KR20080077724A

KR20080077724A - 3차원 미소 형상 측정방법

Info

Publication number: KR20080077724A
Application number: KR1020070017257A
Authority: KR
Inventors: 윤삼손; 이동훈
Original assignee: 삼성테크윈 주식회사
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2008-08-26

Abstract

본 발명은 반도체 칩, 팩키지 등 초소형 전자제품이나, 웰드, 리벳, 코팅면, 포일, 가스켓, 멤브레인 등 표면이 거친 샘플의 두께, 높이 또는 3차원 표면 형상을 샘플에 직접 접촉하지 않고 측정하는 방법에 관한 것이다. 이를 위해 현미경의 포커스를 노브 구동회로, 변위 센서, CCD 카메라, X-Y 스테이지에 미리 설정된 프로그램을 이용하여 자동으로 구동시켜 측정함으로써, 많은 시간과 노력을 들이지 않고서도 정확하고 빠르게 측정할 수 있다.

표면 두께, 미소 형상, 비접촉식

Description

3차원 미소 형상 측정방법{Measurement method of three dimension minute shape}

도 1은 본 발명의 기본 개념인 렌즈에 의한 포커싱을 설명하는 개략도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 도시된 대상물체와의 거리에 따른 포커스 측정의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 현미경을 이용한 3차원 미소형상 측정 장치의 개략도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 서브 윈도우를 이용한 포커스를 측정하는 영상 처리 과정을 설명하는 사진이다.

도 5는 도 4에 따라 측정 샘플의 휨 형상을 도시한 그림이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 샘플 20: 현미경의 경통

30: CCD 카메라 40: 수직 변위 노브

50: 변위 센서 60: X-Y 스테이지

70: 노브 구동회로 80: FM 측정 및 저장 장치

90: X-Y 스테이지 구동 장치

본 발명은 미소 형상 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 칩, 팩키지 등 초소형 전자제품이나, 웰드, 리벳, 코팅면, 포일, 가스켓, 멤브레인 등 표면이 거친 샘플의 두께, 높이 또는 3차원 표면 형상을 측정하기 위한 3차원 미소 형상 측정방법에 관한 것이다.

반도체 칩, 반도체 패키지나 웰드, 리벳, 코팅면, 포일, 가스켓, 멤브레인 등의 두께나 높이를 측정하기 위해서는 그 측정값이 수 mm 정도인 경우에는 게이지, 버어니어, 마이크로미터 등을 사용하고, 그 측정값이 수 nm에서 수 ㎛ 인 경우에는 매우 작은 바늘을 탑재한 장치(알파 스텝™과 같은 스캔 장비)로 샘플의 표면을 스캔하는 방법으로 측정한다. 이러한 측정 방법은 샘플에 직접 측정기구를 접촉하는 방식이며 샘플이 단단한 경우에는 문제가 없지만 샘플이 부서지기 쉽거나 물기를 머금은 경우 또는 너무 유연해서 외부의 접촉에 의해 변형이 생길 수 있는 경우에는 위의 종래 방법을 사용할 수 없다.

또한 종래의 방법을 이용하는 경우 샘플의 일 지점에서의 측정값을 알 수 있거나 또는 일직선상의 높이 형상을 알 수 있을 뿐이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 반도체 칩, 팩키지 등 초소형 전자제품이나, 웰드, 리벳, 코팅면, 포일, 가스켓, 멤브레인 등 표면이 거친 샘플의 두께, 높이 또는 3차원 표면 형상을 샘플에 직접 접촉하지 않는 방법으로 3차원 미소형상을 측정하는 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 미리 설정된 프로그램을 이용하여 모든 측정을 자동으로 구동하여 많은 시간과 노력을 들이지 않고서도 정확하고 빠르게 측정할 수 있게 하기 위한 3차원 미소형상 측정방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 3차원 미소형상 측정방법은 크게 샘플의 특정 지점에서 기준면에 대한 높이를 측정하는 방법과, 이를 확장하여 샘플 전면의 휨 형상 또는 미소한 형상 등을 파악할 수 있는 측정 방법의 두 가지로 나눌 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 미소형상 측정방법은, 측정하고자 하는 샘플을 현미경의 X-Y 스테이지에 로딩하는 단계; 샘플의 측정부와 현미경의 대물렌즈의 FM(Focus measure)을 측정하는 단계; FM값으로부터 측정부의 기준면에 대한 높이를 측정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 미소형상 측정방법은, 측정하고자 하는 샘플을 현미경의 X-Y 스테이지에 로딩하는 단계; 샘플의 측정부와 현미경의 대물렌즈의 FM(focus measure)을 측정하는 단계; FM값으로부터 측정부의 기준면에 대한 높이를 측정하는 단계; X-Y 스테이지를 X축 또는 Y축으로 일정거리 이동하여 샘플의 새로운 측정부로 이동하는 단계; FM 측정 단계에서 새로운 측정부로 이동하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 FM을 측정하는 단계는 현미경의 경통을 수직으로 변위하고 경통의 변위 는 변위센서로부터 얻을 수 있으며, 현미경에 설치된 CCD 카메라의 밝기 정보로부터 구현할 수 있다. 이때, 상기 현미경에 설치된 CCD 카메라의 밝기 값이 최대인 값이 포커스 지점으로 설정할 수 있고, 여기에는 절대 기울기(absolute gradient) 법, 자승 기울기(squared gradient) 법 또는 라플라시안(Laplacian) 법의 어느 하나로부터 구현할 수 있다.

상기 경통은 노브 구동회로로 구동하고 노브구동회로, 변위 센서, CCD 카메라 및 X-Y 스테이지는 미리 설정된 프로그램을 통하여 자동으로 제어되어 FM을 구하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 노브 구동회로와 X-Y 스테이지는 DC 모터 또는 스텝핑 모터 또는 PZT(lead zirconium titanate) 액튜에이터 소자를 이용하면 샘플의 높이 변위에 따라 분해도를 선택할 수 있고 이로써 nm 단위의 높이 차이에서부터 mm 단위의 높이 차이까지 선택적으로 측정할 수 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 미소형상 측정방법은, 측정하고자 하는 작은 샘플을 현미경의 X-Y 스테이지에 로딩하는 단계; 상기 샘플의 영상을 CCD 카메라에 영상 이미지로 저장하는 단계; 상기 영상을 다수 개의 서브 윈도우로 분할하고 각각의 서브 윈도의 FM(focus measure)을 측정하는 단계; 상기 현미경의 경통을 수직 변위시키고 상기 영상 이미지 저장단계에서 FM(focus measure)을 측정하는 단계를 반복하는 단계; 분할된 상기 서브 윈도의 FM 값으로부터 상기 서브 윈도우의 상대적인 변위를 측정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 서브 윈도우는 상기 영상 이미지 내에서 서로 겹치지 않게 설정하거나, 일부 영역이 서로 겹치게 설정하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시 예를 통해 보다 명확히 설명될 수 있을 것이다. 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다.

도 5는 도 4에 따라 측정 샘플의 휨 형상을 도시한 그림이다.

도 1을 참조하면, 매끄럽지 않은 물체의 표면에서는 빛이 난반사를 일으키게 되고 그 중 일부가 렌즈를 통과하여 상을 맺게 된다. 예를 들어 a점에서 반사된 빛은 렌즈를 통과한 후 a' 점으로, b점에서 반사된 빛은 b'로 상을 맺는다. 이때 물체의 표면과 렌즈의 거리를 D1, 렌즈와 상이 맺히는 지점까지의 수직 거리를 D2라고 하고 렌즈의 초점 거리를 FL이라고 하면, 확대비(MF)는 아래의 수학식 1에 의해 규정된다.

위 수학식 1에서 만일 MF가 100이고 D2는 D1의 100배이면 물체와 렌즈의 거리는 101/100 x FL이 된다. 즉 물체는 렌즈에서 항상 일정한 거리(D1)에 떨어져 있어야 초점이 맞게 된다. 그래서, 표면위의 특정한 점에 포커스를 맞추기 위해서는 렌즈를 적절히 움직여 주어야 하고, 이때 움직인 거리가 물체의 특정 지점에서의 상대적인 변위와 같게 된다.

이러한 방법으로 현미경과 현미경의 대물렌즈의 상대적인 위치를 측정하게 된다면 전자 부품과 같은 작은 개체의 높이를 측정하는 데 유용하게 활용할 수 있다. 또 최근에는 전자제품이 경박단소화 되는 경향에 따라 메모리 소자, LCD 소자, RF 소자 및 기타 전자 소자의 부품에 대한 높이 규정이 강화되고 있으며 이를 만족시키기 위한 높이 및 소자의 휨(warpage) 형상 측정이 필수적이다.

상기와 같이 렌즈를 이용하여 샘플의 높이나 휨 형상 등을 측정하기 위해서는 측정하고자 하는 점에 포커스(focus)가 얼마나 정확하게 되었는지를 파악하는 것이 매우 중요하다. 이를 측정자가 나안으로 측정을 하게 될 경우에는 측정자의 임의적인 판단 등에 의해 정확하지 않게 측정할 가능성이 크다. 더욱이 미세한 표면 요철을 가진 샘플의 경우 위치마다 렌즈의 촛점 위치를 측정 및 판단하기는 매우 어렵다. 이러한 초점의 측정 및 결정에는 렌즈의 최소 이송단위가 1 ㎛이더라도 측정 분해능은 수십 ㎛가 넘는 경우가 많다.

이를 보충하기 위해서 샘플의 한 점이 포커싱(focusing)되어 있는지를 판단하기 위해서는 다양한 초점 측도(focus measure; FM) 측정방법이 제안되고 있다. 측정 지점의 영상을 CCD 카메라로 얻는 경우 측정 지점 근방의 NxN 픽셀의 정보를 이용하여 상기한 FM을 아래와 같은 수학식으로 얻을 수 있다.

상기 수학식 2 내지 수학식 4에서 f는 FM에 해당하는 값이고, g(i,j)는 CCD 카메라의 NxN 픽셀 중에서 (i,j) 픽셀의 밝기 정보이다. 수학식 1은 절대 기울기(absolute gradient)법, 수학식 2는 자승 기울기(squared gradient) 법, 수학식 3은 라플라시안(Laplacian) 법이라고 한다.

도 2를 참조하면, 특정 샘플을 현미경에 로딩하고 측정 지점과 렌즈의 거리(D1)를 최소거리(렌즈와 측정부가 닿지 않을 정도의 거리)로부터 D1을 최소이동 단위만큼 증가시키면서 대상물체의 영상을 CCD 카메라로 얻은 후, 각 지점에서의 영상 정보를 NxN 픽셀로 추출하여 상기 수학식 2 내지 수학식 4로부터 언급된 FM을 계산할 수 있다. 도 2는 수학식 4의 라플라시안 법으로 각 지점의 FM 값을 구한 후 이를 렌즈와 대상물체와의 위치에 따라 그 값을 그린 그래프이다. 도 2로부터 FM 값이 최대가 되는 점의 거리는 1.7(단위 생략)이고 이로부터 측정 지점의 높이를 측정할 수 있다.

도 3을 참조하면, 렌즈의 포커스를 이용한 높이 측정방법을 적용하기 위해서는 현미경을 이용한 3차원 미소형상 측정장치(200)에 샘플(10)을 로딩할 수 있는 X-Y 스테이지(60)가 구비되어 있는 현미경이 필요하고, 현미경의 경통(20) 끝단에 구비된 렌즈를 구동하기 위해서는 수직 변위 노브(40)가 필요하다. 현미경의 렌즈를 통해 들어온 물체의 영상을 저장하기 위해서는 CCD 카메라(30)를 구비하고 있음이 바람직하고 렌즈가 수직으로 움직인 거리(D1)를 측정하기 위해서는 변위 센서(50)가 필요하다.

FM 측정을 보다 반복적이면서 정밀하게 측정하기 위해서는 자동적으로 구현하는 장치가 필요하다. 이를 위해서는 경통의 노브를 정밀하게 구동할 수 있는 노브 구동회로(70)와 변위 센서(50)의 영상과 CCD 카메라(30)의 영상 정보로부터 FM을 측정하기 위해 FM 측정 및 저장 장치(80)가 필요하다.

또한 3차원적인 영상을 얻기 위해서는 X-Y 스테이지(60)를 미리 프로그램 된 스텝만큼 정밀하게 이동시킬 수 있는 X-Y 스테이지 구동장치(90)와 샘플의 측정 위치에 따라 FM 값으로부터 포커스 값을 구하여 3차원 영상처리를 할 수 있는 좌표 및 FM을 처리하는 영상처리장치(100)가 필요하다.

현미경의 경통(20)을 움직이기 위해서는 노브를 돌리는 작업이 필요하며 이를 DC 모터, 스텝핑 모터 또는 PZT(lead zirconium titanate) 액튜에이터 소자로 구현할 수 있으며, 노브 구동회로(70)의 선택에 따라 샘플의 높이 변위에 따른 분해도를 선택할 수 있고, 이로써 수 nm 변위 차이에서부터 수 mm의 변위 차이까지 선택적으로 측정할 수 있다.

샘플(10)을 X-Y 스테이지(60)에 로딩하고 측정하고자 하는 지점과 렌즈가 서로 닿지 않을 정도의 거리에서부터 최소의 이동 단위만큼 증가시키면서 연속적으로 CCD 카메라(30)를 통하여 영상을 저장하고, 앞서 기재된 바와 같이 절대 기울기 법, 자승 기울기 법, 라플라시안(Laplacian) 법 중 어느 한 방법을 사용하여 FM의 측정과 샘플의 측정 지점에서의 기준면에 대한 상대적인 높이를 정확히 측정할 수 있다.

3차원적인 표면 형상을 얻기 위해서는 샘플의 측정 지점을 X-Y 스테이지(60)로 이동하면서 각 지점의 좌표값을 저장하고 각 지점에서 기준면에 대한 상대적인 높이를 측정함으로서 얻을 수 있다.

샘플의 특정 위치에서의 상대적인 높이와 좌표를 바꾸어 가면서 FM을 측정하는 것은 상당한 시간과 노력이 소요되는 일이다. 이를 자동화하기 위해서는 미리 프로그램을 작성하여 X-Y 스테이지 구동장치(90), 노브 구동회로(70), FM 측정 및 저장 장치(80), 좌표 및 FM을 처리하는 영상 처리 장치(100)를 제어하여 측정 시간을 절약하고 정확도를 향상할 수 있다.

도 4를 참조하면, 측정하고자 하는 샘플의 크기가 충분히 작아서 CCD 카메라에 샘플의 거의 대부분의 밝기 정보를 저장할 수 있는 경우에는 여러 장의 CCD 카메라의 영상(110(a)~110(c))의 각 영상 내에서 여러 개의 작은 서브 윈도우(120(a)~120(c))로 분할하고, 각각의 서브 윈도우에서 FM을 측정하고 이로부터 각각의 서브 윈도우의 상대적인 변위를 측정하면 샘플의 휨 등의 3차원적인 형상을 측정할 수 있다. 도 5는 이러한 방법으로 측정한 샘플의 휨 형상을 도시한 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 영상 이미지 내에서 서브 윈도우는 일부 영역이 서로 겹치면서 설정할 수 있고, 또한 이와 다르게 서로 겹치지 않고 설정할 수 있다. 이는 서브 윈도우의 개수와 측정의 속도 및 측정 정밀도와 관련된 것으로 측정자가 샘플의 형상에 따라 여러 가지 형태로 채택할 수 있다.

상기한 작은 샘플의 3차원적인 형상을 CCD 카메라의 영상으로부터 측정하는 경우 X-Y 스테이지(60)를 별도로 구동하지 않고 현미경의 경통을 수직 방향으로만 변위를 가해서 원하는 형상을 얻을 수 있는 장점이 있다. 이 경우에도 상기한 자동화 방법은 모두 적용할 수 있다.

이러한 본 발명을 설명하기 위해서 상세한 설명에 일실시예를 기재하고 도면에 이를 돕기 위한 도면이 도시되었으나 이는 단지 일실시예에 불과한 것에 불과하다. 그리고 본 발명에 도시되고 설명된 구조는 이에 국한되지 않고 다양한 변형이 가능하다.

본 발명에 의하면 반도체 칩, 팩키지 등 초소형 전자제품이나, 웰드, 리벳, 코팅면, 포일, 가스켓, 멤브레인 등 표면이 거친 샘플의 두께, 높이 또는 3차원 표면 형상을 샘플에 직접 접촉하지 않는 방법으로 측정할 수 있다. 현미경의 포커스를 노브 구동회로, 변위 센서, CCD 카메라, X-Y 스테이지를 미리 설정된 프로그램을 이용하여 자동으로 구동하여 연구자가 많은 시간과 노력을 들이지 않고서도 정확하고 빠르게 측정할 수 있는 장점도 있다.

Claims

(a) 측정하고자 하는 샘플을 현미경의 X-Y 스테이지에 로딩하는 단계;

(b) 상기 샘플의 측정부와 상기 현미경의 대물렌즈의 FM(focus measure)을 측정하는 단계; 및

(c) 상기 FM 값으로부터 상기 측정부의 기준면에 대한 높이를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 미소형상 측정방법.
(a) 측정하고자 하는 샘플을 현미경의 X-Y 스테이지에 로딩하는 단계;

(b) 상기 샘플의 측정부와 상기 현미경의 대물렌즈의 FM(focus measure)을 측정하는 단계;

(c) 상기 FM 값으로부터 상기 측정부의 기준면에 대한 높이를 측정하는 단계;

(d) X-Y 스테이지를 X축 또는 Y축으로 일정거리 이동하여 상기 샘플의 새로운 측정부로 이동하는 단계; 및

(e) 상기 (b) 내지 (d) 단계를 반복하여 상기 샘플의 전체 면적의 3차원 미소 형상을 얻는 것을 특징으로 하는 3차원 미소형상 측정방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 FM을 측정하는 단계는, 현미경의 경통을 수직으로 변위하고, 상기 경통 의 변위는 변위센서로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 3차원 미소형상 측정방법.
제 3 항에 있어서,

상기 FM을 측정하는 단계는, 상기 현미경에 설치된 CCD 카메라의 밝기 정보로부터 구현되는 것을 특징으로 하는 3차원 미소형상 측정방법.
제 3 항에 있어서,

상기 FM을 측정하는 단계는, 상기 현미경에 설치된 CCD 카메라의 밝기 값이 최대인 값이 포커스 지점으로 설정하는 것을 특징으로 하는 3차원 미소형상 측정방법.
(a) 측정하고자 하는 작은 샘플을 현미경의 X-Y 스테이지에 로딩하는 단계;

(b) 상기 샘플의 영상을 CCD 카메라에 영상 이미지로 저장하는 단계;

(c) 상기 영상을 다수 개의 서브 윈도우로 분할하고 각각의 서브 윈도의 FM(focus measure)을 측정하는 단계;

(d) 상기 현미경의 경통을 수직 변위시키고 상기 (b)와 (c) 단계를 반복하는 단계; 및

(e) 분할된 상기 서브 윈도의 FM 값으로부터 상기 서브 윈도우의 상대적인 변위를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 미소형상 측정방법.