Karakterisering av overflaten modifikasjoner av White Light Interferometry: Søknader i Ion Sputtering, laser ablasjon og Tribologi Eksperimenter

Summary

Hvitt lysmikroskop interferometri er en optisk, kontaktløs og rask metode for å måle topografi av overflater. Det er vist hvordan fremgangsmåten kan brukes mot mekanisk slitasje analyse, hvor slitasje er arr på tribologiske testprøver analysert, og i materialvitenskap til bestemme ion stråle katodeforstøvning eller laserablasjon volumer og dybder.

Abstract

I materialteknologi er det ofte nødvendig å innhente kvantitative målinger av overflatetopografi med mikrometer lateral oppløsning. Fra den målte overflaten, kan 3D topografiske kart senere bli analysert ved hjelp av en rekke programvarepakker for å trekke ut informasjon som er nødvendig.

I denne artikkelen beskriver vi hvordan hvitt lys interferometri, og optisk profilometry (OP) generelt, kombinert med generisk overflate analyse programvare, kan brukes for materialvitenskap og ingeniøroppgaver. I denne artikkelen, er en rekke anvendelser av hvitt lys interferometri for undersøkelse av overflaten modifikasjoner i massespektrometri, og slitasje fenomener i tribologi og smøring demonstrert. Vi karakterisere produktene av interaksjonen mellom halvledere og metaller med energiske ioner (sputtering) og laser bestråling (ablasjon) samt ex situ målinger av slitasje av tribologiske prøvelegemer. </p>

Spesielt vil vi diskutere:

1. Aspekter ved tradisjonell ion sputtering-baserte massespektrometri som sputtering priser / avkastning målinger på Si og Cu og påfølgende tid til dybdekonvertering.
2. Resultater av kvantitative karakterisering av samspillet femtosecond laser bestråling med en halvleder overflate. Disse resultatene er viktige for applikasjoner som ablasjon massespektrometri, hvor mengder fordampet materiale kan studeres og kontrolleres via pulsvarighet og energi per puls. Således, ved å bestemme krateret geometri kan man definere dybde og lateral oppløsning versus eksperimentelle oppsett forhold.
3. Målinger av overflateruhet parametere i to dimensjoner, og kvantitative målinger av overflaten slitasje som oppstår som et resultat av friksjon og slitasje tester.

Noen iboende ulemper, mulige gjenstander, og usikkerhet vurderinger av det hvite lysetinterferometri tilnærming vil bli diskutert og forklart.

Introduction

Overflaten av faste materialer bestemmer i stor grad egenskapene av interesse for disse materialer: elektronisk, strukturelt, og kjemisk. I mange områder av forskning, tilsetning av materiale (for eksempel tynn film deponering av pulset laser / magnetron sputtering deponering, fysisk / kjemisk dampavsetning), fjerning av materiale (reaktiv ione etsing, ion sputtering, laserablasjon, osv.), eller noen andre prosesser, må karakteriseres. I tillegg har overflatemodifisering gjennom samhandling med energiske lyspulser eller ladete partikler rekke applikasjoner, og er av prinsipiell interesse. Tribologi, studiet av friksjon og slitasje, er et annet område av interesse. På en stasjonær skala, et mangfold av tribological test geometrier eksisterer. Ikke-konforme kontaktlinser geometrier kan benyttes, og en kule eller sylinder kan skyves eller roteres mot en flat overflate, en annen ball eller sylinder, for en lang tid, og mengden av materiale som er fjernet er megasured. Fordi slitasje arret er tredimensjonal og uregelmessig i naturen, kan optisk profilometri være den eneste teknikk egnet til å oppnå nøyaktige slitasje volummålinger. Vanlige analyse oppgaver omfatter også overflateruhet parametere, steg høyde, tap av materielle volum, grøft dybde, og så videre, alle av dem kan fås i tillegg til enkel 2D-og 3D-topografi visualisering.

