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背景
白色光のインターフェロメトリー
白色光のインターフェロメトリーアプリケーション
スタイラスプロフィル測定
原子力の顕微鏡検査
QC アプリケーションのための設定 AFM
背景
ほとんどの表面の度量衡学の必要性は 3 つの補足のツール - 白色光の干渉計、原子力の顕微鏡およびスタイラス profilometer の 1 つによって満たすことができます。
今では表面の地形の量的な測定は企業、製品および材料のますます広い範囲のキー QC/QA の条件です。 これは新しい表面に完成品の測定を、大量生産の間に監察する研究開発 (R & D) および表面処理および内部プロセス含んでいます。
材料は金属、合成物、プラスチック、ペーパー、塗られ、めっきされた表面を、多孔性の表面およびガラス含んでいます。
これらの測定のためのドライバーは、審美的な考察まで、情報通のインプラント座面のためののような期待された寿命まで、部分的に処理された半導体ウエハーの表面の場合にはように重大な機能およびパフォーマンス影響から、自動車ペンキのオレンジの皮である例及びます。
いくつかの別の接触および無接触技術は現在このアプリケーション多様性を、 2 最も広く利用されたであること白色光のインターフェロメトリーおよびスタイラスプロフィル測定サポートします。 ここで高リゾリューションの別の技術は実験室からの atline およびオンラインアプリケーションへの転移に - 原子力の顕微鏡検査 - 安定します。
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図 1. 光学型彫機はかみそりの刃および他の刃のタイプの測定の表面荒さのためにうってつけです。
白色光のインターフェロメトリー
頻繁に光学プロフィル測定と言われる白色光のインターフェロメトリーは、非常に精密な定規として光波を使用する多目的で、強力な光学方法です。 これは日光が水水溜で浮かぶガソリンの非常に薄膜から反射するとき着色されたバンドを作り出す同じ干渉現象を使用して堪能です。
光学型彫機はランプからのライトがビームスプリッターと呼出される部分的に反射鏡によって 2 つの経路に分割されるタイプの顕微鏡です。
1 つの経路は非常に平らな基準面にテストの下で表面にライトを、他の経路指示しますライトを指示します。
2 つの表面からの反射は顕微鏡でデジタルカメラで視覚化された組み変えられ。 組み変えられたビーム間の行路差がライトまたはより少しの少数の波長の順序にあるとき、干渉は発生します。 これはフリンジと呼出される一連の暗く、軽いバンドを作り出します。 これらのフリンジは 0.1 ナノメーター高い解像度で縦の (Z 軸の) 地形をマップするテスト表面の表面輪郭に対応します。
X-Y 解像度はカメラピクセルの目的そして番号の選択によって決まり、 500 ナノメーターうまくある場合もあります。 技術はまた Z 軸の絶対正確さ ±3 のナノメーターを提供します。
流れの商用化された光学型彫機は benchtop R & D システムからオンラインでのための合理化された機能性かラインのプロセスモニタリングを提供する器械まで及びます。 これらの最先端はラジウムおよび Rq のような統計的な表面の地形データを、 (平均及び RMS の荒さ) 生成し、機能幅および相対的な位置を計算する、理想的な形からの偏差を識別するためにカスタマイズされイメージ分析のソフトウェアを含んでいます。 それらはまた、改善されたプロセス制御のための自動部分の拒絶および原因記録のオペレータ指定された側面および縦のしきい値で、欠陥のためのスクリーニングを、スクラッチおよびピットのような可能にします。
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図 2。 この例は AFM との段階イメージ投射の利点を強調したものです。 地形 (残っている) および cryo-microtomed 多層ポリエチレンのサンプルの段階の画像 (右の)。 地形が大規模な波動によって支配される間、段階は層状構造のきれいな概観を提供します。 追加微細構造は小さいしぶきの存在を示します。
白色光のインターフェロメトリーアプリケーション
光学プロフィル測定の利点は多様性、速度および広い Z 軸のダイナミックレンジです。 プラスは、これ完全に無接触方法です。 今日のデジタルカメラの大きいダイナミックレンジは 0.5% からまで及ぶ表面の反射力の使用を 90% 以上可能にします。 さらに、光学型彫機は各々のデータ収集イベントの領域の測定をするイメージ投射ツールであるので、連続的に進まなければならないツールがポイント指すより速い表面の大いに側面図を描くことができます。
そして光学の、無接触ツールであるそれの利点の 1 つは器械が真空槽のまたは製品の包装のような透過 Windows を通して測定を、することができることです。 最新のソフトウェアおよびハードウェアと組はこれらの器械がようにプロジェクションテレビで使用される micromirror チップのような MEMS 装置の移動表面のダイナミックな、ストップモーション・アニメーションを調査することを可能にします。
