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方案

本发明专利技术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。通过本发明专利技术，增大激光超声测量技术所适用的样品的膜厚范围。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于宽膜厚范围样品的激光超声测量系统及方法
本专利技术属于激光超声检测相关
，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。
技术介绍
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copperpillarbumps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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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，按照本专利技术的一个方面，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。按照本专利技术的另一个方面，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，通过本专利技术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.本专利技术中采用探测器、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；...

【技术保护点】
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：/n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；/n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。/n...

【技术特征摘要】
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。


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)。


3.如权利要求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...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵菁，汤自荣，刘世元，陈修国，李仲禹，王中昱，胡静，王则涵，
申请(专利权)人：华中科技大学，上海精测半导体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42