Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Charakterystyka modyfikacji powierzchni za pomocą interferometrii światła białego: zastosowania w rozpylaniu jonowym, ablacji laserowej i eksperymentach tribologicznych

15.4K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/50260

⸱

27 lutego 2013

 ,  ,  ,  ,  , 
1Materials Science Division, Argonne National Laboratory, 2Energy Systems Division, Argonne National Laboratory, 3MassThink LLC

W tym artykule

Podsumowanie

Interferometria pod mikroskopem światła białego to optyczna, bezkontaktowa i szybka metoda pomiaru topografii powierzchni. Pokazano, w jaki sposób metoda może być zastosowana do analizy zużycia mechanicznego, w której analizowane są blizny po zużyciu w próbkach badań tribologicznych; oraz w materiałoznawstwie w celu określenia objętości i głębokości rozpylania wiązką jonów lub ablacji laserowej.

Streszczenie

W materiałoznawstwie i inżynierii często konieczne jest uzyskanie ilościowych pomiarów topografii powierzchni z mikrometrową rozdzielczością poprzeczną. Na podstawie zmierzonej powierzchni można następnie analizować mapy topograficzne 3D za pomocą różnych pakietów oprogramowania w celu wyodrębnienia potrzebnych informacji.

W tym artykule opisujemy, jak interferometria światła białego i ogólnie profilometria optyczna (OP), w połączeniu z ogólnym oprogramowaniem do analizy powierzchni, mogą być wykorzystane do zadań związanych z materiałoznawstwem i inżynierią. W artykule przedstawiono szereg zastosowań interferometrii światła białego do badania modyfikacji powierzchni w spektrometrii mas oraz zjawisk zużycia w tribologii i smarowaniu. Charakteryzujemy produkty oddziaływania półprzewodników i metali z jonami energetycznymi (rozpylanie) oraz naświetlanie laserowe (ablacja), a także pomiary ex situ zużycia tribologicznych próbek do badań.

Konkretnie, omówimy:

  1. Aspekty tradycyjnej spektrometrii mas opartej na rozpylaniu jonowym, takie jak pomiary szybkości/wydajności rozpylania na Si i Cu, a następnie konwersja czasu na głębokość.
  2. Wyniki ilościowej charakterystyki oddziaływania promieniowania laserem femtosekundowym z powierzchnią półprzewodnikową. Wyniki te są ważne dla zastosowań takich jak ablacyjna spektrometria mas, w której ilość odparowanego materiału może być badana i kontrolowana za pomocą czasu trwania impulsu i energii na impuls. W ten sposób, określając geometrię krateru, można określić głębokość i rozdzielczość poprzeczną w porównaniu z eksperymentalnymi warunkami konfiguracji.
  3. Pomiary parametrów chropowatości powierzchni w dwóch wymiarach oraz ilościowe pomiary zużycia powierzchni zachodzącego w wyniku badań tarcia i zużycia.

Niektóre nieodłączne wady, możliwe artefakty i oceny niepewności podejścia interferometrycznego światła białego zostaną omówione i wyjaśnione.

Wprowadzenie

Powierzchnia materiałów stałych określa w dużym stopniu interesujące właściwości tych materiałów: elektronicznie, strukturalnie i chemicznie. W wielu dziedzinach badań należy scharakteryzować dodawanie materiału (na przykład osadzanie cienkich warstw za pomocą napylania laserowego impulsowego/magnetronowego, fizyczne/chemiczne osadzanie z fazy gazowej), usuwanie materiału (reaktywne trawienie jonowe, rozpylanie jonowe, ablacja laserowa itp.) lub niektóre inne procesy. Dodatkowo, modyfikacja powierzchni poprzez interakcję z energetycznymi impulsami świetlnymi lub naładowanymi cząstkami ma wiele zastosowań i ma fundamentalne znaczenie. Innym obszarem zainteresowań jest trybologia, czyli nauka o tarciu i zużyciu. W skali laboratoryjnej istnieje wiele geometrii testów trybologicznych. Można stosować niekonforemne geometrie kontaktowe, a kula lub cylinder mogą być przesuwane lub obracane po płaskiej powierzchni, innej kuli lub walcu przez pewien czas i mierzona jest ilość usuwanego materiału. Ponieważ blizna po zużyciu jest trójwymiarowa i ma nieregularny charakter, profilometria optyczna może być jedyną techniką odpowiednią do uzyskania dokładnych pomiarów objętości zużycia. Typowe zadania analityczne obejmują również parametry chropowatości powierzchni, wysokość stopnia, utratę objętości materiału, głębokość wykopu i tak dalej; wszystkie z nich można uzyskać dodatkowo do prostej wizualizacji topografii 2D i 3D.

