Caractérisation des modifications de surface par interférométrie en lumière blanche: Applications de pulvérisation ionique, ablation laser, tribologie et expériences

Summary

Blanc interférométrie microscope optique est une méthode optique, sans contact et rapide de mesure de la topographie de surface. Il est montré comment la méthode peut être appliqué à l'analyse usure mécanique, où l'usure des cicatrices sur échantillons tribologiques sont analysés, et en science des matériaux pour déterminer pulvérisation par faisceau d'ions ou des volumes d'ablation laser et profondeurs.

Abstract

En science et génie des matériaux, il est souvent nécessaire d'obtenir des mesures quantitatives de la topographie de surface avec une résolution micrométrique latéral. De la surface mesurée, des cartes topographiques en 3D peuvent ensuite être analysées en utilisant une variété de logiciels pour extraire les informations dont on a besoin.

Dans cet article, nous décrivons comment l'interférométrie en lumière blanche, et la profilométrie optique (OP) en général, associée à un logiciel d'analyse de surface générique, peut être utilisée pour la science des matériaux et les tâches d'ingénierie. Dans cet article, un certain nombre d'applications de l'interférométrie en lumière blanche pour enquêter sur les modifications de surface en spectrométrie de masse et phénomènes d'usure et de la lubrification en tribologie sont démontrés. On caractérise les produits de l'interaction des semi-conducteurs et les métaux avec des ions énergétiques (pulvérisation cathodique), et l'irradiation laser (ablation), ainsi que les anciens mesures in situ de l'usure des éprouvettes tribologiques. </p>

Plus précisément, nous allons discuter:

1. Les aspects de la spectrométrie de masse traditionnelle pulvérisation ionique à base tels que les taux de pulvérisation / mesures rendements sur Si et Cu et après le temps-profondeur de conversion.
2. Résultats de caractérisation quantitative de l'interaction du rayonnement laser femtoseconde avec une surface semi-conductrice. Ces résultats sont importants pour des applications telles que la spectrométrie de masse ablation, où les quantités de matière évaporée peut être étudié et contrôlé par durée d'impulsion et de l'énergie par impulsion. Ainsi, en déterminant la géométrie du cratère, on peut définir la résolution en profondeur et latéralement par rapport aux conditions expérimentales de configuration.
3. Mesures des paramètres de rugosité de surface en deux dimensions, et des mesures quantitatives de l'usure de la surface qui se produisent à la suite de tests de frottement et d'usure.

Certains inconvénients inhérents, des artefacts possibles, et les évaluations des incertitudes de la lumière blancheapproche interférométrie seront discutés et expliqués.

Introduction

La surface des matériaux solides détermine les propriétés d'un dans une large mesure de l'intérêt pour ces matériaux: électronique, structurellement et chimiquement. Dans de nombreux domaines de la recherche, l'ajout de matière (par exemple, dépôt de couches minces par impulsions laser / pulvérisation magnétron de dépôt, physique / chimique en phase vapeur), un enlèvement de matière (gravure ionique réactive, la pulvérisation d'ions, ablation au laser, etc), ou d'autres processus, doivent être caractérisés. En outre, la modification de surface par l'interaction avec des impulsions de lumière ou de particules chargées énergétiques a de nombreuses applications et est d'un intérêt fondamental. Tribologie, l'étude du frottement et à l'usure, est un autre domaine d'intérêt. Sur une échelle de paillasse, une multitude de géométries tests tribologiques exister. Géométries de contact non conforme peuvent être utilisés, et une bille ou d'un cylindre peut être glissée ou tournée contre une surface plane, l'autre bille ou cylindre, sur une longueur de temps, et la quantité de matière qui est enlevée est measured. Parce que la cicatrice d'usure est en trois dimensions et irrégulière dans la nature, profilométrie optique peut être la seule technique appropriée pour obtenir des mesures précises de volumes d'usure. Tâches d'analyse communs incluent également des paramètres de rugosité de surface, hauteur étape, la perte de volume du matériau, la profondeur des tranchées, et ainsi de suite; chacun d'entre eux peut être obtenu en plus de la visualisation topographie simple 2D et 3D.

