KR101788450B1 - 테라헤르츠파를 이용한 투명 박막의 두께를 측정하는 장치 및 그 측정 방법 - Google Patents

테라헤르츠파를 이용한 투명 박막의 두께를 측정하는 장치 및 그 측정 방법 Download PDF

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Abstract

투명 박막의 두께를 측정하는 장치가 개시된다. 본 실시예에 따른 투명 박막의 두께를 측정하는 장치는 테라헤르츠파를 발생시켜 측정 대상물을 투과한 테라헤르츠파를 검출하는 테라헤르츠파 검출 장치, 투명 기판을 투과하여 검출된 제1 테라헤르츠파를 이용하여 투명 기판의 제1 두께를 측정하는 제1 두께 측정부 및 투명 기판 상에 형성된 투명 박막을 투과하여 검출된 제2 테라헤르츠파와, 제1 두께를 이용하여 투명 박막의 제2 두께를 측정하는 제2 두께 측정부를 포함한다.

Description

테라헤르츠파를 이용한 투명 박막의 두께를 측정하는 장치 및 그 측정 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR INSPECTING THICKNESS OF TRANSPARENT THIN FILM USING TERAHERTZ WAVE}
본 발명의 실시 예들은 테라헤르츠파를 이용하여 투명 박막의 두께를 측정할 수 있는 장치 및 그 측정 방법에 관한 것이다.
최근 디스플레이 시장에서는 투명하고 플렉서블한, 대면적 디스플레이에 대한 요구가 증가하고 있다. 이 같은 디스플레이를 구현하기 위하여 디스플레이를 구성하는 소자들 또는 층들을 투명한 소재로 제조하고, 더 얇은 형태로 다층화하는 방식을 이용하고 있다. 따라서, 소자나 층들에 포함된 투명 박막의 두께는 디스플레이 품질을 결정할 수 있는 요소 중 하나이므로, 투명 박막의 두께를 정밀하게 측정해야 한다.
박막 두께 측정에 많이 이용되는 장비로는, 전자현미경 방식의 SEM(Scanning Electron Microscopy) 및 TEM(Transmission Electron Microscope), 스캐닝 프로브 방식의 Surface Profiler(alpha-step) 및 AFM(Atomic Force Microscopy), 광학 방식의 Ellipsometer 및 Reflectometer 등이 있다.
전자현미경 방식과 스캐닝 프로브 방식은 박막에 물리적으로 접촉하여 두께를 측정하는 방식으로, 박막에 손상을 주거나 박막을 파괴시킬 수 있다. 또한, 광학 방식은 광학적 특성이 유사 또는 동일한 박막이 겹쳐져 있을 경우, 해당 박막의 두께 측정이 불가능하다.
또한, 대면적의 디스플레이에 이용되는 투명 박막 역시 대면적으로 제조될 수 있으나, 상술한 방식들로는 대면적의 투명 박막의 두께를 측정하는데 어려움이 있다.
대한민국 특허공개공보 제2015-0004146호, "테라헤르츠를 이용한 검사 장치" 대한민국 특허공개공보 제2014-0031070호, "비접촉 두께 측정 장치 및 그것의 두께 측정 방법"
Anis Rahman and Aunik K. Rahman, "Effective testing for wafer reject minimization by terahertz analysis and sub-surface imaging", Advanced Semiconductor Manufacturing Conference(ASMC),19~21 May 2014. 25th Annual SEMI
본 발명의 실시예들의 목적은 테라헤르츠파를 이용하여 비접촉 방식으로, 투명 기판 상에 형성된 투명 박막의 두께를 측정할 수 있는 장치 및 그 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들의 목적은 투명 기판 또는 투명 박막 상에 조사되는 테라헤르츠파의 위치를 이동시키면서 투명 박막의 두께를 측정함으로써, 두께 균일도를 실시간 모니터링하고, 대면적의 투명 박막의 두께를 측정할 수 있는 장치 및 그 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.
실시예에 따른 투명 박막의 두께를 측정하는 장치는 테라헤르츠파를 발생시켜 측정 대상물을 투과한 테라헤르츠파를 검출하는 테라헤르츠파 검출 장치, 투명 기판을 투과하여 검출된 제1 테라헤르츠파를 이용하여 상기 투명 기판의 제1 두께를 측정하는 제1 두께 측정부 및 상기 투명 기판 상에 형성된 투명 박막을 투과하여 검출된 제2 테라헤르츠파와, 상기 제1 두께를 이용하여 상기 투명 박막의 제2 두께를 측정하는 제2 두께 측정부를 포함한다.
실시예에 따르면, 상기 투명 박막의 두께를 측정하는 장치는 상기 검출된 제1 및 제2 테라헤르츠파, 상기 제1 두께를 저장하는 저장부를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 제1 두께 측정부는 하기의 수학식에 의해 상기 제1 두께를 측정할 수 있다.
