MERJENJE HRAPAVOSTI POVRŠIN primerjava elektromehanskih profilometrov Talystep in Alphastep
Andrej Demšar
I.	IZVLEČEK
Ena od možnosti merjenja hrapavosti In mikro-sprememb topografije na površini je merjenje z elektromehanskim profilometrom. V članku Je opisan princip delovanja profilometrov. S pomočjo iz-merkov na različnih vzorcih je narejena primerjava profilometra z računalnikom in brez nJega.
II.	UVOD
Hrapavost površine je pomembna na mnogih področjih. V optiki povzroča sipanje in absorbcijo; od nje Je odvisna količina podatkov, ki Jih lahko spravimo na magnetni trak oz. disketo; kvaliteta mikrovezja Je odvisna od gladkosti podloge, na katero nanašamo tanke sloje; upornost električnih kontaktov Je odvisna od površine stika dveh hrapavih površin; s pomočjo hrapavosti okarakterl-zlramo obdelanost površin v strojništvu.
Hrapavost merimo na več načinov (1,2,3): z Nomarskim mikroskopom, z interferometrijo, elek-tromehansko z iglo, s sipanjem svetlobe in z elektronskim mikroskopom (TEM, SEM). Primerjavo med posameznimi statističnimi metodami vidimo v tabeli 1.
Tabela 1: primerjava statističnih metod merjenja
hrapavosti
metoda	vertikalna lateralna
občutljivost ločljivost
lil. PROFILOMETRA - opis
FECO interferometer Elektronski mikroskop Talystep profilomcter
3 A
-100Ä
-5Ä
Mornarski mikroskop Sipanje svetlobo
— 2 fim -100 A ~1|xm* ~1 jxm*
5Ä 2 - 3 Ä
max. dolžina
1	mm 3(xm
2	mm 2 mm ~1|xm
±20 A 2-3Ä
* odvisno od premera Igle
Elektronski mikroskop in Nomarski mikroskop sta uporabna za kvalitativno določanje hrapavosti, oz. topografskih sprememb na površini. Merjenje sipane svetlobe v odvisnosti od kota je natančna metoda, vendar nas običajno zanima o-bratna pot: napoved sipanja na podlagi meritve hrapavosti. Interferometrične meritve so absolutne, saj je enota, s katero merimo valovne dolžine svetlobe. Z interferometrom umerimo standarde za kalibracijo elektromehanskih profilometrov, ki nam s pomočjo elektronike dajo topografsko sliko merjene površine.
Slika 1: Shematski prikaz delovanja profilometra
Pri elektromehanskih profilometrih igla z diamantno konico potuje po merjencu. Zaradi vertikalnih odmikov se inducira napetost v tuljavi, ki obdaja iglo. Signal ojačimo in na risalniku dobimo povečan profil površine - merjenje s Talystepom. Če želimo statistično obdelati profil površine, moramo podatke o profilu digitalizirati, nakar jih pošljemo v računalnik. Tajih obdela in v ustrezni obliki izpiše - merjenje z Alphastepom (glej sliko 1).
V Iskri-CEO imamo dva elektromehanska profilometra: Taylor- Hobsonov Talystep In Tencorjev Alphastep (glej sliko 2 in 3). V tabeli 2 so zbrani podatki o obeh.



H
■■Lb-
I
■HHHH
v
Slika 2: Taylor-Hobsonov Talystep I
Slika 3: Tencorjev Alphastep
Tabela 2: podatki o profilometrih
podatek
vertikalno območje max.dolzina poti ločljivost filter
max.debelina vzorca r igle
pritisk igle na podlago niveliranje vzorca mikroskop video računalnik risalnik
Talystep
do 10 jxm 2 mm
~5A
Alphastep do 160 jxm 10 mm ~5A
da
23 mm 1 -12 (im
1 - 25 mg
avtomatično
ne
da
da
da
20 mm 1 -12 (im 1 - 30 mg ročno da ne ne da
Ločljivost obeh instrumentov je enaka. Igie, s i<aterimi siedimo profilu površine, lahko menjavamo, pritisk na površino pa spreminjamo zvezno. Pri Alphastepu poteka niveliranje vzorca avtomatično. Čas, potreben za meritev, se tako močno zmanjša. Površino, ki jo merimo, vidimo bolje z video ekranom kot z mikroskopom pri Talystepu. Bistvena prednost Alphastepa je, da analogne podatke, dobljene z iglo, digitalizira. V izpisu dobimo digitaliziran profil, informacijo o poprečni hrapavosti Ra (4), poprečni višini izmerjenih točk glede na bazno črto (AVG), izračun razlike med najnižjo in najvišjo izmerjeno točko (TIR), pritisk igle, čas skaniranja. Pri Talystepu dobimo analogni izpis profila in moramo ročno „digitalizirati" podatke ter narediti izračun. Z izmerjenim profilom ne moremo manipulirati. Če želimo izmerek oz. zapis v drugačni obliki, moramo meritev ponoviti. Različnost
izpisa oz. predstavitve profila površine vidimo na slikah 4. in 5. Hrapavost Ra pri Alphastepu odčitamo takoj, pri Talystepu pa jo lahko le ocenimo.
Slika 4: Hrapavost poliranega optičnega stekla BK-7; merjeno s Talystepom
O fi
I fj
iji o
o «p
o Ho b") SI
gict
if Hü-g
o o
C
D D
O O O ■ O O O t
J C£
ü"j r^ s
D
--I \
o z i.n
I tu oz
nJE s
iDO; D
i. o
'X u;f
1,1 lJ-.l
w
UJ
ÜJ _l
•■ ai s g □
OJ o
■Main K
Slika 5: Hrapavost poliranega optičnega stekla BK-7; merjeno z Alphastepom.
IV. MERITVE
Za natančno meritev na celotni dolžini Je najbolje, da imamo raven vzorec, ki ima čimbolj paralelni površini. Meriti Je možno tudi krive vzorce, vendar Je dolžina snemanja hrapavosti precej manjša (100-500 |j.m, odvisno od ukrivljenosti površine). Velikost igle narekuje „vrsta" hrapavosti površine, obtežbo na igli pa trdota materiala, po katerem igla drsi. Poleg profila oz. hrapavosti površine lahko merimo še stopnice in periodične strukture (debelino nanešenih tankih slojev oz. filmov, debelino fotorezista, obliko mask, profil IC komponent).
Periodični profil stopnic v razmaku 10 fim vidimo na slikah 6,7,8,9 in 10. Pri Alphastepu Je več možnosti različnega prikaza profila; odčitavanje širine in višine je v vseh primerih enako. Na slikah 11 in 12 pa opazimo, da Je odčitavanje višine stopnice pri Alphastepu lažje. S pomočjo označeval-nikov, ki ju postavimo na in pod stopnico, lahko na izpisku levo zgoraj odčitamo višino.
n
n
o
Slika 6: Meritev profila s Talystepom.
L.
n
I n ^ I I
u
L-. „J U LJ u

