Diamanter er en sondes bedste ven

Overfladedefekter i enheder såsom gear eller håndtag kan have katastrofale virkninger på pålideligheden. Nylige undersøgelser har demonstreret anvendeligheden af ​​atomic force microscopes (AFM'er) - instrumenter, der bruger små siliciumbaserede spidser til at spore topografien af ​​alle slags substrater - til at bestemme overfladeruhed ikke-destruktivt. Effektiv brug af AFM'er på industrielle arbejdspladser, imidlertid, er ikke ligetil og kræver en anden tilgang til mikroskopdesign. Da AFM-spidshøjden og scanningsmekanismerne begrænser målebevægelser til mindre end ti mikrometer lodret og adskillige snese mikrometer lateralt, de fleste AFM'er kan kun måle overfladerne på ekstremt små objekter.

Shihua Wang ved A*STAR Singapores National Metrology Center og kolleger har nu udviklet en AFM, der kan måle rillestrukturer, der er 100 mikrometer dybe, takket være en selvfremstillet, knivskarp spids lavet af diamant. Ved at vedhæfte dette tip til en stor række metrologisk AFM (LRM-AFM), forskerne har udviklet en AFM, der er i stand til at scanne i millimeterrækkevidde med opløsning i nanoskala.

Wang og hans team var interesserede i at bruge AFM'er til at måle nano- og mikroskala 'trin' lavet af rektangulære riller udskåret i solidt silicium. Disse objekter med en dybde på over 10 mikrometer, som er vigtige metrologiske standarder, der bruges til at kalibrere overfladeprofileringsinstrumenter, er umulige at inspicere ved brug af normale AFM'er. Ud over scannerbegrænsninger, det normale design af en AFM-sonde - hvor en kort spids strækker sig ud fra en lang vandret udkrager - forårsager ofte kollisioner med rillesidevægge, hvis trinnet er dybere end spidsens højde.

For at løse dette problem, forskerne brugte først en ny katalytisk proces til at dyrke en tynd diamantsøjle, over 100 mikrometer lang, fra et fladt underlag. De brugte derefter en fokuseret ionstråle til at skærpe søjlens ende til en tresidet pyramideformet spids med en radius i størrelsesordenen ti nanometer - en udfordrende procedure, ifølge Wang. Endelig, de limede omhyggeligt diamantspidsen på en mikro-cantilever i deres nyligt udviklede LRM-AFM, der har millimeterskala scanningsområder.

Forskerne afslørede, at deres diamantspids havde en høj mekanisk kvalitet, og kunne løse overfladestrukturer med større opløsning end nanometer. Ud over, spidsens forlængede længde - over ti gange større end konventionelle spidser - betød, at diamantspidserne nemt kunne scanne trinstrukturer fra flere nanometer til 100 mikrometer i dybden. Denne fremgangsmåde muliggjorde endda nøjagtige målinger af de svære at spotte rillesidevægge.

Når forskerne har optimeret scanningsparametrene for denne nye mikroskopiteknik, de forudser, at dette kan føre til udforskningen af ​​nye applikationer i halvleder- og finmekanikindustrien, hvilket igen kan hjælpe producenterne med at opnå endnu større produktionskonsistenser.