本發(fā)明屬于光學(xué)成像，具體涉及一種基于透明源的鑒別性成像fdtd方法以及倒裝芯片系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、光聲遙感顯微(photoacoustic?remote?sensing,pars)技術(shù)使用低相干光在非相干的原理下進(jìn)行非接觸光聲探測(cè)，可以從原理上避免相位噪聲，具有極高的分辨率以及比傳統(tǒng)接觸式光聲顯微成像更高的信噪比。pars的小型化、非接觸和快速成像的特點(diǎn)，使得該技術(shù)在原理上尤其適合倒裝芯片的快速檢測(cè)。

2、pars技術(shù)基于“光聲-彈光”理論?！肮饴?彈光”理論是指：當(dāng)激發(fā)光(脈沖激光)照射到吸收體(制備過(guò)程中的倒裝芯片)時(shí)，被照射位置吸收光能量并將其全部或部分轉(zhuǎn)化成熱能，導(dǎo)致被照射位置產(chǎn)生熱膨脹，帶來(lái)了巨大的初始聲壓(光聲效應(yīng))；初始聲壓會(huì)改變倒裝芯片的折射率，初始聲壓越大，折射率的改變?cè)矫黠@(彈光效應(yīng))。若此時(shí)用一束低相干的連續(xù)探測(cè)光聚焦后照射該位置，由于折射率突變，探測(cè)光的反射光光強(qiáng)會(huì)發(fā)生突變。根據(jù)這種變化，可以得到倒裝芯片被照射位置的圖像信息。

3、目前，彈光理論的初步實(shí)現(xiàn)是基于一種數(shù)學(xué)模型的解析方法。該方法通過(guò)對(duì)一維聲波和光波建立詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型，已經(jīng)模擬了電磁波在簡(jiǎn)單的一維生物模型中的反射率變化。但是這種解析方法由于其復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型并不適合具有多層介質(zhì)的制備過(guò)程中倒裝芯片的模擬。制備過(guò)程中的倒裝芯片存在以硅-金屬界面和硅-空氣界面為主的不同介質(zhì)層，利用pars技術(shù)對(duì)倒裝芯片進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，硅-金屬界面產(chǎn)生的pars信號(hào)具有正初始斜率，而硅-空氣界面的pars信號(hào)具有負(fù)的初始斜率，并且在本領(lǐng)域中尚未有研究表面上述出現(xiàn)不同正、負(fù)初始斜率的原因。

4、時(shí)域有限差分(finite-difference?time-domain,fdtd)算法是一種在電磁學(xué)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算方法，憑借其簡(jiǎn)單易行、靈活性高、精度高、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)有望實(shí)現(xiàn)對(duì)“光聲-彈光”過(guò)程更深層信號(hào)機(jī)理的數(shù)值仿真。但是現(xiàn)有的用于“光聲-彈光”仿真的fdtd算法均為以軟源或者硬源作為探測(cè)光場(chǎng)源的時(shí)域有限差分法?；谲浽吹臅r(shí)域有限差分法以軟源的形式引入場(chǎng)源項(xiàng)，其中s代表波源位置索引，a為振幅，λ為波長(zhǎng)。軟源等價(jià)于在原始場(chǎng)量上疊加上一正弦波動(dòng)信號(hào)，疊加機(jī)制不會(huì)影響原始場(chǎng)量的傳輸特性，反射回來(lái)的電磁波經(jīng)過(guò)軟源處會(huì)正常通過(guò)，但是會(huì)造成疊加后傳輸出來(lái)的波“失真”?；谟苍吹臅r(shí)域有限差分算法以硬源的形式引入場(chǎng)源項(xiàng)，硬源等價(jià)于將波源處的原始場(chǎng)量強(qiáng)制置為對(duì)應(yīng)正弦波動(dòng)信號(hào)的值，反射回來(lái)的電磁波經(jīng)過(guò)硬源處會(huì)發(fā)生二次反射，直接影響原始場(chǎng)量的傳輸特性。但在既需要得到反射回來(lái)的電磁波信號(hào)、又需要保證波源傳輸出來(lái)的波不出現(xiàn)“失真”的“光聲-彈光”fdtd仿真過(guò)程中，軟源和硬源均不能完全滿足其需求。綜上所述，在現(xiàn)有研究中還沒(méi)有對(duì)倒裝芯片中存在的正、負(fù)初始斜率信號(hào)機(jī)制進(jìn)行合理的解釋。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了一種基于透明源的鑒別性成像fdtd方法以及倒裝芯片系統(tǒng)，該方法能夠更準(zhǔn)確地建立了“光聲-彈光”過(guò)程的fdtd數(shù)值仿真，解釋了制備過(guò)程中的倒裝芯片存在的兩種光聲遙感信號(hào)的原理機(jī)理，可以用于指導(dǎo)光聲遙感系統(tǒng)對(duì)制備過(guò)程中倒裝芯片不同層結(jié)構(gòu)的鑒別性成像。

2、本發(fā)明提出了一種基于透明源的鑒別性成像fdtd方法，具體包括以下步驟：

3、步驟s1，對(duì)光聲波進(jìn)行fdtd數(shù)值模擬。將脈沖激發(fā)光看作吸收體的加熱函數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格化，對(duì)光聲方程的時(shí)間項(xiàng)和空間項(xiàng)利用三點(diǎn)差分格式進(jìn)行二階離散化，具體形式如式(1)所示：

4、

5、其中vs為聲速，p為不同空間位置和時(shí)間下的光聲壓強(qiáng)分布，h為單位體積和單位時(shí)間內(nèi)的熱能轉(zhuǎn)換，即加熱函數(shù)；下標(biāo)i代表空間上的離散點(diǎn)索引，上標(biāo)k代表時(shí)間上的索引，k+1代表下一時(shí)刻，k-1代表前一時(shí)刻。δx為空間上的離散間隔，δt為時(shí)間上的離散間隔，取δx＝cδt以在穩(wěn)定計(jì)算的條件下簡(jiǎn)化仿真分析。方程右側(cè)為熱源項(xiàng)，由短脈沖激發(fā)光引起。

6、步驟s2，將探測(cè)光場(chǎng)源設(shè)置為透明源。在之前的分析中，普通的硬源和軟源均不適合“光聲-彈光”過(guò)程的fdtd數(shù)值模擬。因此，本發(fā)明提出了一種稱為透明源的波源，以適配“光聲-彈光”過(guò)程的fdtd數(shù)值模擬。透明源的具體形式如式(2)所示：

7、

8、其中，表示在第k個(gè)時(shí)間步的電場(chǎng)分量，表示在第(k-1)個(gè)時(shí)間步的電場(chǎng)分量，a表示源信號(hào)的振幅，c為光速，λ是電磁波的波長(zhǎng)。本發(fā)明提出的透明源在第(k-1)時(shí)間步長(zhǎng)的原始場(chǎng)量的基礎(chǔ)上，先疊加上一個(gè)正弦波動(dòng)信號(hào)作為第k個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的場(chǎng)量，這樣使得第(k-1)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)反射回來(lái)的電磁波經(jīng)過(guò)軟源處會(huì)正常通過(guò)，在此基礎(chǔ)上加入第三項(xiàng)補(bǔ)償項(xiàng)，消去原始場(chǎng)量中原有的正弦場(chǎng)，補(bǔ)償“疊加”帶來(lái)的失真，實(shí)現(xiàn)了既不影響電磁波的正常傳播(反射過(guò)程)又能源源不斷地產(chǎn)生正確的探測(cè)光波形。這保證了對(duì)于“彈光-光聲”過(guò)程仿真的準(zhǔn)確性。

9、步驟s3，對(duì)電磁波即探測(cè)光進(jìn)行fdtd數(shù)值模擬。在“光聲-彈光”過(guò)程中，最終需要對(duì)反射光強(qiáng)進(jìn)行數(shù)值求解。使用正弦波源按照如下離散波動(dòng)方程的形式傳播以模擬探測(cè)光的反射過(guò)程，具體如式(3)所示：

