KR20130042191A - 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경 및 이를 이용한 결함 측정 방법 - Google Patents

디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경 및 이를 이용한 결함 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경 및 이를 이용한 결함 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디스플레이 기판의 결함에 대한 홀로그램을 촬영하고, 상기 홀로그램의 다수 개의 위상 재생상 중 위상반전이 있는 위상 재생상의 재생거리로부터 상기 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이를 측정하는 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경 및 이를 이용한 결함 측정 방법에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용한 결함 측정 방법은 검출된 디스플레이 기판의 결함에 대한 홀로그램을 촬영하는 제 1 단계; 상기 촬영된 홀로그램에 대하여 최소 재생거리로부터 최대 재생거리까지 일정 재생거리 간격의 다수 개의 위상 재생상을 획득하는 제 2 단계; 상기 다수 개의 위상 재생상에 대하여 최소 재생거리의 위상 재생상부터 순차적으로 재생하여 위상 반전이 있는 위상 재생상을 검출하는 제 3 단계; 및, 상기 위상 반전이 있는 위상 재생상의 재생거리를 기반으로 상기 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이를 측정하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경 및 이를 이용한 결함 측정 방법{DIGITAL HOLOGRAPHIC MICROSCOPE FOR 3 DIMENTIONAL DEFECT INSPECTION OF DISPLAY SUBSTRATE AND INSPECTION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경 및 이를 이용한 결함 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디스플레이 기판의 결함에 대한 홀로그램을 촬영하고, 상기 홀로그램의 다수 개의 위상 재생상 중 위상반전이 있는 위상 재생상의 재생거리로부터 상기 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이를 측정하는 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경 및 이를 이용한 결함 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 디스플레이 기판은 제조 공정 중에 외부적 영향으로 인해 기판 표면상에 결함이 발생될 수 있으며, 이러한 결함은 검사 장치를 통해 검출하게 된다. 상기 결함을 검사하기 위한 장치에는 라인 카메라(line camera)와 리뷰 카메라(review camera)가 포함되어 있는데, 라인 카메라는 디스플레이 기판을 스캔하여 결함을 검출하고, 리뷰 카메라는 검출된 결함을 자세히 확인하거나 이를 결함 데이터로 만들어 그 좌표를 전달하는 역할을 각각 수행한다.
LCD 또는 OLED 등의 디스플레이 기판 제조 공정에서 사용되는 검사 장치중에 리뷰 카메라는 현재 2차원 영상만을 획득하여 필요한 정보를 얻는다. 이와 같은 2차원 영상에서는 결함 부분의 높이 정보가 없다. 높이 정보가 있는 경우에는 결함의 교정(repair) 여부를 정확하게 알 수 있지만 현재 사용되는 2차원 리뷰 카메라 정보로는 알아내기 힘들다.
결함 부분의 3차원 정보를 알아내기 위해서 3차원 카메라가 필요하다. 현재 상용화된 3차원 카메라는 백색광 간섭계(white-light interferometer)와 공초점 현미경을 들 수 있다. 상기 백색광 간섭계의 경우에 Z축 방향의 스캔(scan) 장비를 사용하기 때문에 진동을 저감할 수 있는(anti-vibration) 장비가 필요하며, 많은 측정 시간이 소요된다. 따라서, 현재 현장에서 요구되는 한 프레임의 측정 및 결과 도출 시간인 0.8초 미만을 충족시키기에 미흡하다.
또한, 공초점 현미경의 경우에 Z축 방향의 스캔 장비를 사용할 뿐만 아니라, X축 및 Y축 방향의 이미지 값을 얻기 위해 점광원을 스캔하거나 다점광원(nipkow disk)을 이용하여 X축 및 Y축 방향의 이미지를 얻는다. 따라서, 공초점 현미경의 경우 측정 및 결과 도출시간을 0.8초 미만으로 만들기가 백색광 간섭계의 경우보다도 쉽지 않다. 이와 같은 빠른 측정 및 결과 도출시간을 만족하는 3차원 카메라는 디지털 홀로그래픽 현미경(digital holographic microscope: DHM)이 있다.
디지털 홀로그래픽 현미경은 획득된 한 장의 홀로그램 데이터를 통해 측정 샘플의 높낮이 정보를 알 수 있다. 디지털 홀로그램 기술은 기존의 홀로그램 기술(홀로그램 건판을 사용하여 사진 촬영과 같은 방식의 물체광과 참조광 제공에 의한 3차원 영상을 재생하는 방법)로부터 출발하여 CCD(Charge Coupled Device)와 같은 동영상 기록 장치를 이용하여 실시간으로 측정 대상체의 홀로그램 데이터를 획득하고, 수치적 3차원 영상 재생의 방법으로 측정 대상체의 3차원 데이터를 획득하는 방법이다. 이러한 방법은 약 30 여년 전 개념적 방법론이 제안되어, CCD의 발전과 컴퓨터 연산 속도의 발전으로 수치적 3차원 영상 재생의 방법이 발전하여 현재 실용적 용도에 적용하기 위한 다수의 연구들이 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
이와 같이, 측정 대상체의 3차원 데이터는 홀로그램 방법으로 기록함으로써 1회 촬영으로 측정 대상체의 3차원 데이터를 획득하고, 수치적 재생으로 측정 대상체의 3차원 데이터를 재구성하여 표시할 수 있으므로 3차원 데이터 획득, 처리, 표시 면에 있어서 앞서 개발되어온 첨단 현미경들에 비하여 비교할 수 없을 정도의 성능 향상을 기대할 수 있다.
디지털 홀로그래피에서 상을 재생할 때 일반적으로 참조광은 평면파이고, 물체광은 구면파로 가정하고 상을 재생한다. 그러나 참조광이 완벽한 평면파가 되기는 매우 어렵다. 이러한 이유로 재생상에 위상 왜곡과 잡음이 생기는 문제점이 있었다.
도 1은 off-axis 투과형 디지털 홀로그래피를 도시한 것이다. 도 1에서 a는 시료와 홀로그램 사이의 거리를 나타내고, b는 CCD와 재생된 이미지 평면 사이의 거리를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 디지털 홀로그래픽 현미경에서 홀로그램 데이터는 CCD로 입력되는 물체광(O)과 참조광(R)의 간섭에 의하여 주어진다.
Figure pat00001
CCD에 형성되는 2차원 홀로그램의 빛 세기는 상기 수학식 1과 같다. R*, O*은 참조광과 물체광의 공액 복소수이이며, 참조광과 물체광의 각도는 θ이다. θ=0이면 in-line 홀로그래피이고, θ≠0이면 off-axis 홀로그램이다. 수학식 1에서 첫 번째 항은 영차 회절광이고(DC 항), 두 번째 항은 물체광끼리의 간섭에 의한 항이며, 세 번째와 네 번째 항은 실상과 허상이다. 영상 재생면에서의 전기장은 Kirhchoff-Fresnel 적분에 의해 주어지며, 디지털 홀로그래피에서 홀로그램을 저장하는 장치로 CCD를 사용한다. CCD의 사양은 픽셀 수 (Nx×Ny), 픽셀 크기(Δx×Δy)와 센서 크기(Lx×Ly)로 주어진다. CCD의 (k, l) 픽셀에 저장되는 간섭세기 정보는 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
상기 수학식 2와 같이 참조광과 물체광에 의한 홀로그램 데이터는 수치적 영상 재생에 이용된다. 수치적 재생 파동은 참조광(R)과 홀로그램데이터(Ih)를 이용하여 수학식 3과 같이 표현된다
Figure pat00003
상기 수학식 3은 수식적 계산이기 때문에 R값을 완전한 평면파로 가정하고 계산하거나, 실험상에서 R값을 측정하여 계산에 사용한다. 프레넬(Fresnel) 공식과 CCD의 픽셀 개수가 N×N, 픽셀 간격이 Δx, Δy를 이용하면 영상이 맺히는 지점에서의 파동 분포는 수학식 4와 같다.
Figure pat00004
여기서 λ는 사용된 빛의 파장이고 b는 CCD에서 영상이 재생되는 곳까지의 거리, νk=k/(NΔx), νl=l/(NΔy)이다. 수학식 4에서 Γ는 수치적 렌즈로, ΓH는 홀로그램 면에서의 수치적 렌즈, IH F는 필터된 홀로그램이다. 일반적으로 ΓH=R이 사용된다. 즉 참조광(R)을 완벽한 평면파로 가정하가나, 실험적으로 측정하여 사용한다. 그러나 실제에서는 참조광이 완벽한 평면파가 될 수 없고, 또한 실험적으로 측정하여 사용하는 경우는 매번 이 작업을 하는 것이 매우 불편한 문제점이 있었다.
또한, 디지털 홀로그래픽 현미경에 사용되는 광원이 레이저광인 경우에 상기 레이저광은 매우 높은 광전자 변환효율을 가지며, 높은 지향성을 가지고 있으나, 높은 가간섭성(coherence)으로 인하여 스펙클 노이즈가 발생한다. 스펙클(speckle)이란, 레이저 광원으로부터 정렬된 위상을 갖는 결맞은 빔이 임의의 위상면인 스크린에 산란되고, 스크린 표면의 인접한 영역에서 산란되어 나오는 교란된 파면들(wave fronts)이 관측면인 망막에서 서로 간섭되는 과정에서 발생되는 현상이다. 스펙클 노이즈는, 관측면상에 불균일한 광세기 분포로서 나타나며, 결과적으로 화질저하의 원인이 된다.
이와 같은 스펙클 노이즈를 줄이기 위하여 공간 가간섭성이 좋지 않은 발광 다이오드(Light emitting diode:LED)를 사용하게 되는데, 상기 발광 다이오드를 디지털 홀로그래픽 현미경에 사용하는 경우에는 광세기 조절 및 광이송이 쉽지 않은 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 2차원 디스플레이 기판의 결함 검사 장치의 경우 결함 부분의 높이 정보를 알 수 없고, 백색광 간섭계 또는 공초점 현미경 등의 3차원 카메라를 사용하여 결함 부분의 높이를 측정하는 경우에는 측정에 상당한 시간이 소요되는 문제점을 해결할 수 있는 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경 및 이를 이용한 결함 측정 방법에 관한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경은 라인 카메라로 디스플레이 기판을 스캔하여 결함의 위치를 검출하고 상기 검출된 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경에 있어서, 상기 디지털 홀로그래픽 현미경은 광원부; 참조광을 만드는 참조광 생성부; 물체광을 만드는 물체광 생성부; 상기 참조광과 물체광을 결합하여 홀로그램을 기록하는 CCD; 및, 상기 기록된 간섭무늬를 수치적으로 분석하는 연산부를 포함하고, 상기 연산부는 CCD에 기록된 홀로그램에 대하여 최소 재생거리로부터 최대 재생거리까지 일정 재생거리 간격의 다수 개의 위상 재생상을 획득하여 최소 재생거리의 위상 재생상부터 순차적으로 재생하여 위상반전이 있는 위상 재생상의 재생거리를 기반으로 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용한 결함 측정 방법은 라인 카메라로 디스플레이 기판을 스캔하여 결함의 위치를 검출하고 상기 검출된 디스플레이 기판의 결함을 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용하여 3차원적으로 측정하는 방법에 있어서, 상기 검출된 디스플레이 기판의 결함에 대한 홀로그램을 촬영하는 제 1 단계; 상기 촬영된 홀로그램에 대하여 최소 재생거리로부터 최대 재생거리까지 일정 재생거리 간격의 다수 개의 위상 재생상을 획득하는 제 2 단계; 상기 다수 개의 위상 재생상에 대하여 최소 재생거리의 위상 재생상부터 순차적으로 재생하여 위상 반전이 있는 위상 재생상을 검출하는 제 3 단계; 및, 상기 위상 반전이 있는 위상 재생상의 재생거리를 기반으로 상기 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이를 측정하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경 및 이를 이용한 결함 측정 방법에 따르면, 디스플레이 기판의 결함에 대한 홀로그램을 촬영하고 상기 홀로그램의 다수 개의 위상 재생상 중 위상반전이 있는 위상 재생상의 재생거리로부터 상기 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이를 신속하게 측정할 수 있는 현저한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경 및 이를 이용한 결함 측정 방법에 따르면, 위상 왜곡이 제거된 복소공액 홀로그램을 이용하여 DC항의 잡음 및 위상 재생상의 왜곡을 감소시키고, 노이즈를 효과적으로 줄일 수 있게 되어 명확한 위상 재생상을 얻을 수 있는 현저한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경 및 이를 이용한 결함 측정 방법에 따르면, 상기 디지털 홀로그래픽 현미경의 광원부는 레이저광이 회전 확산판을 투과하는 것으로 구성하여, 가간섭성을 조절하여 스펙클 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있게 되고, 광세기 조절 및 광이송이 쉬운 현저한 효과가 있다.
도 1은 off-axis 투과형 디지털 홀로그래피를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 현미경의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용한 디스플레이 기판의 3차원 결함 측정 방법에 관한 흐름도.
도 4는 off-axis 디지털 홀로그래피에서 복소공액 홀로그램을 실험적으로 얻는 과정을 나타내는 위상 재생상.
도 5는 off-axis 디지털 홀로그래피에서 홀로그램 또는 복소공액 홀로그램을 이용한 위상 재생상.
도 6은 in-line 디지털 홀로그래피에서 홀로그램 또는 복소공액 홀로그램을 이용한 위상 재생상.
