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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 面向IC等微納米器件無(wú)損檢測(cè)的掃描超聲波顯微鏡系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 掃描超聲波顯微鏡是將高頻超聲波探測(cè)方法集成到機(jī)電系統(tǒng)中形成高精度的成像分析儀器，可以用于IC等微納米器件的質(zhì)量檢測(cè)與控制。
- 詳細(xì)介紹：
- 1、作品設(shè)計(jì)和發(fā)明的目的： 集成電路（IC）尤其是大規(guī)模集成電路（VLSI）已經(jīng)是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的根基，其制造水平標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化水平的高低。因?yàn)槠涓呖煽啃缘囊笫沟么笠?guī)模集成電路的無(wú)損質(zhì)量檢測(cè)、評(píng)價(jià)與質(zhì)量保證在半導(dǎo)體制造業(yè)中非常重要。 超聲波是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中最常用的手段之一，高頻的超聲波不僅可以攜帶物體內(nèi)部機(jī)械特性、材料特性，而且分辨率很高。基于超聲波的高精度無(wú)損測(cè)量、檢測(cè)和評(píng)價(jià)幾乎成為現(xiàn)代大規(guī)模集成電路質(zhì)量保證的唯一手段。 國(guó)內(nèi)用于IC等微納米器件檢測(cè)的掃描超聲波顯微鏡幾乎空白，半導(dǎo)體制造業(yè)的質(zhì)量檢測(cè)環(huán)節(jié)全被國(guó)外大公司壟斷。本作品基于高頻超聲波檢測(cè)原理初步開(kāi)發(fā)了一臺(tái)大范圍、高精度、多模式的掃描超聲波顯微鏡，編制了集成精密運(yùn)動(dòng)控制、聲學(xué)信號(hào)處理、圖像處理等于一體的顯微成像分析軟件，可以用于IC等半導(dǎo)體或MEMS等微納米器件的質(zhì)量檢測(cè)與質(zhì)量保證，繼續(xù)發(fā)展下去可形成國(guó)內(nèi)商業(yè)化產(chǎn)品。 2、作品設(shè)計(jì)基本思路： 高頻的超聲波信號(hào)通過(guò)點(diǎn)聚焦探頭入射到被測(cè)樣品，反射回波將攜帶被測(cè)樣品內(nèi)部豐富的信息，如力學(xué)特性、粘結(jié)強(qiáng)度、雜質(zhì)等。采樣速率為1GHz的高速AD將反射回波采集、數(shù)字化。PC機(jī)完成對(duì)反射回波的數(shù)字信號(hào)處理及灰度轉(zhuǎn)換。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)樣品單點(diǎn)的精密無(wú)損測(cè)量。然后引入三軸的精密直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)攜帶超聲波探頭完成大范圍高精度的掃描，最后形成整幅圖像并將其圖像處理結(jié)果顯示于PC機(jī)上。聲學(xué)回波采集后高速的信號(hào)處理和軟件中圖像處理功能的集成是保證系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。 該系統(tǒng)硬件部分包括：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、三軸精密直線電機(jī)掃描機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制柜、高速AD采集卡、高頻超聲波探頭、超聲波發(fā)射接收器。 在搭建整個(gè)硬件系統(tǒng)之后，使用C sharp 語(yǔ)言在visual studio2008環(huán)境下編制上位機(jī)軟件，包括運(yùn)動(dòng)控制模塊、高速數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)分析與處理模塊、圖像處理模塊及聲波發(fā)射接收等參數(shù)設(shè)置模塊。 3、作品的技術(shù)關(guān)鍵： 1）大范圍精密掃描路徑的優(yōu)化；2）回波信號(hào)的強(qiáng)魯棒的反卷積技術(shù)等信號(hào)處理；3）多掃描成像模式與內(nèi)部三維成像技術(shù)； 4）大視野高分辨率高精度成像與圖像處理技術(shù)；5）超聲波顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)。 4、 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)： 在國(guó)內(nèi)率先進(jìn)行了掃描超聲波顯微鏡的系統(tǒng)研制方面的工作，從硬件到軟件都實(shí)現(xiàn)了基本功能。