מדידת טיב פני שטח

מאת: עוז מעיין, מדיטל

אם נחקור מקרוב חומרים מבריקים, מחוספסים, מט וכו’, נראה שמראה החומר הוא תוצאה של טיב פני השטח שלו. כלומר, צורה מורכבת של סדרת שקעים ובליטות בגבהים, עומקים ומרווחים שונים.
טיב פני השטח מתייחס לגובה האלמנטים ולגליות פני החומר. הוא מוגדר כתדר הנמוך ביותר של הבדלי הגבהים בין המישור החיצוני הגבוה ביותר ובין החריצים שבו. פני השטח משפיעים לא רק על איך שנראה החומר, אלא גם על הטקסטורה שלו ועל רמת החספוס שלו. במדידת טיב פני שטח ניתן לוודא שחומר יראה/ירגיש לפי דרישות התכנון, בדיקת עובי צבע, בדיקה שמקדם חיכוך בהתאם לדרישות וכו’.
בכתבה זו נזכיר את ההגדרות, הדרישות והמונחים הטכניים של דרישות טיב פני שטח, ע”פ הסטנדט החדש ISO 25178. יוזכרו כמה שיטות מדידה, ההבדלים בניהן ויתרונות כל שיטה.

סטנדרטים למדידת
פני שטח
סטנדרטים JIS-B-0671-1 ו-ISO-13565-1 מבוססים על אנליזה במגע. הסטנדרט החדש ISO-25178 הוא אוסף תקנים בינלאומיים למדידת טיב שטח. הוא כולל שתי שיטות בדיקה: אנליזה במגע
(Stylus Method) וללא מגע
(Optical Probe). בשיטה ללא מגע נפתרות בעיות של חוסר עקביות במדידה, הנגרמים כתוצאה משינויים בכיוון הסריקה של החומר וסביבת העבודה בה הוא נמדד. על פי הסטנדרט, טיב פני השטח מחולק ל12- רמות: N1, עבור משטח החלק ביותר ו-N12, עבור משטח המחוספס ביותר.

טרמינולוגיה
Real-Surface – המישור האמיתי – מיקום המשטח הנמדד במישור X-Y, שביחס אליו נמדדים הגבהים.
Primary Surface – המישור הבסיסי – לאחר שבוצע סינון S-Filter על המישור האמיתי (ראו בהמשך).
Surface Filter – שם כולל לפעולות סינון על המידע של גבהי פני השטח.
S-Filter – סינון חלקיקים הזעירים של שינויי גובה, שבמקרים רבים הם בעצם רעש. למעשה פילטר זה הוא מעביר נמוכים (Low-Pass-Filter). תדר ההעברה שלו (Cutoff Frequency), , מוגדר בסטנדרט JIS-0601-2001.
L-Filter – סינון אלמנטים גדולים במישור הבסיסי, שנובעים מזוית של המשטח, גלים וכדומה. זהו פילטר מעביר גבוהים (High-Pass-Filter), שתדר ההעברה שלו
(Cutoff Frequency) ,, מוגדר בסטנדרט JIS-0633-2001.
F-Operator – סינון צורה כללית של המשטח מהמישור הבסיסי. למשל, אם מודדים פני שטח של כדור, או משטח עם זווית כלשהי.
S-F Surface – משטח המתקבל לאחר שבוצע F-Operator על המישור הבסיסי.
S-L Surface – משטח המתקבל לאחר שבוצע L-Operator על המישור S-F Surface.
Scale-limited Surface – אינפורמציית פני השטח, או הגליות, לאחר שבוצעו פילטרים על המישור הבסיסי.
Reference Surface – מישור הייחוס, עבור המידע ב-Scale-Limited Surface. מישור זה מייצג את הגובה הממוצע של המשטח לפי ISO-25178 ,Surface Texture Function.
Evaluation Area – האיזור הנמדד, שעליו מתבצעת האנליזה.
Definition Area – חלק מהאיזור הנמדד, המשמש לקביעת פרמטרים.
Height – גובה, המרחק בין מישור הייחוס וכל נקודה על אינפורמציית פני השטח.
Auto-Correlation Function – פונקציה המשמשת למציאת מחזוריות בחיספוס המישור.
Angular Spectrum Graph – גרף המתאר את כיוון תבנית/צורת פני
השטח/החיספוס.

