一系列半导体、光学涂层、传感器、柔性电子和微电子机械系统(MEMS)都依赖于精确的厚度或蚀刻深度测量。
Dektak®笔分析器是许多这些应用的理想选择，其计量功能，包括优异的亚纳米重复性——在处理纳米到毫米垂直范围的步长测量时，一个关键考虑因素。
通过精确管理这些系统的应用负载，有可能实现一系列软物质的精确和可重复的计量，包括聚合物薄膜/涂层和铟基器件。
这篇文章探讨了Dektak计量在垂直尺寸(各种认证台阶高度的阵列)上的能力。
它提供了规格，案例和性能基准，说明为什么这些型材满足材料工程师和制造商的表面特性需求超过半个世纪。亚博网站下载
图1所示。在同一个图中表示六个步骤，这是Vision64软件的默认特性。图片来源:布鲁克纳米表面公司
计量术语定义
计量能力可以理解为对仪器性能的测量，这可以通过列出和量化误差源来评估，以确定系统是否适合于特定的任务。
误差以独立计量参考实验室认证的标准为基准，例如，德国的PTB，英国的UKAS/NPL，美国的NIST或日本的NMIJ。
图2。精度和重复性与目标值的图解说明。图片来源:布鲁克纳米表面公司
误差来源分为四类:
-
偏差是指输出结果与其实际值之间的差异。偏差通常被认为是测量的准确性。
-
稳定性是指在一段确定的时间内输出结果的漂移程度。
-
可重复性可以理解为在短时间内测量同一位置时，输出结果中固有的随机波动，无需用户交互。重复性突出了仪器的精度，定义了固定边界，低于该边界测量将被视为无效。
-
再现性考虑外部参数对测量的影响，例如，操作者，时间或重新定位。
可重复性是测量系统性能的内在特征，如果不改变硬件，就不可能改善这一点。
然而，通过利用强大的分析和自动化例程来降低度量对时间、位置或用户的敏感性，甚至完全独立，可以提高再现性。
准确度或偏差可以通过彻底的校准过程来提高，而稳定性的提高可以通过环境控制和/或测量系统的全面重新设计来实现。
自动分步提取
使用自动化分析例程计算步高对于最小化用户影响至关重要。为此，Dektak系统使用Vision64提供的两个标准自动化分析例程®软件
第一个分析例程是基于游标的固定位置，而第二个分析例程是基于相对于步长边缘的游标自动定位。
在第二个程序中，光标位置之间的平均高度差将决定薄膜厚度或蚀刻深度。
用户还可以自由地为更高级的分析定制设置，使用分析树来设置数据预处理。
影响精度的因素
Dektak stylus profilers采用当前一代LIS-3头。这些传感器是基于线性变量差动变压器(LVDT)传感器技术的，这是一种在整个行业作为线性和鲁棒位移传感器使用的流行和受尊敬的传感器形式。
传感器的坚固性源于磁芯远离检测线圈，使这些设备对非自愿冲击或大位移不敏感。这种传感器结构也是Dektak手写笔快速、直接交换的核心。
图3。用于自动确定台阶高度的高级分析设置。基于多树的Vision64分析允许不同的同时计算，为广泛的应用提供最佳的计量性能和灵活性。图片来源：布鲁克纳米表面
传感器头也经过专门设计，以保持一致的计量性能，通过宽的垂直范围(高达1毫米)和负载(从0.03毫克到15毫克，而使用一个头。
这种扩展的范围允许用户在更多样化的应用程序阵列中利用Dektak手写笔分析器的力量。
载荷和垂直范围的影响
在触控笔和表面之间施加的载荷是触控笔轮廓仪的关键测量设置。这不仅有助于跟踪表面，但它也提高了测量精度和灵敏度。
另一个重要设置-垂直范围-通过适当应用较高或较低的信号放大来改变垂直精度和噪声。
建议评估这两个参数对执行精确步长测量的能力的影响。
这种载荷和垂直范围效应在图4中得到了证实。
相同认证的1028 nm步长在相同的位置测量10次，不同的负载和测量之间的垂直范围。Vision64灵活的自动化例程确保更改在没有操作员协助的情况下自动实现。
这里显示的图表通过表示第2和第3个四分位数的方框突出了离散度，极端的条形图显示了最大值和最小值。蓝色虚线区分认证的不确定范围，确认准确的步长值仍然舒适地保持在这些边界限制内。
图4。负载和垂直范围对1μm阶跃测量的影响。蓝色虚线定义了校准样品的不确定度范围。图片来源：布鲁克纳米表面
可以观察到，施加的载荷对台阶高度测量和短期重复性没有影响。即使在最低校准的0.03 mg负载下也是如此，在严格的（0.5 nm-0.9 nm）范围内具有一西格玛重复性。
这些值展示了LIS-3头部设计的稳健性及其优秀的，高质量的软件控制。
应注意的是，在最低和最高负载之间切换施加的负载没有冲击头功能，并且这种较大的负载范围有助于保持台阶高度的稳定读数，与初始施加的负载相匹配。
垂直距离明显影响可重复性，随着距离的增加，可重复性变得更差。这是一个预期的现象，因为测量信号变得更弱，以解释这个更大的垂直范围。
尽管如此，测量的台阶高度仍然舒适地在认证范围内，这意味着测量仍然是准确的-用户获得任何给定的步骤的准确结果，不管垂直范围和负载选择。
再现性
前一节给出的例子评估了样品和触笔保持静止的情况下的短期重复性，并连续记录测量结果，没有中断。
