È possibile correlare i dati tra un dispositivo di misura della rugosità superficiale di tipo stilo e un microscopio laser?

Sebbene i microscopi laser siano apprezzati per la loro capacità di acquisire i dati con una modalità senza contatto, si teme che i risultati potrebbero non essere correlati con i dati acquisiti mediante un classico strumento di tipo stilo. Sebbene alcune differenze siano inevitabili quando si utilizzano diversi tipi di misura, per raggiungere un elevato grado di correlazione è necessario unificare le condizioni di misura e analisi il più possibile.

Di seguito viene riportato un confronto dei dati acquisiti con un microscopio laser e un dispositivo di misura della rugosità superficiale di tipo stilo.

Nella Figura 1 sono illustrati i dati non elaborati acquisiti con il microscopio laser prima di applicare il filtro mentre nella Figura 3 sono illustrati i dati acquisiti con il dispositivo di misura della rugosità superficiale di tipo stilo. Nel caso di uno strumento di tipo stilo, viene in genere prima applicato un filtro λs (λs = 2,5 µm, in questo caso) ai dati acquisiti. In seguito viene applicato lo stesso filtro λs ai dati non elaborati del microscopio laser (Figura 1) come termine di confronto.

Applicando un filtro di λs = 2,5 µm ai dati della Figura 1 si ottengono dei dati nella Figura 2.

Confrontando la Figura 2 e la Figura 3 è possibile vedere che corrispondono. Pertanto è possibile dedurre che abbinando le condizioni di misura e applicando le stesse condizioni del filtro, i dati acquisiti mediante il microscopio laser e lo strumento stilo possono essere correlati.

_{Campione: Campione di rugosità standard No.504}

Figura 1. Laser (dati non elaborati): Obiettivo 20× (NA 0,6)

 Filtro λs (2,5 µm)

Figura 2. Laser (con filtro): Obiettivo 20× (NA 0,6)

Figura 3. Stilo (NA 0,6)

Il raggio del terminale è compreso tra 2 e 10 µm rendendo difficile l'acquisizione di piccoli cambiamenti nelle rugosità. A causa delle dimensioni può risultare difficile per una stilo l'effettuazione di misure su aree di ridotte dimensioni come i fili.

Tuttavia il laser usato dal microscopio OLS5000 ha solamente un diametro di 0,2 µm, consentendo di misurare piccole irregolarità e di acquisire dati di aree target di ridotte dimensioni.

Un altro svantaggio di una stilo è che richiede un contatto diretto tra la sonda e la superficie del campione. Per campioni morbidi o delicati la stilo può causare effettivamente dei danni.

^{Le sonde stilo possono alterare la superficie del campione}

Visto che il laser usato dal microscopio OLS5000 acquisisce le informazioni senza entrare in contatto diretto con il campione è possibile acquisire delle precise misure di rugosità senza causare alterazioni

^{256 × 256 μm di nastro adesivo}

Sebbene gli interferometri a luce bianca possiedano una sensibilità al rilevamento a livello subnanometrico per superfici regolari, essi presentano diversi svantaggi. Innanzitutto gli risulta difficile realizzare misure precise di superfici irregolari molto inclinate, rendendoli non adatti per numerose applicazioni. Inoltre i loro sensori tendono a non rilevare segnali deboli, complicando ulteriormente la capacità degli interferometri di effettuare misure precise. In aggiunta, sebbene integrino un obiettivo, l'apertura numerica è inferiore rispetto a quella usata nei microscopi ottici e possiedono una risoluzione orizzontale inferiore, rendendo difficile ottenere chiare immagini live del proprio campione.

Invece il microscopio OLS5000 impiega un laser per effettuare le misure e integra degli obiettivi dedicati con un apertura numerica elevata. Queste funzionalità permettono di ottenere delle misure precise indipendentemente dalla superficie del campione, anche se è molto inclinata. Gli obiettivi di alta qualità permettono di visualizzare campioni acquisendo allo stesso tempo le misure, ottenendo così dei dati delle immagini effettuando le misure.

I microscopi a scansione di sonda sono in grado di effettuare delle misure subnanometriche, tuttavia il loro sistema di scansione basato su cantilever rende l'acquisizione dei dati un processo esigente in termini di tempo. Inoltre la loro area di scansione è limitata a circa 100 µm, rendendoli non adatti per la misura di elementi ampi e l'osservazione a basso ingrandimento.

I microscopi laser OLS5000 sono in grado di effettuare delle misure subnanometriche molto più velocemente. Inoltre permettono di osservare delle irregolarità attraverso un ampio campo visivo. La funzione di stitching può essere usata per ampliare ulteriormente l'area di analisi.

Curva principale del profilo

Rappresenta la curva ottenuta applicando un filtro passa-basso con un valore di soglia di λs per il profilo principale misurato. Il parametro della tessitura superficiale calcolato dal profilo principale viene definito come parametro principale del profilo (parametro P).

