CN100565099C - 用于提高光声膜厚度测量系统中的信噪比的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于提高测量薄膜叠层中各层厚度时的信噪比的设备，使用一种光声测量系统(75)，该系统包括时间差分系统(130)用于诱发泵浦光束脉冲(125A)中的延迟。其中，该时间差分系统(130)使用双折射元件和其它元件来控制泵浦光束脉冲(125A)的偏振。该设备的使用涉及向电光调制器驱动器施加随时间变化的电压并设置时间差分步长；或者，在另一个实施例中，向电光调制器施加随时间变化的电压以诱发垂直偏振的脉冲和水平偏振的脉冲之间的固定延迟Δt。该系统的高频操作提供了对膜的厚度的改进的确定。

Description

用于提高光声膜厚度测量系统中的信噪比的方法和设备
技术领域
这些教义总的涉及光学测量方法、设备，并更具体地涉及用于表征集成电路及布置在集成电路上的不同类型的膜的测量系统。
背景技术
半导体技术不断增加的复杂程度已经导致作为多层金属化工艺中的主要金属的铝发生了相当大的转移。铜已经在有限的产量中得到了验证，并且铜很有可能在将来的设计中成为所选择的金属。铝和铜之间的差异为测量系统的制造商带来了唯一的挑战和机会。与基于铜的金属化工艺的发展并行的是正在进行的最小线宽的减少。这两个因素单独或者一起都为非破坏性光学测量领域中带来了大量的挑战和问题。
目前，有几种用于后段制程(BEOL)金属化工艺沉积铜膜的方法。当前最广泛使用的方法是，在阻挡层金属(如钽)的顶面上先沉积铜的籽晶层，然后在籽晶层的顶面电镀较厚的一层铜。一旦沉积完成，重要的就是检验沉积的金属是否符合规格。因此，需要的是一种能准确测量金属膜厚度的技术。
测量铜膜厚度的传统方法是四点探针法。这种技术最初得到发展是在20世纪50年代，排列在一条直线上的四个尖探针阵列被压入导电的铜膜中。电流被施加到一个外部探针，并通过相对的外部探针返回。中间两个探针之间的电压，结合电流量和膜的体电阻率知识，一起来确定膜的厚度。然而，四点探针法要求探针刺透导电层的表面。这样会引起刮痕，也可能导致形成少量微粒，这又可能引起晶片上其他地方的缺陷。再者，这种方法要求关于膜的体电阻率的先验知识。体电阻率部分依赖于金属中晶粒结构和晶粒取向，因此从事铜金属化工艺的工艺工程师遇到一个挑战性问题，即：即使金属化了的晶片处于室温下，铜中的晶粒结构和晶粒取向也随时间而变化。因此，测量金属膜的非接触式的技术也是必须的。
使用一种现有的测量系统的测量方法产生一个信号，这个信号来源于由传播到样品中的应力场造成的反射率的诱发变化。当该应力场遭遇声阻抗失配时，应力场的一部分散射回表面。随着应力场的传播，一个监控反射率依赖于时间的变化的探测光束检测到反射率的变化。但是，这个信号很弱，而且噪声的存在使分析方法变得复杂了。特别有问题的噪声类型是低频(在数据采集带宽范围内)的“乘性噪声”，它产生于激光器的功率波动，样品或系统光学器件的振动以及操纵光束的系统中的温度波动或气流。可以通过合适的激光器选择、测量系统的振动隔离、以及屏蔽系统周围的气流来减少这些1/f噪声源。但是，所产生的噪声电平可能仍然很大，以致于无法对具有极薄层或薄的埋层的某些金属样品进行重复测量。因而，需要一种改进的技术在数据中有噪声时从测量过的数据中精确地提取膜的厚度。还需要抑制测量数据中存在的1/f噪声的技术。
此外，用于从测量数据提取层厚度信息的现有方法对很多情况来说已经足够了。但是，如果有一个特别薄的层与一个厚层相邻，从该薄层反射的高频声信号可能被严重衰减并且很容易被噪声弄得模糊不清。因而还需要一种技术来分析测量数据中的微细结构。
已经设计出的测量系统是想要用来对前面所描述的限制进行改进。在很多情况下，感兴趣的声学特征依大振幅且缓慢变化的热响应或“背景信号”而定。对总的信号进行时间差分在数字上能够去除背景，但不能提高声信号对噪音含量的比。另一方面，如果以高于1/f噪声范围(对气流和振动来说为几kHz，对激光噪声来说可高达大约1MHz)的频率在光学上完成了时间-差分，就“去除”了背景信号且对乘性噪声没有任何贡献。因而光学时间-差分器可以降低数据中的噪声，为给定的数据平均时间带来提高的测量可重复性。
