Мии 4 Микроинтерферометр инструкция

Мии 4 Микроинтерферометр инструкция.rar
Закачек 878
Средняя скорость 9588 Kb/s

Мии 4 Микроинтерферометр инструкция

Прибор предназначен для лабораторных измерений по параметру Rz и фотографирования шероховатости поверхности с Rz 0,63 по Rz 0,05. Погрешность измерения ±5% от измеряемой величины.

Измерение микронеровностей в этом приборе основано на получении интерференционной картины в клине. Оптическая схема прибора приведена на рис. 3.2.

От источника света 1 пучок лучей через линзу 2 падает на разделительную пластинку 3, на одной из граней которой нанесено светочувствительное покрытие. Часть пучка лучей отражается от пластинки 3, собирается в

фокусе объектива 4 на исследуемой поверхности, проходит снова через объектив 4, пластинку 3 и собирается в фокусе объектива 8, где наблюдается изображение шероховатости поверхности.

Второй пучок лучей, пройдя через разделительную пластинку 3, падает на компенсатор 5 и собирается в фокусе объектива 6 на зеркале 7, отражаясь от которого, падает на пластинку 3. При этом одна часть лучей проходит через пластинку 3 и не участвует в изображения, а вторая часть лучей образовании отражается от пластинки 3,

собирается в фокусе объектива 8 и интерферирует с лучами первого пучка. Зеркало 9 направляет пучки лучей в окуляр 10.

Для компенсации разности хода в обеих ветвях компенсатор 5 может поворачиваться вокруг горизонтальной оси.

При незначительном смещении объектива 6 в направлении, перпендикулярном к его оптической оси, возникает разность хода между обоими пучками лучей. В поле зрения окуляра 10 наблюдаются одновременно интерференционные полосы и следы обработки на поверхности детали, причем интерференционные полосы искривлены соответственно неровностям исследуемой поверхности.

При фотографировании зеркало 9 отводится и лучи света через фотоокуляр 11 попадают на зеркало 12 и на матовое стекло 13. На рис. 3.3 приведена интерферограмма поверхности, сфотографированная на приборе. Каждая интерференционная полоса на ней представляет собой изображение совпадающего с полосой профиля поверхности.

Величины микронеровностей измеряют путем определения величины искривления интерференционной полосы а по отношению к интервалу полос b(рис. 3.4): , (3.1)

где l — длина световой волны для данного прибора ( для белого цвета l = 0,5 мкм).

Микроинтерферометр МИИ-4 (рис. 3.5) имеет круглое основание 1, на котором может быть установлена фотокамера 2. К верхнему торцу основания привинчена цилиндрическая полая колонка 3, несущая предметный столик 4, который при помощи двух микро­винтов 5 может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Цена деления микровинтов равна 0,005 мм.Кроме того, столик может поворачиваться вокруг вертикальной оси и стопориться винтом 6.

В колонке 3 под углом 70° к вертикальной оси расположен наблюдательный тубус с винтовым окулярным микрометром МОВ-1-15. На тубусе имеется кольцо 7, вращением которого можно вводить или выводить зеркало 9 (см. рис. 3.2).

При измерении зеркало 9 должно быть введено в оптическую систему, а при фотографировании выведено.

Вращением микровинта 9 (см. рис. 3.5) осуществляется фокусировка микроскопа на объект. Отсчеты производятся по барабану микровинта с ценой делений 0,003 мм. Интерференционная головка состоит из трех частей.

1. Левая часть состоит из фонаря 10 с винтом 12 (для центровки лампы) и трубки, внутрь которой вмонтирована осветительная часть системы.

В трубке установлена горизонтально выдвигающаяся пластинка 8 с тремя отверстиями. В двух передних отверстиях установлены светофильтры разных характеристик для получения монохроматического света (зеленого и желтого), среднее (свободное) отверстие используется при работе с белым светом.

Кольцо 13 с накаткой служит для изменения диаметра открытия апертурной диафрагмы.

2. В среднюю часть постоянно ввинчен объектив, внутри корпуса установлены разделительная пластинка 3 и компенсатор 5 (см. рис. 3.2).

3. Правая часть содержит второй объектив 6 (см. рис. 3.2), эталонное зеркало и устройство для изменения ширины и направления интерференционных полос.