תהליך הבדיקה
תהליך מדידת פני השטח כולל כמה שלבים עיקריים:
מדידת המידע באמצעות מכשיר מתאים (פירוט בהמשך).
ביצוע סינון מידע על המישור האמיתי (Real-Surface), לקבלת המישור הבסיסי (Primary Surface).
שימוש בפילטרים נוספים בהתאם לצורך, עד לקבלת אינפורמציית פני השטח (Scale-limited Surface).
הגדרת איזור לקביעת פרמטרים לייחוס (Evaluation Area).
חישוב מישור ייחוס (Reference Surface) וקביעת התוצאה של מדידת פני השטח.
פילטרים
הסטנדרטים לסינון נקבעים בהתאם
ל- (International Organization for Standards). משתמשים ב-S-Filter
וב-L-Filter בשיטות שנקבעות בסטנדרט:
פילטר גאוסיאני (Gaussian) המבצע החלקה של המידע להנחתת רעשים בעזרת פונקציית גאוס שמוגדרת בסטנדרטיםJIS-B-0632:2001 ,ISO11562:1996 ISO16610-21:2011.
פילטר בליטות (Spline Filter) המבצע החלקה של הפרופיל באמצעות אינטרפולציה על נקודות סמוכות.
נקודת החיתוך (Cutoff Wavelength) בפילטר S נקבעת ע”פ הסטנדרט לערך של פי 3 מרזולוציית המישור XY. לפעמים לא משתמשים בפילטר זה, אם בוצע שימוש בפילטרים אחרים.
נקודת החיתוך (Cutoff Wavelength) בפילטר L נקבעת ביחס למישור האמיתי (Real Surface). בדרך כלל היא מחושבת לערך של פי 5 מאורך הגליות שרוצים לסנן.
לדוגמה, אם לחומר שהגליות שלו היא באורך של בין 14-20 מיקרון למחזור גל, ייקבע ערך של כ-0.1mm לנקודת החיתוך במסנן.

פרמטרים לקביעת טיב פני השטח
הפרמטרים העיקריים לטקסטורה והמבנה של פני השטח נקבעים ביחס למישור ייחוס (Reference Surface). הם מחולקים לפי שש קטגוריות:
פרמטרים של גובה – פרמטרים המתייחסים לגובה/מיקום האלמנטים בפני השטח.
פרמטרים מרחביים – פרמטרים המתייחסים לכיוון הגליות או הצורה של פני השטח.
פרמטרים משולבים (היברידיים) – פרמטרים המתייחסים גם לגובה וגם למרחב/כיוון.
פרמטרים פונקציונליים – מחושבים לפי יחס פיזור החומר על פני השטח. הם משמשים לקביעת התנהגות החומר בחיכוך.
פרמטרים פונקציונליים של נפח – נפחים של צורות, גבהים, חורים, עמקים. הנפחים מכומתים בדרך כלל באחוזים מהשטח הנמדד.
פרמטרים של צורה – נמדדים מתוך אינפורמציית פני השטח (Scale-limited Surface) וקובעים איזורים של גבעות (Hill), נקודות מקסימום איזוריות (Peak), עקומות מתחת הגבעות (Course line), נקודות מינימום איזוריות (Pit), עמקים (Dale), איזור שפת העמקים (Ridge Line), אוכף – נקודות מפגש של קווי גבעות ועמקים (Saddle Point) ועוד…

מכשירי מדידה לבדיקת פני שטח
בשוק קיימים כמה סוגים של מכשירי מדידה המיועדים לקביעת פני שטח, חספוס וצורה של חומרים. בכתבה זו נתמקד בארבע שיטות, מחולקות לשני עקרונות מדידה: בעזרת מגע וללא מגע. סיכום תכונות המדידה של סוגי המכשירים בטבלה 1.

עקרונות מדידה: מדידה בעזרת מחט-גשש מכאני (Stylus Tip)
החיישן בנוי מחט חדה (Stylus), הנוגעת בפני השטח. התזוזה נמדדת בעזרת יחידת עיבוד נתונים:
כדי למדוד צורות וחספוס ברזולוציה גבוהה, רדיוס קצה המחט חייב להיות קטן ככל שניתן ובעל לחץ מינימלי על פני השטח. המחט בדרך כלל עשויה מאבן ספיר או מיהלום ורדיוס הקצה הוא כ-10 מיקרון או פחות. הצורה האידיאלית לקצה היא צורת חרוט עם קצה כדורי. חרוט סטנדרטי יהיה בזווית (θ) של 60 או 90 מעלות וברדיום קצה של 2, 5, או 10 מיקרון.
יתרונות:
מדידת פרופיל באופן ברור ומדוייק.
אפשרות מדידה של חלקים ארוכים יחסית.
חסרונות:
שחיקה של המחט.
גרימת שריטות על החומר הנמדד.
אפשרות למדידת חלקים קשיחים בלבד.
רזולוציה מוגבלת לגודל קצה המחט.
מדידה שאורכת זמן, קושי בקביעה מדוייקת או זיהוי מדוייק של מיקום המדידה.

