http://dx.doi.org/10.7735/ksmte.2014.23.6.636 Technical Papers J. Korean Soc. Manuf. Technol. Eng. ISSN 2283-4846(Online) / ISSN 2233-6036(Print) 마이크로렌즈디스크와핀홀디스크를이용한고속공초점용닙코디스크개발 김기홍 a*, 이형석 b, 김창규 b, 임형준 a, 이재종 a, 최기봉 a Development of Nipkow Disk for High Speed Confocal Probe Using Micro lens and Pinhole Disks Gee Hong Kim a*, Hyung Seok Lee b, Chang Kyu Kim b, Hyung Jun Lim a, Jae Jong Lee a, Kee Bong Choi a a Nano-Mechanical Systems Research Division, Korea Institute of Machinery and Materials, 156 Gajeongbuk-Ro, Yuseong-Gu, Daejeon 305-343, Korea b NanoSystem Co. LTD., 698 Gwangpyeong-dong, Yseong-Gu, Daejeon 305-509, Korea ARTICLE INFO Article history: Received 12 September 2014 Revised 5 November 2014 Accepted 25 November 2014 Keywords: Nipkow disk Confocal measurement Micro-lens disk Pinhole disk 3-dimensional measurement ABSTRACT This paper discusses the fabrication process for a Nipkow disk using micro lens and pinhole disks. The confocal measuring system that uses the Nipkow disk has the advantage in measuring speed, because the Nipkow disk can simultaneously provide confocal images of all pixels in a CCD camera without requiring a lateral scanning unit. A micro lens configuration, which focuses illumination on a pinhole, overcomes the low optical efficiency of the Nipkow disk system and allows its use in practical applications. This paper describes how to design the Nipkow disk in terms of numerical aperture, particularly for measuring the height of solder bumps in packaging application and for hybrid processes combining mechanical and semiconductor processes. 1. 서론바이오분야및엔지니어링분야에널리활용되는공초점측정기술은핀홀을통과하는조명광이측정면에조사된후다시동일한핀홀을통과할때, 측정면의초점위치에따른광량의변화를이용하여초점정도를판단하는방법이다. 대표적인기술로는레이저를조명으로이용하고, 수평방향스켄장치 (lateral scanning unit) 와광축방향스켄장치 (axial scanning unit) 를이용하는시스템구성으로, 100배이상의고배율대물렌즈에서는나노미터의분해능을얻을수있으며, 생물분야에서의형광을이용한영상획득등다양한분야에활용되고있다 [1-3]. 이방법은한번에측정영역 (Field of View) 내의 1개화소 (pixel) 에서의공초점영상을얻을수있기때문에, XY 스케너및광축스케너의속도를높여도실시간으로 3차원공초점영상을얻기에는한계가있다. 이에반하여닙코디스크 (Nipkow disk) [4] 를이용하는공초점방식은실시간 3차원형상측정이가능한기술로주목을받아왔다. 닙코디스크란여러개의핀홀을아르키메데스나선식을따라배치, 제작한얇은디스크를지칭한다. 이러한닙코디스크를고속으로회전시키면, 디스크의핀홀들이일정한괘적을따라이동하면서, 카메라의모든화소에공초점영상을맺히게한다. 즉레이저공초점방식의 XY 스케너기능을디스크의회전과수많은핀홀로 * Corresponding author. Tel.: +82-42-868-7076 Fax: +82-42-868-7721 E-mail address: geehong@kimm.re.kr (Gee Hong Kim). 636
