CN113281265B - 一种适用于宽膜厚范围样品的激光超声测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光超声检测相关技术领域，并具体公开了一种适用于宽膜厚范围样品的激光超声测量系统及方法。该系统包括脉冲激光器、泵浦探测单元、脉宽调整器、探测器和工控机，其中：泵浦探测单元中的分束器将脉冲激光分为激发光光束和探测光光束；激发光经过脉宽调整器照射在待测样品表面并激发出超声信号，在样品中传播产生回声信号；与激发光存在延时的探测光自样品反射后被探测器接收；工控机接收探测器转换的电信号并提取回声信号，当该回声信号的强度小于预设阈值时，调整脉宽调整器为脉冲展宽状态；当该回声信号的强度大于或等于预设阈值时，保持脉宽调整器为压缩状态。通过本发明，增大激光超声测量技术所适用的样品的膜厚范围。

Description

一种适用于宽膜厚范围样品的激光超声测量系统及方法

技术领域

本发明属于激光超声检测相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于宽膜厚范围样品的激光超声测量系统及方法。

背景技术

激光超声技术是利用激光来激发和检测超声，并开展超声传播和样品特性等研究的一种新型超声检测技术。由于激光超声信号的频率与激发光的脉宽成反比，以超短脉冲激光作为激发源的激光超声信号通常在GHz～THz的频率范围内，对应着很高的空间分辨率，尤其适合于微纳米尺度薄膜结构的表征和研究。因此，激光超声测量技术也被广泛应用于半导体制造过程中膜结构的厚度测量、缺陷检测、特性表征以及加工过程监测等环节。然而频率越高、衰减越大，高频超声信号在传播过程中大幅衰减，传播距离通常被限制在其波长的数倍之内。假设某飞秒激光激发出的声信号频率为100GHz，那么其对应的周期为10ps，如果传播介质为典型金属，那么对应波长应约为5nm/ps*10ps＝50nm，因此传播距离被限制在数百nm以内，而可测量的样品厚度要小于激光超声信号传播距离的一半。由此可见，对于激发光源脉宽固定的激光超声测量技术，很难同时满足高空间分辨率和高穿透力的要求。

以激光超声测量技术在半导体制造过程中的应用为例，为满足纳米尺度膜结构高分辨率的测量需求，通常选择脉宽在100fs左右的超短脉冲激光器作为激发源，但在对微米尺度膜结构进行测量时会由于回到样品表面的回声信号过于微弱而受到限制，所适用的样品膜厚通常在10μm以下，无法满足copper pillar bumps等厚度为数十μm的结构的测量需求。

总的来说，对于膜厚较厚的样品来说，脉宽较小的激发光产生的超声信号频率较高，在样品中传播衰减较大，回到样品表面的回声信号过于微弱，回声信号影响探测光反射光的幅值和相位等性质的变化，因此，探测器探测到的探测光反射光的变化较小，获得的时域信号曲线中回声信号难以与噪声区分；而对于膜厚较薄的样品来说，由于其膜厚本身较薄，激发光产生的超声信号在其中的衰减有限，其面临的问题是时域信号曲线中相邻回声信号之间的时间间隔短，如果激发光的脉宽较大，则产生的超声信号频率较低、脉宽较大，相邻两个回声信号就容易相互连接、发生混叠，难以区分开。总而言之，对于膜厚相对较厚和相对较薄的样品来说，在激光超声测量过程中存在着不同问题，对激发光脉宽有着不同的需求，因此，急需一种方法既能解决膜厚较厚也能解决膜厚较薄的样品在激光超声测量中面临的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于宽膜厚范围样品的激光超声测量系统及方法，同时解决膜厚较厚样品激光超声测量中存在的时域信号曲线中回声信号难以与噪声区分的问题，以及膜厚较薄样品测量中存在的相邻回声信号之间间隔短，易混叠，难以区分开的问题，使得膜厚较厚和膜厚较薄的样品均能测量，增大激光超声测量技术所适用的样品的膜厚范围。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于宽膜厚范围样品的激光超声测量系统，该系统包括脉冲激光器、泵浦探测单元、脉宽调整器、探测器和工控机，其中：

