KR101522878B1 - 측정장치 및 이의 보정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 측정대상물이 형성된 기판을 측정하는 측정장치 및 이의 보정방법에 관한 것으로, 본 발명의 보정방법에 따르면, 기준위상 측정을 위한 기판의 위상을 촬상부를 통해 측정하여 기준위상을 측정하고, 측정된 기준위상의 기준면이 촬상부의 이미지 평면에 대해 기울어진 자세를 획득한 후, 기울어진 자세를 기초로 촬상부에 대한 기준면의 보정이 필요한 높이를 산출한다. 이와 같이, 기준위상의 기울어진 자세를 기초로 높이 측정의 기준이 되는 기준면을 보정함으로써, 측정대상물의 측정 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

Description

측정장치 및 이의 보정방법{INSPECTION APPARATUS AND COMPENSATING METHOD THEREOF}
본 발명은 측정장치 및 이의 보정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판에 형성된 측정대상물을 정밀하게 측정하기 위한 측정장치 및 상기 측정장치가 갖는 시스템적인 왜곡을 보정하기 위한 측정장치의 보정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전자 기기 내에는 전자 기기의 구동을 제어하기 위한 전자 부품들이 실장된 기판이 탑재된다. 특히, 전자 기기 내에는 전자 기기의 중앙 제어를 위한 중앙처리장치(CPU)로서, 중앙처리 반도체칩이 실장된 기판이 탑재된다. 이러한 중앙처리장치는 이를 이용하는 전자 기기의 중요 부품에 해당하므로, 중앙처리장치의 부품 신뢰성을 확인하기 위하여, 중앙처리 반도체칩이 기판상에 제대로 실장되었는지를 검사할 필요가 있다.
최근 들어, 측정대상물이 형성된 기판을 검사하기 위하여, 조명원 및 격자소자를 포함하여 측정대상물로 패턴광을 조사하는 투영부와, 패턴광의 조사를 통해 측정대상물의 패턴영상을 촬영하는 촬상부를 포함하는 측정장치를 이용하여 측정대상물이 실장된 기판을 검사하는 기술이 사용되고 있다.
그러나, 측정대상물이 실장된 기판을 검사함에 있어, 측정장치 내에 설치된 광학계 자체가 갖는 왜곡으로 인해 측정데이터의 왜곡이 발생될 수 있다. 또한, 기판의 기울어진 자세를 고려하지 않은 2차원적 측정을 하다보니, 촬상부의 이미지 평면과 실제 기판이 세팅되는 측정대상 평면이 평행하지 못해 측정데이터의 왜곡이 발생되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명은 측정장치가 갖는 시스템적인 왜곡을 보정하여 측정데이터에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 측정장치의 보정방법을 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 측정장치의 보정방법은, 카메라 및 촬상 렌즈를 포함하는 촬상부를 통해 복수의 패턴들이 형성된 캘리브레이션 기판을 촬영하여 이미지를 획득하는 단계, 상기 획득된 이미지에서 상기 패턴들 간의 길이 정보를 획득하는 단계, 상기 캘리브레이션 기판의 기준데이터를 불러오는 단계, 상기 획득된 복수의 패턴들 간의 길이 정보와 상기 기준데이터에서의 복수의 패턴들 간의 길이 정보를 이용하여 상기 캘리브레이션 기판의 자세 정보를 획득하는 단계, 및 상기 자세 정보와 상기 캘리브레이션 기판의 상기 기준데이터를 이용하여 상기 촬상부를 캘리브레이션하는 단계를 포함한다. 상기 촬상 렌즈는 텔레센트릭(telecentric) 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 자세 정보를 획득하는 단계는, 상기 복수의 패턴들 중에서 적어도 2개의 패턴의 크기를 비교하여 상기 캘리브레이션 기판의 기울기가 양인지 음인지를 판단할 수 있다.
상기 촬상부를 캘리브레이션하는 단계는, 상기 캘리브레이션 기판을 복수의 자세에 대하여 적어도 2회 이상 측정하여 획득된 캘리브레이션 데이터들의 평균값을 이용하여 상기 촬상부의 캘리브레이션을 진행할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 측정장치의 보정방법은, 구면 렌즈와 비 구면 렌즈를 포함하는 광학계를 이용하여 측정대상물을 촬상부를 통해 측정하는 측정장치의 상기 광학계의 왜곡을 보정하는 방법에 있어서, 복수의 패턴들이 형성된 기판을 촬영하여 이미지를 획득하는 단계, 및 상기 획득된 이미지를 복수의 서브 영역으로 분할하고, 각각의 상기 서브 영역에 대한 왜곡을 보상하는 단계를 포함한다.
상기 비구면 렌즈는 플레이트 형상을 갖는 빔 스플리터를 포함할 수 있다.