대체하여, 실시간으로공초점영상획득이가능하도록하였다. 그러나닙코디스크방식은조명광량대비 1~2% 정도의낮은광효율로인하여상용화가어려웠지만, 최근에는반도체공정을이용하여제작한수십또는수백마이크론크기의마이크로렌즈디스크를활용함으로써광효율을최대 50% 까지높여상용화에성공하고있다 [5-7]. 마이크로렌즈를이용한닙코디스크제작은핀홀과동일한수, 동일한위치에마이크로렌즈들이배치되도록설계한후디스크를제작하고, 마이크로렌즈의초점위치에핀홀들이위치하도록두디스크사이의거리를조절하여조립함으로써완성된다. 마이크로렌즈에의한집광된광은개개의핀홀을통과한후측정면에조사되고, 다시이핀홀들을통과한후개별마이크로렌즈에의해평행광으로만들어져이미징광학계에입사되고, 이로부터공초점영상이얻어진다. 이러한닙코디스크를제작할때가장어려운점은닙코디스크의설계, 마이크로렌즈디스크의제작, 그리고핀홀디스크를마이크로렌즈의초점위치에조립하는방법등으로구분할수있다. 특히이논문에서개발한닙코디스크는표면실장제품 (SMD) 의솔더 (solder) 볼의등평면도 (coplanarity) 측정을목표로개발되었다. 따라서 1배이하의저배율에서넓은측정영역 (field of view) 를가지도록설계되어야하며, 특히공초점신호의분해능을높이기위해, 마이크로렌즈및핀홀광학계의개구수 (numerical aperture) 가최대 0.15가되도록마이크로렌즈의곡률및초점위치를설정하여야한다. 이논문에서는이러한다양한제약조건을만족시키는닙코디스크의설계및각부품의제조방법, 그리고조립방법에대하여기술한다. 2. 닙코디스크의설계 resolution) 등을고려하여설정되는데, 이연구에서는배율 1배이하, 측정영역 10 10 mm 이상을가정하였고, 이때최대개구수를 0.15로설정하였다. 이러한조건에서마이크로렌즈의직경과초점거리및초점위치에서의 Airy 디스크크기를감안하여핀홀의직경을설정한다. 식 (1) 은핀홀의크기를계산하는수식으로 s는핀홀의직경, λ는사용파장, f 는마이크로렌즈의초점거리, D p 는마이크로렌즈또는핀홀의피치를의미한다. 파장을 550 nm, 초점거리는 150 μm, D p 를 30 μm라했을때 는 6.7 μm이된다. 실험식을통하여핀홀사이의거리는핀홀크기의 5~10배가되어야공초점신호의간섭이없다고보고되고있다 [9]. 따라서핀홀의크기를 6 μm로설계하면 D p 값이 30 μm로서 5배에해당하므로적당한크기라할수있다. 공초점광학계를설계할때백색광을조명광으로사용할수있지만, 이연구에서는공초점이미지의가시도를향상시키기위해편광 (polarization) 을이용하므로, 중심파장이 550 nm인대역필터 (bandpass filter) 를조명광학계에사용한다. 2.2 마이크로렌즈의설계 Fig. 1은마이크로렌즈의구조및설계를위한파라메터를표시한것으로, f 는마이크로렌즈의초점길이, R은마이크로렌즈의곡률, r은마이크로렌즈의직경, n 1, n 2 는각각입사매질의굴절률 (refractive index), 마이크로렌즈의굴절률을의미한다. 이를이용하여마이크로렌즈의초점거리는렌즈제작자공식 (lens maker s formula) 에의해아래수식으로표시된다. (1) 닙코디스크를설계할때고려해야할사항은, 첫째, 마이크로렌즈와핀홀을포함한광학계구성, 둘째, 마이크로렌즈의설계및공정, 셋째, 디스크표면에마이크로렌즈와핀홀의배치방법등이다. (2) 2.1 광학계구성마이크로렌즈와핀홀로구성된광학계를설계할때가장우선적으로고려할부분은광학계의개구수 (numerical aperture) 이다. 이개구수는닙코디스크아래에설치되는대물렌즈의입사개구수와일치시켜야하는데, 만일대물렌즈의개구수보다크면입사광의손실이발생하고이를보완하기위해매우강한조명광을이용하여야한다. 개구수가작으면공초점신호가너무퍼져 (broad) 광축에따른분해능이떨어진다. 대물렌즈는측정영역, 화소분해능 (pixel Fig. 1. Design parameters for microlens 637
