Багатофункціональний метод неруйнівного експрес контролю стану поверхні твердих тіл

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. В.Н. КАРАЗІНА

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук: "Багатофункціональний метод неруйнівного експрес контролю стану поверхні твердих тіл"

Спеціальність - Фізика приладів, елементів і систем

Терещенко Володимир Леонідович

Харків - 2002



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Мамалуй Андрій Олександрович

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, завідувач кафедри загальної

та експериментальної фізики, м. Харків.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Прохоров Едуард Дмитрович

Харківський національний університет

ім. В.Н. Каразіна, завідувач кафедри напівпровідникової та вакуумної електроніки,

м. Харків;

кандидат фізико-математичних наук, с. н. с.

Кукоба Анатолій Васильович

Харківський національний університет радіоелектроніки, доцент кафедри біомедичних електронних приладів і систем, м. Харків.

Провідна установа: Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова

НАН України, відділ напівпровідникової електроніки,

м. Харків

Захист відбудеться 01.03.2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи 4, ауд. 3-9.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою:

61077, м. Харків, пл. Свободи 4.

Автореферат розісланий 20.02.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ляховський А.Ф.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток сучасної технiки йде в напрямку все бiльшого застосування напiвпровiдникових приладiв i мiнiатюризацiї їх елементiв. Визначаючим при цьому є отримання заданого стану поверхні як похідних, так і супутніх матеріалів. Однак, буває важко, а iнодi i неможливо зрозумiти причини технологiчного браку i розбiжностi параметрiв приладiв, виготовлених за єдиною технологiчною схемою. Тому процеси, якi мають місце на поверхнi твердих тіл, визначаючи її стан, хоча й залежать від багатьох факторів, повиннi бути досліджені для подальшого враховування.

З іншого боку, надзвичайна чутливiсть i залежнiсть протiкаючих на поверхні твердих тіл процесів вiд багатьох факторiв, утворює сприятливi умови для розробки чутливих датчикiв теплового випромiнювання, молекулярних та iонних потокiв i т. iн.

Сучасна фізика твердого тіла вирішує широкий спектр задач по дослідженню стану поверхні. Однак, зазвичай, при цьому використовуються досить дорогі та наукоємні методи, які не завжди прийнятні в умовах заводської лабораторії, коли основними вимогами є багатофункціональність та простота. Тому особливу увагу заслуговують питання, що присв'ячені розробці таких методик дослідження, які б дозволили в умовах сучасного виробництва в заводській лабораторії швидко, точно та наглядно контролювати реальні властивості та стан поверхні матеріалів чи виробів.

В металографії відомі методи контролю хімічної неоднорідності сталі по сірці (метод Баумана) і свинцю (метод Брегга). Ці методи мають загальну назву методу відбитків і грунтуються на взаємодії сполук сірки і свинцю з фотоемульсією без процесу проявлення. Однак, в даному разі мова йде про значні концентрації сполук сірки і свинцю, а сучасне виробництво взагалі та приладобудування зокрема потребує універсальних, неруйнівних експрес методів контролю, які здатні реєструвати наднизькі концентрації реагентів.

В дисертаційній роботі досліджено новий ефект, який також спостерігається при взаємодії поверхні деяких твердих тіл (напівпровідників, металів, композитних структур) з фотоплівкою. Результат такої взаємодії - утворення в фотоемульсії прихованого зображення поверхні цих твердих тіл, яке звичайним проявленням можна зробити видимим. Вперше потемніння фотоемульсії при її взаємодії з кремнієм спостерігали В.В. Богобоящий і О.І Єлізаров (Доповіді АН УРСР, №3, 1991р.).

