KR102283337B1 - 플라즈몬 효과를 이용한 결함 검출 방법 - Google Patents

Abstract

기판 표면에 형성되거나 기판의 금속 배선 내에 분포된 이질성 금속 입자의 검출 방법이 개시된다. 이질성 금속 입자는 특정의 기능을 수행하는 기판에서 결함으로 작용한다. 이질성 금속 입자를 검출하기 위해 국부적 표면 플라즈몬 공명이 이용된다. 국부적 표면 플라즈몬 공명에 의해 이질성 금속 원자의 온도는 상승하고, 발생되는 열의 감지를 통해 이질성 금속 입자는 용이하게 검출될 수 있다.

Description

플라즈몬 효과를 이용한 결함 검출 방법{Method of detecting Defect by using Plasmonic Effect}

본 발명은 표면 결함의 검출 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디스플레이 기판 등에 형성된 금속 배선 내 또는 다른 요소들의 표면 상에 형성된 금속 입자들을 검출하는 방법에 관한 것이다.

플라즈몬(plasmon)은 금속 내부의 자유 전자가 입사하는 광과 상호작용에 의해 발생되는 전자들의 집단 진동 현상을 지칭한다. 도체인 금속에는 많은 자유전자들이 있으며, 특히 나노 사이즈의 금속 표면에 레이저 광을 조사하면, 자유전자의 거동에 의해 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance) 현상이 발생된다.

표면 플라즈몬 현상은 금속과 유전체 사이의 경계에 광이 입사될 때, 광이 가진 고유 파동의 전자기 에너지와의 공명에 의해 금속 표면의 자유 전자가 집단으로 진동하는 현상이며, 금속 표면을 따라 진행하는 표면 전자기파로 해석된다. 이외에 금속 나노 구조체에서도 인가되는 광에 의한 광학적 특성의 변화가 관찰되는데 이는 국소 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance) 현상이라 지칭한다.

상술한 플라즈몬 효과를 이용하여 기판의 표면 상태를 검사하는 기술이 개시된 바 있다. 대한민국 공개특허 제2009-0094652호는 기판 표면 검사 장치를 개시한다. 상기 특허는 PCB의 제작시 금속 배선과 절연층 사이의 접착제가 외부로 노출되어 불량을 야기하는 문제를 해결하기 위해 안출된 것이다. 접착제에 포함된 Ni 금속 입자에 의해 금속 배선의 표면 플라즈몬 공명 시에 입사각에서 반사되는 레이저의 광량은 감소되며, 공명각에서의 광량이 감소 현상을 통해 표면 상태는 확인될 수 있다. 다만, 입사각이 얼마나 변동되는지에 대한 구체적인 실시예는 나타나지 않으며, 광학적 측정만으로 나노 사이즈 또는 마이크로 사이즈의 입자의 존재 여부를 확인하는데 일정한 한계를 가진다.

특히, 디스플레이 장치 및 반도체 장치에서는 금속 배선 공정이 개입되고, 금속 배선으로 Al, Ti, Mo 또는 Cu가 사용된다. 또한, 이와 유사하게 화소 전극으로는 ITO 가 사용된다. ITO 가 사용될 경우, 반사형 타입으로 제작될 경우 ITO/Ag/ITO 와 같은 형태의 클래드 구조도 사용된다. 특히, 이러한 반사형 화소 전극에서 은은 에칭시 매우 부식이 잘 일어나는 금속 중 하나로 후속의 금속 배선의 형성 공정에서 다양한 요인에 의해 금속 배선 내에 은 입자의 혼입이 발생 된다.

만일, 금속 배선 등에 다른 재질의 금속 입자가 혼입되는 경우, 금속 배선과 합금을 형성하지 않고, 계면 불연속성이 나타난다. 즉, 이질의 금속 입자와 금속 배선 사이에는 계면이 발생되고, 지속적인 금속 배선의 사용에 의해 계면에서는 다양한 불량 현상이 발생된다. 예컨대, OLED의 경우, 플렉서블한 환경에서 지속적인 사용이 진행되면, 금속 배선 내의 이질성 금속 입자에 의해 금속 배선의 전기적 연결이 개방되는 현상이 발생되거나, 후속 절연막 공정시 절연막을 금속 입자가 관통하여 상,하부 금속 배선이 단락되는 현상이 유발된다.

