KR101872240B1 - 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치를 이용한 영상 측정방법 - Google Patents

가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치를 이용한 영상 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치를 이용한 영상 측정방법에 관한 것으로서, 시편이 구비되는 측정판을 X,Y축 방향으로 이동시킬 수 있는 변위 스테이지; 측정판 위에 구비되어 측정판과의 거리를 조절하는 한편 시편의 상이 입력되는 대물렌즈; 대물렌즈 위에 구비되어 긴 파장의 광을 투과시키는 롱 패스 필터; 롱 패스 필터 위에 구비되어 롱 패스 필터를 투과한 광의 색수차를 제거하는 색지움 렌즈; 색지움 렌즈를 투과한 광이 입사되는 입사 슬릿; 입사 슬릿을 통과한 광을 평행광으로 반사시키는 시준미러; 시준 미러에서 반사된 광을 해당 광의 파장에 따라 회절시키는 회절판; 회절판에서 회절된 광을 집광하여 반사시키는 집광미러; 및 집광미러에서 반사된 초분광 스펙트럼이 측정되는 검출기;를 포함하는 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치를 이용한 영상 측정방법을 제공한다.

Description

가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치를 이용한 영상 측정방법{IMAGING MEASUREMENT METHOD USING HYPERSPECTRAL IMAGING MEASUREMENT APPARATUS}
본 발명은 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치를 이용한 영상 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 측정 대상 물체의 가시광/근적외선 영상을 파장 대역 별로 획득하여 측정 대상 물체의 영상 정보를 비파괴적으로 획득할 수 있는 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치를 이용한 영상 측정방법에 관한 것이다.
광학 기술의 발전은 다양한 산업 전반에 영향을 주어 미세 가공에서부터 초고속 통신에 이르는 광범위한 차세대 기술의 기반이 되고 있다.
특히, 직진성이 강한 레이저를 이용하여 미세 가공이나 표면을 개질하는 기술, 의학용 메스나 특정 세포를 선별 제거하는 기술, 광학 매체를 이용하여 데이터를 재생하는 기술, 광섬유의 전반사를 활용한 초고속 통신 기술 및 나노 크기의 입체적 시료에 대한 구성을 파악하는 현미경 기술 등 산업 및 의료 기술에 접목된 광학 기술은 점차 그 중요성이 높아지고 있다.
분광계(spectrometer) 혹은 분광기(monochrometer)는 전자기파를 파장의 차이에 따라 분해하여 그 세기 분포를 특정하는 것으로, 일반적으로 전자기파 뿐만 아니라 전자선 등의 입자선 에너지 분석장치를 포괄하여 칭해진다.
이러한 분광계를 이용한 스펙트럼의 관측으로부터 물질 중의 전자와 원자핵의 배열, 그리고 운동에 관한 정보를 얻을 수 있기 때문에 이러한 분광계를 이용한 분광학은 물질의 연구 수단으로 중요하게 사용되고 있다.
이와 같은 분광계는 잘 알려져 있는 빛과 열 외에 x선, 감마선, 마이크로파 등이 사용될 수 있다.
이러한 분광계의 간단한 활용 방식은 소정 파장의 광원을 시료에 투사하고, 시료를 투과한 광을 슬릿을 통해 획득하여 해당 파장에 대해 관찰하는 것으로 시료가 방출하거나 흡수하는 빛의 스펙트럼을 계측하는 것으로 시료에 대한 정보를 파악하는 것이다.
그 중에서도 파장 분해능이 10nm 이하의 영상을 초분광 영상이라 하며, 초분광 영상(hyperspectral images)은 분광밴드가 많고, 연속적이고, 파장폭이 좁은 특징이 있으며, 이러한 영상 자료를 통해 영상을 구현하는 각 화소에 해당하는 지표물의 완전한 분광특성곡선(spectral reflectance curve)을 얻을 수 있다.
종래 대상 물체의 특성을 구명하기 위한 수단으로서, 일반적으로 분광계(spectrometer)를 사용해 왔고, 원격탐사 분야에서도 실험실이나 야외에서 다양한 지표물의 분광 반사곡선을 측정하기 위하여 분광계를 사용하여 왔으며, 분광계가 하나의 물체에서 하나의 분광곡선을 측정할 수 있는 것이라면 초분광 영상은 영상을 구성하는 모든 화소마다 분광특성곡선을 얻을 수 있는 것으로 구분할 수 있다.
초분광 영상 센서(초분광 센서)에는, 항공기 탑재 초분광 센서, 위성탑재 초분광 영상 센서, 지상용 초분광 카메라 등이 포함될 수 있고, 이런 센서들은 광학센서로서 주로 시각적 판독력 향상을 목적으로 연구 발전되고 있으며, 나아가 영상지도 서비스 제공에도 크게 기여하고 있다.
이처럼, 초분광 영상은 농업, 산림, 수계·해안, 지질, 토지피복 지도 작성 등에 이용될 수 있다.
특히, 한국 공개특허 10-2016-0058487호(이하 '선행기술문헌"이라 한다)에서는 초분광 검출용 전단광학계가 개시되어 있다.
이와 같은 선행기술문헌에 개시된 전단광학계는 연안·해양의 생태 촬영, 다중밴드 및 초분광 자료 획득을 위한 고해상도 광학계를 제공하고, 여러 종류의 광학계(다중밴드, 초분광 광도계 등)에 호환 사용될 수 있는데, 검출 및 분석대상의 FOV(field of view)가 수십∼수백 마이크로미터인 경우에 적용하기 위해서는 현미경 시스템과 같은 고배율의 소형 광학계의 개발이 요구된다.
