:: Articolo di AZoNanotechnology
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Sfondo
Interferometria della Luce Bianca
Applicazioni di Interferometria della Luce Bianca
Profilometria dello Stilo
Microscopia Atomica della Forza
AFM di Configurazione per le Applicazioni di CONTROLLO DI QUALITÀ
Sfondo
La Maggior Parte delle esigenze di superficie della metrologia possono essere soddisfatte da uno di tre strumenti complementari - l'interferometro della luce bianca, il microscopio atomico della forza ed il profilometro dello stilo.
La misura Quantitativa della topografia di superficie ora è un requisito di tasto QC/QA in un intervallo sempre più vasto delle industrie, dei prodotti e dei materiali. Ciò comprende le misure sui prodotti finiti, ricerca e sviluppo (R & S) nei nuovi trattamenti di superficie e del superficie e in-trattamento che riflette durante la produzione in volume.
I Materiali comprendono le superfici dipinte e placcate dei metalli, dei compositi, della plastica, del documento, superfici porose e vetro.
I Driver per queste misure variano da impatto critico della prestazione e funzionale, come nel caso di una superficie parzialmente elaborata del wafer a semiconduttore, alla vita prevista, quali per le superfici del supporto dell'innesto del cinorrodo, alle considerazioni estetiche, un esempio che è scorza d'arancia in vernice automobilistica.
Una serie di contatto differente e tecniche senza contatto corrente supportano questa diversità dell'applicazione, essere più ampiamente usato due interferometria della luce bianca e la profilometria dello stilo. Ora un'altra tecnica con ancora più di alta risoluzione - microscopia atomica della forza - è sospesa alla transizione dal laboratorio al atline ed alle applicazioni online.
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La Figura 1. profilatori Ottici è ben adattata per la rugosità di superficie di misurazione sulle lamette e su altri tipi dell'aletta.
Interferometria della Luce Bianca
L'interferometria della Luce bianca, citata spesso come profilometria ottica, è un metodo ottico versatile ed efficace che usa le onde leggere come rigatrice estremamente precisa. Ciò fa facendo uso dello stesso fenomeno di interferenza che produce le bande colorate quando la luce solare è riflessa fuori da una pellicola molto sottile di benzina che fluttua su una pozza dell'acqua.
Un profilatore ottico è un tipo di microscopio in cui l'indicatore luminoso da una lampada è diviso in due percorsi da uno specchio riflettore parzialmente chiamato un beam splitter.
Un percorso dirige l'indicatore luminoso sopra verso la superficie nell'ambito della prova, l'altro percorso dirige l'indicatore luminoso verso una superficie di riferimento molto piana.
I Riflessi dalle due superfici sono ricombinati nel microscopio ed imaged ad una macchina fotografica digitale. Quando la differenza di percorso fra i raggi ricombinati è sull'ordine di alcune lunghezze d'onda di indicatore luminoso o di di meno, l'interferenza accade. Ciò produce una serie di bande scure e leggere, chiamata frange. Queste frange corrispondono ai contorni di superficie della superficie della prova, mappanti la sua (topografia verticale di asse di Z) ad una risoluzione alta quanto 0,1 nanometri.
La risoluzione DI X-Y dipende dalla scelta dell'obiettivo e del numero dei pixel della macchina fotografica e può essere benissimo quanto 500 nanometri. La tecnica egualmente fornisce i nanometri assoluti di accuratezza ±3 nell'Z-Asse.
I profilatori ottici disponibili nel commercio della Corrente variano dai sistemi di R & S del benchtop agli strumenti che offrono la funzionalità aerodinamica per online o il video trattato del -line. Il più avanzati di questi generano i dati di superficie statistici della topografia, quali Ra e Rq (Media & rugosità di RMS) e perfino comprendono il software di analisi sulla base di immagini che calcola le larghezze della funzionalità e le posizioni relative e che può essere personalizzato per identificare le deviazioni da una forma ideale. Egualmente permettono alla selezione per i difetti, quali i graffi ed i pozzi, alle soglie laterali e verticali operatore-specificate, con il rifiuto automatico della parte e alla causa-registrazione per il controllo dei processi migliore.
