Charakterisierung von Oberflächenmodifikationen mittels Weißlicht-Interferometrie: Anwendungen in der Ion Sputtern, Laserablation, und Tribologie Experimente

Die optische Profilometrie ist eine berührungslose Methode zur Messung der Oberflächenhöhen großer oder kleiner Objekte mit submikroniger Genauigkeit. Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, ein Weißlicht-Interferenzmikroskop als schnelle Methode zur Bestimmung der Topographie kleiner Bereiche zu verwenden, wodurch die Quantifizierung des während mechanischer Abnutzungsprozesse oder Materialätzprozesse – wie Ionenzerstäubungskrater oder Laserablation – verlorengegangenen Materials ermöglicht wird. Diese Messung erfolgt, indem zunächst dreidimensionale Profile der Prüfoberflächen mithilfe eines Weißlicht-Interferenzmikroskops aufgenommen werden.

Inkohärentes weißes Licht erzeugt ausgeprägte Interferenzmuster. Nur wenn die Pfadlängenverzögerungen identisch sind, sind diese weit verbreitet. Software-gestützte Messwerkzeuge werden eingesetzt, um Veränderungen der ursprünglichen Oberfläche zu bestimmen, die beispielsweise durch intensive Laserbestrahlung oder energiereiche Ionen verursacht werden.

Dies erfolgt durch Subtraktion der veränderten Oberfläche von der ursprünglichen flachen, glatten Oberfläche. Dabei kann es erforderlich sein, Software-Tools zu verwenden, um die Krümmung der Oberfläche zu entfernen und sie in eine ebene Fläche umzuwandeln, beispielsweise bei einer Verschleißspur auf einer gekrümmten Oberfläche. Es wird gezeigt, wie die Methode in zwei Bereichen angewendet werden kann.

Zunächst werden mechanische Abnutzungsanalysen, Abnutzungen und Verschleißspuren auf tribologischen Prüfproben analysiert, und zweitens in der Werkstoffkunde, um Ionenstrahl-Sputter- oder Laserablationsvolumina und -tiefen zu bestimmen. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber anderen Methoden wie Tastschnittverfahren, Profilometrie oder einer Abschätzung basierend auf der Größe liegt darin, dass sie schnell und genau ist, da die Methode ein detailliertes dreidimensionales Bild liefert. Sie eignet sich sehr gut zur Messung unregelmäßiger oder regelmäßiger Krater, wie sie beispielsweise durch Laserablation oder Ionenstrahl-Sputtern entstehen.

Zweitens können im Bereich der Triologie die Verschleißmengen sehr gering sein, und Abschätzungen, die auf einfachen mikroskopischen Schätzungen basieren, irreführend sein. Um korrekte Ergebnisse berichten zu können, ist es notwendig, die tatsächliche Form des verformten Bereichs zu ermitteln. Dies gilt beispielsweise auch für Versprühexperimente, bei denen die entfernte Tiefe in der Größenordnung von nur 10 Nanometern liegen kann. Beginnen Sie damit, die Nutzung eines optischen Profilometers und einer topographischen Software sicherzustellen.

Diese Demonstration nutzt ein Mikro-Prüfgerät, ein Weißlichtinterferenzmikroskop mit 100-facher Vergrößerung und eine Software zur Verarbeitung von Abbildungen aus der Raster-Sonden-Mikroskopie. Die folgenden Schritte zeigen, wie das Volumen einer kleinen Verschleißstelle auf einer Kugel gemessen wird, wie es in der Tribologie oder Schmierstoffwissenschaft durchgeführt wird. Um diese Darstellung so allgemein wie möglich zu halten, wird keine automatisierte Verarbeitung verwendet.

Der erste Schritt besteht darin, die Probe auf dem Messplatz zu positionieren. Stellen Sie die Kugel mit einem geeigneten und stabilen Sockel auf das Messgerät. Unter Verwendung eines Objektivs mit niedriger Vergrößerung und mit der interessierenden Struktur nach oben ausgerichtet positionieren Sie die Kugel direkt unterhalb der Linse.