Ширина полос изменяется вращением винта 14 (см. рис. 3.5) вокруг своей оси, изменение направления полос осуществляется вращением этого же винта 14 вокруг оси всей интерференционной головки. Винт 11 служит для смещения интерференционных полос в поле зрения микроскопа. Рукоятка 15 предназначена для включения (стрелка на рукоятке расположена горизонтально) и выключения (стрелка – вертикально) интерференционных полос. Если при резкой фокусировке на объект наиболее резкие и контрастные интерференционные полосы получились не в центре поля зрения, то следует отвернуть контргайку 16 и, вращая винт 11, привести полосы в центр поля зрения.

Микроинтерферометр Линника МИИ-4 предназначен для визуальной оценки, измерения и фотографирования высоты неровностей тонкообработанных поверхностей. Принцип действия прибора основан на явлении интерференции света. Для получения двух систем волн, способных интерферировать, пользуются разделением светового пучка (исходящего из одной точки источника света) на наклонной плоскопараллельной пластинке о полупрозрачным делительным покрытием. В результате интерференции двух систем волн в фокальной плоскости окуляра наблюдаются интерференционные полосы. Разность хода интерферирующих лучей от центра поля к краям увеличивается и проходит все значения: 0, , , , и т.д., где — длина волны света. В точках поля, где разность хода равна , 2 , 3 и т.д., в результате интерференции пучков получаются световые полосы, а в точках, где разность хода равна , , и т.д. темные полосы. В поле зрения микроинтерферометра наблюдаются одновременно интерференционные полосы и исследуемая поверхность. Перемещение исследуемой поверхности вверх или вниз не какую-нибудь малую величину вызывает изменение хода лучей на двойную величину перемещения поверхности, так как свет проходит это расстояние дважды. Изменение хода лучей в одной ветви прибора вызывает изменение разности хода интерферирующих лучей, в результате чего полосы в поле зрения смещаются. Если на исследуемой поверхности имеется бугор или впадина, то в этом месте имеется разность хода и, следовательно, полосы смещаются.

Рис.1 . Внешний вид интерференционного микроскопа МИИ-4 (пояснения в тексте)

Порядок работы на микроинтерферометре МИИ-4

1. Включить лампу осветителя 2 (рис. 1) с помощью тумблера 12 на трансформаторе 11 и положить на столик прибора 1 объект исследуемой поверхностью вниз, причем, в поле зрения должна быть резкая граница раздела пленки. Повернуть рукоятку 8 так, чтобы стрелка на ней стояла вертикально.

2. С помощью микрометрического винта 4 сфокусировать микроинтерферометр на исследуемую поверхность. Поворотом рукоятки 8 включить правую часть интерференционной головки 14 (стрелка должна находиться в горизонтальном положении), при этом в поле зрения должны быть видны интерференционные полосы.

3. С помощью микрометрического винта 4 добиться резкого изображения полос и исследуемой поверхности. Если при резкой фокусировке на объект наиболее резкие и контрастные полосы получились не в центре поля зрения, то следует отвернуть контргайку 13 и, вращая винт 9, привести полосы в центр зрения. Затем проверить фокусировку на исследуемой поверхности и закрепить винт 9 контргайкой 13, Винтом 9 к контргайкой 13 разрешается пользоваться только в присутствии преподавателя или лаборанта. Для получения большей контрастности полос поворотом кольца 6 можно несколько уменьшить отверстие апертурой диафрагмы.

4. Вращением винта 10 вокруг оси установить необходимый для работы интервал между полосами. Поворотом винта 10 вокруг оси интерференционной головки установить интерференционные полосы перпендикулярно границе раздела пленки на доследуемой поверхности.

5. При правильной настройке микроинтерферометра в его поле зрения должны быть одновременно видны исследуемая поверхность и интерференционные полосы; изогнутые в местах, где проходят канавки, царапины, неровности, граница плевки на подложке, причем, интерференционные полосы необходимо ориентировать перпендикулярно к направлению царапин или границы. Для определения неровности необходимо измерить интервал между полосами N1 и N2 , изгиб полос N3 и N4 и вычислить высоту неровности. Интервал между полосами определяется числом делений шкалы барабанчика окулярного микрометра 3 (MOB-1-15). На рис.2 показан вид узкой полоски зрения прибора в увеличенном масштабе я указано правильное расположение горизонтального штриха перекрестия винтового окулярного микрометра при измерении. Первый отсчет N1 производится по шкалам МОВ-1-15 при совмещении одной из нитей перекрестия подвижной сетки с серединой полосы. Затем совмещают эту же нить перекрестия о серединой следующей полосы (либо с серединой любой другой полосы в этом случае необходимо зафиксировать число интервалов n ); таким образом, получают второй отсчет N2 . Изгиб полос также выражают в делениях шкалы барабанчика MOB-1-15. Одну из нитей перекрестия сетки микрометра совмещают с серединой полосы и по шкале MOB-1-15 отсчитывают значение изгиба. Затем нить перекрестия совмещают о серединой той же полосы в месте изгиба и получают второй отсчет N4 .

