ДАТЧИК ЧИСТОТЫ ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИН
PLATE SURFACE PURITY SENSOR

5
-10
Изобретение относится к областям вакуумного и электронного приборостроения, ядерной технике и другим областям, требующим высокой чистоты от поверхностей, работающих в условиях контролируемой внешней среды, в частности очень жестких требований к поверхностям катодов для приборов ночного видения, к стенкам вакуумных камер и приборов в установках термоядерного синтеза, поверхностям приборов для измерения вакуума, и может быть использовано при давлениях в диапазоне 10-10 Па, при влажности рабочей атмосферы в диапазоне 0,1-0,95 RH и температурах от -40 до +150°С.
Требования к чистоте поверхности зависят от уровня реализуемой технологии и параметров изготавливаемого изделия.
Поэтому, например, в мировом производстве изделий микроэлектроники уделяется большое внимание процессам очистки подложек и снижения уровня загрязнений. Контроль степени чистоты поверхности подложек является одной из основных технологических операций, определяющих процент выхода годных изделий микроэлектроники.
На практике применяется большое количество различных методов по оценке качества очистки поверхностей деталей. Существуют разновидности фотометрического метода, дифракционный метод, масс-спектрометрический метод, различные электрохимические методы, радиохимические, электронная Оже-спектроскопия, метод локального рентгеновского анализа, вторичной ионной масс-спектроскопии, сканирующей зондовой микроскопии (см., например, патент РФ №2515117, МПК G01N 19/08, 2012 г., опубликованную заявку РФ №2007108635, МПК G01N 13/02, 2007 г., патент РФ №2358249, МПК G01L 19/06, 2005 г., патент РФ №2380684, МПК G01N 13/02, 2008 г., и др.)
Методы, основанные на смачиваемости поверхности пластин жидкостями, позволяют фиксировать физическую неоднородность поверхности, обнаруживать органические загрязнения. Указанным методам присущи недостатки: малая чувствительность при низких концентрациях загрязнений.
Известен способ (а.с. СССР 1821688, кл. G01N 13/02, 1993) определения чистоты поверхности подложек по величине скорости скольжения контртела по поверхности исследуемой подложки, заключающийся в том, что исследуемую подложку размещают относительно другой, идентичной исследуемой, под углом 5-10° между их плоскостями с касанием в точке. Под действием силы тяжести одной из них осуществляется скольжение контртела по подложке, и по величине скорости скольжения судят о чистоте поверхности подложки.
К недостаткам способа относится необходимость прецизионного контроля величины угла наклона подложек, за счет которого и осуществляется скольжение подвижной подложки (контртела). Высокая чувствительность к изменению величины этого угла приводит к значительному нарушению точности измерения чистоты поверхности подложек, для устранения которого в процесс измерения включают дополнительное устройство контроля за величиной отклонения угла скольжения от заданного значения. Выполнение этого требования значительно снижает производительность способа, усложняет и удорожает процесс измерения.
5
-10
Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является создание датчиков, измеряющих чистоту поверхностей приборов и механизмов, работающих в широком диапазоне давлений (10-10 Па) и в условиях изменения влажности рабочей атмосферы в диапазоне 0,1-0,95 RH, и удобных для использования в вакуумной технике, электронике, точном приборостроении, машиностроении, химической, нефтегазовой и других отраслях промышленности.
Для достижения поставленной задачи датчик чистоты поверхности пластин, содержащий исследуемую пластину, установленную с возможностью движения поверх неподвижной базовой пластины, и измерительный блок, дополнительно содержит прижимную неподвижную полированную пластину, расположенную поверх исследуемой полированной пластины, стойку, на которой закреплены подвижная и неподвижные пластины, выполненную также полированной, упругие пластины, одна из которых соединена с прижимной пластиной и обеспечивает силу прижатия, а вторая через соединительный элемент - с исследуемой пластиной и обеспечивает силу страгирования, тензодатчики, установленные на упругих пластинах, пьезобиморфрые приводы, соединяющие тензодатчики с базой, измерительный блок выполнен в виде измерителей силы прижатия и силы страгирования.
