KR100863250B1

KR100863250B1 - 라인 프로파일 측정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100863250B1
Application number: KR1020070020600A
Authority: KR
Inventors: 김대석; 서정우; 프로토포포브 블라디미르; 이석원; 조성훈; 김광수
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2008-10-15
Also published as: KR20080079943A

Abstract

본 발명은 라인 프로파일 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 영상 분광기(Imaging spectrograph)와 해상도가 증강된(Intensified) ICCD를 이용하여 평판 디스플레이(FPD: Flat Panel Display) 등과 같은 대면적 시료에 존재하는 다수의 미세패턴 프로파일 정보를 고속으로 측정함으로써 측정 정확도는 그대로 유지하면서, 기존 방식 대비해 택트 타임(Tact time)을 줄일 수 있는 고속 형상 라인 프로파일 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명은 백색광원을 출력하는 광원부; 상기 광원부에서 출력된 백색광원을 기준미러 및 시료로 출력하고, 상기 기준미러에서 반사된 기준광 및 시료에서 반사된 물체광이 입사되는 광분리기; 및 상기 기준광 및 물체광으로부터 간섭 무늬를 집광하여 이미지 스펙트럼을 생성한 후 상기 시료에 형성된 다수의 3차원 형상의 라인 프로 파일 정보를 고속으로 측정 이미지 분광기;를 포함한다.

Description

라인 프로파일 측정 장치 및 방법{Line profile measurement apparatus and method}

도 1은 종래 기술에 따른 라인 프로파일 측정 장치의 구성도이고,

도 2a는 종래 기술에 따른 3D 측정 시스템의 구성도이고,

도 2b는 종래 기술에 따른 다수 칼럼 스페이서의 높이 측정 방식의 예시도이고,

도 3은 종래 기술에 따른 칼럼 스페이서의 높이 측정 예시도이고,

도 4a는 종래 기술에 따른 칼럼 스페이서의 높이 측정의 방법의 순서도이고,

도 4b는 종래 기술에 따른 칼럼 스페이서의 높이 측정 시 단계별 시간 분석표이고,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 라인 프로파일 측정 장치의 구성도이고,

도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 라인 프로파일 측정 방법의 순서도이고,

도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 라인 프로파일 측정 방법의 단계별 시간 분석표이고,

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 기준면과 측정면의 측정 예시도이고,

도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 스펙트럼의 측정 예시도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 광원부 2: 공간필터

3: 조준렌즈 4: 광분리기

5a, 5b: 대물렌즈 6: 시료

7: 기준미러 9: 이미지렌즈

14: 이미지 분광기 15: ICCD센서

도 1는 일반적인 PZT 소자 스캐닝 기반의 3D 측정 장치인 WSI(White light Scanning Interferometer)의 구성도로서, 코히어런트(coherent)하지 않은 백색광원(1), 평행광을 만들기 위한 공간 필터(2)와, 조준 렌즈(3)와, 기준 광과 물체 광으로 빛을 분리시키는 광 분리기(4)와, 국소 지역을 고배율로 보기 위한 대물렌 즈(5a, 5b)와, 측정하고자 하는 마이크로 패턴 시료(6)와, 기준광을 만들어 내는 기준 미러(7)와, 기준 미러를 정밀하게 스캔해 주는 PZT소자(8)와, 물체파와 기준파가 만나서 생기는 간섭무늬를 2차원 어레이 센서(10)에 집광시키는 이미지 렌즈(9)로 구성된다.

도 2a는 WSI 측정 모듈이 장착된 대면적 LCD 측정시스템 및 측정 방식을 도시한 것으로, 외부진동을 방지하기 위한 이솔레이터(11)와, x, y, z 등 3축 정밀구동을 위한 리니어 모터 기반의 서보 스테이지부(12)와, 3D 측정 헤드(13)로 구성된다.

이와 같은 WSI장치로 3D 형상을 측정하기 위해서는 도 4a에 도시된 바와 같이, PZT를 나노단위로 스캐닝하면서 CCD로 획득한 다수의 간섭무늬 영상이 필요하다. 이 방식은 다수의 영상을 3D 복원에 사용하기 때문에 기본적으로 진동에 매우 민감하며, 수십 nm 정도의 측정 정확도를 확보하기 위해서 PZT 스캐닝 전에 서보 스테이지의 진동 감쇠를 위해 스테이지 브레이킹 메커니즘을 사용한다.

즉 마이크로 패턴이 형성된 측정 시료인 컬러필터 글래스 기판을 로딩(S11)한 후 기판 정렬 마크를 초기화(S12) 하고 스테이지 브레이킹(S13) 단계 후 비젼 기반의 자동 포커싱(S14)을 이용하여 PZT 스캐닝 초기 위치(S15)를 잡아 준다.