상기 서브 영역에 대한 왜곡을 보상하기 위해, 상기 서브 영역에 포함된 복수의 패턴들에 각각 대응되는 패턴별 보상값들을 이용하여 상기 서브 영역에 특화된 보상 조건을 획득한다. 한편, 상기 서브 영역의 형태를 달리하면서 복수 회에 걸쳐 왜곡 보상을 수행한 후, 획득된 복수의 보상 데이터들을 기초로 상기 서브 영역의 형태를 결정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 측정장치의 보정방법은, 기준위상 측정을 위한 기판의 위상을 촬상부를 통해 측정하여 기준위상을 측정하는 단계, 상기 측정된 기준위상의 기준면이 상기 촬상부의 이미지 평면에 대해 기울어진 자세를 획득하는 단계, 상기 기울어진 자세를 기초로 상기 촬상부에 대한 상기 기준면의 보정이 필요한 높이를 산출하는 단계를 포함한다.
상기 촬상부의 이미지 평면에 대해 상기 측정된 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득하는 단계는, 자세정보 측정을 위한 기판을 상기 촬상부를 통해 측정하여 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 기판면을 획득하는 단계, 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 위상을 측정하여 상기 기준위상을 기초로 높이를 획득하는 단계, 및 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 기판면과 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 높이를 비교하여 상기 측정된 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 측정된 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득하는 단계는, 상기 기판면의 높이를 상기 이미지 평면과 평행한 기설정된 이상적인 기준면으로부터 산출하는 단계, 및 상기 기판면의 높이와 상기 기판의 높이를 기초로 상기 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 자세정보 측정을 위한 기판의 기판면을 획득하는 단계는, 복수의 인식마크가 형성된 상기 자세정보 측정을 위한 기판을 상기 촬상부를 통해 측정하여 상기 인식마크들 간의 길이를 측정하여 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 기울어진 자세를 계산할 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따른 측정장치는, 측정대상물이 형성된 기판에 패턴광을 조사하는 적어도 하나의 투영부, 광을 상기 기판에 조사하기 위한 조명부, 상기 기판의 상부에 배치되어 상기 기판의 이미지를 촬영하는 촬상부, 및 상기 촬상부와 상기 기판 사이에 배치되며, 상기 조명부로부터 입사되는 광의 일부는 상기 기판을 향하도록 반사시키고 나머지 일부는 투과시키되, 반사율과 투과율이 비대칭인 빔 스플리터를 포함한다. 상기 빔 스플리터는 반사율보다 투과율이 높은 특징을 갖는다.
상기 측정장치에서, 상기 조명부로부터 출사된 광은 상기 빔 스플리터에 의해 반사되어 상기 측정대상물에 조사되고, 상기 측정대상물에서 반사된 광은 다시 상기 빔 스플리터를 투과하여 상기 촬상부에 입사되는 동축 조명 방식을 구성한다.
이와 같은 측정장치 및 이의 보정방법에 따르면, 촬상부의 초점 거리를 보정하고, 측정장치 내에 구비된 구면 렌즈와 빔 스플리터 등의 광학계의 비균일성에 의한 왜곡을 보상하여 줌으로써, 측정대상물에 대한 측정 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
또한, 촬상부의 캘리브레이션을 위한 다수의 패턴이 형성된 캘리브레이션 기판을 측정하여 측정된 패턴간의 거리정보를 기초로 캘리브레이션 기판의 자세 정보를 획득함으로써, 촬상부에 대한 초점 거리(Focal length) 및 배율 등의 캘리브레이션 데이터를 정밀하게 획득할 수 있다.
또한, 물체의 자세 정보와 PMP 측정치를 사용하여 이미지 평면과 높이 측정의 기준이 되는 기준면의 기울어짐을 보정함으로써, 측정데이터의 측정 신뢰도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 빔 스플리터의 투과율을 반사율보다 높게 구성함으로써, 투영부로부터 출사되는 패턴광의 이용 효율을 높이고, 안정적인 패턴 이미지의 촬영이 가능해 진다.
또한, 측정대상물의 높이로 인한 획득된 이미지데이터에서의 영역 오차를 보상하여, 측정 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 촬상계의 이미지 평면에 대해 측정 기판의 상대적인 기울어진 자세를 측정함으로써, 측정 신뢰도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 촬상계에 텔레센트릭 렌즈를 사용하여 측정할 때 기판의 기울어진 자세를 측정함으로써, 측정 신뢰도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 촬상계에 텔레센트릭 렌즈를 사용하여 측정할 때 측정된 데이터의 왜곡을 보상함으로써, 측정 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치의 보정방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 캘리브레이션 기판을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 측정장치의 보정방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 비구면 렌즈로 인한 왜곡을 보상하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 측정장치의 보정방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 도 6에 따른 측정장치의 기준면 보정방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자세정보를 측정하기 위한 기판을 나타낸 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치(100)는 측정대상물(112)이 형성된 기판(110)을 지지 및 이송시키기 위한 스테이지(160), 기판(110)에 패턴광을 조사하기 위한 하나 이상의 투영부(120), 기판(110)에 광을 조사하기 위한 조명부(130), 기판(110)에 대한 영상을 촬영하기 위한 촬상부(140) 및 촬상부(140)의 하부에 배치되어 입사되는 광의 일부는 반사시키고 나머지 일부는 투과시키는 빔 스플리터(150)를 포함한다.
