1、2021/3/91掃描聲學(xué)顯微鏡掃描聲學(xué)顯微鏡組員：應(yīng)物三班 宋 飛326 劉 健303 劉丹躍3052021/3/921、顯微鏡種類介紹2、掃描聲學(xué)顯微鏡的原理3、掃描聲學(xué)顯微鏡的性能及在材料科學(xué)中的應(yīng)用2021/3/93顯微鏡有很多種類，大致有：顯微鏡有很多種類，大致有：透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡(TEM)掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡(SEM)場離子顯微鏡場離子顯微鏡(FIM)高壓電子顯微鏡高壓電子顯微鏡(HVEM)分析電子顯微鏡分析電子顯微鏡(AEM)場發(fā)射電子顯微鏡場發(fā)射電子顯微鏡(FEEM)聲學(xué)顯微鏡聲學(xué)顯微鏡(AM)掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡(STM)原子力顯微鏡原子力顯微鏡(

2、AFM) 2021/3/94超高壓電子顯微鏡 主要用途： 觀測材料、礦物、生物樣品、器件透射電子顯微象及電子衍射圖，對樣品微觀組織、結(jié)構(gòu)、缺陷等定性、定量分析。 可對樣品在加熱、拉伸、電子輻照等條件下微觀組織的變化過程進(jìn)行動態(tài)觀測。 儀器類別： 03040701 /儀器儀表 /光學(xué)儀器 /電子光學(xué)及離子光學(xué)儀器 /透射式電子顯微鏡 指標(biāo)信息： 加速電壓：1000kV 放大倍數(shù)：150倍30萬倍晶格分辨率：0.27nm 選區(qū)衍射相機(jī)長：26m 試樣可加熱溫度：1000 附件信息： 加熱臺（室溫-1000），拉伸臺加伸臺（室溫-1000），動態(tài)過程攝象錄象系統(tǒng)。雙傾臺（45該儀器是我國最大型的透射

3、電子顯微鏡，它主要用于各種材料的微結(jié)構(gòu)分析，組織特征和相鑒定，缺陷研究等。與普通電子顯微鏡相比較，它可以進(jìn)行微觀過程的動態(tài)實(shí)驗(yàn)觀察、輻照效應(yīng)研究、厚試樣和粗大析出物的觀察分析以及半導(dǎo)體微器件結(jié)構(gòu)研究。同時，本實(shí)驗(yàn)室樣品制備、數(shù)據(jù)結(jié)果處理等附屬設(shè)備齊全，為科研實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了良好條件。2021/3/95透射電子顯微鏡JEM-2010F透射電鏡在光學(xué)顯微鏡下無法看清小于0.2m的細(xì)微結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)稱為亞顯微結(jié)構(gòu)或超微結(jié)構(gòu)。要想看清這些結(jié)構(gòu)，就必須選擇波長更短的光源，以提高顯微鏡的分辨率。1932年Ruska發(fā)明了以電子束為光源的透射電子顯微鏡，電子束的波長要比可見光和紫外光短得多，并且電子束的波長與發(fā)射

4、電子束的電壓平方根成反比，也就是說電壓越高波長越短。目前TEM的分辨力可達(dá)0.2nm。2021/3/96掃描電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的入射電子轟擊物質(zhì)表面時，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時，也可產(chǎn)生電子-空穴對、晶格振動 （聲子）、電子振蕩 （等離子體）。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場或磁場2021/3/97場離子顯微鏡場離子顯微鏡是最早達(dá)到原子分辨率

5、，也就是最早能看得到原子尺度的顯微鏡。只是要用FIM看像，樣品得先處理成針狀，針的末端曲率半徑約在2001000埃。工作時首先將容器抽到1.3310-6Pa的真空度，然后通入壓力約1.3310-1Pa的成像氣體例如惰性氣體氦。在樣品加上足夠高的電壓時，氣體原子發(fā)生極化和電離，熒光屏上即可顯示尖端表層原子的清晰圖像，圖象中每一個亮點(diǎn)都是單個原子的像。超聲掃描顯微鏡 全球最新一代的超聲測試設(shè)備,可在生產(chǎn)線中用手工掃描方法來檢測器件的缺陷等。該設(shè)備可利用不同材料對超聲波聲阻抗不同，對聲波的吸收和反射程度不同，來探測半導(dǎo)體、元器件的結(jié)構(gòu)、缺陷、對材料做定性分析。先進(jìn)的聲學(xué)顯微成像（ AMI ）的技術(shù)是

