Диагностика субмикронных металлических покрытий на диэлектрической подложке лазерным оптико-акустическим методом (1102809)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

На правах рукописиКопылова Дарья СергеевнаДИАГНОСТИКА СУБМИКРОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХПОКРЫТИЙ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕЛАЗЕРНЫМ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2011Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физическогофакультета Московского государственного университета имени М.В.

Ломоносова.Научный руководитель:кандидат физико-математических наук,Пеливанов Иван МихайловичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Егерев Сергей Викторович,Акустический институт имени академикаН.Н. Андреева, г. Москвакандидат физико-математических наук,доцент Андреев Валерий Георгиевич,кафедра акустики физического факультетаМГУ имени М.В. Ломоносова, г.

МоскваВедущая организация:Учереждение Российской академии наук Институтобщей физики им. А.М. Прохорова РАН, г. МоскваЗащита состоится «» марта 2011 года в «» часов на заседаниидиссертационного совета Д.501.001.31 при Московском государственном университетеимени М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, д. 1,стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория им.

С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «» февраля 2011 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д.501.001.31кандидат физ.-мат. наук, доцентТ.М. ИльиноваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследованияРазработкановыхматериаловявляетсядвижущейсилойвомногихтехнологических областях промышленности.

Например, тонкие пленки и покрытиянаходят множество применений в различных устройствах благодаря своей способностиусиливать защиту от коррозии, термо- и износостойкость. Тонкие слои повсеместновстречаются в качестве проводящих и изолирующих элементов в бурно развивающейсямикроэлектронике. В макроскопической и в интегральной оптике чередующиеся слоииспользуются в качестве фильтров, поляризующих и отражающих элементов. Слоистыеструктуры используются в высокоточном машиностроении в целях уменьшениявибраций, а также в гидроакустике при изготовлении резонансных покрытийгидрофонов из слоев с различными акустическими импедансами.

Существует множестводругихпримененийтонкихпленок:ваэрокосмическойиавтомобильнойпромышленности в качестве композитных материалов, в биотехнологиях и т.д.С ростом интереса к тонким пленкам возникла необходимость определения ихтеплофизических и механических свойств, при этом физические свойства тонкого слоясубмикро- и нанометрового диапазона зачастую могут значительно отличаться отсвойств объемного материала, из которого он изготовлен. Кроме того, часто покрытиянаносятся при высоких температурах и давлениях на сложные и неплоские поверхности,и зачастую являются очень хрупкими, что делает нежелательным физический контакт вовремя измерений.В настоящее время используется множество различных неразрушающих методовдля исследования тонких пленок: рентгеновская дифрактометрия, ультразвуковые,электромагнитные, оптические методы и т.д.

Частотная полоса традиционногоультразвука, широко используемого при диагностике неоднородностей и остаточныхнапряжений композитных материалов, обычно ограничивается 10 МГц. Следовательно,минимальный размер обнаруживаемой неоднородности составляет доли миллиметра.Возбуждение и регистрация импульсов в традиционных ультразвуковых системахосуществляется путем пьезоэлектрического преобразования. В последние годы длягенерации широкополосного ультразвука все чаще применяются фото- (ФА) и оптикоакустические (ОА) методы, основанные на возбуждении ультразвука с помощьюимпульсного лазерного излучения.

За счет использования коротких нано-, пико- илифемтосекундных лазерных импульсов в твердом теле могут возбуждаться частотыакустических волн диапазона от десятков кГц вплоть до Дебаевской частоты (1011 Гц),что позволяет в числе прочего исследовать слои толщиной до десятков нанометров. 3Более того, возбуждаемые ОА сигналы являются ультра широкополосными (ихдлительность может составлять половину периода колебаний). Таким образом, ФА и ОАметоды представляют собой перспективную альтернативу традиционным методамисследования тонких пленок, поскольку являются простыми, эффективными инеразрушающими.В зависимости от диапазонов толщин слоев и их свойств используются методы,основанные на регистрации волн различной природы (электромагнитных, тепловых иакустических).

Обычно наибольшая эффективность метода достигается в случае, когдахарактерная толщина слоя имеет порядок длины волны пробного излучения. Длядиагностики внутренней структуры металлических покрытий оптические методы могутбыть применены только до глубины скин-слоя (~ 10-6 см). Кроме того, в оптическойспектроскопии часто требуется специальная обработка образца, чтобы избежатьрассеяния на неровностях поверхности.С помощью фототепловых методов, напротив, можно исследовать такие сложныеструктуры, как шероховатые и зернистые поверхности, порошки и волокна, так какдлина диффузии тепла зачастую больше характерного размера неоднородности. Cдругой стороны, длина волны теплового излучения на одной и той же частоте на двапорядка меньше длины акустической волны.

Это означает, что для исследования тонкихслоев толщиной порядка долей микрона достаточно использовать тепловые волны счастотами до 100 МГц, тогда как в случае использования акустических волннеобходимыйчастотныйдиапазонсоставляетдесяткигигагерц.Регистрацияакустических волн гигагерцового диапазона обычно проводится на основе оптическихинтерферометров, основной проблемой которых является низкая чувствительность.Таким образом, для диагностики толщины и теплофизических свойств (в частности,теплопроводности) металлических покрытий микронного и субмикронного диапазонацелесообразно использовать именно тепловые волны. Для возбуждения тепловых волнмегагерцового диапазона обычно используются фототепловые лазерные методы, а длярегистрации – оптические, пироэлектрические, фотоакустические и др.

