本發(fā)明屬于超聲表面波無損檢測領(lǐng)域，涉及一種薄膜特性表征的方法。

背景技術(shù)：

隨著low-k材料在現(xiàn)代集成電路研究和工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，關(guān)于無損檢測薄膜特性的技術(shù)也越來越重要。激光激發(fā)超聲表面波技術(shù)是可用于low-k材料薄膜特性檢測的一種新型檢測手段，由于其無損性、測量結(jié)果的準(zhǔn)確性、檢測過程快速簡單、可實現(xiàn)在線檢測等優(yōu)勢，使其具有良好的工程應(yīng)用前景和深遠(yuǎn)的研究意義，目前已經(jīng)成為low-k材料特性無損檢測的重要手段。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種確定激光無損檢測薄膜特性的優(yōu)化參數(shù)確定方法。該方法通過對所得模擬實驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出表面波信號的最大位移幅值和最大色散頻率隨線元寬度變化的規(guī)律，以及最大色散頻率隨著脈沖寬度的變化規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)實實驗所需、工程造價等現(xiàn)實因素從而確定出明確的激光激發(fā)超聲表面波優(yōu)化實驗參數(shù)，使得測量者獲得幅值相對較大、頻域范圍更寬的表面波信號，從而更好的實現(xiàn)和推廣激光激發(fā)超聲表面波無損檢測技術(shù)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種激光無損檢測薄膜特性的優(yōu)化參數(shù)確定方法，包括下列步驟：

(1)利用有限元軟件ANSYS，建立薄膜襯底結(jié)構(gòu)的雙層有限元模型；

(2)通過設(shè)置單脈沖分段函數(shù)在所建模型上實現(xiàn)對短脈沖激光激發(fā)超聲表面波的模擬；

(3)固定激光能量值、脈沖寬度值不變，改變激光聚焦線元寬度的取值，獲得表面波信號的最大位移幅值及表面波信號的最大色散頻率隨線元寬度變化而變化的規(guī)律；

(4)綜合分析表面波信號的幅值和頻域隨線元寬度變化而變化的規(guī)律，確定優(yōu)化的線元寬度值；

(5)固定聚焦的線元寬度為優(yōu)化的線元寬度值，改變脈沖激光的脈沖寬度得到表面波最大色散頻率隨著脈沖寬度的變化規(guī)律，利用該規(guī)律確定出最優(yōu)的激光脈沖寬度值。

附圖說明

圖1薄膜襯底結(jié)構(gòu)的有限元模型

圖2表面波信號的最大位移幅值及有限頻率范圍隨線元寬度增加的變化趨勢

圖3表面波信號的有效頻率范圍隨脈沖寬度改變的變化趨勢

具體實施方式

下面具體的說一下本發(fā)明的技術(shù)方案：

1.利用有限元軟件ANSYS建立薄膜襯底結(jié)構(gòu)的雙層有限元模型，如圖1所示。通過對材料機(jī)械特征參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)的設(shè)定對材料進(jìn)行設(shè)定。

2.通過設(shè)置單脈沖分段函數(shù)實現(xiàn)對短脈沖激光的模擬，激光脈沖的能量密度及所涉單脈沖函數(shù)的幅值由公式(1)決定：

其中，激光單脈沖能量可根據(jù)實驗中所用激光器的實際單脈沖能量值來確定，在本發(fā)明中取109μJ，通過設(shè)定分段函數(shù)中的時間來實現(xiàn)對脈沖寬度的模擬，激光聚焦線元寬度通過選定加載在模型上的單元長度來進(jìn)行模擬。如，若模擬脈沖寬度為1ns，聚焦線元寬度為1μm時的激光脈沖，則可設(shè)定如下分段函數(shù)來進(jìn)行模擬

將設(shè)定好的分段函數(shù)作為加載的載荷，通過線元加載的方式，加載在模型中薄膜的表面處。

3.固定激光能量值、脈沖寬度值不變，改變激光聚焦線元寬度的取值，研究表面波信號隨線元寬度的變化而變化的規(guī)律，主要考慮表面波信號的最大位移幅值和表面波信號的最大頻率范圍兩個指標(biāo)。通過計算可得，表面波信號的最大位移幅值隨線元寬度的變化規(guī)律如圖2中藍(lán)線所示，可以看出，隨著線元寬度的增加表面波信號的最大位移幅值先迅速增大，當(dāng)達(dá)到28μm時，開始下降。表面波信號的最大頻率范圍隨線元寬度的變化規(guī)律如圖2中黃線所示，即隨著線元寬度的增加，表面波信號的最大頻率范圍隨著線元寬度的增加迅速下降，超過16μm時略有下降。考慮實際情況，因為在實驗過程中，高頻段對頻散曲線的區(qū)分更加明顯，所以最大色散頻率需超過150MHz，在此基礎(chǔ)上，希望最大位移幅值越大越好，綜合考慮，確定出折衷的合適的線元寬度為8μm，此時可獲得的信號的最大位移幅值為6.64×10^-16m，信號的最大色散頻率為206MHz。

4.固定聚焦的線元寬度為折衷的最優(yōu)線元寬度即8μm，改變脈沖激光的脈沖寬度得到表面波最大色散頻率隨著脈沖寬度的變化規(guī)律，如圖3所示。由圖可以看出，當(dāng)脈沖寬度小于0.8ns時，表面波信號的最大色散頻率范圍僅略有下降，下降幅度約為最大值的1％，當(dāng)脈沖寬度大于0.8ns時，表面波信號的最大色散頻率大幅度下降，基本具有線性的下降趨勢，結(jié)合現(xiàn)實所需及工程造價等現(xiàn)實因素，確定優(yōu)化的脈沖寬度為0.8ns。

該方法是一種確定激光無損測量技術(shù)優(yōu)化參數(shù)的方法，通過該方法可確定出優(yōu)化的實驗參數(shù)，從而在考慮現(xiàn)實因素及工程造價的情況下，使得獲得的表面波信號具有較大的位移幅值和較寬的色散頻率范圍，不會因振幅過小而受到雜波較大的影響，也不會因頻率范圍裹扎而影響實驗結(jié)果。