Gee Hong Kim et al. 일반적인경우조명광이입사되는매질은공기이므로 n 1 값이 1 이된다. 그러나이연구에서는입사매질이공기가아닌 Norland 61 에폭시가되도록설계하였다. 이는식 (2) 에서보듯이두매질의굴절률차이가작을경우, 같은곡률값 R을가진마이크로렌즈에서도보다긴초점거리를확보할수있기때문이다. 이는마이크로렌즈와핀홀사이의제어가가능한기계적거리를확보함으로써, 닙코디스크를보다정확하고용이하게제작할수있다. 이논문에서는 550 nm 파장의평행광을기준으로, 마이크로렌즈의곡률은 12 μm, 입사매질의굴절률을 1.56, 그리고렌즈재질의굴절률을 1.65으로설정하였다. 이를위하여이논문에서제작한마이크로렌즈의재질로는노광공정에사용한포토레지스트를활용하였다. 이는일반유리재질의마이크로렌즈보다투과율은낮지만, 에칭공정없이노광공정만으로마이크로렌즈디스크를제작할수있으므로제조비용측면에서우수한점이있다. SCINCO사의 NEOSYS-2000 모델을이용하여투과율을측정한결과 550 nm 파장에서 91% 의투과율을가진것으로측정되었다. 리플로우공정으로마이크로렌즈를제작한후디스크전면적을 UV 에폭시로도포함으로입사매질을변경하였다. Fig. 2는 ZEMAX 를통하여설계된마이크로렌즈광학계를해석한결과이다. 입사매질및마이크로렌즈는전술한바와같이적용하였고, 기판으로는석영유리 (fused silica) 를적용하였을때 150 μm에초점이형성된다. 이때해석에사용된마이크로렌즈의직경은전체의 80% 만작동하는것으로설계하였다. Fig. 3은 Fig. 2의광학시스템에서획득되는스팟다이어그램을표시한것이다. 그림에서보듯이 Airy 반경이 3.787 μm 정도이고, 입사광의초점이 150 μm에있음을알수있다. 앞서핀홀의직경을 6 μm로설정하였는데, Fig. 3의 Airy 직경보다다소작다. 그러나 Fig. 3에서광선의대부분이 3 μm이내에분포하는것을보면 6 μm 핀홀직경도성능에는큰문제가없다고판단된다. 2.3 마이크로렌즈및핀홀의배치닙코디스크에서마이크로렌즈와핀홀은 1:1로구성되므로, 마이크로렌즈와핀홀의배치는동일하다. 그러므로이후로는핀홀의배치로통일하여설명한다. 닙코디스크에핀홀을배치할때가장중요한점은, 닙코디스크의회전에따라핀홀이그리는궤적이측정범위내에암영역이없도록핀홀들이적당히중첩되어배치되어야하며, 공초점영상의균일도를위하여디스크의내부와외부에서핀홀의분포가일정하여야한다. 예전의핀홀배치는아르키메데스나선식을따라배치하였다. 그러나이방법은디스크의가장자리로갈수록핀홀간의거리가멀어져핀홀분포밀도가디스크의안쪽과바깥쪽에서심각한차이를보이게된다. 따라서이러한디스크를이용하여영상을획득하면, 디스크의바깥쪽영상이안쪽영상보다어두워지는현상이발생한다. 이를해결하기위해이연구에서는아래의수식과같이 Yokogawa사에서제시한핀홀배치법을이용하였다 [4]. (3) (4) Fig. 2. Optical analysis of the designed microlens system Fig. 3. Spot diagram 위두식은 Yokogawa사의핀홀배치를수식으로정리한것으로식 (3), 식 (4) 에서 r i, r 0 는 i번째핀홀의반경방향위치, 최내각핀홀의위치를의미한다. θ i 는 i번째핀홀의각도를나타낸다. 이수식에서 i번째핀홀은 (r i, θ i ) 의극좌표계로표현된다. 수식에서 a는핀홀간의거리, m은 1개나선위에배치되는핀홀의개수를나타낸다. 식 (3), (4) 를이용하여 1개나선위에핀홀을배치하고, 이핀홀들을원주방향으로 m개만큼복사하면, 디스크전면에핀홀을배치할수있다. 그리고이나선은시작한위치에서정확히 360도위치에서나선이끝난다. 따라서나선의개수도 m개이며, 나선위에배치되는핀홀의개수도 m개라는특징이있다. Fig. 4는식 (3), (4) 에서제시한방법으로핀홀을배치한결과를보여준다. 그림에서배경그림은핀홀이배치된닙코디스크의전체적인모습을도시한그림이다. 638
Fig. 5. Geometrical relation between mircolens and photoresist pattern Fig. 4. Arrangement of pinholes Table 1 Process parameters Spin coating Prebaking Exposure Developing Reflow 4500 rpm, 30 sec. 100 C, 2 min. 12 sec. 55~56 sec., Developer : ma-d531 150 C, 40 sec. Fig. 6. Surface profile of photoresist pattern after photolithography 패턴영역의내부반경은 8 mm, 외부반경은 23 mm로설정되었다. 그림에서왼쪽아래그림은패턴영역안쪽의핀홀배치를확대한그림이고, 오른쪽위그림은바깥쪽배치를확대한그림이다. 핀홀간의거리는그림에서보듯이 30 μm이며, 두영역에서의핀홀분포가균일함을알수있다. 이핀홀배치법을이용하면, 그림에서보듯이핀홀들이매우촘촘하게분포하기때문에, 각핀홀의궤적을그리면이웃한핀홀과어느정도중첩됨을알수있다. 그러므로암영역이발생하지는않지만, 지나치게패턴분포영역을크게하면핀홀의크기를조절하여야하는문제점도가진다. 3. 