Дисертація присв'ячена експериментальній розробці (на основі даного ефекту, який було названо хемографічним) багатофункціонального методу неруйнівного експрес контролю стану поверхні твердих тіл.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертації тісно пов'язана з науковими напрямками кафедри фізики Кременчуцького філіалу Харківського державного політехнічного університету “Розробка нових фізико-хімічних методів реєстрації змін в стані поверхні твердих тіл та методів їх обробки” (номера держреєстрації 0193U024175, 0193U020746, 0195U006834, 0197U008320) і кафедри загальної та експериментальної фізики Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” “Дослідження структури та фізичних властивостей складних напівпровідникових матеріалів та можливостей їх практичного застосування” (МО613). При виконанні НДР (0193U020746) дисертант за сумісництвом працював провідним інженером.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертацiйної роботи є розробка оригінального, багатофункціонального, чутливого, порівняно простого, неруйнівного експрес методу контролю стану поверхнi твердих тiл задля його практичного використання в умовах заводських та науково-дослідних лабораторій, коли виникає потреба швидко, точно та наглядно контролювати реальні властивості та стан поверхні матеріалів (металів, напівпровідників, композитних структур), які, за умов сучасного наукоємного виробництва та функціонування в реальних умовах, перебувають під різноманітними впливами, зокрема, швидкій зміні температури, дії агресивного середовища, електро-магнітних полів, тощо.

Об'єкт експериментального дослідження - хемографічний ефект, його фізичний механізм, особливості проявлення в різних умовах.

Предмет дослідження - вплив різноманітних зовнішніх дій на активність поверхні, аналіз можливості багатофункціонального практичного використання методу, який розробляється в дисертаційній роботі.

Методи дослідження - комплекс експериментальних методів. Зокрема, для контролю змін стану поверхні після впливу на неї різноманітних зовнішніх дій використовувалися оже-спектроскопія, електронна мікроскопія, мас-спектрометрія, а для аналізу отриманих відбитків поверхні твердих тіл - фотометрія.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше на основі проведених комплексних експериментальних досліджень розроблено багатофункціональний, досить простий метод неруйнівного експрес контролю стану поверхні широкого класу металів, напівпровідників, композитних структур.

Вперше в результаті експериментальних досліджень стану поверхні різноманітних матеріалів методами оже-спектроскопії, електронної мікроскопії, мас-спектрометрії зроблено висновок, що досліджуваний в дисертаційній роботі ефект обумовлено окислювальними процесами на поверхні твердих тіл в різних агресивних середовищах, зокрема, їх начальною стадією, коли спостерігається зворотна адсорбція кисню.

Вперше вивчення впливу на процеси адсорбції-десорбції кисню з середовища, в якому проводиться експеримент, направленої іонізації, через опромінення ультрафіолетом, знаходження поверхні в умовах газового розряду, бомбардування поверхні високоенергетичними частинками (зокрема, іонами аргону), а також вивчення впливу електричного поля, дозволили констатувати, що основними носіями інформації про стан поверхні є десорбовані іони кисню, які мають негативний заряд.

Визначено широкий спектр практичного використання ефекту:

- для дослiдження поверхнi напівпровідників і металів;

при реєстрацiї iонних потокiв і продуктiв деяких плазмохiмiчних процесів;

для дослiдження дифузiйних процесiв, специфіки окислення різних матеріалів в тих чи інших умовах;

в металографії: для контролю технологічного процесу при одержанні сплавів як за складом, так і за розміром зерна; для виявлення розподілу механічної напруженості в твердому тілі; в процесах планарної технології;

при отриманні теплової фотографії з “пам'яттю”.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблений метод дослiдження стану поверхнi твердих тiл призначений для широкого застосування в науцi i технiцi, зокрема, у металографiї, при розробці та виробництвi пристроїв і приладiв.

Його вже впроваджено в центральних заводських лабораторiях ВАТ “Кременчуцький колiсний завод”, ХК “Кременчуцький автомобільний завод”, ВАТ “Кременчуцький сталеливарний завод” для металографiчних дослiджень якостi низьковуглецевої сталi, при контролі зварних з'єднань.

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень, що увійшли до дисертації отримані або особисто автором, або при безпосередній його участі в виготовленні обладнання, постановці експериментів, їх проведенні, чи обговоренні і аналізі отриманих результатів. Тому, хоча технічна підготовка і проведення експериментів по дослідженню теплового поля та контролю якості зварних з'єднань (робота [9]), і аналіз отриманих результатів (роботи [7, 9, 10]) виконано у співавторстві, внесок дисертанта є визначальним.

