Поверхностные характеристики являются основным объектом исследований в таких областях, как материаловедение и химия, и играют ключевую роль при оценке соответствующих материалов, анализе их свойств и совершенствовании технологических условий обработки. Измерение высоты ступеней на поверхности занимает важное место в материаловедении. С одной стороны, с помощью определения высоты ступеней методы поверхностного анализа позволяют установить микрорельеф; с другой — в таких отраслях промышленности, как производство полупроводников, решается множество задач, связанных с измерением высоты ступеней. Будучи ключевым параметром, точное и оперативное определение и контроль различных геометрических характеристик ступеней тонких пленок служит важным средством обеспечения качества материалов и повышения производительности. Поэтому в области материаловедения и химии измерение ширины линий, межлинейного расстояния, высоты ступеней и шероховатости поверхности, а также калибровка эталонных образцов для контроля ширины и межлинейного расстояния, равно как обеспечение единства и прослеживаемости значений этих геометрических размеров, имеют исключительно большое значение.

I. Обзор развития технологий измерения поверхностных параметров

Форма поверхности оказывает глубокое влияние на свойства материалов; ещё в 1929 году немецкий учёный Г. Шмальц впервые оценил высоту микронеровностей поверхности и ввёл понятия оценочных параметров Hmax и базовой линии измерения, что ознаменовало важный этап в развитии исследований шероховатости поверхностей. Впоследствии американский учёный Э. Дж. Эбботт в 1936 году успешно разработал профилометр для промышленного измерения шероховатости поверхностей, а британская компания Taylor‑Hobson в 1940 году создала прибор для измерения шероховатости поверхностей «TALYSURF», что ещё более способствовало дальнейшему развитию этой области.

По мере повышения требований к качеству поверхностей технологии измерения поверхностей непрерывно развиваются под воздействием микроэлектроники, оптики, сенсорных технологий, обработки сигналов и компьютерных технологий. Оптический метод измерения Неконтактное измерение поверхности позволяет преодолеть недостатки контактных методов, однако по‑прежнему ограничено эффектами дифракции и поперечным разрешением системы. Сканирующая микроскопия Обладает наивысшим уровнем горизонтального и вертикального разрешения, подходит для материалов на атомном или наноразмерном уровне, однако требует сложной эксплуатации и имеет ограниченный диапазон применения. Контактный метод измерения Является одним из наиболее широко применяемых методов, обладает большим вертикальным диапазоном и высоким вертикальным разрешением; в основном используется для измерения шероховатости поверхности, рябизны и погрешностей формы.

В частности, ступенчатый измеритель, будучи контактным измерительным прибором, широко применяется для исследования металлических и неметаллических поверхностей. Несмотря на необходимость контакта с исследуемой поверхностью и некоторое её повреждение, этот прибор отличается простотой эксплуатации и обеспечивает стабильные, надёжные результаты измерений, что делает его пригодным для использования в производстве, изготовлении, обработке, а также в исследованиях износа, трения и смазки. В целом, по мере развития науки и технологий в области измерения поверхностей появляется всё больше различных методов, которые служат эффективным инструментом повышения качества материалов и производственной эффективности.

II. Основная конструкция и принцип работы ступенчатого измерителя

Измерение ступеней — это новое направление в области измерения поверхностной топографии; оно особенно подходит для регулярных поверхностей с одномерной структурой, где образцы чаще всего выполнены из различных материалов и обладают низкой твёрдостью, обеспечивает широкий диапазон измерений и требует сравнительно небольшого измерительного усилия.

Ступенчатый измеритель, будучи контактным прибором для измерения рельефа поверхности, применяется главным образом для определения толщины ступеней на материалах. В зависимости от типа используемого датчика контактное измерение ступеней подразделяется на индуктивное, пьезоэлектрическое и оптоэлектронное. Индуктивный метод обеспечивает высокую точность и соотношение сигнал/шум благодаря использованию индуктивного датчика перемещения, однако его электронная обработка более сложна; пьезоэлектрический метод в качестве чувствительного элемента перемещения применяет пьезокристалл — конструкция при этом проста, но низкочастотная характеристика у него хуже, а также он подвержен влиянию утечек тока; оптоэлектронный метод, основанный на регистрации перемещения с помощью оптоэлектронных компонентов, обладает высокой чувствительностью.

