В современном производстве для создания необходимых свойств продукции активно применяются разнообразные однослойные и многослойные покрытия. Это, например, антикоррозионная защита и упрочнение в машиностроении, просветляющие слои в оптике, различные покрытия в электронике и микроэлектронике. Для таких технологических решений необходим специальный контроль качества изделий, и одна из первостепенных задач — автоматизация измерений и контроль качества (толщины) покрытия по всей поверхности образца.
Существует ряд способов для решения этой задачи, однако практически единственным универсальным неразрушающим методом, позволяющим измерять толщину покрытий, является метод рентгеновской флуоресценции с энергодисперсионным детектированием спектров (РФА-ЭДС).
Метод рентгенофлуоресцентного анализа основан на регистрации характеристического рентгеновского флуоресцентного излучения (Рис 1). При облучении вещества жесткими рентгеновскими фотонами существует вероятность выбивания электрона с внутренней орбитали атома. Образовавшийся возбужденный ион возвращается в менее возбужденное состояние, в частности, путем перехода электронов с более высоких оболочек. При таком переходе происходит испускание фотона рентгеновского диапазона с определенной энергией, характерной для данного атома. Зарегистрировав эти фотоны, можно определить по их энергии, из какого атома они были испущены, а по их числу — сколько атомов данного типа есть в образце.
Таким образом можно определить химический состав материалов. Однако этим возможности данного метода не исчерпываются. Регистрируя фотоны, испущенные атомами, расположенными в разных слоях (рис 2), и принимая во внимание поглощение излучения при прохождении через внешние слои, можно определить толщины слоев в однослойных или многослойных покрытиях. Метод позволяет «видеть» то, что скрыто под поверхностным слоем, например, пайку и т. п.
Функционально РФА-ЭДС-спектрометры состоят из источника излучения (рентгеновской трубки), оптики для создания микропучка, камеры образцов с предметным столиком, детектора и блоков электроники.
Рассмотрим формирование микропучка с диаметром от 25 мкм до 1 мм (Рис 3). Излучение от источника (рентгеновской трубки) имеет большую угловую расходимость (до нескольких градусов). Простейший и дешевый способ сформировать узкий пучок — это применить обычную диафрагму (отверстие заданного диаметра в металлической пластине). Недостатком такого метода является высокая потеря интенсивности. На практике его применяют, если надо анализировать объекты размером
В более современном методе используют специальную поликапиллярную оптику (т. н. линзы Кумахова). При помощи этих линз происходит сбор излучения от трубки в большем телесном угле и фокусировка в точке размером до 25 мкм. Эта оптика существенно повышает интенсивность пучка на образце.
Для проведения такого анализа можно использовать линейку приборов, производимых компанией Bruker, в которой есть целое семейство РФА-ЭДС-спектрометров — это M1 Mistral/Ora, M4 Tornado (Рис 4, 5).
Корпорация Bruker
Более 55 лет корпорация Bruker (США) разрабатывает инновационные технологии и предлагает лучшие технологические решения для различных аналитических задач.
Оборудование Bruker — это гарантированный успех в молекулярных исследованиях, в области медицины, фармацевтики, микроскопии, наноанализа и промышленного применения.
Компания Bruker начала активно сотрудничать с ведущими научно-исследовательскими организациями на территории бывшего СССР еще в 1970 году. В это время было основано представительство со штатом из 5 сотрудников. В 1983 году был открыт сервисный центр и демонстрационная лаборатория в Институте химической физики АН СССР. Доктор Уве Айххофф и Барбара Айххофф представляли интересы фирмы в СССР, СНГ и России вплоть до 1998 года. В 1998 году представительство было реорганизовано в ООО «Брукер» — дочернюю структуру международной корпорации Bruker.
Сегодня ООО «Брукер» насчитывает более 50 высококлассных сертифицированных специалистов и специализируется на поставках выпускаемого компанией Bruker спектрального аналитического оборудования.
На Рис 6 представлен типичный спектр, получаемый на РФА-ЭДС-спектрометре M4 Tornado.
Спектрометры Bruker имеют широкий функционал для работы с различными образами, в том числе:
В Tаблице 1 приведены основные характеристики приборов.
Рассмотрим несколько интересных примеров, демонстрирующих возможности метода рентгеновской флуоресценции и спектрометра M1 Mistral.
На Рис 7 и 8 показан профиль толщины золотого покрытия. Предполагая нарушение контакта, было сделано автоматизированное сканирование толщины по линии вдоль анализируемого объекта. В одной из точек было зафиксировано существенное уменьшение толщины золотого покрытия: с ~23 нм до менее чем 5 нм.
Следующий пример демонстрирует возможности метода и РФА-ЭДС-спектрометра M4 Tornado для измерения толщины контактного слоя покрытия. На Рис 9 показан образец — печатная плата, где отмечены точки, в которых проводилось измерение. Результаты определения толщины представлены на Рис 10. Локальность анализа в данном случае составляла 25 мкм.
Таблица 1 Характеристики РФА-ЭДС спектрометров M1 Mistral и M4 Tornado
Аналитический параметр/характеристика |
M1 Mistral |
M4 Tornado |
Максимальное количество определяемых слоев |
12 |
12 |
Минимальная толщина определяемого слоя |
~ |
~ |
Максимальная суммарная толщина анализируемого материала |
Зависит от материала матрицы и для типичных металлов колеблется от 10 до 40 мкм |
Зависит от материала матрицы и для типичных металлов колеблется от 10 до 40 мкм |
Локальность анализа |
|
25 мкм |
Методы расчета |
Фундаментальные параметры/c калибровками |
фундаментальные параметры/c калибровками |
Работа с объектами, анализ: |
По точке По произвольному массиву точек По линии По сетке |
По точке По произвольному массиву точек По линии По сетке По полигональной фигуре |
Картирование по: |
Нет |
По химическим элементам По фазам По толщине (при анализе многослойных покрытий) |
Автоматизация измерений |
Да. Программирование массивов измерения |
Да. Программирование массивов измерения. Программирование картирования |
И, наконец, пример анализа многослойных покрытий. В данном случае анализировали контактное покрытие, состоящее из нескольких слоев: система покрытия Au/Ni/Cu. Проводили автоматизированное сканирование вдоль линии с шагом 0,5 мм. Полученная зависимость толщины от точки измерения (профиль толщины) для Au, Ni, Cu приведены на Рис 11. Для наглядности данные по всем трем элементам совмещены на одной диаграмме.
В статье мы рассмотрели современные РФА-ЭД С-спектрометры компании Bruker M1 Mistral и M4 Tornado, продемонстрировали их возможности для анализа как однослойных, так и многослойных покрытий толщиной от нескольких десятков микрон до десятков нанометров. Спектрометры позволяют решать одну из первостепенных задач — проводить автоматизированный контроль качества (толщины) покрытия по всей поверхности образца без участия оператора, значительно увеличивая эффективность современных производств.