투영부(120)는 기판(110)에 형성된 측정대상물(110)의 3차원 형상을 측정하기 위하여 패턴광을 기판(110)에 조사한다. 예를 들어, 투영부(120)는 광을 발생시키는 광원(122), 광원(122)으로부터의 광을 패턴광으로 변환시키기 위한 격자소자(124)를 포함한다. 또한, 투영부(120)는 격자소자(124)를 피치 이송시키기 위한 격자이송기구(미도시) 및 격자소자(124)에 의해 변환된 패턴광을 측정대상물(112)에 투영하기 위한 투영 렌즈(미도시) 등을 포함할 수 있다. 격자소자(124)는 패턴광의 위상천이를 위해 페이조 엑추에이터(piezo actuator : PZT) 등의 격자이송기구를 통해 2π/N 만큼씩 이송될 수 있다. 여기서, N은 2 이상의 자연수이다. 이러한 구성을 갖는 투영부(120)는 검사 정밀도를 높이기 위하여 촬상부(140)를 중심으로 원주 방향을 따라 일정한 각도로 이격되도록 복수가 설치될 수 있다. 예를 들어, 4개의 투영부(120)가 촬상부(140)를 중심으로 원주 방향을 따라 90°각도로 이격되어 설치된다. 복수의 투영부들(120)은 기판(110)에 대하여 일정한 각도로 기울어지게 설치되어, 복수의 방향으로부터 기판(110)에 패턴광을 조사한다.
조명부(130)는 촬상부(140)와 기판(110)의 사이에서 빔 스플리터(150)로 광을 조사하도록 설치된다. 조명부(130)는 측정대상물(112)이 형성된 기판(110)의 평면 이미지를 촬영하기 위하여 빔 스플리터(150)를 통해 기판(110)에 광을 조사한다. 조명부(130)는 광을 발생시키는 광원(132)을 포함한다.
촬상부(140)는 투영부(120)를 통한 패턴광의 조사를 통해 기판(110)의 패턴 이미지를 촬영하고, 조명부(130)를 통한 광의 조사를 통해 기판(150)의 평면 이미지를 촬영한다. 예를 들어, 촬상부(140)는 기판(150)으로부터 수직한 상부에 설치된다. 촬상부(140)는 이미지 촬영을 위한 카메라(142) 및 촬상부(140)로 입사되는 광을 카메라(142)에 결상시키기 위한 적어도 하나의 결상 렌즈(144)를 포함할 수 있다. 카메라(142)는 CCD 카메라 또는 CMOS 카메라를 포함할 수 있다. 결상 렌즈(144)는 예를 들어, 광축과 평행한 광만 통과시켜 z축에 의한 이미지 왜곡을 최소화시키기 위한 텔레센트릭(telecentric) 렌즈를 포함한다.
빔 스플리터(150)는 촬상부(140)와 기판(110)의 사이에 설치된다. 빔 스플리터(150)는 입사되는 광의 일부는 반사시키고, 나머지 일부는 투과시키는 특성을 갖는다. 따라서, 조명부(130)로부터 출사된 광은 빔 스플리터(150)에 의해 일부는 기판(110)으로 반사되고 나머지 일부는 투과된다. 또한, 기판(110)으로부터 반사된 광의 일부는 빔 스플리터(150)를 투과하여 촬상부(140)에 입사되고 나머지 일부는 빔 스플리터(150)에 의해 반사된다.
이와 같이, 빔 스플리터(150)를 이용하여 산란된 광을 측정대상물(112)에 조사하고, 측정대상물(112)에서 반사된 광이 다시 빔 스플리터(150)를 통해 촬상부(140)에 입사되도록 하는 동축 조명 방식을 이용함으로써, 표면 반사 특성이 높은 측정대상물(112)이나 주변에 의해 측정대상물(112)에 그림자가 발생되는 경우에 측정 신뢰도를 높일 수 있다. 특히, 측정대상물(112)이 중앙처리장치(CPU)에 사용되는 중앙처리 반도체부품일 경우, 표면 반사율이 매우 높고 부품의 두께가 두꺼우므로, 상기와 같은 동축 조명 시스템을 사용하는 것이 매우 유용하다.
