白光干涉表面改性中的应用离子溅射，激光烧蚀，与摩擦学实验表征

Summary

白色光镜干涉是一个光学，非接触式和快速的方法，用于测量的表面的地形。它示出如何使用该方法可以应用于朝向机械磨损分析，其中穿疤痕对摩擦磨损试验样品进行了分析，以及在材料科学中，以确定离子束溅射或激光烧蚀的体积和深度。

Abstract

在材料科学与工程，它往往是必要的以获得定量测量的表面形貌与微米横向分辨率。从被测物体表面，可随后分析三维地形图，使用各种软件包中提取所需要的信息。

在这篇文章中，我们介绍了如何白光干涉仪，光学轮廓（OP）在一般情况下，与一般的表面分析软件相结合，可用于材料科学和工程任务。在这篇文章中，都表现出了一些应用程序的白光干涉调查的表面质量法的修改，在摩擦学和润滑和磨损现象。我们半导体和金属之间的相互作用与高能离子（溅射），激光照射（烧蚀），以及易地测量摩擦试样的磨损特征的产品。 </p>

具体来说，我们将讨论：

1. 传统的离子溅射基于质谱，如的溅射速率/ Si和Cu的产量测量和随后的时间深转换方面。
2. 结果定量表征飞秒激光照射半导体表面的相互作用。这些结果是重要的应用程序，如烧蚀质谱，其中蒸发的材料的数量，可以研究和通过控制脉冲持续时间和每脉冲能量。因此，通过确定的火山口的几何形状，可以定义与实验设置条件的深度和横向分辨率。
3. 的表面粗糙度参数的测量在两个维度中，定量测定发生的作为结果的摩擦和磨损测试的表面磨损。

一些固有的缺点，可能出现的文物，以及不确定性评估的白光干涉测量的方法将讨论和解释。

Introduction

固体材料的表面，确定很大程度上为这些材料的性质的利益：电子，结构，和化学性质。在许多领域的研究中，另外的材料（例如，薄膜沉积由脉冲激光器/磁控溅射沉积，物理/化学气相沉积），去除材料（反应性离子蚀刻，离子溅射法，激光烧蚀法等），或一些其他进程，需要的特点。此外，通过互动与精力充沛的光脉冲或带电粒子的表面修饰有大量的应用和根本利益。摩擦学，摩擦和磨损的研究，是另一个值得注意的领域。在台式规模，大量存在的摩擦磨损试验的几何形状。非共形接触的几何形状可被使用，并且一个球或气缸可滑动或针对一个平坦的表面上，另一个球，或圆筒旋转，一个时间长度，和除去的材料的量，是我消化率。由于是三维的磨痕和不规则性，光学轮廓可能是唯一适合获得准确的磨损量测量技术。常见的分析任务还包括表面粗糙度参数，台阶高度，材料的体积损失，沟槽深度，等等，所有的人都可以得到额外简单的二维和三维地形可视化。

光学轮廓是指任何的光学方法，该方法被用来重建表面的档案。轮廓仪的方法包括激光，白光干涉，或聚焦方法。一些光学轮廓仪通过传统的有限衍射显微镜目标的基础上的方法获取信息。例如，一个激光扫描可以被集成用显微镜，得到表面的地形和真正的颜色信息。第二种方法是使用一种技术，它利用非常小的深度常规目标的重点，组建一个严重ES焦点“形象片”的表面，以获得三维地形图。

在这项工作中，我们展示了如何的白色光干涉显微镜/轮廓使机械磨损过程期间丢失的材料的量的测量，或在材料的蚀刻工艺，如离子溅射陨石坑或激光烧蚀。最受关注的是方法这种方法来说明它的装机容量大，使得它广泛使用和有吸引力的各种应用。大多数类型的WLI中采用的的Mirau技术，它使用一个反射镜的内部的显微镜物镜，使参考光信号和从样品表面反射的光之间的干扰。 Mirau干涉的选择是出于方便简单，因为整个Mirau干涉仪可以适合的显微镜物镜内，并耦合到常规的光学显微镜（ 图1）。一系列的二维间的ferograms中获取与视频摄像机，和软件组装一个三维的地形图。白色光源提供广泛的照明，这有助于克服“边缘令”模糊固有的单色光源。一个单色光源，可用于浅的地形特征，以获得更精确​​的测量。横向分辨率是从根本上限制于λ/ 2（数值孔径，NA = 1），但在大多数情况下，是较大的，被确定的目标，而这又是连接到倍率/场的视图尺寸的NA。 表1中参考。 1所有上述参数的直接比较。深度分辨率方法≈1 nm的，是一个函数的干涉的性质的技术。的文献，，Mirau WLI可以发现更多信息。 2，3。白光干涉的介绍中可以找到参考。 4。

