一種基于saft的單晶硅內(nèi)部缺陷時域檢測成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及檢測成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于SAFT的單晶硅內(nèi)部缺陷時域 檢測成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著光伏產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，全球?qū)璧男枨蟾咚僭鲩L，而單晶硅材 料在生產(chǎn)過程中，晶棒、坩堝在多維復(fù)雜運動過程中由于加熱溫度、旋轉(zhuǎn)、拉伸速度的關(guān)系， 硅棒內(nèi)部會形成氣泡、雜質(zhì)、裂紋等缺陷。單晶硅硅棒被切割成硅晶片時將會產(chǎn)生大量的切 割廢料。因此，切片工序開始前，無損地發(fā)現(xiàn)硅棒中缺陷的位置、大小，對保護(hù)設(shè)備，降低更 換刀具帶來的成本以及提高工作效率等都有非常重要的意義。
[0003] 近幾年，隨著換能器技術(shù)的發(fā)展，大大提高了超聲換能器的中心頻率、靈活性以及 可靠性，特別是相控陣換能器的發(fā)展，大大減少大材料塊的檢測時間。因此，在很多工業(yè)部 門，超聲波無損評估就成了確保質(zhì)量和安全的標(biāo)準(zhǔn)化工具。常規(guī)情況下，在缺陷區(qū)域回波幅 度最大的條件下，通過距離-增益-尺寸（DGS)法，進(jìn)行了缺陷顯示的測量，DGS方法可反 應(yīng)缺陷尺寸，但不能評估缺陷的物理定向、形狀和程度，因此疲勞預(yù)測和結(jié)構(gòu)完整性評定會 出現(xiàn)較大的測量不確定性。測量的不確定性以及材料性能的不確定性最終會影響材料的評 定結(jié)。因此，減小評定的不確定性，提高缺陷測量的精確度成為檢測的關(guān)鍵，使用成像方法 來描述缺陷的程度、方位和形狀特征是一種有效檢測手段。
[0004] 隨著中心頻率的增強和頻帶寬度的增加，超聲無損評估的空間分辨率普遍提高。 高頻超聲波的主要受衰減、滲透限制和信噪比降低的限制。實際上，缺陷的檢測評估很大程 度上還取決于數(shù)據(jù)采集和后期處理技術(shù)。為了提高單個換能器的分辨率，提出了合成孔徑 聚焦技術(shù)（SAFT)。最早的合成孔徑聚焦技術(shù)的超聲被應(yīng)用于提高空中雷達(dá)系統(tǒng)的橫向分辨 率，其理念是通過大面積掃描天線來合成大型有效孔徑進(jìn)而提高分辨率。對于采用SAFT的 工業(yè)超聲無損評估應(yīng)用，需要完整的波形回波數(shù)據(jù)，因此，可保存相位信息。當(dāng)用單個換能 器進(jìn)行合成孔徑聚焦技術(shù)時，必須要從不同觀測角度，非常小心地手動將入射角，也就是射 束軸調(diào)至與缺陷反射器垂直。而使用相控陣傳感器，便可以避免這種不便，因為相控陣傳感 器可以自動掃描預(yù)先設(shè)定范圍內(nèi)的入射角。如果忽略傳感器的位置不計，基本可以確定，當(dāng) 角之間的掃描間隔足夠小時，一些入射角垂直或基本垂直于缺陷反射器。近來，在使用SAFT 進(jìn)行信號處理方面，工業(yè)超聲圖像增強的發(fā)展吸引了諸多關(guān)注。大部分研究，出于視覺化的 目的，側(cè)重研究信號處理的理論方面，其缺陷或特色相對明顯，而也有少數(shù)研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對存在小型缺陷的現(xiàn)實工業(yè)應(yīng)用，本發(fā)明提供了一種基于SAFT的單晶硅內(nèi)部 缺陷時域檢測成像方法。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0007] 基于SAFT的單晶硅內(nèi)部缺陷時域檢測成像方法，包括如下步驟：
[0008] S1、將相控陣換能器沿掃描表面移動，通過探頭獲取每個數(shù)據(jù)采集點相應(yīng)的分散 的回波信號；
[0009] S2、對步驟S1獲取的某一點重合回波求和，將處理后的這一點看做一個單元，逐 點完成整個二維或三維面；
[0010] S3、當(dāng)樣本點在一個平面時，將它映射到二維的笛卡爾網(wǎng)格；當(dāng)樣本點在一個立體 空間時，將它映射到三維的笛卡爾網(wǎng)格，從而確定可疑缺陷區(qū)域；
[0011] S4、用6dB-drop法描繪所得可疑缺陷區(qū)域的缺陷特征。
[0012] 其中，所述6dB_drop法具體包括如下步驟：
[0013] 步驟一、找出缺陷回波中的峰值點作為缺陷中心；
[0014] 步驟二、標(biāo)明每一個峰值的網(wǎng)格坐標(biāo)，直到峰值降至6dB ;
