이온 스퍼터링에 응용 프로그램, 레이저 절제하고, Tribology 실험 : 화이트 빛 간섭 측정법에 의한 표면 수정의 특성

광학 프로파일로메트리(Optical Profilometry)는 대형 또는 소형 물체의 표면 높이를 서브 마이크론 수준의 정밀도로 측정하는 비접촉식 방법입니다. 다음 실험의 전반적인 목표는 백색광 간섭 현미경을 사용하여 좁은 영역의 지형을 빠르게 측정하는 방법을 활용하는 것이며, 이를 통해 기계적 마모 과정이나 이온 스퍼터링 크레이터, 레이저 어블레이션과 같은 재료 식각 과정 중에 손실된 재료의 양을 측정할 수 있습니다. 이러한 측정은 먼저 백색광 간섭 현미경을 사용하여 테스트 표면의 3차원 프로파일을 얻음으로써 이루어집니다.

비간섭성 백색광은 뚜렷한 간섭 무늬를 형성합니다. 경로 길이 지연이 동일할 때만 광범위하게 나타납니다. 소프트웨어 측정 도구를 사용하여 강한 레이저 조사나 고에너지 이온 등에 의해 발생한 원래 표면의 변화를 결정합니다.

이는 원래의 평평하고 매끄러운 표면에서 변형된 표면을 차감함으로써 수행됩니다. 이 과정에서, 곡면 위의 마모 흔적과 같이 표면의 곡률을 제거하여 평면으로 만들어야 할 때는 소프트웨어 도구를 사용해야 할 수도 있습니다. 이 방법이 두 가지 영역에 어떻게 적용될 수 있는지 보여줍니다.

첫째로, 트라이로지컬 테스트 샘플의 기계적 마모 분석, 마모 및 마모 흔적을 분석하며, 둘째로 재료 과학 분야에서 이온 빔 스퍼터링 또는 레이저 어블레이션의 부피와 깊이를 결정하는 데 사용됩니다. 스타일러스 프로필로메트리나 크기 기반의 근사치 측정과 같은 다른 방법들에 비해 이 기술이 갖는 주요 장점은 상세한 3차원 이미지를 생성하므로 빠르고 정확하다는 점입니다. 이는 레이저 어블레이션이나 이온 빔 스퍼터링으로 인해 발생한 불규칙하거나 규칙적인 크레이터를 측정하는 데 매우 유용합니다.

둘째로, 트라이볼로지(triology) 분야에서는 마모량이 매우 적을 수 있으며, 단순한 현미경 추정치에 기반한 근사값은 오해의 소지가 있을 수 있습니다. 정확한 결과를 보고하려면 변형된 영역의 실제 형상을 얻는 것이 필요합니다. 이는 예를 들어, 제거된 깊이가 단 10 nanometers 수준일 수 있는 스패터링 실험에서도 마찬가지입니다. 먼저 광학 프로필로미터(optical profilometer)와 지형 분석 소프트웨어의 사용 권한을 확보하십시오.

본 시연에서는 micro exam 100 백색광 간섭 현미경과 scanning probe image processor 소프트웨어를 사용합니다. 다음 단계들은 트라이볼로지(tribology) 또는 윤활 과학에서 수행하는 방식과 동일하게 볼(ball)에 형성된 작은 마모 흔적의 부피를 측정하는 방법을 보여줍니다. 본 프레젠테이션을 최대한 일반적인 방식으로 구성하기 위해 자동 처리 기능은 사용하지 않았습니다.

첫 번째 단계는 측정 스테이지에 샘플을 배치하는 것입니다. 적절하고 안정적인 받침대를 사용하여 프로필로미터 스테이지 위에 볼을 놓으십시오. 관심 부위가 위를 향하게 한 다음, 저배율 대물렌즈를 사용하여 볼을 렌즈 바로 아래에 위치시킵니다.

간섭 무늬가 화면 중앙 근처에 나타나도록 시편의 수직 위치를 조정하십시오. 곡면의 경우, 무늬가 중앙에 오도록 시편의 방향을 맞추십시오. 마모 흉터(wear scar)가 보이고, 가능하다면 수평이 되도록 볼을 손으로 회전시키거나 스테이지를 기울이십시오.

관심 있는 마모 부위가 화면에 크게 나타나도록 중간 배율 렌즈를 사용하십시오. 이렇게 하면 해상도가 향상되며, 최적의 지형도를 얻기 위해 조명과 스캔 높이를 조정하십시오. 데이터를 수집할 때는 기기 지침에 따라 시편을 스캔하십시오.

interpolate 함수를 사용하여 잘못되었거나 누락된 데이터를 채운 다음, 3D 등각 투영 뷰(isometric view)를 사용하여 맵을 저장하십시오. 이 이미지는 공의 AB 브레이디드(braided) 영역을 보여줍니다. 이 표면을 분석하려면 이미지의 곡률을 제거하여 공의 원래 표면이 평평하게 나타나도록 해야 합니다.

그 다음 2D 뷰에서 함몰 부위의 부피를 측정할 수 있으며, 마모 흔적을 제외한 관심 영역을 선택합니다. 여기서 녹색 음영은 제외된 영역을 나타냅니다. 이미지 분석 프로그램이 전체 영역에 표면 보정을 적용하되, 피팅은 표시한 관심 영역만을 사용하여 수행되는지 확인하십시오.

곡률을 제거할 소프트웨어 커브 피팅 도구를 선택하십시오. 예를 들어, 5차 다항식(polynomial fifth order)을 선택할 수 있습니다. 흉터가 곡률 제거에 영향을 주지 않도록 포함된 영역에 대해 작업하는 옵션을 선택하십시오.