Profilometria optyczna odnosi się do dowolnej metody optycznej, która jest używana do rekonstrukcji profilu powierzchni. Metody profilometryczne obejmują metody interferometryczne światła białego, laserowe lub konfokalne. Niektóre profilometry optyczne uzyskują informacje za pomocą metod opartych na konwencjonalnych obiektywach mikroskopowych z ograniczoną dyfrakcją. Na przykład laser skanujący można zintegrować z mikroskopem w celu uzyskania informacji topograficznych i prawdziwych informacji o kolorach powierzchni. Druga metoda wykorzystuje technikę, która wykorzystuje niezwykle małą głębię ostrości konwencjonalnych obiektywów do złożenia serii ostrych "wycinków obrazu" powierzchni w celu uzyskania mapy topograficznej 3D.

W tej pracy pokazujemy, jak mikroskop/profilometr interferometryczny światła białego umożliwia pomiar ilości materiału utraconego podczas procesów zużycia mechanicznego lub podczas procesów trawienia materiału, takich jak kratery rozpylania jonów lub ablacja laserowa. Najwięcej uwagi poświęcono metodologii tej metody, aby zobrazować jej dużą moc zainstalowaną, co czyni ją powszechnie dostępną i atrakcyjną dla wielu zastosowań. Większość typów WLI wykorzystuje technikę Mirau, która wykorzystuje lustro wewnątrz obiektywu mikroskopu w celu wywołania interferencji między referencyjnym sygnałem świetlnym a światłem odbitym od powierzchni próbki. Wybór interferometrii Mirau podyktowany jest prostą wygodą, ponieważ cały interferometr Mirau można zmieścić w soczewce obiektywu mikroskopu i połączyć ze zwykłym mikroskopem optycznym (ryc. 1). Seria dwuwymiarowych interferogramów jest rejestrowana za pomocą kamery wideo, a oprogramowanie składa mapę topograficzną 3D. Źródło światła białego zapewnia oświetlenie o szerokim spektrum, które pomaga przezwyciężyć niejednoznaczność "rzędu prążków" charakterystyczną dla źródła monochromatycznego. Monochromatyczne źródło światła może być użyte do uzyskania dokładniejszych pomiarów płytkich cech topograficznych. Rozdzielczość boczna jest zasadniczo ograniczona do λ/2 (apertura numeryczna, NA=1), ale w większości przypadków jest większa, określana przez NA obiektywu, co z kolei jest związane z powiększeniem/rozmiarem pola widzenia. Tabela 1 w odnośniku 1 zawiera bezpośrednie porównanie wszystkich wymienionych parametrów. Rozdzielczość głębokości zbliża się do ≈1 nm, co jest funkcją interferometrycznego charakteru techniki. Więcej informacji na temat Mirau WLI można znaleźć w Refs. 2, 3. Wprowadzenie do podejścia interferometrycznego światła białego można znaleźć w Ref. 4.

Inne metody analizy powierzchni to mikroskopia sił atomowych (AFM), skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) i profilometria rysika. Technika WLI wypada korzystnie w porównaniu z tymi metodami i ma swoje zalety i wady, które wynikają z optycznego charakteru metody.

