Способ определения физико-механических характеристик тонких пленок

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в научных исследованиях для определения физико-механических свойств тонких пленок . Цель изобретения - повышение информативности определения информативности определения толщины пленки, скорости и поглощения в ней ультразвука (УЗ). В акустической системе возбуждают стоячие волны и измеряют значения первых резонансных частот fz и fi с исследуемой пленкой и без нее соответственно. Затем, изменяя частоту ВЧ-заполнения УЗ-импульсов, добиваются условия прозрачности образца для УЗ и измеряют соответствующую этому условию частоту fa, на этой частоте fa измеряют значения амплитуд AI и А2 выходных импульсных УЗ-сигналов для акустической системы с исследуемым образцом и без него соответственно, по измеренным величинам определяют толщину d пленки, скорость С распространения ультразвука и коэффициент а поглощения в исследуемой пленке по следующим формулам f3(f2-fi)/( f3(f2- -fi)/f2fi : 2f3/C0-f2-fi/f2fi- fa(f2- -fl)lnA2/Ai. 1 ил. СЛ с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н!) ЕС0631НЯ гЬЛЫ- тВЮЧ ВМ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

-.! " ! 1ОТ rlä (21) 4647754/28 (22) 08.02.89 (46) 23.06.91. Бюл. М 23 (71) Специализированное конструкторское бюро с опытным производством Отдела теплофизики АН УэССР (72) О. Ш. Хакимов, Е. К. Резник и 3. А. Джураев (53) 620.179,16(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1010539, кл, G 01 Н 5/00, 1983.

Физическая акустика,/Под ред. У. Мезона, т. 1; Методы и приборы ультразвуковых исследований, ч, 1. — М.: Мир, 1966, с. 357-358. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО—

МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКИХ ПЛЕНОК (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в научных исследованиях для определения физико-механических свойств тонких пленок. Цель изобретения — повышение инфорИзобретение относится к измеритель° ной технике и может быть использовано в научных исследованиях для определения физико-механических свойств тонких пленок, Целью изобретения является повышение информативности эа счет определения толщины пленки и скорости поглощения в ней ультразвука.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего способ определения физико-механических характеристик тонких пленок.

Устройство, реализующее способ, содержит ВЧ-генератор 1, акустическую сис5U 1657954 А1 (s!)s G 01 В 17/02 // G 01 N 29/18, 29/20 мативности определения информативности определения толщины пленки, скорости и поглощения в ней ультразвука (УЗ). В акустической системе возбуждают стоячие волны и измеряют значения первых резонансных частот fz и f! с исследуемой пленкой и без нее соответственно. Затем, изменяя частоту ВЧ-заполнения УЗ-импульсов, добиваются условия прозрачности образца для УЗ и измеряют соответствующую этому условию частоту f3, на этой частоте f3 измеряют значения амплитуд А! и Az выходных импульсных УЗ-сигналов для акустической системы с исследуемым образцом и беэ него соответственно, по измеренным величинам определяют толщину d пленки, скорость С распространения ультразвука и коэффициент а поглощения в исследуемой пленке по следующим формулам

el=Co/2 f3 (1+ f3(fz — fl)/(fzf!); C=Co (1+ f3(fz т1)/ 2 1); a = a о+ 213/Со fz fi/ 2Т! !3(г2 — f !) lnAz/А1. 1 ил. тему, содержащую излучающий 2 и приемный 3 пьеэопреобразователи, иммерсионную жидкость 4 с известными скоростью распространения ультразвука Со и коэффициентом а о поглощения ультразвука (УЗ), исследуемый образец 5, усилитель 6, осциллограф 7, вольтметр 8, частотомер 9 с двумя входами а и б, Способ осуществляют следующим образом.

Акустическую систему, состоящую из двух преобразователей, установленных так, что их рабочие поверхности параллельны между собой, помещают в иммерсионную жидкость 4 с известными значениями скорожидкостью 4 и, поддерживая на той же частоте f3 ультразвуковой сигнал, измеряют на выходе акустической системы амплитуду Аг принятого на этой частоте УЗ-сигнала.

5 Коэффициенты а и а о поглощения УЗ в акустической системе с образцом и без образца соответственно удовлетворяют следующим соотношениям: — = ехр (а о (L d)+ a d;

Ао

А1

Ао — = ехр а,L, Аг (4) (5) 3 1657954

/ сти Со распространения ультразвука икоэффициента ао поглощения УЗ в ней и прозвучивают непрерывными ультразвуковыми колебаниями.