最後に、光学型彫機は 10,000 ミクロン大きい機能高さまで少数のナノメーターからの非常に大きい Z 軸の範囲を、提供します。
光学型彫機のための品質アプリケーションは宇宙航空および医療機器のクリーンルームのアプリケーションからの自動車のような重工業の工場床のアプリケーションにすべてに及びます。
話題アプリケーションの点では、この技術は台所および浴室のコックおよび関連付属品の一流米国の製造業者の 1 つによって今使用されます。 器械がクロムめっきにする前後に部品の表面を検査するのに使用されています。
最初はプロセス開発のために使用されて、これらの測定はクロムの皮および凹みへの感知された装飾的な品質、また抵抗に関連するプロセス QC の指定に開発されました。
もう一つの光学型彫機のアプリケーションはかみそりの刃の主要な製造業者にあります。 ここに器械は 2 刃先および深さの主 QC の測定粉砕の角度およびスコアのマークの品質のために使用されます。 刃はこれらで機械的に作成されたスコアラインを止めることによって自動的に singulated 数万の刃までの連続的なスプールとして作成されます。 粉砕の角度は 1まで ,000,000 の刃が各バッチの少数の統計的なサンプルだけからの光学型彫機データにもっぱら基づいていた dispositioned ので特に重大な QC の測定です。
非常に別の少量/高い値のアプリケーションでは、 NASA の建築業者はマイクロ隕石の影響によって引き起こされるマイクロピットのためのスペースシャトルの Windows を検査し、評価するのにこのタイプの光学型彫機を使用します。 これらの測定の結果に基づいて、高いサファイアの Windows は 4 つから 5 つの代表団の後で普通取り替えられます。
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図 3. 光学型彫機はいろいろなインプラント表面のこれらの測定に示すように医療機器の製造業者で広く利用されています: (a) 情報通のインプラントヘッド、 (b) 情報通のインプラントコップ、 (c) 膝のインプラント (ロード座面) および (d) 歯科インプラント。
スタイラスプロフィル測定
スタイラスプロフィル測定は長年に渡ってありました、けれどもそれは比率を要する優秀なパフォーマンスのために一部には複数の主アプリケーションに選択のツールに、残ります。 スタイラス profilometer では、ダイヤモンドひっくり返された針かスタイラスは精密動きの段階によって表面を渡って引かれます。 表面の地形の変化により線形可変的な差動トランスデューサーによって感じられる縦スタイラス動きを引き起こします (LVDT)。 器械の解像度はスタイラス先端の半径によって決まり、高さ 1 ナノメーターうまくある場合もあります。
それがはっきり表面の接触のツールであるが、器械の低いスタイラスアプリケーション力は普通この技術を非破壊的にさせます。 スタイラスプロフィル測定の利点は急速に長い線形スキャン - 200 ミリメートルまで行う機能 - を比較的大きいステップ高さの量を示す容量および低価格です。
それは transect データを生成するために最もよく使用されます; 領域データがラスター走査によって集めることができる間、これは光学プロフィル測定を使用してより高い速度およびスループットで普通堪能です。
スタイラス profilometers のための市場はフィルムおよびコーティングを含む品質アプリケーションによって支配されます。 1 つの現在の例は作られる事実上あらゆるハードディスク・ドライブの書の要素の銅めっきの品質管理です。
別のものは DVD か同じような光ディスクプレーヤーで使用される microlens の形を正確に測っています。 半導体工業の主アプリケーションは圧縮および抗張フィルムの圧力の制御、です。 この圧力はウエファーを歪め、急速に湾曲を測定し、このデータから圧力の大きさを計算するのにスタイラスが使用されています。
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図 4。 典型的な光学型彫機では、デジタルカメラはテスト表面および基準面を離れて反射に起因するフリンジを記録します。 システムコンピュータは高リゾリューションにこれらのフリンジを変換します
地勢情報。
原子力の顕微鏡検査
QC の度量衡学のための解決の工廠の最新のツールは原子力の顕微鏡です (AFM)。 AFM では、ケイ素またはダイヤモンドの単結晶のような超微細先端は、軽量の片持梁アームに、取付けられ、表面が付いている接触に持って来られます。 Interatomic 力により片持梁で偏向を比較的静かに引き起こします。 最初にこれらの力で弱く魅力的でであって下さい、しかし表面の接触がなされると同時にそれらは強く冷淡になります。 小さい片持梁偏向は片持梁を離れてそして positionsensing 光検出機構にレーザ光線を跳ねることによって感じられます。