AFM jest w stanie uzyskać obrazy 3D, a tym samym odpowiadające im przekroje, ale AFM ma ograniczoną zdolność skanowania w osiach bocznych (<100 μm) i głębokości (<10 μm). W przeciwieństwie do nich, główną zaletą WLI jest elastyczne pole widzenia (FOV) do kilku milimetrów z możliwością jednoczesnego obrazowania 3D. Ponadto, jak pokażemy, ma szeroki zakres skanowania w pionie, co pozwala w prosty sposób rozwiązywać różne problemy związane z modyfikacją powierzchni. Naukowcy, którzy pracowali z AFM, zdają sobie sprawę z problemu z pozycjonowaniem próbki w płaszczyźnie podczas pomiaru przedłużonych cech niskich gradientów pionowych. Ogólnie rzecz biorąc, można myśleć o WLI/OP jako o technice "ekspresowej" w stosunku do AFM. Oczywiście istnieje szereg obszarów, dla których nadaje się tylko AFM: gdy cechy boczne, które mają być rozwiązane, mają charakterystyczne wymiary mniejsze niż rozdzielczość poprzeczna WLI, lub przypadki, gdy dane z WLI są niejednoznaczne ze względu na nieznane lub złożone właściwości optyczne próbki w sposób, który wpływa na dokładność pomiarów (o czym będzie mowa później), itd.

SEM to potężny sposób patrzenia na powierzchnie, bardzo elastyczny pod względem rozmiaru pola widzenia z dużą głębokością ostrości, większą niż jakikolwiek konwencjonalny mikroskop optyczny może zaoferować. Jednocześnie obrazowanie 3D za pomocą SEM jest kłopotliwe, zwłaszcza że wymaga wykonywania obrazów par stereoskopowych, które następnie są przekształcane w obrazy 3D metodą anaglificzną lub poprzez obserwację za pomocą wizjerów optycznych lub wykorzystywane do bezpośredniego obliczania głębokości między różnymi interesującymi punktami na próbce. 5 Z kolei profilometria WLI/OP oferuje łatwą w użyciu rekonstrukcję 3D z jednocześnie elastycznym polem widzenia. WLI skanuje w pełnym zakresie wysokości potrzebnym dla danej próbki (od nanometrów do setek mikronów). Przewodność elektryczna materiału próbki nie ma wpływu na WLI, co może stanowić problem w przypadku SEM. WLI oczywiście nie wymaga próżni. Z drugiej strony istnieje szereg zastosowań, dla których SEM dostarcza lepszych informacji: cechy boczne, które należy rozwiązać, o wymiarach charakterystycznych poniżej rozdzielczości poprzecznej WLI, lub przypadki, w których różne części próbki można topograficznie rozróżnić tylko wtedy, gdy współczynniki emisji elektronów wtórnych są różne.

Jeszcze jedna technika kontroli powierzchni, która jest szeroko stosowana w spektrometrii mas jonów wtórnych6 i w dziedzinie charakterystyki systemów mikroelektromechanicznych7, to profilometria rysika. Ta technika jest popularna ze względu na swoją prostotę i solidność. Opiera się na bezpośrednim mechanicznym skanowaniu kontaktowym końcówki trzpienia pomiarowego nad powierzchnią próbki. Jest to narzędzie do zgrubnego kontaktu, które jest w stanie skanować wzdłuż jednej linii na raz. To sprawia, że obrazowanie rastrowe powierzchni 3D jest niezwykle czasochłonne. Kolejną wadą techniki rysika jest trudność w pomiarze cech powierzchni o wysokim współczynniku kształtu i wielkości porównywalnej z charakterystycznym rozmiarem końcówki (zwykle od submikronów do kilku mikronów), co implikuje promień końcówki i kąt wierzchołka końcówki. Zaletą profilometrii trzpieni pomiarowych jest jej niewrażliwość na zmieniające się właściwości optyczne próbki, co może mieć wpływ na dokładność pomiarów WLI/OP (o czym będzie mowa w dalszej części).

Mapy powierzchni w niniejszym artykule zostały uzyskane przy użyciu konwencjonalnego WLI typu Mirau (Rysunek 1). Wiele firm, takich jak Zygo, KLA-Tencor, nanoScience, Zemetrics, Nanovea, FRT, Keyence, Bruker i Taylor Hobson produkuje komercyjne stołowe instrumenty OP. Pozyskane mapy zostały zrekonstruowane i przetworzone przy użyciu komercyjnego oprogramowania typu powszechnie stosowanego w WLI, skaningowej mikroskopii elektronowej lub sondrowej. Oprogramowanie posiada możliwość wykonywania matematycznych manipulacji powierzchnią, analizy profilu przekroju, obliczeń pustek i objętości materiału oraz korekcji płaszczyzny. Inne pakiety oprogramowania mogą automatyzować niektóre z tych funkcji.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Wyrównanie sprzętowe dla ogólnego skanowania WLI

Aby uzyskać informacje ilościowe za pośrednictwem WLI, następujące kroki mogą służyć jako wytyczna. Zakłada się, że operator posiada podstawową wiedzę z zakresu działania interferometru. Wytyczne są wspólne niezależnie od konkretnego instrumentu. W przypadku niektórych badań próbka będzie płaska. W przypadku innych próbka może być zakrzywiona.

