WO2007110395A1 - Contactless method of measuring an optogeometrical characteristic of a material by interference spectroscopy - Google Patents

Contactless method of measuring an optogeometrical characteristic of a material by interference spectroscopy Download PDF

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WO2007110395A1
WO2007110395A1 PCT/EP2007/052833 EP2007052833W WO2007110395A1 WO 2007110395 A1 WO2007110395 A1 WO 2007110395A1 EP 2007052833 W EP2007052833 W EP 2007052833W WO 2007110395 A1 WO2007110395 A1 WO 2007110395A1
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thickness
refractive index
spectrum
periodigram
peak
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PCT/EP2007/052833
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Fabrice Gillot
Laurent Jeannot
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B11/02Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
    • G01B11/0675Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating using interferometry
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/45Interferometric spectrometry
    • G01J3/453Interferometric spectrometry by correlation of the amplitudes
    • GPHYSICS
    • 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
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/45Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods

Definitions

  • the present invention relates to a non-contact measurement method of an opto-geometric characteristic of a material.
  • the invention relates to a non-contact measuring method for the thickness of a transparent layer, in a thickness range from a few micrometers to several hundred micrometers.
  • the measurement is done without contact, with a precision that can reach 10 nm.
  • the acquisition of fluted spectra by white light interference spectrometry and a mathematical operator, namely the periodigram (or periodogram) of Lomb, is combined in an original manner.
  • This combination makes it possible to accurately measure material thicknesses in a range from 5 ⁇ m to 500 ⁇ m; such The thicknesses are greater than those measured by conventional techniques and are often less than 1 ⁇ m.
  • Interferential spectrometry in white light has been the subject of numerous scientific publications and its principle is used in the industrial field, in particular in microelectronics, for the measurement of thicknesses and refractive indices. thin layers or stacks of thin layers.
  • a known technique making it possible to make measurements in this interval, uses probes that send ultrasonic pulses. With these probes, it is possible to characterize planar objects, comprising one or more layers, in the interval [10 ⁇ m; 500 ⁇ m]. However, the measure requires a contact with objects and the accuracy is at best 1 ⁇ m.
  • Optical tomography is another known technique that makes it possible to measure in the range [1 ⁇ m; 500 ⁇ m]. It is a non-contact measurement technique that applies to transparent or translucent objects. It can be implemented with non-planar objects and multilayer stacks. On the other hand, this technique does not make it possible to obtain resolutions better than 1 ⁇ m.
  • the method of measurement by interference spectrometry can be implemented at distances that vary from a few centimeters to several tens of centimeters if a suitable observation optics, such as a microscope-mirror telescope, is used. advantage of not being sensitive to the wavelength of the light source used.
  • This remote measurement system can be useful for making measurements inside vacuum enclosures, through transparent portholes.
  • the present invention aims to solve the problem of measuring, without contact, the thickness of a material, in particular a non-planar object, and more particularly for thicknesses belonging to the interval [1 ⁇ m; 500 ⁇ m], if the refractive index of the material is known, or
  • the invention uses the technique of interferential spectrometry and preferably uses the Lomb periodigram to exploit the spectra obtained by this technique.
  • the subject of the present invention is a measurement method, without contact, of an opto-geometric characteristic of a material, namely the thickness or the refractive index of this material, this method being characterized in that that: the material is illuminated by means of a broadband light source in a range of transparency of the material,
  • a light is collected which is reflected and / or transmitted by the material, exhibits interferences and results from this illumination, the collected light is analyzed by means of a high resolution spectrometer, which leads to a fluted spectrum, and
  • the thickness of the material is determined as a function of the refractive index of this material or the index of refraction as a function of the thickness, from this grooved spectrum.
  • the thickness or refractive index of the material can be determined from the Fourier transform of the fluted spectrum. In this case, the thickness or refractive index of the material can be determined from the peak or peaks of the Fourier transform.
  • the thickness or the refractive index of the material is determined from the Lomb periodigram of the fluted spectrum.
  • the thickness or refractive index of the material is determined from the peak or peaks of the Lomb periodigram.
  • the value of the refractive index of the material is known and the thickness of the material is determined from this value.
  • the value of the thickness of the material is known and the index of refraction of the material is determined from this value.
  • FIG. 1 schematically represents reflected waves, created during the crossing of a plane blade by a light beam
  • FIG. 2 diagrammatically represents reflected waves, created during the crossing of a plane bilayer by a light beam
  • FIG. 3 diagrammatically represents a fluted spectrum, simulated by computer and created by a glass slide BK7 80 ⁇ m thick,
  • FIG. 4 schematically represents a fluted spectrum, simulated by computer and created by an object consisting of a BK7 slab of 200 ⁇ m in thickness, superimposed on a high index glass slab, in LaSFN9, of 50 ⁇ m. thickness,
  • FIG. 5 shows the Lomb periodigram of the spectrum of FIG.
  • FIG. 6 shows the Lomb periodigram of the spectrum of FIG. 4
  • FIG. 7 represents a computer generated noisy spectrum created by a BK7 glass slide of 80 ⁇ m in thickness
  • FIG. 8 shows the periodigram of FIG. Lomb of the spectrum of Figure 7
  • Figure 9 represents a highly noisy spectrum, generated by computer and created by a glass slide BK7 80 microns thick
  • FIG. 10 shows the Lomb periodigram of the spectrum of FIG. 9,
  • FIG. 11 schematically represents the illumination geometry of a plane object (on the left) and a spherical object (on the right) for the measurement. thicknesses or refractive indices by interferential spectroscopy,
  • FIG. 12 schematically represents transmitted waves created during the crossing of a bilayer structure by a light beam
  • FIG. 13 is a schematic view of a device making it possible to acquire corrugated spectra;
  • FIG. 14 shows the variations of the group index of the constituent material of a capsule, as a function of the wavelength, and
  • Figure 15 shows the variations of the refractive index of this capsule as a function of the wavelength.
  • FIGS 1 and 2 schematically illustrate measurement methods according to the invention.
  • FIG. 1 shows reflected waves, created during the crossing of a plane plate by a light beam, and, in FIG. 2, reflected waves, created during the crossing of a plane bilayer by a beam luminous.
  • the flat blade of Figure 1 has the reference 2 while the plane bilayer of Figure 2 has the reference 4 and has two flat blades 6 and 8, placed against each other.
  • the object to be characterized 2 or 4 is placed in the air A and illuminated by an incident wave E 1 , resulting from a broadband light source (not shown).
  • the interfaces encountered by the light during the crossing of the object lead to the appearance of several reflected waves that will interfere with each other.
