요약
새로 부상하는 광학 측정 기술은 산업에 많은 이점을 제공하며, 광학 기기의 추적 가능한 교정을 위한 표준을 개발하는 것은 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경 관찰과 같은 기술의 확산에 중요한 역할을 수행합니다.
독일 브라운슈바이크 Physikalisch-Technische Bundesanstalt(PTB)의 측정 전문가들이 광학 및 원자력 현미경(AFM) 등의 3D 이미징 기술을 위한 멀티 스탭 높이, 마이크로폼 및 표면 거칠기 표준 등을 포함한 교정 표준 개발 상황을 소개합니다. 이 프로젝트의 일부로서 Olympus LEXT OLS4000 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경은 고안 및 정의된 표준들을 조사하고 설계 공칭값과 실제값을 비교하는 등의 작업에 사용되고 있습니다. 이것은 개발된 표준들을 비교 및 추적이 가능한 결과를 위한 광학 기기의 교정 또는 불확실한 예산 예측의 입력값 달성을 위한 속성 확인 등 공공 분야에 적용하는 첫 단계입니다.
소개
표면 특성을 계측하는 것은 산업 전반에 있어 매우 중요한 작업이며, 정량적 결과를 일괄적으로 비교하는 것이 매우 중요합니다. 이는 높은 품질의 표준으로 교정된 추적 가능한 장비를 사용하여 활성화할 수 있으며, 이러한 표준은 독일 Physikalisch-Technische Bundesanstalt(PTB) 등의 국립 측정 기관이 단독 또는 타 기관과 협력하여 개발합니다. (표1 참조)
표면은 환경 또는 타 표면과의 상호 작용에 사용되는 기능적 거동으로 인해 현대 기술에서 중요한 역할을 수행합니다. 현대 제조 공정에서 가장 일반적으로 사용되는 기술인 스타일러스 프로필로미터는 자동차 엔진의 자가 세척 표면, 저마찰 표면, 실린더 헤드 표면 등의 특성을 설명하는 필수 데이터 또는 매개변수를 충분히 제공하지 못합니다. 3D 컨포칼 레이저 현미경 관찰(CLSM)과 같은 2D 또는 3D 기술이 필수적입니다. 이러한 현대 장비들은 짧은 파장, 적절한 광학, 높은 수준의 픽셀 데이터를 통해 필요한 높이 및 수평 해상력을 얻을 수 있으며, 대상 표면에 접촉하지 않고 빠르게 계측할 수 있습니다. 그러나 높은 정밀성과 안정적인 값을 얻기 위해서는 데이터를 전세계적으로 오랜 시간 동안 비교할 수 있어야 합니다. 이를 위해 표준은 여러 매개변수 세트를 정의합니다. 스타일러스와 같은 기존 방식에는 널리 사용되는 표준이 많이 있으나, 최신 광학 기술의 경우 표준이 완전히 포괄적이지 못합니다. 현재 광학 장비들은 2D 또는 프로필 기반 표면 거칠기 표준을 사용하고 있으며, 현재 표면 표준의 가능성은 열려 있습니다.
이에 대응하여 PTB는 쉽게 사용할 수 있는 메인 광학 표면 계측 기술을 위한 교정, 확인, 검증 표면 표준을 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 이들은 더 높은 해상도, 속도, 효율성을 제공하는 3D 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경(CLSM) 등의 새로운 광학 검사 기술들의 이점을 산업 분야에서 활용하는데 있어 매우 중요합니다. 새로운 표준을 개발하는 과정에서 PTB는 Olympus LEXT OLS4000을 차세대 측정 기술을 촉진하는 벤치마크로 선택했습니다.
이를 보다 자세히 소개하기 위해 PTB 소속의 Dr Ludger Koenders, Dr Rolf Krϋger-Sehm, Dipl.–Ing André Felgner and Dipl. Phys. Thorsten Dziomba가 Olympus 제품 매니저겸 소재 과학 현미경 애플리케이션 전문가인 Markus Fabich와 함께하는 시간을 가졌습니다.
단위 유닛의 수호자 - The Physikalisch-Technische Bundesanstalt
PTB는 다음과 같은 기본 상수와 자연 상수의 정의와 관련된 많은 작업을 수행합니다.
SI 단위의 실현, 유지보수 및 보급
- 법률 및 산업에 따라 규제되는 서비스 및 측정
- 안전 엔지니어링
- 2개의 세슘 원자 시계를 통해 독일 시간 알림
- 불확실성을 낮추기 위한 광학 레이저 클럭 연구
Ludger Koenders 박사는 5개 팀으로 구성된 표면 측정 부서를 이끕니다. Dipl.-Ing Felgner와 Krϋger-Sehm(2012년에 은퇴)는 3D 거칠기 측정 팀에서 표면 측정 및 가이드라인 개발에 사용되는 계측 장치, 계측 절차, 교정 표준 개발 및 개선을 위해 노력하고 있습니다. Dipl. Phys. Thorsten Dziomba는 스캐닝 프로브 측정 연구팀에서 활동합니다.
