RU2359220C1 - Дистанционный четырехволновый способ измерения толщины тонких пленок - Google Patents
Дистанционный четырехволновый способ измерения толщины тонких пленок Download PDFInfo
- Publication number
- RU2359220C1 RU2359220C1 RU2007138314/28A RU2007138314A RU2359220C1 RU 2359220 C1 RU2359220 C1 RU 2359220C1 RU 2007138314/28 A RU2007138314/28 A RU 2007138314/28A RU 2007138314 A RU2007138314 A RU 2007138314A RU 2359220 C1 RU2359220 C1 RU 2359220C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- film thickness
- measurement
- thin film
- thickness
- wavelengths
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Дистанционный способ измерения толщины тонких пленок на поверхности материала заключается в облучении поверхности материала оптическим излучением на длинах волн зондирования λ1, λ2, λ3, λ4, регистрации отраженного от поверхности сигнала и определении толщины пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала на длинах волн зондирования λ1, λ2, λ3, λ4, причем длины волн зондирования λ1, λ2, λ3 выбираются так, чтобы λ1=λ2-Δλ, λ3=λ2+Δλ, Δλ выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства где n2 - показатель преломления тонкой пленки, а длина волны зондирования λ4 выбирается из условия Технический результат - обеспечение устойчивой работы способа измерения толщины тонких пленок в реальных условиях, когда шум измерения составляет единицы процентов. 3 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для оперативного контроля толщины пленок нефтепродуктов в очистных сооружениях, на внутренних водоемах, акваториях портов и т.п.
Известны способы измерения толщины тонкой пленки на поверхности материала [1, 2], заключающиеся в том, что на поверхность пленки направляют оптическое излучение на нескольких длинах волн, регистрируют отраженный от поверхности сигнал и определяют толщину пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны.
Наиболее близким к предлагаемому является дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок [2], 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.
Недостатком этого способа является его неустойчивая работа 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 входных сигналов (для подавления случайных ошибок величин измеряемых сигналов). Однако длительное усреднение входных сигналов может быть использовано только в случае очень медленного изменения толщины измеряемой пленки (иначе оно вызывает искажение определяемой толщины).
Избежать этого можно тем, что согласно дистанционному способу измерения толщины тонких пленок поверхность облучают оптическим излучением на четырех длинах волн λ1,2,3,4, регистрируют отраженный от поверхности сигнал и определяют толщину пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала на длинах волн λ1,2,3,4, выбранных так, чтобы λ1=λ2-Δλ, λ3=λ2+Δλ, причем Δλ выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства где n2 - показатель преломления тонкой пленки; а дополнительно используемая четвертая длина волны λ4 выбирается из условия
Наличие отличительного признака указывает на соответствие критерию "новизна".
Указанные признаки неизвестны в научно-технической и патентной литературе и поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Предлагаемый способ можно реализовать с помощью устройства, содержащего источник излучения 1, направляющего излучение четырех длин волн λ1,2,3,4 на поверхность; фотоприемник 2 для регистрации излучения на четырех длинах волн; блок обработки 3 для определения по результатам измерения отраженного от поверхности сигнала на четырех длинах волн λ1,2,3,4 толщины пленки 4 на поверхности материала подложки 5 (см.фиг.1).
Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение источника 1 на каждой из длин волн λ1,2,3,4 отражается поверхностью материала пленки 4 (толщиной d) и подложки 5, интенсивность отраженного излучения регистрируется фотоприемником 2, сигнал с фотоприемника поступает в блок обработки 3 для определения по результатам измерения величины d.
Длины волн λ1,2,3 выбираются так, чтобы λ1=λ2-Δλ, λ3=λ2+Δλ, причем Δλ выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства где n2 - показатель преломления тонкой пленки. Длина волны λ4 выбирается из условия
Фотоприемник 2 регистрирует мощности излучения P(λ1,2,3,4) на четырех длинах волн λ1,2,3,4. Каждая из этих мощностей может быть представлена в виде (см., например, [3]):
P(λ)=ARref(λ,d),
где Rref(λ,d) - коэффициент отражения трехслойной системы «воздух - материал пленки - материал подложки», зависящий от длины волны λ и толщины d; A - величина, зависящая от параметров источника излучения, приемника, расстояния до поверхности, неровностей поверхности и слабо (по сравнению с множителем Rref(λ,d)) изменяющаяся с изменением длины волны излучения.
