ElEktronika 1/201346

Badania porównawcze chropowatości powierzchni gładkich za pomocą skaterometrii, interferometrii

i mikroskopii sił atomowychdr inż. ROMUALD SYNAK1, mgr inż. MARCIN PAWEŁCZAK1, WŁODZIMIERZ LIPIŃSKI1,

mgr inż. Krzysztof GOCMAN2

1 instytut Maszyn Matematycznych, Warszawa, 2 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Warszawa

Metody pomiaru chropowatości powierzchni oparte na wykorzy-staniu zjawiska rozpraszania światła (skaterometria) są przydatne szczególnie do badania powierzchni gładkich, jakimi charaktery-zują się np. płytki krzemowe, elementy optyczne, nośniki pamię-ci komputerowych, precyzyjne elementy metalowe. Mimo, że w przeciwieństwie do innych metod, np. interferometrii lub mikro-skopii sił atomowych, liczba badanych parametrów powierzchni wynosi co najwyżej kilka lub ogranicza się nawet tylko do pomia-ru średniego kwadratowego odchylenia wysokości nierówności σ, technika ta ma duże zastosowanie i stale się rozwija.

Wyrazem tego jest pojawienie się w ostatnim czasie wielu no-wych metod i przyrządów skaterometrycznych, zwłaszcza prze-nośnych [8,15] lub podręcznych [22, 23], przeznaczonych do kon-troli powierzchni elementów po obróbce gładkościowej lub nawet w trakcie takiej obróbki. Działają one na zasadzie pomiaru natę-żenia promieniowania rozproszonego w wybranej płaszczyźnie (angle-resolved scatter – ARS) [5, 7, 24]. Druga metoda opiera się na pomiarze mocy promienistej całego światła rozproszonego (Total Integrated Scatter – TIS) [16, 24]. Chociaż metoda TIS po-wstała najwcześniej [1] i ma szereg zalet (pomiar promieniowania rozchodzącego się we wszystkich kierunkach, szybkie i proste ob-liczenie parametru σ, itd.), jej zastosowanie w dalszym ciągu ogra-nicza się jednak do prac laboratoryjnych [9, 18] lub zastosowań specjalnych [21]. Do pomiaru mocy rozproszonej są stosowane półkuliste zwierciadła wklęsłe (sfery Coblentza) lub sfery integra-cyjne (kule Ulbrichta) [16, 24], które ze względu na duże rozmiary i wysoką cenę nie nadają się do zastosowania w przyrządach pod-ręcznych. Dlatego aby umożliwić budowę tego rodzaju urządzeń, w Instytucie Maszyn Matematycznych (IMM) opracowano nowy sposób pomiaru światła rozproszonego polegający na użyciu ukła-du z fotodiodą krzemową, która pełni funkcję elementu integru-jącego to promieniowanie. Struktura takiego układu, nazwanego integratorem fotodiodowym oraz wyniki badań jego właściwości metrologicznych zostały opisane w pracy [26]. Porównanie wyni-ków pomiarów chropowatości otrzymanych za pomocą integratora z wynikami pomiarów uzyskiwanych za pomocą sfery integracyj-nej oraz metodą ARS zawarto w pracy [12].

W niniejszym artykule przedstawiono natomiast wyniki badań porównawczych przy wykorzystaniu interferometrii światła białe-go (White Light Interferometry – WLI) i mikroskopii sił atomowych (Atomic Force Microscopy – AFM), gdyż obie metody umożliwia-ją uzyskanie największych dokładności pomiaru chropowatości i dlatego mogą być dobrym odniesieniem do oceny nowego ukła-du pomiarowego. Układy TIS mierzą nierówności na powierzchni materiału badanego określonej wielkością plamki światła padają-cego, a wynikiem pomiaru jest parametr σ. W metodach skanin-gowych mierzona jest wysokość nierówności profilu wzdłuż linii skanowania, a w wyniku kolejnych skanowań można otrzymać obraz topograficzny powierzchni. Nowa norma ISO 25178 wpro-

wadziła definicje parametrów geometrycznych 3D charakteryzu-jących taki obraz [19]. Zmierzenie tych parametrów umożliwiają już najnowsze urządzenia interferometryczne lub mikroskopii sił atomowych. Jednym z nich jest średnia kwadratowa odchyle-nia wysokości nierówności, przy czym parametr ten jest w nor-mie oznaczony symbolem Sq. Oznaczenie to będzie stosowane w dalszej części artykułu, również w odniesieniu do parametru mierzonego za pomocą skaterometrii. Parametr Sq będzie dalej nazywany chropowatością śr. kw. (średnią kwadratową) przez analogię do ang. rms roughness lub chropowatością Sq.

Metodyka badańBadania wykonano przy użyciu próbek materiałów, do oceny któ-rych integrator może być szczególnie przydatny. Wykorzystano zatem następujące rodzaje próbek: płytki krzemowe (podłoża dla układów mikroelektronicznych), zwierciadła optyczne o reflektan-cji >90%, płytki wzorcowe (do odtwarzania wzorca długości), płyt-ki metalowe o dużej gładkości, odporne na zarysowanie i korozję. Podstawowe cechy próbek podano w tab. 1, w której zamieszczo-no również wartości chropowatości śr. kw., zmierzone za pomocą sfery integracyjnej w trakcie poprzednich badań. średnica próbek wynosi 25 lub 50 mm.

