Образец шероховатости Советский патент 1991 года по МПК G01B5/28 

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

Целью изобретения является повышение точности определения 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 составляет пластина 1 из твердого материала, например стекла, кремния и т. д, с минимальной собственной шероховатостью. Современные методы обработки (алмазное точение, химическая полировка и т. д.) позволяют 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, оставшиеся после обработки пластины, повысить однородность

поверхности и уменьшить ее химическую активность. Рельеф образца определяется наружным слоем 3, который представляет собой дисперсную металлическую пленку, состоящую из частиц в форме усеченных сфер. Частицы такой формы образуются при затвердевании жидких капель.

Нанесение металлической пленки может быть осуществлено методом вакуумной конденсации. Известно, что многие металлы конденсируются в жидком состоянии, если температура подложки превышает 2/3 Тпл (Тпл - температура плавления металла). Эта особенность связана со способностью чистых металлов к глубокому переохлаждению.

Капли различного размера характеризуются одинаковым отношением высоты h к диаметру D в горизонтальном сечении. Величина этого отношения однозначно определяется углом смачивания. Значения углов смачивания указаны в справочной литературе для многих систем, в том числе для систем металл/углерод. Диаметры капель можно измерить по электронно-микроскопическим снимкам. При известной величине h/D проекция 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 отношениями h/D. В этих условиях измерение шероховатости существенно усложняется.

Точность параметров шерохоьйюсти образца, т. е. точность их аттестации повышается благодаря постоянству формы частиц наружного слоя. Действительно, размер частиц в горизонтальной плоскости может быть измерен по электронным микрофотографиям с погрешностью несколько процентов. Если угол смачивания для рассматриваемой системы точно известен, то каждой точке на изображении частицы данного размера можно приписать определенную высоту. Значит,погрешность измерения высоты частиц или параметра шероховатости Ra также может составлять несколько процентов. Это намного меньше достигающей сэтен процентов погрешности измерения Ra известных образцов, рельеф которых создается неоднородностями, остающимися после шлифовки и полировки. Если значения угла смачивания © в справочной литературе отсутствуют или представляются 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 менять, изменяя условия конденсации, например количество осажденного металла. Тем самым обеспечивается возможность приготовления серии образцов с параметром Ra, отличающимся на любую наперед заданную величину. По той же причине повышается точность воспроизведения рельефа при копировании образца.

Пример изготовления образца на полированных стеклах, покрытых слоем аморфного углерода и дисперсной пленкой олоаа. Параметр шероховатости Ra стекол, измеренный рефлектометрическим методом, составляет 1,7 и 1,1 нм соответственно до и после нанесения углерода. Олово нанесено вакуумным испарением на подложки, нагретые до 420 К (0,85 Тпл). Меняя 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 смачивания для системы олово/углерод принят равным 125°

Наряду с электронно-микроскопическим анализом рельефа образца проведена оценка их шероховатости с помощью спектрофотометра по коэффициенту интегрального рассеяния света. В обоих случаях наблюдается закономерное возрастание параметра Ra при увеличении средней толщины пленки олова, что позволяет производить градуировку оптических приборов по

образцам, аттестованным методами электронной микроскопии.

Оценка точности аттестации образцов приводит к следующим выводам. Из-за высокой однородности слоя аморфного углерода частицы олова распределены по его поверхности равномерно. Поэтому для измерения параметров шероховатости, например среднего арифметического отклонения профиля 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 расстоянии между частицами 0,1 мкм флуктуации плотности частиц меняют Ra не более чем на 1%. Точность определения размера частиц с помощью электронного

микроскопа составляет около 3%. При заданном угле смачивания ©высота частиц, а значит, и параметр Ra определяется с такой же погрешностью, как и их диаметр. Для олова на углероде и средняя высота

частиц связана с диаметром соотношением cos 0

h (0,33 + ) -D. Если измерять 0

разумной точностью ±3°, относительная ошибка измерения h и Ra составит около 7%. Таким образом, суммарная ошибка измерения Ra составляет около 10% и может быть уменьшена, например,при использовании сканирующего туннельного микроскопа. Образец, изображенный на фиг. 2а, характеризуется параметром Ra, равным 86 ±10 нм.

Рельеф известных образцов содержит ямки и царапины, имеющие различную форму и распределенные по поверхности неравномерно. Для анализа такого рельефа применение электронномикроскопических методов является малоэффективным. При их аттестации используют оптические приборы и механические профилографы. Их показания в силу ряда объективных причин позволяют, в частности, повысить точность воспроизведения рельефа при изготовлении копий образцов.

В связи 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 для получения статистически достоверных результатов. Таким образом, для описанного образца процесс аттестации облегчается, а точность измерения параметра шероховатости Ra повышается в десятки раз.

Средний размер металлических частиц и их распределение по размерам зависят от количества осажденного металла, скорости испарения и температуры подложки. Эти параметры поддаются простому контролю и могут быть легко воспроизведены, что позволяет изготовить любое число копий образца, с большой точностью повторяющих оригинал. Меняя условия конденсации, можно плавно регулировать параметры ше- роховатости образца Измерение среднего арифметического отклонения профиля Ra может осуществляться с шагом примерно 0,1 нм

Формула изобретения

Образец шеооховатости, состоящий з стеклянной пластины и покрытия в виде од ного или нескольких металлически илорв отличающийся тем что, с цег.-ю

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

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, а именно к измерениям шероховатости, и может быть использовано при поверке и градуировке приборов, в частности рефлектометров, Целью изобретения является повышение точности определения параметров в образце шероховатости, которая достигается тем, что в образце шероховатости, состоящем из стеклянной пластины и покрытия в виде одного или нескольких металлических слоев, выполняют наружный металлический слой в виде системы дискретных частиц одинаковой формы. 4 ил.

Фиг /

. 7