Способ неразрушающего послойного рентгеноструктурного анализа поликристаллических массивных объектов Советский патент 1986 года по МПК G01N23/20 

t1

Изобретение относится к рентгено- структурному анализу поликристаллических веществ, а именно к неразрушающему послойному исследованию объектов, собственная толщина которых превышает толщину слоя, участвующего в создании дифракционной картины.

Цель изобретения состоит в повьше- нии точности определения толщины анализируемого слоя.

На фиг. I показана схема рентгено- графирования при неразрушающем послойном анализе объекта; на фиг. 2 и 3 - соотношение углов наклона первичного пучка oi и aig исследуемого объекта и эталонного образца в зависимости от величины углов отражения S объекта и 0 подложки (стрелкой показано, в какую сторону изменяется угол наклона при переходе от пленки к массивному объекту); на фиг. 4 - зависимость (й).

Предложенный способ реализуют следующим образом.

Сначала строят теоретическую зависимость б f(ot) для материала объекта или (ПОДЛОЖКИ по формуле

,7-10 ° (ctgci+tge),

где и - порядковый номер элемента; р - его плотность; А - масса атома; Д - длина волны рентгеновских

лучей о

Такая зависимость для меди в кобальтовом К -излучении показана на фиг, 4.

Затем объект или подложку с поверхностью 13-14-го классов чистоты (,04-0,08 мкм) предварительно рентгенографируют в выбранном излучении при углах наклона ср + и/2б 6 arcctg(u&/S )-tgeJ,e Q - угол полного внеганего отражения рентгеновских лучей; а - горизонтальная расходимость пучка; u9 - точность регистрации углов на гониометре; S - декремент показателя преломления.

По полученным дифрактограммам замеряют смещение дифракционных линий по отношению к теоретическому их положению, вызванное влиянием преломления рентгеновских лучей.

Сравнивают величину полученного смещения линий с величиной поправки на преломление по теоретическому графику f(i) и по соответствию величин смещения и S конкретному углу с6 вы

15582 .

ставляют последний с точность +u9 по шкале гониометра, определяя тем самым нулевое положение рабочей плоскости объекта или подложки.

После этого приступают к определению толщины анализируемого слоя объекта „

Берут пленки и фольги неизвестной толщины tjitj t и т.д. из материаС ла объекта. Чистота их поверхностей должна соответствовать , 0,08 мкм. Ренгенографируют их на выбранной подложке при углах об, уменьшающихся до значения iv; , соответст-

5 вующего исчезновению линии подложки с углом отражения 9-j . По углу наклона t,, V б (фиг. 2 и 3), величине t(, соответствующему и значению , величине 9 и уравнению

0 sin(oi-8) sin(20-ot)

0

S

0

3

t

X In

il s i n (ос -)+sin(20-et)

sin(ci-E)+sin(2e,,-c

:

° J где 5 - поправка на преломление рент5 геновских лучей; S - угол отражения дифракционной линии объекта; jii - коэффициент ослабления; Gg - отношение интенсивностей первичного и дифрагированного пучков, определяемое

0 из калибровочного графика (), в котором оСд - величина угла наклона, Соответствующая исчезновению дифракционной линии подложки, экранируемой эталонными пленкой или фоль-

гой, определяют первое значение

G, f:(i,).

Перед съемкой пленки или фольги толщиной tg вертикальную ось держателя образцов (или облучаемую поверхность образца на дифрактометре с фокусировкой Зеемана-Болин) смещают относительно оси гониометра (вертикальной оси держателя образцов на дифрактометре Зеемана-Болин) так.

чтобы последняя оказалась внутри пленки или фольги толщиной t на расстоянии tj от облучаемой поверхности. Такое смещение достигается, например, микрометрическим винтом перемещения столика держателя образцов с требуемой ценой деления.

Эталон толщиной tg рентгенографируют также при уменьшающихся углах наклона, определяя новое значение а , при котором исчезает анализируемая линия подложки, и величины 0 и . По углам х, иб, величине t, значению и формуле (l) определяют второе значение функции

Gc,f()Затем переходят к эталону толщи,ной t J и т.д.

После построения калибровочного графика G f(otg) приступают к послойному исследованию объекта, при котором съемку, регистратшю и анализ дифракционной карт i осуществляют при возрастающих углах наклона «c, т.д. (фиг. 1).При переходе от «, к вертикальную ось держателя образцов (или облучаемую поверхность объекта на дифрактометре с фокусировкой Зеемана-Болин) смещают относительно оси гониометра (вертикальной оси держателя образцо на дифрактометре с фокусировкой Зеемана-Болин) внутрь объекта на расстояние от облучаемой поверхности, соответствующее толщине анализируемого слоя при oi, ; при переходе к углу ось держателя образцов .смещают относительно оси гониометра внутрь объекта на расстояние, соответствующее толщине анализируемого слоя при и т.д. Толщину анализируемого слоя определяют в каждом случае по углам oi и б , соответствующей поправке на преломление (при л9 ею можно пренебречь), калибро- аочному графику (oig) и формуле (1).

