Фотоакустична мікроскопія з оптимізованою п'єзоелектричною реєстрацією сигналів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

УДК 621.314

Фотоакустична мікроскопія з оптимізованою п'єзоелектричною реєстрацією сигналів

Спеціальність 05.27.01 -- твердотільна електроніка

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Верцанова Олена Вікторівна

КИЇВ 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України на кафедрі мікроелектроніки

Захист відбудеться "__16__"___січня________2001_р. о 15_ годині на засіданні

Спеціалізованої вченої ради Д 26.002.08 НТУУ"КПІ" за адресою м. Київ, 03056, пр. Перемоги 37, корп. 12, ауд._114_

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "КПІ", м. Київ, 03056, просп. Перемоги 37

Автореферат розісланий ____15 грудня 2000 р.__________

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.002.08, кандидат технічних наук, доцент Писаренко Л.Д.

фотоакустичний мікроскопія п'єзоелектричний

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність роботи. Фотоакустична мікроскопія (ФАМ) є одним з провідних методів неруйнівного контролю, який забезпечує візуалізацію підповерхневої структури твердих тіл і дозволяє проводити реєстрацію, розпізнавання, класифікацію та оцінку внутрішніх структурних дефектів та неоднорідностей об'єкту, не руйнуючи його. При дослідженні підповерхневих областей твердих тіл, непрозорих для фотонів та електронів, ФАМ залишається практично єдиним можливим методом контролю якості. Так, ФАМ із успіхом застосовується для контролю якості вихідних матеріалів та готових виробів електронної техніки під час їх виготовлення, тонкоплівкового покриття, діагностики мікрозварних з'єднань інтегральних мікросхем, інше.

Враховуючи той факт, що ФАМ має унікальні можливості з точки зору виявлення підповерхневих дефектів, неоднорідностей, визначення їх розмірів, глибини розміщення і, що важливо, фізико-механічних властивостей, удосконалення ФАМ є актуальним завданням і має наукове та практичне значення.

Ця задача може бути виконана за рахунок поліпшення конструкції мікроскопу, створення математичної моделі роботи мікроскопу в різних режимах та розробки пакету прикладних програм, призначеного для моделювання та обробки діагностичної інформації.

За порівняно довгий термін існування методу накопичено великий обсяг матеріалу про теоретичні та практичні результати досліджень лазерної генерації звука, яка застосовується в ФАМ. Нажаль, методи реєстрації акустичних коливань в твердому тілі недосконало вивчено теоретично та розроблено практично. При застосуванні п'єзоелектричного методу реєстрації, як найбільш чутливого та простого, в більшості випадків використовують п'єзоперетворювач зі збудженням подовжніх мод коливань, виготовлений із кераміки з високим коефіцієнтом добротності. Але зважаючи на швидкий розвиток п'єзотехніки та виробництво нових п'єзоелектричних матеріалів, задача удосконалення п'єзоелектричної реєстрації сигналів є важливою для підвищення технічних параметрів ФАМ і актуальною для подальшого розвитку фотоакустичного метода неруйнівного контролю та поширення його застосування у промисловості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота здійснювалася в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" у рамках проведення науково-дослідної роботи на тему "Розробка автоматизованої системи обробки фотоакустичних сигналів для контролю мікрозварних з'єднань" (Договір № 77 від 01.01.1991 р.).

Метою роботи є підвищення якісних параметрів ФАМ за рахунок оптимізації п'єзоелектричної реєстрації сигналів.

Для досягнення поставленої мети в дисертації були вирішені наступні теоретичні і прикладні задачі:

1. Створення математичної моделі фотоакустичної мікроскопії твердого тіла з внутрішніми неоднорідностями з п'єзоелектричною реєстрацією, що враховує теплофізичні властивості об'єкта та умови експерименту.

2. Розробка методики аналізу фотоакустичного сигналу з метою одержання найбільш повної інформації про об'єкт дослідження.

3. Розрахунок контрасту фотоакустичних зображень на основі розробленої моделі.

4. Розробка оптимальної конструкції п'єзоперетворювача для поліпшення основних технічних характеристик ФАМ.

5. Упровадження результатів проведених досліджень.

Вирішення поставлених задач було здійснено на основі математичного апарата диференціальних обчислень, термодинаміки, теорії пружності, теорії п'єзоефекту, методів прикладного програмування і комп'ютерної графіки. Точність експериментальних методик відповідала сучасному рівню розвитку техніки.

