測量光碟厚度的方法

2023-05-11 01:03:36 1

專利名稱：測量光碟厚度的方法
技術領域：
本發明涉及一種測量光碟厚度的方法，特別是涉及這樣一種方法，其根據由反射光譜的快速傅立葉變換(在下文中簡稱為FFT)獲得的幹涉區中反射光的峰值位置來測量光碟厚度，該反射光譜在數軸上被作為波長函數的反射率所反映。
背景技術：
迄今為止，記錄介質有磁記錄帶、雷射視盤(LD)和雷射唱盤(CD)等光碟、以及具有大信息記錄容量的數字視頻光碟(下文中稱為DVD)。在記錄介質當中，由於光碟採用的是與以前的磁記錄帶不同的數字記錄系統，並且光碟的體積很小、重量輕，因此光碟便於保存和攜帶，因此，比起其它記錄介質，用戶更喜歡使用光碟介質。
此外，根據隨產業發展的高密度和高集成的趨勢，正在研究和開發一種藍光光碟(BD)，它是比現有DVD具有更高集成性的高密度DVD(HD-DVD)。然而，任何產品應該是無故障地使用，而且，如果產品的質量低下，製造該產品的製造商就會喪失信譽。這種事情對於具有微小信號特徵的光碟而言還會造成更多的問題，由於光碟的厚度問題、擦傷、變形、手印以及在產品製造過程中附著上雜質等而使得光碟質量低劣。
尤其是，光碟的厚度是影響其生產率和可靠性的一個主要因素，實時測量光碟厚度以對其製作過程進行控制是十分必要的。
可以把光碟看作薄膜。如果薄膜的厚度在幾個μm之內，則對其厚度的測量要依靠定量測量，例如利用橢偏光度法和對反射因子的測量對薄膜進行分析，如果要對厚度等於和大於幾個μm的、相對較厚的薄膜的厚度進行分析，就要採用一種利用由於薄膜的幹涉效應而在反射或透射光譜中出現的振動周期來測量厚度的測量方法。
此時，單色儀的波長分辨或相干性變差，但是有一種方法很有使用價值，該方法通過幹涉獲得光譜的振動周期(或頻率)並從所獲得的振動周期來確定薄膜的厚度。然而，如果薄膜較厚，則因為周期值變大而使得用於估計薄膜厚度所必需的時間增長。工業上期望能夠快速地測量厚膜的厚度，為了響應業界這個需求，採用常規的FFT來對光譜的振動周期進行快速測量。
圖1給出的是用於測量薄膜厚度的常規裝置的結構示意圖。
如圖1所示，根據通過測量反射光譜來測量薄膜厚度的裝置，來自滷素燈12的光經由光纖20中的一根光纖22和在豎直方向上的透鏡26而投射到覆有薄膜32的襯底30上，被襯底30反射的光經由透鏡26和光纖20中的另一根光纖24而被傳送給光譜儀42，該光譜儀42按照每個波長的強度對由襯底30上樣品表面反射回來的光進行分光，然後，該分光進入到光學測量元件陣列(arrangement)44中，從而將每個波長處的光強提供給計算機46。通過將每個波長處的光強用作光譜數據，計算機46可以採用多種方式來測量薄膜的厚度。
圖2A和2B示出的視圖是折射率被應用於用常規方法測量厚度時的情況，圖2A示出的是按照常規方法提供給計算機的每個波長處的光強數據光譜的曲線圖，圖2B是利用圖2A得到的反射光譜的快速傅立葉變換圖。
如圖2A和2B所示，因為可以選擇Δλ，此時的Δλ是特定波長λ的m倍，也是相鄰波長λ+Δλ的m-1倍，根據折射率n，光譜數據中特定層的厚度d可以表達為下面的方程1[方程1]當Δλ＜＜λ時，2nd＝mλ＝(m-1)(λ+Δλ)，如果進行展開，則有mλ＝(m-1)(λ+Δλ)＝mλ+mΔλ-(λ+Δλ)mΔλ＝λ+Δλ因此，就變成mλ＝(λ+Δλ)/Δλ，此時，2nd＝mλ＝λ(λ+Δλ)/Δλ≈λ2/Δλ＝1/Δ(1/λ)。
由於2nd與Δ(1/λ)的乘積為1，如果在實驗中可以得到反射強度與Δ(1/λ)之間的函數關係式，就可以通過進行完全的FFT，得到關於對應變換因子Δ(1/λ)的2nd的FFT函數。
此時，峰值出現處所對應的d值就是我們所期望得到的厚度。
作為參考，對FFT的描述可以表示為下面一般的方程。
