Vergleich der flächenhaften Rauheitsmessung von Rasterkraft- und Konfokalmikroskopie

Die Rauheit ist entscheidend für funktionale Eigenschaften von Oberflächen wie die Reibung von Maschinenkomponenten, die Verteilung von Schmierstoffen, die Hafteigenschaften und nicht zuletzt auch, wie eine Oberfläche dem menschlichen Auge erscheint. Dementsprechend gehören Rauheitsmessungen zu den wichtigsten und häufigsten dimensionellen Messungen in der industriellen Qualitätssicherung. Bereits seit Jahrzehnten werden dazu in der industriellen Praxis Tastschnittgeräte verwendet, und die profilometrische Rauheitsbestimmung ist durch einen Satz an Normen vereinheitlicht. Ihre Auflösung kommt allerdings mit dem kleinsten standardmäßigen Tastspitzenradius von 2 µm an ihre Grenzen. Zudem erfordern viele Messaufgaben eine flächenhafte Messung der Texturen auf technischen Oberflächen.

Optische Oberflächenmessverfahren wie die Interferenz- und Konfokalmikroskopie messen flächenhaft und zudem auch schnell und berührungsfrei, weshalb sie zunehmend für industrielle Anwendungen genutzt werden. Seit einigen Jahren wird die Normenreihe ISO 25178 für die flächenhafte Texturmessung entwickelt. Parallel dazu wird mit der in Kürze erscheinenden Normenreihe ISO 21920 auch die profilhafte Rauheitsmessung mit Tastschnittgeräten überabeitet und neu geordnet.

In der Praxis zeigt sich, dass optische Rauheitsmessungen durch eine Vielzahl an optischen Effekten beeinträchtigt werden können, die nicht nur von der Messmethode, sondern auch von Geräteparametern wie den verwendeten optischen Komponenten, Nutzereinstellungen bei der Messung und den verwendeten Algorithmen zur Verarbeitung der Signale im Gerät abhängen. Diese Komplexität kann viele Anwender überfordern und erschwert somit die zielgerichtete Anwendung dieser Verfahren und die Vergleichbarkeit von Kennwerten (siehe auch Beitrag zum Vergleich EURAMET 1242). Der Nutzer kann ohne weitere Informationen häufig nicht alle störenden Einflüsse sicher erkennen.Systematische Abweichungen der optischen Oberflächenmessung lassen sich durch Vergleich mit der örtlich höher auflösenden Rasterkraftmikroskopie (engl.: Atomic Force Microscopy, AFM) aufdecken. Dies gelingt am besten, wenn beide Geräte an derselben Stelle messen. Hierzu wurden unter Beteiligung der PTB Normale entwickelt, die markierte Referenzfelder aufweisen.

In Abb. 1 wird als Beispiel ein Normal des Typs UFRS (Ultrafine Roughness Standard) gezeigt. Diese Normale werden mittels fokussierter Ionenstrahlen (engl.: Focussed Ion Beams, FIB) hergestellt (Hersteller: Firma point electronic, Halle/Saale). Vorteil dieser Technik ist, dass eine vorgegebene Modelltopografie Punkt für Punkt geschrieben werden kann. Dadurch können nicht nur deutlich kleinere Strukturen mit wesentlich steileren Flanken gefertigt werden und es ist auch eine wesentlich größere Flexibilität als bei klassischen mechanischen oder chemischen Oberflächenstrukturierungsverfahren gegeben. Als Vorgabe kann ein mathematisch erzeugter oder gemessener und ggf. modifizierter Datensatz verwendet werden. Grundlage für die UFRS-Profile sind herunterskalierte synthetische Profile, wie sie für superfeine Raunormale (SFRS) verwendet werden. Das strukturierte Feld ist hierbei 145 µm x 145 µm groß und es ist von einem Finderahmen umgeben. Dadurch können unterschiedliche Messgeräte an derselben Stelle messen. Der Sollwert für Sz beträgt 75 nm und für Sa 10 nm. Abb. 1 zeigt einen Messvergleich mit einem konfokalen Laser-Scanning Mikroskops (CLSM, links) und einem AFM (rechts). Bei genauerer Betrachtung der beiden Bilder wirkt das AFM-Bild etwas schärfer, und im CLSM-Bild ist ein langwelliger Untergrund zu erkennen, der auf einen Ebenheitsfehler hindeutet. Die Histogramme (Häufigkeitsverteilung der gemessenen Höhenwerte) zeigen grundsätzlich zwar eine recht gute Übereinstimmung, aber im Histogramm der AFM-Messung sind diskrete Peaks zu erkennen. Diese stammen von der FIB-Bearbeitung, die schichtweise in 16 diskreten Schritten erfolgt. Diese diskreten Höhenniveaus verwaschen in der CLSM-Messung vollständig.

Mithilfe solcher Normale können nicht nur die mit verschiedenen Methoden gemessenen Kennwerte der Rauheit verglichen werden, wie hier in Tab. 1 gezeigt, sondern auch z. B. die gemessene Verteilung der Steigungswinkel und die in den gemessenen Bildern enthaltenen Ortsfrequenzen (FFT, PSD) bestimmt werden.


Abb. 1: Dasselbe Feld von 65 µm x 65 µm Größe auf einem UFRS-Prototyp, gemessen mit einem CLSM (Olympus LEXT mit 100x Objektiv A_N = 0,95 , links) und einem AFM (SIS Nanostation II, rechts) mit jeweils derselben Farbkodierung der Höhe (schwarz bis weiß entspricht 50 nm Höhenunterschied), jeweils 1024 x 1024 Datenpunkte, und die zugehörigen Histogramme rechts


Tab 1: Vergleich der CLSM- und AFM-Rauheitskennwerte für die in Abb. 1 gezeigten Messungen. Ssk und Sku sind dimensionslos, alle anderen Kennwerte in nm. Bilder ausgerichtet, ohne Filterung. Rauheitsanalyse mit Software SPIP ((Image Metrology A/S, Denmark). Der Parameter Sδ5-95 ist die Höhendifferenz zwischen den Schnittlinien bei 5 % und 95 % Materialanteilwert in der Materialanteilkurve nach ISO 4287, d. h. dasjenige Höhenintervall, das die mittleren 90 % der gemessenen Höhenwerte im Höhenwerte-Histogramm umfasst, während die jeweils höchsten und tiefsten 5 % der Höhenwerte, die oft auch durch Störungen bedingt oder beeinflusst sind, bei diesem Amplitudenwert ausgeblendet werden.