Tab. 1. Zestawienie parametrów próbekTabl.1. Summary of sample parameters

nazwa próbek oznaczeniepróbek Materiał obróbka

powierzchniowaChropo- watośćSq [nm]

Płytki krzemowe S Si Polerow. mech. 0,44–1,18

Zwierciadła opt. Z ag, au, al Rozpylanie kat. 0,95–2,24

Płytki wzorcowe W ŁH15 Polerow. ręczne 5,28–6,50

Płytki metalowe M W2C3 spiek. Docieranie 9,70–23,14

Jak wynika z wielu prac, np. [3], rezultaty pomiarów uzyskane za pomocą przyrządów o odmiennych zasadach działania mogą się znacznie różnić. Przyczyną tego może być inne pasmo czę-stotliwości przestrzennych układu pomiarowego, niejednorodno-ści struktury powierzchni i jej defekty, itd. Aby ograniczyć wpływ niejednorodności powierzchni, w międzynarodowych badaniach porównawczych (tzw. round-robin experiments, np. opisanych w pracy [13]) parametry mierzy się dla bardzo dużej liczby punk-tów powierzchni (przeważnie usytuowanych wzdłuż pewnej linii), a wynik ustala na podstawie zaawansowanej analizy statystycz-nej. Badania takie są bardzo czasochłonne i trudne do przepro-wadzenia dla większej liczby próbek. W przypadku, gdy rozmiary pola badanej powierzchni są bardzo zróżnicowane (w AFM pole to może być kilkaset razy mniejsze niż w pozostałych metodach)

ElEktronika 1/2013 47

taka procedura jest nieuzasadniona. Dlatego przyjęto, że pomia-ru będzie dokonywać się dla jednego, dobrze określonego miej-sca, np. na środku próbki. W celu uniknięcia brania do porów-nań próbek, w których występują defekty powierzchni, podczas pomiarów TIS badano wpływ przemieszczenia próbki na wynik pomiaru, a w przypadku pomiaru AFM lub WLI analizowano pod tym względem obraz nierówności powierzchni. Aby ułatwić na-stawienie próbki podczas pomiaru, zostały one zamontowane na precyzyjnie wykonanych podstawkach ułatwiających ich po-wtarzalne pozycjonowanie w uchwycie zestawu pomiarowego do badań skaterometrycznych lub na stolikach pomiarowych innych przyrządów.

Badania skaterometryczne metodą TISPomiar chropowatości powierzchni przy zastosowaniu metody TIS odbywa się w układzie pomiarowym, w którym mierzy się moc promienistą światła odbitego od badanej powierzchni w wyniku skierowania na nią wiązki światła laserowego. W świetle odbitym można wyróżnić wiązkę odbitą zwierciadlanie (rozchodzącą się pod kątem równym kątowi padania) i promieniowanie rozpro-szone przez powierzchnię, rozchodzące się we wszystkich kie-runkach nad płaszczyzną. Stosunek mocy promieniowania roz-proszonego do mocy całkowitego promieniowania odbitego jest nazywany parametrem TIS. Jeżeli powierzchnia jest bardzo gład-ka, TIS jest praktycznie równy stosunkowi mocy promieniowania rozproszonego do mocy wiązki odbitej zwierciadlanie. Znajomość tej wielkości umożliwia obliczenie chropowatości Sq z następują-cego wzoru [16, 24]

gdzie θi – kąt padania światła na powierzchnię, λ – długość fali światła, Ps – moc promieniowania rozproszonego, Pr – moc wiązki odbitej zwierciadlanie.

Powyższa zależność jest słuszna przy spełnieniu warunku, że Sq << λ. Dlatego przyjmuje się często, że np. w przypadku stoso-wania lasera o promieniowaniu czerwonym, zakres mierzonych chropowatości jest ok. 40 nm. Warunkiem, by wyniki pomiarów były poprawne, jest też by przyrząd pomiarowy mierzył całe świat-ło rozproszone, a ponieważ promienie rozproszone rozchodzą się we wszystkich kierunkach nad powierzchnią, oznacza to potrzebę mierzenia promieniowania rozproszonego w zakresie kątów od 0 do 360° w kierunku azymutalnym i od 0 do 90° w kierunku bie-gunowym. Jakkolwiek pierwszy warunek jest łatwy do spełnienia, to nawet niepełne zrealizowanie drugiego wymaga zastosowania specjalnych urządzeń.

Najwcześniej wykorzystano półkuliste zwierciadło wklęsłe Coblentza, a potem również sferę całkującą (kulę Ulbrichta). W pierwszym przypadku wiązka światła pada na powierzchnię badaną przez otwór w zwierciadle, a promienie rozproszone przez nią padają na powierzchnię wewnętrzną zwierciadła i po odbiciu skupiają się na detektorze (fotodiodzie) umieszczonym w ognisku zwierciadła. Promień odbity zwierciadlanie od bada-nej powierzchni przechodzi przez otwór w zwierciadle i pada na inny detektor. Sygnały elektryczne na wyjściu detektorów są pro-porcjonalne do mocy promienistej, co umożliwia łatwe obliczenie chropowatości zgodnie z wyżej podanym wzorem. W układzie ze sferą, wiązka laserowa przechodzi przez otwór w kuli i dalej przez drugi otwór pada na badaną powierzchnię. Promienie rozproszo-ne przez nią odbijają się dyfuzyjnie wielokrotnie od powierzchni wewnętrznej kuli, która jest pokryta materiałem silnie rozpraszają-cym i jednocześnie niepochłaniającym światła. W wyniku tych od-bić światło pada równomiernie na tę powierzchnię. Część mocy jest mierzona za pomocą detektora światła rozproszonego. Wiąz-

TISSqiθ

λcosπ4

≅ ≅ r

s

iP

Pθ

λcosπ4

ka odbita zwierciadlanie przechodzi na zewnątrz kuli przez ten sam otwór, co wiązka padająca lub przez oddzielny otwór i pada na detektor.

