מיקרו / ננו בקנה מידה זן הפצה מדידה מדגימה Moiré שוליים
Summary
טכניקה דגימה moiré שמציעות 2 פיקסל ורב פיקסל שיטות הדגימה עבור דיוק גבוהה מדידות הפצת זן מיקרו / ננו בקנה מידה מוצג כאן.
Abstract
עבודה זו מתארת את הליך המדידה והעקרונות של טכניקת הדגימה moiré עבור שדה מלא מיקרו / ננו בקנה מידה מדידות עיוות. הטכניקה המפותחת יכולה להתבצע בשתי דרכים: שימוש בשיטת moiré הכפולה המשוחזרת או בשיטה המירבית של הדגימה. כאשר הדגימה הרשת הוא סביב 2 פיקסלים, 2 פיקסלים הדגימה moiré שוליים נוצרות לשחזר דפוס moiré כפל עבור מדידת דפורמציה. הן עקירה והן רגישויות זן גבוהים פי שניים מאשר בשיטה המסורתית סריקה moiré באותו שדה רחב של נוף. כאשר הדגימה של רשת הדגימה נמצאת סביב או גדולה מ -3 פיקסלים, הדגימה מרובת הדגימה של הדגימה moiré נוצרת, וטכניקה של שינוי מרחבי של שלב משולבת למדידת עיוות שדה מלא. הדיוק למדידת המתח משופר באופן משמעותי, ומדידת אצווה אוטומטית היא ניתנת להשגה בקלות.שתי השיטות יכולות למדוד את התפלגות המימדים הדו-ממדית (2D) מתמונת רשת חד-פעמית ללא סיבוב הדגימה או קווי הסריקה, כמו בטכניקות moiré מסורתיות. כדוגמאות, את ההעתקה 2D ו זנים הפצות, כולל זנים גזירה של שני פחמן מחוזק סיבי פלסטיק, נמדדו בבדיקות כיפוף שלוש נקודות. הטכניקה המוצעת צפויה למלא תפקיד חשוב בהערכות כמותיות לא הרסניות של תכונות מכניות, התרחשויות סדק, וכן מדדים שיוריים של מגוון חומרים.
Introduction
מיקרו / ננו בקנה מידה מדידות עיוות הם חיוניים חיוני להערכת תכונות מכניות, התנהגויות חוסר יציבות, מדגיש שיורית, סדק המופעים של חומרים מתקדמים. מאז טכניקות אופטיות הם ללא מגע, שדה מלא, ולא הרסנית, שיטות אופטיות שונות פותחו עבור מדידת דפורמציה במהלך העשורים האחרונים. בשנים האחרונות, המיקרו / ננו בקנה מידה דפורמציה טכניקות המדידה כוללים בעיקר את שיטות moiré 1 , 2 , 3 , 4 , ניתוח פאזה גיאומטרי (GPA) 5 , 6 , Fourier טרנספורמציה (FT), מתאם תמונה דיגיטלית (DIC), ו דפוס אינטרפרמטריה אלקטרונית (ESPI). בין טכניקות אלה, GPA ו FT אינם מתאימים למדידות דפורמציה מורכבות כי תדרים מרובים קיימים. שיטת ה- DIC היא SIMאבל חסר אונים נגד הרעש כי המוביל דפורמציה הוא speckle אקראי. לבסוף, ESPI רגיש מאוד לרטט.
בין מיקרו / ננו בקנה מידה שיטות moiré, השיטות הנפוצות ביותר כיום הם מיקרוסקופ סריקה שיטות moiré, כגון אלקטרונים סריקה moiré 7 , 8 , 9 , לייזר סריקה moiré 10 , 11 , ו מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) moiré 12 , וכמה שיטות moiré מבוסס מיקרוסקופ, כגון דיגיטלי / חופף moiré 13 , 14 , 15 השיטה ואת הכפל / שבורה moiré שיטה 16 , 17 . שיטת הסריקה moiré יש יתרונות רבים, כגון שדה רחב של נוף, reso גבוההלובן, וחוסר רגישות לרעש אקראי. עם זאת, שיטת הסריקה המסורתית אינה נוחה עבור מדידות זן דו-ממדיות מכיוון שיש צורך לסובב את שלב המדגם או את כיוון הסריקה ב -90 ° ולסרוק פעמיים כדי ליצור שוליים של moiré בשני כיוונים. סיבוב ותהליכי סריקה כפולה להציג שגיאת סיבוב ולקחת הרבה זמן, ברצינות להשפיע על דיוק המדידה של זן 2D, במיוחד עבור זן גזירה. אף על פי שהטכניקה הטמפורלית של הזזת הטמפרטורה 19 , 20 יכולה לשפר את דיוק המדידה של הדפורמציה, היא דורשת זמן ומכשיר פאזה מיוחד שאינו מתאים לבדיקות דינמיות.
