Измерение толщины металлических пленок

Обновлено: 04.10.2024

О том, какой должна быть толщина лакокрасочного покрытия на металлоконструкциях и как ее правильно подобрать, можно узнать здесь.

Толщина лакокрасочного покрытия является основным параметром, характеризующим его долговечность.

Фактически любое покрытие в физическом смысле является барьером, отделяющим защищаемую от коррозии поверхность от внешней среды, и в общем случае чем выше толщина такого барьера, тем более длительной будет защита от коррозии.

Сегодня невозможно представить проект антикоррозионной защиты или окрасочную спецификацию без указания толщин слоев системы покрытия. Толщина отдельных слоев и системы в целом назначается согласно требованиям стандартов или по результатам ускоренных испытаний, и только добившись необходимой толщины можно быть уверенным в том, что система проработает в течение заданного времени.

Правила 80/20 и 90/10 для замеров толщины лакокрасочного покрытия

Очевидно, что нанести покрытие, обеспечив требуемую проектную (номинальную) толщину с точностью до микрона, невозможно, и поэтому в окрасочной спецификации должен быть установлен диапазон допустимых толщин, который, как правило, согласовывается сторонами проекта. Минимально допустимая толщина часто определяется по правилу 80/20, в соответствии с которым 20% выполненных замеров могут иметь толщину не менее 80% от номинального значения, а остальные 80% замеров должны иметь толщину не менее номинальной. Существует также практика применения правила 90/10 (читается аналогично правилу 80/20): например, определение толщин в соответствии с этим правилом предусматривает стандарт PSPC для окраски балластных танков судов. По согласованию между сторонами возможны и другие варианты назначения минимально допустимой толщины.

Максимальная допустимая толщина лакокрасочного покрытия

Что касается максимальной допустимой толщины, то здесь ясности меньше и, соответственно, больше дискуссий. Например, ISO 12944-5 рекомендует не допускать трехкратного превышения номинальной толщины, при этом указывает, что для некоторых покрытий и систем может существовать критическая максимальная толщина. Для таких покрытий, продолжает ISO 12944-5, необходимо руководствоваться указаниями производителя.

Действительно, последняя оговорка очень важна, и возможность трехкратного превышения номинальной толщина допустима не для всех случаев и не для всех покрытий. Дело в том, что все конструкции в процессе эксплуатации испытывают деформации, и вместе с конструкцией те же деформации испытывает и нанесенное покрытие. Чем больше толщина, тем менее эластичным будет покрытие, и тем быстрее оно разрушится в ходе деформационных циклов. Поэтому для конструкций, подвергающихся значительным деформациям, особенно в сочетании с большими температурными градиентами, необходимо очень тщательно подходить к ограничению максимально допустимой толщины, и самым надежным источником информации в данном случае является опыт и рекомендации производителя покрытия.

Другая сторона этой проблемы состоит в том, что независимо от условий эксплуатации не все покрытия способны работать при большой толщине. Так, например, многие цинкэтилсиликатные покрытия растрескиваются при трехкратном превышении толщины еще до начала эксплуатации. Опять же, определяющую роль при назначении максимально допустимой толщины играют рекомендации производителя.

Толщиномеры для определения толщины лакокрасочного покрытия

Измерение толщины сухого покрытия может производиться разрушающими и неразрушающими способами.

Для измерения толщины неразрушающим способом используются специальные приборы – толщиномеры. В зависимости от магнитных свойств подложки наиболее популярными являются толщиномеры, работающие по принципу магнитной индукции (магнитные подложки) и вихревых токов (немагнитные подложки).

Углеродистая конструкционная сталь обладает магнитными свойствами, соответственно, для нее применяются магнитные толщиномеры, работающие по принципу магнитной индукции. Пример такого толщиномера показан на Рис.1.

Рисунок 1. Магнитный толщиномер. На сегодняшний день на рынке представлены множество моделей, которые имеют единый корпус и съемные датчики для магнитных и немагнитных подложек.

При работе с магнитным толщиномером необходимо помнить о погрешности измерений, обусловленной тем, что на создаваемое прибором магнитное поле могут влиять следующие факторы:

а) геометрия окрашиваемой поверхности:

на поверхностях, имеющих кривизну, замеры могут быть ошибочны;
некоторые модели толщиномеров имеют ограничения по толщине подложки
существует понятие краевого эффекта, который проявляется в том, что замер может быть некорректным вблизи кромки. ГОСТ 31993-2013 «Материалы лакокрасочные. Определение толщины покрытия» указывает, что измерения необходимо проводить на расстоянии не менее 20 мм от края поверхности.

б) свойства материала окрашиваемой поверхности, например, проницаемость, проводимость, а также свойства, обусловленные какой-либо предварительной обработкой (см. рекомендации производителя прибора);

в) шероховатость окрашиваемой поверхности;

г) другие магнитные поля (остаточный магнетизм подложки и внешние магнитные поля). Так, например, выполняющиеся в непосредственной близости сварочные работы могут быть причиной неточных замеров толщины покрытия. Остаточный магнетизм подложки может проявляться, например, в районе сварных швов.

При выполнении замеров часто возникает вопрос о том, на каких участках и сколько замеров выполнять. ISO 12944-7 указывает, что это является предметом договоренности сторон, а, например, стандарт SSPC PA2 требует выполнять пять замеров на каждые 10 квадратных метров контролируемой поверхности и определять среднее значение (в зависимости от общей площади окрашенной поверхности количество замеров может меняться). Согласно требованиям ISO 19840 на одном квадратном метре площади нужно делать не менее 5 замеров и не менее 10 замеров, если площадь составляет от 1 до 3 квадратных метров, и т.д. Оптимальным вариантом является ситуация, когда требования по замеру толщин прописаны в проектной спецификации.