Апробація роботи. Основнi результати дисертацiйної роботи доповiдались на регіональній НТ конференції “Проблемы создания новых машин и технологий” (1996 р., м. Кременчук); міжнародній НТ конференції “Проблемы создания новых машин и технологий” (1999 р., м. Кременчук); щорiчних наукових конференцiях спiвробiтникiв КДПУ та молодих вчених КДПУ (1994 - 1999 р.).

Публікації. Результати дослiджень викладено у 20 друкованих роботах: 15 статтях та 5 тезах. Основні з них (15) приведено в авторефераті, серед яких 8 опубліковано у фахових виданнях.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку літератури та додатків. Загальний обсяг дисертації - 145 сторінок. Основний зміст викладено на 116 сторінках тексту. У дисертації 70 рисунків та 3 таблиці. Список літератури на 8 сторінках нараховує 70 найменувань.



ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи; сформульовано мету та задачі дослідження; визначено новизну та практичне значення роботи; наведено інформацію про особистий внесок здобувача, апробацію результатів дисертації та публікації; приведено основні положення дисертації, які виносяться на захист.

У першому розділі приводиться огляд літератури.

У підрозділі 1.1 розглянуто основні методи дослідження поверхні твердих тіл. Окрім того, дано характеристику структури твердих тіл та змін стану, які викликають дефекти різної природи.

У підрозділі 1.2 приведено огляд робіт, що присв'ячені дослідженню фізичних процесів на поверхні твердих тіл, які обумовлені взаємодією її з складовими активного газового середовища. Зокрема, в пункті 1.2.1 дано характеристику процесам адсорбції та десорбції кисню на металах та напівпровідниках у різних температурних умовах і при варіації тиску; розглянуто різні стадії окислення твердих тіл та поверхнева дифузія кисню. Особливу увагу приділено умовам, коли виникає стадія зворотної адсорбції кисню на металах та напівпровідниках.

У пункті 1.2.2 приведено основні методи вивчення адсорбції.

Так як експериментально встановлено, що використання фотоемульсії в якості реєструючого пристрою при вивченні досліджуваного в дисертаційній роботі ефекту має ряд переваг, у підрозділі 1.3 розглянуто механізм формування прихованого зображення в фотоемульсії.

Про можливості практичного використання фотографічних процесів в наукових дослідженнях зазначено у підрозділі 1.4.

Розробці методики реєстрації ефекту присв'ячено другий розділ роботи. Особливу увагу приділено вибору чутливого до наднизьких концентрацій реагентів реєструючого пристрою і отриманню зображень досліджуваної поверхні з більшою розділовою здатністю, що, в свою чергу, відкриває значно ширші можливості для практичного використання методу неруйнівного контролю, який розробляється в дисертаційній роботі.

Використання сцинцилюючого екрану в якості реєструючого пристрою має ряд переваг, зокрема, можливість отримання “моментального” зображення досліджуваної поверхні. Однак, виходячи з наднизької концентрації реагентів (згідно з проведеними розрахунками, 10-16 - 10-12 м. ч.), цей екран повинен мати велику чутливість, що з технічного боку забезпечити досить складно. Тому в якості реєструючого пристрою вибрано фотоемульсію. Такий вибір обумовлено тим, що фотоемульсія має достатню чутливість, дозволяє акумулювати вплив реагентів, а процес проявлення ще й підсилює їх дію у 106 - 107 разiв.

При дослідженні стану поверхні твердих тіл використано (основану на фотометрії) стандартну методику сенситометрії, яку рекомендував у 1925 р. Міжнародний конгрес з фотографії.

В більшості експериментів в якості реєструючого пристрою використовувались негативнi фотопластини та листова фотоплiвка ФН-64. Оптична густина почорніння фотоемульсії вимiрювалась за допомогою мікрофотометра МФ-4.

Якщо зразок на певний час розташувати в темряві активною, тобто очищеною від оксидної плівки, поверхнею паралельно з фотопластинкою, то після наступного процесу проявлення та закріплення на ній можна спостерігати область, контури якої відтворюють форму зразка. Отриманийзнімок несе певну інформацію про стан поверхні твердих тіл (рис. 1).

При розробці методики реєстрації отримано характеристичні криві (рис. 2) та ряд необхідних залежностей, зокрема, залежності оптичної густини почорніння фотоплівки від часу експозиції та від відстані між поверхнями досліджуваного зразка та фотопластинки.