強度I和波長λ之間的關係方程為I＝f(λ)＝g(Δ(1/λ))。
如果對上述方程式的兩側都施加FFT，於是，該方程可以表達為下面的方程2。
FFT{I}=FFT{g((1))}=g((1))e-2i((1))2ndd(2nd)=h(2nd)]]>然而，由於現有的方法沒有考慮薄膜材料的折射率色散，峰與峰之間的間隔就逐漸減小。更具體的說，現有的方法有這樣的缺點由於折射率根據波長發生變化，根據由傅立葉峰位置除以折射率而獲得的厚度值就會變化，並且導致峰的高度減小，寬度增加。
因此，因為由實際薄膜所組成的材料具有的折射率與波長有關，也就是說，由於薄膜的折射率色散，在一個頻率周期上兩束光之間的幹涉能量差並不是一致相同的。由於這個原因，在反射光譜的快速傅立葉變換時所獲得的頻率的峰寬按照折射率色散的程度而變寬，而且，由於峰位置的不精確而使得用於獲得薄膜厚度的測量誤差變大。因此，為了精確測量薄膜的厚度，應該考慮折射率的色散。

發明內容
因此，本發明提出了一種測量光碟厚度的方法，該方法基本上能消除由於現有技術的局限性和缺點所引起的一個或多個問題。
本發明的目的是提供一種快速地高精度測量光碟厚度的方法，其通過對摺射率隨波長的變化，即通過對由作為波長的函數的折射率所反應的光譜，進行快速傅立葉變換，以獲得反射光在幹涉區中的峰值位置，以此來測量光碟的厚度。
本發明的另一目的是提供一種改進的方法來精確測量光碟的厚度，即使是當反射膜以反射光的同一面積比在襯底上形成或是多層膜在襯底上形成的時候，該方法總是保證對峰位置的精確確定並且防止傅立葉變換時峰寬的增寬，以此來測量光碟的厚度。
本發明的另一目的是提供一種高精度測量光碟厚度的方法，該方法不僅可適用於反射光譜，還可適用任何其它由厚膜的幹涉所振動的光譜，例如透射光譜。
本發明的附加優點、目的和特徵將在下面的描述中進行部分地闡明，並使得此領域的一般技術人員能通過下面的實例以作進一步了解，或者可以通過本發明的實踐來對其進行理解。可以通過文字的說明書、所附權利要求以及附圖中具體給出的結構來理解和達到本發明的目的和其它優點。
為了實現這裡所具體和廣泛描述的這些目的和其它優點，並根據本發明的目的，本發明提供一種利用光碟層的幹涉效應來測量光碟厚度的方法，包括以下步驟根據光的波長來檢測反射光的強度並將其作為每個波長的光譜數據；將檢測到的每個波長的光譜數據轉換成一個光譜值，該光譜值是反映了折射率的波長的函數；通過快速傅立葉變換將該轉換的值變換成幹涉區的長度來代表光碟的層厚，檢測反射光的強度具有峰值處的位置，分別作為襯底層和覆蓋層的厚度。
根據本發明的另一方面，作為反映了折射率的波長的函數的光譜值優選是n(λ)/2λ。
可以理解的是，對於本發明，前面所作的一般描述和下面要作的具體描述都是示例性和解釋性的，用來提供對權利要求的進一步解釋。


附圖顯示出了本發明的實施例，它們與說明書的文字一起用來解釋本發明的原理，提供這些附圖為的是進一步理解本發明，附圖作為說明書的一部分併入說明書。附圖中圖1是根據現有技術的測量光碟的薄膜厚度的裝置的結構示意圖；圖2A示出的是根據現有技術的提供給計算機按每個波長的發光強度的曲線圖；圖2B是利用圖2A的反射光譜的快速傅立葉變換圖；圖3示出的是根據本發明的測量光碟厚度的方法的流程圖；圖4是根據本發明的高密度DVD光碟的層狀結構示圖；
圖5A示出的是根據本發明的按光的波長來測量反射光強度而得到的按波長的光譜數據圖；圖5B是利用圖5A的把反射光強度設為縱軸、把通過波長函數反映的折射率的光譜值作為橫軸的曲線圖；圖5C是利用圖5B按波長的光譜快速傅立葉變換圖；圖6是厚度為30μm的介電薄膜的折射率色散曲線圖；以及圖7A和7B示出的是考慮和不考慮介電薄膜的折射率色散時關於能量的反射光譜之間的間隔。
具體實施例方式
下面具體說明本發明的優選實施方式，這些實施方式的例子顯示在附圖中。
