KR890004348Y1 - 미세 두께 측정장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

미세 두께 측정장치

제1도는 본 고안에 따라 구성된 미세 두께 측정장치의 사시도.

제2도는 본 고안 장치로 측정하고자 하는 필름이 피복된 기판의 단면도.

제3도는 제2도의 기판에 도전성 피막을 피복한 상태를 보이는 단면도.

제4도는 본 고안에 따른 측정장치를 사용하여 기판이 수직한 경우에 필림 두께를 측정하는 방법을 보인 작동원리도.

제5도는 본 고안에 따른 측정장치를 사용하여 경사진 기판의 필림두께를 측정하는 방법을 보인 작동원리도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 :기부판(基部板) 2 : 제1마이크로미터

2a : 핸들 2b : 눈금

3 : 제2마이크로미터 3a : 핸들

3b : 눈금 7 : 기판지지체

9 : 지지대 10 : 고정구(固定具)

13 : 프로브(probe) 15 : 전류계

16 : 필림(film) 17 : 기판(基板)

18 ; 도전성 피막(導電性 被膜) 18a : 기판상부

18b : 필림상부 t : 필림두께

α : 도전성피막의 두께

본 고안은 미세두께 측정장치에 관한 것으로 특히, 반도체 기판(基板)위에 피복된 필림의 두께를 고가의 장비를 소요하거나 필림에 손상을 가하지 않으면서 용이하게 측정할 수 있는 미세두께 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 기판상에 증착되는 필림의 두께는 반도체 제조시 전기적 특성을 결정하는데 주요 인자로서 작용하므로 필림의 진공 증착중에도 그의 두께가 측정되어 관리되어야 할 정도로 매우 중요한 것으로 , 기판상에 증착된 필림의 두께 측정에는 일반적으로 인터퍼린스 방식(Interference Method), 스타일러스 방식(Stylus Method)및 엘립소메트리방식(Ellipsometric Method)이 사용되어 왔다.

이준 인터퍼린스 방식은 빛의 간섭 현상을 이용하여 빛의 파장으로 블럭 게이지등을 절대 측정하는 장치를 사용하는데 측정용 광원의 파장이 5892Å정도가 되고 실제 측정 가능한 한계치는 0.01μm정도이다. 따라서, 이 방식은 초박막형(超薄膜刑)필림의 두께 측정에 유효하며, 본 고안에서와 같이 수μm크기의 두께를 측정하는데에는 적합치 않다.

스타일러스식의 경우는 필림위를 바늘이 이동되게 하여, 바늘끝의 궤적으로 표면의 오목한 부분과 볼록한 부분의 높이에 따른 전기 신호를 발생시킴으로써 0.01μm정도의 정밀도로 측정할 수 있으나. 이방식은 바늘이 직접 필림에 접촉되므로 필림 표면의 기계적 강도가 높지 않은 경우에는 필림 표면상에 바람직하지 못한 홈을 발생시키게 되므로 기판상에 진공증착된 필림의 두께를 측정하는 데에는 적합치 않다.

또한 엘립소메트릭 방식은 필림 표면에 빛을 투사하여 그 반사파중 입사면을 따라 편광된 빛과 입사면에 수직하게 편광된 빛의 세기의 비와 이들 사이의 위상차를 측정하여 박막필림의 두께를 측정하는데, 이 방식은 필림의 굴절율을 알아야 하고, 투명한 막이라야 측정이 가능한데 반도체 제조시 불활성 기체중에서 필림을 증착시킬 경우에는 기계적 강도가 약하고 불투명한 막으로 제작되므로 이방식 역시 필림의 두께 측정에는 적합하지 않다.

이와 같은 종래의 문제점을 감안하여 본 고안은 필림의 기계적 강도나 투명도에 관계없이 필림의 두께를 측정할 수 있으며, 광파간섭장치(Interfero Meter)나 표면조도 측정기(Suface Roughness Tester)와 같은 고가의 장치를 필요로 하지 않고서도 필름의 두께를 측정할 수 있는 미세두께 측정장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 고안에서는 기계적 강도가 비교적 약한 금속이나 반도체 혹은 유전체로 된 필림의 두께를 비교적 쉽게 측정하기 위하여 필림의 표면을 알루미늄이나 은등의 도전성 물질로 된 피막(被膜)으로 피복함으로써 필림상에 기계적인 힘이 직접 가해지지않게 하고 불투명한 필름이라도 용이하게 측정할 수 있도록 한다.

