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. В частности, мы обсудим:

1. Аспекты традиционной ионного распыления на основе масс-спектрометрии, таких как распыление цены / выходы измерений на Si и Cu и последующее время-глубина преобразования.
2. 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.
3. 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

1. Оборудование для выравнивания Генеральный WLI Scan

Для получения количественной информации через WLI, следующие шаги могут служить в качестве ориентира. Предполагается, что оператор имеет базовые знания интерферометра операции. Эти руководящие принципы являются общими, независимо от конкретного инструмента. Для некоторых исследований, образец будет плоским. Для других образцов может быть изогнут.

1. Поместите образец на сцене с помощью функции (ионного распыления кратера, ионного пучка / удаленной пятна, или пятна износа), обращенной вверх. Использование низкого увеличения цель и сосредоточиться на ней инструмент. Для получения наилучшего разрешения изображения, в котором объектом интереса в значительной степени заполняет экран, см. рис 2 для примера мяч.
2. Отрегулируйте вертикальное положение образца, так что интерференционных полос появляются рядом с особенностью интереса. Для плоской поверхности желательно, чтобы образца наклонена так, что плоскость perpendiculар к оптической оси, то есть бахрома расстояние будет большим. Для криволинейной поверхности (например, мяч), образец должен быть ориентирован так, что полосы расположены в центре города вокруг функции, например, на рисунке 3.
3. Получить проверки в соответствии с инструкциями инструмента. Это может быть необходимо для регулировки освещения или сканирование высоты, чтобы получить лучшую топографическую карту. Заполните все плохие или отсутствующие данные с помощью функции интерполяции, а затем сохранить топографической карте.

2. Объем анализ с помощью универсальных программ

В трибологии, испытательные машины часто используют не-конформный контакт тестирования геометрии, такие как шар или цилиндр, который сдвигается или поворачивается против плоским или другой цилиндр. Как правило, материал теряется в момент скользящего контакта, хотя иногда материал может переходить от одной поверхности к другой, и эта «передача слой" будет оцениваться как излишек материала на пое контактирующих образцов. Из-за износа шрам трехмерных и нерегулярный характер, оптический профилометрии может быть только технику, пригодных для получения точных измерений объема износа - приближения не являются действительными. Цель заключается в измерении очень малых количеств материала, который может быть потерян (или получил) в области контакта при завершении теста.

Основной принцип измерения состоит в определении математической плоскости на уровне невозмущенной поверхности: программное обеспечение поверхностный анализ предполагает, что есть "твердой поверхности" (нулевой уровень), что выше этого уровня является "пустым". Анализ функции, которая измеряет интегрированное удалены объеме ниже плоскости "твердой поверхности" будет именоваться как "свободный объем". Функция, которая измеряет интегрированное объема над плоскостью "твердой поверхности" (например, накопление мусора) будет называться "объеме материала».

Реальные нетронутой поверхности арэлектронной редко идеально гладкой и ровной. Для большей точности измерения малых особенности это хорошая практика, чтобы определить область интереса (AOI); области, вне которой исключены из анализа. AOI используется для ограничения области измерения, потому что неровности поверхности способствуют дополнительный объем вычислений, которые на самом деле не от возмущенной области.

3. Плоской поверхности - механический анализ одежда

1. Объем анализ плоской поверхности со шрамом траншеи или депрессия, то ли порожденные механического износа, ионно-лучевого распыления, или лазерная абляция, легко выполнить. Получение изображения, такие как Рисунок 4 слева, который показывает, механические шрам на полированной поверхности стали. Выберите AOI, что исключает депрессию, а затем использовать любые наклона и / или функции кривизны удаление доступно до уровня невозмущенной поверхности максимальной плоскостности. Затем с помощью программного обеспечения для установки средняя высота поверхности Z =0. Рисунке 4 справа псевдо вид шрама на плоской поверхности, после этих шагов. С этой точки зрения исключены "свободный объем" окрашен красным цветом. В этой цветовой гамме, темно-коричневый означает низкую областях, в то время как оранжевый означает высокую области.
2. Удалить AOI. Если программное обеспечение автоматизированного измерения объема функций, поместите области измерений по шраму. В это программное обеспечение, измерительные функции будет соответствовать "пустота и объема материала" показано с голубым оттенком на рисунке 5. Всего износ "объема материала" над плоскостью вычитается из "свободного объема". Это изменение объема возмущенной поверхности. (Для программного обеспечения, которое не имеет этой функции, но есть гистограмма, или четко визуализировать, какие области возвышаются над поверхностью или ниже поверхности, пропустите шаг 3,2 и перейдите к шагу 3.3.)

