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

Summary

Weiß Lichtmikroskop Interferometrie ist eine optische, berührungslose und schnelle Methode zur Messung der Topographie von Oberflächen. Es wird gezeigt, wie das Verfahren zur mechanischen Verschleiß Analyse, wo Narben auf tribologische Proben analysiert werden tragen können angewendet werden, und in den Materialwissenschaften zur Ionenstrahlsputtern oder Laserablation Volumen und Tiefe zu bestimmen.

Abstract

In Materialwissenschaften und Ingenieurwesen ist es oft notwendig, quantitative Messungen der Oberflächentopographie mit Mikrometer laterale Auflösung zu erhalten. Aus der gemessenen Oberfläche kann 3D topographische Karten anschließend analysiert werden mit einer Vielzahl von Software-Paketen, um die Informationen, die benötigt wird, zu extrahieren.

In diesem Artikel werden wir, wie Weißlicht-Interferometrie und optische Profilometrie (OP) in der Regel mit generischen Oberfläche Analyse-Software kombiniert beschreiben, können für Werkstoffkunde und Werkstofftechnik Aufgaben verwendet werden. In diesem Artikel werden eine Reihe von Anwendungen der Weißlicht-Interferometrie zur Untersuchung von Oberflächenmodifikationen in der Massenspektrometrie und Abnutzungserscheinungen in der Tribologie und Schmierung demonstriert. Wir charakterisieren die Produkte der Wechselwirkung von Halbleitern und Metallen mit energiereichen Ionen (Sputtern) und Laserbestrahlung (Ablation) sowie ex-situ Messungen der Verschleiß der tribologischen Probekörpern. Insbesondere werden wir diskutieren:

1. Aspekte der traditionellen Ionenzerstäubung basierenden Massenspektrometrie wie Sputterraten / Ausbeuten Messungen an Si und Cu und nachfolgenden Zeit-zu-Tiefe-Konvertierung.
2. Ergebnisse der quantitativen Charakterisierung der Wechselwirkung von Femtosekunden Laserbestrahlung mit einer Halbleiter-Oberfläche. Diese Ergebnisse sind für Anwendungen wie Ablation Massenspektrometrie, wobei sich die Mengen des verdampften Materials untersucht und kann über Pulsdauer und Energie pro Impuls gesteuert werden wichtig. Somit kann durch die Bestimmung der Geometrie ein Krater definieren Tiefe und seitliche Auflösung gegenüber Versuchsaufbau Bedingungen.
3. Messungen der Oberflächenrauhigkeit Parameter in zwei Dimensionen und quantitative Messungen der Oberfläche tragen, die als ein Ergebnis von Reibung und Verschleiß auftreten Tests.

Einige inhärente Nachteile, mögliche Artefakte und Unsicherheit Einschätzungen des weißen LichtsInterferometrie Ansatz wird diskutiert und erläutert werden.

Introduction

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.

Protocol

Ein. Hardware Alignment für General WLI Scan

Um quantitative Informationen über WLI erhalten, können die folgenden Schritte als Richtlinie dienen. Es wird angenommen, dass der Bediener Grundkenntnisse Interferometer Operation hat. Die Richtlinien sind häufig unabhängig von der jeweiligen Instrument. Bei einigen Untersuchungen wird die Probe flach sein. Für andere kann die Probe gebogen sein.

1. Legen Sie die Probe auf der Bühne mit dem Feature (Ionen gesputtert Krater, Ionenstrahl / abgetragenen Stelle, oder tragen Narbe) nach gerade nach oben. Verwenden Sie eine niedrige vergrößerndes Objektiv und fokussieren Sie das Gerät auf sie. Für beste Auflösung zu erhalten ein Bild, in dem das Objekt des Interesses weitgehend füllt den Bildschirm, siehe Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für eine Kugel.
2. Einstellen der vertikalen Position der Probe, so dass Interferenzstreifen in der Nähe des interessierenden Merkmals angezeigt. Für eine ebene Fläche ist es wünschenswert, dass die Probe geneigt ist, daß die Ebene ist perpendicular zur optischen Achse, dh der Streifenabstand groß sein wird. Für eine gekrümmte Oberfläche (zB eine Kugel), sollte die Probe so orientiert sein, dass die Fransen zentral um die Funktion befindet, wie in 3.
3. Besorgen Sie sich einen Scan nach den Geräteanleitung. Es kann notwendig sein, um die Beleuchtungs-oder Scan Höhe einzustellen, um das beste topographische Karte zu erhalten. Füllen Sie die fehlerhafte oder fehlende Daten über die Interpolation Funktion und speichern Sie dann die topographische Karte.

2. Volume Analysis Using Generic Software

In der Tribologie, Prüfmaschinen verwenden oft nicht-konformen Kontakt Testen Geometrien wie beispielsweise eine Kugel oder ein Zylinder, verschoben oder gedreht wird, gegen eine ebene oder eine andere Zylinder. Typischerweise wird das Material an der Stelle der Gleitberührung verloren, obwohl manchmal Material von einer Oberfläche zur anderen übertragen kann, und diese "Übertragungslage" wird ein Überschuss von Material auf über messendene der Kontaktierung Proben. Weil die Verschleißnarbe ist dreidimensional und unregelmäßig in der Natur können optische Profilometrie die einzige Technik geeignet zum Erhalten genauer Verschleißvolumen Messungen sein - Näherungen sind ungültig. Das Ziel besteht darin, die sehr geringe Mengen an Material, das verloren gehen (oder gewonnen) im Kontaktierungsbereich werden kann bei der Beendigung eines Tests zu messen.

