KR100785802B1

KR100785802B1 - 입체 형상 측정장치

Info

Publication number: KR100785802B1
Application number: KR1020070052290A
Authority: KR
Inventors: 이상윤; 강민구; 임쌍근
Original assignee: (주) 인텍플러스
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2007-12-13
Also published as: EP2153167A4; US20100171963A1; TW200907294A; EP2153167A1; WO2008147098A1; JP2010528314A

Abstract

본 발명은 최고점과 최저점 단차를 가지는 측정 대상물에 대한 최저점 반사거리와 동일한 기준면 반사거리 및 최저점 반사거리와 동일한 기준면 반사거리를 생성하는 반사거리 조절수단을 구비하여, 최저점과 최고점에 대한 간섭무늬를 동시에 획득할 수 있도록 하는 입체 형상 측정장치에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 입체 형상 측정장치는 광원과, 상기 광원으로부터의 조명광을 분할시키는 빔분할기와, 상기 빔분할기로부터의 조명광이 조사되며 최고점과 최저점 단차를 가지는 측정 대상물과, 상기 빔분할기로부터의 조명광이 조사되는 기준면과, 상기 측정 대상 표면과 상기 기준면으로부터 반사되어 합쳐진 간섭무늬를 촬영하는 촬영장치, 및 상기 촬영장치를 통해 촬영된 영상을 처리하는 제어 컴퓨터를 포함하는 입체 형상 측정장치에 관한 것으로서, 상기 기준면은 상기 측정 대상물의 최고점의 반사거리 및 상기 측정 대상물의 최저점 반사거리와 각각 동일한 반사거리를 제공하는 반사거리 조절수단을 더 구비하는 것이다.

입체 형상, 최고점, 최저점, 단차, 간섭무늬, 반사거리

Description

입체 형상 측정장치{APPARATUS FOR MEASURMENT OF THREE-DIMENSIONAL SHAPE}

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 입체 형상 측정장치 구성도.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 입체 형상 측정장치 구성도.

도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 입체 형상 측정장치 구성도.

도 4는 일반적인 간섭계의 측정 원리를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 광원

11 : 투영렌즈

2 : 빔분할기

3 : 측정 대상물

4 : 기준면

5 : 촬영장치

51 : 이미징렌즈

6 : 반사거리 조절수단

61 : 보조 빔분할기

62 : 미소 구동기

7 : 제어 컴퓨터

본 발명은 입체 형상 측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 최고점과 최저점 단차를 가지는 측정 대상물에 대한 최저점 반사거리와 동일한 기준면 반사거리 및 최저점 반사거리와 동일한 기준면 반사거리를 생성하는 반사거리 조절수단을 구비하여, 최저점과 최고점에 대한 간섭무늬를 동시에 획득할 수 있도록 하는 입체 형상 측정장치에 관한 것이다.

정밀 부품의 미세한 표면 형상을 측정하는 방법으로는 촉침식(Stylus type) 측정법, 주사식 전자 현미경(Scanning Electron Microscope) 측정법, 주사식 촉침 현미경(Scanning Probe Microscope) 측정법, 광위상 천이 간섭계(Phase Shifting Interferometry) 측정법, 백색광 주사 간섭계(White-Light Scanning Interferometry) 측정법, 동초점 주사 현미경(Confocal Scanning Microscope) 측정법 등이 있다.

이러한 측정법들은 주로 2차원 평면상의 기하학적 형상, 예를 들어 원이나 선, 각도, 선폭 등을 측정하거나 패턴의 결함, 이물질, 비대칭성 등을 검사하며, 주로 광학 현미경, 조명, 그리고 CCD 카메라로 대표되는 촬상소자로 구성된 프로브 시스템과 영상처리기술에 그 바탕을 두고 있다.

이들 측정법 중에서 백색광 주사 간섭계 측정법 및 광위상 천이 간섭계 측정 법은 반도체 패턴 측정에서부터 연질재료의 표면 거칠기 측정, BGA(Ball Grid Array) 볼 측정, 레이저 마킹 패턴 측정, Via Hole 측정 등 미세형상에 대한 3차원 측정 전반에 폭넓게 적용되는 비접촉식 측정법으로서 각광을 받고 있다.

이들 두 가지 측정법은 서로 다른 측정 원리에 기초한 것이지만 다중파장과 단색파장을 이용한다는 점을 제외하고는 동일한 광학 및 측정 시스템에서 구현할 수 있으므로 상용화된 측정 시스템에서는 이 두 가지 측정법을 함께 이용할 수 있다.

