İyon Püskürtme Uygulamaları, Lazer Ablasyon ve Triboloji Deneyler: Beyaz Işık Interferometre ile yüzey modifikasyonları Karakterizasyonu
Summary
Beyaz ışık mikroskobu interferometri yüzeylerinin topografyası ölçmek için optik, temassız ve hızlı bir yöntemdir. Ve malzeme bilimindeki iyon demeti fışkırtması veya lazer ablasyonu hacimleri ve derinlikleri belirlemek için; Bu yöntem tribolojik test örnekleri üzerinde izleri incelendiğinde giyim mekanik aşınma analizi, doğru nasıl uygulanabileceğini gösterilir.
Abstract
Malzeme bilimi ve mühendisliği yılında mikrometre lateral çözünürlük ile yüzey topografyası kantitatif ölçümler elde etmek için sık sık gerekli olabilir. Ölçülen yüzey 3D'yi topoğrafik haritalar sonradan gerekli bilgileri ayıklamak için yazılım paketleri kullanarak çeşitli analiz edilebilir.
Bu yazıda nasıl beyaz ışık interferometre ve genel yüzey analiz yazılımı ile birlikte genel olarak optik profilometre (OP), tarif, malzeme bilimi ve mühendislik işleri için kullanılabilir. Bu makalede, kütle spektrometresi yüzey değişikliklerinin incelenmesi, ve triboloji ve yağlama olayları giymek için beyaz ışık interferometre uygulamaları bir dizi gösterilmiştir. Biz enerjik iyonları (fışkırtması) ve lazer ışınları (ablasyon) yanı sıra tribolojik test örneklerinin aşınma ex-situ ölçümleri ile yarı iletkenler ve metallerin etkileşimi ürünleri karakterize. </p>
Özellikle, biz tartışacağız:
- Böyle sıçratma oranları / Si ve Cu verimi ölçümleri ve sonraki zaman-derinlik dönüşümü gibi geleneksel iyon fışkırtması tabanlı kütle spektrometresi Yönleri.
- Bir yarı iletken yüzeye sahip femtosaniye lazer ışınlama etkileşimin kantitatif karakterizasyonu sonuçları. Bu sonuçlar, buharlaştırılmış malzeme miktarları puls başına atım süresi ve enerji yardımı ile incelenmiştir ve kontrol edilebilir ablasyon kütle spektrometrisi, gibi uygulamalar için çok önemlidir. Böylece, krater geometrisi belirleyerek bir deney kurulum koşullarına karşı derinlik ve lateral çözünürlük tanımlayabilirsiniz.
- Iki boyutlu, ve sürtünme sonucu ortaya çıkar ve testler aşınma yüzeyi aşınma kantitatif ölçümleri pürüzlülük parametreleri ölçümleri.
Bazı doğasında dezavantajları, olası eserler ve beyaz ışık belirsizlik değerlendirmelerinterferometri yaklaşım tartışılmakta ve açıklanacaktır.
Introduction
Elektronik olarak, yapısal olarak, kimyasal: Katı malzemeler yüzeyi büyük oranda, bu maddeler için ilgi özelliklerini belirler. Araştırma birçok alanda, malzemenin yanı sıra (darbeli lazer / magnetron sıçratma birikimi, fiziksel / kimyasal buhar biriktirme tarafından örneğin, ince film biriktirme), malzeme kaldırma (reaktif iyon aşındırma, iyon püskürtme, lazer ablasyon, vs), ya da diğer işlemler, karakterize edilmesi gerekir. Ayrıca, enerjik ışık darbeleri veya yüklü parçacıklar etkileşim yoluyla yüzey modifikasyonu birçok uygulama vardır ve temel ilgi olduğunu. Triboloji, sürtünme ve aşınma çalışmada, ilgi başka bir alandır. Bir benchtop ölçekte, tribolojik testi geometriler çok sayıda var. Non-konformal temas geometriler de kullanılabilir, ve bir bilye ya da silindir kaydırılabilir ya da belli bir süre için, bir düz yüzey, başka bir bilye ya da silindir karşı döndürülmüş ve kaldırılır malzeme miktarı benim edilebilirölçüldü. Aşınma izi üç-boyutlu doğası ve düzensiz olması nedeniyle, optik Profilometre doğru aşınma hacmi ölçümleri elde etmek için uygun bir tek teknik olabilir. Ortak analiz görevleri de yüzey pürüzlülüğü parametreleri, basamak yüksekliği, malzeme hacim kaybı, hendek derinliği, ve benzeri bulunmaktadır, bunların her basit 2D ile 3D topografya görselleştirme için ayrıca elde edilebilir.
