WO2016076626A1 - 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치 - Google Patents

회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치 Download PDF

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    • G01B2290/20—Dispersive element for generating dispersion

Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus, and more particularly to a three-dimensional shape measuring apparatus utilizing a laser.
  • a through hole is formed to vertically penetrate the silicon wafer substrate.
  • TSV through hole
  • Such via holes must be formed to a specified specification or they may cause a failure of the semiconductor package. Therefore, there is a need to check whether the depth and shape of such via holes are normally formed.
  • FSI, WSI, and confocal methods using coaxial light are essentially used to measure the depth of a hole.
  • the confocal method since the light is spatially collected by the lens, when measuring a narrow and deep hole, there is a problem of covering the light gathered from the entrance to the focal point.
  • Patent Document Korean Patent No. 10-1407482, (Paper) Applicability of diffraction grating to parallax image array generation in integral imaging: Jang-Il Ser, Jae-Young Jang, Sungdo Cha, and Seung-Ho Shin, Department of Physics, Kangwon National University, Chuncheon 200-701, South Korea
  • An object of the present invention is to provide a three-dimensional shape measuring apparatus capable of accurately and accurately measuring a hole's depth, a hole's shape (inner wall), and a measurement object on which a hole is formed.
  • the light splitter is installed in the traveling direction of the light generated from the light source unit reflects a part of the light in the first path, and transmits a part of the light in the second path
  • An image sensor and a light path between the light source unit and the light splitter to receive the light reflected to a measurement object having at least one hole through the first path, and to measure the shape of the measurement object
  • a diffraction grating disposed in at least one optical path of the optical path between the measurement object and the light splitter and the optical path between the measurement object and the image sensor.
  • the diffraction grating may be characterized by diffracting the light incident to the diffraction grating so that the light received by the image sensor has different parallax information.
  • the image sensor receives the light having the different parallax information through a single imaging lens, and generates a plurality of images according to each of the different parallax information It may be characterized by including a plurality of image sensors.
  • the measurement object may be arranged to reflect the light reflected by the first path from the front or the rear surface where the hole is formed.
  • the image sensor when the measurement object is arranged to reflect the light reflected from the rear surface to the first path, the image sensor is a light reflected on the rear surface of the measurement object And by interfering with the light reflected on the bottom surface of the hole located inside the rear of the object to be measured, it may be characterized in that the shape of the object to be measured.
  • the three-dimensional shape measuring apparatus using a diffraction grating
  • the three-dimensional shape measuring apparatus further comprises a reference mirror which is disposed in the traveling direction of the light transmitted through the second path to form a reference light causing interference with the light reflected from the measurement object
  • the image sensor may measure the shape of the measurement object by using an interference signal caused by the overlap of the light reflected from the measurement object and the reference light.
  • the diffraction grating includes a lens array, a lenticular, a prism array, a wire grid, irregularities, and a right triangle.
  • An isosceles triangle may be characterized as having at least one form.
  • the three-dimensional shape measuring apparatus using the diffraction grating may be characterized by measuring a three-dimensional shape by using a via hole of a substrate as a measurement target.
  • the three-dimensional shape measuring apparatus using the diffraction grating has an advantage of using a diffraction grating to obtain a multi-view image with one camera without problems on image distortion and focus of the three-dimensional measurement object.
  • the three-dimensional shape measuring apparatus using the diffraction grating has a very thin and deep via hole (for example, through silicon via) having a hole inlet ranging from several ⁇ m to several hundred ⁇ m and having an aspect ratio of about 1:10. Suitable for measurement.
  • a very thin and deep via hole for example, through silicon via
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a three-dimensional shape measuring apparatus using a diffraction grating according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating the function of the diffraction grating of the three-dimensional shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a form in which light having different parallax information is incident on a measurement object.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a case where an image sensor uses only light reflected from a measurement object.
  • first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are only used to distinguish one component from another.
  • first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • a three-dimensional shape measuring apparatus 1000 using a diffraction grating according to an embodiment of the present invention includes a frequency scanning interferometer 200, an image sensor 400, and at least one diffraction grating 10, 20, 30. ), And in another embodiment, may further include a light source unit 100.
  • the light source unit 100 may include a photodiode 110 or may further include a collimated lens 120.
  • the photodiode 110 may output laser light, and the light output from the photodiode 110 is incident on the collimated lens 120.
  • the collimated lens 120 may output parallel light by converging the light spread from the photodiode 110. As shown in FIG. 1, the light output from the light source unit 100 may travel to the frequency scanning interferometer 200 along the optical path L.