Следующие три шага описывают альтернативный метод измерения износа объеме.

3. Переверните AOIс шагом 3,1 для того, чтобы шрам региона, которые будут проанализированы (шрам входит сейчас).
4. Создание гистограммы данных. Гистограмма представляет собой график вертикальной высоты по оси абсцисс по сравнению с частотой встречаемости по оси ординат. Поместите один курсор на Z = 0 позиция (рис. 6 слева). Это может быть не на пике гистограммы. На этом рисунке курсоры были созданы выборочно анализировать только недостающий материал ниже плоскости. Программное обеспечение интегрируется общего объема между двумя курсорами. Красные тонированные области показывает, что опущены. Оранжевый бесцветный области на рисунке 6 справа ниже поверхности. Гистограмма функция должна создать "свободный объем" номер с помощью курсоров расположены, как показано для измерения материала потеряли от поверхности.
5. Используя ту же гистограмму, поместите курсор других на этот раз в Z = 0 высота положение (рис. 7 слева), а другой на противоположном конце. Оранжевый бесцветный районах то есть излишки материала возвышается над плоской поверхностью. Всего износ "объема материала" вычитается из "свободного объема", так же, как в пункте 3.2. Гистограмма метода должно дать тот же объем износа, как в пункте 3.2, но она предоставляет дополнительные сведения о распределении поднимается и опускается материала, а показана карта распределения этой области.

В приведенном выше примере нет чистого материала потеряли от износа шрамов, вместо этого есть материальная выгода. Это необычно, но иногда происходит, когда материал передается от одного теста контртела к другому.

Тот же "плоская поверхность характеристику" подходы являются полезными для получения объемов удален в экспериментах с ионным напылением и лазерной абляции, рассмотренных в примерах.

4. Плоской поверхности - кратеры и Ion Beam ProИзмерения файлы к оценке распыления, а также для выполнения время-глубина калибровки

В качестве альтернативы известным и широко применяется метод оценки коэффициентов распыления с помощью масс-лосс метод, основанный на прямых весом или кварца МК ^{баланса, 8, 9} мы видим, что метод WLI полезен для прямой визуализации распыления ионных пучков пятна / кратеры получить статическое распыление / растрового сканирования ионного пучка. Рисунок 8 сравнивает продольного сечения месте (зеленый и синий твердый пунктирные линии) нормально падающей статической 5 кэВ и 150 эВ Ar ⁺ ионных пучков против своих кратеров (оливковое открытым кругов и голубой открытых алмазы), полученные 100 × 100 пикселей цифрового растрового сканирования одного и того же пучка ионов на поверхности Cu (110) монокристалла. Кривая, соответствующая статической перекрывает луч одного края кратера чтобы продемонстрировать, как растрового сканирования ионного пучка создает кратер во время распыления гepth профилирования.

5. Плоская поверхность - Характеристика лазерной абляции Сверхбыстрая

Сверхбыстрой лазерной абляции признан метод для удаления материала из твердого при минимизации зоны термического влияния. ¹⁰ Этот процесс обеспечивает высокую скорость микрообработка с высоким соотношением сторон и минимальные повреждения (трещины, окисление), чтобы оставшийся материал, и открывает возможность эффективной абляции прозрачных материалов ^11. Совсем недавно, интерес сложилась в использовании сверхбыстрых абляции в качестве аналитического инструмента. ^12-15 высокую нелинейность процесса абляции также предоставляет средства снижения удаленной размер пятна значительно ниже облученных размер пятна ( как правило, определяется на 1 / E ²⁾ и даже ниже дифракционного предела, как это было продемонстрировано ^16. Глубина разрешение, а не конкурировать с лучшими методами ионного пучка, может быть <20 нм. Удаление ставки могут быть легко увеличенанелинейно за счет увеличения лазерной энергии, так что очень быстрое профилирование через микрон материала возможна. В идеале, характеризующий удаление материала по сверхбыстрой абляции требуется техника, которая быстро и количественные и хорошо откалибрована, все характеристики выполняются WLI.

