СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ОПТИЧЕСКОГО ДИСКА
METHOD FOR MEASUREMENT OF OPTICAL DISC THICKNESS

[0001] В настоящей заявке изложены преимущества изобретения согласно корейской заявке № Р 2003-40312, поданной 20 июня 2003 г. и указанной в данном документе для справки.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Настоящее изобретение относится к способу измерения толщины оптического диска, а более конкретно - к способу измерения толщины оптического диска по положению максимального значения отраженного света в области интерференции, полученного в результате быстрого преобразования Фурье (далее - БПФ) для спектра отражения при отражении вдоль оси с помощью коэффициента отражения как функции длины волны.
Уровень техники
[0003] К настоящему времени известны следующие носители записи с большой емкостью записи информации: магнитная лента, оптические диски - лазерный диск (LD) и компакт-диск (CD), а также цифровой видеодиск (далее - DVD). Поскольку для оптического диска по сравнению с другими носителями записи используется цифровая система записи, отличная от предшествующей системы записи на магнитную ленту, при этом оптический диск имеет малый объем и малую массу, то он удобен для хранения и переноски, так что пользователь предпочитает оптический диск по сравнению с другими носителями записи.
[0004] Более того, согласно тенденции повышения плотности записи и компоновки с развитием промышленности проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке диска Blu-ray (BD) как DVD с высокой плотностью записи HD-DVD, имеющего более высокую плотность компоновки, чем у DVD, используемых в настоящее время. Однако любой используемый продукт не должен иметь погрешности, и если качество продукта ухудшается, производитель, который выпускает продукт, теряет свою надежность. В этом случае возникает много проблем с оптическим диском, имеющим высокоточные сигнальные характеристики, поскольку его качество ухудшается из-за погрешности толщины диска, царапин, деформации, отпечатков пальцев и присоединения инородного материала в процессе изготовления продукта.
[0005] Особенно толщина диска является основным фактором, влияющим на производительность и надежность. Поэтому толщину необходимо измерять в реальном времени с целью осуществления контроля в процессе изготовления.
[0006] Оптический диск можно обрабатывать как тонкую пленку. Если толщина тонкой пленки меньше нескольких микронов (мкм), измерение толщины дисков зависит от количественного измерения, например анализа толщины тонкой пленки путем эллипсометрии и измерения коэффициента отражения. Если в результате анализа толщина тонкой пленки с относительно большой толщиной установлена равной или более нескольких микронов, то используют способ измерения толщины на основе периода колебаний в спектре отражения или пропускания вследствие явления интерференции в тонкой пленке.
[0007] Несмотря на то, что разрешение по длине волны или когерентность монохроматора ухудшаются, способ полезен тем, что позволяет получать период (или частоту) колебаний спектра при интерференции и определять толщину тонкой пленки по полученному периоду колебаний. Однако в случае относительно большой по толщине тонкой пленки время, необходимое для оценки толщины тонкой пленки, увеличивается вследствие появления величины с большим периодом. Для того чтобы удовлетворить требования различных отраслей промышленности быстро измерять толщину относительно толстых тонких пленок, применяют известное быстрое преобразование Фурье в качестве быстрого измерения периода колебаний спектра.
[0008] На фиг.1 схематически представлена структура известного устройства для измерения толщины тонкой пленки.
[0009] Как показано на фиг.1, согласно устройству для измерения толщины тонкой пленки путем измерения спектра отражения свет от галогенной лампы 12 проецируют на подложку 30 с тонкой пленкой 32 при помощи одного волокна 22 из оптических волокон 20 и линзы 26 в перпендикулярном направлении, а свет, отраженный от подложки 30, передают в спектрограф 42 через линзу 26 и другое волокно 24 из оптических волокон 20. В спектрографе 42 свет, отраженный от поверхности образца на подложке 30, разделяют в соответствии с интенсивностью каждой длины волны, а разделенный свет поступает в компоновку оптических измерительных элементов 44, в результате чего в компьютер 46 поступают сигналы силы света на каждой длине волны. Компьютер 46 может измерить толщину тонкой пленки различными путями, используя силу света на каждой длине волны в качестве данных спектра.
