CN114127539A - 无损检测及制造计量系统和方法 - Google Patents

Abstract

通过无损系统和方法测量或检测样本。多个光脉冲从光源发射。这些光脉冲被分离成泵浦脉冲和探测脉冲。第一探测脉冲在第一泵浦脉冲到达样本的表面之后的第一持续时间之后到达该表面。第二泵浦脉冲在该第一探测脉冲之后的持续时间之后到达该表面。当该第二泵浦脉冲反射出该样本时，该第二泵浦脉冲可被由该第一探测脉冲生成的声波改变。可分析所反射的第二泵浦脉冲以确定该样本的特性。

Description

无损检测及制造计量系统和方法

本申请作为于2020年5月22日提交的PCT国际申请并且要求于2019年5月23日提交的美国临时申请号62/851,929和于2019年5月23日提交的美国临时申请号62/851,905的优先权的权益，这两个临时申请全文以引用方式并入。

背景技术

检测和测量材料或产品以帮助确保那些产品的质量是在制造中有用的步骤。对于包括不易测量的微观元件的半导体晶圆或类似产品也是如此。计量系统先前已用于测量此类晶圆。改进那些计量系统(包括功率消耗、吞吐量和性能)是有利的。

相对于这些和其他一般考虑，已作出本文所公开的方面。另外，尽管可讨论相对具体的问题，但应当理解，这些示例不应受到解决背景技术中或本公开中的其他地方所识别的具体问题的限制。

发明内容

本公开的示例描述了用于测量、检测以及制造半导体、金属膜和需要微观测量技术的其他样本的系统和方法。在一方面，该技术涉及一种通过切换与泵浦光束和探测光束相关联的功能来通过光声计量表征样本的方法，其中第一泵浦脉冲在样本中生成第一声波。该方法包括通过在从第一泵浦脉冲起的第一持续时间之后将第一探测脉冲引导到样本的表面来生成第二声波，其中第一探测脉冲反射出该样本。该方法还包括在第一探测脉冲反射出该样本的表面之后的第二持续时间之后，将第二泵浦脉冲引导到该样本的表面，其中第二泵浦脉冲反射出该样本并且被第二声波改变。该方法也包括使用经反射的第二泵浦脉冲确定样本的第一特性。

在一个示例中，第一持续时间少于第二持续时间。在另一个示例中，该方法还包括基于第一探测脉冲确定在第一深度处的样本的第二特性，其中第一特性在第二深度处，并且第二深度大于第一深度。在又一个示例中，该方法还包括基于调节延迟阶段改变延迟。在再一个示例中，第二泵浦脉冲具有第一偏振并且第一探测脉冲具有第二偏振。在再一个示例中，该方法包括将第三泵浦脉冲和第三探测脉冲引导到样本上的与第一泵浦脉冲和第二探测脉冲被引导的位置不同的位置。在另一个示例中，第三泵浦脉冲是从第一泵浦脉冲分离出来的次级泵浦脉冲，并且第三探测脉冲是从第一探测脉冲分离出来的次级探测脉冲。

在另一方面，该技术涉及一种通过切换与泵浦光束和探测光束相关联的功能来通过光声计量表征样本的方法。该方法包括将第一泵浦脉冲引导朝向样本的表面，其中该第一泵浦脉冲在样本的本体中生成第一声波，以及将第一探测脉冲引导朝向样本的表面，其中该第一探测脉冲在样本的本体中生成第二声波。该方法也包括将第二泵浦脉冲引导朝向样本的表面，其中当第二泵浦脉冲从该样本的表面反射时，第二泵浦脉冲被第二声波改变以产生经反射的第二泵浦脉冲。该方法也包括基于所检测到的经反射的第二泵浦脉冲确定在第一深度处的样本的第一特性。

在一个示例中，该方法也包括检测经反射的第一探测脉冲，并且基于所检测到的经反射的第一探测脉冲确定在第二深度处的样本的第二特性。在另一个示例中，到达表面的第一泵浦脉冲和到达表面的第一探测脉冲之间的持续时间少于到达表面的第一探测脉冲和到达表面的第二泵浦脉冲之间的持续时间。在又一个示例中，第一深度大于第二深度。在另一个示例中，第一探测脉冲穿过可变延迟阶段并且该方法包括进一步的操作。例如，该方法也包括增加可变延迟阶段的长度；在增加可变延迟阶段的长度之后，将第三泵浦脉冲引导到表面，其中第三泵浦脉冲在样本中生成第三声波；将第二探测脉冲引导穿过可变延迟阶段并朝向样本的表面，其中：当第二探测脉冲从该样本的表面反射时，第二探测脉冲被第三声波改变以产生经反射的第二探测脉冲；第二探测脉冲在样本的本体中生成第四声波。该方法也可包括检测经反射的第二探测脉冲；以及基于所检测到的经反射的第二探测脉冲确定在第三深度处的样本的第三特性，其中第三深度大于第二深度。

在另一个示例中，该方法还包括将第四泵浦脉冲引导朝向样本的表面，其中当第四泵浦脉冲从样本的表面反射时，第四泵浦脉冲被第四声波改变以产生经反射的第四泵浦脉冲；以及基于所检测到的经反射的第四泵浦脉冲确定在第四深度处的样本的第四特性，第四深度小于第一深度。在又一个示例中，第一探测脉冲具有第一偏振并且第二泵浦脉冲具有第二偏振。在再一个示例中，第一泵浦脉冲和第二泵浦脉冲为泵浦光束的部分。

在另一方面，该技术涉及一种用于通过切换与泵浦光束和探测光束相关联的功能来通过光声计量表征样本的系统，其中第一泵浦脉冲在样本中生成第一声波。该系统包括用于通过在从第一泵浦脉冲起的第一持续时间之后将第一探测脉冲引导到样本的表面来生成第二声波的装置，其中第一探测脉冲反射出该样本；用于在第一探测脉冲反射出样本的表面之后的第二持续时间之后将第二泵浦脉冲引导到样本的表面的装置，其中第二泵浦脉冲反射出样本并且被第二声波改变；以及用于使用经反射的第二泵浦脉冲确定样本的第一特性的装置。

在一个示例中，第一持续时间少于第二持续时间。在另一个示例中，第二泵浦脉冲具有第一偏振并且第一探测脉冲具有第二偏振。在又一个示例中，该系统也包括用于使用经反射的第一探测脉冲生成样本的第二特性的装置。在再一个示例中，第一特性对应于第一深度并且第二特性对应于第二深度，第一深度大于第二深度。

在另一方面，该技术涉及一种方法，该方法包括从光源发射光脉冲；将该光脉冲分离成泵浦脉冲和探测脉冲；将该探测脉冲分离成初级探测脉冲和次级探测脉冲；以及将该泵浦脉冲引导到样本上的测量点。该方法还包括将该初级探测脉冲和该次级探测脉冲引导到样本上的测量点，使得：该初级探测脉冲在该泵浦脉冲的至少一部分到达该测量点之后到达该测量点；并且该次级探测脉冲在该初级探测脉冲到达该测量点之后到达该测量点。在一个示例中，该方法还包括在初级探测脉冲已从测量点反射之后检测该初级探测脉冲；以及在次级探测脉冲已从测量点反射之后检测该次级探测脉冲。在另一个示例中，该方法还包括分析所检测到的初级探测脉冲和次级探测脉冲；基于对所检测到的初级探测脉冲和次级探测脉冲的分析，批准该样本用于附加制造步骤；以及基于该样本的批准，执行这些附加制造步骤中的一个或多个附加制造步骤。在再一个示例中，该方法还包括将泵浦脉冲分离成初级泵浦脉冲和次级泵浦脉冲。在再一个示例中，将该泵浦脉冲引导到测量点包括将初级泵浦脉冲和次级泵浦脉冲引导到测量点。在再一个示例中，初级泵浦脉冲在初级探测脉冲之前到达测量点，并且次级泵浦脉冲在次级探测脉冲之前到达测量点。

在另一个示例中，该方法还包括在分离泵浦脉冲之前调制该泵浦脉冲。在再一个示例中，初级泵浦脉冲具有与次级泵浦脉冲的偏振不同的偏振。在再一个示例中，该方法还包括在分离探测脉冲之前调制该探测脉冲。在再一个示例中，初级探测脉冲以第一方位角被引导朝向测量点并且次级探测脉冲以第二方位角被引导朝向测量点。在另一个示例中，初级探测脉冲在泵浦脉冲到达测量点之后少于9纳秒到达测量点；并且次级探测脉冲在泵浦脉冲到达测量点之后至少9纳秒到达测量点。

在另一方面，该技术涉及一种系统，该系统包括：光源，该光源被配置为发射光脉冲；第一分束器，该第一分束器被定位成将光脉冲分离成泵浦脉冲和探测脉冲；和第二分束器，该第二分束器被定位在探测脉冲的光束路径中，以将该探测脉冲分离成初级探测脉冲和次级探测脉冲。该系统还包括至少一个反射镜，该至少一个反射镜被定位在该次级探测脉冲的光束路径中，以使得该次级探测脉冲的光束路径长度长于该初级探测脉冲的光束路径长度；和一个或多个聚焦光学器件，该一个或多个聚焦光学器件被定位成将该泵浦脉冲、该初级探测脉冲和该次级探测脉冲引导到样本上的测量点。在一个示例中，该系统还包括光学调制器，该光学调制器被定位在该探测脉冲的光束路径中并且在第一分束器和第二分束器之间，其中探测光束光学调制器被配置为调制该探测脉冲。在另一个示例中，该系统还包括一个或多个检测器，其中该一个或多个检测器被定位成在初级探测脉冲和次级探测脉冲已反射出样本之后接收该初级探测脉冲和该次级探测脉冲。在再一个示例中，该系统也包括泵浦光束光学调制器，该泵浦光束光学调制器被定位在泵浦脉冲的光束路径中，其中该泵浦光束光学调制器被配置为调制泵浦脉冲。在再一个示例中，该系统还包括第三分束器，该第三分束器被定位在泵浦脉冲的光束路径中，以将该泵浦脉冲分离成初级泵浦脉冲和次级泵浦脉冲。在再一个示例中，该系统还包括半波片，该半波片被定位在第三分束器和这些聚焦光学器件之间，在初级泵浦脉冲或次级泵浦脉冲的光束路径中的至少一者中。

在另一个示例中，该系统还包括可调节延迟阶段，该可调节延迟阶段被定位在第一分束器和第二分束器之间，被配置为增加探测脉冲的光束路径长度，其中该可调节延迟阶段包括至少三个回射器。在再一个示例中，泵浦脉冲的光束路径长度和次级探测脉冲的光束路径长度之间的差值被配置为导致次级探测脉冲在泵浦脉冲到达测量点之后至少9纳秒到达测量点。在再一个示例中，泵浦脉冲的光束路径长度和初级探测脉冲的光束路径长度之间的差值被配置为导致初级探测脉冲在泵浦脉冲到达测量点之后少于9纳秒到达测量点。

在另一方面，该技术涉及一种用于制造的方法。该方法包括从光源发射光脉冲；将该光脉冲分离成泵浦脉冲和探测脉冲；将该泵浦脉冲分离成初级泵浦脉冲和次级泵浦脉冲；以及将该探测脉冲分离成初级探测脉冲和次级探测脉冲。该方法还包括将初级泵浦脉冲和初级探测脉冲引导到样本上的第一测量点；以及将次级泵浦脉冲和次级探测脉冲引导到样本上的第二测量点。在一个示例中，该方法还包括在初级探测脉冲已从第一测量点反射之后检测该初级探测脉冲；以及在次级探测脉冲已从第二测量点反射之后检测该次级探测脉冲。在另一个示例中，该方法还包括分析所检测到的初级探测脉冲和次级探测脉冲；基于对所检测到的初级探测脉冲和次级探测脉冲的分析，批准该样本用于附加制造步骤；以及基于该样本的批准，执行这些附加制造步骤中的一个或多个附加制造步骤。在再一个示例中，该方法还包括分析第一信号，该第一信号对应于所检测到的初级探测脉冲；基于对第一信号的分析，确定在第一测量点处的样本的层的厚度；分析第二信号，该第二信号对应于所检测到的次级探测脉冲；以及基于对第二信号的分析，确定在第二测量点处的样本的层的厚度。在再一个示例中，初级泵浦脉冲具有与次级泵浦脉冲的偏振不同的偏振。在再一个示例中，初级探测脉冲具有与次级探测脉冲的偏振不同的偏振。

在另一个示例中，初级探测脉冲具有与次级泵浦脉冲相同的偏振。在再一个示例中，该方法还包括在分离泵浦脉冲之前，利用第一光学调制器调制泵浦脉冲；以及在分离探测脉冲之前，利用第二光学调制器调制探测脉冲，其中以与探测脉冲不同的频率调制泵浦脉冲。在再一个示例中，将初级泵浦脉冲和初级探测脉冲引导到第一测量点包括将该初级泵浦脉冲或该初级探测脉冲中的至少一者引导穿过一根或多根光纤。在再一个示例中，将次级泵浦脉冲和次级探测脉冲引导到第二测量点包括将该次级泵浦脉冲或该次级探测脉冲中的至少一者引导穿过一根或多根光纤。在另一个示例中，光源为激光器。

在另一方面，该技术涉及一种系统，该系统包括：光源，该光源被配置为发射光脉冲；第一分束器，该第一分束器被定位成将光脉冲分离成泵浦脉冲和探测脉冲；第二分束器，该第二分束器被定位在探测脉冲的光束路径中，以将该探测脉冲分离成初级探测脉冲和次级探测脉冲；和第三分束器，该第三分束器被定位在泵浦脉冲的光束路径中，以将该泵浦脉冲分离成初级泵浦脉冲和次级泵浦脉冲。该系统也包括一个或多个聚焦光学器件，该一个或多个聚焦光学器件被定位成：将初级泵浦脉冲和初级探测脉冲引导到样本上的第一测量点；以及将次级泵浦脉冲和次级探测脉冲引导到样本上的第二测量点。在一个示例中，该系统还包括一个或多个检测器，其中该一个或多个检测器被定位成在初级探测脉冲和次级探测脉冲已反射出样本之后接收该初级探测脉冲和该次级探测脉冲。在另一个示例中，该系统还包括至少一个处理器；和操作地连接到该至少一个处理器的存储器，该存储器存储指令，这些指令在被该至少一个处理器执行时使得该系统执行一组操作。该组操作包括分析来自该一个或多个检测器的第一信号，该第一信号对应于经反射的初级探测脉冲；基于对该第一信号的分析，确定在第一测量点处的样本的层的厚度；分析来自该一个或多个检测器的第二信号，该第二信号对应于经反射的次级探测脉冲；以及基于对该第二信号的分析，确定在第二测量点处的样本的层的厚度。