У третьому розділі приведено результати дослiдження впливу зовнiшнiх факторiв на активність поверхні твердих тіл.

Встановлено, що на відміну від методу відбитків, в досліджуваному ефекті зображення формується як при контактній взаємодії, так і на деякій відстані між поверхнею напівпровідника чи металу та фотоплівкою. Здатними до такої взаємодії з фотоемульсією є широке коло речовин. Це свідчить про те, що ефект не пов'заний з окремою хімічною реакцією або присутністю домішки.

Встановлено, що на реагентоздатність поверхні твердих тіл впливають температура, тиск, хiмiчний склад атмосфери, її вологість; час та умови зберiгання зразкiв; час експозицiї; механiчний стан поверхнi зразкiв; умови обробки фотоматерiалу. Вивчено вплив на активність досліджуваної поверхні тліючого розряду, ультрафіолетового опромінення, іонізованого повітря, потоків високоенергетичних іонів, електромагнітних полів.

Проведення оже-спектрометричних, мас-спектрометричних досліджень поверхні твердих тіл, спостереження її за допомогою електронного мікроскопа дозволили встановити зв'язок між реагентоздатністю поверхні в досліджуваному ефекті і процесами адсорбції-десорбції, які на ній мають місце. Зокрема, приведені на рис. 3 оже-спектрограми прямо вказують на те, що втрата активності поверхні пов'язана з її окисленням. Отримані оже-спектрограми також свiдчать про те, що здатнiсть напiвпровiдника вступати у взаємодiю з фотоматерiалом не була обумовлена присутнiстю на його поверхнi випадкових хімічно активних домiшок, якi могли б безпосередньо вплинути на фотоемульсiю.

В таблицi 1 приведено склад поверхневого шару активного зразка кремнію i зразка, який частково втратив реагентоздатність.

Висновки, що активність поверхні твердих тіл обумовлена гетерогенними процесами окислювального характеру, підтверджено експериментами на мас-спектрометрі МС7201.

Для дослідження були пiдготовленi окисленi та активнi (неокисленi) зразки кремнiю i попарно обробленi пучком iонiв аргону з енергiями до 6кеВ на протязi 30 с, 180 с, 600 с та 60 хв.

Слід зазначити, що на активність реагентоздатної поверхні контрольних зразків іонний пучок не впливає, а на окислених зразках, знімаючі поверхневий шар оксидів, відновлює активність тієї частини поверхні, куди він потрапляє (рис. 4). На рис. 5 а, представлено фотографiю поверхнi зразка кремнiю пiсля обробки її пучком iонiв, отриману за допомогою електронного мiкроскопу (збiльшення 61). На знімку добре видно чiтку межу мiж окисленою поверхнею зразка та поверхнею, що знаходилася пiд дiєю iонного пучка. Рельєф поверхні зразка після його обробки пучком іонів відображено на рис. 5 б (збільшення 4000).

В підрозділі 3.2 описані експерименти, які проведено у водному середовищі при варiацi? температури в промiжку від 15 0С до 40 0С. Зокрема, отримано насичені активними сполуками реагентоздатні розчини; дослiдженi явища дифузi? цих активних сполук (на рис. 6 приведено залежність дифузійного шляху активних сполук від часу); визначено ?х коефiцiєнт дифузi? у водi при кiмнатнiй температурi; проведено розрахунки енергi? активацi?; отримано залежнiсть густини почорнiння плiвки вiд концентрацi? активних сполук (рис. 7). тіло поверхня метал напівпровідник

Значення коефiцiєнта дифузi? (як показали розрахунки, він дорiвнює приблизно 10-5 см2/с) та енергi? активацi? (0,14 - 0,17 еВ), отриманi в даних дослiдах, ? типовими при нормальних умовах для iонiв кисню та водню у водi. Незвичною для ре?страцi? ? наднизька концентрацiя активних сполук в промiжку кристал-фотоплiвка.

З метою кращого зрозуміння механізму активності поверхні проведено ряд допоміжних експериментів (підрозділ 3.3). Зокрема, на рис. 8 представлено схему дослідження впливу іонізованого повітря на реагентоздатність активних водних розчинів, яке ще раз підтверджує, що найбільша активність твердого тіла спостерігається саме при початковій стадії окислення його поверхні.

