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KR100764465B1 - Contact three-dimensional surface shape measuring device - Google Patents

Contact three-dimensional surface shape measuring device Download PDF

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KR100764465B1
KR100764465B1 KR1020060062383A KR20060062383A KR100764465B1 KR 100764465 B1 KR100764465 B1 KR 100764465B1 KR 1020060062383 A KR1020060062383 A KR 1020060062383A KR 20060062383 A KR20060062383 A KR 20060062383A KR 100764465 B1 KR100764465 B1 KR 100764465B1
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조윤석
최진태
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Abstract

A contact-type three dimensional surface shape measuring device is provided to minimize a non-linear movement of a stylus and to prevent load of a position sensor from being delivered to the stylus. A contact-type three dimensional surface shape measuring device comprises a stylus moving unit(180), a body unit, and a laser unit(116). The stylus moving unit is a long bar-type having at least one slit(150), and has a stylus(160) at one end portion. The body unit supports the stylus moving unit with at least one leaf spring and formed with an optical position sensor(170) corresponding to the slit. The laser unit is installed at a front surface of the slit to radiate a laser beam to the slit.

Description

접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치{3 DIMENSIONAL MEASURING APPARATUS OF SURFACE HEIGHT}Contact 3D surface shape measuring device {3 DIMENSIONAL MEASURING APPARATUS OF SURFACE HEIGHT}

도 1은 종래 접촉식 삼차원 표면 형상 측정 장치의 구조도.1 is a structural diagram of a conventional contact three-dimensional surface shape measurement device.

도 2는 본 발명의 일 실시예인 접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치의 조립 전 사시도.Figure 2 is a perspective view before assembly of the contact type three-dimensional surface shape measuring apparatus of an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예인 접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치의 조립 후 사시도.Figure 3 is a perspective view after assembly of the contact type three-dimensional surface shape measuring apparatus of an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 접촉식 삼차원 표면 형상 측정 장치의 작동을 설명하기 위한 설명도.4 is an explanatory view for explaining the operation of the contact type three-dimensional surface shape measurement apparatus according to the present invention.

***** 도면의 주요 기호에 대한 간략한 설명 ********** Brief description of the main symbols in the drawings *****

100: 레이저 110: 평행광 렌즈100: laser 110: parallel light lens

116: 레이저 조사부 120: 보이스 코일116: laser irradiation unit 120: voice coil

130a, 130b: 판 스프링 140: 마그네트130a, 130b: leaf spring 140: magnet

150: 슬릿(slit) 160: 스타일러스150: slit 160: stylus

170: 광 위치 감지 센서 180: 스타일러스 이동부170: optical position detection sensor 180: stylus moving part

본 발명은 접촉식 삼차원 표면 형상 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 표면을 따라 수직으로 이동하는 스타일러스를 판스프링으로 지지하여 구속을 최소화하였으며, 레이져와 광위치 검출기를 이용하여 스타일러스 이동을 감지하는 것을 특징으로 하는 접촉식 삼차원 표면 형상 측정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a contact three-dimensional surface shape measuring apparatus, and more specifically, to minimize the restraint by supporting the stylus moving vertically along the surface with a leaf spring, and to detect the stylus movement using a laser and the optical position detector It relates to a contact type three-dimensional surface shape measuring apparatus.

막공정, 반도체 공정 등의 산업 전반에 걸쳐서 카메라를 이용하여 영상을 촬영하는 기술이 빈번히 사용되고 있다. 예를 들어 컬러 필터의 막공정이 정밀하게 도포가 되었는지, 웨이퍼 상부에 형성된 여러 갈래의 배선이 모두 동일한 두께로 형성되었는지 여부를 카메라 영상 기술을 이용하여 촬영한 후 이를 검사하는 분야를 들 수 있다. 하지만 이러한 카메라 영상은 2차원 데이터를 제공하고 있기 때문에 보다 정확하게 삼차원적으로 표면을 검사하는 장비의 필요성이 많이 대두되고 있는 실정이다.Background Art A technique for photographing images using a camera is frequently used throughout the industry, such as a film process and a semiconductor process. For example, a field of photographing a color filter by using a camera imaging technique to check whether the coating process of the color filter is precisely applied or whether the branch wires formed on the wafer are all formed with the same thickness. However, since these camera images provide two-dimensional data, the necessity of equipment for inspecting surfaces more accurately in three dimensions is increasing.