  1. Umieść próbkę na stoliku tak, aby element (krater rozpylony jonami, wiązka jonów/miejsce po ablacji lub blizna po noszeniu) był skierowany prosto do góry. Użyj obiektywu o małym powiększeniu i skup na nim instrument. Aby uzyskać najlepszą rozdzielczość, uzyskaj obraz, na którym obiekt zainteresowania w dużej mierze wypełnia ekran, patrz rysunek 2 dla przykładu piłki.
  2. Dostosuj pionowe położenie próbki tak, aby prążki interferencyjne pojawiały się w pobliżu interesującego elementu. W przypadku płaskiej powierzchni pożądane jest, aby próbka była nachylona w taki sposób, aby płaszczyzna była prostopadła do osi optycznej, tj. odstępy między prążkami będą duże. W przypadku zakrzywionej powierzchni (np. piłki) próbka powinna być zorientowana w taki sposób, aby prążki były umieszczone centralnie wokół elementu, tak jak na rysunku 3.
  3. Uzyskaj skan zgodnie z instrukcją instrumentu. Może być konieczne dostosowanie oświetlenia lub wysokości skanowania w celu uzyskania najlepszej mapy topograficznej. Uzupełnij wszelkie błędne lub brakujące dane za pomocą funkcji interpolacji, a następnie zapisz mapę topograficzną.

2. Analiza objętości za pomocą ogólnego oprogramowania

W trybologii, maszyny testujące często wykorzystują niekonforemne geometrie do testowania kontaktowego, takie jak kula lub cylinder, który jest przesuwany lub obracany względem płaskiego lub innego cylindra. Zazwyczaj materiał jest tracony w miejscu styku ślizgowego, chociaż czasami materiał może przenosić się z jednej powierzchni na drugą, a ta "warstwa transferowa" będzie mierzona jako nadwyżka materiału na jednej z stykających się próbek. Ponieważ blizna po zużyciu jest trójwymiarowa i ma nieregularny charakter, profilometria optyczna może być jedyną techniką odpowiednią do uzyskania dokładnych pomiarów objętości zużycia - przybliżenia nie są prawidłowe. Celem jest zmierzenie bardzo małych ilości materiału, które mogą zostać utracone (lub pozyskane) w obszarze kontaktu po zakończeniu testu.

Podstawową zasadą pomiaru jest zdefiniowanie płaszczyzny matematycznej na poziomie nienaruszonej powierzchni: oprogramowanie do analizy powierzchni zakłada, że istnieje "solidna powierzchnia" (poziom zerowy), cokolwiek powyżej tego poziomu jest "puste." Funkcja analizy, która mierzy zintegrowaną usuniętą objętość poniżej płaszczyzny "powierzchni stałej", będzie określana jako "objętość pustej przestrzeni". Funkcja, która mierzy zintegrowaną objętość powyżej płaszczyzny "powierzchni stałej" (np. nagromadzenie zanieczyszczeń) będzie nazywana "objętością materiału".

Prawdziwe, niezakłócone powierzchnie rzadko są idealnie gładkie i płaskie. Aby uzyskać największą dokładność pomiaru małych obiektów, dobrą praktyką jest zdefiniowanie obszaru zainteresowania (AOI); obszar, poza którym jest wyłączony z analizy. AOI służy do ograniczania obszaru pomiaru, ponieważ nierówności powierzchni wnoszą do obliczeń dodatkową objętość, która w rzeczywistości nie pochodzi z zakłóconego obszaru.

