照射GaAs試料は、イリノイ大学シカゴ校のヤン崔によって提供されました。この作業は、番号DE-AC02-06CH11357 UChicagoアルゴンヌ、LLCおよび米国エネルギー省と米航空宇宙局（NASA）によって助成NNH08AH761とNNH08ZDA001Nを通じて、契約DE-AC02の下で、米国エネルギー省の車両技術の事務所との契約の下でサポートされていました-06CH11357。電子顕微鏡は、アルゴンヌ国立研究所、契約UChicagoアルゴンヌ、LLCによって、DE-AC02-06CH11357下で作動サイエンス研究所の米国エネルギー省の事務所で材料研究のための電子顕微鏡センターで行われた。

1。一般WLIスキャンのためのハードウェア·アライメント WLIを通じて定量的な情報を取得するには、次の手順は、ガイドラインとして機能することができる。これは、オペレータが干渉計の動作の基本的な知識を持っていると仮定します。ガイドラインは関係なく、特定の楽器の一般的です。いくつかの調査のため、標本は平らになります。他人のために、試料は湾曲していてもよい。 <ol><li>機能（イオンスパッタクレーター、イオンビーム/アブレーションされたスポット、または傷を着用）がまっすぐ上を向いて一緒にステージにサンプルを置きます。低倍率の対物レンズを使用し、その上に測定器を当てる。最高の解像度の関心の対象は、主に画面を埋めた画像を得るために、ボールの例については、 図2を参照してください。 </li><li>干渉縞が興味のある機能の近くに表示されるように、試料の垂直位置を調整します。平らな表面のためには、試料は飛行機がperpendiculあるように傾いていることが望ましい光軸にarは、干渉縞の間隔が大きくなり、すなわち 。曲面（ 例えばボール）は、標本は、その縞が一元的に、 図3に示すように、機能の周りに配置されている指向であるべきである。 </li><li>計器の指示に従ってスキャンを入手してください。それは最高の地形図を得るためには、照明やスキャン高さを調整する必要があるかもしれません。補間関数を使用して、不良または欠落しているデータを入力した後、地形図を保存します。 </li></ol> 2。一般的なソフトウェアを使用したボリュームの分析トライボロジーでは、試験機は、しばしばこのようなスライドやフラットまたは別のシリンダーに対して回転させ、ボールやシリンダーなどの非等角接触テストのジオメトリを採用しています。時には材料を別の面から譲渡することができ、この &quot;転写層の&quot;上に上の材料の余剰として測定されることになりますが、通常、材料は、摺動接触した時点で失われている連絡標本の電子。摩耗痕は本質的に3次元かつ不規則であるため、光学的形状測定は、正確な摩耗量の測定値を得るのに適した唯一の技術である - 近似が有効ではありません。目標は、テストが完了した時点で接触している部位で（または獲得）失われる可能性があり、材料の非常に少量を測定することです。 測定の基本原理は、邪魔されずに表面のレベルで数学の平面を定義することである：表面解析ソフトウェアはどのようなこのレベルより上の &quot;固体表面が&quot;（ゼロレベル）が存在していることを前提として &quot;空&quot; &quot;固体表面&quot;の面の下に統合された除去体積を測定する分析関数は次のように呼ぶことにする &quot;ボイドボリューム。&quot; &quot;固体表面&quot;（破片の蓄積など ）の平面の上に統合されたボリュームを測定する機能を&quot;物量&quot;と呼ぶ。 リアル邪魔されずに表面AR電子めったに完全に滑らかでフラット。小さな特徴を測定する際の最大の精度を得るには、それは関心領域（AOI）を定義することをお勧めします。そのうちの外側の領域は、分析から除外されます。 AOIは表面の凹凸が乱れた領域から本当にいない計算に追加ボリュームを貢献するため、測定領域を制限するために使用します。 3。平らな表面 - 機械的摩耗解析<ol><li>トレンチ瘢痕やうつ病と平坦面の音量解析は、機械的な摩耗、イオンビームスパッタリング、またはレーザアブレーションにより生成されたかどうか、実行するのは簡単です。ポリッシュ仕上げのステンレススティール表面上の機械的傷跡を示し、 図4左のような画像を取得します。