在另一个示例中，初级泵浦脉冲具有与次级泵浦脉冲的偏振不同的偏振。在再一个示例中，初级探测脉冲具有与次级探测脉冲的偏振不同的偏振。在再一个示例中，初级探测脉冲具有与次级泵浦脉冲相同的偏振。在再一个示例中，该系统还包括第一光纤，该第一光纤被定位成接收次级泵浦脉冲，该第一光纤被配置为将该次级泵浦脉冲引导到第二测量点；和第二光纤，该第二光纤被定位成接收次级探测脉冲，该第二光纤被配置为将该次级探测脉冲引导到第二测量点。在另一个示例中，该系统还包括第一光学调制器，该第一光学调制器被定位在第一分束器和第三分束器之间，该第一光学调制器被配置为调制泵浦脉冲。在再一个示例中，该系统还包括第二光学调制器，该第二光学调制器被定位在第一分束器和第二分束器之间，该第二光学调制器被配置为以与泵浦脉冲不同的频率调制探测脉冲。

在另一方面，该技术涉及一种方法，该方法包括将泵浦脉冲引导到样本的测量点，其中该样本的测量点包括突伸出样本的表面的支柱，该支柱具有第一材料的第一层和第二材料的第二层；将探测脉冲引导到样本的测量点；在探测脉冲已从样本上的测量点反射之后检测该探测脉冲；分析所检测到的探测脉冲的特性以确定第一层的内部深度；在测量点处测量支柱的外部高度；以及确定支柱的测量高度和第一层的内部深度之间的差值，以确定在样本的表面上方的第二层的厚度。在一个示例中，使用光学干涉测量系统执行支柱的外部高度的测量。在另一个示例中，使用机械测量系统执行支柱的外部高度的测量。在再一个示例中，使用声纳测量系统执行支柱的外部高度的测量。在再一个示例中，支柱的外部高度的测量包括：朝向样本的表面发射第一电磁波脉冲；在第一电磁波脉冲已从样本的表面反射之后检测该第一电磁波脉冲；基于发射第一电磁波和检测到第一电磁波之间的时间，确定第一距离；朝向支柱的顶部发射第二电磁波脉冲；在第二电磁波脉冲已从支柱的顶部反射之后检测该第二电磁波脉冲；基于发射第二电磁波和检测到第二电磁波之间的时间，确定到支柱的顶部的第二距离；以及确定第一距离和第二距离之间的差值以确定在表面上方的支柱的外部高度。

在另一个示例中，支柱的外部高度的测量包括：朝向样本的表面发射第一压力波；在第一压力波已从样本的表面反射之后检测该第一压力波；基于发射第一压力波和检测到第一压力波之间的时间，确定第一距离；朝向支柱的顶部发射第二压力波；在第二压力波已从支柱的顶部反射之后检测该第二压力波；基于发射第二压力波和检测到第二压力波之间的时间，确定到支柱的顶部的第二距离；以及确定第一距离和第二距离之间的差值以确定在表面上方的支柱的外部高度。在再一个示例中，第一材料为锡-银(SnAg)并且第二材料为铜(Cu)。

提供本发明内容是为了以简化的形式引入一系列概念，这些概念将在下文的具体实施方式中进一步描述。本发明内容并非旨在确定要求保护的主题的关键特征或基本特征，也并非旨在用于限制要求保护的主题的范围。示例的附加方面、特征和/或优点将部分地在下面的描述中列出，并且部分地将从描述中显而易见，或者可通过实践本公开而获知。

附图说明

参考以下附图描述非限制性和非穷举性示例。

图1A描绘了用于检测样本的示例性计量系统的一部分。

图1B描绘了图1A所描绘的示例性计量系统的示意图。

图2A描绘了用于检测样本的另一个示例性计量系统。

图2B描绘了用于检测样本的另一个示例性计量系统。

图2C描绘了用于检测样本的示例性计量系统的一部分。

图3A描绘了用于检测样本的另一个示例性计量系统。

图3B描绘了用于检测样本的另一个示例性计量系统。

图4描绘了用于分析信号的合适的操作环境的示例。

图5描绘了用于检测具有支柱的样本的示例性计量系统的一部分。

图6描绘了用于检测样本的示例性方法。

图7描绘了用于检测样本的另一个示例性方法。

图8描绘了用于检测具有支柱的样本的另一个示例性方法。

图9A为具有用于测量泵浦脉冲强度和探测脉冲强度的单个传感器的光声计量系统的示意图。

图9B为具有用于测量泵浦脉冲强度和探测脉冲强度的两个传感器的光声计量系统的示意图。

图10A为将图2a中所示的各种延迟阶段设置与样本中的测量深度相关联的示意图。

图10B为示出各种延迟阶段设置的图表。

图11示出了光声泵浦/探测脉冲的标准定时排序。

图12示出了根据本发明的实施方案的光声泵浦/探测脉冲的定时排序。

图13示出了用于控制光声计量系统的示例性方法。

图14A至图14B描绘了用于通过光声计量表征样本的示例性方法。

图15描绘了根据图14A至图14B所描绘的示例性方法的脉冲图案。

具体实施方式

计量系统可用于测量样本诸如半导体晶圆的微观特征。计量系统通常利用激光器来生成由一连串的光脉冲构成的光束。例如，可生成光泵浦脉冲和光探测脉冲。将泵浦脉冲引导到样本上的测量点并且当该泵浦脉冲到达样本时，生成在内部行进穿过样本的本体的声波。当声波遇到样本的层变化或样本的边缘时，该声波被朝向样本的表面反射回来。在泵浦脉冲到达样本之后，将探测脉冲引导到样本上的测量点。当探测脉冲到达测量点时，如果声波在从样本的层变化或样本的边缘反射之后已到达表面，则该探测脉冲受到该声波的影响。因此，在探测脉冲从测量点反射之后分析该探测脉冲提供了关于样本的信息，诸如样本的厚度。例如，泵浦脉冲和受到声波影响的探测脉冲之间的时间延迟指示声波行进穿过样本的本体的持续时间。根据已知的样本材料或样本中的特定层的声速，可从声音行进的时间确定样本或层的厚度。

然而，在计量系统中，泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟难以增加。例如，在一些计量系统中，将单个激光脉冲分离成泵浦脉冲和探测脉冲。在此类系统中，在泵浦脉冲之后延迟探测脉冲具有挑战性，并且可测量的最大厚度受到泵浦脉冲和探测脉冲之间的最大延迟的限制。本技术提供了改进，这些改进允许增加泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟，即使泵浦脉冲和探测脉冲两者从同一激光脉冲中生成。因此，可测量增加的厚度。

此外，本技术还提供了计量系统的更好性能。所改善的性能允许减少检测或测量时间并且提高测量的准确性。例如，本技术能够利用或回收在计量系统中先前受阻或浪费的光。通过利用先前受阻的光，可利用单个激光脉冲完成附加测量。例如，在一些示例中，可由单个激光脉冲实现多次测量单个测量点。因此，可更快地完成附加测量，因为可利用从激光器发射的每个光脉冲执行多次测量。

图1A描绘了用于测量或检测具有第一层131A和第二层131B的样本131的示例性计量系统100的一部分。在系统100中，泵浦脉冲沿着泵浦光束路径104行进并且被引导到测量点132。当泵浦脉冲到达测量点132时，生成在内部行进到样本131的本体中的声波120。声波120行进穿过样本131直到到达第一层131A和第二层131B之间的边界。在该边界处，声波120的一部分被朝向样本131的表面反射回来，如由经反射的声波120R所描绘的。另外，声波120的一部分继续穿过边界进入第二层131B中。当声波120到达样本131的边缘时，该声波被朝向样本131的表面反射回来。在泵浦脉冲到达测量点132之后，探测脉冲沿着探测光束路径106行进到测量点132。探测脉冲从测量点132反射并继续沿循探测光束路径106，直到该探测脉冲到达检测器153。如果经反射的声波120R在探测脉冲到达测量点132的大约同时已到达样本131的表面，则该探测脉冲受到经反射的声波120R的影响。当检测到经反射的探测脉冲时，可在由检测器153生成的信号中识别经反射的声波120R对探测脉冲的影响。

基于泵浦脉冲到达测量点132和探测脉冲到达测量点132之间的时间，可基于声波120的声速确定第一层131A的厚度(T1)和第二层131B的厚度(T2)。例如，第一层131A可由铝制成，并且铝中的声速为约64.1埃/皮秒

在此类示例中，在泵浦脉冲之后约9,300皮秒到达测量点132的探测脉冲中已看到声波120的影响的情况下，可确定第一层131A具有约29.8微米的厚度(T1)。可进行类似的测量和确定以确定第二层131B的厚度(T2)和/或样本131的总厚度(T1+T2)。

因为厚度确定基于泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟，所以增加该延迟允许测量具有增加的厚度的样本。在泵浦脉冲和探测脉冲从同一激光脉冲中生成的情况下，产生或延长延迟是一个挑战。本系统100提供了改进，这些改进允许通过在探测光束路径中结合延长的延迟阶段来增加泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟。

关于计量系统100的附加细节描绘在图1B中，该图描绘了计量系统100的示意图。在系统100中，光源101诸如激光器发射沿循光束路径102的光脉冲。第一分束器103位于光束路径102中。第一分束器103将从光源101发射的光脉冲分离成沿循泵浦光束路径104的泵浦脉冲和沿循探测光束路径106的探测脉冲。如本文所用，分束器为可将入射光束或脉冲分离成两个或更多个光束的光学设备。在示例中，这些分束器可为板式分束器或立方体分束器，诸如立方体偏振器。

泵浦脉冲沿循泵浦光束路径104并到达泵浦光束光学调制器105。泵浦光束光学调制器105调制泵浦脉冲。在一些示例中，泵浦光束光学调制器105调制泵浦脉冲。泵浦脉冲被调制的频率可在几兆赫(MHz)的范围内，诸如约5MHz或5.5MHz。也可利用其他频率。然后，所调制的泵浦脉冲继续沿循泵浦光束路径104并到达泵浦光束路径104中位于泵浦光束光学调制器105之后的泵浦分束器107。泵浦分束器107分离所调制的泵浦脉冲。泵浦脉冲的一部分沿着泵浦光束路径104继续，并且泵浦脉冲的剩余部分沿着浪费或受阻泵浦光路径108被引路到浪费或受阻泵浦光束转储109(也称为光子暂驻点)中。照此，来自泵浦脉冲的额外的光被浪费。如本文所用的光束转储是用于吸收光(诸如受阻泵浦脉冲)的光学元件。

泵浦脉冲的未受阻部分沿着泵浦光束路径104继续进入泵浦光束延迟阶段111中。泵浦光束延迟阶段111延长了泵浦光束路径104的长度并且因此增加了泵浦脉冲到达测量点的时间。然而，在一些示例中，可省略泵浦光束延迟阶段111。泵浦光束延迟阶段111包括第一泵浦光束延迟镜113、第二泵浦光束延迟镜115、泵浦光束延迟回射器117和第三泵浦光束延迟镜119。第一泵浦光束延迟镜113将泵浦脉冲引导到第二泵浦光束延迟镜115。第二泵浦光束延迟镜115将泵浦脉冲引导到泵浦光束延迟回射器117。泵浦光束延迟回射器117将泵浦脉冲引导回第二泵浦光束延迟镜115，该第二泵浦光束延迟镜将泵浦脉冲引导到第三泵浦光束延迟镜119。第三泵浦光束延迟镜119将泵浦脉冲引导到泵浦光束定向镜121。泵浦光束定向镜121将泵浦脉冲引导到定向镜123，该定向镜将泵浦脉冲引导到多个聚焦光学器件125。泵浦光束延迟阶段111的一些元件也可为可调节的。例如，泵浦光束延迟回射器117的位置可被调节为更靠近或更远离第二泵浦光束延迟镜115。例如，泵浦光束延迟回射器117可位于由电机、伺服和/或压电控制器以及其他可能的控制器控制的平台上。将泵浦光束延迟回射器117移动得更靠近第二泵浦光束延迟镜115缩短了泵浦光束脉冲的总路径长度，并且因此增加了泵浦光束脉冲和探测光束脉冲之间的延迟。相比之下，将泵浦光束延迟回射器117移动得更远离第二泵浦光束延迟镜115延长了泵浦光束脉冲的总路径长度，并且因此缩短了泵浦光束脉冲和探测光束脉冲之间的延迟。

聚焦光学器件125包括聚焦镜127、聚焦透镜129和高度检测系统133。聚焦光学器件125被定位成将探测脉冲引导并聚焦到样本131的测量点132上。在图1B所描绘的示例中，泵浦脉冲从定向镜123沿着泵浦光束路径104继续直到该泵浦脉冲到达聚焦镜127。聚焦镜127将泵浦脉冲引导穿过聚焦透镜129，该聚焦透镜将泵浦脉冲聚焦到测量点132。

泵浦脉冲到达测量点132，该泵浦脉冲生成行进穿过样本131的本体的声波120。泵浦脉冲还从测量点132反射并且经反射的泵浦脉冲可由检测器153或光束转储(未示出)捕获。在一些示例中，因为通常不分析经反射的泵浦脉冲，所以经反射的泵浦光束可由检测器153滤出或在到达检测器153之前滤出。

返回到上文中所讨论的第一分束器103，第一分束器103还将来自光源101的光脉冲分离成沿循探测光束路径106的探测脉冲。探测脉冲沿着探测光束路径106行进并且由探测光束定向镜135引导。探测光束定向镜135将探测脉冲引导到延长的探测光束延迟阶段137。

延长的探测光束延迟阶段137被配置为延长探测光束路径106的长度，并且因此产生泵浦脉冲到达测量点132的时间和探测脉冲到达测量点132的时间之间的延迟。延长的探测光束延迟阶段137产生探测光束路径106的异常长的延长，该延长为计量系统100提供了测量比先前可能的深度或厚度更大的深度或厚度的能力。延长的探测光束延迟阶段137包括将探测脉冲引导到第一探测光束延迟回射器141A的第一探测光束延迟镜139。第一探测光束延迟回射器141A将探测脉冲引导到第二探测光束延迟回射器141B，该第二探测光束延迟回射器将探测脉冲引导到第三探测光束延迟回射器141C，该第三探测光束延迟回射器将探测脉冲引导到第四探测光束延迟回射器141D。离开第四探测光束延迟回射器141D，探测脉冲穿过多个探测光束延迟回射器141返回。例如，第四探测光束延迟回射器141D将探测脉冲引导回第三探测光束延迟回射器141C，该第三探测光束延迟回射器将探测脉冲反射到第二探测光束延迟回射器141B，该第二探测光束延迟回射器将探测脉冲反射到第一探测光束延迟回射器141A。然后，第一探测光束延迟回射器141A将探测脉冲反射到第二探测光束延迟镜143。