ISO 19840 (измерение толщины сухой пленки на шероховатых поверхностях)

Отдельного рассмотрения заслуживает стандарт ISO 19840 «Защита от коррозии с помощью защитных лакокрасочных систем. Измерение толщины сухой пленки на шероховатых поверхностях и критерии приемки», и это связано с тем, что в большинстве случаев приходится иметь дело именно с шероховатыми поверхностями. На шероховатых поверхностях толщина покрытия над пиками и во впадинах рельефа будет разной, при этом минимальная толщина будет иметь место над пиками, то есть именно эти участки поверхности будут самыми слабыми с точки зрения защиты от коррозии. Задача исполнителя работ, таким образом, сводится к тому, чтобы обеспечить необходимую толщину над пиками рельефа поверхности.

На шероховатой поверхности магнитные толщиномеры определяют толщину покрытия от средней линии рельефа (см. Рис. 2), то есть фактическая эффективная толщина покрытия (толщина над пиками) будет всегда меньше, чем значение, определяемое толщиномером.

Рисунок 2. Средняя линия рельефа шероховатой поверхности (ТСП – толщина сухого покрытия)

ISO 19840 предлагает следующее решение этой ситуации: в зависимости от величины шероховатости определяется поправочное значение (см. Табл. 1), учитывающее влияние профиля поверхности, которое впоследствии вычитается из значения толщины, полученного путем замера.

Таблица 1. Поправочные значения, учитывающие влияние профиля поверхности

Шероховатость поверхности согласно ISO 8501-3

Поправочное значение, мкм

Если шероховатость поверхности неизвестна, то поправочное значение принимается равным 25 мкм.

На каждой конструкции присутствуют участки, определение толщины на которых затруднительно. К таким участкам относятся, например, сварные швы, свободные кромки, различные вырезы и труднодоступные места. С точки зрения защиты от коррозии эти участки являются критическими: в частности, сварные швы являются более электроотрицательными по отношению к основному металлу, т.е. являются анодом и разрушаются интенсивнее, чем основной металл. Если говорить о труднодоступных участках, то на них не всегда удается качественно нанести покрытие, в связи с чем контроль толщины на этих участках особенно важен.

Перечисленные выше критические участки обычно трудно прокрашивать методом распыления, поэтому для них предусмотрена дополнительная защита в виде полосового окрашивания. Если в дополнение к каждому основному слою нанести полосовой слой, то защита от коррозии будет надежной, однако, необходимо соблюдать аккуратность и не превысить максимально допустимую толщину во избежание растрескивания покрытия.

В тех случаях, когда нанести основной слой распылением затруднительно (кромки вырезов малого диаметра, труднодоступные места и т.п.), и нанесение возможно только кистью, контроль толщины можно производить визуально при условии, что наносимые слои имеют контрастные цвета. Толщина одного сухого слоя, нанесенного кистью, как правило, составляет от 50 до 80 мкм, и если знать, какое количество слоев было нанесено, то можно получить приблизительное представление об общей толщине всего покрытия. Также существуют толщиномеры, позволяющие определять толщину в конкретной точке поверхности (см. Рис.3).

Общая процедура выполнения замеров толщины покрытия выглядит следующим образом:

Проверка точности показаний толщиномера на неокрашенной эталонной металлической пластинке. Тестовый эталон должен быть абсолютно гладким и иметь нулевую шероховатость (точность в соответствии с точностью показаний толщиномера).
Проверка точности показаний толщиномера на тестовых пленках (фольга или пластик). Пленка кладется на неокрашенный металлический эталон, после чего выполняется тестовый замер. Необходимо помнить, что пленки считаются расходными материалами и деформируются в процессе эксплуатации: при разглядывании поверхности пленки под увеличением можно увидеть царапины и вмятины от нажатия датчика толщиномера. Поэтому тестовые пленки рекомендуется менять с определенным интервалом.

Пленки также могут пригодиться при определении толщины физически высохшего, но недостаточно твердого покрытия, то есть в тех ситуациях, когда при установке датчика толщиномера на окрашенной поверхности остается углубление. В этом случае можно положить на поверхность пленку известной толщины и выполнить замер, после чего вычесть из полученного значения толщину пленки.

Для проверки точности показаний толщиномера взамен пленок могут также использоваться окрашенные эталоны с известной толщиной нанесенного покрытия.

3. Выполнение замеров в соответствии с выбранным стандартом или проектными требованиями.

4. Вычитание поправки на шероховатость (для шероховатых поверхностей).

При измерении толщины необходимо убедиться, что на окрашенной поверхности в месте замера отсутствуют:

– включения (замер будет некорректен);

– потеки и наплывы (измерение может быть возможно, однако, значительное превышение толщины на таких участках может привести к растрескиванию покрытия в процессе эксплуатации);

– сухая аэрозоль, осевшая на поверхность в процессе нанесения (измерение возможно, однако, сухая аэрозоль не является эффективной пленкой и не создает защиту от коррозии). Перед проведением замеров сухая аэрозоль должна быть удалена.

Кроме того, необходимо убедиться в чистоте датчика толщиномера.

Толщиномер Paint Inspection Gauge

Для разрушающего контроля толщины покрытий обычно применяется толщиномер Paint Inspection Gauge. Такой толщиномер бывает полезен в случае сомнений в качестве нанесенного покрытия: например, если необходимо проверить количество слоев и толщину каждого отдельного слоя.

Толщиномер Paint Inspection Gauge использует метод клиновидного среза. С помощью шкалы прибора на срезе можно определить количество слоев и толщину каждого слоя.

