KR101490359B1 - 표면 형상 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면 형상 측정 장치에 관한 것으로서, 제1 방향으로 격자 패턴이 형성된 복수의 제1 격자부와, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 격자 패턴이 형성된 복수의 제2 격자부가 마련된 격자 플레이트와; 상기 복수의 제1 격자부가 기 설정된 피치 단위로 이동하도록 상기 격자 플레이트를 상기 제1 방향으로 이동시키는 제1 플레이트 이동 유닛과; 상기 복수의 제2 격자부가 기 설정된 피치 단위로 이동하도록 상기 격자 플레이트를 상기 제2 방향으로 이동시키는 제2 플레이트 이동 유닛과; 상기 각각의 제1 격자부 및 상기 각각의 제2 격자부로 광을 조사하는 복수의 광원과; 상기 각 광원으로부터 조사되어 상기 각각의 제1 격자부 및 상기 각각의 제2 격자부를 투과하여 측정 대상물로부터 반사된 격자광을 촬상하는 촬상부와; 상기 촬상부에 의해 촬상된 영상에 기초하여 상기 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 격자마다 이동유닛을 별도로 두는데 따른 제조 비용 및 제품 사이즈 증가의 문제점을 해소하면서도 검사 속도를 종래의 표면 형상 측정 장치에 비해 증가시킬 수 있다.

Description

표면 형상 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING SURFACE PROFILE}
본 발명은 표면 형상 측정 장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 기판과 같은 검사 대상물의 표면의 3차원 형상을 측정할 수 있는 표면 형상 측정 장치에 관한 것이다.
3D 높이 정보를 측정하는 방법에는 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법, 백색광 주사 간섭(WSI : White light Scanning Interferometry) 기법, 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프(DHM : Digital Holographic Microscopy) 기법, 스테레오 비전(Stereo vision) 기법, 광 삼각법 등 다양한 기법이 실제 제품에 적용되거나 연구되어지고 있다.
3D 높이 정보를 측정하는 상기 방법들 중 어느 방식이 어떤 측정 과정에 적합한지 여부는 분해능, 속도, 검사 대상의 표면 상태 등 여러 가지 인자에 의에 결정될 수 있다. 예를 들어, 측정 대상물이 거울 면과 같이 정반사(Specular refection) 특성이 강한 경우에는 백색광 주사 간섭(WSI : White light Scanning Interferometry) 기법이나 디지털 홀로그래픽 마이크로스코프(DHM : Digital Holographic Microscopy) 기법과 같이 광 간섭을 이용한 방법이 적합하며, 측정 대상물의 표면이 확산 반사(Diffusive reflection) 특성을 갖는 경우에는 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법이나 스테레오 비전(Stereo vision) 기법, 광 삼각법 등이 적합하다고 볼 수 있다.
이 중 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법의 경우, 한국공개특허 제2001-0002383호에 개시된 "위상천이 영사식 모아레 시스템에서의 측정오차보상방법"에 개시된 바와 같이, 수 um의 간격을 갖는 격자에 광을 투과시켜 격자광을 측정 대상물에 투영시키고, 다른 각도에 위치한 카메라로 표면 형상에 의해 왜곡된 격자 패턴을 촬영 및 분석하여 측정 대상물의 3D 높이 정보를 얻는 방법이다.
영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법은 기판에 실장된 부품이나 솔더의 불량 여부를 측정하기 위한 표면 형상 측정 장치에 현재 실용화되어 전자 부품의 제조 라인에 적용되고 있다.
영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법이 적용된 표면 형상 측정 장치의 경우, 상술한 바와 같이, 조명을 격자에 투과시켜 격자광을 형성하는 방식으로 측정 대상물의 3D 영상을 얻기 위해서는 격자를 일정 피치만큼 이동시키며 3회 이상의 촬영을 수행하게 된다.
따라서, 영사식 모아레 패턴(PMP : Projection Moire Pattern) 기법이 적용된 표면 형상 측정 장치에서는 측정 시간의 단축을 위해 복수의 광원과 각 광원 전방에 격자를 두어 촬영하는 방식이 제안되고 있다.