延长的探测光束延迟阶段137也可为可调节的。例如，第一探测光束延迟回射器141A和第二探测光束延迟回射器141B可位于由电机、伺服和/或压电控制器以及其他可能的控制器控制的平台上。因此，第一探测光束延迟回射器141A和第三探测光束延迟回射器141C可被移动得更靠近第二探测光束延迟回射器141B和第四探测光束延迟回射器141D。将相应的探测光束延迟回射器141移动得更靠近或更远离彼此减少或增加了探测脉冲的总路径长度，这减少或增加了泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟。因此，如果期望特定的延迟时间，则该延迟时间可通过调整探测光束延迟回射器141的相对位置实现。在一个示例中，延迟可被配置为从零皮秒到9,300皮秒。

在所描绘的示例中，延长的探测光束延迟阶段137包括四个探测光束延迟回射器141以产生八通延迟阶段。在其他示例中，延长的探测光束延迟阶段137可包括多于四个探测光束延迟回射器141。例如，延长的探测光束延迟阶段137可包括八个探测光束延迟回射器141以产生十六通延迟阶段。

一旦探测脉冲从延长的探测光束延迟阶段137到达第二探测光束延迟镜143，第二探测光束延迟镜143就沿着探测光束路径106将探测脉冲引导到可选的探测光束光学调制器146。探测光束光学调制器146以与已被调制的泵浦光束光不同的频率调制探测脉冲。例如，探测光束光学调制器146可以与泵浦光束的调制频率不同数量级的频率调制探测脉冲。在一些示例中，可省略探测光束光学调制器146。然后，所调制的探测脉冲到达探测分束器147。探测分束器147分离探测脉冲，这允许探测脉冲的一部分沿着探测光束路径106继续并且探测脉冲的另一部分沿着浪费或受阻探测光路径110被引导到浪费或受阻探测光束转储149中。因此，探测脉冲的被引导沿着浪费或受阻探测光路径110的该另一部分被有效地浪费。

探测光脉冲的部分沿着探测光束路径106继续并穿过半波片150。半波片150改变初级探测脉冲的偏振，诸如通过将初级探测脉冲的偏振旋转90度。离开半波片150，探测脉冲沿着探测光束路径106继续并到达探测光束定向镜151。在计量系统100的一些示例中，可省略半波片150和探测分束器147。在此类示例中，探测脉冲可直接从延长的探测光束延迟阶段137行进到探测光束定向镜151。

探测光束定向镜151将探测脉冲引导到定向镜123，该定向镜将探测脉冲引导到聚焦光学器件125。聚焦光学器件125将探测脉冲聚焦到样本131的测量点132上。例如，聚焦镜127将探测脉冲引导穿过聚焦透镜129，该聚焦透镜将探测脉冲聚焦到测量点132上。然后，探测脉冲反射出样本131的表面到检测器153。检测器153在探测脉冲已从测量点132反射之后检测该探测脉冲。检测器153可将经反射的探测脉冲转换成电信号，该电信号可为数字格式或模拟格式。检测器153将信号传递到信号处理和分析系统154，在那里分析信号。信号处理和分析系统154能够基于从检测器153接收的电信号确定样本131的厚度。关于信号处理和分析系统154的合适的操作环境的附加细节在下文中参考图4进一步详细讨论。

通过利用图1A和图1B所描绘的示例性计量系统100，当泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟增加时，可实现增加的厚度测量。在图1B所描绘的示例中，示例性计量系统100能够实现泵浦脉冲和脉冲探测光束之间的至少9,300皮秒的延迟。利用此类延迟，可测量约30微米的厚度。下列表1标识了基于材料的不同类型的示例性计量系统100的厚度测量能力。

表1

更具体地，表1包括列1中的可在样本中形成层的材料类型的列表。第二列包括第一列中所列出的材料的对应声速。然后，第三列提供针对泵浦脉冲到达测量点132和探测脉冲到达测量点132之间的9,300皮秒的延迟的潜在厚度测量。

图2A描绘了用于测量或检测样本的另一个示例性计量系统200A。系统200A采集或回收在其他计量系统(诸如图1B所描绘的计量系统100)中浪费或受阻的探测光束光。例如，如上文中参考图1B所讨论的，探测分束器147将探测脉冲分离，使得探测脉冲的一部分沿循浪费或受阻探测光路径110并且被浪费或受阻探测光束转储149熄灭。图2A所描绘的示例性计量系统200A采集浪费的光以允许利用来自光源的单个光脉冲执行多次测量。

类似于上文中所讨论的示例性计量系统100，图2A所描绘的示例性计量系统200A包括发射沿着光束路径202行进的光脉冲的光源201，诸如激光器。第一分束器203位于光束路径202中。第一分束器203将从光源201发射的光脉冲分离成沿循泵浦光束路径204的泵浦脉冲和沿循探测光束路径206的泵浦脉冲。

泵浦脉冲沿循泵浦光束路径204并到达泵浦光束光学调制器205。泵浦光束光学调制器205调制泵浦脉冲。在一些示例中，泵浦光束光学调制器205调制泵浦脉冲。泵浦脉冲被调制的频率可在几兆赫(MHz)的范围内，诸如约5MHz或5.5MHz的频率。也可利用其他频率。然后，所调制的泵浦脉冲继续沿循泵浦光束路径204并到达泵浦光束路径204中位于泵浦光束光学调制器205之后的泵浦分束器207。泵浦分束器207分离所调制的泵浦脉冲。泵浦脉冲的一部分沿着泵浦光束路径204继续，并且泵浦脉冲的剩余部分沿着浪费或受阻泵浦光208被引路到浪费或受阻泵浦光束转储209(也称为光子暂驻点)中。照此，来自泵浦脉冲的额外的光被浪费。

泵浦脉冲的未浪费部分沿着泵浦光束路径204继续进入泵浦光束延迟阶段211中。泵浦光束延迟阶段211延长了泵浦光束路径204的长度并且因此增加了泵浦脉冲到达测量点的时间。然而，在一些示例中，可省略泵浦光束延迟阶段211。泵浦光束延迟阶段211包括第一泵浦光束延迟镜213、第二泵浦光束延迟镜215、泵浦光束延迟回射器217和第三泵浦光束延迟镜219。第一泵浦光束延迟镜213将泵浦脉冲引导到第二泵浦光束延迟镜215。第二泵浦光束延迟镜215将泵浦脉冲引导到泵浦光束延迟回射器217。泵浦光束延迟回射器217将泵浦脉冲引导回第二泵浦光束延迟镜215，该第二泵浦光束延迟镜将泵浦脉冲引导到第三泵浦光束延迟镜219。第三泵浦光束延迟镜219将泵浦脉冲引导到泵浦光束定向镜221。泵浦光束定向镜221将泵浦脉冲引导到定向镜223，该定向镜将泵浦脉冲引导到多个聚焦光学器件225。泵浦光束延迟阶段211的一些元件也可为可调节的。例如，泵浦光束延迟回射器217的位置可被调节为更靠近或更远离第二泵浦光束延迟镜215。例如，泵浦光束延迟回射器217可位于由电机、伺服和/或压电控制器以及其他可能的控制器控制的平台上。将泵浦光束延迟回射器217移动得更靠近第二泵浦光束延迟镜215缩短了泵浦光束脉冲的总路径长度，并且因此增加了泵浦光束脉冲和探测光束脉冲之间的延迟。相比之下，将泵浦光束延迟回射器217移动得更远离第二泵浦光束延迟镜215延长了泵浦光束脉冲的总路径长度，并且因此缩短了泵浦光束脉冲和探测光束脉冲之间的延迟。

聚焦光学器件225包括聚焦镜227、聚焦透镜229和高度检测系统233。聚焦光学器件225被定位成将探测脉冲引导并聚焦到样本231的测量点232上。在图2A所描绘的示例中，泵浦脉冲从定向镜223沿着泵浦光束路径204继续直到该泵浦脉冲到达聚焦镜227。聚焦镜227将泵浦脉冲引导穿过聚焦透镜229，该聚焦透镜将泵浦脉冲聚焦到测量点232。

泵浦脉冲到达测量点232，该泵浦脉冲生成行进穿过样本231的本体的声波。泵浦脉冲还从测量点232反射并且经反射的泵浦脉冲可由检测器253或光束转储(未示出)捕获。在一些示例中，因为通常不分析经反射的泵浦脉冲，所以经反射的泵浦光束可由检测器253滤出或在到达检测器253之前滤出。

返回到上文中所讨论的第一分束器203，第一分束器203还将来自光源201的光脉冲分离成沿循探测光束路径206的探测脉冲。探测脉冲沿着探测光束路径206行进并且由探测光束定向镜235引导。探测光束定向镜235将探测脉冲引导到探测光束延迟阶段237。探测光束延迟阶段237比图1B所描绘的延长的探测光束延迟阶段137更简单。探测光束延迟阶段237包括仅两个探测光束延迟回射器241。照此，不可将泵浦光束的总路径长度调节或延长到具有图1B所描绘的延长的探测光束延迟阶段137时可能的程度。然而，在一些示例中，可利用延长的探测光束延迟阶段137替代探测光束延迟阶段237。

当探测脉冲到达探测光束延迟阶段237时，第一探测光束延迟镜239将探测脉冲引导到第一探测光束延迟回射器241。第一探测光束延迟回射器241A将探测脉冲引导到第二探测光束延迟回射器241B，该第二探测光束延迟回射器将探测脉冲反射回第一探测光束延迟回射器241A。然后，第一探测光束延迟回射器241A将探测脉冲反射到第二探测光束延迟镜243。

与图1B所描绘的延长的探测光束延迟阶段137类似，探测光束延迟阶段237也可为可调节的。例如，在由电机、伺服和/或压电控制器控制的平台上的第一探测光束延迟回射器241A。因此，第一探测光束延迟回射器241A可被移动得更靠近第二探测光束延迟回射器241B。将相应的探测光束延迟回射器241移动得更靠近或更远离彼此减少或增加了探测脉冲的总路径长度，这减少或增加了泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟。因此，如果期望特定的延迟时间，则该延迟时间可通过调整探测光束延迟回射器241的相对位置实现。在一个示例中，延迟可被配置为从零皮秒到约4,700皮秒。

一旦探测脉冲从探测光束延迟阶段237到达第二探测光束延迟镜243，第二探测光束延迟镜243就沿着探测光束路径206将探测脉冲引导到探测光束光学调制器246。探测光束光学调制器246以与已被调制的泵浦光束光不同的频率调制探测脉冲。例如，探测光束光学调制器246可以与泵浦光束的调制频率不同数量级的频率调制探测脉冲。例如，可以约0.5MHz调制探测光束。泵浦光束的调制频率和探测光束的调制可由泵浦-探测的调制比表示。在一些示例中，泵浦-探测的调制比可为约10:1。在其他示例中，可以比泵浦光束更高的频率调制探测光束。在此类示例中，泵浦-探测的调制比可为1:10。也可使用其他泵浦-探测的调制比，诸如20:1、5:1、2:1、1:2、1:5和1:20以及这些泵浦-探测的调制比之间的范围。在一些示例中，泵浦-探测的调制比为至少10:1或小于1:10。

通过利用不同的频率调制探测脉冲和泵浦脉冲，可更容易地将来自泵浦脉冲的光与来自探测脉冲的光区分开。例如，对于具有粗糙表面的样本，来自泵浦脉冲的光可在从样本的表面反射时散射。然后，来自泵浦脉冲的光子可在从样本反射之后到达检测器153。然而，来自泵浦脉冲的光可引起最终测量中的错误，因为旨在分析仅探测脉冲。例如，泵浦光束光可在从检测器153生成的信号中产生过量的噪音。为了减少泵浦脉冲光子的不期望的影响，检测器153可被配置为解调所检测到的光，以将泵浦脉冲光与探测脉冲光区分开。照此，可通过分离出任何所检测到的泵浦脉冲光来更好地分析仅探测脉冲光来提高准确性。

然后，所调制的探测脉冲到达探测分束器247。探测分束器247将探测脉冲分离成沿着初级探测光束路径210行进的初级探测脉冲和沿着次级探测光束路径212行进的次级探测脉冲。初级探测脉冲类似于图1B所描绘的探测脉冲，并且沿着与图1B所描绘的探测脉冲类似的路径行进。例如，初级探测脉冲沿着初级探测光束路径210行进并穿过半波片261。半波片261改变初级探测脉冲的偏振，诸如通过将初级探测脉冲的偏振旋转90度。然后，初级探测脉冲由探测光束定向镜251引导。探测光束定向镜251将探测脉冲引导到定向镜223，该定向镜将探测脉冲引导到聚焦光学器件225。

然而，在系统200A中采集并利用次级探测脉冲，而在系统(诸如图1B所描绘的示例性计量系统100)中，该光被浪费或受阻。例如，次级探测脉冲沿着次级探测光束路径212行进，其中该次级探测脉冲由次级探测光束定向镜255引导到另一个次级探测光束定向镜257。次级探测光束定向镜257将次级探测脉冲引导到另一个次级探测光束定向镜259。次级探测光束定向镜259将次级探测脉冲引导到光束路径上，该光束路径然后与初级探测脉冲的光束路径基本上相同。例如，次级探测脉冲由探测光束定向镜251引导到定向镜223，该定向镜将次级探测脉冲引导到聚焦光学器件225。由于次级探测光束路径212中的额外反射元件，诸如次级探测光束定向镜255、257、259，次级探测脉冲的总路径长度大于初级探测脉冲的总路径长度。照此，次级探测脉冲在初级探测脉冲之后到达聚焦光学器件225并且最终到达样本231。

聚焦光学器件225将初级探测脉冲和次级探测脉冲聚焦到样本231的测量点232上。例如，聚焦镜227引导初级探测脉冲和次级探测脉冲穿过聚焦透镜229，该聚焦透镜将初级探测脉冲和次级探测脉冲聚焦到测量点232上。然后，初级探测脉冲和次级探测脉冲反射出样本231的表面到检测器253。检测器253在初级探测脉冲和次级探测脉冲已从测量点232反射之后检测它们。检测器253可将经反射的初级探测脉冲和次级探测脉冲转换成电信号，这些电信号可为数字格式或模拟格式。检测器253将信号传递到信号处理和分析系统254，在那里分析信号。信号处理和分析系统254能够基于从检测器253接收的信号确定样本231的厚度。关于信号处理和分析系统254的合适的操作环境的附加细节在下文中参考图4进一步详细讨论。