이들 측정법은 임의의 기준점에서 동시에 출발한 광이 각기 다른 광경로(Optical Path)를 이동한 후 합쳐질 때 두 개의 광이 지난 거리차(Optical Path Difference)에 따라 빛이 밝고 어두운 형태로 표현되는 광 간섭 신호를 이용한다.

도 4는 일반적인 간섭계의 측정 원리를 나타낸 도면으로서, 광원으로부터의 조명광이 빔분할기를 통해 분할되어 각각 기준면 즉 기준미러와 측정면에 조사되고, 기준면과 측정면에서 반사된 후 빔분할기를 통해 합쳐진다.

이렇게 합쳐진 간섭무늬를 CCD 카메라와 같은 광 검출 소자를 통해 검출하여 간섭 무늬의 위상 계산 하거나, 또는 간섭 무늬의 포락선(envelope)으로 부터 가간섭성이 최대인 점을 추출해서 높이 측정을 한다.

이때, 간섭무늬는 빔분할기로부터 측정면과의 거리 및 빔분할기로부터 기준면과의 거리가 일치하는 지점에서 나타난다.

이에 따라, 단차를 가지는 측정 대상에 대해서는 높이 정보에 따라 간섭무늬 획득 구간을 일정하게 분할한 후, 분할된 구간별로 기준면이나 측정 대상을 미소 이동시키면서 간섭무늬를 획득해한 후 획득된 다수의 간섭무늬를 합성하여 표면 형상을 측정해야 한다.

한편, BGA(Ball Gride Array)와 같이 단차를 가지는 입체 형상이지만 최저점과 최대점에 대한 간섭무늬만 획득해도 표면 형상 유추나 불량 여부를 판단할 수 있는 경우도 있다.

그런데, 이 경우에도 한번 획득되는 영상으로는 전체 입체 형상에 대하여 측정할 수 없기 때문에, 최고점에 해당하는 간섭무늬와 최저점에 해당하는 간섭무늬를 획득한 후 합성을 통해 단일 간섭무늬를 획득하거나, 최고점으로 부터 최저점까지 전체 구간에 대하여 간섭무늬를 획득 해야 한다.

즉, 빔분할기와 측정물의 최저점 사이의 거리 및 빔분할기와 기준면과의 거리를 일치시켜 하나의 간섭무늬를 획득하고, 빔분할기와 측정물의 최고점 사이의 거리 및 빔분할기와 기준면과의 거리를 일치시켜 다른 하나의 간섭무늬를 획득 하거나, 백색광 주사 간섭계의 경우, 빔분할기와 측정물의 최저점 사이의 거리 및 빔분할기와 기준면과의 거리가 일치 되는 구간에서 부터 빔분할기와 측정물의 최고점 사이의 거리 및 빔분할기와 기준면과의 거리를 일치 되는 구간 까지 전체 거리에 대하여 간섭무늬를 획득해야 한다.

이와 같이, 종래의 기술에 따르면, BGA와 같이 최저점과 최고점에 대한 간섭무늬가 필요한 측정물에 대한 간섭무늬를 획득하기 위해서는 최저점과 최고점에 대한 각각의 영상을 획득하여 합성을 하거나 최저점과 최대점을 포함하는 전체 구간에 대하여 영상을 획득해야 하는 단점이 있다.

한편, 최고점과 최저점의 반사율이 다른 경우 예를 들어 BGA와 같이 최고점은 금속면으로 이루어져 반사율이 높고, 최저점은 PCB 이루어져 반사율이 낮은 경우 기준면의 반사율을 최고점 또는 최저점 어느 한 부분에 맞추게 되면 반사율이 맞춰지지 않은 다른 부분의 측정이 잘 되지 않는 단점이 있다.

상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 측정 대상물 표면과 기준면에서 반사되는 빛을 합하여 간섭무늬를 획득하는 장치에 있어서, 기준면에 측정 대상물의 최고점과 최저점 단차와 동일한 두께를 갖는 반사거리 조절수단을 더 구비하여, 측정 대상물에 대한 최고점 표면 간섭무늬 및 최저점 표면 간섭무늬를 동시에 획득할 수 있도록 하는 입체 형상 측정장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 기준면의 전방에 미소 구동을 통해 반사거리 조절을 할 수 있는 보조 빔분할기 또는 두께가 서로 다르며 선택적으로 기준면 전방에 배치되는 다수의 빔분할기를 구비하여, 높이가 서로 다른 측정 대상물을 단일 장비로 검사할 수 있는 입체 형상 측정장치를 제공하기 위한 것이다.

