별지 제4

Transcription

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2 제출문 중소기업청장귀하 본보고서를중소기업기술개발사업과제의최종보고서로제출합니다 최종보고서공개 비공개 년 비공개는최장 년임 사업명 창업성장기술개발사업 과제명 반도체패키징검사용근적외선공초점현미경개발 개발기간 개월 주관기관 주식회사나노프로텍 대표자 이형석 인 공동개발기업 참여기업 수요처 대표자 인 위탁연구기관 대표자 인 과제책임자 ː 김영렬 연구원 ː 이형석 " " " " ː 김진용 ː 김상태 ː 김범수 ː 허은창

3 요약서 초록 과제명 키워드 반도체패키징검사용근적외선공초점현미경개발 근적외선 공초점 레이저 반도체 패키징 개발목표및내용 항목계획실적달성도 최종보고서해당페이지 개발목표근적외선공초점현미경개발 초정밀 스캐닝메커니즘 레이저 스캐닝엔진 정량적 목표항목및 달성도 레이저스캐닝광학계해상도 높이측정분해능 높이측정반복능 σ σ 측정데이터분석 개발 개발완료 기타성과 지적재산권 특허 실용신안등 논문팔표 건 기타 건 기대효과 일차적으로외산측정기의국산측정기로의수입대체를기대할수있으며 이는산업계전반에설비투자비용절감과국내생산제품에대한신뢰도향상등에기여할것으로기대되며 주요생산공정에서외산측정기를사용함으로인한반도체나디스플레이제품의설계나공정노하우의해외경쟁업체로의기술유출을방지에도일조할수있음 적용분야 플립칩본딩후플립칩하부의결함검사 패키징후칩과 간의갭측정 환경시험등으로인한 칩의파손여부검사 작업시연삭후 두께검사 구조에서 가공작업후 깊이측정 제작시상하칩의 정확도모니터링 변경사항 변경사항없음

4 [# 별첨 1] 목 차 제 1 장개발기술의개요 10 제 1 절개발기술의특징및필요성 개발기술의특징 제품및개발기술의필요성 10 제 2 절국내외관련기술의현황 국내관련기술현황 국외관련기술현황 12 제 2 장개발목표및개발내용 14 제 1 절기술개발목표 개발사양 개발목표및달성도평가 개발일정대비달성률 16 제 2 절세부개발내용및방법 측정기본원리 17 가. 스캐닝방법 18 나. 2D / 3D 측정 세부개발내용 20 가. Probe 모듈광학계 20 나. Probe 모듈광학계설계 21 (1) 광학계설계치확정 21 (2) 광학계설계 22 (3) 기구부설계 38 (4) 기구부제작 - 405nm 43 (5) IR Lens 선정 44 (6) 광학계재설계및제작 (1310nm LD용 ) 46 (7) 405nm LD용광학계부분재설계 46 (8) IR 기구부제작 47 (9) 전장부제작 49 다. Probe Control Unit 구성 50 (1) 파트제어부 51

5 (2) 데이터제어부 52 (3) 전원부 53 라. Probe Control Unit 개발 54 (1) 스캐너구동제어 54 (2) PZT 구동제어시스템 55 (3) 이미지센서와 ADC 57 (4) 이미지데이터와명령어전송 59 (5) Firmware 61 (6) 이미지품질개선 64 제 3 절측정및성능평가 측정시편 성능평가 74 가. 초정밀 Z 스캐닝메커니즘 74 나. 레이저 XY 스캐닝엔진 75 다. 레이저스캐닝광학계해상도 76 (1) Pixel Clock 체배 76 (2) 768step Saw wave 생성 77 (3) 레이저스캐닝해상도 이미지검증 77 라. 측정높이분해능 78 마. 측정반복성 80 바. Software 구성 83 (1) Control Software 83 (2) Data Analysis Software 86 사. 최종성능평가 88 제 3 장성과요약및기대효과 89 제 1 절성과요약 89 제 2 절개발예상효과및활용방안 개발예상효과 활용방안 90 제 3 절개발된기술을활용한사업화방안 시장분석 사업화계획 91 가. 마케팅및시장진입 91 나. 양산계획 92

6 그림목차 [ 그림1] 일반현미경과 Laser Confocal 현미경으로취득한 2D 영상비교 11 [ 그림2] Laser Confocal 현미경으로취득한 3D Rendering 11 [ 그림3] 경쟁업체의 Laser Confocal 현미경 13 [ 그림4] Confocal System 원리 17 [ 그림5] 점 (Point) 스캐닝방식 18 [ 그림6] 공초점현미경의측정 19 [ 그림7] 프로브모듈광학계설계도면 20 [ 그림8] 개발완료된프로브모듈 20 [ 그림9] Relay부 3D 모델 (ZEMAX) 21 [ 그림10] Singlet#1 사용 Beam Spot Size 22 [ 그림11] Doublet#1 사용 Beam Spot Size 22 [ 그림12] Doublet#2, ScanLens#2 사용 ZEMAX 2D 개념도 23 [ 그림13] Doublet#2, ScanLens#2 사용 Beam Spot Size 23 [ 그림14] Doublet#2, ScanLens#1 사용 ZEMAX 2D 개념도 23 [ 그림15] Doublet#2, ScanLens#1 사용 Beam Spot Size 24 [ 그림16] Relay System A의개념도 25 [ 그림17] Relay Diameter 18mm/40mm 시뮬레이션 26 [ 그림18] Doublet#3 사용 ZEMAX Simulation Data 27 [ 그림19] Doublet#4 사용 ZEMAX Simulation Data 27 [ 그림20] Doublet#5 사용 ZEMAX Simulation Data 27 [ 그림21] Doublet#5와 MeniscusLens#1 한쌍만조합한경우 Simulation Data 28 [ 그림22] Doublet#5와 MeniscusLens#1 Pair로조합한경우 Simulation Data 28 [ 그림23] Doublet#5와 MeniscusLens#2 한쌍만조합한경우 Simulation Data 29 [ 그림24] Doublet#5와 MeniscusLens#2 Pair로조합한경우 Simulation Data 29 [ 그림25] Bi-ConcaveLens#1 사용 Simulation Data 30 [ 그림26] Bi-ConcaveLens#2 사용 Simulation Data 30 [ 그림27] Bi-ConcaveLens#3 사용 Simulation Data 30 [ 그림28] Doublet#5 + MeniscusLens#2 + Bi-ConcaveLens#3 사용 Simulation Data 32 [ 그림29] Doublet#5 + MeniscusLens#2 + Bi-ConcaveLens#1 사용 Simulation Data 32 [ 그림30] Doublet#5 + MeniscusLens#1 + Bi-ConcaveLens#1 사용 Simulation Data 32 [ 그림31] Doublet#5 + MeniscusLens#1 + Bi-ConcaveLens#2 사용 Simulation Data 33 [ 그림32] Doublet#5 + MeniscusLens#2 + Bi-ConcaveLens#4 사용 Simulation Data 33 [ 그림33] Doublet#5 + MeniscusLens#2 + Bi-ConcaveLens#5 사용 Simulation Data(Dia. 60mm) 34 [ 그림34] Doublet#11 + MeniscusLens#3 + Bi-ConcaveLens#2 사용 Simulation Data(Dia. 30mm) 34 [ 그림35] ScanLens#3을한개사용 Simulation Data(Dia.50.8mm, 방향1) 35 [ 그림36] ScanLens#3을한개사용 Simulation Data(Dia.50.8mm, 방향2) 35

7 [ 그림37] ScanLens#3을 Pair로사용 Simulation Data(Dia.50.8mm, 방향1) 36 [ 그림38] ScanLens#3을 Pair로사용 Simulation Data(Dia.50.8mm, 방향2) 36 [ 그림39] Relay Dia. 30mm, Scan Focal = 30mm의경우 Simulation Data 37 [ 그림40] Relay Dia. 30mm, Scan Focal = 60mm의경우 Simulation Data 37 [ 그림41] 최종선정광학계의 Simulation Data 38 [ 그림42] Laser Diode 출력광확인 38 [ 그림43] LD Collimation Lens Data 39 [ 그림44] LD 연결부기구 39 [ 그림45] Pinhole Collimation Lens ZEMAX Data 40 [ 그림46] 광경로 2D 모델링 40 [ 그림47] 전체광경로 3D 모델링 41 [ 그림48] 광학계 3D 모델링 41 [ 그림49] 기구부전체구성 42 [ 그림50] 시스템전체구성 42 [ 그림51] ScanLens#4 사용 RMS Wavefront Error 44 [ 그림52] ScanLens#4 사용 Simulation Data 44 [ 그림53] IR 광학계최종 ZEMAX Simulation Data 45 [ 그림54] IR 광학계광경로전체부 45 [ 그림55] IR 광학계 Relay - Scan부광경로. 45 [ 그림56] 수정광학계 3D 모델링 46 [ 그림57] Circulator 개념도 47 [ 그림58] IR 광학계 48 [ 그림59] PCU 전장박스 49 [ 그림60] SMPS 고정브라켓 49 [ 그림61] Probe Control Unit 구성도 50 [ 그림62] Probe Control Unit Schematic 50 [ 그림63] Probe 제어모듈박스파트제어부 51 [ 그림64] 이미지데이터흐름제어 53 [ 그림65] SMPS 구성모습 53 [ 그림66] 수평스캐너 54 [ 그림67] 수직스캐너 54 [ 그림68] 스캔이동기능 Sequence 55 [ 그림69] MCU와 DAC Test 보드연결 56 [ 그림70] 메인커넥터모습 56 [ 그림71] DAC 특성과 LUT 출력 57 [ 그림72] PMT 테스트연결구성도 57 [ 그림73] PMT 빛의세기에대한출력패턴 57 [ 그림74] PMT 출력신호와영상 58

8 [ 그림75] APD출력신호를 ADC한샘플영상 58 [ 그림76] ADC CLK 수정으로노이즈제거 59 [ 그림77] 이미지데이터전송블록다이어그램 59 [ 그림78] ADC Read Process Timing Chart 60 [ 그림79] LineSend Process Timing Chart 60 [ 그림80] FrameSend Process Timing Chart 61 [ 그림81] Probe Control Unit 시스템구성 61 [ 그림82] PC 와 MCU간통신순서도 62 [ 그림83] Quad 8-Bit Serial DAC Timing Chart 62 [ 그림84] MCU IO Configuration 63 [ 그림85] FPGA 설계블록다이어그램 63 [ 그림86] FPGA Timing Chart와연결구조 64 [ 그림87] MCU FPGA 명령어 64 [ 그림78] ADC#1 테스트 65 [ 그림89] ADC#2 테스트 65 [ 그림90] ADC#2 획득테스트이미지 65 [ 그림91] ADC#2 이미지화질개선테스트 [ 그림92] ADC#2 이미지화질개선테스트 [ 그림93] ADC#3 테스트 67 [ 그림94] 10-Bit ADC 선형적인노이즈제거 67 [ 그림95] White Spot Noise 제거 68 [ 그림96] PMT 테스트 68 [ 그림97] RC-필터설계적용테스트 69 [ 그림98] 프레임그래버벤치마킹 69 [ 그림99] 수평스캐너드라이버보드의 Phase adjustment 69 [ 그림100] 수직스캐너드라이버 70 [ 그림101] 1-3차 PCB 제작 70 [ 그림102] 표준시편표준물질인증서 [ 그림103] 표준시편표준물질인증서 [ 그림104] 측정표준시편의측정형상 74 [ 그림105] PZT Actuator Technical Data 74 [ 그림106] CRS Scanner Performance Table 76 [ 그림107] Matrox Intellicam을이용한 FrameRate 측정 76 [ 그림108] Pixel Clock Rates Table 77 [ 그림109] 768 Step Saw wave 생성 Chart 77 [ 그림110] Adobe Photoshop으로 해상도검증화면 78 [ 그림111] Intensity 변화측정구간 (Intensity Chart) 78 [ 그림112] Intensity 변화측정지점 (Image) 79

9 [ 그림113] Intensity 변화측정량차트 ( 평균 ) 79 [ 그림114] Control Software(Control Tab) 83 [ 그림115] Control Dialog 84 [ 그림116] Control Software(Review Tab) 84 [ 그림117] Review Tab 85 [ 그림118] Data Analysis Software 86 [ 그림119] 측정데이터의 3D 형상 87

10 표목차 [ 표1] 일반현미경과 Laser Confocal 현미경의비교 10 [ 표2] 공초점현미경개발성능목표 14 [ 표3] Scan 각도에따른 P-V값과 RMS 변화 (Relay Dia. 18mm) 26 [ 표4] Scan 각도에따른 P-V값과 RMS 변화 (Relay Dia. 40mm) 26 [ 표5] PCU 제어보드의 IC와드라이버의요구전압 53 [ 표6] SMPS 출력전압 53 [ 표7] 표준시편사양표요약 71 [ 표8] Laser InterFerometer로측정한 Z축구동분해능 78 [ 표9] Intensity 변화측정량 79 [ 표10] 격자시편의반복성측정결과 80 [ 표11] 가로줄시편의반복성측정결과 81 [ 표12] 세로줄시편의반복성측정결과 81 [ 표13] 표준형상시편의반복성측정결과 82 [ 표14] 원형시편의반복성측정결과 82 [ 표15] 개발목표에대한목표치와최종평가결과비교 88 [ 표16] Laser Confocal 현미경의시장규모 91 [ 표17] 개발종료후년도별사업화계획 92

11 제 1 장개발기술의개요 제 1 절개발기술의특징및필요성 1. 개발기술의특징 반도체나디스플레이그리고나노및바이오산업의확대에따라관련제품의형상분석및치수측정에있어고분해능의측정성능에대한시장의요구가커지고있다. 일반현미경측정기와는달리당사가개발하고자하는반도체패키징검사용근적외선공초점현미경측정기는고배율대물렌즈가갖는초점심도의한계를극복하기위하여 Scanner를이용하여단파장 Laser를측정대상에주사한후반사된광을 Photo Detector 센서로수광하여측정을수행하게되므로, 고배율에서도초점심도에관계없는선명한영상을취득할수있을뿐만아니라, 3D 데이터도동시에고속으로얻을수있는것이특징이다. 구분 Light Microscopy Video Microscopy Laser Scanning Confocal Microscopy Application 2D 2D/3D 3D Light Source Lamp Lamp Laser Signal Seperator Dichroic / Filter Dichroic / Filter Dichroic / Filter Detector Eye / Video Camera Photomultiplier Photo Camera Eye Photo Detector Image Acquisition Frame Parallel Detection Frame Parallel Detection Point Sequential Detection [ 표1] 일반현미경과 Laser Confocal 현미경의비교 2. 제품및개발기술의필요성 반도체, 디스플레이및소재관련산업계의제품개발및제조공정그리고, 품질관리부문등의제품의성능및신뢰성을평가하는데있어서, 미세 3차원측정기술과평가기술의중요성이점차확대되고있음에도불구하고, 국내에서는그측정기술과제품이선진국에비하여매우낙후된상황이다. 따라서당사는본기술및제품을개발하여 1차적으로국내의반도체, 디스플레이업체진입을목표로하고향후동남아시아를기반으로해외로의수출도계획하고있으며, 기존산업용이외에나노및생물, 바이오용 3차원측정기로의응용영역확대를기대하고있다.

