SU1649241A1 - Образец шероховатости - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике, а именно к измерени м шероховатости, и может быть использовано при поверке и градуировке приборов, в частности рефлектометров, Целью изобретени   вл етс  повышение точности определени  параметров в образце шероховатости, котора  достигаетс  тем, что в образце шероховатости, состо щем из стекл нной пластины и покрыти  в виде одного или нескольких металлических слоев, выполн ют наружный металлический слой в виде системы дискретных частиц одинаковой формы. 4 ил.

Description

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике, а именно к измерени м шероховатости, и может быть использовано при поверке и градуировке приборов, в частности рефлектометров,

Целью изобретени   вл етс  повышение точности определени  параметров шероховатости .

На фиг. 1 схематически изображен образец шероховатости; на фиг. 2,3- вид поверхности образца в электронном микроскопе; на фиг. 4 - профиль частиц.

Основу образца составл ет пластина 1 из твердого материала, например стекла, кремни  и т. д, с минимальной собственной шероховатостью. Современные методы обработки (алмазное точение, химическа  полировка и т. д.) позвол ют получать поверхности с параметром шероховатости Ra менее 1 нм. Еще меньшей шероховатостью обладают плотно упакованные грани монокристаллов. На пластину нанесен слой 2 мелкоструктурного и химически инертного материала, например аморфного углерода. Его назначение состоит в том, чтобы сгладить неровности, оставшиес  после обработки пластины, повысить однородность

поверхности и уменьшить ее химическую активность. Рельеф образца определ етс  наружным слоем 3, который представл ет собой дисперсную металлическую пленку, состо щую из частиц в форме усеченных сфер. Частицы такой формы образуютс  при затвердевании жидких капель.

Нанесение металлической пленки может быть осуществлено методом вакуумной конденсации. Известно, что многие металлы конденсируютс  в жидком состо нии, если температура подложки превышает 2/3 Тпл (Тпл - температура плавлени  металла). Эта особенность св зана со способностью чистых металлов к глубокому переохлаждению.

Капли различного размера характеризуютс  одинаковым отношением высоты h к диаметру D в горизонтальном сечении. Величина этого отношени  однозначно определ етс  углом смачивани . Значени  углов смачивани  указаны в справочной литературе дл  многих систем, в том числе дл  систем металл/углерод. Диаметры капель можно измерить по электронно-микроскопическим снимкам. При известной величине h/D проекци  частиц на плоскость пластины полностью характеризует рельеф.

(Л

с

N5 4

Если при конденсации металла температура подложки ниже 2/3 Тпл, возникают кристаллические частицы произвольной формы, характеризуемые различными отношени ми h/D. В этих услови х измерение шероховатости существенно усложн етс .

Точность параметров шерохоьйюсти образца, т. е. точность их аттестации повышаетс  благодар  посто нству формы частиц наружного сло . Действительно, размер частиц в горизонтальной плоскости может быть измерен по электронным микрофотографи м с погрешностью несколько процентов. Если угол смачивани  дл  рассматриваемой системы точно известен, то каждой точке на изображении частицы данного размера можно приписать определенную высоту. Значит,погрешность измерени  высоты частиц или параметра шероховатости Ra также может составл ть несколько процентов. Это намного меньше достигающей сэтен процентов погрешности измерени  Ra известных образцов, рельеф которых создаетс  неоднородност ми, остающимис  после шлифовки и полировки. Если значени  угла смачивани  © в справочной литературе отсутствуют или представл ютс  недостаточно достоверными, возможно измерение 0 по профильным снимкам в электронном микроскопе или по изображению рельефа в сканирующем туннельном микроскопе.

В отличие от следов механической обработки среднюю высоту металлических частиц и их плотность можно плавно мен ть, измен   услови  конденсации, например количество осажденного металла. Тем самым обеспечиваетс  возможность приготовлени  серии образцов с параметром Ra, отличающимс  на любую наперед заданную величину. По той же причине повышаетс  точность воспроизведени  рельефа при копировании образца.

