單晶硅棒缺陷超聲檢測系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種單晶硅棒缺陷超聲檢測系統，包括平臺轉動機構，在平臺轉動機構上方安裝有圓形工作臺，圓形工作臺的底板沿圓周設置有角度刻度線，圓形工作臺的上部為桶體結構，內腔安置待檢測的圓柱形單晶硅棒，在單晶硅棒直徑對稱的圓壁之外分別設置有收發同體超聲探頭和超聲接收探頭。本發明還公開了一種單晶硅棒缺陷超聲檢測方法。本發明的系統及方法，極大提高了單晶硅棒內部缺陷的精準位置和形狀，并可對其完成三維重構，得以制定出高精度的單晶硅缺陷檢測標準，從而提高切片工序的高效率和高質量。
【專利說明】單晶硅棒缺陷超聲檢測系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于測量儀器【技術領域】，用于對單晶硅缺陷的無損檢測，涉及一種單晶硅棒缺陷超聲檢測系統，本發明還涉及一種單晶硅棒缺陷超聲檢測方法。
【背景技術】
[0002]單晶硅缺陷，是對于晶體的周期性對稱的破壞，使得實際的晶體偏離了理想晶體的晶體結構。種類有點、直徑、線、面和體缺陷，表現為包裹體、氣泡、空洞等，這是由于制備過程中，溫度、振動等一些偶然因素的影響造成的。缺陷對切片工序產生著重要的影響，常見為破壞生產設備，降低生產效率，產品質量參差不齊。其檢測方法任然停留在傳統檢測工藝上。
[0003]近幾年來，超聲波在混凝土、陶瓷等一些非金屬材料無損檢測方面有了較大的發展。雖然對非金屬的研究歷史已有幾十年，但是針對單晶硅材料進行無損檢測的研究，國內外尚無相關報道。因此根據超聲檢測技術的優點及適應范圍，立足國內現有設備狀況及材料檢測規范要求，進一步完善單晶硅缺陷檢測的方法與評價手段，提高檢測結果的可靠性，提高單晶硅切片工序的生產效率，保證產品質量，開發超聲儀的應用市場，解決工程應用是非常有必要性的。
[0004]超聲波無損檢測常用方法有反射法和透射法兩種。反射法發射接收探頭一體，脈沖能量在接收時變化量較大，但波形變化較小，能檢測到小的缺陷。但當缺陷距離表面位置在聲波近廠內，檢測出現盲區。透射法檢測時缺陷會遮擋部分聲能，缺陷波幅度低，不存在盲區，但透射法兩側探頭的水平直線度問題會產生不必要的誤差，影響檢測結果。由于缺陷的檢測室通過觀察接受波形的衰減幅度來評定的，故無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，導致耦合進硅棒中的超聲波少。而超聲波束的外圍部分會因為單晶硅棒的邊界圓弧向外反射，而且可能在探頭和單晶硅棒的外圍空隙部分反復反射，對波形的識別造成困難，增加缺陷檢測難度。。
【發明內容】
[0006]本發明提供了一種單晶硅棒缺陷超聲檢測系統，解決了現有單晶硅缺陷檢測方法無法高精度檢測出缺陷的問題。
[0007]本發明提供了一種單晶硅棒缺陷超聲檢測方法。
[0008]本發明采用的技術方案是，一種單晶硅棒缺陷超聲檢測系統，包括平臺轉動機構，在平臺轉動機構上方安裝有圓形工作臺，圓形工作臺的底板沿圓周設置有角度刻度線，圓形工作臺的上部為桶體結構，內腔安置待檢測的圓柱形單晶硅棒，在單晶硅棒直徑對稱的圓壁之外分別設置有收發同體超聲探頭和超聲接收探頭。
[0009]本發明采用的技術方案是，一種單晶硅棒缺陷超聲檢測方法，依賴于上述的單晶硅棒缺陷超聲檢測系統，按照以下步驟實施:
[0010]步驟1，將收發同體超聲探頭、超聲接收探頭和單晶硅棒均浸泡在圓形工作臺的桶體內的水中，收發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稱位置；
[0011]步驟2,通過MCU控制平臺轉動機構帶動圓形工作臺按照一定角度步進轉動,收發同體超聲探頭發出超聲波，在單晶硅棒界面上發生的反射波被一端的收發同體超聲探頭接收，透射波被另一端超聲接收探頭接收；
[0012]步驟3，對超聲數據進行處理，實現存儲、結果顯示
[0013]對采集的超聲回波數據進行數字信號處理，同時構建極坐標體系，直觀顯示缺陷的位置、形狀和面積，即成。
