Caratterizzazione delle modificazioni superficiali di White Interferometria Luce: Applicazioni in Ion Sputtering, ablazione laser, ed esperimenti Tribologia
Summary
Bianco interferometria microscopio ottico è un metodo ottico, senza contatto e rapido per misurare la topografia di superfici. È mostrato come il metodo può essere applicato verso analisi usura meccanica, dove indossare cicatrici su campioni di prova sono analizzati tribologiche e nella scienza dei materiali per determinare ion beam sputtering o volumi di ablazione laser e profondità.
Abstract
Nella scienza dei materiali e ingegneria è spesso necessario per ottenere misure quantitative di topografia superficiale con risoluzione micrometrica laterale. Dalla superficie misurata, 3D topografici possono essere successivamente analizzati utilizzando una varietà di pacchetti software per estrarre le informazioni necessarie.
In questo articolo viene descritto come l'interferometria a luce bianca, e profilometria ottica (OP) in generale, in combinazione con il software generico analisi di superficie, possono essere utilizzati per scienza dei materiali e attività di progettazione. In questo articolo, una serie di applicazioni di bianco interferometria luce per le indagini di modifiche di superficie in spettrometria di massa, e l'usura dei fenomeni in tribologia e lubrificazione sono dimostrati. Abbiamo caratterizzano i prodotti dell'interazione di semiconduttori e metalli con ioni energetici (sputtering), e irradiazione laser (ablazione), nonché ex situ di usura dei provini tribologiche. </p>
In particolare, si discuterà:
- Aspetti della tradizionale sputtering di ioni a base di spettrometria di massa come i tassi di sputtering / misurazioni rendimenti su Si e Cu e conseguente time-to-profondità di conversione.
- Risultati della caratterizzazione quantitativa della interazione della radiazione laser a femtosecondi con una superficie del semiconduttore. Questi risultati sono importanti per applicazioni quali spettrometria di massa ablazione, dove le quantità di materiale evaporato può essere studiato e controllato tramite durata di impulso e di energia per impulso. Così, determinando la geometria cratere si può definire risoluzione in profondità e laterale contro condizioni di impostazione sperimentali.
- Misure di parametri di rugosità superficiale in due dimensioni, e misurazioni quantitative della superficie di usura che si verificano a seguito di prove di attrito e usura.
Alcuni svantaggi legati, artefatti possibili e le valutazioni incertezza della luce biancainterferometria approccio sarà discusso e spiegato.
Introduction
La superficie di materiali solidi determina in larga misura le proprietà di interesse per quei materiali: elettronica, strutturalmente e chimicamente. In molti settori della ricerca, l'aggiunta di materiale (per esempio, deposizione di film sottili da impulsi laser / magnetron sputtering deposizione, fisico / chimiche deposizione di vapore), rimozione di materiale (Reactive Ion Etching, ion sputtering, ablazione laser, ecc), o alcuni altri processi, devono essere caratterizzati. Inoltre, modifica di superficie attraverso l'interazione con impulsi di luce o di particelle cariche energetiche ha numerose applicazioni ed è di interesse fondamentale. Tribologia, lo studio di attrito e usura, è un altro settore di interesse. Su una scala da banco, una moltitudine di geometrie esistono prove tribologiche. Non-conformi geometrie contatti possono essere utilizzati, e una sfera o cilindro può essere fatto scorrere o ruotare contro una superficie piana, un altro pallone, o cilindro, per un periodo di tempo, e la quantità di materiale che viene rimosso measured. Perché la cicatrice usura è tridimensionale e irregolare in natura, profilometria ottica può essere l'unica tecnica adatta per ottenere accurate misurazioni di volume di usura. Attività di analisi comuni includono anche parametri di rugosità di superficie, altezza passo, perdita di volume del materiale, profondità trincea, e così via, tutti possono ottenere in aggiunta alla semplice visualizzazione topografia 2D e 3D.
