आयन Sputtering में अनुप्रयोग, लेजर पृथक, ट्राइबोलॉजी और प्रयोगों सफेद लाइट इंटरफेरोमेट्री संशोधनों सतह की विशेषता
Summary
व्हाइट प्रकाश माइक्रोस्कोप इंटरफेरोमेट्री सतहों की स्थलाकृति को मापने के लिए एक ऑप्टिकल noncontact, और त्वरित तरीका है. यह यांत्रिक पहनते विश्लेषण, जहां पहनना tribological परीक्षण के नमूने विश्लेषण कर रहे हैं पर निशान की ओर विधि को कैसे लागू किया जा सकता है, और विज्ञान के क्षेत्र में सामग्री आयन बीम sputtering या लेजर पृथक मात्रा और गहराई का निर्धारण करने के लिए दिखाया गया है.
Abstract
सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग में यह अक्सर सतह स्थलाकृति के मात्रात्मक माप सुक्ष्ममापी पार्श्व संकल्प के साथ प्राप्त करने के लिए आवश्यक है. मापा सतह से, 3 डी स्थलाकृतिक नक्शे बाद सॉफ्टवेयर संकुल की एक किस्म का उपयोग करने की जरूरत है कि जानकारी निकालने के विश्लेषण कर सकते हैं.
इस लेख में हम सफेद कैसे प्रकाश इंटरफेरोमेट्री, और सामान्य में ऑप्टिकल (ओपी) profilometry, सामान्य सतह विश्लेषण सॉफ्टवेयर के साथ संयुक्त का वर्णन है, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग कार्यों के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. इस अनुच्छेद में, सफेद प्रकाश इंटरफेरोमेट्री मास स्पेक्ट्रोमेट्री में संशोधनों सतह की जांच, और ट्राइबोलॉजी और स्नेहन में घटना को पहनने के लिए आवेदन की एक संख्या में प्रदर्शन कर रहे हैं. हम अर्धचालकों और धातुओं के ऊर्जावान आयनों (sputtering), और लेजर विकिरण (पृथक), के रूप में के रूप में अच्छी तरह से पूर्व tribological परीक्षण नमूनों के पहनने के सीटू माप के साथ बातचीत के उत्पादों की विशेषताएँ. </p>
विशेष रूप से, हम चर्चा करेंगे:
- पारंपरिक आयन sputtering आधारित sputtering दरों / सी और घन पर पैदावार मापन और बाद में समय गहराई रूपांतरण के रूप में मास स्पेक्ट्रोमेट्री के पहलुओं.
- एक अर्धचालक की सतह के साथ femtosecond लेजर विकिरण की बातचीत के मात्रात्मक विशेषताओं के परिणाम. ये परिणाम पृथक मास स्पेक्ट्रोमेट्री, जहां सुखाया सामग्री की मात्रा और अध्ययन किया जा सकता है नाड़ी और नाड़ी प्रति अवधि ऊर्जा के माध्यम से नियंत्रित के रूप में इस तरह के अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण हैं. इस प्रकार, गड्ढा ज्यामिति का निर्धारण करके एक प्रयोगात्मक स्थापना की स्थिति की तुलना में गहराई और पार्श्व संकल्प को परिभाषित कर सकते हैं.
- दो आयामों, और सतह पहनने है कि घर्षण का एक परिणाम के रूप में होते हैं और पहनने के परीक्षण के माप मात्रात्मक में सतह खुरदरापन मापदंडों के माप.
कुछ निहित कमियां संभव कलाकृतियों, और सफेद प्रकाश की अनिश्चितता आकलनइंटरफेरोमेट्री दृष्टिकोण और चर्चा की जाएगी समझाया.