한편, 빔 스플리터(150)가 촬상부(140)의 하부에 위치함으로 인해, 투영부(120)로부터 조사된 패턴광이 기판(110)에 의해 반사된 후 빔 스플리터(150)로 향하는 광의 일부는 빔 스플리터(150)를 투과하여 촬상부(140)에 입사되는 반면, 나머지 일부의 광은 빔 스플리터(150)에 의해 반사된다.
빔 스플리터(150)는 조명부(130)에서 출사된 광이 촬상부(140)로 입사되는 광량과 투영부(120)에서 출사된 광이 촬상부(140)로 입사되는 광량을 고려하여 반사율과 투과율이 비대칭인 특성을 갖도록 형성된다. 특히, 빔 스플리터(150)는 투영부(120)에서 출사된 패턴광이 기판(110)에서 반사된 후 가급적 많은 양의 광이 촬상부(140)에 입사될 수 있도록 반사율보다 투과율이 높게 형성된다. 예를 들어, 빔 스플리터(150)는 반사율과 투과율이 약 3:7 정도로 형성될 수 있다.
즉, 측정대상물(112)의 3차원 형상을 측정하기 위해서는 투영부(120)로부터 패턴광을 조사한 후 기판(110)에서 반사되는 반사광을 촬상부(140)에서 촬영하여야 하나, 촬상부(140)의 하부에 설치된 빔 스플리터(150)로 인해, 기판(110)에서 반사된 광의 일부만이 빔 스플리터(150)를 투과하여 촬상부(140)에 입사되고 나머지 광은 빔 스플리터(150)에 의해 반사되어 손실된다. 촬상부(140)에 입사되는 광량이 너무 적을 경우 3차원 형상의 측정에 어려움이 있을 수 있으므로, 빔 스플리터(150)에 의해 손실되는 광을 줄이고, 촬상부(140)로 입사되는 광량을 증가시키기 위하여, 빔 스플리터(150)의 투과율을 반사율보다 높게 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 빔 스플리터(150)의 투과율을 반사율보다 높게 형성할 경우, 조명부(130)로부터 출사되어 빔 스플리터(150)를 두 번 거친 후 촬상부(140)로 입사되는 광량은 다소 줄어들 수 있으나, 이것은 측정대상물(112)의 측정에 별다른 영향을 미치지 않는다. 반면, 투영부(120)로부터 출사되는 패턴광은 격자소자(124)를 거치면서 광량이 감소되어 출사되므로, 빔 스플리터(150)의 투과율을 높여 촬상부(140)로 입사되는 광량을 증가시키는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 구성을 갖는 측정장치(100)를 이용하여 기판(110)에 형성된 측정대상물(112)을 정확히 측정하기 위해서는 측정장치(100)에 대한 시스템 보정을 수행할 필요가 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치의 보정방법을 나타낸 흐름도이며, 도 3은 캘리브레이션 기판을 나타낸 사시도이다. 특히, 도 2는 도 1에 도시된 촬상부의 캘리브레이션 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 촬상부(140)의 캘리브레이션 방법은, 캘리브레이션 기판(200)에 형성된 복수의 패턴들(210)의 길이를 측정하고, 상기 캘리브레이션 기판(200)의 기준데이터에서의 복수의 패턴들(210)의 길이정보와 상기 측정된 복수의 패턴들(210)의 길이를 기초로 촬상부를 캘리브레이션한다.
이때, 캘리브레이션 기판(200)이 촬상부의 이미지 평면과 평행하지 않고 기울어질 수 있다. 따라서, 상기 이미지 평면과 캘리브레이션 기판(200)의 기울어진 자세로 인해 발생한 상기 복수의 패턴들(210)의 길이 정보의 오차를 보정할 필요가 있다.
캘리브레이션 기판(200)의 기울어짐으로 인한 오차 보정을 위하여, 카메라(142) 및 촬상 렌즈(144)를 포함하는 촬상부(140)를 통해 복수의 패턴들(210)이 형성된 캘리브레이션 기판(200)을 촬영하여 이미지를 획득한다(S100). 이때, 상기 촬상 렌즈(144)는 구면 렌즈를 포함할 수 있으며, 일 예로, 상기 구면 렌즈는, 광축과 평행한 광만 통과시켜 z축에 의한 이미지 왜곡을 최소화시키기 위한 텔레센트릭(telecentric) 렌즈를 포함할 수 있다.
이후, 촬상부(140)를 통해 획득된 이미지에서 복수의 패턴들(210) 간의 길이 정보를 획득한다(S110). 예를 들어, 복수의 패턴들(210) 중에서 하나의 패턴(210a)을 기준으로 다른 패턴들과의 X축 방향으로의 이격 길이 또는 Y축 방향으로의 이격 거리를 계산하여 패턴들(210) 간의 길이 정보를 획득한다.
