Способ определения теплофизических и упругих параметров твердых материалов

 

Использование: определение теплофизических и упругих параметров твердотельных материалов, Сущность: способ определения предусматривает применение голографической интерферометрии в реальном времени. Теплофизические и упругие параметры определяют из эмпирической зависимости, используя временные изменения отдельных участков интерференционной картины. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4607924/25 (22) 23,11.89 (46) 30,03,93,. Бюл. М 12 (71) Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе (72) Н.М.Ганжерли, А.Л.Глазов, Г.К,Григорьев и К.Л.Муратиков (56) Rosencwoing А, Photoacoustic and

photoacoustic spectroscopy, N.Y.Willey, 1980, р. 310.

Amer N.M., 0lmstead M.À. А novel

method for study of optical properties of

surfaces, "Surface Science". 1983, ч. 132, р.

68-72.

Изобретение относится к оптике, а именно к способам регистрации теплофизических и упругих параметров твердых материалов, и может быть использовано для исследования пространственного распределения локальных параметров материалов, Цель изобретения — обеспечение возможности регистрации пространственного распределения локальной термоупругой деформации независимо от рельефа исследуемой поверхности.

Указанная цель достигается путем сканирования по поверхности образца модулированным тепловым излучением, преобразования вторичного оптического излучения в электрический сигнал и выделения из него временной составляющей термоупругой деформации,. по которой судят о

„„ Ж „„1805285 А1 (н)5 6 01 В 9/027, 6 01 N 25/18 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ И УПРУГИХ ПАРАМЕТРОВ

ТВ Е РДОТЕЛ Ь Н ЫХ МАТЕРИАЛОВ (57) Использование: определение теплофизических и упругих параметров твердотельных материалов, Сущность: способ определения предусматривает применение голографической интерферометрии в реальном времени. Теплофизические и упругие параметры определяют из эмпирической зависимости, используя временные изменения отдельных участков интерференционной картины. 1 ил. теплофизических и упругих параметрах материала.

Новым является то, что до воздействия на образец модулированным тепловым ОО излучением регистрируют голограмму (, ) поверхности образца, формируют голо- . (Л графическую интерферограмму в реальном Я времени одновременно с воздействием моду- р лированным тепловым излучением, йреобразо- Л ванием вторичного оптического сигнала в электрический сигнал, компенсируют фоновую засветку, производят выделение временной составляющей электрического сигнала с частотой, совпадающей с частотой модулированного теплового излучения, Указанная цель достигается тем, что устраняется влияние рельефа поверхности на параметры регистрируемого сигнала. Для этого до воздействия модулированным тепловым излучением производится запись го1805285 лограммы поверхности образца, что позволяет запомнить рельеф всей исследуемой поверхности. Затем, подавая одновременно модулированное тепловое излучение на заданную область поверхности и предметный и опорный пучки света на голограмму, мы получим за голограммой две волны, которые когерентны и интерферируют между собой, Появившаяся термоупругая деформация в области локального нагрева приводит к фазовым искажениям отраженного ею предметного пучка света.

Данный процесс приводит к изменению интерференционной картины, наблюдаемой зэ голограммой, Поскольку эти изменения связаны непосредственно с процессами, происходящими с поверхностью образца, то, регистрируя изменения в характере интерференционной картины, можно получить искомую информацию. По условию воздействие теплового излучения имеет временной характер, поэтому и ин. формация заключена во временных изменениях интерференционной картины. Поэтому достаточно проинтегрировать световой поток, прошедший через голограмму, преобразовать

его в электрический сигнал и произвести выделение временной составляющей электрического сигнала, частота которого должна совпадать с частотой модулированного теплового излучения, В предлагаемом способе при воздействии модулированного теплового излучения на поверхность образца внутри материала возникает термоупругая деформация в области локального нагрева. Для получения пространственного распределения локальных параметров необходимо производить .сканирование области локального нагрева образца. Однако теперь на величине регистрируемой упругой деформации не будет сказываться влияние рельефа поверхности (шероховатость, многослойность), т.к, произведена компенсация этой составляющей путем предварительного запоминания рельефа поверхности образца. В нашем случае эту роль выполняет голограмма, которая регистрирует результат интерференции предметного и опорного пучков света, Но так как искажения волнового фронта предметного пучка связаны с рельефом поверхности образца, то и голограмма зафиксирует рельеф поверхности образца в виде интерференционной картины, Теперь при сканировании области локального нагрева образца происходящие искажения волнового фронта предметного пучка света будут связаны только с величиной термоупругой деформации и не зависят от расположения данной области, на кото55

I характеристик образца.

