Реферат: Радиоволновые, радиационные методы контроля РЭСИ. Методы электронной микроскопии

Министерствообразования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет информатики и

радиоэлектроники

кафедра РЭС

РЕФЕРАТ

на тему:

«Радиоволновые, радиационные методыконтроля РЭСИ. Методы электронной микроскопии»

МИНСК, 2008


Радиоволновый метод

  Радиоволновые методы основаны навзаимодействии электромагнитного поля в диапазоне длин волн от 1 до 100 мм с объектом контроля, преобразовании параметров поля в параметры электрического сигнала ипередаче на регистри­рующий прибор или средства обработки информации.

По первичному информативному параметруразличают следующие СВЧ-методы: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый,геометрический, времен­ной, спектральный, поляризационный, голографический. Областьприменения СВЧ-методов радиоволнового вида неразрушающего контроля приведен втаблице 1 и в ГОСТ 23480-79.

Табл. 1 –

Радиоволновые методы неразрушающегоконтроля

Название метода Область применения Факторы, огра­ничивающие область приме­нения Контролируе­мые параметры Чувствитель­ность По­греш­ность Ампли- тудный Толщинометрия полуфабрикатов, изделий из радиопрозрачных материалов

Сложная кон­фигурация. Из­менение зазора

между антеной преобразователя и поверхностью конт-роля.

Толщина до 100 мм 1 – 3 мм 5% Дефектоскопия полуфабрикатов, изделий и конст­рукций из ди­электрика Дефекты: тре­щины, рас­слоения, недопрес-совки Трещины бо­лее 0,1 – 1 мм Фазовый Толщинометрия листовых мате­риалов и полу­фабрикатов, слоистых изделий и конструкций из диэлектрика. Волнистость профиля или поверхности объекта контро­ля при шаге менее 10L. От­стройка от влияния ампли­туды сигнала Толщина до 0,5 мм 5 – 3 мм 1% Контроль «элек­трической» (фа­зовой) толщины Толщина до 0,5 мм 0,1 мм Ампли-тудно -фазовый Толщинометрия материалов, по­луфабрикатов, изделий и конст­рукций из ди­электриков, кон­троль изменения толщины. Неоднознач­ность отсчета при изменении толщины более 0,5А, Е Измене­ние диэлектри­ческих свойств материала объек-тов контроля величиной бо­лее 2%. Толщи­на более 50 мм.

Толщина 0 –

50 мм

0,05 мм ±0,1 мм Ампли-тудно -фазовый Дефектоскопия слоистых мате­риалов и изделий из диэлектрика и полупроводника толщиной до 50 мм Изменение за­зора между ан­тенной преобра­зователя и по­верхностью объ­екта контроля. Расслоения, включения, трещины, из­менения плот­ности, нерав­номер-ное рас­пре-деление составных компонентов Включения порядка 0,05А, Е. Трещины с раскрывом порядка 0,05 мм.Разноплот-ность порядка 0,05 г/см3 Геомет­рический Толщинометря изделий и конст­рукций из ди­электриков: кон­троль абсолют­ных значений толщины, оста­точной толщины Сложная кон­фигурация объ­ектов контроля; непараллель­ность поверхно­стей. Толщина более 500 мм Толщина 0 -500 мм 1,0 мм

3-5

%

Дефектоскопия полуфабрикатов и изделий: контроль раковин, расслоений, инородных включений в изделиях из диэлектриче­ских материалов Сложная кон­фигурация объ­ектов контроля Определение глубины зале­гания дефек­тов в пределах до 500 мм 1,0 мм 1 –3% Времен- Толщинометрия конструкций и сред, являющих­ся диэлектрика­ми Наличие «мерт­вой» зоны. На-носекундная техника. При- Толщина более 500 мм 5—10 мм 5% ной Дефектоскопия сред из диэлек­триков менение генера­торов мощно­стью более 100 мВт Определение глубины зале­гания дефек­тов в пределах до 500 мм 5 — 10 мм 5% Спек­тральный Дефектоскопия полуфабрикатов и изделий из ра­диопрозрачных материалов