現代コマーシャル AFM では、片持梁、かサンプルは三次元精密アクチュエーター、通常圧電気の tubelike 構造に、取付けられます。 最も一般にこれがサンプルと先端間の一定した相互作用力を維持するのに使用されています。 ラスタースキャンによってサンプルに関連する先端は必要とされる piezo 電圧に基づいて、量的な地勢表面マップ一定した相互作用の強さを維持するのに作成することができます。 AFM の内部平面 (か X-Y) 解像度は先端の半径主に限定され、それは頻繁に 10 番のナノメーターまたは時々よりよいです。 縦の (z) 次元の解像度は先端と直接関連していないし、 0.05 ナノメーター (0.5 Å) の範囲にあるかもしれません。
器械はまた TappingMode で作動するかもしれません。 ここに片持梁は軽く表面で叩く音さのように、急速に振動するために作られます。 この動作モードでは表面の地形を正確に測るのに、振動の片持梁の振幅がそして段階は使用されています。 このモードはであるので広く利用されています - 先端と表面間の側面力を避けるのでそれが敏感なサンプル - ぬれたにとって理想的膜。 TappingMode は力制御のより大きい精密を可能にするので、金属のような堅いサンプルのために有利です。
単に測定の表面の位層幾何学に加えて物理的な、化学電磁石の測定の多くを作るために、 AFM の表面先端の相互作用は適応させることができます。 例は先端 (nanoscale の摩擦) の側面力をマップし、圧電気の活動レベルの決定が含まれています。
QC アプリケーションのための設定 AFM
nanoscale の解像度のために、 AFM は通常一部最終的な表面の度量衡学の器械と、して考慮されます。 それは単一の分子のレベルで表面の正確に側面図を描くことができます。 そしてより早い研究のツールとは違って、それは必要な特別な準備無しでいろいろな表面で、動作できます。 それは水および他の液体で浸る表面を厳密に調べることができます。
ただし、非常に最近、 AFM のアプリケーションの大半が研究所および R & D 機能に制限されたまで。 これは AFMs が生産環境の半巧みなオペレータによって使用のための必要な ruggedization そして操作上の簡易性を提供しなかったのであります。 これに対する例外はメモリおよび論理チップの生産プロセスの複数の段階を認可するために今広く AFMs を用いるずっと半導体工業です。
典型的な商業研究アプリケーションは 3M の使い捨て可能なおむつの製品のための主要コンポーネントの製造者にあります。 これらの製品の粘着テープは単一手の出版物によって子供を変更している親に安全な感じを与えるためにしっかり閉じられるべきです。 しかしこれは裸の点か等しくない付着のレベル無しで接着剤の均一アプリケーションによって決まります。 会社は最近段階イメージ投射と呼出された技術を使用して付着力のストリップを調査するために AFM を得ました。
これは TappingMode イメージ投射の拡張です。 振動の片持梁の段階をマップすることによって、段階イメージ投射は簡単な地勢マップを越えて行きます。 具体的には、それは付着および粘弾性の変化に敏感で、サンプル構成および microphase の分離についての情報を提供できます。
3M に従って、この技術は他のどの技術によっても検出されなかった興味深い機能を明らかにしました。 さらに、 3M はこれらの機能が公式の重要な形態学上の変更であることができることを信じます。
AFMs はまたいくつかの障害の分析および製品の改善アプリケーションで正常に使用されました。
例えば、魚の缶詰になる会社は彼らのマグロがやがてより期待された保存性をなぜ過したか分析する必要がありました。 AFM が内部の缶の表面のコーティングの悪化を分析するのに使用されました。 これは缶詰工場によって使用された特定の水の特性が露出から裸の金属へのマグロを保護するのに使用されたポリマー保護層を悪化させていたことを明らかにしました。
ここでコンパクトによって高耐久化される AFMs の新しい世代は主流 QC 操作にこれらに R & D の実験室からの同じ機能を運ぶために安定します。 これらの新しい器械のための早いアプリケーションは上塗を施してある表面および罰金の終わりの表面の荒さそして欠陥を監視するのためです。 他の早い採用者はアルミニウムで処理されたポリマーフィルムのようなフィルムそしてホイルの領域にあります。
結論として、いろいろなアプリケーションの表面の地形の QC の測定は 3 つの基本的なタイプの器械 - 光学型彫機、原子力の顕微鏡およびスタイラス profilometer と整備することができます。
ただし、それはどのアプローチがある特定の使用のために最もよい未経験に明確常にではないです。 従って、特定アプリケーションのための右の器械を選択することはこれらの技術のそれぞれの機能そして限定を理解する製造者と組むことを必要とします。
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この情報は Bruker AXS によって提供される材料から供給され、見直され、そして適応させて。
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