도 1은 종래 접촉식 삼차원 표면 형상 측정 장치의 구조도이다. 단부에 스타일러스(160)을 구비하는 스타일러스 바디부(10)를 피봇(20)을 이용하여 구동하는 구조를 갖는다. 스타일러스(160)은 표면을 따라서 피봇(20)을 기준으로 상하로 이동하게 된다. 이러한 스타일러스(160)의 위치 변화는 정전 용량 센서 또는 위치 센서로 구성되는 위치 센서(40)에 의해서 감지된다. 위치 센서(40)에 의해 감지된 신호는 프리 앰프(41)에 의해 일차 증폭된 후, 필터(43)에 의해 필터링되고, 증 폭기(45)를 통하여 신호 증폭이 된다. 증폭된 신호를 분석함으로써 샘플 표면(sample surface)의 높이를 파악할 수 있게 된다. 한편 필터(43)에 의해 필터링된 신호는 위치 및 속도 제어부(47)에 입력된다. 위치 및 속도 제어부(47)는 스타일러스의 제어 위치와 제어 속도를 생성하여 구동부(49)에 전달한다. 구동부(49)는 스타일러스 제어 위치 및 제어 속도에 따른 구동 신호를 생성하여 보이스 코일(voice coil, 120)에 인가한다. 보이스 코일(120)은 마그네트(magnet, 140)와 반응하여 스타일러스(160)가 표면에 너무 많은 하중이 인가되면서 이동되지 않도록 아래로 이동시키거나 위로 이동시키는 작동을 하게 된다. 1 is a structural diagram of a conventional contact three-dimensional surface shape measurement apparatus. It has a structure for driving the stylus body portion 10 having the stylus 160 at the end by using the pivot (20). The stylus 160 moves up and down relative to the pivot 20 along the surface. The change in position of the stylus 160 is sensed by the position sensor 40 which is composed of a capacitive sensor or a position sensor. The signal sensed by the position sensor 40 is first amplified by the preamplifier 41, then filtered by the filter 43, and then amplified by the amplifier 45. By analyzing the amplified signal it is possible to determine the height of the sample surface. Meanwhile, the signal filtered by the filter 43 is input to the position and speed controller 47. The position and speed controller 47 generates and transmits the control position and the control speed of the stylus to the driver 49. The driver 49 generates a driving signal according to the stylus control position and the control speed and applies the generated driving signal to the voice coil 120. The voice coil 120 reacts with the magnet 140 to move the stylus 160 downward or upward so that the stylus 160 is not moved while applying too much load to the surface.

