表面计量工具从布鲁克支持质量控制需要

大多数表面计量的需要可以通过三种互补的工具之一来满足——白光干涉仪，原子力显微镜和手写轮廓仪。

在越来越广泛的行业、产品和材料中，表面形貌的定量测量现在是一个关键的QC/QA要求。欧洲杯足球竞彩这包括对成品的测量，对新表面和表面处理的研究和开发(R&D)，以及量产过程中的监控。

欧洲杯足球竞彩材料包括金属、复合材料、塑料、纸、油漆和电镀表面、多孔表面和玻璃。

这些测量的驱动因素包括关键的功能和性能影响，如部分处理的半导体晶圆表面，预期寿命，如髋关节植入轴承表面，美学考虑，例如汽车油漆的橘皮。

目前有许多不同的接触和非接触技术支持这种应用多样性，最广泛使用的两种技术是白光干涉术和触控笔轮廓术。现在，另一种分辨率更高的技术——原子力显微镜——正准备从实验室过渡到在线和在线应用。

白光干涉法

白光干涉测量，通常被称为光学轮廓，是一种多用途的和强大的光学方法，其使用光波作为一个极为精确的尺子。这是通过使用当太阳光被反射离开的汽油的非常薄的薄膜浮在水坑产生有色条带相同的干扰现象来实现的。

光学轮廓仪是一种显微镜，它通过一个叫做分束器的部分反射镜将灯发出的光分成两条路径。

一个路径引导到被测表面上的光，其它的路径引导光到一个非常平坦的参考表面。

两个表面的反射在显微镜中重新组合，然后在数码相机上成像。当复合光束之间的路径差在几个波长或更小的量级上时，就会发生干涉。这就产生了一系列的暗带和光带，称为条纹。这些条纹对应于测试表面的表面轮廓，以高达0.1纳米的分辨率绘制其垂直(Z轴)地形。

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。该技术还提供了在z轴±3纳米的绝对精度。

目前市面上可用的光学轮廓仪范围从台式研发系统到提供在线或在线过程监控的流线型功能的仪器。其中最先进的可以生成统计表面形貌数据，如Ra和Rq(平均和RMS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，并可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纵向阈值上筛查缺陷，如划痕和凹坑，并自动剔除零件，并记录原因，以改进工艺控制。

图2。这个例子突出相位成像的好处与AFM。地形（左）和低温显微切片多层聚乙烯样品的相位图像（右）。虽然形貌是由大型起伏为主，相提供在层状结构的一个干净的图。附加精细结构示出了小液滴的存在。

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表面反射率从0.5%到90%以上。此外，由于光学轮廓仪是一种成像工具，可以对每个数据采集事件进行面积测量，它可以比一个点一个点连续进行的工具更快地对一个表面进行轮廓。

它是一种光学的、非接触的工具，其优点之一是它可以通过透明的窗口进行测量，比如在真空室或产品包装中。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，就像在MEMS设备中，如用于投影电视的微镜芯片。

最后，光学轮廓仪提供了一个非常大的z轴范围，从几纳米到高达10,000微米的特征高度。

光学轮廓仪质量的应用涵盖了从航天洁净室应用和医疗设备在较重的工业工厂应用，如汽车。

在高调的应用方面，这项技术现在被一家领先的美国厨房和浴室水龙头及相关配件制造商所使用。该仪器用于检测零件镀铬前后的表面形貌。

最初用于工艺开发，这些测量被发展为工艺质量控制规范，与感知的外观质量以及抗铬剥落和点蚀相关。

另一个光学轮廓仪的应用是在一个主要的剃须刀片制造商。这里的仪器是用于两个关键的QC测量-磨刃角度和刻痕的深度和质量。这些叶片是由成千上万的叶片组成的连续线轴，然后通过机械地敲击这些叶片来自动模拟。研磨角度是一项特别关键的QC测量，因为多达100万叶片的配置完全基于光学轮廓仪数据，仅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，NASA的承包商使用这种光学轮廓仪来检查和评估航天飞机窗户上由微小陨石撞击造成的微坑。根据这些测量的结果，昂贵的蓝宝石窗户通常在四到五次任务后更换。

图3。光学分析器被广泛用于作为在各种的植入物表面的这些测量中所示医疗设备的制造商：（A）髋关节植入物头部，（B）髋关节植入物杯，（C）膝盖植入物（承载表面）和（d）种植牙。

笔轮廓测定法

手写轮廓术已经存在了几十年，但它仍然是几个关键应用中的首选工具，部分原因是它的性能和成本比非常好。在触控笔轮廓仪中，通过精密的运动台在表面上画出金刚石尖针或触控笔。表面形貌的变化会导致触针的垂直运动，线性可变差分传感器(LVDT)会检测到这种运动。仪器的分辨率取决于触针尖端的半径，可以精确到1纳米的高度。

