触針式表面粗さ測定機とレーザー顕微鏡のデータの相関は取れるのか？

非接触ですばやくデータを取得できるレーザー顕微鏡は魅力的ですが、長年使用してきた触針式のデータと相関が取れるのかは気になるところです。測定原理が異なれば多少の差異が生じるのは避けられませんが、測定条件や解析条件をできるだけ統一することで高い相関性が得られるようになります。

以下はレーザー顕微鏡と触針式表面粗さ測定機のデータを比較したものです。
1がレーザー顕微鏡で取得したフィルタをかける前の生データで、3が触針式測定機のデータです。触針式は通常取得データに予めλsのフィルタ（ここではλs=2.5μm）がかかっていますので1のレーザー顕微鏡の生データにも同様のλsフィルタを適用して比較します。

1にλs＝2.5μmのフィルタを適用した結果が2のデータになります。
2と3を比較してわかるように、非常によく一致していることがわかります。このように測定条件を揃え同一のフィルタ条件を適用することによりレーザ―顕微鏡と触針式測定機のデータは相関を取ることができます。

_{サンプル：Rubert社製 粗さ標準片 No.504}

1. レーザー（生データ）：対物20× (NA0.6)

λs(2.5μm) filter

2. レーザー（フィルターあり）：対物20× (NA0.6)

3. 触針式 (NA0.6)

課題

1. 一般的な触針式の探針の先端半径は2～10μmのため、微細な凹凸形状を捉えることが困難です。
2. 触針式では、探針がサンプル表面に直接触れるため、柔らかいサンプルの表面を削り取ったり、粘着性のあるサンプルが引っ張られたりするため、正確な値を得ることは困難です。
3. 触針式では、細いワイヤ―など狭いエリアを測定することは困難です。

解決策

1. レーザー顕微鏡のレーザースポットの先端半径は0.2μmと微小なため、触針式の探針では入ることのできなかった微細な凹凸の表面粗さまで測定することができます。
2. 非接触であるレーザー顕微鏡は、表面状態に左右されず、正確な粗さ測定が可能です。
3. 面で測定できるレーザー顕微鏡は、画像を見ながら正確に位置決めができるため、狙った微小エリアの粗さ測定を簡単に行うことができます。
    

課題

1. 白色干渉計は、平滑面においてはサブナノレベルの検出感度を持っている反面、急斜面（粗面）では干渉縞が密集してしまうため、正しい測定ができません。
2. 白色干渉計は、光検出器にCCDなどのイメージャーを採用しているため、サンプルの表面状態によっては、微弱な信号を捉えられず、測定が難しい場合があります。
3. 白色干渉計に搭載されている干渉対物レンズのNAは、光学顕微鏡のレンズよりも小さいため、水平分解能が低いです。また、光学顕微鏡のようなクリアなライブ観察も困難です。

解決策

1. レーザー顕微鏡は、高NA専用対物レンズと405nmレーザーの搭載により、今まで測ることのできなかった急峻な角度のサンプルでも、確実に測定することが可能です。
2. レーザー顕微鏡は、高感度光検出器（光電子増倍管）を採用しているため、S/Nが非常に高く反射率の低いサンプルでも表面形状を正確に測定することが可能です。
3. レーザー顕微鏡は、カラー光学系とレーザーコンフォーカル光学系の両方を搭載しているため、非常にクリアで高分解能な画像が得られ、微細な傷の観察や、微小領域の位置決めも容易です。

課題

1. SPMは、サブナノレベルの形状測定ができる反面、カンチレバーでサンプル表面を精密にスキャンするため、データ取得に時間がかかります。
2. SPMのスキャンエリアは100μm程度の微小領域なので、大きな形状や低倍率での測定には不向きです。

解決策

1. レーザー顕微鏡は、レーザー光を平面方向に高速にスキャンするため、サブミクロンレベルの微細形状が数十秒で取得可能です。
2. レーザー顕微鏡は、サブミクロンレベルの凹凸を、SPMよりも広い視野で測定可能です。取得データを平面方向に繋ぎ合わせることでさらに広い視野での解析も可能となります。

