Радиоволновые, радиационные методы контроля РЭСИ. Методы электронной микроскопии

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 регистри¬рующий прибор или средства обработки информации. По первичному информативному параметру различают следующие СВЧ-методы: амплитудный, фазовый, амплитудно-фазовый, геометрический, времен¬ной, 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, огра¬ничивающие область приме¬нения Контролируе¬мые параметры Чувствитель¬ность По¬греш¬ность Ампли- тудный Толщинометрия полуфабрикатов, изделий из радиопрозрачных материалов Сложная кон¬фигурация.

Из¬менение зазора между антеной преобразователя и поверхностью конт-роля. Толщина до 100 мм 1 – 3 мм 5% Дефектоскопия полуфабрикатов, изделий и конст¬рукций из ди¬электрика Дефекты: тре¬щины, рас¬слоения, недопрес-совки Трещины бо¬лее 0,1 – 1 мм Фазовый Толщинометрия листовых мате¬риалов и полу¬фабрикатов, слоистых изделий и конструкций из диэлектрика.Волнистость профиля или поверхности объекта контро¬ля при шаге менее 10L. От¬стройка от влияния ампли¬туды сигнала Толщина до 0,5 мм 5 – 3 мм 1% Контроль «элек¬трической» (фа¬зовой) толщины Толщина до 0,5 мм 0,1 мм Ампли-тудно -фазовый Толщинометрия материалов, по¬луфабрикатов, изделий и конст¬рукций из ди¬электриков, кон¬троль изменения толщины.

Неоднознач¬ность отсчета при изменении толщины более 0,5А,Е Измене¬ние диэлектри¬ческих свойств материала объек-тов контроля величиной бо¬лее 2%. Толщи¬на более 50 мм. Толщина 0 – 50 мм 0,05 мм ±0,1 мм Ампли-тудно -фазовый Дефектоскопия слоистых мате¬риалов и изделий из диэлектрика и полупроводника толщиной до 50 мм Изменение за¬зора между ан¬тенной преобра¬зователя и по¬верхностью объ¬екта контроля. Расслоения, включения, трещины, из¬менения плот¬ности, нерав¬номер-ное рас¬пре-деление составных компонентов Включения порядка 0,05А,Е. Трещины с раскрывом порядка 0,05 мм.Разноплот-ность порядка 0,05 г/см3 Геомет¬рический Толщинометря изделий и конст¬рукций из ди¬электриков: кон¬троль абсолют¬ных значений толщины, оста¬точной толщины Сложная кон¬фигурация объ¬ектов контроля; непараллель¬ность поверхно¬стей. 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 диэлектриче¬ских материалов Сложная кон¬фигурация объ¬ектов контроля Определение глубины зале¬гания дефек¬тов в пределах до 500 мм 1,0 мм 1 –3% Времен- Толщинометрия конструкций и сред, являющих¬ся диэлектрика¬ми Наличие «мерт¬вой» зоны. На-носекундная техника.

При- Толщина более 500 мм 5—10 мм 5% ной Дефектоскопия сред из диэлек¬триков менение генера¬торов мощно¬стью более 100 мВт Определение глубины зале¬гания дефек¬тов в пределах до 500 мм 5 — 10 мм 5% Спек¬тральный Дефектоскопия полуфабрикатов и изделий из ра¬диопрозрачных материалов Стабильность частоты генера¬тора более 10-6 . Наличие источ¬ника магнитно¬го поля. Слож¬ность создания чувствительного тракта в диапа¬зоне перестрой¬ки частоты бо¬лее 10% Изменения в структуре и физико-химических свойствах ма¬териалов объ¬ектов контро¬ля, включения Микродефек¬ты и микронеоднород-ности значительно меньшие рабо¬чей длины волны. - 6 Поляри¬зацион¬ный Дефектоскопия полуфабрикатов, изделий и конст¬рукций из ди¬электрических материалов. Сложная кон¬фигурация.

Толщина более 100 мм. Дефекты структуры и технологии, вызывающие анизотропию свойств мате¬риалов (анизо¬тропия, меха¬нические и термические напряжения, технологиче¬ские наруше¬ния упорядо¬ченности структуры) Дефекты пло¬щадью более 0,5 – 1,0 см2. - Гологра-фичес-кий Дефектоскопия полуфабрикатов, изделий и конст¬рукций из ди¬электрических и полупроводнико¬вых материалов с созданием ви¬димого (объемно¬го) изображения Стабильность частоты генера¬тора более 10-6. Сложность соз¬дания опорного пучка или поля с равномерны¬ми амплитудно -фазовыми ха¬рактеристика¬ми. Сложность и высокая стоимость ап¬паратуры.

Включения, расслоения, разнотолщин-ность.

Изме¬нения формы объектов.

Трещины с раскрывом 0,05 мм - Примечание: λ – длина волны в контролируемом объект; L – размер раскрыва ан¬тенны в направлении волнистости. Необходимым условием применения СВЧ-методов является соблюдение сле¬дующих требований: - отношение наименьшего размера (кроме толщины) контролируемого объекта к наибольшему размеру раскрыва антенны преобразователя должно быть не ме¬нее единицы; - наименьший размер минимально выявляемых дефектов должен не менее чем в три раза превышать величину шероховатости поверхности контролируе¬мых 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 объек¬ту контроля приведены в таблице 1. Методы этого вида контроля позволяют определять толщину и обнару¬жить внутренние и поверхностные дефекты в изделиях преимущественно из неметаллических материалов.

Радиоволновая дефектоскопия дает возмож¬ность с высокой точностью и производительностью измерять толщину диэ¬лектрических покрытий на металлической подложке.

В этом случае ампли¬туда 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 прохож¬дение, отражение и на рассеяние. Аппаратура радиоволнового метода обычно содержит генератор, работаю¬щий в непрерывном или импульсном режиме, рупорные антенны, предназна¬ченные для ввода энергии в изделие и прием прошедший или отраженной вол¬ны, усилитель принятых сигналов и устройства для выработки командных сиг¬налов, управляющих различного рода механизмами.

При контроле фольгированных диэлектриков производят сканирование поверх¬ности проверяемого образца направленным пучком микроволн с длиной волны 2 мм. В зависимости от информационно используемого параметра микроволн де¬фектоскопы подразделяют на фазовые, амплитудно-фазовые, геометрические, поляризационные.

Изменение относительно амплитуды волны отсчитывается на эталонном из¬делии.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, из¬меняющие как амплитуду волны, так и ее фазу. Такие дефектоскопы способны давать достаточно полную информацию, например, о качестве заготовок фоль¬гированных диэлектриков, предназначенных для изготовления отдельных слоев многослойных печатных плат. В поляризационных дефектоскопах фиксируют изменение плоскости поля¬ризации волны при ее взаимодействии с различными неоднородностями.

Эти дефектоскопы могут быть использованы для обнаружения скрытых дефектов в самих различных материалах, например, для исследования диэлектрической ани¬зотропии и внутренних напряжений в диэлектрических материалах.

Радиационные методы Под радиационными методами неразрушающего контроля понимается вид не¬разрушающего контроля, основанный на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия с контролируемым объектом.В основе радиационных методов лежит получение дефектоскопичес¬кой информации об объекте с помощью ионизирующего излучения, прохожде¬ние которого через вещество сопровождается ионизацией атомов и молекул сре¬ды. Результаты контроля определяются природой и свойствами используемого ионизирующего излучения, физико-химическими характеристиками контроли¬руемых изделий, типом и свойствами детектора (регистратора), технологией кон¬троля и квалификацией дефектоскопистов.

Радиационные методы неразрушающего контроля предназначены для обна¬ружения микроскопических нарушений сплошности материала контролируемых объектов, возникающих при их изготовлении (трещины, овалы, включения, ра¬ковины и др.) Классификация радиационных МНК представлена на рис1. Методы электронной микроскопии (ЭМ) Электронная микроскопия основывается на взаимодействии электронов с энер¬гиями 0,5 - 50 кэВ с веществом, при этом они претерпевают упругие и неупру¬гие столкновения.

Рассмотрим основные способы использования электронов при контроле тон¬копленочных структур (см. рис.2) Таблица 1 – Схемы расположения антенн преобразователей по отношению к объекту контроля.

Схема расположения антенн преобра¬зователя Возможный метод контроля Примечание 1 2 3 Амплитудный, спек¬тральный, поляриза¬ционный - Фазовый, амплитуд¬но-фазовый, вре¬менной, спектраль¬ный - Амплитудный, гео¬метрический, спек¬тральный, поляриза¬ционный - Фазовый, амплитуд¬но-фазовый, гео¬метрический, вре¬менной, спектраль¬ный - Амплитудный, спек¬тральный, поляриза¬ционный. - Амплитудный, поля¬ризационный, голо-графический.В качестве прием¬ной используется моноэлементная антенна.

Амплитудный, голо-графический. В качестве прием¬ной используется многоэлементная антенна. Амплитудный, ам¬плитудно-фазовый , временной, поляри¬зационный - Амплитудный, фазо¬вый, амплитудно-фазовый, спектраль¬ный. Функции пере¬дающей (излу¬чающей) и при- емнои антенн со¬вмещены в одной антенне. 1 2 3 Амплитудно-фазовый, спектраль¬ный - качестве прие-мо-передающих антенн использу¬ются две одинако¬вые антенны.Амплитудно-фазовый, геометри¬ческий, временной, поляризационный - Амплитудный, голо-графический.

В качестве прием¬ной 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 преобра¬зователя по отношению к объекту контроля.

Растровая электронная микроскопия (РЭМ). Сфокусированный пучок элект¬ронов 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 перемеща¬ется по экрану электронно-лучевой трубки.Интенсивность электронного луча моделируется сигналом, поступающим с образца. Строчная и кадровая разверт¬ка пучка электронов позволяют наблюдать на экране ЭЛТ определенную пло¬щадь исследуемого образца.

В качестве модулирующего сигнала можно исполь¬зовать 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 - ус¬ловно вынесен за пределы прибора). 1 – сфокусированный луч; 2 – отклоняющая система; 3 – объект исследования - диэлектричес¬кая 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 поглоще¬нии, дифракции электронов взаимодействия с атомами вещества.

При этом про¬шедший через пленку сигнал снимается с сопротивления, включаемого после¬довательно с образцом З1. Для получения изображения на экране используются мощные линзы, располагаемые за образцом.

Стороны образца должны быть плос¬копараллельными, чистыми. Толщина образца должна быть много меньше дли¬ны 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 про¬сматриваются вообще.

Если на сетку детектора подать положительный потенци¬ал (+250 В), то вторичные электроны собираются с поверхности всего образца, что смягчает контрастность изображения.

Метод позволяет получить информа¬цию 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 рожденны¬ми 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 элек¬трическую активность дефектов, располагающихся на разной глубине.

Наблю¬дение дефектов можно проводить при обратных и прямых смещениях р-n пере¬хода. Электронная оже-спектроскопия (ЭОС). Она состоит в получении и анализе спектра электронов, испускаемых атома¬ми 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 про¬боя и выявления дефекта. 1 – эелектронный луч; 2 – планарный р-п-переход; 3 – металлическая примесь; 4 – дефект.

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

Регистрирующее устройство с помощью двухкоординатного самописца фик¬сирует зависимость , где: N – число электронов, попадающих на коллек¬тор; Ек – кинетическая энергия оже-электронов. Вакуумная система установки ЭОС должна обеспечивать давление не более 107 – 108Па. При худшем вакууме остаточные газы взаимодействуют с поверх¬ностью 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 кото¬рого 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 табу¬лированными, определяют химическую природу атомов, из которых эти элект¬роны 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 внут¬реннего уровня рентгеновскими квантами.

Эти электроны получили название оже-электронов. Эмиссионная электронная микроскопия (ЭЭМ). При специальных условиях поверхность образца может испускать электро¬ны, т.е. являться катодом: при приложении сильного электрического поля к поверхности (автоэлектронная эмиссия) или под действием бомбардировки по¬верхности 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 запираю¬щее напряжение, то поле, создаваемое р-п-переходом (3) (при больших токах утечки), будет искривлять линии основного поля. Искривление линий позволяет определить распределение потенциала по по¬верхности образца. Электронно-отражательная спектроскопия (ЭОС). В ЭОС поверхность наблюдаемого образца поддерживается при таком потен¬циале, что все или большая часть облучающих электронов не попадают на по¬верхность 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 поворачи¬ваются обратно в точке, определяемой потенциалом поверхности образца отно¬сительно катода и напряженностью электрического поля на поверхности образ¬ца. После поворота электроны вновь ускоряются, пролетая обратно через лин¬зы, и увеличенное изображение проецируется на катодолюминесцентный эк¬ран. Дополнительное увеличение можно получить, отделяя выходящий пучок от входящего в слабом магнитном поле и используя дополнительные увеличитель¬ные 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.