도 1에 도시된 종래 접촉식 삼차원 표면 형상 측정 장치는 피봇을 중심으로 지렛대와 같이 동작하므로 피봇에서 발생하는 마찰력으로 인해 표면의 반발력을 직접적으로 위치 센서에 전달하지 못하므로 정밀한 제어가 어렵다. 또한 지렛대는 원운동을 기본으로 하고 있기 때문에 근본적인 문제인 비교적 높은 비선형성이 존재하는 문제점이 있다. 더불어 위치 센서(40)로는 정전용량센서와 LVDT(Linear Variable Differential Transformer) 센서를 사용하고 있는데 이러한 센서는 공통적으로 스타일러스 몸체에 센서의 일부를 조립하여야 하므로 스타일러스 몸체의 무게를 증가시킨다는 것이다. 스타일러스의 무게 증가는 측정의 속도를 저하시키는 원인이 된다. 정전용량센서는 이러한 문제가 LVDT 센서에 비해 다소 작은 비중을 차지하지만 센서를 정확하게 조립하여 정렬하는데 있어 매우 어려움이 있는 단점이 있다. 이에 비해 LVDT 센서는 정전유도 현상을 이용하게 되므로 유도를 일으키기 위한 자성체와 이를 감지하는 코일로 구성되며, 일반적으로 자성체가 스타일러스 몸체에 부착된다. 상기와 같은 문제점으로 인하여 새로운 접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치가 필요하게 되었다.Since the conventional contact three-dimensional surface shape measuring apparatus shown in FIG. 1 operates like a lever around a pivot, it is difficult to precisely control the surface repulsive force due to the friction force generated in the pivot, because it does not directly transmit the repulsive force to the position sensor. In addition, since the lever is based on a circular motion, there is a problem in that a relatively high nonlinearity, which is a fundamental problem, exists. In addition, as the position sensor 40, a capacitive sensor and a linear variable differential transformer (LVDT) sensor are used. Such a sensor increases the weight of the stylus body since a part of the sensor must be assembled to the stylus body in common. Increasing the weight of the stylus slows down the measurement. The capacitive sensor has such a problem that it takes a slightly smaller weight than the LVDT sensor, but has a disadvantage in that it is very difficult to assemble and align the sensor accurately. In contrast, since the LVDT sensor uses an electrostatic induction phenomenon, a magnetic body for inducing a coil and a coil for detecting the magnetic body is generally attached to the stylus body. Due to the above problems, a new contact three-dimensional surface shape measuring apparatus is required.

본 발명은 상기의 필요에 의한 것으로서, 표면을 따라 움직이는 스타일러스의 위치 이동의 비선형을 최소화하고, 위치 센서의 하중이 스타일러스에 인가되지 않도록 하는 접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치를 제공함을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a contact three-dimensional surface shape measuring apparatus which minimizes the nonlinearity of positional movement of a stylus moving along a surface and prevents the load of a position sensor from being applied to the stylus.

본 발명에서는 표면의 높낮이를 측정하는 접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치에 있어서, 적어도 하나의 슬릿을 구비하는 길쭉한 막대 형상으로 형성되고, 일단부에는 스타일러스를 구비하는 스타일러스 이동부와, 스타일러스 이동부를 적어도 하나의 판 스프링을 이용하여 지지하고, 관통홀(150)에 대응되는 위치에 배치되는 광 위치 감지 센서를 구비하는 몸체부 및 관통홀 전면에 설치되어 관통홀로 레이저 광을 조사하는 레이저 조사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치가 제공된다.In the present invention, in the contact-type three-dimensional surface shape measuring device for measuring the height of the surface, it is formed in an elongated bar shape having at least one slit, one end of the stylus moving portion having a stylus and at least one stylus moving portion It is supported by using a leaf spring of the body, including a body portion having an optical position sensor disposed at a position corresponding to the through hole 150 and a laser irradiation unit installed on the front of the through hole to irradiate the laser light through the through hole A contact three-dimensional surface shape measuring apparatus is provided.

본 발명의 스타일러스 이동부의 타 단부에는 마그네트가 구비되고, 상기 몸체부에는 상기 마그네트와 대응되는 위치에 구비되는 보이스 코일을 더 구비하는 것을 특징으로 하며, 레이저 조사부는 상부에 관통홈을 구비하는 'ㄷ'자형 프레임과, 상기 관통홈에 삽입되는 레이저 및 평행광 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한 다.A magnet is provided at the other end of the stylus moving part of the present invention, and the body part further includes a voice coil provided at a position corresponding to the magnet, and the laser irradiation part includes a through groove at the top. And a laser beam and a parallel light lens inserted into the through groove.

