Диагностика субмикронных металлических покрытий на диэлектрической подложке лазерным оптико-акустическим методом (1102809), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В случае прямой схемы регистрации переменный тепловойпоток полностью затухает в металле и не доходит до жидкости, поэтому ее вклад вгенерацию ОА сигнала отсутствует. ПФ не зависит от частоты, а временная форма ОАсигнала повторяет профиль огибающей интенсивности лазерного импульса, чтосоответствует ОА генерации в объемном металле. При косвенной схеме ПФ также независит от частоты. Однако в отличие от прямой схемы, при косвенной схеме основнойвклад в генерацию вносит тепловое расширение тонкого слоя жидкости толщинойпорядкаχ liqτ L (здесь χ liq - температуропроводность жидкости), нагревающегосянепосредственно поглощающей поверхностью металла в течение действия лазерногоимпульса.
ОА преобразование при косвенной схеме идет более эффективно, чем припрямой, поскольку эффективность термоакустического преобразования в жидкостивыше, чем в металле.Наибольший интерес представляет промежуточный случай, когда толщинаметаллического слоя имеет порядок глубины диффузии тепла в металле за времядействия лазерного импульса h ~ d th . В случае прямой схемы вклад тепловогорасширения жидкости определяется низкочастотными гармониками тепловой волны,дошедшими до жидкости. Возбуждаемый в системе ОА импульс состоит из двух частей.Первая часть, повторяющая по форме лазерный импульс, появляется в результатетеплового расширения металла непосредственно при поглощении лазерной энергии. 11Вторая часть, запаздывающая относительно первой, появляется вследствие тепловогорасширения жидкости. В этой области толщин ПФ сильно зависит от частоты иопределяется суперпозицией вкладов теплового расширения металла и жидкости ииспытывает подъем на низких частотах.В случае косвенной регистрации при условии h ~ d th возбуждаемый ОА импульссостоит из трех частей: теплового расширения металла и жидкости непосредственно привоздействии лазерного импульса, а также дополнительного вклада тепловогорасширения жидкости после двойного пробега тепла по пленке.
На частотном языке этоозначает, что ПФ также испытывает подъем на низких частотах.Таким образом, как ПФ, так и профиль ОА импульса в обеих схемах регистрациисильно зависят от толщины пленки, если h ~ d th . На этом основан ОА метод измерениятолщин металлических покрытий, описанный в Главе 3.Вторая10010§2.3посвященаисследованию влияния теплофизическихnormKF (ξ), отн. ед.частьm = 50m = 143 - хромm = 368m = 500m = 20001параметровпленкичастотнуюижидкостиэффективностьпреобразования.наОАИсследуются причинывозникновениялокальныхминимумов0,1спектральных ПФ ОА преобразования при0,01прямой и косвенной схемах. Показано, что02468ξ , рад.Зависимость модуля ПФ,Рис. 3нормированной на высокочастотныйпредел, при прямой схеме регистрации отπfприразныхξ = − Re(ψ~ ) =hχ metзначениях параметра m.положение локального минимуманаличие локальных минимумов в ПФобъясняетсятепловогодефазировкойрасширениявкладовметаллаижидкости за счет разницы скоростейтепловой и акустической волн в пленке. Впрямойсхемефиксированнойрегистрациитолщинеприпленкии абсолютное значение ПФ в минимумеопределяются температуропроводностью металла χ met и отношением коэффициентовтермоакустического преобразования жидкости и металла m =β liq* ρ liq c liqβ*met(здесь3ρ met c met2*ρ liq , ρ met , c liq , c met , β liq* , β met- плотность, скорость звука и коэффициент тепловогорасширения жидкости и металла, соответственно).
Отметим, что при определенномзначении m достигается абсолютный минимум ПФ, значение функции в котором 12обращается в ноль (Рис. 3). Это означает, что при таком соотношении теплофизическихпараметров амплитуды вкладов теплового расширения металла и жидкости нанекоторой частоте равны между собой и складываются в противофазе, полностью гасядруг друга. Зависимость формы ПФ от χ met имеет схожий характер. Полученныезависимости, а также значения ПФ в высокочастотном пределе, могут бытьиспользованы для измерения температуропроводности и коэффициента тепловогорасширенияметаллаприизвестныхзначенияхтемпературопроводности и коэффициентетепловогорасширенияподложкижидкости.Вглавеописывается0,1экспериментальная методика полученияПФОАпреобразованияв0,0рассматриваемой трехслойной системе иметод измерения толщин субмикронныхметаллических покрытий на прозрачнойдиэлектрической подложке.
