Диагностика субмикронных металлических покрытий на диэлектрической подложке лазерным оптико-акустическим методом (1102809), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

Предложен и реализован неразрушающий метод определениятолщин субмикронных металлических покрытий на диэлектрической подложке. 62.Впервые теоретически и экспериментально показано, что ОА сигнал, возбуждаемыйв рассматриваемой трехслойной системе, определяется суперпозицией вкладовтеплового расширения металла и жидкости.3.Впервые теоретически (численно) и экспериментально исследовано влияниеэффекта тепловой нелинейности жидкости на ОА преобразование в трехслойнойсистеме подложка - металлическая пленка - жидкость. Определены границыприменимостилинейноймоделидлярасчетапередаточнойфункциивсубмикронном диапазоне покрытий при использовании наносекундных лазерныхимпульсов.Практическая ценность1.Предложенный ОА метод позволяет определять толщины металлических покрытийв диапазоне от 100 нм до 5 мкм с точностью 60 нм путем сравненияэкспериментально полученных передаточных функций ОА преобразования стеоретически рассчитанными.2.Теоретически обоснована возможность определения теплофизических параметровметаллической пленки по эффективности ОА преобразования в трехслойнойсистеме.Защищаемые положения1.При наносекундном лазерном воздействии на трехслойную систему, в которойакустическитонкаяметаллическаяпленка,напыленнаянапрозрачнуюдиэлектрическую подложку, контактирует свободной стороной с жидкостью,передаточная функция линейного ОА преобразования выражается через градиентыспектральных температур на границе раздела сред и при фиксированныхтеплофизических параметрах пленки и жидкости является универсальной функциейаргумента, равного произведению квадратного корня из частоты на толщинупленки.2.В случае прямой схемы регистрации акустических сигналов (лазерное воздействиеосуществляется со стороны подложки, а регистрация ОА импульсов – в жидкости)результирующий ОА отклик определяется суммой вкладов теплового расширенияметаллической пленки и прилегающего к ней слоя жидкости.

Временной профильвозбуждаемого ОА импульса зависит от дефазировки этих вкладов благодаряразличию скорости распространения тепловых и акустических волн в пленке.3.При косвенной регистрации акустических сигналов (лазерное воздействие ирегистрация ОА импульсов осуществляются со стороны жидкости) переменнаясоставляющая передаточнойфункции7ОАпреобразованияопределяетсядополнительным вкладом теплового расширения жидкости, вызванным ее нагревомповерхностью металла за счет двойного пробега переменного теплового потока впленке.4.Сравнениеэкспериментальноизмеренныхитеоретическирассчитанныхпередаточных функций ОА преобразования в диапазоне частот от 1 до 60 МГц припрямойикосвеннойсхемахрегистрациипозволяетизмерятьтолщиныметаллических покрытий толщиной 0,17 – 0,70 мкм на прозрачной диэлектрическойподложке с точностью 60 нм.5.В случае прямой схемы регистрации относительное среднеквадратичное отклонениепередаточной функции, рассчитанной в диапазоне частот 1-100 МГц с учетомтепловой нелинейности жидкости, от передаточной функции, полученной в рамкахлинейной модели, прямо пропорционально плотности энергии лазерного излученияи обратно пропорционально величине толщины пленки в степени 1,25.Апробация работы и публикацииРезультатыдиссертационнойработыдокладывалисьнаследующих7-миконференциях, в том числе на 6-ти международных: “XV Сессия РоссийскогоАкустического Общества (Нижний Новгород, Россия, 2004), LAT 2005 (СанктПетербург, Росcия, 2005), 3-th Russian-Finnish Meeting “Photonics and Laser Symposium”(PALS’07) (Москва, Россия, 2007), Acoustics’08 (Париж, Франция, 2008), InternationalConference Advanced Laser Technologies ALT’08 (Шиофок, Болгария, 2008), PALS’09(Тампере, Финляндия, 2009), ALT-2009 (Анталия, Турция, 2009).Основные результаты диссертации изложены в 10 научных публикациях (из них 3статьи в научных рецензируемых журналах из списка ВАК, 1 статья в сборниках трудовконференций, 6 тезисов конференций), список которых приведен в конце автореферата.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.Объем диссертации 130 страниц, в том числе 33 рисунка, 2 таблицы.

