KR101458890B1 - 3차원 형상 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 형상 측정장치에 관한 것으로, 샘플(08)에 대한 광 간섭 데이터를 취득하는 WSI(White Scanning Interferometer), 샘플(08)에 대한 무간섭 광 데이터를 취득하는 EDF(Extended Depth of Focus)를 다수의 광분할기(02,04,09)와 선형편광기(01,05,07,10,14)로 결합하여 상호 영향없이 샘플(08) 표면의 기울기가 광학계의 NA(Numerical Aperture) 보다 클 경우, 표면의 거칠기가 너무 커 반사가 잘 이루어지지 않는 경우, 표면이 매끄럽지만 재질의 특성상 반사가 잘 이루어지지 않는 경우에도 정확한 형상을 측정할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 대면적 측정이 가능하며 공 초점 보다는 빠른 검사 시간을 만족하면서도 모아레나 레이저 기반 검사 솔루션보다는 높은 공간 분해능을 가져 샘플 표면의 기울기가 광학계의 NA 보다 클 경우, 표면의 거칠기가 너무 커 반사가 잘 이루어지지 않는 경우, 표면이 매끄럽지만 재질의 특성상 반사가 잘 이루어지지 않는 경우에도 정확한 형상을 측정할 수 있는 장점이 있다.

Description

3차원 형상 측정장치{A THREE DIMENSIONAL SHAPE MEASURING APPARATUS}
본 발명은 3차원 형상 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 샘플 표면의 기울기가 광학계의 NA(Numerical Aperture) 보다 클 경우, 표면의 거칠기가 너무 커 반사가 잘 이루어지지 않는 경우, 표면이 매끄럽지만 재질의 특성상 반사가 잘 이루어지지 않는 경우에도 3차원 형상 측정을 정확하고 빠르게 검사할 수 있어 모아레나 레이저 기반의 검사 솔루션보다 높은 공간 분해능을 갖도록 한 3차원 형상 측정장치에 관한 것이다.
현재 반도체, 디스플레이, 스마트 폰, LED 등 여러 산업 분야에 걸쳐 경제적, 기술적인 관점에서 고도의 집적화 및 미세화가 진행 중이다.
이러한 집적화 및 미세화 공정을 이용하여 만들어지는 제품의 수율 개선은 생산 비용의 절감 측면에서 매우 중요하다.
생산 수율 개선은 불량을 최소화 함으로써 이루어 지는데 이를 위해서는 공정이 제대로 진행되고 있는지에 대한 적절한 검사가 필수이다. 하지만 미세화에 따른 적합한 검사 기술은 아직 만족스럽지 못한 것이 현실이다.
특히, 표면의 형상은 형성된 소자의 특성에 영향을 줄 수 있는 중요한 인자이다. 따라서, 형상 검사는 양품과 불량을 판단 할 수 있는 하나의 중요한 지표이다.
예컨대, 웨이퍼 레벨 패키지분야의 솔더볼 형상 검사, PCB상에 형성된 비아(via) 홀 검사, LED 공정으로 사파이어 기판에 형성된 범프의 형상 검사 등 삼차원 검사에 대한 요구는 증가하는 추세이지만 분해능, 정밀도, 검사 속도, 샘플 표면 상태에 따른 검사 가능 여부 등 주요한 검사 스팩을 만족하는 검사 솔루션은 현재 부족한 실정이다.
통용되고 있는 주요한 비 접촉 형상 검사 솔루션으로는 WSI(White Scanning Interferometer)(예. 등록특허 제0785802호), 공 초점 현미경(예. 등록특허 제0992029호), 모아레(예. 등록특허 제0663323호), 레이저 삼각법(예. 등록특허 제0406843호) 등을 들 수 있다.
이 중에서, WSI는 일반적으로 텅스텐 할로겐, LED를 광원으로 사용하며, 현미경 기반의 광학 구조를 가지고 있는데, 대 면적 측정을 위해 낮은 광학 배율로 구성되는 경우 낮은 수치 구경(Numerical Aperture, 이하 "NA"라고 함)로 인해 샘플 표면의 기울기가 크거나 표면이 거칠어 반사가 잘 일어나지 않는 경우 측정이 거의 불가능하다.
또한, 정밀도는 서브 나노미터에서 서브 마이크로 미터로 정도로 매우 높지만 기계적 스캔을 하면서 수백 장의 영상을 얻으므로 검사 시간이 다소 느리고 빛의 간섭 현상을 이용하므로 외부의 진동에 취약한 단점이 있다.
