白色光干渉法による表面改質のキャラクタリゼーション：イオンスパッタリング、レーザーアブレーション法、およびトライボロジー実験における応用

光学式プロフィロメトリーは、大小の物体の表面高さをサブミクロンの精度で測定するための非接触法です。次の実験の全体的な目標は、白色光干渉顕微鏡を使用して小さな領域のトポグラフィーを迅速に測定する方法であり、これにより、機械的摩耗プロセスやイオンスパッタリングクレーターなどの材料エッチングプロセス、またはレーザーアブレーション中に失われる材料の量を測定できます。この測定は、まず白色光干渉顕微鏡を使用して試験表面の3次元プロファイルを取得することによって達成されます。

インコヒーレントな白色光は、明確な干渉パターンを形成します。パス長の遅延が同じ場合にのみ、広く利用できます。ソフトウェア測定ツールは、例えば、強力なレーザー照射や高エネルギーイオンによって引き起こされる元の表面からの変化を決定するために使用されます。

これは、元の平らな滑らかな表面から変更された表面を差し引くことによって行われます。これを行う場合、ソフトウェアツールを使用して、曲面の摩耗傷跡など、表面から曲率を取り除き、平面にレンダリングする必要がある場合があります。この方法を2つの領域でどのように適用できるかを示します。

まず、機械的摩耗分析、摩耗、三論理試験サンプルの摩耗痕が分析され、次に材料科学ではイオンビームスパッタリングまたはレーザーアブレーションの量と深さが決定されます。スタイラス、プロフィロメトリー、またはサイズに基づく近似などの他の方法に対するこの手法の主な利点は、詳細な3次元画像を生成するため、高速で正確であることです。レーザーアブレーションや鉄ビームの飛散など、不規則なクレーターや規則的なクレーターの測定に非常に役立ちます。

次に、トリオロジーの分野では、摩耗の量が非常に小さく、単純な顕微鏡推定に基づく近似は誤解を招く可能性があります。正しい結果を報告するには、変形領域の実際の形状を取得する必要があります。同じことが、例えば、深さがわずか10ナノメートルのオーダーで除去されたスパッタリング実験にも当てはまります。

このデモンストレーションでは、マイクロ試験、100白色光干渉顕微鏡、および走査型プローブ画像プロセッサソフトウェアを使用します。次の手順は、トリオロジーまたは潤滑科学で行われるように、ボールの小さな摩耗傷跡の体積を測定する方法を示しています。このプレゼンテーションをできるだけ汎用的にするために、自動処理は使用されません。

最初のステップは、サンプルを測定ステージに配置することです。便利で安定した台座を使用して、ボールをプロフィロメーターステージに置きます。対象物を上に向けて、低倍率の対物レンズを使用し、ボールをレンズの真下に配置します。

干渉縞がスクリーンの中央付近に表示されるように、試料の垂直位置を調整します。曲面の場合は、フリンジが中央に来るように試験片の向きを設定します。ボールを手で回転させるか、ステージを傾けて、摩耗痕が見え、利用可能な場合は水平になるようにします。

中倍率レンズを使用して、摩耗した関心領域が画面の大部分を占める画像を取得します。そうすることで、解像度が向上し、照明とスキャン高さを調整して、最適な地形図を得ることができます。データを収集する際は、装置の指示に従って試料をスキャンしてください。

補間関数を使用して不良データや欠落しているデータを入力し、3D アイソメ ビューを使用してマップを保存します。この画像は、ボールのAB編組領域を示しています。この表面の解析では、ボールの元の表面が平らに見えるように、画像の曲率を除去する必要があります。

その後、くぼみの体積を2Dビューで測定し、摩耗傷跡を除外した関心領域を選択します。ここで、緑色の網掛けは除外された領域を示します。画像解析プログラムがサーフェス補正を領域全体に適用し、マークした対象領域のみを使用してフィッティングが行われることを確認してください。

曲率を削除するソフトウェアカーブフィッティングツールを選択します。たとえば、多項式の 5 次数です。傷跡が曲率の除去に影響を与えないように、含まれている領域を操作するオプションを選択します。

