Können die Daten einer Taststifts für die Oberflächenrauheit und eines Lasermikroskops korrelieren?

Obwohl sich Lasermikroskope wegen ihrer Fähigkeit zur schnellen, kontaktlosen Datenerfassung bewährt haben, besteht die Sorge, dass die Ergebnisse nicht mit den Daten korrelieren, die mit einem herkömmlichen Stift erfasst wurden. Auch wenn bei der Verwendung unterschiedlicher Messprinzipien gewisse Unterschiede unvermeidlich sind, kann ein hohes Maß an Korrelation erreicht werden, wenn die Mess- und Analysebedingungen so weit wie möglich vereinheitlicht werden.

Im Folgenden werden die Daten eines Lasermikroskops und eines Taststifts zur Messung der Oberflächenrauhigkeit verglichen.

In Abbildung 1 sind die mit dem Lasermikroskop erfassten Rohdaten vor der Anwendung des Filters und in Abbildung 3 die Daten des Taststifts zu sehen. Im Falle des Taststifts wird normalerweise vorab ein λs-Filter (in diesem Fall λs=2,5 µm) an die erfassten Daten angewendet, sodass derselbe λs-Filter auf die Rohdaten des Lasermikroskops angewendet wird (Abbildung 1) zum Vergleich.

Die Anwendung eines Filters von λs = 2,5 µm in Abbildung 1 führt zu den Daten in Abbildung 2.

Wenn Abbildung 2 und Abbildung 3 verglichen werden, lässt sich erkennen, dass sie übereinstimmen. Daraus lässt sich ableiten, dass durch die Anpassung der Messbedingungen und die Anwendung der gleichen Filterbedingungen die Daten des Lasermikroskops und des Taststifts korreliert werden können.

_{Probe: Rubert Rauheitsstandard Nr. 504}

Abbildung 1: Laser (Rohdaten): Objektiv 20 (NA 0,6)

  λs (2,5 µm) Filter

Abbildung 2: Laser (mit Filter): Objektiv 20X (NA 0,6)

Abbildung 3: Taststift (NA 0,6)

Der Spitzenradius eines Taststifts beträgt 2 bis 10 µm, daher ist es schwierig, kleinste Änderungen der Rauheit zu erfassen. Aufgrund seiner Größe lassen sich mit einem Taststift nur schwer Messungen auf kleinen Flächen, z. B. Drähten, durchführen.

Der vom Mikroskop OLS5000 verwendete Laser hat einen Durchmesser von nur 0,2 µm, sodass er feine Unregelmäßigkeiten messen und gezielt Daten von kleinen Bereichen erfassen kann.

Ein weiterer Nachteil eines Taststifts ist, dass er einen direkten Kontakt zwischen dem Messtaster und der Probenoberfläche erfordert. Bei weichen oder empfindlichen Proben kann der Taststift Schäden verursachen.

^{Taststifte können die Probenoberfläche beschädigen.}

Da der vom Mikroskop OLS5000 verwendete Laser Informationen erfasst, ohne die Probe zu berühren, lassen sich genaue Rauheitsmessungen durchführen, ohne die Probe zu beschädigen.

^{Klebeband 256 × 256 μm}

Obwohl Weißlicht-Interferometer für glatte Oberflächen eine Erkennungsempfindlichkeit im Subnanometerbereich bieten, haben sie einige Nachteile. Erstens lassen sich damit nur schwer genaue Messungen von steilen (rauen) Oberflächen durchführen, was sie für viele Anwendungen ungeeignet macht. Die Sensoren der Weißlicht-Interferometer neigen auch dazu, schwache Signale zu übergehen, was ebenfalls genaue Messungen erschwert. Zudem haben sie zwar ein Objektiv, aber die numerische Apertur ist kleiner als bei Lichtmikroskopen und die horizontale Auflösung geringer, sodass es schwierig ist, scharfe Live-Bilder einer Probe zu erhalten.

Das Mikroskop OLS5000 hingegen verwendet zur Durchführung von Messungen einen Laser und verfügt über spezielle Objektive mit hoher numerischer Apertur. Dank dieser Eigenschaften werden unabhängig von der Oberfläche der Probe genaue Messungen erhalten, selbst wenn diese sehr rau ist. Zudem können Proben während der Messungen durch die hochwertigen Objektive betrachtet und Bilddaten während der Messungen erhalten werden.

Rastersondenmikroskope können Messungen auf Subnanometerebene durchführen, aber durch ihr Cantilever-Abtastsystem ist die Datenerfassung zeitaufwändig. Auch der Scanbereich ist auf etwa 100 µm begrenzt, sodass sie zur Vermessung großer Merkmale und zur Beobachtung mit geringer Vergrößerung ungeeignet sind.

Die Lasermikroskope OLS5000 führen Messungen auf Subnanometerebene viel schneller durch. Sie ermöglichen auch die Beobachtung von Unregelmäßigkeiten im Submikrometerbereich mit einem großen Sichtfeld. Mit der Stitching-Funktion lässt sich der Analysebereich noch erweitern.

Primäre Profilkurve

Die Kurve, die durch Anwendung eines Tiefpassfilters mit einem Cutoff-Wert λs für das gemessene Primärprofil ermittelt wird. Der aus dem Primärprofil berechnete Oberflächentexturparameter wird als Primärprofilparameter (P-Parameter) bezeichnet.