한편, 측정장치(100)는 촬상부(140)를 통해 획득된 이미지에서 복수의 패턴들(210) 간의 길이 정보를 획득하는 것과는 별도로, 캘리브레이션 기판(200)의 기준데이터(예를 들어, 캐드 데이터)를 불러들인다(S120). 상기 기준데이터에는 패턴들(210) 간의 길이 정보가 들어있다.
이후, 촬상부(140)를 통해 획득된 복수의 패턴들(210) 간의 길이 정보와 대응되는 상기 기준데이터에서의 복수의 패턴들(210) 간의 길이 정보를 이용하여 캘리브레이션 기판(200)의 기울어진 자세를 나타내는 자세 정보를 획득한다(S130). 여기서, 캘리브레이션 기판(200)의 기울어진 자세는 촬상부(140)의 이미지 평면에 대한 상대적인 자세를 의미한다. 예를 들어, 촬상부(140)를 통해 측정된 패턴들(210) 간의 길이 정보와 캘리브레이션 기판(200)에 대한 기준데이터(예를 들어, 캐드 데이터)를 통해 사전에 알고 있는 패턴들(210) 간의 길이 정보를 비교함으로써, 캘리브레이션 기판(200)의 기울어진 각도를 산출할 수 있다.
한편, 캘리브레이션 기판(200)을 복수의 다른 자세에 대하여 적어도 2번 이상 측정한 후, 상기 측정된 거리들의 평균값으로부터 촬상부(140)를 캘리브레이션할 수 있다. 즉, 캘리브레이션 기판(200)의 자세와 위치를 다양하게 변화시켜가며 복수의 패턴들(210) 간의 길이 정보를 획득하고, 상기 복수의 패턴들(210) 간의 길이 정보와 대응되는 캘리브레이션 기판(200)에 대한 기준데이터를 각각 비교하여, 상기 비교결과들의 오차가 최소가 되는 자세 정보 또는 상기 비교결과들의 평균 자세 정보 중 적어도 하나를 기초로 캘리브레이션 기판(200)의 기판면과 촬상부(140)의 이미지 평면과 상대적으로 기울어진 각도를 산출할 수 있다.
한편, 캘리브레이션 기판(200)의 자세 정보를 획득함에 있어서, 촬상부(140)를 통해 측정된 패턴들(210) 중에서 적어도 2개의 패턴의 크기를 비교함으로써, 캘리브레이션 기판(200)의 기울기가 양인지 음인지를 판단할 수 있다. 이때, 대각선 방향으로 비교적 멀리 떨어져 있는 2개의 패턴(210)의 크기를 비교하는 것이 바람직하다.
이후, 캘리브레이션 기판(200)의 상기 자세 정보와 사전에 알고 있는 캘리브레이션 기판(200)의 기준데이터를 이용하여 촬상부(140)를 캘리브레이션한다(S140). 예를 들어, 촬상부(140)의 특성을 수식적으로 정의한 촬상부 행렬 방정식에 상기 자세 정보 및 기준데이터를 대입함으로써, 미지수에 해당하는 촬상부(140)의 초점 거리 정보 및/또는 배율 정보 등의 캘리브레이션 데이터를 캘리브레이션할 수 있다. 이때, 상기 캘리브레이션 데이터의 정밀도를 높이기 위하여, 캘리브레이션 기판(200)을 복수의 자세에 대하여 적어도 2번 이상 측정하여 획득한 캘리브레이션 데이터들의 평균값을 이용하여 촬상부(140)의 캘리브레이션을 진행할 수 있다.
이와 같이, 캘리브레이션 기판(200)의 자세 정보를 고려하여 촬상부(140)의 캘리브레이션을 수행하고 이를 측정대상물의 측정에 이용함으로써, 측정 정밀도를 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 측정장치의 보정방법을 나타낸 흐름도이다. 특히, 도 4는 측정장치에 구비된 비구면 렌즈의 보정방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치(100)는 촬상부(140) 내에 구비된 촬상 렌즈(예를 들어, 텔레센트릭 렌즈)(144)와 촬상부(140) 하부에 설치된 빔 스플리터(150)(빔 스플리터는 비구면 렌즈의 일종임)를 포함하는 광학계를 이용하여 측정대상물의 3차원 형상을 측정한다.
이때, 상기 광학계 자체가 갖는 비균일성으로 인하여 촬상된 이미지에 왜곡이 발생 될 수 있다. 따라서, 상기 광학계로 인한 왜곡을 보상할 필요가 있다.
한편, 상기 광학계는 구면 렌즈와 비구면 렌즈를 포함 할 수 있으며, 구면 렌즈에 의한 오차는 일반적으로 규칙적인 왜곡을 가지며 비구면 렌즈는 비규칙적인 왜곡을 가질 수 있다. 따라서, 상기 광학계의 오차를 보상할 때 구면 렌즈와 비구면 렌즈에 대한 전체적인 왜곡을 보상하거나 또는, 구면 렌즈와 비구면 렌즈의 왜곡을 각각 보상할 수 있다.
