Misure sub-micrometriche di spessori con ultrasuoni

Author(s):
M. Tatti - MAGYC
G. Campos - MAGYC

Industry:
Research

Products:
LabVIEW, Modular Instruments

The Challenge:
Acquisire lo spessore di materiale o prodotti con accuratezze dell’ordine del micron senza essere vincolati alla calibrazione specifica dello strumento e a costi contenuti.

The Solution:
Misurare con precisione il tempo che intercorre tra l’emissione di un impulso ultrasonoro e l’istante di ritorno della eco riflessa che permette di misurare con precisione lo spessore del materiale attraversato.

La misura di spessore
Nell’ambito della misura di grandezze fisiche, spesso si considera la misura di spessori una semplice formalitá priva di qualunque contenuto tecnologico. Quando tuttavia, si rende necessario acquisire lo spessore di materiali o prodotti con accuratezze dell’ordine del micron, ci si imbatte in una serie di problematiche spesso difficili da superare. Le moderne esigenze di mercato, infatti, richiedono che le misure avvengano in tempi rapidi, senza ripetute calibrazioni e, se possibile, senza toccare il prodotto.
É questo il caso, ad esempio, della misura di spessore di wafer usati in elettronica o, piú recentemente, nel fotovoltaico. Nel primo caso i wafer sono per lo piú costituiti da silicio monocristallino, arseniuro di gallio oppure da cristalli (es: Niobato di Litio) quando usati in optoelettronica. Nel fotovoltaico, il materiale utilizzato puó essere ancora silicio monocristallino o silicio multicristallino. Le tecnologie che oggi risolvono il problema si basano su tecniche Laser o, nel caso di materiali trasparenti alla luce quali i film sottili, su spettrometri che portano a rilevare spessori con precisioni che arrivano a 1Å.
Il metodo industrialmente piú utilizzato é quello di tipo capacitivo. Esso sfrutta le variazioni di capacitá o di correnti indotte (impedenza) causate dalla presenza del campione in esame all’interno di un campo opportunamente creato. Tale tecnologia garantisce precisioni dell’ordine di 0.1-0.01μm, ma presenta lo svantaggio di essere piuttosto costosa e, soprattutto, di richiedere una specifica taratura per ogni materiale utilizzato. Si noti, inoltre, che spesso la calibrazione deve essere svolta direttamente dal fabbricante dello strumento con la conseguenza, per il cliente, di acquistare un sistema dedicato a ogni tipologia di materiale da esaminare.

La fisica degli ultrasuoni
Gli Ultrasuoni rappresentano una delle piú importanti Key-Technologies del XX secolo. Le applicazioni spaziano dal campo medico (ecografia) alla caratterizzazione meccanica dei materiali fino all’impiego nei controlli non distruttivi su materiali compositi (NDT).
Un loro interessante utilizzo consiste nel misurare con precisione il tempo che intercorre tra l’emissione dell’impulso ultrasonoro e l’istante di ritorno dell’echo riflesso. La figura 1 mostra il percorso che segue il segnale emesso dal trasduttore quando indirizzato verso un oggetto: una parte del segnale viene riflessa dalla superficie esterna mentre una parte riesce a penetrare il materiale fino a incontrare la superficie posteriore, dove viene anch’essa in parte riflessa.
Il trasduttore, dopo l’emissione dell’impulso, svolge la funzione di ricevitore e converte i segnali di echo in segnali elettrici facilmente acquisibili. Il tempo misurato tra l’emissione dell’impulso e la ricezione del primo echo é proporzionale alla distanza tra la sonda e la superficie esterna del materiale. Il tempo misurato tra il primo eco e il secondo echo é invece proporzionale allo spessore del materiale attraversato dal segnale.
Il fattore di proporzionalitá é uguale alla velocitá del suono all’interno materiale attraversato. Esiste un ulteriore fattore ½ poiché il segnale attraversa due volte il materiale (andata e ritorno).
Si sottolinea che é sufficiente conoscere la velocitá del suono nel materiale per calibrare con precisione lo strumento il quale, pertanto, puó essere facilmente tarato dallo stesso utente anche per la misura materiali differenti tra loro.
Nel caso il materiale in esame sia costituito da numerosi strati diversi tra loro, la misura di ogni singolo spessore di materiale é ugualmente possibile. É questo il caso, ad esempio di prodotti quali i serbatoi carburante di autoveicoli, tubi e condotti rinforzati, materiali compositi, ecc.
Si é verificata sperimentalmente la misura fino a 7 strati contigui di materiale plastico.

