KR102285056B1 - 테라헤르츠파 분광기술 기반 계측시스템 - Google Patents

테라헤르츠파 분광기술 기반 계측시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 테라헤르츠파를 측정 대상물에에 조사하고 그 반사파를 분광 분석함으로써 측정 대상물에 형성되어 있는 박막의 두께와 물성(전기전도도, 도핑 농도, 저항)을 계측할 수 있는 시스템에 관한 것으로 측정 대상물로 테라헤르츠를 조사하는 빔 조사부의 회전각과 높이를 조절하여, 상기 측정 대상물에서 반사되는 테라헤르츠파의 대역폭을 제어하여 반사파의 빔 파워 출력을 높여 계측 효율을 높이일 수 있는 계측시스템에 관한 것이다.

Description

테라헤르츠파 분광기술 기반 계측시스템{MEASURING SYSTEM USING TERAHERTZ SPECTROSCOPY}
본 발명은 테라헤르츠파 분광기술기반 계측시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 테라헤르츠파를 측정 대상물에에 조사하고 그 반사파를 분광 분석함으로써 측정 대상물에 형성되어 있는 박막의 두께와 물성(전기전도도, 도핑 농도, 저항)을 계측할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
반도체용 에피 웨이퍼(epitaxial wafer)는 연마된 웨이퍼에 수um 두께로 실리콘 단결정 층을 추가로 증착 또는 이온도핑한 제품으로 마이크로프로세서, 이미지센서, 파워디바이스 등의 반도체소자 수요의 증가에 따라 생산량이 계속 증가되고 있다.
에피층은 반도체소자를 만들 때 전기전도도를 제어하기 위해 중요한 역할을 하며, n+ 또는 p+형의 고농도웨이퍼기판(high doped Si wafer)위에 이온주입이나 CVD방식을 통해 상대적으로 저농도인 n또는 p타입의 층을 형성해 준다.
이와 같이 두께는 2~80um, 도핑농도는 1014 ~ 1018 사이에서 고객의 요구사항에 맞게 제작한다.
기존의 웨이퍼 계측장치는 수 um 단위의 에피웨이퍼의 두께 또는 도핑농도를 정확하게 측정하기 어렵거나 빠르게 측정하기 어려운 단점이 있었다.
등록특허공보 제10-1788450호
본 발명은 박막의 두께와 도핑 농도를 정확하게 측정할 수 있는 계측시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 박막의 두께와 도핑 농도를 동시에 측정할 수 있는 계측시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 박막에 조사되는 테라헤르츠파의 입사각도와 포커싱을 조절하여 반사파인 테라헤르츠파의 강도를 최대화시킬 수 있는 계측시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 계측 시스템은 펄스파 형태의 빔을 발생시키는 빔 발생부(100),상기 펄스파 형태의 빔을 제1 펨토초 펄스(210)과 제2 펨토초 펄스(220)으로 분할하는 빔 분할부(200),상기 빔 분할부(200)에서 분할된 제1 펨토초 펄스(210)을 전달받아 테라헤르츠파로 변환하여 측정 대상물로 조사하는 빔 조사부(300),상기 빔 조사부(300)에서 조사된 테라헤르츠파는 상기 측정 대상물에서 반사되고, 상기 측정 대상물에서 반사된 테라헤르츠파와 상기 빔 분할부(200)에서 분할된 제2 펨토초 펄스(220)을 전달받는 빔 검출부(500), 상기 빔 조사부(300)의 회전각과 높이를 조정하여 상기 반사된 테라헤르츠파의 대역폭을 제어하는 빔 정렬부(400)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 빔 조사부(300)는 상기 제1 펨토초 펄스(210)을 전달받아 테라헤르츠파로 변환하여 방출하는 테라헤르츠 에미터(310), 상기 테라헤르츠 에미터(310)에서 방출된 테라헤르츠파를 시준하는 제1 광학부(320),상기 제1 광학부(320)에 의해 시준된 테라헤르츠파를 집속하는 제2 광학부(330)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 빔 검출부(500)는 상기 측정 대상물에서 반사된 테라헤르츠파를 입사받아 시준하는 제3 광학부(510), 상기 제3 광학부(510)에 의해 시준된 테라헤르츠파를 집속하는 제4 광학부(520), 상기 제4 광학부(520)에서 집속된 테라헤르츠파와 상기 빔 분할부(200)에서 분할된 제2 펨토초 펄스(220)을 검출하는 빔 디텍터(530)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 빔 조사부(300)는 상기 테라헤르츠 에미터(310), 상기 제1 광학부(320), 상기 제2 광학부(330)의 배열을 조정할 수 있는 제1 레일부(340)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 빔 검출부(500)는 상기 제3 광학부(510), 상기 제4 광학부(520), 상기 빔 디텍터(530)의 배열을 조정할 수 있는 제2 레일부(540)를 포함할 수 있다.
