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Photonics Conference Tutorial (3 차원 형상 측정 레이저 간섭계 )

김재완 (jaewan@kriss.re.kr). Photonics Conference Tutorial (3 차원 형상 측정 레이저 간섭계 ). 강사 소개. 대한민국 길이 측정 표준 유지 책임자 길이 , 형상 측정 기술 개발 전문가 길이 측정클럽 운영자 metclub.kriss.re.kr ID: 기럭지 연락처 : jaewan@kriss.re.kr. 목 차. 표준과 표준과학연구원의 역할 측정과 표준. 측정표준 ( 동등성 ). ◈ 안전성 , 효율성 , 경제성을 높이기 위해 국가가 강제적

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Photonics Conference Tutorial (3 차원 형상 측정 레이저 간섭계 )

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Presentation Transcript

  1. 김재완 (jaewan@kriss.re.kr) Photonics Conference Tutorial(3차원 형상 측정 레이저 간섭계)

  2. 강사 소개 대한민국 길이 측정 표준 유지 책임자 길이, 형상 측정 기술 개발 전문가 길이 측정클럽 운영자 metclub.kriss.re.kr ID: 기럭지 연락처: jaewan@kriss.re.kr

  3. 목 차 • 표준과 표준과학연구원의 역할 • 측정과 표준

  4. 측정표준 (동등성) ◈ 안전성, 효율성, 경제성을 높이기 위해 국가가 강제적 또는 민간이 자율적으로 제정하여 준용하는 문서화된 과학기술적 기술규격/지침/기술규정 (KS, ISO, IEC) 성문표준 (국가규격) ◈ 산업 및 과학기술 분야에서 사용되는 측정단위나 측정량의 국제적 동등성을 보장하는 기준을 제공하기 위한 측정방법, 표준물질, 측정시스템 ◈ 제품, 공정 또는 서비스가 규정된 요건을 충족시키는 정도에 대한 체계적인 심사 (인증, 인정) 적합성평가 (인증/인정) 표준이란? 표준이란 인류가 문명을 형성해 나가면서 편의와 효율성을 도모하고 공정성과 국제적 신뢰성 제고를 위해 통일적으로 준용하는 과학기술적 기준

  5. 측정이란 • 측정 : 어떤 양에 대하여 합리적으로 여겨지는 하나 또는 그 이상의 값을 실험적으로 얻는 과정 [국제측정학용어집(VIM) 제3판, 2007)]

  6. 측정은 값을 결정하는 작업 현실의 값은 변함 값은 동일성 기대 보편적, 호환적 결과 과학적 측정

  7. 상황: • 인간의 키가 하루 동안 어떻게 변하는지 알기 위해 교수A는 조교B에게 “길이초등학교” 1학년1반 학생들의 키를 측정하라고 했다. • 사람의 키는 활동시간, 운동량, 자세에 따라 달라진다. 또한 초등학교 1학년 학생들은 일정한 자세를 오래 유지하기 어렵다. • 측정 시간이 짧으면서 아이들의 흥미를 느낄 수 있는 레이저 키 측정기를 사용한다. • 체육 활동이 없는 날, 9시, 11시, 1시 3회를 측정한다. • 개인별 키 차이 효과를 제거하기 위해 9시 측정한 키를 1로 규격화하여 학생들의 평균을 비교한다. 결과의 신뢰도를 평가한다. 상황: - 교수A는 조교B에게 “길이초등학교” 1학년1반 학생들의 키를 측정하라고 했다. - 조교B는 줄자를 가지고 길이초등학교를 방문해 학생들의 키를 쟀다. - 조교B는 측정한 키를 표로 정리해 교수A에게 보고하였다. 과학적 측정의 조건 측정목적을 이해 측정대상을 이해 측정장치를 이해 측정방법을 이해 측정결과를 이해

  8. 12 율관 1. 황종 2. 대려 3. 태주 4. 협종 5. 고선 6. 중려 7. 유빈 8. 임종 9. 이측 10.남려 11.무역 12.응종 조선시대 길이의 표준 • 조선시대 도량형의 표준 • 同律度量衡(음률에 기초한 도량형) • 세종시대의 경우 : 269 Hz 표준음높이(黃鍾律) • 황종률관(9寸,周易의 數理哲學) • 12律呂 제정(三分損益法,隔八相生法) • 度(길이표준) • 황종척(10寸=1尺) • 量(부피표준) • 황종률관 부피 • 衡(무게표준) • 황종률관부피의 물의 무게 : 무게표준

  9. 미터는 어떻게 만들어졌나? • 자오선을 기준한 지구 둘레의 4천만분의1을 1 meter로 정의 (1791) • 프랑스의 Dunkerque / Barcelona사이를 삼각측량 하여 지구둘레를 측정 (1792-1798) • 1 meter를 정하고 단면표준 미터원기를 백금으로 제작 (1799)

