Měření morfologie

Měření tvaru povrchu a následně vyhodnocení délkových rozměrů je stále nejčastějším požadavkem na měření s vysokým rozlišením. Metody nanometrologie zde nalézají využití v mikroelektronice, optice, biologii, analýze částic a mnoha dalších oborech.

Nejčastějším zařízením pro taková měření je mikroskop atomárních sil (AFM), který nám umožňuje získat data reprezentující morfologii povrchů až s atomárním rozlišením na rozsahu typicky 0,1 x 0,1 mm (ve speciálních zařízeních i podstatně vyšším). Pro měření 3D struktur je možné použít nanoCMM (souřadnicový měřicí stroj). Morfologii je pochopitelně možné měřit i jinými metodami, jako jsou konfokální nebo elektronová mikroskopie, tyto přístupy jsou nicméně z pohledu návaznosti a metrologie obecně zatím méně rozvinuté než zařízení na dotykovém principu, mezi něž můžeme AFM počítat. I v těchto směrech však zaznamenáváme překotný vývoj a v budoucnosti bude zejména elektronová mikroskopie pro účely metrologie stále důležitější.

Hlavním kritériem volby mezi AFM a souřadnicovým strojem je tvar měřené struktury. AFM je možné využít jen pro rovinné struktury, s omezeným rozsahem ve výšce (u komerčních systémů do cca 10 µm).

Data získaná z mikroskopu je možné dále zpracovávat a kromě odměřování rozměrů získat různé informace o tvaru povrchu: drsnost, vlnitost, velikost zrn či částic, rozložení výšek a sklonů, fraktální vlastnosti a podobně.

Z pohledu metrologie je však nutné při takové analýze dat porozumět způsobu, jakým se výsledek generuje, a správně stanovit jeho nejistotu, což nemusí být snadné (např. při fraktální analýze). Zpracování dat z měření morfologie v nano- a mikroměřítku je proto jednou z oblastí výzkumu v oboru nanometrologie. Volně šiřitelný program Gwyddion je jednou z cest, jak provádět zpracování dat způsobem, který by nebyl jen černou skříňkou.

AFM snímek povrchu mikroelektronického prvku

Pro zajištění návaznosti při měření tvaru povrchu je možné využít dvě cesty:

  • kalibrace mikroskopu nebo souřadnicového stroje pomocí vzorků se známými rozměry,
  • využití senzorů s návazností (např. interferometrů) přímo v měřicím zařízení.

Využití kalibračních vzorků umožňuje v kombinaci s komerčními měřicími zařízením dosáhnout přesnosti v řádu desetin procenta, což zdaleka nemusí být dostatečné (i tak je to podstatně lepší než přesnost komerčních zařízení bez kalibrace, která se pohybuje v jednotkách procent). Pro dosažení menší nejistoty se v metrologických institutech upřednostňuje druhý přístup, který ovšem vyžaduje stavbu specializovaných zařízení. Specializované metrologické mikroskopy tak v Evropě najdeme v metrologických institutech ve většině rozvinutých zemí.

Nejistota měření délkových rozměrů v metrologických institutech se pohybuje typicky v jednotkách nanometru, v závislosti na tvaru měřené struktury.

AFM snímek kalibrační mřížky

Na našem oddělení se věnujeme vývoji metod pro statistickou analýzu drsnosti povrchů a vyhodnocení nejistot při tomto typu zpracování AFM dat. Vyvíjíme také mikroskopy pro měření morfologie na velkých plochách a pro měření s velmi nízkou nejistotou, a s tím související nástroje pro zpracování dat a výpočty nejistot.


(c) CMI 2012

Novinky

Zveme vás na Seminář o metodách blízkého pole.

Snímek měsíce


Atomární schodky na Si

Kontakt

Oddělení primární nanometrologie a technické délky
Český metrologický institut
Okružní 31, 638 00 Brno
pklapetek(at)cmi.cz