用光纖耦合集成元件替換自由空間光學(xué)器件，使模塊化的太赫茲時域成像系統(tǒng)在太陽能電池和半導(dǎo)體晶圓分析方面表現(xiàn)更為出色。太赫茲成像系統(tǒng)經(jīng)過過去十來年的發(fā)展業(yè)已成熟。推動其發(fā)展的一個重要驅(qū)動力是集成光學(xué)技術(shù)在通信領(lǐng)域的使用，實(shí)現(xiàn)了緊湊型、高性能時域光譜（TDS）系統(tǒng)。在現(xiàn)代太赫茲TDS系統(tǒng)中，光纖耦合集成元件已經(jīng)完全取代了分布式自由空間光學(xué)器件。這不僅意味著在空間需求方面具有優(yōu)勢，也有利于將太赫茲測量性能集成到各種類型的科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中。具體來說，晶圓分析系統(tǒng)就可以利用太赫茲微探針來實(shí)現(xiàn)高分辨率近場成像。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，位于德國慕尼黑的Toptica Photonics公司TeraFlash系統(tǒng)是一種基于光纖結(jié)構(gòu)的太赫茲TDS模塊，將光學(xué)和電子元件高度集成一體。整個系統(tǒng)包括一個飛秒級脈沖激光器、光學(xué)延遲元件以及數(shù)據(jù)采集和控制單元，全部集成在一個19英寸大小的機(jī)架安裝盒中。唯一的外部元件是兩個光纖耦合光導(dǎo)（PC）天線，用于產(chǎn)生和探測由TDS模塊光激發(fā)產(chǎn)生的太赫茲輻射。商業(yè)整合通過光纖/電纜連接外部太赫茲天線元件和TDS系統(tǒng)，得益于其較小的空間尺寸和免受射頻（RF）信號干擾能力，將把太赫茲檢測引入新的應(yīng)用環(huán)境。我們的太赫茲系統(tǒng)工作波長為1550nm，將Toptica的TDS模塊與PC近場探針結(jié)合在一起，可使光纖中的信號色散最小化，并將光學(xué)采樣脈沖的持續(xù)時間保持在100fs以下。

所得到的太赫茲系統(tǒng)只需20ms就可記錄完整的太赫茲時域瞬態(tài)，這對于許多需要連續(xù)太赫茲測量的應(yīng)用是一個很大的優(yōu)勢，諸如在線質(zhì)量檢測、無損檢測和基于光柵掃描的太赫茲（近場）成像。與標(biāo)準(zhǔn)配置的自由空間傳輸測量相反（其中發(fā)射器天線產(chǎn)生的太赫茲輻射被準(zhǔn)直發(fā)射并聚焦到遠(yuǎn)場探測器天線上），我們基于光纖結(jié)構(gòu)的太赫茲TDS系統(tǒng)將TeraFlash源模塊與Protemics TeraCube近場掃描系統(tǒng)整合在一起，其中后者包括一個用于太赫茲探測和成像的PC近場探針（Protemics TeraSpike TD-800-X-HR-WT）（見圖1）。

圖1 光學(xué)時域光譜單元（a）產(chǎn)生超快泵浦/探測信號，而近場掃描單元（b）包括太赫茲發(fā)射器和近場探測器元件，以及用于高分辨率測繪的平移臺；被測試的樣品或器件將加載到近場掃描單元中計算機(jī)單元控制TDS模塊以及近場成像系統(tǒng)。在測量過程中，光柵掃描系統(tǒng)的運(yùn)動控制單元將樣本的當(dāng)前位置信息連續(xù)傳送給數(shù)據(jù)采集單元，將其與每個位置記錄的太赫茲數(shù)據(jù)結(jié)合。具有高采樣率的TDS模塊可以在連續(xù)運(yùn)動下（無停止和中斷）進(jìn)行表面掃描，實(shí)現(xiàn)完整的太赫茲瞬態(tài)探測。PC近場探針由一個1μm厚的低溫生長而成砷化鎵（GaAs）懸臂組成，該懸臂具有一對錐形電極，在探針尖端形成PC開關(guān)。它可探測靠近樣品表面的太赫茲透射場。與近場電光晶體探針相比，它具有非破壞性和高靈敏度的特點(diǎn)。散射型探針只能探測樣品垂直方向的z場矢量，而孔徑型探針只能探測水平方向的（x，y）場矢量。相比之下，我們的PC近場探測器可對x、y或z軸方向的場矢量分量選擇性敏感。

科學(xué)應(yīng)用

當(dāng)懸停在被測樣品表面幾微米處進(jìn)行測試時，憑借3~10μm的最大空間分辨率， Protemics太赫茲成像儀在工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域有了新的應(yīng)用可能。例如，在科學(xué)領(lǐng)域，荷蘭基礎(chǔ)能源研究所（DIFFER）的研究人員發(fā)現(xiàn)，超材料的共振頻率在遠(yuǎn)場測量的數(shù)值與近場的測量結(jié)果相差很大。在他們的研究中表明，在1μm近距離檢測的頻率值為0.62THz，而在遠(yuǎn)場距離（約24cm）則變?yōu)?.85THz。因此，對于這種結(jié)構(gòu)的未來傳感應(yīng)用，直接訪問近場特性是非常重要的，近場特性決定了傳感器與被檢測物之間相互作用的特性。又如，密集的共振結(jié)構(gòu)間耦合作用——引起電磁感應(yīng)透明效應(yīng)——可以在相互作用的結(jié)構(gòu)中被直接檢測。有實(shí)例結(jié)果表明，通過將周期性超材料的長程耦合狀態(tài)調(diào)諧到所涉及的超分子的各個共振頻率，可以將超材料中的電磁誘導(dǎo)透明率絕對值提高到>80%。