Stellen Sie die vertikale Position der Probe so ein, dass die Interferenzstreifen nahe dem Bildschirmzentrum erscheinen. Bei einer gekrümmten Oberfläche orientieren Sie die Probe so, dass die Streifen zentriert sind. Drehen Sie die Kugel von Hand oder kippen Sie den Tisch, bis die Verschleißspur sichtbar ist und gegebenenfalls horizontal ausgerichtet ist.

Verwenden Sie Objektive mit mittlerer Vergrößerung, um ein Bild zu erhalten, bei dem der interessierende abgenutzte Bereich den Bildschirm weitgehend ausfüllt. Dadurch wird die Auflösung verbessert; passen Sie die Beleuchtung und die Abtasthöhe an, um die beste topographische Karte zu erhalten. Sammeln Sie die Daten, indem Sie die Probe gemäß den Geräteanweisungen abtasten.

Füllen Sie fehlerhafte oder fehlende Daten mithilfe der Interpolationsfunktion aus und speichern Sie anschließend die Karte mit einer isometrischen 3D-Ansicht. Dieses Bild zeigt einen geflochtenen AB-Bereich des Balls. Für die Analyse dieser Oberfläche ist es erforderlich, die Krümmung des Bildes zu entfernen, sodass die ursprüngliche Oberfläche des Balls flach erscheint.

Das Volumen der Vertiefung kann dann in der 2D-Ansicht gemessen werden, wobei ein interessierender Bereich ausgewählt wird, der die Verschleißstelle ausschließt. Hier bezeichnet der grüne Farbton den ausgeschlossenen Bereich. Stellen Sie sicher, dass das Bildanalyseprogramm die Oberflächenkorrektur auf den gesamten Bereich anwendet, die Anpassung jedoch nur für den von Ihnen markierten interessierenden Bereich durchgeführt wird.

Wählen Sie das Software-Werkzeug zur Kurvenanpassung, das die Krümmung entfernt, beispielsweise eine Polynomkurve fünfter Ordnung. Wählen Sie die Option, die auf dem ausgewählten Bereich arbeitet, damit die Narbe die Krümmungskorrektur nicht beeinflusst.

Es kann erforderlich sein, die Anpassung mehrmals durchzuführen, um sicherzustellen, dass der Bereich hinreichend genau eben ist. Stellen Sie den mittleren Pegel auf null ein. Die dunklere kreisförmige Region ist die Vertiefung.

Das Volumen der Verschleißstelle wird in der Bildverarbeitungssoftware mit dem Messwerkzeug bestimmt. Dabei kann jede beliebige Form verwendet werden. Ein blaues, elliptisches Messwerkzeug wird verwendet, um die Verschleißstelle einzukreisen.

Das Software-Messwerkzeug sollte eine Funktion besitzen, die die Menge des Materials oberhalb der Bezugsebene und die Menge des Materials, die unterhalb verlorengegangen ist, addiert. In diesem speziellen Beispiel zeigt der Ausschnitt, dass das Materialvolumen 136 Kubikmikrometer beträgt. Das Hohlvolumen beträgt 2.733 Kubikmikrometer, was einem Nettoverschleiß von 2.597 Kubikmikrometern entspricht.

Eine Abschätzung systematischer Fehler kann vorgenommen werden, indem der Messbereich vom Verschleißkrater weg verschoben wird, und beobachtet wird, dass das gemessene Verschleißvolumen, das null betragen sollte, tatsächlich sehr gering ist. Die Bestimmung des Volumens eines Verschleißkraters auf einer ebenen Oberfläche ist einfacher als bei einer Kugel. Zur Durchführung der Analyse gewinnen Sie zunächst ein Bild der Rillenfurche oder des Kraters.

Es ist im Allgemeinen empfehlenswert, jegliche Probekippung zu entfernen, wodurch sich die Interferenzstreifen auseinanderziehen. Nach dem Entfernen der Kippung sollte die Probe abgetastet werden. Eine Rille sollte abgebildet werden.

Diese Abbildung zeigt eine isometrische Ansicht. Die Oberfläche sollte horizontal sein. Wenn dies nicht der Fall ist.