Introduction
इलेक्ट्रॉनिक, structurally, और रासायनिक: ठोस सामग्री की सतह उन सामग्रियों के लिए ब्याज की एक बड़ी हद गुण को निर्धारित करता है. अनुसंधान के कई क्षेत्रों में, सामग्री के अलावा (उदाहरण के लिए, स्पंदित लेजर / magnetron sputtering बयान, शारीरिक / रासायनिक वाष्प जमाव पतली फिल्म बयान), (प्रतिक्रियाशील नक़्क़ाशी आयन, आयन sputtering, लेजर पृथक, आदि) सामग्री को हटाने, या कुछ अन्य प्रक्रियाओं, लक्षण वर्णन किया जा जरूरत है. इसके अतिरिक्त, ऊर्जावान प्रकाश दालों या आरोप लगाया कणों के साथ बातचीत के माध्यम से सतह संशोधन के कई आवेदन किया है और मौलिक ब्याज की है. ट्राइबोलॉजी, घर्षण और पहनने के अध्ययन, ब्याज की एक क्षेत्र है. एक benchtop पैमाने पर, tribological परीक्षण geometries के एक भीड़ मौजूद हैं. गैर conformal संपर्क geometries, इस्तेमाल किया जा सकता है और एक गेंद या सिलेंडर या गिरावट जा सकता है समय की लंबाई के लिए एक फ्लैट सतह, एक गेंद, या सिलेंडर के खिलाफ, घुमाया, और सामग्री की राशि निकाल दिया जाता है कि मुझे हैasured. क्योंकि पहनने निशान तीन आयामी और प्रकृति में अनियमित है, ऑप्टिकल profilometry केवल सही मात्रा माप पहनने को प्राप्त करने के लिए उपयुक्त तकनीक हो सकता है. आम विश्लेषण कार्य भी शामिल सतह खुरदरापन पैरामीटर, कदम ऊंचाई, सामग्री मात्रा के नुकसान, खाई गहराई, और इतने पर है, उन सभी को सरल 2 डी और 3 डी स्थलाकृति दृश्य के लिए अतिरिक्त प्राप्त कर सकते हैं.
ऑप्टिकल profilometry कि सतहों के प्रोफ़ाइल का पुनर्निर्माण करने के लिए प्रयोग किया जाता है किसी भी ऑप्टिकल विधि को संदर्भित करता है. Profilometric तरीकों सफेद प्रकाश interferometric, लेजर, या confocal तरीके शामिल हैं. कुछ ऑप्टिकल profilometers पारंपरिक विवर्तन सीमित खुर्दबीन उद्देश्यों पर आधारित दृष्टिकोण के माध्यम से जानकारी प्राप्त करते हैं. उदाहरण के लिए, एक स्कैनिंग लेजर स्थलाकृतिक और सच सतहों के रंग की जानकारी प्राप्त करने के लिए एक खुर्दबीन के साथ एकीकृत किया जा सकता है. एक दूसरी विधि एक तकनीक है जो पारंपरिक उद्देश्यों में से ध्यान केंद्रित करने का अत्यंत छोटे गहराई कारनामे एक सेरी इकट्ठा का उपयोग करता हैतों में ध्यान केंद्रित करने के लिए एक 3 डी स्थलाकृतिक नक्शा प्राप्त करने के लिए सतह के "छवि स्लाइस 'की.
इस काम में हम बताएंगे कि कैसे एक सफेद रोशनी interferometric खुर्दबीन profilometer / यांत्रिक पहनते प्रक्रियाओं के दौरान खो सामग्री की राशि की माप के लिए सक्षम बनाता है, या सामग्री के रूप में इस तरह के आयन sputtering craters या लेजर पृथक नक़्क़ाशी प्रक्रिया के दौरान. सबसे ज्यादा ध्यान इस विधि की पद्धति के लिए भुगतान किया जाता है अपने बड़े स्थापित क्षमता है कि यह व्यापक रूप से उपलब्ध है और कई अनुप्रयोगों के लिए आकर्षक बना देता है वर्णन. WLI के अधिकांश प्रकार Mirau तकनीक है, जो एक दर्पण का उपयोग करता है आंतरिक माइक्रोस्कोप उद्देश्य के लिए एक संदर्भ प्रकाश संकेत और प्रकाश नमूना की सतह से परिलक्षित होता है के बीच हस्तक्षेप के कारण रोजगार. इंटरफेरोमेट्री Mirau की पसंद साधारण सुविधा से निर्धारित होता है, है है क्योंकि पूरे interferometer Mirau माइक्रोस्कोप उद्देश्य लेंस के अंदर फिट किया जा सकता है और एक नियमित रूप से ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप (1 चित्रा) मिलकर. दो आयामी अंतर की एक श्रृंखलाferograms एक वीडियो कैमरा के साथ प्राप्त कर रहे हैं, और सॉफ्टवेयर एक 3 डी स्थलाकृतिक नक्शा assembles. सफेद प्रकाश स्रोत की आपूर्ति व्यापक स्पेक्ट्रम रोशनी जो "किनारा आदेश" एक एकरंगा स्रोत निहित अस्पष्टता को दूर करने में मदद करता है. प्रकाश की एक एकरंगा स्रोत उथले स्थलाकृतिक सुविधाओं के और अधिक सटीक माप को प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. पार्श्व संकल्प मौलिक λ / 2 (संख्यात्मक एपर्चर, = NA 1) के लिए सीमित है, लेकिन ज्यादातर मामलों में बड़ा है, उद्देश्य है, जो बारी बढ़ाई जुड़े / क्षेत्र के दृश्य आकार में है एनए द्वारा निर्धारित किया जा रहा है. रेफरी में 1 टेबल. 1 सभी का उल्लेख मापदंडों के एक प्रत्यक्ष तुलना है. गहराई संकल्प ≈ 1 एनएम तकनीक के interferometric प्रकृति के एक समारोह में किया जा रहा है, दृष्टिकोण. Mirau WLI पर अधिक जानकारी refs में पाया जा सकता है. 2, 3. सफेद प्रकाश interferometric दृष्टिकोण पर एक परिचय रेफरी में पाया जा सकता है. 4.
