Caracterização de modificações superficiais por interferometria de luz branca: Aplicações em Ion Sputtering, ablação por laser, e as experiências Tribologia
Summary
Interferometria microscópio de luz branca é um método sem contato, óptico e rápido para medir a topografia de superfícies. É mostrado como o método pode ser aplicado para a análise de desgaste mecânico, que usam cicatrizes em amostras de teste são analisados tribológicas e na ciência dos materiais para determinar feixe de iões ou deposição catódica volumes de ablação a laser e profundidades.
Abstract
Em ciência de materiais e engenharia muitas vezes é necessário para obter resultados quantitativos de topografia da superfície com resolução micrométrica lateral. Medido a partir da superfície, 3D mapas topográficos podem ser subsequentemente analisados utilizando uma variedade de pacotes de software para extrair a informação que é necessário.
Neste artigo, descreve como interferometria de luz branca, e perfilometria óptica (PO), em geral, combinado com um software de análise genérica superfície, pode ser utilizado para a ciência de materiais e tarefas de engenharia. Neste artigo, uma série de aplicações de interferometria de luz branca para a investigação de modificações superficiais em espectrometria de massa, e usar fenômenos em tribologia e lubrificação são demonstrados. Nós caracterizar os produtos da interacção dos semicondutores e metais com iões energéticos (sputtering), e irradiação laser (ablação), bem como as medições ex situ de desgaste dos corpos de prova tribológicas. </p>
Especificamente, vamos discutir:
- Aspectos de espectrometria de massa de íons sputtering tradicional baseada tais como taxas de sputtering / medições rendimentos sobre Si e Cu e conversão de tempo de profundidade subsequente.
- Os resultados de caracterização quantitativa da interacção de irradiação de laser femtosegundo com uma superfície do semicondutor. Estes resultados são importantes para aplicações tais como a espectrometria de massa de ablação, em que as quantidades de material evaporado podem ser estudadas e controladas através de duração de pulso e de energia por impulso. Assim, ao determinar a geometria cratera pode-se definir resolução de profundidade e lateral versus condições experimentais de configuração.
- As medições de parâmetros de rugosidade de superfície em duas dimensões, e as medições quantitativas do desgaste da superfície, que ocorrem como resultado do atrito e desgaste testes.
Algumas desvantagens inerentes, artefatos possíveis, e as avaliações de incerteza da luz brancaabordagem interferometria será discutido e explicado.
Introduction
A superfície de materiais sólidos a uma determina em grande medida, as propriedades de interesse para estes materiais: electronicamente, estruturalmente e quimicamente. Em muitas áreas de pesquisa, a adição de material (por exemplo, deposição de filmes finos por impulsos laser / deposição magnetron sputtering, físico / químico de deposição de vapor), a remoção de material (corrosão iônica reativa, ião sputtering, ablação por laser, etc), ou alguns outros processos, a necessidade de ser caracterizada. Além disso, a modificação da superfície por meio da interação com pulsos de luz energéticos ou partículas carregadas tem inúmeras aplicações e é de interesse fundamental. Tribology, o estudo de atrito e de desgaste, é uma outra área de interesse. Em uma escala de bancada, uma multidão de geometrias de testes tribológicos existe. Geometrias não-conformados de contacto podem ser utilizados, e de uma esfera ou cilindro pode ser deslocado ou girado contra uma superfície plana, uma outra esfera ou cilindro, por um período de tempo, e a quantidade de material que é removida é measured. Por causa da cicatriz de desgaste é tridimensional e irregular na natureza, perfilometria óptica pode ser a única técnica adequada para a obtenção de medições precisas de volume de desgaste. Tarefas de análise comuns incluem também parâmetros de rugosidade superficial, altura passo, a perda de volume do material, profundidade de trincheira, e assim por diante, todos eles podem ser obtidas adicionalmente a visualização da topografia simples em 2D e 3D.