영역이 충분한 정확도로 평평해질 때까지 피팅을 여러 번 수행해야 할 수도 있습니다. 평균 레벨을 0으로 설정하십시오. 더 어둡게 표시된 원형 영역이 오목한 부분입니다.

이미지 처리 소프트웨어의 측정 도구를 사용하여 마모 흔적의 부피를 측정합니다. 이때 어떤 모양의 도구든 사용할 수 있습니다. 여기서는 파란색 타원형 측정 도구를 사용하여 마모 흔적에 원을 그립니다.

소프트웨어 측정 도구에는 평면 레벨보다 높은 곳의 재료 양과 레벨 아래로 손실된 재료 양의 합계를 구하는 기능이 있어야 합니다. 이 특정 예시의 삽입도에서는 재료 부피가 136 cubic microns임을 보여줍니다. 공극 부피는 2, 733 cubic microns이며, 결과적으로 순 마모량은 2, 597 cubic microns가 됩니다.

측정 영역을 마모 흔적에서 멀리 이동시켜 측정된 마모 부피(이론상 0이어야 함)가 실제로 매우 작음을 확인함으로써 계통 오차를 추정할 수 있습니다. 평면 위의 마모 흔적 부피 측정은 구형의 경우보다 더 간단합니다. 분석을 시작하려면 트렌치 홈이나 흔적의 이미지를 얻으십시오.

일반적으로 시편의 기울기를 제거하는 것이 좋으며, 이렇게 하면 간섭 무늬의 간격이 넓어집니다. 기울기가 제거되면 샘플을 스캔하십시오. 그러면 홈이 영상으로 나타나야 합니다.

이 이미지는 등각 투영도입니다. 표면은 수평이어야 합니다. 수평이 아니라면 조정하십시오.

흉터 부위를 마스킹하고 표면의 나머지 부분에 평면 기울기 보정을 적용합니다. 또한 마스킹되지 않은 표면의 평균 높이를 0으로 설정합니다. 이 예제에서 초기 방향 설정은 거의 완벽했습니다.

다음으로, 측정 도구를 사용하여 트렌치의 부피를 결정합니다. 이 예제의 수치 결과는 공극 부피 47,018 cubic microns, 표면 위 재료 부피 68 cubic microns이며, 이에 따라 순 손실량은 46,950 cubic microns입니다. 이는 마모 흔적의 길이에 따라 손실된 재료의 양입니다.

실제로 표면만 거칠어지는 경우가 빈번하게 발생합니다. 여기서 제시하는 두 번째 사례의 경우, 공극 부피와 재료 부피가 거의 동일하며 실제로 제거된 재료는 거의 없습니다. 이온 스퍼터링 또는 레이저 어블레이션 크레이터의 부피 분석은 간단합니다. 분석을 시작하려면 크레이터가 중심 근처에 오도록 이미지를 얻은 다음 스캔 데이터를 획득하십시오.

일부 백색광 간섭계는 얕은 지형지물을 위해 여러 가지 작동 모드를 제공할 수 있습니다. 이 경우에는 위상 이동 간섭법 스캔 모드를 사용해야 합니다. 본 매우 얕은 예제에서도 바로 이 모드가 사용되었습니다.

이 예시에서는 이전 처리 단계로 인해 크레이터 주변 영역이 완전히 평평하지 않으며, 불균일한 주변 영역의 영향을 제거하기 위해 Z축이 오프셋된 것을 볼 수 있습니다. 크롭 도구를 사용하여 영역을 흰색 상자로 표시된 부분으로 제한할 수 있습니다. 외곽의 변형되지 않은 영역이 z=0이 되도록 이미지를 오프셋해야 합니다.

원하는 경우 프레임 또는 Z 오프셋 도구를 사용하여 이를 수행할 수 있습니다. 크레이터의 적절한 정렬 상태는 3D 뷰를 통해 확인할 수 있습니다. 이제 표준 측정 도구를 사용하여 크레이터를 측정할 수 있습니다.

마찬가지로, 파란색으로 강조된 영역의 물질 부피와 공극 부피를 측정합니다. 크레이터의 순 부피는 86,146 cubic microns입니다. 시간-깊이 분석을 위해, 깊이, 비대칭성, 벽면 경사 등을 측정하는 다양한 라인 프로파일 도구를 사용할 수 있습니다.

광학 프로파일로메트리(Optical profilometry)는 본 예제들에서 공학 및 재료 과학용 테스트 샘플을 측정하는 데 사용되었습니다. 이 방법은 다른 분야에서도 사용 가능하며, 연골 표면 연구와 같은 생의학 분야에서도 활용될 수 있습니다. 저희는 기존의 다른 기술들이 수행해야 할 과제에 적합하지 않다는 것을 알게 된 후 이 방법의 아이디어를 처음으로 얻었습니다.

예를 들어, 원자 힘 현미경(atomic force microscopy)은 스캐닝 범위가 너무 제한적입니다. 기계적 방식의 특성 때문입니다. 주변부 이미지는 1차원으로만 나타나며, 주사 전자 현미경(scanning electromicroscopy)은 많은 경우 기본적으로 평면 이미지 uart만을 제공합니다.

이 방법의 시각적 시연은 해당 기술에 익숙하지 않은 사람들에게 작동 방식에 대한 이해를 제공하므로 유용합니다. 이를 통해 다른 연구자들이 자신의 연구 분야에 백색광 간섭계를 적용하는 계기가 되기를 바랍니다.