Thiết lập các tiêu chuẩn trong đo lường quang học tại PTB với sự hỗ trợ Kính hiển vi quét laser LEXT™ OLS5100 Olympus

Các kỹ thuật đo lường quang học mới nổi cung cấp một loạt các lợi thế cho ngành công nghiệp và phát triển các tiêu chuẩn để hiệu chuẩn có thể truy nguyên các dụng cụ quang học là một bước quan trọng hướng tới việc áp dụng rộng rãi các công nghệ như kính hiển vi quét laser đồng tiêu.

Các chuyên gia đo lường tại Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) tại Braunschweig, Đức, thảo luận về công việc mới nhất của họ trong việc phát triển các tiêu chuẩn hiệu chuẩn areal (bao gồm các tiêu chuẩn chiều cao nhiều bước, microform và độ nhám thực tế) cho các kỹ thuật hình ảnh 3D như kính hiển vi quang học và lực nguyên tử (AFM). Là một phần của dự án này, kính hiển vi quét laser đồng tiêu Olympus LEXT OLS4000 được sử dụng như một con ngựa thồ, điều tra các tiêu chuẩn được thiết kế và chế tạo và các ứng dụng của chúng, so sánh giá trị danh nghĩa được thiết kế với giá trị thực. Điều này trình bày bước đầu tiên trong việc đưa các tiêu chuẩn này vào lĩnh vực chính thức – hiệu chỉnh một thiết bị quang học cho các kết quả có thể so sánh và theo dõi hoặc xác minh các thuộc tính của nó để đạt được đầu vào cho việc ước tính ngân sách không chắc chắn.

Giới thiệu

Đặc trưng cho tính chất của bề mặt là một nhiệm vụ trung tâm trong toàn ngành và điều quan trọng là kết quả định lượng có thể so sánh với các kết quả khác trên toàn cầu. Điều này được kích hoạt thông qua các thiết bị có thể truy xuất nguồn gốc được hiệu chuẩn với các tiêu chuẩn chất lượng cao, được xây dựng và thực hiện bởi các viện đo lường quốc gia như Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) của Đức một cách độc lập hoặc phối hợp với các tổ chức khác (xem Hộp 1).

Bề mặt đóng một vai trò quan trọng trong các công nghệ hiện đại do hành vi chức năng của chúng đối với môi trường hoặc tiếp xúc với các bề mặt khác. Trong các quy trình chế tạo hiện đại, kỹ thuật đo biên dạng bút stylus được thiết lập không đủ để cung cấp dữ liệu hoặc thông số cần thiết để mô tả các thuộc tính như bề mặt tự làm sạch, bề mặt ma sát thấp hoặc bề mặt đầu xi lanh trong động cơ ô tô. Đây là kỹ thuật đo hai chiều hoặc 3D, chẳng hạn như quét laser đồng tiêu 3D kính hiển vi (CLSM), là bắt buộc. Các công cụ hiện đại như vậy có thể đạt được độ phân giải bên cũng như chiều cao cần thiết thông qua bước sóng ngắn, quang học thích hợp và mức dữ liệu pixel cao, nhanh chóng và không chạm vào bề mặt. Tuy nhiên, để đạt được độ chính xác cao và giá trị ổn định, phải đảm bảo rằng dữ liệu có thể so sánh trên toàn thế giới trong khoảng thời gian dài. Đối với điều này, các tiêu chuẩn đại diện cho một tập hợp các tham số được xác định và mặc dù có nhiều tiêu chuẩn được thiết lập tốt Có sẵn cho các phương pháp truyền thống như bút stylus, đối với các kỹ thuật quang học mới nhất, chúng vẫn chưa hoàn toàn toàn diện. Hiện tại, đối với các dụng cụ quang học chỉ sử dụng tiêu chuẩn độ nhám bề mặt 2D hoặc dựa trên cấu hình và tình hình vẫn còn bỏ ngỏ đối với các tiêu chuẩn thực tế.

Do đó, PTB đang làm việc để thiết lập các tiêu chuẩn thực tế mạnh mẽ và dễ sử dụng để hiệu chuẩn, xác minh hoặc xác nhận các công nghệ đo bề mặt quang học chính. Những điều này rất quan trọng để ngành công nghiệp sử dụng nhiều lợi ích của các kỹ thuật kiểm tra quang học mới như kính hiển vi quét laser đồng tiêu 3D (CLSM), mang lại độ phân giải, tốc độ và hiệu quả được cải thiện. Khi phát triển các tiêu chuẩn mới này, PTB đã chọn Olympus LEXT OLS4000 như một công cụ đo điểm chuẩn, thúc đẩy thế hệ tiếp theo của các kỹ thuật đo lường công nghiệp.

