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KR100669040B1 - 다중광속을 이용한 곡률 측정 장치와 방법 - Google Patents

다중광속을 이용한 곡률 측정 장치와 방법 Download PDF

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KR100669040B1
KR100669040B1 KR1020060052025A KR20060052025A KR100669040B1 KR 100669040 B1 KR100669040 B1 KR 100669040B1 KR 1020060052025 A KR1020060052025 A KR 1020060052025A KR 20060052025 A KR20060052025 A KR 20060052025A KR 100669040 B1 KR100669040 B1 KR 100669040B1
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KR
South Korea
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mxn
array
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beams
incident
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KR1020060052025A
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봉 기
윤의준
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주식회사 나노트론
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Abstract

다중광속(arrayed multiple beam)을 이용한 곡률 측정 장치와 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 일정한 피치 간격(pitch size)을 가진 m x n VCSEL(vertical cavity surface emitting laser) 어레이 또는 m x n LD(laser diode) 어레이로부터 발생시킨 m x n 다중광속을, 비평행 다중광속 또는 평행 다중광속으로 만든다. 이러한 다중광속이 기판 상에 형성된 박막 표면에 입사되어 반사된 후 CCD, CMOS 이미지 센서와 같은 검출기에서 m x n 스팟 어레이로 검출되며, 입사면과 평행한 방향에서 어레이의 빔 간격을 측정한다. 기판의 곡률에 의해 이 방향에서 빔 간격에 변화가 생기게 되며, 이 방향의 곡률은 빔 간격 변화, 입사각, 박막 표면과 검출기 사이의 거리 등의 함수로 표현될 수 있다. 이들 값은 모두 측정이 가능하며, 이들 값으로부터 박막 표면의 곡률을 구할 수 있다. 또한 m x n의 2차원 스팟 어레이를 사용하므로 박막 표면의 2차원 곡률 프로파일을 구할 수 있다.

Description

다중광속을 이용한 곡률 측정 장치와 방법{Apparatus and method of measuring the curvature using arrayed multiple beam}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 m x n 비평행 다중광속을 이용한 곡률 측정 장치의 모식도이다.
도 2는 5x4 VCSEL 어레이를 도시한다.
도 3은 도 1과 같은 곡률 측정 장치를 이용해 기판 표면으로부터 m x n 비평행 다중광속이 반사되는 경우의 기하학적 모양을 보여주는 것으로, 기판의 곡률에 따른 레이저 빔의 반사 관계를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따라 m x n 비평행 다중광속을 이용하되 수직 입사각으로 입사시키는 곡률 측정 장치의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 m x n 평행 다중광속을 이용한 곡률 측정 장치의 모식도이다.
도 6은 박막 표면에 2차원 다중광속을 입사시켰을 때 그 반사빔을 CCD 화면 상의 스팟(spot) 이미지로 나타낸 것이다.
도 7은 도 5와 같은 곡률 측정 장치를 이용해 기판 표면으로부터 m x n 평행 다중광속이 반사되는 경우의 기하학적 모양을 보여주는 것으로, 기판의 곡률에 따른 레이저 빔의 반사 관계를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따라 m x n 평행 다중광속을 이용하되 수직 입사각으로 입사시키는 곡률 측정 장치의 모식도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
T1, T2, T3, T4...곡률 측정 장치
10, 110, 210, 310...m x n 광원 어레이
20, 120...단일 콜리메이팅 렌즈 유닛
30, 130, 230, 330...기판
40, 140, 240, 340...검출기
160, 360...빔 분배기
270, 370...m x n 마이크로 콜리메이팅 렌즈 어레이
본 발명은 기판의 곡률 및 기판 상에 형성된 박막의 응력(stress) 측정 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중광속을 이용하여 기판의 곡률을 측정함으로써 박막의 응력을 계산하는 장치와 방법에 관한 것이다.
박막, 특히 반도체 에피층 성장시에는 박막 내부에 큰 응력이 발생할 수 있는데, 응력은 박막의 여러 가지 물성을 필연적으로 변화시키게 된다. 원하지 않는 응력 변화는 박막 공정의 어떤 단계에서도 일어날 수 있다. 그 중 많은 경우 소자 의 성능 저하, 전기 배선의 오류, 박막의 박리를 초래한다. 따라서, 박막의 원하는 광학적, 전기적, 기계적 물성을 얻으려면 박막 내에 발생하는 응력에 대한 이해와 제어가 필수적이다.
일반적으로 박막의 응력은 박막의 성장 메커니즘, 성장된 미세 구조, 박막의 증착 조건 등과 밀접한 관계가 있다. 또한, 이 응력은 하지막(기판 또는 선행 공정에서 기판 상에 형성해 놓은 다른 박막)과의 열팽창 계수 차이에 의한 열적 응력, 격자 상수 차이에 의한 격자 불일치 응력, 박막의 미세 구조와 관련된 고유 응력 등 여러 가지 요인들의 종합적인 합으로 나타난다.