Для экспериментальной проверки способа была использована установка голографического интерферометра реального времени. Источником света служил гелийнеоновый лазер Л Г-207 мощностью 1,5 м Вт, работающий в одномодовом режиме. Запись голограммы состояния поверхности рую в данный момент падает тепловое излучение. Сказанное справедливо для всей поверхности образца, на которую постоянно подается предметный пучок света. Таким образом обеспечивается регистрация пространственного распределения локальной термоупругой деформации независимо от рельефа исследуемой поверхности, На чертеже представлена схема осуще10 ствления данного способа, где 1 — источник теплового излучения, 2 — модулятор, 3 — устройство сканирования теплового излучения, 4 — образец, 5 — регистратор оптического сигнала (одиночный фотодиод), 6 — селективный усилитель, 7 — регистратор электрических сигналов, 8 — синхрогенератор, 9 — лазер, 10 — светоделитель, 11— фоточувствительный материал„ 12 — линзы, 13 — коллиматор, 14 — зеркала, 15 — собира20 ющая линза, Измерения данным способом осуществляются следующим образом. С помощью лазера 9, светоделителя 10, коллиматора 13, линзы 12 и зеркала 14 производится запись голограммы поверхности образца 4 нэ фоточувствительном материале 11. Затем через полученную и проявленную голограмму пропускают предметный и опорный пучки света. Одновременно с этим процессом про30 исходит подача модул ирован ного теплового излучения от источника 1 на исследуемую область образца 4. В результате модулированного теплового воздействия происходит деформация локальной области образца.

35 Так как деформация имеет временной характер, то предметный луч, отраженный от поверхности образца и прошедший через голограмму, имеет модуляционную составляющую, Интегральный поток, собранный

40 линзой 15 и имеющий в своем составе модуляционную составляющую, преобразуется в электрический сигнал на фотоприемнике 5.

Из полученного электрического сигнала селективный усилитель 6 выделяет временную

45 составляющую заданной частоты. Для реги- страции амплитуды и фазы электрическогосигнала модулятор 2 синхронизируется с регистратором электрических сигналов 7 через синхронизатор 8. Перемещая область

50 разогрева с помощью устройства 3, мы получаем пространственную картину изменения локальных теплофизических и упругих образца производилась на фотопластинку

11 типа ВР-Л. Обработка голограммы производилась на месте экспонирования с помощью скоростного проявителя СП, Бремя экспонирования 1 — 5 с. Соотношение интенслвностей предметного и опорного пучков

1;1.

Источником теплового излучения служил аргоновый лазер ЛГ-106, а модуляция излучения производилась модулятором МЛ102 (2). После фокусировки диаметр пятна теплового излучения, т.е, диаметр исследуемой поверхности образца составлял 30-50 мкм, В качестве исследуемого образца 4 была выбрана пластинка кремния, на которой методом фотолитографии были вытравлены полосы глубиной 100 мкм и шириной

400 мкм.

На первом этапе эксперимента снималась голограмма состояния поверхности исследуемого образца. При этом диаметр предметного пучка после коллиматора 13 составлял величину порядка 3 мм, что охватывало всю исследуемую поверхность образца, После проявления голограммы, на поверхность образца подавалось тепловое излучение с частотой 1 — 10 кГц, Устройство

3 сканирования теплового излучения 3 представляло co6ol1 микроподвижку, HB Ko торой был закреплен микрообъектив 12.

На втором этапе эксперимента модулированный Jló÷ с помощью микраподви>кки 3 последовательно перемещался по протравленным и непротравленным участкам поверхности образца в пределах освещения предметным пучком и регистрировался результирующий световой поток от опорного и предметного пучков света, прошедшего через голограмму 11. В качестве собирающей линзы 15 использовался обьектив "Индустар-61А", Сфокусированный пучок света подавался на фотодиод ФД 155. Полученный электрический сигнал усиливался предварительным усилителем, выполненным на микросхеме К544УД2А и далее поступал на селективный усилитель BG-9. Регистратором служил осциллограф С1-91, по которому контролировались амплитуда и фаза сигнала. Функцию синхрогенератора выполнял генератор Г5-56, При проведении испытаний было отмечено, что регистрируемый оптический сигнал находится на фоне интегрального постоянного потока света. С целью улучшения отношения сигнал-шум в опорный луч вводился оптический клин, закрепленный на микроподвижке. Такое решение позволило создать эффект "темного поля", при котором происходит компенсация постоянной фоновой засветки, и тем самым облегчается процесс преобразования света в электрический сигнал. Для этоГО на первом этапе эксперимента после снятия голограммы и роизводилась подстройка выходнОГО

5 сигнала предварительного усилителя по минимуму постоянной составляющей, для чего микрометрическим винтом перемещался оптический клин.