Khám phá công việc này chi tiết hơn, Tiến sĩ Ludger Koenders, Tiến sĩ Rolf Krϋger-Sehm, Dipl.–Ing André Felgner và Dipl. Phys. Thorsten Dziomba từ PTB đã nói chuyện với Giám đốc sản phẩm và Chuyên gia ứng dụng của Olympus cho kính hiển vi khoa học vật liệu, Markus Fabich.

Những người bảo vệ đơn vị- Physikalisch-Technische Bundesanstalt

PTB thực hiện nhiều nhiệm vụ liên quan đến việc xác định các hằng số cơ bản và tự nhiên, bao gồm:

Việc thực hiện, duy trì và phổ biến các đơn vị SI

• Dịch vụ và đo lường trong các lĩnh vực được quy định bởi pháp luật và ngành công nghiệp
• Kỹ thuật an toàn
• Cung cấp thời gian cho Đức với hai đồng hồ nguyên tử cesium
• Nghiên cứu về đồng hồ laser quang học để giảm sự không chắc chắn

Tiến sĩ Ludger Koenders lãnh đạo bộ phận Đo lường bề mặt, được chia thành năm nhóm làm việc. Dipl.-Ing Felgner và Tiến sĩ Krϋger-Sehm (đã nghỉ hưu vào năm 2012) là một phần của nhóm làm việc Đo lường độ nhám 3D, người phát triển và cải tiến các thiết bị đo, quy trình đo lường và tiêu chuẩn hiệu chuẩn được sử dụng trong lĩnh vực đo lường bề mặt cũng như phát triển các hướng dẫn. Dipl. Phys. Thorsten Dziomba là thành viên của nhóm làm việc đo lường đầu dò quét.

Các tiêu chuẩn này (thước đo vật liệu) có thể kiểm tra một loạt các thông số (Hình 1), có thể truy nguyên đến đơn vị chiều dài SI. Tiến sĩ Koenders nhận xét: “Tất cả các sản phẩm cần truy xuất nguồn gốc này để hoạt động đúng, để đảm bảo tất cả hàng hóa được sản xuất tại Đức có thể so sánh với các hàng hóa khác về cả định nghĩa và thông số kỹ thuật”.

Hình 1: Các loại tiêu chuẩn hiệu chuẩn (ví dụ). Cài đặt độ sâu, chiều cao bước, tiêu chuẩn bên và 3D được sử dụng để hiệu chuẩn các trục, trong khi các tiêu chuẩn về độ nhám được sử dụng để xác minh các thuộc tính và khả năng của thiết bị để mô tả đặc tính bề mặt. [1] (A) Tiêu chuẩn cài đặt chiều cao bậc / chiều sâu, (B) Tiêu chuẩn bên, (C) Tiêu chuẩn độ nhám, (D) Tiêu chuẩn 3D

Tiêu chuẩn thực tế dưới ánh đèn

Để phát triển các tiêu chuẩn chất lượng cao mới, PTB vượt ra ngoài giới hạn của các kỹ thuật đo lường quang học, vượt xa các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất của từng thiết bị để có được kiến thức mới. Với cách tiếp cận này, các thành phần chính đóng góp vào kết quả đo và độ không chắc chắn của nó có thể được chỉ định hoặc ước tính theo cách tốt hơn. Như ông Felgner nói, mục đích của PTB là đạt đến giới hạn của các công cụ trong việc xác định mức độ không chắc chắn, trong khi điển hình Các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi một tình huống thực tế hơn với mức độ chịu đựng thoải mái hơn: “Chúng ta luôn phải nhìn kỹ hơn vào hệ thống, hiểu cách thức hoạt động của nó và tại sao.” Nhiều khía cạnh của việc đo các thông số thực bằng phép đo quang học đã được khám phá bằng cách sử dụng Olympus LEXT, bao gồm chiều cao nhiều bước, microform, cách tử chirped, độ nhám thực, độ phân giải bên và biến dạng bên trong trường nhìn.

Độ nhám thực tế: So sánh với AFM

Đánh giá độ nhám bề mặt trên một khu vực là một nhiệm vụ phổ biến trong toàn ngành. Hỗ trợ việc sử dụng rộng rãi đo lường quang học cho nhiệm vụ này, điều quan trọng là phải xem xét một kỹ thuật quang học như CLSM so với các phương pháp khác như thế nào. Do đó, các phép đo quang học được so sánh với các phép đo từ thiết bị kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) tại PTB. AFM này trình bày một hệ thống hiệu chuẩn đáng tin cậy và chính xác để so sánh dữ liệu đo được của CLSM bằng cách sử dụng Olympus LEXT.

