来自Bruker支持质量控制需求的表面计量工具

白光干涉仪、原子力显微镜和触针轮廓仪是三种互补工具之一，可以满足大多数表面测量的需要。

表面形貌的定量测量现在是越来越广泛的行业，产品和材料的关键QC / QA要求。亚博网站下载这包括对成品，研发（R＆D）进入新表面和表面处理以及体积生产过程中的过程监测。

亚博网站下载材料包括金属，复合材料，塑料，纸，油漆和镀表面，多孔表面和玻璃。

这些测量的驱动器范围从临界功能和性能的影响范围内，如在部分加工的半导体晶片表面的情况下，以预期的寿命，例如用于髋关节轴承表面，审美考虑因素，是汽车涂料中的橙皮果皮。

许多不同的接触和非接触技术目前支持这种应用多样性，其中最广泛使用的两种是白光干涉术和触针轮廓术。现在，另一种分辨率更高的技术——原子力显微镜——正准备从实验室向在线和在线应用过渡。

白光干涉法

白光干涉测量法通常被称为光学轮廓测量法，是一种多功能和强大的光学方法，使用光波作为极其精确的标尺。这是使用相同的干扰现象来实现，当阳光反射漂浮在水坑上的汽油薄膜上时产生着色带。

光学分析器是一种显微镜，其中来自灯的光被称为分束器的部分反射镜分成两个路径。

一条路径指示在测试的表面上的光线，另一个路径将光引导到非常平坦的参考表面。

来自两个表面的反射在显微镜中重新组合并在数码相机上成像。当重组光束之间的路径差是在少量光或较少的光的阶数时，发生干扰。这产生了一系列深色和光带，称为条纹。这些条纹对应于测试表面的表面轮廓，将其垂直（Z轴）形貌以高达0.1纳米的分辨率映射。

XY分辨率取决于物镜的选择和相机像素的数量，可以精确到500纳米。该技术还提供了z轴±3纳米的绝对精度。

电流市售的光学分析器范围从Benchtop R＆D系统到仪器，为在线或在线过程监控提供流线型功能。这些最先进的这些产生统计表面形貌数据，例如RA和RQ（平均值粗糙度），甚至包括计算特征宽度和相对位置的图像分析软件，并且可以定制以识别与理想形状的偏差。它们还可以在操作员指定的横向和垂直阈值下启用筛选缺陷，例如划痕和凹坑，具有自动部分抑制，并导致改进的过程控制。

图2。此示例强调了相位成像与AFM的好处。低温微型多层聚乙烯样品的地形（左）和相位图像（右）。虽然地形是由大规模起伏的主导，但相位提供了层叠结构的清洁视图。额外的细结构显示小液滴的存在。

白光干涉测量的应用

光学轮廓术的优点是通用性强、速度快、z轴动态范围宽。另外，这是一个完全非接触的方法。当今数码相机的大动态范围允许其使用表面反射率从0.5%到90%以上。此外，由于光学剖面仪是一种成像工具，可以对每个数据采集事件进行面积测量，它可以比连续逐点进行的工具更快地对表面进行剖面。

并且是光学的非接触式工具之一是仪器可以通过透明窗口进行测量，例如真空室或产品包装。此外，最新的软件和硬件套件使这些仪器能够研究移动表面的动态和停止运动，如MEMS器件，如投影电视中使用的微镜芯片。

最后，光学分析器提供非常大的Z轴范围，从几纳米到特征高度，高达10,000微米。

光学分析仪的质量应用跨越航空航天和医疗设备的洁净室应用，以工厂在汽车等行业中的工厂应用。

就广泛的应用而言，这项技术现在被美国一家领先的厨房和浴室水龙头及相关配件制造商所使用。该仪器用于检测镀铬前后零件的表面。

最初用于工艺开发，这些测量被开发成工艺QC规范，与感知化妆品质量以及抗铬剥落和点蚀能力相关。

另一个光学分析器的应用是在剃须刀片的主要制造商。这里的仪器用于两个关键的QC测量-刃口的研磨角度和深度和质量的分数。刀片被创建为一个连续的轴，多达成千上万的刀片，然后通过折断这些机械创建的分数线自动地孤立。磨削角度是一个特别关键的QC测量，因为多达100万个叶片的配置仅仅基于光学轮廓仪数据，从每个批次的少数统计样本。

在一个非常不同的低体积/高价值的应用中，美国宇航局的承包商使用这种类型的光学轮廓仪来检查和评估航天飞机窗口的微坑由微陨石撞击造成的。根据这些测量结果，昂贵的蓝宝石玻璃通常在四到五次任务后被更换。

图3。光学分析仪广泛用于医疗装置的制造商，如这些植入表面的这些测量中所示：（a）髋植入头，（b）臀部植入杯，（c）膝关节植入物（承载表面）和（d）牙科植入物。

笔轮廓测定法

触控笔轮廓已经存在几十年，但它仍然是几个关键应用中的首选工具，部分原因是其对成本比率的优异性能。在触控笔轮廓仪中，通过精密运动级绘制钻石针或触控笔。表面形貌的变化导致垂直触控笔移动，由线性可变差分换能器（LVDT）感测。仪器分辨率取决于触控笔尖端半径，并且可以高达1纳米高度。