다음 한 점에 대한 3D측정이 끝나면 분석(S16)한 후 스테이지의 브레이킹을 푼(S17) 후, 도 2b에 도시된 바와 같이 다음 측정 위치로 이동 및 정지(S18)하면서 측정 동작을 반복함으로써 대면적 시료 위에 존재하는 수십 내지 수백 포인트의 3차원 패턴의 높이를 자동 측정한다.

도 3은 이러한 WSI장치를 이용하여 LCD 칼럼 스페이서(CS: Column Spacer)의 높이 측정 예를 보여 준다. LCD 분야 중 라인 프로파일이 적용되는 분야는 칼럼 스페이스 높이 측정, RGB 컬러 필터(Color Filter) 셀 간의 단차 측정, 비아 홀 깊이 측정 등이 있다.

여기서 칼럼 스페이서는 LCD 컬러 필터 기판과 TFT 기판 사이에 액정 주입 시 갭을 일정하게 유지하기 위한 목적으로 사용되며, 수십 nm 수준의 측정 정확도가 필요한 공정이다. 이러한 대면적 LCD 면에 퍼져 있는 다수의 칼럼 스페이서 높이를 정확히 측정함으로써 정밀한 액정공정 제어를 할 수 있고 이를 통한 공정 수율을 높일 수 있기 때문에 현재 LCD 생산라인에 인-라인용으로 폭넓게 적용되고 있다.

도 3의 칼람 스페이서 측정 예에서 보듯이, WSI 기반의 칼럼 스페이서 높이 측정 장치는 단차 시료의 높이를 측정하기 위해 전체면적에 대해 3차원 형상측정 후, 원하는 지역의 라인 프로파일을 얻음으로써 높이 정보를 추출한다.

그러나, 이러한 접근 방법은 단차 높이 측정만을 필요로 하는 응용분야에서는 필요 이상의 3차원 정보를 획득함으로써 속도 측면에서 비효율성을 유발시킬 수 있다. 또한, WSI와 같이 3D를 측정하기 위해 다수의 영상이 필요한 방식은 진동에 매우 취약할 수 밖에 없다.

이러한 이유로, 수십 nm 정도의 측정 정확도를 확보하기 위해서는, PZT 스캐닝을 이용한 3D 측정 단계 전에 반드시 서보 스테이지의 내부 진동을 제거해 주어야 한다. 이를 위해서 스테이지에 브레이킹 메커니즘을 적용하고 있으며, 매 점을 측정하기 전 서보 스테이지를 끄고 브레이킹을 해 주어야 한다. 이는 측정기의 택트 타임을 현저히 떨어뜨리는 주요한 원인이 된다.

도 4b는 약 7초가 걸리는 WSI기반의 높이 측정방법의 택트 타임을 분석한 것이다. 즉, PZT 스캐닝 시간이 약 2초, 대형 서보 스테이지의 내부 진동을 억제하기 위한 스테이지 브레이크 온/오프 시간과 서보 온/오프 시간이 2초, 측정을 위한 자동 포커싱 시간 및 측정 후 분석시간이 약 2초가 걸리는 문제점을 갖고 있다. 또한 한 측정 점에서 다음 측정 점으로 이동하는데 걸리는 시간은 스테이지 성능 및 거리에 따라 달라질 수 있으나 약 1초 정도가 소요된다.

본 발명은, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 대면적 시료에 존재하는 다수의 단차 형상 패턴들 각각의 나노미터급 정확도가 필요한 형상 프로파일 측정에 있어서, 지금까지 택트 타임 산출 시 주요 단계인 간섭계의 스캔시간, 서보-스테이지로 부터의 진동영향 제거용 브레이크 메커니즘 구동시간, 대면적 시료의 모든 포인트 측정 시 필요한 자동 포커싱 시간 등 기존 측정 방식 택트 타임의 약 90%를 차지하는 부분을 제거함으로써 택트 타임을 대폭적으로 향상 시킬 수 있는 라인 프로파일 측정 장치 및 방법을 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 기술적인 수단은 백색광원을 출력하는 광원부; 상기 광원부에서 출력된 백색광원을 기준미러 및 시료로 출력하 고, 상기 기준미러에서 반사된 기준광 및 시료에서 반사된 물체광이 입사되는 광분리기; 및 상기 기준광 및 물체광으로부터 간섭 무늬를 집광하여 이미지 스펙트럼을 생성한 후 상기 시료에 형성된 다수의 3차원 형상의 라인 프로 파일 정보를 고속으로 측정 이미지 분광기;를 포함한다.

