타임 딜레이 인티그레이션에 따른 고속화

이미지 센서의 동작 원리는 노출에 의해 포토 일렉트론을 얻는 것이다.
센서 내부에서 여러 번 노출하고, 이를 더해 노이즈의 증가 없이 고휘도의 이미지를 얻을 수 있다. 이 기술은 타임 딜레이 인티그레이션이라는 형태로 실현돼 노출 환경이 엄격한 고속 스캔 애플리케이션에 유효하다는 것이 확인됐다. 또한 현재 플랫 패널 검사의 표준적인 기법으로 태양전지 등 다른 애플리케이션에서도 이 기술을 사용하는 경향이 있다.


TDI(타임 딜레이 인티그레이션) 기술은 스마트폰이나 고화질 텔레비전 등에 사용되는 고성능 디스플레이의 인라인 자동광학검사(AOI)를 고속화했으며, 1,300억달러의 플랫 패널 산업은 TDI 기술에 의해 화질 향상을 도모해 왔다. 최근에는 저온도 폴리실리콘을 사용한 평면 정렬 스위칭 LCD와 유기 LED 등에 의해 픽셀 크기의 미세화가 진행되고 있다.

예를 들어 스마트폰에 사용되는 레티나 디스플레이는 1인치 당 326픽셀을 실현해 서브 픽셀 사이즈는 26μm가 된다. 미세화가 진행되며 검사에 사용되는 카메라에는 고속·고해상도가 요구되는 반면, 조명환경은 보다 엄격해져 고감도가 더 요구된다. TDI 기술은 이런 모순이 동반된 요구를 충족시키는 검증된 해결책이다.

또한 새로운 TDI 라인업에서는 가시광선 이외의 감도를 크게 향상시키고 있으며, 미세화된 디스플레이에서는 사용하는 조명의 파장이 자외선 범위까지 이르고 있다. 한편, 솔라 패널은 수요 증가와 함께 생산 자동화에 박차를 가하고 있다. 실리콘 솔라 패널의 인라인 검사에서는 플랫패널과 마찬가지로 조명환경이 엄격하며, 솔라 셀에서는 적외선인 1,150nm 파장의 빛을 필요로 한다.

라인 스캔과 TDI 기술
라인 스캔 카메라의 동작은 에어리어 스캔 카메라와 크게 다르다. 에어리어 스캔 카메라에서 픽셀은 매트릭스 형태로 정렬돼 하나의 영상이 2차원의 정보를 가진다. 이에 비해 라인 스캔은 1회 노출로 1개의 라인 영상을 얻는다. 오브젝트는 카메라의 필드 오브 뷰를 이동해 오브젝트의 이동과 동기하고, 노출을 실시해 2차원의 영상을 만들어 낸다(그림 1).

라인 스캔의 이점은 고속 동작에 있다. 에어리어 스캔에서 시스템은 카메라가 수 메가 픽셀 분의 데이터 출력이 끝날 때까지 다음 노출을 기다려야 하는 반면, 라인 스캔은 1개 라인 분의 데이터 출력을 기다리면 다음 노출이 가능하다. 따라서 라인 스캔에서는 시스템을 정지시킬 필요가 없고, 높이 방향으로는 무제한으로 크게 할 수 있다. 시스템이 고속화되면 노출할 수 있는 시간이 짧아져 더 강한 빛을 필요로 하지만, 현실적으로는 안전성 등의 문제로 빛을 강하게 하지 못하는 경우가 많다.

CCD TDI는 특수한 타입의 라인 스캔으로 1개의 이미지를 생성하기 위해 여러번 노출을 실시한다. TDI는 보통 수십 라인에서 수백 라인으로 구성되는 2차원 이미지 센서다. 노출에 의해 CCD 중에서 충전한 일렉트론을 동기 신호 발생에 따라 다음 라인에 전송한다. 일렉트론이 전송된 CCD 라인은 다음 노출에서 전송된 일렉트론과 함께 이번 노출에 의한 일렉트론을 더해 동기신호 발생에 따라 다음 라인에 전송한다.

