KR20230026025A - 박막 필름의 정밀 두께 측정 시스템 - Google Patents

박막 필름의 정밀 두께 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인장강도에 따라 변화되는 위치별 굴절률 차이에 상관없이 박막 필름의 두께값을 정확하게 측정할 수 있도록 해 주는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 박막 필름으로 두께 측정을 위한 측정광을 수직으로 조사하고, 박막 필름을 바로 투과한 제1 수직 투과광과 박막 필름내에서 반사 경로를 가지면서 투과한 제2 수직 투과광에 의해 생성된 수직 간섭광 정보를 출력하는 수직 OCT 측정장치와, 박막 필름으로 두께 측정을 위한 측정광을 일정 경사각을 갖도록 조사하고, 박막 필름을 바로 투과한 제1 경사 투과광과 박막 필름내에서 반사 경로를 가지면서 투과한 제2 경사 투과광에 의해 생성된 간섭광 정보를 출력하는 OCT 측정장치 및, 상기 경사 간섭광 정보를 퓨리에 변환하여 획득한 수직 차수와 경사 차수를 이용하여 박막 필름의 굴절률을 산출하고, 수직 간섭광 정보를 퓨리에 변환하여 획득한 주 파장 및 차수정보와 경사 간섭광 정보에 의해 산출된 굴절률을 이용하여 박막 필름의 두께를 산출하는 두께 측정장치를 포함하여 구성되고, 상기 박막 필름 두께(d)는
Figure pat00008
에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다. 이때, λ는 주 파장, m 은 차수, n 은 굴절률이다.

Description

박막 필름의 정밀 두께 측정 시스템 {System for measuring thickness of thin film}
본 발명은 인장강도에 따라 변화되는 위치별 굴절률 차이에 상관없이 박막 필름의 두께값을 정확하게 측정할 수 있도록 해 주는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 및 평판표시장치에 사용되는 박막 즉, 필름을 특정한 용도로 응용하기 위해서는 필름의 두께, 조성, 조도 등의 물리적, 광학적 특성이 필요하다.
필름의 두께를 측정하는 방법은 크게 광학을 이용하거나, 탐침을 이용하거나, 현미경으로 관찰하는 방법이 있으며, 정확도 및 측정 속도가 가장 높은 광학적 방법이 가장 보편화되어 있다.
광학적 측정 방법으로는 광 간섭 두께측정(OCT : (Optical coherence tomography) 방식 및, Ellipsometry 방식이 있다.
광 간섭 두께측정 방식은 모두 필름 표면을 반사하거나 투과한 광의 간섭광을 이용하여 두께를 측정하는 기술로서, 반사형 광 간섭 두께측정기는 광학계가 한쪽에만 설치되는 간단한 구조를 갖는 장점이 있고, 투과형 광 간섭 두께측정기는 필름의 양측에 광학계를 설치하고 이를 연동하여 구동시켜야 하기 때문에 구조적 으로 복잡한 단점이 있으나, 반사형 광 간섭 두께측정기에 비해 필름의 기울어짐에 둔감한 장점을 갖는다.
한편, 필름은 일반적으로 생산과정에서 필름에 텐션을 주기 위해 일정 강도로 필름이 당겨진 상태로 롤형태로 말려있게 되고, 롤 형태로 말려진 상태에서 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정을 수행하여 목적하는 용도로 이용하게 된다. 롤투롤 공정은 롤(Roll)형태로 말려진 필름(이하, 필름이라 칭함)에 다양한 공정을 수행하는 것을 의미한다.
그러나 필름이 일정 강도로 당겨진다 하더라도 그 위치마다 다른 인장강도가 작용하게 되고, 이러한 인강강도의 차이는 필름의 두께 측정결과에 영향을 준다.
즉, 실제 필름 두께값이 동일함에도 불구하고, 필름에 작용된 인장강도에 따라 필름 두께값이 다르게 산출되는 문제가 있다.