虽然它显然是一种表面接触工具，但仪器的低触头作用力通常使这种技术无损。触针轮廓术的优点是它能够快速进行长时间的线性扫描——最高可达200毫米——它能够量化相对较大的步长高度，而且成本低。

最好用于生成横断面数据;虽然区域数据可以通过光栅扫描累积，但通常使用光学轮廓测量法以更高的速度和吞吐量来完成。

触针轮廓仪的市场是由涉及薄膜和涂料的高质量应用主导的。当前的一个例子是几乎每一个硬盘驱动器的写元素上镀铜的质量控制。

另一个是在DVD或类似光盘球员中使用的微透镜的形状。半导体工业中的一个关键应用是控制薄膜应力，既有压缩和拉伸。这种应力扭曲了晶圆，手写笔用于快速测量其曲率并计算来自该数据的压力的大小。

图4。在一个典型的光学分析器中，数码相机记录由测试表面和参考表面反射而产生的条纹。系统计算机将这些条纹转换成高分辨率的地形信息。

原子力显微镜

QC计量中最新的工具是原子力显微镜(AFM)。在AFM中，一个超细的尖端，例如单晶硅或钻石，被安装在一个轻量的悬臂臂上，并与表面接触。原子间的力在相对柔软的悬臂梁中引起挠度。起初，这些力是弱引力，但随着表面接触的产生，它们变得强排斥性。微小的悬臂偏转是通过从悬臂反射激光束到位置传感光电探测器来感知的。

在现代商业AFM中，悬臂或样品被安装在三维精密执行器上，通常是压电管状结构。最常见的是，这是用来保持一个恒定的作用力之间的样品和尖端。通过对针尖相对于样品的光栅扫描，可以根据维持恒定相互作用强度所需的压电电压创建定量的地形图。AFM的平面内(或XY)分辨率主要受尖端半径的限制，通常为10纳米，有时更好。垂直(Z)维度上的分辨率与针尖没有直接关系，可能在0.05纳米(0.5 Å)范围内。

仪器也可以在TAPPPEMODE中运行。在这里，悬臂被迅速振荡，就像调谐叉一样轻微地敲击表面。在这种操作模式下，振荡悬臂的幅度和相位用于量体形貌。这种模式被广泛使用，因为它是精致样品 - 甚至湿膜的理想选择 - 因为它避免了尖端和表面之间的横向力。TappingMode对诸如金属的硬样品是有利的，因为它允许力量控制的更高精度。

除了简单地测量表面拓扑，AFM表面尖端相互作用还可以用于许多物理、化学和电磁测量。例子包括绘制尖端的横向力(纳米级摩擦)和确定压电活动水平。

为QC应用配置AFM

由于其纳米级分辨率，AFM通常被认为是最终的表面计量仪器。它可以在单一分子水平上字面上的表面剖面。与早期的研究工具不同，它可以在各种表面上工作，无需特殊准备。它甚至可以探测浸入水和其他液体中的表面。

然而，直到最近，大多数AFM应用都被限制在研究实验室和研发设施中。这是因为AFMS没有提供必要的坚固化和操作简单，以便在生产环境中使用半熟练的操作员。这是半导体行业的例外，现在广泛使用AFM来验证内存和逻辑芯片生产过程的几个阶段。

一个典型的商业研究应用是3M公司，它是一次性纸尿裤产品的主要零部件供应商。这些产品上的胶带应该通过单手按压安全地关闭，给更换孩子的父母一个安全的感觉。但这取决于均匀应用的粘合剂，没有裸斑或不等的附着水平。该公司最近收购了一个AFM，使用一种称为相位成像的技术来研究胶粘条。

这是TAPPMODE成像的扩展。通过绘制振荡悬臂的阶段，相成像超出简单的地形映射。具体地，它对粘合性和粘弹性的变化敏感，并且可以提供有关样品组成和微单分离的信息。

3M公司表示，这项技术揭示了其他任何技术都没有发现的有趣特征。此外，3M认为这些特征可能是配方中重要的形态变化。

AFMs还成功地应用于许多失效分析和产品改进应用中。

例如，一家鱼罐头公司需要分析为什么他们的金枪鱼保质期比预期的要短。采用原子力显微镜(AFM)分析了罐内壁涂层的劣化。这表明罐罐厂使用的特定水的特性正在恶化用于保护金枪鱼免受裸金属暴露的聚合物保护涂层。

现在，新一代紧凑型粗鲁的AFMS准备从研发实验室采取这些相同的能力，进入主流QC操作。这些新仪器的早期应用是用于监测涂层表面和精细饰面的表面粗糙度和缺陷。其他早期采用剂在薄膜和箔等铝化聚合物膜中。

总之，各种应用中表面形貌的QC测量可以用三种基本类型的仪器进行服务 - 光学分析器，原子力显微镜和触控笔轮廓仪。

然而，对于新手来说，并不总是清楚这些方法中哪一种对于给定的使用是最好的。因此，为特定应用选择正确的工具需要与了解每种技术的能力和局限性的供应商合作。

这些信息来源于Bruker纳米表面公司提供的材料。亚博网站下载

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