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 материаловСложная 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 мм3-5
%
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 материаловСтабильность 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) изображенияСтабильность 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.