Список литературывключает 138 наименований.Личный вклад автораВсе результаты, представленные в работе, получены автором лично, либо при егонепосредственном участии. 8СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обосновывается актуальность применения ОА метода в задачахдиагностикитолщинитеплофизическихсвойствметаллическихпокрытий,сформулированы цели и задачи работы, изложено краткое содержание диссертации.В первой главе приводится обзор литературы по методам исследования тонкихпленок и слоистых систем. §1.1 посвящен фототепловым методам, где в качествезондирующего излучения выступают тепловые волны. В §1.2 описываются ОА методы,в которых исследования проводятся с помощью объемных и поверхностныхакустических волн. Подробно рассматриваются преимущества и недостатки отдельныхметодов в применении к различным задачам диагностики оптических, теплофизическихи механических свойств слоев и покрытий.Вторая глава посвящена теоретическому исследованию теплового механизма ОАпреобразования в трехслойной системе, состоящей из металлической пленки,напыленной на оптически прозрачную подложку и свободной стороной погруженной виммерсионную жидкость.В §2.1 описывается общая постановка задачи ОА преобразования в трехслойнойсистеме,облучаемойлазернымимпульсомнаносекунднойдлительности.Рассматриваются две различные схемы регистрации сигнала: прямая (Рис.

1а), гделазерное излучение падает на металлическую пленку со стороны подложки, и косвенная(Рис. 1б), где облучение происходит со стороны жидкости. Регистрация ОА сигналаширокополосным пьезоприемником в обеих схемах производится в жидкости. Вводитсяпонятие частотной ПФ рассматриваемой трехслойной системы, как отношение спектраизмеряемого сигнала давления в жидкости к спектру огибающей интенсивностилазерного импульса. ПФ в отсутствии нелинейных эффектов определяется толькопараметрами системы. 51 – кварцевая подложка2 – металлическая пленка0h 13 –жидкость224 – широкополосный3пьезоприемник36z1564(a)45 – лазерный импульс6 – акустический импульс(б)Рис.

1 Принципиальная схема исследования. (а) – прямая схема регистрации сигнала,(б) – косвенная схема регистрации сигнала. 9В §2.2 приводится поэтапное теоретическое решение прямой задачи оптоакустикидля трехслойной системы в случае прямой и косвенной схем регистрации ОА сигнала сучетом того, что распространение звука происходит адиабатически, а диаметр лазерногопучка много больше глубины диффузии тепла и длины акустической волны. На этапетепловойзадачирассматриваетсярешениесистемыодномерныхуравненийтеплопроводности с граничными условиями равенства температур и тепловых потоков.Учитывается,чтоэнергиялазерногоимпульсапоглощаетсянаповерхностиметаллической пленки.

Акустическая часть задачи состоит из системы волновыхуравнений для потенциала колебательной скорости с тепловыми источниками в правойчасти и граничными условиями непрерывности давления и колебательной скорости.Решение уравнений на всех этапах проводится в спектральном виде. Учитывается тотфакт, что вклад теплового расширения подложки в ОА преобразование мал посравнению с вкладами металла и жидкости. Результатом решения являются выражения вявном виде для спектральных ПФ для прямой и косвенной схем регистрации ОАсигнала.-5-524422000102KB (ψ ),10 Па*м /ВтKF (ψ ),10 Па*м /Вт20ψ , рад.01020ψ , рад.(б)(а)Рис. 2 Зависимость модуля ПФ ОА преобразования трехслойной системы от параметра2πfψ =h для прямой (а) и косвенной (б) схем регистрации.χ metВ §2.3 исследуется влияние различных параметров пленки и жидкости начастотные ПФ при прямой и косвенной регистрации, а также на временную формуимпульса давления в жидкости.

Показано, что в обоих случаях ПФ системы являетсяфункцией набега фаз тепловой волны в пленке ψ~ = 10− 2iπfχ meth , где f - частота, h -толщина пленки, χ met - температуропроводность металла. Обе зависимости имеютлокальный минимум (Рис. 2).Рассматриваются различные предельные случаи в зависимости от соотношениятолщины пленки и глубины диффузии тепла в металле d th =χ met τ L за время действиялазерного импульса τ L .Первый предельный случай соответствует термически тонкой пленке, когдатолщина h << d th . Термически тонкая металлическая пленка прогревается лазернымимпульсом равномерно по всей толщине, поглощенное тепло передается в жидкость,которая, ввиду низкой теплопроводности, нагревается в тонком приповерхностном слое.В данном случае ПФ ОА преобразования одинаковы для обеих схем регистрации и независят от частоты.

Акустический импульс в жидкости практически повторяет по формепрофиль огибающей интенсивности лазерного импульса.Далее рассматривается предельный случай, соответствующий термически толстойметаллической пленке h >> d th . Здесь случаи прямой и косвенной схем регистрациирассматриваются отдельно.

Характеристики

Список файлов диссертации