6、諸多行業(yè)領(lǐng)域在各類樣品中檢查和尋找瑕疵的重要手段。在檢查材料本身或粘結(jié)層之間必須保持完整的樣品時，這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢尤為突出。超高頻超聲檢查可以比其他任何方法都更有效地檢測出脫層，裂縫，空洞和孔隙。2021/3/98掃描聲學(xué)顯微鏡聲學(xué)掃描顯微鏡(SAM)是一種多功能、高分辨率的顯微成像儀器，兼具電子顯微術(shù)高分辨率和聲學(xué)顯微術(shù)非破壞性內(nèi)部成像的特點(diǎn), 被廣泛的應(yīng)用在物料檢測（IQC）、失效分析（FA）、質(zhì)量控制(QC)、質(zhì)量保證及可靠性(QA/REL)、研發(fā)(R&D)等領(lǐng)域，可以檢測材料內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)顆粒、內(nèi)部裂紋、分層缺陷、空洞、氣泡、空隙等，為司法鑒定提供客觀公正的微觀依據(jù)。BAC

7、KBACK2021/3/99掃描聲學(xué)顯微鏡的原理一、引言掃描聲學(xué)顯微鏡(ScanNIng Acoustic Microscope，簡稱SAM )測試技術(shù)是一種新型的測試技術(shù)。其主要特點(diǎn)為:它有一個所謂“表層能力”，即聲透鏡使超聲波在樣品表面及內(nèi)部聚焦，并利用測量點(diǎn)的反射回波進(jìn)行成像，因而能觀察光學(xué)不透明材料的表層組織; 掃描聲學(xué)顯微鏡所產(chǎn)生的圖像反映了樣品的材料力學(xué)參量，如剛度、粘度、韌度、密度、形貌等，由于是超聲測量，掃描聲學(xué)顯微鏡對絕大多數(shù)樣品是無損害的，甚至活細(xì)胞也能夠無明顯損害而被檢驗(yàn)。聲學(xué)顯微鏡的無損檢測特性，使其在材料檢測中具有十分重要的意義。由于掃描聲學(xué)顯微鏡的以上特征.使其在材

8、料科學(xué)、電子科學(xué)、機(jī)械工程及生物科學(xué)方面具有廣泛的應(yīng)用價值。用聲波顯微成像的設(shè)想最早是由蘇聯(lián)學(xué)者于30年代中期提出的，由于技術(shù)原因，該設(shè)想長期未能實(shí)現(xiàn)。70年代中期，美國斯坦福( Stanford)大學(xué)的Quate教授和他的合作者研制成功了世界上第一臺掃描聲學(xué)顯微鏡。如今，西德、美國、日本等國已生產(chǎn)出掃描聲學(xué)顯微鏡商品，工作頻率范圍在50MHZ - 2GHz之間，分辨率為0. 5wm-20wm范圍。在50MHz-400MHz頻率范圍內(nèi)工作的設(shè)備屬于低頻掃描聲學(xué)顯微鏡，主要用于觀察材料內(nèi)部;而在0. 8 GHz - 2 . O GHz頻率范圍內(nèi)工作的設(shè)備屬于高頻掃描聲學(xué)顯微鏡，可以高分辨率地觀察

9、表面及亞表層狀況。目前，美國斯坦福大學(xué)已獲得了工作頻率為SGHZ、分辨為200人的掃描聲學(xué)顯微鏡的研究成果，正試圖研制工作頻率為100GHz、分辨率為50人的聲學(xué)顯微鏡，一旦此研究獲得成功，將使聲學(xué)顯微技術(shù)產(chǎn)生一個飛躍。2021/3/910掃描聲學(xué)顯微鏡基本原理掃描聲學(xué)顯微鏡是一種集聲學(xué)、電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)等技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品，有透射型和反射型兩種，透射型只能觀察很薄的試件，對樣品制備有一定要求。而反射型的優(yōu)點(diǎn)是試件厚度不受限制，因而有著更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，目前可購買到的掃描聲學(xué)顯微鏡商品為反射型。反射式掃描聲學(xué)顯微鏡原理如圖所示。2021/3/911微波信號源輸出連續(xù)微波信號，經(jīng)脈沖調(diào)制

10、器形成脈沖調(diào)制微波信號，該微波信號通過環(huán)行器加到壓電換能器上，使高脈沖信號轉(zhuǎn)化為聲脈沖，這些超聲脈沖經(jīng)聲學(xué)透鏡的凹端聚焦，并通過藕合介質(zhì)，投射在樣品的表面上，激勵樣品表面產(chǎn)生表面波。由于聲束受到樣品的反射、散射和吸收，聲波從樣品表面返回到壓電晶體換能器，并被轉(zhuǎn)換成電信號，通過對該電信號放大、檢波、采樣、送入計(jì)算機(jī)處理，可以得到一個象素;隨著聲束在樣品表面上二維(Xy方向)掃描，即可得到一幅完整的聲圖象。圖像上每個信號的灰值，反映了樣品相應(yīng)部分反射信號的強(qiáng)度。同時在垂直于樣品方向上(Z方向)移動探頭，改變聲波在樣品內(nèi)的聚焦位置，就可得到樣品內(nèi)部的聲圖像。測得的信號電壓V)取決于透鏡的聚焦性能和焦

11、點(diǎn)材料的物理一機(jī)械性能。掃描聲學(xué)顯微鏡的核心部分是聲學(xué)透鏡。為了降低聲學(xué)衰減，透鏡體選用高純材料藍(lán)寶石制成，同時，藍(lán)寶石還是一種高聲速晶體，該性質(zhì)能夠有效地減少像差。在透鏡體的下端呈凹球面，凹球面尺寸取決于工作頻率。當(dāng)換能器發(fā)射平面聲波時，由于凹球面的折射，聲波聚焦。在藍(lán)寶石透鏡體的頂部經(jīng)拋光后，安裝了一個氧化鋅壓電換能器，其作用是將電振蕩與聲振蕩相互轉(zhuǎn)換。2021/3/912由于空氣對高頻聲波具有極大的衰減作用，因此聲透鏡與試件之間是通過禍合介質(zhì)來連接的。對藕合介質(zhì)的要求主要有三:一是對聲波的衰減盡量小。二是聲波在其中的傳播速度盡量慢，以獲得最低的衍射限制，從而提高分辨率。三是報合介質(zhì)應(yīng)具備

12、合適的粘度和濕潤能力。研究結(jié)果表明，在常溫下，蒸餾水是合適的報合介質(zhì)，且在測試時將水溫適當(dāng)升高，聲波衰減特性可得到改善。低溫藕合介質(zhì)(液氮、液氮)有著更優(yōu)的性能，但受使用條件的限制，目前全世界只有幾個大學(xué)實(shí)驗(yàn)室能夠使用低溫藕合介質(zhì)。聲學(xué)顯微鏡的分辨率主要決定于焦點(diǎn)處的波長，而波長又受制于聲速及聲波頻率。頻率越高，分辨率就越高。另外，掃描聲學(xué)顯微鏡的入射波和反射波都聚焦在樣品的同一點(diǎn)上，這使顯微鏡提高了深度鑒別能力并有助于消除聚焦外面的反射。在應(yīng)用電子反差增強(qiáng)技術(shù)后，顯微鏡的分辨率可提高到稍優(yōu)于工作波長的水平。當(dāng)用熱水作藕合介質(zhì)在2 GHz頻率工作時，實(shí)用分辨率可達(dá)0. 65yAm左右。2021

13、/3/913聲學(xué)顯微鏡的穿透能力基本上取決于聲波頻率和樣品材料。頻率越低，穿透深度就越深。例如，當(dāng)工作頻率為2 GHz時，聲波可貫穿樣品表面以下0. 5-2. 5m的深度范圍，而當(dāng)工作頻率為2 5 OMHz時，其穿透能力則可能達(dá)到250um左右。BACKBACK2021/3/914聲掃描顯微鏡的性能及在材料科學(xué)中應(yīng)用聲掃描顯微鏡的性能及在材料科學(xué)中應(yīng)用 （以超聲波掃描顯微鏡（以超聲波掃描顯微鏡C-SAMC-SAM為例）為例）以下為C-SAM的一些說明近年來，超聲波掃描顯微鏡（C-SAM）已被成功地應(yīng)用在電子工業(yè)，尤其是封裝技術(shù)研究及實(shí)驗(yàn)室之中。由于超音波具有不用拆除組件外部封裝之非破壞性檢測能

14、力，故C-SAM可以有效的檢出IC構(gòu)裝中因水氣或熱能所造成的破壞如脫層、氣孔及裂縫等。 超聲波在行經(jīng)介質(zhì)時，若遇到不同密度或彈性系數(shù)之物質(zhì)時，即會產(chǎn)生反射回波。而此種反射回波強(qiáng)度會因材料密度不同而有所差異.C-SAM即最利用此特性來檢出材料內(nèi)部的缺陷并依所接收之訊號變化將之成像。因此，只要被檢測的IC上表面或內(nèi)部芯片構(gòu)裝材料的接口有脫層、氣孔、裂縫等缺陷時，即可由C-SAM影像得知缺陷之相對位置。聲掃描顯微鏡下的缺陷2021/3/915C-SAM的服務(wù) 超聲波掃描顯微鏡(C-SAM)主要使用于封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，因?yàn)樗芴峁㊣C封裝因水氣或熱能所造成破壞分析，例如裂縫、空洞和脫層。 C-SAM

15、內(nèi)部造影原理為電能經(jīng)由聚焦轉(zhuǎn)換鏡產(chǎn)生超聲波觸擊在待測物品上，將聲波在不同接口上反射或穿透訊號接收后影像處理，再以影像及訊號加以分析。 C-SAM可以在不需破壞封裝的情況下探測到脫層、空洞和裂縫，且擁有類似X-Ray的穿透功能，并可以找出問題發(fā)生的位置和提供接口數(shù)據(jù)，是互補(bǔ)的兩種設(shè)備2021/3/916主要應(yīng)用范圍 晶元面處脫層 錫球、晶元、或填膠中之裂縫 晶元傾斜 各種可能之孔洞（晶元接合面、錫球、填膠等） 覆晶構(gòu)裝之分析 非破壞性材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)測試廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)，材料測試，生命科學(xué)等領(lǐng)域2021/3/917視覺效果視覺效果 定量分析定量分析 自動控制自動控制 3D形貌再現(xiàn) 同時觀察多個層

16、面 顯示樣品的機(jī)械性能（硬度，密度，壓力等） 實(shí)時超聲波飛時圖表（A-Scan） 縱向截面圖像（B-Scan） XY圖像（C-Scan, D-Scan, 自動掃描, 多層掃描） 第二個監(jiān)視器便于圖像的觀察和操作 柱狀圖顯示 長度測量 膜厚測量 多方式圖像處理 2021/3/918 超聲波傳輸時間測量 無損傷深度測量 數(shù)字信號分析 相位測量 自動XYZ掃描 自動存儲儀器參數(shù) 運(yùn)用分層運(yùn)算方法進(jìn)行自動失效鑒別 自動濾波參數(shù)設(shè)置 換能器自動聚焦 高分辨率下自動進(jìn)行高速掃描2021/3/919KSI v-400E 性能參數(shù)性能參數(shù) 頻率范圍：1550MHz 換能器選擇：5400MHz 掃描范圍：0.2

17、00.20mm400400mm 掃描速度：2000mm/秒 掃描機(jī)構(gòu)分辨率：0.1m 掃描模式：A, B,C,D, G, X, 3D 最小門限時間1ns FFT(快速傅里葉變換） 阻抗測量，偽彩色表示 圖像輸出可保存為BMP及SAM格式 儀器尺寸：20065130cm2021/3/920在材料科學(xué)中的應(yīng)用 聲波在固體中傳播，呈現(xiàn)出不同的聲能傳播類型。除了常見的體聲波(縱波和剪切波)外，聲表面波(SAW)同樣存在于許多材料之中。聲波的不同類型以復(fù)雜的方式與材料的彈性特征相互作用，從而產(chǎn)生了攜帶大童信息的反差。在聲顯微術(shù)中，這些信息可從下述四個方面獲得，通過分析可以得到大量的所需材料特征。2021

18、/3/9211.表層成像 在這種模式中，體聲波透入樣品并在樣品內(nèi)部折射而聚焦.因此，表層的特征能導(dǎo)致反射，從而在所形成材料工程的圖象中產(chǎn)生相應(yīng)的反差以反映所檢測的表層狀況。掃描聲學(xué)顯微鏡的表層成像能力使其可應(yīng)用于檢查樣品表面下夾雜物，檢驗(yàn)復(fù)合材料粘合質(zhì)童，檢驗(yàn)半導(dǎo)體組件中的晶片與其散熱片的結(jié)合質(zhì)量等方面。掃描聲學(xué)顯微鏡還可以觀察集成電路表層及亞表層結(jié)構(gòu)，從而可以檢測出集成電路中存在的細(xì)微缺陷，如裂紋、雜質(zhì)、脫層等。電路板成像2021/3/9222.阻抗成像阻抗成像 介質(zhì)的聲學(xué)阻抗被表示為聲速與密度的乘積(Z =CP)，當(dāng)聲波入射于兩種介質(zhì)界面時，按反射系數(shù)產(chǎn)生反射:R= CZz一Zi)/CZz

19、 -ZO(此處Z:和Zz是兩種介質(zhì)的聲阻抗)，反射功率為R的平方。當(dāng)顯微鏡聚焦于表面時，阻抗的變化將表現(xiàn)為反差的變化。因此，聚合物及其復(fù)合材料的組成能用聲學(xué)法測出，因?yàn)閳D象反差的變化與聲學(xué)阻抗的變化相對應(yīng)，因而也就與密度和模蚤的變化相對應(yīng)。阻抗成像形式適用于如聚合物類的低密度材料。例如，這種成像方式能用于區(qū)分兩相聚合物間的界面。阻抗成像也適用于半導(dǎo)體加工中的光刻膠殘余量的檢查，這是因?yàn)楣饪棠z的聲阻抗大大低于硅或氧化物，因而其表現(xiàn)出聲反射的減少。2021/3/923 阻抗成像方式不適用于高密度材料(大部分金屬、陶瓷和半導(dǎo)體)中的阻抗變化成像。如果Zz ;Zi，反射系數(shù)R的變化不明顯，R接近于1。

20、在這種情況下，可以采用聲表面波(SAW)成像模式。陶瓷鍍層成像2021/3/9243.聲衰面波成像聲衰面波成像 當(dāng)一束平面聲縱波以一個臨界入射角(式中Cw和Cx分別為藕合液及表面聲波的速度)通過藕合液投射到固體樣品的表面時，就會產(chǎn)生有泄漏的Rayleigh波，即Rayleigh波在沿材料表面?zhèn)鞑サ耐瑫r，將不斷向藕合液中以縱波的形式輻射聲波，而且所輻射的聲縱波的方向同表面的法線也成0a角。有泄漏的Rayleigh波是縱波及橫波的混合波，它離開表面后按指數(shù)規(guī)律衰減。當(dāng)滿足共焦條件時，泄漏Rayleigh波被透鏡體上的換能器所接收并激勵起電壓。Rayleigh波的傳播對彈性變化非常靈敏，這就使得圖像

21、反差得以提高。通過改變透鏡相對于樣品的位置，可以獲得較優(yōu)的圖像反差。2021/3/925 因此，材料的晶粒組織及結(jié)晶學(xué)取向的圖像在無需侵蝕試樣表面的條件下即可獲得。這些材料可以是光學(xué)各向同性或各向異性的，當(dāng)侵蝕表面(揭示這些結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù))是困難的、太費(fèi)時的或不可能時，這項(xiàng)能力就顯得尤為重要。 由于表面裂紋能極大地影響Rayleigh波傳播特征，因此，聲學(xué)顯微鏡是探測裂紋的靈敏技術(shù)。可以探測到多么細(xì)的裂紋是沒有限制的。通過對掃描聲學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡的對比試驗(yàn)表明，只要表面間出現(xiàn)原子大小的分離，聲圖像即會出現(xiàn)較強(qiáng)的反差。鉻合金表面鉻合金內(nèi)表面2021/3/9264. V (Z)曲經(jīng)分析及應(yīng)用曲經(jīng)分析及應(yīng)用 掃描聲學(xué)顯微鏡除了顯微成像一大功能外，另一功能就是測試V (Z)曲線。當(dāng)聲透鏡的聚焦聲束在樣品內(nèi)部沿垂直于樣品表面方向上(Z)向的不同位置時，換能器的輸出電壓不同。輸出電壓V與焦點(diǎn)