Способ видеоизмерения толщины пленки

Способ измерения толщины пленки включает освещение пучком излучения исследуемой поверхности, в качестве которой выбрано основание, на часть которого нанесена пленка, формирование интерференционной картины, состоящей из двух систем интерференционных полос, перемещение поверхности в направлении падения на нее излучения, фиксирование направления перемещения интерференционных полос и определение направления их изгиба относительно системы интерференционных полос в области основания, не покрытого пленкой. При этом определяют распределение интенсивности излучения в различных сечениях интерференционного поля поперек интерференционных полос в области изображения пленки и основания, в области системы интерференционных полос измеряют наименьшее значение интенсивности излучения, фиксируют его пространственное (линейное) положение и ближайшее соседнее в области изображения пленки и основания, используют полученные значения минимумов интенсивности при определении величины изгиба и расстояния между полосами, определяют толщину пленки по полученным данным. Технический результат - повышение точности измерений, ускорение процесса проведения измерений и расширение диапазона контролируемых значений толщин пленок. 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области интерференционной микроскопии и может быть использовано для измерения толщины металлических пленок, в частности, используемых в изделиях микро- и наноэлектроники.

Известен способ измерения толщины пленок, в котором с помощью микроинтерферометра МИИ-4 в поле зрения окуляра наблюдают две системы интерференционных полос, измеряют расстояние между соседними полосами и между соответствующими полосами из систем интерференционных полос и рассчитывают толщину пленок (Афанасьев В.А. Оптические измерения М.: Высш. школа, 1981. 229 с.).

Однако с помощью этого способа возможно измерять толщину непрозрачных пленок в лишь в ограниченном диапазоне значений.

Известен способ автоматического измерения толщины тонких непрозрачных пленок, основанный на измерении изгиба интерференционных полос на границе пленка-подложка. С помощью блока электронной обработки производится преобразование интерференционной картины в фотоэлектрический сигнал, опознавание и точное определение временного положения центра ахроматической полосы в различных сечениях интерференционного поля и измерение изгиба ахроматической полосы на границе пленка-подложка (Евтихиев Н.Н. и др. Прибор для автоматического измерения толщины пленок - ПТЭ, 1983. №6. С.204).

Недостатком способа является недостаточная точность проводимых измерений из-за того, что центр полосы определяется по максимуму яркости ахроматической полосы, при этом не учитывается влияние фазового сдвига на границе раздела разнородных материалов. Кроме того, данный способ не позволяет контролировать область изображения, в которой измеряется временное положение центра ахроматической полосы, что может приводить к ошибкам измерений. Вследствие этого способ не позволяет измерять пленки нанометровой толщины.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения толщины металлических пленок, заключающийся в освещении пучком излучения исследуемой поверхности, в качестве которой выбрано основание, на часть которого нанесена пленка, формировании интерференционной картины, состоящей из двух систем интерференционных полос, измерении величины изгиба интерференционных полос на границе пленки и основания и расстояние между соседними интерференционными полосами, перемещении поверхности в направлении падения на нее излучения, фиксировании направления перемещения интерференционных полос и определении направления их изгиба относительно системы интерференционных полос в области подложки, не покрытой пленкой, определении толщины пленки по полученным данным (А.С. 1742612 А1, МКИ G 01 В 11/06).

Однако данный способ имеет недостаточную точность проводимых измерений вследствие визуального способа определения положения минимумов интенсивности излучения.

Задача настоящего способа заключается в повышении точности измерений, ускорении процесса проведения измерений и расширении диапазона контролируемых значений толщин пленок.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения толщины пленки освещают пучком излучения исследуемую поверхность, в качестве которой выбрано основание, на часть которого нанесена пленка, формируют интерференционную картину, состоящую из двух систем интерференционных полос, перемещают поверхность в направлении падения на нее излучения, фиксируют направление перемещения интерференционных полос и определяют направление их изгиба относительно системы интерференционных полос в области основания, не покрытого пленкой, определяют распределение интенсивности излучения в различных сечениях интерференционного поля поперек интерференционных полос в области изображения пленки и основания, в области системы интерференционных полос измеряют наименьшее значение интенсивности излучения, фиксируют его пространственное (линейное) положение и ближайшее соседнее в области изображения пленки и основания, используют полученные значения минимумов интенсивности при определении величины изгиба и расстояния между полосами, определяют толщину пленки по полученным данным.

Оригинальность предлагаемого решения заключается в использовании новой методики определения значения и характера минимумов интенсивности излучения, позволяющей значительно повысить точность измерений, ускорить процесс проведения измерений и расширить диапазон контролируемых значений толщин пленок. Подобная совокупность действий измерения толщины пленки не известна.

Предлагаемый способ поясняется чертежами:

Фиг.1. Схема установки, где:

1 - источник белого света, 2 - светоделительная пластина, 3 - микрообъектив, 4 - измеряемая структура, 5 - держатель, 6 - опорное зеркало, 7 - видеокамера, 8 - компьютер, МИИ-4 - микроинтерферометр Линника.

Фиг.2. Исследуемая структура: n₁, n₃ - показатели преломления воздуха, металлической пленки и основания. Стрелками обозначено направление падения волны.

Фиг.3. Вид интерференционной картины при малой толщине пленки с распределением интенсивности излучения в различных сечениях интерференционного поля поперек интерференционных полос в области изображения пленки и основания.

Фиг.4. Вид интерференционной картины при большой толщине пленки с распределением интенсивности излучения в различных сечениях интерференционного поля поперек интерференционных полос в области изображения пленки и основания.

Фиг.5. Зависимость фазового сдвига и коэффициента отражения R от толщины металлических пленок на длине волны 0.55 мкм (1 - алюминиевая пленка с параметрами n=1.3, k=7.48, 2 - медная пленка с параметрами n=0.304, k=2.79).

