Charakterisierung von Oberflächenmodifikationen mittels Weißlicht-Interferometrie: Anwendungen in der Ion Sputtern, Laserablation, und Tribologie Experimente

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.