Das Grundprinzip der Messung ist, eine mathematische Ebene auf der Ebene der ungestörten Oberfläche zu definieren: Oberflächenanalyse Software annimmt, dass es einen "festen Oberfläche" (Null-Pegel), was über diesem Niveau "leer". Die Analyse-Funktion, die den integrierten Volumen misst entfernt unterhalb der Ebene der "festen Oberfläche" wird hiernach als "Hohlraumvolumen". Die Funktion, die integrierte Volumen oberhalb der Ebene der "festen Oberfläche" (zB eine Ansammlung von Schmutz) misst wird als "Materialvolumen" werden.

Echte ungestörten Flächen are selten ganz glatt und flach. Für die größte Genauigkeit bei der Messung kleiner Merkmale ist es gute Praxis, um einen Bereich von Interesse (AOI) definieren; der Bereich außerhalb von denen aus der Analyse ausgeschlossen. Die AOI wird verwendet, um den Messbereich einzuschränken, da Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche Zusatzvolumen tragen zu den Berechnungen, die nicht wirklich aus dem Störbereich.

3. Flache Surface - Mechanische Wear Analysis

1. Band Analyse einer flachen Oberfläche mit einem Graben Narbe oder Depression, sei es durch mechanische Abnutzung, Ionenstrahlsputtern, Laserablation oder erzeugt wird, ist einfach durchzuführen. Erhalten Sie ein Bild wie in Abbildung 4 links, die eine mechanische Narbe auf einer polierten Edelstahl Oberfläche zeigt. Wählen Sie ein AOI, die die Depression schließt und dann verwenden, was Neigung und / oder Krümmung Entfernen-Funktion zur Verfügung, um die ungestörte Oberfläche, um maximale Planheit Ebene ist. Dann nutzen Sie die Software, um die durchschnittliche Oberflächentemperatur Höhe Z = gesetzt0. Abbildung 4 rechts ist ein Pseudo Ansicht einer Narbe auf einer ebenen Fläche nach diesen Schritten. In dieser Ansicht ist die Ausgeschlossenen "Hohlraumvolumen" ist rot eingefärbt. In diesem Farbschema bezeichnet die dunkelbraune niedrigen Bereichen, während Orange steht für hohe Bereiche.
2. Löschen Sie die AOI. Wenn die Software eine automatisierte Volumen Messfunktion, legen Sie eine Region der Messung über die Narbe. In dieser Software wird die Messfunktion tally die "void und Material Band" mit blauer Tönung in Abbildung 5 dargestellt. Insgesamt Verschleiß "Material Band" oberhalb der Ebene subtrahiert "Hohlraumvolumen." Dies ist die Volumenänderung der gestörte Oberfläche. (Für Software, die nicht über diese Funktion, aber ein Histogramm haben, oder klar zu visualisieren, welche Bereiche über der Oberfläche angehoben oder unterhalb der Oberfläche, überspringen Sie Schritt 3,2 und gehen bis 3,3 fort.)

Die folgenden drei Schritte beschreiben ein alternatives Verfahren zum Messen Verschleißvolumen.

3. Kehren Sie die AOIvon Schritt 3,1, damit die Narbe Region analysiert (die Narbe ist jetzt im Lieferumfang enthalten).
4. Generieren eines Histogramms von den Daten. Das Histogramm ist eine graphische Darstellung der vertikalen Höhe auf der Abszisse gegen die Häufigkeit des Auftretens auf der Ordinate. Setzen Sie einen Cursor auf der Z = 0-Stellung (Abbildung 6 links). Dies kann nicht an der Spitze des Histogramms ist. In dieser Figur ist die Cursor wurden bis selektiv analysieren nur das fehlende Material unterhalb der Ebene gesetzt. Die Software integriert das Gesamtvolumen zwischen den beiden Cursorn. Die rote getönte Bereich zeigt, was weggelassen wird. Die orange ungefärbten Bereiche in Abbildung 6 rechts unterhalb der Oberfläche. Das Histogramm Funktion sollte erzeugen einen "Hohlraumvolumen"-Nummer mit den Cursor positioniert ist, wie gezeigt, um das Material von der Oberfläche verloren messen.
5. Mit der gleichen Histogramm, platzieren Sie den anderen Cursor diesmal am Z = 0 Höhenposition (Abbildung 7 links), und der andere auf der gegenüberliegenden Seite. Die orange ungefärbten Bereichen dh überschüssige Material oberhalb der flachen Oberfläche. Insgesamt Verschleiß "Material Band" subtrahiert "Hohlraumvolumen," das gleiche wie in Schritt 3.2. Das Histogramm Methode sollte das gleiche Verschleißvolumen wie in Schritt 3.2, aber es stellt zusätzliche Angaben über die Verteilung der angehoben und abgesenkt Material und zeigt eine Karte der Verteilung der diesem Bereich.

Im obigen Beispiel gibt es keine Netto-Material aus dem Verschleißnarbe verloren, stattdessen gibt es materiellen Gewinn. Das ist ungewöhnlich, aber manchmal geschieht, wenn das Material überträgt von einem Test Gegenfläche zum anderen.

Die gleichen "flache Oberfläche Charakterisierung" Ansätze sind vorteilhaft zur Erzielung Volumina in Experimenten mit Ionenzerstäubung und Laserablation, in den folgenden Beispielen als entfernt.

