אפיון של פני שטח על ידי שינויי Interferometry אור הלבן: יישומים ביון יורקת, אבלציה ליזר, וניסויי Tribology

פרופילומטריה אופטית היא שיטה ללא מגע למדידת גובה פני השטח של עצמים גדולים או קטנים לדיוק תת-מיקרוני. המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא להשתמש במיקרוסקופ אינטרפרומטרי באור לבן כשיטה מהירה למדידת טופוגרפיה של אזורים קטנים, המאפשרת למדוד את כמות החומר שאבד במהלך תהליכי בלאי מכניים או במהלך תהליכי חריטת חומרים כגון מכתשי התזת יונים או אבלציה בלייזר. מדידה זו מושגת על ידי השגת פרופילים תלת מימדיים של משטחי הבדיקה באמצעות מיקרוסקופ הפרעות אור לבן.

אור לבן לא קוהרנטי ייצור דפוסי הפרעה ברורים. רק כאשר העיכובים באורך הנתיב זהים, אז זמינים באופן נרחב. כלי מדידת תוכנה משמשים לקביעת שינויים מהמשטח המקורי הנגרמים, למשל, על ידי קרינת לייזר אינטנסיבית או יונים אנרגטיים.

זה נעשה על ידי חיסור המשטח שהשתנה מהמשטח החלק השטוח המקורי. בעת ביצוע פעולה זו, ייתכן שיהיה צורך להשתמש בכלי תוכנה כדי להסיר עקמומיות מהמשטח כדי להפוך אותו למישור שטוח, כגון עבור צלקת בלאי על משטח מעוקל. מוצג כיצד ניתן ליישם את השיטה בשני תחומים.

ראשית, ניתוח בלאי מכני, בלאי, צלקות בלאי בדגימות בדיקה תלת-לוגיות מנותחים, ושנית במדעי החומרים לקביעת נפחים ועומקים של התזת קרן יונים או אבלציה בלייזר. היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות אחרות כמו עט, פרופילומטריה או קירוב המבוסס על גודל הוא שהיא מהירה ומדויקת מכיוון שהשיטה מייצרת תמונה תלת מימדית מפורטת. זה שימושי מאוד למדידת מכתשים לא סדירים או רגילים, כגון מאבלציה בלייזר או התזת קרן ברזל.

שנית, בתחום הטריולוגיה, כמויות הבלאי עשויות להיות קטנות למדי וקירובים המבוססים על הערכות מיקרוסקופ פשוטות עלולים להטעות. יש צורך לקבל את הצורה האמיתית של האזור המעוות אם יש לדווח על תוצאות נכונות. אותו הדבר נכון, למשל, בניסויים מתיזים שבהם העומק הוסר אולי בסדר גודל של 10 ננומטר בלבד על ידי הבטחת שימוש בפרופילומטר אופטי ותוכנה טופוגרפית.

הדגמה זו עושה שימוש במיקרו בדיקה, 100 מיקרוסקופ הפרעות אור לבן ותוכנת מעבד תמונה של בדיקת סריקה. השלבים הבאים מדגימים כיצד למדוד את נפח צלקת הבלאי הקטנה על כדור כפי שנעשה בטריולוגיה או במדע הסיכה. כדי להפוך את המצגת הזו לגנרית ככל האפשר, לא נעשה שימוש בעיבוד אוטומטי.

השלב הראשון הוא למקם את המדגם על שלב המדידה. הניחו את הכדור על הפרופילומטר stage באמצעות כל הדום נוח ויציב. כאשר תכונת העניין פונה כלפי מעלה, השתמש במטרת הגדלה נמוכה ומקם את הכדור ישירות מתחת לעדשה.

התאם את המיקום האנכי של הדגימה כך ששולי ההפרעה יופיעו ליד מרכז המסך. עבור משטח מעוקל, כוון את הדגימה כך שהשוליים יהיו מרוכזים. סובב את הכדור ביד או הטה את הבמה כך שצלקת הבלאי תיראה ותהיה גם אופקית אם זמינה.

השתמש בעדשות הגדלה ביניים כדי לקבל תמונה שבה אזור העניין השחוק ממלא במידה רבה את המסך. פעולה זו משפרת את הרזולוציה, התאמת התאורה וגובה הסריקה על מנת לקבל את המפה הטופוגרפית הטובה ביותר. בעת איסוף נתונים, סרוק את הדגימה בהתאם להוראות המכשיר.

מלא נתונים פגומים או חסרים באמצעות פונקציית האינטרפולט, ולאחר מכן שמור את המפה באמצעות תצוגה איזומטרית תלת-ממדית. תמונה זו מציגה אזור קלוע AB של הכדור. ניתוח משטח זה דורש הסרת עקמומיות התמונה כך שהמשטח המקורי של הכדור ייראה שטוח.

לאחר מכן ניתן למדוד את נפח השקע בתצוגה הדו-ממדית, לבחור אזור עניין שאינו כולל את צלקת הבלאי. כאן, הגוון הירוק מציין את האזור שאינו נכלל. ודא שתוכנית ניתוח התמונה מיישמת את תיקון פני השטח על כל האזור, אך ההתאמה נעשית רק באמצעות אזור העניין שסימנת.

בחר את כלי התאמת עקומת התוכנה שיסיר את העקמומיות. לדוגמה, פולינום מסדר חמישי. בחר באפשרות לנתח את האזור הכלול כך שהצלקת לא תשפיע על הסרת העקמומיות.