이를 제조과정에서 검출 또는 스크린 하기 위해 광학적 검사 방법이 사용될 수 있으나, 그 크기가 서브 마이크론 사이즈인 경우 광학적으로 발견하기가 매우 어렵고, 이질성 금속 입자가 절연막 내에 유입된 경우 광학적으로 확인할 수 없는 문제가 있다.

따라서, 금속 배선 내에 유입되거나 금속 배선이 표면 또는 다른 요소 상에 형성된 이질성 금속 입자를 확인하고, 이를 검출하는 방법은 요청된다 할 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 초고해상도 OLED(organic light emitting diode)와 같은 현재 디스플레이에서 서브 마이크론 사이즈의 이질성 금속입자를 검출하는 방법을 제공하는데 있다. 현재 디스플레이내에서 결함을 검출하는 방법은 주로 광학적인 방법에 의존하고 있으나 서브 마이크론 사이즈의 입자 검출에는 한계가 있다. 본 발명에서는 이러한 한계를 극복하고자 플라즈몬 효과를 이용하여 서브 마이크론 사이즈의 금속 결함을 검출할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 기판 상에 분포된 금속 입자에 광을 조사하는 단계; 상기 금속 입자의 표면에 국부적 표면 플라즈몬 공명을 통해 상기 금속 입자의 온도를 상기 기판에 비해 상승시키는 단계; 및 상기 기판에 비해 온도가 상승된 상기 금속 입자의 열 이미지를 획득하는 단계를 포함하는 서브 마이크론 사이즈의 이질성 금속입자를 검출하는 방법을 제공한다.

상술한 본 발명에서 플라즈몬 효과로 발생하는 열원의 크기는 실제 금속 입자의 크기보다 수십,백배 이상 확대가 가능하기 때문에 보다 저해상도의 영상 처리 기법으로도 확인이 가능하게 된다. 특히 기존의 가시광선 기반의 영상 처리 기법으로 서브 마이크론 사이즈의 결함을 검출하는 방법은 세 가지 측면에서 문제가 있다. 첫번째는 영상 처리 시 배경에서 이물만을 추출하는데 많은 자원이 소모된다는 것이고 두번째는 검출 장비의 진동으로 인해 정확한 위치 측정이 어렵다는 것이다. 마지막으로는 금속 입자가 절연막 내부에 존재할 경우,광학적으로 파악이 불가능하다 하지만 플라즈몬 효과를 사용하여 검출 할 경우 이러한 문제를 해결할 수 있다. 플라즈몬 효과에 의하면 광 조사시 이질성 금속 결함만이 밝게 빛나기 때문에 주변 배경을 제거하는데 고도의 영상 처리 기법이 불필요하다. 또한 카메라의 진동 문제 역시 플라즈몬 효과를 사용할 경우 해결이 가능하며, 실제 빛나는 금속 결함만을 열화상 카메라로 측정하기 때문에 측정 장비만을 진동에서 독립적으로 구성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 기판 상의 이질성 금속 입자를 검출하기 위한 방법을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 국부적 표면 플라즈몬 공명에 따른 가열 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 국부적 표면 플라즈몬 공명을 이용한 가열을 관찰한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 이질성 금속 입자의 검출방법의 변형예를 설명하기 위한 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

실시예

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 기판 상의 이질성 금속 입자를 검출하기 위한 방법을 설명하기 위한 블록도이다.

상기 도 1에서 검사 장치는 광원(100), 광처리부(120), 열감지부(140) 및 플라즈몬 해석부(160)를 가진다.

광원(100)은 발광 동작을 통해 광을 형성한다. 형성되는 광은 레이저 광임이 바람직하다. 또한, 광의 파장은 검출하고자 하는 이질성 금속 입자의 종류 및 사이즈에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 다만, 형성되는 광은 이질성 금속 입자가 국부적 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있는 파장을 가짐이 바람직하다.

기판 상에 존재하는 이질성 금속 입자는 표면 결함을 형성한다.

금 또는 은 입자의 경우, 입자 사이즈가 증가할수록 흡광 스펙트럼에서 흡수되는 광의 파장이 장파장 쪽으로 증가하는 경향이 있다. 은 입자의 경우, 매우 예리한 표면 플라즈몬 공명 피크를 나타내며, 대략 400~600nm의 파장에서 피크를 형성한다. 금 입자의 경우, 은 입자보다는 예리하지 않으나, 대략 500~700nm의 파장에서 피크를 형성한다.

따라서, 다양한 사이즈의 이질성 금속 입자를 검출하기 위해서는 광원에서 형성된 광은 다양한 범위의 파장 대역을 가질 필요가 있다.