Optik Profilometre yüzey profiline yeniden oluşturmak için kullanılan herhangi bir optik yöntemi ifade eder. Profilometrik yöntemlerle beyaz ışık interferometrik, lazer konfokal veya yöntemler bulunmaktadır. Bazı optik profilometers konvansiyonel kırınım-sınırlı bir mikroskop hedeflere dayalı yaklaşımlar aracılığıyla bilgi edinin. Örneğin, bir lazer tarama yüzey topografik ve gerçek renk bilgileri elde etmek için bir mikroskop ile entegre edilebilir. İkinci bir yöntem bir seri montajı için geleneksel hedeflerinin odak son derece küçük derinliği sömüren bir teknik kullanır3D topografik harita elde etmek için yüzey içinde-odak "görüntü dilim" es.
Bu çalışmada, bir beyaz ışık mikroskobu interferometrik / profilometre mekanik aşınma işlemler sırasında kaybolan madde miktarının ölçümü sağlar, ya da bu tür iyon püskürtme veya kraterler gibi lazer ile kesip alma malzeme aşındırması süreçleri sırasında şeklini göstermektedir. En dikkat sayısız uygulama için yaygın olarak kullanılabilir ve çekici kılan onun büyük kurulu kapasitesine göstermek için bu yöntem metodolojisi ödenir. WLI çoğu türleri numune yüzeyinden yansıyan bir referans ışık sinyali ve ışık arasındaki girişime neden mikroskop objektif dahili bir ayna kullanır Mirau tekniği kullanır. Tüm Mirau interferometresi mikroskop objektif lens içine sığacak ve düzenli bir optik mikroskop (Şekil 1) akuple edilebilir, çünkü Mirau interferometre seçimi, basit kolaylık tarafından dikte edilmektedir. Iki boyutlu arası bir diziferograms bir video kamera ile elde edilen ve yazılım 3D topografik harita monte edilir. Beyaz ışık kaynağı bir monokromatik kaynak doğasında "saçak düzeni" belirsizliği aşmak için yardımcı olur geniş spektrumlu aydınlatma sağlar. Bir ışık kaynağı monokromatik sığ topografik özellikleri daha kesin bir ölçüm elde etmek için kullanılabilir. Lateral çözünürlük temelde λ / 2 (sayısal açıklık, NA = 1) ile sınırlıdır, ancak çoğu durumda daha büyük olduğunu, büyütme bağlı / alan-of-view boyut canlandiriyor objektif ve NA tarafından belirlenir. Ref Tablo 1. 1 bahsedilen tüm parametreler doğrudan bir karşılaştırma vardır. Tekniğin interferometrik doğanın bir fonksiyonu olduğu Derinlik çözüm yaklaşımlarının ≈ 1 nm. Mirau WLI hakkında daha fazla bilgi Refs bulunabilir. 2, 3. Beyaz ışık interferometrik yaklaşımına giriş Ref bulunabilir. 4.
Yüzeylerinin analiz için başka yöntemler de vardır atom forcelektron mikroskobu (SEM), ve kalem profilometri tarama e mikroskobu (AFM),. WLI yöntem, bu yöntem ile karşılaştırıldığında olumlu ve yöntemin optik doğası gereği olan kendine özgü avantajları ve dezavantajları vardır.