그런데, 복수의 광원마다 격자를 두고, 해당 격자를 움직이는 격자 이동 유닛도 각 격자마다 구성하여야 함에 따라 제조 단가가 상승하게 되고, 표면 형상 측정 장치의 전체 사이즈가 증가하는 단점을 갖게 된다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 한국등록특허 제10-1133653호에 개시된 "기판 검사장치 및 이를 이용한 기판 검사방법"에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 격자유닛을 격자 연결유닛으로 연결한 상태에서 하나의 격자 이송유닛이 격자 연결유닛을 이송시켜 복수의 격자유닛을 동시에 이동시켜 격자 이송유닛의 개수를 감소시킨 기술을 제안하고 있다.
그런데, 상기 한국등록특허 제10-1133653호에서는 하나의 격자 이송유닛을 이용하여 복수의 격자유닛을 이송하면서도, 도 1에 도시된 바와 같이, 한 쌍식의 격자유닛의 각도가 틀어진 상태, 즉 인접한 모서리에 배치된 격자유닛에 형성된 격자 방향이 일정 각도가 틀어진 상태여서 격자 이송유닛에 의해 이동할 때 격자의 이동 거리가 서로 달라지는 문제점이 있다.
따라서 복수의 격자유닛을 동일한 간격으로 이동시키고자 할 때에는 마주하는 모서리에 위치하는 격자유닛 마다 다른 거리로 이동시켜야 하므로, 도 1의 경우 복수의 격자유닛을 동일 간격으로 이동시키기 위해서는 두 번을 따로 이동시켜면서 촬영을 하여야하는 문제점이 있다.
즉, 상기 한국등록특허 제10-1133653호의 배경기술에서 "격자 이송유닛들 간의 이송 편차에 기인한 검사 정밀도 저하"의 문제를 해결하기 위해서는 마주하는 모서리에 위치하는 격자유닛들의 그룹별로 다른 이송 과정을 거쳐야하는 문제점이 있으며, 이는 검사 속도의 저하를 초래하는 원인으로 작용하게 된다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 격자마다 이동유닛을 별도로 두는데 따른 제조 비용 및 제품 사이즈 증가의 문제점을 해소하면서도 검사 속도를 종래의 표면 형상 측정 장치에 비해 증가시킬 수 있는 표면 형상 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 제1 방향으로 격자 패턴이 형성된 복수의 제1 격자부와, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 격자 패턴이 형성된 복수의 제2 격자부가 마련된 격자 플레이트와; 상기 복수의 제1 격자부가 기 설정된 피치 단위로 이동하도록 상기 격자 플레이트를 상기 제1 방향으로 이동시키는 제1 플레이트 이동 유닛과; 상기 복수의 제2 격자부가 기 설정된 피치 단위로 이동하도록 상기 격자 플레이트를 상기 제2 방향으로 이동시키는 제2 플레이트 이동 유닛과; 상기 각각의 제1 격자부 및 상기 각각의 제2 격자부로 광을 조사하는 복수의 광원과; 상기 각 광원으로부터 조사되어 상기 각각의 제1 격자부 및 상기 각각의 제2 격자부를 투과하여 측정 대상물로부터 반사된 격자광을 촬상하는 촬상부와; 상기 촬상부에 의해 촬상된 영상에 기초하여 상기 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 형상 측정 장치에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 제어부는 상기 제1 플레이트 이동 유닛에 의해 상기 격자 플레이트가 상기 피치 단위로 상기 제1 방향으로 이동할 때, 상기 제1 격자부를 투과한 광이 상기 촬상부에 의해 촬상되도록 상기 복수의 광원을 제어하며; 상기 제2 플레이트 이동 유닛에 의해 상기 격자 플레이트가 상기 피치 단위로 상기 제2 방향으로 이동할 때, 상기 제2 격자부를 투과한 광이 상기 촬상부에 촬상되도록 상기 복수의 광원을 제어할 수 있다.
그리고, 상기 제1 플레이트 이동 유닛과 상기 제2 플레이트 이동 유닛은 상기 격자 플레이트를 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로 각각 이동시킬 때 상호 간섭되지 않고 독립적으로 이동 가능하게 마련될 수 있다.
또한, 상기 복수의 제1 격자부 및 상기 복수의 제2 격자부는 상기 격자 플레이트의 평면 상에 열십자 방향으로 각각 배치되되; 상기 복수의 제1 격자부가 상호 마주하는 위치에 배치되고, 상기 복수의 제2 격자부가 상호 마주하는 위치에 배치되며; 상기 복수의 제1 격자부는 상호 마주하는 위치에 적어도 하나씩이 마련되고; 상기 복수의 제2 격자부는 상호 마주하는 위치에 적어도 하나씩이 마련될 수 있다.