Perfilometria óptica refere-se a qualquer método óptico que é utilizado para reconstruir o perfil de superfícies. Métodos incluem perfilométrica interferométrico de luz branca, laser, ou métodos confocal. Alguns profilometers ópticos obter informações através de abordagens baseadas em objetivos convencionais de difração limitada de microscópio. Por exemplo, um laser de varrimento pode ser integrado com um microscópio para obter a informação de cor verdadeira topográfico e de superfícies. Um segundo método utiliza uma técnica que explora a profundidade extremamente pequeno de foco dos objectivos convencionais para montar uma series de em foco "fatias de imagem" da superfície para obter um mapa 3D topográfico.
Neste trabalho é mostrar como um microscópio de luz branca interferométrico perfilómetro / permite a medição da quantidade de material perdido durante os processos de desgaste mecânico, ou durante os processos de condicionamento de materiais, tais como crateras de iões de pulverização ou de ablação por laser. Mais atenção é dada à metodologia deste método para ilustrar sua grande capacidade instalada que o torna amplamente disponível e atraente para inúmeras aplicações. A maioria dos tipos de WLI empregar a técnica Mirau, que utiliza um espelho interno para o objectivo de microscópio de interferência entre o sinal de referência de luz e a luz reflectida a partir da superfície da amostra. A escolha de Mirau interferometria é ditada por conveniência simples, porque o interferômetro Mirau inteiro pode ser caber dentro da lente da objectiva do microscópio e acoplado a um microscópio óptico normal (Figura 1). Uma série de duas dimensões entreferograms são adquiridos com uma câmera de vídeo e software monta um mapa 3D topográfico. A fonte de luz branca fornece iluminação amplo espectro que ajuda a superar a "franja ordem" ambigüidade inerente a uma fonte monocromática. Uma fonte de luz monocromática de pode ser utilizado para obter uma medição mais precisa da rasos características topográficas. A resolução lateral é fundamentalmente limitada a λ / 2 (abertura numérica, NA = 1), mas na maioria dos casos é maior, sendo determinado pela AN do objectivo, que por sua vez é ligado a ampliação / tamanho do campo de visão. Tabela 1 na Ref. 1 tem uma comparação directa de todos os parâmetros mencionados. Profundidade abordagens de resolução ≈ 1 nm, sendo uma função da natureza da técnica de interferometria. Para mais informações sobre Mirau WLI podem ser encontrados em Refs. 2, 3. Uma introdução na abordagem interferométrica luz branca pode ser encontrado na referência. 4.
Outros métodos para a análise de superfícies são forc atómicamicroscopia e (AFM), microscopia eletrônica de varredura (MEV), e perfilometria caneta. A técnica WLI compara-se favoravelmente com estes métodos e tem as suas próprias vantagens e desvantagens que são devidas à natureza do método óptico.
A AFM é capaz de obter imagens 3D e, assim, correspondentes secções transversais, mas AFM tem uma capacidade limitada de varredura nas laterais (<100 m) e profundidade (<10 mm) eixos. Em contraste com aqueles, a principal vantagem do WLI é o flexível do campo de visão (FOV) de até alguns milímetros com capacidade de imagem real em 3D simultânea. Além disso, como vamos demonstrar que tem capacidade ampla gama vertical, digitalização, permitindo que se possa resolver uma variedade de problemas de modificação da superfície simplesmente. Pesquisadores que trabalharam com a AFM está ciente do problema com o posicionamento avião de uma amostra ao medir características prolongados de baixo gradiente vertical. Geralmente, pode-se pensar em WLI / OP como um "expresso" técnica sobre AFM. É claro, existemum número de áreas para as quais só AFM é adequado: quando as características laterais a serem resolvidos têm dimensões características menores do que a resolução lateral de WLI, ou casos em que os dados de WLI é ambígua devido a desconhecidos ou complexos propriedades ópticas de uma amostra de uma forma que afeta a precisão das medições (a ser discutido mais tarde), etc
A SEM é um modo poderoso de olhar para as superfícies, sendo muito flexível em termos de tamanho FOV com grande profundidade de focagem, maior do que qualquer microscópio óptico convencional pode oferecer. Ao mesmo tempo, imagens 3D por SEM é incómodo, especialmente no que se requer a tomada de estéreo de par imagens que são então convertidos em imagens 3D pelo método anaglífico, ou por meio de observação com os visores ópticos, ou utilizados para o cálculo directo das profundidades entre diferentes pontos de interesse numa amostra. 5 Por outro lado, WLI / OP perfilometria oferece fácil de usar reconstrução 3D com FOV simultaneamente flexível. WLI varre o plenogama altura necessária para a amostra particular (a partir de centenas de nanómetros a micrómetros). WLI não é afectado pela condutividade eléctrica do material de amostra, que pode ser um problema com o SEM. WLI claramente não necessita de um vácuo. Por outro lado, há uma série de aplicações para o qual fornece informações SEM superior: características laterais a serem resolvidas de dimensões características abaixo da resolução lateral do WLI, ou casos em que diferentes partes de uma amostra pode ser topograficamente distinguidos apenas quando secundárias coeficientes de emissão de elétrons diferem.