또한, ,상기 빔 정렬부(400)는 상기 빔 조사부(300)에서 조사되는 테라헤르츠파의 입사각도를 조절하는 각도 조절부(410)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 빔 정렬부(400)는 상기 빔 조사부(300)에서 조사되는 테라헤르츠파의 포커싱을 조절하는 포커싱 조절부(420)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 각도 조절부(410)는 제1 수직부(411), 제1 LM 블록(412), 제2 수직부(414), 제2 LM 블록(415), 제1 라운드 LM 가이딩부(416), 제2 라운드 LM 가이딩부(417), 제1 가이딩부(418)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 라운드 LM 가이딩부(416), 제2 라운드 LM 가이딩부(417)는 상기 제1 가이딩부(418) 제1 면에 제1 곡률반경으로 돌출되고, 상기 제1 라운드 LM 가이딩부(416)는 상기 제2 라운드 LM 가이딩부(417)의 반대 방향에 형성되며,상기 제1 라운드 LM 가이딩부(416)는 상기 제1 LM 블록(412)이 상기 제1 가이딩부(418)의 일면에서 원호를 따라 회전궤적을 그리며 이동하도록 가이딩하고, 상기 제2 라운드 LM 가이딩부(417)는 상기 제2 LM 블록(415)이 상기 제1 가이딩부(418)의 일면에서 원호를 따라 회전궤적을 그리며 이동하도록 가이딩하며, 상기 제1 LM 블록(412)과 상기 상기 제2 LM 블록(415)의 일면에는 상기 제1 가이딩부(418)의 일면과 마찰을 줄이면서 상기 제1 라운드 LM 가이딩부(416)와 상기 제2 라운드 LM 가이딩부(417)를 따라서 움직일 수 있는 적어도 하나의 볼(ball)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 각도 조절부(410)는 상기 제1 가이딩부(418)의 제 2면에 배치된 제2 가이딩부(419)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 가이딩부(418)의 제 2면과 상기 제2 가이딩부(419)의 제1 면은 마주보며, 상기 제2 가이딩부(419)는 회전부(419a), 나사부(419b), 링크 베이스(419c), 제1 링크 아암(419d), 제2 링크 아암(419e), 제1 LM 가이드(419f), 제2 LM 가이드(419g), 제1 홀(419h), 제2 홀(419i)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 회전부(419a)는 시계 또는 반시계로 회전하고, 상기 나사부(419b)는 상기 회전부(419a)와 연결되어, 상기 회전부(419a)의 회전운동을 직선운동으로 변환하여 상기 링크 베이스(419c)를 상하로 이동시키며, 상기 제1 링크 아암(419d)의 제2 단은 단면이 라운드 형태인 상기 제1 홀(419h)을 통과하여 상기 제1 LM 블록(412) 또는 상기 제1 수직부(411)에 고정되고, 상기 제2 링크 아암(419e)의 제2 단은 단면이 라운드 형태인 상기 제2 홀(419i)을 통과하여 제2 LM 블록(415) 또는 제2 수직부(414)에 고정될 수 있다.
또한, 상기 링크 베이스(419c)는 상기 제1 LM 가이드(419f)과 상기 제2 LM 가이드(419g)에 가이딩되며 승하강되고,상기 링크 베이스(419c)의 승강 또는 하강에 따라 상기 빔 조사부(300)는 제1 시계방향으로 이동하고, 상기 빔 검출부는 제2 시계방향으로 이동하되, 상기 빔 조사부(300)와 상기 빔 검출부(500)가 이동하는 회전궤적의 이동각과 원호의 길이는 동일할 수 있다.
또한, 상기 포커싱 조절부(420)는 상기 제2 가이딩부(419)의 제2 면에 배치되며, 상기 제2 가이딩부(420)의 제2 면의 일부와 연결되어 상기 제2 가이딩부의 높낮이를 조절할 수 있다.
또한, 상기 계측시스템은 빔 제어부(600)를 더 포함하고, 기 빔 디텍터(530)는 상기 측정 대상물에서 반사된 테라헤르츠파를 상기 빔 제어부(600)로 전달하고, 상기 빔 제어부(600)는 상기 반사된 테라헤르츠파의 파형을 주파수 도메인으로 변환하고, 상기 변환된 테라헤르츠파의 대역폭이 최소가 되도록 상기 제1 LM 블록(412)의 회전궤적과 상기 제2 가이딩부의 수직 이동거리를 제어하는 제어신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 계측시스템은 기 포커싱 조절부(420)의 제2 면을 고정하는 고정부(700)와 상기 측정 대상물을 탑재하고 이송할 수 있는 스테이지(800)를 더 포함하고,상기 고정부(700)와 상기 스테이지(800)는 석정반(700) 상면에 배치되며, 기 석정반(700) 상부에 배치된 상기 빔 조사부(300), 상기 빔 검출부(500), 상기 빔 정렬부(400), 상기 측정 대상물, 상기 고정부(700), 상기 스테이지(800)를 밀폐하는 공간을 형성하는 챔버(1000)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 챔버(1000)는 공기 주입부와 공기 배출부를 포함하고, 기 공기 주입부는 상기 챔버(1000) 내부로 건조공기를 공급하도록 구동하는 에어공급부(1300)- 상기 에어공급부(1300)는 상기 챔버(1000) 외부에 배치됨-와 연결되며, 상기 공기 배출부는 상기 챔버(1000) 내부의 공기를 외부로 배출할 수 있다.
또한, 상기 계측시스템은 습도 센서, 습도 제어부를 더 포함하고, 상기 습도 센서는 상기 챔버(1000) 내부의 습도를 검출하고, 상기 검출된 습도 정보를 상기 습도 제어부로 전달하며, 상기 습도 제어부는 상기 전달받은 습도 정보에 기반하여 상기 챔버(1000) 내부의 습도가 소정범위가 되도록 상기 공기 주입부로 주입되는 건조 공기의 양을 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 상기 에어공급부(1300) 구동부로 전달할 수 있다.
또한, 상기 습도 제어부는 상기 챔버(1000) 내부의 습도가 5% 이하가 되도록 상기 에어공급부(1300)의 구동을 제어하너가 상기 에어공급부와 연결되어 챔버 내부로 건조공기를 전달하는 밸브의 온오프를 제어할 수 있다.
본 발명은 양산용 웨이퍼 에피층(epitaxial layer)에서 요구되는 정도의 고정밀도로 막 두께와 전기전도도를 정확하게 측정할 수 있는 계측시스템을 제공할 수 있다.
본 발명은 또한 CVD(Chemical Vapor Deposition), ALD(Atomic Layer Deposition) 등 성막 장비의 장비내(in-situ) 모니터링용 계측기로서도 사용이 가능하다.
본 발명은 또한 ITO(Indium Tin Oxide)나 그래핀 등 전기적 특성이 중요한 제품들에 대하여 전체 면적에 대한 전기전도도의 균일성을 빠르게 측정하기 위한 시스템으로 사용할 수 있다.
본 발명은 또한 비싼 가격에 구입하고 있는 다수 개의 계측기들을 하나로 통합함으로써 비용을 절감하고, 장비가 차지하는 공간을 줄일 수 있다.
