Способ определения физико-механических характеристик тонких пленок Советский патент 1991 года по МПК G01B17/02 G01N29/18 G01N29/20 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в научных исследованиях для определения физико-механических свойств тонких пленок.

Целью изобретения является повышение информативности за 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 систему, содержащую излучающий 2 и приемный 3 пьезопреобразователи. 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 скороо

01

ю ся -N

сти Со распространения ультразвука и коэффициента а о поглощения УЗ в ней и про- звучивают 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- ром 9 по входу б измеряют первую резонансную частоту fi, для которой из условия резонанса следует

жидкостью 4 и, поддерживая на той же частоте fa ультразвуковой сигнал, измеряют на выходе акустической системы амплитуду А2 принятого на этой частоте УЗ-сигнала.

Коэффициенты а и а0 поглощения УЗ в акустической системе с образцом и без образца соответственно удовлетворяют следующим соотношениям:

exp ct0(L-d)+ ad;

exp a0L ,

(4) (5)

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-импуль- сов, 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

-Ј

где L - расстояние между пьезопреобразо- вателями 2 и 3.

Далее в акустическую систему с иммерсионной жидкостью с известными скоростью Со распространения ультразвука и коэффициентом а о 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

f2

Со

2(L-d -l-Co/c-d)

(2)

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 fa. Так как при условии прозрачности образца по толщине образца укладывается половина длины волны, т. е. Я 2d, то из условия прозрачности следует, что

d

С 2f3

где С - скорость УЗ-волны в образце.

Одновременно вольтметром 8 измеряют на выходе акустической системы амплитуду AI принятого на частоте Ь ультразвукового импульсного сигнала.

Затем убирают исследуемый образец 5 из акустической системы с иммерсионной

15

20

25

где АО амплитуда УЗ-волны на входе акустической системы;

AI и А2 - амплитуда УЗ-волны на выходе акустической системы с образцом и без образца соответственно;

L - расстояние между пьезопреобразо- вателями 2 и 3.

Измеряя fi, f2. fa, AI, A2 и решая систему уравнений (1)-(5) относительно d, с и а, определяют их по следующим выведенным формулам:

0

d

Со

2f3

1+Mf2Z±b

f2 - f i J

С Со

-f

(6) (7)

а -«о +

2f3

f2-fl

А2 Со f2fl + f3(f2 - fi) |П AT (8)

40

45

50

55

Способ определения толщины тонких пленок, коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвука по их тол- щине позволяет, во-первых меньшим количеством измерений получать определяемую величину с заданной точностью, во- вторых, исследовать физические процессы, в результате которых end 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, and, 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 учитывать дополнительные погрешности, связанные с различным влиянием внешних факторов на различные условия независимых экспериментов.

Формула изобретения Способ определения физико-механических характеристик тонких пленок, заключающийся в том, что в акустическую систему, содержащую излучающий и приемный ульт- развуковые преобразователи, помещенные в иммерсионную жидкость, помещают исследуемый образец пленки таким образом, что рабочие поверхности преобразователей и исследуемого образца пленки парал- лельны между собой, возбуждают ультразвуковые колебания, измеряют на выходе акустической системы с образцом пленки и без него амплитудные характеристики сигналов ультразвуковых колебаний, по из- меренным величинам определяют физико- механические характеристики образца пленки, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности за счет определения толщины пленки и скорости погло- щения в ней ультразвука, в акустической системе возбуждают стоячие волны и измеряют значения первых резонансных частот

fi 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 fa, при которой амплитуда AI максимальна, затем на той же частоте fa 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:

где Со. «о - соответственно скорость и коэффициент поглощения ультразвука в иммерсионной жидкости.