CC BY
47
УДК 533.9.082.5: 535.374: 621.375.8: 537.311: 537.312
РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В ФОКАЛЬНОМ ЛАЗЕРНОМ ПЯТНЕ НА ПОВЕРХНОСТИ НИКЕЛЕВОЙ ПЛЕНКИ
Евгений Владимирович Лаптев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, инженер кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Валерий Андреевич Райхерт
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ведущий инженер кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Дмитрий Михайлович Никулин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Представлена методика измерения импульсной температуры в фокальном лазерном пятне по изменению удельного сопротивления тестовой никелевой плёночной полоски на подложке. Разработана оснастка для проведения экспериментальных работ по измерению температуры.
Ключевые слова: методика измерения импульсной температуры, лазерное фокальное пятно, резистивный датчик, никелевый пленочный мостик.
DEVELOPMENT OF EXPERIMENTAL FACILITY AND METHOD OF MEASURING THE PULSE TEMPERATURE IN THE FOCAL LASER SPOT ON THE SURFACE OF THE NICKEL FILM
Evgeniy V. Laptev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., post-graduate student, engineerof Department Nanosystems and optical technic, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Valery A. Raykhert
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk,
10 Plakhotnogo St., leading engineer of Department Physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Dmitry M. Nikulin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D, Senior Lecturer of Department Physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
The technique of pulse temperature measurement in focal laser spot by change of specific resistance of test nickel film's strip on a substrate are present. The equipment for carrying out of experimental works on temperature measurement is develop.
Key words: technique of pulse temperature measuring, laser focal spot, resistance sensor, nickel film's stripe.
Мониторинг температуры в фокальном пятне на поверхности обрабатываемого изделия в ряде лазерных технологий является ключом к обеспечению высокой производительности и разрешающей способности, например, при импульсной LCVD (Laser-induced chemical vapor deposition), как показано в ряде работ [1-5]. Актуальность решения этой проблемы несомненна.
Данное исследование посвящено разработке методики измерения температуры в фокусе лазерного луча по изменению удельного сопротивления облучаемой никелевой плёночной полоски на подложке, основанной на предложенном в [6] методе измерения импульсной температуры тонких плёнок.
Для проведения ряда экспериментов использовался импульсный лазер ЛТИ-501, работающий на длине волны 1064,1 нм. Основные параметры излучателя: средняя мощность излучения 8 Вт, частота следования импульсов 3,8 кГц, длительность импульсов 250 нс, диаметр пучка излучения 3,5 мм, мощность излучения в импульсе 2 кВт, усреднённая плотность мощности в фо-
9 2
кальном пятне на подложке 0,2-10 Вт/м , режим работы одномодовый.
Расчётное значение температуры никелевой полоски на подложке при действии лазерного импульса определялось по формуле [7]:
AT
1-R» Р0т
1/2
4
71
КтРА
1+ 0,588WÍ -1 ехр
L
^4кугх/ 7iP|6'|
m =
i
Р2с2к:
IT
p M
(1)
IT
где /<!0 - коэффициент отражения плёнки; Р0 - усреднённое по импульсу значение плотности мощности падающего излучения; т - длительность лазерного импульса на уровне полувысоты импульса; Ь - толщина плёнки; к1Г и к2Т -
коэффициенты теплопроводности; с1 и с2 - удельные теплоёмкости; р1 и р2 -плотности плёнки и подложки, соответственно.
На спектрофотометре СФ-56 был измерен коэффициент отражения никеля (толщина плёнки 150 нм), который составил ^ = 0,75 на длине волны 1064 нм.
Расчётное приращение температуры полоски (АТ) за время импульса составило 11 °С (для расчёта были использованы данные из табл. 1).
Таблица 1
Теплофизические параметры материалов [8]
Вещество р, 103 кг/м3 С, 103Дж/(кгград) кт, Вт/(м-град)
Никель 8,96 0,5 72
Стекло «пирекс» (боросиликатное) 2,3 1,2 1,34
При проведении эксперимента была сделана фотография резистивного датчика импульсной температуры в виде тонкоплёночной резистивной полоски между двумя контактными площадками на поверхности кварцевой подложки (рис. 1). На образце ширина полоски из никеля равна 15,8 мкм, длина 316 мкм, толщина 0,15 мкм, электрическое сопротивление полоски при комнатной температуре 120 Ом.
Рис. 1. Фотография резистивного датчика температуры, размещаемого
в фокусе лазерного луча
В качестве подложки использовались полированные кварцевые диски диаметром 10 мм. Напыление никеля в виде плёнки толщиной (0,1-0,2) мкм производилось в вакууме в установке вакуумного напыления ВУ-1А с помощью электронно-лучевого испарителя через маску с прорезями, определяющими конфигурацию наносимого датчика.