Наукова новизна. У дисертаційній роботі здобувачем отримані такі нові наукові результати:

1. Створена математична модель фотоакустичного ефекту в оптично непрозорих термічно товстих твердотільних об'єктах з п'єзоелектричною реєстрацією, що враховує вплив внутрішніх неоднорідностей на фотоакустичний сигнал та різні умови експерименту.

2. Знайдено точне рішення цієї моделі з урахуванням таких фізико-механічних параметрів, як теплопровідність, температуропровідність, оптичний коефіціент поглинання, коефіцієнт теплового розширення, коефіцієнт жорсткості, розмір та глибина залягання дефекту. Використання цієї моделі для розшифрування фотоакустичних зображень дозволить отримати найбільш достовірну інформацію про подповерхневу структуру об'єкту дослідження.

3. Вперше отримані тривимірні графіки залежності амплітуди та фази фотоакустичного сигналу, а також контрасту фотоакустичних зображень від частоти модуляції лазерного випромінювання, розміру дефекта та глибини його залягання, які дозволяють дослідити вплив підповерхневого дефекту на фотоакустичний сигнал на різних глибинах.

4. Розраховані мінімальний розмір та максимальну глибину залягання дефекту, що може бути виявлений методом ФАМ. Фотоакустична мікроскопія дозволяє досліджувати дефекти розміром від 0,2 мкм, що розташовані на глибині до трьох довжин теплової дифузії від поверхні взірця.

5. Запропонований принцип побудови моделі, оснований на розв'язанні системи рівнянь термопружності для кожного шара, моделюючого об'єкт із дефектом, та методики ії вирішення, заснованої на математичній теорії диференціальних обчислювань, є перспективними для моделювання ФАЄ в багатошарових структурах.

Практична цінність результатів дисертаційної роботи:

1. Побудована модель фотоакустичного ефекту, що дозволяє обрахувати амплітуду і фазу фотоакустичного сигналу для взірців з відомою підповерхневою сруктурою, та вирішити протилежну задачу -- по експериментальним характеристикам відновити інформацію про фізичні властивості об'єкту дослідження. Завдяки цьому запропонована модель фотоакустичного ефекту може бути використана для розшифрування фотоакустичних зображень.

2. Розроблена комп'ютерна програма для розрахунку амплітуди та фази фотоакустичного сигналу, контрасту амплітудного та фазового зображень та побудови графіків залежностей цих характеристик від частоти модуляції лазерного випромінювання, розміру дефекта та глибини його залягання, що дозволяє застосовувати запропоновану модель для практичних досліджень.

3. Розроблена методика оцінки якості мікрозварних з'єднань на основі залежності контрасту амплітудного та фазового зображень від частоти модуляції та товщини повітряного зазору, що дозволяє проводити неруйнівний контроль якості цих з'єднань.

4. На основі аналізу різних конструкцій п'єзоперетворювачів за такими критеріями, як чутливість, діапазон робочих частот, матеріал та розміри п'єзоелемента, міцність та складність виготовлення, розроблена конструкція п'єзоелектричного перетворювача біморфного типу, застосування якої в ФАМ дозволило зменшити поріг чутливості до 2 мкм.

Особистий внесок здобувача:

1. Автором розроблена одновимірна математична модель фотоакустичної мікроскопії твердих тіл з п'єзоелектричною реєстрацією, що враховує наявність внутрішніх дефектів і максимально наближена до умов експерименту.

2. Розроблено програмне забезпечення на основі пакета прикладних програм Maple V Release 4 для проведення обчислень і побудови двовимірних і тривимірних графіків, що дозволяють здійснювати аналіз залежності амплітуди і фази фотоакустичного сигналу, а також контрасту амплітудного і фазового зображень, від частоти модуляції, розміру дефекту і глибини його залягання.

3. Розроблено методику аналізу ФАС по експериментальних амплітудних і фазових характеристиках, що дозволяє по графіках визначити товщину і глибину залягання дефекту для заданої частоти модуляції. Ця методика була використана для оцінки якості мікрозварних з'єднань напівпровідникових приладів і мікросхем.

4. Розроблено конструкцію п'єзоперетворювача біморфного типу для реєстрації акустичних коливань у твердому тілі, яка була використана у ФАМ при експериментальному дослідженні якості продукції електронної техніки.

Впровадження отриманих результатів. На основі розробленої схеми установки фотоакустичного контролю з оптимізованною конструкцією п'єзоперетворювача в підприємстві "Техноторг" (м. Київ) була створена система автоматизованого контролю якості мікрозварних з'єднань інтегральних схем. Розроблена математична модель і методика відбраковування виробів за принципом "придатний" -- "не придатний" були використані для обробки фотоакустичних зображень і аналізу якості з'єднань.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на науково-технічних конференціях, наукових сесіях і симпозіумах, серед яких: "18 Miedzynarodowe Sympozjum Naukowe Studentow I Mlodych Pracownikow Nauki" (Zielona Gora, Poland, 1996), "The Tenth International Symposium on the Applications on Ferroelectrics" (East Brunswick, USA, 1996), семінар-виставка "Сучасні методи і засоби неруйнівного контролю, технічної і медичної діагностики, екологічного моніторингу" (Ялта, 1996), Міжнародна науково-технічна конференція "Проблемы физической и биомедицинской электроники " (Київ, 1998, 1999, 2000), Ninth International Symposium on Nondestructive Characterization of Materials (Sydney, Australia, 1999), 12th IEEE International Symposium on the Application of Ferroelectrics (Honolulu, Hawaii, 2000).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 12 робіт (7 статей у наукових журналах та 5 публікацій в матеріалах і тезах наукових конференцій).

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури з 110 найменувань і чотирьох додатків. Робота виконана на 181 машинописних сторінках, ілюстрована 42 малюнками і 15 таблицями.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкривається зміст і стан вирішення наукової проблеми, її значущість для науки і промисловості, сформульовані мета і задачі дослідження, його наукова новизна, практична цінність та впровадження результатів досліджень.

В першому розділі подано огляд методів неруйнівного контролю якості матеріалів і готових виробів електронної техніки, що розвиваються в нашій країні та за її межами, і обґрунтований вибір методу фотоакустичної мікроскопії для дослідження підповерхневої структури неоднорідних твердих тіл.

ФАМ дозволяє виявляти дефекти мікроструктури об'єктів, непрозорих для фотонів і електронів, визначати, на відміну від інших існуючих методів, їхні теплофізичні властивості, дає можливість візуалізації внутрішньої структури виробів незалежно від типу приладу, матеріалів, з яких він виготовлений, і технології виготовлення. Фотоакустичне зображення може бути отримане в повітрі при звичайних обставинах з високою роздільною здатністю (0,5-5мкм) та за короткий час (5-30 с).

Фізичною основою методів фотоакустичної діагностики є процес генерації акустичних коливань у твердому тілі під впливом модульованого за інтенсивністю зондуючого лазерного випромінювання. Акустичні коливання реєструються датчиком та перетворюються їм в електричний сигнал, який називається фотоакустичним сигналом (ФАС).

Лазерний засіб збудження звуку має наступні перваги: дистанційність; бесконтактність; можливість роботи в повітрі і при високих температурах; можливість створення джерел, що рухаються із довільною швидкістю, і оптичної генерації акустичних хвиль у широкому діапазоні частот (від дуже низьких звукових частот до гіперзвуку); легка адаптація до умов дослідження складних поверхонь.

В результаті аналізу існуючих методів реєстрації акустичних коливань у твердому тілі (газомікрофонний, п'єзоелектричний, інтерфереційний та дефлексійний, міраж-ефекту, реєстрації ІЧ-випромінення фотодетектором) обґрунтований вибір п'єзоелектричного методу як простого, дешевого і найбільш чуттєвого. Перевагою п'єзоелектричних перетворювачів, що обумовило їхнє широке використання у ФАМ, є велика ефективність, можливість виготовлення елементів будь-якої форми, збудження різних видів коливань і широкий частотний діапазон.

В літературі не міститься свідчень про теоретичні та практичні дослідження п'єзоперетворювачів для ФАМ. Розроблені раніше моделі фотоакустичної мікроскопії з п'єзоєлектричною реєстрацією спрощені та будуються для визначених умов експерименту. Унаслідок цього вони мають недостатнє узгодження з експериментальними результатами, безперспективні для практичних досліджень і не дозволяють вдосконалити отримання фотоакустичного зображення за рахунок оптимізації п'єзоєлектричної реєстрації сигналів.

Тому задача розробки узагальненої моделі фотоакустичних процесів у твердому тілі з п'єзоелектричною реєстрацією є важливою для вирішення задачі оптимізації п'єзоелектричної реєстрації сигналів в ФАМ.

Другий розділ присвячений математичному моделюванню п'єзоелектричної реєстрації фотоакустичного ефекту (ФАЕ) у твердому тілі з внутрішніми неоднорідностями.

Об'єктом вважалась нескінченна в поперечному напрямку шарувата система, що моделює ізотропний кристал із підповерхневою неоднорідністю. На мал.1 зображена модель структури взірця, який жорстко сполучений з п'єзопертворювачем. Вільна поверхня взірця опромінювалась гармонійно модульованим з частотою лазерним випромінюванням інтенсивністю . Для обчислення ФАС, реєструємого п'єзоелектричним перетворювачем подовжніх об'ємних хвиль, автором вирішувалися повні рівняння термопружності в одновимірній геометрії з урахуванням наступних припущень:

1) зразок вважається оптично непрозорим (випромінювання поглинається по експонентному закону);

2) зразок вважається оптично і термічно товстим;

3) теплообміном на границі об'єкта з повітрям зневажаємо;

4) з'єднання зразка з п'єзопертворювачем вважаємо ідеальним та зневажаємо акустичним відбиттям від границі;

5) зразок вважається термічно й акустично однорідним на кожнім шарі;

6) механічні напруги і деформації безперервні;

7) границі і -- вільні.

ФАС визначається як вихідна напруга п'єзоперетворювача V, пропорційна різниці амплітуд зсувів u його границь (мал. 1):

,

де - п'єзоелектричний коефіціент,

-- зсув на нижній поверхні п'єзоперетворювача,

-- зсув на верхній поверхні п'єзоперетворювача.

Для обчислення ФАС необходимо спільно вирішити рівняння теплопровідності та хвильові рівняння для взірця із розмірами , неоднорідності із розмірами і п'єзодатчика із розмірами :

, (1)

, (2)

де -- температура; -- зсув; -- температуропровідність; -- теплопровідність; -- оптичний коефіцієнт поглинання; -- коефіцієнт теплового лінійного розширення; -- швидкість поширення подовжніх хвиль;

; - модуль пружності;

;

і -- коефіцієнти Ламе. Індекс відповідає обраному шару.

Опускаючи громіздкі обчислення, запишемо вираз для ФАС, отриманий шляхом вирішення системи рівнянь (1)--(2):



де -- коефіцієнт, що входить у хвильове рівняння зсуву границь п'єзоперетворювача, і залежний від частоти модуляції, оптичних, теплових і пружних властивостей об'єкта і дефекту, глибини залягання і товщини дефекту ; -- хвильовий вектор; -- товщина п'єзодатчика.

На практиці для аналізу фотоакустичних зображень необхідно знати амплітуду і фазу ФАС, що є реально вимірюваними величинами і несуть основну інформацію про об'єкт:

,

.

Амплітуда і фаза ФАС будуть залежати від частоти модуляції лазерного випромінювання, яка визначає глибину поширення теплових коливань в об'єкті, від глибини залягання дефекту і його розмірів, від фізичних властивостей дефекту.

Для чисельного аналізу запропонованої моделі як модельний взірець була обрана тришарова структура Si-GaAs-Si. Обчислення проводилися для взірця товщиною 1мм і п'єзоперетворювача товщиною 1мм, виконаного з кераміки типу ЦТС-19. Товщина і глибина залягання шара GaAs, що моделює дефект в однорідному шарі Si, змінювалися для різних умов експерименту.

За допомогою пакета прикладних програм Maple V Release 4 були розраховані залежності амплітуди і фази ФАС від частоти модуляції, товщини дефекту і глибини его залягання, побудовані двовимірні та тривимірні графики цих залежностей (Мал.2,3), що дозволили оцінити поріг чутливості ФАМ і максимальну глибину візуалізації дефекту. Для модельного зразка для частоти модуляції 1 кГц мінімальний розмір дефекту, що може бути виявлений ФАМ, склав 0,2 мкм, а максимально можлива для виявлення глибина залягання дефекту - 0,45 мм, что дорівнює трьом довжинам теплової дифузії.

Можна помітити, що з ростом частоти модуляції мінімум амплітуди і фази ФАС зміщується вліво (мал.3), тобто зменшується максимальна глибина залягання дефекту, на якій дефект може бути виявлений. Змінюючи частоту модуляції, ми можемо отримувати пошарову інформацію про підповерхневі властивості об'єкта. Цей принцип лежить в основі глибинного профілювання об'єкту.

