최근 들어 Display의 세계적인 시장의 폭발적인 성장 변화는 생산 업체의 사활을 걸 정도로 치열하다. Display 시장은 Mass product의 특성상 누가 더 적은 시간에 많이 생산하며, 불량률을 최소화하는가가 가장 중요한 요소들 중에 하나가 된다.
FA(Factory Automation) 또는 CIM(Computer Integrated-Manufacturing)은 24시간 가동되어야 하는 대량 생산에 필요한 조건이 되었으며, 불량률을 최소화 하기 위해서는 생산 공정 안정화가 가장 중요하므로 생산 과정에서 발생하는 불량에 대해서 적절히 대응하는 공정관리 및 품질관리 또한 매우 중요한 것은 물론이다.
반도체 공정과 마찬가지로 평판 디스플레이 공정에서도 품질을 결정하는 여러 요인 가운데 박막의 두께가 차지하는 비중이 비교적 크므로, 이것을 공정 중에서 직접 모니터링 하는 것이 필수적이라고 할 수 있다.
II. 두께 측정 장비
1. 박막공정의 중요성
박막(0.001∼100micron)은 스핀 코팅, 진공휘발, 스퍼터링, 기상 증착 혹은 dip 코팅 등으로 형성시키며, 이의 기능으로서는 passivation, 전도체 사이에서의 절연, 확산층(diffusion barriers), hardness 부여 등, 반도체 및 LCD 제조공정에 필수적으로 이용되는 중요한 기술 분야이다.
2. 여러가지 박막두께 측정 방식의 기본 원리
박막 측정에 많이 쓰이는 장비로는 SEM(Scanning Electron Microscopy), alpha-step, Ellipsometer와 Reflectometer 등이 있으며 특별하게 금속박막 등을 측정하기 위해 XRF 등을 이용하기도 한다.
2-1. SEM(Scanning Electron Microscopy)
주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)은 투과전자현미경과(TEM : Transmission Electron Microscope)는 다소 다르다. 주사전자현미경은 전자가 표본을 통과하는 것이 아니라 초점이 잘 맞추어진 전자선 electron beam을 표본의 표면에 주사한다. 주사된 전자선이 표본의 한 점에 집중되면 일차전자만 굴절되고 표면에서 발생된 이차전자는 검파기 detector에 의해 수집된다. 그 결과 생긴 신호들이 여러 점으로부터 모여들어 음극선관 cathod ray tube에 상을 형성하게 한다. 주사전자현미경의 특징은 초점이 높은 심도를 이용해서 비교적 큰 표본을 입체적으로 관찰할 수 있다는 것이다. 전자 beam을 시료 위에 주사시켜서 시료로부터 튀어나온 2차 전자를 모아서 검출한 후 여러가지 복잡한 기계장치를 거친 후 CRT에 영상화시키는 전자현미경이다. 검출기는 scintillater라고도 하는데 scintillater로 검출된 2차 전자는 광전 중배관으로 운반되어 여기서 신호가 증폭 된 후 다시 video amplifier에서 영상신호 증폭을 거쳐 CRT에서 관찰하게 된다. 따라서 TEM은 얇은 시편(60nm 정도)을 beam이 투과하여 관찰하므로 2차적인 또는 단면적인 구조를 나타내지만 SEM은 시료 위를 주사된 상을 관찰하므로 3차원적인 입체 상을 관찰할 수 있다.
하지만, 측정하고자 하는 물질에 대한 시편을 만들어야 하는 불편함이 있다.
2-2. alpha-step
WAFER 표면 위의 단 차가 있는 박막의 두께(수Å 이상) 및 Step profile을 측정하기 위하여 개발한 장비로, 탐침(stylus)이 WAFER 표면을 긁고(scan) 지나감으로써 표면 단자의 변화로 발생하는 압력을 감지하여 그 단차의 두께를 측정하는 장비이다.
보통 10μm∼50μm 정도의 반지름을 가지는 다이아몬드 바늘 Stylus가 사용되며, Stylus의 힘은 보통 17.3mg 정도로 고정하여 사용하고 있다. 측정하고자 하는 sample을 직접 contact하므로, 유기막은 물론 금속 박막의 두께도 쉽게 구할 수 있다.
