반도체 미세공정과 집적화로 인해 검사장비는 초미세 패턴을 검사할 수 있도록 하기 위해 카메라와 렌즈의 해상도가 점차적으로 높아지고 있다. 이와 함께 공정 효율성을 높이고 검사시간을 단축하기 위해 카메라의 프레임 속도는 점점 높아지고, 카메라의 검사영역(Field of view) 또한 점점 커지는 추세다. 해상도와 FOV는 카메라에 장착된 대물렌즈에 의해 결정되며, 더 높은 해상도와 더 넓은 FOV를 구현하기 위해 많은 형태의 대물렌즈가 개발되고 산업에 적용되고 있다.

고배율 대물렌즈는 고해상도를 가지는 큰 장점을 가진 반면, 검사하는 영역이 좁은 한계를 가지고 있으며, 이와 반대로 넓은 FOV를 가지는 대물렌즈는 배율이 낮고 해상도 또한 낮다. 고배율과 넓은 FOV를 동시에 구현하기 위해서는 이미지 영역이 넓은 센서를 적용하는 방법밖에 없으며, 반도체 기술이 발전해 가면서 카메라 센서의 사이즈 또한 계속해서 증가하는 추세다.

최근 대면적 검사를 위해 이미지 크기 82mm의 TDI 센서 카메라가 개발되어 넓은 FOV를 가지는 검사장치가 조금씩 나오고 있다. 그러나 넓은 이미지 크기를 가지는 센서에 대응할 수 있는 고배율 대면적 검사가 가능한 대물렌즈는 수요를 충족시키지 못하고 있다.

 

 

제품의 주요 기능

 

시원광기술이 개발한 고배율 대면적 검사를 위한 무한 결상 광학계는 초고해상도를 구현할 수 있고, 대면적 관찰이 가능하므로, 미세한 패턴의 관찰을 가능하게 하면서 동시에 검사 시간을 단축할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그리고 유한 결상 광학계의 단점을 개선한 무한 결상 광학계로서 5배 대물렌즈(이하 SOL5X-W)와 이에 대응하는 튜브렌즈(이하 T400)로 구성되어 있으며, 16K 5um 82mm Line Scan Sensor용 5배 광학계로서는 세계 최초이며 유일하다. 

주요 사양은 Working Distance 38.2mm, 분해능 1.3um, Field of View 16.4mm, 물체에서 센서간 거리 585mm, Parfocal Length 146mm의 사양을 가지고 있다.

 

 

SOL5X-W와 T400은 각각 무한결상 광학계로 설계되었으며, 각각 설계된 렌즈를 합성하여 평가할 수 있다. MTF는 최대 160lp/mm이고 Through Focus MTF는 중심과 주변 모두 상면만곡이 없이 균일하게 잘 모아져 있고, Field별 MTF는 중심에서 주변으로 가면서 미소하게 낮아지기는 경향이 있지만, 중심대비 주변부의 성능이 큰 유의차 없이 균일한 특징을 가지고 있다.
 

 

경쟁기술 대비 특장점

 

본 제품 시원광기술의 SOL5X-W와 T400 사양을 현재 존재하는 5배광학계 중에서 국내 최대 검사영역을 가진 대물렌즈 및 독일산 대물렌즈와 비교하면, SOL5X-W의 Image Size는 82mm로 독일산 렌즈와 동일하며, 43.5mm인 국내산 대물렌즈 대비 2배 수준이다. FOV는 자사의 렌즈가 16.4mm로 독일산 대물렌즈와 동일하며, 8.7mm인 국내산 대물렌즈대비 2배 수준이다. 또한 Working Distance (WD)는 38.2mm로 31~33mm를 가지는 독일산 렌즈대비 다소 긴 편이며, 6.5mm인 국내산 대물렌즈에 비해서는 5.9배 긴 장점을 가지고 있다.

무한 결상 광학계에서 물체면에서부터 렌즈 마운트까지의 거리를 Parfocal이라고 한다. 대물렌즈에 대해 Parfocal과 FOV의 비율은 시스템의 크기와 관련이 있으며, “Parfocal/FOV” 값이 작을수록 시스템의 상대적인 크기가 작다고 할 수 있다.

