Charakterisierung von Oberflächenmodifikationen mittels Weißlicht-Interferometrie: Anwendungen in der Ion Sputtern, Laserablation, und Tribologie Experimente
Summary
Weiß Lichtmikroskop Interferometrie ist eine optische, berührungslose und schnelle Methode zur Messung der Topographie von Oberflächen. Es wird gezeigt, wie das Verfahren zur mechanischen Verschleiß Analyse, wo Narben auf tribologische Proben analysiert werden tragen können angewendet werden, und in den Materialwissenschaften zur Ionenstrahlsputtern oder Laserablation Volumen und Tiefe zu bestimmen.
Abstract
In Materialwissenschaften und Ingenieurwesen ist es oft notwendig, quantitative Messungen der Oberflächentopographie mit Mikrometer laterale Auflösung zu erhalten. Aus der gemessenen Oberfläche kann 3D topographische Karten anschließend analysiert werden mit einer Vielzahl von Software-Paketen, um die Informationen, die benötigt wird, zu extrahieren.
In diesem Artikel werden wir, wie Weißlicht-Interferometrie und optische Profilometrie (OP) in der Regel mit generischen Oberfläche Analyse-Software kombiniert beschreiben, können für Werkstoffkunde und Werkstofftechnik Aufgaben verwendet werden. In diesem Artikel werden eine Reihe von Anwendungen der Weißlicht-Interferometrie zur Untersuchung von Oberflächenmodifikationen in der Massenspektrometrie und Abnutzungserscheinungen in der Tribologie und Schmierung demonstriert. Wir charakterisieren die Produkte der Wechselwirkung von Halbleitern und Metallen mit energiereichen Ionen (Sputtern) und Laserbestrahlung (Ablation) sowie ex-situ Messungen der Verschleiß der tribologischen Probekörpern. </p>
Insbesondere werden wir diskutieren:
- Aspekte der traditionellen Ionenzerstäubung basierenden Massenspektrometrie wie Sputterraten / Ausbeuten Messungen an Si und Cu und nachfolgenden Zeit-zu-Tiefe-Konvertierung.
- Ergebnisse der quantitativen Charakterisierung der Wechselwirkung von Femtosekunden Laserbestrahlung mit einer Halbleiter-Oberfläche. Diese Ergebnisse sind für Anwendungen wie Ablation Massenspektrometrie, wobei sich die Mengen des verdampften Materials untersucht und kann über Pulsdauer und Energie pro Impuls gesteuert werden wichtig. Somit kann durch die Bestimmung der Geometrie ein Krater definieren Tiefe und seitliche Auflösung gegenüber Versuchsaufbau Bedingungen.
- Messungen der Oberflächenrauhigkeit Parameter in zwei Dimensionen und quantitative Messungen der Oberfläche tragen, die als ein Ergebnis von Reibung und Verschleiß auftreten Tests.
Einige inhärente Nachteile, mögliche Artefakte und Unsicherheit Einschätzungen des weißen LichtsInterferometrie Ansatz wird diskutiert und erläutert werden.
Introduction
Die Oberfläche von festen Materialien bestimmt in hohem Maße interessierenden Eigenschaften für diese Materialien: elektronisch, strukturell und chemisch. In vielen Bereichen der Forschung, die Zugabe von Material (zB Dünnschicht Abscheidung durch gepulste Laser / Magnetronsputtern Abscheidung, physikalischer / chemischer Gasphasenabscheidung), Entfernen von Material (Reactive Ion Etching, Ionenzerstäubung, Laserablation, etc.), oder einige andere Verfahren müssen charakterisiert werden. Darüber hinaus hat Oberflächenmodifizierung durch Interaktion mit energetischen Lichtpulse oder geladenen Teilchen eine Vielzahl von Anwendungen und ist von fundamentalem Interesse. Tribologie, die Studie von Reibung und Verschleiß, ist ein weiterer Bereich von Interesse. Auf einem Tisch Maßstab, gibt es eine Vielzahl von tribologischen Testgeometrien. Nicht-konformen Kontakt Geometrien können verwendet werden, und eine Kugel oder Zylinder sein kann geschoben oder gedreht gegen eine ebene Fläche, eine andere Kugel oder der Zylinder, für eine Zeitdauer und die Menge des Materials, das entfernt wird, ist mirgesicherter. Weil die Verschleißnarbe ist dreidimensional und unregelmäßig in der Natur können optische Profilometrie die einzige Technik geeignet zum Erhalten genauer Verschleißvolumen Messungen. Gemeinsame Analyse Aufgaben gehören auch Oberflächenrauhigkeit Parametern, Stufenhöhe, Materialverlust Volumen, Grabentiefe, und so weiter, alle von ihnen können zusätzlich zu einfachen 2D-und 3D-Visualisierung Topographie erhalten werden.
