CN111886473B - 具有单个基准表面的时域太赫兹测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种时域太赫兹(THz)测量系统,该系统包括单个基准表面。提供单个基准表面的基准梁被支撑在两个安装点处,两个安装点中的至少一个安装点是非固定安装点,以允许基准梁的热膨胀。系统在第一时间处采集不存在样品时的单个基准表面的空气扫描轮廓,并且在第二时间处采集存在样品时的样品扫描轮廓。系统还使用在采集空气扫描轮廓和样品扫描轮廓时收集的在样品边界之外的两个基准点处的距离测量结果来进行空气扫描轮廓的线性校正。系统测量样品的一个或多个特性,包括例如样品的厚度轮廓和样品的有效折射率轮廓。
Description
背景技术
时域太赫兹(THz)系统可用于测量样品材料的各种特性。此类材料包括膜、非织造材料、纸材、磨料等。THz询问波以可测量与穿过样品材料传播的询问波相关联的传输时间的方式生成、穿过样品传输并被检测器接收。这可在透射或反射几何形状中完成,其中根据样品材料以及THz生成和检测系统,特定排布结构可能产生不同的益处。但是在任一种情况下,询问脉冲穿过样品的传输时间(包括可能由于样品中的界面而发生的多次反射)将受到样品的包括其总厚度(和层厚度)和折射率轮廓在内的各种特性的影响。因此,传输时间信号可用于测量样品的这些特性。
发明内容
一般来讲,本公开涉及用于使用具有单个基准表面的时域太赫兹系统测量样品的特性的系统和方法。可测量的特性包括例如样品的厚度轮廓、样品的各个层厚度以及样品和/或其层的有效折射率。
在一个示例中,本公开涉及一种时域太赫兹测量系统,该时域太赫兹测量系统包括:扫描框架;单个基准表面;太赫兹发射器,该太赫兹发射器在太赫兹发射器和单个基准表面之间的样品区域中不存在样品时的第一时间Ta处将太赫兹询问脉冲输出到样品区域中,并且在样品区域中存在样品时的第二时间Tb处将太赫兹询问脉冲输出到样品区域中;以及控制器,该控制器采集空气扫描轮廓,该空气扫描轮廓包括从单个基准表面反射的对应于在第一时间Ta处输出的询问信号的脉冲,并且该控制器采集样品扫描轮廓,该样品扫描轮廓包括从单个基准表面反射的对应于在第二时间Tb处输出的询问脉冲的脉冲,并且包括从样品反射的对应于在第二时间Tb处输出的询问脉冲的脉冲,其中控制器还采集空气距离测量结果,该空气距离测量结果包括在单个基准表面上的第一基准点xA处反射的对应于在第一时间Ta处和第二时间Tb处输出的询问脉冲的脉冲,并且包括在单个基准表面上的第二基准点xB处反射的对应于在第一时间Ta处和第二时间Tb处输出的询问脉冲的脉冲,其中第一基准点xA和第二基准点xB是单个基准表面上在样品区域之外的点,其中控制器还通过基于在第一时间Ta处和第二时间Tb处接收的点xA和xB处的空气距离测量结果,对在第一时间Ta处接收的空气扫描轮廓进行线性校正来计算经校正的空气扫描轮廓,并且基于经校正的空气扫描轮廓和样品扫描轮廓确定样品的厚度轮廓。
在一些示例中,单个基准表面包括基本上平坦的基准梁的表面和惰辊的表面中的一者。
在一些示例中,基准梁由热膨胀系数小于20.0ppm/℃的材料构成。
在一些示例中,时域太赫兹(THz)测量系统还包括在第一安装点处支撑基准梁的第一支撑梁和在第二安装点处支撑基准梁的第二支撑梁,其中第一安装点和第二安装点中的至少一个安装点是非固定安装点。
在一些示例中,第一安装点是固定安装点,并且第二安装点是非固定安装点。
在一些示例中,基准梁被支撑在第一安装点处和第二安装点处,并且第一安装点和第二安装点中的至少一个安装点是非固定安装点。
在一些示例中,非固定安装点包括狭槽和挠曲安装架中的一者。
在一些示例中,基准梁由不锈钢或因瓦合金(Fe0.64Ni0.36)中的一者构成。
在一些示例中,太赫兹发射器和太赫兹接收器容纳在太赫兹探针头内。
在一些示例中,时域太赫兹(THz)测量系统还包括能够沿着扫描框架可滑动地移动的滑架,THz探针头安装到滑架上,以能够沿着扫描框架可滑动地移动。
在一些示例中,控制器还基于样品的厚度轮廓计算样品的有效折射率轮廓。
在一些示例中,控制器还基于样品的厚度轮廓计算样品的组成、密度、质量、空隙率、质量分数、体积分数、每单位面积的质量和孔隙率中的至少一者。
在一些示例中,可输入样品的厚度轮廓以控制制造过程。
在另一个示例中,本公开涉及一种确定样品的厚度轮廓的方法,该方法包括:在太赫兹测量系统的样品区域中不存在样品时的第一时间Ta处将太赫兹询问脉冲输出到样品区域中;接收空气扫描轮廓,该空气扫描轮廓包括从单个基准表面反射的对应于在第一时间Ta处输出的询问信号的脉冲;在样品区域中存在样品时的第二时间Tb处将太赫兹询问脉冲输出到样品区域中;接收样品扫描轮廓,该样品扫描轮廓包括从单个基准表面反射的对应于在第二时间Tb处输出的询问脉冲的脉冲,并且包括从样品反射的对应于在第二时间Tb处输出的询问脉冲的脉冲;接收空气距离测量结果,该空气距离测量结果包括在单个基准表面上的第一基准点xA处反射的对应于在第一时间Ta处和第二时间Tb处输出的询问脉冲的脉冲,并且包括在单个基准表面上的第二基准点xB处反射的对应于在第一时间Ta处和第二时间Tb处输出的询问脉冲的脉冲,其中xA和xB是单个基准表面上在样品区域之外的点;通过基于在第一时间Ta处和第二时间Tb处接收的空气距离测量结果,对在第一时间Ta处接收的空气扫描轮廓进行线性校正来计算经校正的空气扫描轮廓,并且基于经校正的空气扫描轮廓和样品扫描轮廓确定样品的厚度轮廓。
在一些示例中,基准梁由热膨胀系数小于20.0ppm/℃的材料构成。
在一些示例中,基准梁被支撑在第一安装点处和第二安装点处,并且其中第一安装点和第二安装点中的至少一个安装点是非固定安装点。
在一些示例中,第一安装点是固定安装点,并且第二安装点是非固定安装点。
在一些示例中,该方法还包括基于样品的厚度轮廓计算样品的有效折射率轮廓。
在一些示例中,该方法还包括基于样品的厚度轮廓计算样品的组成、密度、质量、空隙率、质量分数、体积分数、每单位面积的质量和孔隙率中的至少一者。
在一些示例中,该方法还包括基于样品的厚度轮廓控制制造过程。
在附图和下文的描述中将示出一个或多个示例的细节。根据描述和附图以及权利要求书,本发明的其他特征和优点将显而易见。
附图说明
图1是根据本公开的示例性时域THz测量系统的示意图,该系统被设计成扫描样品并以反射几何形状构造。
图2是在样品区域中具有材料样品的图1的示例性THz测量系统的示意图。
图3是示出根据本公开的示例性时域THz测量系统的电子部件的框图。
图4示出了在时间Ta处在位置xA和xB处的单个基准表面的空气扫描轮廓和时间波形。
图5示出了在时间Tb处在位置xA和xB处的单个基准表面的空气扫描轮廓和时间波形。
图6示出了可由本公开的THz测量系统在样品区域中不存在样品时的空气扫描轮廓的采集期间采集的示例性波形的曲线图。
图7示出了可由本公开的THz测量系统在样品区域中存在样品时的样品扫描轮廓的采集期间采集的示例性波形的曲线图。
图8是示出示例性过程的流程图,时域THz测量系统可通过该过程确定例如样品的总厚度轮廓。
图9示出了包括一个或多个台阶或脊的另一种示例性基准梁。
图10A至图10B示出了根据本公开的示例性THz测量系统,该系统用于获得实施例波形和比较例波形。
图11A至图11J示出了根据本公开的实施例波形和比较例波形。
具体实施方式
一般来讲,本公开涉及用于使用具有单个(一个)基准表面的时域太赫兹(THz)测量系统测量样品的一个或多个特性的系统和方法。该特性可包括例如样品的厚度轮廓和样品的有效折射率轮廓,以及样品中各个层的传播时间、厚度或折射率值。