Стабильность частоты генера­тора более 10-6. Наличие источ­ника магнитно­го поля. Слож­ность создания чувствительного тракта в диапа­зоне перестрой­ки частоты бо­лее 10%

Изменения в структуре и физико-химических свойствах ма­териалов объ­ектов контро­ля, включения Микродефек­ты и микронеоднород-ности значительно меньшие рабо­чей длины волны. - 1 2 3 4 5 6 Поляри­зацион­ный Дефектоскопия полуфабрикатов, изделий и конст­рукций из ди­электрических материалов. Сложная кон­фигурация. Толщина более 100 мм. Дефекты структуры и технологии, вызывающие анизотропию свойств мате­риалов (анизо­тропия, меха­нические и термические напряжения, технологиче­ские наруше­ния упорядо­ченности структуры)

Дефекты пло­щадью более 0,5 – 1,0 см2.

-

Гологра-фичес-кий Дефектоскопия полуфабрикатов, изделий и конст­рукций из ди­электрических и полупроводнико­вых материалов с созданием ви­димого (объемно­го) изображения

Стабильность частоты генера­тора более 10-6. Сложность соз­дания опорного пучка или поля с равномерны­ми амплитудно -фазовыми ха­рактеристика­ми. Сложность и высокая стоимость ап­паратуры.

Включения, расслоения, разнотолщин-ность. Изме­нения формы объектов. Трещины с раскрывом 0,05 мм

-

/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />

 

       


Примечание: λ – длина волны в контролируемом объект; L – размер раскрыва ан­тенныв направлении волнистости.

  Необходимым условием применения СВЧ-методов является соблюдениесле­дующих требований:

  — отношение наименьшего размера (кроме толщины) контролируемогообъекта к наибольшему размеру раскрыва антенны преобразователя должно быть неме­нее единицы;

  — наименьший размер минимально выявляемых дефектов должен неменее чем в три раза превышать величину шероховатости поверхности контролируе­мыхобъектов;

  — резонансные частоты спектра отраженного (рассеянного)излучения или напряженности магнитных полей материалов объекта и дефекта должныиметь различие, определяемое выбором конкретных типов регистрирующих устройств.

  Варианты схем расположения антенн преобразователя по отношению кобъек­ту контроля приведены в таблице 1.

  Методы этого вида контроля позволяют определять толщину и обнару­житьвнутренние и поверхностные дефекты в изделиях преимущественно изнеметаллических материалов. Радиоволновая дефектоскопия дает возмож­ность с высокойточностью и производительностью измерять толщину диэ­лектрических покрытий наметаллической подложке. В этом случае ампли­туда зондирующего сигналапредставляет собой основной информационный параметр. Амплитуда проходящегочерез материал излучения уменьшается из-за многих причин, в том числе из-заналичия дефектов. Кроме этого, изменяются длина волны и ее фаза.

  Существуют три группы методов радиоволновой дефектоскопии: напрохож­дение, отражение и на рассеяние.

  Аппаратура радиоволнового метода обычно содержит генератор, работаю­щийв непрерывном или импульсном режиме, рупорные антенны, предназна­ченные дляввода энергии в изделие и прием прошедший или отраженной вол­ны, усилительпринятых сигналов и устройства для выработки командных сиг­налов, управляющихразличного рода механизмами.

  При контроле фольгированных диэлектриков производятсканирование поверх­ности проверяемого образца направленным пучком микроволн сдлиной волны 2 мм.

  В зависимости от информационно используемого параметра микроволнде­фектоскопы подразделяют на фазовые, амплитудно-фазовые, геометрические, поляризационные.

  Изменение относительно амплитуды волны отсчитывается наэталонном из­делии. Амплитудные дефектоскопы наиболее просты с точки зрениянастройки и эксплуатации, но их применяют только для обнаружения достаточнобольших дефектов, значительно влияющих на уровень принятого сигнала.