이상 설명한 바와 같은 초분광 및 초분광 영상 측정에 대한 기술은 아래의 선행기술문헌에 자세히 기재되어 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
한국 공개특허 제10-2016-0058487호
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 가시광/근적외선 대역에서 측정 가능한 초분광 영상을 파장 대역 별로 획득하여 측정 대상 물체의 영상 정보를 비파괴적으로 획득하여, 반도체 모듈과 같은 3차원 적층 구조물 또는 이종 재료가 복합적으로 구성된 시료의 내부구조를 파장 대역 별 영상으로 구현하고 분류할 수 있도록 한 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치는, 시편이 구비되는 측정판을 X,Y축 방향으로 이동시킬 수 있는 변위 스테이지; 측정판 위에 구비되어 측정판과의 거리를 조절하는 한편 시편의 상이 입력되는 대물렌즈; 대물렌즈 위에 구비되어 긴 파장의 광을 투과시키는 롱 패스 필터; 롱 패스 필터 위에 구비되어 롱 패스 필터를 투과한 광의 색수차를 제거하는 색지움 렌즈; 색지움 렌즈를 투과한 광이 입사되는 입사 슬릿; 입사 슬릿을 통과한 광을 평행광으로 반사시키는 시준미러; 시준 미러에서 반사된 광을 해당 광의 파장에 따라 회절시키는 회절판; 회절판에서 회절된 광을 집광하여 반사시키는 집광미러; 및 집광미러에서 반사된 초분광 스펙트럼이 측정되는 검출기;를 포함한다.
그리고, 검출기는 측정 대역이 400∼1700nm인 InGaAs 계열의 2D array 검출기로 구비될 수 있고, 검출기는 400∼700nm 구간의 측정 대역에서는 5nm, 700∼1000nm 구간의 측정 대역에서는 8nm, 1000∼1700nm 구간의 측정 대역에서는 12nm로 연속적인 초분광 영상정보를 측정할 수 있다.
또, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치를 이용한 측정방법은, 초분광 영상을 측정하고자 하는 시편을 준비하는 단계; 준비된 시편에 광을 제공하고 반사된 광에 의한 시편의 이미지 정보가 입사 슬릿을 통해 입사되는 단계; 입사 슬릿으로 입사된 이미지 정보가 분산되어 검출기에 수집되는 단계; 검출기에서 수집된 초분광 이미지를 스캔하여 초분광 영상을 구현하는 단계; 구현된 초분광 영상에서 아웃라이어를 제거하여 필터링하는 단계; 및 파장대역별 분광 영상을 추출하여 마이크로 스케일의 미세패턴과 결함을 비파괴적으로 검출하는 분석단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치 및 방법은, 가시광/근적외선 대역에서 측정 가능한 초분광 영상을 파장 대역 별로 획득하여 측정 대상 물체의 영상 정보를 비파괴적으로 획득함으로써, 반도체 모듈과 같은 3차원 적층 구조물 또는 이종 재료가 복합적으로 구성된 시료의 내부 구조를 파장 대역 별 영상으로 구현하고 분류할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명에 따르면, 가시광/근적외선 대역에서 현미경 수준의 초분광 스펙트럼 영상을 분석할 수 있는 기술을 제공함으로써, 3D-IC 검사장비의 결함 분류 기준의 다양성을 확보할 수 있고, 실공정 중 결함 검출 정확도와 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 확대 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치에 의한 비파괴적 검출방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치의 파장 대역을 측정한 것으로, 도 4a는 Mercury(Hg) arc lamp를 이용하여 측정한 것이고, 도 4b는 Argon(Ar) arc lamp를 이용하여 측정한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치의 분광 분해능을 Mercury/argon arc lamp의 FWHM 측정실험을 통한 분석결과이다.
도 6은 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치의 파장 분할수를 측정실험한 분석결과로서, 도 6a는 QTH lamp를 이용하여 측정한 초분광 스펙트럼의 샘플링이고, 도 6b는 파장 분할 샘플링 픽셀(sampling pixel)별 파장 캘리브레이션(calibration) 결과이다.
도 7은 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치의 성능을 평가하기 위해 3D-IC 반도체 모듈을 모사한 것으로서, 도 7a는 3차원 구조의 wafer stacked test vehicle을 제작한 것이고, 도 7b는 시험에 이용된 test vehicle의 단면과 소재의 재료물성을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치에서 개발된 캘리브레이션에 의한 미광분석 결과도이다.
도 9는 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치에 의해 측정된 시편의 분광영상으로서, 캘리브레이션 적용 전,후의 영상개선 결과이다.
도 10은 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치에 의해 측정된 시편의 스펙트럼 정보 중 아웃레이어를 제거한 초분광 영상데이터 처리결과이다.