Чтобы устранить влияние на результаты измерения случайных изменений мощности лазерных источников и неопределенности величин А, в блоке обработки 3 проводятся последовательно следующие процедуры:
- мощности P(λ1,2,3,4) нормируются соответственно на мощности Ps(λ1,2,3,4), излучаемые источником на длинах волн λ1,2,3,4:
Величины B1,3,4 с высокой степенью точности представляют собой отношение коэффициентов отражения поверхности с пленкой (трехслойной системы «воздух - материал пленки - материал подложки») на длинах волн λ1, λ2; λ3, λ2 и λ4, λ2 соответственно и определяются для тонких пленок следующим образом (см., например, [2, 4]):
где:
r12(λ), r23(λ) - коэффициенты отражения на границах «воздух - пленка» и «пленка - подложка», зависящие от длины волны λ и показателей преломления и поглощения сред и не зависящие от толщины пленки d. Выражение (1) справедливо при r12(λ)<<1 или r23(λ)<<1.
Из-за периодического характера тригонометрических функций, входящих в (1), по результатам измерений только одной величины В1 (или В3, или В4) толщину пленки d можно однозначно определить лишь для пленок толщиной несколько десятых долей микрометра. Способ [2] позволяет в несколько раз увеличить диапазон измеряемых величин d. Физической основой способа [2] является измерение разности набега фаз в пленке (величины Δβ) для длин волн λ1, λ2 (или λ1, λ3). Величина Δβ определяется по данным измерений (величинам В1 и В3) из системы двух уравнений [2]:
где:
Левые части (2), (3) содержат данные измерений (В1 и В3) и оптические константы
(r12(λ1,3), r23(λ1,3), а правые части (2), (3) содержат оптические константы и две группы неизвестных (поскольку d неизвестна) тригонометрических функций: тригонометрические функции с аргументом 2β(λ2, d) и тригонометрические функции с аргументом Δβ.
Если величины B1 и В3 измерены точно (без случайных ошибок или с крайне незначительными ошибками), то решение системы двух уравнений (2), (3) позволяет найти два неизвестных sin[Δβ] и sin[2β(λ2,d)], (sin[2β(λ2,d)] является вспомогательной величиной, необходимой для нахождения sin[Δβ]), и по найденным значениям sin[Δβ] определить толщину пленки d на интервале однозначности функции sin[Δβ]. Условие однозначности sin[Δβ] эквивалентно условию - или Например, при λ=1,43 мкм для пленки нефти величина n2(λ2)≈1,5 и для Δλ=0,1 мкм имеем: d≤1,6 мкм [2].
В большинстве практических задач величины В1 и В3 известны со случайной ошибкой, обусловленной погрешностями измерения, шумами аппаратуры и т.п., и нет возможности длительного усреднения входных сигналов. В этих условиях (из-за случайных ошибок величин измеряемых сигналов) определить толщину пленки d из решения системы двух уравнений (2), (3) удается только с большими погрешностями (десятки и сотни процентов).
Это связано с неустойчивостью решения системы двух нелинейных уравнений (2), (3) при наличии случайных изменений величин В1 и В3.
Для устранения этой неустойчивости необходимо использование дополнительной информации о решении. Такую дополнительную информацию можно получить, используя дополнительную длину волны излучения λ4, выбранную из условия:
Использование такой дополнительной длины волны излучения λ4 позволяет по данным измерений величины B4 провести дополнительное независимое определение знака и величины cos[2β(λ2,d)] (величины cos[2β(λ4,d)] и cos[2β(λ2,d)] в выражении (1) связаны между собой условием (4)).
Таким образом, описанный способ позволяет путем использования дополнительного измерения на длине волны λ4 обеспечить устойчивую работу способа измерения толщины тонких пленок при наличии случайных ошибок величин измеряемых сигналов.
Предлагаемый четырехволновой способ позволяет найти толщину пленки d по результатам измерений, не только решая в блоке обработки (например, используя спецпроцессор) систему нелинейных уравнений вида (1)-(3), но и более простым способом - непосредственно из данных измерений, используя численный алгоритм определения d, основанный на поиске минимума невязки:
где: B1,3,4 - нормированные величины, определяемые из данных измерений на длинах волн λ1,2,3,4; B1(λ1,λ2,d)mod, B3(λ2,λ3,d)mod, B4(λ2,λ4,d)mod - модельные значения соответствующих величин, зависящие от толщины d (представляющие собой правые части формул (1)).
На фиг.2, 3 приведены результаты математического моделирования работы четырехволнового способа измерения толщины тонких нефтяных пленок при относительном среднеквадратическом значении шума измерения 1%. На фиг.2 показана одна из реализаций зависимости найденного (определенного численным алгоритмом (5)) значения толщины пленки d от заданного при моделировании значения толщины пленки для d≤1,6. На фиг.3 приведены для этого случая результаты расчета среднеквадратичной относительной (в %) погрешности Е определения толщины пленки.
Таким образом, описанный способ позволяет путем использования дополнительного измерения на длине волны λ4 обеспечить устойчивую работу способа измерения толщины тонких пленок в реальных условиях, когда шум измерения составляет единицы процентов.