うつ病を除外AOIを選択し、チルトおよび/または曲率の除去機能は、最大平坦度に邪魔されずに表面を平らにすることが可能であるものを使用します。その後、Z =への平均表面高さを設定するためのソフトウェアを使用0 図4右の手順の後に平らな面の上に傷跡の疑似ビューです。このビューでは除外 &quot;空隙容量&quot;が赤着色されている。オレンジが高い領域を示しながら、この配色で、ダークブラウンは、低い部分を表します。 </li><li> AOIを削除します。ソフトウェアは機能を測定する自動化されたボリュームを持っている場合は、傷跡の上の測定領域を配置。このソフトウェアでは、測定機能はタリー&quot;は無効となり、材料体積&quot;は、図5の青の濃淡で示されます。合計摩耗から減算平面上の &quot;物量&quot;である &quot;ボイドボリューム。&quot;これは乱れた表面の体積変化である。 （この機能はありませんが、ヒストグラムがない場合、または明らかに表面上に隆起または表面下にあるされている領域可視化するソフトウェアについては、3.2と3.3のステップに進み進んでください。） </li></ol>次の3つのステップで、摩耗量を測定する別の方法を説明します。 <ol start="3"><li> AOIを反転ステップ3.1から瘢痕領域が（傷が含まれるようになりました）を分析することができるようにします。 </li><li>データのヒストグラムを生成します。ヒストグラムは、縦軸の発生頻度対横軸の垂直方向の高さを示すグラフである。 Z = 0の位置にします（ 図6左）で行われ1カーソル。これは、ヒストグラムのピーク時にはないかもしれません。この図では、カーソルは、選択的に面の下だけ不足している物質を分析するために設定されている。ソフトウェアは、2つのカーソル間の全容量を統合しています。赤い彩色面積が省略されているかを示しています。 図6にあるオレンジ色の染めていない領域は右側面の下にあります。ヒストグラム機能は、表面から失われた物質を測定するために示されているように位置付けカーソルで &quot;ボイドボリューム&quot;番号を生成する必要があります。 </li><li>同じヒストグラムを用いて、Z = 0の高さ位置（ 図7左）、反対側の端にある他に、他のカーソルにこの時間を置きます。のオレンジ色の染めていない領域<strオング&gt;図7は、右側面の上にある。ヒストグラム機能は、平らな面の上に隆起した&quot;物質量&quot;数、 すなわち余剰材料を生成する必要があります。合計摩耗から減算 &quot;物量&quot; &quot;空隙体積、&quot;ステップ3.2と同じです。ヒストグラム法は、ステップ3.2と同じ摩耗量を与える必要がありますが、それは上げ下げの材料の分布に関する追加の詳細を提供し、この地域の分布のマップを示す。 </li></ol>上記の例では摩耗痕から失われた正味の物質が存在しない代わりに、物質的な利益がある。これは珍しいですが、材料には、1つのテスト対向面から別のものに転送するときに時々発生します。 同じ &quot;平らな表面特性&quot;アプローチは、以下の実施例であると考えイオンスパッタリングおよびレーザーアブレーションを用いた実験では削除ボリュームを得るために有益です。 4。平らな表面 - クレーターとイオンビームプロスパッタ率を推定するために、タイム·ツー·深さ校正を実行するにはファイルの測定計量の直接または石英微バランス、8、9に基づいて質量損失のメソッドを使用して、スパッタリング収率を推定するために知られており、広く用いられる方法に代わるものとして、我々は、WLI法はスパッタイオンビームスポット/の直接可視化するために有用であることがわかりクレーターは静的スパッタリング/ラスターイオンビームの走査によって得られた図8は、そのクレーターに対して垂直に入射する静的5 keVで、150 eVのAr +イオンビームのスポット（緑実線と青い点線）の長手方向の断面を比較する（オリーブオープンサークルやシアンオープンダイヤモンド）は、100×100ピクセルCuの表面（110）単結晶上に同じイオンビームのデジタルラスタ走査により得られる。静的ビームが重なっに対応する曲線は、イオンビームのラスタスキャンが中にクレーターを生成する方法を示すために、クレーターの一方の端は、dをスパッタプロファイリングをepth。 