所述脉冲激光器和所述泵浦探测单元连接，所述脉冲激光器发出脉冲激光，所述泵浦探测单元中的分束器将所述脉冲激光分为激发光光束和探测光光束；所述激发光光束经过所述脉宽调整器照射在待测样品表面并激发出超声信号，该超声信号在待测样品内部沿垂直于样品表面的方向传播并在界面处部分反射产生回声信号；所述探测光光束经过所述泵浦探测单元中的光学延迟线，形成与所述激发光光束存在延时的探测光，该探测光被待测样品反射，在所述回声信号的作用下，所述探测光的反射光的幅值、相位等性质发生变化；

所述探测器用于接收不同延时下待测样品反射的探测光，并将其转换为电信号，所述工控机同时与所述探测器和脉宽调整器连接，该脉宽调整器的初始状态被设置为脉冲压缩状态，该工控机接收来自所述探测器转换的电信号并提取该电信号时域曲线中的回声信号，当该回声信号的强度小于预设阈值时，控制所述脉宽调整器调整至脉冲展宽状态，以此展宽所述激发光光束的脉冲宽度；当该回声信号的强度大于或等于预设阈值时，控制所述脉宽调整器保持脉冲压缩状态，以此压缩所述激发光光束的脉冲宽度，以此实现对激发光脉冲宽度的选择控制，进而实现对不同膜厚样品灵活的激光超声测量。

进一步优选地，所述脉宽调整器包括脉冲展宽光路和脉冲压缩光路，两条光路之间通过光路切换机构进行切换，其中，所述脉冲展宽光路中设置有脉冲展宽器，所述脉冲压缩光路中设置有脉冲压缩器。

进一步优选地，所述脉冲展宽光路和脉冲压缩光路对称分布在所述光路切换机构的两侧，所述光路切换机构包括旋转位移台和反射镜，所述旋转位移台用于改变所述反射镜的角度，以此改变光路的传播方向，所述脉冲展宽光路和脉冲压缩光路中均设置有反射镜，通过反射镜与所述光路切换机构的配合，实现脉冲展宽光路和脉冲压缩光路的切换。

进一步优选地，所述泵浦探测单元中探测光照射在待测样品之前设置有半波片，用于将探测光的偏振方向旋转90度，使其与激发光偏振态正交；所述探测器与待测样品之间还设置有透过方向与探测光偏振方向一致的偏振片，用于过滤待测样品表面漫反射的激发光。

进一步优选地，所述脉宽调整器与待测样品之间，以及所述泵浦探测单元中探测光照射在待测样品之前均设置有聚焦透镜，分别用于将照射在待测样品表面的激发光和探测光聚集。

进一步优选地，所述泵浦探测单元中的分束器与所述脉宽调整器之间设置有光调制器，用于对激发光进行幅度或频率调制。

进一步优选地，所述待测样品的厚度范围为10nm～50μm。

按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的激光超声测量系统进行激光超声测量的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1调整脉宽调整器至脉冲压缩状态，将待测样品放置在样品台，调整其位置，打开脉冲激光器，使得激发光和探测光的光斑照射在待测样品的待测点处；

S2开始测量，激发光和探测光均照射在待测样品表面，调节光学延迟线，使探测器采集不同延时下的探测光的反射光，并将其转换为电信号反馈给工控机，工控机提取电信号时域曲线中的回声信号，并判断该回声信号的强度与预设阈值的关系，根据判断的结果调整所述脉宽调整器；