Profilometria ottica si riferisce a qualsiasi metodo ottico utilizzato per ricostruire il profilo delle superfici. Metodi profilometrica includono interferometrica luce bianca, laser, o metodi confocale. Alcuni profilometri ottici ottenere informazioni attraverso approcci tradizionali basati su diffrazione limitata obiettivi microscopio. Per esempio, un laser di scansione può essere integrato con un microscopio per ottenere informazioni sul colore topografico e vero superfici. Un secondo metodo utilizza una tecnica che sfrutta la profondità estremamente piccola di focalizzazione di obiettivi convenzionali per assemblare un serioes di messa a fuoco "fette" di immagini della superficie per ottenere una mappa 3D topografica.
In questo lavoro si mostra come una luce bianca microscopio interferometrico / profilometro consente la misurazione della quantità di materiale perso durante i processi di usura meccanica, o durante processi materiali etching come ioni crateri sputtering o ablazione laser. La maggior attenzione è rivolta alla metodologia di questo metodo per illustrare la sua grande capacità installata che lo rende ampiamente disponibile e attraente per numerose applicazioni. La maggior parte dei tipi di WLI impiegare la tecnica Mirau, che utilizza uno specchio interno al microscopio obiettivo di provocare interferenza tra un segnale luminoso di riferimento e la luce riflessa dalla superficie del campione. La scelta di Mirau interferometria è dettata dalla semplice convenienza, perché l'interferometro intera Mirau può essere adattarsi all'interno della lente obiettivo microscopio e accoppiato ad un microscopio ottico normale (Figura 1). Una serie di bidimensionale traferograms sono acquisite con una videocamera, e il software assembla una mappa 3D topografica. La sorgente di luce bianca fornisce l'illuminazione ad ampio spettro che aiuta a superare l '"ordine di frangia" ambiguità intrinseca di una sorgente monocromatica. Una sorgente di luce monocromatica può essere utilizzato per ottenere una misurazione più accurata delle caratteristiche topografiche superficiali. La risoluzione laterale è fondamentalmente limitata a λ / 2 (apertura numerica NA = 1), ma nella maggior parte dei casi è maggiore, essendo determinata dalla NA dell'obiettivo, che è a sua volta collegato ad ingrandimento / campo di vista dimensioni. Tabella 1 in rif. 1 ha un confronto diretto di tutti i parametri menzionati. Approcci risoluzione in profondità ≈ 1 nm, essendo funzione della natura della tecnica interferometrica. Ulteriori informazioni su Mirau WLI può essere trovato in Refs. 2, 3. Un'introduzione su bianco approccio leggero interferometrica può essere trovato in rif. 4.
Altri metodi per l'analisi delle superfici sono atomiche force microscopia (AFM), microscopia elettronica a scansione (SEM), e profilometria stilo. La tecnica WLI paragonabile a questi metodi e ha i suoi vantaggi e svantaggi che dipendono dalla natura ottica del metodo.
L'AFM è in grado di ottenere immagini 3D e sezioni corrispondenti quindi, ma AFM ha una limitata capacità di scansione nelle laterali (<100 micron) e profondità (<10 micron) assi. A differenza di quelli, il vantaggio principale del WLI è flessibile campo di vista (FOV) di fino a pochi millimetri con simultanea reale capacità di imaging 3D. Inoltre, come dimostreremo ha ampia gamma di capacità di scansione verticale, permettendo di risolvere una varietà di problemi di modificazione superficiale semplicemente. I ricercatori che hanno lavorato con AFM sono consapevoli del problema di posizionamento del piano di un campione per misurare caratteristiche prolungati bassi gradienti verticali. In generale, si può pensare di WLI / OP come una tecnica di "espresso" su AFM. Naturalmente, ci sonouna serie di settori per i quali è adatto solo AFM: quando caratteristiche laterali da risolvere hanno dimensioni caratteristiche più piccole della risoluzione laterale WLI, o istanze dove i dati da WLI è ambigua a causa delle proprietà ottiche sconosciute o complesso di un campione in un modo che influisce sulla precisione delle misure (ne parliamo dopo), ecc
Il SEM è un potente mezzo per guardare superfici, essendo molto flessibile in termini di dimensioni FOV con grande profondità di messa a fuoco, più grande di qualsiasi microscopio ottico convenzionale in grado di offrire. Allo stesso tempo, imaging 3D da SEM è ingombrante, in particolare perché richiede di prendere stereo-pair immagini che poi vengono convertiti in immagini 3D con il metodo anaglifico, o osservando con visori ottici, o utilizzati per il calcolo diretto di profondità tra diversi punti di interesse su un campione. 5, invece, WLI / OP profilometria offre facile da usare, la ricostruzione 3D con al tempo stesso flessibile FOV. WLI scansione attraverso la pienaCampo altezza necessaria per il particolare campione (da nanometri a centinaia di micron). WLI è influenzato dalla conducibilità elettrica del materiale campione, che può essere un problema con SEM. WLI chiaramente non richiede un vuoto. D'altra parte ci sono una serie di applicazioni per cui SEM fornisce informazioni superior: caratteristiche laterali da risolvere di dimensioni caratteristiche sotto la risoluzione laterale WLI, o casi in cui le diverse parti di un campione può essere topograficamente distinte solo quando coefficienti di emissione di elettroni secondari differiscono.