На рисунке 9 показано псевдо-изображения двух соседних кратеров образованных повторяющимися абляции GaAs с сверхбыстрых (60 фс, 800 нм) лазерный пучок сфокусирован в пятно размером ≈ 8 мкм и имеющие плотность энергии соответствует 0,4 и 1,0 Дж / ​​см ^2.

6. Криволинейных поверхностей - механический анализ одежда

Объем анализ изогнутых регулярной поверхности (шар или цилиндр) похожа на плоской, но требует кривизны удаления. Следующий протокол показывает анализ круговой шрам износ стальной шарик. Чтобы найти потерянный объем от мяча надо делать математической обработки для преобразования мяч сплоской области в плоскость с углублением, а затем измеряют объем отступ как это было сделано в разделе 3 на плоских поверхностях. Износ шрам на мяч будет оцениваться, в первую использованием простой автоматической техники, то с гистограммой техники.

1. На рисунке 10 слева показан изометрический вид износа шрам на мяч. Выберите AOI, что исключает износ шрам, и выбрать программное обеспечение кривой инструмент, который превратит поверхность так, чтобы она изношенных депрессии в середине невозмущенной плоской области. Потому что кривизна удаление может быть итеративный метод может быть необходимо для запуска подходят несколько раз, так что спокойно область квартиру нм уровне точности. Любые видимые неоднородности за пределы износа шрам указывает на проблему и расчета не будет правильным. Установить средний рост за шрам Z = 0. Рис. 10 справа показывает псевдо вид шрама после удаления кривизны и установка Z = 0 с AOI правильномаскировки изношенных области.
2. Используйте измерительный инструмент, если таковые имеются, для анализа износа, как показано на рисунке 11. Общий объем износа "объема материала" вычитается из "свободного объема".

Следующие шаги описывают альтернативный метод измерения износа объеме.

3. В том же порядке, шаг 3,3, инвертный AOI так что износ шрам включен. Создание гистограммы данных. Поместите один курсор на Z = 0 позиция (рис. 12 слева). Оранжевый бесцветный области на рисунке 12 справа ниже поверхности. Гистограмма функция должна создать "свободный объем" номера.
4. Используя ту же гистограмму, поместите курсор других на этот раз в Z = 0 высота положение (рис. 13 слева), а другой на противоположном конце. Оранжевый бесцветный области на рисунке 13 справа над поверхностью. Гистограмма функция должна генерировать "объема материала» номер. Общийносить объеме "объема материала" над плоскостью вычитается из "объем пустот", так же, как в пункте 3.2. Гистограмма метод должен рассчитать тот же объем износа, как в пункте 6.2, но она обеспечивает дополнительную информацию о распределении поднимается и опускается материала, а показана карта распределения этой области.

Representative Results

Рисунок 1 фотографией простым профилометра, используемые в настоящем исследовании. Несколько башне целью видно на картинке. Две задачи являются стандартными (10x и 50x), и два Mirau целей (10x и 50x). Этот микроскоп имеет промежуточную функцию увеличения, которая позволяет поэтапно увеличением множителей 0,62, 1,00, 1,25, или 2,00 должна быть выбрана. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок 2. Нормальный вид износа шрам на стальной шарик. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

jove_content "FO: Keep-together.within-страница =" Всегда ">
Рисунок 3. Интерференционные полосы в центре города вокруг износ шрам. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок 4. Слева: Псевдоцвет вид шрама на плоской поверхности. Справа:. AOI обозначается красным цветом, после выравнивания Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок 5. Чонг> Изображение показывает подсчет области измерительного инструмента. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок 6. Слева: ". Объем пустот" Гистограмма износа шрам с курсорами скорректированы для измерения Справа: Псевдоцвет изображения. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок 7. Слева: ". Объема материала« Гистограмма износа шрам с курсорами скорректированы для измерения Справа: Псевдоцвет изображения. "_blank"> Щелкните здесь для просмотра больших фигура.

Рисунок 8. (А) и (б) Псевдоцвет 2D вид сверху распыленных кратера и место, соответственно. Черные линии направления, вдоль которых сечения показаны на (с) были измерены, горизонтальные линии X _{профиля,} вертикали Y _{профиль,} (в) Ширина пятна и кратер сечения накладывается. Измерения проводились на Cu (110) распыленных нормально падающего Ar ⁺ ионного пучка с энергией 5 кэВ (оливковое кружки и зеленый сплошная линия) и 150 эВ (голубой открыты алмазы и синий пунктир) энергий. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

jove_content "FO: Keep-together.within-страница =" Всегда ">
Рисунок 9. (А) Псевдоцвет 2D вид сверху кратеры производятся с низким влиянием (вверху) и высокая плотность энергии (нижней) 800 нм облучении GaAs для ≈ 100 выстрелов на 1 кГц частотой повторения импульсов и шириной 60 фс. Масштаб полоски указывают диаметры отверстий, измеренное по внешнему краю кольца дифракции. Фокусное положение и размер пятна те же, что указывает на удаленной размер кратера и глубина сильно зависит от дозы. Участок на рисунке показана нижняя сечение каждого отверстия, с центроиды доводят до перекрытия (б) SEM изображение большего кратера снятые с частотой 60 градусов наклона образца выявить, если обострение наружного кольца (желтый WLI картинка) является реальным.Нажмите, чтобы увеличить цифру.

Рисунок 10. Слева: трехмерное изображение износа шрамом с переводом фильмов. Справа: Правильное AOI на бал без учета износа шрам после удаления кривизны и Z = 0.

Рисунок 11. Псевдоцвет зрения износа шрам с измерительным инструментом. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок 12. Слева: Гистограмма износа шрам с курсорами скорректированы для измерения R "свободный объем". РАВО: Псевдоцвет изображения. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок 13. Слева: ". Объема материала« Гистограмма износа шрам с курсорами скорректированы для измерения Справа: Псевдоцвет изображения.

Рисунок 14. Пример анализа, проведенного на древнем образце мяч для оценки неопределенности измерений. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

ftp_upload/50260/50260fig15highres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/50260/50260fig15.jpg "/>
Рисунок 15. Сплошная линия представляет собой поперечное сечение кратера в Si (100) с очень острыми краями производства растрового сканирования сфокусированного ионного 5 кэВ пучка ≈ 30 мкм в диаметре, в то время как пунктирные один кратер получил через ту же процедуру на менее сфокусированным пучком ≈ 60 мкм в диаметре. Красные круги в нижней области шоу batwings. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок 16. Прямая сравнению с тем же ионом распыленных кратер в Si (100), протестированных WLI и стилус профилировщики для того, чтобы самостоятельно доказать правильной калибровки глубины WLI.Нажмите, чтобы увеличить показатель .

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 быть проанализированы с использованием любого из нескольких пакетов программного обеспечения визуализации. Эти пакеты позволяют различным видам измерений должны быть выполнены. Для большей боковой резолюцией, изображения могут быть "сшиты" вместе, чтобы произвести широкой области информации (несколько мм), мкм резолюции.

Для не-трибологических работы, WLI может быть использован для измерения поверхностных свойств, которые трудно измерить с помощью АСМ или другими средствами контакта. Фу и соавт. Изучали влияние Ga параметров ионного пучка на микрообработки поверхности Si. АСМ используется для измерения профиля поверхности, но результаты были ограничены из-за ограниченного вертикального диапазона кончик кантилевера АСМ, и повреждения, вызванныеСовет для больших глубинах ямы. Вместо этого, рабочие обнаружили WLI быть более полезны для измерения больших глубинах при сохранении функций и возможность легко измерить вертикальные боковые стенки ^17.

