CN1137371C - 短脉冲激光超声精确测厚方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短脉冲激光超声精确测厚方法及装置，测厚方法是利用超快的短脉冲激光束在待测样品前表面激发声波，声波传到后表面时，引起样品后表面发生形变，另一束从样品后表面反射的探测光会由于这次形变而发生第一次偏转；声脉冲到达后表面后又从后表面向前表面反射，再从前表面反射回后表面，完成一个反射周期，这时探测光就会探测到时间上有一定延迟的第二次偏转；两次偏转的时间差乘以声波在样品中的传播速度，再除以二就是样品的厚度。实现测厚方法的测厚装置由光源、分光系统、聚焦系统和接收系统组成。用本发明的方法和装置可以对非常薄的单层样品的厚度，以及厚度的差值进行测量。

Description

短脉冲激光超声精确测厚方法及装置

技术领域：本发明属于精密测量技术领域，尤其是一种对尺寸较小的器件进行精密测量的方法和装置。

背景技术：当前高科技领域内各种器件的尺寸越来越小，从而在技术上需要进行具有越来越高的精确度的监控。在这些监控中，样品厚度的精密测量占据了非常重要的地位。近年来在微电子工业里广泛使用的PULSE方法，是一种皮秒超声波激光声纳技术，它被用来测量单层或多层的金属膜的厚度，测量范围从20纳米到5微米不等。但是这种技术的缺点是，待测样品的表面至少有一层镀层，从而才能够使得光激发的声脉冲能从两种不同介质的分界面反射回来，反射的声波被仪器记录下来，得到厚度的数据。因此，这种方法不能够对单层的样品尤其是半导体等材料进行测厚。

发明内容：本发明的目的是提供一种不需在样品表面镀层，可以对单层待测样品进行精确测厚的技术。

本发明的短脉冲激光超声精确测厚方法是利用超快的短脉冲激光束在样品前表面激发声波，声波传到样品后表面时，引起样品后表面发生形变，另一束从样品后表面反射的探测光会由于这次形变而发生第一次角度偏转；声脉冲到达后表面后又从后表面向前表面反射，再从前表面反射回后表面，完成一个反射周期，这时探测光就会探测到时间上有一定延迟的第二次角度偏转；两次角度偏转的时间差乘以声波在样品中的传播速度，再除以二就是样品的厚度。

所述激光脉冲经过高频的电光或者声光调制器调制在MHz的频段内。

实现上述测厚方法的测厚装置由以下几个部分组成：

(一)光源：采用脉冲激光器；

(二)分光系统：将光源提供的光束分成泵浦光和探测光两路光束；

(三)聚焦系统：将泵浦光和探测光两路光束分别聚在样品的前后表面，泵浦光在前表面激发超快的声波，声波传递到样品的后表面，可引起后表面的微小形变，同时从后表面作镜像反射的探测光会由于这个形变的出现，而发生微小的角度偏转；

(四)接收系统：由一个光电位敏探测器和信号处理系统组成，光电位敏探测器是一个对光束的微小的移动进行记录的光电器件，当探测光从样品的后表面反射时，在后表面没有形变时，我们将反射的光束对准位敏探测器的中心，这时从位敏探测器输出的信号为零，当形变产生时，探测光会由于反射面的倾斜发生微小的角度偏转，这个微小的偏转角度与后表面由于声脉冲到达引起的形变成正比；同时，光束偏转对于位敏探测器而言，就是光斑在其表面微小的移动，该移动会使得位敏探测器产生一定的光电流，光电流输出到信号处理系统，就可以得到关于表面形变大小的信息。通过调节泵浦光和探测光的相对时间延迟，我们可以记录后表面由于声脉冲到达而产生形变的整个过程，也就是记录一个完整的声波的波形。声波波形可以用来对第一次声波到达样品后表面和第二次声波到达样品后表面的时间差进行非常精确的处理，从而得到样品厚度的参数。

所述装置还包括一个高频的电光或者声光调制器，用于将光源提供的光束调制在MHz的频段内。

用本发明的方法和装置可以对非常薄的单层样品的厚度，以及厚度的差值进行测量，比如一片样品的表面有不同的起伏，意味着声脉冲通过的时间会有差异，这个差异可以很准确的记录下来。

用本发明的方法和装置在厚度为100微米的单晶锗上进行了测试，当实验样品的厚度分别为114微米和114.5微米时，得到两条曲线，其峰值的时间差，就是声脉冲通过不同厚度的时间延迟，实验结果和理论计算符合的非常好。

