Способ определения теплофизических и упругих параметров твердых материалов

(9) (11) РЕСПУБЛ Н 25 027,ОБРЕТЕН Е ВТОРСКОМУ СВ ЕЛЬСТВ Изобрете менно к спос еских и упруг иалов, и мо сследования еления лока ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(56) Возепсаоп 9 А, РЬотоасоозтс апб рЬотоасоОзтс зрес 1 гозсору, И.У.Яеу, 1980, р. 310.Ащег М.М., Овзтеаб М.А. А поче пекод аког зтцбу о 1 ортса ргорегтез о 1 з 1)г 1 асез, "Я 0 г 1 асе Ясепсе". 1983, ч. 132, р.68-72. ие относится к оптике, а бам регистрации теплофизих параметров твердых матежет быть использовано для пространственного распреьных параметров материаЦель 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 ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИУПРУГИХ ПАРАМЕТРОВ НЫХ МАТЕРИАЛОВ ание: определение тепло- упругих параметров твертериалов, Сущность: способ редусматривает применение ой интерферометрии в реальТеплофизические и упругие ределяют из эмпирической спользуя временные измеых участков интерференци ил.(57) Использовфизических идотельных маопределения иголографическном времени.параметры опзависимости, инения отдельнонной картины теплофизических и упругих параметрах материала,Новым является то, что до воздействия на образец модулированным тепловым 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 ф 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 голограммы 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 за 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 видеинтерференционной 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 кото 55 характеристик образца.Для экспериментальной проверки способа была использована установка голографического интерферометра реального времени. Источником света служил гелий- неоновый лазер Л Гмощностью 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 постоянноподается предметный пучок света. Таким5 образом обеспечивается регистрация пространственного распределения локальнойтермоупругой деформации независимо отрельефа исследуемой поверхности,На чертеже представлена схема осуще 10 ствления данного способа, где 1 - источниктеплового излучения, 2 - модулятор, 3 - устройство сканирования теплового излучения, 4 - образец, 5 - регистратороптического сигнала (одиночный фотодиод),15 6 - селективный усилитель, 7 - регистраторэлектрических сигналов, 8 - синхрогенератор, 9 - лазер, 10 - светоделитель, 11 -фоточувствительный материал 12 - линзы,13 - коллиматор, 14 - зеркала, 15 - собира 20 ющая линза,Измерения данным способом осуществляются следующим образом. С помощьюлазера 9, светоделителя 10, коллиматора 13,линзы 12 и зеркала 14 производится запись25 голограммы поверхности образца 4 нафоточувствительном материале 11, Затем черезполученную и проявленную голограммупропускают предметный и опорный пучкисвета. Одновременно с этим процессом про 30 исходит подача модулированного тепловогоизлучения от источника 1 на исследуемуюобласть образца 4. В результате модулированного теплового воздействия происходитдеформация локальной области образца.35 Так как деформация имеет временной характер, то предметный луч, отраженный отповерхности образца и прошедший черезголограмму, имеет модуляционную составляющую, Интегральный поток, собранный40 линзой 15 и имеющий в своем составе модуляционную составляющую, преобразуется вэлектрический сигнал на фотоприемнике 5.Из полученного электрического сигнала селективный усилитель 6 выделяет временную45 составляющую заданной частоты. Для реги-страции амплитуды и фазы электрического.сигнала модулятор 2 синхронизируется с регистратором электрических сигналов 7 через синхронизатор 8. Перемещая область50 разогрева с помощью устройства 3, мы получаем пространственную картину изменения локальных теплофизических и упругих5 10 15 20 25 30 4 ширения ая теп- туропрол оро акустия плотволн; ельнКь Для эксперимнии, интегральные ктеристики которого циент А системы Опобразца производилась на фотопластинку 11 типа ВР-Л. Обработка голограммы производилась на месте экспонирования с помощью скоростного проявителя СП, Бремя экспонирования 1 - 5 с. Соотношение интенсивностей предметного и опорного пучков 1;1.Источником теплового излучения служил аргоновый лазер ЛГ, а модуляция излучения производилась модулятором МЛ (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 предсаяло собой микроподвижку, на которой был закреплен микрообъектив 12.