Slika 7: Nova meritev profila s Talystepom - pri večji povečavi

P	O n
-r i R ^7-5 : r-t r-- 3	. n u 1.1 1
IgfwIrafrriiMr TTtTnmff
I.. o riC'._.,..
Ci . f"i ci

t; a Jd
i
_ . . .ri i;;':.-;;..^ -O e. • iJli^ ----Ci'
VL-u::-: li-uV.-.-i
SHka 8: Meritev profila s Alphastepom - enak profil kot na siiki 6 in 7.
Ü-4

R
o z-
'-H^.'Q- 1 ^O TIH:
L. U U»;,».-...,.
scRr-i f-icnu	4
.l-r.oo . i
t;.«"..>ni —o .
1 r
■ R: - - ; »loo.jm i„r;;i i[-i_
ri 'M
v. o o
maiHiiiÄjaEaiaaiLgLi»»
Slika 9: Meritev profila z Alphastepom - ista meritev kot na sliki 8. le večja povečava
ij
1D#
BtaOi
L
TIR
I;
5-45 , H I-dS . B iliTWfi?
L O . OOuni R 8Q OOyfn
Pire a O t 61 8 SCRN MEHU 7
i^m	"ijiYi
SOCIO 2 1 •4QO 1 'S
SOHN	es-e-c
DIP .- ^
STfUUS !£:....;,
I, .1
I, J
•-po-
\f\f\	/■ /	i
1 1 1	,1 1 ■	.....1, 1:
	,1 : 1, ,1	
slika 10: Meritev profila z Alpliastepom - ista meritev kot na sliki 8. prikazan je 80(xm izsek od skupno 400|xm

50>jm
Slika 11; Meritev profila stopnice s Talystepom
os : 03 IIl#_
p - IS . 1=1
KB
o . e
Rwci les. fl TIR <t30 . R F. a 1S5. R
L	Oun.
K- 264 . ÜU.II
eESEBBBai
Rr -»a O SCRtH MENU 7"
UMU	' »JiVi
20Q0 .2 1
::.CRM t= S:£>=c
■ DIR.---
LUS l:?..,.^
lOü'
■"aoci.....
....... 300"
Slika 12; Meritev profila stopnice z Alphastepom
V. ZAKLJUČEK
Primerjava meritev pokaže, da Je digitaiizacija podatkov in obdelava z računalnikom potrebna in koristna. Poveča se preglednost izpisov, takoj dobimo določene informacije in, kar je najvažnejše, izognemo se subjektivni oceni pri določanju hrapavosti. Obstaja vprašanje, koliko je algoritem, s katerim računalnik izračuna hrapavost, dober oz. kako se ta algoritem pri različnih „vrstah" hrapavosti obnese. V določenih primerih, npr. pri sipanju svetlobe, Je potrebno za izhodišče vzeti rms hrapavost in ne Ra hrapavost. To pa je pomanjkljivost softwarea in ne instrumenta in metode merjenja.
VI. LITERATURA
1.	J.M.Bennett, Measurement of the rms roughness, autocovarianoe function and other statistical properties of optical surfaces using a FECO scanning interferometer. Applied Optics, Vol, 15, No. 11, str. 2705, Nov. 76
2.	D.L.Decker in J.M.Bennett, Surface evaluation techniques for optical components, SPIE Vol. 140, str. 32, 1978
3.	J.M.Bennett in J.H.Dancy, Stylus profiling instrument for measuring statistical properties of smooth optical surfaces, Applied Optics, Vol. 20, No. 10, str. 1785, May 81
4.	JUS M.A1.020, 1981, Hrapavost površine Industrijskih kovinskih proizvodov - OSNOVNI POJMI IN DEFINICIJE
Andrej Demšar, dipl. ing.
ISKRA - CEO, STEGNE 7 61210 LJUBLJANA