Экспериментпроводилсядляразличнойтолщиныподложке.Втрехкачествепленокнахромакварцевойзвука,h=0,7 мкмh=0,3 мкмh=0,2 мкм0,2третьейскоростиU(t), отн. ед.0,3иплотности,-0,1050100150200t, нсРис. 4 Временные формы акустическихимпульсов,зарегистрированныхприемником в этаноле при прямой схеме,для трех зеркал различной толщины.иммерсионнойжидкости использовался этанол и ацетон.
Толщина слоя жидкости составляла несколькомиллиметров. Облучение производилось импульсами Nd:YAG лазера с длительностьюτ L = 12 нс , плотность энергии лазерного излучения на поверхности металла составлялапорядка 0,1 − 1 мДж см 2 . Регистрация сигналов давления в жидкости производиласьширокополосным пьезоприемником на основе кристалла ниобата лития.§3.1 приводится описание эксперимента при прямой схеме регистрации. Примерысигналов давления, измеренных в жидкости, приведены на Рис.
4. Из рисунка видно, чточем тоньше пленка, тем амплитуда сигнала выше, а длительность меньше в результатечастотной зависимости затухания тепловой волны в пленке. Для полученияспектральной ПФ ОА преобразования в рассматриваемой системе необходимо былоисключить неизвестные параметры, такие как спектральная переходная характеристикаприемника, спектр огибающей интенсивности лазерного импульса и величина затуханияультразвука в жидкости.
Для этого дополнительно измерялся ОА отклик от синезеленого светофильтра (СЗС-22), ПФ которого хорошо известна. В целях исключения 13диссипативного фактора, в эксперименте с СЗС-22 использовалась та же иммерсионнаяжидкость, что и с зеркалами, имеющая такую же толщину слоя. Полученныеэкспериментально ПФ хорошо согласуются с теоретически рассчитанными (Рис. 5а), чтопозволяет предложить ОА метод определения толщин субмикронных металлическихпокрытий на прозрачной диэлектрической подложке. Экспериментально определенныеПФ для трех зеркал различной толщины, приближено известной заранее по временинапыления хрома, аппроксимировались теоретическими зависимостями по методунаименьших квадратов с одним варьируемым параметром – толщиной пленки.Полученные значения толщин пленок хрома соответствовали ожидаемым.В §3.2 описывается эксперимент с косвенной схемой регистрации сигнала.Методика получения ПФ во многом аналогична описанной для прямой схемы.
Дляобеспечения одностороннего доступа к образцу использовался специальный ОАпреобразователь.ПолученныеэкспериментальноПФ(Рис. 5б)такжеаппроксимировались по методу наименьших квадратов теоретически рассчитанными сединственным варьируемым параметром – толщиной пленки. Измеренные такимобразом толщины хромовых покрытий хорошо согласуются с полученными при прямойсхеме и соответствуют ожидаемым.KF, et (f),∗1010-5(Па∗м2)/ВтKB, et (f),∗1010-5(Па∗м2)/Вт10,10204060180f, МГц0(а)20406080f, МГц(б)Рис.
5 Рассчитанные по экспериментальным данным модули спектральных ПФ ОАпреобразования системы: кварцевая подложка - пленка хрома – этанол при различныхтолщинах пленки. (а) –прямая схема регистрации, (б) – косвенная. Сплошными линиямиобозначены результаты теоретических расчетов, соответствующие следующимтолщинам: прямая схема - □, ○, ∆ → h= 0,19; 0,29 и 0,72 мкм, косвенная - □, ○, ∆ →h= 0,17; 0,28 и 0,59 мкм.Результатыэкспериментальныхисследованийпозволяютпредложитьнеразрушающий ОА метод измерения толщин субмикронных металлических покрытий 14на прозрачной подложке с точностью 60 нм.
Косвенная регистрация в данном случаеимеет преимущество перед прямой, поскольку требует доступ к образцу только с однойстороны.Глава 4 посвящена исследованию термооптической генерации в трехслойнойсистемеприпроявлениитепловойнелинейностииммерсионнойжидкости.Исследование проводилось с целью выяснить, насколько сильно нелинейные эффектыпри использовании различных жидкостей могут влиять на эффективность ОАпреобразования в рассматриваемой системе, а также определить энергетическиеграницы применимости ОА метода для определения свойств металлических покрытийсубмикронного диапазона по ПФ ОА преобразования.В §4.1 дается общее описание эффекта тепловой нелинейности при ОАпреобразовании. В рассматриваемой системе диэлектрическая подложка - металлическаяпленка - жидкость наиболее сильно данный эффект может проявляться в температурнойзависимости коэффициента теплового расширения жидкости (например, для водысоотношение1 ⎛ dβ ⎞составляет 5 ⋅ 10 −2 K −1 ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
