KR20110043067A - 4-탐침법을 이용한 박막 두께 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전도성 박막 재료의 두께 측정 시 박막재료의 비저항을 면저항으로 나누는 원리를 이용하는 것으로서, 박막의 면저항을 측정한 후 박막의 두께를 측정할 수 있도록 하는 박막 두께 측정 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 4-탐침이 구비되고, 박막 재료에 접촉 설치되는 4-탐침 프로브; 상기 4-탐침 프로브로 전류를 인가하는 전류 인가수단; 상기 4-탐침 프로브로부터 전압을 측정하는 전압 측정수단; 상기 전류 인가수단에서 인가되는 전류와 상기 전압 측정수단에서 측정된 전압을 근거로 상기 박막 재료의 면저항을 연산한 후 하기의 식에 따라 박막 재료의 두께를 연산하는 연산수단;을 구비하여 이루어진다.
t = ρ/Rs [m]
여기서, t는 박막 재료 두께, ρ는 박막 재료 비저항, Rs는 박막 재료 면저항
Four-Point Probe, Thin Film, Thickness, Sheet Resistance, Resistivity, 4-탐침

Description

4-탐침법을 이용한 박막 두께 측정 장치{Thin Film Thickness Measurement Apparatus use Four-Point Probe Method}
본 발명은 전도성 박막 두께 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Four-Point Probe(FPP, 4-탐침)법의 싱글 배열법과 듀얼 배열법(single & dual configuration) 기술을 이용하여 전도성 박막 재료의 두께를 측정하는 박막 두께 측정 장치에 관한 것이다.
반도체 기술의 발달에 따라 최근 나노 수준의 박막 형성 기술이 급속도로 개발되고 있으며, 이에 따른 박막의 측정기술 또한 개발이 요구되고 있다.
하나의 반도체 장치를 제조하기 위해서는, 박막을 증착하는 공정 및 사진/식각 공정을 통해 증착된 박막을 패터닝하는 공정을 포함하는 일련의 공정 단계들을 수십 내지 수백 번 반복하는 것이 필요하다. 이때, 상기 증착된 박막의 두께 또는 식각 공정 이후 잔존하는 박막의 두께는 반도체 장치의 품질에 큰 영향을 미치는 공정 파라미터들이다.
반도체 및 LCD, PDP와 같은 디스플레이 제조공정에서 기판에 형성된 증착 박막의 두께를 측정하는 것은 제조공정을 관찰하고 감시함으로써 제품의 품질을 향상 시키고 공정상의 불량을 조기에 발견할 수 있게 하여 공정경비 절감 및 수율 향상에 중요한 역할을 한다.
최근 반도체, 평판 디스플레이 등의 산업 전반에 걸쳐 공정 및 제조기술 등이 정밀해지고 있으며, 제조공정 중 형성되는 패턴도 더욱 복잡하고 세밀해지고 있다. 이에 따라 복잡하고 세밀해진 미세 패턴 상의 검사 및 측정기술의 중요성도 더욱 요구되고 있다.
그런데, 종래에는 종래에는 SEM(Scanning Electron Microscopy)과 같은 현미경적인 방법, 표면 단차를 이용한 탐침(stylus)과 같은 기계적인 방법, 분광 반사 광도계(Spectral Reflectometer)와 Ellipsometer 같은 광학(optical)적인 방법 등으로 박막의 두께를 측정하였기 때문에 시료 준비에 많은 시간이 소요되고, 전문적인 측정기술이 요구되는 문제가 있다.
또 종래의 박막 두께 측정 장치는 박막재료의 국부적인 위치에서만 측정이 가능한 단점이 있고, 사용하기에 매우 불편한 문제점이 있다.
이에 본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 전도성 박막의 두께 측정 시 박막재료의 비저항을 면저항으로 나누는 원리를 이용하는 것으로서, 박막의 면저항을 측정한 후 보정계수를 적용하여 박막의 두께를 측정할 수 있도록 된 박막 두께 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 4-탐침이 구비되고, 박막 재료에 접촉 설치되는 4-탐침 프로브; 상기 4-탐침 프로브로 전류를 인가하는 전류 인가수단; 상기 4-탐침 프로브로부터 전압을 측정하는 전압 측정수단; 상기 전류 인가수단에서 인가되는 전류와 상기 전압 측정수단에서 측정된 전압을 근거로 상기 박막 재료의 면저항을 연산한 후 하기의 식에 따라 박막 재료의 두께를 연산하는 연산수단;을 구비하여 이루어진다.
