Caracterización de modificaciones de la superficie de la interferometría de luz blanca: Aplicaciones en Sputtering Ion, ablación con láser y Experimentos Tribología

La perfilometría óptica es un método sin contacto para medir las alturas de la superficie de objetos grandes o pequeños con una precisión submicrónica. El objetivo general del siguiente experimento es utilizar un microscopio interferométrico de luz blanca como un método rápido para medir la topografía de áreas pequeñas, lo que permite medir la cantidad de material perdido durante los procesos de desgaste mecánico o durante los procesos de grabado de materiales, como los cráteres de pulverización iónica o la ablación láser. Esta medición se logra obteniendo primero perfiles tridimensionales de las superficies de prueba utilizando un microscopio de interferencia de luz blanca.

La luz blanca incoherente formará distintos patrones de interferencia. Solo cuando los retrasos de la longitud del trayecto son los mismos, entonces está ampliamente disponible. Las herramientas de medición de software se emplean para determinar los cambios con respecto a la superficie original causados, por ejemplo, por una intensa irradiación láser o iones energéticos.

Esto se hace mediante la sustracción de la superficie alterada de la superficie lisa plana original. Al hacer esto, puede ser necesario usar herramientas de software para eliminar la curvatura de la superficie para convertirla en un plano plano, como para una cicatriz de desgaste en una superficie curva. Se muestra cómo se puede aplicar el método en dos ámbitos.

En primer lugar, se analiza el análisis de desgaste mecánico, el desgaste, las cicatrices de desgaste en muestras de prueba trilógicas y, en segundo lugar, en la ciencia de los materiales para determinar los volúmenes y profundidades de pulverización catódica por haz de iones o ablación láser. La principal ventaja de esta técnica sobre otros métodos como la aguja, la perfilometría o la aproximación basada en el tamaño es que es rápida y precisa, ya que el método produce una imagen tridimensional detallada. Es muy útil para medir cráteres irregulares o regulares, como los de la ablación con láser o las salpicaduras de haces de hierro.

En segundo lugar, en el campo de la triología, las cantidades de desgaste pueden ser bastante pequeñas y las aproximaciones basadas en estimaciones simples del microscopio pueden ser engañosas. Es necesario obtener la forma real de la región deformada si se quieren informar resultados correctos. Lo mismo puede decirse, por ejemplo, de los experimentos de salpicaduras en los que la profundidad eliminada puede ser del orden de sólo 10 nanómetros.

Esta demostración hace uso de un microexamen, un microscopio de interferencia de luz blanca 100 y un software de procesamiento de imágenes de sonda de escaneo. Los siguientes pasos demuestran cómo medir el volumen de una pequeña cicatriz de desgaste en una pelota como se haría en la triología o la ciencia de la lubricación. Para que esta presentación sea lo más genérica posible, no se utiliza ningún tratamiento automatizado.

El primer paso es colocar la muestra en la etapa de medición. Coloque la bola en la platina del perfilómetro utilizando cualquier pedestal conveniente y estable. Con la característica de interés hacia arriba, utilice un objetivo de bajo aumento y coloque la bola directamente debajo de la lente.

Ajuste la posición vertical de la muestra para que las franjas de interferencia aparezcan cerca del centro de la pantalla. Para una superficie curva, oriente el espécimen de modo que los flecos queden centrados. Gire la pelota con la mano o incline la platina para que la cicatriz de desgaste quede a la vista y también sea horizontal si está disponible.

Utilice lentes de aumento intermedio para obtener una imagen en la que el área de interés desgastada llene en gran medida la pantalla. Al hacerlo, mejora la resolución, ajusta la iluminación y la altura de escaneo para obtener el mejor mapa topográfico. Al recopilar datos, escanee la muestra de acuerdo con las instrucciones del instrumento.

Rellene los datos incorrectos o faltantes con la función de interpolación y, a continuación, guarde el mapa con una vista isométrica 3D. Esta imagen muestra un área trenzada AB de la pelota. El análisis de esta superficie requiere la eliminación de la curvatura de la imagen para que la superficie original de la bola parezca plana.

A continuación, se puede medir el volumen de la depresión en la vista 2D, seleccione un área de interés que excluya la cicatriz de desgaste. Aquí, el tono verde denota la región excluida. Asegúrese de que el programa de análisis de imágenes aplique la corrección de la superficie a toda el área, pero que el ajuste se realice utilizando solo el área de interés que ha marcado.

Seleccione la herramienta de ajuste de curva de software que eliminará la curvatura. Por ejemplo, polinomio de quinto orden. Elija la opción de operar en el área incluida para que la cicatriz no influya en la eliminación de la curvatura.