Figure 112016025630412-pat00001
여기서, D1은 상기 제1 두께, c는 빛의 속도, n1은 상기 투명 기판의 굴절률, Δf1은 상기 투명 기판을 투과하여 검출된 상기 제1 테라헤르츠파의 공진 주파수 간격이다.
실시예에 따르면, 상기 제2 두께 측정부는 하기의 수학식에 의해 상기 제2 두께를 측정할 수 있다.
Figure 112016025630412-pat00002
여기서, D2 는 상기 제2 두께, n2는 상기 투명 박막의 굴절률, Δf2는 상기 투명 기판 및 상기 투명 박막을 투과하여 검출된 상기 제2 테라헤르츠파의 공진 주파수 간격, n1은 상기 투명 기판의 굴절률, D1은 상기 제1 두께이다.
실시예에 따르면, 투명 박막의 두께를 측정하는 장치는 상기 투명 기판의 굴절률, 상기 투명 박막의 굴절률 및 상기 빛의 속도를 입력받는 입력부를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 테라헤르츠파 검출 장치는 펨토초 레이저 빔을 생성하는 레이저 빔 생성기, 상기 펨토초 레이저 빔을 제1 빔 및 제2 빔으로 분리하는 빔 분리기, 상기 제1 빔을 투과시켜 테라헤르츠파를 생성하여 상기 측정 대상물로 전달하는 제1 ZnTe 결정, 상기 측정 대상물을 투과한 테라헤르츠파와, 상기 제2 빔을 입사받는 제2 ZnTe 결정 및 상기 제2 ZnTe 결정을 투과한 상기 테라헤르츠파 및 상기 제2 빔을 이용하여 상기 측정 대상물을 투과한 테라헤르츠파의 전기장 세기를 검출하는 검출기를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 투명 박막의 두께를 측정하는 장치는 이동 제어 명령을 입력받는 입력부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 테라헤르츠파 검출 장치는 상기 이동 제어 명령에 따라 상기 제1 ZnTe 결정, 반사 미러 및 상기 제2 ZnTe 결정을 상기 x축, y축, z축 중 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키면서 상기 측정 대상물을 투과한 상기 테라헤르츠파를 검출할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 제1 두께 측정부는 상기 투명 기판에서 이동되며 검출된 상기 제1 테라헤르츠파를 이용하여 상기 제1 테라헤르츠파의 검출 위치에 따른 상기 투명 기판의 제1 두께를 측정할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 제2 두께 측정부는 상기 투명 박막에서 이동되며 검출된 상기 제2 테라헤르츠파를 이용하여 상기 제2 테라헤르츠파의 검출 위치에 따른 상기 투명 박막의 제2 두께를 측정할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 투명 박막의 두께를 측정하는 장치는 상기 제2 테라헤르츠파의 검출 위치에 따른 상기 투명 박막의 제2 두께를 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 투명 기판은 PET(poly-ethylene-terephthalate), PC(poly-carbonate) 및 PI(poly-imide) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
한편, 실시예에 따른 투명 박막의 두께를 측정하는 방법은 투명 기판을 투과하여 검출된 제1 테라헤르츠파를 이용하여 상기 투명 기판의 제1 두께를 측정하는 단계 및 투명 박막이 형성된 상기 투명 기판을 투과하여 검출된 제2 테라헤르츠파와, 상기 제1 두께를 이용하여 상기 투명 박막의 제2 두께를 측정하는 단계를 포함한다.
실시예에 따르면, 상기 제1 두께를 측정하는 단계는 하기의 수학식에 의해 상기 제1 두께를 측정할 수 있다.
Figure 112016025630412-pat00003
여기서, D1은 상기 제1 두께, c는 빛의 속도, n1은 상기 투명 기판의 굴절률, Δf1은 상기 투명 기판을 투과하여 검출된 상기 제1 테라헤르츠파의 공진 주파수 간격이다.
실시예에 따르면, 상기 제2 두께를 측정하는 단계는 하기의 수학식에 의해 상기 제2 두께를 측정할 수 있다.
Figure 112016025630412-pat00004
여기서, D2 는 상기 제2 두께, n2는 상기 투명 박막의 굴절률, Δf2는 상기 투명 기판 및 상기 투명 박막을 투과하여 검출된 상기 제2 테라헤르츠파의 공진 주파수 간격, n1은 상기 투명 기판의 굴절률, D1은 상기 제1 두께이다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 테라헤르츠파를 이용하여 비접촉 방식으로 투명 기판 상에 형성된 투명 박막의 두께를 측정함으로써, 투명 기판 및 투명 박막을 손상시키지 않고 그 두께를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 투명 기판 또는 투명 박막 상에 조사되는 테라헤르츠파의 위치를 이동시키면서 투명 박막의 두께를 측정함으로써, 투명 박막의 두께 균일도를 실시간 모니터링할 수 있으며, 대면적의 투명 박막의 두께를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 박막의 두께를 측정하는 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 테라헤르츠파 검출 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 테라헤르츠파 검출 장치에서 측정 대상물을 투과하기 전과 후의 테라헤르츠파를 모식화한 도면이다.