따라서, 응력의 정확한 측정은 박막의 구조적인 특징을 연구하는 도구가 될 뿐만 아니라 변형된 정도를 제어하고 양질의 소자를 제조하는 데에 중요한 역할을 한다. 특히, 박막 성장에 따른 응력을 실시간으로 관찰하면 박막 성장 도중의 여러 가지 정보들을 얻을 수 있으므로 보다 적극적인 의미에서의 물성 조절이 가능해지고 공정 조건 변경 등의 필요성에 유연하게 대처할 수 있다.
종래 응력을 측정하는 방법으로는 X-선을 이용하는 방법과 레이저 빔을 이용해 기판의 곡률을 측정하는 곡률 측정 기반(curvature based) 방법이 있다. X-선을 이용한 방법은 격자 회절 현상을 이용한 것이므로 모든 박막에 적용하기는 힘들다. 더욱이 응력의 실시간 측정시 정량화의 어려움이 있다. 곡률 측정 기반 방법에는 단일 레이저 빔 주사 방법과 평행 레이저 빔을 이용한 방법의 두 가지가 있다.
레이저 빔 주사 방법은 레이저 빔을 기판에 입사시킨 후 기판의 휨에 따라 그 반사각이 변화하는 것을 위치 측정 광 검출기를 이용하여 측정하는 것이다. 기 판의 곡률 반경(R)을 알면 응력(σ)을 결정할 수 있는데, 박막 두께(hf)가 기판 두께(hs)보다 많이 작을 때 다음 수학식 1로 표현된 스토니 공식(Stoney formula)을 사용한다.
Figure 112006040650948-pat00001
여기서, Ms는 기판의 이축 탄성계수(biaxial modulus)이다.
단일 레이저 빔 주사 방법은 종래 곡률 측정 방법으로 널리 사용되고 있다. 그러나, 이 방법은 레이저를 움직여 가며 측정하는 방식이므로 측정 중에 외부 진동이나 노이즈(noise)의 영향을 받기 쉽고, 정렬이 어렵기 때문에 원격 측정이 힘들고, 박막 성장을 위한 반응기 챔버의 뷰 포트(view port)를 통해 작동시키기 곤란하여 실시간 측정이 어렵다는 문제가 있다.
평행 레이저 빔을 이용하는 방법에서는 단일 레이저 빔을 2개의 에탈론 (etalon)을 통과시켜 평행 다중광속(parallel multiple beam)을 만들고 이를 기판에 입사시킨다. 빔의 수량과 빔 사이의 간격은 에탈론을 회전시켜서 제어할 수 있다. 평행 다중광속의 기판 표면에서의 반사빔 이미지를 CCD로 측정한다. 응력이 있을 경우 박막은 그 아래 기판에 곡률을 유발한다. 따라서 기판이 응력을 받았을 때, 곡률은 CCD 이미지 상의 반사빔의 위치를 미세하게 변화시킨다. CCD는 동시에 모든 반사빔 스팟(spot) 간격의 상대 변화를 측정하고 그 데이터를 곡률 및 박막의 응력으로 변환한다.
이와 같은 곡률 측정 방법의 첫 번째 장점은 모든 레이저 빔의 상대 위치를 동시에 측정하므로 곡률 측정에 필요한 스팟 사이의 간격 변화는 진동 등 외부 변화의 영향을 적게 받는다는 것이다. 두 번째 장점은 응력을 실시간으로 측정할 수 있다는 것이다.
그러나 단일 레이저 빔이 에탈론의 양면을 투과, 반사를 반복하면서 평행광을 형성하는 과정에서 빔의 강도가 점차 약해진다. 빔 강도의 차이를 최소화하기 위해서 에탈론의 양면을 통상 90% 이상의 고반사율로 코팅한다. 하나의 에탈론은 2개의 반사면을 가지므로 2개의 에탈론을 투과하여 시편에 입사되는 레이저 빔의 강도는 총 4개의 반사면을 각각 지날 때마다 강도가 90%씩 감소되어 결국 1/10000이 되어 효율이 떨어지는 단점이 있다. 2차, 3차 등의 빔에서는 더 심한 출력 저하가 나타난다.
특히 시편의 반사율이 낮고 또 박막 증착에서 균일도를 향상시키기 위해 기판을 고속 회전할 경우 CCD의 셔터 스피드를 높여야 되며, 이 경우 레이저 출력의 제한으로 인해 측정이 불가능한 경우도 발생한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기판의 곡률을 실시간으로 알아낼 수 있고 효율적으로 기판 위의 박막의 응력을 측정할 수 있는 장치와 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에 따른 곡률 측정 장치의 일 태양은 시료 표면에 입사되는 m x n 다중광속을 발생시키기 위한 m x n 광원 어레이(여기서, m과 n은 각각 1 이상 100 이하); 및 상기 시료 표면에서 반사되어 나온 상기 m x n 다중광속 사이의 간격 변화를 측정하는 검출기를 포함한다.
