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16 juillet 2013 |
Oberflächen POLYSURFACES 02/2013 |
Contrôle de la qualité
Visualisierung und Quantifizierung von Strukturen im Nanometerbereich
Ces dernières années, les exigences quant aux propriétés de surface de différents matériaux se sont considérablement accrues. On a développé des systèmes de revêtements extrêmement complexes afin d’obtenir des surfaces résistantes aux rayures, antisalissures, antistatiques, réfléchissantes ou ayant une capacité de stockage.
Zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften der oft ultradünnen Schichten wird die instrumentierte Eindringprüfung eingesetzt, die Kennwerte für Härte oder Elastizität der Schichten liefert. Dazu werden eine präzise Wegmessung im Picometerbereich und eine Krafterzeugung bis hinunter auf wenige Mikronewton benötigt. Um kleinste Strukturen messen zu können, müssen die Proben zudem exakt positioniert werden.
| Bild 1: Messsystem «Picodentor HM500» mit Rasterkraftmikroskop. |
Um weitere Aussagen über die Materialeigenschaften zu erhalten, lässt sich das Messsystem «Picodentor HM500» optional mit einem Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM) aufrüsten (Bild 1). Der programmierbare X-Y-Tisch mit einer Wiederanfahrgenauigkeit <0,5 μm, der aktive Schwingungsdämpfungstisch und die geschlossene Messkammer bieten ideale Voraussetzungen für zusätzliche AFM-Messungen.
Atomic Force Microscopes fasst eine Gruppe von Mikroskopen zusammen, die über eine Messspitze verfügen, welche die Probenoberfläche im Gegensatz zum Lichtmikroskop physisch abtasten. Der dabei verwendete Aufbau nutzt einen «Cantilever» mit einer sehr feinen Siliziumspitze, um Höhenunterschiede zu messen.
| Bild 2: Härtemessung auf BK7-Glas mit einer Maximalkraft von 5 mN. Die verbleibende Eindrucktiefe ist kleiner als 50 nm. |
Die Messfläche wird linienweise abgescannt und die Höheninformation Punkt für Punkt hochgenau erfasst. Die Auflösung in X-Y-Richtung wird dabei von der Verrundung der Messspitze bestimmt und liegt in der Regel in der Grössenordnung von 10 nm.
Die gewonnenen Daten lassen sich unterschiedlich darstellen: Neben der Topographie der Oberfläche, die das Höhenprofil zeigt, bietet das AFM noch die Möglichkeit, eine Reihe anderer Grössen zu messen. So lassen sich neben der hochpräzisen Abstandsmessung aufgrund der kalibrierten Z-Achse (mit einem Grundrauschen <0,05 nm) auch die Phase und insbesondere Eindrucke des Indentors bei kleinsten Maximalkräften ideal darstellen. Auf einer BK7-Glasplatte wurden beispielsweise Messungen mit einer Maximalkraft Fmax = 5 mN durchgeführt (Bild 2). Die gewählte Maximalkraft führt zu einer verbleibenden Eindringtiefe von weniger als 50 nm.
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Bild 3: AFM-Messung (3D-Darstellung) eines Eindrucks mit einer Maximalkraft von 5 mN (Skala Z-Achse: 50 nm).
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Die 3D-Darstellung visualisiert Details, die ohne das AFM nicht mehr sichtbar sind (Bild 3). So kann in bestimmten Fällen eine präzisere Auswertung der Messergebnisse erfolgen.
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