除初级探测脉冲之外利用次级探测脉冲允许出现多次测量以及测量更深的厚度。例如，因为次级探测脉冲在初级探测脉冲之后到达测量点，所以可单独分析两个泵浦脉冲。因此，可由来自光源201的单个光脉冲进行两次厚度测量，而在先前的系统中，由该单个光脉冲能够实现仅一次测量。此类改进增加了可测量或检测样本的速率。此外，因为次级探测脉冲的路径长度大于初级探测脉冲的路径长度，所以次级探测脉冲和泵浦脉冲之间的延迟也更大。出于与如上所述的类似的原因，次级探测脉冲和泵浦脉冲之间的延迟的增加允许增加的厚度测量。

在一些示例中，初级探测光束路径长度和次级探测光束路径长度可基本上相同。在此类示例中，初级探测脉冲和次级探测脉冲可组合并且基本上同时到达测量点132。此类示例可增加到达测量点132并且由检测器153检测的最终探测脉冲的振幅。通过增加探测脉冲的振幅，来自检测器153的表示所检测到的探测脉冲的信号的信噪比可更高，从而产生可能更准确的结果或具有更高置信度的结果。

图2B描绘了另一个示例性计量系统200B。系统200B类似于图2A所描绘的系统200A，不同的是它还采集并利用泵浦脉冲的先前浪费或受阻的光。例如，如上参考图1B所述的，当泵浦脉冲被在系统100中的泵浦光束光学调制器105分离时，该泵浦脉冲的一部分被浪费并且沿着浪费或受阻泵浦光路径108被引导到浪费或受阻泵浦光束转储109。图2B中的系统200B采集并利用该浪费的泵浦光束光以产生次级泵浦脉冲。然后，将次级泵浦脉冲引导到测量点232，使得该次级泵浦脉冲在初级泵浦脉冲之后到达测量点232。与初级探测脉冲和次级探测脉冲结合，初级泵浦脉冲和次级泵浦脉冲允许两个泵浦-探测光束对并且因此允许由来自光源201的单个光脉冲进行两次单独测量。

更具体地，在图2B所描绘的示例性系统200B中，光源201发射沿着光束路径202行进的光脉冲。第一分束器203位于光束路径202中，并且第一分束器203将从光源201发射的光脉冲分离成沿循泵浦光束路径204的泵浦脉冲和沿循探测光束路径206的探测脉冲。探测脉冲沿循如上相对于图2A所述的相同光束路径。然而，泵浦脉冲以不同的方式被引导和被利用。

离开第一分束器203，泵浦脉冲沿循泵浦光束路径204。泵浦脉冲沿循泵浦光束路径204并到达泵浦光束光学调制器205。泵浦光束光学调制器205调制泵浦脉冲。在一些示例中，泵浦光束光学调制器205调制泵浦脉冲。泵浦脉冲被调制的频率可在几兆赫(MHz)的范围内，诸如约5MHz或5.5MHz。也可利用其他频率。然后，所调制的泵浦脉冲继续沿循泵浦光束路径204并到达泵浦光束路径204中位于泵浦光束光学调制器205之后的泵浦分束器207。泵浦分束器207将所调制泵浦脉冲分离成沿循初级泵浦光束路径214的初级泵浦脉冲和沿循次级泵浦光束路径216的次级泵浦脉冲。初级泵浦光束路径214与在图2A所描绘的系统200A中的泵浦光束路径基本上相同。然而，在系统200B中的次级泵浦光束路径216与在系统200A中的光束路径不同。

次级泵浦脉冲沿着次级泵浦光束路径216行进到次级泵浦光束定向镜263，该次级泵浦光束定向镜将次级泵浦脉冲引导穿过半波片265。半波片265改变次级泵浦脉冲的偏振，诸如通过将次级泵浦脉冲的偏振旋转90度。一旦次级泵浦脉冲穿过半波片265，另一个次级泵浦光束定向镜267就将次级泵浦脉冲引导回到与初级泵浦光束路径214基本上相同的轨线上。即，次级泵浦光束定向镜267将次级泵浦脉冲引导到定向镜223，该定向镜沿着与初级泵浦脉冲类似的轨线将次级泵浦脉冲引导到聚焦光学器件225。

聚焦光学器件225将初级泵浦脉冲和次级泵浦脉冲聚焦到样本231的测量点232上。因为次级泵浦光束路径216比初级泵浦光束路径214长，所以次级泵浦脉冲在初级泵浦脉冲之后到达测量点232处。

在系统200B的一些示例中，相应的光束路径中的光学元件被布置使得初级泵浦脉冲首先到达测量点232，初级探测脉冲随后到达，次级泵浦脉冲随后到达，并且次级探测脉冲最终到达。即，泵浦脉冲和探测脉冲到达测量点232的顺序如下：(1)初级泵浦脉冲、(2)初级探测脉冲、(3)次级泵浦脉冲和(4)次级探测脉冲。通过在系统200B中的光学元件的布置实现脉冲定时的该排序。例如，反射镜的位置和延迟阶段的调节可用于改变相应的脉冲中的每个脉冲的光束路径长度。为了实现上述排序，初级泵浦脉冲的总光束路径长度是最短的。初级探测脉冲的光束路径长度长于初级泵浦脉冲的光束路径长度，但短于次级泵浦脉冲的光束路径长度。次级泵浦脉冲的光束路径长度短于次级探测脉冲的光束路径长度。

在此类示例中，初级泵浦脉冲使得第一声波传播穿过样本的本体。然后，当初级探测脉冲从测量点232反射时，该初级探测脉冲被第一声波改变。经反射的初级探测脉冲由检测器253检测并且可分析来自该检测器的信号以确定在测量点232处的样本的层的第一厚度。然后，次级泵浦脉冲使得第二声波传播穿过样本的本体。然后，当次级探测脉冲从测量点232反射时，该次级探测脉冲被第一声波改变。经反射的次级探测脉冲由检测器253检测并且可分析来自该检测器的信号以确定在测量点232处的样本的层的第二厚度。检测器253将信号传递到信号处理和分析系统254，在那里分析信号。信号处理和分析系统254能够基于从检测器253接收的信号确定样本231的厚度。在一些示例中，根据要测量的厚度，次级探测脉冲可在初级探测脉冲到达测量点232之前到达测量点232。关于信号处理和分析系统254的合适的操作环境的附加细节在下文中参考图4进一步详细讨论。

初级泵浦脉冲和初级探测脉冲之间的延迟部分地决定可利用该初级泵浦-探测脉冲对测量的第一厚度的量。相似地，次级泵浦脉冲和次级探测脉冲之间的延迟部分地决定可利用该次级泵浦-探测脉冲对测量的第一厚度的量。在一些情况下，初级泵浦脉冲和初级探测脉冲之间的延迟可与次级泵浦脉冲和次级探测脉冲之间的延迟基本上相同。在此类实例中，由次级泵浦-探测脉冲对重复由初级泵浦-探测脉冲对进行的测量。此类重复的测量可允许最终分析的结果中的更高置信度。在其他情况下，初级泵浦脉冲和初级探测脉冲之间的延迟可与次级泵浦脉冲和次级探测脉冲之间的延迟不同。在此类实例中，第一泵浦-探测脉冲对可用于测量第一厚度，并且第二泵浦-探测脉冲对可用于测量与第一厚度不同的第二厚度。

图2C描绘了用于测量或检测样本231的示例性计量系统200C的一部分。更具体地，图2C描绘了样本231的顶视图。在所描绘的示例中，初级探测光束路径210以第一方位角到达测量点232并且次级探测光束路径212以第二方位角到达测量点232。由于初级探测光束路径210和次级探测光束路径212的不同方位角，因此可能需要第一检测器253和第二检测器379。例如，初级探测脉冲沿着初级探测光束路径210行进，反射出测量点232，并且由第一检测器253检测。次级脉冲沿着次级探测光束路径212行进，反射出测量点232，并且由检测器379检测。

在初级探测光束路径210和次级探测光束路径212之间限定角度

在图2C所描绘的示例中，初级探测光束路径210和次级探测光束路径212彼此正交，并且因此角度

为约90度。在其他示例中，初级探测光束路径210和次级探测光束路径212不必彼此正交。例如，在一些示例中，角度

介于约45度至约135度、45度至90度、90度至约135度、60度至120度以及80度至100度之间。方位角可基于从样本上的测量点提供最大反射率的角度选择。为了实现初级探测光束路径210和次级探测光束路径212的不同方位角，可使用两组聚焦光学器件。此外或另选地，可将光纤元件集成到计量系统中，以将探测脉冲引导到测量点232。例如，第一光纤270可将初级泵浦脉冲引导到测量点232并且第二光纤272可将次级泵浦脉冲引导到测量点232。在一些示例中，还可将泵浦光束引导穿过一根或多根光纤。例如，可将初级泵浦光束引导穿过第一光纤270或与第一光纤270相邻的另一光纤。可将次级泵浦光束引导穿过第二光纤272或与第二光纤272相邻的另一光纤。

图3A描绘了另一个示例性计量系统300A。类似于在如上所述的图2B中的系统200B，图3A中的系统300A采集先前浪费或受阻泵浦光束光和探测光以由单个光脉冲进行多次测量。然而，系统300A被配置为利用单个光脉冲测量样本的两个不同位置。为此，系统300A被配置成使得初级泵浦脉冲和初级探测脉冲被引导到样本331上的第一测量点332，并且次级泵浦脉冲和次级探测脉冲被引导到样本331上的第二测量点334。

在图3A所描绘的示例性系统300A中，光源301发射沿着光束路径302行进的光脉冲。第一分束器303位于光束路径302中，并且第一分束器303将从光源301发射的光脉冲分离成沿循泵浦光束路径304的泵浦脉冲和沿循探测光束路径306的探测脉冲。离开第一分束器303，泵浦脉冲沿循泵浦光束路径304并到达泵浦光束光学调制器305。泵浦光束光学调制器305调制泵浦脉冲。在一些示例中，泵浦光束光学调制器305调制泵浦脉冲。泵浦脉冲被调制的频率可在几兆赫(MHz)的范围内，诸如约5MHz或5.5MHz。也可利用其他频率。然后，所调制的泵浦脉冲继续沿循泵浦光束路径304并到达泵浦光束路径304中位于泵浦光束光学调制器305之后的泵浦分束器307。泵浦分束器307将所调制泵浦脉冲分离成沿循初级泵浦光束路径314的初级泵浦脉冲和沿循次级泵浦光束路径316的次级泵浦脉冲。

初级泵浦脉冲进入泵浦光束延迟阶段311。泵浦光束延迟阶段311延长了泵浦光束路径304的长度并且因此增加了泵浦脉冲到达第一测量点332的时间。然而，在一些示例中，可省略泵浦光束延迟阶段311。泵浦光束延迟阶段311包括第一泵浦光束延迟镜313、第二泵浦光束延迟镜315、泵浦光束延迟回射器317和第三泵浦光束延迟镜319。第一泵浦光束延迟镜313将初级泵浦脉冲引导到第二泵浦光束延迟镜315。第二泵浦光束延迟镜315将初级泵浦脉冲引导到泵浦光束延迟回射器317。泵浦光束延迟回射器317将初级泵浦脉冲引导回第二泵浦光束延迟镜315，该第二泵浦光束延迟镜将初级泵浦脉冲引导到第三泵浦光束延迟镜319。第三泵浦光束延迟镜319将初级泵浦脉冲引导到泵浦光束定向镜321。泵浦光束定向镜321将初级泵浦脉冲引导到定向镜323。泵浦光束延迟阶段311的一些元件也可为可调节的。例如，泵浦光束延迟回射器317的位置可被调节为更靠近或更远离第二泵浦光束延迟镜315。例如，泵浦光束延迟回射器317可位于由电机、伺服和/或压电控制器以及其他可能的控制器控制的平台上。将泵浦光束延迟回射器317移动得更靠近第二泵浦光束延迟镜315缩短了初级泵浦光束脉冲的总路径长度，并且因此增加了初级泵浦光束脉冲和探测光束脉冲之间的延迟。相比之下，将泵浦光束延迟回射器317移动得更远离第二泵浦光束延迟镜315延长了初级泵浦光束脉冲的总路径长度，并且因此缩短了初级泵浦光束脉冲和探测光束脉冲之间的延迟。

定向镜323将初级泵浦脉冲引导到第一组聚焦光学器件325。第一组聚焦光学器件325包括聚焦镜327、聚焦透镜329和高度检测系统333。聚焦光学器件325被定位成将初级泵浦脉冲引导并聚焦到样本331的第一测量点332上。在图3A所描绘的示例中，泵浦脉冲继续从定向镜323到聚焦镜127。聚焦镜127将初级泵浦脉冲引导穿过聚焦透镜129，该聚焦透镜将泵浦脉冲聚焦到第一测量点332。

初级泵浦脉冲到达第一测量点332，该初级泵浦脉冲在第一测量点332处生成行进穿过样本131的本体的声波。泵浦脉冲还从测量点332反射并且经反射的泵浦脉冲可由检测器353或光束转储(未示出)捕获。在一些示例中，因为通常不分析经反射的初级泵浦脉冲，所以经反射的泵浦脉冲可由检测器353滤出或在到达检测器353之前滤出。例如，可实施锁定检测方法。

次级泵浦脉冲从泵浦分束器307沿循次级泵浦光束路径316。次级泵浦脉冲由次级泵浦光束定向镜363反射穿过半波片365。半波片365改变次级泵浦脉冲的偏振，诸如通过将次级泵浦脉冲的偏振旋转90度。一旦次级泵浦脉冲穿过半波片365，另一个次级泵浦光束定向镜367就将次级泵浦脉冲引导到次级泵浦光束定向镜369。因此，与在图2B所描绘的系统200B中的次级泵浦脉冲不同，在此处系统300A中的次级泵浦脉冲不被引路到与初级泵浦脉冲相同的光束路径上。相反，在系统300A中的次级泵浦脉冲被引路到次级光束定向镜369，该次级光束定向镜将次级泵浦脉冲引导到第二组聚焦光学器件371。第二组聚焦光学器件371将次级泵浦脉冲引导到样本331的第二测量点334上。

第二组聚焦光学器件371类似于第一组聚焦光学器件325，不同的是第二组聚焦光学器件371将次级泵浦脉冲引导到样本331的第二测量点334而不是样本331的第一测量点332上。更具体地，第二组聚焦光学器件371包括第二聚焦镜373、第二聚焦透镜329和第二高度检测系统377。次级泵浦脉冲由第二聚焦镜373引导穿过第二聚焦透镜375，该第二聚焦透镜将第二泵浦脉冲聚焦到样本331上的第二测量点334。

返回到上文中所讨论的第一分束器303，第一分束器303还将来自光源301的光脉冲分离成沿循探测光束路径306的探测脉冲。探测脉冲沿着探测光束路径306行进并且由探测光束定向镜335引导。探测光束定向镜335将探测脉冲引导到探测光束延迟阶段337。探测光束延迟阶段337与如上所述并且如图2A至图2B所描绘的探测光束延迟阶段237基本上相同。然而，在一些示例中，可利用图1B所描绘的延长的探测光束延迟阶段137替代探测光束延迟阶段337。