S3测量结束，调整脉宽调整器的状态使其恢复初始的脉冲压缩状态。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中采用探测器、工控机和脉宽调整器对激发光光束进行选择控制，对于膜厚较厚的待测样品来说，由于超声信号在厚的样品中传播衰减较多，探测器收到的回声信号较弱，其不能与噪声区分，此时采用脉宽调整器展宽激发光的脉宽，能降低激光超声信号的频率，减小其在样品中的衰减，进而增强探测器接收到的回声信号；对于膜厚较薄的样品而言，其在样品中的衰减有限，但是由于其行程短，形成的前后两个回声时间间隔短，此时采用脉宽调整器缩短激发光的脉宽，能有效提高激光超声信号的频率、减小回声信号脉宽，使前后两个回声信号不易混叠，由此实现对膜厚相对较厚和相对较薄样品的灵活测量，增大激光超声测量技术所适用的样品膜厚范围；

2.本发明中采用脉宽调整器，其中设计脉冲压缩光路和脉冲展宽光路，两个光路之间通过光路切换机构进行切换，通过对光路的设计，有效地实现两种脉宽处理方式的切换，结构简单，操作方便；

3.本发明中待测样品的厚度范围为10nm～50μm，现有技术测量范围一般为50nm～10μm，对于膜厚较薄的50nm以下的样品，以及膜厚较厚的10μm以上的样品，现有技术难以测量，本发明通过采用本发明中的测量系统验证，本发明测量的样品厚度范围可在10nm～50μm，拓宽现有技术中激光超声测量系统的测量范围；

4.本发明仅对激发光进行脉宽调制，对于常与激光超声技术结合的泵浦探测技术、异步光学采样技术等没有影响，因此依然能够保持激光超声测量的高时间分辨特性以及较高的测量速度；通过对激发光脉冲进行低倍数展宽，使激光超声信号的频率有所降低且不至于过低，从而实现对较厚样品进行测量的同时，也能保证较高的测量精度；在样品较厚的情况下对激发光进行脉冲展宽，其它情况下始终保持激发光脉冲压缩的状态，也能够对激光超声测量装置中部分光学元件造成的群延迟色散进行补偿。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的激光超声测量系统的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的脉宽调整器处于脉冲展宽状态的示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的脉宽调整器处于脉冲压缩状态的示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的激光超声测量方法的流程框图；

图5是在不使用本发明的情况下，通过激光超声测量技术获得的较厚单层膜样品的测量信号时域曲线示意图；

图6是对图5所述样品使用本发明后获得的测量信号时域曲线示意图；

图7是在不使用本发明的情况下，通过激光超声测量技术获得的较薄单层膜样品的测量信号时域曲线示意图；

图8对图7所述样品使用本发明后获得的测量信号时域曲线示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-脉冲激光器，2-反射镜，3-分束器，4-光调制器，5-脉宽调整器，6-聚焦透镜，7-半波片，8-光学延迟线，9-偏振片，10-探测器，11-工控机，12-待测样品，13-旋转位移台，14-脉冲展宽器，15-脉冲压缩器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例涉及的一种适用于宽膜厚范围样品的激光超声测量装置，其包括：脉冲激光器1、反射镜2、泵浦探测单元、光调制器4、脉宽调整器5、聚焦透镜6、半波片7、偏振片9、探测器10和工控机11。泵浦探测单元包括分束器3和光学延迟线8，分束器3将脉冲激光器1发射的脉冲激光分为激发光光束和探测光光束，由此形成两条光路，激发光光路和探测光光路，光学延迟线8则用于改变探测光相对于激发光的延迟时间。

探测器10用于对自待测样品12表面反射的探测光进行探测；脉宽调整器5，位于激发光光路上，用于压缩或展宽所述脉冲激光器输出的激光脉冲；工控机11，连接探测器10和脉宽调整器5，用于存储不同延时下探测器10采集到的信号，对其时域曲线进行回声信号的提取及分析，并依据分析结果控制脉宽调整器5处于脉冲压缩或脉冲展宽状态。

如图2所示，脉宽调整器5包括脉冲展宽光路和脉冲压缩光路，两条光路之间通过光路切换机构进行切换，其中，所述脉冲展宽光路中设置有脉冲展宽器14，所述脉冲压缩光路中设置有脉冲压缩器15；脉冲展宽光路和脉冲压缩光路对称分布在光路切换机构的两侧，光路切换机构包括旋转位移台13和反射镜2，旋转位移台13用于改变反射镜2的角度，以此改变光路的传播方向，脉冲展宽光路和脉冲压缩光路中均设置有反射镜2，通过反射镜2与光路切换机构的配合，实现脉冲展宽光路和脉冲压缩光路的切换。在本实施例中，脉冲展宽器14和脉冲压缩器15的两侧均分别设置有反射镜2，用于与光路切换机构配合反射光路。