średnice zewnętrzne opisanych półkul lub kul stosowanych w skaterometrii wynoszą 150…350 mm. Zarówno jeden jak i dru-gi układ umożliwiają pomiar promieni rozproszonych w zakresie kątów biegunowych od ok. 2° do 70-80°. Wartość dolna zakresu wynika z potrzeby wyprowadzenia promienia odbitego zwierciad-lanie przez otwór w sferze. Zbyt duża jego średnica powoduje, że tracona jest część światła rozproszonego znajdująca się blisko wiązki odbitej zwierciadlanie, przez co może powstawać duży błąd pomiaru, zwłaszcza przy badaniu powierzchni bardzo gład-kich. Duża wartość kąta górnego zakresu zapewnia natomiast pomiar mocy rozproszonej nawet przez powierzchnie o bardzo dużej chropowatości.

Nowym układem do pomiaru chropowatości powierzchni jest integrator fotodiodowy opisany bliżej w pracy [26]. Podstawowym zespołem układu jest fotodioda krzemowa o średnicy 20…40 mm zawierająca otwór, przez który przechodzi wiązka światła lase-rowego do elementu badanego. Promienie rozproszone przez powierzchnię padają na powierzchnię czynną fotodiody wywo-łując powstanie prądu o natężeniu proporcjonalnym do mocy promieniowania rozproszonego. Wiązka odbita zwierciadlanie wraca przez otwór w fotodiodzie i pada na detektor tej wiązki. Parametr Sq oblicza się analogicznie jak w przypadku elementów sferycznych. Z powodu małych średnic zewnętrznych integratora zakres górny kątów obejmujących promieniowanie rozproszone jest mniejszy niż w układach tradycyjnych. Można go zwiększyć przez zbliżenie integratora do próbki, ale wówczas promienie roz-proszone padają pod większym kątem na powierzchnię fotodiody, co powoduje zmniejszenie sygnału pomiarowego. Ponadto przy zbliżeniu integratora zwiększa się wartość dolnego kąta, co może wpłynąć na błąd pomiaru chropowatości. Jak wynika z przepro-wadzonych analiz [25] i eksperymentów [26] można uzyskać od-powiednie warunki pracy układu, przy których dolna granica kąto-wa jest nie większa niż przy stosowaniu elementów sferycznych, a górna mieści się w przedziale 30…40°.

Wyniki badań porównawczych chropowatości powierzchni przy zastosowaniu sfery integracyjnej i integratora fotodiodowegoBadania wykonano przy użyciu modelu integratora fotodiodowe-go oznaczonego symbolem IF 40, którego zewnętrzna średnica obszaru czynnego wynosi 40 mm, a średnica otworu wewnętrz-nego 2 mm. Na poniższym zdjęciu (rys. 1) pokazano integrator umieszczony na uchwycie w zestawie badawczym.

Do porównań wykorzystano kulę Ulbrichta, oznaczoną symbo-lem K 20, o średnicy 200 mm z warstwą rozpraszającą wykonaną z siarczanu baru. Zawiera ona dwa otwory: wejściowy o średnicy 10 mm i wyjściowy o średnicy 12 mm, które są usytuowane na osi kuli. Wartość minimalna zakresu kątowego wynosi 1,43°, a mak-symalna ok. 80°. Do detekcji promieniowania rozproszonego słu-ży fotodioda krzemowa wyposażona w układ wzmacniający. Kula została osadzona na regulowanej podstawie umożliwiającej jej przesuwanie liniowo w dwu kierunkach x i y prostopadłych do osi wiązki światła i obrotowo wokół tych osi. Jej wygląd pokazano na rys. 2, na którym dla porównania zamieszczono zdjęcie modelu integratora fotodiodowego.

Do przeprowadzenia badań wykonano zestaw pomiarowy umożliwiający badanie próbek materiałowych zarówno przy uży-ciu integratora fotodiodowego, jak i kuli integracyjnej. Jest on wyposażony w laser półprzewodnikowy wraz z układem kształ-tującym wiązkę światła, układ światłodzielący wraz z fotodiodami krzemowymi i ich obciążeniem oraz uchwyt próbki. Elementy te

ElEktronika 1/201348

są zamocowane na przesuwnych podstawach umożliwiających również pozycjonowanie w dwu lub więcej kierunkach (np. bada-na próbka oprócz przesuwu w kierunku x lub y może być również obracana lub pochylana). Laser charakteryzuje się następujący-mi parametrami: moc wyjściowa ok. 3 mW, długość fali 635 nm, średnica wiązki 1 mm.

Wyniki pomiarów chropowatości SqNa poniższym wykresie przedstawiono porównanie wyników po-miarów chropowatości próbek uzyskanych za pomocą kuli inte-gracyjnej K 20 i integratora fotodiodowego IF 40. Prosta pokazana na wykresie została poprowadzona pod kątem 45° i odpowiada zatem jednakowym wartościom wyników pomiarów.

Jak wynika z wykresu, uzyskano dobrą zgodność wyników pomiarów wykonanych za pomocą kuli integracyjnej i integratora fotodiodowego dla różnych rodzajów próbek, w całym zakresie rozpatrywanych chropowatości powierzchni. Bardziej dokładne porównanie wyników dla próbek o małych chropowatościach Sq (poniżej 2,5 nm) pokazano na rys. 8 wraz z wynikami uzyskanymi metodą interferencyjną.

