基本信息
- 项目名称：
- 面向IC等微纳米器件无损检测的扫描超声波显微镜系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 扫描超声波显微镜是将高频超声波探测方法集成到机电系统中形成高精度的成像分析仪器，可以用于IC等微纳米器件的质量检测与控制。
- 详细介绍：
- 1、作品设计和发明的目的： 集成电路（IC）尤其是大规模集成电路（VLSI）已经是现代工业自动化的根基，其制造水平标志着一个国家现代化水平的高低。因为其高可靠性的要求使得大规模集成电路的无损质量检测、评价与质量保证在半导体制造业中非常重要。 超声波是无损检测领域中最常用的手段之一，高频的超声波不仅可以携带物体内部机械特性、材料特性，而且分辨率很高。基于超声波的高精度无损测量、检测和评价几乎成为现代大规模集成电路质量保证的唯一手段。 国内用于IC等微纳米器件检测的扫描超声波显微镜几乎空白，半导体制造业的质量检测环节全被国外大公司垄断。本作品基于高频超声波检测原理初步开发了一台大范围、高精度、多模式的扫描超声波显微镜，编制了集成精密运动控制、声学信号处理、图像处理等于一体的显微成像分析软件，可以用于IC等半导体或MEMS等微纳米器件的质量检测与质量保证，继续发展下去可形成国内商业化产品。 2、作品设计基本思路： 高频的超声波信号通过点聚焦探头入射到被测样品，反射回波将携带被测样品内部丰富的信息，如力学特性、粘结强度、杂质等。采样速率为1GHz的高速AD将反射回波采集、数字化。PC机完成对反射回波的数字信号处理及灰度转换。这样就实现了对被测样品单点的精密无损测量。然后引入三轴的精密直线电机运动系统携带超声波探头完成大范围高精度的扫描，最后形成整幅图像并将其图像处理结果显示于PC机上。声学回波采集后高速的信号处理和软件中图像处理功能的集成是保证系统性能的关键。 该系统硬件部分包括：工业控制计算机、三轴精密直线电机扫描机构、运动控制柜、高速AD采集卡、高频超声波探头、超声波发射接收器。 在搭建整个硬件系统之后，使用C sharp 语言在visual studio2008环境下编制上位机软件，包括运动控制模块、高速数据采集模块、信号分析与处理模块、图像处理模块及声波发射接收等参数设置模块。 3、作品的技术关键： 1）大范围精密扫描路径的优化；2）回波信号的强鲁棒的反卷积技术等信号处理；3）多扫描成像模式与内部三维成像技术； 4）大视野高分辨率高精度成像与图像处理技术；5）超声波显微镜自动对焦技术。 4、 主要创新点： 在国内率先进行了扫描超声波显微镜的系统研制方面的工作，从硬件到软件都实现了基本功能。主要创新点有：1）提出一种新型扫描模式，可以提高扫描成像速度；2）多层扫描模式与基于一次扫描的样品内部三维扫描模式；3）有效防噪的超声波探头夹具，在A扫描波形中可以看出这种夹具有效降低信号干扰； 4）自动对焦机构，系统自动寻找超声信号强度最大的点聚焦到被检测平面上。 5、主要技术指标： 1）具有扫描超声波显微镜特有的内部高精度成像、缺陷检测与定量化评价等功能，可用于大规模集成电路的无损检测；2）具有30µm的成像分辨率，最大穿透深度为5mm； 3）超声发射接收器带宽为1K~200MHz；4）扫描范围为300mm×300mm，扫描速度为100mm/s，扫描机构重复定位精度为500nm，为高精度成像、检测与评价提供保证；5） 超声波回波信号高速数字化，采样速率为1GHz，带宽为350MHz，AD转换位数为8bit；6）多模式扫描功能，包括A,B,C,X,3D扫描模式。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1、作品设计和发明的目的： 集成电路（IC）是现代工业自动化的根基，可靠性要求很高，质量控制尤为关键。高频的超声波不仅可以携带物体内部机械特性、材料特性，而且分辨率很高。国内用于IC等微纳米器件检测的扫描超声波显微镜几乎空白。本作品基于高频超声波检测原理初步开发了一台大范围、高精度、多模式的扫描超声波显微镜，编制了相应的显微成像分析软件。 2、作品设计基本思路： 高频的超声波信号通过点聚焦探头入射到被测样品，反射回波将携带被测样品内部丰富的信息。PC机完成对反射回波的数字信号处理及灰度转换。然后引入三轴的精密直线电机运动系统携带超声波探头完成大范围高精度的扫描。 3、作品的技术关键： 1）精密扫描路径的优化；2）回波信号的强鲁棒的反卷积技术；3）多扫描与三维成像技术。 4、主要创新点： 1）提出一种高效率新型扫描模式；2）开发了多层扫描成像功能；3）有效防噪的超声波探头夹具的设计； 4）自动对焦机构。 5、主要技术指标： 30µm的成像分辨率，最大穿透深度为5mm；超声发射接收器带宽为1K~200MHz；扫描范围为300mm×300mm。