这种方法很简单，容易实施，而且对样品的厚度测量是无接触式的，无需再对样品进行加工(如PULSE方法中在样品的表面镀层)，适用的范围很广泛，可以对各种固体材料的厚度进行测量。另外可以使用高频的电光或是声光调制器，把激光束调制在MHz的频段内，这个频段内激光束带来的噪声会大大降低，降低到散粒噪声的水平，此时由于实验平台等引起的机械噪声、激光束在空间的抖动引起的噪声等都可以有效地消除。所以这种高频调制可以大幅度地提高实验测量的信噪比，这就意味着我们可以测量到更加微小的样品厚度差异，测量样品厚度时可以达到更高的精确度。

附图说明：

图1为本发明的测厚装置的结构示意图

1-钛蓝宝石飞秒激光器；2-激光束；3-分光镜；4-泵浦光；5-探测光；6，7-平面镜；8，11-棱镜；9-数字延迟线；10-斩波盘；12，14，15-凸透镜；13-实验样品；16-位敏探测器；17-锁相放大器。

图2为锁相放大器获得一个反射周期的声波波形示意图。

图中，T1为激光脉冲在样品前表面激发的声波传到后表面时锁相放大器提取的第一个声波的波峰的时间；T2为第一个声波从后表面向前表面反射后再从前表面反射回后表面时锁相放大器提取的第二个声波的波峰的时间。

实施例：

如图1所示，光源采用钛蓝宝石飞秒激光器1，其输出波长为830nm(纳米)，脉宽为120fs(飞秒)的激光束2，激光的平均功率为1W，经过分光镜3分成泵浦光4和探测光5两路，泵浦光4经过一个数字延迟线，然后由一个机械斩波盘10以1200Hz的频率斩波，由一个焦距为10cm的凸透镜12聚焦到实验样品13的前表面，探测光5由一个焦距为6cm的凸透镜14聚焦到后表面，由于泵浦光4作用在实验样品13前表面激发超快的声波，该声波传到后表面时，引起表面的瞬间形变，探测光5会有微小的角度偏转，这个偏转被位敏探测器(PSD)16记录下来，位敏探测器16产生一定的光电流，光电流输出到锁相放大器17，锁相放大器17具有探测微弱信号的特性，可以从非常复杂的波形中提取所需的调制在一定频率(在我们的实验里为1200Hz)的信号，得到表面形变大小随时间变化的过程，即一个声波的波形。当声波从后表面反射到前表面再由前表面反射回后表面时，锁向放大器17再次获得一个声波的波形，从而得到一个反射周期的声波波形(如图2所示)。然后对所得的波形的时间差(T2减T1)进行分析，可以得知样品的厚度，或是厚度的差值，即声波在实验样品13中的传播速度×(T2-T1)÷2。

用这套系统在厚度为100μm的单晶锗上进行了测试，当实验样品的厚度分别为114μm和114.5μm时，得到两条曲线，其峰值的时间差，就是声脉冲通过不同厚度的时间延迟，实验结果和理论计算符合的非常好。

Claims (4)

1.短脉冲激光超声精确测厚方法，其特征是利用超快的短脉冲激光束在待测样品前表面激发声波，声波传到样品后表面时，引起样品后表面发生形变，另一束从样品后表面反射的探测光会由于这次形变而发生第一次角度偏转；声脉冲到达后表面后又从后表面向前表面反射，再从前表面反射回后表面，完成一个反射周期，这时探测光就会探测到时间上有一定延迟的第二次角度偏转；两次角度偏转的时间差乘以声波在样品中的传播速度，再除以二就是样品的厚度。

2.如权利要求1所述的短脉冲激光超声精确测厚方法，其特征在于所述激光脉冲经过高频的电光或者声光调制器调制在MHz的频段内。

3.一种实现如权利要求1所述的短脉冲激光超声精确测厚方法的装置，由以下几个部分组成：

(一)光源：采用脉冲激光器；

(二)分光系统：将光源提供的光束分成泵浦光和探测光两路光束；

(三)聚焦系统：将泵浦光和探测光两路光束分别聚在待测样品的前后表面，泵浦光在前表面激发超快的声波，声波传递到样品的后表面，可引起后表面的微小形变，同时从后表面作镜像反射的探测光会由于这个形变的出现，而发生微小的角度偏转；

(四)接收系统：由一个光电位敏探测器和信号处理系统组成，光电位敏探测器对探测光的微小角度偏转进行记录并产生一定的光电流，光电流输出到信号处理系统，得到关于样品表面形变大小的信息，通过调节泵浦光和探测光的相对时间延迟，信号处理系统记录后表面由于声脉冲到达而产生形变的整个过程，也就是记录一个完整的声波的波形，声波波形可以用来对声波连续两次到达样品后表面的时间差进行非常精确的处理，从而计算出样品厚度。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于所述装置还包括一个将光源提供的光束调制在MHz的频段内的高频电光或者声光调制器。

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