Разработка трехкоординатного интерферометра для определения формы инденторов нанотвердомеров с субнанометровой точностью

При работе всех нанотвердомеров существует проблема точного определения формы индентирующего наконечника. Известно, что при взаимодействии с твердыми поверхностями, геометрия наконечника изменяется. Это влияет на точность определения характеристик материала. Таким образом, для проведения достоверных измерений нанотвердости требуется обеспечение метрологического контроля формы наконечника индентора. В качестве основы для создания системы, способной проводить характеризацию формы поверхности инденторов нанотвердомеров, была выбрана лазерная интерферометрия, обеспечивающая высокую точность и метрологичность измерений.

Разработка трехкоординатного гетеродинного лазерного интерферометра, позволяющего определить функции поверхности наконечников зондов серийно выпускаемых нанотвердомеров.

Существует несколько методов, позволяющих определять характеристики наконечников нанотвердомеров. Наиболее распространенным является метод вдавливания наконечника в эталонный материал. Недостатком данного метода является малое разрешение в нано-диапазоне. Вторым методом является исследование формы наконечника по визуализации с помощью АСМ. При использовании данного метода происходит нарушение ориентации наконечника относительно рабочего положения, что приводит к возникновению дополнительных ошибок. Предложенный нами метод измерения формы наконечника с помощью лазерного интерферометра учитывает все предыдущие недостатки и обеспечивает прослеживаемость измерений к эталону метра.

Для исследования формы наконечников зондов был разработан гетеродинный лазерный интерферометр. Габариты и конструкция интерферометра обеспечивают возможность встраивать его в серийно выпускаемые нанотвердомеры. Прибор состоит из двух блоков: оптического и электронного. 

Оптический блок представляет собой платформу с закреплённой на ней системой призм и зеркал, которая формирует три взаимно ортогональных измерительных канала. Для обеспечения необходимых габаритов оптического блока (260х260х60 мм) была реализована оригинальная оптическая схема гетеродинного интерферометра.

Все управление интерферометром и обработка сигнала будет реализовано в компактном электронном блоке с установленными внутрь функциональными модулями: источник лазерного излучения; модуль обработки данных интерферометра; модуль управления и контроля системы сканирования.

Процедура измерения геометрии наконечника зонда заключается в сканировании в разных направлениях исследуемого зонда известной тестовой структурой (регулярной периодической решеткой), которая размещается на пьезоэлектрическом столе, перемещение которого измеряет интерферометр. В результате сканирования получается изображение-свертка формы тестовой структуры и наконечника зонда. Математическая обработка сканов позволяет рассчитать функцию площади поверхности зонда от его высоты. 

 Разработан трехкоординатный интерферометр, особенностями которого являются:

• Метрологичность. Использование метрологичного He-Ne лазера (длина волны 633 нм). Данный лазер является метрологичным, остальные источники лазерного излучения необходимо стабилизировать, что влечет за собой сборку отдельной громоздкой системы.

• Компактность (260х260х60мм). Особенности оптической схемы позволят размещать прибор в существующих коммерческих серийно выпускаемых сканирующих зондовых, атомно силовых, растровых электронных микроскопах и координатно измерительных машин, без каких либо модернизаций со стороны производителя;

• Гибкость. Оптическая схема может быть быстро изменена в зависимости от требований прибора в который предстоит его внедрить.

• В основу системы обработки сигналов положена квадратурная схема прямого аналого-цифрового преобразования фазомодулированного сигнала с последующей цифровой обработкой информативных отсчетов. Корреляционный принцип детектирования позволяет получить высокое быстродействие и при этом обеспечивает рекордную точность 0,1 нм и разрешение 0,01 нм.

На базе созданного в лаборатории лазерной диагностики МИФИ трехкоординатного интерферометра, который вошел в состав Государственного первичного специального эталона единицы длины, был создан прототип прибора для определения функции поверхности наконечников зондов нанотвердомеров. Были проведены несколько серий измерений наконечников зондов. Один наконечник использовался в течении двух лет, второй - абсолютно новый. По результатам измерений были построены графики зависимости площади поверхности наконечников зонда от высоты наконечников. Функции зависимости нового и идеального наконечника имеют квадратичный характер. У затупленного наконечника зависимость почти линейная, что свидетельствует об изменении формы индентора (затупление кончика, стачивание ребер). Данные зависимости помогают определить площадь поверхности наконечника зонда при разной глубине погружения в исследуемый материал. Таким образом, была проведена апробация разработанной нами методики определения формы наконечников зондов с помощью лазерного трехкоординатного интерферометра.

1. Усеинов С.С. Измерение твердости конструкционных материалов методами индентирования и склерометрии на субмикронном и нанометровом масштабах // автореферат дисс. … к. т. н. М., 2010
2. Коронкевич В.П., Ханов В.А. Лазерные интерферометры и их применение. Новосибирск: ИАиЭ СО АН СССР, 1984
3. ISO 14577-2:2002 Metallic materials. Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. Part 2: Verification and calibration of testing machines

The project presents the results of development of a three-coordinate laser heterodyne interferometer that can be integrated in the commercially available industrial scanning probe and electron microscopes. It allows one to ensure traceability of measurements in nanometer range to the primary standard of meter. Thus, the regular calibration of scanners becomes unnecessary, while the reproducibility and accuracy of the measurement results dramatically increases.