科学性、先进性
- 科学性：在无损检测领域中，对微纳米器件（包括IC，VLSI）的精密测量有不同手段。但超声波应用最广泛，效果最好。精密机械控制与超声波理论的研究发展使扫描超声波显微镜成为可能。本作品的科学性在于基于高频超声波与精密机械扫描的结合形成扫描超声波显微镜，开发了自主知识产权的成像分析软件平台。 先进性：国内在基于高频超声波的微观检测、质量评价技术几乎空白。本作品率先开展扫描超声波显微镜的研制，并成功实现了基本功能，集运动控制、高频声波发射接收、回波信号并行处理、图像处理与识别与一体，应用于大规模集成电路和微纳米器件的检测，取得了国内具有创新性、突破性、具有自主知识产权的技术成果。本作品继续的发展将会促进国内扫描超声波显微镜的产品化，使得我国半导体制造业脱离被国外垄断的局面。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品、图纸、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品技术特点与优势： 面向大规模集成电路等微纳米器件制造行业质量无损检测评价需求，本小组自主研发了一套扫描超声波显微检测系统。技术特点在于：1）提出一种高效率新型扫描模式；2）开发了多层扫描成像功能；3）有效防噪的超声波探头夹具的设计； 4）自动对焦机构。 使用范围及推广前景： 根据超声波的频段可以具体分为很多用途，如从较低频段的10MHz~100MHz的工业超声检测到上GHz的材料性能评价都会使用到扫描超声波显微镜。目前本作品的范围主要是大规模集成电路、各种微纳米器件的显微成像与无损检测，也可以是机械行业的重要零部件的质量检测，如轴承等。本作品研发的仪器还将为高校等科学研究所的研究工作提供很大便利。 市场分析和经济效益： 国外的扫描超声波显微镜不仅昂贵而且技术封锁。本作品实现具有自主知识产权的超声显微检测仪器，突破国外技术限制。随着国内半导体制造业与精密、高可靠性机械零件制造业的蓬勃发展，相应产品质量保证的市场需求将更急迫，自主开发的扫描超声波显微镜必将有更广阔的市场。
同类课题研究水平概述
- 1、国内研究水平概述： 中国电子科技集团第四十五研究所几乎与我们同时开展了扫描超声波显微镜的研究。他们推出的C-300扫描超声显微镜扫描精度1µm，速度1m/s。超声波发射接收器带宽为5~500MHz。扫描模式有：A、B、C扫描，同时也提供了一些图像量化、柱状图等软件分析工具。现在国内开展的扫描超声波显微镜的装备的研制很少，上述的C-300也正在研发试验阶段，还未走向成熟。它只实现了基本扫描模式与二维成像功能，扫描模式有限，硬件和软件都缺乏创新性的提高。 2、国外研究水平概述： 相比国内研究现状而言，国外在超声波显微镜方面的研发已经很成熟，尤其是德国、美国。在整机装备方面，各大公司精益求精，侧重于装备的机电一体化，已经有较为完善的产品；在科学研究方面，许多大学和研究所也展开基于扫描超声波显微镜的集成电路等的评价研究和探索，积累了很多经验和成果。结合半导体企业的要求，从软层次方面入手，如采用先进的控制算法与控制策略，提高扫描的速度、精度和扫描范围，采用先进信号处理技术，并结合材料的声特性，可以提高扫描超声波显微镜的分辨率等。越来越多生物、材料领域的研究人员更侧重于以扫描超声波显微镜为手段来做一些前沿的研究。 德国PVA公司的TePla-SAM系统是目前世界上功能最强大的扫描超声波显微镜，它继承于KSI公司的超声技术。从超声发射接收装置、超声波探头到高速AD采集卡全部自行研发生产，换能器从3MHz到2GHz任意选择，适应不同场合需求。 PVA公司的扫描超声波显微镜有不同系列，软件功能众多，模块化齐全，扫描模式除了常用的A、B、C之外，还有多层的P扫描，X扫描，倾斜平面的D扫描，3D扫描等模式。在显微成像的同时显示材料的不均匀性密度差异、张力和分层，对界面厚度、粘结强度做出高可靠性的判断。 其他公司产品也较为成熟，SONIX很早就从事扫描超声波显微镜的研制他们的仪器应用很广，从集成电路检测到高性能先进材料、飞机引擎的检测等等。还有一些著名公司如奥林巴斯公司等就不在此一一列举。国外几家大公司生产的扫描超声波显微镜系统价格昂贵，均对国内技术封锁。
