通过白光干涉术表征表面改性：在离子溅射、激光烧蚀和摩擦学实验中的应用

摘要

白光显微干涉测量法是一种光学、非接触式且快速的表面形貌测量方法。本文展示了该方法在机械磨损分析中的应用，可用于分析摩擦学测试样品上的磨损痕迹；同时在材料科学中用于测定离子束溅射或激光烧蚀的体积和深度。

摘要

在材料科学与工程领域，通常需要获得具有微米级横向分辨率的表面形貌定量测量数据。通过对测得的表面进行分析，可利用多种软件包进一步处理三维形貌图，以提取所需信息。

本文介绍了白光干涉术以及广义的光学轮廓术（OP）如何结合通用表面分析软件，应用于材料科学与工程领域。本文展示了白光干涉术在质谱分析中表面改性研究以及摩擦学和润滑领域磨损现象研究中的若干应用。我们对半导体和金属与高能离子（溅射）以及激光辐照（烧蚀）相互作用的产物进行了表征，并对摩擦学试样磨损情况进行了离位（ex situ）测量。

具体而言，我们将讨论以下内容：

1. 基于离子溅射的传统质谱技术的若干方面，例如在硅（Si）和铜（Cu）上进行的溅射速率/产额测量，以及相应的时间-深度转换。
2. 飞秒激光辐照与半导体表面相互作用的定量表征结果。这些结果对于诸如消融质谱等应用具有重要意义，因为在这些应用中，可通过脉冲持续时间和单脉冲能量来研究并控制蒸发材料的量。因此，通过确定 crater 的几何形貌，可明确深度和横向分辨率随实验条件的变化关系。
3. 二维表面粗糙度参数的测量，以及摩擦与磨损试验所导致表面磨损的定量测量。

将讨论并解释白光干涉测量法存在的一些固有缺点、可能产生的伪影以及不确定性评估。

引言

固体材料的表面在很大程度上决定了这些材料在电子、结构和化学方面的关键性质。在许多研究领域中，需要对材料的添加（例如通过脉冲激光/磁控溅射沉积、物理/化学气相沉积制备薄膜）、材料的去除（如反应离子刻蚀、离子溅射、激光烧蚀等）或其他某些工艺过程进行表征。此外，通过高能光脉冲或带电粒子与材料表面相互作用实现的表面改性具有广泛的应用价值，并具有重要的基础研究意义。摩擦学作为研究摩擦与磨损的学科，是另一个备受关注的研究领域。在实验台尺度上，存在多种摩擦学测试构型。可采用非共形接触构型，将一个球体或圆柱体在平坦表面、另一个球体或圆柱体上滑动或旋转一定时间，然后测量被移除材料的量。由于磨损痕迹具有三维且不规则的特性，光学轮廓测量法可能是唯一适用于精确测定磨损体积的技术。常见的分析任务还包括表面粗糙度参数、台阶高度、材料体积损失、沟槽深度等；这些参数均可在获得简单的二维和三维形貌图像的同时一并获取。

光学轮廓测量法是指用于重建表面轮廓的任何光学方法。轮廓测量方法包括白光干涉法、激光法或共聚焦法。一些光学轮廓仪通过基于传统衍射极限显微镜物镜的方法获取信息。例如，可将扫描激光器与显微镜结合，以获取表面的形貌和真实颜色信息。第二种方法利用传统物镜极小的焦深特性，通过组合一系列表面的“在焦图像切片”，重建出三维形貌图。

在本研究中，我们展示了如何利用白光干涉显微镜/轮廓仪来测量在机械磨损过程或材料刻蚀过程（如离子溅射坑或激光烧蚀）中损失的材料量。本文重点关注该方法的方法学，以说明其广泛的应用潜力和较高的可及性，因而适用于多种应用场景。大多数类型的白光干涉仪采用Mirau技术，该技术利用物镜内部的反射镜，使参考光信号与样品表面反射光之间产生干涉。选择Mirau干涉技术主要出于操作上的简便性，因为整个Mirau干涉仪可集成于显微镜物镜内部，并与常规光学显微镜耦合（图1）。通过视频相机采集一系列二维干涉图，软件可将其合成为三维形貌图。白光光源提供宽谱照明，有助于克服单色光源固有的“条纹级次”模糊问题。在测量较浅的表面形貌特征时，也可使用单色光源以获得更高的测量精度。横向分辨率从根本上受限于λ/2（数值孔径NA=1），但在大多数情况下，分辨率更大，具体取决于物镜的数值孔径（NA），而NA又与放大倍数/视场大小相关。参考文献1中的表1对上述各项参数进行了直接比较。由于该技术的干涉特性，其深度分辨率可达≈1 nm。有关Mirau白光干涉技术的更多详细信息可参见参考文献2和3。白光干涉方法的入门介绍可参见参考文献4。

表面分析的其他方法包括原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）和触针式轮廓仪。白光干涉（WLI）技术与这些方法相比具有优势，同时因其光学特性也存在自身的优缺点。

原子力显微镜（AFM）能够获取三维图像以及相应的截面图，但其在横向（<100 μm）和深度方向（<10 μm）上的扫描范围有限。相比之下，白光干涉术（WLI）的主要优势在于其灵活的视场（FOV），最大可达数毫米，同时具备真正的三维成像能力。此外，正如我们将要展示的，WLI具有宽广的垂直扫描范围，可简便地解决多种表面改性相关问题。使用AFM的研究人员都了解，在测量具有低垂直梯度的长程结构时，样品的平面定位存在困难。通常而言，可以将WLI/OP视为一种相对于AFM的“快速”技术。当然，也存在一些仅适用于AFM的领域：例如，当需要分辨的横向特征尺寸小于WLI的横向分辨率时，或由于样品具有未知或复杂的光学性质，导致WLI数据出现歧义并影响测量精度的情况（将在后文讨论）等。

扫描电子显微镜（SEM）是一种观察表面的强有力方法，其视野（FOV）尺寸灵活，且具有比任何传统光学显微镜更大的焦深。然而，通过SEM进行三维成像较为繁琐，尤其需要采集立体图像对，再通过立体图像法（anaglyphic method）转换为三维图像，或借助光学观察器进行观察，或用于直接计算样品上不同兴趣点之间的深度差。⁵ 相比之下，白光干涉/光学轮廓术（WLI/OP）可实现易于使用的三维重建，同时具备灵活的视野（FOV）。WLI可扫描特定样品所需的整个高度范围（从纳米级到数百微米）。WLI不受样品材料电导率的影响，而这一点在SEM中可能成为问题。WLI显然无需真空环境。然而，对于某些应用，SEM仍能提供更优越的信息：例如，当需要分辨的横向特征尺寸小于WLI的横向分辨率时，或当样品的不同部分仅在二次电子发射系数存在差异时才能在形貌上加以区分的情况下。

另一种用于表面检测的技术是触针式轮廓测量法，该技术在二次离子质谱⁶和微机电系统表征领域⁷中被广泛使用。该方法因其简单性和稳定性而受到青睐。其原理是通过触针尖端与样品表面直接接触并进行机械扫描。这是一种较为粗糙的接触式工具，每次只能沿一条直线进行扫描，因此实现三维表面光栅扫描成像极为耗时。触针法的另一个缺点是难以测量具有高深宽比、且尺寸与其特征性针尖尺寸（通常为亚微米至数微米）相当的表面结构，这涉及针尖半径和针尖顶角参数。触针式轮廓测量法的一个优点是其对样品光学性质变化不敏感，而光学性质的变化可能会影响白光干涉/光学轮廓测量（WLI/OP）结果的准确性（将在后文讨论）。