圖3示出的是本發明所涉及的測量光碟厚度的方法的流程圖，圖4是本發明所涉及的高密度DVD光碟的層狀結構示圖，圖5A示出的是本發明所涉及的按照光的波長來測量反射光強度而得到的按波長的光譜數據圖，圖5B是利用圖5A的把反射光強度設為縱軸、把通過波長的函數反映了折射率的光譜值作為橫軸的曲線圖，圖5C是利用圖5B的按波長的光譜的快速傅立葉變換圖。
圖4所示的是高密度DVD(下文中稱為『HD-DVD』)光碟，其是在廣泛應用之前作為最近發展的下一代光記錄介質而出現的。如圖4所示，HD-DVD的主要層有厚度約為80μm的覆蓋層(CL)32a和位於覆蓋層32a下面的、厚度為10μm的隔離層(SL)32b。
如圖1所示的測量光碟厚度的裝置，其包括光源、光纖、透鏡、覆有薄膜的襯底、單色儀、光學測量元件陣列以及計算機。
採用上述結構的光碟厚度測量裝置，對作為待測樣品的HD-DVD的厚度進行檢測，該檢測是通過按照光的波長來檢測反射光的強度而檢測按波長的光譜數據(步驟S10)。所檢測的數據如圖5A所示。
在進行厚度測量的快速傅立葉變換之前，考慮折射率隨波長的變化，將所檢測的按波長的光譜數據轉換成把折射率反映到波長的函數的光譜數據(步驟S20)。此時，對把折射率反映到波長的函數的光譜進行處理的方程可以表達為下面的方程3。
2n(λ)d＝mλ2n(λ+Δλ)d＝(m-1)(λ+Δλ)如果將上述第二個方程進一步展開，可得，2n(λ)d+2Δnλd＝mλ+mΔλ-λ-Δλ其中，Δn＝n(λ+Δλ)-n(λ)，如果將上述方程代入第一個方程中並由代入後的方程進一步推導，則有，m＝(2Δnd/Δλ)+((λ+Δλ)/Δλ)如果將第一個方程代入，則有，2n(λ)d＝(2λΔnd/Δλ)+((λ+Δλ)λ/Δλ)2(n(λ)-λΔn/Δλ)d＝(λ+Δλ)λ/Δλ(2λ2/Δλ)((n(λ)Δλ-λΔn)/λ2)d＝(λ+Δλ)λ/Δλ2Δ(n(λ)/λ)d＝(λ+Δλ)/λ＝1+Δλ/λ≈1(Δλ/λ＜＜1)其中，利用第一級近似可以忽略最後一項。
利用按照上述方程獲得的關於光強的Δ(n(λ)/λ)的函數關係式，該裝置可以獲得把折射率反映到波長的函數的光譜數據，在圖5B示出的圖中，將反射光強度設為縱軸，把通過波長的函數反映了折射率的值n(λ)/2λ作為橫軸。
最後，如果將在前面步驟中所轉換的數據通過快速傅立葉變換而轉換成幹涉區的長度用於表示光碟的厚度，則是反射光的強度具有峰值的位置。每個被檢測到的峰值的位置成為隔離層和覆蓋層的厚度(步驟S30)。
圖5C是將快速傅立葉變換後的光強作為縱軸，將表示厚度的幹涉區作為橫軸的曲線圖。
如圖5C所示，在橫軸上d1位置處出現的峰值即為當隔離層的折射率n1表示為波長的函數n1(λ)並通過快速傅立葉變換而轉換時所出現的值；而且，峰值出現處的位置值代表了光碟隔離層的厚度。同時，在縱軸上d2位置處出現的峰值即為當覆蓋層的折射率n2表示為波長的函數n2(λ)並通過快速傅立葉變換而轉換時所出現的值；而且，峰值出現處的位置值表示光碟覆蓋層的厚度。
下面將通過薄膜厚度的實驗值來詳細描述根據本發明對光碟厚度的測量，該測量是通過反映了折射率的波長的函數並採用快速傅立葉變換來實現的。
圖6是厚度為30μm的介電薄膜的折射率色散曲線圖。
如圖6所示，可以理解的是，通過在實施快速傅立葉變換時反映出折射率色散，對厚度為30μm的介電薄膜的反射光譜的分析得出峰寬降低，峰高上升。此時，介電薄膜限於單獨存在的薄膜，其沒有用於支撐該介電薄膜的襯底層。
在折射率是否被反映的兩種情況下執行快速傅立葉變換以後，該事實表現得尤為顯著。參照圖7A和7B，圖7A示出的是不考慮介電薄膜的折射率色散時反射光譜的快速傅立葉變換圖，7B示出的是將介電薄膜的折射率色散反映成為波長的函數時反射光譜的快速傅立葉變換圖。