可通过THz测量系统测定的样品的其他示例性特性包括样品的组成、密度、质量、空隙率、质量分数、体积分数、每单位面积的质量和孔隙率等特性。
图1是根据本公开的具有单个基准表面26的示例性THz测量系统10的示意图。系统10包括扫描框架12,该扫描框架支撑其上安装有THz探针头16的可移动滑架14。THz探针头16包括THz发射器和THz接收器。两个支撑梁18A和18B安装到扫描框架12上并支撑基准梁20。基准梁20的第一(前)侧提供单个基准表面26。样品平面或样品区域28位于单个基准表面26和THz探针头16之间。
在该示例中,尽管基准梁被示出为由两个支撑梁18A和18B支撑,但应当理解,基准梁可以相对于扫描框架的任何方式被支撑,以在太赫兹探针头16和单个基准表面之间形成样品区域,并且本公开在这方面不受限制。此外,尽管图1和图2示出了反射几何形状,但本公开不限于反射几何形状,并且也可应用于透射几何形状。此外,尽管单个基准表面26被示出为由基本上平坦的基准梁20提供,但应当理解,也可以使用其他部件来提供单个基准表面26,诸如惰辊或幅材加工系统的其他机械部件。
单个基准表面26是THz测量系统10中的唯一基准表面。换句话讲,THz测量系统10包括仅一个基准表面,即基准表面26,该基准表面相对于THz探针头16定位在样品平面28后面或下方,如图1和图2所示。
系统10被构造为使得可以仅使用单个基准表面26进行样品特性的准确测量。本文所述的系统有助于确保THz探针头16和基准表面之间的距离轮廓在长时间内发生的整个制造操作中保持一致,使得可获得用于确定样品特性的准确数据。
在该示例中,THz探针头16包括单个探针头16中的THz发射器和THz检测器或接收器。然而,应当理解,THz发射器和THz接收器可单独安装。THz发射器生成一个或多个THz询问脉冲30。THz接收器检测对应的反射THz信号32。THz发射器可包括例如超快脉冲激光泵,该超快脉冲激光泵生成在0.1ps-10ps(皮秒)范围内持续的传出THz询问脉冲。在THz检测器处检测到的感兴趣的时间扫描范围在2ps-1000ps的范围内,其中采样分辨率小于例如0.1ps。0.05ps-0.1ps采样分辨率通常用于实现达到微米级甚至亚微米级的厚度分辨率,但一般来讲,采样分辨率将随THz询问脉冲的持续时间而变化。
滑架14可滑动地安装到扫描框架12上,使得THz探针头16可沿着扫描框架12在被限定为x轴的基本上固定的路径中跨基准梁20的宽度平移,如箭头38所示。
在一个示例性构型中,基准梁20由第一安装点22处的第一支撑梁18A和第二安装点24处的第二支撑梁18B支撑。第一安装点22和第二安装点24可位于基准梁20的端部处或端部附近。在一些示例中,第一点22和第二点24中的至少一个点是非固定的,以允许基准梁的热膨胀。非固定安装点允许基准梁20的热膨胀而不使总体梁轮廓弯曲或变形,从而有助于跨基准梁20的宽度保持单个基准表面26的基本上平坦的轮廓/形状。在一个示例中,第一点22是固定安装点,并且第二点24是非固定安装点。为此,基准梁可以在第一安装点22处并穿过狭槽或挠曲安装架安装有销或螺栓,或者在第二安装点24处安装有用于将基准梁20与机械效应和热效应隔离的机构。在另一个示例中,两个安装点22、24均可为非固定安装点。当然,存在多种支撑基准梁的方式,并且本公开在这方面不受限制,但是基准梁应被支撑为使得其形状既不会变形也不会显著增长,使得对如本文所述的空气扫描轮廓的线性校正是无效的。
THz测量系统控制器40连接到控制滑架14和THz探针头16。在测量窗口期间,系统控制器40控制滑架14沿着宽度扫描框架12在x方向上的移动,由THz探针头16中的THz发射器进行的THz询问脉冲的生成,以及由THz探针头16中的THz接收器进行的对应反射THz信号的采集。THz系统控制器40还包括已编程的模块,该模块在由一个或多个处理器执行时,基于启动THz询问脉冲和对应的接收到的反射THz信号之间的时间延迟来确定基准表面26和/或样品材料的一个或多个特性。
为了降低基准梁20以及因此基准表面26变形的可能性,支撑梁18A和18B以允许基准梁20和支撑梁18A和18B两者随温度变化少量伸展和收缩而不使其形状变形的方式将基准梁20连接到扫描框架12。为此,基准梁20在安装点22、24处以允许基准梁20热膨胀而不使总体基准梁轮廓弯曲或变形的方式连接到支撑梁18A和/或18B。在上述示例中,安装点22、24中的至少一个安装点是非固定的,以允许基准梁20的热膨胀,同时降低总体基准梁轮廓变形的可能性。第一支撑梁18A和第二支撑梁18B安装到扫描框架12上,使得扫描框架轮廓的任何变化都将被传递到支撑梁18A和18B以及基准梁20,从而降低扫描框架12和基准梁20之间的距离轮廓(THz探针头和基准表面26之间的距离,作为跨基准梁的宽度(x方向)测量的x的函数)的变化量。目的是随时间推移保持两个梁(即,扫描框架12和基准梁20)之间的相当一致的距离轮廓。当该距离轮廓由两个支撑梁18A和18B的高度的变化决定时,图1和图2所示的示例性系统设置有助于使扫描框架12和/或基准梁20的变形可能性最小化,并且因此使它们之间的距离轮廓的任何变化最小化。
在其他示例中,如果扫描框架和/或基准梁被安装成使得它们由于热膨胀而弯曲或翘曲,并且如果此类安装被实现为使得弯曲或翘曲是可重复的,则可以例如根据环境温度来校准所得的变形。以这种方式,可根据将会考虑梁变形的理论模型来计算空气扫描轮廓,其中考虑到支持框架和基准梁的方式并且考虑到诸如梁负载和温度的情况;另选地,可根据例如输入温度、传感器负载以及xA和xB处的空气扫描距离将空气扫描轮廓记录并存储在数据库中,然后可根据先前的轮廓和这些因素计算更新的轮廓。另一种方法可结合来自在任何数量的环境条件和负载因素下获得的多个空气扫描轮廓的数据,并且使用机器学习算法基于先前的轮廓和当前条件来预测更新的轮廓。在可能的情况下,此类具体实施可能需要更多的初始校准,以及确保初始校准保持有效或允许进行更新的校准的测量。
在图1的示例中,支撑梁18A和18B以及基准梁20由具有相对低的热膨胀系数(CTE)的材料制成,诸如例如不锈钢或因瓦合金(Fe0.64Ni0.36,标称组成64%Fe、36%Ni)。在一些示例中,扫描框架12也由低CTE材料制成,但它也可以由常规钢制成。例如,因瓦合金在20℃和100℃之间测得的热膨胀系数α为约1.2ppm/℃。又如,可商购获得的不锈钢可具有介于8ppm/℃-20ppm/℃之间的CTE。一般来讲,支撑梁18A和18B和/或基准梁20可由CTE小于20.0ppm/℃、小于10.0ppm/℃、小于2ppm/℃或甚至更低的任何合适的材料(如果此类材料变得可用的话)制成。较低的CTE不仅降低了基准表面26的变形可能性,而且还可有助于确保基准梁20的基准表面26上的任何表面特征的横向位置保持在相同的相对x位置。
为了进一步有助于最小化THZ探针头16和基准表面20之间的距离变化,可使用轴承等将滑架16附接到扫描框架12,以最小化从THz探针头16发射的THz光束相对于基准表面26的指向方向上的角度变化。此类装置是本领域技术人员所熟知的。保持探针头光束相对于基准梁20的角取向减少了将导致扫描框架和基准表面之间的距离轮廓变化的任何取向变化,从而增加了稳定的距离轮廓随时间推移的可靠性。在一些示例中,将传感器水平地安装在扫描光束之外可提供改善的角度稳定性;然而,该构型在制造过程中并不总是可能的。
