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핵심기술
백색광 간섭 원리에 최적화된 스마트 센서와 스마트 카메라 개발 및 이를 이용한 고속 고정도 3차원 비접촉식 광학 시스템

사업화 배경
◦ 반도체 패키지의 고속/직접화에 의해 칩의 형태가 bump 형태로 변화되고 있으며, bump의 사이즈 및 피치는 작아지고 높이는 높아지고 있음. 또한 산업계에서는 이러한 bump의 높이와 사이즈에 대해 전수검사를 요청하고 있으며, 디스플레이나 PCB등에서 미세 패턴에 대한 3차원 검사요청이 갈수록 커지고 있음.
◦ 3차원 검사 방법은 다양하나 백색광 간섭계원리가

핵심기술
백색광 간섭 원리에 최적화된 스마트 센서와 스마트 카메라 개발 및 이를 이용한 고속 고정도 3차원 비접촉식 광학 시스템

사업화 배경
◦ 반도체 패키지의 고속/직접화에 의해 칩의 형태가 bump 형태로 변화되고 있으며, bump의 사이즈 및 피치는 작아지고 높이는 높아지고 있음. 또한 산업계에서는 이러한 bump의 높이와 사이즈에 대해 전수검사를 요청하고 있으며, 디스플레이나 PCB등에서 미세 패턴에 대한 3차원 검사요청이 갈수록 커지고 있음.
◦ 3차원 검사 방법은 다양하나 백색광 간섭계원리가 대면적화 및 높은 측정분해능을 얻는데 매우 용이함. 그러나 측정원리상 Z-축을 스캔하며 많은 영상을 얻어야 함에 따라 검사 속도가 늦고 또한 측정 물체에 반사도가 다른 재질을 측정 할 경우 현재 검사에 많은 어려움을 겪고 있음.
◦ 헬리오티스 사에서는 센서 내부에서 입사된 빛의 양을 아날로그 Lock-in 증폭 회로를 CMOS 이미지 센서에 통합하여 간섭무늬를 고속으로 찾아주는 스마트 센서를 개발하였으며, 이는 백색광 간섭계에 적용하기에 최적화된 센서임.
◦ 이는 백색광 간섭계의 원리 사용 시 현재 겪고 있는 문제점 중 많은 양의 이미지 데이터처리 문제, 검사 속도 문제등과 측정 물체의 반사도 차이로 인한 검사 어려움을 해결할 수 있는 솔루션임.
◦ 본 연구에는 위와 같은 요구와 문제점을 개선 하고자 스위스의 헬리오티스 사와 공동 연구를 통해 스마트 카메라 및 3차원 비접촉식 광학 시스템을 개발하고자 함.

최종목표
◦ 백색광 간섭계 원리에 최적화된 스마트 센서를 이용하여 스마트 카메라를 개발하고, 개발된 스마트 카메라를 활용한 3차원 높이 측정 광학 시스템을 개발.
- 데이터 처리 속도 및 수평 분해능
Pixel 해상도 : 500X500
가시도 값 출력 속도 : 8,000fps
수평 분해능 : 8um
- 3D 정밀 측정도
50um의 표준 단차 시편을 활용하여 30회 반복 측정하여 3-Sigma값을 구한 결과 1um이내