본 발명을 이용일면 반도체 제조공정의 인라인 모니터링을 통하여 품질관리가 조기에 이루어질 수 있으므로 반도체 불량률을 줄일 수 있고, 이에 따라 희토류 등 핵심재료들의 낭비를 줄이는 데 기여할 수 있다.
도 1은 테라헤르츠(THz)파의 주파수 영역을 나타낸 도면이다.
도 2는 실리콘 도핑 농도에 따른 주파수별 흡수율과 흡수율 차이를 나타낸 그래프이다.
도 3은 에피층에서의 테라헤르츠파 펄스의 입사파 및 반사파의 거동을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 빔 생성부, 빔 조사부, 빔 분할부, 빔 검출부의 관계를 나타낸 도면이다
도 5는 빔 정렬부를 나타낸 도면이다
도 6 내지 9는 빔 각도 조절부를 나타낸 도면이다
도 10은 빔 제어부의 블록도이다
도 11은 챔버를 포함하지 않은 계측시스템을 나타낸 도면이다
도 12는 챔버를 포함하는 계측시스템을 나타낸 도면이다
도 13는 챔버 내부의 습도를 제어하는 습도제어 시스템을 나타낸 도면이다.
도 14는 습도 제어 전의 반사파를 나타낸 도면이다
도 15는 습도 제어 후의 반사파를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 또는 통신으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 장치와 방법을 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 테라헤르츠파는 적외선과 전자기파 사이 구간의 1012~1014 Hz의 테라(Tera)급 주파수를 가지는 것으로, 대상체의 전기적 특성에 따라 투과량 및 반사량이 달라지는 특성을 갖는다. 더욱이, 일반적인 광으로 투과되지 않는 불투명한 시료에 대해서도 투과를 할 수 있고, radio frequency에 비해서는 파장이 짧아 얇은 박막층의 두께를 측정할 수 있다는 장점이 있다.
도 2는 실리콘웨이퍼에서 high-doped Si과 low-doped Si에서 전자기파의 주파수별 흡수율의 관계를 보여주고 있는데, 테라헤르츠파 영역에서 그 흡수율의 차이가 가장 크다는 것을 알 수 있다. 도 2에서 확인할 수 있듯이, 테라헤르츠파는 실리콘 웨이퍼에 도핑된 에피층(epitaxial layer)의 도핑농도에 따라 흡수율이 크게 변하는 특징이 있으므로, 도핑 농도(전기전도도)를 감도 높게 측정할 수 있다.
본 발명은 테라헤르츠파를 에피웨이퍼 시료에 조사하고, 에피층과 기판층의 물리적 특성과 계면의 특성에 따라 반사파가 달라지는 사실을 이용하여, 반사파를 분석함으로써, 에피층(박막)의 두께와 물성(전기전도도, 도핑 농도, 저항)을 정확하게 측정할 수 있는 계측시스템을 제공한다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 계측시스템에서 측정하는 대상물은 반드시 에피웨이퍼에 한정되는 것은 아니며, 기타 상이한 박막의 두께, 이온 도핑 농도, 대상물의 다양한 물리적 또는 화학적 성질을 측정하고자 하는 경우에도 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 계측시스템은 빔 발생부(100), 빔 분할부(200), 빔 조사부(300), 빔 정렬부(400), 빔 검출부(500), 빔 제어부(600), 습도 센서(1100), 습도 제어부(1200)를 포함할 수 있다.
<빔 발생부(100)>
본 발명의 일 실시예에 따른 빔 발생부(100)는 펄스파 형태의 빔을 발생시킨다. 바람직하게 상기 빔 발생부(100)는 펨토초 펄스 광원(femtosecond pulse laser source)일 수 있다.
<빔 분할부(200)>
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 펨토초 펄스 광원으로부터 나온 펨토초 펄스는 빔 분할부(200)에 의해 제1 펨토초 펄스(210)과 제2 펨토초 펄스(220)로 분기된다. 상기 제2 펨토초 펄스(220)는 빔 검출부(500)로 안내되어 프로브 빔(probe beam)으로 기능하고, 상기 제1 펨토초 펄스(210)는 지연 스테이지(Delay stage)를 거쳐 일정 시간 빔 방출이 지연된 후 빔 조사부(300)에 입력된다.
<빔 조사부(300)>
본 발명의 일 실시예에 따른 빔 조사부(300)는 테라헤르츠 에미터(310), 제1 광학부(320), 제2 광학부(330)를 포함할 수 있다.
테라헤르츠 에미터(310)는 제1 펨토초 펄스(210)를 전달받아 제1 광학부(320)로 테라헤르츠 펄스을 방출한다. 상기 테라헤르츠 에미터(310)는 지연 스테이지와 광섬유로 연결되고, 이 광섬유를 통해 지연 스테이지로부터 제1 펨토초 펄스(210)를 전달받는다.
지연스테이지를 거친 제1 펨토초 펄스(210)는 상기 테라헤르츠 에미터(310)에 조사되어 테라헤르츠파 펄스 발생을 위한 펌프 광으로 기능한다. 상기 제1 펨토초 펄스(210)는 PCA(photoconductive antenna)를 포함하는 테라헤르츠 에미터(310)(THz emitter)에 조사된 후, 테라헤르츠파 펄스가 생성된다.
상기 테라헤르츠 에미터(310)에서 발생한 테라헤르츠파 펄스는 제1 광학부(320)에 의해 시준되어 상기 제2 광학부(330)로 전달된다. 상기 제2 광학부(330)는 시준된 테라헤르츠파 펄스를 집속하여 측정 대상물(시료)의 특정 위치로 조사한다.
또한, 상기 빔 조사부(300)는 바(bar) 형태의 제1 레일부(340)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 레이부(340)의 일면에서 테라헤르츠 에미터(310), 제1 광학부(320), 제2 광학부(330)는 광축이 일치하도록 일렬로 배열되고, 서로 간의 간격이 조정될 수 있다.