扫描探针头的横向位置(即,其x位置)的准确性和分辨率还可被选择成减少与获得随时间推移的准确扫描轮廓相关联的误差。该位置通常不直接联接到基准表面上的任何位置,因此系统保持滑架和基准表面之间的准确相对x位置。一般来讲,扫描框架系统使用某种形式的编码器确定探针头在任何给定时刻(诸如附接到驱动马达、玻璃刻度尺或测量带、坐标测量装置或光学干涉仪的计数器)的x位置。如编码器所指示的所记录的探针头相对于基准梁的位置的任何误差可导致图1所示的dair(x)值(THz探针头和基准表面26之间的距离轮廓)的误差。为了说明这一点,假设如图1所测得的空气扫描轮廓不是完全平坦的,使得斜率存在例如可能由基准梁或扫描框架轮廓作为沿着扫描的x的函数引起的一定变化δdair/δx。然后,如编码器所指示的位置x处的探针头的位置的任何误差(称为该Δx)导致经校正的空气扫描距离Δdair(x)的相关联的误差,其中Δdair(x)=Δxδdair/δx(x)。因此,选择具有适当准确度和分辨率以使探针头位置Δx的不确定性最小化以及使用适当的匹配操作以使作为x的函数的δdair/δx的变化最小化的编码器均可有助于减少与随时间推移保持准确的空气扫描轮廓相关联的误差。
面向THz探针头16的基准梁20的基准表面26可被磨削或抛光以将表面偏差减小到与系统的所需距离精度和横向分辨率一致的水平。横向(x方向或幅材横向)分辨率由扫描系统的实际横向采样位置(即,THz探针头在x方向上的位置)的不确定性和太赫兹光束尺寸的组合确定。工业扫描框架中的典型横向位置不确定性为大约±1mm。较高的分辨率对于THz应用可能是期望的,但并不总是实用的。由于时域THz系统采用通常跨0.05THz-5THz范围并且有时超过该范围的宽带源,它们还必须包含对应的波长范围,因此聚焦THz光束的“光斑尺寸”实质上是频率的函数。然而,出于本讨论的目的,1mm直径可用作聚焦光束的代表性光斑尺寸(其他光斑尺寸将存在于不同的光束几何形状中)。在该示例中,空间不确定性极限处的THz光束的外边缘覆盖±2mm的距离,或4mm的总横向距离。在这种情况下,为了使空气扫描距离测量结果精确至约±1微米,表面上的局部斜率应保持为小于约±0.001/4=±0.25mrad(毫弧度)的值。这可有助于使横向位置中的任何误差的影响最小化,并且确保基准梁的表面粗糙度不会导致由THz波形扫描确定的峰值位置的较高变化。
在一些示例中,基准梁表面在一些情况下可以是固定或旋转惰辊的表面。就旋转惰辊而言,轴承的跳动和辊的不均匀表面轮廓可导致惰辊的表面位置的不确定性,并且探针头中使光束随跨辊的分量而偏移的任何角抖动也导致与表面的距离的变化。因此,尽管该几何形状可用于一些低分辨率情况,但其通常可能不会产生最精确的结果。
减少空气扫描轮廓随时间推移的误差的又一种方式可利用在基准梁的某些区域中具有不平坦轮廓的基准表面;也就是说,其刚好在幅材样品的边缘外侧的位置中具有dair(x)的可识别的表面特征。在这种情况下,可计算在幅材边缘之外的区域中在第一时间处记录的空气扫描轮廓与在随后的第二时间处记录的空气扫描轮廓之间的互相关性。这些互相关性可用于提供对基准梁支撑件18A和18B的长度变化的校正以及扫描头编码器不确定性。在此类示例中,必须存储更多数据,并且刚好在幅材边缘之外的位置中的dair(x)轮廓可能不平坦。由于许多生产线生产出宽度可变的幅材,因此图1和图2的实施例实施在整个梁上具有平坦轮廓的基准梁20;然而,本领域的技术人员将认识到,如果采用互相关方法,即使在存在编码器误差的情况下也仍可使用不平坦的轮廓。
在图1中,系统10在第一时间Ta处采集空气扫描轮廓dair(x,Ta),该空气扫描轮廓将距离轮廓映射为在不存在样品的情况下THz探针头16和基准表面26之间的x的函数。在将待测量的样品幅材插入样品区域28中之前,通过沿着基准梁20扫描THz探针头16以测量并记录作为x的函数的THz探针头16和基准梁20之间的距离来获得空气扫描轮廓。这有效地使THz探针头16遵循的路径成为测量空气扫描轮廓的参考坐标系。
图2示出了图1的单个基准表面THz测量系统10,其中样品区域28中存在待测量的样品50。样品50包括第一主表面52和与该第一主表面相背对的第二主表面54。样品50可包括固定长度的样品材料,或者它可以是来自制造过程的连续样品,诸如幅材,其在THz探针头16和基准梁20之间穿入样品区域28中。无论哪种方式,样品50都定位在THz探针头16和基准表面26之间的基本上平行于基准表面26的样品区域28中。如果THz传播方向是垂直的并且基准表面是水平的,则样品50标称水平地悬挂在基准表面下方,如图2所示。更一般地讲,对于任意光束方向,样品50垂直于THz探针头16和基准表面20之间的THz光束路径悬挂。样品50可以任意方式悬挂,具体取决于样品的刚度和特征。例如,开槽托盘可用于支撑样品,同时允许THz光束无阻碍地穿过除样品之外的部分,或者幅材平面可由幅材生产线上的惰辊或任何其他合适的支撑样品的装置控制。
在样品保持在适当的位置的情况下,系统10在第二时间Tb处采集样品扫描轮廓d(x,Tb),该样品扫描轮廓测量并记录从THz探针头16到样品50的表面(样品的顶部、底部和任何内部界面)以及到单个基准表面26的传播时间,以及来自那些表面中的每个表面的对应反射THz脉冲。通过沿着样品50扫描THz探针头16以记录在样品区域28中存在样品时作为x的函数的传播时间轮廓,从而获得样品轮廓。THz探针头16生成THz询问脉冲或波34,并且检测对应的反射的THz反射信号36。样品扫描轮廓的反射THz信号连同空气扫描轮廓的反射THz信号由系统控制器40处理,以确定样品的各种特性,包括例如本文所述的样品材料50的厚度轮廓。
在时间Ta处,当获得空气扫描轮廓dair(x,Ta)时,记录在图1所示的反射几何形状中THz波在空气中从THz探针头行进到基准表面并返回的传播时间轮廓,并且使用光在空气中的速度将其转换为距离。在时间Tb处,样品扫描轮廓包含关于在空气中从探针头到样品50的第一主(前)表面52以及从样品50的第二主(后)表面54到基准表面26的传播时间的数据。这些距离在空气中,因此,当它们被转换为距离并加在一起时,它们与(在不存在样品的情况下获得的)空气扫描轮廓的不同之处在于样品的厚度。因此,通过从先前记录的沿着扫描的每个点处的空气扫描轮廓中减去样品上方和下方的空气中的距离的总和,可以在不使用样品中的任何传输时间信息(即,不具有材料校准系数)的情况下获得总样品厚度。
如上所述,图1和图2的单个基准表面THz测量系统10的架构被设计成使THz探针头和基准表面26之间的距离轮廓在时间Ta和Tb之间的变化最小化。由于在时间Ta(空气扫描轮廓的采集)和Tb(样品扫描轮廓的采集)之间可能发生的热波动和其他变化,本公开的THz测量系统10被进一步构造为确定如本文所述的经校正的空气扫描轮廓,以确保在超过几分钟并且实际上可跨越数小时、数天或更长的时间段内的稳定空气扫描轮廓。
为此,在时间Tb处获取的样品扫描轮廓还包括在两个基准点xA和xB中的每个基准点处获取的空气距离测量结果,该基准点在样品区域28的边界之外或至少在样品50的边界之外。因为这些基准点的x位置位于样品的边界之外,所以在时间Ta和Tb处获得的距离信息在空气中获取。基于在时间Ta和Tb处获取的在点xA和xB处的空气扫描距离测量结果,系统可以确定基准梁轮廓在时间Ta和Tb处的线性近似。然后可将线性校正应用于空气扫描轮廓dair(x,Ta)以得到经校正的空气扫描轮廓dair(x,Tb),以考虑在超过几分钟并且实际上可跨越数小时、数天或更长的时间段内单个基准梁轮廓中的任何热波动或其他波动。下文更详细地描述了这种线性校正、经校正的空气扫描轮廓以及如何将其用于确定样品的厚度轮廓。一般来讲,xA和xB独立于安装点22和24,但在一些情况下,基准点xA可与安装点22重合,并且基准点xB可与安装点24重合。