1. 한국등록특허 제10-1655096호 (명칭 : 박막의 두께 측정방법) 2. 국내공개특허 제10-2016-0025865호 (명칭 : 박막 두께 측정 장치, 이를 포함하는 시스템 및 박막 두께 측정 방법)
이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로, 박막 필름으로 수직 입사된 투과광에 대한 수직 간섭광과 박막 필름으로 경사 입사된 투과광에 대한 경사 간섭광을 분석하여 굴절률을 산출함과 더불어, 이 굴절률을 이용하여 인장강도에 따라 변화된 두께값을 보정하여 산출함으로써, 물성 특성이 변화되는 박막 필름의 두께값을 정확하게 측정할 수 있도록 해 주는 박막 필름의 정밀 두께 측정 시스템을 제공함에 그 기술적 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 박막 필름으로 두께 측정을 위한 측정광을 수직으로 조사하고, 박막 필름을 바로 투과한 제1 수직 투과광과 박막 필름내에서 반사 경로를 가지면서 투과한 제2 수직 투과광에 의해 생성된 수직 간섭광 정보를 출력하는 수직 OCT 측정장치와, 박막 필름으로 두께 측정을 위한 측정광을 일정 경사각을 갖도록 조사하고, 박막 필름을 바로 투과한 제1 경사 투과광과 박막 필름내에서 반사 경로를 가지면서 투과한 제2 경사 투과광에 의해 생성된 간섭광 정보를 출력하는 OCT 측정장치 및, 상기 경사 간섭광 정보를 퓨리에 변환하여 획득한 수직 차수와 경사 차수를 이용하여 박막 필름의 굴절률을 산출하고, 수직 간섭광 정보를 퓨리에 변환하여 획득한 주 파장 및 차수정보와 경사 간섭광 정보에 의해 산출된 굴절률을 이용하여 박막 필름의 두께를 산출하는 두께 측정장치를 포함하여 구성되고, 상기 박막 필름 두께(d)는 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 박막 필름의 정밀 두께 측정 시스템.
Figure pat00001
여기서, λ는 주 파장, m 은 차수, n 은 굴절률임.
또한, 상기 박막 필름의 굴절률(n)은 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 박막 필름의 정밀 두께 측정 시스템.
Figure pat00002
여기서, m1 은 수직 차수, m2 는 경사 차수, θ1은 경사각임.
본 발명에 의하면, 인장강도에 따른 박막 필름의 위치별 굴절률 차이에 상관없이 박막 필름의 두께값을 정확하게 측정할 수 있다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 필름의 정밀 두께 측정 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도2는 도1에 도시된 수직 OCT 측정장치(100)의 구성을 설명하기 위한 도면.
도3은 도1에 도시된 경사 OCT 측정장치(200)의 구성을 설명하기 위한 도면.
도4는 도1에 도시된 수직 OCT 측정장치(100)에서의 수직 측정광 박막 필름 투과 특성을 설명하기 위한 도면.
도5는 도1에 도시된 경사 OCT 측정장치(200)에서의 경사 측정광 박막 필름 투과 특성을 설명하기 위한 도면.
도6은 도1에 도시된 박막 필름의 정밀 두께 측정 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면.
도7은 입사광의 서로 다른 매질에서의 굴절률 특성을 설명하기 위한 도면.
본 발명에 기재된 실시예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예 및 도면에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막 필름의 정밀 두께 측정 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도1을 참조하면, 본 발명에 따른 박막 필름의 정밀 두께 측정 시스템은 수직OCT 측정장치(100)와 경사 OCT 측정장치(200) 및, 두께 측정장치(300)를 포함하여 구성된다.
수직 OCT 측정장치(100)는 박막 필름으로 두께 측정을 위한 측정광을 수직으로 조사하고, 이에 대응되는 박막 필름에 대한 수직 간섭광 정보를 두께 측정장치(300)로 출력한다.