Pomiary chropowatości za pomocą interferometru światła białegoUrządzenia interferometryczne stanowią liczną i zróżnicowaną grupę [16], a wśród nich od dawna ma zastosowanie w bada-niach powierzchni interferometria światła białego (WLI). W ostat-nich kilkunastu latach powstały nowe metody pomiaru, z których do najważniejszych należy zaliczyć koherencyjną interferometrię skaningową CSI (coherent scanning interferometry) [11, 14], któ-ra jest stosowana w najnowszych przyrządach pomiarowych. Polega ona na badaniu obrazu prążków interferencyjnych w za-leżności od stopnia koherencji dwu interferujących fal. Jej zmiany dokonuje się przez regulowanie odległości między badaną po-wierzchnią i obiektywem, co umożliwia ustalenie dystansu, przy którym stopień koherencji jest maksymalny i na tej podstawie wy-znaczenie wysokości nierówności powierzchni. Analizy dokonuje się dla wszystkich punktów badanej powierzchni. Zaletą metody jest też duży zakres pomiarowy, wysoka dokładność i krótki czas pomiaru. W przyrządach tego rodzaju stosuje się źródła światła białego (np. LED) oraz interferometry Mirau, Michelsona lub inne. Rejestracji obrazu dokonuje się za pomocą matryc CCD.

Do czołowych urządzeń działających opisaną metodą należą interferometry skaningowe firmy Taylor Hobson o nazwie Talysurf CCI 6000 (najnowszy system ma symbol CCI HD). Ich ważną cechą z punktu widzenia badań porównawczych jest bardzo wy-soka rozdzielczość pomiaru i duża powierzchnia badanej próbki. Dlatego interferometr Talysurf został wybrany do badań porów-nawczych. Zdjęcie głowicy pomiarowej takiego urządzenia jest pokazane na rys. 4.

W przyrządzie zastosowano opatentowany algorytm interfe-rometrii korelacji koherencji CCI (Coherence Correlation Interfe-rometry), pozwalający na znalezienie wartości maksymalnej ob-wiedni i pozycji fazy obrazu interferencyjnego. Metoda zapewnia uzyskanie zarówno wysokiej rozdzielczości, jak i dużej czułości na światło odbite.

Rys. 1. Model integratora fotodiodowego IF 40 umieszczony w ze-spole badawczym; z prawej strony znajduje się pozycjoner próbkiFig. 1. Photodiode integrator model IF 40 mounted in the experimen-tal set with the sample mount on the right

Rys. 2. Kula Ulbrichta K 20 i integrator fotodiodowy IF 40Fig. 2. The Ulbricht sphere and the photodiode integrator IF 40

Rys. 3. Porównanie wyników pomiarów chropowatości próbek uzy-skanych za pomocą kuli integracyjnej K 20 i integratora fotodiodo-wego IF 40 dla zakresu Sq < 25 nmFig.3. Comparison of r.m.s. roughness measurements obtained using the integrating sphere K 20 and the photodiode integrator IF 40 for Sq < 25 nm

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25Sq [nm] K 20

Sq [n

m] I

F 40

płytki krzemowe

zwierciadła

płytki wzorcowepłytki metalowe

ElEktronika 1/2013 49

Zgodnie z informacjami podanymi przez producenta [27] główne cechy interferometrów są następujące: rozdzielczość w osi Z wynosi 0,01 nm i jest stała w zakresie pomiarowym do 10 mm, rozmiary mierzonego pola powierzchni wynoszą od 0,36 × 0,36 mm do 7,0 × 7,0 mm. Liczba punktów pomiarowych jest stała (1024 × 1024 lub 2048 × 2048 w systemie CCI HD) i nie-zależna od powiększenia. Przyrząd może mierzyć powierzchnie o reflektancji od 0,3 do 100%.

Do analizy struktury geometrycznej powierzchni służy opro-gramowanie TalyMap, które umożliwia uzyskanie wyniki analiz parametrów 3D wg projektu normy ISO/DIS 25178 w liczbie ok. 40, parametrów 2D wg normy PN-EN ISO 13565 i innych. Metodyka analizy cech powierzchni z wykorzystaniem pro-gramu TalyMap została opisana w pracy [6], a zastosowanie interferometrii skaningowej do oceny topografii powierzchni w pracy [17].

Wyniki badańPrzedmiotem badań wykonanych na Wydziale Mechanicznym Politechniki Koszalińskiej przy użyciu interferometru Talysurf CCI 6000 były próbki płytek krzemowych, zwierciadeł i płytek wzor-cowych, opisanych w rozdziale dotyczącym metodyki pomiarów. W rezultacie pomiarów uzyskano następujące dane: obrazy pseudo-kolorowe 2D powierzchni, profile chropowatości gładko-ści, wartości parametrów powierzchni wg normy ISO 25178 i pa-rametrów 2D wg normy ISO 4287.

Poniżej przedstawimy tylko niektóre z tych wyników, które są istotne z punktu widzenia porównania różnych metod pomiaru, a mianowicie typowe obrazy powierzchni badanych próbek oraz wyniki pomiarów parametru chropowatości powierzchni Sq. W szczególności pokazano rezultaty dotyczące najgładszych ele-mentów, tzn. płytek krzemowych i zwierciadeł optycznych.

na rysunkach 5 i 6 pokazano obraz 2D powierzchni płytek krze-mowych S1 i S2, których chropowatość Sq mierzona za pomocą kuli Ulbrichta K 20 wynosi odpowiednio ok. 0,79 nm i 0,5 nm,

Rys. 4. Interferometr Talysurf CCI. Fig. 4. Talysurf CCI interferometer

Rys. 6. Obraz powierzchni płytki krzemowej S2 o chropowatości śr. kw. 0,5 nmFig. 6. Surface image of the silicon wafer No. S1 characterized by r.m.s. roughness of 0.5 nm

Rys. 5. Obraz powierzchni płytki krzemowej S1 o chropowatości śr. kw. 0,79 nmFig. 5. Surface image of the silicon wafer No. S1 characterized by r.m.s. roughness of 0.79 nm

a otrzymana za pomocą interferometru odpowiednio 0,704 nm i 0,984 nm. Z obrazu pierwszej płytki wynika, że charakteryzuje się ona dużą jednorodnością powierzchni. W przeciwieństwie do niej druga powierzchnia odznacza się znacznie większymi różni-cami wysokości nierówności powierzchni, co sprzyjało powstaniu większej różnicy między wynikami pomiarów, gdy miejsca pomia-ru na płytce były wzajemnie przesunięte.