이러한 표준(소재 계측)은 길이에 대한 SI 단위로 추적이 가능한 다양한 매개변수(그림 1)를 테스트할 수 있습니다. Koenders 박사는 다음과 같이 설명합니다. “독일에서 생산되는 모든 상품이 정의와 사양 모두에서 다른 제품과 비교가 가능하도록 하기 위해 모든 제품에서 이러한 추적 기능이 올바르게 적용되어야 합니다.”
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그림 1: 교정 표준 유형(예시) |
각광받는 표면 표준
새로운 고품질 표준을 개발하는데 필요한 새로운 지식을 얻기 위해 PTB는 광학 측정 기술의 한계와 계측기 제조사의 사양 이상의 사양을 사용합니다. 이와 같은 접근법으로 측정 결과와 그 불확실성에 기여하는 주요 구성 요소들을 더 나은 방법으로 정의하거나 예측할 수 있습니다. Felgner에 따르면, PTB의 목적은 불확실성 수준을 정의하는 측면에서 장비의 한계에 도달하는 것을 목표로 하며, 일반적인 산업 애플리케이션에는 완화된 허용오차가 요구됩니다. “저희는 항상 시스템이 어떻게 그리고 왜 작동하는지 이해하면서 시스템을 자세히 살펴봐야 합니다.” 멀티 스텝 높이, 마이크로 폼, 칩 그래팅, 표면 거칠기, 측면 해상도, 시야의 측면 왜곡 등 광학 측정을 사용하는 계측 표면 매개변수의 다양한 측면은 Olympus LEXT를 사용하여 확인되었습니다.
표면 거칠기: AFM과의 비교
특정 위치의 표면 거칠기를 평가하는 것은 다양한 산업에서 일반적으로 진행하는 작업입니다. 이 작업에 광학 측정이 널리 사용될 수 있도록 지원하기 위해, CLSM과 같은 광학 기술이 다른 접근 방식과 어떻게 비교되는지 확인하는 것이 중요합니다. 그래서 PTB에서의 광학 계측은 항상 원자력 현미경(AFM) 계측값과 비교됩니다. AFM은 Olympus LEXT를 통한 CLSM와 비교하기 위한 안정적이고 정확하게 보정된 시스템을 제공합니다.
메인 표면 거칠기 매개변수는 Sa(평균 높이), Sq(루트 평균 제곱 높이), Sz(최대 표면 높이)를 포함한 새로 개발된 실리콘 기반 거칠기 표준[1]을 사용하여 분석했습니다. 두 데이터 세트를 직접 비교하기 위해 필터(λs, λc)는 적용되지 않았으며, 첫번째 순서의 틸트 수정만이 적용되었습니다. 이 데이터는 그림 2에 표시되었으며, 개발 중인 샘플에 대한 Olympus LEXT와 AFM 거칠기 계측이 높은 수준으로 일치하는 것을 확인할 수 있습니다. Sa값은 CLSM이 조금 더 높지만, 수직 축 교정 및 이미지 아티펙트 측면에서 이 차이의 기준이 완전히 정의되지 않았습니다. 'x-평균 푸리에'(그림 2C)를 보여주는 플롯은 파워 스펙트럼 밀도와 유사합니다. 이것은 AFM이 해상도 측면에서 장점을 가지는 작은 공간 파장 영역인 오른쪽 끝단의 작은 범위를 제외하고, LEXT와 AFM이 긴 범위의 공간 파장에서 같은 수준의 결과를 얻는다는 것을 의미합니다.
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| 그림 2: 표면 거칠기 특성화 - CLSM과 AFM의 비교 이 연구는 기준 필드가 표시된 실리콘 거칠기 표준을 사용하여 진행되었습니다. 측면 정렬 이후, 2개의 이미지와 데이터가 비교되었습니다. Olympus LEXT 이미지(B)는 AFM 이미지(A) 매우 유사합니다. C) AFM과 LEXT는 대부분의 공간 주파수)(>500 nm, 예: 2 µm-1), AFM은 작은 공간 파장에서만 LEXT보다 더 미세한 디테일을 탐상합니다. |
멀티 스텝 높이 판단
일반적인 3D 현미경의 수직 축 교정 방식은 적정 높이의 싱글 스텝 높이 표준을 사용합니다. 이에 더해 멀티 스텝 높이는 수직 또는 Z축을 따라 형성된 편차를 파악하는데에도 도움이 될 수 있으며, 이는 마이크로폼이나 매우 거친 표면과 같이 다양한 높이 값이 포함된 구조를 정확하게 계측하는 과정에서 매우 중요한 역할을 수행합니다.
