用于将光学组件重新聚焦的方法与流程

本发明涉及一种用于将光学机构重新聚焦的方法和装置。

背景技术：

为了准确地指示待加工工件的点，在工业加工中使用这样的一些光学机构，其利用了来源于光源的具有时间上超短(也就是说，在飞秒或皮秒量级)的脉冲的光束。

在所谓的“时间解析”(特别是“泵浦探测”类型的)光学机构中，使用时间上超短的激光脉冲来光学地激励样本，并检测其在现象产生之前、期间、和之后的状态。其可能涉及激励金属或半导体中的电荷载流子、增加热、或甚至生成声学脉冲。

泵浦探测机构使得有可能学习非常快速的现象，例如物质中电子的动态、小规模的热扩散、或甚至超快速光声现象(也被称为“皮秒声学”)。这种光声应用在工业世界中用得非常广泛。多年来，鲁道夫技术公司已销售了所有主要微电子生产商非常广泛地使用的用于在线监视集成电路的层的厚度的设备。menapic公司使用了光声技术的一种变形，其使得描述材料的特征成为可能。

这些光学机构的原理是采用两个光源(特别是激光器)或分成两个光束的一个光源。第一光源(称为“泵浦”)负责生成该现象。泵浦光束例如通过专用的聚焦光学器件(比如透镜或显微镜物镜)聚焦到样本上。第二光束(称为“探测”)利用相同的光学器件或不同的光学器件也在同一点处聚焦到样本上。

两个光束具有不同的光学轨迹，但它们中的至少一个是长度可调的，因此存在用于使两个光束行进的光路的长度严格相等的设备。通过延迟线对轨迹中之一的长度的调节将时间相移设定在泵浦光束与探测光束之间，并且确定观察到样本的状态的时刻。

泵浦和探测这两个光束在样本上反射或穿过它。根据机构，在幅度、相位或方向方面对反射的或透射的探测光束进行分析。对作为泵浦光束与探测光束之间的延迟的函数的这些量中的一个量的依赖性进行的分析使得有可能重构样本在现象产生之前、期间和之后的历史。

图1表示采用单个激光源52的泵浦-探测光学机构51的示例。从其导出的光束fi被分光元件53分成两个光束：泵浦fp和探测fs。这些光束之间的延迟是使用延迟线54可调的，延迟线54在本示例中包括根据线性位移可移动的反射镜。随后使用在所考虑的示例中对两个光束唯一的聚焦光学器件55来将泵浦fp和探测fs两个光束重新组合在待分析样本100上。在本示例中，使用光电二极管56在强度方面对样本100反射的探测光束fsr进行分析，泵浦光束fpr被陷光器57阻止。

如由a.devos等人在physicalreviewb,70,12,125208,2004上发表的论文“strongoscillationsdetectedbypicosecondultrasonicsinsilicon:evidenceforanelectronicstructureeffect”以及在appliedphysicsletters86,21,211903,2005上发表的论文“adifferentwayofperformingpicosecondultrasonicmeasurementsinthintransparentfilmsbasedonlaser-wavelengtheffects”所说明的那样，对聚焦光学器件与待分析样本的表面之间的距离的准确调节对获得所寻求的信号是至关重要的。

在样本的每个变化或所分析的样本的区域的每个变化上，尤其对于厚度可变的样本，必须根据样本的局部厚度和类型来重复这种调节。

在已知方法中，通过观察在焦距变化时信号的趋势，通过利用新样本寻求获得与参考样本的响应相当或更强的响应，来执行重新聚焦。然而，在样本具有更弱响应的情况下，这一探索不保证是足够的。实际上，当必须修改光束的空间叠加或者电子测量设备的额定值时，信号通常丢失。

另一已知技术包括分析样本上反射的光束的散度。然而，该技术仅可应用于其中通过相同光学器件执行光束的聚焦和再准直的机构。当在远处观察反射的光束时，后者在样本处于光学器件的焦平面中时应当看起来是准直的。该技术通常遭受准确度缺乏的困扰。