В трибологии, программное обеспечение для анализа можно извлечь статистических параметров шероховатости поверхности изношенных поверхностей, которые могут быть сопоставлены с аналитическими моделями рельефа поверхности порожденных трибологических процессов, например, механическая обработка. Цзян и соавт. Использовали эту возможность для изучения шероховатости поверхности в зависимости от параметров фрезерных и сравнить с аналитическим моделям ^18.

Очень простое использование WLI предназначен для измерения материальный ущерб от износа шрам во время однонаправленного скольжения штифта на плоский диск. Райтер и соавт. Использовали WLI для сканирования следов износа и рассчитать износ объемов и, следовательно, носят тарифы на ряд мяч на диске тестов. Поскольку 2D поверхность восстанавливается, это простой вопрос, чтобы определить глубинуи широту износа шрам, и таким образом вычислить износ объеме. В этом смысле, WLI служит не более чем расширение профилометра пера ^19.

Более мощно, WLI может быть использован для измерения объема износа потеряли скользящий контакт, если профиль исходной поверхности не известно. В простейшем примере, канавки или кратер носить в плоской поверхности. Объем износа просто объем материала, который удаляется от плоской поверхности. Поверхностный анализ программ позволяет объемно отклонение от плоской поверхности, то есть объем потерял, должны быть измерены. Эти измерения являются самыми легкими, когда исходный контртела является симметричной поверхности: плоские, сферические или цилиндрические. Devillez и соавт. Набрасывает метод, с помощью которого WLI был использован для измерения объема потеряли от поверхности режущего инструмента. Локальная область фланге был первоначально плоская, и это было относительно просто вычислить разницу между первоначальной поверхности иносят радиальный, который был произведен на поверхность ^20. Когда поверхность не является плоской, а затем еще один шаг в процедуре необходимо для того, чтобы измерять износ объеме. Если исходная поверхность геометрически правильные, то можно математически удалить кривизны поверхности так, чтобы плоскость получается, одновременно деформируя износа шрам в том же порядке. Отклонение от плоскости можно легко рассчитать.

В биомедицинской трибологии, WLI, иногда называемый вертикальной интерферометрии сканирования в медицинской литературе, могут быть использованы для измерения поверхностей родным и изношенные суставного хряща. Топографическая информация может быть получена, но техника мешает тот факт, что поверхность живыми хряща является динамичным и движется как вода теряется или поглощается ^21.

На этом примере мы пытались показать, как WLI может быть использован для рутинного анализа в трибологии; дополнительного фона можно найтиВ работах. 22, 23, и некоторые ссылки в них.

Пример 2

Во многих экспериментах предназначена для определения коэффициентов распыления (SY) из различных материалов при определенных условиях ионной бомбардировки, неопределенности в параметрах пучка ионов может распространяться и привести к неопределенным распыления значений доходности ^24. Например, это может быть стимулирующим, чтобы определить формы профилей пучка ионов и соответствующих оперативных плотностях тока, особенно когда снаряд энергия опускается ниже 1 кэВ и далее приближается к распыления порог. Кроме того, в таких условиях, фокусировка пучка ионов находится под вопросом, и относительная Δε распространения / ε в начальной распределение кинетической энергии ионов ²⁵ может иметь сильное влияние на результаты эксперимента. ^{9, 26}

Объединив визуализации WLI с точными измерениями от общего ионного тока на цилиндр Фарадея (FC), SY иоперационные плотность тока может быть получено одновременно. Кроме того, такой подход оказывается очень полезным при оценке степени нежелательна "крылья" ионного пучка профиль, чтобы помочь в выравнивании источников ионов пучка. Распыления Y выход, то оценивается по следующим выражением

где я, постоянный ток ионного пучка; τ, время распыления; M _атома, масса атома матрицы в граммах; ρ, плотность, е, элементарного заряда. V-объем удалить материал образца, полученных с помощью измерений WLI. Объем вычислений может быть выполнена либо с помощью обоих подходов, описанных в протоколе для плоских поверхностей, в зависимости от типа пост-обработки программное обеспечение, или трехмерной интеграции на основе сечений в двух ортогональных направлениях центруна размытой поверхности (черные линии на рисунке 8а и 8б), просто

В случае, если один не имеет возможность выполнять подробный пост-обработки, как описано в протоколе. | Max-Min | _Yprofile параметра во втором члене множитель не брал, глубина кратера во внимание два разных времен, при расчете V.

