KR102347072B1 - 무 초점(Focus-less) 검사 장치 및 검사 방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 검사 장치를 제안한다. 본 개시에 따른 검사 장치는, 한 위상 범위를 가지는 복수의 구조광 각각을 차례로 조사하는 구조 광원; 상기 위상 범위 중의 한 위상에 대응되는 광이 대상체 상 일부 영역의 각 점에 도달하도록, 상기 복수의 구조광 각각에 대하여, 상기 위상 범위 중의 위상 각각에 대응되는 광의 광로를 조정하는 적어도 하나의 렌즈; 상기 복수의 구조광 각각이 상기 일부 영역으로부터 반사되어 생성된 복수의 반사광을 캡쳐(capture)하는 이미지 센서; 및 상기 구조 광원, 상기 적어도 하나의 렌즈 및 상기 이미지 센서와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 이미지 센서로부터 상기 복수의 반사광 각각에 대한 광량 값을 획득하고, 상기 복수의 반사광 각각에 대한 광량 값을 기초로, 상기 복수의 반사광의 위상 값을 도출하여 상기 대상체 표면의 각도를 도출할 수 있다.

Description

무 초점(Focus-less) 검사 장치 및 검사 방법{APPARATUS FOR FOCUS-LESS INSPECTION AND METHOD THEREOF}
본 개시는 무 초점(Focus-less) 검사 장치 및 검사 방법에 관한 것이다.
반도체의 제조 공정 상에서, 반도체에 대한 각종 처리, 공정 등이 적절하게 수행되었는지에 대한 다양한 검사가 이루어 진다. 예를 들어, 반도체 기판 상에 설치되는 다이(die) 등의 소자가, 반도체 기판 상 위치해야 될 곳에 위치되었는지 등에 대한 검사가 수행될 수 있다.
특히, 반도체 기판에 실장되는 다이에 있어서, 실장된 다이와 기판 사이의 기울임(tilt)은 없는지에 대한 검사가 수행될 수 있다. 일반적으로, 기판에 솔더 또는 솔더볼이 도포된 상태에서 다이가 솔더 또는 솔더볼 상부에 실장될 수 있다. 이 때, 다이의 하면이 반도체 기판의 기준면에 평행하도록 실장되어야 하나, 소정의 요인(예를 들어 솔더 또는 솔더볼의 도포 상태)에 의해 다이가 반도체 기판에 대하여 일정 각도 이상 기울어진 형태로 실장될 수도 있다. 이는 반도체 장치의 불량을 일으킬 수 있는 요소이므로, 반도체에 대한 검사 과정에서, 다이가 기울어졌는지, 기울어졌다면 어느 각도 이상 기울어졌는지를 확인할 수 있어야 한다.
또한, 기판에의 실장과는 무관하게, 어느 한 대상체의 표면에 대한 검사가 수행될 수 있다. 이 검사 과정에서 대상체 표면의 굴곡이 가지는 각도가 확인되어야 할 필요가 있다. 대상체 표면은 대상체의 형태에 따라 크고 작은 요철들을 가질 수 있다. 이 요철들은 제작상 결함에 의해 발생한 것일 수도 있고, 설계상 의도적으로 형성된 것일 수도 있다. 대상체의 표면이 기준면에 대하여 가지는 각도가 측정될 필요가 있다.
이러한 기울어짐 등에 대한 검사를 수행하기 위하여, 반도체 다이에 대해 3차원 조명을 조사하는 3차원 검사기가 활용될 수 있다. 기존에 대상체로부터의 반사광이 결상되는 위치를 활용해 대상체의 기울어진 정도를 측정하는 방법이 사용되었다. 이 방법은, 기울어지지 않은 대상체로부터 반사된 반사광이 결상된 위치와, 기울어진 대상체로부터 반사된 반사광이 결상된 위치의 차이를 이용하여, 대상체가 기울어진 정도를 측정하는 방법이다. 그러나, 이는 대상체가 작은 각도로만 기울어져도 반사각이 크게 변하여, 반사광의 변화된 결상 위치를 측정하기 위해서, 많은 공간이 필요하게 되는 문제가 있었다. 이러한 문제는 검사 장비의 소형화를 어렵게 하였다.
또한, 기존에 구조광(Structured Light)을 대상체로 조사하고, 대상체로부터 일정 거리 떨어진 공중에 구조광에 의한 회절 무늬를 형성하고, 대상체가 기울어짐에 따라 발생하는 회절 무늬의 위상 변화를 통해, 대상체의 기울어진 정도를 측정하는 방법이 사용되었다. 이 방법에서, 대상체가 기울어짐에 따라 카메라 조리개(aperture)의 위치 변화로 인해 측정되는 회절 무늬의 범위가 달라지고, 이에 따른 회절 무늬의 위상 변화를 이용해 대상체의 기울어진 각도가 도출될 수 있다. 그러나, 이 방법에서는, 물리적으로 공중에 결상되는 회절 무늬를 활용하게 되므로, 많은 노이즈가 발생하는 문제가 있었다.
Gerd Hausler et al. 「Microdeflectometry - a novel tool to acquire 3D microtopography with nanometer height resolution」 (2008. 2. 15).
본 개시는, 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 대상체로부터의 반사 광량을 이용하여, 기판에 실장된 대상체의 기울어진 정도(tilt) 내지 대상체 표면의 각도를 측정하는 기술을 제공한다.
본 개시의 한 측면으로서, 검사 장치가 제안될 수 있다. 본 개시의 한 측면에 따른 검사 장치는, 한 위상 범위를 가지는 복수의 구조광 각각을 차례로 조사하는 구조 광원; 상기 위상 범위 중의 한 위상에 대응되는 광이 대상체 표면 상 일부 영역의 각 점에 도달하도록, 상기 복수의 구조광 각각에 대하여, 상기 위상 범위 중의 위상 각각에 대응되는 광의 광로를 조정하는 적어도 하나의 렌즈; 상기 복수의 구조광 각각이 상기 일부 영역으로부터 반사되어 생성된 복수의 반사광을 캡쳐(capture)하는 이미지 센서; 및 상기 구조 광원, 상기 적어도 하나의 렌즈 및 상기 이미지 센서와 전기적으로 연결된 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 이미지 센서로부터 상기 복수의 반사광 각각에 대한 광량 값을 획득하고, 상기 복수의 반사광 각각에 대한 광량 값을 기초로 상기 복수의 반사광의 위상 값을 도출하여, 기준면에 대한 상기 대상체 표면의 각도를 도출할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 검사 장치는, 상기 대상체 표면의 각도 및 상기 복수의 반사광의 위상 값 사이의 관계를 나타내는 연관 정보를 저장하고, 상기 프로세서와 전기적으로 연결된 메모리를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 프로세서는, 상기 복수의 반사광의 위상 값 및 상기 메모리로부터 획득된 상기 연관 정보에 기초하여, 상기 대상체 표면의 각도를 도출할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 위상 범위는 상기 구조광의 주기의 정수배가 아닌 위상 범위일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 위상 범위는, 상기 구조광의 반 주기에 해당하는 위상 범위보다 크고, 상기 구조광의 한 주기에 해당하는 위상 범위보다 작을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 검사 장치는, 상기 기준면에 수직인 제1 축 상에 위치하고, 상기 구조 광원으로부터 조사된 상기 복수의 구조광 각각이 상기 대상체 표면을 향하도록 광로를 조정하는 제1 빔 스플리터를 더 포함하고; 상기 이미지 센서는 상기 제1 축 상에 위치할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 검사 장치는, 상기 구조 광원으로부터 조사된 상기 복수의 구조광 각각을 상기 제1 빔 스플리터로 통과시키는 제1 조리개; 및 상기 대상체 표면으로부터 반사된 상기 복수의 반사광 각각을 상기 이미지 센서로 통과시키는 제2 조리개를 포함하고, 상기 광량 값은, 상기 구조광이 상기 제1 조리개를 통과하고 상기 대상체 표면으로부터 반사되어 생성된 상기 반사광이 상기 제2 조리개를 통과하여 상기 이미지 센서에 의해 캡쳐되는 광량에 기초하여 결정되고, 상기 제2 조리개를 통과하는 광량은 상기 대상체 표면의 각도에 따라 변화할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 대상체 표면 상의 상기 일부 영역의 각 점에는, 상기 위상 범위에 해당하는 상기 구조광의 평균 광량에 해당하는 광량을 가진 광이 도달할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 구조광 각각은 하나의 구조광이 미리 설정된 위상 간격으로 위상 천이되어 생성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 구조 광원은, 조사광을 조사하는 광원; 상기 조사광을 확산시키는 확산판; 상기 확산된 조사광의 제1 편광을 투과하고, 상기 확산된 조사광의 제2 편광을 반사시키는 제2 빔 스플리터; 및 상기 투과된 제1 편광의 일부는 제1 편광으로 반사하고, 상기 투과된 제1 편광의 다른 일부는 제2 편광으로 변환하여 반사하는 패턴 발생기를 포함하고, 상기 제2 빔 스플리터는 상기 반사된 제1 편광을 투과하고, 상기 변환된 제2 편광을 상기 제1 빔 스플리터를 향하도록 반사하여 상기 복수의 구조광을 생성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 패턴 발생기는 LCoS (Liquid　Crystal　on　Silicon)일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 구조광 각각은 제1 방향 또는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로의 패턴을 가질 수 있다.
