인라인(In-line) 막두께 측정을 실현하는 광간섭식(光干涉式) 막후계(膜厚計)

머리말

반도체 디바이스, 터치 패널, FPD, 태양전지 등이라고 하는 다양한 분야의 제조 공정에서 코스트 삭감·품질 향상을 실현시키기 위해서 박막 계측·관리는 중요한 팩터이다. 최근에는, 터치 패널 등에 사용하는 투명 전도성 필름을 비롯하여 각 막 두께의 다층화가 진행되고 있다. 동시에 기재의 양면에 성막(成膜)되는 것도 증가해서 일률적으로는 박막 관리라고 말하지만 복잡하고도 어려운 것이 되고 있다. 또한 막 구조가 복잡해지는 한편으로 성막(成膜)의 고속화도 진행하여, 더욱 고속으로 박막을 계측하는 것이 요청되고 있다. 기존의 기술로는 다층막에 대응하고 있지만, 고속 계측·양면 해석·시퀀서와의 접속 면에서 과제를 가지고 있다. 이러한 과제를 해결하는 것에 의해서 고도의 생산 관리에 공헌할 수 있다고 생각하고 있다.

광간섭식 막후계 「Optical NanoGage C13027-01」(이하, 본 장치)는 앞서 말한 분야에서 사용되는 수십nm에서 수십 μm가 되는 여러 종류의 박막을 비접촉으로 고속이면서도 고정밀도로 측정하는 것을 가능하게 만들고, 또한 기재의 양면에 성막(成膜)된 박막을 동시에 해석하는 것을 실현하였다. 게다가 시퀀서 접속 대응이나 소형화에 의해서 제조 장치의 인라인 모니터로서 사용할 수 있게 설계되어 있다.

1. 광간섭법 (분광 간섭법)의 원리

본 장치에 채용하고 있는 광간섭법(분광 간섭법)에 관해서 설명한다. <그림 1>에서 보는 것처럼 박막 샘플에 백색광을 입사하면, 막 내부에서 다중 반사가 일어난다. 이 다중 반사광은, 상호 위상차에 따라 강화되기도 하고 약하게 되기도 한다. 여기서, 각 다중 반사광의 위상차는 빛의 파장과 광로 길이(=박막 내에서 빛이 왕복하는 거리×막의 굴절률)에 따라 결정된다. 이것 때문에 샘플로부터의 반사 또는 투과 스펙트럼은 막 두께에 의존하는 특유의 스펙트럼을 보이게 된다. 분광 간섭법은 이 스펙트럼을 해석하는 것에 의해서 막 두께를 측정하는 방법이다. 분광 간섭식 막 두께 측정 장치에는 커브 피팅법과 FFT(고속 푸리에 변환)를 애플리케이션에 의해서 구별지어서 해석한다. <그림 2>에 대표적인 해석예를 게시한다. 막 두께가 얇은 경우에는 상단에서 말한 피팅법을 사용한다. 이것은 측정된 반사율 데이터와 이론값의 반사율 차가 가장 작아지는 막후값을 구하는 방법이다. 이것에 대하여 막 두께가 두꺼운 경우에는 간섭 신호의 산곡(山谷) 수가 많이 있기 때문에 FFT 수법에 의한 주파수 해석으로써 막후값을 구한다. FFT 법은 피팅법에 비교하면 정밀도는 약간 떨어지지만, 고속 해석이 가능하다는 특징이 있다.

2. 양면 해석에 관해서

박막 샘플에는 막으로서 취급할 수 없는 두꺼운 기재의 이면에도 코팅막을 실시하는 경우가 있다. 예를 들어, <그림 3>에 나타내는 구조를 가진 샘플이 존재하였다고 하자. 이 양면 코팅된 샘플로부터 얻을 수 있는 간섭 신호(반사율 데이터)에 대하여 표면 막만을 고려한 통상의 해석을 한 경우, <그림 4>와 같은 결과가 나온다. 이 결과는 이면막으로부터의 반사광 영향을 고려하지 않기 때문에 정확한 이론 반사율을 계산할 수 없다. 그 때문에 실측 반사율 커브와 이론 반사율 커브가 일치하지 않아서 정확한 막후값을 구할 수 없는 것이다.

이것에 비교하여 이번에 개발한 양면 해석 알고리즘을 적용하면, 이면막으로부터의 반사광도 포함해서 이론 반사율을 계산하기 때문에 <그림 5>와 같이 실측 반사율 커브와 이론 반사율 커브가 일치하고, 결과적으로 정확한 막후값을 산출할 수 있게 된다. 또한, 이 기능을 설치하면 피팅에 의한 최적해의 탐색 알고리즘을 재검토하는 것에 의해서 계산 모델이 복잡해졌음에도 불구하고 기존보다도 해석 시간 단축하는 것까지 실현하였다.

3. 장치의 개요와 특징

본 장치의 외관을 <사진 1>에 나타낸다. 장치의 기본 구성은 C13027-01 본체, 파이버 프로브이다. 본 장치는 제조 장치나 검사 장치에 조립되는 것을 전제로 설계되어 있고, 내부에 광원 모듈, 분광 센서 유닛 및 데이터 해석용 보드 PC를 포함하여 통상은 TCP/IP를 경유해서 리모트 제어로 데이터 취득을 한다. [표 1]에 본 장치의 주요 사양을 나타낸다.

또, 옵션의 데이터 해석 유닛 및 샘플 스테이지를 이용하면 오프라인 계측에도 대응할 수 있다. 데이터 해석 유닛은 액정 모니터·키보드·마우스로 구성되는데 본 장치의 입출력 환경을 보충하는 것이다. 또한, 샘플 스테이지는 샘플과 파이버 프로브의 거리를 조정하는 상하 기구를 가지고 있어서 계측을 쉽게 한다.

