RU2395788C2 - Method to measure thickness of thin films on substrate - Google Patents
Method to measure thickness of thin films on substrate Download PDFInfo
- Publication number
- RU2395788C2 RU2395788C2 RU2007143852/28A RU2007143852A RU2395788C2 RU 2395788 C2 RU2395788 C2 RU 2395788C2 RU 2007143852/28 A RU2007143852/28 A RU 2007143852/28A RU 2007143852 A RU2007143852 A RU 2007143852A RU 2395788 C2 RU2395788 C2 RU 2395788C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- film
- substrate
- ref
- film thickness
- air
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title description 6
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 19
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 36
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003643 water by type Substances 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для оперативного экспресс-контроля толщины пленок нефтепродуктов в очистных сооружениях, на внутренних водоемах, акваториях портов и т.п.The invention relates to measuring technique and can be used, in particular, for rapid express control of the thickness of the films of oil products in treatment facilities, in inland waters, port waters, etc.
Известны способы измерения толщины пленки на поверхности материала (см., например, [1-5]), заключающиеся в том, что на поверхность пленки направляют оптическое излучение, перестраивают длину волны излучения, падающего на поверхность пленки, регистрируют отраженный от поверхности сигнал и определяют толщину пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны.Known methods for measuring the thickness of the film on the surface of the material (see, for example, [1-5]), which consist in the fact that optical radiation is directed to the film surface, the wavelength of the radiation incident on the film surface is tuned, the signal reflected from the surface is recorded and determined film thickness d according to the analysis of the dependence of the intensity of the reflected signal on the wavelength.
Наиболее близким к предлагаемому является дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок [5], заключающийся в том, что поверхность облучают оптическим излучением на трех длинах волн λ1, 2, 3, регистрируют отраженный от поверхности сигнал и определяют толщину пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала на длинах волн λ1, 2, 3, выбранных так, чтобы λ1=λ2-Δλ, λ3=λ2+Δλ, причем Δλ выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства где n2 - показатель преломления пленки.Closest to the proposed one is a remote three-wave method for measuring the thickness of thin films [5], which consists in the fact that the surface is irradiated with optical radiation at three wavelengths λ 1, 2, 3 , the signal reflected from the surface is recorded and the film thickness d is determined from the analysis of the dependence the intensity of the reflected signal at wavelengths λ 1, 2, 3 , selected so that λ 1 = λ 2 -Δλ, λ 3 = λ 2 + Δλ, and Δλ is chosen so as to ensure the inequality where n 2 is the refractive index of the film.
Недостатком этого способа является его неустойчивая работа (очень большие ошибки в определении толщины пленки) при наличии случайных ошибок величин измеряемых сигналов (которые всегда имеют место из-за погрешности измерений, шумов приемного тракта и т.п.). Это приводит к необходимости использования очень длительного усреднения - для подавления случайных ошибок величин измеряемых сигналов используется усреднение по сотням тысяч одиночных измерений. Однако длительное усреднение может быть использовано только в случае очень медленного изменения толщины измеряемой пленки (иначе оно вызывает искажение определяемой толщины).The disadvantage of this method is its unstable operation (very large errors in determining the film thickness) in the presence of random errors in the values of the measured signals (which always occur due to measurement errors, noise of the receiving path, etc.). This leads to the need to use a very long averaging - to suppress random errors in the values of the measured signals, averaging over hundreds of thousands of single measurements is used. However, long-term averaging can be used only in the case of a very slow change in the thickness of the measured film (otherwise it causes distortion of the determined thickness).
Избежать этого недостатка можно тем, что согласно способу измерения толщины пленки на поверхности материала, включающему облучение поверхности оптическим излучением на разных длинах волн зондирования, регистрацию отраженного от поверхности сигнала и определение толщины пленки по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала на длинах волн зондирования, для измерения толщины пленки вычисляют первую и вторую производную коэффициента отражения трехслойной системы «воздух-пленка-подложка» и определяют толщину пленки по значению первой и второй производной коэффициента отражения.This drawback can be avoided by the fact that according to the method of measuring the film thickness on the surface of the material, including irradiating the surface with optical radiation at different sensing wavelengths, registering the signal reflected from the surface and determining the film thickness from the results of analyzing the dependence of the reflected signal intensity on the sensing wavelengths, for measuring film thicknesses, the first and second derivatives of the reflection coefficient of the three-layer system “air-film-substrate” are calculated and the thickness of the plate is determined CQM value of the first and second derivative of reflectance.