5。平らな表面 - 超高速レーザーアブレーションのキャラクタリゼーション超高速レーザーアブレーションは、熱影響部を最小限に抑えながら、固体から材料を除去するための方法として認識されています10このプロセスは、高アスペクト比と、残りの材料への最小限の損傷（割れ、酸化）と高レートの微細加工を可能にし、可能性を開くさらに最近では11は 、透明材料の効率的なアブレーションの、関心は分析ツールとして超高速アブレーションを使用して開発しました。12月15日アブレーションプロセスの高非線形性も大幅に照射スポットサイズ以下アブレーションされたスポットサイズを縮小するための手段を提供しています（一般的に実証されているように、1 / e 2の定義による）であっても回折限界以下のように図16深さ分解能、最高のイオンビーム法と競争力のあるものではないが、&lt;20 nmのかもしれません。除去率を容易に向上させることができる非線形材料のミクロンを介して非常に急速なプロファイリングが可能になるように、レーザフルエンスを増加させることによって。理想的には、超高速アブレーションにより材料除去を特徴づけることは、迅速かつ定量的かつ十分に校正され技術、WLIによって満たさすべての特性を必要とします。 図9は、≈8μmおよび0.4に対応したフルエンスを有し、1.0 J / cm 2のスポットサイズに集束超（60 fsの、800nm）のレーザ光 ​​によるGaAsの反復的なアブレーションにより形成された隣接する二つのクレーターの擬似カラー画像を示しています。 6。曲面 - 機械的摩耗解析湾曲した定期的な表面の体積分析（ボールまたはシリンダー）がフラットのものと似ていますが、曲の削除が必要になります。次のプロトコルは、鋼球の円形の摩耗痕の分析を示している。ボールから失われたボリュームを見つけるためにそれがでボールを変換するために数学的な処理を行う必要があるインデント付きのフラット面に平坦な領域は、平らな面に、3章で行ったようにインデントの量を測定する。ボール上の摩耗痕はその後ヒストグラム手法で​​は、まず単純な自動技術を用いて、測定されることになります。 <ol><li> 図10左はボールの摩耗痕の等角図を示す。摩耗痕を除外AOIを選択して、それが邪魔されない平坦な領域の中央で着用うつ病になるように表面を変形させるソフトカーブフィッティングツールを選択します。曲の削除が反復手法かもしれないので、それは邪魔されない領域がレベル確度をNMに平らになるように、フィット感を複数回実行する必要があるかもしれません。摩耗痕のいずれかの目に見える不均一性の外は問題があることを示し、計算が正しくありません。 AOIで、Z = 0は正しく、Z = 0 図10右は曲の削除と設定の後に傷跡の擬似カラー図を示し外に傷跡の平均高さを設定摩耗したエリアをマスク。 </li><li> 図11に示すように、摩耗を分析するために、可能な場合は、測定ツールを使用します。合計摩耗量から差し引く &quot;物量&quot;である &quot;ボイドボリューム。&quot; </li></ol>次の手順では、摩耗量を測定する別の方法を説明します。 <ol start="3"><li> AOI反転ステップ3.3と同様にして、そのように摩耗痕は含まれています。データのヒストグラムを生成します。 Z = 0の位置に置き1カーソル（ 図12左）。 図12にあるオレンジ色の染めていない領域が右側面の下にあります。ヒストグラム機能は &quot;ボイドボリューム&quot;番号を生成する必要があります。 </li><li>同じヒストグラムを用いて、Z = 0の高さ位置（ 図13左）で他のカーソルにこの時間を置いて、反対側の端にある他の。 図13にあるオレンジ色の染めていない領域が右側面より上にあります。ヒストグラム機能は &quot;材料体積&quot;番号を生成する必要があります。合計摩耗量は、 &quot;ボイドボリューム、&quot;ステップ3.2と同じから差し引か平面上の &quot;物量&quot;である。ヒストグラム法は、ステップ6.2と同じ摩耗体積を計算する必要がありますが、それは上げ下げの材料の分布に関する追加の詳細を提供し、この地域の分布のマップを示す。 </li></ol>