4. Flache Surface - Krater und Ion Beam ProDateien Maße zu schätzen Sputterausbeute, und Time-to-Tiefe Kalibrierung durchführen

Als Alternative zu den bekannten und weithin angewandte Methode zur Schätzung Sputtern Ausbeuten unter Verwendung von Massen-Verlust-Methode, auf direktes Wiegen oder Quarz Mikrokristall Balance, ^{8, 9} finden wir, dass die WLI Methode nützlich ist für die direkte Visualisierung der Basis von gesputterten Ionenstrahl Spots / Krater durch statische Sputtern / Rasterabtastung eines Ionenstrahls. Abbildung 8 erhaltenen vergleicht longitudinalen Querschnitte eines Flecks (grüne und blaue Feststoff gestrichelt) eines senkrecht einfallenden statischen 5 keV und 150 eV Ar ⁺ Ionenstrahlen gegen ihren Kratern (Oliven offenen Kreisen und Cyan offene Rauten) von 100 × 100 Pixel digitale Rasterabtastung des gleichen Ionenstrahls über die Oberfläche einer Cu (110)-Einkristall erhalten wird. Die Kurve entsprechend den statischen Strahl überlappt einer Kante des Kraters zu demonstrieren, wie Rasterabtastung der Ionenstrahl den Krater erzeugt im Sputter diefe Profilierung.

5. Ebenen Fläche - Charakterisierung von Ultrafast Laser Ablation

Ultraschnelle Laser-Ablation als ein Verfahren zum Entfernen von Material von einem festen gleichzeitiger Minimierung der Wärmeeinflusszone anerkannt. ¹⁰ Dieses Verfahren ermöglicht hohe Mikrobearbeitung mit hohen Seitenverhältnissen und minimale Schäden (Risse, Oxidation) mit dem übrigen Material und die Möglichkeit eröffnet, effizienter Ablation von transparenten Materialien. ¹¹ In jüngerer Zeit hat das Interesse an den ultraschnellen Ablation als analytisches Werkzeug entwickelt. ^12-15 Die hohe Nichtlinearität des Ablationsverfahren stellt auch ein Mittel zur Reduzierung der abgetragenen Fleckgröße deutlich unter dem bestrahlten Fleckgröße ( wie sie typischerweise von 1 / e ²⁾ definiert ist und auch unterhalb der Beugungsgrenze, wie nachgewiesen wurde. ¹⁶ Tiefenauflösung, während nicht wettbewerbsfähig mit den besten Ionenstrahl Methoden kann <20 nm betragen. Abtragsraten kann leicht erhöht werdennichtlinear durch Erhöhen der Laserfluenz, ist, so dass sehr schnelle Profilierung durch Mikrometer Material möglich. Idealerweise Charakterisierung Materialabtrag durch ultraschnelle Ablation erfordert eine Technik, die eine schnelle und quantitative und gut kalibriert ist, alle Merkmale von WLI erfüllt.

Abbildung 9 zeigt Pseudocolor Bilder von zwei benachbarten Krater durch repetitive Ablation von GaAs mit einem ultraschnellen (60 fs, 800 nm) Laserstrahl fokussiert, um eine Punktgröße von ≈ 8 um und mit Fluenzen entsprechend 0,4 und 1,0 J / cm ^2. Gebildet

6. Curved Surfaces - Mechanische Wear Analysis

Band Analyse einer gekrümmten regelmäßigen Oberfläche (Kugel oder Zylinder) ist ähnlich dem eines flachen, aber erfordert Krümmung Entfernung. Das folgende Protokoll zeigt eine Analyse eines kreisförmigen Verschleißnarbe auf einer Stahlkugel. Um die Lautstärke von einem Ball verloren zu finden, ist es notwendig, mathematische Verarbeitung zu tun, um einen Ball mit einer Transformationebene Fläche in einer flachen Ebene mit einer Vertiefung, dann messen die Lautstärke der Vertiefung wie in Abschnitt 3 auf ebenen Flächen erfolgen. Verschleißanordnung Narbe auf einer Kugel gemessen werden, unter Verwendung des ersten einfachere automatische Technik, dann mit dem Histogramm-Technik.

1. Abbildung 10 links zeigt eine isometrische Ansicht eines Verschleißnarbe auf einer Kugel. Wählen Sie ein AOI Das schließt den Verschleiß Narbe, und wählen Sie die Software Kurvenanpassung Tool, das die Oberfläche verändern wird, so dass es eine abgenutzte Vertiefung in der Mitte eines ungestörten ebene Fläche ist. Weil Krümmung Entfernung kann eine iterative Technik kann es erforderlich sein, um die Passform mehrmals, so dass der ungestörten Bereich flach an Pegelgenauigkeit nm wird ausgeführt. Jede sichtbare Uneinheitlichkeit außerhalb des Verschleißnarbe weist auf ein Problem und die Berechnung nicht korrekt sein. Stellen Sie die durchschnittliche Höhe außerhalb der Narbe Z = 0 ist. Abbildung 10 rechts zeigt eine Pseudo Angesichts der Narbe nach Krümmung Entfernung und Einstellung Z = 0 mit einem AOI richtigMaskierung des abgenutzten Bereich.
2. Verwenden des Messwerkzeugs, wenn verfügbar, um den Verschleiß, wie in 11 gezeigt analysiert werden. Insgesamt Verschleiß Volumen "Material Band" aus dem subtrahiert "Hohlraumvolumen."

Die folgenden Schritte beschreiben eine alternative Methode zur Messung der Verschleiß Volumen.