도 11은 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정방법에 의해 검출된 wafer stack test vehicle의 검출모델 적용결과이다.
도 12는 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정방법에 의해 검출된 wafer stack test vehicle 내부의 미세패턴과 결함 검출결과이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
첨부도면 도 1 내지 도 12는 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치 및 방법과, 이에 따른 각종 평가에 따른 결과를 도시한 도면들이다.
본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치는 3D-IC 반도체 모듈의 내부 결함 검사를 위한 초분광 영상기반 검출모듈이다.
이러한 본 발명의 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치(1)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 바디(50)를 기준으로 바디(50) 하부에는 측정판(11), 변위 스테이지(10), 대물렌지(20), 롱 패스 필터(30), 색지움 렌즈(40)가 각각 구비되고, 바디(50) 상부에는 입사 슬릿(60), 시준미러(70), 회절판(80), 집광미러(90), 검출기(100)가 각각 구비된다.
측정판(11)은 시편이 탑재되어 구비될 수 있는 투명한 판으로 구비된다. 이러한 측정판(11)의 하부에는 변위 스테이지(10)가 구비되고, 변위 스테이지(10)에 의해서 측정판(11)은 X축 방향과 Y축 방향으로 이동되면서 그 변위가 조정된다.
변위 스테이지(10)는 도시되지는 않았지만, 상,하 스테이지가 서로 직교하는 방향으로 교차되게 구비되고, 각 스테이지는 적층된 상하 두 개의 판으로 이루어져 하판 위에서 상판이 스크류축과 LM 가이드에 의해 직선 왕복이동하게 구비된다.
따라서, 하부 스테이지의 상판이 하판 상에서 이동됨에 따라 상부 스테이지가 X축 또는 Y축 방향으로 이동되고, 하부 스테이지의 상판에 직교하는 방향으로 구비된 상부 스테이지의 상판이 하판 상에서 이동됨에 따라 상부 스테이지 위에 구비된 측정판(11)이 Y축 또는 X축 방향으로 이동된다.
대물렌지(20)는 측정판(11) 위에 구비되어 측정판(11)과의 거리를 조절하는 한편 시편의 상이 입력되는 렌즈로서, 무한 보정 대물렌즈(Infinity Corrected Objective)로 구비되고, 검출 대상의 종류 및 분석 목적에 따라 고배율(×100) 시스템으로 용이하게 변경 가능하게 구비된다.
그리고, 대물렌지(20) 위에는 긴 파장의 광을 투과시키는 롱 패스 필터(30)와, 롱 패스 필터(30) 위에서 롱 패스 필터(30)를 투과한 광의 색수차를 제거하는 색지움 렌즈(40)가 각각 구비된다.
이러한 롱 패스 필터(30)는 홀더(31)에 의해 대물렌지(20) 위에 고정되게 구비되고, 색지움 렌즈(40)는 롱 패스 필터(30)와 근접한 바디(50)의 하부에 구비된다.
한편, 바디(50) 상부에는 박스 형상의 하우징이 고정되게 구비되고, 이러한 하우징에는 입사 슬릿(60)과, 시준미러(70), 회절판(80), 집광미러(90), 검출기(100)가 각각 구비된다.
입사 슬릿(60)은 하우징의 내측 하부에 구비되어, 색지움 렌즈(40)를 투과한 광이 입사된다.
그리고, 하우징의 내측 상부에는 입사 슬릿(60)과 대향되는 시준미러(70)가 구비되고, 시준미러(70)는 입사 슬릿(60)을 통과한 광(빛)을 평행광으로 반사시키게 된다. 이러한 시준미러(70)는 수차를 저감할 수 있도록 비축 및 비구면의 오목한 반사경으로 이루어짐으로써, 상대적으로 많은 빛을 수광할 수 있으며, 시준미러(70)의 비구면 계수는 비축으로 빛이 수광될 때 발생할 수 있는 수차를 1차적으로 저감시킨다.
회절판(80)은 시준미러(70)에서 반사된 평행광을 해당 광의 파장에 따라 회절시킨다. 이러한 회절판(80)은 입사되는 광을 회절시켜 소정 범위로 왜곡 투과시키는 특징이 있으나, 이와 같이 왜곡 투과되는 광 중에서 입사각과 동일한 반사각으로 출력되는 광의 효율이 가장 높을 수 있다.
그리고, 집광미러(90)는 회절판(80)에서 회절된 광을 집광하여 검출기(100)로 반사시키는 미러로서, 이러한 집광미러(90)는 비축 및 구면의 오목한 반사경으로 형성되어, 회절판(80)에서 회절된 광을 집광시켜 검출기(100)로 반사시키게 된다.
검출기(100)는 집광미러(90)에서 반사된 초분광 스펙트럼이 측정되는 장치로서, 측정 대역이 400∼1700nm인 InGaAs 계열의 2D array 검출기로 구비될 수 있다. 이와 같이 구비되는 검출기(100)는 400∼700nm 구간의 측정 대역에서는 5nm, 700∼1000nm 구간의 측정 대역에서는 8nm, 1000∼1700nm 구간의 측정 대역에서는 12nm로 연속적인 초분광 영상정보를 측정할 수 있다.
한편, 상기와 같은 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치에 대한 평가항목 및 평가방법을 하기의 표 1에 나타내었다.
가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치에 대한 평가항목 및 평가방법
평가항목 단위 최고수준 현수준 목표치 평가방법
파장대역 nm 400∼1700 이상 400∼1000 400∼1700 Arc Lamp를 이용한 파장대역 측정실험

