Czy można korzystać z wiedzy?

Najważniejsza jest wyobraźnia, intuicja, dobry pomysł, a czy wiedza?

Pojawia się problem: wykrywanie rozwarstwień w strukturach półprzewodnikowych Wymagana jest metodą, pozwalająca rozwarstwień struktur bardzo na szybka wykrywanie zgrzewanych przeznaczonych na diody mocy i tyrystory.

Metoda ma być nieniszcząca i stosowana podczas procesu technologicznego.

Jak można wykryć i zbadać rozwarstwienie w sposób nieniszczący?

Jak to się robi obecnie?

Mikroskopia akustyczna

Mikroskop akustyczny

SAM (Scanning Acoustic Microscope )

W

mikroskopii akustycznej

wykorzystywane są fale sprężyste z zakresu zaliczanego do ultradźwięków

(fale podłużne w głowicy, ośrodku sprzęgającym i w badanym obiekcie)

oraz

fale powierzchniowe (na granicy ośrodków).

Skaningowy mikroskop akustyczny urządzenie służące do otrzymywania powiększonych obrazów drobnych ciał oraz do obrazowania wnętrza optycznie nieprzezroczystych obiektów SAM

stosowany jest również do badania parametrów elastycznych uśrednionych lokalnie (w małych obszarach próbek). Wykorzystywane są fale akustyczne w zakresie 10-1000 MHz.

Obrazy otrzymane za pomocą mikroskopu akustycznego powstają w wyniku odbicia fali od badanego obiektu. Poszczególne punkty obrazu akustycznego powstają w trakcie skanowania obiektu odpowiednio uformowaną falą emitowaną z przetwornika piezoelektrycznego. Amplituda fali odbitej zależy od impedancji akustycznej na granicy ośrodków: ośrodek sprzęgający materiał badanego obiektu

Impedancja akustyczna właściwa wyraża się zależnością:

Z Z

 

C

gdzie 

C

jest gęstością ośrodka, prędkością fali w tym ośrodku.

Otrzymany w wyniku skanowania obraz jest mapą impedancji akustycznej w pewnej płaszczyźnie na powierzchni bądź wewnątrz badanego obiektu.

W skład SAM wchodzi:

• głowica akustyczna, • układ nadawczo-odbiorczy, • komputer z kartą przetworników i z kartą sterowania silników krokowych oraz odpowiednim oprogramowaniem • układ skaningu XYZ wraz z układem do poziomowania, • oscyloskop.

Schemat części akustycznej mikroskopu

Przetwornik Fala akustyczna w soczewce Soczewka Fala akustyczna skupiona w ognisku O

O

Ośrodek sprzęgający Badany obiekt

Parametry układu mechanicznego

Zakres skaningu osi X,Y,Z :  16 mm  50 mm Minimalny krok Minimalny krok 16 mm wzdłuż osi X i Y - 2.5

wzdłuż osi Z - 2.5

 m  m

Parametry układu nadawczo odbiorczego

Częstotliwość pracy Długość impulsów nadawczych > 200 ns Zdolność rozdzielcza 32 MHz 30  m

Akustyczne badanie przedmiotu

Jak postępujemy, jeżeli chcemy się dowiedzieć więcej na przykład o znalezionej starej zniszczonej monecie: 1) umieszczamy powierzchnię przedmiotu w ognisku soczewki akustycznej mikroskopu i skanujemy możliwie duży obszar, 2) zwiększamy powiększenie mikroskopu i obserwujemy wybrane fragmenty.

Miedziana moneta z czasów Jana Kazimierza (XVII w.)

Miedziana moneta z czasów Jana Kazimierza (XVII w.), jej druga strona

Fragmenty monety z czasów Jana Kazimierza

Fragment monety z czasów Jana Kazimierza głowa orła

Akustyczne i optyczne obrazy tego samego obiektu

Przedstawione będą obrazy otrzymane za pomocą mikroskopu akustycznego wraz z ich odpowiednikami optycznymi - wykonanymi cyfrowym aparatem fotograficznym.

Elektroda niklowa na krzemie - obraz akustyczny

Elektroda niklowa na krzemie - obraz optyczny

SAM ma zastosowanie w takich dziedzinach, jak:

Elektronika Inżynieria materiałowa Biologia Medycyna Geologia Archeologia

Przykłady zastosowań

Technologia elektronowa

Układ elektrod tyrystora mocy

Kolejne odbicia fali Badanie delaminacji

I II III IV

Si Al Mo

Badanie delaminacji struktur SiAlMo

W procesie technologicznym warstwa krzemu jest zgrzewana z podłożem molibdenowym za pośrednictwem folii aluminiowej. Jeżeli warstwy materiałów nie zostaną ściśle ze sobą złączone na całej powierzchni, powstaje delaminacja. Brak kontaktu mechanicznego powoduje niewłaściwą charakterystykę elektryczną elementu, a w konsekwencji jego uszkodzenie.

Badając za pomocą mikroskopu akustycznego obrazy powstałe przy odbiciu fali od kolejnych płaszczyzn struktury, można wykryć niewidoczną z zewnątrz delaminację i wyeliminować wadliwe elementy przed zakończeniem procesu technologicznego. Na kolejnych slajdach pokazane są obrazy powstałe w wyniku odbić (I, II, III i IV) na granicach materiałów.