图3是示出根据本公开的示例性单个基准表面THz测量系统100的电子部件的框图。系统100包括THz测量系统控制器102(诸如,图1和图2所示的控制器40)、THz探针头120(诸如图1和图2所示的THz探针头16)和可移动滑架126(诸如图1和图2所示的滑架14),该可移动滑架沿着扫描框架可滑动地平移THz探针头16。THz探针头120还包括THz发射器122和THz接收器124,该THz发射器生成一个或多个THz询问脉冲并且将它们导向单个基准表面26(诸如图1和图2分别所示的THz询问脉冲30和34),该THz接收器检测对应的反射的THz反射信号(诸如图1和图2分别所示的THz反射信号32和38)。
系统100还可包括一个或多个传感器128,诸如测量要进行样品测量的环境的环境温度的温度传感器,和/或确定THz探针头的x方向位置的位置传感器,诸如线性编码器、数字标度、位移传感器等。
THz系统控制器102包括被构造为执行一个或多个软件模块的一个或多个处理器110,该软件模块控制THz测量系统部件的操作并且基于空气扫描轮廓和样品扫描轮廓确定样品材料的一个或多个特性,诸如样品的总厚度轮廓、各个层厚度、有效密度、折射率等。存储器或数据存储库112包括在一个或多个软件模块的执行期间处理器110所使用或生成的数据的存储装置。
THz探针控制模块104控制THz探针发射器122以在适当的时间生成THz询问脉冲,并且控制反射的THz信号的定时采集。滑架控制模块106控制滑架126沿着扫描框架的移动。样品特性模块108包括指令,该指令在由处理器110执行时,允许系统控制器102基于空气扫描轮廓和样品扫描轮廓确定样品材料的一个或多个特性,诸如样品的总厚度轮廓、各个层厚度、有效密度、折射率等。
用户界面114允许THz系统控制器102从一个或多个用户接收指令、命令、更新和任何其他形式的电子通信。例如,用户界面114可包括一个或多个显示屏、触摸屏、键盘、鼠标、触笔、听觉或视觉指示器或者供用户与计算装置进行电子交互的任何其他装置。用户界面114还可包括一个或多个按钮、杠杆、拨号盘或其他机械开关。尽管用户界面114被示出在描绘THz系统控制器102的框内,但应当理解,用户界面114也可包括一个或多个远程计算装置,诸如膝上型计算机、台式计算机、平板电脑、远程服务器计算机、移动/智能电话或其他移动计算装置、寻呼机或用户可通过其与THz系统控制器102通信的任何其他计算装置。
通过用户界面114,用户可以发起对空气扫描轮廓的采集,发起对样品扫描轮廓的采集,发起对两点校正测量的采集,并且可以中断或取消对这些测量中任一者的采集。用户还可调整、获得或查看系统参数,诸如THz询问信号频率、采样时间和频率、滑架扫描速度、阈值、从探针到样品的距离、由系统采样的时间窗口(即,与探针的距离)以及其中的包含来自样品或基准表面的信号结构的任何子窗口、样品或其层的预期厚度或折射率的值、信号平均、平滑化、或过滤参数、基准波形、产品配方,并且/或者选择最适合样品结构的信号处理方法,和/或可由用户调整的THz测量系统的任何其他参数。
通过用户界面114,用户还可接收由系统或样品采集的数据或关于系统或样品的数据。数据可包括原始数据和基于原始数据的一个或多个计算两者。该数据可包括一个或多个电子表格、表、曲线图、图表或者组织或布置与空气扫描轮廓和/或样品扫描轮廓相关联的数据的任何其他合适的方法,和/或所得分析。
在一些示例中,THz系统控制器102还可与制造系统150传送分析的结果,诸如样品的所确定的厚度轮廓或样品的任何其他所确定的特性,以通知或控制所采样的材料的制备。例如,如果通过THz测量系统100测得的样品厚度在一个或多个预先确定的公差之外(例如,大于或小于),可基于由THz系统控制器102测定的厚度测量结果来调整制造系统150中的一个或多个制造变量以使所制备的材料在期望的公差内。制造过程的调整可在接收到样品厚度轮廓时由制造系统150自动执行,也可在接收到如由THz测量系统100所测得的关于样品厚度轮廓的一个或多个报告或输出时由用户手动调整。
如上所述,样品特性模块108包括指令,该指令在由处理器110执行时允许系统控制器102基于由系统采集的空气扫描轮廓和样品扫描轮廓确定样品材料的一个或多个特性,诸如样品厚度轮廓。
图4示出了在时间Ta处在位置xA和xB处获取的单个基准表面的空气扫描轮廓和时间波形。图5示出了在时间Tb处在位置xA和xB处获取的单个基准表面的空气扫描轮廓和时间波形。由于距离是相对于探针路径测量的,因此假设探针路径在时间Ta处与坐标系中的y=0位置对齐。此外,在没有一般性损失的情况下,与时间Ta处的波形相关联的零时间取为0。
图4示出了在时间Ta处不存在样品的情况下获取的单个基准表面的空气扫描轮廓,该时间可以是例如生产偏移的开始或在样品测量之前的某个时间。空气扫描轮廓dair(x;Ta)可写为:
其中tref是当平移镜台移动时,从基准表面上的某一位置测量的作为横向位置x的函数的反射脉冲的峰值时间,nair是空气的折射率,在室温和约1THz的频率下的压力为约1.00028,可四舍五入为1。出现系数2是因为THz脉冲必须在从基准表面反射之后第二次经过该距离。一般来讲,可使用类似的公式将行进的距离与介质中的波速和传播时间关联起来。
类似地,图5示出了在其他某个时间Tb获取的空气扫描轮廓。图5示出了基准表面的放大位移。空气扫描轮廓dair(x;Tb)在该稍后的时间可写为:
图5表明探针路径可能已在两次之间偏移,但是如果探针路径在时间Ta处保持路径的未变形型式,或者换句话讲,如果基准表面具有相同的变形,则这是无关紧要的,因为与基准表面的距离是相对于该路径测量的。图5还表明波形的“零时间”在这两次之间可能存在偏移。如果快速连续地采集并显示多个波形,同时例如探针在位置xA上方静止,则脉冲时间tref(xA;Tb)可能看起来略微抖动。根据本公开,已确定波形的定时抖动相对小,即使在扫描探针时也是如此。因此,如果在被测量的THz探针头或表面的显著运动发生之前已快速连续地采集多个延时波形,则可计算信号中的每个反射峰的平均时间。平均化减小了定时抖动的变化,并且如果剩余变化足够精确,则实际上,平均化会将所有波形的零时间基准移动到零。换句话讲,根据本公开的THz测量系统仅需要扫描样品将最终驻留在其后面或下方的单个基准表面的轮廓,如图1和图2所示。这可改善波形处理速度和测量精度两者,因为我们仅需要找到并拟合一个脉冲而不是两个脉冲的时间。
根据本公开,在不存在样品的情况下在第一时间Ta处获取的单个基准表面的空气扫描轮廓(其引入短期平均值的平均符号以减少定时抖动)可写为:
在公式(3)中,ka=c/(2na)和变量被包括在内以考虑时域波形的“零时间”的较长期漂移。在任何变量的顶部的条表示被执行以去除定时抖动的短时间平均值;在实施过程中,该操作可作为“低通”滤波器发生,该低通滤波器的域被调整以平滑在一些(相对较小)数量的连续扫描中发生的信号变化。实际上,“零时间”变量考虑了来自单个基准表面的反射脉冲的峰值将出现的表观时间的任何缓慢(长期)漂移,而与距表面的距离的任何实际变化无关。此类长期漂移可例如由于波形扫描触发中的小的长期变化或由于与生成和接收光纤相关联的相对延迟的长期差异等因素而发生。但是如果探针头在长时间内保持静止,则与单个基准表面的距离也可能漂移;在这种情况下,无法判断是否由于波形的零时间变化而发生漂移或者与基准表面的距离是否缓慢变化(如图5所示)。利用单个基准表面并且在空气扫描之间的相对短时间(例如,数十秒至数分钟)内采集的空气扫描轮廓基本上相同。这表明,与经低通滤波的扫描轮廓相关联的零时间也不会作为横向扫描位置的函数或在进行若干次横向扫描所需的时间内明显变化,因此可如下去除零时间的x相关性:
然后在当天晚些时候(或甚至数天后)的第二时间Tb处,我们将会有
假设时间Ta和Tb相隔许多分钟、数小时或甚至数天,如果探针头路径的轮廓或基准表面的轮廓在这些时间之间变化,或者如果与零时间变化相关联的偏置在这些时间之间变化,或者它们的某种组合,则这些单个表面空气扫描轮廓可以不同。使用雷达模拟,系统测量探针头在“地面”(即,单个基准表面)上方飞行的高度。但是,如上所述,从时间波形计算的距离可受到由基准梁和探针路径提供的单个基准表面之间的相对距离以及零时间内的任何漂移的影响。使用本文所述的线性校正技术可考虑这两种效应的事实允许本公开的系统仅利用单个基准表面,同时实现非常稳定的空气扫描轮廓。
如图5所示,无论探针路径是否向上偏移以缩短与基准表面的距离,或者零时间漂移是否使得新波形时间短于在零时间保持与其在时间Ta处一样时将具有的新波形时间,或者它们的某种组合,则根据公式4(b)计算的从探针路径到基准表面或就此而言任何表面的相对距离将被缩短。探针路径的偏置和零时间漂移两者仅为时间的函数而不是位置的函数,因此在新波形图中净效应在所有位置处合并,如图5所示。换句话讲,从时间Tb处的新零时间开始在时间波形中观察到的距离可由于以下项而发生:(i)探针路径已偏移恒定量,或者(ii)在与波形的零时间t0(Tb)在时间Ta和Tb之间的漂移相关联的探针路径的位置存在明显偏移,或者(iii)上述的某种组合,其中效应在扫描中的所有x个位置上都是恒定的。
在该示例中,还可以假设,单个基准表面的轮廓相对平滑并且不具有尖锐的特征结构,但是仍然不是完全平坦的。已经确定的是,如果单个基准梁以不约束梁的长度的方式被支撑(如上文相对于图1和图2所述),那么基准梁的轮廓不应随着采用该系统的应用中典型的环境温度的正常变化而发生太大变化。从THz探针头到位置xA和xB处的基准梁的实际距离预期会由于制造环境内的典型环境热变化而变化大约数十微米或更多,但是,如果梁的长度不受约束并且其横截面轮廓被适当地选择,则其表面轮廓应保持相当恒定而基本上不变形。如果室温升高,则基准表面的长度应伸展,但是如果梁轮廓确实相对平滑(如上所述),则该伸展相对较小,并且将几乎没有效果。例如,对于CTE为约16ppm/℃的不锈钢基准梁,1米长的基准梁将在环境温度升高的相对较大的30℃下仅伸展约0.5mm。0.15米长的不锈钢支撑梁将在相同的温度范围内变长约72微米。
根据本公开,单个基准表面26上的两个基准点xA和xB被选择为使得它们位于样品区域的边界之外(并且因此位于样品的边界之外)。例如,在图1和图2中,基准点xA的x位置小于样品区域28的第一端部的x位置x1,并且基准点xB的x位置大于样品区域28的第二端部的x位置x2。这样,样品区域28内样品的存在将不会导致THz询问信号在基准点xA和xB处的任何反射,因为在THz探针和单个基准表面26之间的那些x位置处不存在样品材料,如图2所示。尽管出于本公开的目的,xA和xB被示出和描述为靠近基准梁26的端部,但本公开在这方面不受限制。
回到图4,系统在时间Ta处测量基准点xA和xB处的空气中的距离dair(xA;Ta)和dair(xB;Ta)。单个基准梁的轮廓可概念化为连接点xA和xB的线,该线与该线性轮廓的一组偏差ε(x)耦合,该组偏差包括与探针路径或基准表面的线性轮廓的任何偏差,并且不随时间变化。在不存在样品的情况下,使用时间Ta处来自公式4(a)的上述符号,偏差轮廓ε(x)和空气扫描轮廓可计算为:
时间Ta处的基准梁轮廓的线性近似为:
y=m(Ta)x+br(Ta)。
在第二时间Tb处,假设样品50保持在样品区域28内的适当位置,使得样品阻止直接测量梁轮廓,除了在样品宽度之外的位置处,诸如在如图2的示例中所示的位置xA和xB处。此时,我们仍可准确测量基准点xA和xB处的空气中的距离dair(xA;Tb)和dair(xB;Tb),如图5所示。时间Tb处的基准梁轮廓的线性近似为:
y=m(Tb)x+br(Tb)。
然后,基于上述假设,时间Tb处新的经线性校正的空气扫描轮廓为:
该经校正的空气扫描轮廓使用与在时间Tb处基准表面上位于样品区域之外的两个基准点xA和xB的表观距离,并且将它们与在时间Ta处获取的较早空气扫描轮廓中的与两个基准点xA和xB的对应距离进行比较,以创建沿着整个扫描的经校正的空气扫描轮廓。该两点线性校正使较早的空气扫描轮廓从时间Ta偏移,以在时间Tb处创建新轮廓,该新轮廓与新的表观距离对准,即dair(xA;Tb)和dair(xB;Tb)。根据本公开的该经校正的空气扫描轮廓使用来自太赫兹传感器自身而不是一些其他传感器的数据测量从探针到基准梁的距离,其校正波形的零时间漂移以及探针路径的位置偏移,并且允许使用单个基准表面准确测定样品的厚度轮廓。
两点线性校正保持在适当的条件下,其中假设探针头路径轮廓和基准梁轮廓与线性度的偏差在扫描之间不变化;即,ε(x)仅为x的函数,而不是时间的函数。可打破该约束的条件的一些示例包括维护、机械冲击和用于探针头或基准表面安装的不正确构造的扫描框架,使得它们各自的轮廓可能由于热膨胀或收缩而变形。使用结构管轮廓来最小化滑架和基准表面的安装构型中的扭转变形,诸如图1或图2所示,可以实现这一点。这些条件和其他条件可利用良好的工程实践来克服。
尽管这些示例使用位于样品边界之外的基准点xA和xB进行描述,但应当理解,也存在根据本公开的用于执行该校正的其他方法。例如,也可以记录位于样品之外(例如靠近或围绕点xA和xB)的基准梁的区段,并且将其与先前记录的空气扫描轮廓进行互相关。此类互相关性不仅将校正单个基准表面轮廓的明显变化,还可具有进一步减小横向定位误差的影响的附加优点。此类互相关性还可用于校正探针滑架的指向方向上的一些小角度变化,前提条件是此类角度变化沿着x是恒定的,并且前提条件是对于系统可能设想经历的小范围的角度偏差,偏差轮廓沿着这些短区段是唯一可识别的。此类校正将包括以略微不同的探针头角度采集受控扫描序列,使得相应的独特ε(x)区段可被表征,并且还可能需要在这些区段中制备详细的表面特征以创建唯一识别的区段。但是利用这些校准和准确的探针头定位信息,互相关方法可以实现甚至略好的精度。并且甚至进一步地,区段信息可以与基准梁结构的机械模型结合使用,该机械模型将使得能够计算经校正的基准梁轮廓和不限于线性校正的相关联的经校正的空气扫描轮廓。
又如,基准梁诸如图9所示的基准梁可包括一个或多个台阶或脊,诸如脊252A和252B。这些特征结构可用作校正x移动和z移动两者的空间对准特征结构。台阶或脊特征结构可以在一个或两个维度上成形或成角度,使得可以检测到与基准梁和扫描滑架的法线的角度变化。
图6示出了可由本公开的THz测量系统在样品区域中不存在样品时的平面或线性的单个基准表面的空气扫描轮廓的采集期间采集的示例性波形的曲线图。在采集空气扫描轮廓期间,THz发射器将太赫兹询问脉冲输出到(空)样品区域中并输出到单个基准表面。单个基准表面反射所反射的太赫兹脉冲,该脉冲继而由太赫兹接收器检测。
图7示出了可由本公开的THz测量系统在样品区域中存在样品时的样品扫描轮廓的采集期间采集的单个点处的示例性波形的曲线图。在采集样品扫描轮廓期间,太赫兹发射器将太赫兹询问脉冲穿过样品并朝向单个基准表面输出。脉冲1表示来自样品的第一主表面(例如,如图2所示的表面52)的反射,并且脉冲2表示来自样品的第二主表面(例如,如图2所示的表面54)的反射。单个基准表面(例如,如图2所示的单个基准表面26)反射单个基准表面所反射的太赫兹脉冲3,该脉冲由太赫兹接收器检测。
在图7中,在样品上方和下方的时间da和db分别与经校正的空气扫描轮廓数据一起用于计算样品的厚度轮廓。首先,根据来自时间Tb处的样品扫描的相应时间波形计算点xA和xB处的与基准表面的表观距离。接着,如上所述,系统可以计算该时间的经校正的空气扫描轮廓。然后,参见图7所示的波形,在识别来自样品的顶部界面和底部界面的反射脉冲的样品所在的任何x位置处,系统还可计算总样品厚度轮廓d1(x;Tb),在时间Tb处为:
d1(x;Tb)=datr(x;Tb)-{da(x;Tb)+db(x;Tb)} (7b)
由于经校正的空气扫描轮廓利用在时间Tb处收集的波形的适当零时间,因此也使用该时间范围来使用与样品的第一主表面(如图2中的附图标号52所示)的距离是正确的。
一旦确定样品的厚度轮廓d1(x;Tb),系统还可使用由样品波形获得的穿过样品的传播时间的轮廓来确定有效折射率轮廓n1(x)。这是可能的,因为波形给出了穿过样品传播所需的时间,并且厚度轮廓d1(x;Tb)以及THz光束在样品中的有效波速c/n1现在是已知的,其中c为光在真空中的速度。此处,术语“有效”用于说明可能是均匀混合物或结构的样品,以及用于说明在所用的太赫兹频率范围内的分散性。这样做得到:
有效折射率值可与感兴趣的其他材料特性诸如样品的组成、密度、空隙率、质量分数、体积分数、每单位面积的质量、孔隙度或其他特性相关。
用于计算厚度的另一种方法利用常规飞行时间方法,该常规飞行时间方法利用材料内的反射,并且对于其中这些脉冲可被充分分辨并且层的一个或多个折射率是已知的任何层,穿过材料层的传播时间可与该层的已知折射率一起用于计算层厚度。在这种情况下,不需要基准表面。如果样品中存在多个层,除了一个层之外的所有层均具有已知的折射率和可识别的反射,则这些层的厚度可使用波形中的传播时间及其已知的折射率来计算。然后可将这些层厚度与da和db相加(参见图7),继而从总样品厚度中减去该结果以得到具有未知折射率的层的厚度。一旦已知该厚度,就可如前所述使用穿过该层的传播时间来计算其有效折射率。
另选地,如果样品材料的有效折射率neff是已知的或者可提前校准并且不随时间或位置而变化,则可仅使用在空气和样品扫描期间获取的基准表面数据来计算样品厚度;换句话讲,不需要利用从样品表面反射的脉冲。在样品扫描中THz光束穿过样品材料的任何点处,样品的存在替换先前在空气扫描期间被空气占据的体积。这有效地改变了参考脉冲返回的时间延迟,因为光束必须穿过样品传播,从基准表面反射,并且再次返回穿过样品。使用有效折射率的值neff,可根据下式利用基准脉冲中的延迟来计算样品的厚度
图8是示例性过程200的流程图,时域THz测量系统可通过该过程确定例如样品的厚度轮廓。例如,过程200可作为指令集存储在如图3所示的样品特性确定模块108中,该指令集在由一个或多个处理器(诸如图3所示的处理器110)执行时,允许THz测量系统(诸如图3所示的THz测量系统100)测定样品的厚度轮廓和/或材料样品的一个或多个其他特性,诸如折射率轮廓、样品的组成、样品的密度、样品的质量、样品的空隙率、样品的质量分数、样品的体积分数、样品的每单位面积的质量、样品的孔隙率和/或样品的任何其他有关或相关特性。
根据过程200,THz测量系统在第一时间Ta处获得单个基准表面的空气扫描轮廓(202)。可通过沿着单个基准表面26扫描THz探针头16以测量和记录由基准梁作为x的函数提供的THz探针头16和单个基准表面26之间的距离,从而采集空气扫描轮廓(在不存在样品的情况下)。
在第二时间Tb处,THz系统控制器在时间Tb处获得样品扫描轮廓(204)。时间Tb可在时间Ta之前或之后;然而,出于讨论的目的,时间Tb在本文中被描述为在时间Ta之后。通过至少跨样品的宽度扫描THz探针头以记录作为x的函数的THz探针头16与样品50的上(前)表面52和下(后)表面54之间的距离以及由基准梁20作为x的函数提供的来自单个基准表面26的延迟脉冲,从而采集在样品区域28中存在样品50时的样品扫描轮廓。
同样在时间Tb处,THz测量系统在样品的边界或边缘之外的两个基准点xA和xB处获得THz探针头和基准表面之间的空气中距离测量结果(206)。换句话讲,THz系统控制器获得距离测量结果dair(xA;Tb)和dair(xB;Tb),如上文所述。
THz测量系统接下来可以对在时间Ta处获取的先前测得的空气扫描轮廓dair(x;Ta)基于距离测量结果dair(xA;Tb)和dair(xB;Tb)进行两点线性校正(208)。经校正的空气扫描轮廓dair(x;Tb)由如上所述的公式(6)给出。
然后,THz测量系统可基于经校正的空气扫描轮廓和样品扫描轮廓确定样品的厚度轮廓(210)。样品厚度轮廓由如上所述的公式(7a)或(7b)给出。
THz测量系统还可生成和/或在用户界面上呈现由系统采集或生成的数据的一个或多个报告(212)。例如,系统可在一个或多个曲线图、图表、表、电子表格或其他形式的数据表示中呈现数据。其中所示的报告和数据可以自动生成,也可以根据用户的请求生成或定制。
THz测量系统可任选地基于样品厚度轮廓确定样品的附加特性(214)。例如,系统可确定样品的折射率轮廓、样品的组成、样品的密度、样品的质量、样品的空隙率、样品的质量分数、样品的体积分数、样品的每单位面积的质量、样品的孔隙率和/或样品的任何其他有关或相关特性。
THz测量系统可任选地与制造系统(诸如图3的制造系统150)传送样品厚度轮廓数据,以便通知或控制采样材料的制备(216)。例如,如果通过THz测量系统10、100测得的样品厚度轮廓在一个或多个预先确定的公差之外(例如,大于或小于),那么制造系统150中的一个或多个制造变量可响应于来自THz测量系统100的通信或命令而被调整,以使所制备的材料在期望的公差内。在一些示例中,制造系统150可响应于样品厚度轮廓或来自THz测量系统的其他数据的传送而自动调整一个或多个制造变量。另选地或除此之外,一个或多个制造变量可由用户响应于接收或查看THz测量系统所生成的报告和/或数据而手动调整。
与采用两个基准表面的系统相比,根据本公开的具有单个基准表面的太赫兹测量系统可提供若干优点。例如,根据本公开的单个基准表面系统包括更少的光学元件,因此可以比采用两个基准表面的系统更易于设置并且不易出错。又如,可以提高信号处理速度,因为系统仅需要定位单个反射峰。此外,采用单个基准表面的系统不需要分束器或窗口,因此不会牺牲任何太赫兹光束功率来形成第二基准脉冲,如通过分束器和/或窗口所进行的那样。此外,由于既不使用分束器也不使用窗口,因此具有单个基准表面的系统将具有在样品处可用的太赫兹光束的全带宽,从而可能允许测量比利用两个基准表面的常规系统更小的样品厚度。
实施例
图10A示出了根据本公开的并且用于本实施例的目的的另一个示例性单个基准表面太赫兹测量系统。出于比较目的,图10B示出了图10A的太赫兹测量系统,但它还包括由石英窗口提供的第二基准表面,该第二基准表面定位在THz探针头和样品之间,如在常规太赫兹测量系统中所使用的那样,例如美国专利8,457,915和美国专利9,360,296中所述。在该实施例中,探针支撑臂为“C形”。THz光束穿过开槽的样品支撑托盘(不与其相互作用)并且到达基准梁上,THz光束在该基准梁上被反射回探针。该构型用于收集空气扫描和样品扫描数据,其中四个单独的PET标准品被放置在用于单个基准表面测量(图10A)和两个基准表面测量(图10B)的光束路径中。开槽托盘在不影响THz光束的情况下支撑样品。样品上方和下方的距离da(x;Tb)和db(x;Tb)如在公式(7)中使用那样表示。
