Лазерно-акустическая дефектоскопия тонких металлических пленок

УДК 681.7

ЛАЗЕРНО-АКУСТИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

И.Р. ИСМАГИЛОВ1, Р.И. КАЛИМУЛЛИН1, А.А. ХАСАНОВ1, А.В. МОРОЗ2,

С.А. СТЕПАНОВ3 1 Казанский государственный энергетический университет 2 Поволжский государственный технологический университет, г. Йошкар-Ола 3 Марийский государственный университет, г. Йошкар-Ола

Проведен анализ изменения амплитуды волн Рэлея, прошедших через поверхностный дефект в тонком металлическом покрытии диэлектрика. Предложена методика лазерно-акустической дефектоскопии тонких металлических пленок.

Ключевые слова: металлическая пленка, диэлектрик, волна Рэлея, лазерно-акустическая дефектоскопия, затухание амплитуды.

Введение

В наши дни необходимость бесконтактного контроля металлизированных пленочных покрытий полупроводников и диэлектриков в изделиях электронной техники, электротехники и энергетики приобретает все большую актуальность. К примеру, пленки из алюминия широко используются в интегральных микросхемах для создания проводников соединений, контактных площадок, резисторов, конденсаторов. Сложная конфигурация и малая толщина пленочных покрытий затрудняют применение традиционных методов неразрушающего контроля. Одним из наиболее перспективных, имеющих прикладную ценность, но менее изученным среди различных методов ультразвуковой дефектоскопии является метод лазерно-акустического контроля. Он может быть использован как для определения параметров поглощающей среды, так и для исследования неоднородностей в твердом теле и на его поверхности [1].

В данной работе продемонстрирована возможность обнаружения и определения местонахождения поверхностных дефектов на металлизированных покрытиях диэлектриков на основе лазерной генерации рэлеевских волн и их детектирования пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП).

Целью работы является разработка методики бесконтактного обнаружения и определения местонахождения поверхностных дефектов в металлизированных покрытиях диэлектриков методом лазерно-акустического контроля.

Методика исследования

В качестве объектов контроля (ОК) были выбраны тонкие металлические покрытия на диэлектрической подложке. Покрытия представляли собой алюминиевые пленки толщиной 0,5 и 3 мкм, полученные с помощью вакуумного магнетронного напыления. В роли подложек выступали пластины из силикатного стекла толщиной 5 мм. Генерация и детектирование акустических волн в ОК осуществлялись с помощью экспериментальной установки, подробно описанной в работах [2,3]. Добавим лишь, что в данном случае лазерный пучок фокусировался на поверхности ОК в полоску 10^0,2 мм2, при этом его интенсивность была уменьшена светофильтрами до уровня, исключающего возможность повреждения тонкого алюминиевого покрытия, но достаточного для возбуждения в нем акустических волн.

© И.Р. Исмагилов, Р.И. Калимуллин, А.А. Хасанов, А.В. Мороз, С.А. Степанов Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

На начальном этапе исследований были проведены эксперименты по возбуждению и детектированию поверхностных акустических волн (ПАВ) в бездефектных металлических покрытиях. Сканирование поверхности тонких пленок происходило путем перемещения области генерации ПАВ по направлению к неподвижно закрепленному ПЭП. Затем на исследуемых покрытиях был искусственно нанесен дефект в виде прорези шириной 100 мкм и проведено повторное сканирование образца с прохождением через поверхностный дефект с шагами 1; 0,5; 0,1; 0,05; 0,01 мм. При этом во всех экспериментах были зафиксированы расстояния между дефектом и ПЭП (<!), а также между начальным положением области генерации ПАВ и ПЭП (х0). На рис. 1 показана схема эксперимента в случае пленки с дефектом.

Рис. 1. Схема эксперимента по возбуждению и детектированию ПАВ в металлическом покрытии с дефектом: 1 - лазерный пучок; 2 - ПЭП; 3 - стекло; 4 - дефект; 5 - металлическое покрытие

Основные результаты

В результате сравнительного анализа временных диаграмм акустических сигналов для бездефектного покрытия и покрытия с дефектом были выявлены следующие особенности.

В случае бездефектного покрытия по мере отдаления лазерного пучка от детектора амплитуда волны Рэлея равномерно затухала. При исследовании пленок с дефектом приближение области генерации ПАВ к границам дефекта сопровождалось затуханием её интенсивности. При попадании сфокусированного лазерного пучка в область дефекта амплитуда ПАВ уменьшалась до минимального для всей области сканирования значения. После того, как лазерный пучок пересекал вторую границу дефекта, наблюдалось резкое возрастание амплитуды рэлеевской волны. По мере удаления области генерации ПАВ от ПЭП интенсивность волны Рэлея уменьшалась. На рис. 2 показаны зависимости амплитуды рэлеевской волны от расстояния между областью возбуждения ПАВ и детектором при исследовании образца с дефектом с шагом сканирования 1 и 0,5 мм.