如图2所示，脉宽调整器处于脉冲展宽状态，激发光光束以45度入射角经反射镜2进入脉冲展宽器14完成脉冲展宽，再以45度入射角经过反射镜2从脉宽调整器输出。如图3所示，脉宽调整器处于脉冲压缩状态，激发光光束以45度入射角经反射镜2进入脉冲压缩器15完成脉冲压缩，再以45度入射角经过反射镜2从脉宽调整器输出。在本实施例中，旋转位移台13均由直流伺服电机驱动。

工控机11对回声信号进行分析，确认其幅值小于预设阈值后，控制直流伺服电机驱动位于脉宽调整器内部的上下两个旋转位移台13分别逆时针和顺时针旋转90度，使激发光脉冲经过固定在旋转位移台13上的反射镜2进入脉冲展宽器14，再经过下面的反射镜2输出，重新开始对待测量点的测量；当确认其幅值大于预设阈值后，控制直流伺服电机保持待机状态，旋转位移台13不发生转动，使激发光光束继续经过脉冲压缩器15，从而保持脉冲压缩状态，继续完成对待测量点的测量。

本实施例中，设定样品12为膜厚在nm～μm量级的单层金属膜，优选地，脉冲激光器1的输出激光脉宽为100fs、重复频率为80MHz、中心波长为800nm，并配有倍频晶体以发出中心波长为400nm的激光束，因此该测量装置可以在两种不同的波长下工作。

实际测量过程中，脉冲激光器1输出激光束，激光束经过反射镜2完成平直校准。分束器3(优选的分束比为9：1)将入射的激光束分为能量较强的激发光光束和能量较弱的探测光光束。激发光光束进入光调制器4完成强度等特性的调制，再进入脉宽调整器5完成脉宽调制。脉宽调整器5中包含一个脉冲展宽器14和一个脉冲压缩器15，分别用于对激发光光束进行展宽和压缩(优选的展宽倍数为30，压缩倍数为0.5)。自脉宽调整器5输出的激发光光束经过聚焦透镜6聚焦为微米尺寸的光斑(优选的光斑直径为10μm)打在待测样品12表面。探测光光束经过半波片7，偏振方向旋转90度，再经过反射镜2进入光学延迟线8，光学延迟线8能够改变探测光在到达待测样品12表面之前所经过的路径的长度。完成延时的探测光光束经过反射镜2，由聚焦透镜6聚焦为微米尺寸的光斑(优选的光斑直径为5μm)打在待测样品12表面与激发光斑中心重合的位置。

自样品表面反射的探测光光束经过反射镜2，由偏振片9滤去样品表面漫反射的激发光成分后，进入探测器10完成光电转换。工控机11对光电探测器10输出的电信号按时序进行收集，转换成探测光延迟时间的函数，并对其进行回声信号的提取及分析。工控机11依据分析结果，控制脉宽调整器10处于展宽或压缩状态。

实际操作中，若脉宽调整器原本处于如图3所示的脉冲压缩状态，并接收到来自工控机11的展宽指令，上下两个旋转位移台13会在电机驱动下分别逆时针和顺时针旋转90度，固定在上部的旋转位移台13上的反射镜2以及固定在下部的旋转位移台13上的反射镜2也会随之旋转至图2中所示的位置，从而切换为脉冲展宽状态；若脉宽调整器原本处于如图2所示的脉冲展宽状态，并接收到来自工控机11的压缩指令，上下两个旋转位移台13会在电机驱动下分别顺时针和逆时针旋转90度，固定在上部的旋转位移台13上的反射镜2以及固定在下部的旋转位移台13上的反射镜2也会随之旋转至图3中所示的位置，从而切换为脉冲压缩状态；若脉宽调整器原本处于压缩状态，并接收到来自工控机11的压缩指令，此时电机不驱动，两个旋转位移台13不发生旋转，依然保持为图3中所示的位置。