경사 OCT 측정장치(200)는 박막 필름으로 두께 측정을 위한 측정광을 일정 경사각으로 갖도록 조사하고, 이에 대응되는 박막 필름에 대한 경사 간섭광 정보를 두께 측정장치(300)로 출력한다. 여기서, 경사각은 박막 필름의 법선과 이루는 각이 클수록 이후 산출되는 박막 필름의 굴절률 오차가 작게 나타나는 바, 일정 이상의 경사작을 갖도록 설정할 수 있다.
두께 측정장치(300)는 상기 수직 OCT 측정장치(100)로부터 인가되는 수직 간섭광 정보와 경사 OCT 측정장치(200)로부터 인가되는 경사 간섭광 정보를 이용하여 박막 필름의 굴절률 및 이 굴절률에 의해 보정된 박막 필름의 두께값을 산출한다.
이때, 두께 측정장치(300)는 각 OCT 측정장치(100,200)로부터 수신되는 간섭광의 파장별 빛의 강도 데이터를 획득하고, 이 강도 데이터를 퓨리에 변환하여 결정된 주 파장 및 광경로 차수를 이용하여 두께값을 산출하되, 경사 간섭광에 의해 산출된 박막 필름의 굴절률을 두께값 산출시 반영함으로써, 박막 필름의 굴절률에 의해 보정된 두께값을 산출한다.
도2와 도3은 도1에 도시된 OCT 측정장치(100,200)의 구성을 설명하기 위한 도면으로, 도2에는 수직 OCT 측정장치(100) 구성이 예시되어 있고, 도3에는 경사 OCT 측정장치(200) 구성이 예시되어 있다.
도2를 참조하면, 수직 OCT 측정장치(100)는 투과형 광간섭계 구조로, 측정 광원(110)에서 방출되는 수직 측정광은 박막 필름(10)으로 수직하게 조사되고, 박막 필름(10)을 투과한 수직 투과광은 디텍터(120)를 경유하여 두께 측정장치(300)로 인가되도록 구성된다.
이때, 측정 광원(110)과 박막 필름(10) 사이와 박막 필름(10) 하측에는 제1 및 제2 렌즈(130,140)가 추가로 구비될 수 있고, 측정 광원(110)으로부터 출력되는 수직 측정광은 제1 광섬유(150)를 통해 박막 필름(10)으로 인가된다.
그리고, 박막 필름(10)을 투과한 수직 투과광은 제2 광섬유(160)를 통해 집속되어 디텍터(120)로 인가될 수 있다.
도3을 참조하면, 경사 OCT 측정장치(200)는 수직 OCT 측정장치(100)와 동일한 구성요소를 가지면서 박막 필름(10)에 대해 일정 경사각을 갖도록 광축만 달리하는 배치 구조를 갖는다.
즉, 경사 OCT 측정장치(200)는 측정 광원(210)에서 박막 필름(10)으로 일정 경사각을 갖도록 광원을 조사하여 경사 측정광을 박막 필름(10)으로 조사하고, 박막 필름(10)을 투과한 경사 투과광이 디텍터(220)을 통해 두께 측정장치(300)로 인가되도록 구성된다.
이때, 경사 OCT 측정장치(200)는 수직 OCT 측정장치(100)와 마찬가지로, 측정 광원(210)과 박막 필름(10) 사이와 박막 필름(10) 하측에는 제1 및 제2 렌즈(230,240)가 추가로 구비될 수 있고, 측정 광원(210)으로부터 출력되는 수직 측정광은 제1 광섬유(250)를 통해 박막 필름(10)으로 인가될 수 있다. 그리고, 박막 필름(10)을 투과한 수직 투과광은 제2 광섬유(260)를 통해 집속되어 디텍터(220)로 인가될 수 있다.
또한, 상기 디텍터(120,220)는 수직 OCT 측정장치(100)와 경사 OCT 측정장치(200) 구성에서 상호 공유될 수 있다. 즉, 하나의 디텍터를 통해 수직 간섭광 및 경사 간섭광을 생성할 수 있다.
한편, 일반적으로 박막 필름(10)으로 조사된 측정광은 박막 필름(10)의 제1 경계면(박막 필름의 표면)을 통해 입사된 후 제2 경계면(박막 필름의 밑면)에서 일부는 투과되고 일부는 반사된다. 그리고, 제2 경계면에서 반사된 측정광은 제1 경계면에서 반사된 후 제2 경계면에서 투과된다.