Рис.2 . Изображение поля зрения в МИИ-4 и пример измерения отсчетов при n =2

При работе в белом свете искривление в одну интерференционную полосу соответствует высоте неровности на исследуемой поверхности, равной 0.27 мкм. Высота неровности Н (в мкм) вычисляется по формуле:

где N1 — первый отсчет при измерении интервала между полосами; N2 — второй отсчет при измерении интервала между полосами; N3 — первый отсчет при измерении величины изгиба полосы; N4 — второй отсчет при измерении величины изгиба полосы; n — число интервалов между полосами.

Использование без ссылки на источник не приветствуется.

Измерение толщины металлических пленок с помощью интерферометра МИИ-4

Толщина напыленных в вакууме металлических пленок может быть измерена различными методами:

Расчетным, исходя из расстояния от испарителя до подложки, типа испарителя и массы испаряемого материала

Методом микровесов (разновидность – по смещению резонансной частоты кварцевого резонатора).

Оптическим методом по изменению интерференционной картины на границе раздела пленка-подложка.

В данной работе толщина тонкой металлической пленки, полученной резистивным напылением на плоскую поверхность подложки (ситалл, стекло) определяется с помощью интерферометра МИИ-4.

Общие сведения о сути метода

Схема микроинтерферометра МИИ-4 впервые была разработана и практически воплощена академиком В. П. Линником.

Принцип действия микроинтерферометра основан на явлении интерференции света.

На практике для получения двух систем волн, способных интерферировать, пользуются разделением пучка лучей, исходящих из одной точки источника света, на два пучка.

В микроинтерферометре МИИ-4 в качестве разделяющей системы используется наклонная плоскопараллельная пластинка, имеющая полупрозрачное светоделительное покрытие. Половину падающего на нее света пластинка отражает, а вторую половину пропускает, вследствие чего образуются две системы световых волн, способных между собой интерферировать. В результате интерференции двух систем волн в фокальной плоскости окуляра наблюдаются характерные интерференционные полосы.

Разность хода интерферирующих лучей от центра поля зрения к его краям увеличивается и проходит все значения: 0, λ /2 , λ, 3/2 λ, 2λ и т.д., где λ — длина волны света, падающего на изучаемую поверхность. В точках поля, где разность хода равна λ, 2λ, 3λ и т. д., в результате интерференции волн получаются светлые полосы, а в точках, где разность хода равна λ /2, 3 λ /2, 5 λ /2 и т. д., — темные полосы.

Форма интерференционных полос, направление и интервал между ними зависят от положения выходных зрачков микроинтерферометра относительно друг друга. При изменении взаимного расположения зрачков и расстояния между ними соответственно изменяются интервалы между интерференционными полосами и направле ниє полос. Интервал между полосами Δ определяется по формуле

где λ — длина волны света;

ω — угловое расстояние между двумя изображениями источника света при рассматривании их из данной точки поля интерференции.

В отъюстированном микроинтерферометре при работе в монохроматическом свете в поле зрения должны быть видны чередующиеся черные и светлые полосы.

Два светофильтра, с помощью которых получается монохроматический свет, пропускают соответственно желтую и зеленую части спектра. Без светофильтра наблюдается интерференционная картина в белом свете.

Как видно из формулы (1), интервал между полосами Δ зависит от длины волны; каждой длине волны соответствует определенный интервал. Поэтому в белом свете полосы для разных длин волн не совпадают друг с другом, за исключением нулевой полосы, определяющей ось симметрии интерференционной картины.

Таким образом, интерференционная картина в белом свете имеет следующиий вид: в центре наблюдается белая ахроматическая полоса, по обеим сторонам которой находятся две черные полосы с цветными каймами, и дальше по три-четыре цветные полосы с каждой стороны. Переход от одной светлой (или темной) полосы к другой светлой (или темной) полосе соответствует изменению разности хода интерферирующих лучей на одну длину волны.

В поле зрения микроинтерферометра наблюдаются одновременно интерференционные полосы и исследуемая поверхность. Перемещение исследуемой поверхности S 2 вверх или вниз на какую-либо малую величину вызывает изменение хода луча на двойную величину перемещения поверхности, так как свет проходит это расстояние дважды.

Изменение хода луча в одной ветви микроинтерферометра вызовет изменение разности хода интерферирующих лучей, в результате чего полосы в поле зрения сместятся. При смещении исследуемой поверхности на величину, соответствующую половине длины световой волны  /2, полосы в поле зрения сместятся на один интервал между ними.

Если на исследуемой поверхности имеется бугор или впадина, то в этом месте меняется разность хода и, следовательно, полосы смещаются. Так, например, высота неровности на поверхности 0,275 мкм вызовет искривление полосы в поле зрения микроинтерферометра на величину всего интервала между полосами (на одну полосу) .

При измерении величину искривления выражают в долях интервала между интерференционными полосами. Зная длину волны света, можно получить высоту неровности в микрометрах.

Оптическая схема микроинтерферометра

Рис. 2 Оптическая схема микроинтерферометра

Оптическая схема микроинтерферометра показана на рис. 2. Нить лампы накаливания 1 проектируется коллектором 2 в плоскость апертурной диафрагмы 3. В фокальной плоскости проекционного объектива 4 помещена полевая диафрагма 5, которая изображается объективом 4 в бесконечности.

После проекционного объектива параллельный пучок лучей попадает на разделительную пластинку 6, на одной стороне которой нанесено светоделительное покрытие. Разделительная пластинка делит падающий на нее пучок света пополам: одну половину она отражает, другую — пропускает.

Пучок лучей, отраженный от пластинки 6, собирается в фокусе объектива 7 на исследуемой поверхности, после отражения от которой снова проходит через объектив 7, пластинку 6 и собирается в фокусе объектива 8, где наблюдается изображение исследуемой поверхности. Зеркало 9 направляет пучки лучей в визуальный тубус.

Второй пучок лучей, пройдя через разделительную пластинку 6, падает на компенсатор 10, после чего собирается в фокусе объектива // на эталонном зеркале 12, отразившись от которого, снова проходит через объектив 11, компенсатор 10 и падает на разделительную пластинку 6. При этом часть лучей проходит через пластинку б и не участвует в образовании изображения, а другая часть лучей отражается от пластинки 6 . В фокальной плоскости объектива 6 происходит наложение обоих лучей с образованием интерференционной картины. Ее изображение объективом 8 переносится на зеркало 9 и далее попадает либо в тубус и окуляр для визуального наблюдения, или в фотокамеру.

При вынутом окуляре наблюдаются два изображения апертурной диафрагмы 3, которые являются выходными зрачками системы; от их положения относительно друг друга зависят форма и положение полос, а также интервал между полосами.

Для работы с монохроматическим светом, т. е. светом определенной длины волны, микроинтерферометр снабжен двумя интерференционными светофильтрами 14, которые включаются и выключаются из хода лучей перемещением направляющей. Светофильтры отличаются друг от друга своими характеристиками.

При фотографировании пленочным фотоаппаратом зеркало 9 выключается из хода лучей, и свет, пройдя через гомал 15 и отразившись от зеркала 16, падает на поверхность матового стекла или фотопленку 17. Фотографирование с помощью цифрового аппарата производится через окуляр микрофотометра.

Микроинтерферометр МИИ-4 имеет круглое основание 18 (рис. 3), на котором может быть установлен фотоаппарат или рамка с матовым стеклом. К верхнему торцу основания привинчена полая цилиндрическая колонка 21, на которой установлен предметный столик 22.

При помощи двух микрометрических винтов 23 столик можно перемещать в двух взаимно перпендикулярных направлениях, величину перемещения столика отсчи- тывают по шкалам барабанов винтов. Столик можно также поворачивать вокруг вертикальной оси и стопорить винтом 24. В колонке 21 под углом 70° к вертикальной оси расположен визуальный тубус 25, в отверстие которого устанавливают прикладываемый к микроинтерферометру симметричный окуляр 15 х со шкалой или сеткой.

Для измерения величины искривления интерференционных полос на наружный диаметр тубуса вместо окуляра устанавливают винтовой окулярный микрометр 26 (МОВ-1-16 х ).

На тубусе имеется кольцо 27, вращением которого можно вводить в оптическую систему или выводить из нее зеркало 9 (см. рис. 2) визуального тубуса. При визуальном наблюдении или измерении зеркало 9 должно быть введено в оптическую систему, а при фотографировании выведено.

Фокусировка микроскопа на объект осуществляется перемещением интерференционной головки при вращении микрометрического винта 28 (см. рис. 3). Величина вертикального перемещения интерференционной головки может быть отсчитана по шкале барабана микрометрического винта.

Интерференционная головка укреплена на внутреннем стакане микроинтерферометра. Она состоит из левой, средней и правой частей.