Для встановлення знака іонів, які відіграють основну роль у переносі інформації про стан досліджуваної поверхні на реєструючий пристрій, проведено експерименти в електричному полі.

Дослідження проводилися при варіації часу експозиції від 3 до 60 хвилин, різниці потенціалів від 0 до 450 В, полярності електродів та відстані між ними. Схема експерименту представлена на рис. 9. Відстань між поверхею досліджуваного зразка і реєструючим пристроєм змінювалася від 2 до 20 мм. Реєструючим пристроєм була емульсія скляної фотопластинки.

В результаті експерименту встановлено знак заряду іонів.

У підрозділі 3.4 проведено аналіз експериментальних даних і зроблено висновок про механізм процесу, що визначає активність поверхні в досліджуваному ефекті.

Оже-спектрометричні та мас-спектрометричні дослідження поверхні твердих тіл, спостереження її за допомогою електронного мікроскопа, експерименти в водному середовищі та в електричному полі дозволили встановити, що вирішальну роль у перенесенні інформації про стан поверхні твердих тіл відіграють негативно заряджені іони кисню, генерація яких відбувається при початковій стадії окислення, коли спостерігається зворотна адсорбція кисню [10].

Концентрація сполук, що покидають поверхню твердого тіла обумовлена енергією зв'язку Wзв та температурою. Залежність величини Wзв від ряду причин, вірогідно, визначає багатофункціональність розробленого в дисертації методу.

Проведенi експерименти, які дозволили встановити фізичний механізм ефекту, лягли в основу досліджень по розробці та практичному використанню в електронній та машинобудівній промисловості нового методу спостереження i реєстрацiї стану поверхнi твердих тіл.

Четвертий розділ присв'ячено дослідженню шляхів і напрямків практичного використання представленого в дисертаційній роботі методу.

Сучасна технiка для отримання зображення теплового поля, яка реєструє iнфрачервоне випромiнювання напiвпровiдниковими елементами (якщо це не матричнi структури) вимагає використання скануючої системи, конструкція якої досить складна.

Виходячи з встановленого фізичного механізму, який обумовлює активність поверхні, запропоновано принципово нову методику реєстрації теплового випромінювання з “пам'яттю”. Цьому присв'ячено підрозділ 4.1. Отримані теплові фотографії (рис. 10) повністю підтвердили зроблені припущення.

Першi спроби реєстрації теплового випромінювання за допомогою запропонованого методу були пов'язанi з контактним нагрівом (рис. 10 а) та безпосереднiм опромiненням поверхнi твердих тіл, зокрема кремнiю.

Недолiком цього способу, як показав експеримент, є неможливiсть реєстрування слабких теплових потокiв через високу теплопровiднiсть кремнiю, яка призводить до значного розсiювання тепла.

Виготовлення чутливого елемента у вигляді мозаїчної структури, або у виглядi сумiшi порошка, зокрема, кремнiю i в'яжучої речовини (наприклад, епоксидної смоли) дозволило пiдвищити чутливiсть елемента приблизно на порядок і зареєструвати менш потужний тепловий потiк (від джерела 5 Вт). Однак, забруднення поверхнi в'яжучою речовиною, яке інколи мало місце при підвищенні температури, визивало неконтрольованi змiни в системі.

Пошук iнших способiв отримання теплової фотографiї призвів до використання впливу на активність поверхнi реєструючого пристрою деяких речовин (зокрема, водяної пари) потiк яких би керувався тепловим полем.

Запропонована така схема експерименту. Потiк тепла, зфокусований на екранi-емiтерi, випаровує з нього в вузький промiжок мiж екраном i реєструючим пристроєм (зокрема, пластинкою кремнію) молекули води, якi активно впливають на його реагентоздатнiсть. В цьому випадку процес отримання теплової фотографiї складається з двох частин. Це отримання теплового зображення на екранi-емiтерi (перша частина) i процес його переносу з екрана на реєструючий пристрій за допомогою активних сполук (друга частина).

Саме за такою схемою отримані зображення, які представлено на рис. 10 б і рис. 10 в.