Пример изготовлени  образца на полированных стеклах, покрытых слоем аморфного углерода и дисперсной пленкой олоаа. Параметр шероховатости Ra стекол, измеренный рефлектометрическим методом, составл ет 1,7 и 1,1 нм соответственно до и после нанесени  углерода. Олово нанесено вакуумным испарением на подложки, нагретые до 420 К (0,85 Тпл). Мен   количество осажденного металла, можно регулировать максимальный размер частиц от 5 нм до 10 мкм, что соответствовало изменению Ra в диапазоне 0,1 нм - 1 мкм, Вид частиц олова различного размера иллюстрируют электронно-микроскопические снимки. Угол смачивани  дл  системы олово/углерод прин т равным 125°

Нар ду с электронно-микроскопическим анализом рельефа образца проведена оценка их шероховатости с помощью спектрофотометра по коэффициенту интегрального рассе ни  света. В обоих случа х наблюдаетс  закономерное возрастание параметра Ra при увеличении средней толщины пленки олова, что позвол ет производить градуировку оптических приборов по

образцам, аттестованным методами электронной микроскопии.

Оценка точности аттестации образцов приводит к следующим выводам. Из-за высокой однородности сло  аморфного углерода частицы олова распределены по его поверхности равномерно. Поэтому дл  измерени  параметров шероховатости, например среднего арифметического отклонени  профил  Ra, достаточно провести обработку снимка произвольного участка поверхности. Размер этого участка должен быть выбран так, чтобы результаты были статистически достоверными. Расчет показывает, что при типичном размере анализируемого участка 10x10 мм2 и среднем рассто нии между частицами 0,1 мкм флуктуации плотности частиц мен ют Ra не более чем на 1%. Точность определени  размера частиц с помощью электронного

микроскопа составл ет около 3%. При заданном угле смачивани  ©высота частиц, а значит, и параметр Ra определ етс  с такой же погрешностью, как и их диаметр. Дл  олова на углероде и средн   высота

частиц св зана с диаметром соотношением cos 0

h (0,33 + ) -D. Если измер ть 0

разумной точностью ±3°, относительна  ошибка измерени  h и Ra составит около 7%. Таким образом, суммарна  ошибка измерени  Ra составл ет около 10% и может быть уменьшена, например,при использовании сканирующего туннельного микроскопа. Образец, изображенный на фиг. 2а, характеризуетс  параметром Ra, равным 86 ±10 нм.

Рельеф известных образцов содержит  мки и царапины, имеющие различную форму и распределенные по поверхности неравномерно . Дл  анализа такого рельефа применение электронномикроскопических методов  вл етс  малоэффективным. При их аттестации используют оптические приборы и механические профилографы. Их показани  в силу р да объективных причин позвол ют, в частности, повысить точность воспроизведени  рельефа при изготовлении копий образцов.

В св зи с высокой степенью однородности аморфного углерода металлические частицы распределены по поверхности равномерно , так что шероховатость различных участков поверхности одинакова. Тем самым отпадает необходимость в выполнении большого числа измерений дл  получени  статистически достоверных результатов. Таким образом, дл  описанного образца процесс аттестации облегчаетс , а точность измерени  параметра шероховатости Ra повышаетс  в дес тки раз.

Средний размер металлических частиц и их распределение по размерам завис т от количества осажденного металла, скорости испарени  и температуры подложки. Эти параметры поддаютс  простому контролю и могут быть легко воспроизведены, что позвол ет изготовить любое число копий образца , с большой точностью повтор ющих оригинал. Мен   услови  конденсации, можно плавно регулировать параметры ше- роховатости образца Измерение среднего арифметического отклонени  профил  Ra может осуществл тьс  с шагом примерно 0,1 нм

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Образец шеооховатости, состо щий з стекл нной пластины и покрыти  в виде од ного или нескольких металлически илорв отличающийс  тем что, с цег.-ю

   повышени  точности определени  параметров шероховатости, наружный металл-НР- ский слой выполнен в зиде систем дискретных частиц одинаковой формы

   Фиг /

   . 7