이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 장점, 특징 및 바람직한 실시례에 대해 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the advantages, features and preferred embodiments of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예인 접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치의 조립 전 사시도이고, 도 3은 조립 후 사시도이다. 본 발명의 접촉식 삼차원 표면 형상 측정 장치는 표면과 접촉하는 스타일러스를 판 스프링만으로 지지하도록 하여 자유도를 증가시키고 레이저와 광위치 감지 센서(Position Sensitive Detector)를 이용함으로써 광위치 감지 센서의 하중이 가능한 스타일러스에 가해지지 않는 것을 특징으로 한다.Figure 2 is a perspective view before assembly of the contact type three-dimensional surface shape measuring apparatus of an embodiment of the present invention, Figure 3 is a perspective view after assembly. The contact three-dimensional surface shape measuring apparatus of the present invention increases the degree of freedom by supporting the stylus in contact with the surface with only the leaf spring and by using a laser and a position sensitive detector, the stylus capable of loading the optical position detecting sensor. It is characterized in that it is not applied to.

본 발명의 접촉식 삼차원 표면 형상 측정 장치는 적어도 하나의 슬릿(150)을 구비하는 길쭉한 막대 형상으로 형성되고, 일 단부에는 스타일러스(160)를 구비하고, 타 단부에는 마그네트(140)을 구비하는 스타일러스 이동부(180), 스타일러스 이동부(180)를 적어도 하나의 판 스프링(130a, 130b, leaf spring)을 이용하여 지지하고, 슬릿(150)에 대응되는 위치에 배치되는 광 위치 감지 센서(170)를 구비하고, 마그네트(140)와 대응하는 위치에 보이스 코일(120, voice coil)을 구비하는 몸체부(145) 및 슬릿(150) 전면에 설치되어 슬릿(150)으로 레이저 광을 조사하는 레이저 조사부(116)를 구비한다. 몸체부(145)에 구비되는 복수 개의 나사홀(147)은 다른 기기와 연결하기 위한 나사홈으로 사용된다.The contact type three-dimensional surface shape measuring apparatus of the present invention is formed in an elongated rod shape having at least one slit 150, and has a stylus 160 at one end and a magnet 140 at the other end. The optical position sensor 170 supporting the moving unit 180 and the stylus moving unit 180 using at least one leaf spring 130a, 130b, and leaf spring, and disposed at a position corresponding to the slit 150. And a laser irradiation part installed at the front of the body part 145 and the slit 150 having a voice coil 120 at a position corresponding to the magnet 140 and irradiating a laser light to the slit 150. 116. The plurality of screw holes 147 provided in the body 145 are used as screw grooves for connecting with other devices.

전술한 바와 같이 스타일러스 이동부(180)는 적어도 하나의 판 스프링(130a, 130b)에 의해 몸체부(145)와 연결되는데, 도 2 및 도 3의 실시예도에서는 상하 두 개의 판 스프링(130a, 130b)을 사용하였다. 도면에 도시한 바와 같이 판 스프링(130a, 130b)의 일 단면은 스타일러스 이동부(180)에 삽입되어 결합되고, 타 단면은 몸체부(145)에 삽입되어 나사(125, 127)를 이용하여 결합된다. 레이저 조사부(116)는 'ㄷ'자형 프레임(117)에 의해서 스타일러스 이동부(180)의 전면에 나사 결합된다. 'ㄷ'자형 프레임(117) 말단부에 설치되는 나사(118a)와 몸체부(145)에 설치되는 나사(118b)에 의해 몸체부(145)에 결합된다. 이때 'ㄷ'자형 프레임(117)으로 인해서 레이저 조사부(116)는 스타일러스 이동부(180)를 구속함이 없이 결합할 수 있음을 알 수 있다. 'ㄷ'자 프레임(117)의 상부에는 레이저(100) 및 평행광 렌즈(110, collimation lens)를 삽입하기 위한 관통홈(119)이 구비된다. 관통홈(119)에는 렌즈 지지구(115), 평행광 렌즈(110), 레이지 지지구(105) 및 레이저(100)가 순서대로 삽입되어 조립된다.As described above, the stylus moving part 180 is connected to the body part 145 by at least one leaf spring 130a and 130b. In the exemplary embodiment of FIGS. 2 and 3, the two upper and lower leaf springs 130a and 130b are used. ) Was used. As shown in the figure, one end surface of the leaf springs 130a and 130b is inserted into and coupled to the stylus moving part 180, and the other end surface is inserted into the body 145 to be coupled using the screws 125 and 127. do. The laser irradiation part 116 is screwed to the front surface of the stylus moving part 180 by the 'c' shaped frame 117. The 'c' shaped frame 117 is coupled to the body portion 145 by a screw 118a installed at the distal end and a screw 118b installed at the body portion 145. In this case, it can be seen that the laser irradiation part 116 can be coupled without restraining the stylus moving part 180 due to the 'c' shaped frame 117. A through groove 119 for inserting the laser 100 and the collimation lens 110 is provided on the 'c'-shaped frame 117. In the through groove 119, a lens support 115, a parallel light lens 110, a lazy support 105, and a laser 100 are inserted and assembled in this order.