  Амплитудно-фазовые дефектоскопы позволяют обнаруживать дефекты,из­меняющие как амплитуду волны, так и ее фазу. Такие дефектоскопы способны даватьдостаточно полную информацию, например, о качестве заготовок фоль­гированныхдиэлектриков, предназначенных для изготовления отдельных слоев многослойныхпечатных плат.

  В поляризационных дефектоскопах фиксируют изменение плоскостиполя­ризации волны при ее взаимодействии с различными неоднородностями. Этидефектоскопы могут быть использованы для обнаружения скрытых дефектов в самихразличных материалах, например, для исследования диэлектрической ани­зотропии ивнутренних напряжений в диэлектрических материалах.

Радиационные методы

  Под радиационными методами неразрушающего контроля понимаетсявид не­разрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе проникающегоионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом. Воснове радиационных методов лежит получение дефектоскопичес­кой информации обобъекте с помощью ионизирующего излучения, прохожде­ние которого через веществосопровождается ионизацией атомов и молекул сре­ды. Результаты контроля определяютсяприродой и свойствами используемого ионизирующего излучения, физико-химическимихарактеристиками контроли­руемых изделий, типом и свойствами детектора(регистратора), технологией кон­троля и квалификацией дефектоскопистов.

  Радиационные методы неразрушающего контроля предназначены дляобна­ружения микроскопических нарушений сплошности материала контролируемыхобъектов, возникающих при их изготовлении (трещины, овалы, включения, ра­ковиныи др.)

  Классификация радиационных МНК представлена на рис1.

Методы электронной микроскопии (ЭМ)

  Электронная микроскопия основывается на взаимодействииэлектронов с энер­гиями 0,5 — 50 кэВ с веществом, при этом они претерпеваютупругие и неупру­гие столкновения.

  Рассмотрим основные способы использования электронов приконтроле тон­копленочных структур (см. рис.2)

 


Таблица 1 –

Схемы расположения антенн преобразователей по отношению к объектуконтроля.

Схема расположения антенн преобра­зователя Возможный метод контроля Примечание 1 2 3

/>

Амплитудный, спек­тральный, поляриза­ционный -

/>

Фазовый, амплитуд­но-фазовый, вре­менной, спектраль­ный -

/>

Амплитудный, гео­метрический, спек­тральный, поляриза­ционный -

/>

Фазовый, амплитуд­но-фазовый, гео­метрический, вре­менной, спектраль­ный -

/>

Амплитудный, спек­тральный, поляриза­ционный. -

/>

Амплитудный, поля­ризационный, голо-графический. В качестве прием­ной используется моноэлементная антенна.

/>

Амплитудный, голо-графический. В качестве прием­ной используется многоэлементная антенна.

/>

Амплитудный, ам­плитудно-фазовый, временной, поляри­зационный -

/>

Амплитудный, фазо­вый, амплитудно-фазовый, спектраль­ный.

Функции пере­дающей (излу­чающей) и при-

емнои антенн со­вмещены в одной антенне.

1

2

3

/>

Амплитудно-фазовый, спектраль­ный

-

/>

  качестве прие-мо-передающих антенн использу­ются две одинако­вые антенны.

/>

Амплитудно-фазовый, геометри­ческий, временной, поляризационный

 -

/>

Амплитудный, голо-графический.

В качестве прием­ной используется многоэлементная антенна.

        Обозначения: — антеннапреобразователя;

 - нагрузка./>

       

 

1 – СВЧ-генератор; 2 – объект контроля; 3 –СВЧ-приемник; 4 – линза для создания (квази) плоского фронта волны; 5 – линзадля формирования радио-изображения; 6 – опорное (эталонное) плечо мостовыхсхем.

  Примечание: допускается применениекомбинаций схем расположения антенн преобра­зователя по отношению к объектуконтроля.

