Dají se korelovat data z přístroje pro měření drsnosti povrchu za pomocí dotykového hrotu a data z laserového mikroskopu?

Ačkoli jsou laserové mikroskopy oceňovány pro svoji schopnost rychlého pořizování dat bezkontaktní metodou, existují obavy, že tyto výsledky nemusí korelovat s daty pořízenými pomocí tradičního nástroje založeného na dotykovém hrotu. Přestože jsou některé rozdíly nevyhnutelné již z podstaty použití dvou principiálně odlišných metod měření, stále lze dosáhnout vysoké úrovně korelace, pokud se podmínky měření a analýzy sjednotí v maximální možné míře.

Následující část srovnává data z laserového mikroskopu a data z přístroje pro měření drsnosti povrchu využívajícího dotykový hrot.

Obrázek 1 zobrazuje hrubá data pořízená laserovým mikroskopem, před aplikací filtru, a Obrázek 3 zobrazuje data z měřicího přístroje používajícího dotykový hrot. V případě nástrojů s dotykovým hrotem bývá často na pořízená data předběžně aplikován filtr λs (zde λs = 2,5 µm), proto byl, pro porovnání, tentýž filtr λs aplikován také na hrubá data z laserového mikroskopu (Obrázek 1).

Aplikace filtru s hodnotou λs = 2,5 µm na Obrázek 1 produkuje data, která můžete vidět na Obrázku 2.

Když porovnáme Obrázek 2 a Obrázek 3, můžeme snadno vidět, že se shodují. Proto tedy můžeme usoudit, že nám dodržení stejných podmínek měření a použití stejného filtru se stejnými parametry umožnilo data z laserového mikroskopu a data z nástroje s dotykovým hrotem úspěšně korelovat.

_{Vzorek: Etalon drsnosti Rubert č.504}

Obrázek 1. Laser (hrubá data): objektiv 20× (NA0,6)

 filtr λs(2,5 µm)

Obrázek 2. Laser (po aplikaci filtru): Objektiv 20× (NA0,6)

Obrázek 3. Dotykový hrot (NA0,6)

Protože je poloměr dotykového hrotu v rozsahu od 2 do 10 µm, zaznamenávání drobných změn drsnosti je obtížné. Velikost dotykového hrotu může být navíc omezením při měření na malých plochách, například vodičích.

Problém 1

Laser, který používá mikroskop OLS5000, má však průměr pouze 0,2 µm, což mu umožňuje měřit jemné nerovnosti a získávat data z malých cílových oblastí..

Další nevýhodou dotykového hrotu je to, že je k jeho funkci potřebný přímý kontakt mezi sondou a povrchem vzorku. U měkkých nebo choulostivých vzorků může kontakt s dotykovým hrotem dokonce způsobit jejich poškození.

^{Sondy s dotykovým hrotem mohou poškozovat povrch vzorků}

Protože laser používaný mikroskopem OLS5000 získává informace, aniž by se dotýkal vzorku, můžete získat přesná měření drsnosti bez jeho poškození.

^{Lepicí páska 256 × 256 μm}

I když interferometry pracující s bílým světlem poskytují při měření hladkých povrchů citlivost detekce na subnanometrické úrovni, mají několik nevýhod. První z těchto nevýhod spočívá v tom, že tyto přístroje jsou pouze s obtížemi schopny provádět přesná měření (drsných) povrchů se strmým sklonem, následkem čehož jsou nevhodné pro mnoho oblastí použití. Jejich snímače mají navíc sklon k opomíjení slabých signálů, což dále komplikuje schopnost interferometrů provádět přesná měření. Přestože jsou vybaveny objektivem, jeho numerická apertura je menší, než jaká se používá u optických mikroskopů. Má také nižší horizontální rozlišení, což ztěžuje pořízení čistých, živých snímků zkoumaného vzorku.

Mikroskop OLS5000 naproti tomu provádí měření pomocí laseru a je vybaven specializovanými objektivy s vysokou numerickou aperturou. Tyto vlastnosti vám umožňují získávat přesná měření bez ohledu na povrch vzorku, tedy i tehdy, je-li tento povrch velmi strmý. Tyto vysoce kvalitní objektivy Vám zároveň umožňují pozorovat zkoumaný vzorek během záznamu měření a pořizovat obrazová data během měření.

Mikroskopy s rastrovací sondou jsou schopny provádět měření na subnanometrické úrovni, avšak jejich rastrovací systém, který je založen na j cantileveru, je příčinou toho, že získávání dat je časově náročný proces. Navíc je velikost rastrované oblasti omezena jen na cca 100 µm, tyto mikroskopy proto nejsou vhodné k měření velkých prvků a pozorování při nízkém zvětšení.

Laserové mikroskopy OLS5000 jsou schopny provádět měření na subnanometrické úrovni mnohem rychlejším způsobem. Umožňují vám také pozorování submikrometrických nepravidelností za použití širokého zorného pole. Navíc poskytují funkci sešívání snímků, kterou lze využívat k dalšímu rozšiřování analyzované oblasti.