Z podobnej przyczyny mogły wystąpić też duże różnice między wynikami pomiaru chropowatości zwierciadła Z1 uzy-skane za pomocą kuli K 20 i interferometru Talysurf CCI 6000, wynoszącymi odpowiednio ok. 1,4 i 0,88 nm, chociaż nie moż-na wykluczyć też wpływu innych czynników, np. opisanych w pracy [17].

Porównanie wyników pomiarów chropowatości płytek krze-mowych i zwierciadeł uzyskanych za pomocą sfery integracyjnej oraz interferometru, a także modelu integratora fotodiodowego IF 30 (różniącego się od modelu IF 40 średnicą wynoszącą 30 mm) pokazano na rys. 8.

Jak można zauważyć, wyniki otrzymane za pomocą integrato-ra różnią się znacznie mniej od wyników pomiarów kuli K 20 niż rezultaty pomiarów interferometru. Potwierdziłoby to wyżej poda-

ElEktronika 1/201350

parametrów 2D wg normy ISO 4287 oraz normy ISO 25178, a spośród nich parametru Sq. Pozwoliło to na utworzenie wy-kresu (rys. 9), pokazującego porównanie wyników pomiarów w zakresie do 25 nm. Obejmuje on wyniki uzyskane w obydwu politechnikach.

Punkty w pobliżu początku wykresu odpowiadają wynikom Sq pokazanym dokładniej na rys. 8, a pozostałe wynikom Sq odno-szącym się do płytki wzorcowej i dwu płytek metalowych. Mimo występujących różnic można stwierdzić zgodność wyników po-miaru również w szerszym zakresie pomiarowym.

Badania powierzchni za pomocą mikroskopu sił atomowychPierwsze mikroskopy sił atomowych (AFM) [2, 20] charaktery-zowały się bezpośrednim stykiem końcówki (ostrza), osadzonej na sprężystej dźwigni (wsporniku – ang. cantilever) z badaną powierzchnią. Pomiędzy atomami na końcu ostrza a atomami powierzchni zachodzą interakcje, a działające na ostrze siły odpychające powodują ugięcie dźwigni, co jest przetwarzane dalej na sygnał odpowiadający wysokości nierówności po-wierzchni. Wkrótce potem pojawiły się urządzenia bezstykowe z dźwignią drgającą z częstotliwością bliską rezonansowej, której ostrze znajduje się w małej odległości (1…10 nm) od powierzchni. Siły działające między powierzchnią i ostrzem takie jak magnetyczne, elektrostatyczne lub przyciągające van der Waalsa powodują zmianę amplitudy, częstotliwości lub fazy drgań, co stanowi informację umożliwiającą oblicze-nie wysokości nierówności. Oprócz opisanych trybów stosuje się też tryb pośredni, w którym następuje przerywany kontakt

Rys. 7. Obraz powierzchni zwierciadła Z1 o chropowatości śr. kw. 1,4 nmFig. 7. Surface image of the silicon wafer No. Z1 characterized by r.m.s. roughness of 1.4 nm

Rys. 8. Porównanie wyników pomiarów chropowatości próbek uzy-skanych za pomocą kuli integracyjnej K 20, integratora fotodiodo-wego IF 30 oraz interferometru Talysurf CCI 6000 (WLI) dla zakresu Sq < 2,5 nmFig. 8. Comparison of r.m.s. roughness measurements obtained using the integrating sphere K 20 and photodiode integrator IF 30 as well the Talysurf CCI 6000 interferometer (WLI), for Sq < 2.5 nm

Rys. 9. Porównanie wyników pomiarów chropowatości próbek uzy-skanych za pomocą kuli integracyjnej K 20, integratora fotodiodowe-go IF 30 oraz interferometrów Talysurf CCI (WLI) zainstalowanych na Politechnice Koszalińskiej (PK) i Politechnice Warszawskiej (PW), dla zakresu Sq < 25 nmFig. 9. Comparison of r.m.s. roughness measurements obtained using the integrating sphere K 20 and photodiode integrator IF 30 as well the Talysurf CCI interferometers (WLI), installed at Koszalin University of Technology (PK) and Warsaw University of Technology (PW), for Sq < 25 nm

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5Sq [nm] K 20

Sq [n

m]

IF 3

0, W

LI

zwierciadła IF 30płytki krzemowe IF 30zwierciadła WLIpłytki krzemowe WLI

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25Sq [nm] K 20

Sq [n

m] I

F 30

, WLI

IF30

WLI PK

WLI PW

ną interpretację tych różnic, gdyż kula i integrator były umieszczo-ne w tym samym stanowisku, co sprzyjało badaniu powierzchni w lepiej określonym miejscu niż w przypadku pomiarów interfero-metrycznych. Niezależnie jednak od zauważonych różnic można stwierdzić, że wyniki pomiarów są ogólnie zgodne. Widać też, że integrator fotodiodowy umożliwia pomiar chropowatości Sq po-wierzchni bardzo gładkich już od wartości 0.5 nm.

