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

פרופילומטריה אופטית היא שיטה ללא מגע למדידת גובהי פני השטח של עצמים גדולים או קטנים בדיוק סוב-מיקרוני. המטרה הכללית של הניסוי הבא היא להשתמש במיקרוסקופ אינטרפרומטרי של אור לבן כשיטה מהירה למדידת הטופוגרפיה של שטחים קטנים, המאפשרת למדוד את כמות החומר שאבדה במהלך תהליכי שחיקה מכנית או במהלך תהליכי תקיצה של חומר, כגון מכתשי התזה יונית או אבלציה בלייזר. מדידה זו מושגת תחילה על ידי קבלת פרופילים תלת-ממדיים של משטחי הבדיקה באמצעות מיקרוסקופ אינטרפרנציה של אור לבן.

אור לבן לא קוהרה ייצור תבניות התאבכות מובחנות. רק כאשר עיכובים באורך המסלול זהים, הן זמינות באופן נרחב. כלי מדידה תוכנתיים משמשים לקביעת שינויים מהפני השטח המקורי שנגרמו, למשל, על ידי קרינת לייזר אינטנסיבית או יונים אנרגטיים.

פעולה זו מתבצעת על ידי חיסור של המשטח ששונה מהמשטח השטוח והחלק המקורי. בעת ביצוע פעולה זו, ייתכן שיהיה צורך להשתמש בכלי תוכנה כדי להסיר עקמומיות מהמשטח על מנת להפוך אותו למישור שטוח, כגון במקרה של פצע שחיקה על משטח מעוקל. מוצג כיצד ניתן ליישם את השיטה בשני תחומים.

ראשית, בניתוח שחיקה מכנית, מנתחים שחיקה וסימני שחיקה בדגימות בדיקה טרי-לוגיות, ושנית, במדע החומרים, להערכת נפחים ועומקים של שקיעת קרן יונים (ion beam sputtering) או אבלציה בלייזר. היתרון המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות אחרות, כגון פרופילומטריה במחט (stylus profilometry) או קירוב המבוסס על גודל, הוא שהיא מהירה ומדויקת, מכיוון שהשיטה מפיקה תמונה תלת-ממדית מפורטת. היא שימושית מאוד למדידת מכתשים לא סדירים או סדירים, כגון אלו הנוצרים מאבלציה בלייזר או משקיעת קרן יונים.

שנית, בתחום הטריבולוגיה, כמויות השחיקה עשויות להיות קטנות מאוד והערכות המבוססות על בדיקות מיקרוסקופ פשוטות עלולות להטעות. על מנת לדווח על תוצאות נכונות, יש צורך להשיג את הצורה הממשית של האזור המעוות. הדבר נכון גם, למשל, בניסויי התזת חומרים שבהם העומק שהוסר עשוי להיות בסדר גודל של 10 nanometers בלבד. התחילו בהבטחת הגישה לפרופילומטר אופטי ולתוכנה למיפוי טופוגרפי.

הדגמה זו משתמשת במיקרוסקופ הפרחוב (interference microscope) עם אור לבן ובתוכנה לעיבוד תמונות של סורק Probe. השלבים הבאים מדגימים כיצד למדוד את הנפח של פצע שחיקה קטן על כדור, כפי שנעשה בתחומי הטריבולוגיה או מדע הסיכוך. כדי להפוך הצגה זו לגנרית ככל האפשר, לא נעשה שימוש בעיבוד אוטומטי.

השלב הראשון הוא מיקום הדגימה על במה המדידה. הנח את הכדור על במת הפרופילומטר באמצעות מעמד נוח ויציב. כאשר התכונה המבוקשת פונה כלפי מעלה, השתמש בעדשה בעלת הגדלה נמוכה ומקם את הכדור ישירות מתחת לעדשה.

כווננו את המיקום האנכי של הדגימה כך שפסי ההתאבכות יופיעו סמוך למרכז המסך. עבור משטח מעוקל, כווננו את הדגימה כך שהפסים יהיו ממורכזים. סובבו את הכדור ידנית או הטו את הבמה כך שפצע השחיזייה יבוא למבט ויהיה גם הוא אופקי, במידה והוא זמין.

השתמש בעדשות הגדלה בינוניות כדי לקבל תמונה שבה אזור השחיקה הרלוונטי ממלא את רוב המסך. פעולה זו משפרת את הרזולוציה; כוון את התאורה ואת גובה הסריקה כדי לקבל את מפת הטופוגרפיה הטובה ביותר. בעת איסוף הנתונים, סרוק את הדגימה בהתאם להוראות המכשיר.

מלאו נתונים לקויים או חסרים באמצעות פונקציית האינטרפולציה (interpolate), ולאחר מכן שמרו את המפה באמצעות תצוגה איזומטרית תלת-ממדית. תמונה זו מציגה אזור של קליעה מסוג AB של הכדור. ניתוח של פני שטח אלו דורש הסרה של העקמומיות של התמונה, כך שפני השטח המקוריים של הכדור ייראו שטוחים.

ניתן למדוד את נפח השקע בתצוגה הדו-ממדית (2D), על ידי בחירת אזור עניין שאינו כולל את פצע השחיקה. כאן, הגוון הירוק מציין את האזור שהוחרג. ודא שתוכנת ניתוח התמונות מחילה את תיקון הפני השטח על כל השטח, אך שההתאמה (fitting) מתבצעת באמצעות אזור העניין שסימנת בלבד.

בחר את כלי התאמת העקומות בתוכנה שיסיר את העקמומיות. לדוגמה, פולינום מסדר חמישי. בחר באפשרות להפעיל את הכלי על השטח המסומן, כך שהצלקת לא תשפיע על הסרת העקמומיות.

