Моделювання дефектоскопічних рентгенотелевізійних систем для дослідження напівпровідникових матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Слободян Ніна Вячеславівна

УДК 621.397.2:621.386

МОДЕЛЮВАННЯ ДЕФЕКТОСКОПІЧНИХ РЕНТГЕНОТЕЛЕВІЗІЙНИХ СИСТЕМ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ

05.27.01 - Твердотільна електроніка

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України на кафедрі електронних приладів та пристроїв

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Денбновецький Станіслав Володимирович, Національний технічний університет України “КПІ”, професор кафедри електронних приладів та пристроїв

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Сизов Федір Федорович, Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, завідувач відділом фізики та технології низьковимірних систем

кандидат технічних наук Карушкін Микола Федорович Державне підприємство НДІ “ОРІОН” Міністерства промислової політики України, м. Київ, заст. директора

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НТУУ “КПІ” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д. т. н., проф. Савін В.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Неруйнівний контроль якості готових виробів та виробів на проміжних стадіях технологічного процесу є невід'ємною складовою сучасного виробництва. Ефективним, широко розповсюдженим методом неруйнівного контролю є метод рентгенівської дефектоскопії, розвиток якого одержав потужний імпульс внаслідок застосування телевізійної та комп'ютерної техніки при створенні сучасних дефектоскопічних систем. Для забезпечення ефективності, високої продуктивності, постійного вдосконалення сучасних методів рентгенівської дефектоскопії, при їх впроваджені у різні галузі промисловості, необхідний розвиток науково-технічних основ функціонування подібних систем, зокрема з врахуванням наявності в їх складі засобів телевізійного перетворення та передачі рентгенівського зображення. На даний час досягнутий значний прогрес у створенні науково-технічних основ стосовно використання рентгенотелевізійних дефектоскопічних систем з стаціонарним джерелом рентгенівського випромінювання та рентгеноелектричним перетворювачем (РЕП) з рентгеновідиконом (РВ) для контролю технологічних операцій (зокрема, зварювання) у чорній металургії, машинобудуванні, будівництві. В той самий час залишаються недостатньо розвинутими моделювання та науково-технічні питання застосування сучасних засобів рентгенотелевізійної дефектоскопічної техніки для контролю якості зразків напівпровідникових матеріалів та готових напівпровідникових приладів - виробів сучасної електронної промисловості. Специфіка властивостей відшукуваних дефектів, малі та надмалі розміри досліджуваних об'єктів, велика різноманітність напівпровідникових матеріалів та їх властивостей потребують відокремлення задачі їх контролю в окрему галузь рентгенівської дефектоскопії. Особливостями, в порівнянні з масивними об'єктами чорної металургії, відзначається вже сам процес поглинання рентгенівського випромінювання тонкими напівпровідниками та формування тіньового рентгенівського зображення, властивості вихідного сигналу перетворювача. У наш час не розроблено ефективних математичних моделей процесів функціонування імпульсних джерел рентгенівського випромінювання різних типів, які мають невеликі розміри та малу енергомісткість і добре пристосовані для використання у дефектоскопії напівпровідникових виробів. Потребує розвитку використання для опису технічних характеристик рентгенотелевізійних систем (РТВС) та аналізу процесів їх функціонування прогресивний метод цифрових лінійних фільтрів, що сприяє автоматизації контролю з застосуванням комп'ютерної техніки. Для врахування нелінійних властивостей таких систем доцільне створення відповідних нелінійних моделей. У наш час ще недостатньо розроблені та потребують вивчення питання функціонування в РТВС РЕП на основі матриць приладів з зарядовим зв'язком (ПЗЗ-матриць), які все частіше використовуються замість електронно-променевих приладів.

Актуальність даної роботи, яка передбачає дослідження перерахованих вище науково-технічних задач, пов'язана з нагальною потребою у досконалих і ефективних засобах неруйнівного контролю напівпровідникових матеріалів та приладів мікроелектроніки з використанням можливостей сучасної рентгенівської апаратури, чутливих датчиків та перетворювачів рентгенівського випромінювання у світловий та електричний сигнали, обчислювальної техніки. вакуумний рентгенівський телевізійний імпульсний

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася на кафедрі електронних приладів та пристроїв НТУУ “КПІ”, де на протязі багатьох років сумісно з відділом № 4 неруйнівного контролю Інституту електрозварювання імені Є.О. Патона НАН України здійснюються планові дослідження з рентгенівської дефектоскопії, з питань покращення режимів експлуатації, вдосконалення та створення наукових засад для розробки нових сучасних РТВС неруйнівного контролю для різних галузей промисловості. Дані дослідження проводилися, зокрема, в порядку виконання НДР № ДР 0103U006161, при безпосередній участі здобувача.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є порівняння та визначення перспектив розвитку вакуумного та твердотільного чутливих елементів у рентгенівських телевізійних системах неруйнівного контролю, підвищення ефективності та покращення вихідних параметрів рентгенотелевізійних систем неруйнівного контролю за рахунок встановлення найбільш сприятливих умов та режимів функціонування блока рентгеноелектричного перетворювача таких систем, при їх використанні для дефектоскопії різних напівпровідникових матеріалів та приладів у електронній промисловості, вироблення рекомендацій на основі порівняння параметрів та характеристик рентгеноелектричних перетворювачів з рентгеновідиконами та ПЗЗ-матрицями відносно можливостей їх взаємної заміни в системах дефектоскопії та сфер переважного використання приладів того або іншого типу.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувалися наступні завдання:

- математичне моделювання процесів поглинання рентгенівського випромінювання у зразках напівпровідникових матеріалів та формування відповідного тіньового рентгенівського зображення з врахуванням реального енергетичного спектра випромінювання рентгенівського джерела; визначення впливу на процес поглинання таких факторів, як режим роботи рентгенівського джерела, тип напівпровідникового матеріалу, розмір зразка у напрямку просвічування;