本文中的表面形貌图是使用传统的Mirau型白光干涉仪（WLI）获得的（图1）。许多公司，如Zygo、KLA-Tencor、nanoScience、Zemetrics、Nanovea、FRT、Keyence、Bruker和Taylor Hobson，均生产商用台式光学轮廓仪（OP）仪器。所获取的形貌图采用商业软件进行重建和处理，这类软件通常也用于白光干涉、扫描电子显微或探针显微技术。该软件具备对表面进行数学运算、截面轮廓分析、空隙与材料体积计算以及平面校正的功能。其他软件包可能对其中部分功能实现自动化。

方案

1. 一般白光干涉扫描的硬件对准

为了通过白光干涉术（WLI）获得定量信息，可遵循以下步骤。假设操作者已具备干涉仪操作的基本知识。无论具体使用何种仪器，这些指南均具有通用性。在某些研究中，样品为平面；而在其他研究中，样品可能为曲面。

1. 将样品放置在载物台上，使待测特征（离子溅射坑、离子束/激光烧蚀点或磨损痕迹）朝上。使用低倍物镜，并将仪器聚焦于该特征上。为获得最佳分辨率，应获取一幅使目标物体几乎充满整个屏幕的图像，参见图2中的球体示例。
2. 调节样品的垂直位置，使干涉条纹出现在目标特征附近。对于平面样品，应适当倾斜样品，使其表面与光轴垂直，即干涉条纹间距较大为宜。对于曲面样品（例如球体），应调整样品方向，使干涉条纹围绕目标特征居中分布，如图3所示。
3. 根据仪器操作说明进行扫描。可能需要调节照明或扫描高度，以获得最佳的表面形貌图。使用插值功能填补任何异常或缺失的数据，然后保存表面形貌图。

2. 使用通用软件进行体积分析

在摩擦学中，试验机通常采用非共形接触的测试构型，例如将一个球体或圆柱体在平面或其他圆柱体上滑动或旋转。通常情况下，滑动接触点处会发生材料损失，但有时材料也可能从一个表面转移到另一个表面，这种“转移层”会被测量为其中一个接触试样表面的材料过剩。由于磨损痕迹具有三维性和不规则性，表面轮廓光学测量法可能是唯一适用于获得精确磨损体积测量结果的技术——近似估算方法不可取。其目标是在试验结束后，测量接触区域中可能损失（或增加）的极微量材料。

测量的基本原理是在未受扰动的表面水平上定义一个数学平面：表面分析软件假设存在一个“固体表面”（零水平），该水平以上的任何部分均为“空”。用于测量“固体表面”平面以下被移除体积总和的分析功能称为“空体积”。用于测量“固体表面”平面以上体积总和的功能例如 将被称为“物质体积”的区域会积聚碎屑。

真实的未受扰动表面很少完全光滑和平整。为了更精确地测量微小特征，最好定义一个感兴趣区域（AOI），即排除在分析范围之外的区域。使用AOI是为了限制测量区域，因为表面的不规则性会向计算中引入额外的体积，而这些体积并非真正来自受扰动的区域。

3. 平面 - 机械磨损分析

1. 对于由机械磨损、离子束溅射或激光烧蚀产生的表面沟槽疤痕或凹陷的体积分析，操作十分简便。获取一幅类似图4左侧所示的图像，该图展示了一个抛光钢表面的机械划痕。选择一个排除凹陷区域的兴趣区域（AOI），然后使用软件中可用的倾斜和/或曲率校正功能，将未受扰动的表面调整至最大程度的平整。接着使用软件将平均表面高度设为 Z=0。图4右侧即为完成上述步骤后平坦表面上划痕的伪彩色视图。在此视图中，被排除的“空缺体积”以红色着色。在此配色方案中，深棕色表示低区域，橙色表示高区域。
2. 删除兴趣区域（AOI）。如果软件具备自动体积测量功能，则在划痕区域上放置一个测量区域。在本软件中，测量功能将统计以蓝色着色显示的“空缺体积与材料体积”（见图5）。总磨损量等于平面上方的“材料体积”从“空缺体积”中扣除后的结果，即为受扰动表面的体积变化。（若所用软件不具备此功能但提供直方图功能，或需清晰显示哪些区域高于或低于表面，则跳过步骤3.2，直接进入步骤3.3。）