3. Płaska powierzchnia - analiza zużycia mechanicznego

  1. Analiza objętości płaskiej powierzchni z blizną po wykopie lub wgłębieniem, niezależnie od tego, czy jest generowana przez zużycie mechaniczne, rozpylanie wiązką jonów, czy ablację laserową, jest łatwa do przeprowadzenia. Uzyskaj obraz, taki jak Rysunek 4 po lewej, który przedstawia mechaniczną bliznę na polerowanej powierzchni stalowej. Wybierz obszar sprzedaży, który wyklucza wgłębienie, a następnie użyj dowolnej dostępnej funkcji usuwania nachylenia i/lub krzywizny, aby wyrównać niezakłóconą powierzchnię do maksymalnej płaskości. Następnie za pomocą oprogramowania ustaw średnią wysokość powierzchni na Z=0. Rycina 4 po prawej stronie to pseudokolorowy widok blizny na płaskiej powierzchni po wykonaniu tych kroków. W tym widoku wykluczona "pusta objętość" jest zabarwiona na czerwono. W tym schemacie kolorów ciemnobrązowy oznacza niskie obszary, podczas gdy pomarańczowy oznacza wysokie obszary.
  2. Usuń obszar zainteresowania. Jeśli oprogramowanie ma funkcję automatycznego pomiaru objętości, umieść obszar pomiaru nad blizną. W tym oprogramowaniu funkcja pomiarowa zliczy "pustkę i objętość materiału" pokazaną na niebiesko na rysunku 5. Całkowite zużycie to "objętość materiału" powyżej płaszczyzny odjęta od "objętości pustej przestrzeni". Jest to zmiana objętości naruszonej powierzchni. (W przypadku oprogramowania, które nie ma tej funkcji, ale ma histogram lub aby wyraźnie zobaczyć, które obszary są uniesione nad powierzchnią lub znajdują się pod powierzchnią, pomiń krok 3.2 i przejdź do kroku 3.3).

Poniższe trzy kroki opisują alternatywną metodę pomiaru objętości zużycia.

  1. Odwróć AOI z kroku 3.1, aby umożliwić analizę obszaru blizny (blizna jest teraz uwzględniona).
  2. Wygeneruj histogram danych. Histogram jest wykresem wysokości pionowej na odciętej w funkcji częstotliwości występowania na rzędnej. Umieść jeden kursor w pozycji Z=0 (Rysunek 6 po lewej). Może to nie znajdować się na szczycie histogramu. Na tym rysunku kursory zostały ustawione tak, aby selektywnie analizować tylko brakujący materiał poniżej płaszczyzny. Oprogramowanie integruje całkowitą głośność między dwoma kursorami. Obszar zabarwiony na czerwono pokazuje, co zostało pominięte. Pomarańczowe, niezabarwione obszary na rysunku 6 po prawej stronie znajdują się pod powierzchnią. Funkcja histogramu powinna wygenerować liczbę "pustej objętości" z kursorami umieszczonymi tak, jak pokazano, aby zmierzyć materiał utracony z powierzchni.
  3. Korzystając z tego samego histogramu, umieść drugi kursor tym razem w pozycji wysokości Z=0 (Rysunek 7 po lewej), a drugi na przeciwległym końcu. Pomarańczowe, niezabarwione obszary na rysunku 7 po prawej stronie znajdują się nad powierzchnią. Funkcja histogramu powinna wygenerować liczbę "objętości materiału", czyli nadwyżki materiału wyniesionej ponad płaską powierzchnię. Całkowite zużycie to "objętość materiału" odjęta od "objętości pustek", tak samo jak w kroku 3.2. Metoda histogramu powinna dać taką samą objętość zużycia, jak w kroku 3.2, ale dostarcza dodatkowych szczegółów na temat rozkładu podnoszonego i opuszczanego materiału oraz pokazuje mapę rozkładu tego obszaru.

W powyższym przykładzie nie ma straty netto materiału z powodu blizny po zużyciu, zamiast tego jest materialny zysk. Jest to nietypowe, ale czasami występuje, gdy materiał przenosi się z jednej powierzchni współpracującej z testem na drugą.

Te same podejścia do "charakteryzacji płaskiej powierzchni" są korzystne dla uzyskania objętości usuniętych w eksperymentach z rozpylaniem jonów i ablacją laserową, co zostało omówione w poniższych przykładach.

