JPS63241321A - Spectral analysis of membrane like specimen - Google Patents

Spectral analysis of membrane like specimen

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JPS63241321A
JPS63241321A JP7529987A JP7529987A JPS63241321A JP S63241321 A JPS63241321 A JP S63241321A JP 7529987 A JP7529987 A JP 7529987A JP 7529987 A JP7529987 A JP 7529987A JP S63241321 A JPS63241321 A JP S63241321A
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spectrum
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interference
film thickness
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南 茂夫
Satoshi Kawada
聡 河田
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/8422Investigating thin films, e.g. matrix isolation method

Abstract

PURPOSE:To obtain a spectrum from which the effect of a fringe is removed and to obtain the data of a membrane thickness and refractive index dispersion with high accuracy, by utilizing the effect of the interference in a measured spectrum containing the data relating to a specimen condition such as the membrane thickness. CONSTITUTION:An infrared absorption spectrum is analyzed by a spectroscopic apparatus 20. Then, the initial value is calculated in steps 21-25 so as to smoothly converge local searching by using a non-linear optimizing technique. Further, in a step 31, in a manner so as to perfectly remove the effect of interference from the measured spectrum, refractive index dispersion n(nu) is taken in this algorithm in place of making a refractive index constant. By this method, interference is removed from the measured spectrum without using the data relating to an experimental condition such as the membrane thickness or the incident angle of light to be measured at all to make it possible to obtain a real spectrum being spectral data.

Description

【発明の詳細な説明】 l1北へ机皿別駈 本発明は、薄膜状試料を分光分析し、観測されたスペク
トルデータから試料の真のスペクトル。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention performs spectroscopic analysis of a thin film sample and obtains the true spectrum of the sample from the observed spectrum data.

膜厚、光学定数を求める薄膜状試料の分光分析方法に関
する。
This article relates to a method for spectroscopic analysis of thin film samples to determine film thickness and optical constants.

1匙 分光分析の目的は、被測定物質によって変調された光強
度分布を、波長あるいは波数の関数として、すなわちス
ペクトルとして測定し、それを解析することにある。ス
ペクトルは、ピーク位置や半値幅あるいは吸収帯といっ
た波長・波数軸に関する情報と、強度・振幅情報から構
成される。一般に、ピーク情報は光エネルギーに関係し
ていることにより定性分析に、強度情報は光子数に関係
していることにより定量分析に利用される。
The purpose of 1-spoon spectroscopic analysis is to measure the light intensity distribution modulated by the substance to be measured as a function of wavelength or wave number, that is, as a spectrum, and analyze it. A spectrum is composed of information about the wavelength and wavenumber axes, such as peak position, half-width, or absorption band, and information about intensity and amplitude. Generally, peak information is used for qualitative analysis because it is related to light energy, and intensity information is used for quantitative analysis because it is related to the number of photons.

正確な分析を行なうには、試料スペクトルを精度よく測
定する必要がある。ところが、分析機器から得られる観
測スペクトルは、試料の真のスペクトルに測定系全体の
装置関数が掛が9、更に雑音が加わったものであり、観
測スペクトルをそのまま定性・定量分析に用いると、試
料分析に誤りを冒す可能性がある。そこで、正確な分析
を行なうだめには、高精度にスペクトルを計測し、かつ
これから高品質な信号を抽出・分離することが重要であ
る。
In order to perform accurate analysis, it is necessary to measure the sample spectrum with high precision. However, the observed spectrum obtained from an analytical instrument is the true spectrum of the sample multiplied by the instrument function of the entire measurement system, and noise is added to it. There is a possibility of error in the analysis. Therefore, in order to perform accurate analysis, it is important to measure the spectrum with high precision and extract and separate high-quality signals from it.

このような波形処理において、定性・定量分析を目的と
した処理(例えばスペクトル分離処理)を後処理と呼ぶ
のに対して、正確なスペクトルを得るため、数値処理を
利用して分光機器の性能を間接的に向上させることを目
的とした手法を前処理と呼ぶ。前処理の例としては、雑
音の除去(SN比改善)、ディコンボリューション処理
(分解能向上)などがあるが、本発明は、基本的に前処
理の一つである分光データを対象とした雑音除去に関す
る。
In such waveform processing, processing for the purpose of qualitative and quantitative analysis (e.g. spectrum separation processing) is called post-processing, whereas numerical processing is used to improve the performance of spectroscopic equipment in order to obtain accurate spectra. A method aimed at indirectly improving performance is called preprocessing. Examples of preprocessing include noise removal (improving signal-to-noise ratio), deconvolution processing (improving resolution), etc., but the present invention basically uses noise removal for spectral data, which is one of the preprocessing methods. Regarding.

雑音を大別すると、不規則で信号に依存しないランダム
な雑音と、系統的で信号に依存する雑音の二つになり、
正確な分析を行なうためには両者ともに除去する必要が
ある。特に後者を数学的処理により除去するにはその発
生メカニズムを完全に把握して、その逆過程を精細に辿
ることが課題となる。本発明では薄膜状試料の分光計測
に現れる系統的な雑音である。多重反射干渉の影響を解
析し、その新しい除去手法を与える。以下では、物質の
定性・定量物質に多用されている赤外吸収スペクトルを
例として説明する。
Noise can be roughly divided into two types: random noise that is irregular and does not depend on the signal, and systematic noise that is dependent on the signal.
Both must be removed for accurate analysis. In particular, in order to remove the latter by mathematical processing, it is necessary to completely understand the mechanism by which it occurs and trace its reverse process in detail. In the present invention, this is systematic noise that appears in spectroscopic measurements of thin film samples. We analyze the effects of multiple reflection interference and provide a new method for removing it. In the following, infrared absorption spectra, which are often used for qualitative and quantitative substances, will be explained as an example.

1哩へlλ 薄膜やセル中の液体の赤外吸収スペクトルを測定すると
、f:tSi図に示すように、吸収の小さいli域で波
数に関して周期的な波形が見られる。この波形は分析化
学の分野でフリンジと呼ばれており、スペクトルのベー
スラインに周期的な変化を与えるだけでなく、分析にお
いて重要な吸収ピークの形状、高さにも無視できない影
響を与える。観測スペクトルの形状の変化は定量・定性
分析に大きな障害となるために、7リンノの除去が大き
な課題となっている。フリンジの発生する原因は、膜内
やセルの窓材に狭まれだ液層内で繰り返し反射した測定
光の干渉で、特に測定光の波及と試料の厚さとが同程度
である赤外測定の場合、スペクトル形状の変化が顕著に
みられる。
When measuring the infrared absorption spectrum of a thin film or a liquid in a cell, a periodic waveform with respect to the wave number is seen in the li region where absorption is small, as shown in the f:tSi diagram. This waveform is called a fringe in the field of analytical chemistry, and it not only gives periodic changes to the baseline of the spectrum, but also has a non-negligible effect on the shape and height of absorption peaks, which are important in analysis. Changes in the shape of observed spectra are a major obstacle to quantitative and qualitative analysis, so removal of 7-lino has become a major issue. The cause of fringing is the interference of the measurement light that is repeatedly reflected within the membrane or the liquid layer confined by the window material of the cell, especially in infrared measurements where the spread of the measurement light and the thickness of the sample are approximately the same. In this case, significant changes in the spectral shape can be seen.

藍木α遺肛と肌版へ この干渉の影響を除去するために、試料表面を粗面にす
る、測定光をプリエースター角で入射させるなどの方法
が早くから行なわれてさたが、これらの実験的な手法で
は膜内での反射と反射光による干渉を完全に抑えること
は不可能で、7リンノを除去出来ない。そこで、数学的
処理によるフリンジの除去法がいくつが提案されている
In order to eliminate the influence of this interference on the Aiki alpha anus and skin plate, methods such as roughening the sample surface and making the measurement light incident at the Priester angle were used from early on; With the experimental method described above, it is impossible to completely suppress reflection within the film and interference caused by reflected light, and it is not possible to remove 7-phosphorus. Therefore, several methods for removing fringes using mathematical processing have been proposed.

T、旧rschfeldは測定スペクトルからフリンジ
の周波数成分を数値的に除去する手法を提案した(T、
 1lirschfeld and Il、 LMan
tzげEliminationof Th1n Fil
m Infrared Channel 5pectr
a in Fourier  Transform  
Infrared  5pectroscopy″、 
八pp I、5pectrosc、30*5tpp、5
52−553(1976))。しかし、この手法はフリ
ンジが単一周波数で、真の吸収スペクトルに加法的に加
わっているという誤った仮定に基づいており、この手法
では7リンシを正しく除去できない。
T.rschfeld proposed a method to numerically remove the fringe frequency components from the measured spectrum (T.
1lirschfeld and Il, LMan
Elimination of Th1n Fil
m Infrared Channel 5pectr
a in Fourier Transform
Infrared 5pectroscopy'',
8pp I, 5pectrosc, 30*5tpp, 5
52-553 (1976)). However, this method is based on the erroneous assumption that the fringes are at a single frequency and addititively to the true absorption spectrum, and this method cannot correctly remove 7 rings.

他方、R,N、Jonesらはi厚が既知である試料の
光学定数(吸収スペクトルと屈折率スペクトル)を求め
る手法を提案している(R,N、Jones、D、Es
colar+J、P、l1auranek、P、Nee
lakantanyand RoP、Youngt”S
OME PROBLEMS IN  INFRARED
 5PECTRO1’llOTOMETRY”、J、M
ol、5truck、19tpp、2l−42(197
3)、J、P l1aa+ranektP、Neela
kantanJ、P、Youngtand R,N、J
onesw“TIIecontrol of erro
rs in i、r、spectrophotomet
ry−1[[、Transmission  meas
urements  using  thin  ce
llS″’tspectroehim、^eta 32
^、pp、75−84(1976)、J、P、tlaw
ranekyP、Neelakantan*R,P、Y
oung+and R,Njone9t“The co
ntrol of errors in i、r、5p
ectrophot。
On the other hand, R, N. Jones et al. have proposed a method for determining the optical constants (absorption spectrum and refractive index spectrum) of a sample whose i thickness is known (R, N. Jones, D. Es
color+J,P,l1auranek,P,Nee
lakantanyanand RoP,Youngt”S
OME PROBLEMS IN INFRARED
5PECTRO1'llOTOMETRY", J, M
ol, 5truck, 19tpp, 2l-42 (197
3), J, P l1aa+ranektP, Neela
Kantan J, P, Youngtand R, N, J
onesw“TIIecontrol of erro
rs in i, r, spectrophotometer
ry-1[[,Transmission meas
urements using thin ce
llS'''tspectroehim, ^eta 32
^, pp, 75-84 (1976), J, P, tlaw
ranekyP, Neelakantan*R,P,Y
own+and R, Njone9t “The co
ntrol of errors in i, r, 5p
electrophoto.

a+etry−■、Corrections for 
dispersion distortion  an
d  the  evaluation  of  b
oth  optical  constants″w
spectrochim、^eta  32八、pp、
85−98(1976)、J、P。
a+etry-■, Corrections for
dispersion distortion an
d the evaluation of b
oth optical constants
spectrochim, ^eta 328, pp.
85-98 (1976), J.P.

Hawranek and R,N、Jonesw”T
he control of errors in i
、r、spectrophotometry−V、^5
scss+aent oferrors in the
 evaluation  of optical c
onstants by transmission 
measureIIlents on thin fi
tis”yspeeLrochiIo、^eta 32
^、pp、99−109(1976)、J、P。
Hawranek and R.N., Jonesw”T.
he control of errors in i
,r,spectrophotometry-V,^5
scss+aent errors in the
evaluation of optical c
instants by transmission
measureIIlents on thin fi
tis”yspeeLrochiIo, ^eta 32
^, pp, 99-109 (1976), J, P.

Hawranek and RlN、Jones*″T
he determination orthe op
tical constantds of benze
ne and chloroform in the 
i、r、by thin film transmis
sion”!Spectrochim、^eta 32
^、1)I)、111−123(1976)、G、K 
Ribbegard and R9Njooes、“T
be Measurement of tl+e  0
ptical  Con5tants  of  Th
1n  5olid  Films  in  the
 Infrared″g^ppl、5pectrosc
、34tpp、638−645(1980))。この手
法は、吸収スペクトルをパラメータとして干渉の影響を
受けたスペクトルを計算し、それを観測スペクトルにフ
ィッティングさせることにより吸収スペクトルを求める
ものである。しかしながら、この手法を観測スペクトル
に適用するには、前もってかなりの高精度で試料膜厚を
測定する必要があり、複雑な予備実験が要求される。
Hawranek and RlN, Jones*″T
he determination or the op
tical constantds of benzene
ne and chloroform in the
i, r, by thin film transmission
sion”!Spectrochim, ^eta 32
^, 1) I), 111-123 (1976), G, K
Ribbegaard and R9Njooes, “T.
be Measurement of tl+e 0
ptical Con5tants of Th
1n 5olid Films in the
Infrared″g^ppl, 5pectrosc
, 34tpp, 638-645 (1980)). This method calculates the spectrum affected by interference using the absorption spectrum as a parameter, and then fits it to the observed spectrum to obtain the absorption spectrum. However, in order to apply this method to observed spectra, it is necessary to measure the sample film thickness with considerable precision in advance, and complex preliminary experiments are required.

本発明においては、膜1g−が未知の試料を対象にしう
ろことがら、膜厚に関して従来がら知られている膜厚測
定法を挙げると、■触針法、■干渉法。
In the present invention, since the film 1g- is used as a sample for unknown scales, conventionally known film thickness measurement methods are as follows: (1) stylus method, (2) interferometry.

■分光性、■偏光解析法などがある。■Spectroscopy, ■Ellipsometry, etc.

■の触針法は、針を基板部分と基板上の試料部分に接触
させ、その高低差を電気的に拡大、計測する。測定限界
はlnm程度で、基板部と試料部のエツジでの測定が必
要となる。
In the stylus method (2), a needle is brought into contact with the substrate portion and the sample portion on the substrate, and the difference in height is electrically magnified and measured. The measurement limit is about 1 nm, and it is necessary to measure at the edge of the substrate part and the sample part.

■の干渉法は■と同様、基板部と試料部とのエツジの高
低差を測定する。試料上にマイカなどの半透膜をわずか
に傾けて置き、膜面と試料面との開で測定光を干渉させ
る。基板部と試料部の高さの差に応じてエツジの部分で
干渉縞がシフトするため、このシフト量から試料の光学
的厚さが測定できる。試料に反射率の高い物質を蒸着す
る必要があるため破壊測定となり、測定限界は測定光の
波長(数nm)程度である。
Similar to method (2), the interferometry (2) measures the difference in height between the edges of the substrate and the sample. A semipermeable membrane such as mica is placed on the sample at a slight angle, and the measurement light is caused to interfere with the gap between the membrane and sample surfaces. Since the interference fringes shift at the edges according to the difference in height between the substrate section and the sample section, the optical thickness of the sample can be measured from this amount of shift. Since it is necessary to deposit a highly reflective substance on the sample, this is a destructive measurement, and the measurement limit is approximately the wavelength (several nanometers) of the measurement light.

■の分光法は、吸収のない領域での試料の分光スペクト
ル中のフリンジの周波数から算出する。
The spectroscopy method (2) is calculated from the frequency of fringes in the spectroscopic spectrum of the sample in the region where there is no absorption.

(N、J、Harrick、Determinatio
n of Refractive Index anc
l Film Th1ckness from Int
erference Fringes″、Δpp1.O
pt、1(Ll(Lpp、2344−2349、DJ、
Moffatt and D、G、Cameron、L
ocation of Lou+ Frequency
Fringe  Signatures  in  F
ourier  TransforLIls  ofS
pectra”、^pp1.5pectrosc、37
,6.p、556(1983) 、藤村貞子、松村篤樹
、“分光計測を利用した膜厚測定”。
(N.J., Harrick, Determinatio.
n of Refractive Index anc
l Film Th1ckness from Int
erference Fringes'', Δpp1.O
pt, 1(Ll(Lpp, 2344-2349, DJ,
Moffatt and D.G., Cameron, L.
Occasion of Lou+ Frequency
Fringe Signatures in F
ourier Transform LIls ofS
pectra", ^pp1.5pectrosc, 37
,6. p, 556 (1983), Sadako Fujimura, Atsuki Matsumura, “Measurement of film thickness using spectrometry”.

、第46回応用物理学会学術講演会講演予稿集+p。, Proceedings of the 46th Japan Society of Applied Physics Academic Conference +p.

45 (1985))。しかしながら、この手法は吸収
がなくかつ屈折率変化のない領域においてのみしか取扱
うことができず、分光スペクトルを利用するにも拘わら
ず、試料の物理的性質の現れにくい部分を測定している
わけで、7リンシを雑音としてそこから情報を得ないま
まこれを除去しようとするのと同様、分光情報という有
用な物質情報を捨てている。 この分光法は、非破壊測
定であるが、測定されるのは光学的厚さであり、物理的
な厚さは試料の屈折率を別の計測によって求めなければ
ならない。測定限界は数n111程度である。
45 (1985)). However, this method can only be used in areas where there is no absorption and no change in the refractive index, and even though it uses a spectroscopic spectrum, it measures areas where the physical properties of the sample are difficult to express. , 7. Similar to trying to eliminate phosphorus as noise without obtaining information from it, we are also throwing away useful material information called spectral information. Although this spectroscopy is a non-destructive measurement, what is measured is the optical thickness, and the physical thickness must be determined by a separate measurement of the refractive index of the sample. The measurement limit is about several n111.

■の偏光解析法は、試料内で繰り返し反射した測定光の
偏光状態を測定して、試料の光学定数及び、膜厚を求め
る。測定限界はlnm程度で、試料が吸収しない波長で
測定する必要がある。試料の吸収係数が0でない場合は
、下地の媒質や試料の膜厚を変化させて複数回の測定を
行い、得られたデータに数学的処理を施すことで、膜厚
が得られる。正確な入射角を与える必要があり、また下
地になる物質の光学定数を予備実験により求めておかな
ければならない。
In the ellipsometry method (2), the optical constants and film thickness of the sample are determined by measuring the polarization state of measurement light that is repeatedly reflected within the sample. The measurement limit is about 1 nm, and it is necessary to measure at a wavelength that the sample does not absorb. If the absorption coefficient of the sample is not 0, the film thickness can be obtained by performing multiple measurements while changing the underlying medium and the film thickness of the sample, and performing mathematical processing on the obtained data. It is necessary to provide an accurate angle of incidence, and the optical constants of the underlying material must be determined through preliminary experiments.

発明の目的 本発明は、測定試料に関する情報を全(必要とせず、か
つ測定条件(測定光の入射角)についての情報も必要と
しないで、7リンノの影響を除去したスペクトルを得る
ことができるとともに、高精度にS厚と屈折率分散の情
報を得ることができる新規な薄膜状試料の分光分析法を
提供することを目的とする。
Purpose of the Invention The present invention is capable of obtaining a spectrum from which the influence of 7-lino has been removed without requiring all information regarding the measurement sample and without requiring information regarding the measurement conditions (incident angle of measurement light). Another object of the present invention is to provide a novel spectroscopic analysis method for thin film samples that can obtain information on S thickness and refractive index dispersion with high precision.

2曹Vす」腎 これまで、真のスペクトルに加わる干渉の影響を多(は
分析における雑音として取扱ってきた。
Until now, we have treated the effects of interference on the true spectrum as noise in the analysis.

しかし、ここで視座を変えこの干渉を観測対象と考えで
みると、測定スペクトルにおけるフリンジは測定系の影
響を受けて発生したものであるが、試料の情報も含まれ
ているはずであるということに想到する。後述するよう
に、たとえば、7リンノの周波数は試料の屈折率と膜厚
との積に反比例し、測定光の入射角に依存して変化する
。また、フリンジの振幅は試料表面の反射率に依存する
However, if we change our perspective and consider this interference as the object of observation, we can see that the fringes in the measured spectrum are caused by the influence of the measurement system, but they must also contain information about the sample. come to mind. As will be described later, the frequency of, for example, 7-lino is inversely proportional to the product of the refractive index of the sample and the film thickness, and changes depending on the incident angle of the measurement light. Furthermore, the amplitude of the fringe depends on the reflectance of the sample surface.

これより、測定スペクトル中には膜厚なと試料条件につ
いての情報も含まれており、干渉の影響を雑音として単
に除去してしまうだけでなく逆に利用することによって
、そこから多くの物質情報を引き出すことが可能である
This means that the measured spectrum also contains information about the film thickness and sample conditions, and by using the influence of interference instead of simply removing it as noise, we can obtain a lot of material information from it. It is possible to extract.

本発明は、上記着想に基づくもので、薄膜状の同一試料
を、分光光度計により、試料と測定光光軸とのなす角度
を変えて少なくとも2回測定し、測定したそれぞれのス
ペクトルデータを不変量である吸収係数または消光係数
により結びつけるとともに、前記吸収係数または消光係
数の二乗誤差和を膜厚、屈折率、角度をパラメータとす
る目的関数に設定し、非線形最適化手法により前記目的
関数を最小にする前記パラメータを演算して求め、干渉
縞の除去されたスペクトルを得るとともに、試料の膜厚
と屈折率分散を同時に得られるようにしたことを基本的
な特徴としている。
The present invention is based on the above idea, and involves measuring the same thin-film sample at least twice using a spectrophotometer while changing the angle between the sample and the optical axis of the measurement light, and comparing the measured spectral data with respect to each other. It is linked by a variable absorption coefficient or extinction coefficient, and the sum of squared errors of the absorption coefficient or extinction coefficient is set as an objective function with film thickness, refractive index, and angle as parameters, and a nonlinear optimization method is used to minimize the objective function. The basic feature is that the above-mentioned parameters are calculated to obtain a spectrum with interference fringes removed, and the film thickness and refractive index dispersion of the sample can be obtained simultaneously.

[原理] 第2図は固体の薄膜試料に光を投射しその時生ずる多重
反射干渉を示すモデル図である。振’l’lii A 
[Principle] FIG. 2 is a model diagram showing the multiple reflection interference that occurs when light is projected onto a solid thin film sample. Furi'l'lii A
.

(ν)の測定光(1)が、膜厚d。、屈折率nの薄膜(
2)に角度θ。で入射すると、スキルの法則、sinθ
。=nsinθ       ・・・(1)で屈折し、
膜内の透過距離dは、 d=d、/cosθ        −(2)となる。
The measurement light (1) of (ν) has a film thickness d. , a thin film with refractive index n (
2) angle θ. When the incidence is , Skill's law, sin θ
. = n sin θ ... Refracted at (1),
The transmission distance d within the membrane is d=d,/cosθ-(2).

屈折率nは実際には波数νの関数であるが、ここでは簡
単のため定数とし、屈折率分散については後述する。
Although the refractive index n is actually a function of the wave number ν, it is assumed to be a constant here for simplicity, and the refractive index dispersion will be described later.

試料(2)の吸光係数をa(ν)とすると、膜内1光路
分の透過光(3)の透過率スペクトルT(ν)は、T(
ν)=exp(−nda(ν)l     −(3)で
与えられるが、実際の吸収測定では、膜(2)の両面で
の反射により多光束干渉を生じ、得られる透過率スペク
トルS(ν)は次式となる。
Letting the extinction coefficient of sample (2) be a(ν), the transmittance spectrum T(ν) of transmitted light (3) for one optical path in the film is T(
ν) = exp(-nda(ν)l - (3) However, in actual absorption measurements, multi-beam interference occurs due to reflection on both sides of the film (2), and the resulting transmittance spectrum S(ν ) is the following formula.

ここで、「は試料面の反射率で、これはFresnel
の式によりnJ折率nと測定光の膜内での反射角θとの
関数として次式で与えられる。
Here, ``is the reflectance of the sample surface, which is the Fresnel
According to the equation, nJ is given as a function of the refractive index n and the reflection angle θ of the measurement light within the film by the following equation.

尚、(5)式に於いて上のものはS偏光、下のものはP
偏光の場合であり、分散を考慮すると両式のr、nはr
(ν)、n(ν)で置き換えられる。
In equation (5), the upper one is S polarized light, and the lower one is P polarized light.
In the case of polarized light, considering dispersion, r and n in both equations are r
(ν), replaced by n(ν).

上記(4)式において、分母の第3項目(cosを含む
項)は、スペクトルに周期的な変調を与える。
In the above equation (4), the third term in the denominator (the term including cos) gives periodic modulation to the spectrum.

第3図、第4図に透過率スペクトルS(ν)におけるこ
の干渉の影響を示す。
Figures 3 and 4 show the influence of this interference on the transmittance spectrum S(v).

第3図は同一試料において膜厚d0が5.15.25μ
池と変わった場合(同図(a L (b )t (c 
)に対応、以下同様)の測定スペクトルS(ν)を示し
、フリンジの変化の様子を示している。屈折率nは1.
6で一定である。膜厚が太き(なればなるほど、7リン
ノの周波数が低くなってゆくのが分かる。
Figure 3 shows that the film thickness d0 is 5.15.25μ for the same sample.
If it changes to a pond (the same figure (a L (b) t (c
), the same applies hereinafter) is shown, and the state of change in the fringe is shown. The refractive index n is 1.
It is constant at 6. It can be seen that the thicker the film, the lower the frequency of the 7-rinno.

第4図は同一試料において屈折率nが1.3,1,6,
2゜Oと変わった場合の測定スペクトルS(ν)を示し
、そのフリンジの変化の様子を示している。膜厚dゆけ
15μ鎗で一定である。これから、屈折率が大きくなる
ほど、フリンジの振幅が大きくなり、周波数は低くなる
のが分かる。
Figure 4 shows the same sample with refractive index n of 1.3, 1, 6,
The measured spectrum S(ν) when the temperature is changed to 2°O is shown, and the change in the fringe is shown. The film thickness d is constant at 15μ. It can be seen from this that as the refractive index increases, the amplitude of the fringe increases and the frequency decreases.

また、第5図は透過率の違いによる7リンノの変化の様
子を示している。透過率が100%、80%、30%の
それぞれ一定の場合で、膜厚d。は15μm、屈折率n
は1.6である。このシェミレヘシaンの結果から、屈
折率が一定でも透過率が高いほど7リンノの振幅が太き
(なることが分かる。
Moreover, FIG. 5 shows how the 7-lino changes due to the difference in transmittance. When the transmittance is constant at 100%, 80%, and 30%, the film thickness d. is 15 μm, refractive index n
is 1.6. From the results of this Schemilehessian, it can be seen that even if the refractive index is constant, the higher the transmittance, the thicker the amplitude of the 7-lino.

又、固体薄膜の反射光を測定する際にも多重反射干渉を
避けることができない。第6図に示すように、反射光(
4)を測定する場合には、その観測されるスペクトルS
(ν)は、次式で与えられる。
Furthermore, multiple reflection interference cannot be avoided when measuring reflected light from a solid thin film. As shown in Figure 6, reflected light (
4), the observed spectrum S
(ν) is given by the following equation.

上記と同様、膜厚、屈折率を変えることによる反射スペ
クトルの形状変化を第7図、第8図に示す。第7図は屈
折率n=2.0とした場合の膜厚の違いによるフリンジ
の変化、第8図は膜厚d。を15μmの一定にした場合
の屈折率の違いによる7リンノの変化である。
Similarly to the above, FIGS. 7 and 8 show changes in the shape of the reflection spectrum due to changes in film thickness and refractive index. Figure 7 shows the change in fringe due to the difference in film thickness when the refractive index n=2.0, and Figure 8 shows the film thickness d. This is a change of 7 linos due to the difference in refractive index when the refractive index is kept constant at 15 μm.

一方、試料が液体である場合には、その吸光分光測定は
、試料を液体セルに封入して行う。液体を封入した液体
セルの断面を第9図に示す。図において、第11第5層
は空気である。第3層(液層)の厚さd2は、通常1な
いし100μm程度であるので、固体試料の場合と同様
に層内での多重反射干渉が生ずる。第2.第4層の窓材
は、測定波長域で吸収ピークをもたず、その厚さd、は
数「DII+程度と液層に比べ十分に厚いため、窓村内
での多重反射干渉は実際上、問題とはならない。
On the other hand, when the sample is a liquid, absorption spectrometry is performed by enclosing the sample in a liquid cell. FIG. 9 shows a cross section of a liquid cell filled with liquid. In the figure, the 11th and 5th layers are air. Since the thickness d2 of the third layer (liquid layer) is usually about 1 to 100 μm, multiple reflection interference occurs within the layer as in the case of a solid sample. Second. The fourth layer window material does not have an absorption peak in the measurement wavelength range, and its thickness d is approximately several DII+, which is sufficiently thick compared to the liquid layer, so multiple reflection interference within the window village is actually Not a problem.

[7リンノ除去の原理1 第2図に示した固体試料の透過光測定の場合を例として
、第10図に本発明の基本概念、干渉成分の除去方法を
示す。
[7 Principle 1 of Phosphorus Removal] Taking the case of measuring transmitted light of a solid sample shown in FIG. 2 as an example, FIG. 10 shows the basic concept of the present invention and a method for removing interference components.

分光装置(10)による吸光測定で得られるスペクトル
S(ν)は上記(4)式で与えられる。この(4)式は
、変形すると次式のように目的とする7リンノのない真
のスペクトルT(ν)に関する2次式となる。
The spectrum S(ν) obtained by absorption measurement using the spectrometer (10) is given by the above equation (4). When this equation (4) is transformed, it becomes a quadratic equation regarding the target true spectrum T(v) without the 7-lino as shown in the following equation.

r’s(L’)T2(L’)−[23(ν)r2cos
(4yn、docosθ、ν)−1]T(1/)+S(
ν)=0                   ・・
・・・・・・・(7)(7)式において、未知であるT
(ν)の他に、試料の膜厚dot屈折率n、測定光の膜
内での反射角θが未知であるとすると、これら未知数の
数が式の数を上回る事となり、(7)式は解くことがで
きない。
r's(L')T2(L')-[23(ν)r2cos
(4yn, docosθ, ν)−1]T(1/)+S(
ν)=0...
......(7) In equation (7), unknown T
In addition to (ν), if we assume that the film thickness dot of the sample, the refractive index n, and the reflection angle θ of the measurement light within the film are unknown, the number of these unknowns exceeds the number of equations, and the equation (7) cannot be solved.

そこで、この式を解けるようにするため、同一試料を分
光装置(10)により少なくとも2回測定する。測定光
の試料への入射点を一定にして入射光光軸と試料とのな
す角、すなわち入射角を変えて、入射角θ。1.θo2
で測定する。入射角を変化させると、吸収長d(=d、
/cosθ1)と反射率rが変化し、これに依存する測
定スペクトルS(ν)は、同一試料においてS+(ν)
、S2(ν)の二つが得られる。
Therefore, in order to be able to solve this equation, the same sample is measured at least twice using the spectrometer (10). By keeping the point of incidence of the measurement light on the sample constant and changing the angle between the optical axis of the incident light and the sample, that is, the angle of incidence, the angle of incidence θ can be calculated. 1. θo2
Measure with. When the angle of incidence is changed, the absorption length d (=d,
/cos θ1) and the reflectance r change, and the measured spectrum S(ν) that depends on this changes from S+(ν) in the same sample.
, S2(ν) are obtained.

各々の測定における吸収fgdをd、、d2とすると(
d=d、)/cosθ1.d=d(、/cosθ2、θ
1.θ2はそれぞれ入射角θ。1tθ。2に対する膜内
の反射角)、S、(ν)。
If the absorption fgd in each measurement is d, d2, then (
d=d, )/cosθ1. d=d(,/cosθ2,θ
1. θ2 is the incident angle θ. 1tθ. 2), S, (ν).

S2(ν)に対応するそれぞれの真のスペクトルT1(
ν)、T2(ν)は、不変量である吸収係数a(ν)に
より次のように結び付けられる。
Each true spectrum T1(
ν) and T2(ν) are connected by the absorption coefficient a(ν), which is an invariant, as follows.

ndl           nd2 二つの測定スペクトルS+(ν)−32(ν)に関して
それぞれに(7)式が成立し、これに(8)式が加わる
ことにより、式の数が未知数をうわまわる。
ndl nd2 Equation (7) holds true for each of the two measured spectra S+(v)-32(v), and by adding equation (8) to this, the number of equations exceeds the number of unknowns.

従って、この連立方程式を解けば、真のスペクトル’r
+(ν)、T2(ν)、膜厚dos屈折率nおよび又射
角θ1.θ2を求めることが可能となる。
Therefore, by solving this simultaneous equation, the true spectrum 'r
+(ν), T2(ν), film thickness dos refractive index n, and angle of incidence θ1. It becomes possible to obtain θ2.

しかしながら、この連立方程式を解析的に解くことは事
実上不可能である。さらに、式の数が未知数の数よりも
多いという問題がある。即ち、観測スペクトルにノイズ
が含まれていると一義的な解を求めることが不可能であ
る。そこで、この問題を解消するために、(8)式に着
目し、これに最小二乗法を適用する。
However, it is virtually impossible to solve this simultaneous equation analytically. Furthermore, there is a problem that the number of equations is greater than the number of unknowns. That is, if the observed spectrum contains noise, it is impossible to find a unique solution. Therefore, in order to solve this problem, we focus on equation (8) and apply the least squares method to it.

(8)式において、左辺と右辺との二来誤差和を最小に
するという規範を用いる。そして、ここに、非線形最適
化手法を用いて最適解を求める。この規範を式で示すと
(9)式で表わされる。
In equation (8), the norm is used to minimize the sum of quadratic errors between the left and right sides. Then, an optimal solution is found here using a nonlinear optimization method. This norm is represented by equation (9).

→ll1in、            −−(9)こ
の規範は、干渉の影響を除去した二つのスペクトルから
、単位長さ当たりの吸光度すなわち吸収係数at(νL
aw(ν)を求め、その二#、誤差和が最小となるよう
にパラメータを求めてゆくというものであり、最終的に
求められたパラメータを(7)式に代入することによっ
て、干渉縞の除去された真のスペクトルT+(ν)、T
2(v)を得る(第10図ステップ(13)〜(16)
)。なお、非線形最適化手法におけるパラメータを変更
する各回の反復においては、測定スペクトルS、(ν)
、S2(ν)とパラメータ(ntdotθ1.θ2)か
ら(7)式を解いてTI(ν)、T2(ν)を求め、こ
れを上記(9)式に代入して目的関数Qを演算する。
→ll1in, --(9) This norm calculates the absorbance per unit length, that is, the absorption coefficient at(νL
aw(ν), and then find the parameters so that the sum of errors is minimized. By substituting the finally found parameters into equation (7), the interference fringe Removed true spectrum T+(ν), T
2(v) (Steps (13) to (16) in Figure 10)
). Note that in each iteration of changing parameters in the nonlinear optimization method, the measured spectrum S, (ν)
, S2(ν) and parameters (ntdotθ1.θ2) to obtain TI(ν) and T2(ν), which are then substituted into the above equation (9) to calculate the objective function Q.

火皿■ 第11図に一実施例の行程図を示す。この実施例は、分
光装置(20)に、二光束赤外分光光度計を用いた赤外
吸収スペクトルの分析に係るものである。
Fire pan ■ Fig. 11 shows a process diagram of one embodiment. This example relates to analysis of an infrared absorption spectrum using a two-beam infrared spectrophotometer as a spectrometer (20).

非線形最適化手法にはシンプレックス法を用いでいる。The simplex method is used as a nonlinear optimization method.

そして、このシンプレックス法による局所探索を円滑に
収束させるように初期値を求めている(ステップ(21
)〜(25))。
Then, initial values are determined so that the local search using the simplex method converges smoothly (step (21)
) to (25)).

さらに測定スペクトルから干渉の影響を完全に払拭でき
るように、屈折率を一定とすることに替え、屈折率分散
n(ν)をこのアルゴリズムに取り入れている(ステッ
プ(31))。即ち、上述では、測定波数域内で屈折率
を一定として扱ってきたが、実際には屈折率は波数に関
する関数であり、特に吸収ピークの近傍で大きく変化す
る。第12図(a)は入射角度を変えて2回測定したマ
イラの赤外吸収スペクトルであり、このスペクトルから
屈折率を一定として7リンノを除去した結果が同図(b
)である。
Furthermore, in order to completely eliminate the influence of interference from the measured spectrum, instead of keeping the refractive index constant, refractive index dispersion n(ν) is incorporated into this algorithm (step (31)). That is, in the above description, the refractive index has been treated as being constant within the measurement wavenumber range, but in reality, the refractive index is a function of the wavenumber, and changes particularly in the vicinity of the absorption peak. Figure 12 (a) shows the infrared absorption spectrum of Mylar measured twice with different incident angles, and the result of removing 7 phosphorus from this spectrum while keeping the refractive index constant is the same figure (b).
).

高周波側においてフリンジの除去に失敗しているのが分
かる。屈折率は7リンシの周波数、振幅の両方に影響を
与えており、測定スペクトルから干渉の影響を完べきに
排除するために、屈折率分散を取り入れる。このことは
逆に、干渉の影響を受けたスペクトルから試料の屈折率
分散を知りうろことを示唆している。このように屈折率
分散を考慮することによって吸収スペクトルの精度を一
段と高めることができる。
It can be seen that fringe removal fails on the high frequency side. The refractive index affects both the frequency and amplitude of the 7-ring beam, and in order to completely eliminate the influence of interference from the measurement spectrum, refractive index dispersion is incorporated. On the contrary, this suggests that the refractive index dispersion of the sample can be determined from the spectrum affected by interference. By taking refractive index dispersion into consideration in this way, the accuracy of the absorption spectrum can be further improved.

第13図はこの実施例の装置システムのブロック図であ
る。薄膜状試料は、パーキン・エルマー社製・モデル9
83の赤外分光光度計(20)によってその吸収スペク
トルが測定される。この分光光度計(20)は、同社製
・モデル3600データステーシヨン(20C)によっ
て制御され、測定されたスペクトルデータは、通信イン
ターフェースR8−232Cによりコンピュータ(35
)に転送される。フンピユータ(35)は、具体的には
日本電気社製・PC−9801Fパーソナルコンピユー
タである。コンピュータ(35)にセットされたフロッ
ピーディスクにスペクトルデータを格納する。演算処理
は、このPC−9801F上で行い、結果は、CRTデ
ィスプレイ(36)に表示させる、および/またはプロ
ッタないしプリンタ(37)で記録する。
FIG. 13 is a block diagram of the apparatus system of this embodiment. The thin film sample was manufactured by Perkin Elmer Model 9.
The absorption spectrum is measured by an infrared spectrophotometer (20) at 83. This spectrophotometer (20) is controlled by a model 3600 data station (20C) manufactured by the same company, and the measured spectral data is transmitted to a computer (35C) through a communication interface R8-232C.
) will be forwarded to. The computer (35) is specifically a PC-9801F personal computer manufactured by NEC Corporation. The spectrum data is stored on a floppy disk set in the computer (35). Arithmetic processing is performed on this PC-9801F, and the results are displayed on a CRT display (36) and/or recorded on a plotter or printer (37).

コンピュータ(35)上における演算処理はBASIC
言語によるプログラムで行っている。プログラムには、
シンプレックス法のプログラム、最小二乗法のプログラ
ム、初期値を求める黄金分割法のプログラム等を含む。
Arithmetic processing on the computer (35) is BASIC
This is done using a language program. The program includes
Includes simplex method programs, least squares method programs, and golden section method programs for finding initial values.

まず、測定されたスペクトルデータSt(’)=S、(
ν)から初期値を決定する。上述の(9)式で示される
ような目的関数Qは、その最小点近傍に多数の極小点を
もつ。そのため、シンプレックス法による局所探索を行
う際、パラメータのうち膜厚−〇と屈折率nの初期値と
して、最適値の±10%程度の値を用いなければ、探索
が成功しないことを確認している。このため各測定スペ
クトルに対するパラメータの初期値は次の規範を満足す
るような値を採用する。
First, the measured spectrum data St(')=S, (
ν) to determine the initial value. The objective function Q as shown in equation (9) above has many minimum points in the vicinity of its minimum point. Therefore, when performing a local search using the simplex method, it is necessary to use values within ±10% of the optimal values as the initial values of the film thickness -〇 and refractive index n among the parameters, or the search will not be successful. There is. For this reason, the initial values of parameters for each measured spectrum are adopted as values that satisfy the following criteria.

E(n、θ=do)=−ΣP (vt) ・logI 
P (vt)]→min、 −・・・・・・(10) ただし、P(ν)=IT′シ)17輝イ′(栓)1ここ
で、T゛(ν)はT(ν)の波数νに関する2階微分を
表す。この規範は、フリンジを除去した後のスペクトル
のピークが局在するようなパラメータを与える。すなわ
ち、人間が目で見ながらできるだけフリンジが除去され
るようなパラメータを探すのと類似の繰作である。(1
0)式の最適解を求めるために、黄金分割法を用いた。
E(n, θ=do)=-ΣP (vt) ・logI
P (vt)]→min, -・・・・・・(10) However, P(ν)=IT′ し)17 光い′(plug) 1Here, T゛(ν) is T(ν) represents the second derivative with respect to the wave number ν. This criterion gives parameters such that the peaks of the spectrum after removing fringes are localized. In other words, this process is similar to how humans visually search for parameters that will remove as many fringes as possible. (1
The golden section method was used to find the optimal solution to equation 0).

これによって得られたパラメータを初期値として、次に
シンプレックス法による最適解の推定を行う。シンプレ
ックス法のプログラム(パッケージプログラム)の70
−チャートを第14図に示しておく。
Using the parameters thus obtained as initial values, the optimal solution is then estimated using the simplex method. 70 simplex method programs (package programs)
-The chart is shown in Figure 14.

ステップ(25)〜(33)のシンプレックス法におけ
る反復のパラメータは次の4つである。
The repetition parameters in the simplex method of steps (25) to (33) are the following four.

do:薄膜試料の膜厚 θ1:入射角θ。、における膜内の反射角θ2:入射角
θ。2における膜内の反射角i :測定波数域内での屈
折率の平均値このdotθ1.θ2及び石を用いて得ら
れる屈折率分散n(ν)を用い、観測スペクトルSt(
ν)−82(ν)からそれぞれ真のスペクトルT+(ν
L T 2(ν)を得る。T(ν)とS(ν)の間には
上記(4)式と同様、次の関係式がなりたっている。
do: Film thickness of thin film sample θ1: Incident angle θ. Reflection angle θ2 in the film at , incident angle θ. Reflection angle i in the film at dot θ1.2: Average value of refractive index within the measurement wavenumber range. Using θ2 and the refractive index dispersion n(ν) obtained using a stone, the observed spectrum St(
ν)−82(ν) to the true spectrum T+(ν
Obtain L T 2(ν). Similar to the above equation (4), the following relational expression holds between T(v) and S(v).

れは(5)式で示したように、7レネルの公式によワn
(ν)とθiの関数で与えられる。
As shown in equation (5), this is calculated according to the 7-Renel formula.
(ν) and θi.

・・・(5゛) (11)式は、前述のようにT(ν)に関する2次式で
あるので、4つのパラメータとS(ν)とが分かれば、
これからT(1/)が求まる。
...(5゛) As mentioned above, equation (11) is a quadratic equation regarding T(ν), so if the four parameters and S(ν) are known,
From this, T(1/) can be found.

ただし、 C(ν) = r、2 (ν)S、(ν)cos(4π
νn(ν)d、cosθ1)干渉の影響を受けないスペ
クトルT(ν)と試料の消光係数k(ν)は次の関係で
結び付けられる。
However, C(ν) = r, 2 (ν)S, (ν)cos(4π
νn(ν) d, cos θ1) The spectrum T(ν) which is not affected by interference and the extinction coefficient k(ν) of the sample are related by the following relationship.

i ” 1 、2で、S、(ν)、S2(ν)は同一試
料のスペクトルであるので、各々から得られる吸収係数
at(ν)、a2(ν)または消光係数に、(ν)、に
2(ν)は等しい。
i ” 1, 2, S, (ν), S2 (ν) are spectra of the same sample, so the absorption coefficient at(ν), a2(ν) or extinction coefficient obtained from each is (ν), 2(ν) is equal to.

そこで2つのスペクトルから得られる消光係数スペクト
ルを求め、この二乗誤差和を演算し、目的間IQを最小
にするような4つのパラメータd。、θ1゜θ2,11
を求める。
Therefore, the extinction coefficient spectrum obtained from the two spectra is calculated, and the sum of squared errors is calculated to obtain four parameters d that minimize the inter-objective IQ. , θ1°θ2,11
seek.

屈折率スペクトルn(v )はKramere −Kr
onigの関係式により次式で与えられる。
The refractive index spectrum n(v) is Kramere −Kr
Onig's relational expression is given by the following equation.

尚、Pは生殖積分を表している。Note that P represents the reproductive integral.

ここで積分範囲はO−■であるが、実際にはスペクトル
が有限頌域のみでしか測定できないため、次の近似式を
用いる。
Here, the integration range is O-■, but since the spectrum can actually be measured only in a finite range, the following approximate formula is used.

タタシ、iは測定波数域[’1ever t ”1lf
fe?’ ]内でのn(ν)の平均値、 である。この五は反復におけるパラメータとして与えら
れる。また、k(ν)は、その回の反復において2つの
観測スペクトルS+(ν)、82(ν)から得られた2
つの消光係数スペクトルに+(ν)、に2(ν)の平均
値であり、その反復向における消光係数の推定値とする
tatashi, i is the measurement wave number range ['1ever t "1lf
Fe? ' ] is the average value of n(ν). This five is given as a parameter in the iteration. In addition, k(ν) is 2 obtained from the two observed spectra S+(ν) and 82(ν) in that iteration.
This is the average value of +(ν) and 2(ν) for one extinction coefficient spectrum, and is the estimated value of the extinction coefficient in the repeating direction.

k(ν)=尤Ω上吐羨す  ・・・(16)このように
、最適化の目的関数を計算する際に求めた消光係数の平
均値k(ν)と、パラメータnからn(ν)を計算する
(ステップ(31))。
k (ν) = most likely Ω (16) In this way, the average value k (ν) of the extinction coefficient obtained when calculating the optimization objective function and the parameter n to n (ν ) is calculated (step (31)).

(13)式の替わりに(14)式を用いることによって
生じる誤差については、測定波数域内で複数の吸収ピー
クやバンドが孤立しかつサンプリングが十分に細かい場
合には、殆ど問題にならないと言われており、そのため
本発明に係る手法を適用する場合、上記の条件を満たす
ようにスペクトルを測定するようにしている。
It is said that the error caused by using equation (14) instead of equation (13) will hardly be a problem if multiple absorption peaks or bands are isolated within the measurement wavenumber range and the sampling is sufficiently fine. Therefore, when applying the method according to the present invention, the spectrum is measured so as to satisfy the above conditions.

分光分析において実際によく用いられる吸収係数a(ν
)は消光係数k(ν)より次式で与えられる。
Absorption coefficient a(ν
) is given by the following equation from the extinction coefficient k(ν).

a(ν)=4πν・k(ν)     ・・・(17)
また複素屈折率n(ν)はn(ν)とk(ν)より次式
で与えられる。
a(ν)=4πν・k(ν)...(17)
Further, the complex refractive index n(ν) is given by the following equation from n(ν) and k(ν).

n(’ )=n(、v )+ ik(+’ )  、 
   −(18)これらは反復演算の終了後、計算して
膜厚、消光係数スペクトル、屈折率スペクトル、反射率
スペクトルとともに表示、またはプリンタ(37)で打
ち出すことができる。
n(')=n(,v)+ik(+'),
- (18) After completing the iterative calculation, these can be calculated and displayed together with the film thickness, extinction coefficient spectrum, refractive index spectrum, and reflectance spectrum, or printed out on a printer (37).

赤外吸収スペクトル測定における上記実施例の有効性を
シュミレーション実験により検証した。
The effectiveness of the above embodiment in infrared absorption spectrum measurement was verified through simulation experiments.

第15図(aL(b)で示される光学定数をもつ物質を
想定した。試料の膜厚を25.000μmJI定尤の入
射角全光、ooo’ としたとさ、この物質の赤外吸収
スペクトルは干渉の影響を受けて第16図(a)のよう
に観測される。次に、測定光の入射角を10.000°
に変えた場合、その吸収スペクトルは第16図(b)の
ように観測される(ただし雑音は含ませていない)。こ
の二つのスペクトルに対し、本手法を適用したけつかめ
透過率スペクトルを第17図に示す。
Assuming a material with the optical constants shown in Figure 15 (aL(b)), the film thickness of the sample is 25.000 μm, JI constant likelihood, total incidence angle, ooo', and the infrared absorption spectrum of this material. is observed as shown in Figure 16(a) due to the influence of interference.Next, the incident angle of the measurement light is set to 10.000°.
16(b), the absorption spectrum is observed as shown in FIG. 16(b) (however, noise is not included). FIG. 17 shows a rough transmittance spectrum obtained by applying this method to these two spectra.

第17図(a)は、黄金分割法により得た最適な初期解
に基づくスペクトルでT1(ν)と72(ν)を重ね合
わせて示している。同図(b)は、f511図の70−
全部を使って得られた最適解のスペクトルである。
FIG. 17(a) shows T1(v) and 72(v) superimposed in a spectrum based on the optimal initial solution obtained by the golden section method. Figure (b) shows 70- of the f511 diagram.
This is the spectrum of the optimal solution obtained using all of them.

T、(ν)、T2(ν)を同時に示したが全く重なりあ
っていいる。そして、この時得た試料の膜厚の値は25
゜003μm1測定光の入射角はそれぞれ0.01°と
10.00°であった。また、同時にえちれた消光係数
スペクトル、屈折率スペクトルを@18図に示す。求め
たスペクトルの真値からの誤差は、i11光係数スペク
トルで2.9334X10−’、屈折率スペクトルで2
.7337X10−4であった。250点のスペクトル
データに対し、計算に要した時間は、初期解を求めるの
に約2分、最適解で約10分であった。
Although T, (v) and T2 (v) are shown at the same time, they completely overlap. The film thickness value of the sample obtained at this time was 25
The angle of incidence of the measurement light was 0.01° and 10.00°, respectively. Also, the extinction coefficient spectrum and refractive index spectrum that were simultaneously etched are shown in Figure @18. The error from the true value of the obtained spectrum is 2.9334X10-' for the i11 optical coefficient spectrum and 2.9334X10-' for the refractive index spectrum.
.. It was 7337X10-4. For spectral data of 250 points, the time required for calculation was approximately 2 minutes to obtain the initial solution and approximately 10 minutes to obtain the optimal solution.

具体例1 実際の固体試料の赤外吸収測定に本手法を適用した。Specific example 1 This method was applied to infrared absorption measurements of actual solid samples.

fjS19図は厚さ15μmのポリ塩化ビニールの観測
された赤外吸収スペクトルを示している。サンプリング
は340点、入射角を変えて測定したものを重ね合わせ
て示している。
Figure fjS19 shows the observed infrared absorption spectrum of polyvinyl chloride with a thickness of 15 μm. Measurements were taken at 340 sampling points and at different angles of incidence and are shown superimposed.

本手法を適用した結果を第20図に示す。同図(、)は
干渉の影響が完全に除去された吸収スペクトルを、同図
(b)には求められた屈折率スペクトルを示す、また、
求めた膜厚は14.947μmであり、測定光の入射角
(θ。1.θ。2)はそれぞれ3.05“、13.12
°であった。
Figure 20 shows the results of applying this method. The figure (,) shows the absorption spectrum with the influence of interference completely removed, and the figure (b) shows the obtained refractive index spectrum.
The obtained film thickness was 14.947 μm, and the incident angles of the measurement light (θ.1.θ.2) were 3.05" and 13.12", respectively.
It was °.

具体例2 膜厚が25μmのPET(ポリエチレンテレフタレート
)を試料とした例である。第21図にこの赤外吸収スペ
クトルを示す(175点)。
Specific Example 2 This is an example in which PET (polyethylene terephthalate) with a film thickness of 25 μm was used as a sample. FIG. 21 shows this infrared absorption spectrum (175 points).

第22図が本手法を適用した結果である。同図(、)に
吸収スペクトルを、同図(b)に屈折率スペクトルを示
す。求められた膜厚は26,974μ臥測定光入射角は
9,83X10−’°および5.90” であった。
Figure 22 shows the results of applying this method. The absorption spectrum is shown in (,) of the same figure, and the refractive index spectrum is shown in (b) of the same figure. The determined film thickness was 26,974 microns, and the measured light incident angle was 9,83 x 10-'° and 5.90''.

共焦遣l 実際の液体試料に本手法を適用した例である。Confocality This is an example of applying this method to an actual liquid sample.

液体はベンゼンである。この赤外吸収スペクトルを第2
3図に示す、Sl(ν)、S2(ν)を重ね合わせて示
している。サンプリングは200点である。セル厚は2
5μmで、液体セルの窓材にはKRS−5を使用し、液
層の厚さを決めるスペーサに25μmのものを用いた。
The liquid is benzene. This infrared absorption spectrum is
Sl(v) and S2(v) shown in FIG. 3 are shown superimposed. Sampling is 200 points. Cell thickness is 2
KRS-5 was used for the window material of the liquid cell, and a 25-μm spacer was used to determine the thickness of the liquid layer.

KRS−5の屈折率は、文献(J、^、Jemleso
n、R,H,Mcfee、G、N、Plass、R,H
oGrube、and R,G、Ricl+ards、
INFRARED PI(YSICS AND ENG
INEERING”9M八へR八へ旧LL。
The refractive index of KRS-5 is given in the literature (J, ^, Jemleso
n, R, H, Mcfee, G, N, Plass, R, H
oGrube, and R,G, Ricl+ards,
INFRARED PI (YSICS AND ENG)
INEERING”9M8 to R8 to old LL.

New York(1963))より測定波数域で2.
392とした。
2 in the measurement wavenumber range from New York (1963)).
It was set at 392.

求められた液層の厚さは、26.573μi″Chff
il定光の入射角は3.48X10−’°及び7.12
°であった。得られた透過率スペクトルを第24図に、
消光係数スペクトルを第25図(a)に、屈折率スペク
トルを第25図(b)に示す。
The thickness of the liquid layer determined is 26.573μi''Chff
The angle of incidence of il constant light is 3.48X10-'° and 7.12
It was °. The obtained transmittance spectrum is shown in Figure 24.
The extinction coefficient spectrum is shown in FIG. 25(a), and the refractive index spectrum is shown in FIG. 25(b).

共萼夕I 具体例3で得た結果を検証したものである。即ち、液層
の厚さを変えて同じくベンゼンで測定を行った。スペー
サに厚さ50μmのものを用いた。サンプリングは同様
に200点である。測定した二つの赤外吸収スペクトル
を重ねて第26図に示す。このスペクトルデータから得
られた結果を第27図に、消光係数スペクトルをfjS
28図(a)に、屈折率スペクトルを第28図(b)に
示す。第25図に示した消光係数スペクトル、屈折率ス
ペクトルと極めてよ(一致している。
Co-calyx I This is a verification of the results obtained in Specific Example 3. That is, the same measurement was performed using benzene while changing the thickness of the liquid layer. A spacer with a thickness of 50 μm was used. Sampling is also 200 points. The two measured infrared absorption spectra are shown in FIG. 26 superimposed. The results obtained from this spectral data are shown in Figure 27, and the extinction coefficient spectrum is expressed as fjS
FIG. 28(a) shows the refractive index spectrum, and FIG. 28(b) shows the refractive index spectrum. The extinction coefficient spectrum and refractive index spectrum shown in FIG. 25 match extremely well.

又、求められた液層の厚さは、50.777μ+nで、
測定光の入射角は3.49X10−’°及び4.55°
であった。
Also, the thickness of the liquid layer found is 50.777μ+n,
The incident angle of the measurement light is 3.49X10-'° and 4.55°
Met.

得られた光学定数を信頼できる文献(Appl、5pe
ctrosc、34,6.pp、657−691(19
80))の値と比較した。表1゜にこれを示す。本手法
によれば、求めた膜厚や屈折率に4〜5桁の精度がある
The optical constants obtained can be found in reliable literature (Appl, 5pe
ctrosc, 34,6. pp, 657-691 (19
80)). This is shown in Table 1°. According to this method, the obtained film thickness and refractive index have an accuracy of 4 to 5 digits.

表1゜ 上記実施例では分散型の分光光度計を用いたが、もちろ
ん7−リエ変換型のものでもよい。
Table 1 In the above embodiments, a dispersion type spectrophotometer was used, but of course a 7-Lier transform type spectrophotometer may also be used.

試料に対する測定光の入射角は0°に近いほうが偏光の
影響を排除できて好ましい、また、入射角の角度差は5
〜10°が好ましいが、特に限定するものではない、入
射角を変えるのに、測定光の光軸を変える、または光軸
は一定で試料を傾けるのいずれの方法でもよい、ただし
、入射、αは不変とする。
It is preferable that the angle of incidence of the measurement light on the sample be close to 0° because it can eliminate the influence of polarization, and the angular difference in the angle of incidence should be 5°.
The angle of incidence is preferably ~10°, but there is no particular limitation.To change the angle of incidence, the optical axis of the measurement light may be changed, or the optical axis may be kept constant and the sample may be tilted.However, the angle of incidence, α is unchanged.

上記実施例では、入射角を変えて測定を2回行っている
が、2回以上行って、スペクトルデータSI(ν)、S
 2(ν)、S3(ν)・・・・・・を得、これを吸収
係数または消光係数で結び付は実施例と同様な手法で最
適パラメータを求め、より精度のよいスペクトル及び光
学定数のデータを得ることができる。
In the above embodiment, the measurement is performed twice by changing the incident angle, but the measurement is performed twice or more, and the spectral data SI(ν), S
2(ν), S3(ν), etc. are obtained, and the optimal parameters are determined using the same method as in the example by connecting these using absorption coefficients or extinction coefficients, and more accurate spectra and optical constants are obtained. data can be obtained.

又、多層膜試料に応用することができる。反射防止膜や
干渉フィルタなど多層膜材料には種々の使用法があるが
、本手法を多層膜試料に応用することでその分光特性や
膜厚の制御に極めて有効になる可能性がある。
Moreover, it can be applied to multilayer film samples. Multilayer film materials such as antireflection films and interference filters have various uses, and applying this method to multilayer film samples may be extremely effective in controlling their spectral characteristics and film thickness.

本発明に係る手法は、ソフトウェアプログラムを用いる
ものであるが、このプログラムをROM化してまたマイ
クロコンピータと結合させてファームウェア的にないし
ハードウェアとして構成することができる。また、この
ような装置化において、例えば半導体材料を対象として
吸収ないし反射スペクトルを測定する場合、光ファイバ
を用いて測定光を誘導し、センサヘッドを試料上でスキ
ャンすることで試料スペクトルと膜厚、屈折率分散の2
次元測定も可能となる。さらに、顕微分光装置からの吸
収データへも応用することができる。
Although the method according to the present invention uses a software program, this program can be converted into a ROM and combined with a microcomputer to configure it as firmware or hardware. In addition, in such a device, when measuring the absorption or reflection spectrum of a semiconductor material, for example, the measurement light is guided using an optical fiber and the sensor head is scanned over the sample to obtain the sample spectrum and film thickness. , 2 of refractive index dispersion
Dimensional measurement is also possible. Furthermore, it can also be applied to absorption data from a microspectroscopy device.

上記実施例は、赤外吸収スペクトルに係るものであった
が、本発明は赤外域に何部限定されなし1゜干渉を利用
するには、厚さ数〜数十μlの有機薄膜試料を対象にす
る場合は、赤外域のスペクトル測定が適するが、コーテ
イング膜など厚さ1μ随〜それ以下の試料を対象とする
場合には、可視ないし紫外域における測定がより適合す
る。厚さ1μ、及び0.2μmの試料のフリンジの様子
を第29図に示す。
Although the above embodiments were related to infrared absorption spectra, the present invention is not limited to the infrared region. In order to utilize 1° interference, the target is an organic thin film sample with a thickness of several to several tens of microliters. In this case, spectral measurement in the infrared region is suitable; however, when the target is a sample with a thickness of about 1 μm or less, such as a coating film, measurement in the visible to ultraviolet region is more suitable. FIG. 29 shows the fringe appearance of samples with thicknesses of 1 μm and 0.2 μm.

本発明の方法は、測定光の波長を限定せず、可視域のス
ペクトルにも利用でき、試料に合わせて吸収のない波長
領域を選べば、屈折率などの予備情報なしでフィルム材
料などの膜厚を高精度かつ短時間に測定できるため、生
産ライン上で直接的に膜厚の検査などが可能である。具
体例としては、半導体表面に形成されるg能性腺や保護
膜、光メモリの記録層をなす単層もしくは多層の膜、そ
してスパッタリング、蒸着、プラズマ重合などにより形
成される有機、無機の任意の薄膜に適用可能である。
The method of the present invention does not limit the wavelength of the measurement light, and can also be used for the visible spectrum.If a wavelength region with no absorption is selected according to the sample, it can be used to measure film materials such as film materials without prior information such as refractive index. Since thickness can be measured with high precision and in a short time, it is possible to inspect film thickness directly on the production line. Specific examples include functional glands and protective films formed on semiconductor surfaces, single-layer or multi-layer films forming the recording layer of optical memory, and any organic or inorganic thin films formed by sputtering, vapor deposition, plasma polymerization, etc. Applicable to

1肌凸羞來 以上のように、本発明は、スペクトル分析において生じ
る多重反射干渉を逆に利用するものであって、試料の膜
厚や測定光の入射角など実験条件に関する情報を一切用
いることなく、測定スペクトルから干渉の除去して分光
情報である真のスペクトルを得ることができると同時に
、屈折率スペクトルおよび実験条件に関する情報である
試料膜厚と測定光入射角等を測定スペクトルから高精度
に分析することができる。
As mentioned above, the present invention reversely utilizes the multiple reflection interference that occurs in spectral analysis, and does not use any information regarding the experimental conditions such as the sample film thickness or the incident angle of the measurement light. At the same time, it is possible to remove interference from the measured spectrum and obtain the true spectrum, which is spectral information, and at the same time, it is possible to obtain the refractive index spectrum and information about the experimental conditions, such as the sample film thickness and measurement light incident angle, from the measured spectrum with high accuracy. can be analyzed.

本手法を用いることによって、薄膜試料の反射。By using this method, the reflection of thin film samples.

吸収スペクトルに含まれる多重反射干渉の影響を排除で
き、微小な反射、吸収ピークをもったスペクトル形状が
高精度に与えられるので、定性・定量分析において、分
析の確度、精密度を格段に向上させることができる。
The influence of multiple reflection interference included in the absorption spectrum can be eliminated, and a spectrum shape with minute reflections and absorption peaks can be provided with high precision, dramatically improving the accuracy and precision of analysis in qualitative and quantitative analysis. be able to.

また、本手法は屈折率や測定光入射角などの情報を必要
とせず、試料の反射、吸収の有無に拘わらずに試料膜厚
を求めることができる。即ち、試料毎にパラメータを変
更したり他の系における計測の情報を一切用いることな
く任意の試料や未知の試料に対しても高精度に膜厚の絶
対測定ができ、膜厚測定法としても極めて有用である。
Furthermore, this method does not require information such as the refractive index or the incident angle of measurement light, and can determine the sample film thickness regardless of the presence or absence of reflection or absorption of the sample. In other words, the absolute film thickness can be measured with high precision even on arbitrary or unknown samples without changing parameters for each sample or using any information from measurement in other systems, and it can also be used as a film thickness measurement method. Extremely useful.

尚、従来技術に対し本手法は膜厚測定のスペクトル領域
に吸収帯が存在していても何らの支障はなく、従って広
範囲のスペクトル領域を用いて高精度な膜厚測定が可能
である。
Note that, in contrast to the prior art, this method does not cause any problem even if an absorption band exists in the spectral region for film thickness measurement, and therefore, highly accurate film thickness measurement is possible using a wide spectral region.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

f:141図は膜1!125μ槌のPETの赤外吸収ス
ペクトルを示す図で横軸は碕^VENUMBER(波数
)を縦軸はTRANSM ITTANNCE (透過率
、単位%)を示す(以下同様)。 第2図は固体試料薄膜における繰り返し反射干渉のモデ
ル図、 第3図は膜厚の違いによるフリンジの変化を示す図、 第4図は屈折率の違いによるフリンジの変化を示す図、 第5図は透過率の違いによる7リンノの変化を示す図、 第6図は固体薄膜の反射スペクトルの測定における多重
反射干渉を示すモデル図、 第7図は固体薄膜の膜厚の違いによる7リンノの変化を
示す図、 第8図は固体薄膜の屈折率の違いによる7リンノの変化
を示す図、 第9図は固体薄膜の反射スペクトルの測定における多重
反射干渉を示すモデル図、 110図は本発明の基本的な概念を示したフロー図、 第11図は本発明の一実施例を示す70−図、第12図
はマイラの赤外吸収スペクトルを示す図で(a)は7リ
ンノ除去前(b)は屈折率を一定にした処理結果を示す
。 第13図は本発明に係る一実施例の装置システムを示す
ブロック図、 第14図はシンプレックス法の一例の70−チャート、 第15図はシュミレーション用の物質の光学定数を示す
スペクトル図、 第16図はその赤外吸収スペクトルを示す図、ff51
7図処理結果のスペクトルを示しくa)は初期解のもの
(b)は最適解のスペクトルを示す図、第18図はデー
タ処理による光学定数のスペクトル図、 第19図はポリ塩化ビニールの赤外吸収スペクトルを示
す図、 第20図は処理結果のスペクトル図、 t521図はPETの赤外吸収スペクトルを示す図、第
22図は処理結果のスペクトル図、 fjS23図はベンゼンの赤外吸収スペクトルを示す図
、 第24図、第25図は処理結果を示すスペクトル図、第
26図はセル厚を変えたときのベンゼンの赤外吸収スペ
クトルを示す図、 127図、第28図はその処理結果を示すスペクトル図
、及び、 tj&29図は厚さ1μm以下の薄膜の可視、T:外域
のスペクトル中に現れるフリンジを示す図である。
Figure f: 141 is a diagram showing the infrared absorption spectrum of PET with a film thickness of 1!125μ, where the horizontal axis shows VENUMBER (wave number) and the vertical axis shows TRANSM ITTANNCE (transmittance, unit %) (the same applies below). Figure 2 is a model diagram of repeated reflection interference in a solid sample thin film, Figure 3 is a diagram showing changes in fringe due to differences in film thickness, Figure 4 is a diagram showing changes in fringe due to differences in refractive index, Figure 5 Figure 6 shows the change in 7L due to the difference in transmittance. Figure 6 is a model diagram showing multiple reflection interference in measuring the reflection spectrum of a solid thin film. Figure 7 shows the change in 7L due to the difference in the thickness of the solid thin film. Figure 8 is a diagram showing the change in 7L due to the difference in refractive index of solid thin films, Figure 9 is a model diagram showing multiple reflection interference in measuring the reflection spectrum of solid thin films, and Figure 110 is a diagram showing the variation of 7L due to differences in the refractive index of solid thin films. Figure 11 is a flowchart showing the basic concept, Figure 11 is a diagram showing an embodiment of the present invention, Figure 12 is a diagram showing the infrared absorption spectrum of Mylar, and (a) is before 7-phosphorus removal (b). ) shows the processing results with a constant refractive index. FIG. 13 is a block diagram showing an apparatus system according to an embodiment of the present invention, FIG. 14 is a 70-chart of an example of the simplex method, FIG. 15 is a spectrum diagram showing optical constants of a substance for simulation, and FIG. 16 The figure shows its infrared absorption spectrum, ff51
Figure 7 shows the spectrum of the processing results; a) is the initial solution; (b) is the spectrum of the optimal solution; Figure 18 is the spectrum of optical constants resulting from data processing; Figure 19 is the red color of polyvinyl chloride. Figure 20 is a spectrum diagram of the processing result, Figure t521 is a diagram showing the infrared absorption spectrum of PET, Figure 22 is a spectrum diagram of the treatment result, fjS23 is the infrared absorption spectrum of benzene. Figures 24 and 25 are spectrum diagrams showing the processing results, Figure 26 is a diagram showing the infrared absorption spectrum of benzene when the cell thickness is changed, and Figures 127 and 28 are spectrum diagrams showing the processing results. The spectrum diagram shown and the tj&29 diagram are diagrams showing fringes appearing in the spectrum of the visible T: outer region of a thin film with a thickness of 1 μm or less.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)薄膜状の同一試料を、分光光度計により、試料と
測定光光軸とのなす角度を変えて少なくとも2回測定し
、 測定したそれぞれのスペクトルデータを不変量である吸
収係数または消光係数により結びつけるとともに、前記
吸収係数または消光係数の二乗誤差和を膜厚、屈折率、
角度をパラメータとする目的関数に設定し、 非線形最適化手法により前記目的関数を最小にする前記
パラメータを演算して求め、干渉縞の除去されたスペク
トルを得るとともに、試料の膜厚と屈折率分散を同時に
得られるようにしたことを特徴とする薄膜状試料の分光
分析方法。
(1) Measure the same thin film sample at least twice using a spectrophotometer while changing the angle between the sample and the optical axis of the measurement light, and calculate the absorption coefficient or extinction coefficient of each measured spectrum data, which is an invariant. In addition, the sum of squared errors of the absorption coefficient or extinction coefficient is determined by the film thickness, refractive index,
The angle is set as an objective function as a parameter, and the parameters that minimize the objective function are calculated using a nonlinear optimization method to obtain a spectrum with interference fringes removed, as well as the film thickness and refractive index dispersion of the sample. A method for spectroscopic analysis of a thin film sample, characterized in that it is possible to simultaneously obtain the following.
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