單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)系統(tǒng)，包括平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上方安裝有圓形工作臺(tái)，圓形工作臺(tái)的底板沿圓周設(shè)置有角度刻度線，圓形工作臺(tái)的上部為桶體結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔安置待檢測(cè)的圓柱形單晶硅棒，在單晶硅棒直徑對(duì)稱(chēng)的圓壁之外分別設(shè)置有收發(fā)同體超聲探頭和超聲接收探頭。本發(fā)明還公開(kāi)了一種單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)方法。本發(fā)明的系統(tǒng)及方法，極大提高了單晶硅棒內(nèi)部缺陷的精準(zhǔn)位置和形狀，并可對(duì)其完成三維重構(gòu)，得以制定出高精度的單晶硅缺陷檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，從而提高切片工序的高效率和高質(zhì)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于測(cè)量?jī)x器【技術(shù)領(lǐng)域】，用于對(duì)單晶硅缺陷的無(wú)損檢測(cè)，涉及一種單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及一種單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單晶硅缺陷，是對(duì)于晶體的周期性對(duì)稱(chēng)的破壞，使得實(shí)際的晶體偏離了理想晶體的晶體結(jié)構(gòu)。種類(lèi)有點(diǎn)、直徑、線、面和體缺陷，表現(xiàn)為包裹體、氣泡、空洞等，這是由于制備過(guò)程中，溫度、振動(dòng)等一些偶然因素的影響造成的。缺陷對(duì)切片工序產(chǎn)生著重要的影響，常見(jiàn)為破壞生產(chǎn)設(shè)備，降低生產(chǎn)效率，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。其檢測(cè)方法任然停留在傳統(tǒng)檢測(cè)工藝上。
[0003]近幾年來(lái)，超聲波在混凝土、陶瓷等一些非金屬材料無(wú)損檢測(cè)方面有了較大的發(fā)展。雖然對(duì)非金屬的研究歷史已有幾十年，但是針對(duì)單晶硅材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的研究，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)相關(guān)報(bào)道。因此根據(jù)超聲檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及適應(yīng)范圍，立足國(guó)內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備狀況及材料檢測(cè)規(guī)范要求，進(jìn)一步完善單晶硅缺陷檢測(cè)的方法與評(píng)價(jià)手段，提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性，提高單晶硅切片工序的生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，開(kāi)發(fā)超聲儀的應(yīng)用市場(chǎng)，解決工程應(yīng)用是非常有必要性的。
[0004]超聲波無(wú)損檢測(cè)常用方法有反射法和透射法兩種。反射法發(fā)射接收探頭一體，脈沖能量在接收時(shí)變化量較大，但波形變化較小，能檢測(cè)到小的缺陷。但當(dāng)缺陷距離表面位置在聲波近廠內(nèi)，檢測(cè)出現(xiàn)盲區(qū)。透射法檢測(cè)時(shí)缺陷會(huì)遮擋部分聲能，缺陷波幅度低，不存在盲區(qū)，但透射法兩側(cè)探頭的水平直線度問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生不必要的誤差，影響檢測(cè)結(jié)果。由于缺陷的檢測(cè)室通過(guò)觀察接受波形的衰減幅度來(lái)評(píng)定的，故無(wú)法確定缺陷在晶體中的位置(缺陷的埋藏深度)。
[0005]另一方面，由于單晶硅棒的形狀是圓柱形，能夠緊密接觸的部位面積很少，導(dǎo)致耦合進(jìn)硅棒中的超聲波少。而超聲波束的外圍部分會(huì)因?yàn)閱尉Ч璋舻倪吔鐖A弧向外反射，而且可能在探頭和單晶硅棒的外圍空隙部分反復(fù)反射，對(duì)波形的識(shí)別造成困難，增加缺陷檢測(cè)難度。。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有單晶硅缺陷檢測(cè)方法無(wú)法高精度檢測(cè)出缺陷的問(wèn)題。