Наличие отличительного признака указывает на соответствие критерию "новизна".The presence of a distinguishing feature indicates compliance with the criterion of "novelty."
Указанный отличительный признак неизвестен в научно-технической и патентной литературе и поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".The specified distinguishing feature is unknown in the scientific, technical and patent literature, and therefore, the proposed technical solution meets the criterion of "inventive step".
На фиг.1 схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.Figure 1 schematically shows a device that implements the proposed method.
Устройство содержит перестраиваемый по длине волны источник излучения 1, фотоприемник 2, блок 3 вычисления первой и второй производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух-пленка-подложка», блок 4 вычисления толщины пленки 5 на поверхности материала 6.The device contains a wavelength tunable radiation source 1, a
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Оптическое излучение источника 1 отражается поверхностью пленки 5 (толщиной d) и подложки 6, интенсивность отраженного излучения регистрируется фотоприемником 2, сигнал с фотоприемника поступает в блок 3 вычисления первой и второй производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух-пленка-подложка», значения первой и второй производной коэффициента отражения поступают в блок 4 для определения толщины пленки.The optical radiation of the source 1 is reflected by the surface of the film 5 (thickness d) and the
Длина волны излучения λ источника 1 перестраивается (дискретно или плавно) для вычисления по данным измерений первой и второй производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух-пленка-подложка».The radiation wavelength λ of source 1 is tuned (discrete or smoothly) to calculate, according to the measurements of the first and second derivatives of the reflection coefficient of the three-layer system “air-film-substrate”.
Источник излучения 1 облучает поверхность узким пучком под углом, близким к вертикали. Фотоприемник 2 на длине волны излучения λ регистрирует мощность излучения Р(λ), отраженного исследуемой поверхностью. Считается, что исследуемая поверхность достаточно гладкая и характер отражения близок к зеркальному (со своим коэффициентом отражения Rref(λ)). Источник излучения расположен на небольшом расстоянии от поверхности, а размеры приемной оптики достаточно велики, так что приемник перехватывает все излучение, отраженное от поверхности. Тогда принимаемая мощность Р(λ) может быть представлена в виде (см., например, [6]):The radiation source 1 irradiates the surface with a narrow beam at an angle close to the vertical. A
где:Where:
Po - мощность, излучаемая источником;P o - power radiated by the source;
Rref(λ) - коэффициент отражения поверхности.R ref (λ) is the reflection coefficient of the surface.
При вертикальном падении излучения на поверхность для коэффициента отражения трехслойной системы «воздух-пленка-подложка» Rref(λ, d) в случае тонких пленок (когда пропускание пленки мало отличается от единицы) имеем (см., например, [7]):When the radiation is incident vertically on the surface, for the reflection coefficient of the three-layer system “air-film-substrate” R ref (λ, d) in the case of thin films (when the transmission of the film differs little from unity), we have (see, for example, [7]):
где:Where:
n2,3(λ), k2,3(λ) - показатели преломления и поглощения материала пленки и подложки соответственно; r12, r23 - коэффициенты отражения на границе сред «воздух-пленка» и «пленка-подложка» соответственно.n 2,3 (λ), k 2,3 (λ) are the refractive indices and absorption of the film and substrate material, respectively; r 12 , r 23 are the reflection coefficients at the interface between the air-film and the film-substrate, respectively.
Часто для коэффициента отражения Rref(λ, d) вместо формулы (2) используют более простое приближенное выражение (учитывая, что во многих случаях величины и в знаменателе выражения (2) малы по сравнению с 1):Often, for the reflection coefficient R ref (λ, d), instead of formula (2), a simpler approximate expression is used (given that in many cases the quantities and in the denominator, expressions (2) are small compared to 1):
Формулы (1)-(3) показывают, что если приемник перехватывает все излучение зеркально отраженное от поверхности, то по результатам измерения Р(λ) можно определить коэффициент отражения Rref(λ, d) и по величине Rref(λ, d) найти толщину пленки d. Однако величина Rref(λ, d) на одной длине волны зондирования λ из-за интерференции излучения, отраженного от границ раздела «воздух-пленка» и «пленка-подложка», не однозначно определяет толщину пленки d.Formulas (1) - (3) show that if the receiver intercepts all the radiation specularly reflected from the surface, then the reflection coefficient R ref (λ, d) and the value of R ref (λ, d) can be determined from the measurement results P (λ) find the film thickness d. However, the value of R ref (λ, d) at the same sounding wavelength λ due to the interference of radiation reflected from the air-film and film-substrate interfaces does not uniquely determine the film thickness d.
