面向微器件檢測(cè)的超聲多參數(shù)測(cè)量與顯微成像關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、具有極高精度和微細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微器件，如微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystem，簡(jiǎn)稱MEMS)、集成電路（Integrated Circuits，簡(jiǎn)稱IC）和多層復(fù)合材料等廣泛應(yīng)用于航空航天、超大規(guī)模集成電路制造、生物醫(yī)學(xué)工程、精密制造和控制、信息通訊等各個(gè)重要領(lǐng)域。作為微器件的制造過(guò)程中不可或缺的環(huán)節(jié)，高精度、高效率微器件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)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(xué)成像、掃描探

2、針等檢測(cè)技術(shù)，超聲和X射線等檢測(cè)手段可以穿透到材料內(nèi)部，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)表面和內(nèi)部的無(wú)損檢測(cè)。但是X射線對(duì)于微器件的常見缺陷如分層等不敏感。超聲檢測(cè)有多種實(shí)現(xiàn)方法，如掃描超聲波顯微鏡技術(shù)、相控陣聲掃描技術(shù)、導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)等。其中，掃描超聲波顯微鏡技術(shù)檢測(cè)分辨率最高，適用于微器件的檢測(cè)。
　　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(cè)技術(shù)出現(xiàn)了越來(lái)越多的瓶頸問(wèn)題:1）超聲圖像中每個(gè)像素的灰度值對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)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(wèn)題是如何精確地測(cè)量每個(gè)像素點(diǎn)處的材料聲阻抗值，然而超聲回波信號(hào)中包括了材料的多種參數(shù)，在微尺度下如何從回波信號(hào)中測(cè)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(cè)技術(shù)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(shí)測(cè)量問(wèn)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(wèn)題尤為凸顯;3）在獲得微器件的超聲圖像之后，

4、快速精準(zhǔn)地對(duì)器件中的缺陷目標(biāo)實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)仍然是亟待解決的問(wèn)題。4）在傳統(tǒng)掃描成像儀器中，高分辨率和高速成像檢測(cè)往往不可得兼，如何開發(fā)一套掃描超聲顯微檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)實(shí)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(jiǎn)要介紹了目前國(guó)內(nèi)和國(guó)際上微器件無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)，明確了現(xiàn)在微器件超聲檢測(cè)技術(shù)所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和存在的瓶頸問(wèn)題，并針對(duì)于此，確立了材料局域多參數(shù)同時(shí)測(cè)量、多

5、層多參數(shù)同時(shí)測(cè)量、大規(guī)模超聲圖像缺陷快速檢測(cè)算法和高效率掃描超聲顯微成像檢測(cè)系統(tǒng)四個(gè)主要研究?jī)?nèi)容，并對(duì)其研究意義作出簡(jiǎn)要闡述。
　　第二章研究了微器件的材料局域多參數(shù)同時(shí)測(cè)量技術(shù)。為了獲取高分辨率掃描超聲圖像中每個(gè)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(shù)的材料局域多參數(shù)同時(shí)求解方法。將一系列脈沖反射回波信號(hào)C(z，t)進(jìn)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(jì)算出理論的二維反射系數(shù)譜Rt(θ，ω)，通過(guò)譜擬合精確地測(cè)量出包括聲阻抗在內(nèi)的六個(gè)機(jī)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(cè)材料的相應(yīng)參數(shù)。另外，為了避免擬合過(guò)程中需要給定初始值的問(wèn)題，提出了基于聚焦法的局域多參數(shù)測(cè)量方法，通過(guò)將超聲束分別聚焦于被測(cè)層的上下表面以得到材料的聲阻抗等四個(gè)多參數(shù)。
　　第三章研究了微器件多層材料多參數(shù)的測(cè)量技術(shù)。傳統(tǒng)的基于頻譜擬合原理的測(cè)量方法極易出現(xiàn)求解不穩(wěn)定的問(wèn)題，并且隨著層

7、數(shù)的增加該問(wèn)題更加凸顯。本論文首次提出了時(shí)域回波信號(hào)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(shí)間和聲衰減系數(shù)。對(duì)于多層材料，建立逐層測(cè)量算法依次求解每層的聲學(xué)特性參數(shù)。經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該算法有效解決了多層材料多參數(shù)測(cè)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(cè)技術(shù)。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(hào)，而多個(gè)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(hào)，首先采用相位譜法快速檢測(cè)到圖像中的顯著點(diǎn)，然后再在顯著像素點(diǎn)處進(jìn)行局域匹配算予以判別出真正的缺陷。論文中嚴(yán)格證明了相位譜法可以迅速過(guò)濾圖像中絕大部分正常區(qū)域，而將缺陷或其他邊緣點(diǎn)處增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)研究表明這種檢測(cè)方法有效提高了檢測(cè)效率和精度。
　　第五章基于材料局域、多層多參數(shù)測(cè)量技術(shù)和大規(guī)模超聲圖像中缺陷檢測(cè)算法，結(jié)合高效率機(jī)械掃描技術(shù)，

9、自主構(gòu)建了掃描超聲顯微成像檢測(cè)平臺(tái)。針對(duì)高效率掃描技術(shù)展開了研究，提出了基于雙軸聯(lián)動(dòng)的快速機(jī)械掃描方法，利用雙軸同時(shí)掃描策略，將兩軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)共同掃描和共同步進(jìn)，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(jī)在不同運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)掃描成像和3D成像模式。