  Растровая электронная микроскопия (РЭМ).Сфокусированный пучок элект­ронов 1 (рис. 2) диаметром 2-10 нм с помощьюотклоняющей системы 2 перемещается по поверхности образца, (либодиэлектрической пленки З1, либо полупроводника З-11.) Синхронно с этим пучкомэлектронный пучок перемеща­ется по экрану электронно-лучевой трубки.Интенсивность электронного луча моделируется сигналом, поступающим с образца.Строчная и кадровая разверт­ка пучка электронов позволяют наблюдать на экранеЭЛТ определенную пло­щадь исследуемого образца. В качестве модулирующегосигнала можно исполь­зовать вторичные и отражательные электроны.

/>

Рисунок 1 – Классификация радиационных методов

/>

Рисунок 2 – Режимы работы растровой электронноймикроскопии

а) контраст в прошедших электронах; б) контраство вторичных и отраженных электронах; в) контраст в наведенном токе (З11 — ус­ловновынесен за пределы прибора). 1 – сфокусированный луч; 2 – отклоняющая система;3 – объект исследования — диэлектричес­кая пленка; 4 — детектор вторичных и отраженных электронов; 5 -усилитель; 6 — генератор развертки; 7 — ЭЛТ; 8 — сетка детектора; 9 -отраженные электроны; 10 — вторичные электроны.

   Просвечивающаяэлектронная микроскопия (ПЭМ) основана на поглоще­нии, дифракции электроноввзаимодействия с атомами вещества. При этом про­шедший через пленку сигналснимается с сопротивления, включаемого после­довательно с образцом З1. Дляполучения изображения на экране используются мощные линзы, располагаемые заобразцом. Стороны образца должны быть плос­копараллельными, чистыми. Толщинаобразца должна быть много меньше дли­ны свободного пробега электронов и должнасоставлять 10… 100 нм.

  ПЭМ позволяетопределить: формы и размеры дислокаций, толщину образцов и профиль пленок. В настоящеевремя существуют ПЭ микроскопы до 3 МэВ.

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ).

  Изображение формируется как за счетвторичных электронов, так и за счет отраженных электронов (рис. 2). Вторичныеэлектроны позволяют определить химический состав образца, а отраженные –морфологию его поверхности. При подаче отрицательного потенциала — 50 Впроисходит запирание малоэнергетичных вторичных электронов и изображение наэкране становится контрастным, поскольку грани, расположенные под отрицательнымуглом к детектору, не про­сматриваются вообще. Если на сетку детектора податьположительный потенци­ал (+250 В), то вторичные электроны собираются с поверхностивсего образца, что смягчает контрастность изображения. Метод позволяет получитьинформа­цию о:

  — топологииисследуемой поверхности;

  — геометрическомрельефе;

  — структуреисследуемой поверхности;

  — коэффициентевторичной эмиссии;

  — обизменении проводимости;

  — оместоположении и высоте потенциальных барьеров;

  — ораспределении потенциала по поверхности и в поверхности (за счет заряда по поверхностипри облучении электронами) при попадании сканирующего луча на поверхностьполупроводниковых приборов в ней наводятся токи и напряжения, которые изменяюттраектории вторичных электронов. Элементы ИМС с положительным потенциалом посравнению с участками, имеющими более низкий потенциал, выглядят темными. Этообуславливается наличием замедляющих по­ лей над участками образца сположительным потенциалом, которые приводят к уменьшению сигнала вторичныхэлектронов. Потенциально-контрастные измерения дают только качественныерезультаты из-за того, что замедляющие поля зависят не только от геометрии инапряжения пятна, но и от распределения напряжения по всей поверхности образца;

  — большогоразброса скоростей вторичных электронов;

  — потенциальныйконтраст накладывается на топографический и на кон­ траст, связанный снеоднородностью состава материала образца.

  Режим наведенного (индуцированногоэлектронно-лучевого тока).