  • each spectrum is characteristic of the structure of the corresponding sample (blade, or layer, 2 of FIG. 1 or bilayer 4 of FIG. 2) and its analysis makes it possible to go back to the thickness or the thicknesses of the object tested.
  • ri corresponds to E r i and T 2 to E r 2 .
  • FIG. 3 represents the fluted spectrum (computer simulated) of a BK7 glass slide 80 ⁇ m thick.
  • K is expressed in ⁇ m "1 and I sp (K) in arbitrary unit.
  • n 1 2.27189 - ° Q 1 Q 1 Q81 + 0.0105925 ⁇ - 2 + 0.00020817 ⁇ - 4
  • K - M ⁇ - kl2 ⁇ is the spectroscopic wave number
  • e ⁇ and ⁇ 2 are the respective thicknesses of the analyzed layers
  • n ⁇ ( ⁇ ) and n 2 ( ⁇ ) the respective refractive indices of these layers
  • ri, r 2 and r3 are respectively the Fresnel reflection coefficients for the different interfaces of the object
  • ti, t'i, t2 and t'2 are respectively the Fresnel transmission coefficients of the two layers.
  • FIG. 4 (same units as for FIG. 3) represents the fluted spectrum (computer simulated) of a bilayer consisting of a 200 ⁇ m thick BK7 slide. thickness, superimposed on a glass slide, LaSFN9, 50 microns thick.
  • n 2 3,29943 - Q ' Q 1 1 6 8Q4 + 0,040133 ⁇ - 2 + 0,0013264 ⁇ - 4 + 4,74388 x 10 "6 K 6 + 7,85072 x 10 " 6 K " 8
  • This exploitation is carried out by passing through the Fourier space.
  • the passage in the Fourier space is carried out either by calculating the Fourier transform of the spectrum, or by calculating the Lomb periodigram.
  • the Lomb periodigram of such a structure (for example of the kind shown in FIG. 1) has a single peak (FIG. 5).
  • the position P 1 of this peak is related to the thickness of the object tested by the following formula:
  • Equation (4) e is the thickness of the layer, [x:.
  • FIG. 5 shows the Lomb periodigram of the fluted spectrum of FIG. 3.
  • the variable u represents the optical path difference (unit: ⁇ m); I sp (u) is expressed in arbitrary units.
  • the refractive index of BK7 is 1.51257 to 1.39 ⁇ m -1 and 1.51361 to 1.47 ⁇ m -1
  • e a value of 80.01 ⁇ m, thus the thickness of the BK7 plate, measured from the spectrum of FIG. This is compared to the nominal value of 80.00 ⁇ m used to generate the spectrum of Figure 3.
  • the error committed is 10 nm.
  • the Lomb periodigram of such a structure (for example of the kind shown in FIG. 2) has three peaks.
  • the positions p v p 2 and p 3 of these peaks are related to the thicknesses e ⁇ and ⁇ 2 of the layers composing the structure tested by the following formulas:
  • Fig. 6 (same units as Fig. 5), the Lomb periodigram of the fluted spectrum of Fig. 4 is shown.
  • the position of this peak corresponds to a thickness measured for the LaSFN9 layer of 49.92 ⁇ m.
  • the thickness of the LaSFN9 layer, defined to generate the spectrum of FIG. was equal to 50.00 ⁇ m.
  • the error made on the determination of the thickness is therefore 80 nm.
  • the position of this peak gives a measured thickness of 199.88 ⁇ m.
  • the thickness of the BK7 layer, defined to generate the fluted spectrum, was 200.00 ⁇ m. The error made on the measurement is therefore 120 nm.
  • the interference system created by E r2 and E r3 causes the appearance of a second peak which carries information on the index layer / 12 and makes it possible to measure the thickness e ⁇ .
  • the interferences created by E r1 and E r3 are at the origin a third peak that carries information on the total thickness e ⁇ + e 2 of the two layers together.
  • the different peaks of the Lomb periodigram are connected to the different layers that make up the object to be tested.
  • the peak p ⁇ necessarily corresponds to the interference system created by E ri and E r3 .
  • FIG. 7 represents the spectrum of a 80 ⁇ m thick BK7 plate with a low measurement noise and FIG. 8 represents the corresponding Lomb periodigram.
  • FIG. 9 represents the spectrum of a 80 ⁇ m thick BK7 slide with a strong noise of measured.
  • the corresponding Lomb periodigram is shown in Figure 10.
  • the method of the Lomb periodigram makes it possible to carry out a measurement of thickness with an excellent precision.
  • the wavefront of the incident light beam must be adapted to the geometry of the object to be characterized.
  • a plane object must be illuminated by a collimated beam
  • a cylindrical object having a geometric axis ⁇ must be illuminated by a convergent cylindrical beam on ⁇
  • FIG. 11 shows the illumination geometry for a plane object 10 and a spherical object 12, for the purpose of a thickness measurement by interferential spectrometry .
  • the two geometries shown in FIG. 11 are equivalent.
  • This equivalence comes from the fact that in both cases (incident beam formed by a plane light wave for the object 10 and a spherical light wave for the object 12), the wavefront of the incident beam is adapted to the studied geometry: the beams of the beam of illumination are perpendicular to the surface of the object.
  • An equivalent measurement can be made by analyzing the light transmitted by this object.
  • the interfaces encountered by the light beam, during its propagation through the object give rise to several transmitted waves.
  • FIG. 12 shows the bilayer 4 illuminated by the incident beam E 1 and the various transmitted waves E t o, E t i, E t 2 and E t 3 which result therefrom are seen.
  • the transmitted waves interfere with each other and the analysis of the transmitted light, by means of a spectrometer, gives splined transmission spectra.
  • the transmission spectra carry information on the structure of the object and their Lomb's periodigram analysis makes it possible to measure thicknesses or refractive indices.
  • the measurement in transmission is less interesting than the measurement in reflection. Indeed, in the case of the measurement in transmission, the light transmitted directly by the object (order 0) dominates the signal and the contrast of the fringes on the fluted spectra is very weak.
  • Figure 13 is a schematic view of an exemplary device for implementing the method object of the invention. It is an interferential spectroscopy device for the measurement of contactless thicknesses.
  • This device comprises a white light source 14, a set of shaping lenses 16, a telescope 18, an optical fiber 20 of signal transmission, a spectrometer 22 and a computer 24.
  • the light source 14 which is used to illuminate the object to be characterized 26, is a white light source in the example under consideration.
  • the illumination beam provided by this source is transmitted by an optical fiber 28 and shaped by the lens assembly 16, so as to adapt the profile of this beam to the geometry of the object to be studied.