보이스 코일(120)은 마그네트(magnet, 140)와 반응하여 스타일러스가 표면에 너무 많은 하중이 인가되면서 이동되지 않도록 아래로 이동시키거나 위로 이동시키는 작동을 하게 된다.The voice coil 120 reacts with the magnet 140 to move the stylus down or up so that the stylus does not move while applying too much load to the surface.

도 4는 본 발명에 따른 접촉식 삼차원 표면 형상 측정 장치의 작동을 설명하기 위한 설명도이다. 레이저(100)로부터 출력되는 출력광은 평행광 렌즈(110)에 의해 보다 넓게 펴진 후, 스타일러스 이동부(180)에 구비된 슬릿(150)을 통과한 후 광 위치 감지 센서(170)에 조사된다. 스타일러스 이동부(180)가 측정 시료의 표면 을 따라 상하로 이동하면, 슬릿(150)도 이에 따라 상하로 이동하게 된다. 따라서 슬릿(150)을 통과한 광이 광 위치 감지 센서(170)에 수광되는 위치가 변하게 되고, 이를 감지함으로써 표면 형상을 파악할 수 있게 된다.4 is an explanatory diagram for explaining the operation of the contact type three-dimensional surface shape measuring apparatus according to the present invention. The output light output from the laser 100 is widened by the parallel light lens 110, and then passes through the slit 150 provided in the stylus moving unit 180, and then is irradiated to the optical position sensor 170. . When the stylus moving part 180 moves up and down along the surface of the measurement sample, the slit 150 also moves up and down accordingly. Therefore, the position where the light passing through the slit 150 is received by the optical position sensor 170 is changed, and by detecting this, the surface shape can be determined.

도 2 내지 도 4에서 명시적으로 기재되어 있지 않으나, 광 위치 감지 센서(170)에 의해 감지된 신호가 증폭기, 필터를 거친 후 신호 증폭이 되고, 증폭된 신호를 분석함으로써 샘플 표면(sample surface)의 높이를 파악할 수 있게 되는 회로의 구성은 도 1의 종래 기술에 설명된 부분과 동일 내지는 약간의 변형을 가하여 용이하게 적용할 수 있다. 또한 필터에 의해 필터링 된 신호가 위치 및 속도 제어부를 이용하여 보이스 코일(voice coil, 120)에 인가하고, 보이스 코일(120)은 마그네트(magnet, 140)와 반응하여 스타일러스(160)를 이동시키는 구성도 도 1의 종래 기술에 설명된 부분과 동일 내지는 약간의 변형을 가하여 용이하게 적용할 수 있음은 물론이다.Although not explicitly described in FIGS. 2 to 4, the signal sensed by the optical position sensor 170 passes through an amplifier and a filter to be amplified, and a sample surface is analyzed by analyzing the amplified signal. The configuration of the circuit which can grasp the height of can be easily applied by applying the same or slight deformation as that described in the prior art of FIG. In addition, the signal filtered by the filter is applied to the voice coil (voice coil) 120 using the position and speed control, the voice coil 120 is configured to move the stylus 160 in response to the magnet (magnet, 140) Of course, it can be easily applied by applying the same or slight modifications as those described in the prior art of FIG.