ייתכן שיהיה צורך להפעיל את ההתאמה מספר פעמים כדי להבטיח שהאזור שטוח לדיוק טוב. הגדר את הרמה הממוצעת לאפס. האזור המעגלי הכהה יותר הוא השקע.

נפח צלקת הבלאי נמדד בתוכנת עיבוד התמונה באמצעות כלי המדידה. ניתן להשתמש כאן בכל צורה. כלי מדידה אליפטי כחול משמש להקיף את צלקת הבלאי.

לכלי מדידת התוכנה צריכה להיות תכונה המסכמת את כמות החומר מעל מישור המפלס ואת כמות החומר שאבד מתחת לרמה. בדוגמה הספציפית הזו, הכניסה מראה שנפח החומר הוא 136 מיקרון מעוקב. נפח הריק הוא 2,733 מיקרון מעוקב המעניק בלאי נטו של 2,597 מיקרון מעוקב.

ניתן לבצע הערכה של כל שגיאה שיטתית על ידי הרחקת אזור המדידה מצלקת הבלאי וציון שנפח הבלאי הנמדד, שאמור להיות אפס, הוא אכן קטן מאוד. מדידת נפח צלקת בלאי על משטח ישר היא פשוטה יותר מאשר לכדור. כדי להתחיל בניתוח, השג תמונה של חריץ התעלה או הצלקת.

בדרך כלל מומלץ להסיר כל הטיה של דגימה, ושולי ההפרעה יתפשטו זה מזה. לאחר הסרת ההטיה, סרוק את הדגימה. יש לדמות חריץ.

תמונה זו היא תצוגה איזומטרית. המשטח צריך להיות אופקי. אם לא.

יש להסוות את אזור הצלקת ולהחיל תיקון הטיה מישורית על שאר המשטח. הגדר גם את הגובה הממוצע של המשטח ללא מסיכה לאפס. בדוגמה זו, הכיוון הראשוני היה כמעט מושלם.

לאחר מכן, השתמש בכלי המדידה כדי לקבוע את נפח התעלה. התוצאות המספריות של דוגמה זו הן הימנעות מנפח של 47,018 מיקרון מעוקב, נפח חומר של 68 מיקרון מעוקב מעל פני השטח, מה שנותן הפסד נטו של 46,950 מיקרון מעוקב. זוהי כמות החומר שאובדת באורך צלקת הבלאי.

בפועל, לעתים קרובות המשטח רק מחוספס. בדוגמה שנייה המוצגת כאן, נפחי הריק והחומר כמעט שווים זה לזה ומעט חומר הוסר בפועל. ניתוח הנפח של מכתש יונים או מכתש בלייזר הוא פשוט להתחיל את הניתוח, לקבל תמונה עם המכתש ליד המרכז ולרכוש את נתוני הסריקה.

לחלק מהאינטרפרומטרים של אור לבן עשויים להיות יותר ממצב פעולה אחד עבור תכונות רדודות. יש להשתמש במצב הסריקה של אינטרפרומטריית שינוי פאזה. זה האופן שבו משתמשים בדוגמה הרדודה מאוד הזו.

בדוגמה זו, ניתן לראות שהאזור המקיף את המכתש אינו שטוח לחלוטין עקב שלבי עיבוד קודמים, וגם ציר Z מתקזז כדי לבטל את השפעת האזור הלא אחיד שמסביב. ניתן להשתמש בכלי חיתוך כדי להגביל את האזור לזה המוצג על ידי התיבה הלבנה. יש להיסט את התמונה כך שהאזור הבלתי מופרע סביב ההיקף יהיה ב-z שווה לאפס.

ניתן לעשות זאת באמצעות מסגרת או כלי קיזוז Z אם תרצה. ניתן לאמת את היישור הנכון של המכתש באמצעות תצוגה תלת מימדית. כעת ניתן למדוד את המכתש באמצעות כלי המדידה הסטנדרטי.

שוב, באזור המודגש הכחול יימדד נפח החומר ונפח החלל שלו. הנפח הנקי של המכתש הוא 86,146 מיקרון מעוקב. לניתוח זמן לעומק, ניתן להשתמש בכלי פרופיל קו שונים למדידת העומק, האסימטריה, שיפוע הקיר וכן הלאה.

פרופילומטריה אופטית שימשה בדוגמאות אלה למדידת דגימות בדיקה להנדסה ומדעי החומרים. ניתן להשתמש בשיטה בתחומים אחרים, גם ביו-רפואיים לחקר משטחי סחוס. הרעיון לשיטה הזו עלה לנו לראשונה כשגילינו שטכניקות אחרות פשוט לא מתאימות למשימות שלנו.

לדוגמה, מיקרוסקופ כוח אטומי פשוט מוגבל מדי בטווחי הסריקה שלו. סגנונות מכניים. תמונות היקפיות הן חד-ממדיות בלבד, ואלקטרומיקרוסקופיה סריקה במקרים רבים נותנת למעשה רק תמונות שטוחות.

הדגמה ויזואלית זו של השיטה שימושית מכיוון שהיא נותנת לאנשים שאינם מכירים את הטכניקה מושג כיצד היא פועלת. יש לקוות שזה יוביל אחרים ליישם אינטרפרומטריית אור לבן בתחום המחקר שלהם.