KR101622538B1 - 주파수 주사 간섭계를 이용한 형상 측정장치 - Google Patents

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Abstract

형상 측정장치는 광원부, 광 분리부, 기준 미러, 광수신부 및 처리부를 포함한다. 광원부는 광을 발생시키되 광의 파장을 변화시킬 수 있다. 광 분리부는 광원부로부터 발생된 광을 적어도 기준광 및 측정광으로 분리한다. 기준 미러는 기준광을 반사시킨다. 광수신부는 기준 미러에 의해 기준 광경로를 형성하도록 반사되는 기준광 및 기판 상에 형성된 광투과성을 갖는 측정대상물에 의해 측정 광경로를 형성하도록 반사되는 측정광을 수신한다. 처리부는 광수신부에 의해 수신되는 기준광 및 측정광 사이의 광의 파장의 변화에 따른 간섭의 변화를 기초로 측정대상물의 형상을 산출하되, 측정대상물의 제1 영역의 절대 높이 및 측정대상물의 제1 영역에 대한 제2 영역의 상대 높이를 산출하고 제1 영역의 절대 높이 및 제2 영역의 상대 높이를 매칭하여 측정대상물의 형상을 산출한다. 이에 따라, 효과적으로 측정대상물의 형상을 측정할 수 있다.

Description

주파수 주사 간섭계를 이용한 형상 측정장치{SHAPE MEASUREMENT APPARATUS USING FREQUENCY SCANNING INTERFEROMETER}
본 발명은 형상 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주파수 주사 간섭계를 이용한 형상 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전자장치 내에는 적어도 하나의 인쇄회로기판(printed circuit board; PCB)이 구비되며, 이러한 인쇄회로기판 상에는 회로 패턴, 연결 패드부, 상기 연결 패드부와 전기적으로 연결된 구동칩 등 다양한 회로 소자들이 실장되어 있다.
일반적으로, 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB) 상에 전자부품들이 실장된 실장기판은 다양한 전자 제품에 사용되고 있다. 이러한 실장기판은 기판의 패드 영역 등에 솔더링(solder)을 수행한 후, 전자부품의 단자들을 솔더 영역에 결합시키는 방식으로 제조된다.
이러한 솔더링을 수행하기 위해서 플럭스(flux)가 주로 사용되는데, 상기 플럭스는 기판의 원하는 위치에 적당량을 형성할 필요가 있다. 따라서, 상기 플럭스의 3차원 형상을 정확하게 측정할 수 있는 측정장치 및 측정방법이 요청된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 주파수 주사 간섭계를 이용하여 효과적으로 측정대상물의 3차원 형상을 측정할 수 있는 형상 측정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 형상 측정장치는 광원부, 광 분리부, 기준 미러, 광수신부 및 처리부를 포함한다. 상기 광원부는 광을 발생시키되 상기 광의 파장을 변화시킬 수 있다. 상기 광 분리부는 상기 광원부로부터 발생된 광을 적어도 기준광 및 측정광으로 분리한다. 상기 기준 미러는 상기 기준광을 반사시킨다. 상기 광수신부는 상기 기준 미러에 의해 기준 광경로를 형성하도록 반사되는 상기 기준광 및 기판 상에 형성된 광투과성을 갖는 측정대상물에 의해 측정 광경로를 형성하도록 반사되는 상기 측정광을 수신한다. 상기 처리부는 상기 광수신부에 의해 수신되는 상기 기준광 및 상기 측정광 사이의 상기 광의 파장의 변화에 따른 간섭의 변화를 기초로 상기 측정대상물의 형상을 산출하되, 상기 측정대상물의 제1 영역의 절대 높이 및 상기 측정대상물의 상기 제1 영역에 대한 제2 영역의 상대 높이를 산출하고 상기 제1 영역의 절대 높이 및 상기 제2 영역의 상대 높이를 매칭(matching)하여 상기 측정대상물의 형상을 산출한다.
예를 들면, 상기 측정대상물은 점성을 가질 수 있으며, 평면적으로 관측할 때 도트(dot) 형태를 가질 수 있다. 이때, 상기 제1 영역은 상기 측정대상물의 피크점을 포함할 수 있고, 상기 제2 영역은 상기 피크점의 주위에 위치한 경사면 상의 복수의 경사점들을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 기판은 베이스 기판, 상기 베이스 기판 상에 형성되며 적어도 하나의 홀(hole)이 형성된 부도층 및 상기 홀에 대응하여 상기 부도층보다 얇은 두께로 형성된 도전층을 포함할 수 있고, 상기 측정대상물은 적어도 상기 도전층 상에 형성된 플럭스(flux)를 포함할 수 있다. 상기 도전층 상에 형성된 플럭스는, 상기 홀의 적어도 일부를 채우도록 형성될 수 있고, 상기 홀에 인접한 상기 부도층의 일부를 커버하도록 형성될 수 있다.
일 실시예로, 상기 처리부는, 상기 측정광 중에서 상기 측정대상물의 제1 영역에서 직접 반사되는 광 및 상기 기준광 사이의 제1 광경로차 및 상기 측정광 중에서 상기 측정대상물의 제1 영역을 투과한 후 상기 도전층에서 반사되는 광 및 상기 기준광 사이의 제2 광경로차를 이용하여 상기 제1 영역의 절대 높이를 산출할 수 있다.
일 실시예로, 상기 처리부는, 상기 측정광 중에서 상기 측정대상물의 제2 영역을 투과한 후 상기 도전층에서 반사되는 광 및 상기 기준광 사이의 제3 광경로차를 이용하여 상기 제2 영역의 상대 높이를 산출할 수 있다.