Optische Profilometrie bezieht sich auf jede optische Methode, mit der das Profil der Oberfläche rekonstruiert wird. Profilometrische Verfahren schließen weißes Licht Interferometrische Laser oder konfokalen Methoden. Einige optische Profilometer erhalten Informationen über Ansätze, die auf konventionellen beugungsbegrenzte Mikroskop Ziele. Zum Beispiel kann ein Laser-Scanning-Mikroskop mit einem topographischen und wahre Farbinformationen Oberflächen zu erhalten integriert werden. Ein zweites Verfahren verwendet eine Technik, die die extrem kleinen Tiefenschärfe des herkömmlichen Ziele ausnutzt, um eine ernst zusammenzubauenn der In-Fokus "Bildscheiben" der Oberfläche, um ein 3D topographische Karte zu erhalten.
In dieser Arbeit wird gezeigt, wie ein weißes Licht interferometrischen Mikroskop / Profilometer die Messung der Menge an Material während der mechanischen Verschleiß Prozesse verloren ermöglicht, oder während Material Ätzverfahren wie Ionenzerstäubung Krater oder Laserablation. Die größte Aufmerksamkeit gilt der Methodik dieser Methode gezahlt seiner großen installierten Kapazität, die es überall verfügbar und attraktiv für eine Vielzahl von Anwendungen ermöglicht illustrieren. Die meisten Arten von WLI beschäftigen die Mirau Technik, die einen Spiegel verwendet interne zum Mikroskopobjektiv, um Interferenzen zwischen einem Bezugs-Lichtsignal und dem reflektierten Licht von der Probenoberfläche zu bewirken. Die Wahl des Mirau Interferometrie wird durch einfache Bequemlichkeit diktiert, weil die gesamte Mirau Interferometer innerhalb des Mikroskopobjektivlinse angepasst werden können und mit einem regelmäßigen optischen Mikroskop (Abbildung 1). Eine Serie von zweidimensionalen interferograms sind mit einer Videokamera aufgenommen, assembliert und Software ein 3D topographische Karte. Der weiße Lichtquelle liefert breites Spektrum Beleuchtung, die die "fringe Ordnung" Mehrdeutigkeit einer monochromatischen Quelle überwinden hilft. Eine monochromatische Lichtquelle verwendet werden, um eine genauere Messung der flachen topographische Merkmale zu erhalten. Die laterale Auflösung grundlegend mit λ / 2 (numerische Apertur, NA = 1) begrenzt, aber in den meisten Fällen größer ist, wobei die NA des Objektivs, die wiederum verbunden ist, um die Vergrößerung / field-of-view Größe bestimmt. Tabelle 1 in Lit.. 1 hat einen direkten Vergleich aller genannten Parameter. Tiefenauflösung Ansätze ≈ 1 nm, eine Funktion der interferometrischen Natur der Technik. Weitere Informationen zu Mirau WLI in Refs gefunden werden. 2, 3. Eine Einführung auf weißem Licht interferometrischen Ansatz kann in Ref gefunden werden. 4.
Andere Verfahren zur Analyse von Oberflächen sind atomare force-Mikroskopie (AFM), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Stylus Profilometrie. Das Verfahren vergleicht WLI günstigerweise auf diese Verfahren und hat seine eigenen Vorteile und Nachteile, die aufgrund der optischen Art des Verfahrens sind.
Die AFM kann Erlangung von 3D-Bildern und somit entsprechende Querschnitte, sondern hat nur eine begrenzte AFM Scan-Fähigkeit in den seitlichen (<100 um) und Tiefe (<10 um) Achsen. Im Gegensatz zu diesen ist der Hauptvorteil der WLI die flexible field-of-view (FOV) von bis zu wenigen Millimetern bei gleichzeitiger echte 3D-Imaging-Fähigkeit. Darüber hinaus zeigen wir, wie es hat breite vertikale Abtastbereich Kapazität, so dass man eine Vielzahl von Problemen der Oberflächenmodifizierung einfach lösen. Forscher, die mit AFM gearbeitet haben, sich des Problems bewusst mit dem Flugzeug Positionierung einer Probe bei der Messung längerer Merkmale der geringen vertikalen Gradienten. Generell kann eine WLI / OP als "express"-Technik über AFM denken. Natürlich gibt eseine Reihe von Bereichen, für die nur AFM eignet: wenn seitliche Funktionen zu lösen gilt charakteristischen Abmessungen kleiner ist als die laterale Auflösung WLI, oder Fälle, in denen Daten von WLI mehrdeutig ist aufgrund unbekannter oder komplexen optischen Eigenschaften einer Probe in einer Weise, dass beeinflusst die Genauigkeit der Messungen (die später diskutiert werden), etc.
Die SEM ist eine leistungsfähige Methode, um Oberflächen aussehen, sehr flexibel in Bezug auf die FOV Größe mit großen Tiefenschärfe, größer als alle herkömmlichen optischen Mikroskops bieten kann. Gleichzeitig ist 3D-Bildgebung durch SEM umständlich, insbesondere da es unter der Stereo-Paar Bilder, die dann durch die 3D-Bilder anaglyphic Verfahren umgewandelt werden, oder durch Beobachtung mit optischen Betrachtern oder eingesetzt zur direkten Berechnung der Tiefen zwischen verschiedenen erfordert Punkte des Interesses an einer Probe. 5 Im Gegensatz dazu bietet WLI / OP Profilometrie easy-to-use 3D-Rekonstruktion bei gleichzeitig flexible FOV. WLI scannt durch die vollständigeHöhenbereich für die jeweilige Probe benötigt (von Nanometern bis mehreren hundert Mikrometern). WLI ist unbeeinflusst von der elektrischen Leitfähigkeit des Probenmaterials, was ein Problem mit SEM sein kann. WLI eindeutig erfordert kein Vakuum. Auf der anderen Seite gibt es eine Reihe von Anwendungen, für die SEM bietet überlegene Informationen: seitlichen Funktionen der charakteristischen Abmessungen unterhalb des lateralen Auflösung von WLI oder Fällen behoben werden, wo verschiedene Teile einer Probe topographisch unterschieden werden können, wenn nur Sekundärelektronen-Emissionskoeffizienten unterscheiden.
Eine weitere Technik zur Oberflächeninspektion, die weit in Sekundärionen-Massenspektrometrie 6 und im Bereich der mikroelektromechanischen Systemen Charakterisierung 7 verwendet ist Stift Profilometrie. Diese Technik ist wegen seiner Einfachheit und Robustheit beliebt. Es basiert auf direkten mechanischen Kontakt Abtastung einer Tastspitze über die Probenoberfläche basiert. Dies ist eine grobe Kontakt-Tool, Welches in der Lage ist abzutasten entlang einer einzigen Linie zu einer Zeit. Es macht 3D-Oberflächen-Raster-Scan-Bildgebung extrem zeitaufwendig. Ein weiterer Nachteil des Taststiftes Technik ist die Schwierigkeit des Messens Oberflächenmerkmale hohen Seitenverhältnis und der Größe vergleichbar mit der charakteristischen Größe der Spitze (Submikron bis zu mehreren Mikrometern typischerweise), die einen Radius und eine Spitze Scheitelwinkel impliziert. Ein Vorteil der Stift Profilometrie ist seine Unempfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen optischen Eigenschaften einer Probe, die die Genauigkeit der WLI / OP-Messungen (wird später besprochen) beeinflussen können.
Die Oberfläche Karten im vorliegenden Artikel wurden unter Verwendung eines herkömmlichen Mirau-Typ WLI (Abbildung 1). Viele Unternehmen wie Zygo, KLA-Tencor, Nanowissenschaften, Zemetrics, Nanovea, FRT, Keyence, Bruker und Taylor Hobson produzieren kommerziellen Tisch-OP-Instrumente. Die erfassten Karten wurden rekonstruiert und unter Verwendung kommerzieller Software der Art, die üblicherweise zur WLI, Scanning Electron, o verwendet wirdr-Sonden-Mikroskopie. Die Software hat die Fähigkeit, mathematische Manipulationen an der Oberfläche durchzuführen, Querschnittsprofil Analyse, ungültig und Materialvolumen Berechnungen und Ebene-Korrektur. Andere Software-Pakete automatisieren einige dieser Funktionen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Beispiel 1
WLI ist nicht weit zur Charakterisierung von Oberflächen in tribologischen Arbeit verwendet, aber es ist in der Tat eine leistungsfähige Methode zur quantitativen Messung der Verschleiß Volumen für viele Kontakt-Geometrien. WLI produziert ein komplettes 3D-Darstellung der Oberfläche, die unter Verwendung eines von mehreren Visualisierung Software-Pakete werden können. Diese Pakete ermöglichen verschiedene Arten von Messungen durchgeführt werden. Für eine größere laterale A…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die bestrahlte GaAs-Probe wurde von Yang Cui von der Universität von Illinois in Chicago zur Verfügung gestellt. Diese Arbeit wurde im Rahmen des Vertrages unterstützt Nr. DE-AC02-06CH11357 zwischen UChicago Argonne, LLC und dem US Department of Energy und der NASA durch Zuschüsse NNH08AH761 und NNH08ZDA001N, und das Amt des Vehicle Technologies des US Department of Energy unter Vertrag DE-AC02 -06CH11357. Die Elektronenmikroskopie wurde am Electron Microscopy Center for Materials Research am Argonne National Laboratory, ein US-Department of Energy Office of Science Labor, unter Vertrag DE-AC02-06CH11357 durch UChicago Argonne, LLC betrieben durchgeführt.
Materials
| Single crystal substrates of Si, GaAs and Cu | for sputtering and ablation | ||
| Pure metal alloys | for tribology examples |
References
- 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).