10、

11、其中下標(biāo)i代表空間上的電磁波離散點(diǎn)索引，上標(biāo)k代表時(shí)間上的電磁波離散點(diǎn)索引，k+1代表下一時(shí)刻，k-1代表前一時(shí)刻，c代表光速。取δx＝cδt以在穩(wěn)定計(jì)算的條件下簡(jiǎn)化仿真分析。

12、步驟s4,設(shè)置fdtd邊界條件。由于計(jì)算機(jī)的內(nèi)存限制，fdtd一般需要?jiǎng)澏ㄓ邢蘅臻g，因此需要對(duì)空間邊界加入邊界條件。所謂邊界條件就是在求解范圍的邊界處人為添加約束。一般在邊界處加入吸收邊界，即將波完美吸收且盡可能少地反射回去以等價(jià)于無(wú)限大空間的仿真，該邊界稱為完美吸收層(pml)。本發(fā)明首次將mur邊界條件(一種pml)應(yīng)用于光聲遙感領(lǐng)域的fdtd數(shù)值仿真，具體如式(4)所示：

13、

14、其中，u為場(chǎng)量(電磁場(chǎng)或聲場(chǎng))，vs為場(chǎng)的速度，dt和dx表示時(shí)間和空間增量，下標(biāo)表示空間位置索引，上標(biāo)表示時(shí)間索引。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)證，利用mur邊界可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限大空間下的光聲波和探測(cè)光仿真，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)“光聲-彈光”過(guò)程的模擬。

15、步驟s5,計(jì)算探測(cè)光的反射率。反射率r通過(guò)下式(5)計(jì)算，其中e0為入射電磁波強(qiáng)度，er為反射回來(lái)的電磁波強(qiáng)度。

16、

17、上述方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)于聲壓場(chǎng)、探測(cè)光場(chǎng)的fdtd仿真，但為了實(shí)現(xiàn)“光聲-彈光”過(guò)程和電磁場(chǎng)反射過(guò)程的仿真，還需要一種將以上過(guò)程聯(lián)合的仿真方法。為此，本發(fā)明提出了一種針對(duì)“光聲-彈光”過(guò)程的嵌套式fdtd仿真方法。

18、進(jìn)一步，本發(fā)明提出一種利用上述基于透明源的鑒別性成像fdtd方法來(lái)構(gòu)建一種倒裝芯片系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于建立倒裝芯片的分層彈光鑒別性模型，具體如下：

19、由于倒裝芯片中存在以硅-金屬界面和硅-空氣界面為主的分層結(jié)構(gòu)，且兩者會(huì)產(chǎn)生具有不同初始斜率的pars信號(hào)，但目前沒(méi)有一種方法能夠就這種斜率特征給出合理的物理機(jī)理解釋。因此，本發(fā)明依據(jù)實(shí)際倒裝芯片結(jié)構(gòu)，結(jié)合模型的實(shí)際意義，建立了基于硅-空氣界面和硅-金屬界面的分層彈光鑒別性模型，并基于前述的透明源的鑒別性成像fdtd方法首次給出了對(duì)于上述特征信號(hào)呈現(xiàn)正、負(fù)斜率的物理機(jī)理解釋。

20、本發(fā)明通過(guò)利用透明源的鑒別性成像fdtd仿真方法，在透明源的鑒別性成像fdtd仿真方法的基礎(chǔ)上提出“光聲-彈光”過(guò)程的嵌套式fdtd仿真方法，能夠?qū)Α肮饴?彈光”過(guò)程進(jìn)行更準(zhǔn)確地模擬；更進(jìn)一步地，提供一種倒裝芯片系統(tǒng)，通過(guò)建立了分層彈光鑒別性模型，并基于前述的透明源的鑒別性成像fdtd方法首次給出了對(duì)于上述特征信號(hào)呈現(xiàn)正、負(fù)斜率的物理機(jī)理解釋。能夠指導(dǎo)光聲遙感系統(tǒng)對(duì)制備過(guò)程中倒裝芯片不同層結(jié)構(gòu)的鑒別性成像；在不增加pars系統(tǒng)復(fù)雜性的前提下，增加了pars圖像的信息維度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)制備過(guò)程中倒裝芯片的不同層結(jié)構(gòu)的鑒別性成像。