Способ измерения толщины тонкопленочных покрытий на теплопроводных подложках

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и касается способа измерения толщины тонкопленочного покрытия на теплопроводной подложке. Способ включает в себя нанесение на покрытие тонкого слоя прозрачной жидкости и локальный нагрев покрытия пучком лазера. В слое жидкости в зоне нагрева возбуждается термокапиллярная конвекция, приводящая к деформации свободной поверхности жидкости в виде термокапиллярного углубления, размеры которого зависят от толщины покрытия. Толщину покрытия определяют по диаметру интерференционной картины, формируемой на экране отраженным от термокапиллярного углубления пробным пучком лазера. Технический результат заключается в упрощении процесса измерений. 3 ил.

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для оценки толщины лакокрасочных и полимерных покрытий, защищающих поверхности твердых тепловодных материалов.

Качество любого защитного или лакокрасочного покрытия определяется его целостностью и однородностью по толщине. Так, например, в микроэлектронике применяют влагозащитные покрытия для сохранения микросхем в приборах, работающих в условиях высокой влажности [1]. Важным требованием к таким покрытиям, составляющим несколько десятков микрометров, является высокая степень однородности по толщине на изделиях сложной конфигурации. В фармацевтической промышленности, при производстве таблетированных препаратов с контролируемым высвобождением активных компонентов, контроль качества покрытия (оболочки) препарата имеет решающее значение [2].

Известен термоволновой способ [3, 4] измерения толщины покрытия на твердой подложке, в котором подложку нагревают модулированным пучком лазера, создавая на поверхности покрытия квазидвухмерный источник тепловой волны. Проходящая вглубь волна отражается от границы с подложкой и на поверхности покрытия эти волны интерферируют. Толщину покрытия определяют по сдвигу фаз падающей и отраженной волны на поверхности пленки. Способ имеет следующие недостатки: требуется сложное и дорогое оборудование, а также необходимым условием является неравенство коэффициентов термоэффузивности материала покрытия и подложки, что существенно ограничивает применимость способа.

Известен фототерморадиометрический способ [5, 6] измерения толщины защитного покрытия, в котором поверхность исследуемого образца облучают модулированным источником света и в результате поглощения тепловой энергии с этой поверхности испускается ИК-излучение, обнаруживаемое ИК-детектором. Прошедший через усилитель сигнал от детектора в виде амплитуды и фазы изменения результирующей температуры на поверхности покрытия дает информацию о его толщине. Несмотря на то, что метод применим для любого вида покрытия и подложек и позволяет измерять толщины в субмикронном масштабе, при его реализации возникает ряд трудностей, а именно необходимо знать теплофизические свойства покрытия и подложки для решения задачи о распространении теплового потока, а также требуется сложное оборудование для обработки результатов.

Известен интерференционный способ [7] измерения толщины полимерного покрытия, состоящий в том, что при падении когерентного излучения на прозрачное плоскопараллельное покрытие происходит его отражение от верхней и нижней поверхности, в результате в отраженном свете возникает интерференционная картина полос равного наклона. По периоду наблюдаемых на экране полос, зная длину волны излучения, угол падения лазерного луча и показатель преломления, локально определяют толщину покрытия. К недостаткам способа можно отнести его применимость только к прозрачным покрытиям, а также необходимость знания показателей преломления материалов покрытия и покрываемой подложки.