 

 

SOL5X-W와 동일한 배율을 가지는 타사의 5배 대물렌즈를 비교하면, 미츠토요사의 5배 대물렌즈는 Parfocal 95mm, FOV 3.2mm이며, 상대적으로 넓은 FOV를 가지는 국내 A사의 대물렌즈는 Parfocal 95mm, FOV 8.7mm 이다. SOL5X-W의 Parfocal은 146mm, FOV는 16.4mm로 Parfocal/FOV는 8.9이며, 이는 미츠토요社의 29.7, 국내 A社의 10.9 대비 각각 30%, 80% 수준의 크기밖에 되지 않는다. 즉 넓은 FOV를 확보하기 위해 렌즈의 크기가 상대적으로 커져야 하는 문제를 최소한의 크기 증가로 해결하였다는 것이다.

또한 본 제품은 대물렌즈와 튜브렌즈 사이에 Beam Splitter를 넣고 동축조명을 사용할 수 있으며, 대물렌즈와 튜브렌즈 사이 간격을 크게 설계하여 대물렌즈만 이동하여 오토 포커싱할 수 있는 장점이 있다. 일반적으로 렌즈를 장비에 장착한 후 물체를 관찰할 때 기본적인 초점이 맞도록 높이를 조절한 후 고정하게 되는데 높이가 약간씩 다른 경우에는 초점 위치를 조절할 필요가 있다. 독일산 대물렌즈의 경우는 렌즈 전체를 움직여서 포커싱을 해야 하는 반면, 본 제품은 대물렌즈를 별도로 분리할 수 있으며, 1.4kg 무게의 대물렌즈만 이동하여 초점을 조절할 수 있는 장점이 있다.
 

 

주요 타겟 시장

 

고배율 대면적 광학계는 고배율을 구현함과 동시에 넓은 FOV를 가지고 있어 반도체 웨이퍼 및 디스플레이 등의 미세한 패턴을 빠른 시간에 검사할 수 있는 장점이 있다. 반도체 검사장비, 디스플레이 검사장비, Micro Bump 검사장비 등에 적용될 수 있다.

 

고객이 도입했을 때의 기대효과

 

고배율 대면적 무한 결상 광학계는 5배 대물렌즈를 통해 1.3um의 분해능을 가지며, FOV 16.4mm의 넓은 검사영역을 확보할 수 있다. 이는 현재 사용되는 일반적인 1인치 카메라용 5배율 대물렌즈 대비 5배에 해당되는 FOV를 가지므로, 검사시간을 1/5로 줄일 수 있다.

또한 용도에 따라 대물렌즈 교체를 통해 다양한 배율을 구현할 수 있으며, 전체 광학계의 이동이 아닌 대물렌즈만 별도로 이동하여 포커싱 할 수 있다. 현재 사용되는 유한 결상 광학계 5배 대물렌즈는 대물렌즈의 무게만 2.8kg이고 카메라 및 카메라와 연결되는 경통까지 포함하게 되면 전체 무게가 5kg 내외로 예상된다. 반면 SOL5X-W의 무게는 1.4kg으로 오토 포커싱을 위해 부담되는 무게가 30% 수준으로 낮아지는 효과를 가진다.

 

향후 추가 개발 로드맵

 

무한 결상 광학계는 하나의 튜브렌즈를 공용으로 사용하면서 다양한 배율의 대물렌즈를 교체하면서 사용할 수 있다. 시원광기술은 이미지 사이즈 82mm에 사용할 수 있는 튜브렌즈 T400을 기반으로 5배 대물렌즈를 개발 완료하였고, 7.5배 대물렌즈는 현재 샘플이 제작되어 테스트 및 성능확인 중이며, 2023년 12월까지 개발완료를 목표로 하고 있다. 그리고 2024년 상반기에 10배율 대물렌즈를 개발할 예정이며, 이와 더불어 가시광선 영역뿐만 아니라 자외선, 적외선 등에 적용 가능한 대물렌즈까지 확장을 계획하고 있다.

 

헬로티 함수미 기자 |