一种基于saft的单晶硅内部缺陷时域检测成像方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及检测成像技术领域，具体涉及一种基于SAFT的单晶硅内部缺陷时域 检测成像方法。
【背景技术】
[0002] 随着光伏产业和半导体产业的快速发展，全球对硅的需求高速增长，而单晶硅材 料在生产过程中，晶棒、坩埚在多维复杂运动过程中由于加热温度、旋转、拉伸速度的关系， 硅棒内部会形成气泡、杂质、裂纹等缺陷。单晶硅硅棒被切割成硅晶片时将会产生大量的切 割废料。因此，切片工序开始前，无损地发现硅棒中缺陷的位置、大小，对保护设备，降低更 换刀具带来的成本以及提高工作效率等都有非常重要的意义。
[0003] 近几年，随着换能器技术的发展，大大提高了超声换能器的中心频率、灵活性以及 可靠性，特别是相控阵换能器的发展，大大减少大材料块的检测时间。因此，在很多工业部 门，超声波无损评估就成了确保质量和安全的标准化工具。常规情况下，在缺陷区域回波幅 度最大的条件下，通过距离-增益-尺寸（DGS)法，进行了缺陷显示的测量，DGS方法可反 应缺陷尺寸，但不能评估缺陷的物理定向、形状和程度，因此疲劳预测和结构完整性评定会 出现较大的测量不确定性。测量的不确定性以及材料性能的不确定性最终会影响材料的评 定结。因此，减小评定的不确定性，提高缺陷测量的精确度成为检测的关键，使用成像方法 来描述缺陷的程度、方位和形状特征是一种有效检测手段。
[0004] 随着中心频率的增强和频带宽度的增加，超声无损评估的空间分辨率普遍提高。 高频超声波的主要受衰减、渗透限制和信噪比降低的限制。实际上，缺陷的检测评估很大程 度上还取决于数据采集和后期处理技术。为了提高单个换能器的分辨率，提出了合成孔径 聚焦技术（SAFT)。最早的合成孔径聚焦技术的超声被应用于提高空中雷达系统的横向分辨 率，其理念是通过大面积扫描天线来合成大型有效孔径进而提高分辨率。对于采用SAFT的 工业超声无损评估应用，需要完整的波形回波数据，因此，可保存相位信息。当用单个换能 器进行合成孔径聚焦技术时，必须要从不同观测角度，非常小心地手动将入射角，也就是射 束轴调至与缺陷反射器垂直。而使用相控阵传感器，便可以避免这种不便，因为相控阵传感 器可以自动扫描预先设定范围内的入射角。如果忽略传感器的位置不计，基本可以确定，当 角之间的扫描间隔足够小时，一些入射角垂直或基本垂直于缺陷反射器。近来，在使用SAFT 进行信号处理方面，工业超声图像增强的发展吸引了诸多关注。大部分研究，出于视觉化的 目的，侧重研究信号处理的理论方面，其缺陷或特色相对明显，而也有少数研究。
【发明内容】
[0005] 针对存在小型缺陷的现实工业应用，本发明提供了一种基于SAFT的单晶硅内部 缺陷时域检测成像方法。
[0006] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0007] 基于SAFT的单晶硅内部缺陷时域检测成像方法，包括如下步骤：
[0008] S1、将相控阵换能器沿扫描表面移动，通过探头获取每个数据采集点相应的分散 的回波信号；
[0009] S2、对步骤S1获取的某一点重合回波求和，将处理后的这一点看做一个单元，逐 点完成整个二维或三维面；
[0010] S3、当样本点在一个平面时，将它映射到二维的笛卡尔网格；当样本点在一个立体 空间时，将它映射到三维的笛卡尔网格，从而确定可疑缺陷区域；
[0011] S4、用6dB-drop法描绘所得可疑缺陷区域的缺陷特征。
[0012] 其中，所述6dB_drop法具体包括如下步骤：
[0013] 步骤一、找出缺陷回波中的峰值点作为缺陷中心；
[0014] 步骤二、标明每一个峰值的网格坐标，直到峰值降至6dB ;
