Соболев. Качественный рентген

центральную лабораторию. Требуемый прибор должен «уметь» анализировать образцы в любом виде, в том числе отливки, трубы, металлические листы, чушки и т.д. В частности, в электронном производстве предъявляются максимально высокие требования к качеству все более мелких деталей все более сложной формы. Особые трудности возникают при необходимости измерения с высокой точностью толщины слоя даже на самых мелких элементах. Все чаще используемые в последние годы покрытия из дорогостоящих благородных металлов – золота, серебра, родия и т.п. – требуют надежного, точного способа измерения толщины слоев. Но даже самый лучший измеритель толщины слоя не получит широкого признания, если его обслуживание может быть поручено только высококвалифицированному персоналу. Точные измерения толщины слоев приходится проводить в ходе текущего производства, и они должны быть под силу соответствующим об разом обученному специалисту среднего звена. Развитие микроэлектроники и микропроцессорной техники позволило значительно облегчить операции по обслуживанию оборудования, сопровождаемые немедленной выдачей результата измерения и определением разного рода статистических данных. Эти процессы способствовали созданию компактных и приемлемых по цене измерителей толщины слоя на основе рентгеновской флуоресценции. Все большее значение приобретают высокоточные измерения толщины слоя при минимальной геометрии измеряемого пятна. Нередко приходится иметь дело с двухили трехслойной структурой материалов или многослойными сплавами, когда требуется одновременно измерять — без разрушения! — толщину и состав материала. При этом процесс измерения должен отвечать следующим общим требованиям:

•измерение без разрушения, с высокой точностью,

•минимальная геометрия измеряемого пятна,

•исключение влияния промежуточного слоя и состава основного

вещества на результат измерения,

•одновременное измерение верхнего и промежуточных слоев,

•одновременное измерение толщины слоя и легирующей добавки в

случае двухкомпонентных легированных слоев.

Самым распространенным в настоящее время способом измерения толщины слоев, отвечающим приведенным выше требованиям, является именно рентгеновская флуоресценция. При этом объект измерения размещается на измерительном приборе с таким расчетом, чтобы он облучался в месте измерения выведенным рентгеновским лучом. Тогда

возникает характеристическое рентгеновское излучение в слое и основном материале, а также в промежуточных слоях, если таковые имеются.

Рис. 15. Энергетические спектры рентгеновских лучей; вверху: спектр золота, внизу: спектр меди.

С помощью системы детекторов (пропорционального счетчика) получают пропорциональные энергии электрические сигналы. В качестве примера на рис. 15 показан для разных материалов спектр электрических импульсов. На оси X отложена амплитуда электрического сигнала. Поскольку данный сигнал пропорционален энергии рентгеновского излучения, представленный спектр равным образом является энергетическим. На оси Y можно увидеть повторяемость такого электрического сигнала. Теперь задача измерения толщины слоя решается путем электронного выделения из спектра определенной его части. Эта часть, именуемая также окном в спектре, используется для регистрации измеряемого сигнала. Итак, измерение толщины слоя по принципу рентгеновской флуоресценции суть измерение интенсивности излучения совершенно определенной лучистой энергии. Существует два принципиальных метода измерения (рис. 16): метод измерения по эмиссионному принципу, где для измерения привлекается излучение, генерируемое материалом слоя; метод измерения по трансмиссионному принципу, где для измерения привлекается излучение, генерируемое материа-

лом основного вещества. Измеренная интенсивность излучения есть мера толщины слоя. Требуемый метод измерения определяется при фиксации окна в спектре. Если работа ведется по трансмиссионному принципу (то есть с пропусканием), следует принимать во внимание следующее: ни в коем случае не должно быть промежуточного слоя меж ду измеряемым покрытием и основным материалом, так как промежуточный слой тоже действует на ослабление излучения основного материала; толщина основного материала относительно используемого для него характеристического рентгеновского излучения должна соответствовать плотности насыщенной фазы, или толщины слоя насыщения, например, при Си около 60 мкм; состав основного материала изменяться не может, то есть изменения интенсивности распознанного излучения должны быть обусловлены исключительно изменением толщины верхнего слоя.