도 4는 측정 대상물에 조사되는 테라헤르츠파의 크기를 모식화한 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 투명 기판과, 투명 박막이 형성된 투명 기판을 촬영한 SEM 사진이다.
도 6a 내지 도 6d는 투명 기판을 투과한 테라헤르츠파 및 투과도를 나타내는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7d는 투명 박막이 형성된 투명 기판을 투과한 테라헤르츠파 및 투과도를 나타내는 그래프이다.
이하에서, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예들에 의해 권리범위가 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 양역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 박막의 두께를 측정하는 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 투명 박막의 두께 측정 장치(100)는 테라헤르츠파 검출 장치(110), 제1 두께 측정부(120), 제2 두께 측정부(130), 저장부(140), 입력부(150) 및 디스플레이부(160)를 포함한다.
테라헤르츠파 검출 장치(110)는 테라헤르츠파를 발생시켜 측정 대상물(또는 샘플)에 조사하고, 측정 대상물을 투과한 테라헤르츠파를 검출한다. 이렇게 검출된 테라헤르츠파는 제1 두께 측정부(120) 및/또는 제2 두께 측정부(130)가 측정 대상물의 두께를 측정하는데 이용된다.
테라헤르츠파 검출 장치(110)의 구체적인 구성 및 동작은 도 2를 이용하여 설명한다. 테라헤르츠파(terahertz wave, THz wave)는 적외선과 마이크로파의 중간 영역에 해당하는 전자기파로 약 0.1~10 THz의 주파수(파장 1 mm ~ 30 μm)를 갖는 전자기파이다.
또한, 테라헤르츠파는 광학적으로 금속을 제외한 거의 모든 물질(플라스틱, 나무, 종이, 직물 등)에 대하여 매우 낮은 유전상수를 가지므로, 거의 손실 없이 물질을 잘 투과한다.
테라헤르츠파 검출 장치(110)는 광 정류(optical rectification) 방식을 이용하여 테라헤르츠파를 발생시키는 것으로, 레이저 빔 생성기(111), 빔 분리기(112), 광 지연기(113), 제1 ZnTe 결정(114), 제1 반사 미러(115), 제2 반사 미러(117), 제2 ZnTe 결정(118) 및 검출기(119)를 포함한다.
레이저 빔 생성기(111)는 50fs 펄스폭, 800㎚ 발진 파장 및 4㎲의 펄스 간격을 갖는 펨토초 레이저 빔을 생성한다. 이 같은 펨토초 레이저 빔의 특성은 일 예에 불과하며, 펄스폭, 발진 파장 및 펄스 간격은 다른 값을 가질 수도 있다.
빔 분리기(112)는 펨토초 레이저 빔을 제1 빔과 제2 빔으로 분리한다. 여기서, 제1 빔은 테라헤르츠파 생성을 위한 여기빔(pump beam)이고, 제2 빔은 테라헤르츠파 측정을 위한 검출빔(probe beam)이 될 수 있다.
제1 ZnTe 결정(114)은 제1 빔이 입사되면, 테라헤르츠파를 발생시킨다. 구체적으로, 제1 빔이 제1 ZnTe 결정(114)에 입사되면, 제1 ZnTe 결정(114) 내에 순시 분극(transient polarization, P(t))를 유지하고, 이 순시 분극의 2차 시간 미분에 비례(∂2P(t)/∂t2)하는 테라헤르츠파를 생성한다. 즉, 광정류 방법으로 테라헤르츠파를 생성한다.
제1 반사 미러(115)는 제1 ZnTe 결정(114)에서 생성된 테라헤르츠파를 측정 대상물(116)로 포커싱한다. 여기서, 제1 반사 미러(115)는 여러 개의 파라볼릭 미러(parabolic mirror)를 포함할 수 있다.
한편, 테라헤르츠파가 측정 대상물(116)을 투과하게 되면, 테라헤르츠파에 변형이 발생한다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 측정 대상물(116)을 투과하기 전(E0(t))과, 투과한 후(E(t))의 테라헤르츠파의 펄스 폭 및 크기 등이 달라질 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 측정 대상물(116)로 포커싱된 테라헤르츠파는 약 300㎛ 크기를 갖는다. 측정 대상물(116)이 1㎝×1㎝ 크기를 갖는다고 가정할 때, 테라헤르츠파를 이용하여 측정 대상물(116)의 두께를 전체적으로 측정하거나, 여러 지점에서 측정하여 측정 대상물(116)의 두께 균일도를 측정할 수 있다.
