книги / Неразрушающий контроль параметров тонких проводящих пленок электромагнитными методами

122

Rs>

Ом

□

1200

800

4. ИК-, радиоволновые и емкостные методы контроля

______-—JZ

/

___

V

\

'*00

/

	Рис.	4.12. Соответствие	измерений
	Rs	емкостным методом	измерениям
so'а	на постоянном токе для резистивных
	пленок на ситалле на частоте 200 кГц

на пленке минимальный и определяется активным сопротивлением индуктивности L1. Конденсатором С2 система настраивается в резонанс, ВЧ-мостом измеряется активная составляющая сопро­ тивления преобразователя 3, которая за вычетом известных соб­ ственных активных сопротивлений индуктивностей LI, L2 на дан­ ной частоте равна активной составляющей импеданса квадрата поверхности пленки Rs. На рис. 4.12 представлены результаты измерений параметров резистивных пленок на ситалловых под­ ложках данным методом в сравнении с контактными измерениями. Результаты совпадают с точностью до 1%. Наличие массивного металла 10 за ситалловой подложкой толщиной более 0,5 мм влияет на результаты измерений в пределах не более 3%. К недо­ статкам метода следует отнести низкую оперативность и необхо­ димость создания малых зазоров между преобразователем и плен­ кой (емкости С1х и С2Х должны быть не менее 50 пФ). Эти недос­ татки не дают возможности разработать промышленный прибор на основе данного метода, хотя использование его в лаборатор­ ных условиях для исследования и аттестации резистивных пленок ввиду высокой точности весьма перспективно.

Рассмотрим еще два метода контроля параметров тонких ре­ зистивных пленок накладным и проходным емкостным преобра­ зователями. На рис. 4.13 показана схема реализации емкостного метода на основе накладного преобразователя с двумя электро­ дами. ВЧ-геиератор 1 питает последовательный резонансный' контур, образованный индуктивностью L0 и последовательно соеди­ ненными емкостями между измерительными электродами преобра­ зователя 2 и поверхностью пленки 3 (на рисунке пленка изобра­ жена для большей наглядности эквивалентной схемой) с сопро­ тивлением Rx■ Напряжение с индуктивности L0 снимается и подается на вольтметр с помощью трансформатора через индуктив­ ность L. Изменял частоту генератора /, добиваются резонанса

4.4. Емкостные ВЧ-методы измерения параметров пленок	123
(максимальное выходное напряжение на вольтметре)	контура

при Rx—0 (короткое замыкание). Тогда выходное напряжение на вольтметре 4 (принимаем, что выходное сопротивление генератора намного меньше Rx и собственного активного сопротивления ин­ дуктивности LO, R0)

Uвых	t/ocoL
	(4.14)
	R x~ \-R 0

Считаем, что добротность индуктивности LO Q>1.

Как видно из выражения (4.14), выходное напряжение не за­ висит от емкости между электродами и пленкой (без учета рас­ сеяния электромагнитного поля и паразитных связей) и при Я0<С <^RX обратно пропорционально сопротивлению квадрата поверх­ ности пленки.

На рис. 4.14 представлена экспериментальная зависимость вы­ ходного напряжения от проводимости квадрата поверхности пле­ нок для двух частот. Зависимость снималась на схеме рис. 4.13.

Rx

Рис. 4>13. Схемы измерений Rx накладным (а) и про­ ходным (б) емкостными преобразователями

124	4. ИК-, радиоволновые и емкостные методы контроля

				Рис.	4.14.	Градуировочные
				прямые для		накладного ем­
О	1	2	3 1 .10-3QM-I	костного		преобразователя
				при	f=5,5	(1) и 0,51 МГц
			к х	( 2)

Вместо пленки включался ее эквивалент — потенциометр Rx с из­ вестными сопротивлениями, подсоединенный к электродам 3. Как видно из рисунка, в достаточно большой области зависимость ли­ нейна. Для малых сопротивлений (Rx^.0,lR0) прямая переходит в кривую и достигает насыщения при Rx-+0. Для очень больших со­ противлений (Я*->оо) выходное напряжение не обращается в нуль из-за паразитных связей. Дополнительным экранированием можно добиться пренебрежимо малого выходного напряжения при /?*->-

оо по сравнению с полезным сигналом. В зависимости от частоты питающего генератора изменяется угол наклона прямой: чем ниже частота, тем более низкоомные пленки попадают в область пря­ мой пропорциональности UBhiX(llRx).