빔 조사부(300)에서 측정 대상물로 출력된 테라헤르츠파 펄스는 측정 대상물의 특정 위치에 조사되고 측정 대상물의 계면에서 반사된 후 빔 검출부(500)로 전달된다. 바람직하게는 상기 테라헤르츠파 펄스는 시료의 특정 위치에 조사되고 에피층의 상하부 계면에서 반사된 후 빔 검출부(500)로 전달된다.
<빔 검출부(500)>
상기 빔 검출부(500)는 제3 광학부(510), 제4 광학부(520), 빔 디텍터(530)를 포함할 수 있다.
상기 빔 검출부(500)는 측정 대상물에서 반사된 테라헤르츠파와 빔 분할부(200)에서 분할된 제2 펨토초 펄스(220)를 전달받을 수 있다.
상기 제3 광학부(510)는 측정 대상물에서 반사된 테라헤르츠파 펄스를 입사받아 시준하여 출력한다. 상기 제4 광학부(520)는 제3 광학부(510)에서 시준되어 출력된 테라헤르츠파 펄스를 집속하여 빔 디텍터(530)로 가이드한다.
상기 빔 디텍터(530)는 상기 가이드되어 전달된 테라헤르츠파를 검출한다.
프로브 빔으로 기능하는 제2 펨토초 펄스(220)는 측정 대상물에 의해 반사된 테라헤르츠파보다 먼저 상기 빔 디텍터(530)에 도달하여 상기 테라헤르츠파 검출의 기준시점을 설정하는 역할을 한다.
일 실시예에 따르면, 빔 조사부(300)로부터 출력된 테라헤르츠파 펄스는 시료에 조사되어 시료 표면인 에피층의 상부 표면에서 반사된 제1반사파(반사율 R12)와, 에피층을 투과한 후 에피층과 1차 성장층의 계면에서 반사되어 나온 제2반사파(반사율 R23)가 중첩되어 전체 반사파(최종반사율 R123)를 구성한다. 상기 제3 광학부(510)는 시료에서 반사된 테라헤르츠파(전체 반사파)를 시준하여 제4 광학부(520)로 전달한다. 상기 제4 광학부(520)는 테라헤르츠파를 집속하여 빔 디텍터(530)로 가이드하고 상기 빔 디텍터(530)는 상기 전체 반사파인 테라헤르츠파를 검출한다. 상기 빔 디텍터(530)는 A/D 컨버터를 포함할 수 있다. 상기 A/D 컨버터는 제4 광학부(520)에서 가이딩된 테라헤르츠파를 디지털로 변환하여 빔 파형을 생성할 수 있다.
상기 빔 조사부(300)와 마찬가지로 상기 빔 검출부(500)는 바(bar) 형태의 제2 레일부(540)를 더 포함할 수 있다. 상기 빔 디텍터(530), 상기 제3 광학부(510), 상기 제4 광학부(520)는 상기 제2 레일부(540)의 일면에서 광축이 일치하도록 일렬로 배열되고, 서로 간의 간격이 조정될 수 있다.
<빔 정렬부(400)>
본 발명의 일 실시예에 따른 빔 정렬부(400)는 빔 디텍터(530)에서 측정되는 테라헤르츠파의 대역폭을 제어하여 빔 파워를 극대화하도록 빔 조사부(300)와 빔 검출부(500)의 회전각과 높이를 조정할 수 있다.
상기 빔 정렬부(400)는 각도 조절부(410)와 포커싱 조절부(420)를 포함할 수 있다.
상기 각도 조절부(410)는 상기 빔 조사부(300)에서 측정 대상물로 조사되는 테라헤르츠파의 입사각도를 조절하도록 상기 빔 조사부(300)가 이동하는 회전궤적의 길이와 방향을 제어할 수 있다. 상기 포커싱 조절부(420)는 상기 빔 조사부(300)에서 측정 대상물로 조사되는 테라헤르츠파의 포커싱이 조절되도록 상기 빔 조사부(300)의 높낮이를 조절할 수 있다.
상기 각도 조절부(410)는 제1 수직부(411), 제1 LM 블록(412), 제2 수직부(414), 제2 LM 블록(415), 제1 라운드 LM 가이딩부(416), 제2 라운드 LM 가이딩부(417), 제1 가이딩부(418)를 포함할 수 있다.
상기 제1 가이딩부(418)의 전면에는 상기 제1 가이딩부(418)의 전면에 수직하게 아랫 방향으로 연장되어 제1 레일부(340)와 제2 레일부(540)에 고정되는 제1 수직부(411)와 제2 수직부(414)를 포함할 수 있다.
상기 제1 수직부(411)의 일면에는 제1 LM 블록(412)이 설치되고, 상기 제2 수직부(414)의 일면에는 제2 LM 블록(415)이 설치될 수 있다.
상기 제1 LM 블록(412)는 제1 가이딩부(418)의 제1 편에 형성될 수 있다. 예컨대, 도 6을 참조일면, 상기 제1 LM 블록(412)는 제1 가이딩부(418)의 왼편에 형성될 수 있다. 상기 제1 LM 블록(412)은 일면에 적어도 하나의 볼(ball)이 포함될 수 있는 볼 삽입부가 형성되고, 이 볼 삽입부에 볼이 삽입되고 제1 라운드 LM 가이딩부(416)에 가이딩되어 이동될 수 있다. 상기 볼을 통해 , 상기 제1 가이딩부(418)의 일면과 마찰을 줄이면서 상기 제1 라운드 LM 가이딩부(416)를 따라서 움직일 수 있다.
