УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ

Устройство относится к измерительной технике, а именно для изучения влияния механических напряжений на физические свойства тонких пленок и предназначено для создания заданного распределения упругих напряжений в плоскости тонкопленочных образцов, осажденных или выращенных на подложках.
При изучении влияния упругих напряжений и пластических деформаций на физические параметры пленок используют искусственное создание напряжений посредством контролируемой деформации пленки вместе с подложкой, в качестве которой обычно используются металлические, стеклянные пластинки разной толщины и органические ленты, например, из полиэтилентерефталата. Деформации создаются изгибом пластинок с упором на параллельных ножах или растяжением органической подложки. При этом пленки, находящиеся на поверхности подложек, также растягиваются или сжимаются.
Известна конструкция испытательной системы [CN101236146(A) Metal thin film /foil dynamic performance critical characteristic dimension test system and method], включающая верхний и нижний штампы для создания изгибающего усилия образца металлической пленки или фольги, укрепленной на подложке, и оборудованная штангенциркулем для измерения величины изгиба. Конструкция имеет ограниченные технологические возможности и сниженные эргономические характеристики.
Известен простой, с точки зрения реализации, способ изгиба пластинок - это использование проволоки заданного диаметра, подложенной под центр подложки, и двух зажимов, расположенных на краях изгибаемой пластинки [Ali M., Watts R. Measurement of saturation magnetostriction using novel strained substrate techniques and the control of the magnetic anisotropy// J. Magn. Magn. Mater. 1999, V. 202, Р. 85-94]. В этом случае проволока и зажимы, охватывающие подложку по всей ширине, изгибают ее, что приводит к возникновению на поверхности пленки упругих напряжений растяжения. Достоинством такого подхода является простота конструкции, однако данному техническому решению присуще существенные недостатки. Во-первых, наличие зажимов по краям подложки препятствует проведению разного рода физических измерений с помощью измерительных головок, которым используемые зажимы не позволяют приближаться к поверхности пленки на малые расстояния. Во-вторых, с помощью такой конструкции достаточно сложно регулировать степень изгиба подложек.
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является конструкция, которая содержит подложку с пленкой и регулировочный винт. [Pust L., Frait Ζ. Method for measurement of magnetostriction constants in (001) thin films using FMR// Phys. Stat. Sol. (a), 1984, V. 85, P. 179-188]. Края подложки упираются в специальные ограничители, выполняющие функцию опоры. При помощи расположенного под центром подложки микровинта с мелким шагом обеспечивается плавная регулировка степени ее изгиба. Такая конструкция позволяет легко управлять изгибом подложки и как следствие напряжениями в пленке. Главный недостаток данного технического решения, существенно ограничивающий круг решаемых задач, связан с допустимым диапазоном величины прогиба подложки, определяемым размерами регулировочного винта и его шага. На практике достаточно сложно для данного решения изготовить систему регулировки, которая бы позволяла осуществлять прогиб в диапазоне от единиц до сотен микрометров.
Задача, на решение которой направленно заявленное техническое решение, заключается в том, чтобы обеспечить в заданном диапазоне контролируемый изгиб подложки с пленкой, повысить степень точности создаваемых в пленке деформаций, снизить технические требования к системе регулировки устройства, обеспечить свободный доступ ко всей поверхности пленки для проведения измерений ее физических параметров.
Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство для создания упругих напряжений в тонких пленках, содержит основание, на котором закреплена пластина с проградуированной шкалой для контроля степени изгиба подложки с пленкой. На специальных выступах основания сверху крепится станина с клиновидным пазом для фиксации с одной стороны края подложки с пленкой и создания под центральной частью подложки неподвижной поперечной опоры. Между основанием и станиной располагается консоль, жестко закрепленная с одной стороны с помощью прижимной пластины к основанию. На конце консоли выполнено отверстие под регулировочный винт, с помощью которого консоль подвергается прогибу. На небольшом расстоянии от зажима консоли расположен выступ с клиновидным пазом для фиксации противоположного края подложки с пленкой. При прогибе консоли производится контролируемый изгиб подложки с пленкой.