본 발명의 접촉식 삼차원 표면 형상 측정 장치는 스타일러스의 이동 위치를 감지하는 센서의 하중이 스타일러스에 가중되지 않기 때문에 종래 장치에 비하여 보다 정밀하게 표면 형상을 측정할 수 있게 되었다.The contact three-dimensional surface shape measuring apparatus of the present invention can measure the surface shape more precisely than the conventional apparatus because the load of the sensor for detecting the movement position of the stylus is not weighted to the stylus.

또한 본 발명의 접촉식 삼차원 표면 형상 측정 장치는 판스프링에 의해서만 스타일러스 이동부가 결합되는 구조를 제시함으로써, 도 1에 도시된 종래 피봇 방 식의 표면 형상 측정 장치에서 발생되는 피봇의 마찰에 의한 부정확성과 피봇 방식에서 기인하는 직선 운동이 원형 운동으로 인하여 발생되는 비선형성 문제를 해결할 수 있게 되었다.In addition, the contact type three-dimensional surface shape measuring apparatus of the present invention proposes a structure in which the stylus moving portion is coupled only by the leaf spring, thereby reducing the inaccuracy due to the friction of the pivot generated in the surface shape measuring apparatus of the conventional pivot method shown in FIG. The linear motion resulting from the pivoting method can solve the nonlinearity caused by the circular motion.

본 발명의 바람직한 실시례가 특정 용어들을 사용하여 기술되어 왔지만, 그러한 기술은 오로지 설명을 하기 위한 것이며, 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것으로 이해되어져야 한다.While the preferred embodiments of the present invention have been described using specific terms, such descriptions are for illustrative purposes only, and it is understood that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the following claims. Should be done.

Claims (3)

표면의 높낮이를 측정하는 접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치에 있어서,In the contact type three-dimensional surface shape measuring device for measuring the height of the surface, 적어도 하나의 슬릿을 구비하는 길쭉한 막대 형상으로 형성되고, 일단부에는 스타일러스를 구비하는 스타일러스 이동부;A stylus moving part having an elongated rod shape having at least one slit, and having a stylus at one end thereof; 상기 스타일러스 이동부를 적어도 하나의 판 스프링을 이용하여 지지하고, 관통홀(150)에 대응되는 위치에 배치되는 광 위치 감지 센서를 구비하는 몸체부; 및A body part supporting the stylus moving part using at least one leaf spring and having an optical position detecting sensor disposed at a position corresponding to the through hole 150; And 상기 관통홀 전면에 설치되어 관통홀로 레이저 광을 조사하는 레이저 조사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치.The contact type three-dimensional surface shape measuring apparatus is installed on the front of the through-hole and comprises a laser irradiation unit for irradiating the laser light through the through-hole. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스타일러스 이동부의 타 단부에는 마그네트가 구비되고, 상기 몸체부에는 상기 마그네트와 대응되는 위치에 구비되는 보이스 코일을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치.A magnet is provided at the other end of the stylus moving part, and the body part further comprises a voice coil provided at a position corresponding to the magnet. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 레이저 조사부는 상부에 관통홈을 구비하는 'ㄷ'자형 프레임과, 상기 관통홈에 삽입되는 레이저 및 평행광 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉식 삼차원 표면 형상 측정장치.The laser irradiation part is a contact type three-dimensional surface shape measuring apparatus comprising a '' 'frame having a through groove in the upper portion, a laser and a parallel light lens inserted into the through groove.
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