KR20030080684A - 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 화면상의 단위 픽셀 당 실제 거리를 미리 계산하고, 향후 실제 작업 시에 화면상의 픽셀 수에 따른 정확한 실제 거리를 획득하여 그에 따른 정밀한 위치 제어 값을 발생시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. 또한 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 장치 및 방법은 단위 픽셀 당 실제 거리 획득 단계를 작업 도중이라도 언제든지 실시할 수 있도록 함으로써 광학 시스템의 왜곡에 따른 오차를 보상할 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다. 이와 같은 목적의 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 장치 및 방법은 이동체의 실제 이동 거리와 실제 이동 거리에 대응하는 모니터 화면상의 픽셀 수를 검출하여 모니터 화면상의 단위 픽셀에 대응하는 실제 거리를 획득하고, 서로 다른 두 지점 사이의 이동체의 이동을 제어할 때 단위 픽셀 당 실제 거리를 통해 두 지점 사이의 실제 거리를 획득하여 이동체의 이동량을 제어한다.

Description

광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF PRECISE POSITIONING CONTROL USING OPTICAL SYSTEM}
본 발명은 정밀 위치 제어에 관한 것으로, 특히 광학을 이용한 정밀 위치 제어에 관한 것이다.
광학을 이용한 정밀 위치 제어는 산업 여러 분야에 걸쳐 다양하게 응용되고 있다. 특히 반도체 제조 분야에서 프로버(Prober)라고 불리는 웨이퍼 자동 검사 장치 등에서 광학을 이용한 정밀 제어가 매우 유용하게 이용된다.
도 1은 종래의 웨이퍼 자동 검사 장치를 나타낸 도면이다. 웨이퍼 자동 검사 장치는 스테이지 위에 놓여 있는 웨이퍼 상의 회로가 정상적으로 동작하는지를 검사하기 위한 장치이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 프로빙 카드(102)에는 웨이퍼(112) 상의 랜드(land, 도시하지 않았음)들과 접촉하기 위한 프로빙 핀(104)이 여러 개 부착되어 있다. 이러한 프로빙 핀(104)들이 웨이퍼(112) 상의 랜드 위에 1㎛미만의 정밀도로 정확히 위치하도록 하는 것이 웨이퍼 자동 검사 장치의 역할이다.
웨이퍼 자동 검사 장치는 스테이지(110) 측의 카메라(114)와 프로빙 카드(102) 측의 카메라(106)가 서로 상대측의 대상물인 프로빙 핀(104)들과 웨이퍼 패턴의 화상 정보를 발생시킨다. 제어장치는 이 화상 정보로부터 프로빙 핀(104)들과 웨이퍼 패턴의 좌표를 구하고, 이 두 좌표의 차이를 보정하기 위해 X축과 Y축, Z축으로 스테이지(110)를 이동시켜 프로빙 핀(104)과 랜드의 접촉이 정확하게 이루어지도록 한다.
이러한 정밀 위치 제어 작업을 위한 광학 시스템은 공정이 이루어지는 주변 환경의 영향에 의해 그 광학적 특성이 쉽게 왜곡된다. 대표적인 광학적 특성의 왜곡은 렌즈의 특성이 왜곡되는 것을 들 수 있는데, 온도와 습도, 챔버 내의 화학적 성분 변화에 따라 렌즈의 특성이 왜곡된다. 이와 같은 렌즈 특성의 왜곡이 심화되면 정밀한 위치 제어는 불가능하기 때문에, 작업 도중이라도 수시로 광학 시스템의 왜곡에 따른 오차를 보상하여 정밀한 위치 제어가 가능하도록 해야 한다.
본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 장치 및 방법은 화면상의 단위 픽셀 당 실제 거리를 미리 계산하고, 향후 실제 작업시에 화면상의 픽셀 수에 따른 정확한 실제 거리를 획득하여 그에 따른 정밀한 위치 제어 값을 발생시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다. 또한 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 장치 및 방법은 단위 픽셀 당 실제 거리 획득 단계를 작업 도중이라도 언제든지 실시할 수 있도록 함으로써 광학 시스템의 왜곡에 따른 오차를 보상할 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.
도 1은 종래의 웨이퍼 자동 검사 장치를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 방법을 나타낸 순서도.
도 4a는 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 방법의 좌표 축 정렬 방법을 나타낸 순서도.
도 4b는 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 방법의 자표 축 정렬 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5a는 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 방법의 단위 픽셀 당 실제 거리 획득 방법을 나타낸 순서도.
도 5b는 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 방법의 단위 픽셀 당 실제 거리 획득 방법을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 방법을 이용한 실제 위치 제어의 실시예를 나타낸 순서도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
102 : 프로빙 카드
106, 114 : 카메라
110, 202 : 스테이지
204 : 피사체
216 : 기준 패턴
본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 장치는 이동체의 이동량을 제어하기 위한 제어부와, 이동체를 촬영하여 화상 신호를 발생시키는 광학 시스템, 화상 신호를 화면상에 출력하는 모니터를 포함하여 이루어진다. 이 가운데 제어부는 이동체의 실제 이동 거리와 실제 이동 거리에 대응하는 모니터 화면상의 픽셀 수를 검출하여 단위 픽셀에 대응하는 실제 거리를 획득하고, 이동체를 임의의 거리에 있는 다른 지점으로 이동시키고자 할 때 단위 픽셀 당 실제 거리를 통해 임의의 거리에 있는 지점까지의 실제 거리를 획득하여 이동체의 이동량을 제어한다.
또한 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 방법은 다음과 같은 단계로 이루어진다. 먼저 이동체의 실제 이동 거리와 실제 이동 거리에 대응하는 모니터 화면상의 픽셀 수를 검출하여 모니터 화면상의 단위 픽셀에 대응하는 실제 거리를 획득하고, 서로 다른 두 지점 사이의 이동체의 이동을 제어할 때 단위 픽셀 당 실제 거리를 통해 두 지점 사이의 실제 거리를 획득하여 이동체의 이동량을 제어한다.
본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 도 2 내지 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 2는 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼 등의 피사체(204)가 놓이는 스테이지(202)에는 웨이퍼 정렬이나 축 정렬을 위한 기준 패턴(216)이 형성된다.카메라(206)는 스테이지(202) 위를 촬영하여 아날로그 화상 신호(218)를 생성한다. 카메라(206)에서 생성된 아날로그 화상신호(218)는 화상 입력부(208)에서 디지털 화상 신호(220)로 변환되어 화상 처리부(210)에 전달된다. 화상 처리부(210)는 디지털 신호 처리기 또는 CPU 등으로서 디지털 화상 신호(220)를 가공하여 모니터(212)를 통해 출력될 수 있도록 한다. 제어부(214)는 스테이지 제어 신호(222)와 화상 입력부 제어신호(224), 화상 처리부 제어신호(226), 모니터 제어 신호(228)를 발생시켜서 각 부분을 제어한다. 스테이지(202)는 제어부(214)의 스테이지 제어신호(222)에 의해 X축과 Y축, Z축으로 이동할 수 있다. 스테이지(202)에는 기준 패턴(216)이 형성되어 있어, 이 기준 패턴을 이용하여 스테이지(202)의 축과 모니터(212) 화면상의 축을 정렬한다. 또한 이 기준 패턴(216)을 이용하여 피사체가 화면의 특정 영역에 위치하도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 방법을 나타낸 순서도이다. 도 3에 도시되지 않은 구성 요소의 참조 부호는 도 2를 따른다. 도 3에 나타내 바와 같이, 스테이지(202)의 좌표축과 화면상의 좌표축이 일치하도록 축 정렬을 실시한다(S302). 축 정렬이 완료되면 단위 픽셀 당 실제 거리 η를 구한다(S304). 단위 픽셀 당 실제 거리 η는 화면상에서 하나의 픽셀로 표현되는 거리가 스테이지(202) 상에서 실제로 얼마의 거리에 해당되는지를 나타내는 값이다. η가 구해지면, 이 η를 통해 스테이지(202)의 이동 거리를 제어하기 위한 스테이지 제어신호(222)를 발생시켜 스테이지(202)의 이동을 제어한다. 스테이지(202) 상에서 아직 알지 못하는 어떤 거리만큼을 이동해야 할 필요가 있다고 판단되면 모니터(212)로 출력되는 화상정보로부터 해당 거리가 몇 개의 픽셀로 표현되는지를 검출하고, 미리 구해진 η을 검출된 픽셀 수에 대입하면 실제 거리를 알 수 있다. 스테이지 제어신호(222)는 이 실제 거리를 바탕으로 생성된다.
도 4a는 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 방법의 좌표 축 정렬 방법을 나타낸 순서도이다. 좌표축 정렬을 통해 모니터(212) 화면상의 좌표축과 스테이지(202)의 좌표축을 일치시킨다. 도 4에 도시되지 않은 구성 요소의 참조 부호는 도 2를 따른다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 기준 패턴(216)이 모니터(212) 화면의 정 중앙에 위치하도록 스테이지(202)를 조절한 다음(S402), 현재 위치의 기준 패턴(216)을 제어부(214)에 등록한다. 이 상태에서 스테이지(202)를 X축으로 일정거리(D1)를 이동시키고(S406), 등록된 기준 패턴과 현재 모니터(212) 화면상으로 관측되는 기준 패턴을 비교하는 패턴 인식을 실시한다(S408). 관측된 기준 패턴과 등록된 기준 패턴 사이의 픽셀 차이(ΔX, ΔY)를 구한다(S410). 만약 모니터(212) 화면상의 X축과 스테이지(202)의 X축이 정확히 정렬되어 있다면 ΔY값은 0이 되어야 한다. 만약 ΔY≠0이면(S412), Δθ = tan-1(ΔY/ΔX)을 구한다(S414). 도 4b는 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 방법의 축 정렬 방법을 설명하기 위한 도면이다. 모니터(212) 화면의 좌표축과 스테이지(202)의 좌표축이 정렬되어 있지 않으면, 도 4b에 나타낸 것처럼 ΔY≠0이 된다. 따라서 Δθ = tan-1(ΔY/ΔX)을 구하고, 스테이지(202)를 -Δθ만큼 회전시켜서 모니터(212) 화면상의 좌표축과 스테이지(202)의 좌표축을정렬한다.
도 5a는 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 방법의 단위 픽셀 당 실제 거리 획득 방법을 나타낸 순서도이다. 단위 픽셀 당 실제 거리는 모니터(212) 화면상의 1 픽셀에 대응하는 실제 세계의 거리를 의미한다. 먼저 도 4a에 나타낸 것과 같은 방법으로 좌표축 정렬을 실시한다(S502). 좌표축 정렬이 완료되면 기준 패턴(216)을 제어부(214)에 등록한다(S504). 스테이지(202)를 조절하여 X축으로 일정거리(D2)만큼 스테이지(202)를 이동시키고(S506), 등록된 기준 패턴과 현재 모니터(212) 화면상으로 관측되는 기준 패턴을 비교하는 패턴 인식을 실시한다(S508). 패턴 인식을 통해 획득한 관측된 기준 패턴과 등록된 기준 패턴의 픽셀 값의 차이 ΔX와 ΔY를 구한다(S510). 이 때, 좌표축 정렬 단계(S502)에서 스테이지(202)의 좌표축과 모니터(212) 화면의 좌표축을 정렬하였고 또 스테이지(202) 이동 단계(S506)에서 스테이지(202)가 X축으로만 이동하였으므로, ΔY=0이다. 축 정렬이 정확히 이루어져 ΔY=0을 만족하면(S512) 단위 픽셀(즉, 1 픽셀)에 대응하는 실제 거리 η=D2/ΔX를 계산한다(S514). 일례로, 스테이지(202)의 이동 거리가 100㎛이고 이에 대응하는 모니터(212) 화면상의 픽셀 수가 4인 경우의 η는 다음과 같이 얻어진다.
