I. Введение

Поверхностные характеристики являются одним из ключевых направлений исследований в таких областях, как материаловедение и химия; их надлежащая оценка — как морфологии поверхности, так и других поверхностных признаков — имеет важное значение для экспертизы соответствующих материалов, анализа их свойств и совершенствования технологических условий обработки.

Измерение высоты ступеней на поверхности играет крайне важную роль в исследовании поверхностных свойств материалов. С одной стороны, с помощью методов измерения высоты ступеней можно определять характерные микрорельефные структуры; с другой — в промышленных отраслях, прежде всего в полупроводниковом производстве, решается множество задач, связанных с контролем высоты ступеней. Высота ступени является ключевым параметром; точное и оперативное определение и регулирование таких характеристик, как высота ступеней различных тонких пленок, представляет собой важнейшее средство обеспечения качества материалов и повышения производительности. Поэтому в области химии материалов очевидна значимость измерений ширины линий, межлинейного расстояния, высоты ступеней и шероховатости поверхности, а также калибровки эталонных образцов для контроля ширины и межлинейного расстояния и обеспечения единства и прослеживаемости значений этих геометрических размеров.

II. Обзор развития технологий измерения поверхностей

Форма поверхности оказывает глубокое влияние на свойства материалов, поэтому уже в далёком прошлом было признано важное значение измерений поверхностных параметров. В 1929 году немецкий учёный Шмальц впервые ввёл понятия оценочных параметров и эталонной линии измерения — это стало крупным прорывом в истории исследований шероховатости поверхности и положило начало новой эпохе количественного описания этой характеристики. В 1930‑е годы был создан первый профилометр, предназначенный для измерения шероховатости поверхности непосредственно в производственных условиях. В 1940 году британская компания Taylor‑Hobson разработала прибор для измерения шероховатости поверхности «Тейлор‑Сев». Технологии измерения поверхностных параметров продолжали развиваться: появлялись различные методы контроля поверхности, а также многочисленные приборы, основанные на самых разных принципах измерения.

В соответствии с принципом измерения методы измерения поверхностных характеристик делятся на три основные группы: оптические методы, методы сканирующей микроскопии и контактные методы. Каждый из этих методов обладает своими преимуществами и недостатками. Оптические методы являются бесконтактными, что позволяет избежать повреждений образца при контакте; однако они сталкиваются с такими проблемами, как дифракционный эффект и ограничение разрешения. Методы сканирующей микроскопии обеспечивают наивысшее разрешение — вплоть до атомного уровня — но характеризуются небольшим диапазоном измерений и сложностью эксплуатации. Контактные методы обладают широким вертикальным диапазоном и относятся к числу наиболее широко используемых методов измерения поверхностей, однако могут вызывать определённое повреждение поверхности образца.

III. Основная конструкция и принцип работы ступенчатого измерителя

Измерение ступеней относится к контактным методам измерения поверхностной рельефности и применяется для определения толщины ступеней на материалах. В зависимости от используемого датчика различают три типа: индуктивный, пьезоэлектрический и оптоэлектронный. Каждый из этих датчиков обладает своими преимуществами и недостатками.

Принцип измерения шагового прибора заключается в следующем: зонд мягко скользит по поверхности образца, а мелкие неровности поверхности вызывают его вертикальные колебания. Эти колебания отражают характер рельефа поверхности. Датчик генерирует электрический сигнал, пропорциональный перемещению зонда. После усиления и фильтрации получается усиленный сигнал перемещения зонда, который используется для анализа морфологических характеристик поверхности.

Ступенчатые измерители обладают высокой точностью, широким диапазоном измерений, стабильными результатами и хорошей повторяемостью. Однако у них имеются такие недостатки, как износ зонда и невозможность измерения слишком мелких поверхностных дефектов. Поэтому они не подходят для измерений мягких поверхностей или деталей, требующих высокой точности.

IV. Анализ факторов, влияющих на точность измерений

Основными факторами, влияющими на точность измерений прибора для измерения ступеней, являются:

(1) Направление подготовки образцов. Различие в направлении замачивания влияет на результаты испытаний. Образцы, расположенные тестовой поверхностью вверх, дают более надёжные результаты.

(2) Способ наклеивания ленты. После наклеивания ленты необходимо срезать её край, после чего проводить испытание; таким образом результаты будут более точными.

(3) Контроль загрязнений. Перед проведением испытания поверхность образца необходимо тщательно очистить, чтобы остатки не повлияли на результаты.

V. Анализ распространённых проблем при эксплуатации ступенчатого измерителя

(1) Смещение положения сканирования зонда. Основными причинами являются смещение вследствие столкновения или отсутствие калибровки после замены зонда. Необходимо повторно выполнить калибровку позиционирования с использованием калибровочного образца.

(2) Загрязнение наконечника зонда. На поверхности мягких и податливых материалов к наконечнику могут прилипать частицы материала. Необходимо очистить его с помощью безводного этанола или специальной чистящей пластинки.

(3) Нарушение настройки силы измерения. Чрезмерное воздействие силы на зонд может привести к некорректным измерениям. Необходимо проверить, не застрял ли зонд, и скорректировать параметры измерения силы.

VI. Примеры применения технологии измерения с помощью ступенчатого прибора

Ступенчатый измеритель позволяет точно определять толщину многослойных покрытий на поверхности, обеспечивая эффективный инструмент для оценки качества нанесённого покрытия. В процессе подготовки пьезоэлектрических материалов он также может использоваться для проверки соответствия параметров покрытия установленным требованиям. Всё это подтверждает практическую ценность технологии измерений с помощью ступенчатого измерителя.

VII. Заключение

Ступенчатый профилометр, являясь эффективным средством контактного измерения поверхностной рельефа, обладает широким диапазоном измерений, высокой точностью и практической применимостью, что обеспечивает ему перспективы широкого применения в таких областях, как материаловедение, полупроводниковая промышленность и прецизионное производство. Технологии измерения поверхностей продолжают развиваться и совершенствоваться, а ступенчатые профилометры — двигаться в направлении интеллектуализации и повышения точности.

Полуавтоматический ступенчатый прибор Zeyou Technology JS100A

Компания «Аньхой Цзэюй Технологии» — это научно‑инструментальная фирма, обладающая полностью самостоятельными правами интеллектуальной собственности. С начала 1990‑х годов, когда компания приступила к разработке электронных микроскопов и сопутствующего оборудования, её исследовательская команда неизменно стремится предоставлять высококачественные приборы для нанонаучных исследований. В настоящее время в компании работают… Пико Фемто Серия Система измерений в режиме in situ с использованием ТЭМ 、 Система измерений СЭМ в нативном состоянии 、 Настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM 、 Ступенчатый измеритель серии JS 、 Нано‑пьезо‑столик 、 Станок для переноса двумерных материалов 、 Пробоночная платформа и низкотемпературная система 、 Линейка с датчиком линейного перемещения Ряд продуктовых линеек, включая …, привлекли широкое внимание как на внутреннем, так и на международном рынках, заполнив многочисленные пробелы в отечественной сфере научно‑измерительных приборов.