본 발명의 예시적인 다른 실시예에 따른 형상 측정장치는 광원부, 광 분리부, 기준 미러, 광수신부 및 처리부를 포함한다. 상기 광원부는 광을 발생시키되 상기 광의 파장을 변화시킬 수 있다. 상기 광 분리부는 상기 광원부로부터 발생된 광을 적어도 기준광 및 측정광으로 분리한다. 상기 기준 미러는 상기 기준광을 반사시킨다. 상기 광수신부는 상기 기준 미러에 의해 기준 광경로를 형성하도록 반사되는 상기 기준광 및 특정 물질의 표면 상에 형성된 광투과성을 갖는 측정대상물에 의해 측정 광경로를 형성하도록 반사되는 상기 측정광을 수신한다. 상기 처리부는 상기 광수신부에 의해 수신되는 상기 기준광 및 상기 측정광 사이의 상기 광의 파장의 변화에 따른 간섭의 변화를 기초로 상기 측정대상물의 형상을 산출하되, 상기 측정대상물의 굴절률을 토대로 절대 높이를 산출하여 형상을 산출한다.
예를 들면, 상기 특정 물질은 금속, 플라스틱, 피부 중 하나를 포함할 수 있고, 상기 측정대상물은 소정의 점성 및 소정의 굴절률을 가지는 물질일 수 있다.
일 실시예로, 상기 처리부는, 상기 광분리부와 상기 기준 미러까지의 거리 보다 상기 기준 미러와 상기 측정 대상물까지의 거리가 가까운 경우에 산출된 상기 측정대상물의 형상은 기 설정된 기준선 대비 상하 반전을 수행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 주파수 주사 간섭계를 이용하여 효과적으로 측정대상물의 3차원 형상을 측정할 수 있다. 상기 측정대상물을 영역별로 구분하여 제1 영역에서는 절대 높이를 측정하고, 제2 영역에서는 상대 높이를 측정하여 상기 절대 높이 및 상기 상대 높이를 매칭함으로써 상기 측정대상물의 형상을 산출할 수 있다.
또한, 상기 측정대상물이 금속, 플라스틱, 피부 등의 위에 형성된 소정의 굴절률을 갖는 물질인 경우에도 상기 측정대상물의 굴절률을 토대로 절대 높이를 측정함으로써 상기 측정대상물의 형상을 산출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 주파수 주사 간섭계를 이용한 형상 측정장치를 나타낸 개념도이다.
도 2는 도 1의 측정대상물의 구체적인 일 예를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 측정대상물을 I-I'을 따라 절단한 단면도이다.
도 4는 도 1의 처리부가 측정대상물에 대한 측정광의 거동으로부터 측정대상물의 형상을 산출하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 도 1의 처리부가 측정대상물의 다른 예에 대한 측정광의 거동으로부터 측정대상물의 형상을 산출하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
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 안 된다. 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 의한 주파수 주사 간섭계(frequency scanning interferometer, FSI)를 이용한 형상 측정장치를 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 형상 측정장치(100)는 광원부(110), 광분리부(120), 기준 미러(130), 광수신부(140) 및 처리부(150)를 포함한다.
상기 광원부(110)는 광을 발생시키되, 상기 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
일 실시예로, 상기 광원부(110)는 파장 가변형 레이저 장치, 예를 들면, 튜너블 레이저(tunable laser)를 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 파장 가변형 레이저 장치는 레이저 광을 발생시킬 수 있으며, 상기 발생된 레이저 광은 특정한 파장 범위 내에서 연속적 혹은 불연속적인 값을 가질 수 있다.
상기 광분리부(120)는 상기 광원부(110)로부터 발생된 광을 적어도 기준광(RL) 및 측정광(ML)으로 분리한다.
예를 들면, 상기 광분리부(120)는 빔 스플리터(beam splitter)를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 광분리부(120)는 상기 광원부(110)로부터 발생된 광의 적어도 일부를 투과시키며, 투과된 상기 기준광(RL)은 후술되는 기준 미러(130)로 제공될 수 있다. 또한, 상기 광분리부(120)는 상기 광원부(110)로부터 발생된 광의 적어도 일부를 반사시키며, 반사된 상기 측정광(ML)은 형상측정을 원하는 측정대상물(10)을 향하여 제공될 수 있다.
상기 기준 미러(mirror)(130)는 상기 기준광(RL)을 반사시킨다.
반사된 상기 기준광(RL)은 상기 광분리부(120)로 되돌아가서, 후술되는 광수신부(140)를 향하여 반사될 수 있다.
상기 광수신부(140)는 상기 기준광(RL) 및 상기 측정광(ML)을 수신한다.
상기 기준광(RL)은 상기 기준 미러(130)에 의해 기준 광경로를 형성하도록 반사된다. 예를 들면, 상기 기준광(RL)의 기준 광경로는 도 1에 점선 화살표로 도시된 형태로 형성될 수 있다.
상기 측정광(ML)은 상기 측정대상물(10)에 의해 측정 광경로를 형성하도록 반사된다. 예를 들면, 상기 측정광(ML)의 측정 광경로는 도 1에 실선 화살표로 도시된 형태로 형성될 수 있다.
상기 측정대상물(10)은 기판(20) 상에 형성되며, 광투과성을 갖는다. 따라서, 상기 측정 광경로는 상기 측정대상물(10)에 의해 반사됨으로써 형성될 수 있고, 또한 투과한 후 상기 기판(20)에 의해 반사됨으로써 형성될 수 있다.
예를 들면, 상기 측정대상물(10)은 점성을 가질 수 있으며, 평면적으로 관측할 때 도트(dot) 형태를 가질 수 있다.