В результаті серiї дослiдiв, виконаних з метою вибору активної рідини (пари якої б не конденсувалися на реєструючому пристрої) та визначення оптимальних умов реєстрацiї теплового випромiнювання, вдалося пiдвищити чутливiсть до сприймання теплового випромiнювання вiд кiлькох ватт до сотих долей ватту на 1 см2 i навіть зареєструвати потiк тепла вiд спiралi в iнфрачервоному дiапазонi.

Слід також зазначити, що запропонована методика має певну перевагу перед традиційними методами - можливість спостереження розподілу теплових полів через певний час після їх зникнення, тобто теплову “пам'ять”.

Так як розподіл напруженостей на поверхні твердих тіл та наявність на ній дефектів призводить до зміни умов десорбції (зокрема, атомів кисню), у підрозділі 4.2 автором запропоновано використання розробленого в дисертації методу у металографії.

Дійсно, експериментальні дослідження показали, що запропонована методика дозволяє контролювати не тільки дефекти поверхневої структури твердих тіл, а й розподіл механічної напруженості. Наприклад, при контролі зварних з'єднань виникає необхідність визначати розташування зварного шва та глибину проплавлення металу. Приведені на рис. 11 зображення перерізу зварного з'єднання обода з диском колеса наглядно ілюструють можливість використання запропонованого методу для контролю якості зварних швів.

Слід зазначити, що на звичайній фотографії наявність зварного з'єднання не спостерігається.

Виходячи з того, що різні матеріали по-різному проявляють свою активність, у підрозділі 4.2 розглянуто можливість використання запропонованого методу для дослідження стану поверхні та структури композитних матеріалів в металографії сплавів.

Результати досліджень по контролю стану тонких плівок приведено у підрозділі 4.3. Рисунок 12, зокрема, ілюструє можливість спостереження в мікроелектроніці якості напилення. Тонкі смужки плівки міді моделюють контактні доріжки, нанесені на підкладку з ізолюючого матеріалу чи напівпровідника. Товщина напиленої плівки d ~ 0,2 мкм. Слід зазначити, що таким чином можна зафіксувати деякі дефекти напилення, наприклад, розрив контактної доріжки.

В підрозділі 4.4 розглянуто можливість визначення окислювального потенціалу поверхні твердих тіл за допомогою фотоемульсії.

Таким чином, розроблено багатофункціональний метод дослiдження стану поверхнi твердих тiл, який може бути широко застосовано в науцi i технiцi, однак, при сучасному наукоємному виробництві найбільші перспективи відкриваються для його використання в умовах саме заводської лабораторії.



ВИСНОВКИ

В результаті проведених експериментів

розроблено оригінальний, багатофункціональний, чутливий, порівняно простий у використанні, метод неруйнівного експрес контролю стану поверхнi широкого класу напівпровідників, металів, композитних структур;

встановлено, що вирішальну роль у прояві ефекту відіграють негативно заряджені іони кисню, генерація яких відбувається при початковій стадії окислення, коли спостерігається зворотна адсорбція кисню;

досліджено основні параметри, вiд яких залежить активність поверхні досліджуваних систем.

Проведення в різних умовах експериментальних досліджень при розробці багатофункціонального методу дозволило визначити можливості його практичного використання, зокрема,

для дослiдження поверхнi широкого класу напівпровідників, металів, композитних структур;

при реєстрацiї iонних потокiв і продуктiв деяких плазмохiмiчних процесів;

для дослiдження дифузiйних процесiв; специфіки окислення різних матеріалів в тих чи інших умовах;

в металографії: для контролю технологічного процесу при отриманні сплавів як за складом, так і за розміром зерна; для виявлення розподілу напруженості в твердих тілах; в процесах планарної технології;

при отриманні теплової фотографії з “пам'яттю”.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Терещенко В.Л. Метод дослідження поверхні твердого тіла за допомогою фотоемульсії - метод хемографії // Механіка та машинобудування. - 1999. - № 1. - С. 241 - 247.

2. Терещенко В.Л. Зміни в методиці отримання прихованого хемографічного зображення в фотоемульсії // Вісник Харківського національного університету. Сер. Радіофізика та електроніка. - 2000. - № 467. - С. 93 - 97.