在图3A所描绘的示例性系统300A中，当探测脉冲到达探测光束延迟阶段337时，第一探测光束延迟镜339将探测脉冲引导到第一探测光束延迟回射器341。第一探测光束延迟回射器341A将探测脉冲引导到第二探测光束延迟回射器341B，该第二探测光束延迟回射器将探测脉冲反射回第一探测光束延迟回射器341A。然后，第一探测光束延迟回射器341A将探测脉冲反射到第二探测光束延迟镜343。

类似于图2A至图2B所描绘的探测光束延迟阶段237，探测光束延迟阶段337也可为可调节的。例如，在由电机、伺服和/或压电控制器控制的平台上的第一探测光束延迟回射器341A。因此，第一探测光束延迟回射器341A可被移动得更靠近第二探测光束延迟回射器341B。将相应的探测光束延迟回射器341移动得更靠近或更远离彼此减少或增加了探测脉冲的总路径长度，这减少或增加了泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟。因此，如果期望特定的延迟时间，则该延迟时间可通过调整探测光束延迟回射器341的相对位置实现。在一个示例中，延迟可被配置为从零皮秒到约4,700皮秒。

一旦探测脉冲从探测光束延迟阶段337到达第二探测光束延迟镜343，第二探测光束延迟镜343就沿着探测光束路径306将探测脉冲引导到探测光束光学调制器346。探测光束光学调制器346可以与泵浦脉冲的调制不同的频率调制探测脉冲。例如，可以0.5MHz的频率调制探测脉冲。也可使用其他频率。例如，可利用满足上文中所讨论的泵浦-探测的调制比的调制频率。然后，所调制的探测脉冲到达探测分束器347。探测分束器347将探测脉冲分离成沿着初级探测光束路径310行进的初级探测脉冲和沿着次级探测光束路径312行进的次级探测脉冲。

初级探测脉冲沿着初级探测光束路径310行进并穿过半波片361。半波片361改变初级探测脉冲的偏振，诸如通过将初级探测脉冲的偏振旋转90度。然后，初级探测脉冲由探测光束定向镜351引导到定向镜323，该定向镜将初级探测脉冲引导到第一组聚焦光学器件325。第一组聚焦光学器件325将初级探测脉冲引导到样本331上的第一测量点332。初级探测脉冲反射出样本331的第一测量点332，并且经反射的初级探测脉冲由第一检测器353检测。第一检测器353基于所检测到的经反射的初级探测脉冲生成一个或多个信号。信号处理和分析系统354能够基于从检测器353接收的信号确定在第一测量点332处的样本331的厚度。关于信号处理和分析系统354的合适的操作环境的附加细节在下文中参考图4进一步详细讨论。

次级探测脉冲沿着次级探测光束路径312从探测分束器347行进到次级探测光束定向镜355。次级探测光束定向镜355将次级泵浦脉冲引导到次级探测光束定向镜357，该次级探测光束定向镜将次级泵浦脉冲引导到次级光束定向镜369。次级光束定向镜369将次级探测脉冲引导到第二组聚焦光学器件371。第二组聚焦光学器件371将次级探测脉冲引导到样本331上的第二测量点334。次级探测脉冲反射出第二测量点334，并且经反射的次级探测脉冲由第二检测器379检测。第二检测器379基于所检测到的经反射的初级探测脉冲生成一个或多个信号。信号处理和分析系统354能够基于从检测器379接收的信号确定在第二测量点334处的样本331的厚度。在一些示例中，第一检测器353和第二检测器379可为单个壳体的一部分或单个检测器。例如，可实施单个大型检测器，而不是具有两个检测器。

因此，初级泵浦脉冲和初级探测脉冲被引导到第一测量点332，并且次级泵浦脉冲和次级探测脉冲被引导到第二测量点334。在一些情况下，初级泵浦脉冲可在次级泵浦脉冲到达第二测量点334的大约同时到达第一测量点332。在此类实例中，初级泵浦脉冲光束路径长度和次级泵浦脉冲的光束路径长度基本上相同。在其他示例中，初级泵浦脉冲可在与次级泵浦脉冲到达第二测量点334不同的时间到达第一测量点332。

然而，初级探测脉冲在初级泵浦脉冲之后到达第一测量点332。相似地，次级探测脉冲在次级泵浦脉冲之后到达第二测量点334。因此，初级探测脉冲具有比初级泵浦脉冲更长的光束路径长度，并且次级探测脉冲具有比次级泵浦脉冲更长的光束路径长度。

图3B描绘了另一个示例性计量系统300B。计量系统300B类似于图3B所描绘的计量系统300A，计量系统300B也具有利用单个光脉冲测量样本上的两个不同测量点的能力。然而，系统300B能够利用单组聚焦光学器件进行此类测量，而系统300A包括两组聚焦光学器件。在所描绘的示例中，通过将次级光束定向镜369定位，使得次级泵浦脉冲和次级探测脉冲被引导到在聚焦光学器件325中的聚焦反射镜327，从而实现差异。初级泵浦脉冲和初级探测脉冲也被引导到聚焦镜327。进入聚焦镜327的初级泵浦脉冲和初级探测脉冲的入射角与进入该聚焦镜的次级泵浦脉冲和次级探测脉冲的入射角不同。因此，初级泵浦脉冲和初级探测脉冲被引导到第一测量点332，并且次级泵浦脉冲和次级探测脉冲被引导到第二测量点334。

在系统300B中的许多元件基本上类似于在系统300A中的元件。例如，系统300B包括发射光脉冲的光源301。来自光源301的光脉冲被分束器303分离成沿循泵浦光束路径304的泵浦脉冲和沿循探测光束路径306的探测脉冲。泵浦脉冲由泵浦光束光学调制器305调制，并且所调制的泵浦脉冲被泵浦分束器307分离成沿循初级泵浦光束路径314的初级泵浦脉冲和沿循次级泵浦光束路径316的次级泵浦脉冲。

初级泵浦脉冲穿过泵浦光束延迟阶段311行进并且由泵浦光束定向镜321引导到定向镜323，该定向镜将初级泵浦脉冲引导到聚焦光学器件325。聚焦光学器件325将初级泵浦脉冲引导到样本331上的第一测量点332。例如，聚焦镜327将初级泵浦脉冲引导穿过聚焦透镜329，该聚焦透镜将初级泵浦脉冲聚焦到样本的第一测量点332上。

次级泵浦脉冲由次级泵浦光束定向镜363引导穿过半波片365，然后由次级泵浦光束定向镜367引导到次级光束定向镜369。次级光束定向镜369将次级泵浦脉冲引导到聚焦光学器件325。聚焦光学器件325将次级泵浦脉冲引导到样本331上的第二测量点334。例如，聚焦镜327将次级泵浦脉冲引导穿过聚焦透镜329，该聚焦透镜将次级泵浦脉冲聚焦到样本331的第二测量点334上。

返回到第一分束器303，探测脉冲沿着探测光束路径306行进并且由探测光束定向镜335引导到探测光束延迟阶段337。探测脉冲穿过探测光束延迟阶段337行进到探测光束调制器346。所调制的探测脉冲被探测分束器347分离成沿循初级探测光束路径310的初级探测脉冲和沿循次级探测光束路径312的次级探测脉冲。初级探测脉冲穿过半波片361行进并且由探测光束定向镜351引导到定向镜323，该定向镜将初级探测脉冲引导到聚焦光学器件325。聚焦光学器件325将初级探测脉冲引导到样本331上的第一测量点332。初级探测脉冲反射出第一测量点332并且行进到第一检测器353，其中第一检测器353检测经反射的初级探测光束。第一检测器353基于所检测到的经反射的初级探测脉冲生成一个或多个信号。信号处理和分析系统354能够基于从第一检测器353接收的信号确定在第一测量点332处的样本331的厚度。关于信号处理和分析系统354的合适的操作环境的附加细节在下文中参考图4进一步详细讨论。

次级探测脉冲沿着次级探测光束路径312行进，其中该次级探测光束路径由次级探测光束定向镜355引导，该次级探测光束定向镜将次级探测光束引导到次级探测光束定向镜357。次级探测光束定向镜357将次级探测脉冲引导到次级光束定向镜369，该次级光束定向镜将次级探测脉冲引导到样本331上的第二测量点334。次级探测脉冲反射出第二测量点334并且行进到第二检测器379，其中第二检测器379检测经反射的次级探测脉冲。第二检测器379基于所检测到的经反射的初级探测脉冲生成一个或多个信号。信号处理和分析系统354能够基于从第二检测器379接收的信号确定在第二测量点334处的样本331的厚度。

在一些示例中，聚焦透镜329的直径可大于在如上所述的其他示例中的聚焦透镜的直径，以适应初级泵浦脉冲和初级探测脉冲以及次级泵浦脉冲和次级探测脉冲两者。在其他示例中，聚焦透镜329可替代地为两个聚焦透镜，诸如用于初级泵浦脉冲和初级探测脉冲的第一聚焦透镜以及用于次级泵浦脉冲和次级探测脉冲的第二聚焦透镜。

前述示例通常根据来自穿过示例性计量系统行进的光源的单个光脉冲来讨论。在实施过程中，多个光脉冲由光源发射并且光脉冲中的每个光脉冲由示例性系统的光学元件以相同方式引导。也可实施用于生成光脉冲的其他方法。如本文所用，测量从光源到相应的测量点的相应的脉冲的光束路径长度。例如，在图3B的示例性系统300B中，从光源301到第一测量点332测量初级探测光束的光束路径长度。继而，从光源301到第二测量点334测量次级探测光束的光束路径长度。

此外，在如上所述的示例中可包括更多或更少数量的光学元件，这些光学部件可被配置为实现基本上相同的功能。例如，附加延迟阶段可包括在次级泵浦光束路径或次级探测光束路径中。在次级探测光束路径中包括此类延迟阶段允许附加增加相应的泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟。相似地，附加延迟阶段也可包括在次级泵浦光束路径中。如上所述的半波片也可在一些示例中被省略或者位于不同的光束路径中。例如，通常如上所述的位于初级探测光束路径中的半波片可以另选地被置于次级探测光束路径中。如上所述的位于次级泵浦光束路径中的半波片也可另选地位于初级泵浦光束路径中。

图4示出了合适的操作环境400的示例，其中可实施当前信号处理和分析系统的示例中的一者或多者，诸如信号处理和分析系统154、254和/或354。该操作环境可直接结合到本文所公开的系统中，或者可结合到与本文所述的计量系统分离但用于控制本文所述的计量系统的计算机系统中。这仅仅是合适的操作环境的一个示例，并非旨在对使用范围或功能提出任何限制。可适用的其他计算系统、环境和/或配置包括但不限于成像系统、个人计算机、服务器计算机、手持式或膝上型电脑设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、可编程消费者电子器件诸如智能电话、网络PC、小型计算机、大型计算机、平板电脑、包括任何上述系统或设备的分布式计算环境等。

在其最基本的配置中，操作环境400通常包括至少一个处理单元402和存储器404。根据计算设备的确切配置和类型，存储器404(除了其他东西之外，存储用于执行本文所公开的图像采集和处理方法的指令)可为易失性的(诸如RAM)、非易失性的(诸如ROM、闪存存储器等)或两者的某种组合。这种最基本的配置在图4中由虚线406示出。另外，环境400还可包括存储设备(可移除的408和/或不可移除的410)，包括但不限于磁盘或光盘或磁带。相似地，环境400也可具有输入设备414诸如触摸屏、键盘、鼠标、笔、语音输入等，和/或输出设备416诸如显示器、扬声器、打印机等。在环境中也可包括一种或多种通信连接412，诸如LAN、WAN、点对点、蓝牙、RF等。

操作环境400通常包括计算机可读介质的至少一些形式。计算机可读介质可为可由处理单元402或包括操作环境的其他设备访问的任何可用介质。例如，操作环境可包括至少一个处理器和操作地连接到该至少一个处理器的存储器。存储器存储指令，这些指令在由该至少一个处理器执行时使得系统执行一组操作，诸如本文所述的操作，包括下文参考图6至图8所讨论的方法操作。

以举例而非限制的方式，计算机可读介质可包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储信息诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机存储介质包括RAM、ROM、EEPROM、闪存存储器或其他存储器技术、CD-ROM、数字通用光盘(DVD)或其他光学存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储设备或其他磁存储设备、固态存储器或可用于存储期望的信息的任何其他有形介质。通信介质具体体现了计算机可读指令、数据结构、程序模块或在调制的数据信号(诸如载波或其他传输机制)中的其他数据，并且包括任何信息递送介质。术语“调制的数据信号”是指其特性中的一个或多个特性以某种方式被设置或被改变以使得在信号中编码信息的信号。以举例而非限制的方式，通信介质包括有线介质诸如有线网络或直接有线连接，以及无线介质诸如声音、RF、红外和其他无线介质。上述中的任一项的组合也应包括在计算机可读介质的范围内。计算机可读设备是结合了计算机存储介质的硬件设备。

操作环境400可以是使用到一个或多个远程计算机的逻辑连接在联网环境中操作的单个计算机。远程计算机可以是个人计算机、服务器、路由器、网络PC、对等设备或其他公共网络节点，并且通常包括上文所述的许多或全部元件以及未如此提及的其他元件。逻辑连接可包括由可用通信介质支持的任何方法。此类联网环境常见于办公室、企业范围的计算机网络、内联网和互联网中。

在一些实施方案中，本文所述的部件包括可由计算机系统400执行的此类模块或指令，这些模块或指令可存储在计算机存储介质和其他有形介质上并在通信介质中传输。计算机存储介质包括以用于存储信息诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。上述中的任一项的组合也应包括在可读介质的范围内。在一些实施方案中，计算机系统400是将数据存储在远程存储介质中以供计算机系统400使用的网络的一部分。

图5描绘了用于测量或检测具有支柱580的样本531的示例性计量系统500的一部分。支柱580突伸出样本的表面533，并且支柱可具有由第一材料制成的第一层582和由第二材料制成的第二层584。在一些示例中，第一材料可为锡-银(SnAg)，并且第二材料可为铜(Cu)或镍(Ni)。其他材料也可利用本文所述的技术来实施和分析。计量系统500用于测量支柱580内的层的厚度。

计量系统500可包括与上文参考图1至图4所讨论的计量系统相同的部件中的许多部件。因此，可生成泵浦脉冲并将其沿泵浦光束路径504引导到测量点532，并且可将探测脉冲沿探测光束路径106引导到测量点532。当泵浦脉冲到达测量点532时，生成进入到支柱580的本体中的声波。声波传播穿过第一层582并且在第一层582和第二层584之间的过渡处至少部分地反射。探测脉冲被该经反射的声波改变，并且由检测器553检测经反射的探测光束。然后可通过分析所检测到的探测脉冲(或表示所检测到的探测脉冲的信号)来确定第一层582的厚度或内部深度D1的确定。