하지만, 단차의 두께만을 구할 수 있으므로, 여러 층의 두께 각각을 한번에 측정할 수 없으며, 측정하고자 하는 곳에 미리 단차를 만들어 놓아야 하는 불편함이 있다.
2-3. Ellipsometer
빛(전자기파)이 어떤 물질을 통과하게 되면 빛은 그 물질의 영향을 받아 변화하는데, 이 변화의 정도는 빛이 통과한 Film의 굴절률과 두께에 비례한다. 위와 같은 원리를 이용하여 굴절률을 알고 있는 투명한 Film에 빛을 입사시켜서 반사되어 나오는 빛을 분석하여 그 Film의 두께를 측정하는 장치이다.
얇은 박막의 두께와 함께 굴절률도 같이 구할 수 있는 장점이 있지만, 측정시간이 길다는 단점이 있다.
2-4. Reflectometer
비누방울(층구조 : 외부공기 / 비누층 / 내부공기), 수면의 기름층(외부공기 / 기름층 / 물) 등에서 나타나는 색은 이들 막의 두께에 따라 변화한다. 이러한 현상은 두 부분의 다른 광 밀도를 갖는 층 구조의 첫번째 층과 두번째 층에서 각각 반사되는 빛의 위상차로 나타나는 보강 및 상쇄 간섭현상에 기초를 둔다.
III. Reflectometer 방식의 두께 측정기와 SpectraThick series
1. 작동 원리
Reflectometer 방식의 두께 측정기는 빛을 이용하기 때문에 sample을 파괴할 필요가 없으며, 측정 전 sample에 대한 전처리도 필요하지 않고, 측정 시 sample 표면에 scratch 만들지 않는다. 또한, 0.5~수 초만에 두께를 측정할 수 있으며 사용방법도 비교적 쉽다. 이러한 장점들 때문에 일반 연구개발용이나 공정관리용은 물론이고 시간(수율)과의 싸움인 대량생산 라인에서 실제 생산품을 대상으로 두께를 측정하는 데 적합한 방식이므로 in-situ 형태의 자동 측정 장비로도 많이 사용된다.
케이맥㈜의 SpectraThick series가 이러한 Reflectance 방식을 사용하므로 여기서는 이 제품을 중심으로 Reflectometer 방식의 두께 측정기에 대해 살펴본다.
그림1에서 보는 바와 같이 텅스텐-할로겐 가시광원(Tungsten-Halogen Light Source)에서 나온 빛이 광학계를 통해 Sample Stage 위에 놓여진 박막에 입사된다. 그리고 이 박막표면 및 기판(substrate)과의 경계면들에서 반사된 반사광이 다시 반사형 광섬유를 통하여 Spectrometer에 입사된다. 그런데 이 측정된 간섭광 신호에는 여러가지 원인에 의한 측정잡음이 포함되어 있어 계산에 충분한 정도의 깨끗한 파형을 보이지 않는다. 따라서 측정된 간섭광 신호에 포함되어 있는 측정 잡음들을 시간영역 평균 및 파장영역 평균을 구하는 과정을 통하여 잡음이 제거된 깨끗한 파형을 재구성한 후, 이 파형을 이용하여 두께를 계산하고 있다.
그림2와 같이 박막에 입사된 빛의 일부는 박막면에서 반사되고, 다른 일부는 박막과 기판 간의 경계면, 그리고 다중박막의 경우 박막간의 경계면에서 반사된다. 이들 반사파들은 동일 광원에서 방사된 가간섭성(Coherent) 광이므로 서로 간섭현상을 보여, 파장에 따라 상승 및 상쇄간섭을 하게 된다. 따라서 측정된 반사광은 그림 3과 같이 박막두께에 따라 sin 형상 혹은 골짜기만 있는 형상 등, 파장영역에서 특별한 스펙트럼 분포를 보이게 된다. 이 스펙트럼 형상은 박막의 구성을 알고 있는 경우 계산이 가능하다. 따라서 역으로 박막의 구성, 즉 두께나 굴절률 등을 변화시켜가면서 측정된 형상과 최적으로 일치하는 박막특성을 구한다.
케이맥㈜ SpectraThick series 중 in-sute 장비는 자동화된 공정라인에 적용할 수 있게 설계되었으며, 특성화된 공정라인에 맞추어 customization하여 공정관리를 위하여 사용되는 장비이다. 대량 생산품의 공정에 중요한 요소인 takt time1)이 고려된 system이라고 할 수 있다.
