초록 ▼

항공전자 산업이나 반도체 산업분야에서는 제품에 대한 품질관리와 안정성 확보 및 생산공정의 경비절감이라는 차원에서 초정밀 비파피검사 장비의 필요성이 대두되고 있으며 최근에는 국내 반도체 산업계에서도 C-SAM (C-Scanning Acousticmicroscope) 초음파 현미경 장비를 고가임에도 불구하고 수입하여 사용하고 있는 실정이다.그리고 앞으로는 반도체, 신소재, 복합재료 및 정밀부품 공업 분야까지도 그 수요가 더욱늘어날 것으로 예측되므로 이에 대한 국산화 개발이 시급히 요망된다.초음파 현미경의 일반적 개념은 광학현미

항공전자 산업이나 반도체 산업분야에서는 제품에 대한 품질관리와 안정성 확보 및 생산공정의 경비절감이라는 차원에서 초정밀 비파피검사 장비의 필요성이 대두되고 있으며 최근에는 국내 반도체 산업계에서도 C-SAM (C-Scanning Acousticmicroscope) 초음파 현미경 장비를 고가임에도 불구하고 수입하여 사용하고 있는 실정이다.그리고 앞으로는 반도체, 신소재, 복합재료 및 정밀부품 공업 분야까지도 그 수요가 더욱늘어날 것으로 예측되므로 이에 대한 국산화 개발이 시급히 요망된다.초음파 현미경의 일반적 개념은 광학현미경과 마찬가지로 미시계의 현상을 관찰하는 과학적 도구이나 초음파 현미경은 시료의 기계적 성질(밀도, 점성율, 탄성계수)과 밀접한 관계를 가지므로 이 성질을 이용하여 재료의 표면이나 표층부에 존재하는 결함을 탐상하는 비파괴검사장비로 사용 할 수 있다. 비파괴검사 장비로서 사용되어온 종래의 초음파 현미경의 대부분은 단순히 시료에 대한 반사신호의 진폭만을 측정하여 초음파 영상을 구성하였으나 미세구조의 시료에 대해서는 반사신호의 진폭변화가 민감하게 작용하지 못하므로써 영상의 질이 저하된다. 따라서 본 연구에서는 반사신호의 진폭과 위상을 동시에 측정할 수있는 초음파 현미경을 제작하여 위상정보에 의한 초음파영상의 질을 높이고 나아가서 이에대한 응용기술을 제시하는 것이 주된 목적이다.본 연구에서는 중심주파수가 3㎒인 집속형 초음파 변환기를 사용하여 반사신호의 진폭과 위상을 동시에 측정하기 위한 디지털 혜테로다인방식의 Quadrature 성분 검출장치를 구성하였고 기준신호의 위상을 0°,90°,180°,270°씩 변화시킬 수 있는 논리회로, 차단주파수800㎑를 갖는 저역통과여파기, 동기신호를 발생시키는 디지털 지연회로 그리고 Quadrature성분을 A/D 변 환하기 위한 게이트 적분기와 데이터 획득을 위해 A/D 변환기의 샘플링 주기를 결정해주는 외부 트리거 신호발생회로 등을 설계 제작하였다. 또한 2차원 초음파영상의 구성은 영상 필드(imagefield)가 256×256 pts를 갖는 10×10cm로 설정하고 이에 알맞는 스캔시스템의 설계 사양을 산출하였다. 그 외에 위상천이, X-Y 스캐너 데이타 획득이 1 대의 컴퓨터에 의해 제어될 수 있도록 S/W 를 개발하였다. 이와 같이 설계 제작된 초음파 현미경의 진폭과 위상영상을 분석하기 위하여 샘플로서 500원 주화와 내부에 결함이 존재하는 알루미늄 시료를 제작하고 실험한 결과 예측한 바와 같이 위상영상이 진폭영상에 비해 고질의 영상을 보여줌을 확인 할 수 있었다. 또한 알루미늄내부의 결함 탐상을 위해서 변환기를 비집속 모드(defocused mode)로 3mm 동작시켜 표면으로부터 1 ㎜지점에 있는 결함을 검출한 결과 역시 위상영상의 질이 우수함을 입증하였다. 이상의 실험결과와 더불어 실리콘 웨이프의 두께 측정 및 알루미늄의 잔류응력의 측정을 통해 본 연구에서 개발한 초음파 현미경은 최첨단 산업분야에서 비파괴 검사장비로서 활용이 기대된다.

Abstract ▼

In aerospace electronics and semiconductor industry, precisenondestructive test equipment is becoming an important task because it can stabilizequality control and reduce production cost. Currently domestic semiconductor industryis importing C-SAM (C-Scanning Acoustic Microscope) despite it

In aerospace electronics and semiconductor industry, precisenondestructive test equipment is becoming an important task because it can stabilizequality control and reduce production cost. Currently domestic semiconductor industryis importing C-SAM (C-Scanning Acoustic Microscope) despite its high cost.It is an urgent task to set up a domestic production line of precise nondestructivetest equipment because, in the future, demand for it is expected to increase insemiconductor, new material, composite material and precise part industries.Acoustic microscope is generally used to observe microscopic phenomena. It canalso be used to detect defects on the surfaces and in subsurfaces of the specimen in annondestructive way based on the close relationship between the acoustic response andthe mechanical properties of the specimen (density, viscosity, elasticity, etc.).Currently most of the acoustic microscopes constructed acoustic image by simplymeasuring the amplitude of the return signal from the specimen. This technique failsto produce images of good quality because the changes in the amplitude is not sensitiveenough for specimen with micro structure. The main objective of this work is tomanufacture acoustic microscope that can simultaneously measure the amplitude andphase of the reflection signal, to enhance the quality of the acoustic image and topresent its application technology.In this study we developed quadrature detector using digital heterodyne system.This detector was used to simultaneously measure the amplitude and phase of thereflection signal using focused transducer with center frequency of 3㎒. We alsomanufactured a logic circuit that can vary the phase of the reference signal (0°,90°,180°,270°), a low pass filter with cut off frequency of 800㎑, a digital delay circuitproducing sync signal, a gated integrator for A/D conversion of quadrature component,an external trigger generator determining sampling rate of the A/D converter. Alsowe obtained the design specification of the scanning system to get two-dimensionalacoustic images with 256×256 pts. in 10×10cm image field. We also developed aS/W to control phase shift, X-Y scanner, and data aquisition system. Using a 500won coin and a aluminum specimen with internal detects, we demonstrated that oursystem produces images of higher quality compared with the system using amplitudeonly. We also demonstrated the superiority of our system for the internal detects(1mm from the surface) of an aluminum specimen.From the above results and the thickness measurement of silicon wafers and theresidual stress of aluminum, we expect that our system can be used for nondestructivetest equipment in cutting-edge industries.

목차 Contents

• 목차...6
• 1. 서론...10
• 1-1. 연구배경...10
• 1-2. 연구목적...11
• 1-3. 연구방법...11
• 2. 위상정보를 이용한 초음파 현미경 시스템의 설계...12
• 2-1. 초음파 현미경의 원리...12
• 2-1-1. 기본원리...12
• 2-1-2. 초음파 반사신호의 진폭과 위상정보 해석...14
• 2-1-3. 헤테로다인 방식에 의한 Quadrature성분 측정...15
• 2-2. 초음파 현미경 시스템의 기능별 설계...16
• 3. 실험결과 및 고찰...29
• 3-1. 실험장치의 구성...29
• 3-2. 위상현미경 시스템의 제반특성 고찰...30
• 3-2-1. 초음파 변환기의 특성...30
• 3-2-2. 톤버스트파형 구성...31
• 3-2-3. Quadrature 신호 검출...33
• 3-2-4. 데이터 획득 및 영상처리...36
• 3-3. 초음파 현미경을 이용한 응용기술...38
• 3-3-1. 진폭과 위상 영상처리...38
• 3-3-2. 고체 내부 영상처리...40
• 3-3-3. 박막 두께 측정...42
• 3-3-4. 잔류 응력 측정 기술 개발...42
• 3-3-5. 표면 거칠기가 존재하는 고체내부 영상개선 방법...43
• 4. 결론...46
• 참고문헌...47