도 2는 도 1의 측정대상물의 구체적인 일 예를 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 측정대상물을 I-I'을 따라 절단한 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 일 실시예로 상기 측정대상물(10)은 상기 기판(20) 상에 반구와 유사한 형상, 볼록한 산 형상 등으로 형성될 수 있으며, 구체적인 형상은 상기 측정대상물(10)의 표면장력 및 접착력의 크기에 따라 결정될 수 있다.
상기 기판(20)은 베이스 기판(22), 상기 베이스 기판(22) 상에 형성되며 적어도 하나의 홀(hole)(HL)이 형성된 부도층(24) 및 상기 홀(HL)에 대응하여 상기 부도층(24)보다 얇은 두께로 형성된 도전층(26)을 포함할 수 있다.
예를 들면, 상기 부도층(24)은 솔더 레지스트(solder resist)를 포함할 수 있으며, 상기 도전층(26)은 구리(copper)를 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 측정대상물(10)은 적어도 상기 도전층(26) 상에 형성된 플럭스(flux)를 포함할 수 있다. 상기 플럭스는 솔더링을 위해 사용될 수 있다.
상기 도전층(26) 상에 형성된 플럭스는, 상기 홀(HL)의 적어도 일부를 채우도록 형성될 수 있고, 상기 홀(HL)에 인접한 상기 부도층(24)의 일부를 커버하도록 형성될 수도 있다. 또한, 상기 플럭스는 상기 홀(HL)의 전부를 채우도록 형성되어 상기 도전층(26)을 모두 커버할 수도 있다. 도 2 및 도 3에서는, 일 실시예로 상기 플럭스가 상기 홀(HL)의 전부를 채우도록 형성된다.
상기 처리부(150)는 상기 광수신부(140)에 의해 수신되는 상기 기준광(RL) 및 상기 측정광(ML) 사이의 간섭의 변화를 기초로 상기 측정대상물의 형상을 산출한다. 이때, 상기 간섭의 변화는 상기 광의 파장의 변화에 따른다.
상기 처리부(150)는, 상기 측정대상물(10)의 제1 영역(AR1)의 절대 높이 및 상기 측정대상물(10)의 상기 제1 영역(AR1)에 대한 제2 영역(AR2)의 상대 높이를 산출하고, 상기 제1 영역(AR1)의 절대 높이 및 상기 제2 영역(AR2)의 상대 높이를 매칭(matching)하여 상기 측정대상물(10)의 형상을 산출한다.
상기 제1 영역(AR1)은 상기 측정대상물(10)에 의해서 반사된 광을 상기 광수신부(140)에서 수신할 수 있는 영역일 수 있고, 상기 제2 영역(AR2)은 상기 측정대상물(10)에 의해서 반사된 광을 상기 광수신부(140)에서 제대로 수신할 수 없는 영역일 수 있다. 또한, 상기 제1 영역(AR1) 및 상기 제2 영역(AR2)은 모두 상기 측정대상물(10)을 투과한 후, 상기 도전층(26)에서 반사되는 반사광을 상기 광수신부(140)에서 수신할 수 있는 영역일 수 있다.
상기 제1 영역(AR1)은 상기 측정대상물(10)의 피크점(PP)을 포함할 수 있고, 상기 제2 영역(AR2)은 상기 피크점(PP)의 주위에 위치한 경사면 상의 복수의 경사점(SP)들을 포함할 수 있다.
상기 처리부(150)는 제1 광경로차 및 제2 광경로차를 이용하여 상기 제1 영역의 절대 높이를 산출할 수 있다. 상기 제1 광경로차는 상기 측정광(ML) 중에서 상기 측정대상물(10)의 제1 영역에서 반사되는 광 및 상기 측정광(ML) 중에서 상기 측정대상물(10)의 주변에 위치한 기준 영역(RAR)에서 반사되는 광 사이의 광경로차이고, 상기 제2 광경로차는 상기 측정광(ML) 중에서 상기 측정대상물(10)의 제1 영역을 투과한 후 상기 도전층(26)에서 반사되는 광 및 상기 측정광(ML) 중에서 상기 기준 영역(RAR)에서 반사되는 광 사이의 광경로차이다.
상기 기준 영역(RAR)은 상기 측정대상물의 형상을 산출하기 위한 기준으로 설정 가능한 영역으로서, 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 기판(10)의 상면일 수 있다.
도 4는 도 1의 처리부가 측정대상물에 대한 측정광의 거동으로부터 측정대상물의 형상을 산출하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 상기 측정광(ML)은 상기 측정대상물(10)에 의해 제1 측정광(M1), 제2 측정광(M2) 및 제3 측정광(M3)의 형태로 반사될 수 있다. 또한, 상기 측정광(ML)은 상기 측정대상물(10)의 주변에 위치한 소정의 기준 영역에서 반사될 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 기판(10)의 상면에 의해 기준 측정광(RML)의 형태로 반사될 수 있다.
상기 처리부(150)는 상기 광수신부(140)에서 획득한 상기 제1, 제2 및 제3 측정광들(M1, M2, M3)을 이용하여 상기 측정대상물(10)의 형상을 측정할 수 있다.
일 실시예로, 상기 처리부(150)는 후술하는 수학식 1 내지 5에 의하여 상기 제1 영역(AR1)의 절대 높이를 산출할 수 있다.
Figure 112014047290573-pat00001
Figure 112014047290573-pat00002
Figure 112014047290573-pat00003
수학식 1 내지 3에서, O는 기준 측정 광경로, O1'은 제1 측정 광경로, Δ1은 제1 광경로차이다.
상기 기준 측정 광경로는, 상기 측정광(ML)이 상기 측정대상물(10)에 의해 반사되어 형성되고, 도 1에 실선 화살표로 도시된 형태로 형성되는 측정 광경로 중 하나로서, 상기 측정대상물(10)과 무관하게 고정 불변인 경로이면 충분하다. 일 실시예로, 상기 기준 측정 광경로는 도 4에 도시된 상기 기준 측정광(RML)에 의해 형성되는 경로이다.