본 개시의 한 측면으로서, 검사 방법이 제안될 수 있다. 본 개시의 한 측면에 따른 검사 방법은, 구조 광원이, 한 위상 범위를 가지는 복수의 구조광 각각을 차례로 조사하는 단계; 적어도 하나의 렌즈가, 상기 위상 범위 중의 한 위상에 대응되는 광이 대상체 표면 상 일부 영역의 각 점에 도달하도록, 상기 복수의 구조광 각각에 대하여, 상기 위상 범위 중의 위상 각각에 대응되는 광의 광로를 조정하는 단계; 이미지 센서가, 상기 복수의 구조광 각각이 상기 일부 영역으로부터 반사되어 생성된 복수의 반사광을 캡쳐(capture)하는 단계; 상기 복수의 반사광 각각에 대한 광량 값을 획득하는 단계; 상기 광량 값을 기초로 상기 복수의 반사광의 위상 값을 도출하는 단계; 상기 대상체 표면의 각도 및 상기 복수의 반사광의 위상 값 사이의 관계를 나타내는 연관 정보를 획득하는 단계; 및 상기 복수의 반사광의 위상 값 및 상기 연관 정보에 기초하여, 상기 대상체 표면의 각도를 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 위상 범위는 상기 구조광의 주기의 정수배가 아닌 위상 범위일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 광량 값은, 상기 구조광이 상기 구조 광원으로부터 조사되어 제1 조리개를 통과하고 상기 대상체 표면으로부터 반사되어 생성된 상기 반사광이 제2 조리개를 통과하여 상기 이미지 센서에 의해 캡쳐되는 광량에 기초하여 결정되고, 상기 제1 조리개 및 상기 제2 조리개를 통과하는 광량은 상기 대상체 표면의 각도에 따라 변화할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 대상체 표면 상의 상기 일부 영역의 각 점에는, 상기 위상 범위에 해당하는 상기 구조광의 평균 광량에 해당하는 광량을 가진 광이 도달할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 구조광 각각은 하나의 구조광이 미리 설정된 위상 간격으로 위상 천이되어 생성될 수 있다.
본 개시의 한 측면으로서, 프로그램을 기록한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 기록매체가 제안될 수 있다. 본 개시의 한 측면에 따른 기록 매체에 있어서, 상기 프로그램은, 프로세서에 의한 실행 시, 상기 프로세서가, 한 위상에 대응되는 광이 대상체 표면 상 일부 영역의 각 점에 도달하도록 조사된, 미리 설정된 위상 범위를 가지는 복수의 구조광 각각이, 상기 대상체 표면의 상기 일부 영역으로부터 반사되어 생성된 복수의 반사광 각각에 대한 광량 값을 획득하는 단계; 상기 광량 값에 기초하여, 상기 복수의 반사광의 위상 값을 도출하는 단계; 상기 대상체 표면의 각도 및 상기 복수의 반사광의 위상 값 사이의 관계를 나타내는 연관 정보를 획득하는 단계; 및 상기 복수의 반사광의 위상 값 및 상기 연관 정보에 기초하여, 상기 대상체 표면의 각도를 도출하는 단계를 수행하도록 하는 실행 가능한 명령을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 대상체 표면 상의 상기 일부 영역의 각 점에는, 상기 위상 범위에 해당하는 상기 구조광의 평균 광량에 해당하는 광량을 가진 광이 도달할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들에 의한 검사 장치는, 대상체로부터의 반사광이 가지는 광량을 이용해, 대상체가 기판에 대해 기울어진 정도 또는 대상체 표면의 각도를 효율적으로 측정할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들에 의한 검사 장치는, 대상체로부터 반사된 반사광이 촬상되는 위치의 변화량을 관찰하는 것이 아니므로, 대상체의 기울어진 정도 내지 대상체 표면의 각도를 측정하기 위하여 장치의 크기가 커질 필요가 없다.
본 개시의 다양한 실시예들에 의한 검사 장치는, 대상체 앞 공중에 형성되는 회절 무늬를 이용하는 것이 아니므로, 대상체의 기울어진 정도 내지 대상체 표면의 각도를 측정함에 있어 상대적으로 노이즈에 강건할 수 있다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 검사 장치의 블록도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 개시에 따른 검사 장치가 동작하는 과정의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른, 구조광이 대상체에 조사되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른, 반사광이 제2 조리개를 통과하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른, 반사광이 제2 조리개를 통과하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른, 구조 광원(130)에서 조사되는 복수의 구조광의 제1 조리개(160)에서의 모습을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른, 연관 정보를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른, 구조광이 가지는 패턴의 방향을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른, 구조 광원(130)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 개시에 따른 검사 장치(10)에 의해 수행될 수 있는, 검사 방법의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
본 문서에 기재된 다양한 실시예들은, 본 개시의 기술적 사상을 명확히 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이며, 이를 특정한 실시 형태로 한정하려는 것이 아니다. 본 개시의 기술적 사상은, 본 문서에 기재된 각 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 대체물(alternatives) 및 각 실시예의 전부 또는 일부로부터 선택적으로 조합된 실시예를 포함한다. 또한 본 개시의 기술적 사상의 권리 범위는 이하에 제시되는 다양한 실시예들이나 이에 대한 구체적 설명으로 한정되지 않는다.
기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서, 본 문서에서 사용되는 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 가질 수 있다.
본 문서에서 사용되는 "포함한다", "포함할 수 있다", "구비한다", "구비할 수 있다", "가진다", "가질 수 있다" 등과 같은 표현들은, 대상이 되는 특징(예: 기능, 동작 또는 구성요소 등)이 존재함을 의미하며, 다른 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다. 즉, 이와 같은 표현들은 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.
본 문서에서 사용되는 단수형의 표현은, 문맥상 다르게 뜻하지 않는 한 복수형의 의미를 포함할 수 있으며, 이는 청구항에 기재된 단수형의 표현에도 마찬가지로 적용된다.
본 문서에서 사용되는 "제1", "제2", 또는 "첫째", "둘째" 등의 표현은, 문맥상 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 동종 대상들을 지칭함에 있어 한 대상을 다른 대상과 구분하기 위해 사용되며, 해당 대상들간의 순서 또는 중요도를 한정하는 것은 아니다.
본 문서에서 사용되는 "A, B, 및 C", "A, B, 또는 C", "A, B, 및/또는 C" 또는 "A, B, 및 C 중 적어도 하나", "A, B, 또는 C 중 적어도 하나", "A, B, 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은, 각각의 나열된 항목 또는 나열된 항목들의 가능한 모든 조합들을 의미할 수 있다. 예를 들어, "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A, (2) 적어도 하나의 B, (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B를 모두 지칭할 수 있다.
본 문서에서 사용되는 "~에 기초하여"라는 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 기술되는, 결정, 판단의 행위 또는 동작에 영향을 주는 하나 이상의 인자를 기술하는데 사용되고, 이 표현은 해당 결정, 판단의 행위 또는 동작에 영향을 주는 추가적인 인자를 배제하지 않는다.
본 문서에서 사용되는, 어떤 구성요소(예: 제1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제2 구성요소)에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다는 표현은, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되는 것뿐 아니라, 새로운 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 매개로 하여 연결 또는 접속되는 것을 의미할 수 있다.