그리고, 공 초점 현미경의 경우는 빛의 세기만을 측정하므로 진동에 비교적 강인하지만 역시 수평, 수직 방향으로 스캔을 해야 하므로 검사 시간이 상당히 느리며 정밀도는 서브 마이크로 미터 수준으로 비교적 높고, 광원으로는 레이저를 사용하지만 검출기 앞 단에 위치한 미세한 핀 홀로 인해 빛의 세기가 많이 감소된다.
때문에, 검출력 향상을 위해 포토 다이오드나 PMT(Photo Multiplier Tube)를 검출기로 사용하며, 원리적으로 공 초점(Co-focal)을 이용하므로 NA가 높은 대물렌즈들이 사용되고, 수평 방향으로 스캔을 할 수 있으므로 FOV(Field of View)에 대한 제약은 거의 없다.
아울러, 모아레 및 레이저 삼각법은 전술한 WSI나 공초점 현미경에 비해 측정 영역이 넓고 검사 시간이 빠르다는 장점이 있지만 공간 분해능이 낮아 범프나 미세 구조물을 검사하기엔 아직 기술적으로 부족한 면이 많다.
공간 분해능과 검사 시간은 상충적인 특성을 지니고 있으므로 높은 공간 분해능과 고속 검사를 위한 광학구조에서는 어느 정도의 타협점이 필요하다.
한편, EDF(Extended Depth of Focus)는 주요한 삼차원 측정 솔루션에 비해 상대적으로 덜 알려져 있으며 정밀도의 경우 서브 마이크로 미터 정도로 볼 수 있으며, WSI나 공 초점과 마찬가지로 수직 축으로 스캔을 수행한다. EDF에서는 획득한 획득한 2D 영상들로부터 각 픽셀마다 최적의 포커스 상태에 해당되는 영상의 위치를 찾게 되는데, 이 영상의 위치는 측정하고자 하는 물체의 상대적인 높이에 대응된다.
EDF는 비 간섭성 2D 영상을 사용하므로 진동에 상대적으로 강인하며 표면에 기울기가 심하고 거칠어 반사가 잘 되지 않는 경우에도 비 동축 외부 조명을 사용 할 수 있어 측정이 가능하다. 단, 시료 표면에 질감(texture)이 존재해야 포커스의 정도를 이용할 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 대면적 측정(10mm x 10mm 이상)이 가능하며 공 초점 보다는 빠른 검사 시간을 만족하면서도 모아레나 레이저 기반 검사 솔루션보다는 높은 공간 분해능을 갖는 WSI기반 광학 시스템으로서, 샘플 표면의 기울기가 광학계의 NA 보다 클 경우, 표면의 거칠기가 너무 커 반사가 잘 이루어지지 않는 경우 그리고 표면이 매끄럽지만 재질의 특성상 반사가 잘 이루어지지 않는 경우 원리적으로 측정이 되지 않는데 이를 극복하여 형상을 측정 할 수 있도록 한 3차원 형상 측정장치를 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 샘플(08)에 대한 광 간섭 데이터를 취득하는 WSI(White Scanning Interferometer), 샘플(08)에 대한 무간섭 광 데이터를 취득하는 EDF(Extended Depth of Focus)를 다수의 광분할기(02,04,09)와 선형편광기(01,05,07,10,14)로 결합하여 상호 영향없이 샘플(08) 표면의 기울기가 광학계의 NA(Numerical Aperture) 보다 클 경우, 표면의 거칠기가 너무 커 반사가 잘 이루어지지 않는 경우, 표면이 매끄럽지만 재질의 특성상 반사가 잘 이루어지지 않는 경우에도 정확한 형상을 측정할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치를 제공한다.
이때, 상기 WSI는, 동축 조명계(Coaxial illumination)로부터 방사된 무편광 빛을 선형 편광시키는 제1선형편광기(01); 선형 편광된 빛을 일부 투과시키고, 일부 반사시는 제1광분할기(02); 상기 제1광분할기(02)를 투과한 빛을 모으는 대물렌즈(03); 상기 대물렌즈(03)를 투과한 빛을 반사, 투과시키는 제2광분할기(04); 상기 제2광분할기(04)를 투과한 빛을 선형평광시켜 샘플(08)로 조사시키는 제2선형편광기(07); 상기 제2광분할기(04)에서 반사된 빛을 선형편광시키는 제4선형편광기(05); 상기 제4선형편광기(05)를 통과한 빛을 반사시켜 상기 제2광분할기(04)를 투과한 빛과의 광로차를 발생시켜 광 간섭을 유도하는 기준거울(06); 상기 샘플(08)과 상기 기준거울(06)로부터 반사된 빛을 선형편광시켜 제1이미징렌즈(11)를 통해 제1검출기(12)로 안내하는 제3선형편광기(10);를 포함하여 구성되는 것에도 그 특징이 있다.