AFM 3 boyutlu görüntüler ve böylece karşılık gelen bir kesit alma yeteneğine sahiptir, ancak AFM yanal (<100 um) ve derinliği (<10 um) eksen de sınırlı bir tarama özelliğine sahiptir. Bu aksine, WLI başlıca avantajı aynı anda gerçek bir 3D görüntüleme yeteneği ile birkaç milimetre kadar esnek alanında-of-view (FOV) 'dir. Biz gösteren gibi Buna ek olarak, sadece tek bir yüzey değiştirmenin problemleri çözmek için, çeşitli sağlayan geniş dikey tarama aralığı kapasitesine sahiptir. AFM ile çalıştım Araştırmacılar düşük düşey gradyanlar uzamış özelliklerini ölçen bir örnek düzlemi konumlandırma ile sorunun farkında. Genelde, bir AFM üzerinde bir "ekspres" tekniği olarak WLI / OP düşünüyorum. Tabii ki, oradasadece AFM, uygun olduğu yerlerde bir dizi: çözülmesi için yanal özellikleri karakteristik WLI arasında yanal çözünürlüğü daha küçük boyutlar ve WLI verileri bir şekilde bir örnek bilinmeyen ya da kompleks optik özelliklerine bağlı olarak belirsiz durumlarda olduğu zaman ölçümlerin doğruluğunu (daha sonra tartışılacak), vb etkiler
SEM herhangi bir geleneksel optik mikroskop sunabileceği daha büyük odak büyük derinliği ile FOV boyutu açısından çok esnek olması, yüzeylere bakmak için güçlü bir yoldur. Aynı zamanda, SEM ile 3D görüntüleme daha sonra farklı arasında anaglyphic yöntem ile 3D görüntüler ile dönüştürülmüş ya da optik izleyicisi ile gözleyerek ya da derinlikte doğrudan hesaplanması için kullanılan stereo-çift görüntü alma gerektirdiğinden olarak, hantal Bir örnek üzerinde ilgi çekici. 5 tersine, WLI / OP profilometrisi eşzamanlı esnek FOV ile 3D rekonstrüksiyon kolay kullanımı sunuyor. WLI tam tararyükseklik aralığı (nanometre mikron yüzlerce) Belirli örnek için gerekli. WLI SEM ile ilgili bir sorun olabilir örnek malzemenin elektriksel iletkenlik, etkilenmez. WLI açıkça bir vakum gerektirmez. Diğer taraftan SEM üstün bilgi sağlayan için bir dizi uygulama vardır: bir örnek farklı bölümlerinde topografik olarak ayırt edilebilen karakteristik bir WLI lateral çözünürlüğü aşağıdaki boyutlar, ya da olgunun çözülmesi için yanal ® yalnızca ikincil elektron emisyon katsayıları farklıdır.
Yaygın olarak ikincil iyon kütle spektrometrisi 6 ve mikroelektromekanik sistemler karakterizasyonu 7 alanında kullanılan yüzey kontrol için bir tane daha teknik, kalem Profilometre olup. Bu teknik nedeniyle basitlik ve sağlamlık popüler. Bu, numune yüzeyi üzerinde bir iğnenin ucunun doğrudan mekanik temas tarama dayanmaktadır. Bu kaba bir temas araçtır, Hangi bir kerede tek bir hat boyunca tarama yapabiliyor. Bu 3D yüzey raster tarama görüntüleme son derece zaman alıcı hale getirir. Kalemle tekniğin diğer bir dezavantajı yüksek boy oranı ve bir ucu yarıçapı ve bir ipucu apeks açısı ima onun karakteristik ucu boyutu (genellikle birkaç mikron mikron) ile karşılaştırılabilir boyutta yüzey özellikleri ölçme güçlüktür. Kalemle profilometrisi bir avantajı WLI / OP ölçümleri (daha sonra tartışılacak) doğruluğunu etkileyebilir örnek optik özellikleri, değişen onun duyarsızlık olduğunu.