Принцип измерения, показанный на рис. 1, заключается в том, что при скольжении контактного иглы по поверхности фиксируются малые изменения её профиля. Электрический сигнал, выдаваемый датчиком, после обработки преобразуется в медленно меняющийся сигнал, пропорциональный перемещению контактной иглы; затем с помощью фильтрации удаляются шумы и помехи.

Рис. 1 Схема принципа устройства ступенчатого измерителя

Несмотря на то что ступенчатый профилометр обладает высокой точностью измерений, широким диапазоном и стабильной надёжностью, что позволяет использовать его в качестве эталона для сопоставления с другими методами измерения рельефа, у него имеются и некоторые трудно преодолимые недостатки. К ним относятся деформация и износ измерительного наконечника вследствие контакта с измеряемым образцом, что приводит к снижению точности измерений; повышенная твёрдость наконечника делает его малопригодным для измерений на прецизионных деталях и мягких поверхностях; а также определённые ограничения конструкции наконечника — например, если радиус кривизны головки наконечника превышает размер микроскопических впадин на измеряемой поверхности, это может вызывать систематическую погрешность измерений.

III. Факторы влияния

(1) Направление замачивания образца

При проведении испытаний образцов необходимо обеспечить, чтобы после травления поверхность для измерения была обращена вверх; при этом базовая плоскость изображения ступенчатого профилометра должна быть горизонтальной, что позволяет сохранить чистоту покрытия после травления и добиться его параллельности с линией базовой плоскости, обеспечивая тем самым высокое качество измерения ступени. В таких условиях наблюдается хорошая параллельность данных измерений, небольшие отклонения и высокая воспроизводимость. Напротив, если образец травится поверхностью, обращённой вниз, это может привести к различиям в результатах испытаний. Следует отметить, что при измерении толщины ступенчатый профилометр обычно требует подготовки образца в виде тонкой плёнки, что позволяет получить результаты измерения толщины в соответствующих точках.

(2) Способ наклеивания ленты

Перед проведением испытаний образцов способ нанесения клейкой ленты существенно влияет на результаты. Прямое наклеивание ленты на образец с последующим травлением может привести к значительным отклонениям в результатах, высокой вариабельности данных и низкой воспроизводимости, что делает тестирование неэффективным. Напротив, метод, при котором после наклеивания ленты сначала удаляется часть её поверхности, а затем осуществляется травление, позволяет уменьшить отклонения в результатах, снизить колебания данных, повысить воспроизводимость и добиться более удовлетворительных результатов. Поэтому при нанесении клейкой ленты целесообразно с помощью лезвия снять верхний слой по краям ленты, после чего проводить травление; это способствует повышению точности испытаний.

(3) Влияние примесей

Практика показывает, что при очистке образца спиртом необходимо добиваться его полной чистоты. Остатки загрязнений на образце, особенно вдоль краёв клейкой ленты, могут повлиять на точность измерений. Поэтому перед проведением испытаний следует принять меры по предотвращению загрязнения, чтобы обеспечить достоверность результатов тестирования.

IV. Анализ распространённых проблем

(1) Проблема с положением сканирования зонда

При работе с шаговым измерителем одной из распространённых проблем является несовпадение фактического положения сканирования зонда с заданным; это проиллюстрировано на рис. 2. Такое отклонение может быть вызвано неправильными операциями, например столкновением зонда с исследуемым образцом или отсутствием коррекции положения после замены зонда. Решение заключается в калибровке положения зонда с помощью эталонного образца: необходимо выполнить сканирование в заданном направлении, сравнить полученные изображения и при необходимости внести соответствующие корректировки в программное обеспечение, чтобы обеспечить точное позиционирование зонда.

Рис. 2 Смещение положения сканирования зонда

Рис. 3 Коррекция положения зонда

(2) Проблема загрязнения наконечника зонда

Во время эксплуатации наконечник зонда может загрязняться примесями при измерении мягких поверхностей, что приводит к несоответствию сканируемого изображения реальной форме ступеней и может вызвать ошибочную интерпретацию структуры материала. Эту проблему можно устранить путём очистки наконечника зонда: для этого используют безводный этанол и ватные тампоны либо специальные чистящие образцы и процедуры; после очистки следует проверить характеристики зонда с помощью калибровочного образца.

Рис. 4 Влияние загрязнения зонда

(3) Проблема измерения силы

Проблема измерения силы — ещё одна распространённая неисправность, проявляющаяся обычно в том, что зонд не опускается или опускается крайне медленно. Это может быть вызвано чрезмерным усилием на зонд, вследствие чего сканирующий микроскоп ошибочно считает, что он уже контактирует с образцом. Решение заключается в проверке того, находится ли зонд в свободном состоянии; после приведения его в это состояние следует выполнить настройку силы. Обратите внимание: устройство для измерения силы работает на уровне миллиграммов, поэтому регулировку необходимо проводить осторожно, чтобы избежать повреждений. Кроме того, следует исключить столкновение зонда с образцом или другими объектами, которое может привести к нежелательным проблемам при измерении силы.

V. Примеры применения

Ступенчатый прибор — это широко применяемый в области поверхностных технологий метод измерения, который ценится за стабильность и точность результатов, низкие требования к условиям измерений и простоту эксплуатации. Он подходит не только для металлических, но и для неметаллических поверхностей, является международно признанным стандартным методом двумерного измерения шероховатости поверхности и поэтому находит всё более широкое применение в промышленности.

Например, технологии поверхностного покрытия играют важную роль в современной инженерии поверхностей и являются ключевым этапом для модификации функциональных свойств материалов. При этом измерение толщины поверхностного покрытия является одним из ключевых параметров. Среди методов определения толщины покрытий особое внимание привлекает ступенчатый профилометр. В исследовании Чжу Сяопина и соавторов с помощью ступенчатого профилометра была проведена глубокая оценка толщины многослойных покрытий на поверхности различных материалов. На рис. 5 наглядно представлены значения толщины пленок в разных точках поверхности различных материалов, что подчеркивает выдающиеся преимущества ступенчатого профилометра в измерении толщины поверхностных пленок. Это дополнительно подтверждает значимую роль ступенчатого профилометра в подобных задачах по анализу поверхностей.

Рис. 5 Толщина различных участков из разных материалов

Пример 2: Гибкая пьезоэлектрическая технология сбора энергии играет ключевую роль в системах самопитания микроэлектромеханических систем; в частности, гибкие пьезоэлектрические преобразователи благодаря широкому спектру применяемых материалов, высокой эффективности преобразования энергии и способности улавливать энергию биологических тканей и органов нашли широкое использование в энергетике, биологии и медицине. В последние годы развитие технологии контролируемого отслаивания (CST) привлекло значительное внимание; эта технология использует напряжения, возникающие в электролитическом покрытии, для отделения подложечного материала или других материалов, прикреплённых к нему, и обладает такими преимуществами, как низкая стоимость, возможность работы при комнатной температуре и совместимость с различными материалами.

В исследовании Гао Сяня и соавторов путём введения фосфорных ионов в электролит никелевого гальванического покрытия в различных массовых концентрациях была изучена их совместная зависимость от свойств гальванического слоя, а также влияние плотности тока. С использованием контактного ступенчатого профилометра для измерения толщины покрытия, анализа его состава и определения атомной доли фосфора в покрытии были детально исследованы эффекты различных условий. На рис. 6 показана полученная в итоге толщина кремниевой плёнки, составляющая около 20 мкм; это предоставляет ценную исходную информацию для более широкого применения технологии CST на таких материалах, как монокристаллы, поликристаллы и сплавы, что обладает важным исследовательским значением и научной ценностью.

Рис. 6 Измерение толщины кремниевой плёнки с помощью ступенчатого прибора

Справка:

[1] Чжу Сяопин, Ду Хуа, Ван Кай и др. Исследование по разработке и применению стандартов толщины многослойных покрытий на одной матрице, Журнал метрологии. 2017, 38(6), с. 39–42.

[2] Гао Сян, Ши Шучжэн, Чжан Цзин и др. Гальваническое никель‑фосфорное покрытие и его применение при отслаивании тонких пленок, Микро‑ и наноэлектронные технологии. 2017, 55(7), с. 515–520.

Ступенчатый прибор ZEPTOOLS

Вот и всё. Цзэюй Технологии Каковы основные принципы работы, виды и особенности предлагаемого вами ступенчатого измерителя? Подробнее Настольный сканирующий электронный микроскоп 、 Система in situ‑измерений TEM 、 Система in situ‑тестирования SEM 、 Ступенчатый прибор 、 Нано‑пьезо‑столик За подробностями обращайтесь по телефону 15756003283 (номер в WeChat — тот же).