Рис. 16. Связь между толщиной слоя и скоростью счета при измерении по эмиссионному и трансмиссионному принципу

Интенсивность рентгеновского излучения индицируется в виде скорости счета. В зависимости от вида детектора, каждый фотон или квант регистрируется и подсчитывается отдельно. Следовательно, высокая интенсивность означает в таком представлении много квантов света или, соответственно, фотонов, то есть высокую скорость счета.

Данный параметр пересчитывается в нормированную скорость счета по следующей формуле: где х0 означает скорость счета, измеряемую с деталью без покрытия, xs есть скорость счета для толщины слоя насыщения, ах — измеренная скорость счета. Этот пересчет измеренной скорости счета в нормированную скорость счета имеет множество преимуществ. Прежде всего, подлежащий теперь обработке результат измерения имеет порядок величины от 0 до 1. Нормированная скорость счета 0 представляет собой результат, получаемый с материалом без покрытия; нормированная скорость счета 1 означает, что толщина слоя относительно измеряемого эффекта обладает толщиной слоя насыщения. Заметим, что под толщиной слоя насыщения понимается та толщина, начиная с которой увеличение толщины слоя уже не вызывает усиления измеряемого эффекта. Это означает, что выше этой толщины слоя измерение уже не возможно.

Рис. 17. Зависимость между скоростью счета и толщиной слоя.

Достоинство подобного представления заключается также в том, что независимо от того, ведется работа по эмиссионному либо трансмиссионному принципу, с увеличением толщины слоя нормированная скорость счета возрастает. Через указание нормированной скорости счета в знаменателе обеспечивается то обстоятельство, что при изменениях интенсивности, обусловленных параметрами при бора, например при изменениях интенсивности излучения, выходящего из рентгеновской трубки, посредством нового определения скорости счета х0 и jcs измерительное устройство полностью заново настраивается, и для этого

не требуется построения новой характеристической кривой (рис. 17). На основе указанной зависимости между нормированной скоростью счета и толщиной слоя можно теперь вычислить собственно толщину слоя. Форма при веденной характеристической кривой зависит от конкретной задачи измерения и определяется с помощью стандартов толщины известных слоев. Подходящим математическим способом, запрограммированным в измерителях с микропроцессорным управлением, эта форма может быть описана с использованием ряда коэффициентов. При этом определенный набор коэффициентов представляет конкретную задачу измерения и определяется так называемой программой градуировки, приспосабливающей его для всех времен в решаемой задаче. На рис. 18 приведена характеристическая кривая для измерения толщины слоя золота на никеле. Для понимания названной программы чрезвычайно важно четко различать коэффициенты, описывающие эту характеристику и являющиеся, следователь но, типичными для данной задачи измерения, и постоянные х0 и xs, используемые для пересчета измеренных скоростей счета в нормированную скорость, а именно на основе указанной выше формулы. Обе величины х0 и xs могут зависетьот аппаратурных особенностей и должны поэтому регулярно определяться заново. Такая нормализация измерительного прибора сравнима с установкой нулевой точки другого измерителя, например вольтметра, и не имеет ничего общего с определением характеристики для пересчета измеренного результата в измеряемую физическую величину.

Рис. 18. Графическая характеристика для измерения толщины слоя золота на никеле (эмиссионный принцип).

Если рассматривать точность измерения, которая может быть достигнута прибором, действующим по принципу рентгеновской флуоресценции, то здесь особое значение имеет тот факт, что для регистрации привлекается только излучение ка кого-то определенного материала. Это достигается путем соответствующего выбора окна в спектре. В результате получают очень хорошее отношение сигнал/шум либо весьма благоприятное отношение скорости xs к скорости х0. Теоретически достаточно было бы просто скорости счета х0 = 0, но, в силу физических свойств детектора и измерительной конструкции в целом, можно измерить незначительную фоновую скорость счета даже при материалах без покрытия. По причине того, что пропорциональный счетчик обладает лишь ограниченной избирательностью в отношении излучения разных энергий, характеристическое излучение никеля невозможно четко отделить от характеристического из лучения меди. Если при таких условиях измеряют по эмиссионному принципу толщину слоя никеля на куске меди, то в выбранном окне получают излучение, часть которого принадлежит меди. В этом случае результат измерения обусловлен свойствами основного материала, то есть будет определяться разная толщина слоя никеля в зависимости от того, нанесено ли никелевое покрытие на медь, на Cu-Zn, на медную бронзу либо иные подобные материалы. Избежать такого искажения результата удается иногда с применением дополнительных вспомогательных средств. Итак, рентгеновское излучение вновь поглощается материалом. При этом энергия излучения идет на ионизацию атомов этого материала. Кстати, на извлечение электрона из К-оболочки атома требуется больше энергии, чем ее освобождается при последующем процессе заполнения образовавшейся дырки в результате перехода электрона из вышележащей L-оболочки. Энергия, необходимая для удаления электрона из К-оболочки, есть энергия связи К-оболочки. Сле-14.12. Измерение толщины слоя по методу рентгеновской флуоресценции 463дующим процессом и будет характеристическое К-излучение, содержащее в качестве энергии лишь разность энергий: между энергией связи К-оболочки и энергией связи L-оболочки. Тогда на основе закона Мозли находят следующую зависимость, которая справедлива почти во всех случаях. Характеристическое излучение атома с порядковым номером Z способно вызвать ионизацию атомов с порядковым номером Z-2 в К-оболочке, однако ионизация атомов с порядковым номером Z-1 посредством данного излучения исключается. Поясним это на практическом примере. Когда излучение никеля (Z = 28) и меди (Z = 29) падает на кобальтовую пленку

(Z = 27) толщиной от 8 до 12 мкм, то излучение никеля в более или менее ослабленном виде проходит сквозь нее, в то время как излучение меди сильно уменьшается в этой пленке по той причине, что исходящие от меди лучи идут на ионизацию атомов кобальта в К-оболочке. Такая ионизация невозможна с излучением, посылаемым атомами никеля. Коэффициент поглощения есть мера силы поглощения по интенсивности при проникновении из лучения в пленку. На полученной кривой распознается острая грань, показывающая, что начиная с определенной (пороговой) энергии появляется возможность ионизации атомов кобальта в К-оболочке. Энергии, превышающие эту пороговую величину, претерпевают достаточно сильное поглощение в пленке (рис. 19).Одновременно на этом рисунке схематически отображается интенсивность излучения никеля или меди, измеряемая детектором излучения без кобальтовой пленки между местом измерения и самим детектором. Широкой полосой в виде гистограммы обозначена интенсивность, измеряемая при условии, что между местом измерения и детектором излучения помещена кобальтовая пленка. Конечно, излучение от никеля тоже несколько ослабевает, но излучение меди уменьшается несравненно сильнее. Понижения интенсивности излучения никеля и вызванного этим определенного ухудшения точности измерения удается в значительной степени избежать благодаря почти полному поглощению излучения меди и исключению в связи с этим мешающих эффектов, возможных при изменении состава основного материала.

Рис. 19. Принцип действия поглощающей пленки

Данный прием может быть реализован и для любой другой комбинации веществ. Допустим, требуется измерить слои цинка (Z = 30) на латуни (Z для Си = 29): в этой ситуации имеет смысл воспользоваться поглощающей пленкой из никеля (Z = 28). Если деталь имеет не только покрытие, но в дополнение к нему еще и промежуточный слой, например если берется золото как покровный слой, никель — как промежуточный слой, и все это наносится на медь или латунь, используемые в качестве основного материала, то при измерении толщины слоя методом рентгеновской флуоресценции наблюдается не только излучение материала самого верхнего слоя (золота) и излучение основного материала (меди или латуни), но и из лучение материала промежуточного слоя (никеля). Все три характеристических излучения попадают на детектор. Путем выбора подходящего окна в спектре можно отдельно анализировать соответствующее излучение. Так как три разных излучения попадают на детектор одновременно, то представляется целесообразным оснастить используемую электронику таким образом, чтобы излучение верхнего и промежуточного слоев можно было распознавать одновременно в двух раздельных счетных каналах (рис. 20).На основе нормированной скорости счета, определяемой по измеренной скорости счета излучения покровного слоя, можно обычным способом установить толщину слоя покрытия. Теперь, зная толщину этого верхнего слоя, можно скорректировать измеренный результат скорости счета промежуточного слоя с расчетом на достижение требуемого влияния поглощения верхнего слоя на результат измерения скорости счета излучения, исходящего от промежуточного слоя. За тем на основе этой скорректированной скорости счета можно вновь установить нормированную скорость счета и общепринятым способом с помощью известной характеристики определить толщину промежуточного слоя. Измерение толщины слоя по методу рентгеновской флуоресценции. Очень важно, что обе скорости счета измеряются одновременно в одном и том же месте, так что коррекция измеренной скорости счета излучения на промежуточном слое проводится с правильной толщиной верхнего слоя. Существенным моментом в деле достижения такого одновременного измерения верхнего и промежуточного слоев является правильное определение характеристических кривых с использованием программы градуировки и установочных нормалей толщины слоев на основе известных данных толщины. В частности, необходимо правильно определять соответствующие константы для коррекции измеренного