שיטת הדגימה moiré 21 , 22 יש דיוק גבוהה במדידות תזוזה ועכשיו הוא משמש בעיקר עבור מדידות סטיה על גשרים כאשר מכוניות pתַחַת. כדי להאריך את שיטת הדגימה moiré כדי מיקרו / ננו בקנה מידה 2 מדידות זן, שיטת כפל משוחזרת moiré פותח לאחרונה 23 מתוך 2 פיקסלים הדגימה moiré שוליים, שבו המדידות הן רגישות כפליים שדה רחב של נוף של סריקה שיטת moiré נשמר. יתר על כן, בשלב המרחבי הזזת דגימה שיטת moiré הוא פיתח גם מ רב פיקסל הדגימה moiré שוליים, המאפשר מדידות זן דיוק גבוהה. פרוטוקול זה יציג את הליך המדידה זן מפורט והוא צפוי לסייע לחוקרים ומהנדסים ללמוד כיצד למדוד דפורמציה, לשפר את תהליכי הייצור של חומרים ומוצרים.
Protocol
Representative Results
Discussion
בטכניקה המתוארת, צעד אחד מאתגר הוא מיקרו / ננו בקנה מידה רשת או סורגים (מקוצר כמו ייצור רשת) 26 אם אין דפוס תקופתי קיים על הדגימה. רשת המגרש צריך להיות אחיד לפני דפורמציה כי זה פרמטר חשוב למדידה עיוות. אם החומר הוא מתכת, סגסוגת מתכת, או קרמיקה, UV או חימום nithimprin…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי JSPS KAKENHI, מענק מספרים JP16K17988 ו JP16K05996, ועל ידי תוכנית לקידום חדשנות חוצה אסטרטגית חוצה, יחידה D66, מדידה חדשנית וניתוח של חומרים מבניים (SIP-IMASM), המופעל על ידי משרד הקבינט. המחברים מודים גם לד"ר. סטושי קישימוטו וקימיושי נייטו ב NIMS עבור חומר CFRP שלהם.
Materials
| Automatic Polishing Machine | Marumoto Struers K.K. | LaboPol-30, Labor Force-100 | |
| Carbon Fiber Reinforced Plastic | Mitsubishi Plastics, Inc. | HYEJ16M95DHX1 | |
| Computer | DELL Japan | VOSTRO | Can be replaced with another computer with C++ programming language |
| Image Recording Software | Lasertec Corporation | LMEYE7 | Installed in a laser scanning microscope |
| Ion Coater | Japan Electron Optics Laboratory Ltd. | JEC3000F | |
| Laser Scanning Microscope | Lasertec Corporation | OPTELICS HYBRID | |
| Nanoimprint Device | Japan Laser Corporation | EUN-4200 | Can be replaced with a electron beam lithography device or a focused ion beam milling device |
| Nanoimprint Mold | SCIVAX Corporation | 3.0μm pitch | Customized |
| Nanoimprint Resist | Toyo Gosei Co., Ltd | PAK01 | |
| Polishing Solution | Marumoto Struers K.K. | DP-Spray P 15μm, 1μm, 0.25μm | Use from coarse to fine |
| Pipet | AS ONE Corporation | 10mL | |
| Sand Paper | Marumoto Struers K.K. | SiC Foil #320, #800 | Use from coarse to fine |
| Spin Coater | MIKASA Corporation | MS-A100 |
References
- Weller, R., Shepard, B. Displacement measurement by mechanical interferometry. Proc. Soc. Exp. Stress Anal. 6 (1), 35-38 (1948).
- Kishimoto, S., Egashira, M., Shinya, N. Microcreep deformation measurements by a moiré method using electron beam lithography and electron beam scan. Opt. Eng. 32 (3), 522-526 (1993).
- Ifju, P., Han, B. Recent applications of moiré interferometry. Exp. Mech. 50 (8), 1129-1147 (2010).
- Zhang, H., Wu, C., Liu, Z., Xie, H. A curved surface micro-moiré method and its application in evaluating curved surface residual stress. Meas. Sci. Technol. 25 (9), 095002 (2014).
- Zhang, H., Liu, Z., Wen, H., Xie, H., Liu, C. Subset geometric phase analysis method for deformation evaluation of HRTEM images. Ultramicroscopy. 171, 34-42 (2016).
- Wang, Q., Kishimoto, S., Xie, H., Liu, Z., Lou, X. In situ high temperature creep deformation of micro-structure with metal film wire on flexible membrane using geometric phase analysis. Microelectron. Reliab. 53 (4), 652-657 (2013).
