Дослідження геометричних спотворень цифрових РЕМ-зображень, отриманих на РЕМ JSM-7100F (JEOL, Японія) та точність їхньої апроксимації

Abstract

Цифровим РЕМ-зображенням внаслідок різноманітних фізичних факторів роботи растрових електронних мікроскопів притаманні значні геометричні спотворення. Метою цього дослідження є їх встановлення та ефективне врахування для підвищення точності отримання просторових кількісних параметрів мікроповерхонь об’єктів, які досліджуються за допомогою РЕМ. Завдання це є вкрай важливим, особливо тепер, зокрема, за потреби контролю технологічних процесів виробництва на мікронному та субмікронному рівнях у машинобудуванні, мікроелектроніці та багатьох інших. Це, своєю чергою, дає змогу отримувати необхідні технологічні властивості різноманітних об’єктів, а отже, підвищувати їхню надійність та ефективність. Методика. Для встановлення і дослідження цифрових РЕМ-зображень, отриманих на РЕМ JSM 7100F використано спеціальний тест-об’єкт (голографічна тест-решітка) з роздільною здатністю г = 1425 лін/мм. Цифрові РЕМ-зображення отримано на діапазоні збільшень від 2000х до 40000х. Опрацювання (вимірювання) цифрових РЕМ-знімків виконувалось за допомогою спеціальних підпрограм “Test-Measuring” і “Polycalc” програмного комплексу “Dimicros”. Результати. Отримані лінійні (масштабні) і нелінійні (дисторсійні) складові геометричних спотворень цифрових РЕМ-зображень, зокрема, дійсні значення збільшень РЕМ-зображень тест-об’єктів показали, що їхні відхилення від встановлених значень за шкалою РЕМ становлять: уздовж осі х знімка - від приблизно -1 % (при Мх від 2000х до 5000х) до +2,5-4 % (при Мх від 7500х до 40000х), а вздовж осі у знімка - від 0-+1 % (при Мх від 2000х до 5000х) до +3-4 % (при Мх від 7500х до 40000х). Точність вимірів Мх становить приблизно ± 0,5 %. Так, лінійні (масштабні) спотворення РЕМ-зображень, отриманих на РЕМ JSM-7100F, порівняно незначні. Однак для високоточних досліджень кількісних параметрів мікроповерхонь твердих тіл їх необхідно враховувати. Нелінійні (дисторсійні) спотворення досягають на краях РЕМ-знімків за великих збільшень до ±2,5 мм (до 25 пікселів) з розміром зображення 120x90 мм. Поліноміальна апроксимація (врахування) спотворень дає змогу зменшувати їх від 3-х до 10 разів. Наукова новизна. Метричні дослідження цифрових зображень, отриманих на сучасному РЕМ JSM 7100F виконувалось вперше. Запропонована методика досліджень і використане авторське програмне забезпечення показали їхню ефективність і доцільність. Практична значущість. Застосування методики визначення та врахування геометричних спотворень цифрових РЕМ-зображень мікроповерхонь твердих тіл дає змогу суттєво підвищувати точність отримання їх просторових кількісних параметрів, що, своєю чергою, покращує надійність і ефективність виготовленої з них продукції. Цифровым РЭМ-изображениям, в результате различных физических факторов работы растровых электронных микроскопов, присущи значительные геометрические искажения. Целью данного исследования является их определение и эффективный учет для повышения точности получения пространственных количественных параметров микроповерхностей объектов, которые исследуются с помощью РЭМ. Задача эта крайне важна, особенно в настоящее время, в частности, при необходимости контроля технологических процессов производства на микронном и субмикронном уровнях в машиностроении, микроэлектронике и многих других. Это в свою очередь позволяет получать необходимые технологические свойства различных объектов, а следовательно повышать их надежность и эффективность. Методика. Для установления и исследования цифровых РЭМ-изображений, полученных на РЭМ JSM 7100F был использован специальный тест-объект (голографическая тест-решетка) с разрешением г = 1425 лин/мм. Цифровые РЭМ-изображения были получены в диапазоне увеличений от 2000х до 40000х. Обработка (измерения) цифровых РЭМ-снимков выполнялась с помощью специальных подпрограмм “Test-Measuring” и “Polycalc” программного комплекса “Dimicros”. Результаты. Полученные линейные (масштабные) и нелинейные (дисторсионные) составляющие