Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Karakterisering av overflaten modifikasjoner av White Light Interferometry: Søknader i Ion Sputtering, laser ablasjon og Tribologi Eksperimenter

Published: February 27, 2013 doi: 10.3791/50260

Summary

Hvitt lysmikroskop interferometri er en optisk, kontaktløs og rask metode for å måle topografi av overflater. Det er vist hvordan fremgangsmåten kan brukes mot mekanisk slitasje analyse, hvor slitasje er arr på tribologiske testprøver analysert, og i materialvitenskap til bestemme ion stråle katodeforstøvning eller laserablasjon volumer og dybder.

Abstract

I materialteknologi er det ofte nødvendig å innhente kvantitative målinger av overflatetopografi med mikrometer lateral oppløsning. Fra den målte overflaten, kan 3D topografiske kart senere bli analysert ved hjelp av en rekke programvarepakker for å trekke ut informasjon som er nødvendig.

I denne artikkelen beskriver vi hvordan hvitt lys interferometri, og optisk profilometry (OP) generelt, kombinert med generisk overflate analyse programvare, kan brukes for materialvitenskap og ingeniøroppgaver. I denne artikkelen, er en rekke anvendelser av hvitt lys interferometri for undersøkelse av overflaten modifikasjoner i massespektrometri, og slitasje fenomener i tribologi og smøring demonstrert. Vi karakterisere produktene av interaksjonen mellom halvledere og metaller med energiske ioner (sputtering) og laser bestråling (ablasjon) samt ex situ målinger av slitasje av tribologiske prøvelegemer. Spesielt vil vi diskutere:

  1. Aspekter ved tradisjonell ion sputtering-baserte massespektrometri som sputtering priser / avkastning målinger på Si og Cu og påfølgende tid til dybdekonvertering.
  2. Resultater av kvantitative karakterisering av samspillet femtosecond laser bestråling med en halvleder overflate. Disse resultatene er viktige for applikasjoner som ablasjon massespektrometri, hvor mengder fordampet materiale kan studeres og kontrolleres via pulsvarighet og energi per puls. Således, ved å bestemme krateret geometri kan man definere dybde og lateral oppløsning versus eksperimentelle oppsett forhold.
  3. Målinger av overflateruhet parametere i to dimensjoner, og kvantitative målinger av overflaten slitasje som oppstår som et resultat av friksjon og slitasje tester.

Noen iboende ulemper, mulige gjenstander, og usikkerhet vurderinger av det hvite lysetinterferometri tilnærming vil bli diskutert og forklart.

Introduction

Overflaten av faste materialer bestemmer i stor grad egenskapene av interesse for disse materialer: elektronisk, strukturelt, og kjemisk. I mange områder av forskning, tilsetning av materiale (for eksempel tynn film deponering av pulset laser / magnetron sputtering deponering, fysisk / kjemisk dampavsetning), fjerning av materiale (reaktiv ione etsing, ion sputtering, laserablasjon, osv.), eller noen andre prosesser, må karakteriseres. I tillegg har overflatemodifisering gjennom samhandling med energiske lyspulser eller ladete partikler rekke applikasjoner, og er av prinsipiell interesse. Tribologi, studiet av friksjon og slitasje, er et annet område av interesse. På en stasjonær skala, et mangfold av tribological test geometrier eksisterer. Ikke-konforme kontaktlinser geometrier kan benyttes, og en kule eller sylinder kan skyves eller roteres mot en flat overflate, en annen ball eller sylinder, for en lang tid, og mengden av materiale som er fjernet er megasured. Fordi slitasje arret er tredimensjonal og uregelmessig i naturen, kan optisk profilometri være den eneste teknikk egnet til å oppnå nøyaktige slitasje volummålinger. Vanlige analyse oppgaver omfatter også overflateruhet parametere, steg høyde, tap av materielle volum, grøft dybde, og så videre, alle av dem kan fås i tillegg til enkel 2D-og 3D-topografi visualisering.

Optisk profilometri refererer til noen optisk metode som brukes til å rekonstruere profilen til overflater. Profilometric metoder inkluderer hvitt lys interferometrisk, laser eller confocal metoder. Noen optiske profilometers innhente informasjon gjennom tilnærminger basert på konvensjonelle diffraksjon-begrenset mikroskopet mål. For eksempel kan en skanning laser være integrert med et mikroskop for å skaffe topografisk og sann fargeinformasjon av overflater. En annen metode bruker en teknikk som utnytter den ekstremt liten dybdeskarphet av konvensjonelle mål å montere en series av in-focus "image skiver" av overflaten for å få en 3D topografisk kart.

I dette arbeidet viser vi hvordan et hvitt lys interferometrisk mikroskop / profilometer muliggjør måling av mengden av materiale som går tapt ved mekanisk slitasje prosesser, eller under vesentlige etsning prosesser som ion sputtering kratere eller laser ablasjon. Mest oppmerksomhet er betalt til metodikk av denne metoden for å illustrere sin store installert kapasitet som gjør det allment tilgjengelig og attraktivt for en rekke bruksområder. De fleste typer av WLI ansette Mirau teknikken, som bruker et speil intern til mikroskopet målet å forårsake interferens mellom en referanse lyssignal og lyset som reflekteres fra prøvens overflate. Valget av Mirau interferometri er diktert av enkel bekvemmelighet, fordi hele Mirau interferometer kan passe inne i mikroskopobjektivlinsehuset og koplet til en vanlig optisk mikroskop (Figur 1). En serie to-dimensjonale Interferograms er anskaffet med et videokamera, og programvare monterer en 3D topografisk kart. Den hvite lyskilden leverer bredspektret belysning som bidrar til å overvinne "frynse orden" tvetydighet iboende en monokromatisk kilde. En monokromatisk lyskilde kan anvendes for å oppnå mer nøyaktig måling av grunne topografiske egenskaper. Den lateral oppløsning er fundamentalt begrenset til λ / 2 (numerisk apertur, NA = 1), men i de fleste tilfeller er større, blir bestemt ved NA av målet, som er i sin tur koblet til forstørrelse / felt-of-view størrelse. Tabell 1 i Ref. 1 har en direkte sammenligning av alle nevnte parametere. Dybde oppløsning tilnærminger ≈ 1 nm, blir en funksjon av den interferometrisk natur av teknikken. Ytterligere informasjon om Mirau WLI kan bli funnet i refs. 2, 3. En introduksjon på hvitt lys interferometrisk tilnærming kan bli funnet i Ref. 4.

Andre metoder for analyse av overflater er atomic force mikroskopi (AFM), scanning elektronmikroskopi (SEM), og pekepenn profilometry. Den WLI teknikken sammenligner gunstig til disse metodene og har sine egne fordeler og ulemper som skyldes den optiske karakter av metoden.