제2 반사 미러(117)는 측정 대상물(116)을 투과한 테라헤르츠파를 반사시켜 제2 ZnTe 결정(118)로 포커싱한다. 여기서, 제2 반사 미러(117)는 여러 개의 파라볼릭 미러(parabolic mirror)를 포함할 수 있다.
제2 ZnTe 결정(118)은 측정 대상물(116)을 투과한 테라헤르츠파를 입사 받으며, 광 지연기(113)를 거친 제2 빔을 입사 받는다. 여기서, 제2 빔은 광 지연기(113)에 의해 시간 지연되어 테라헤르츠파와 시간차를 두고 제2 ZnTe 결정(118)에 입사될 수 있다. 이 같이, 테라헤르츠파와 제1 빔이 제2 ZnTe 결정(118)에 입사될 경우, 광전효과(linear electro optic effect 또는 Pockels effect)가 발생하여 테라헤르츠파의 전기장은 제2 ZnTe 결정(118) 내에서 복굴절(birefringence)을 유도한다. 이 복굴절된 제2 ZnTe 결정(118)에 입사된 제2 빔의 위상 지연(Δφ)을 발생시킨다. 이때, 위상 지연(Δφ)은 테라헤르츠파의 전기장 세기(ETHz)와 비례하므로, 위상 지연(Δφ)을 모니터링하여 테라헤르츠파의 전기장 세기(ETHz)를 검출할 수 있다. 이 같이 위상 지연(Δφ)이 발생된 제2 빔은 λ/4 파장판(quarter wave plate)(미도시)를 거쳐 타원 편광이 되고, 프리즘(Wallaston Prism)에 의해 강도가 다른 두 개의 편광 성분(p-파, s-파)으로 나눠져 검출기(119)로 입사하게 된다.
검출기(119)는 평형 광다이오드 및 검출 회로를 포함할 수 있다. 여기서, 평형 광 다이오드에 입사한 두 개의 편광 성분에 의해 검출 회로에 전류가 흐르게 되며, 검출 회로는 이 전류를 이용하여 테라헤르츠파를 검출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 테라헤르츠파 검출 장치(110)는 투명 기판에 테라헤르츠파를 조사하고, 투명 기판을 투과하여 검출된 제1 테라헤르츠파를 제1 두께 측정부(120)로 전달한다. 이 같이, 투명 기판에 대한 테라헤르츠파 검출이 완료되면, 투명 기판 상에 투명 박막을 형성하는 공정을 수행할 수 있다.
투명 박막은 폴리아크릴계(Polyacrylic based) 합성 물질이 될 수 있으며, 투명 기판 상에 액체 형태의 합성 물질을 코팅한 후 UV 경화시키는 방식으로 형성될 수 있다.
또한, 테라헤르츠파 검출 장치(110)는 투명 기판 및 투명 박막에 테라헤르츠파를 조사하고, 투명 기판 및 투명 박막을 투과하여 검출된 제2 테라헤르츠파를 제2 두께 측정부(130)로 전달한다.
저장부(140)는 제1 및 제2 테라헤르츠파의 검출이 완료되면, 이를 저장한다.
제1 두께 측정부(120)는 제1 테라헤르츠파를 이용하여 투명 기판의 제1 두께를 측정한다. 여기서, 제1 두께는 아래의 수학식 1을 이용하여 측정될 수 있으며, 측정된 제1 두께는 저장부(140)에 저장될 수 있다.
Figure 112016025630412-pat00005
수학식 1에서, D1은 제1 두께, c는 빛의 속도, n1은 투명 기판의 굴절률, Δf1은 테라헤르츠파가 투명 기판을 투과하면서 발생된 제1 공진 주파수 간격이다. 여기서, 빛의 속도는 3×108㎧이고, n1은 투명 기판의 종류에 따라 달라질 수 있다.
본 발명에서 투명 기판은 PET(poly-ethylene-terephthalate), PC(poly-carbonate) 및 PI(poly-imide) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 또한, PET의 굴절률은 2.83이고, PC의 굴절률은 1.54이며, PI의 굴절률은 1.89일 수 있다. 또한, Δf1은 투명 기판을 투과하여 검출된 제1 테라헤르츠파의 공진 주파수 간격이다.
제2 두께 측정부(130)는 제2 테라헤르츠파와, 투명 기판의 제1 두께를 이용하여 투명 박막의 제2 두께를 측정한다. 여기서, 제2 두께는 아래의 수학식 2를 이용하여 측정될 수 있다.