На основі отриманої моделі для випадку вільного кріплення п'єзоперетворювача до фотоакустичної комірки (ФАК) була побудована модель ФАЕ у твердому тілі із п'єзоелектричною реєстрацією для випадку жорсткого кріплення п'єзодатчика в ФАК. Результати теоретичних досліджень модельного взірця Si--GaAs--Si товщиною 1мм і п'єзодатчика товщиною 1мм, виготовленого із кераміки ЦТС-19, для двох методів кріплення показали, що амплітуда ФАС у випадку жорсткого кріплення в 25-30 разів більше, ніж у випадку вільного розміщення. Прогнозується збільшення чутливості ФАМ, що використовує жорстке кріплення п'єзоперетворювача, для амплітудних зображень. Метод кріплення не впливає на чутливість мікроскопа при одержанні фазових зображень.

Запропонована математична модель ФАЕ у твердому тілі дозволяє теоретично досліджувати цей ефект для різних початкових і граничних умов і прогнозувати його найбільшу ефективність для визначених умов.

На основі запропонованої моделі розраховано контраст дефекту на амплітудному та фазовому зображеннях і побудовані графіки залежності контрасту від частоти модуляції, товщини дефекту і глибини залягання (мал.4). Найбільше значення амплітудного і фазового контрасту ФАС спостерігається на низьких частотах модуляції при глибині залягання дефекту до 0,45 мкм. Незважаючи на те, що максимальний контраст амплітудного зображення (80%) більше максимального контрасту фазового зображення (60%), фазові зображення є більш чуттєвими при виявленні дефектів досить малих розмірів (меньш 1 мкм). Комбінація цих двох методів надасть більш повну інформацію про підповерхневу структуру об'єкта.

Третій розділ присвячений дослідженню різних конструкцій п'єзоперетворювачів для їх використання у ФАМ.

Основною причиною обмеження якісних параметрів ФАМ є шумова складаючої ФАС. Співвідношення сигнал/шум на виході п'єзодатчика може бути підвищено вибором оптимальної конструкції п'єзоперетворювача.

З цією метою були виготовлені і досліджені п'єзокерамічні перетворювачі зі збудженням основних мод коливань: подовжньої, зсувної та вигинної біморфного типу. При цьому п'єзоелементи мали однакові розміри та були виготовлені з одного бруска п'єзокераміки ЦТС-19. П'єзокераміка ЦТС-19 була обрана для виготовлення п'єзоперетворювача для ФАМ в результаті проведених теоретичних і експериментальних досліджень. П'єзокераміка ЦТС-19 має гарні п'єзоелектричні властивості ( =304*10-12Кл/Н, =14,9Кл/м2, =23,1*10-3В*м/Н), високу діелектричну проникність (=935), великий коефіцієнт електро-механічного зв'язку (=0,60), широкий діапазоном робочих температур (від -60 до +200 0С), низку вартість і доступність.

Результати проведених досліджень чутливості перетворювачів зі збудженням різних мод коливань показали, що вигинний п'єзоелемент біморфного типу як у вільному, так і в навантаженому стані, мав найбільшу чутливість (сигнал/шум = 49 дБ для вільного і сигнал/шум = 29 дБ для навантаженого).

Перевага вигинних п'єзоперетворювачів біморфного типу є у тім, що біморфне включення п'єзоелементів із об'єднаними електродами із протилежним зарядом (мал.5) забезпечує взаємну компенсацію електричного шуму в п'єзоелектричних пластинах, обумовленого міграційними процесами в об'ємі п'єзокераміки та зовнішніми впливами. Тому застосування біморфного п'єзопертворювача в ФАМ є більш ефективним у порівнянні з п'єзокерамічним перетворювачем зі збудженням подовжньої та зсувної мод коливань, тому що забезпечує більше значення сигнал/шум на виході п'єзодатчика.

Виходячи з оцінки абсолютної чутливості (мал.6) і діапазону робочих частот різних конструкцій біморфів, як оптимальну конструкцію датчика для ФАМ був обраний п'єзоперетворювач біморфного типу із консольним кріпленням, чутливість якого перевищила в 2 - 2,5 рази чутливість інших конструкцій, а резонансна частота була в 2,27 рази менше, ніж при вільному опиранні країв (при однакових розмірах п'єзоелементів).

Аналіз залежності розмірів п'єзоелементів від частоти резонансу показав, що неефективно використовувати роботу датчика в резонансному режимі. Діапазон робочих частот ФАМ лежить в області частот (від 20 Гц до 3 кГц) набагато менших, ніж частота першого резонансу п'єзодатчиків біморфного типу ЦТС-19. Для таких низьких частот резонансу п'єзоелемент повинен мати дуже велику довжину при малій товщині (=10 кГц для довжини 100 мм і товщини 0,3 мм). Низька міцність такої конструкції не дозволяє застосовувати її в ФАМ. Враховуючи висновки проведеного аналізу п'єзоперетворювачів різного типу та умови їх роботи, була запропонована конструкція та технологія виготовлення п'єзодатчика біморфного типу для застосування у ФАМ як детектора акустичних коливань в об'ємі твердого тіла (мал.7).

Запропонований датчик має наступні переваги: високу ефективність, швидке перетворення механічної енергії в електричну, високу чутливість, гарну тимчасову і температурну стабільність, а також невеликі розміри, механічну міцність, простоту виготовлення, низьку вартість, можливість масового виробництва.

Фотоакустичні зображення, отримані за допомогою ФАМ, що використовує виготовлений по запропонованій конструкції п'єзодатчик, мали кращу якість зображення і більш високий максимальний контраст (80% замість 60%) у порівнянні з зображеннями тих же структур, отримані ФАМ із традиційним датчиком подовжнього типу.

У четвертому розділі описана автоматизована система фотоакустичного контролю, що була реалізована на падприємстві "Техноторг" (м. Київ). Використання запропонованої автором конструкції датчика дозволило зменшити порог чутливості мікроскопа до 2 мкм, зберігши всі інші структурні елементи мікроскопа, розміри установки (2000х1500х1000мм), діапазон робочих частот (0,2-2 кГц) і час одержання зображення (5-30 с).

На основі аналізу джерел погрішностей у ФАМ запропоновані рекомендації зі зменшення і компенсації інструментальних, методичних і статистичних погрішностей, що були використані при виборі оптимальних режимів роботи ФАМ.

Закономірності, що були получені внаслідок моделювання фотоакустичної мікроскопії з п'єзоелектричною реєстрацією, та використання оптимізованої конструкції п'єзодатчика дозволили провести дослідження різних елементів інтегральних схем, в тому числі мікрозварних з'єднань та оцінити їх якість по контрасту отриманих фотоакустичних зображень.

В основі методики контролю якості адгезії шарів було покладено припущення, що неякісні з'єднання характеризуються відшаруванням поверхонь, що з'єднуються, чи нещільним притисканням одного елемента з'єднання до іншого. Таким чином, з'єднання може характеризуватися неоднорідністю адгезії, тобто чергуванням площ з гарною адгезією і її відсутністю. У цьому випадку амплітуда і фаза ФАС у місці відшарування будуть мати значення, відмінні від амплітуди і фази ФАС у місці з'єднання із гарною адгезією. Це зв'язано із тим, що регіон взаємної дифузії матеріалів, що з'єднуються, мало впливає на теплопровідність усієї структури в порівнянні з впливом відшарування. Отже, якість адгезії можна оцінити рівнем амплітуди чи фази ФАС щодо рівня, який відповідає гарної адгезії, тобто по контрасту фотоакустичного зображення.

Контраст амплітудного фотоакустичного зображення визначається як відносна зміна амплітуди ФАС, обумовлена відшаруванням:

,

де -- амплітуда ФАС у точці відшарування шарів;

-- амплітуда ФАС у точці адгезії шарів;

-- товщина щілини між шарами; -- частота модуляції.

Машинні методи аналізу фотоакустичного зображення дозволяють дати інтегральну оцінку якості мікроз'єднання, що використовує відношення площі ділянок із якісною адгезією S до загальної площі зварної ділянки S0. При перевірці якості зварювання зразків традиційним методом контролю -- вимірюванні сили відриву, було доведено, що при S/S0 60% якість зварювання можна вважати відмінною. Сила відриву при цьому складає більш 0,15 Н при нормі ОСТа 0,05 Н. При 45% S/S0 60% якість зварювання може ще вважатися задовільною, але при S/S0 45% якість з'єднання не задовольняє нормі по вимогах ОСТа. Сила відриву в цьому випадку складає меньш 0,05 Н.