상기 제2 LM 블록(415)은 제1 가이딩부(418)의 제2 편에 형성될 수 있다. 예컨대, 도 4를 참조일면, 상기 제2 LM 블록(415)는 제1 가이딩부(418)의 오른편에 형성될 수 있다. 상기 제2 LM 블록(415)는 제1 가이딩부(418)의 오른쪽에 형성될 수 있다. 상기 제2 제2 LM 블록(415)은 일면에 적어도 하나의 볼(ball)이 포함될 수 있는 볼 삽입부가 형성되고, 이 볼 삽입부에 볼이 삽입되고 제2 라운드 LM 가이딩부(417)에 가이딩되어 이동될 수 있다. 상기 볼을 통해 , 상기 제1 가이딩부(418)의 일면과 마찰을 줄이면서 상기 제2 라운드 LM 가이딩부(417)를 따라서 움직일 수 있다.
상기 제1 LM 블록(412)과 제2 LM 블록(415)은 동일한 크기의 이동각과 동일한 원호의 길이를 갖는 회전궤도를 그리면서 동일한 속도로 움직인다.
상기 제1 가이딩부(418)는 상기 제1 LM 블록(412)와 상기 제2 LM 블록(415)의 움직임을 가이딩할 수 있다.
도 6과 도 9를 참조하면, 상기 제1 가이딩부(418)의 전면은 제1 홀(419h), 제2 홀(419i), 제1 라운드 LM 가이딩부(416), 제2 라운드 LM 가이딩부(417)를 포함할 수 있다.
상기 제1 홀(419h), 제2 홀(419i), 제1 라운드 LM 가이딩부(416), 제2 라운드 LM 가이딩부(417)은 단면이 라운드 형상이다. 상기 제1 라운드 LM 가이딩부(416)와 상기 제2 라운드 LM 가이딩부(417)는 좌우 대칭으로 원호의 길이와 곡률반경이 동일하다. 또한, 상기 제1 홀(419h)와 제2 홀(419i)도 단면이 라운드 형상이며 좌우 대칭으로 원호의 길이와 곡률반경이 동일하다.
예컨대, 상기 제1 홀(419h)는 제1 가이딩부(418)의 왼쪽 전면에 형성되고, 제2 홀(419i)는 제1 가이딩부(418)의 오른쪽 전면에 형성될 수 있다. 또는 반대로 상기 제1 홀(419h)는 제1 가이딩부(418)의 오른쪽 전면에 형성되고, 제2 홀(419i)는 제1 가이딩부(418)의 왼쪽 전면에 형성된다.
제1 라운드 LM 가이딩부(416)와 제2 라운드 LM 가이딩부(417)는 단면이 원호 형태로 제1 가이딩부(418) 일면에 수직으로 돌출된다. 상기 제1 라운드 LM 가이딩부(416)와 제2 라운드 LM 가이딩부(417)는 동일한 곡률반경과 동일한 원호의 길이를 갖는다. 상기 제1 라운드 LM 가이딩부(416)는 제1 가이딩부(418)의 왼쪽 전면에 형성되고, 제2 라운드 LM 가이딩부(417)는 제1 가이딩부(418)의 오른쪽 전면에 형성될 수 있다. 또는 반대로 상기 제1 라운드 LM 가이딩부(416)는 제1 가이딩부(418)의 오른쪽 전면에 형성되고, 제2 라운드 LM 가이딩부(417)는 제1 가이딩부(418)의 왼쪽 전면에 형성될 수 있다.
제1 라운드 LM 가이딩부(416)와 제1 홀(419h)는 같은 방향에 형성되고, 제2 라운드 LM 가이딩부(417)와 제2 홀(419i)도 같은 방향에 형성된다. 예컨대, 제1 라운드 LM 가이딩부(416)와 제1 홀(419h)는 가이드부의 왼쪽 전면에 형성되고, 제2 라운드 LM 가이딩부(417)와 제2 홀(419i)는 가이드부의 오른쪽 전면에 형성될 수 있다.
상기 제1 라운드 LM 가이딩부(416)의 곡률반경은 제1 홀(419h)의 곡률반경보다 크며, 제2 라운드 LM 가이딩부(417)의 곡률반경도 제2 홀(419i)의 곡률반경보다 크다.
본 발명의 제1 LM 블록(412)은 제1 가이딩부(418)의 일면에서 상기 제1 라운드 LM 가이딩부(416)의 원호를 따라 회전궤적을 그리며 이동하고, 상기 제2 LM 블록(415)는 제1 가이딩부(418)의 일면에서 상기 제2 라운드 LM 가이딩부(417)의 원호를 따라 회전궤적을 그리며 이동한다.
상기 제1 LM 블록(412)과 상기 제2 LM 블록(415)의 이동시간, 이동방향 및 이동각은 동일하다. 바람직하게 상기 이동각은 상기 제1 가이딩부(418)의 중심선을 기준으로 또는 후술할 나사부(419b)를 기준으로 30°~ 60°일 수 있다. 예컨대 제1 LM 블록(412)이 제1 가이딩부(418)의 중심선 또는 나사부(419b)에서 시계방향으로 30°이동했다면, 상기 제2 LM 블록(415)도 제1 가이딩부(418)가 이동한 시간과 동일한 시간동안 제1 가이딩부(418)의 중심선 또는 나사부(419b)에서에서 시계방향으로 30°이동할 수 있다. 그 결과, 본 발명의 빔 조사부(300)와 빔 검출부(500)는 동일한 시간 동안, 동일한 이동각으로 동일한 회전궤적을 그리며 이동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 각도 조절부(410)는 상기 제1 가이딩부(418)의 후면(또는 상면)에 배치된 제2 가이딩부(419)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 가이딩부(418)의 후면(또는 상면)과 상기 제2 가이딩부(419)의 전면은 마주보게 배치된다.
상기 제2 가이딩부(419)는 회전부(419a), 나사부(419b), 링크 베이스(419c), 제1 링크 아암(419d), 제2 링크 아암(419e), 제1 LM 가이드(419f), 제2 LM 가이드(419g), 제1 홀(419h), 제2 홀(419i)을 포함할 수 있다.
상기 회전부(419a)는 시계 또는 반시계로 회전하고, 상기 나사부(419b)는 상기 회전부(419a)와 연결되어, 상기 회전부(419a)의 회전운동을 직선운동으로 변환하여 상기 링크 베이스(419c)를 상하로 이동시킨다. 바람직하게 상기 나사부(419b)는 볼 스크류(ball screw)일 수 있다.