Optisk profilometri refererer til noen optisk metode som brukes til å rekonstruere profilen til overflater. Profilometric metoder inkluderer hvitt lys interferometrisk, laser eller confocal metoder. Noen optiske profilometers innhente informasjon gjennom tilnærminger basert på konvensjonelle diffraksjon-begrenset mikroskopet mål. For eksempel kan en skanning laser være integrert med et mikroskop for å skaffe topografisk og sann fargeinformasjon av overflater. En annen metode bruker en teknikk som utnytter den ekstremt liten dybdeskarphet av konvensjonelle mål å montere en series av in-focus "image skiver" av overflaten for å få en 3D topografisk kart.

I dette arbeidet viser vi hvordan et hvitt lys interferometrisk mikroskop / profilometer muliggjør måling av mengden av materiale som går tapt ved mekanisk slitasje prosesser, eller under vesentlige etsning prosesser som ion sputtering kratere eller laser ablasjon. Mest oppmerksomhet er betalt til metodikk av denne metoden for å illustrere sin store installert kapasitet som gjør det allment tilgjengelig og attraktivt for en rekke bruksområder. De fleste typer av WLI ansette Mirau teknikken, som bruker et speil intern til mikroskopet målet å forårsake interferens mellom en referanse lyssignal og lyset som reflekteres fra prøvens overflate. Valget av Mirau interferometri er diktert av enkel bekvemmelighet, fordi hele Mirau interferometer kan passe inne i mikroskopobjektivlinsehuset og koplet til en vanlig optisk mikroskop (Figur 1). En serie to-dimensjonale Interferograms er anskaffet med et videokamera, og programvare monterer en 3D topografisk kart. Den hvite lyskilden leverer bredspektret belysning som bidrar til å overvinne "frynse orden" tvetydighet iboende en monokromatisk kilde. En monokromatisk lyskilde kan anvendes for å oppnå mer nøyaktig måling av grunne topografiske egenskaper. Den lateral oppløsning er fundamentalt begrenset til λ / 2 (numerisk apertur, NA = 1), men i de fleste tilfeller er større, blir bestemt ved NA av målet, som er i sin tur koblet til forstørrelse / felt-of-view størrelse. Tabell 1 i Ref. 1 har en direkte sammenligning av alle nevnte parametere. Dybde oppløsning tilnærminger ≈ 1 nm, blir en funksjon av den interferometrisk natur av teknikken. Ytterligere informasjon om Mirau WLI kan bli funnet i refs. 2, 3. En introduksjon på hvitt lys interferometrisk tilnærming kan bli funnet i Ref. 4.

Andre metoder for analyse av overflater er atomic force mikroskopi (AFM), scanning elektronmikroskopi (SEM), og pekepenn profilometry. Den WLI teknikken sammenligner gunstig til disse metodene og har sine egne fordeler og ulemper som skyldes den optiske karakter av metoden.

AFM er i stand til å skaffe 3D-bilder og dermed tilsvarende tverrsnitt, men har en begrenset AFM skanning evne i den laterale (<100 pm) og dybde (<10 mikrometer) akser. I motsetning til disse, er den viktigste fordelen med WLI den fleksible felt-of-view (FOV) på opp til et par millimeter med samtidig ekte 3D avbildning evne. I tillegg, som vi vil demonstrere det har bred vertikal skanning utvalg kapasitet, slik at man for å løse en rekke problemer med overflatemodifisering bare. Forskere som har arbeidet med AFM er klar over problemet med flyet posisjonering av en prøve når man måler lengre trekk ved lave vertikale gradienter. Vanligvis kan man tenke WLI / OP som en "express" teknikk over AFM. Selvsagt finnes deten rekke områder hvor kun AFM er egnet: når laterale egenskaper løses har karakteristiske dimensjoner mindre enn den laterale oppløsning WLI, eller forekomster hvor data fra WLI er tvetydig grunn av ukjente eller komplekse optiske egenskapene til en prøve på en måte som innvirkning på nøyaktigheten av målinger (som skal diskuteres senere), osv.

SEM er en effektiv måte å se på overflater, blir svært fleksibel i forhold til FOV størrelse med store dybden av fokus, større enn noen vanlig optisk mikroskop kan tilby. Samtidig, er 3D avbildning etter SEM tungvint, spesielt ettersom det krever å ta av stereo-pair bilder som deretter konverteres til 3D-bilder ved anaglyphic metoden eller gjennom å observere med optiske seere, eller brukes for direkte beregning av dybder mellom ulike steder av interesse på en prøve. ⁵ I motsetning tilbyr WLI / OP profilometry lett å bruke 3D rekonstruksjon med samtidig fleksibel FOV. WLI skanner gjennom helehøydeområdet nødvendig for den spesielle prøven (fra nanometer til hundrevis av mikron). WLI er upåvirket av den elektriske ledningsevnen av prøvematerialet, som kan være et problem med SEM. WLI åpenbart ikke krever et vakuum. På den annen side er det en rekke programmer som SEM gir overlegen informasjon: lateral funksjoner som skal løses av karakteristiske dimensjoner under lateral oppløsning på WLI, eller saker der ulike deler av en prøve kan topografisk skilles bare når sekundære elektron utslipp koeffisienter forskjellig.

En mer teknikk for overflate inspeksjon, som er mye brukt i sekundær ion massespektrometri ⁶ og innen mikroelektromekaniske systemer karakterisering ⁷ er stylus profilometri. Denne teknikken er populær på grunn av sin enkelhet og robusthet. Det er basert på direkte mekanisk kontakt skanning av en stylus spissen over prøvens overflate. Dette er en grov kontakt verktøy, Som er i stand til å skanne langs en enkelt linje av gangen. Det gjør 3D overflate raster-scan bildebehandling ekstremt tidkrevende. En annen ulempe med en stylus teknikken er vanskeligheten måleflaten funksjonene høyt sideforhold og av størrelse sammenlignbar med sin karakteristiske dysestørrelse (submikron til flere mikron typisk) som antyder et tannradius og en spiss apex vinkel. En fordel av stylus profilometri er dens ufølsomhet for varierende optiske egenskaper av en prøve, som kan påvirke nøyaktigheten av WLI / OP målinger (som skal diskuteres senere).

Overflaten kart i denne artikkel ble oppnådd ved hjelp av en konvensjonell Mirau-attraksjon WLI (figur 1). Mange selskaper som Zygo, KLA-Tencor, nanovitenskap, Zemetrics, Nanovea, FRT, KEYENCE, Bruker, og Taylor Hobson produsere kommersielle table-top OP instrumenter. De oppkjøpte kartene ble rekonstruert og behandlet ved hjelp av kommersiell programvare av typen som vanligvis brukes for WLI, scanning elektronmikroskop, or probe mikroskopi. Programvaren har evnen til å utføre matematiske manipulasjoner av overflaten, Tverrsnitt profilanalyse, ugyldig og materielle volumberegninger og flyet korreksjon. Andre programvarepakker kan automatisere noen av disse funksjonene.

Protocol

1. Hardware Alignment for General WLI Scan Å skaffe kvantitativ informasjon gjennom WLI, kan følgende trinn tjene som en retningslinje. Det antas at operatøren har grunnleggende kunnskap interferometer drift. Retningslinjene er felles uansett den spesifikke instrumentet. For noen undersøkelser, vil prøven være flat. For andre kan prøven være buet. Plasser prøven på scenen med funksjonen (ion freste krateret, ion stråle / ablated spot, eller slitasje arr) vender rett opp…

Representative Results

Figur 1 Fotografi av en enkel profilometer benyttes i foreliggende studie:. En multippel objektiv turret er sett i bildet. To mål er standard (10x og 50x), og to er Mirau mål (10x og 50x). Dette mikroskopet har en middels forstørrelse funksjon som gjør trinnvis forstørrelse multiplikatorer på 0,62, 1,00, 1,25, eller 2,00 for å bli valgt. <a href="https://www.jove.com…

Discussion

Eksempel 1

WLI er ikke mye brukt for overflate karakterisering i tribological arbeid, men det er faktisk en kraftig metode for kvantitativ måling av slitasje volumer for mange kontakter geometrier. WLI produserer en full 3D-representasjon av overflaten som kan analyseres ved hjelp av en av flere visualisering programvarepakker. Disse pakkene gir forskjellige typer målinger som skal utføres. For større lateral oppløsning, kan bildene bli "sydd" sammen for å produsere vidvinkel in…

Materials

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