일 실시예에 따른 측정장치에서, 촬상 렌즈(144)는 구면 렌즈를 포함하는데, 구면 렌즈 자체가 갖는 비균일성으로 인하여 촬영 영상의 왜곡이 발생될 수 있다. 따라서, 측정대상물(112)에 대한 측정을 진행하기에 앞서 측정장치(100)에 구비된 광학계를 보정하는 차원에서 구면 렌즈를 포함하는 촬상 렌즈(144)의 비균일성에 의한 왜곡을 보상할 수 있다. 이와 같은 구면 렌즈의 보상방법은 일반적으로 알려진 공지기술에 해당하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 측정장치(100)에 구비된 광학계에서 비구면 렌즈에 의한 왜곡을 보상할 필요가 있다. 일 실시예로, 상기 비구면 렌즈는 빔 스플리터(150)일 수 있다. 빔 스플리터(150)는 일 실시예로 플레이트 형상으로 형성되며, 양면에 코팅층이 형성된 구조를 갖는다. 이러한 빔 스플리터(150)는 영역에 따라 굴절율이 달라질 수 있어 촬영 영상의 왜곡을 초래할 수 있다.
도 5는 비구면 렌즈로 인한 왜곡을 보상하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1, 도 4 및 도 5를 참조하면, 비구면 렌즈의 비균일성에 의한 왜곡을 보상하기 위하여, 복수의 패턴들(310)이 형성된 기판(300)을 촬상부(140)를 통해 촬영하여 기판(300)의 이미지를 획득한다(S200). 이후, 촬상부(140)에서 촬영된 기판(300)의 이미지를 복수의 서브 영역들(320)로 구분하고, 각각의 서브 영역(320)에 각기 다른 보상조건을 적용하여 왜곡을 보상한다(S210). 예를 들어, 기판(300)의 이미지는 격자 형태의 서브 영역들(320)로 구분될 수 있다.
각각의 서브 영역(320)에 적용되는 보상조건은 서브 영역(320)에 포함된 복수의 패턴들(310)에 각각 대응되는 패턴별 보상값들을 이용하여 서브 영역(320)에 특화될 수 있다. 예를 들어, 기판(300)에 대한 기준 데이터(예를 들어, 캐드 데이터) 상의 패턴들(310)의 위치와 촬영 이미지 상의 패턴들(310)의 위치를 비교하여 각 패턴(310)에 대응되는 오차값(즉, 보상이 필요한 보상값)을 계산한 후, 각 서브 영역(320)에 포함된 패턴들(310)의 패턴별 보상값들의 오차가 최소가 되는 값이나, 또는 패턴별 보상값들의 평균값을 계산하여 이를 해당 서브 영역(320)의 보상조건으로 설정할 수 있다.
한편, 서브 영역(320)의 형태를 달리하면서 복수 회에 걸쳐 왜곡 보상을 수행한 후, 획득된 복수의 보상 데이터들을 기초로 최적화된 서브 영역(320)의 형태를 결정할 수 있다. 예를 들어, 격자 형태의 서브 영역(320)의 크기를 크거나 작게 변경시키면서 각기 다른 크기의 서브 영역(320)들에 대해 특화된 보상조건들을 적용해 본 후에, 그 결과를 기초로 왜곡량이 가장 적게 나오는 서브 영역(320)의 형태를 선택함으로써, 서브 영역(320)을 최적화시킬 수 있다.
또한, 서브 영역(320)에 대한 왜곡을 보상함에 있어, 앞서 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바 있는 촬상부(140)의 캘리브레이션 과정에서 획득한 자세 정보를 활용함으로써, 비구면 렌즈에 대한 왜곡 보상을 보다 정밀히 수행할 수 있다.
이와 같이, 측정장치(100) 내에 구비된 촬상 렌즈(144) 및 빔 스플리터(150) 등의 광학계의 비균일성에 의한 왜곡을 실제 측정 이전에 보상하여 줌으로써, 측정대상물에 대한 측정 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
한편, 모아레 측정방식을 이용한 측정장치에서는, 장치 내에 저장되어 있는 기준면을 기준으로 측정대상물(112)의 높이가 측정된다. 즉, 기준위상 측정을 위한 기판을 측정하여 장치 내에 저장을 하고 이때 측정된 상기 기준위상 측정을 위한 기판의 평면이 기준면이 된다. 그러나, 실질적인 기준면이 촬상부(140)의 이미지 평면과 상대적으로 기울어져 있을 경우 측정데이터의 왜곡이 발생될 수 있으므로, 측정대상물의 높이를 측정함에 앞서, 장치의 실제 기준면을 새로이 설정할 필요가 있다. 즉, 촬상부의 이미지 평면에 대해 평행한 이상적인 기준평면과 측정된 기준평면과의 상대적인 오차를 획득하고, 상기 획득된 오차값을 보상데이터로 설정 할 수 있다.