[0014]本發明的有益效果是:設置了一種圓周遍歷平臺，利用超聲波透射法和反射法相結合的方法，在圓周遍歷檢測平臺上完成超聲透、反回波數據的采集、處理，利用MATLAB軟件平臺設計完成了超聲回波數據處理程序包括對超聲信號的小波多尺度分解，閾值去噪，信號重構程序以及超聲回波B型成像、極坐標成像的程序編寫，采用Marching Cubes算法完成超聲圖像三維重構，檢測出單晶硅棒內部缺陷的位置和形狀，相對誤差3.79%，獲得了滿意的效果。極大提高單晶硅棒內部缺陷的精準位置和形狀，并可對其完成三維重構，得以制定出聞精度的單晶娃缺陷檢測標準，從而提聞切片工序的聞效率和聞質量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明方法依賴的圓周遍歷平臺的結構示意圖；
[0016]圖2是本發明方法的控制原理框圖；
[0017]圖3是本發明實施例單晶硅棒中的缺陷檢驗結果示意圖。
[0018]圖中，1.平臺轉動機構，2.圓形工作臺，3.收發同體超聲探頭，4.超聲接收探頭，
5.固定支架，6.單晶硅棒，7.缺陷。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0020]參照圖1，本發明裝置包括兩部分，包括用于安裝待檢測的圓柱形單晶硅棒6的圓周遍歷平臺部分，以及數據采集處理顯示部分。
[0021]圓周遍歷平臺的結構是,包括平臺轉動機構1，在平臺轉動機構I上方安裝有圓形工作臺2，圓形工作臺2的底板沿圓周設置有角度刻度線，圓形工作臺2的上部為桶體結構，內腔安置待檢測的圓柱形單晶硅棒6，在單晶硅棒6直徑對稱的圓壁之外分別設置有收發同體超聲探頭3和超聲接收探頭4，收發同體超聲探頭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2的桶體內的水中；收發同體超聲探頭3和超聲接收探頭4與數據采集處理顯示部分連接；另外，平臺轉動機構1、收發同體超聲探頭3和超聲接收探頭4均與控制器連接，實現同步工作。
[0022]參照圖2，本發明裝置各個組成部分的工作原理是:
[0023]I)超聲發射部分:包括發射電路及超聲發射部分，通過發射電路控制高壓激發超聲發射部分(超聲波換能器)實現超聲發射，產生較大幅值的超聲波信號。MCU(微控制器)發出控制信號，周期性的控制超聲發射部分的開關元件導通，加高壓電到發射探頭上，激勵超聲換能器發射出超聲波。此部分見圖2中虛線框①的顯示。
[0024]2)超聲接收和數據采集部分:包括同樣的兩條通道，即采用透反結合的超聲檢測方式后實際產生了兩個超聲接收通道，其一是收發同體的超聲反射式探頭(收發同體超聲探頭3)的回波信號接收，其二是透射式的探頭(超聲接收探頭4)的超聲信號接收，采集信號時由于信號衰減和干擾噪聲，所以增加了信號調理電路(實現放大和濾波功能)。此部分見圖2中虛線框②顯示內容。
[0025]3)對超聲數據進行存儲、處理、結果顯示部分:通過計算機系統進行超聲透反波處理，計算機系統實現數據存儲、數據處理分析和結果顯示功能，即選用示波器外部存儲數據的功能，將數據存入上位機中。對采集的超聲回波數據進行數字信號處理，同時構建極坐標體系，對缺陷三維重構直觀有效的顯示缺陷的位置、形狀和面積。此部分見圖2中虛線框③內容。
[0026]4)工作臺轉動控制部分:僅用透射或反射超聲波檢測無法完整檢測缺陷信息，因此設計具有一定承載的遍歷平臺是非常有必要的。通過該平臺的旋轉獲得整個截面的信息，從而避免檢測盲區的出現。此部分見圖2中虛線框④內容。
[0027]本發明的單晶硅棒缺陷超聲檢測方法，依賴于上述的單晶硅棒缺陷超聲檢測系統，按照以下步驟實施:
[0028]步驟1，將收發同體超聲探頭3、超聲接收探頭4和單晶硅棒6均浸泡在圓形工作臺2的桶體內的水中，收發同體超聲探頭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稱位置；
[0029]步驟2,通過MCU控制平臺轉動機構I帶動圓形工作臺2按照一定角度步進轉動，收發同體超聲探頭3發出超聲波，在單晶硅棒界面上發生的反射波被同一端的收發同體超聲探頭3接收，透射波被另一端超聲接收探頭4接收；
[0030]步驟3，對超聲數據進行處理，實現存儲、結果顯示
[0031]對采集的超聲回波數據進行數字信號處理，同時構建極坐標體系，直觀有效的顯示缺陷的位置、形狀和面積，即成。