12 [ 그림 1] 일반현미경과 Laser Confocal 현미경으로취득한 2D 영상비교 상기의그림은대물렌즈의광축에대하여기울어져대물렌즈의초점심도를벗어난 Wafer상의회로패턴을일반현미경과 Laser Confocal현미경으로취득한영상을도시하고있다. 일반현미경으로취득한영상은윗부분과아랫부분이초점심도를벗어나있기때문에흐릿하게 Defocusing 됨을알수있고, Laser Confocal 현미경으로취득한영상에서는초점심도에관계없이전체영역에대하여선명한 2D영상을얻을수있음을알수있다. [ 그림 2] Laser Confocal 현미경으로취득한 3D Rendering 그리고상기에서언급한대물렌즈의초점심도에관계없는선명한 2D 영상과더불어각각 의 Pixel 에대하여높이정보를가지고있기때문에 3D Display 및 X, Y 방향프로파일, 거 칠기등의유용한정보를얻을수있다.

13 이러한 Laser Confocal 의특징은반도체나디스플레이의고정세화그리고나노및바이오산업의성장에따라그중요성이확대될수밖에없으며, 빠르게일반현미경시스템을대체해나가고있다. 본과제에서제안하는반도체패키징검사용근적외선공초점현미경은광학, 기계, 전자및 S/W 기술의집합인측정 / 검사기로서, 기술중심의고부가가치사업으로선진국에서도촉망받고있는분야중의하나이다. 사용하는단계별로볼때, 연구 / 개발에필요한범용측정기에서부터제품의양산시필요한전용측정기까지그기술을사용할수있으며, 분야별로볼때, 반도체, Display 및소재관련의기존산업용으로부터미래산업인나노, 바이오산업에필수적인계측장비로그기술과제품의시장은매우광범위하고, 또한빠른속도로진보하고있다. 따라서, 이와같은제품및기술을우리나라에서도반드시확보해야한다고판단된다. 제 2 절국내 외관련기술의현황 1. 국내관련기술현황 본기술을이용한외산제품이각급학교의실험실및생물및바이오, 반도체, 디스플레이업체에상당수가보급되어있고, 시장의요구도계속해서확대되고있음에도불구하고, 원천기술이나응용기술의어려움으로인하여학교차원에서의기술적기본원리에대한연구사례정도가있을뿐, 기업체차원에서의실제사용가능한기술개발과상용화제품출시의사례는국내에서는한군데정도에서찾아볼수있으며, 본개발목표인반도체패키징검사용현미경은국내에서는개발된사례가없다. 향후의시장과파급효과를볼때더욱심도높은기술개발이필수적인상황으로판단된다. 2. 국외관련기술현황 세계적인광학현미경메이커를가지고있는일본과독일의 Keyence, Olympus, Nikon, Zeiss 에서각각일반금속용과생물용 Confocal 측정기를출시하여전세계시장의 97% 를, 미국의 August 社에서 Bumped Wafer 전용측정기를출시하여그분야에있어서전세계시장의 75% 이상을차지하고있으며, 최근나노및바이오, 반도체나디스플레이시장의확대에따라, 본격적으로해당기술과제품이산업계시장으로진입하여확대되고있는단계이다.

14 [ 그림 3] 경쟁업체의 Laser Confocal 현미경

15 제 2 장개발목표및개발내용 제 1 절기술개발목표 1. 개발사양 본과제에서개발된 반도체패키징검사용근적외선공초점현미경 의성능목표는아 래표와같음. 항목세부항목사양 측정방법 IR Confocal Microscopy Probe 모듈 레이저 XY 스캐닝엔진 초정밀 Z 스캐닝메커니즘 15 Frame/sec 10nm 레이저스캐닝광학계해상도 Probe 제어기 Probo 제어보드 Z Scan 제어보드 16bit D/A Probe 운영 제어기통신및파트운영 Software Measurement Control Result Display View 2D / 3D Measurement Intensity Profile View 성능평가 높이측정분해능 높이측정반복성 10 nm 40 nm(σ) [ 표 2] 공초점현미경개발성능목표

16 2. 개발목표및달성도 주요성능지표 단위 최종개발목표 세계최고수준 ( 보유국 / 보유기업 ) 가중치 (%) 시료수 (n 5 개 ) 객관적측정방법 시험규격 1. 초정밀 Z 스캐닝메커니즘 nm 레이저 XY 스캐닝엔진 fps 레이저스캐닝광학계해상도 pixel 높이측정분해능 nm 높이측정반복능 nm(σ) 측정데이터분석SW 개발 2D / 3D Meas & UI 20 시료수 5개미만 (n<5개) 시 사유 국가공인검교정기관인증표준시편데이터취득 측정결과의증빙방법제시 1. 반복성테스트 - 두께표준마스터시편제작시료 5 개기준반복단차측정수행. - 각시료당측정값의평균값기준표준편차가 40nm 이내임을확인. 2. 분해능테스트 - VLSI 표준시편을활용하여 10nm 스텝이동시 Signal 변화를확인

17 3. 개발일정대비달성율 차 수 수행 기관 세부개발내용 반도체패키징검사용근적외선공초점현미경개발 기술개발기간 달성율 (%) 계획 100% 실행 1 차년도 주 관 1. 개발관련부품조사계획 100% 실행 2. Probe 제어보드개발계획 100% 실행 3. Probe 광학계개발계획 100% 실행 4. 초정밀 Scanning Unit 개발계획 100% 실행 5. Probe 모듈장착계획 100% 실행 6. 측정알고리즘개발계획 100% 실행 7. Probe 단위의성능평가계획 100% 실행 스캐너를이용한초정밀 Scanning 메커니즘이탑재된 Laser Scanning Engine의메커니즘과관련제어부및신호처리부설계에다소어려움이있었으나, 다른모듈의개발진행은계획에맞추어순조롭게계획한바대로테스트하여진행되었다. 기술적난이도가높은부분에대해서는테스트보드제작후, 테스트과정에서나타난문제들을개발품모델설계시보완하여진행하였다.

18 제 2 절세부개발내용및방법 1. 측정기본원리 공초점현미경의원리는레이저와렌즈, 핀홀, 광센서, 빔스플리터로구성된광학시스템이다. 레이저에서발산된빛은빔스플리터를거쳐빛을분리시켜투과시키거나반사시킨다. 빔스플리터에서반사된빛은대물렌즈를향하고대물렌즈에의해시편의한점에모여지게된다. 시편의어느한점을맞고반사된빛은렌즈에의해모여지고진행되어왔던방향으로되돌아간다. 되돌아온빛중다시빔스플리터를투과한빛은렌즈에의해핀홀앞에서집속되고, 한점으로집속되어초점을형성한빛만이핀홀을통과하여광센서를통해신호로출력되어진다. 대물렌즈에의해시편에조명된빛중초점평면에서반사하지못한빛은핀홀의위치에초점을맺지못하여핀홀을통과하지못하게된다. 즉, 레이저로부터나온빛은빔스플리터와대물렌즈에의해시편과핀홀에각각초점평면을생성하게되고이초점평면에있지않은빛 ( 정보 ) 는걸러지게된다. [ 그림 4] Confocal System 원리 따라서, 한번에한점정보만을얻게되고물체상의초점위치를움직여가면서물체전체를스캐닝하고 3차원점정보들을 3차원이미지로복원하게된다. 이때초점평면상의각초점들은레이저로부터의공유된초점으로서공초점 (Confocal) 이라부르며공초점위치에있는레이저, 물체상의초점, 핀홀을이용하여이미지를얻는공초점현미경 (Laser Confocal Microscope) 이라불린다. 공초점현미경으로측정하여얻어지는장점은점광원을이용하여시편의특정한점정보만을받아들임에따라고분해능과높은잡음대비신호의비율에기여한다. 렌즈를통과한빛중에서원하지않는지점이나경로를통해빛이디텍터로향하는경우, 시편의표면상태나주변으로부터의산란에의하여잡광들이존재하는경우일반적인광학현미경은불필요한정보를여과없이받아들인다. 따라서일반적인광학현미경은디텍터에서검출되는

19 신호속에관찰하고자하는지점의정보뿐아니라다른지점의정보와산란에의한잡음등이섞이면서잡음대비신호비율이낮아진다. 하지만공초점현미경은핀홀을이용하여불필요한지점의정보와잡음을걸러내면서잡음대비신호의비율을높일수있고, 회절현상에의한영향도제한함으로써분해능을높여주고최종이미지의명암대비가향상된다. 다음으로공초점현미경은시편표면의높이방향으로도스캐닝할수있고높이방향을포함한형상을복원함으로써 3차원측정이가능하다는장점이있다. 대물렌즈가움직이지않으면시편상에형성된대물렌즈의초점평면의정보만핀홀을통과함에따라특정깊이초점평면의정보만을분별해낼수있다. 핀홀이나대물렌즈를움직여초점평면을움직이면새롭게형성된초점평면의정보만걸러낼수있고 3차원시편을높이를가진광학시편들로잘라수집할수있다. 이렇게수집된시편정보들로 3차원이미지를복원해낼수있다. 가. 스캐닝방법공초점현미경은레이저와렌즈그리고핀홀을이용하여 3차원측정이가능하다. 하지만시편의한점정보만을얻어내기때문에시편의모든지점의정보를얻기위해서는시편상의초점을이동시켜가면서시편전체영역을스캐닝하는작업이필요하다. 이는마치주사탐침현미경에서탐침이스캐닝하는작업과같은데이에근거하여핀홀에의해생성된광탐침이시편위를움직여가며스캐닝하는작업과유사하다. 따라서공초점현미경의측정속도는스캐닝속도에의해결정되며측정속도를높이기위해여러스캐닝방식들이있다. [ 그림 5] 점 (Point) 스캐닝방식 레이저를이용한점스캐닝방법에는시편을움직이는방식과빔스캐닝방식이있다. 시편이송방식은빔의초점은고정하고시편을스테이지에고정시켜스테이지를이용하여 x, y 방향으로시편을움직이면서시편영역을스캐닝한다. 빔은고정되어광학계의근축영역만사용하므로수차유발조건이크게줄어광학계설계가상대적으로쉽고, 광학계가움직이지않아스캐닝중에수차가발생하거나비네팅 (Vignetting) 이발생할염려도없어광학적으로안정된시스템이다. 하지만스테이지를이용하여시편을고속으로정밀하게움직이기어려우므로속도와시스템안정성면에서적합한스캐닝방법으로볼수없다.

20 그에반해빔스캐닝방식은시편이고정된체광선의경로와시편상의초점위치를변화시켜스캐닝한다. 시편의원하는곳에초점을맺고스캐닝하기위해서는스캐닝도구의정밀한제어가필요하다. 광선의경로가바뀌는과정에서광학계의근축영역을벗어남에따라수차가발생할수있어시편이동방식에비해광학계설계가까다롭다. 하지만스캐닝도구가작고가벼워매우빠른스캐닝속도를구현할수있고, 주변부에영향을적게주는장점이있어안정적인스캐닝방법이다. 이에공초점현미경개발에빔스캐닝방식이많이사용되고있고, 이에공진형스캐너와갈바노미러를이용한스캐닝도구가제작되고있다. 나. 2D / 3D 측정 선명한 2D 영상측정 3 차원형상측정형상 Slice [ 그림 6] 공초점현미경의측정 현미경의대물렌즈를 Z축방향으로한스텝씩이동시키면서각각의스텝에서측정대상물의전체영역에대하여 Laser를조사하여반사된미세광신호를디텍터에서수집하게된다. 이때각 Pixel별광강도의프로파일을보면프로파일의 Envelop이 Peak 값을갖는 Z 스텝의위치가그 Pixel이가지는포커스, 즉높이가됨을의미한다. 이러한방법으로전체 Pixel에대하여광강도신호를높이로재구성하게되면, 고배율에서도초점심도에관계없는선명한 2D 영상을취득할수있을뿐만아니라, 3D 데이터도동시에고속으로얻을수있는것이특징이다.

21 2. 세부개발내용 가. Probe 모듈광학계 [ 그림 7] 프로브모듈광학계설계도면 [ 그림 8] 개발완료된프로브모듈

22 본과제를통하여개발되어진각광학유닛들을이용하여구성되어진테스트벤치로광원의파장특성이투과성을가지는광원과광학계, 나노단위의구동분해능을가질수있는 Scanner 부와 IR 코팅을통하여가시광영역의광파장대영향을제거할수있는렌즈로구성되었으며, 이광학유닛들을통하여발생되는광반사를인식할수있는 IR Detector로구성되어진다. 나. Probe 모듈광학계설계 (1) 광학계설계치확정구성광학계의대물렌즈는 10배, 20배, 50배, 150배를이용하고광원파장은 405nm, 스캐너는 Galvano Step 스캐너를이용하기로하였다. 기존의모델검토후원하는결과를얻기위한설계치를확정하였다. 10배니콘대물렌즈를사용하는것으로가정할경우 NA는 0.3 W.D는 16.5mm이고 Focal Length는 20.0mm를나타내었다. Objective exit pupil dia. 는 =2 x f x NA의수식에의해 12mm 가산출되었다. 카메라포맷이 1/2 의경우 6.4mm x 4.8mm의범위를나타내게된다. 적절한 Scan Lens Focal이 30mm 인경우 Full Scan Angle은 12.17도, 필요한광원의 Beam Size는 4mm로나타났다. (2) 광학계설계이러한결과를토대로광원에서 4mm의광이입사될때두개의스캐너를지나는중간의 Relay부와 Scan부그리고중간의 Tube부와 Objective Lens부로설계를진행하였다. ( 가 ) Relay부 - 1차 ZEMAX 프로그램을이용하여두개의미러사이를통과하는 Relay부를구성하였다. [ 그림 9] Relay 부 3D 모델 (ZEMAX) 위그림에서오른쪽의파란부분에서광이입사하여미러를통과하고두개의 Relay Lens를통과한후다른미러를통과하고 Scan Lens를거쳐붉은색면인 Image Plane에나타나게된다. 이모델에서 Image Plane 에서의 Spot Size가최소로모이는지점을찾기위해

23 Relay Lens 의종류와거리를바꾸며결과를찾아보았다. 결과는그조건에서최적의 결과가나타나는경우를나타낸다. 결론적으로동일한 Scan Lens 일때더블렛 (Doublet#1) 이단렌즈 (Singlet#1) 보다우수한성능을나타낸다. 1) Relay Lens : Singlet#1, Scan Lens : ScanLens#1 이용시 - 미러각 13.2 도 (±6.6 도 ) 일때 [ 그림 10] Singlet#1 사용 Beam Spot Size 2) Relay Lens : Doublet#1, Scan Lens : ScanLens#1 이용시 - 미러각 13.2 도 (±6.6 도 ) 일때 [ 그림 11] Doublet#1 사용 Beam Spot Size ( 나 ) Relay-Scan부 - Paraxial 조건 Relay Lens와 Scan Lens 이후의 Tube Lens와 Object부는이상적인조건을가정하는 Paraxial 조건으로설정하고모델선정을실시하였다. 실제모델에서 Tube Lens와 Objective Lens의경우시제품을이용하므로설계상문제는없을것으로보았다. 이때 EPD(Entrance Pupil Diameter) 는 4mm이고 Wavelength는 486.1um(VIS 대역 ) 으로설정하고각렌즈의 BFL(Back Focal Length) 는 ZEMAX상에서나타나는수치로설정하였다. 이후조건에서는 Tube Lens와 Object부는모두 Paraxial 조건을이용하였다.