Результати досліджень показали можливість фотоакустичної реєстрації і візуалізації відшарувань верхніх шарів напівпровідникових приладів на частотах до 10 кГц, для яких верхній шар є термічно тонким. Проведені експерименти доводять, що ФАМ є швидким, дешевим, а головне, неруйнівним методом, що дозволяє оцінити якість адгезії з'єднаннь на стадії процесу збирання напівпровідникових приладів.

ФАМ дозволяє отримувати пошарову інформацію підповерхневої структури мікросхем. Глибина візуалізації залежить від частоти модуляції. Тому, змінюючи частоту можна одержувати зображення різних шарів. На мал.10 наведені два зображення однієї мікросхеми, але перше зображення отримане для частоти модуляції 1 кГц, а друге -- для частоти 500 Гц. На другому зображенні можна спостерігати дефекти "А" і "Б", що відсутні на першому. Це обумовлено тим, що в зв'язку з різною частотою модуляції відрізняється і глибина візуалізації, тобто два зображення несуть інформацію про різний підповерхневі шари взірця.

Проведені дослідження різних елементів інтегральних схем підтверджують, что фотоакустичний метод неруйнівного контролю дає можливість візуалізації підповерхневої структури виробів незалежно від типу напівпровідникового приладу, матеріалів, з якого він виготовлений, і технології виготовлення.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

В дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в поліпшенні якісних параметрів фотоакустичного мікроскопу за рахунок оптимізаціїї п'єзлелектричної реєстрації сигналів. Реалізація визначеної мети грунтувалася на розв'язанні наступних завданнь:

1. Створення математичної моделі фотоакустичної мікроскопії твердого тіла з внутрішніми неоднорідностями з п'єзоелектричною реєстрацією, що враховує теплофізичні властивості об'єкта та умови експерименту.

2. Розробка методики аналізу фотоакустичного сигналу з метою одержання найбільш повної інформації про об'єкт дослідження.

3. Розрахунок контрасту фотоакустичних зображень на основі розробленої моделі.

4. Розробка оптимальної конструкції п'єзоперетворювача для поліпшення основних технічних характеристик ФАМ.

5. Упровадження результатів проведених досліджень.

Вирішення поставлених задач було здійснено на основі математичного апарату диференціальних обчислень, термодинамики, теорії пружності, теорії п'єзоелектрики, методів прикладного програмування і комп'ютерної графіки.

В результаті були отримані наступні наукові та практичні результати:

1. Побудовано одновимірну математичну модель фотоакустичного ефекту в оптично непрозорому термічно товстому твердому тілі із п'єзоелектричною реєстрацією, уперше найбільше повно враховано вплив неоднорідностей у підповерхневій області об'єкта на фотоакустичний сигнал і різні граничні умови.

2. Отримано точне рішення цієї моделі із урахуванням таких фізико-механічних параметрів дефекту, як теплопровідність, температуропровідність, оптичний коефіцієнт поглинання, коефіцієнт теплового розширення, коефіцієнт жорсткості, товщина дефекту і його глибина залягання. Використання цієї моделі для розшифровки фотоакустичних зображень дозволить отримати максимально достовірну інформацію про об'єкт дослідження.

3. Розроблено програмне забезпечення на основі пакета прикладних програм Maple V Release 4 для розрахунку амплітуди і фази ФАС, контрасту амплітудного і фазового зображень і побудови графіків залежності цих параметрів від частоти модуляції, товщини дефекту і глибини его залягання.

4. Розраховано теоретичні залежності амплітуди і фази ФАС від частоти модуляції, товщини і глибини залягання дефекту для модельного зразка Si--GaAs--Si товщиною 1мм і п'єзодатчика товщиною 1мм, виготовленого з кераміки ЦТС-19, що дозволили оцінити поріг чутливості ФАМ і максимальну глибину візуалізації дефекту. Для модельного зразка для частоти модуляції 1 кГц мінімальний розмір дефекту, що теоретично може бути виявлений ФАМ, склав 0,2 мкм, а максимально можлива для виявлення глибина залягання дефекту - 0,45 мм, что дорівнює трьом довжинам теплової дифузії.

5. На основі аналізу графіків залежності амплітуди і фази ФАС від частоти модуляції лазерного променя і глибини залягання дефекту доведено теоретично і підтверджено експериментально можливість проведення пошарового аналізу внутрішньої структури об'єкта.