Способ заключается в следующем:

Освещают пучком излучения от источника белого света 1 (Фиг.1) через светоделительную пластину 2 и микрообъектив 3 исследуемую поверхность 4, в качестве которой выбрано основание n₃ (Фиг.2), на часть которого нанесена пленка формируют с помощью опорного зеркала 6 (Фиг.1) интерференционную картину в поле зрения видеокамеры 7, состоящую из двух систем интерференционных полос (Фиг.3). Определяют распределение интенсивности излучения в различных сечениях интерференционного поля поперек интерференционных полос в области изображения пленки и основания, приведенные слева и справа от изображения интерференционных полос (Фиг.3). В области системы интерференционных полос, характеризующейся наличием чередующихся максимумов и минимумов интенсивности излучения, измеряют наименьшее значение интенсивности излучения, фиксируют его пространственное (линейное) положение, показанное на Фиг.3 сплошной верхней линией справа и слева от изображения интерференционных полос (выделено пунктирными линиями), и ближайшее соседнее в области изображения пленки и основания. Используют полученные значения минимумов интенсивности при определении величины изгиба X и расстояния Р между полосами, по которым определяют толщину пленки

где - длина волны источника излучения.

В случае большой толщины пленки (Фиг.4) правильное значение толщины пленки может быть получено только при фиксировании пространственного (линейного) положения наименьшего значения интенсивности излучения в области изображения пленки и основания.

В случае сверхтонких значений толщины пленки необходимо учитывать сдвиг фазы освещающего исследуемую поверхность излучения в соответствии со следующими соотношениями.

Распределение интенсивности света в выходной плоскости интерферометра, зеркала которого расположены перпендикулярно направлению падения плоских волн, можно представить в виде:

где I₁ и I₂ - интенсивности предметной и опорной волн соответственно, F(x) интерференционная компонента. Для плоской волны нормализованное распределение интенсивности света можно записать в виде:

где - разность фаз между предметной и опорной волнами (может быть выбрана равной нулю), (х) - представляет разность фаз между волной, отраженной от диэлектрической подложки, и волной, отраженной от металлической пленки.

Фазовый сдвиг волны (х), отраженной от двухслойной структуры (Фиг.2), будет определяться как изменением фазы вследствие конечности глубины проникновения волны в металлическую пленку , так и изменением фазы волны при ее прохождении расстояния до диэлектрического основания, равного толщине пленки h.

Выберем за начало отсчета z=0 плоскость диэлектрической подложки (Фиг.2). Тогда фазовый сдвиг волны , отраженной от диэлектрической подложки, запишется в виде:

где - длина волны света.

Фазовый сдвиг между отраженной и падающими волнами связан с коэффициентом отражения r от проводящей пленки выражением вида:

где - модуль коэффициента отражения.

Для поглощающей среды с комплексным коэффициентом преломления расположенной между средами с показателями преломления n₁ и n₃ при нормальном угле падения волны на структуру, выражение для коэффициента отражения имеет вид (см. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1973. 720 с.):

h - толщина поглощающей среды (металлической пленки).

Выражение для величины фазового сдвига волны, отраженной от тонкой металлической пленки, заключенной между двумя средами с показателями преломления n₁ и n₃, соответственно, можно представить в следующем виде (см. Усанов Д.А., Скрипаль А.В. Особенности интерференции на границе тонкая металлическая пленка - диэлектрическое основание // Журнал технической физики. 1994. Т.64. №5. С.72-77):

На Фиг.5 приведены зависимости величины фазового сдвига и коэффициента отражения R от толщины металлических пленок на длине волны 0.55 мкм (1 - алюминиевая пленка с параметрами n=1.3, k=7.48, 2 - медная пленка с параметрами n=0.304, k=2.79). Здесь же для сравнения приведена зависимость фазового сдвига от толщины металлических пленок (кривая 3), рассчитанная без учета конечности глубины проникновения волны в пленку (=-4h/).

Для учета фазового сдвига перемещали исследуемую поверхность в направлении падения на нее излучения, фиксировали направление перемещения интерференционных полос и определяли направление их изгиба относительно системы интерференционных полос в области подложки, не покрытой пленкой. Толщину металлической пленки рассчитывали, решая уравнение:

где m=0 при совпадении направления перемещения и изгиба интерференционных полос относительно системы полос в области диэлектрического основания,

m=1 при несовпадении направления перемещения и изгиба интерференционных полос.

Таким образом, учет фазового сдвига на границе металлической пленки и диэлектрического основания позволяет повысить точность измерений.

Пример практической реализации способа.

Измерения проводились на установке (Фиг.1), включающей микроинтерферометр Линника МИИ-4, в поле зрения окуляра которого наблюдалась граница алюминиевой пленки 4, нанесенной на лейкосапфир, совмещенная с системой интерференционных полос белого света. Измеряемая структура 4 закреплялась в держателе 5. Интерференционный сигнал от источника белого света 1 формировался на выходе микроинтерферометра, оптическая схема которого включала микрообъектив 3, опорное зеркало 6, светоделительную пластину 2. С помощью видеокамеры 7 через USB порт интерференционный сигнал вводился в компьютер 8 и анализировался с помощью специально разработанной программы. Путем поворота видеокамеры изображение исследуемой поверхности и системы интерференционных полос выбирались так, чтобы положительный сдвиг интерференционных полос совпадал со смещением систем интерференционных полос при перемещении исследуемой поверхности в направлении падения на нее излучения.