그리고, 상기 격자 플레이트에는 상기 측정 대상물로부터 반사되어 상기 촬상부로 향하는 격자광이 통과하도록 광 통과공이 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성에 따라 본 발명에 따르면, 격자마다 이동유닛을 별도로 두는데 따른 제조 비용 및 제품 사이즈 증가의 문제점을 해소하면서도 검사 속도를 종래의 표면 형상 측정 장치에 비해 증가시킬 수 있는 표면 형상 측정 장치가 제공된다.
도 1은 한국등록특허 제10-1133653호에 개시된 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 표면 형상 측정 장치의 구성을 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 따른 표면 형상 측정 장치의 격자 플레이트의 일 예를 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명의 따른 표면 형상 측정 장치의 격자 플레이트의 다른 예를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 표면 형상 측정 장치(100)의 구성을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 따른 표면 형상 측정 장치(100)의 격자 플레이트(30)의 일 예를 도시한 도면이다. 여기서, 도 2는 도 3의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 바라면 단면 형상이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 표면 형상 측정 장치(100)는 복수의 광원(20), 격자 플레이트(30), 제1 플레이트 이동 유닛(61), 제2 플레이트 이동 유닛(62), 촬상부(10) 및 제어부(미도시, 이하 동일)를 포함한다.
복수의 광원(20)은 격자 플레이트(30)에 마련된 복수의 제1 격자부(40a,40b) 및 복수의 제2 격자부(50a,50b) 각각에 대응하는 개수로 마련되어, 각각의 제1 격자부(40a,40b) 및 제2 격자부(50a,50b)로 광을 조사한다. 본 발명에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제1 격자부(40a,40b) 및 한 쌍의 제2 격자부(50a,50b)가 격자 플레이트(30)에 마련되는 것을 예로 하고 있는 바, 4개의 광원(20)이 각각의 제1 격자부(40a,40b) 및 제2 격자부(50a,50b) 상부에 배치되어 제1 격자부(40a,40b) 및 제2 격자부(50a,50b)로 광을 조사하는 것을 예로 한다.
격자 플레이트(30)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 광원(20)과 측정 대상물(300) 사이에 위치하며, 판면에 격자 패턴들이 형성된 복수의 제1 격자부(40a,40b) 및 복수의 제2 격자부(50a,50b)가 마련된다.
여기서, 제1 격자부(40a,40b)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 방향으로 격자 패턴이 형성되고, 제2 격자부(50a,50b)는 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 격자 패턴이 형성된다. 본 발명에서는, 상술한 바와 같이, 한 쌍의 제1 격자부(40a,40b) 및 한 쌍의 제2 격자부(50a,50b)가 격자 플레이트(30)에 마련되는 것을 예로 하고 있다.
또한, 복수의 제1 격자부(40a,40b) 및 복수의 제2 격자부(50a,50b)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 격자 플레이트(30)의 평면 상에서 열십자 방향으로 각각 배치되는데, 복수의 제1 격자부(40a,40b)가 상호 마주하는 위치에 배치되고, 복수의 제2 격자부(50a,50b)가 상호 마주하는 위치에 배치된다.
즉, 4개의 격자부가 사각형의 각 모서리 영역에 하나씩 배치되는데, 시계방향으로 제1 격자부(40a), 제2 격자부(50b), 제1 격자부(40b) 및 제2 격자부(50a) 순으로 배치되는 것을 예로 하고 있으며, 각 모서리에 하나씩의 격자부가 배치되는 것을 예로 하고 있다.
상기와 같이 제1 격자부(40a,40b) 및 제2 격자부(50a,50b)가 마련된 격자 플레이트(30)는 제1 플레이트 이동 유닛(61) 및 제2 플레이트 이동 유닛(62)에 의해 제1 방향 및 제2 방향으로 각각 이동한다.
제1 플레이트 이동 유닛(61)은 복수의 제1 격자부(40a,40b)가 기 설정된 피치 단위로 이동하도록 제1 방향으로 격자 플레이트(30)를 이동시킨다. 그리고, 제1 플레이트 이동 유닛(61)은 복수의 제2 격자부(50a,50b)가 기 설정된 피치 단위로 이동하도록 격자 플레이트(30)를 제2 방향으로 이동시킨다.
