Altura de escalón y profundidad de ranura: dónde termina el interferómetro

Respuesta directa: la rugosidad evalúa la estadística de una ondulación dentro de un área, y el escalón exige un desnivel determinado entre dos superficies. El primero depende de la capacidad de discriminación vertical; el segundo depende del rango de barrido y de la capacidad de reconstruir el borde. Mezclar los dos lleva a configurar el equipo por el criterio equivocado.

La consecuencia es concreta: el mismo recorrido de barrido de 0 a 10 mm que cubre sin esfuerzo un escalón de milímetros se usa en una fracción mínima para medir rugosidad. La configuración se elige por el requisito más difícil, no por el más frecuente.

El equipo de referencia para este tipo de medida es el interferómetro de luz blanca PMS-WLI100, cuyo barrido en Z y cuyos modos de medida definen hasta dónde llega el escalón medible y con qué resolución vertical.

Dos problemas, dos criterios

Medir rugosidad es estimar cómo se distribuye la altura dentro de una ventana. Lo que decide el resultado es la resolución vertical y la escala de muestreo. Medir un escalón es establecer la diferencia entre dos planos, y lo que decide es si el barrido cubre ese desnivel y si el borde se reconstruye sin inventar una rampa.

Estimar el desnivel antes de configurar

Antes de fijar el barrido conviene conocer el orden de magnitud del escalón. Un calibre, un comparador o un barrido rápido con objetivo de bajo aumento dan esa cifra en minutos. Ir directamente a la configuración definitiva y esperar que funcione es la forma más lenta de llegar al mismo dato.

Este paso previo tiene un beneficio añadido: descubre problemas de montaje. Si la estimación gruesa ya sale inestable, normalmente la pieza no está bien sujeta o no está apoyada plana, y continuar con la medida fina solo añade tiempo a un problema que no es óptico.

No gastar rango donde no hace falta

Cuanto mayor es el recorrido de barrido, más pesan el error del mecanismo y la sensibilidad al ambiente. La práctica correcta es elegir el barrido que cubre el desnivel con margen y no el mayor disponible. Un escalón de pocas micras se mide con recorrido corto y objetivo de aumento alto; un desnivel de milímetros exige recorrido largo y acepta la pérdida de resolución vertical que eso implica.

Tratar el rango como si fuera precisión es el error más extendido en esta familia de equipos. Y conviene anotar en el informe el barrido usado en cada pieza, porque cuando un resultado se desvía, esa anotación permite descartar primero la configuración y buscar después en otra parte.

La relación de aspecto es el límite verdadero

Que una ranura se pueda medir depende menos de su profundidad que de su relación de aspecto. Cuanto más estrecha y profunda, menos luz del fondo vuelve al objetivo y más difícil es que el pico de interferencia se forme. Además, cuando la diferencia entre el fondo y la boca es grande aparece un problema de identificación del orden de franja.

De ahí una regla práctica: al evaluar una ranura hay que dar profundidad y anchura. Con solo la profundidad no se puede decidir. Si la relación entre profundidad y anchura se acerca o supera uno a uno, hay que esperar datos incompletos en el fondo y preparar una alternativa antes de la puesta en marcha, no durante.

Si esa geometría es un requisito real del producto, debe entrar como muestra de aceptación en el pliego: que el proveedor se comprometa por escrito a qué se puede medir y hasta dónde, en lugar de discutirlo después de la entrega. Y si la geometría no se puede cambiar, el proceso debe declarar ese rasgo medido por otro método.

Cuándo hay que unir campos

El campo por adquisición con objetivo de 20X es de 500 × 350 μm, y muchas estructuras reales son mayores. La plataforma XY motorizada de 50 × 50 mm permite desplazar la zona de medida y unir automáticamente varias adquisiciones, ampliando el área cubierta.

La unión sirve para reconocer la topografía de superficies grandes, pero introduce el error de posicionamiento de la plataforma. Por eso la zona donde se decide la conformidad debe caer dentro de un solo campo, y la unión quedarse para el mapa general.

Hay también un costo de tiempo: más zonas significan más adquisiciones y más solape que capturar. En aplicaciones con ciclo ajustado conviene reducir el número de bloques, por ejemplo bajando el aumento para ganar campo, o cambiar la estrategia de inspección de control total a muestreo por riesgo, concentrando el tiempo donde es probable que aparezca el problema.

Las tres estructuras que no se miden así

Primera: agujeros y ranuras con relación de aspecto muy alta, donde la luz no entra y, si entra, no sale. Segunda: paredes casi verticales y muy pronunciadas, donde el reflejo se va fuera de la apertura de recepción. Tercera: materiales muy absorbentes o muy transparentes, donde la señal devuelta es demasiado débil.

Ninguna de las tres se resuelve cambiando de objetivo. La salida habitual es un perfilómetro de contacto, una solución confocal o un pretratamiento de la muestra. La mejor ocasión para identificarlas es la evaluación previa: llevar ese tipo de muestra desde el principio ahorra un proyecto fallido.

Sobre el comportamiento en superficies inclinadas, el mecanismo es el mismo que afecta a los sensores confocales y está desarrollado en sensor confocal sobre superficie inclinada.

Cuatro prácticas que suben la fiabilidad

Primera: tomar los puntos de referencia lejos del borde del escalón. En las proximidades del borde la reconstrucción es menos fiable y el valor se desvía. Segunda: verificar la nivelación antes de medir, porque una inclinación global se convierte en un término de forma que hay que corregir después.

Tercera: registrar el barrido y el objetivo usados, junto con la fecha y la temperatura, para que el dato sea reproducible. Cuarta: repetir la medida en dos zonas distintas del mismo escalón; si las dos no coinciden dentro de la tolerancia, el problema es la muestra o el montaje, y ninguna configuración lo va a resolver.

Para el marco general de qué mide y qué no mide este instrumento, ver interferómetro de luz blanca: qué mide. Y si la duda es qué indicador mirar, resolución vertical: cómo leer los indicadores.

Preguntas frecuentes

¿Para medir un escalón importa más la resolución o el rango?

El rango, siempre que la resolución sea suficiente para la tolerancia. Un equipo con resolución excelente y barrido corto no ve un escalón de milímetros, mientras que uno de barrido largo lo ve con menos resolución vertical. La decisión se toma primero con el rango y después se comprueba que la resolución alcanza para la banda de tolerancia.

Informé la profundidad de una ranura y no se puede medir. ¿Por qué?

Porque el dato que falta es la anchura. El límite lo pone la relación de aspecto: cuanto más estrecha es la ranura en proporción a su profundidad, menos luz vuelve del fondo. Con la misma profundidad, una ranura ancha puede ser trivial y una estrecha imposible.

¿Unir varios campos reduce la precisión?

Introduce el error de posicionamiento de la plataforma en las zonas de solape, así que la incertidumbre del mapa unido es mayor que la de una adquisición individual. Por eso la zona crítica se mide en un solo campo y la unión se usa para el mapa general.

¿La inclinación de la muestra afecta mucho a la altura de escalón?

Sí, y de forma sistemática: una inclinación global añade un plano inclinado al mapa de alturas. Si no se corrige en el análisis, el escalón medido depende de dónde se tomen los puntos de referencia. La corrección de inclinación debe formar parte del procedimiento, no ser una opción.