सतहों के विश्लेषण के लिए अन्य तरीकों परमाणु forcई माइक्रोस्कोपी (AFM), स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM), और लेखनी profilometry. WLI तकनीक इन तरीकों के लिए अनुकूल तुलना और अपने फायदे और कमियां कि विधि के ऑप्टिकल प्रकृति के कारण कर रहे हैं.
AFM 3 डी छवियों और इस प्रकार इसी पार वर्गों प्राप्त करने में सक्षम है, लेकिन AFM (<100 सुक्ष्ममापी) पार्श्व और गहराई अक्ष (<10 सुक्ष्ममापी) में एक सीमित स्कैनिंग करने की क्षमता है. उन लोगों के लिए इसके विपरीत, WLI का मुख्य लाभ लचीला (FOV) अप करने के लिए एक साथ वास्तविक 3 डी इमेजिंग क्षमता के साथ एक कुछ मिलीमीटर क्षेत्र के देखने के है. इसके अलावा, जैसा कि हम प्रदर्शन करेंगे विस्तृत ऊर्ध्वाधर स्कैनिंग रेंज क्षमता है, एक बस सतह के संशोधन की समस्याओं की एक किस्म को हल करने के लिए अनुमति देता है. शोधकर्ताओं ने AFM के साथ काम किया है एक नमूना के विमान स्थिति जब कम ऊर्ध्वाधर gradients के लंबे समय तक सुविधाओं को मापने के साथ समस्या के बारे में पता कर रहे हैं. आम तौर पर, एक WLI / ओपी के AFM के ऊपर एक "एक्सप्रेस" तकनीक के रूप में सोच सकते हैं. बेशक, वहाँ रहे हैंक्षेत्रों की एक संख्या है जिसके लिए केवल AFM उपयुक्त है: जब पार्श्व हल किया जाना सुविधाओं विशेषता WLI के पार्श्व संकल्प से छोटे आयाम, या उदाहरण हैं जहां WLI से डेटा अस्पष्ट एक तरीका है कि एक नमूना के अज्ञात या जटिल ऑप्टिकल गुणों के कारण है माप की सटीकता (बाद में चर्चा की) आदि को प्रभावित करता है,
SEM सतहों पर देखने के लिए एक शक्तिशाली तरीका है, FOV आकार, ध्यान की बड़ी गहराई के साथ किसी भी पारंपरिक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप की पेशकश कर सकते हैं की तुलना में बड़ा के मामले में बहुत लचीला किया जा रहा है. एक ही समय में, 3 डी इमेजिंग SEM बोझिल है, खासकर के रूप में यह स्टीरियो जोड़ी छवियों कि तो anaglyphic विधि द्वारा 3 डी छवियों को परिवर्तित कर रहे हैं, या ऑप्टिकल दर्शकों के साथ देख माध्यम से, या अलग के बीच गहराई के प्रत्यक्ष गणना के लिए इस्तेमाल किया लेने की आवश्यकता है एक नमूना पर ब्याज की अंक 5 इसके विपरीत, WLI / ओपी profilometry प्रदान करता है एक साथ लचीला FOV साथ 3 डी पुनर्निर्माण करने के लिए उपयोग में आसान है. WLI पूर्ण के माध्यम से स्कैनऊंचाई सीमा विशेष नमूना के लिए (नैनोमीटर से microns के सैकड़ों के लिए) की जरूरत है. WLI नमूना सामग्री की विद्युत चालकता, जो SEM के साथ एक समस्या हो सकती है से अप्रभावित है. WLI स्पष्ट रूप से एक निर्वात आवश्यकता नहीं है. दूसरी ओर वहाँ अनुप्रयोगों के लिए SEM बेहतर जानकारी प्रदान करता है के एक नंबर रहे हैं: पार्श्व WLI के पार्श्व संकल्प नीचे विशेषता आयामों, या मामलों का हल किया जा सुविधाओं जहां एक नमूना के विभिन्न भागों topographically प्रतिष्ठित किया जा सकता है केवल जब माध्यमिक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन coefficients भिन्न होते हैं.