表面分析方法原子强迫显微术（AFM），扫描电子显微镜（SEM），和触针轮廓。 WLI技术相比，毫不逊色这些方法都有自己的优点和缺点是由于光学性质的方法。

原子力显微镜是能够获得三维图像，并因此相应的横截面，但原子力显微镜在横向（<100微米）和深度（<10微米）的轴有一个有限的扫描能力。反观那些的WLI，主要的优势是灵活的字段的视角（FOV）高达几个毫米，同时真正的3D成像能力。此外，正如我们将证明它具有宽的垂直的扫描范围内的能力，允许一个解决了各种表面改性根本问题。研究人员曾与AFM的样品时，测量了长时间的低垂直梯度功能与平面定位的问题。一般情况下，人们可能会认为WLI / OP“快速”超过AFM技术。当然，也有横向功能来解决一些领域，只有原子力显微镜是合适的：当特征尺寸小于WLI横向分辨率的情况下，数据WLI是含糊不清的方式，由于未知的或复杂的光学性质的样品影响测量的精确度（将在后面讨论），等

SEM是一种强有力的方式，表面看，较大的对焦深度的视场大小，比任何传统的光学显微镜可以提供非常灵活的。在同一时间，通过SEM的三维成像是麻烦的，特别是因为它需要考虑的立体像对的图像，然后被转换成3D图像的补色的方法，或通过与光学观众观察，或用于直接计算的深度之间的不同点，有兴趣的样本^。5相比之下，WLI / OP轮廓提供了易于使用的三维重建，同时灵活的FOV。 WLI通过全面扫描所需的高度范围内的特定的样品（从纳米到几百微米）。 WLI不受影响的样品材料的导电性，这可能是一个问题，用SEM。 WLI显然并不需要一个真空。另一方面，也有一些SEM提供优质的信息：横向的功能，可以解决以下特征尺寸的横向分辨率的WLI或案件的不同部分的样本地形区分，只有当二次电子发射系数有所不同。

多一个表面检测的技术，它被广泛用于在二次离子质谱⁶和在领域的微机电系统表征⁷是触笔轮廓。这种技术很受欢迎，因为它的简单性和鲁棒性。它是基于直接的机械接触的触针尖端在样品表面的扫描。这是一个粗糙的接触式刀具，这是能够扫描沿一个单一的在一个时间线。这使得三维表面，光栅扫描成像非常耗时。触针技术的另一个缺点是高纵横比，其特征针尖大小（亚微米至几微米的典型）暗示的尖端半径和尖端顶角大小与测量表面特征的难度。触针轮廓的一个优点是它的不敏感，在不同的样品的光学性质，它可以影响WLI / OP测量（将在后面讨论）的准确性。

使用常规Mirau型WLI中（ 图1），得到本制品的表面地图。如ZYGO，KLA-Tencor公司，纳米科学，Zemetrics，Nanovea，FRT，基恩士，布鲁克，和泰勒霍布森的许多公司生产的商用台式OP工具。所收购的地图进行了重建，并使用商业软件的类型，通常用于WLI，O，扫描电子处理R探头显微镜。该软件有能力执行数学运算的表面，横截面轮廓分析，无效的和物质的量的计算，以及平面校正。其他软件包可以自动执行这些功能。

Protocol

1。通用的硬件对齐WLI扫描通过WLI获得定量的信息，下面的步骤可以作为一个指导方针。假设操作者具有干涉仪操作的基本知识。无论是常见的特定仪器的指引。一些调查，标本将会持平。对于其他人，试样可以是弯曲的。 将样品放置在舞台上的功能（离子，离子束溅射火山口/烧蚀点，或磨痕）的直线上升。使用低倍率的目标，并集中在仪器上。为了获得最佳分辨率?…

Representative Results

图1。照片，一个简单的轮廓，在本研究中使用的：多目标炮塔在图片中看到。两个目标是标准的（10倍和50倍），另外两个是的Mirau目标（10倍和50倍）。这种显微镜有的中间放大功能，使逐步放大乘数为0.62，1.00，1.25，或2.00被选中。 …

Discussion

例1

WLI不被广泛用于表面特性在摩擦的工作，但它实际上是一个功能强大的方法很多接触的几何形状进行定量测量的磨损量。 ，WLI产生的全3D表示的表面，可以使用一些可视化软件套件中的任何分析。这些产品的启用要执行的多种类型的测量。对于更大的横向分辨率，图像可以被“缝合”在一起，以产生广域信息（数mm），与μm的分辨率。

对于非摩擦学工?…

Materials

Single crystal substrates of Si, GaAs and Cu			for sputtering and ablation
Pure metal alloys			for tribology examples