אפיון של פני שטח על ידי שינויי Interferometry אור הלבן: יישומים ביון יורקת, אבלציה ליזר, וניסויי Tribology

Summary

interferometry מיקרוסקופ אור הלבן הוא אופטי, ללא מגע ומהיר שיטה למדידת הטופוגרפיה של משטחים. הוא הראה כיצד ניתן ליישם השיטה לניתוח בלאי מכאני, שבו ילבש צלקות על דגימות בדיקת tribological מנותחות, ובמדע חומרים כדי לקבוע נפחים ועומקי אבלציה ליזר אלומת יונים מקרטעים או.

Abstract

במדע והנדסת חומרים הוא לעתים קרובות הכרחי כדי להשיג מדידות כמותיות של טופוגרפית משטח עם רזולוצית רוחב מיקרומטר. מהמשטח הנמדד, מפות טופוגרפיות 3D ניתן לנתח לאחר מכן באמצעות מגוון של חבילות תוכנה כדי לחלץ את המידע שצריך.

במאמר זה יתאר כיצד interferometry אור לבן, וprofilometry האופטי (OP) באופן כללי, בשילוב עם תוכנת ניתוח שטח כללית, ניתן להשתמש בו למדע חומרים ומשימות הנדסיות. במאמר זה, מספר היישומים של interferometry אור הלבן לחקירה של שינויים בשטח ספקטרומטריית מסה, וללבוש את התופעות בשחיקה ושימון הם הפגינו. אנו מאפיינים את המוצרים של האינטראקציה של מוליכים למחצה ומתכות עם יונים אנרגטיים (מקרטעת), והקרנת ליזר (אבלציה), כמו גם באתרו לשעבר מדידות של שחיקה של דגימות בדיקת tribological. </p>

באופן ספציפי, נדונו:

1. היבטים של ספקטרומטריית מסורתית יון המקרטע מבוססת המונית כגון שיעורים מקרטעת / מדידות תשואת סי וCu ולאחר מכן המרת זמן לעומק.
2. תוצאות של אפיון כמותי של האינטראקציה של הקרנת ליזר femtosecond עם משטח מוליכים למחצה. תוצאות אלו הן חשובות עבור יישומים כגון ספקטרומטריית מסות אבלציה, שם ניתן ללמוד הכמויות של חומר התאדה ונשלטו באמצעות משך ואנרגית דופק לדופק. לכן, על ידי קביעת גיאומטרית המכתש ניתן להגדיר רזולוצית עומק ורוחב לעומת תנאי התקנה ניסיוניות.
3. מדידות של פרמטרי חספוס פני שטח בשני ממדים, ומדידות כמותיות של שחיקת המשטח המתרחשים כתוצאה מחיכוך ושחיקת בדיקות.

כמה חסרונות טמונים, חפצים אפשריים, חוסר ודאות והערכות של האור הלבןגישת interferometry תידון והסבירה.

Introduction

פני השטח של חומרים מוצקים קובעים בנכסים רבים היקף של ריבית עבור החומרים האלה: באופן אלקטרוני, מבחינה המבניות, וכימיה. בתחומים רבים של מחקר, תוספת של חומר (למשל בתצהיר, סרט דק על ידי פעם ליזר / מקרטע בתצהיר magnetron, פיזי / שיקוע כימי), הסרת החומר (תחריט תגובתי יון, יון מקרטע, אבלציה ליזר וכו '), או כמה תהליכים אחרים, צריכים להיות מאופיינים. בנוסף, שינוי פני שטח באמצעות אינטראקציה עם הבזקי אור אנרגטיים או חלקיקים טעונים יש יישומים רבים והנו בעל עניין מהותי. שחיקה, חקר החיכוך והשחיקה, היא אזור אחר של עניין. בסולם benchtop, שפע של גיאומטריות בדיקת tribological קיים. גיאומטריות מגע ללא conformal עשויים לשמש, וכדור או גליל עשוי להיות החליק או הסתובב נגד משטח שטוח, כדור אחר, או גליל, לאורכו של זמן, וכמות החומר שהוסרה היאasured. בגלל צלקת השחיקה היא תלת ממדי ולא סדיר בטבע, profilometry האופטי עשוי להיות הטכניקה המתאימה לקבלת מדידות נפח ללבוש מדויקות בלבד. משימות ניתוח נפוצות כוללות גם פרמטרי משטח חספוס, גובה צעד, אובדן נפח חומר, עומק תעלה, וכן הלאה; כולם ניתן להשיג בנוסף להדמית טופוגרפית 2D and 3D פשוט.