상기 간격 변화를 이용하여 상기 시료의 곡률 및 응력을 구하는 계산기를 더 포함할 수 있다. 물론 검출기 자체가 상기 시료의 곡률 및 응력을 구하도록 구성하여도 된다.
여기서, 상기 m x n 광원 어레이는 일정한 피치 간격을 가진 m x n 수직 표면 방출 레이저(vertical surface emitting laser : VCSEL) 어레이 및 m x n 레이저 다이오드(laser diode : LD) 어레이 중의 어느 하나를 이용한다.
한편, 본 발명에 따른 곡률 측정 장치는 상기 m x n 다중광속을 m x n 비평행 다중광속(multiple non-parallel beam) 또는 m x n 평행 다중광속(multiple parallel beam)으로 만들어 곡률 측정에 이용할 수 있다. 이를 위해, 상기 m x n 다중광속을 m x n 비평행 다중광속으로 만들어 상기 시료 표면으로 입사시키기 위한 단일 콜리메이팅 렌즈 유닛(collimating lens unit) 또는 m x n 평행 다중광속으로 만들어 상기 시료 표면으로 입사시키기 위한 m x n 마이크로 콜리메이팅 렌즈 어레이(micro collimating lens array)를 더 포함할 수 있다.
상기 단일 콜리메이팅 렌즈 유닛에는 적어도 한 개의 비구면(aspherical) 광학 렌즈가 포함됨이 바람직하고, 상기 단일 콜리메이팅 렌즈 유닛에는 포커싱 렌즈(focusing lens)가 더 포함될 수 있다.
상기 m x n 다중광속은 0°에서 90° 미만의 입사각을 가지고 상기 시료 표면에 입사할 수 있다. 특히, 상기 m x n 다중광속이 수직 입사각을 가지고 상기 시료 표면에 입사하도록 구성하는 경우, 상기 시료 표면에서 수직 반사각으로 반사되어 나오는 상기 m x n 다중광속을 상기 입사하는 상기 m x n 다중광속으로부터 분리하기 위해 빔 분배기(beam splitter)를 더 포함함이 바람직하다.
상기 검출기는 CCD 및 CMOS 이미지 센서(CMOS image sensor : CIS) 중의 어느 하나일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에 따른 곡률 측정 방법은 m x n 광원 어레이로부터 발생시킨 m x n 다중광속을 콜리메이팅하는 단계; m x n 다중광속을 시료 표면에 대해 입사시키는 단계(여기서, m과 n은 각각 1 이상 100 이하); 상기 시료 표면에서 반사되어 나온 상기 m x n 다중광속을 스팟 어레이로 측정하는 CCD 또는 CMOS 이미지 센서의 스팟 어레이 사이의 간격 변화를 측정하는 단계; 및 상기 간격 변화를 이용하여 상기 시료의 곡률 및 응력을 구하는 단계를 포함한다.
특히, 상기 시료 표면에서 반사되어 나온 상기 m x n 다중광속을 스팟 어레이로 측정하는 CCD 또는 CMOS 이미지 센서의 스팟 어레이 사이의 간격 변화를 측정하는 단계에서는 입사면에 수평인 방향으로의 간격 변화를 측정하여, 상기 박막의 곡률 및 응력을 구할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 곡률 측정 장치와 방법에서는 비평행 다중광속 또는 평행 다중광속의 반사를 이용하여 기판과 같은 시료의 곡률을 측정한다. 기존 단일 빔 주사 방법과 에탈론을 이용하여 단일 빔을 다중 평형 빔으로 전환하는 방식과 달리, 본 발명에서는 m x n 광원 어레이를 사용한다. 즉, m x n VCSEL 어레이 또는 m x n LD 어레이를 단일 콜리메이팅 렌즈를 이용하여 비평행 다중광속으로 만들거나, 또는 m x n 마이크로 콜리메이팅 렌즈 어레이를 이용하여 평행 다중광속으로 만든다. LD는 타원형 빔을 출력한다. 따라서 m x n LD 어레이를 사용할 경우 마이크로 렌즈를 이용하여 타원형 빔을 원형 빔으로 전환하여야 한다. 이러한 다중광속을 기판 상에 형성된 박막 표면에 α(0 ≤ α< 90o) 입사각으로 입사시키고 반사되는 다중광속은 검출기로 m x n의 스팟 어레이(spot array)를 얻는다.