24 1) Relay Lens : Doublet#2, ScanLens#2 사용시 [ 그림 12] Doublet#2, ScanLens#2 사용 ZEMAX 2D 개념도 위쪽의광원에서광이나와서두개의 Relay Lens 를지나미러를통과하여 Scan Lens, Image Plane 을거쳐 Paraxial 한 Tube Lens 를통과하게된다. [ 그림13] Doublet#2, ScanLens#2 사용 Beam Spot Size BFL = 일때최소 Spot 나타남. 최소 Spot Size는 20.55um, 최대 Spot Size 는 um이다. 2) Relay Lens : Doublet#2, ScanLens#1 사용시 [ 그림 14] Doublet#2, ScanLens#1 사용 ZEMAX 2D 개념도

25 [ 그림 15] Doublet#2, ScanLens#1 사용 Beam Spot Size BFL = 일때최소 Spot 나타남. 최소 Spot Size 는 9.52um, 최대 Spot Size 는 um 이다. ( 다 ) 설계기준재선정이전의설계기준으로 Image Plane에서의최소Spot Size를기준으로실시하였지만, 다른논문및자료등의검토결과 Wavefront Error를평가기준으로삼는것을알게되었다. 따라서요구성능을 Wavefront Error와 P-V값으로보았을경우성능이많이떨어지는것을발견하였다. 문헌자료에따르면 P-V값이 0.012까지나타났으나현재선정한렌즈로는 4이상의큰값이나타나서설계기준변경후, 다시렌즈선정을실시하였다. ZEMAX로구현의경우에 Mirror는단순한평면반사체이므로꼭 3D로설정하지않아도 2D 상에서구현이가능하다고보고수평으로전개하여결과를도출하게되었다. 2D로 Mirror를구성하는경우 Field상의각도조절로구현하는것으로가정하였다. 결과값은 3D Mirror가있는경우와거의같은경향성을보이는것으로나타났다. 또다른요건으로는전체광학계길이는최대한짧게, 구성렌즈의개수는되도록적게하는것이요구되었다. 구체적인설계방법으로는전체구성은광원에서첫번째미러까지 Relay부와두번째미러에서 Scan Lens까지의 Scan부, 그리고이상적인 Tube Lens로구성된 Paraxial Lens부그리고 Objective Lens부로구성하였다. 크게첫번째 Relay에서미러까지 Relay System A, 그뒤부터 Object Lens까지를 Relay System B로본다. 1) Relay System A의설계 Relay System A의 1차적인용도는평행입사광 -> 평행입사광이므로이조건을만족하도록 Relay Lens간거리를결정한다. 먼저사용할 Lens들을선정한후선택한 Lens들에대해거리를변수로두고이를조정해서출사광이평행이되도록 Optimizing을실시한다. 이렇게평행이되었어도이시점에서출사부의 Wavefront Error값이최솟값이아니므로확인이필요하다. 최종출사부의결과값이 1/16λ = λ 인가확인하여이값이만족하지않을경우, Lens들을다시선택하여위과정을반복한다.

26 2) Relay System B의설계 Relay System B의경우는 Scan Lens와 Tube Lens로구성되어있는데 Tube Lens 는상용품을사용하므로유사한 Paraxial Lens로두고 Scan Lens만바꾸어가며위의설계과정을반복하여적절한 Lens를찾는다. 3) 전체 System 평가이렇게 Scan Mirror A와 Relay System A 그리고 Scan Mirror B와 Relay System B, 그리고 Objective Lens로전체 System을구성한후 Objective Lens에서 Diffraction Limit(D.L.) 이하로결과가나오는지확인한고각 Scan Angle들에대해 Objective Lens에의입사광 Ray Tube의크기를조사하고 Objective Lens에서 FOV 를확인한다. 4) Relay System A의 Design Relay System A는기존의렌즈두개의조합이아니라가장바깥쪽의 Doublet Lens 한쌍, 그리고안쪽의 Meniscus Lens 한쌍, 그리고중심의 Bi-Concave Lens 하나로구성한다. Doublet Lens는광을평행하게모아주는역할을하며 Meniscus Lens는전체광경로의길이를줄여주는역할, 그리고 Bi-Concave Lens의경우측정영역왜곡현상을줄여주고 Wavefront Error값을줄여주는효과가있다. [ 그림 16] Relay System A 의개념도 ( 라 ) Relay System A Lens 선정 1) Doublet Lens 선정 1 Relay Lens Diameter에다른경향성파악 Relay Lens를제외한나머지 Scan Lens, Tube Lens는 Paraxial 조건을이용하여시뮬레이션을실시하였다.

27 [ 그림 17] Relay Diameter 18mm/40mm 시뮬레이션 a. Relay Diameter : 18mm 0 도일때 P-V 값 0 도일때 RMS 6.6 도일때 P-V 값 6.6 도일때 RMS A B [ 표 3] Scan 각도에따른 P-V 값과 RMS 변화 (Relay Dia. 18mm) b. Relay Diameter : 40mm 0 도일때 P-V 값 0 도일때 RMS 6.6 도일때 P-V 값 6.6 도일때 RMS A B [ 표 4] Scan 각도에따른 P-V 값과 RMS 변화 (Relay Dia. 40mm) 위의결과에서보듯이 Relay Lens 의 Diameter 가커지면 P-V 값과 RMS 가줄어드 는효과가나타났다. 2 Doublet Lens 비교다양한렌즈들의조합을통해최적의결과를나타내는경우를찾아보았다. Doublet Lens를 Pair로조합했을때 Wavefront Error가최소이며 RMS가 Diffraction Limit 이하가되는 Lens를찾는것이목적이다. 여러종류의 Lens Data 를적용하여시뮬레이션한결과는다음그림과같다.

28 a. Doublet#3 [ 그림 18] Doublet#3 사용 ZEMAX Simulation Data b. Doublet#4 [ 그림 19] Doublet#4 사용 ZEMAX Simulation Data e. Doublet#5 [ 그림 20] Doublet#5 사용 ZEMAX Simulation Data 상기 ZEMAX 시뮬레이션을통해여러 Lens 중 Doublet#5 가가장좋은결과를 나타내는것으로나타났다.

29 2) Meniscus Lens 선정기존에선정한 Doublet Pair의조합사이에 Meniscus Lens를넣어서가장최적의결과가나타나는조합을찾아보았다. 우선은 Pair가아닌상태로 Doublet과 Meniscus Lens를통해결과를보고이후 Pair를진행하였다. 1 Doublet#5 와 MeniscusLens#1 조합 - 한쌍만조합한경우 [ 그림 21] Doublet#5 와 MeniscusLens#1 한쌍만조합한경우 Simulation Data - Pair 로조합한경우 [ 그림 22] Doublet#5 와 MeniscusLens#1 Pair 로조합한경우 Simulation Data

30 2 Doublet#5 와 MeniscusLens#2 조합 - 한쌍만조합한경우 [ 그림 23] Doublet#5 와 MeniscusLens#2 한쌍만조합한경우 Simulation Data - Pair 로조합한경우 [ 그림 24] Doublet#5 와 MeniscusLens#2 Pair 로조합한경우 Simulation Data 이상의결과에서 Doublet#5 와 MeniscusLens#2 조합이가장나은성능을보여주 는것을알게되었다. 3) Bi-Concave Lens 선정기존에선정한최적의 Doublet, Meniscus Lens 조합에서가운데에 Bi-Concave Lens를추가하여 Wavefront Error 값이가장낮아지는결과를보이는 Lens를찾아보았다.

31 1 Bi-ConcaveLens#1 사용시 [ 그림 25] Bi-ConcaveLens#1 사용 Simulation Data 2 Bi-ConcaveLens#2 사용시 [ 그림 26] Bi-ConcaveLens#2 사용 Simulation Data 3 Bi-ConcaveLens#3 사용시 [ 그림 27] Bi-ConcaveLens#3 사용 Simulation Data

32 이러한과정을통하여 Relay System A에맞는렌즈로 Doublet Lens : Doublet#5 와 Meniscus Lens : MeniscusLens#2, 그리고 Bi-Concave Lens : Bi-ConcaveLens#2 를찾을수있었다. 우선은최적의조건에서실시한시뮬레이션이므로실제조건에맞는여러가지변화에맞는렌즈를찾는과정이필요했다. ( 마 ) Scan 각도에따른결과의변화 Scan 각의경우최대각은 ±6.6도까지가능하지만실제로그렇게할경우결과가좋지못하여최적의각을찾는과정이필요했다. 그래서더각이작은경우와다른조합의경우로좋은결과가나오는조합을찾아보았다. 1) Scan 각이 6.6도인경우와 2도인경우비교 1 Doublet# LAM Bi-ConcaveLens#3 a. 2도 : P-V = , RMS = , D.L 이하 b. 6.6도 : P-V = , RMS = , D.L 이상 2 Doublet# LAM Bi-ConcaveLens#2 a. 2 도 : P-V = , RMS = , D.L 이하 b. 6.6 도 : P-V = , RMS = , D.L 이하 3 Doublet#10 + MeniscusLens#3 + Bi-ConcaveLens#2 a. 2 도 : P-V = , RMS = , D.L 이하 b. 6.6 도 : P-V = , RMS = , D.L 에걸침 4 Doublet#10 + MeniscusLens#4 + Bi-ConcaveLens#2 a. 2 도 : P-V = , RMS = , D.L 이하 b. 6.6 도 : P-V = , RMS = , D.L 에걸침 5 Doublet#5 + MeniscusLens#2 + Bi-ConcaveLens#1 a. 2 도 : P-V = , RMS = , D.L 이하 b. 6.6 도 : P-V = , RMS = , D.L 에걸침 6 Doublet#5 + MeniscusLens#1 + Bi-ConcaveLens#1 a. 2 도 : P-V = , RMS = , D.L 이하 b. 6.6 도 : P-V = , RMS = , D.L 에걸침 7 Doublet#5 + MeniscusLens#1 + Bi-ConcaveLens#2 a. 2 도 : P-V = , RMS = , D.L 이하 b. 6.6 도 : P-V = , RMS = , D.L 에걸침

33 2) 다른렌즈조합과각도를적용하였을경우 1 Doublet#5 + MeniscusLens#2 + Bi-ConcaveLens#3 [ 그림 28] Doublet#5 + MeniscusLens#2 + Bi-ConcaveLens#3 사용 Simulation Data 2 Doublet#5 + MeniscusLens#2 + Bi-ConcaveLens#1 [ 그림 29] Doublet#5 + MeniscusLens#2 + Bi-ConcaveLens#1 사용 Simulation Data 3 Doublet#5 + MeniscusLens#1 + Bi-ConcaveLens#1 [ 그림 30] Doublet#5 + MeniscusLens#1 + Bi-ConcaveLens#1 사용 Simulation Data

34 4 Doublet#5 + MeniscusLens#1 + Bi-ConcaveLens#2 [ 그림 31] Doublet#5 + MeniscusLens#1 + Bi-ConcaveLens#2 사용 Simulation Data 5 Doublet#5 + MeniscusLens#2 + Bi-ConcaveLens#4 : Deg 6.6 도 [ 그림 32] Doublet#5 + MeniscusLens#2 + Bi-ConcaveLens#4 사용 Simulation Data

35 ( 바 ) 최종결과도출 이상의여러 Lens 들의시뮬레이션결과를토대로 Relay System A 의최적의성능을 보이는조합은다음과같다. 1) Diameter 60mm 일때 : Doublet - Doublet#5, Meniscus - MeniscusLens#2, Bi-Concave - Bi-ConcaveLens#5 [ 그림 33] Doublet#5 + MeniscusLens#2 + Bi-ConcaveLens#5 사용 Simulation Data(Dia. 60mm) 2) Diameter 30mm 일때 : Doublet - Doublet#11, Meniscus - MeniscusLens#3, Bi-Concave - Bi-ConcaveLens#2 [ 그림 34] Doublet#11 + MeniscusLens#3 + Bi-ConcaveLens#2 사용 Simulation Data(Dia. 30mm)

36 ( 사 ) Relay System B (Scan부) 선정이전에서와동일한방법으로 Relay System B, 곧 Scan부의렌즈선정을실시하였다. 최적의조합을가지는 Relay System A (Relay부) 의조합에서추가로 Scan Lens 를넣고시뮬레이션을실시하였다. Scan Lens로가능한모델은 Doublet 이나단렌즈의경우로 1개가아닌여러개를조합하는경우방향성까지고려해야하였다. 렌즈선정결과 Scan Lens로 ScanLens#3이좋은결과를나타내어여러가지방향성과조합을찾아보았다. 1) Relay Diameter 50.8mm 의경우 1 Scan Lens 1 개사용 - 방향 1 [ 그림 35] ScanLens#3 을한개사용 Simulation Data(Dia.50.8mm, 방향 1) 2 Scan Lens 1 개사용 - 방향 2 [ 그림 36] ScanLens#3 을한개사용 Simulation Data(Dia.50.8mm, 방향 2)

37 3 Scan Lens - Pair 로사용, 방향 - 1 [ 그림 37] ScanLens#3 을 Pair 로사용 Simulation Data(Dia.50.8mm, 방향 1) 4 Scan Lens - Pair 로사용, 방향 - 2 [ 그림 38] ScanLens#3 을 Pair 로사용 Simulation Data(Dia.50.8mm, 방향 2) ( 아 ) 설계치에서 FOV 변경처음설계치에서 Scan Lens Focal Length는 30mm로설정하였으나 Scan Lens를찾는과정에서적합한결과를나타내는 Lens를찾을수없어서 Scan Focal Length를 60mm로조정하였다. 이경우 Scan Full Angle이 13.2도에서 6.6도로변경되고 Mechanical Scan Length는 3.05도 ( 3.1도) 로변하게되어기존의 6도까지아니라도충분한결과를도출할수있다. 그리고이에따라필요한 Entrance Pupil Diameter는 4mm에서 3.6mm가되어광원은 3.6mm이상으로유지되면설계치대로의결과를나타낼수있게되었다. 그리고동일한결과가나타날경우 Lens Diameter가작은것이가공성이우수하게되어 30mm의 Relay의경우를기준으로시뮬레이션을실시하였다. 다음페이지의표를참고해보면 Scan Lens의 Focal Length가 60mm일때 Wavefront Error가낮아지고 RMS는 Diffraction Limit 이하로나타나는것을볼수있다.

