面向微器件檢測的超聲多參數(shù)測量與顯微成像關鍵技術研究.pdf

1、具有極高精度和微細內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微器件，如微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystem，簡稱MEMS)、集成電路（Integrated Circuits，簡稱IC）和多層復合材料等廣泛應用于航空航天、超大規(guī)模集成電路制造、生物醫(yī)學工程、精密制造和控制、信息通訊等各個重要領域。作為微器件的制造過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，高精度、高效率微器件無損檢測技術對于保證器件和材料的性能和可靠性具有重要的意義。不同于光學成像、掃描探

2、針等檢測技術，超聲和X射線等檢測手段可以穿透到材料內(nèi)部，可以同時實現(xiàn)表面和內(nèi)部的無損檢測。但是X射線對于微器件的常見缺陷如分層等不敏感。超聲檢測有多種實現(xiàn)方法，如掃描超聲波顯微鏡技術、相控陣聲掃描技術、導波檢測技術等。其中，掃描超聲波顯微鏡技術檢測分辨率最高，適用于微器件的檢測。
　　隨著微器件向材料多樣化、集成化、多層化的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的掃描超聲成像檢測技術出現(xiàn)了越來越多的瓶頸問題:1）超聲圖像中每個像素的灰度值對應于該點的聲阻

3、抗值（或反射系數(shù)值）的大小，所以掃描超聲成像的核心問題是如何精確地測量每個像素點處的材料聲阻抗值，然而超聲回波信號中包括了材料的多種參數(shù)，在微尺度下如何從回波信號中測量得到材料局域多參數(shù)以分離出聲阻抗值一直是困擾著超聲顯微檢測技術的難題;2)大多數(shù)微器件由很多層不同材料疊加形成，傳統(tǒng)的基于超聲回波頻域處理的方法難以解決多層材料參數(shù)的同時測量問題，未知的多參數(shù)變量隨著層數(shù)的增加而增加，參數(shù)求解問題尤為凸顯;3）在獲得微器件的超聲圖像之后，

4、快速精準地對器件中的缺陷目標實現(xiàn)快速檢測仍然是亟待解決的問題。4）在傳統(tǒng)掃描成像儀器中，高分辨率和高速成像檢測往往不可得兼，如何開發(fā)一套掃描超聲顯微檢測系統(tǒng)同時實現(xiàn)掃描分辨率和成像速度的最優(yōu)化一直是迫切需要解決的難題。
　　本論文總共分為以下六章:
　　第一章簡要介紹了目前國內(nèi)和國際上微器件無損檢測技術發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，明確了現(xiàn)在微器件超聲檢測技術所面臨的技術挑戰(zhàn)和存在的瓶頸問題，并針對于此，確立了材料局域多參數(shù)同時測量、多

5、層多參數(shù)同時測量、大規(guī)模超聲圖像缺陷快速檢測算法和高效率掃描超聲顯微成像檢測系統(tǒng)四個主要研究內(nèi)容，并對其研究意義作出簡要闡述。
　　第二章研究了微器件的材料局域多參數(shù)同時測量技術。為了獲取高分辨率掃描超聲圖像中每個像素的灰度值，即材料的聲阻抗值（或者聲反射系數(shù)值），本論文首先提出了基于V(z,t）技術的材料局域多參數(shù)同時求解方法。將一系列脈沖反射回波信號C(z，t)進行二維傅里葉變換得到材料的二維反射系數(shù)譜Re(θ，ω)，并用傳播

6、矩陣計算出理論的二維反射系數(shù)譜Rt(θ，ω)，通過譜擬合精確地測量出包括聲阻抗在內(nèi)的六個機械和幾何特性參數(shù)。這種方法不需要任何已知變量即可得到被測材料的相應參數(shù)。另外，為了避免擬合過程中需要給定初始值的問題，提出了基于聚焦法的局域多參數(shù)測量方法，通過將超聲束分別聚焦于被測層的上下表面以得到材料的聲阻抗等四個多參數(shù)。
　　第三章研究了微器件多層材料多參數(shù)的測量技術。傳統(tǒng)的基于頻譜擬合原理的測量方法極易出現(xiàn)求解不穩(wěn)定的問題，并且隨著層

7、數(shù)的增加該問題更加凸顯。本論文首次提出了時域回波信號處理方法。根據(jù)不同界面反射回波之間的不重疊部分的處理可以依次得到聲阻抗、渡越時間和聲衰減系數(shù)。對于多層材料，建立逐層測量算法依次求解每層的聲學特性參數(shù)。經(jīng)過仿真和實驗驗證，該算法有效解決了多層材料多參數(shù)測量難題。
　　第四章研究了大規(guī)模微器件的超聲圖像中缺陷的快速檢測技術。在很多微器件的超聲圖像中，缺陷（如分層、裂紋、氣泡等）可以看作是具有稀疏性的不規(guī)則二維信號，而多個微器件圖像

8、中的大部分正常區(qū)域則具有規(guī)律性和周期性。因此，本論文將缺陷看作是大規(guī)模微器件超聲圖像中的顯著信號，首先采用相位譜法快速檢測到圖像中的顯著點，然后再在顯著像素點處進行局域匹配算予以判別出真正的缺陷。論文中嚴格證明了相位譜法可以迅速過濾圖像中絕大部分正常區(qū)域，而將缺陷或其他邊緣點處增強。實驗研究表明這種檢測方法有效提高了檢測效率和精度。
　　第五章基于材料局域、多層多參數(shù)測量技術和大規(guī)模超聲圖像中缺陷檢測算法，結(jié)合高效率機械掃描技術，

9、自主構(gòu)建了掃描超聲顯微成像檢測平臺。針對高效率掃描技術展開了研究，提出了基于雙軸聯(lián)動的快速機械掃描方法，利用雙軸同時掃描策略，將兩軸電機的運動結(jié)合起來實現(xiàn)共同掃描和共同步進，提出了兩種快速掃描方式:快速柵格掃描和“回”型掃描。研究了在X、Y電機在不同運動和控制參數(shù)組合下最優(yōu)的掃描軌跡規(guī)劃，理論分析和實驗結(jié)果表明，在不改變?nèi)魏斡布那疤釛l件下，所提出的快速掃描方法可以提高掃描效率近30％。此外，還開發(fā)了多層同時掃描成像和3D成像模式。