  • the telescope 18, for example of the kind that is marketed by Questar under the reference QM100, is used to illuminate the object to be analyzed and to collect the reflected light.
  • the QM100 telescope allows a working distance D ranging from 15 cm to 38 cm.
  • the reflected light signal is injected into the optical fiber 20 and conveyed to the spectrometer 22 to acquire the fluted spectrum.
  • An injector 30 is provided for injecting light from the fiber 20 into the spectrometer.
  • the fluted spectrum is transmitted to computer 24 for analysis by the Lomb periodigram method.
  • This computer is provided with means 32 for displaying the results obtained.
  • This invention can be used for non-contact and non-destructive measurement of the thickness of planar objects, for example polymer films such as those used in the packaging industry.
  • a reflection interferometric spectrometry technique according to the invention has been used to measure the thickness of hollow spheres of 2 mm in diameter. Measurements were made on spheres of 11 ⁇ m, 125 ⁇ m and 175 ⁇ m thickness. These results show the wide range of application of the invention in terms of thickness measurement.
  • the measurement method, object of the invention is particularly robust vis-à-vis the vibrations. This makes it particularly interesting compared to other interferometric methods which generally do not exhibit such robustness for industrial applications.
  • the invention also makes it possible to determine the refractive index or indices of a simple or complex material, which is very weakly dispersive, that is to say for which - is little different d ⁇ from 0, when the thickness or thicknesses of this material are known.
  • equation (6) takes the form:
  • Figure 14 shows the group index values of the capsule, between 500 nm and 900 nm. The values measured experimentally are represented by the black squares. Each value corresponds to the acquisition of a fluted spectrum and its exploitation with the Lomb periodigram. In this figure, is expressed in nm and the group index n g is without unit.
  • Figure 15 shows the refractive index of the polymer capsule.
  • is expressed in nm and n is without unit.

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Abstract

Contactless method of measuring an optogeometrical characteristic of a material by interference spectroscopy. According to this method, to determine this characteristic, namely the thickness or the refractive index of the material (2), the latter is illuminated by means of a light source with a broadband (E<SUB>i</SUB>) in a transparency range of the material, light that is reflected and/or transmitted by material, has interference patterns and results from this illumination is collected, the collected light is analyzed by means of a high-resolution spectrometer, resulting in a channelled spectrum, and the thickness of the material is determined as a function of the refractive index of this material, or vice versa, based on this channelled spectrum. This method applies in particular to the measurement of the thickness of a non-planar object.

Description

PROCEDE DE MESURE, SANS CONTACT, D'UNE CARACTERISTIQUE OPTO-GEOMETRIQUE D'UN MATERIAU, PAR SPECTROMETRIE METHOD FOR NON-CONTACT MEASUREMENT OF AN OPTO-GEOMETRIC CHARACTERISTIC OF A MATERIAL BY SPECTROMETRY
INTERFERENTIELLEinterferential
DESCRIPTIONDESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA
La présente invention concerne un procédé de mesure, sans contact, d'une caractéristique opto- géométrique d'un matériau.The present invention relates to a non-contact measurement method of an opto-geometric characteristic of a material.
L'invention concerne, en particulier, un procédé de mesure, sans contact, de l'épaisseur d'une couche transparente, dans une gamme d'épaisseurs allant de quelques micromètres à plusieurs centaines de micromètres .In particular, the invention relates to a non-contact measuring method for the thickness of a transparent layer, in a thickness range from a few micrometers to several hundred micrometers.
Elle s'applique aussi bien à des couches planes qu'à des couches de forme sphérique ou cylindrique ainsi qu'à des objets ne comportant qu'une couche transparente et à des empilements de plusieurs couches transparentes.It applies equally well to flat layers as to layers of spherical or cylindrical shape as well as to objects having only a transparent layer and to stacks of several transparent layers.
La mesure se fait sans contact, avec une précision qui peut atteindre 10 nm.The measurement is done without contact, with a precision that can reach 10 nm.
Précisons dès maintenant que, selon un aspect de l'invention, on combine, de façon originale, l'acquisition de spectres cannelés par spectrométrie interférentielle en lumière blanche et un opérateur mathématique, à savoir le périodigramme (ou périodogramme) de Lomb. Cette combinaison permet de mesurer, avec précision, des épaisseurs de matériaux dans un intervalle allant de 5 μm à 500 μm ; de telles épaisseurs sont supérieures à celles que l'on mesure par des techniques classiques et qui sont souvent inférieures à 1 μm.It should be noted immediately that, according to one aspect of the invention, the acquisition of fluted spectra by white light interference spectrometry and a mathematical operator, namely the periodigram (or periodogram) of Lomb, is combined in an original manner. This combination makes it possible to accurately measure material thicknesses in a range from 5 μm to 500 μm; such The thicknesses are greater than those measured by conventional techniques and are often less than 1 μm.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURESTATE OF THE PRIOR ART
La spectrométrie interférentielle en lumière blanche, ou interférométrie spectrale en lumière blanche, a fait l'objet de nombreuses publications scientifiques et son principe est utilisé dans le domaine industriel, en particulier en microélectronique, pour la mesure d'épaisseurs et d' indices de réfraction de couches minces ou d'empilements de couches minces.Interferential spectrometry in white light, or spectral interferometry in white light, has been the subject of numerous scientific publications and its principle is used in the industrial field, in particular in microelectronics, for the measurement of thicknesses and refractive indices. thin layers or stacks of thin layers.
Toutefois, les applications actuelles de cette technique sont restreintes à la caractérisation de couches dont l'épaisseur est inférieure à 1 μm. De plus, jusqu'à présent, cette technique n'a jamais été utilisée pour mesurer l'épaisseur d'un objet qui n'est pas plan.However, current applications of this technique are restricted to the characterization of layers whose thickness is less than 1 micron. Moreover, until now, this technique has never been used to measure the thickness of an object that is not plane.
En fait, peu de techniques permettent de mesurer les épaisseurs de dépôts ou d'objets creux dans l'intervalle [1 μm ; 500 μm] .In fact, few techniques make it possible to measure the thicknesses of deposits or hollow objects in the interval [1 μm; 500 μm].
Une technique connue, permettant de faire des mesures dans cet intervalle, utilise des sondes qui envoient des impulsions ultrasonores. Avec ces sondes, il est possible de caractériser des objets plans, comportant une ou plusieurs couches, dans l'intervalle [10 μm ; 500 μm] . Par contre, la mesure nécessite un contact avec les objets et la précision est au mieux de 1 μm.A known technique, making it possible to make measurements in this interval, uses probes that send ultrasonic pulses. With these probes, it is possible to characterize planar objects, comprising one or more layers, in the interval [10 μm; 500 μm]. However, the measure requires a contact with objects and the accuracy is at best 1 μm.
La tomographie optique est une autre technique connue qui permet d'effectuer des mesures dans l'intervalle [1 μm ; 500 μm] . Il s'agit d'une technique de mesure sans contact qui s'applique à des objets transparents ou translucides. Elle peut être mise en œuvre avec des objets non plans et des empilements multicouches . Par contre, cette technique ne permet pas d'obtenir des résolutions meilleures que 1 μm.Optical tomography is another known technique that makes it possible to measure in the range [1 μm; 500 μm]. It is a non-contact measurement technique that applies to transparent or translucent objects. It can be implemented with non-planar objects and multilayer stacks. On the other hand, this technique does not make it possible to obtain resolutions better than 1 μm.
La méthode de mesure par spectrométrie interférentielle peut être mise en œuvre à des distances qui varient de quelques centimètres à plusieurs dizaines de centimètres si l'on utilise une optique d'observation adaptée, telle qu'un microscope- télescope à miroirs, qui a l'avantage de ne pas être sensible à la longueur d'onde de la source de lumière utilisée. Ce système de mesure à distance peut être utile pour faire des mesures à l'intérieur d'enceintes à vide, à travers des hublots transparents.The method of measurement by interference spectrometry can be implemented at distances that vary from a few centimeters to several tens of centimeters if a suitable observation optics, such as a microscope-mirror telescope, is used. advantage of not being sensitive to the wavelength of the light source used. This remote measurement system can be useful for making measurements inside vacuum enclosures, through transparent portholes.
EXPOSÉ DE L'INVENTIONSTATEMENT OF THE INVENTION
La présente invention vise à résoudre le problème de la mesure, sans contact, de l'épaisseur d'un matériau, en particulier d'un objet non plan, et plus particulièrement pour des épaisseurs appartenant à l'intervalle [1 μm ; 500 μm] , si l'indice de réfraction du matériau est connu, ouThe present invention aims to solve the problem of measuring, without contact, the thickness of a material, in particular a non-planar object, and more particularly for thicknesses belonging to the interval [1 μm; 500 μm], if the refractive index of the material is known, or
- de l'indice de réfraction du matériau, si l'épaisseur de ce dernier est connue. Pour ce faire, l'invention utilise la technique de spectrométrie interférentielle et, de préférence, utilise le périodigramme de Lomb pour exploiter les spectres obtenus par cette technique.- the refractive index of the material, if the thickness of the latter is known. To do this, the invention uses the technique of interferential spectrometry and preferably uses the Lomb periodigram to exploit the spectra obtained by this technique.
De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de mesure, sans contact, d'une caractéristique opto-géométrique d'un matériau, à savoir l'épaisseur ou l'indice de réfraction de ce matériau, ce procédé étant caractérisé en ce que : on illumine le matériau au moyen d'une source de lumière à large bande dans une plage de transparence du matériau,Precisely, the subject of the present invention is a measurement method, without contact, of an opto-geometric characteristic of a material, namely the thickness or the refractive index of this material, this method being characterized in that that: the material is illuminated by means of a broadband light source in a range of transparency of the material,
- on collecte une lumière qui est réfléchie et/ou transmise par le matériau, présente des interférences et résulte de cette illumination, - on analyse la lumière collectée, au moyen d'un spectromètre à haute résolution, ce qui conduit à un spectre cannelé, eta light is collected which is reflected and / or transmitted by the material, exhibits interferences and results from this illumination, the collected light is analyzed by means of a high resolution spectrometer, which leads to a fluted spectrum, and
- on détermine l'épaisseur du matériau en fonction de l'indice de réfraction de ce matériau ou l'indice de réfraction en fonction de l'épaisseur, à partir de ce spectre cannelé.the thickness of the material is determined as a function of the refractive index of this material or the index of refraction as a function of the thickness, from this grooved spectrum.
On peut déterminer l'épaisseur ou l'indice de réfraction du matériau à partir de la transformée de Fourier du spectre cannelé. Dans ce cas, on peut déterminer l'épaisseur ou l'indice de réfraction du matériau à partir du ou des pics que comporte la transformée de Fourier.The thickness or refractive index of the material can be determined from the Fourier transform of the fluted spectrum. In this case, the thickness or refractive index of the material can be determined from the peak or peaks of the Fourier transform.
Mais, de préférence, on détermine l'épaisseur ou l'indice de réfraction du matériau à partir du périodigramme de Lomb du spectre cannelé.But, preferably, the thickness or the refractive index of the material is determined from the Lomb periodigram of the fluted spectrum.
De préférence, on détermine l'épaisseur ou l'indice de réfraction du matériau à partir du ou des pics que comporte le périodigramme de Lomb.Preferably, the thickness or refractive index of the material is determined from the peak or peaks of the Lomb periodigram.
Selon un premier mode de réalisation particulier de l'invention, la valeur de l'indice de réfraction du matériau est connue et l'on détermine l'épaisseur du matériau à partir de cette valeur.According to a first particular embodiment of the invention, the value of the refractive index of the material is known and the thickness of the material is determined from this value.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier, la valeur de l'épaisseur du matériau est connue et l'on détermine l'indice de réfraction du matériau à partir de cette valeur.According to a second particular embodiment, the value of the thickness of the material is known and the index of refraction of the material is determined from this value.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente schématiquement des ondes réfléchies, créées lors de la traversée d'une lame plane par un faisceau lumineux, la figure 2 représente schématiquement des ondes réfléchies, créées lors de la traversée d'une bicouche plane par un faisceau lumineux,The present invention will be better understood on reading the description of exemplary embodiments given below, purely by way of indication and in no way limiting, with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 schematically represents reflected waves, created during the crossing of a plane blade by a light beam, FIG. 2 diagrammatically represents reflected waves, created during the crossing of a plane bilayer by a light beam,
- la figure 3 représente schématiquement un spectre cannelé, simulé par ordinateur et créé par une lame en verre BK7 de 80 μm d'épaisseur,FIG. 3 diagrammatically represents a fluted spectrum, simulated by computer and created by a glass slide BK7 80 μm thick,
- la figure 4 représente schématiquement un spectre cannelé, simulé par ordinateur et créé par un objet constitué d'une lame de BK7 de 200 μm d'épaisseur, superposée à une lame de verre de haut indice, en LaSFN9, de 50 μm d'épaisseur,FIG. 4 schematically represents a fluted spectrum, simulated by computer and created by an object consisting of a BK7 slab of 200 μm in thickness, superimposed on a high index glass slab, in LaSFN9, of 50 μm. thickness,
la figure 5 montre le périodigramme de Lomb du spectre de la figure 3,FIG. 5 shows the Lomb periodigram of the spectrum of FIG.