Primární profilová křivka

Křivka získávaná aplikací filtru typu dolní propusť s mezní hodnotou λs na měřený primární profil. Parametr povrchové struktury vypočítaný z primárního profilu se označuje jako parametr primárního profilu (parametr P).

Profil drsnosti

Profil odvozovaný od primárního profilu potlačením dlouhovlnné složky za použití filtru typu horní propusť s mezní hodnotou λc. Parametr povrchové struktury vypočítaný z profilu drsnosti se označuje jako parametr profilu drsnosti (parametr R).

Profil vlnovitosti

Profil získávaný sekvenční aplikací profilových filtrů s mezními hodnotami λf a λc na primární profil. Filtr λf odděluje dlouhovlnnou složku, zatímco krátkovlnná složka je oddělována filtrem λc. Parametr povrchové struktury vypočítaný z profilu vlnitosti se označuje jako parametr profilu vlnitosti (parametr W).

Profilový filtr

Filtr určený k oddělování dlouhovlnné a krátkovlnné složky, které jsou obsaženy v profilu. Definovány jsou tři typy filtrů:

• Filtr λs: Filtr určující prahovou hodnotu mezi složkou drsnosti a kratšími vlnovými složkami
• Filtr λc: Filtr určující prahovou hodnotu mezi složkou drsnosti a složkou vlnitosti
• Filtr λf: Filtr určující prahovou hodnotu mezi složkou vlnitosti a delšími vlnovými složkami

Mezní vlnová délka

Prahová hodnota vlnové délky pro profilové filtry. Vlnová délka udávající 50% přenosový faktor pro danou amplitudu.

Délka oblasti odebírání vzorku

Délka ve směru osy X, která se používá k určování charakteristik profilu.

Délka vyhodnocované oblasti

Délka ve směru osy X, která se používá k zhodnocení vyhodnocovaného profilu.

^{Koncepční nákres profilové metody}

Omezený rozsah plochy

Data povrchu slouží jako základ pro výpočet parametrů plošné struktury povrchu (povrch typu S-F nebo povrch typu S-L). Někdy bývá označován pouze jako „povrch“.

Plošný filtr

Filtr určený k separaci dlouhovlnných a krátkovlnných složek, které jsou obsaženy v rozsahově omezených plochách. Podle své funkce jsou definovány tři typy filtrů:

• Filtr S: Filtr, který eliminuje krátkovlnné složky z rozsahově omezených ploch
• Filtr L: Filtr, který eliminuje dlouhovlnné složky z rozsahově omezených ploch
• Operátor F: Asociativní sloučení filtrů nebo filtr pro eliminaci specifických tvarů (koulí, válců atd.)

Poznámka: Jako filtry S a L se obecně používají Gaussovy filtry, přičemž jako operace F se používá metoda nejmenších čtverců.

Gaussův filtr

Typ plošného filtru, který je obvykle používán při plošném měření. Filtrování se provádí konvolucí založenou na použití váhových funkcí odvozených od Gaussovy funkce. Hodnotou indexu vnoření je vlnová délka profilu, který má tvar sinusoidy a pro který se přenáší 50 % amplitudy.

Spline filtr

Typ plošného filtru s malým zkreslením v okrajových oblastech v porovnání s Gaussovým filtrem.

Index vnoření

Index představující prahovou vlnovou délku pro plošné filtry. Hodnota indexu vnoření, která umožňuje používání plošných Gaussových filtrů, je udávána v jednotkách délky a její mezní hodnota je identická s mezní hodnotou profilové metody.

Povrch S-F

Povrch získávaný eliminací krátkovlnných složek pomocí filtru S a následným zpracováním spočívajícím v odstranění určitých tvarových složek pomocí operace F.

Povrch S-L

Povrch získávaný eliminací krátkovlnných složek pomocí filtru S a následnou eliminací dlouhovlnných složek pomocí filtrace typu L.

Vyhodnocovaná oblast

Obdélníková část povrchu označená jako oblast, jejíž charakteristiky mají být vyhodnocovány. Vyhodnocovanou oblastí má být čtverec (není-li určeno jinak).

^{Koncepční nákres plošné metody}

* Teoretická hodnota.
** Standardní hodnota při použití mikroskopu OLS5000.

◎ :  Nejvhodnější
○ :  Vhodné
△ :  Přijatelné v závislosti na použití
X :  Nevhodné

Rozsahy funkcí příslušných filtrů, možnosti kombinací filtrů a velikosti filtrů používaných při provádění analýzy povrchových prvků odpovídají níže uvedenému popisu:

Podmínky filtrování se určují v souladu s cíli analýzy.

Funkce filtru

Při provádění parametrické analýzy povrchových prvků je třeba zvažovat použití tří typů filtrů (operace F, filtru S a filtru L) pro zpracování dat povrchové struktury získávaných v souladu s cíli prováděného měření.