Bu madde de, geleneksel bir yüzey haritaları Mirau-tipi WLI (Şekil 1) kullanılarak elde edilmiştir. Böyle Zygo, KLA-Tencor, Nanobilim, Zemetrics, Nanovea, ÖN, Keyence, Bruker, ve Taylor Hobson gibi birçok şirket ticari masa üstü OP aletleri üretmek. Edinilen haritalar yeniden ve sık WLI, taramalı elektron, o için kullanılan tip ticari yazılımı kullanılarak işlendir prob mikroskobu. Yazılım bölümü profil analizi, geçersiz ve malzeme hacmi hesaplamaları ve uçak düzeltme çapraz, yüzeyin matematiksel işlemler gerçekleştirmek için yeteneğine sahiptir. Diğer yazılım paketleri bu özelliklerden bazıları otomatikleştirmek olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Örnek 1
WLI yaygın tribolojik çalışmalarında yüzey karakterizasyonu için kullanılan, ama aslında birçok kişi geometrileri için aşınma miktarlarının kantitatif ölçümü için güçlü bir yöntemdir değildir. WLI çeşitli görüntüleme yazılım paketleri arasında herhangi biri kullanılarak analiz edilebilir yüzeyin tam bir 3D temsil üretir. Bu paketler, ölçümler, çeşitli gerçekleştirilir etmesine olanak sağlamaktadır. Büyük lateral çözünürlük için, gö…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Işınlanmış GaAs numune Chicago'daki Illinois Üniversitesi'nden Yang Cui tarafından sağlandı. Bu çalışma Sözleşme kapsamında desteklenen No UChicago Argonne, LLC ve ABD Enerji Bakanlığı ve hibe NNH08AH761 ve NNH08ZDA001N yoluyla NASA tarafından, ve sözleşme DE-AC02 altında ABD Enerji Bakanlığı Araç Teknolojileri Dairesi arasındaki DE-AC02-06CH11357 -06CH11357. Elektron mikroskobu Argonne National Laboratory, UChicago Argonne, LLC tarafından Sözleşme DE-AC02-06CH11357 altında işletilen Fen laboratuarı Enerji Office'in ABD Bölümü'nde Malzeme Araştırma Elektron Mikroskobu Merkezi'nde yapıldı.
Materials
| Single crystal substrates of Si, GaAs and Cu | for sputtering and ablation | ||
| Pure metal alloys | for tribology examples |
Riferimenti
- Gao, F., Leach, R. K., Petzing, J., Coupland, J. M. Surface measurement errors using commercial scanning white light interferometers. Meas. Sci. Technol. 19, 015303 (2008).
- Cheng, Y. -. Y., Wyant, J. C. Multiple-wavelength phase-shifting interferometry. Appl. Opt. 24, 804-807 (1985).
- Kino, G. S., Chim, S. S. C. Mirau correlation microscope. Appl. Opt. 29, 3775-3783 (1990).
- Wyant, J. C. White light interferometry. Proc. SPIE. 4737, 98-107 (2002).
- Sakseev, D. A., Ershenko, E. M., Baryshev, S. V., Bobyl, A. V., Agafonov, D. V. Deep microrelief measurement and stereo photography in scanning electron microscopy. Tech. Phys. 56, 127-131 (2011).
- Morris, R. J. H., Dowsett, M. G. Ion yields and erosion rates for Si1-xGex (0≤x≤1) ultralow energy O2+ secondary ion mass spectrometry in the energy range of 0.25-1 keV. J. Appl. Phys. 105, 114316 (2009).
- O’Mahony, C., Hill, M., Brunet, M., Duane, R., Mathewson, A. Characterization of micromechanical structures using white-light interferometry. Meas. Sci. Technol. 14, 1807-1814 (2003).
- Andersen, H. H., Bay, H. L., Behrisch, R. Sputtering yield measurements. Topics in Applied Physics. 47: Sputtering by Particle Bombardment, 145-218 (1981).