Эта неоднозначность для тонких пленок может быть устранена методом, основанным на определении первой и второй производной (по длине волны) коэффициента отражения системы «воздух-пленка-подложка».This ambiguity for thin films can be eliminated by a method based on the determination of the first and second derivatives (with respect to the wavelength) of the reflection coefficient of the air-film-substrate system.
Найдем первую и вторую производные Rref(λ, d) по λ, учтя что изменения по λ величин r12, r23 и n2 во много раз более медленные, чем изменения по λ величины cos[2β(λ,d)]:We find the first and second derivatives of R ref (λ, d) with respect to λ, taking into account that the changes in λ of the values of r 12 , r 23 and n 2 are many times slower than the changes in λ of the value of cos [2β (λ, d)]:
Из (3)-(5) после простых преобразований имеем:From (3) - (5) after simple transformations we have:
Таким образом, измерение коэффициента отражения системы «воздух-пленка-подложка», его первой и второй производной (величин Rref(λ, d), R'ref(λ, d), R”ref(λ, d) в правой части (6)) позволяют найти толщину пленки d на подложке.Thus, the measurement of the reflection coefficient of the air-film-substrate system, its first and second derivatives (values of R ref (λ, d), R ' ref (λ, d), R ” ref (λ, d) on the right side (6)) allow us to find the film thickness d on the substrate.
Более точное выражение (основанное не на приближенной формуле (3), а на формуле (2)) для определения толщины пленки d имеет вид:A more accurate expression (based not on approximate formula (3), but on formula (2)) for determining the film thickness d has the form:
где:Where:
Таким образом, для определения толщины пленки необходимо провести измерение коэффициента отражения системы «воздух-пленка-подложка» и определить его первую и вторую производную, что может быть реализовано, например, для водной поверхности с пленкой нефти, используя один перестраиваемый по длине волны в узком диапазоне лазер ближнего или среднего ИК-диапазонов спектра.Thus, in order to determine the film thickness, it is necessary to measure the reflection coefficient of the air-film-substrate system and determine its first and second derivatives, which can be realized, for example, for a water surface with an oil film, using one tunable wavelength in a narrow Laser range near or mid-infrared.
На фиг.2 приведены результаты математического моделирования работы описанного способа для измерения толщины тонких нефтяных пленок. Здесь показана зависимость найденного (определенного алгоритмом (7)) значения толщины пленки dн от заданного при моделировании значения толщины d пленки в случае шума измерения с относительным среднеквадратическим значением 1%. Для вычисления первой и второй производной использовались дискретные значения коэффициента отражения на шести близко расположенных (отстоящих друг от друга на Δλ=7,5 нм) длинах волн вблизи λ=0,8 мкм при усреднении результатов по серии всего из 300 одиночных измерений.Figure 2 shows the results of mathematical modeling of the described method for measuring the thickness of thin oil films. The dependence of the film thickness d n determined (determined by algorithm (7)) on the film thickness d specified in the simulation in the case of measurement noise with a relative rms value of 1% is shown here. To calculate the first and second derivatives, we used discrete values of the reflection coefficient at six closely spaced (spaced apart by Δλ = 7.5 nm) wavelengths near λ = 0.8 μm with averaging the results over a series of only 300 single measurements.
На чертеже пунктирная линия, пересекающая чертеж по диагонали, - это зависимость, для которой найденное значение толщины пленки совпадает с действительным. Две другие штриховые линии - 20%-ное отличие найденного значения толщины пленки dн от действительного значения толщины d.In the drawing, a dashed line intersecting the drawing diagonally is a relationship for which the found value of the film thickness coincides with the actual one. The other two dashed lines are the 20% difference between the found value of the film thickness d n and the actual value of the thickness d.