Una tecnica più per ispezione superficiale, che è ampiamente usato in spettrometria di massa di ioni secondari 6 e nel campo dei sistemi microelettromeccanici caratterizzazione 7 è profilometria stilo. Questa tecnica è molto popolare per la sua semplicità e robustezza. Esso si basa sulla scansione contatto meccanico diretto di una puntina sulla superficie del campione. Si tratta di uno strumento di contatto grossolana, Che è in grado di eseguire la scansione lungo una linea alla volta. Rende superficie 3D raster-scan immagini molto tempo. Un altro inconveniente della tecnica stilo è la difficoltà di misurare caratteristiche superficiali di alto allungamento e di dimensioni comparabili con la sua dimensione caratteristica punta (submicron a diversi micron tipicamente) che implica un raggio di punta e un angolo al vertice punta. Un vantaggio di stilo profilometria è la sua insensibilità alle diverse proprietà ottiche di un campione, che possono influire sulla precisione di WLI / OP misure (ne parliamo dopo).
Le mappe di superficie nel presente articolo sono stati ottenuti utilizzando un convenzionale Mirau tipo WLI (Figura 1). Molte aziende, come Zygo, KLA-Tencor, nanoscienze, Zemetrics, Nanovea, FRT, Keyence, Bruker, e Taylor Hobson produrre commerciali strumenti OP da tavolo. Le mappe sono state ricostruite acquisiti ed elaborati tramite il software commerciale del tipo che viene comunemente utilizzato per WLI, scanning electron, or sonda microscopia. Il software ha la capacità di eseguire manipolazioni matematiche della superficie, attraversa profilo sezione di analisi, vuoto e il calcolo dei volumi di materiale, e la correzione aereo. Altri pacchetti software possono automatizzare alcune di queste caratteristiche.
Protocol
Representative Results
Discussion
Esempio 1
WLI non è ampiamente utilizzato per la caratterizzazione della superficie in lavoro tribologiche, ma è in realtà un potente metodo per la misurazione quantitativa di volumi di usura per contatto geometrie molti. WLI produce una rappresentazione completa 3D della superficie che può essere analizzata utilizzando qualsiasi di diversi pacchetti software di visualizzazione. Questi pacchetti permettono vari tipi di misurazioni da effettuare. Per una maggiore risoluzione laterale, le imm…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Il campione irradiato GaAs sono state fornite dal Cui Yang della University of Illinois di Chicago. Questo lavoro è stato finanziato nell'ambito del contratto n ° DE-AC02-06CH11357 tra UChicago Argonne, LLC e il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dalla NASA tramite sovvenzioni e NNH08AH761 NNH08ZDA001N, e l'Ufficio di tecnologie per i veicoli del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sotto contratto DE-AC02 -06CH11357. La microscopia elettronica è stata realizzata presso il Centro di Microscopia Elettronica per la Ricerca dei Materiali presso Argonne National Laboratory, un US Department of Energy Office of Science di laboratorio, gestito nell'ambito del contratto DE-AC02-06CH11357 da UChicago Argonne, LLC.
Materials
| Single crystal substrates of Si, GaAs and Cu | for sputtering and ablation | ||
| Pure metal alloys | for tribology examples |
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