AFM er i stand til å skaffe 3D-bilder og dermed tilsvarende tverrsnitt, men har en begrenset AFM skanning evne i den laterale (<100 pm) og dybde (<10 mikrometer) akser. I motsetning til disse, er den viktigste fordelen med WLI den fleksible felt-of-view (FOV) på opp til et par millimeter med samtidig ekte 3D avbildning evne. I tillegg, som vi vil demonstrere det har bred vertikal skanning utvalg kapasitet, slik at man for å løse en rekke problemer med overflatemodifisering bare. Forskere som har arbeidet med AFM er klar over problemet med flyet posisjonering av en prøve når man måler lengre trekk ved lave vertikale gradienter. Vanligvis kan man tenke WLI / OP som en "express" teknikk over AFM. Selvsagt finnes deten rekke områder hvor kun AFM er egnet: når laterale egenskaper løses har karakteristiske dimensjoner mindre enn den laterale oppløsning WLI, eller forekomster hvor data fra WLI er tvetydig grunn av ukjente eller komplekse optiske egenskapene til en prøve på en måte som innvirkning på nøyaktigheten av målinger (som skal diskuteres senere), osv.

SEM er en effektiv måte å se på overflater, blir svært fleksibel i forhold til FOV størrelse med store dybden av fokus, større enn noen vanlig optisk mikroskop kan tilby. Samtidig, er 3D avbildning etter SEM tungvint, spesielt ettersom det krever å ta av stereo-pair bilder som deretter konverteres til 3D-bilder ved anaglyphic metoden eller gjennom å observere med optiske seere, eller brukes for direkte beregning av dybder mellom ulike steder av interesse på en prøve. 5 I motsetning tilbyr WLI / OP profilometry lett å bruke 3D rekonstruksjon med samtidig fleksibel FOV. WLI skanner gjennom helehøydeområdet nødvendig for den spesielle prøven (fra nanometer til hundrevis av mikron). WLI er upåvirket av den elektriske ledningsevnen av prøvematerialet, som kan være et problem med SEM. WLI åpenbart ikke krever et vakuum. På den annen side er det en rekke programmer som SEM gir overlegen informasjon: lateral funksjoner som skal løses av karakteristiske dimensjoner under lateral oppløsning på WLI, eller saker der ulike deler av en prøve kan topografisk skilles bare når sekundære elektron utslipp koeffisienter forskjellig.

En mer teknikk for overflate inspeksjon, som er mye brukt i sekundær ion massespektrometri 6 og innen mikroelektromekaniske systemer karakterisering 7 er stylus profilometri. Denne teknikken er populær på grunn av sin enkelhet og robusthet. Det er basert på direkte mekanisk kontakt skanning av en stylus spissen over prøvens overflate. Dette er en grov kontakt verktøy, Som er i stand til å skanne langs en enkelt linje av gangen. Det gjør 3D overflate raster-scan bildebehandling ekstremt tidkrevende. En annen ulempe med en stylus teknikken er vanskeligheten måleflaten funksjonene høyt sideforhold og av størrelse sammenlignbar med sin karakteristiske dysestørrelse (submikron til flere mikron typisk) som antyder et tannradius og en spiss apex vinkel. En fordel av stylus profilometri er dens ufølsomhet for varierende optiske egenskaper av en prøve, som kan påvirke nøyaktigheten av WLI / OP målinger (som skal diskuteres senere).

Overflaten kart i denne artikkel ble oppnådd ved hjelp av en konvensjonell Mirau-attraksjon WLI (figur 1). Mange selskaper som Zygo, KLA-Tencor, nanovitenskap, Zemetrics, Nanovea, FRT, KEYENCE, Bruker, og Taylor Hobson produsere kommersielle table-top OP instrumenter. De oppkjøpte kartene ble rekonstruert og behandlet ved hjelp av kommersiell programvare av typen som vanligvis brukes for WLI, scanning elektronmikroskop, or probe mikroskopi. Programvaren har evnen til å utføre matematiske manipulasjoner av overflaten, Tverrsnitt profilanalyse, ugyldig og materielle volumberegninger og flyet korreksjon. Andre programvarepakker kan automatisere noen av disse funksjonene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Hardware Alignment for General WLI Scan

Å skaffe kvantitativ informasjon gjennom WLI, kan følgende trinn tjene som en retningslinje. Det antas at operatøren har grunnleggende kunnskap interferometer drift. Retningslinjene er felles uansett den spesifikke instrumentet. For noen undersøkelser, vil prøven være flat. For andre kan prøven være buet.

  1. Plasser prøven på scenen med funksjonen (ion freste krateret, ion stråle / ablated spot, eller slitasje arr) vender rett opp. Bruke en lav-forstørrelse objektiv og fokusere instrumentet på det. For best oppløsning oppnå et bilde hvor gjenstand for interesse i hovedsak fyller skjermen, se figur 2 for eksempel av en ball.
  2. Juster den vertikale plasseringen av prøven slik at interferenslinjer vises nær funksjon av interesse. For en flat overflate er det ønskelig at prøven er vippet slik at flyet er perpendicular til den optiske aksen, dvs. frynse avstanden vil bli store. For en buet overflate (f.eks en ball), bør prøven være orientert slik at frynser er sentralt plassert rundt funksjonen, slik som i figur 3..
  3. Skaff en scan i henhold til instrumentinstruksjonene. Det kan være nødvendig å justere belysningen eller skanne høyde for å oppnå den beste topografisk kart. Fyll ut noen dårlige eller manglende data ved hjelp av interpolere funksjonen, og deretter lagre den topografiske kart.

2. Volum analyse ved hjelp av Generic Software

I Tribologi, prøvingsmaskiner ofte benytter ikke-konforme kontakt testing geometrier som en ball eller en sylinder som er skjøvet eller roteres mot en flat eller en annen sylinder. Vanligvis er materialet tapt på punktet for glidekontakt, men noen ganger materialet kan overføre fra en overflate til en annen, og dette "overføringslaget" vil bli målt som et overskudd av materiale på påe av kontakter prøver. Fordi slitasje arr er tredimensjonal og uregelmessig i naturen, kan optisk profilometry være den eneste teknikken egnet til å oppnå nøyaktige slitasje volummålinger - tilnærmelser er ikke gyldige. Målet er å måle de svært små mengder av materiale som kan bli borte (eller fått) i kontakt regionen ved fullføring av en test.

Det grunnleggende prinsipp for måling er å definere en matematisk plan på nivået av den uforstyrrede flaten: overflate analyseprogramvare forutsetter at det er en "fast overflate" (null-nivå), uansett over dette nivået er "tom". Analysen funksjon som måler den integrerte fjernet volumet under planet for den "solid overflate" vil bli referert til som "void volum." Funksjonen som måler den integrerte volum over planet av "solid overflate" (f.eks en ansamling av rusk) vil bli kalt den "materiale volum."

Ekte uforstyrret overflater are sjelden helt glatt og flat. For størst nøyaktighet i måling små funksjoner er det lurt å definere et område av interesse (AOI), området utenfor som er ekskludert fra analysen. Den AOI brukes til å begrense målingen området fordi ujevnheter i overflaten bidrar ekstra volum til de beregninger som er ikke virkelig fra forstyrret område.

