WWW.DOC.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Различные документы
 

«Данная работа посвящена развитию комплексной методики с использованием атомносиловой микроскопии для неразрушающего контроля качества поверхностей ...»

ПРИМЕНЕНИЕ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ

КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ

СОВРЕМЕННОЙ ОПТИКИ

О.А.Коновалова1, В.В.Грушин2, А.В.Маркеева1, М.Х.Салахов1

Казанский (Приволжский) федеральный университет,

ФГУП НПО ГИПО

Данная работа посвящена развитию комплексной методики с использованием атомносиловой микроскопии для неразрушающего контроля качества поверхностей различных оптических устройств, включающей в себя оценку рельефа с помощью масштабных зависимостей параметров шероховатостей, совместного использования режимов топографии и детектирования фазы колебаний.

Высокие функциональные характеристики изделий современной оптики во многом зависят от качества рабочих оптических поверхностей и их устойчивости в процессе эксплуатации. В последнее время большое внимание уделяют созданию и развитию оптических приборов, в которых используются детали с наивысшими техническими требованиями по состоянию обработанных поверхностей. Для оценки качества поверхности оптических изделий используют два критерия: шероховатость поверхности и чистота поверхности. Для аттестации контроля параметров шероховатости используют контактные профилографы-профилометры, бесконтактные оптические приборы светового свечения и рефлексометры. Данные приборы не позволяют измерить шероховатость менее 20 нм на базовой длине менее 80 мкм и оценить качество поверхность подложек перед нанесением различных пленочных покрытий, свойства которых непосредственно зависят от рельефа и степени предварительной очистки поверхности [1].



Одним из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности с высоким пространственным разрешением является атомно-силовая микроскопия (АСМ). АСМ является прямым методом, позволяющим получить рельеф поверхности и рассчитать ее статистические и физико-химические характеристики, что позволяет при производстве оптических элементов осуществлять неразрушающий контроль оптических деталей. Также АСМ позволяет идентифицировать области с малым перепадом высот при развитом макрорельефе поверхности с учетом особенностей формирования изображения в режиме фазового контраста [2-4].

Данная работа посвящена развитию комплексной методики с использованием атомно-силовой микроскопии для неразрушающего контроля качества поверхностей различных оптических устройств, включающей в себя оценку рельефа с помощью масштабных зависимостей параметров шероховатостей, совместного использования режимов топографии и детектирования фазы колебаний.

1. АСМ-методики Визуализацию всех исследуемых поверхностей проводили на АСМ Solver P47H, сканер 50 мкм, и NTEGRA Prima (ЗАО «НТ-МДТ»). В процессе съема топографии исследуемых объектов были использованы кремниевые кантилеверы NSG11 (длина балки l=130 мкм с коэффициентом жесткости 5.5 Н/м, резонансная частота находилась в пределах 130190 kHz) (ЗАО «НТ-МДТ»). По паспортным данным типичный радиус кривизны острия кантилеверов был менее 30 нм. Сканирование проводили полуконтактным методом на воздухе в двух режимах: при постоянной амплитуде   202 (топография) и в режиме фазового контраста. Снимались кадры размером 5х5 мкм, 10х10 мкм, 20х20 мкм и 35х35 мкм с разрешением 10241024 точек. Визуализация проводилась при температуре в пределах 24-27оС при относительной влажности воздуха порядка 50-56%.



Для описания и детализации структуры поверхности применялись феноменологические характеристики, которые определены в терминах микрогеометрии и классической статистике [5]. Данные характеристики определяют наиболее общие свойства, отражающие состояние рельефа всех видов поверхности.

1.Sz – десять точек по высоте (ten point height, ISO 4287/1), nm.

S z = 1 5 ( y pi + yvi ), (1) i =1 i =1 где ypi - высота i-го наибольшего выступа профиля; yvi - глубина i-й наибольшей впадины профиля [1,3].

Параметр Sz выражает шероховатость поверхности (по аналогии с методом max

– min) по выбранным пяти координатам максимальных высот и впадин. Эта величина нужна для общей оценки степени «пересеченности рельефа поверхности».

2.Среднеарифметическая шероховатость поверхности:

1 N S a = 2 z (i, j ) z mean, (2) N i, j =1 1N = 2 zi, j.

z mean где Данная формула определяет центр симметрии. При N i, j =1 симметричном рельефе плотности распределения одной из возможных оценок центра распределения может служить абсцисса моды распределения высот рельефа.

3.Среднеквадратичная шероховатость поверхности:

1 N S q = 2 ( z (i, j ) z mean ). (3) N i, j =1 Она определяет дисперсию случайной величины и характеризует рассеяние отдельных ее значений от центра распределения. Имеет размерность квадрата и выражает как бы мощность рассеяния относительно постоянной составляющей.