[0007]本發(fā)明提供了一種單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)方法。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)系統(tǒng)，包括平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上方安裝有圓形工作臺(tái)，圓形工作臺(tái)的底板沿圓周設(shè)置有角度刻度線，圓形工作臺(tái)的上部為桶體結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔安置待檢測(cè)的圓柱形單晶硅棒，在單晶硅棒直徑對(duì)稱(chēng)的圓壁之外分別設(shè)置有收發(fā)同體超聲探頭和超聲接收探頭。
[0009]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)方法，依賴(lài)于上述的單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)系統(tǒng)，按照以下步驟實(shí)施:
[0010]步驟1，將收發(fā)同體超聲探頭、超聲接收探頭和單晶硅棒均浸泡在圓形工作臺(tái)的桶體內(nèi)的水中，收發(fā)同體超聲探頭和超聲接收探頭在同一水平面上，且處于沿單晶硅棒直徑對(duì)稱(chēng)位置；
[0011]步驟2,通過(guò)MCU控制平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)圓形工作臺(tái)按照一定角度步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng),收發(fā)同體超聲探頭發(fā)出超聲波，在單晶硅棒界面上發(fā)生的反射波被一端的收發(fā)同體超聲探頭接收，透射波被另一端超聲接收探頭接收；
[0012]步驟3，對(duì)超聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、結(jié)果顯示
[0013]對(duì)采集的超聲回波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，同時(shí)構(gòu)建極坐標(biāo)體系，直觀顯示缺陷的位置、形狀和面積，即成。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:設(shè)置了一種圓周遍歷平臺(tái)，利用超聲波透射法和反射法相結(jié)合的方法，在圓周遍歷檢測(cè)平臺(tái)上完成超聲透、反回波數(shù)據(jù)的采集、處理，利用MATLAB軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)完成了超聲回波數(shù)據(jù)處理程序包括對(duì)超聲信號(hào)的小波多尺度分解，閾值去噪，信號(hào)重構(gòu)程序以及超聲回波B型成像、極坐標(biāo)成像的程序編寫(xiě)，采用Marching Cubes算法完成超聲圖像三維重構(gòu)，檢測(cè)出單晶硅棒內(nèi)部缺陷的位置和形狀，相對(duì)誤差3.79%，獲得了滿意的效果。極大提高單晶硅棒內(nèi)部缺陷的精準(zhǔn)位置和形狀，并可對(duì)其完成三維重構(gòu)，得以制定出聞精度的單晶娃缺陷檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，從而提聞切片工序的聞效率和聞質(zhì)量。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明方法依賴(lài)的圓周遍歷平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明方法的控制原理框圖；
[0017]圖3是本發(fā)明實(shí)施例單晶硅棒中的缺陷檢驗(yàn)結(jié)果示意圖。
[0018]圖中，1.平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，2.圓形工作臺(tái)，3.收發(fā)同體超聲探頭，4.超聲接收探頭，
5.固定支架，6.單晶硅棒，7.缺陷。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0020]參照?qǐng)D1，本發(fā)明裝置包括兩部分，包括用于安裝待檢測(cè)的圓柱形單晶硅棒6的圓周遍歷平臺(tái)部分，以及數(shù)據(jù)采集處理顯示部分。
[0021]圓周遍歷平臺(tái)的結(jié)構(gòu)是,包括平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)1，在平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)I上方安裝有圓形工作臺(tái)2，圓形工作臺(tái)2的底板沿圓周設(shè)置有角度刻度線，圓形工作臺(tái)2的上部為桶體結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔安置待檢測(cè)的圓柱形單晶硅棒6，在單晶硅棒6直徑對(duì)稱(chēng)的圓壁之外分別設(shè)置有收發(fā)同體超聲探頭3和超聲接收探頭4，收發(fā)同體超聲探頭3和超聲接收探頭4向上固定吊掛在固定支架5上，收發(fā)同體超聲探頭3、超聲接收探頭4和單晶硅棒6均浸泡在圓形工作臺(tái)2的桶體內(nèi)的水中；收發(fā)同體超聲探頭3和超聲接收探頭4與數(shù)據(jù)采集處理顯示部分連接；另外，平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)1、收發(fā)同體超聲探頭3和超聲接收探頭4均與控制器連接，實(shí)現(xiàn)同步工作。
