14 Декабря 2017
Автор и должность
Александр Фролов, Василий Прибора, Григорий Кузнецов
Отдел
ООО "Остек-АртТул"
Издание
Вектор высоких технологий №6(35) 2017
Посмотреть в формате pdf

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 0,5–2 мм.

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:

  • программирование позиций измерения: задание координаты каждой точки, автофокусировка в точке, задание количества измерений в одной точке, пауза между измерениями, сохранение видеофотографии точки измерения (M1 Mistral/M4 Tornado);
  • построение карт покрытий с высоким пространственным разрешением (~25 мкм) (M4 Tornado).

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

~ 2-5 нм

~ 2-5 нм

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

0,1-1,5 мм (опционально 25 мкм)

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.