Для расчёта импульсной температуры полоски (АТ) по результатам измерения полезного сигнала - приращения падения напряжения А11 на полоске при лазерном облучении - использовалась формула:
Д Т--Ш- (2)
г0а11
где и - электрическое напряжение питания измерительной цепи; А и - приращения падения напряжения; Яп - сопротивление измерительной цепи; г0 - сопротивление никелевой полоски при комнатной температуре; а - температурный коэффициент электрического сопротивления металла.
На рис. 2 показана схема и фотография приспособления, служащего для закрепления облучаемого образца и подсоединения к его контактным тонкоп-
лёночным площадкам измерительной цепи. На рисунке видно, что контакт осуществляется с помощью пружинных нажимных электродов.
а) б)
Рис. 2. Схема (а) и фотография (б) контактного устройства:
1 - изолирующая подложка, 2 - контактные площадки, 3 - тонкоплёночная металлическая полоска, 4 - область засветки лазерным излучением подложки, 5 и 6 - контакты к контактным площадкам
На рис. 3 показан вид экспериментального стенда для измерения импульсной температуры.
^ ^ V
ч
б)
Рис. 3. Фотография экспериментального стенда для измерения импульсной температуры (а - вид с призмой; б - вид места облучения)
Измерение электрического сопротивления выполнялось четырёхзондовым методом. На рис. 4 представлена электрическая схема измерения температуры в металлической плёнке при облучении лазерным пучком.
Рис. 4. Электрическая схема измерения импульсной температуры облучаемой металлической плёнки
Форма лазерного импульса излучения наблюдалась на экране цифрового осциллографа Tektronix, в качестве фотоприёмника использовался быстродействующий фотодиод ФД-256 (постоянная времени 1...2 нс), установленный в потоке излучения позади глухого зеркала резонатора лазерного излучателя. Входное сопротивление осциллографа шунтировалось резистором с сопротивлением 20 Ом. В качестве измерителя импульсного напряжения сигнала использовался второй канал осциллографа Tektronix. Осциллограммы сигналов резистивного датчика показаны на рис. 5.
Рис. 5. Осциллограмма сигнала резистивного датчика. Длительность лазерного
импульса (нижняя кривая) 250 нс
Данные на осциллограмме подтверждают возможность измерения температуры лазерного нагревания резистивного датчика с временным разрешением до нескольких наносекунд.
Результатами исследований являются разработанная методика измерения импульсной температуры облучаемых импульсным лазерным излучением тонкоплёночных металлических структур с временным разрешением до 10 нс и пространственным разрешением порядка десятков мкм, диапазон измеряемых температур от комнатной до 1500 °С и более, а также экспериментальное подтверждение возможности контроля за структурой тонких металлических плёнок по изменению их удельного электрического сопротивления.
Преимуществом разработанной методики является то, что измерения температуры проводятся в той зоне исследуемого образца, где происходят исследуемые физико-химические процессы [9,10].
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках ГК № 16.740.11.0660 (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Chesnokov D. V., Chesnokov V. V., Reznikova E. F. Problems of nanosecond laser technologies of film microstructures deposition // "7th Int. Conf. on Actual Problems of Electron. Instrum. Eng." APEIE-2004 (Russia, Novosibirsk, 20-23 sept. 2004): Proc., V. 1. - Novosibirsk: NSTU, 2004. - P. 216-226.
2. Чесноков Д. В., Чесноков В. В. Гетерофазный процесс лазерно-пиролитического формирования тонких плёнок в условиях адсорбционного ограничения поступления реагентов // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 2. - С. 3-11.
3. Чесноков В. В., Чесноков Д. В., Кочкарев Д. В. Исследование влияния сил поверхностного натяжения на процессы формирования микроструктур методом LCVD // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 100-109.
4. Роль нестационарных тепловых процессов при осаждении тонких плёнок методом наносекундного LCVD / Д. В. Чесноков, В. В. Чесноков, В. Н. Москвин, Д. С. Михайлова // Доклады АН ВШ РФ. - 2013. - № 1 (20). - С. 119-128.
5. Формирование барьеров Шоттки на кремнии п--типа методом LCVD / В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, М. В. Кузнецов, В. А. Райхерт, Д. М. Никулин // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014. X Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2014» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск: СГТА, 2014. Т. 1. - С. 86-92.
6. Вейко В. П. Лазерная обработка плёночных элементов. - Л.: Машиностроение, 1986. - 248 с.
7. Чесноков В. В., Резникова Е. Ф., Чесноков Д. В. Лазерные наносекундные микротехнологии; под общ. ред. Д. В. Чеснокова. - Новосибирск: СГГА, 2003. - 300 с.
8. Физические величины: Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. -М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.
9. Физико-химические свойства элементов: Справочник / Под ред. Г. В. Самсонова. -Киев: Наукова думка, 1965. - 807 с.
10. Бокштейн Б. С. Диффузия в металлах. М.: Металлургия. 1978. - 548 с.
© Е. В. Лаптев, В. А. Райхерт, Д. М. Никулин, 2015