3. In der gleichen Weise wie in Schritt 3.3, kehren die AOI so dass der Verschleiß Narbe ist enthalten. Generieren eines Histogramms von den Daten. Setzen Sie einen Cursor auf der Z = 0-Stellung (Abbildung 12 links). Die orange ungefärbten Bereiche in Abbildung 12 rechts unterhalb der Oberfläche. Die Histogramm-Funktion sollten einen "void volume"-Nummer.
4. Mit der gleichen Histogramm, platzieren Sie den anderen Cursor diesmal am Z = 0 Höhenposition (Abbildung 13 links), und der andere auf der gegenüberliegenden Seite. Die orange ungefärbten Bereiche in Abbildung 13 rechts sind über der Oberfläche. Die Histogramm-Funktion generieren soll eine "wesentliche volume"-Nummer. GesamtVerschleißvolumen ist "Materialvolumen" oberhalb der Ebene aus "Hohlraumvolumen", die gleiche wie in Schritt 3,2 subtrahiert. Das Histogramm berechnen Methode sollte die gleiche Verschleißvolumen wie in Schritt 6.2, aber es stellt zusätzliche Angaben über die Verteilung der angehoben und abgesenkt Material und zeigt eine Karte der Verteilung der diesem Bereich.

Representative Results

Abbildung 1 Foto von einem einfachen Profilometer in der vorliegenden Studie verwendet:. Ein Vielfaches Objektivrevolver ist im Bild zu sehen. Zwei Ziele sind Standard (10x und 50x), und zwei sind Mirau Ziele (10x und 50x). Dieses Mikroskop ist ein Zwischenprodukt Vergrößerungsfunktion, die schrittweise Vergrößerung Multiplikatoren von 0,62, 1,00, 1,25 oder 2,00 ausgewählt werden können. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Abbildung 2. Normale Verschleißerscheinungen Narbe auf Stahlkugel. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

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Abbildung 3. Interferenzstreifen zentral um Verschleißnarbe befindet. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Abbildung 4 links:. Pseudofarben Ansicht einer Narbe auf einer ebenen Fläche. Rechts:. AOI bezeichnet in rot, nach Nivellierung Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Abbildung 5. trong> Bild zeigt tally Region Messwerkzeug. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Abbildung 6 links:. ". Leervolumen" Histogramm Verschleißnarbe mit Cursorn angepasst zu messen Rechts: Pseudofarben Bild. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Abbildung 7 links:. ". Materialvolumen" Histogramm Verschleißnarbe mit Cursorn angepasst zu messen Rechts: Pseudofarben Bild. "_blank"> Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen.

Abbildung 8. (A) und (b) Pseudofarben 2D Draufsicht gesputtert Krater und Stelle sind. Schwarze Linien sind Richtungen, entlang derer Querschnitte in (c) gemessen wurden aufgetragen, horizontalen Linie _X-Profil ist, ist die vertikale _Y-Profil, (c) Strahlfleck und Krater Querschnitte überlagert. Die Messungen wurden an Cu (110) gesputterten durch senkrecht einfallende Ar ^{+-Ionenstrahl} mit 5 keV (olive offene Kreise und grüne durchgezogene Linie) und 150 eV (cyan offenen Diamanten und blaue gestrichelte Linie) Energien. Gemacht Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

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Abbildung 9. (A) Pseudofarben 2D Draufsichten Kratern mit niedrigen Fluenz (oben) und hohem Strahlungsfluss (unten) 800 nm Bestrahlung von GaAs für ≈ 100 Schüsse bei 1 kHz Wiederholfrequenz und einer Impulsbreite von 60 fs erzeugt. Die Balken zeigen die Skala Lochdurchmessern, gemessen an der äußeren Kante des Beugungsrings. Brennpunktposition und Spotgröße sind gleich, was anzeigt, dass die abgetragene Krater Größe und Tiefe stark von der Fluenz. Plot in Abbildung unten zeigt Querschnitt jedes Loch, mit Schwerpunkten angepasst überlappen; (b) REM-Aufnahme der größeren Krater bei 60 Grad Probe Neigung erfasst zu offenbaren, wenn Höchststand Außenring (gelb WLI Bild) real ist.Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen.

Abbildung 10 links:. Isometrische Ansicht Verschleißnarbe mit Transferfolie. Rechts: Proper AOI auf Kugel ausgenommen sind Verschleiß-Narbe nach Krümmung Entfernung und Z = 0.

Abbildung 11. Pseudofarben Blick Verschleißnarbe mit Mess-Werkzeug. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Abbildung 12 links:. Histogramm Verschleißnarbe mit Cursorn angepasst zu messen R "Hohlraumvolumen." ight: Pseudofarben Bild. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Abbildung 13 links:. ". Materialvolumen" Histogramm Verschleißnarbe mit Cursorn angepasst zu messen Rechts: Pseudofarben Bild.

Abbildung 14. Ein Beispiel für eine Analyse auf einem unberührten Ball Probe durchgeführt, um Messunsicherheit abzuschätzen. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

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Abbildung 15. Durchgezogene Linie ist ein Querschnitt eines Kraters in Si (100) mit sehr scharfen Kanten durch rasterabgetastete eng fokussierten Ionenstrahl 5 keV von ≈ 30 um Durchmesser erzeugt, während eine eine gepunktete Kraters durch das gleiche Verfahren erhältlich weniger fokussierten ≈ 60 um im Durchmesser. Rote Kreise an den unteren Show Bereichen batwings. Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Abbildung 16. Direkter Vergleich der gleichen Ionen gesputtert Krater in Si (100) sondiert durch WLI und Stylus-Profiler, um unabhängig zu beweisen eine korrekte Tiefe Kalibrierung WLI.Klicken Sie hier für eine größere Abbildung zu sehen .

Discussion

Beispiel 1

WLI ist nicht weit zur Charakterisierung von Oberflächen in tribologischen Arbeit verwendet, aber es ist in der Tat eine leistungsfähige Methode zur quantitativen Messung der Verschleiß Volumen für viele Kontakt-Geometrien. WLI produziert ein komplettes 3D-Darstellung der Oberfläche, die unter Verwendung eines von mehreren Visualisierung Software-Pakete werden können. Diese Pakete ermöglichen verschiedene Arten von Messungen durchgeführt werden. Für eine größere laterale Auflösung können Bilder "vernäht" werden gemeinsam Wide-Area-Informationen (mehrere mm) zu produzieren, mit um Auflösung.

Für Nicht-tribologischen Arbeit kann WLI verwendet, um Oberflächenstrukturen, die schwer zu messen mit AFM oder andere Kontaktdaten Mittel zu messen. Fu et al. Untersuchten die Wirkung von Ga Ionenstrahl Parameter auf der Mikrobearbeitung von Oberflächen Si. AFM wurde verwendet, um die Oberfläche Profil zu messen, aber die Ergebnisse waren jedoch aufgrund der eingeschränkten vertikalen Bereich der AFM-Cantilever Spitze, und Schäden durchdie Spitze für große Grubentiefen. Stattdessen fanden die Arbeiter WLI nützlicher zu sein für die Messung großer Tiefe unter Wahrung Funktionen und die Fähigkeit, leicht zu messen vertikalen Seitenwänden. ¹⁷

In der Tribologie, kann die Analyse-Software zu extrahieren statistischen Oberflächenrauhigkeit Parameter verschlissenen Oberflächen, die mit analytischen Modellen der Oberflächentopographie von tribologischen Prozessen, z. B. Bearbeitung erzeugten verglichen werden kann. Jiang et al. Verwendet diese Fähigkeit an Oberflächenrauhigkeit als eine Funktion der Mahlparameter untersuchen und zu vergleichen mit analytischen Modellen. ¹⁸

Eine sehr einfache Verwendung von WLI ist für die Messung der materiellen Verlust aus einer Verschleißnarbe während unidirektionale Gleiten eines Stiftes auf einer flachen Platte. Reiter et al. Verwendet WLI Verschleiß Tracks zu scannen und berechnen die Abnutzung Volumina und damit Verschleiß Preise für eine Reihe von Kugel auf der Festplatte Tests. Da das 2D-Oberfläche rekonstruiert wird, ist es eine einfache Sache, die Tiefe zu bestimmenund Breite eines Verschleißnarbe und damit berechnen Verschleiß Volumen. In diesem Sinne dient WLI als nichts anderes als eine erweiterte Stylusprofilometer. ¹⁹

Stärker kann WLI verwendet, um das Volumen der Verschleiß durch einen Gleitkontakt verloren, wenn das Profil der ursprünglichen Oberfläche ist bekannt messen. Im einfachsten Beispiel ist eine Nut oder Krater in einer ebenen Oberfläche getragen wird. Das Verschleißvolumen ist einfach das Volumen von Material, das von der flachen Oberfläche entfernt wird. Oberflächenanalyse Programme ermöglichen die volumetrische Abweichung von einer ebenen Fläche, dh das Volumen verloren, gemessen werden soll. Diese Messungen sind am einfachsten, wenn die ursprüngliche Gegenfläche ist eine symmetrische Oberfläche: flach, sphärisch oder zylindrisch. Devillez et al. Skizziert ein Verfahren, mit dem WLI verwendet, um die Lautstärke von der Oberfläche eines Schneidwerkzeugs verloren zu messen. Die Umgebung der Flanke war ursprünglich flach, und es war relativ einfach, den Unterschied zwischen dem ursprünglichen Oberfläche und der BerechnungTragen Nut, die auf der Oberfläche erzeugt wurde. ²⁰ Wenn die Oberfläche ist nicht flach, dann ein weiterer Schritt in dem Verfahren ist, um den Verschleiß Volumen zu messen notwendig. Wenn die ursprüngliche Oberfläche geometrisch regelmäßige, dann ist es möglich, rechnerisch Entfernen der Krümmung der Oberfläche, so daß eine flache Ebene erzeugt wird, während gleichzeitig Deformieren des Verschleißnarbe in der gleichen Weise. Die Abweichung von der Ebene leicht berechnet werden.

In der biomedizinischen Tribologie, WLI, manchmal genannt Vertikalabtastperiode Interferometrie in der medizinischen Literatur, verwendet, um die Oberflächen von nativen und abgenutzten Gelenkknorpel zu messen. Topographischen Informationen erhalten werden, aber die Technik ist durch die Tatsache, dass die Oberfläche von lebenden Knorpelzellen dynamisch ist und bewegt sich wie Wasser verloren geht oder absorbiert behindert. ²¹

Mit diesem Beispiel haben wir versucht zu zeigen, wie WLI für den Routinebetrieb in Tribologie verwendet werden kann; zusätzliche Hintergrundinformationen findenin Refs. 22, 23, und einige zit.

Beispiel 2

In vielen Experimenten, die zur Zerstäubung Ausbeuten (SY) aus verschiedenen Materialien unter bestimmten Bedingungen zu bestimmen Ionenbeschuss kann Unsicherheiten in Ionenstrahl Parametern ausbreiten und führen in unsicheren Sputterausbeute Werte. ²⁴ Beispielsweise kann es schwierig sein, Formen der Ionenstrahl Profile zu bestimmen und die entsprechenden operativen Stromdichten, insbesondere wenn das Projektil Energie unterhalb 1 keV und geht dann weiter nähert Sputtern Schwelle. Außerdem unter solchen Bedingungen ist die Fokussierung des Ionenstrahls in Frage, und die relative Ausbreitung Δε / ε in der anfänglichen kinetischen Energie von Ionen ²⁵ kann starken Einfluss auf experimentelle Ergebnisse haben. ^{9, 26}