분광 분해능
nm		 max. 5
(400∼700nm 구간)
4∼5
5


Arc Lamp를 이용한 FWHM 측정실험
max. 8
(700∼1000nm 구간)
5∼10
8
max. 12
(1000∼1700nm 구간)
10∼15
12
파장 분할수 개 333 이상 333 333 QTH Lamp를 이용한 파장 샘플링 개수 측정실험

프레임 속도
Hz
100 이상
100
100		 Moving Reticle Target을 이용한 촬영 프레임 개수 측정실험
본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치의 목표 파장대역은 위의 표 1에 나타난 바와 같이 400∼1700nm로서, Mercury(Hg) arc lamp와 Argon(Ar) arc lamp를 이용하여 파장대역을 측정하였고, 이에 대한 평가 결과는 도 4a 및 도 4b와, 하기의 표 2와 같다.
정량적 평가 항목(파장대역)에 대한 평가 결과 및 달성도
평가 항목 목표치(nm) 평가 결과(nm) 달성도(％)
파장 대역 400∼1700 351 100
그리고, 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치가 목표로 하는 분광 분해능은 구간별로 분류하였으며, 400∼700nm 구간에서는 최대 5nm, 700∼1000nm 구간에서는 최대 8nm, 1000∼1700nm 구간에서는 최대 12nm이며, Arc Lamp를 이용한 FWHM 측정실험을 통한 분석결과는 도 5 및 표 3과 같다.
정량적 평가 항목(분광 분해능)에 대한 평가 결과 및 달성도
평가
항목		 파장대역
(nm)		 측정파장
(nm)		 측정분해능
(nm)		 목표치
(nm)		 평가결과
(nm)		 달성도
(％)




분광
분해능		 400∼700 545.8 4.4 ＜5 4.4



＞100
(초과달성)