따라서, 촬상부의 이미지 평면에 측정되는 기준면의 오차를 보정 함으로써, 촬상부의 자세에 따른 측정오차를 보정하여 다수의 측정영역(FOV) 측정을 위해 촬상부가 이동을 하더라도 촬상부의 이미지 평면과 측정된 기준평면과의 오차에 영향을 받지 않고, 촬상부의 이미지 평면과 상기 측정된 기준평면의 평행을 유지할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 측정장치의 보정방법을 나타낸 흐름도이며, 도 7은 도 6에 따른 측정장치의 기준면 보정방법을 설명하기 위한 개념도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자세 정보를 측정하기 위한 기판을 나타낸 사시도이다.
도 1, 도 6, 도 7 및 도 8을 참조하면, 기준면의 보정을 위하여 우선, 기준위상 측정을 위한 기판(제1 시편)을 촬상부(140)의 측정영역에 세팅한 후 상기 기준위상 측정을 위한 기판에 대한 기준 위상을 측정한다(S300). 예를 들어, 상기 기준위상 측정을 위한 기판의 위상은 투영부(120)를 이용하여 위상측정 형상측정법(Phase Measurement Profilometry : PMP)을 통해 측정할 수 있다.
이후, 상기 측정된 기준위상의 기준면이 촬상부(140)의 이미지 평면에 대해 기울어진 자세를 획득한다(S310).
상기 측정된 기준위상의 기울어진 자세를 획득하기 위하여, 자세정보 측정을 위한 기판(제2 시편)을 촬상부(140)의 측정영역에 세팅한 후 상기 자세정보 측정을 위한 기판을 촬상부(140)를 통해 측정하여 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 기판면을 획득한다. 일 실시예로, 상기 자세정보 측정을 위한 기판으로는 도 8에 도시된 바와 같이 기울어진 자세를 확인하기 위해 복수의 인식마크(410)가 형성된 기판(400)을 이용할 수 있다.
자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기판면은 자세정보 측정을 위한 기판(400)에 형성된 인식마크들(410) 간의 길이를 측정하고, 이를 통해 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기울어진 자세를 계산하여 파악할 수 있다. 예를 들어, 인식마크들(410)들의 X,Y 좌표는 조명부(130)의 광 조사를 통해 촬상부(140)에서 촬영된 측정 이미지를 통하여 획득하며, 인식마크들(410)의 Z 좌표는 인식마크들(410) 간의 길이를 측정하여 획득할 수 있다. 즉, 측정된 인식마크들(410) 간의 길이와 기준 데이터(예를 들어, 캐드 데이터)에 의해 미리 알고 있는 인식마크들(410) 간의 길이를 비교하여 기울어진 각도를 산출함으로써, 인식마크들(410)의 상대적인 높이를 획득할 수 있다. 한편, 자세정보 측정을 위한 기판(400)은 기울어진 각도가 양인지 음인지를 판단하기 위하여 중앙부에 일정 높이로 돌출된 돌출부(420)를 포함할 수 있다. 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기울기가 양인지 음인지에 따라 촬상부(140)에서 촬영되는 돌출부(420)의 형태가 달라지므로, 돌출부(420)의 측정 영상을 통해 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기울어진 각도가 양인지 음인지를 판단할 수 있다.
이와 같이 획득한 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기울어진 자세를 이용하여 평면 방정식을 생성하고, 상기 평면 방정식을 통해 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기판면을 구함으로써, 이미지 평면에 대한 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기울어진 자세와 이상적인 기준면으로부터의 높이(Z4)를 획득할 수 있다.
한편, 상기 이상적인 기준면은 상기 이미지 평면과 평행한 기 설정된 평면으로, 일 실시예로 상기 측정된 인식마크들(410) 중 하나의 높이 값을 기준으로 설정할 수 있다.
이와는 다르게, 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기판면은 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기울어진 자세를 나타내는 평면 방정식을 통해 파악할 수 있으며, 예를 들어, 상기 평면 방정식은 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 임의의 3점의 위치를 측정하여 구할 수 있으며, 일 예로, 적어도 3개 이상의 인식마크들(410)의 Z 좌표를 레이저(미도시)를 통해 획득할 수 있다.
이와 같이 획득한 적어도 3개 이상의 인식마크들(410)의 X,Y,Z 좌표를 이용하여 평면 방정식을 생성하고, 상기 평면 방정식을 통해 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기판면을 구함으로써, 이미지 평면과 평행한 이상적인 기준면에 대한 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기울어진 자세와 이상적인 기준면으로부터의 높이(Z4)를 획득할 수 있다.
이후, 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 위상을 측정하여 상기 기준 위상을 기초로 높이(Z1, Z2)를 획득한다. 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 위상은 투영부(120)를 이용하여 위상측정 형상측정법(Phase Measurement Profilometry : PMP)을 통해 측정할 수 있다.
