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;--PAGE_BREAK--
— 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.
/>    продолжение
--PAGE_BREAK--
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;
Ек– 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.    продолжение
--PAGE_BREAK--
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
Глудкин О.П. Методы и устройства испытания РЭС и ЭВС. – М.: Высш. школа., 2001 – 335 с
Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование/ под ред. А.И.Коробова М.: Радио и связь, 2002 – 272 с.
Млицкий В.Д., Беглария В.Х., Дубицкий Л.Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов. М.: Машиностроение, 2003 – 567 с
Национальная система сертификации Республики Беларусь. Мн.: Госстандарт, 2007
Федоров В., Сергеев Н., Кондрашин А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств – Техносфера, 2005. – 504с.