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応用

追跡可能な標準に関連する3D光学プロファイリング表面測定の実行
Jan 14, 2017

前書き

この記事では、3D光学プロファイラで使用される非接触検査方法の利点について説明し、特殊なPTB(Physikalish-Technische Bundesanstalt)トレサブルな粗さ標準およびその他の低コストの指の爪粗さゲジのベストプラクティスと測定結果の概要を説明します。

相関結果は、粗さが数ナノメトルからマイクロメトルの範囲にある表面テクスチャを画像化および解析する際に理解し、考慮する必要がある測定ファクタに基づいています。

白色干渉法(WLI)とも呼ばれるコヒレンススキャニング干渉法を使用する3D光学プロファイラは、関心のある表面に関する様々な特性を決定するために、広い領域にわたって高速で正確な表面測定を提供する。 材料科学、航空宇宙、自動車、デタストレジ、ソラ、半導体、MEMSなど、さまざまな市場向けの研究、エンジニアリング、生産プロセス制御にますます雇用されています。

この技術が従来の2D技術および標準とどのように相関しているか、そして測定デタの増加をどのように測定して利用できるかを理解することは、今日のパフォマンスの高い3D光学プロファイラの機能を十分に活用する上で不可欠です。

他の測定技術よりも3D光学プロファイリングの利点

2Dスタイラスプロファイラは、1930年代初頭の表面粗さの特徴付けに最初に使用され、数十年後に3D計測器が開発されるまで業界標準として採用されました。 3D光学プロファイラ測定システムには多くの利点があり、国際計測学会にこの優れた技術を十分に活用するための新しい測定基準を開発することができました。

最新の洗練されたサフェスプロファイラは、すべての倍率で同じ "ナノメトル" Z精度を維持しながら、業界をリドする速度と精度を備えています。 このようなシステムは、ピッチ、粗さ、曲率、段差高さ、うねりおよび横変位を含む非常に広い範囲の表面パラメタを、すべて単一の測定およびほぼすべての表面で測定することができる。

この測定技術は、図1に示す白色光干渉計に基づいて、1回の測定で最大8mmまでの大きな横方向領域の3D表面形状を迅速に決定することができます。 この値よりも大きい表面積は、複数の横方向画像を取り込み、分析のために1つの画像に併合することを可能にするステッチアルゴリズムを適用することによって測定することができる。

他のいくつかの技術は、速いスピド、優れた解像度、より大きな測定領域を提供しますが、それぞれ独自の制限もあります。 たとえば、スタイラスプロファイリングでは最大数百ミリメトルのスキャンが可能ですが、各スキャンは1本のプロブチップ幅のラインに沿ったトレスに過ぎず、複数のトレスを取らずに分析できる領域が限られているため、エリア。

図1. Brukerの自己較正HeNeレザによる基本的な白色光干渉

同様に、共焦点顕微鏡は、非常に高い倍率で合理的なZ分解能を提供するが、Z高さデタを捕捉するために使用される走査技術のためにデタ取得時間がはるかに遅い。 最後に、光学的集束技術は、より粗い製造表面仕上げに使用されるが、一般に、干渉ベスの3D光学プロファイラのZ分解能、特に微細加工構造の表面テクスチャについては達成できない。

これらの他の技法は、表面トポグラフィを測定し、テクスチャを定量化することになると、他の欠点も有する。 接触式スタイラス測定の主な欠点は、スタイラス先端部が測定表面の優勢な表面パタンまたは表面のレイに対して垂直に走らなければならないことである。 これが当てはまらない場合、チップは表面構造に追従し、レコド内の溝に続くレコドプレヤの針と同様に、誤った表面テクスチャの結果をもたらすことがあります。

スタイラス測定の別の欠点は、Z高さ測定範囲の制限である。 スタイラスシステムは、測定範囲を拡張するためにスキッドプレトを使用する必要があり、より大きなステップにわたって測定することができるが、スキッドプレトが関心のある表面を追跡しなければならないためうねりまたはステップ付きフィチャを正確に測定する能力が制限される。 これは、表面表現の一種の機械的フィルタリングを生成する。

最後に、ダイヤモンドのような非常に硬い材料が、摩耗を減らし、チップの寿命を延ばすために、ほとんどのスタイラスの先端を作るために使用されるので、それらを使用するスキャンを実行すると、関心のある表面を損傷させ、 2。

図2.参照標準に対するスタイラスの損傷

共焦点顕微鏡法は、焦点位置の周りの強度分布の質量中心を計算することによって、またはピク強度を検出することによって、各画素位置における高さを求める。 強度エンベロプは、高倍率対物レンズの場合には非常に狭いが、対物レンズの開口数(NA)が低いため、より低い倍率でより広くなり、被写界深度が拡大する。

この大きな被写界深度は、重心およびピク強度を繰り返し検出する共焦点システムの能力を損ない、その結果、Z精度および分解能を低下させる。 通常、高倍率対物レンズ(20倍以上)はZ精度を得るために使用する必要がありますが、これは視野を制限します。

以前は、急峻な角度を測定する能力が、共焦点顕微鏡を使用することの重要な利点でした。 しかし、3D光学プロファイラの高倍率対物レンズの開発と高解像度カメラの横方向分解能の改善により、非共焦点システムは非鏡面で90°に近い急峻な角度を測定することができます。

現代の3D光学プロファイラは、非接触測定技術に完全に基づいているため、表面構造の方向性には何ら制限がなく、表面の損傷を排除します。 さらに、3D光学プロファイラは、一般に、Z高さが制限されておらず、高さが最大10mmまで測定可能です。

3D光学プロファイラのフリンジエンベロプは、0.75倍から230倍までのあらゆる倍率で非常に狭く、その結果、任意の倍率で視野全体にわたって同じ高Z分解能を維持します