3. Flat Surface - Mekanisk Wear Analysis

  1. Volum analyse av en flat overflate med en grøft arr eller depresjon, som er generert av mekanisk slitasje, ion stråle sputtering, eller laser ablasjon, er lett å utføre. Oppnå et bilde, for eksempel figur 4 venstre som viser en mekanisk arr på en polert stålflate. Velg en AOI som utelukker depresjon og deretter bruke det tilt og / eller krumming fjerning funksjonen er tilgjengelig for å jevne den uforstyrrede overflaten til maksimal flathet. Deretter bruke programvaren til å sette den gjennomsnittlige høyden til Z =0. Figur 4 er rett en PseudoColor visning av et arr på et flatt underlag etter disse trinnene. I denne visningen det ekskluderte "tomromsvolum" er farget rød. I dette fargevalget betegner den mørkebrune lave områder mens oransje betegner høy områder.
  2. Slette AOI. Hvis programvaren har en automatisert volum målefunksjon, plassere en region av måling over arret. I denne programvaren, vil målefunksjonen telleapparat på "ugyldig og materiell volum" vises med blå farge i Figur 5. Total slitasje er "vesentlig volum" over flyet trekkes fra "void volum." Dette er volumendring av forstyrret overflaten. (For programvare som ikke har denne funksjonen, men har et histogram, eller tydelig se hvilke områder som er hevet over overflaten eller er under overflaten, hopper du over trinn 3,2 og gå til trinn 3.3.)

Følgende tre trinn beskriver en alternativ metode for å måle slitasje volum.

  1. Invertere AOIfra trinn 3,1 til aktivere arret regionen som skal analyseres (arret inngår nå).
  2. Generere et histogram av dataene. Histogrammet er en graf av vertikal høyde på abscissen vs forekomstfrekvensen på ordinaten. Plasser én markøren på Z = 0 (figur 6 venstre). Dette kan ikke være på toppen av histogrammet. I dette tallet markørene har blitt satt opp for å selektivt analysere bare den manglende materialet under flyet. Programvaren integrerer det totale volum mellom de to markørene. Den røde farget området viser det som utelates. De oransje untinted områder i figur 6 til høyre er under overflaten. Histogrammet funksjonen bør generere en "void volume" nummer med pekere posisjonert som vist til å måle materialet tapt fra overflaten.
  3. Ved bruk av samme histogrammet, plasserer den andre markøren denne gangen på Z = 0 høyde stilling (figur 7 til venstre), og den andre på den motsatte enden. De oransje untinted områder i dvs. overskuddsmateriell over flatt underlag. Total slitasje er "vesentlig volum" subtrahert fra "void volumet," det samme som i trinn 3.2. Histogrammet metoden bør gi samme slitasje volum som i trinn 3.2, men det gir flere detaljer om fordelingen av hevet og senket materiale, og viser et kart over fordelingen av dette området.

I eksemplet ovenfor er det ingen netto materiale tapt fra slitasje arr, i stedet er det vesentlig gevinst. Dette er uvanlig, men noen ganger oppstår når materialet overfører fra en test counterface til en annen.

De samme "flat overflate karakterisering" tilnærminger er gunstig for å oppnå volum fjernet i eksperimenter med ion sputtering og laser ablasjon, vurderes i eksemplene som følger.

4. Flat Surface - Craters og Ion Beam Profiler Målinger for å anslå Sputtering Yield, og å utføre Time-to-depth Kalibrering

Som et alternativ til den kjente og vidt anvendt metode for å estimere sputtering utbytter bruke masse-tap metoden, basert på direkte veiing eller kvarts microcrystal balanse, 8, 9 finner vi at WLI metoden er nyttig for direkte visualisering av de freste Ion Beam flekker / kratere innhentet av statisk sputtering / raster skanning av en ion stråle. Figur 8 sammenligner langsgående tverrsnitt av en flekk (grønne solide og blå stiplede linjer) av en normalt hendelse statisk 5 keV og 150 eV Ar + ion bjelker mot sine kratere (oliven åpen sirkler og cyan åpne diamanter) oppnådd ved 100 × 100 piksler digital raster skanning av samme ion stråle over overflaten av en Cu (110) enkelt krystall. Kurven som tilsvarer den statiske beam overlapper en kraterkanten å demonstrere hvordan raster skanning av ion stråle genererer krateret under frese depth profilering.

5. Flat Surface - Karakterisering av Ultrafast Laser Ablasjon

Ultrafast laserablasjon er anerkjent som en fremgangsmåte for fjerning av materiale fra en solid samtidig minimere den varmepåvirkede sone. 10 Denne prosessen muliggjør høy rate mikromaskinering med høy sideforhold og minimal skade (cracking, oksidasjon) til det gjenværende materialet, og åpner opp muligheten av effektiv ablasjon av transparente materialer. 11 Mer nylig, har interessen utviklet i å bruke ultrafast ablasjon som et analytisk verktøy. 12-15 Den høye linearitet av ablasjon prosessen også gir et middel for å redusere ablated punktstørrelse betydelig under den bestrålte punktstørrelse ( som vanligvis definert av 1 / e 2), og selv under diffraksjon grensen, som har vært vist. 16 Dybde oppløsning, mens ikke konkurransedyktig med de beste ion stråle metoder, kan være <20 nm. Fjerning priser kan lett økeslineært ved å øke laser fluence, er slik at meget rask profilering gjennom mikron av materiale mulig. Ideelt sett karakteriserer materialet fjerning av lynraske ablasjon krever en teknikk som er rask og kvantitative og godt kalibrert, alle egenskaper oppfylt av WLI.

Figur 9 viser PseudoColor bilder av to nærliggende kratere dannet av repeterende ablasjon av GaAs med et superraskt (60 fs, 800 nm) laserstrålen fokuseres til et spot størrelsen ≈ 8 mikrometer og ha fluences tilsvarende 0,4 og 1,0 J / cm 2.

6. Buede overflater - mekanisk slitasje Analyse

Volum analyse av en buet vanlig overflate (ball eller sylinder) er lik den som er av en flat, men krever kurvatur fjerning. Følgende protokoll viser en analyse av en sirkulær slitasje arr på en stålkule. Å finne volumet tapt fra en ball er det nødvendig å gjøre matematisk behandling å transformere en ball med enflatt område i et plan med en fordypning, og deretter måle volumet av fordypningen slik det ble gjort i § 3 på en flate. En slitasje arr på en ball vil bli målt, først ved å bruke den enklere automatiske teknikk, deretter med histogrammet teknikken.

  1. Figur 10 venstre viser et isometrisk riss av et slitasje arr på en ball. Velg en AOI som utelukker slitasje arr, og velge programvaren kurvetilpasning verktøy som vil transformere overflaten slik at det er en slitt depresjon i midten av en uforstyrret flate området. Fordi krumning fjerning kan være en iterativ teknikk kan det være nødvendig å kjøre de passe flere ganger slik at den uforstyrrede området er flatt til NM nivå nøyaktighet. Enhver synlig non-ensartethet utenfor slitasje arr indikerer et problem, og beregningen vil ikke være riktig. Still gjennomsnittlig høyde utenfor arret til Z = 0. Figur 10 høyre viser en PseudoColor visning av arr etter krumningen fjerning og innstilling Z = 0 med en AOI riktigmaskering det slitte området.
  2. Bruk måleverktøy, hvis tilgjengelig, å analysere slitasje, som vist i figur 11. Total slitasje volumet er "vesentlig volum" subtrahert fra "void volum."