본 문서에서 사용된 표현 "~하도록 구성된(configured to)"은 문맥에 따라, "~하도록 설정된", "~하는 능력을 가지는", "~하도록 변경된", "~하도록 만들어진", "~를 할 수 있는" 등의 의미를 가질 수 있다. 해당 표현은, "하드웨어적으로 특별히 설계된"의 의미로 제한되지 않으며, 예를 들어 특정 동작을 수행하도록 구성된 프로세서란, 소프트웨어를 실행함으로써 그 특정 동작을 수행할 수 있는 범용 프로세서(generic-purpose processor)를 의미할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예를 설명하기 위하여, 서로 직교하는 X축, Y축 및 Z축을 가지는 직교 좌표계가 정의될 수 있다. 본 문서에서 사용되는, 직교 좌표계의 "X축 방향", "Y축 방향", "Z축 방향" 등의 표현은, 해당 설명에서 특별히 다르게 정의되지 않는 한, 직교 좌표계의 각 축이 뻗어나가는 양쪽 방향을 의미할 수 있다. 또한, 각 축 방향의 앞에 붙는 +부호는, 해당 축 방향으로 뻗어나가는 양쪽 방향 중 어느 한 방향인 양의 방향을 의미할 수 있고, 각 축 방향의 앞에 붙는 -부호는, 해당 축 방향으로 뻗어나가는 양쪽 방향 중 나머지 한 방향인 음의 방향을 의미할 수 있다.
본 개시에서, 기판(substrate)은 반도체 칩 등의 소자를 실장하는 판 내지 용기로서, 소자와 소자 간의 전기적 신호의 연결 통로의 역할 수행할 수 있다. 기판은 집적 회로 제작 등을 위하여 사용될 수 있고, 실리콘 등의 소재로 생성될 수 있다. 예를 들어 기판은 인쇄 회로 기판(PCB, Printed Circuit Board)일 수 있으며, 실시예에 따라 웨이퍼(wafer) 등으로 불릴 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 개시의 다양한 실시예들을 설명한다. 첨부된 도면 및 도면에 대한 설명에서, 동일하거나 실질적으로 동등한(substantially equivalent) 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여될 수 있다. 또한, 이하 다양한 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응하는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있으나, 이는 해당 구성요소가 그 실시예에 포함되지 않는 것을 의미하지는 않는다.
도 1은 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 검사 장치(10)의 블록도를 나타낸 도면이다. 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 검사 장치(10)는 기판 위에 실장되는 대상체(예: 부품)가 기판 면에 대하여 기울어진 정도 또는 기준면에 대하여 대상체 표면이 가지는 각도를 측정할 수 있다. 본 개시에서 설명의 편의를 위하여, 검사 장치가 대상체 표면이 가지는 각도를 측정하는 것을 가정하고 설명한다. 그러나, 검사 장치는 기판에 대해 실장된 부품이 가지는 기울어진 정도를 측정할 때도 사용될 수 있다. 여기서, 기준면은 대상체 표면 상 굴곡 등이 가지는 각도를 측정에 있어, 기준이 되는 가상의 평면일 수 있다. 대상체 표면의 각도란, 대상체 표면의 한 점에서의 접선이 기준면에 대하여 가지는 각도를 의미할 수 있다. 일 실시예에서, 검사 장치(10)는 대상체 표면의 각도를 대상체의 표면으로부터 반사된 반사광이 가지는 광량에 기초하여 도출할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따른 검사 장치(10)는, 구조 광원(130), 렌즈 집합(190), 이미지 센서(140), 프로세서(110) 및/또는 메모리(120)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서는, 검사 장치(10)의 이 구성요소들 중 적어도 하나가 생략되거나, 다른 구성요소가 검사 장치(10)에 추가될 수 있다. 추가적으로(additionally) 또는 대체적으로(alternatively), 일부의 구성요소들이 통합되어 구현되거나, 단수 또는 복수의 개체로 구현될 수 있다.
검사 장치(10) 내, 외부의 구성요소들 중 적어도 일부의 구성요소들은 버스, GPIO(general purpose input/output), SPI(serial peripheral interface) 또는 MIPI(mobile industry processor interface) 등을 통해 서로 연결되어, 데이터 및/또는 시그널을 주고 받을 수 있다.
구조 광원(130)은, 한 위상 범위를 가지는 복수의 구조광(Structured Light) 각각을 차례로 조사할 수 있다. 구조광은 물체 인식 등을 위하여 광에 고유한 특성(패턴)을 부가한 광일 수 있다. 일 실시예에서, 구조광은 점진적으로 밝기가 변화하는 패턴을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 구조광의 패턴은 일정한 주기를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 구조광의 패턴은 정현파(sine wave) 형태일 가질 수 있다. 구조광의 패턴은, 예를 들어 광의 밝기에 의해 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 구조 광원(130)은 복수의 점광원을 포함할 수 있다. 복수의 점광원은 구조광이 패턴을 가지도록 그 위치 별로 다른 밝기를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 구조광은 미리 설정된 위상 범위에 해당하는 패턴을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 구조광은 하나의 구조광이 미리 설정된 위상 간격으로 위상 천이되어 생성될 수 있다.
렌즈 집합(190)은 복수의 구조광의 광로를 조정할 수 있다. 렌즈 집합(190)은 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈 집합(190)은 구조광의 한 위상에 해당하는 광이 대상체(3) 표면 상의 일부 영역의 각 점에 도달하도록, 각 위상에 해당하는 광의 광로를 조정할 수 있다. 여기서 일부 영역은 FOV (Field Of View)로 불릴 수 있다. 구조광의 패턴의 한 위상에 해당하는 광은 FOV 전체 영역으로 고르게 조사될 수 있다. 이러한 방식으로, 렌즈 집합(190)은 복수의 구조광 각각의 광로를 조정할 수 있다. 실시예에 따라 검사 장치(10)는 후술할 제1 빔 스플리터(150)를 더 포함하고, 제1 빔 스플리터(150)는 렌즈 집합(190)과 함께, 복수의 구조광 각각에 대한 광로를 상술한 바와 같이 조정할 수 있다.
이미지 센서(140)는 복수의 구조광 각각이 상술한 대상체(3) 표면 상 일부 영역으로부터 반사되어 생성된 복수의 반사광을 캡쳐(capture)할 수 있다. 전술한 일부 영역(FOV)의 이미지가 이미지 센서에 의해 촬상될 수 있다. FOV(Field Of View)의 한 점은 이미지 센서의 한 점(픽셀)로 결상될 수 있다. 실시예에 따라, 이미지 센서(140)는 CCD(Charged Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)에 의해 구현될 수 있다.
프로세서(110)는, 소프트웨어(예: 프로그램)를 구동하여 프로세서(110)에 연결된 검사 장치(10)의 적어도 하나의 구성요소를 제어할 수 있다. 또한 프로세서(110)는 본 개시와 관련된 다양한 연산, 처리, 데이터 생성, 가공 등의 동작을 수행할 수 있다. 또한 프로세서(110)는 데이터 등을 메모리(120)로부터 로드하거나, 메모리(120)에 저장할 수 있다.
프로세서(110)는, 이미지 센서(140)로부터 복수의 반사광 각각에 대한 광량 값을 획득할 수 있다. 프로세서(110)는 위상 천이에 의해 생성된 복수의 구조광 중 어느 하나의 구조광이, 대상체(3) 표면으로부터 반사된 반사광의 광량 값을 획득할 수 있다. 같은 방식으로 프로세서(110)는 복수의 구조광에 의해 생성된 복수의 반사광 각각의 광량 값을 획득할 수 있다. 프로세서(110)가 이미지 센서(140)로부터 획득하는 반사광의 광량 값은, 후술할 제1 조리개(160) 및 제2 조리개(170)를 통과하는 광량에 의해 영향을 받을 수 있다. 프로세서(110)는 복수의 반사광 각각에 대한 광량 값에 기초하여, 대상체(3) 표면의 각도를 도출할 수 있다.
일 실시예에서, 검사 장치(10)는 메모리(120)를 더 포함할 수 있다. 메모리(120)는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 메모리(120)에 저장되는 데이터는, 검사 장치(10)의 적어도 하나의 구성요소에 의해 획득되거나, 처리되거나, 사용되는 데이터로서, 소프트웨어(예: 프로그램)을 포함할 수 있다. 메모리(120)는, 휘발성 및/또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 메모리(120)는 연관 정보를 저장할 수 있다. 연관 정보는 대상체(3) 표면의 각도 및 복수의 반사광의 위상 값 사이의 관계를 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 프로세서(110)는 이미지 센서(140)로부터 획득한 복수의 반사광 각각에 대한 광량 값에 기초하여, 복수의 반사광의 위상 값을 도출할 수 있다. 프로세서(110)는 도출한 반사광의 위상 값 및 메모리(120)로부터 획득한 연관 정보에 기초하여, 대상체(3) 표면의 각도를 도출할 수 있다.