700∼1000		 703.7
703.7
811.8
841.7
912.4
965.8		 4.4
4.5
4.8
5.3
4.7
5.1

＜8

4.8

1000∼1700		 1014.2
1047.4
1128.1
1368.6		 4.1
4.2
4.4
4.6
＜12
4.4
또, 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치의 파장 분할 수는 333개이고, QTH Lamp를 이용한 파장 sampling 개수 측정실험을 통한 분석결과는 도 6a 및 도 6b와, 하기의 표 4와 같다.
정량적 평가 항목(파장 분할 수)에 대한 평가 결과 및 달성도
평가 항목 목표치(nm) 평가 결과(nm) 달성도(％)
파장 분할 수 333 640 ＞100
(초과 달성)
한편, 상기와 같은 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치(1)를 이용한 측정방법은, 초분광 영상을 측정하고자 하는 시편을 준비하는 단계(S1)와, 라인조명에 의한 반사 광을 제공하는 단계(S2)와, 반사된 광에 의한 시편의 이미징 정보를 획득하는 단계(S3)와, 시편의 이미지 정보가 입사 슬릿(60)을 통해 입사되는 단계(S4)와, 입사 슬릿(60)으로 입사된 시편의 이미지 정보가 분산되어 검출기(100)에 수집되고 검출기(100)에 수집된 초분광 이미지를 스캔하여 초분광 영상을 구현하는 단계(S5)와, 구현된 초분광 영상에서 아웃라이어를 제거하여 필터링하는 단계(S6)와, 파장대역별 분광 영상을 추출하여 마이크로 스케일의 미세패턴과 결함을 비파괴적으로 검출하는 분석단계(S7)를 포함한다.
이와 같은 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치(1)를 이용한 측정방법은, 캘리브레이션과 전처리과정을 거친 초분광 스펙트럼 데이터를 기반으로 3차원 큐브데이터를 구현하여 시편 즉 3D-IC 반도체 모듈의 파장대역별 분광영상을 추출하고, 개발된 검출모델을 적용하여 가시광선 대역에서는 검출이 불가능한 시편 내부의 마이크로-스케일의 미세패턴과 결함을 비파괴적으로 검출할 수 있는 공정이다.
따라서, 본 발명의 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치와 측정방법에 대한 성능 평가를 위해, 도 7a 및 도 7b에서와 같이 시편을 제작하여 준비하였다.
준비된 시편은 3D-IC 반도체 모듈을 모사한 3차원 구조의 wafer stacked test vehicle을 제작한 것이며, 이를 통해 3차원 구조의 반도체 모듈 내부에 존재할 수 있는 마이크로 스케일의 미세패턴과 결함을 검출하고자 한 것이다.
시험에 이용된 test vehicle은 도 7a에 도시된 바와 같이 한 층의 두께가 50um인 웨이퍼가 3단으로 적층된 것으로서, 도 7b에서는 test vehicle의 단면과 소재의 재료물성을 나타내고 있다.
이러한 wafer stacked test vehicle에 대한 초분광 영상을 측정함에 있어 광 검출기의 프레임 속도(frame rate)는 100Hz로 설정하여 측정하였다.
한편, 초분광 영상을 구현하는 단계(S5)에서는, 측정된 영상을 맺기 위해 필요한 빛 이외의 빛이 목적으로 하는 영상에 나쁜 영향을 미치는 경우가 있고, 이러한 빛을 미광(stray light)이라 한다. 이러한 미광은 렌즈와 프리즘 등의 광학 부품 면에서 반사되는 빛과 렌즈 주변 또는 튜브의 안쪽 면에서 반사되는 빛으로, 미광을 분석하고 캘리브레이션 방법으로 미광을 세계 최고 spectroradiometer급(독일 Instrument System, 일본 Otsuka 제품)의 10-6 수준으로 낮출 수 있게 된다.
