CN215177558U - 一种测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种测量系统，包括：光发射模块，用于产生第一泵浦光和探测光；时间差分模块，包括第一分光元件和合光元件，所述第一分光元件用于将所述第一泵浦光分成多个光束，且任意两个光束之间具有时间延迟；所述合光元件用于将具有时间延迟的多个光束合成第二泵浦光，并使所述第二泵浦光照射待测物，在所述待测物中形成声波，所述探测光到达所述待测物表面反射后形成信号光；探测模块，用于探测所述信号光，并根据所述信号光获取所述待测物的待检测信息，从而可以消除泵浦光信号中的背景信号和低频信号，即可以提高泵浦光信号的信噪比，提高测量精度。

Description

一种测量系统

技术领域

本实用新型涉及薄膜测量技术领域，更具体地说，涉及一种测量系统。

背景技术

随着现代科技的发展，半导体芯片的尺寸日益减小，半导体芯片的加工工艺日益更新。但是，由于半导体芯片的加工步骤较多，且任一加工步骤生产的芯片不合格都可能导致整个芯片失效，因此，现有技术中经常在关键的加工步骤之后引入检测工序，通过检测芯片的膜层厚度等信息，及时排除不合格芯片，提高芯片产品的合格率。

现有的一种测量金属薄膜厚度的方法是基于光声效应与泵浦探测技术的测量方法，其通过泵浦光诱发待测薄膜产生声波，通过声波对待测薄膜材料光学特性的改变，使得照射到待测薄膜上的探测光的反射率发生变化，进而可以根据发射率发生变化的时间以及声波在待测薄膜内的传播速度计算出待测薄膜的厚度。但是，由于泵浦光中具有噪声信号，即泵浦光的信噪比较低，因此，导致待测薄膜厚度的测量精度较低。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种测量系统，以提高泵浦光信号的信噪比。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种测量系统，包括：

光发射模块，用于产生第一泵浦光和探测光，所述第一泵浦光和探测光均为脉冲光；

时间差分模块，包括第一分光元件和合光元件，所述第一分光元件用于将所述第一泵浦光分成多个光束，且任意两个光束之间具有时间延迟；所述合光元件用于将具有时间延迟的多个光束合成第二泵浦光，并使所述第二泵浦光照射待测物，在所述待测物中形成声波，所述探测光到达所述待测物表面反射后形成信号光；

探测模块，用于探测所述信号光，并根据所述信号光获取所述待测物的待检测信息。

可选地，所述第一分光元件包括光纤分束器，所述光纤分束器用于将所述第一泵浦光分成分别沿多条光纤传输的多个光束，其中，任意两条光纤的长度不同，以使任意两个光束之间具有时间延迟；

所述合光元件包括光纤耦合器，所述光纤耦合器用于将沿所述多条光纤传输的多个光束进行合束，合成所述第二泵浦光。

可选地，所述多条光纤包括第一光纤和第二光纤；

所述光纤分束器用于将所述第一泵浦光分成沿所述第一光纤传输的第一光束和沿所述第二光纤传输的第二光束，所述第一光纤和所述第二光纤之间的长度差为预设值，以使所述第一光束和所述第二光束之间具有预设的时间延迟；

所述合光元件用于将所述具有预设时间延迟的第一光束和第二光束合成第二泵浦光。

可选地，所述第一分光元件将所述第一泵浦光分成的光束个数大于或等于3。

可选地，所述第一分光元件包括多个级联的分束器；

第一级分束器用于将所述第一泵浦光分成多个光束；

下一级分束器用于将上一级分束器分出的光束分成多个光束；

所述分束器为光纤分束器或分光棱镜。

可选地，所述光发射模块包括：

激光器，用于产生激光；

第二分光元件，用于对所述激光进行分光，形成所述第一泵浦光和所述探测光；

时间延迟器，用于对所述探测光进行时间延迟，所述时间延迟器被配置为使所述探测光和泵浦光的延迟时间可调。

可选地，所述光发射模块还包括第一光调制器和与所述第一光调制器相连的第一信号控制器；和/或，所述光发射模块还包括第二光调制器和与所述第二光调制器相连的第二信号控制器；