断面曲線（Primary profile）

測定断面曲線にカットオフ値λsの低域フィルターを適用して得られる曲線。断面曲線から求めた表面性状パラメーターを断面曲線パラメーター（Pパラメーター）と呼ぶ。

粗さ曲線（Roughness profile）

カットオフ値λcの高域フィルターによって、断面曲線から長波長成分を遮断して得た輪郭曲線。粗さ曲線から求めた表面性状パラメーターを粗さ曲線パラメーター（Rパラメーター）と呼ぶ。

うねり曲線（Waviness profile）

断面曲線にカットオフ値λfおよびλcの輪郭曲線フィルターを順次適用することによって得られる輪郭曲線。λfによって長波長成分を遮断し、λcによって短波長成分を遮断する。うねり曲線から求めた表面性状パラメーターをうねり曲線パラメーター（Wパラメーター）と呼ぶ。

輪郭曲線フィルター（Profile filter）

輪郭曲線の波長成分を長波長成分と短波長成分とに分離するフィルター。次の３種がある。

• λsフィルター：粗さ成分とそれより短い波長成分との境界を定義するフィルター
• λcフィルター：粗さ成分とうねり成分との境界を定義するフィルター
• λfフィルター：うねり成分とそれより長い波長成分との境界を定義するフィルター

カットオフ値（cut-off wavelength）

輪郭曲線フィルターにおける境界波長。振幅の透過率が50％になる波長。

基準長さ（Sampling length

輪郭曲線の特性を求めるために用いる輪郭曲線のX軸方向の長さ。

評価長さ（Evaluation length）

輪郭曲線のX軸方向の長さ。

輪郭曲線方式の概念図

表面性状曲面（Scale limited surface）

三次元表面性状パラメーターを求めるための基礎となる曲面データ。S-F曲面又はS-L曲面。輪郭曲面と呼ぶ場合もある。

輪郭曲面フィルター（Areal filter）

輪郭曲面の波長成分を長波長成分と短波長成分とに分離するフィルター。作用に応じて次の3種がある。

• Sフィルター（S filter）：輪郭曲面から小さい波長成分を除去するフィルター
• Lフィルター（L filter）：輪郭曲面から大きい波長成分を除去するフィルター
• F演算（F operation）：形状成分（球や円筒など）を除去するための当てはめ演算又はフィルター

注）標準的にはSフィルター、Lフィルターとしてガウシアンフィルター、F演算として最小二乗法による当てはめ演算が用いられる。

ガウシアンフィルター

輪郭曲面フィルターの一種であり三次元方式で標準的に用いるフィルター。ガウス関数で与えられる重み関数との畳みこみ演算によりフィルターを実現する。振幅の等価特性はネスティングインデックスの値で50％に減衰する特性を持つ。

スプラインフィルター

輪郭曲面フィルターの一種でありガウシアンフィルターに比べデータ端部での歪みが少ないとされる。

ネスティングインデックス（Nesting index）

輪郭曲面フィルターにおける境界波長を表わすための指標。ガウシアン輪郭曲面フィルターを用いる場合のネスティングインデックスは長さの単位で指定され、この場合は輪郭曲線方式におけるカットオフ値と等価な意味合いとなる。

S-F曲面（S-F surface）

Sフィルターによって小さい波長成分を除去した曲面から、F演算によって形状成分を除去した曲面。

S-L曲面（S-L surface）

Sフィルターによって小さい波長成分を除去した曲面から、Lフィルターによって大きな波長成分を除去した曲面。

評価領域（Evaluation area）

特性評価を行うために規定した表面性状曲面の一部。指定が無い限り評価領域は正方形である。

三次元方式の概念図

* 理論値です。
** OLS5000を用いた場合の標準的な値です。

◎ :  最も適しています
○ :  適しています
△ :  条件によっては使用できます
X :  適していません

表面性状の解析で使うフィルターの機能、フィルターの組合せ、フィルターサイズについて説明します。これらフィルターは解析の目的に応じて、条件設定を行います。

輪郭曲面フィルター（Areal filter）

表面性状パラメーターの解析を行う場合、目的に応じて取得した表面形状データに対して３つのフィルター（F演算、Sフィルター、Lフィルター）の適用を検討します。