Таким образом, на основе использования простой схемы (см. рис. 4.13, а) можно успешно аттестовать пленки по их проводи­ мости (сопротивлению) квадрата поверхности, сравнивая резуль­ таты {иВЫх) с данными, полученными при градуировке схемы стандартными активными сопротивлениями. Область линейных из­ мерений 1IRX ограничивается условием RQ<g.Rx.

Надлежащим подбором частоты генератора и индуктивности можно аттестовать пленки с сопротивлениями # s>50 Ом, а без сохранения линейности — и более низкоомные структуры вплоть до Rs>0,\R0.

Для аттестации более низкоомных пленок был разработан ме­ тод на основе использования емкостного проходного преобразо-

Рис. 4.15. Эквивалентная схема проходного преоб­ разователя

1

___ L

4.4. Емкостные ВЧ-методы измерения параметров пленок						125
вателя (см. рис. 4,13,6), эквивалентная				электрическая схема реа­
лизации которого представлена на			рис. 4.15.			запишется в-
Ток / 0 через	индуктивность L0		(при Д0<о)10)
виде (a)L0^>Rx, 1/соC ^ R x )
IQ—		U2RX
	LO		1		1
	C3	(02C1C2		CO2C1C4		(4.15)
1	2			ДО
		---- ©LO				RO___\
(o2C3C4
	соC			Д,©С1	ДкюСЗ /

где U2 — напряжение на индуктивности L2, питаемой через трансформатор 71 от низкоомного генератора 1\ С — емкость зазора между неподвижными противоположными измерительными

электродами 2, 4; ^ = ^ + ^ 2 = -^з+ ^ 4 (смРис- 4-13>6)* При

2

Дх=°о в отсутствие образца максимальный ток будет при — —

соС

= coLO:

7f)max— до	(4.16)
При измерениях на данной частоте образцов с Rx¥ =О
U2RX(H2	(4.17)
/о*

(<Н г)!

Рис.	4.16. Градуировочная кривая	1	2 RX-10J,0 M
для	проходного преобразователя

126	4. ИК-, радиоволновые и емкостные методы контроля

т. е. при фиксированных значениях емкостей (зазоров) напряже­ ние на вольтметре 5 прямо пропорционально Rx для достаточно малых Rx. Перекосы образца в рабочем зазоре незначительно

влияют на выходной сигнал, величина

слабо изменя­

ется.

На рис. 4.16 представлена зависимость выходного напряжения от эквивалентного сопротивления, снятая на схеме рис. 4.13,6. Б пределах 10—1000 Ом зависимость линейна. При увеличении сопротивления кривая стремится к насыщению (см; выражение (4.16)). Для очень малых сопротивлений (менее 50 Ом) возни­ кают погрешности из-за паразитных связей и наводок. При хоро­ шем экранировании погрешность измерения можно значительно снизить.

Таким образом, разработанные емкостные методы можно ис­ пользовать для аттестации сверхтонких проводящих покрытий по их активной составляющей импеданса квадрата поверхности без создания контактов к тонкой пленке, что является трудоемким процессом и к тому же вносит дополнительную погрешность из-за влияния контактов на структуру пленки. Использование генера­ торов качающейся частоты и элементов автоподстройки открывает возможность реализации разработанных методов в приборах для измерения параметров тонких пленок.

5. ПРИБОРЫ ВИХРЕТОКОВОГО НЕРАЗРУШЛЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТОНКИХ ПРОВОДЯЩИХ ПОКРЫТИИ И ПЛЕНОК

В настоящей главе на основе анализа данных главы 3 приводятся результаты разработки новых приборов вихретокового неразрушающего контроля толщины и электрической проводи­ мости (импеданса) квадрата поверхности металлических покрытий и пленок (серия ВИМП).

Как было указано в предыдущих главах, до сих пор как в на­ шей стране, так и за рубежом не существует серийно выпускае­ мых надежных приборов неразрушающего контроля параметров тонких проводящих покрытий и пленок (толщиной до 1 мкм) [94,. 127, 137, 153, 163]. Отдельные сведения о разработках таких при­ боров [12, 118, 136, 137, 152, 173, 210, 221], в том числе вихрето­ ковых, носят чисто исследовательский характер и основаны на экспериментальном материале. До сих пор нет общей теории вихре­ токового контроля тонкопленочных проводящих структур, пригод­ ной для инженерных расчетов при конструировании приборов.

Изложенные в главе 2 методы расчета с помощью представле­ ния пленок в виде импедансной поверхности позволили разрабо­ тать ряд методов вихретокового контроля тонких проводящих по­ крытий и пленок (см. главу 3) на основе простых аналитических выражений, которые были с успехом реализованы в приборах вихретокового контроля [35—37, 62, 64], описываемых в настоя­ щей главе.

5.1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИМПЕДАНСНОЙ МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ПРИБОРОВ СЕРИИ ВИМП

Развйтие импедансной методики контроля тонкопленочных проводящих структур, основы которой были разработаны еще в 1975—1976 гг. [22, 23, 25, 26, 42, 44], позволило создать 14 паи-

128	5. Приборы вихретокового неразрушающего контроля

менований вихретоковых приборов серии ВИМП, которые выпус­ кались опытными партиями Экспериментальным электронно-ме­ ханическим заводом (в настоящее время СКВ энерготехники с опытным производством) Физико-энергетического института ЛатвАН и передавались для внедрения на ряд предприятий страны. В Волго-Вятском монтажно-наладочном управлении «Союзорглестехмонтаж» Минлесбумпрома СССР освоен выпуск при­ боров ВИМП-51М.

В табл. 5.1 приводится основная классификация разработанных приборов по их конструктивным особенностям и техническим ха­ рактеристикам.

Классификация вихретоковых приборов серии. ВИМП

				Диапазон	Диапазон из­
Тип	Конструкция		Часто­		мерения про­
				измерения	водимости
■прибора	преобразователя		та, кГц	толщины,	квадрата по­
				мкм	верхности,
					CM/D
1		2	3	4	5
ВИМ П-1	Накладной пара­		500	О01 СП	0 - 5
	метрический
В И М П -2		То же	1200	На сталь­
				ной ленте
				0—15
в и м п - з	»»	У)	800	2—30	0.3—1,0
В И М П -4	Два	накладных	500
	параметрических
В И М П -5	Дифференциаль­		20	0 1 СП
	ный трехобмо­
	точный с фер­
	ритовым сер­
	дечником
В И М П -11	Дифференциаль­		200	0.001—1,0	0.01—10
	ный несимметрич­
	ный трехобмо­
	точный
В И М П -13	Дифференциаль­		400	0 -0 ,5	0—5
	ный несиммет­
	ричный трехоб­
	моточный
В И М П -31		То же	12	0—25

Т а б л и ц а 5.1

Особенности

конструкции

6

Трехканальный стационарно-пе­ реносной

Стационар но-пере­ носной с ана­ логовым выхо­ дом

То же Стационарный с

системой связи с АСУ ТП

Настольный с ав­ тономным пи­ танием

Настольный с от­ стройкой от влияния зазора

Трехканальный стационарный с отстройкой от влияния зазора в пределах 1 мм

Стационарно-пере­ носной с отст­ ройкой от влия­ ния зазора в пределах 1 мм

5.1. Использование импедансной методики контроля	129

		2			Окончание таблицы 5.1
I	1		1	» 1	4	5		6
ВИМП-51	Дифференциаль­			200	0.001— 1,0	Ю	Перено:ной с от­
		ный несиммет­
							стройкой от
		ричный трехоб­
							влияния зазора
		моточный
							на 0,5 мм и ци-
							фрозой индика­
ВИМП-1 ЗМ		То же		400	0 —0,5	0—5	цией
							С отстройкой от
							влияния зазора
							в	пределах
							1 мм и автона-
							стройкои режи­
ВИМП-31М				12	0—25	—	ма	измерений
							С отстройкой от
							влияния зазора
							в пределах 0,5 м
							и автоподстрой­
							кой нуля в про­
							межутках меж­
ВИМП-51М				200	0.01— 1,0	—	ду	измерениями
							С отстройкой от
							влияния зазора
							в пределах 0,5
							мм,	автопод-
							стройхой нуля
							и режима изме­
ВИМП-52						0.01—10	рений
				200	0.001— 1,0			То же
ВИМП-53				200	0.001— 1,0	0.01-10
Принцип		первой	группы		приборов	(ВИМП-1,		ВИМП-2,

ВИМП-3, ВИМП-4), разработанной до 1980 г., основан на исполь­ зовании взаимодействия электромагнитного поля параметричес­ кого накладного преобразователя с проводящими тонкопленоч­ ными структурами (см. параграфы 2.3 и 3.1). В основе работы приборов второй группы, созданных после 1980 г. (ВИМП-5, ВИМП-11, ВИМП-12, ВИМП-13, ВИМП-13М, ВИМП-31, ВИМП31М, ВИМП-51, ВИМП-51М, ВИМП-52), лежит использование дифференциальных трех- и четырехобмоточных преобразователей (см. параграф 3.2).

По конструктивным особенностям приборы делятся па две груп­ пы: настольные с повышенной стабильностью для оперативного контроля параметров покрытий и пленок после их изготовления; стационарно-переносные, предусматривающие возможность их встройки в вакуумную камеру для осуществления контроля каче­ ства покрытий и пленок в процессе производства [37, 64, 75]. При разработке приборов учитывались особенности технологических процессов (зазор, температура, движение объекта, вакуум, днстанционность), что требовало дополительных исследований [58].

9 - 5 9 9

130 5. Приборы вихретокового неразрушающего контроля

Рассмотрим импедансную методику контроля тонкопленочных проводящих структур на основе использования параметрических накладных преобразователей [29, 64, 74, 75] (см. параграф 3.1). Основными схемами включения таких преобразователей являются мостовые и дифференциальные схемы с последующей амплитудно­ фазовой обработкой сигнала или включением преобразователя в резонансный контур ВЧ-генератора прибора [94, 127, 137, 153].

При контроле тонких металлических покрытий и пленок пара­ метрическим преобразователем на основе полученных выражений для модели импедансной поверхности, как было показано в пп. 2.3.3, 3.1.1, от параметров покрытия зависит главным образом активная составляющая вносимого в преобразователь сопротивле­ ния, причем зависимость от проводимости квадрата поверхности носит линейный характер.

Наиболее оптимальными в этом случае являются мостовые схемы включения с последующим амплитудным детектированием выходного сигнала. Например, в приборе ВИМП-1 [68, 69, 71, 75] использована известная мостовая неуравновешенная схема под­ соединения преобразователя с компенсационной катушкой, вклю­ ченной в противоположное плечо моста. Схема обладает доста­ точной чувствительностью и обеспечивает линейную зависимость выходного сигнала от проводимости квадрата поверхности изме­ ряемых тонких (до 0,5 мкм) покрытий на диэлектрических под­ ложках. В работе [89] приведены результаты производственных испытаний прибора ВИМП-1. Прибор обладает высокой чувстви­ тельностью к изменению зазора между преобразователем и изде­ лием, что является существенным недостатком при использова­ нии его для контроля процесса металлизации движущихся лен­ точных полимерных пленок в вакуумной камере. Прибор также имеет достаточно сложную настройку мостовой схемы в процессе измерений и нестабильности, обусловленные разностью темпера­ турных режимов преобразователя, расположенного в вакуумной камере, и компенсационной катушки, расположенной непосред­ ственно в приборе [75].

