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 von großen oder kleinen Objekten mit einer Genauigkeit von unter einem Mikrometer. Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, ein Weißlicht-Interferometriemikroskop als schnelle Methode zur Messung der Topographie kleiner Flächen zu verwenden, die es ermöglicht, die Menge an Material zu messen, die bei mechanischen Verschleißprozessen oder bei Materialätzprozessen wie Ionensputtern, Kratern oder Laserablation verloren geht. Diese Messung wird erreicht, indem zunächst mit Hilfe eines Weißlichtinterferenzmikroskops dreidimensionale Profile der Prüfoberflächen erstellt werden.

Inkohärentes weißes Licht bildet ausgeprägte Interferenzmuster. Erst wenn die Weglängenverzögerungen gleich sind, dann breit verfügbar. Software-Messgeräte werden eingesetzt, um Veränderungen gegenüber der ursprünglichen Oberfläche zu bestimmen, die beispielsweise durch intensive Laserstrahlung oder energiereiche Ionen verursacht werden.

Dies geschieht durch Subtraktion der veränderten Oberfläche von der ursprünglichen flachen, glatten Oberfläche. Dabei kann es erforderlich sein, Softwaretools zu verwenden, um die Krümmung von der Oberfläche zu entfernen, um sie in eine flache Ebene zu verwandeln, z. B. bei einer Verschleißnarbe auf einer gekrümmten Oberfläche. Es wird gezeigt, wie die Methode in zwei Bereichen angewendet werden kann.

Zum einen werden mechanische Verschleißanalysen, Verschleiß und Verschleißnarben an trilogischen Prüflingen analysiert, zum anderen in der Materialwissenschaft zur Bestimmung von Ionenstrahlsputtern oder Laserablationsvolumina und -tiefen. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber anderen Methoden wie Stift, Profilometrie oder einer auf der Größe basierenden Annäherung besteht darin, dass sie schnell und genau ist. Da die Methode ein dreidimensionales Detailbild erzeugt. Es ist sehr nützlich für die Messung von unregelmäßigen oder regelmäßigen Kratern, z. B. durch Laserablation oder Eisenstrahlspritzer.

Zweitens kann im Bereich der Triologie der Verschleiß recht gering sein und Näherungen, die auf einfachen mikroskopischen Schätzungen basieren, irreführend sein. Es ist notwendig, die tatsächliche Form des deformierten Bereichs zu erhalten, wenn korrekte Ergebnisse gemeldet werden sollen. Das Gleiche gilt zum Beispiel für Spritzerexperimente, bei denen die Tiefe vielleicht nur 10 Nanometer entfernt wird. Beginnen Sie mit der Sicherstellung des Einsatzes eines optischen Profilometers und einer topographischen Software.

Bei dieser Demonstration werden eine Mikrountersuchung, ein 100-Weißlicht-Interferenzmikroskop und eine Rastersonden-Bildprozessorsoftware verwendet. Die folgenden Schritte zeigen, wie man das Volumen einer kleinen Verschleißnarbe auf einer Kugel misst, wie es in der Triologie oder Schmierwissenschaft üblich wäre. Um diese Darstellung so allgemein wie möglich zu gestalten, wird keine automatisierte Verarbeitung verwendet.

Der erste Schritt besteht darin, die Probe auf dem Messtisch zu positionieren. Platzieren Sie die Kugel auf dem Profilometertisch mit einem geeigneten und stabilen Sockel. Verwenden Sie ein Objektiv mit geringer Vergrößerung und positionieren Sie die Kugel direkt unter dem Objektiv.

Passen Sie die vertikale Position der Probe so an, dass die Interferenzstreifen in der Nähe der Mitte des Rasters erscheinen. Richten Sie bei einer gekrümmten Oberfläche die Probe so aus, dass die Streifen zentriert sind. Drehen Sie die Kugel mit der Hand oder kippen Sie den Tisch so, dass die Verschleißnarbe sichtbar wird und auch horizontal verläuft, falls vorhanden.

Verwenden Sie Objektive mit Zwischenvergrößerung, um ein Bild zu erhalten, in dem der abgenutzte Interessenbereich den Bildschirm weitgehend ausfüllt. Auf diese Weise wird die Auflösung verbessert, die Beleuchtung und die Scanhöhe angepasst, um die beste topografische Karte zu erhalten. Wenn Sie Daten sammeln, scannen Sie die Probe gemäß den Anweisungen des Geräts.

Geben Sie alle fehlerhaften oder fehlenden Daten mit der Interpolationsfunktion ein, und speichern Sie die Karte dann in einer isometrischen 3D-Ansicht. Dieses Bild zeigt einen AB-geflochtenen Bereich des Balls. Bei der Analyse dieser Oberfläche muss die Krümmung des Bildes entfernt werden, so dass die ursprüngliche Oberfläche des Balls flach erscheint.

Das Volumen der Vertiefung kann dann in der 2D-Ansicht gemessen werden, wählen Sie einen Interessenbereich aus, der die Verschleißnarbe ausschließt. Hier kennzeichnet der grüne Farbton den ausgeschlossenen Bereich. Stellen Sie sicher, dass das Bildanalyseprogramm die Oberflächenkorrektur auf den gesamten Bereich anwendet, dass die Anpassung jedoch nur mit dem von Ihnen markierten Interessenbereich erfolgt.

Wählen Sie das Software-Kurvenanpassungswerkzeug aus, mit dem die Krümmung entfernt wird. Zum Beispiel polynomiale fünfte Ordnung. Wählen Sie die Option, den eingeschlossenen Bereich zu operieren, damit die Narbe die Krümmungsentfernung nicht beeinflusst.