Durch die Kombination der WLI-Visualisierung mit genauen Messungen des gesamten Ionenstrom durch einen Faraday-Cup (FC), der SY und derBetreiben Stromdichte kann gleichzeitig erhalten werden. Außerdem erscheint diese Vorgehensweise als sehr hilfreich bei der Abschätzung des Ausmaßes der unerwünschte "Flügel" des Ionenstrahls Profil, um bei der Ausrichtung Ionenstrahlquellen helfen. Die Sputterausbeute Y wird dann durch den folgenden Ausdruck abgeschätzt

wo I, Gleichstrom von einem Ionenstrahl; τ, die Zeit des Sputtern; _M-Atom, Masse eines Matrix-Atom in Gramm; ρ, Dichte, e die Elementarladung. V das Volumen des abgetragenen Probematerial mittels des WLI Messung erhalten. Volume Berechnungen können entweder durch beide Ansätze in dem Protokoll für flache Oberflächen beschrieben, abhängig von der Art der Post-Processing-Software durchgeführt werden, oder durch dreidimensionale Integration auf Querschnitten in zwei orthogonalen Richtungen zentriert Basisauf der erodierten Oberfläche (schwarze Linien in 8a und 8b) durch einfaches

in dem Fall, dass man keine Möglichkeit, detaillierte Nachbearbeitung durchführen wie im Protokoll beschrieben. Die | Max-Min | _Yprofile Parameter in der zweiten Multiplizierer Begriff wird verwendet, nicht die Kratertiefe berücksichtigen zwei verschiedenen Zeiten bei der Berechnung der V.

Die Ionenstrahl Ströme werden in situ durch eine individuelle Graphit FC bestehend aus einem inneren Stift (Einlaßlöcher von 250 um Durchm.) Und der äußeren Oberfläche gemessen. Dieses Design bietet eine grobe Kontrolle über die Ionenstrahl Fokussierbedingungen durch Messung "internen" und "externen" (meist zu "Flügel" zugeschrieben) Komponenten des gelieferten Stroms. Position des FC vollständig simuliert eine Probenoberfläche Positionierungnend mit Bezug auf Fokussieren und Richten Ionenoptik unserer Massenspektrometer. ²⁷ Die Messung von Energie zu verbreiten Δε der low energy system ²⁷ unter Verwendung des gleichen FC kann. In diesem Fall kann von außen durch FC eine Spannung von 0 bis 5 kV vorgespannt werden, und der Gesamtstrom als Funktion der Unterdrückung Spannung gemessen wird. Auf eine solche Weise wurde die inhärente Δε geschätzt bis 23 eV.

Die symmetrische Profil, das in Abbildung 8 zu sehen ist suggeriert, dass es eine gute Ausrichtung des Ionenstrahlsäule und FWHM von 120 um bei einem Gesamtstrom von 2 uA. Der WLI Ansatz ermöglicht es, die Ionenzerstäubung mit der identischen senkrecht einfallenden Ionenstrahl verzögert bis 150 eV vom Ziel Potential charakterisieren. In diesem Fall wird der Querschnitt des statischen Strahlfleck von einem blauen gepunktete Linie gezeigt, und der Krater Querschnitt durch Cyan offene Rauten gezeigt. Das Ion Spalte aktiviert Lieferung gleichartiger 2 uA derAr ^+-Stroms auf dem Ziel, da die Verzögerung des Strahls vom Soll-5 keV bis 150 eV in unmittelbarer Nähe des Targets aufgetreten ist, und in einer solchen Weise, dass ihre optimale Fokussierung durch eine elektrostatische Linse (die FWHM von 150 gehalten wurde um in 8c ist der Beweis dafür). ²⁷ Die gesputterten Krater hat in diesem Fall eine größere laterale Größe, weil die Ablenkspannungen des Rasters generierenden Oktupol wurden unverändert für die beiden primären Ionen Auswirkungen Energien, was zu zusätzlichen Strahl schwingt aufgrund der das Target Potential.

Bezogen auf das WLI Daten wurden Sputtern Ausbeuten von Cu (110) bei 5 keV und 150 eV Ionen Aufprallenergien bestimmt. Eine erhaltene SY-Wert von 1,8 bei / ion für den ersten Fall war in guter Übereinstimmung mit Daten aus der Literatur. ²⁸ Für die letzteren, war die Sputterausbeute 0,2 bei / ion (seltene oder Mangel in der Literatur).

Für SY Schätzungen zeigen unsere Ergebnisse,eine Alternative experimentellen Ansatz, der auch verwendet werden, um experimentelle Daten zu überprüfen und "zwicken" einstellbaren Parameter von prädiktiven Modellen ^{29, 30} und Berechnung Codes wie SRIM ³¹ und TRIDYN, ³² sowie Referenzdaten für viele technologische Anwendungen zu generieren. ^{6, 9, 33-36} Außerdem ist dieser Ansatz in der Lage genaue Quantifizierung Sputterraten für organische Materialien und Feststoffe unter Beschuß mit einer Vielzahl von primären Spezies, häufig verwendet Atomionen und relativ neue molekulare und Clusterionen wie in Lit.. 37, 38. So hilft es, ein Problem der Zeit (oder primären Ionen Fluenz) in die Tiefe Umwandlung in Tiefenprofilierung Experimente zu lösen, indem eine durchschnittliche Parameter aufgerufen die Sputterrate wobei d eine Gesamttiefe von WLI und τ, wie oben erwähnt, Gesamtzeit von Sputtern gemessen.

