基本信息
- 項目名稱：
- 面向IC等微納米器件無損檢測的掃描超聲波顯微鏡系統(tǒng)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 掃描超聲波顯微鏡是將高頻超聲波探測方法集成到機電系統(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)量檢測與控制。
- 詳細介紹：
- 1、作品設(shè)計和發(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)自動化的根基，其制造水平標志著一個國家現(xiàn)代化水平的高低。因為其高可靠性的要求使得大規(guī)模集成電路的無損質(zhì)量檢測、評價與質(zhì)量保證在半導體制造業(yè)中非常重要。 超聲波是無損檢測領(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)部機械特性、材料特性，而且分辨率很高?；诔暡ǖ母呔葻o損測量、檢測和評價幾乎成為現(xiàn)代大規(guī)模集成電路質(zhì)量保證的唯一手段。 國內(nèi)用于IC等微納米器件檢測的掃描超聲波顯微鏡幾乎空白，半導體制造業(yè)的質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)全被國外大公司壟斷。本作品基于高頻超聲波檢測原理初步開發(fā)了一臺大范圍、高精度、多模式的掃描超聲波顯微鏡，編制了集成精密運動控制、聲學信號處理、圖像處理等于一體的顯微成像分析軟件，可以用于IC等半導體或MEMS等微納米器件的質(zhì)量檢測與質(zhì)量保證，繼續(xù)發(fā)展下去可形成國內(nèi)商業(yè)化產(chǎn)品。 2、作品設(shè)計基本思路： 高頻的超聲波信號通過點聚焦探頭入射到被測樣品，反射回波將攜帶被測樣品內(nèi)部豐富的信息，如力學特性、粘結(jié)強度、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機完成對反射回波的數(shù)字信號處理及灰度轉(zhuǎn)換。這樣就實現(xiàn)了對被測樣品單點的精密無損測量。然后引入三軸的精密直線電機運動系統(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機上。聲學回波采集后高速的信號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)控制計算機、三軸精密直線電機掃描機構(gòu)、運動控制柜、高速AD采集卡、高頻超聲波探頭、超聲波發(fā)射接收器。 在搭建整個硬件系統(tǒng)之后，使用C sharp 語言在visual studio2008環(huán)境下編制上位機軟件，包括運動控制模塊、高速數(shù)據(jù)采集模塊、信號分析與處理模塊、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）回波信號的強魯棒的反卷積技術(shù)等信號處理；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）超聲波顯微鏡自動對焦技術(shù)。 4、 主要創(chuàng)新點： 在國內(nèi)率先進行了掃描超聲波顯微鏡的系統(tǒng)研制方面的工作，從硬件到軟件都實現(xiàn)了基本功能。主要創(chuàng)新點有：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干擾； 4）自動對焦機構(gòu)，系統(tǒng)自動尋找超聲信號強度最大的點聚焦到被檢測平面上。 5、主要技術(shù)指標： 1）具有掃描超聲波顯微鏡特有的內(nèi)部高精度成像、缺陷檢測與定量化評價等功能，可用于大規(guī)模集成電路的無損檢測；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，掃描機構(gòu)重復定位精度為500nm，為高精度成像、檢測與評價提供保證；5） 超聲波回波信號高速數(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、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 1、作品設(shè)計和發(fā)明的目的： 集成電路（IC）是現(xiàn)代工業(yè)自動化的根基，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)部機械特性、材料特性，而且分辨率很高。國內(nèi)用于IC等微納米器件檢測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原理初步開發(fā)了一臺大范圍、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)計基本思路： 高頻的超聲波信號通過點聚焦探頭入射到被測樣品，反射回波將攜帶被測樣品內(nèi)部豐富的信息。PC機完成對反射回波的數(shù)字信號處理及灰度轉(zhuǎn)換。然后引入三軸的精密直線電機運動系統(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）回波信號的強魯棒的反卷積技術(shù)；3）多掃描與三維成像技術(shù)。 4、主要創(chuàng)新點： 1）提出一種高效率新型掃描模式；2）開發(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； 4）自動對焦機構(gòu)。 5、主要技術(shù)指標： 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。