- Wu, S. -. M., de Kruijs, R. v. a. n., Zoethout, E., Bijkerk, F. Sputtering yields of Ru, Mo, and Si under low energy Ar+ bombardment. J. Appl. Phys. 106, 054902 (2009).
- Liu, X., Du, D., Mourou, G. Laser ablation and micromachining with ultrashort laser pulses. IEEE J. Quantum Electron. 33, 1706-1716 (1997).
- Gattass, R. R., Mazur, E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials. Nature Photonics. 2, 219-225 (2008).
- Russo, R. E., Mao, X., Gonzalez, J. J., Mao, S. S. Femtosecond laser ablation. ICP-MS. J. Anal. At. Spectrom. 17, 1072-1075 (2002).
- Brady, J. J., Judge, E. J., Levis, R. J. Analysis of amphiphilic lipids and hydrophobic proteins using nonresonant femtosecond laser vaporization with electrospray post-ionization. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 22, 762-772 (2011).
- Berry, J. I., Sun, S., Dou, Y., Wucher, A., Winograd, N. Laser desorption and imaging of proteins from ice via UV femtosecond laser pulses. Anal. Chem. 75, 5146-5151 (2003).
- Coello, Y., Jones, A. D., Gunaratne, T. C., Dantus, M. Atmospheric pressure femtosecond laser imaging mass spectrometry. Anal. Chem. 82, 2753-2758 (2010).
- Korte, F., Serbin, J., Koch, J., Egbert, A., Fallnich, C., Ostendorf, A., Chichkov, B. N. Towards nanostructuring with femtosecond laser pulses. Appl. Phys. A. 77, 229-235 (2003).
- Fu, Y., Bryan, N. K. A., Shing, O. N., Wyan, H. N. P. Influence analysis of dwell time on focused ion beam micromachining in silicon. Sensors and Actuators A. 79, 230-234 (2000).
- Jiang, F., Li, J., Yan, L., Sun, J., Zhang, S. Optimizing end-milling parameters for surface roughness under different cooling/lubrication conditions. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 51, 841-851 (2010).
- Reiter, A. E., Mitterer, C., Figueiredo, M. R., Franz, R. Abrasive and adhesive wear behavior of arc-evaporated Al1-xCrxN hard coatings. Tribol. Lett. 37, 605-611 (2010).
- Devillez, A., Lesko, S., Mozer, W. Cutting tool crater wear measurement with white light interferometry. Wear. 256, 56-65 (2004).
- Shekhawat, V. K., Laurent, M. P., Muehleman, C., Wimmer, M. A. Surface topography of viable articular cartilage measured with scanning white light interferometry. Osteoarthritis and Cartilage. 17, 1197-1203 (2009).
- Hershberger, J., Öztürk, O., Ajayi, O. O., Woodford, J. B., Erdemir, A., Erck, R. A., Fenske, G. R. Evaluation of DLC coatings for spark-ignited, direct-injected fuel systems. Surf. Coat. Technol. 179, 237-244 (2004).
- Ajayi, O. O., Erck, R. A., Lorenzo-Martin, C., Fenske, G. R. Frictional anisotropy under boundary lubrication: Effect of surface texture. Wear. 267, 1214-1219 (2009).
- Wittmaack, K. Analytical description of the sputtering yields of silicon bombarded with normally incident ions. Phys. Rev. B. 68, 235211-23 (2003).
- Zeuner, M., Neumann, H., Scholze, F., Flamm, D., Tartz, M., Bigl, F. Characterization of a modular broad beam ion source. Plasma Sources Sci. Technol. 7, 252-267 (1998).
- Barna, A., Menyhard, M., Kotis, L., Kovacs, G. J., Radnoczi, G., Zalar, A., Panjan, P. Unexpectedly high sputtering yield of carbon at grazing angle of incidence ion bombardment. J. Appl. Phys. 98, 024901 (2005).
- Weck, A., Crawford, T. H. R., Wilkinson, D. S., Haugen, H. K., Preston, J. S. Laser drilling of high aspect ratio holes in copper with femtosecond, picosecond and nanosecond pulses. Appl. Phys. A. 90, 537-543 (2008).
