Caracterización de modificaciones de la superficie de la interferometría de luz blanca: Aplicaciones en Sputtering Ion, ablación con láser y Experimentos Tribología
Summary
Interferometría Blanca microscopio de luz es un método óptico sin contacto y rápida para medir la topografía de las superficies. Se muestra cómo el método puede ser aplicado para el análisis de desgaste mecánico, donde el desgaste cicatrices en las muestras de ensayo se analizan tribológicas, y en la ciencia de materiales para determinar por haz de iones de pulverización catódica o volúmenes de ablación por láser y profundidades.
Abstract
En la ciencia e ingeniería de materiales a menudo es necesario para obtener mediciones cuantitativas de la topografía de la superficie con resolución micrométrica lateral. Desde la superficie medida, 3D mapas topográficos pueden ser analizados posteriormente usando una variedad de paquetes de software para extraer la información que se necesita.
En este artículo se describe cómo la interferometría de luz blanca, y perfilometría óptica (OP) en general, en combinación con el software genérico análisis de superficie, se puede utilizar para ciencia de los materiales y las tareas de ingeniería. En este artículo, una serie de aplicaciones de la interferometría de luz blanca para la investigación de modificaciones de la superficie de la espectrometría de masas, y el desgaste de los fenómenos en tribología y lubricación de accionamientos. Hemos caracterizado los productos de la interacción de semiconductores y metales con iones energéticos (sputtering), y la irradiación con láser (ablación), así como ex situ de desgaste de las muestras de ensayo tribológicas. </p>
En concreto, hablamos de:
- Aspectos de la tradicional espectrometría de masas de iones bombardeo iónico basado tales como tasas de pulverización / mediciones rendimientos sobre el Si y Cu y posterior conversión tiempo-profundidad.
- Resultados de la caracterización cuantitativa de la interacción de la radiación láser de femtosegundos con una superficie del semiconductor. Estos resultados son importantes para aplicaciones tales como la espectrometría de masa de ablación, donde las cantidades de material evaporado puede ser estudiado y controlado a través de la duración del pulso y la energía por impulso. Por lo tanto, mediante la determinación de la geometría cráter se puede definir la profundidad y la resolución lateral versus las condiciones experimentales de configuración.
- Las mediciones de los parámetros de rugosidad de superficie en dos dimensiones, y las mediciones cuantitativas de la superficie de desgaste que se producen como resultado de la fricción y el desgaste de las pruebas.
Algunos inconvenientes inherentes, artefactos posibles, y las evaluaciones de incertidumbre de la luz blancaenfoque interferometría será discutido y explicado.
Introduction
La superficie de los materiales sólidos determina en gran medida las propiedades de interés para esos materiales: electrónicamente, estructural y químicamente. En muchas áreas de la investigación, la adición de material (por ejemplo, deposición de película delgada por láser pulsado / deposición de pulverización catódica con magnetrón, físico / deposición química en fase vapor), la eliminación de material (grabado iónico reactivo, iones de pulverización catódica, ablación con láser, etc), o algunos otros procesos, es necesario caracterizar. Además, modificación de la superficie mediante la interacción con pulsos de luz energéticas o partículas cargadas tiene numerosas aplicaciones y es de interés fundamental. Tribología, el estudio de la fricción y el desgaste, es otra área de interés. En una escala de sobremesa, una multitud de geometrías de prueba tribológicas existe. No conforme geometrías de contacto pueden utilizarse, y una bola o un cilindro puede deslizar o girar contra una superficie plana, otra bola, o cilindro, para un período de tiempo, y la cantidad de material que se retira es measured. Debido a que la cicatriz de desgaste es tridimensional e irregular en la naturaleza, perfilometría óptica puede ser la única técnica adecuada para obtener medidas precisas de volumen de desgaste. Tareas de análisis habituales incluyen también parámetros de rugosidad de la superficie, la altura de paso, la pérdida de volumen del material, profundidad de la zanja, etc, todos ellos se puede obtener adicionalmente a la visualización sencilla topografía 2D y 3D.