在其他已知方法中，使用了外部系统，例如在专利申请ca02281747中描述的电子系统。该方法可以依赖于电容的测量，如在来自美国激光企业公司的自动聚焦控制模块产品中的那样。还方法还可以依赖使用外部光学系统的光学测量，如在来自运动x公司(motionxcorporation)的产品focustrac^tm中的那样。

使用电容测量的系统要求金属样本表面，其例如排除了如玻璃样本的所有类型的样本。

外部光学系统需要对激光源的轨迹添加不同的光学器件，这损害了测量结果的准确度。

因此，为了对上述缺陷进行补救，仍然存在进一步改进方法以使得可能在光学机构中将光束聚焦在光学反射支持件上的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决该需求，并且根据其方面中的一个，借助于用于将光学机构重新聚焦在目标表面上的方法使用来源于短脉冲光源的至少一个光束来实现它，包括用于将光束聚焦在目标表面上的至少一个光学器件，所述重新聚焦是在知悉了光学机构被视为聚焦的参考条件之后被应用，在方法中：

-检测聚焦信号，其表示由所述目标表面反射的光束与不由所述目标表面反射且从所述源导出的参考光束之间的脉冲的时间叠加，所述光束中的一个由延迟线延迟，

-基于所述参考条件，使得其上放置了所述延迟线的所述光束的光学路径变化以导致所述聚焦信号到达或超过预定义阈值，以及

-基于对在参考条件与所述聚焦信号到达或超过所述预定义阈值的那些条件之间的光学路径的变化的知悉，重新调节所述聚焦。

根据本发明的方法可以被应用于使用探测光束和泵浦光束来分析定义了所述目标表面的样本，所述探测光束和所述泵浦光束中的至少一个来源于所述短脉冲光源，所述短脉冲光源包括放置在所述光束中的一个的轨迹上的至少一个延迟线以及用于将所述探测光束和所述泵浦光束聚焦在待分析的所述样本上的至少一个光学器件，所述聚焦信号表示在由所述样本反射且由所述延迟线延迟的光束与不由所述样本反射的参考光束之间检测到的脉冲的时间叠加。

根据本发明方面中的另一方面，本发明还涉及一种重新聚焦装置，意在实施上文的根据本发明的方法，所述光学机构使用来源于短脉冲光源的至少一个光束，包括用于将所述光束聚焦在所述目标表面上的至少一个光学器件，

所述装置包括：用于检测表示在由所述目标表面反射的光束与不由所述目标表面反射且从所述源导出的参考光束之间的时间叠加的聚焦信号的设备，所述光束中的一个由延迟线延迟，

所述装置被配置为：

-基于所述光学机构被视为聚焦的参考条件，改变其上放置了所述延迟线的所述光束的光学路径，以导致所述聚焦信号到达或超过预定义阈值，以及

-基于对在所述参考条件与所述聚焦信号到达所述预定义阈值的那些条件之间的光学路径的变化的知悉，重新调节所述聚焦。

根据本发明的装置可以被应用于分析定义了所述目标表面的样本，在这种情况下所述光学分析机构有利地使用探测光束和泵浦光束，它们中的至少一个来源于所述短脉冲光源，包括放置在所述光束中的一个的轨迹上的至少一个延迟线以及用于将所述泵浦光束和探测光束聚焦在待分析的所述样本上的至少一个光学器件，所述聚焦信号表示在由所述样本反射且由所述延迟线延迟的光束与不由所述样本反射的参考光束之间检测到的脉冲的时间重叠。

本发明使得有可能容易地非常迅速地(特别是在泵浦探测类型的光学机构中)调节光束在目标表面上的聚焦，而无需技术人员的干预或外部系统的使用。

根据本发明的方法使得甚至对于由其厚度与参考样本的厚度相差大约4mm的样本所定义的目标表面，也有可能自动地成功重新调节聚焦。

本发明可以使用在需要聚焦的表面上反射的泵浦光束，泵浦光束是在这种类型的机构中通常丢失的信号。由于时间分辨率是泵浦探测机构的时间分辨率，所以聚焦的准确度非常优秀。因此，本发明使得有可能独立于样本的响应来确定要给予聚焦光学器件的新位置。