所述第一光调制器用于对所述第一泵浦光进行振幅调制；

所述第一信号控制器用于生成第一控制信号并传输至所述第一光调制器，以通过所述第一控制信号控制所述第一光调制器的调制幅度；

所述第二光调制器用于对所述第一泵浦光进行偏振调制；

所述第二信号控制器用于生成第二控制信号并传输至所述第二光调制器，以通过所述第二控制信号控制所述第二光调制器的偏振态。

可选地，所述第二分光元件包括光纤分束器；所述第一泵浦光沿第三光纤传输，所述探测光沿第四光纤传输。

可选地，所述探测模块包括探测器和数据处理模块；

所述探测器用于探测所述探测光和泵浦光具有不同延迟时间时形成的所述信号光，并获得所述信号光的光强随时间变化的数据；

所述数据处理模块用于根据所述信号光的光强随时间变化的数据获得所述信号光的光强发生变化的时间，根据获得的所述信号光的光强发生变化的时间获得所述声波在所述待测物内传播的时间，根据所述声波在所述待测物内传播的时间以及所述声波在所述待测物中的传播速度得到所述待测物的厚度。

可选地，所述探测模块还包括位于在所述探测器和所述数据处理模块之间的锁定放大器；

所述锁定放大器用于接收所述光发射模块中的信号控制器输出的参考信号和所述探测器输出的所述信号光的光强随时间变化的数据，根据所述参考信号对所述信号光的光强随时间变化的数据进行解调，并将解调后的所述信号光的光强随时间变化的数据传输至所述数据处理模块。

与现有技术相比，本实用新型所提供的技术方案具有以下优点：

本实用新型所提供的测量系统，所述第一分光元件将所述第一泵浦光分成多个光束，且任意两个光束之间具有时间延迟；所述合光元件将具有时间延迟的多个光束合成第二泵浦光，可以消除第一泵浦光信号中的背景信号和低频信号，即可以提高泵浦光信号的信噪比，提高测量精度。

进一步，所述第一分光元件将所述第一泵浦光分成的光束个数大于或等于3，有利于进一步减少背景信号和低频信号。

进一步，所述第一分光元件包括光纤分束器，所述光纤分束器用于将所述第一泵浦光分成分别沿多条光纤传输的多个光束，其中，任意两条光纤的长度不同，以使任意两个光束之间具有时间延迟，从而能够通过光纤实现多个光束差分，有利于提高系统的稳定性，且结构简单，光能量损耗低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一个实施例提供的测量系统的结构示意图；

图2为本实用新型一个实施例提供的时间差分模块的结构示意图；

图3为本实用新型另一个实施例提供的时间差分模块的结构示意图；

图4为本实用新型另一个实施例提供的时间差分模块的结构示意图；

图5为本实用新型另一个实施例提供的时间差分模块的结构示意图；

图6为本实用新型一个实施例提供的测量系统的结构示意图；

图7为本实用新型另一个实施例提供的测量系统的结构示意图；

图8为本实用新型另一个实施例提供的测量系统的结构示意图；

图9为本实用新型另一个实施例提供的测量系统的结构示意图。

具体实施方式

以上是本实用新型的核心思想，为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供了一种测量系统，如图1所示，包括光发射模块10、时间差分模块11和探测模块12。

其中，光发射模块10用于产生第一泵浦光B1和探测光T；

时间差分模块11包括第一分光元件和合光元件，第一分光元件用于将第一泵浦光B1分成多个光束，且任意两个光束之间具有时间延迟；合光元件用于将具有时间延迟的多个光束合成第二泵浦光B2，并使第二泵浦光B2照射待测物A，在待测物A中形成声波，探测光T到达待测物A表面反射后形成信号光X；