Perfilometría óptica se refiere a cualquier método óptico que se utiliza para reconstruir el perfil de las superficies. Perfilométrica incluir métodos de interferometría de luz blanca, láser o métodos confocal. Algunos perfilómetros ópticos obtener información a través de enfoques basados en los objetivos del microscopio convencional limitadas por difracción. Por ejemplo, un láser de barrido puede estar integrado con un microscopio para obtener información de color topográfico y verdadera de las superficies. Un segundo método utiliza una técnica que explota la profundidad extremadamente pequeño de enfoque de los objetivos convencionales para ensamblar un serioes de In-Focus "cortes de imagen" de la superficie para obtener un mapa topográfico en 3D.
En este trabajo se demuestra como un blanco de luz del microscopio interferométrico / perfilómetro permite la medición de la cantidad de pérdida de material durante los procesos de desgaste mecánico, o durante procesos de grabado de materiales tales como cráteres de iones de pulverización catódica o ablación con láser. Se presta más atención a la metodología de este método para ilustrar su gran capacidad instalada que hace que sea ampliamente disponible y atractivo para numerosas aplicaciones. La mayoría de los tipos de WLI emplean la técnica de Mirau, que utiliza un espejo interno para el objetivo del microscopio para causar interferencias entre una señal de luz de referencia y la luz reflejada desde la superficie de la muestra. La elección de Mirau interferometría está dictada por simple conveniencia, ya que todo el interferómetro Mirau se puede encajar dentro de la lente objetivo del microscopio y acoplada a un microscopio óptico normal (Figura 1). Una serie de dos dimensiones interferograms se adquieren con una cámara de vídeo, software y ensambla un mapa topográfico 3D. La fuente de luz blanca proporciona iluminación de amplio espectro que ayuda a superar la "orden de franja" ambigüedad inherente a una fuente monocromática. Una fuente monocromática de la luz puede ser utilizado para obtener una medición más precisa de las características topográficas superficiales. La resolución lateral se limita fundamentalmente a λ / 2 (apertura numérica NA = 1), pero en la mayoría de los casos es más grande, siendo determinado por el NA del objetivo, que es a su vez conectado a la ampliación / campo de visión de tamaño. Tabla 1 en Ref. 1 tiene una comparación directa de todos los parámetros mencionados. Enfoques profundidad de la resolución ≈ 1 nm, siendo una función de la naturaleza de la técnica interferométrica. Más información sobre Mirau WLI se puede encontrar en las Refs. 2, 3. Una introducción en blanco enfoque de interferometría de luz se puede encontrar en la referencia. 4.
Otros métodos para el análisis de superficies son atómicos FORCe microscopía (AFM), microscopía electrónica de barrido (SEM), y perfilometría lápiz. La técnica WLI compara favorablemente a estos métodos y tiene sus propias ventajas y desventajas que se deben a la naturaleza óptica del método.
La AFM es capaz de obtener imágenes en 3D y las secciones transversales correspondientes así, pero AFM tiene una capacidad de exploración limitada en los laterales (<100 micras) y la profundidad (<10 micras) ejes. En contraste con aquellos, la principal ventaja de la flexibilidad es WLI campo de visión (FOV) de hasta unos pocos milímetros con simultánea capacidad real de imágenes en 3D. Además, como vamos a demostrar que tiene la capacidad a escala vertical de alcance del sensor, lo que permite una para resolver una variedad de problemas de la modificación de la superficie, simplemente. Los investigadores que han trabajado con AFM son conscientes del problema con la colocación de un avión muestra en la medición de las características prolongados de bajos gradientes verticales. Por lo general, uno puede pensar en WLI / OP como un "express" técnica sobre AFM. Por supuesto, hayuna serie de áreas para las que sólo AFM es adecuado: cuando las características laterales a ser resueltos tienen dimensiones características más pequeñas que la resolución lateral de WLI, o casos donde los datos de WLI es ambiguo debido a las propiedades ópticas desconocidos o complejo de una muestra de una manera que afecta a la exactitud de las mediciones (que se discutirá más adelante), etc
El SEM es una poderosa manera de mirar a las superficies, siendo muy flexible en cuanto al tamaño FOV con gran profundidad de foco, más grande que cualquier microscopio óptico convencional puede ofrecer. Al mismo tiempo, las imágenes 3D por SEM es engorroso, especialmente ya que requiere tomar imágenes de par estéreo-que luego se convierten en imágenes en 3D mediante el método anaglyphic, o a través de la observación de los espectadores con ópticos, o utilizado para el cálculo directo de profundidades entre diferentes puntos de interés en una muestra. 5 Por el contrario, WLI / OP perfilometría ofrece fácil de usar, con reconstrucción 3D al mismo tiempo flexible, FOV. WLI explora a través de la plenagama de la altura necesaria para la muestra particular (desde nanómetros hasta cientos de micras). WLI no se ve afectada por la conductividad eléctrica del material de muestra, que puede ser un problema con SEM. WLI claramente no requiere un vacío. Por otro lado hay una serie de aplicaciones para las que proporciona superior SEM información: características laterales para ser resueltos de dimensiones características debajo de la resolución lateral de WLI, o casos donde las diferentes partes de una muestra puede ser topográficamente distinguen sólo cuando coeficientes de emisión de electrones secundarios diferir.