Følgende trinn beskriver en alternativ metode for å måle slitasje volum.

  1. På samme måte som i trinn 3.3, snu AOI slik at slitasjen arret er inkludert. Generere et histogram av dataene. Plasser én markøren på Z = 0 (figur 12 venstre). De oransje untinted områdene i figur 12 til høyre er under overflaten. Histogrammet funksjonen bør generere en "void volum" nummer.
  2. Ved bruk av samme histogrammet, plasserer den andre markøren denne gangen på Z = 0 høyde (figur 13 til venstre), og den andre på den motsatte enden. De oransje untinted områdene i figur 13 til høyre er over overflaten. Histogrammet funksjonen bør generere en "vesentlig volum" nummer. Totalslitasje volumet er "vesentlig volum" over planet subtrahert fra "void volumet," det samme som i trinn 3.2. Histogrammet metoden bør beregne samme slitasje volum som i trinn 6.2, men det gir flere detaljer om fordelingen av hevet og senket materiale, og viser et kart over fordelingen av dette området.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1
Figur 1 Fotografi av en enkel profilometer benyttes i foreliggende studie:. En multippel objektiv turret er sett i bildet. To mål er standard (10x og 50x), og to er Mirau mål (10x og 50x). Dette mikroskopet har en middels forstørrelse funksjon som gjør trinnvis forstørrelse multiplikatorer på 0,62, 1,00, 1,25, eller 2,00 for å bli valgt. Klikk her for å se større figur .

Figur 2
Figur 2. Normal utseendet slitasje arr på stål ball. Klikk her for å se større figur .

jove_content "fo: keep-together.within-page =" always "> Figur 3
Figur 3. Interferenslinjer sentralt plassert rundt slitasje arr. Klikk her for å se større figur .

Figur 4
Figur 4 Venstre:. PseudoColor visning av et arr på et flatt underlag Høyre:.. AOI nomineres i rødt, etter utjevning Klikk her for å se større figur .

Figur 5
Figur 5. Trong> Bilde som viser oversikt regionen måleinstrument. Klikk her for å se større figur .

Figur 6
Figur 6 Venstre:. ". Hulromsvolumet" Histogram slitasje arr med pekere justert for å måle Høyre: PseudoColor bilde. Klikk her for å se større figur .

Figur 7
Figur 7 Venstre:. ". Materiale volum" Histogram slitasje arr med pekere justert for å måle Høyre: PseudoColor bilde. "_blank"> Klikk her for å se større figur.

Figur 8
Figur 8. (A) og (b) PseudoColor 2D toppriss av freste krateret og flekk, henholdsvis. Svarte linjer retninger langs hvilke tverrsnitt tegnes inn i (c) ble målt, er horisontal linje X-profil, er vertikal Y-profil, (c) Beam spot og krater tverrprofiler overlagret. Målingene ble gjort på Cu (110) freste etter normalt hendelsen Ar + ion stråle med 5 keV (oliven åpne sirkler og grønn heltrukken linje) og 150 eV (cyan åpne diamanter og blå stiplet linje) energier. Klikk her for å se større figur .

jove_content "fo: keep-together.within-page =" always "> Figur 9
Figur 9. (A) PseudoColor 2D topp utsikt over kratere produsert med lav innflytelse (øverst) og høy innflytelse (nederst) 800 nm bestråling av GaAs for ≈ 100 bilder ved 1 kHz repetisjon hastighet og en pulsbredde på 60 fsec. Skalaen linjer indikerer hulldiameter, målt til den ytre kanten av diffraksjon ringen. Fokal posisjon og punktstørrelse er de samme, noe som indikerer at ablated krateret størrelsen og dybden avhenger sterkt fluence. Tomt på figur nederst viser tverrsnitt av hvert hull, med centroids tilpasset overlappe, (b) SEM bilde av større krateret fanget ved 60 grader sample tilt for å avdekke om peaking ytre ring (gule i WLI bilde) er virkelig.Klikk her for å se større figur.

Figur 10
Figur 10 Venstre:. Isometrisk visning av slitasje arr med overføring film Høyre:. Riktig AOI på ball uten slitasje arr etter krumning fjerning og Z = 0.

Figur 11
Figur 11. PseudoColor visning av slitasje arr med måleinstrument. Klikk her for å se større figur .

Figur 12
Figur 12 Venstre:. Histogram slitasje arr med pekere justert for å måle R "void volum." ight: PseudoColor bilde. Klikk her for å se større figur .

Figur 13
Figur 13 Venstre:. ". Materiale volum" Histogram slitasje arr med pekere justert for å måle Høyre: PseudoColor bilde.

Figur 14
Figur 14. Et eksempel på en analyse utført på en uberørt ball prøve å anslå usikkerhet i målingen. Klikk her for å se større figur .

ftp_upload/50260/50260fig15highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50260/50260fig15.jpg "/>
Figur 15. Heltrukket linje er et tverrsnitt av et krater i Si (100) med meget skarpe kanter produsert av raster skannet tett fokusert 5 keV ion stråle av ≈ 30 mikrometer i diameter, mens stiplet en er et krater oppnås gjennom samme prosedyre ved mindre stråle av ≈ 60 mikrometer i diameter. Røde sirkler nederst viser områder batwings. Klikk her for å se større figur .

Figur 16
Figur 16. Direkte sammenligning av samme ion freste krater i Si (100) probed av WLI og pekepenn profilers for å selvstendig bevise en riktig dybde kalibrering av WLI.Klikk her for å se større figur .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Eksempel 1

WLI er ikke mye brukt for overflate karakterisering i tribological arbeid, men det er faktisk en kraftig metode for kvantitativ måling av slitasje volumer for mange kontakter geometrier. WLI produserer en full 3D-representasjon av overflaten som kan analyseres ved hjelp av en av flere visualisering programvarepakker. Disse pakkene gir forskjellige typer målinger som skal utføres. For større lateral oppløsning, kan bildene bli "sydd" sammen for å produsere vidvinkel informasjon (flere mm), med mikrometer oppløsning.