닙코디스크제조공정 3.1 마이크로렌즈제조공정마이크로렌즈에사용된포토레지스트는 Microresist사의 ma- P1240이며, 4인치유리웨이퍼에 hexamethyldisilazane(hmds) 처리를한후스핀코팅으로도포하였다. 앞에서언급한핀홀배치방법을이용하여포토마스크를제작한후포토공정을진행하였다. 노광에이용한얼라이너는마이더스사의 MDA-400M-06 모델을이용하였다. Table 1은마이크로렌즈제조에이용된공정파라메터를나타낸표이다. 그러나이표의공정시간은공정이수동으로진행된점을감안하면 1~2초정도의오차는있을수있다. 포토공정을통하여제작되는원기둥패턴은리플로우공정을 통하여설계한마이크로렌즈로제작되는데, Fig. 5에서와같이원기둥패턴과마이크로렌즈는부피의변화가없고, 반경방향의변화도없다는가정하에서아래의수식으로표현된다. (5) 식 (5) 에서 T c 는기판위에스핀코팅되는포토레지스트의두께, r은마이크로렌즈의반경, h는마이크로렌즈의높이를나타낸다. 이수식으로부터스핀코팅의목표두께를아래의수식으로결정한다. (6) 그러나실제공정에서는포토레지스트내부에포함된용제 (solvent) 가기화되고, 디벨롭핑과정에서포토레지스트패턴의측면이좀더용해되어 Fig. 5와같은정확한원기둥패턴을제작할수없다. 그러므로식 (6) 은초기코팅두께를설정할때활용하고, 정확한코팅두께는여러번의실험을통하여설정하는것이효과적이다. 이연구에서는 Table 1의조건을통하여 4 μm 두께로포토레지스트를코팅하고, 리플로우공정으로통하여 5.4 μm의최종렌즈높이를구현하였다. Fig. 6은 Carl Zeiss 사의레이저공초점현미경을이용하여노광공정후제작된원기둥패턴을측정한결과이다. 전술한바와같이측면이약간기울어진원기둥패턴으로제작됨을알수있다. 639
Gee Hong Kim et al. Fig. 7. Image of microlens after reflow process Fig. 9. Aligning images: (a) Aligning keys fabricated on a microlens and pinhole disk (b) Pinhole image illuminated by microlens which are aligned correspondingly (c) Overall image of pinhole disk under illumination. Fig. 8. Aligning tool for Nipkow disk fabrication Fig. 7은 리플로우 공정을 진행한 후의 마이크로 렌즈를 보여준 다. 리플로우 공정에서 가장 중요한 점은 가능한 높은 온도에서 가 장 짧은 시간에 공정을 완료하는 것이다. 여러 실험을 통하여 볼 Fig. 10. Nipkow disk 때 리플로우 온도가 낮으면, 둥근 형태의 마이크로 렌즈가 아닌 말 위에는 2개의 줌 렌즈를 설치하여 닙코 디스크 전면적에서의 광량 안장 모양으로 변형되는 경우가 발생하는데, 이때 리플로우 시간을 변화와 개별 핀홀에서의 광량 변화를 관찰하여 정밀 정렬이 수행될 늘려도 마이크로 렌즈 모양으로 변형되지는 않는다. 그러나 지나치 수 있도록 하였다. 투입되는 에폭시양은 전면적으로 고르게 도포될 게 높은 온도는 포토 레지스트 버닝(burning)이 발생할 수 있으므 정도로 하였고, 두께는 별도로 제어하지 않았다. 로, 적절한 온도를 설정하여야 한다. Fig. 9는 앞에서 설명한 조립 장치에서 두 디스크간의 정렬 상태 를 모니터링하는 그림을 보여준다. Fig. 9(a)는 두 디스크의 중첩된 3.2 닙코 디스크 조립 정렬 키 패턴을 보여준다. 사진에서 보듯이 3부분의 카메라에서, 이 논문에서 제작한 닙코디스크는 전술한바와 같이 마이크로 렌 가운데 십자가와 주변의 버니어 자를 동시에 정렬시켜야 한다. Fig. 즈 디스크와 핀홀 디스크를 별도로 제작한 후, 그림 8과 같은 전용 9(b), (c)는 정렬이 완료된 상태에서 핀홀 디스크면을 촬영한 사진 장비를 이용하여 접합하여 조립하였다. 으로, Fig. 9(b)는 개별 핀홀의 상태를 보여주며, Fig. 9(c)는 전체 Fig. 8은 마이크로 렌즈와 핀홀 디스크가 UV 에폭시로 접합된 디스크면의 광강도 분포를 보여준다. 그림에서 보듯이 마이크로 렌 후, 각각의 디스크에 제작된 정렬 키로 1차 정렬을 수행하고, 마이 즈에 의해 집광된 조명광이 핀홀을 통과하면서 매우 밝게 빛나며, 크로 렌즈로 집속된 조명광이 핀홀을 통과하는 광량 상태를 광학 핀홀 디스크 전면도 고르게 조명광이 분포함을 알 수 있다. 프로브로 정밀하게 관찰하면서, UV 에폭시를 경화시켜 닙코디스 Fig. 10은 전술한 공정을 통하여 개발된 닙코 디스크의 모습니 크를 조립하는 조립 장치를 보여준다. 조립 장치는 5개의 마이크로 다. 개발된 닙코 디스크의 외경은 46 mm, 두께는 12 mm이며, 미터 조절 손잡이를 이용하여 미세하게 제어되며, 아래쪽에 정렬 핀홀 디스크는 마이크로 렌즈와 동일한 배치도로 제작된 포토마스 키의 영상의 보여주는 3개의 프로브가 설치되어 있다. 조절 장치 크를 이용하였다. 640