Pomiary chropowatości powierzchni metalowych zostały przeprowadzone na interferometrze Talysurf CCI HD w Insty-tucie Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Politechniki War-szawskiej. W rezultacie pomiarów uzyskano następujące dane: obrazy pseudo-kolorowe 2D powierzchni, obrazy 3D, profile chropowatości gładkości, wartości parametrów powierzchni wg

ElEktronika 1/2013 51

waniem sygnału sprzężenia zwrotnego. Rejestrowane są dwa sygnały: A – przedstawia różnicę między amplitudą rezonanso-wą swobodnych drgań A0 a amplitudą drgań w czasie kontaktu ostrza z powierzchnią próbki AC, F – przedstawia analogiczną różnicę między częstotliwościami F0 a FC tych samych rodzajów drgań. Dane wartości mierzonych sygnałów A lub F, odpowiednio aref lub Fref, są utrzymywane na stałym poziomie poprzez sygnał sprzężenia zwrotnego. W zależności od wybranego trybu pracy (sprzężenie zwrotne ustawione na A lub F), otrzymane obrazy topografii powierzchni mają nieco inne znaczenie. Topografia po-wierzchni o właściwościach lepkościowych jest skanowana przy sprzężeniu zwrotnym ustawionym na amplitudę A; topografia powierzchni o właściwościach sprężystych jest skanowana przy sprzężeniu zwrotnym ustawionym na częstotliwość F. Skano-wanie przy sprzężeniu ustawionym na częstotliwość jest szcze-gólnie efektywne w przypadku obrazowania powierzchni silnie zanieczyszczonych.

Oprócz obrazu otrzymywanego poprzez sygnał sprzężenia zwrotnego rejestrowane jest również rzeczywiste ugięcie dźwigni poprzez czujnik optyczny (laser), w wyniku czego otrzymujemy dwa obrazy skanowanej powierzchni (sygnał sprzężenia zwrot-nego oraz optyczny).

Wyniki pomiarówBadania przeprowadzono przy zastosowaniu próbek płytek krze-mowych, zwierciadeł stosowanych w optyce i technice laserowej oraz płytek wzorcowych, scharakteryzowanych bliżej w rozdziale dotyczącym metodyki pomiarów. W wyniku pomiarów uzyskano następujące dane: obrazy 2D i 3D powierzchni, profile chropo-watości oraz wybrane parametry wysokości chropowatości po-wierzchni zmierzone dla określonego pola powierzchni.

obrazy typowych powierzchni badanych próbek przedsta-wiono na poniższych rys. 11a-c. W celu lepszego uwidocznienia struktury powierzchni rozmiary obrazów są mniejsze niż przy da-lej opisanych pomiarach parametru Sq.

Pokazany na rys. 11a obraz płytki krzemowej wskazuje na izo-tropowy charakter powierzchni, jednak badania wykazały duże zmiany tego parametru przy zmianie miejsca pomiaru. Względne zmiany Sq okazały się nawet większe niż dla materiałów metalo-wych. Podobny charakter powierzchni jak płytki krzemowej miały też zwierciadła optyczne. Powierzchnia płytki wzorcowej pokaza-na na rys. 11b ma z kolei widoczną kierunkowość nierówności spowodowaną sposobem obróbki. Charakter powierzchni meta-lowej z widocznymi porami (rys. 11c) związany jest wyraźnie z ro-dzajem materiału, którym jest spiek proszkowy.

Celem badań było głównie uzyskanie wyników chropowa-tości średniej kwadratowej Sq, które miały być porównywane z wynikami otrzymanymi za pomocą metod skaterometrycz-nych, gdzie mierzona powierzchnia ma wymiary kilkadziesiąt razy większe niż w opisywanych tutaj badaniach. Dlatego przyjęto postępowanie, które chociaż częściowo zmniejszało-by przyjęcie do takich porównań wyników odnoszących się do obszarów z defektami powierzchni lub w miejscu mało repre-zentatywnym. Zgodnie z metodyką podaną na początku pracy, pomiary wykonano dla miejsca środkowego próbki po uprzed-nim badaniu powierzchni w jego sąsiedztwie, a następnie wy-konywano pomiar dla kilku lub kilkunastu punktów. Z tego też względu większość pomiarów wykonano przy maksymalnej po-wierzchni pomiarowej (100 x 100 µm). Po odrzuceniu wartości skrajnych, obliczono wartość średnią, która posłużyła do po-równania wyników uzyskanych za pomocą modelu integratora fotodiodowego o symbolu IF 40.

Wyniki pomiarów przedstawiono na wykresie pokazanym na rys. 12.

Rys. 10. Widok ogólny urządzenia Universal Nano & Micro TesterFig. 10. Overall view of the Universal Nano & Micro Tester

ostrza z powierzchnią. Duży wzrost zastosowań mikroskopów sił atomowych do różnorodnych zadań, nie tylko w badaniach naukowych, ale i przemyśle spowodował szybki rozwój i do-skonalenie ich konstrukcji [4].

Do zaawansowanych konstrukcyjnie należy też urządzenie, które zastosowano do pomiarów porównawczych chropowa-tości próbek, o nazwie NanoAnalyser (dalej nazywany nanoali-zatorem) wchodzące w skład zestawu badawczego Universal Nano & Micro Tester (UNMT) wytworzone przez firmę CETR (obecnie Bruker Nano) (USA) i wykorzystywane na Wydziale Me-chanicznym Wojskowej Akademii Technicznej. Jego widok ogólny jest pokazany na rys. 10.