38 1) Relay Diameter 30mm, Scan Focal = 30mm 의경우 [ 그림 39] Relay Dia. 30mm, Scan Focal = 30mm 의경우 Simulation Data 2) Relay Diameter 30mm, Scan Focal = 60mm 의경우 [ 그림 40] Relay Dia. 30mm, Scan Focal = 60mm 의경우 Simulation Data ( 자 ) 최종광학계선정시뮬레이션의결과로 Relay부, Scan부의 Lens를선정할수있었다. Relay Lens의경우 Diameter 50.8mm와 30mm를동시에진행하였는데최종결과의시뮬레이션결과 Diameter 25.4mm를사용해도결과는거의동일하게나타나기에제작상의편의를위해 Diameter 25.4mm를선정하였다. 그리고공급의편의성을고려하여되도록같은제작사의 Lens를선정하였다. 최종선정된결과는다음과같다. 1) Relay Lens - Doublet Lens : Doublet#12 2개 - Meniscus Lens : MeniscusLens#4 2개 - Bi-Concave Lens : Bi-ConcaveLens#2 1개 2) Scan Lens - Doublet Lens : ScanLens#3 1개

39 3) 최종선정광학계의시뮬레이션결과 [ 그림 41] 최종선정광학계의 Simulation Data (3) 기구부설계 ZEMAX를통한시뮬레이션결과설계에적합한 Lens를선정할수있었고그후에실제로기구부제작을위한 3D 모델링을실시하였다. 우선은광소스로사용할 LD부점검에들어갔다. ( 가 ) LD 확인이 System에서이용할광원은우선 정도의 405nm Fiber Laser를이용하며차후제작하는 IR대역기구부는 1310nm Fiber Laser를이용하게된다. LD Fiber 에서원형으로광이퍼져나가므로전부분이균일하게나오는지확인이필요하다. 만일균일하지않는다면균일한부분을모아확장해서사용해야하기때문이다. 이용할 405nm Fiber LD는 NA가 0.12로거리 500mm에서 mm로균일하게광이퍼져나와야한다. [ 그림 42] Laser Diode 출력광확인 위그림에서가운데의붉은원은 mm 를나타낸다. 원하는범위에서정상적인 Uniformity 가나타나는것으로보이지만실제로거리가멀어질수록퍼지는상태이므

40 로 Collimation 이필요하였다. LD 의 NA 를이용하여 Collimation 할수있는적절한렌 즈를찾기위해 ZEMAX 시뮬레이션을이용하였다. [ 그림 43] LD Collimation Lens Data 시뮬레이션결과 ColimationLens#1을이용할경우거리 12.8mm 상태에서 Collimation이되어평행광이되는것으로나타나이용하기로하였다. 실제로렌즈를장착하고거리를멀리하며광을살펴본결과 800mm이하에서 4 의평행광이나타나서광원으로이용하기로하였다. 실제기구구성은다음과같이연결되어있다. LD는 FC/PC 방식의커넥터로연결되어이용한다. [ 그림 44] LD 연결부기구

41 ( 나 ) 핀홀초점확인 System에서이용할핀홀에들어가는 Collimation Lens의포커스거리를확인해보았다. 핀홀에서의 Lens는반대로평행광이하나의초점으로모이도록바꾸어주는역할을하게된다. [ 그림 45] Pinhole Collimation Lens ZEMAX Data 핀홀의 Collimation에이용될 Lens는 Collimation Lens#1 인데 Collimation에이용될 Lens들은비구면렌즈이므로시뮬레이션시입력할상수들이상당히많은상황이었다. 시뮬레이션결과초점이모이는거리는광이 4로들어올경우 2.26mm, 3.6로들어올경우 2.25mm로나타났다. ( 다 ) 광경로확인 기구부설계를위해전체광학계의광경로를다시확인하였다. 2D 상으로표시한 것은다음과같다. [ 그림 46] 광경로 2D 모델링 이를토대로거리를산정하여실제기구부설계를하게되는데광경로의길이가 Relay부만 363mm, Mirror 이후부분은 549mm로상당히길어서기존의수평방식으로는장착하기에는기구물이너무커져버리는문제가있었다. 그래서전체광학계는세로로세워서장착하는방식으로설계하기로하였다. 또 Relay부분은직선으로만들고 Mirror 이후에광경로를꺾어서공간확보를하였다.

42 [ 그림 47] 전체광경로 3D 모델링 ( 라 ) 광학계 3D 모델링 (1차모델 ) 전체광경로를바탕으로실제기구들이부착되는위치를 Solidworks로 3D 모델링을실시하였다. 전체기구는 LD 소스부, Realy & Scan부, Tube & Object부를삼등분하여가공이나수정에용이하도록구성하였다. [ 그림 48] 광학계 3D 모델링 위그림은광학계로구성된판넬을나타낸다. 오른쪽에서광소스가들어가서 Scan

43 Mirror를거쳐서 Relay부 ( 둥근 Tube부분 ) 을거쳐다른 Scan Mirror를거쳐 Scan Lens 에서모인후 Right Mirror를거쳐왼쪽으로나오는구성이되며실제로는광학부는세로로장착이되어위에서아래로광이내려오는방식으로이루어지고 Relay Lens Tube는가공성과 Lens 장착을위해세부분으로나누어연결하는방식으로구성하였다. ( 마 ) 기구부설계광학계뿐아니라실제장착할기구부설계를진행하였다. 기존에이용하던현미경 Table에새로만든광학계를연결하여이용하기로하였다. 새로만들어장착하는부분은다음그림좌측에서나타난부분이되면이부분이연결되어현미경 Table에장착하기로하였다. [ 그림 49] 기구부전체구성 [ 그림 50] 시스템전체구성 (4) 기구부제작 - 405nm ( 가 ) 광학계테스트 ( 수평상태 ) 설계한광학계를실제로제작하여수평상태에서 Test를실시하였다. 원하는부분으로광이들어가서정확히꺾이고아래까지내려가서설계한대로작용하는지를중점적으로살펴보았다. Test 광원으로는 405nm Fiber LD를사용하고시뮬레이션상선정한 Lens를모두장착하였다.

44 1) 문제점해결 Test시몇가지문제점이발생하였다. 나타난문제점은다음과같다. 1 LD부연결시고정이확실히되지않았다. 2 Step, Horizon Galvano에광이정확히들어가는지확인하기힘들다. 3 Lens Tube 속에 Lens가정확히평행한지확인할방법이없다. - 가능한해결방법으로는 1 고정브라켓을새로제작, 견고하게부착할수있게한다. 2 Galvano 앞부분에정확한위치에고정할수있는브라켓을제작한다. 3 렌즈조립시에가이드를이용최대한평행하게조립하고 Tube 옆부분을절개하여살펴볼수있는방법을찾는다. 조립시의문제는조립상태와 Align으로우선해결하기로하였다. ( 나 ) 광학계테스트 ( 수직상태 ) 실제기구구성이되는수평상태로기구부를장착한상태로 Test를진행하였다. 세로일때조립상태와영상출력시이상이생기는지여부를관찰하였다. LD 연결시에유격이있는부분은연결브라켓을새로만들어견고히장착하도록하고 LD앞에 Polarizer와 Slit을추가로장착하여 Beam Isolator가제역할을할수있도록하였다. 최초 Test시에 Beam Isolator는 532nm용이어서 532nm Green Laser를이용하여 Test를진행하였는데이후 405nm용을사용하기위해찾아보았으나원하는모델이없는상황이었다. 그래서 405nm 용 Cube Beam Splitter와 Waveplate를조합하여이용하기로하였다. ( 다 ) 기구부정렬설계된대로완벽히조립이되지않아조립후에도재차 Align을통해광이원하는위치에들어가고모일수있게조정하였다. 주요포인트는 LD에서광이나올때정확히수직으로내려가서 Galvano Mirror 중심으로가는지, Relay Tube 통과후 Horizontal Galvano 중심으로광중심이맞는지, Scan Lens통과하고 Mirror Module 통과시정확히수직으로통과하여나오는지여부, Object Lens 위에정확히중심으로광이통과하는지여부를살펴보아 Align을실시한다. 모든 Align이마무리되면핀홀을교체하여 50um, 25um, 12.5um 상태에서이미지를확인한다. (5) IR Lens 선정최초제작된기구부는 405nm 대역의 LD를이용하였는데, 최종목표인 1310nm LD에이용할렌즈를선정하였다. 기본적으로는 405nm에사용한렌즈에 AR 코팅만다른모델을이용하여변화를최소화하였다.

45 ( 가 ) Relay Lens 선정시뮬레이션결과 Relay Lens들은기존모델의 C코팅 (1310nm 대역 AR 코팅 ) Lens 에서성능이적합하게나와서사용하기로하였다. - Doublet Lens : Doublet#13 2개 - Meniscus Lens : MeniscusLens#6 2개 - Bi-Concave Lens : Bi-concavelens#1 1개 ( 나 ) Scan Lens 선정 - ScanLens#4 Lens 가최적의성능을나타내는것으로나타나서선정하였다. [ 그림 51] ScanLens#4 사용 RMS Wavefront Error [ 그림 52] ScanLens#4 사용 Simulation Data

46 ( 다 ) 최종결론 ZEMAX 시뮬레이션을통하여 IR용기구부에사용할 Lens를확정하게되었다. 광학계길이는 Relay부 341.8mm, Scan부 154.1mm로약간변했지만전체광경로길이는큰차이가없는정도이다. [ 그림 53] IR 광학계최종 ZEMAX Simulation Data [ 그림 54] IR 광학계광경로전체부 [ 그림 55] IR 광학계 Relay - Scan 부광경로 (6) 광학계재설계및제작 (2 차 1310nm LD 용 ) 최종목표로삼았던 1310nm 용뿐만아니라 405nm 용기구부도재설계를통해다시제

47 작하였다. 405nm용의경우기존의 Relay 광학계가좌우대칭이되지않은부분을수정하여완전한좌우대칭으로제작하여조립, 제작시편리를도모하고광학적인성능은기존과거의차이가없는수준이다. 1310nm용과비슷한부품은같이활용할수있도록하고길이가다른부분만따로제작하는방식으로제작시효율을증가시켰다. (7) 405nm LD 용광학계부분재설계 광학계에서최초제작본과차이가있는것은크게 LD 소스부와 Relay Tube 부분이다. [ 그림 56] 수정광학계 3D 모델링 LD 소스부의경우수정사항이있는데우선 LD소스가들어가는오른쪽부분의 LD Tube 안쪽에 Polarizer와 Slit이추가되고핀홀은 XY-Stage안에 Mount된모델로변경하여장착했다. 핀홀 Align시 XY-Stage로조정을 Z축은앞쪽의 Micro Stage를이용하여조정이더쉽도록개선하였다. Relay Tube 부분은아래위의 LD 소스부나 Horizon Mirror가장착된상태에서도빼낼수있도록해서 Align시에빼서중심을잡을수있도록했다. 또 Tube 연결부를중간에끼우는방식으로변경하여서안에서렌즈가일자로배열될수있도록수정하였다.

48 (8) IR 기구부제작 405nm용기구를재설계하며 1310nm IR 광학계도같이제작하였다. 기본적인형태는동일하지만광경로길이가다른 Relay와광학계 Plate를다시제작하여전체적으로 405nm, 1310nm용두 Set의기구를제작하였다. ( 가 ) Circulator 방식기존의 405nm에서는광이핀홀을통해들어와서 PMT로입력되는방식이었다. 핀홀방식은잡광을없애고필요한부분만들어오게해서영상품질을향상시키는장점이있지만 Align하는과정이까다로워 1310nm IR 광학계에서는 Fiber에서 Circulator를통해들어오는광을분기하여 APD(Avalanche Photo Detector) 로입력되는식으로시도하였다. Circulator로분기되어나온광을직접 Collimation Lens로집속하여 APD로 Fiber Connector로연결하여입력하는방식이다. 하지만실제 Circulator를사용하여 Test 해본결과원하는대로광이나오지않는문제가발생하였다. [ 그림 57] Circulator 개념도

49 ( 나 ) 핀홀방식 Circulator 방식의결과가원하는대로나오지않아서다시 IR 광학계도기존의핀홀방식으로구성하였다. LD 소스부의 XY- Stage에핀홀을장착하고집속렌즈와 Collimation Lens를통해광이들어갈수있도록구성하였다. < IR 광학계전면 > < IR 광학계측후면 > [ 그림 58] IR 광학계 최종적으로구성된 IR 광학계는위그림에서와같이 1310nm Fiber LD 를사용하고 렌즈는 IR 대역의 AR 코팅이된렌즈를사용하였다. LD Fiber 는위쪽고정기구에장 착하고 Fiber 끝만 LD 소스부기구로연결하여다른진동등의영향을최소화시키고 APD 는옆쪽의기구부에장착하였다. LD 소스부위쪽에서는 Collimation Lens 가연결 되어 APD 와 Fiber Patch Cable 로연결되어광을받도록구성되었다. 그리고 IR 기구용으로 PZT 기구와뒤쪽연결부까지새로제작하여완전한두개의 기구, 405nm 용과 1310nm 용두개의기구를제작하였다.