- la figure 6 montre le périodigramme de Lomb du spectre de la figure 4, la figure 7 représente un spectre faiblement bruité, généré par ordinateur et créé par une lame en verre BK7 de 80 μm d'épaisseur, la figure 8 montre le périodigramme de Lomb du spectre de la figure 7, la figure 9 représente un spectre fortement bruité, généré par ordinateur et créé par une lame en verre BK7 de 80 μm d'épaisseur,FIG. 6 shows the Lomb periodigram of the spectrum of FIG. 4, FIG. 7 represents a computer generated noisy spectrum created by a BK7 glass slide of 80 μm in thickness, FIG. 8 shows the periodigram of FIG. Lomb of the spectrum of Figure 7, Figure 9 represents a highly noisy spectrum, generated by computer and created by a glass slide BK7 80 microns thick,
- la figure 10 montre le périodigramme de Lomb du spectre de la figure 9,FIG. 10 shows the Lomb periodigram of the spectrum of FIG. 9,
- la figure 11 représente schématiquement la géométrie d' éclairement d'un objet plan (à gauche) et d'un objet sphérique (à droite) pour la mesure d'épaisseurs ou d'indices de réfraction par spectroscopie interférentielle,FIG. 11 schematically represents the illumination geometry of a plane object (on the left) and a spherical object (on the right) for the measurement. thicknesses or refractive indices by interferential spectroscopy,
- la figure 12 représente schématiquement des ondes transmises, créées lors de la traversée d'une structure bicouche par un faisceau lumineux,FIG. 12 schematically represents transmitted waves created during the crossing of a bilayer structure by a light beam,
- la figure 13 est une vue schématique d'un dispositif permettant d'acquérir des spectres cannelés, la figure 14 montre les variations de l'indice de groupe du matériau constitutif d'une capsule, en fonction de la longueur d'onde, et la figure 15 montre les variations de l'indice de réfraction de cette capsule en fonction de la longueur d'onde.FIG. 13 is a schematic view of a device making it possible to acquire corrugated spectra; FIG. 14 shows the variations of the group index of the constituent material of a capsule, as a function of the wavelength, and Figure 15 shows the variations of the refractive index of this capsule as a function of the wavelength.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSDETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
Les figures 1 et 2 illustrent schématiquement des procédés de mesure conformes à 1' invention .Figures 1 and 2 schematically illustrate measurement methods according to the invention.
Sur la figure 1, on voit des ondes réfléchies, créées lors de la traversée d'une lame plane par un faisceau lumineux, et, sur la figure 2, des ondes réfléchies, créées lors de la traversée d'une bicouche plane par un faisceau lumineux. La lame plane de la figure 1 a la référence 2 tandis que la bicouche plane de la figure 2 a la référence 4 et comporte deux lames planes 6 et 8, placées l'une contre l'autre.FIG. 1 shows reflected waves, created during the crossing of a plane plate by a light beam, and, in FIG. 2, reflected waves, created during the crossing of a plane bilayer by a beam luminous. The flat blade of Figure 1 has the reference 2 while the plane bilayer of Figure 2 has the reference 4 and has two flat blades 6 and 8, placed against each other.
Dans les deux cas, l'objet à caractériser 2 ou 4 est placé dans l'air A et illuminé par une onde incidente E1, issue d'une source de lumière à large bande (non représentée) . Les interfaces rencontrées par la lumière lors de la traversée de l'objet entraînent l'apparition de plusieurs ondes réfléchies qui vont interférer entres elles.In both cases, the object to be characterized 2 or 4 is placed in the air A and illuminated by an incident wave E 1 , resulting from a broadband light source (not shown). The interfaces encountered by the light during the crossing of the object lead to the appearance of several reflected waves that will interfere with each other.
Comme on le voit, dans le cas de la figure 1, il y a deux interfaces et donc deux ondes réfléchies Eri et Er2 (on suppose que les réflexions d'ordres supérieurs sont négligeables) tandis que, dans le cas de la figure 2, il y a trois interfaces et donc trois ondes réfléchies Eri, Er2 et Er3.As can be seen, in the case of FIG. 1, there are two interfaces and therefore two reflected waves E r i and E r 2 (it is assumed that higher order reflections are negligible) whereas, in the case of Figure 2, there are three interfaces and thus three reflected waves E r i, E r2 and E r3 .
En collectant la lumière réfléchie et en l'analysant au moyen d'un spectromètre (non représenté) , on obtient des spectres particuliers, qui présentent des modulations marquées en fonction de la longueur d' onde et qui constituent des spectres cannelés. La forme de chaque spectre est caractéristique de la structure de l'échantillon correspondant (lame, ou couche, 2 de la figure 1 ou bicouche 4 de la figure 2) et son analyse permet de remonter à l'épaisseur ou aux épaisseurs de l'objet testé .By collecting the reflected light and analyzing it by means of a spectrometer (not shown), particular spectra are obtained, which have wavelength-marked modulations and which constitute fluted spectra. The shape of each spectrum is characteristic of the structure of the corresponding sample (blade, or layer, 2 of FIG. 1 or bilayer 4 of FIG. 2) and its analysis makes it possible to go back to the thickness or the thicknesses of the object tested.
On considère ci-après l'expression analytique des spectres cannelés.The analytical expression of the fluted spectra is considered below.
Considérons tout d'abord le cas d'un objet à une seule couche.Consider first the case of a single-layer object.
Pour un tel objet (figure 1), la forme du spectre cannelé de réflexion est donnée par l'expression : Iψ{κ) = T1 2 + rl(txixf +
Figure imgf000010_0001
cos(4πm(κ)e)
For such an object (FIG. 1), the form of the fluted reflection spectrum is given by the expression: I ψ {κ) = T 1 2 + r 1 (t x i x f +
Figure imgf000010_0001
cos (4πm (κ) e)
\ - n n - - 1 2 2n avec rχ = Y^n ' r2 = ^ et tj - n - h l ' ^ = ^ \ +~ n et ^ = T 1 +- n ( 1 : où Kκ- MMλλ =- kk /l22ππ eesstt llee nombre d'onde spectroscopique (inverse d'une longueur d'onde), e est l'épaisseur de la couche et n(κ) l'indice de réfraction de cette couche en K ; T1 et r2 sont respectivement les coefficients de réflexion de Fresnel pour les interfaces d'entrée et de sortie de la couche ; et ti et t'i sont les coefficients de transmission de Fresnel relatifs à cette couche.\ - nn - - 1 2 2n with rχ = Y ^ n r2 = ^ and t j - n - hl ^ = ^ \ + ~ n and ^ = T + 1 - n (1: wherein Kκ- MMλλ = - kk / l22ππ eesstt the spectroscopic wave number (inverse of a wavelength), e is the thickness of the layer and n (κ) the refractive index of this layer in K; T 1 and r 2 are the Fresnel reflection coefficients for the input and output interfaces of the layer respectively, and ti and t'i are the Fresnel transmission coefficients relating to this layer.
