表面轮廓- Dektak表面轮廓在三维表面轮廓分析

基于手写笔的表面轮廓是精确、可重复的表面形状、形貌和台阶高度测量的标准技术，应用范围从半导体研发到太阳能电池QC。近年来，在3D绘制表面的能力大大提高了手写分析器的能力;然而，尽管最近取得了这些进步，但在尖端晶圆厂、太阳能电池公司、工业制造设施、大专院校和各种研究机构，看到研发、QC和过程监控操作仍然使用60多年前开发的技术，这并不罕见。

本应用说明描述了通过布鲁克的Dektak®Stylus Profiler和Vision®分析软件组合的3D测量选项的优势。

三维表面轮廓测量的能力

3D测量的优势显而易见。使用简单的二维剖面(如图1所示)可能无法提供样品表面的完整图像。使用3D功能，可以绘制整个区域，如图2所示。这使得可以目视检查缺陷和均匀性，以及小的表面凹坑和尖刺，否则可能错过。

图1．传统的2D手写笔轮廓仪可能不能提供样品表面的完整图像。如图2所示的相同样本的剖面可以提供精确的高度、宽度和粗糙度数据，但可能会错过可以通过添加3D分析功能测量的缺陷或详细的表面特征。

图2．该图像揭示了3D测量如何为分析表面特征(如面积粗糙度、体积和缺陷检测)提供丰富的数据。(图片:使用Vision高级分析软件在Dektak上生成的镍表面粗糙度的2 × 2mm扫描图。)

Dektak手写笔分析器的好处

Dektak触控笔轮廓仪设计用于支持2D和3D表面轮廓，具有精密工作台、晶圆对准销、彩色视频成像、高级参数数据分析工具和其他功能，用于稳定的、极其可重复的表面形状测量。

Dektak风格分析器的高级分辨率功能

高级分辨率功能允许用户直观地解释缺陷粗糙度、对称性和工艺分辨率。Dektak使1um Y轴步进精度更高的整体3D表征和分辨率。如图2所示，这种较高的Y轴分辨率显示了小缺陷和工装痕迹，并精确测量了粗糙度。

Dektak手写分析器的三维分析软件

Vision Analysis Software为Dektak profiler添加了一系列分析、过滤器、屏蔽功能、数据库、统计和导入/导出功能。其中最主要的功能是自动将多个轨迹组合成精确曲面的精确3D地图，并使用一个非常简短、清晰、用户友好的菜单来操作它。

超越二维平均粗糙度的三维表面表征

在许多应用中，二维平均粗糙度(Ra)是监测表面纹理的唯一参数。虽然Ra提供了一般粗糙度的快速测量，但它对表面的功能特征提供了很少的了解。相反，3D计量提供了整个区域表面特征的清晰图像。可获得的数据比单线剖面的可能数据多得多。的风险使用2 d Ra作为唯一的衡量是一个部分可以在具体的阳离子穿过一个2 d剖面(甚至是抽样2 d概要文件),但仍然可能失败在实际功能,因为单一的二维剖面错过一个缺陷或其他表面特征,明显在3 d区域地图(参见图3)。

图3．在Dektak上生成的340nm石英胶体的三维图像。请注意带有深裂缝的较大特征上的小凸起。该示例显示了用2D轮廓来描述复杂表面的难度，而不是生成3D区域地图。(样本由Wirth Research Group的Tomika Velarde提供。)

表面功能的三维解释

使用Vision中的3D可视化、过滤和分析选项，可以对表面功能进行更全面的解释。特定的3D参数，如S参数集，可以作为更有意义的过程控制变量使用。例如，3D分析可以量化轴承表面保留油的能力，拉丝金属表面的视觉亮度，或配合表面由于定期间隔的加工痕迹而产生的颤振趋势。还可以生成定制参数来跟踪表面纹理的非常具体的功能方面。

图4a和4b显示了图3中相同数据的概要。Vision软件提供各种数据滤波器，包括可编程低通、中值、高通和傅立叶滤波器。图4a显示了未经过滤的图3数据的横截面，测量的Ra为833纳米。图4b显示了相同的数据集，使用高通滤波器滤除低频较大的波峰和波谷，露出表面较小的凸起。应用高通滤波器的数据显示出更高的精度，将Ra降低了十倍以上，名义上约为70纳米。

图4一．视觉软件提供了一系列用于操作数据的过滤器。这里显示了图3中未经过滤的数据。数据的横截面测量的Ra为833nm。

图4 b．图4a数据集上的高通滤波器滤除低频较大的峰和谷，以显示表面较小的凸起，使粗糙度测量更精确(注:应用高通滤波器后，Ra = 70nm)。

压扁过滤器和术语屏蔽

正确解释每个轨迹高度的第二种方法是使用Vision软件包中的Dektak“扁平化”功能。图5中最左边的图像显示了带有水平扫描伪影的3D地图的原始数据，这些伪影可能是由热漂移或振动引起的。右边的图像显示的是应用压平算法后的相同数据。