  • the frequency scanning interferometer 200 may be disposed in front of the light source unit 100 as shown in FIG. 1, and is installed in the traveling direction of the light generated from the light source unit 100 to pass a part of the light to the first path L1. ) And a light splitter 210 for transmitting a part of the light through the second path L2.
  • the light splitter 210 may include a beam splitter (BS) or a polarizing beam splitter (PBS).
  • BS beam splitter
  • PBS polarizing beam splitter
  • the measurement object 300 may be disposed in a traveling direction of light reflected by the first path L1.
  • the measurement object 300 may include a front surface 310 on which at least one hole 301 is disposed and a rear surface 320 disposed on an opposite surface of the front surface 320.
  • the measurement object 300 may be a substrate including at least one via hole.
  • the measurement object 300 may be a silicon wafer used for semiconductor packaging, but is not limited thereto.
  • the light reflected by the light splitter 210 and traveled to the first path L1 may travel to the measurement object 300 to be reflected and then proceed to the image sensor 400. .
  • the image sensor 400 may proceed to the first path L1 to receive the light reflected by the measurement object 300 to measure the shape of the measurement object 300.
  • the image sensor 400 may generate an image of the measurement object 300 through the received light, and the observer may observe the shape of the measurement object 300 through the generated image.
  • the image sensor 400 may include a plurality of image sensors that receive light having the different disparity information through a single imaging lens and generate a plurality of images according to the different disparity information. This will be described in detail below.
  • the shape measuring apparatus of the present invention uses the light incident and reflected on the measurement target at various angles using a diffraction grating. . As described above, light incident and reflected at various angles may be used to simultaneously observe the depth of the hole of the measurement object and the inner wall of the hole at various angles.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating the function of the diffraction grating of the three-dimensional shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 for convenience of description, the case where only the diffraction grating 20 is provided among the diffraction gratings 10, 20, and 30 of FIG.
  • the light a incident on the diffraction grating passes through the diffraction grating and travels through a plurality of paths a1, a2, and a3 having different parallax information.
  • the light propagated in this way may be incident and reflected on the measurement object 300 with different parallaxes.
  • 3D shape measurement apparatus 1000 using a diffraction grating is a diffraction grating disposed in an optical path between the light source unit 100 and the light splitter 210 as shown in FIG. 10) a diffraction grating 20 disposed in an optical path between the measurement object 300 and the light splitter 210 or a diffraction disposed in an optical path between the measurement object 300 and the image sensor 400.
  • One or more of the gratings 30 may include a diffraction grating 30. That is, at least one of the diffraction gratings 10, 20, 30 of FIG. 1 may be included in the 3D shape measuring apparatus 100 according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • the three-dimensional shape measuring apparatus 1000 using the diffraction grating includes the diffraction grating 10 disposed in the optical path between the light source unit 100 and the light splitter 210, the light source unit 210 By passing the light generated in the various angles can have the effect of illumination from various angles.
  • the device when the three-dimensional shape measurement apparatus 1000 using the diffraction grating includes the diffraction grating 30 disposed in the optical path in front of the image sensor 400, the device is easy to manufacture because it is disposed in the front side of the image sensor.
  • the diffraction gratings 10, 20, and 30 are illustrated as having a concave-convex shape in FIG. 1, but are not limited thereto.
  • the diffraction grating may include a lens array, a lenticular, and a prism. It may have a form of one of an array (prism array), a wire grid, irregularities, a right triangle array, an isosceles triangle array, and the like.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a form in which light having different parallax information is incident on a measurement object.
  • the diffracted light a31, a32, a33 is incident on the hole and the upper portion of the measurement object 300, and the light incident on the measurement object 300 has a constant angle as shown in FIG. 3.
  • Light can travel to the inner wall.
  • the image sensor 400 may acquire an image of the inner wall of the hole of the measurement object 300 by using light incident to the image sensor 400, and the image sensor 400 may receive a plurality of light having different parallax information. As a result, a plurality of images of the inner wall of the hole viewed from various angles can be obtained.
  • the light a32 is incident on the inner wall of the hole, and the image sensor 400 may acquire an image of the crack x present in the inner wall of the hole through the reflected light of the light a32.
  • the image sensor 400 since the light received by the image sensor 400 includes light having different disparity information such as a31, a32, and a33, a plurality of images according to the disparity information may be generated.
  • the image sensor 400 may include a parallax image array in order to generate images by receiving a plurality of lights having different parallax information.