科學性、先進性
- 科學性：在無損檢測領(lǐng)域中，對微納米器件（包括IC，VLSI）的精密測量有不同手段。但超聲波應(yīng)用最廣泛，效果最好。精密機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。本作品的科學性在于基于高頻超聲波與精密機械掃描的結(jié)合形成掃描超聲波顯微鏡，開發(fā)了自主知識產(chǎn)權(quán)的成像分析軟件平臺。 先進性：國內(nèi)在基于高頻超聲波的微觀檢測、質(zhì)量評價技術(shù)幾乎空白。本作品率先開展掃描超聲波顯微鏡的研制，并成功實現(xiàn)了基本功能，集運動控制、高頻聲波發(fā)射接收、回波信號并行處理、圖像處理與識別與一體，應(yīng)用于大規(guī)模集成電路和微納米器件的檢測，取得了國內(nèi)具有創(chuàng)新性、突破性、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)成果。本作品繼續(xù)的發(fā)展將會促進國內(nèi)掃描超聲波顯微鏡的產(chǎn)品化，使得我國半導體制造業(yè)脫離被國外壟斷的局面。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、圖紙、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 本作品技術(shù)特點與優(yōu)勢： 面向大規(guī)模集成電路等微納米器件制造行業(yè)質(zhì)量無損檢測評價需求，本小組自主研發(fā)了一套掃描超聲波顯微檢測系統(tǒng)。技術(shù)特點在于：1）提出一種高效率新型掃描模式；2）開發(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； 4）自動對焦機構(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)超聲檢測到上GHz的材料性能評價都會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損檢測，也可以是機械行業(yè)的重要零部件的質(zhì)量檢測，如軸承等。本作品研發(fā)的儀器還將為高校等科學研究所的研究工作提供很大便利。 市場分析和經(jīng)濟效益： 國外的掃描超聲波顯微鏡不僅昂貴而且技術(shù)封鎖。本作品實現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超聲顯微檢測儀器，突破國外技術(shù)限制。隨著國內(nèi)半導體制造業(yè)與精密、高可靠性機械零件制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，相應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量保證的市場需求將更急迫，自主開發(fā)的掃描超聲波顯微鏡必將有更廣闊的市場。
同類課題研究水平概述
- 1、國內(nèi)研究水平概述： 中國電子科技集團第四十五研究所幾乎與我們同時開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，同時也提供了一些圖像量化、柱狀圖等軟件分析工具。現(xiàn)在國內(nèi)開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)試驗階段，還未走向成熟。它只實現(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、國外研究水平概述： 相比國內(nèi)研究現(xiàn)狀而言，國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、美國。在整機裝備方面，各大公司精益求精，側(cè)重于裝備的機電一體化，已經(jīng)有較為完善的產(chǎn)品；在科學研究方面，許多大學和研究所也展開基于掃描超聲波顯微鏡的集成電路等的評價研究和探索，積累了很多經(jīng)驗和成果。結(jié)合半導體企業(yè)的要求，從軟層次方面入手，如采用先進的控制算法與控制策略，提高掃描的速度、精度和掃描范圍，采用先進信號處理技術(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做一些前沿的研究。 德國PVA公司的TePla-SAM系統(tǒng)是目前世界上功能最強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。在顯微成像的同時顯示材料的不均勻性密度差異、張力和分層，對界面厚度、粘結(jié)強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，從集成電路檢測到高性能先進材料、飛機引擎的檢測等等。還有一些著名公司如奧林巴斯公司等就不在此一一列舉。國外幾家大公司生產(chǎn)的掃描超聲波顯微鏡系統(tǒng)價格昂貴，均對國內(nèi)技術(shù)封鎖。