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Figura 2. Questo esempio evidenzia i vantaggi della rappresentazione di fase con un AFM. Topografia (lasciata) ed immagine di fase (destra) di un campione a più strati cryo-microtomed del polietilene. Mentre la topografia è dominata dalle ondulazioni su grande scala, la fase fornisce una visualizzazione pulita della struttura stratificata. La struttura fine Supplementare mostra la presenza di piccole goccioline.
Applicazioni di Interferometria della Luce Bianca
I vantaggi della profilometria ottica sono versatilità, la velocità ed ampia gamma dinamica di Z-Asse. Il Più, questo è un metodo completamente senza contatto. La vasta gamma dinamica di odierne macchine fotografiche digitali permette il suo uso con le riflettività di superficie che variano da 0,5% fino a più di 90%. Inoltre, perché il profilatore ottico è uno strumento della rappresentazione che effettua le misure di area con ogni evento dell'acquisizione dei dati, può profilare una superficie molto più veloce di uno strumento che deve continuare seriale punto per punto.
Ed uno dei vantaggi di che è uno strumento ottico e senza contatto è che lo strumento può effettuare le misure attraverso le finestre trasparenti, come nelle camere a vuoto o imballaggio del prodotto. Più il software ed il hardware ultimi le serie permettono a questi strumenti di studiare il moto dinamico e fermato delle superfici mobili come in unità di MEMS quali i chip di micromirror utilizzati nelle televisioni di proiezione.
Infine, il profilatore ottico offre un intervallo molto vasto di Z-Asse, da alcuni nanometri fino alle altezze della funzionalità grandi quanto 10.000 micron.
Le domande di Qualità di profilatori ottici misurano tutto dalle applicazioni del locale senza polvere nello spazio aereo e gli apparecchi medici alla fabbrica pavimentano le applicazioni nelle industrie più pesanti come automobilistico.
In termini di applicazioni di profilo alto, questa tecnologia ora è usata da uno dei produttori principali degli Stati Uniti dei rubinetti del bagno e della cucina e delle installazioni riferite. Gli strumenti sono utilizzati per esaminare la superficie delle parti prima e dopo la cromatura.
Originalmente usato per lo sviluppo trattato, queste misure sono state sviluppate nelle specifiche trattate del CONTROLLO DI QUALITÀ che correlano con qualità come pure la resistenza cosmetiche percepite alla sbucciatura ed alla puntinatura del cromo.
Un'Altra applicazione ottica del profilatore è ad un produttore importante delle lamette. Qui gli strumenti sono utilizzati per l'angolo chiave di misura-frantumazione del CONTROLLO DI QUALITÀ due della barriera di aletta e della profondità e la qualità dei segni del punteggio. Le alette sono create come bobina continua fino a decine di migliaia di alette, che poi singulated automaticamente rompendo a questi le righe meccanicamente create del punteggio. L'angolo di frantumazione è una misura particolarmente critica del CONTROLLO DI QUALITÀ perché fino a 1 milione alette dispositioned hanno basato solamente sui dati ottici del profilatore soltanto da alcuni campioni statistici in ogni batch.
In un'applicazione molto differente del volume basso/valore alto, gli appaltatori della NASA usano questo tipo di profilatore ottico per esaminare e valutare le finestre della navetta spaziale per i micro-pozzi causati dalle micro cadute di un meteorite. Sulla Base dei risultati di queste misure, le finestre costose dello zaffiro sono sostituite tipicamente dopo quattro - cinque missioni.
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La Figura 3. profilatori Ottici è ampiamente usata nel produttore degli apparecchi medici come illustrato in queste misure di varie superfici dell'innesto: Testa dell'innesto del cinorrodo (A), (B) tazza dell'innesto del cinorrodo, (C) innesto del ginocchio (superficie portante) e (D) innesto dentario.