profilometry האופטי מתייחס לכל שיטה אופטית המשמשת לשחזר את הפרופיל של משטחים. שיטות Profilometric כוללות interferometric הלבנה אור, ליזר או שיטות confocal. כמה profilometers האופטי להשיג מידע באמצעות גישות המבוססות על יעדי מיקרוסקופ העקיף מוגבלים קונבנציונליים. לדוגמה, סריקת ליזר עשוי להיות משולב עם מיקרוסקופ כדי להשיג מידע טופוגרפי וצבע אמיתי של משטחים. שיטה שנייה משתמשת בטכניקה המנצלת את העומק הקטן ביותר של מוקד יעדים קונבנציונליים להרכיב סריes של בפוקוס "פרוסות" תמונה של פני השטח כדי להשיג מפה טופוגרפית 3D.

בעבודה זו אנו מראים כיצד / profilometer מיקרוסקופ interferometric אור לבן מאפשר המדידה של כמות החומר שאבדה במהלך תהליכי בלאי מכאניים, או במהלך תהליכי איכול חומר כגון מכתשי יון מקרטעת או אבלציה ליזר. רוב תשומת הלב למתודולוגיה של שיטה זו כדי להמחיש ההספק המותקן הגדול שלה שהופך אותו לזמין באופן נרחב ואטרקטיביים עבור יישומים רבים. רוב סוגי WLI להעסיק את טכניקת Mirau, אשר משתמשת במראה פנימית למטרת מיקרוסקופ כדי לגרום להפרעות בין אור אות הפניה והאור המוחזר ממשטח המדגם. הבחירה של Mirau interferometry מוכתבת על ידי נוחות פשוט, כי ניתן להתאים את interferometer Mirau כל בתוך עדשת המיקרוסקופ האובייקטיבי ומצמיד למיקרוסקופ אופטי רגיל (איור 1). סדרה בין שני ממדיםferograms נרכשים במצלמת וידאו, ותוכנת מרכיבת מפה טופוגרפית 3D. מקור האור הלבן מספק תאורת ספקטרום רחבה שעוזרת להתגבר על העמימות "שולים כדי" הטבועה מקור מונוכרומטי. מקור מונוכרומטי אור עשוי לשמש כדי להשיג מדידה מדויקת יותר של תכונות טופוגרפיות רדודות. רזולוצית הרוחב מוגבלת מיסודה לλ / 2 (צמצם מספרי, NA = 1), אבל ברוב המקרים היא גדול יותר, שנקבע על ידי NA של המטרה, שהוא בתורו מחובר להגדלה / גודל שדה של נוף. טבלת 1 במס. 1 יש השוואה ישירה של כל הפרמטרים שהוזכרו. גישות עומק ברזולוציה ≈ 1 ננומטר, להיות פונקציה של טבע interferometric של הטכניקה. מידע נוסף על Mirau WLI ניתן למצוא בשופטים. 2, 3. מבוא על גישת interferometric אור לבן ניתן למצוא במס. 4.

שיטות אחרות לניתוח של משטחים הן forc האטומימיקרוסקופיה האלקטרונית (AFM), מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקים (SEM), וprofilometry חרט. טכניקת WLI משווה לטובה ולשיטות אלה יש יתרונות משלה ואת חסרונות שבשל האופי האופטי של השיטה.

AFM הוא מסוגל לחלץ תמונות 3D וחתכים ובכך מתאימים, אבל AFM יש יכולת סריקה מוגבלת ברוחב (<100 מיקרומטר) ועומק (<10 מיקרומטר) צירים. בניגוד לאלה, היתרון העיקרי של WLI הוא גמיש התחום של הנוף (FOV) של עד כמה מילימטרים עם יכולת הדמיה סימולטנית אמיתית 3D. בנוסף, כפי שנדגים אותו יש יכולת סריקה אנכית מגוון רחבה, המאפשר אחד כדי לפתור מגוון של בעיות של שינוי פני שטח פשוט. חוקרים שעבדו עם AFM מודעים לבעיה עם מיקום של מטוס מדגם עת מדידת תכונות ממושכות של גרדיאנטים אנכיים נמוכים. באופן כללי, שאפשר לחשוב על WLI / OP כטכניקה "מפורשת" על AFM. כמובן, ישמספר האזורים שבם רק AFM המתאים: כאשר תכונות רוחביות להיפתר בעלי ממדים קטנים יותר אופייניים הרזולוציה הרוחבית של WLI, או מקרים שבם נתונים מWLI הם דו משמעיים בשל תכונות אופטיות לא ידועות או מורכבות של מדגם באופן ש משפיע על הדיוק של מדידות (שיידון בהמשך), וכו '