상기 제1 링크 아암(419d)과 상기 제2 링크 아암(419e)의 제1 단은 상기 링크 베이스(419c)에 고정된다. 상기 제1 링크 아암(419d)의 제2 단은 제1 LM 블록(412) 또는 제1 수직부(411)에 고정될 수 있다. 상기 제2 링크 아암(419e)의 제2 단은 상기 제2 LM 블록(415) 또는 제2 수직부(414)에 고정될 수 있다.
바람직하게 상기 제1 링크 아암(419d)의 제2 단은 단면이 라운드 형태인 상기 제1 홀(419h)을 통과하여 제1 LM 블록(412) 또는 제1 수직부(411)에 고정될 수 있다. 마찬가지로 상기 제2 링크 아암(419e)의 제2 단은 단면이 라운드 형태인 제2 홀(419i)을 통과하여 제2 LM 블록(415) 또는 제2 수직부(414)에 고정될 수 있다
상기 링크 베이스(419c)는 상기 제1 LM 가이드(419f)과 제2 LM 가이드(419g)에 가이딩되며 승하강될 수 있다.
상기 링크 베이스(419c) 하강 시 상기 제1 링크 아암(419d)과 상기 제2 링크 아암(419e) 사이의 각이 커져 제1 LM 블록(412) 또는 제1 수직부(411)가 반시계 방향으로 이동하고,제2 LM 블록(415) 또는 제2 수직부(414)는 시계 방향으로 이동된다. 그 결과 제1 수직부(411)에 연결된 빔 조사부(300)는 반시계 방향으로 이동하고, 상기 제2 수직부(414)에 연결된 상기 빔 검출부는 시계 방향으로 이동할 수 있다.
반대로 상기 링크 베이스(419c) 상승 시 상기 제1 링크 아암(419d)과 상기 제2 링크 아암(419e) 사이의 각이 작아져 제1 LM 블록(412) 또는 제1 수직부(411)가 시계 방향으로 이동하고,제2 LM 블록(415) 또는 제2 수직부(414)는 반시계 방향으로 이동된다. 그 결과 제1 수직부(411)에 연결된 빔 조사부는 시계 방향으로 이동하고, 상기 제2 수직부(414)에 연결된 상기 빔 검출부는 반시계 방향으로 이동할 수 있다.
이와 같이 빔 조사부(300)가 회전궤적을 그리며 이동일면서 상기 빔 조사부(300)에서 방출되는 테라헤르츠파의 입사각이 조정된다.
한편, 제1 LM 블록(412) 또는 제1 수직부(411)와 제2 LM 블록(415) 또는 제2 수직부(414)의 회전방향은 다르나 상기 제1 LM 블록(412) 또는 제1 수직부(411)와 제2 LM 블록(415) 또는 제2 수직부(414)가 이동하는 회전궤적의 이동각과 원호의 길이는 동일하다. 그에 따라 상기 빔 조사부(300(와 상기 빔 검출부가 이동하는 회전궤적(500)의 이동각과 원호의 길이는 동일하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 포커싱 조절부(420)는 제2 가이딩부(419)의 후면과 연결되고, 제2 가이딩부(419)를 위아래로 이동시킬 수 있다. 상기 제2 가이딩부(419)가 위아래로 이동하는 경우에 제2 가이딩부(419)와 연결된 빔 조사부(300)와 빔 검출부(500)도 제1 가이딩부(418)를 따라서 위아래로 이동한다.
상기 제2 가이딩부(419) 후면에는 LM 블록(미도시)이 설치되고, 상기 LM 블록에는 볼이 삽입될 수 있는 볼 삽입부가 설치된다. 상기 포커싱 조절부(420)의 전면은 제2 가이딩부(419)의 후면과 마주본다. 상기 포커싱 조절부(420)의 전면은 LM 블록을 가이딩하는 LM 가이드부가 설치되며, LM 가이드부와 나란하게 배치되며, 상기 LM 블록을 상하로 움직이는 LM 블록 이동부를 포함할 수 있다.
제1 LM 블록(412)의 일면에는 상기 제1 LM 블록(412)의 움직임을 검출하는 제1 센싱부가 설치되어, 상기 제1 수직부의 이동각을 후술할 빔 제어부(600)로 전달할 수 있다. 상기 제1 센싱부는 미리 정해진 각도로 배치된 다수의 움직임 감지 센서를 포함하여, 상기 제1 수직부(411a)의 이동각을 검출하여 빔 제어부(600)로 전달할 수 있다.
또한, 상기 계측시스템 내부에는 상기 빔 조사부(300)의 높낮이를 센싱하는 카메라가 배치되어 상기 빔 조사부(300)의 높이를 검출하여 후술할 빔 제어부로 전달할 수 있다.
<빔 제어부(600)>
본 발명의 일 실시예에 따른 빔 제어부(600)는 빔 수신부(610), 빔 분석부(620), 빔 제어신호 생성부(630)를 포함할 수 있다.
제1 수직부(411)가 소정의 회전궤적을 그리며 이동하는 경우에 빔 조사부(300)도 회전궤적을 그리며 이동하며 측정 대상물에 대한 테라헤르츠파의 입사각을 조정한다.
제2 가이딩부(419)가 상승하는 경우에, 상기 제1 가이딩부(419)와 연결된 제1 가이딩부(418)도 상승하며, 상기 제1 가이딩부(418)에 고정된 빔 조사부(300)도 제1 가이딩부(418)를 따라 상승하며 측정 대상물에 대한 테라헤르츠파의 포커싱을 조정한다.
상기 빔 수신부(610)는 A/D 컨버터로부터 반파사인 테라헤르츠파의 파형를 전달받아 상기 빔 분석부(620)로 전달한다.
상기 빔 분석부(620)는 상기 제1 센서부로부터 상기 제1 LM 블록(412)의 이동각과 상기 제2 센서부로부터 빔 조사부(300)의 높이를 전달받고, 상기 빔 수신부(610)로부터 테라헤르츠파의 파형을 전달받는다.