Наиболее близким к заявленному способу относится способ, основанный на мираж-эффекте [8], в котором горизонтальную, плоскую поверхность образца, помещенного в кювету с жидкостью, нагревают модулированным пучком накачки, так что в области теплового возбуждения создается поле показателя преломления жидкости, а проходящий сквозь жидкость параллельно на небольшом расстоянии (до ~0.8 мм) от поверхности образца сфокусированный пробный пучок лазера отклоняется на небольшой угол (10-6-10-3 рад), который регистрируют позиционно-чувствительным детектором. Угол отклонения зависит от параметров экспериментальной установки, толщины покрытия, а также от теплофизических свойств материала покрытия, подложки и связующей жидкости. Однако данный способ имеет недостатки, связанные с дороговизной используемых высокочувствительных датчиков, сложностью юстировки двух пучков и необходимостью их сильной фокусировки (~150 мкм), что затрудняет применение способа в рутинных и экспресс-измерениях.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является существенное упрощение процесса измерения толщины диэлектрического и лакокрасочного покрытий уменьшением количества технических и аналитических процедур, удешевление процесса измерений, а также расширение области применения.

Технический результат достигается путем возбуждения пучком лазера накачки в тонком слое (менее 1 мм) жидкости на измеряемом покрытии термокапиллярного углубления, размеры которого зависят от толщины покрытия, а толщина покрытия измеряется по диаметру стационарного термокапиллярного отклика в виде концентрической интерференционной картины, которая формируется на экране отраженным от термокапиллярного углубления пробным пучком лазера.

Способ поясняется на Фиг. 1, которая является его принципиальной схемой. Здесь 1 - пучок лазера накачки, 2 - слой прозрачной жидкости, 3 - пленка покрытия, 4 - теплопроводная подложка, 5 - термокапиллярное углубление, 6 - пробный пучок лазера, 7 - термокапиллярный (ТК) отклик, характеризуемый стационарным диаметром Dst.

Пучок лазера накачки направляется перпендикулярно системе «слой жидкости-покрытие-подложка» и поглощается материалом покрытия. Вследствие нагрева поверхности покрытия тепловой поток распространяется как в жидкость, так и в покрытие. Теплопроводная подложка служит тепловым стоком. Тепловой фронт, достигший свободной поверхности жидкости, локально повышает ее температуру, приводя к понижению поверхностного натяжения в зоне падения пучка. В результате на свободной поверхности жидкости возникает центробежное поле касательных сил, которое благодаря вязкости уносит жидкость из нагреваемой зоны, приводя к формированию термокапиллярного углубления [9]. Отраженный от углубления пробный лазерный пучок формирует на экране интерференционную картину в виде концентрических колец, называемую термокапиллярным (ТК) откликом [9]. При фиксированных толщине слоя жидкости, мощности пучка накачки и расстоянии до экрана диаметр ТК отклика является функцией толщины покрытия. Чем больше толщина покрытия, тем дальше тепловой сток - теплопроводная подложка и, как следствие, больше тепловой поток в жидкость, который приводит к увеличению размера термокапиллярного углубления, вызывая тем самым изменение диаметра ТК отклика. Измерение толщины покрытия любой заданной системы «жидкость-покрытие-подложка» осуществляется путем построения калибровочного графика зависимости диаметра ТК отклика от толщины покрытия.

Пример. На Фиг. 2 показана зависимость стационарного диаметра ТК отклика Dst от толщины пленки черного цапонлака (коэффициент теплопроводности kƒ=0.15…0.2 Вт/(м⋅К) [10]), покрывающей подложку из дюралюминия (kS=160 Вт/(м⋅К) [10]). Изменение толщины пленки цапонлака осуществлялось следующим образом. Сначала изготавливали сухую пленку цапонлака в виде диска диаметром 80 мм и толщиной около 30 мкм путем высушивания жидкого цапонлака в тефлоновой кювете. Затем отделяли полученную сухую пленку, вырезали из нее небольшой кусочек и, смочив его жидким цапонлаком, приклеивали к дюралюминиевой подложке. Дальнейшее увеличение толщины измеряемого покрытия на подложке производили методом послойного приклеивания вырезанных из этого же диска кусочков. В кювету, состоящую из дюралюминиевой подложки, покрытой пленкой цапонлака, наливали слой (~500 мкм) силиконового масла ПМС-5 (kl=0.13…0.17 Вт/(м⋅К)) и возбуждали пучком лазера накачки (мощность 21 мВт, диаметр 2.5 мм) термокапиллярное углубление. ТК отклик, сформированный на экране отраженным от ТК углубления пробным пучком лазера (мощность 0.3 мВт, диаметр 5 мм), измеряли линейкой.

