KR101233993B1 - 3차원 광학장치 - Google Patents

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KR101233993B1
KR101233993B1 KR1020090081704A KR20090081704A KR101233993B1 KR 101233993 B1 KR101233993 B1 KR 101233993B1 KR 1020090081704 A KR1020090081704 A KR 1020090081704A KR 20090081704 A KR20090081704 A KR 20090081704A KR 101233993 B1 KR101233993 B1 KR 101233993B1
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Abstract

본 발명은 백색광원을 이용하여 라인빔을 생성시키고, 라인빔을 측정하고자 하는 물체로 출사시키고, 반사되어 입사된 광을 이용하여 이미지 프로세싱하여 조사하고자 하는 물체의 표면에 매칭되는 프로파일 데이터를 생성시키는 3차원 광학장치에 관한 것으로, 3차원 광학장치에 있어서, 전원을 공급하는 전원부(100); 상기 전원부(100)로부터 공급되는 전원에 의해 점등되어 광빔을 출사시키는 광원(110); 상기 광원의 광빔을 입사받아 라인빔으로 변환시켜 관찰 대상체로 출사시키는 라인빔 발생부(120)와, 상기 관찰 대상체로부터 반사되는 라인 빔을 이용하여 입사받아 이미지 데이터로 변환시켜 출력하는 영상 획득부(130); 및 상기 영상 획득부(130)에 의해 획득된 영상을 이용하여 관찰 대상체의 프로파일 정보를 생성하고, 생성된 프로파일 정보를 이용하여 관찰 대상체가 불량품인지 양품인지의 여부를 판단하는 제어부(140)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
백색광원, Line Beam, 높이, 너비, Image Processing, 영상획득부, Profile Data

Description

3차원 광학장치{3 dimension optical devices}
본 발명은 3차원 광학장치에 관한 것이다.
보다 상세하게는 백색광원을 이용하여 라인빔을 생성시키고, 라인빔을 측정하고자 하는 물체로 출사시키고, 반사되어 입사된 광을 이용하여 이미지 프로세싱하여 조사하고자 하는 물체의 표면에 매칭되는 프로파일 데이터를 생성시키는 3차원 광학장치에 관한 것이다.
기존의 높이 측정방법은 Confocal Method를 이용하여 측정하는 방법으로 높이 측정 영역이 한 점만을 측정하며, 표면 형상 측정 시 기구적으로 일정거리를 이동하면서 획득한 점 높이 데이터를 연결하여 형상 측정 데이터를 생성한다. 그러므로 이 형상 측정 데이터에는 기구적으로 발생할 수 있는 에러 값이나, 또는 외부 진동에 대한 에러 값을 포함하고 있어 그 정확도가 떨어진다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 백색광원을 이용하여 라인빔을 생성시키고, 라인빔을 측정하고자 하는 물체로 출사시키고, 반사되어 입사된 광을 이용하여 이미지 프로세싱하여 조사하고자 하는 물체의 표면에 매칭되는 프로파일 데이터를 생성시키는 3차원 광학장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 라인빔(line Beam) 방식이 적용된 3차원 광학장치의 목적은 영상획득부에서 하나의 화면 내에서 원 샷으로 형상을 측정하는 방법으로, 형상 측정 데이터에 기구적으로 발생할 수 있는 에러 값이나 외부 진동에 의한 에러 값이 포함되어 있지 않으며, 종래 기술인 confocal 방식에 비해 측정 속도가 고속이고 넓은 면적을 한 번에 측정할 수 있도록 하는데 있다.
즉, 본 발명은 라인 빔(Line Beam)을 형성하는 광학계를 이용하여 높이 및 단차를 측정하는 경우 FOV(Field of View) 내에 있는 대상체에 대해서는 동시에 측정이 가능하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 3차원 광학장치에 있어서, 전원을 공급하는 전원부(100); 상기 전원부(100)로부터 공급되는 전원에 의해 점등되어 광빔을 출사시키는 광원(110); 상기 광원의 광빔을 입사받아 라인빔으로 변환시켜 관찰 대상체로 출사시키는 라인빔 발생부(120)와, 상기 관찰 대상체로부터 반사되는 라인 빔을 이용하여 입사받아 이미지 데이터로 변환시켜 출력하는 영상 획득부(130); 및 상기 영상 획득부(130)에 의해 획득된 영상을 이용하여 관찰 대상체의 프로파일 정보를 생성하고, 생성된 프로파일 정보를 이용하여 관찰 대상체의 실제 단차 값을 산출하고, 산출된 실제 단차 값을 이용하여 관찰 대상체가 불량품인지 양품인지의 여부를 판단하는 제어부(140)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 광원(110)은 화이트 라이트인 것이 바람직하다.