대응 기판의 크기도 다양하게 대응할 수 있는데, 3~4inch wafer나 그 보다 작은 시료를 측정할 수 있는 Stage에서부터 1m가 넘는 TFT-LCD 5세대용 장비에 이르기까지 이미 현장에 안정적으로 적용되어 있으며, 특히 최근에 TFT-LCD 및 PDP에서와 같이 기판이 대형화되는 추세에 따라 전자동 대형 시스템의 구성도 가능하다.
응용분야도 매우 폭넓어, 일반 Si 기판의 SiO2나 Si3N4, 각종 PR 등에서부터 투명유리 기판의 ITO, PI 등 투명박막은 거의 측정이 가능하다. 특히 같은 방식의 기존 방비로 측정하기 어려운 거친 표면의 박막이나 수 십μm 이상의 두꺼운 막, 그리고 RGB 컬러필터나 Cell-Gap 등의 두께를 측정할 수 있는 알고리즘이 추가되어 있다. 또 두께와 함께 굴벌율 등 광학상수도 측정할 수 있다.
따라서 일반 반도체나 LCD 공정은 물론, PDP나 광소자 및 차세대 Display 제품인 OLED 등의 연구개발에서 양산용에 이르기까지 폭넓게 이용되고 있다.
IV. 미세 Pattern 상의 박막두께측정
1. 측정의 필요성
기존의 Reflectometer 방식 박막두께측정기는 빛과 광학계를 사용함으로써 다른 여러 방식들과 비교해 가장 작은 부위를 측정할 수 있다.
Slit 또는 광섬유를 사용하는데, 여기에 렌즈를 이용해 50배 이상 시료를 확대해 측정하면 일반적으로 5μm, 케이맥㈜의 SpectraThick series의 경우 4μm(옵션으로 2μm 가능)의 지름을 가진 Spot으로 측정이 가능하다. 이것은 빛을 이용하는 또 다른 방식인 Ellipsometer가 타원형의 Spot을 가지고 있어 장축으로 10μm 이상의 Spot을 가지는 데 비해서도 아주 작다.
그러나 이것 역시 그 정도의 영역에서 반사되는 광의 전체 광량을 채집해 Spectrum을 분석하는 것이므로, 렌즈가 수100배 이상으로 커지지 않는 한 더 이상의 미세 Spot을 얻어낼 수 없는데, 이 경우 진동 문제 등으로 현실적으로 불가능하다.
그러나 실제 반도체 공정쪽에서는 초미세 Pattern화 하는 추세인데, 이것에 대응할 측정 방법이 없으므로 보통 Test Pattern을 기판 위에 따로 만들어 이것을 측정한 후 실제 Pattern 상의 두께를 추산하는 방식을 사용할 수 밖에 없었다.
그러나 기판이 대형화될수록 전체 기판상의 두께분포 변화가 크므로 이러한 Test Pattern만으로는 정확한 값을 알기가 어려워지고 있다.
특히 최근에는 TFT-LCD 공정에서 생산성을 혁신하기 위해 Mask를 한 장 줄인 4-Mask 공정을 도입하고 있는데, 이 경우 1차 Eaching 후의 PR 두께 측정은 훨씬 미세한 Spot을 사용해야만 측정이 가능하지만, 기존의 방식으로는 대응할 수 없었다.
2. 케이맥㈜의 SpectraThick 8000-map
케이맥㈜는 Reflectometer 방식을 이용하면서도 한 지점에서의 Spectrum만을 얻는(Point to Point) 기존 방식에서 탈피, 2D 이미지에서 각 Pixel의 Spectrum을 얻는 데 성공함으로써 이 문제를 해결했다.
이 방식을 이용하면 일정 영역의 이미지를 한꺼번에 받아들인 뒤(Area to Area) 그것을 최소 0.18μm×0.18μm까지 잘게 분할해 각각의 Spectrum을 얻는다.(이 보다 작은 영역을 측정하는 것은 빛의 특성상 경계가 모호해지기 때문에 의미가 없다.)
따라서 Test Pattern이 아닌 실제 Pattern 상에서 측정 지점을 확인하고 그 영역 내 여러 Point의 두께를 동시에 계산해낼 수 있게 되는 것이다.