본 개시에서, 프로그램은 메모리(120)에 저장되는 소프트웨어로서, 검사 장치(10)의 리소스를 제어하기 위한 운영체제, 어플리케이션 및/또는 어플리케이션이 검사 장치의 리소스들을 활용할 수 있도록 다양한 기능을 어플리케이션에 제공하는 미들 웨어 등을 포함할 수 있다.
도 2는 본 개시에 따른 검사 장치(10)가 동작하는 과정의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 전술한 바와 같이, 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 검사 장치(10)는 대상체 표면이 기준면에 대하여 가지는 각도를 측정할 수 있다.
구체적으로, 검사 장치(10)의 구조 광원(130)은 한 위상 범위를 가지는 구조광을 조사할 수 있다. 일 실시예에서, 구조 광원(130)은 상술한 구조광을 미리 설정된 위상 간격으로 위상 천이(phase shifting)한 복수의 구조광을 차례로 하나씩 조사할 수 있다.
구조광은 렌즈 집합(190) 및/또는 제1 빔 스플리터(150)를 거쳐, 대상체(3)로 조사될 수 있다. 렌즈 집합(190)은 적어도 하나의 렌즈(161, 171 등)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 구조광은 구조 광원(130) 앞의 렌즈를 거쳐 제1 빔 스플리터(150)로 전달되고, 제1 빔 스플리터(150)에 의해 반사된 구조광은 렌즈(161)를 거쳐 대상체(3)로 조사될 수 있다. 실시예에 따라 광원 앞의 렌즈는 생략될 수 있다. 구조 광원(130)으로부터 조사된 구조광은 제1 빔 스플리터(150)로 입사될 때, 제1 조리개(160)를 통과할 수 있다. 제1 빔 스플리터(150)는 구조 광원(130)으로부터 조사된 복수의 구조광 각각이, 대상체(3)를 향하도록 광로를 조정할 수 있다.
일 실시예에서 구조광은, 구조광의 한 위상에 해당하는 광이 대상체(3) 상의 일부 영역의 각 점에 도달하도록, 대상체(3)에 조사될 수 있다. 구조광은 일정한 주기에 따른 패턴을 가질 수 있고, 구조광의 패턴을 형성하는 각 광들은 위상을 가질 수 있다. 검사 장치(10)의 적어도 하나의 렌즈는, 구조광의 어느 한 위상에 해당하는 광이, 대상체(3) 상의 어느 한 점에 모이는 것이 아니라, 대상체(3) 상의 상술한 일부 영역에 고르게 조사되도록 광로를 조정할 수 있다(configured to). 즉, 전술한 위상 범위 내의 한 위상에 해당하는 광이, 대상체(3)의 일부 영역 상의 각각의 점들로 나뉘어 입사될 수 있다. 마찬가지 방식으로 적어도 하나의 렌즈는, 구조광의 상술한 위상 범위 내의 각각의 위상에 해당하는 광이 상술한 대상체(3) 상의 일부 영역에 고르게 조사되도록 광로를 조정할 수 있다. 구조광의 각각의 위상에서의 광들이 이러한 형태로 대상체에 조사되기 때문에, 대상체에서는 구조광의 평균 광량에 해당하는 광이 상술한 일부 영역 전체에 조사될 수 있다.
복수의 구조광 각각은 대상체(3) 상의 일부 영역으로부터 반사되어, 각각 복수의 반사광을 생성할 수 있다. 복수의 반사광 각각은 렌즈(161)를 통과하고, 제1 빔 스플리터(150)를 투과할 수 있다. 제1 빔 스플리터(150)를 통과한 복수의 반사광 각각은 제2 조리개(170) 및 렌즈(171)을 통과하여 이미지 센서로 입력될 수 있다. 검사 장치(10)의 이미지 센서(140)는, 복수의 반사광을 각각 캡쳐(capture)할 수 있다.
검사 장치(10)의 프로세서(110)는, 이미지 센서(140)로부터 복수의 반사광 각각에 대한 광량 값을 획득할 수 있다. 검사 장치(10)는 획득한 광량 값에 기초하여, 대상체(3) 표면의 각도를 도출할 수 있다. 이 때, 대상체(3) 표면으로부터 반사된 반사광은 상술한 위상 범위에 따른 구조광의 평균 광량을 가질 수 있다. 대상체(3) 표면이 기준면에 대하여 기울어지면, 대상체(3) 표면으로부터 반사된 반사광 중 일부만이 제2 조리개(170)를 통과하여 이미지 센서(140)로 입력될 수 있다. 따라서 이미지 센서(140)는 반사광의 일부만 캡쳐하게 될 수 있다. 캡쳐되는 반사광의 일부는 구조광의 상술한 위상 범위 중 일부 위상 범위에 해당할 수 있다. 결과적으로 대상체(3) 표면의 각도에 따라 제2 조리개(170)를 통과하여 이미지 센서(140)로 입력되는 광량이 변화할 수 있다. 광량의 변화량을 이용하여, 검사 장치(10)는 대상체(3) 표면의 각도를 도출할 수 있다.
일 실시예에서, 검사 장치(10)는 복수의 반사광 각각에 대하여 광량을 측정하여, 대상체(3) 표면의 각도를 도출할 수 있다. 일 실시예에서, 검사 장치(10)는 광량 값과 대상체 표면의 각도 사이의 연관 관계를 나타내는 연관 정보 및 획득한 광량 값에 기초하여 대상체(3) 표면의 각도를 도출할 수 있다. 일 실시예에서, 렌즈(161, 171), 제1 빔 스플리터(150), 제2 조리개(170) 및/또는 이미지 센서(140)는, 기준면에 수직인 제1 축 상에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 검사 장치(10)는 통신 인터페이스(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 통신 인터페이스는, 검사 장치(10)와 서버 또는 검사 장치(10)와 다른 외부 장치간의 무선 또는 유선 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 통신 인터페이스는 LTE(long-term evolution), LTE-A(LTE Advance), CDMA(code division multiple access), WCDMA(wideband CDMA), WiBro(Wireless Broadband), WiFi(wireless fidelity), 블루투스(Bluetooth), NFC(near field communication), GPS(Global Positioning System) 또는 GNSS(global navigation satellite system) 등의 방식에 따른 무선 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 통신 인터페이스는 USB(universal serial bus), HDMI(high definition multimedia interface), RS-232(recommended standard232) 또는 POTS(plain old telephone service) 등의 방식에 따른 유선 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 프로세서(110)는 통신 인터페이스를 제어하여 서버로부터 정보를 획득할 수 있다. 서버로부터 획득된 정보는 메모리(120)에 저장될 수 있다. 일 실시예에서, 서버로부터 획득되는 정보는 전술한 연관 정보 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 검사 장치(10)는 입력 장치(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 입력 장치는 외부로부터 검사 장치(10)의 적어도 하나의 구성요소에 전달하기 위한 데이터를 입력 받는 장치일 수 있다. 예를 들어, 입력 장치는 마우스, 키보드, 터치 패드 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 검사 장치(10)는 출력 장치(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 출력 장치는 검사 장치(10)의 검사 결과, 동작 상태 등 다양한 데이터를 사용자에게 시각적 형태로 제공하는 장치일 수 있다. 예를 들어, 출력 장치는 디스플레이, 프로젝터, 홀로그램 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 검사 장치(10)는 다양한 형태의 장치가 될 수 있다. 예를 들어, 검사 장치(10)는 휴대용 통신 장치, 컴퓨터 장치 또는 상술한 장치들 중 하나 또는 그 이상의 조합에 따른 장치일 수 있다. 본 개시의 검사 장치(10)는 전술한 장치들에 한정되지 않는다.
본 개시에 따른 검사 장치(10)의 다양한 실시예들은 서로 조합될 수 있다. 각 실시예들은 경우의 수에 따라 조합될 수 있으며, 조합되어 만들어진 검사 장치(10)의 실시예 역시 본 개시의 범위에 속한다. 또한 전술한 본 개시에 따른 검사 장치(10)의 내/외부 구성 요소들은 실시예에 따라 추가, 변경, 대체 또는 삭제될 수 있다. 또한 전술한 검사 장치(10)의 내/외부 구성 요소들은 하드웨어 컴포넌트로 구현될 수 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른, 구조광이 대상체에 조사되는 과정을 나타낸 도면이다. 전술한 바와 같이, 복수의 구조광 각각에 있어서, 한 위상에 해당하는 광이 대상체(3)의 상술한 일부 영역 전체에 조사되도록 광로가 조정될 수 있다. 이하 하나의 구조광을 기준으로 설명한다.