Pracuje ono w warunkach sztywnego kontaktu diamentowe-go ostrza (Berkovicha) z badaną powierzchnią i nie wymaga próżni. Najbardziej charakterystyczną cechą nanoanalizatora jest użycie piezorezonansowej sondy z dźwignią o wysokiej sztywności zginania. Oscylacyjny tryb pracy sondy pozwala na kontrolę oddziaływań pomiędzy ostrzem a powierzchnią prób-ki poprzez rejestrację dwóch parametrów – zmiany amplitudy A i częstotliwości F drgań sondy. Pozwala to na ocenę odpo-wiednio lepkościowych lub sprężystych składowych oddziaływań ostrze-powierzchnia. Nanoanalizator, w zależności od trybu pra-cy i wyposażenia umożliwia badanie parametrów powierzchni i właściwości mechanicznych materiałów (np. twardości i sprę-żystości [10]).

Podstawowe dane nanoanalizatora są następujące: czę-stotliwość drgań dźwigni 14 kHz, obciążenie do 250 mN, zakres przesuwu dźwigni w kier. Z – 10…15 µm, rozdzielczość w kier. Z – poniżej 1 nm, maksymalny obszar skanowania (XY) – ok. 100 × 100 µm, rozdzielczość w kier. X i Y – 2 nm (cyfrowa) i ok. 10 nm rzeczywista, zakres pomiarów twardości – 1…100 GPa, zakres pomiarów modułu Younga – 10…1000 GPa.

Pomiary topografii powierzchni są realizowane poprzez ska-nowanie linia po linii powierzchni próbki z jednoczesnym rejestro-

ElEktronika 1/201352

a)

b)

c)

Biorąc pod uwagę dużą odmienność zasady pomiaru, a tak-że dużą różnicę wielkości pola mierzonych powierzchni, jaka istnieje w obu metodach należy uznać, że zgodność rezulta-tów pomiarów jest duża. Większa rozbieżność wyników (niewi-doczna na powyższym rysunku ze względu na przyjętą skalę) wystąpiła w przypadku powierzchni o chropowatościach Sq poniżej 1…2 nm. W trakcie badań takich powierzchni stwier-dzono dużą zmianę tego parametru w zależności od badanego miejsca, co wskazuje, że niejednorodność wysokości nierówno-ści powierzchni może być główną przyczyną rozrzutu wyników pomiaru.

PodsumowanieGłównym celem opisanych prac było sprawdzenie zgodności wy-ników pomiarów chropowatości powierzchni gładkich uzyskanych za pomocą nowego urządzenia działającego na zasadzie metody TIS, tj. integratora fotodiodowego z wynikami otrzymanymi przy użyciu innej aparatury, a mianowicie układu do pomiaru parame-tru TIS ze sferą integracyjną, interferometru światła białego fir-

Rys. 11. Obrazy 2D i 3D powierzchni a) płytki krzemowej, b) płytki wzorcowej, c) płytki metalowejFig. 11. 2D and 3D images of a) silicon wafer, b) size block and c) metal plate

my Taylor Hobson (USA) oraz mikroskopu sił atomowych firmy Bruker (USA). Badania wykonano przy użyciu próbek powierzch-ni wykonanych z płytek krzemowych, zwierciadeł optycznych i precyzyjnie obrabianych płytek metalowych o chropowatości średniej kwadratowej Sq od 0,5 nm do ok. 25 nm. Na podstawie badań można stwierdzić zgodność wyników pomiaru uzyskanych za pomocą wymienionej wyżej aparatury. Szczególnie jest ona duża w przypadku pomiarów otrzymanych za pomocą integrato-ra i sfery, gdyż ich zasada działania jest taka sama, a ponadto były one zainstalowane we wspólnym zestawie pomiarowym, co zmniejszyło wpływ niejednorodności powierzchni na rezultat pomiaru. Wpływ tego czynnika występuje zwłaszcza przy pomia-rach bardzo małych chropowatości i zaznaczył się on zarówno w badaniach interferometrycznych, jak i wykonanych za pomocą mikroskopu sił atomowych.

Badania wykazują, że integrator fotodiodowy może być alter-natywą dla stosowanych dotąd optycznych elementów sferycz-nych, gdyż zapewnia uzyskanie podobnych wyników pomiaru chropowatości i ma przy tym niewielkie gabaryty. Umożliwia to

ElEktronika 1/2013 53

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25Sq [nm] Nanoanalizator

Sq [n

m] I

F 40

płytki krzemowe

zwierciadłapłytki wzorcowe

płytki metalowe

Rys. 12. Porównanie wyników pomiarów chropowatości próbek uzy-skanych za pomocą nanoanalizatora i integratora fotodiodowego IF 40 dla zakresu σ < 25 nmFig. 12. Comparison of r.m.s. roughness measurements obtained using the nanoanalyser and photodiode integrator IF 40 for σ < 25 nm

budowę podręcznego przyrządu przeznaczonego np. do kontro-li powierzchni po precyzyjnej obróbce gładkościowej. Badania wykazały dobre właściwości pomiarowe integratora w zakresie 0,5…25 nm, a na drodze dalszego udoskonalania jego konstruk-cji można by uzyskać górną granicę pomiaru zbliżoną do wartości 35…40 nm, która jest często uznawana, jako granica stosowal-ności metody TIS przy użyciu źródła światła czerwonego. Laser diodowy emitujący takie światło nadawałby się zaś najlepiej do wskazanych zastosowań integratora.