По данным параметрам можно судить о степени различия между двумя и более поверхностями [5].

При АСМ измерениях регистрировались кадры различного размера с разных участков поверхности, что позволяло проводить усреднение параметров микрорельефа на разных пространственных масштабах (5х5 мкм, 10х10 мкм, 20х20 мкм и 35х35 мкм).

По каждому кадру рассчитывались значения шероховатости Sz, среднеарифметическая шероховатость Sa и среднеквадратичная шероховатость Sq. Таким образом, на примере серии АСМ-изображений разного размера исследуемых поверхностей были рассмотрены особенности масштабного поведения параметров шероховатости, т.е.

анализ зависимостей параметров шероховатостей от базовой длины (сторона кадра) L (мкм) с последующей экстраполяцией на L=80 мкм.

2. Изготовление цилиндрических зеркал На оптическом производстве для изготовления цилиндрических зеркал использовалось кварцевое стекло К8. Детали изготовлялись в виде прямоугольных брусков с верхней цилиндрической гранью, на которую впоследствии наносились   203 тонкие пленки. Кварцевое стекло обрабатывалось полирующей суспензией (размер зерен 1,3-1,4 мкм). После обработки кварцевой детали суспензия смывалась различными способами: 95% раствором этилового спирта; растворами кровяной соли K3[Fe(CN)6] и 95% этилового спирта. Нанесение слоев хрома и золота производилось вакуумным напылением при давлении 5·10-5 – 4·10-5 мм.рт.ст. Хром напылялся в течение 60 сек. После испарения хрома осуществлялась промежуточная очистка поверхности слоя хрома и промежуточный контроль качества покрытия слоя хрома методом оптической микроскопии и АСМ. На следующем этапе проводилось напыление золота в течение 2 мин. Толщина конечного слоя золота составляла 0,15 – 0,25 мкм. Далее определялась чистота поверхности и класс шероховатости в соответствии с ГОСТ 2789-73 [6].

К поверхностям оптических деталей, работающих на отражение, предъявляются повышенные требования по чистоте и гладкости с целью уменьшения рассеяния, особенно при применении в ультрафиолетовой и рентгеновской областях длин волн.

Методы оценки шероховатостей с помощью оптических приборов дают минимальные значения порядка 100 – 800 нм на базовой длине L=250 мкм, а максимальные – в пределах видимости человеческого глаза. Атомно-силовая микроскопия является прямым методом, позволяющем получать рельеф поверхности в виде функции z = f ( x, y ) и оценивать параметры шероховатости в пределах 0.1-10 нм на базовой длине L=5 мкм и менее.

3. Исследование качества функциональных слоев при изготовлении многослойного цилиндрического зеркала На рис.1 представлены АСМ-изображения поверхности цилиндрического зеркала из кварцевого стекла с нанесенным промежуточным слоем хрома и последующим финишным слоем золота после обработки поверхности заготовки раствором кровяной соли и 95% спиртом. В данном случае не наблюдается существенной разницы в изображении поверхностей, полученных в режимах топографии и фазового контраста. Это свидетельствует о том, что поверхности наносимых слоев являются достаточно чистыми и однородными, что говорит о высоком качестве обработки поверхностей перед нанесением последующих функциональных слоев.

По качественно обработанным поверхностям получены степенные или экспоненциальные зависимости параметров шероховатостей от базовой длины L (рис.2). Экстраполяция на базовую длину L=80 мкм показала (табл.1), что значения параметров шероховатости лежат в пределах 13 – 14 класса шероховатости по ГОСТ 2789-73 (Sz (80 мкм) = 32 – 100 нм, Sа (80 мкм) = 6 – 20 нм).

Однако, как показали результаты исследований, опираться только на значения параметров шероховатости (естественно наряду с оценкой класса чистоты) не достаточно при анализе поверхности. Метод АСМ позволяет применять в комплексе несколько визуальных методик и числовых оценок. Было показано, например, что при определенной обработке поверхности параметры шероховатости Sz и Sa очень хорошо укладываются в диапазон значений 13-14 класса ГОСТ 2789-73 [6]. Однако АСМизображение поверхности демонстрировало наличие на поверхности достаточно ровного слоя побочных продуктов, оставшихся после полировки и промывки оптической детали (рис.3а).

На рис.3б,в приведен экспериментальный результат не качественной обработки (очистки) поверхности слоя хрома химическими реагентами. Наблюдается существенная разница между изображениями, полученными в режимах топографии и фазового контраста.

  204 Рис.1. АСМ-изображения поверхностей цилиндрического зеркала из кварцевого стекла а,б) с нанесенным промежуточным слоем хрома, в,г) с нанесенным золотым покрытием. Изображения получены полученные в режимах а,в) – топографии, б,г) – фазового контраста. Поле сканирования 20х20 мкм.