상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 기술적인 방법은 측정 시료를 로딩한 후 백색광을 광분리기로 출력하고, 상기 광분리기에 입사된 백색광을 상기 시료 및 기준미러로 출력하고, 상기 시료의 한 포인트에서 반사되는 물체광 및 상기 기준미러에서 반사되는 기준광이 상기 광분리기로 입사되면, 간섭무늬를 생성하여 이미지 분광기로 출력하고, 다음 포인트로 이동하면서 상기 이미지 분광기를 통해 간섭무늬의 이미지 스펙트럼을 생성한 후 라인 프로파일을 측정하는 과정을 수행한다.

본 발명에 의하면 ICCD 센서를 구비한 분광기를 사용하여 라인프로파일을 측정함으로써 측정 정확도는 그대로 유지하면서 간섭계의 스캔시간, 서보-스테이지로부터의 진동영향 제거용 브레이크 메커니즘 구동시간, 대면적 시료 포인트 측정 시 필요한 자동 포커싱 시간 등 기존 측정 방식 택트 타임의 약 90%를 차지하는 부분을 제거할 수 있어 택트 타임을 현저하게 줄일 수 있다. 즉, 대면적으로 분포하는 다수의 3차원 패턴 측정 시 적용되는 측정 헤드 수를 약 10개에서 1개로 줄 일 수 있다.

또한 라인 프로파일 측정에 단일 영상만을 이용하기 때문에 외부 진동에 영향을 받지 않고 이에 따라 진동 차단하기 위한 특수 테이블 없이 일반 산업 현장에 적용될 수 있으므로 장비화를 할 경우 제작비 등 비용 면에서 유리하며 고주파 외란에도 매우 강인한 강점을 갖는다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 라인 프로파일 측정 장치의 구성도로서, 광원부(1), 공간필터(2), 조준렌즈(3), 광분리기(4), 대물렌즈(5a, 5b), 시료(6), 기준미러(7), 이미지렌즈(9), 이미지 분광기(14) 및 ICCD(15)로 구성된다.

광원부(1)는 위상이 고르지 않은 즉, 코히어런트하지 않은 백색광을 출력한다.

공간필터(2) 및 조준렌즈(3)는 광원부(1)에서 출력된 백색 광원을 일정한 폭의 평행광으로 만들어 소정거리에 위치하는 광분리기(4)로 출력한다.

광분리기(4)는 조준렌즈(3)를 통해 백색 평행광이 입사되고, 백색광의 입사방향에 대해 반사각이 약 45도 정도이기 때문에 반사되는 일부의 백색광을 입사 방향에 수직하게 반사시켜 시료(6)로 출력하고, 나머지 광은 기준 미러(7)로 출력한다. 즉, 기준광과 물체광으로 빛을 분리시켜 출력한다.

여기서 분리된 광선 중에서 시료(6)로 투영되는 광선을 물체광(object beam)이라고 하고, 분리된 다른 한 광을 기준광(reference beam)이라고 한다.

기준광은 기준 미러(7)에 반사되어 렌즈(5a)를 통과한 후 광분리기(4)에 입사되고, 물체광은 렌즈(5b)를 통과한 후 시료(6)에 직접 투사되는데 시료(6)는 그 빛의 일부를 광분리기(4)로 출력한다.

시료(6)로부터 반사된 광과 기준 미러(7)로부터 나온 기준 광으로 인해 간섭무늬가 생성되고, 생성된 간섭무늬는 이미지 렌즈(9)를 통해 분광기(14)로 출력된다.

마이크로 패턴 시료(6)는 측정하고자 하는 미세 패턴의 라인 프로파일이 형성되어 있고, 대물렌즈(5b)를 통해 광분리기(4)에서 출력된 광이 입사되고, 일부 광인 물체 광을 광분리기(4)로 출력한다.

여기서 대물렌즈(5a, 5b)는 국소 영역을 고배율로 보이도록 하는 것으로, 국소 영역의 반사 광을 광분리기(4)로 출력한다.

기준 미러(7)는 대물렌즈(5a)를 통해 입사된 백색광 중 기준광을 반사시켜 광분리기(4)로 출력한다.

이미지 렌즈(9)는 시료(6)에서 반사된 물체광의 물체파와 기준미러(7)에서 반사된 기준광의 기준파가 만나서 생기는 간섭무늬를 분광기(14)의 슬릿에 집광시킨다.