测量对作为时间的连续函数的样品的响应时间的导数的方法是众所周知的。在这些方法中，通过机械延迟线可以调节路径长度，另外还可以在频率fpath处快速地调制路径长度一个小的量。所述的用于调制的一种方法是在压电变换器上的其中一条光束路径中放置一面镜子，镜子沿着与光束传播方向平行的轴摆动。在这个方法中，频率fDIFF和最大已调制的时间延迟都由压电激励器的特征所限制。通常的最大fDIFF是几kHz，并且通常的已调制的延迟是100fsec。通过折叠光束路径以实现从摆动的镜子的多次反射并在悬臂上安装镜子，被调制的延迟可以增加到几个皮秒。但实际上这可能导致光束响应于该调制而产生显著“漂移”，此外可能在测量设备中产生显著振动，因而降低测量的可重复性和精确度。另一种方案使用了一种快速旋转透明块。还有另一种方案使用带有透明部分的快速旋转轮，透明部分提供了两个或更多光程长度。所有这些方案都承受与对于压电激励器所描述的那些缺点相似的缺点，另外可能显著地调整激光束的位置、方向、质量、强度和偏振。
现在介绍与这里所感兴趣的系统有关的示例性的美国专利。
美国专利号6,008,906，“用于表征半导体和绝缘膜的电特性的光学方法”(“Optical method for the characterization of electricalproperties of semiconductors and insulating films”)，描述了一种表征一个样品的方法，它包括下列步骤：(a)提供半导体材料；(b)向该半导体材料施加电场、脉冲或连续波光源、温度变化和/或泵浦脉冲(pumppulse)强度变化中的至少一种；(c)吸收一部分半导体材料中的泵浦光脉冲并测量由在吸收泵浦光脉冲之后的某一时间t上施加的探测光脉冲所指示的光学常数中的变化；和(e)把光学常数中测量出的变化和表面电荷、掺杂浓度、俘获密度或少数载流子寿命中的至少一个联系在一起。
美国专利号4,710,030，“应力脉冲的光学发生器和检测器”(“Optical generator and detector of stress pulses”)，描述了一种用于对样品的物理属性进行非破坏性测量的光学应力脉冲发生和检测系统。这个系统使用一种泵浦光束，该光束的辐射脉冲持续时间短且有一定强度，并且该光束有至少一个选中的波长用来在样品中非破坏性地产生脉冲。该系统将非破坏性的泵浦光束引导到样品的表面以产生应力脉冲。光学应力脉冲发生和检测系统还使用探测辐射光束并引导探测光束到样品中的一位置以截取应力脉冲。在探测光束截取应力脉冲之后通过观测该探测光束可以检测到由应力脉冲诱发的光学常数的变化。
美国专利号5,379,109，“用于非破坏性地测量半导体的局部电阻率的方法和设备”(“Method and apparatus for non-destructivelymeasuring local resistivity of semiconductors”)，描述了用于非破坏性地测量半导体(例如InP)的电阻率的设备。该系统拥有光源以用第一和第二光束照射半导体预先选中的部分，该第一和第二光束各有一个预先选定的单波长。第一光束用来通过光-注入载流子激发半导体，第二光束用预先选定的光子能量轰击半导体的局部。该系统测量响应于第一光束的第二光束反射率的微小变化，并对第二光束的不同光子能量值记录下反射率的这个微小变化，以产生光反射谱线。光反射谱线用来计算光反射谱线相位角，后者被用来确定半导体预先选定部分的电阻率。
美国专利号5,546,811，“薄膜材料中应力的光学测量”(“Opticalmeasurements of stress in thin film materials”)，描述了一种用于确定薄膜的无支撑区域中的残余应力的方法。该方法包括下列步骤：(a)用空间和时间变化的光学激励场在光学上激发该膜以沿着至少一个波矢量发射反向传播的声音模式；(b)衍射一部分光学探测场，使其偏离激发的声音模式以在激发波矢量上产生与时间相关的信号场；(c)检测该信号场以产生与时间相关、光诱发的信号；(d)分析该光诱发信号以确定声音模式的频率；(e)部分确定至少一种模式的频散；以及(f)比较测量出的频散和用数学模型计算出的频散以允许确定膜的无支撑区域的残余应力特性。