또, 본 발명은 검사 대상물의 최고점 반사 거리와 최저점 반사거리에 대응되게 두 반사면을 가지는 기준면으로 구성하고, 두 반사면 각각의 반사율을 측정 대상물의 최고점과 최저점의 반사율에 맞춤으로써, 측정물의 최고점과 최저점의 반사 율이 다르더라도 두 영역에 대한 정확한 측정을 할 수 있는 입체 형상 측정장치를 제공하기 위한 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 입체 형상 측정장치는 광원과, 상기 광원으로부터의 조명광을 분할시키는 빔분할기와, 상기 빔분할기로부터의 조명광이 조사되며 최고점과 최저점 단차를 가지는 측정 대상물과, 상기 빔분할기로부터의 조명광이 조사되는 기준면과, 상기 측정 대상 표면과 상기 기준면으로부터 반사되어 합쳐진 간섭무늬를 촬영하는 촬영장치, 및 상기 촬영장치를 통해 촬영된 영상을 처리하는 제어 컴퓨터를 포함하는 입체 형상 측정장치에 관한 것으로서, 상기 기준면은 상기 측정 대상물의 최고점의 반사거리 및 상기 측정 대상물의 최저점 반사거리와 각각 동일한 반사거리를 제공하는 반사거리 조절수단을 더 구비하는 것이다.

여기서, 상기 반사거리 조절수단은 상기 측정 대상물의 단차와 동일한 두께를 가지는 보조 빔분할기 또는, 상기 빔분할기와 상기 기준면 사이에 구비되는 보조 빔분할기와, 상기 보조 빔분할기를 전후방으로 미소 구동시키는 미소 구동기 또는 상기 빔분할기와 상기 기준면 사이에 구비되고 상호 두께가 다르며 선택적으로 상기 기준면 전방에 배치되는 다수의 보조 빔분할기로 구성될 수 있다.

이때, 본 발명의 다양한 실시예들의 보조 빔분할기(61)는 각각 측정 대상물의 최고점의 반사율과 상기 측정 대상물의 최저점 반사율에 대응되는 반사율을 가지도록 반사율 조절이 가능하게 구성됨이 바람직하다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예를 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 입체 형상 측정장치 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예는 광원(1)과, 빔분할기(2)와, 측정 대상물(3)과, 기준면(4)과, 촬영장치(5), 및 제어 컴퓨터(7)를 포함하여 구성된다.

여기서, 빔분할기(2)는 광원(1)으로부터의 조명광을 분할하여 각각 기준면(4)과 측정 대상물(3) 표면으로 조사하며, 측정 대상물(3) 표면과 기준면(4)으로부터 반사되는 광을 합성하여 간섭무늬 패턴을 형성한다. 이때, 광원(1)과 빔분할기(2) 사이에는 투영렌즈(22)가 설치된다.

측정 대상물(3)은 빔분할기(2)로부터의 조명광이 조사되는 것으로서, 높이 단차 예를 들어, BGA와 최고점과 최저점의 높이차를 갖는 대상물에 해당된다.

기준면(4)은 빔분할기(2)로부터 분할된 조명광이 조사되는 것이고, 본 발명의 특징적인 양상에 따라 기준면(4)은 측정 대상물(3)의 최고점의 반사거리 및 상기 측정 대상물(3)의 최저점 반사거리와 각각 동일한 반사거리를 제공하는 반사거리 조절수단(6)을 더 구비한다.

본 발명의 제 1 실시예에서는 반사거리 조절수단(6)으로 측정 대상물(3)의 최저점과 최고점 사이의 단차와 동일한 두께를 가지는 보조 빔분할기(61)를 이용한다.

즉, 간섭무늬는 빔분할기(2)로부터의 조명광이 측정 대상물 표면으로부터 반 사되는 거리와 빔분할기(2)로부터의 조명광이 기준면에서 반사되는 거리가 동일할 경우 생성되므로, 측정 대상물의 최고점과 최저점에 대한 각각의 간섭무늬를 한번에 획득하기 위해서는 측정 대상물(3)의 최저점 반사거리와 최고점 반사거리와 동일한 기준면 반사거리를 각각 생성해야 한다.

다시 말해, 측정 대상물(3) 높이와 동일한 두께를 가지는 보조 빔분할기(61)를 기준면 전방에 배치하여, 최고점의 반사거리(A1) 및 최저점의 반사거리(A2)와 동일한 반사거리를 만들어 준다.