전송과 가산에 의한 노이즈는 발생하지 않고, 이미지 휘도를 나타내는 일렉트론 TDI 스테이지(라인)는 몇 분 동안 노출되기 때문에 SN 비율(Signal To Noise Ratio)은 TDI 단계수에 비례해 좋아진다. 픽셀 크기 5.2μm, 픽셀 수 12,288, 라인 레이트 90kHz, 512DTI 스테이지 Teledyne DALSA/Piranha HS TDI 카메라는 최소 이득 설정으로 1,000DN/nj/㎠ 감도를 실현한다(DN, Digital Number/8비트의 레인지를 가지고 255DN에서 채도를 나타낸다).

그림 2는 다양한 라인 스캔 카메라와 DTI 카메라 감도, 라인 레이트의 관계를 나타낸다. 카메라의 출력 신호는 일정한 조명 조건에서 그 카메라의 감도와 노출 시간에 비례한다. 따라서 애플리케이션 보다 빠른 동작을 요구하는 경우 카메라의 감도가 높을수록 SN 비율을 낮게 조절해 사용할 수 있다. 이런 점에서 CCD TDI는 수십에서 수백 스테이지에서 일렉트론을 가산하기 때문에 단일, 듀얼, 쿼드 라인 스캔과 비교해 큰 이점을 갖는다. CCD TDI는 노출 제어 기능을 가지고 있지 않지만 펄스 LED 라이트를 사용해 동기 신호 속도가 변화하는 환경에서도 안정된 이미지를 얻을 수 있다.


SN 비율(Signal To Noise Ratio)
이미지 처리 애플리케이션에서는 2가지 타입의 노이즈가 중요하다. 첫 번째는 리드 아웃 노이즈(Read Out Noise/요미다시 노이즈)로 불리는 것으로 빛을 전기로 변환하고, 디지털화 해 출력하는 과정에서 나타나는 노이즈다. 두 번째는 포톤샷 노이즈이며, 다른 노이즈의 근원도 존재하지만 이 2가지의 노이즈가 가장 영향력이 있다.

CCD에서는 CCD 어레이의 최종단계에서 한 번만 전기로 전환되기 때문에 리드 아웃 노이즈(σR)는 일정량이 된다. CCD TDI의 경우도 스테이지 수에 관계없이 리드 아웃 노이즈는 일정량이 된다.

CMOS는 픽셀로부터 전송 전에 각 픽셀에서 변환이 이뤄져야 하기 때문에 각 픽셀마다 다른 노이즈가 발생한다. 듀얼 라인의 CMOS 어레이는 싱글 라인의 √2배의 노이즈 양이 된다. CMOS TDI의 경우 라인 수를 n으로 했을 때 √n의 리드 아웃 노이즈 양이 된다.

포톤 샷 노이즈(σPS)는 항상 모아서 읽는 포토 일렉트론의 양(S)의 제곱근과 동일하지만, 자외선을 사용하는 등의 경우에는 예외다. 포톤 샷 노이즈는 √S이 되기 때문에 S를 늘리면 상대적으로 노이즈 양이 줄어든다. TDI의 경우에는 조명 환경을 바꾸지 않고 S를 늘릴 수 있다.

N 스테이지 CCD TDI에서 SN 비율은 다음과 같이 계산한다.
SNRn＝nS/√(σR2+nS)
＝n×SNR, if S is small
＝√n×SNR, if S is large
N스테이지 CMOS TDI의 경우, SN 비율은 다음과 같이 계산한다.
SNRn＝nS/√(nσR2+nS)＝ √n×SNR
조명 환경이 어려운 상황에서 S는 작아지지만 CCD TDI를 사용해 SN 비율을 향상시킬 수 있다.

자동 디스플레이 검사
TFT는 2개의 패널을 포개 리퀴드 크리스털을 끼운 구조를 하고 있다. TFT 패널의 트랜지스터 어레이에 의해 리퀴드 크리스털의 변경을 제어하고, 이에 따라 빛의 강도를 변화시킨다. 다른 한 쪽 패널에는 적, 녹, 청색의 필터가 있어 이를 통해 각 서브 픽셀을 구성한다. 고해상도(1980×1080) 텔레비전은 600만개의 서브 픽셀로 구성된다. 이 산업계에서는 ‘제로 결함’을 채용하고 있어 모든 서브 픽셀은 완전하게 작동할 필요가 있다.