- моделювання процесу випромінювання рентгенівських джерел імпульсної дії різних типів; визначення миттєвих та усереднених в часі характеристик випромінювання цих джерел в залежності від конструкції джерела, форми, тривалості та електричних параметрів імпульсу живлення;

- математичне моделювання процесів перетворення рентгенівського тіньового зображення у електричний сигнал в РЕП на основі РВ та на основі ПЗЗ-матриць з урахуванням специфіки дефектоскопії зразків напівпровідникових матеріалів;

- використання результатів моделювання для покращення режимів роботи рентгенівських апаратів (РА), а також для вибору типу та режиму роботи РЕП при просвічуванні тих чи інших об'єктів з різних напівпровідникових матеріалів;

- створення моделей РЕП на основі цифрових лінійних фільтрів, а також створення цифрових моделей, які відображають нелінійні властивості РЕП, що дозволить безпосередньо залучити комп'ютерну техніку до процесу виявлення дефектів структури досліджуваних об'єктів з напівпровідникових матеріалів.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження в даній роботі були рентгенотелевізійні дефектоскопічні системи на основі рентгеновідиконів та ПЗЗ-матриць і процеси перетворення в них рентгенівського випромінювання при просвічуванні напівпровідникових матеріалів.

Предмет дослідження. Предметом дослідження роботи був взаємозв'язок та порівняння експлуатаційних параметрів і характеристик РТВС неруйнівного контролю на основі рентгеновідиконів та ПЗЗ-матриць в умовах дефектоскопії напівпровідникових матеріалів та виробів з них.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач використовувався математичний апарат диференціального та інтегрального числення, методи неперервного та дискретного перетворень Фур'є, теорія апроксимації та інтерполяції функцій, методи числового розв'язання аналітичних задач на електронно-обчислювальній машині (ЕОМ), методи аналітичного та цифрового моделювання, комп'ютерні програмні засоби обчислення.

Наукова новизна одержаних результатів:

- На основі врахування реального енергетичного спектра випромінювання рентгенівських джерел неперервної дії вперше виявлений ефект підвищення поглинання рентгенівського випромінювання тонкими зразками напівпровідникових матеріалів у вузькій смузі значень прискорювальної напруги таких джерел.

- Запропонована модель функціонування імпульсних рентгенівських трубок з рефлекторним та трансмісійним анодами, відмінною рисою якої є врахування механізму явищ гальмування електронів та самопоглинання випромінювання матеріалом анода, і яка вперше забезпечує можливість розрахунку адекватного реальному енергетичного спектра гальмівної складової рентгенівського випромінювання імпульсної трубки, аналізу впливу на нього тих чи інших факторів.

- Вперше запропонований метод використання лінійних цифрових фільтрів для формалізованого опису функціонування рентгеноелектричного перетворювача з рентгеновідиконом, який не тільки значно спрощує знаходження форми вихідного сигналу від малого дефекту, але й забезпечує врахування впливу на характеристики сигналу явища розтікання зарядів на мішені рентгеновідикона.

- Вдосконалена та пристосована для рентгеноелектричного перетворювача з рентгеновідиконом методика формування нелінійної цифрової моделі на основі його попередньо обчислених характеристик та розроблена обчислювально-графічна процедура, яка дозволяє визначати форму та величину вихідного сигналу від великого вхідного сигналу, створюваного зразками визначеної форми і товщини.

- Вперше запропонована наскрізна модель рентгеноелектричного перетворювача з ПЗЗ-матрицею та проміжним перетворювачем рентгенівське-видиме зображення, яка якісно відрізняється тим, що є просторово-двовимірною та забезпечує можливість визначення вихідного зарядового сигналу, створюваного чутливими елементами ПЗЗ-матриці, в напрямку обох координат.

- Проведено порівняння вакуумного та твердотільного рентгеночутливих приладів, яке свідчить про їх конкурентноздатність та можливість взаємної заміни на сучасному етапі розвитку.

Практичне значення одержаних результатів:

- створені та випробувані математичні моделі процесів генерації рентгенівського випромінювання джерелом неперервної і імпульсної дії, формування тіньового рентгенівського зображення об'єктів з напівпровідникових матеріалів, його перетворення у послідовність електричних сигналів за допомогою перетворювача з РВ або ПЗЗ-матрицею дозволяють розробити методику визначення режимів роботи апаратури, яка входить до складу РТВС, здатних забезпечити найкраще виявлення дефектів для широкого набору напівпровідникових матеріалів, розмірів відповідних зразків, номенклатури готових виробів з них без виконання трудомістких та дорогих експериментальних вимірювань, що є основою для суттєвого підвищення якості та економічної ефективності методів рентгенівської дефектоскопії, сприятиме застосуванню цих засобів контролю у масовому виробництві напівпровідникових приладів;

- запропонована та випробувана в роботі фізико-топологічна модель імпульсних рентгенівських трубок дозволяє обчислювати характеристики рентгенівського випромінювання цих джерел в залежності від їх типу, конструкції та режиму функціонування без проведення безпосередніх складних та трудомістких експериментальних вимірювань, що забезпечує суттєве підвищення ефективності робіт з розробки та експлуатації як самих таких джерел, так і імпульсних РТВС в цілому;

- сформовані в роботі цифрова модель РЕП на основі лінійних цифрових нерекурсивних фільтрів та цифрова нелінійна модель можуть бути застосовані при автоматизації процесів настройки та експлуатації РТВС з використанням комп'ютерної техніки, а також автоматизації процесу проектування нових РТВС; запропонований спосіб рентгенівської дефектоскопії захищений патентом України;

- створені в роботі моделі дозволяють визначати та порівнювати параметри РТВС різних типів для широкого діапазону експлуатаційних умов.