–  –  –

Рис. 3. АСМ-изображения поверхности цилиндрического зеркала из кварцевого стекла а) поверхность заготовки после обработки (очистки), полученные в режиме

–  –  –

В данном случае на рис.3в наблюдается определенный слой, вероятно представляющий собой скопления жировых капель, в то время как режим топографии дает изображение достаточно однородной поверхности. Следовательно, можно наблюдать разницу в физических свойствах компонент поверхности при анализе изображений, полученных в режиме фазового контраста. Наличие таких жировых слоев не может положительно сказаться на качестве наносимых в дальнейшем слоев, и можно сделать вывод, что режим фазового контраста дает крайне важную информацию о состоянии поверхности, ее физических свойствах и чистоте.

Таким образом, установлены масштабные зависимости параметров шероховатости от базовых длин в широком диапазоне значений, что позволяет экстраполировать эти зависимости как в сторону меньших, так и больших значений базовых длин и контролировать шероховатость на уровне установленного ГОСТ.

Применение метода фазового контраста позволило визуализировать различные поверхностные дефекты, которые не имеют топографического проявления и выявляются только на изображении детектирования фазы колебаний. Можно говорить, что комплексная методика с использованием АСМ позволяет более качественно осуществлять неразрушающий контроль сверхгладких отражающих оптических поверхностей на промежуточных и конечном этапах их изготовления, что приводит к уменьшению процента брака при их производстве.

Список литературы

1. Окатов, М.А. Справочник технолога оптика / М.А. Окатов, Э.А. Антонов. – 2004. – С. 679.

2. Миронов, В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / В.Л. Миронов // Н. Новгород : Химия. – 2004. – С. 376.

3. Бухараев, А.А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии / А.А. Бухараев, Д.В. Овчинников, А.А. Бухараева // Заводская лаборатория. – 2004. – №5. – С. 10–27.

4. Чижик, С.А. Оценка качества поверхностей лазерной оптики методом атомно-силовой микроскопии / С.А. Чижик, А.П. Шкадаревич, Т.А.

Кузнецова, А.М. Курганович // Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии. – 2006. – С.27-31.

5. Арутюнов, П.А. Система параметров для анализа шероховатости и микрорельефа поверхности материалов в сканирующей зондовой микроскопии / П.А. Арутюнов, А.Л. Толстихина, В.Н. Демидов // «Заводская лаборатория. Диагностика материалов». – 1998. – Т. 65. –№9. – C. 27-37.

6. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. ГОСТ 2789-73.




Похожие работы:

«Ольга Ледяева, Родовые муки грядущей славы – 2, 27.01.13. Родовые муки грядущей славы – 2 Вера – это сотрудничество с Богом. Надеющиеся на Господа обновятся в "В мире будете иметь скорбь.". силе. "Но печаль ваша в радость будет". Обетования Божьи делают нас Бог не отменяет Своё...»

«Во имя нравст­ венной силы молодежи Послание Первого Президентства к молодежи НАШИ ДОРОГИЕ ЮНОШИ И ДЕВУШКИ! Мы безгранично верим вам. Вы – возлюбленные сыновья и дочери Бога, и Он вас помнит и беспокоится о вас. Вы пришли на Землю во времена великих возможностей, а также великих испытаний. Нрав...»

«© 2003 г. Ж.В. ЧЕРНОВА КОРПОРАТИВНЫЙ СТАНДАРТ СОВРЕМЕННОЙ МУЖЕСТВЕННОСТИ ЧЕРНОВА Жанна Владимировна научный сотрудник программы Гендерные исследования факультета политических наук и социологии Европейского Университета в...»

«27 РЕГИОН МЧС Более 50 государств мира решили объединиться для создания в своих странах зон безопасности, 20 стран ВЫПУСК 3 присоединились к ним в качестве наблюдателей. Как результат совместных усилий, 1 марта 1972 года была учреждена Международная организация гражданской обороны, а день подписания д...»

«июня. Некоторые садоводы рассаду астр пикируют в фазе первого настоящего листа. Сеянцы заглубляют до семядольного листочка. Рассаживают сеянцы в горшки или на расстоянии 7 см между растениями в ящики, заполненные землей. Если кто из садоводов решил посеять а...»

«Аннотация к рабочей программе 1 класса Название предмета Чтение и развитие речи Класс 1 Нормативная база Рабочая образовательная программа разработана на основе: "Букварь" для 1 класса специальных (коррекционных) образовательных уч...»

«Договор поставки № _ г. Химки Московской области "_" _ 2015 г. Общество с ограниченной ответственность "Эскорт Сервис", именуемое в дальнейшем "Поставщик" в лице генерального директора _, действующего на о...»







 
2017 www.doc.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные документы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.