사업화 내용 및 결과
◦ 스마트 센서를 이용한 스마트 카메라 개발
- 스마트 센서는 초당 16,000 ~32,000 프레임 속도로 빛을 센싱 하기에 진동에 아주 강하며, 센서 내부에 아날로그 Lock-In 증폭기를 내장하고 있어 측정점의 반사도 차이에 의한 검사 문제점을 해결할 수 있음.
- 백색광 간섭계는 Z축으로 많은 영상을 획득하여 원하는 3D Zmap을 얻는데 이로 인해 많은 데이터 처리 문제와 미세한 진동에 매우 취약함.
- 스마트 카메라는 고속으로 영상획득이 가능해 진동에 매우 강하며, 센서 내부에서 3D Zmap을 추출할 수 있는 가시도 데이터만을 전송하기 때문에 데이터 전송의 병목을 해결 할 수 있었음.
◦ 3D 광학 모듈 설계 및 측정 시스템 개발
- 3D Z-map을 얻기 위해서 광학시스템을 개발 하였으며,
고속 스마트 센서와 연동하기 위해 조명/PZT/영상 획득 동기/Autofocus/렌즈 및 광학계를 개발하였음.
: 고속으로 영상을 찍기 위해서는 CMOS 센서의 노출 시간을 최소화 하여야하며, 이를 위해 8W이상의 High Power LED를 실시간 동기 제어를 위한 조명 컨트롤러를 개발함.
: Z-map을 얻기 위해 Z축 스캐닝을 고속의 PZT를 사용하였으며, 이를 제어하기 위한 동기제어 모듈을 개발 함.
: 고정도 측정에 사용되는 PZT 스캔 범위는 보통 100um 정도에서 사용 되고, 스캔 범위를 넘어가게 되면 정상적인 높이 데이터를 얻을 수 없어 이를 실시간 auto-focussing을 통해 PZT의 스캔 범위로 보내 주어야 함. 고배율 측정을 위해 실시간 이미지 기반의 autofocus 모듈을 개발함.
◦ 인터페이스 모듈 개발
- 고속영상 획득을 위해 25Gbps급의 4ch Coaxpress Interface 개발.
- 센서 구동용 SPI(Serial Peripheral Interface) 개발.
◦ FOV 확장용 Galvanometer 제어 모듈 개발
- 센서의 해상도를 300 X 300에서 500 X 500으로 만들기 위해 고속의 Galvanometer Mirror를 제어하고, 실시간 Z-map을 얻어 이미지를 합성 하는 모듈을 개발함.
- Galvanometer를 사용할 경우 FOV 확장뿐만 아니라 Pixel의 분해능을 높일 수 있는 장점도 가지고 있음.
- 고속의 미세 제어 모듈 개발. (실시간 DA 제어 및 안정적 전압 제어.
◦ S/W 개발
- 센서 제어/실시간 영상 획득 등 Main 프로그램 개발
- GPU를 이용한 실시간 3D 측정 알고리즘 개발
- 반복능 측정 및 Pixel Resolution 측정 프로그램 개발
- Galvanometer 제어 및 이미지 합성 프로그램 개발

핵심개발 기술의 의의
◦ 기존의 스마트 카메라 형태는 CMOS나 CCD 이미지 센서에서 나온 이미지 데이터를 이용해 3D측정 데이터를 CPU나 SOC칩 또는 FPGA를 이용해 계산하는 방식으로, 많은 데이터와 고속 데이터 처리에 한계가 있음.
◦ 본 연구 과제를 통해 개발된 스마트 카메라는 센서 내부에서 아날로그방식으로 적용되며, 매우 고속으로 처리하면서 가시도 데이터만을 추출해 주기 때문에 센서의 속도만 올리면 고속의 데이터 처리가 가능해 짐.
◦ 또한 센서는 스위스의 헬리오티스사 에서만 개발이 가능하며, 당사는 MOU를 통한 기술적 협약을 통해 센서 사용 및 센서 핸들링 기술을 이전 받아 카메라를 개발하였음.
◦ 대부분의 검사장비 구성은 외산 부품을 사용하고 있으며, 본 연구를 통해 개발된 스마트 카메라는 수입에 의존하는 고액의 산업용 카메라를 수입대체 할 수 있고, 영상 획득 관련 부품들의 원가를 낮출 수 있을 것으로 예상 됨.
◦ 개발된 센서를 이용해 만든 카메라 및 3차원 광학 시스템의 수출도 가능하며, 고정도 고속이 필요한 3차원 검사 분야는 적용이 가능할 것이라고 예상됨.

적용 분야
◦ 반도체 bump 높이 검사 분야, display 미세 패턴 검사 분야, 초정밀 가공 분야 등 고정도 고속이 필요한 다양한 산업분야에 적용 가능함.
◦ 당사 3차원 검사장비에 적용하여 이전의 장비의 성능 개선을 통해 매출 증대에 기여할 것이라 예상됨.