Таким образом, описанный способ позволяет в реальных условиях шумов измерений обеспечить устойчивое измерение толщины тонких пленок с точностью по крайней мере порядка 20% в диапазоне толщин пленок от долей мкм до ~5 мкм.Thus, the described method allows under real conditions of measurement noise to provide a stable measurement of the thickness of thin films with an accuracy of at least about 20% in the range of film thicknesses from fractions of microns to ~ 5 microns.
Заявляемое изобретение направлено, в частности, на решение задачи оперативного экспресс-контроля толщины пленок нефтепродуктов, что особенно важно в очистных сооружениях при контроле степени очистки воды.The claimed invention is directed, in particular, to solving the problem of rapid express control of the thickness of the films of oil products, which is especially important in wastewater treatment plants when controlling the degree of water purification.
Измерительное устройство может быть собрано на предприятиях РФ из компонент и узлов, изготавливаемых в РФ, и соответстует критерию "промышленная применимость".The measuring device can be assembled at the enterprises of the Russian Federation from components and components manufactured in the Russian Federation, and meets the criterion of "industrial applicability".
Источники информацииInformation sources
1. Устройство для автоматического измерения толщины пленки. Патент 3-57407. Япония. 1993 г. Кл. G01B 11/06 (РЖ Изобретения стран мира, 1993, выпуск 82, N3, с.45).1. Device for automatic measurement of film thickness. Patent 3-57407. Japan. 1993 Cl. G01B 11/06 (Russian Railways Inventions of the World, 1993, issue 82, N3, p. 45).
2. Method of measuring film thickness. United States Patent. Patent Number: 4,645,349. Date of Patent: Feb. 24, 1987. Int. Cl. G01B 11/06.2. Method of measuring film thickness. United States Patent. Patent Number: 4,645,349. Date of Patent: Feb. 24, 1987. Int. Cl. G01B 11/06.
3. Дистанционный способ измерения толщины пленок. Патент РФ на изобретение №2168151 от 27.05.01. МКИ G01B 11/06.3. The remote method of measuring the thickness of the films. RF patent for the invention No. 2168151 dated 05/27/01. MKI G01B 11/06.
4. Способ измерения толщины пленок на подложке. Патент РФ на изобретение №2207501 от 27.06.03. МКИ G01B 11/06.4. The method of measuring the thickness of the films on the substrate. RF patent for invention No. 2207501 dated 06/27/03. MKI G01B 11/06.
5. Дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок. Патент РФ на изобретение №2304759. кл. G01B 11/06, G01N 21/17.5. Remote three-wave method for measuring the thickness of thin films. RF patent for the invention No. 2304759. class G01B 11/06, G01N 21/17.
6. Григорьев П.В., Ломоносов A.M., Солнцев М.В. Исследование статистических свойств отраженного сигнала при лазерном зондировании морской поверхности // Известия АН СССР. Серия Физическая. 1987. Т.51, №2, С.210-214.6. Grigoriev P.V., Lomonosov A.M., Solntsev M.V. Investigation of the statistical properties of the reflected signal during laser sensing of the sea surface // Izvestiya AN SSSR. Series Physical. 1987. V. 51, No. 2, S.210-214.
7. Борн М., Вольф Э. Основы оптики, М.: Наука, 1970, 855 с.7. Bourne M., Wolf E. Fundamentals of Optics, Moscow: Nauka, 1970, 855 pp.