플랫 패널 디스플레이의 AOI(자동 광학 검사 시스템)는 생산 라인에 포함돼 인라인에서 동작되도록 요구된다. 인라인에서 작동함으로써 0.3~0.5mm의 크고 얇은 패널을 운반하는 수고를 던다. 1년 간 수천억엔에 달하는 생산량을 올리는 공장에서는 투자 회수를 위해 생산 처리량 향상을 요구한다.

AOI 시스템은 시스템의 장애가 되는 것을 허용하지 않기 때문에 고속 동작이 필요하다. 플랫 패널의 AOI 중에서도 TFT 어레이의 검사는 가장 어려운 애플리케이션 중 하나로 CCD TDI가 사용되고 있다. 스마트폰 용 저온 폴리실리콘의 대응, 극소 픽셀을 가지는 아몰퍼스 실리콘에 대한 대응으로 고속화와 고해상도화가 요구된다.

TFT 픽셀은 크기가 수 μm에 불과하다. 이를 검사하기 위한 AOI에는 1μm, 또는 그 이하의 굉장히 세밀한 정밀도가 필요하며, 이런 요구는 광학 시스템의 공간적 한계에 지극히 가깝다고 할 수 있다.

그림 3은 Favite의 TFT 어레이 AOI 시스템이다. 시스템 코어에 Teledyne DALSA의 최신 TDI 카메라 HS-12K/5.2um 256 스테이지가 사용되고 있다. 이 시스템에 의해 8.5세대 유리(2,500×2,250mm)상의 TFT 결함 검사를 0.8~2μm 정밀도로 실시한다. 이미지 스캔은 80~90kHz로 실시되며, 카메라 수는 시스템의 요구에 따라 바뀐다. 패널에는 투명한 에어리어와 불투명한 에어리어가 있으며, 각각 조명을 비추는 방법이 다르고 조명의 색도 적, 톡, 청, 백색으로 다르다.

그림 4(b)와 4(C)는 정면과 배면 양쪽 모두에 조명을 비춰 충분한 대조를 얻어 결함 검사를 실시하는 시스템을 나타낸 것이다.

컬러 필터의 검사도 빠른 속도가 요구되는 검사다. 그림 5는 최신 컬러 필터 고속 AOI 시스템으로 Teledyne DALSA의 ES-8K/7μm 32 스테이지 TDI 카메라를 사용하고 있다. 34대의 카메라가 2개의 열로 나뉘어 설치돼 있는데, 17대는 정면으로부터 조명까지, 나머지 17대는 배면으로부터 조명까지의 이미지를 촬영한다. 이 시스템은 8.5세대 유리를 8μm의 정밀도로 450mm/sec의 속도로 검사한다.



가시 검사를 넘어
Pirana HS TDI 카메라는 플랫 패널 디스플레이 AOI 검사의 사실상 표준으로써 미래의 요구를 만족시키기 위해 계속 성장한다. 차세대 카메라는 더욱 고속, 고해상도화 된다. 배면조사와 얇은 디텍션 레이어 등 Teledyne DALSA의 기술이 활용될 것이며, 자외선, 가시광선, 근적외선 등 저마다에 최적화된 양자화 효율을 실현하는 것도 가능하다.

HN-8k/7μm 256 스테이지의 TDI 카메라는 근적외선에 최적화된 카메라로 최소의 이득설정으로 평균 1,078(8비트 DN)/(nJ/㎠) 감도를 구현해 1μm에서 420(8비트 DN)/(nJ/㎠)를 실현한다. 그림 6은 HS-8k/7μm와 HN-8k/7μm의 감도를 비교한 것이다.

솔라 패널 산업은 자동화를 향해 나아가고 있으며 AOI도 그 한 부분을 담당하고 있다. 현재 1장의 웨이퍼를 약 1초에 검사하고 있다. 마이크로 크랙을 검출하기 위해 근적외선을 사용하는 게 효과적이지만 보통 CCD는 근적외선 감도가 떨어져 효과적인 검사를 할 수 없다.

HN-8K TDI를 사용해 1μm 이하의 파장에서 InGaAs에 상응하는 감도를 실현하면서도 InGaAs를 사용했을 때보다 시스템 비용을 낮출 수 있다.

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