Ytdefekter i enheter som växlar eller spakar kan ha katastrofala effekter på tillförlitligheten. Nyligen genomförda studier har visat användbarheten av atomkraftmikroskop (AFM)-instrument som använder små kiselbaserade spetsar för att spåra topografin för alla typer av substrat-för att bestämma ytjämnhet icke-destruktivt. Använda AFM effektivt på industriella arbetsplatser, dock, är inte okomplicerat och kräver ett annat förhållningssätt till mikroskopdesign. Eftersom AFM -spetsens höjd och skanningsmekanismer begränsar mätrörelser till färre än tio mikrometer vertikalt och flera tiotals mikrometer i sidled, de flesta AFM:er kan bara mäta ytorna på extremt små föremål.
Shihua Wang vid A*STAR Singapores National Metrology Center och medarbetare har nu utvecklat en AFM som kan mäta spårstrukturer som är 100 mikrometer djupa, tack vare en självtillverkad, knivskarp spets gjord av diamant. Genom att fästa detta tips till en metrologisk AFM med stort räckvidd (LRM-AFM), forskarna har utvecklat en AFM som kan skanna i millimeterintervall med nanoskalaupplösning.
Wang och hans team var intresserade av att använda AFM:er för att mäta nano- och mikroskala "steg" gjorda av rektangulära spår utskurna i fast kisel. Dessa föremål med djup över 10 mikrometer, vilka är viktiga metrologiska standarder som används för att kalibrera ytprofileringsinstrument, är omöjliga att inspektera med normala AFM. Förutom skannerbegränsningar, den normala konstruktionen av en AFM -sond - där en kort spets sträcker sig från en lång horisontell fribärare - orsakar ofta kollisioner med spårväggar om steget är djupare än spetsens höjd.
För att lösa det här problemet, forskarna använde först en ny katalytisk process för att odla en tunn diamantpelare, över 100 mikrometer lång, från ett plant underlag. De använde sedan en fokuserad jonstråle för att skärpa pelarens ände till en tresidig pyramidformad spets med en radie i storleksordningen tio nanometer - en utmanande procedur, enligt Wang. Till sist, de limmade försiktigt diamantspetsen på en mikrofon i deras nyligen utvecklade LRM-AFM som har skanningsområden i millimeter.
Forskarna avslöjade att deras diamantspets hade en hög mekanisk kvalitet, och kunde lösa ytstrukturer med större upplösning än nanometer. Dessutom, spetsens förlängda längd - mer än tio gånger större än konventionella spetsar - innebar att diamantspetsarna enkelt kunde skanna stegstrukturer från flera nanometer till 100 mikrometer djup. Detta tillvägagångssätt möjliggjorde till och med noggranna mätningar av de svårupptäckta spårens sidoväggar.
När forskarna optimerar skanningsparametrarna för denna nya mikroskopiteknik, de räknar med att detta kan leda till utforskning av nya applikationer inom halvledar- och precisionsteknikindustrin, vilket i sin tur kan hjälpa tillverkarna att uppnå ännu större produktionskonsistens.