상기 광원(100)에는 광처리부(120)가 연결된다. 광처리부(120)는 광원(100)에서 형성된 광을 다양한 파장 대역을 가지도록 한다. 또한, 필요에 따라 상기 광처리부(120)는 1 이상의 비유전율을 가진 유전체로 구성될 수 있다. 광처리부(120)가 유전체로 구성된 경우, 1 이상의 굴절율에 의해 파수(wave number)가 증가하고, 단파장의 광을 얻을 수 있다. 광처리부(120)에 의해 검출이 요구되는 이질성 금속 입자의 플라즈몬 공명에 필요한 광이 형성된다.

광처리부(120)에서 처리된 광은 기판(200)의 표면에 입사된다. 기판(200)은 다양한 구성 및 재질을 가질 수 있으며, 기판(200)의 재질 및 구성의 한정은 없는 것으로 이해되어야 한다.

예컨대, 상기 기판(200)은 디스플레이 기판일 수 있으며, 특히, OLED 용 기판이 사용될 수 있다. 디스플레이 기판 상에는 금속 배선이 형성될 수 있다. 또한, 금속 배선 내에 포함된 이질성 금속 입자는 금속 배선과 계면을 형성한다. 상기 계면은 벌크(bulk) 형태인 금속 배선과 이에 유입된 이질성 금속 입자 사이의 계면을 지칭한다.

금속 배선은 Cu, Ti, Al, Mo, Cu/Ti, Cu/MoW 또는 Al/Mo로 구성되며, 이들에서는 표면 플라즈몬 공명의 관찰이 용이하지 않으며, 연속적인 막질로 형성된 배선에서는 국부적 표면 플라즈몬 공명이 발생되지 않는다. 즉, 표면 플라즈몬 공명이 발생된다 하더라도, 금속 배선에서는 공명 에너지가 배선을 통해 전달되는 표면 전파형(propagating surface plasmons)이 대부분이다.

다만, 이질성 금속 입자에서 국부적 표면 플라즈몬 공명이 발생되면, 금속 입자의 광학적 거동이 변경됨과 함께 이질성 금속 입자의 온도가 상승하는 효과가 유발된다.

또한, 상기 기판 상에는 화소 전극도 형성될 수 있다. 상기 화소 전극은 ITO/Ag의 적층체일 수 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 국부적 표면 플라즈몬 공명에 따른 가열 동작을 설명하기 위한 그래프이다.

먼저, 은 나노 입자가 사용되며, 은 나노 입자는 10 nm 내지 80 nm의 직경을 가진다. 입사되는 파장에 대한 국부적 표면 플라즈몬 공명 파장은 달리 측정된다. 즉, 입자의 사이즈가 작을수록 공명 파장은 짧아진다. 만일, 은 나노 입자 사이즈가 50 nm 인 경우, 약 440 nm에서 공명 파장을 가진다. 즉, 440 nm의 입사광의 파장에 대해 국부적 표면 플라즈몬 공명이 발생하며, 국부적 표면 플라즈몬 공명에 의해 이질성 금속 입자의 자유 전자는 입사되는 광과의 상호작용에 의해 집단 진동 현상을 일으킨다. 자유 전자는 전도대에 배치되며, 전도대의 자유 전자의 공명은 금속 원자의 산란(scattering)을 유발한다. 산란의 정도는 포논으로 해석된다. 산란에 의해 높은 에너지를 가진 포논은 이질성 금속 입자의 온도를 상승시킨다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 국부적 표면 플라즈몬 공명을 이용한 가열을 관찰한 이미지이다.

도 3을 참조하면, 기판으로는 유리 기판이 사용된다. 또한, 유리 기판 상에 대략 40 nm 내지 50 nm의 직경을 가진 은 나노 입자들을 기판의 표면 상에 분산시킨다. 또한, 기판 상에 430 nm의 단파장으 광이 입사된다. 광의 입사에 의해 응집체를 구성하는 은 나노 입자들에서는 표면 플라즈몬 공명이 발생된다. 은 입자에 포함된 자유 전자의 집단 진동인 국부적 표면 플라즈몬 공명에 의해 은 원자에는 산란 현상이 유도되고, 산란에 의해 은 입자의 온도는 상승된다.