如圖7A和7B所示，在折射率色散被反映時的快速傅立葉變換中，峰寬從1.61μm極大地下降到0.44μm，而峰高則上升了大約1.7倍。這些峰高的上升和峰寬的下降是合理的，由此，當折射率色散被反映時，反射光譜的振動間隔就變得相同，從而清晰地表示出考慮折射率時快速傅立葉變換效果。
當考慮折射率色散時所獲得的另一效果是在快速傅立葉變換後所獲得的厚度值上出現。圖7A所示的是將折射率固定為n＝1.6、用厚度表示橫軸並進行快速傅立葉變換。如圖6所示，由於介電薄膜具有依賴于波長的折射率，因此所獲得的厚度值隨著用於除傅立葉峰值的折射率而變化。
因此，從圖7A中的峰估計得出的厚度值30.71μm與實際厚度0.71μm不同，這是由於所採用的折射率n＝1.6並沒有正確地反映從500nm至900nm區域範圍內的反射光譜的有效折射率而造成的，這基本上可以被看作是由於沒有考慮折射率色散的而造成的錯誤。
然而，按照圖7B所示的考慮折射率色散後的快速傅立葉變換，由於折射率色散已在圖7B中被精確反映出來，就可估計出精確的厚度值30.0μm，從而實現極快的分析速度和高精度的厚度測量。
如上述所述，利用光碟層的幹涉效應來測量光碟厚度的方法具有以下優點首先，在對光碟厚度的測量中，通過由反射光譜的快速傅立葉變換得到的幹涉區中反射光的峰值位置，其中，通過增加一個額外的折射率而將薄膜的折射率色散反映出來，在保持極快的分析速度過程中就能實施對光碟厚度的精確測量，從而使得測量裝置的可靠性得以增強，且生產率得以提高。
其次，根據本發明，不管光碟的類型和結構如何，無論在襯底上形成的是相同面積比的反射層，還是在襯底上形成的是多層薄膜，光碟的厚度都可以以高精度和極快的分析速度測量出來，而且，本發明的測量方法可以應用於具有由厚膜的幹涉所導致的振動的光譜，例如透射光譜，從而使得工業上要求實時測量和精確分析的需要，可以通過對光碟厚度的極快的分析速度和高精度測量的裝置來滿足，而且在國內和國外市場的競爭力也得以增強。
對於本領域技術人員來說，很顯然可以對本發明進行各種修改和變化。因此，那些落入本發明權利要求及其等價物範圍內的所有改變或修改都應該被本發明所涵蓋。
權利要求
1.一種利用光碟層的幹涉效應來測量光碟厚度的方法，包括以下步驟根據光的波長來檢測反射光的強度並將其作為每個波長的光譜數據；將所述檢測到的每個波長的光譜數據轉換成作為反映了折射率的波長的函數的光譜值；以及通過快速傅立葉變換將所述轉換的值變換成幹涉區的長度來代表光碟的層厚，檢測反射光的強度具有峰值處的位置，分別作為隔離層和覆蓋層的厚度。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述作為反映了折射率的波長的函數的光譜值為n(λ)/2λ。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述光碟層包括具有折射率n1的隔離層和具有不同於折射率n1的折射率n2的覆蓋層，通過把折射率反映到波長的函數而獲得光強，將從該光強出現峰值處得到各位置d1和d2作為厚度。
全文摘要
本發明公開了一種利用光碟層的幹涉效應來測量光碟厚度的方法，該方法包括根據光的波長來檢測反射光的強度並將其作為每個波長的光譜數據；將檢測到的每個波長的光譜數據轉換成作為反映了折射率的波長的函數的光譜值；以及通過傅立葉變換將該轉換的值轉換成幹涉區的長度來代表光碟的層厚，檢測反射光的強度具有峰值處的位置，分別作為襯底層和覆蓋層的厚度。本發明所公開的方法在高精度測量光碟厚度方面具有優點。
文檔編號G11B7/0037GK1695039SQ03824795
公開日2005年11月9日 申請日期2003年6月24日 優先權日2003年6月20日
發明者鄭盛允, 金進鏞, 金真弘, 徐勳, 郭錦哲 申請人:Lg 電子株式會社