구조 광원(130)은 한 위상 범위에 해당하는 구조광을 조사할 수 있다. 상술한 위상 범위 내의 임의의 세 위상에 해당하는 광의 광로(3010, 3020, 3030)가 도시되었다. 각 광은 제1 조리개(160), 제1 빔 스플리터(150) 및/또는 적어도 하나의 렌즈를 거쳐 대상체(3)의 표면에 조사될 수 있다. 전술한 바와 같이, 한 위상에 해당하는 광은 대상체(3)의 상술한 일부 영역의 전체에 조사될 수 있다. 즉, 한 위상에 해당하는 광(3010)은 대상체(3)의 일부 영역의 각 점에 도달하도록 조사될 수 있다. 구조광의 다른 위상에 해당하는 광(3020, 3030 등)도 같은 방식으로 대상체(3)에 조사될 수 있다. 이에 따라 대상체(3) 상 일부 영역의 한 점에는, 상술한 위상 범위의 위상 각각에 해당하는 광이 모두 조사될 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시예에서 광(3010, 3020, 3030)은 대상체(3) 상 일부 영역의 각 점에 모두 도달한다. 따라서, 대상체(3)의 상술한 일부 영역 전체에는, 상술한 위상 범위에 해당하는 구조광의 평균 광량을 광량으로 가지는 광이 조사될 수 있다.
대상체(3) 표면 상 일부 영역에 조사된 광은 반사되어 반사광을 생성하고, 이 반사광은 이미지 센서(140)에 입력될 수 있다. 반사광은 제2 조리개(170)를 통과하여 이미지 센서(140)에 입력될 수 있다. 전술한 바와 같이, 대상체(3) 표면이 기준면에 대하여 기울어진 경우(즉, 대상체 표면의 각도가 0이 아닌 경우), 반사광의 일부만 제2 조리개(170)를 통과할 수 있다. 즉, 제1 조리개(160)를 통과한 광 중 일부만이 제2 조리개(170)를 통과하게 된다. 제2 조리개(170)를 통과하는 반사광의 일부는, 구조 광원(130)으로부터 조사된 구조광의 위상 범위 중 일부 위상 범위에 해당할 수 있다. 이 일부 위상 범위에 해당하는 광들의 평균 광량이 결과적으로 이미지 센서(140)에 의해 캡쳐될 수 있다.
도시된 실시예(3040)에서, 대상체(3) 표면의 각도는 0도일 수 있다. 이 경우, 전술한 대상체(3) 표면 상 일부 영역의 한 점에 모인 각 위상에 따른 광 대부분은, 대상체(3) 표면으로부터 반사된 후 제2 조리개(170)를 통과하여 이미지 센서(140)로 입력될 수 있다. 실시예(3040)에서 A, A`로 표시된 위상 구간에 해당하는 광이 대상체(3) 표면으로부터 반사되고, 제2 조리개(170)를 통과하여 이미지 센서(140)로 입력될 수 있다.
도시된 실시예(3050)에서, 대상체(3)는 기준면에 대하여 3도의 각도로 기울어져 있을 수 있다. 이 경우, 대상체(3) 표면 상 일부 영역의 한 점에 모인 각 위상에 따른 광 중 일부만이, 대상체(3) 표면으로부터 반사된 후 제2 조리개(170)를 통과하여 이미지 센서(140)로 입력될 수 있다. 구체적으로, 제1 조리개(160)가 구조광을 통과시키는 영역은 도시된 직선(3051)이 나타내는 구간에 해당할 수 있다. 대상체(3) 표면 상 한 점에서 출발한 광이 제2 조리개(170)를 통과할 수 있는 영역은 도시된 직선(3052)이 나타내는 구간에 해당할 수 있다. 따라서, 제1 조리개(160) 및 제2 조리개(170)를 모두 통과하는 광로를 가지는 광은, 도시된 A, A`로 표시된 위상 구간에 해당하는 광일 수 있다. 이미지 센서(140)가 획득하는 반사광의 광량은 A, A`로 표시된 위상 구간에 해당하는 광들의 평균 광량일 수 있다.
도시된 실시예(3060)에서, 대상체(3)는 기준면에 대하여 5도의 각도로 기울어져 있을 수 있다. 이 경우, 대상체(3) 상 일부 영역의 한 점에 모인 각 위상에 따른 광 대부분은, 대상체(3) 표면으로부터 반사된 후 제2 조리개(170)를 통과하지 못할 수 있다. 이에 따라 이미지 센서(140)는 반사광을 캡쳐하지 못할 수 있다. 상술한 실시예(3040, 3050, 3060)에서의 대상체(3) 표면의 각도는 설명을 위해 선택한 예시적인 값일 수 있다.
즉, 대상체(3) 표면의 각도에 따라 제1 조리개(160) 및 제2 조리개(170)를 모두 통과하여 이미지 센서(140)로 입력되는 광량이 변화할 수 있다. 변화하는 반사광의 광량을 이용하여, 검사 장치(10)는 대상체(3) 표면의 각도를 도출할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른, 반사광이 제2 조리개를 통과하는 과정을 나타낸 도면이다. 도시된 실시예는 전술한 실시예(3050)와 같이, 대상체 표면이 기준면에 대하여 소정의 각도로 기울어진 경우를 나타낼 수 있다.
한 위상 범위를 가지는 구조광이 구조 광원(130)으로부터 조사되고, 대상체(3) 표면 상 일부 영역에 고루 조사될 수 있다. 이는 대상체 표면의 각도와 무관하게 전술한 바와 같이 수행될 수 있다.
대상체 표면이 기울어져 있는 바, 반사광의 일부만이 제2 조리개(170)을 통과하여 이미지 센서(140)로 입력될 수 있다. 일부 영역으로 입사된 광(3010, 3020, 3030 등)의 반사광 중, 굵은 실선으로 나타나는 범위 내에서 광로가 진행되는 반사광들만이 제2 조리개(170)을 통과하여 이미지 센서(140)로 입력될 수 있다.
이미지 센서(140)로 입력되는 반사광의 일부는, 구조광의 상술한 위상 범위 중 일부 범위에 해당하는 광이 대상체 표면으로부터 반사된 것일 수 있다. 결국 이미지 센서(140)가 획득하는 반사광의 광량은, 구조광의 상술한 일부 범위에 해당하는 광들의 평균 광량일 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른, 반사광이 제2 조리개를 통과하는 과정을 나타낸 도면이다. 도시된 실시예에 있어서, 대상체(3)의 표면의 일부는 기준면에 대하여 기울어지지 않았고, 다른 일부는 기울어진 상태일 수 있다.
대상체(3)의 표면 중 기준면에 대하여 기울어지지 않은 지점(A)으로부터 반사된 광은, 전술한 실시예(3040)과 같이, 제2 조리개(170)를 통과하여 이미지 센서(140)의 해당 지점으로 입력될 수 있다(굵은 실선). 이미지 센서(140)의 해당 지점은, 구조 광원(130)에서 조사된 상술한 위상 범위에 해당하는 광들의 평균 광량을 입력받을 수 있다.
대상체(3)의 표면 중 기준면에 대하여 기울어진 지점(B)으로부터 반사된 광은, 전술한 실시예(3050)과 같이, 그 일부만이 제2 조리개(170)를 통과하여 이미지 센서(140)의 해당 지점으로 입력될 수 있다(굵은 점선). 이미지 센서(140)의 해당 지점은, 구조 광원(130)에서 조사된 상술한 위상 범위 중 일부의 범위에 해당하는 광들만의 평균 광량을 입력받을 수 있다.
이미지 센서(140)의 각 지점(픽셀) 별로 입력된 평균 광량 값들을 각각 이용하여, 대상체 표면 상 일부 영역의 각 지점에서의 기울기 값이 획득될 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른, 구조 광원(130)에서 조사되는 복수의 구조광의 제1 조리개(160)에서의 모습을 나타낸 도면이다. 전술한 바와 같이, 구조 광원(130)은 한 위상 범위를 가지는 복수의 구조광을 조사할 수 있고, 복수의 구조광 각각은 미리 설정된 위상 간격으로 위상 천이되어 생성될 수 있다. 예를 들어, 구조 광원(130)이 사각형의 LCoS에 의해 구현되는 경우, LCoS는 1280x1024의 픽셀을 가질 수 있고, 이 중 1024x1024 픽셀이 구조광을 생성할 수 있다. 각 버킷의 위상 범위에 따라 LCoS의 점광원들이 조사하는 광은 다른 밝기 분포를 가질 수 있다.