SpectraThick 8000-map으로 불리는 이 시스템은 현재 국내 유수의 TFT-LCD 생산라인에 5세대까지 대응, 생산 수율을 획기적으로 향상시키는 데 필수적인 장비로 사용되고 있다.
■ 제품 소개
▶ ST8000-Map Series
SpectraThick(ST)8000-Map Series는 기존의 박막두께측정장치가 가지고 있던 한계를 뛰어넘은 신개념의 장비로, 케이맥㈜가 자체 기술력으로 세계최초로 개발한 신제품이다.
기본원리는 시료로부터 받아들인 Image를 잘게 나누어 각각의 두께를 동시에 계산해내는 방식으로, 기존의 4㎛에 그쳤던 측정영역의 크기를 0.2㎛ 이하까지 획기적으로 줄였으며, 여러 지점을 순차적으로 측정해서 만들던 두께지도도 한번의 측정으로 동시에 만듦으로써 속도와 정밀도를 크게 향상시킨 것이다. 따라서 이 장비를 이용하면 미세 패턴상의 연속적 두께변화를 한번에 측정할 수 있어 TFT-LCD공정 등에 적용되고 있다.
케이맥㈜는 이 제품의 개발을 기존의 두께측정장비 시장에서 기술적 우위에 설 수 있는 계기로 삼고, 국내 유수의 디스플레이 제조업체에 납품하기로 한 것을 필두로 국내는 물론 해외 시장의 공략에도 적극 나서고 있다.
▶ SpectraThick series
케이맥㈜가 자체 기술로 개발한 박막두께측정장치 SpectraThick(ST) series는 광간섭현상을 이용하여 비접촉비파괴 방식이며 시료의 전처리가 필요없을 뿐만 아니라 측정 속도가 빠르고 Windows 기반의 Software 디자인으로 사용이 편리한 이점이 있다. 수십Å에서 최고 수십㎛까지 두께를 측정할 수 있으며, 최소 지름 2㎛까지 미세한 영역을 측정할 수 있어 공정 중에 간편하게 측정할 수 있는 방식이다.
가격면에서 매우 경제적인 방식이며, 같은 방식의 수입장비에 비해서도 획기적인 저가격을 실현한 것이 특징이다. 특히 Basic Model인 SpectraThick 2000은 경쟁사에서는 찾을 수 없는 가격대의 실속형으로 학교나 연구소 등에 알맞은 제품이다. 또한 SpectraThick series는 각각 6", 8", 12"wafer용의 시료측정대를 가진 제품에서부터 LCD, PDP 등의 대형 디스플레이 패널을 측정할 수 있는 대형 시료측정대를 갖춘 In-line용 자동화 모델에 이르기까지 모든 공정에 대응할 수 있는 장비로 개발되어 있다.
이밖에도 각각의 다양한 측정 시료의 특성에 맞는 측정방법 등 기술적인 지원도 신속하게 이루어질 수 있는 등 다양한 장점을 자랑한다. 특히 PR 등의 측정에 있어서는 120㎛ 이상의 두께나 표면이 비교적 불균일한 물질까지도 측정이 가능한 Software가 지원이 되는 등 기존의 두께측정장비로 측정이 어려운 물질에 대한 측정기법을 제공할 수 있는 기술력이 최대의 장점이다.
■ 회사소개
케이맥(주)(대표이사 : 이중환)는 국내 최초의 종합 물성분석 전문회사로서, 반도체 등과 같은 부품소재를 고성능 정밀 분석장비를 통해 재료의 구성 성분 등을 밝혀내는 물성분석 서비스 사업을 모태로 설립되어 현재 초소형 광섬유식 분광분석기(Spectrometer)와 박막두께측정장치(Film Thickness Measuring System)등 초정밀 분석기기의 국산화에 앞장서고 있다.
주요 제품으로는 광간섭식 박막두께측정 장비인 SpectraThick Series를 비롯해 초소형 광섬유식 분광분석기인 SpectraView 2000과 흐름주입분석기(FIA)인 SpectraPro Series, 일체형 분광분석기인 SpectraZone이 있으며, SPR(Surface Plazmon Resonance) 방식의 단백질 분석장치인 SpectraBio 2000와 Chiral 화합물질 분리분석용 HPLC Column인 Chiral Hyun 및 Chiral Ryoo series 등 종합 분석기기와 각종 센서 등 핵심부품을 개발, 공급하고 있다.