3. Терещенко В.Л. Дослідження впливу вологості та температури на ефект взаємодії поверхні твердого тіла з фотоемульсією // Радіоелектроніка і інформатика. - 2000. - № 4. - С. 27 - 31.

4. Терещенко В.Л. Про можливість використання методу хемографії для реєстрації теплового випромінювання // АСУ. - 2000. - № 111. - С. 66 - 71.

5. Терещенко В.Л. Дослідження впливу іонів на ефект взаємодії поверхні твердого тіла з фотоемульсією // Радіоелектроніка і інформатика. - 2000. - № 3. - С. 37 - 41.

6. Tereshchenko V.L. Influence of external factors on semiconductor-photoemulsion interaction effect // Functional materials. - 2000. - Vol. 7, № 2. - Р. 358 - 360.

7. Елизаров А.И., Терещенко В.Л. Исследование эффекта взаимодействия поверхности твердых тел с фотоэмульсией в системе кристалл-жидкость-фотопленка // Конденсированные среды и межфазные границы. - 1999. Т. 1, № 2. - С. 129 - 131.

8. Терещенко В.Л. Нові можливості в металографії // Механіка та машинобудування. - 2000. - № 1. - С. 247 - 251.

9. Терещенко В.Л., Куц В.М. Про можливості практичного використання методу хемографії // Вісник Харківського національного університету. Сер. Фізика. - 2000. - № 476. - С. 111 - 115.

10. Мамалуй А.О., Терещенко В.Л. Метод хемографії - суть та можливі шляхи практичного використання // Вісник Харківського національного університету. Сер. Радіофізика та електроніка. - 2001. - № 513. - С. 69 - 73.

11. Куц В.М., Терещенко В.Л. Роль паров воды в формировании скрытого хемографического изображения в фотоэмульсии // Матеріали науково-технічної конференції молодих вчених і спеціалістів КФ ХДПУ 1995р. - Кременчук. - 1995. - С. 33.

12. Терещенко В.Л. Исследование влияния продуктов тлеющего разряда на хемографическую реагентоспособность поверхности пластины кремния // Матеріали науково-технічної конференції молодих вчених і спеціалістів КФ ХДПУ 1995р. - Кременчук. - 1995. - С. 35.

13. Єлізаров О.І., Сукачов О.В., Терещенко В.Л. Дослідження впливу продуктів тліючого розряду на хемографічну реагентоздатність поверхні кремнію // Научные труды Регион. НТ конф. “Проблемы создания новых машин и технологий”. - Кременчуг (Украина). - 1996. - С. 70 - 73.

14. Терещенко В.Л. Дослідження впливу іонів на хемографічний ефект // Научные труды КГПИ (доклады Междунар. НТ конф. “Проблемы создания новых машин и технологий”). - Кременчуг (Украина). - 1999. - С. 233 - 236.

15. Терещенко В.Л. Новий метод контролю стану поверхні твердого тіла за допомогою фотоемульсії // Научные труды КГПИ (доклады Междунар. НТ конф. “Проблемы создания новых машин и технологий”). - Кременчуг (Украина). - 1999. - С. 237 - 241.



АНОТАЦІЯ

Терещенко В.Л. багатофункціональний метод неруйнівного експрес контролю стану поверхні твердих тіл. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем. Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2002.

Проведено комплексне дослідження фізичного механізму, який обумовлює активність поверхні широкого класу металів, напівпровідників, композитних структур в хемографічному ефекті. Встановлено вплив різноманітних факторів на його проявлення як в газовому середовищі, так і в рідині. З'ясовано, що активність твердого тіла обумовлена зворотньою адсорбцією кисню, який у вигляді негативно заряджених іонів продукує його поверхня на початковій стадії її окислення. На основі встановленого фізичного механізму ефекту розроблено багатофункціональний метод неруйнівного експрес контролю стану поверхні твердих тіл, експериментально підтверджені широкі перспективи його застосування в науці і техніці, зокрема, при дослідженні стану поверхні широкого класу металів, напівпровідників, композитних структур; в металографії; в процесах планарної технології; при отриманні теплової фотографії з “пам'яттю”.