Figure 112016025630412-pat00006
여기서, D2 는 제2 두께, n2는 투명 박막의 굴절률, Δf2는 투명 기판 및 투명 박막을 투과하여 검출된 제2 테라헤르츠파의 공진 주파수 간격, n1은 투명 기판의 굴절률, D1은 수학식 1을 통해 측정된 투명 기판의 제1 두께이다. 또한, 제1 두께 및 제2 두께를 측정함에 있어서, 투명 기판의 굴절률, 투명 박막의 굴절률 및 빛의 속도 등은 입력부(150)를 통해 입력 받을 수 있다. 여기서, 입력부(150)는 키보드, 마우스, 터치 패드 또는 조이스틱 등이 될 수 있다.
한편, 입력부(150)는 이동 제어 명령을 입력받는다. 여기서, 이동 제어 명령이란 테라헤르츠파 검출 장치(110)를 통해 발생된 테라헤르츠파를 투명 기판 또는 투명 박막에 조사 및 투과시킬 때, 그 조사 및 투과 위치를 이동시키기 위한 신호가 될 수 있다. 따라서, 테라헤르츠파 검출 장치(110)는 이동 제어 명령에 따라 제1 ZnTe 결정(114), 제1 반사 미러(115), 제2 반사 미러(117) 및 제2 ZnTe 결정(118)을 x축, y축, z축 중 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키면서 투명 기판 또는 투명 박막을 투과한 테라헤르츠파를 검출할 수 있다.
제1 두께 측정부(120)는 투명 기판에서 이동되며 검출된 제1 테라헤르츠파를 이용하여 제1 테라헤르츠파의 검출 위치에 따른 투명 기판의 제1 두께를 측정할 수 있다.
또한, 제2 두께 측정부(130)는 투명 박막에서 이동되며 검출된 제2 테라헤르츠파를 이용하여 제2 테라헤르츠파의 검출 위치에 따른 투명 박막의 제2 두께를 측정할 수 있다.
디스플레이부(160)는 제1 두께 측정부(120)에서 측정된 제1 두께 또는 제2 두께 측정부(130)에서 측정된 제2 두께를 디스플레이한다. 특히, 투명 기판 또는 투명 박막 상에서 테라헤르츠파의 검출 위치를 이동하면서 제1 두께 또는 제2 두께가 측정될 경우, 디스플레이부(160)는 제1 테라헤르츠파 또는 제2 테라헤르츠파의 검출 위치에 따른 제1 두께 또는 제2 두께를 디스플레이 할 수 있다. 따라서, 투명 기판 또는 투명 박막의 두께 균일도를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
도 1에 따르면, 광학적 특성이 유사한, 투명 기판과 투명 박막이 겹쳐져 있더라도, 투명 박막의 두께를 측정할 수 있다. 또한, 테라헤르츠파를 이용하여 비접촉/비파괴 방식으로 투명 박막의 두께를 측정함으로써, 두께 측정으로 인한 박막 손상을 방지할 수 있다.
도 1에서 투명 박막의 두께 측정 장치(100)는 테라헤르츠파 검출 장치(110)와 점선으로 표시된 두께 측정 구성들(120, 130, 140, 150)을 포함하는 것으로 설명하였으나, 두께 측정 구성들(120, 130, 140, 150)만 포함할 수도 있다.
즉, 투명 박막의 두께 측정 장치(100)는 테라헤르츠파 검출 장치(110)에서 검출된 제1 및 제2 테라헤르츠파에 대한 데이터를 별도로 수신할 수 있으며, 그 데이터를 이용하여 투명 기판 및/또는 투명 박막의 두께를 측정할 수 있다. 이 경우, 투명 박막의 두께 측정 장치(100)는 PC(Personal Computer)가 될 수 있으며, 또는 두께 측정을 위해 구성된 연산 장치가 될 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 투명 기판과, 투명 박막이 형성된 투명 기판을 촬영한 SEM 사진이다. 여기서, 투명 기판은 PET 기판 및 PC 기판이 될 수 있다.
도 5a는 PET 기판을 촬영한 SEM 사진이고, 도 5b는 PC 기판을 촬영한 SEM 사진이다. SEM 사진 상에서 PET 기판은 106.5㎛ 두께로 측정되었고, PC 기판은 97.3㎛ 두께로 측정되었다.
한편, 도 5c는 PET 기판 상에 투명 박막(TF)이 형성된 구조물을 촬영한 SEM 사진이다. SEM 사진 상에서 PET 기판은 91.9㎛ 두께로 측정되고, 투명 박막(TF)은 28.4㎛ 두께로 측정되어, PET 기판 및 투명 박막(TF)은 120.3㎛ 두께가 되는 것을 알 수 있다.