領域が平らで精度が高いことを確認するために、はめあいを数回実行する必要があるかもしれません。平均水準を 0 に設定します。暗い円形の領域がくぼみです。

摩耗傷跡の体積は、画像処理ソフトウェアで測定ツールを使用して測定されます。ここでは任意の形状を使用できます。青い楕円形の測定ツールを使用して、摩耗痕を丸で囲みます。

ソフトウェア測定ツールには、レベル平面より上の材料の量とレベルより下で失われた材料の量を合計する機能が必要です。この特定の例では、挿入図は、マテリアルの体積が 136 立方ミクロンであることを示しています。ボイド容積は2, 733立方ミクロンで、正味摩耗は2, 597立方ミクロンです。

系統誤差の推定は、測定領域を摩耗痕から遠ざけ、測定された摩耗量(ゼロであるべき)が実際に非常に小さいことに注意することで行うことができます。平らな面の摩耗傷跡の体積の測定は、ボールよりも簡単です。分析を開始するには、トレンチの溝または傷跡の画像を取得します。

一般的には、試料の傾きを取り除くと、干渉縞が広がってしまいます。傾きが取り除かれたら、サンプルをスキャンします。溝をイメージ化する必要があります。

この画像はアイソメ図です。表面は水平である必要があります。そうでない場合は。

傷跡の領域をマスクし、表面の残りの部分に平面の傾き補正を適用します。また、マスクされていないサーフェスの平均高さを 0 に設定します。この例では、初期向きはほぼ完璧でした。

次に、測定ツールを使用してトレンチの体積を決定します。この例の数値結果は、47, 018立方ミクロンの体積を回避し、表面から68立方ミクロンの材料体積であり、正味の損失は46, 950立方ミクロンです。これは、摩耗傷跡の長さで失われる材料の量です。

実際には、表面が粗くされているだけであることがよくあります。ここに示す 2 番目の例では、ボイドとマテリアルのボリュームは互いにほぼ等しく、実際に削除されているマテリアルはほとんどありません。イオンスパッタまたはレーザーアブレーションクレーターの体積分析は、分析を開始し、クレーターを中心付近にした画像を取得し、スキャンデータを取得するのが簡単です。

一部の白色光干渉計には、浅い機能に対して複数の動作モードがある場合があります。スキャニングの位相シフト干渉法モードを使用する必要があります。これが、この非常に浅い例で使用されているモードです。

この例では、クレーターの周囲の領域が前の処理ステップのために完全に平坦ではなく、Z軸もオフセットされて不均一な周囲領域の影響を排除していることがわかります。トリミングツールを使用して、領域を白いボックスで表示される領域に制限できます。画像は、周囲の乱されていない領域が z が 0 に等しくなるようにオフセットする必要があります。

これは、必要に応じてフレームまたはZオフセットツールを使用して実行できます。クレーターの適切な位置合わせは、3Dビューを使用して確認できます。これで、標準の測定ツールを使用してクレーターを測定できます。

ここでも、青色で強調表示された領域のマテリアル ボリュームとボイド ボリュームが測定されます。クレーターの正味体積は86, 146立方ミクロンです。時間から深さまでの解析では、さまざまなラインプロファイルツールを使用して、深さ、非対称性、壁の傾斜などを測定できます。

これらの例では、光学式プロフィロメトリーを使用して、工学および材料科学の試験サンプルを測定しています。この方法は、他の分野でも、軟骨表面の研究のための生物医学でも使用できます。この手法を思いついたのは、他の手法が私たちのタスクに適していないことを知っ

例えば、原子間力顕微鏡は、走査範囲があまりにも限られています。メカニカルなスタイル。周辺画像は一次元にすぎず、多くの場合、走査型電気顕微鏡検査では基本的に平面的な画像しか得られません。

この手法の視覚的なデモンストレーションは、この手法に不慣れな人々にその仕組みのアイデアを与えるため、便利です。うまくいけば、他の人が自分の研究分野に白色光干渉法を適用するように導くでしょう。