WO2012050375A2 - 측정장치 및 이의 보정방법 - Google Patents

측정장치 및 이의 보정방법 Download PDF

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WO2012050375A2
WO2012050375A2 PCT/KR2011/007622 KR2011007622W WO2012050375A2 WO 2012050375 A2 WO2012050375 A2 WO 2012050375A2 KR 2011007622 W KR2011007622 W KR 2011007622W WO 2012050375 A2 WO2012050375 A2 WO 2012050375A2
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patterns
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이현기
권달안
전정열
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주식회사 고영테크놀러지
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
    • G01C11/02—Picture taking arrangements specially adapted for photogrammetry or photographic surveying, e.g. controlling overlapping of pictures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0608—Height gauges

Definitions

  • the present invention relates to a measuring device and a method for correcting the same, and more particularly, to a measuring device for precisely measuring a measuring object formed on a substrate and a method of correcting a measuring device for correcting a systematic distortion of the measuring device. will be.
  • a substrate on which electronic components for controlling driving of the electronic apparatus is mounted is mounted in the electronic apparatus.
  • a substrate on which a central processing semiconductor chip is mounted is mounted in an electronic device as a central processing unit (CPU) for central control of the electronic device. Since such a central processing unit corresponds to an important component of an electronic device using the same, it is necessary to check whether the central processing semiconductor chip is properly mounted on a substrate in order to confirm the reliability of the components of the central processing unit.
  • CPU central processing unit
  • a projection unit including an illumination source and a grid element includes a projection unit for irradiating pattern light to the measurement object, and an imaging unit for photographing a pattern image of the measurement object through irradiation of pattern light.
  • a technique for inspecting a substrate on which a measurement object is mounted using a measuring device is used.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and the present invention provides a method of correcting a measuring apparatus, which can improve the reliability of the measured data by correcting the system distortion of the measuring apparatus.
  • a method of calibrating a measuring device including photographing a calibration substrate on which a plurality of patterns are formed through an imaging unit including a camera and an imaging lens to obtain an image, and a length between the patterns in the obtained image.
  • Obtaining information acquiring reference data of the calibration substrate, acquiring posture information of the calibration substrate using length information between the obtained plurality of patterns and length information between the plurality of patterns in the reference data.
  • calibrating the imaging unit by using the posture information and the reference data of the calibration substrate.
  • the imaging lens may include a telecentric lens.
  • the acquiring of the posture information may determine whether the inclination of the calibration substrate is positive or negative by comparing the sizes of at least two patterns among the plurality of patterns.
  • calibration of the imaging unit may be performed by using an average value of calibration data obtained by measuring the calibration substrate at least twice with respect to a plurality of postures.
  • a method of correcting a measuring device the method for correcting distortion of the optical system of a measuring device for measuring a measurement object through an imaging unit using an optical system including a spherical lens and an aspherical lens. Photographing the substrate on which the patterns are formed to obtain an image, and dividing the obtained image into a plurality of sub-regions, and compensating for distortion of each of the sub-regions.
  • the aspherical lens may include a beam splitter having a plate shape.
  • a compensation condition specific to the subregion is obtained by using compensation values for each pattern corresponding to a plurality of patterns included in the subregion. Meanwhile, after performing distortion compensation a plurality of times while changing the shape of the sub area, the shape of the sub area may be determined based on the obtained plurality of compensation data.
  • a method of calibrating a measuring device comprising: measuring a reference phase by measuring a phase of a substrate for measuring a reference phase through an imaging unit, wherein the reference plane of the measured reference phase is positioned on an image plane of the imaging unit Obtaining an inclined posture with respect to the image, and calculating a height for correcting the reference plane with respect to the image pickup unit based on the inclined posture.
  • the method may further include obtaining a height based on the reference phase by measuring a phase of the substrate for measuring the attitude information, and comparing the height of the substrate for measuring the attitude information with the height of the substrate for the attitude information measurement.
  • the method may include obtaining an inclined posture of the reference plane of the measured reference phase.
  • the obtaining of the inclined posture of the reference plane on the measured reference phase may include calculating a height of the substrate plane from a predetermined ideal reference plane parallel to the image plane, and adjusting the height of the substrate plane and the height of the substrate.
  • the method may include obtaining an inclined posture of the reference plane on the reference phase.
  • the acquiring of the substrate surface of the substrate for measuring the posture information may include measuring the substrate for measuring the posture information having a plurality of recognition marks through the imaging unit and measuring the length between the recognition marks to measure the posture information. It is possible to calculate the inclined posture of the substrate.
  • a measuring device including at least one projection unit for irradiating patterned light onto a substrate on which a measurement object is formed, an illumination unit for irradiating light to the substrate, and disposed on an upper portion of the substrate to provide an image of the substrate. And an image pickup unit for photographing and a beam splitter disposed between the image pickup unit and the substrate, wherein a part of the light incident from the illumination unit is reflected toward the substrate and the other part is transmitted, but the reflectance and the transmittance are asymmetric.
  • the beam splitter has a higher transmittance than a reflectance.
  • the light emitted from the illumination unit is reflected by the beam splitter and irradiated onto the measurement object, and the light reflected from the measurement object passes through the beam splitter again and is incident to the imaging unit.
  • the measuring device and a correction method thereof by measuring the focal length of the image pickup unit and compensating for distortion caused by non-uniformity of optical systems such as spherical lenses and beam splitters provided in the measuring device, the measurement reliability of the measurement object is improved. Can be improved.
  • the utilization efficiency of the pattern light emitted from the projection unit can be increased, and stable pattern image can be photographed.
  • measurement reliability can be further improved by measuring the relative tilted attitude of the measurement substrate with respect to the image plane of the imaging system.
  • the measurement accuracy can be further improved by compensating for the distortion of the measured data when the telecentric lens is used in the imaging system.
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a calibration method of a measuring apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 3 is a perspective view showing a calibration substrate.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a calibration method of a measuring apparatus according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual view illustrating a method of compensating for distortion caused by an aspherical lens.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a calibration method of a measuring apparatus according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram for describing a method of correcting a reference plane of the measuring apparatus according to FIG. 6.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a substrate for measuring posture information according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • pattern 400 substrate for measuring attitude information
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the measuring apparatus 100 applies pattern light to the stage 160 and the substrate 110 to support and transport the substrate 110 on which the measurement object 112 is formed.
  • a beam splitter 150 that reflects a portion of the incident light and transmits a portion of the incident light.
  • the projection unit 120 irradiates the substrate 110 with pattern light to measure the three-dimensional shape of the measurement object 110 formed on the substrate 110.
  • the projection unit 120 includes a light source 122 for generating light, and a grating element 124 for converting light from the light source 122 into pattern light.
  • the projection unit 120 may include a grating transfer mechanism (not shown) for pitch-feeding the grating element 124 and a projection lens for projecting the pattern light converted by the grating element 124 to the measurement object 112 ( Not shown), and the like.
  • the grating element 124 may be transferred by 2 ⁇ / N through a grating transfer mechanism such as a piezo actuator (PZT) for phase shift of the patterned light.
  • PZT piezo actuator
  • Projection unit 120 having such a configuration may be provided in plurality so as to be spaced apart at a predetermined angle in the circumferential direction with respect to the imaging unit 140 in order to increase the inspection accuracy.
  • four projection units 120 are spaced apart at an angle of 90 ° along the circumferential direction with respect to the imaging unit 140.
  • the plurality of projection parts 120 are installed to be inclined at a predetermined angle with respect to the substrate 110 to irradiate pattern light onto the substrate 110 from a plurality of directions.
  • the lighting unit 130 is installed to irradiate light to the beam splitter 150 between the imaging unit 140 and the substrate 110.
  • the illumination unit 130 irradiates light onto the substrate 110 through the beam splitter 150 in order to take a plane image of the substrate 110 on which the measurement object 112 is formed.
  • the lighting unit 130 includes a light source 132 for generating light.