Ионных токах пучка измеряется в месте пользовательским FC графита, состоящего из внутреннего контактный (впускные отверстия диаметром в 250 мкм.), И внешние поверхности. Такая конструкция обеспечивает грубый контроль над пучком ионов условий фокусировки путем измерения «внутреннего» и «внешнего» (в основном отнести к "крылья") компоненты поставляются тока. Позиция FC полностью имитирует позиционера поверхности образцаНин в отношении фокусировки и направления ионной оптики наши масс-спектрометра ^27. измерения энергии распространиться Δε низкой энергетической системы ²⁷ может быть выполнено с использованием тех же FC. В этом случае, FC может быть внешне предвзятые напряжения от 0 до 5 кВ, а суммарный ток как функция подавления напряжения измеряется. В такой манере, присущей Δε оценивается в 23 эВ.

Симметричного профиля, что видно на рисунке 8 предполагает, что есть хорошего выравнивания ионного столба света, и полувысоте 120 мкм при общем токе 2 мкА. Подход WLI позволяет характеризовать ионного распыления с одинаковым нормальном падении пучка ионов замедлилась до 150 эВ целевой потенциал. В этом случае сечение статического пятно луча показана синей пунктирной линии, а сечение кратера крест показан голубым алмазов открытым. Ионных колонки включены доставка те же 2 мкАAr ⁺ ток на мишень, потому что замедление пучка от номинальной 5 кэВ до 150 эВ произошло в непосредственной близости от цели, и таким образом, что ее оптимальная фокусировка была поддержана электростатической линзой (на полувысоте из 150 мкм в рисунке 8в свидетельства, что) ^27. распыленных кратер имеет в данном случае большого размера, поскольку боковые отклонения напряжения растровых генерирующих октупольных были сохранены неизменными в течение двух первичных энергиях воздействия ионов, что приводит к дополнительным луч качается в связи с потенциала мишени.

На основании WLI данных, распыление выход Cu (110) при 5 кэВ и 150 эВ энергии ионов воздействия были определены. Получить SY значение 1,8 при / ион для первого случая было хорошо согласуется с данными литературы. ²⁸ Для последнего, распыления составляет 0,2 в / ион (редкие или отсутствие в литературе).

Для оценки SY, наши результаты показывают,альтернативный экспериментальный подход, который также может быть использован для проверки экспериментальных данных и "настроить" регулируемых параметров прогнозных моделей ^{29, 30} и расчетных кодов, таких как SRIM ³¹ и TRIDYN, ^32, а также для получения исходных данных для многих технических приложений. ^{6, 9, 33-36} Кроме того, этот подход способен точной количественной распыления тарифы для органических материалов и твердых тел при бомбардировке различных первичных видов, обычно используемых атомных ионов и относительно новых молекулярных и кластерных ионов, таких, как в работах. 37, 38. Таким образом, это помогает решить проблему времени (или первичной влиянием ионов) на глубине преобразования в глубине экспериментов профилирования с помощью среднего параметр, называемый скорости распыления где D является общая глубина измеряется WLI и τ, как отмечалось выше, общее время распыления.

Как и в случае с ионно-лучевого распыления, абляция выходом является важным параметром для аналитических приложений. Для удаления эта величина обычно выражается в терминах скорости удаления за один выстрел, или же удаление в единицу времени с заданной частотой повторения импульсов лазера. Потому что есть минимальная тепловая нагрузка материалов, частотой повторения может быть очень высокой (МГц) и часто ограничивается скоростью, с которой луч можно перемещать по материалу. Кроме того, есть несколько порогов абляции материала, соответствующие различным фундаментальных механизмов абляции ^39. Преобладают аналитические инструменты использованием сверхбыстрой лазерной абляции требует высоких дозах (> 5 Дж / ​​см ²⁾ и, соответственно, высокие темпы вывоза и потребляет относительно большое количество образцов для анализа . ^{40, 41}