t = ρ/Rs [m]
여기서, t는 박막 재료 두께, ρ는 박막 재료 비저항, Rs는 박막 재료 면저항
본 발명은 각종 박막 재료의 두께 측정시 크기와 형상 및 측정위치에 관계없이 누구나 쉽고 빠르고 정확하게 박막의 두께를 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 고가의 박막 두께 측정장치에 대한 수입을 대체할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 박막재료의 두께 균일도 및 균질도 평가에도 쉽게 적용할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 두께 측정 장치의 블록 다이어그램이고, 도 2는 Ra를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 Rb를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 4와 도 5는 보정계수를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 4-탐침법을 이용하여 박막의 면저항(Rs)을 측정한 후 이 면저항과 박막의 비저항을 근거로 박막의 두께(t)를 측정하는 것으로서, 그 측정범위는 수 nm ∼ 수백μm이다.
본 발명은 도 1에 도시한 바와 같이, 박막 두께를 연산하는 CPU(10)와 다수의 키가 구비되는 키패드(keypad)(12), 측정된 박막 두께를 표시하는 디스플레이(meter display)(14), 알려진 박막 재료의 비저항과 측정된 박막 재료의 두께 등이 기록되는 메모리(memory)(16), 박막 재료와 접촉되게 설치되는 4-탐침 프로브(four-point probe)(24), 이 4-탐침 프로브로 전류를 인가하는 전류 인가수단(current source)(18), 상기 4-탐침 프로브로부터 전압을 측정하는 전압 측정수단이 구비된다. 전압 측정수단은 이득 증폭수단(gain amplifier)(20)과 A/D 컨버터(converter)(22)를 구비하여 이루어진다.
이와 같이 구성되는 본 발명은 4-탐침 프로브로부터 single & dual configuration으로 측정된 저항값 Ra와 Rb에 의한 면저항과 박막재료의 비저항을 근거로 디스플레이(14) 상에 박막의 두께 값을 디스플레이한다.
이하에서는 본 발명에 따른 박막 두께 측정 원리에 대해서 상세하게 설명한다.
본 발명의 박막 두께(t) 측정원리는 박막 재료의 비저항(ρ)을 면저항(Rs)으 로 나누어 계산하는 것으로 t = ρ/Rs[m]와 같은 식으로 나타낼 수 있다. 비저항(ρ)은 각종 재료의 고유저항으로서 문헌에서 쉽게 찾아 볼 수 있다.
박막재료의 면저항은 4-탐침법으로 구하게 되는데, 싱글 배열법(single configuration)과 듀얼 배열법(dual configuration) 측정기술이 있다.
Single configuration은 도 2에 도시한 바와 같이, 박막 재료의 표면에 일렬로 정렬된 4-탐침을 접촉시키고, 바깥쪽 두 핀(A, D)에 직류전류를 인가한 후, 안쪽 두 핀(B, C)에서 직류전압을 측정하여 저항(Ra, Ra = VBC/IAD[Ω])을 구한다.
이어서, 탐침 간격(S)에 대한 시료의 크기(D) 및 두께(t) 보정계수를 각각 곱하여 면저항(Rs [Ω/□], [Ω/square], sheet resistance)을 구한다. 면저항 Rs = Ra×F(D/S)×F(t/S)[Ω/□]로 표현된다. 여기서 Ra는 그림(1)에서 구한 저항, F(D/S)는 탐침간격(S, spacing)에 대한 시료의 크기(D) 보정계수(표 1), F(t/S)는 탐침 간격(S)에 대한 시료의 두께(t) 보정계수(표 2)이다.
F(D/S)의 보정계수
D/S 원형시료의 경우, F(D/S)의 보정계수 사각형 시료의 경우, F(D/S)의 보정계수
a/D=1 a/D=2 a/D=3 a/D≥4
1.0
1.25
1.3
1.75
2.0
2.5
3.0
4.0
5.0
7.5
10.0
15.0
20.0
40.0
∞