본 장치의 최대 특징인 양면 해석에 관해서는 전항에서 이미 설명하였기 때문에 여기서는 그 이외의 특징에 관해서 간단히 설명한다.

•장치 조립이 용이

당사제 기존 제품에는 없었던 아날로그 출력을 준비하고 시퀀서 접속 대응으로 하였다. 기존 제품은 소프트웨어에 의한 디지털 통신뿐이었기 때문에 검사 장치를 변경할 때 접속하는 기기에 따라 프로그램 수정 등의 대응을 했었지만, 이번 대응으로 인해서 그것이 필요없게 되었다. 또한, 인라인에서 검사 장치의 크기는 결정되어 있고, 막후계를 설치하는 장소는 한정되어 있지만 축적해 온 분광기 설계의 기술에 의해서 한층 더 소형화를 꾀하여, 당사의 기존 제품에 비교하여 설치 면적을 약 30% 삭감하였다. 이것에 의해서 인라인 제조 장치나 검사 장치에 대한 조립이 용이해졌다.

•고속 측정 (최고속 200Hz)

계측에 사용하는 센서로서 당사의 고감도 센서를 사용하는 것에 의해서 최고속 3ms 에서의 계측을 실현하였다. 또한 획득한 데이터는 독자적인 알고리즘을 사용하여 1 데이터당 약 5ms(200Hz)로 해석하는 것을 가능하게 하였다.

•외부 트리거를 충실 (고속 측정에 대응)

필름 상의 박막 계측 등을 하는 경우, 품질 데이터에는 필름 길이(엔코더 출력)와 계측의 동기는 필수적이다. 그래서 본 장치는 외부 트리거 계측 기능을 충실시켜서 이러한 용도에도 대응할 수 있게 만들었다.

•막 두께와 색상의 동시 계측 가능

본 장치는 막 두께 계측을 하기 위해서 가시역을 포함한 파장역으로 반사율 측정을 하는데 이 결과를 이용하여 계측 대상의 색상 해석을 막 두께 계측과 동시에 하는 것을 실현하였다. 이것에 의해서 본 장치에는 별도로 색상 계측 라인을 준비하지 않고 필름이나 FPD의 색상 편차 유무나 그 정도를 검사하는 것이 가능해졌다.

•광파장 대응 (400∼1,100nm)

박막에는 착색되어 있는 것이나 감광의 관계로 단파장 영역에서의 계측을 할 수 없는 경우가 존재한다. 본 장치의 대응 파장역은 400∼1,100nm으로 광범위하기 때문에 여러 파장역에서의 계측·해석을 가능하게 하였다.

•간이 설정

광간섭법의 결점으로는, 해석을 위해서는 몇종류나 되는 파라미터를 입력해야 한다. 이 입력에는 스킬이 요구되는데, 이것을 저감하기 위해서 파라미터 설정도 대화 방식을 채용하는 것으로서 막 두께 계측에 익숙하지 않은 작업자도 계측을 할 수 있게 되었다.

•높이 변동에 강하다

박막을 계측하기 위해서는 계측 대상부의 상부에 계측 파이버의 선단을 설치해서 한다. 표준 워킹 디스턴스는 10mm이지만, 본 장치의 특징으로서 설치가 용이하다는 점이 있다. <그림 6>에서 보는 것처럼 디포커스에 관해서는 표준점보다 ±3mm 변동하더라도 계측 결과의 변동은 0.1nm 이하이고, 센서 각도에 관해서는 5°변동해도 0.4nm 이하로 대단히 안정적이다. 이것은 필름 제조 공정에서 롤간에 계측 대상의 필름이 상하로 움직여도 안정적인 결과가 만들어진다는 것을 의미한다.

•광학 정수 해석

광간섭식 막후계에서는 막 두께를 해석할 때 대상막의 광학 정수(굴절률, 흡수계수)가 필요하다. 특히 1μm 이하의 박막을 고정밀도로 측정하기 위해서는 파장별 분산을 고려한 상세한 광학정수 데이터가 필요하다. 본 장치에는 대표적인 광학 정수가 인스톨되어 있고 통상은 그것들을 이용해서 계측을 하지만, 고분자 재료나 유기막 등은 제조법에 따라 광학 정수가 달라서 그것들의 데이터는 안타깝게도 준비되어 있지 않다. 본 장치는 두께를 이미 알고 있는 샘플로부터 그 광학 정수를 해석하는 기능이 있는데, 이 기능을 이용해서 여러 종류의 막에 관해서 해석이 가능해졌다.

•외부 기기로부터 제어

본 장치는 기기 조립을 전제로 설계되어 있고, 메인 제어계에서는 통신 코맨드를 사용해서 제어할 수 있게 되어 있다. 통신 I/F는 RS-232C와 TCP/IP의 두 종류로부터 선택할 수 있다.

맺음말

앞으로, 반도체 디바이스, 터치 패널, FPD, 태양 전지 등이라고 하는 여러 분야에서 박막 관리에 의한 품질 관리, 제조 코스트 삭감이 점점 더 중요해질 것이라고 생각된다. 그와 같은 속에서 막 두께 계측에 대해서는 더욱 복잡한 층 구조를 가진 샘플에 대한 대응 및 고정밀도 또한 고속 측정이 필수적이 된다고 생각된다. 그와 같은 요망에 부응하기 위해서 광간섭 막후계 「Optoical Nano Gauge 시리즈」의 기능과 성능을 앞으로도 더욱 향상시켜 갈 생각이다.

일본 “PLASTICS AGE” 2015년 9월호 전재