特別な利害関係は宣言されません。

例1 WLIは広くトライボロジー仕事の表面の特性評価に使用されますが、それは実際には多くのコンタクトジオメトリの摩耗量を定量的に測定するための強力な方法ですされていません。 WLIでは、いくつかの可視化ソフトウェア·パッケージのいずれかを用いて分析することができる表面の完全な3D表現を生成します。これらのパッケージは、実行する測定の様々なタイプを?...

電子的、構造的、化学：固体材料の表面は大部分のこれらの材料のために関心のあるプロパティに決定します。研究の多くの分野、物質の添加（例えば、パルスレーザー/マグネトロンスパッタ蒸着による薄膜蒸着、物理/化学蒸着）、材料の除去（反応性イオンエッチング、イオンスパッタリング、レーザーアブレーション法など）では、またはいくつかの他のプロセスは、特徴づけする必要があります。また、エネルギッシュな光パルスまたは荷電粒子との相互作用を介して表面改質は、多数のアプリケーションを持っており、基本的な関心事である。トライボロジー、摩擦や摩耗の研究は、関心のある別の領域です。ベンチスケールでは、トライボロジー試験の幾何学的形状の多数が存在する。非共接触ジオメトリを使用してもよいし、ボールやシリンダーがスライドや時間の長さのために、平らな面に、別のボール、またはシリンダに対して回転し、除去される材料の量が私にあることができるasured。摩耗痕は本質的に3次元かつ不規則であるため、光学的形状測定は、正確な摩耗量の測定値を得るのに適した唯一の手法かもしれません。それらのすべてはシンプルな2Dおよび3Dの地形の可視化に加えて得ることができ、一般的な分析作業は、表面粗さパラメータ、ステップの高さ、材料体積の損失、トレンチの深さなども含まれる。 光学的形状測定は、表面のプロファイルを再構築するために使用されている任意の光学的手法を指します。 Profilometric方法は、白色光干渉計、レーザー、または共焦点の方法が挙げられる。いくつかの光学プロフィロは、従来の回折限界の顕微鏡対物レンズに基づくアプローチを介して情報を取得します。例えば、走査レーザーは表面の地形と真の色情報を取得するために顕微鏡を用いて統合することができる。第二の方法は、セリを組み立てるために、従来の目標の焦点極めて小さい深さを悪用する手法を使用し3D地形図を入手するために、表面の合焦点 &quot;画像スライス&quot;のES。 本研究では、白色光干渉顕微鏡/プロフィルは機械的摩耗プロセス中に失われた物質の量を測定することができる、または、イオンスパッタリングのクレーターやレーザーアブレーションなどの材料のエッチングプロセス中に方法を示しています。最も注目は、多数のアプリケーションに広く利用可能な、魅力的になり、その大規模な設置容量を示すために、このメソッドの方法論に支払われます。 WLIのほとんどの種類は試料表面から反射された参照光と信号光との干渉を引き起こすために、顕微鏡の対物レンズに内部のミラーを使用してミロー技術を採用しています。全体ミロー干渉計顕微鏡対物レンズの内側にフィットし、定期的な光学顕微鏡（ 図1）に結合することができるので、ミロー干渉法の選択は、単純な利便性によって決定される。二次元の間の一連のferogramsは、ビデオカメラで取得し、ソフトウェアは、3D地形図を組み立てています。白色光源は単色光源に固有の &quot;縞次数&quot;あいまいさを克服するのに役立つ広範囲の照明を供給しています。光の単色光源は浅い地形のより正確な測定を得るために使用され得る。横方向の解像度は基本的に、λ/ 2（開口数NA = 1）に限らず、ほとんどのインスタンスで大きいし、倍率に接続されたA /視野の大きさです。同​​様に、客観的な、のNAによって決定される。文献の表1。 1は、すべて上記のパラメータを直接比較しています。深さ分解能はアプローチ≈1 nmを、技術の干渉性質の関​​数である。ミラウWLIに関する詳しい情報は文献に記載されています。 2、3。白色光干渉アプローチの導入は文献に記載されています。 