도 7은 본 발명의 디지털 홀로그래픽 현미경의 CCD 촬상소자로 촬영된 홀로그램.
도 8은 상기 도 7에서 촬영된 홀로그램에 대하여 재생거리별로 재생한 위상 재생상.
도 9는 상기 도 8의 재생거리를 보다 세분화하여 재생한 위상 재생상.
본 발명에 따른 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경 및 이를 이용한 결함 측정 방법은 디스플레이 기판의 결함에 대한 홀로그램을 촬영하고, 상기 홀로그램의 다수 개의 위상 재생상 중 위상반전이 있는 위상 재생상의 재생거리로부터 상기 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이를 신속하게 측정할 수 있는 기술적 특징을 제시한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 현미경의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경은 라인 카메라로 디스플레이 기판을 스캔하여 결함의 위치를 검출하고 상기 검출된 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경에 있어서, 상기 디지털 홀로그래픽 현미경은 광원부(100); 참조광을 만드는 참조광 생성부(300); 물체광을 만드는 물체광 생성부(200); 상기 참조광과 물체광을 결합하여 홀로그램을 기록하는 CCD(400); 및, 상기 기록된 간섭무늬를 수치적으로 분석하는 연산부(500)를 포함하고, 상기 연산부(500)는 CCD(400)에 기록된 홀로그램에 대하여 최소 재생거리로부터 최대 재생거리까지 일정 재생거리 간격의 다수 개의 위상 재생상을 획득하여 최소 재생거리의 위상 재생상부터 순차적으로 재생하여 위상반전이 있는 위상 재생상의 재생거리를 기반으로 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광원부(100)는 레이저광을 방사한다. 그러나 상기한 바와 같이 광원부(100)를 레이저광으로 하는 경우에 상기 레이저광은 높은 가간섭성으로 인하여 스펙클 노이즈가 발생한다. 따라서, 바람직하게는 본 발명에 따른 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경의 광원부(100)는 회전하여 레이저광을 확산시키는 회전 확산판(미도시)을 더 포함하여 상기 레이저광이 상기 회전 확산판을 투과하여 확산되는 것으로 구성할 수 있다.
상기 광원부(100)를 레이저광이 회전 확산판을 투과하는 것으로 구성하는 경우에 레이저광은 확산판을 투과하면서 진행 각도가 불규칙적으로 확산된다. 여기서 확산판이 회전하면서 레이저광이 투과되어 확산되는 정도가 불규칙적이므로 레이저광의 위상이 불규칙적으로 변화하여 레이저광의 고유한 성질인 간섭성이 제거된다. 레이저광의 간섭성은 화면상에서 반짝거리는 알갱이 형태의 노이즈인 스펙클(speckle)을 발생시켜 화질을 열화시키게 되는바, 회전 확산판에 의해 간섭성이 제거된 레이저광은 간섭이 일어나지 않아 화면상에서 반짝거리는 간섭무늬인 스펙클이 제거된다.
본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 현미경의 기본적인 구성은 마흐젠더 간섭계와 같으며, 연산부(500)에 의하여 CCD(400)에 기록된 홀로그램에 대하여 최소 재생거리로부터 최대 재생거리까지 일정 재생거리 간격의 다수 개의 위상 재생상을 획득하고, 최소 재생거리의 위상 재생상부터 순차적으로 재생하여 위상반전이 있는 위상 재생상의 재생거리를 기반으로 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이를 측정하는 과정은 도 3과 함께 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용한 디스플레이 기판의 3차원 결함 측정 방법에 관한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용한 디스플레이 기판의 3차원 결함 측정 방법은 라인 카메라로 디스플레이 기판을 스캔하여 결함의 위치를 검출하고 상기 검출된 디스플레이 기판의 결함을 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용하여 3차원적으로 측정하는 방법에 있어서, 상기 검출된 디스플레이 기판의 결함에 대한 홀로그램을 촬영하는 제 1 단계(S1), 상기 촬영된 홀로그램에 대하여 최소 재생거리로부터 최대 재생거리까지 일정 재생거리 간격의 다수 개의 위상 재생상을 획득하는 제 2 단계(S2), 상기 다수 개의 위상 재생상에 대하여 최소 재생거리의 위상 재생상부터 순차적으로 재생하여 위상반전이 있는 위상 재생상을 검출하는 제 3 단계(S3) 및, 상기 위상 반전이 있는 위상 재생상의 재생거리를 기반으로 상기 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이를 측정하는 제 4 단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 1 단계(S1)는 라인 카메라에 의하여 위치가 검출된 디스플레이 기판의 결함에 대하여 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용하여 홀로그램을 촬영한다. 디지털 홀로그래피에서 상을 재생할 때 일반적으로 참조광은 평면파이고, 물체광은 구면파로 가정하고 상을 재생한다. 그러나 참조광이 완벽한 평면파가 되기는 매우 어렵다. 따라서, 바람직하게는 본 발명에 따른 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용한 디스플레이 기판의 3차원 결함 측정 방법은 상기한 왜곡 현상을 감소하기 위하여 상기 제 1 단계(S1)에서 촬영되는 홀로그램은 복소공액 홀로그램인 것으로 할 수 있다.