虽然它显然是一种表面接触工具，但仪器的低触控笔应用力通常使这种技术无损。手写笔轮廓术的优点是能够快速执行长达200毫米的长线性扫描，能够量化相对较大的台阶高度，而且成本低。

它最适合用于生成样条数据;虽然区域数据可以通过光栅扫描来积累，但通常使用光学轮廓术以更高的速度和吞吐量来完成。

唱针轮廓仪的市场主要由涉及薄膜和涂层的高质量应用所主导。目前的一个例子是几乎所有硬盘驱动器的写元件上镀铜的质量控制。

另一个是测量用于DVD或类似光盘播放机的微透镜的形状。半导体工业的一个关键应用是控制薄膜的应力，包括压缩和拉伸应力。这种应力使晶圆弯曲，用触控笔快速测量其曲率，并根据数据计算应力的大小。

图4。在典型的光学轮廓仪中，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

最新的QC计量解决方案是原子力显微镜(AFM)。在AFM中，超细尖端，如单晶硅或钻石，被安装在一个轻型悬臂臂上，并与表面接触。原子间的力使相对软的悬臂产生偏转。起初这些力是弱吸引力，但当表面接触时，它们变成强斥力。微小的悬臂挠度是通过将激光束从悬臂上反弹到位置传感光电探测器上来感知的。

在现代商用AFM中，悬臂或样本被安装在一个三维精密执行器上，通常是一个压电管状结构。最常用的方法是保持样品和尖端之间的作用力不变。通过光栅扫描尖端相对于样品，可以根据保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纳米或更好。垂直(Z)尺寸的分辨率与尖端没有直接关系，可能在0.05纳米(0.5 Å)范围内。

该仪器还可以在轻敲操作。在这里，悬臂是由快速像音叉振荡，在表面上轻敲。在这种操作模式下，振荡悬臂的振幅和相位被用于规准面形貌。该模式被广泛使用，因为它是理想的微妙的样品 - 甚至湿膜 - 因为它避免了尖端和表面之间的横向力。轻敲为硬的样品，如金属是有利的，因为它允许力控制的更高的精度。

除了简单地测量表面拓扑结构外，AFM表面-尖端相互作用还可以用于进行大量的物理、化学和电磁测量。例子包括映射尖端的横向力(纳米级摩擦)和确定压电活性水平。

配置质检应用AFM

由于其纳米级的分辨率，AFM通常被一些人认为是最终的表面测量仪器。它可以在单个分子水平上描绘表面。与早期的研究工具不同，它可以在多种表面上工作，不需要特殊准备。它甚至可以探测浸在水和其他液体中的表面。

然而，直到最近，大多数AFM应用已经局限于研究实验室和R＆d设施。这是因为，原子力显微镜没有提供用于通过半熟练的操作人员在生产环境中使用的必要的强化和操作简便性。对此的一个例外是半导体工业中，目前广泛采用原子力显微镜来验证存储器和逻辑芯片的生产过程的几个阶段。

一个典型的商业研究应用是在3M公司，一次性尿布产品的主要组件供应商。这些产品上的胶带应该用单手压紧，给父母换孩子的安全感觉。但这取决于粘合剂的均匀应用，没有裸露的斑点或不平等的粘附水平。该公司最近购买了一个原子力显微镜，使用一种称为相位成像的技术来研究胶条。

这是TappingMode成像的扩展。通过绘制出振荡悬臂梁的相位，相位成像超越了简单的地形绘制。具体来说，它对黏附和粘弹性的变化非常敏感，可以提供样品组成和微相分离的信息。

3M公司称，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还成功地应用于一些故障分析和产品改进应用。

例如，一家鱼罐头公司需要分析为什么他们的金枪鱼比预期的保质期短。利用原子力显微镜分析了罐体内部表面镀层的变质情况。这表明，罐头厂使用的特定水的特性正在破坏用于保护金枪鱼免受裸金属暴露的聚合物保护涂层。

现在，新一代紧凑型坚固AFMs正准备将这些相同的能力从研发实验室带入主流QC操作。这些新仪器的早期应用是用于监测表面粗糙度和涂层表面的缺陷和精加工。其他早期的采用者是在薄膜和箔领域，如铝化聚合物薄膜。

总之，在各种应用中，QC表面形貌测量可以使用三种基本类型的仪器-光学轮廓仪，原子力显微镜和手写轮廓仪。

然而，对于不熟悉的人来说，这些方法中哪一种最适合特定的用途并不总是清楚的。因此，为特定的应用程序选择正确的工具需要与了解每种技术的能力和限制的供应商合作。

这些信息来源于布鲁克纳米表面公司提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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