뿐만 아니라, 상기 제1,3선형편광기(01,10)는 45°방향의 빛만 투과시키는 편광기이고; 상기 제2선형편광기(07)는 90°방향의 빛만 투과시키는 편광기이며; 상기 제4선형편광기(05)는 0°방향의 빛만 투과시키는 편광기;인 것에도 그 특징이 있다.
또한, 상기 EDF는, 상기 제3광분할기(09)에서 반사된 빛 중 샘플(08)로부터 반사된 빛만을 통과시키도록 선형편광시키는 제5선형편광기(14); 상기 제5선형편광기(14)를 통해 편광된 빛을 수직하게 반사시키는 거울(15); 상기 거울(15)을 통해 반사된 빛을 모아 제2검출기(17)를 통해 검출 가능하게 하는 제2이미징렌즈(16);를 포함하여 구성되는 것에도 그 특징이 있다.
아울러, 상기 제5선형편광기(14)는 0°방향의 빛만 투과시키는 편광기;인 것에도 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 대면적 측정이 가능하며 공 초점 보다는 빠른 검사 시간을 만족하면서도 모아레나 레이저 기반 검사 솔루션보다는 높은 공간 분해능을 가져 샘플 표면의 기울기가 광학계의 NA 보다 클 경우, 표면의 거칠기가 너무 커 반사가 잘 이루어지지 않는 경우, 표면이 매끄럽지만 재질의 특성상 반사가 잘 이루어지지 않는 경우에도 정확한 형상을 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 형상 측정장치의 예시도이다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
설명에 앞서, 만일 표면 형상 검사용 WSI 광학 시스템의 광학 배율이 비교적 높고 NA가 샘플 표면의 기울기보다 높은 경우에는 형상 측정이 용이하다.
하지만, 보통 대면적을 측정하기 위해 구성되는 광학계의 경우 배율이 낮고 상대적인 NA가 낮아 기울기를 갖는 표면은 측정이 잘 되지 않는다.
이를 테면, 곡면 형태의 표면을 갖는 소위 라운드 범프(round bump)와 같은 경우이다.
이 같은 문제는 원리적으로 측정이 잘 되지 않는 것이기 때문에 본 발명에서는 또 다른 형상 측정 방법인 EDF(Extended Depth of Focus)를 결합하여 이 문제를 해결하도록 구성된다.
즉, EDF 역시 현미경 기반의 광학 구조를 가지고 있기 때문에 전술한 바와 같이 시스템의 NA에 영향을 받을 수 밖에 없다. 다만, EDF는 원리적으로 간섭 혹은 비 간섭성의 빛을 이용하여 형상을 측정하는 방식이기 때문에 WSI와는 다르게 외부 조명계를 사용할 수 있다.
이러한 개념을 전제로, 도 1을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 형상 측정장치는 WSI와 EDF가 결합된 형태로서, 다수의 광분할기와 편광기를 포함하며, WSI의 기본 광학계를 따른다.
때문에, 이하 설명은 광의 경로를 따라 순차 설명하는 형태로 본 발명 3차원 형상 측정장치를 설명한다.
즉, 동축 조명계(Coaxial illumination)로부터 출발한 빛은 제1선형편광기(01)를 통해 45°를 유지하여 무 편광 입사된 빛을 선형 편광시킨다.
그리고, 선형 편광된 빛은 제1광분할기(02)를 통해 반사되고 대물렌즈(03)를 통과하게 된다.
이후, 마이켈슨 광학계를 구성하고 있는 제2광분할기(04)에서 반사, 투과가 이루어져 하나의 빛은 두 개로 나누어진다.
이때, 설명의 편의상 투과된 빛을 제1광선이라 하고, 반사된 빛을 제2광선이라 칭하기로 한다.