또한, 도 5d는 PC 기판 상에 투명 박막(TF)이 형성된 구조물을 촬영한 SEM 사진이다. SEM 사진 상에서 PC 기판은 93.7㎛ 두께로 측정되고, 투명 박막(TF)는 10.1㎛ 두께로 측정되어, PC 기판 및 투명 박막(TF)은 103.8㎛ 두께가 되는 것을 알 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 투명 기판을 투과한 테라헤르츠파 및 투과도를 나타내는 그래프이다. 여기서, 투명 기판은 PET 기판 및 PC 기판이 될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 도 5a에서 이용된 PET 기판을 투과한 테라헤르츠파 및 투과도를 나타낸다. 여기서, 도 6a는 PET 기판을 투과하기 전(E0(t))과 PET 기판을 투과한 후(E(t))의 제1 테라헤르츠파를 나타내는 그래프이다. 여기서, PET 기판을 투과한 후(E(t))의 제1 테라헤르츠파는 도 1에 도시된 테라헤르츠파 검출 장치(110)의 검출기(119)를 통해 얻어지는 신호 파형이다.
도 6b는 E0(t) 및 E(t)를 푸리에 변환하여 각각 E0(ω) 및 E(ω)를 산출하고, E0(ω)과 E(ω)의 비를 이용하여 주파수에 따른 제1 테라헤르츠파의 투과도를 나타낸 그래프이다. 도 6b를 참조하면, 제1 테라헤르츠의 공진 주파수 간격(Δf1)은 0.5THz임을 알 수 있다. 따라서, 수학식 1을 이용하여 PET 기판의 제1 두께를 측정할 수 있다.
즉, 제1 테라헤르츠의 공진 주파수 간격(Δf1)과, PET의 굴절률(n1=2.83) 및 빛의 속도(c=3×108㎧)를 상기 수학식 1에 적용하면, PET 기판의 두께는 106㎛로 측정될 수 있다. 이는 도 5a에 도시된 SEM 사진에서 측정된 PET 기판의 두께(106.5㎛)와 근사한 것임을 알 수 있다.
한편, 도 6c 및 도 6d는 도 5b에서 이용된 PC 기판을 투과한 테라헤르츠파 및 투과도를 나타낸다. 여기서, 도 6c는 PC 기판을 투과하기 전(E0(t))과 PC 기판을 투과한 후(E(t))의 제1 테라헤르츠파를 나타내는 그래프이다.
도 6d는 E0(t) 및 E(t)를 푸리에 변환하여 각각 E0(ω) 및 E(ω)를 산출하고, E0(ω)과 E(ω)의 비를 이용하여 주파수에 따른 제1 테라헤르츠파의 투과도를 나타낸 그래프이다. 도 6d를 참조하면, 제1 테라헤르츠의 공진 주파수 간격(Δf1)은 1.0THz임을 알 수 있다. 따라서, 수학식 1을 이용하여 PC 기판의 제1 두께를 측정할 수 있다.
즉, 제1 테라헤르츠의 공진 주파수 간격(Δf1)과, PC의 굴절률(n1=1.54) 및 빛의 속도(c=3×108㎧)를 상기 수학식 1에 적용하면, PC 기판의 두께는 97.4㎛로 측정될 수 있다. 이는 도 5b에 도시된 SEM 사진에서 측정된 PC 기판의 두께(97.3㎛)와 근사한 것임을 알 수 있다.
도 6b 및 도 6d를 이용하여 각각 측정된 PET 기판과 PC 기판의 두께는 SEM 사진을 통해 각각 측정된 PET 기판과 PC 기판의 두께와, ±0.5㎛ 이내의 오차 범위를 갖는 것으로, 테라헤르츠파를 이용하여 비접촉 방식으로 기판의 두께를 측정하는 경우 정확도가 높은 것을 알 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 투명 박막이 형성된 투명 기판을 투과한 테라헤르츠파 및 투과도를 나타내는 그래프이다. 여기서, 투명 기판은 PET 기판 및 PC 기판이 될 수 있고, PET 기판 및 PC 기판 각각에 투명 박막(TF)을 형성하여 제2 테라헤르츠파를 검출하였다. 설명의 편의를 위하여, 투명 박막(TF)이 형성된 PET 기판은 "TF/PET"로 표기하고, 투명 박막(TF)이 형성된 PC 기판은 "TF/PC"로 표기한다.
도 7a 및 도 7b는 도 5c에서 이용된 TE/PET를 투과한 테라헤르츠파 및 투과도를 나타낸다. 여기서, 도 7a는 TF/PET를 투과하기 전(E0(t))과 TF/PET를 투과한 후(E(t))의 제2 테라헤르츠파를 나타내는 그래프이다. 여기서, TF/PET를 투과한 후(E(t))의 제2 테라헤르츠파는 도 1에 도시된 테라헤르츠파 검출 장치(110)의 검출기(119)를 통해 얻어지는 신호 파형이다.