복소공액 홀로그램을 위하여 수학식 5와 같이 참조광(R), 물체광(O), 시료없는 물체광(OO)을 정의한다.
Figure pat00005
수학식 5에서 kx, ky는 빛 파수이고, WR, WO는 참조광과 물체광의 위상왜곡, φ(w,y)는 시료의 위상정보이다. 복소공액 홀로그램의 목적은 WR, WO와 같은 위상 왜곡이 제거된 홀로그램을 얻는 것이다. 수학식 5를 이용하여 상기한 수학식 1의 허상을 표현하면 수학식 6과 같다.
Figure pat00006
수학식 6에서 는 시료의 위상정보(φ)와 왜곡정보(WR-WO)를 모두 포함하고 있으나, IH R ,F는 위상 왜곡정보만을 포함하고 있다. 실험적으로 IH R ,F는 시료없이 얻은 홀로그램이다. 그러므로 수학식 4에서 수치렌즈 ΓH를 왜곡정보를 상쇄할 수 있게 수학식 7과 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00007
수학식 7을 이용하여 식 (4)의 ΓHIH F를 바꾸어 쓰면 수학식 8과 같이 왜곡이 제거된 홀로그램을 얻을 수 있게 된다.
Figure pat00008
수학식 8은 복소공액 홀로그램으로 위상 왜곡이 모두 제거되었고, 또한 실상 과 DC 항이 모두 제거된 홀로그램이다.
상기 복소공액 홀로그램 얻는 과정을 실험예에 의하여 상세히 설명하면, 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 상기 실험에 사용한 광원은 10mW He-Ne 레이저이고, 시료를 투과한 영상을 확대하기 위하여 현미경 대물렌즈(210: Mitutoyo M PLAN APO 50X, NA=0.55)을 사용하였다. 필터(110, 220)는 간섭 문양의 명암대비가 최대인 홀로그램을 얻기 위하여 사용하였다. 렌즈(310, 330) 그리고 핀홀(320)은 TEM00 모드의 참조광 빛을 얻기 위하여 사용하였으며 홀로그램을 저장하기 위하여 CCD(400: KODAK Megaplus II)를 사용하였고, CCD(400)의 픽셀크기는 7.4㎛×7.4㎛이고 픽셀 개수는 2048×2048이다. off-axis 실험을 하는 경우는 물체광과 참조광의 각도가 1°가 되게 하였고, in-line 실험 시는 물체광과 참조광의 각도가 0°가 되게 하였다. 미설명 부호(120, 420)은 광 분할기이고, 부호(600)은 대상 물체(object)이다.
도 4는 off-axis 디지털 홀로그래피에서 복소공액 홀로그램을 실험적으로 얻는 과정을 나타낸 것이다. 시료는 USAF의 그룹 6중 주기가 13.9 마이크로미터인 문양을 사용하였다. 도 4(a)는 off-axis 홀로그래피로 얻은 홀로그램으로, 여기에는 상기한 수학식 1과 같이 허상, 실상, DC 항이 모두 포함되어 있다. 도 4(b)는 도 4(a)를 푸리에 변환한 것이다. 그리고 도 4(c)는 도 4(b) 중 허상 부분만 남기고, 즉 도 4(b)의 사각형 부분만 남기고 나머지는 모두 "0"으로 처리한 것으로, 이렇게 해서 필터된 홀로그램(IH F)을 구할 수 있다. 그리고, 도 4(d)는 시료 없이 얻은 홀로그램을 위상 재생한 것이고(R*OO), 도 4(e)는 도 4(c), (d)를 이용하여 얻은 복소공액 홀로그램이다(ΓC HIH F). 도 4(f)는 복소공액 홀로그램을 재생한 위상 이미지이다.