[0032]參照圖2，本發明方法的控制原理及功能，包含以下幾個方面:
[0033]I)發射機接收探頭的架設及圓周遍歷平臺的搭建:各個探頭采用龍門支架固定，保證其位置相對固定，單晶硅棒I放置時保證在圓形工作臺的中心。且固定時單晶硅棒直徑兩端外側分別為收發同體超聲探頭3、超聲接收探頭4，收發同體超聲探頭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稱位置。即收發同體超聲探頭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，將整個待測單晶硅棒I及發射接收探頭都浸入水中。由MCU(與前面的MCU是同一個控制器)發出控制信號，控制電機驅動平臺轉動機構1，使工作臺按照一個固定角度轉動實現圓周遍歷檢測。就方便了以超聲探頭所在的硅棒平面的圓心為中心點，建立極坐標體系。
[0034]2)超聲發射和缺陷波接收方法:由于整個被測單晶硅棒6及收發探頭均浸入水中，在液體中橫波無法傳播，所以各個探頭均選用縱波探頭，并且密封，聲波垂直入射于兩介質界面，在界面上發生的反射波被一端的收發同體超聲探頭3接收，透射波被另一端超聲接收探頭4接收，從而完成透反結合的超聲檢測，同時采用透反結合的超聲檢測方法避免盲區，又提高了檢測的靈活度。
[0035]3)缺陷波數據采集、處理和顯示方法:因為使用透反結合的檢測方法，所以產生兩路波形，兩路超聲檢測波形通過各自的數據采集卡進行數據采集，利用示波器外部存儲數據的功能，將數據存入上位機中。通過放大電路對檢測到波形信號放大，濾波后有效提取出缺陷波形信息。通過軟件處理后，建立了單晶硅缺陷極坐標，有效地獲取缺陷信息，重構出缺陷在單晶硅棒中的位置和形狀，見圖3。
[0036]本發明檢測方法不同于單獨的超聲反射和透射的鑒定，不僅需要對單晶硅超聲檢測方法合格與否給出評價，作為非金屬檢測方法的一個組成部分，能為企業提供豐富的信息和技術指導，為生產高水準的探傷儀提供支持。
【權利要求】
1.一種單晶硅棒缺陷超聲檢測系統，其特點在于，包括平臺轉動機構(I)，在平臺轉動機構(I)上方安裝有圓形工作臺(2)，圓形工作臺(2)的底板沿圓周設置有角度刻度線，圓形工作臺(2)的上部為桶體結構， 圓形工作臺(2)的上部桶體內腔安置待檢測的圓柱形單晶硅棒(6)，在單晶硅棒(6)直徑對稱的圓壁之外分別設置有收發同體超聲探頭(3)和超聲接收探頭(4)。
2.根據權利要求1所述的單晶硅棒缺陷超聲檢測系統，其特點在于，所述的收發同體超聲探頭(3)和超聲接收探頭(4)與數據采集處理顯示部分連接；另外，平臺轉動機構(I)、收發同體超聲探頭(3)和超聲接收探頭(4)均與控制器連接。
3.根據權利要求1所述的單晶硅棒缺陷超聲檢測系統，其特點在于，所述的收發同體超聲探頭(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方法，其特點在于，依賴于權利要求1或2所述的單晶硅棒缺陷超聲檢測系統，按照以下步驟實施: 步驟1，將收發同體超聲探頭(3)、超聲接收探頭(4)和單晶硅棒(6)均浸泡在圓形工作臺(2)的桶體內的水中，收發同體超聲探頭(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稱位置； 步驟2，通過M CU控制平臺轉動機構(I)帶動圓形工作臺(2)按照一定角度步進轉動，收發同體超聲探頭(3)發出超聲波，在單晶硅棒界面上發生的反射波被一端的收發同體超聲探頭(3)接收，透射波被另一端超聲接收探頭(4)接收； 步驟3，對超聲數據進行處理，實現存儲、結果顯示 對采集的超聲回波數據進行數字信號處理，同時構建極坐標體系，直觀顯示缺陷的位置、形狀和面積，即成。
【文檔編號】G01N29/14GK104007181SQ201410190832
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月7日 優先權日:2014年5月7日
【發明者】邱宗明, 烏偉, 朱凌建, 李林, 黃秋紅 申請人:西安理工大學
專業數控銑床產品供應商
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