在前述的基础上，本发明实施例涉及的一种适用于宽膜厚范围样品的激光超声测量方法如图4所示，包括如下步骤：

S1、正式开始测量前，图1中的脉宽调整器5处于脉冲压缩状态，也即图3所示的状态；

S2、通过调节样品台，使激发光斑和探测光斑对准待测样品12上的待测点，开始测量；

S3、经过脉宽调整器5脉冲压缩后的激发光光束，在金属膜样品12的近表面处激发出高频(GHz～THz)声信号，声信号在样品中传播，到达样品底部时会发生部分反射回到样品表面，引起自样品表面反射的探测光的幅值和相位变化；

S4、通过调节光学延迟线8，使光电探测器10接收不同延时下自样品表面反射的探测光光束，并将其转化为电信号；

S5、工控机11对光电探测器10的输出电信号进行存储，并将其转化为延迟时间的函数，并对其进行回声信号的提取及分析。优选的分析方式为，选定一个适用于后期信号处理的信号幅值最低值作为预设阈值，再将实际提取出的回声信号的幅值与预设阈值进行比较；

S6A、若实际提取出的回声信号的幅值小于预设阈值，则认为回声信号微弱；

S7A、工控机11向脉宽调整器5发出展宽指令，控制直流伺服电机驱动位于脉宽调整器内部的上下两个旋转位移台13分别逆时针和顺时针旋转90度至图2所示的脉冲展宽状态；

S8A、将光学延迟线8调节至初始状态，激发光光束经过脉宽调整器5脉冲低倍数展宽后，在样品12近表面处激发出衰减相对较小的较低频率(MHz～GHz)的声信号，重新开始测量；

S6B、若实际提取出的回声信号的幅值大于或等于预设阈值，则认为回声信号明显；

S7B、工控机11向脉宽调整器5发出压缩指令，此时电机不驱动，旋转位移台13不发生旋转，保持图3所示的脉冲压缩状态；

S8B、保留先前的测量数据，光学延迟线8继续增大延时，完成后续的测量；

S9、测量结束后，工控机11向脉宽调整器5发出压缩指令，使其保持或恢复至图3所示的脉冲压缩状态。

在不使用本发明的情况下，利用激发光脉宽固定的激光超声技术对较厚的单层膜样品进行测量，假设此时激发光的脉宽较窄，激发出频率过高的超声信号，在样品中传播时大幅衰减，以致于自样品底部反射至样品表面的回声强度微弱，最终得到类似图5所示的测量信号时域曲线。在使用本发明后，由于原本的回声信号过于微弱，激发光的脉宽会被低倍数展宽，最终得到如图6所示的测量信号时域曲线，其中的回声信号相较于图5虽略有展宽，但幅值更大、更加明显，更有利于后续的处理。

在不使用本发明的情况下，利用激发光脉宽固定的激光超声技术对较薄的单层膜样品进行测量，假设此时激发光的脉宽较宽(或由测量装置中光学元件的群延迟色散导致)，激发出频率相对较低的超声信号，在薄膜中传播时衰减程度不大，最终得到类似图7所示的测量信号时域曲线，其中回声信号明显但脉宽较大。在使用本发明后，激发光的脉宽会始终保持压缩状态，得到如图8所示的测量信号时域曲线，其中的回声信号相较于图7幅值虽略有下降，但脉宽更小，从而提高了测量的空间分辨率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于宽膜厚范围样品的激光超声测量系统，其特征在于，该系统包括脉冲激光器（1）、泵浦探测单元、脉宽调整器（5）、探测器（10）和工控机（11），其中：