Bereich der Narbe maskieren und eine Neigungs-Korrektur auf den Rest der Oberfläche anwenden. Zudem den mittleren Höhenwert der nicht maskierten Oberfläche auf null setzen. In diesem Beispiel war die anfängliche Ausrichtung nahezu perfekt.

Als Nächstes verwenden Sie das Messwerkzeug, um das Volumen der Rinne zu bestimmen. Die numerischen Ergebnisse dieses Beispiels ergeben ein verdrängtes Volumen von 47.018 Kubikmikrometern und ein Materialvolumen von 68 Kubikmikrometern oberhalb der Oberfläche, was einen Nettoverlust von 46.950 Kubikmikrometern ergibt. Dies ist die Menge an Material, die entlang der Abnutzungsspur verloren geht.

In der Praxis ist es oft so, dass die Oberfläche lediglich aufgeraut wird. In einem zweiten hier gezeigten Beispiel sind die Volumina der Hohlräume und des Materials nahezu gleich groß, und es wurde kaum Material tatsächlich entfernt. Die Volumenanalyse einer durch Ionenätzen oder Laserablation erzeugten Kraterstelle ist unkompliziert: Beginnen Sie die Analyse, indem Sie ein Bild aufnehmen, auf dem sich der Krater nahe dem Zentrum befindet, und erfassen Sie die Scan-Daten.

Einige Weißlichtinterferometer können mehrere Betriebsarten für flache Strukturen aufweisen. Es sollte der Abtastmodus der Phasenschiebungsinterferometrie verwendet werden. Dies ist der Modus, der in diesem sehr flachen Beispiel angewendet wird.

In diesem Beispiel ist ersichtlich, dass die Umgebung des Kraters aufgrund vorheriger Verarbeitungsschritte nicht vollständig eben ist und dass außerdem die Z-Achse verschoben wurde, um den Einfluss des unebenen umliegenden Bereichs auszuschließen. Ein Beschneidungswerkzeug kann verwendet werden, um den Bereich auf den durch die weiße Box angezeigten Bereich einzuschränken. Das Bild sollte so verschoben werden, dass der ungestörte Bereich am Rand bei z gleich null liegt.

Gegebenenfalls kann dies mithilfe eines Frame- oder Z-Offset-Werkzeugs erfolgen. Die korrekte Ausrichtung des Kraters kann anhand einer 3D-Ansicht überprüft werden. Der Krater kann nun mit dem standardmäßigen Messwerkzeug vermessen werden.

Auch hier werden das Materialvolumen und das Hohlraumvolumen des blau hervorgehobenen Bereichs gemessen. Das Nettovolumen des Kraters beträgt 86.146 Kubikmikrometer. Für die Analyse der Zeit-zu-Tiefe-Beziehung können verschiedene Werkzeuge zur Linienprofilmessung verwendet werden, um die Tiefe, die Asymmetrie, die Neigung der Wände und dergleichen zu bestimmen.

Die optische Profilometrie wurde in diesen Beispielen zur Vermessung von Prüfproben in der Ingenieurwissenschaft und Werkstoffkunde eingesetzt. Die Methode kann auch in anderen Bereichen angewandt werden, beispielsweise in der biomedizinischen Forschung zur Untersuchung von Knorpeloberflächen. Die Idee zu dieser Methode entstand, als wir feststellten, dass andere Techniken für unsere Aufgaben einfach nicht geeignet waren.

Zum Beispiel ist die Rasterkraftmikroskopie in ihren Abtastbereichen zu stark eingeschränkt. Mechanische Verfahren. Die periphere Abbildung ist nur eindimensional, und die Rasterelektronenmikroskopie liefert in vielen Fällen im Wesentlichen nur flache Bilder.

Diese visuelle Demonstration der Methode ist nützlich, da sie Personen, die mit der Technik nicht vertraut sind, einen Eindruck davon vermittelt, wie sie funktioniert. Hoffentlich wird dies dazu führen, dass andere die Weißlichtinterferometrie auf ihren eigenen Forschungsbereich anwenden.