[0022]參照?qǐng)D2，本發(fā)明裝置各個(gè)組成部分的工作原理是:
[0023]I)超聲發(fā)射部分:包括發(fā)射電路及超聲發(fā)射部分，通過(guò)發(fā)射電路控制高壓激發(fā)超聲發(fā)射部分(超聲波換能器)實(shí)現(xiàn)超聲發(fā)射，產(chǎn)生較大幅值的超聲波信號(hào)。MCU(微控制器)發(fā)出控制信號(hào)，周期性的控制超聲發(fā)射部分的開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通，加高壓電到發(fā)射探頭上，激勵(lì)超聲換能器發(fā)射出超聲波。此部分見(jiàn)圖2中虛線框①的顯示。
[0024]2)超聲接收和數(shù)據(jù)采集部分:包括同樣的兩條通道，即采用透反結(jié)合的超聲檢測(cè)方式后實(shí)際產(chǎn)生了兩個(gè)超聲接收通道，其一是收發(fā)同體的超聲反射式探頭(收發(fā)同體超聲探頭3)的回波信號(hào)接收，其二是透射式的探頭(超聲接收探頭4)的超聲信號(hào)接收，采集信號(hào)時(shí)由于信號(hào)衰減和干擾噪聲，所以增加了信號(hào)調(diào)理電路(實(shí)現(xiàn)放大和濾波功能)。此部分見(jiàn)圖2中虛線框②顯示內(nèi)容。
[0025]3)對(duì)超聲數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、結(jié)果顯示部分:通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行超聲透反波處理，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理分析和結(jié)果顯示功能，即選用示波器外部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能，將數(shù)據(jù)存入上位機(jī)中。對(duì)采集的超聲回波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，同時(shí)構(gòu)建極坐標(biāo)體系，對(duì)缺陷三維重構(gòu)直觀有效的顯示缺陷的位置、形狀和面積。此部分見(jiàn)圖2中虛線框③內(nèi)容。
[0026]4)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)控制部分:僅用透射或反射超聲波檢測(cè)無(wú)法完整檢測(cè)缺陷信息，因此設(shè)計(jì)具有一定承載的遍歷平臺(tái)是非常有必要的。通過(guò)該平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)獲得整個(gè)截面的信息，從而避免檢測(cè)盲區(qū)的出現(xiàn)。此部分見(jiàn)圖2中虛線框④內(nèi)容。
[0027]本發(fā)明的單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)方法，依賴(lài)于上述的單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)系統(tǒng)，按照以下步驟實(shí)施:
[0028]步驟1，將收發(fā)同體超聲探頭3、超聲接收探頭4和單晶硅棒6均浸泡在圓形工作臺(tái)2的桶體內(nèi)的水中，收發(fā)同體超聲探頭3和超聲接收探頭4在同一水平面上，且處于沿單晶娃棒直徑對(duì)稱(chēng)位置；
[0029]步驟2,通過(guò)MCU控制平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)I帶動(dòng)圓形工作臺(tái)2按照一定角度步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，收發(fā)同體超聲探頭3發(fā)出超聲波，在單晶硅棒界面上發(fā)生的反射波被同一端的收發(fā)同體超聲探頭3接收，透射波被另一端超聲接收探頭4接收；
[0030]步驟3，對(duì)超聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、結(jié)果顯示
[0031]對(duì)采集的超聲回波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，同時(shí)構(gòu)建極坐標(biāo)體系，直觀有效的顯示缺陷的位置、形狀和面積，即成。
[0032]參照?qǐng)D2，本發(fā)明方法的控制原理及功能，包含以下幾個(gè)方面:
[0033]I)發(fā)射機(jī)接收探頭的架設(shè)及圓周遍歷平臺(tái)的搭建:各個(gè)探頭采用龍門(mén)支架固定，保證其位置相對(duì)固定，單晶硅棒I放置時(shí)保證在圓形工作臺(tái)的中心。且固定時(shí)單晶硅棒直徑兩端外側(cè)分別為收發(fā)同體超聲探頭3、超聲接收探頭4，收發(fā)同體超聲探頭3與超聲接收探頭4在同一水平面上，且處于沿單晶硅棒直徑對(duì)稱(chēng)位置。即收發(fā)同體超聲探頭3、超聲接收探頭4和單晶硅棒I的中心線處于同一直線上。采用水作為耦合劑，將整個(gè)待測(cè)單晶硅棒I及發(fā)射接收探頭都浸入水中。由MCU(與前面的MCU是同一個(gè)控制器)發(fā)出控制信號(hào)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)1，使工作臺(tái)按照一個(gè)固定角度轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)圓周遍歷檢測(cè)。就方便了以超聲探頭所在的硅棒平面的圓心為中心點(diǎn)，建立極坐標(biāo)體系。