이에 따라 본 고안 미세두께 측정장치는 필림과 도전성 피막이 순차적으로 피복된 기판을 좌우로 정밀이동시키면서, 그 이동거리를 측정하는 제1마이크로미터와, 이 도전성 피막에 접촉하여 필림의 두께를 측정하는 프로브(probe)를 전후로 정밀 이동시키면서, 그 이동거리를 측정하는 제2마이크로미터를 설치하고, 이 도전성피막과 프로브의 접촉을 검지할 수 있도록 전류계를 설치하고, 도전성 피막과 프로브에 각각 도선을 연결함으로써 이뤄지는 것이다.

이 때 필림의 두께는 제2마이크로미터(및 제1마이크로미터) 측정되는 것이므로측정될 수 있는 필림두께의 한계치는 제2마이크로미터의 측정한계치와 동일하여, 통상 사용되는 1/1000㎜(즉, 1μm)한계치의 마이크로미터를 사용하는 경우에는 1μm로 부터 수 μm범위의 측정이 가능하며 1/1000㎜(즉, 1μm)한계치의 마이크로미터를 사용하는 경우에는 0.1μm 단위로 측정할 수 있게 된다.

이와 같은 본 고안 미세두께 측정장치의 작동원리는 기판상의 필름이 피복된 부분으로부터 필림이 피복되지 않은 부분에 걸쳐 알루미늄 또는 은등의 도전성 피막을 균일한 두께로 피복하고, 임의의 공간위치로 부터 필림이 피복된 위치 상면의 도전성 피막까지의 거리와 필림이 피복되지 않은 위치 상면의 도전성 피막까지의 거리를 측정하여, 이 두거리의 차이를 필림의 두께로 결정함으로써 기계적 강도가 약하거나 투명도가 낮은 필림의 두께를 측정하는 것이다.

이하에 첨부된 도면을 참조하여 본 고안 미세두께 측정장치의 바람직한 실시예를 통하여 상세히 설명한다.

제1도는 본 고안에 따라 구성된 미세두께 측정장치(도면부호 100으로 표시됨)를 보인 것으로, 기부판(基剖板 : 1)의 상면에 좌우방향으로 제1마이크로미터(2)와 전후방향으로 제2마이크로미터(3)가 각각 설치되어 있다.

제1마이크로미터(2)와 제2마이크로미터(3)는 각각 나사의 피치(pitch)와 회전각과의 상관관계를 이용하여 그 축선방향의 이동거리를 계측할 수 있는 통상의 것으로 측정한계치 1/1000㎜(즉, 0.1μm) 또는 1/1000㎜(즉,1μm)의 것을 쓸 수 있는데, 기판상에 피복되는 필림은 수μm범위의 두께이므로 측정한계치 1/1000㎜의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

제1마이크로미터(2)와, 제2마이크로미터(3)는 각각 고정체(6, 11)에 의해 기부판(1)상에 설치되며, 각각 사용자가 잡고 회전시킬 수 있는 노브(knob : 2a, 3a)와 이동거리를 읽을 수 있는 눈금(2b, 3b)과 상기, 노브(2a, 3a)의 회전에 의하여 나사-피치관계에 따라 축방향으로 전후진하는 스핀들(Spindle : 도시안됨)이 구비되어 있다.

제1마이크로미터(2)의 스핀들에는 기판(17)을 지지하는 기판지지체(7)가 결합되어 노브(2a)의 회전에 따라 좌우(도면의 Y방향)로 정밀이동할 수 있도록 구성되며, 이 기판지지체(7)에는 지지대(9)가 소정높이로 상방연장되어, 이지지대(9)상에 기판(17)이 고정구(10)에 의해 지지고정된다. 여기서 고정구(10)는 후술하는 이유로 도체(導體)인 것이 바람직하다.