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：1）提出一種新型掃描模式，可以提高掃描成像速度；2）多層掃描模式與基于一次掃描的樣品內(nèi)部三維掃描模式；3）有效防噪的超聲波探頭夾具，在A掃描波形中可以看出這種夾具有效降低信號(hào)干擾； 4）自動(dòng)對(duì)焦機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)自動(dòng)尋找超聲信號(hào)強(qiáng)度最大的點(diǎn)聚焦到被檢測(cè)平面上。 5、主要技術(shù)指標(biāo)： 1）具有掃描超聲波顯微鏡特有的內(nèi)部高精度成像、缺陷檢測(cè)與定量化評(píng)價(jià)等功能，可用于大規(guī)模集成電路的無(wú)損檢測(cè)；2）具有30μm的成像分辨率，最大穿透深度為5mm； 3）超聲發(fā)射接收器帶寬為1K~200MHz；4）掃描范圍為300mm×300mm，掃描速度為100mm/s，掃描機(jī)構(gòu)重復(fù)定位精度為500nm，為高精度成像、檢測(cè)與評(píng)價(jià)提供保證；5） 超聲波回波信號(hào)高速數(shù)字化，采樣速率為1GHz，帶寬為350MHz，AD轉(zhuǎn)換位數(shù)為8bit；6）多模式掃描功能，包括A,B,C,X,3D掃描模式。
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1、作品設(shè)計(jì)和發(fā)明的目的： 集成電路（IC）是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的根基，可靠性要求很高，質(zhì)量控制尤為關(guān)鍵。高頻的超聲波不僅可以攜帶物體內(nèi)部機(jī)械特性、材料特性，而且分辨率很高。國(guó)內(nèi)用于IC等微納米器件檢測(cè)的掃描超聲波顯微鏡幾乎空白。本作品基于高頻超聲波檢測(cè)原理初步開(kāi)發(fā)了一臺(tái)大范圍、高精度、多模式的掃描超聲波顯微鏡，編制了相應(yīng)的顯微成像分析軟件。 2、作品設(shè)計(jì)基本思路： 高頻的超聲波信號(hào)通過(guò)點(diǎn)聚焦探頭入射到被測(cè)樣品，反射回波將攜帶被測(cè)樣品內(nèi)部豐富的信息。PC機(jī)完成對(duì)反射回波的數(shù)字信號(hào)處理及灰度轉(zhuǎn)換。然后引入三軸的精密直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)攜帶超聲波探頭完成大范圍高精度的掃描。 3、作品的技術(shù)關(guān)鍵： 1）精密掃描路徑的優(yōu)化；2）回波信號(hào)的強(qiáng)魯棒的反卷積技術(shù)；3）多掃描與三維成像技術(shù)。 4、主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)： 1）提出一種高效率新型掃描模式；2）開(kāi)發(fā)了多層掃描成像功能；3）有效防噪的超聲波探頭夾具的設(shè)計(jì)； 4）自動(dòng)對(duì)焦機(jī)構(gòu)。 5、主要技術(shù)指標(biāo)： 30μm的成像分辨率，最大穿透深度為5mm；超聲發(fā)射接收器帶寬為1K~200MHz；掃描范圍為300mm×300mm。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性：在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中，對(duì)微納米器件（包括IC，VLSI）的精密測(cè)量有不同手段。但超聲波應(yīng)用最廣泛，效果最好。精密機(jī)械控制與超聲波理論的研究發(fā)展使掃描超聲波顯微鏡成為可能。本作品的科學(xué)性在于基于高頻超聲波與精密機(jī)械掃描的結(jié)合形成掃描超聲波顯微鏡，開(kāi)發(fā)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成像分析軟件平臺(tái)。 先進(jìn)性：國(guó)內(nèi)在基于高頻超聲波的微觀檢測(cè)、質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)幾乎空白。本作品率先開(kāi)展掃描超聲波顯微鏡的研制，并成功實(shí)現(xiàn)了基本功能，集運(yùn)動(dòng)控制、高頻聲波發(fā)射接收、回波信號(hào)并行處理、圖像處理與識(shí)別與一體，應(yīng)用于大規(guī)模集成電路和微納米器件的檢測(cè)，取得了國(guó)內(nèi)具有創(chuàng)新性、突破性、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)成果。本作品繼續(xù)的發(fā)展將會(huì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)掃描超聲波顯微鏡的產(chǎn)品化，使得我國(guó)半導(dǎo)體制造業(yè)脫離被國(guó)外壟斷的局面。