도 7b는 E0(t) 및 E(t)를 푸리에 변환하여 각각 E0(ω) 및 E(ω)를 산출하고, E0(ω)과 E(ω)의 비를 이용하여 주파수에 따른 제2 테라헤르츠파의 투과도를 나타낸 그래프이다. 도 7b를 참조하면, 제2 테라헤르츠파의 공진 주파수 간격(Δf2)은 0.38THz임을 알 수 있다. 따라서, 수학식 2를 이용하여 TF의 제2 두께를 측정할 수 있다.
즉, 제2 테라헤르츠의 공진 주파수 간격(Δf2)과, PET의 굴절률(n1=2.83), TF의 굴절률(n2=4.6), 수학식 1을 통해 미리 측정된 제1 두께(91.9㎛) 및 빛의 속도(c=3×108㎧)를 상기 수학식 2에 적용하면, TF의 두께는 29.3㎛로 측정될 수 있다. 이는 도 5c에서 도시된 SEM 사진에서 측정된 TF의 두께(28.4㎛)와 근사한 것임을 알 수 있다.
한편, 도 7c 및 도 7d는 도 5d에서 이용된 TE/PC를 투과한 테라헤르츠파 및 투과도를 나타낸다. 여기서, 도 7c는 TF/PC를 투과하기 전(E0(t))과 PC 기판을 투과한 후(E(t))의 제2 테라헤르츠파를 나타내는 그래프이다.
도 7d는 E0(t) 및 E(t)를 푸리에 변환하여 각각 E0(ω) 및 E(ω)를 산출하고, E0(ω)과 E(ω)의 비를 이용하여 주파수에 따른 제2 테라헤르츠파의 투과도를 나타낸 그래프이다. 도 7d를 참조하면, 제2 테라헤르츠파의 공진 주파수 간격(Δf2)은 0.79THz임을 알 수 있다. 따라서, 수학식 2를 이용하여 TF의 제2 두께를 측정할 수 있다.
즉, 제2 테라헤르츠파의 공진 주파수 간격(Δf2)과, PC의 굴절률(n1=1.54), TF의 굴절률(n2=4.6), 수학식 1을 통해 측정된 제1 두께(93.7㎛) 및 빛의 속도(c=3×108㎧)를 상기 수학식 2에 적용하면, TF의 두께는 9.9㎛로 측정될 수 있다. 이는 도 5d에 도시된 SEM 사진에서 측정된 TF의 두께(10.1㎛)와 근사한 것임을 알 수 있다.
도 7b 및 도 7d를 이용하여 각각 측정된 TF의 두께는 도 5c 및 도 5d에 도시된 SEM 사진을 통해 각각 측정된 TF의 두께와, ±1.0㎛ 이내의 오차 범위를 갖는 것으로, 테라헤르츠파를 이용하여 TF의 두께를 측정하는 경우 정확도가 높은 것을 알 수 있다.
또한, TF/PEC 또는 TF/PC 상에서 테라헤르츠파가 조사 및 투과되는 위치를 이동시킴으로써, 약 30㎝×30㎝ 크기를 갖는 대면적 TF/PEC 또는 대면적 TF/PC에 대해서도 TF의 두께를 측정할 수 있고, TF의 두께를 여러 지점에서 측정하여 디스플레이함으로써, 두께 균일도를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 투명 박막의 두께 측정 장치
110: 테라헤르츠파 검출 장치
120: 제1 두께 측정부
130: 제2 두께 측정부
140: 저장부
150: 입력부
160: 디스플레이부

Claims (14)

  1. 테라헤르츠파를 발생시켜 측정 대상물을 투과한 테라헤르츠파를 검출하는 테라헤르츠파 검출 장치;
    투명 기판을 투과하여 검출된 제1 테라헤르츠파를 이용하여 상기 투명 기판의 제1 두께를 측정하는 제1 두께 측정부; 및
    상기 투명 기판 상에 형성된 투명 박막을 투과하여 검출된 제2 테라헤르츠파와, 상기 제1 두께를 이용하여 상기 투명 박막의 제2 두께를 측정하는 제2 두께 측정부
    를 포함하고,
    상기 제1 두께 측정부는, 하기의 수학식 1에 의해 상기 제1 두께를 측정하는 투명 박막의 두께를 측정하는 장치:
    [수학식 1]
    Figure 112017048825863-pat00027

    (여기서, D1은 상기 제1 두께, c는 빛의 속도, n1은 상기 투명 기판의 굴절률, Δf1은 상기 투명 기판을 투과하여 검출된 상기 제1 테라헤르츠파의 공진 주파수 간격임)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검출된 제1 및 제2 테라헤르츠파, 상기 제1 두께를 저장하는 저장부
    를 더 포함하는 투명 박막의 두께를 측정하는 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 두께 측정부는,
    하기의 수학식 2에 의해 상기 제2 두께를 측정하는, 투명 박막의 두께를 측정하는 장치:
    [수학식 2]
    Figure 112017048825863-pat00028

    (여기서, D2 는 상기 제2 두께, n2는 상기 투명 박막의 굴절률, Δf2는 상기 투명 기판 및 상기 투명 박막을 투과하여 검출된 상기 제2 테라헤르츠파의 공진 주파수 간격, n1은 상기 투명 기판의 굴절률, D1은 상기 제1 두께임)