美国专利号5,693,938，“具有接收高频振动和扫描运动的光纤头、用于大的样品表面的非破坏性测量的光学探测显微镜”(“Opticalprobe microscope having a fiber optic tip that receives both a dithermotion and a scanning motion，for nondestructive metrology of largesample surfaces”)，描述了一种光学探测显微镜，它包括沿垂直方向定向的光纤。光纤头将光发射到要被测量的样品的水平表面。这个表面对于平面度可以有想要的或非所求的偏离。将一个用于把高频振动运动传给光纤头的机电设备叠加在另一个用于把二维水平扫描运动传给光纤头的机电设备上。高频振动运动有比扫描运动高得多的频率。在连续的扫描之间，另一个设备把样品本身从一个水平位置挪动到另一个水平位置。显微镜接收由样品表面透射或反射的光学辐射。显微镜在光学图象位置检测器的表面上形成了该接收到的光学辐射的(放大)图象。该检测器的表面相比于(放大的)图像有较大的面积。由检测器产生的合成的电信号提供了关于光纤头的扫描位置的期望信息。并且，这个电信号被进行处理并反馈回垂直推进器，该垂直推进器保持光纤头距样品表面的距离为常数。
美国专利号6,038,026，“用于确定薄膜中晶粒大小的设备和方法”(“Apparatus and methods for the determination of grain size in thinfilms”)，描述了一种确定薄膜样品中晶粒大小的方法，该方法包括下列步骤：测量薄膜的光学响应中的第一个和第二个变化；比较第一个和第二个变化以找到膜中传播干扰的衰减；并把干扰的衰减和膜的晶粒大小联系在一起。光学响应的第二个变化与光学响应的第一个变化有时间延迟。
美国专利号5,959,735，“光学应力发生器和检测器”(“Opticalstress generator and detector”)，描述了一种通过对薄膜的机械和热学属性的测量来表征薄膜以及薄膜之间的界面的系统。在该系统中，光被吸收在一个薄膜或由几个薄膜组成的结构中，并测量和分析光学透射和反射中的变化。反射或透射中的变化用来给出关于在该结构中所产生的超声波的信息。所获得的信息能够包括(a)用比早期方法更快的速度和更高的精度确定薄膜的厚度；(b)确定薄膜的热学、弹性和光学属性；(c)确定薄膜中的应力；和(d)表征界面的属性，包括粗糙程度和缺陷。
美国专利号5,844,684，“用于确定材料的机械特性的光学方法”(“Optical method for determining the mechanical properties of amaterial”)，描述了一种表征样品的系统和方法。该方法包括下列步骤：(a)通过使用至少一个探测光束波长(时间小于几个纳秒)来测量由泵浦光束所诱发的样品的反射率变化来从样品获取数据；(b)通过对数据的背景信号分量和为来自一个或多个样品(这些样品是在已知的能产生一定的物理和化学属性的条件下制备的)的相似的延迟时间范围而获得的数据进行比较来分析数据以确定至少一个材料属性；(c)使用该至少一个确定的材料属性分析由泵浦光束产生的超声波所导致的测量出的与时间相关的反射率的分量。分析的第一步可以包括在基准样品之间插值以获取材料属性的中间集合。材料属性可以包括音速、密度和光学常数。在一个实施例中，只有一种相关是与背景信号做出的，并确定了结构相位、晶粒取向和化学计量学中的至少一个。
在文章“使用交替泵浦技术对Mo/Si多层结构的皮秒超声波研究”(“Picosecond Ultrasonic Study Of Mo/Si Multilayer Structures UsingAn Alternating-Pump Technique”)中提供了光声系统的另一个实例。这篇文章由Nen-Wen Pu等人发表在Applied Physics Letters，1999年1月11日，第74卷第2期，320-322页。这篇文章中所公开的系统使用泵浦和探测瞬态反射率技术，在这种技术中声波由一超短“泵”激光脉冲的光学吸收脉冲式地激发，并且被检测作为时延“探测”激光束的反射率变化。这篇文章公开了对声光调制器(AOM)和其它部件的使用以提供增强的信噪比和更高的灵敏度。但是，因为这套系统依赖于泵浦光束的声光衍射，所以在不同波长上进行测量的能力就受到了限制。更准确地说，这套系统的局限性包括需要随着波长改变泵浦光束的衍射角，通常可用的声光材料(例如TeO2、SiO2)的有限的有用波长范围。因此，这套系统的通用性也受到了限制。