Autorzy składają serdeczne podziękowania Panu mgr. inż. Ro-bertowi Tomkowskiemu z Wydziału Mechanicznego Politechni-ki Koszalińskiej oraz Pani dr inż. Oldze Iwasińskiej-Kowalskiej z Instytutu Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Politechniki War-szawskiej za wykonanie pomiarów parametrów powierzchni pró-bek materiałowych na interferometrach Talysurf CCI.

Artykuł został opracowany w ramach projektu sfinansowanego ze środków Narodowego Centrum Badań.

Literatura [1] Bennett H. E., Porteus J. O.: Relation between surface rough-

ness and specular reflectance at normal incidence, J. of the Opt. Soc. of Am., Vol. 51, No. 2, 123–129, 1961.

[2] Binnig G., Quate C. F., Gerber Ch.: Atomic force microscope, Phys. Rev. Lett. Vol. 56, No. 9, 930–934,1986.

[3] Böhm J., Jech M., Vorlaufer G., Vellekoop M.: Comparison of parametric and profilometric surface analysis methods on ma-chined surfaces, Proc. of IMechE, Vol. 223, Part J: J. of Eng. Tribology, 799–805, 2009.

[4] Bruker: Revealing surface interactions, functionality, and precise topography for research and industry, http://www.bruker.com/products/surface-analysis, 2012.

[5] Church E. L., Jenkinson A. A, Zavada J. M.: Measurement of the finish of diamond-turned metal surfaces by differential light scat-tering, Opt. Eng., Vol. 16, No. 4, 360–374, 1977.

[6] Cincio R., kacalak W., Łukianowicz C.: System Talysurf CCI 6000 – metodyka analizy cech powierzchni z wykorzystaniem TalyMap Platinium, PAK, R. 54, nr 4, 187–191, 2008.

[7] Duparré A.: Light scattering techniques for the inspection of mi-crocomponents and microstructures (w:) Optical Inspection of Microsystems, W. Osten (ed.), CRC Press, New York, 103–119, 2006.

[8] Finck, von A., Hauptvogel A., Duparré A.: Instrument for close-to-process light scatter measurements of thin film coatings and substrates, Appl. Opt. 50, C321-C328, 2011.

[9] Gliech, S., Steinert, J., Duparré, A.: Light-scattering measure-ments of optical thin-film components at 157 and 193 nm, Appl. Opt. Vol 41, No 16, 3224–3235, (2002).

[10] Gocman K., Kałdoński T., Mróz W., Burdyńska S., Prokopiuk A.: Structural and mechanical properties of boron nitride thin films deposited on substrates by pulsed laser deposition, J. of KONES Pow. a. Tr., Vol. 18, No. 1, 150–156, 2011.

[11] Groot, de P.: Coherence scanning interferometry, (w): Optical Measurement of Surface Topography, R. Leach (ed.), Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 201–322, 2011.

[12] Jaglarz, J., Kapłonek, W., Lipiński W., Pawełczak M., Synak R.: Badania porównawcze parametrów powierzchni gładkich meto-dami rozpraszania światła, Elektronika, nr 12, 2012.

[13] Kadhoda, P. et al.: International round-robin experiment to test the I international Organization for Standarization total-scattering draft standard, Appl. Opt. vol. 9, No.19, 3321-3332, 2000.

[14] Kaplonek W., Lukianowicz Cz.: Coherence correlation interfer-ometry in surface topography measurements, (w): Recent Inter-ferometry Applications in Topography and Astronomy, I. Padron (ed.), In Tech, 1–26, 2012.

[15] Lambda Research: ScatterScope 3D, http://www.lambdares.com/software products/scatterscope3D/, (2012).

[16] Łukianowicz Cz.: Podstawy pomiarów nierówności powierzchni metodami rozpraszania światła. Wydawnictwo Uczelniane Po-litechniki Koszalińskiej, Koszalin, 2001.

[17] Łukianowicz, C.: Zastosowanie skaningowej interferometrii w świetle białym do oceny topografii powierzchni, PAk, R. 56, nr 9, 1055–1058, 2010.

[18] nasibov H., Mamedbeili I., riza D., Hacizade F.: High-precision measurements of reflectance, transmittance, and scattering at 632,8 nm, Proc. SPIE 8433, 843313, 2012.

[19] Polska Norma: Specyfikacje geometrii wyrobów – Struktura ge-ometryczna powierzchni: Przestrzenna – Część 6: Klasyfikacja metod pomiaru struktury geometrycznej powierzchni, PN-EN ISO 25178-6, 2010.

[20] Rugar D., Hansma P.: Atomic Force Microscopy, Phys.Today, Vol. 43, No. 10, 23–30, 1990.

[21] Schmitt: http://www.schmitt-ind.com/products-services-measure-ment-systems.shtml, 2012.

[22] Schröder S., Trost M., Herfurth T., von Finck A., Duparré A.: So-phisticated light scattering techniques from the UV to IR regions, Proc. SPIE 8495, 84950V, 2012.

[23] Seewig J., Beichart G., Brodmann R., Bodschwinna H., Wen-del M.: Extraction of shape and roughness using scattering light, Proc. SPIE 7389, 73890N, 2009.

[24] Stover J.C.: Optical Scattering. Measurement and Analysis. 3 rd. ed., SPIE Press, Bellingham, WA, 2012.

[25] Synak R.: Analysis and optimization of a total integrating scatter measuring unit based on a photodiode integrator, Opt. Eng., Vol. 51, No. 11, 113601, 2012.

[26] Synak R., Lipinski W, Pawelczak M.: Roughness evaluation of very smooth surfaces using a novel method of scatter measure-ment, Proc. SPIE 8495, 849512, 2012.

[27] Taylor Hobson: Talysurf CCI 6000. The world’s highest resolution automated optical 3D profiler, http://www.taylor-hobson.com, 2010.