- Wang, Q., Kishimoto, S. Simultaneous analysis of residual stress and stress intensity factor in a resist after UV-nanoimprint lithography based on electron moiré fringes. J. Micromech. Microeng. 22 (10), 105021 (2012).
- Kishimoto, S., Wang, Q., Xie, H., Zhao, Y. Study of the surface structure of butterfly wings using the scanning electron microscopic moiré method. Appl. Opt. 46 (28), 7026-7034 (2007).
- Li, C., Liu, Z., Xie, H., Wu, D. Novel 3D SEM Moiré method for micro height measurement. Opt. Express. 21 (13), 15734-15746 (2013).
- Xie, H., Wang, Q., Kishimoto, S., Dai, F. Characterization of planar periodic structure using inverse laser scanning confocal microscopy moiré method and its application in the structure of butterfly wing. J. Appl. Phys. 101 (10), 103511 (2007).
- Tang, M., Xie, H., Wang, Q., Zhu, J. Phase-shifting laser scanning confocal microscopy moiré method and its applications. Meas. Sci. Technol. 21 (5), 055110 (2010).
- Xie, H., Kishimoto, S., Asundi, A., Boay, C. G., Shinya, N., Yu, J., Ngoi, B. K. In-plane deformation measurement using the atomic force microscope moiré method. Nanotechnology. 11 (1), 24 (2000).
- Xie, H., Liu, Z., Fang, D., Dai, F., Gao, H., Zhao, Y. A study on the digital nano-moiré method and its phase shifting technique. Meas. Sci. Technol. 15 (9), 1716 (2004).
- Wang, Q., Kishimoto, S., Yamauchi, Y. Three-directional structural characterization of hexagonal packed nanoparticles by hexagonal digital moiré method. Opt. Lett. 37 (4), 548-550 (2012).
- Liu, Z., Lou, X., Gao, J. Deformation analysis of MEMS structures by modified digital moiré methods. Opt. Lasers Eng. 48 (11), 1067-1075 (2010).
- Li, Y., Xie, H., Chen, P., Zhang, Q. Theoretical analysis of moiré fringe multiplication under a scanning electron microscope. Meas. Sci. Technol. 22 (2), 025301 (2010).
- Patorski, K., Wielgus, M., Ekielski, M., Kaźmierczak, P. AFM nanomoiré technique with phase multiplication. Meas. Sci. Technol. 24 (3), 035402 (2013).
- Wang, Q., Ri, S., Takashita, Y., Ogihara, S., Yoshida, S. Chapter 33: Full-field measurements of principal strains and orientations using moiré fringes. Advancement of Optical Methods in Experimental Mechanics. 3, 251-259 (2017).
- Wang, Z., Han, B. Advanced iterative algorithm for phase extraction of randomly phase-shifted interferograms. Opt. Lett. 29 (14), 1671-1673 (2004).
- Wang, Q., Xie, H., Hu, Z., Zhang, J., Sun, J., Liu, G. Residual thermo-creep deformation of copper interconnects by phase-shifting SEM moiré method. Appl. Mech. Mater. 83, 185-190 (2011).
- Ri, S., Fujigaki, M., Morimoto, Y. Sampling moiré method for accurate small deformation distribution measurement. Exp. Mech. 50 (4), 501-508 (2010).
- Ri, S., Muramatsu, T. Theoretical error analysis of the sampling moiré method and phase compensation methodology for single-shot phase analysis. Appl. Opt. 51 (16), 3214-3223 (2012).
- Wang, Q., Ri, S., Tsuda, H. Digital sampling Moiré as a substitute for microscope scanning Moiré for high-sensitivity and full-field deformation measurement at micron/nano scales. Appl. Opt. 55 (25), 6858-6865 (2016).
- Dai, F., Wang, Z. Automatic fringe patterns analysis using digital processing tehniques: I fringe center method. Acta Photonica Sinica. 28, 700-706 (1999).
- Gutmann, B., Weber, H. Phase-shifter calibration and error detection in phase-shifting applications: a new method. Appl. Opt. 37 (32), 7624-7631 (1998).
- Wang, Q., Kishimoto, S., Tanaka, Y., Kagawa, Y. Micro/submicro grating fabrication on metals for deformation measurement based on ultraviolet nanoimprint lithography. Opt. Lasers Eng. 51 (7), 944-948 (2013).
- Min-Jin, T., Hui-Min, X., Yan-Jie, L., Xiao-Jun, L., Dan, W. A new grating fabrication technique on metal films using UV-nanoimprint lithography. Chin. Phys. Lett. 29 (9), 098101 (2012).
