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반도체 Bump 검사를 위한 백색광 주사 간섭계의 고속화
A High-Speed White-Light Scanning Interferometer for Bump Inspection of Semiconductor Manufacture 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.7, 2013년, pp.702 - 708  

고국원 (선문대학교 정보통신공학과) ,  심재환 (선문대학교 정보통신공학과) ,  김민영 (경북대학교 전자공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The white-light scanning interferometer (WSI) is an effective optical measurement system for high-precision industries (e.g., flat-panel display and electronics packaging manufacturers) and semiconductor manufacturing industries. Its major disadvantages include a slow image-capturing speed for inter...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 획득한 영상을 4개의 대영역 (1~4영역)을 나누고 4개의 영역은 또 다시 세로 방향으로 8개의 영역(1-1~1-8영역)으로 나누어 최대 32개의 검사 영역으로 나누었다. 각 영역으로 나누어 백색광 간섭계의 간섭 무늬의 최대 정점을 찾는 thread를 구성하여 실행이 되도록 알고리즘을 구성하였다.
  • 대상물체를 고속으로 검사하기 위해서, 큰 검사 영역을 확보 가능하면서 초당 200 frame/sec의 고속 영상 획득 속도를 가지는 4M 카메라를 선정하였다. 간섭 렌즈는 2.5배에서 20배의 배율을 갖는 Nikon사의 간섭 렌즈를 선택할 수 있도록 광학계를 구성하였다. 기존의 Nikon 간섭 렌즈는 렌즈의 직경이 4M카메라의 CCD 보다 작으므로 카메라 CCD전 영역에 영상이 투영되도록 간섭 렌즈 후단의 광학계를 제작하여 구성하였다.
  • 개발된 백색광 간섭계의 측정 정밀도를 시험을 위하여 VLSI에서 제작된 표준 시편을 사용하여 먼저 정밀도를 측정하였다. 표준시편의 사양과 측정부위의 측정 결과를 Fig.
  • 5배에서 20배의 배율을 갖는 Nikon사의 간섭 렌즈를 선택할 수 있도록 광학계를 구성하였다. 기존의 Nikon 간섭 렌즈는 렌즈의 직경이 4M카메라의 CCD 보다 작으므로 카메라 CCD전 영역에 영상이 투영되도록 간섭 렌즈 후단의 광학계를 제작하여 구성하였다.
  • 반도체 검사를 위하여 백색광 간섭계를 적용하여 검사기를 만드는데 있어서 제일 문제점이 되고 있는 검사 속도를 높이기 위하여 4M 카메라를 이용하여 광학계를 구성하였으며 검사 FOV를 최대화 하였으며, 기존의 문제점인 연산 속도를 높이기 위하여 정점 추출 방법을 개선하였으며, 검사 영역을 나누어 thread를 적용하여 병렬 처리가 가능하도록 구성하여 검사 속도를 높일 수 있었다. 4M의 카메라를 사용하여 200장의 이미지를 처리하는데 있어서 걸리는 시간은 영상획득에 사용된 시간은 1000 msec 이내와 계산 시간에는 1개의 PC를 사용하여 3264 msec의 계산이 걸렸다.
  • 반도체 검사용 백색광 간섭계는 빠른 속도로 검사를 요구하므로 검사 영역을 최대화 하며, 영상획득 시간과 영상 처리기간을 최소화 하도록 광학계를 구성하였다. Fig.
  • 본 연구에서는 인라인 검사에 적용되는 범프 검사장비에 요구되는 성능인 검사기간 2 sec와 측정화면 3.2 x 2.4 mm를 만족시키기 위해 검사 속도를 높이기 위한 방법으로 기존 검사장비에 적용되었던 VGA급 카메라에서 검사 영역을 넓힌 4M (2320x1726 pixel) 카메라를 적용한 대영역 광학계를 개발하고, 영상획득 속도를 높이기 위한 PZT(Piezo Actuator) 이송 동기화 영상획득 기법과 검사 처리 속도를 높이기 위한 병렬 처리 다중 PC 기법을 적용하였다. 언급된 대영역 광학계와 고속 동기화 영상획득 기법, 병렬처리 다중 PC 기법 등은 기존 VGA급 카메라가 적용된 검사기 보다 약 13배 넓은 영역의 측정 화면을 2 sec 내의 검사시간에 고속 측정함으로써 인라인 검사에 적용되기 위하여 제안되었다.
  • 고속 PZT이송의 위치 정확도를 살펴보기 위해서 기존의 Stop-And-Go 방식과 제안된 방법의 위치를 비교하였다. 이때 20 bit의 A/D 변환기를 사용하여 PZT에 부착된 센서의 전압 값을 측정하였다.4 실험 조건은 100 μm를 0.
  • 4M 카메라를 이용하여 높이 추출에 사용된 영상은 평균적으로 200개가 되며 800M의 영상 분량이다. 이러한 대용량의 메모리를 한번에 순차적으로 처리하기에는 많은 시간이 걸리므로 검사 영역별로 나누어서 각 영역에 소프트웨어 thread를 할당하여 계산을 하여 전체 영상에 대한 계산 속도를 높일 수 있는 방법을 제안하였다. Fig.
  • 4 mm 의 크기의 영상이다. 획득한 영상을 4개의 대영역 (1~4영역)을 나누고 4개의 영역은 또 다시 세로 방향으로 8개의 영역(1-1~1-8영역)으로 나누어 최대 32개의 검사 영역으로 나누었다. 각 영역으로 나누어 백색광 간섭계의 간섭 무늬의 최대 정점을 찾는 thread를 구성하여 실행이 되도록 알고리즘을 구성하였다.