所述脉冲激光器（1）和所述泵浦探测单元连接，所述脉冲激光器（1）发出脉冲激光，所述泵浦探测单元中的分束器（3）将所述脉冲激光分为激发光光束和探测光光束；所述激发光光束经过所述脉宽调整器（5）照射在待测样品（12）表面并激发出超声信号，该超声信号在待测样品（12）中纵向传播产生回声信号；所述探测光光束经过所述泵浦探测单元中的光学延迟线（8），形成与所述激发光光束存在延时的探测光，该探测光被待测样品（12）反射，在所述回声信号的作用下，该探测光的反射光的幅值和相位发生变化；

所述探测器（10）用于接收不同延时下待测样品（12）反射的探测光，并将其转换为电信号，所述工控机（11）同时与所述探测器（10）和脉宽调整器（5）连接，该脉宽调整器（5）的初始状态为脉冲压缩状态，该工控机（11）接收来自所述探测器（10）转换的电信号并提取其中的回声信号，当该回声信号的强度小于预设阈值时，调整所述脉宽调整器（5）至脉冲展宽状态，以此展宽所述激发光光束的脉冲宽度；当该回声信号的强度大于或等于预设阈值时，保持所述脉宽调整器（5）当前脉冲压缩状态，以此压缩所述激发光光束的脉冲宽度，以此实现对激发光脉冲宽度的选择控制，进而实现对不同膜厚样品灵活的激光超声测量；

所述脉宽调整器（5）包括脉冲展宽光路和脉冲压缩光路，两条光路之间通过光路切换机构进行切换，其中，所述脉冲展宽光路中设置有脉冲展宽器（14），所述脉冲压缩光路中设置有脉冲压缩器（15）。

2.如权利要求1所述的一种适用于宽膜厚范围样品的激光超声测量系统，其特征在于，所述脉冲展宽光路和脉冲压缩光路对称分布在所述光路切换机构的两侧，所述光路切换机构包括旋转位移台（13）和反射镜（2），所述旋转位移台（13）用于改变所述反射镜（2）的角度，以此改变光路的传播方向，所述脉冲展宽光路和脉冲压缩光路中均设置有反射镜（2），通过反射镜（2）与所述光路切换机构的配合，实现脉冲展宽光路和脉冲压缩光路的切换。

3.如权利要求1或2所述的一种适用于宽膜厚范围样品的激光超声测量系统，其特征在于，所述泵浦探测单元中探测光照射在待测样品（12）之前设置有半波片（7），用于将探测光的偏振方向旋转90度，使其与激发光偏振态正交；所述探测器（10）与待测样品（12）之间还设置有透过方向与探测光偏振方向一致的偏振片（9），用于过滤待测样品（12）表面漫反射的激发光。

4.如权利要求1或2所述的一种适用于宽膜厚范围样品的激光超声测量系统，其特征在于，所述脉宽调整器（5）与待测样品（12）之间，以及所述泵浦探测单元中探测光照射在待测样品（12）之前均设置有聚焦透镜（6），分别用于将照射在待测样品（12）表面的激发光和探测光聚集。

5.如权利要求1或2所述的一种适用于宽膜厚范围样品的激光超声测量系统，其特征在于，所述泵浦探测单元中的分束器（3）与所述脉宽调整器（5）之间设置有光调制器（4），用于对激发光进行幅度或频率调制。

6.如权利要求1或2所述的一种适用于宽膜厚范围样品的激光超声测量系统，其特征在于，所述待测样品（12）的厚度范围为10nm~50μm。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述的激光超声测量系统进行激光超声测量的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1 调整脉宽调整器至脉冲压缩状态，将待测样品放置在样品台，调整其位置，打开脉冲激光器，使得激发光和探测光的光斑照射在待测样品的待测点处；

S2 开始测量，激发光和探测光均照射在待测样品表面，调节光学延迟线，使探测器采集不同延时下的探测光的反射光，并将其转换为电信号反馈给工控机，工控机提取电信号时域曲线中的回声信号，并判断该回声信号的强度与预设阈值的关系，根据判断的结果调整所述脉宽调整器；

S3 测量结束，调整脉宽调整器的状态使其恢复初始的脉冲压缩状态。

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