Các thông số độ nhám thực tế chính được phân tích trên một bộ tiêu chuẩn độ nhám dựa trên silicon mới được phát triển [1] bao gồm Sa (chiều cao trung bình), Sq (chiều cao bình phương trung bình gốc) và Sz (chiều cao tối đa của bề mặt). Các bộ lọc (λs, λc) không được áp dụng, để so sánh trực tiếp cả hai bộ dữ liệu và chỉ áp dụng hiệu chỉnh độ nghiêng của thứ tự đầu tiên. Dữ liệu được hiển thị trong Hình 2, trong đó có thể quan sát thấy một thỏa thuận tuyệt vời giữa các phép đo độ nhám Olympus LEXT và AFM trên các mẫu đang được phát triển. Giá trị Sa cao hơn một chút đối với CLSM, nhưng cơ sở cho sự khác biệt này vẫn chưa được hiểu đầy đủ về hiệu chuẩn trục dọc và tạo tác hình ảnh. Các biểu đồ cho thấy “fourier trung bình x” (Hình 2C) tương tự như mật độ phổ công suất của thiết bị. Điều này chỉ ra rằng LEXT và AFM đồng ý trên một dải bước sóng không gian dài, ngoại trừ một phạm vi nhỏ ở đầu bên phải, tức là ở một không gian nhỏ bước sóng, trong đó AFM có lợi thế về độ phân giải.

Hình 2: Đặc tính độ nhám bề mặt – so sánh CLSM và AFM. Thí nghiệm này sử dụng tiêu chuẩn độ nhám silicon với các trường tham chiếu được đánh dấu. Sau khi căn chỉnh bên, hai hình ảnh và dữ liệu đã được so sánh. Hình ảnh Olympus LEXT (B) rất phù hợp với hình ảnh AFM (A). C) AFM và LEXT đồng ý trên hầu hết các tần số không gian (>500 nm, tức là 2 μm-1) và AFM phát hiện chi tiết tốt hơn LEXT chỉ ở bước sóng không gian nhỏ hơn.

Xác định chiều cao nhiều bước

Việc hiệu chuẩn thông thường trục thẳng đứng của kính hiển vi 3D sử dụng tiêu chuẩn chiều cao một bước có chiều cao phù hợp. Thêm vào đó, việc sử dụng nhiều chiều cao bậc có thể giúp xác định độ lệch dọc theo trục dọc hoặc trục z, điều này rất quan trọng để đo chính xác các cấu trúc bao gồm phạm vi giá trị chiều cao lớn hơn – như vi dạng hoặc bề mặt rất gồ ghề.

Tiêu chuẩn cho chiều cao nhiều bước đã được thiết kế và sản xuất cả trong phiên bản hiển vi và vĩ mô bởi PTB (Hình 3), và thể hiện sự sắp xếp của một số bước tùy thuộc vào mục tiêu phóng đại để hiệu chỉnh. Ông Felgner cho biết thêm: “Bạn cũng có thể sử dụng tiêu chuẩn chiều cao một bước, tất nhiên, bằng cách đặt nó ở trung tâm của trường nhìn và nâng nó lên nhiều lần bằng các khối đo khác nhau. Tuy nhiên, điều này rất tốn thời gian và không chính xác”.

Hình 3: Các tiêu chuẩn mới của PTB để xác định chiều cao nhiều bước. A) Tiêu chuẩn chiều cao nhiều bước vĩ mô bao gồm nhiều bậc thang chiều cao cho các dụng cụ tầm lớn.

B) Tiêu chuẩn hiển vi cung cấp một số chiều cao bước xác định cho các dụng cụ hiển vi điển hình, cho phép điều tra tuyến tính nhanh chóng và chính xác dọc theo trục dụng cụ thẳng đứng trong thể tích đo.

Độ phân giải bên

Đối với đo lường bề mặt chất lượng cao, nó là một nhằm mục đích để giải quyết các cấu trúc tốt nhất trên bề mặt. Do đó, độ phân giải bên cao là cần thiết, và điều này đặc biệt quan trọng trong các nhiệm vụ sản xuất chính xác và chính xác. Độ phân giải bên quang học thường được xác định dựa trên khả năng phát hiện độ tương phản giữa các vùng đen và trắng của lưới mẫu và sử dụng kỹ thuật này, độ phân giải cường độ bên của LEXT được tìm thấy là 0,23 μm.

