Способ определения физико-механических характеристик тонких пленок

(1 А Г.й ГЮ - ТЕЗФВЧЯВКАВ .1: ),(.(До,РЕТЕНИ ЛЬСТВ ики 3 ии 2 и прием- и, иммерсионми скоростью а Со и коэффитразвука (УЗ), илитель 6, осастотомер 9 с тему, содерж ный 3 пьеэо ную жидкост распростран циентом ао исследуемый циллограф 7 двумя входа Способ оащую иэлучающ преобразовател ь 4 с известны ения ультразвук поглощения ульобразец 5, ус вольтметр 8, ч миаиб,существляют сле тся к иэмерительть использовано в для определения ойств тонких плеявляется повыше счет определениости поглощения щим абра на схема устр б определени ктеристик т ист фи- ких ом.А двух и что и межд жидк ющее способ, с кустическую си ОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ К АВТОРСКОМУ СВИ(71) Специализированное конструкторское бюро с опытным производством Отдела теплофизики АН УэССР(56) Авторское свидетельство СССР М 1010539, кл, б 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 относиной технике и может бы научных исследованиях физико-механических св нок,Целью изобретения ние информативности эа толщины пленки и скор ней ультразвука. На чертеже приведе ва, реализующего спосо зико-механических хара пленок. Устройство, реализу держит ВЧ-генератор 1, 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 т 2 и т( 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 13, на этой частоте з измеряют значения амплитуд А 1 и А 2 выходных импульсных УЗ-сигналов для акустической системы с исследуемым образцом и без него соответственно, по измеренным величинам определяют толщину д пленки, скорость С распространения ультразвука и коэффициент а поглощения в исследуемой пленке по следующим формулам о=Со/2 тз (1+ тз2 т 1)/2)1); С.= Со 1+ (3(12 т 1)/)2 т 1); 0 = г 1 о+ 213/Со )2 т 1/т 2 т 1 13(т 2 - т 1)(ПА 2/А 1, 1 ил. устическую систему, состоящую из реобразователей, установленных так х рабочие поверхности параллельнь собой, помещают в иммерсионную сть 4 с известными значениями скорожидкостью 4 и, поддерживая на той же частоте 13 ультразвуковой сигнал, измеряют на выходе акустической системы амплитуду Аг принятого на этой частоте УЗ-сигнала, 5 Коэффициенты а и а о поглощения УЗв акустической системе с образцом и без образца соответственно удовлетворяют следующим соотношениям:- = ехра о (. - б)+ а д;АоА 1Ао- = ехр ао(,Аг(5) 3 1657954 Фсти С, распространения ультразвука икоэффициента а о 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 ром 9 по входу б измеряют первую резонансную частоту 11, для которой из условия резонанса следует(1) где ( - 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 па ралл ел ьн ы 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 12, 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 13. Так как при условии прозрачности образца по толщине образца укладывается половина длины волны, т. е. А = 2 б, то из условия прозрачности следует, что б (3) где С - скорость УЗ-волны в образце.Одновременно вольтметром 8 измеряют на выходе акустической системы амплитуду А 1 принятого на частоте 13 ультразвукового импульсного сигнала.Затем убирают исследуемый образец 5 из акустической системы с иммерсионной где Ао - амплитуда УЗ-волны на входе акустической системы;А 1 и А 2 - амплитуда УЗ-волны на выходе акустической системы с образцом и без образца соответственно;- расстояние между пьеэопреобразователями 2 и 3,Измеряя т 1, 12, тз, А 1, Аг и решая систему уравнений (1) - (5) относительно с 1, с и а, определяют их по следующим выведенным формулам: 213 12 т 1 1 А 2 (8)Со 12 т 1 + 13(12 т 1) А 1 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 д изменяются (например, при изменениях температурных режимов исследуемых образцов или при изменениях механических нагрузок вдольэтих образцов).Кроме того, способ позволяет в однозначных условиях одной методики определять значения трех параметров с, а и б, 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 учиты30 Составитель С, ВолковРедактор С. Пекарь Техред М,Моргентал Корректор М, Демчи каэ 1708 Тираж 388 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва. Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 вать дополнительные погрешности, связанные с различным влиянием внешних факторов на различные условия независимыхэкспериментов,Формула изобретенияСпособ определения физико-механических характеристик тонких пленок, заключающийся в том, что в акустическую систему, содержащую излучающий и приемный ульт раэвуковые 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, о тл и ч а ю щи й с я тем, что, с целью повышения информативности за счет определения толщины пленки и скорости погло щения в ней ультразвука, в акустической системе возбуждают стоячие вогны и измеряют значения первых резонансных частот т 1 и 12 соответственно с пленкой и без нее, затем возбуждают в акустической системе с образцом пленки импульсы ультразвуковых колебаний, изменяют частоту их заполнения до получения частоты 1 з, при которой амплитуда А 1 максимальна, затем на той же частоте 1 э измеряют значение амплитуды А 2 выходных импульсных ультразвуковых колебаний для акустической системы без образца пленки и по измеренным величинам определяют толщину б пленки, скорость С распространения ультразвука и коэффициента поглощения в образце исследуемой пленки по следующим формулам: где Со, а о - соответственно скорость и коэффициент поглощения ультразвука в иммерсионной жидкости,