스타일러스형 표면 거칠기 측정 기계와 레이저 현미경에서 얻은 데이터는 상관관계가 있습니까?

레이저 현미경은 비접촉식으로 빨리 데이터를 획득할 수 있어 높이 평가되지만, 그 결과가 기존의 스타일러스형 도구를 사용하여 획득한 데이터와 상관관계를 보여주지 못할 수 있다는 우려가 있습니다. 서로 다른 측정 위치를 사용할 경우 어느 정도의 차이는 불가피하지만, 측정 및 분석 조건을 최대한 통일하면 어느 정도 상관관계를 달성할 수 있습니다.

아래에는 레이저 현미경과 스타일러스형 표면 거칠기 측정 기계에서 얻은 데이터가 비교되어 있습니다.

그림 1은 필터 적용 전 레이저 현미경으로 획득한 원시 데이터를 보여주며, 그림 3은 스타일러스형 측정 기계에서 얻은 데이터를 보여줍니다. 스타일러스형 도구의 경우 일반적으로 λs 필터(이 경우, λs=2.5µm)가 획득된 데이터에 사전 적용됩니다. 따라서 동일한 λs 필터가 비교를 위해 레이저 현미경(그림 1)의 원시 데이터에 적용됩니다.

λs = 2.5µm의 필터를 그림 1에 적용하면 그림 2의 데이터를 얻을 수 있습니다.

그림 2와 그림 3을 비교하면 두 가지 데이터가 일치하는 것을 볼 수 있습니다. 따라서, 측정 조건이 일치하고 동일한 필터 조건을 적용할 경우 레이저 현미경과 스타일러스 장치에서 얻은 데이터에 상관관계가 있다고 추론할 수 있습니다.

_{샘플: Rubert 거칠기 표준 No.504}

그림 1. 레이저(원시 데이터): 대물렌즈 20× (NA0.6)

 λs(2.5µm) 필터

그림 2. 레이저(필터 적용): 대물렌즈 20× (NA0.6)

그림 3. 스타일러스 (NA0.6)

스타일러스 팁의 반경은 2 ~ 10µm이므로 거칠기의 미세한 변화를 포착하기 어렵습니다. 또한, 스타일러스 자체 크기로 인해, 와이어와 같은 작은 영역을 스타일러스로 측정하기 어려울 수 있습니다.

그러나 OLS5000 현미경이 사용하는 레이저의 직경은 0.2µm밖에 되지 않으므로 미세한 요철을 측정하고 작은 표적 영역에서 데이터를 획득할 수 있습니다.

스타일러스의 또 다른 단점은 프로브와 샘플 표면이 직접적으로 접촉해야 한다는 것입니다. 연질 샘플 또는 손상되기 쉬운 샘플의 경우 스타일러스가 손상을 유발할 수 있습니다.

^{스타일러스 프로브가 샘플 표면을 손상시킬 수 있음}

OLS5000 현미경이 사용하는 레이저는 샘플과 접촉하지 않고 정보를 획득하므로 손상 없이 거칠기를 정확하게 측정할 수 있습니다.

^{접착 테이프 256 × 256μm}

백색도 간섭계는 매끄러운 표면의 경우 나노미터 이하 수준의 감지 감도를 제공하지만 여러 가지 단점이 있습니다. 첫째, 경사가 급한(거친) 표면을 정확하게 측정하기 어려우므로 많은 응용 분야에 적합하지 않습니다. 또한 이러한 간섭계의 센서는 약한 신호를 무시하는 경향이 있으므로 간섭계가 정확한 측정을 수행하기가 더 어려워집니다. 그리고 이러한 간섭계에는 대물렌즈가 있긴 하지만 광학 현미경에서 사용되는 것보다 개구수가 더 작고 수평 해상도가 더 낮으므로 샘플에서 선명하고 생생한 이미지를 얻기가 어렵습니다.

반면, OLS5000 현미경은 측정을 위해 레이저를 사용하고 높은 개구수를 가진 전용 대물렌즈가 있습니다. 이러한 특징 덕분에 샘플 표면 상태에 상관없이 표면 경사가 매우 가파른 경우에도 정확한 측정을 수행할 수 있습니다. 또한 고품질 대물렌즈를 사용하므로 측정을 수행하고 측정 중 이미지 데이터를 얻으면서 이와 동시에 샘플을 볼 수 있습니다.

원자 현미경은 나노미터 이하 단위로 측정이 가능하지만, 캔틸레버 기반 스캐닝 시스템을 사용하므로 데이터 획득에 시간이 오래 걸립니다. 스캔 영역 또한 약 100µm으로 제한되어 큰 대상 측정 시 그리고 저배율 관찰 시 적합하지 않습니다.

OLS5000 레이저 현미경은 훨씬 더 간편하게 나노미터 이하 수준의 측정을 수행합니다. 또한 넓은 시야를 사용하여 미크론 이하의 요철도 관찰할 수 있습니다. 스티칭 기능을 사용하여 분석 영역을 더욱 넓힐 수도 있습니다.