상기 제1 측정 광경로는, 도 1에 실선 화살표로 도시된 형태로 형성되는 측정 광경로 중 하나로서, 상기 측정광(ML)이 상기 측정대상물(10)에 의해 반사되는 상기 제1 측정광(ML1)의 형태로 형성되는 경로이다.
상기 제1 광경로차는, 상기 기준 측정 광경로와 상기 제1 측정 광경로 사이의 광경로의 차이로서, 상기 광수신부(140)에 의해 획득될 수 있다.
이와 같이, 상기 제1 측정 광경로차는 광경로의 차이이므로, 도 1의 광학계의 구성에서 거동하는 상기 측정광(ML)이 이동하는 경로 중 공통되는 경로는 상기 제1 측정 광경로차의 계산에서 무시할 수 있으며, 소정의 기초선(BL)을 기초로 표현될 수 있다. 예를 들면, 상기 기초선(BL)은 도 1에서 점선으로 도시된 상기 기준 광경로와 동일한 크기의 광경로에 해당하는 임계선일 수 있다. 즉, 상기 측정광(ML)의 경로는, 상기 측정광(ML)이 상기 기초선(BL)의 아래에서 이동하는 거리만큼 상기 기준 광경로보다 크다.
수학식 1을 참조하면, 상기 기준 측정 광경로는 상기 기초선(BL)과 상기 기판(20)의 상면 사이의 거리(L)를 두 번 이동하는 2L로 표현될 수 있다.
수학식 2를 참조하면, 상기 제1 측정 광경로는 상기 측정대상물(10)에 의해 반사되어 되돌아오므로, 상기 기초선(BL)과 상기 측정대상물(10)의 피크점(PP) 사이의 거리(L-h)를 두 번 이동하는 2(L-h)로 표현될 수 있다. 여기서, h는 상기 피크점(PP)과 상기 기판(20)의 상면 사이의 거리이다.
따라서, 수학식 3을 참조하면, 상기 제1 광경로차는 2L-2(L-h)로 표현될 수 있으며, 이에 따라 h(=Δ1/2)를 산출할 수 있다.
상기 기준 측정 광경로와 상기 제1 측정 광경로는 상기 측정대상물(10)을 투과하지 않고 공기 중에서 광경로를 형성하므로, 상기 측정 대상물(10)에 의하여 광의 진행속도가 저하되지 않는다. 이에 따라, 광경로가 측정대상물(10)의 굴절률에 영향을 받아 증가되지 않고 실제 광이 이동하는 거리로 표현된다.
Figure 112014047290573-pat00004
Figure 112014047290573-pat00005
Figure 112014047290573-pat00006
수학식 1, 4 및 5에서, O는 기준 측정 광경로, O2'은 제2 측정 광경로, Δ2는 제2 광경로차이다.
상기 기준 측정 광경로는 앞서 설명한 바와 같다.
상기 제2 측정 광경로는, 도 1에 실선 화살표로 도시된 형태로 형성되는 측정 광경로 중 하나로서, 상기 측정광(ML)이 상기 측정대상물(10)을 투과한 후 상기 도전층(26)에 의해 반사되는 상기 제2 측정광(ML2)의 형태로 형성되는 경로이다.
상기 제2 광경로차는, 상기 기준 측정 광경로와 상기 제2 측정 광경로 사이의 광경로의 차이로서, 상기 광수신부(140)에 의해 획득될 수 있다.
이와 같이, 상기 제2 측정 광경로차는 광경로의 차이이므로, 도 1의 광학계의 구성에서 거동하는 상기 측정광(ML)이 이동하는 경로 중 공통되는 경로는 상기 제2 측정 광경로차의 계산에서 무시할 수 있으며, 소정의 기초선(BL)을 기초로 표현될 수 있다. 예를 들면, 상기 기초선(BL)은 도 1에서 점선으로 도시된 상기 기준 광경로와 동일한 크기의 광경로에 해당하는 임계선일 수 있다. 즉, 상기 측정광(ML)의 경로는, 상기 측정광(ML)이 상기 기초선(BL)의 아래에서 이동하는 거리만큼 상기 기준 광경로보다 크다.
수학식 1을 참조하면, 상기 기준 측정 광경로는 상기 기초선(BL)과 상기 기판(20)의 상면 사이의 거리(L)를 두 번 이동하는 2L로 표현될 수 있다.
수학식 4를 참조하면, 상기 제2 측정 광경로는 '2(L-h)+2nh+2nd'로 표현될 수 있다. 상기 제2 측정광(ML2)은 상기 측정대상물(10)을 투과한 후 상기 도전층(26)에 의해 반사되어 되돌아오므로, 상기 기초선(BL)과 상기 측정대상물(10)의 피크점(PP) 사이의 거리(L-h), 상기 피크점(PP)과 상기 기판(20)의 상면 사이의 거리(h) 및 상기 기판(20)의 상면과 상기 피크점(PP)에 대응하는 바닥점(BP) 사이의 거리(d)를 각각 두 번씩 이동한다. 이때, 첫 번째에 대해서는 상기 측정대상물(10)을 투과하지 않고 공기 중에서 광경로를 형성하므로 광경로는 L-h로 표현되고, 두 번째 및 세 번째에 대해서는 상기 측정대상물(10)을 투과하여 상기 측정대상물(10) 내에서 광경로를 형성하므로 광경로는 굴절률 n을 곱한만큼 증가되어 각각 nh, nd로 표현된다. 따라서, 상기 제2 측정 광경로는 '2(L-h)+2nh+2nd'로 표현된다.