Особистий внесок здобувача. Особисто здобувачем запропонована фізико-топологічна модель імпульсних рентгенівських трубок різних типів, наскрізна лінійна модель РЕП РТВС з РВ на основі лінійних цифрових фільтрів, а також його цифрова нелінійна модель, наскрізна математична модель РЕП на основі ПЗЗ-матриці; визначені залежності чутливості, просторової роздільної здатності та відношення сигналу до шуму РТВС з РЕП різних типів від режимів роботи РА та перетворювачів, зроблені оцінки інформаційної ємності мішені РВ та ПЗЗ-матриці.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались та обговорювались на XXIV, XXV та XXVI міжнародних конференціях “Проблеми електроніки”, Київ, 2004, 2005 та 2006 рр.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані у 8 наукових роботах, серед яких 7 статей у провідних спеціальних виданнях та 1 патент на корисну модель.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, п'яти додатків. Дисертація вміщує 148 сторінок основного тексту, 60 рисунків, 19 таблиць та 118 найменувань використаних бібліографічних джерел. Повний обсяг дисертації складає 236 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладено загальну характеристику роботи, обгрунтовано актуальність теми, визначена мета та основні завдання роботи. Показано наукову новизну одержаних результатів, їх наукове значення та практичну цінність. Наведені відомості про апробацію роботи, про структуру та обсяг дисертації.

В першому розділі на основі аналізу найбільш поширених видів дефектів виробів з напівпровідникових матеріалів обгрунтована необхідність та доцільність використання для їх виявлення неруйнівних методів контролю. Показано, що найбільш прийнятними методами такого контролю є рентгенографія та рентгеноскопія - різновиди радіаційних методів неруйнівного контролю. На основі огляду розвитку засобів рентгеноскопії, їх порівняльного аналізу показано, що найбільш ефективними та перспективними з них є рентгенотелевізійні системи. Розглянуто принцип дії, структуру та будову таких систем, особливості їх робочих режимів та зроблено огляд сучасних зразків відповідної техніки. Виконаний огляд свідчить про те, що як рентгеновідикони, так і ПЗЗ-матриці є базою для створення ефективних засобів перетворення рентгенівського зображення сучасних РТВС, зокрема для завдань дефектоскопії виробів з напівпровідникових матеріалів.

Розглянуті властивості біля 30 напівпровідникових матеріалів стосовно їх густини, здатності поглинати рентгенівське випромінювання в діапазоні енергій, що використовується для дефектоскопії та т. ін. На основі виконаного аналізу обгрунтовано положення про те, що рентгенівська дефектоскопія об'єктів з напівпровідникових матеріалів є окремою галуззю рентгенівських методів неруйнівного контролю.

Визначена система параметрів РТВС. Розглянуто закономірності взаємозв'язку та взаємозалежності вхідних та вихідних параметрів, що характеризують експлуатаційні можливості РТВС.

Показано, що моделювання явищ та процесів при функціонуванні технічних засобів у складі РТВС - перспективний спосіб підвищення ефективності рентгенівського метода неруйнівного контролю в умовах масового виробництва та широкої номенклатури напівпровідникових матеріалів і виробів, що досліджуються.

Другий розділ присвячений питанню визначення найбільш сприятливих режимів роботи рентгенівських апаратів неперервної та імпульсної дії при просвічуванні напівпровідникових матеріалів (, та ін.) шляхом моделювання процесів поглинання у напівпровідникових матеріалах рентгенівського випромінювання від таких джерел та знаходження умов, що забезпечують максимальний рівень поглинання зразками того чи іншого напівпровідникового матеріалу визначеної товщини.

Для проведення відповідних досліджень була використана розроблена в попередні роки модель процесу формування спектра випромінювання рентгенівського апарата неперервної дії та перетворення цього спектра при проходженні крізь матеріал досліджуваного об'єкта, яка в найбільшому ступеню відтворює реальний спектр гальмівного випромінювання в залежності від режиму рентгенівського апарата та властивостей об'єкта. Розрахунки виконувалися для рентгенівських трубок з різними матеріалами анода (, , , , , і ), кутом нахилу анода (° та °), та для діапазону параметрів і режимів, які характерні для ряду типів трубок, що використовуються у дефектоскопії (діапазон прискорювальних напруг від 0 до 400 кВ при фіксованому значенні анодного струму мА).

В роботі були розраховані залежності від максимальної енергії квантів рентгенівського випромінювання абсолютної долі повної густини потоку квантів, яка поглинається у речовині зразка при різних комбінаціях інших параметрів для однорідних зразків досліджуваних напівпровідникових матеріалів. Встановлено, що, за деяких умов залежності мають виразний максимум, положення якого може змінюватися із зміною тих чи інших параметрів. В роботі, також, були обчислені залежності поглинутої долі рентгенівського випромінювання від товщини зразка та для різних значень прискорювальної напруги. Обидва фактори: наявність максимумів поглинання та сильна залежність поглинання від товщини зразка, які мають місце при певних режимах, повинні забезпечити формування більш контрастного тіньового рентгенівського зображення дефектів напівпровідникової структури.

В роботі вперше створена модель ще одного великого класу джерел рентгенівського випромінювання - імпульсних апаратів з трубками різних типів: з трансмісійним та рефлекторним анодами. Модель враховує як фактор імпульсного функціонування таких джерел (змінність напруги на аноді та анодного струму на протязі тривалості імпульсу ), так і особливості їх конструкції. Для розрахунків використовується спрощена форма часових залежностей напруги та струму, яка відтворює відповідні реальні залежності, притаманні трубкам з вибуховою емісією, а саме: на часовому відрізку від 0 до прискорювальна напруга постійна, а струм лінійно зростає, а від до - і напруга і струм лінійно спадають до нульового значення. У відповідності з моделлю - розподіл квантів випромінювання імпульсного РА за енергіями в середньому на протязі імпульсу, визначається за допомогою рівнянь:

, (1)

де:

, (2)

, (3)

, (4)

, (5)

для рефлекторного анода, (6)

для трансмісійного анода, (7)