В задачу эксперимента входило опреде10 ление распределения термоупругой деформации, по которой можно восстановить относительное изменение локальных теплофизлческих и упругих параметров для протравленного и непротравленного участка

15 кремния, Действительно, при соблюдении

2к условия А — U «1 где il. — длина волны считывающего лазера; Π— величина деформации поверхности объекта в направлении

20 перпендикулярном к поверхности), величина выходного сигнала системы определяется для области с координатами Х, Y

2,1г равенство V = — — А j JLJ(x,y)dxdy. В этом выражении интегрирование производится по области ло;àëüíîãî нагрева образца,,а величина А является коэффициентом пропорциональности системы.

Величину сигнала Ч(а) при гармониче30 ском законе изменения мощности лазерноW0 i«f g го излучения во времени W(tj = е

4 можно получить в следующем виде:

2л чв)= — 13 (1 — ) .

4с2 д

K(+i(40 х —- (1) к1 4- l 2Ъ к +- — <о где — коэффициент теплового расширения излучаемого образца; Со и ао удельная теп45 лоемкость и коэффициент температуропроVf водности соответственно; S =, Ч1 и V —

Ч скорость поперечных и продольных акустиО

50 ческих волн; К =,p — удельная плотЧ ность материала Образца.

Расчеты по данной формуле значительно упрощаются при малых значениях частот

55,/-2 Бмодуляции, когда - » Vf. Для экспери<о мента был выбран кремний, интегральные теплофизические ха рактеристики которога были известны, Коэффициент А системы on1805285

8 ределяется в результате измерения сигнала

V при перемещении области локального нагрева по непротравленным участкам кремния. Для более точного определения коэффициента А таких участков измерения было 30, При проведении эксперимента величина регистрируемого сигнала на выходе селективного усилителя воспроизводилась с точностью 10%. Среднее значение сигнала 20 мВ. Затем источник теплового излучения последовательно направлялся на протравленные и непротравленные участки кремния в пределах освещения поверхности предметным пучком. В каждой области производилась регистрация значения V(X, Y) и вычислялось значение удельной теплоемкости. Совокупность таких вычислений позволяла определить распределение удельной теплоемкости образца, среднее значение которой равнялось Co = 0,65

Дж . Разброс значений не превышал см град

30%.

Значение удельной теплоемкости, получаемое с помощью прототипа для непротравленных участков кремния, может быть получено с более высокой точностью. Однако при сканировании по нашему образцу эта точность терялась, так как возникали дополнительные смещения луча из-за шероховатости поверхности, При некоторых позициях регистрирующий луч выходит из области регистрации координаточувствительным датчиком.

Таким образом, измерение значения термоупругой деформации позволяет измерять теплофизические параметры твердых материалов независимо от рельефа поверхности.

Предложенный способ может быть использован в промышленности для неразрушающего контроля изделий (керамики, металлов) в микроэлектронике для диагностики параметров полупроводниковых слоев в многослойных структурах.

Формула изобретения

Способ определения теплофизических и упругих параметров твердых материалов путем сканирования поверхности образца модулированным тепловым потоком, освещения поверхности образца оптическим излучением, преобразования вторичного оптического излучения в электрический сигнал и выделения из него временной составляющей термоупругой деформации, вызванной перйодическим тепловым излучением, отличающийся тем, что, с целью

5 обеспечения регистрации пространственного распределения локальной термоупругой деформации независимо от рельефа исследуемой поверхности, до воздействия на образец модулирован-.

10 ным тепловым излучением регистрируют голограмму, поверхности образца, формируют голографическую интерферограмму в реальном времени одновременно с воздействием модулированным тепловым

15 излучением, при преобразовании вторичного оптического сигнала в электрический сигнал компенсируют фоновую засветку, выделяют из электрического сигнала временную составляющую с частотой, совпада20 ющей с частотой модулированного теплового излучения, путем регистрации временных изменений VPj отдельных участков интерференционной картины, при этом теплофизические и упругие параметры ма25 териала определяют из следующей зависимости:

v(rvj lP (1 — ) .

30 х к + / 2в к +-ф35 к„ где P — коэффициент теплового расширения исследуемого образца; ж- частота модулированного теплового излучения;

Со и co — удельная теплоемкость и коэффициент температуропроводности соответственно;

V<

S =, Vt u Vt — скорости поперечных

Ч и продольных акустических волн соответственно; р — удельная плотность материала исследуемого образца;

50 К! =

Ч(W(t) — мощность теплового излучения;

А — коэффициент пропорциональности, 1805285

Составитель К. Муратиков

Техред М. Моргентал Корректор М. Шароши

Редактор Л. Народная

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 934 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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