  • the imaging unit 140 captures a pattern image of the substrate 110 through irradiation of the pattern light through the projection unit 120, and captures a plane image of the substrate 150 through irradiation of light through the illumination unit 130.
  • the imaging unit 140 is installed at an upper portion perpendicular to the substrate 150.
  • the imaging unit 140 may include a camera 142 for capturing an image and at least one imaging lens 144 for imaging the light incident on the imaging unit 140 on the camera 142.
  • the camera 142 may include a CCD camera or a CMOS camera.
  • the imaging lens 144 includes, for example, a telecentric lens for passing only light parallel to the optical axis to minimize image distortion due to the z axis.
  • the beam splitter 150 is installed between the imaging unit 140 and the substrate 110.
  • the beam splitter 150 reflects a part of incident light and transmits a part of the incident light. Therefore, the light emitted from the lighting unit 130 is partially reflected by the beam splitter 150 to the substrate 110 and the other part is transmitted. In addition, a part of the light reflected from the substrate 110 passes through the beam splitter 150 and is incident on the imaging unit 140, and a part of the light is reflected by the beam splitter 150.
  • the light scattered using the beam splitter 150 is irradiated to the measurement object 112, and the light reflected from the measurement object 112 is incident to the imaging unit 140 through the beam splitter 150 again.
  • the measurement reliability can be improved when a shadow is generated on the measurement object 112 by the measurement object 112 or the surroundings having high surface reflection characteristics.
  • the measurement object 112 is a central processing semiconductor component used in a central processing unit (CPU)
  • CPU central processing unit
  • the beam splitter 150 is positioned below the imaging unit 140, a part of the light directed toward the beam splitter 150 after the pattern light emitted from the projection unit 120 is reflected by the substrate 110 is reflected. While passing through the beam splitter 150 and incident on the image pickup unit 140, some of the remaining light is reflected by the beam splitter 150.
  • the beam splitter 150 has a reflectance and transmittance in consideration of the amount of light emitted from the illumination unit 130 to the imaging unit 140 and the amount of light emitted from the projection unit 120 to the imaging unit 140. It is formed to have asymmetrical characteristics. In particular, the beam splitter 150 is formed to have a higher transmittance than the reflectance so that the pattern light emitted from the projection unit 120 is reflected from the substrate 110 and then a large amount of light is incident on the imaging unit 140. . For example, the beam splitter 150 may have a reflectance and a transmittance of about 3: 7.
  • the reflected light reflected from the substrate 110 must be photographed by the imaging unit 140. Due to the beam splitter 150 installed at the lower portion of the beam, only a part of the light reflected from the substrate 110 passes through the beam splitter 150 and enters the imaging unit 140, and the remaining light is reflected by the beam splitter 150. Lost. If the amount of light incident on the imaging unit 140 is too small, it may be difficult to measure the three-dimensional shape, so that the light lost by the beam splitter 150 may be reduced and the amount of light incident on the imaging unit 140 may be increased.
  • the transmittance of the beam splitter 150 is preferably formed higher than the reflectance.
  • the transmittance of the beam splitter 150 when the transmittance of the beam splitter 150 is formed to be higher than the reflectance, the amount of light emitted from the illumination unit 130 and passing through the beam splitter 150 twice and then incident to the imaging unit 140 may be somewhat reduced. This does not significantly affect the measurement of the measurement object 112.
  • the pattern light emitted from the projection unit 120 is reduced by the amount of light passing through the grating element 124, so that the transmittance of the beam splitter 150 is increased to increase the amount of light incident to the imaging unit 140 desirable.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of calibrating a measuring apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a calibration substrate.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a calibration method of the imaging unit illustrated in FIG. 1.
  • the lengths of the plurality of patterns 210 formed on the calibration substrate 200 are measured, and the reference of the calibration substrate 200 is measured.
  • the imaging unit is calibrated based on the length information of the plurality of patterns 210 in the data and the measured lengths of the plurality of patterns 210.
  • the calibration substrate 200 may be inclined without being parallel to the image plane of the image pickup unit. Therefore, it is necessary to correct the error of the length information of the plurality of patterns 210 caused by the tilted attitude of the image plane and the calibration substrate 200.
  • the calibration substrate 200 on which the plurality of patterns 210 are formed is formed through the imaging unit 140 including the camera 142 and the imaging lens 144.
  • the imaging lens 144 may include a spherical lens.
  • the spherical lens may include a telecentric lens for minimizing image distortion due to the z-axis by passing only light parallel to the optical axis. It may include.
  • length information between the plurality of patterns 210 is obtained from the image acquired through the imaging unit 140 (S110). For example, based on one pattern 210a of the plurality of patterns 210, a distance in the X-axis direction or a distance in the Y-axis direction from the other patterns may be calculated to calculate the space between the patterns 210. Obtain length information.
  • the measurement apparatus 100 is separate from acquiring the length information between the plurality of patterns 210 in the image obtained through the imaging unit 140, the reference data (for example, CAD data) of the calibration substrate 200 Recall) (S120).
  • the reference data includes length information between the patterns 210.
  • the inclination of the calibration substrate 200 is obtained by using length information between the plurality of patterns 210 in the reference data corresponding to the length information between the plurality of patterns 210 obtained through the imaging unit 140.
  • Posture information indicating a posture is obtained (S130).
  • the inclined posture of the calibration substrate 200 means a posture relative to the image plane of the imaging unit 140.
  • the imaging unit 140 may be calibrated from the average value of the measured distances. That is, the length and position of the calibration substrate 200 are variously changed to obtain length information between the plurality of patterns 210, and the calibration substrate 200 corresponds to the length information between the plurality of patterns 210. Comparing reference data with respect to each other, the image of the substrate surface of the calibration substrate 200 and the image pickup unit 140 based on at least one of the posture information that the error of the comparison results is the minimum or the average posture information of the comparison results The angle of inclination relative to the plane can be calculated.
  • the attitude information of the calibration substrate 200 by comparing the size of at least two patterns among the patterns 210 measured by the imaging unit 140, whether the slope of the calibration substrate 200 is positive You can determine if it is negative. At this time, it is preferable to compare the sizes of the two patterns 210 that are relatively far apart in the diagonal direction.
  • the imaging unit 140 is calibrated using the posture information of the calibration substrate 200 and reference data of the calibration substrate 200 known in advance (S140). For example, by substituting the attitude information and the reference data into an imaging unit matrix equation in which the characteristics of the imaging unit 140 are mathematically defined, the focal length information and / or magnification information of the imaging unit 140 corresponding to the unknown is obtained. Calibration data can be calibrated. In this case, in order to increase the accuracy of the calibration data, the calibration of the imaging unit 140 may be performed using the average value of the calibration data obtained by measuring the calibration substrate 200 at least twice for a plurality of postures.
  • the measurement accuracy can be improved.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a calibration method of a measuring apparatus according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of correcting an aspherical lens provided in a measuring device.
  • the measuring apparatus 100 includes an imaging lens (eg, a telecentric lens) 144 and an imaging unit provided in the imaging unit 140. 140, a three-dimensional shape of the measurement object is measured using an optical system including a beam splitter 150 provided below (a beam splitter is a type of aspherical lens).
  • an imaging lens eg, a telecentric lens
  • an imaging unit provided in the imaging unit 140. 140
  • a three-dimensional shape of the measurement object is measured using an optical system including a beam splitter 150 provided below (a beam splitter is a type of aspherical lens).
  • the optical system may include a spherical lens and an aspherical lens
  • the error caused by the spherical lens generally has a regular distortion and the aspherical lens may have an irregular distortion. Therefore, when compensating for the error of the optical system, the overall distortion of the spherical lens and the aspherical lens may be compensated for, or the distortion of the spherical lens and the aspherical lens may be compensated for, respectively.
  • the imaging lens 144 includes a spherical lens, and distortion of the captured image may occur due to non-uniformity of the spherical lens itself. Therefore, the distortion due to non-uniformity of the imaging lens 144 including the spherical lens can be compensated for in order to correct the optical system provided in the measuring device 100 before proceeding with the measurement of the measurement object 112. . Since the compensation method of the spherical lens is generally known in the art, a detailed description thereof will be omitted.