한 구조광의 패턴은 주기를 가질 수 있다. 구조 광원(130)의 복수의 점광원은 그 위치에 따라 조사하는 광의 밝기를 달리하여, 구조광이 밝기에 따른 패턴을 가지도록 할 수 있다. 한 주기에 해당하는 위상을 2π라고할 때, 0에서 π/2까지의 구간 동안 구조광의 패턴은 점점 밝아질 수 있고, π/2에서 3*π/2의 구간 동안 구조광의 패턴은 점점 어두워질 수 있고, 3*π/2에서 2π의 구간 동안 구조광의 패턴은 다시 점점 밝아질 수 있다.
조사되는 구조광의 위상 범위는 설계자의 의도에 따라 설정될 수 있다. 일 실시예에서, 위상 범위는 패턴의 한 주기 또는 한 주기의 배수가 되지 않도록 설정될 수 있다. 즉, 위상 범위는 구조광의 주기의 정수배가 아닌 위상 범위로 설정될 수 있다. 이 때, 위상 범위는 0, 2π, 4π, ..., 2nπ에 해당하는 위상 범위가 아닌 범위로 설정될 수 있다. 대상체(3) 상 일부 영역에는 구조광의 평균 광량에 해당하는 광이 조사되므로, 한 주기 또는 한 주기의 배수가 되는 위상 범위의 구조광이 사용되는 경우, 구조광의 각 위상에 해당하는 광이 서로 모두 상쇄될 수 있기 때문이다. 따라서, 평균 광량이 0으로 상쇄되는 것을 막기 위하여, 위상 범위는 패턴의 한 주기 또는 한 주기의 배수가 되지 않도록 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 위상 범위는 구조광의 반 주기에 해당하는 위상 범위보다 크고, 구조광의 한 주기에 해당하는 위상 범위보다 작게 설정될 수 있다. 또한 일 실시예에서, 위상 범위는, 구조광의 (N+1/2) 주기에 해당하는 위상 범위보다 크고(N은 자연수), 구조광의 (N+1) 주기에 해당하는 위상 범위 보다 작게 설정될 수 있다. 즉 반주기보다 크고 한 주기보다 작은 위상 범위에, 한 주기의 배수에 해당하는 범위를 합한 범위를, 상술한 위상 범위로 설정할 수 있다. 이러한 위상 범위는 반사광의 측정을 용이하게 하기 위하여, 구조광의 전체 광량 자체를 늘려야 필요가 있을 때 설정될 수 있다.
상술한 위상 범위에 해당하는 구조광 하나는, 미리 설정된 위상 간격으로 위상 천이하여 복수의 구조광을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 상술한 위상 간격은 0보다 크고 π보다 작은 값으로 설정될 수 있다. 일 실시예에서, 상술한 위상 간격은 π/2로 설정될 수 있다. 예를 들어, 한 위상 범위에 해당하는 구조광은, π/2만큼 위상 천이되어 복수의 구조광을 형성할 수 있다.
복수의 구조광 각각은 0번째 버킷(bucket), 첫 번째 버킷, 두 번째 버킷 및 세 번째 버킷, 즉 4개의 버킷(bucket)으로 불릴 수 있다. 복수의 구조광 각각 역시, 미리 설정되었던 위상 범위(예: α)에 해당하는 위상 범위를 가질 수 있다. 즉, 구조광 각각은 0에서 α 사이의 위상 범위, π/2에서 π/2 + α 사이의 위상 범위, π에서 π + α 사이의 위상 범위, 3*π/2에서 3*π/2 + α 사이의 위상 범위를 가질 수 있다. 상술한 방식으로 생성된 복수의 구조광 각각은, 차례로 대상체(3)로 조사될 수 있다.
조사된 각 버킷 별 구조광은, 제1 조리개(160)에서는 도시된 바와 같이 나타날 수 있다(5020). 제1 조리개(160)를 통과하게 되는 구조광의 영역은 원형일 수 있고, 이에 따라 구조 광원(130)에서의 사각형 형태의 구조광 중, 해당 원형 영역에 해당하는 광이 대상체(3)로 조사될 수 있다.
실시예에 따라, 본 개시에 따른 검사 장치는 하나의 구조광만을 사용하여 대상체 표면의 각도를 측정할 수도 있다. 하나의 구조광을 대상체로 조사하고, 그 반사광의 광량을 연관 정보와 대비함으로써, 대상체 표면의 각도를 도출할 수도 있다. 그러나 복수의 구조광을 사용하여 대상체 표면의 각도를 측정함으로써, 대상체 표면의 재질에 따른 오차 등, 각종 측정 오차를 줄일 수 있다.
구조광이 구조 광원(130)에서 가지는 전체 광량 값은 아래의 수식과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112021010811413-pat00001
Io는 구조광의 패턴이 가지는 정현파 그래프의 진폭을 결정하는 상수이고, Io는 패턴이 가지는 정현파 그래프의 오프셋을 결정하는 상수일 수 있다. 구조 광원(130)에서의 구조광을 위상 범위에서(α에서 β) 적분하여, 전체 광량 값(ILCoS)가 도출될 수 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른, 연관 정보를 나타낸 도면이다. 전술한 바와 같이, 연관 정보는 대상체(3) 표면의 각도 및 복수의 반사광의 위상 값 사이의 관계를 나타낼 수 있다. 도시된 연관 정보가 나타내는 수치 값은 예시적인 값이며, 실시예에 따라 연관 정보의 값은 변경될 수 있다.
한 구조광이 대상체(3)의 상술한 일부 영역으로부터 반사되어 이미지 센서(140)에 의해 캡쳐될 때, 그 반사광의 광량 값(In)은 다음 수식과 같이 나타날 수 있다.
Figure 112021010811413-pat00002
A, B는 각각 전술한 Io와 Io에 대응될 수 있다. φ(x, y)는 대상체(3) 상 일부 영역의 한 점(x, y)으로부터 반사된 반사광이 가지는 위상 값일 수 있다. α(t)는 전술한 위상 천이량을 나타낼 수 있다.
π/2의 위상 간격으로 위상 천이되어 생성된 복수의 구조광 각각이, 대상체(3) 표면으로부터 반사되어 생성된 반사광의 광량 값(I1, I2, I3, I4)은 다음 수식과 같이 나타날 수 있다. 즉, 4개의 버킷 각각에 해당하는 구조광에 의한 반사광의 광량은 다음과 같이 나타날 수 있다. 이는 상술한 수학식 2를 각각 해당하는 α(t) 값을 적용하여 정리한 것일 수 있다.
Figure 112021010811413-pat00003
전술한 바와 같이, 이미지 센서(140)가 획득하는 광량은, 조사된 구조광의 위상 범위 중 일부 범위에 해당하는 광들의 평균 광량일 수 있다. 대상체 표면의 각도에 따라, 그 일부 범위가 변경될 수 있고, 이미지 센서(140)가 획득하는 광량도 변화한다. 이 때 같은 각도로 기울어진 상태라고 해도, 복수의 구조광이 각각 위상 천이되어 있으므로, 상술한 일부 범위에 해당하는 광들이 구성이 달라질 수 있다. 즉, 어떠한 버킷을 쓰느냐에 따라, 상술한 일부 범위에 해당하는 광들이 달라질 수 있고, 그에 따라 이미지 센서(140)가 획득하는 평균 광량 값도 달라질 수 있다. 그 각각의 버킷에 대한 반사광의 광량이 상술한 I1, I2, I3, I4일 수 있다.
각 반사광의 광량 값(I1, I2, I3, I4)은 이미지 센서(140)에 의해서 측정될 수 있는 값이다. A, B 및 φ는 상술한 I1, I2, I3, I4에 대한 4개의 등식을 이용하여 도출될 수 있다. 미지수가 3개이므로, 적어도 3개 이상의 등식이 필요하며, 따라서 서로 다른 3개 이상의 구조광을 통한 측정이 적어도 3번 수행되어야 할 수 있다. 상술한 수학식 3을 정리하면 반사광의 위상 값 φ를 다음과 같이 도출해 낼 수 있다.