m x n 스팟 어레이 방향을 x, y로 정의하고 x 방향을 입사면과 수평한 방향으로, y 방향은 입사면과 수직인 방향으로 정의한다. m x n 다중광속과 기판의 법선으로 이루어지는 면이 입사면이고, 이 입사면이 기판과 만나 생긴 직선의 방향이 입사면에 수평인 방향, x 방향으로 정의된다. 다르게 표현하면, x 방향은 다중광속이 기판 상에 떨어져 만들게 되는 직선(the line onto which the multiple beams fall)과 평행한 방향이다. 그리고, 입사면이 기판과 만나 생긴 직선과 기판 면 상에서 직교하는 다른 방향이 입사면에 수직인 방향, y 방향으로 정의된다.
검출기를 이용하여 스팟 어레이의 x 방향의 간격을 측정한다. 기판 곡률이 변할 때 각 다중광속의 반사각 각도가 변하게 되고 따라서 스팟 간격의 변이가 생긴다. x 방향, 각 스팟 어레이의 변이를 측정함으로 기판의 곡률을 얻을 수 있다. m x n 다중광속이 동시에 측정되므로 이 방법은 진동에 덜 민감하다.
이하, 첨부 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
제1 실시예
도 1은 본 발명에 따른 m x n 비평행 다중광속(다른 말로 m x n 발산형 다중광속)을 이용한 곡률 측정 장치(T1)의 모식도이다(여기서, m과 n은 각각 1 이상 100 이하).
도 1의 참조번호 "10"은 m x n 광원 어레이로서, 피치(pitch) 간격이 d인 m x n 수직 표면 방출 레이저(vertical surface emitting laser : VCSEL) 어레이 및 m x n 레이저 다이오드(laser diode : LD) 어레이 중의 어느 하나이다. 이 m x n 광원 어레이(10)를 이용하여 m x n 레이저 빔(C1)을 발생시킨다. 도 2는 일정한 피치 간격 d를 가진, 예컨대 5x4 VCSEL 어레이(10')를 도시한다.
m x n 광원 어레이(10)에서 발생한 m x n 레이저 빔(C1)은 단일 콜리메이팅 렌즈 유닛(20)을 이용해 콜리메이팅하여 m x n 비평행 다중광속(C2)을 형성한다. 단일 콜리메이팅 렌즈 유닛(20)에는 적어도 한 개의 비구면(aspherical) 광학 렌즈가 포함되어 발생한 수차를 줄인다. 여기에 포커싱 렌즈(focusing lens)도 더 포함될 수 있다.
m x n 비평행 다중광속(C2)은 시료인 기판(30)에 입사각 α(0 ≤ α< 90o)로 입사하고, 기판(30) 표면에서 반사된 m x n 다중광속(C3)은 검출기(40)에 입사한다. 반사된 다중광속(C3)은 검출기(40)에서 m x n 스팟 어레이로 검출되며 검출기(40) 또는 검출기(40)에 연결된 계산기(미도시)는 반사된 m x n 다중광속(C3) 스팟 간격 변화로부터 기판(30)의 곡률 및 응력을 측정하게 된다. 검출기(40)는 CCD, CMOS 이미지 센서(CMOS image sensor : CIS), 또는 어레이 디텍터(array detector) 등일 수 있다.
도 3은 도 1과 같은 곡률 측정 장치(T1)를 이용해 곡률을 갖는 기판(30) 표면으로부터 m x n 비평행 다중광속(C2)이 반사되는 경우의 기하학적 모양을 보여주는 것으로, 기판의 곡률에 따른 레이저 빔의 반사 관계를 나타낸다.
기판(30)의 곡률 반경은 R이고, L1은 m x n 광원 어레이(10)와 단일 콜리메이팅 렌즈 유닛(20)중심 사이의 거리, L2는 단일 콜리메이팅 렌즈 유닛(20)과 기판(30) 중심 사이의 거리, 그리고 L3는 기판(30) 중심과 검출기(40) 사이의 거리를 의미한다. d는 광원(10)으로 사용되는 m x n VCSEL 어레이 또는 m x n LD 어레이의 피치 간격을, α(0 ≤ α< 90o)는 입사각을 의미한다.
평평한 표면 S0으로부터 반사된 m x n 다중광속(C3)의 검출기(40)에서의 스팟 간격은 D이며(비평행 다중광속(C3) 중 빔 A와 빔 B'의 검출기(40) 상의 스팟 사이의 거리), δD는 기판(30)과 같이 굽은 표면 S1에서 반사된 m x n 다중광속(C3)의 검출기(40)에서의 스팟 간격의 변화량이다.
이 때, 표면 S1의 곡률(1/R)은 하기의 수학식 2로 표현된다.