因为改进半导体技术已经朝着在存在厚层的情况下频繁出现越来越薄的各种材料层的方向努力，所以对现有的测量系统提出了挑战。所需要的是：用于测量膜的薄层的改进的测量系统，例如这里所给出的。
发明内容
依照这些教义的本发明的优选实施例克服了前述的和其它的问题，并且实现了其它优点。
这里所公开的设备和方法利用光声测量系统并对其进行改进。其中，目前已经存在并与本发明有关的这样的系统使用辐射源(例如激光器)来产生泵浦光束和探测光束，它们被用来诱发和检测样品中的光学应力。
本发明扩展了最高频率fDIFF，可高达数百MHz或更高。因此这里的教义能够允许高达数百皮秒的时间延迟，并基本上消除了对激光束的位置、方向、光谱含量、质量、强度和偏振的寄生调制。
该系统包括一个偏振旋转器件，用于将由激光器所发出的线性偏振的辐射束的偏振旋转通过90度，该系统还包括一个延迟器件，用于相对于一个光束偏振延迟另一个光束偏振，由此在光束中产生延迟的脉冲。
本发明包括一种设备和方法，用于检查样品上的位置(这里可互换地称为“晶片”或“样品”)并对样品中薄膜层的厚度进行测量。该设备包括配备有引起泵浦光束时间差分的部件的光声测量系统。该方法包括随时间对测量过程中所用的激光束进行高频振动。
本发明与现有技术之间的一个区别是本发明拥有一个设备，该设备用于改善使用光声测量系统测量薄膜叠层中层的厚度的信噪比，其包括由电光调制器驱动的双折射晶体以在由可移动后向反射器的瞬时位置所确定的休止时间附近及时对测量进行扫描。
本发明的一个方面是使用高频光学时间-差分系统，用以从光声信号中消除背景信号(例如热信号)和低频声学分量，由此减少声学测量中的噪声并增加厚度测量灵敏度。
本发明的另一个方面是使用光学时间-差分系统和优化的差分时间步长以在频率的基础上增强光学特性，用来改善对埋在较厚的层之下的薄层(反射高频声学分量)的选择性。
本发明的另一个方面是用于改善使用光声测量系统测量薄膜叠层中的各层厚度的信噪比的设备，该系统包括电光差分器以在由可移动的后向反射器的瞬时位置确定的休止时间附近及时对测量进行扫描。
本发明的另一个方面是用于改善使用光声测量系统测量薄膜叠层中各层厚度中的信噪比的设备，该系统包括电光调制器和双折射晶体。
这里所公开的方法包括将样品从盒装入到测量台；把测量系统的光学组件聚焦；把束斑和样品上的测量位置对齐；在一个实施例中根据预先确定的方法向电光调制器(EOM)施加随时间变化的电压并设置时间差分步长，在另一个实施例中根据预定的方法向EOM信号发生器施加随时间变化的电压，以使双折射晶体诱发偏振光的第一和第二个脉冲之间的滞后；进行测量；记录测量数据；分析测量数据以确定测量区域中的平均膜厚度；并把样品放回盒中。
附图说明
当结合附图图形阅读优选实施例的下述详细描述时，这些教义的前述和其它方面将会更加清楚，在附图中：
图1是显示包括测量台的测量系统的主要部件的框图；
图2是光声膜厚度测量系统的第一实施例的示意图，其中描绘了光通路；
图3是图2中所示的光声膜厚度测量系统中所包括的时间差分组件的示意图；
图4a-b，总称为图4，是具有第一和第二半波片的双折射元件的示意图；
图5a-b，总称为图5，是描绘在电控制的实施例中使用双折射元件的示意图；
图6是单个偏振旋转器实施例的示意图；
图7是非反射元件的示意图，它带有具有输出偏振器的单个偏振旋转器；
图8描绘了导通和关断状态的电场偏振方向，以及偏振器轴；
图9是不使用本发明的测量的微细结构信号的示例图；
图10是对图9所示的样品使用本发明所产生的测量的微细结构信号的示例图。
具体实施方式
这些教义提供了在不接触膜的情况下改进对膜或形成分层膜的多层膜(这里也称为“层叠的膜”)的厚度测量的一种设备和方法。由这里所公开的设备和方法可以测量的膜的实例包括形成晶片或半导体元件的膜。本领域的技术人员将认识到可以实现对这里所公开的教义的偏移，同时该偏离保持在本发明的范围之内。
该设备包括一个调制器，该调制器对光学测量系统的一个臂中的光程长度进行调制直到相对较高的频率，例如在几kHz(大约1kHz)直到几百MHz的范围。使用这里所公开的方法能够提供对膜厚度的精确计算。
光学测量系统
图1显示了测量系统50，它包括控制器55、通信线路80、盒站70、机器人技术和晶片处理系统65、测量台60和测量系统75。
控制器55通过通信线路80电连接到测量系统75、测量台60、机器人技术和晶片处理系统65以及盒站70。控制器55包括带有处理器和存储器以及其它特征(未显示)的计算设备，例如个人计算机。