При этом
- пластины, служащие для создания контактных зон (подвижная и неподвижные), выполнены из монокристаллического или плавленого кварца или пластин монокристаллического кремния,
- упругие пластины могут быть выполнены из бериллиевой бронзы или пружинящей стали,
- а тензодатчик - в виде тензорезистора или тензочувствительного пьезорезонатора из монокристалла кварца AT среза.
Изобретение поясняется чертежами, где изображены:
- на фиг. 1 - датчик чистоты поверхности пластин;
- на фиг 2 - чувствительный элемент датчика чистоты поверхности пластин;
- на фиг. 3 - результат измерения профиля поверхности полированной кремниевой пластины с размерами 284×292×4,56 нм;
2
2
Σ
5
-6
4
-5
- на фиг. 4 - экспериментально полученная зависимость коэффициента статического трения SiO-SiO в атмосфере воздуха, диапазон давлений 10-10 Па (коэффициент покрытия Θ=10-10);
0
- на фиг. 5 - диаграмма силы статического взаимодействия (силы страгивания молекул) как функция расстояния по поверхности для пары Si-Si как функции расстояния X атома от поверхности, Х=d⋅Θ, где Θ - коэффициент покрытия поверхности сорбатом - сорбированных молекул загрязнений.
T
N
T
N
T
N
Датчик чистоты поверхности пластин (фиг. 1) содержит неподвижную прижимную полированную пластину 1, полированную исследуемую подвижную пластину 2, неподвижную (базовую) полированную пластину 3, укрепленную на основании стойки 4, упругую пластину 5, обеспечивающую силу страгивания F, упругую пластину 6, обеспечивающую силу прижатия F, тензодатчик 7 для измерения F, тензодатчик 8 для измерения F, пьезобиморфный привод 9 страгивания, пьезобиморфный привод 10 прижатия, базу 11, блок 12 измерения силы F, блок 13 измерения силы F, соединительный элемент 14 подвижной исследуемой пластины 2 с упругой пластиной 5. Пластина 1 также жестко связана с основанием стойки 4, упругие пластины 5 и 6 расположены перпендикулярно друг другу, а пьезобиморфные приводы 9 и 10 связывают упругие пластины с базой 11.
N
T
Принцип работы датчика основан на использовании трех полированных пластин: одной подвижной 2 в плоскостях ее двустороннего контакта и двух неподвижных 1 и 3 в плоскости их взаимных контактов, при этом одна из неподвижных пластин (см. фиг. 2), прижимаясь к исследуемой подвижной пластине 2, создает нормальную (и при этом одинаковую) силу прижатия F - нормальную нагрузку при трении сразу в двух плоскостях трения. Тангенциальная сила страгивания F, инициирующая начало движения исследуемой подвижной пластины 2, обеспечивается пьезобиморфным приводом 9.
N
С помощью пьезобиморфного привода 9 через упругую пластину 5 задается движение пластины 2. Сила прижатия F обеспечивается через упругую пластину 6 пьезоприводом 10. Вследствие перемещения пластины 2 сменяются зоны контакта всех пластин, измеряются силы страгивания, являющиеся функцией коэффициента покрытия, т.е. показателя загрязнения поверхностей.
В изобретении используется связь силы (и коэффициента) трения с силами межмолекулярного взаимодействия между молекулами, находящимися на контактирующих поверхностях трения, зависящими от количества молекул, загрязняющих поверхности, т.е. сорбированных на ней.
При измерении силы статического трения необходимо выделить ту составляющую, которая зависит только от количества слоев молекул, находящихся на поверхностях и выступающих как «загрязнения», для чего надо использовать образцы трения с гладкими поверхностями, где «механическая» составляющая силы трения от срезания микронеровностей минимальна, а силу статического трения измеряют в момент страгивания поверхностей образцов с точки зрения статического контакта. Поэтому в качестве пары контакта для измерения силы статического трения были выбраны полированные пластины, изготовленные из монокристаллов кремния или кварца и обеспечивающие наибольшую поверхность контакта поверхностей (наибольшее значение силы страгивания, доступное для точного измерения), а также обеспечивающие однородность влияния малых толщин сорбированных загрязнений на поверхности пластин на величину измеряемой силы, о чем сказано ниже.