  10. Meter 정의의 변천 Key techniques Definition of meter 1983 Speed of light ±0.0007 m Frequency stabilized He-Ne laser 1964 1960 1St length quantum standard (transition line of krypton isotope) ±0.007 m Michelson interferometer 1892 1889 International Prototype meter ±2 m 1791 Quater meridian of the Earth ±60 m

  11. 단위 표기 방법 (1) • 대소문자 구별 • 옳은 단위 표현 • m (미터), kg (킬로그램), s (초), A (암페어), K (켈빈), mol (몰), cd (칸델라), W (와트), Hz (헤르츠), N (뉴턴), J (줄), V (볼트) 등 • Hz (O), hz (X) • km (O), Km (X), kM (X) • 양과 단위는 한 칸 띄어 씀 (%도 단위와 동일한 방법으로 표기) • 3 Hz (O), 5 % (O), 3Hz (X), 5% (X) • 단위는 로마체로 표기 • 3 Hz (O), 3Hz (X),

  12. 단위표기방법 (SI 접두어) • SI 접두어와 단위를 같이 사용할 때의 표현(대소문자 구별) • kilo: k (1000을 의미) : 1 kV = 1000 V, 1 km = 1000 m 등 • Mega : M (106을 의미) : 1 MW = 106 W • 접두어는2개 이상을 함께 사용하지 않음

  13. 길이 센터의 임무 Length & frequency Standards Standards Dimensional Metrology Length Dissemination Research Application

  14. 반도체 3D 패키지 측정기술? • 새로운 반도체 패키지 방법인 3D wafer packaging 공정 개발과 수율 향상에 필요한 3차원 형상, 구조물 내부형상, 열 분포의 측정/검사 기술 Wire bonding Wafer packaging

  15. Profile, Flatness (PSI, WSI, Confocal) metal plates bumps wafers Electric inspection Thermal source Tomography (ultrasonic, x-ray) TSV short Heat transfer (Thermometry) 필요한 기술과 현황 • Metrology for inspecting 3D wafer level packaging • Inspection of TSV, bump, electric connection, thermal distribution No method settled yet for high speed inspection !

  16. Microstructure Metrology 특허지도 Instrument • 메코메타(0941981) • 3차원좌표(0908638) • 변위각도(0608892, 미국) • 변위변각A(0608892) • 변위변각B(0997948) • 비접촉좌표(2010-0057993) • 유동장(2011-0058471) • 엔코더A(2011-0057981) • 엔코더B(2012-0051435) • 표면진동(1135142) • 원자간력(0486937, 미국) 표면특성 내부 3D 형상 3D 형상 • 두께변화(0900477) • 저결맞음(2010-0104862) • 가시도 (2010-0104855) • TSV (2010-0059994) • 유리두께(2012-0028938) • 공초점(1091111) • 비점수차(1133562) • 고속형상(0925783, 미국,일본) • 레이저(0925782, 미국,일본) • 입체형상(1088777) • 컬러투사(1001894) • 고속간섭(2011-0114643) • 접촉탐침(2012-0027786) • 열팽창 (0875489) • 두께굴절률(1105449) 물성 기술 이전된 특허

  17. 고속 위상천이 간섭계 기술

  18. What ? Wafer bump Solder ball Dimple LCD cell LCD spacer MEMS 축구장: 골프공10만개 완두콩 1000 만개

  19. 기존 측정 방법 White light Scanning interferometer Confocal microscope Triangulation Moire Accuracy Shadow problem Accuracy Shadow problem Speed limit Speed limit

  20. -3α° -α° α° 3α° 위상천이 간섭계 - 개요 Algorithm Phase Map Equal phase step Images • Measurement range: /2 • Mechanical scan • Phase shifting by scanning the length of reference arm mechanically ⇒ limitation in measurement speed • Electronic scan • Phase shifting by scanning the wavelength of laser electronically ⇒ more proper for high speed phase shifting

  21. 고속 위상천이 간섭계 - laser • Frequency stabilized laser with low cost !! • Variation of output frequency of LD • Scanning the current of LD • Injection locking to the cavity mode of FPC On resonance, injection locking takes place

  22. 고속 위상천이 간섭계 – laser stability • Frequency logged by a wavemeter • Frequency fluctuation : σ = 5 MHz • Standard deviation of three frequency steps • 3 MHz (correspond to 0.1 in phase) [Optics Express, 17 (2009) p1442]

  23. 고속 위상천이 간섭계 – 고속구동 10 ms Current scan Laser frequency monitored by an interference between front and rear surfaces of a glass plate Transmission of FPC Trigger [Apl. Opt., 50 (2011) p1541]