대상 데이터

  • 4 실험 조건은 100 μm를 0.5 μm 마다 영상을 획득하였으며, 영상획득 조건에서의 PZT의 위치 값의 일부를 Fig. 9에 나타내었다.
  • 대상물체를 고속으로 검사하기 위해서, 큰 검사 영역을 확보 가능하면서 초당 200 frame/sec의 고속 영상 획득 속도를 가지는 4M 카메라를 선정하였다. 간섭 렌즈는 2.
  • 004 μm이내 오차로 영상 획득이 되었음을 알 수 있었다. 신뢰성 검사를 위해서는 100번의 비교 실험을 통하여 데이터를 수집하였다. Table 2에 10스텝에 대한 실제 대표 데이터를 나타내었다.

데이터처리

  • 고속 PZT이송의 위치 정확도를 살펴보기 위해서 기존의 Stop-And-Go 방식과 제안된 방법의 위치를 비교하였다. 이때 20 bit의 A/D 변환기를 사용하여 PZT에 부착된 센서의 전압 값을 측정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
백색광 간섭계의 장점은 무엇인가? 현재 반도체 생산 공정에서 범프(Bump) 검사에 적용하기 위하여 검토하고 있는 검사의 방법으로는 위상천이간섭계, 백색광 간섭계(White-light Scanning Interferometer: WSI), 공초점 측정 방식이 있다. 여러 가지 측정 방법 중 위상천이간섭계 보다 광학의 구성이 간단하고 공초점 측정 방식보다 빠른 검사속도를 장점을 동시에 가지고 있는 백색광 간섭계가 최근 관심 대상이 되고 있다. 반도체 제조 공정에서 공초점 방식을 선호하지만, 포인트 방식으로 인하여 반드시 수평과 수직으로 이동을 해야 하여 검사 속도가 느리므로 현재는 인라인 (In-Line) 검사에 적용하기 어려우며 오프라인(Off- Line) 검사에서 일부 사용되고 있다.
현재까지 개발된 공초점 방식의 한계점은 무엇인가? 공초점 측정 방식도 범프 측정에 있어서 인라인에 적용하기 위하여, 측정화면의 대면적화 및 배열형 핀홀 (Pinhole-array)을 이용한 대규모 병렬화등의 방법을 활용하는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 하지만 배열형 핀홀과 렌즈, 수광검출부 간의 어려운 정렬 문제를 내재하고 있어, 이로 인한 광학부의 복잡한 구성이 검사기의 가격상승에 대한 요인으로 작용하고 있어 아직까지는 인라인 검사를 위한 이의 적용이 어렵다. 이에 속도와 검사 정밀도 면에서 대안으로 제시되고 있는 것이 백색광 간섭계를 이용한 3차원 측정 방식이다.
현재 범프(Bump) 검사를 위해 고려되는 방법은 무엇인가? 현재 반도체 생산 공정에서 범프(Bump) 검사에 적용하기 위하여 검토하고 있는 검사의 방법으로는 위상천이간섭계, 백색광 간섭계(White-light Scanning Interferometer: WSI), 공초점 측정 방식이 있다. 여러 가지 측정 방법 중 위상천이간섭계 보다 광학의 구성이 간단하고 공초점 측정 방식보다 빠른 검사속도를 장점을 동시에 가지고 있는 백색광 간섭계가 최근 관심 대상이 되고 있다.
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참고문헌 (10)

  1. Hirabayashi, A., "Fast Surface Profiling by White- Light Interferometry Using Symmetric Spectral Optical Filter," IEICE Trans. on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences, Vol. E93.A, No. 2, pp. 542-549, 2010. 

  2. Hirabayashi, A., Ogawa, H., and Kitagawa, K., "Fast surface profiler by white-light interferometry by use of a new algorithm based on sampling theory," Applied Optics, Vol. 41, No. 23, pp. 4876-4883, 2002. 

  3. Malacara, D., "Optical Shop Testing," John Wiley & Sons, pp. 711-743, 3rd Ed., 2007. 

  4. Flounoy, P. A., McClure, R. W., and Wyntjes, G., "White-light interferometric thickness gauge," Applied Optics, Vol. 11, No. 9, pp. 1907-1915, 1972. 

  5. Balasubramanian, N., "Optical system for surface topography measurement," US Patent, No. 4340306, 1982. 

  6. Cho, S. Y., "A study on fast Algorithm for White- Light interferometry to Semiconductor Inspection," M.Sc. Thesis, Department of Mechanical and Control Engineering, Sunmoon University, 2008. 

  7. Ko, K. W., Ko, K. C., and Kim, J. H., "Pole Height Inspection on LCD Glass via High Speed White Light Interferometry," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 24, No. 4, pp. 21-28, 2007. 

  8. Tian, A., Wang, C., Jiang, Z., Wang, H., and Liu, B., "Study on key algorithm for scanning white-light interferometry," Proc. of the SPIE, Vol. 7155, 2008. 

  9. Cooley, J. W. and Tukey, J. W., "An algorithm for the machine calculation of complex Fourier series," Mathematics of Computation, Vol. 19, No. 90, pp. 297-301, 1965. 

  10. Recknagel, R. J. and Notni, G., "Analysis of white light interferograms using wavelet methods," Optics Communications, Vol. 148, No. 1-3, pp. 122-128, 1998. 

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