- максимальна енергія квантів рентгенівського випромінювання в кеВ; - енергія квантів рентгенівського випромінювання в кеВ; - час в с; - амплітуда імпульсу струму в А; - ємність конденсатора, що розряджається на імпульсну рентгенівську трубку в Ф; - відстань між анодом та катодом трубки в см; квант/А c·кеВ; - атомний номер матеріалу анода; - відстань від рентгенівської трубки в см; - товщина вихідного вікна рентгенівської трубки в см; і - лінійні коефіцієнти ослаблення рентгенівського випромінювання матеріалу анода та вікна рентгенівської трубки відповідно в см^_1; - густина матеріалу анода в г/см³; - константа Томсона-Відінгтона; - кут загострення голки рефлекторного анода; - товщина фольги трансмісійного анода в см;

В системі рівняння (4) виражає співвідношення амплітуд імпульсів струму та анодної напруги (відповідає значенню ), характерне для трубок з вибуховою емісією. Рівняння (5) визначає - миттєвий розподіл квантів випромінювання імпульсного РА за енергіями, що припадають на одиницю струму. Через рівняння (6) та (7) враховується геометричний фактор: довжини шляху , що долають у товщі анода кванти з різною енергією від місця їх зародження до виходу, визначають самопоглинання гальмівного рентгенівського випромінювання в речовині рефлекторного та трансмісійного анодів відповідно.

Представлені результати розрахунків усереднених енергетичних спектрів рентгенівського випромінювання імпульсних рентгенівських апаратів різних типів та апарату неперервної дії. Представлені результати отримані для анодів з вольфраму; кеВ; см. Аналіз свідчить, що імпульсний характер роботи трубки призводить до зсуву максимуму розподілу в бік менших енергій. Зменшення кута загострення голки рефлекторного анода або потовщення фольги трансмісійного анода призводить до зсуву максимуму розподілу в бік більш високих енергій. Розрахункові спектри відрізняються від наведених в літературі експериментальних не більше ніж на 12 %, що не перевищує похибку вимірювання експериментального спектра.

За допомогою створеної моделі для імпульсних апаратів досліджувалися процеси поглинання рентгенівського випромінювання тонкими зразками напівпровідникових матеріалів. Встановлені особливості хода залежностей поглинання випромінювання в речовині зразка від амплітуди імпульсу прискорювальної напруги для трубок з рефлекторним анодом. Вони не виявляють максимуму, але виходять на насичення. Відповідні режимні параметри можуть розглядатися як сприятливі для рентгеноскопії.

За допомогою моделювання вивчені закономірності процесу формування тіньового рентгенівського зображення дефекту структури напівпровідникового матеріалу (пора та паладієве включення) і проаналізований просторово-частотний спектр такого зображення.

На основі розробленої моделі здійснені розрахунки характеристик тіньового рентгенівського зображення дефектів напівпровідникового матеріалу з розмірами, що складають 5 % товщини зразка в напрямку просвічування. Встановлено, що для товщин кремнієвих зразків менших 1 мм в діапазоні прискорювальних напруг 30 70 кВ існує складний, немонотонний характер залежностей відношення сигнал/шум та значення перепаду щільності потоку рентгенівських квантів від товщини зразка та напруги на аноді трубки. Максимальні значення цих характеристик відповідають таким самим умовам, за яких має місце максимальний рівень поглинання рентгенівського випромінювання. Для цілей практичного застосування при дефектоскопії напівпровідників були отримані залежності від товщини зразка кремнію відносних розмірів дефектів , які відповідають набору конкретних значень відношення сигнал/шум при  кеВ, що дає можливість оцінити ймовірність виявлення таких дефектів.

Таким чином, встановлена можливість за допомогою математичного моделювання, яке враховує реальний енергетичний спектр випромінювання рентгенівського джерела як неперервної, так і імпульсної дії, знаходити найбільш сприятливі умови та режимні параметри при просвічуванні зразків тієї чи іншої товщини з конкретного напівпровідникового матеріалу для виявлення дефектів з певними відносними розмірами.

У третьому розділі проводиться дослідження наступної стадії перетворення сигналу рентгеноелектричним перетворювачем, а саме - перетворення тіньового рентгенівського зображення у електричний сигнал з використанням рентгеновідикона стосовно до рентгеноскопії напівпровідникових матеріалів та виробів з них. Таке дослідження здійснюється шляхом наскрізного моделювання залежностей вихідного сигналу блока рентгеноелектричного перетворювача від його вхідних та внутрішніх параметрів. В основу моделювання покладена універсальна фізико-топологічна модель блока рентгеноелектричного перетворювача з рентгеновідиконом, розроблена в попередні роки.

За допомогою цієї моделі числовими методами розраховані амплітудні характеристики блока для об'єктів з напівпровідникових матеріалів (, ), які відображають характер зміни величини вихідного сигналу із зміною розміру об'єкта в напрямку просвічування, з урахуванням властивостей об'єкта, режимів РА та РВ різних типів, параметрів розгортки електронного променя.

Результати розрахунку залежностей чутливості перетворювача з РВ ЛИ-444, що має діаметр робочого поля 18 мм, від товщини зразка для різних прискорювальних напруг при дефектоскопії кремнію. Можна бачити, що чутливість зменшується із зростанням товщини зразка, причому для товщин менших за 1 мм прискорювальна напруга 30 кВ забезпечує більш високу чутливість системи, ніж значення 50 та 100 кВ, а при подальшому збільшенні товщини співвідношення чутливостей для цих напруг змінюється на зворотне.

Розраховані залежності відношення сигнал/шум РЕП з РВ від прискорювальної напруги при дефектоскопії напівпровідникового зразка. Виявлено, що для таких залежностей характерний виразний максимум, величина якого зростає, а положення зсувається в бік менших напруг із збільшенням кількості кадрів накопичення на мішені РВ. Одержані результати свідчать про можливості за допомогою моделювання обирати режими, які забезпечують високу ймовірність виявлення дефектів напівпровідникових матеріалів.

З застосуванням засобів математичного моделювання досліджені нелінійні спотворення вхідного гармонічного сигналу в процесі його послідовної трансформації в ланках блока рентгеноелектричного перетворювача. Встановлено, що найсуттєвіші спотворення вносить перша стадія перетворення, пов'язана з просвічуванням об'єкта. Показано, що неспотворений гармонічний сигнал на виході перетворювача може бути одержаний в наближенні малого вхідного сигналу, який відповідає нестовідсотковій модуляції випромінювання, що пройшло крізь об'єкт. Показано, що в умовах такого сигналу просторово-частотна характеристика перетворювача (ПЧХ) співпадає з ПЧХ передавальної трубки.

Досліджений вплив на ПЧХ рентгеновідикона явища розтікання заряду на поверхні його мішені, внесок якого особливо суттєвий в умовах регульованої тривалості накопичення. Врахування розтікання заряду дозволяє встановити, що збільшення прискорювальної напруги та кількості кадрів накопичення може за деяких умов призводити до погіршення роздільної здатності системи. Це необхідно брати до уваги при використанні таких методів для підвищення чутливості системи при дефектоскопії напівпровідникових матеріалів.

На основі моделі проведений аналіз інформаційних характеристик рентгеноелектричного перетворювача з рентгеновідиконом та вироблена методика для кількісної оцінки його інформаційної ємності, гранична максимальна величина якої може бути виражена за допомогою формули:

,

де - діаметр мішені РВ; - загальна кількість ліній телевізійної розгортки РВ; - роздільна здатність системи; та - значення, що визначають динамічний діапазон потенціалів на поверхні мішені РВ; - пороговий контраст.

Аналіз свідчить, що максимальне значення інформаційної ємності рентгеноелектричного перетворювача з рентгеновідиконом зростає із збільшенням напруги на аноді трубки. Для ряду типів рентгеновідиконів (ЛИ-444, ЛИ-473, ЛИ_504) визначене за оцінками максимальне значення інформаційної ємності складає біля 10⁷ біт.

В дисертації створена наскрізна цифрова модель рентгеноелектричного перетворювача на основі лінійного цифрового нерекурсивного фільтра, передаточною характеристикою якого є одержана просторово-частотна характеристика перетворювача , а вагові коефіцієнти визначаються за рівнянням:

,

де - верхня частота ПЧХ; - період передаточної функції фільтра вздовж частотної осі; - номера членів розкладу, кількість яких обирається з міркувань достатньо точного відтворення характеристики.

За дискретними відліками вхідного сигналу послідовність значень вихідного сигналу може бути отримана за допомогою формули

Фільтр також враховує явище розтікання заряду в режимі регульованої тривалості накопичення. Таким чином, синтезований лінійний цифровий нерекурсивний фільтр дозволяє за допомогою досить простої обчислювальної процедури, в наближенні малого сигналу, за характеристиками зразка, що просвічується, визначати характеристики вихідного сигналу й оцінювати ступінь його спотворення.

Створена більш універсальна нелінійна цифрова модель, яка дозволяє вийти за границі обмежень, які накладає лінійне наближення. Модель побудована на основі попередньо розрахованої для відповідних умов сім'ї амплітудних характеристик рентгеноелектричного перетворювача. Запропонована методика полягає у розрахунково-графічному визначенні вихідного сигналу за заданим вхідним великим сигналом, коли в повній мірі проявляються нелінійні властивості системи. Така цифрова модель може бути багатократно використана для відтворення відносно простим способом форми й величини сигналів на виході перетворювача за формою та розмірами вхідних сигналів-дефектів. Властивості нелінійної цифрової моделі відкривають перспективи ефективного застосування її в практиці дефектоскопічного контролю у випадку використання сучасних комп'ютеризованих вимірювальних комплексів. На основі застосування даної моделі запропонований спосіб рентгенотелевізійної дефектоскопії, на який отримано патент. Впровадження його у виробництво може сприяти автоматизації процесу неруйнівного контролю з застосуванням РТВС.

Підтвердженням технічних можливостей дефектоскопічного комплексу з РВ відносно виявлення особливостей структури зразків напівпровідникових матеріалів та внутрішньої будови виробів мікроелектроніки (мікросхем) є наведені в роботі результати відповідних експериментальних випробувань.

У четвертому розділі досліджувалися характеристики та вихідні параметри блока рентгеноелектричного перетворювача на основі ПЗЗ-матриці. З цією метою створена наскрізна модель блока рентгеноелектричного перетворювача, який поряд з ПЗЗ-матрицею включає до себе ланку перетворення рентгенівське-видиме зображення у вигляді сцинтиляційних екранів того чи іншого типів. Створена відповідна система рівнянь, яка описує обидві стадії перетворення рентгенівського тіньового зображення досліджуваного об'єкта у послідовність електричних сигналів (рентгенівське-видиме зображення та видиме зображення-електричний сигнал):

,

,

,

,

,

,

де - енергетичний спектр густини потоку квантів на виході РА неперервної дії; - енергетичний спектр після проходження об'єкту товщиною та лінійним коефіцієнтом ослаблення ; - частина інтенсивності рентгенівського випромінювання, яка поглинається в сцинтиляторі; - енергетична залежність долі випромінювання, яке поглинається в сцинтиляторі;  - густина потоку світлової енергії, яку випромінює сцинтилятор; - конверсійна ефективність сцинтилятору; - густина світлової енергії, яка надійде безпосередньо до світлочутливої поверхні ПЗЗ-матриці; - коефіцієнт, який визначається конструкцією і характеристиками відповідної оптичної системи та її елементів; - вихідний сигнал ПЗЗ-матриці; - коефіцієнт передачі істокового повторювача; - ємність вихідного пристрою ПЗЗ-матриці; - заряд електрона; - площа світлочутливої поверхні ПЗЗ-елемента; - час інтегрування зображення; - швидкість світла; - постійна Планка; - довжина хвилі випромінювання; - нормований спектральний розподіл енергії випромінювання сцинтилятору; - квантова ефективність ПЗЗ-матриці; та  - визначають робочий діапазон довжин хвиль.