즉, 도4에 도시된 바와 같이, 박막 필름(10)을 통해 출력되는 수직 투과광은 제1 경계면에서 제2 경계면으로 바로 투과되는 제1 수직 투과광(X)과 박막 필름(10) 내에서 반사 경로를 형성한 후 제2 경계면으로 투과되는 제2 수직 투과광(Y)으로 이루어진다. 이때, 디텍터(120)는 제1 수직 투과광(X)과 제2 수직 투과광(Y)의 간섭에 의해 생성되는 수직 간섭광정보를 출력한다.
또한, 도5에 도시된 바와 같이, 박막 필름(10)을 통해 출력되는 경사 투과광은 제1 경계면에서 제2 경계면으로 바로 투과된 제1 경사 투과광(R)과 박막 필름(10) 내에서 반사 경로를 형성한 후 제2 경계면으로 투과되는 제2 경사 투과광(Q)으로 이루어진다. 이때, 디텍터(120)는 제1 경사 투과광(R)과 제2 경사 투과광(Q)의 간섭에 의해 생성되는 경사 간섭광정보를 출력한다.
여기서, 디텍터(120)는 빛을 분산시켜 스펙트럼을 생성하고, 각 파장에 대한 스펙트럼 강도를 정량적으로 측정하는 분광기(spectrometer)로 구성될 수 있다.
이어, 상기한 구성으로 된 박막 필름의 정밀 두께 측정 시스템의 동작을 도6를 참조하여 설명한다.
먼저, 두께 측정장치(300)는 수직 OCT 측정장치(100)를 통해 수직 측정광을 박막 필름(10)으로 조사하도록 제어하고, 이에 대한 수직 간섭광을 수신한다(ST100).
즉, 수직 OCT 측정장치(100)는 측정 광원(110)으로부터 출력되는 수직 측정광은 박막 필름(10)을 투과하여 출력되고, 박막 필름(10)의 제1 경계면에서 제2 경계면으로 바로 투과되는 제1 수직 투과광과 박막 필름(10) 내에서 반사 광경로를 형성한 후 제2 경계면으로 투과되는 제2 수직 투과광간의 간섭에 의해 생성되는 수직 간섭광정보를 두께 측정장치(300)로 제공한다.
또한, 두께 측정장치(300)는 경사 OCT 측정장치(200)를 통해 박막 필름(10)의 제1 경계면에 대해 일정 경사각을 갖는 경사 측정광을 박막 필름(10)으로 조사하도록 제어하고, 이에 대한 경사 간섭광을 수신한다(ST200).
즉, 경사 OCT 측정장치(200)는 측정 광원(110)으로부터 출력되는 수직 측정광은 박막 필름(10)을 투과하여 출력되고, 박막 필름(10)의 제1 경계면에서 제2 경계면으로 바로 투과되는 제1 경사 투과광과 박막 필름(10) 내에서 반사 광경로를 형성한 후 제2 경계면으로 투과되는 제2 경사 투과광간의 간섭에 의해 생성되는 경사 간섭광정보를 두께 측정장치(300)로 제공한다.
두께 측정장치(300)는 경사 간섭광을 분석하여 박막 필름(10)의 굴절률을 산출한다(ST300). 이때, 두께 측정장치(300)는 수직으로 입사될 때의 수직 차수와 경사각을 갖고 입사될 때의 경사 차수를 이용하여 박막 필름(10)의 굴절률을 산출한다.
먼저, 도7과 같이 서로 다른 매질에서의 굴절률은 수학식1와 같은 성질을 갖는다.
Figure pat00003
여기서, θ1은 입사각, θ2는 굴절각, v1은 대기중에서의 입사 속도, v2는 매질에서의 속도, n1 은 공기의 굴절률, n2는 매질의 굴절률이다.