SEM הוא דרך רבה עצמה כדי להסתכל על משטחים, להיות גמישים מאוד במונחים של גודל FOV עם עומק גדול של פוקוס, גדול יותר מכל מיקרוסקופ אופטי קונבנציונלי יכול להציע. במקביל, הדמית 3D על ידי SEM היא מסורבלת, במיוחד כפי שהוא דורש לקיחת תמונות סטריאו-זוג שאז מומרים לתמונות 3D בשיטת anaglyphic, או דרך התבוננות עם צופים אופטיים, או משמשות לחישוב ישיר של עומקים שונים בין נקודתי העניין במדגם. ⁵ לעומת זאת, profilometry WLI / OP מציעות קל לשימוש, שיקום 3D עם FOV זמנית גמיש. WLI סורק מלאטווח גובה דרוש למדגם המסוים (מננומטרים עד מאה מיקרונים). WLI לא מושפע ממוליכות החשמלית של החומר המדגם, שעלולה להיות בעיה עם SEM. WLI בבירור אינו דורש ואקום. מצד שני יש מספר היישומים שמספק מידע SEM מעולה: תכונות רוחביות להיפתר מממדים אופייניים מתחת לרזולוציה הרוחבית של WLI, או במקרים שבו חלקים שונים של מדגם ניתן להבחין טופוגרפיים רק כאשר מקדמי פליטת אלקטרונים משניים שונה.

יותר טכניקה אחת לבדיקת פני שטח, אשר נמצא בשימוש נרחב ^ב6 היון ספקטרומטריית מסה והמשנית בתחום אפיון מערכות microelectromechanical ⁷ היא החרט profilometry. טכניקה זו היא פופולרית בגלל הפשטות והחוסן שלה. הוא מבוסס על סריקת קשר מכאנית ישירה של קצה מחט על פני שטח המדגם. זה הוא כלי ליצירת קשר גס, שהוא מסוגל לסרוק לאורך שורה אחת בכל פעם. זה גורם משטח 3D סריקת סריקת הדמיה מאוד זמן רב. חסרון נוסף של טכניקת החרט הוא הקושי במדידת תכונות פני שטח של יחס גובה גבוה וגודל דומה לגודלו האופייני הקצה (submicron לכמה מיקרונים בדרך כלל) שמרמז על רדיוס עצה וזווית קודקוד קצה. יתרון של החרט profilometry הוא חוסר הרגישות שלו לשינוי תכונות אופטיות של מדגם, אשר יכול להשפיע על הדיוק של מדידות WLI / OP (שיידון בהמשך).

מפות השטח במאמר הנוכחי התקבלו באמצעות קונבנציונלי Mirau סוג WLI (איור 1). חברות רבות כגון Zygo, KLA-Tencor, הנני, Zemetrics, Nanovea, FRT, Keyence, ברוקר, וטיילור הובסון לייצר מכשירי OP טבלה עליונה מסחריים. את המפות שנרכשו שוחזרו ועובדו באמצעות תוכנה מסחרית מהסוג שמשמשת בדרך כלל לWLI, סריקת אלקטרונים, oמיקרוסקופיה r חללית. התוכנה יש את היכולת לבצע מניפולציות מתמטיות של פני השטח, לחצות מקטע פרופיל ניתוח, חלל וחישובי נפח מהותי, ותיקון מטוס. חבילות תוכנה אחרות עשויות להפוך חלק מהתכונות הללו.

Protocol

1. יישור לחומרה כללית WLI הסריקה כדי לקבל מידע כמוני באמצעות WLI, השלבים הבאים יכולים לשמש כקו מנחה. הנחה הוא כי המפעיל יש ידע בסיסי בהפעלת interferometer. ההנחיות הן משותפות ללא קשר למכשיר הספציפי. לחקירות מסוימות, את הדגימה תהיה שטוחה. עבור ?…

Representative Results

האיור 1 תצלום של profilometer פשוט השתמש במחקר הנוכחי:. צריח אובייקטיבי מרובה הוא רואה בתמונה. שתי מטרות הן סטנדרטיות (10x ו 50x), והשניים הם מטרות Mirau (10x ו 50x). המיקרוסקופ הזה יש תכונת הגדלת ביניים…

Discussion

דוגמה 1

WLI לא נעשה שימוש נרחב לאפיון פני שטח בעבודת tribological, אך הוא למעשה שיטה חזקה למדידת כמותית של כרכים ללבוש לגיאומטריות מגע רבות. WLI מייצר ייצוג 3D מלא של פני השטח שניתן לנתח באמצעות כל אחת ממספר חבילות תוכנת הדמיה. חבילות אלה מאפש?…

Materials

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