4. Płaska powierzchnia - pomiary profili kraterów i wiązki jonów w celu oszacowania wydajności rozpylania i przeprowadzenia kalibracji czasu do głębokości

Jako alternatywa dla znanej i szeroko stosowanej metody szacowania wydajności rozpylania za pomocą metody utraty masy, opartej na bezpośrednim ważeniu lub równowadze mikrokryształów kwarcu,8, 9 stwierdzamy, że metoda WLI jest przydatna do bezpośredniej wizualizacji rozpylonych miejsc/kraterów wiązki jonów uzyskanych przez statyczne rozpylanie/skanowanie rastrowe wiązki jonów. Rysunek 8 porównuje podłużne przekroje poprzeczne plamki (zielone, ciągłe i niebieskie przerywane linie) normalnie padających statycznych wiązek jonów Ar+ o natężeniu 5 keV i 150 eV z ich kraterami (oliwkowe, otwarte okręgi i cyjan otwarte diamenty) uzyskanymi przez cyfrowe skanowanie rastrowe 100×100 pikseli tej samej wiązki jonów na powierzchni monokryształu Cu(110). Krzywa odpowiadająca wiązce statycznej nakłada się na jedną krawędź krateru, aby zademonstrować, w jaki sposób skan rastrowy wiązki jonów generuje krater podczas profilowania głębokości napylania.

5. Płaska powierzchnia - charakterystyka ultraszybkiej ablacji laserowej

Ultraszybka ablacja laserowa jest uznawana za metodę usuwania materiału z ciała stałego przy jednoczesnym zminimalizowaniu strefy wpływu ciepła. 10 Proces ten umożliwia szybką mikroobróbkę z wysokimi proporcjami i minimalnymi uszkodzeniami (pękanie, utlenianie) pozostałego materiału oraz otwiera możliwość wydajnej ablacji materiałów przezroczystych. 11 Ostatnio wzrosło zainteresowanie wykorzystaniem ultraszybkiej ablacji jako narzędzia analitycznego. 12-15 Wysoka nieliniowość procesu ablacji umożliwia również zmniejszenie wielkości plamki poddanej ablacji znacznie poniżej wielkości plamki napromieniowanej (zwykle zdefiniowanej przez 1/e2), a nawet poniżej granicy dyfrakcji, jak wykazano. 16 Rozdzielczość głębokości, choć nie jest konkurencyjna w stosunku do najlepszych metod wiązki jonów, może wynosić <20 nm. Szybkość usuwania można łatwo zwiększyć nieliniowo poprzez zwiększenie fluencji lasera, dzięki czemu możliwe jest bardzo szybkie profilowanie przez mikrony materiału. Idealnie, scharakteryzowanie usuwania materiału za pomocą ultraszybkiej ablacji wymaga techniki, która jest szybka, ilościowa i dobrze skalibrowana, przy czym wszystkie cechy są spełnione przez WLI.

Rysunek 9 pokazuje pseudokolorowe obrazy dwóch sąsiednich kraterów powstałych w wyniku powtarzającej się ablacji GaAs za pomocą ultraszybkiej (60 fs, 800 nm) wiązki laserowej skupionej na rozmiarze plamki ≈8 μm i o fluencjach odpowiadających 0,4 i 1,0 J/cm2.

6. Zakrzywione powierzchnie - analiza zużycia mechanicznego

Analiza objętości zakrzywionej regularnej powierzchni (kuli lub walca) jest podobna do analizy płaskiej, ale wymaga usunięcia krzywizny. Poniższy protokół przedstawia analizę okrągłej blizny po zużyciu na stalowej kuli. Aby znaleźć objętość utraconą przez piłkę, konieczne jest wykonanie przetwarzania matematycznego w celu przekształcenia kuli o płaskiej powierzchni w płaską płaszczyznę z wgłębieniem, a następnie zmierzenie objętości wgłębienia, tak jak to zrobiono w sekcji 3 na płaskich powierzchniach. Blizna po zużyciu piłki zostanie zmierzona, najpierw za pomocą prostszej techniki automatycznej, a następnie za pomocą techniki histogramu.