计量系统500还可包括外部高度测量系统590。外部高度测量系统590测量支柱580的外部高度H。外部高度测量系统590可以是光学干涉测量系统，诸如扫描白光干涉仪(SWLI)系统。在此类示例中，可使用干涉测量法来测量支柱580的外部高度H。在其他示例中，外部高度测量系统590可以是机械测量系统、声学或声纳测量系统和/或光学测量系统。在测量支柱580的外部高度H和第一层582的内部深度D1之后，可确定样本531的表面533上方的第二层584的厚度D2或高度。例如，可从外部高度H减去内部深度D1来确定表面533上方的第二层584的厚度D2。虽然系统500被描述为具体包括支柱580，但系统500可与除支柱之外的具有多个材料层的任何突出结构一起使用。

图6描绘了用于测量或检测样本的示例性方法600。在操作602处，从光源诸如激光器发射光脉冲。在操作604处，将光脉冲分离成泵浦脉冲和探测脉冲。可由分束器诸如图1B、图2A至图2B和图3A至图3B中所讨论的分束器分离光脉冲。在一些示例中，可调制泵浦光束和/或探测光束。可以与泵浦光束不同的频率调制探测光束。在其他示例中，可调制仅泵浦光束。在操作606处，将探测脉冲分离成初级探测脉冲和次级探测脉冲。在操作608处，将泵浦脉冲引导到样本上的测量点。可由多个光学部件诸如一组聚焦光学器件引导泵浦脉冲。在操作610处，将初级探测脉冲和次级探测脉冲引导到样本上的测量点。泵浦光束可具有与初级探测脉冲和次级探测脉冲中的至少一者的偏振不同的偏振。在一些示例中，当每个相应探测脉冲到达测量点时，初级探测脉冲可具有与次级探测脉冲的偏振不同的偏振。此外，将初级探测脉冲和次级探测脉冲引导到测量点可包括以第一方位角将初级探测脉冲引导到测量点，并且以第二方位角将次级探测脉冲引导到测量点。

相应脉冲的定时可被配置为使得泵浦脉冲在初级探测脉冲和次级探测脉冲之前到达测量点。然后，初级探测脉冲可在泵浦脉冲之后到达测量点，并且次级探测脉冲在初级泵浦脉冲之后到达测量点。可通过将光学部件定位成使得泵浦脉冲的光束路径长度短于初级探测脉冲的光束路径长度来实现此类时序，该初级探测脉冲的光束路径长度短于次级探测脉冲的光束路径长度。在一些示例中，初级探测脉冲在泵浦脉冲到达测量点之后少于9纳秒到达测量点，并且次级探测脉冲在泵浦脉冲到达测量点之后至少9纳秒到达测量点。例如，次级探测脉冲可在初级探测脉冲之后几纳秒到达测量点。

在操作612处，检测经反射的初级探测脉冲和次级探测脉冲。例如，如上所述，当初级探测脉冲和次级探测脉冲到达测量点时，它们反射出样本。然后，经反射的探测脉冲到达检测器，该检测器检测经反射的探测脉冲。检测初级探测脉冲和次级探测脉冲还可包括生成表示经反射的初级探测脉冲和次级探测脉冲的一个或多个信号。例如，检测器可将探测脉冲中的光转换为可进行处理和分析的电信号。在操作614处，基于分析所检测到的初级探测脉冲和/或所检测到的次级探测脉冲中的至少一者来生成在测量点处的样本的厚度。例如，可分析表示所检测到的初级探测脉冲的信号和表示所检测到的次级探测脉冲的信号，以确定由泵浦脉冲生成的声波对所检测到的泵浦脉冲中的任一者或两者的影响。基于泵浦脉冲与初级探测脉冲和次级探测脉冲之间的延迟，可确定并生成样本的厚度。所生成的厚度可针对样本内的一个或多个层。

在一些示例中，也可将泵浦光束分离成初级泵浦光束和次级泵浦光束。将初级泵浦光束和次级泵浦光束引导到测量点。在此类示例中，初级泵浦光束可以在初级探测光束之前到达测量点，并且次级泵浦光束可以在初级探测光束之后到达测量点。然后，次级探测光束在次级泵浦光束之后到达测量点。

在操作616处，可基于系统的厚度测量结果来决定是否批准样本。例如，样本旨在被制造成具有特定厚度在特定公差内的层。可接受的公差或范围可以是预先确定的。例如，样本的制造商可指定样本的部件或层的厚度的公差或范围。在一些示例中，公差或范围可基于样本的可操作性所需的最小或最大厚度。如果在操作614中生成的一个或多个厚度落入预期厚度和公差内，则可在操作616中批准样本。如果在操作614中生成的一个或多个厚度未落入预期厚度和公差内，则可在操作616中拒绝样本。在一些示例中，可不明确地生成厚度，并且可基于对所检测到的初级探测脉冲和次级探测脉冲的分析来批准样本。另外，在一些示例中，可利用本文所公开的方法来分析晶圆的单个芯片，并且可在操作616中拒绝或批准各单个芯片而不是整个晶圆。

如果在操作616中批准样本，则方法600前进至操作618，在该操作中执行附加制造步骤。在样本为晶圆的示例中，附加制造步骤包括诸如背磨晶圆的操作。制造步骤还可包括样本的清洁和其他精整操作，包括包装操作。在一些示例中，附加制造步骤可包括附加测试，诸如晶圆上的半导体器件或芯片的电测试。例如，可对晶圆上的每个芯片执行电测试，以确定芯片是否正常或按预期工作。可基于芯片的测试结果将芯片虚拟地分类到虚拟箱中。测试失败的芯片可被标记为不良或故障，并且被置于用于故障芯片的故障虚拟箱中。相反，通过测试的芯片可被标记为良好或合格，并且被置于合格虚拟箱中。在测试之后，可将晶圆减薄，随后切割成单独的芯片。将已被标记为通过测试的芯片封装到诸如存储卡或存储设备以及其他计算机芯片器件或应用中。从测试中批准的芯片的百分比通常可称为成品率。一旦芯片已封装，就可进一步测试芯片以帮助确保已正确地形成从芯片到封装或设备的其余部分的接合并且性能仍在可接受的界限内。然后可将经批准的封装设备进一步结合到计算设备中。例如，在将晶圆的芯片封装到存储设备中的情况下，可将存储设备安装或结合到计算设备诸如膝上型电脑或移动电话中。

如果在操作616中未批准样本，则方法600前进至操作620，在该操作中拒绝样本并且可丢弃样本。在一些情况下，被拒绝样本可为可挽救的或可回收利用的。通过在执行附加制造步骤诸如背磨和清洁之前测量或检测样本，附加制造步骤仅在可接受的或在公差内的样本上执行。因此，不会浪费资源对不可接受或超出公差的样品进行精整。

图7描绘了用于测量或检测样本的另一个示例性方法700。方法700允许利用从光源发射的单个光脉冲来测量两个不同的测量点。在操作702处，从光源诸如激光器发射光脉冲。在操作604处，将光脉冲分离成泵浦脉冲和探测脉冲。可由分束器诸如图1B、图2A至图2B和图3A至图3B中所讨论的分束器分离光脉冲。在一些示例中，可调制泵浦脉冲和/或探测脉冲。可由第一光学调制器调制泵浦脉冲，并且可由第二光学调制器调制探测脉冲。可以与泵浦光束不同的频率调制探测光束。在其他示例中，可调制仅泵浦光束或仅探测光束。

在操作706处，将泵浦脉冲分离成初级泵浦脉冲和次级泵浦脉冲。在操作708处，将探测脉冲分离成初级探测脉冲和次级探测脉冲。在操作710处，将初级泵浦脉冲和初级探测脉冲引导到样本上的第一测量点。将初级泵浦脉冲和初级探测脉冲引导到第一测量点还可包括将初级泵浦脉冲或初级探测脉冲中的至少一者引导穿过一根或多根光纤。在操作712处，将次级泵浦脉冲和次级探测脉冲引导到样本上的第二测量点。将次级泵浦脉冲和次级探测脉冲引导到第一测量点还可包括将次级泵浦脉冲或次级探测脉冲中的至少一者引导穿过一根或多根光纤。

当初级脉冲到达第一测量点时，初级泵浦脉冲可具有与初级探测脉冲不同的偏振，并且当次级脉冲到达第二测量点时，次级泵浦脉冲可具有与次级探测光束不同的偏振。在一些示例中，当脉冲到达样本时，初级泵浦脉冲具有与次级泵浦脉冲的偏振不同的偏振，并且初级探测脉冲具有与次级探测脉冲的偏振不同的偏振。在此类示例中，当脉冲到达样本时，初级探测脉冲可具有与次级泵浦脉冲相同的偏振。

相应脉冲的定时可被配置为使得初级泵浦脉冲在初级探测脉冲之前到达第一测量点。类似地，次级泵浦脉冲可在次级探测脉冲之前到达第二测量点。可通过使初级泵浦脉冲的光束路径长度短于初级探测脉冲的光束路径长度来实现此类定时。次级泵浦脉冲的光束路径长度也短于次级探测脉冲的光束路径长度。

在操作714处，在初级探测脉冲已从第一测量点反射之后检测初级探测脉冲，并且在次级探测脉冲已从第二测量点反射之后检测次级探测脉冲。可由第一检测器检测经反射的初级探测脉冲，并且可由第二检测器检测经反射的次级探测脉冲。检测初级探测脉冲和次级探测脉冲还可包括生成表示经反射的初级探测脉冲和次级探测脉冲的一个或多个信号。例如，检测器可将探测脉冲中的光转换为可进行处理和分析的电信号。

在操作716处，基于分析所检测到的初级探测脉冲来生成在第一测量点处的样本的厚度。例如，可分析表示所检测到的初级探测脉冲的信号，以确定由初级泵浦脉冲生成的声波对初级探测脉冲的影响。基于初级泵浦脉冲和初级探测脉冲之间的延迟，确定并生成第一测量点处的样本的厚度。所生成的厚度可针对第一测量点处的样本内的一个或多个层。同样在操作716处，基于分析所检测到的次级探测脉冲来生成在第二测量点处的样本的厚度。例如，可分析表示所检测到的次级探测脉冲的信号，以确定由次级泵浦脉冲生成的声波对次级探测脉冲的影响。基于次级泵浦脉冲和次级探测脉冲之间的延迟，确定并生成第二测量点处的样本的厚度。所生成的厚度可针对第二测量点处的样本内的一个或多个层。

在操作718处，可基于系统的厚度测量结果来决定是否批准样本。例如，样本旨在被制造成具有特定厚度在特定预定公差内的层。如果在操作716中生成的一个或多个厚度落入预期厚度和公差内，则可在操作718中批准样本。如果在操作716中生成的一个或多个厚度未落入预期厚度和公差内，则可在操作718中拒绝样本。在一些示例中，可不明确地生成厚度，并且可基于对所检测到的初级探测脉冲和次级探测脉冲的分析来批准样本。

如果在操作718中批准样本，则方法700前进至操作720，在该操作中执行附加制造步骤。在样本为晶圆的示例中，附加制造步骤包括诸如背磨晶圆的操作。制造步骤还可包括样本的清洁和其他精整操作，包括包装操作。如果在操作718中未批准样本，则方法700前进至操作722，在该操作中拒绝样本并且可丢弃样本。在一些情况下，被拒绝样本可为可挽救的或可回收利用的。通过在执行附加制造步骤诸如背磨和清洁之前测量或检测样本，附加制造步骤仅在可接受的或在公差内的样本上执行。因此，不会浪费资源对不可接受或超出公差的样品进行精整。

图8描绘了用于测量或检测样本的另一个示例性方法800。更具体地讲，示例性方法800确定具有支柱的测量点的不同深度。在操作802处，将泵浦脉冲引导到样本的测量点，该样本的测量点包括突伸出样本的表面的支柱。支柱可具有由第一材料制成的第一层和由第二材料制成的第二层。例如，第一材料可为锡-银(SnAg)，并且第二材料可为铜(Cu)或镍(Ni)。在操作804处，将探测光束引导到样本的测量点。在操作806处，在探测光束已从样本上的测量点反射之后检测探测光束。在操作808处，分析所检测到的探测光束的特性以确定第一层的内部深度。

在操作810处，在测量点处测量支柱的外部高度。可以多种方式测量支柱的外部高度。例如，可使用光学干涉测量系统诸如扫描白光干涉仪(SWLI)系统来测量支柱的外部高度。还可使用共焦显微镜或其他测量系统。还可使用机械测量系统或声纳测量系统来执行支柱的高度的测量。可由执行第一层的内部深度测量的相同设备执行测量支柱的外部高度。例如，可将光学干涉测量系统结合到上文在图1至图5中讨论的示例性计量系统中的一者中。在其他示例中，可由与执行第一层的内部深度测量的设备不同的设备执行测量支柱的外部高度。例如，可在测量外部支柱高度之前或之后进行第一层的深度测量。可使样本在两种不同的设备之间通过以进行两种不同的测量。

可利用各种类型的光学测量系统来确定支柱的外部高度。在此类示例中，测量支柱的外部高度可包括朝向样本的表面发射第一电磁波脉冲。在第一电磁波脉冲已从样本的表面反射之后检测该第一电磁波脉冲，并且基于发射第一电磁波和检测到第一电磁波之间的时间，确定第一距离。也可朝向支柱的顶部发射第二电磁波脉冲。在第二电磁波脉冲已从支柱的顶部反射之后检测该第二电磁波脉冲，并且基于发射第二电磁波和检测到第二电磁波之间的时间，确定到支柱的顶部的第二距离。然后，可确定第一距离和第二距离之间的差值，这得到在样本的表面上方的支柱的外部高度。

还可利用各种类型的声学测量系统来确定支柱的外部高度。例如，可朝向样本的表面发射第一压力波。在第一压力波已从样本的表面反射之后检测该第一压力波，并且基于发射第一压力波和检测到第一压力波之间的时间，确定第一距离。也可朝向支柱的顶部发射第二压力波。在第二压力波已从支柱的顶部反射之后检测该第二压力波，并且基于发射第二压力波和检测到第二压力波之间的时间，确定到支柱的顶部的第二距离。然后，可确定第一距离和第二距离之间的差值，这得到在表面上方的支柱的外部高度。

在操作812处，可确定在样本的表面上方的第二层的高度。可基于支柱的测量高度和第一层的深度之间的差值来确定第二层的高度。例如，可从支柱的外部高度减去第一层的内部深度来确定第二层的高度。