以下三个步骤描述了一种测量磨损体积的替代方法。

3. 将步骤3.1中的AOI翻转，以使瘢痕区域能够被分析（此时瘢痕区域已被包含）。
4. 生成数据的直方图。直方图是横轴表示垂直高度、纵轴表示出现频率的图形。将一个光标置于 Z=0 位置（图6 左侧）。这可能不在直方图的峰值处。在本图中，光标已设置为仅选择性分析平面下方缺失的材料。软件会积分两个光标之间的总体积。红色着色区域表示被忽略的部分。橙色无着色区域表示 图6 右侧位于表面下方。应使用直方图功能，在光标按图示位置放置时生成一个“空体积”数值，以测量表面损失的材料量。
5. 使用同一张直方图，此次将另一个光标放置在 Z=0 高度位置（图7 左侧）以及另一端的对侧位置。橙色无着色区域在 图7 右侧位于表面之上。直方图函数应生成一个“材料体积”数值， 即 高出平面表面的多余材料。总磨损量为“材料体积”减去“空隙体积”，与步骤3.2中的计算方法相同。直方图法应得出与步骤3.2相同的磨损体积，但可提供有关材料升高与降低区域分布的额外细节，并显示该区域分布的图谱。

在上述示例中，磨损痕迹处没有净材料损失，反而出现了材料增加。这种情况较为罕见，但有时会因材料从一个试验对磨面转移到另一个对磨面而发生。

相同的“平面表面表征”方法有助于获取后续示例中离子溅射和激光烧蚀实验所去除的体积。

4. 平面表面——通过测量撞击坑和离子束轮廓来估算溅射产额并进行深度-时间校准

作为已知且广泛使用的溅射产额估算方法（基于直接称重或石英微晶天平的质量损失法）^{8, 9}的替代方案，我们发现白光干涉测量法（WLI）可用于直接可视化静态溅射或离子束光栅扫描所产生的溅射离子束斑/坑洞。 图8 对比了垂直入射的静态5 keV和150 eV Ar⁺离子束在Cu(110)单晶表面形成的束斑（绿色实线和蓝色虚线）与其通过100×100像素数字光栅扫描同一离子束所获得的坑洞（橄榄色空心圆和青色空心菱形）的纵向截面。静态束对应的曲线与坑洞的一侧边缘重叠，以展示在溅射深度剖析过程中离子束的光栅扫描如何形成该坑洞。

5. 平面 - 超快激光烧蚀的表征

超快激光烧蚀被认为是一种在最小化热影响区的情况下从固体中去除材料的方法。¹⁰ 该过程能够实现高速率、高深宽比的微加工，并对剩余材料造成极小的损伤（如开裂、氧化），同时为透明材料的高效烧蚀提供了可能。¹¹ 近年来，人们逐渐开始关注将超快烧蚀用作一种分析工具。^12-15 烧蚀过程的高度非线性特性还能够显著减小烧蚀斑点尺寸，使其远小于辐照光斑尺寸（通常以1/e²定义），甚至可突破衍射极限，这一点已有实验证明。¹⁶ 尽管其深度分辨率尚无法与最优的离子束方法相媲美，但仍可达到<20 nm。通过提高激光注量，可非线性地显著提升材料去除速率，从而实现对数微米厚材料的快速深度剖析。理想情况下，对超快激光烧蚀材料去除过程的表征需要一种快速、定量且经过良好校准的技术，而白光干涉测量法（WLI）恰好满足上述所有要求。

图9 显示了用超快激光（60 fs，800 nm）聚焦至光斑尺寸后对GaAs进行重复烧蚀所形成的两个相邻陨石坑的伪彩色图像 ≈8 μm，且能量密度对应为 0.4 和 1.0 J/cm².

6. 曲面 - 机械磨损分析

对曲面规则表面（如球体或圆柱体）进行体积分析与对平面的分析类似，但需要先去除曲率。以下方案展示了对钢球上圆形磨损痕迹的分析过程。为了计算球体损失的体积，必须进行数学处理，将带有平坦区域的球体转换为具有凹陷的平面，然后像第3节中对平面表面所做的那样，测量该凹陷的体积。球体上的磨损痕迹将先后采用较简单的自动技术以及直方图技术进行测量。

1. 图10 左侧显示了球体上一个磨损痕迹的等轴测视图。选择一个排除磨损痕迹的感兴趣区域（AOI），并选择软件中的曲线拟合工具，以对表面进行变换，使其在未受干扰的平坦区域中央形成一个磨损凹陷。由于曲率去除可能是一种迭代技术，因此可能需要多次运行拟合，以确保未受干扰区域的平坦度达到纳米级精度。在磨损痕迹以外的区域中任何可见的不均匀性均表明存在问题，此时计算结果将不准确。将磨损痕迹外部区域的平均高度设为 Z=0。图10 右侧显示了在去除曲率并设置 Z=0 后，通过适当掩膜覆盖磨损区域所得的伪彩色视图。
2. 如有可用的测量工具，可使用该工具分析磨损情况，如图11所示。总磨损体积为“空洞体积”减去“材料体积”。

以下步骤描述了一种测量磨损体积的替代方法。

3. 与步骤 3.3 同样方式，翻转 AOI 以包含磨损痕迹。生成数据的直方图。将一个光标置于 Z=0 位置（图 12 左图）。图 12 右图中的橙色无色调区域位于表面以下。直方图功能应生成一个“空腔体积”数值。
4. 使用相同的直方图，此次将另一个光标置于 Z=0 高度位置（图 13 左图），另一个光标置于另一端。图 13 右图中的橙色无色调区域位于表面以上。直方图功能应生成一个“材料体积”数值。总磨损体积为平面上方的“材料体积”从“空腔体积”中减去所得的值，与步骤 3.2 中相同。直方图方法应计算出与步骤 6.2 相同的磨损体积，但它提供了关于隆起和凹陷材料分布的额外细节，并显示该区域分布的图谱。

结果

图1. 本研究中使用的一种简易轮廓仪照片：图中可见多物镜转盘。其中两个为标准物镜（10× 和 50×），另两个为Mirau物镜（10× 和 50×）。该显微镜具备中间放大功能，可选择逐步放大的倍率系数，分别为 0.62、1.00、1.25 或 2.00。 点击此处查看大图。

讨论

示例 1

白光干涉术（WLI）在摩擦学领域的表面表征中尚未广泛应用，但实际上，它是一种适用于多种接触几何形态下磨损体积定量测量的强有力方法。WLI可生成表面的完整三维形貌图，该图可通过多种可视化软件包进行分析。这些软件包支持执行各类测量。为获得更高的横向分辨率，可将多幅图像“拼接”起来，以获取大范围区域（数毫米）的信息， μm 分辨率

对于非摩擦学研究，白光干涉术（WLI）可用于测量使用原子力显微镜（AFM）或其他接触式方法难以测量的表面特征。Fu et al. 研究了镓离子束参数对硅表面微加工的影响。虽然使用AFM测量了表面轮廓，但由于AFM悬臂探针的垂直测量范围有限，且在测量较深凹坑时探针会造成损伤，结果受到限制。相比之下，研究人员发现WLI在测量较大深度时更为有效，既能保持表面特征的完整性，又能轻松测量垂直侧壁。¹⁷

在摩擦学中，分析软件可提取磨损表面的统计表面粗糙度参数，这些参数可与摩擦学过程生成的表面形貌解析模型进行比较。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
用于溅射和烧蚀的 Si、GaAs 和 Cu 单晶基底			用于溅射和烧蚀
纯金属合金			用于摩擦学示例