[0010] На фиг.2А и 2В проиллюстрирован случай применения показателя преломления, когда толщина измеряется известным способом. На фиг.2А показан график зависимости силы света от длины волны в качестве данных спектра, поступающих в компьютер согласно известному способу, а на фиг.2В - график, полученный в результате быстрого преобразования Фурье (БПФ) спектра отражения с использованием фиг.2А.
[0011] Как показано на фиг.2А и 2В, поскольку можно выбрать Δλ, где Δλ в m раз больше конкретной длины волны λ и в (m-1) раз больше ближайшей длины волны λ+Δλ, толщину d конкретного слоя в спектральных данных согласно показателю преломления можно представить в виде следующего уравнения 1:
[0012] [Уравнение 1]
[0013] При условии Δλ<<λ,
[0014] 2nd=mλ=(m-1)(λ+Δλ), и в развернутом виде:
[0015] mλ=(m-1)(λ+Δλ)=mλ+mΔλ-(λ+Δλ)
[0016] mΔλ=λ+Δλ
[0017] следовательно, mλ=(λ+Δλ)/Δλ,
2
[0018] где 2nd=mλ=λ(λ+Δλ)/Δλ≈λ/Δλ=1/Δ(1/λ).
[0019] Поскольку произведение 2nd и λ/Δλ равно 1, то если можно экспериментальным путем получить зависимость силы отраженного света от Δ(1/λ), функция БПФ полностью реализуется в отношении 2nd в зависимости от коэффициента преобразования Δ(1/λ).
[0020] Значение d, при котором появляется максимум, представляет собой искомую толщину.
[0021] Для сведения описание БПФ представлено обобщенным уравнением следующим образом.
[0022] Уравнение для зависимости между силой света I и длиной волны λ приобретает следующий вид: I=f(λ)=g(Δ(1/λ)).
[0023] Если применить БПФ с обеих сторон, уравнение может принять вид уравнения 2:
[0024] [Уравнение 2]
[0025]
[0026] Однако, поскольку в известном способе не учитывается дисперсия показателя преломления материала тонкой пленки, расстояние между максимумами постепенно уменьшается. В частности, известные способы имеют недостатки, поскольку показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны. Это приводит к тому, что значения толщины пленки, полученные в соответствии с показателем преломления для разделения положения максимума графика БПФ, изменяются, в результате чего уменьшаются величина и приращение ширины максимума.
[0027] Таким образом, поскольку показатель преломления материала, из которого изготавливают тонкие пленки в настоящее время, зависит от длины волны, т.е. поскольку существует дисперсия показателя преломления тонкой пленки, то разность энергий при интерференции между двумя световыми лучами за один период колебаний не является одинаковой. По этой причине ширина максимума частоты, полученного в случае БПФ спектра отражения, увеличивается в зависимости от степени дисперсии показателя преломления, и погрешность измерения толщины тонкой пленки увеличивается вследствие неточного положения максимума. Следовательно, для точного измерения толщины тонкой пленки требуется учитывать дисперсию показателя преломления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0028] Соответственно, настоящее изобретение направлено на обеспечение способа измерения толщины оптического диска, который устраняет по существу одну или более проблем, возникающих вследствие ограничений и недостатков известных способов.
[0029] Целью настоящего изобретения является обеспечение способа высокоточного и быстрого измерения толщины оптического диска с использованием положения максимального значения отраженного света в области интерференции, полученного в результате быстрого преобразования Фурье (БПФ) изменения показателя преломления в зависимости от длины волны, то есть отраженного спектра с показателем преломления как функцией длины волны.
[0030] Другой целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа высокоточного измерения толщины оптического диска путем точного определения положения максимума, а также предотвращения увеличения ширины максимума при преобразовании Фурье, даже когда отражающая пленка выполнена на подложке с равномерным распределением отраженного света по площади или на подложке сформировано несколько тонких пленок.
[0031] Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение способа точного измерения толщины оптического диска, применимого не только со спектром коэффициента отражения, но и любого другого спектра колебаний, возникающих вследствие интерференции в большой по толщине тонкой пленке, например спектра пропускания.
[0032] Дополнительные преимущества, цели и признаки изобретения частично будут изложены в приведенном ниже описании, а также частично будут очевидны для средних специалистов при рассмотрении нижеследующего или могут быть изучены в результате применения изобретения на практике. Цели и другие преимущества настоящего изобретения могут быть реализованы и достигнуты благодаря структуре, подробно изложенной в описании и формуле изобретения, а также на прилагаемых чертежах.