상기 라인빔 발생부(120)는, 슬릿 렌즈(121), 집광렌즈(122) 및 제 1 배율렌즈(123), 제 1 대물렌즈(124)로 구성된 광출사부와, 관찰 대상체로부터 반사된 광빔을 반사시키는 미러(125)와, 미러(125)에 의해 반사된 광빔을 입사받는 제 2 대물렌즈(126)와, 상기 제 2 대물렌즈(126)에 의해 입사된 광빔을 상기 영상 획득부(130)로 출력하는 제 2 배율렌즈(127)로 구성된 광입사부로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 라인빔 발생부(120)의 집광 배율은, 제 1 대물렌즈의 배율, 제 1 배율렌즈의 배율 및 집광렌즈의 배율을 승산시킨 결과 값과 동일한 것이 바람직하다.
상기 영상 획득부(130)의 영상 배율은, 제 2 대물렌즈의 비율 및 제 2 배율렌즈 배율을 승산한 결과 값과 동일한 것이 바람직하다.
상기 관찰 대상체가 웨이퍼 상의 볼 범프인 경우 상기 제어부(140)는, 상기 영상획득부(130)에 의해 획득된 이미지 신호를 이용하여 생성한 프로파일 정보를 이용하여 범프의 높이 값, 범프의 사이즈 값, 및 범프의 피치 값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 영상획득부(130)는 CCD , CCD 센서, 아날로그카메라, 디지털 카메라, USB 카메라, 라인스캔 카메라, Area Scan 카메라, 레이저 다이오드, 1394 카메라, 1394 라인스캔 카메라, 카메라 링크 방식 카메라, CMOS 이미지 센서 중 하나로 이루어진 것이 바람직하다.
본 발명은 백색광원을 이용하여 라인빔을 생성시키고, 라인빔을 측정하고자 하는 물체로 출사시키고, 반사되어 입사된 광을 이용하여 이미지 프로세싱하여 조사하고자 하는 물체의 표면에 매칭되는 프로파일 데이터를 생성시키는 효과가 있다.
본 발명에 따른 라인빔(line Beam) 방식이 적용된 3차원 광학장치의 목적은 영상획득부의 한 화면 내에서 원 샷으로 형상을 측정하는 방법으로, 형상 측정 데이터에 기구적으로 발생할 수 있는 에러 값이나 외부 진동에 의한 에러 값이 포함되어 있지 않으며, 종래 기술인 confocal 방식에 비해 측정 속도가 고속이고 넓은 면적을 한 번에 측정할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 구성을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 3차원 광학장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 전원을 공급하는 전원부(100)와, 상기 전원부(100)로부터 공급되는 전원에 의해 광을 방출하는 광원(110)과, 상기 광원으로부터 방출되는 광을 입사받아 라인빔으로 변환시켜 관찰 대상체로 출사시키는 라인 빔 발생부(120)와, 상기 관찰 대상체로부터 반사되는 라인 빔을 이용하여 입사 받아 이미지 데이터로 변환시켜 되는 영상 획득부(130)와, 상기 영상 획득부(130)에 의해 획득된 영상을 이용하여 관찰 대상체의 프로파일 정보를 생성하고, 생성된 프로파일 정보를 이용하여 그 대상체의 실제 단차(높이 Data)를 생성하고 관찰 대상체가 불량품인지 양품인지의 여부를 판단하는 제어부(140)로 구성된다.
상기 광원(110)은 화이트 라이트이다.
상기 라인빔 발생부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 슬릿 렌즈(121), 집광렌즈(122) 및 제 1 배율렌즈(123), 제 1 대물렌즈(124)로 구성된 광출사부와, 관찰 대상체로부터 반사된 광빔을 반사시키는 미러(125), 미러(125)에 의해 반사된 광빔 을 입사받는 제 2 대물렌즈(126) 및 상기 제 2 대물렌즈(126)에 의해 입사된 광빔을 상기 영상 획득부(130)로 출력하는 제 2 배율렌즈(127)로 구성된 광입사부로 이루어진다.
