Радиоволновые, радиационные методы контроля РЭСИ. Методы электронной микроскопии

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет информатики и

радиоэлектроники

кафедра РЭС

РЕФЕРАТ

на тему:

«Радиоволновые, радиационные методы контроля РЭСИ. Методы электронной микроскопии»

МИНСК, 2008

Радиоволновый метод

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

По первичному информативному параметру различают следующие СВЧ-методы: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый, геометрический, времен­ной, спектральный, поляризационный, голографический. Область применения СВЧ-методов радиоволнового вида неразрушающего контроля приведен в таблице 1 и в ГОСТ 23480-79.

Табл. 1 –

Радиоволновые методы неразрушающего контроля

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 ан­тенны в направлении волнистости.

Необходимым условием применения СВЧ-методов является соблюдение сле­дующих требований:

- отношение наименьшего размера (кроме толщины) контролируемого объекта к наибольшему размеру раскрыва антенны преобразователя должно быть не ме­нее единицы;

- наименьший размер минимально выявляемых дефектов должен не менее чем в три раза превышать величину шероховатости поверхности контролируе­мых объектов;

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

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

Методы этого вида контроля позволяют определять толщину и обнару­жить внутренние и поверхностные дефекты в изделиях преимущественно из неметаллических материалов. Радиоволновая дефектоскопия дает возмож­ность с высокой точностью и производительностью измерять толщину диэ­лектрических покрытий на металлической подложке. В этом случае ампли­туда зондирующего сигнала представляет собой основной информационный параметр. Амплитуда проходящего через материал излучения уменьшается из-за многих причин, в том числе из-за наличия дефектов. Кроме этого, изменяются длина волны и ее фаза.

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

Аппаратура радиоволнового метода обычно содержит генератор, работаю­щий в непрерывном или импульсном режиме, рупорные антенны, предназна­ченные для ввода энергии в изделие и прием прошедший или отраженной вол­ны, усилитель принятых сигналов и устройства для выработки командных сиг­налов, управляющих различного рода механизмами.

При контроле фольгированных диэлектриков производят сканирование поверх­ности проверяемого образца направленным пучком микроволн с длиной волны 2 мм.

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

Изменение относительно амплитуды волны отсчитывается на эталонном из­делии. Амплитудные дефектоскопы наиболее просты с точки зрения настройки и эксплуатации, но их применяют только для обнаружения достаточно больших дефектов, значительно влияющих на уровень принятого сигнала.

Амплитудно-фазовые дефектоскопы позволяют обнаруживать дефекты, из­меняющие как амплитуду волны, так и ее фазу. Такие дефектоскопы способны давать достаточно полную информацию, например, о качестве заготовок фоль­гированных диэлектриков, предназначенных для изготовления отдельных слоев многослойных печатных плат.

В поляризационных дефектоскопах фиксируют изменение плоскости поля­ризации волны при ее взаимодействии с различными неоднородностями. Эти дефектоскопы могут быть использованы для обнаружения скрытых дефектов в самих различных материалах, например, для исследования диэлектрической ани­зотропии и внутренних напряжений в диэлектрических материалах.

Радиационные методы

Под радиационными методами неразрушающего контроля понимается вид не­разрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом. В основе радиационных методов лежит получение дефектоскопичес­кой информации об объекте с помощью ионизирующего излучения, прохожде­ние которого через вещество сопровождается ионизацией атомов и молекул сре­ды. Результаты контроля определяются природой и свойствами используемого ионизирующего излучения, физико-химическими характеристиками контроли­руемых изделий, типом и свойствами детектора (регистратора), технологией кон­троля и квалификацией дефектоскопистов.

Радиационные методы неразрушающего контроля предназначены для обна­ружения микроскопических нарушений сплошности материала контролируемых объектов, возникающих при их изготовлении (трещины, овалы, включения, ра­ковины и др.)

Классификация радиационных МНК представлена на рис1.

Методы электронной микроскопии (ЭМ)

Электронная микроскопия основывается на взаимодействии электронов с энер­гиями 0,5 - 50 кэВ с веществом, при этом они претерпевают упругие и неупру­гие столкновения.

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

Таблица 1 –

Схемы расположения антенн преобразователей по отношению к объекту контроля.

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: - антенна преобразователя;

 - нагрузка.

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

Примечание: допускается применение комбинаций схем расположения антенн преобра­зователя по отношению к объекту контроля.

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

Рисунок 1 – Классификация радиационных методов

Рисунок 2 – Режимы работы растровой электронной микроскопии

а) контраст в прошедших электронах; б) контраст во вторичных и отраженных электронах; в) контраст в наведенном токе (З11 - ус­ловно вынесен 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.

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) основана на поглоще­нии, дифракции электронов взаимодействия с атомами вещества. При этом про­шедший через пленку сигнал снимается с сопротивления, включаемого после­довательно с образцом З1. Для получения изображения на экране используются мощные линзы, располагаемые за образцом. Стороны образца должны быть плос­копараллельными, чистыми. Толщина образца должна быть много меньше дли­ны свободного пробега электронов и должна составлять 10.. 100 нм.

ПЭМ позволяет определить: формы и размеры дислокаций, толщину образцов и профиль пленок. В настоящее время существуют ПЭ микроскопы до 3 МэВ.

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ).

Изображение формируется как за счет вторичных электронов, так и за счет отраженных электронов (рис. 2). Вторичные электроны позволяют определить химический состав образца, а отраженные – морфологию его поверхности. При подаче отрицательного потенциала - 50 В происходит запирание малоэнергетичных вторичных электронов и изображение на экране становится контрастным, поскольку грани, расположенные под отрицательным углом к детектору, не про­сматриваются вообще. Если на сетку детектора подать положительный потенци­ал (+250 В), то вторичные электроны собираются с поверхности всего образца, что смягчает контрастность изображения. Метод позволяет получить информа­цию о:

- топологии исследуемой поверхности;

- геометрическом рельефе;

- структуре исследуемой поверхности;

- коэффициенте вторичной эмиссии;

- об изменении проводимости;

- о местоположении и высоте потенциальных барьеров;

- о распределении потенциала по поверхности и в поверхности (за счет заряда по поверхности при облучении электронами) при попадании сканирующего луча на поверхность полупроводниковых приборов в ней наводятся токи и напряжения, которые изменяют траектории вторичных электронов. Элементы ИМС с положительным потенциалом по сравнению с участками, имеющими более низкий потенциал, выглядят темными. Это обуславливается наличием замедляющих по­ лей над участками образца с положительным потенциалом, которые приводят к уменьшению сигнала вторичных электронов. Потенциально-контрастные измерения дают только качественные результаты из-за того, что замедляющие поля зависят не только от геометрии и напряжения пятна, но и от распределения напряжения по всей поверхности образца;

- большого разброса скоростей вторичных электронов;

- потенциальный контраст накладывается на топографический и на кон­ траст, связанный с неоднородностью состава материала образца.

Режим наведенного (индуцированного электронно-лучевого тока).

Электронный луч с большой энергией фокусируется на маленькой площади микросхемы и проникает через несколько слоев ее структуры, в результате в полупроводнике генерируются электронно-дырочные пары. Схема включения образца представлена на (рис.2, в). При соответствующих внешних напряжениях, приложенных к ИМС, измеряются токи обусловленные вновь рожденны­ми носителями заряда. Этот метод позволяет:

- определить периметр р-n перехода. Форма периметра оказывает влияние на пробивные напряжения и токи утечки. Первичный электронный луч (2) (рис. 3 и 4) движется по поверхности образца (1) в направлениях х, и в зависимости от направления перемещения меняется значение индуцированного тока в р-n переходе. По фотографиям р-n перехода можно определить искажения периметра р-n перехода (рис.5).

- определить места локального пробоя р-n перехода. При образовании локального пробоя р-n перехода в месте пробоя образуется лавинное умножение носителей тока (рис.6) Если первичный пучок электронов (1) попадает в эту область (3), то генерированные первичными электронами электронно-дырочные пары также умножаются в р-n переходе, в результате чего в данной точке будет зафиксировано увеличение сигнала и соответственно появление светлого пятна на изображении. Изменяя обратное смещение на р-n переходе, можно выявить момент образования пробоя, а проведя выявление структурных дефектов например с помощью селективного травления или с ПЭМ, 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-n перехода находится дефект (4) (рис. 6), то при попадании первичного пучка электронов в область дефекта некоторая часть генерированных пар рекомбинирует на дефекте, и соответственно до границы р-n перехода дойдет меньшее число носителей, что уменьшит ток во внешней цепи. На фотографии р-n перехода эта область будет выглядеть более темной, чем остальной фон. Изменяя соотношение между глубиной залегания р-n перехода и проникновением первичных электронов можно зондировать элек­трическую активность дефектов, располагающихся на разной глубине. Наблю­дение дефектов можно проводить при обратных и прямых смещениях р-n пере­хода.

Электронная оже-спектроскопия (ЭОС).

Она состоит в получении и анализе спектра электронов, испускаемых атома­ми поверхностей при воздействии на него электронным лучом. Такие спектры несут информацию:

- о химическом (элементном) составе и состоянии атомов поверхностных слоев;

- о кристаллической структуре вещества;

- о распределении примесей по поверхности и диффузионных слоях; Установка для оже-спектроскопии состоит из электронной пушки, энергоанализатора оже-электронов регистрирующей аппаратуры и вакуумной системы.

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

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

Электронная пушка обеспечивает фокусировку электрического пучка на об­разце и его сканирование. Диаметр пучка в установках с локальным оже-анализом составляет 0,07... 1 мкм. Энергия первичных электронов изменяется преде­лах 0,5... 30 кэВ. В установках оже-спектроскопии обычно в качестве энергоана­лизатора употребляется анализатор типа цилиндрического зеркала.

Регистрирующее устройство с помощью двухкоординатного самописца фик­сирует зависимость , где: N – число электронов, попадающих на коллек­тор;

Е_к– кинетическая энергия оже-электронов.

Вакуумная система установки ЭОС должна обеспечивать давление не более 10⁷ – 10⁸Па. При худшем вакууме остаточные газы взаимодействуют с поверх­ностью образца и искажают анализ.

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

На (рис. 7) показан оже-спектр загрязненной поверхности GaAs из кото­рого видно, что наряду с основными спектрами GaAs, в пленке присутствуют примесные атомы S, О и С. Регистрируя значения энергий оже-электронов, эмитируемыми атомами при их возбуждении и сравнивая эти значения с табу­лированными, определяют химическую природу атомов, из которых эти 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 внут­реннего уровня рентгеновскими квантами. Эти электроны получили название оже-электронов.

Эмиссионная электронная микроскопия (ЭЭМ).

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

В эмиссионном микроскопе показанном на рис. 8, поверхность образца является электродом системы, образующей с анодом электронную линзу.

Применение ЭЭМ возможно для материалов, которые имеют малую работу выхода. Исследуемое изделие является как бы составной частью электронно-оптической системы ЭЭМ, и в этом его принципиальное отличие от РЭМ.

ЭЭМ используют для визуализации микрополей. Если р-п-переход (1) (рис. 9) поместить в однородное электрическое поле (2) и подать на него запираю­щее напряжение, то поле, создаваемое р-п-переходом (3) (при больших токах утечки), будет искривлять линии основного поля.

Искривление линий позволяет определить распределение потенциала по по­верхности образца.

Электронно-отражательная спектроскопия (ЭОС).

В ЭОС поверхность наблюдаемого образца поддерживается при таком потен­циале, что все или большая часть облучающих электронов не попадают на по­верхность образца.

Принцип его работы показан на рис. 10. Коллимированный электронный луч направлен на поверхность 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 поля р-п-перехода.

Пролетевшие через последнюю апертуру линз, быстро замедляются и поворачи­ваются обратно в точке, определяемой потенциалом поверхности образца отно­сительно катода и напряженностью электрического поля на поверхности образ­ца. После поворота электроны вновь ускоряются, пролетая обратно через лин­зы, и увеличенное изображение проецируется на катодолюминесцентный эк­ран. Дополнительное увеличение можно получить, отделяя выходящий пучок от входящего в слабом магнитном поле и используя дополнительные увеличитель­ные линзы на пути выходящего пучка.

Контрастность в выходящем пучке определяется топологией поверхности и изменениями электрического потенциала и магнитных полей на ней.

Напряжение на образце

Рисунок 10 – Принцип работы электронного отражательного микроскопа

ЛИТЕРАТУРА

1.  Глудкин О.П. Методы и устройства испытания 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., Дубицкий Л.Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов. М.: Машиностроение, 2003 – 567 с

4.  Национальная система сертификации Республики Беларусь. Мн.: Госстандарт, 2007

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