результата скорости счета промежуточного слоя с учетом существования вышележащего покровного слоя.

Рис. 20. Одновременное измерение верхнего и промежуточного слоев на при мере золота (верхний слой) и палладия (промежуточный слой)

Чтобы выполнить это требование, рекомендуется использовать следующие градуировочные нормали: комплект стандартов материала верхнего слоя известной толщины на материале промежуточного слоя бесконечной толщины, комплект стандартов материала промежуточного слоя известной толщины на основном материале без покрытия. Например, в варианте «золото через никель на меди» используют комплект градуировочных нормалей «золото на никеле» и комплект нормалей «никель на меди». Для правильного выполнения коррекции совершено необходимо, чтобы величины толщины слоев используемых стандартов имели значения, однозначно соответствующие характеристическим кривым, то есть с равномерным распределением в определенном диапазоне измерения.14.12.3. Измерение толщины двухкомпонентного легированного слоя. Если материал слоя состоит не из чистого вещества, а из сплава, то понятно, что в месте измерения генерируются характеристические излучения всех присутствую щих в сплаве компонентов. Возьмем в качестве примера такой слоистой структуры слой свинца и олова (оловосвинцовый припой). В месте измерения возникает характеристическое К-излучение олова, характеристическое L-

излучение свинца и, конечно, также излучение основного материала, причем последнее в данном конкретном случае после толщины слоя свинцово-оловянного сплава в несколько мкм уже никак не попадет на детектор. На основе большой разности энергий двух ха рактеристических излучений удается с помощью подходящей системы детектирования регистрировать эти излучения с достаточно четким разделением. Наибольшая трудность при измерении толщины легированных слоев методом рентгеновской флуоресценции заключается в том, что интенсивность характеристического излучения одного компонента может быть в значительной степе ни обусловлена существованием других компонентов. Причиной этого является так называемое поперечное возбуждение отдельных компонентов сплава. Здесь уместно было бы вспомнить главу, посвященную теме использования абсорбера в процессах измерения. Коротко все вышесказанное можно выразить следующим образом: характеристическое излучение, испускаемое атомами олова, может вновь вызвать ионизацию атомов свинца и тем самым возбудить их излучение. Это приводит к тому, что при измерении толщины свинцово-оловянного слоя обнаруживают непропорционально меньшее излучение олова и непропорционально большее излучение свинца. Степень такого влияния зависит, естественно, от соотношения объемов свинца/олова. Таким образом, невозможно определить толщину легированного слоя, если регистрируется интенсивность излучения только одного компонента (например, олова). Характеристические кривые, отображающие зависимость между интенсивностью излучения и толщиной слоя, в значительной мере определяются составом этого слоя. Следовательно, толщину легированного слоя, состоящего из двух или более компонентов, можно определить лишь в том случае, если состав материала данного слоя не изменяется, а характеристика снимается с применением калибровочных стандартов, состоящих из такого же материала. Если эти требования невыполнимы, как в случае свинцовооловянных слоев, и приходится иметь дело с дополнительным поперечным возбуждением, что так же вполне возможно в такой ситуации, то в обязательном порядке придется одно временно с измерением толщины слоя проводить определение концентрации, причем требования в отношении точности результата подобного измерения не должны быть слишком высокими: для определения концентрации достаточно точности порядка 0,5—1 вес. %. На уровне измерительной техники это решается довольно просто, особенно если одновременно могут детек-