探测模块12用于探测信号光X，并根据信号光X获取待测物A的待检测信息。

本实用新型实施例中，通过第一分光元件将第一泵浦光B1分成多个光束，且任意两个光束之间具有时间延迟，通过合光元件将具有时间延迟的多个光束合成第二泵浦光B2，从而可以消除泵浦光信号即第一泵浦光B1中的背景信号和低频信号，进而可以提高泵浦光信号的信噪比，提高测量精度。

在本实施例中，任意两个光束之间的延迟时间为固定值。当然，本实用新型并不仅限于此，在其他实施例中，两个光束之间的延迟时间还可以为可调的。

本实用新型的一些实施例中，第一分光元件包括光纤分束器，光纤分束器用于将第一泵浦光B1分成分别沿多条光纤传输的多个光束，其中，任意两条光纤的长度不同，以使任意两个光束之间具有时间延迟；合光元件包括光纤耦合器，光纤耦合器用于将沿多条光纤传输的多个光束进行合束，合成第二泵浦光。

由于多个光束是在多个光纤中分别传输的，而沿光纤传输的光路可以免除准直调节等繁琐工作，因此，降低了测量系统部分光路的调节难度，提高了系统的稳定性与抗干扰能力。

在上述实施例的基础上，本实用新型一些实施例中，如图2所示，多条光纤包括第一光纤112和第二光纤113，第一分光元件110即光纤分束器用于将第一泵浦光B1分成沿第一光纤112传输的第一光束S1和沿第二光纤113传输的第二光束S2，第一光纤112和第二光纤113之间的长度差为预设值，以使第一光束S1和第二光束S2之间具有预设的时间延迟；合光元件111即光纤耦合器用于将具有预设时间延迟的第一光束S1和第二光束S2合成第二泵浦光B2。

本实施例中，光纤的长度为固定值，预设值为固定值。在其他实施例中，一个或多条光纤的长度可调。时间差分模块11还包括光纤长度调制器，用于通过对光纤进行拉伸，来调节光纤的长度。

需要说明的是，第一光束S1和第二光束S2之间的时间延迟是由第一光纤112和第二光纤113的长度差决定的，即Δt＝ΔL/v，其中，Δt为第一光束S1和第二光束S2之间的时间延迟，ΔL为第一光纤112和第二光纤113的长度差，v为光在光纤纤芯中的传播速度。

当然，本实用新型并不仅限于此，在另一些实施例中，第一分光元件110将第一泵浦光B1分成的光束个数大于或等于3，即第一分光元件110将第一泵浦光B1分成了3个及以上个数的光束。

由于增加光束的个数有利于调节第一泵浦光B1的频率，因此，令第一泵浦光B1分成的光束个数大于或等于3，能够进一步减小噪声的影响。

在此基础上，本实用新型的一些实施例中，第一分光元件110包括多个级联的分束器。第一级分束器用于将第一泵浦光B1分成多个光束；下一级分束器用于将上一级分束器分出的光束分成多个光束；分束器为光纤分束器或分光棱镜。

如图3所示，第一级分束器1101将第一泵浦光B1分成了两个光束，一个第二级分束器1102将两个光束中的一个光束又分成了两个光束，另一个第二级分束器1102将两个光束中的另一个光束分成了两个光束，以此类推。需要说明的是，图3中，各级分束器将一束光分成了两束光，但是，本实用新型并不仅限于此，在一些实施例中，各级分束器还可以将一束光分成三及以上束光。

在此基础上，本实用新型实施例中的合光元件111包括：一个合束器或多个级联的合束器；当合光元件111包括一个合束器时，如图3所示，合束器用于将第一分光元件110分出的光束合为一束光；当合光元件111包括多个级联的合束器时，如图4所示，多个级联的合束器包括第一合束器1111用于将第一分光元件110分出的光束中的多个光束进行合束，形成合光束，第二合束器1112用于使合束光与第一分光元件110分出的其他光束进行合束，或者，如图5所示，第二合束器1112用于将多个合束光进行合束。