라인빔 발생부(120)의 집광 배율은 제 1 대물렌즈의 배율, 제 1 배율렌즈의 배율 및 집광렌즈의 배율을 승산시킨 결과 값과 동일한 것이 바람직하다.
상기 영상 획득부(130)의 영상 배율은 제 2 대물렌즈의 비율 및 제 2 배율렌즈 배율을 승산한 결과 값과 동일한 것이 바람직하다.
상기 관찰 대상체가 웨이퍼 상의 볼 범프인 경우 상기 제어부(140)는 상기 영상획득부(130)에 의해 획득된 이미지 신호를 이용하여 생성한 프로파일 정보를 이용하여 범프의 높이 값, 범프의 사이즈 값, 및 범프의 피치 값을 산출한다.
상기와 같이 구성된 3차원 광학장치의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 화이트 라이트(White Light)인 일반 광원(100)에 전원이 공급되어 점등되면, 광원(100)으로부터 일정한 광빔이 방출되고, 방출된 광빔은 라인빔 발생부(120)의 광출사부로 입사된다.
입사된 광빔은 광출사부의 슬릿 렌즈(121)를 통해 집광렌즈(122)에 의해 집광되고, 이는 제 1 배율렌즈(123) 및 제 1 대물렌즈(124)를 통과하면서 도 3에 도 시된 바와 같이 가늘고 긴 미세한 라인빔으로 변환된다.
상기와 같이 변환된 라인 빔은 좌측 또는 우측으로 이동하는 관찰 대상체의 상부면으로 방출되면서 관찰 대상체를 스캐닝한다. 이때 라인빔 발생부(120)가 좌측 또는 우측으로 이동 가능하도록 구현할 수도 있다.
상기와 같이 관찰 대상체로 방출된 가늘고 긴 미세한 라인 빔은 관찰 대상체의 상부면에 부딪쳐 반사되고, 반사된 광빔은 미러(125)에 의해 재반사되어 광입사부의 제 2 대물렌즈(126) 및 제 2 배율렌즈(127)를 통해 영상획득부(130)로 입력된다. 이때, 상기 라인 빔은 도 4에 도시된 바와 같이 관찰 대상체의 표면의 요철 및 조도 등인 관찰 대상체의 표면 형태의 윤곽선만을 반사하며, 반사된 윤곽선은 제 3 배율렌즈(127) 및 제 2 대물렌즈(126)에 의해 고배율로 확대된 상태에서 영상 획득부(130)로 공급되고, 영상 획득부(130)에서 고배율로 확대된 관찰 대상체의 상부면의 이미지를 획득할 수 있게 된다.
상기와 같이 영상 획득부(130)에 의해 획득된 영상은 제어부(140)로 출력되고, 제어부(140)는 입력된 영상을 이미지 프로세싱 알고리즘에 적용시켜 관찰 대상체의 상부면의 표면에 대응하는 프로파일을 시각화하고, 시각화된 프로파일 정보를 표시부(미도시)의 화면상에 출력하여 작업자가 알 수 있도록 한다.
이때, 라인빔 발생부(120)의 집광 배율은 제 1 대물렌즈(124)의 배율, 제 1 배율렌즈(123)의 배율 및 집광렌즈(122)의 배율을 승산시킨 결과 값과 동일하고, 상기 영상 획득부(130)의 영상 배율은 제 2 대물렌즈(127)의 비율 및 제 2 배율렌 즈 배율(126)을 승산한 결과 값과 동일한다.
그리고 배율 조정은 제 1, 제 2 대물렌즈(124)(127) 또는 제1, 제 2 배율렌즈(123)(126)의 배율을 변경시킴으로써 조정할 수 있으며, 이들을 각각 독립적으로 배치 및 설치하여 배율조정이 용이하고 집광 및 영상획득부(130)의 영상 개별 배율변경이 가능하게 한다.
본 발명에 적용된 라인빔 발생부(120)는 라인빔 발생부(120)의 배율을 변경하고자 할 때 변경하고자 하는 해당 렌즈의 교환만으로 배율을 변경할 수 있는 구조로 이루어져 있다.