이후, 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기판면과 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 높이를 비교하여 상기 측정된 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득한다. 일 실시예로, 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기판면의 높이(Z4)를 촬상부(140)의 이미지 평면과 팽행한 기설정된 이상적인 기준면으로부터 산출하고, 상기 기판면의 높이(Z4)와 자세정보 측정을 위한 기판(400)을 기초로 상기 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득할 수 있다.
이후, 상기 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 기초로 촬상부(140)에 대한 기준면의 보정이 필요한 높이(Z3)를 산출한다(S320). 예를 들어, 이상적인 기준면으로부터의 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기판면의 높이(Z4)에서 PMP 측정을 통해 획득한 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 높이(Z2)를 차감함으로써, 기준면의 보정에 필요한 높이(Z3)를 구할 수 있으며, 이를 통해 실제 기준면에 해당하는 보정 기준면의 자세를 파악할 수 있다.
일 실시예로, 상기 기준면의 보정에 필요한 높이(Z3)는 복수의 투영부 각각에 대해 파악 할 수도 있다.
한편, 상기 기준위상 측정을 위한 기판(제1 시편)과 상기 자세정보 측정을 위한 기판(제2 시편)은 물리적으로 각각 독립된 별도의 기판으로 형성될 수 있으나, 이와 달리, 상기 기준위상 측정을 위한 기능과 상기 자세정보 측정을 위한 기능이 내포된 하나의 기판으로 형성될 수도 있다. 이와 같이, 측정장치의 시스템 보정의 한 방법으로, 높이 측정의 기준이 되는 기준면을 보정함으로써, 측정대상물의 측정 신뢰도를 더욱 향상시킬 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 측정장치 10 : 기판
112 : 측정대상물 20 : 투영부
130 : 조명부 40 : 촬상부
142 : 카메라 44 : 결상 렌즈
150 : 빔 스플리터 200 : 캘리브레이션 기판
210 : 패턴 400 : 자세정보 측정을 위한 기판
410 : 인식마크

Claims (7)

  1. 구면 렌즈와 비 구면 렌즈를 포함하는 광학계를 이용하여 측정대상물을 촬상부를 통해 측정하는 측정장치의 상기 광학계의 왜곡을 보정하는 방법에 있어서,
    복수의 패턴들이 형성된 기판을 촬영하여 이미지를 획득하는 단계; 및
    상기 획득된 이미지를 복수의 서브 영역으로 분할하고, 각각의 상기 서브 영역에 대한 왜곡을 보상하는 단계를 포함하며,
    상기 비 구면 렌즈는 상기 측정대상물과 상기 촬상부 사이에 배치되며, 조명부로부터 입사되는 광의 일부는 상기 측정대상물을 향하도록 반사시키고 나머지 일부는 투과시키는 빔 스플리터인 것을 특징으로 하는 측정장치의 보정방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 서브 영역에 대한 왜곡을 보상하는 단계는,
    상기 서브 영역에 포함된 복수의 패턴들에 각각 대응되는 패턴별 보상값들을 이용하여 상기 서브 영역의 왜곡을 최소화시키는 보상조건을 획득하는 것을 특징으로 하는 측정장치의 보정방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 서브 영역의 형태를 달리하면서 복수 회에 걸쳐 왜곡 보상을 수행한 후, 획득된 복수의 보상 데이터들을 기초로 상기 서브 영역의 형태를 결정하는 것을 특징으로 하는 측정장치의 보정방법.
  5. 구면 렌즈와 비 구면 렌즈를 포함하는 광학계를 이용하여 측정대상물을 촬상부를 통해 측정한 후, 상기 광학계의 왜곡을 보정하는 측정장치에 있어서,
    측정대상물이 형성된 기판에 패턴광을 조사하는 적어도 하나의 투영부;
    광을 상기 기판에 조사하기 위한 조명부;
    상기 기판의 상부에 배치되어 상기 기판의 이미지를 촬영하는 상기 구면 렌즈인 상기 촬상부; 및
    상기 촬상부와 상기 기판 사이에 배치되며, 상기 조명부로부터 입사되는 광의 일부는 상기 기판을 향하도록 반사시키고 나머지 일부는 투과시키되, 반사율과 투과율이 비대칭으로 상기 비구면 렌즈인 빔 스플리터를 포함하는 측정장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 빔 스플리터는 반사율보다 투과율이 높은 것을 특징으로 하는 측정장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 조명부로부터 출사된 광은 상기 빔 스플리터에 의해 반사되어 상기 측정대상물에 조사되고, 상기 측정대상물에서 반사된 광은 다시 상기 빔 스플리터를 투과하여 상기 촬상부에 입사되는 동축 조명 방식을 구성하는 것을 특징으로 하는 측정장치.
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