상기 빔 분석부(620)는 상기 전달받은 시간 도메인의 테라헤르츠 파형을 처처리하여 주파수 도메인(frequency domain)으로 변환하고, 상기 파형의 대역폭이 최소가 되는 상기 제1 LM 블록(412)의 이동각과 상기 빔 조사부(300)의 높이를 판단할 수 있다. 이렇게 판단된 상기 제1 LM 블록(412)의 이동각과 상기 빔 조사부(300)의 높이 정보를 빔 제어신호 생성부(630)로 전달할 수 있다.
또는 상기 빔 분석부(620)는 주파수 도메인으로 변환된 테라헤르츠파의 파형을 분석하고, 상기 테라헤르츠파의 파형이 미리 결정된 대역폭 이하가 되는 경우에, 그에 대응되는 상기 제1 LM 블록(412)의 이동각과 상기 빔 조사부(300)의 높이 정보를 빔 제어신호 생성부(630)로 전달할 수 있다.
상기 빔 제어신호 생성부(630)는 빔 분석부(620)로부터 전달받은 제1 LM 블록(412)의 이동각에 대응되도록 상기 제1 LM 블록(412)가 이동하는 회전궤적의 이동각을 제어하는 제1 제어신호를 생성할 수 있다. 또한, 상기 빔 분석부(620)로부터 전달받은 빔 조사부(300)의 높이에 대응되도록 상기 제1 가이딩부(418)의 수직 이동거리를 제어하는 제2 제어신호를 생성할 수 있다.
상기 제1 LM 블록(412)은 제1 제어신호에 따른 이동각을 갖는 회전궤적을 그리며 이동하고, 상기 포커싱 조절부의 LM 블록은 빔 조사부(300)가 제2 제어신호에 따른 높이에 대응되도록 이동할 수 있다.
<석정반(900)>
본 발명의 일 실시예에 따른 계측시스템은 포커싱 조절부(420)의 후면을 고정하는 고정부와 상기 측정 대상물을 탑재하고 이송할 수 있는 스테이지를 포함할 수 있다.상기 고정부(700)와 스테이지(800)를 석정반(900) 상면에 배치하여 측정 대상물의 두께 기타 물성 측정시 진동을 최소화할 수 있다.
<챔버(1000)>
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 계측시스템은 챔버(1000)를 더 포함할 수 있다. 상기 챔버(1000)를 통해 상기 빔 조사부(300), 상기 빔 검출부(500), 상기 빔 정렬부(400), 상기 측정 대상물(웨이퍼), 상기 고정부(700), 상기 스테이지(800)를 밀폐할 수 있다. 챔버(1000) 외부에는 상기 챔버(1000) 내부로 건조공기를 공급하도록 구동하는 에어공급부(1300)가 배치될 수 있다.
상기 챔버(1000)는 공기 주입부와 공기 배출부를 포함할 수 있다. 상기 공기 주입부는 에어공급부(1300)와 연결되어 에어공급부(1300)로부터 건조공기를 주입받을 수 있다. 상기 공기 배출부는 챔버(1000) 내부의 공기를 외부로 배출할 수 있다. 외부의 건조 공기가 챔버(1000) 내부로 공급되면, 챔버(1000) 내부에서는 서큘레이션이 발생하고 내부의 공기가 공기 배출부를 통해 외부로 배출된다.
또한, 상기 계측시스템은 습도 센서(미도시), 습도 제어부(1200)를 더 포함할 수 있다. 상기 습도 센서(1100)는 상기 챔버(1000) 내부에 배치되어, 상기 챔버(1000) 내부의 습도를 검출하고, 상기 검출된 습도 정보를 상기 습도 제어부(1200)로 전달한다. 상기 습도 제어부(1200)는 상기 전달받은 습도 정보에 기반하여 상기 챔버(1000) 내부의 습도가 소정범위가 되도록 상기 공기 주입부로 주입되는 건조 공기의 양을 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 상기 에어공급부(1300)와 연결된 밸브로 전달하고, 상기 밸브의 온오프를 제어할 수 있다. 또는 상기 제어 신호를 에어공급부(1300)로 전달하여, 상기 에어공급부(1300)의 구동을 제어할 수 있다.
바람직하게 상기 습도 제어부는 상기 챔버(1000) 내부의 습도가 5% 이하가 되도록 상기 에어공급부(1300)의 구동 또는 밸브의 온오프를 제어할 수 있다.
도 14는 습도 제어 이전에 검출된 반사파의 파형이며, 도 15는 습도 제어 이후에 검출된 반사파의 파형이다. 도 14와 도 15를 참조하면 습도 제어 이후에 반사파의 주파수 신호가 개선되었음을 알 수 있다.