[0015] 步驟三、采用區(qū)域增長算法查找重建網(wǎng)格中的連通域，如果相連，將其鄰域包含進(jìn) 來，連接其坐標(biāo)形成缺陷。
[0016] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0017] 可清楚辨別出兩個間隔小且直徑為0. 8_的孔洞，發(fā)現(xiàn)天然缺陷的尺寸和方位的 量化非常接近于實際測量出的切割試樣。有效提高了缺陷的空間分辨率和測量精度。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明實施例中SATF示意圖；
[0019] 圖中，□探頭；缺陷位置；□重建網(wǎng)格；缺陷位置的射束；+缺陷位置的同 相合計。
[0020] 圖2為本發(fā)明實施例中SAFT產(chǎn)生的回波幅度。
[0021] 圖3為本發(fā)明實施例中不同分辨率下的網(wǎng)格重建示意圖。
[0022] 圖4為本發(fā)明實施例中采樣點在重建網(wǎng)格中的映射圖。
[0023] 圖5為本發(fā)明實施例中有2個孔的單晶硅實驗材料示意圖。
[0024] 圖6為本發(fā)明實施例中實際測量結(jié)果。
【具體實施方式】
[0025] 為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步 詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā) 明。
[0026] 本發(fā)明實施例提供了一種基于SAFT的單晶硅內(nèi)部缺陷時域檢測成像方法，包括 如下步驟
[0027] 如圖1所示，S1、將相控陣換能器沿掃描表面移動，通過探頭獲取每個數(shù)據(jù)采集點 相應(yīng)的分散的回波信號；圖1中A處的產(chǎn)生某個入射角（虛線所示）的缺陷回波與從B、C 處產(chǎn)生的重合，可以將每個位置都可以看成一個孔徑元素。
[0028] S2、對某一點重合回波求和，將處理后的這一點看做一個單元，逐點完成整個二維 或三維面。這樣，在二維面構(gòu)成以缺陷位置為中心的虛擬大孔徑（如圖1中A、B、C三處的 虛線所示）。虛擬大孔徑的尺寸是指從A到C的距離，事實上，如果探頭的角掃范圍設(shè)置合 理的話，虛擬孔徑的尺寸要比探頭的尺寸大得多。如果虛擬孔徑集中在中心點，求和會得到 較大的回波振幅，然而如果虛擬孔徑錯開了中心點，會得到偏小的回波振幅（如圖2所示）。 缺陷所在處回波信號增強，材料顆粒的噪聲及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的噪聲減小，從而提高了缺陷 區(qū)域的信噪比。
[0029] S3、當(dāng)樣本點在一個平面時，將它映射到二維的笛卡爾網(wǎng)格；當(dāng)樣本點在一個立體 空間時，將它映射到三維的笛卡爾網(wǎng)格，從而確定可疑缺陷區(qū)域網(wǎng)格的分辨率參數(shù)設(shè)置確 保有效相位信息。SAFT垂直的分辨率應(yīng)該跟采樣間隔距離相等，而跟孔徑無關(guān)；水平的分 辨率應(yīng)該跟探頭移動的步長相等。如圖3垂直分辨率是非常重要的參數(shù)。選擇過高的分辨 率可能會導(dǎo)致重建的網(wǎng)格出現(xiàn)空洞，而過低的分辨率可能會消除有效的相位信息。
[0030] 樣本點在網(wǎng)格里的映射是以相控陣換能器的設(shè)置及掃描面的幾何結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的， 在此采用二維網(wǎng)格和平面來說明，圖4中用（i，j)表示一個網(wǎng)格單元。網(wǎng)格的大小M/N，i =1，…，M，j = 1，（，N.垂直分辨率設(shè)置為與樣本點間隔長度相等，水平分辨率設(shè)為與探 頭沿平面移動的步長相等，P表示沿掃描面的位置，q代表垂直方向上的位置，r表示樣本 點到換能器的位置。假設(shè)P = 1，…，P，q = 1，…，Q，R = 1，…，R，a (q)表示q指示的 超聲的射入角。為了方便計算，假設(shè)物理坐標(biāo)和網(wǎng)格坐標(biāo)在同一原點，設(shè)網(wǎng)格的左上角為原 點，其物理位置是（〇,〇)。如圖4所示，用（p，q，r)代表樣本點的物理位置，可列為：
[0031] x(p,q, r) =L(r)sin(a (q))+S(p)
[0032] y(p,q, r) =L(r)cos(a (q)) (1)
[0033] 式中，L(r)是樣本點r到換能器的距離，S(p)是點p沿掃描平面的長度，假設(shè)聲速 為u，采樣間隔為At，步長AS可以輕松求得：
[0034] L (r) = r · u · Δ t/2
[0035] S (p) = p · Δ