Applicazione Industriale
Le proprietá degli ultrasuoni spiegano come effettuare misure di spessore. La qualitá della misura – accuratezza e ripetibilitá – dipende invece da altri fattori correlati al tipo di segnale ultrasonoro emesso (durata e ampiezza), alla banda passante del trasduttore e soprattutto al sistema di amplificazione e di acquisizione del segnale di echo. Ció é tanto piú vero se si considera che eventuali errori di misura dipendono unicamente dalla capacitá di rilevare in modo accurato la posizione dei picchi nei segnali di echo.
Per garantire un corretto allineamento tra sonda e materiale in esame, MaGyc Studio Tecnico ha realizzato un cinematismo con movimentazione manuale (Figura 2) che permette di posizionare in modo preciso la sonda riducendo al minimo gli errori di parallasse. Per ragioni di stabilitá il piano di appoggio del provino é realizzato in granito; tuttavia é possibile utilizzare qualsiasi materiale con impedenza acustica diversa dal provino, ovvero qualsiasi materiale diverso da quello del provino stesso.
L’aggiunta di un semplice sistema motorizzato permette di movimentare la sonda e/o il provino secondo necessitá. In particolare é possibile effettuare operazioni di C-Scan per generare la mappatura degli spessori nel piano x-y del provino. In ogni punto del provino, si acquisisce la distanza della sonda al campione e lo spessore del materiale; con successive elaborazioni si ottiene, oltre alla misura dello spessore, quella della planaritá che, nel caso di wafer per elettronica, viene spesso descritta dai parametri di chirp e di warf.
Il software di gestione é immediato e intuitivo (Figura 3). Il calcolo dello spessore avviene moltiplicando il tempo di ritorno dell’echo per la velocitá del suono nel materiale in esame, e un semplice interfaccia permette di salvare le misurazioni effettuate, oltre ad archiviare e richiamare diverse calibrazioni rappresentate dalle velocitá del suono nei diversi materiali da esaminare.

La tecnica ad ultrasuoni permette di ottenere risultati confrontabili con quelli di soluzioni storicamente piú utilizzate (tecniche capacitive).
L’accuratezza e la ripetibilità della misura sono migliori di 0,1μm. Si noti in particolare che ripetibilitá e accuratezza dipendono solo dal jitter della base dei tempi della scheda di digitalizzazione e sono quindi del tutto indipendenti dallo spessore misurato e dal fondo scala dello strumento; caratteristica, questa, unica nel suo genere.
Un ulteriore e non trascurabile vantaggio dello strumento di misura spessori ad ultrasuoni é il prezzo, che generalmente si colloca su livelli inferiori a quello di strumenti di analoghe prestazioni basati su tecnologie di tipo capacitivo.

Hardware
Lo strumento si basa su un normale personal computer con il digitalizzatore NI PCI-5152.
Il sistema utilizzato per la generazione degli Ultrasuoni é di tipo commerciale ed é caratterizzato da un sistema pulsatore/ricevitore e da un trasduttore piezoelettrico.

Software
Il software applicativo è interamente sviluppato in LabVIEW. L’interfaccia presenta tutte le informazioni relative al funzionamento dello strumento e permette di memorizzare i parametri di calibrazione di numerosi materiali e di richiamarli secondo necessitá.

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M. Tatti
MAGYC
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