4。 表面の分析のための他の方法は原子FORCアール電子顕微鏡（SEM）、およびスタイラスプロフィルを走査電子顕微鏡（AFM）、。 WLIの手法では、これらの方法に比べても遜色及び方法の光学的性質に起因して、独自の利点と欠点があります。 AFMは、3D画像のため、対応する断面を得ることが可能ですが、AFMは、横方向（&lt;100μm）と深さ（&lt;10μm）の軸の限られたスキャン機能を備えています。それらとは対照的に、WLIの主な利点は、同時リアルタイム3Dイメージング機能を搭載した、数ミリメートルまでの柔軟な視野（FOV）です。我々が実証するように加えて、それは1つが単に表面改質のさまざまな問題を解決することができ、広い垂直走査範囲の容量を持っています。 AFMで働いている研究者は少ない垂直勾配の長期化機能を測定試料の平面のポジショニングに問題を認識しています。一般に、1つは、AFMの上に &quot;急行&quot;のテクニックとして、WLI / OPのと思うかもしれません。もちろん、あります唯一のAFMは適しているエリアの数：解決すべき側面の機能が特徴WLIの横方向の解像度よりも小さい寸法、またはWLIからのデータはその方法でサンプルの未知の、または、複雑な光学的性質に起因する曖昧であるインスタンスを持っているとき測定の精度（後述）などに影響を与える SEMは、任意の従来の光学顕微鏡を提供することができますより大きな焦点深度と視野の大きさ、という点で、非常に柔軟であること、表面を見て強力な方法です。同時に、SEMによる3Dイメージングは​​、それはアナグリフ方式による3D映像に変換する、あるいは光学視聴者と観察を通じて​​、または別の間の深さの直接計算に使用されるステレオペア画像の服用が必要です特にとして、面倒ですサンプル上の対象点5は対照的に、WLIのOP /プロフィは、同時に柔軟な視野と3次元再構成を簡単に使用しています。 WLIではフルをスキャン特定のサンプルに必要な高さ範囲（ミクロン〜数百ナノメートルから）。 WLIは、SEMに問題がある可能性があり、試料物質の電気伝導度、影響を受けません。 WLIははっきり真空を必要としません。 WLIの横方向の解像度以下に特徴的な寸法の解決すべき側面の機能のみ、または二次電子放出係数の試料の異なる部分が地形的に区別することができます例：一方、SEMは、優れた情報を提供するアプリケーションの数があります異なる。 広く二次イオン質量分析法6および微小電気機械システムの特性評価7の分野で使用されている表面検査用のもう一つの技術は、スタイラスプロファイロです。この手法は、そのシンプルさと丈夫さのため人気があります。これは、試料表面上のスタイラスの先端を直接機械的接触スキャンに基づいています。これは粗接触ツールです、これは、一度に1つのラインに沿ってスキャンすることができます。これは、3Dサーフェスラスタスキャンイメージング非常に時間がかかることができます。スタイラス技法のもう一つの欠点は、高アスペクト比のと先端半径と先端頂角を意味し、その特性先端サイズ（典型的には数ミクロンミクロン）に匹敵する大きさの表面の特徴を測定することの難しさです。スタイラスプロファイロの利点は、WLI OP /測定（後述）の精度に影響を与えることができるサンプルの光学的性質を変化させることへの鈍感です。 本資料に記載されている面マップは従来のミロー型WLIを（ 図1）を用いて得た。そのようなZygo社、KLA-Tencor社、ナノサイエンス、Zemetrics、Nanovea、FRT、キーエンス、ブルカー、そしてテーラーホブとして、多くの企業は、商用、テーブルトップ、OPの楽器を作り出す。取得したマップは、一般的に、WLI、走査電子は、oに使用されるタイプの商用ソフトウェアを使用して再構築し、処理されたR型プローブ顕微鏡。ソフトウェアは、表面、断面プロファイル解析、ボイドや材料体積の計算、および平面補正の数学的操作を実行する能力を持っています。他のソフトウェアパッケージは、これらの機能の一部を自動化することができます。