  Электронный луч с большой энергиейфокусируется на маленькой площади микросхемы и проникает через несколько слоевее структуры, в результате в полупроводнике генерируются электронно-дырочныепары. Схема включения образца представлена на (рис.2, в). При соответствующихвнешних напряжениях, приложенных к ИМС, измеряются токи обусловленные вновьрожденны­ми носителями заряда. Этот метод позволяет:

— определить периметр р-n перехода. Формапериметра оказывает влияние на пробивные напряжения и токи утечки. Первичныйэлектронный  луч (2) (рис. 3 и 4) движется по поверхности образца (1) внаправлениях х, и в зависимости от направления перемещения меняется значениеиндуцированного тока в р-n переходе. По фотографиям р-n перехода можноопределить искажения периметра р-n перехода (рис.5).

— определить места локального пробоя р-nперехода. При образовании локального пробоя р-n перехода в месте пробояобразуется лавинное умножение носителей тока (рис.6) Если первичный пучокэлектронов (1) попадает в эту область (3), то генерированные первичнымиэлектронами электронно-дырочные пары также умножаются в р-n переходе, врезультате чего в данной точке будет зафиксировано увеличение сигнала исоответственно появление светлого пятна на изображении. Изменяя обратноесмещение на р-n переходе, можно выявить момент образования пробоя, а проведявыявление структурных дефектов например с помощью селективного травления или сПЭМ, можно сопоставить область пробоя с тем или иным дефектом.

/>

Рисунок 3 – Схема прохождения электронного луча

/>

Рисунок 4 – Изображение торцевого р-п-перехода с целью

определения его периметра

1 – торцевой р-n переход; 2 – электронный луч;

 3 – область генерации электронно-дырочных пар.

/>/>

Рисунок 4 – Изображение планарного р-п-перехода с целью

определения его периметра

1 — планарный р-n переход; 2 — электронный луч;

3 — область генерации электронно-дырочных пар.

/>

Рисунок 5 – Искажения периметра планарного p-n-перехода сверху

— наблюдать дефекты. Если в области р-nперехода находится дефект (4) (рис. 6), то при попадании первичного пучкаэлектронов в область дефекта некоторая часть генерированных пар рекомбинируетна дефекте, и соответственно до границы р-n перехода дойдет меньшее числоносителей, что уменьшит ток во внешней цепи. На фотографии р-n перехода эта областьбудет выглядеть более темной, чем остальной фон. Изменяя соотношение между глубинойзалегания р-n перехода и проникновением первичных электронов можно зондироватьэлек­трическую активность дефектов, располагающихся на разной глубине. Наблю­дениедефектов можно проводить при обратных и прямых смещениях р-n пере­хода.

 

  Электронная оже-спектроскопия (ЭОС).

  Она состоит в получении и анализе спектраэлектронов, испускаемых атома­ми поверхностей при воздействии на негоэлектронным лучом. Такие спектры несут информацию:

  — охимическом (элементном) составе и состоянии атомов поверхностных слоев;

  — окристаллической структуре вещества;

  — ораспределении примесей по поверхности и диффузионных слоях; Установка дляоже-спектроскопии состоит из электронной пушки, энергоанализатораоже-электронов регистрирующей аппаратуры и вакуумной системы.

/>

/>

Рисунок 6 – Изображение планарногоp-n-перехода с целью определения про­боя и выявления дефекта.

1 – эелектронный луч; 2 – планарныйр-п-переход; 3 – металлическая примесь; 4 – дефект.

  Электронная пушка обеспечивает фокусировкуэлектрического пучка на об­разце и его сканирование. Диаметр пучка в установкахс локальным оже-анализом составляет 0,07… 1 мкм. Энергия первичных электроновизменяется преде­лах 0,5… 30 кэВ. В установках оже-спектроскопии обычно вкачестве энергоана­лизатора употребляется анализатор типа цилиндрическогозеркала.

  Регистрирующее устройство с помощьюдвухкоординатного самописца фик­сирует зависимость />,где: N – число электронов, попадающих на коллек­тор;

Ек<sub/>–кинетическая энергия оже-электронов.

  Вакуумная система установки ЭОС должнаобеспечивать давление не более 107 – 108Па. При худшемвакууме остаточные газы взаимодействуют с поверх­ностью образца и искажаютанализ.

Из отечественных установок ЭОС следуетотметить растровый оже-спекто-рометр 09 ИОС — 10 — 005Оже-локальностью в растровом режиме 10 мкм.