Es kann erforderlich sein, die Passung mehrmals durchzuführen, um sicherzustellen, dass der Bereich flach und genau ist. Legen Sie den Mittelwert auf Null fest. Der dunklere kreisförmige Bereich ist die Vertiefung.

Das Volumen der Verschleißnarbe wird in der Bildverarbeitungssoftware mit dem Messwerkzeug gemessen. Hier kann jede beliebige Form verwendet werden. Mit einem blauen elliptischen Messwerkzeug wird die Verschleißnarbe eingekreist.

Das Software-Messwerkzeug sollte über eine Funktion verfügen, die die Materialmenge über der Ebene und die Menge des unter der Ebene verlorenen Materials addiert. In diesem speziellen Beispiel zeigt der Einschub, dass das Materialvolumen 136 Kubikmikrometer beträgt. Das Hohlraumvolumen beträgt 2.733 Kubikmikrometer, was einen Nettoverschleiß von 2.597 Kubikmikrometern ergibt.

Eine Abschätzung eines systematischen Fehlers kann vorgenommen werden, indem man den Messbereich von der Verschleißnarbe weg bewegt und feststellt, dass das gemessene Verschleißvolumen, das Null sein sollte, in der Tat sehr klein ist. Die Messung des Volumens einer Verschleißnarbe auf einer ebenen Fläche ist einfacher als bei einer Kugel. Um mit der Analyse zu beginnen, erhalten Sie ein Bild der Grabenrille oder Narbe.

Es ist im Allgemeinen eine gute Praxis, jede Probenneigung zu entfernen, da sich die Interferenzstreifen auseinander spreizen. Wenn die Neigung entfernt ist, scannen Sie die Probe. Eine Rille sollte abgebildet werden.

Bei diesem Bild handelt es sich um eine isometrische Ansicht. Die Oberfläche sollte horizontal sein. Wenn nicht.

Maskieren Sie den Narbenbereich und wenden Sie eine Neigungskorrektur auf den Rest der Oberfläche an. Legen Sie außerdem die mittlere Höhe der nicht maskierten Fläche auf Null fest. In diesem Beispiel war die anfängliche Ausrichtung nahezu perfekt.

Verwenden Sie anschließend das Messwerkzeug, um das Volumen des Grabens zu bestimmen. Die numerischen Ergebnisse dieses Beispiels sind ein Vermeidungsvolumen von 47.018 Kubikmikrometern, ein Materialvolumen von 68 Kubikmikrometern über der Oberfläche, was einen Nettoverlust von 46.950 Kubikmikrometern ergibt. Dies ist die Menge an Material, die durch die Länge der Verschleißnarbe verloren geht.

In der Praxis ist es oft so, dass die Oberfläche nur aufgeraut wird. In einem zweiten Beispiel, das hier gezeigt wird, sind das Hohlraum- und das Materialvolumen nahezu gleich und es wurde nur wenig Material tatsächlich abgetragen. Die Volumenanalyse eines Ionensputter- oder laserablierten Kraters ist einfach, um die Analyse zu beginnen, ein Bild mit dem Krater in der Nähe des Zentrums zu erhalten und die Scandaten zu erfassen.

Einige Weißlichtinterferometer können mehr als einen Betriebsmodus für flache Strukturen haben. Es sollte der phasenverschobene Interferometrie-Modus des Scannens verwendet werden. Das ist der Modus, der in diesem sehr flachen Beispiel verwendet wird.

In diesem Beispiel ist zu sehen, dass der Bereich um den Krater aufgrund früherer Verarbeitungsschritte nicht perfekt flach ist, und auch die Z-Achse ist versetzt, um den Einfluss der unebenen Umgebung zu eliminieren. Ein Zuschneidewerkzeug kann verwendet werden, um den Bereich auf den Bereich zu beschränken, der durch das weiße Feld angezeigt wird. Das Bild sollte so versetzt werden, dass der ungestörte Bereich um den Umfang bei z gleich Null ist.

Dies kann bei Bedarf mit einem Rahmen- oder Z-Versatzwerkzeug erfolgen. Die korrekte Ausrichtung des Kraters kann mit einer 3D-Ansicht überprüft werden. Der Krater kann nun mit dem Standard-Messwerkzeug vermessen werden.

Auch hier werden das Materialvolumen und das Hohlraumvolumen des blau markierten Bereichs gemessen. Das Nettovolumen des Kraters beträgt 86.146 Kubikmikrometer. Für die Analyse von Zeit bis zur Tiefe können verschiedene Linienprofilwerkzeuge verwendet werden, um die Tiefe, die Asymmetrie, die Wandneigung usw. zu messen.

Die optische Profilometrie wurde in diesen Beispielen zur Messung von Prüfproben für die Ingenieur- und Materialwissenschaften verwendet. Die Methode kann in anderen Bereichen, auch biomedizinisch, zur Untersuchung von Knorpeloberflächen eingesetzt werden. Die Idee zu dieser Methode hatten wir erst, als wir feststellten, dass andere Techniken für unsere Aufgaben einfach nicht geeignet waren.

Zum Beispiel ist die Rasterkraftmikroskopie in ihren Scanbereichen einfach zu begrenzt. Mechanische Stile. Periphere Bilder sind nur eindimensional, und die Rasterelektromikroskopie liefert in vielen Fällen im Wesentlichen nur flache Bilder.

Diese visuelle Demonstration der Methode ist nützlich, da sie Menschen, die mit der Technik nicht vertraut sind, eine Vorstellung davon gibt, wie sie funktioniert. Hoffentlich wird es andere dazu bringen, die Weißlichtinterferometrie auf ihr eigenes Forschungsgebiet anzuwenden.