在该实施例中,从美国密歇根州安阿伯的Advanced Photonix公司(AdvancedPhotonix Inc.of Ann Arbor,Michigan)获得的太赫兹传感器包括太赫兹控制单元(TCU)TCU型号5220,该TCU生成并接收THz信号,与T-Ray-4000探针头耦合。软件版本为T-RayServer 1.4.4.0版。使用购自美国宾夕法尼亚州匹兹堡的Aerotech公司(Aerotech,Inc.ofPittsburgh,Pennsylvania)的线性镜台型号MT300P实现扫描框架、滑架和编码器。使用购自美国马里兰州黑格斯敦的Item North America公司(Item North America ofHagerstown,Maryland)的铝挤出梁(商品轮廓8 80MM×40MM 6N Light#0.0.489.18)来实现基准梁。
图11A至图11J示出了根据本公开的实施例波形和比较例波形。图11A示出了在时间Ta1处(恰好在时间Tb1处发生的第一次样品扫描之前)获取然后在时间Ta2处(恰好在时间Tb2处的第二次样品扫描之后)再次获取的两个单表面空气扫描轮廓。在该实施例中,在时间Ta1和Ta2之间可以看到小偏移。图11B示出了使用常规的双基准表面测量在时间Ta1和Ta2处获取的相同的两个空气扫描轮廓(注意y轴刻度相对于图11A的单表面数据的变化)。图11C和图11D示出了如本公开所述的单个基准表面(图11C)以及如应用于使用两个基准表面的系统那样(图11D)的使用时间Ta1处的空气扫描数据计算的样品扫描时间的经两点校正的空气扫描轮廓。
图11E和图11F示出了四个2"宽的PET厚度标准品的厚度轮廓,标称厚度为4密耳、5密耳、10密耳和25密耳(在图中从左到右移动)。分别使用图11C和图11D所示的时间Ta1的经两点校正的空气扫描轮廓计算厚度。图11G和图11H分别示出了使用如本公开所述的单个基准表面和如本领域已知的两个基准表面测得的每个样品在时间Tb1处的平均厚度的偏差轮廓。图11I和图11J分别示出了使用如本公开所述的单个基准表面和如本领域已知的两个基准表面测得的每个样品在时间Tb2处的平均厚度的偏差轮廓。
在图11A和图11B所示的空气扫描轮廓中,将2密耳厚(约50um)、1/2"宽的胶带片在接近扫描结束时(距开始处约16")粘附到基准梁上。光束在到达金属基准表面之前传播穿过胶带,这在基准表面轮廓中引入了额外的传播延迟。胶带的锐利边缘将允许每次扫描的x位置对齐;然而,由于系统的准确性,这对于该实施例的目的而言不是必需的。每次如公式(6)所述使用来自样品扫描区域之外的两个基准点的数据收集样品扫描时,计算使用来自先前记录的空气扫描的空气扫描数据的经两点校正的空气扫描轮廓。因此,在时间Tb1和Tb2计算经校正的空气扫描轮廓。由于Tb1处的样品扫描相当快地遵循Ta1处的空气扫描轮廓发生,因此Tb1处的经校正的空气扫描轮廓(单表面方法和双表面方法)基本上匹配Ta1处的空气扫描轮廓(比较图11A和图11C中所示的标记为Ta1的下方曲线,然后比较图11B和图11D所示的标记为Tb1的下方曲线)。
在时间Tb2处再次计算新的经两点校正的空气扫描轮廓(单表面方法和双表面方法);然而,需注意,这些经校正的轮廓仍然使用在时间Ta1处获取的初始空气扫描轮廓。由于时间Tb2处的样品扫描恰好在时间Ta2处采集新的空气扫描轮廓之前进行,因此如果经两点校正的空气扫描轮廓针对零定时的变化以及任何基准表面位移正确地校正,则时间Tb2处的经校正的空气扫描轮廓应与时间Ta2处的新空气扫描轮廓几乎相同。事实上,这对于单基准表面轮廓确实如此,如通过分别比较图11A和图11C中标记为Ta2和Tb2的上方曲线所见,并且对于两个基准表面轮廓也是如此,如通过分别比较图11B和图11D中标记为Ta2和Tb2的上方曲线所见。如果经校正的轮廓不是真实基准表面轮廓的良好近似,则在那些时间计算的总厚度值将显示出真实厚度值的系统误差。曲线图几乎相同的事实表明,两点校正方法对于单个基准表面和两个基准表面设置两者而言在时间Ta1和Ta2之间发生的整个基准梁偏移上都有用。
利用经校正的空气扫描轮廓,可按照公式(7)计算总样品厚度。每个PET厚度标准品的厚度轮廓示于图11E和图11F中,如使用单基准表面和双基准表面方法所计算。需注意,使用这两种方法获得了非常相似的结果。但是难以看到以这种方式绘制的整个样品的厚度轮廓的细节,因为它们具有相当不同的厚度值。相反,我们可测量每个样品的平均厚度,然后从我们采集的任何样品扫描中减去该固定数值,以示出在该时间处测得的轮廓与该样品的均值的偏差。在时间Tb1处获取的样品扫描的此类偏差轮廓(单基准表面和双基准表面方法)分别示于图11G和图11H中,并且在时间Tb2处获取的样品扫描分别再次示于图11I和图11J中。厚度标准轮廓中的小振荡(平均<0.3um)是由于扫描框架系统中的非常微小的振动引起的,这些振动在空气扫描和样品扫描中不可重复。然而,这些振动甚至在触感上是不可辨别的,如在图11A至图11D中可见,但系统能够辨别它们。然而,5密耳和25密耳标准品的厚度轮廓的逐渐增加是真实存在的,并且用对这些样品的微米测量结果进行了验证。对于任何厚度标准品的任何厚度轮廓都未显示偏差误差的事实表明,事实上,即使在存在零偏置或基准梁位置的变化的情况下,与单个基准表面相结合的两点校正方法也适用于获得准确的厚度数据。
在一个或多个示例中,所述的功能可以硬件、软件、固件或它们的任何组合来实现。如果以软件实现,则这些功能可作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或经由计算机可读介质传输,且由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可包括计算机可读存储介质,其对应于诸如数据存储介质的有形介质,或通信介质,其包括例如根据通信协议促进将计算机程序从一处传送到另一处的任何介质。以该方式,计算机可读介质通常可对应于(1)非暂态的有形计算机可读存储介质或(2)诸如信号或载波的通信介质。数据存储介质可为可由一个或多个计算机或一个或多个处理器访问以检索用于实现本公开中所描述的技术的指令、代码和/或数据结构的任何可用介质。计算机程序产品可包括计算机可读介质。
作为示例而非限制,此类计算机可读存储介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储或其他磁存储装置、闪存或者可用来以指令或数据结构的形式存储期望的程序代码并且可由计算机访问的任何其他介质。而且,任何连接均被适当地称为计算机可读介质。例如,如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或无线技术如红外线、无线电和微波从网站、服务器或其他远程源传输指令,则同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或无线技术如红外线、无线电和微波包括在介质的定义中。然而,应当理解,计算机可读存储介质和数据存储介质不包括连接、载波、信号或其他暂态介质,而是针对非暂态的有形存储介质。如本文所用,磁盘和光盘包括压缩盘(CD)、激光光盘、光学盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光光盘,其中磁盘通常以磁的方式再现数据,而光盘通过激光以光学方式再现数据。上述的组合也应当包括在计算机可读介质的范围内。