I - odbicie od powierzchni krzemu

III - odbicie na granicy AlMo

Ile czasu trwa skanowanie?

Obraz o powierzchni 8 mm × 8 mm, 400 kroków , 400 linii, krok = 20 µm, powstaje w czasie około 30 min!

Metoda nieodpowiednia!

Szukamy innych rozwiązań

Pomiar prędkości fali powierzchniowej za pomocą mikroskopu – metoda V(z)

Mikroskopia akustyczna poza obrazowaniem powierzchni lub wnętrza materiału umożliwia również lokalny pomiar prędkości fali powierzchniowej i parametrów akustycznych próbki: modułu Younga E i współczynnika Poissona



. Wykorzystuje się w tym celu sygnał z przetwornika mikroskopu otrzymany przy zatrzymanym skaningu w płaszczyźnie XY i przy zmieniającej się odległości pomiędzy próbką a soczewką (ruch wzdłuż osi Z).

Zależność napięcia wyjściowego V, powstającego na przetworniku mikroskopu, od wielkości przeogniskowania z, definiowanego jako odległość pomiędzy próbką a ogniskiem soczewki, nazwano zależnością V(z).

Na powierzchni materiałów, do których dotarła fala podłużna z ośrodka sprzęgającego, następuje generacja fali powierzchniowej. Możliwe jest to tylko wtedy, gdy

prędkość fali powierzchniowej w badanym materiale jest większa od prędkości fali podłużnej w ośrodku sprzęgającym

(w tym przypadku w wodzie). Fala powierzchniowa propagując się wzdłuż granicy wypromieniowuje część swojej energii z powrotem do cieczy w postaci fali podłużnej, nazywanej falą wyciekającą (Leaky Rayleigh Wave

LRW

). Ostre maksimum generacji fali powierzchniowej występuje dla kąta padania 

R



arc

sin

C W C R

(gdzie

C W

- prędkość fali w ośrodku sprzęgającym, fali Rayleigh’a), zwanego kątem Reyleigh’a.

C R

- prędkość

3500

V

V - napięcie na wyjściu przetwornika 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0,005 0,755 1,505 2,255 3,005 3,755 4,505 z [mm] Z - odległość od ogniska soczewki akustycznej

Charakterystyka V(z) krzemu.

Otrzymywanie krzywej V(z)

• Wyłączony skaning w płaszczyźnie próbki • Głowica wykonuje ruch w pionie • Czas ruchu głowicy jest porównywalny z czasem kilku okresów fali akustycznej • Otrzymuje się przebieg napięcia, które jest superpozycją fali odbitej i odpromieniowanej od próbki

Pomiar okresu krzywej prędkości

C R

 z , fali powierzchniowej za umożliwia określenie pomocą wzoru:

C R

 1   1

C W

 2

C W f



Z

2  gdzie

f

częstotliwością fali akustycznej oraz C W prędkością fali w ośrodku sprzęgającym; prędkość fali w wodzie wynosi

C W

= 1,48 • 10 3 jest m/s.

Oprogramowanie mikroskopu umożliwia pomiar krzywej

V

(

z

) składającej się z 1024 punktów w odległości co 5 lub 512 punktów w odległości co 2,5  m.

 m

Wykorzystanie zjawisk zachodzących przy otrzymywaniu charakterystyk V(z):

• generacja fal powierzchniowych w określonym kierunku, • odbiór fal odpromieniowanych z badanego obiektu, • dobór warunków, aby odpromieniowana fala pochodziła od fali bocznej

Fala powierzchniowa Rayleigh’a Kierunek propagacji fali

Fale boczne

• Są to to fale podpowierzchniowe, poruszające się z prędkością fal podłużnych, podobnie jak fale Rayleigh’a odpromieniowują falę do ośrodka sprzęgającego.

• Są słabiej tłumione, wolniej zanikają.

Głowice ultradźwiękowe kierunkowa i symetryczna

Soczewka kierunkowa

Emisja i odbiór fal odpromieniowanych z jednego kierunku

Przykłady charakterystyk otrzymaych dla struktur SiAlMo (slajdy41, 42)

Zastosowano głowicę kierunkową umieszczoną nad środkiem próbki, otrzymano różne przebiegi V(z) wskazujące na inne warunki propagacji fali, powstałe w wyniku rozwarstwień

V(z) - 100 stopni V

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 1 A1 A2 2 3 4 5 6

z [mm]

Próbka 1, V(z) 100 st.

.

V(z) - 60 stopni V

2500 2000 1500 1000 500 0 0 1 2 3 4 5 6

z [mm]

A1 A2

Próbka 1, V(z), 60 st.

Badanie kolejnych wycinków kołowych próbki

V(z) = f( α) Obrót stolika Propagacja fali powierzchniowej

Projekt nowego przyrządu

Przyrząd zawierający elementy mikroskopu akustycznego: 1.

2.

3.

Głowicę z przetwornikiem i soczewką kierunkową, Przesuw wzdłuż osi z, Stolik z obrotem kątowym

Statyw Mechanizm przesuwu Głowica z soczewką kierunkową Stolik obrotowy Podstawa