이미지 분광기(14)는 방출 또는 흡수하는 빛의 스펙트럼을 계측하는 것으로, 파장스펙트럼의 좁은 영역을 분리시킨다. 즉 이미지 렌즈(9)를 통해 입사되는 간섭무늬에 따른 이미지 스펙트럼을 생성한다.

여기서 이미지 분광기(14)는 회절을 일으키는 소자가 구비되어 이는데, 이 회절 소자는 회절격자, 프리즘 또는 AOTF(Acousto-Optic Tunable Filter)와 같은 가변형 필터 중 어느 하나를 구비한다. 아울러 본 실시예는 회절격자를 예를 들어 설명하도록 한다.

또한 이미지 분광기(14)에는 ICCD(15) 센서가 구비되어 있고, ICCD(15)는 간섭무늬로 부터 이미지 스펙트럼을 생성하며, ICCD(15) 센서의 비닝(binning) 기능을 사용함으로써 한 점의 거리를 계속 실시간으로 트래킹할 수 있다.

또한 이미지 분광기(14)의 ICCD(15) 센서를 사용함으로써 외부에 추가로 레이저 기반의 자동 포커스 트래킹 장치를 사용하여야만 하는 부분을 측정시스템 자체에서 해결할 수 있다.

또한 이미지 분광기(14)의 ICCD(15)에 의해 생성된 이미지 스펙트럼(16)은, 한 축은 분광기(spectrograph)의 슬릿을 이미징하는 공간축이며, 다른 한 축은 회절격자에 의해 분광된 스펙트럼 축을 나타낸다.

도 7a는 택트 타임을 줄이기 위한 실시간 자동 포커스 방법을 도시하고 있다.

즉, 간섭계(1 내지 9)와 분광기(14)를 이용하여 기준 미러(7)와 시료(6) 사이의 거리(l)를 측정할 수 있으며, 이 원리를 이용하여 측정 프로브(probe)가 대면적에 퍼져 있는 3차원 패턴 지역으로 이동 시 계속해서 일정한 거리(d)를 유지할 수 있다.

또한, 이미지 분광기(14)에 구비된 ICCD(Intensified CCD: 15) 센서의 비닝(binning) 기능을 사용함으로써 한 점의 거리를 계속 실시간으로 트래킹할 수 있다.

이렇게 ICCD(15) 센서를 사용함으로써 외부에 추가로 레이저 기반의 자동 포커스 트래킹 장치를 사용하여야만 하는 부분을 측정시스템 자체에서 해결할 수 있 다.

또한 이미지 분광기(14)에 장착되는 이미지 센서로 ICCD(15)를 채용함으로써, 나노 초 단위의 노출 시간만으로 이미지 정보를 캡처할 수 있기 때문에, 서보 모터의 수십 kHz에 달하는 고주파 진동 주파수보다 짧은 시간에 이미지를 캡처함으로써 외란 없는 완벽한 간섭무늬를 획득할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 라인 프로파일 측정방법의 순서도로서, 라인 프로파일 측정 방법은 다음과 같다.

우선 마이크로 패턴이 형성된 측정 시료(6)인 컬러필터 글래스 기판을 광원부(1), 광분리기(4) 및 분광기(14) 사이에 로딩(S21)한 후 기판 정렬 마크를 초기화(S22)하고 이미지 분광기(14)의 ICCD(15) 센서를 이용하여 시료의 한 포인트를 캡처(S23)한 후 다음 포인트로 이동하면서 캡처된 이미지를 분석(S24)함으로써 라인 프로파일 정보를 획득한다.

이러한 측정 동작을 반복함으로써 대면적 시료(6) 위에 존재하는 수십 내지 수백 포인트의 3차원 패턴의 높이를 빠르고 용이하게 자동 측정한다.

즉, 광원부(1)로부터 출력되는 백생광은 공간필터(2) 및 조준렌즈(3)를 차례로 지나면서 광분리기(4)에 입사된다. 광분리기(4)는 입사된 백생광의 일부는 반사시켜 시료(6)를 향하도록 하고 나머지 빛은 기준 미러(7)를 향하도록 한다.

다음 기준 미러(7)에 입사된 백색광 중 기준광을 반사시켜 광분리기(4)로 출력하고, 시료(6)에서 입사된 백색광 중 일부 반사된 물체광을 광분리기(4)로 출력한다.

다음, 광분리기(4)는 기준광의 기준파와 물체광의 물체파의 간섭 무늬를 발생하여 이미지렌즈(9)를 통해 분광기(15)로 출력한다.

이러한 간섭 무늬는 이미지 분광기(14)의 회절격자를 통과한 후 파장별 간섭 신호로 분리되어 ICCD(15)에 의해 이미지 스펙트럼이 생성되고, 이때 생성된 이미지 스펙트럼을 분석하여 라인 프로파일의 정보를 획득하게 된다.