Методырегистрации тепловых волн имеют различные недостатки. Так, к примеру, иотносительно простые методы ИК радиометрии и фотоакустические ограничены почастоте, а использование метода отклонения пробного луча, или «мираж-эффекта»сопряжено с практическими трудностями, связанными с необходимостью четкогопозиционирования возбуждающего и пробного лучей и длительной обработкирезультатов при работе со сложными материалами. 4В данной работе предлагается гибридный лазерный ОА метод для диагностикисвойств субмикронных металлических покрытий на диэлектрической подложке.

Вданном методе металлическая пленка свободной стороной приводится в контакт симмерсионной жидкостью. Воздействие импульсного наносекундного лазерногоизлучения на поверхность металла приводит к нестационарному нагреву металла,диффузии переменной части теплового потока по направлению к жидкости и, какследствие, нестационарному нагреву тонкого слоя жидкости, граничащего с металлом. Врезультате последующего теплового расширения обеих сред возникает акустическийимпульс – ОА сигнал. Поскольку тепловые волны, распространяясь в металле,испытывают затухание, ОА сигнал несет информацию о температуре поверхностиметалла, находящейся в контакте с жидкостью, а температура, в свою очередь, - освойствах покрытия.Спектр широкополосного ОА сигнала представляет собой произведение спектраогибающей интенсивности лазерного импульса и частотной передаточной функции(ПФ) системы. ПФ, используемая при описании линейных систем, является Фурьеобразом отклика системы на воздействие дельта-импульса.

В лазерной оптоакустикеиспользование одиночного короткого лазерного импульса позволяет определить ПФисследуемой системы в диапазоне от единиц до сотен МГц. Если система линейна, тоПФ зависит только от оптических, механических и теплофизических свойств среды.Физический смысл ПФ состоит в эффективности генерации отдельных частотныхгармоник ОА сигнала в среде.

Метод частотных ПФ очень удобен в задачахдиагностики, поскольку позволят отделить влияние на ОА импульс параметровлазерного излучения непосредственно от свойств среды. Таким образом, задачаопределения тех или иных параметров тонких слоев сводится к измерению ПФ ОАпреобразования и последующего восстановления по ней искомых свойств покрытий.Следует отметить, что метод ПФ можно использовать только в отсутствиенелинейных эффектов. К примеру, в воде наблюдается сильный эффект тепловойнелинейности, связанный с зависимостью коэффициента теплового расширения оттемпературы.

При проявлении данного эффекта амплитуда ОА сигнала нелинейнозависит от амплитуды возбуждающего лазерного импульса, а следовательно, влияниепараметров лазерного излучения и характеристик среды на ОА сигнал уже нельзяразделить. При использовании таких жидкостей для исследования тонких пленокнеобходимо следить, чтобы температура нагрева не превышала значений, выше которыхвклад тепловой нелинейности в ОА генерацию становится существенным. Поэтому 5важной задачей является также исследование нелинейных эффектов ОА преобразованияв рассматриваемой системе и определение границ применимости предложенного метода.Итак, целью настоящей работы являлось:Теоретическое и экспериментальное исследование линейного и нелинейного ОАпреобразования в трехслойной системе: диэлектрическая подложка - металлическаяпленка - жидкость; определение влияния толщины и теплофизических параметровметаллической пленки на временные и частотные характеристики ОА отклика системы;разработка неразрушающего метода диагностики толщины и теплофизических свойствметаллических покрытий по частотной зависимости эффективности ОА преобразования;а также анализ нелинейных эффектов ОА преобразования.Задачи, решаемые в настоящей работе:1.Теоретический расчет ПФ ОА преобразования в трехслойной системе: подложка металлическая пленка - жидкость при воздействии импульсного лазерногоизлучения для случаев прямой и косвенной схем регистрации акустическогосигнала.2.Теоретическое исследование влияния толщины и теплофизических параметровметаллической пленки, напыленной на диэлектрическую подложку, на частотнуюэффективность ОА преобразования в трехслойной системе, а также на формувозбуждаемых ОА импульсов в широком диапазоне значений параметров пленки.3.Разработка и экспериментальная проверка ОА метода измерения толщиныметаллических покрытий в субмикронном диапазоне значений с использованиемпрямой и косвенной схем регистрации сигнала.4.Численное и экспериментальное исследования влияния тепловой нелинейностижидкости на эффективность ОА преобразования в рассматриваемой системе иопределение границ применимости линейной модели для расчета ПФ.Научная новизна1.Впервые аналитически рассчитаны передаточные функции ОА преобразования всистеме: диэлектрическая подложка - металлическая пленка - жидкость для случаевпрямой и косвенной схем регистрации ОА сигнала и проанализировано влияниетолщины и теплофизических параметров металлической пленки на эффективностьОА преобразования.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации