Характеристика модификации поверхности белым светом интерферометрии, применения в ионного распыления, лазерной абляции, и трибологии Эксперименты
Summary
Белый свет интерферометрии микроскоп оптический, бесконтактный и быстрый способ для измерения топографии поверхности. Показано, как метод может быть применен к анализу механического износа, где носят шрамы на трибологических тестовые образцы анализируются, и в материаловедении для определения ионного пучка распыления или лазерной абляции объемов и глубины.
Abstract
В материалах науки и техники часто возникает необходимость получить количественные измерения топографии поверхности с пространственным разрешением микрометра. Из измеряемой поверхности, 3D-топографических картах может быть в дальнейшем проанализированы с использованием различных программных пакетов для извлечения информации, которая необходима.
В этой статье мы расскажем, как белый свет интерферометрии, оптической профилометрии (ОП) в целом, в сочетании с общим программного обеспечения для анализа поверхности, могут быть использованы для материаловедения и инженерных задач. В этой статье, число заявок белого света интерферометрии для исследования поверхностных изменений в масс-спектрометрии, и носить явлений в трибологии и смазки продемонстрировали. Мы характеризуем продуктов взаимодействия полупроводников и металлов с энергичными ионами (распыление), и лазерного облучения (абляции), а также бывшие полевые измерения износа трибологических образцов. </p>
В частности, мы обсудим:
- Аспекты традиционной ионного распыления на основе масс-спектрометрии, таких как распыление цены / выходы измерений на Si и Cu и последующее время-глубина преобразования.
- Результаты количественной характеристики взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с поверхности полупроводника. Эти результаты важны для приложений, таких как удаление масс-спектрометрии, где количество испарившейся материал может быть изучен и управляется через длительность импульса и энергии в импульсе. Таким образом, определив кратера геометрии можно определить глубину и пространственным разрешением по сравнению с экспериментальными условиями установки.
- Измерение параметров шероховатости поверхности в двух измерениях, и количественные измерения износа поверхности, которые возникают в результате трения и износа испытаний.
Некоторые присущи недостатки, возможные артефакты, а также неопределенность оценки белый светинтерферометрии подход будет обсуждаться и объяснил.
Introduction
Поверхности твердых материалов определяется в значительной степени свойства, представляющие интерес для этих материалов: в электронном виде, структурно и химически. Во многих областях исследований, добавление материала (например, осаждения тонких пленок импульсным лазерным / магнетронного распыления осаждением, физическое / химическое осаждение паров), удаление материала (реактивного ионного травления, ионного напыления, лазерной абляции, и т.д.), или других процессов, должны быть охарактеризованы. Кроме того, модификация поверхности на основе взаимодействия с энергичными импульсами света или заряженных частиц имеет многочисленные приложения и представляет фундаментальный интерес. Трибологии, изучение трения и износа, является еще одной областью интересов. По шкале настольные, множество трибологических геометрии теста существует. Non-конформной геометрии контакта может быть использована, и шар или цилиндр могут быть сдвинуты или повернуты на плоской поверхности, другой шар или цилиндр, на продолжительное время, и количество материала, который удаляется это яasured. Из-за износа шрам трехмерных и нерегулярный характер, оптический профилометрии может быть только технику, пригодных для получения точных измерений объема износа. Общие задачи анализа включают в себя также параметров шероховатости поверхности, высота ступеней, потеря объема материала, глубина траншеи, и так далее, и все из них могут быть получены дополнительно к простой 2D-и 3D-визуализации рельефа.
Оптический профилометрии относится к любым оптическим методом, который используется для восстановления профиля поверхности. Profilometric методы включают в себя белую интерферометрических свет, лазер, или конфокальной методами. Некоторые оптические профилометров получения информации через подходы, основанные на обычных дифракционной микроскопии целей. Например, сканирующий лазерный может быть интегрирована с микроскопом, чтобы получить топографические и истинной информации о цвете поверхности. Второй метод использует технику, которая использует чрезвычайно малую глубину резкости обычных целей собрать серьезх годов в фокусе "образ кусочки» поверхности для получения 3D-топографической карте.
В этой работе мы покажем, как белый свет интерферометрической микроскопии / профилометра позволяет измерять количество материала, потерял во время механических процессов износа, или во время травления материалов процессами, такими как ионом кратера распыления или лазерной абляции. Наибольшее внимание уделяется методологии этого метода, чтобы проиллюстрировать его большой установленной мощности, что делает его доступным и привлекательным для многочисленных приложений. Большинство видов WLI использовать метод Mirau, который использует зеркала внутри объектива микроскопа, чтобы вызвать помехи между опорным сигналом света и света, отраженного от поверхности образца. Выбор Mirau интерферометрии диктуется простым удобством, так как весь интерферометр Mirau может поместиться внутри объектива микроскопа и связанной с обычной оптической микроскопии (рис. 1). Серия двумерных междуferograms приобретаются с видеокамерой и программное обеспечение собирает 3D-топографической карте. Источник белого света поставляет широкую освещенность спектра, которая помогает преодолеть "бахрома порядка" неопределенность присуща монохроматического источника. Монохроматического источника света может быть использована для получения более точного измерения мелких топографических особенностей. Пространственным разрешением, принципиально ограничены λ / 2 (числовой апертуры, NA = 1), но в большинстве случаев больше, определяется по NA объектива, который в свою очередь связан с увеличением / поля-обзора размера. Таблица 1 в работе. 1 имеет прямое сравнение всех указанных параметров. Глубина подходы разрешение ≈ 1 нм, является функцией интерферометрического характер техники. Более подробную информацию о Mirau WLI можно найти в работах. 2, 3. Внедрение на белом свете интерферометрических подхода можно найти в работе. 4.