Dans l'exemple de la figure 1, ri correspond à Eri et T2 à Er2.In the example of FIG. 1, ri corresponds to E r i and T 2 to E r 2 .
A titre d'exemple, la figure 3 représente le spectre cannelé (simulé par ordinateur) d'une lame en verre BK7 de 80 μm d'épaisseur.By way of example, FIG. 3 represents the fluted spectrum (computer simulated) of a BK7 glass slide 80 μm thick.
Sur cette figure 3, K est exprimé en μm"1 et Isp (K) en unité arbitraire.In this figure 3, K is expressed in μm "1 and I sp (K) in arbitrary unit.
Pour cette lame, l'indice de réfraction du BK7 est donné par une loi de Briot :For this blade, the refractive index of BK7 is given by a law of Briot:
n1 = 2,27189 - °'Q 1 Q 1 Q81 + 0,0105925κ-2 + 0,00020817Λ-4 n 1 = 2.27189 - ° Q 1 Q 1 Q81 + 0.0105925κ- 2 + 0.00020817Λ- 4
KK
- 1,64125 x 1(TV + 4,9241 x 1(TV- 1.64125 x 1 (TV + 4,9241 x 1 (TV
Considérons maintenant le cas d'un objet à deux couches.Now consider the case of a two-layered object.
Pour un tel objet (figure 2), l'équation du spectre cannelé de réflexion est donnée par l'expression : Isp(κ) = T1 2 +
Figure imgf000011_0001
+ r3 2(vi)2(/24)2 + 2rxr2txix COs[AKm1 {κ)eλ] +
Figure imgf000011_0002
cos[4πκ(nι(κ:)eι + n2(κ)e2)] + 2r2r3 (J1J1 ) J2J2 COS[4Λ"»Î2 {κ)e2 ]
For such an object (FIG. 2), the equation of the fluted reflection spectrum is given by the expression: I sp (κ) = T 1 2 +
Figure imgf000011_0001
+ r 3 2 (vi) 2 (/ 2 4) 2 + 2r x r 2 t x i x COs [AKm 1 {κ) e λ ] +
Figure imgf000011_0002
cos [4πκ (n ι (κ:) e ι + n 2 (κ) e 2 )] + 2r 2 r 3 (J 1 J 1 ) J 2 J 2 COS [4Λ " Î 2 (κ) e 2 ]
l — n, n, — rij HJ — 1 2 , 2n, avec ^1 = - L , r2 = — - , r3 = — — - , ^ = - , ^1 =l - n, n, - ri j H J - 1 2, 2n, where ^ 1 = - L , r 2 = - -, r 3 = - - -, ^ = -, ^ 1 =
1 + ftj «j + n2 ^2 I + I 1 + W1 1 + W1 t2 = ! — et t2 = — .1 + ftj "j + n 2 ^ 2 I + I 1 + W 1 1 + W 1 t 2 = ! - and t 2 = -.
U1 + n2 U1 + n2 U 1 + n 2 U 1 + n 2
où K - Mλ - kl2π est le nombre d'onde spectroscopique, e± et θ2 sont les épaisseurs respectives des couches analysées, et nλ(κ) et n2(κ) les indices de réfraction respectifs de ces couches ; ri, r2 et r3 sont respectivement les coefficients de réflexion de Fresnel pour les différentes interfaces de l'objet ; et ti, t'i, t2 et t'2 sont respectivement les coefficients de transmission de Fresnel des deux couches . Dans l'exemple de la figure 2, ri, r2 et r3 correspondent respectivement à Eri, Er2 et Er3 et ti, t'i et t2, t'2 correspondent respectivement aux transmissions aux interfaces air/couche 6 et couche 6/couche 8. A titre d'exemple, la figure 4 (mêmes unités que pour la figure 3) représente le spectre cannelé (simulé par ordinateur) d'une bicouche constituée d'une lame de BK7 de 200 μm d'épaisseur, superposée à une lame de verre, en LaSFN9, de 50 μm d'épaisseur. Les indices de réfraction respectifs du BK7 et du LaSFN9 sont donnés par une loi de Briot : - pour le BK7 : n1 = 2,27189 - °'Q1Q1Q81 + 0,0105925Λ-2 + 0,00020817Λ-4 - 7,64725 x 10"V"6 + 4,9241 x 1(TVwhere K - Mλ - kl2π is the spectroscopic wave number, e ± and θ2 are the respective thicknesses of the analyzed layers, and n λ (κ) and n 2 (κ) the respective refractive indices of these layers; ri, r 2 and r3 are respectively the Fresnel reflection coefficients for the different interfaces of the object; and ti, t'i, t2 and t'2 are respectively the Fresnel transmission coefficients of the two layers. In the example of Figure 2, ri, r 2 and r 3 respectively correspond to i E r, E and E r2 r3 and ti, t'i and t 2, t '2 correspond respectively to the transmissions to air interfaces / layer 6 and layer 6 / layer 8. By way of example, FIG. 4 (same units as for FIG. 3) represents the fluted spectrum (computer simulated) of a bilayer consisting of a 200 μm thick BK7 slide. thickness, superimposed on a glass slide, LaSFN9, 50 microns thick. The respective refractive indices of BK7 and LaSFN9 are given by a Briot law: - for BK7: n 1 = 2.27189 - ° 'Q1Q1Q81 0,0105925Λ- + 2 + 0,00020817Λ- 4 to 7.64725 x 10 "V" 6 + 4.9241 x 1 (TV
KK
- et pour le LaS FN 9 :- and for the LaS FN 9:
n2 = 3,29943 - Q'Q 1 168Q4 + 0,040133Λ-2 + 0,0013264Λ-4 + 4,74388 x 10" 6K6 + 7,85072 x 10" 6K"8 n 2 = 3,29943 - Q ' Q 1 1 6 8Q4 + 0,040133Λ- 2 + 0,0013264Λ- 4 + 4,74388 x 10 "6 K 6 + 7,85072 x 10 " 6 K " 8
KK
Les équations des spectres cannelés se généralisent facilement à des structures multicouches (à plus de deux couches) .The equations of the fluted spectra are easily generalized to multilayer structures (more than two layers).