  • FIG. 4 shows nine image arrays obtained with different parallaxes for the same portion of the measurement object including 12 (4 ⁇ 3) holes.
  • the image generated by the image sensor 400 due to the light diffracted by the diffraction grating may include a plurality of images having different parallax information as shown in FIG. 4.
  • the inner wall of the hole does not appear, but the shapes of the inner wall of the hole are different from each other through the other images I1, I2, I3, I4, I6, I7, I8, and I9. It can be seen that it can be observed from another viewpoint.
  • the image sensor 400 measures using only light reflected from the measurement object 300 or other light (reference light) in addition to the light reflected from the measurement object 300.
  • An image of the object 300 may be generated.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a case where the image sensor 400 uses only the light reflected from the measurement object 300.
  • the measurement object 300 may be disposed such that light incident from the light splitter 210 is incident on the rear surface 320 instead of the front surface 310 in which the hole of the measurement object 300 is formed.
  • Light emitted from the light emitter 100 and reflected from the light splitter 201 has a property of transmitting through the measurement object 300, and the light incident on the measurement object 300 is the front surface 310, the rear surface 320, and It may be reflected at the bottom surface of the hole 301. Therefore, a path of the light b1 reflected on the rear surface 320 of the measurement object 300, the light b2 reflected on the bottom surface of the hole, and the light b3 reflected on the front surface is generated, and each reflected light is an image. It may be received by the sensor 400.
  • the image sensor 400 may measure the depth of the hole of the measurement object 300 by using at least one of the lights b1 to b3 by interfering the reflected light with the bottom surface of the hole located inside the rear surface of the measurement object. Can be. That is, the image sensor 400 may measure the shape of the measurement object by interfering and receiving the light reflected on the bottom surface of the hole located inside the rear surface of the measurement object. In this case, since a separate reference mirror is not used, it is not significantly affected by vibration, and thus the moving speed may be increased, and signal stability may be improved.
  • 3D shape measurement apparatus 1000 using a diffraction grating is disposed in the direction of travel of the light transmitted through the second path L2 to form a reference light that causes interference with light reflected from the measurement object.
  • the mirror 220 may further include.
  • the optical path of the reference light may be L2 of FIG. 1.
  • the image sensor 400 may measure the shape of the measurement object 300 by using an interference signal path between the light reflected from the measurement object 300 and the reference light. have.
  • the frequency scanning interferometer 200 may measure the measurement object 300 or the reference mirror 220 at a constant width of the light transmitted or reflected by the light splitter 210.
  • the light blocking unit 230 may be incident on the light blocking unit 230.
  • the width d of the open area of the light blocking unit 230 that limits the width of the light incident on the measurement object 300 is the distance between the diffraction grating 20 and the measurement object 300 (eg, the measurement object).
  • a diffraction grating disposed between the light splitter and the light splitter), the size of the field of view (FOV) of the viewing area of the measurement target 300, and the distance between the light blocking unit 230 and the measurement target 300. Can be determined using.
  • diffraction grating to parallax image array generation in integral imaging has a different field of use from the present invention using an interferometer.
  • the diffraction grating 10 disposed between the light splitter and the light source unit and the diffraction grating 30 for receiving and diffracting the light reflected on the measurement object and the light reflected by the reference mirror are not disclosed in the prior art. It belongs to one of the main features of the invention.
  • the three-dimensional shape measuring apparatus 1000 using the diffraction grating can obtain blind spot information that cannot be solved by an existing inspection system having only a single viewpoint by obtaining images of multiple viewpoints without distortion in an external inspection optical system using a laser. Using the parallax information, more accurate three-dimensional information can be obtained.
  • the three-dimensional shape measuring apparatus 1000 using the diffraction grating has a very thin and deep via hole (for example, through silicon via) having an entrance opening of several ⁇ m to several hundred ⁇ m and an aspect ratio of about 1:10. Suitable for measuring
  • the present invention has an advantage that a multi-view image can be obtained with one camera without problems on the image distortion and focus of the three-dimensional measurement object by using a diffraction grating.

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Abstract

광원부로부터 발생된 광의 진행방향에 설치되어 광의 일부를 제1경로로 반사시키고, 광의 일부를 제2경로로 투과시키는 광 분할기, 상기 제1경로로 진행되어 적어도 하나의 홀(hole)을 구비하는 측정 대상물에 반사된 광을 수광하여, 상기 측정 대상물의 형상을 측정하는 이미지 센서 및 상기 광원부와 상기 광 분할기 사이의 광 경로, 상기 측정 대상물과 상기 광 분할기 사이의 광 경로 및 상기 측정 대상물과 상기 이미지 센서 사이의 광 경로 중 하나 이상의 광 경로에 배치되는 회절 격자를 포함하는 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치가 개시된다.

