Messung der Schichtdicke mit einem Mikroskop

Der Metrologiezweig des japanischen Kameragiganten Nikon, der optische Instrumente einschließlich industrieller Messmikroskope herstellt, hat seiner NIS-Elements-Bildgebungsplattform ein neues Softwaremodul für die Schichtdicke hinzugefügt, um die Inspektion, Analyse und Berichterstellung von Querschnittsschichttiefen und Oberflächen zu optimieren Funktionsbreiten. Die Option beschleunigt nicht nur die Qualitätskontrolle durch die Halbautomatisierung verschiedener Funktionen, sie verbessert auch die Zuverlässigkeit, indem sie das Risiko menschlicher Fehler bei der Merkmalserkennung, der Interpretation der Ergebnisse und der numerischen Berechnung verringert. Anwendungen für die Software finden sich in Industrie und Wissenschaft, von der Fertigung und Materialforschung bis hin zu Medizin und Mineralogie.

Beispiele, die die Wichtigkeit einer genauen Dickenmessung veranschaulichen, sind in der Massenproduktion weit verbreitet. In der Automobilindustrie kann zu wenig Lack auf einer Karosserie zu kostspieligen Gewährleistungsansprüchen führen, während zu viel Millionen von Dollar pro Jahr verschwenden kann. Das gleiche Prinzip gilt in der Lebensmittelindustrie für die relativ teure EVOH-Barriere, die auf Kunststoffverpackungen aufgebracht wird, um Sauerstoffundurchlässigkeit zur Verlängerung der Haltbarkeit verderblicher Produkte bereitzustellen. Ebenso muss die Breite von Leiterbahnen auf Leiterplatten genau kontrolliert werden, um eine übermäßige Verwendung von Kupfer zu vermeiden.

Andere Anwendungen, bei denen die Schichtdickenmessung wichtig ist, umfassen die Entkohlungsanalyse in Stahl und anderen Metallen, die thermische Spritz- oder chemische Abscheidungsanalyse und die Überprüfung der Haftung oder des Oberflächenverschleißes.

NIS-Elements von Nikon Metrology ist eine integrierte Software-Bildgebungsplattform, mit der digitale Bilder von einem aufrechten oder inversen optischen Mikroskop – oder gelegentlich von einem Rasterelektronenmikroskop – untersucht werden können, damit entscheidende Merkmale mit hoher Präzision analysiert werden können. Bilder können entweder live sein oder mit einer hochauflösenden Kamera digital gespeichert werden.

Am wichtigsten ist jedoch die Qualität der Optik, mit der das Bild überhaupt erfasst wird. Dies ist eine Kernkompetenz von Nikon, das insbesondere der einzige Mikroskophersteller ist, der sein eigenes Glas herstellt, anstatt sich auf Drittanbieter zu verlassen.

Vier Modi der halbautomatischen Auswertung

Bisher musste die Messung einer Schicht in einem Bild innerhalb der NIS-Elements-Software ein vollständig manueller Prozess sein, und diese Funktionalität bleibt erhalten. Dabei definiert der Bediener die Schichtgrenzen, wählt gleichmäßig verteilte Punkte über die Probe aus, nimmt Dickenmessungen an diesen Stellen vor, zeichnet die Werte auf und berechnet die mittlere Dicke.

Die Layer Thickness-Software konsolidiert diese manuellen Werkzeuge in einem praktischen Modul, um die Option eines halbautomatischen Arbeitsablaufs bereitzustellen. Es verwendet Verarbeitungstechniken, die auf Bildeigenschaften wie Kontrast basieren, um viele Messfunktionen zu automatisieren. Es ist ideal für die Analyse von Bildern, die durch episkopisches (reflektiertes) Licht von einer nicht transparenten Probe erzeugt werden, die mit einem chirurgischen Skalpell oder vielleicht mit einer Säge oder einem Drahterodieren quergeschnitten wurde. Es ist gleichermaßen auf die Analyse eines Bildes anwendbar, das durch diaskopische (Durchlicht-) Beleuchtung durch eine extrem dünne, durchscheinende Materialscheibe aus einem Mikrotom erzeugt wird.

Die Software verfügt über verschiedene Modi zur Unterstützung bei der Messung linearer, kreisförmiger und amorpher Schichten (oder Spuren), während ein vierter Modus den Calotest unterstützt, der die Beschichtungsdicke misst, indem kreisförmige Schichten analysiert werden, die durch eine Schleifkugel freigelegt werden, die sich gegen die zu untersuchende Oberfläche dreht.

Nutzungsmethode

Nachdem ein digitales Bild in NIS-Elements aufgenommen wurde, wird es entweder automatisch bei Mikroskopen mit motorisiertem Objektivrevolver oder manuell kalibriert. Wenn das Bild live ist, wird es durch Klicken auf das entsprechende Mikroskopobjektiv in einer Dropdown-Liste kalibriert. Durch Auswahl von „Ebenen messen“ in der oberen Menüleiste werden die vier Betriebsmodi angezeigt.