이와 같은 캘리브레이션 방법은 632.8nm HeNe 레이저와, LabVIEW를 사용한 것으로, 이러한 캘리브레이션 방법에 의해 미광수준을 10- 6 까지 평가하여 초분광 광학계의 성능을 향상시킬 수 있다. 도 8은 캘리브레이션 방법에 의한 미광의 수준을 평가, 분석한 결과이다.
그리고, 측정된 초분광 스펙트럼 데이터를 이용하여 초분광 영상을 구현하기 위해서는 실시간으로 측정되는 모든 스펙트럼 정보에 대해 하기의 식(1)과 같이, white reference와 dark reference로부터 측정한 반사스펙트럼을 이용한 캘리브레이션이 적용된다.
이때, white reference는 teflon board를 이용하였고, dark reference는 광을 완전히 차단한 상태를 적용하였다.
Figure 112017009446296-pat00001
------- 식(1)
여기서, Si는 실시간으로 측정되는 스펙트럼 정보이고, D는 dark reference의 스펙트럼 정보이며, R은 white reference의 스펙트럼 정보이다.
도 9는 USAF 1951 표준 타겟(미공군(USAF)에서 군표준화(MIL-STD-150A Standard)를 위해 1951년 제정한 테스트 패턴을 가진 타켓) 시편에 측정한 785 nm 분광영상으로서, 도 9의 (a),(c),(e)는 캘리브레이션을 적용하기 전의 분광영상, 히스토그램, 프로파일 정보를 나타내고 있고, 도 9의 (b),(d),(f)는 캘리브레이션을 적용한 후의 분광영상, 히스토그램, 프로파일 정보를 나타내고 있다.
이러한 도 9의 결과에서 알 수 있듯이, 캘리브레이션 작업으로 인해 잡음성분이 제거되어 분광영상의 contrast가 향상되었음을 알 수 있다.
한편, 구현된 초분광 영상에서 아웃라이어를 제거하여 필터링하는 단계(S6)에서는, 캘리브레이션을 적용한 후 초분광 스펙트럼을 실시간으로 측정하는 중에 시료의 형상과 구성 성분에 따라 광 산란이 유발되기도 하며, 이는 광 경로의 변화를 초래하기도 한다. 또한, 측정장치와 환경으로부터 다양한 잡음성분들이 유입될 수 있으므로 이러한 현상들을 방지하기 위해, 광 검출기에서 측정된 스펙트럼 정보 중 아웃라이어(outliers)를 제거하는 전처리과정을 개발하여 적용하였다.
도 10의 (a)와 같은 USAF 1951 표준 타겟 시편의 프로파일에서 측정한 도 10의 (b)의 스펙트럼 raw data에는 수개∼수십개에 달하는 아웃라이어들이 존재하며, 이는 초분광 광학계 또는 광검출기의 dead pixel에서 기인되는 것으로 판단된다.
도 9의 (c)는 이러한 아웃라이어를 제거한 결과이고, 도 9의 (d)는 max. normalization을 수행한 것이며, 도 9의 (e)는 MSC(multiplicative scatter correction) 산란 보정방법을 적용한 결과를 나타내고 있다.
따라서, 캘리브레이션 적용 후 측정된 초분광 스펙트럼에 전처리를 적용하여 획득된 스펙트럼 데이터는 파장대역 별 분광영상으로 분리, 추출될 수 있으며, 이들을 모두 취합하면 초분광 스펙트럼 3차원 큐브를 구현할 수 있다. 이와 같이 구현된 3차원 스펙트럼 큐브는 검사 시편의 2차원 공간정보와 400∼1700nm 대역에서의 스펙트럼 정보를 모두 제공할 수 있다.
한편, 분석단계(S7)에서는, Wafer stacked test vehicle로부터 측정된 초분광 스펙트럼 데이터를 기반으로 3차원 큐브데이터를 구현하고, 파장대역별 분광영상을 추출하여 기존의 가시광선대역에서는 검출이 불가능한 시편 내부에 존재하는 마이크로-스케일의 미세패턴과 결함을 비파괴적으로 검출하고 평가하였다.
이를 위해서 하기의 식(2)과 같이 정의되는 주성분 회귀 분석법(PCR, Principal Component Regression)을 이용하여 결함의 검출모델을 개발하였다.
검출모델에 적용된 주성분 회귀법은 독립변수의 정보를 많이 포함하는 주성분을 추출하는 회귀방법으로서, 측정된 방대한 양의 스펙트럼 데이터 중 주요한 정보를 많이 포함하고 있는 주성분을 추출하여 주어진 데이터를 압축함으로써 회귀분석을 수행하는 방법이다.