Description

회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치
본 발명은 3차원 형상 측정 장치에 관련된 것으로, 더욱 상세하게는 레이저를 활용한 3차원 형상 측정 장치에 관한 것이다.
최근 초소형 대용량의 반도체 메모리에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이에 따라서 하나의 반도체 패키지에 여러 개의 반도체 칩을 실장하는 멀티칩 패키지를 통하여 반도체 메모리 소자의 저장 용량을 증대시키는 기술이 개발되고 있다.
이와 같이 여러 개의 반도체 칩에 형성된 회로 패턴들을 전기적으로 연결시키기 위해서는 실리콘 웨이퍼 기판을 수직으로 관통하는 비아홀(TSV; Through Silicon Via)을 형성하게 된다. 이러한 비아홀은 정해진 규격으로 형성되어야 하며, 그렇지 않은 경우 반도체 패키지의 고장을 야기시킬 수 있다. 따라서 이러한 비아홀의 깊이 및 형상이 정상적으로 형성되었는지 검사할 필요성이 존재한다.
기존의 방식에 있어서는 홀의 깊이를 측정하기 위해서는 필수적으로 동축광을 이용하는 FSI, WSI, confocal 방식이 이용되고 있다. 그러나 confocal 방식의 경우 렌즈에 의해 빛이 공간적으로 모아지는 점을 이용하는 것이므로, 좁고 깊은 홀을 측정할 때, 입구에서 초점으로 모이는 광을 가리는 문제점이 있다.
또한 기존에는 단일 카메라를 이용하여 측정하고 있으나, 이러한 단일 카메라 방식의 경우, 빛의 반사가 작아 경사면을 측/검사 하기가 어렵다. 또한 여러 카메라를 이용하여 홀의 측면을 관찰하는 경우 동시에 초점이 맞추기도 어려울 뿐만 아니라 영상에 왜곡이 생기는 문제점이 있다. 이는 카메라가 보는 각도에 대해 측정 대상물(flat한 wafer, hole 하나가 아니라 여러개를 동시 측정해야 하므로)이 수직하지 않고 기울어진 상태가 되기 때문이며, 이에 따라서 가까운 곳은 크게, 먼 곳은 작게 왜곡 되고, 결상면 또한 기울어져 FOV 전체에 걸쳐 초점을 동시에 맞추기 어려운 문제가 있다.
(선행기술문헌) 한국등록특허 제10-1407482호, (논문) Applicability of diffraction grating to parallax image array generation in integral imaging : Jang-Il Ser, Jae-Young Jang, Sungdo Cha, and Seung-Ho Shin, Department of Physics, Kangwon National University, Chuncheon 200-701, South Korea
본 발명은 홀의 깊이, 홀의 형상(내벽) 및 홀이 형성된 측정 대상물을 고속으로 정확하게 측정할 수 있는 3차원 형상 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치는, 광원부로부터 발생된 광의 진행방향에 설치되어 광의 일부를 제1경로로 반사 시키고, 광의 일부를 제2경로로 투과시키는 광 분할기, 상기 제1경로로 진행되어 적어도 하나의 홀(hole)을 구비하는 측정 대상물에 반사된 광을 수광하여, 상기 측정 대상물의 형상을 측정하는 이미지 센서 및 상기 광원부와 상기 광 분할기 사이의 광 경로, 상기 측정 대상물과 상기 광 분할기 사이의 광 경로 및 상기 측정 대상물과 상기 이미지 센서 사이의 광 경로 중 하나 이상의 광 경로에 배치되는 회절 격자를 포함한다.