<table border="1"><tbody><tr><td>単結晶Siの基板は、GaAsとCu </td><td></td><td></td><td>スパッタリングおよびアブレーション</td></tr><tr><td>純粋な金属合金</td><td></td><td></td><td>トライボロジー例について</td></tr></tbody></table>

characterization of surface modifications by white light interferometry: applications in ion sputtering, laser ablation, and tribology experiments

材料科学と工学では、マイクロメートル横分解能表面形状の定量的な測定値を得ることがしばしば必要となります。測定された表面から、3Dの地形図は、その後、必要な情報を抽出するためのソフトウェアパッケージのさまざまな方法を使って分析することができます。 この記事では、我々はどのように白色光干渉法、および一般的な表面解析ソフトウェアと組み合わせて、一般的に光学形状測定（OP）を、説明し、材料科学と工学のタスクに使用できます。この記事では、質量分析における表面修飾の調査のための白色光干渉法のアプリケーションの数、およびトライボロジーと潤滑で摩耗現象が実証されています。我々は、高エネルギーイオン（スパッタ）、レーザー照射（アブレーション）、ならびにトライボロジー試験片の摩耗の域外測定と半導体と金属との相互作用の製品を特徴づける。 </p&gt; 具体的には説明します： <ol class="lroman"><li>例えば、スパッタリングレート/ SiとCuの利回り測定とその後のタイム·ツー·深度変換など、従来のイオンスパッタリングベースの質量分析の諸相。 </li><li>半導体表面にフェムト秒レーザー照射の相互作用の定量的特性評価の結果。これらの結果は、蒸発した材料の量はパルスあたりのパルス持続時間とエネルギーを介して勉強し、制御することができアブレーション質量分析などのアプリケーションのために重要である。このように、クレーター形状を決定することによって、1に実験条件に対する深さと横方向の解像度を定義することができます。 </li><li>表面粗さの2次元でのパラメータ、および摩擦摩耗試験の結果として発生する表面の摩耗量を測定した測定。 </li></ol>白色光のいくつかの固有の欠点、可能な成果物、および不確実性の評価干渉のアプローチを議論し、説明する。

<html><img alt="図1" src="/files/ftp_upload/50260/50260fig1.jpg" /> 図1は、本研究で使用したシンプルなプロフィルの写真：多目的タレットが写っています。二つの目標が（10xと50xの）標準で、残りの2つはミロー目標（10倍と50倍）です。この顕微鏡は、0.62、1.00、1.25、または2.00の段階的拡大乗数を選択することを可能にする中間倍率機能を備えてい...

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Characterization of Surface Modifications by White Light Interferometry: Applications in Ion Sputtering, Laser Ablation, and Tribology Experiments

白色光干渉顕微鏡は、表面のトポグラフィーを測定するための光学、非接触で迅速な方法です。材料科学にイオンビームスパッタ法やレーザーアブレーション量や深さを決定するために、それはメソッドが着用トライボロジー試験試料に傷が分析され、機械的な摩耗の解析に向けてどのように適用できるかを示しています。

白色光干渉法による表面改質のキャラクタリゼーション：イオンスパッタリング、レーザーアブレーション法、およびトライボロジー実験における応用

In materials science and engineering it is often necessary to obtain quantitative measurements of surface topography with micrometer lateral resolution. ...

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15.5K ビュー.  Argonne National Laboratory. 白色光干渉顕微鏡は、表面のトポグラフィーを測定するための光学、非接触で迅速な方法です。材料科学にイオンビームスパッタ法やレーザーアブレーション量や深さを決定するために、それはメソッドが着用トライボロジー試験試料に傷が分析され、機械的な摩耗の解析に向けてどのように適用できるかを示しています。

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