Mais uma técnica para a inspecção da superfície, a qual é amplamente utilizada na espectrometria de massa de iões secundários 6 e no campo de caracterização de sistemas microeletromecânicos estilete 7 é perfilometria. Esta técnica é muito popular devido à sua simplicidade e robustez. Baseia-se na verificação de contacto mecânico directo de uma ponta de caneta sobre a superfície da amostra. Esta é uma ferramenta de contato grosso, Que é capaz de digitalizar ao longo de uma única linha de cada vez. Ele faz superfície 3D raster-scan de imagem extremamente demorado. Outra desvantagem da técnica de estilete é a dificuldade de medir as características da superfície de relação de aspecto alta e de tamanho comparável com o seu bico característico (submicron a vários microns tipicamente), que implica um raio de ponta e um ângulo de vértice da ponta. Uma vantagem do estilete perfilometria é a sua falta de sensibilidade a diferentes propriedades ópticas de uma amostra, o que pode afectar a precisão da WLI / OP medições (a ser discutido mais tarde).
Os mapas de superfície do artigo, foram obtidos utilizando um equipamento convencional de tipo Mirau WLI (Figura 1). Muitas empresas, como Zygo, KLA-Tencor, nanociência, Zemetrics, Nanovea, FRT, Keyence, Bruker, e Taylor Hobson produzir comerciais de mesa instrumentos OP. Os mapas adquiridos foram reconstruídos e processadas utilizando o software comercial, do tipo que é comumente usado para WLI, eletrônica de varredura, or microscopia da sonda. O software tem a capacidade de realizar manipulações matemáticas da superfície, a seção transversal perfil análise nula, e os cálculos de volume de material, e correção de avião. Outros pacotes de software pode automatizar algumas dessas características.
Protocol
Representative Results
Discussion
Exemplo 1
WLI não é amplamente utilizada para a caracterização da superfície de trabalho em tribológico, mas é, de facto, um método poderoso para a medição quantitativa de volumes de desgaste de contacto de geometrias diversas. WLI produz uma representação 3D completa da superfície que pode ser analisado utilizando qualquer um dos vários pacotes de software de visualização. Estes pacotes permitir vários tipos de medições a serem executadas. Para maior resolução lateral, as …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
A amostra de GaAs irradiado foi fornecida por Yang Cui, da Universidade de Illinois, em Chicago. Este trabalho foi financiado no âmbito do contrato n º DE-AC02-06CH11357 entre UChicago Argonne, LLC e do Departamento de Energia dos EUA e pela NASA através de doações e NNH08AH761 NNH08ZDA001N, e do Gabinete de Tecnologias de Veículos do Departamento de Energia dos EUA sob contrato DE-AC02 -06CH11357. A microscopia eletrônica foi realizado no Centro de Microscopia Eletrônica de Pesquisa de Materiais no Laboratório Nacional Argonne, um Departamento de Energia dos EUA Escritório de Ciência laboratório, operado sob contrato DE-AC02-06CH11357 por UChicago Argonne, LLC.
Materials
| Single crystal substrates of Si, GaAs and Cu | for sputtering and ablation | ||
| Pure metal alloys | for tribology examples |
Referências
- 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).