개발된닙코디스크는 10 10 mm의측정영역을가지도록설계되었고, 마이크로렌즈및핀홀로구성된개별광학계는개구수 0.15, 초점거리 150 μm, 핀홀크기 6 μm로제작되었다. 특히이논문에서는마이크로렌즈와핀홀을별도의디스크에제작한후, 정밀조립장치를이용하여정렬 접합함으로써 1배이하의저배율에서활용될수있는닙코디스크제조법을제시하였다. 향후개발된닙코디스크를이용하여, 공초점신호획득및분해능분석, 닙코디스크회전에따른다양한신호분석, 그리고고속 3차원형상측정가능성을연구할예정이다. 후기 이논문은한국산업기술진흥원, 충청지역사업평가원의지역특화산업육성사업인 공초점 Nipkow Disc 기술을이용한고속 Bumped Wafer 검사기개발 사업과, 기관고유사업인 나노 / 마이크로복합구조공정및응용기술 사업의지원을받아수행되었다. References Fig. 11 Confocal images using Nipkow disk: (a) Top surface of a Korean coin (b) Bottom surface of a Korean coin 3.3 공초점이미지 Fig. 11은 Fig. 10의닙코디스크를탑재한공초점검사기에서획득한영상을보여준다. 개발중인공초점검사기는텔레센트릭광학계로설계되었고, 1배의이미징배율을가진다. 설계된검사기의검사영역은 10 10 mm이다. 그림에서보듯이 50원동전의윗면과아랫면이뚜렷하게구분됨을볼수있고, 앞에서설명한핀홀배치법으로광강도균일도도매우우수함을알수있다. 현재다양한측정물에대한영상분석이진행중이며, 특히닙코디스크가회전하면서발생하는배경광의변화에대하여집중고찰중이다. 4. 결론 이논문은표면실장부품의범퍼볼과같이대면적고속측정용공초점검사기술에활용되는닙코디스크개발에관한내용이다. [1] Daly, D., 2001, Microlens Arrays, CRC Press, New York. [2] Pawley, J. B., 2006, Handbook of Biological Confocal Microscopy 3rd Ed., Springer, Germany. [3] Corle, T. R., Kino, G. S., 1996, Confocal Scanning Optical Microscopy and Related Imaging Systems, Academic Press, San Diego. [4] Tanaami, T., Otsuki, S., Tomosada, N., Kosugi, Y. Shimizu, M., Ishida, H., 2002, High-speed 1-frame/ms scanning confocal microscope with a microlens and Nipkow disks, Appl. Opt. 41:22 4704-4708. [5] Ishihara, M., Sasaki, H., 1999, High-speed surface measurement using a nonscanning multiple-beam confocal microscope, Opt. Eng. 38:6 1035-1040. [6] Tiziani, H. J., Achi, R., Kramer, R. N., Wiegers, L., 1996, Theoretical analysis of confocal microscopy with microlenses, Appl. Opt. 35:1 120-125. [7] Kim, G. H., Lim, H. J., Jeong, M. R., Lee, J. J., Choi, K. B., Lee, H. S., Do, L. M., Fabrication of Micro-Lens Array with Long Focal Length for Confocal Microscopy, J. KSMTE 20:4 472-477. [8] Eisner, M., Lindlein, N., Schwider, J., 1998, Confocal microscopy with a refractive microlens-pinhole array, Opt. Lett. 23:10 748-749. [9] Ishihara, M., 1999, Three-dimensional shape measuring apparatus, US patent : 5946100. 641