50 (9) 전장부제작 IR 광학계를설치하여이용하기위해 SMPS 브라켓과전장박스를제작하여 Confocal System에들어가는 PCU, Galvano Board, LD Driver등의보드를한곳에장착할수있도록하였다. [ 그림 59] PCU 전장박스 [ 그림 60] SMPS 고정브라켓

51 다. Probe Control Unit 구성 Probe Control Unit( 이하, PCU) 는 Laser Confocal Microscope의전체시스템의제어를하는부분으로써크게 3가지로나눌수있다. - 시스템을구성하는파트를제어하는파트제어부 - Detector로부터의신호를받고, 처리하여영상으로표현하는데이터제어부 - 파트와 PCB Board의전원을공급하는전원부 [ 그림 61] Probe Control Unit 구성도 [ 그림 62] Probe Control Unit Schematic

52 [ 그림 63] Probe 제어모듈박스파트제어부 (1) 파트제어부 ( 가 ) 스캐너동작 / 범위제어 1) 수평, 수직방향으로 2개의스캐너를가지고스캔한다. 2) 스캐너의각도를제어하기위해각각의스캐너드라이버보드에제어전압의범위를조절한다. 3) 수평방향스캐너의제어전압범위조절은 Serial DAC출력 (0~5V) 을이용한다. 4) 수직방향스캐너의스캔명령신호는톱니파형출력으로수평방향스캐너드라이버보드의 Sync신호를 FPGA로입력하여 FPGA 카운트모듈을통해카운트되어 12Bit Digital Data로출력되면 12Bit DAC를거쳐 0~5V 톱니파형의출력으로나오게된다. 이후 DAC출력은 Digital Potentiometer, OP-AMP를이용하여전압범위를조절된다. 5) OP-AMP 입력단에전압을조절하여수직방향오프셋설정을조절할수있다. ( 나 ) 레이저광량제어 1) Serial DAC출력 (0~5V) 을 OP-AMP를통과시켜레이저드라이버보드에입력시킨다. 2) OP-AMP에연결된가변저항을조절하여전압의범위를조절할수있다. ( 다 ) PZT 동작제어 1) PZT 제어는 Micro Control Unit( 이하, MCU) 내부의 FLASH Memory에 16Bit Resolution에해당되는 Look-Up Table( 이하, LUT) 을작성 / 저장하여명령어에따라 Digital Signal을출력, 16Bit DAC를거쳐 0~10V범위의 PZT 제어전압을 PZT 드라이버보드로입력하면 PZT 동작을제어할수있다. 2) PZT를이용한초정밀 Z축 Scan이가능한데, 방식에대해서살펴보면 PZT Actuator는 90um를움직이고, PZT 장착기구부을통해 3배지렛대원리로

53 270um까지스트로크를배가되었다. PZT 스트로크 270um를 16Bit Resolution으로제어하면 270um/65535로계산할수있어 Z축제어가 4.12nm 까지가능하다. 3) PZT 동작은명령어에따라단순위치이동및지정범위스캔동작을할수있다. 지정범위스캔동작은스캔시작위치, 스캔종료위치, 스캔속도의 3가지변수를변경하여정의할수있다. ( 라 ) 명령어전송 1) PC에장착한프레임그래버의 Camera Link에포함된 Serial 통신을이용하여 MCU로명령어를전송한다. 2) 명령어는 ASCII 코드로전송한다. (2) 데이터제어부 ( 가 ) 이미지신호수신및증폭 1) Photo Detector( 이하, PD) 의출력을 PCU 보드의 SMA Connector로수신하고고속OP-AMP를통과한후고속 ADC 입력전압기준레벨에맞추어신호의전압범위를조절한후고속 ADC를통과시킨다. 2) PD의최대출력은 3.6V이고, ADC의입력전압범위는 0~2V이나광학계를거쳐시편에서반사되어돌아온빛의세기가약해 ADC 입력기준전압에부족할경우 OP-AMP를회로의 Gain을조절해맞출수있다. 3) ADC 입력기준전압에맞추어조절된데이터신호는디지털신호로변환되어 FPGA로 10Bit I/O를통하여입력된다. ( 나 ) 이미지데이터저장, 전송및표시 1) FPGA로입력된데이터는 FPGA 내부에구성된메모리구조를거치게된다. 2) ADC 출력된데이터는 FPGA 내부에구성된메모리에저장, 이동한다. 수평스캐너한픽셀의데이터를수평스캐너드라이버보드의이미지 Enable 신호에맞추어 ADCReadProcess에서 1차메모리에주소를지정하면각각의이미지픽셀데이터를각각의지정된주소의메모리영역에저장한다. 3) 저장된이미지픽셀데이터는 LineSendProcess신호에따라다음 2차버퍼메모리에저장한다. 4) 2차버퍼메모리에저장된이미지데이터는 PCU 보드의 Camera Link IC를통하여 Pixel Clock 신호의타이밍에맞춰 Camera Link Cable을통해 PC의프레임그래버로전송된다.

54 [ 그림 64] 이미지데이터흐름제어 (3) 전원부 ( 가 ) 요구전압 No IC 드라이버구분필요전압필요전압 구분 V CameraLink, 고속 ADC ±5V 레이저드라이버 2 +5V Serial DAC, 12Bit DAC ±12V PZT 드라이버 3 ±5V 고속 OP-AMP ±15V 수평스캐너드라이버 4 ±15V 일반 OP-AMP ±24V 수직스캐너드라이버 [ 표 5] PCU 제어보드의 IC 와드라이버의요구전압 ( 나 ) 전원구성 \ [ 그림 65] SMPS 구성모습 No 모델명 출력전압 비고 1 SMPS#1 +5V/ +15V/ -15V/ -5V ±5V/ ±15V 사용 2 SMPS#2 +12V / +24V SMPS 2개를사용 ± 출력가능 [ 표6] SMPS 출력전압

55 라. Probe Control Unit 개발 (1) 스캐너구동제어 ( 가 ) 수평스캐너 [ 그림 66] 수평스캐너 1) PCU보드에서수평스캐너드라이버보드로전달되는신호는 "Zoom High", "Relay Shutoff" 이있다. 2) "Relay Shutoff" 신호는 Active Low 이므로 I/O 1Bit로제어할수있다. 3) Zoom High는 0~5V의아날로그전압으로스캐너의스캔각도를조절할수있다. 0V일때는스캔을하지않고, 5V일때는스캐너의최대각도로스캔을한다.(Max OPTP 15 ) 4) 0~5V 전압제어를위해 8-Bit Serial DAC를채용하였다. MCU에서디지털신호를 DAC로입력하여 0~5V 출력을제어할수있게프로그램을작성하였다. ( 나 ) 수직스캐너 [ 그림 67] 수직스캐너 1) PCU보드에서수직스캐너드라이버보드로전달되는신호는 Input Signal 이있다. 2) "Input Signal" 전압범위는 -10V ~ +10V 까지인데전압에따라스캐너의위치가바뀌게된다. 그래서톱니파형태의신호를 "Input Signal" 로입력해주어야한다. 3) 톱니파형태의신호는수평스캐너와수직스캐너의주기를맞춰주어야할필요가있기때문에수평스캐너드라이버보드에서 "Sync" 신호를 FPGA로입력하고,

56 FPGA에서는 Counter Module을구성하여 "Sync" 신호를카운팅하고, 일정수의 Sync 신호를카운팅한후에는다시원위치로돌아간다. 이러한 Counter Module에서의일련의과정을디지털 I/O 12-Bit로출력시킨다. 4) 12-Bit I/O에서출력된디지털신호를 12-Bit Parallel DAC로입력되고, DAC는톱니파형아날로그전압 0~5V로출력되게한다. 5) 톱니파형태로출력된아날로그신호는 Digital Potentiometer, OP-AMP (+) 입력으로통과하게되어원하는전압레벨로조정된다. 6) OP-AMP에서 (-) 입력으로 8-Bit ADC 출력인 0~5V전압으로톱니파형의오프셋을조절할수있다. (2) PZT 구동제어시스템 ( 가 ) MCU와 LUT(Look-Up Table) 1) PZT 구동의기본적인제어는 MCU 내부플래시메모리에저장시킨 LUT값을불러와서 Digital I/O 16Bit로출력한다. 2) 16-Bit Resolution의 LUT를작성툴 ( 예.excel) 을이용하여작성한다.(0~65535) 3) PZT 구동명령어에따라 LUT를읽고, 그값은 MCU 16-Bit Digital I/O 출력할수있도록 I/O를연결한다. 4) MCU에로드할 Firmware 중다음과같은 PZT 구동기능부분을작성한다. 가 ) 단순이동기능 : LUT 0~65535 구간중한포인트를선택이동한다. 나 ) 스캔이동기능 : 이동시작위치, 이동끝위치, 이동속도를설정하고, 설정된값에따라스캔이동한다. [ 그림 68] 스캔이동기능 Sequence ( 나 ) 16-Bit Parallel DAC 1) MCU에서디지털 16-Bit I/O를 16-Bit Parallel DAC로연결한다. 2) DAC에출력전압오프셋을조절하는가변저항을장착한다. 3) 16-Bit Parallel DAC는 MCU로받은 16-Bit 디지털신호에따라 0~10V의아날로그전압출력을내보낸다.

57 [ 그림 69] MCU 와 DAC Test 보드연결 ( 다 ) PZT 드라이버보드 1) PZT 드라이버보드는 PZT CTRL INPUT", "PZT OUTPUT", "LVDT SENSOR MONITOR" 이렇게 3가지의주요신호를내보내고받는다. 2) "PZT CTRL INPUT" 은 16-Bit Parallel DAC의 0~10V 출력이고, 드라이버보드로입력된다. 3) "PZT OUTPUT" 은 PZT 드라이버보드에서 PZT Actuator로보내는출력으로, 드라이버에서 "PZT CTRL INPUT" 을증폭하여 0~100V로내보낸다. 4) "LVDT SENSOR MONITOR 는 PZT 시스템을 Close-Loop 시스템으로동작시키기위해필요한신호로 PZT Actuator의이동위치를 LVDT 센서가감지하고, PZT 드라이버보드로피드백한다. [ 그림 70] 메인커넥터모습 ( 라 ) LUT 순서변경 1) 16-Bit 레졸루션의 LUT를작성할때 65536개의값을 8192개씩나누어 8개로작성한다.(LUT0 ~ LUT7) 2) 사용된 16-Bit DAC의경우아래테이블처럼디지털신호에대한아날로그출력특성이정해져있어불가피 LUT의순서를변경하여동작특성을선형적으로변경하였다.

58 < DAC 의디지털출력특성 > < 기존 LUT 사용시출력 > < 변경 LUT 사용시출력 > [ 그림 71] DAC 특성과 LUT 출력 (3) 이미지센서와 ADC ( 가 ) 이미지센서 ( 혹은디텍터 ) : Confocal 광학계구조에서보면시편에반사된빛은스캐너, 핀홀을통과한후디텍터로감지되어아날로그신호를출력한다. 1) PMT(Photo MultiPlier Tube) 가 ) PMT 테스트연결 [ 그림72] PMT 테스트연결구성도나 ) Hamamatsu PMT#1은전류출력의 PMT이기때문에별도의 Amp Module(AMP#1) 와연결하여사용하였다. 다 ) PMT는별도의전압 (Vcont. Input) 을통해감도를조정할수있다. 라 ) PMT의빛의세기에대한아날로그출력패턴이여타의센서들과는달랐다. 아래의그래프처럼일정빛의세기범위에서는선형적인출력을보였지만, 그구간을지나는강한빛의세기에서는비선형적이고, 출력신호가역전되는현상이있었다. [ 그림 73] PMT 빛의세기에대한출력패턴

59 마 ) PMT 출력을 Amp Module을통과시켜아날로그전압신호를오실로스코프를통해파형을얻었을때그림과같이 (-) 출력과노이즈가심한출력을얻을수있었다. 바 ) ADC 보드를연결하여이미지를획득했을때에도노이즈가심한영상을얻었다. < PMT 출력 AMP 를통과한출력 > < PMT 출력을 ADC 그레이영상 > [ 그림 74] PMT 출력신호와영상 2) APD(Avalanche Photo Detector) 가 ) IR 대역의 PMT 가격이고려했던가격범위를벗어나게되어 IR 대역의 APD를선정하게되었는데, 가격면에서유리하고, 프로젝트에서사용하고자하는레이저의파장대비감도, 디텍터의감응속도등이충분할것으로판단되었다. 나 ) APD는출력이 (+) 전압출력이고 0~3.6V로출력이정해져있다. 다 ) PMT처럼별도의전압을이용한감도조정기능은없다. 라 ) Visible 대역의디텍터인 PMT의이미지품질이좋지못해 Visible 대역의디텍터도 APD로변경을고려하게되었다. 마 ) APD를이용한이미지획득시이미지품질에서상당히만족스러운결과를얻었다. < APD 출력샘플영상 1 > < APD 출력샘플영상 2 > [ 그림 75] APD 출력신호를 ADC 한샘플영상

60 ( 나 ) ADC 1) ADC는고속픽셀데이터처리가가능한고속 ADC(40MHZ) 이상을선택하였다. 2) 이미지품질관련해서여러종류의고속 ADC를테스트하였다. 가 ) 8-Bit ADC : ADC#1, ADC#2 나 ) 10-Bit ADC : ADC#3, ADC#4 3) 최초테스트진행시 8-Bit ADC로진행하다가 10-Bit ADC로교체한이유는향후제품경쟁성을위해교체하게되었다. 4) 이미지품질개선중하얀점노이즈가발생되었을때 ADC Conversion CLK을수정해서테스트해보는방법을고려하게되었고, ADC Conversion CLK의 Timing 을수정하였더니 White Noise가제거되었다. < ADC CLK 수정전 > < ADC CLK 수정후 > [ 그림 76] ADC CLK 수정으로노이즈제거 (4) 이미지데이터와명령어전송 ( 가 ) FPGA(Memory 영역 ) 이용 Camera Link 이미지전송 [ 그림 77] 이미지데이터전송블록다이어그램 1) 이미지디지털데이터는위그림처럼여러프로세스에의해제어되는메모리영역을 거쳐 Camera Link 를통해 PC 의프레임그래버로전송되어이미지로표시된다. 2) ADC 를거친디지털데이터는 FPGA 의 I/O 를통해입력되어 Memory(RAM) 영역으

61 로생성된곳으로저장된다. 이때 ADC Read Process 라는다음 Timing Chart 와같 은신호에의해제어된다. [ 그림 78] ADC Read Process Timing Chart 2) adc_start_tick이발생한시점부터각라인의이미지데이터를받을수있는데, adc_read_tick이발생하고한 clk 뒤에 img_adc_wr_en이발생하는것을볼수있다. 이때는 ADC된이미지데이터가이미안정화되어있는상태이고 wr_en 신호에의해안정화된이미지데이터가 ImgRamADC라명명된메모리에저장된다. ADC의 Pipeline Delay에의해 3Pixel 이전의데이터가저장된다. [ 그림 79] LineSend Process Timing Chart 3) ImgRamADC에저장된이미지데이터는 LineSendProc의 Timing Chart와같은신호들에의해복사, 이동되는데, 일련의과정을간략히설명하면우선 img_adc_rd_addr과 img_buf addr은같은값은보낸다. line_send_tick이발생한이후 img_buf_wr_en이발생되어 ImgRamADC의데이터들은 ImgRamBuf로저장된다. 이후 Cl_line_valid가활성화되어이미지데이터들이 Camera Link로전송된다.