Profilo della rugosità

Rappresenta il profilo derivato dal profilo principale escludendo la componente dell'onda lunga mediante il filtro passa-alto con un valore di soglia di λc. Il parametro della tessitura superficiale calcolato dal profilo della rugosità viene definito come parametro del profilo della rugosità (parametro R).

Profilo di ondulazione

Rappresenta il profilo ottenuto dall'applicazione sequenziale dei filtri del profilo con valori di soglia di λf e λc al profilo principale. λf esclude la componente dell'onda lunga mentre λc del filtro esclude la componente dell'onda corta. Il parametro della tessitura superficiale calcolato dal profilo di ondulazione viene definito come parametro del profilo di ondulazione (parametro W).

Filtro del profilo

Rappresenta il filtro per l'isolamento delle componenti dell'onda corta e dell'onda lunga contenuti nel profilo. Sono definiti tre tipi di filtri:

• Filtro λs: Filtro che definisce la soglia tra la componente di rugosità e le componenti delle onde più brevi
• Filtro λc: Filtro che definisce la soglia tra la componente di rugosità e le componenti di ondulazione
• Filtro λf: Filtro che definisce la soglia tra la componente di ondulazione e le componenti delle onde più lunghe

Lunghezza d'onda di soglia

Rappresenta la lunghezza d'onda di soglia per i filtri del profilo. È la lunghezza d'onda indicante il fattore di trasmissione del 50% per una data ampiezza.

Lunghezza di campionamento

Rappresenta la lunghezza in direzione dell'asse X usata per la determinazione delle caratteristiche del profilo.

Lunghezza di valutazione

Rappresenta la lunghezza in direzione dell'asse X usata per valutare il profilo considerato.

^{Grafico concettuale del metodo per profilo}

Superficie a scala limitata

I dati della superficie servono come base per il calcolo dei parametri della tessitura superficiale areale (superficie S-F o superficie S-L). Alcune volte viene denominata "superficie".

Filtro areale

Rappresenta il filtro per la separazione delle componenti dell'onda lunga e dell'onda corta contenute nelle superfici a scala limitata. Sono definiti tre tipi di filtri in base alla funzione:

• Filtro S: Filtro che elimina le componenti delle lunghezze d'onda piccole dalle superfici a scala limitata
• Filtro L: Filtro che elimina le componenti delle lunghezze d'onda grandi dalle superfici a scala limitata
• Operazione F: Associazione o filtro per l'eliminazione di forme specifiche (sfere, cilindri, ecc.)

Nota: I filtri gaussiani sono in genere applicati come filtri S e L, inoltre l'associazione dei minimi quadrati totali è applicato per l'operazione F.

Filtro gaussiano

Rappresenta un tipo di filtro areale in genere usato nelle misure delle aree. Il filtro è applicato per convoluzione in base alle funzioni di ponderazione derivate dalla funzione gaussiana. Il valore dell'indice nesting è la lunghezza d'onda del profilo sinusoidale per il quale è trasmessa 50% dell'ampiezza.

Filtro spline

Rappresenta un tipo di filtro areale con una distorsione più ridotta nel bordo periferico quando è confrontato al filtro gaussiano.

Indice nesting

È l'indice che rappresenta la lunghezza d'onda della soglia per i filtri areali. Gli indici nesting per l'applicazione dei filtri gaussiani areali sono definiti in termini di unità di lunghezza e sono equivalenti al valore di soglia nel metodo del profilo.

Superficie S-F

Rappresenta la superficie ottenuta eliminando le componenti delle lunghezze d'onda ridotte mediante il filtro S e in seguito viene effettuata un'elaborazione rimuovendo certe componenti di forma mediante l'operazione F.

Superficie S-L

Rappresenta la superficie ottenuta eliminando le componenti delle lunghezze d'onda ridotte mediante il filtro S e in seguito vengono eliminate le componenti delle lunghezze d'onda ampie mediante il filtro L.

Area di valutazione

Rappresenta una parte rettangolare della superficie definita per la valutazione delle caratteristiche. L'area di valutazione dovrebbe essere quadrata, se non specificato diversamente.

^{Grafico concettuale del metodo areale}

* Valore teorico.
** Valore standard quando si usa l'OLS5000.

◎ :  Più idoneo
○ :  Idoneo
△ :  Idoneo in funzione dell'uso
X :  Non idoneo

La funzionalità dei filtri rispettivi, la combinazione dei filtri e la dimensione dei filtri usati nell'analisi degli elementi della superficie sono descritti di seguito:

Le condizioni del filtro sono determinate in base agli obiettivi delle analisi.

Funzionalità del filtro

Effettuando l'analisi parametrica degli elementi della superficie, dovrebbe essere considerata l'applicazione di tre tipi di filtri (operazione F, filtro S e filtro L) per i dati della tessitura della superficie acquisiti in base agli obiettivi della misura.