Wie in dem Fall mit Ionenstrahlsputtern, ist die Ausbeute Ablation ein wichtiger Parameter für analytische Anwendungen. Für Ablation, wird dieser Wert in der Regel in Bezug auf die Abtragsleistung pro Schuss oder alternativ Abtragsleistung pro Zeiteinheit mit einer bestimmten Laser Repetitionsrate ausgedrückt. Weil es eine minimale thermische Belastung der Werkstoffe kann Folgefrequenzen sehr hoch sein (MHz) und wird häufig durch die Rate, mit der der Strahl über das Material bewegt werden kann, begrenzt. Darüber hinaus gibt es mehrere Materialabtrag Schwellen, entsprechend den verschiedenen grundlegenden Ablation Mechanismen. ³⁹ Die vorherrschenden Analysetools mit ultraschneller Laser-Ablation erfordern hohe Energiedichten (> 5 J / cm ²⁾ und eine entsprechend hohe Abtragsraten und verbrauchen relativ große Mengen an Probe für die Analyse . ^{40, 41}

Im Prinzip können die Ionen während der Ablation ausgebildet kann direkt analysiert werden oder ablatiertNeutralen ionisiert werden mit einem zweiten Laser, was zu einer empfindlicheren und höhere räumliche Auflösung Technik. Wie in Abbildung 9a zu sehen ist, zwei Kratern unter identischen Bedingungen ablatiert, mit Ausnahme der Fluenz, wird drastisch unterschiedliche Formen aufweisen. Diese Krater sind repräsentativ für eine größere Anzahl von Kratern auf einer polierten Einkristall GaAs Probe gebildet. Durch einfaches Verringern der Fluenz von 1 J / cm ² bis 0,4 J / cm ² (der letztere Wert ist ungefähr das Doppelte der Ablationsschwelle für GaAs), ⁴² der Krater Durchmesser durch fast die Hälfte verringert wird, und die durchschnittliche Abtragungsrate in der Mitte der Krater von etwa 10 nm reduziert / schossen bis 5 nm / shot. Die Masse Abtragrate wird offensichtlich durch einen Faktor sechs vermindert, Verbesserung der entsprechenden analytischen Volumenauflösung.

Es ist wichtig anzumerken, dass das ausgeprägte Ringstruktur um jedes Loch (9a) mit Vorsicht beobachtet, si auszulegennce kann es durch Streuung des Lichts von dem Interferometer. Obwohl es möglich, ringförmige Krater Material Ejekta zu erhalten ist, werden sie im allgemeinen nur mit viel länger Pulslaser gesehen. ²⁷ Dieses optische Artefakte zu erwarten, wenn der Radius des Kraters Kante ist in der Nähe oder unterhalb der Beugungsgrenze für die mittlere Wellenlänge werden in den Fernfeldbedingungen des Mikroskops (etwa 1 um in diesem Fall). In solchen Situationen, wenn die Messung des Kraters Wandradius ist entscheidend ein kostenloses Technik wie oben beschrieben sollte eingesetzt werden - siehe den folgenden Abschnitt über Artefakte und Grenzen der WLI. Wenn jedoch das Hauptziel besteht darin, die Kratertiefe messen, mit einem sekundären Ziel darin, sicherzustellen, dass ein Schwellenwert Radius nahe der Beugungsgrenze nicht überschritten wird, dann ist für WLI schnell Messung einer großen Anzahl von Kratern geeignet.

Einige typische Artefakte / Fehler und Grenzen der WLI

Ein. Fehlerabschätzungund Unsicherheit Beurteilung

Alle echten Oberflächen sind rauh und unregelmäßig zu einem gewissen Grad, und kein Messverfahren ist perfekt. Diese Mängel werden Unsicherheiten bei der Messung der materiellen Verlust einzuführen. Es gibt drei Quellen des Irrtums. Erstens gibt es Messfehler und inhärente Rauschen im Profilometer. Zweitens können Fehler entstehen aufgrund unvollkommener Krümmung Entfernen wenn dieser Schritt durchgeführt wird. Drittens kann die ursprüngliche unbeschädigte Oberfläche rau und unregelmäßig, was zu Subtraktion Fehlern führen, weil die ursprüngliche Oberfläche ist nicht eine perfekte Genauigkeit bekannt. Eine Schätzung der Größe des Gesamtfehlers kann durch einfaches Durchführen mehrerer Messungen an unberührten Probenoberflächen Verwendung der identischen Verarbeitung / Egalisierung Technik wie auf einem modifizierten Probenoberfläche gemacht erhalten werden. Abbildung 14 zeigt eine von fünf Messungen der unberührten Kugeloberflächen hergestellt. Die resultierende durchschnittliche Volumen betrug 92 um ³ mit einer Standardabweichungvon 184 um ³ anstelle des erwarteten Wert von Null. Dies zeigt, dass für diese Proben und spezifische Verarbeitung angewandten Technik besteht statistische Variation von 184 um ³ und ein systematischer Fehler von 92 um ^3.

Auch lassen Sie uns kurz beschreiben typische Artefakte und Einschränkungen trifft man bei der Verwendung von WLI Ansatz. Diese Artefakte tragen der zunehmenden Unsicherheiten, die Präzision der endgültigen Ergebnisse beeinflussen. Für jede spezifische WLI Anwendungsinstanz, sollten sie getrennt behandelt werden.