Изменяя частоту колебаний ультразвука с помощью генератора 1 и контролируя амплитуду УЗ-сигнала с помощью вольтметра 8 и осциллографа 7, добиваются условия резонанса, при котором в акустической системе возникают стоячие волны, Частотоме- 10 ром 9 по входу б измеряют первую резонансную частоту f1, для которой из условия резонанса следует

С Г2 Я22 21))

2 3 12 — т1 (6) 30 с=с 1+( (7) 35 тг

Со

2(1 d + со/c d) (2) f1 - =—, Co

21 (1) где L — расстояние между пьеэопреобразователями 2 и 3, Далее в акустическую систему с иммерсионной жидкостью с известными скоростью Со распространения ультразвука и коэффициентом ао поглощения УЗ помещают исследуемый образец 5 между двумя ультразвуковыми преобразователями 2 и 3 таким образом, чтобы рабочие поверхности преобразователей 2 и 3 и образца 5 были параллельны между собой.

Изменяя частоту колебаний ультразвука с помощью генератора 1, добиваются условия резонанса, при котором в данной акустической системе с образцом возникает стояние волны, и частотомером. 9 по входу б измеряют первую резонансную частоту f2, для которой из условия резонанса следует

Затем возбуждают в акустической системе импульсы ультразвуковых колебаний и, изменяя частоту ВЧ-заполнения УЗ импульсов, добиваются условия прозрачности образца 5 и частотомером 9 измеряют соответствующую этому условию частоту f3. Так как при условии прозрачности образца по толщине образца укладывается половина длины волны, т. е. А = 2d, то из условия прозрачности следует, что о (3)

2 3 где С вЂ” скорость УЗ-волны в образце.

Одновременно вольтметром 8 измеряют на выходе акустической системы амплитуду

А1 принятого на частоте f3 ультразвукового импульсного сигнала.

Затем убирают исследуемый образец 5 из акустической системы с иммерсионной где Ао — амплитуда УЗ-волны на входе акустической системы;

А1 и Аг — амплитуда УЗ-волны на выходе акустической системы с образцом и без образца соответственно;

L — расстояние между пьезопреобразователями 2 и 3.

Измеряя f1, f2, 13, А1, Аг и решая систему уравнений (1) — (5) относительно d, с и а, определяют их по следующим выведенным формулам:

213 12 — т1 Аг со 1211 + 13(12 т1) А1

Способ определения толщины тонких пленок, коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвука по их толщине позволяет, во-первых меньшим количеством измерений получать определяемую величину с заданной точностью, вовторых, исследовать физические процессы, в результате которых с и d изменяются (например, при изменениях температурных режимов исследуемых образцов или при изменениях механических нагрузок вдоль этих образцов).

Кроме того, способ позволяет в однозначных условиях одной методики определять значения трех параметров с, Q и d, необходимых для характеристики физико-механических свойств пленочных материалов, и позволяет отказаться от необходимости использования дополнительных устройств (оптических, механических и др.) для независимого определения, что значительно снижает материальные затраты на их оборудование, установку, обслуживание, а также исключает необходимость учиты1657954 вать дополнительные погрешности, связанные с различным влиянием внешних факторов на различные условия независимых экспериментов, 2<3 I f2 <1 с = с. (1 i- — -- );

<2 <1 а = — а,+

2f3 <2 т1 А2

1л — -.

Со <2<1 + <3(<2 <1) А1 где С,, а Π— соответственно скорость и коэффициент поглощения ультразвука в иммерсионной жидкости.

Составитель С. Волков

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор М, Демчик

Редактор С. Пекарь

Заказ 1708 Тираж 388 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагари.<а, 101

Формула изобретения

Способ определения физико-механических характеристик тонких пленок, заключающийся в том, что в акустическую систему, содержащую излучающий и приемный ульт- 10 раэвуковые преобразователи, помещенные в иммерсионную жидкость, помещают исследуемый образец пленки таким образом, что рабочие поверхности преобразователей и исследуемого образца пленки парал- 15 лельны между собой, возбуждают ультразвуковые колебания, измеряют на выходе акустической системы с образцом пленки и без него амплитудные характеристики сигналов ультразвуковых колебаний, по из- 20 меренным величинам определяют фиэикомеханические характеристики образца пленки, о тл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения информативности эа счет определения толщины пленки и скорости погло- 25 щения в ней ультразвука, в акустической системе возбуждают стоячие вогны и измеряют значения первых резонансных частот

f1 и f2 соответственно с пленкой и без нее, затем возбуждают в акустической системе с образцом пленки импульсы ультразвуковых колебаний, изменяют частоту их заполнения до получения частоты 1з, при которой амплитуда А1 максимальна, затем на той же частоте fg измеряют значение амплитуды А2 выходных импульсных ультразвуковых колебаний для акустической системы без образца пленки и по измеренным величинам определяют толщину d пленки, скорость С распространения ультразвука и коэффициента поглощения в образце исследуемой пленки по следующим формулам: