[发明专利]一种激光无损检测薄膜特性的优化参数确定方法

说明书

技术领域

本发明属于超声表面波无损检测领域，涉及一种薄膜特性表征的方法。

背景技术

随着low-k材料在现代集成电路研究和工业中的应用越来越广泛，关于无损检测薄膜特性的技术也越来越重要。激光激发超声表面波技术是可用于low-k材料薄膜特性检测的一种新型检测手段，由于其无损性、测量结果的准确性、检测过程快速简单、可实现在线检测等优势，使其具有良好的工程应用前景和深远的研究意义，目前已经成为low-k材料特性无损检测的重要手段。

发明内容

本发明提供一种确定激光无损检测薄膜特性的优化参数确定方法。该方法通过对所得模拟实验的数据进行分析，得出表面波信号的最大位移幅值和最大色散频率随线元宽度变化的规律，以及最大色散频率随着脉冲宽度的变化规律，并结合现实实验所需、工程造价等现实因素从而确定出明确的激光激发超声表面波优化实验参数，使得测量者获得幅值相对较大、频域范围更宽的表面波信号，从而更好的实现和推广激光激发超声表面波无损检测技术。本发明的技术方案如下：

一种激光无损检测薄膜特性的优化参数确定方法，包括下列步骤：

(1)利用有限元软件ANSYS，建立薄膜衬底结构的双层有限元模型；

(2)通过设置单脉冲分段函数在所建模型上实现对短脉冲激光激发超声表面波的模拟；

(3)固定激光能量值、脉冲宽度值不变，改变激光聚焦线元宽度的取值，获得表面波信号的最大位移幅值及表面波信号的最大色散频率随线元宽度变化而变化的规律；

(4)综合分析表面波信号的幅值和频域随线元宽度变化而变化的规律，确定优化的线元宽度值；

(5)固定聚焦的线元宽度为优化的线元宽度值，改变脉冲激光的脉冲宽度得到表面波最大色散频率随着脉冲宽度的变化规律，利用该规律确定出最优的激光脉冲宽度值。

附图说明

图1薄膜衬底结构的有限元模型

图2表面波信号的最大位移幅值及有限频率范围随线元宽度增加的变化趋势

图3表面波信号的有效频率范围随脉冲宽度改变的变化趋势

具体实施方式

下面具体的说一下本发明的技术方案：

1.利用有限元软件ANSYS建立薄膜衬底结构的双层有限元模型，如图1所示。通过对材料机械特征参数和热学参数的设定对材料进行设定。

2.通过设置单脉冲分段函数实现对短脉冲激光的模拟，激光脉冲的能量密度及所涉单脉冲函数的幅值由公式(1)决定：

其中，激光单脉冲能量可根据实验中所用激光器的实际单脉冲能量值来确定，在本发明中取109μJ，通过设定分段函数中的时间来实现对脉冲宽度的模拟，激光聚焦线元宽度通过选定加载在模型上的单元长度来进行模拟。如，若模拟脉冲宽度为1ns，聚焦线元宽度为1μm时的激光脉冲，则可设定如下分段函数来进行模拟

将设定好的分段函数作为加载的载荷，通过线元加载的方式，加载在模型中薄膜的表面处。

3.固定激光能量值、脉冲宽度值不变，改变激光聚焦线元宽度的取值，研究表面波信号随线元宽度的变化而变化的规律，主要考虑表面波信号的最大位移幅值和表面波信号的最大频率范围两个指标。通过计算可得，表面波信号的最大位移幅值随线元宽度的变化规律如图2中蓝线所示，可以看出，随着线元宽度的增加表面波信号的最大位移幅值先迅速增大，当达到28μm时，开始下降。表面波信号的最大频率范围随线元宽度的变化规律如图2中黄线所示，即随着线元宽度的增加，表面波信号的最大频率范围随着线元宽度的增加迅速下降，超过16μm时略有下降。考虑实际情况，因为在实验过程中，高频段对频散曲线的区分更加明显，所以最大色散频率需超过150MHz，在此基础上，希望最大位移幅值越大越好，综合考虑，确定出折衷的合适的线元宽度为8μm，此时可获得的信号的最大位移幅值为6.64×10^-16m，信号的最大色散频率为206MHz。

4.固定聚焦的线元宽度为折衷的最优线元宽度即8μm，改变脉冲激光的脉冲宽度得到表面波最大色散频率随着脉冲宽度的变化规律，如图3所示。由图可以看出，当脉冲宽度小于0.8ns时，表面波信号的最大色散频率范围仅略有下降，下降幅度约为最大值的1％，当脉冲宽度大于0.8ns时，表面波信号的最大色散频率大幅度下降，基本具有线性的下降趋势，结合现实所需及工程造价等现实因素，确定优化的脉冲宽度为0.8ns。

该方法是一种确定激光无损测量技术优化参数的方法，通过该方法可确定出优化的实验参数，从而在考虑现实因素及工程造价的情况下，使得获得的表面波信号具有较大的位移幅值和较宽的色散频率范围，不会因振幅过小而受到杂波较大的影响，也不会因频率范围裹扎而影响实验结果。