Profilométrie optique se rapporte à un procédé optique qui est utilisé pour reconstruire le profil de surface. Profilométriques méthodes comprennent interférométrique lumière blanche, laser, ou des méthodes confocale. Certains profilomètres optiques d'obtenir des informations à travers des approches classiques basées sur des objectifs de microscope à diffraction limitée. Par exemple, un laser à balayage peut être intégré avec un microscope afin d'obtenir des informations de couleur topographique et véritable de surfaces. Une deuxième méthode utilise une technique qui exploite la profondeur extrêmement faible de mise au point des objectifs conventionnels pour assembler un series de de mise au point "tranches" d'image de la surface pour obtenir une carte topographique en 3D.

Dans ce travail, nous montrons comment une lumière blanche microscope interférométrique / profilomètre permet la mesure de la quantité de matière perdue au cours des processus d'usure mécanique, ou au cours de procédés de gravure de matériaux tels que les cratères de pulvérisation d'ions ou d'ablation au laser. La plus grande attention est accordée à la méthodologie de cette méthode pour illustrer sa grande capacité installée qui le rend largement accessible et attrayant pour de nombreuses applications. La plupart des types de WLI employer la technique de Mirau, qui utilise un miroir intérieur de l'objectif de microscope à des interférences entre un signal lumineux de référence et la lumière réfléchie par la surface de l'échantillon. Le choix de Mirau interférométrie est dictée par simple commodité, car l'interféromètre toute Mirau peut être monté à l'intérieur de l'objectif de microscope et couplé à un microscope optique ordinaire (figure 1). Une série de deux inter-dimensionnelleferograms sont acquises avec une caméra vidéo et un logiciel assemble une carte topographique en 3D. La source de lumière blanche fournit un éclairage à large spectre qui aide à surmonter l '«ordre frange" ambiguïté inhérente à une source monochromatique. Une source de lumière monochromatique peut être utilisé pour obtenir une mesure plus précise de caractéristiques topographiques peu profondes. La résolution latérale est fondamentalement limitée à λ / 2 (ouverture numérique, NA = 1), mais dans la plupart des cas est plus grande, étant déterminée par le NA de l'objectif, qui est à son tour relié à un grossissement / champ de vue taille. Tableau 1 dans Réf. 1 a une comparaison directe de tous les paramètres mentionnés. Approches résolution en profondeur ≈ 1 nm, étant fonction de la nature de la technique interférométrique. Plus d'informations sur Mirau WLI peuvent être trouvés dans les références. 2, 3. Une introduction sur blanc approche interférométrique lumière peut être trouvée dans la référence. 4.

D'autres méthodes d'analyse de surfaces sont atomiques forcmicroscopie électronique (AFM), microscopie électronique à balayage (MEB), et la profilométrie stylet. La technique WLI se compare favorablement à ces méthodes et a ses propres avantages et inconvénients qui sont dues à la nature de la méthode optique.

L'AFM est capable d'obtenir des images 3D et donc des sections transversales correspondantes, mais AFM a une capacité limitée de balayage dans le sens latéral (<100 pm) et la profondeur (<10 um) axes. Contrairement à ceux-ci, le principal avantage de WLI est la souplesse champ de vision (FOV) pouvant aller jusqu'à quelques millimètres simultanée capacité d'imagerie 3D réel. En outre, comme nous allons le démontrer qu'elle a une grande capacité de plage de balayage vertical, permettant de résoudre une variété de problèmes de modification de surface simplement. Les chercheurs qui ont travaillé avec l'AFM sont conscients du problème avec le positionnement en plan d'un échantillon lors de la mesure des caractéristiques prolongées de faibles gradients verticaux. En règle générale, on peut penser WLI / OP comme un «express» technique par rapport à l'AFM. Bien sûr, il ya desun certain nombre de domaines pour lesquels seule l'AFM est approprié: lorsque les caractéristiques latéraux à résoudre ont des dimensions caractéristiques plus petites que la résolution latérale de WLI, ou dans les cas où les données de WLI est ambiguë en raison de inconnus ou complexes propriétés optiques d'un échantillon d'une manière qui affecte la précision des mesures (à voir plus loin), etc

Le SEM est un moyen puissant pour regarder surfaces, en étant très flexible en termes de taille de champ de vision avec une grande profondeur de mise au point, plus grand que n'importe quel microscope optique classique peut offrir. Dans le même temps, l'imagerie 3D par MEB est lourd, particulièrement en ce qui nécessite de prendre des paires stéréo-images qui sont ensuite converties en images en 3D par la méthode anaglyphe, ou par l'observation des visionneuses optiques, ou utilisés pour le calcul direct des profondeurs entre les différents points d'intérêt sur ​​un échantillon. ⁵ En revanche, WLI / OP profilométrie propose des services faciles à utiliser simultanément la reconstruction 3D avec souplesse FOV. WLI balaie la totalitéportée en hauteur nécessaire pour l'échantillon particulier (à partir de nanomètres à plusieurs centaines de microns). WLI n'est pas affectée par la conductivité électrique du matériau d'échantillon, qui peut être un problème avec SEM. WLI n'est manifestement pas un vide. D'un autre côté, il ya un certain nombre d'applications pour lesquelles SEM fournit des informations de qualité supérieure: caractéristiques latéraux à résoudre des dimensions caractéristiques ci-dessous la résolution latérale WLI, ou les cas où différentes parties d'un échantillon peut être topographiquement se distinguent uniquement lorsque les coefficients d'émission d'électrons secondaires diffèrent.

Une autre technique pour l'inspection de surface, ce qui est largement utilisé dans la spectrométrie de masse d'ions secondaires ⁶ et dans le domaine de la caractérisation des systèmes de micro-électromécanique ⁷ est stylet profilométrie. Cette technique est très populaire en raison de sa simplicité et de robustesse. Il est basé sur le balayage contact mécanique direct d'une pointe de stylet sur la surface de l'échantillon. Il s'agit d'un outil de contact grossier, Qui est capable de balayer le long d'une seule ligne à la fois. Il rend la surface 3D à balayage récurrent d'imagerie extrêmement chronophage. Un autre inconvénient de la technique du stylet est la difficulté de mesurer les caractéristiques de surface de rapport d'aspect élevé et d'une taille comparable à sa taille d'embout caractéristique (taille inférieure au micron à quelques microns généralement) qui implique un rayon de pointe et un angle de sommet de la pointe. Un avantage de stylet profilométrie est son insensibilité à la variation des propriétés optiques d'un échantillon, ce qui peut affecter la précision de WLI / OP mesures (nous parlerons plus loin).

Les cartes de surface dans le présent article ont été obtenus selon un procédé classique de type Mirau WLI (Figure 1). De nombreuses entreprises telles que Zygo, KLA-Tencor, les nanosciences, Zemetrics, Nanovea, FRT, Keyence, Bruker, et Taylor Hobson produire commerciales de table instruments OP. Les cartes acquises ont été reconstruits et traitées en utilisant un logiciel commercial d'un type qui est couramment utilisé pour WLI, électronique à balayage, or microscopie à sonde. Le logiciel a la capacité d'effectuer des manipulations mathématiques de la surface, traversez le profil de la section d'analyse, nulle et calculs de volumes importants, et la correction d'avion. Les autres logiciels peuvent automatiser certaines de ces caractéristiques.

Protocol

1. Alignement du matériel pour General WLI balayage Pour obtenir des informations quantitatives par le biais WLI, les étapes suivantes peuvent servir de guide. On suppose que l'opérateur possède une connaissance de base du fonctionnement de l'interféromètre. Les lignes directrices sont communes quel que soit l'instrument spécifique. Pour certaines enquêtes, l'échantillon sera plat. Pour d'autres, l'échantillon peut être courbé. Placer l'éch…

Representative Results

Figure 1 Photographie d'un profilomètre simple utilisé dans la présente étude:. Une tourelle à objectifs multiples est vu dans l'image. Deux objectifs sont standard (10x et 50x), et deux sont des objectifs Mirau (10x et 50x). Ce microscope possède une fonction de grossissement intermédiaire qui permet aux multiplicateurs d'agrandissement étape-sages de …

Discussion

Exemple 1

WLI n'est pas largement utilisée pour la caractérisation tribologique de surface dans le travail, mais il est en fait une méthode puissante pour la mesure quantitative des volumes d'usure pour de nombreuses géométries de contact. WLI produit une représentation en 3D de la surface qui peut être analysée en utilisant un des nombreux logiciels de visualisation. Ces paquets permettre différents types de mesures à effectuer. Pour une résolution latérale supérieure, les…

Materials

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