Tuy nhiên, độ phân giải bên trong địa hình bề mặt cần được hiểu theo một cách khác: là thuộc tính để chuyển dữ liệu chiều cao vị trí một cách thích hợp mà không bị biến dạng lớn, tức là thỏa thuận đo với cấu hình thực càng tốt, độ trung thực của thiết bị càng cao. Dựa trên cách tiếp cận thứ hai này, tiêu chuẩn được phát triển bởi PTB kiểm tra “độ trung thực của biên dạng ” bằng cách đo nhiều cách tử với khoảng cách hoặc bước sóng khác nhau. Trong khi mỗi rãnh có một Biên độ không đổi 0,4 μm, chúng thay đổi bước sóng, tạo thành tiếng kêu với dải bước sóng từ 91 μm đến 10 μm và từ 12 μm đến 3,7 μm trong hai phần của khu vực. Hình 4 cho thấy, khi bước sóng giảm, khả năng đo biên độ chính xác bị suy giảm. Do đó, khi chúng ta đạt đến giới hạn độ trung thực của cấu hình của thiết bị, nó không còn có thể đo chiều cao một cách chính xác. Định nghĩa chính xác về độ trung thực của biên dạng vẫn còn dưới thảo luận, và có thể được xác định bằng ba phương tiện riêng biệt: trong đó độ chính xác vẫn ở mức 100%, trong đó biên độ đo được giảm xuống 50% hoặc nơi có thể quan sát được đặc điểm chiều cao nhưng không đo được.

Hình 4: Kiểm tra giới hạn độ trung thực của biên dạng/cấu trúc. A) Chất chuẩn có biên độ không đổi (Ao) là 400 nm và thang đo 24 bước sóng từ 91-10 μm trong khu vực chirp thô và 12-3,7 μm trong khu vực chirp mịn. B) Kính hiển vi giao thoa với mục tiêu Mirau 10x cho thấy sự sụp đổ của độ trung thực cấu trúc đối với các yếu tố cấu trúc nhỏ hơn, với độ phân giải bên 7,3 μm sử dụng tiêu chí 50% (đường đứt nét màu đỏ). Ngược lại, ở độ phóng đại 10x, LEXT cung cấp kết quả tốt hơn nhiều. Với 50x hoặc 100x Độ phóng đại nó thậm chí có thể giải quyết hoàn toàn cấu trúc của các cách tử tốt nhất và đo chiều cao một cách chính xác. C) Cấu hình trung bình được đo bằng bút stylus profilometer (màu đen) chỉ cho thấy biên độ đo được giảm nhẹ để có cách tử tốt nhất, trong khi kính hiển vi nhiễu nói trên (màu đỏ) sụp đổ.

Biến dạng bên trong trường nhìn

Đánh giá độ méo bên của các hệ thống hình ảnh quang học cũng rất quan trọng đối với độ chính xác, vì không giống như tính đồng nhất của lưới CCD, ví dụ, lỗi có thể phát sinh từ phi tuyến tính. “So với hệ thống AFM đặc trưng, chúng tôi muốn biết điều gì sẽ xảy ra với hệ thống tỷ lệ của cảm biến CLSM”, ông Felgner nói. Để so sánh độ méo bên trong trường nhìn, một tiêu chuẩn được hình thành từ lưới 2D với khoảng cách 300 nm theo cả hai hướng bên (tức là 3333 chu kỳ trên mm) được hình dung bằng cả CLSM sử dụng Olympus LEXT và AFM (Hình 5). Các vị trí được phát hiện và thậm chí các giá trị sai số khâu của máy in thạch bản chùm tia điện tử (EBL) được sử dụng để tạo ra các tiêu chuẩn này phù hợp khá tốt cho cả hai kỹ thuật đo, cho thấy thang đo tuyến tính có độ chính xác cao trong cảm biến CLSM.

Hình 5: Kiểm tra biến dạng bên – so sánh giữa CLSM và AFM. A) Tiêu chuẩn có các hố khắc tạo thành lưới 2D với khoảng cách 300 nm theo cả hai hướng bên. Thế hệ đầu tiên của tiêu chuẩn cung cấp lỗi khâu*[1], cho phép điều tra hành vi quét của thiết bị. Phân tích được thực hiện của phần được đánh dấu bằng hình chữ nhật màu đỏ. B) Đường cong màu xanh lam: phù hợp parabol thông qua độ lệch được đo bằng LEXT. Màu đỏ: đường biên dạng trung bình cho tất cả các hố liên tiếp (83 hố / hàng trong vòng 25 μm), với các bước nhảy hiển thị lỗi khâu của người viết EBL. C) So sánh LEXT (đường cong màu đen) với AFM (màu đỏ). Trong cả hai trường hợp, độ lệch được tính trung bình trên một số hàng hố. Lỗi khâu được giải quyết gần như bằng nhau bởi LEXT và AFM.

Hướng dẫn thực hành tốt

Công nghiệp hỗ trợ trong việc đảm bảo sử dụng đáng tin cậy đo lường quang học trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau, nó là một thành phần quan trọng của các tiêu chuẩn này để xác định các hướng dẫn thực hành tốt cho các dụng cụ quang học, bao gồm cả kính hiển vi đồng tiêu. Nếu người dùng muốn kiểm tra một bề mặt nhất định, điều quan trọng là phải biết nên sử dụng công cụ nào và cấu hình chính xác của công cụ này, ngoài mức độ không chắc chắn dự kiến.

Trong dự án OptAssyst (www.optassyst.de), một hệ thống dựa trên phần mềm đã được phát triển cùng với các đối tác trong việc hỗ trợ các phép đo thực tế ba chiều của các bề mặt kỹ thuật bằng dụng cụ quang học. Điều này cho phép sử dụng đáng tin cậy kính hiển vi quang học trong công nghiệp. Tiến sĩ Krϋger-Sehm giải thích: “Trong khi nhà sản xuất có một bộ thông số kỹ thuật mong muốn của bề mặt, người vận hành trong phòng thí nghiệm đo lường có kiến thức để nói làm thế nào điều này có thể được đo. Kiến thức này phải được tập hợp lại với nhau – thông số kỹ thuật của bề mặt và kiến thức về dụng cụ – và đây là vai trò của OptAssyst. Hệ thống hướng dẫn người vận hành thông qua một menu để tìm các thông số phù hợp của hệ thống quang học cho nhiệm vụ đo, bao gồm chọn dụng cụ và quang học phù hợp, và các tiêu chuẩn cần thiết để hiệu chuẩn. Phần mềm sau đó hướng dẫn người dùng qua các bước hiệu chuẩn thiết bị khác nhau, cung cấp kết quả của Tính toán độ không đảm bảo cho nhiệm vụ đo lường do hành vi thực tế của thiết bị. Olympus LEXT đang được PTB sử dụng như một kính hiển vi quét laser đồng tiêu đại diện để xác định chất lượng của các tính năng trên các tiêu chuẩn địa hình bề mặt.

Tương lai của đo lường quang học

Tại PTB, Olympus LEXT đã đóng vai trò quan trọng trong việc đưa đo lường quang học vào lĩnh vực chính thức, tạo điều kiện phát triển các tiêu chuẩn đo lường thực tế và, ví dụ, phân tích độ nhám bề mặt so với AFM được thiết lập tốt. Làm việc hướng tới việc tích hợp đo lường quang học trong công nghiệp, hệ thống đã đóng một vai trò trung tâm trong việc điều tra các tiêu chuẩn mới.

“Điều cần thiết là các tiêu chuẩn phải thích ứng với các kỹ thuật mới và ngành công nghiệp cần nhiều tiêu chuẩn hơn cho các dụng cụ quang học”, Tiến sĩ Koenders nói. LEXT cung cấp một phương tiện nhanh chóng và mạnh mẽ để nghiên cứu và mô tả các tiêu chuẩn mới, cho phép người dùng giải thích chính xác kết quả đo. Sự phát triển của các tiêu chuẩn tham chiếu theo cách này là một bước quan trọng hướng tới việc cho phép quy trình công nghiệp được hưởng lợi từ nhiều lợi thế có được thông qua đo lường quang học.

Tham khảo

[1] Frühauf, J., Krüger-Sehm, R., Felgner, A., Dziomba, T., “Tiêu chuẩn độ nhám Areal”, Proc. Hội nghị quốc tế lần thứ 12 của EUSPEN, Tập 1: trang 133 – 136 (2012)
*1 Các ví dụ được hiển thị là để thuận tiện cho độc giả và không cấu thành sự chứng thực của Olympus hoặc PTB, cũng không nhất thiết phải là sản phẩm tốt nhất có sẵn cho mục đích được đề cập.
*2 Thế hệ thứ hai mới hơn không có lỗi khâu cũng như bất kỳ sự không đồng nhất đáng kể nào khác.