2.2662
2.9289
3.3625
3.9273
4.1716
4.3646
4.4364
4.5076
4.5324





2.4575
3.1137
3.5098
4.0095
4.2209
4.3882
4.4516
4.5120
4.5324

1.4788
1.7196
1.9454
2.3532
2.7000
3.2246
3.5749
4.0361
4.2357
4.3947
4.4553
4.5129
4.5324		 0.9988
1.2467
1.4893
1.7238
1.9475
2.3541
2.7005
3.2248
3.5750
4.0362
4.2357
4.3947
4.4553
4.5129
4.5325		 0.9994
1.2248
1.4893
1.7238
1.9475
2.3541
2.7005
3.2248
3.5750
4.0362
4.2357
4.3947
4.4553
4.5129
4.5321
원형 시료는 도 4에 나타내었고, 사각형 시료는 도 5에 나타내었다.
예컨대 표 1에서, D/S가 5.0인 원형 시료의 경우 보정계수는 3.3625이고, 사각형 시료인 경우 보정계수는 a/D값에 의해 결정된다.
F(t/S)의 보정계수
F(t/S) (t/S)
1.0000
1.0000
1.0000
0.9999
0.9974
0.9215
0.7983
0.6337
0.4067
0.2753
0.1385		 0.100
0.141
0.200
0.333
0.500
1.000
1.414
2.000
3.333
5.000
10.00
예컨대, 표 2에서, t/s값이 0.100인 경우 보정계수는 1.0000으로 결정된다.
Dual configuration은 도 3에 도시한 바와 같이, 일렬로 정렬된 4-탐침의 첫 번째 핀(A)과 세 번째 핀(C)에 직류전류를 인가한 후 두 번째 핀(B)과 네 번째 핀(D)에서 직류전압을 측정하여 저항(Rb, Rb = VBD/IAC[Ω])을 구한다.
이어서, 도 2와 도 3으로부터 구한 저항(Ra,Rb)을 보정계수(ka)에 적용하여 계산한 후, 도 2에서 구한 저항(Ra)을 곱하여 박막 재료의 면저항(Rs)을 구한다.
즉 면저항 Rs = ka×Ra [Ω/□]이다.
여기서, ka = -14.696+25.173×(Ra/Rb)-7.872×(Ra/Rb),(1.20≤Ra/Rb≤1.32) 이다.
본 발명은 상기한 바와 같이 면저항 측정원리를 이용하여 박막 재료의 면저항(Rs)을 구하고 재료의 비저항(ρ)을 나누어 박막의 두께(t)를 구하게 된다.
즉 본 발명은 4-탐침법의 single 또는 dual configuration을 이용한 박막 두께 측정기술로서, 4-탐침 프로브가 박막 재료의 표면에 접촉하게 되면 자동으로 면저항이 측정되고, CPU에 의해 박막재료의 비저항을 면저항으로 나누는 방식으로 박막 두께가 연산되고 표시되도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 박막 두께 측정 장치의 블록 다이어그램.
도 2는 Ra를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 3은 Rb를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 4와 도 5는 보정계수를 설명하기 위한 도면

Claims (5)

  1. 4-탐침이 구비되고, 박막 재료에 접촉 설치되는 4-탐침 프로브;
    상기 4-탐침 프로브에 전류를 인가하는 전류 인가수단;
    상기 4-탐침 프로브로부터 전압을 측정하는 전압 측정수단;
    박막 재료의 비저항(ρ) 정보가 기록되는 메모리;
    상기 전류 인가수단에서 인가되는 전류와 상기 전압 측정수단에서 측정된 전압을 근거로 상기 박막 재료의 면저항(Rs)을 연산한 후 하기의 식1에 따라 박막 재료의 두께를 연산 처리하는 연산수단;
    을 구비하여 이루어지는 박막 두께 측정 장치.
    식1) t = ρ/Rs [m]
    여기서, t는 박막 재료 두께, ρ는 박막 재료 비저항, Rs는 박막 재료 면저항
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 면저항 연산은,
    박막 재료의 표면에 일렬로 정렬된 4-탐침을 접촉시키고, 바깥쪽 두 핀(A, D)에 직류전류를 인가한 후,
    안쪽 두 핀(B, C)에서 직류전압을 측정하여 저항(Ra)을 구하고,
    하기의 식2로 표현되는 면저항이 연산 처리되는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정 장치.
    식2) Rs = Ra×F(D/S)×F(t/S)[Ω/□]
    여기서, F(D/S)는 탐침간격(S)에 대한 시료의 크기(D) 보정계수, F(t/S)는 탐침 간격(S)에 대한 시료의 두께(t) 보정계수
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 면저항 연산은,
    박막 재료의 표면에 일렬로 정렬된 4-탐침을 접촉시키고, 바깥쪽 두 핀(A, D)에 직류전류를 인가한 후, 안쪽 두 핀(B, C)에서 직류전압을 측정하여 저항(Ra)을 구하고,
    일렬로 정렬된 4-탐침의 첫 번째 핀(A)과 세 번째 핀(C)에 직류전류를 인가한 후 두 번째 핀(B)과 네 번째 핀(D)에서 직류전압을 측정하여 저항(Rb)을 구하고,
    상기 저항(Ra,Rb)을 하기의 식3으로 표현되는 보정계수(ka)에 적용하여 계산한 후,
    하기의 식4로 표현되는 면저항이 연산 처리되는 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정 장치.
    식3) ka = -14.696+25.173×(Ra/Rb)-7.872×(Ra/Rb),(1.20≤Ra/Rb≤1.32)
    식4) Rs = ka×Ra [Ω/□]
  4. 제 1항에 있어서,
    연산된 박막 재료의 두께를 표시하는 디스플레이;가 더 구비되는 박막 두께 측정 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 연산수단은 박막 두께 측정 장치에 설정된 측정 시간마다 주기적으로 박막 재료의 두께를 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 박막 두께 측정 장치.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150017160A (ko) * 2013-08-06 2015-02-16 삼성전기주식회사 두께 측정 장치 및 두께 측정 방법
CN105157554A (zh) * 2015-10-23 2015-12-16 清华大学 一种测量金属表面水垢厚度的装置及方法

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