본 발명에 따른 3D 광학장치를 이용하여 웨이퍼(Wafer)상의 볼 범프(Ball Bump)의 프로파일(Profile)을 측정하게 되는 경우 범프의 높이, 범프의 사이즈(diameter), 범프의 피치(Pitch) 값을 산출할 수 있고, 또한 범프의 프로파일을 측정하여 높이의 범용 범위를 이용하여 웨이퍼에 대해 양품 또는 불량품을 판단하고 판정하게 된다.
그러므로 상기 3D 광학장치는 양품의 범프와 불량품의 범프에 대해 데이터 리스트를 생성시키고, 이를 구별하여 전송함으로써, 작업자가 작업용 모니터링 단말기를 이용하여 상기 데이터 리스트를 전송받아 양품의 범프와 불량품의 범프를 용이하게 구별할 수 있도록 한다.
그리고 상기 3D 광학장치는 웨이퍼(Wafer) 상에 있는 모든 범프 식별정보(bump ID)들을 읽어들여 전송한다.
이때, 웨이퍼가 양품 또는 불량품인지의 여부를 판단하는 기준이 되는 허용범위가 설정되는데, 설정되는 허용범위의 조건들에 대해 살펴보면, 범프 높이, 범프 사이즈(지름), 범프 피치, 범프 변형의 정도를 측정하여 판단 한다. 예를 들면 범프 높이의 상한과 하한을 설정하고, 설정된 상한 값 및 하한 값과 비교하여 상한 값보다 크거나 하한값보다 낮은 경우 범프가 변형되었다고 판단하고, 또한 범프에 스크래치나 긁힌 자국이 있을 경우 프로파일이 모양이 변형된 상태로 제공된다.
한편, 라인빔 발생부(120)에 의해 범프를 스캔하여 측정하고자 할 때 제어부(140)는 도 5에 도시된 바와 같이 라인빔 발생부(120)가 Bump 측정 방향이 기준점을 기준으로 하여 첫 번째 스캔은 스캔을 좌측에서 우측방향으로 수행되도록 하고, 두 번째 스캔에서 우측에서 좌측방향으로 수행되도록 하고, 세 번째 스캔은 좌측에서 우측방향으로 수행되도록 한다. 이때 스캔 인터벌(Scan interval)은 스캔 영역(Scan Area)이 10%정도 겹치게 설정되고, 설정된 조건에 따라 제어부(140)가 라인빔 발생부(120)를 한다.
그리고 범프 피치의 측정은 도 6에 도시된 바와 같이 범프의 높이 최고로 높은 점을 기준으로 하여 X 피치(Pitch)와 Y 피치(Pitch)를 측정하는데, X피치(Pitch)는 엔코더 카운터(Encoder Counter)를 기준으로 측정하고, Y피치(Pitch)는 카메라 센터(Camera center)를 기준으로 측정한다. 여기서 카메라 센터는 영상획득부(130)에 포함된다.
그리고 범프 사이즈(Bump Size, Φ)측정은 도 7에 도시된 바와 같이 범프의 프로파일 데이터에서 상부폭(TS)와 하부폭(BS)을 측정하고, 상부폭 TS가 최대인 지점을 상부폭으로 측정하고, 하부폭 BS가 최대인 지점을 하부폭으로 측정한다.
범프의 높이 및 프로파일의 변형의 측정에 대해서 살펴보면, 도 8에 도시된 바와 같이 범프의 높이는 프로파일의 데이터에서 최고로 높은 프로파일의 최상위(Top) 영역 값들의 평균값으로 측정되고, 범프 높이의 변형 측정은 범프 프로파일 값에서 허용하는 값(ㅁ values ㎛)을 기준으로 범프의 상태가 정상상태인지, 아니면 비정상인지를 판단할 수 있는 기준 데이터로 설정된다.
웨이퍼 상에 형성된 범프의 정렬(Align) 상태를 측정하는 경우 지원 마크(Mark)는 Circle, Cross, square mark이며, 마크 크기(mark Size)는 지름(Diameter, Φ)이 1mm이며, 전송 데이터는 카메라 센터(Camera center)와 마크(mark) 중심과의 거리 값이다.