PTB는 멀티 스텝 높이 표준을 미시 및 거시 버전(Figure 3)에 맞춰 설계 및 개발되었으며, 교정 대상 대물 렌즈 배율에 따라 여러 스텝 배열을 가집니다. Felgner는 다음과 같이 설명합니다. “시야 중심을 다양한 게이지 블록으로 몇 번 조율하는 것으로 싱글 스텝 높이 표준을 사용할 수도 있습니다. 하지만, 이 방법은 시간도 많이 소요되며 정확하지 않습니다.”
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| 그림 3: 멀티 스텝 높이 판단을 위한 PTB의 새로운 표준. A) 거시 멀티 스텝 높이 표준은 다양한 장비를 위한 다양한 높이의 스텝을 포함하고 있습니다. |
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| B) 미시 표준은 일반적인 현미경 장비에 대해 정의된 여러 스텝 높이를 제공하여, 이를 통해 계측 볼륨의 수직 축을 따라 빠르고 정확한 선형 조사를 가능하게 합니다. |
측면 해상도
높은 품질의 표면 측정을 위해 표면의 미세한 구조를 해석하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해 높은 측면 해상도가 요구되며, 이는 정확하고 정밀한 제조 작업에 있어 특히 중요합니다. 광학 측면 해상도는 샘플 그리드의 검정색과 흰색 영역 사이의 대비를 감지하는 능력을 바탕으로 하며, 이 기술을 사용하는 LEXT의 측면 강도 해상도는 0.23 µm입니다.
그러나 표면 지형의 측면 해상도는 큰 왜곡 없이 위치-높이 데이터를 전송하는 특성과 같은 다른 방법으로 이해해야 합니다. 다시 말해, 실제 프로필의 계측 결과의 일치율이 높을수록 장비의 충실도가 높아집니다. 후자의 경우를 기반으로 PTB가 개발한 표준은 다양한 공간 또는 파장의 여러 그리드를 계측하는 것으로 '프로필 충실도'를 테스트합니다. 각 홈은 0.4 µm의 일정한 진폭을 가지며, 파장 91 µm부터 10 µm까지 그리고 12 µm부터 3.7 µm까지의 2개 섹션 범위를 형성합니다. 그림 4는 파장이 감소할수록 진폭을 정확하게 계측할 수 있는 능력이 저하되는 것을 보여줍니다. 그렇기 때문에 장비의 프로필 충실도 한계에 도달하게 되면 더 이상 높이를 정확하게 계측할 수 없게 됩니다. 프로필 충실도의 정확한 정의는 아직 논의 중이며, 정확도가 100%로 유지되는 경우, 계측된 진폭이 50%로 떨어지는 경우, 또는 높이 특징을 관찰할 수는 있지만 측정할 수 없는 경우 세 가지 다른 방법으로 파악할 수 있습니다.
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| 그림 4: 프로필/구조 충실도 한계 테스트 A) 표준은 400 nm의 일정한 진폭(Ao)과 91-10 µm의 거친 영역 및 12-3.7 µm의 미세 영역에 24개의 파장을 가집니다. B) 7.3 µm의 측면 해상도와 50%의 기준(빨간색 점선)을 사용하는 10x Mirau 대물 렌즈를 가진 간섭 현미경은 작은 구조 요소 방향으로의 구조 충실도 붕괴를 보여줍니다. 이와 달리 10x 배율의 LEXT는 더 나은 결과를 생성합니다. 50x 또는 100x 배율을 사용할 경우, 미세 그리드 구조를 완전히 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 높이도 정확하게 계측할 수 있습니다. C) 스타일러스 프로필로미터로 계측한 평균 프로필(검정색)은 미세 그리드 진폭 계측 시 조금 감소하지만, 위에서 설명한 간섭 현미경(빨간색)은 붕괴합니다. |
시야의 측면 왜곡
CCD 그리드의 균일성과는 달리 비선형성에서 오류가 발생할 수 있기 때문에 광학 이미징 시스템의 측면 왜곡을 평가하는 것은 정확성을 위해서도 중요합니다. “특성화 수준이 높은 AFM 시스템을 기준으로 CLSM 센서의 스케일 시스템이 어떻게 변하는지 알고 싶습니다.”라고 Felgner는 말합니다. 시야의 측면 왜곡을 비교하기 위해 양 측면 방향으로 300 nm의 피치(분당 3333 주기)를 가지는 2D 그리드를 바탕으로 만들어진 표준을 Olympus LEXT와 AFM을 사용하는 CLSM을 통해 시각화했습니다. (그림 5) 이 표준을 생성하는 데 사용된 전자 빔 평판 인쇄(EBL)의 검출된 위치와 짝수 스티치 오류 값도 두 계측 방식과 부합하므로 CLSM 센서의 선형 스케일이 매우 정확하다는 것을 알 수 있습니다.