Profilometria dello Stilo
La profilometria dello Stilo è stata intorno per le decadi, eppure rimane lo strumento della scelta in parecchie applicazioni chiave, in parte a causa della sua prestazione eccellente per costare il rapporto. In un profilometro dello stilo, un ago di stampa o uno stilo diamante-fornito di punta è estratto attraverso una superficie da una fase di moto di precisione. Le Variazioni in topografia di superficie causano il movimento verticale dello stilo che è percepito da un Trasduttore Differenziale Variabile Lineare (LVDT). La risoluzione dello Strumento dipende dal raggio del suggerimento di stilo e può essere benissimo quanto 1 nanometro dell'altezza.
Sebbene sia chiaramente uno strumento di superficie del contatto, la forza bassa dell'applicazione dello stilo degli strumenti tipicamente rende questa tecnica non distruttiva. I vantaggi della profilometria dello stilo sono la sua capacità di eseguire rapido le scansioni lineari lunghe - fino a 200 millimetri - la sua capacità di quantificare le altezze relativamente grandi di punto ed il suo basso costo.
È usato il più bene per la generazione dei dati di transetto; mentre i dati di area possono essere accumulati tramite lo scansione di quadro televisivo, questo fa in genere all'più alte velocità e capacità di lavorazione facendo uso della profilometria ottica.
Il servizio per i profilometri dello stilo è dominato dalle applicazioni di qualità che comprendono le pellicole ed i rivestimenti. Un esempio corrente è controllo di qualità della ramatura sull'elemento di scrittura di virtualmente ogni drive del hard disk fatto.
Un Altro sta misurando la forma dei microlens utilizzati in DVD o nei simili giocatori di disco ottico. Un'applicazione chiave nell'industria a semiconduttore è controllo dello sforzo della pellicola, sia compressivo che di tensione. Questo sforzo deforma il wafer e lo stilo è utilizzato per misurare rapido la sua curvatura e per computare l'intensità di da questi dati.
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Figura 4. In un profilatore ottico tipico, una macchina fotografica digitale registra le frange che derivano dai riflessi fuori da una superficie della prova e da una superficie di riferimento. Il computer del sistema converte queste frange in alta risoluzione
informazioni topografiche.
Microscopia Atomica della Forza
L'ultimo strumento nell'arsenale delle soluzioni per la metrologia del CONTROLLO DI QUALITÀ è il microscopio atomico della forza (AFM). In un AFM, un suggerimento iperfine, quale un monocristallo di silicio o del diamante, è montato su un braccio a mensola leggero ed è messo in contatto con una superficie. Le forze Interatomiche causano la deformazione relativamente delicatamente nella trave a mensola. Inizialmente queste forze sia debolmente attraente, ma diventano forte repellenti mentre il contatto di superficie è stabilito. Le deformazioni a mensola minuscole sono percepite rimbalzando un raggio laser fuori dalla trave a mensola e su un rivelatore fotoelettrico positionsensing.
In un annuncio pubblicitario moderno AFM, la trave a mensola, o il campione, è montata su un azionatore tridimensionale di precisione, solitamente una struttura tubelike piezoelettrica. Questo è usato il più comunemente per mantenere una forza costante di interazione fra il campione ed il suggerimento. Tramite lo quadro-scansione il suggerimento riguardante il campione, una carta al suolo topografica quantitativa può essere creato in base alla tensione piezo-elettrica stata necessaria per mantenere la concentrazione costante di interazione. La risoluzione DI X-Y o (dell'in-aereo) di un AFM pricipalmente è limitata dal raggio del suggerimento ed è spesso 10 nanometri o a volte migliori. La risoluzione (z) nella dimensione verticale direttamente non è collegata con il suggerimento e può essere nell'ordine di 0,05 nanometri (0,5 Å).
Lo strumento anche può essere gestito in TappingMode. Qui la trave a mensola è fatta per oscillare rapido come un diapason, spillante leggermente sulla superficie. In questo modo di funzionamento, l'ampiezza e la fase della trave a mensola d'oscillazione sono usate per misurare la topografia di superficie. Questo modo è ampiamente usato perché è ideale per i campioni delicati - anche membrane bagnate - perché evita le forze laterali fra il suggerimento e la superficie. TappingMode è vantaggioso per i campioni duri quali i metalli, perché permette la maggior precisione di controllo di forza.