  • the aspherical lens may be a beam splitter 150.
  • the beam splitter 150 is formed in a plate shape in one embodiment, and has a structure in which coating layers are formed on both surfaces. Since the refractive index of the beam splitter 150 may vary depending on an area, the beam splitter 150 may cause distortion of the captured image.
  • FIG. 5 is a conceptual view illustrating a method of compensating for distortion caused by an aspherical lens.
  • the substrate 300 having the plurality of patterns 310 formed thereon is photographed through the imaging unit 140.
  • An image of 300 is obtained (S200).
  • the image of the substrate 300 photographed by the imaging unit 140 is divided into a plurality of sub regions 320, and different compensation conditions are applied to each sub region 320 to compensate for the distortion (S210). ).
  • an image of the substrate 300 may be divided into sub-regions 320 having a lattice shape.
  • Compensation conditions applied to each sub-region 320 may be specialized in the sub-region 320 using compensation values for each pattern corresponding to the plurality of patterns 310 included in the sub-region 320. For example, the position of the patterns 310 on the reference data (for example, the CAD data) with respect to the substrate 300 and the position of the patterns 310 on the photographed image are compared to correspond to each pattern 310. After calculating the error value (that is, the compensation value that needs to be compensated), the value of the error of the compensation values for each pattern of the patterns 310 included in each sub-region 320 is minimized or the The average value may be calculated and set as a compensation condition of the corresponding subregion 320.
  • the error value that is, the compensation value that needs to be compensated
  • the shape of the optimized sub area 320 may be determined based on the obtained plurality of compensation data. For example, after applying the compensation conditions specialized for the different sized sub-regions 320 while changing the size of the sub-region 320 in the form of a lattice, the amount of distortion is the smallest based on the result. By selecting the shape of the sub-region 320 that comes out, the sub-region 320 can be optimized.
  • the measurement reliability of the measurement object can be improved. have.
  • the height of the measurement object 112 is measured based on the reference plane stored in the apparatus. That is, the substrate for measuring the reference phase is measured and stored in the apparatus, and the plane of the substrate for measuring the reference phase measured at this time is the reference plane.
  • the measurement data may be distorted when the actual reference plane is inclined relative to the image plane of the imaging unit 140, it is necessary to newly set the actual reference plane of the apparatus before measuring the height of the measurement object. That is, a relative error between the ideal reference plane parallel to the image plane of the image pickup unit and the measured reference plane may be obtained, and the obtained error value may be set as compensation data.
  • the measurement error according to the attitude of the image pickup unit is corrected so that the image plane and the measured reference plane of the image pickup unit are measured even if the image pickup unit moves to measure a plurality of measurement areas (FOV). It is possible to maintain parallelism between the image plane of the image pickup unit and the measured reference plane without being affected by the error of.
  • FOV measurement areas
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of calibrating a measuring apparatus according to another exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a method of calibrating a reference plane of the measuring apparatus according to FIG. 6, and
  • FIG. 8 is an embodiment of the present invention.
  • a substrate (first specimen) for measuring a reference phase is set in a measurement area of the imaging unit 140, and then the reference phase measurement is performed.
  • the reference phase for the substrate is measured (S300).
  • the phase of the substrate for measuring the reference phase may be measured by a phase measurement profile measurement (PMP) using the projection unit 120.
  • the measured reference plane's reference plane acquires a posture tilted with respect to the image plane of the imaging unit 140 (S310).
  • a substrate (second specimen) for measuring attitude information is set in the measurement area of the imaging unit 140, and then the substrate for measuring the attitude information is captured by the imaging unit 140. ) To obtain a substrate surface of the substrate for measuring the attitude information.
  • a substrate 400 having a plurality of recognition marks 410 may be used to check the inclined posture as shown in FIG. 8.
  • the substrate surface of the substrate 400 for measuring the attitude information measures the length between the recognition marks 410 formed on the substrate 400 for the attitude information measurement, thereby inclining the substrate 400 for the attitude information measurement.
  • the X and Y coordinates of the recognition marks 410 are obtained through the measurement image photographed by the imaging unit 140 through light irradiation of the illumination unit 130, and the Z coordinates of the recognition marks 410 are obtained.
  • the length between the recognition marks 410 may be measured and obtained. That is, by comparing the length between the measured recognition marks 410 and the length between the recognition marks 410 previously known by reference data (for example, CAD data), the inclination angles are calculated to calculate the inclination angles.
  • the relative height of 410 can be obtained.
  • the substrate 400 for measuring the attitude information may include a protrusion 420 protruding at a predetermined height in the center to determine whether the inclination angle is positive or negative. Since the shape of the protrusion 420 photographed by the imaging unit 140 varies according to whether the inclination of the substrate 400 for measuring the attitude information is positive or negative, it is necessary to measure the attitude information through the measurement image of the protrusion 420. It may be determined whether the inclination angle of the substrate 400 is positive or negative.
  • the plane equation is generated by using the inclined attitude of the substrate 400 for measuring the attitude information thus obtained, and the substrate surface of the substrate 400 for the attitude information measurement is obtained using the plane equation to obtain an image plane.
  • the tilted posture of the substrate 400 for measuring the posture information and the height Z 4 from the ideal reference plane may be obtained.
  • the ideal reference plane may be a preset plane parallel to the image plane, and in one embodiment, may be set based on a height value of one of the measured recognition marks 410.
  • the substrate surface of the substrate 400 for measuring attitude information may be grasped through a plane equation representing an inclined posture of the substrate 400 for measuring attitude information.
  • the plane equation may measure attitude information.
  • the phases of the substrate 400 for measuring the attitude information are measured to obtain heights Z 1 and Z 2 based on the reference phases.
  • the phase of the substrate 400 for measuring the attitude information may be measured by using a phase measurement profile measurement (PMP) using the projection unit 120.
  • PMP phase measurement profile measurement
  • the inclined posture of the reference plane of the measured reference phase is obtained by comparing the height of the substrate surface of the substrate 400 for measuring the attitude information with the height of the substrate 400 for measuring the attitude information.
  • the height Z 4 of the substrate surface of the substrate 400 for attitude information measurement is calculated from a predetermined ideal reference plane that is parallel to the image plane of the imaging unit 140, and the height Z of the substrate surface. 4 ) and an inclined posture of the reference plane of the reference phase based on the substrate 400 for measuring the posture information.
  • a height Z 3 for correcting the reference plane with respect to the imaging unit 140 is calculated based on the inclined attitude of the reference plane on the reference phase (S320). For example, the height Z 2 of the substrate surface of the substrate 400 for measuring the attitude information from the ideal reference plane is subtracted from the height Z 2 of the substrate 400 for the attitude information measurement obtained through the PMP measurement. By doing so, the height Z 3 required for the correction of the reference plane can be obtained, and through this, the attitude of the correction reference plane corresponding to the actual reference plane can be determined.
  • the height Z 3 required for the correction of the reference plane may be grasped for each of the plurality of projection units.
  • the substrate for measuring the reference phase (first specimen) and the substrate for measuring the attitude information (second specimen) may be formed as separate substrates that are physically independent of each other.
  • a function and a function for measuring the attitude information may be formed as one substrate.