在操作814处，可基于在执行方法800中进行的测量来决定是否批准样本。例如，样本旨在被制造成包括具有特定厚度在某些预定公差内的层。如果在方法800的执行期间生成的一个或多个厚度落入预期厚度和公差内，则可在操作814中批准样本。如果在方法800的执行期间生成的一个或多个厚度未落入预期厚度和公差内，则可在操作814中拒绝样本。例如，如果要求第一层的内部深度或第二层的厚度在预定公差内，并且测量指示第一层和/或第二层不具有落入这些公差内的特性，则在操作814中可拒绝样本或至少可拒绝所测量的支柱。

如果在操作814中批准样本，则方法800前进至操作816，在该操作中执行附加制造步骤。在样本为晶圆的示例中，附加制造步骤包括诸如背磨晶圆的操作。制造步骤还可包括样本的清洁和其他精整操作，包括包装操作。如果在操作814中未批准样本，则方法800前进至操作818，在该操作中拒绝样本并且可丢弃样本。在一些情况下，被拒绝样本可为可挽救的或可回收利用的。通过在执行附加制造步骤诸如背磨和清洁之前测量或检测样本，附加制造步骤仅在可接受的或在公差内的样本上执行。因此，不会浪费资源对不可接受或超出公差的样品进行精整。虽然方法800被描述为应用于支柱，但方法800可与具有多个材料层的任何突出结构一起使用。

如上所述，在单激光器光声学技术中，机械延迟阶段用于在用于测量的一连串激光脉冲之间生成延迟。由于延迟阶段的线性范围和可在样本中进行测量的深度之间存在直接相关性，因此较长的延迟阶段有利于测量较大的深度。但是，由于延迟阶段工作原理是通过迫使一组脉冲(探测脉冲)行进比第二组脉冲(泵浦脉冲)更大的距离，因此光的速度对光-机械延迟阶段施加尺寸限制。较长延迟可与延迟阶段的物理尺寸成正比，并且计量系统的物理形式可限制延迟阶段可产生多大延迟。然而，测量设备的物理约束通常防止延迟阶段的物理尺寸增加。本技术的各方面还可提供扩展延迟阶段的能力而不增加延迟阶段的尺寸的方法和系统。

图9A示出了示例性光声不透明膜厚度计量系统900。系统900以简化形式呈现，并且系统900共享上述系统的若干部件。照此，这里将仅提供系统900的物理方面的粗略描述。光声系统900包括激光器90，该激光器输出可以约60MHz的速率发射的短的光脉冲。所发射的脉冲由分束器903分离成两个光束。将第一光束引导穿过电光调制器(EOM)905。将该第一脉冲光束(也称为“泵浦”脉冲)引导到聚焦光学器件929，该聚焦光学器件将泵浦脉冲引导到样本931的表面上。样本931可包括其上形成有不透明薄膜的基底。

分束器903将第二脉冲光束(称为“探测”脉冲)引导穿过延迟阶段937和另一个EOM946，然后将探测脉冲引导穿过聚焦光学器件929到基底931的表面上。泵浦脉冲和探测脉冲可在样本931的表面上基本上彼此重合。

图9A示出了使用转向镜来形成泵浦光束和探测光束的光学路径。可使用其他装置诸如光纤来限定除延迟阶段中的光学路径之外的从激光器901到样本931的光学路径。还需注意，为了清楚起见，图9所示的光学系统被简化并且省略了光学系统的某些方面，诸如各种光学元件、透镜、滤光器、孔等。

图9B示出了图9A中所示的系统900的另一个实施方案，其中使用两个完全独立的传感器953'和953”代替单个传感器953。应当理解，如图9A所示的单个传感器953可被布置成独立且同时地测量源自激光器901的泵浦脉冲和探测脉冲两者的强度。图9B示出了传感器953'和953”可彼此独立地布置。

被布置用于执行光声薄膜测量的预先存在的光学系统和本技术的系统900之间的一个差异在于，在本系统900中，当从样本931的表面返回时，泵浦光束和探测光束两者入射在一个或多个传感器上，该一个或多个传感器示意性地示为传感器953。传感器953可包括用于测量泵浦光束和探测光束的强度和/或泵浦光束和探测光束的偏转的一个或多个传感器。传感器953可包括与泵浦光束和探测光束中的每一者相关联的一个或多个位置敏感检测器(PSD)。

如上所述，光声薄膜测量开始于使用来源于激光器12的泵浦光束脉冲在样本931中引起声波。在图10A中，激光脉冲1000入射到样本1031的表面上。引起声波的激光脉冲被称为泵浦脉冲。声波(虚线1002)移动穿过样本1031并与样本1031内的结构相互作用。在声波1002与样本1031内的对象或结构相交的情况下，声波的一部分将朝向样本1031的表面反射回来。随后，将在与样本1031的表面下方的特定距离相关的时间延迟处将第二激光脉冲1000引导到样本1031。在其中反射声波1002到达样本1031的表面的同时第二激光脉冲1000入射在表面上的情况下，将通过样本的表面的变化来修改第二激光脉冲1000。这些变化可包括从样本1031反射到传感器的第二激光脉冲1000的强度的变化或入射到传感器上的经反射的激光脉冲100的位置的偏转。

使用光-机械延迟阶段937在激光的泵浦脉冲和探测脉冲之间生成时间延迟，在该光-机械延迟阶段中使光行进不同的距离。在操作中，来自激光器901的单个激光脉冲被分束器903分离。所得的离散激光脉冲基本上保持同步，即使它们不沿着系统900光学路径的不同分支行进。假设光学路径的长度相同，则离散脉冲将同时入射到样本931上。在延迟阶段937延长通过其中的激光脉冲的光学路径的情况下，激光脉冲移动通过延迟阶段937所需的额外时间将在泵浦脉冲和探测脉冲之间产生延迟。

图10B所示的延迟阶段937位置可与在样本931中进行测量的深度相关。延迟阶段937的‘0’位置可与检查样本931在位置‘0’处的结构诸如膜界面相关，如图10A所示。延长延迟阶段937路径长度(例如，在如图10B所示的位置0、1、2、3、…、n之间移动回射器9411)允许传感器953识别如图10A所示的位置0、1、2、3、…、n处的结构。这是可能的，因为较长的延迟阶段位置允许更多的时间供声波1002向下行进到样本931中并返回到表面。

与使用光-机械延迟阶段相关联的一个挑战是可能需要极长的延迟阶段以获得样本931中更深处的测量值。这仅仅是因为激光脉冲移动通过延迟阶段的速度远大于声波1002移动通过样本931的速度。光以约3×10^8m/s移动，而声波以约5000m/s移动通过样本。

图11示出了可如何使用仅延迟阶段937来修改探测光束延迟以控制泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟。图11中的泵浦脉冲41行进穿过EOM 905，并且探测脉冲43穿过延迟阶段937。使用延迟阶段937修改光学路径长度可控制泵浦脉冲41的入射和探测脉冲43的入射之间的时间t1从同步到受延迟阶段937的可调节性限制的任意延迟。参照图10A和图10B，在延迟阶段位置‘0’处，泵浦脉冲和探测脉冲接近同时入射到样本上，并且在延迟阶段位置‘n’处，泵浦脉冲和探测脉冲已达到其最大间隔。由于对光声测量系统的标准操作方法的限制，基本上不使用探测脉冲的入射和后续泵浦脉冲的入射之间的时间延迟。

使用光学布置(诸如系统900所用的光学布置)的一个有益效果在于，泵浦脉冲和探测脉冲可互换。毕竟两个脉冲都来源于同一激光器1000。出于我们的目的，沿循穿过系统900的光学路径的任一个分支的脉冲之间的显著差异在于，延迟阶段937为穿过EOM 946的脉冲的光学路径增加了长度。从实际的角度来看，哪个光束用于探测和哪个用于泵浦并不重要，因为任一者都将满足条件。

传感器953测量两组激光脉冲的强度和/或偏转，结果是任一组都可用作探测光束或泵浦光束。这具有允许将前述段落中提及的“损失”时间添加到延迟t1的有益效果。通过根据需要在泵浦激光脉冲和探测激光脉冲之间切换，可实现泵浦和探测之间的更长延迟，并且因此可评估位于样本931内更深处的结构。需注意，传感器953可基于偏振进行分离，以确保在入射在传感器931上的泵浦脉冲和探测脉冲之间存在很少(如果有的话)的串扰。

在一个示例中，一连串激光脉冲以基本上恒定的频率入射在样本931上。该频率可变化并且被选择成使得脉冲之间的周期将允许在样本931内的期望深度处进行测量。返回图11至图12，每个泵浦脉冲之间的周期由箭头t0表示。操纵延迟阶段937以创建所表示的延迟t1。延迟t1是延迟阶段937光学路径的长度的函数。对样本931的较浅部分内的所有结构(例如，层/膜界面或空隙)进行测量。此后，泵浦光束和探测光束被标称地切换，并且对样本931的较深部分内的所有结构进行测量。需注意，“切换”不是物理过程，并且至少这意味着来自传感器953的数据是“相对于”特定探测/泵浦布置获得的。

在另一个实施方案中，诸如图9B所示，提供了两个单独的传感器953'和953”以允许同时测量探测光束和泵浦光束两者。在该实施方案中，传感器953'和953”生成可如图11所示或如图12所示评估的连续数据流。

“浅”和“深”的概念与延迟阶段可修改以延长或缩短泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟的程度有关，其中“浅”则探测脉冲行进穿过延迟阶段并且其中“深”则探测脉冲不行进穿过延迟阶段。在探测脉冲行进穿过延迟阶段937的情况下，泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟被限制成作为延迟阶段937的长度和声波在样本931中的声速的函数的深度。浅意味着延迟相对较短并且受到延迟阶段937的延长的限制，而深意味着延迟还包括激光器901周期t2的不可通过调节延迟阶段937来寻址的部分。需注意，在以相对低的频率提供泵浦脉冲的情况下，时间段t1和t2可能不会合计达t0的时间量。在可由延迟阶段937实现的总延迟t1大于激光器901的周期t0或为激光器901的周期t0的约一半的情况下，激光器901的周期的全部或大部分可用于延长延迟。仔细选择激光器901频率和控制延迟阶段长度可提供显著更长的延迟，并且允许在对系统900进行非常少修改的情况下测量更深处的结构。系统900的测量深度可不延伸超过对应于最大延迟的位置。移动超过该最大值是可能的，但要求忽略或防止所选择的探测脉冲和/或泵浦脉冲到达样本931。

图13描绘了用于控制光声计量系统的示例性方法1300。在操作1302处，将泵浦激光脉冲引导到样本的表面。泵浦激光脉冲沿着第一光学路径行进，并且可在到达样本的表面之前穿过延迟阶段。在一些示例中，泵浦激光脉冲可包括以固定速率或周期被引导到样本的表面的一连串激光脉冲。在操作1304处，通过第二光学路径将探测激光脉冲引导到样本的表面，该第二光学路径可包括可变延迟阶段。探测激光脉冲可包括以固定速率被引导到样本的表面的一连串激光脉冲。在操作1306处，修改延迟阶段的长度，这允许在特定或所选择的深度或深度范围处测量样本的至少一个特性的测量结果。延迟阶段的修改使得以相对于其他脉冲的可变速率或可变延迟周期将泵浦脉冲或探测脉冲引导到样本的表面。例如，其中探测脉冲可能可变地延迟以产生相对于泵浦激光脉冲的可变延迟周期。

在操作1308处，测量探测光束和/或泵浦光束的强度和/或偏转。例如，在一些示例中，测量探测光束和泵浦光束两者的强度和偏转。测量可包括使用被定位成接收第一激光脉冲和第二激光脉冲的第一光学传感器和第二光学传感器中的至少一者。测量还可包括测量或确定由第一激光脉冲和第二激光脉冲中的一者发射的光声波返回到样本的表面所花费的时间。测量可在延迟范围内进行，其中延迟中的每一个延迟与样本内的竖直位置相关。基于在操作1308中进行的测量，在操作1310中确定样本的至少一个特性。例如，可确定特征的厚度，诸如样本上的不透明薄膜的厚度。

图14A至图14B描绘了用于通过光声计量表征样本的示例性方法400。具体地讲，方法400对换或切换与泵浦光束和探测光束相关联的功能。在操作1402处，将来自泵浦光束的第一泵浦脉冲引导到样本的表面。第一泵浦脉冲在样本中生成第一声波。在操作1404处，将来自探测光束的第一探测脉冲引导到样本的表面，使得在第一泵浦脉冲到达样本的表面之后的第一持续时间处第一探测脉冲到达样本的表面。如本文所讨论，可通过改变延迟阶段的长度来控制或改变第一持续时间。然而，第一持续时间受到延迟阶段的长度的限制。因此，第一持续时间的最大持续时间可基于延迟阶段的最大长度。第一探测脉冲在样本中生成第二声波。当第一探测脉冲反射出样本时，第一探测脉冲也可受到第一声波的影响。在操作1406处，可由检测器检测经反射的第一探测脉冲。

在操作1408处，将第二泵浦脉冲引导到样本的表面，使得在第一探测脉冲到达样本的表面之后的第二持续时间处第二泵浦脉冲到达样本的表面。如本文所述，诸如参考图11至图12，第二持续时间(例如，第一探测脉冲和第二泵浦脉冲之间的时间)至少部分地基于生成脉冲的激光器的脉冲频率。例如，第二持续时间可等于激光器的脉冲频率(例如，脉冲之间的周期)和第一持续时间(例如，第一泵浦脉冲和第一探测脉冲之间的时间)之间的差值。因此，第二持续时间可显著长于第一持续时间，这允许在先前不可用的样本的深度处进行测量。当第二泵浦脉冲从样本的表面反射时，第二泵浦脉冲受到第二声波影响。第二泵浦脉冲还在样本中生成第三声波。在操作1410处，由检测器检测经反射的第二泵浦脉冲。为了区分开第二泵浦脉冲与第一探测脉冲，可使用第一检测器来检测第一探测脉冲，并且可使用第二检测器来检测第二泵浦脉冲。另选地或除此之外，第一探测脉冲可具有第一偏振或第一调制，并且第二泵浦脉冲可具有第二偏振或第二调制，使得第一探测脉冲可与第二泵浦脉冲区分开。在此类示例中，可由同一检测器检测第一探测脉冲和第二泵浦脉冲。