Figure 112006040650948-pat00002
곡률 (1/R)의 측정 감도는 스팟 간격 측정의 정밀도에 의해서 결정된다. δD, α, d, L1, L2 및 L3는 모두 측정할 수 있는 값이므로, 비교적 수월하게 곡률 (1/R)을 구할 수 있다. 그리고 상기 수학식 2와 수학식 1을 결합하여 박막의 응력을 계산할 수가 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 다중광속을 얻기 위하여 m x n 광원 어레이(m x n VCSEL 어레이 또는 m x n LD 어레이)를 이용하므로, 종래의 고반사율 에탈론을 사용하는 다중광속 곡률 측정 방법에서와 같이 레이저 빔의 강도가 떨어지는 문제로부터 자유로울 수 있다. 종래 고반사율 에탈론을 사용하는 경우에는 레이저 빔의 강도가 1/10000 이하로 떨어져 기판에 입사하게 된다. 한편, 본 발명에 따른 바람 직한 실시예에서 사용하는 m x n 광원 어레이(m x n VCSEL 어레이 또는 m x n LD 어레이)의 레이저 빔 강도는 종래 레이저 빔 강도의 1/10000이어도 동일한 효과를 나타낸다. 다시 말해, 종래에 비하여 낮은 출력의 VCSEL 어레이 또는 LD 어레이를 사용하더라도 보다 효율적인 응력 측정을 할 수 있는 것이다.
종래와 같이 에탈론을 사용하는 경우 통상 광원으로 LD 모듈을 사용하게 되며 타원형 빔이 출력된다. 곡률 측정에 사용하기 위하여 별도의 광학계를 사용하여 원형 빔으로 바꿔줘야 되며, 그 빔은 회절 제한 원형 빔(diffraction limited circular beam)이다. 그러나, 본 발명에서 사용하는 VCSEL은 고품위의 원형 빔(circular beam)을 발생한다. 물론 LD 어레이를 사용하면 각각의 LD 셀마다 타원형 빔을 원형 빔으로 바꾸는 마이크로 렌즈를 사용하여야 한다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 곡률 측정 장치는 종래에 비하여 구조적으로 훨씬 간단해진다. 박막 증착 장비에서 실시간 곡률 또는 응력 측정 장치를 응용하려면 최대한도로 측정 장치의 크기를 줄이는 것이 관건이다. 본 발명에서 VCSEL 어레이 또는 LD 어레이를 사용하면 곡률 측정 장치를 손바닥 크기(palm size) 정도로 줄일 수 있다. 기존 기계구조가 복잡한 레이저 빔 주사 방식과 상대적으로 복잡한 에탈론 사용하는 다중 빔 방식과 비교하면 훨씬 작은 크기로 만들 수 있다.
예를 들어, 검출기(40)로서 사용되는 CCD 카메라 시스템은 손바닥 크기이고, m x n 광원 어레이(10)로 사용되는 m x n VCSEL 어레이의 칩 크기는 최대 10mm× 10mm 정도이다. 그리고, 단일 콜리메이팅 렌즈 유닛(20)에 의해 증가되는 공간적 길이도 약 5cm 정도이면 충분하다. 따라서, 전체적인 곡률 측정 장치도 손바닥 크기로 구현할 수가 있다. 이것과 대조적으로 종래 에탈론을 이용한 다중 평행 광속 곡률 측정 장치의 경우 그 체적이 15cm x 20cm x 40cm 정도로 본 실시예에 따른 곡률 측정 장치에 비하여 매우 크다.
제2 실시예
도 4는 본 발명에 따라 m x n 비평행 다중광속을 이용하되 수직 입사각으로 입사시키는 곡률 측정 장치(T2)의 모식도이다.
먼저, 피치 간격이 d인 m x n VCSEL 어레이 및 m x n LD 어레이 중의 어느 하나인 m x n 광원 어레이(110)를 이용하여 m x n 레이저 빔(D1)을 발생시킨다.
m x n 레이저 빔(D1)을 단일 콜리메이팅 렌즈 유닛(120)을 이용하여 일정한 발산각의 m x n 비평행 다중광속(D2)을 얻는다. 단일 콜리메이팅 렌즈 유닛(120)에는 적어도 한 개의 비구면 광학 렌즈가 사용되어 발생한 수차를 줄인다. 여기에 포커싱 렌즈도 포함될 수 있다.
다음으로, 이 m x n 비평행 다중광속(D2)을 빔 분배기(beam splitter, 160)를 통해 시료인 기판(130) 표면에 수직 입사각으로 입사시킨다.
기판(130) 표면에서 수직 반사각으로 반사해 나오는 m x n 다중광속(D3)을 빔 분배기(160)를 이용하여 입사되는 m x n 비평행 다중광속(D2)으로부터 분리하여 검출기(140)에 입사시키고, 반사된 m x n 다중광속(D3)의 스팟 간격을 측정하여 기판(130)의 곡률을 구한다. 검출기(140)는 CCD, CIS, 또는 어레이 디텍터 등일 수 있다.
스팟 간격 변화로부터 기판(130)의 곡률을 구하는 방법은 앞의 수학식 2를 이용할 수 있으며, 이 때 바람직하게는 입사면에 수평인 방향(x 방향)으로의 간격 변화를 측정한다. 앞에서 정의한 바와 같이, m x n 비평행 다중광속(D2)과 기판(130)의 법선으로 이루어지는 면이 입사면이고, 이 입사면이 기판(130)과 만나 생긴 직선의 방향이 입사면에 수평인 방향이 x 방향이다.
본 실시예에서는 다중광속이 수직 입사각으로 입사하므로 입사각 α을 거의 0°로 보면, 상기 수학식 2에서 cosα가 1이고 sinα가 0 이 되는 경우이다. 그리고, 이렇게 구한 상기 박막의 곡률 반경(R)을 이용하여 상기 수학식 1과 결합하여, 상기 기판 위에 성장된 박막의 응력(σ)을 구할 수 있다.
이와 같은 수직 입사각으로 입사시키는 장치 및 방법은 입사빔과 반사빔을 동일한 뷰 포트를 사용함으로써, 작은 크기(직경 ~ 10 mm)의 뷰 포트를 가진 반응기에 대해서도 이 곡률 측정 방법을 적용할 수 있다. 또한 m x n의 2차원 스팟 어레이를 사용하므로 박막 표면의 2차원 곡률 프로파일을 구할 수 있다.
이상 제1 및 제2 실시예에서는 비평행 다중광속을 이용해 곡률 및 응력을 측정하는 장치와 방법에 관하여 설명하였다. 이하에서는 평행 다중광속을 이용해 곡률 및 응력을 측정하는 장치와 방법에 관하여 설명하기로 한다.
제3 실시예
도 5는 본 발명에 따른 m x n 평행 다중광속을 이용한 곡률 측정 장치(T3)의 모식도로서, m x n 마이크로 렌즈 어레이를 사용하여 평행 다중광속을 만들어 곡률을 측정하는 장치의 모식도이다.
도 5의 참조번호 "210"은 m x n 광원 어레이로서, 피치 간격이 d인 m x n VCSEL 어레이 및 m x n LD 어레이 중의 어느 하나이다. LD는 타원형 빔을 출력한다. 따라서 m x n LD 어레이를 사용할 경우 마이크로 렌즈를 이용하여 타원형 빔을 원형 빔으로 전환하여야 한다.
m x n 광원 어레이(210)를 이용하여 발생시킨 m x n 레이저 빔(E1)을, m x n 마이크로 콜리메이팅 렌즈 어레이(270)를 이용하여 m x n 평행 다중광속(E2)을 형성한다. 여기에서 m x n 광원 어레이(210)의 각 광원의 빛을 각각 마이크로 콜리메이팅 렌즈를 이용하여 평행광으로 뽑아내는 것이다.
m x n 평행 다중광속(E2)은 시료인 기판(230)에 입사각 α(0 ≤ α< 90o)로 입사하고, 기판(230) 표면에서 반사된 m x n 다중광속(E3)은 검출기(240)에 입사한다. 검출기(240)는 m x n 다중광속(E3) 스팟 간격 변화로부터 기판(230)의 곡률을 측정하게 된다. 검출기(240)는 CCD, CIS, 또는 어레이 디텍터 등일 수 있다.
검출기(240)로 이용되는 CCD의 경우 스팟 이미지를 캡처하면, 그 화면에 도 6과 같은 x-y 2차원 스팟 이미지 어레이를 얻을 수 있다. 인접한 스팟들 사이의 거리는 박막의 미세한 곡률 변화에 민감하게 변화한다.
도 7은 도 5와 같은 곡률 측정 장치를 이용해 곡률을 갖는 기판(230) 표면으 로부터 m x n 평행 다중광속(E2)이 반사되는 경우의 기하학적 모양을 보여주는 것으로, 기판의 곡률에 따른 레이저 빔의 반사 관계를 나타낸다.
기판(230)의 곡률 반경은 R이고, L3는 기판(230)의 중심과 검출기(240) 사이의 거리를 의미한다. d는 m x n 광원 어레이(210)로 사용되는 m x n VCSEL 어레이 또는 m x n LD 어레이의 피치 간격을, α(0 ≤ α< 90o)는 입사각을 의미한다.