2. Eine ein-oder mehrschichtige Folie aus konstituierenden optische Eigenschaften sich von denen einer Base / Substrat unterscheiden. Transparent / halbtransparente Film auf einer reflektierenden Bodenfläche

Die einfachste Art der WLI erfordert optische spiegelnde Reflexion von einer Oberfläche. Wenn die gesamte Oberfläche hat dieselbe Reflektivität bezüglich der Phase des reflektierten Welle, dann ein Maß einer Genauigkeit nm erhalten werden. Für inhomogene Proben (zum Beispiel integrierte Schaltungsstrukturen) muss eine Korrektur basierend auf der Beschaffenheit des jeweiligen Materials aufgebracht werden. Dieser Effekt wird in einer Veröffentlichung von Harasaki et al gerichtet. Offsetdruckmaschinen ⁴³ so groß wie 36 nm kann Ag / Au Paaren auftreten. In solchen Fällen kann der Nachweis Teil WLI leicht "verwirrt" durch unterschiedliche optische Reaktionen in Bezug auf Phasenverschiebungen in einer Weise, dass eine falsche Schätzung des vollen Tiefe verleiht. Es ist auch üblich, wenn man sieht, dass eine Schale in einem Sockel, der über dem Null-Niveau einer unberührten Oberfläche haftet invertiert; die Höhe als auch verzerrt. Dieser Effekt ist sehr schön in Abbildung 13 in Ref demonstriert. 7. Eine einfache Möglichkeit, um solche Probleme zu vermeiden, ist gleichmäßig auf die gesamte Oberfläche mit einem gewissen bekannten reflektierendes Material, damit es die gleichen optischen Antwort auf ein WLI Detektors haben. Dann diese Messung Problem verschwindet. In Ref. 7, wurde dieses Problem durch Abdecken eines Schichtsystems, SiO gelöst

3. Batwings

Wie mit Bezug auf das, was in Abbildung 9 oben, scharfe Funktionen wie Schritte und Krater Kanten dargestellt erwähnt werden, können Beugung des Lichts aus dem Interferometer verursachen, was zu anomale Signale als "batwings." ⁴⁶ In der Regel bekannt ist, geschieht dies, wenn die seitliche Abmessungen derartiger Merkmale sind nahe der Beugungsgrenze und die Stufenhöhe unterhalb der Kohärenzlänge des Lichtes. Experimentelle apAnsätze entwickelt worden, um solche Artefakte zu minimieren (siehe zum Beispiel Ref.. 47). Abbildung 15 zeigt diesen Effekt im Falle einer Ionenzerstäubung Experimenten. Die grüne durchgezogene Linie ist ein Krater erzeugt durch ein "stark" konzentriert Ar ^{+-Ionenstrahl} von ≈ 30 um dia. das gab abrupte Änderung in Höhen zwischen der Oberfläche und Unterseite des Kraters mit senkrechten Wänden. Einerseits schlägt sie eine sehr gute Ionenstrahl Ausrichtung, aber zur gleichen Zeit solche Artefakte als "batwings" durch WLI in die endgültige Rekonstruktion Profilen eingeführt wird, und sind daher aus Volumen entfernt Berechnungen ausgeschlossen. Es gibt eine gestrichelte Linie in Cyan derselben Fläche, die genau die gleichen Sputterbedingungen aber unter dem ≈ 60 um dia darstellt. Strahl. Wie man deutlich sehen kann, "Fledermausflügel" vollständig verschwunden. Dies ist auf starke Veränderung im Übergang Gradienten als die Fokussierungsbedingung unterscheidet.

Schlussbemerkungen

Es ist important im Auge zu behalten, wenn eine Forschungsarbeit mit einer neuen Art der Probe verbunden ist angefangen mit WLI ist es immer eine gute Idee, um festzustellen, ob oder nicht WLI für diesen Zweck geeignet ist. Wenn ja, dann ist es notwendig, zu kalibrieren / Check-Kalibrierung mit Hilfe eines unabhängigen Ansatz, und erst danach WLI wird eine ausdrückliche Methode, bulk Mengen von Ergebnissen. Es gibt drei von ihnen, wie bereits erwähnt wurde:. AFM, SEM und Stift Figuren 9b und 16 sind Beispiele für den Vergleich von WLI Ergebnisse SEM und Stift sind.

9b Antworten eine Frage, wenn die äußeren Ring Spitzen der ausgestoßenen Material der größeren abgetragenen Krater in WLI Bilder gesehen real sind. Es ist schwer, genau zu bestimmen, aber die Ergebnisse der SEM durchgeführt Bildgebung günstig mit was WLI bietet in der Höhe der scharfen Ringstruktur um jedes Loch beobachtet ≈ 400 nm (≈ 500 nm von WLI sichtbar) und ≈ 12 um dia. (≈ 13 Durchschnittliche dia. abgeleitet aus WLI-Profile).

16 ist ein Beispiel, wie WLI Profilierung Ergebnisse können durch Stift Profiler bestätigt werden, wenn Dimensionen modifizierten Bereich für diesen Zweck geeignet sind. Die Idee hinter diesem Experiment war Tiefenkalibrierung durch eine unabhängige Methode zu überprüfen. Das Objekt ist ein Krater durch Ar erhaltenen ⁺ 5 keV Ionen in Si-Substrat, wobei die seitlichen Abmessungen, jenseits AFM Funktionalitäten, derart sind, dass der Stift Verwendung begünstigt wird. In Abbildung 16 zwei Profile durch WLI und Stift erhalten ein auf ein anderes überlagert. Direkter Vergleich der Daten schlug vor, dass Ergebnisse von WLI in der Tiefe gewonnen korrekt sind. Die laterale Ausdehnung ist auch reproduzierbar mit einer Ausnahme: seitlich Krater Stift gemessen sieht schmaler gegen WLI. Unter dass die Probe Single-Komponente ist und alle Übergangs räumlichen Gradienten sind klein, ist es vernünftig anzunehmen, dass WLI Daten tatsächlichen si reflektierenze des entfernten Bereich und kleinere Größe in Stift Darstellung ist aufgrund der Faltung des echten Krater Größe mit charakteristischen Sondierspitze Größe. In der Regel wird Tiefenkalibrierung unserer WLI Profilometer durch Ted Pella AFM stufenartigen Standard von 500 nm Höhe erreicht.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Single crystal substrates of Si, GaAs and Cu			for sputtering and ablation
Pure metal alloys			for tribology examples