Другие методы анализа поверхности атомная НЦВОэлектронной микроскопии (АСМ), сканирующей электронной микроскопии (SEM), и стилусом профилометрии. Техника WLI выгодно отличается от этих методов и имеет свои преимущества и недостатки, которые связаны с оптическими характер метода.
AFM способна получения 3D-изображения и, следовательно, соответствующие сечениям, но AFM имеет ограниченную способность сканирования в боковом (<100 мкм) и глубиной (<10 мкм) осями. В отличие от тех, основное преимущество WLI является гибкая поля зрения (FOV) до нескольких миллиметров с одновременным реальные возможности визуализации 3D. Кроме того, как мы покажем это имеет широкую вертикальную емкость диапазон сканирования, позволяющий решать самые разнообразные проблемы модификации поверхности просто. Исследователи, которые работали с AFM были осведомлены о проблеме с самолетом позиционирования образца при измерении длительной особенности низкой вертикальные градиенты. Вообще, можно думать о WLI / OP как "экспресс" Техника над AFM. Конечно, естьряд областей, на которые нужен только AFM подходит: при боковом функций, которые будут решены имеют характерные размеры которых меньше боковой разрешение WLI, или случаи, когда данные из WLI неоднозначно из-за неизвестных или сложных оптических свойств образца таким образом, что влияет на точность измерений (которые будут обсуждаться позже), и т.д.
SEM является мощным средством, чтобы смотреть на поверхность, будучи очень гибким с точки зрения размера FOV с большой глубиной резкости, больше, чем любой обычный оптический микроскоп может предложить. В то же время, 3D-визуализация с помощью СЭМ является громоздким, особенно, как это требует принятия стерео-пары изображений, которые затем будут преобразованы в 3D-изображений методом анаглифические, либо путем наблюдения с оптическими зрителей, или использоваться для прямого расчета глубины между различными достопримечательности на образце 5. Напротив, WLI / OP профилометрии предлагает простые в использовании 3D-реконструкция с одновременной гибкой FOV. WLI сканирует полныйВысота диапазона, необходимого для конкретного образца (от нанометров до сотен микрон). WLI не влияет на электропроводность образца материала, который может быть проблема с SEM. WLI, очевидно, не требующих вакуума. С другой стороны, есть ряд приложений, для которых SEM обеспечивает превосходную информацию: боковые функций, которые будут решены в характерные размеры ниже боковой разрешение WLI, или случаи, когда различные части образца может быть топографически отличается только тогда, когда вторичных электронов коэффициентов выбросов различаться.
Еще одна техника для поверхностного осмотра, который широко используется в вторичной ионной масс-спектрометрии 6 и в области микроэлектромеханических систем характеристика 7 является стилус профилометрии. Эта техника пользуется популярностью из-за своей простоты и надежности. Он основан на прямом механическим сканированием контакт наконечника пера над поверхностью образца. Это является грубым инструментом контакта, Который способен сканировать по одной линии одновременно. Это делает 3D-поверхности растрового сканирования изображений очень много времени. Еще один недостаток техники стилус трудности измерения поверхностных свойств высокой пропорции и размеры, сравнимые с характерным размером наконечник (субмикронных до нескольких микрон обычно), что подразумевает радиус наконечника и угол кончика иглы. Преимущество стилуса профилометрии является его нечувствительность к различным оптическим свойствам образца, которые могут повлиять на точность WLI / OP измерений (которые будут обсуждаться позже).
Поверхность карты в настоящей статье, были получены с использованием обычных Mirau типа WLI (рис. 1). Многие компании, такие как Zygo, KLA-Tencor, нанотехнологии, Zemetrics, Nanovea, FRT, Keyence, Bruker, и Тейлор Хобсон производить коммерческие настольные OP инструментов. Полученные карты были реконструированы и обрабатывается с использованием коммерческого программного обеспечения типа, который обычно используется для WLI, сканирующий электронный, оГ зондовой микроскопии. Программное обеспечение имеет возможность выполнять математические манипуляции с поверхности, сечение профиля анализ, пустота и расчет объема материала, и плоскости коррекции. Другие пакеты программного обеспечения могут автоматизировать некоторые из этих функций.
Protocol
Representative Results
Discussion
Пример 1
WLI широко не используется для поверхностной характеристикой в трибологических работы, но это на самом деле мощный метод для количественного измерения износа объемы для многих геометрии контакта. WLI производит полное 3D представление поверхности, которые могут…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Облученного образца GaAs была предоставлена Ян Цуй из Университета Иллинойса в Чикаго. Эта работа была поддержана по контракту № DE-AC02-06CH11357 между UChicago Аргон, ООО и Министерством энергетики США и НАСА с помощью грантов NNH08AH761 и NNH08ZDA001N, и Управление Автомобиль технологий Министерства энергетики США в рамках контракта DE-AC02 -06CH11357. Электронной микроскопии было сделано на электронный центр микроскопии для исследования материалов в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США Управление по науке лаборатории, выполняемых по договору DE-AC02-06CH11357 по UChicago Аргон, LLC.
Materials
| Single crystal substrates of Si, GaAs and Cu | for sputtering and ablation | ||
| Pure metal alloys | for tribology examples |
References
- 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).