可以使用独立于光学分析机构的光学器件(其避免了干扰光学分析机构)以及使得有可能产生互相关的设备来实施本发明，但无需附加与机构无关的复杂光学系统。其结果是非常紧凑的装置。

本发明的对象为实施泵浦探测类型的光学机构的所有设备，例如热反射皮秒声学或太赫兹机构。其尤其适合于快速光学测量和声学分析系统，例如用于厚度、半导体中载流子的寿命、或材料弹性性质的测量，尤其用于声呐应用。

本发明还适合于单光束光学机构，尤其在加工应用中，这是因为其使得有可能提供非常准确的聚焦。

基于所述参考条件，有可能通过相对于目标表面移动延迟线来改变其上放置了延迟线的光束的光学路径，这给出了最佳聚焦结果。在一个变型中，通过(尤其是使用其上布置了目标表面的移动样本保持器)相对于延迟线移动目标表面，来改变其上放置了延迟线的光束的光学路径。

延迟线优选放置在不由目标表面反射的参考光束的路径中。由于该路径自然地较短，并且装置需要光学轨迹相等，因此有利的是将延迟线放置在该路径上，这是因为其必然拉长光学轨迹。在一个变型中，延迟线被放置在由目标表面反射的光束的路径上。

因此，延迟线和/或目标表面有利地被移动，以便产生聚焦信号的各种检测，直到所述聚焦信号到达或超过预定义阈值为止。

该预定义阈值可以等于零，或者更好地严格大于零。预定义阈值可以取决于脉冲的宽度，等于零的阈值有可能不足以容易地产生重新聚焦，尤其是对于皮秒量级的脉冲而言。预定义阈值可以是一个或多个光源的波长的函数。

可以通过由目标表面反射且由延迟线延迟的光束与不由目标表面反射且从所述光源或所述多个光源中的一个导出的参考光束之间的互相关来获得表示脉冲的时间叠加的聚焦信号。

在chong等人在appliedphysicslettervolume105,page062111,2014上的论文“autocorrelationmeasurementoffemtosecondlaserpulsesbasedontwo-photonabsorptioningapphotodiode”中已经描述了在光脉冲(尤其是激光脉冲)之间的互相关或自相关。

根据本发明的聚焦方法可以使用控制环来实施，这尤其使得可能完全自动地在整体上分析样本。控制环可以被编程以在分析条件的每种变化下(尤其在样本的变化或观察区域的变化的情况下)执行根据本发明的重新聚焦方法的不同步骤以及样本的状态的分析。

其中实施了根据本发明的方法的光学机构可以包括分光元件，其用于划分来源于光源的光束以便产生由目标表面反射的光束和不由目标表面反射的参考光束。

在变型中，光学分析机构包括单个光源和分光元件，分光元件用于分离来源于光源的光束以便产生泵浦和探测光束。在另一变型中，光学分析机构包括两个光源，分别发射泵浦光束和探测光束。在光学分析机构包括两个不同光源的情况下，后者可以通过使用专用电子器件而被合成。

延迟线有利地放置在泵浦光束的轨迹上。

不由样本反射的参考光束可以是不由延迟线延迟的泵浦光束、或探测光束、或在光学分析机构包括单个源和分光元件的情况下的来源于光源的在分光元件之前捕获的光束。

使用不由延迟线延迟的泵浦光束是优选的，这是因为这使得有可能得到更高能量的脉冲，光束在其轨迹上不穿过很可能对其进行修改的光学器件。

其中实施了根据本发明的方法的光学分析机构有利地包括允许泵浦和探测两个脉冲在样本上重新组合的单个聚焦光学器件。在一个变型中，光学分析机构包括用于泵浦和探测每个光束的不同的聚焦光学器件。

可以通过相对于目标表面移动聚焦光学器件来重新调节聚焦，在一个变型中，通过(尤其是使用其上布置了目标表面的样本保持器的移动)相对于聚焦光学器件移动目标表面来修改聚焦。

一旦实施根据本发明的方法，当可以重新建立聚焦时，以及在延迟线已被移动以改变其上放置了延迟线的光束的光学路径的情况下，延迟线优选地被重新放置在参考零点以获得信号，并且例如开始样本的分析或加工。

参考条件有利地对应于其中聚焦光学器件被视为聚焦在参考目标表面上的状态，并且可以对应于延迟线与目标表面之间的光学路径的参考长度d1。

可以利用参考目标表面而不是待使用的表面、或者利用除了必须使用的目标表面的区域之外的在观察参考区域时的目标表面，例如在分析样本的情况下在样本的表面上或在其厚度上更大或更小的深度处，来传统地执行该参考长度d1的确定。

根据本发明的优选实施例，确定了在延迟线与目标表面之间的、针对其的聚焦信号达到或超过预定义阈值的光学路径的长度d2。于是足以通过将聚焦光学器件或目标表面移动优选地取决于d2-d1的值(但是其可以由除了d2和d1之间之外的其他关系来控制)来重新调节聚焦。

因此，在光学机构被配置为使得光束穿过延迟线若干次的情况下，重新调节是该值d2-d1的倍数，即，例如2k(d2-d1)，其中k为往返穿过的次数。

光学分析机构所允许的关于目标表面位置的作为绝对值的最大偏移具有值d，例如在0与25mm之间。延迟线与目标表面的距离的值不能大于d1+d或者小于d1-d。延迟线的该移动可以对应于负延迟或正延迟，也就是说延迟或提前。

随后有利地基于值d1-d通过逐步地递增光学路径长度来执行通过互相关进行的对聚焦信号的搜索。

根据本发明的方法特别适合于包括在基板(尤其是硅)上的薄层(尤其是金属的)叠层的样本。样本例如包括铝层(尤其厚度等于10nm)、氮化硅层(尤其厚度等于200nm)和具有成分al/sin/si的硅层。

在待分析样本的情况下，可以在样本的表面上或在与其表面相距预定义距离的深度处进行聚焦。

光源有利的是具有尤其在10fs与10ps之间的脉冲的短脉冲激光器。所使用的激光器例如为来自相干公司的变色龙超强型号(chameleonultramodel)或mira型号，或者来自光谱物理公司的maitai型号。

这些激光器有利地递送具有大约100fs的持续时间的脉冲，可调谐至对应于近红外的在680nm与1015nm之间的波长。在单个光源的情况下，可以使用适当地被布置在泵浦/探测分光元件之前或之后的倍频器，以便递送例如可被调谐至对应于蓝色的在350nm与520nm之间的波长的脉冲，而不修改脉冲的持续时间。

光源的平均功率可以在数个mw与超过100mw之间，有必要时能够使用在光学机构的输入处的衰减。光源发射的能量脉冲越多，互相关测量越容易执行。

用于检测聚焦信号的设备可以包括提供了重要的极化的非线性晶体，尤其是贝塔硼酸钡(bbo)的晶体。为了检测聚焦信号。两个光束在非线性晶体中组合，并且使用光电二极管检测来源于来自互相关的光子总和的光束。

在变型中，用于检测聚焦信号的设备是其上聚焦两个光束的双光子光电二极管，尤其是碳化硅(sic)、磷砷化镓(gaasp)或磷化镓(gap)的双光子光电二极管。双光子光电二极管(尤其是碳化硅的双光子光电二极管)的使用在使用不同波长光源的应用的情况中特别有利，例如波长在大约680nm与1050nm之间的处于近红外中的泵浦光束的波长，以及波长在大约350nm与520nm之间的处于蓝色中的探测光束的波长。

光学延迟线可以包括(尤其由移动厢承载的)反射镜和/或一个或多个全反射棱镜和/或回射器和/或电光调制器。延迟线类型的选择有利地取决于光源的波长。可以在装置中呈现微控制器以驱动延迟线的移动。