Una técnica más para inspección de superficies, que se utiliza ampliamente en la espectrometría de masas de iones secundarios 6 y en el campo de la caracterización de sistemas microelectromecánicos 7 es lápiz perfilometría. Esta técnica es popular debido a su simplicidad y robustez. Se basa en el escaneado directo contacto mecánico de una punta de lápiz sobre la superficie de la muestra. Esta es una herramienta de contacto gruesa, Que es capaz de escanear a lo largo de una sola línea a la vez. Hace superficie 3D raster-scan demasiado largo. Otro inconveniente de la técnica de lápiz es la dificultad de medir características de la superficie de alta relación de aspecto y de tamaño comparable con el tamaño de la punta de su característica (submicrónico a varias micras típicamente) que implica un radio de punta y un ángulo de punta de vértice. Una ventaja de la aguja de perfilometría es su insensibilidad a diferentes propiedades ópticas de una muestra, que pueden afectar a la precisión de WLI / OP mediciones (que se discute más adelante).
Los mapas de superficie en el presente artículo se obtuvieron usando un convencional Mirau de tipo WLI (Figura 1). Muchas compañías como Zygo, KLA Tencor, nanociencia, Zemetrics, Nanovea, FRT, Keyence, Bruker, y Taylor Hobson producir comerciales de tablero de instrumentos OP. Los mapas fueron reconstruidos adquiridas y procesadas mediante software comercial del tipo que se utiliza comúnmente para WLI, electrónica de barrido, or sonda microscopía. El software tiene la capacidad de realizar manipulaciones matemáticas de la superficie, cruzar el perfil de sección de análisis, vacío y cálculos de volumen de material, y la corrección de avión. Otros paquetes de software pueden automatizar algunas de estas características.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ejemplo 1
WLI no es ampliamente utilizado para la caracterización de superficie de trabajo en tribológico, pero es de hecho un potente método para la medición cuantitativa de los volúmenes de desgaste para geometrías de varios contactos. WLI produce una representación completa en 3D de la superficie que puede ser analizada usando uno de varios paquetes de software de visualización. Estos paquetes permiten diversos tipos de mediciones a realizar. Para una mayor resolución lateral, las i…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La muestra irradiada GaAs fue proporcionada por Cui Yang, de la Universidad de Illinois en Chicago. Esta obra fue financiada en virtud del Contrato N º DE-AC02-06CH11357 entre UChicago Argonne, LLC y el Departamento de Energía de EE.UU. y la NASA a través de subvenciones y NNH08AH761 NNH08ZDA001N, y la Oficina de Tecnologías de Vehículos del Departamento de Energía de EE.UU. bajo contrato DE-AC02 -06CH11357. La microscopía electrónica se realizó en el Centro de Microscopía Electrónica de Investigación de Materiales de Argonne National Laboratory, un Departamento de EE.UU. de la Oficina de Energía de la Ciencia de laboratorio, operado bajo el 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 |
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