도 8은 관찰 대상체의 프로파일을 나타낸 것으로, 제어부(140)는 영상획득부(130)를 통해 수신된 프로파일로부터 임의의 영역 (1), (2) 선택하여, 지정하고, 이때 높이의 단차 (1), (2) 값이 기준 값보다 작은지의 여부를 판정하고 작으면, 불량품으로 판정하고, 단차 (1), (2) 값이 기준 값보다 크면 양품으로 판정한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 설명하였지만, 본 발 명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 광학장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1에 적용된 렌즈와 라인빔 발생부의 상호 관계를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 적용된 라인빔 발생부의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 범프 측정 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 범프의 피치 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 범프의 크기 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 범프의 높이 및 프로파일 변형의 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 적용된 제어부의 범프의 상태를 판정하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
100 : 전원부
110 : 광원
120 : 라인빔 발생부
130 : 영상획득부
140 : 제어부

Claims (7)

  1. 3차원 광학장치에 있어서,
    전원을 공급하는 전원부(100);
    상기 전원부(100)로부터 공급되는 전원에 의해 점등되어 광을 출사시키는 광원(110);
    상기 광원의 광을 입사받아 라인빔으로 변환시켜 관찰 대상체로 출사시키는 라인빔 발생부(120)와,
    상기 관찰 대상체로부터 반사되는 라인 빔을 이용하여 입사받아 이미지 데이터로 변환시켜 출력하는 영상 획득부(130); 및
    상기 영상 획득부(130)에 의해 획득된 영상을 이용하여 관찰 대상체의 프로파일 정보를 생성하고, 생성된 프로파일 정보를 이용하여 관찰 대상체의 실제 단차(높이 Data)를 생성하고 그 대상체가 불량품인지 양품인지의 여부를 판단하는 제어부(140)를 포함하며,
    상기 라인빔 발생부(120)의 집광 배율은, 제 1 대물렌즈의 배율, 제 1 배율렌즈의 배율 및 집광렌즈의 배율을 승산 시킨 결과 값과 동일하며,
    상기 영상 획득부(130)의 영상 배율은, 제 2 대물렌즈의 비율 및 제 2 배율렌즈 배율을 승산한 결과 값과 동일하며,
    상기 배율 조정은 제 1, 제 2 대물렌즈(124)(127) 또는 제1, 제 2 배율렌즈(123)(126)의 배율을 변경시킴으로써 조정할 수 있으며,
    상기 라인빔 발생부(120)는, 광원(100)으로부터 방출되는 광빔을 입사받는 슬릿 렌즈(121)와, 상기 슬릿 렌즈(121)를 통해 입사된 광빔을 집광시키는 집광렌즈(122)와, 집광된 광빔을 가늘고 긴 미세한 라인빔으로 변환시켜 출력하는 제 1 배율렌즈(123) 및 제 1 대물렌즈(124)로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 광학장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원(110)은 화이트 라이트인 것을 특징으로 하는 3차원 광학장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 라인빔 발생부(120)는,
    슬릿 렌즈(121), 집광렌즈(122) 및 제 1 배율렌즈(123), 제 1 대물렌즈(124)로 구성된 광출사부와,
    관찰 대상체로부터 반사된 광빔을 반사시키는 미러(125)와,
    미러(125)에 의해 반사된 광빔을 입사받는 제 2 대물렌즈(126)와,
    상기 제 2 대물렌즈(126)에 의해 입사된 광빔을 상기 영상획득부(130)로 출사하는 제 2 배율렌즈(127)로 구성된 광입사부,
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 광학장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 관찰 대상체가 웨이퍼 상의 볼 범프인 경우 상기 제어부(140)는, 상기 영상획득부(130)에 의해 획득된 이미지 신호를 이용하여 생성한 프로파일 정보를 이용하여 범프의 높이 값, 범프의 사이즈 값, 및 범프의 피치 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 광학장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상획득부(130)는,
    CCD , CCD 센서, 아날로그카메라, 디지털 카메라, USB 카메라, 라인스캔 카메라, Area Scan 카메라, 레이저 다이오드, 1394 카메라, 1394 라인스캔 카메라, 카메라 링크 방식 카메라, CMOS 이미지 센서 중 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 광학장치.
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