光学延迟线可以结合在用于检测所述聚焦信号的设备中。这使得有可能具有占用面积很小的紧凑型装置，并且通过添加最少的可能元件限制了对已知聚焦光学机构的修改。

在必要时，延迟线(其用于改变其上放置延迟线的光束的光学路径)可以与被用来以已知方式设定用于分析样本的泵浦与探测光束之间的时间相移的延迟线相同，如前所述。在一个变型中，根据本发明的装置包括两个不同的延迟线。

根据本发明的方面中的另一方面，本发明还涉及意在实施根据本发明的重新聚焦方法的组件，也称为套件，其包括：

-根据本发明的如上文定义的重新聚焦装置，其包括至少一个延迟线和至少一个光学器件，其用于将光束聚焦在目标表面上，以及

-参考目标表面，其用于针对其而言光学机构被视为聚焦在参考目标表面上的参考条件的在先确定。

可以通过包括金属层(尤其是铝)和至少一个其他材料层(尤其是硅或玻璃)的参考样本来定义参考目标表面。

参考目标表面优选地在法向入射的情况下被观察以用于所述参考条件的在先确定。

上述针对聚焦方法和装置的特征应用于所述组件。

附图说明

当阅读了其非限制性示例实施方式的以下详细描述和研究了附图时，将会能够更好地理解本发明，其中：

-图1(已描述)表示根据现有技术的泵浦探测光学机构，

-图2表示根据本发明的用于将光学机构聚焦的装置，

-图3表示根据本发明的用于将泵浦探测光学机构聚焦的装置，

-图4表示图3的装置的根据本发明的检测设备，

-图5示出实施根据本发明的方法的步骤，以及

-图6表示通过应用根据本发明的方法而得到的信号的时序图。

具体实施方式

图2表示了用于聚焦光学机构的目标表面100的装置1，意图实施根据本发明的重新聚焦方法。

光学机构使用来源于光源2的光束fu。光源2有利地为短脉冲激光，例如具有基本上等于100fs的持续时间，并且可调谐到与近红外对应的680nm与1050nm之间的波长。

光学机构包括用于将光束fu聚焦到目标表面100上的光学器件5以及包含在下文所述的检测设备17中的延迟线14。

在实现根据本发明的重新聚焦方法之前，在聚焦光学器件5被视为聚焦到参考目标表面上的参考条件下已经确定了延迟线14与目标表面之间的光学路径的参考长度d1。

可以利用参考目标表面而不是待使用的表面、或者利用在除了必须作为目标的区域之外的参考区域中的目标表面100来执行参考长度d1的在先确定。

通过分光器元件10的布置获得不由目标表面100反射的参考光束fref，以捕获光束fu的一部分，并使用反射镜18和19将其发送到用于检测聚焦信号的设备17。由目标表面100反射的且从光束fu导出的光束fr也被发送到用于检测聚焦信号的设备17。参考光束fref通过延迟线14而被延迟。

图3表示用于聚焦用于对定义了目标表面的样本100进行分析的光学机构装置1，意在实现根据本发明的方法。

样本100例如包括厚度等于10nm的铝层、厚度等于200nm的氮化硅层、和具有成分al/sin/si的硅层。然而，本发明不限于特定类型的待分析样本。

光学分析机构使用来源于由单个光源2发射的初始光束fi的泵浦光束fp和探测光束fs，并通过分光元件3分成泵浦和探测两个光束。在未示出的变型中，光学分析机构包括分别发射泵浦光束fp和探测光束fs的两个光源。

可以在分光器元件3之后布置倍频器(未示出)以便在不修改脉冲的持续时间的情况下递送可被调谐到与蓝色对应的350nm与520nm之间的波长的脉冲以用于探测。然而，本发明不限于特定类型的光源或特定类型的泵浦和探测光束。

光学分析机构包括放置在泵浦光束fp的轨迹上的延迟线4以及使得泵浦fp和探测fs两个光束可以在待分析样本100上被重新组合的聚焦光学器件5。在未示出的变型中，光学分析机构包括用于泵浦fp和探测fs每个光束的不同聚焦光学器件。聚焦光学器件或光学器件5例如是50mmac254-50-b或60mmachromg型的透镜。