그러면, 투과된 제1광선은 90°로 위치된 제2선형편광기(07)에 의해 진동 방향이 90°로 변하게 되고, 측정을 위한 샘플(08)로 입사된 후 재반사되어 제2선형편광기(07), 제2광분할기(04), 대물렌즈(03), 제1광분할기(02), 제3광분할기(09)를 순서대로 통과한 후 45°로 위치된 제3선형편광기(10)에 다다른다.
또한, 상기 제2광분할기(04)에서 반사된 제2광선은 0°로 위치된 제4선형편광기(05)를 통과하면서 0°로 진동하게 되고, 기준거울(06)에서 반사되어 제4선형편광기(05), 제2광분할기(04), 대물렌즈(03), 제1광분할기(02), 제3광분할기(09)를 순서대로 지나면서 제3선형편광기(10)에 도착한다.
이 시점의 제1광선은 90°로 진동하며 제2광선은 0°로 진동한다.
그리고, 제3선형편광기(10)는 45°로 위치되어 있어 제3선형편광기(10)를 통과한 후 제1광선과 제2광선은 모두 45° 방향으로 진동하게 되고, 광 경로차에 의해 간섭을 하게 되며, 제1이미징렌즈(11)에 의해 제1검출기(12)에 촬상된다.
즉, WSI 장치에 의한 광 간섭 데이터가 획득된다.
이 경우, 비 동축 조명(13)에 의해 샘플(08) 표면으로부터 반사되는 빛의 일부가 제1검출기(12)로 입사되긴 하지만 간섭에는 영향을 주진 못하고 다만 배경광(background)의 크기를 일부 변화시킨다.
한편, EDF 장치에 대한 구성은 다음과 같은데, 전술된 것처럼 제1광선과 제2광선은 샘플(08)과 기준거울(06)로 부터 각각 반사되어 제3광분할기(09)에 이르게 된다.
이때, 투과된 제1,2광선은 제1검출기(12)로 향하게 되며, 반사된 일부 제1,2광선은 제5선형편광기(14)로 향한다.
여기에서, 상기 제1광선과 제2광선은 상호 간섭성을 가지고 있지만 진동 방향이 수직을 유지하고 있기 때문에 간섭하지 아니한다.
따라서, 상기 제5선형편광기(14)가 없어도 제2검출기(17)에서는 비 간섭 영상을 얻을 수 있다.
하지만, 기준거울(06)에 의한 제2광선은 배경광(background)으로 작용하여 전체적인 영상의 선명도를 떨어뜨린다. 결국, 선명한 2D 영상을 획득하기 위해서는 제2광선을 제거해야 하므로 제5선형편광기(14)는 0°방향으로 위치되어 제1광선만 통과시키고 제2광선은 제거시키게 된다.
이후, 거울(15), 제2이미징 렌즈(16)를 통과한 제2광선은 제2검출기(17)에 도달하여 촬상된다.
이때, 비 동축 조명(13)에 의해 샘플(08)로 부터 반사된 빛은 제2검출기(17)에 의해 검출 될 수 있는데, 특히 샘플(08)의 표면 기울기가 광학계의 NA, 혹은 대물렌즈(03)의 NA 보다 큰 영역으로부터 반사된 빛은 2D 영상을 이용하는 EDF라는 방식에 의해 활용 될 수 있어 기존의 WSI의 한계를 극복할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 2개의 검출기를 사용하면서도 동일한 샘플(08)의 영역을 측정해야 된다. 따라서 제2검출기(17) 정렬을 위한 정렬 장치(18)가 제2검출기(17)에 추가 될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 장치, 즉 광학 시스템은 WSI(백색광 주사 간섭계)와 EDF(Extended Depth of Focus)라고 불리는 표면 형상 측정 장치를 결합한 것으로서, 단순히 주합해서는 구현될 수 없고, 광로상에서 발생되는 불필요한 정보들을 제거하기 위해 다수의 선형편광기를 응용하여 면밀히 계획된 설계를 통해서만 얻어질 수 있다. 다시 말해, 기존 두 광학계를 단순히 붙여 놓는다고 해서 얻어질 수 없다는 것이다.