За допомогою створеної моделі проведені дослідження та аналіз найважливіших властивостей рентгеноелектричного перетворювача з ПЗЗ-матрицею стосовно дефектоскопії напівпровідникових матеріалів на прикладі сучасної матриці PI-SCX:1300 фірми “Princeton Instruments”, розробленої для використання в рентгеноскопії.

Виконані розрахунки та аналіз залежності відношення сигнал/шум від потужності дози рентгенівського випромінювання та кількості кадрів накопичення при просвічуванні зразків кремнію та германію товщиною 400 мкм з дефектом-западиною глибиною 5 % товщини. Показано, що відношення сигнал/шум зростає при збільшенні кількості кадрів накопичення. Для кремнію розраховані залежності мають максимум при потужності дози, яка відповідає прискорювальній напрузі на аноді біля 30 кВ, що корелює з максимумами на відповідних залежностях для тіньового рентгенівського зображення та для перетворювача на РВ, отриманих в другому і третьому розділах роботи.

За допомогою створеної моделі розраховані амплітудні характеристики рентгеноелектричного перетворювача з ПЗЗ-матрицею для зразків кремнію та германію. Встановлена залежність від товщини зразка та прискорювальної напруги чутливості блока рентгеноелектричного перетворювача до малого перепаду товщини зразка.

Розрахована ПЧХ блока рентгеноелектричного перетворювача з ПЗЗ-матрицею, яка визначається, головним чином, дискретністю світлочутливих елементів і дозволяє оцінити його роздільну здатність.

Створена модель перетворювача з ПЗЗ-матрицею є просторово-двовимірною, що дозволило виконати моделювання процесу утворення просторової картини зарядів, накопичених в світлочутливих елементах ПЗЗ-матриці в результаті проектування на поверхню з'єднаного з нею сцинтиляційного шару тіньового рентгенівського зображення дефекту структури зразка напівпровідникового матеріалу. Розрахунки зроблені для зразків кремнію з товщиною 400 мкм та дефектів (пора і паладієве включення) сферичної форми з радіусом 100 мкм. Показано, що зарядовий рельєф від дефекту-включення характеризується пласкою вершиною та крутими схилами; у випадку дефекту-пори рельєф більш пологий.

Зроблена оцінка максимальної інформаційної ємності, яку забезпечують ПЗЗ-матриці різних типів. Відповідні величини близькі до значення аналогічного параметра для рентгеновідиконів.

Проведені експериментальні випробування характеристик модернізованої РТВС дефектоскопії, в якій замість перетворювача на основі електронно-променевого приладу використана ПЗЗ-матриця. Зокрема, виконані вимірювання відносної чутливості такої системи на реальних об'єктах з використанням стандартних еталонів, в тому числі в режимі регульованої тривалості накопичення. За допомогою створеної моделі виконані розрахунки характеристик досліджуваного дефектоскопічного комплексу з врахуванням умов, максимально наближених до обставин конкретного зробленого експерименту. Значення відносної чутливості, встановлені розрахунковим шляхом на основі розробленої моделі, якісно та кількісно добре узгоджуються з відповідними результатами експериментальних вимірювань для всіх параметрів експерименту.

За допомогою запропонованих в роботі моделей та проведених досліджень виконаний порівняльний аналіз властивостей рентгеноелектричних перетворювачів на основі рентгеновідиконів та ПЗЗ-матриць. Встановлена якісна та кількісна відповідність їх характеристик та параметрів (відношення сигнал/шум, відносна чутливість, роздільна здатність та т. ін.), конкурентоспроможність цих типів систем одна відносно іншої. Показана можливість, в разі необхідності, взаємної заміни рентгеновідикона та ПЗЗ-матриці в існуючих РТВС. Зроблений висновок про ймовірне переважання в перспективі перетворювачів з ПЗЗ-матрицями в комп'ютеризованих дефектоскопічних комплексах, та збереження при роботі в складних або екстремальних умовах (наявність високих температур, електромагнітних перешкод, радіаційних полів, агресивного середовища та т. ін.) пріоритету за рентгеновідиконами.

У додатках приведені розроблені обчислювальні програми, які застосовувалися для комп'ютерного моделювання, графіки розрахованих енергетичних спектрів рентгенівського випромінювання, документи про впровадження результатів роботи у практику.

ВИСНОВКИ

В дисертації розроблені та випробувані моделі процесів функціонування блока рентгеноелектричного перетворення рентгенотелевізійних систем неруйнівного контролю для специфічних умов рентгенівської дефектоскопії напівпровідникових матеріалів та виробів з них, що забезпечує розвиток науково-технічних основ підвищення ефективності відповідної апаратури: вибору робочих режимів, вдосконалення існуючих та розробки нових систем для цієї галузі електронної техніки.

Аналіз властивостей великого переліку (до 30 найменувань) напівпровідників у вигляді тонких (до 0.5 мм) зразків, як об'єктів просвічування, обгрунтовує доцільність розгляду рентгенівської дефектоскопії напівпровідникових матеріалів як самостійної галузі неруйнівного контролю. За допомогою моделювання встановлена наявність режимів (в діапазоні прискорювальних напруг кВ) за яких збільшуються як поглинання, так і ступінь залежності поглинання від товщини напівпровідникового зразка (, та ін.), що відповідає підвищенню (до 25 %) контрасту тіньового рентгенівського зображення та вказує на сприятливість таких режимів для виявлення дефектів.