在实现根据本发明的重新聚焦方法之前，在聚焦光学器件5被视为聚焦到参考样本上的参考条件下，已经确定了延迟线4与样本之间的光学路径的参考长度d1。

可以利用参考样本而不是待分析样本、或者利用在除了必须被分析的区域之外的参考区域中的待分析样本100来执行参考长度d1的在先确定。

通过分光器元件8的布置来获得不由样本100反射的参考探测光束fref，以捕获探测光束的一部分，并将其发送到用于检测聚焦信号的设备7。由样本100反射的探测光束fsr在所述示例中被光电二极管6捕获。

如在图2和图4中可以看出，用于检测聚焦信号的设备7、17有利地是双光子光电二极管，例如碳化硅(sic)的双光子光电二极管，在当泵浦fp和探测fs光束的波长不同时的泵浦探测机构的情况下尤为有利。

在一些变型中，用于检测聚焦信号的设备7是磷砷化镓(gaasp)或磷化镓(gap)的双光子光电二极管，或者包括非线性晶体，例如贝塔硼酸钡(bbo)的晶体。然而，本发明不限于特定类型的用于检测所述聚焦信号的设备。

在所述示例中，延迟线4、14包括由移动厢承载的反射镜。在一些变型中，延迟线4、14包括一个或多个全反射棱镜和/或回射器和/或电光调制器。

可以呈现微控制器电子电路(未示出)以驱动光学机构的不同移动元件(尤其是延迟线4、14)的移动。

可以使用控制环(其示例在图5中表示)来自动地实施根据本发明的重新聚焦方法。

一旦目标表面改变或所观察的区域改变(由图5中的步骤11表示的改变)，就需要光学机构的新聚焦。

在步骤12中，延迟线4、14初始地放置在对应于d1-d的值处。值d为光学分析机构所允许的延迟线4、14与目标表面100之间的最大偏移，d可以处于0与25mm之间。在步骤13中，延迟线4、14从对应于光学路径d1-d的位置逐步地移动，以便增大延迟线4、14被放置在其上的光束的光学路径。

在步骤14中，对于每个移动增量，执行对表示了在由样本100反射的光束fr与不由样本100反射的参考光束fref之间的脉冲的时间叠加的聚焦信号的检测。通过移动延迟线来递增光学路径的长度，直到检测到预定义阈值以上的聚焦信号为止。

在步骤15中，存储对应长度d2。在未示出的变型中，相对于延迟线4、14移动目标表面100，以便例如使用其上布置目标表面的样本保持器来使得光束的光学路径变化。

如上所述，通过由样本100反射的光束fr与不由样本100反射的参考光束fref之间的互相关，有利地作出聚焦信号的检测。

在步骤16中，将延迟线4、14重新定位在参考零点处，参考零点对应于光学路径的参考长度d1。

在步骤17中，通过将聚焦光学器件5移动值d2-d1来重新调节聚焦，使得聚焦光学器件再次正确地聚焦在目标表面100上。

通过将聚焦光学器件5相对于目标表面100移动值d2-d1，可以重新调节聚焦。在变型中，通过相对于聚焦光学器件5移动目标表面100，例如通过移动其上布置目标表面的样本保持器而聚焦光学器件5维持固定来重新调节聚焦。

在光学机构被配置用于光束之一若干次穿过延迟线4、14的情况下，聚焦重新调节值取决于往返穿过的次数。

随后在步骤18中开始定义了目标表面100的样本的分析或者目标表面100的加工。

图6表示在泵浦探测类型的光学分析机构的情况下通过应用根据本发明的方法获得的信号的时序图。

时序图6(a)表示通过由样本100反射并由延迟线4延迟后的泵浦光束fr与不由样本100反射的参考探测光束fref之间的互相关获得的聚焦信号的示例。时序图6(b)表示穿过测量值的平滑曲线。

时序图6(c)和6(d)表示根据延迟线4的移动的不同叠加。

可以提出一种套件，其包括根据本发明的重新聚焦装置和用于参考条件的在先确定的参考样本。

表达“包括一个”应当理解为表示“包括至少一个”，除非另有指定。