이러한 원리를 적용하여 상기 ST300 단계에서 굴절률은 하기 수학식2를 통해산출될 수 있다.
Figure pat00004
여기서, θ1은 입사각, θ2는 굴절각, m1은 수직 차수, m2는 경사 차수, n1 은 공기의 굴절률, n2는 필름의 굴절률이다. 이때, 수직 차수(m1)과 경사 차수(m2)는 경사 간섭광의 파장별 빛의 강도 데이터를 퓨리에 변환하여 획득할 수 있고, 입사각(θ1)과 공기의 굴절률(n1)은 미리 설정된다. 그리고, 굴절각(θ2)은 도4에서 "r"이다.
이어, 두께 측정장치(300)는 수직 간섭광을 분석하여 주 파장과 차수를 획득하고, 주 파장과 차수 및 상기 ST300 단계에서 산출된 굴절률을 이용하여 박막 필름(10)의 두께값을 산출한다(ST400). 이때, 수직 측정광은 입사각이 0°로 박막 필름(10)내에서의 굴절각 또한 0°가 된다. 이에 도3과 같은 수직 측정광의 경우, 제1 수직 투과광(X)과 제2 수직 투과광(Y)간의 광경로차(OPD)는 필름 두께의 2배로 설정할 수 있다.
즉, 상기 ST400 단계에서 두께값 산출식은 하기 수학식3과 같다.
Figure pat00005
여기서, OPD 는 광경로차, d 는 필름의 두께값, m 은 차수, n 은 필름의 굴절률, λ는 광경로차의 주 파장, m 은 주 파장의 차수이다.
이때, 박막 필름 내에서의 광경로차는 파장의 배수(차수, m)로 반복하여 발생하는 바, 두께 측정부(300)는 수직 간섭광의 파장별 빛의 강도 데이터를 퓨리에 변환하여 가장 높은 스펙트럼을 갖는 주파수를 추출하고, 이 주파수를 주 파장(λ)으로 설정하며, 스펙트럼으로부터 이 주 파장(λ)의 차수(m)를 획득한다.
즉, 상기 400 단계에서 두께 측정장치(300)는 박막 필름의 굴절률에 따라 자동 보정된 박막 필름의 두께값을 산출한다.
100 : 수직 OCT 측정장치, 200 : 경사 OCT 측정장치,
300 : 두께 측정장치,
110 : 측정 광원, 120 : 디텍터,
130, 140 : 렌즈, 150, 160 : 광섬유,
10 : 박막 필름.

Claims (2)

  1. 박막 필름으로 두께 측정을 위한 측정광을 수직으로 조사하고, 박막 필름을 바로 투과한 제1 수직 투과광과 박막 필름내에서 반사 경로를 가지면서 투과한 제2 수직 투과광에 의해 생성된 수직 간섭광 정보를 출력하는 수직 OCT 측정장치와,
    박막 필름으로 두께 측정을 위한 측정광을 일정 경사각을 갖도록 조사하고, 박막 필름을 바로 투과한 제1 경사 투과광과 박막 필름내에서 반사 경로를 가지면서 투과한 제2 경사 투과광에 의해 생성된 간섭광 정보를 출력하는 OCT 측정장치 및,
    상기 경사 간섭광 정보를 퓨리에 변환하여 획득한 수직 차수와 경사 차수를 이용하여 박막 필름의 굴절률을 산출하고, 수직 간섭광 정보를 퓨리에 변환하여 획득한 주 파장 및 차수정보와 경사 간섭광 정보에 의해 산출된 굴절률을 이용하여 박막 필름의 두께를 산출하는 두께 측정장치를 포함하여 구성되고,
    상기 박막 필름 두께(d)는 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 박막 필름의 정밀 두께 측정 시스템.
    Figure pat00006

    여기서, λ는 주 파장, m 은 차수, n 은 굴절률임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 박막 필름의 굴절률(n)은 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 박막 필름의 정밀 두께 측정 시스템.
    Figure pat00007

    여기서, m1 은 수직 차수, m2 는 경사 차수, θ1은 경사각임.
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