또한, 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치에 있어서, 상기 회절 격자는 상기 이미지 센서로 수광되는 광이 서로 다른 시차정보를 갖도록 상기 회절 격자로 입사되는 광을 회절시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치에 있어서, 상기 이미지 센서는, 단일 결상렌즈를 통하여 상기 서로 다른 시차정보를 갖는 광을 수신하고, 상기 서로 다른 시차정보 각각에 따른 복수개의 이미지를 생성하는 복수개의 이미지 센서를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치에 있어서, 상기 측정 대상물은, 상기 제1경로로 반사된 광을, 상기 홀이 형성된 전면 또는 후면에서 반사시키도록 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치에 있어서, 상기 측정 대상물이 상기 후면에서 상기 제1경로로 반사된 광을 반사시키도록 배치된 경우, 상기 이미지 센서는 상기 측정 대상물의 후면에 반사된 광과 상기 측정 대상물의 후면 내부에 위치한 상기 홀의 바닥면에 반사된 광을 간섭시켜 수신함으로써, 상기 측정 대상물의 형상을 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치에 있어서, 상기 제2경로로 투과된 광의 진행방향에 배치되어 상기 측정 대상물에서 반사된 광과 간섭을 일으키는 기준광을 형성하는 기준 거울을 더 포함하고, 상기 이미지 센서는 상기 측정 대상물에서 반사된 광과 상기 기준광의 중첩에 의한 간섭 신호를 이용하여 상기 측정 대상물의 형상을 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치에 있어서, 상기 회절 격자는, 렌즈어레이(lens array), 렌티큘라(lenticular), 프리즘어레이(prism array), 와이어그리드(wire grid), 요철, 직각삼각형, 이등변 삼각형 중 적어도 하나의 형태를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치는, 기판의 비아 홀을 측정 대상물로 하여 3차원 형상을 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치를 이용하면, 홀의 수직면 등 단일의 관찰각도에서 측정할 수 없는 사각 지역에 대한 영상을 획득하여 측정 및 검사를 할 수 있으며, 진동으로 인한 측정 오차를 줄이며 검사속도를 향상시킬 수 있다.
상기 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치는 회절격자를 사용함으로써 3차원 측정 대상물의 영상 왜곡 및 초점 상에 문제 없이 카메라 한대로 다시점의 영상을 얻을 수 있는 이점이 있다.
따라서, 상기 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치는 홀의 입구가 수 μm 에서 수백 μm에 이르고, aspect ratio(홀의 구경 대비 깊이)가 1:10 정도에 달하는 매우 얇고 깊은 비아홀(예컨대 through silicon via)을 측정하기에 적합하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 회절 격자의 기능을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 다른 시차정보를 가지는 광이 측정 대상물에 입사되는 형태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 12(4 x 3)개의 홀을 포함하는 측정 대상물의 일부분에 대하여 서로 다른 시차를 가지고 생성된 9개의 영상을 나타낸다.
도 5는 이미지 센서가 측정 대상물에서 반사된 광만을 이용하는 경우를 설명하기 위한 개념도이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시 된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용한다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치의 개념도이다. 도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치(1000)는 주파수 주사 간섭계(200), 이미지 센서(400) 및 적어도 하나의 회절 격자(10, 20, 30)를 포함할 수 있으며, 다른 실시예에서는 광원부(100)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서 광원부(100)는 광 다이오드(110)를 포함할 수 있으며 또는 콜리메이트 렌즈(120)를 더 포함할 수 있다. 광 다이오드(110)는 레이저 광을 출력할 수 있으며, 광 다이오드(110)로부터 출력된 광은 콜리메이트 렌즈(120)로 입사된다. 콜리메이트 렌즈(120)는 광 다이오드(110)로부터 출력되어 퍼지는 광을 수렴하여 평행한 광을 출력시킬 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 광원부(100)에서 출력된 광은 광 경로(L)을 따라 주파수 주사 간섭계(200)로 진행할 수 있다.
일 실시예에서 주파수 주사 간섭계(200)는 도 1에 나타난 바와 같이 광원부(100)의 전방에 배치될 수 있으며, 광원부(100)로부터 발생된 광의 진행방향에 설치되어 광의 일부를 제1경로(L1)로 반사 시키고, 광의 일부를 제2경로(L2)로 투과시키는 광 분할기(210)를 포함할 수 있다.
예컨대 광 분할기(210)는 빔 스플리터(BS; Beam splitter) 또는 편광 빔 스플리터(PBS; Polarizing beam splitter)를 포함할 수 있다.
측정 대상물(300)은 제1경로(L1)로 반사된 광의 진행방향에 배치될 수 있다. 측정 대상물(300)은 적어도 하나의 홀(hole; 301)이 배치되는 전면(310)과 상기 전면(320)의 반대면에 배치되는 후면(320)을 포함할 수 있다. 또는 상기 측정 대상물(300)은 적어도 하나의 비아 홀(via hole)을 포함하는 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 측정 대상물(300)은 반도체 패키징에 사용되는 실리콘 웨이퍼일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1에 도시된 광 경로(L1)와 같이 광 분할기(210)에 반사되어 제1경로(L1)로 진행된 광은 측정 대상물(300)로 진행되어 반사된 후 이미지 센서(400)로 진행될 수 있다.