Программная часть измерительной системы включала специализированную программу "МII4.ехе", функционирующую в среде Windows'98 и осуществляющую анализ введенного изображения. На Фиг.3 и 4 приведены изображения границы раздела металлической пленки и лейкосапфира, система измерительных визирных линий и результат определения программой толщины металлической пленки с учетом фазового сдвига. При этом фазовый сдвиг вычисляется программой после указания типа металлической пленки или задания ее параметров вручную. Для визуального контроля наводки программой на центр интерференционных полос слева и справа от изображения системы интерференционных полос выводится распределение интенсивности вдоль выбираемых пользователем линий на металлической пленке и лейкосапфире.

Результаты измерений изменения фазы , коэффициента отражения R и расчета толщины h алюминиевых пленок приведены в таблице. Для сравнения в этой же таблице приведены результаты расчета толщины пленки h* без учета параметров материала пленки.

Поскольку на результаты измерений тонких металлических пленок может оказывать сильное влияние зависимость оптических постоянных от ее толщины, для оценки достоверности результатов оптических измерений толщины металлических пленок измерения проводились методом, основанным на интерференции излучения в рентгеновском диапазоне длин волн, аналогичным описанному в работе (Метфессель С. Тонкие пленки, их изготовление и измерение. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1963. 272 с.). Результаты измерения на дифрактометре типа “Дрон-3” толщины металлических пленок h_p также приведены в таблице.

Неучет зависимости изгиба интерференционных полос от глубины проникновения волны в металлическую пленку приводит к значительной погрешности в определении толщины металлической пленки с помощью стандартных измерительных систем и может быть легко устранен при обработке результатов измерений с помощью специально разработанных программных средств и аппаратных комплексов.

Таким образом, показано, что использование новой методики определения значения и характера минимумов интенсивности излучения позволяет значительно повысить точность измерений, ускорить процесс проведения измерений и расширить диапазон контролируемых значений толщин пленок.

Способ измерения толщины пленки, включающий освещение пучком излучения исследуемой поверхности, в качестве которой выбрано основание, на часть которого нанесена пленка, формирование интерференционной картины, состоящей из двух систем интерференционных полос, измерение величины изгиба интерференционных полос на границе пленки и основания и расстояния между соседними интерференционными полосами, перемещение поверхности в направлении падения на нее излучения, фиксирование направления перемещения интерференционных полос и определение направления их изгиба относительно системы интерференционных полос в области основания, непокрытого пленкой, определение толщины пленки по полученным данным, отличающийся тем, что определяют распределение интенсивности излучения в различных сечениях интерференционного поля поперек интерференционных полос в области изображения пленки и основания, в области системы интерференционных полос, измеряют наименьшее значение интенсивности излучения, фиксируют его линейное положение и ближайшее соседнее в области изображения пленки и основания, используют полученные значения минимумов интенсивности при определении величины изгиба и расстояния между полосами.

Определение толщины тонких оптически прозрачных пленок SnО2 конвертным методом Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ПРОЗРАЧНЫЕ ПЛЕНКИ / СПРЕЙ-ПИРОЛИЗ / ТОЛЩИНА / КОНВЕРТНЫЙ МЕТОД / СПЕКТРЫ ПРОПУСКАНИЯ / ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЕ ЭКСТРЕМУМЫ / КОНВЕРТНЫЕ КРИВЫЕ / ИНТЕРПОЛЯЦИЯ / TRANSPARENT FILMS / SPRAY PYROLYSIS / THICKNESS / ENVELOPE METHOD / TRANSMISSION SPECTRA / INTERFERENCE EXTREMES / ENVELOPE CURVES / INTERPOLATION

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Кондрашин Владислав Игоревич

Актуальность и цели. Прозрачные проводящие покрытия на основе тонких пленок оксидов металлов широко используются в различных оптоэлектронных приборах и устройствах. Толщина пленок играет важную роль в формировании их электрических и оптических свойств, поэтому при получении требуется постоянно измерять этот параметр. Однако проводить измерения толщины тонких прозрачных пленок традиционными методами затруднительно вследствие определенных ограничений. Решить данную задачу позволяет конвертный метод , заключающийся в анализе распределения интерференционных экстремумов в спектрах пропускания тонких пленок. Целью работы является определение толщины пленок диоксида олова конвертным методом , его точности и условий применения. Материалы и методы. Тонкие пленки диоксида олова получены методом спрей-пиролиза на стеклянных и кремниевых подложках. Измерены спектры пропускания пленок в области длин волн λ = (320-1000) нм. В работе представлена методика определения толщины прозрачных пленок конвертным методом . Толщина также измерена с помощью эллипсометрии и электронной микроскопии. Проведен сравнительный анализ полученных результатов. Результаты. Сравнительный анализ продемонстрировал, что точность конвертного метода снижается с уменьшением толщины пленки. В результате проведенной работы выявлены недостатки конвертного метода и условия его применения. Выводы. Конвертный метод следует применять только к спектрам пропускания , демонстрирующим интерференционные полосы, при условии слабого поглощения электромагнитного излучения тонкой пленкой и полностью прозрачной подложки.

DETERMINATION OF SnO2 THIN OPTICALLY TRANSPARENT FILMS’ THICKNESS by the ENVELOPE METHOD

Background. Transparent conductive coatings based on thin films of metal oxides are widely used in various optoelectronic devices. Films’ thickness plays an important role in formation of their electrical and optical properties, therefore this parameter must be measured constantly. However, measuring thickness of thin transparent films using traditional methods is difficult to complete due to certain restrictions. This problem is solved by the envelope method , which consists in analysis of interference extremes distribution in transmission spectra of thin films. The purpose of the work is to determine thickness of tin dioxide films by the envelope method , its accuracy and application conditions. Materials and methods. Tin dioxide thin films were obtained by spray pyrolysis on glass and silicon substrates. The transmission spectra of films were measured in the wavelength λ = (320-1000) nm. The paper presents a technique for determining transparent films thickness by the envelope method . The thickness was also measured using electron microscopy and ellipsometry. The comparative analysis of obtained results was performed. Results. The comparative analysis has shown that the accuracy of the envelope method reduces with a decreasing film thickness . Disadvantages of the envelope method and conditions of its application are revealed as a result of this work. Conclusions. The envelope method should be applied only to transmission spectra , demonstrating the interference fringes, provided that a thin film has weak-absorption of electromagnetic radiation and a substrate is fully transparent.