Створена модель функціонування імпульсних рентгенівських трубок різних конструкцій, яка враховує самопоглинання випромінювання матеріалом анода, тип анода (трансмісійний чи рефлекторний), матеріал анода, його геометричні параметри (товщина фольги або кут загострення голки відповідно), електричні та часові параметри імпульсу живлення (напруга, тривалість та період повторення), і дозволяє з похибкою не більше 12 % розраховувати енергетичний спектр густини потоку квантів та форму імпульсу рентгенівського випромінювання, що становить важливу інформацію для розробників та користувачів імпульсних рентгенівських джерел.

Побудована наскрізна модель рентгеноелектричного перетворювача РТВС з рентгеновідиконом на основі лінійних цифрових нерекурсивних фільтрів для випадку малого вхідного сигналу (відповідає перепадам товщин напівпровідників до 100 ч 200 мкм), яка дозволяє за допомогою простої обчислювальної процедури розрахувати форму вихідного сигналу рентгеновідикона за заданими ПЧХ системи та характеристиками досліджуваного зразка, в тому числі з врахуванням процесу розтікання зарядів на мішені РВ в режимі з регульованою тривалістю накопичення.

Запропонована цифрова нелінійна модель рентгеноелектричного перетворювача РТВС з рентгеновідиконом, яка за допомогою сім'ї попередньо розрахованих характеристик перетворювача дає можливість на основі спрощеної обчислювально-графічної процедури відтворювати форму та величину вихідного сигналу при дефектоскопії зразків визначеного матеріалу та товщини.

Розроблена наскрізна просторово-двовимірна модель рентгеноелектричного перетворювача на основі ПЗЗ-матриці, яка забезпечує можливість обчислення вихідного зарядового сигналу, створюваного чутливими елементами ПЗЗ-матриці в напрямку обох координат при просвічуванні досліджуваного зразка.

Запропоновані наскрізні моделі рентгеноелектричних перетворювачів різних типів (на основі рентгеновідиконів та ПЗЗ-матриць) стосовно великого набору напівпровідникових матеріалів та товщин зразків, при застосуванні в процесах розробки, впровадження, експлуатації дефектоскопічних систем з заданими параметрами (роздільною здатністю і відносною чутливістю) на 70 % зменшують витрати часу для попереднього визначення діапазону сприятливих режимів за рахунок скорочення обсягів макетування та експериментальних випробувань.

Запропонована методика порівняння параметрів рентгеноелектричних перетворювачів на основі рентгеновідиконів і ПЗЗ-матриць, що забезпечує визначення доцільності та переваг використання в конкретному випадку приладів того або іншого типу, яка свідчить про близькість їх експлуатаційних властивостей на сучасному етапі, про перспективу в майбутньому поступового переважання систем рентгенівської дефектоскопії з ПЗЗ-матрицями й збереження за РВ пріоритету використання у специфічних екстремальних умовах.

Результати роботи, що стосуються вдосконалення та модернізації методів рентгенотелевізійної дефектоскопії, запатентовані, впровадження їх у практику забезпечує підвищення продуктивності та якості неруйнівного контролю.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Денбновецький С.В., Лещишин О.В., Слободян Н.В. Поглинання рентгенівського випромінювання в кремнію та германію // Электроника и связь. - 2003 - №20. - с. 109 - 112.

Особиста участь здобувача: розробка методики визначення залежності долі поглинутого в речовині напівпровідника рентгенівського випромінювання джерела неперервної дії від матеріалу об'єкта, товщини зразка, матеріалу анода трубки, прискорювальної напруги на аноді та виконання відповідних розрахунків.

2. Слободян Н.В. Особенности моделирования характеристик излучения импульсных рентгеновских аппаратов // Электроника и связь. - 2004 - №21. - с. 80 - 82.

3. Слободян Н.В. Відносна чутливість дефектоскопічного контролю напівпровідникових матеріалів // Электроника и связь. - 2004 - №22. - с. 96 - 99.

4. Денбновецкий С.В., Лещишин А.В., Михайлов С.Р., Слободян Н.В. Цифровое моделирование рентгено-электрического преобразователя // Электроника и связь. - 2004 - №24. - с. 39 - 46.

Особиста участь здобувача: розробка методики визначення амплітудних характеристик рентгеноелектричного перетворювача з рентгеновідиконом, створення обчислювальної моделі тонкої міри, що відповідає наближенню малого сигналу, побудова наскрізної моделі рентгеноелектричного перетворювача РТВС з рентгеновідиконом на основі лінійних цифрових нерекурсивних фільтрів.

5. Слободян Н.В. Система параметров рентгеновского неразрушающего контроля // Электроника и связь. - 2005 - Тематический выпуск “Проблемы электроники”, часть 2 - с. 52 - 55.

6. Слободян Н.В. Моделювання та порівняння характеристик випромінювання імпульсних рентгенівських апаратів різних типів // Электроника и связь. - 2006 - Тематический выпуск “Проблемы электроники”, часть 2 - с. 33 - 36.

7. Denbnovetsky S.V., Slobodyan N.V. Simulation of radiation characteristics of pulse X-ray devices for non-destructive testing the semiconductor materials // Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. - 2006. - Vol. 9. - N 1. - p. 68 - 72.

Особиста участь здобувача: побудова математичних моделей, які враховують особливості поглинання рентгенівського випромінювання зразками напівпровідникових матеріалів від джерел імпульсної дії.

8. Спосіб рентгенотелевізійної дефектоскопії: Патент на корисну модель 19254 Україна, МПК G 01 № 23/02/ М.Г. Білий, С.В. Денбновецкий, О.В. Лещишин, С.Р. Михайлов, Н.В. Слободян, В.О. Троїцький. - № u200605528; Заявл. 22.05.2006; Опубл. 15.12.2006, Бюл. № 12. - 9 с.

Особиста участь здобувача: створення нелінійної цифрової моделі рентгеноелектричного перетворювача РТВС, розробка на основі цієї моделі способу рентгеноскопічного неруйнівного контролю та алгоритму процедури його реалізації.