여기서, 제1 플레이트 이동 유닛(61)과 제2 플레이트 이동 유닛(62)은 격자 플레이트(30)를 제1 방향 및 제2 방향으로 각각 이동시킬 때, 상호 간섭되지 않고 독립적으로 이동 가능하게 마련된다. 즉, 제1 플레이트 이동 유닛(61)이 격자 플레이트(30)를 제1 방향으로 이동시킬 때 제2 플레이트 이동 유닛(62)이 격자 플레이트(30)를 제2 방향으로 동시에 이동시킬 수 있도록 마련된다.
상기와 같은 구성에 따라, 제1 격자부(40a,40b) 및 제2 격자부(50a,50b)의 격자 패턴이 상호 직교하는 상태가 되어, 제1 격자부(40a,40b)는 제1 방향으로의 이동만이 3D 측정을 위한 모아레 패턴을 형성하게 되고 제2 방향으로의 이동에는 영향을 받지 않게 된다. 마찬가지로, 제2 격자부(50a,50b)는 제2 방향으로의 이동만이 3D 측정을 위한 모아레 패턴을 형성하게 되고 제1 방향으로의 이동에는 영향을 받지 않게 된다.
따라서, 제어부는 제1 플레이트 이동 유닛(61)에 의해 격자 플레이트(30)가 일정 피치 단위로 제1 방향으로 이동할 때, 제1 격자부(40a,40b)를 투과한 광이 촬상부(10)에 의해 촬상되도록 복수의 광원(20)을 제어하는 과정(이하, '제1 촬상 과정'이라 함)에서, 제2 플레이트 이동 유닛(62)에 의해 격자 플레이트(30)가 피치 단위로 제2 방향으로 이동할 때, 제2 격자부(50a,50b)를 투과한 광이 촬상부(10)에 의해 촬상되도록 복수의 광원(20)을 제어하는 과정(이하, '제2 촬상 과정'이라 함)을 제1 촬상 과정의 진행과 함께 또는 독립적으로 진행할 수 있게 된다.
즉, 제어부는 제1 촬상 과정의 진행 후 제2 촬상 과정을 진행할 수도 있고, 제1 촬상 과정과 제2 촬상 과정을 동시에 진행할수도 있게 된다. 또한, 제1 촬상 과정의 진행 중에 격자 플레이트(30)를 제2 방향으로의 특정 위치, 예를 들어 제2 촬상 과정이 종료되어 제2 격자부(50a,50b)를 원 위치로 이동시킬 수도 있게 된다.
이는 상술한 바와 같이, 제1 격자부(40a,40b) 및 제2 격자부(50a,50b)의 격자 패턴이 상호 직교하여, 제1 방향 및 제2 방향으로의 이동이 각각 제2 격자부(50a,50b) 및 제2 격자부(50a,50b)의 촬상 과정에 영향을 미치지 않기 때문이다.
한편, 촬상부(10)는 각 광원(20)으로부터 조사되어 각각의 제1 격자부(40a,40b) 및 각각의 제2 격자부(50a,50b)를 투과하여 측정 대상물(300)로부터 반사된 격자광을 촬상한다. 그리고, 제어부는 촬상부(10)에 의해 촬상된 영상에 기초하여 측정 대상물(300)의 표면 형상을 측정하게 된다.
여기서, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 격자부(40a,40b) 및 제2 격자부(50a,50b)를 통과하여 조사되는 격자광은 투사 렌즈(71)를 거쳐 측정 대상물(300)로 투사되는데, 투사 렌즈(71)를 지난 격자광이 측정 대상물로 향하도록 적어도 하나의 반사 거울(81,82)이 투사 렌즈(71)와 측정 대상물(300) 사이에 배치된다. 도 2에서는 각 투사 렌즈(71)의 하부에 한 쌍씩의 반사 거울(81,82)이 배치되는 것을 예로 하고 있다.
그리고, 측정 대상물(300)로부터 반사된 격자광은 촬상 렌즈(70)를 거쳐 촬상부(10)로 입사된다. 여기서, 본 발명에 따른 격자 플레이트(30)에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 측정 대상물(300)로부터 반사되어 촬상부(10)로 향하는 격자광이 통과하도록 광 통과공(31)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 측정 대상물(300)로부터 반사된 격자광은 격자 플레이트(30)의 광 통과공(31)을 통과한 후 촬상 렌즈(70)를 거쳐 촬상부(10)로 입사될 수 있게 된다.
한편, 전술한 실시예에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 한 쌍씩의 제1 격자부(40a,40b) 및 한 쌍씩의 제2 격자부(50a,50b)가 각각 격자 플레이트(30)의 평면 상에 열십자 방향으로 배치되는 것을 예로 하고 있다.