Текст научной работы на тему «Определение толщины тонких оптически прозрачных пленок SnО2 конвертным методом»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ ПЛЕНОК SnO2 КОНВЕРТНЫМ МЕТОДОМ

Материалы и методы. Тонкие пленки диоксида олова получены методом спрей-пиролиза на стеклянных и кремниевых подложках. Измерены спектры пропускания пленок в области длин волн X = (320-1000) нм. В работе представлена методика определения толщины прозрачных пленок конвертным методом. Толщина также измерена с помощью эллипсометрии и электронной микроскопии. Проведен сравнительный анализ полученных результатов.

Результаты. Сравнительный анализ продемонстрировал, что точность конвертного метода снижается с уменьшением толщины пленки. В результате проведенной работы выявлены недостатки конвертного метода и условия его применения.

Выводы. Конвертный метод следует применять только к спектрам пропускания, демонстрирующим интерференционные полосы, при условии слабого поглощения электромагнитного излучения тонкой пленкой и полностью прозрачной подложки.

Ключевые слова: прозрачные пленки, спрей-пиролиз, толщина, конвертный метод, спектры пропускания, интерференционные экстремумы, конвертные кривые, интерполяция.

DETERMINATION OF SnO2 THIN OPTICALLY TRANSPARENT FILMS' THICKNESS BY THE ENVELOPE METHOD

Background. Transparent conductive coatings based on thin films of metal oxides are widely used in various optoelectronic devices. Films' thickness plays an important role in formation of their electrical and optical properties, therefore this parameter must be measured constantly. However, measuring thickness of thin transparent films using traditional methods is difficult to complete due to certain restrictions. This problem is solved by the envelope method, which consists in analysis of interference extremes distribution in transmission spectra of thin films. The purpose of the work is to determine thickness of tin dioxide films by the envelope method, its accuracy and application conditions.

Materials and methods. Tin dioxide thin films were obtained by spray pyrolysis on glass and silicon substrates. The transmission spectra of films were measured in the wavelength X = (320-1000) nm. The paper presents a technique for determining transparent films thickness by the envelope method. The thickness was also measured using electron microscopy and ellipsometry. The comparative analysis of obtained results was performed.

Results. The comparative analysis has shown that the accuracy of the envelope method reduces with a decreasing film thickness. Disadvantages of the envelope method and conditions of its application are revealed as a result of this work.

Conclusions. The envelope method should be applied only to transmission spectra, demonstrating the interference fringes, provided that a thin film has weak-absorption of electromagnetic radiation and a substrate is fully transparent.

Key words: transparent films, spray pyrolysis, thickness, envelope method, transmission spectra, interference extremes, envelope curves, interpolation.

На сегодня в различных оптоэлектронных приборах и устройствах [1, 2] активно используются прозрачные проводящие покрытия (ППП) на основе тонких пленок оксидов металлов (In2O3, ZnO, SnO2 и др.). Подобные материалы обладают уникальной комбинацией следующих свойств: высокой электропроводности и хорошей оптической прозрачности в видимой области электромагнитного спектра. Оба этих параметра сильно зависят от толщины пленок, типа и концентрации примеси. Например, поверхностное сопротивление тонких пленок уменьшается при увеличении толщины [3, 4]. Поэтому, изменяя условия получения каким-либо методом, можно добиться улучшения электрических и оптических свойств ППП.

При измерении толщины прозрачных пленок с помощью интерференционных микроскопов также может возникнуть ряд проблем. В частности, затруднение вызывает анализ интерференционных полос и определение порядка интерференции по разную сторону ступеньки, что приводит к получению неверных значений толщины пленки. Для точного измерения толщины в этом случае требуются дополнительные технологические решения, например нанесение тонкой металлической пленки [6].

Одним из оптимальных способов определения толщины тонких прозрачных пленок является анализ распределения экстремумов в спектрах оптического пропускания, вызванные интерференцией электромагнитных волн

Данная работа заключалась в определении толщины пленок диоксида олова (8п02) конвертным методом и сравнительном анализе полученных результатов со значениями, измеренными с помощью других методов.

1. Экспериментальная часть

Пленки 8и02 получены с помощью метода спрей-пиролиза, который является на сегодня одним из наиболее перспективных способов нанесения ППП на подложки большой площади. Экспериментальная установка, которая разработана для реализации данного метода, подробно представлена в работе [14].

В качестве подложек использовались натриево-кальциево-силикатные стекла и кремниевые пластины. Подложки предварительно очищались с помощью ультразвуковой обработки в ацетоне, этаноле и дистиллированной воде. Нанесение пленок 8и02 проводилось из растворов, содержащих тетра-хлорид пентагидрат олова (8пС14 ■ 5Н20) с молярной концентрацией См и растворитель — этанол. Для этого растворы с разными объемами Уг распылялись на подложки обоих типов, нагретых до температуры Т5. Распыление происходило с помощью сжатого воздуха, подаваемого в пневматический распылитель под давлением р. Расстояние между распылителем и подложками составляло Ь. В табл. 1 приведены значения См, Уг, Т5, р и Ь.