이미지 센서(400)는 제1경로(L1)로 진행되어 상기 측정 대상물(300)에 반사된 광을 수광하여 측정 대상물(300)의 형상을 측정할 수 있다. 구체적으로 이미지 센서(400)는 수광된 광을 통해 측정 대상물(300)의 이미지를 생성할 수 있으며, 관찰자는 이와 같이 생성된 이미지를 통해 측정 대상물(300)의 형태를 관찰할 수 있다. 또한 이미지 센서(400)는 단일 결상렌즈를 통하여 상기 서로 다른 시차정보를 갖는 광을 수신하고, 상기 서로 다른 시차정보 각각에 따른 복수개의 이미지를 생성하는 복수개의 이미지 센서를 포함할 수 있다. 이에 대하여는 하기에서 구체적으로 설명하도록 한다.
일반적인 주파수 주사 간섭계를 이용하는 경우, 측정 대상물에 입사되는 광이 수직으로 입사되는 광만을 포함하고 있으나, 본 발명의 형상 측정 장치는 회절 격자를 이용하여 다양한 각도에서 측정 대상물에 입사되어 반사되는 광을 이용한다. 이와 같이 다양한 각도를 가지고 입사되고 반사되는 광을 이용하여 측정 대상물의 홀의 깊이 및 홀의 내벽을 다양한 각도에서 동시에 관찰할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치의 회절 격자의 기능을 설명하기 위한 개념도이다. 도 2에서는 설명의 편의를 위해서 본 발명에서 실현 가능한 다양한 회절 격자의 위치 중에서 도 1의 회절 격자(10, 20, 30) 중에서 회절 격자(20)만이 구비된 경우를 예로 하여 설명하도록 한다. 도 2를 참조하면 회절 격자에 입사된 광(a)는 회절 격자를 통과하여 서로 다른 시차정보를 갖는 다수개의 경로(a1, a2, a3)로 진행하게 한다. 이렇게 진행된 광은 서로 다른 시차를 가지고 측정 대상물(300)에 입사되어 반사될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치(1000)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 광원부(100)와 상기 광 분할기(210) 사이의 광 경로에 배치된 회절 격자(10), 상기 측정 대상물(300)과 상기 광 분할기(210) 사이의 광 경로에 배치된 회절 격자(20) 또는 상기 측정 대상물(300)과 상기 이미지 센서(400) 사이의 광 경로에 배치된 회절 격자(30) 중 하나 이상의 회절 격자(30)를 포함할 수 있다. 즉 도 1의 회절 격자(10, 20, 30) 중 적어도 하나가 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상 측정 장치(100)에 포함될 수 있다.
본 발명에 있어서, 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치(1000)가 상기 광원부(100)와 상기 광 분할기(210) 사이의 광 경로에 배치된 회절 격자(10)를 포함하는 경우, 광원부(210)에서 발생된 광을 다양한 각도로 진행시킴으로써 여러 각도에서 조명한 효과를 가질 수 있다.
또한 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치(1000)가 상기 이미지 센서(400) 앞의 광 경로에 배치된 회절 격자(30)를 포함하는 경우, 이미진 센서 전면부에 배치됨으로 인하여 장치 제작이 용이한 이점이 있다. 상기 회절 격자(10, 20, 30)는 도 1에서 요철 형태를 가지는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 다른 실시예에서 상기 회절 격자는 렌즈어레이(lens array), 렌티큘라(lenticular), 프리즘어레이(prism array), 와이어그리드(wire grid), 요철, 직각 삼각형 어레이, 이등변 삼각형 어레이 중 하나의 형태 등을 가질 수도 있다.
도 3은 다른 시차정보를 가지는 광이 측정 대상물에 입사되는 형태를 설명하기 위한 개념도이다. 도 3을 참조하면 회절된 광(a31, a32, a33)이 측정 대상물(300)의 홀 및 상부에 입사되어 도 3에 나타난 바와 같이 측정 대상물(300)에 입사되는 광이 일정한 각도를 가짐으로써 홀의 내벽으로 광이 진행될 수 있게 된다. 이미지 센서(400)는 이미지 센서(400)로 입사되는 광을 이용하여 측정 대상물(300)의 홀 내벽에 대한 이미지를 획득할 수 있으며, 이미지 센서(400)는 시차 정보가 다른 다수개의 광이 입사됨으로써 다양한 각도에서 보여지는 홀 내벽의 이미지를 복수개 획득할 수 있게 된다.
도 3의 경우 광(a32)는 홀의 내벽에 입사되어 이미지 센서(400)는 광(a32)의 반사 광을 통해서 홀의 내벽에 존재하는 크랙(x)에 대한 영상을 획득할 수 있다.
또한 이미지 센서(400)에 수광되는 광은 a31, a32, a33 등 서로 다른 시차정보를 갖는 광을 포함하므로 상기 서로 다른 시차정보 각각에 따른 복수개의 이미지를 생성할 수 있다. 이와 같이 시차 정보가 다른 복수의 광을 수신하여 이미지를 생성하기 위해 이미지 센서(400)는 시차 이미지 어레이(parallax image array)를 구비할 수 있다.
도 4는 12(4 x 3)개의 홀을 포함하는 측정 대상물의 동일한 일 부분에 대하여 서로 다른 시차를 가지고 획득된 9개의 영상 배열을 나타낸다. 본 발명에 있어서 회절 격자에 의해 회절된 광으로 인하여 이미지 센서(400)에 생성되는 이미지는 도 4에 나타난 바와 같이 서로 다른 시차정보를 갖는 복수의 영상을 포함할 수 있게 된다. 도 4에서 수직으로 입사된 광으로 획득된 영상(I5)에서는 홀 내벽이 나타나지 않으나 그 외에 다른 영상(I1, I2, I3, I4, I6, I7, I8, I9)을 통해서 홀의 내벽의 모습이 서로 다른 관점에서 관찰될 수 있음을 알 수 있다.
측정 대상물(300)의 이미지를 생성하기 위해서 이미지 센서(400)는 측정 대상물(300)에서 반사된 광만을 이용하거나 측정 대상물(300)에서 반사된 광 외에 다른 광(기준 광)을 함께 이용하여 측정 대상물(300)의 이미지를 생성할 수 있다.
도 5는 이미지 센서(400)가 측정 대상물(300)에서 반사된 광만을 이용하는 경우를 설명하기 위한 개념도이다. 도 5를 참조하면 광 분할기(210)에서 입사된 광이 측정 대상물(300)의 홀이 형성되어 나타난 전면(310)이 아니라 후면(320)으로 입사되도록 측정 대상물(300) 배치될 수 있다.
발광부(100)에서 방출되어 광 분할기(201)에서 반사된 광은 측정 대상물(300)을 투과하는 특성을 가지며, 측정 대상물(300)에 입사된 광은 전면(310), 후면(320) 및 홀(301)의 바닥면에서 반사될 수 있다. 따라서 측정 대상물(300)의 후면(320)에 반사된 광(b1), 홀의 바닥면에 반사된 광(b2) 및 전면에 반사된 광(b3)의 경로가 생성되며, 각 반사된 광은 이미지 센서(400)에서 수광될 수 있다. 이미지 센서(400)는 상기 측정 대상물의 후면 내부에 위치한 상기 홀의 바닥면에 반사 광을 간섭시켜 수신함으로써 상기 광(b1-b3) 중 적어도 하나를 이용하여 측정 대상물(300)의 홀의 깊이를 측정할 수 있다. 즉, 이미지 센서(400)는 상기 측정 대상물의 후면 내부에 위치한 상기 홀의 바닥면에 반사된 광을 간섭시켜 수신함으로써 측정 대상물의 형상을 측정할 수 있다. 이 경우, 별도의 기준 거울을 사용하지 않아 진동에 큰 영향을 받지 않으며 이동 속도를 높일 수 있으며 신호 안정성이 향상되는 장점이 있다.
다른 실시예에 따른 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치(1000)는 상기 제2경로(L2)로 투과된 광의 진행방향에 배치되어 상기 측정 대상물에서 반사된 광과 간섭을 일으키는 기준광을 형성하는 기준 거울(220)을 더 포함할 수 있다. 다시 도 1을 참조하면, 상기 기준광의 광 경로는 도 1의 L2일 수 있다. 상기 기준 거울(220)을 더 포함하는 경우, 이미지 센서(400)는 상기 측정 대상물(300)에서 반사된 광과 상기 기준광의 간섭 신호로를 이용하여 상기 측정 대상물(300)의 형상을 측정할 수 있다.