工業(yè)晶圓分析

除了科學(xué)應(yīng)用之外，太赫茲成像系統(tǒng)在工業(yè)分析方面的應(yīng)用也越來越多。例如，材料特性的非接觸檢測，通過應(yīng)用分析模型描述，可以從傳輸?shù)奶掌澬盘栔刑骄堪雽?dǎo)體晶圓和太陽能電池的薄層電阻值（Rsh）或其他載流子相關(guān)的特性。例如，Tinkham公式通常用于從半絕緣襯底上的薄導(dǎo)電層（<10μm）獲得的太赫茲透射數(shù)據(jù)中來提取薄層電阻。到目前為止，在整個晶圓區(qū)域，無法實(shí)現(xiàn)分辨率在微米級以上的薄層電阻分布的非接觸測量。然而，這種能力在早期生產(chǎn)階段的直接檢查是必需的，因?yàn)橥ㄟ^早期的檢查能有效地優(yōu)化太陽能電池上微結(jié)構(gòu)的制造工藝，而不是在后續(xù)過程中對全加工過的電池單元系列進(jìn)行繁瑣的測試。在一個實(shí)例中，詳細(xì)說明了通過蝕刻膏去除氮化硅層（SiNx）以形成高效的電池單元接觸的過程。

在該實(shí)例中，蝕刻膏被用來去除開口處的SiNx層。為了找到最佳的蝕刻終點(diǎn)，可通過太赫茲近場透射成像，根據(jù)漿料的固化溫度監(jiān)測SiNx的開口。其目的是充分去除SiNx層，并使擴(kuò)散層留在接觸層下方，基本上不受薄層電阻的影響。雖然視覺控制可以提供關(guān)于SiNx去除過程的完整性的信息，但是它不能提供關(guān)于擴(kuò)散層的剩余量信息。然而，太赫茲透射成像可以清楚地揭示何時SiNx的開口已經(jīng)完成，并且擴(kuò)散層的蝕刻已經(jīng)開始。甚至可以檢測到由于過度蝕刻引起的p+擴(kuò)散層的輕微損傷（仍然是可接受的），因?yàn)槭艿椒直媛实南拗疲▍⒁妶D2），這是通過視覺控制或其他非接觸Rsh成像方法無法識別的。更重要的是，太赫茲掃描方法不受介質(zhì)層表面形貌的影響，而只受其下方擴(kuò)散層的影響?，F(xiàn)在，使用Protemics模塊化太赫茲成像系統(tǒng)可以在非常早期的階段可靠地找到蝕刻工藝的最佳終點(diǎn)。

圖2 在三種不同固化溫度220°C、250°C和375°C下，用蝕刻膏去除局部SiNx（“開口”）后，光學(xué)顯微鏡圖像（a）和太赫茲圖像（b）以及在相應(yīng)固化溫度下的蝕刻橫截面示意圖（c）太赫茲成像與工業(yè)相關(guān)的另一個重要應(yīng)用是毫米波和亞毫米波器件的近場特性表征和質(zhì)量控制，包括振蕩器、相控陣發(fā)射機(jī)和光子集成電路（PIC）。如圖3，通過監(jiān)測已封裝的被測器件（DUT）內(nèi)產(chǎn)生的太赫茲脈沖的強(qiáng)度，在非接觸和皮秒級分辨率下，實(shí)現(xiàn)被測器件太赫茲發(fā)射器芯片的特性表征獲取。

圖3展示了一個位于掃描近場微探針下方的被測器件（DUT）以及一張?jiān)诘奶掌澃l(fā)射器芯片（尺寸大小1.5mm x 4.0mm）表面上傳播的太赫茲脈沖的示例快照。芯片的邊緣以虛線突出顯示。太赫茲脈沖被精細(xì)地轉(zhuǎn)化為一個球面波，從芯片的中心起源向邊緣傳播；器件中失效或缺陷的位置將表現(xiàn)為散射中心。在該圖像中測量的橫向分辨率/步長為20μm，尖端到器件的距離約為40μm。在20分鐘內(nèi)總共記錄了2.5萬個太赫茲脈沖軌跡，以記錄超快近場發(fā)射的高分辨率影像近場測量數(shù)據(jù)揭示了太赫茲波沿DUT表面的散射和傳播，它可以實(shí)現(xiàn)器件失效位置的識別和定位，比如橫向分辨率在幾微米的太赫茲脈沖的散射中心。通過監(jiān)測太赫茲波可以識別這些散射中心，而太赫茲波由芯片中心的飛秒激光脈沖產(chǎn)生，并以球面波向邊緣傳播，當(dāng)傳播脈沖的一部分撞擊到芯片的邊緣時，波會被反射，形成清晰可辨的干涉圖案（見圖3）。注意整個過程發(fā)生在40ps以內(nèi)，圖像的橫向分辨率為20μm。新一代太赫茲時域光譜模塊具有在各種系統(tǒng)環(huán)境中應(yīng)用的最佳先決條件，例如在我們的近場成像系統(tǒng)中。結(jié)合特定用途的太赫茲器件（如微米級分辨率探針）以及任務(wù)導(dǎo)向的數(shù)據(jù)分析，太赫茲成像傳感器將成為太陽能電池和半導(dǎo)體晶圓元件在非接觸質(zhì)量檢測和無損檢測方面越來越重要的工具。