62 [ 그림 80] FrameSend Process Timing Chart 4) CL로전송된이미지라인데이터는 FrameSend Process의 Timing Chart와같은신호에의해 Camera Link Port를통해 PC의프레임그래버로전송된다. frame_start_tick이발생되면이미지데이터가라인으로보내지며 line_end_tick을하나씩증가시켜카운트하게된다. 일정수의라인이보내지면 frame_end_tick이활성화된다. 이렇게한프레임의데이터가보내지게된다. (5) Firmware ( 가 ) MCU Firmware [ 그림 81] Probe Control Unit 시스템구성 1) MCU는 PCU 전체에서핵심적인부분으로 PC에서명령어를받으면명령어에따라서배정된디지털 I/O를통해 Digital 신호를전송하여각파트들의기능을제어한다. 2) MCU I/O는 1Byte 단위로구성되어있다.( 예, PA0 ~ PA7) 그래서가능하면 Byte 단위의그룹별배치를하였다. 3) PC에서 MCU로명령어를전송하는데있어통신을해야하기에 USART Interrupt 을사용하였다

63 4) PZT 구동을하는데있어스캔속도를규정해야하기에 Timer Interrupt를사용하였다. 5) MCU에서직접디지털신호를이용하여제어하는파트는없다. 모든파트는아날로그신호로제어되기때문에 DAC 통하여아날로그신호로변환된후파트로전달된다. 6) MCU에서 FPGA로 17-Bit I/O Bus를연결하여 FPGA 또한 MCU에서제어하게된다. I/O Bus를통하여수직 / 수평스캐너의기능을제어하고, 이미지획득시튜닝이필요한파라미터값도조정한다. 7) PC에서 MCU로명령어를전송하는데있어통신규약이필요하다. 가 ) PC MCU 명령어구성 : [A~Z] + [ 십진수숫자 ] + CR 나 ) PC MCU 통신순서 [ 그림 82] PC 와 MCU 간통신순서도 다 ) 명령어에따라서사용할 DAC 의 Timing Chart 를참조하여 MCU 에서디지털신 호를출력하게끔 Firmware 를작성하면된다. [ 그림 83] Quad 8-Bit Serial DAC Timing Chart

64 라 ) MCU I/O Configuration : Firmware 작성후 Digital I/O를오실로스코프측정시 Falling Edge에서 Delay 되는현상으로인해 DAC가정상적인동작을하지않는경우가발생했다. MCU 내부적으로 I/O에하기그림과같은등가회로가구성되어있어MCU Firmware 작성시 I/O의데이터흐름방향을정의해주어야한다. < I/O Internal Equivalent Circuit > < MCU I/O 설정테이블 > [ 그림 84] MCU IO Configuration ( 가 ) FPGA Firmware 1) FPGA는로직위주로설계하여고속데이터처리를위주로사용된다. 2) FPGA 설계는여타의프로그램을작성하는방식이아닌회로를구성한다는방식으로접근해야하는데, 개략적인블록다이어그램을구성하고구성된모듈들의 Timing Chart를작성한후이를 VHDL로코딩한다. 이후메인 (TOP) 에서각모듈들의관계를연결해주면된다. [ 그림 85] FPGA 설계블록다이어그램

65 < FPGA 설계 Timing Chart > < VHDL 계층연결구조 > [ 그림 86] FPGA Timing Chart 와연결구조 3) PCU 시스템에서 FPGA의역할을적어보면수평스캐너드라이버보드에서수평스캐너의 Sync신호, Pixel CLK, Pixel Enable 신호들을입력받아프로젝트에서사용할목적에맞게변환한다. 또한수평스캐너의 Sync신호를 Counter Module을통해수직스캐너의구동명령신호인톱니파형형태의신호를생성한다. 4) 디텍터출력인아날로그이미지신호를 ADC하는 timing을정하는 ADC Conversion CLK을생성하고 ADC된이미지디지털데이터를저장및전송하는메모리역할도하게된다. 5) MCU와연결된 17-Bit I/O Bus를통한스캐너기능제어, 파라미터조정기능도하게된다. 가 ) MCU FPGA 명령어전송 총 17-Bit 구성 17-Bit Ready 1-Bit Address 8-Bit Data 8-Bit < MCU FPGA Data 전송 > 16-Bit (0~65535) 해당하는데이터를 Address 를지정하여상 / 하위 8-Bit 씩전송 [ 그림 87] MCU FPGA 명령어 (6) 이미지품질개선 ( 가 ) ADC 테스트및교체 1) 프로젝트초창기처음테스트를시작한 ADC는 ADC#1(Analog Device) 이었다. ADC 속도는 Max 60MSPS로상당히빠른편이었고, 초창기광학계가설계중이어서아날로그신호는 Power Supply를이용하여 Gray-level 변화만확인할수있었다. 2) 처음에는브레드보드를사용하여 jumper-wire를날려테스트환경을구성하여 ADC 기능테스트를한후, 테스트보드를제작하여이미지를확인했다.

66 < ADC#1 테스트회로 > < ADC#1 테스트보드 > < 테스트보드제작후획득한 Gray 이미지 > [ 그림 88] ADC#1 테스트 3) ADC#1 은 A/D GND 가따로분리되어있지않다. PCU 시스템에서는 FPGA / MCU 를사용하므로아날로그 / 디지털을분리하여이미지품질에노이즈측면을고려하게되었고, ADC#2(Texas Instrument) 으로의 ADC 교체를시도했다. < ADC#2 PinMAP > < ADC#2 테스트보드 > [ 그림 89] ADC#2 테스트 4) ADC#2 을활용한이미지획득테스트 < 테스트패턴입력 > < Power supply 로일정한전압입력 > [ 그림 90] ADC#2 획득테스트이미지

67 5) ADC#2 이미지화질개선 가 ) ADC#2 Datasheet 에있는 Evaluation Board Schematic 을참조하여 ADC#2 테 스트환경재구성한후재시도하였다. < Power supply 로일정한전압입력 > < ADC Conversion CLK 제거 > [ 그림 91] ADC#2 이미지화질개선테스트 - 1 나 ) ADC#2의 CLK(Pin12) 으로 FPGA에서생성한 CLK을입력하였을때위의이미지처럼노이즈이미지를얻었고, CLK(Pin12) 를제거 (Floating) 했을때는노이즈는보이지않으나 AD가제대로되지않고, 이미지가수직방향으로흐르는현상이나타났다. ADC#2 데이터시트에는 A/D GND를따로표기되어있으나 CLK source와함께 Noise가유입됨을의심하게되었다. 다 ) CLK source 에 RC 필터를설치하여이미지품질개선을시도했을때, 이미지품 질은상당히개선되는것을확인했다. < Power supply 로일정한전압입력 > < Func Generator 로삼각파입력 > [ 그림 92] ADC#2 이미지화질개선테스트 - 2 ( 나 ) 10-Bit ADC 및노이즈제거 1) 10-Bit ADC 테스트를위해 DATASHEET 의테스트회로도를참조하여환경을구 성하여이미지를확인했다.

68 < ADC#3 테스트회로 > < ADC#3 테스트회로구성 > [ 그림 93] ADC#3 테스트 2) 10-Bit ADC 를이용한그레이이미지확인시선형적인노이즈를확인한후노이 즈개선을위해여러가지방법을시도했다. 3) 선형적인노이즈제거시도가 ) 주변의 SMPS로인한노이즈라예상되어전원입력단에전해커패시터장착했으나효과는없었다. 나 ) ADC Conversion CLK을 Uniform CLK으로변경하여입력했으나효과없었다. 다 ) ADC Board를디지털시스템 (MCU/FPGA) 와분리하기위해 ADC Board의 VDD, GND등을 FPGA/MCU와별도연결하였다. 이때품질이개선된 Gray 이미지획득에성공했다. < 10-Bit ADC 이미지 ( 노이즈 ) > < 10-Bit ADC 이미지 ( 노이즈제거 ) > [ 그림 94] 10-Bit ADC 선형적인노이즈제거 라 ) 선형적인노이즈를제거한후샘플측정이미지를확인했을때임의지역에랜덤한 White Spot Noise가발생했다. 이노이즈는 ADC Conversion CLK와 ADC_READ_TICK의 Timing이어긋나서발생된것으로 ADC Conversion CLK을생성할때 Pixel CLK을참조하여생성하게되는데이때 High구간의시간을조정하여개선할수있었다.

69 < White Spot Noise 이미지 > < White Spot Noise 개선이미지 > [ 그림 95] White Spot Noise 제거 ( 다 ) 이미지센서교체 1) 프로젝트초창기 Visible 시스템을구성할때디텍터로 PMT를선정하였다. PD와비교시높은감도와빠른응답속도로 PMT를선정하여이미지획득테스트를진행하였다. 2) PMT를이용한이미지의품질이좋지못해개선을시도하였다. 가 ) PMT출력과 Amp module의출력에대하여필터를사용하여개선을시도하였지만좋은효과를볼수없었다. < PMT 와 AMP 연결 > < AMP 출력필터텍스트 > [ 그림 96] PMT 테스트 나 ) IR 시스템의디텍터는 APD로결정되어있는상황이고, PMT를활용한이미지개선이어려운상황이어서 Visible 시스템의디텍터도 APD로변경을결정하였다,. 다 ) APD로변경후 OP-AMP 회로등시스템변경을맞춘후이미지를확인했을때 PMT 활용하여얻은이미지대비개선된품질의이미지를얻을수있었다.

70 ( 라 ) 기타노이즈제거및이미지개선을위한시도 1) 필터회로 - 하얀점노이즈를제거하기위해 RC 필터와 Sallen-Key 방식의 LPF 를설계, ADC 보드와연계하여테스트를시도했으나이미지개선효과는없었음. [ 그림97] RC-필터설계적용테스트 2) 프레임그래버벤치마킹 - 프레임그래버에사용된필터와 IC들그리고회로연결등을벤치마킹하여이미지개선을시도했으나회로파악이힘들고, 시간이많이소모되어다른방향으로접근시도. < 벤치마킹프레임그래버보드모습 > < 벤치마킹프레임그래버개념도 > [ 그림98] 프레임그래버벤치마킹 2) 스캐너 Driver 튜닝가 ) 동일한두께의이미지가위치에따라픽셀개수가달라지는현상을조정하기위해수평스캐너드라이버보드의 Phase Adjustment 저항을조정하여이미지가운데를기준으로좌우대칭이되게하였다. [ 그림 99] 수평스캐너드라이버보드의 Phase adjustment

71 나 ) 이미지전체가상하떨리는현상이있어수직스캐너 Notch Filter 의 Notch Frequency 조정저항을조절하여상하떨리는현상을개선하였다. [ 그림 100] 수직스캐너드라이버 3) PCB 제작 가 ) 3 차에걸친 PCB 제작 나 ) 1 차 PCB < 1차 PCB > < 2차 PCB > < 3차 PCB > [ 그림101] 1-3차 PCB 제작 1 테스트보드형태로수제작했던테스트회로들을 PCB 로제작 2 MCU/FPGA 는상용품을커넥터형식으로삽입 3 ADC 보드는 Daughter 보드형태로제작 ( 제작당시 8-Bit ADC 테스트 ) 4 PZT 제어는커넥터만삽입 (PZT 구동부테스트보드제작 ) 다 ) 2 차 PCB 제작시변경점 1 PZT 제어부삽입 2 ADC 보드변경 (10-Bit ADC 로변경 ) 3 FPGA +5V 전원연결변경 4 MCU I/O 그룹별배치 5 A/D GND 외부통합 라 ) 3 차 PCB 제작시변경점 1 ADC 부분 On Board 2 OP-AMP 회로수정 3 Voltage Regulator 추가 (3.3V) 4 Connector 위치수정

72 제 3 절측정및성능평가 1. 측정시편본과제에서개발된 반도체패키징검사용근적외선공초점현미경개발 의성능을평가하기위해서높이가명확하고외부의공인기관에서인증받은표준시편을사용하여야하므로, 본평가에서는표준공인인증기관인한국표준과학연구원 (KRISS) 에서제작하고평가및검교정한표준단차시편을사용하였다. 본평가에서사용한표준시편의사양은표와같다. 품명 규격 단차 Step height 명목단차 10um 표준물질고유번호 일련번호 SH010M-002(19631) 인증번호 인증장비 인증 결과 Form Talysurf Series2 (Taylor Hobson, 촉침식 ) 명목값 10 um 인증값 um 불확도 [ 표 7] 표준시편사양표요약

73 **** * ***** [ 그림 102] 표준시편표준물질인증서 - 1

74 [ 그림 103] 표준시편표준물질인증서 - 2

75 이표준단차시편에서높이의정확도및반복능과표면조도에대한 RMS 반복능을표준 시편의기준값과비교하기위하여아래그림과같은 5 가지모양의샘플을측정하였으며, 측정형상은아래그림과같다. [ 그림104] 측정표준시편의측정형상 2. 성능평가가. 초정밀 Z 스캐닝메커니즘본과제에서 Z축스캐닝메커니즘을위해 PI사의 90um Stroke를가진 PZT Actuator를사용하였다. PZT Actuator가장착되는기구브라켓은지렛대원리로설계되어 90um Stroke를 270um로 3배늘려준다. [ 그림 105] PZT Actuator Technical Data

76 그리고 PZT Actuator 의제어를위해 16-Bit Resolution Digital Signal 을이용하였다. 16-Bit Resolution Digital Signal 은 0~65535 까지 step 을제어할수있고, 270um 의 Stroke 를 step 으로나누면, 제어가능한 Resolution 계 d 산결과가된다. 이를검증하기위해 1nm Resolution 의측정분해능을가진 Renishaw 사의 ML10 Laser Interferometer 측정시스템을이용하여초정밀 Z 스캐닝의구동을측정하였다. 측정방법은 완성된초정밀 Z 스캐닝메커니즘기구부에 Laser 간섭계측정기의측정위치를셋팅한후 Z 축스캐닝제어단위 Step 중 1000 step 을이동하게하는명령을준후거리를측정 한다. 측정된거리를 1000 으로나누어 Z 스캐닝메커니즘의 Resolution 을계산한다.( 반복 측정평균값계산 ) 측정횟수 1000step 거리측정 um um um um um um um um um um AVG um nm σ (STDEV) nm [ 표 8] Laser InterFerometer 로측정한 Z 축구동분해능 나. 레이저 XY 스캐닝엔진레이저 XY 스캐닝엔진의속도는 X스캐너의스캔속도에크게좌우한다. 본과제에서사용한 Cambridge Technology 사의 CRS Scanner는 Resonant Type으로 Specification을살펴보면 7.910Khz의스캔속도를가진다. 그리고스캐너의드라이버보드에서스캔에따른 Sync Signal이출력으로나온다. 본과제에서는이 Sync Signal을 FPGA에입력하고, 재처리과정을거쳐이용하게된다. Y 스캐닝파형생성과스캐닝이미지그랩에사용된다 Khz의 Sync Signal을활용해광학계해상도목표치인 768Line의화면 1프레임을생성한다고했을때계산을통해 7910/768=10.29FPS가예상되었다. 그래서목표치인

77 15FPS 를달성하기위해 PCU 보드의 FPGA 내부 Logic 에서 7.910Khz 의 Sync Signal 을 2 체배 하는모듈을설계적용하여 Khz 의양방향스캔 Sync Signal 을생성하였고, 해상도 목표에맞는 768Line 의 FPS 계산결과 20.83FPS 의결과를얻었다. [ 그림 106] CRS Scanner Performance Table 2체배된 Sync Signal을 FPGA내부 Counter Logic에서 Y 스캐닝엔진의 CMD Signal을생성 / 출력되어지는데이과정에서 Y스캐너의스캐닝후물리적복귀시간을고려하여 5%(35Line) 의복귀Line을추가하였다. 그리하여 Y스캐너의한사이클이 768Line+ 5% 복귀 Line = 803Line으로적용하였고 Khz 양방향스캔 Sync Signal로계산하였을때 19.70FPS가나올거라예상된다. 이미지획득부개발완료후 XY스캐닝이미지를 Matrox사의 Frame Grabber를이용하여동일한 M사의이미지획득프로그램인 Intellicam을이용하여획득을하였을때 Intellicam 하단상태표시줄에 Framerate이 19.69FPS라고표기되는것을확인하였다. [ 그림 107] Matrox Intellicam 을이용한 FrameRate 측정 다. 레이저스캐닝광학계해상도본과제에서 X, Y 스캐너를사용하여 1024(Pixel) 768(Line) 의해상도를목표로하였는데, 1024Pixel은 X스캐너 Pixel Clock Board의 Pixel Clock을처리하여 1024개에해당하는양방향스캔의이미지 Pixel 정보를획득할수있었다. 768Line은우선 X 스캐너의 Sync Signal을 FPGA에서처리하여출력한 Saw Wave 형태의 Y 스캐너 CMD Signal로 Y

78 스캐너구동을가능케하여 1024 Pixel 데이터획득후한라인증가하는방식으로총 768Line 의데이터를획득, 이미지로디스플레이하였다. (1) Pixel Clock 체배 [ 그림 108] Pixel Clock Rates Table X 스캐너로사용한 CRS Resonant 스캐너의매뉴얼에 Pixel Clock Rates을살펴보면 X 스캐너 1라인당 512Pixel에대한 Pixel Clock이나오고, MIN 7.5Mhz에서 MAX 15Mhz로출력된다고명시되어있는것을볼수있다. 본과제에서해상도목표치는 1라인에 1024 Pixel 이므로 Pixel Clock을 PCU보드의 FPGA에서재처리하여 2체배된 Pixel CLK2X Signal을생성하였고, 생성된 "Pixel CLK2X" 을이용하여스캔양방향에대한데이터신호를처리할수있게됐다. (2) 768step Saw wave 생성스캐닝엔진개발항목에서기입하였듯이 X 스캐너드라이버의 Sync Signal를 PCU Board의 FPGA로입력하고, FPGA 내부에 Counter Module을구성하여 Sync Signal의 Rising Edge를추적하여카운트를하게되고, 동시에 12-Bit의 Digital I/O로출력된다. 12-Bit Digital I/O 출력데이터는 12-Bit DAC를거치게되어 768 Step의 Linear하게증가하는파형을만들고이후 35Line의복귀Step을추가하였고, 그리하여 Saw Wave를완성하였다. [ 그림 109] 768 Step Saw wave 생성 Chart

79 (3) 레이저스캐닝해상도 이미지검증스캐너의물리적인스캐닝구동에맞추어디텍터로얻은이미지신호를 Camera Link 를통해 Matrox사의 Frame Grabber를사용하여획득, Intellicam으로영상으로표시하여캡쳐하였다. 그리고 Adobe PhotoShop 프로그램을이용하여 Pixel과 Line 수를표시하여검증하였다. [ 그림110] Adobe Photoshop으로 해상도검증화면라. 높이측정분해능단차측정에는 Z축스캔에따라획득한이미지의픽셀 Intensity의값을분석, 계산하는것이기때문에높이측정분해능검증방법으로 Intensity 변화를관찰하기로결정했다. 그래서본과제에서목표로제시한높이측정분해능을평가하기위해서 VLSI 1.8uim 표준시편을이용하여측정지점을지정하고측정분해능목표인 10nm 을이동할때, 측정화면이미지신호의 Intensity를측정하여그변화량을관찰하였다. Intensity 변화량측정구간선정은아래그림의 Intensity Chart에서 FWHM 구간중경사도가큰구간을선정하였다. Intensity측정은 Matrox Intellicam의 View-As Pixel 기능을이용하여측정할수있고, 10Bit-ADC를활용하여 0~1023 범위의 Intensity 출력이나오기떄문에충분히관찰이용이하였다. [ 그림 111] Intensity 변화측정구간 (Intensity Chart)

80 [ 그림 112] Intensity 변화측정지점 (Image) 이동거리측정값변화측정값평균 기준위치 485 ~ nm 516 ~ nm 548 ~ nm 578 ~ nm 609 ~ nm 642 ~ nm 672 ~ nm 704 ~ nm 737 ~ nm 769 ~ nm 801 ~ nm 835 ~ Step 당평균증가량 30 ~ 34 [ 표 9] Intensity 변화측정량 [ 그림 113] Intensity 변화측정량차트 ( 평균 )

81 상기측정량과측정량 Chart 의측정결과를보면 10nm 이동시마다 30~34 Intensity Level 이 Linear 하게변화하는것을볼수있다. Data Analysis Software 에서이를분석하 여단차측정이가능하므로높이측정분해능이 10nm 가됨을확인할수있다. 마. Confocal 높이측정반복능 KRISS 에서제작한 10um 명목단차표준시편의 5 개의시편모양에대하여각각 10 회씩, 그리고 Wafer 를표준시편의상단에놓고마찬가지로 5 개의시편모양에대하여 10 회씩 측정하였다. 시편모양 측정횟수 웨이퍼없을때 격자 웨이퍼있을때 σ avg [ 표 10] 격자시편의반복성측정결과 3D 형상

82 시편모양 측정횟수 웨이퍼없을때 가로줄 웨이퍼있을때 σ avg D 형상 [ 표 11] 가로줄시편의반복성측정결과 시편모양 측정횟수 웨이퍼없을때 세로줄 웨이퍼있을때 σ avg D 형상 [ 표 12] 세로줄시편의반복성측정결과

83 시편모양 측정횟수 웨이퍼없을때 표준형상 웨이퍼있을때 σ avg D 형상 [ 표 13] 표준형상시편의반복성측정결과 시편모양 측정횟수 웨이퍼없을때 원형 웨이퍼있을때 σ avg D 형상 [ 표 14] 원형시편의반복성측정결과 상기측정결과에서와같이다양한시편을측정하여안정적인반복경향을나타냄을 알수있다. 단차측정의반복능지표인 σ < 40nm 를상회하는성능을달성하였으며, 측 정기로서의성능또한매우안정적인것으로판단된다.

84 바. 측정데이터분석 SW 개발본측정장비의 Software는크게 2가지로나뉘며, 그하나가측정에필요한하드웨어의기능동작과측정을제어하는운영프로그램이고, 다른하나가측정된데이터를분석하는분석용프로그램이다. (1) Control Software NanoAlgmC 프로그램은공초점현미경측정기에서측정조건의셋팅과측정과정의 선택에따라측정기의 H/W 를관장하는주운영프로그램의이름이다. [ 그림 114] Control Software(Control Tab) 위그림에서보듯이측정기능에필요한기본기능은프로그램의 Control Tab 에서 선택을할수있으며, 측정과동시에데이터는메모리에임시저장됩니다. ( 가 ) Control Software 기능 1) 하드웨어제어및측정조건셋팅가 ) 측정에필요한스캐너, 레이저, PZT 모션을제어할수있다. 나 ) PZT의현위치를나타내주는박스와 PZT의움직임을제어하는버튼이있다. 다 ) Setting Dialog Window에는명령어를작성, 전송해스캐너의작동, 스캔범위, 레이저의광량제어, 측정에필요한파라미터를변경할수있다. 라 ) 측정시편에따라 Z축방향스캔범위, 스캔속도를변경할수있다.

85 < Control Tab > < Setting Dialog > [ 그림 115] Control Dialog 2) 측정기능측정조건변경이완료된후측정을시작하면 Z축방향으로측정시작위치로이동, 스캔속도에따라 Z축스캔을하면서데이터를획득하게되고, 획득한데이터는메모리에저장된다. ( 나 ) Review Software 기능 [ 그림 116] Control Software(Review)

86 [ 그림 117] Review Dialog 1) 2D 측정데이터다시보기 측정한 2D 이미지데이터를프레임단위로다시보거니, 전체데이터를동영상처 럼다시볼수있다. 2) 2D 측정데이터저장및불러오기측정한 2D 이미지데이터를파일 (.ntf) 로저장하고, 저장된데이터를불러와다시볼수있다. 3) 3D 프로파일계산조건셋팅 2D 측정데이터를이용하여 3D 프로파일을생성하기위해계산조건을셋팅한다. 셋팅파라미터에는 Fitting Order, Noise Ratio, Fitting Range, Min, Peak가있다. 4) 3D 프로파일계산 계산조건에따라 3D 프로파일을계산하여프로파일이미지를띄워주고, 계산된 3D 이미지의원하는지점을선택하면지점의 Intensity Chart 를확인할수있다. 5) 3D 프로파일계산데이터저장 분석한 3D 프로파일데이터를파일 (.spm) 로저장하여분석 Software 를통해상세 분석을할수있다. 6) 단차계산위치지정및계산 단차계산을위해 TOP, BOT 을지정하고, TOP, BOT 의단차계산결과를표시한다.

87 (2) Data Analysis Software NanoMap 프로그램은측정기로측정된결과를분석, 관찰하는독립구성된 Software 이다. [ 그림 118] Data Analysis Software ( 가 ) Data Analysis Software 기능 1) 측정결과창측정결과의높이분포를우측의컬러바 (color bar) 에표시된높이분포별색으로표시한다. 측정결과창의좌측하단부에는 X, Y 방향으로의길이가표시되어있고, 컬러바에는색별높이값이표시되어있음. 측정결과창에서마우스의왼쪽버턴을누르고이동할경우십자선이표시되고해당수평 / 수직단면곡선이우측의수평 / 수직단면창에표시된다. 측정결과창하단부에는현재선택된영역에대한거칠기값 (Ra, Rq, Rt) 이표시되며, 측정결과창에서마우스의오른쪽버턴을누르면사용할수있는메뉴가나타난다. 2) 히스토그램창측정결과창에나타난영역에대한높이분포도를나타냄. 히스토그램창에서수평축은높이, 수직축은분포도 ( 개수 ) 를의미하며, 히스토그램창의상단부에있는삼각형형태의선택버턴을이용하여관심영역을선택할수있음. 선택이되지않는영역은회색으로표현되고, 관심영역의선택은마우스를이용하여해당부분을클릭함으로써선택할수있다.

88 3) 수평 / 수직단면창측정결과창에서사용자가선택한수평 (X 축방향 ), 수직 (Y축방향 ) 방향의단면형상 (profile) 을도시하고, 우측에는거칠기관련정보 (Ra, Rq, Rt, Rp, Rv) 와선택된영역에서의평균높이 (A.H.), 평균폭 (A.W.) 정보를표기하며, 수직 / 수평단면창의상단부, 우측부에는삼각형형태의영역선택버턴이있어서, 이를이용하여폭또는높이를관찰하거나직선맞춤등을수행할때관심부위를설정할수있다. 수직 / 수평단면창에서높이는현재선택된단면형상의높이분포를고려하여최적화된형태로표시하게된다. 4) 3D 형상표시창 3D 형상분석창은단면분석창에서사용자가선택한영역의형상을 3D형상으로보여주며, 좌측상단에서단면분석창의 Title 항에입력한정보가출력되고우측에서현재선택한높이별색분포가나타난다. 측정형상은마우스의왼쪽버튼을이용하여회전시킬수있으며, 오른쪽버튼을이용하여확대 / 축소시킬수있다. [ 그림 119] 측정데이터의 3D 형상

89 사. 최종성능평가아래표는목표치대비달성정도로서도시한데이터와같이높이측정정밀도, 반복능, 다양한제품군에대한실측정치를바탕으로장비의성능평가와, 스캐닝속도등에대해서나타낸다. 평가항목 단위 개발목표치 평가 달성 결과 높이반복성 σ σ 높이분해능 초정밀 스캐닝메커니즘 레이저 스캐닝엔진 레이저스캐닝광학계해상도 측정데이터분석 개발 완료 [ 표15] 개발목표에대한목표치와최종평가결과비교