따라서, 수학식 5을 참조하면, 상기 제2 광경로차는 2L-{2(L-h)+2nh+2nd}로 표현될 수 있으며, 이에 따라 d(=[2h(1-n)-Δ2]/2n)를 산출할 수 있다. 이때, 굴절률 n은 상기 측정대상물(10)이 알려진 물질인 경우 알려진 물성치에 의해 용이하게 알 수 있으며, 알려진 물질이 아닌 경우 샘플을 통해 미리 획득할 수 있다. 상기 광수신부(140)에 의해 획득되는 Δ2는 수학식 5를 참조로 음의 값을 갖게 됨을 알 수 있다. 따라서, 상기 d는 부호를 음에서 양으로 반전시킨다.
결과적으로, 수학식 3 및 5를 이용하여, h와 d를 더함으로써 상기 측정대상물(10)의 절대 높이를 획득할 수 있다.
한편, 상기 측정대상물(10)은 어레이(array) 형태의 복수로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 측정광(ML1)에 의한 제1 광경로차가 소정의 기준값을 벗어나게 검출되는 경우, 주변의 측정대상물(10)에서 획득된 d를 활용할 수 있다. 이 경우, 주변의 측정대상물(10)에서 획득된 d와 굴절률 n의 정보 및 수학식 5를 이용하여 높이 h를 획득할 수 있으며, h와 d를 더함으로써 상기 측정대상물(10)의 절대 높이를 획득할 수 있다.
일 실시예로, 상기 처리부(150)는, 상기 측정광(ML) 중에서 상기 측정대상물(10)의 제2 영역(AR2)을 투과한 후 상기 도전층(26)에서 반사되는 광 및 상기 기준광(RL) 사이의 제3 광경로차를 이용하여 상기 제2 영역(AR2)의 상대 높이를 산출할 수 있다.
예를 들면, 상기 처리부(150)는 후술하는 수학식 6 내지 8에 의하여 상기 제2 영역(AR2)의 상대 높이를 산출할 수 있다.
Figure 112014047290573-pat00007
Figure 112014047290573-pat00008
Figure 112014047290573-pat00009
Figure 112014047290573-pat00010
수학식 6 내지 8에서, O는 기준 측정 광경로, O3'은 제3 측정 광경로, Δ3은 제3 광경로차이다.
상기 기준 측정 광경로는 앞서 설명한 바와 같다.
상기 제3 측정 광경로는, 도 1에 실선 화살표로 도시된 형태로 형성되는 측정 광경로 중 하나로서, 상기 측정광(ML)이 상기 측정대상물(10)을 굴절되어 투과한 후 상기 도전층(26)에 의해 반사되는 상기 제3 측정광(ML3)의 형태로 형성되는 경로이다.
상기 제3 광경로차는, 상기 기준 측정 광경로와 상기 제3 측정 광경로 사이의 광경로의 차이로서, 상기 광수신부(140)에 의해 획득될 수 있다.
이와 같이, 상기 제3 측정 광경로차는 광경로의 차이이므로, 도 1의 광학계의 구성에서 거동하는 상기 측정광(ML)이 이동하는 경로 중 공통되는 경로는 상기 제3 측정 광경로차의 계산에서 무시할 수 있으며, 소정의 기초선(BL)을 기초로 표현될 수 있다. 예를 들면, 상기 기초선(BL)은 도 1에서 점선으로 도시된 상기 기준 광경로와 동일한 크기의 광경로에 해당하는 임계선일 수 있다. 즉, 상기 측정광(ML)의 경로는, 상기 측정광(ML)이 상기 기초선(BL)의 아래에서 이동하는 거리만큼 상기 기준 광경로보다 크다.
수학식 1을 참조하면, 상기 기준 측정 광경로는 상기 기초선(BL)과 상기 기판(20)의 상면 사이의 거리(L)를 두 번 이동하는 2L로 표현될 수 있다.
수학식 6을 참조하면, 상기 제3 측정 광경로는 '2(L-hSP)+2ndSP'로 표현될 수 있다. 상기 제3 측정광(ML3)은 상기 측정대상물(10)을 투과한 후 상기 도전층(26)에 의해 반사되어 되돌아오므로, 상기 기초선(BL)과 상기 측정대상물(10)의 경사점(SP) 사이의 거리(L-hSP) 및 상기 경사점(SP)과 상기 경사점(SP)에서 굴절되어 상기 도전층(26)에 이르는 거리(dSP)를 각각 두 번씩 이동한다. 이때, 첫 번째에 대해서는 상기 측정대상물(10)을 투과하지 않고 공기 중에서 광경로를 형성하므로 광경로는 L-hSP로 표현되고, 두 번째에 대해서는 상기 측정대상물(10)을 투과하여 상기 측정대상물(10) 내에서 광경로를 형성하므로 광경로는 굴절률 n을 곱한만큼 증가되어 ndSP로 표현된다. 따라서, 상기 제2 측정 광경로는 '2(L-hSP)+2ndSP'로 표현된다.
따라서, 수학식 7을 참조하면, dSP는 hSP/cosθ이므로 상기 제3 광경로차는 2hSP(1-n/cosθ)로 표현될 수 있다.
수학식 8을 참조하면, hSP는 Δ3/2(1-n/cosθ)로 표현될 수 있으며, 이에 따라 hSP는 Δ3cosθ/(cosθ-n)에 비례함을 알 수 있다.
따라서, 상기 경사점(SP)의 위치에 따라 θ가 크게 변하지 않으므로, 절대 높이 hSP는 Δ3에 대체로 비례한다. 결과적으로, 다수의 경사점(SP)들의 상대 높이는 상기 광수신부(140)에 의해 획득되는 Δ3에 의해 정해질 수 있다. 즉, 상기 경사점(SP)들의 상대 높이를 기 획득된 상기 제1 영역(AR1)의 피크점(PP)을 기준으로 매칭시키면, 상기 제2 영역(AR2)의 높이 프로파일(profile)을 획득할 수 있다.
한편, 상기 광수신부(140)에 의해 획득되는 Δ3는 수학식 7을 참조로 음의 값을 갖게 됨을 알 수 있다. 따라서, 상기 매칭에 앞서 다수의 경사점(SP)들에 대한 Δ3의 값들은 모두 부호를 음에서 양으로 반전시킨다.
다시 도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 처리부(150)는, 상기 측정대상물(10)의 제3 영역(AR1)의 예측 높이를 산출할 수 있고, 이에 따라 상기 제1 영역(AR1)의 절대 높이, 상기 제2 영역(AR2)의 상대 높이 및 상기 제3 영역(AR3)의 예측 높이를 이용하여 상기 측정대상물(10)의 형상을 산출할 수 있다.
구체적으로, 상기 처리부(150)는 상기 제2 영역(AR2)의 절대 높이를 이용하여 상기 제3 영역(AR3)을 설정하고, 상기 제2 영역(AR2)의 높이 분포를 기초로 상기 제3 영역(AR3)의 높이 분포를 예측함으로써, 상기 예측 높이를 산출할 수 있다.
상기 제3 영역(AR3)은 상기 측정대상물(10)에 의해서 반사된 광이 수신되지 않으며, 상기 측정광(ML)이 상기 측정대상물(10)을 투과한 후 상기 부도층(24)에 의해 상기 도전층(26)까지 도달하지 못하여 상기 도전층(26)에서 반사된 광 또한 수신되지 않는 영역이다. 따라서, 상기 제3 영역(AR3)은 상기 측정광(ML)이 수신되지 않는 영역으로 설정하거나, 상기 제3 영역(AR3)의 내측 경계 및 외측 경계를 불연속적으로 나타나는 지점으로 설정할 수 있다.
상기 제3 영역(AR3)의 외측 경계는, 다른 실시예로, 상기 측정대상물(10)의 상방에서 촬영한 2차원 평면영상으로부터 도출될 수도 있다. 즉, 상기 2차원 평면영상에는 상기 측정대상물(10)의 평면 형상이 나타나므로, 상기 제3 영역(AR3)의 외측 경계를 설정할 수 있다.
이와 같이, 상기 제3 영역(AR3)이 설정된 후에, 상기 제3 영역(AR3)의 내측 경계의 높이는 상기 제2 영역(AR2)과 동일하게 설정하고 상기 제3 영역(AR3)의 외측 경계의 높이는 0으로 설정할 수 있다.
이어서, 상기 처리부(150)는 상기 제2 영역(AR2)의 높이 정보를 기초로 외삽법(extrapolation)을 적용함으로써, 상기 제3 영역(AR3)의 예측 높이를 산출할 수 있다. 상기 제2 영역(AR2)의 높이 정보는, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제2 영역(AR2)의 상대 높이 및 상기 제1 영역(AR1)의 절대 높이를 매칭하여 산출한 상기 제2 영역(AR2)의 절대 높이에 대한 정보이다.
이와는 다르게, 상기 제3 영역(AR3)의 범위가 크지 않고, 상기 제3 영역(AR3)에 해당하는 상기 측정대상물(10)의 부피가 전체에 비해 크지 않으므로, 상기 처리부(150)는 상기 내측 경계 및 상기 외측 경계 사이의 상기 제3 영역(AR3)의 높이 분포를 선형으로 가정하여 산출할 수도 있다.
상기와 같이, 상기 처리부(150)는 상기 제1 영역(AR1), 상기 제2 영역(AR2) 및 상기 제3 영역(AR3)의 높이를 산출할 수 있으며, 이에 따라 상기 측정대상물(10)의 높이에 기반한 3차원 형상을 측정할 수 있다.
도 5는 도 1의 처리부가 측정대상물의 다른 예에 대한 측정광의 거동으로부터 측정대상물의 형상을 산출하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 측정대상물(10a)은 상기 홀(HL)의 전부를 채우도록 형성되지 않고 상기 홀(HL)의 일부를 채우도록 형성되며, 상기 측정대상물(10a)의 일부는 상기 홀(HL)에 인접한 상기 부도층(24)의 일부를 커버하도록 형성된다.
상기 측정광(ML)은 도 2 내지 도 4에서와 같이, 상기 측정대상물(10a)에 의해 제1 측정광(ML1), 제2 측정광(ML2) 및 제3 측정광(ML3)의 형태로 반사될 수 있다. 또한, 상기 측정광(ML)은 상기 측정대상물(10a)의 주변에 위치한 소정의 기준 영역에서 반사될 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 기판(10)의 상면에 의해 기준 측정광(RML)의 형태로 반사될 수 있다. 이에 더하여, 상기 측정광(ML)은 상기 측정대상물(10a)이 채우지 않은 상기 홀(HL)의 일부, 즉 상기 도전층(26)이 노출된 부분에서 제4 측정광(ML4)의 형태로 반사될 수 있다.
상기 처리부(150)가 상기 광수신부(140)에서 획득한 상기 제1, 제2 및 제3 측정광들(ML1, ML2, ML3)을 이용하여 상기 측정대상물(10a)의 형상을 측정하는 과정은 도 4에서 설명한 과정과 실질적으로 동일하므로, 중복되는 상세한 설명은 생략한다. 다만, 도 4와 다르게 상기 측정대상물(10a)의 일부는 상기 부도층(24)을 커버하지 않으며, 이에 대응하는 상기 측정대상물(10a)의 영역(도 5의 우측 경사면의 끝부분)은 상기 제3 영역(AR3)에 해당하지 않고, 상기 제2 영역(AR2)에 해당한다.