Claims (1)
где n2 - показатель преломления материала пленки; r12, r23 - коэффициенты отражения на границе сред «воздух-пленка» и «пленка-подложка» соответственно. A non-contact method for measuring the film thickness on the surface of the substrate material by irradiating the surface with optical radiation at different sensing wavelengths, recording the signal reflected from the surface and determining the film thickness according to the analysis of the dependence of the reflected signal intensity on the sensing wavelengths, characterized in that they are used smoothly or discretely ( from six sensing wavelengths) a laser radiation source tunable along the wavelength λ in a narrow range, according to the measurement data of the signal further comprises determining the first R 'ref (λ, d) and a second R''ref (λ, d ) derivatives coefficient R ref (λ, d) reflection sandwich "air-film-substrate" system and is calculated by the formula film thickness d :
where n 2 is the refractive index of the film material; r 12 , r 23 are the reflection coefficients at the interface between the air-film and the film-substrate, respectively.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007143852/28A RU2395788C2 (en) | 2007-11-28 | 2007-11-28 | Method to measure thickness of thin films on substrate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007143852/28A RU2395788C2 (en) | 2007-11-28 | 2007-11-28 | Method to measure thickness of thin films on substrate |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007143852A RU2007143852A (en) | 2009-06-10 |
| RU2395788C2 true RU2395788C2 (en) | 2010-07-27 |
Family
ID=41024065
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007143852/28A RU2395788C2 (en) | 2007-11-28 | 2007-11-28 | Method to measure thickness of thin films on substrate |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2395788C2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4909631A (en) * | 1987-12-18 | 1990-03-20 | Tan Raul Y | Method for film thickness and refractive index determination |
| JP2000055627A (en) * | 1998-08-07 | 2000-02-25 | Dainippon Screen Mfg Co Ltd | Film thickness measuring method and device |
| RU2207501C2 (en) * | 2001-06-29 | 2003-06-27 | Научно-исследовательский институт радиоэлектроники и лазерной техники Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана | Method for measuring thickness of film on substrate |
-
2007
- 2007-11-28 RU RU2007143852/28A patent/RU2395788C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4909631A (en) * | 1987-12-18 | 1990-03-20 | Tan Raul Y | Method for film thickness and refractive index determination |
| JP2000055627A (en) * | 1998-08-07 | 2000-02-25 | Dainippon Screen Mfg Co Ltd | Film thickness measuring method and device |
| RU2207501C2 (en) * | 2001-06-29 | 2003-06-27 | Научно-исследовательский институт радиоэлектроники и лазерной техники Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана | Method for measuring thickness of film on substrate |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007143852A (en) | 2009-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7920252B2 (en) | Method and apparatus for spectrophotometric characterization of turbid materials | |
| US20010055118A1 (en) | Self-calibrating measuring setup for interference spectroscopy | |
| CN104076002A (en) | Information acquiring apparatus and information acquiring method of acquiring information of sample by using terahertz wave | |
| KR20040086806A (en) | Method and device for measuring concentration of specific component | |
| JP2006517028A (en) | Non-contact temperature monitor and control method and apparatus | |
| Sharma et al. | Plasmonic optical sensor for determination of refractive index of human skin tissues | |
| WO2015167417A1 (en) | Optical measurement system having an integrated internal reflection element and array detector | |
| RU2304759C1 (en) | Remote three-wave method of measuring thickness of film films | |
| RU2395788C2 (en) | Method to measure thickness of thin films on substrate | |
| EP1972926A1 (en) | Assessment of parameters by optical measurement | |
| RU2300077C1 (en) | Remote method of measuring thickness of oil product thick films onto water surface | |
| RU2387977C1 (en) | Non contact method for detection of oil pollutions on water surface | |
| CN113607658A (en) | A method for obtaining oil film attenuation coefficient based on oil film gray value | |
| RU2207501C2 (en) | Method for measuring thickness of film on substrate | |
| Dingemans et al. | Quantitative coating thickness determination using a coefficient-independent hyperspectral scattering model | |
| JP2013088138A (en) | Refraction factor measuring device, concentration measuring device and method thereof | |
| CN103575657B (en) | Optical measuring device | |
| RU2415378C2 (en) | Method of measuring thickness and refractivity index of thin transparent substrate coats | |
| RU2359220C1 (en) | Remote four-wave method for measurement of thin film thickness | |
| CN115508312A (en) | Device and method for measuring refractive index of transparent solution | |
| RU2419779C2 (en) | Method of determining refractivity of ir-range surface electromagnetic wave | |
| Popescu et al. | In Vitro Assessment of Optical Properties of Blood by Applying the Extended Huygens‐Fresnel Principle to Time‐Domain Optical Coherence Tomography Signal at 1300 nm | |
| RU2786377C1 (en) | Method for determining the dielectric permittivity of metals in the terahertz range | |
| RU2829436C1 (en) | Method of determining dielectric constant of material of thin-layer object in terahertz range | |
| JP3885998B2 (en) | Method for measuring refractive index of light scatterer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151129 |