在操作1412处，基于所检测到的脉冲来确定样本的一个或多个特性。例如，可基于在操作1410中检测到的经反射的第二泵浦脉冲来确定样本的第一特性。样本的第一特性可针对样本中的第一深度。样本的第一深度对应于第二持续时间。还可基于在操作1406中检测到的经反射的第一探测脉冲来确定第二特性。第二特性可针对样本中的第二深度。例如，第一特性可为样本的第一特征或层的厚度，并且第二特性可为样本的第二特征或层的厚度。在第一持续时间(例如，第一泵浦脉冲和第一探测脉冲之间的时间)小于第二持续时间(例如，第一探测脉冲和第二泵浦脉冲之间的时间)的示例中，第二深度小于第一深度。因此，与现有系统相比，可基于检测到的探测脉冲和/或检测到的泵浦脉冲来确定样本的特性。

方法1400可继续到操作1414，其中延迟阶段的长度被改变。改变延迟阶段的长度导致泵浦脉冲和探测脉冲之间的时间改变。在改变延迟阶段的长度之后，在操作1416处，将第三泵浦脉冲引导朝向样本的表面以在样本中生成另一个声波(例如，第四声波)。然后在操作1418处将第二探测脉冲引导到样本的表面。在前一个第三泵浦脉冲之后的第三持续时间，第二探测脉冲到达样本的表面。根据在操作1414中延迟阶段被延长还是被缩短，第三持续时间可长于或短于第一持续时间。如果延迟阶段被延长，则第三持续时间长于第一持续时间。如果延迟阶段被缩短，则第三持续时间短于第一持续时间。当第二探测脉冲从样本的表面反射时，第二脉冲受到第四声波影响。第二探测脉冲还可以在样本中生成另一个声波(例如，第五声波)。然后可在操作1420中检测经反射的第二探测脉冲。

在操作1422处，将第四泵浦脉冲引导到样本的表面。在第二探测脉冲到达样本的表面之后的第四持续时间处，第四泵浦脉冲到达样本的表面。第四持续时间可基于生成脉冲的激光器的脉冲频率和在操作1414中改变之后延迟阶段的长度。例如，如果在操作1414中延长了延迟阶段并且激光器的脉冲重复频率保持恒定，则第四持续时间可小于第二持续时间(例如，第一探测脉冲和第二泵浦脉冲之间的时间)。当第四泵浦脉冲从样本的表面反射时，第四泵浦脉冲受到由第二探测脉冲生成的声波(例如，第五声波)的影响。在操作1424处，由检测器检测经反射的第四泵浦脉冲。

在操作1426处，基于所检测到的一个或多个脉冲，可确定样本的附加特性。特性可为样本的特征或层的厚度。例如，可基于所检测到的第二探测脉冲来确定对应于第三深度的第三特性。可基于所检测到的第四泵浦脉冲来确定对应于第四深度的第四特性。根据在操作1414中延迟阶段被延长还是被缩短，第三深度可小于或大于第二深度。类似地，根据在操作1414中延迟阶段被延长还是被缩短以及激光器的脉冲率是保持恒定还是被改变，第四深度可小于或大于第一深度。

在操作1428处，可基于在操作1426和/或操作1412处所确定或测量的特性来决定是否批准样本。例如，样本旨在被制造成具有特定厚度在特定公差内的层。可接受的公差或范围可以是预先确定的。例如，样本的制造商可指定样本的部件或层的厚度的公差或范围。在一些示例中，公差或范围可基于样本的可操作性所需的最小或最大厚度。如果在操作1426和/或操作1412中确定的特性落入预期厚度和公差内，则可在操作1428中批准样本。如果在操作1426和/或操作1412中确定的特性未落入预期厚度和公差内，则可在操作1428中拒绝样本。

如果在操作1428中批准样本，则方法1400前进至操作1430，在该操作中执行附加制造步骤。在样本为晶圆的示例中，附加制造步骤包括诸如背磨晶圆的操作。制造步骤还可包括样本的清洁和其他精整操作，包括包装操作。在一些示例中，附加制造步骤可包括附加测试，诸如晶圆上的半导体器件或芯片的电测试。例如，可对晶圆上的每个芯片执行电测试，以确定芯片是否正常或按预期工作。可基于芯片的测试结果将芯片虚拟地分类到虚拟箱中。测试失败的芯片可被标记为不良或故障，并且被置于用于故障芯片的故障虚拟箱中。相反，通过测试的芯片可被标记为良好或合格，并且被置于合格虚拟箱中。在测试之后，可将晶圆减薄，然后切割成单独的芯片。将已被标记为通过测试的芯片封装到诸如存储卡或存储设备以及其他计算机芯片器件或应用中。从测试中批准的芯片的百分比通常可称为成品率。一旦芯片已封装，就可进一步测试芯片以帮助确保已正确地形成从芯片到封装或设备的其余部分的接合并且性能仍在可接受的界限内。然后可将经批准的封装设备进一步结合到计算设备中。例如，在将晶圆的芯片封装到存储设备中的情况下，可将存储设备安装或结合到计算设备诸如膝上型电脑或移动电话中。

如果在操作1428中未批准样本，则方法1400前进至操作1432，在该操作中拒绝样本并且可丢弃样本。在一些情况下，被拒绝样本可为可挽救的或可回收利用的。通过在执行附加制造步骤诸如背磨和清洁之前测量或检测样本，附加制造步骤仅在可接受的或在公差内的样本上执行。因此，不会浪费资源对不可接受或超出公差的样品进行精整。

图15描绘了根据图14A至图14B中所描绘并且如上所述的示例性方法400的脉冲图案。首先，将第一泵浦脉冲1501引导到样本的表面。然后，在第一泵浦脉冲1501之后的第一持续时间(t₁)处生成第一探测脉冲1502。基于激光器的脉冲频率生成第二泵浦脉冲1503并且将其引导到样本的表面。激光脉冲之间的周期表示为持续时间(t₀)。在第一探测脉冲1501之后的第二持续时间(t₂)处，将第二泵浦脉冲1503引导到样本的表面。

在第二泵浦脉冲1503被引导到样本的表面之后的某个时刻，延迟阶段改变。在所描绘的示例性脉冲图案中，延迟阶段延长，这增加了探测脉冲的路径长度。在延迟阶段延长之后，将第三泵浦脉冲1504引导到样本的表面。然后，在第三泵浦脉冲1504之后的第三持续时间(t₃)处，将第二探测脉冲1505引导到样本的表面。在所描绘的示例中，第三持续时间(t₃)大于第一持续时间(t₁)，因为延迟阶段延长。基于在本示例中已保持恒定的激光器的脉冲频率生成第四泵浦脉冲1506并且将其引导到样本的表面。因此，在第三泵浦脉冲1504之后的对应于激光器脉冲之间的周期的持续时间(t₀)处生成第四泵浦脉冲1506。第四泵浦脉冲1506的生成发生在第二探测脉冲1505之后的第四持续时间(t₄)。由于延迟阶段的长度增加，第四持续时间(t₄)短于第二持续时间(t₂)。

从上述内容应当理解，泵浦光束和探测光束可彼此互换，以允许更大深度的测量，而不必物理地改变光声测量设备的尺寸。例如，激光束的初始分离得到到达样本的表面的两个激光脉冲。虽然传统上这些脉冲中的一个脉冲被认为是“泵浦”脉冲并且另一个脉冲被认为是“探测”脉冲，但这两个脉冲都能够被分析并且在样本的本体内生成声波。因此，当这检测和分析两个脉冲时，可分析由这些脉冲中的任一个脉冲生成的声波的效应并将其用于确定样本的特性。此类分析允许确定深度范围处的特性，这些深度范围大于仅由于泵浦脉冲和探测脉冲之间的延迟而对应的深度范围。在一些示例中，第一激光脉冲和第二激光脉冲的测量可以基本上连续的方式进行，使得检测并记录一连串的两个脉冲。在这一连串的脉冲的发射期间，第一脉冲和第二脉冲之间的延迟可变化(例如，通过延长或缩短延迟阶段)以提供多种检测到的数据以供分析。通过锁定检测技术，可识别第一脉冲或将其与第二脉冲区分开。然后，可分析数据以确定由任何先前脉冲生成的声波对正在分析的特定脉冲的影响。

可使用软件、硬件或软件和硬件的组合来实现本文所述的实施方案以实施和执行本文所公开的系统和方法。虽然在本公开通篇中将特定设备叙述为执行特定功能，但本领域的技术人员将会理解，提供这些设备是出于进行说明性的目的，并且可在不脱离本公开的范围的情况下采用其他设备来执行本文所公开的功能。此外，上文参考根据本公开的各方面的系统和方法的框图和/或操作图示描述了本公开的一些方面。框中提到的功能、操作和/或动作可不按照任何相应流程图中所示的顺序发生。例如，根据所涉及的功能和具体实施，连续示出的两个框实际上可基本上同时或以相反顺序来实现或执行。

本公开参考附图描述了本技术的一些实施方案，其中示出了可能的实施方案中的仅一些实施方案。然而，其他方面可以多种不同的形式体现，并且不应被理解为限于本文所述的实施方案。相反，提供这些实施方案是为了使本公开透彻完整，并且将可能的实施方案的范围完全传达给本领域的技术人员。此外，如本文和权利要求书中所用，短语“要素A、要素B或要素C中的至少一者”旨在传达以下各项中的任一者：要素A、要素B、要素C、要素A和B、要素A和C、要素B和C以及要素A、B和C。此外，本领域的技术人员将会理解术语诸如“约”或“基本上”按照本文所用的测量技术传达的程度。在本领域的技术人员可能无法明确定义或理解此类术语的情况下，术语“约”应意指加或减百分之十。

尽管本文描述了具体实施方案，但本技术的范围不限于那些具体实施方案。此外，虽然可单独地描述不同的示例和实施方案，但是此类实施方案和示例可在实施本文所述的技术时彼此组合。本领域的技术人员将会认识到在本技术的范围和实质内的其他实施方案或改进。因此，所公开的具体结构、动作或介质仅作为例示性实施方案。本技术的范围由以下权利要求书及其任何等同物限定。

Claims (20)

1.一种通过切换与泵浦光束和探测光束相关联的功能来通过光声计量表征样本的方法，其中第一泵浦脉冲在样本中生成第一声波，所述方法包括：

通过在从所述第一泵浦脉冲起的第一持续时间之后将第一探测脉冲引导到所述样本的所述表面来生成第二声波，其中所述第一探测脉冲反射出所述样本；

在所述第一探测脉冲反射出所述样本的所述表面之后的第二持续时间之后，将第二泵浦脉冲引导到所述样本的所述表面，其中所述第二泵浦脉冲反射所述样本并且被所述第二声波改变；以及

使用所反射的第二泵浦脉冲确定所述样本的第一特性。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一持续时间少于所述第二持续时间。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括基于所述第一探测脉冲确定所述样本在第一深度处的第二特性，其中所述第一特性在第二深度处，并且所述第二深度大于所述第一深度。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括基于对延迟阶段的调节来改变延迟。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二泵浦脉冲具有第一偏振并且所述第一探测脉冲具有第二偏振。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括将第三泵浦脉冲和第三探测脉冲引导到所述样本上的与所述第一泵浦脉冲和所述第二探测脉冲被引导到的位置不同的位置。

7.根据权利要求6所述的方法，其中：

所述第三泵浦脉冲是从所述第一泵浦脉冲分离出来的次级泵浦脉冲；并且

所述第三探测脉冲是从所述第一探测脉冲分离出来的次级探测脉冲。

8.一种通过切换与泵浦光束和探测光束相关联的功能来通过光声计量表征样本的方法，所述方法包括：

将第一泵浦脉冲引导朝向所述样本的所述表面，其中所述第一泵浦脉冲在所述样本的本体中生成第一声波；

将第一探测脉冲引导朝向所述样本的所述表面，其中所述第一探测脉冲在所述样本的所述本体中生成第二声波；

将第二泵浦脉冲引导朝向所述样本的所述表面，其中当所述第二泵浦脉冲从所述样本的所述表面反射时，所述第二泵浦脉冲被所述第二声波改变以产生经反射的第二泵浦脉冲；

基于所检测到的经反射的第二泵浦脉冲确定所述样本在第一深度处的第一特性。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：

检测经反射的第一探测脉冲；以及

基于所检测到的经反射的第一探测脉冲确定所述样本在第二深度处的第二特性。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一泵浦脉冲到达所述表面和所述第一探测脉冲到达所述表面之间的持续时间少于所述第一探测脉冲到达所述表面和所述第二泵浦脉冲到达所述表面之间的持续时间。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一深度大于所述第二深度。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一探测脉冲穿过可变延迟阶段，并且所述方法还包括：

增加所述可变延迟阶段的所述长度；

在增加所述可变延迟阶段的所述长度之后，将第三泵浦脉冲引导到所述表面，其中所述第三泵浦脉冲在所述样本中生成第三声波；

将第二探测脉冲引导穿过所述可变延迟阶段并朝向所述样本的所述表面，其中：

当所述第二探测脉冲从所述样本的所述表面反射时，所述第二探测脉冲被所述第三声波改变以产生经反射的第二探测脉冲；

所述第二探测脉冲在所述样本的所述本体中生成第四声波；

检测所述经反射的第二探测脉冲；以及

基于所检测到的经反射的第二探测脉冲确定所述样本在第三深度处的第三特性，其中所述第三深度大于所述第二深度。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

将第四泵浦脉冲引导朝向所述样本的所述表面，其中当所述第四泵浦脉冲从所述样本的所述表面反射时，所述第四泵浦脉冲被所述第四声波改变以产生经反射的第四泵浦脉冲；以及

基于所检测到的经反射的第四泵浦脉冲确定所述样本在第四深度处的第四特性，所述第四深度小于所述第一深度。

14.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一探测脉冲具有第一偏振并且所述第二泵浦脉冲具有第二偏振。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一泵浦脉冲和所述第二泵浦脉冲为泵浦光束的部分。

16.一种用于通过切换与泵浦光束和探测光束相关联的功能来通过光声计量表征样本的系统，其中第一泵浦脉冲在样本中生成第一声波，所述系统包括：

用于通过在从所述第一泵浦脉冲起的第一持续时间之后将第一探测脉冲引导到所述样本的所述表面来生成第二声波的装置，其中所述第一探测脉冲反射出所述样本；

用于在所述第一探测脉冲反射出所述样本的所述表面之后的第二持续时间之后将第二泵浦脉冲引导到所述样本的所述表面的装置，其中所述第二泵浦脉冲反射所述样本并且被所述第二声波改变；和

用于使用所反射的第二泵浦脉冲确定所述样本的第一特性的装置。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述第一持续时间少于所述第二持续时间。

18.根据权利要求16所述的系统，其中所述第二泵浦脉冲具有第一偏振并且所述第一探测脉冲具有第二偏振。

19.根据权利要求18所述的系统，还包括用于使用所反射的第一探测脉冲生成所述样本的第二特性的装置。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述第一特性对应于第一深度并且所述第二特性对应于第二深度，所述第一深度大于所述第二深度。

Images