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Abstract

본 발명은 측정대상물이 형성된 기판을 측정하는 측정장치 및 이의 보정방법에 관한 것으로, 본 발명의 보정방법에 따르면, 기준위상 측정을 위한 기판의 위상을 촬상부를 통해 측정하여 기준위상을 측정하고, 측정된 기준위상의 기준면이 촬상부의 이미지 평면에 대해 기울어진 자세를 획득한 후, 기울어진 자세를 기초로 촬상부에 대한 기준면의 보정이 필요한 높이를 산출한다. 이와 같이, 기준위상의 기울어진 자세를 기초로 높이 측정의 기준이 되는 기준면을 보정함으로써, 측정대상물의 측정 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

Description

측정장치 및 이의 보정방법
본 발명은 측정장치 및 이의 보정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판에 형성된 측정대상물을 정밀하게 측정하기 위한 측정장치 및 상기 측정장치가 갖는 시스템적인 왜곡을 보정하기 위한 측정장치의 보정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전자 기기 내에는 전자 기기의 구동을 제어하기 위한 전자 부품들이 실장된 기판이 탑재된다. 특히, 전자 기기 내에는 전자 기기의 중앙 제어를 위한 중앙처리장치(CPU)로서, 중앙처리 반도체칩이 실장된 기판이 탑재된다. 이러한 중앙처리장치는 이를 이용하는 전자 기기의 중요 부품에 해당하므로, 중앙처리장치의 부품 신뢰성을 확인하기 위하여, 중앙처리 반도체칩이 기판상에 제대로 실장되었는지를 검사할 필요가 있다.
최근 들어, 측정대상물이 형성된 기판을 검사하기 위하여, 조명원 및 격자소자를 포함하여 측정대상물로 패턴광을 조사하는 투영부와, 패턴광의 조사를 통해 측정대상물의 패턴영상을 촬영하는 촬상부를 포함하는 측정장치를 이용하여 측정대상물이 실장된 기판을 검사하는 기술이 사용되고 있다.
그러나, 측정대상물이 실장된 기판을 검사함에 있어, 측정장치 내에 설치된 광학계 자체가 갖는 왜곡으로 인해 측정데이터의 왜곡이 발생될 수 있다. 또한, 기판의 기울어진 자세를 고려하지 않은 2차원적 측정을 하다보니, 촬상부의 이미지 평면과 실제 기판이 세팅되는 측정대상 평면이 평행하지 못해 측정데이터의 왜곡이 발생되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명은 측정장치가 갖는 시스템적인 왜곡을 보정하여 측정데이터에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 측정장치의 보정방법을 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 측정장치의 보정방법은, 카메라 및 촬상 렌즈를 포함하는 촬상부를 통해 복수의 패턴들이 형성된 캘리브레이션 기판을 촬영하여 이미지를 획득하는 단계, 상기 획득된 이미지에서 상기 패턴들 간의 길이 정보를 획득하는 단계, 상기 캘리브레이션 기판의 기준데이터를 불러오는 단계, 상기 획득된 복수의 패턴들 간의 길이 정보와 상기 기준데이터에서의 복수의 패턴들 간의 길이 정보를 이용하여 상기 캘리브레이션 기판의 자세 정보를 획득하는 단계, 및 상기 자세 정보와 상기 캘리브레이션 기판의 상기 기준데이터를 이용하여 상기 촬상부를 캘리브레이션하는 단계를 포함한다. 상기 촬상 렌즈는 텔레센트릭(telecentric) 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 자세 정보를 획득하는 단계는, 상기 복수의 패턴들 중에서 적어도 2개의 패턴의 크기를 비교하여 상기 캘리브레이션 기판의 기울기가 양인지 음인지를 판단할 수 있다.
상기 촬상부를 캘리브레이션하는 단계는, 상기 캘리브레이션 기판을 복수의 자세에 대하여 적어도 2회 이상 측정하여 획득된 캘리브레이션 데이터들의 평균값을 이용하여 상기 촬상부의 캘리브레이션을 진행할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 측정장치의 보정방법은, 구면 렌즈와 비 구면 렌즈를 포함하는 광학계를 이용하여 측정대상물을 촬상부를 통해 측정하는 측정장치의 상기 광학계의 왜곡을 보정하는 방법에 있어서, 복수의 패턴들이 형성된 기판을 촬영하여 이미지를 획득하는 단계, 및 상기 획득된 이미지를 복수의 서브 영역으로 분할하고, 각각의 상기 서브 영역에 대한 왜곡을 보상하는 단계를 포함한다.
상기 비구면 렌즈는 플레이트 형상을 갖는 빔 스플리터를 포함할 수 있다.
상기 서브 영역에 대한 왜곡을 보상하기 위해, 상기 서브 영역에 포함된 복수의 패턴들에 각각 대응되는 패턴별 보상값들을 이용하여 상기 서브 영역에 특화된 보상 조건을 획득한다. 한편, 상기 서브 영역의 형태를 달리하면서 복수 회에 걸쳐 왜곡 보상을 수행한 후, 획득된 복수의 보상 데이터들을 기초로 상기 서브 영역의 형태를 결정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 측정장치의 보정방법은, 기준위상 측정을 위한 기판의 위상을 촬상부를 통해 측정하여 기준위상을 측정하는 단계, 상기 측정된 기준위상의 기준면이 상기 촬상부의 이미지 평면에 대해 기울어진 자세를 획득하는 단계, 상기 기울어진 자세를 기초로 상기 촬상부에 대한 상기 기준면의 보정이 필요한 높이를 산출하는 단계를 포함한다.
상기 촬상부의 이미지 평면에 대해 상기 측정된 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득하는 단계는, 자세정보 측정을 위한 기판을 상기 촬상부를 통해 측정하여 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 기판면을 획득하는 단계, 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 위상을 측정하여 상기 기준위상을 기초로 높이를 획득하는 단계, 및 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 기판면과 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 높이를 비교하여 상기 측정된 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 측정된 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득하는 단계는, 상기 기판면의 높이를 상기 이미지 평면과 평행한 기설정된 이상적인 기준면으로부터 산출하는 단계, 및 상기 기판면의 높이와 상기 기판의 높이를 기초로 상기 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 자세정보 측정을 위한 기판의 기판면을 획득하는 단계는, 복수의 인식마크가 형성된 상기 자세정보 측정을 위한 기판을 상기 촬상부를 통해 측정하여 상기 인식마크들 간의 길이를 측정하여 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 기울어진 자세를 계산할 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따른 측정장치는, 측정대상물이 형성된 기판에 패턴광을 조사하는 적어도 하나의 투영부, 광을 상기 기판에 조사하기 위한 조명부, 상기 기판의 상부에 배치되어 상기 기판의 이미지를 촬영하는 촬상부, 및 상기 촬상부와 상기 기판 사이에 배치되며, 상기 조명부로부터 입사되는 광의 일부는 상기 기판을 향하도록 반사시키고 나머지 일부는 투과시키되, 반사율과 투과율이 비대칭인 빔 스플리터를 포함한다. 상기 빔 스플리터는 반사율보다 투과율이 높은 특징을 갖는다.
상기 측정장치에서, 상기 조명부로부터 출사된 광은 상기 빔 스플리터에 의해 반사되어 상기 측정대상물에 조사되고, 상기 측정대상물에서 반사된 광은 다시 상기 빔 스플리터를 투과하여 상기 촬상부에 입사되는 동축 조명 방식을 구성한다.
이와 같은 측정장치 및 이의 보정방법에 따르면, 촬상부의 초점 거리를 보정하고, 측정장치 내에 구비된 구면 렌즈와 빔 스플리터 등의 광학계의 비균일성에 의한 왜곡을 보상하여 줌으로써, 측정대상물에 대한 측정 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
또한, 촬상부의 캘리브레이션을 위한 다수의 패턴이 형성된 캘리브레이션 기판을 측정하여 측정된 패턴간의 거리정보를 기초로 캘리브레이션 기판의 자세 정보를 획득함으로써, 촬상부에 대한 초점 거리(Focal length) 및 배율 등의 캘리브레이션 데이터를 정밀하게 획득할 수 있다.
또한, 물체의 자세 정보와 PMP 측정치를 사용하여 이미지 평면과 높이 측정의 기준이 되는 기준면의 기울어짐을 보정함으로써, 측정데이터의 측정 신뢰도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 빔 스플리터의 투과율을 반사율보다 높게 구성함으로써, 투영부로부터 출사되는 패턴광의 이용 효율을 높이고, 안정적인 패턴 이미지의 촬영이 가능해 진다.