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 투명 기판의 굴절률, 상기 투명 박막의 굴절률 및 상기 빛의 속도를 입력받는 입력부
    를 더 포함하는, 투명 박막의 두께를 측정하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 테라헤르츠파 검출 장치는,
    펨토초 레이저 빔을 생성하는 레이저 빔 생성기;
    상기 펨토초 레이저 빔을 제1 빔 및 제2 빔으로 분리하는 빔 분리기;
    상기 제1 빔을 투과시켜 테라헤르츠파를 생성하여 상기 측정 대상물로 전달하는 제1 ZnTe 결정;
    상기 측정 대상물을 투과한 테라헤르츠파와, 상기 제2 빔을 입사받는 제2 ZnTe 결정; 및
    상기 제2 ZnTe 결정을 투과한 상기 테라헤르츠파 및 상기 제2 빔을 이용하여 상기 측정 대상물을 투과한 테라헤르츠파의 전기장 세기를 검출하는 검출기
    를 포함하는 투명 박막의 두께를 측정하는 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    이동 제어 명령을 입력받는 입력부
    를 더 포함하고,
    상기 테라헤르츠파 검출 장치는,
    상기 이동 제어 명령에 따라 상기 제1 ZnTe 결정, 반사 미러 및 상기 제2 ZnTe 결정을 x축, y축, z축 중 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키면서 상기 측정 대상물을 투과한 상기 테라헤르츠파를 검출하는, 투명 박막의 두께를 측정하는 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 두께 측정부는,
    상기 투명 기판에서 이동되며 검출된 상기 제1 테라헤르츠파를 이용하여 상기 제1 테라헤르츠파의 검출 위치에 따른 상기 투명 기판의 제1 두께를 측정하는, 투명 박막의 두께를 측정하는 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 두께 측정부는,
    상기 투명 박막에서 이동되며 검출된 상기 제2 테라헤르츠파를 이용하여 상기 제2 테라헤르츠파의 검출 위치에 따른 상기 투명 박막의 제2 두께를 측정하는, 투명 박막의 두께를 측정하는 장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제2 테라헤르츠파의 검출 위치에 따른 상기 투명 박막의 제2 두께를 디스플레이하는 디스플레이부
    를 더 포함하는, 투명 박막의 두께를 측정하는 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 투명 기판은,
    PET(poly-ethylene-terephthalate), PC(poly-carbonate) 및 PI(poly-imide) 중 어느 하나로 이루어진, 투명 박막의 두께를 측정하는 장치.
  12. 투명 기판을 투과하여 검출된 제1 테라헤르츠파를 이용하여 상기 투명 기판의 제1 두께를 측정하는 단계; 및
    투명 박막이 형성된 상기 투명 기판을 투과하여 검출된 제2 테라헤르츠파와, 상기 제1 두께를 이용하여 상기 투명 박막의 제2 두께를 측정하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 제1 두께를 측정하는 단계는, 하기의 수학식 1에 의해 상기 제1 두께를 측정하는 투명 박막의 두께를 측정하는 방법:
    [수학식 1]
    Figure 112017048825863-pat00029

    (여기서, D1은 상기 제1 두께, c는 빛의 속도, n1은 상기 투명 기판의 굴절률, Δf1은 상기 투명 기판을 투과하여 검출된 상기 제1 테라헤르츠파의 공진 주파수 간격임)
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 두께를 측정하는 단계는,
    하기의 수학식 2에 의해 상기 제2 두께를 측정하는, 투명 박막의 두께를 측정하는 방법:
    [수학식 2]
    Figure 112017048825863-pat00030

    (여기서, D2 는 상기 제2 두께, n2는 상기 투명 박막의 굴절률, Δf2는 상기 투명 기판 및 상기 투명 박막을 투과하여 검출된 상기 제2 테라헤르츠파의 공진 주파수 간격, n1은 상기 투명 기판의 굴절률, D1은 상기 제1 두께임)
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