На втором этапе эксперимента модулированный луч с помощью микраподвикки 3 последовательно перемещался по протрав- ленным 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 "ИндустарА", Сфокусированной пучок света подавался на фотодиод ФД 155. Полученный электрический сигнал усиливался предварительным усилителем, выполненным на микросхеме 1(544 УД 2 А и далее поступал на селективный усилитель Вб. Регистратором служил осциллограф С 1-91, по которому контролировались амплитуда и фаза сигнала. Функцию синхрогенератора выполнял генератор Г 5-56,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 производилась подстройка выходного сигнала предварительного усилителя по минимуму постоянной составляющей, для чего микрометрическим винтом перемещался оптический клин.В задачу эксперимента входило определение распределения термоупругой деформации, по которой можно восстановить относительное изменение локальных тепло- физических и упругих параметров для протравленного и непротравленного участка кремния, Действительно, при соблюдении2 куслОвия у - О1 1 где Л - длина вОлны считывающего лазера; О - величина деформации поверхности Объекта в направлении перпендикулярном к поверхности), величина выходного сигнала системы определяется для области с координатами Х, У2 лравенство Ч = - . - А ) О(х,у)ббу, В этом выражении интегрирование производится по области локального нагрева образца, а величина А является коэффициентом пропорциональности системы.Величину сигнала Ч(а) при гармоническом законе изменения мощности лазерноВ/о 11 го излучения во времени Ю(т) = е4 можно получить в следующем виде: 4 2фф=" - Р 3 (1 - ) К+( х ---к 14 7 2 Ъ к+ив Коф - коэффициент теплового раучаемого образца: Со и ко удемкость и коэффициент темперЧности соответственно; Я = Ч поперечных и продольны Оность материала Образца.Расчеты по,данной формуле значительно упрощаются при малых значениях частот.Г 2 Бодуляции, когдаК мента был выбран кр теплофизические хара были известны, Коэффределяется в результате измерения сигнала Ч при перемещении области локального нагрева по непротравленным участкам кремния. Для более точного определения коэффициента А таких участков измерения 5 было 30, При проведении эксперимента величина регистрируемого сигнала на выходе селективного усилителя воспроизводилась с точностью 10;. Среднее значение сигнала 20 мВ. Затем источник теплового излуче ния последовательно направлялся на протравленные и непротравленные участки кремния в пределах освещения поверхности предметным пучком, В каждой области производилась регистрация значения Ч(Х,У) 15 и вычислялось значение удельной теплоемкости. Совокупность таких вычислений позволяла определить распределение удельной теплоемкости образца, среднее значение которой равнялось С = 0,65 20Дж. Разброс значений не превышал см град30%.Значение удельной теплоемкости, пол-, учаемое с помощью прототипа д я непрот равленных 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 ше роховатости 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 ис пользован в промышленности для неразрушающего контроля изделий (керамики, металлов) в микроэлектронике для диагностики параметров полупроводниковых слоев в многослойных структурах.45рмула изобретенияСпособ 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 перИодическим тепловым излучением, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью обеспечения регистрации пространственного распределения локальной термоупругой деформации независимо от рельефа исследуемой поверхности, до воздействия на образец модулирован-. ным тепловым излучением регистрируют голограмму поверхности образца, формируют голографическую интерферограмму в реальном времени одновременно с воздействием модулированным тепловым излучением, при преобразовании вторичного оптического сигнала в электрический сигнал компенсируют фоновую засветку, выделяют из электрического сигнала временную составляющую с частотой, совпадающей с частотой модулированного теплового излучения, путем регистрации времен н ых изменений Ч 4 отдельных участков интерференционной картины, при этом теплофизические и упругие параметры материала определяют из следующей зависимости:,/-2 ж х К+1/ 2 а К+ у -Ко где 3 - коэффициент теплового расширения исследуемого образца;а- частота модулированного теплового излучения;Со и к - удельная теплоемкость и коэффициент температуропроводности соответственно;Ч Я =, Ч и М - скорости поперечныхЧи продольных акустических волн соответственно;р - удельная плотность материала иссдуемого образца;с, К 1=1 Мф) - мощность теплового излучения; А - коэффициент пропорциональности,Заказ 934 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открыти113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 ТСС и