- Roosendaal, H. E., ed, I. .. ,. B. e. h. r. i. s. c. h. ,. R. .. ,. Sputtering yields of single crystalline targets. Topics in Applied Physics. 47: Sputtering by Particle Bombardment, 219-256 (1981).
- Seah, M. P. An accurate semi-empirical equation for sputtering yields II: For neon, argon and xenon ions. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 229, 348-358 (2005).
- Seah, M. P., Clifford, C. A., Green, F. M., Gilmore, I. S. An accurate semi-empirical equation for sputtering yields I: For argon ions. Surf. Interface Anal. 37, 444-458 (2005).
- Moller, W., Eckstein, W. Tridyn – A TRIM simulation code including dynamic composition changes. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2, 814-818 (1984).
- Insepov, Z., Norem, J., Veitzer, S. Atomistic self-sputtering mechanisms of rf breakdown in high-gradient linacs. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 268, 642-650 (2010).
- Puech, L., Dubarry, C., Ravel, G., de Vito, E. Modeling of iron oxide deposition by reactive ion beam sputtering. J. Appl. Phys. 107, 054908 (2010).
- Ho, S., Tamakoshi, T., Ikeda, M., Mikami, Y., Suzuki, K. Net sputtering rate due to hot ions in a Ne-Xe discharge gas bombarding an MgO layer. J. Appl. Phys. 109, 084908 (2011).
- Nakles, M. R. . Experimental and Modeling Studies of Low-Energy Ion Sputtering for Ion Thrusters [dissertation]. , 1-129 (1988).
- Hada, M., Ninomiya, S., Seki, T., Aoki, T., Matsuo, J. Using ellipsometry for the evaluation of surface damage and sputtering yield in organic films with irradiation of argon cluster ion beams. Surf. Interface Anal. 43, 84-87 (2011).
- Kozole, J., Wucher, A., Winograd, N. Energy deposition during molecular depth profiling experiments with cluster ion beams. Anal. Chem. 80, 5293-5301 (2008).
- Linde, D. v. o. n. d. e. r., Sokolowski-Tinten, K. The physical mechanisms of short-pulse laser ablation. Appl. Surf. Sci. 154-155, 1-10 (2000).
- Margetic, V., Bolshov, M., Stockhaus, A., Niemax, K., Hergenroder, R. Depth profiling of multi-layer samples using femtosecond laser ablation. J. Anal. At. Spectrom. 16, 616-621 (2001).
- Cui, Y., Moore, J. F., Milasinovic, S., Liu, Y., Gordon, R. J., Hanley, L. Depth profiling and imaging capabilities of an ultrashort pulse laser ablation time of flight mass spectrometer. Rev. Sci. Instrum. 83, 093702 (2012).
- Borowiec, A., MacKenzie, M., Weatherly, G. C., Haugen, H. K. Femtosecond laser pulse ablation of GaAs and InP: Studies utilizing scanning and transmission electron microscopy. Appl. Phys. A. 77, 411-417 (2003).
- Harasaki, A., Schmit, J., Wyant, J. C. Offset of coherent envelope position due to phase change on reflection. Appl. Opt. 40, 2102-2106 (2001).
- Luttge, A., Arvidson, R. S. Reactions at surfaces: A new approach integrating interferometry and kinetic simulations. J. Am. Ceram. Soc. 93, 3519-3530 (2010).
- Conroy, M., Mansfield, D. Scanning interferometry: Measuring microscale devices. Nature Photonics. 2, 661-663 (2008).
- Harasaki, A., Wyant, J. C. Fringe modulation skewing effect in white-light vertical scanning interferometry. Appl. Opt. 39, 2101-2106 (2000).
- Roy, M., Schmit, J., Hariharan, P. White-light interference microscopy: Minimization of spurious diffraction effects by geometric phase-shifting. Opt. Express. 17, 4495-4499 (2009).