在一个实施例中，分束器包括光纤分束器，合束器为光纤耦合器，或多个级联的光纤耦合器，光纤分束器之间、光纤耦合器之间以及光纤分束器和光纤耦合器之间通过光纤连接。

在另一实施例中，分束器包括分光棱镜，合束器为耦合棱镜，第一分光元件分成的光束为空间光；合光束为空间光。在一个示例中，任一合束器的位置可调，或者任一分光器的位置可调。

需要说明的是，如图1所示，第二泵浦光B2入射到待测物A上的入射角与探测光T入射到待测物A上的入射角不同，以对第二泵浦光B2和探测光T进行区分，以根据第二泵浦光B2和探测光T照射到待测物A上的时间差，获得声波在待测物A中的传播时间，进而根据传播时间获得待测物A的膜厚。

本实用新型一些实施例中，待测物A为生长在基板上的金属薄膜，第二泵浦光B2照射到金属薄膜表面后，会激发金属薄膜产生超声波。产生的超声波会在金属薄膜内传播，且其被金属薄膜和基板的交界面反射后，会传输回金属薄膜的表面。由于超声波在金属薄膜内传播时，会改变金属薄膜的光学特性，因此，当超声波到达金属薄膜表面时，若探测光T入射到金属薄膜的表面，则探测光T的反射率会发生变化。通过扫描探测光T相对于第二泵浦光B2的时间延时，可获得探测光T的反射率发生变化的时间，进而可以推断出超声波在金属薄膜内部传输的时间，再结合超声波在金属薄膜内的传播速度，即可得到金属薄膜的厚度。

基于此，本实用新型一些实施例中，如图6所示，光发射模块10包括激光器100、第二分光元件101和时间延迟器102。

其中，激光器100用于产生激光；第二分光元件101用于对激光进行分光，形成第一泵浦光B1和探测光T；时间延迟器102用于对探测光T进行时间延迟，其中时间延迟器102被配置为使探测光T和泵浦光即第一泵浦光B1或第二泵浦光B2的延迟时间可调。

可选地，第二分光元件101包括光纤分束器；第一泵浦光B1沿第三光纤传输，探测光T沿第四光纤传输。即，本实用新型实施例中，任意两个器件之间的光路都可以采用光纤，即采用光纤传输两个器件之间的泵浦光和探测光，以进一步降低测量系统光路的调节难度，提高系统的稳定性与抗干扰能力。

需要说明的是，本实用新型实施例中的激光为脉冲光，即第一泵浦光B1、第二泵浦光B2和探测光T都为脉冲激光。由于超声波在金属薄膜内部传输的时间是未知的，因此，本实用新型实施例中通过不断调节时间延迟器102的延迟时间，使第二泵浦光B2和探测光T的延迟时间依次为Δt₁、Δt₂、Δt₃……，且Δt₁、Δt₂、Δt₃……依次增大，然后通过检测信号光X获得信号光X的光强随时间变化的曲线，根据曲线中相邻的两个光强变化最大点如光强最大点的时间差，即可得到超声波在金属薄膜内的传播时间。

还需要说明的是，本实用新型的另一些实施例中，还可以将时间延迟器102设置在泵浦光的光路上，以使泵浦光产生时间延迟。其中，时间延迟器102可以设置在第一泵浦光B1的光路上，也可以设置在第二泵浦光B2的光路上，在此不再赘述。

在上述实施例的基础上，本实用新型的一些实施例中，如图7所示，光发射模块10还包括第一光调制器103和与第一光调制器103相连的第一信号控制器104。

其中，第一光调制器103用于对第一泵浦光B1进行振幅调制；第一信号控制器104用于生成第一控制信号并传输至第一光调制器103，以通过第一控制信号控制第一光调制器103的调制幅度。

当然，本实用新型并不仅限于此，在另一实施例中，如图8所示，光发射模块10还包括第二光调制器105和与第二光调制器105相连的第二信号控制器106；

第二光调制器105用于对第一泵浦光B1进行偏振调制；

第二信号控制器106用于生成第二控制信号并传输至第二光调制器105，以通过第二控制信号控制第二光调制器105的调制幅度。

也就是说，本实用新型实施例中，既可以对第一泵浦光B1进行振幅调制，也可以对第一泵浦光B1进行偏振调制，以使调制后的泵浦光与探测光具有不同的振幅或偏振态，以便区分信号光X中的泵浦光和反射的探测光。当然，本实用新型并不仅限于此，在其他实施例中，还可以通过其他方式对第一泵浦光B1进行调制，例如，光发射模块10可以同时包括第一光调制器103、第一信号控制器104、第二光调制器105和第二信号控制器106，即可以采用偏振调制和振幅调制共同对第一泵浦光B1进行调制。可以理解的是，本实用新型另一些实施例中，也可以对第二泵浦光B2进行振幅调制和/或偏振态调制等。

在上述任一实施例的基础上，本实用新型的一些实施例中，如图9所示，探测模块12包括探测器120和数据处理模块121。

其中，探测器120用于探测探测光T和泵浦光即第一泵浦光B1或第二泵浦光B2具有不同延迟时间时形成的信号光X，并获得信号光X的光强随时间变化的数据；

数据处理模块121用于根据信号光X的光强随时间变化的数据获得信号光X的光强发生变化的时间，根据获得的信号光X的光强发生变化的时间获得声波在待测物A内传播的时间，根据声波在待测物A内传播的时间以及声波在待测物A中的传播速度得到待测物A的厚度。

在此基础上，本实用新型的一些实施例中，如图9所示，探测模块12还包括位于在探测器120和数据处理模块121之间的锁定放大器122；

锁定放大器122用于接收光发射模块10中的信号控制器即第一信号控制器104或第二信号控制器106输出的参考信号和探测器120输出的信号光X的光强随时间变化的数据，参考信号与泵浦光和探测光的频率相同，根据参考信号对信号光X的光强随时间变化的数据进行解调，并将解调后的信号光X的光强随时间变化的数据传输至数据处理模块121。

需要说明的是，本实用新型实施例中，对第一泵浦光B1进行振幅或偏振态调制后，第二泵浦光B2的频率并不会发生变化。基于此，锁定放大器122根据第一信号控制器104或第二信号控制器106输出的参考信号，即可获得调制后的第二泵浦光B2的频率，该参考信号的频率与第二泵浦光B2的频率相同。由于调制后的第二泵浦光B2的频率与探测光T的频率相同，信号光X与探测光T的频率相同，因此，根据参考信号即可对信号光X的光强随时间变化的数据进行解调，以对信号光X的光强随时间变化的数据进行滤除噪声和放大处理。

之后，数据处理模块121即可根据信号光X的光强随时间变化的数据获得信号光X的光强发生变化的时间，由于当声波和探测光T同时传输到待测物A表面时，探测光T的反射率变化最大，即探测到的信号光X的光强最大，因此，可以根据相邻两个光强最大点之间的时间差获得相邻两个声波传播到待测物A表面的时间差，即可获得声波在待测物A内传播的时间，进而可以根据声波在待测物A内传播的时间以及声波在待测物A中的传播速度得到待测物A的厚度。

需要说明的是，声波在待测物A内传播的时间是指声波从待测物A表面产生后到达待测物A和基板的交界面的时间，以及从交界面被反射回待测物A表面的时间之和。即D＝V*T/2，其中，D为待测物A的厚度，V为声波在待测物A内的传播速度，T为声波在待测物A内传播的时间。