도 3에서는 주변의 표면 온도가 상온으로 나타나고 있으나, 은 입자가 분포된 영역에서는 50℃ 이상의 온도를 나타낸다. 은 입자가 상온에서 50℃까지 상승하는 시간은 응집체의 사이즈에 따라 다를 수 있으나, 대략 수초 사이에 급격한 온도 상승 양상을 확인할 수 있다. 따라서, 표면 플라즈몬 현상에 의한 흡광 스펙트럼의 관찰 이외에 이질성 금속 입자의 온도 상승을 통해 이질성 금속 입자의 검출이 가능함을 확인할 수 있다.

다시, 도 1을 참조하면, 기판(200) 상에 나타난 온도의 차이로 나타나는 이질성 금속 입자에 관한 정보는 열감지부(140)에 의해 획득된다. 상기 열감지부(140)는 열적외선을 이용할 수 있으며, 이를 통해 이미지가 획득될 수 있다. 형성된 이미지는 이미지를 구성하는 각각의 요소별 열 정보를 포함한다.

열감지부(140)에서 획득된 이미지 정보는 플라즈몬 해석부(160)로 입력된다. 상기 플라즈몬 해석부(160)는 열 정보가 포함된 이미지에 대한 비교 및 판단 동작을 수행한다. 예컨대, 상기 플라즈몬 해석부(160)는 기준 열 이미지와 열감지부(140)에서 획득된 열 이미지를 비교한다. 또한, 비교동작을 통해 동일 부위에서 기준 열 이미지와 획득된 열 이미지의 온도차를 확인한다. 이를 통해 특정 부위에 이질성 금속 입자의 분포의 정도를 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 이질성 금속 입자의 검출방법의 변형예를 설명하기 위한 흐름도이다.

상기 도 1에서는 광원에서 단일 파장을 형성하고, 광처리부 등을 통해 다양한 파장대역을 형성하는 것으로 설명되나, 본 발명은 다른 형태로 이질성 금속 입자의 국부적 표면 플라즈몬 공명을 유도하고, 이를 검출할 수 있다.

도 4를 참조하면, 먼저 입사되는 광의 최소 파장 λmin과 최대 파장 λmax를 결정한다(S100). 인가되는 광의 파장대역은 검출하고자 하는 이질성 금속 입자의 종류 및 사이즈에 따라 결정된다. 언급된 바대로 은 입자의 경우, 금 입자에 비해 상대적으로 짧은 파장대역을 가지며, 동일 종류이 입자라 하더라도 사이즈가 클수록 장파장에서 플라즈몬 공명을 일으킨다. 따라서, 검출 대상인 입자의 종류 및 예상 사이즈에 따라 적절한 파장대역이 결정될 수 있다.

이어서 결정된 파장대역 내의 λx의 파장을 가진 광이 조사된다(S110). 상기 조사되는 광은 초기에는 최소 파장 λmin 또는 최대 파장 λmax를 가지는 광임이 바람직하다.

파장 λx를 가진 광이 조사되고, 국부적 표면 플라즈몬 공명이 발생하는지가 확인된다(S120). 확인은 검출하고자 하는 이질성 금속 입자의 온도가 상승하고 열이 발생되는 현상을 이용한다.

특히, 금속 입자는 하부의 기판과는 다른 재질을 가짐이 바람직하다. 따라서, 하부의 기판은 절연성 재질을 가질 수도 있으며, 도전성 재질을 가질 수 있다. 절연성 재질의 기판에서 표면 플라즈몬 현상은 관찰되지 않는다. 또한, 도전성 재질의 기판은 금속 배선이 이에 해당할 수 있다. 금속 배선의 경우, 전술된 바대로 표면 전파형 플라즈몬 공명에 의해 국부적인 열의 상승은 발생되지 않는다. 만일, 금속 입자에 입사되는 광이 금속 입자의 국부적 표면 플라즈몬을 일으키면 금속 입자에서만 열의 발생이 확인될 수 있다.

만일, 기판에서 국부적 표면 플라즈몬 공명의 발생이 확인되면 열 이미지가 저장(S130)되고 다음 단계의 동작이 수행된다. 또한, 국부적 표면 플라즈몬 공명이 발생되지 않으면 열 이미지의 저장 동작은 수행되지 않으며, 다음 단계가 진행된다.

이외, 상기 도 4에서의 국부적 표면 플라즈몬 공명의 확인과 열 이미지의 저장은 하나의 단계로 수행될 수 있다. 예컨대, 기판 표면에 대해 실시간으로 열 이미지를 촬영하고, 상기 도 1의 열감지부를 통해 국부적으로 온도가 상승하는 지점은 확인될 수 있다. 이는 열 이미지의 확인을 통해서도 용이하게 수행될 수 잇다.

이어서, 인가된 광의 파장 λx가 최종값인지가 확인된다(S140). 예컨대, 광의 인가 초기에 λmin의 인가가 시작되면, 최종값은 λmax임이 바람직하다. 또한, 광이 λmax로 인가가 시작되면, 최종값은 λmin으로 설정됨이 바람직하다. 인가된 광이 최종값이라면 광의 조사 및 이질성 금속 입자의 확인은 종료된다.

그러나, 인가된 광이 최종값이 아닌 경우, 새로운 파장을 가진 광이 설정된다. 즉, λx = λx + △λ에 의해 새로운 파장이 세팅된다(S150). 만일, 초기 파장이 λmin이면, △λ는 양의 값을 가지며, 초기 파장이 λmax이면 △λ는 음의 값을 가짐이 바람직하다.

계속해서 새로운 파장으로 변경된 광이 기판 상에 입사되고, 전술된 바와 동일하게 국부적 표면 플라즈몬 공명 여부가 확인된다.

상술한 과정은 인가된 광이 파장이 최종값에 도달할 때 까지 수행된다. 이를 통해 파장별로 국부적 표면 플라즈몬 공명 현상을 파악할 수 있다.

또한, 이후의 단계에서 저장된 열 이미지의 비교 및 분석을 통해 특정 위치에서 이질성 금속 입자의 종류 및 사이즈가 확인될 수 있으며, 분포의 정도도 확인될 수 있다.

만일, 특정의 사이즈와 재질을 가진 금속 입자의 존재를 확인하고자 하는 경우, 금속 입자의 재질과 사이즈에 해당하는 플라즈몬 공명 파장을 입사하여 금속 입자의 존재를 즉시 확인할 수도 있다.

상술한 본 발명에서는 이질성 금속 입자의 검출이 수행된다. 검출은 국부적 표면 플라즈몬 공명을 이용한다. 다만, 국부적 표면 플라즈몬 공명에 의한 금속 입자의 광학적 거동의 확인은 수행되지 않으며, 자유 전자의 집단 진동 현상에 의한 금속 원자의 산란을 이용한다. 산란에 의해 금속 원자의 열이 발생되면, 발생된 열 이미지의 분석을 통해 이질성 금속 입자는 용이하게 확인될 수 있다.

100 : 광원 120 : 광처리부
140 : 열감지부 160 : 플라즈몬 해석부

Claims (6)

1. 검출대상인 금속 나노입자가 형성된 영역 및 상기 금속 나노입자가 형성된 영역 주변의 주변 영역을 포함하는 기판을 준비하는 단계;
   상기 기판의 표면에 파장을 변경시키면서 광을 조사하는 단계;
   상기 조사된 광에 의해 특정 파장에서 상기 금속 나노입자에 국부적 표면 플라즈몬 공명을 발생시켜, 상기 금속 나노입자가 형성된 영역을 국부적으로 가열하는 단계;
   상기 기판의 표면에 대한 열 이미지를 실시간으로 획득하는 단계; 및
   상기 열 이미지에 기반한 상기 금속 나노입자가 형성된 영역과 상기 주변 영역의 온도 차이를 이용하여 상기 금속 나노입자를 검출하는 단계를 포함하는 표면 결함의 검출 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 Au 또는 Ag를 가지는 것을 특징으로 하는 표면 결함의 검출 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 금속 배선 상에 형성되며, 상기 금속 배선은 Cu, Al, Ag, Mo, Cu/Ti, Cu/MoW 또는 Al/Mo가 적층으로 구성된 구조를 가지며, 상기 금속 나노입자의 재질은 상기 금속 배선의 재질과 다른 것을 특징으로 하는 표면 결함의 검출 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자에 광을 조사하는 단계 이전에 광의 최소 파장과 광의 최대 파장을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 결함의 검출 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 금속 나노입자의 열 이미지를 획득하는 단계는,
   상기 금속 나노입자에서의 국부적 표면 플라즈몬 공명을 확인하는 단계; 및
   상기 국부적 표면 플라즈몬 공명이 발생된 기판의 열 이미지를 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 결함의 검출 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 금속 나노입자의 열 이미지를 획득하는 단계 이후에, 상기 열 이미지를 통해 특정 위치에서의 상기 금속 나노입자의 종류 및 사이즈를 확인하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 결함의 검출 방법.

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