指令可由一个或多个处理器诸如一个或多个数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)或其他等效集成或离散逻辑电路执行。因此,如本文所用,术语“处理器”可以是指适用于实施本文所述的技术的前述结构中的任一者或任何其他结构。另外,在一些方面,本文所述的功能性可在专用硬件和/或软件模块内提供。而且,这些技术可完全在一个或多个电路或逻辑单元中实现。
本公开的技术可在包括无线手持机、集成电路(IC)或一组IC(例如,芯片集)的各种各样的装置或设备中实现。各种部件、模块或单元在本公开中进行了描述以强调被构造为执行所公开的技术的装置的功能方面,但是不一定需要通过不同的硬件单元来实现。相反,如上所述,各种单元组合可在硬件单元中组合或者通过包括如上所述的一个或多个处理器的互操作硬件单元的集合,结合合适的软件和/或固件来提供。
已描述了各种示例。这些示例以及其他示例均在如下权利要求书的范围内。
Claims (22)
1.一种测量样品的厚度轮廓的时域太赫兹测量系统,包括:
扫描框架;
单个基准表面;
太赫兹发射器,所述太赫兹发射器安装到能够沿着所述扫描框架可滑动地移动的滑架上,并且所述太赫兹发射器与所述单个基准表面之间隔开一定距离,使得样品区域存在于所述太赫兹发射器与所述单个基准表面之间,所述太赫兹发射器在所述太赫兹发射器和所述单个基准表面之间的所述样品区域中不存在样品时的第一时间(Ta)处将太赫兹询问脉冲输出到所述样品区域中,并且在所述样品区域中存在样品时的第二时间(Tb)处将太赫兹询问脉冲输出到所述样品区域中;和
控制器,所述控制器采集空气扫描轮廓,所述空气扫描轮廓包括从所述单个基准表面反射的对应于在所述第一时间(Ta)处输出的所述询问脉冲的脉冲;并且所述控制器采集样品扫描轮廓,所述样品扫描轮廓包括从所述单个基准表面反射的对应于在所述第二时间(Tb)处输出的所述询问脉冲的脉冲,并且包括从所述样品反射的对应于在所述第二时间(Tb)处输出的所述询问脉冲的脉冲;
其中所述控制器还采集空气距离测量结果,所述空气距离测量结果包括在所述单个基准表面上的第一基准点(xA)处反射的对应于在所述第一时间(Ta)处和所述第二时间(Tb)处输出的所述询问脉冲的脉冲,并且包括在所述单个基准表面上的第二基准点(xB)处反射的对应于在所述第一时间(Ta)处和所述第二时间(Tb)处输出的所述询问脉冲的脉冲;
其中所述第一基准点(xA)和所述第二基准点(xB)是所述单个基准表面上在所述样品区域之外的点;
其中所述控制器还通过基于在所述第一时间(Ta)处和所述第二时间(Tb)处接收的所述第一基准点(xA)和所述第二基准点(xB)处的所述空气距离测量结果,对在所述第一时间(Ta)处接收的所述空气扫描轮廓进行校正来计算经校正的空气扫描轮廓,并且基于所述经校正的空气扫描轮廓和所述样品扫描轮廓确定所述样品的厚度轮廓。
2.根据权利要求1所述的时域太赫兹测量系统,其中所述单个基准表面包括基本上平坦的基准梁和惰辊中的一者。
3.根据权利要求2所述的时域太赫兹测量系统,其中所述基准梁由热膨胀系数小于20.0ppm/℃的材料构成。
4.根据权利要求2所述的时域太赫兹测量系统,还包括:
第一支撑梁,所述第一支撑梁安装在所述扫描框架上,并且所述第一支撑梁在第一安装点处支撑所述基准梁;和
第二支撑梁,所述第二支撑梁安装在所述扫描框架上,并且所述第二支撑梁在第二安装点处支撑所述基准梁;
其中所述第一安装点和所述第二安装点中的至少一个安装点是非固定安装点。
5.根据权利要求4所述的时域太赫兹测量系统,其中所述第一安装点是固定安装点,并且所述第二安装点是非固定安装点。
6.根据权利要求2所述的时域太赫兹测量系统,其中所述基准梁被支撑在第一安装点处和第二安装点处,并且
其中所述第一安装点和所述第二安装点中的至少一个安装点是非固定安装点。
7.根据权利要求6所述的时域太赫兹测量系统,其中所述非固定安装点包括狭槽和挠曲安装架中的一者。
8.根据权利要求2所述的时域太赫兹测量系统,其中所述基准梁由不锈钢或因瓦合金Fe0.64Ni0.36中的一者构成。
9.根据权利要求1所述的时域太赫兹测量系统,其中所述太赫兹发射器和太赫兹接收器容纳在太赫兹探针头内。
10.根据权利要求9所述的时域太赫兹测量系统,其中所述太赫兹探针头安装到所述滑架上,以能够沿着所述扫描框架可滑动地移动。
11.根据权利要求1所述的时域太赫兹测量系统,其中所述控制器还基于所述样品的厚度轮廓计算所述样品的有效折射率轮廓。
12.根据权利要求1所述的时域太赫兹测量系统,其中所述控制器还基于所述样品的厚度轮廓计算所述样品的组成、密度、质量、空隙率、质量分数、体积分数、每单位面积的质量和孔隙率中的至少一者。
13.根据权利要求1所述的时域太赫兹测量系统,其中所述样品的厚度轮廓是用于控制制造过程的输入。
14.根据权利要求1所述的时域太赫兹测量系统,其中所述控制器还通过基于在所述第一时间(Ta)处和所述第二时间(Tb)处接收的所述第一基准点(xA)和所述第二基准点(xB)处的所述空气距离测量结果,对在所述第一时间(Ta)处接收的所述空气扫描轮廓进行线性校正来计算经校正的空气扫描轮廓。
15.一种确定样品的厚度轮廓的方法,包括:
在太赫兹测量系统的样品区域中不存在样品时的第一时间(Ta)处将太赫兹询问脉冲输出到所述样品区域中;
接收空气扫描轮廓,所述空气扫描轮廓包括从单个基准表面反射的对应于在所述第一时间(Ta)处输出的所述询问脉冲的脉冲;
在所述样品区域中存在样品时的第二时间(Tb)处将太赫兹询问脉冲输出到所述样品区域中;
接收样品扫描轮廓,所述样品扫描轮廓包括从所述单个基准表面反射的对应于在所述第二时间(Tb)处输出的所述询问脉冲的脉冲,并且包括从所述样品反射的对应于在所述第二时间(Tb)处输出的所述询问脉冲的脉冲;
接收空气距离测量结果,所述空气距离测量结果包括在所述单个基准表面上的第一基准点(xA)处反射的对应于在所述第一时间(Ta)处和所述第二时间(Tb)处输出的所述询问脉冲的脉冲,并且包括在所述单个基准表面上的第二基准点(xB)处反射的对应于在所述第一时间(Ta)处和所述第二时间(Tb)处输出的所述询问脉冲的脉冲;
其中所述第一基准点(xA)和所述第二基准点(xB)是所述单个基准表面上在所述样品区域之外的点;
通过基于在所述第一时间(Ta)处和所述第二时间(Tb)处接收的所述空气距离测量结果,对在所述第一时间(Ta)处接收的所述空气扫描轮廓进行校正来计算经校正的空气扫描轮廓;以及
基于所述经校正的空气扫描轮廓和所述样品扫描轮廓确定所述样品的厚度轮廓。
16.根据权利要求15所述的方法,其中,所述单个基准表面是基准梁,所述基准梁由热膨胀系数小于20.0ppm/℃的材料构成。
17.根据权利要求15所述的方法,其中,所述单个基准表面是基准梁,所述基准梁被支撑在第一安装点处和第二安装点处,并且其中所述第一安装点和所述第二安装点中的至少一个安装点是非固定安装点。
18.根据权利要求17所述的方法,其中所述第一安装点是固定安装点,并且所述第二安装点是非固定安装点。
19.根据权利要求15所述的方法,还包括基于所述样品的厚度轮廓计算所述样品的有效折射率轮廓。
20.根据权利要求15所述的方法,还包括基于所述样品的厚度轮廓计算所述样品的组成、密度、质量、空隙率、质量分数、体积分数、每单位面积的质量和孔隙率中的至少一者。
21.根据权利要求15所述的方法,还包括基于所述样品的厚度轮廓控制制造过程。
22.根据权利要求15所述的方法,其中计算经校正的空气扫描轮廓包括:通过基于在所述第一时间(Ta)处和所述第二时间(Tb)处接收的所述空气距离测量结果,对在所述第一时间(Ta)处接收的所述空气扫描轮廓进行线性校正来计算经校正的空气扫描轮廓。
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