מיקרוסקופ כוח אטומי – AFM
מיקרוסקופ אטומי מודד את החספוס בעזרת הכוח האטומי שבין הקצה שלו ובין נקודה על האיזור הנמדד.
כדי לבצע את המדידה, המשתמש מניע פרוב חד שמחובר לתומך (cantilever) עד לכדי קרבה של ננומטרים ספורים לפני השטח. במרחק זה מהמשטח פועלים על הפרוב כוחות אטומיים המזיזים את החיישן. קריאת מיקום הפרוב מתבצעת באמצעות לייזר המוחזר מהפרוב אל חיישן פוטואלקטרי הבנוי ממערך של שתיים או ארבע דיודות פוטואלקטריות. לפי הפרשי העוצמות הנקלטות בדיודות, מחושב המיקום בציר Z. תהליך זה מתבצע תוך כדי סריקת המשטח במישור XY.
יתרונות:
הגדלה עצומה.
רזולוציה גבוהה מאוד, מעבר ליכולת של ההפרדה האופטית.
מדידה תלת מימדית, איסוף נתוני המדידה תוך כדי ביצוע התהליך.
אפשרות למדידה בתנאים רגילים, ללא צורך בואקום או הכנות מיוחדות על הדגימה.
ניתוח מידע נוסף על החומר: מגנטיות, תכונות חשמליות, חיכוך, אלסטיות וכו.
חסרונות:
יכולת למדוד רק עצמים קטנים מאוד.
קושי במיקום הדגימה, או המשטח הנמדד, עקב איזור מדידה קטן מאוד.
נדרש ידע טכני רב כדי להפעילו.

אינטרפרומטר אור לבן
מכשיר מדידה זה פועל על עקרון של תופעת התאבכות האור. אור החוזר מהמטרה חוזר יחד עם אור המוחזר מנקודת ייחוס. גלי האור החוזרים מנקודת הייחוס, יחד עם אלו החוזרים מהמשטח יוצרים תבנית של התאבכות (בונה והורסת לסירוגין) על גבי חיישן CCD. החיישן מתוכנן כך שמעבר האור בין מראת הייחוס וחיישן
ה-CCD, מתאים למרחק בין ה-CCD למטרה הנמדדת. חספוס פני השטח, שהוא למעשה שינוי גבהים יוצרים תמונת התאבכות – קווים של אור/חושך לסירוגין. כמות הקווים והמרווחים בניהם, מתורגמים למידע של גבהים ומיקומים של האלמנטים בטיב פני השטח.
יתרונות:
מדידת שטח גדול.
רזולוציה של סאב-ננומטר בציר
הגובה Z.
מדידה מהירה ללא מגע.
חסרונות:
מתאים לאובייקטים מבריקים בלבד.
נדרש כיול בכל זווית התקנה.
רזולוציה נמוכה במישור XY – כתלות במערכת הזזת המשטח מתחת לחיישן.
רגישות לרעידות.

מיקרוסקופ משולב סורק לייזר תלת מימדי
מערכת זו משלבת מיקרוסקופ קונפוקלי עם מיקרוסקופ אופטי. קרן לייזר באורך גל בודד עוברת דרך מערכת סריקה אופטית וסורקת את המשטח הנבדק במישור X-Y. האור חוזר דרך האופטיקה ודרך חריר זעיר (Pin Hole) להגיע לתא הפוטואלקטרי. החריר גורם לאור שנמצא במרחק פוקאלי מסויים מאוד מציר Z לעבור.
תהליך זה חוזר על עצמו בכמה נקודות פוקאליות, על ידי סריקה של האובייקטיב בציר Z ושמירת המידע של כל נקודות הגובה המתאימות לכל פיקסל בהתאמה.
כך מתקבלת תמונת תלת-מימד מונוכרומטית של האובייקט.
המערכת משולבת עם מצלמה צבעונית שמצלמת את האובייקט בזמן התהליך ויוצרת תמונה ברזולוציה גבוהה שמתואמת ו”מולבשת” על תמונת תלת המימד.
יתרונות:
עומק שדה גדול
מוציא תמונה תלת מימדית.
יכולת למדוד ולהוציא נתונים של חומרים שקופים, או חצי שקופים.
בדיקה בתנאי סביבה רגילים.
אין צורך בהכנת דוגמיות מהחומר.
אין מגבלה על סוג החומר או הגודל שלו.
חסרונות:
רזולוציה מוגבלת לננומטר אחד.
אין אפשרות למדוד חומרים שאינם מחזירים את אור הלייזר.
לסיכום
סורק-לייזר משולב מקרוסקופ נותן
תוצאות טובות יותר ממקרוסקופ אלקטרוני, או מקרוסקופ כוח אטומי במונחים של פשטות התפעול ואופן הצגת הנתונים, אולם יש לו הגדלה פחותה ורזולוציה טובה פחות מהם. כמו כן מיקרוסקופ זה יתקשה למדוד חלקים בעלי זווית חדה מידי, או אזורים עמוקים מידי, מכיוון שהלייזר אינו מוחזר, או מחוזר חלקית מאיזורים אלו. בבחירת המכשיר שיתאים למדידת חומר מסויים יש להתחשב בכל התכונות, היתרונות והחסרונות של כל שיטה.