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| 그림 5: 측면 왜곡 관찰 - CLSM과 AFM의 비교 A) 표준은 양 측면 방향으로 300nm의 피치를 가진 2D 그리드를 구성하는 홈을 가집니다. 1세대 표준은 스티칭 오류*[1]를 제공하여 장비의 스캐닝 거동에 대한 조사가 가능했습니다. 분석은 빨간색 도형으로 표시된 섹션에서 진행되었습니다. B) 파란색 곡선: LEXT가 계측한 편차의 포물선형 핏. 빨간색: 열에 있는 모든 홈의 평균 프로필 라인(25 µm 미만 83 홈/열)과 EBL 라이터의 스티칭 오류를 보여주는 점프. C) LEXT(검정색)과 AFM(빨간색)의 비교. 두 경우 모두 여러 홈 열의 편차의 평균값을 사용했습니다. 스티칭 오류는 LEXT와 AFM에서 거의 동일한 수준으로 처리됩니다. |
모범 사례 가이드라인
다양한 산업 애플리케이션에서 광학 측정 기술의 안정적인 사용을 보장하는 산업을 지원하여 컨포칼 현미경 등 광학 기기를 위한 모범 사례 가이드라인을 정의하는 것은 이 표준이 가진 중요한 역할 중 하나입니다. 사용자가 특정 표면을 관찰하고자 할 경우, 예상되는 불확실성에 더해 어느 장비를 사용할지, 어떤 장비 구성을 사용할지를 이해하는 것이 중요합니다.
OptAssyst 프로젝트(www.optassyst.de)는 광학 장비를 사용하여 기술 표면의 3D 표면 계측을 지원하는 소프트웨어 기반 시스템을 파트너와 함께 개발했습니다. 이를 통해 산업에서 안정적으로 광학 현미경을 사용할 수 있습니다. Krϋger-Sehm 박사는 다음과 같이 설명합니다. “제조사에서 정의하는 표면 사양이 있지만, 측정 연구실의 작업자는 이를 계측하는 방법에 대한 지식을 가지고 있습니다. 표면 사양과 장비에 대한 지식은 모두 통합되어야 합니다. 이러한 역할을 수행하는 것이 OptAssyst입니다.” 시스템은 작업자를 안내하여 적절한 장비 및 광학, 교정에 필요한 표준 선택 등 계측 작업에 적합한 광학 시스템의 매개변수를 찾습니다. 이후 소프트웨어는 실제 장비 거동으로 인한 계측 작업의 불확실성을 계산하여 다양한 장비의 보정 단계를 안내합니다. Olympus LEXT는 PTB에서 표면 지형 표준의 품질을 판단하는데 일반적으로 사용하는 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경입니다.
광학 측정의 미래
PTB에서 Olympus LEXT는 광학 측정을 공공부문에 도입하고, 표면 측정 표면 개발을 촉진하며 AFM이 널리 사용되는 표면 거칠기 분석을 기준으로 벤치마킹을 하는데 있어 핵심적인 역할을 수행했습니다. 광학 측정이 산업에 도입됨에 따라 이 시스템은 새로운 표준을 조사하는데 활용되고 있습니다.
“표준이 새로운 기술에 적응하는 것은 필수적이며, 산업계는 광학 장비를 위한 다양한 표준을 필요로 합니다.”라고 Koenders 박사는 말합니다. LEXT는 새로운 표준의 연구와 특성화할 수 있는 빠르고 강력한 수단을 제공하여 사용자들이 정확하게 계측 데이터를 해석할 수 있도록 해줍니다. 이러한 방법으로 개발되는 표준은 산업 워크플로우가 광학 측정이 가지는 다양한 장점들을 누릴 수 있도록 해주는 중요한 역할을 수행합니다.
참고 자료
[1] Frühauf, J., Krüger-Sehm, R., Felgner, A., Dziomba, T., “Areal roughness standards”, Proc. 12th International Conference of EUSPEN, Vol. 1: pp. 133 - 136 (2012)
*1 제시된 독자의 편의를 위한 것이며 Olympus 또는 PTB에서 보증하지 않고, 해당 목적에 적합한 최고의 제품이 아닐 수 있습니다.
*2 최신 2세대 제품은 스티칭 오류 또는 기타 그리드 불균등 요소를 가지지 않습니다.