기본 프로파일 곡선

측정된 기본 프로파일에 컷오프 값이 λs인 저역 필터를 적용하여 얻은 곡선. 기본 프로파일에서 계산된 표면 질감 매개변수를 기본 프로파일 매개변수(Primary Profile Parameter, P-매개변수)라고 부릅니다.

거칠기 프로파일

컷오프 값이 λc인 고역 필터를 사용하여 파장이 긴 구성 요소를 억제함으로써 기본 프로파일에서 파생시킨 프로파일. 거칠기 프로파일에서 계산된 표면 질감 매개변수를 거칠기 프로파일 매개변수(Roughness Profile Parameter, R-매개변수)라고 부릅니다.

파형 프로파일

기본 프로파일에 절사 값이 λf와 λc인 프로파일 필터를 순차적으로 적용하여 얻은 프로파일. λf는 긴 파장 구성 요소를 절사하며, λc는 짧은 파장 구성 요소를 절사합니다. 파형 프로파일에서 계산된 표면 질감 매개변수를 파형 프로파일 매개변수(Waviness Profile Parameter, W-매개변수)라고 부릅니다.

프로파일 필터

프로파일에 포함된 긴 파장 구성 요소와 짧은 파장 구성 요소의 분리를 위한 필터. 세 가지 유형의 필터가 정의되어 있습니다.

• λs 필터: 거칠기 구성 요소 및 짧은 파장 구성 요소 간 임계값을 지정하는 필터
• λc 필터: 거칠기 구성 요소 및 파형 구성 요소 간 임계값을 지정하는 필터
• λf 필터: 파형 구성 요소 및 긴 파장 구성 요소 간 임계값을 지정하는 필터

컷오프 파장

프로파일 필터를 위한 임계값 파장. 주어진 진폭에 50%의 투과율을 나타내는 파장.

샘플링 길이

프로파일 특성 결정에 사용되는 X축 방향의 길이.

평가 길이

평가 대상 프로파일의 평가에 사용되는 X축 방향의 길이.

^{프로파일 방식 개념도}

스케일 제한 표면

영역 표면 질감 매개변수 계산의 기초로 사용되는 표면 데이터(S-F 표면 또는 S-L 표면). '표면'이라고 부르기도 합니다.

영역 필터

스케일 제한 표면에 포함된 긴 파장 구성 요소와 짧은 파장 구성 요소의 분리를 위한 필터. 함수에 따라 세 가지 유형의 필터가 정의되어 있습니다.

• S 필터: 스케일 제한 표면에서 짧은 파장 구성 요소를 제거하는 필터
• L 필터: 스케일 제한 표면에서 긴 파장 구성 요소를 제거하는 필터
• F 작업: 특정 형태(구형, 원통형 등)의 제거를 위한 연관 또는 필터

참고: 가우스필터는 일반적으로 S 및 L 필터로 적용되며, 전체 최소 제곱 연관(Total Least Square Association)이 F 작업에 적용됩니다.

가우스 필터

일반적으로 영역 측정에 사용되는 일종의 영역 필터. 가우스 함수에서 파생된 가중 함수 기반의 합성곱에 의해 여과가 적용됩니다. 네스팅 인덱스 값은 진폭의 50%가 투과되는 사인파 프로파일의 파장입니다.

스플라인 필터

가우스 필터와 비교할 때 주변 에지에 더 작은 왜곡이 있는 일종의 영역 필터.

네스팅 인덱스

영역 필터의 임계값 파장을 대표하는 인덱스. 영역 가우스 필터 적용을 위한 네스팅 인덱스(Nesting Index)는 길이 단위 측면에서 지정되며, 프로파일 방식의 컷오프 값과 같습니다.

S-F 표면

S 필터를 사용하여 짧은 파장 구성 요소를 제거하고 F 작업을 사용하여 특정 형태의 구성 요소를 제거하여 처리된 표면.

S-L 표면

S 필터를 사용하여 짧은 파장 구성 요소를 제거하고 L 여과를 사용하여 긴 파장 구성 요소를 제거하여 얻은 표면.

평가 영역

특성 평가를 위해 지정된 표면의 직사각형 부분. 평가 영역은 (달리 명시되지 않은 경우) 사각형이어야 합니다.

^{영역 방식 개념도}

* 이론적 값.
** OLS5000 사용 시 표준 값.

◎ : 가장 적합함
○ : 적합함
△ : 사용 방식에 따라 허용 가능함
X : 적합하지 않음

각 필터의 기능, 필터의 조합 및 표면 윤곽 분석에 사용되는 필터의 크기가 아래에 설명되어 있습니다.

필터링 조건은 분석 목표에 따라 결정됩니다.

필터의 기능

표면 윤곽 매개변수 분석을 수행할 때는 측정 목표에 따라 획득되는 표면 질감 데이터를 위해 세 가지 유형의 필터(F 작업, S 필터 및 L 필터) 적용을 고려해야 합니다.