Puede ser necesario realizar el ajuste varias veces para asegurarse de que el área esté plana con buena precisión. Establezca el nivel medio en cero. La región circular más oscura es la depresión.

El volumen de la cicatriz de desgaste se mide en el software de procesamiento de imágenes utilizando la herramienta de medición. Aquí se puede utilizar cualquier forma. Se utiliza una herramienta de medición elíptica azul para rodear la cicatriz de desgaste.

La herramienta de medición de software debe tener una función que sume la cantidad de material por encima del plano de nivel y la cantidad de material perdido por debajo del nivel. En este ejemplo en particular, el recuadro muestra que el volumen del material es de 136 micras cúbicas. El volumen vacío es de 2.733 micras cúbicas, lo que da un desgaste neto de 2.597 micras cúbicas.

Se puede hacer una estimación de cualquier error sistemático alejando la región de medición de la cicatriz de desgaste y observando que el volumen de desgaste medido, que debería ser cero, es realmente muy pequeño. La medición del volumen de una cicatriz de desgaste en una superficie plana es más sencilla que en el caso de una pelota. Para comenzar el análisis, obtenga una imagen del surco o cicatriz de la zanja.

Por lo general, es una buena práctica eliminar cualquier inclinación de la muestra y las franjas de interferencia se separarán. Cuando se retire la inclinación, escanee la muestra. Se debe crear una imagen de un surco.

Esta imagen es una vista isométrica. La superficie debe ser horizontal. Si no lo es.

Enmascare el área de la cicatriz y aplique una corrección de inclinación plana al resto de la superficie. Establezca también la altura media de la superficie sin enmascarar en cero. En este ejemplo, la orientación inicial era casi perfecta.

A continuación, utilice la herramienta de medición para determinar el volumen de la zanja. Los resultados numéricos de este ejemplo son un volumen de 47.018 micras cúbicas, un volumen de material de 68 micras cúbicas sobre la superficie, lo que da una pérdida neta de 46.950 micras cúbicas. Esta es la cantidad de material que se pierde en la duración de la cicatriz de desgaste.

En la práctica, a menudo se da el caso de que la superficie solo está rugosa. En un segundo ejemplo que se muestra aquí, los volúmenes de vacío y material son casi iguales entre sí y se ha eliminado poco material. El análisis de volumen de un cráter de pulverización iónica o ablacionado con láser es sencillo para comenzar el análisis, obtener una imagen con el cráter cerca del centro y adquirir los datos de escaneo.

Algunos interferómetros de luz blanca pueden tener más de un modo de operación para características poco profundas. Se debe utilizar el modo de exploración por interferometría con desplazamiento de fase. Ese es el modo que se usa en este ejemplo muy superficial.

En este ejemplo, se ve que el área que rodea el cráter no es perfectamente plana debido a los pasos de procesamiento anteriores, y también el eje Z está desplazado para eliminar la influencia del área circundante irregular. Se puede utilizar una herramienta de recorte para restringir el área a la que se muestra en el cuadro blanco. La imagen debe estar desplazada de modo que el área no perturbada alrededor del perímetro esté en z igual a cero.

Esto se puede hacer usando un marco o una herramienta de desplazamiento Z si lo desea. La alineación adecuada del cráter se puede verificar utilizando una vista 3D. El cráter ahora se puede medir con la herramienta de medición estándar.

De nuevo, se medirá el volumen de material y el volumen vacío de la región resaltada en azul. El volumen neto del cráter es de 86.146 micras cúbicas. Para el análisis del tiempo hasta la profundidad, se pueden utilizar varias herramientas de perfil de línea para medir la profundidad, la asimetría, la inclinación de la pared, etc.

La perfilometría óptica se ha utilizado en estos ejemplos para medir muestras de prueba para ingeniería y ciencia de materiales. El método se puede utilizar en otros campos, también biomédico para el estudio de las superficies del cartílago. La primera vez que tuvimos la idea de este método fue cuando nos dimos cuenta de que otras técnicas simplemente no eran adecuadas para nuestras tareas.

Por ejemplo, la microscopía de fuerza atómica es demasiado limitada en sus rangos de exploración. Estilos mecánicos. Las imágenes periféricas son unidimensionales, y la electromicroscopía de barrido en muchos casos proporciona esencialmente imágenes planas.

Esta demostración visual del método es útil porque da a las personas que no están familiarizadas con la técnica una idea de cómo funciona. Con suerte, llevará a otros a aplicar la interferometría de luz blanca a su propio campo de estudio.