KR100505019B1 - Method measurement of strain late for micro structure - Google Patents
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Abstract
본 발명은 패턴인식을 이용하여 기계적 또는 열적 하중으로 인한 재료의 변형률을 측정하는 방법에 관한 것으로서, 하나의 대물렌즈에 의해 측정대상물상의 두 지점에 대한 상을 얻고, 얻어진 상을 빔스플릿터에서 분리하고, 각각의 분리된 상을 줌렌즈를 통과시켜 카메라로 촬영하여 영상을 획득하고, 획득된 영상에서 패턴을 인식하며, 인식된 패턴을 추적하여 각 위치에서의 변위를 계산하는 것에 의해 변형률을 측정하는 방법을 제공하여 시편을 비접촉식으로 측정할 수 있게되고, 줌렌즈를 배치하여 해상도를 향상시킬 수 있고, 측정대상물의 전처리공정이 필요치 않게 되는 것은 물론 그로 인해 처리속도를 빠르게 할 수 있고 나아가서 실시간 변형률 측정이 가능한 효과를 갖는 것이다.The present invention relates to a method for measuring the strain of a material due to mechanical or thermal loads using pattern recognition, wherein an image is obtained at two points on an object to be measured by one objective lens, and the obtained image is separated from a beam splitter. Each of the separated images is taken by a camera through a zoom lens to obtain an image, a pattern is recognized from the acquired image, and the strain is measured by calculating the displacement at each position by tracking the recognized pattern. By providing a method, it is possible to measure the specimen in a non-contact manner, to improve the resolution by arranging the zoom lens, to eliminate the need for the pretreatment process of the measurement object, thereby to increase the processing speed, and furthermore to measure the strain in real time. It has a possible effect.
Description
본 발명은 미소구조물의 변형률 측정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 패턴인식을 이용하여 기계적 또는 열적 하중으로 인한 재료의 변형량을 측정하여 미세한 구조물의 변형률을 측정하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring strain of a microstructure, and more particularly, to a method for measuring strain of a fine structure by measuring a deformation amount of a material due to mechanical or thermal load using pattern recognition.
일반적으로, 미소구조물 예를들면 초소형 정밀기계기술(micro electro-mechanical system, MEMS) 또는 반도체 공정의 결과물 등에 있어서는 기계적 하중에 대한 변형률 및 열에 의한 변형 즉, 열 팽창계수 등을 측정할 필요가 있다.In general, in microstructures such as micro electro-mechanical systems (MEMS) or semiconductor processing products, it is necessary to measure the strain against mechanical load and the thermal strain, that is, the coefficient of thermal expansion.
그러나 통상적인 변형률측정수단 즉, 변형율게이지나 익스텐소미터(extensometer)등은 직접 부착하거나 또는 접촉한 상태에서 측정을 실시함으로써 수 밀리미터에서 수 마이크로 미터에 이르는 미소 구조물의 측정에는 적용하기 어려운 실정이었다. 또한 비교적 작은 재료의 변형량을 측정하기 위한 모아레 간섭기 등이 있으나 이는 격자를 시편에 부착하여야 하는 번거로움을 갖고 있으므로 이 또한 박막형태로 제조되는 미소구조물의 변형률측정에는 어려움이 있었다. However, conventional strain measuring means, such as strain gauges or extensometers, have been difficult to apply to the measurement of microstructures ranging from several millimeters to several micrometers by measuring directly or in contact with each other. . In addition, there is a moiré interferometer for measuring the amount of deformation of a relatively small material, but this has the difficulty of attaching the grating to the specimen, which also has a difficulty in measuring the strain of the microstructure manufactured in the form of a thin film.
한편, 대한민국특허공개 1988-0000788호에는 "측정하고자 하는 시편의 회절각의 변화가 광량의 변화가 되게 하고 이것이 변형률의 척도로 하기 위하여 시편의 표면에 회절격자를 입히고 특정 지점에 레이저 광선을 조사하여 회절된 레이저 광선을 홀수개의 거울과 렌즈, 빔스플릿터로 이루어진 광경도를 거치게 하여 3개의 광전소자로 구성된 2쌍의 화면에 의해 간섭무늬 개수를 카운팅하고 해석된 식에 의해 변형률성분을 측정하는 구조물의 평면 변형률 측정방법"이 개시되어 있다. 그러나 이는 시편에 격자를 붙이지 않고 시험할 수는 있으나 처리속도가 느려 실제 재료의 물성실험에 응용할 수 없는 문제를 갖고 있었다. On the other hand, the Republic of Korea Patent Publication No. 1988-0000788, "In order to make the change of the diffraction angle of the specimen to be measured to change the amount of light and to measure the strain, by applying a diffraction grating on the surface of the specimen and irradiating a laser beam to a specific point A structure that counts the number of interference fringes by two pairs of screens consisting of three photoelectric elements by passing the diffracted laser beam through an optical mirror composed of an odd number of mirrors, lenses, and beam splitters, and measures the strain component by an interpreted equation. Is a planar strain measurement method. However, this test can be performed without lattice on the specimen, but it has a problem that it cannot be applied to the physical property test of the material due to the slow processing speed.
나아가 최근에는 CCD카메라 또는 디지털 카메라를 이용한 이미지 처리기법을 통해 변형률을 특정하는 방법이 개발되고 있으나, 변형률 측정시 해상도가 떨어지는 것은 물론 처리속도가 느리다는 단점을 갖고 있었다.Furthermore, recently, a method of specifying strain through image processing techniques using a CCD camera or a digital camera has been developed. However, the strain has a disadvantage in that resolution is low and processing speed is slow.
이에 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 그 목적은 시편을 비접촉식으로 측정가능케 함과 동시에 해상도를 향상시킬 수 있는 미소구조물의 변형률 측정방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object thereof is to provide a method for measuring strain of a microstructure that can improve the resolution while making the specimen non-contactable.
본 발명의 다른 목적은 측정물의 전처리공정을 필요로 하지 않으면서도 처리속도를 바르게 하여 실시간 변형률 측정이 가능하게 하는 미소구조물의 변형률 측정방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a strain measurement method for microstructures that enables real-time strain measurement by correcting the processing speed without requiring a pretreatment step of the workpiece.
이러한 본 발명의 목적은 하나의 대물렌즈에 의해 측정대상물상의 두 지점에 대한 상을 얻고, 얻어진 상을 빔스플릿터에서 분리하고, 각각의 분리된 상을 줌렌즈를 통과시켜 카메라로 촬영하여 영상을 획득하고, 획득된 영상에서 패턴을 인식하며, 인식된 패턴을 추적하여 각 위치에서의 변위를 계산하는 것에 의해 변형률을 측정할 수 있는 측정방법에 의해 달성될 수 있다. The object of the present invention is to obtain an image of two points on the object to be measured by one objective lens, and to separate the obtained image in the beam splitter, and to take each separated image through a zoom lens to capture an image And by recognizing the pattern in the acquired image, and by tracking the recognized pattern to calculate the displacement at each position can be achieved by a measuring method capable of measuring the strain.
상기 빔스플릿터에 의해 분리된 상을 줌렌즈로 반사하는 거울을 설치된다. 이 거울은 이송 및 회전이 가능하도록 구성하여 상사이의 거리조절을 가능케 함이 바람직하다.A mirror is installed to reflect the image separated by the beam splitter to the zoom lens. The mirror is preferably configured to be transported and rotated to enable distance adjustment between the phases.
본 발명은 또한, 두 지점의 영상을 서로 독립된 수단에 의해 상을 얻고 이로부터 패턴을 인식하는 것에 의해서도 달성 가능하다.The invention is also achievable by obtaining images of two points by means independent of each other and recognizing a pattern therefrom.
즉, 두개의 대물렌즈에 의해 측정대상물상의 두 지점에 대한 상을 얻고, 얻어진 상을 각각의 줌렌즈를 통과시켜 카메라로 촬영하여 영상을 획득하고, 획득된 영상에서 패턴을 인식하며, 인식된 패턴을 추적하여 각 위치에서의 변위를 계산하는 것에 의해 변형률 측정이 가능하다.That is, two objective lenses are used to obtain images of two points on the measurement object, and the obtained images are passed through the respective zoom lenses and photographed by a camera to obtain an image, a pattern is recognized in the acquired image, and a recognized pattern is obtained. Strain measurements are possible by tracking and calculating displacement at each position.
이하 본 발명에 따른 미소구조물의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the microstructure according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
첨부된 도1은 본 발명에 따른 미소구조물의 변형률 측정방법의 바람직한 실시예를 나타내고 있다.1 shows a preferred embodiment of the strain measurement method of the microstructure according to the present invention.
이에 따르면, 본 발명은 측정대상물(2)상의 영역의 상을 확대하는 대물렌즈(4)가 마련된다. 대물렌즈(4)를 통해 얻어진 상을 각각 다른 경로를 통해 분리하는 빔스플릿터(6)가 설치되어 있다. 빔스플릿터(6)에서 광선이 분리됨에 따라 상은 두 개의 경로를 따라 진행하게된다. (이하, 빔스플릿터를 그대로 통과한 광선의 경로는 제1경로라 하고, 스플릿터에 의해 분리된 광선의 경로를 제2경로라 약칭한다). 그리고 제 2경로에는 분리되어지는 광선을 반사하여 광선의 진행방향을 초기의 방향 즉, 제1경로와 같은 방향으로 방향 전환하는 거울(8)이 설치된다. 즉, 거울은 두 개의 경로가 이격된 상태에서 진행방향을 일치시키게 된다. 이때 거울(8)은 이송 및 회전이 가능하도록 구성된다. 한편, 상기 제1경로와 제2경로 상에는 각각의 분리된 상의 배율을 조정하는 줌렌즈(10a,10b)가 설치된다. 줌렌즈(10a,10b)를 통과한 상을 촬영하여 영상을 획득하는 카메라(12a,12b)가 배치된다. 이 카메라는 CCD카메라를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명은 카메라(12a,12b)에 의해 획득된 영상으로부터 패턴을 인식하고, 인식된 패턴을 추적하여 각 위치에서의 변위를 계산하는 변위량계산장치(도시되지 않음)를 포함한다. According to this, in the present invention, the objective lens 4 for enlarging the image of the region on the measurement object 2 is provided. A beam splitter 6 is provided for separating the images obtained through the objective lens 4 through different paths. As the beam splits in the beam splitter 6, the image travels along two paths. (Hereinafter, the path of the light beam passing through the beam splitter as it is called the first path, and the path of the light beam separated by the splitter is abbreviated as the second path). The second path is provided with a mirror 8 that reflects the light beams to be separated and redirects the traveling direction of the light beams in the initial direction, that is, in the same direction as the first path. In other words, the mirror coincides with the direction of travel with the two paths spaced apart. At this time, the mirror 8 is configured to be transported and rotated. On the other hand, zoom lenses 10a and 10b are provided on the first path and the second path to adjust the magnification of each separated image. Cameras 12a and 12b are disposed to capture an image passing through the zoom lenses 10a and 10b to acquire an image. It is preferable that this camera uses a CCD camera. The present invention also includes a displacement amount calculator (not shown) for recognizing a pattern from an image acquired by the cameras 12a, 12b, and tracking the recognized pattern to calculate the displacement at each position.
본 발명에 따르면, 열변형을 측정하기 위해서는 측정대상물(2)을 핫플레이트(hot plate)등의 가열수단에 올려놓은 상태에서 측정을 실시하게 된다. According to the present invention, in order to measure the thermal deformation, the measurement is carried out in a state where the measurement object 2 is placed on a heating means such as a hot plate.
도2에는 본 발명을 적용하여 전자패키징 소더 조인트의 변형을 측정한 적용례가 도시되어 있다. 변형률 측정과정은 먼저 카메라의 픽셀 당 변위정보를 알기위해 100마이크로 미터 간격으로 표시된 기준 격자를 대상으로 경계추출 알고리즘을 사용하여 보정을 수행하였다. 두 카메라의 거리를 조절나사를 통해 원하는 양만큼 이송시킨 후, 대물렌즈를 측정대상물에 고정시킨다. 이렇게 얻어진 화상으로부터 눈에 띄는 추적가능한 패턴 형상을 획득하고(region of interest. ROI), 이 패턴 형상이 변형하는 시편 이미지에서 이송되는 양을 추적하였다. 이 실험에서 이미지획득, 패턴추적에 소요된 시간은 대략 80㎳이었다. 즉, 초당 10회의 데이터를 안정적으로 얻을 수 있었다.2 shows an application example in which the deformation of the electronic packaging sorter joint is measured by applying the present invention. Strain measurement was first performed using a boundary extraction algorithm on a reference grid marked at 100 micrometer intervals to determine the displacement per pixel of the camera. After moving the distance of the two cameras through the adjusting screw as desired, fix the objective lens to the measurement object. A noticeable traceable pattern shape was obtained from the image thus obtained (region of interest. ROI) and the amount transferred in the specimen image that the pattern shape deformed was traced. In this experiment, the time required for image acquisition and pattern tracking was approximately 80㎳. That is, 10 times of data per second could be obtained stably.