도 4는 본 발명의 따른 표면 형상 측정 장치(100)의 격자 플레이트(30)의 다른 예를 도시한 도면으로, 4개의 제1 격자부(40a,40b) 및 4개의 제2 격자부(50a,50b)가 격자 플레이트(30)에 마련되는 예를 나타내고 있다.
여기서, 각 모서리 영역에 한 쌍씩의 제1 격자부(40a,40b,41a,41b) 및 한 쌍씩의 제2 격자부(50a,50b,51a,51b)가 배치되어, 한 쌍의 제1 격자부(40a,41a), 한 쌍의 제2 격자부(50b,51b), 한 쌍의 제1 격자부(40b,41b) 및 한 쌍의 제2 격자부(50a,51a) 순으로 배치되는 것을 예로 하고 있다.
이와 같이, 각 모서리 영역에 배치되는 제1 격자부(40a,40b,41a,41b) 의 개수 또는 제2 격자부(50a,50b,51a,51b)의 개수에 본 발명의 기술적 사항이 한정되지 않음은 물론이다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
100 : 표면 형상 측정 장치 10 : 촬상부
20 : 광원 30 : 격자 플레이트
31 : 광 통과공 40a,40b,41a,41b : 제1 격자부
50a,50b,51a,51b : 제2 격자부 61 : 제1 플레이트 이동 유닛
62 : 제2 플레이트 이동 유닛 70 : 촬상 렌즈
71 : 투사 렌즈 81,82 : 반사 거울

Claims (5)

  1. 제1 방향으로 격자 패턴이 형성된 복수의 제1 격자부와, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 격자 패턴이 형성된 복수의 제2 격자부가 마련된 격자 플레이트와;
    상기 복수의 제1 격자부가 기 설정된 피치 단위로 이동하도록 상기 격자 플레이트를 상기 제1 방향으로 이동시키는 제1 플레이트 이동 유닛과;
    상기 복수의 제2 격자부가 기 설정된 피치 단위로 이동하도록 상기 격자 플레이트를 상기 제2 방향으로 이동시키는 제2 플레이트 이동 유닛과;
    상기 각각의 제1 격자부 및 상기 각각의 제2 격자부로 광을 조사하는 복수의 광원과;
    상기 각 광원으로부터 조사되어 상기 각각의 제1 격자부 및 상기 각각의 제2 격자부를 투과하여 측정 대상물로부터 반사된 격자광을 촬상하는 촬상부와;
    상기 촬상부에 의해 촬상된 영상에 기초하여 상기 측정 대상물의 표면 형상을 측정하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는
    상기 제1 플레이트 이동 유닛에 의해 상기 격자 플레이트가 상기 피치 단위로 상기 제1 방향으로 이동할 때, 상기 제1 격자부를 투과한 광이 상기 촬상부에 의해 촬상되도록 상기 복수의 광원을 제어하며;
    상기 제2 플레이트 이동 유닛에 의해 상기 격자 플레이트가 상기 피치 단위로 상기 제2 방향으로 이동할 때, 상기 제2 격자부를 투과한 광이 상기 촬상부에 촬상되도록 상기 복수의 광원을 제어하는 것을 특징으로 하는 표면 형상 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플레이트 이동 유닛과 상기 제2 플레이트 이동 유닛은 상기 격자 플레이트를 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로 각각 이동시킬 때 상호 간섭되지 않고 독립적으로 이동 가능하게 마련되는 것을 특징으로 하는 표면 형상 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 격자부 및 상기 복수의 제2 격자부는 상기 격자 플레이트의 평면 상에 열십자 방향으로 각각 배치되되;
    상기 복수의 제1 격자부가 상호 마주하는 위치에 배치되고, 상기 복수의 제2 격자부가 상호 마주하는 위치에 배치되며;
    상기 복수의 제1 격자부는 상호 마주하는 위치에 적어도 하나씩이 마련되고;
    상기 복수의 제2 격자부는 상호 마주하는 위치에 적어도 하나씩이 마련되는 것을 특징으로 하는 표면 형상 측정 장치.
  5. 제1항, 제3항, 또는 제4항에 있어서,
    상기 격자 플레이트에는 상기 측정 대상물로부터 반사되어 상기 촬상부로 향하는 격자광이 통과하도록 광 통과공이 형성되는 것을 특징으로 하는 표면 형상 측정 장치.
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