  24. 측정 영역 확장 Laser 1 Laser 2 FCL • 맥놀이 주파수/파장 Two lasers 동기 방법 PC OS FCL CCD Laser1 SF SF Interferometer L5 Laser2 SF AP FCL RD L4 채널 FCL CCD MF CL BS RM set Sample

  25. 고속 위상 복원 알고리즘 • 기존 unwrap 알고리즘 • ~ 1 sec • 이웃 pixel의 상관 관계로 판단 기존 정수차수 개발 • 새로운알고리즘 • 두 파장의 위상 관계 error

  26. 3D 단차 측정 성능 평가 [Rev. Sci. Instrum. v.82 (2011) p 086111]

  27. 3D profile 측정장비-제품

  28. 고속 형상측정 기술

  29. Conventional confocal microscope • 제한점 • 3차원 형상 측정을 위해서는 수평 및 수직 방향 스캐닝 필요 • 측정 속도의 한계 존재 Detector (V) Z Scan (m) Z Position of Specimen Ref. www.olympusfluoview.com/theory/index.html

  30. Detectors (V) D2 D3 D1 Z (m) Z3 Z2 Z1 Z Position of Specimen 신개념 고속 미세형상 측정기술 (I)(수직 방향 스캐닝 제거) D3 • 가정 및 필요 조건 • 강도 변화를 가우시안 또는 2차 함수로 가정 • 각 감지기의 강도 변화 함수 형태가 동일하고 피크 위치만 다름 • 각 감지기 강도 변화의 피크 위치 교정 PH2 PH2 D2 BS D1 BS PH1 TL LS BS CO OL Z1 Specimen Z2 Z3

  31. 실험 장치 CCD1 CCD3 CCD2 Light source Beam splitting optics 2D pin hole array & projection optics Zoom lens Objective lens (10X) PZT stage (Z) Manual stage

  32. 시편 수직 위치 변화에 따른 측정 이미지 CCD1 CCD2 CCD3 Z = -10 m Z = 0 m Z = +10 m

  33. 각 픽셀 별 강도 변화 및 선형성 강도 변화 (normalization 후) 기준 높이 vs. 계산값 i = 1 j =1 i = 11 j =8 i = 22 j =16

  34. 5 m 단차 측정

  35. Wafer thickness 측정 기술

  36. ** This signal contains the spectral distribution of a light source. 웨이퍼 두께 - 기본원리 • reference I(f) = I0 + V cos(k·2·OPD) = I0 + V cos(2π/c·2·OPD·f) light source mirror BS where, I0 : back ground intensity, V: visibility, k: wave number, OPD: optical path difference, c: speed of light, f: frequency optical spectrum analyzer FFT T OPD=T·c/2

  37. 웨이퍼 두께 - 아이디어 reference DFB laser EDFA COMB Generator EDFA L0 mirror BS L1 L2 L3 Where, EDFA: Er doped fiber amplifier, BS: beam splitter 1 2 wafer photo detector L0: optical path between BS and reference L1: optical path between BS and top surface of a wafer L2: optical path between thickness of a wafer L3: optical path between bottom surface of a wafer and mirror Refractive index of a wafer: N OPD from phase of ray 1: L1+L2+L3-L0 = A OPDs from phases of ray 2: L1-L0 = B L1+N·L2-L0 = C L1+N·L2+L3-L0 =D N·L2=E From A: A=B+(D-C)+L2  L2=(A–B)–(D-C) From E: N=E/(A-B-(D-C))

  38. 웨이퍼 두께 - 실험 결과 A, OPD of simple interferometer B, front surface of a wafer C, rear surface of a wafer D, a target mirror through a wafer E, self-interference of a wafer • 측정노출시간: ns • thickness, L2 : 332 µm / optical thickness, N·L2: 1.186 mm [Optics Express, 18 (2010) p18339]

  39. TSV (Through Silicon Via) 측정 기술

  40. TSV 측정 기술 현황 • TSV (Through Silicon Via) • High aspect ratio (Small and deep) hole • 공초점 현미경 측정결과 • 백색광 간섭계 측정결과

  41. TSV 측정 - 아이디어 DFB laser Comb generator EDFA λ=1542 nm reference BS objective CL sample L back side via bottom OSA front side Two operation modes Low-coherence interferometry using a reference Self-interferometry point scanning

  42. TSV 측정 결과 reference mirror 측정시편 sample From a light source BS objective (20X) To OSA [Optics Express, 20 (2012) p5011]

  43. 요 약 • Key words of our research • Semiconductor packaging process inspection • High speed and accuracy TSV 측정기술 Bump 측정기술 Thickness

  44. 감사합니다

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