6. Уперше проведено дослідження різних конструкцій п'єзоперетворювачів з точки зору їхнього використання у ФАМ. В результаті аналізу датчиків за такими критеріями, як чутливість, діапазон робочих частот, матеріал і розміри п'єзоелемента, міцність і вартість, розроблено п'єзопретворювач біморфного типу з консольним кріпленням, виготовлений з п'єзокераміки ЦТС-19. Використання запропонованої конструкції у ФАМ дозволило понизити поріг чутливості мікроскопа по товщині дефекту до 2 мкм. Визначена система основних параметрів ФАМ: максимальна чутливість (2 мкм), роздільна здатність (5…15 мкм), частота модуляції (0,2…2 кГц), розміри зони контролю (10х10 мм2), швидкість отримання зображення (5…100 с), збільшення (10…100 разів), розміри пристрою (2000х1500х1000 мм).

7. Проведені дослідження різних елементів інтегральних схем, у тому числі мікрозварених з'єднань і оцінка їхньої якості по контрасту отриманих зображень, підтверджують, що фотоакустичний метод неруйнівного контролю дає можливість візуалізації підповерхневої структури виробів незалежно від типу напівпровідникового приладу, матеріалів, з якого він виготовлений, та технології виготовлення.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1. Верцанова Е. В., Кривоконь И. А., Селиванов С. А. Фотоакустическая диагностика материалов и изделий электронной техники // Сборник докладов Международной конференции "18 Miedzynarodowe Sympozjum Naukowe Studentow I Mlodych Pracownikow Nauki". - Zielona Gora (Poland). - 1996. - C. 101-105.

2. Vertsanova E., Krivokon I., Selivanov S., Tsyganok B., Yakimenko Y. Piezoceramic sensors for photoacoustic microscopy // Proc. The Tenth International Symposium on the Applications on Ferroelectrics. - East Brunswick (USA). - 1996. - C. 186.

3. Верцанова Е. В., Кривоконь И. А., Селиванов С. А. Система фотоакустического неразрушающего контроля качества твердотельных структур // Материалы семинара-выставки "Современные методы и средства неразрушающего контроля, технической и медицинской диагностики, экологического мониторинга". - Ялта. - 1996. - С. 17-18.

4. Якименко Ю. І., Циганок Б. А., Верцанова О. В., Селиванов С. О. Використання п'єзоелектричних датчиків в фотоакустичній мікроскопії // Электроника и связь. - 1998. - Вып. 4, часть I. - С. 167-171.

5. Верцанова Е. В. Исследование различных типов пьезопреобразователей для ФАМ // Электроника и связь. - 1999. - № 7. - С. 81-85.

6. Цыганок Б. А., Верцанова Е. В. Частный случай решения задачи фотоакустического эффекта с пьезоэлектрической регистрацией для жесткого крепления пьезодатчика к основанию фотоакустической ячейки// Электроника и связь. - 1999. - том 1, № 6. - С. 280-284.

7. Vertsanova E. V., Yakimenko Y. I. Mathematical model of photoacoustic microscopy with piezoelectric detection // Semiconductor Physics, Quantum Electronics &Optoelectronics. - 1999. - V. 2, N. 3. - P. 41-44.

8. Vertsanova O., Yakimenko Y., Selivanov S. Nondestructive control of sub-surface defects by using PAM with bending bimorph piezoceramic sensor // Proc. Ninth International Symposium on Nondestructive Characterization of Materials. - Sydney (Australia). - 1999. - P. 497-501.

9. Верцанова Е. В., Цыганок Б. А. Исследование качества адгезии в полупроводниковых приборах методом фотоакустической микроскопии // Электроника и связь. - 2000. - №8, том 1. - С. 70-73.

10. Верцанова Е. В., Якименко Ю. И., Цыганок Б. А. Исследование влияния дефектов структуры твердого тела на фотоакустический сигнал // Оптоэлектроника и полупроводниковые приборы. - 2000. - Вып. 35. - С. 196-201.

11. Vertsanova O., Yakimenko Y., Selivanov S. Bimorph piezoelectric sensors for photoacoustic microscope // Technical Programm Book of 12th IEEE International Symposium on the Application of Ferroelectrics. - Honolulu (Hawaii). - 2000. - P. 151.

12. Верцанова Е. В. Контраст фотоакустических изображений неоднородных твердых тел // Электроника и связь. - 2000. - № 9. - С. 66-68.

Размещено на Allbest.ru