Техническим результатом является то, что приведенная совокупность признаков конструкции обеспечивает в заданном диапазоне контролируемый изгиб подложки с пленкой, обеспечивает высокую степень точности создаваемых в пленке деформаций, снижает технические требования к системе регулировки устройства, обеспечивает свободный доступ ко всей поверхности пленки для проведения измерений ее физических параметров.
Заявленное техническое решение поясняется чертежами. На фиг. 1 - общий вид устройства, фиг. 2 - устройство в разобранном состоянии.
Устройство состоит из подложки 1 и последовательно соединенных посредством разъемных крепежных элементов основания 2, станины 3, установленной между ними консоли 4, прижимной пластины 6, измерительной пластины 7 с проградуированной шкалой 8, а также регулировочного винта 9.
Подложка 1 выполнена в форме пластины с двумя противоположными торцами в виде клиньев. Основание 2 выполнено с крепежными элементами на верхней грани в виде двух крепежных выступов 10 для неподвижного крепления станины 3 и одного крепежного выступа 11 с прямоугольным углублением 12 для неподвижного крепления с помощью прижимной пластины 6 одного из концов консоли 4.
Станина 3 выполнена с возможностью размещения на ней подложки 1 и создания под ее центральной частью неподвижной поперечной опоры. Для этого, как вариант, в станине выполнено равное толщине подложке углубление 13 прямоугольной формы, одно из ребер которой, выполняет при изгибе подложки функцию неподвижной опоры.
Консоль 4 изготовлена из упругого материала. На верхней грани консоли ближе к ее неподвижно закрепленному концу выполнен поперечный выступ 5 (консольный выступ). В крайней части, противоположной консольному выступу 5, консоль оборудована сквозным вертикальным отверстием 14 под регулировочный винт 9.
Станина 3 и консольный выступ 5 выполнены с двумя одинаковыми, встречно направленными клиновидными пазами для фиксации с двух сторон клиновидных торцов подложки. Измерительная пластина 7 снабжена вертикальной метрической шкалой 8, и служит для измерения степени изгиба консоли.
Устройство работает следующим образом.
Образец пленки наносят на подложку 1 известным способом, например, выращиванием или осаждением.
Устройство собирают в следующем порядке. На основании 2 укрепляют консоль 4 консольным выступом 5 вверх при помощи прижимной пластины 6 и винтов. Станину 3 укрепляют при помощи винтов на выступах 10 основания 2 углублением 13 вверх. Измерительную пластину 7 присоединяют винтами к торцу основания 2. В отверстие 14 вставляют регулировочный винт 9, закрепляют его в резьбовом отверстии 15. Подложку 1 с образцом пленки вставляют (задвигают) в клиновидные пазы станины 3 и консольного выступа 5.
Для создания упругих напряжений в тонкой пленке используют регулировочный винт 9. Для этого регулировочный винт завинчивают на требуемое количество оборотов. При этом свободный конец консоли 4 смещается вниз к основанию и происходит изгиб всей консоли. Степень изгиба консоли контролируется вертикальной метрической шкалой 8 измерительной пластиной 7. Изгиб консоли приводит к смещению вниз консольного выступа 5, который в свою очередь за счет клиновидного паза в который вставлен один из клиновидных торцов подложки приводит к контролируемой деформации изгиба последней. Допустимый диапазон значений и точность контроля степени изгиба подложки с пленкой определяются конструктивными параметрами устройства, и в первую очередь расположением консольного выступа относительно точки зажима консоли.
Для заданных конструктивных параметров устройства известными способами [например, Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. М. Наука, 1987. 248 с] определяют значения упругих напряжений, создаваемых в тонкой пленке.
Полезная модель, позволяет
- обеспечить в заданном диапазоне контролируемый изгиб подложки с пленкой;
- обеспечить высокую степень точности создаваемых в пленке деформаций;
- снизить технические требования к системе регулировки устройства;
- обеспечить свободный доступ ко всей поверхности пленки для проведения измерений ее физических параметров.