ключові слова: тверде тіло, теплове випромінювання, неруйнівний контроль, металографія, мікроелектроніка.

Терещенко В.Л. многофункциональный метод неразрушающего экспресс контроля состояния поверхности твердых тел. - Рукопись.

Дисертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 - физика приборов, элементов и систем. Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, 2002.

Развитие современной техники предполагает широкое использование полупроводниковых приборов при условии миниатюризации их элементов. Определяющим при этом есть получение заданного состояния поверхности как исходных, так и сопутствующих материалов. Однако, бывает тяжело, а иногда и невозможно понять причины технологического брака и расхождения в показаниях приборов, изготовленных по единой технологической схеме. Поэтому процессы, которые имеют место на поверхности твердых тел, определяя ее состояние, хотя и зависят от многих факторов, должны быть исследованы для дальнейшего учета.

Современная физика твердого тела решает широкий спектр задач по исследованию состояния поверхности. Однако, обычно, при этом используются довольно дорогие наукоемкие методы, которые не всегда целесообразны в условиях заводской лаборатории, когда основными требованиями, как правило, есть многофункциональность и простота. Поэтому на особое внимание заслуживают вопросы, посвященные разработке таких методик исследования, которые бы позволили в условиях современного производства в заводской лаборатории быстро, точно и наглядно контролироварь реальные свойства материалов и изделий.

В работе исследован новый эффект, названный хемографическим, который наблюдается при взаимодействии поверхности твердых тел (металлов, полупроводников, композитных структур) с фотопленкой. Результат такого взаимодействия - образование в фотоэмульсии скрытого изображения поверхности этих твердых тел, которое обычным проявлением можно сделать видимым. Проведено комплексное исследование физического механизма, который обуславливает активность поверхности широкого класса металлов, полупроводников, композитных структур в хемографическом эффекте. Установлено влияние разнообразных факторов на его проявление как в газовой среде, так и в жидкости. Примечательно, что вода сохраняет активную способность по отношению к фотоэмульсии даже после удаления из нее твердого тела. Исследованы кинетические зависимости эффекта, установлен его диффузионный характер, рассчитаны параметры диффузии. Экспериментально установлено, что активность твердого тела обусловлена обратной адсорбцией кислорода, который в виде отрицательно заряженных ионов испускает его поверхность при начальной стадии ее окисления.

На основе установленого физического механизма исследованого эффекта разработано оригинальный, многофункциональный метод неразрушающего экспресс контроля состояния поверхности твердых тел; экспериментально подтверждены области его практического использования. Метод имеет широкие перспективы применения в науке и технике, в частности, при исследовании состояния широкого класса металлов, полупроводников, композитных структур; в металлографии; в процессах планарной технологии; при получении тепловой фотографии с “памятью”. Неимоверная чувствительность и зависимость протекающих на поверхности твердых тел реакций от многих факторов создает благоприятные условия для разработки чувствительных датчиков теплового излучения, молекулярных и ионных потоков, и т. д. Однако, наибольшие перспективы открываются для его использования в условиях именно заводской лаборатории.

ключевые слова: твердое тело, тепловое излучение, неразрушающий контроль, металлография, микроэлектроника.

Tereshchenko V.L. Multifunctional method of non-destructive express test of solid surface condition. - Manuscript.

Dissertation is to achieve degree of Candidate of Science on speciality 01.04.01 - рhysics of apparatus, components and systems. V.N. Karazin Kharkov National University, Kharkov, 2002.

Comprehensive analysis of physical mechanism which causes surface activity of wide range of metals, semiconductors, composite structures under the chemography effect has been carried out. The influence of various factors on its development both in gaseous medium and liquid has been ascertained. It has been proved that activity of a solid is caused by inverted adsorption of oxygen emitted in the form of negative ions by solid surface at the initial stage of oxidation. Multifunctional method of non-destructive express test of solid surface condition has been developed on basis of the proven physical mechanism of the examined effect. The method has a wide sphere of practical application in the fields of science and engineering, for instance, under researching surface condition of large group of metals, semiconductors, composite structures; in metallography; in processes of planar technology; under taking a thermal photography with “memory”.

Key words: solid, thermal radiation, non-destructive, metallography, microelectronics.

Размещено на Allbest.ru

...