도 4와 같이 복소공액 홀로그램을 이용하면 DC 항, 실상 및 위상 왜곡이 제거된 이미지를 얻을 수 있다. 도 5는 off-axis 홀로그래피에서 복소공액 홀로그램을 이용한 재생상과 일반 홀로그램을 이용해서 얻은 재생상이다. 도 5(a) 내지 (d)는 도 4와 같이 USAF의 그룹 6중 주기가 13.9 마이크로미터인 문양을 시료로 이용한 것이고, 도 5(e),(f)는 도 5(g)와 같은 TFT(Thin Film Transistor)를 시료로 이용한 결과이다.
도 5의 결과는 시료를 조금 기울여서 실험한 결과이다. 도 5에서 보듯이 명암 재생상인 경우(도 5(a),(b))에 일반 홀로그램과 복소공액 홀로그램의 재생상이 동일한 것을 볼 수 있다. 명암 재생상은 위상 정보를 가지고 있지 않기 때문에 시료가 약간 기울어져 있어도 재생상에는 영향을 주지 않는다. 그러나 도 5(c)와 (d)는 위상 재생상이다. 도 5(c)는 일반 홀로그램으로 재생한 위상 재생상으로 시료가 기울어져 있어 즉, 위상 왜곡을 포함하고 있어 명확한 위상 재생상을 얻을 수 없으나, 도 5(d)는 복소공액 홀로그램을 이용한 경우로 위상 왜곡이 제거되어 명확한 위상 재생상을 얻을 수 있다. 도 5(e),(f)의 결과는 TFT 시료에서 얻은 위상 재생상 결과인데, 도 5(c),(d)와 동일한 결과를 보여 주고 있다. 즉 도 5(e)의 경우 시료가 기울어져 있어 위상 왜곡이 생겨 노이즈와 같이 작용하여 정확한 위상 이미지를 얻을 수 없으나, 도 5(f)는 위상 왜곡이 제거되어 위상 재생상을 얻을 수 있다. 도 5(g)는 TFT의 2차원 영상이다. 도 5(f)와 (g)를 비교해 보면 대체적으로 같은 영상을 보여주고 있음을 알 수 있다. 도 5(f)에서 보이는 줄무늬는 시료가 빛 진행 방향에 대해 완벽하게 수직으로 되어있지 않기 때문에, 즉 빛 진행 방향에 대해 조금 기울어져 있기 때문에 생긴 위상차 결과이다.
도 6은 in-line 홀로그래피의 결과이다. in-line 홀로그래피의 경우에는 off-axis 홀로그래피와는 달리 필터된 홀로그램을 구하는 것이 보다 어렵다. off-axis의 경우에는 도 4(b)와 같이 공간 주파수 상에서 허상, 실상, DC항이 분리가 됨으로 필터된 홀로그램을 쉽게 얻을 수 있으나, in-line 홀로그래피에서는 허상, 실상, DC항이 겹쳐져 있어 분리가 쉽지않다. 필터된 홀로그램을 얻기 위해 본 발명에서는 허상, 실상을 구분하기 위하여 4등분 분할방법과 DC항을 제거하기 위해 평균 제거법을 이용하였다.
도 6의 시료는 프리즘 시트이다. in-line의 경우는 시료를 기울이지 않고 참조광의 효과만을 조사하였다. 도 6 (a),(b)는 각각 시료가 있는 경우 (R*O)와 시료가 없는 경우 (R*OO)의 홀로그램이다. 도 6(c)는 도 6(a)를 이용하여 얻은 위상 재생상이고, 도 6(d)는 복소공액 홀로그램을 이용하여 얻은 위상 재생상이다. 도 6(c)와 (d)의 원 부분을 참조하면 복소공액 홀로그램을 이용한 경우가 잡음이 적은 것을 볼 수 있다. 즉 복소공액 홀로그램을 이용하면 DC 잡음도 줄일 수 있음을 알 수 있다. 도 5와 도 6의 결과로부터 복소공액 홀로그램을 이용하면 위상 왜곡과 DC 항 잡음을 모두 줄일 수 있어 보다 질 좋은 영상을 재생할 수 있음을 알 수 있다. 이는 디지털 홀로그램의 장점을 잘 보여주는 결과이다. 즉 디지털 홀로그램의 장점은 수치적 재생인데, 이 수치적 재생 과정에서 광학계나 측정 시스템의 잡음을 수치적으로 잘 제거할 수 있음을 보여주고 있다. 따라서, 본 발명에서는 복소공액 홀로그램을 도입하여 off-axis 홀로그래피와 in-line 홀로그래피에서 재생상의 왜곡을 감소시킬 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 이러한 결과는 디지털 홀로그래피에서 노이즈를 효과적으로 줄여 명확한 위상 재생상을 얻는데 유리하며, 홀로그래피를 이용한 3차원 측정에 유용하게 이용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 디지털 홀로그래픽 현미경의 CCD 촬상소자로 촬영된 홀로그램이고, 도 8은 상기 도 7에서 촬영된 홀로그램에 대하여 재생거리별로 재생한 위상 재생상이다. 또한, 도 9는 도 8의 재생거리를 보다 세분화하여 재생한 위상 재생상이다. 상기 위상 재생상의 값은 가장 높은 높이를 갖는 값이 그레이 레벨 255의 밝은 색에 해당하고, 가장 낮은 높이를 갖는 값이 그레이 레벨 0의 어두운 색에 해당하도록 그레이 레벨로 표시되었다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제 2 단계(S2)는 상기 제 1 단계(S1)에서 촬영된 홀로그램에 대하여 최소 재생거리로부터 최대 재생거리까지 일정 재생거리 간격의 다수 개의 위상 재생상을 획득한다. 여기서 재생거리라 함은 대물렌즈의 위치를 기반으로 홀로그램 위상이 재생되는 거리를 말하며, 재생거리가 0cm인 경우 최소 재생거리로서 샘플의 저면 즉, 바닥면에 대한 위상 재생상이 된다.
디지털 홀로그래픽 현미경을 이용하여 홀로그램을 획득하고 상기 획득된 홀로그램의 위상 재생시에 디지털 홀로그래픽 현미경에 사용된 대물렌즈의 개구수(Numerical Aperture:NA) 값에 의존하는 피사계 심도(Depth Of Field:DOF) 내의 위상만이 재생거리에서 획득된 정확한 샘플의 위상 정보에 해당한다. 피사계 심도라 함은 렌즈에 형성되는 피사체의 상이 뚜렷하게 보일 수 있는 가장 가까운 거리와 가장 먼 거리 사이의 범위를 말한다.
상기 디지털 홀로그래픽 현미경에 사용되는 대물렌즈의 피사계 심도 내에 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이가 위치하는 경우에는 상기 결함의 정확한 위상 정보를 얻을 수 있게 되어 하나의 위상 재생상으로부터 디스플레이 기판의 결함의 높이를 측정할 수 있다. 그러나, 디스플레이 기판의 결함의 경우 대부분 폭이 좁고 높이가 높게 형성되어 디지털 홀로그래픽 현미경에 사용되는 대물렌즈의 피사계 심도 밖에 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이가 위치하게 된다. 따라서 다수 개의 위상 재생상이 필요하게 된다.
본 발명의 제 3 단계(S3)는 상기 제 2 단계(S2)에서 획득한 다수 개의 위상 재생상에 대하여 최소 재생거리의 위상 재생상부터 순차적으로 재생하여 위상반전이 있는 위상 재생상을 검출한다.
보다 상세하게는, 도 8에서 사각형 부분으로 도시된 부분이 디스플레이 기판의 결함 부분으로 도 8(a) 내지 도 8(c)에 도시된 재생거리가 0cm에서 2cm 까지는 결함 부분의 위상 재생상의 값이 주변의 위상 재생상의 값에 비해 높게 나온다. 그러나 도 8(d)에 도시된 바와 같이 재생거리가 3cm인 경우에는 주변의 위상 재생상의 값에 비해 결함 부분의 위상 재생상의 값이 낮게 나온다. 상기와 같이 위상값이 반전되는 즉, 위상반전이 있는 재생거리 값을 더욱 상세하게 알아내기 위하여 2cm부터 3cm까지의 재생거리를 더욱 상세하게 나누어 재생한 결과 도 9에 도시된 바와 같이 재생거리가 2.03125cm와 2.0625cm 사이에서 위상반전이 있는 것을 알 수 있다.
본 발명의 제 4 단계(S4)는 상기 제 3 단계(S3)에서 검출된 위상 반전이 있는 위상 재생상의 재생거리를 기반으로 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이를 측정한다. 위상 반전이 있는 위상 재생상의 재생거리는 결함의 높이에 의존하는 값으로 결함의 실제 높이 값에는 해당하지 않는다. 따라서, 결함의 실제 최대 높이를 측정하기 위하여는, 이미 높이 값과 이에 해당하는 재생거리가 알려진 샘플을 표준 데이터로 하여 재생거리를 비교하고, 상기 재생거리의 비율에 따라 디스플레이 기판의 결함의 실제 최대 높이를 계산하여 측정할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용한 결함 측정 방법의 제 2 단계 내지 제 4 단계는 GPGPU(General-Purpose computing on Graphics Processing Units: 그래픽 처리 장치를 통한 일반 목적의 컴퓨팅)에 의하여 수행되는 것으로 구성할 수 있다. 상기 GPGPU는 컴퓨터 그래픽스를 위한 계산만 다루는 GPU를 사용하여 CPU에 전통적으로 관리했던 응용 프로그램들의 계산을 수행하는 프로세서를 말한다.