[0034]2)超聲發(fā)射和缺陷波接收方法:由于整個(gè)被測(cè)單晶硅棒6及收發(fā)探頭均浸入水中，在液體中橫波無(wú)法傳播，所以各個(gè)探頭均選用縱波探頭，并且密封，聲波垂直入射于兩介質(zhì)界面，在界面上發(fā)生的反射波被一端的收發(fā)同體超聲探頭3接收，透射波被另一端超聲接收探頭4接收，從而完成透反結(jié)合的超聲檢測(cè)，同時(shí)采用透反結(jié)合的超聲檢測(cè)方法避免盲區(qū)，又提高了檢測(cè)的靈活度。
[0035]3)缺陷波數(shù)據(jù)采集、處理和顯示方法:因?yàn)槭褂猛阜唇Y(jié)合的檢測(cè)方法，所以產(chǎn)生兩路波形，兩路超聲檢測(cè)波形通過(guò)各自的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用示波器外部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能，將數(shù)據(jù)存入上位機(jī)中。通過(guò)放大電路對(duì)檢測(cè)到波形信號(hào)放大，濾波后有效提取出缺陷波形信息。通過(guò)軟件處理后，建立了單晶硅缺陷極坐標(biāo)，有效地獲取缺陷信息，重構(gòu)出缺陷在單晶硅棒中的位置和形狀，見(jiàn)圖3。
[0036]本發(fā)明檢測(cè)方法不同于單獨(dú)的超聲反射和透射的鑒定，不僅需要對(duì)單晶硅超聲檢測(cè)方法合格與否給出評(píng)價(jià)，作為非金屬檢測(cè)方法的一個(gè)組成部分，能為企業(yè)提供豐富的信息和技術(shù)指導(dǎo)，為生產(chǎn)高水準(zhǔn)的探傷儀提供支持。
【權(quán)利要求】
1.一種單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，包括平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(I)，在平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(I)上方安裝有圓形工作臺(tái)(2)，圓形工作臺(tái)(2)的底板沿圓周設(shè)置有角度刻度線，圓形工作臺(tái)(2)的上部為桶體結(jié)構(gòu)， 圓形工作臺(tái)(2)的上部桶體內(nèi)腔安置待檢測(cè)的圓柱形單晶硅棒(6)，在單晶硅棒(6)直徑對(duì)稱(chēng)的圓壁之外分別設(shè)置有收發(fā)同體超聲探頭(3)和超聲接收探頭(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，所述的收發(fā)同體超聲探頭(3)和超聲接收探頭(4)與數(shù)據(jù)采集處理顯示部分連接；另外，平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(I)、收發(fā)同體超聲探頭(3)和超聲接收探頭(4)均與控制器連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，所述的收發(fā)同體超聲探頭(3)和超聲接收探頭(4)均選用縱波探頭。
4.一種單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)方法，其特點(diǎn)在于，依賴(lài)于權(quán)利要求1或2所述的單晶硅棒缺陷超聲檢測(cè)系統(tǒng)，按照以下步驟實(shí)施: 步驟1，將收發(fā)同體超聲探頭(3)、超聲接收探頭(4)和單晶硅棒(6)均浸泡在圓形工作臺(tái)(2)的桶體內(nèi)的水中，收發(fā)同體超聲探頭(3)和超聲接收探頭(4)在同一水平面上，且處于沿單晶硅棒直徑對(duì)稱(chēng)位置； 步驟2，通過(guò)M CU控制平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(I)帶動(dòng)圓形工作臺(tái)(2)按照一定角度步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，收發(fā)同體超聲探頭(3)發(fā)出超聲波，在單晶硅棒界面上發(fā)生的反射波被一端的收發(fā)同體超聲探頭(3)接收，透射波被另一端超聲接收探頭(4)接收； 步驟3，對(duì)超聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、結(jié)果顯示 對(duì)采集的超聲回波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，同時(shí)構(gòu)建極坐標(biāo)體系，直觀顯示缺陷的位置、形狀和面積，即成。
【文檔編號(hào)】G01N29/14GK104007181SQ201410190832
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】邱宗明, 烏偉, 朱凌建, 李林, 黃秋紅 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)