在操作中，控制器55向机器人技术和晶片处理系统65发送指令以从盒站70提取晶片，并把晶片放置在测量台60上。控制器55随后向测量台60发出命令以相对于测量系统75放置晶片，以便在预定的位置上进行测量。控制器55随后向测量系统75发出命令以进行测量并显示测量结果。一旦测量完成，控制器55就向机器人技术和晶片处理系统65发出指令以使晶片返回盒站70。
测量台60包括在其上放置晶片用于测量的测试表面和在三个自由度中提供晶片控制的移动台。该优选实施例包括两个相对于彼此呈直角并在测试表面的平面中放置的线性台，还包括另一个线性台用来在测量系统的方向上移动晶片。
图2是光声膜厚度系统75的示意图，如图2中所布置的那样，该系统包括脉冲光源100、样品台220、台/真空夹盘230、第一探测偏转反射镜(steering mirror)180、泵浦光束偏转反射镜150、第一偏转反射镜110、泵浦-探测分束器120和泵浦光束时间差分组件130。另外，光声系统75包括探测后向反射器160、延迟扫描台170、光束收集器(beam dump)242和检测器250。此外，光声测量系统75包括线性泵-识别偏振器245、谐波发生器波长选择器(波长选择器)102、投影透镜210、准直透镜240、泵浦后向反射器140和第二探测偏转反射镜190。
脉冲光源100优选地是以80MHz操作并发射出800nm的光的钛-蓝宝石激光器。在一个实施例中，该激光器可替换地被配置成倍频双折射晶体以发出400nm的激光束105。因而，系统可以在两种不同的波长上操作。
在操作中，脉冲光源100发出激光束105，激光束105由第一偏转反射镜110重新定向。泵浦光束和探测光束分束器120把入射的激光束脉冲(优选的是皮秒级或更短的持续时间)分成泵浦光束125A和探测光束125B。在一个实施例中，时间差分系统130把泵浦脉冲串125A转换成泵浦脉冲串200，该泵浦脉冲串200由两个序列的泵浦脉冲组成，这两个序列的脉冲是用相同的空间和偏振属性准备的，但相互之间有Δt的时移，而且它们的相对振幅是在频率fDIFF上时间调制的，fDIFF在约1kHz到约10MHz之间。
泵浦光束后向反射器140和泵浦光束偏转反射镜150把时间调制过的泵浦光束200指向投影透镜210。
探测光束125B被传输到探测后向反射器160，在那里用延迟扫描台170相对于调制过的泵浦光束200的长度来更改探测光束125B的光束路径的长度，从而形成时间延迟的探测光束195。
延迟的探测光束195和调制过的泵浦光束200通过投影透镜210传播并最终到达样品220上。台/真空夹盘230充当样品晶片的定位单元，它优选地是一个多个自由度的台，可以在高度(z-轴)、位置(x和y轴)、和倾斜(q)方面进行调整，并允许相对于调制过的泵浦光束200和延迟的探测光束195对样品的一部分进行由电动机控制的定位。z-轴用来把样品垂直移动到泵浦和探测光束的焦点区域中，x和y轴平行于焦点平面移动样品，倾斜轴调节样品220的取向以为探测光束形成期望中的入射角度。
调制过的泵浦光束200和延迟的探测光束195通过准直透镜240而传播，在那里由光束收集器242收集调制过的泵浦光束200。泵-识别偏振器245把反射的探测光束225和调制过的泵浦光束200分隔开。检测器250把反射的探测光束225转换成作为延迟台170的位置的函数的信号。这个信号被进行解调制并送往控制器55进行分析(例如，以确定膜的厚度)。图3中更详细地显示了时间差分组件130的一个实施例。
图3显示了时间差分系统130的优选实施例。在这个实施例中，时间差分系统130包括电光调制器(EOM)131；偏振光束分离立方体132，它反射垂直偏振的光并透射水平偏振的光；以及光束闸133，它为了时间差分模式而被设置在打开位置。当通过“半波”电压周期(通常从大约0到几百伏)电驱动时，EOM将在从约1kHz到几百MHz范围的频率上在水平和垂直取向之间旋转射出的泵浦光束的偏振。当处在闭合的位置上时，光束闸133挡住了一个泵浦光束路径，使得光学配置与后跟偏振器的电光调制器相同，由此按照美国专利号5,748,318中所描述的技术产生振幅调制的泵浦光束200，该专利题为“光学应力发生器与检测器”(“Optical Stress Generator and Detector”)，由Maris等人申请，发表于1998年5月5日，在此引入作为参考。因而，这个优选实施例允许在时间差分模式和Maris等人所提出的模式之间快速和自动的切换。
图3中所示的其它部件包括在可调节移动平台上的后向反射器134。设置平台位置以获得大约在0.1皮秒到10皮秒范围中的、两个泵浦光束路径之间指定的时间延迟差值Δt(虽然最高可到几百皮秒)。可以根据对正在研究的样品感兴趣的信号特征调整时间延迟差值Δt。包括了半波片135。半波片135的角度被设置为在重组分束器138处和通过另一路径的光束重新组合而旋转光束的偏振到水平。偏转反射镜136是和固定的后向反射器137、重组分束器138一起包括进来的。重组分束器138反射来自后向反射器137的光束的50％，并透射来自镜135的光束的50％。还包括了光束收集器139。
现在讨论用来延迟泵浦光束的时间差分系统130的其它实施例或方案。
图4-8描述了时间差分器130的第二个实施例。图4中画出了第二个实施例的第一个方案。泵浦光束通过由半波片(HWP1)、双折射元件(BRE)和第二半波片(HWP2)组成的系统。HWP1和HWP2是受控制的，这样它们总是处于共同的可以是导通或关断的状态。在导通状态，每个HWP通过加上或减去90度的光束偏振而导致旋转。因此，在导通状态，每个HWP的光轴与泵浦光束的偏振方向形成一个45度角。当处于关断状态时HWP对光束偏振没有任何影响。对准BRE，使得任一偏振的光都将在基本上相同的位置进入BRE或从BRE出来，也就是说光束沿着基本上公共的轴传播。BRE显示与偏振相关的折射率n；与两个正交光束偏振对应的值在这里表示为n1和n2。优选地，BRE和HWP具有光学涂层以便将透射光束的强度对偏振的相关性减到最小。其中，通过BRE的光程长度取决于光束的偏振。因此，两个偏振的渡越时间差值Δt是Δt＝d(n1-n2)/c，其中d是BRE沿着辐射光束的传播方向上的实际厚度，c是真空中的光速，n1和n2是两个偏振在BRE中的折射率(假设n1大于n2)。在n1和n2是进入BRE的光束的偏振的情况下，当HWP1和HWP2分别处在导通和关断状态时，导通状态光束相对于关断状态光束而被延迟。因为HWP1和HWP2的净效应是光束偏振的0度或180度旋转，所以射入和射出的光束都被平行于公共线性轴而偏振。一种提供了约1皮秒延迟的系统优选地使用由厚度约1毫米的通常可得到的材料制成的BRE(例如，方解石或磷酸二氘钾，称作“KDP”)。可以选择BRE厚度来提供期望的延迟。为了实现很长的延迟，可以按顺序放置合适数量的BRE。
图4中描绘了上述第二个实施例的一个方案。在图4a中辐射光束通过系统的传播时间是t0；而图4b中传播时间是t0+d(n1-n2)/c。因此时间差由Δt＝+d(n1-n2)/c给出。
图5中显示了第二个实施例的另一个方案，该方案描述了用来为线性偏振光用作半波片(HWP)的电光调制器(EOM1)的特征。为位于或接近要延迟的光束的波长分布中心的波长而配置EOM1。可以通过施加用来在导通状态和关断状态之间引起切换的合适的电控制信号来触发EOM，在导通状态中EOM用作HWP并因此把光束偏振旋转90度，在关断状态中EOM保持输入光束的偏振。在通过了EOM1之后，光束通过双折射元件(BRE)。BRE被这样取向以便任一偏振状态的光都跟随基本上公共的路径。在通过BRE之后光束被引导通过第二电光调制器EOM2，EOM2被配置成和EOM1相同的状态(导通或关断)。在一种方案中，施加到EOM的电控制信号有相同的相位和频率。结果是，离开EOM2的光束和进入EOM1的光束有相同的偏振。根据EOM1和EOM2的状态光束通过系统的传播时间将假设两个不同的值。允许矩形波以高达几百MHz的频率进行切换的电光调制器适合用在本发明中，而且易于得到。其它更高频率的EOM也可以用来实践这里的教义，例如在大约1GHz的频率下操作的EOM。因此，使用更高频率的EOM，无论“成品的”或为由这里的教义使用而专门开发的，都可以在比先前能得到的频率更高的频率下提供操作。
第二个实施例的优选方案只采用了单个的HWP和镜M1，镜M1用来把光束反射回通过BRE和HWP，如图6所示。适合用作单个HWP的器件的实例包括，但并不局限于固定的线性延迟器和EOM。在这个实施例中，HWP用作HWP1和HWP2，像关于图4所讨论的那样。图6中所示的实施例不需要同步驱动HWP1和HWP2。在这个实施例中，延迟现在被计算为2d(n1-n2)/c，因为这个光束通过BRE两次。或者，如果需要的话，可以把BRE放在适当的位置使它只能在一条通道上截取泵浦光束。在可替换的方案中，泵浦光束只通过BRE一次，镜M1被定向以使从BRE发出的反射光束被隔开小的量以便可以使入射光束和反射光束分离。由BRE和HWP(或EOM1，如图6所示)中的反向传播光束产生的角度必须只有几度以确保射出和入射光束保持沿着基本上相同的轴偏振。一种允许反向传播光束被保持平行的替换设计采用后向反射器代替镜M1。
