Интерференционные измерения толщины покрытий и шероховатости поверхности

Цель работы – изучение методики измерения профиля поверхностей и толщины покрытий с применением микроинтерферометра Линника.

В процессе изготовления и обработки деталей возникает шероховатость их поверхностей. Под шероховатостью понимают совокупность неровностей, образующих рельеф поверхности. шероховатость поверхности в значительной степени оказывает влияние на трение, износостойкость, прочность механических деталей, качество изображения в случае оптических деталей (линз, зеркал, призм и т. д.).

Шероховатость поверхности нормируется 14-ю классами и оценивается по системе средней линии 1 (рис. 5.1) параметрами высоты неровностей R_a и R_z, измеряемых в пределах базовой длины l [6]. Базовая длина зависит от класса шероховатости: например, для 9-12 классов она равна 0,25 мм, для 13-14 классов – 0,08 мм. За среднюю линию профиля принимается линия, разделяющая измеренный профиль таким образом, чтобы сумма квадратов расстояний y₁, y₂, …, y_N точек профиля до этой линии была минимальной в пределах базовой длины.

Параметр R_a – среднее арифметическое отклонение точек действительного профиля от средней линии:

(5.1)

где N – число измеряемых точек.

Параметр R_z – средняя разность высот пяти наивысших и пяти наинизших точек на базовой длине профиля, измеренных от линии, параллельной средней:

(5.2)

Контроль шероховатости (чис­­тоты) поверхностей является важным технологическим процес­сом. Высокая точность контроля может быть обеспечена применением бесконтакт­ных интер­фе­ренционных методов, которые базируются на использовании двух- и многолучевой интерференции [13]. Интерференционная картина образуется при взаимодействии световых пучков, отраженных от образцового зеркала и исследуемой поверхности. Она представляет собой светлые и темные полосы. Как правило, на поверхностях с мелкими неровностями (рис. 5.2а) возникают узкие полосы (рис. 5.2б), которые можно рассмотреть только под большим увеличением, т.е. при помощи микроскопа с увеличением 100 раз и более.

По интерференционной картине (рис. 5.2б) определяется величина изгиба полосы DА в области прохождения исследуемой царапины (впадины). Глубина впадины h определяется по формуле [6]

(5.3)

где А – расстояние между полосами, l - длина волны света.

Интерференционные методы используются также для высокоточных измерений толщины покрытий [14]. Широко распространенным является метод, основанный на наблюдении двух смещенных друг относительно друга систем интерференционных полос.

Интерференционная картина образуется при взаимодействии световых пучков, отраженных от образцового зеркала и поверхности, частично покрытой исследуемым слоем 1 (рис. 5.3а). Ступенька, высота которой равна толщине покрытия, выполняется царапаньем, травлением или применением маски в процессе нанесения пленки на подложку 2. для увеличения резкости интерференционной картины на пленку со ступенькой можно нанести точно повторяющий рельеф высокоотражающий слой металла. Толщину покрытия d в этом случае вычисляют по той же формуле (5.3), что и глубину неровности h. Если толщина пленки превышает l/2, то данный метод может привести к грубой погрешности, т. к. он не позволяет выявить смещение полос равное целому числу А. В этом случае можно использовать источник белого света и по интерференционной полосе нулевого порядка правильно определить величину смещения интерференционных полос (при толщинах слоев как меньших, так и больших l/2). Если край пленки образует не крутую ступеньку, а является скошенным (рис. 5.3а, справа), тогда соответствующие интерференционные полосы не имеют разрывов (рис. 5.3б, справа), что позволяет правильно измерять их смещение. Точность измерений зависит только от погрешности определения величины DА / А.

Если исследуемое покрытие является прозрачным на длине волны используемого света, то световая волна дважды проходит через него и изменение оптического пути равно 2d(n - 1), где n – показатель преломления покрытия. В этом случае толщину покрытия вычисляют по формуле [14]

(5.4)

Интерференционный метод контроля чистоты поверхности реализуется в двухлучевых микроинтерферометрах В.П. Линника МИИ – 4, 5, 9, 10 [15]. Эти приборы предназначены для определения высоты неровностей поверхностей в пределах 1 ¸ 0,03 мкм, соответствующих 10 – 14-му классу шероховатости, а также для измерения толщины покрытий. Оптические системы интерферометров имеют увеличение 490 раз и поле зрения
0,32 мм.