геометрических искажений цифровых РЭМ-изображений, в частности, действительные значения увеличений РЭМ-изображений тест-объектов показали, что их отклонение от установленных значений по шкале РЭМ составляют: вдоль оси х снимка - от примерно -1 % (при Мх от 2000х до 5000х) до +2,5-4 % (при Мх от 7500х до 40000х), а вдоль оси у снимка - от 0-+1 % (при Мх от 2000х до 5000х) до +3-4 % (при Мх от 7500х до 40000х). Точность измерений Мх составляет примерно ± 0,5 %. Таким образом, линейные (масштабные) искажение РЭМ-изображений, полученных на РЭМ JSM-7100F, относительно незначительны. Однако для высокоточных исследований количественных параметров микроповерхностей твердых тел их необходимо учитывать. Нелинейные (дисторсионные) искажения достигают на краях РЭМ-снимков при больших увеличениях до ± 2,5 мм (до 25 пикселов) при размере изображения 120x90 мм. Полиномиальная аппроксимация (учет) искажений позволяет их уменьшать от 3-х до 10 раз. Научная новизна. Метрические исследования цифровых изображений, полученных на современном РЭМ JSM-7100F выполнялись впервые. Предложенная методика исследований и использованное авторское программное обеспечение показали их эффективность и целесообразность. Практическая значимость. Применение методики определения и учета геометрических искажений цифровых РЭМ изображений микроповерхностей твердых тел позволяет существенно повышать точность получения их пространственных количественных параметров, что в свою очередь улучшает надежность и эффективность изготовленной из них продукции. Digital-SEM image, due to various physical factors of scanning electron microscope inherent significant geometric distortion. The aim of this study is to establish and Effective consideration to improve the accuracy to obtain quantitative spatial parameters mikrosurface objects are investigated using SEM. This problem is extremely important, especially nowadays when needed control of technological processes for the production of micron and submicron levels, particularly in engineering, microelectronics and many others. This in turn enables the necessary technological properties of various objects, and thus improve their reliability and efficiency. Methodology. To install and study of digital SEM images obtained on SEM JSM-7100F was used special test facility (test holographic grating) with a resolution r = 1425 lin/mm. Digital SEM images were received increases ranging from 2000h to 40000h. Working (measurement) Digital-SEM images was carried out using special routines “Test- Measuring” and “Polycalc” software complex “Dimicros”. Results. The obtained linear (large-scale) and nonlinear components of geometric distortion digital SEM images, in particular, the real value increases SEM images of test objects showed their rejection of established values on a scale SEM are: along the x-axis image - from approximately -1 % (in Mx from 2000h to 5000h) and +2,5-4 % (in Mx from 7500h to 40000h) and along the axis of the picture - from 0—+1 % (in Mx from 2000h to 5000h) and +3-4 % (in Mx from 7500h to 40000h). Mx accuracy is approximately ± 0,5 %. Thus linear (large-scale) distortion of SEM images obtained on SEM JSM-7100F is relatively insignificant. However, precision studies of quantitative parameters mikrosurface solids they should be taken into account. Nonlinear distortion at the edges of reach SEM images at high magnification to ± 2,5 mm (25 pixels) in image size 120x90 mm. Polynomial approximation (consideration) allows them to reduce distortion from 3 to 10 times. Scientific novelty. Metric study of digital images obtained at the present SEM JSM-7100F enforced for the first time. The method of research used by the author and software have shown their effectiveness and feasibility. The practical significance. Application methods for determining and taking into account the geometric distortion digital SEM images mikrosurface solids can significantly improve the accuracy of their spatial obtain quantitative parameters, which in turn improves the reliability and effectiveness of the products made from them.