还需要说明的是，本实用新型实施例中的测量系统不仅能够测量待测物A的膜厚，还可以测量待测物A的弹性模量或声速等。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种测量系统，其特征在于，包括：

光发射模块，用于产生第一泵浦光和探测光，所述第一泵浦光和探测光均为脉冲光；

时间差分模块，包括第一分光元件和合光元件，所述第一分光元件用于将所述第一泵浦光分成多个光束，且任意两个光束之间具有时间延迟；所述合光元件用于将具有时间延迟的多个光束合成第二泵浦光，并使所述第二泵浦光照射待测物，在所述待测物中形成声波，所述探测光到达所述待测物表面反射后形成信号光；

探测模块，用于探测所述信号光，并根据所述信号光获取所述待测物的待检测信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一分光元件包括光纤分束器，所述光纤分束器用于将所述第一泵浦光分成分别沿多条光纤传输的多个光束，其中，任意两条光纤的长度不同，以使任意两个光束之间具有时间延迟；

所述合光元件包括光纤耦合器，所述光纤耦合器用于将沿所述多条光纤传输的多个光束进行合束，合成所述第二泵浦光。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多条光纤包括第一光纤和第二光纤；

所述第一分光元件用于将所述第一泵浦光分成沿所述第一光纤传输的第一光束和沿所述第二光纤传输的第二光束，所述第一光纤和所述第二光纤之间的长度差为预设值，以使所述第一光束和所述第二光束之间具有预设的时间延迟；

所述合光元件用于将具有预设时间延迟的所述第一光束和所述第二光束合成第二泵浦光。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一分光元件将所述第一泵浦光分成的光束个数大于或等于3。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一分光元件包括多个级联的分束器；

第一级分束器用于将所述第一泵浦光分成多个光束；

下一级分束器用于将上一级分束器分出的光束分成多个光束；

所述分束器为光纤分束器或分光棱镜。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光发射模块包括：

激光器，用于产生激光；

第二分光元件，用于对所述激光进行分光，形成所述第一泵浦光和所述探测光；

时间延迟器，用于对所述探测光进行时间延迟，所述时间延迟器被配置为使所述探测光和泵浦光的延迟时间可调。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光发射模块还包括第一光调制器和与所述第一光调制器相连的第一信号控制器；和/或，所述光发射模块还包括第二光调制器和与所述第二光调制器相连的第二信号控制器；

所述第一光调制器用于对所述第一泵浦光进行振幅调制；

所述第一信号控制器用于生成第一控制信号并传输至所述第一光调制器，以通过所述第一控制信号控制所述第一光调制器的调制幅度；

所述第二光调制器用于对所述第一泵浦光进行偏振调制；

所述第二信号控制器用于生成第二控制信号并传输至所述第二光调制器，以通过所述第二控制信号控制所述第二光调制器的偏振态。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二分光元件包括光纤分束器；所述第一泵浦光沿第三光纤传输，所述探测光沿第四光纤传输。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测模块包括探测器和数据处理模块；

所述探测器用于探测所述探测光和泵浦光具有不同延迟时间时形成的所述信号光，并获得所述信号光的光强随时间变化的数据；

所述数据处理模块用于根据所述信号光的光强随时间变化的数据获得所述信号光的光强发生变化的时间，根据获得的所述信号光的光强发生变化的时间获得所述声波在所述待测物内传播的时间，根据所述声波在所述待测物内传播的时间以及所述声波在所述待测物中的传播速度得到所述待测物的厚度。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述探测模块还包括位于在所述探测器和所述数据处理模块之间的锁定放大器；

所述锁定放大器用于接收所述光发射模块中的信号控制器输出的参考信号和所述探测器输出的所述信号光的光强随时间变化的数据，根据所述参考信号对所述信号光的光强随时间变化的数据进行解调，并将解调后的所述信号光的光强随时间变化的数据传输至所述数据处理模块。

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