图7中显示了另一个实施例。随着EOM1在导通/关断状态之间切换，离开EOM1的光束的偏振被交替。随后光束被引导通过双折射元件BRE，BRE给出了差值为如上所述的d(n1-n2)/c的导通/关断渡越时间。偏振器P1被定向以使它透射沿着相对于离开EOM1的光的两个正交(即导通/关断)状态都能成45度角的轴偏振的光。图8中绘出了这个取向。图8显示了导通和关断状态的电场偏振方向和偏振器轴。在这个系统中，离开偏振器P1的光的偏振、发散、传播方向和光谱含量基本上都和输入光束的相同。离开的光强度是输入光束的一半。
应该理解在图4到图7中所描绘的电控制的延迟调制方案中施加给EOM的调制信号不需要在两个状态之间简单地切换。也就是说，调制信号不必局限于矩形脉冲串；也可以用其它的调制信号。在最一般的情况中，该信号可以是频率为fDIFF的纯正弦波。在由这个信号驱动的EOM上入射的线性偏振光束将被以在两个极值之间(其中，极值取决于驱动电压)连续振荡的线性偏振传输。可以选择驱动电压以使最后的偏振在两个正交状态之间振荡。如果现在如图4所示把该光束施加到BRE，则最后透射的光束将有两个分量，其中一个滞后另一个如前所述的时间，而且它们的相对强度连续振荡。这个光束还可如图8所示被施加给线性偏振器P1，给出离开该系统的最后光束，它具有带有两个分量的单一线性偏振，该线性偏振的两个分量具有固定的相对延迟，并且给出振荡的强度比。
另外，应该注意到在图3所描述的优选实施例中不存在给定双折射晶体BRE的固定时间差值Δt，这是因为可以很容易地控制延迟台来调整路径长度差，并由此调整Δt。
操作方法
该设备的操作产生一个由时间延迟脉冲表征的泵浦光束信号。由泵浦光束信号进行的测量可以使用已知的方法进行分析来确定正被测量的样品上每一层的厚度。合适的已知方法包括由Maris等人给出的方法。依照本发明，对已知方法的改善提供了对膜的厚度的精确计算。
可以使用本发明测量的膜包括，但不局限于，不透明膜和膜的组合。在估计膜的组合的实施例中，透射膜和其它膜可以一起测量，其中其它膜提供声信号的产生。例如，可以结合下层的不透明膜测量透射膜。在这个实施例中，下层的膜为声信号的产生提供表面或区域。
第一个操作方法：使用电光差分器
这里所公开的光声系统的操作方法的第一个实施例涉及使用一种包括电光差分器的设备。在这个实施例中，用于确定在晶片的测量位置上的膜的膜厚的方法包括下列步骤：将晶片从盒装入到测量台；把测量系统的光学组件聚焦；将束斑与测量位置对准；以频率fDIFF向EOM施加半波电压并根据预定的方法设置时间差分步长Δt；进行测量；记录测量数据；分析测量数据以确定测量区域内的膜的厚度；并把晶片卸载放回盒中。在这个实施例的其它方案中，对样品的操作(例如装入和卸载)可以通过盒系统除外的其他装置完成。例如，装入和卸载可以手动完成。其中，在这点上该设备的实际配置取决于用户需要。
图9提供了由按照Maris等人提出、在这里引入作为参考的模式进行操作得到的测量信号。在图9中，对信号的分析揭示了第一结构、第二结构、第三结构和第四结构。第一和第二结构由传播通过相对厚的层应力场引起，而第三结构和第四较高频率的结构源于在厚层下面的薄层的存在。
图10显示了处理过的信号，其中与埋入的薄层相关联的高频结构已经得到了增强。由此得到的信号是由应用本发明的设备和方法得到的。选择时间延迟差Δt使其大约为dFILM/5vs，其中dFILM和vs分别是埋入的薄层的厚度和声速。
对测量数据进行分析以确定膜的厚度的方法是已知的。美国专利号5,748,318“光学应力发生器和检测器”(“Optical Stress Generatorand Detector”)(由Maris等人发表于1998年5月5日，在此引入作为参考)提供了一种表征薄膜的方法。