Claims (9)

  1. 펄스파 형태의 빔을 발생시키는 빔 발생부(100);
    상기 펄스파 형태의 빔을 제1 펨토초 펄스(210)과 제2 펨토초 펄스(220)으로 분할하는 빔 분할부(200);
    상기 빔 분할부(200)에서 분할된 제1 펨토초 펄스(210)을 전달받아 테라헤르츠파로 변환하여 측정 대상물로 조사하는 빔 조사부(300);
    상기 빔 조사부(300)에서 조사된 테라헤르츠파는 상기 측정 대상물에서 반사되고, 상기 측정 대상물에서 반사된 테라헤르츠파와 상기 빔 분할부(200)에서 분할된 제2 펨토초 펄스(220)을 전달받는 빔 검출부(500); 및
    상기 빔 조사부(300)의 회전각과 높이를 조정하여 상기 반사된 테라헤르츠파의 대역폭을 제어하는 빔 정렬부(400)를 포함하되,
    상기 빔 정렬부(400)는 상기 빔 조사부(300)에서 조사되는 테라헤르츠파의 입사각도를 조절하는 각도 조절부(410)와 상기 빔 조사부(300)에서 조사되는 테라헤르츠파의 포커싱을 조절하는 포커싱 조절부(420)를 포함하고,
    상기 각도 조절부(410)는
    제1 수직부(411), 제1 LM 블록(412), 제2 수직부(414), 제2 LM 블록(415), 제1 라운드 LM 가이딩부(416), 제2 라운드 LM 가이딩부(417), 제1 가이딩부(418)를 포함하며,
    상기 제1 라운드 LM 가이딩부(416), 제2 라운드 LM 가이딩부(417)는 상기 제1 가이딩부(418) 제1 면에 제1 곡률반경으로 돌출되고,
    상기 제1 라운드 LM 가이딩부(416)는 상기 제2 라운드 LM 가이딩부(417)의 반대 방향에 형성되며,
    상기 제1 라운드 LM 가이딩부(416)는 상기 제1 LM 블록(412)이 상기 제1 가이딩부(418)의 일면에서 원호를 따라 회전궤적을 그리며 이동하도록 가이딩하고
    상기 제2 라운드 LM 가이딩부(417)는 상기 제2 LM 블록(415)이 상기 제1 가이딩부(418)의 일면에서 원호를 따라 회전궤적을 그리며 이동하도록 가이딩하며,
    상기 제1 LM 블록(412)과 상기 제2 LM 블록(415)의 일면에는 각각 상기 제1 가이딩부(418)의 일면과 마찰을 줄이면서 상기 제1 라운드 LM 가이딩부(416)와 상기 제2 라운드 LM 가이딩부(417)를 따라서 움직일 수 있는 적어도 하나의 볼(ball)을 포함하는 것을 특징으로 하는 계측시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빔 조사부(300)는 상기 제1 펨토초 펄스(210)을 전달받아 테라헤르츠파로 변환하여 방출하는 테라헤르츠 에미터(310), 상기 테라헤르츠 에미터(310)에서 방출된 테라헤르츠파를 시준하는 제1 광학부(320),상기 제1 광학부(320)에 의해 시준된 테라헤르츠파를 집속하는 제2 광학부(330)를 포함하고,
    상기 빔 검출부(500)는 상기 측정 대상물에서 반사된 테라헤르츠파를 입사받아 시준하는 제3 광학부(510), 상기 제3 광학부(510)에 의해 시준된 테라헤르츠파를 집속하는 제4 광학부(520), 상기 제4 광학부(520)에서 집속된 테라헤르츠파와 상기 빔 분할부(200)에서 분할된 제2 펨토초 펄스(220)을 검출하는 빔 디텍터(530)를 포함하되,
    상기 빔 조사부(300)는 상기 테라헤르츠 에미터(310), 상기 제1 광학부(320), 상기 제2 광학부(330)의 배열을 조정할 수 있는 제1 레일부(340)를 포함하고,
    상기 빔 검출부(500)는 상기 제3 광학부(510), 상기 제4 광학부(520), 상기 빔 디텍터(530)의 배열을 조정할 수 있는 제2 레일부(540)를 포함하는 것을 특징으로 하는 계측시스템.
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  6. 제2항에 있어서,
    상기 각도 조절부(410)는 상기 제1 가이딩부(418)의 제 2면에 배치된 제2 가이딩부(419)를 더 포함하고,
    상기 제1 가이딩부(418)의 제 2면과 상기 제2 가이딩부(419)의 제1 면은 마주보며,
    상기 제2 가이딩부(419)는 링크 베이스(419c), 제1 LM 가이드(419f), 제2 LM 가이드(419g)를 포함하고,
    상기 링크 베이스(419c)는 상기 제1 LM 가이드(419f)과 상기 제2 LM 가이드(419g)에 가이딩되며 승하강되고,
    상기 링크 베이스(419c)의 승강 또는 하강에 따라 상기 빔 조사부(300)는 제1 시계방향으로 이동하고, 상기 빔 검출부는 제2 시계방향으로 이동하되, 상기 빔 조사부(300)와 상기 빔 검출부(500)가 이동하는 회전궤적의 이동각과 원호의 길이는 동일한 것을 특징으로 하는 계측시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 포커싱 조절부(420)는 상기 제2 가이딩부(419)의 제2 면에 배치되며, 상기 제2 가이딩부(419)의 제2 면의 일부와 연결되어 상기 제2 가이딩부(419)의 높낮이를 조절하는 것을 특징으로 하는 계측시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 계측시스템은 빔 제어부(600)를 더 포함하고,
    상기 빔 디텍터(530)는 상기 측정 대상물에서 반사된 테라헤르츠파를 상기 빔 제어부(600)로 전달하고, 상기 빔 제어부(600)는 상기 반사된 테라헤르츠파의 파형을 주파수 도메인으로 변환하고, 상기 변환된 테라헤르츠파의 대역폭이 최소가 되도록 상기 제1 LM 블록(412)의 회전궤적과 상기 제2 가이딩부(419)의 수직 이동거리를 제어하는 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 계측시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 계측시스템은
    상기 포커싱 조절부(420)의 제2 면을 고정하는 고정부(700)와 상기 측정 대상물을 탑재하고 이송할 수 있는 스테이지(800)를 더 포함하고,
    상기 고정부(700)와 상기 스테이지(800)는 석정반(700) 상면에 배치되며,
    상기 석정반(700) 상부에 배치된 상기 빔 조사부(300), 상기 빔 검출부(500), 상기 빔 정렬부(400), 상기 측정 대상물, 상기 고정부(700), 상기 스테이지(800)를 밀폐하는 공간을 형성하는 챔버(1000)를 포함하되,
    상기 챔버(1000)는 공기 주입부와 공기 배출부를 포함하고,
    상기 공기 주입부는 상기 챔버(1000) 내부로 건조공기를 공급하도록 구동하는 에어공급부(1300)- 상기 에어공급부(1300)는 상기 챔버(1000) 외부에 배치됨-와 연결되며,
    상기 공기 배출부는 상기 챔버(1000) 내부의 공기를 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 계측시스템.
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