Левая часть головки включает в себя фонарь 29 с винтами 30 (для центрировки лампы) и трубку 31, в которую вмонтирована осветительная часть системы. В трубке установлена горизонтально выдвигающаяся пластинка 32 с тремя отверстиями. В двух крайних отверстиях этой пластинки закреплены светофильтры разных характеристик (зеленый или желтый) для получения монохроматического света, среднее отверстие, свободное, используется при работе в белом свете. Вращением кольца 33 с накаткой изменяется диаметр отверстия апертурной диафрагмы (от 1/1 до 1 / 8 диаметра).

В среднюю часть интерференционной головки ввинчен объектив 7 (см. рис. 4). В корпусе средней части установлены разделительная пластинка 6 и компенсатор 10. Рукоятка 34 (см. рис. 3) служит для включения шторки. При включенной шторке лучи не попадают в объектив 11 ; в этом случае на микроинтерферометре можно работать как на металлографическом микроскопе. На торце рукоятки 34 (см. рис. 5) нанесена стрелка, указывающая положение шторки.

В правой части головки установлены объектив 11 (см. рис. 4) и эталонное зеркало 12. Эта часть имеет устройство для изменения ширины и направления интерференционных полос. Ширина полос изменяется вращением винта 35 (см. рис. 5) вокруг его оси. Изменение направления полос производится этим же винтом путем вращения его вокруг оси интерференционной головки. Винт 36 служит для смещения интерференционных полос в поле зрения микроскопа.

Определение толщины пленки

Измерение толщины пленки сводится к определению высоты ступеньки на границе раздела пленка-подложка. И пленка, и подложка не должны иметь царапин, отслоений и сколов, попадающих в зону наблюдения.

При правильной настройке микроинтерферометра в его поле зрения должны быть видны одновременно граница пленка-подложка и интерференционные полосы, изогнутые в местах, где собственно проходит ступенька, причем интерференционные полосы должны быть ориентированы перпендикулярно к направлениюступеньки.

При работе с белым светом высота ступеньки определяется по следующей формуле:

(2)

где 0,27 – длина волны в микрометрах, принятая для белого света.

При работе с монохроматическим светом — по формуле

(3)

где Η — толщина пленки;

ΔN — величина изгиба полосы в долях интервала;

λ — длина волны света, указанная в паспорте.

Для желтого светофильтра она составляет 0,590 мкм,

для зеленого – 0,529 мкм.

Измерение величины интервала между полосами

Величина интервала между полосами N 1 — N 2 выражается числом делений шкалы барабана окулярного микрометра. Для большей точности измерения наводку нити перекрестия сетки окулярного микрометра лучше всего производить по середине, а не по краю полосы.

Измерение величины изгиба полос

Величину изгиба полос N 3 — N 4 также выражают в делениях шкалы барабана винтового окулярного микрометра.

Одну из нитей перекрестия сетки микрометра совмещают с серединой полосы и по шкалам окулярного микрометра снимают отсчет Ν 3 . Затем нить перекрестия совмещают с серединой той же полосы в месте изгиба и получают второй отсчет N 4 .

  1. Включить блок питания интерферометра в сеть 220 В.
  2. Включить осветительную лампу интерферометра
  3. Положить на предметный столик интерферометра подложку с пленкой так, чтобы поверхность с пленкой была обращена в сторону объектива.
  4. Подвести в область зрения объектива границу раздела пленка-подложка.
  5. Ввести в ход лучей шторку 34 для получения интерференционной картины.
  6. Вставить в ход лучей желтый или зеленый светофильтр.
  7. Произвести замер расстояния между соседними интерференционными линиями и величину изгиба интерференционной линии при ее переходе через границу раздела пленка-подложка.
  8. Произвести вычисление толщины пленки исходя из произведенных замеров и длины волны, соответствующей выбранному светофильтру.
  1. Какие методы используются для определения толщины тонких пленок?
  2. Каков диапазон толщин пленки, который охватывает интерференционный метод измерения с помощью прибора МИИ-4
  3. Какие ограничения накладываются на состояние поверхности для выполнения измерений с помощью МИИ-4?
  4. Каков принцип измерений толщины на приборе МИИ-4?
  5. Как определить увеличение, даваемое МИИ-4 при использовании его в режиме металлографического микроскопа?

Б.С. Данилин. Вакуумное нанесение тонких пленок. М. «Энергия», 1967

Л. Майссел, Р. Глэнг. Технология тонких пленок. Справочник. М., «Сов. радио», 1977


Статьи по теме