Заявляемое изобретение направлено, в частности, на решение задачи оперативного контроля толщины тонких пленок нефтепродуктов, что особенно важно в очистных сооружениях при контроле степени очистки воды.
Измерительное устройство может быть собрано на предприятиях РФ из компонентов и узлов, изготавливаемых в РФ, и соответствует критерию "промышленная применимость".
Источники информации
1. Method for film thickness and refractive index determination. United States Patent №4909631. March 20, 1990.
2. Дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок. Патент РФ на изобретение №2304759, кл. G01B 11/06, G01N 21/17.
3. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды.
/ Козинцев В.И., Орлов В.М., Белов М.Л. и др. М.: Изд-во МГТУ, 2002, 528 с.
4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970, 855 с.
Claims (1)
- Дистанционный способ измерения толщины тонких пленок на поверхности материала заключается в облучении поверхности материала оптическим излучением на длинах волн зондирования λ1, λ2, λ3, λ4, регистрации отраженного от поверхности сигнала и определении толщины пленки d по результатам анализа зависимости интенсивности отраженного сигнала на длинах волн зондирования λ1, λ2, λ3, λ4, причем длины волн зондирования λ1, λ2, λ3 выбираются так, чтобы λ1=λ2-Δλ, λ3=λ2+Δλ, Δλ выбирается таким образом, чтобы обеспечить выполнение неравенства , где n2 - показатель преломления тонкой пленки, а длина волны зондирования λ4 выбирается из условия .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007138314/28A RU2359220C1 (ru) | 2007-10-17 | 2007-10-17 | Дистанционный четырехволновый способ измерения толщины тонких пленок |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007138314/28A RU2359220C1 (ru) | 2007-10-17 | 2007-10-17 | Дистанционный четырехволновый способ измерения толщины тонких пленок |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2359220C1 true RU2359220C1 (ru) | 2009-06-20 |
Family
ID=41025997
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007138314/28A RU2359220C1 (ru) | 2007-10-17 | 2007-10-17 | Дистанционный четырехволновый способ измерения толщины тонких пленок |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2359220C1 (ru) |
-
2007
- 2007-10-17 RU RU2007138314/28A patent/RU2359220C1/ru not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101371129B (zh) | 表面等离子体共振传感器以及利用其检测样品的方法 | |
CN107941710A (zh) | 基于量子弱测量的表面等离子体共振传感器及金属表面介质折射率测量方法 | |
CN101140222A (zh) | 测定包括混浊介质材料全部光学参数的光谱仪系统及方法 | |
CN105066889A (zh) | 一种便携式薄膜测厚仪及其膜厚测量方法 | |
CN110044847A (zh) | 一种不受光源漂移影响的全内反射式折射率传感方法 | |
RU2304759C1 (ru) | Дистанционный трехволновой способ измерения толщины тонких пленок | |
JP4522882B2 (ja) | 吸収計測装置 | |
RU2300077C1 (ru) | Дистанционный способ измерения толщины толстых пленок нефтепродуктов на поверхности воды | |
Räty et al. | Inverse Abbe-method for observing small refractive index changes in liquids | |
RU2359220C1 (ru) | Дистанционный четырехволновый способ измерения толщины тонких пленок | |
RU2605640C2 (ru) | СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ НАПРАВЛЕННОГО СВЕТА В МОРСКОЙ ВОДЕ "in situ" | |
CN113607658B (zh) | 一种基于油膜灰度值获取油膜衰减系数的方法 | |
RU2395788C2 (ru) | Способ измерения толщины тонких пленок на подложке | |
RU2387977C1 (ru) | Неконтактный способ обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности воды | |
RU2415378C2 (ru) | Способ измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке | |
Karabegov | Metrological and technical characteristics of total internal reflection refractometers | |
JP2000227310A (ja) | 膜厚及び屈折率測定装置及びその測定方法 | |
US8836931B2 (en) | Detection system and method for acquiring resonance angle of surface plasmon | |
RU2629928C2 (ru) | Способ определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона | |
RU2207501C2 (ru) | Способ измерения толщины пленок на подложке | |
González-Vila et al. | Optical power-based interrogation of plasmonic tilted fiber Bragg grating biosensors | |
Sümer et al. | Investigating the experimental limits of the Brewster's angle method | |
Svirskis et al. | Proposal for a New Differential High-Sensitivity Refractometer for the Simultaneous Measurement of Two Refractive Indices and Their Differences | |
Sterligov et al. | Enhancement of scattering of surface plasmon polaritons by surface defects: Technique and results | |
Karabchevsky et al. | Techniques for signal analysis in surface plasmon resonance sensors |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091018 |