[0015] 步骤三、采用区域增长算法查找重建网格中的连通域，如果相连，将其邻域包含进 来，连接其坐标形成缺陷。
[0016] 本发明具有以下有益效果：
[0017] 可清楚辨别出两个间隔小且直径为0. 8_的孔洞，发现天然缺陷的尺寸和方位的 量化非常接近于实际测量出的切割试样。有效提高了缺陷的空间分辨率和测量精度。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明实施例中SATF示意图；
[0019] 图中，□探头；缺陷位置；□重建网格；缺陷位置的射束；+缺陷位置的同 相合计。
[0020] 图2为本发明实施例中SAFT产生的回波幅度。
[0021] 图3为本发明实施例中不同分辨率下的网格重建示意图。
[0022] 图4为本发明实施例中采样点在重建网格中的映射图。
[0023] 图5为本发明实施例中有2个孔的单晶硅实验材料示意图。
[0024] 图6为本发明实施例中实际测量结果。
【具体实施方式】
[0025] 为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步 详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发 明。
[0026] 本发明实施例提供了一种基于SAFT的单晶硅内部缺陷时域检测成像方法，包括 如下步骤
[0027] 如图1所示，S1、将相控阵换能器沿扫描表面移动，通过探头获取每个数据采集点 相应的分散的回波信号；图1中A处的产生某个入射角（虚线所示）的缺陷回波与从B、C 处产生的重合，可以将每个位置都可以看成一个孔径元素。
[0028] S2、对某一点重合回波求和，将处理后的这一点看做一个单元，逐点完成整个二维 或三维面。这样，在二维面构成以缺陷位置为中心的虚拟大孔径（如图1中A、B、C三处的 虚线所示）。虚拟大孔径的尺寸是指从A到C的距离，事实上，如果探头的角扫范围设置合 理的话，虚拟孔径的尺寸要比探头的尺寸大得多。如果虚拟孔径集中在中心点，求和会得到 较大的回波振幅，然而如果虚拟孔径错开了中心点，会得到偏小的回波振幅（如图2所示）。 缺陷所在处回波信号增强，材料颗粒的噪声及数据采集系统的噪声减小，从而提高了缺陷 区域的信噪比。
[0029] S3、当样本点在一个平面时，将它映射到二维的笛卡尔网格；当样本点在一个立体 空间时，将它映射到三维的笛卡尔网格，从而确定可疑缺陷区域网格的分辨率参数设置确 保有效相位信息。SAFT垂直的分辨率应该跟采样间隔距离相等，而跟孔径无关；水平的分 辨率应该跟探头移动的步长相等。如图3垂直分辨率是非常重要的参数。选择过高的分辨 率可能会导致重建的网格出现空洞，而过低的分辨率可能会消除有效的相位信息。
[0030] 样本点在网格里的映射是以相控阵换能器的设置及扫描面的几何结构为基础的， 在此采用二维网格和平面来说明，图4中用（i，j)表示一个网格单元。网格的大小M/N，i =1，…，M，j = 1，（，N.垂直分辨率设置为与样本点间隔长度相等，水平分辨率设为与探 头沿平面移动的步长相等，P表示沿扫描面的位置，q代表垂直方向上的位置，r表示样本 点到换能器的位置。假设P = 1，…，P，q = 1，…，Q，R = 1，…，R，a (q)表示q指示的 超声的射入角。为了方便计算，假设物理坐标和网格坐标在同一原点，设网格的左上角为原 点，其物理位置是（〇,〇)。如图4所示，用（p，q，r)代表样本点的物理位置，可列为：
[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)是样本点r到换能器的距离，S(p)是点p沿扫描平面的长度，假设声速 为u，采样间隔为At，步长AS可以轻松求得：
[0034] L (r) = r · u · Δ t/2
[0035] S (p) = p · Δ