ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАСОБІВ контролю поверхонь іповерхневого шару
Вступ
Гарантованеодержання виробів з принципово новим рівнем функціональних та ін. властивостей,досягнення точності 0,1 мкм — 1 нм може бути отримано тільки за умови комплексноїрозробки високопрецизійних робочих процесів, вимірювальних систем, верстатів таін. устаткування. Розміри деталей або їх елементів можуть складати широкийдіапазон аж до декількох мкм, а точність верстатів повинна бути в межах 0,01мкм.
1. Технологічне оснащення
Робочі процеси,пов'язані з механічною обробкою, базуються на надзвичайно високій точностіхарактеристик переміщень верстата і геометрії інструмента. Субмікрометрична чинанометрична точність переміщень верстата і геометрії інструмента є тутобов'язковими умовами. Металорізальні верстати, усе технологічне устаткування івимірювальна апаратура включаються в єдину систему керування замкнутим циклом,що в сукупності забезпечує досягнення необхідної точності, швидкості такерування циклом позиціювання в системі інструмент-заготовка.
2. Засоби контролю поверхонь і поверхневого шару
фотоелектроннаспектроскопія скануюча поверхня
У традиційних технологіях більшою мірою використовуютьсявимірювальні інструменти, прилади та пристрої, що дозволяють контролюватимакро- і мікрогеометричні характеристики поверхні. Задача формуванняфункціональних властивостей виробу породила необхідність розширення арсеналузасобів вимірювання та контролю, і призвела до використання фізичних методівдосліджень: спектральний, рентгенівський і мікрорентгенівський аналізи,растрова та просвічуюча електронна мікроскопія, методи визначення залишковихмікро- і макронапруг, растрова та скануюча тунельна мікроскопія, атомнамікроскопія.
На початку 80-х німецький фізик Герд Бінніг та йогошвейцарський колега Генріх Рорер відкрили растрово-тунельний мікроскоп іодержали за нього в 1986 році Нобелівську премію в області фізики. За допомогоюцього приладу можна спостерігати за поверхнею з точністю до атома. А зараз цейприлад є так само розповсюдженим, стандартним устаткуванням, як і його«молодший брат» — силовий мікроскоп. Досягнуто можливості вивчення новихповерхневих структур, атомних і молекулярних структур поверхні після різнихспособів формоутворення й обробки.
Таким чином, сьогодні в розпорядженні технологів, науковцівможе бути досить засобів для всебічної оцінки характеристик виробів на трьохрівнях:
• макроскопічному, коли глибина поверхневого шару, щоперевіряється, складає 100-1000 мкм;
• мікроскопічному,коли глибина поверхневого шару, що перевіряється, складає діапазон від кількохсотень нанометрів до декількох мікронів;
• манометричний, коли цей шар не перевищує декількох атомнихшарів.
Для оцінки топографії поверхні, її структури і шорсткостізастосовують оптичну мікроскопію (ОМ), електронну мікроскопію (ЕМ),атомно-силову мікроскопію (АСМ), тунельну електронну мікроскопію (ТЕМ).
Кристалографію поверхневих шарів деталей після виготовлення оцінюють задопомогою гамма-променевої й енергетичної фотонної спектроскопії. Традиційнашироко застосовувана гамма спектроскопія дає уявлення про структурукристалографічних тіл та їх напружений стан. Для оцінки точності розміру йорієнтації окремого поверхневого кристаліту ефективними є методи електронноїзворотно-розсіюючої дифракції.
Хімічну природу елементів у поверхні одержують мікрозондуванням, що дозволяє досліджуватиоб'єм до одного кубічного мікрометра. Різні методи спектроскопії, засновані набомбардуванні фотонами чи електронами, ідентифікують природу поглинаючих шарівбіля поверхні.
Ступінь геометричних, фізико-хімічних та кристалографічнихзмін у поверхневому шарі в процесі виготовлення виробу оцінюється цілимкомплексом методів:
• електронна потенційна ОЖЕ-спектроскопія;
• електронна ОЖЕ-спектроскопія;
• концентричний-гемосферичний аналізатор;
• циліндричний дзеркальний аналізатор;
• високороздільна електронна енергетична спектроскопія;
• іонізаційна спектроскопія;
• інфрачервона рефлекто-поглинальна спектроскопія;
• високоенергетичне іонне розсіювання;
• рефлекто-високоенергетична електронна дифракція;
• гамма-променева фотоелектронна спектроскопія;
• ультрафіолетовафотоелектронна спектроскопія;
• скануюча електронна мікроскопія;
• метод поверхневої розширеної гамма-променевої точноїструктури;
• високороздільнаелектронна мікроскопія тощо.
Нижче наводитьсякоротка характеристика деяких з них.
2.1 Метод гамма-променевої фотоелектронноїспектроскопії
Цей метод відноситься до неруйнівних методів контролю, томущо гамма-промінь, який використовується для одержання фотоелектронного спектра,відносно безпечний для багатьох матеріалів.
Джереломгамма-випромінювання є нитка накалювання та цільовий анод. Напругаприкладається між ниткою й анодом для прискорення електронів, що випускаються знитки в щілину анода. Електронне бомбардування щілини є причиною виникненнягамма-випромінювання. Для вироблення фотоелектричного спектра гамма-джерело здійснюємонохромне випромінювання з достатньою енергією, щоб одержати ядра електроніввсіх елементів періодичної таблиці. На рис. 1 представлена схема одержанняфокусованого променя на установці Стенфордської синхротронної радіаційноїлабораторії. Гамма-фотони з найближчого моноенергетичного променя направляютьсявсередину зразка. Фотони поглинаються атомами, це супроводжуєтьсявипромінюванням електронів. Електрони з орбіт всіх атомів з енергією зв'язку,меншою, ніж енергія гамма-променів, збуджуються неоднаково. Деякі піки вспектрі більш інтенсивні, ніж інші. Тому що атомні структури кожного елементаперіодичної таблиці відрізняються від всіх інших, визначення позиції одного чибагатьох шляхів електронів дозволяє визначити присутність різних елементів уповерхні зразка.