[0033] Для достижения этих целей и других преимуществ и в соответствии с назначением изобретения, как воплощено и широко описано здесь, способ измерения толщины оптического диска с использованием эффекта интерференции слоя оптического диска включает операции определения силы отраженного света в зависимости от длины волны света в качестве спектральных данных для каждой длины волны, преобразования полученных спектральных данных для каждой длины волны в спектральное значение как функции длины волны, что отображается показателем преломления, и определения положения, в котором сила света имеет максимум, как толщины разделительного слоя и покровного слоя путем преобразования преобразованного значения в длину области интерференции для представления толщины слоя оптического диска посредством быстрого преобразования Фурье.
[0034] В другом аспекте настоящего изобретения спектральное значение как функция длины волны, которая выражается через показатель преломления, предпочтительно составляет n(λ)/2λ.
[0035] Необходимо иметь в виду, что как приведенное выше общее описание, так и последующее подробное описание настоящего изобретения, являются примерными и поясняющими и предназначены для обеспечения дополнительного пояснения изобретения в том виде, как оно заявлено.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0036] Сопроводительные чертежи, прилагаемые для дополнительного пояснения изобретения и входящие в эту заявку, иллюстрируют примеры осуществления изобретения и вместе с описанием служат для пояснения принципов изобретения.
[0037] На фиг.1 схематически показана структура устройства для измерения толщины тонкой пленки оптического диска в соответствии с аналогом;
[0038] на фиг.2А представлен график, показывающий силу света на каждой длине волны, значения подают в компьютер, в соответствии с аналогом;
[0039] на фиг.2В показан график БПФ спектра отражения с использованием фиг.2А.
[0040] На фиг.3 представлена последовательность операций, показывающая способ измерения толщины оптического диска согласно настоящему изобретению;
[0041] на фиг.4 показан вид сбоку конструкции оптического диска типа HD-DVD согласно настоящему изобретению;
[0042] на фиг.5А представлен график, показывающий спектральные данные в зависимости от длины волны, полученный по результатам измерения силы отраженного света в зависимости от длины волны света, согласно настоящему изобретению.
[0043] На фиг.5В показан график, по вертикальной оси которого отложена сила отраженного света, а по горизонтальной оси - величина с учетом показателя преломления, выраженного в виде функции длины волны путем использования фиг.5А;
[0044] на фиг.5С показан график быстрого преобразования Фурье (БПФ) спектра в зависимости от длины волны с использованием фиг.5В;
[0045] на фиг.6 представлен график, показывающий кривую дисперсии показателя преломления диэлектрической тонкой пленки толщиной 30 мкм; и
[0046] на фиг.7А и 7В представлены графики, показывающие интервалы между спектрами отражения по отношению к энергии с учетом и без учета дисперсии показателя преломления диэлектрической тонкой пленки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0047] Ниже приведено подробное описание предпочтительных примеров осуществления настоящего изобретения, которые проиллюстрированы на прилагаемых чертежах.
[0048] На фиг.3 представлена последовательность операций, показывающая способ измерения толщины оптического диска согласно настоящему изобретению. На фиг.4 показан вид сбоку конструкции оптического диска типа HD-DVD согласно настоящему изобретению. На фиг.5А представлен график, показывающий спектральные данные в зависимости от длины волны, полученный по результатам измерения силы отраженного света в зависимости от длины волны света, согласно настоящему изобретению. На фиг.5В показан график, по вертикальной оси которого расположена сила отраженного света, а по горизонтальной оси - величина с учетом показателя преломления, выраженного в виде функции длины волны путем использования фиг.5А. На фиг.5С показан график быстрого преобразования Фурье (БПФ) спектра в зависимости от длины волны с использованием фиг.5В.
[0049] На фиг.4 показан оптический диск типа DVD с высокой плотностью записи (далее - HD-DVD), появившегося на свет недавно как оптический носитель записи следующего поколения. Как показано на фиг.4, основными слоями HD-DVD являются покровный слой 32а толщиной приблизительно 80 мкм и разделительный слой 32b толщиной 10 мкм под покровным слоем 32а.
[0050] Устройство для измерения толщины оптического диска, как показано на фиг.1, включает источник света, оптическое волокно, линзу, подложку с тонкой пленкой, монохроматор, компоновку оптических измерительных элементов и компьютер.
[0051] Используя устройство для измерения толщины оптического диска, структура которого описана выше, толщину HD-DVD, используемого в качестве образца для измерения, определяют по спектральным данным в зависимости от длины волны путем определения силы отраженного света в соответствии с длиной волны света (операция S10). Полученные данные показаны на фиг.5А.
[0052] Перед выполнением быстрого преобразования Фурье для измерения толщины с учетом изменения показателя преломления в зависимости от длины волны полученные спектральные данные по длине волны преобразуют в спектральные данные, в которых показатель преломления представлен функцией длины волны (операция S20). На этом этапе уравнение для обработки спектра, в котором показатель преломления выражен в виде функции длины волны, можно представить как уравнение 3.
[0053] [Уравнение 3]
[0054] 2n(λ)d=mλ
[0055] 2n(λ+Δλ)d=(m-1)(λ+Δλ)
[0056] В развернутом виде вышеприведенное второе уравнение принимает вид
[0057] 2n(λ)d+2Δnd=mλ+mΔλ-λ-Δλ,
[0058] где Δn=n(λ+Δλ)-n(λ). Если подставить верхнее уравнение в первое уравнение и развернуть первое уравнение с учетом подстановки, то получится:
[0059] m=(2Δnd/Δλ)+(λ+Δλ/Δλ). Следовательно, если подставить первое уравнение, то:
[0060] 2n(λ)d=(2λΔnd/Δλ)+((λ+Δλ)λ/Δλ)
[0061] 2(n(λ)-λΔn/Δλ)d=(λ+Δλ)λ/Δλ
2
2
[0062] (2λ/Δλ)((n(λ)Δλ-λΔλ)/λ)d=(λ+Δλ)λ/Δλ
[0063] 2Δ(n(λ)/λ)d=(λ+Δλ)/λ=1+Δλ/λ≈1(Δλ/λ<<1),
[0064] где последним компонентом в первом приближении можно пренебречь.
[0065] Используя функциональную зависимость относительно Δ(n(λ)/λ) для силы света, полученную в соответствии с уравнением, описанным выше, с помощью устройства могут быть получены спектральные данные, в которых показатель преломления представлен функцией длины волны. На фиг.5В показан график, по вертикальной оси которого откладываются значения яркости отраженного света, а по горизонтальной оси - величина n(λ)/2λ с учетом показателя преломления, выраженного в виде функции длины волны.
[0066] Наконец, если преобразованные данные, полученные при выполнении предыдущей операции, преобразуют в длину области интерференции для представления толщины оптического диска при помощи быстрого преобразования Фурье, а затем - в положение, в котором сила света имеет максимальное значение, тогда положение каждого определенного максимального значения соответствует толщине разделительного слоя и покровного слоя (операция S30).
[0067] На фиг.5С показан график, по вертикальной оси которого отложена сила света в соответствии с быстрым преобразованием Фурье, а по горизонтальной оси - область интерференции, представляющая толщину.
1
1
1
2
2
2
[0068] Как показано на фиг.5С, максимальное значение, появившееся в положении d на горизонтальной оси, является значением, появляющимся, когда показатель преломления n, относящийся к разделительному слою, выражается как функция длины волны n(λ) и преобразуется с помощью быстрого преобразования Фурье, а значение положения, в котором максимальное значение появляется, представляет собой толщину разделительного слоя оптического диска. Между тем, максимальное значение, появившееся в положении d по вертикальной оси, является значением, появляющимся, когда показатель преломления n, относящийся к покровному слою, выражается как функция длины волны n(λ) и преобразуется с помощью быстрого преобразования Фурье, а значение положения, в котором максимальное значение появляется, представляет толщину покровного слоя оптического диска.
[0069] Измерение толщины оптического диска при помощи быстрого преобразования Фурье путем выражения показателя преломления в виде функции длины волны согласно настоящему изобретению будет подробно рассмотрено на экспериментальных величинах с использованием толщины тонкой пленки.
[0070] На фиг.6 представлен график, иллюстрирующий кривую дисперсии показателя преломления диэлектрической тонкой пленки толщиной 30 мкм.