90 제 3 장성과요약및기대효과 제 1 절성과요약 본과제를통하여개발된반도체패키징검사용근적외선공초점현미경으로단파장레이저의스캐닝을이용한투과식미세 2D/3D 형상측정기술을습득, 활용할수있게되었으며, 여기에본사의광학응용기술과제품상용화기술을접목하여레이저를이용한투과식공초점현미경측정기를성공적으로개발하여본과제를진행함에있어서소기의목적을달성하였다. 과제를수행중에앞서이야기한측정에관한기본기술들을습득한것이외에도, 초정밀레이져스캐닝모듈의제어, 정밀스테이지및제어기술, 데이터처리기술등과같은측정장비에반드시필요로하는제반기술들을개발, 습득하게되었으며향후, 본과제에서의습득한기술은타장비를개발할때도매우유용하게적용될수있을것이라생각한다. 본과제에서개발된세부개발기술들은다음과같다. - The development of high-precision scanning mechanism - Laser scanning engine development - Laser scanning technology for the precise control - Laser scanning optical system development - Confocal measurement algorithm for the 2D/3D - Software development for analysis of measurement data 본과제를통하여제작한제품에대하여개발을마치고향후제품및기술들에대한보 완과, 제품안정화를진행중이다. 이를통하여수정 / 보완한시제품을개발, 향후각종전시 회를통하여제품시장에진입할계획이다. 제 2 절개발예상효과및활용방안 1. 개발예상효과 투과식단차측정공초점현미경기술개발효과는크게기술적인측면과경제 산업적측면으로구분할수있음. 기술적측면에서는우리산업계에서붐이있었던비젼을이용한검사 측정시스템의개발붐과이를바탕으로다양한기술이확보되었으며현재도이러한검사시스템은우리산업계의기반기술로서자리를확고히하고있다. 그러나이보다한차원높은측정기술은아직국내연구진의인식부족과시장의협소

91 성, 그리고관련연구인력의부족으로인하여대중화되지못한실정이나현우리나라의산업이점점더고도화되면서이러한측정 검사분야의수요는향후점진적으로증가할것으로예상된다. 본과제는이러한분야의기반기술인근적외선공초점현미경을상용화함으로서저변확대및관련기술을발전시킬수있는계기가될것으로본다. 그리고경제적 산업적측면에서는향후한국, 일본, 대만, 중국에투자될고밀도반도체생산공정은생산원가를절감시키는방향으로공정라인이설계되며, 반드시고성능측정장비가필요함. 본과제를통하여개발되는측정 Probe 는바로이러한시장을겨냥하고있으며, 국산화를통한경제적효과외에도외국산측정장비수입과사용으로인한생산성의저하, 주요공정기술의유출방지등에도기여할것으로기대된다. 무엇보다개발장비의최우선목표인반도체패키징분야는칩의소형화, 접점개수의증가로인하여기존의비전기반측정기술이한계에도달하고있으며, 특히 Flip Chip, CSP, WLP 기술의발전은기존의비전검사능력과함께새로운측정요소에대한공정관리기술을동시에요구하고있다. 2. 활용방안 개발된 Probe는고밀도반도체패키징공정외에도 LCD, OLED산업공정에서의비투과성물질의 Painting, Dispensing 공정에서도포물질의단차측정용 Probe 모듈또는전용측정장비로활용가능하며, 향후필름또는박막두께측정과투과성질을갖는근적외선공초점현미경을이용하여실리콘웨이퍼내부를관찰가능하므로웨이퍼제조공정에도활용가치가클것으로예상됨. 본과제를통하여개발한근적외선공초점현미경의기술활용은국내 Packaging 업체를통한필드테스트와이를통한측정기의고도화및상품화를진행한후, 기존에보유중인검사장비의시스템기술노하우의접목을통하여제조공정에바로적용가능한장비화를진행하여비투과성물질에대한측정에가장적합한측정기로발전시켜새로운시장과응용분야를개척 / 확장한다는전략을가지고있다.

92 제 3 절개발된기술을활용한사업화방안 1. 시장분석구분 현재의시장규모 (2011) 예상시장규모 (2013) 세계시장규모 8,300 9,700 한국시장규모 국내 : - 현미경의시장기술보고서 (2009년 7월, 중소기업진흥공단 ) 년반도체관련국내나노계측시장규모 : 6,000만달러 - 신청과제관련한국내시장규모이의 30% 내외로산정 - 최근국내반도체시장확대고려년 8~10% 대의성장추정 세계시장 : - 적용및응용산업분야가유사한전자현미경시장참조 - 세계시장규모 2009년도기준 7억달러 - 세계반도체성장률인년 3~5% 대로확대산정 [ 표16] Laser Confocal 현미경의시장규모 ( 단위 : 억원 ) 2009년중소기업진흥공단의현미경의시장기술보고서에의하면범용인생물용과금속용공초점현미경의전세계시장의규모가 2011년도기준으로 8,300억원정도이며, 국내시장의규모는 240억원정도로보고되고있다. 그러나당시에비해반도체나디스플레이산업의성장률과최근 Nano Technology와 Bio Technology의시장확대, 그리고전용공초점측정기의시장규모까지고려하면, 2013 년도에는상당히확대될것으로예상된다. 2. 사업화계획가. 마케팅및시장진입본과제를통하여개발완료한반도체패키징검사용근적외선공초점현미경프로브를기반으로 2013년하반기중양산모델시제품을개발완료하여국내광학산업전시회, 반도체산업전시회인 Semicon, Sedex, IMID에참여하여적극적인설비홍보를진행할계획이다. 또한당사의기존사업제품이공급되어있는 'S' 社를비롯하여관련업체인반도체제조업체에설비를홍보할계획이다. 잠재적고객들의샘플측정을대응하고이후고객사의의견을반영한고객맞춤형최적화설비를제작하여반도체패키징검사전용기시장진입을 1차목표로하고있다. 그리하여기존고객은물론신규잠재고객을대상으로마케팅을추진하여개발종료후 (2014 년 ) 3set의초도공급달성을목표로하고있다.

93 이후반도체검사등 IT 관련전용기시장에서고객을확보한후생물용, 금속용등의 범용기시장으로확장할계획이다. 나. 양산계획 2012년 06월 ~ 2013년 5월 : 근적외선공초점현미경개발완료 2013년 7월 ~ 2013년 10월 : 근적외선공초점현미경시제품개발완료 2013년 11월 ~ 2014년 3월 : 근적외선공초점현미경양산보델설계완료 2014년 3월 ~ : 판매추진및반도체패키징외기타응용산업분야로사업화확장추진 구 분 사업화제품 2013 년 ( 개발종료해당년 ) Wafer 및반도체 Package 검사기 사업화년도 2014 년 ( 개발종료후 1 년 ) Wafer 및반도체 Package 검사기 2015 년 ( 개발종료후 2 년 ) Wafer 및반도체 Package 검사기 투자계획 ( 백만원 ) 500 1,500 판매계획 ( 백만원 ) 내수 1,500 3,000 수출 0 0 계 1,500 3,000 수입대체효과 ( 백만원 ) 2,500 5,000 고용창출 ( 명 ) 2 2 [ 표 17] 개발종료후년도별사업화계획

94 [# 별첨 2] 1. 초정밀 Z 스캐닝메커니즘 가. 레이저간섭계를이용한 Z스캐닝 Resolution 측정본과제에서 Z축스캐닝메커니즘을위해 PI사의 90um Stroke를가진 PZT Actuator를사용하였다. PZT Actuator가장착되는기구브라켓은지렛대원리로설계되어 90um Stroke를 270um로 3배늘렷다. PZT Actuator Technical Data 그리고 PZT Actuator 의제어를위해 16-Bit Resolution Digital Signal 을이용하였다. 16-Bit Resolution Digital Signal 은 0~65535 까지 step 을제어할수있고, 270um 의 Stroke 를 step 으로나누면, 제어가능한 Resolution 계산결과가된다.

95 이를검증하기위해 1nm Resolution의측정분해능을가진 Renishaw사의 ML10 Laser Interferometer 측정시스템을이용하여초정밀 Z스캐닝의 Resolution을측정하였다. 측정방법은완성된초정밀 Z 스캐닝메커니즘기구부에 Laser 간섭계측정기의측정위치를셋팅한후 Z축스캐닝제어단위 Step중 1000 step을이동하게하는명령을준후거리를측정한다. 측정된거리를 1000으로나누어 Z스캐닝메커니즘의 Resolution을계산한다.( 반복측정평균값도출 ) 측정횟수 1000step 거리측정 um um um um um um um um um um AVG um nm σ (STDEV) nm Laser InterFerometer 로측정한 Z 축구동분해능

96 나. Renishaw 레이저간섭계측정기 Calibration Certificate Renishaw Calibration Certificate - 1

97 Renishaw Calibration Certificate - 2

98 다. PZT Actuator Performence Specification PZT Actuator Performance Test Certification

99 2. 레이저 XY 스캐닝엔진 가. X 스캐너의스캔속도로계산한초당프레임수 (FPS) 레이저 XY 스캐닝엔진의속도는 X스캐너의스캔속도에크게좌우한다. 본과제에서사용한 Cambridge Technology 사의 CRS Scanner는 Resonant Type으로 Specification을살펴보면 7.910Khz의스캔속도를가진다. 그리고스캐너의드라이버보드에서스캔에따른 Sync Signal 이출력으로나온다. 본과제에서는이 Sync Signal을 FPGA에입력하고, 재처리과정을거쳐이용하게된다. Y 스캐닝파형생성과스캐닝이미지그랩에사용된다 Khz의 Sync Signal 을활용해광학계해상도목표치인 768Line의화면 1프레임을생프성한다고했을때계산을통해 7910/768=10.29FPS가예상되었다. 그래서목표치인 15FPS를달성하기위해 PCU보드의 FPGA내부 Logic에서 7.910Khz의 Sync Signal을 2체배하는모듈을설계적용하여 Khz 의양방향스캔 Sync Signal을생성하였고, 해상도목표에맞는 768Line의 FPS 계산결과 20.83FPS의계산결과가도출되었다. CRS Scanner Performance Table 나. 스캐닝엔진개발후프레임수 (FPS) 측정결과체배된 Sync Signal을 FPGA내부 Counter Logic에서 Y 스캐닝엔진의 CMD Signal을생성 / 출력되어지는데이과정에서 Y스캐너의스캐닝후물리적복귀시간을고려하여 5%(35Line) 의복귀Line을추가하였다. 그리하여 Y스캐너의한사이클이 768Line+ 5% 복귀Line = 803Line으로적용하였고 Khz 양방향스캔 Sync Signal로계산하였을때 19.70FPS 가나올거라예상된다. 이미지획득부개발완료후 XY스캐닝Matrox사의 Frame Grabber를이용하여동일한 M사의이미지획득프로그램인 Intellicam을이용하여이미지획득을하였을때 Intellicam 하단상태표시줄에 Framerate이 19.69FPS라고표기되는것을확인하였다. Matrox Intellicam 을이용한 FrameRate 측정

100 다. Matrox Document Matrox Document - 1

101 Matrox Document - 2 Matrox Document - 3

102 3. 레이저스캐닝광학계해상도 본과제에서 X, Y 스캐너를사용하여 1024(Pixel) 768(Line) 의해상도를목표로하였는데, 1024Pixel은 X스캐너 Pixel Clock Board의 Pixel Clock을처리하여 1024개에해당하는양방향스캔의이미지 Pixel 정보를획득할수있었다. 768Line은우선 X 스캐너의 Sync Signal을 FPGA에서처리하여출력한 Saw Wave 형태의 Y 스캐너 CMD Signal로 Y 스캐너구동을가능케하여 1024 Pixel 데이터획득후한라인증가하는방식으로총 768Line의데이터를획득, 이미지로디스플레이하였다. 가. Pixel Clock 체배 Pixel Clock Rates 테이블 X 스캐너로사용한 CRS Resonant 스캐너의매뉴얼에 Pixel Clock Rates을살펴보면 X 스캐너 1라인당 512Pixel에대한 Pixel Clock이나오고, MIN 7.5Mhz에서 MAX 15Mhz로출력된다고명시되어있는것을볼수있다. 본과제에서해상도목표치는 1라인에 1024 Pixel 이므로 Pixel Clock을 PCU보드의 FPGA에서재처리하여 2체배된 Pixel CLK2X Signal을생성하였고, 생성된 "Pixel CLK2X" 을이용하여스캔양방향에대한데이터신호를처리할수있게됐다. 나. 768step Saw wave 생성스캐닝엔진개발항목에서기입하였듯이 X 스캐너드라이버의 Sync Signal를 PCU Board의 FPGA로입력하고, FPGA 내부에 Counter Module을구성하여 Sync Signal의 Rising Edge를추적하여카운트를하게되고, 동시에 12-Bit의 Digital I/O로출력된다. 12-Bit Digital I/O 출력데이터는 12-Bit DAC를거치게되어 768 Step의 Linear하게증가하는파형을만들고이후 35Line의복귀Step을추가하였고, 그리하여 Saw Wave를완성하였다.

103 768 Step Saw wave 생성 Chart 다. 레이저스캐닝해상도 이미지검증스캐너의물리적인스캐닝구동에맞추어디텍터로얻은이미지신호를 Camera Link를통해 Matrox사의 Frame Grabber를사용하여획득, Intellicam으로영상으로표시하여, 캡쳐하였다. 그리고 Adobe PhotoShop 프로그램을이용하여 Pixel과 Line 수를검증하였다. Adobe Photoshop 으로 해상도검증화면

104 라. Adobe Photoshop 자료 Adobe Photoshop Document

105 4. Confocal 높이측정분해능 가. 높이측정분해능단차측정에는 Z축스캔에따라획득한이미지의픽셀 Intensity의값을분석, 계산하는것이기때문에높이측정분해능검증방법으로 Intensity 변화를관찰하기로결정했다. 그래서본과제에서목표로제시한높이측정분해능을평가하기위해서 VLSI 1.8uim 표준시편을이용하여측정지점을지정하고측정분해능목표인 10nm 을이동할때, 측정화면이미지신호의 Intensity를측정하여그변화량을관찰하였다. Intensity 변화량측정구간선정은아래그림의 Intensity Chart에서 FWHM 구간중경사도가큰구간을선정하였다. Intensity측정은 Matrox Intellicam의 View-As Pixel 기능을이용하여측정할수있고, 10Bit-ADC를활용하여 0~1023 범위의 Intensity 출력이나오기떄문에충분히관찰이용이하였다. Intensity 변화측정구간 (Intensity Chart) Intensity 변화측정지점 (Image)

106 이동거리측정값변화측정값평균 기준위치 485 ~ nm 516 ~ nm 548 ~ nm 578 ~ nm 609 ~ nm 642 ~ nm 672 ~ nm 704 ~ nm 737 ~ nm 769 ~ nm 801 ~ nm 835 ~ Step 당평균증가량 30 ~ 34 Intensity 변화측정량 Intensity 변화측정량차트 ( 평균 ) 상기측정량과측정량 Chart 의측정결과를보면 10nm 이동시마다 30~34 Intensity Level 이 Linear 하게변화하는것을볼수있다. 분석 Software 에서이를분석하여단차측정이가능하 므로높이측정분해능이 10nm 가됨을확인할수있다.

107 나. Matrox Intellicam Imaging Matrox Intellicam Imaging