这与日常使用场景明显不同，在日常使用场景中，测量由不同的操作人员在不同的班次和日期执行。
良好的基准计量系统必须确保在一段时间内以及在样品加载/卸载过程中进行稳定和一致的测量，而不考虑用户或方法的变化。
为了评估这一点，在2天的时间内，用不同的单次测量、多次连续测量和不同的时间重复测量相同的1028 nm步长。
自动化配方利用对齐点来确保可重复的起始位置。
图5显示了按时间顺序显示的步骤高度数据以及认证限制，这些数据以蓝色虚线显示。结果可以被观察到是绝对可重复的。
根据正态分布，99%的步长测量值在±2.8 nm范围内- <0.03%的步长。这个数字看起来很低，但它确实超过了以前记录的重复性，因此突出了外部环境因素(可能是温度变化)的影响。
图5。在2天内对1028nm步长进行再现性测试。图片来源：布鲁克纳米表面
线性
线性表示触针轮廓仪在特定垂直范围内提供准确台阶高度值的计量能力。
这是一个核心参数，因为过程监控通常意味着几个深度或厚度减小或增大的控制点，从中提取的台阶高度作为反馈，相应地调整过程设备。app亚博体育
测量工具的线性度直接决定了在生产中如何满足严格的公差，使更高的Cpk或Cp，以及产量可以提高到什么程度。
在同一分析配方中测量了6个校准步骤。在固定的6.5µm垂直量程和恒定载荷下，评估Dektak手写轮廓仪的固有线性性能。
Steps包含从纳米（11 nm）到微米（1.028µm）的垂直范围，代表大量常见应用的核心垂直范围。每次测量前，量程校准采用的最大步长为1.028µm。
图6显示了该研究的结果，清楚地显示了在20年的垂直范围内优于0.1%的线性行为。还应该注意的是，相对于标称值的绝对偏差永远不会超过2纳米，这证实了测量的纳米级精度。
图6。图显示LVDT传感器在20年的高度上的线性答案(左图)，和说明精度到纳米水平的摘要标签(右图)。图片来源:布鲁克纳米表面公司
的Dektak LIS-3 LVDT传感器在单个测量范围内提供异常的线性响应。为了测量更大范围的薄膜厚度或蚀刻深度，可以独立校准每个垂直范围，以进一步优化特定范围的线性，同时也保持精度。
软表面操作
由于这是一种手写笔轮廓技术，Dektak系统需要与表面进行物理接触，从而在手写笔下方施加压力。这可能会导致潜在的表面损伤或磨损——由于对原有表面的修改，应该考虑这一偏置因素。
这种修改可能会低估真正的台阶高度。
LIS-3传感器是为了解决这个问题而设计的，非常适合在软材料上进行测量，例如，在聚合物涂层、柔性电子和微流控设备中发现的材料。亚博网站下载
我们进行了多项测量来评估这种能力。这些测量是在软的，容易刮的涂层上进行的，包括几个有机层-压敏粘合剂和丙烯酸分散与有机硅纸上的颜料。
为了增加局部压力，我们特意选择了一个2µm的针，ISO标准的粗糙度和0.1 mg的负载。
在使用平均台阶高度自动分析进行30次测量之前，将软多层涂层沉积在硬玻璃载玻片上，以确保基线一致。
测量发现，在±57 nm范围内，15.64µm的读数稳定，方差小于0.4%(图7)。
图7。从一个软有机层连续30次测量厚度的演变。图片来源:布鲁克纳米表面公司
这些结果突出了Dektak触控笔轮廓仪测量易碎表面的能力。更软的样品也可以通过使用更大的触针半径(高达25µm)和更低的载荷(低至0.03 mg)来测量，以更好地降低表面变形的风险。
使用通常用于微流控装置的PDMS结构执行第二示例评估。由于其高度变化大且突然，这种类型的样本对触针轮廓仪来说尤其具有挑战性。
这些结构被用来测试Dektak施加恒定载荷的能力和测量粘性表面的能力。PDMS的粘性问题只能通过高达1mm /s的快速扫描速度来缓解，但这确实需要使用高机械带宽的系统。
由于Dektak传感器头的低惯性设计，由此产生的轨迹(图8)显示了适当的表面跟踪的清晰迹象。
图8。跟踪PDMS微流控结构与阶梯结果，并与硅冲压母版进行比较。图片来源:布鲁克纳米表面公司
用于压印PDMS的主硅印章也被测量，为测量的台阶高度提供参考点(图8)，显示PDSM和印章表面的高度差之间具有极好的一致性，几乎0.4µm偏移量完全与压印过程一致。
这些案例研究为Dektak触控笔轮廓仪在软表面上可靠、准确和高保真测量轮廓的潜力提供了关键见解。
结论
本文清楚地展示了Dektak触控笔轮廓仪提供高精度和可靠的纳米级台阶高度测量的能力。
Dektak系统提供了可重复的结果在整个垂直范围和应用的接触力，不管应用，蚀刻或材料沉积，硬或软的物质。
的Dektak LIS-3传感器Head的低间隙设计使其能够快速适应表面形态的突然变化，同时提供长期的测量稳定性，并保持每个垂直范围的高线性。
拥有超过50年被证明的创新和可证明和可靠的实际使用，Dektak侧写器仍然是不受影响的手写侧写术的黄金标准。
这些强大的、适应性强的仪器使用户能够始终更好地控制生产过程，使他们能够满足更严格的公差并提高产量。
致谢
由塞缪尔·莱斯科在布鲁克原创亚博网站下载的材料制作。
这些信息来源于布鲁克纳米表面公司提供的材料。亚博网站下载
有关此来源的更多信息，请访问力量纳米表面。