또한, 측정대상물의 높이로 인한 획득된 이미지데이터에서의 영역 오차를 보상하여, 측정 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 촬상계의 이미지 평면에 대해 측정 기판의 상대적인 기울어진 자세를 측정함으로써, 측정 신뢰도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 촬상계에 텔레센트릭 렌즈를 사용하여 측정할 때 기판의 기울어진 자세를 측정함으로써, 측정 신뢰도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 촬상계에 텔레센트릭 렌즈를 사용하여 측정할 때 측정된 데이터의 왜곡을 보상함으로써, 측정 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치의 보정방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 캘리브레이션 기판을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 측정장치의 보정방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 비구면 렌즈로 인한 왜곡을 보상하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 측정장치의 보정방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 도 6에 따른 측정장치의 기준면 보정방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자세정보를 측정하기 위한 기판을 나타낸 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 측정장치 10 : 기판
112 : 측정대상물 20 : 투영부
130 : 조명부 40 : 촬상부
142 : 카메라 44 : 결상 렌즈
150 : 빔 스플리터 200 : 캘리브레이션 기판
210 : 패턴 400 : 자세정보 측정을 위한 기판
410 : 인식마크
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치(100)는 측정대상물(112)이 형성된 기판(110)을 지지 및 이송시키기 위한 스테이지(160), 기판(110)에 패턴광을 조사하기 위한 하나 이상의 투영부(120), 기판(110)에 광을 조사하기 위한 조명부(130), 기판(110)에 대한 영상을 촬영하기 위한 촬상부(140) 및 촬상부(140)의 하부에 배치되어 입사되는 광의 일부는 반사시키고 나머지 일부는 투과시키는 빔 스플리터(150)를 포함한다.
투영부(120)는 기판(110)에 형성된 측정대상물(110)의 3차원 형상을 측정하기 위하여 패턴광을 기판(110)에 조사한다. 예를 들어, 투영부(120)는 광을 발생시키는 광원(122), 광원(122)으로부터의 광을 패턴광으로 변환시키기 위한 격자소자(124)를 포함한다. 또한, 투영부(120)는 격자소자(124)를 피치 이송시키기 위한 격자이송기구(미도시) 및 격자소자(124)에 의해 변환된 패턴광을 측정대상물(112)에 투영하기 위한 투영 렌즈(미도시) 등을 포함할 수 있다. 격자소자(124)는 패턴광의 위상천이를 위해 페이조 엑추에이터(piezo actuator : PZT) 등의 격자이송기구를 통해 2π/N 만큼씩 이송될 수 있다. 여기서, N은 2 이상의 자연수이다. 이러한 구성을 갖는 투영부(120)는 검사 정밀도를 높이기 위하여 촬상부(140)를 중심으로 원주 방향을 따라 일정한 각도로 이격되도록 복수가 설치될 수 있다. 예를 들어, 4개의 투영부(120)가 촬상부(140)를 중심으로 원주 방향을 따라 90°각도로 이격되어 설치된다. 복수의 투영부들(120)은 기판(110)에 대하여 일정한 각도로 기울어지게 설치되어, 복수의 방향으로부터 기판(110)에 패턴광을 조사한다.
조명부(130)는 촬상부(140)와 기판(110)의 사이에서 빔 스플리터(150)로 광을 조사하도록 설치된다. 조명부(130)는 측정대상물(112)이 형성된 기판(110)의 평면 이미지를 촬영하기 위하여 빔 스플리터(150)를 통해 기판(110)에 광을 조사한다. 조명부(130)는 광을 발생시키는 광원(132)을 포함한다.
촬상부(140)는 투영부(120)를 통한 패턴광의 조사를 통해 기판(110)의 패턴 이미지를 촬영하고, 조명부(130)를 통한 광의 조사를 통해 기판(150)의 평면 이미지를 촬영한다. 예를 들어, 촬상부(140)는 기판(150)으로부터 수직한 상부에 설치된다. 촬상부(140)는 이미지 촬영을 위한 카메라(142) 및 촬상부(140)로 입사되는 광을 카메라(142)에 결상시키기 위한 적어도 하나의 결상 렌즈(144)를 포함할 수 있다. 카메라(142)는 CCD 카메라 또는 CMOS 카메라를 포함할 수 있다. 결상 렌즈(144)는 예를 들어, 광축과 평행한 광만 통과시켜 z축에 의한 이미지 왜곡을 최소화시키기 위한 텔레센트릭(telecentric) 렌즈를 포함한다.
빔 스플리터(150)는 촬상부(140)와 기판(110)의 사이에 설치된다. 빔 스플리터(150)는 입사되는 광의 일부는 반사시키고, 나머지 일부는 투과시키는 특성을 갖는다. 따라서, 조명부(130)로부터 출사된 광은 빔 스플리터(150)에 의해 일부는 기판(110)으로 반사되고 나머지 일부는 투과된다. 또한, 기판(110)으로부터 반사된 광의 일부는 빔 스플리터(150)를 투과하여 촬상부(140)에 입사되고 나머지 일부는 빔 스플리터(150)에 의해 반사된다.
이와 같이, 빔 스플리터(150)를 이용하여 산란된 광을 측정대상물(112)에 조사하고, 측정대상물(112)에서 반사된 광이 다시 빔 스플리터(150)를 통해 촬상부(140)에 입사되도록 하는 동축 조명 방식을 이용함으로써, 표면 반사 특성이 높은 측정대상물(112)이나 주변에 의해 측정대상물(112)에 그림자가 발생되는 경우에 측정 신뢰도를 높일 수 있다. 특히, 측정대상물(112)이 중앙처리장치(CPU)에 사용되는 중앙처리 반도체부품일 경우, 표면 반사율이 매우 높고 부품의 두께가 두꺼우므로, 상기와 같은 동축 조명 시스템을 사용하는 것이 매우 유용하다.
한편, 빔 스플리터(150)가 촬상부(140)의 하부에 위치함으로 인해, 투영부(120)로부터 조사된 패턴광이 기판(110)에 의해 반사된 후 빔 스플리터(150)로 향하는 광의 일부는 빔 스플리터(150)를 투과하여 촬상부(140)에 입사되는 반면, 나머지 일부의 광은 빔 스플리터(150)에 의해 반사된다.
빔 스플리터(150)는 조명부(130)에서 출사된 광이 촬상부(140)로 입사되는 광량과 투영부(120)에서 출사된 광이 촬상부(140)로 입사되는 광량을 고려하여 반사율과 투과율이 비대칭인 특성을 갖도록 형성된다. 특히, 빔 스플리터(150)는 투영부(120)에서 출사된 패턴광이 기판(110)에서 반사된 후 가급적 많은 양의 광이 촬상부(140)에 입사될 수 있도록 반사율보다 투과율이 높게 형성된다. 예를 들어, 빔 스플리터(150)는 반사율과 투과율이 약 3:7 정도로 형성될 수 있다.
즉, 측정대상물(112)의 3차원 형상을 측정하기 위해서는 투영부(120)로부터 패턴광을 조사한 후 기판(110)에서 반사되는 반사광을 촬상부(140)에서 촬영하여야 하나, 촬상부(140)의 하부에 설치된 빔 스플리터(150)로 인해, 기판(110)에서 반사된 광의 일부만이 빔 스플리터(150)를 투과하여 촬상부(140)에 입사되고 나머지 광은 빔 스플리터(150)에 의해 반사되어 손실된다. 촬상부(140)에 입사되는 광량이 너무 적을 경우 3차원 형상의 측정에 어려움이 있을 수 있으므로, 빔 스플리터(150)에 의해 손실되는 광을 줄이고, 촬상부(140)로 입사되는 광량을 증가시키기 위하여, 빔 스플리터(150)의 투과율을 반사율보다 높게 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 빔 스플리터(150)의 투과율을 반사율보다 높게 형성할 경우, 조명부(130)로부터 출사되어 빔 스플리터(150)를 두 번 거친 후 촬상부(140)로 입사되는 광량은 다소 줄어들 수 있으나, 이것은 측정대상물(112)의 측정에 별다른 영향을 미치지 않는다. 반면, 투영부(120)로부터 출사되는 패턴광은 격자소자(124)를 거치면서 광량이 감소되어 출사되므로, 빔 스플리터(150)의 투과율을 높여 촬상부(140)로 입사되는 광량을 증가시키는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 구성을 갖는 측정장치(100)를 이용하여 기판(110)에 형성된 측정대상물(112)을 정확히 측정하기 위해서는 측정장치(100)에 대한 시스템 보정을 수행할 필요가 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치의 보정방법을 나타낸 흐름도이며, 도 3은 캘리브레이션 기판을 나타낸 사시도이다. 특히, 도 2는 도 1에 도시된 촬상부의 캘리브레이션 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 촬상부(140)의 캘리브레이션 방법은, 캘리브레이션 기판(200)에 형성된 복수의 패턴들(210)의 길이를 측정하고, 상기 캘리브레이션 기판(200)의 기준데이터에서의 복수의 패턴들(210)의 길이정보와 상기 측정된 복수의 패턴들(210)의 길이를 기초로 촬상부를 캘리브레이션한다.
이때, 캘리브레이션 기판(200)이 촬상부의 이미지 평면과 평행하지 않고 기울어질 수 있다. 따라서, 상기 이미지 평면과 캘리브레이션 기판(200)의 기울어진 자세로 인해 발생한 상기 복수의 패턴들(210)의 길이 정보의 오차를 보정할 필요가 있다.
캘리브레이션 기판(200)의 기울어짐으로 인한 오차 보정을 위하여, 카메라(142) 및 촬상 렌즈(144)를 포함하는 촬상부(140)를 통해 복수의 패턴들(210)이 형성된 캘리브레이션 기판(200)을 촬영하여 이미지를 획득한다(S100). 이때, 상기 촬상 렌즈(144)는 구면 렌즈를 포함할 수 있으며, 일 예로, 상기 구면 렌즈는, 광축과 평행한 광만 통과시켜 z축에 의한 이미지 왜곡을 최소화시키기 위한 텔레센트릭(telecentric) 렌즈를 포함할 수 있다.
이후, 촬상부(140)를 통해 획득된 이미지에서 복수의 패턴들(210) 간의 길이 정보를 획득한다(S110). 예를 들어, 복수의 패턴들(210) 중에서 하나의 패턴(210a)을 기준으로 다른 패턴들과의 X축 방향으로의 이격 길이 또는 Y축 방향으로의 이격 거리를 계산하여 패턴들(210) 간의 길이 정보를 획득한다.
한편, 측정장치(100)는 촬상부(140)를 통해 획득된 이미지에서 복수의 패턴들(210) 간의 길이 정보를 획득하는 것과는 별도로, 캘리브레이션 기판(200)의 기준데이터(예를 들어, 캐드 데이터)를 불러들인다(S120). 상기 기준데이터에는 패턴들(210) 간의 길이 정보가 들어있다.
이후, 촬상부(140)를 통해 획득된 복수의 패턴들(210) 간의 길이 정보와 대응되는 상기 기준데이터에서의 복수의 패턴들(210) 간의 길이 정보를 이용하여 캘리브레이션 기판(200)의 기울어진 자세를 나타내는 자세 정보를 획득한다(S130). 여기서, 캘리브레이션 기판(200)의 기울어진 자세는 촬상부(140)의 이미지 평면에 대한 상대적인 자세를 의미한다. 예를 들어, 촬상부(140)를 통해 측정된 패턴들(210) 간의 길이 정보와 캘리브레이션 기판(200)에 대한 기준데이터(예를 들어, 캐드 데이터)를 통해 사전에 알고 있는 패턴들(210) 간의 길이 정보를 비교함으로써, 캘리브레이션 기판(200)의 기울어진 각도를 산출할 수 있다.
한편, 캘리브레이션 기판(200)을 복수의 다른 자세에 대하여 적어도 2번 이상 측정한 후, 상기 측정된 거리들의 평균값으로부터 촬상부(140)를 캘리브레이션할 수 있다. 즉, 캘리브레이션 기판(200)의 자세와 위치를 다양하게 변화시켜가며 복수의 패턴들(210) 간의 길이 정보를 획득하고, 상기 복수의 패턴들(210) 간의 길이 정보와 대응되는 캘리브레이션 기판(200)에 대한 기준데이터를 각각 비교하여, 상기 비교결과들의 오차가 최소가 되는 자세 정보 또는 상기 비교결과들의 평균 자세 정보 중 적어도 하나를 기초로 캘리브레이션 기판(200)의 기판면과 촬상부(140)의 이미지 평면과 상대적으로 기울어진 각도를 산출할 수 있다.
한편, 캘리브레이션 기판(200)의 자세 정보를 획득함에 있어서, 촬상부(140)를 통해 측정된 패턴들(210) 중에서 적어도 2개의 패턴의 크기를 비교함으로써, 캘리브레이션 기판(200)의 기울기가 양인지 음인지를 판단할 수 있다. 이때, 대각선 방향으로 비교적 멀리 떨어져 있는 2개의 패턴(210)의 크기를 비교하는 것이 바람직하다.
이후, 캘리브레이션 기판(200)의 상기 자세 정보와 사전에 알고 있는 캘리브레이션 기판(200)의 기준데이터를 이용하여 촬상부(140)를 캘리브레이션한다(S140). 예를 들어, 촬상부(140)의 특성을 수식적으로 정의한 촬상부 행렬 방정식에 상기 자세 정보 및 기준데이터를 대입함으로써, 미지수에 해당하는 촬상부(140)의 초점 거리 정보 및/또는 배율 정보 등의 캘리브레이션 데이터를 캘리브레이션할 수 있다. 이때, 상기 캘리브레이션 데이터의 정밀도를 높이기 위하여, 캘리브레이션 기판(200)을 복수의 자세에 대하여 적어도 2번 이상 측정하여 획득한 캘리브레이션 데이터들의 평균값을 이용하여 촬상부(140)의 캘리브레이션을 진행할 수 있다.
이와 같이, 캘리브레이션 기판(200)의 자세 정보를 고려하여 촬상부(140)의 캘리브레이션을 수행하고 이를 측정대상물의 측정에 이용함으로써, 측정 정밀도를 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 측정장치의 보정방법을 나타낸 흐름도이다. 특히, 도 4는 측정장치에 구비된 비구면 렌즈의 보정방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 측정장치(100)는 촬상부(140) 내에 구비된 촬상 렌즈(예를 들어, 텔레센트릭 렌즈)(144)와 촬상부(140) 하부에 설치된 빔 스플리터(150)(빔 스플리터는 비구면 렌즈의 일종임)를 포함하는 광학계를 이용하여 측정대상물의 3차원 형상을 측정한다.
이때, 상기 광학계 자체가 갖는 비균일성으로 인하여 촬상된 이미지에 왜곡이 발생 될 수 있다. 따라서, 상기 광학계로 인한 왜곡을 보상할 필요가 있다.
한편, 상기 광학계는 구면 렌즈와 비구면 렌즈를 포함 할 수 있으며, 구면 렌즈에 의한 오차는 일반적으로 규칙적인 왜곡을 가지며 비구면 렌즈는 비규칙적인 왜곡을 가질 수 있다. 따라서, 상기 광학계의 오차를 보상할 때 구면 렌즈와 비구면 렌즈에 대한 전체적인 왜곡을 보상하거나 또는, 구면 렌즈와 비구면 렌즈의 왜곡을 각각 보상할 수 있다.
일 실시예에 따른 측정장치에서, 촬상 렌즈(144)는 구면 렌즈를 포함하는데, 구면 렌즈 자체가 갖는 비균일성으로 인하여 촬영 영상의 왜곡이 발생될 수 있다. 따라서, 측정대상물(112)에 대한 측정을 진행하기에 앞서 측정장치(100)에 구비된 광학계를 보정하는 차원에서 구면 렌즈를 포함하는 촬상 렌즈(144)의 비균일성에 의한 왜곡을 보상할 수 있다. 이와 같은 구면 렌즈의 보상방법은 일반적으로 알려진 공지기술에 해당하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 측정장치(100)에 구비된 광학계에서 비구면 렌즈에 의한 왜곡을 보상할 필요가 있다. 일 실시예로, 상기 비구면 렌즈는 빔 스플리터(150)일 수 있다. 빔 스플리터(150)는 일 실시예로 플레이트 형상으로 형성되며, 양면에 코팅층이 형성된 구조를 갖는다. 이러한 빔 스플리터(150)는 영역에 따라 굴절율이 달라질 수 있어 촬영 영상의 왜곡을 초래할 수 있다.
도 5는 비구면 렌즈로 인한 왜곡을 보상하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1, 도 4 및 도 5를 참조하면, 비구면 렌즈의 비균일성에 의한 왜곡을 보상하기 위하여, 복수의 패턴들(310)이 형성된 기판(300)을 촬상부(140)를 통해 촬영하여 기판(300)의 이미지를 획득한다(S200). 이후, 촬상부(140)에서 촬영된 기판(300)의 이미지를 복수의 서브 영역들(320)로 구분하고, 각각의 서브 영역(320)에 각기 다른 보상조건을 적용하여 왜곡을 보상한다(S210). 예를 들어, 기판(300)의 이미지는 격자 형태의 서브 영역들(320)로 구분될 수 있다.
각각의 서브 영역(320)에 적용되는 보상조건은 서브 영역(320)에 포함된 복수의 패턴들(310)에 각각 대응되는 패턴별 보상값들을 이용하여 서브 영역(320)에 특화될 수 있다. 예를 들어, 기판(300)에 대한 기준 데이터(예를 들어, 캐드 데이터) 상의 패턴들(310)의 위치와 촬영 이미지 상의 패턴들(310)의 위치를 비교하여 각 패턴(310)에 대응되는 오차값(즉, 보상이 필요한 보상값)을 계산한 후, 각 서브 영역(320)에 포함된 패턴들(310)의 패턴별 보상값들의 오차가 최소가 되는 값이나, 또는 패턴별 보상값들의 평균값을 계산하여 이를 해당 서브 영역(320)의 보상조건으로 설정할 수 있다.
한편, 서브 영역(320)의 형태를 달리하면서 복수 회에 걸쳐 왜곡 보상을 수행한 후, 획득된 복수의 보상 데이터들을 기초로 최적화된 서브 영역(320)의 형태를 결정할 수 있다. 예를 들어, 격자 형태의 서브 영역(320)의 크기를 크거나 작게 변경시키면서 각기 다른 크기의 서브 영역(320)들에 대해 특화된 보상조건들을 적용해 본 후에, 그 결과를 기초로 왜곡량이 가장 적게 나오는 서브 영역(320)의 형태를 선택함으로써, 서브 영역(320)을 최적화시킬 수 있다.
또한, 서브 영역(320)에 대한 왜곡을 보상함에 있어, 앞서 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 바 있는 촬상부(140)의 캘리브레이션 과정에서 획득한 자세 정보를 활용함으로써, 비구면 렌즈에 대한 왜곡 보상을 보다 정밀히 수행할 수 있다.
이와 같이, 측정장치(100) 내에 구비된 촬상 렌즈(144) 및 빔 스플리터(150) 등의 광학계의 비균일성에 의한 왜곡을 실제 측정 이전에 보상하여 줌으로써, 측정대상물에 대한 측정 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
한편, 모아레 측정방식을 이용한 측정장치에서는, 장치 내에 저장되어 있는 기준면을 기준으로 측정대상물(112)의 높이가 측정된다. 즉, 기준위상 측정을 위한 기판을 측정하여 장치 내에 저장을 하고 이때 측정된 상기 기준위상 측정을 위한 기판의 평면이 기준면이 된다. 그러나, 실질적인 기준면이 촬상부(140)의 이미지 평면과 상대적으로 기울어져 있을 경우 측정데이터의 왜곡이 발생될 수 있으므로, 측정대상물의 높이를 측정함에 앞서, 장치의 실제 기준면을 새로이 설정할 필요가 있다. 즉, 촬상부의 이미지 평면에 대해 평행한 이상적인 기준평면과 측정된 기준평면과의 상대적인 오차를 획득하고, 상기 획득된 오차값을 보상데이터로 설정 할 수 있다.
따라서, 촬상부의 이미지 평면에 측정되는 기준면의 오차를 보정 함으로써, 촬상부의 자세에 따른 측정오차를 보정하여 다수의 측정영역(FOV) 측정을 위해 촬상부가 이동을 하더라도 촬상부의 이미지 평면과 측정된 기준평면과의 오차에 영향을 받지 않고, 촬상부의 이미지 평면과 상기 측정된 기준평면의 평행을 유지할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 측정장치의 보정방법을 나타낸 흐름도이며, 도 7은 도 6에 따른 측정장치의 기준면 보정방법을 설명하기 위한 개념도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자세 정보를 측정하기 위한 기판을 나타낸 사시도이다.
도 1, 도 6, 도 7 및 도 8을 참조하면, 기준면의 보정을 위하여 우선, 기준위상 측정을 위한 기판(제1 시편)을 촬상부(140)의 측정영역에 세팅한 후 상기 기준위상 측정을 위한 기판에 대한 기준 위상을 측정한다(S300). 예를 들어, 상기 기준위상 측정을 위한 기판의 위상은 투영부(120)를 이용하여 위상측정 형상측정법(Phase Measurement Profilometry : PMP)을 통해 측정할 수 있다.
이후, 상기 측정된 기준위상의 기준면이 촬상부(140)의 이미지 평면에 대해 기울어진 자세를 획득한다(S310).
상기 측정된 기준위상의 기울어진 자세를 획득하기 위하여, 자세정보 측정을 위한 기판(제2 시편)을 촬상부(140)의 측정영역에 세팅한 후 상기 자세정보 측정을 위한 기판을 촬상부(140)를 통해 측정하여 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 기판면을 획득한다. 일 실시예로, 상기 자세정보 측정을 위한 기판으로는 도 8에 도시된 바와 같이 기울어진 자세를 확인하기 위해 복수의 인식마크(410)가 형성된 기판(400)을 이용할 수 있다.
자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기판면은 자세정보 측정을 위한 기판(400)에 형성된 인식마크들(410) 간의 길이를 측정하고, 이를 통해 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기울어진 자세를 계산하여 파악할 수 있다. 예를 들어, 인식마크들(410)들의 X,Y 좌표는 조명부(130)의 광 조사를 통해 촬상부(140)에서 촬영된 측정 이미지를 통하여 획득하며, 인식마크들(410)의 Z 좌표는 인식마크들(410) 간의 길이를 측정하여 획득할 수 있다. 즉, 측정된 인식마크들(410) 간의 길이와 기준 데이터(예를 들어, 캐드 데이터)에 의해 미리 알고 있는 인식마크들(410) 간의 길이를 비교하여 기울어진 각도를 산출함으로써, 인식마크들(410)의 상대적인 높이를 획득할 수 있다. 한편, 자세정보 측정을 위한 기판(400)은 기울어진 각도가 양인지 음인지를 판단하기 위하여 중앙부에 일정 높이로 돌출된 돌출부(420)를 포함할 수 있다. 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기울기가 양인지 음인지에 따라 촬상부(140)에서 촬영되는 돌출부(420)의 형태가 달라지므로, 돌출부(420)의 측정 영상을 통해 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기울어진 각도가 양인지 음인지를 판단할 수 있다.
이와 같이 획득한 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기울어진 자세를 이용하여 평면 방정식을 생성하고, 상기 평면 방정식을 통해 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기판면을 구함으로써, 이미지 평면에 대한 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기울어진 자세와 이상적인 기준면으로부터의 높이(Z4)를 획득할 수 있다.
한편, 상기 이상적인 기준면은 상기 이미지 평면과 평행한 기 설정된 평면으로, 일 실시예로 상기 측정된 인식마크들(410) 중 하나의 높이 값을 기준으로 설정할 수 있다.