На Фиг. 3 для примера показаны фотографии ТК отклика на экране, соответствующего двум различным толщинам пленки цапонлака, покрывающей дюралюминиевую подложку: а - 33 мкм и б - 100 мкм.

Таким образом, предлагаемый способ, отличаясь простотой и надежностью, имеет ряд преимуществ: не требует использования высокочувствительных, дорогостоящих детекторов; не требует выполнения сложной процедуры юстировки и фокусировки лазерных пучков; не требует специальных аналитических программ, основанных на решении оптических и тепловых задач, для обработки результатов измерения. Кроме того, для возбуждения ТК эффекта в слое жидкости можно использовать любой точечный источник света (сфокусированное излучение галогеновой лампы, светодиода), достаточно лишь, чтобы излучение поглощалось материалом покрытия.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ:

1. Ширшова В., Избушкин А., Фомченко Е. Полипараксилиленовые покрытия в технологии РЭА. Состояние перспективы. // Печатный монтаж, №1, с. 22-27, 2010.

2. Ho L., Miiller R., Gordon K.C., Kleinebudde P., Pepper M., Rades Т., Shen Y., Taday P.F., Zeitler J.A. Terahertz pulsed imaging as an analytical tool for sustained-release tablet film coating. // Eur. J. Pharm. Biopharm., Vol. 71, pp. 117-123, 2009.

3. US Patent 4522510. A. Rosencwaig A., Opsal J. Thin film thickness measurement with thermal waves. 11 June 1985.

4. Moksin M.M., Almond D.P. Non-destructive examination of paint coatings using the thermal wave interferometry technique. // J. Mater. Sci., Vol.30, pp.2251-2253, 1995.

5. Sheard S.J., Somekh M.G. Measurement of opaque coating thickness using photothermal radiometry. // Appl. Phys. Lett., Vol. 53, pp. 2715-2716, 1988.

6. Wang L., Prekel H., Liu H., Deng Y., Hu J., Goch G. Thickness microscopy based on photothermal radiometry for the measurement of thin films. // Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc, Vol. 72, pp. 361-365, 2009.

7. Maniscalco В., Kaminski P.M., Walls J.M. Thin film thickness measurements using scanning white light interferometry. // Thin Solid Films, Vol. 550, pp. 10-16, 2014.

8. Fujimori H., Asakura Y., Suzuki K., Uchida S. Noncontact measurement of film thickness by the photothermal deflection method. // Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 26, pp. 1759-1764, 1987.

9. Безуглый Б.А. Капиллярная конвекция, управляемая тепловым действием света, и ее применение в способах регистрации информации. Дисс. канд. физ.-мат. наук, Москва, МГУ, 1983.

10. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, A.M. Братковский и др. Под ред. И.С.Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

Способ измерения толщины тонкопленочного покрытия на теплопроводной подложке, включающий нанесение на это покрытие тонкого слоя прозрачной жидкости и локальный нагрев покрытия пучком лазера, отличающийся тем, что в слое жидкости в зоне нагрева возбуждается термокапиллярная конвекция, приводящая к деформации свободной поверхности жидкости в виде термокапиллярного углубления, размеры которого зависят от толщины покрытия, а толщину покрытия определяют по диаметру интерференционной картины, формируемой на экране отраженным от термокапиллярного углубления пробным пучком лазера.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для простого и быстрого измерения площадей потолка и определения формы потолка на основе сканирования близпотолочной поверхности стен внутри помещений.

Группа изобретений относится к технологиям калибровки камеры посредством вычислительного устройства. Техническим результатом является расширение арсенала технических средств, направленных на калибровку камеры.

Изобретение относится к способам оптико-физических измерений. Способ определения оптических констант пленок химически активных металлов или их сплавов включает измерения эллипсометрических параметров и пленки соответствующего металла или его сплава, предварительно нанесенной путем вакуумного напыления на подложку с последующим расчетом значений констант.

Способ определения расстояния до границ объекта включает измерение размера изображения в плоскости изображений оптического прибора со светочувствительной матрицей, осуществление перемещения прибора вдоль его линии визирования по направлению к объекту или от него на фиксированное расстояние, вновь измерение размера изображения объекта.

Группа изобретений относится к проекционной технике. Лазерный прибор для проецирования структурированной картины освещения на сцену сформирован из нескольких матриц лазеров VCSEL, причём каждая матрица расположена на отдельном кристалле VCSEL и содержит нерегулярное распределение излучающих областей полупроводниковых лазеров.

Группа изобретений относится к способу измерения геометрических параметров электросварных труб различного диаметра и системе для измерения геометрических параметров электросварных труб.

Изобретение относится к области лесопользования, в частности к определению состояния деревьев в лесных массивах. Устройство для выполнения измерений в группе деревьев содержит беспилотное воздушное транспортное средство (236), датчиковую систему (306), связанную с беспилотным воздушным транспортным средством (236), управляющее устройство (310).

Система управления направлением движения транспортного средства включает в себя два отдельных устройства привязки; лазерное сканирующее устройство, выполненное с возможностью испускать сигналы лазерного луча и сканировать секторную область лазерным лучом, с тем чтобы измерять расстояние по прямой соединительной линии для соединения лазерного сканирующего устройства с любым из по меньшей мере двух отдельных устройств привязки и угол между соответствующей прямой соединительной линией и корпусом транспортного средства у транспортного средства или угол между прямыми соединительными линиями; процессор, выполненный с возможностью обрабатывать и сохранять данные и определять, является или нет ориентация корпуса транспортного средства в реальном времени отклоняющейся от начальной ориентации корпуса транспортного средства сразу после того, как система начинает работать, в соответствии с результатами, считанными лазерным сканирующим устройством.

Изобретение относится к точной механике и может быть использовано для контроля качества изготовления изделий; оцифровки созданного вручную дизайн-макета изделия, как основы для дальнейшей проработки; представления удаленных экспертов результатов разрушающих испытаний, последствий аварий и катастроф, воздействий взрывов; визуализации участков местности с естественными формами рельефа; криминалистов, археологов.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для оптического бесконтактного измерения профиля поверхности, и может быть использовано для измерения параметров неровности, шероховатости поверхности, например дорожного покрытия, поверхности металлов и изделий сложной формы.

Группа изобретений относится к технологиям калибровки камеры посредством вычислительного устройства. Техническим результатом является расширение арсенала технических средств, направленных на калибровку камеры.

Группа изобретений относится к технологиям калибровки камеры посредством вычислительного устройства. Техническим результатом является расширение арсенала технических средств, направленных на калибровку камеры.

Изобретение относится к способам оптико-физических измерений. Способ определения оптических констант пленок химически активных металлов или их сплавов включает измерения эллипсометрических параметров и пленки соответствующего металла или его сплава, предварительно нанесенной путем вакуумного напыления на подложку с последующим расчетом значений констант.

Изобретение относится к способам оптико-физических измерений. Способ определения оптических констант пленок химически активных металлов или их сплавов включает измерения эллипсометрических параметров и пленки соответствующего металла или его сплава, предварительно нанесенной путем вакуумного напыления на подложку с последующим расчетом значений констант.

Изобретение относится к области оптических измерений. Оптический способ измерения поля толщины прозрачной наледи на лопастях ветрогенератора заключается в освещении прозрачной наледи и фиксации видеокамерой изображения искаженного светового кольца, образованного на поверхности под наледью в результате полного внутреннего отражения света на границе раздела наледь-воздух.

Изобретение относится к области оптических измерений. Оптический способ измерения поля толщины прозрачной наледи на лопастях ветрогенератора заключается в освещении прозрачной наледи и фиксации видеокамерой изображения искаженного светового кольца, образованного на поверхности под наледью в результате полного внутреннего отражения света на границе раздела наледь-воздух.

Изобретение относится к области оптоэлектронного контроля прозрачных или полупрозрачных смесей емкостей типа бутылок, банок с целью выявления дефектов распределения материала.

Изобретение относится к области метрологии тонких пленок, а именно к способу измерения толщины тонких прозрачных пленок бесконтактным способом с помощью интерферометра.
Использование: для определения толщины окисной пленки алюминия в процессе анодного окисления холодного катода в тлеющем разряде кислорода. Сущность изобретения заключается в том, что способ определения средней толщины окисной пленки в процессе анодного окисления холодного катода в тлеющем разряде кислорода, включающий создание высокого вакуума в области контроля, отличается тем, что определяют площадь рабочей поверхности холодного катода определенной конфигурации, внутренний объем вакуумной области, занимаемой датчиком вакуума, расположенным вне области холодного катода и соединенным вакуумным каналом с вакуумной областью, содержащей технологический прибор с холодным катодом, внутренний объем вакуумной области, занимаемой технологическим прибором с холодным катодом, наполняют вакуумную систему и вакуумные области кислородом до постоянного давления, отсоединяют вакуумные области от вакуумной системы, фиксируют перед началом зажигания тлеющего разряда в технологическом приборе с холодным катодом величину установившегося давления в вакуумных областях, содержащих датчик вакуума и технологический прибор с холодным катодом, зажигают тлеющий разряд во внутреннем объеме вакуумной области, занимаемой технологическим прибором с холодным катодом, фиксируют датчиком вакуума в выбранный момент времени давление кислорода в процессе анодного окисления холодного катода в тлеющем разряде, рассчитывают среднюю толщину окисной пленки алюминия на рабочей поверхности холодного катода определенной конфигурации в выбранный момент времени анодного окисления в тлеющем разряде кислорода по определенной формуле.

Изобретение относится к способу определения эффективной толщины диффузионного слоя на металлическом изделии. Осуществляют воздействие плазменного разряда заданной продолжительности на поверхность диффузионного слоя изделия, при этом проводят измерение интенсивности спектральной линии для определения содержания диффундирующего элемента и анализ распределения значений содержания этого компонента в диффузионном слое.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерений толщины пленок и покрытий. В устройстве реализован частотно-интерференционный способ измерения толщины, согласно которому наведение на поверхность покрытия и на границу раздела покрытия с основанием производится интерференцией в инфракрасной области спектра, а измерение толщины производится частотным способом. Оптическая схема устройства построена на волоконной оптике и реализует измерения частоты импульсов света, формирование которых происходит в генераторе импульсов света, реализованном в схеме. Толщину покрытия h определяют по измерению частот импульсов света F1 и F2, формируемых в генераторе при наведениях излучения последовательно на поверхность покрытия и на границу раздела покрытия с основанием, в соответствии с формулой h=c(F2-F1)/2nF1F2, где c - скорость света, n - коэффициент преломления среды. Технический результат – повышение разрешающей способности и точности измерений. 1 ил.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и касается способа измерения толщины тонкопленочного покрытия на теплопроводной подложке. Способ включает в себя нанесение на покрытие тонкого слоя прозрачной жидкости и локальный нагрев покрытия пучком лазера. В слое жидкости в зоне нагрева возбуждается термокапиллярная конвекция, приводящая к деформации свободной поверхности жидкости в виде термокапиллярного углубления, размеры которого зависят от толщины покрытия. Толщину покрытия определяют по диаметру интерференционной картины, формируемой на экране отраженным от термокапиллярного углубления пробным пучком лазера. Технический результат заключается в упрощении процесса измерений. 3 ил.

Наверх