Figure 112017009446296-pat00002
------- 식(2)
여기서, X는 n×m차원의 predictors 행렬이고, T는 n×1차원의 score 행렬이며, P는 m×1차원의 loading 행렬이고, E는 오차항이며 t는 전치행렬이다.
또한, 추가적으로 하기의 식(3)과 같이 정의되는 부분최소제곱 회귀분석법(PLSR, Partial Least Squares Regression)을 이용한 분류모델을 개발하였다.
이와 같이 적용되는 부분 최소제곱 회귀법은 독립변수와 종속변수 간의 상관성을 고려하여 각각의 주성분을 추출한 후 회귀분석하는 방법으로서, 주성분 선정 과정에서 독립변수와 종속변수의 상관관계가 고려되기 때문에, 주성분 회귀 분석법보다 검출모델의 성능이 향상될 것이다.
Figure 112017009446296-pat00003
Figure 112017009446296-pat00004
------- 식(3)
여기서, X는 n×m차원의 predictors 행렬이고, Y는 n×m차원의 response 행렬이며, T는 n×1차원의 score 행렬이고, P와 Q는 각각 m×1, p×1차원의 loading 행렬이며, E,F는 오차항이며 t는 전치행렬이다.
한편, 도 11은 웨이퍼 3단 적층 시편의 3차원 초분광 영상정보에 대하여 개발된 검출모델을 적용하여 검출된 결과로서, 도 11의 (a)와 (b)는 각각 PCR 분석모델의 검출 영상과 노이즈 보정 영상이며, 도 11의 (c)와 (d)는 PLSR 분석모델의 검출 영상과 이 영상의 노이즈성분을 보정한 영상이다.
그리고, 도 12는 개발된 초분광 영상기반 검출모듈과 검출모델을 이용하여 웨이퍼 3단 적층 시편의 substrate면에 존재하는 미세패턴과, 시편의 제작 중 형성된 delamination 또는 debond와 같은 결함을 검출한 결과를 나타낸 것이다.
즉, 도 12의 (a)는 적층된 웨이퍼 내부 하단면에 존재하는 미세패턴, 도 12의 (b)는 기존 가시광선 대역의 분광영상으로는 미세패턴이 검출되지 않음을 보여주고 있지만, 개발된 검출모델을 이용하여 분석한 결과, 도 12의 (c)에서와 같이 근적외선 대역의 분광영상에서는 180um 두께로 적층된 웨이퍼 내부의 하단에 존재하는 도 12의 (a)와 같은 미세패턴과, 시편의 제작 중에 발생된 내부의 결함을 검출할 수 있으며, 도 12의 (d)는 검출된 미세패턴 영상을 이진화 영상으로 변환하여 나타낸 결과이다.
따라서, 이상과 같은 본 발명에 따른 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치 및 방법은, 가시광/근적외선 대역에서 측정 가능한 초분광 영상을 파장 대역 별로 획득하여 측정 대상 물체의 영상 정보를 비파괴적으로 획득함으로써, 반도체 모듈과 같은 3차원 적층 구조물 또는 이종 재료가 복합적으로 구성된 시료의 내부 구조를 파장 대역 별 영상으로 구현하고 분류할 수 있다.
그리고, 가시광/근적외선 대역에서 현미경 수준의 초분광 스펙트럼 영상을 분석할 수 있는 기술을 제공함으로써, 3D-IC 검사장비의 결함 분류 기준의 다양성을 확보할 수 있고, 실공정 중 결함 검출 정확도와 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 명확해질 것이다.
1 : 영상 측정장치 10 : 변위 스테이지
11 : 측정판 20 : 대물렌즈
30 : 롱 패스 필터 31 : 홀더
40 : 색지움 렌즈 50 : 바디
60 : 입사 슬릿 70 : 시준미러
80 : 회절판 90 : 집광미러
100 : 검출기
S1 : 시편준비 S2 : 조명 반사
S3 : 이미징 획득 S4 : 이미지 입사
S5 : 이미지 스캔 S6 : 영상처리
S7 : 분석

Claims (7)

  1. 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치를 이용한 영상 측정방법으로서,
    측정장치는,
    시편이 구비되는 측정판을 X,Y축 방향으로 이동시킬 수 있는 변위 스테이지;
    측정판 위에 구비되어 측정판과의 거리를 조절하는 한편 시편의 상이 입력되는 대물렌즈;
    대물렌즈 위에 구비되어 긴 파장의 광을 투과시키는 롱 패스 필터;
    롱 패스 필터 위에 구비되어 롱 패스 필터를 투과한 광의 색수차를 제거하는 색지움 렌즈;
    색지움 렌즈를 투과한 광이 입사되는 입사 슬릿;
    입사 슬릿을 통과한 광을 평행광으로 반사시키는 시준미러;
    시준 미러에서 반사된 광을 해당 광의 파장에 따라 회절시키는 회절판;
    회절판에서 회절된 광을 집광하여 반사시키는 집광미러; 및
    집광미러에서 반사된 초분광 스펙트럼이 측정되는 검출기;를 포함하고,
    측정방법은,
    초분광 영상을 측정하고자 하는 시편을 준비하는 단계;
    준비된 시편에 광을 제공하고 반사된 광에 의한 시편의 이미지 정보가 입사 슬릿을 통해 입사되는 단계;
    입사 슬릿으로 입사된 이미지 정보가 분산되어 검출기에 수집되는 단계;
    검출기에서 수집된 초분광 이미지를 스캔하여 초분광 영상을 구현하는 단계;
    구현된 초분광 영상에서 아웃라이어를 제거하여 필터링하는 단계; 및
    파장대역별 분광 영상을 추출하여 마이크로 스케일의 미세패턴과 결함을 비파괴적으로 검출하는 분석단계;를 포함하며,
    분석단계에서의 파장대역별 분광 영상을 추출하여 마이크로 스케일의 미세패턴과 결함은 하기의 식에 의해 비파괴적으로 검출되는 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치를 이용한 영상 측정방법.
    Figure 112018029152484-pat00024

    여기서, X는 n×m차원의 predictors 행렬, T는 n×1차원의 score 행렬, P는 m×1차원의 loading 행렬, E는 오차항이며 t는 전치행렬임.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    측정된 초분광 이미지의 스펙트럼 데이터를 이용하여 초분광 영상을 구현하기 위해서는 실시간으로 측정되는 모든 스펙트럼 정보에 대해 하기의 식에 의한 반사스펙트럼을 이용한 캘리브레이션이 적용되는 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치를 이용한 영상 측정방법.
    Figure 112018029152484-pat00005

    여기서, Si는 실시간으로 측정되는 스펙트럼 정보, D는 dark reference의 스펙트럼 정보, R은 white reference의 스펙트럼 정보.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    분석단계에서의 파장대역별 분광 영상을 추출하여 마이크로 스케일의 미세패턴과 결함은 하기의 식에 의해 비파괴적으로 검출되는 가시광/근적외선 초분광 현미경기반 영상 측정장치를 이용한 영상 측정방법.
    Figure 112018029152484-pat00007

    Figure 112018029152484-pat00008

    여기서, X는 n×m차원의 predictors 행렬, Y는 n×m차원의 response 행렬, T는 n×1차원의 score 행렬, P와 Q는 각각 m×1, p×1차원의 loading 행렬, E,F는 오차항이며 t는 전치행렬임.
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