Figure 112021010811413-pat00004
도시된 바와 같이, 연관 정보는 대상체의 기울어진 각도, 해당 각도 별로 측정된 각 버킷 별 반사광의 광량 값(I1, I2, I3, I4), 및 측정된 광량 값을 통해 도출된 반사광의 위상 값에 대한 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어 대상체의 기울어진 각도가 1도인 경우, 측정된 각 버킷 별 반사광의 광량 값(I1, I2, I3, I4)은 각각 239.50, 145.67, 132.41, 226.34일 수 있다. 이 광량 값을 통해 도출한 위상 값은 37.02도 일 수 있다. 일 실시예에서, 연관 정보는 전술한 A, B의 값 역시 포함할 수 있다.
이 연관 정보는 메모리(120)에 저장될 수 있다. 연관 정보가 나타내는 위상 값과 대상체의 기울어진 각도 사이의 관계는, 측정 및 계산을 통해 데이터 베이스화되어 메모리(120)에 저장될 수 있다.
프로세서(110)는 광량 값에 기초하여 반사광의 위상 값을 도출하고, 도출한 반사광의 위상 값 및 메모리(120)로부터 획득한 연관 정보를 대비하여, 현재 측정 중인 대상체(3) 표면의 각도를 도출할 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른, 구조광이 가지는 패턴의 방향을 나타낸 도면이다. 실시예에 따라, 구조 광원(130)은 사각형의 LCoS에 의해 구현될 수 있다. 각 버킷의 위상 범위에 따라 LCoS의 점광원들이 조사하는 광은 다른 밝기 분포를 가질 수 있고, 이에 따라 패턴이 형성될 수 있다.
사각형의 LCoS의 한 변에 해당하는 축을 x축, 다른 한 변에 해당하고 x축에 수직인 축을 y축이라고 할 때, 구조광의 패턴은 x축 방향 또는 y축 방향으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 구조광 각각은 x축 방향 또는 x축에 수직인 y축 방향으로의 패턴을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 버킷 별로 구조광의 패턴 방향이 다르게 설정될 수 있다. 일 실시예에서, 각 축 방향으로 형성된 복수의 패턴을 사용함으로써, 대상체 표면의 각도 측정에 대한 오차를 줄일 수 있다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른, 구조 광원(130)의 구조를 나타낸 도면이다. 전술한 구조광의 패턴은 다양한 방식에 의해 형성될 수 있다. 실시예에 따라 구조광의 패턴은 디지털 방식에 의해 형성되거나, 아날로그 방식에 의해 형성될 수 있다. 디지털 방식에는 LCD(Liquid Crystal Display)를 이용한 액정 투과 방식, LCoS((Liquid　Crystal　on　Silicon))를 이용한 액정 반사 방식, DMD(Digital Micromirror Device) 또는 DLP(Digital Light Processing)를 이용한 미러(mirror) 반사 방식이 있을 수 있다. 아날로그 방식에는 주기 패턴, 그래디언트(gradient) 패턴, 격자 패턴 등의 패턴을 이용하여 패턴을 형성하는 방식이 있을 수 있다.
구조광의 패턴을 형성하는 방식에 따라 구조 광원(130) 역시 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 이하 일 예시로서, LCoS를 이용하여 구조광의 패턴을 형성하는 구조 광원(130)의 한 실시예에 대해서 설명한다.
LCoS를 이용하는 실시예에서, 구조 광원(130)은 광원(131), 확산판(132), 제2 빔 스플리터(133) 및/또는 패턴 발생기(134)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 구조 광원(130)의 구성요소들 중 적어도 하나가 생략되거나, 다른 구성요소가 구조 광원(130)에 추가될 수 있다. 여기서, 패턴 발생기(134)는 전술한 LCoS로 구현될 수 있다.
광원(131)은 조사광을 조사할 수 있다. 조사광은 패턴을 가지지 않는 광으로서, 수평 편광 및/또는 수직 편광을 포함할 수 있다. 수평 편광은 진동 방향이 조사되는 방향과 평행한 편광으로서, P파 내지 제1 편광이라고 부를 수 있다. 수직 편광은 진동 방향이 조사되는 방향과 수직인 편광으로서, S파 내지 제2 편광이라고 부를 수 있다. 광원(131)은 LED로 구현될 수 있다. 확산판(132)은 광원(131)으로부터의 조사광을 확산시킬 수 있다.
제2 빔 스플리터(133)는 확산판(132)으로부터의 조사광을 받아 광로를 조정할 수 있다. 제2 빔 스플리터(133)는 제1 편광을 투과하고, 제2 편광을 반사시킬 수 있다. 구체적으로, 제2 빔 스플리터(133)는 조사광의 제1 편광을 투과하여(1020) 패턴 발생기(134)로 향하게 할 수 있다. 또한 제2 빔 스플리터(133)는 조사광의 제2 편광을 반사할 수 있다(1010). 반사된 제2 편광(1010)은 사용되지 않을 수 있다. 제2 빔 스플리터(133)는 PBS(Polarizing Beam Splitter)로 구현될 수 있다.
패턴 발생기(134)는 조사광의 제1 편광을 수신하고, 수신한 제1 편광의 일부는 제1 편광으로 그대로 반사하고, 수신한 제1 편광의 다른 일부는 제2 편광으로 변환하여 반사할 수 있다. 패턴 발생기(134)는 복수의 소자들을 가질 수 있다. 소자가 오프(off)되어 있는 경우, 해당 소자는 수신한 제1 편광(1020)을 그대로 제1 편광(도시되지 않음)의 형태로 반사할 수 있다. 소자가 온(on)되어 있는 경우, 해당 소자는 수신한 제1 편광(1020)을 제2 편광(1030)으로 변환하여 반사할 수 있다. 소자 별로 온/오프함으로써, 패턴 발생기(134)는 패턴을 생성할 수 있다.
제2 빔 스플리터(133)는 반사되어 전달된 제1 편광(도시되지 않음)은 그대로 투과할 수 있다. 이 제1 편광(도시되지 않음)은 구조광(1040)을 형성하지 않을 수 있다. 사용되지 않은 제1 편광에 해당하는 부분은 구조광(1040)의 어두운 부분에 해당할 수 있다. 제2 빔 스플리터(133)는 반사되어 전달된 제2 편광(1030)을 반사할 수 있다. 제2 편광(1030)은 구조광(1040)의 밝은 부분을 형성하는데 사용될 수 있다. 생성된 구조광은 전술한 제1 빔 스플리터(150)로 전달될 수 있다. 실시예에 따라 생성된 구조광은 추가 거울 등을 거쳐 제1 빔 스플리터(150)로 전달될 수 있다.
도 10은 본 개시에 따른 검사 장치(10)에 의해 수행될 수 있는, 검사 방법의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도시된 흐름도에서 본 개시에 따른 방법 또는 알고리즘의 각 단계들이 순차적인 순서로 설명되었지만, 각 단계들은 순차적으로 수행되는 것 외에, 본 개시에 의해 임의로 조합될 수 있는 순서에 따라 수행될 수도 있다. 본 흐름도에 따른 설명은, 방법 또는 알고리즘에 변화 또는 수정을 가하는 것을 제외하지 않으며, 임의의 단계가 필수적이거나 바람직하다는 것을 의미하지 않는다. 일 실시예에서, 적어도 일부의 단계가 병렬적, 반복적 또는 휴리스틱하게 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 적어도 일부의 단계가 생략되거나, 다른 단계가 추가될 수 있다.
본 개시에 따른 검사 장치(10)는, 대상체(3)가 기준면에 대해 기울어진 각도를 측정함에 있어서, 본 개시의 다양한 실시예에 따른 검사 방법을 수행할 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 따른 검사 방법은, 한 위상 범위를 가지는 복수의 구조광 각각을 차례로 조사하는 단계(S100), 위상 범위의 위상 각각에 해당하는 광의 광로를 조정하는 단계(S200), 복수의 구조광 각각이 대상체의 일부 영역으로부터 반사되어 생성된 복수의 반사광을 캡쳐하는 단계(S300), 복수의 반사광 각각에 대한 광량 값을 획득하는 단계(S400) 및/또는 광량 값에 기초하여 대상체 표면의 각도를 도출하는 단계(S500)를 포함할 수 있다.