Considérons maintenant l'exploitation des spectres cannelés.Consider now the exploitation of fluted spectra.
Cette exploitation est effectuée par passage dans l'espace de Fourier. Le passage dans l'espace de Fourier est réalisé soit en calculant la transformée de Fourier du spectre, soit en calculant le périodigramme de Lomb.This exploitation is carried out by passing through the Fourier space. The passage in the Fourier space is carried out either by calculating the Fourier transform of the spectrum, or by calculating the Lomb periodigram.
Dans ce qui suit, on s'intéresse à l'utilisation du périodigramme de Lomb car cette méthode est plus générale et fournit de meilleurs résultats que la transformée de Fourier.In what follows, we are interested in the use of the Lomb periodigram because this method is more general and provides better results than the Fourier transform.
En pratique, un spectre cannelé expérimental est composé de N points de mesureIn practice, an experimental fluted spectrum is composed of N points of measurement
U
Figure imgf000012_0001
1SP(KN)- Le périodigramme de Lomb de ce spectre cannelé est défini par :
Figure imgf000013_0001
U
Figure imgf000012_0001
1 S P (KN) - The Lomb periodigram of this fluted spectrum is defined by:
Figure imgf000013_0001
Considérons maintenant le périodigramme de Lomb d'une structure à une seule couche.Now consider the Lomb periodigram of a single layer structure.
Le périodigramme de Lomb d'une telle structure (par exemple du genre de celle qui est représentée sur la figure 1) présente un pic unique (figure 5) . La position P1 de ce pic est liée à l'épaisseur de l'objet testé par la formule suivante :The Lomb periodigram of such a structure (for example of the kind shown in FIG. 1) has a single peak (FIG. 5). The position P 1 of this peak is related to the thickness of the object tested by the following formula:
Figure imgf000013_0002
Figure imgf000013_0002
Dans l'équation (4), e est l'épaisseur de la couche, [x:.|;x:w] est l'intervalle de mesure du spectre cannelé, "(^1) est l'indice de réfraction du matériau composant la couche en Ar1 et n(κN) l'indice de réfraction en κN .In equation (4), e is the thickness of the layer, [x:. |; X: w ] is the measurement interval of the fluted spectrum, "(^ 1 ) is the refractive index of the material composing the layer in Ar 1 and n (κ N ) the refractive index in κ N.
Sur la figure 5, on a représenté le périodigramme de Lomb du spectre cannelé de la figure 3. Sur cette figure 5, la variable u représente la différence de chemin optique (unité :μm) ; Isp(u) est exprimé en unité arbitraire.FIG. 5 shows the Lomb periodigram of the fluted spectrum of FIG. 3. In this FIG. 5, the variable u represents the optical path difference (unit: μm); I sp (u) is expressed in arbitrary units.
Cette figure 5 fait apparaître un pic unique en P1 =245,1. Le spectre de la figure 3 s'étend de Xr1 =1,39 μrrf1 à «^=1,47 μm"1. L'indice de réfraction du BK7 est de 1,51257 à 1,39 μm"1 et de 1,51361 à 1,47 μm"1. En utilisant ces données dans l'équation (4), on obtient pour e une valeur de 80,01 μm. Ainsi, l'épaisseur de la lame de BK7, mesurée à partir du spectre de la figure 3, après exploitation avec le périodigramme de Lomb, vaut 80,01 μm. Cette valeur est à comparer à la valeur nominale de 80,00 μm utilisée pour générer le spectre de la figure 3. L'erreur commise est de 10 nm.This figure 5 shows a single peak in P 1 = 245.1. The spectrum of Figure 3 extends from Xr 1 = 1.39 μrrf 1 at "^ = 1.47 μm " 1. The refractive index of BK7 is 1.51257 to 1.39 μm -1 and 1.51361 to 1.47 μm -1 By using these data in equation (4), we obtain for e a value of 80.01 μm, thus the thickness of the BK7 plate, measured from the spectrum of FIG. This is compared to the nominal value of 80.00 μm used to generate the spectrum of Figure 3. The error committed is 10 nm.
Considérons maintenant le périodigramme de Lomb d'une structure à deux couches.Now consider the Lomb periodigram of a two-layer structure.
Le périodigramme de Lomb d'une telle structure (par exemple du genre de celle qui est représentée sur la figure 2), présente trois pics. Les positions pvp2etp3 de ces pics sont liées aux épaisseurs e± et θ2 des couches composant la structure testée par les formules suivantes :The Lomb periodigram of such a structure (for example of the kind shown in FIG. 2) has three peaks. The positions p v p 2 and p 3 of these peaks are related to the thicknesses e ± and θ2 of the layers composing the structure tested by the following formulas:
Figure imgf000014_0001
Figure imgf000014_0001
_ 2e2{n2NN - n2λλ ) ( 5 )_ {N 2 2 κ 2 {N) κ N - n 2 λ) κ λ) (5)
P2 P 2
KN - Kλ
Figure imgf000014_0002
K N - K λ
Figure imgf000014_0002
Sur la figure 6 (mêmes unités que pour la figure 5) , on a représenté le périodigramme de Lomb du spectre cannelé de la figure 4. Le premier pic en P1 =189 est lié à la lame de LaSFN9. La position de ce pic correspond à une épaisseur mesurée pour la couche de LaSFN9 de 49,92 μm. L'épaisseur de la couche de LaSFN9, définie pour générer le spectre de la figure 3, était égale à 50,00 μm. L'erreur commise sur la détermination de l'épaisseur est donc de 80 nm.In Fig. 6 (same units as Fig. 5), the Lomb periodigram of the fluted spectrum of Fig. 4 is shown. The first peak at P 1 = 189 is bound to the LaSFN9 slide. The position of this peak corresponds to a thickness measured for the LaSFN9 layer of 49.92 μm. The thickness of the LaSFN9 layer, defined to generate the spectrum of FIG. was equal to 50.00 μm. The error made on the determination of the thickness is therefore 80 nm.
Le pic en p2 =612,3 est lié à la couche de verre en BK7. La position de ce pic donne une épaisseur mesurée de 199,88 μm. L'épaisseur de la couche de BK7, définie pour générer le spectre cannelé, était égale à 200,00 μm. L'erreur commise sur la mesure est donc de 120 nm.The peak at p 2 = 612.3 is bound to the BK7 glass layer. The position of this peak gives a measured thickness of 199.88 μm. The thickness of the BK7 layer, defined to generate the fluted spectrum, was 200.00 μm. The error made on the measurement is therefore 120 nm.