평평한 표면 S0으로부터 반사된 m x n 다중광속(E3)의 검출기(240)에서의 입사면와 수평한 방향의 스팟 간격은 D(평행광이므로, D=피치 간격 d이다)이며(평행 다중광속(E3) 중 빔 A와 빔 B' 사이의 거리), δD는 기판(230)과 같이 굽은 표면 S1에서 반사된 m x n 다중광속(E3)의 검출기(240)에서의 스팟 간격의 변화량이다.
이 때, 표면 S1의 곡률(1/R)은 앞의 수학식 2에서와 마찬가지로 하기의 수학식 3으로 표현된다.
Figure 112006040650948-pat00003
곡률 (1/R)의 측정 감도는 스팟 간격 측정의 정밀도에 의해서 결정된다. δD, α 및 L3는 모두 측정할 수 있는 값이므로, 비교적 수월하게 기판(230)의 곡률 반경(R)을 구할 수 있다. 그리고 상기 수학식 3과 수학식 1을 결합하여 박막의 응 력을 계산할 수가 있다.
제4 실시예
도 8은 본 발명에 따라 m x n 평행 다중광속을 이용하되 수직 입사각으로 입사시키는 곡률 측정 장치(T4)의 모식도이다.
먼저, m x n 광원 어레이(310)를 이용하여 m x n 레이저 빔(F1)을 발생시킨다. m x n 광원 어레이(310)는 피치 간격이 d인 m x n VCSEL 어레이 및 m x n LD 어레이 중의 어느 하나이다.
m x n 레이저 빔(F1)을, m x n 마이크로 콜리메이팅 렌즈 어레이(370)를 이용하여 m x n 평행 다중광속(F2)으로 만든다. 여기에서 m x n 광원 어레이(310)의 각 광원의 빛을 각각 마이크로 콜리메이팅 렌즈를 이용하여 평행광으로 뽑아내는 것이다. LD는 타원형 빔을 출력한다. 따라서 m x n LD 어레이를 사용할 경우 마이크로 렌즈를 이용하여 타원형 빔을 원형 빔으로 전환하여야 한다.
다음으로, 이 m x n 평행 다중광속(F2)을 빔 분배기(360)를 통해 기판(330) 표면에 수직 입사각으로 입사시킨다.
기판(330) 표면에서 수직 반사각으로 반사해 나오는 m x n 다중광속(F3)을 빔 분배기(360)를 이용하여 입사하는 m x n 평행 다중광속(F2)으로부터 분리하여 검출기(340)에 입사시키고, 반사된 m x n 다중광속(F3)의 스팟들 사이의 입사면과 수평한 방향으로의 간격을 측정하여 기판(330)의 곡률을 구한다. 검출기(340)는 CCD, CIS, 또는 어레이 디텍터 등일 수 있다.
스팟 간격 변화로부터 기판(330)의 곡률을 구하는 방법은 앞의 수학식 3를 이용할 수 있으며, 이 때에도 바람직하게는 입사면에 수평인 방향(x 방향)으로의 간격 변화를 측정하고 기판의 곡률 반경을 계산한다.
이와 같이 수직 입사각으로 입사시키는 방법도 입사빔과 반사빔을 동일한 뷰 포트를 사용함으로써, 작은 크기(직경 ~ 10 mm)의 뷰 포트를 가진 반응기에 대해서도 이 곡률 측정 방법을 적용할 수 있다.
앞에서도 언급하였듯, 본 발명에 따른 곡률 측정 장치는 종래에 비하여 구조적으로 훨씬 간단해진다. 박막 증착 장비에서 실시간 곡률 또는 응력 측정 장치를 응용하려면 최대한도로 측정 장치의 크기를 줄이는 것이 관건이다. 본 발명에서 VCSEL 어레이 또는 LD 어레이를 사용하면 곡률 측정 장치를 손바닥 크기 정도로 줄일 수 있다. 기존 기계구조가 복잡한 레이저 빔 주사 방식과 상대적으로 복잡한 에탈론 사용하는 다중 빔 방식과 비교하면 훨씬 작은 크기로 만들 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
본 발명에 따르면, 다중광속을 얻기 위하여 m x n 광원 어레이(m x n VCSEL 어레이 또는 m x n LD 어레이)를 이용하므로, 종래의 고반사율 에탈론을 사용하는 다중광속 곡률 측정 방법에서와 같이 레이저 빔의 강도가 떨어지는 문제로부터 자 유로울 수 있다. 종래 고반사율 에탈론을 사용하는 경우에는 레이저 빔의 강도가 1/10000 이하로 떨어져 기판에 입사하게 된다. 한편, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서 사용하는 m x n 광원 어레이의 레이저 빔 강도는 종래 레이저 빔 강도의 1/10000이어도 동일한 효과를 나타낸다. 다시 말해, 종래에 비하여 낮은 출력의 VCSEL 어레이 또는 LD 어레이를 사용하더라도 보다 효율적인 응력 측정을 할 수 있는 것이다.