이와 같이 구해진 η값은, 향후 모니터(212) 화면을 통해 스테이지(202)가 이동해야 할 지점은 알 수 있으나 그 실제 거리를 알 수 없는 경우에 화면상의 픽셀수를 검출하여 미리 구해진 η값을 대입함으로써 실제 거리를 정확히 계산할 수 있다.
도 5b는 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 방법의 단위 픽셀 당 실제 거리 획득 방법을 나타낸 도면이다. 도 5b에 나타낸 바와 같이, 스테이지(202)의 현재 위치가 A이고, 이동하고자 하는 위치가 B일 때 A와 B 사이의 실제 거리(D3)를 알 수 없으므로 정확한 스테이지(202)의 제어 값을 발생시킬 수 없다. 이때, 미리 구해진 η값을 화면상의 픽셀 수 ΔX에 대입하면 실제거리(D3)를 손쉽게 구할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 방법에서, 비록 광학 시스템에 왜곡이 발생하더라도 단위 픽셀 당 실제 거리의 획득 과정을 통해 언제나 정확한 실제 거리를 측정할 수 있기 때문에 광학 시스템의 왜곡을 보상할 수 있게 된다. 이 단위 픽셀 당 실제 거리 획득 단계를 공정이 진행되고 있는 중간에 공정에 영향을 주지 않는 범위 내에서 언제든지 쉽게 실시할 수 있기 때문에, 결과적으로 작업 공정 중에 광학 시스템의 왜곡 보상을 실시할 수 있는 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 방법을 이용한 실제 위치 제어의 실시예를 나타낸 순서도이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, A 지점에서 B 지점으로 이동하는 경우(S602) A 지점과 B 지점 사이의 화면상의 픽셀 수를 검출한다(S604). 검출된 픽셀 수와 미리 구해진 η값을 통해 실제 거리(D4)를 계산한다(S606). 실제 거리(D4)가 구해지면 이 실제 거리(D4)에 따른 제어 값을 발생시켜서 스테이지(202)를 제어한다.
이와 같은 본 발명에 따른 단위 픽셀 당 실제 거리 획득 단계를 스테이지를 제어할 때마다 실시하면 스테이지가 이동해야 할 실제 거리를 정확히 예측할 수 있다. 만약 광학 시스템에 왜곡이 발생하여 동일한 거리가 모니터 상에 이전 화면보다 크게 출력된다면 단위 픽셀 당 실제 거리가 감소하므로 실제 거리는 그대로 예측할 수 있다. 결과적으로, 단위 픽셀 당 실제 거리를 측정하는 것은 광학 시스템의 왜곡을 보상하는 것이 된다.
본 발명에 따른 광학 시스템을 이용한 정밀 위치 제어 장치 및 방법은 단위 픽셀 당 실제 거리 η값을 미리 계산해 두고, 실제 정밀 위치 제어에 적용함으로써 광학 시스템의 왜곡을 보상하여 정밀한 위치 제어가 가능하도록 한다. 또한 광학 시스템의 왜곡 보상 방법이 매우 간단하여 작업 도중이라도 언제든지 왜곡 보상 작업을 실시할 수 있으며, 특히 별도의 추가 장치가 요구되지 않기 때문에 비용 상승 문제는 거의 발생하지 않는다.

Claims (7)

  1. 이동체의 이동량을 제어하기 위한 제어부와, 상기 이동체를 촬영하여 화상 신호를 발생시키는 광학 시스템, 상기 화상 신호를 화면상에 출력하는 모니터를 포함하는 광학 시스템을 이용한 위치 제어 장치에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 이동체의 실제 이동 거리와 상기 실제 이동 거리에 대응하는 상기 모니터 화면상의 픽셀 수를 검출하여 단위 픽셀에 대응하는 실제 거리를 획득하고;
    상기 이동체를 임의의 거리에 있는 다른 지점으로 이동시키고자 할 때 상기 단위 픽셀 당 실제 거리를 통해 상기 임의의 거리에 있는 지점까지의 실제 거리를 획득하여 상기 이동체의 이동량을 제어하는 광학 시스템을 이용한 위치 제어 장치.
  2. 이동체의 이동량을 제어하기 위한 제어부와, 상기 이동체를 촬영하여 화상 신호를 발생시키는 광학 시스템, 상기 화상 신호를 화면상에 출력하는 모니터를 포함하는 광학 시스템을 이용한 위치 제어 방법에 있어서,
    상기 이동체의 실제 이동 거리와 상기 실제 이동 거리에 대응하는 상기 모니터 화면상의 픽셀 수를 검출하여 상기 모니터 화면상의 단위 픽셀에 대응하는 실제 거리를 획득하는 단계와;
    서로 다른 두 지점 사이의 상기 이동체의 이동을 제어할 때 상기 단위 픽셀 당 실제 거리를 통해 상기 두 지점 사이의 실제 거리를 획득하여 상기 이동체의 이동량을 제어하는 단계를 포함하는 광학 시스템을 이용한 위치 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 단위 픽셀 당 실제 거리 획득 단계는,
    상기 이동체에 마련된 기준 패턴을 상기 화면의 정중앙에 위치시키고 상기 기준 패턴을 등록하는 단계와;
    상기 관측된 기준 패턴과 상기 등록된 기준 패턴 사이의 X축 픽셀 값의 차이와 Y축의 픽셀 값의 차이가 각각 ΔX와 ΔY일 때, Δθ = tan-1(ΔY/ΔX)을 구하고, 상기 이동체를 -Δθ만큼 회전시켜서 상기 화면상의 좌표축과 상기 이동체의 좌표축을 일치시키는 좌표축 정렬 단계를 더 포함하는 광학 시스템을 이용한 위치 제어 방법.
  4. 이동체의 이동량을 제어하기 위한 제어부와, 상기 이동체를 촬영하여 화상 신호를 발생시키는 광학 시스템, 상기 화상 신호를 화면상에 출력하는 모니터를 포함하는 위치 제어 장치의 광학 시스템 보상 장치에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 이동체의 실제 이동 거리와 상기 실제 이동 거리에 대응하는 상기 모니터 화면상의 픽셀 수를 검출하여 상기 모니터 화면상의 단위 픽셀에 대응하는 실제 거리를 획득하고;
    상기 단위 픽셀 당 실제 거리를 상기 이동체의 이동량 제어에 이용함으로써 상기 광학 시스템의 왜곡을 보상하는 광학 시스템의 왜곡 보상 장치.
  5. 이동체의 이동량을 제어하기 위한 제어부와, 상기 이동체를 촬영하여 화상 신호를 발생시키는 광학 시스템, 상기 화상 신호를 화면상에 출력하는 모니터를 포함하는 위치 제어 장치의 광학 시스템 왜곡 보상 방법에 있어서,
    상기 이동체의 실제 이동 거리와 상기 실제 이동 거리에 대응하는 상기 모니터 화면상의 픽셀 수를 검출하여 상기 모니터 화면상의 단위 픽셀에 대응하는 실제 거리를 획득하는 단계와;
    상기 단위 픽셀 당 실제 거리를 상기 이동체의 이동량 제어에 이용함으로써 상기 광학 시스템의 왜곡을 보상하는 단계를 포함하는 광학 시스템의 왜곡 보상 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 단위 픽셀 당 실제 거리 획득 단계는,
    상기 이동체에 마련된 기준 패턴을 상기 화면의 정중앙에 위치시키고 상기 기준 패턴을 상기 제어부에 등록하는 단계와;
    상기 관측된 기준 패턴과 상기 등록된 기준 패턴 사이의 X축 픽셀 값의 차이와 Y축의 픽셀 값의 차이가 각각 ΔX와 ΔY일 때, Δθ = tan-1(ΔY/ΔX)을 구하고, 상기 이동체를 -Δθ만큼 회전시켜서 상기 화면상의 좌표축과 상기 이동체의 좌표축을 일치시키는 좌표축 정렬 단계를 더 포함하는 광학 시스템의 왜곡 보상 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 왜곡 보상 단계가 상기 이동체의 이동 발생시에 미리 실시되어 상기 단위 픽셀 당 실제 거리가 상기 이동체의 이동량에 반영되는 광학 시스템의 왜곡 보상 방법.
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