Oltre a topologia di superficie semplicemente di misurazione, l'interazione del superficie-suggerimento del AFM può adattarsi per fare una miriade di misure fisiche, chimiche ed elettromagnetiche. Gli Esempi includono la mappatura della forza laterale sul suggerimento (attrito del nanoscale) e la determinazione dei livelli di radioattività piezoelettrici.
AFM di Configurazione per le Applicazioni di CONTROLLO DI QUALITÀ
A causa della sua risoluzione del nanoscale, il AFM solitamente è considerato l'ultimo strumento di superficie della metrologia, da alcuno. Può profilare letteralmente le superfici al singolo livello della molecola. Ed a differenza degli strumenti più in anticipo della ricerca, può lavorare a varie superfici, senza il preparato speciale richiesto. Può anche sondare le superfici che sono immerse nell'acqua ed in altri liquidi.
Tuttavia, fino a molto recentemente, limitare la maggior parte delle applicazioni del AFM al laboratorio di ricerca ed agli impianti di R & S. Ciò è perché AFMs non ha offerto il ruggedization richiesto e la semplicità operativa ad uso degli operatori parzialmente qualificati nell'ambiente di produzione. Un'eccezione a questa è stata l'industria a semiconduttore, che ora impiega estesamente AFMs per convalidare parecchie fasi dei processi di produzione del chip di logica e di memoria.
Un'applicazione commerciale tipica della ricerca è a 3M, un fornitore della componente importante per i prodotti a perdere del pannolino. Il nastro adesivo su questi prodotti dovrebbe essere saldamente chiuso da un singolo torchio tipografico manuale dare una sensibilità sicura al genitore che cambia un bambino. Ma questo dipende da un'applicazione costante di collante senza i punti nudi o i livelli disuguali di aderenza. La società recentemente ha acquistato un AFM per studiare il nastro adesivo facendo uso di una tecnica chiamata la rappresentazione di fase.
Ciò è un'estensione della rappresentazione di TappingMode. Pianificando la fase della trave a mensola d'oscillazione, la rappresentazione di fase va oltre la mappatura topografica semplice. Specificamente, è sensibile alle variazioni nell'aderenza e nella viscoelasticità e può fornire informazioni sulla composizione nel campione e sulla separazione di microphase.
Secondo 3M, questa tecnica ha rivelato le funzionalità interessanti che non erano state individuate da qualunque altra tecnica. Inoltre, 3M ritiene che queste funzionalità potrebbero essere cambiamenti morfologici importanti nella formulazione.
AFMs egualmente è stato utilizzato con successo in una serie di applicazioni dell'analisi dell'errore e di miglioramento del prodotto.
Per esempio, una società d'inscatolamento del pesce ha dovuto analizzare perché il loro sgombro ha avuto una durata di prodotto in magazzino più presto di quanto prevista. Il AFM è stato usato per analizzare il deterioramento del rivestimento sulla superficie interna della latta. Ciò ha rivelato che le caratteristiche nell'acqua specifica usata dal conservificio stavano deteriorando il rivestimento protettivo del polimero usato per proteggere lo sgombro dall'esposizione a metallo nudo.
Ora una nuova generazione di AFMs reso resistente compatto è sospesa catturare questi le stesse capacità dal laboratorio di R & S nelle operazioni del CONTROLLO DI QUALITÀ della corrente principale. Le domande Iniziali di questi nuovi strumenti sono per il video la rugosità di superficie e dei difetti nelle superfici e nelle finiture rivestite dell'ammenda. Altri adottanti in anticipo sono nell'area delle pellicole e delle stagnole quale la pellicola alluminata del polimero.
In conclusione, le misure del CONTROLLO DI QUALITÀ della topografia di superficie in varie applicazioni possono essere assistite con tre tipi di base di strumenti - il profilatore ottico, il microscopio atomico della forza ed il profilometro dello stilo.
Tuttavia, non è sempre chiaro al non iniziato che di questi approcci è il la cosa migliore per un uso dato. Di Conseguenza, scegliere lo strumento giusto per un'applicazione particolare richiede partnering con un fornitore che capisce le capacità e le limitazioni di ciascuna di queste tecnologie.
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Questi informazioni sono state originarie, esaminate ed adattate dai materiali forniti da Bruker AXS.
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