For ikke-tribologiske arbeid, kan WLI brukes til å måle overflate-funksjoner som er vanskelige å måle ved hjelp AFM eller andre kontakt betyr. Fu et al. Studert effekten av Ga Ion Beam parametere på mikromaskinering av Si overflater. AFM ble brukt til å måle overflateprofil, men resultatene ble begrenset på grunn av den begrensede vertikale området av AFM cantilever spissen, og skade forårsaket avspissen for store gropen dyp. I stedet fant arbeiderne WLI å være mer nyttig for å måle store dyp og samtidig bevare funksjoner og å kunne lett måle vertikale sidevegger. 17

I tribologi kan analyse programvare trekke statistiske overflateruhet parametere slitte overflater, som kan sammenlignes med analytiske modeller av overflatetopografi generert av tribological prosesser, f.eks maskinering. Jiang et al. Brukte denne evnen til å studere overflateruhet som funksjon av fresing parametere og sammenlign med analytiske modeller. 18

En veldig enkel bruk av WLI er for måling av vesentlige tap fra et slitasje arr under ensrettet skyve av en nål på en flat skive. Reiter et al. Brukt WLI å skanne slitasje spor og beregne slitasje volumer og dermed slitasje priser for en rekke ball på disken tester. Fordi 2D overflaten er rekonstruert, er det en enkel sak å bestemme dybdenog bredden av et slitasje arr, og dermed beregne slitasje volum. I denne forstand, fungerer WLI som noe mer enn en forbedret stylus profilometer. 19

Mer kraftfullt kan WLI brukes til å måle volumet av slitasje tapt ved en glidekontakt hvis profilen av den opprinnelige overflate er kjent. I den enkleste eksempel er et spor eller krater slitt i en flat overflate. Slitasjen volum er ganske enkelt volumet av materiale som er fjernet fra den flate overflaten. Surface analyseprogrammer aktiverer den volumetriske avvik fra en flat overflate, dvs. volumet tapt, som skal måles. Disse målingene er lettest når den opprinnelige counterface er en symmetrisk overflate: flat, sfæriske, eller sylindriske. Devillez et al. Skisser ut en metode der WLI ble brukt til å måle volumet tapt fra overflaten av en skjærende verktøy. Det lokale området av flanken var opprinnelig flat, og det var relativt enkelt å beregne forskjellen mellom den opprinnelige overflate og denslitasje groove som ble produsert på overflaten. 20 Når overflaten er ikke flat, deretter en ekstra trinn i prosedyren er nødvendig for å måle slitasje volum. Hvis den opprinnelige overflate er geometrisk regelmessig, da det er mulig å matematisk fjerne krumningen av overflaten slik at et flatt plan blir produsert, mens samtidig deformerer slitasje arr på samme måte. Avviket fra flyet kan enkelt beregnes.

I biomedisinsk Tribologi, WLI, noen ganger kalt vertikal skanning interferometri i medisinsk litteratur, kan brukes til å måle de overflater av native og slitte leddbrusk. Topografisk informasjon kan oppnås, men teknikken er hindret av det faktum at overflaten av levende brusk er dynamisk og trekk så vann går tapt eller absorberes. 21

Med dette eksempelet prøvde vi å vise hvordan WLI kan brukes for rutineanalyser i tribologi, ytterligere bakgrunn kan finnesi refs. 22, 23, og noen referanser deri.

Eksempel 2

I mange eksperimenter designet for å avgjøre sputtering gir (SY) av ulike materialer under bestemte ion bombardement forhold, kan usikkerhet i ion stråle parametere formere seg og føre til usikre sputtering ytelsesverdier. 24 For eksempel kan det være utfordrende å avgjøre former av ion stråle profiler og de tilsvarende operative strømtettheter, spesielt når prosjektilet energien går under 1 keV og deretter ytterligere nærmer sputtering terskelen. Videre, under slike betingelser, er den fokusering av ion stråle i spørsmålet, og den relative spredning Δε / ε i den innledende kinetisk energi distribusjon av ioner 25 kan ha sterk innflytelse på eksperimentelle resultater. 9, 26

Ved å kombinere WLI visualisering med nøyaktige målinger av den totale ione gjeldende ved et Faraday kopp (FC), den SY ogdriftsstrøm tetthet kan oppnås samtidig. Dessuten synes denne tilnærmingen å være svært nyttig i å estimere omfanget av uønskede "vinger" av ion stråle profilen for å hjelpe i å samkjøre ion stråle kilder. Sputtering utbytte Y blir deretter estimert ved følgende uttrykk

Ligning 1
der jeg, likestrøm på en ion stråle, τ, tidspunkt for sputtering, M atom, masse av en matrise atom i gram, ρ, tetthet, e, det elementære kostnader. V er volumet av den fjernede prøve materialet oppnådd ved hjelp av WLI måling. Volumberegninger kan utføres enten ved hjelp av begge fremgangsmåtene som er beskrevet i protokollen for plane overflater, avhengig av en type post-prosessering programvare tilgjengelig, eller ved tredimensjonal integrasjon basert på tverrsnitt i to ortogonale retninger sentrertpå den erodert overflateareal (sorte linjer på figur 8a og 8b) rett og slett ved

Ligning 2
i tilfelle at man ikke har noen mulighet til å utføre detaljerte etterbehandling som beskrevet i protokollen. The | Max-Min | Yprofile parameter i andre multiplikator begrepet brukes ikke til å ta krateret dybde hensyn to forskjellige tider, ved beregning av V.

Ion beam strømmer målt in situ ved en tilpasset grafitt FC bestående av en intern pin (innløpshull på 250 um dia.) Og den utvendige overflate. Denne designen gir grov kontroll over ion stråle fokus forholdene ved å måle "intern" og "ekstern" (for det meste tilskrives "vinger") komponenter i levert strøm. Posisjonen til FC simulerer fullt et eksempel overflate positioning med hensyn til å fokusere og styre ion optikk vårt massespektrometer. 27 Målingen av energi spredt Δε av lavenergi systemet 27 kan utføres ved hjelp av samme FC. I dette tilfellet, kan FC være eksternt forspent av en spenning 0-5 kV, og den totale strømmen som en funksjon av undertrykkelse spenning måles. På en slik måte, ble den iboende Δε anslått til 23 eV.

Symmetrisk profil som er sett i Figur 8 viser at det er god justering av ion stråle kolonnen, og FWHM av 120 mikrometer til en samlet strøm av 2 μA. Den WLI tilnærmingen tillater en å karakterisere ion sputtering med identisk normalt hendelsen ion stråle bremses til 150 eV av målet potensial. I dette tilfellet, blir tverrsnittet av den statiske strålen flekk vist av en blå prikket linje og krateret tverrsnitt er vist av cyan åpne diamanter. Ione kolonne aktivert levering av samme 2 μA avAr + strøm på målet fordi retardasjon av strålen fra den nominelle 5 keV energi til 150 eV oppstått i umiddelbar nærhet av målet, og på en slik måte at dets optimale fokusering ble opprettholdt ved en elektrostatisk objektiv (FWHM av 150 mikrometer i Figur 8c er bevis på at). 27 Det freste krateret har i dette tilfellet en større lateral størrelse fordi nedbøyningen ladespenningen fra raster-generering octupole ble holdt uendret for de to primære ion innvirkning energier, som resulterer i ytterligere stråle svingende grunnet målet potensial.

Basert på WLI data, ble sputtering utbytter av Cu (110) ved 5 keV og 150 eV ion innvirkning energier bestemt. Et oppnådd SY verdi på 1,8 kl / ion for det førstnevnte tilfellet var i god overensstemmelse med litteraturdata. 28 For sistnevnte en, var sputtering utbytte 0,2 kl / ion (sjelden eller mangel i litteraturen).

For SY anslag, våre resultater viseren alternativ eksperimentell tilnærming, som også kan brukes til å verifisere eksperimentelle data og å "finjustere" justerbare parametere prognosemodeller 29, 30 og beregning koder som SRIM 31 og TRIDYN, 32 så vel som å generere referansedata for mange teknologiske anvendelser. 6, 9, 33-36 I tillegg er denne tilnærmingen kan nøyaktige kvantifisere sputtering priser for organisk materiale og faste stoffer i henhold bombardement med en rekke primære arter, som vanligvis brukes atom ioner og relativt nye molekylære og cluster ioner, for eksempel i refs. 37, 38. Dermed hjelper det å løse et problem av gangen (eller primær ion fluence) til dybdekonvertering i dybden profilering eksperimenter ved hjelp av en gjennomsnittlig parameter kalt sputtering rente Likning 3 der d er en total dybde målt ved WLI og τ, som nevnt ovenfor, total tid for sputtering.

Som i tilfellet med ion stråle sputtering er ablasjon utbytte en viktig parameter for analytiske programmer. For ablasjon, er denne verdien vanligvis uttrykt i form av fjerning rate per skudd, eller alternativt fjerning rate per tidsenhet med en gitt laser repetisjonsrate. Fordi det er minimal termisk lasting av materialer kan repetisjon priser være svært høy (MHz) og er ofte begrenset av den hastigheten som strålen kan beveges over materialet. I tillegg er det flere vesentlige ablasjon terskler, tilsvarende ulike fundamentale ablasjon mekanismer. 39 Den dominerende analyseverktøy med lynraske laser ablasjon krever høye fluences (> 5 J / cm 2) og tilsvarende høye fjerning priser og forbruker relativt store mengder analyseprøve . 40, 41

I prinsippet ionene som dannes under ablasjon prosessen kan bli analysert direkte, eller ablatednøytrale kan være ionisert med en andre laser, noe som fører til en mer sensitiv og høyere romlig oppløsning teknikk. Som det sees i figur 9a, to kratere ablated under identiske betingelser, med unntak av fluence, vil ha dramatisk forskjellige figurer. Disse kraterne er representative for et større sett av kratere dannet på en polert én krystall GaAs prøven. Ved ganske enkelt å redusere fluence fra 1 J / cm 2 til 0,4 J / cm 2 (den sistnevnte verdi er omtrent dobbelt ablasjon terskelen for GaAs), 42 krateret diameteren reduseres med nesten halvparten, og den gjennomsnittlige avvirkning i sentrum av krateret er redusert fra ca 10 nm / skjøt til 5 nm / bildet. Massen avvirkning er tilsynelatende redusert med en faktor på seks, forbedre tilsvarende analytisk volum oppløsning.

Det er viktig å merke seg at det markerte ringstruktur observert rundt hvert hull (figur 9a) bør tolkes med forsiktighet, SInce det kan være på grunn av spredning av lyset fra interferometeret. Selv om det er mulig å få ringformet krater materiale ejecta, de er generelt bare sett med mye lengre pulsede lasere. 27 Denne optiske artefakt kan forventes hvis radien av krater kanten er nær, eller under diffraksjon grensen for den gjennomsnittlige bølgelengde i langt feltet forholdene i mikroskop (ca 1 mikrometer i dette tilfellet). I slike situasjoner, hvis måling av krateret veggen radius er avgjørende en gratis teknikk slik som beskrevet ovenfor bør være ansatt - se neste avsnitt på gjenstander og begrensninger WLI. Men hvis hovedmålet er å måle krateret dyp, med et sekundært mål å sikre at en terskel radius nær diffraksjon ikke overskrides, da WLI er godt egnet for raskt å måle et stort antall kratere.

Noen typiske gjenstander / feil og begrensninger WLI

1. Feilestimeringog usikkerhet vurdering

Alle reelle overflater er grov og uregelmessig i noen grad, og ingen måleteknikken er perfekt. Disse ufullkommenheter vil introdusere usikkerheter i målingen av materielle tap. Det er tre feilkilder. Først, det er målefeil og støy iboende i profilometer. Sekund, kan feil oppstå på grunn av ufullkommen kurvatur fjerning hvis dette trinnet blir utført. Det tredje kan den opprinnelige uskadet overflaten være ru og ujevn, noe som kan føre til subtraksjonsfeil fordi den opprinnelige overflaten ikke er kjent for å perfekt nøyaktighet. Et estimat av størrelsen av den totale feil kan oppnås ved ganske enkelt å utføre flere målinger på uberørte prøvenes overflater ved hjelp identisk prosessering / utjevningssjikt teknikk som gjøres på en modifisert prøven overflaten. Figur 14 viser en av fem målinger av uberørte ball overflater. Den resulterende gjennomsnittlige volum var 92 um 3 med et standardavvikav 184 um 3, i stedet for den forventede verdi av null. Dette indikerer at for disse prøver og spesifikk prosessering teknikk som brukes, det er en statistisk variasjon av 184 um 3 og en systematisk feil på 92 mikrometer 3.

Også, la oss kort beskrive typiske gjenstander og begrensninger man møter når du bruker WLI tilnærming. Disse gjenstandene bidrar ytterligere usikkerhet som påvirker presisjonen endelige resultatene. For hver enkelt WLI program eksempel, bør de behandles hver.

2. En enkel eller flerlags bestanddel film av optiske egenskaper som er forskjellige fra de av en base / substrat. Transparent / semitransparent film på en reflekterende basen

Den enkleste type WLI trenger optisk speilende refleksjon fra en overflate. Hvis hele overflaten har samme reflektivitet gjelder faseendring av den reflekterte bølge, deretter en måling nøyaktig nm oppnås. For inhomogenous prøver (for eksempel, integrerte kretsmønstre), må en korreksjon som skal brukes, avhengig av arten av det spesielle materialet. Denne effekten er adressert i en artikkel av Harasaki et al. 43 Forskyvninger så store som 36 nm kan oppstå for Ag / Au pairer. I slike tilfeller kan en del av deteksjon WLI lett "forvirret" av ulike optiske responser i form av faseforskyvningene på en måte som gir en feil estimering av full dybde. Det er også vanlig, hvis man ser at en bolle er invertert i en pidestall som stikker over nullnivå på en uberørt overflate, høyden er skjevt i tillegg. Denne effekten er pent demonstrert i figur 13 i Ref. 7. En grei måte å unngå slike problemer er å uniformt dekke hele overflaten med noen kjente reflekterende materiale slik at den vil ha den samme optiske respons på en WLI detektor. Da denne målingen problemet forsvinner. I Ref. 7, ble dette problemet løst ved dekning av et lagdelt system, SiO

3. Batwings

Som nevnt med hensyn til hva som er beskrevet i figur 9 ovenfor, skarpe trekk slik som trinn og krater kanter kan forårsake diffraksjon av lyset fra interferometeret, som fører til anomale signaler kjent som "batwings." 46 Generelt skjer dette når den laterale dimensjoner av slike funksjoner er nær diffraksjon grensen og trinnhøyde er under koherenslengden til lyset. Eksperimentell approaches har blitt utviklet for å minimere slike artefakter (se for eksempel Ref. 47). Figur 15 demonstrerer denne effekten ved ion sputtering eksperimenter. Den grønne heltrukne linjen er et krater som produseres av en "kraftig" fokusert Ar + ion stråle av ≈ 30 mikrometer dia. som ga brå endring i høyder mellom overflaten og krateret bunn med vertikale vegger. På den ene siden, antyder det en meget god ion stråle innretting, men på samme tid de artefakter kalt "batwings" er innført av WLI inn i den endelige profiler gjenoppbygging, og så bør utelukkes fra volum fjernet beregninger. Det er en stiplet cyan linje i samme plottet, som representerer nøyaktig de samme betingelser, men sputtering under ≈ 60 um dia. strålen. Som man kan tydelig se, "batwings" helt forsvunnet. Dette skyldes markant endring i overgangen gradient som fokuserer tilstanden avviker.

Avsluttende bemerkninger

Det er important å huske på hvis et forskningsarbeid forbundet med en ny type prøve startes med WLI det er alltid en god idé å etablere hvorvidt WLI er egnet til disse formålene. Hvis ja, så er det nødvendig å kalibrere / sjekke kalibrering ved hjelp av en uavhengig tilnærming, og bare etter at WLI blir en uttrykkelig metode for å få bulk mengder av resultater. Det er tre av dem som ble nevnt:. AFM, SEM og pekepenn Tall 9b og 16 er eksempler på sammenligning av WLI resultater til SEM og pekepenn, henholdsvis.

Figur 9b svar et spørsmål om de ytre ring pigger av utkastede materialet av større ablated kratere sett i WLI bildene er ekte. Det er vanskelig å fastslå nøyaktig, men resultatene av utført SEM bildebehandling sammenligne gunstig med hva WLI gir i forhold til høyde av skarpe ringstruktur observert rundt hvert hull ≈ 400 nm (≈ 500 nm fra WLI profil) og ≈ 12 mikrometer dia. (≈ 13 gjennomsnittlig dia. utledes fra WLI profiler).

Figur 16 er et eksempel på hvordan WLI profilering resultater kan bekreftes ved stylus profiler, hvis dimensjonene modifisert området er egnet for dette formål. Ideen bak dette eksperimentet var å sjekke dybden kalibrering gjennom en uavhengig teknikk. Objektet er et krater innhentet av Ar + 5 keV ioner i Si underlaget, den laterale dimensjoner, som lå bortenfor AFM evner, er slik at bruk av pekepenn er foretrukket. I figur 16 to profiler oppnås gjennom WLI og pekepenn lagt en på en annen. Direkte sammenligning av data antydet at resultater oppnådd ved WLI gjelder dybde er riktige. Den laterale dimensjonen er også reproduserbar med en eneste unntak: sidelengs krater målt ved pennen ser smalere mot WLI. Tar at prøven er single-komponent og alle overgangen romlige gradienter er små, er det rimelig å anta at WLI data gjenspeiler faktiske siZe av den fjernede området, og mindre størrelse i stylus representasjon skyldes convolution av den virkelige krateret størrelse med karakteristisk sondering dysestørrelse. Som regel er dybde kalibrering av vår WLI profilometer oppnås gjennom Ted Pella AFM trinn-lignende standard på 500 nm høyde.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklært.