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、圖紙、圖片、錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本作品技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)： 面向大規(guī)模集成電路等微納米器件制造行業(yè)質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)需求，本小組自主研發(fā)了一套掃描超聲波顯微檢測(cè)系統(tǒng)。技術(shù)特點(diǎn)在于：1）提出一種高效率新型掃描模式；2）開(kāi)發(fā)了多層掃描成像功能；3）有效防噪的超聲波探頭夾具的設(shè)計(jì)； 4）自動(dòng)對(duì)焦機(jī)構(gòu)。 使用范圍及推廣前景： 根據(jù)超聲波的頻段可以具體分為很多用途，如從較低頻段的10MHz~100MHz的工業(yè)超聲檢測(cè)到上GHz的材料性能評(píng)價(jià)都會(huì)使用到掃描超聲波顯微鏡。目前本作品的范圍主要是大規(guī)模集成電路、各種微納米器件的顯微成像與無(wú)損檢測(cè)，也可以是機(jī)械行業(yè)的重要零部件的質(zhì)量檢測(cè)，如軸承等。本作品研發(fā)的儀器還將為高校等科學(xué)研究所的研究工作提供很大便利。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益： 國(guó)外的掃描超聲波顯微鏡不僅昂貴而且技術(shù)封鎖。本作品實(shí)現(xiàn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超聲顯微檢測(cè)儀器，突破國(guó)外技術(shù)限制。隨著國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體制造業(yè)與精密、高可靠性機(jī)械零件制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，相應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量保證的市場(chǎng)需求將更急迫，自主開(kāi)發(fā)的掃描超聲波顯微鏡必將有更廣闊的市場(chǎng)。
同類課題研究水平概述
- 1、國(guó)內(nèi)研究水平概述： 中國(guó)電子科技集團(tuán)第四十五研究所幾乎與我們同時(shí)開(kāi)展了掃描超聲波顯微鏡的研究。他們推出的C-300掃描超聲顯微鏡掃描精度1μm，速度1m/s。超聲波發(fā)射接收器帶寬為5~500MHz。掃描模式有：A、B、C掃描，同時(shí)也提供了一些圖像量化、柱狀圖等軟件分析工具?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)開(kāi)展的掃描超聲波顯微鏡的裝備的研制很少，上述的C-300也正在研發(fā)試驗(yàn)階段，還未走向成熟。它只實(shí)現(xiàn)了基本掃描模式與二維成像功能，掃描模式有限，硬件和軟件都缺乏創(chuàng)新性的提高。 2、國(guó)外研究水平概述： 相比國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀而言，國(guó)外在超聲波顯微鏡方面的研發(fā)已經(jīng)很成熟，尤其是德國(guó)、美國(guó)。在整機(jī)裝備方面，各大公司精益求精，側(cè)重于裝備的機(jī)電一體化，已經(jīng)有較為完善的產(chǎn)品；在科學(xué)研究方面，許多大學(xué)和研究所也展開(kāi)基于掃描超聲波顯微鏡的集成電路等的評(píng)價(jià)研究和探索，積累了很多經(jīng)驗(yàn)和成果。結(jié)合半導(dǎo)體企業(yè)的要求，從軟層次方面入手，如采用先進(jìn)的控制算法與控制策略，提高掃描的速度、精度和掃描范圍，采用先進(jìn)信號(hào)處理技術(shù)，并結(jié)合材料的聲特性，可以提高掃描超聲波顯微鏡的分辨率等。越來(lái)越多生物、材料領(lǐng)域的研究人員更側(cè)重于以掃描超聲波顯微鏡為手段來(lái)做一些前沿的研究。 德國(guó)PVA公司的TePla-SAM系統(tǒng)是目前世界上功能最強(qiáng)大的掃描超聲波顯微鏡，它繼承于KSI公司的超聲技術(shù)。從超聲發(fā)射接收裝置、超聲波探頭到高速AD采集卡全部自行研發(fā)生產(chǎn)，換能器從3MHz到2GHz任意選擇，適應(yīng)不同場(chǎng)合需求。 PVA公司的掃描超聲波顯微鏡有不同系列，軟件功能眾多，模塊化齊全，掃描模式除了常用的A、B、C之外，還有多層的P掃描，X掃描，傾斜平面的D掃描，3D掃描等模式。在顯微成像的同時(shí)顯示材料的不均勻性密度差異、張力和分層，對(duì)界面厚度、粘結(jié)強(qiáng)度做出高可靠性的判斷。 其他公司產(chǎn)品也較為成熟，SONIX很早就從事掃描超聲波顯微鏡的研制他們的儀器應(yīng)用很廣，從集成電路檢測(cè)到高性能先進(jìn)材料、飛機(jī)引擎的檢測(cè)等等。還有一些著名公司如奧林巴斯公司等就不在此一一列舉。國(guó)外幾家大公司生產(chǎn)的掃描超聲波顯微鏡系統(tǒng)價(jià)格昂貴，均對(duì)國(guó)內(nèi)技術(shù)封鎖。