Wenn die Option „Linear“ ausgewählt ist, ist ein Begradigungswerkzeug verfügbar, um die Ebene horizontal auszurichten. Es werden fünf gleich beabstandete vertikale Vektoren erzeugt, bei denen Messungen automatisch durchgeführt werden, obwohl die Anzahl der Intervalle vom Bediener geändert werden kann, oder die Messung kann kontinuierlich sein. Im „Binary Editor“-Bereich der Anwendung ermöglicht ein „Autodetect“-Tool dem Bediener, eine Schicht auszuwählen und ihre Grenzen zu definieren. Ein Schwellwertbefehl kann angewendet werden, um bei der Unterscheidung einer Ebene nach Pixelintensität oder -farbe zu helfen.

Der Bediener kann das Vorhandensein von Einschlüssen in der Probe ignorieren und die Schicht von oben nach unten messen, was für die meisten Anwendungen die beste Wahl ist. Andere Optionen ermöglichen die Messung des Abstands zwischen einer Begrenzung und dem ersten zu messenden Loch oder Spalt oder den maximalen Abstand zwischen Löchern oder Spalten. Die Analyse erfolgt von der linken zur rechten Seite des Bildes und von oben nach unten.

Vor der Messung ist es oft notwendig, Grenzen zu setzen, damit die Software nur zwischen zwei vertikal gezogenen Linien schaut, wodurch nicht repräsentative Bereiche der Ebene ausgeschlossen werden können. In ähnlicher Weise können solche Problembereiche wie signifikante Projektionen über oder unter der Schichtgrenze aus dem Bild entfernt und die Linien folglich geglättet werden, indem verschiedene Binärwerkzeuge unter dem Befehl „Zeichnen“ ausgewählt und die Anomalien ausgefüllt werden.

Die Ergebnisse in Millimetern oder Mikrometern geben die Gesamtschichtlänge gemessen über den ausgewählten ROI (Region of Interest), die minimale, maximale und mittlere Dicke sowie die Standardabweichung an und werden alle automatisch berechnet und die Werte erscheinen unter dem Bild. Die Multiplikation der gemessenen Länge mit der mittleren Breite ergibt einen Flächenwert. Der Vorgang wird für aufeinanderfolgende Schichten wiederholt, von denen jede vom Bediener benannt und automatisch mit der Farbe Grün, Blau usw. auf dem Bild und im Schichtmessungsfeld versehen wird. Der Benutzer kann alle Standard-Layerfarben nach Belieben neu zuweisen.

Wenn das digitale Bild eine kreisförmige Schicht enthält, wären vertikale Vektoren nicht geeignet, da sie die Schicht in schrägen Winkeln messen würden. Durch Auswahl der Option „Kreisförmig“ kann der Bediener einfach einen Bogen um das Merkmal ziehen und dann die Ebene konsolidieren und einfärben. Eine voreingestellte Anzahl von radialen Vektorlinien in Winkelschritten senkrecht zur Schicht erscheint an jedem Punkt automatisch auf dem Bildschirm und definiert, wo Messungen stattfinden.

In Fällen, in denen das Bild eine Schicht mit amorpher, unregelmäßiger Form zeigt, ist die Option „Allgemein“ verfügbar. 'Polylinie definieren' wird ausgewählt, damit ein Pfad um die Ebene gezeichnet werden kann, wonach sie konsolidiert und koloriert wird, Vektoren senkrecht zum Pfad automatisch wie bei einer kreisförmigen Ebene angewendet und Messungen auf ähnliche Weise vorgenommen werden.

Informationen zu den Messungen können automatisch als Schichtdickenprotokoll in Form eines PDF exportiert werden, das die farbigen Schichten und alle Daten zeigt. Alternativ kann der Bericht nach Excel exportiert werden. Es kann entweder eine standardmäßige Standardvorlage oder eine vom Kunden definierte benutzerdefinierte Vorlage mit Ergebnissen gefüllt werden.

Schlussfolgerung

Mit dem Softwaremodul Schichtdicke von Nikon erhält man schneller umfassende Informationen über eine Probe, als wenn ein Bediener alle Messungen von Hand durchführt. Laut Anwendung könnte der verbesserte Arbeitsablauf bei einer gegebenen Menge an erfassten und analysierten Daten zu einer Steigerung der Inspektionsproduktivität um das bis zu Fünffache führen. Messungen können einfach und schnell über eine Gruppe von Bildern gemittelt werden, die derselben Probe oder einem Probenstapel zugeordnet sind. Darüber hinaus ist der Prozess genauer und wiederholbarer, unabhängig davon, wie viele verschiedene Bediener die Ausrüstung verwenden, und die Verringerung der menschlichen Interpretation verringert das Risiko von Fehlern, die die Qualitätskontrolle beeinträchtigen könnten.

Dieser Artikel wurde von Meghan E. Meinert, Assistant Marketing Manager, The Americas, Nikon Metrology, Inc. (Brighton, MI) verfasst. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Frau Meinert unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! JavaScript muss aktiviert werden, damit sie angezeigt werden kann. oder besuchen Sie hier .