图5．Dektak Vision软件有一个特殊功能，可以过滤掉3D地图操作过程中由热漂移或振动引起的扫描伪影。

视觉软件还允许术语蒙版应用，以删除可能存在于某些痕迹但不存在于其他痕迹的特征。术语掩码可以使平坦算法应用于选定的数据区域，以删除扫描工件。这两种方法结合在一起，可以很好地解释每个轨迹的z高度，从而使特征的3D映射成为可能。

除了数据过滤器，Vision软件还提供了多种调色板，使各种表面特征得到增强和突出显示(见图6)。它甚至还提供了使表面看起来“有光泽”或改变图像阴影的角度和强度的能力。

图6．视觉软件可以通过使用不同的过滤器和调色板来突出和引出图像的各种特征来强调数据。

设置3D程序的灵活性

Dektak软件包括许多功能，允许用户优化扫描的最佳速度/最佳分辨率。它可以快速和容易地用于设置和运行3D地图与各种不同的参数，以适应多个应用程序。Dektak通过将几个单独的剖面测量或轨迹合并到一个3D图像文件中来生成3D地图。用户可以使用彩色视频显微镜直观地确定需要绘制的区域。操作员仅仅使用鼠标选择X和Y的感兴趣的领域,软件自动计算面积的长度和宽度测量,以及扫描开始位置(参见图7)。一旦运营商选择区域映射,地图的分辨率可以通过选择需要映射该区域的多少条单独的轨迹以及每个单独的轨迹的分辨率来确定。最多可使用500条轨迹创建每个轨迹最小间距为1微米的地图。

图7．图3-6中相同样品的视频图像显示了如何使用可编程样品阶段来确定3D地图的X-Y范围。

Stylus profiler的升级功能

手写轮廓仪仍然主要用于获取2D轮廓测量，而不是生成3D图像。主要原因是2D剖面仪通常比3D测量工具更便宜。Dektak的一个主要优势是它为3D成像和分析提供了一个相对低成本的解决方案。Dektak的另一个优势(这是其他触控笔剖面仪所不具备的)是，通过从手动样品工作台升级到可编程样品定位，Dektak的2D模型可以升级为3D计量系统。

Dektak手写分析器的精确z高度解释

在手写分析器中，3D地图是由一系列2D轨迹构建而成的。为了准确地绘制表面，必须正确地解释每个轨迹相对于其他轨迹的Z(垂直)高度。其他具有3D功能的分析器假设每个轨迹都从相同的Z高度开始。这种技术将不可能精确成像和测量样本，如图3所示，每个扫描开始于Z轴上的不同点。Dektak通过将所有后续数据点引用到第一个跟踪中的第一个数据点来创建一个3D地图。这导致了对问题表面的精确测量和3D成像。

触针轮廓仪可靠的顶点，形状和斜率测量

在测量球面或非球面(如微透镜、透镜模具、焊点等)的高度时，也遇到了类似的挑战。对于简单的二维轮廓测量，单次扫描很难确定球面的顶点。在扫描开始位置只有几百微米的变化可以在顶点测量中产生相当大的差异。根据透镜的曲率，偏差可以呈指数级增大。使用3D绘图总是能够捕获真正的顶点，从而获得高度可靠的测量结果。

在扫描过程中，触控笔会以弧线运动的方式垂直旋转和摆动。当触控笔沿着斜坡的一边向上，沿着斜坡的另一边向下时，这种圆弧运动会在斜坡测量中产生误差。图8显示了一个金字塔配置的校准标准，它是一个由3D图像生成的2D轮廓。暗线表示触控笔的弧线运动对数据的影响，因为金字塔左侧的斜面不如金字塔右侧的尾端斜面陡峭，因此看起来标准不是球形的。Vision软件包括一个特殊的MicroForm过滤器，以纠正手写笔的电弧运动。灰色的图8a显示了与MicroForm滤镜相同的数据，MicroForm滤镜用于校正倾斜角度，并提供真实的球面形状的镜头。图8b显示了90度对称光栅，它证实了扫描的灰度校正图像。

图8。视觉软件包含一个“MicroForm”过滤器，通过去除手写笔弧的形状来提供更精确的斜率和形状测量。在8a中可以看到由于扫描过程中触笔的运动而向右倾斜的校准标准(线)的形状。灰色区域是实际的表面。在8b中有明显的90度对称光栅。

此外，Vision软件还包括一个多区域分析，允许用户定义和比较数据集中的多个特征。图9显示了焊接凸点阵列的原始扫描和映射。利用Vision中的多区域分析函数，可以很容易地确定每个凸点的高度、直径和共面性。数据还可以导出为.csv文件，并存储在可定制的数据库中，用于跟踪和过程控制。

图9．Vision软件的多区域分析功能自动提供三维地图中多个凸起的高度和直径测量。

总结

传统上，手写笔分析器仅限于2D分析，然而，硬件和软件功能的进步极大地扩展了手写笔分析器的能力。现在，3D测量成为可能，为精确曲面提供全面的可视化和量化，以准确评估工艺参数和零件功能。从测量纳米尺度的蚀刻深度到测量机加工零件的表面粗糙度，Dektak Stylus Profilers和Vision分析软件的结合提供了当今最精确和可重复的3D表征方法。

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

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