本发明还包括下列步骤：将差分时间步长Δt设置为对较高频特征(例如，像在图9和图10中给出的结构3和4中发现的特征)最敏感；使用Maris等人的技术的导数来分析差分过的数据以获取高精度的薄层厚度；固定(或保持恒定)该层的厚度并使用另一种技术，例如Maris等人提出的技术，分析未被差分的信号以获取厚层的厚度。关于短语“Maris等人技术的导数”，这个短语指的是关于由Maris提出的模拟技术的时间延迟的数值导数(numerical derivative)。
第二操作方法：使用双折射元件
这里所公开的光声系统的操作方法的第二个实施例涉及使用一种包括电光信号发生器的设备。在这个实施例中，用于确定在晶片上的测量位置处的膜的膜厚的方法包括下列步骤：将晶片从盒装入到测量台；把测量系统的光学组件聚焦；将束斑与测量位置对准；根据预定的方法向电光调制器施加半波电压以诱发在垂直偏振脉冲(它先离开双折射晶体)和水平取向的脉冲(它其次离开双折射晶体)之间的固定时间延迟Δt；进行测量；记录测量数据；使用已知方法分析测量数据以确定测量区域内的膜的厚度；并把晶片卸载放回盒中。另外，这里还可以实现这个实施例的其它方案。例如，对晶片的操作(例如装入和卸载)可以通过盒系统除外的其他装置完成。例如，装入和卸载可以手动完成。其中，在这点上该设备的实际配置取决于用户需要。
第二个实施例还包括下列步骤：使用Maris等人的技术的导数来分析差分过的数据以获取高精度的薄层厚度；并固定(或保持恒定)该层的厚度并用另一种技术，例如由Maris等人提出的技术，分析未被差分的数据以获取厚层的厚度。关于短语“Maris的技术的导数”，这个短语指的是关于Maris提出的模拟技术的时间延迟的数值导数。
本发明优选地使用同步检测技术，例如，检测到的探测信号是与用来驱动时间差分系统的频率同步检测到的。时间差分系统有效地使泵浦脉冲和随后的探测脉冲之间的时间延迟变化或高频振动一些希望的量，例如从大约0.1皮秒到几个皮秒(例如，1-10皮秒)。时间延迟的这种快速高频振动(可被看作与光栅化泵浦脉冲等效)可以在用于振幅调制泵浦脉冲串的现有技术中所用的频率(例如，约5MHz)或更高频率下发生。
使用这些教义而产生的优势包括但不局限于下列优点：在光束路径上没有相位差；比现有系统的信噪比高；提高了光学测量系统对薄层检测的敏感度，尤其是在与较厚的层相邻时。
这里的教义的其他优势包括，但不局限于，在光声系统中使用多个波长进行测量的能力，以及确定膜中透射层的厚度的能力。
因而可以理解虽然已经关于本发明的优选实施例对其进行了特别展示和描述，但是本领域的技术人员将能够理解可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下可以在其中进行一些形式和细节上的改动。

Claims (13)

1.一种用于测量样品中至少一个膜层的厚度的光声测量系统，包括：
时间差分系统，它包括电光调制器，用于诱发组成泵浦光束脉冲串的两个泵浦光束脉冲序列之间变化的时间延迟，所述两个泵浦光束脉冲序列被引导到样品的测量位置以获得代表测量位置处的至少一个膜层的厚度的信号。
2.如权利要求1所述的光声测量系统，其中时间差分系统还包括半波片。
3.如权利要求1所述的光声测量系统，其中时间差分系统还包括反射镜。
4.如权利要求1所述的光声测量系统，其中时间差分系统还包括偏振器。
5.如权利要求1所述的光声测量系统，其中时间差分系统还包括后向反射器。
6.如权利要求1所述的光声测量系统，其中泵浦光束时间差分的频率的范围从1kHz直到1GHz。
7.一种用于测量样品中的至少一个膜层的厚度的光声测量系统，包括：
时间差分系统，它包括双折射元件，用于诱发组成泵浦光束脉冲串的两个泵浦光束脉冲序列之间的时间延迟Δt，所述两个泵浦光束脉冲序列被引导到样品的测量位置以获得代表测量位置处的至少一个膜层的厚度的信号，其中所述时间差分系统被配置为将所述时间延迟设置为基本上消除对激光束的寄生调制。
8.如权利要求7所述的光声测量系统，其中时间差分系统还包括电光调制器。
9.如权利要求7所述的光声测量系统，其中时间差分系统还包括半波片。
10.如权利要求7所述的光声测量系统，其中时间差分系统还包括反射镜。
11.如权利要求7所述的光声测量系统，其中时间差分系统还包括偏振器。
12.如权利要求7所述的光声测量系统，其中时间差分系统还包括后向反射器。
13.如权利要求7所述的光声测量系统，其中泵浦光束时间差分的频率的范围从1kHz直到1GHz。
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