АНОТАЦІЇ

Слободян Н.В. Моделювання дефектоскопічних рентгенотелевізійних систем для дослідження напівпровідникових матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 - твердотільна електроніка. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2007.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності роботи рентгенотелевізійних систем неруйнівного контролю на основі визначення шляхом моделювання найбільш сприятливих режимів функціонування блока рентгеноелектричного перетворення при дефектоскопії напівпровідникових матеріалів. Запропонована методика визначення найбільш сприятливих режимів роботи рентгенівських апаратів. Розроблена модель генерації випромінювання імпульсними рентгенівськими трубками. В наближенні малого сигналу побудована наскрізна цифрова модель блока рентгеноелектричного перетворення з рентгеновідиконом на основі лінійного цифрового нерекурсивного фільтра. Створена цифрова нелінійна модель такого перетворювача. Створена та застосована для конкретних систем наскрізна модель перетворювача з ПЗЗ-матрицею. Досягнуте добре узгодження результатів, одержаних на основі запропонованої моделі та виконаних експериментів.

Ключові слова: рентгенотелевізійна система, неруйнівний контроль, моделювання, рентгеновідикон, ПЗЗ-матриця, напівпровідникові матеріали.

Слободян Н.В. Моделирование дефектоскопических рентгенотелевизионных систем для исследования полупроводниковых материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 - твердотельная электроника. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2007.

Диссертация посвящена повышению эффективности работы, улучшению выходных параметров рентгенотелевизионных систем (РТВС) неразрушающего контроля за счет определения путем моделирования наиболее благоприятных условий и режимов функционирования блока рентгеноэлектрического преобразователя (РЭП) таких систем при их применении для дефектоскопии в электронной промышленности по отношению к широкому набору полупроводниковых материалов и большой номенклатуры изделий.

На основе анализа специфических свойств полупроводниковых материалов и изготавливаемых на их основе изделий обосновано положение о том, что рентгеновскую дефектоскопию таких объектов целесообразно рассматривать как отдельную отрасль рентгеновских методов неразрушающего контроля. Показано, что современная рентгеновская аппаратура и средства преобразования рентгеновского изображения, основанные как на рентгеновидиконах, так и на ПЗС-матрицах, могут служить базой для создания эффективных РТВС для задач дефектоскопии продукции современной микроэлектроники. Показано, что моделирование - перспективный способ повышения эффективности рентгеновского метода неразрушающего контроля качества таких изделий.

На основе моделирования процессов поглощения в полупроводниковых материалах рентгеновского излучения от аппаратов непрерывного и импульсного действия предложена методика определения наиболее благоприятных для рентгеноскопии режимов функционирования таких аппаратов.

Разработана и обоснована физико-топологическая модель генерации излучения импульсными рентгеновскими трубками различной конструкции.

Исследованы закономерности процесса формирования теневого рентгеновского изображения дефекта полупроводникового материала, его пространственно-частотный спектр, отношение сигнал/шум, контрастные характеристики.

Посредством сквозного моделирования блока РЭП с рентгеновидиконом исследован процесс преобразования теневого рентгеновского изображения в электрический сигнал по отношению к рентгеноскопии полупроводниковых материалов. Рассчитаны амплитудные характеристики блока для кремния и германия. Получены зависимости чувствительности блока от толщины образца для различных режимных параметров, рассчитаны зависимости отношения сигнал/шум от ускоряющего напряжения при дефектоскопии полупроводникового образца. Исследованы нелинейные искажения входного гармонического сигнала в процессе его последовательной трансформации в звеньях блока РЭП. Исследовано влияние на пространственно-частотную характеристику рентгеновидикона явления растекания заряда по поверхности его мишени в условиях режима регулируемой длительности накопления. Усовершенствована методика определения информационной емкости мишени рентгеновидикона, выполнены ее оценки для конкретных приборов.

В приближении малого сигнала построена сквозная цифровая модель РЭП на основе линейного цифрового нерекурсивного фильтра, в том числе и для случая режима регулируемой длительности накопления.

Создана широкодиапазонная цифровая нелинейная модель на основе рассчитанных амплитудных характеристик РЭП с рентгеновидиконом, которая позволяет выйти за пределы ограничений, налагаемых линейным приближением.

Создана сквозная модель блока РЭП на основе ПЗС-матрицы, включающая звено преобразования рентгеновское-видимое изображение в виде сцинтилляционных экранов. Проведены исследования и анализ основных свойств РЭП с ПЗС-матрицей в отношении дефектоскопии полупроводниковых материалов на примере конкретных современных приборов этого типа. Выполнено моделирование процесса создания двумерной пространственной картины зарядов, накапливаемых в элементах ПЗС-матрицы, при дефектоскопии образца полупроводникового материала. Достигнуто хорошее согласие при сопоставлении результатов, полученных на основе предложенной модели и выполненных экспериментов.

Ключевые слова: рентгенотелевизионная система, неразрушающий контроль, моделирование, рентгеновидикон, ПЗС-матрица, полупроводниковые материалы.

Slobodyan N.V. Simulation of defectoscopic X-ray television systems for non-destructive testing of semiconductor materials. - Manuscript.

Ph.D. thesis on speciality 05.27.01 - solid-state electronics. - National technical university of Ukraine “KPI”, Kyiv, 2007.

The work is devoted to increasing effectiveness of X-ray television systems for non-destructive testing on base of selecting by simulation the most profitable functioning regimes of X-ray-electric converter unit for testing of the semiconductor materials. The method of selecting the most profitable X-ray apparatus regime is proposed. The simulation of radiation generation from pulse X-ray tubes is performed. For small-signal approach the end-to-end model of X-ray-electric unit with X-ray vidicon by means of linear digital non-recursive filter is made. The digital non-linear model of such unit is implemented. The end-to-end model of converter with CCD-matrix is developed and applied. Good correspondence between the results obtained in the framework of proposed model and by performed experiments is achieved.

Key words: X-ray television system, non-destructive testing, simulation, X-ray vidicon, CCD-matrix, semiconductor materials.

Размещено на Allbest.ru

...