따라서, 본 발명에 따른 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용한 결함 측정 방법은 GPGPU에 의하여 최소 재생거리로부터 최대 재생거리까지 일정 재생거리 간격의 다수 개의 위상 재생상을 획득하고, 상기 획득된 다수 개의 위상 재생상을 최소 재생거리의 위상 재생상부터 순차적으로 재생하여 위상 반전이 있는 위상 재생상을 검출하여 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이를 0.8초 이내의 빠른시간 내로 측정할 수 있게 된다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
100: 광원부 200: 참조광 생성부
300: 물체광 생성부 400: CCD
500: 연산부

Claims (7)

  1. 라인 카메라로 디스플레이 기판을 스캔하여 결함의 위치를 검출하고 상기 검출된 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경에 있어서,
    상기 디지털 홀로그래픽 현미경은 광원부; 참조광을 만드는 참조광 생성부; 물체광을 만드는 물체광 생성부; 상기 참조광과 물체광을 결합하여 홀로그램을 기록하는 CCD; 및, 상기 기록된 간섭무늬를 수치적으로 분석하는 연산부를 포함하고,
    상기 연산부는 CCD에 기록된 홀로그램에 대하여 최소 재생거리로부터 최대 재생거리까지 일정 재생거리 간격의 다수 개의 위상 재생상을 획득하여 최소 재생거리의 위상 재생상부터 순차적으로 재생하여 위상반전이 있는 위상 재생상의 재생거리를 기반으로 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이를 측정하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원부는 회전하여 레이저광을 확산시키는 회전 확산판을 더 포함하여, 상기 레이저광이 상기 회전 확산판을 투과하여 확산되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연산부는 GPGPU(General-Purpose computing on Graphics Processing Units)인 것을 특징으로 하는 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경.
  4. 라인 카메라로 디스플레이 기판을 스캔하여 결함의 위치를 검출하고 상기 검출된 디스플레이 기판의 결함을 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용하여 3차원적으로 측정하는 방법에 있어서,
    상기 검출된 디스플레이 기판의 결함에 대한 홀로그램을 촬영하는 제 1 단계;
    상기 촬영된 홀로그램에 대하여 최소 재생거리로부터 최대 재생거리까지 일정 재생거리 간격의 다수 개의 위상 재생상을 획득하는 제 2 단계;
    상기 다수 개의 위상 재생상에 대하여 최소 재생거리의 위상 재생상부터 순차적으로 재생하여 위상 반전이 있는 위상 재생상을 검출하는 제 3 단계; 및,
    상기 위상 반전이 있는 위상 재생상의 재생거리를 기반으로 상기 디스플레이 기판의 결함의 최대 높이를 측정하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용한 결함 측정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 홀로그램을 촬영하는 제 1 단계는,
    수학식 5에 의하여 참조광(R), 물체광(O) 및, 시료 없는 물체광(OO)를 정의하는 제 1-1 단계;
    상기 수학식 5를 이용하여 수학식 6에 의하여 홀로그램의 허상을 표현하는 제 1-2 단계;
    상기 수학식 6을 이용하여 수학식 7에 의하여 수치적 렌즈를 정의하는 제 1-3 단계;
    상기 수학식 7을 이용하여 수학식 8에 의하여 위상 왜곡이 제거된 복소공액 홀로그램을 얻는 제 1-4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용한 결함 측정 방법.

    수학식 5
    Figure pat00009

    (수학식 5에서 kx, ky는 빛 파수이고, WR, WO는 참조광과 물체광의 위상왜곡, φ(w,y)는 시료의 위상정보이다.)

    수학식 6
    Figure pat00010


    수학식 7
    Figure pat00011


    수학식 8
    Figure pat00012

  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 디지털 홀로그래픽 현미경의 광원은 레이저광이 회전 확산판을 투과하여 확산되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용한 결함 측정 방법.
  7. 제 4 항 또는 5 항에 있어서,
    상기 제 2 단계 내지 제 4 단계는 GPGPU(General-Purpose computing on Graphics Processing Units)에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 기판의 결함을 3차원으로 측정하는 디지털 홀로그래픽 현미경을 이용한 결함 측정 방법.
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