सतह के निरीक्षण के लिए एक तकनीक है, जो व्यापक रूप से माध्यमिक आयन मास स्पेक्ट्रोमेट्री 6 में और microelectromechanical सिस्टम 7 लक्षण वर्णन के क्षेत्र में प्रयोग किया जाता है लेखनी profilometry है. इस तकनीक को अपनी सादगी और मजबूती की वजह से लोकप्रिय है. यह प्रत्यक्ष नमूना की सतह पर एक स्टाइलस टिप की स्कैनिंग यांत्रिक संपर्क पर आधारित है. यह एक मोटे संपर्क उपकरणहै, जो के साथ एक समय में एक ही लाइन को स्कैन करने में सक्षम है. यह 3 डी इमेजिंग रेखापुंज स्कैन सतह बहुत समय लगता है बनाता है. लेखनी तकनीक का एक और दोष उच्च पहलू अनुपात के और इसकी विशेषता टिप (आम तौर पर कई microns के लिए submicron) आकार है कि एक टिप त्रिज्या और एक टिप सुप्रीम कोण का तात्पर्य है साथ तुलनीय आकार के सतह विशेषताओं को मापने की कठिनाई है. लेखनी profilometry का एक लाभ यह एक नमूना है, जो WLI / ओपी माप (बाद में चर्चा की) की सटीकता को प्रभावित कर सकते हैं के ऑप्टिकल गुणों बदलती असंवेदनशीलता है.
वर्तमान लेख में सतह नक्शे एक पारंपरिक Mirau प्रकार WLI (1 चित्रा) के प्रयोग से प्राप्त किया गया. Zygo, KLA-Tencor, nanoscience, Zemetrics, Nanovea, FRT, Keyence, Bruker और टेलर Hobson के रूप में कई कंपनियों के वाणिज्यिक टेबल टॉप ओपी उपकरणों का उत्पादन. हासिल कर ली नक्शे और खंगाला गया कि सामान्यतः WLI, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन, ओ के लिए प्रयोग किया जाता है प्रकार की वाणिज्यिक सॉफ्टवेयर का उपयोग संसाधितr जांच माइक्रोस्कोपी. सॉफ्टवेयर सतह के गणितीय जोड़तोड़ प्रदर्शन, अनुभाग प्रोफाइल विश्लेषण शून्य और सामग्री की मात्रा की गणना, और विमान सुधार के पार करने की क्षमता है. अन्य सॉफ्टवेयर संकुल इन सुविधाओं में से कुछ को स्वचालित कर सकते हैं.
Protocol
Representative Results
Discussion
उदाहरण 1
WLI tribological काम में सतह लक्षण वर्णन के लिए व्यापक रूप से नहीं प्रयोग किया जाता है, लेकिन यह वास्तव में कई संपर्क geometries के लिए पहनने संस्करणों के मात्रात्मक माप के लिए एक शक्तिशाली तरीका है. WLI ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
विकिरणित GaAs नमूना शिकागो में इलिनोइस विश्वविद्यालय के यांग कुई द्वारा प्रदान की गई थी. इस अनुबंध के तहत काम समर्थित किया गया UChicago Argonne, LLC और अमेरिका के ऊर्जा विभाग और अनुदान NNH08AH761 और NNH08ZDA001N के माध्यम से नासा द्वारा, और डे – AC02 अनुबंध के तहत अमेरिका के ऊर्जा विभाग के वाहन प्रौद्योगिकी के कार्यालय के बीच डे – AC02 06CH11357 सं. 06CH11357. इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी Argonne राष्ट्रीय प्रयोगशाला, विज्ञान प्रयोगशाला की ऊर्जा कार्यालय के एक अमेरिकी विभाग, UChicago Argonne, LLC द्वारा अनुबंध डे AC02 – 06CH11357 के तहत संचालित अनुसंधान पर सामग्री के लिए इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी सेंटर में पूरा किया गया.
Materials
| Single crystal substrates of Si, GaAs and Cu | for sputtering and ablation | ||
| Pure metal alloys | for tribology examples |
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