/>
Рис. 1
Методповерхневої розширеної гамма-променевої точної структури (ПРГПС) дозволяєвизначити зміни довжин молекулярних зв'язків з точністю до 0,05 А°, орієнтаціїмолекул, що поглинаються поверхнею одиничних кристалів, визначити хімічнийсклад елементів і їх відносну концентрацію. Використовується для оцінки органічнихповерхонь (полімери, змащення, покриття) та неорганічних (корозія,електрохімія, руйнування, електронне пасивування тощо).
2.2 Метод електронної ОЖЕ-спектроскопії
Методелектронної ОЖЕ-спектроскопії — один з найбільш застосовуваних аналітичних методіввизначення хімічного складу поверхні твердих тіл. Його перевагою є високачутливість в області 5-20 А° поверхні, швидке одержання даних і можливістьоцінити всі елементи. Ефективне застосування при вивченні аномальних структур,дифузії, корозії й окислювання, адгезії, тертя і зносу, границь зерен,стабільності структур зерен, крихкості матеріалів порошкової металургії,крихкості матеріалів на залізній та незалізній основах тощо.
2.3 Метод Раман-спектроскопії
Для оцінки структурниххарактеристик поверхні широко застосовується метод Раман- і мікро-Раман-спектроскопії.Відноситься до неруйнівних методів контролю, не вимагає спеціальної підготовки зразків,можливе застосування для діагностики. Принципова схема представлена на рис. 2.
/>
Рис. 2
Лазернийпромінь направляється до зразка через оптичну систему. Промінь розширюється додіаметра плями контакту 13 мм і потім лінзами фокусується на поверхні зразка доплями розміром 0,5 мм. Зразок розміщається у вакуумній камері при тиску нижче102 Па. Ефект Рамана – це розсіювання світла під тиском простихгармонійних коливань. Частота розсіяного матрицею світла може мати малувеличину, що залежить від коливальних властивостей матриці. Раман-спектрповерхні твердого тіла виходить у результаті твердого розсіювання оптичнихфотонів і введення в ґратки динамічних зондів. Частота фотонів точно відповідаєтипу структури і має відповідні до неї гострі та вузькі піки в спектрі. Повнаширина половини максимуму піка є показником досконалості кристала, а ступіньйого розширення залежить від величини дефекту ґратки. Наприклад, різніалотропічні форми вуглецю (алмаз, графіт, аморфний вуглець) демонструють різністани фонової щільності. Такі розходження можна використовувати для визначеннярізних алотропій на поверхні алмазного зношуваного інструмента, полікристалівалмазу після синтезу, при одержанні алмазних покриттів.
Мікро-Раман-спектроскопіядозволяє за рахунок вибору необхідного збільшення мікроскопа вивчати маліоб'єкти і ділянки поверхні до 1 мкм2 (одиничні кристалічні плівки,малі концентрації домішок, нормальні напруги).
2.4 Атомна силова мікроскопія (АСМ)
Методбазується на зміні сил взаємодії часток, порівняних з атомом. Ці сили,впливаючи на наконечник, що переміщується уздовж поверхні, змушують згинатиськонсоль, на якій закріплений наконечник (рис. 3).
Переміщенняконсолі оцінюється за допомогою оптичної інтерферометрії або уловлюванняпроменю, що відбивається від верхньої поверхні консолі, позиційно-чуттєвимфотодатчиком. При цьому фіксуються відхилення менш, ніж 0,01 А°. Ця ж задачавирішується за допомогою п'єзодатчика, вмонтованого в консоль. Енергіявзаємодії двох атомів чи малих молекул описується відомим потенціаломЛеннарда-Джонса, а сила взаємодії розглядається як функція відстані між ними(рис. 3). Ліворуч від мінімуму потенціалу частки відштовхуються одна від одної,а праворуч — — притягаються. Сила притягання (Ван-дер-Ваальса) змінюється яквідстань між наконечником і зразком. Тому контакт наконечника і зразка повиненбути виключений, і поверхня сканується на відстані 50-200 А°, або контакт можливий при дуже малихзусиллях притискання наконечника до зразка.
/>
Рис. 3
2.5 Метод скануючої тунельної мікроскопії (СІМ)
Методскануючої тунельної мікроскопії призначений для зображення поверхні з атомнимвимірюванням. Скануюча тунельна мікроскопія є насправді поверхово чутливимметодом, оскільки базується на ефекті тунельного струму, що є мірою взаємодії(додавання) електрохвильових полів електропровідних зонда та зразка в самомупроміжку, що їх розділяє. Одержувані зображення залежать і від напруги (різниціприкладених потенціалів) між зондом та зразком.
Скануючиповерхню, зонд змушений робити переміщення по осі z для збереження величини тунельногоструму постійною (рис. 4).
/>
Рис. 4
/>
Рис. 5
Метод локальногозондування може широко використовуватися для різних процедур, зв'язаних зповерхнями (рис. 5). Метод може бути реалізований у різних середовищах (відультрависокого вакууму до електроліту); можливе застосування для спектроскопіїпровідностей, розділової спектроскопії тощо.