В принципе ионов, образующихся во время процесса абляции могут быть проанализированы непосредственно, или абляциинейтральных может быть ионизированный со второй лазер, ведущие к более чувствительными и более высокое пространственное разрешение технику. Как видно на рисунке 9а, два кратера абляции в одинаковых условиях, за исключением влиянием, будет иметь существенно различные формы. Эти кратеры являются репрезентативными для более широкого набора кратеры образуются на полированной одного образца кристалла GaAs. Просто уменьшением плотности энергии с 1 Дж / ​​см ² до 0,4 Дж / ​​см ² (последнее значение быть примерно в два раза абляции порог для GaAs), ⁴² кратера диаметром сократился почти на половину, а средняя скорость удаления в центре кратера уменьшается примерно от 10 нм / расстреляли до 5 нм / выстрела. Массовый вывоз видимо уменьшается в шесть, улучшения соответствующих аналитических резолюции объеме.

Важно отметить, что выраженная кольцевая структура наблюдается вокруг каждого отверстия (рис. 9, а) следует интерпретировать с осторожностью, сиNCE это может быть связано с рассеянием света от интерферометра. Хотя это возможно, чтобы получить кольцевых кратеров материала выброса, они, как правило, только видел с гораздо дольше импульсных лазеров. ²⁷ Это оптических артефактов можно ожидать, если радиус краю кратера находится вблизи или ниже дифракционного предела для средней длины волны В дальнем полевых условиях микроскопа (около 1 мкм в данном случае). В таких ситуациях, если измерение радиуса стены кратера имеет решающее значение бесплатный техники, таких как описанные выше, должны быть использованы - см. следующий раздел артефакты и ограничения WLI. Однако, если основная цель заключается в измерении глубины кратера, с вторичной целью, чтобы порог радиусом около дифракционный предел не превышен, то WLI хорошо подходит для быстрого измерения большого количества кратеров.

Некоторые типичные артефакты / Ошибки и ограничения WLI

1. Определение погрешностии неопределенности оценки

Все реальные поверхности грубой и нерегулярной до некоторой степени, и никакие методики измерений является совершенным. Эти недостатки представит неопределенность в измерении материального ущерба. Есть три источника ошибок. Во-первых, существует погрешность измерений и шума, присущих профилометра. Во-вторых, ошибки могут возникать из-за несовершенства удаление кривизны, если этот шаг не выполняется. В-третьих, в оригинальной неповрежденной поверхность может быть грубой и неправильной, что может привести к вычитанием ошибки, потому что исходная поверхность не известно совершенно точно. Оценка величины суммарной погрешности может быть получена просто выполняет несколько измерений на нетронутую поверхность образца с помощью идентичных обработки / выравнивание техники, как это сделано на модифицированной поверхности образца. Рисунке 14 показана одна из пяти измерений девственной поверхности шара. В результате средний объем составил 92 мкм ³ со стандартным отклонениемиз 184 мкм ^3, вместо ожидаемого нулевого значения. Это означает, что для этих образцов и конкретные методы обработки используется, есть статистическая вариация из 184 мкм ³ и систематическая ошибка в 92 мкм ^3.

Кроме того, давайте кратко описать типичные артефакты и ограничений встречается при использовании WLI подход. Эти артефакты вносить дополнительные неопределенности, которые влияют на точность конечного результата. Для каждого конкретного экземпляра приложения WLI, они должны быть рассмотрены отдельно.

2. Одно-или многослойной пленки учредительные оптические свойства, которые отличаются от базового / подложки. Прозрачная / полупрозрачная пленка на базе отражающей

