Лекция 15 Методы контроля качества вакуумно- плазменных покрытий. Кафедра ВЭПТ

Кафедра ВЭПТ
«Плазменные покрытия»
Лекция 15
Методы контроля качества вакуумноплазменных покрытий.
1
Измерение толщины пленок.
Метод микровзвешивания:
d П  m S П  М 
где SП – площадь пленки на подложке, ρМ – удельная масса
нанесенного вещества.
Метод многолучевой интерферометрии:
L
l
Рис. 1. Сдвиг
интерференционных
полос.
1
d П  С l L 
2
где λС - длина волны монохроматического света,
равна 0.54 мкм; L=1/2λС – шаг между двумя соседними
интерференционными полосами; l – смещение2
интерференционной полосы.
Толщина, нм
Измерение толщины при помощи атомно-силового
микроскопа.
8
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
пленка
Рис. 2. Профиль
пленки серебра
толщиной ~4 нм на
стеклянной
подложке,
полученный с
помощью атомносиловой
микроскопии.
подложка
dП
0
1000 2000 3000
Расстояние, нм
4000
3
Измерение электрического сопротивления пленок.
Метод резистивного датчика.
L
h
1
2
3
Рис. 3. Измерение сопротивления
наносимой пленки методом
резистивного датчика.
1 – контрольная подложка,
2 – электрические контакты,
3 – рабочая подложка.
Толщину пленки определяют по формуле:
d П  У L RСВ h 
где ρу – удельное сопротивление пленки, Rсв – сопротивление
пленки на «свидетеле» между контактами, L и h – длина и
4
ширина пленки на «свидетеле».
Измерение адгезии пленок.
Метод прямого отрыва.
Чтобы по усилию отрыва Р определить адгезию
Gа, необходимо знать площадь контакта Sк.
Ga  P S k
Рассчитывают адгезию по формуле:
Метод царапания.
Рис. 4. Схема устройства
для
измерения
адгезии
покрытий:
1 – платформа; 2 – винт; 3 –
электродвигатель;
4
–
коромысло; 5 – индентор; 6
–
противовес;
7
–
вертикальная нагрузка; 8 –
образцы;
9 – стол; 10 – пружинная
вставка.
5
Рис. 5. Схема поперечного сечения
царапины:
d – ширина следа; 1 – медь; 2 – стекло.
6
Измерение скорости нанесения пленок.
метод кварцевого датчика
f f 0  m m0
где m0 и f0 – масса и резонансная частота кварцевого элемента до
нанесения пленки, ∆m и ∆f – изменение массы кварцевого элемента и
резонансной частоты после нанесения пленки.
1
2
5
4
3
d П  m0 f  П S П f 0 
Рис. 6. Схема кварцевого
датчика.
1 – кожух, 2 – керамический
изолятор, 3 – поток частиц
осаждаемого материала,
4 - отверстие, 5 – кварцевый
элемент.
где SП – площадь кварцевого
кристалла,
покрытая
пленкой
7
наносимого вещества; ρП – плотность
Измерение внутренних напряжений в покрытии.
Покрытие без
напряжений
Покрытие с
растягивающими
напряжениями
Кантилевер
Источник
наносимого
материала
Лазер
Детектор
Рис. 7.
Устройство для
измерения
механических
напряжений в
покрытии
непосредственно
во время его
осаждения.
8
Фотометрические методы контроля оптических
параметров пленок.
Смотровое
окно
Источник
света
а)
Источники наносимого
материала
Детектор
Подложка
Источник
света
б)
Рис. 8. Схема
измерения
оптических
характеристик
покрытия по
пропусканию (а) и
отражению (б)
света.
Детектор
Смотровое
окно
Источники
наносимого
материала
Подложка
9
Отражение света происходит согласно следующему закону:
  d sin  
2
где λ – длина волны падающего света, d – толщина покрытия, θ – угол
между падающим пучком света и нормалью к поверхности.
Рис. 9. Прохождение
света через
подложку с
покрытием.
пленка
подложка
Интенсивность пучка света, прошедшего через какой-либо
материал, определяется по следующей формуле:
I  e  ad
I0
где I0 – интенсивность падающего пучка света, I – интенсивность
прошедшего пучка, а – коэффициент поглощения материала на
10
определенной длине волны, d – толщина материала.
Спектроскопические измерения.
Подложка
Оптический
спектрометр
Плазма
Источник наносимого
материала
Рис. 10. Схема исследования оптическим
спектрометром светового излучения из плазмы в
процессе нанесения покрытий.
11
Схема метода дифрактометрии рентгеновских
лучей, падающих на поверхность под малыми
углами.
Источник
Монохроматор
рентгеновских
Отклоняющая
лучей
щель
Коллиматор
Детектор
Коллектор
Угол дифракции
2θ
Слой
Угол падения ω
Рис. 11.
Подложка
12
Кривая нагрузки и разгрузки наноиндентора.
hmax
Depth (nm)
Глубина, нм
400
Индентор
300 hc
P
200
Pmax
100
0
0
5
10
15
Load (mN)
Нагрузка, мН
hmax
hc
he
20
Рис. 12.
hmax, hc, he – максимальная, контактная и остаточная глубина,
соответственно.
13
P
hmax
hc
he
 dh 
hc  hmax  0.75Pmax  
 dP  P max
где hmax – максимальная глубина проникновения индентора, Pmax –
максимальная нагрузка.
Pmax
H
A
где А – контактная площадь, вычисляемая по формуле:
A  3 3hc2 tg 2 65.3  24.5hc  f hc 
где f(hc) – поправочная функция, определяемая характеристиками
индентора и прибора.
Модуль упругости пленки определяется из наклона разгрузочной
кривой по формуле:
Еr 
   dh 


2 A  dP 
14
Схематическое изображение атомно-силового
микроскопа.
4-х-секционный
фотодетектор
z
a
b
c
d
y
x
образец
лазер
Рис. 13.
Зонд и
кантилевер
15