더불어 도3에 도시하고 있는 바와 같이 시편에 하중을 가하면서 보정된 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)신호와 비교하였을 때의 그래프를 보면 본 발명의 따른 패턴인식을 통한 측정방법이 정확한 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. In addition, as shown in FIG. 3, when the graph is compared with a linear variable differential transformer (LVDT) signal corrected while applying a load to the specimen, it is confirmed that the measurement method using pattern recognition according to the present invention has an accurate value. Could.
한편, 도4에는 독립된 두 개의 영상확대장치를 통해 변형률측정을 가능케 하는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다.Meanwhile, FIG. 4 shows another embodiment of the present invention that enables strain measurement through two independent image magnification devices.
이에 따르면, 측정대상물(2)에서 서로 이격된 두 지점의 영상을 획득할 수 있도록 독립된 두개의 대물렌즈(20a,20b)를 포함하고 있다. 대물렌즈에서 얻어진 상은 각각 줌렌즈(22a,22b)를 통해 배율이 조정되어 카메라(24a,24b)에서 영상을 획득하고, 획득된 영상에서 패턴을 인식하며, 인식된 패턴을 추적하여 각 위치에서의 변위를 계산하게 된다.Accordingly, two independent objective lenses 20a and 20b are included to acquire images of two points spaced apart from each other in the measurement object 2. The image obtained from the objective lens is scaled through the zoom lens 22a and 22b, respectively, to acquire an image from the camera 24a and 24b, to recognize a pattern in the acquired image, and to track the recognized pattern to displace at each position. Will be calculated.
도5에는 도4의 실시예의 다른 실시형태로서, 측정대상물(2)의 양면에 대한 화상을 취하고, 그를 패턴인식하여 변형률을 측정하는 방법이 도시되어 있다. FIG. 5 shows a method of measuring strain by taking images of both surfaces of the measurement object 2 and pattern recognition thereof as another embodiment of the embodiment of FIG.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 미소구조물의 변형률 측정방법은 측정물상의 두 지점의 상을 확대하여 패턴인식하여 이를 추적하는 것에 의해 변형률 측정이 가능하게 되므로 시편을 비접촉식으로 측정할 수 있게되고, 줌렌즈를 배치하여 해상도를 향상시킬 수 있다. In the strain measurement method of the microstructure according to the present invention as described above, it is possible to measure the specimen in a non-contact manner by measuring the strain by enlarging the image of two points on the measurement object and tracking the pattern. The zoom lens can be arranged to improve the resolution.
또한, 본 발명은 패턴인식을 이용하고 있어 측정대상물의 전처리공정이 필요치 않게 되는 것은 물론 그로 인해 처리속도를 빠르게 할 수 있고 나아가서 실시간 변형률 측정이 가능한 효과를 갖는 것이다. In addition, the present invention uses the pattern recognition, which eliminates the need for the pretreatment of the measurement object, and therefore, speeds up the processing speed and further has the effect of real-time strain measurement.
도1은 본 발명에 따른 미소구조물의 변형률 측정방법의 바람직한 실시예를 보인 개략도1 is a schematic view showing a preferred embodiment of the strain measurement method of the microstructure according to the present invention
도2는 본 발명을 적용하여 전자패키징 소더 조인트의 변형을 측정한 적용례를 나타내는 도면2 is a view showing an application example in which the deformation of the electronic packaging sorter joint is measured by applying the present invention.
도3은 시편에 하중을 가하면서 보정된 LVDT 신호와 비교한 상태의 그래프Figure 3 is a graph of the state compared to the corrected LVDT signal while loading the specimen
도4는 본 발명에 따른 미소구조물의 변형률 측정방법의 다른 실시예를 보인 개략도Figure 4 is a schematic view showing another embodiment of the strain measurement method of the microstructure according to the present invention
도5는 도4의 본 발명에 따른 미소구조물의 변형률 측정방법의 다른 적용례를 보인 개략도5 is a schematic view showing another application example of the strain measurement method of the microstructure according to the present invention of FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 ** Explanation of Signs of Major Parts of Drawings *
2: 측정대상물4: 대물렌즈2: measuring object 4: objective lens
6: 빔스플릿터8: 거울6: beam splitter 8: mirror
10a,10b: 줌렌즈12a,12b: 카메라10a, 10b: zoom lens 12a, 12b: camera
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