В последующей модификации (ВИМП-4) [52, 55, 70, 75] была предпринята попытка усовершенствовать характеристики прибора на основе использования двух параметрических преобразовате­ лей различного диаметра, включенных в разные плечи мостовой неуравновешенной схемы [55]. Благодаря такой конструкции пре­ образователя реализована методика (см. п. 3.1.1) частичной от­ стройки от влияния зазора на результаты измерений, снижена температурная нестабильность прибора. Результаты испытаний прибора показали пониженную чувствительность к зазору и из­ менению температуры по сравнению с прибором ВИМП-1, но бо­ лее низкую чувствительность к полезному сигналу и в связи с этим необходимость увеличения коэффициента усиления, что снижает надежность прибора.

5.1. Использование импедансной методики контроля

131

Таким образом, в приборах ВИМП-1 и ВИМП-4 реализована изложенная в пп. 2.3.3, 3.1.1 методика контроля на основе модели импедансной поверхности (см. (2.72), (3.3), (3.4)). Однако .эти при­ боры требовали дальнейшего усовершенствования в связи с низ­ кой стабильностью и надежностью, с необходимостью упрощения их настройки, а также отстройки от влияния зазора в производст­ венных условиях.

Были разработаны приборы ВИМП-2 и ВИМП-3, в которых ре­ ализован метод контроля параметров проводящих структур вихре­ токовым накладным параметрическим преобразователем на основе приближения плоской волны (см. пп. 2.3.1, 3.1.2) [30]. В приборах осуществлена отстройка от влияния зазора (см. выражения (3.8), (3.9)) на основе специального преобразования сигналах помощью мостовой неуравновешенной схемы [28, 48, 52, 54, 60, 881. Приборы обеспечивают отстройку от влияния зазора по выходному сигналу на ±2% при изменении зазора на 0,5 мм, имеют цепи термоком­ пенсации, что повышает их термостабильность.

Существенными недостатками приборов ВИМП-2 и ВИМП-3 являются сложность конструкций и настройки, а также нелиней­ ность шкалы приборов по толщине покрытия (см. выражения (2.45), (2.49)). Использование линеаризаторов снижает надеж­ ность приборов [76, 86].

Таким образом, использование параметрических преобразова­ телей для реализации методов вихретокозого контроля на основе выражений п. 2.3.3 позволило сконструировать ряд достаточно чувствительных и надежных приборов. Основным их недостатком является существенная чувствительность к влиянию зазора. Ис­ пользование электронных схем для отстройки от влияния зазора (см. параграф 1.1) усложняет конструкцию приборов, снижает их надежность, иногда приводит к нелинейности выходного сигнала. Перечисленные недостатки можно устранить на основе использо­ вания метода контроля [25, 32] с помощью дифференциальных накладных трехили четырехобмоточных несимметричных преоб­ разователей (см. параграф 3.2), которые открывают возможность унификации конструкций приборов с простой отстройкой [32, 34] от влияния зазора и сохранением линейности и чувствительности контроля (см. выражения (3.30), (3.31)).

Методика контроля параметров тонкопленочных проводящих структур трехобмоточным накладным несимметричным дифферен­ циальным преобразователем подробно рассмотрена в пяоаграфе 3.2 и основана на использовании выражений (3.30), (3.31).

Выявлены оптимальные конструкции несимметричных преобра­ зователей для реализации отстройки от влияния зазора на резуль­ таты измерений [32, 38].

Дифференциальные преобразователи обладают рядом преиму­ ществ по сравнению с параметрическими. Во-первых, благодаря разностной зависимости цо.ледного.сигнала снижается .температур-