  1. Rysunek 10 po lewej stronie przedstawia izometryczny widok blizny po zużyciu piłki. Wybierz AOI, który nie obejmuje blizny po zużyciu, i wybierz narzędzie do dopasowywania krzywych oprogramowania, które przekształci powierzchnię tak, aby była zużytym wgłębieniem w środku niezakłóconego płaskiego obszaru. Ponieważ usuwanie krzywizny może być techniką iteracyjną, może być konieczne kilkakrotne uruchomienie pasowania, aby niezakłócony obszar był płaski z dokładnością do poziomu nm. Wszelkie widoczne niejednorodności poza blizną po zużyciu wskazują na problem, a obliczenia nie będą prawidłowe. Ustaw średnią wysokość na zewnątrz blizny na Z=0. Rysunek 10 po prawej stronie przedstawia pseudokolorowy widok blizny po usunięciu krzywizny i ustawieniu Z=0 z AOI prawidłowo maskującym zużyty obszar.
  2. Użyj narzędzia pomiarowego, jeśli jest dostępne, aby przeanalizować zużycie, jak pokazano na rysunku 11. Całkowita objętość zużycia to "objętość materiału" odjęta od "objętości pustej przestrzeni".

Poniższe kroki opisują alternatywną metodę pomiaru objętości zużycia.

  1. W taki sam sposób, jak w kroku 3.3, odwróć AOI, aby uwzględnić bliznę po zużyciu. Wygeneruj histogram danych. Umieść jeden kursor w pozycji Z=0 (Rysunek 12 po lewej). Pomarańczowe, niezabarwione obszary na rysunku 12 po prawej stronie znajdują się pod powierzchnią. Funkcja histogramu powinna wygenerować numer "pustego woluminu".
  2. Korzystając z tego samego histogramu, umieść drugi kursor, tym razem w pozycji wysokości Z=0 (Rysunek 13 po lewej), a drugi na przeciwległym końcu. Pomarańczowe, niezabarwione obszary na rysunku 13 po prawej stronie znajdują się nad powierzchnią. Funkcja histogramu powinna wygenerować liczbę "objętość materiału". Całkowita objętość zużycia to "objętość materiału" powyżej płaszczyzny odjęta od "objętości pustek", tak samo jak w kroku 3.2. Metoda histogramu powinna obliczać taką samą objętość zużycia, jak w kroku 6.2, ale dostarcza dodatkowych szczegółów na temat rozkładu podnoszonego i opuszczanego materiału oraz pokazuje mapę rozkładu tego obszaru.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Układ mikroskopowy z wyświetlaczem komputera prezentującym analizę danych topograficznych i wyniki badania powierzchni.
Rysunek 1. Zdjęcie prostego profilometru użytego w niniejszym badaniu: na zdjęciu widoczna jest wielopozycyjna rewolwerowa głowica z obiektywami. Dwa obiektywy są standardowe (10x i 50x), a dwa to obiektywy Mirau (10x i 50x). Mikrosko...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Przykład 1

WLI nie jest powszechnie stosowana do charakterystyki powierzchni w badaniach trybologicznych, lecz w rzeczywistości stanowi potężną metodę ilościowego pomiaru objętości zużycia dla wielu geometrii kontaktu. WLI generuje pełną reprezentację 3D powierzchni, która może być analizowana za pomocą dowolnego z kilku pakietów oprogramowania do wizualizacji. Pakiety te umożliwiają wykonywanie różnych rodzajów pomiarów. Aby uzyskać większą rozdzielczość boczną, obrazy można „zszywać”, tworząc i...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Podziękowania

Próbka napromieniowanego GaAs została dostarczona przez Yang Cui z University of Illinois w Chicago. Prace te były wspierane w ramach umowy nr DE-AC02-06CH11357 pomiędzy UChicago Argonne, LLC a Departamentem Energii Stanów Zjednoczonych oraz przez NASA poprzez granty NNH08AH761 i NNH08ZDA001N oraz Biurem Technologii Pojazdów Stanów Zjednoczonych Departament Energetyki w ramach umowy DE-AC02-06CH11357. Mikroskopia elektronowa została wykonana w Centrum Mikroskopii Elektronowej do Badań Materiałowych w Argonne National Laboratory, laboratorium Biura Nauki Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, działającym w ramach kontraktu DE-AC02-06CH11357 przez UChicago Argonne, LLC.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Podłoża monokrystaliczne Si, GaAs i Cu do rozpylania i ablacji
Przykłady czystych stopów do tribologii
metali