정리하자면, WSI는 잘 알려진 것처럼 빛의 간섭을 이용한 것으로 광 축(여기서는 수직축)을 따라 광학계를 서브 마이크로 미터 간격으로 이동하면서 촬영한 일련의 간섭 영상들로부터 각 픽셀 단위로 간섭 신호가 가장 강한 위치를 그 픽셀에 해당하는 샘플 표면의 높이로 산출하는 비 접촉 형상 측정 방법이며, EDF 역시 광 축으로 광학계 전체 혹은 일부를 이동 하면서 촬영된 비 간섭성 영상들을 이용하여 각 픽셀 단위로 초점이 가장 잘 맞은 것으로 판단되는 위치를 찾아냄으로써 표면의 형상을 측정하는 시스템인 바, 본 발명은 이들의 장점만이 기능할 수 있도록 상호 결합시 특수한 연결구성을 갖춤으로써 대면적 측정이 가능하며 공 초점 보다는 빠른 검사 시간을 만족하면서도 모아레나 레이저 기반 검사 솔루션보다는 높은 공간 분해능을 가져 샘플 표면의 기울기가 광학계의 NA 보다 클 경우, 표면의 거칠기가 너무 커 반사가 잘 이루어지지 않는 경우, 표면이 매끄럽지만 재질의 특성상 반사가 잘 이루어지지 않는 경우에도 정확한 형상을 측정할 수 있도록 한 것이다.
01:제1선형편광기 02:제1광분할기
03:대물렌즈 04:제2광분할기
05:제4선형편광기 06:기준거울
07:제2선형편광기 08:샘플
09:제3광분할기 10:제3선형편광기
11:제1이미징렌즈 12:제1검출기
14:제5선형편광기 15:거울
16:제2이미징렌즈 17:제2검출기
18:정렬장치

Claims (5)

  1. 샘플(08)에 대한 광 간섭 데이터를 취득하는 WSI(White Scanning Interferometer), 샘플(08)에 대한 무간섭 광 데이터를 취득하는 EDF(Extender Depth of Focus)를 다수의 광분할기(02,04,09)와 선형편광기(01,05,07,10,14)로 결합하여 상호 영향없이 샘플(08) 표면의 기울기가 광학계의 NA(Numerical Aperture) 보다 클 경우, 표면의 거칠기가 너무 커 반사가 잘 이루어지지 않는 경우, 표면이 매끄럽지만 재질의 특성상 반사가 잘 이루어지지 않는 경우에도 정확한 형상을 측정할 수 있도록 구성하되,
    상기 WSI는, 동축 조명계(Coaxial illumination)로부터 방사된 무편광 빛을 선형 편광시키는 제1선형편광기(01); 선형 편광된 빛을 일부 투과시키고, 일부 반사시는 제1광분할기(02); 상기 제1광분할기(02)를 투과한 빛을 모으는 대물렌즈(03); 상기 대물렌즈(03)를 투과한 빛을 반사, 투과시키는 제2광분할기(04); 상기 제2광분할기(04)를 투과한 빛을 선형평광시켜 샘플(08)로 조사시키는 제2선형편광기(07); 상기 제2광분할기(04)에서 반사된 빛을 선형편광시키는 제4선형편광기(05); 상기 제4선형편광기(05)를 통과한 빛을 반사시켜 상기 제2광분할기(04)를 투과한 빛과의 광로차를 발생시켜 광 간섭을 유도하는 기준거울(06); 상기 샘플(08)과 상기 기준거울(06)로부터 반사된 빛을 선형편광시켜 제1이미징렌즈(11)를 통해 제1검출기(12)로 안내하는 제3선형편광기(10);를 포함하여 구성되고,
    상기 EDF는, 상기 제1광분할기(02)와 제3선형편광기(10) 사이에 구비되어 제1광분할기(02)를 투과한 빛을 반사, 투과시키는 제3광분할기(09); 상기 제3광분할기(09)에서 반사된 빛 중 샘플(08)로부터 반사된 빛만을 통과시키도록 선형편광시키는 제5선형편광기(14); 상기 제5선형편광기(14)를 통해 편광된 빛을 수직하게 반사시키는 거울(15); 상기 거울(15)을 통해 반사된 빛을 모아 제2검출기(17)를 통해 검출 가능하게 하는 제2이미징렌즈(16);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서;
    상기 제1,3선형편광기(01,10)는 45°방향의 빛만 투과시키는 편광기이고;
    상기 제2선형편광기(07)는 90°방향의 빛만 투과시키는 편광기이며;
    상기 제4선형편광기(05)는 0°방향의 빛만 투과시키는 편광기;인 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서;
    상기 제5선형편광기(14)는 0°방향의 빛만 투과시키는 편광기;인 것을 특징으로 하는 3차원 형상 측정장치.
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