Условия получения пленок SnO2

№ образца Vr, мл CM, моль/л Ts, °C P, бар L, мм

2 15 0,25 450 2 300

Для определения конвертным методом толщины пленок SnO2, нанесенных на стеклянные подложки, получены спектры пропускания с помощью спектрофотометра ПЭ-5300ВИ в области длин волн X = (320-1000) нм. Толщина пленок SnO2 на кремниевых подожках определялась такими методами, как эллипсометрия и электронная микроскопия. Для проведения измерений использовался спектроскопический эллипсометр SE850 в диапазоне X = (300-800) нм при угле падения 70° и сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) Nova NanoSEM 450.

2. Результаты и их обсуждение

На рис. 1 изображены спектры пропускания пленок SnO2, нанесенных на стеклянные подложки при различных значениях объема распыляемого

раствора. Видно, что спектры имеют осциллирующий характер, который обусловлен интерференционными явлениями. Коэффициенты пропускания (Т) уменьшаются при увеличении объема раствора, поэтому положение интерференционных максимумов и минимумов зависит от толщины пленок.

Рис. 1. Спектры пропускания образцов № 1-4

В связи с наличием на представленных спектрах пропускания интерференционных полос толщину пленок можно найти с помощью конвертного метода. Его основой являются конвертные кривые Тм и Тт (рис. 2), которые строятся посредством интерполяции спектра пропускания между экспериментальными точками, соответствующими положению интерференционных максимумов и минимумов. В зависимости от количества экстремумов для построения конвертных кривых можно применять линейную интерполяцию или интерполяцию сплайнами. При этом оптимального способа интерполяции сплайнами не существует. Например, исследования в работе [15] показывают, что более высокая степень сплайна приводит к увеличению погрешности измерений толщины пленок. Вследствие этого рекомендуется использовать линейный сплайн. Однако в работе [16] авторы считают, что наиболее предпочтительным способом является параболическая интерполяция. Поэтому для построения конвертных кривых выбор способа интерполяции всегда является произвольным.

Получив конвертные кривые, можно найти спектральную зависимость показателя преломления п пленок (дисперсию света), используя следующее уравнение:

Способ определения толщины металлических пленок

Изобретение относится к измерительной технике. Способ контроля состава материала при формировании структуры заключается в том, что в процессе формирования слоя осуществляют измерение эллипсометрических параметров Δ и ψ. Предварительно определяют эллипсометрическим методом с использованием лазерного эллипсометра с длиной волны 0,6328 мкм показатель преломления прозрачной подложки n₁ с обратной матовой поверхностью. На полированные поверхности прозрачных подложек наносят металлические пленки, освещают подложки лучом лазера со стороны нанесенной пленки, отбирая образцы, пропускающие луч лазера, на лазерном эллипсометре с длиной волны 0,6328 мкм измеряют эллипсометрические параметры Δ и ψ пленки, не пропускающей луч лазера, рассчитывают для нее с использованием программно-аппаратного средства, связанного с эллипсометром, оптические константы пленки - показателя преломления n и коэффициента экстинкции k и формируют эталонную зависимость в виде функции Δ=f(ψ) с использованием n₁ и показателя преломления пленки n и коэффициента экстинкции k. Экспериментально определяют эллипсометрические параметры Δ_эксп и ψ_эксп для полупрозрачных пленок, пропускающих луч лазера, результаты экспериментальных значений фиксируют в плоскости для соотнесения с эталонной зависимостью Δ=f(ψ). Технический результат - обеспечение точности определения толщины и качества металлических пленок. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам оптико-физических измерений, основанных на эллипсометрии, и предназначено для определения толщины и качества тонких металлических пленок, используемых в микроэлектронике.

Известен способ контроля состава материала при формировании структуры (V.S. Varavin, V.V. Vasiliev, S.A. Dvoretsky, N.N. Mikhailov, V.N. Ovsyuk, YU.G. Sidorov, A.O. Suslyakov, M.V. Yakushev, A.L. Aseev «HgCdTe epilayers on GaAs: growth and devices», Opto-electronics review, 11, no. 2, 2003, p.99-111), заключающийся в том, что в процессе формирования слоя осуществляют измерение в непрерывном режиме эллипсометрических параметров Δ и ψ, по результатам измерения эллипсометрических параметров определяют оптические постоянные и, следовательно, состав материала слоя и его толщину. Контроль возможен благодаря зависимости оптических постоянных от состава материала.

Известный способ является сложным и трудоемким.

Кроме того, известен способ определения толщины тонких пленок в процессе формирования структуры слоя путем измерения эллипсометрических параметров Δ и ψ с последующим вычислением производной, при этом в качестве функции выбирают один из эллипсометрических параметров, а в качестве аргумента - другой эллипсометрический параметр, результаты вычисления фиксируют в плоскости производная эллипсометрического параметра-эллипсометрический параметр в виде кривой, по которой определяют оптические постоянные, изменение состава материала слоя, а также его толщину (патент RU 2396545, МКИ G01N 21/17, 2010 год).

Известный способ также является сложным и трудоемким, кроме того, существует большая вероятность получения ошибочных результатов, обусловленная наличием сложных математических операций.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение простоты и надежности способа, а также обеспечение точности определения толщины и качества металлических пленок.

Указанный технический результат достигается тем, что способ контроля состава материала при формировании структуры заключается в том, что в процессе формирования слоя осуществляют измерение эллипсометрических параметров Δ и ψ. Предварительно определяют эллипсометрическим методом с использованием лазерного эллипсометра с длиной волны 0,6328 мкм показатель преломления прозрачной подложки n₁ с обратной матовой поверхностью. На полированные поверхности прозрачных подложек наносят металлические пленки, освещают подложки лучом лазера со стороны нанесенной пленки, отбирая образцы, пропускающие луч лазера, на лазерном эллипсометре с длиной волны 0,6328 мкм измеряют эллипсометрические параметры Δ и ψ пленки, не пропускающей луч лазера, рассчитывают для нее с использованием программно-аппаратного средства, связанного с эллипсометром, оптические константы пленки - показателя преломления n и коэффициента экстинкции k и формируют эталонную зависимость в виде функции Δ=f(ψ) с использованием n₁ и показателя преломления пленки n и коэффициента экстинкции k. Экспериментально определяют эллипсометрические параметры Δ_эксп и ψ_эксп для полупрозрачных пленок, пропускающих луч лазера, результаты экспериментальных значений фиксируют в плоскости для соотнесения с эталонной зависимостью Δ=f(ψ).