Пример 1. Определяют величину об для построения калибровочного графика (a;) по результатам рен генографирования применяемой в качестве эталона железной пленки толщиной 3,6+0,1 мкм на медной и никелевой подложках в кобальтовом К -излучении на дифрактометре ДРОН-2,0.

Сначала строят зависимость f ( « ), например, для медной подложки (фиг. 4) по формуле

2,7-1 о 1 A (ctg,(+tK8),

где Z - порядковый номер элемента (29);

Р - плотность (8,95 г/см ); А - масса атома (63,5); - длина волны рентгеновских

лучей ( ,79-10 см); S-fr - угол отражения дифракционно

линии подложки.

Доводят поверхность подложки до 13-14-го классов чистоты (,04- 0,08 мкм) и рентгенографируют при углах наклона 2-3°, причем в ходе съемки держатель образцов остается

21558

неподвижным относительно оси гониометра, а детектор излучения перемещается в рабочем интервале двойных углов отражения.

с При съемке используют юстировочные щели (0,05 мм), для которых величина со горизонтальной расходимости пучка составляет 0,13 . Значения oi. находятся в интервале Cf +CJ/2 oiiarcctg (uS/8 ) -tgS, где , - угол полного внешнего отражения рентгеновских лучей, равньй для меди 0,48° ;u8 - точность регистрации углов на гониометре ГУР-5, составляющая +0,005 , 5 - де)5 кремент показателя преломления (для меди в выбранном излучении 35,5 110 ). Таким образом, 0,,60.

По полученным дифрактограммам замеряют смещение дифракционных линий,

20 вызванное преломлением рентгеновских лучей, сравнительно с их теоретическим положением. Величина смещения для линий (ill), (220) и (ЗП) оказывается равной 0,05+0,01 .

25 На зависимости f() величине ,05° соответствует значение Л 2,50°, которое и выставляют по шкале гониометра.

Проверка нулевого положения рабочей плоскости образца по никелевой и железной пленкам, наложенным порознь на медную подложку при рент- генографировании, осуществленная повторением операций, которые перечислены для меди, показала, что экс-

35 периментальная точность установки нулевого положения рабочей плоскости по преломлению рентгеновских луQ

чей составляет ±0,01 .

Эталонную пленку железа толщиной 3,6 мкм рентгенографируют на медной и никелевой подложках при уменьшающихся углах oi . Регистрируют дифракционные линии (211) железа, (220) меди и никеля. Величины угла наклона с , при которых указанные линии под-

30

45

ложек исчезают, равняются 3,92 для меди и 3,77 для никеля. Зарегистрированные углы отражения линий при ,92 : (2П)е ,

50 (220),46

Углы отражения линий при d 3, (2П)Ре0 49, (220)Ni S 45,93.

Значение угла «б, по которому стро55 ится () для измерения толщины анализируемого слоя железа, определенное по медной подложке, равно nL д 3,49 . Значение угла л .

Си

для графика ), определенное по никелевой подложке: ос , S.v ,А7

Относительная ошибка определения толщины анализируемого слоя железа, пропорциональная ошибке определения величины oi , составляет по предложенному способу

- 3.49-3,47 0,01 0,005 3,48 ЗТ48 ТЛ80

По способу, описанному в прототипе, точность установки нулевого положения рабочей плоскости образца соответствует +0,05 . Углыо д 3,75 ; oi |j 3,90 ;o: 3,50°. Ошибка опреде- ления толщины анализируемого слоя железа на никелевой подложке составляет

ic«i 3,75-3,50 . 0,05 0,005 .„ 3775 3775 37750

Ошибка определения толщины анализируемого слоя железа на меди

406 3,90-3,50 . 0,05 0,005, . .,„

3,90 3790 17950 °

Hi

Таким образом, точность определе- ПИЯ толщины анализируемого слоя пред- ложенным способом выше по сравнению с известным.

П р и м е р 2, После установки нулевого положения рабочей плоскости образца и построения калибровочной зависимости («г;).для железа определяют толщину железной фольги на- дифрактометре ДРОН-2,0 в кобальтовом К,-излучении. Толщина испытуемой |фольги, оцененная независимо металлографическим методом, составляет 10,0+0,2 мкм, Рентгенографируют фольгу на медной и никелевой подложках при уменьшающихся углах наклона до значений л; , при которых исчезает дифракционная линия (220)/ Значения указанных улов 10,15° и 10,50 . Углы отражения дифракционных линий (220)Ni б 45,92° и (220)С ,45 . Значения функции G f(3ig} составляют 0,790 для о и 0,785 для ei д . Полученная по формуле ( 1 ) толщина фольги равна 9,9 мкм д.ая никелевой подложки и 10,0 мкм дпя медной. Соответствукяцая относительная ошибка с учетом ошибки металлографической оценки толщины составляет 3,0%.

По известному способу значения r,f(c(J:0,805 и 0,800 дпя ai . Полученная по формуле ( I ) толщина фольги составляет 10,8 мкм для никелевой подложки и 11,0 мкм для

медной. Соответствующая ошибка равна 10-12%.

Таким образом, точность определения толщины пленок и фольг предложенным способом вьшге по сравнению с из- вестным, как и точность определения толщины анализируемого слоя материала,

В соответствии с прототипом определяют величину off, для построения графика ) по данным рентгено- графирования зталонной пленки жедеза толщиной 3,6+0,1 мкм на медной и никелевой подложках в кобальтовом излучении на установке ДРОН-2,0. Величины угла cig составляют: для никелевой подложки 3,75 и медной 3,90 . Относительная ошибка оценки толщины анализируемого слоя железа, обусловленная неточностью построения графика (oc, ), равна 3,0-3,75 0,05 0,005 3,82 3,82 3,82

При этом экспериментальная ошибка определения анализируемого слоя по прототипу неизвестна, а в предложенном способе она составляет %. Одним из достоинств последнего является именно то, что он позволяет найти эту ошибку в прототипе, которая (пример i) находится в интервале 8-12%. Как видно из примера 2, точность определения по прототипу толщины плено и фольг также ниже, чем в предложенном способе.

Кроме повьшгения точности неразру- шающего послойного анализа массивных объектов способ характеризуется возможностью определения и контроля толщины аморфных И многослойных поликристаллических пленок, фольг и покрытий, а также исследования названных объектов на стандартной отечественной аппаратуре.

Формула изобретения

Способ неразрушающего послойного рентгеноструктурного анализа поликристаллических массивных объектов, включающий их облучение скользящими наклонными пучками рентгеновских лучей при изменяющихся углах о; наклона первичного пучка к плоскости объекта, причем перед каждой последующей съемкой объекта н.а большем угле о; вертикальную ось держателя образцов смещают относительно оси гониометра так, чтобы последняя оказалась внутри исследуемого материала на расстоянии от облучаемой поверхности, соответствующем толщине анализируемого слоя при предыдущем значении ы,, регистрацию дифракционной картины и определение с учетом нулевого положения рабочей плоскости толщины анализируемого слоя объекта по формуле

sin(ot,-)sin(20-(ji)

С-

(oi.-e)+sinT2e- i)

sin(ci-)+sin( б ( tntT-G,;.г-.

-I- sin (2e-ot)

j.

где Е поправка на преломление рент геновских лучей;

9 - угол отражения дифракционной линии объекта;

fu - коэффициент ослабления;

GU - отношение интенсивностей первичного и дифрагированных пучков, определяемое из калибровочного графика ((v;g), причем значение угла определяют из соотношения углов отражения материалов объектов и подложки эталонных образцов, вы221558

полненных в виде пленки исследуемого вещества известной толщины на поликристаллической подложке, о т л и- чающийся тем, что, с целью

с повышения точности определения толщины анализируемого слоя, облучение объектов проводят при углах наклона Cj +a/2i o ; arcctg(A9 /8)-tg в,где Cf - угол полного внешнего отражения

JO рентгеновских лучей; О - горизонтальная расходимость первичного пучка; д9 - точность регистрации углов; 8 -- декремент показателя преломления, учет нулевого положения рабо- 15 чей плоскости объекта осуществляют по сопоставлению величины смещения дифракционной линии вследствие преломления рентгеновских лучей, полученной из дифрактограмм, с рассчи2( танной теоретически, а значение угла oi о наклона определяют из формулы (о ®я/® где величина угла наклона, соответствующая исчезновению дифракционной линии подложки эталон25 нь1х образцов; б - угол отражения дифракционной линии подложки.

Изобретение относится к рентге- ноструктурному анализу массивных по- ликристаллических объектов, а именно к неразрушающему послойному исследованию объектов, собственная толщина которых намного превышает толщину анализируемого слоя, участвующего в создании дифракционной картины. С целью повьшения точности опр.еделения толщины анализируемого слоя перед изменениями определяют нулевое положение рабочей поверхности объекта по . сопоставлению величины смещения дифракционной линии вследствие преломления рентгеновских лучей, полученной из дифрактограмм, с рассчитанной теоретически, и это значение выставляют на шкале гониометра. Затем проводят измерения, облучая исследуемый объект скользящими наклонными пучками рентгеновских лучей при изменяющихся углах наклона первичного пучка к плоскости объекта. Перед каждой последующей съемкой объекта на большем угле вертикальную ось держателя образца смещают относительно оси гониометра так, чтобы последняя оказалась внутри исследуемого материала на глубине, соответствующей толщине анализируемого слоя при предыдущем значении угла наклона. 4 ил. i (Л С

f/e.f

У/Оббект

Подложка

Фиг.2

I/ ОШкт

Побложка

А

W

0

1 t poff.

Ф(/г4

Редактор А. Гулько

Составитель Т. Владимирова

Техред А.Алиев Корректор/Л.Пилипенко

Заказ 1605/50 Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал 1ШП Патент, г, Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг.З