Bibliografia

  1. 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).
  2. Cheng, Y. -Y., Wyant, J. C. Multiple-wavelength phase-shifting interferometry. Appl. Opt. 24, 804-807 (1985).
  3. Kino, G. S., Chim, S. S. C. Mirau correlation microscope. Appl. Opt. 29, 3775-3783 (1990).
  4. Wyant, J. C. White light interferometry. Proc. SPIE. 4737, 98-107 (2002).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Andersen, H. H., Bay, H. L. Sputtering yield measurements. Topics in Applied Physics. Behrisch, R. 47: Sputtering by Particle Bombardment, Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg. 145-218 (1981).
  9. Wu, S. -M., de Kruijs, R. van, Zoethout, E., Bijkerk, F. Sputtering yields of Ru, Mo, and Si under low energy Ar+ bombardment. J. Appl. Phys. 106, 054902(2009).
  10. Liu, X., Du, D., Mourou, G. Laser ablation and micromachining with ultrashort laser pulses. IEEE J. Quantum Electron. 33, 1706-1716 (1997).
  11. Gattass, R. R., Mazur, E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials. Nature Photonics. 2, 219-225 (2008).
  12. Russo, R. E., Mao, X., Gonzalez, J. J., Mao, S. S. Femtosecond laser ablation. ICP-MS. J. Anal. At. Spectrom. 17, 1072-1075 (2002).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Coello, Y., Jones, A. D., Gunaratne, T. C., Dantus, M. Atmospheric pressure femtosecond laser imaging mass spectrometry. Anal. Chem. 82, 2753-2758 (2010).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Devillez, A., Lesko, S., Mozer, W. Cutting tool crater wear measurement with white light interferometry. Wear. 256, 56-65 (2004).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Wittmaack, K. Analytical description of the sputtering yields of silicon bombarded with normally incident ions. Phys. Rev. B. 68, 235211-23 (2003).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Roosendaal, H. E. Sputtering yields of single crystalline targets. Topics in Applied Physics. ed, I. .,B. ehrisch,R. ., 47: Sputtering by Particle Bombardment, Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg. 219-256 (1981).
  29. 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).
  30. 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).
  31. James Ziegler - SRIM & TRIM [Internet]. , Available from: http://www.srim.org/ (2011).
  32. Moller, W., Eckstein, W. Tridyn - A TRIM simulation code including dynamic composition changes. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2, 814-818 (1984).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Nakles, M. R. Experimental and Modeling Studies of Low-Energy Ion Sputtering for Ion Thrusters [dissertation]. , Virginia Polytechnic Institute and State University. 1-129 (1988).
  37. 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).
  38. Kozole, J., Wucher, A., Winograd, N. Energy deposition during molecular depth profiling experiments with cluster ion beams. Anal. Chem. 80, 5293-5301 (2008).
  39. Linde, D. vonder, Sokolowski-Tinten, K. The physical mechanisms of short-pulse laser ablation. Appl. Surf. Sci. 154-155, 1-10 (2000).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. Harasaki, A., Schmit, J., Wyant, J. C. Offset of coherent envelope position due to phase change on reflection. Appl. Opt. 40, 2102-2106 (2001).
  44. Luttge, A., Arvidson, R. S. Reactions at surfaces: A new approach integrating interferometry and kinetic simulations. J. Am. Ceram. Soc. 93, 3519-3530 (2010).
  45. Conroy, M., Mansfield, D. Scanning interferometry: Measuring microscale devices. Nature Photonics. 2, 661-663 (2008).
  46. Harasaki, A., Wyant, J. C. Fringe modulation skewing effect in white-light vertical scanning interferometry. Appl. Opt. 39, 2101-2106 (2000).
  47. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Profilometria optycznatopografia powierzchnichropowatość powierzchnianaliza zużyciageometria krateruprofilowanie głębokości
Charakterystyka modyfikacji powierzchni za pomocą interferometrii światła białego: zastosowania w rozpylaniu jonowym, ablacji laserowej i eksperymentach tribologicznych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.