도 5에서, 상기 처리부(150)는 상기 광수신부(140)에서 획득한 상기 제4 측정광(ML4)을 이용하여 상기 측정대상물(10)에 인접하여 노출된 상기 도전층(26)의 절대 높이를 측정할 수 있으며, 구체적으로 전술한 수학식 3과 유사한 아래의 수학식 9 및 10을 통해 측정할 수 있다.
Figure 112014047290573-pat00011
Figure 112014047290573-pat00012
수학식 9 및 10에서, O는 기준 측정 광경로, O4'은 제4 측정 광경로, Δ4는 제4 광경로차이다.
상기 기준 측정 광경로는 앞서 설명한 바와 같다.
상기 제4 측정 광경로는, 도 1에 실선 화살표로 도시된 형태로 형성되는 측정 광경로 중 하나로서, 상기 측정광(ML)이 상기 도전층(26)에 의해 반사되는 상기 제4 측정광(ML4)의 형태로 형성되는 경로이다.
상기 제4 광경로차는, 상기 기준 측정 광경로와 상기 제1 측정 광경로 사이의 광경로의 차이로서, 상기 광수신부(140)에 의해 획득될 수 있다.
수학식 9 및 10을 이용하여, 앞서 설명한 h를 구하는 방법과 동일한 방법으로, 상기 기초선(BL)과 상기 도전층(26)의 상면 사이의 거리(LCL)를 구할 수 있다.
상기와 같이, 상기 처리부(150)는 상기 제1 영역(AR1), 상기 제2 영역(AR2) 및 상기 제3 영역(AR3)의 높이를 산출할 수 있으며, 이에 따라 상기 측정대상물(10)의 높이에 기반한 3차원 형상을 측정할 수 있다.
상기와 같은 형상 측정장치에 따르면, 주파수 주사 간섭계를 이용하여 효과적으로 측정대상물의 3차원 형상을 측정할 수 있다. 상기 측정대상물을 영역별로 구분하여 제1 영역에서는 절대 높이를 측정하고, 제2 영역에서는 상대 높이를 측정하여 상기 절대 높이 및 상기 상대 높이를 매칭함으로써 상기 측정대상물의 형상을 산출할 수 있다.
상기와 같은 실시예는 부도층(24)과 도전층(26)을 모두 포함하는 기판(20)에 측정대상물(10)이 형성된 상태에서 측정 대상물(10)의 형상을 측정하기 위한 것이나, 다른 실시예로 특정 물질 표면에 측정 대상물이 형성된 경우에도 측정이 가능함은 물론이다. 측정대상물(10)은 플럭스 뿐만 아니라 소정의 굴절률을 가지는 물질이면 모두 적용가능 함은 물론이다. 즉, 소정의 점성 및 투과성을 가지는 액상 물질 측정에 바람직하다.
여기서 상기 특정 물질은 난반사 성질을 가질 수 있는 금속, 플라스틱, 피부 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 이러한 특정 물질 표면에 형성된 측정대상물을 주파수 주사 간섭계를 이용하여 측정하는 경우, 주파수 주사 간섭계의 특성에 의해 측정대상물의 형상의 높이가 마이너스로 측정될 수 있다. 즉, 측정대상물의 굴절률에 따라 측정 대상물의 상하 반전으로 특정 물질 표면의 기준점 또는 기준선 보다 안으로 들어가 보이게 된다.
구체적으로 광분리부와 기준 미러까지의 거리 보다 기준 미러와 측정 대상물까지의 거리가 가까운 경우에는 기준선 대비 상하 반전이 되고, 상기 광분리부와 기준 미러까지의 거리 보다 기준 미러와 측정 대상물까지의 거리가 먼 경우에는 일정한 높이를 가지는 형상을 추출할 수 있다.
이때, 설정된 기준점을 이용하여 상하 반전이 된 경우에는 다시 상하 반전을 수행해야 정상적인 형상을 얻을 수 있다. 즉 상하 반전은 형상의 높이가 마이너스로 측정된 경우, 다시 마이너스를 곱해주거나 마이너스 높이에 절대값(예컨대, |h|)을 적용하는 방식이 사용될 수 있으며, 이를 통해 기준 미러와 측정대상물 간의 거리에 상관없이 측정대상물의 형태는 기준선 대비 플러스 값 높이로 디스플레이될 수 있다.
이에 상기 수학식 4 및 5에서 d값(2nd 항)을 제외하여 산출하면, 측정대상물의 절대 높이(h)를 알 수 있으며, 측정 대상물의 절대 높이를 토대로 앞서 도 1 내지 도 5에서 설명된 방식을 적용하면 측정 대상물의 전체 형상을 측정할 수 있다.
상기와 같은 형상 측정장치에 따르면, 상기 측정대상물이 금속, 플라스틱, 피부 등의 위에 형성된 소정의 굴절률을 갖는 물질인 경우에도 상기 측정대상물의 굴절률을 토대로 절대 높이를 측정함으로써 상기 측정대상물의 형상을 정확하게 산출할 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 있을 것이다.　 따라서, 전술한 설명 및 아래의 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 형상 측정장치 110 : 광원부
120 : 광분리부 130 : 기준 미러
140 : 광수신부 150 : 처리부
AR1 : 제1 영역 AR2 : 제2 영역
AR3 : 제3 영역 BL : 기초선
ML : 측정광 PP : 피크점
RL : 기준광 RML : 기준 측정광

Claims (11)

  1. 광을 발생시키되, 상기 광의 파장을 변화시킬 수 있는 광원부;
    상기 광원부로부터 발생된 광을 적어도 기준광 및 측정광으로 분리하는 광분리부;
    상기 기준광을 반사시키는 기준 미러;
    상기 기준 미러에 의해 기준 광경로를 형성하도록 반사되는 상기 기준광 및 기판 상에 형성된 광투과성을 갖는 측정대상물에 의해 측정 광경로를 형성하도록 반사되는 상기 측정광을 수신하는 광수신부; 및
    상기 광수신부에 의해 수신되는 상기 기준광 및 상기 측정광 사이의 상기 광의 파장의 변화에 따른 간섭의 변화를 기초로 상기 측정대상물의 형상을 산출하되, 상기 측정대상물의 제1 영역의 절대 높이 및 상기 측정대상물의 상기 제1 영역에 대한 제2 영역의 상대 높이를 산출하고 상기 제1 영역의 절대 높이 및 상기 제2 영역의 상대 높이를 매칭(matching)하여 상기 측정대상물의 형상을 산출하는 처리부를 포함하는 형상 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정대상물은 점성을 가지며, 평면적으로 관측할 때 도트(dot) 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 형상 측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역은 상기 측정대상물의 피크점을 포함하고,
    상기 제2 영역은 상기 피크점의 주위에 위치한 경사면 상의 복수의 경사점들을 포함하는 것을 특징으로 하는 형상 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 베이스 기판, 상기 베이스 기판 상에 형성되며 적어도 하나의 홀(hole)이 형성된 부도층 및 상기 홀에 대응하여 상기 부도층보다 얇은 두께로 형성된 도전층을 포함하고,
    상기 측정대상물은 적어도 상기 도전층 상에 형성된 플럭스(flux)를 포함하는 것을 특징으로 하는 형상 측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 도전층 상에 형성된 플럭스는,
    상기 홀의 적어도 일부를 채우도록 형성되고, 상기 홀에 인접한 상기 부도층의 일부를 커버하도록 형성된 것을 특징으로 하는 형상 측정장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 측정광 중에서 상기 측정대상물의 제1 영역에서 반사되는 광 및 상기 측정광 중에서 상기 측정대상물의 주변에 위치한 기준 영역에서 반사되는 광 사이의 제1 광경로차 및 상기 측정광 중에서 상기 측정대상물의 제1 영역을 투과한 후 상기 도전층에서 반사되는 광 및 상기 측정광 중에서 상기 기준 영역에서 반사되는 광 사이의 제2 광경로차를 이용하여 상기 제1 영역의 절대 높이를 산출하는 것을 특징으로 하는 형상 측정장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 측정광 중에서 상기 측정대상물의 제2 영역을 투과한 후 상기 도전층에서 반사되는 광 및 상기 측정광 중에서 상기 기준 영역에서 반사되는 광 사이의 제3 광경로차를 이용하여 상기 제2 영역의 상대 높이를 산출하는 것을 특징으로 하는 형상 측정장치.
  8. 광을 발생시키되, 상기 광의 파장을 변화시킬 수 있는 광원부;
    상기 광원부로부터 발생된 광의 적어도 일부인 제1 광이 제1 광경로를 갖도록 하는 제1 광경로 변경부;
    상기 광원부로부터 발생된 광의 적어도 일부이며 상기 제1 광과 다른 제2 광이 기판 상에 형성된 광투과성을 갖는 측정대상물에 의해 반사되어 제2 광경로를 갖도록 하는 제2 광경로 변경부;
    상기 제1 광경로를 거친 제1 광 및 상기 제2 광경로를 거친 제2 광을 수신하는 광수신부; 및
    상기 광수신부에 의해 수신되는 상기 제1 광 및 상기 제2 광 사이의 상기 광의 파장의 변화에 따른 간섭의 변화를 기초로 상기 측정대상물의 형상을 산출하되, 상기 측정대상물의 제1 영역의 절대 높이 및 상기 측정대상물의 상기 제1 영역에 대한 제2 영역의 상대 높이를 산출하고 상기 제1 영역의 절대 높이 및 상기 제2 영역의 상대 높이를 매칭(matching)하여 상기 측정대상물의 형상을 산출하는 처리부를 포함하는 형상 측정장치.
  9. 광을 발생시키되, 상기 광의 파장을 변화시킬 수 있는 광원부;
    상기 광원부로부터 발생된 광을 적어도 기준광 및 측정광으로 분리하는 광분리부;
    상기 기준광을 반사시키는 기준 미러;
    상기 기준 미러에 의해 기준 광경로를 형성하도록 반사되는 상기 기준광 및 특정 물질의 표면 상에 형성된 광투과성을 갖는 측정대상물에 의해 측정 광경로를 형성하도록 반사되는 상기 측정광을 수신하는 광수신부; 및
    상기 광수신부에 의해 수신되는 상기 기준광 및 상기 측정광 사이의 상기 광의 파장의 변화에 따른 간섭의 변화를 기초로 상기 측정대상물의 형상을 산출하되, 상기 측정대상물의 굴절률을 토대로 절대 높이를 산출하여 형상을 산출하는 처리부를 포함하는 형상 측정장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 특정 물질은, 금속, 플라스틱, 피부 중 하나를 포함하고,
    상기 측정대상물은, 소정의 점성 및 소정의 굴절률을 가지는 물질인 것을 특징으로 하는 형상 측정장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 광분리부와 상기 기준 미러까지의 거리 보다 상기 기준 미러와 상기 측정 대상물까지의 거리가 가까운 경우에 산출된 상기 측정대상물의 형상은 기 설정된 기준선 대비 상하 반전을 수행하는 것을 특징으로 하는 형상 측정장치.
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