При уменьшении шага сканирования до 0,05 мм и 0,01 мм (рис. 3) были получены значения амплитуды ПАВ в области дефекта ниже, чем при шагах 1 мм и 0,5 мм, что указывает на более точное местоположение дефекта на металлическом покрытии.

© Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

Рис. 2. Зависимости амплитуды волны Рэлея от расстояния между областью генерации ПАВ и ПЭП с шагом 1мм

А, отн. ед.

Рис. 3. Зависимости амплитуды волны Рэлея от расстояния между областью генерации ПАВ и ПЭП в области дефекта с шагом 0,05 мм

Обсуждение результатов

Волна Рэлея, возбуждаемая пучком в виде полоски, распространяется преимущественно в двух направлениях, перпендикулярных этой полоске. Затухание интенсивности ПАВ, движущейся в сторону детектора, свидетельствует о возникновении препятствия в виде стенки дефекта. По мере приближения области генерации ПАВ к дефекту рэлеевские волны попадают в область геометрической тени, что приводит к уменьшению их интенсивности. Подобный эффект был также описан в работе [2]. Можно заметить, что на рис. 2 затухание интенсивности рэлеевских волн в области геометрической тени от стенок дефекта сравнительно более протяженное, чем в области самого дефекта. Поэтому наличие дефекта будет заметно даже при сканировании металлической пленки с шагом, превышающим его размеры как минимум в 10 раз (рис. 2).

© Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

Исходя из вышеизложенного, лазерно-акустическую дефектоскопию металлических покрытий целесообразно проводить в два этапа. На первом этапе сканирование осуществлять с шагом 1 мм, чтобы обнаружить наличие дефектов и предельные границы их залегания. Крупный шаг сканирования позволяет за более короткое время выявить дефекты на большей площади. На втором этапе исследовать поверхность металлических покрытий с шагом 0,01 мм только в пределах залегания дефекта, для определения его точного местоположения.

Выводы

Проведен сравнительный анализ временных диаграмм акустических сигналов для бездефектного металлического покрытия и покрытия с дефектом.

По мере приближения области генерации ПАВ к дефекту рэлеевские волны попадают в область геометрической тени, что приводит к уменьшению их интенсивности. При попадании сфокусированного лазерного пучка в область дефекта интенсивность рэлеевских волн уменьшается до минимального для всей области сканирования значения.

Предложенную методику лазерно-акустической дефектоскопии можно применять для обнаружения и определения точного местоположения дефектов на тонких металлических покрытиях.

Summary

The analysis of the changes in the amplitude of the Rayleigh waves passing through the surface defect in a thin metal coating of dielectric are submitted. The technique of laser-acoustic inspection of thin metalfilms is proposed.

Keywords: metal film, dielectric, Rayleigh wave, laser-acoustic testing, the attenuation of the amplitude.

Литература

1. Becker M., Schuelke T., Schneider D., and Leson A. LAwave-measurement technology for quality assurance // EuroNanoForum 2007 Proc. Düsseldorf, 2007. P. 72-74.

2. Голенищев-Кутузов В.А., Калимуллин Р.И., Мигачев С.А., Петрушенко Ю.Я., Хасанов А.А. Лазерно-акустический метод контроля дефектов в металлах и металлизированных покрытиях диэлектриков // Дефектоскопия. 2011. №2. С. 40-44.

3. Голенищев-Кутузов В.А., Исмагилов И.Р., Калимуллин Р.И., Мигачев С.А., Хасанов А.А. Определение размеров приповерхностных дефектов теневым методом лазерно-акустической дефектоскопии // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2012. №5-6. С. 103108.

Поступила в редакцию 8 апреля 2013 г.

Исмагилов Ильдар Рашидович - аспирант кафедры «Промышленная электроника» (ПЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (953) 4929092. Е-mail: ildarism@yandex.ru.

Калимуллин Рустем Ирекович - д-р физ.-мат.наук, профессор кафедры «Промышленная электроника» (ПЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 5194278. Е-mail: kalru@newmail.ru.

Хасанов Алмаз Асхатович- аспирант кафедры «Промышленная электроника» (ПЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (929) 7280678; 8 (843) 5194278. Е-mail: a_l_m_a_z@inbox.ru.

Мороз Андрей Викторович - аспирант кафедры «Конструирование и проектирование радиоаппаратуры» Поволжского государственного технологического университета, г.Йошкар-Ола. Тел.: 8 (987) 7009860. Е-mail: MorozAndrey2405@mail.ru.

Степанов Сергей Александрович - аспирант кафедры «Электромеханика» Марийского государственного университета, г.Йошкар-Ола. Тел.: 8 (917) 7023104. Е-mail: stepan_mail@mail.ru. © Проблемы энергетики, 2013, № 5-6