상기와 같은 방법으로 라인 프로파일 측정 시의 택트 타임은 도 6b의 표에 도시된 바와 같이, PZT를 이용한 WSI 방식에서 필요로 하는 브레이킹, 자동 포커스, 3D 스캐닝, 분석 스텝에 걸리는 소요시간이 필요하지 않다.

또한 이미지 분광기(14)에 장착되는 이미징 센서로 ICCD(Intensified CCD)를 이용하여 나노 초 단위의 노출 시간만으로 시료에서 하나의 포인트의 이미지 스펙트럼 정보를 캡처할 수 있기 때문에, 서보 모터의 수십 kHz에 달하는 고주파 진동 주파수보다 짧은 시간에 이미지 스펙트럼을 캡처함으로써 외란 없는 완벽한 간섭무늬를 획득할 수 있다.

또한 도 7a에 도시된 바와 같이 간섭계(렌즈 및 광분리기 등)와 이미지 분광기(14)를 이용하여 기준미러(7)의 기준면과 시료(6)의 측정면 사이의 거리(l)를 측정할 수 있으며, 이 원리를 이용하여 측정 프로브(probe)가 대면적에 퍼져 있는 3차원 패턴 지역으로 이동 시 계속해서 일정한 거리(d)를 유지하는 것이 가능하다. 여기서 일정한 거리 유지(d)는 도 7b에 도시된 분광 스펙트럼에 따라 결정된다.

또한 이미지 분광기(14)에 사용하는 ICCD(15) 센서의 비닝(Binning) 기능을 사용함으로써 한 점의 거리를 계속 실시간으로 트래킹할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 ICCD 센서를 구비한 분광기를 사용하여 라인프로파일을 측정함으로써 측정 정확도는 그대로 유지하면서 간섭계의 스캔시간, 서보-스테이지로부터의 진동영향 제거용 브레이크 메커니즘 구동시간, 대면적 시료 포인트 측정 시 필요한 자동 포커싱 시간 등 기존 측정 방식 택트 타임의 약 90%를 차지하는 부분을 제거할 수 있어 택트 타임을 현저하게 줄일 수 있다. 즉, 대면적으로 분포하는 다수의 3차원 패턴 측정 시 적용되는 측정 헤드 수를 약 10개에서 1개로 줄 일 수 있다.

Claims

백색광원을 출력하는 광원부;

상기 광원부에서 출력된 백색광원을 기준미러 및 시료로 출력하고, 상기 기준미러에서 반사된 기준광 및 시료에서 반사된 물체광이 입사되는 광분리기; 및

상기 기준광 및 물체광으로부터 간섭 무늬를 집광하여 이미지 스펙트럼을 생성한 후 상기 시료에 형성된 다수의 3차원 형상의 라인 프로 파일 정보를 고속으로 측정 이미지 분광기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로파일 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 이미지 분광기는

상기 이미지 스펙트럼을 생성하는 ICCD센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로파일 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 이미지 스펙트럼은

상기 이미지 분광기의 슬릿을 이미지하는 공간 축과, 상기 이미지 분광기의 회절소자에 의해 분광된 스펙트럼 축으로 구성되는 것을 특징으로 하는 프로파일 측정 장치.
제2항에 있어서, 상기 ICCD센서는

상기 ICCD의 비닝 기능으로 한 점의 거리를 실시간으로 트래킹하는 것을 특징으로 하는 프로파일 측정 장치.
제2항에 있어서, 상기 ICCD센서는

나노 초의 노출 시간을 갖는 것을 특징으로 하는 프로파일 측정 장치.
측정 시료를 로딩한 후 백색광을 광분리기로 출력하고,

상기 광분리기에 입사된 백색광을 상기 시료 및 기준미러로 출력하고,

상기 시료의 한 포인트에서 반사되는 물체광 및 상기 기준미러에서 반사되는 기준광이 상기 광분리기로 입사되면, 간섭무늬를 생성하여 이미지 분광기로 출력하고,

다음 포인트로 이동하면서 상기 이미지 분광기를 통해 간섭무늬의 이미지 스펙트럼을 생성한 후 라인 프로파일을 측정하는 것을 특징으로 하는 라인 프로파일 측정 방법.
제6항에 있어서, 상기 다음 포인트로 이동 시

상기 시료의 측정면과 기준미러의 기준면 사이의 거리를 측정하고,

상기 시료와 측정 프로브 사이의 일정 거리를 유지하면서 이동하는 것을 특징으로 하는 라인 프로파일 측정 방법.