Acknowledgments

Det bestrålte GaAs prøven ble gitt av Yang Cui ved University of Illinois i Chicago. Dette arbeidet ble støttet under kontrakt nummer DE-AC02-06CH11357 mellom UChicago Argonne, LLC og US Department of Energy og ved NASA gjennom tilskudd NNH08AH761 og NNH08ZDA001N, og Office of Vehicle Technologies av US Department of Energy under kontrakt DE-AC02 -06CH11357. Den elektronmikroskopi ble gjennomført til en Elektronmikroskopi Center for Materials Research ved Argonne National Laboratory, en US Department of Energy Office of Science Laboratory, som drives under kontrakt DE-AC02-06CH11357 av UChicago Argonne, LLC.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gao, F., Leach, R. K., Petzing, J., Coupland, J. M. Surface measurement errors using commercial scanning white light interferometers. Meas. Sci. Technol. 19, 015303 (2008).
  2. Cheng, Y. -Y., Wyant, J. C. Multiple-wavelength phase-shifting interferometry. Appl. Opt. 24, 804-807 (1985).
  3. Kino, G. S., Chim, S. S. C. Mirau correlation microscope. Appl. Opt. 29, 3775-3783 (1990).
  4. Wyant, J. C. White light interferometry. Proc. SPIE. 4737, 98-107 (2002).
  5. Sakseev, D. A., Ershenko, E. M., Baryshev, S. V., Bobyl, A. V., Agafonov, D. V. Deep microrelief measurement and stereo photography in scanning electron microscopy. Tech. Phys. 56, 127-131 (2011).
  6. Morris, R. J. H., Dowsett, M. G. Ion yields and erosion rates for Si1-xGex (0≤x≤1) ultralow energy O2+ secondary ion mass spectrometry in the energy range of 0.25-1 keV. J. Appl. Phys. 105, 114316 (2009).
  7. O'Mahony, C., Hill, M., Brunet, M., Duane, R., Mathewson, A. Characterization of micromechanical structures using white-light interferometry. Meas. Sci. Technol. 14, 1807-1814 (2003).
  8. Andersen, H. H., Bay, H. L. Sputtering yield measurements. Topics in Applied Physics. Behrisch, R. 47: Sputtering by Particle Bombardment, Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg. 145-218 (1981).
  9. Wu, S. -M., de Kruijs, R. van, Zoethout, E., Bijkerk, F. Sputtering yields of Ru, Mo, and Si under low energy Ar+ bombardment. J. Appl. Phys. 106, 054902 (2009).
  10. Liu, X., Du, D., Mourou, G. Laser ablation and micromachining with ultrashort laser pulses. IEEE J. Quantum Electron. 33, 1706-1716 (1997).
  11. Gattass, R. R., Mazur, E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials. Nature Photonics. 2, 219-225 (2008).
  12. Russo, R. E., Mao, X., Gonzalez, J. J., Mao, S. S. Femtosecond laser ablation. ICP-MS. J. Anal. At. Spectrom. 17, 1072-1075 (2002).
  13. Brady, J. J., Judge, E. J., Levis, R. J. Analysis of amphiphilic lipids and hydrophobic proteins using nonresonant femtosecond laser vaporization with electrospray post-ionization. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 22, 762-772 (2011).
  14. Berry, J. I., Sun, S., Dou, Y., Wucher, A., Winograd, N. Laser desorption and imaging of proteins from ice via UV femtosecond laser pulses. Anal. Chem. 75, 5146-5151 (2003).
  15. Coello, Y., Jones, A. D., Gunaratne, T. C., Dantus, M. Atmospheric pressure femtosecond laser imaging mass spectrometry. Anal. Chem. 82, 2753-2758 (2010).
  16. Korte, F., Serbin, J., Koch, J., Egbert, A., Fallnich, C., Ostendorf, A., Chichkov, B. N. Towards nanostructuring with femtosecond laser pulses. Appl. Phys. A. 77, 229-235 (2003).
  17. Fu, Y., Bryan, N. K. A., Shing, O. N., Wyan, H. N. P. Influence analysis of dwell time on focused ion beam micromachining in silicon. Sensors and Actuators A. 79, 230-234 (2000).
  18. Jiang, F., Li, J., Yan, L., Sun, J., Zhang, S. Optimizing end-milling parameters for surface roughness under different cooling/lubrication conditions. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 51, 841-851 (2010).
  19. Reiter, A. E., Mitterer, C., Figueiredo, M. R., Franz, R. Abrasive and adhesive wear behavior of arc-evaporated Al1-xCrxN hard coatings. Tribol. Lett. 37, 605-611 (2010).
  20. Devillez, A., Lesko, S., Mozer, W. Cutting tool crater wear measurement with white light interferometry. Wear. 256, 56-65 (2004).
  21. Shekhawat, V. K., Laurent, M. P., Muehleman, C., Wimmer, M. A. Surface topography of viable articular cartilage measured with scanning white light interferometry. Osteoarthritis and Cartilage. 17, 1197-1203 (2009).
  22. Hershberger, J., Öztürk, O., Ajayi, O. O., Woodford, J. B., Erdemir, A., Erck, R. A., Fenske, G. R. Evaluation of DLC coatings for spark-ignited, direct-injected fuel systems. Surf. Coat. Technol. 179, 237-244 (2004).
  23. Ajayi, O. O., Erck, R. A., Lorenzo-Martin, C., Fenske, G. R. Frictional anisotropy under boundary lubrication: Effect of surface texture. Wear. 267, 1214-1219 (2009).
  24. Wittmaack, K. Analytical description of the sputtering yields of silicon bombarded with normally incident ions. Phys. Rev. B. 68, 235211-23 (2003).
  25. Zeuner, M., Neumann, H., Scholze, F., Flamm, D., Tartz, M., Bigl, F. Characterization of a modular broad beam ion source. Plasma Sources Sci. Technol. 7, 252-267 (1998).
  26. Barna, A., Menyhard, M., Kotis, L., Kovacs, G. J., Radnoczi, G., Zalar, A., Panjan, P. Unexpectedly high sputtering yield of carbon at grazing angle of incidence ion bombardment. J. Appl. Phys. 98, 024901 (2005).
  27. Weck, A., Crawford, T. H. R., Wilkinson, D. S., Haugen, H. K., Preston, J. S. Laser drilling of high aspect ratio holes in copper with femtosecond, picosecond and nanosecond pulses. Appl. Phys. A. 90, 537-543 (2008).
  28. Roosendaal, H. E. Sputtering yields of single crystalline targets. Topics in Applied Physics. ed, I. .,B. ehrisch,R. ., 47: Sputtering by Particle Bombardment, Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg. 219-256 (1981).
  29. Seah, M. P. An accurate semi-empirical equation for sputtering yields II: For neon, argon and xenon ions. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 229, 348-358 (2005).
  30. Seah, M. P., Clifford, C. A., Green, F. M., Gilmore, I. S. An accurate semi-empirical equation for sputtering yields I: For argon ions. Surf. Interface Anal. 37, 444-458 (2005).
  31. James Ziegler - SRIM & TRIM [Internet]. , Available from: http://www.srim.org/ (2011).
  32. Moller, W., Eckstein, W. Tridyn - A TRIM simulation code including dynamic composition changes. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2, 814-818 (1984).
  33. Insepov, Z., Norem, J., Veitzer, S. Atomistic self-sputtering mechanisms of rf breakdown in high-gradient linacs. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 268, 642-650 (2010).
  34. Puech, L., Dubarry, C., Ravel, G., de Vito, E. Modeling of iron oxide deposition by reactive ion beam sputtering. J. Appl. Phys. 107, 054908 (2010).
  35. Ho, S., Tamakoshi, T., Ikeda, M., Mikami, Y., Suzuki, K. Net sputtering rate due to hot ions in a Ne-Xe discharge gas bombarding an MgO layer. J. Appl. Phys. 109, 084908 (2011).
  36. Nakles, M. R. Experimental and Modeling Studies of Low-Energy Ion Sputtering for Ion Thrusters [dissertation]. , Virginia Polytechnic Institute and State University. 1-129 (1988).
  37. Hada, M., Ninomiya, S., Seki, T., Aoki, T., Matsuo, J. Using ellipsometry for the evaluation of surface damage and sputtering yield in organic films with irradiation of argon cluster ion beams. Surf. Interface Anal. 43, 84-87 (2011).
  38. Kozole, J., Wucher, A., Winograd, N. Energy deposition during molecular depth profiling experiments with cluster ion beams. Anal. Chem. 80, 5293-5301 (2008).
  39. Linde, D. vonder, Sokolowski-Tinten, K. The physical mechanisms of short-pulse laser ablation. Appl. Surf. Sci. 154-155, 1-10 (2000).
  40. Margetic, V., Bolshov, M., Stockhaus, A., Niemax, K., Hergenroder, R. Depth profiling of multi-layer samples using femtosecond laser ablation. J. Anal. At. Spectrom. 16, 616-621 (2001).
  41. Cui, Y., Moore, J. F., Milasinovic, S., Liu, Y., Gordon, R. J., Hanley, L. Depth profiling and imaging capabilities of an ultrashort pulse laser ablation time of flight mass spectrometer. Rev. Sci. Instrum. 83, 093702 (2012).
  42. Borowiec, A., MacKenzie, M., Weatherly, G. C., Haugen, H. K. Femtosecond laser pulse ablation of GaAs and InP: Studies utilizing scanning and transmission electron microscopy. Appl. Phys. A. 77, 411-417 (2003).
  43. Harasaki, A., Schmit, J., Wyant, J. C. Offset of coherent envelope position due to phase change on reflection. Appl. Opt. 40, 2102-2106 (2001).
  44. Luttge, A., Arvidson, R. S. Reactions at surfaces: A new approach integrating interferometry and kinetic simulations. J. Am. Ceram. Soc. 93, 3519-3530 (2010).
  45. Conroy, M., Mansfield, D. Scanning interferometry: Measuring microscale devices. Nature Photonics. 2, 661-663 (2008).
  46. Harasaki, A., Wyant, J. C. Fringe modulation skewing effect in white-light vertical scanning interferometry. Appl. Opt. 39, 2101-2106 (2000).
  47. Roy, M., Schmit, J., Hariharan, P. White-light interference microscopy: Minimization of spurious diffraction effects by geometric phase-shifting. Opt. Express. 17, 4495-4499 (2009).

Tags

Materials Science fysikk Ion Beams (kjernefysiske interaksjoner) lysrefleksjon optiske egenskaper halvledermaterialer White Light Interferometry Ion Sputtering Laser Ablasjon femtosecond lasere Dybde Profilering Time-of-flight massespektrometri Tribology slitasje Analyse optisk profilometry slitasje friksjon atomic force mikroskopi AFM scanning elektronmikroskopi SEM bildebehandling visualisering
Karakterisering av overflaten modifikasjoner av White Light Interferometry: Søknader i Ion Sputtering, laser ablasjon og Tribologi Eksperimenter
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Baryshev, S. V., Erck, R. A., Moore, More

Baryshev, S. V., Erck, R. A., Moore, J. F., Zinovev, A. V., Tripa, C. E., Veryovkin, I. V. Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments. J. Vis. Exp. (72), e50260, doi:10.3791/50260 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter