CN101131316B - 用于测量光盘厚度的系统、仪器、设备以及机器可读媒介 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光盘层的干涉效应来测量包括隔离层和覆盖层的光盘的一个或多个层的厚度的系统，所述系统包括：分光计，用于将从光盘的表面反射的光分离为其多个组成频率；光强测量单元，用于分别测量所述组成频率的强度作为第一光谱数据；以及处理器，用于至少进行以下步骤：将所述的第一光谱数据转换成作为折射率和波长的函数而显示变化的第二光谱值，利用快速傅立叶变换来变换所述第二光谱，以及基于所述的变换后的光谱来分别检测一个或多个隔离层和覆盖层的厚度。本发明所公开的方法在高精度测量光盘厚度方面具有优点。

Description

用于测量光盘厚度的系统、仪器、设备以及机器可读媒介

本申请要求2003年6月20日提交的申请号为P2003-40312的韩国专利申请的优先权，其内容并入此处，作为参考。并且，本申请是国际申请日为2003年6月24日、国际申请号为PCT/KR03/01234、标题为“测量光盘厚度的方法”的专利申请(中国申请号为03824795.X)的分案申请，通过引用将其内容并入于此。

技术领域

本发明涉及一种测量光盘的厚度的系统及其仪器、设备以及相关的机器可读媒介，特别是涉及这样一种系统，其根据由反射光谱的快速傅立叶变换(在下文中简称为FFT)获得的干涉区中反射光的峰值位置来测量光盘厚度，该反射光谱在数轴上被作为波长函数的反射率所反映。

背景技术

迄今为止，记录介质有磁记录带、激光视盘(LD)和激光唱盘(CD)等光盘、以及具有大信息记录容量的数字视频光盘(下文中称为DVD)。在记录介质当中，由于光盘采用的是与以前的磁记录带不同的数字记录系统，并且光盘的体积很小、重量轻，因此光盘便于保存和携带，因此，比起其它记录介质，用户更喜欢使用光盘介质。

此外，根据随产业发展的高密度和高集成的趋势，正在研究和开发一种蓝光光盘(BD)，它是比现有DVD具有更高集成性的高密度DVD(HD-DVD)。然而，任何产品应该是无故障地使用，而且，如果产品的质量低下，制造该产品的制造商就会丧失信誉。这种事情对于具有微小信号特征的光盘而言还会造成更多的问题，由于光盘的厚度问题、擦伤、变形、手印以及在产品制造过程中附着上杂质等而使得光盘质量低劣。

尤其是，光盘的厚度是影响其生产率和可靠性的一个主要因素，实时测量光盘厚度以对其制作过程进行控制是十分必要的。

可以把光盘看作薄膜。如果薄膜的厚度在几个μm之内，则对其厚度的测量要依靠定量测量，例如利用椭偏光度法和对反射因子的测量对薄膜进行分析，如果要对厚度等于和大于几个μm的、相对较厚的薄膜的厚度进行分析，就要采用一种利用由于薄膜的干涉效应而在反射或透射光谱中出现的振动周期来测量厚度的测量方法。

此时，单色仪的波长分辨或相干性变差，但是有一种方法很有使用价值，该方法通过干涉获得光谱的振动周期(或频率)并从所获得的振动周期来确定薄膜的厚度。然而，如果薄膜较厚，则因为周期值变大而使得用于估计薄膜厚度所必需的时间增长。工业上期望能够快速地测量厚膜的厚度，为了响应业界这个需求，采用常规的FFT来对光谱的振动周期进行快速测量。

图1给出的是用于测量薄膜厚度的常规装置的结构示意图。

如图1所示，根据通过测量反射光谱来测量薄膜厚度的装置，来自卤素灯12的光经由光纤20中的一根光纤22和在竖直方向上的透镜26而投射到覆有薄膜32的衬底30上，被衬底30反射的光经由透镜26和光纤20中的另一根光纤24而被传送给光谱仪42，该光谱仪42按照每个波长的强度对由衬底30上样品表面反射回来的光进行分光，然后，该分光进入到光学测量元件阵列(arrangement)44中，从而将每个波长处的光强提供给计算机46。通过将每个波长处的光强用作光谱数据，计算机46可以采用多种方式来测量薄膜的厚度。

图2A和2B示出的视图是折射率被应用于用常规方法测量厚度时的情况，图2A示出的是按照常规方法提供给计算机的每个波长处的光强数据光谱的曲线图，图2B是利用图2A得到的反射光谱的快速傅立叶变换图。

如图2A和2B所示，因为可以选择Δλ，其中，此时，所对应的特定层的厚度d是特定波长λ的m倍，也是相邻波长λ+Δλ的m-1倍，根据折射率n，光谱数据中特定层的厚度d可以表达为下面的方程1：

[方程1]

当Δλ＜＜λ时，

2nd＝mλ＝(m-1)(λ+Δλ)，如果进行展开，则有：

mλ＝(m-1)(λ+Δλ)＝mλ+mΔλ-(λ+Δλ)

mΔλ＝λ+Δλ

因此，就变成m＝(λ+Δλ)/Δλ，

此时，2nd＝mλ＝λ(λ+Δλ)/Δλ≈λ²/Δλ＝1/Δ(1/λ)。

由于2nd与Δ(1/λ)的乘积为1，如果在实验中可以得到反射强度与Δ(1/λ)之间的函数关系式，就可以通过进行完全的FFT，得到关于对应变换因子Δ(1/λ)的2nd的FFT函数。

此时，峰值出现处所对应的d值就是我们所期望得到的厚度。

作为参考，对FFT的描述可以表示为下面一般的方程。

强度I和波长λ之间的关系方程为I＝f(λ)＝g(Δ(1/λ))。

如果对上述方程式的两侧都施加FFT，于是，该方程可以表达为下面的方程2。

[方程2]

$\mathrm{FFT}\left\{I\right\}=\mathrm{FFT}\left\{g\left(\mathrm{\Δ}\left(\frac{1}{\mathrm{\λ}}\right)\right)\right\}=\∫g\left(\mathrm{\Δ}\left(\frac{1}{\mathrm{\λ}}\right)\right)e^{-2\mathrm{\πi}\left(\mathrm{\Δ}\left(\frac{1}{\mathrm{\λ}}\right)\right)2\mathrm{nd}}d\left(2\mathrm{nd}\right)=h\left(2\mathrm{nd}\right)$

然而，由于现有的方法没有考虑薄膜材料的折射率色散，峰与峰之间的间隔就逐渐减小。更具体的说，现有的方法有这样的缺点：由于折射率根据波长发生变化，根据由傅立叶峰位置除以折射率而获得的厚度值就会变化，并且导致峰的高度减小，宽度增加。

因此，因为由实际薄膜所组成的材料具有的折射率与波长有关，也就是说，由于薄膜的折射率色散，在一个频率周期上两束光之间的干涉能量差并不是一致相同的。由于这个原因，在反射光谱的快速傅立叶变换时所获得的频率的峰宽按照折射率色散的程度而变宽，而且，由于峰位置的不精确而使得用于获得薄膜厚度的测量误差变大。因此，为了精确测量薄膜的厚度，应该考虑折射率的色散。

发明内容

因此，本发明提出了一种测量光盘厚度的系统，该系统基本上能消除由于现有技术的局限性和缺点所引起的一个或多个问题。

本发明的目的是提供一种利用干涉效应来测量光盘的层的厚度的装置，所述装置包括：用于根据多个波长来测量反射光的强度并将其作为第一光谱数据的装置，所述第一光谱数据作为波长的函数而变化；用于将所述第一光谱数据转换为第二光谱的装置，所述第二光谱作为反映了折射率的波长的函数而变化；用于利用快速傅立叶变换对所述第二光谱进行变换的装置；以及用于通过将变换后的光谱转换成干涉区的长度来代表所述层的厚度而确定所述光盘的层的厚度的装置。

本发明的另一目的是提供一种利用干涉效应来测量光盘的层的厚度的仪器，所述仪器包括：用于根据多个波长来检测反射光的强度并将其作为第一光谱数据的装置，所述第一光谱数据作为波长的函数而变化；用于将所述第一光谱数据转换为第二光谱的装置，所述第二光谱作为折射率和波长的函数而变化；用于利用快速傅立叶变换对所述第二光谱进行变换的装置；以及用于基于所述的变换后的光谱来确定所述光盘的层的厚度的装置。

本发明的附加优点、目的和特征将在下面的描述中进行部分地阐明，并使得此领域的一般技术人员能通过下面的实例以作进一步了解，或者可以通过本发明的实践来对其进行理解。可以通过文字的说明书、所附权利要求以及附图中具体给出的结构来理解和达到本发明的目的和其它优点。

可以理解的是，对于本发明，前面所作的一般描述和下面要作的具体描述都是示例性和解释性的，用来提供对权利要求的进一步解释。

附图说明

附图显示出了本发明的实施例，它们与说明书的文字一起用来解释本发明的原理，提供这些附图为的是进一步理解本发明，附图作为说明书的一部分并入说明书。附图中：

图1是根据现有技术的测量光盘的薄膜厚度的装置的结构示意图；

图2A示出的是根据现有技术的提供给计算机按每个波长的发光强度的曲线图；

图2B是利用图2A的反射光谱的快速傅立叶变换图；

图3示出的是根据本发明的测量光盘厚度的方法的流程图；

图4是根据本发明的高密度DVD光盘的层状结构示图；

图5A示出的是根据本发明的按光的波长来测量反射光强度而得到的按波长的光谱数据图；

图5B是利用图5A的把反射光强度设为纵轴、把通过波长函数反映的折射率的光谱值作为横轴的曲线图；

图5C是利用图5B按波长的光谱快速傅立叶变换图；

图6是厚度为30μm的介电薄膜的折射率色散曲线图；以及

图7A和7B示出的是考虑和不考虑介电薄膜的折射率色散时关于能量的反射光谱之间的间隔。

具体实施方式

下面具体说明本发明的优选实施方式，这些实施方式的例子显示在附图中。

图3示出的是本发明所涉及的测量光盘厚度的方法的流程图，图4是本发明所涉及的高密度DVD光盘的层状结构示图，图5A示出的是本发明所涉及的按照光的波长来测量反射光强度而得到的按波长的光谱数据图，图5B是利用图5A的把反射光强度设为纵轴、把通过波长的函数反映了折射率的光谱值作为横轴的曲线图，图5C是利用图5B的按波长的光谱的快速傅立叶变换图。

图4所示的是高密度DVD(下文中称为‘HD-DVD’)光盘，其是在广泛应用之前作为最近发展的下一代光记录介质而出现的。如图4所示，HD-DVD的主要层有厚度约为80μm的覆盖层(CL)32a和位于覆盖层32a下面的、厚度为10μm的隔离层(SL)32b。

如图1所示的测量光盘厚度的装置，其包括光源、光纤、透镜、覆有薄膜的衬底、单色仪、光学测量元件阵列以及计算机。

采用上述结构的光盘厚度测量装置，对作为待测样品的HD-DVD的厚度进行检测，该检测是通过按照光的波长来检测反射光的强度而检测按波长的光谱数据(步骤S10)。所检测的数据如图5A所示。

在进行厚度测量的快速傅立叶变换之前，考虑折射率随波长的变化，将所检测的按波长的光谱数据转换成把折射率反映到波长的函数的光谱数据(步骤S20)。此时，对把折射率反映到波长的函数的光谱进行处理的方程可以表达为下面的方程3。

[方程3]

2n(λ)d＝mλ

2n(λ+Δλ)d＝(m-1)(λ+Δλ)

如果将上述第二个方程进一步展开，可得，

2n(λ)d+2Δnd＝mλ+mΔλ-λ-Δλ

其中，Δn＝n(λ+Δλ)-n(λ)，如果将上述方程代入第一个方程中并由代入后的方程进一步推导，则有，

m＝(2Δnd/Δλ)+(λ+Δλ)/Δλ

如果将第一个方程代入，则有，

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)＝(λ+Δλ)λ/Δλ

2Δ(n(λ)/λ)d＝(λ+Δλ)/λ＝1+Δλ/λ≈1(Δλ/λ＜＜1)

其中，利用第一级近似可以忽略最后一项。

利用按照上述方程获得的关于光强的Δ(n(λ)/λ)的函数关系式，该装置可以获得把折射率反映到波长的函数的光谱数据，在图5B示出的图中，将反射光强度设为纵轴，把通过波长的函数反映了折射率的值n(λ)/2λ作为横轴。

最后，如果将在前面步骤中所转换的数据通过快速傅立叶变换而转换成干涉区的长度用于表示光盘的厚度，则是反射光的强度具有峰值的位置。每个被检测到的峰值的位置成为隔离层和覆盖层的厚度(步骤S30)。

图5C是将快速傅立叶变换后的光强作为纵轴，将表示厚度的干涉区作为横轴的曲线图。

如图5C所示，在横轴上d₁位置处出现的峰值即为当隔离层的折射率n₁表示为波长的函数n₁(λ)并通过快速傅立叶变换而转换时所出现的值；而且，峰值出现处的位置值代表了光盘隔离层的厚度。同时，在纵轴上d₂位置处出现的峰值即为当覆盖层的折射率n₂表示为波长的函数n₂(λ)并通过快速傅立叶变换而转换时所出现的值；而且，峰值出现处的位置值表示光盘覆盖层的厚度。

下面将通过薄膜厚度的实验值来详细描述根据本发明对光盘厚度的测量，该测量是通过反映了折射率的波长的函数并采用快速傅立叶变换来实现的。

图6是厚度为30μm的介电薄膜的折射率色散曲线图。

如图6所示，可以理解的是，通过在实施快速傅立叶变换时反映出折射率色散，对厚度为30μm的介电薄膜的反射光谱的分析得出：峰宽降低，峰高上升。此时，介电薄膜限于单独存在的薄膜，其没有用于支撑该介电薄膜的衬底层。

在折射率是否被反映的两种情况下执行快速傅立叶变换以后，该事实表现得尤为显著。参照图7A和7B，图7A示出的是不考虑介电薄膜的折射率色散时反射光谱的快速傅立叶变换图，7B示出的是将介电薄膜的折射率色散反映成为波长的函数时反射光谱的快速傅立叶变换图。

如图7A和7B所示，在折射率色散被反映时的快速傅立叶变换中，峰宽从1.61μm极大地下降到0.44μm，而峰高则上升了大约1.7倍。这些峰高的上升和峰宽的下降是合理的，由此，当折射率色散被反映时，反射光谱的振动间隔就变得相同，从而清晰地表示出考虑折射率时快速傅立叶变换效果。

当考虑折射率色散时所获得的另一效果是在快速傅立叶变换后所获得的厚度值上出现。图7A所示的是将折射率固定为n＝1.6、用厚度表示横轴并进行快速傅立叶变换。如图6所示，由于介电薄膜具有依赖于波长的折射率，因此所获得的厚度值随着用于除傅立叶峰值的折射率而变化。

因此，从图7A中的峰估计得出的厚度值30.71μm与实际厚度30μm不同。实际厚度和估计厚度之间的差值为0.71μm，该差值是由于所采用的折射率n＝1.6并没有正确地反映从500nm至900nm区域范围内的反射光谱的有效折射率而造成的，这基本上可以被看作是由于没有考虑折射率色散的而造成的错误。

然而，按照图7B所示的考虑折射率色散后的快速傅立叶变换，由于折射率色散已在图7B中被精确反映出来，就可估计出精确的厚度值30.0μm，从而实现极快的分析速度和高精度的厚度测量。

如上述所述，利用光盘层的干涉效应来测量光盘厚度的方法具有以下优点：

首先，在对光盘厚度的测量中，通过由反射光谱的快速傅立叶变换得到的干涉区中反射光的峰值位置，其中，通过增加一个额外的折射率而将薄膜的折射率色散反映出来，在保持极快的分析速度过程中就能实施对光盘厚度的精确测量，从而使得测量装置的可靠性得以增强，且生产率得以提高。

其次，根据本发明，不管光盘的类型和结构如何，无论在衬底上形成的是相同面积比的反射层，还是在衬底上形成的是多层薄膜，光盘的厚度都可以以高精度和极快的分析速度测量出来，而且，本发明的测量方法可以应用于具有由厚膜的干涉所导致的振动的光谱，例如透射光谱，从而使得工业上要求实时测量和精确分析的需要，可以通过对光盘厚度的极快的分析速度和高精度测量的装置来满足，而且在国内和国外市场的竞争力也得以增强。

对于本领域技术人员来说，很显然可以对本发明进行各种修改和变化。因此，那些落入本发明权利要求及其等价物范围内的所有改变或修改都应该被本发明所涵盖。

Claims (6)

1.一种利用干涉效应来测量光盘的层的厚度的装置，所述装置包括：

用于根据多个波长来测量反射光的强度并将其作为第一光谱数据的装置，所述第一光谱数据作为波长的函数而变化；

用于将所述第一光谱数据转换为第二光谱的装置，所述第二光谱作为反映了折射率的波长的函数而变化；

用于利用快速傅立叶变换对所述第二光谱进行变换的装置；以及

用于通过将变换后的光谱转换成干涉区的长度来代表所述层的厚度而确定所述光盘的层的厚度的装置。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述第二光谱被确定为n(λ)/2λ的函数，其中n是折射率，λ是波长。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述光盘包含隔离层和覆盖层，所述隔离层具有折射率n₁，并且所述覆盖层具有不同于折射率n₁的折射率n₂。

4.如权利要求3所述的装置，其中，在位置d₁和d₂处处理所述的变换后的光谱的强度的峰值，

所述d1为所述隔离层的厚度，而所述d2为所述覆盖层的厚度。

5.如权利要求1所述的装置，其中，利用以下方程所述第一光谱数据被转换为第二光谱：

2n(λ)d＝mλ

2n(λ+Δλ)d＝(m-1)(λ+Δλ)

其中，d是厚度，n是光盘层的折射率，λ是波长，以及m是整数值。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述的变换后的光谱将强度表示为干涉区的长度的函数。

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