종래와 같이 에탈론을 사용하는 경우 통상 광원으로 LD 모듈을 사용하게 되며 타원형 빔이 출력된다. 곡률 측정에 사용하기 위하여 별도의 광학계를 사용하여 원형 빔으로 바꿔줘야 되며, 그 빔은 회절 제한 원형 빔이다. 그러나, 본 발명에서 사용하는 VCSEL은 고품위의 원형 빔을 발생한다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 곡률 측정 장치는 종래에 비하여 구조적으로 훨씬 간단해진다. 박막 증착 장비에서 실시간 곡률 또는 곡률 측정 장치를 응용하려면 최대한도로 측정 장치의 크기를 줄이는 것이 관건이다. 본 발명에서 VCSEL 어레이 또는 LD 어레이를 사용하면 곡률 측정 장치를 손바닥 크기 정도로 줄일 수 있다. 기존 기계구조가 복잡한 레이저 빔 주사 방식과 상대적으로 복잡한 에탈론 사용하는 다중 빔 방식과 비교하면 훨씬 작은 크기로 만들 수 있다.
한편, 수직 입사각으로 입사시키는 방법은 입사빔과 반사빔을 동일한 뷰 포트를 사용함으로써, 작은 크기(직경 ~ 10 mm)의 뷰 포트를 가진 반응기에 대해서도 이 곡률 측정 방법을 적용할 수 있다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. m x n 다중광속을 발생시키기 위한 m x n 광원 어레이(여기서, m과 n은 각각 1 이상 100 이하);
    상기 m x n 광원 어레이로부터 발생된 m x n 다중광속을 m x n 비평행 다중광속(multiple non-parallel beam)으로 만들어 시료 표면으로 입사시키기 위한 단일 콜리메이팅 렌즈 유닛(collimating lens unit); 및
    상기 시료 표면에서 반사되어 나온 상기 m x n 다중광속의 m x n 스팟 어레이 사이의 간격 변화를 측정하는 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡률 측정 장치.
  4. m x n 다중광속을 발생시키기 위한 m x n 광원 어레이(여기서, m과 n은 각각 1 이상 100 이하);
    상기 m x n 광원 어레이로부터 발생된 m x n 다중광속을 m x n 평행 다중광속(multiple parallel beam)으로 만들어 시료 표면으로 입사시키기 위한 m x n 마이크로 콜리메이팅 렌즈 어레이(micro collimating lens array); 및
    상기 시료 표면에서 반사되어 나온 상기 m x n 다중광속의 m x n 스팟 어레이 사이의 간격 변화를 측정하는 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡률 측정 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 m x n 다중광속은 0° 에서 90° 미만의 입사각을 가지고 상기 시료 표면에 입사하는 것을 특징으로 하는 곡률 측정 장치.
  6. 수직 입사각을 가지고 상기 시료 표면에 입사되는 m x n 다중광속을 발생시키기 위한 m x n 광원 어레이(여기서, m과 n은 각각 1 이상 100 이하);
    상기 시료 표면에서 수직 반사각으로 반사되어 나오는 상기 m x n 다중광속을 상기 입사되는 상기 m x n 다중광속으로부터 분리하기 위해 빔 분배기(beam splitter); 및
    상기 시료 표면에서 반사되어 나온 상기 m x n 다중광속의 m x n 스팟 어레이 사이의 간격 변화를 측정하는 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡률 측정 장치.
  7. 제3항, 제4항 및 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 검출기는 CCD 및 CMOS 이미지 센서(CMOS image sensor : CIS) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 곡률 측정 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. m x n 광원 어레이로부터 발생시킨 m x n 다중광속을 시료 표면에 대해 입사시키는 단계(여기서, m과 n은 각각 1 이상 100 이하);
    상기 시료 표면에서 반사되어 나온 상기 m x n 다중광속의 스팟 어레이 사이의 간격 변화를 측정하는 단계; 및
    상기 간격 변화를 이용하여 상기 시료의 곡률을 구하는 단계를 포함하고,
    빔 분배기를 이용하여 상기 m x n 다중광속을 상기 시료 표면에 대해 수직 입사각으로 입사시키고, 상기 빔 분배기를 이용하여 수직 반사각으로 반사되는 상기 m x n 다중광속만 나오게 하며, 상기 빔 분배기를 이용하여 상기 반사되어 나온 상기 m x n 다중광속을 입사하는 상기 m x n 다중광속으로부터 분리하는 것을 특징으로 하는 곡률 측정 방법.
  11. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 m x n 광원 어레이는 일정한 피치 간격을 가진 m x n 수직 표면 방출 레이저(vertical surface emitting laser : VCSEL) 어레이 및 m x n 레이저 다이오드(laser diode : LD) 어레이 중의 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 곡률 측정 장치.
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