В основе предложенного датчика лежит связь силы и коэффициента трения с силами межмолекулярного взаимодействия между молекулами, находящимися на контактирующих поверхностях трения, зависящими от их количества и вида (размера, полярности молекул, загрязняющих поверхности, т.е. сорбированных на ней). Физическая картина этого взаимодействия известна (см. Mechanics and Physics of Precise Vacuum Mechanisms / Deulin E.A., Michailov V.P., Panfilov Y.V., Nevshupa R.A. / Springer edition. - 2010, p. 234) и хорошо воспроизводима. Задача изобретения состояла в том, чтобы при измерении силы трения выделить ту составляющую, которая зависит только от находящихся на поверхностях «посторонних» молекул газов, выступающих и определяемых нами как «загрязнения», для чего надо было выбрать образцы трения с гладкими поверхностями, где «механическая» составляющая силы трения от срезания микронеровностей минимальна. Поэтому и были выбраны полированные пластины, изготовленные из монокристаллов кремния или кварца, профиль которых (см. фиг. 3) приближен к идеальному таким образом, чтобы на нем были видны участки, гладкие на атомарном уровне, что видно в центральной части приведенного на фиг. 3 графика, полученного с помощью атомно-силового микроскопа.
Мы показали, что профиль контактирующих поверхностей должен быть максимально приближен к «идеальной» плоскости, что помогает убрать «деформационную» составляющую трения, и поскольку контролируемый процесс трения происходит на атомарном уровне, то «путь трения», определяемый конструкцией чувствительного элемента, не должен быть велик. Обеспечивается данное условие выполнением биморфной конструкции механического привода подвижного образца для его ограниченного и контролируемого перемещения, а также использованием пьезодатчиков 7 и 8 деформации гибкой пластины - носителя подвижного образца пары трения, и использованием сверхмалой зоны трения, т.е. масштаба параметра трения, незнакомого традиционным трибологам.
Сопоставление представленной на фиг. 5 диаграммы изменения силы страгивания и энергии отрыва сорбированной молекулы от другой молекулы на поверхности, согласно уравнению Леннарда-Джонса (Lennard-Jones, J.Е. - Proc. Roy. Soc., 1924, v. A 106, p. 463), указывает на их геометрическое сходство и физическое единство.
0
Для подтверждения этой мысли сравним силовые (энергетические) и геометрические шкалы этих диаграмм в одинаковых системах координат. Для этого, как следует из эксперимента, шкала давления (Р) диаграммы (фиг. 5) может быть представлена в размерности расстояния X атома от поверхности (Х=d⋅Θ). Напомним, что отрицательные составляющие диаграммы Леннарда-Джонса представляют ту энергию (силу), которая определяет силу трения (страгивания), измеряемую нами экспериментально.
0
Из рассмотрения фиг. 5 можно сделать вывод, что сила статического трения может быть представлена как функция параметров X (Х=d⋅Θ), Р,
CTP
0
Р(Θ) ограничена лишь этими двумя параметрами, показывающими, что интересующая нас функциональная связь F=f(Х=d⋅Θ) зависит от параметров сорбируемых молекул загрязнений.
Измеряя силы страгивания и силы прижима и используя калибровочные данные, определяют экспериментально коэффициент покрытия Θ - количество слоев сорбированных молекул загрязнений.
Как показано в работе, эксперименты с достаточно "гладкими" поверхностями позволили наблюдать теоретически предсказанные эффекты (Deulin Е.А. The role of adsorbed water film for sliding friction of smooth and rough surfaces // Tribology Science and Application / Ed. F. Franek and C. Kajdas. - Vienna, 2004. P. 115-135) в довольно "чистом" виде. Подобные эксперименты дали результаты, подтверждающие представленную теорию. Показательно, что даже для полученных экспериментальных результатов после расчета параметра Θ для исследованных в этих работах «пар трения» мы получаем хорошее совпадение с предложенной теорией.
Таким образом, предложенный датчик позволяет измерять коэффициент загрязнения в широком диапазоне от 300 до 0,1 слоя сорбата.