제2마이크로미터(3)의 스핀들에는 검출블록(12a)이 결합되어 노브(3a)의 회전에 따라 안내블록(12b)에 안내되며, 전후(도면의 X방향)로 이동하도록 되어 있고, 검출블록(12a)의 선단에는 기판(17)의 필림(16) 표면에 피복된 도전성 피막(18)에 접촉할 수 있는 프로브(13)가 설치된다. (여기서 검출블록과 안내블록의 상호결합관계는 통상적인 안내수단의 구성이므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.)

다음 전류계(15)에는 단자(4, 5)가 설치되어 한단자(4)는 프로브(13)와 통전되는 단자(14)로 전기적 접속되며, 다른 단자(5)는 도전성 피막(18)의 접촉하는 고정구(10)에 전기적 접속됨으로써, 프로브(13)가 도전성 피막(18)에 접촉하면 프로브(13)와 도전성 피막(18)과 전류계(15)가 폐회로를 형성하게 되어 전류계(15)가 작동되므로 프로브(13)와 도전성 피막(18)의 접촉을 검지할 수 있게 된다.

이와 같이 구성된 본 고안 미세두께 측정장치(100)를 이용하여 제2도에 보인 바와 같이 필림(16)이 피복된 기판(17)의 필림(16) 두께를 측정하는 방법은 다음과 같다.

먼저 동일한 배치(batch) 단위로 두께(t)의 필림(16)이 진공증착된 한 로트(lot)의 기판(17)중에서 하나를 샘플링(sampling)취출하여 이에 제3도에 보인 바와 같이 필림(16)이 피복된 부분으로부터 피복되지 않은 부분에 걸쳐 알루미늄이나 은등의 도전성 재료로 된 도전성 피막(18)을 진공증착등의 방법으로 피복한다. 여기서 편의상 필림(16)이 피복된 부분의 상면에 피복된 도전성 피막(18)의 부분을 필림상부(18b)로 필림(16)이 피복되지 않은 부분의 기판(17) 상면에 피복된 도전성 피막(18)의 기판상부(18a)로 각각 호칭하는에, 필름상부(18b)의 도전성 피막(18)의 두께는 진공, 증착의 방법으로, 피복된 경우에는 거의 비슷하므로 여기서는 양두께가 동이리한 수치α인 것으로 본다.

도전성 피막(18)의 피복이 완료된 기판(17)은 제1도 또는 제4도에 보는 바와같이 기판지지체(7)의 지지대(9)상에 도전성 피막(18)이 고정구(10)이 전기적 접촉되도록 고정지지된다. (이때, 기판(17)은 프로브(13)의축선방향(즉 제2마이크로미터(3)의 축선방향)과 직교하도록 놓여있다.)

다음 제2마이크로미터(3)의 노브(3a)를 회전시켜 프로브(13)를 그 선단이 아직 도전성 피막(18)과 접촉하지 않는 위치까지 전진시킨 뒤 이때 눈금(3b)를 읽어 이 수치(Fo)를 기억 또는 기록한다. (즉, 도전성 피막(18) 전방공간의 임의의 점을 측정의 기준위치로 설정한다.)

다음 노브(3a)를 더욱 회전시켜 프로브(13)를 전진시킴으로써 설정위치로 부터 도전성 피박(18)까지의 거리를 측정하게 되는데 여기서는 기팜상부(18a)까지의 거리(Xa)를 먼저 측정하는 것으로 한다.

프로브(13)가 전진하여 그 선단이 기판상부(18a)에 접촉하게 되면 프로브(13)와 전류계(15)와 도전성 피막(18)이 폐회로를 이루게되므로 전류계(5)에 전류가 흐르게 되어 그 바늘(전류계가 디지탈방식인 경우는 표시숫자)이 변하게 되므로 프로브(13)와 기판상부(18a)가 접촉한 순간을 알 수 있게 된다. 이때 눈금(3b)을 읽어 이 수치(Fa)와 앞에서 기억 또는 기록해둔 수치(Fo)와의 차이(Fa-Fo)를 설정위치로 부터 기판상부(18a)와의 거리(Xa)로 규정한다.

다음 제2마이크로미터(3)를 회전시켜 프로브(13)를 후퇴시키고, 제1마이크로미터(2)의 노브(2a)를 회전시켜 기판 지지체(7)를 제4도의 좌측방향으로 이동시킴으로써 프로브(13)의 축선위치를 필림상부(18b)에 오게하고, 다시 제2마이크로미터(3)의 노브(3a)를 회전시켜 프로브(13)를 필림상부(18b)에 접촉시키고(이때 접촉여부는 전술한 바와 같이 전류계(15)를 관찰하며, 노브(3a)를 회전시킴으로써 확인할 수 있다.) 이때 눈금(3b)을 읽어 이 수치(Fb)와 앞에서 기억 또는 기록해둔 수치(Fo)와의 차이를(Fa-Fo)를 설정위치로부터 필림상부(18b)까지의 거리(Xb)로 규정한다. 여기서 기판상부(18a)와 필림상부(18b)의 도전성 피막(18)의 두께(α)는 동일하므로 기판상부(18a)까지의 거리(Xa)와 필림상부(18b)까지의 거리(Xb)의 차이(Xa-Xb)를 필림(16)의 두께(t)로 볼 수 있게되며, 이와 같이 하여 기판의 필림두께 측정이 이뤄지는 것이다.

이상과 같은 측저방법은 기판(17)의 평면과 프로브(13)의 축선방향이 직교하는 경우에 대한 것으로, 이것이 직교하지 않는 경우에 측정되는 값은 프로브(13)의 축선과 직교하는 평면과의 경사각을θ라할 때 t/cosθ인 수치가 된다. 그런데 실제적으로는 기판(17)과 프로브(13)의 축선방향을 직각으로 맞추는 것이 용이하지 않으므로 다음과 같은 방법을 사용하게 된다.

먼저 제5도에 도시한 바와 같이 제1마이크로미터(2)의 축선과 평형한 가상선상에 임의의점 A, B, C, D를 설정하는데, 여기서 점A, B는 기관상부(18a)의 전방에 위치하는 점이며, 점C는 필림상부(18b)에 위치하고, 점D는 기판(17)의 표면에 있는 점이다. 기판(17)은 프로브(13)의 축선방향과 직교하는 지지대(9)와 경사각(θ)만큼 경사되어 있고,(여기서는 점A와 점B 사이의 거리를 나타내는 것으로 이하 같음) CD=k로 각각 정의한다. 다음 △X₃, △X₂는 각각 임의의 점A, B로 부터 기판상부(18a)까지의 거리 △X₁은 △X₃와 △X₂의 차이(△X₃-△X₂)로 정의한다.

상술한 임의의 점 A, B, C, D의 설정방법과 거리ℓ, k, △X₃, △X₂의 측정방법은 제4도를 참조로 설명한 직교경우의 설정 및 측정방법과 동일 방식으로 이뤄지나 그 바람직한 방법의 한 실시예를 제5도를 참조로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제1마이크로미터(2)를 조정하여 프로브(13)의축선이 필림(16)이 도포되지 않은 기판(17)상의 임의의 점D상에 오도록 한뒤, 제2마이크로미터(3)을 회전시켜 프로브(13)를 점D에 접촉시키고, 이때 제2마이크로미터(3)의 눈금(3b)을 읽어 이값을 Xd로 제1마이크로미터(2)의 눈금(2b)을 읽어 이 값을 Yd로 한다.

다음 프로브(13)를 후퇴시킨 뒤 제1미이크로미터(2)를 회전시킴으로써 프로브(13)의 축선방향을 기판상부(18a)의 전방에 오도록 한 다음, 프로브(13)를 제2마이크로미터(3)의 눈금(3b) 이 전술한 값 Xd가 될 때까지 전진시킨다. 다음 제1마이크로미터(2)를 회전시켜 지지대(9) 및 이에 고정된 기판(17)을 도면의 좌측으로 이동시켜 프로브(13)가 필름 상부(18b)에 접촉한 것이 전류계(15)에 검지되면 이동을 멈추고, 이때 제1마이크로미터(2)의 눈금(2b)을 읽어 이를 Yc로 한다. 여기서 값Yc와 Yd의 차시가 거리 k가 된다.

다음 제1마이크로미터(2)를 회전시켜 프로브(13)의 축선이 기판상부(18a)의 임의의 위치에 오게한뒤, 프로브(13)를 전진시켜 기판상부(18a)에 접촉시키고, 이때 제1마이크로미터(2)의 눈금(2b)을 읽어 이 값을 Yb, 제2마이크로미터(3)의눈금(3b)을 읽어, 이값을 X₂로 하면, 값 Yb와 Yc의 차시기 거리ℓ이 되고, X₂와 Xd의 차이가 ▷X₂가 된다.

다음 제1마이크로미터(2)를 회전시켜 프로브(13)의 축선을ℓ만큼 좌측(기판(17)은 우측으로 이동함)으로 이동시킨 뒤 제2마이크로미터(3)를 회전시켜 프로브(13) 기판상부(18a)에 접촉시키고, 이때 제2마이크로미터(3)의 눈금(3b)을 읽어 이값이 X₁이라 하면, 값X₁과 Xd의 차이가 거리 △X₃가 되고, △X₃와 △X₂의 차이가 거리△X₁이 된다.

이와같이 설정 및 측정한 각 매개변수들로 필림(16)의 두께(t)를 구하는 방법은 다음과 같다.(제5도 참조)

(2)식을 (1)식에 대입하면 다음 관계식이 성립하게 된다.

(3)식을 t + α에 대해 정리하면,

또 피타고라스의 정리에 의하면

(5)식을 (4)식에 대입하면

이 된다.

여기서 필림(16)의 두께(t)는 보통 1μm ~10μm(즉 10^-6~10^-6m)이고, 도전성 피막(18)의 두께(α)는 통상100Å~100Å(즉 10^-7~10^-6m)이므로 도전성 피막(18)의 두께(X)는 필림(16)의 두께(t)의 1/100의 범위이므로 이는 무시할 수 있어서 제(6)식은 다음과 같이 된다.

즉 기판(17)의 평면과 프로브(13)의 축선이 직교하지 않는 경우에는 상술한 바와 같이 △X₂, △X₃, ℓ만을 제1 및 제2마이크로미터로 측정하여 상기 제(6)식에 대입하면 필림(16)의 두께(t)르 구할수 있게 된다. (물론 기판(17)의 평면과 프로브(13)의 축선이 직교하는 경우에도 측정의 정확성을 기하기 위해 복수의 위치를 측정하는 것이 통상이므로 제(6')식은 직교의 경우데도 이용할 수 있음은 당연하다.)

상술한 방법에 따라 샘플링 취출되어 측정된 필림의 두께는 동일한 배치단위로 제조된 한 로트의 전체 기판의 필림의 두께의 대표값으로 볼 수 있으므로 이 측정된 두께에 따라 해당로트의 기판은 양품 또는 불량처리 되는 것이다.

이상과 같이 본 고안 미세두께 측정장치는 기판에 피복된 필림의 기계적 강도나 투명도와 관계없이 고가의 측정장치를 요하지 않으면서, 수μm단위의 필림의 두께를 간단치 측정할 수 있을 뿐 아니라, 장치의 제조경비도 매우 저렴한 이점이 있다.

Claims (1)

1. 기판상에 피복된 필림의 두께를 측정하는 미세두께 측정장치에 있어서, 고정구(10)로 기판(17)을 지지고정하는 지지대 (9)가 구비된 기판지지체(7)와 상기 기판지지체(7)를 좌우로 정밀이동시키면서 그 이동거리를 측정하는 제1마이크로미터(2)와 상기 기판(17)의 지지대(9)의 평면과 직교하는 축선방향을 가지는 프로브(13)와 상기 프로브(13)를 전후로 정밀이동시키며, 그 이동거리를 측정하는 제2마이크로미터(3)와, 상기 고정구(10)및 프로브(13)와 전기적 접속되는 전류계(15)를 구비하여 임의의 위치로부터 상기 기판(17)상에 피복된 도전성 피막(18)의 기판상부(18a)와 필림상부(18b)까지의 거리를 각각 측정하고 그 차이를 상기 필림(16)의 두께(t)로 결정하는 것을 특징으로 하는 미세두께 측정장치.