이와 같은 구성에 따라, 본 발명의 제 1 실시예는 측정 대상물의 바닥면으로부터 반사된 광(A1)과 기준면(4)으로부터 반사된 광(A1)의 합에 의한 간섭무늬와 측정 대상물의 최고 높이 표면으로부터 반사된 광(A2)과 기준면(4) 전방의 보조 빔분할기(61) 표면으로부터 반사되는 광(A2)의 합에 의한 간섭무늬를 동시에 획득할 수 있다.

한편, 촬영장치(5)는 측정 대상물(3) 표면과 기준면(4)으로부터 반사되어 빔분할기(2)를 통해 합성되는 간섭무늬 패턴을 촬영하는 것으로서, 빔분할기(2)와 촬영장치(5) 사이에는 이미징 렌즈(51)가 구비된다.

그리고, 제어 컴퓨터(7)는 촬영장치(5)를 통해 촬영된 영상을 통해 측정 대상물의 높이 정보나 입체 형상 측정하고, 측정 결과를 통해 불량 유무를 판별하기도 한다.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 입체 형상 측정장치로서, 도 1과 동일한 구성 요소에 대한 구체적인 구성 및 작용 설명은 생략하도록 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예는 반사거리 조절수단(6)으로서 빔분할기(2)와 기준면(4) 사이에 구비되는 보조 빔분할기(61) 및 보조 빔분할기(61)를 전후방으로 미소 구동시키는 미소 구동기(62)를 포함하여 구성될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 제 2 실시예는 보조 빔분할기(61)와 미소 구동기(62)를 이용하여 측정 대상물이 단차 정보에 따라 기준면과의 거리 조절을 할 수 있다.

다시 말해, 측정 대상물의 단차 정보가 변화할 경우, 최고점 반사거리과 최저점 반사거리 변화하므로, 보조 빔분할기(61)와 기준면(4)과의 거리 조절이 필요하다.

따라서, 측정 대상물의 단차 정보 변화에 따라 미소 구동기(62)를 이용하여 보조 빔분할기(61)를 전방 또는 후방으로 이송시켜 반사거리를 조절함이 바람직하다.

이와 같이 본 발명의 제 2 실시예는 측정 대상물의 단차가 변화하더라도, 미소 구동기(62)를 보조 빔분할기(61)를 미소 구동시켜, 측정 대상물(3)의 최고점 표면 반사거리(B1)와 보조 빔분할기 표면 반사거리(B1) 및 측정 대상물(3)의 바닥면 반사거리(B2)와 기준면(4) 반사거리(B2)를 일치시킴으로써, 측정 대상물(3)의 바닥면 간섭무늬와 최고점 표면 간섭무늬를 동시에 획득할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 입체 형상 측정장치로서, 도 1 및 도 2와 동일한 구성 요소에 대한 구체적인 구성 및 작용 설명은 생략하도록 한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예는 반사거리 조절수단(6)으로서, 빔분할기(2)와 기준면(4) 사이에 구비되고, 상호 두께가 다르며 선택적으로 상기 기 준면(4) 전방에 배치되는 다수의 보조 빔분할기(61)를 포함하여 구성된다.

이때, 다수의 보조 빔분할기(61)는 투명 플레이트에 두께별로 장착되어 별도의 모터와 같은 구동 수단을 통해 기준면(4) 전방에 선택적으로 배치될 수 있으나, 본 발명은 여기에 한정되지는 않는다.

예를 들어, 본 발명의 제 3 실시예에서 다수의 보조 빔분할기(61)는 투명 플레이트에 수직하게 일렬로 배열되었으나, 수평하게 일렬 배열될 수도 있으며 원형 투명플레이트에 구비되어 모터 구동이나 별도의 구동 수단에 의한 회전을 통해 기준면(4) 전방에 배치될 수도 있다.

또한, 다수의 보조 빔분할기(61)는 투명 플레이트에 구비되도록 도시하였으나, 플레이트에 의한 광간섭이 발생할 수 있으므로, 각각 후방에 개방된 홈부(미도시함)을 갖는 플레이트의 홈부에 장착 구비될 수 있다.

이러한 본 발명이 제 3 실시예에 따른 다수의 보조 빔분할기를 다양한 실시예를 통해 변형되어 실시될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 제 3 실시예는, 서로 다른 두께를 가지는 다수의 보조 빔분할기를 이용하여 높이가 다른 여러 타입의 측정 대상물 검사 시에, 측정 대상물 높이에 따라 기준면(4) 전방에 구비되는 보조 빔분할기(61)를 선택하여, 측정 대상물(3)의 최고점 표면 반사거리(C1)와 보조 빔분할기 표면 반사거리(C2) 및, 측정 대상물(3)의 바닥면 반사거리(C2)와 기준면(4) 반사거리(C2)를 일치시킨다.