Rauheitsprofil

Das aus dem Primärprofil durch Unterdrückung der langwelligen Komponente unter Verwendung des Hochpassfilters mit einer Eckfrequenz λc abgeleitete Profil. Der aus dem Rauheitsprofil berechnete Oberflächentexturparameter wird als Rauheitsprofilparameter (R-Parameter) bezeichnet.

Welligkeitsprofil

Das Profil, das durch sequenzielle Anwendung von Profilfiltern mit den Cutoff-Werten λf und λc für das Primärprofil ermittelt wird. λf entfernt die langwellige Komponente, Filter λc die kurzwellige Komponente. Der aus dem Welligkeitsprofil berechnete Oberflächentexturparameter wird als Welligkeitsprofilparameter (W-Parameter) bezeichnet.

Profilfilter

Das Filter zur Isolierung der im Profil enthaltenen langwelligen und kurzwelligen Komponenten. Es sind drei Arten von Filtern definiert:

• λs-Filter: Filter zur Bestimmung der Schwelle zwischen der Rauheitskomponente und kurzwelligeren Komponenten
• λc-Filter: Filter zur Bestimmung der Schwelle zwischen der Rauheitskomponente und den Welligkeitskomponenten.
• Filter: Filter zur Bestimmung der Schwelle zwischen der Welligkeitskomponente und längerwelligen Komponenten

Grenzwellenlänge

Schwellenwert-Wellenlänge für Profilfilter Wellenlänge, bei der der Transmissionsfaktor für eine gegebene Amplitude 50 % beträgt.

Einzelmessstrecke

Die Länge in Richtung der X-Achse, mit der die Profileigenschaften bestimmt werden.

Beurteilungsmessstrecke

Länge in Richtung der X-Achse, mit der das zu bewertende Profil beurteilt wird.

^{Übersichtszeichnung zum Profilverfahren}

S-L-Oberfläche

Die Oberflächendaten dienen als Grundlage für die Berechnung von flächenhaften Oberflächentexturparametern (S-F-Oberfläche oder S-L-Oberfläche). Dies wird manchmal auch einfach als „Oberfläche“ bezeichnet.

Flächenfilter

Das Filter zur Trennung der lang- und kurzwelligen Komponenten, die in den S-L-Oberflächen enthalten sind. Es werden je nach Funktion drei Arten von Filtern definiert:

• S-Filter: Das Filter eliminiert kurzwellige Komponenten aus S-L-Oberflächen.
• L-Filter: Das Filter eliminiert langwellige Komponenten aus S-L-Oberflächen.
• F-Operation: Zuordnung oder Filter zur Eliminierung bestimmter Formen (Kugeln, Zylinder usw.).

Hinweis: Gaußsche Filter werden im Allgemeinen als S- und L-Filter angewendet, für die F-Operation wird die Gesamtzuordnung der kleinsten Quadrate angewendet.

Gaußscher Filter

Eine Art Flächenfilter, das normalerweise bei der Flächenmessung verwendet wird. Die Filterung erfolgt durch Faltung mit Gewichtungsfunktionen, die aus einer Gaußschen Funktion abgeleitet sind. Der Wert des Verfeinerungsindexes ist die Wellenlänge eines sinusförmigen Profils, bei dem 50 % der Amplitude übertragen werden.

Spline-Filter

Eine Art Flächenfilter mit geringerer Verzerrung am äußeren Rand als Gaußscher Filter.

Verfeinerungsindex

Der Index für die Schwellenwellenlänge eines Flächenfilters. Der Verfeinerungsindex für die Anwendung von flächenhaften Gaußschen Filtern wird in Längeneinheiten angegeben und entspricht dem Cutoff-Wert des Profilverfahrens.

S-F-Oberfläche

Die Oberfläche, die durch Eliminierung kurzwelliger Komponenten mit dem S-Filter und anschließender Bearbeitung durch Entfernen von bestimmten Formkomponenten mit der F-Operation entsteht.

S-L-Oberfläche

Die Oberfläche, die durch Eliminierung kurzwelliger Komponenten mit dem S-Filter und anschließender Eliminierung von langwelligen Komponenten mit L-Filterung entsteht.

Beurteilungsbereich

Ein rechteckiger Teil der Oberfläche, dessen Merkmale beurteilt werden sollen. Der Beurteilungsbereich ist ein Quadrat (falls nicht anders angegeben).

^{Konzeptdarstellung für das flächenhafte Verfahren}

* Theoretischer Wert.
** Standardwert bei Verwendung des OLS5000.

◎ :  Am besten geeignet
○ :  Geeignet
△ :  Je nach Anwendung akzeptabel
X :  Nicht geeignet

Eine Beschreibung der Funktionalität der jeweiligen Filter, der Filterkombinationen und Filtergrößen zur Analyse von Oberflächenmerkmalen finden Sie hier:

Die Filterbedingungen werden entsprechend den Messobjektiven der Analyse festgelegt.

Filterfunktionen

Bei der parametrischen Analyse von Oberflächenmerkmalen sollten drei Arten von Filtern (F-Operation, S-Filter und L-Filter) für die erfassten Oberflächentexturdaten in Übereinstimmung mit den Messobjektiven in Betracht gezogen werden.