Сущность настоящего изобретения поясняется следующими иллюстрациями:

фиг.1 - отображает график эталонной зависимости Δ=f(ψ) в диапазоне толщин пленок титана от 20 до 800 Å;

фиг.2 - отображает график эталонной зависимости Δ=f(ψ) в диапазоне толщин пленок титана 300-500 Å;

фиг.3 - отображает график эталонной зависимости Δ=f(ψ) в диапазоне толщин пленок титана 500-800 Å;

фиг.4 - отображает график эталонной зависимости Δ=f(ψ) и экспериментальные значения.

Способ реализуется следующим образом.

1. Предварительно определяют эллипсометрическим методом при использовании лазерных эллипсометров с длиной волны 0,6328 мкм типа ЛЭМ-2 или L116S300 STOKES ELLIPSOMETER показатель преломления n₁ прозрачной подложки (стекло, кварц или сапфир) с обратной матовой поверхностью.

2. На полированную поверхность прозрачной подложки с обратной матовой поверхностью наносят толстую (более 0,1 мкм) металлическую пленку. Освещают подложку лазерным лучом со стороны нанесенной пленки и, наблюдая матовую поверхность подложки, убеждаются, что металлическая пленка не пропускает луч лазера.

3. На лазерном эллипсометре с длиной волны 0,6328 мкм, освещая лучом лазера пленку, измеряют эллипсометрические параметры Δ и ψ указанной пленки и рассчитывают оптические константы пленки - показатель преломления n₂ и коэффициент экстинкции k₂.

4. Для полученных величин n₁, n₂, k₂, используя имеющуюся программу, рассчитывают эллипсометрические параметры ψ и Δ для пленок разной толщины и строят эталонную зависимость Δ=f(ψ) (см. фиг.1 - сплошная линия). Компьютер, содержащий программно-аппаратный комплекс, соединен с эллипсометром.

5. Для полупрозрачных пленок с разной толщиной определяют экспериментальные эллипсометрические параметры Δ_эксп и ψ_экс и наносят эти экспериментальные значения на плоскость Δ - ψ.

6. Если параметры Δ_эксп и ψ_эксп точно совпадают с зависимостью Δ=f(ψ), то точно определяют толщину тонкой пленки и делают вывод о том, что оптические параметры тонкой пленки совпадают с оптическими параметрами толстой пленки.

7. Если параметры полупрозрачной пленки (ψ_эксп, Δ_эксп) отклоняются от эталонной зависимости Δ=f(ψ), то по величине этого отклонения судят о свойствах тонкой металлической пленки: чем больше отклонение экспериментальных значений Δ_эксп и ψ_эксп от кривой Δ=f(ψ), тем по оценке приведенного метода качество тонкой металлической пленки отличается от качества толстой металлической пленки.

8. При вышеуказанных действиях возможно точно измерять толщину полупрозрачных пленок. Ее ориентировочную величину можно оценить по ближайшим точкам эталонной зависимости Δ=f(ψ).

На фиг.1 представлен график эталонной зависимости Δ=f(ψ) в диапазоне толщин пленок титана от 20 до 800 Å. На фиг.2 представлены графики эталонной зависимости Δ=f(ψ) более детально в диапазоне толщин пленок титана 300-500 Å и 500-800 Å.

На фиг.4 на кривой эталонной зависимости Δ=f(ψ) кружочками обозначены теоретически рассчитанные толщины пленок титана, а крестиками обозначены измеренные экспериментально величины (ψ_эсп, Δ_эксп). Видно, что для образцов №1, №2 и №3 экспериментальные значения хорошо совпадают с эталонными значениями (при этом можно определить с точностью до 5 Å и толщины этих пленок); тогда как для образца №4 существует расхождение между рассчитанными по кривой Δ=f(ψ) и измеренными ψ_эксп и Δ_эксп параметрами. В этом случае толщину пленки на этом образце можно оценить лишь приблизительно.

Способ контроля состава материала при формировании структуры, заключающийся в том, что в процессе формирования слоя осуществляют измерение эллипсометрических параметров Δ и ψ, отличающийся тем, что предварительно определяют эллипсометрическим методом с использованием лазерного эллипсометра с длиной волны 0,6328 мкм показатель преломления прозрачной подложки n₁ с обратной матовой поверхностью, на полированные поверхности прозрачных подложек наносят металлические пленки, освещают подложки лучом лазера со стороны нанесенной пленки, отбирая образцы, пропускающие луч лазера, на лазерном эллипсометре с длиной волны 0,6328 мкм измеряют эллипсометрические параметры Δ и ψ пленки, не пропускающей луч лазера, рассчитывают для нее с использованием программно-аппаратного средства, связанного с эллипсометром, оптические константы пленки - показателя преломления n и коэффициента экстинкции k и формируют эталонную зависимость в виде функции Δ=f(ψ) с использованием n₁ и показателя преломления пленки n и коэффициента экстинкции k, экспериментально определяют эллипсометрические параметры Δ_эксп и ψ_эксп для полупрозрачных пленок, пропускающих луч лазера, результаты экспериментальных значений фиксируют в плоскости для соотнесения с эталонной зависимостью Δ=f(ψ).

Читайте также: