 시편의 중심과 일치하도록 상기 이동모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비전부는, 상기 시편 고정대에 대하여 비스듬한 광축을 가지는 제2 비전 카메라를 구비하는 것을 특징으로 하는 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시편 고정대는, 중앙부에 상기 관찰창을 구비하고 서로 크기가 다른 다수 개의 고정판을 구비하고, 크기가 작은 고정판은 크기가 큰 고정판의 관찰창에 맞물리도록 배치되는 것을 특징으로 하는 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 시편 고정대, 상기 측정부, 상기 이동모듈 및 상기 비전부는 방진 테이블에 고정되는 것을 특징으로 하는 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는 나노 스테이지를 통해 상기 이동모듈에 고정되는 것을 특징으로 하는 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 시편에 대한 시험시마다 상기 측정부의 z축 방향 위치가 보정되도록 상기 측정부와 상기 이동모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는 박막의 기계 및 전기 물성 고속 측정 시스템.
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