이에 따라, 측정대상물의 바닥면 간섭무늬와 최고점 표면 간섭무늬를 동시에 획득할 수 있다.

이상과 같이, 검사 대상물의 최고점 반사 거리와 최저점 반사 거리에 대응되게 두 개의 반사면을 가지도록 보조 빔 분할기(61)를 구비하는 본 발명의 제 1 실시예 내지 제 3 실시예들에서, 보조 빔 분할기(61)들은 각각 측정 대상물의 최고점 반사율과 최저점 반사율에 대응되게 반사율 조절이 가능하게 구성됨이 바람직하다.

그리고, 본 발명의 실시예들에서는 입체 형상 측정 방식으로 기준면과 측정 대상 표면에서 반사되는 빛의 경로차에 의해 발생하는 간섭무늬들을 해석하여 3차원 입체 형상을 획득하는 PSI(phase shifting interferometer)에 초점을 맞추어 설명하였으나, 본원 발명은 여기에 한정되지 않고 백색광의 제한 간섭성을 이용하여 PZT를 구동시키면서 간섭무늬의 가치성이 최대가 되는 위치를 감지하는 방법으로 높은 단차를 가지는 3차원 입체 형상을 측정하는 WSI(white-light scanning interferometer) 방식에도 널리 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 측정 대상물 표면과 기준면에서 반사되는 빛을 합하여 간섭무늬를 획득하는 장치에 있어서, 기준면에 측정 대상물의 최고점과 최저점 단차와 동일한 두께를 갖는 반사거리 조절수단을 더 구비하여, 측정 대상물에 대한 최고점 표면 간섭무늬 및 최저점 표면 간섭무늬를 동시에 획득하여 측정 속도 및 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 기준면의 전방에 미소 구동을 통해 반사거리 조절을 할 수 있는 보조 빔분할기 또는 두께가 서로 다르며 선택적으로 기준면 전방에 배치되는 다수의 빔분할기를 구비하여, 높이가 서로 다른 측정 대상물을 단일 장비로 검사할 수 있어 실용성 및 측정 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또, 본 발명은 검사 대상물의 최고점 반사 거리와 최저점 반사거리에 대응되게 두 반사면을 가지는 기준면으로 구성하고, 두 반사면 각각의 반사율을 측정 대상물의 최고점과 최저점의 반사율에 따라 조절이 가능하게 구성함으로써, 측정물의 최고점과 최저점의 반사율이 다르더라도 두 영역에 대한 반사율 조절을 통해 정확한 측정할 수 있어 영상 측정 신뢰도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

Claims

광원(1)과,

상기 광원(1)으로부터의 조명광을 분할시키는 빔분할기(2)와,

상기 빔분할기(2)로부터의 조명광이 조사되며 최고점과 최저점 단차를 가지는 측정 대상물(3)과,

상기 빔분할기(2)로부터의 조명광이 조사되는 기준면(4)과,

상기 측정 대상 표면과 상기 기준면(4)으로부터 반사되어 합쳐진 간섭무늬를 촬영하는 촬영장치(5), 및

상기 촬영장치(5)를 통해 촬영된 영상을 처리하는 제어 컴퓨터(7)를 포함하는 입체 형상 측정장치에 있어서,

상기 기준면(4)은;

상기 측정 대상물(3)의 최고점의 반사거리 및 상기 측정 대상물(3)의 최저점 반사거리와 각각 동일한 반사거리를 제공하는 반사거리 조절수단(6)을 더 구비함을 특징으로 하는 입체 형상 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 반사거리 조절수단(6)은 상기 측정 대상물(3)의 단차와 동일한 두께를 가지는 보조 빔분할기(61)인 것을 특징으로 하는 입체 형상 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 반사거리 조절수단(6)은;

상기 빔분할기(2)와 상기 기준면(4) 사이에 구비되는 보조 빔분할기(61)와,

상기 보조 빔분할기(61)를 전후방으로 미소 구동시키는 미소 구동기(62)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 입체 형상 측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 반사거리 조절수단(6)은;

상기 빔분할기(2)와 상기 기준면(4) 사이에 구비되고 상호 두께가 다르며 선택적으로 상기 기준면(4) 전방에 배치되는 다수의 보조 빔분할기(61)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 입체 형상 측정장치.
제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 보조 빔분할기(61)는;

각각 측정 대상물(3)의 최고점의 반사율과 상기 측정 대상물(3)의 최저점 반사율에 대응되는 반사율을 가지도록 반사율 조절이 가능하게 구성됨을 특징으로 하는 입체 형상 측정장치.