또한 일 실시예에 있어서, 시차영상들이 서로 겹치는 것을 방지하기 위해서 상기 주파수 주사 간섭계(200)는 광 분할기(210)에서 투과되거나 반사된 광이 일정한 폭으로 측정 대상물(300) 또는 기준 거울(220)에 입사되도록 광차단부(230)를 포함할 수 있다. 여기서 상기 측정 대상물(300)로 입사되는 광의 폭을 제한하는 광 차단부(230)의 개방된 영역의 폭(d)은 회절 격자(20)와 측정 대상물(300)사이의 거리(예컨대, 측정 대상물과 광 분할기 사이에 회절 격자가 배치된 경우), 측정 대상물(300)의 관찰 영역의 FOV(Field Of View)의 크기, 및 광 차단부(230)와 측정 대상물(300) 사이의 거리 중 적어도 하나를 이용하여 결정할 수 있다.
한편 선행문헌 Applicability of diffraction grating to parallax image array generation in integral imaging은 간섭계를 이용하는 본 발명과는 그 이용분야가 상이하다. 또한 본 발명에 있어서 광 분할기와 광원부 사이에 배치된 회절 격자(10) 및 측정 대상물에 반사된 광과 기준 거울을 반사한 광을 수신하여 회절 시키는 회절 격자(30)는 종래 기술에 개시되지 않은 본 발명의 주요한 특징 중 하나에 속한다.
회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치(1000)는 레이저가 활용되는 외관 검사 광학계에 있어, 왜곡 없이 여러시점의 영상들을 얻어 단일 시점만을 갖는 기존 검사 시스템이 해결할 수 없는 사각지역 정보를 획득할 수 있으며, 시차정보를 활용하여 보다 정밀한 3차원 정보를 획득할 수 있다.
또한 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치(1000)는 홀의 입구가 수μm 에서 수백 μm에 이르고, aspect ratio(홀의 구경 대비 깊이)가 1:10 정도에 달하는 매우 얇고 깊은 비아홀(예컨대 through silicon via)을 측정하기에 적합하다.
또한 본 발명은 회절격자를 사용함으로써 3차원 측정 대상물의 영상 왜곡 및 초점 상에 문제 없이 카메라 한대로 다시점의 영상을 얻을 수 있는 이점이 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 광원부로부터 발생된 광의 진행방향에 설치되어 광의 일부를 제1경로로 반사시키고, 광의 일부를 제2경로로 투과시키는 광 분할기;
    상기 제1경로로 진행되어 적어도 하나의 홀(hole)을 구비하는 측정 대상물에 반사된 광을 수광하여, 상기 측정 대상물의 형상을 측정하는 이미지 센서; 및
    상기 광원부와 상기 광 분할기 사이의 광 경로, 상기 측정 대상물과 상기 광 분할기 사이의 광 경로 및 상기 측정 대상물과 상기 이미지 센서 사이의 광 경로 중 하나 이상의 광 경로에 배치되는 회절 격자를 포함하는
    회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회절 격자는 상기 이미지 센서로 수광되는 광이 서로 다른 시차정보를 갖도록 상기 회절 격자로 입사되는 광을 회절시키는 것을 특징으로 하는
    회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이미지 센서는,
    단일 결상렌즈를 통하여 상기 서로 다른 시차정보를 갖는 광을 수신하고, 상기 서로 다른 시차정보 각각에 따른 복수개의 이미지를 생성하는 복수개의 이미지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는
    회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 측정 대상물은,
    상기 제1경로로 반사된 광을, 상기 홀이 형성된 전면 또는 후면에서 반사시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는
    회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 측정 대상물이 상기 후면에서 상기 제1경로로 반사된 광을 반사시키도록 배치된 경우, 상기 이미지 센서는 상기 측정 대상물의 후면에 반사된 광과 상기 측정 대상물의 후면 내부에 위치한 상기 홀의 바닥면에 반사된 광을 간섭시켜 수신함으로써 상기 측정 대상물의 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는
    회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2경로로 투과된 광의 진행방향에 배치되어 상기 측정 대상물에서 반사된 광과 간섭을 일으키는 기준광을 형성하는 기준 거울을 더 포함하고,
    상기 이미지 센서는 상기 측정 대상물에서 반사된 광과 상기 기준광의 중첩에 의한 간섭 신호를 이용하여 상기 측정 대상물의 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는
    회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회절 격자는,
    렌즈어레이(lens array), 렌티큘라(lenticular), 프리즘어레이(prism array), 와이어그리드(wire grid), 요철, 직각 삼각형 어레이, 이등변 삼각형 어레이 중 적어도 하나의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는
    회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치는, 기판의 비아 홀을 측정 대상물로 하여 3차원 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는
    회절 격자를 이용한 3차원 형상 측정 장치.
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