На (рис. 7) показан оже-спектр загрязненнойповерхности GaAs из кото­рого видно, что наряду с основными спектрами GaAs, впленке присутствуют примесные атомы S, О и С. Регистрируя значения энергийоже-электронов, эмитируемыми атомами при их возбуждении и сравнивая этизначения с табу­лированными, определяют химическую природу атомов, из которыхэти элект­роны были эмитированы.

/>

Рисунок 7 – Оже-спектр загрязненной поверхности GaAs

        Примечание:метод получил свое название по имени французского физика Пьера Оже, который в 1925 г. открыл эффект испускания электронов атомами вещества в результате возбуждения их внут­реннегоуровня рентгеновскими квантами. Эти электроны получили название оже-электронов.

       

        Эмиссионнаяэлектронная микроскопия (ЭЭМ).

        Приспециальных условиях поверхность образца может испускать электро­ны, т.е.являться катодом: при приложении сильного электрического поля к поверхности (автоэлектроннаяэмиссия) или под действием бомбардировки по­верхности частицами.

        Вэмиссионном микроскопе показанном на рис. 8, поверхность образца является электродомсистемы, образующей с анодом электронную линзу.

        ПрименениеЭЭМ возможно для материалов, которые имеют малую работу выхода. Исследуемоеизделие является как бы составной частью электронно-оптической системы ЭЭМ, и вэтом его принципиальное отличие от РЭМ.

        ЭЭМиспользуют для визуализации микрополей. Если р-п-переход (1) (рис. 9) поместитьв однородное электрическое поле (2) и подать на него запираю­щее напряжение, тополе, создаваемое р-п-переходом (3) (при больших токах утечки), будетискривлять линии основного поля.

        Искривлениелиний позволяет определить распределение потенциала по по­верхности образца.

        Электронно-отражательнаяспектроскопия (ЭОС).

        В ЭОСповерхность наблюдаемого образца поддерживается при таком потен­циале, что всеили большая часть облучающих электронов не попадают на по­верхность образца.

        Принцип егоработы показан на рис. 10. Коллимированный электронный луч  направлен наповерхность образца перпендикулярно к ней. Электроны,

/>

Рисунок 8 – Принцип работы эмиссионного микроскопа

/>

Рисунок 9 – Визуализация p-n-перехода с помощью ЭЭМ

— p-n-переход, включенный в обратном направлении;-электронные

траектории поляр-п-перехода.

       


Пролетевшие черезпоследнюю апертуру линз, быстро замедляются и поворачи­ваются обратно в точке,определяемой потенциалом поверхности образца отно­сительно катода инапряженностью электрического поля на поверхности образ­ца. После поворотаэлектроны вновь ускоряются, пролетая обратно через лин­зы, и увеличенноеизображение проецируется на катодолюминесцентный эк­ран. Дополнительноеувеличение можно получить, отделяя выходящий пучок от входящего в слабоммагнитном поле и используя дополнительные увеличитель­ные линзы на путивыходящего пучка.

        Контрастностьв выходящем пучке определяется топологией поверхности и изменениямиэлектрического потенциала и магнитных полей на ней.

Напряжениена образце

/>

Рисунок 10 – Принцип работы электронного отражательногомикроскопа


ЛИТЕРАТУРА

1.  Глудкин О.П. Методы и устройстваиспытания РЭС и ЭВС. – М.: Высш. школа., 2001 – 335 с

2.  Испытания радиоэлектронной,электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование/ под ред.А.И.Коробова М.: Радио и связь, 2002 – 272 с.

3.  Млицкий В.Д., Беглария В.Х., ДубицкийЛ.Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов.М.: Машиностроение, 2003 – 567 с

4.  Национальная система сертификацииРеспублики Беларусь. Мн.: Госстандарт, 2007

5.  Федоров В., Сергеев Н., Кондрашин А.Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств –Техносфера, 2005. – 504с.

еще рефераты
Еще работы по коммуникациям и связям