이와는 다르게, 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기판면은 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기울어진 자세를 나타내는 평면 방정식을 통해 파악할 수 있으며, 예를 들어, 상기 평면 방정식은 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 임의의 3점의 위치를 측정하여 구할 수 있으며, 일 예로, 적어도 3개 이상의 인식마크들(410)의 Z 좌표를 레이저(미도시)를 통해 획득할 수 있다.
이와 같이 획득한 적어도 3개 이상의 인식마크들(410)의 X,Y,Z 좌표를 이용하여 평면 방정식을 생성하고, 상기 평면 방정식을 통해 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기판면을 구함으로써, 이미지 평면과 평행한 이상적인 기준면에 대한 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기울어진 자세와 이상적인 기준면으로부터의 높이(Z4)를 획득할 수 있다.
이후, 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 위상을 측정하여 상기 기준 위상을 기초로 높이(Z1, Z2)를 획득한다. 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 위상은 투영부(120)를 이용하여 위상측정 형상측정법(Phase Measurement Profilometry : PMP)을 통해 측정할 수 있다.
이후, 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기판면과 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 높이를 비교하여 상기 측정된 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득한다. 일 실시예로, 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기판면의 높이(Z4)를 촬상부(140)의 이미지 평면과 팽행한 기설정된 이상적인 기준면으로부터 산출하고, 상기 기판면의 높이(Z4)와 자세정보 측정을 위한 기판(400)을 기초로 상기 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득할 수 있다.
이후, 상기 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 기초로 촬상부(140)에 대한 기준면의 보정이 필요한 높이(Z3)를 산출한다(S320). 예를 들어, 이상적인 기준면으로부터의 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 기판면의 높이(Z4)에서 PMP 측정을 통해 획득한 자세정보 측정을 위한 기판(400)의 높이(Z2)를 차감함으로써, 기준면의 보정에 필요한 높이(Z3)를 구할 수 있으며, 이를 통해 실제 기준면에 해당하는 보정 기준면의 자세를 파악할 수 있다.
일 실시예로, 상기 기준면의 보정에 필요한 높이(Z3)는 복수의 투영부 각각에 대해 파악 할 수도 있다.
한편, 상기 기준위상 측정을 위한 기판(제1 시편)과 상기 자세정보 측정을 위한 기판(제2 시편)은 물리적으로 각각 독립된 별도의 기판으로 형성될 수 있으나, 이와 달리, 상기 기준위상 측정을 위한 기능과 상기 자세정보 측정을 위한 기능이 내포된 하나의 기판으로 형성될 수도 있다. 이와 같이, 측정장치의 시스템 보정의 한 방법으로, 높이 측정의 기준이 되는 기준면을 보정함으로써, 측정대상물의 측정 신뢰도를 더욱 향상시킬 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 카메라 및 촬상 렌즈를 포함하는 촬상부를 통해 복수의 패턴들이 형성된 캘리브레이션 기판을 촬영하여 이미지를 획득하는 단계;
    상기 획득된 이미지에서 상기 복수의 패턴들 간의 길이 정보를 획득하는 단계;
    상기 캘리브레이션 기판의 기준데이터를 불러오는 단계;
    상기 획득된 복수의 패턴들 간의 길이 정보와 상기 기준데이터에서의 복수의 패턴들 간의 길이 정보를 이용하여 상기 캘리브레이션 기판의 자세 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 자세 정보와 상기 캘리브레이션 기판의 기준데이터를 이용하여 상기 촬상부를 캘리브레이션하는 단계를 포함하는 측정장치의 보정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촬상 렌즈는 텔레센트릭(telecentric) 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정장치의 보정방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자세 정보를 획득하는 단계는,
    상기 복수의 패턴들 중에서 적어도 2개의 패턴의 크기를 비교하여 상기 캘리브레이션 기판의 기울기가 양인지 음인지를 판단하는 것을 특징으로 하는 측정장치의 보정방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 촬상부를 캘리브레이션하는 단계는,
    상기 캘리브레이션 기판을 복수의 자세에 대하여 적어도 2번 이상 측정하여 획득된 캘리브레이션 데이터들의 평균값을 이용하여 캘리브레이션을 진행하는 것을 특징으로 하는 측정장치의 보정방법.
  5. 구면 렌즈와 비 구면 렌즈를 포함하는 광학계를 이용하여 측정대상물을 촬상부를 통해 측정하는 측정장치의 상기 광학계의 왜곡을 보정하는 방법에 있어서,
    복수의 패턴들이 형성된 기판을 촬영하여 이미지를 획득하는 단계; 및
    상기 획득된 이미지를 복수의 서브 영역으로 분할하고, 각각의 상기 서브 영역에 대한 왜곡을 보상하는 단계를 포함하는 측정장치의 보정방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비 구면 렌즈는 플레이트 형상을 갖는 빔 스플리터를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정장치의 보정방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 서브 영역에 대한 왜곡을 보상하는 단계는,
    상기 서브 영역에 포함된 복수의 패턴들에 각각 대응되는 패턴별 보상값들을 이용하여 상기 서브 영역의 왜곡을 최소화시키는 보상조건을 획득하는 것을 특징으로 하는 측정장치의 보정방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 서브 영역의 형태를 달리하면서 복수 회에 걸쳐 왜곡 보상을 수행한 후, 획득된 복수의 보상 데이터들을 기초로 상기 서브 영역의 형태를 결정하는 것을 특징으로 하는 측정장치의 보정방법.
  9. 기준위상 측정을 위한 기판의 위상을 촬상부를 통해 측정하여 기준위상을 측정하는 단계;
    상기 측정된 기준위상의 기준면이 상기 촬상부의 이미지 평면에 대해 기울어진 자세를 획득하는 단계; 및
    상기 기울어진 자세를 기초로 상기 촬상부에 대한 상기 기준면의 보정이 필요한 높이를 산출하는 단계를 포함하는 측정장치의 보정 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 촬상부의 이미지 평면에 대해 상기 측정된 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득하는 단계는,
    자세정보 측정을 위한 기판을 상기 촬상부를 통해 측정하여 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 기판면을 획득하는 단계;
    상기 자세정보 측정을 위한 기판의 위상을 측정하여 상기 기준위상을 기초로 높이를 획득하는 단계; 및
    상기 자세정보 측정을 위한 기판의 기판면과 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 높이를 비교하여 상기 측정된 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정장치의 보정방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 측정된 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득하는 단계는,
    상기 기판면의 높이를 상기 이미지 평면과 평행한 기설정된 이상적인 기준면으로부터 산출하는 단계; 및
    상기 기판면의 높이와 상기 기판의 높이를 기초로 상기 기준위상의 기준면의 기울어진 자세를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정장치의 보정 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 기판면을 획득하는 단계는,
    복수의 인식마크가 형성된 상기 자세정보 측정을 위한 기판을 상기 촬상부를 통해 측정하여 상기 인식마크들 간의 길이를 측정하여 상기 자세정보 측정을 위한 기판의 기울어진 자세를 계산하는 것을 특징으로 하는 측정장치의 보정방법.
  13. 측정대상물이 형성된 기판에 패턴광을 조사하는 적어도 하나의 투영부;
    광을 상기 기판에 조사하기 위한 조명부;
    상기 기판의 상부에 배치되어 상기 기판의 이미지를 촬영하는 촬상부; 및
    상기 촬상부와 상기 기판 사이에 배치되며, 상기 조명부로부터 입사되는 광의 일부는 상기 기판을 향하도록 반사시키고 나머지 일부는 투과시키되, 반사율과 투과율이 비대칭인 빔 스플리터를 포함하는 측정장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 빔 스플리터는 반사율보다 투과율이 높은 것을 특징으로 하는 측정장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 조명부로부터 출사된 광은 상기 빔 스플리터에 의해 반사되어 상기 측정대상물에 조사되고, 상기 측정대상물에서 반사된 광은 다시 상기 빔 스플리터를 투과하여 상기 촬상부에 입사되는 동축 조명 방식을 구성하는 것을 특징으로 하는 측정장치.
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