ייתכן שיהיה צורך להריץ את ההתאמה מספר פעמים כדי להבטיח שהשטח שטוח בדיוק רב. הגדירו את המפלס הממוצע לאפס. האזור המעגלי הכהה יותר הוא השקע.

את נפח פצע השחיקה מודדים בתוכנה לעיבוד תמונות באמצעות כלי המדידה. ניתן להשתמש בכל צורה. כלי מדידה אליפטי כחול משמש להקפת פצע השחיקה.

כלי המדידה בתוכנה צריך לכלול תכונה המחשבת את הסכום הכולל של כמות החומר מעל מישור הפילוס ואת כמות החומר שאבדה מתחתיו. בדוגמה זו, התמונה המוכנסת מראה כי נפח החומר הוא 136 מיקרון מעוקב. נפח החלל הוא 2,733 מיקרון מעוקב, מה שנותן שחיקה נטו של 2,597 מיקרון מעוקב.

ניתן להעריך שגיאה שיטתית כלשהי על ידי הזזת אזור המדידה הרחוק מהפצע שנגרם מהבלאי, ולציין שנפח הבלאי שנמדד, אשר אמור להיות אפס, הוא אכן קטן מאוד. מדידת הנפח של פצע בלאי על משטח שטוח היא פשוטה יותר מאשר עבור כדור. כדי להתחיל בניתוח, השג תמונה של חריץ התעלה או של פצע הבלאי.

בדרך כלל מומלץ לבטל כל הטיה של הדגימה, ואז פסי ההתאבכות יתרחקו זה מזה. לאחר ביטול ההטיה, סרוק את הדגימה. צריכה להתקבל תמונה של חריץ.

תמונה זו היא במבט איזומטרי. המשטח צריך להיות אופקי. אם אינו כזה.

סמנו את אזור הצלקת ובצעו תיקון נטייה של המישור (plane tilt correction) לשאר פני השטח. כמו כן, הגדירו את הגובה הממוצע של פני השטח שאינם מסומנים לאפס. בדוגמה זו, האוריינטציה הראשונית הייתה כמעט מושלמת.

בשלב הבא, השתמש בכלי המדידה כדי לקבוע את נפח התעלה. התוצאות המספריות בדוגמה זו הן נפח חלל של 47,018 cubic microns, ונפח חומר של 68 cubic microns מעל פני השטח, מה שנותן הפסד נקי של 46,950 cubic microns. זוהי כמות החומר שאובדת לאורך פס השחיקה.

בפועל, לעיתים קרובות קורה שהשטח רק מחוספס. בדוגמה שנייה המוצגת כאן, נפחי החללים והחומר כמעט שווים זה לזה ומעט מאוד חומר הוסר בפועל. ניתוח הנפח של מכתש שנוצר על ידי התזה יונית או אבלציה בלייזר הוא פשוט: כדי להתחיל בניתוח, השג תמונה שבה המכתש נמצא קרוב למרכז ורכוש את נתוני הסריקה.

ייתכן שבחלק ממכשירי האינטרפרומטר באור לבן קיימים מספר מצבי פעולה עבור תכונות רדודות. יש להשתמש במצב סריקה של אינטרפרומטריית הזזת מופע (phase shifting interferometry). זהו המצב שבו נעשה שימוש בדוגמה רדודה זו.

בדוגמה זו ניתן לראות כי השטח שסביב המכתש אינו שטוח לחלוטין בשל שלבי עיבוד קודמים, וכן ציר Z מוסט כדי לבטל את השפעת השטח הסובב שאינו אחיד. ניתן להשתמש בכלי חיתוך כדי להגביל את השטח לאזור המוצג בתיבה הלבנה. יש להסיט את התמונה כך שהשטח שלא הופר מסביב להיקף יהיה ב-z שווה ל-0.

ניתן לבצע זאת באמצעות כלי להזזת מסגרת או היסט Z (Z offset) אם ברצונך. ניתן לאמת את היישור הנכון של המכתש באמצעות תצוגה תלת-ממדית. כעת ניתן למדוד את המכתש באמצעות כלי המדידה הסטנדרטי.

שוב, נפח החומר ונפח החלל של האזור המסומן בכחול יימדדו. הנפח נטו של המכתש הוא 86,146 מיקרון מעקבי. לצורך ניתוח זמן מול עומק, ניתן להשתמש בכלי פרופיל קו שונים כדי למדוד את העומק, את האסימטריה, את נטיית הדופן וכדומה.

פרופילומטריה אופטית שימשה בדוגמאות אלו למדידת דגימות בדיקה עבור הנדסה ומדע החומרים. ניתן להשתמש בשיטה זו גם בתחומים אחרים, ואף בתחום הביו-רפואי לחקר משטחים של סחוס. הרעיון לשיטה זו עלה לראשונה כאשר גילינו שטכניקות אחרות פשוט לא היו מתאימות למשימות שלנו.

לדוגמה, מיקרוסקופיית כוח אטומי מוגבלת מדי בטווח הסריקה שלה. סגנונות מכניים. הדמיות פריפריאליות הן חד-ממדיות בלבד, ובמקרים רבים מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת מספקת בעיקר תמונות שטוחות בלבד.

הדגמה חזותית זו של השיטה היא שימושית כיוון שהיא מעניקה לאנשים שאינם מכירים את הטכניקה מושג לגבי אופן פעולתה. נקוה כי היא תוביל אחרים ליישם אינטרפרומטריה של אור לבן בתחום המחקר שלהם.