단계 S100에서, 검사 장치(10)의 구조 광원(130)은 한 위상 범위를 가지는 복수의 구조광 각각을 차례로 조사할 수 있다. 단계 S200에서, 검사 장치(10)의 적어도 하나의 렌즈는 복수의 구조광의 광로를 각각 조정할 수 있다. 구체적으로, 적어도 하나의 렌즈는 상술한 소정의 위상 범위의 한 위상에 해당하는 광이 대상체(3) 표면 상 일부 영역의 각 점에 도달하도록 광로를 조정할 수 있다. 마찬가지 방식으로 적어도 하나의 렌즈는, 복수의 구조광 각각에 대하여, 상술한 위상 범위의 위상 각각에 해당하는 광의 광로를 조정할 수 있다.
단계 S300에서, 검사 장치(10)의 이미지 센서(140)는, 복수의 구조광 각각이 상술한 대상체(3)의 일부 영역으로부터 반사되어 생성된 복수의 반사광을 캡쳐할 수 있다. 단계 S400에서, 검사 장치(10)의 프로세서(110)는, 이미지 센서(140)로부터 복수의 반사광 각각에 대한 광량 값을 획득할 수 있다. 단계 S500에서, 프로세서(110)는 획득한 광량 값에 기초하여, 대상체(3) 표면의 각도를 도출할 수 있다.
일 실시예에서, 광량 값에 기초하여 대상체 표면의 각도를 도출하는 단계(S500)는, 프로세서(110)가 광량 값에 기초하여 복수의 반사광의 위상 값을 도출하는 단계, 연관 정보를 획득하는 단계, 및 도출된 위상 값 및 연관 정보에 기초하여 상기 대상체 표면의 각도를 도출하는 단계를 포함할 수 있다. 연관 정보는 전술한 바와 같다.
일 실시예에서, 위상 범위는 구조광의 주기의 정수배가 아닌 값으로 설정될 수 있다. 일 실시예에서, 상술한 위상 범위는, 구조광의 (N+1/2) 주기에 해당하는 위상 범위보다 크고, 구조광의 (N+1) 주기에 해당하는 위상 범위 보다 작게 설정될 수 있다. N은 자연수일 수 있다.
일 실시예에서, 반사광의 광량 값은, 구조광이 구조 광원(130)으로부터 조사되어 제1 조리개(160)를 통과하고 대상체(3) 표면으로부터 반사되어 생성된 반사광이, 제2 조리개(170)를 통과하여 이미지 센서(140)에 의해 캡쳐되는 광량에 기초하여 결정될 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이, 구조 광원(130)에서 조사되어 제1 조리개(160)를 통과한 구조광은, 대상체(3) 표면으로부터 반사되어 반사광을 생성할 수 있다. 이 반사광의 일부는 제2 조리개(170)를 통과하게 되는데, 제2 조리개(170)를 통과하는 반사광의 광량은, 대상체(3)의 표면의 각도에 따라 변화할 수 있다.
일 실시예에서, 대상체(3) 표면 상 상술한 일부 영역의 각 점에는, 상술한 위상 범위에 해당하는 구조광의 평균 광량에 해당하는 광량을 가진 광이 도달할 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 구조광 각각은 하나의 구조광이 미리 설정된 위상 간격으로 위상 천이되어 생성될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들은 기기(machine)가 읽을 수 있는 저장매체(machine-readable storage medium)에 소프트웨어로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 본 개시의 다양한 실시예들을 구현하기 위한 소프트웨어일 수 있다. 소프트웨어는 본 개시가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 본 개시의 다양한 실시예들로부터 추론될 수 있다. 예를 들어 소프트웨어는 기기가 읽을 수 있는 명령어(예: 코드 또는 코드 세그먼트)를 포함하는 프로그램일 수 있다. 기기는 저장 매체로부터 호출된 명령어에 따라 동작이 가능한 장치로서, 예를 들어 컴퓨터일 수 있다. 일 실시예에서, 기기는 본 개시의 실시예들에 따른 검사 장치(10)일 수 있다. 일 실시예에서, 기기의 프로세서는 호출된 명령어를 실행하여, 기기의 구성요소들이 해당 명령어에 해당하는 기능을 수행하게 할 수 있다. 일 실시예에서, 프로세서는 본 개시의 실시예들에 따른 프로세서(110)일 수 있다. 저장 매체는 기기에 의해 읽혀질 수 있는, 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 매체(recording medium)를 의미할 수 있다. 저장 매체는, 예를 들어 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 저장 매체는 메모리(120)일 수 있다. 일 실시예에서, 저장매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 등에 분산된 형태로서 구현될 수도 있다. 소프트웨어는 컴퓨터 시스템 등에 분산되어 저장되고, 실행될 수 있다. 저장 매체는 비일시적(non-transitory) 저장매체일 수 있다. 비일시적 저장매체는, 데이터가 반영구적 또는 임시적으로 저장되는 것과 무관하게 실재하는 매체(tangible medium)를 의미하며, 일시적(transitory)으로 전파되는 신호(signal)를 포함하지 않는다.
이상 다양한 실시예들에 의해 본 개시의 기술적 사상이 설명되었지만, 본 개시의 기술적 사상은 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 범위에서 이루어질 수 있는 다양한 치환, 변형 및 변경을 포함한다. 또한, 그러한 치환, 변형 및 변경은 첨부된 청구범위 내에 포함될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (12)

  1. 미리 설정된 위상 범위를 가지는 복수의 구조광 각각을 차례로 조사하는 광원;
    상기 복수의 구조광 각각의 상기 위상 범위 내 각각의 위상에 대응하는 광이 대상체의 일 영역에 고르게 조사되도록, 상기 복수의 구조광 각각의 광로를 조정하는 적어도 하나의 렌즈;
    상기 영역으로부터 반사된 상기 복수의 구조광에 의해 생성된 복수의 반사광 각각을 캡쳐(capture)하는 이미지 센서;
    상기 영역의 경사에 관한 연관 정보를 저장하는 메모리; 및
    상기 이미지 센서로부터 상기 복수의 반사광의 복수의 광량 값을 획득하고,
    상기 복수의 광량 값 및 상기 연관 정보에 기초하여, 기준면에 대한 상기 영역의 각도를 결정하는 프로세서를 포함하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연관 정보는 상기 영역의 상기 각도와 상기 복수의 반사광의 상기 복수의 광량 값 사이의 관계를 지시하는, 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 렌즈는, 상기 복수의 구조광 각각이 상기 영역에 고르게 조사되도록 상기 각각의 위상에 대응하는 광들 각각의 광로를 조정하는, 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 구조광 각각은 동일한 주기를 가지고,
    상기 위상 범위는 상기 주기의 정수배가 아닌, 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 구조광 각각은 동일한 주기를 가지고,
    상기 위상 범위는 상기 주기의 절반보다 크고 상기 주기보다 작은, 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 구조광 각각은 하나의 구조광이 미리 설정된 위상 간격으로 위상 천이되어 생성되는, 장치.
  7. 광원이, 미리 설정된 위상 범위를 가지는 복수의 구조광 각각을 차례로 조사하는 단계;
    적어도 하나의 렌즈가, 상기 복수의 구조광 각각의 상기 위상 범위 내 각각의 위상에 대응하는 광이 대상체의 일 영역에 고르게 조사되도록, 상기 복수의 구조광 각각의 광로를 조정하는 단계;
    이미지 센서가, 상기 영역으로부터 반사된 상기 복수의 구조광에 의해 생성된 복수의 반사광 각각을 캡쳐하는 단계;
    프로세서가, 상기 이미지 센서로부터 상기 복수의 반사광의 복수의 광량 값을 획득하는 단계; 및
    상기 프로세서가, 상기 영역의 경사에 관한 연관 정보 및 상기 복수의 광량 값에 기초하여, 기준면에 대한 상기 영역의 각도를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연관 정보는 상기 영역의 상기 각도와 상기 복수의 반사광의 상기 복수의 광량 값 사이의 관계를 지시하는, 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 광로를 조정하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 렌즈가, 상기 복수의 구조광 각각이 상기 영역에 고르게 조사되도록 상기 각각의 위상에 대응하는 광들 각각의 광로를 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 구조광 각각은 동일한 주기를 가지고,
    상기 위상 범위는 상기 주기의 정수배가 아닌, 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 구조광 각각은 동일한 주기를 가지고,
    상기 위상 범위는 상기 주기의 절반보다 크고 상기 주기보다 작은, 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 구조광 각각은 하나의 구조광이 미리 설정된 위상 간격으로 위상 천이되어 생성되는, 방법.
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