[0071] Как показано на фиг.6, с помощью отображения дисперсии показателя преломления в процессе выполнения быстрого преобразования Фурье можно понять, что ширина максимума уменьшается, а амплитуда максимума увеличивается при анализе спектра отражения с использованием диэлектрической тонкой пленки толщиной 30 мкм. При этом диэлектрическая тонкая пленка определяется как единственная тонкая пленка в окружающем пространстве без слоя подложки для поддержки диэлектрической пленки.
[0072] Более значительно этот факт проявляется после выполнения быстрого преобразования Фурье для случаев с отображением показателя преломления или без него. На фиг.7А показан график быстрого преобразования Фурье спектра отражения, когда дисперсия показателя преломления диэлектрической тонкой пленки не учитывается, а на фиг.7В - показан график быстрого преобразования Фурье спектра отражения, когда дисперсия показателя преломления диэлектрической тонкой пленки отображается в виде функции длины волны.
[0073] Как показано на фиг.7А и 7В, для графика быстрого преобразования Фурье, когда дисперсия показателя преломления отображается, ширина максимума существенно уменьшается с 1,61 до 0,44 мкм, а амплитуда максимума возрастает приблизительно в 1,7 раза. Приемлемыми являются такие увеличения амплитуды максимума и уменьшения ширины максимума, для которых интервал колебаний спектра показателя преломления становится равномерным, когда дисперсия показателя преломления отображается так, что отчетливо представляет эффект быстрого преобразования Фурье, учитывающего показатель преломления.
[0074] Другой эффект, получаемый при учете дисперсии показателя преломления, появляется при значении толщины, полученном после быстрого преобразования Фурье. На фиг.7А показан график, по горизонтальной оси которого отложена толщина, получаемая посредством фиксации показателя преломления при n=1,6 и выполнения быстрого преобразования Фурье. Поскольку диэлектрическая тонкая пленка имеет различные показатели преломления в соответствии с длиной волны, как показано на фиг.6, полученное значение толщины пленки изменяется в соответствии с показателем преломления для выделения положения максимума Фурье.
[0075] Поэтому тот факт, что значение толщины 30,71 мкм, полученное по максимуму, показанному на фиг.7А, отличается от фактического значения толщины 0,71 мкм, обусловлен тем, что используемый показатель преломления n=1,6 не отображает должным образом изменения действительного показателя преломления спектра отражения в диапазоне 500 - 900 нм. Это можно отнести к погрешности, в основном возникающей вследствие того, что не учитывается дисперсия показателя преломления.
[0076] Однако, поскольку дисперсия показателя преломления точно отражена на фиг.7В, на которой показан график быстрого преобразования Фурье с учетом дисперсии показателя преломления, точное значение толщины 30,0 мкм определяется, так что может быть достигнуто высокоточное измерение толщины с большой скоростью анализа.
[0077] Как описано выше, способ измерения толщины оптического диска с использованием эффекта интерференции слоя оптического диска имеет следующие преимущества.
[0078] Во-первых, при измерении толщины оптического диска по положению максимального значения отраженного света в области интерференции, полученной быстрым преобразованием Фурье спектра отражения, в котором дисперсия показателя преломления тонкой пленки выражается путем добавления дополнительного показателя преломления, измерение толщины оптического диска можно осуществить точно с обеспечением требуемой скорости анализа, так что можно повысить надежность и производительность работы измерительного устройства.
[0079] Во-вторых, согласно настоящему изобретению независимо от типа и структуры диска, отражающего слоя с равномерным распределением по площади, выполненного на подложке, или многослойной тонкой пленки, выполненной на подложке, толщину оптического диска можно измерить с высокой точностью и большой скоростью. При этом способ измерения толщины диска согласно настоящему изобретению можно применить к спектру, имеющему колебание, вызванное интерференцией в относительно большой по толщине тонкой пленке, например к спектру пропускания. В результате требования отраслей промышленности по измерению в реальном времени и точному анализу могут быть удовлетворены посредством точного измерения толщины оптического диска с высокой скоростью анализа, при этом может быть повышена сила конкуренции на внутреннем и внешнем рынках.
[0080] Для специалистов в данной области техники будет понятно, что в настоящее изобретение могут быть внесены различные модификации и изменения. Следовательно, предполагается, что настоящее изобретение охватывает модификации и изменения данного изобретения при условии, что они входят в объем пунктов приложенной формулы изобретения и их эквивалентов.