Простейший тип WLI требует оптического зеркального отражения от поверхности. Если поверхность имеет такой же коэффициент отражения в плане изменения фазы отраженной волны, то измерения с точностью до нм будет получена. Для неоднородных образцов (например, интегрированной модели цепи), исправление необходимо применять в зависимости от характера конкретного материала. Этот эффект рассматривается в статье Harasaki и др. ^43. Смещение такого размера, как 36 нм может произойти по Ag / Au пар. В таких случаях обнаружения части WLI легко могут быть "путают" различные оптические ответ в терминах фазовых сдвигов таким образом, что дает неправильные оценки на полную глубину. Он также встречается, если видит, что чаша переворачивается на постаменте, который прилипает выше нулевого уровня нетронутой поверхности, высота перекос, а также. Этот эффект хорошо показано на рисунке 13 в Ref. 7. Простой способ избежать таких проблем является равномерно покрывают всю поверхность с некоторыми известными светоотражающий материал таким образом, это будет иметь такой же оптический отклик на детекторе WLI. Тогда эта проблема измерения исчезает. В Ref. 7, эта проблема была решена путем покрытия многоуровневая система, SiO

3. Batwings

Как уже упоминалось в отношении того, что показано на рисунке 9 выше, резкие черты, такие как шаги и кратер края может привести к дифракции света от интерферометра, что приводит к аномальному сигналы известный как "batwings.» ⁴⁶ В целом, это происходит, когда боковая Размеры таких характеристик вблизи дифракционного предела и высота ступеней ниже длина когерентности света. Экспериментальные APподходы были разработаны для минимизации таких артефактов (см., например. 47). Рисунок 15 демонстрирует этот эффект в случае ионного распыления экспериментов. Зеленая сплошная линия представляет собой кратер производства "резко" сосредоточены Ar ⁺ ионный пучок ≈ 30 мкм диаметром. , что дало резкое изменение высот между поверхностью и дном кратера с вертикальными стенами. С одной стороны, это предполагает очень хорошее выравнивание ионного пучка, но в то же время эти артефакты называется "batwings" вводятся WLI в окончательную реконструкцию профилей, и поэтому должны быть исключены из объема удалены расчетов. Существует пунктирной линией голубого В тот же сюжет, который представляет точно такие же условия, но распыление под ≈ 60 мкм диаметром. луча. Как можно ясно видеть, "batwings" полностью исчезла. Это связано с выраженными изменениями в переходе градиентом, как условие фокусировки отличается.

Заключительные замечания

Это Important иметь в виду, если научно-исследовательская работа связана с новым типом образца начали использовать WLI это всегда хорошая идея, чтобы установить, является ли WLI подходит для этих целей. Если да, то необходимо калибровать / проверка калибровки с использованием независимого подхода, и только после этого WLI становится экспресс-метод получения больших количествах результатов. Есть три из них, как уже было сказано. AFM, SEM и стилус Цифры 9б и 16 приведены примеры сравнения результатов WLI в SEM и стилусом, соответственно.

На рисунке 9б ответа на вопрос, если внешнее кольцо шипов выброшенного материала большего удаленной кратеров видно на фотографии WLI являются реальными. Трудно определить точно, но результаты проведенных SEM изображения сопоставимы с какой WLI обеспечивает по высоте резкого кольцевой структуры наблюдаются вокруг каждого отверстия ≈ 400 нм (≈ 500 нм от WLI профиль) и ≈ 12 мкм диаметром. (≈ 13 средние диам. выведены из профилей WLI).

На рисунке 16 приведен пример того, как результаты WLI профилирование может быть подтверждено стилуса профайлер, если изменение размеров области являются подходящими для этой цели. Идея этого эксперимента было проверить глубину калибровки с помощью независимого метода. Объект представляет собой кратер получить Ar ⁺ 5 кэВ ионов в подложку Si, поперечные размеры, лежащие за пределами возможностей АСМ, таковы, что использование стилуса благоприятствования. На рисунке 16 двух профилей получены через WLI и стилус накладываются один на другой. Прямое сопоставление данных предположил, что результаты, полученные WLI с точки зрения глубины являются правильными. Поперечный размер также воспроизводимые с единственным исключением: бокам кратера измеряется стилус выглядит узкой против WLI. Принимая, что выборка является однокомпонентным и все перехода пространственные градиенты малы, то разумно предположить, что WLI данные отражают фактические сиZE снятого области, и меньшего размера в представлении стилус из-за свертки реальный размер кратера с характерным зондирования размер чаевых. Как правило, глубина калибровку наших профилометра WLI осуществляется через Ted Pella АСМ-ступенчатой ​​стандарта высотой 500 нм.

Materials

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