Considérons maintenant le cas des structures à couches multiples.Now consider the case of multilayer structures.
L'un des avantages de l'analyse au moyen du périodigramme de Lomb est qu'il n'est pas nécessaire de calculer l'équation des spectres cannelés pour remonter aux épaisseurs de l'objet analysé. En effet, pour un objet multicouche, plusieurs pics vont apparaître sur le périodigramme, chaque pic correspondant aux interférences créées par un couple d'ondes réfléchies.One of the advantages of the Lomb periodigram analysis is that it is not necessary to calculate the equation of the fluted spectra to go back to the thicknesses of the analyzed object. Indeed, for a multilayer object, several peaks will appear on the periodigram, each peak corresponding to the interference created by a pair of reflected waves.
Par exemple, pour la structure à deux couches (figure 2), trois pics apparaissent sur le périodigramme. Le système d'interférences créé par Er1 et E^ est à l'origine d'un premier pic. Ce pic est porteur d'informations sur la couche d'indice ni et permet de retrouver l'épaisseur ei de cette couche.For example, for the two-layer structure (Figure 2), three peaks appear on the periodigram. The interference system created by E r1 and E ^ causes a first peak. This peak carries information on the index layer ni and allows to find the thickness ei of this layer.
De même, le système d'interférences créé par Er2 et Er3 entraîne l'apparition d'un second pic qui est porteur d' informations sur la couche d' indice /12 et permet de mesurer l'épaisseur e∑. Enfin, les interférences créées par Er1 et Er3 sont à l'origine d'un troisième pic qui porte des informations sur l'épaisseur totale eλ + e2 des deux couches réunies.Similarly, the interference system created by E r2 and E r3 causes the appearance of a second peak which carries information on the index layer / 12 and makes it possible to measure the thickness eΣ. Finally, the interferences created by E r1 and E r3 are at the origin a third peak that carries information on the total thickness e λ + e 2 of the two layers together.
Il convient de noter que, dans la présente invention, on relie les différents pics du périodigramme de Lomb aux différentes couches qui composent l'objet à tester.It should be noted that in the present invention, the different peaks of the Lomb periodigram are connected to the different layers that make up the object to be tested.
Pour un matériau à deux couches, le pic p^ correspond obligatoirement au système d' interférences créé par Eri et Er3. Par contre, il existe une ambiguïté concernant les pics p± et P2 : il est nécessaire d'avoir une connaissance a priori de l'objet testé pour savoir quel pic est lié au système d' interférences créé par Eri et Er2 et quel pic correspond aux interférences créées par Er2 et Er3. Cette connaissance est nécessaire car l'indice de réfraction de la couche à laquelle correspond chaque pic intervient dans le calcul des épaisseurs .For a two - layer material, the peak p ^ necessarily corresponds to the interference system created by E ri and E r3 . On the other hand, there is an ambiguity concerning the peaks p ± and P2: it is necessary to have an a priori knowledge of the tested object to know which peak is related to the system of interferences created by E ri and E r2 and which peak corresponds to the interference created by E r2 and E r3 . This knowledge is necessary because the refractive index of the layer to which each peak corresponds is involved in the calculation of the thicknesses.
Cependant, l'analyse des spectres par le périodigramme de Lomb est très intéressante car elle filtre très efficacement le bruit de mesure.However, the analysis of the spectra by the Lomb periodigram is very interesting because it filters very effectively the measurement noise.
A titre d'exemple, la figure 7 représente le spectre d'une lame de BK7 de 80 μm d'épaisseur avec un faible bruit de mesure et la figure 8 représente le périodigramme de Lomb correspondant. Ce dernier présente un pic en P1 =245,1. Ce pic correspond à une épaisseur mesurée de 80,01 μm, soit 10 nm d'erreur. La figure 9 représente le spectre d'une lame de BK7 de 80 μm d'épaisseur avec un fort bruit de mesure. Le périodigramme de Lomb correspondant est représenté sur la figure 10. Ce périodigramme de Lomb montre un pic en P1 =245,4. Ce pic correspond à une épaisseur mesurée de 80,11 μm, soit 110 nm d'erreur.By way of example, FIG. 7 represents the spectrum of a 80 μm thick BK7 plate with a low measurement noise and FIG. 8 represents the corresponding Lomb periodigram. The latter has a peak in P 1 = 245.1. This peak corresponds to a measured thickness of 80.01 μm, ie 10 nm of error. FIG. 9 represents the spectrum of a 80 μm thick BK7 slide with a strong noise of measured. The corresponding Lomb periodigram is shown in Figure 10. This Lomb periodigram shows a peak in P 1 = 245.4. This peak corresponds to a measured thickness of 80.11 μm, ie 110 nm of error.
Ainsi, même en présence d'un bruit de mesure très important, la méthode du périodigramme de Lomb permet d'effectuer une mesure d'épaisseur avec une excellente précision.Thus, even in the presence of a very important measurement noise, the method of the Lomb periodigram makes it possible to carry out a measurement of thickness with an excellent precision.
Considérons maintenant la géométrie de l'objet examiné.Now consider the geometry of the examined object.
Pour la mesure d'une épaisseur par spectrométrie interférentielle, le front d'onde du faisceau lumineux incident doit être adapté à la géométrie de l'objet à caractériser. En particulier,For the measurement of a thickness by interferential spectrometry, the wavefront of the incident light beam must be adapted to the geometry of the object to be characterized. In particular,
- un objet plan doit être éclairé par un faisceau collimaté, - un objet cylindrique ayant un axe géométrique Δ doit être éclairé par un faisceau cylindrique convergent sur Δ, eta plane object must be illuminated by a collimated beam, a cylindrical object having a geometric axis Δ must be illuminated by a convergent cylindrical beam on Δ, and
- un objet sphérique de centre O doit être éclairé par une onde sphérique de centre O. La figure 11 montre la géométrie d' éclairement pour un objet plan 10 et un objet sphérique 12, en vue d'une mesure d'épaisseur par spectrométrie interférentielle .a spherical object of center O must be illuminated by a spherical wave of center O. FIG. 11 shows the illumination geometry for a plane object 10 and a spherical object 12, for the purpose of a thickness measurement by interferential spectrometry .
D'un point de vue optique, les deux géométries présentées sur la figure 11 sont équivalentes. Cette équivalence provient du fait que, dans les deux cas (faisceau incident formé par une onde lumineuse plane pour l'objet 10 et par une onde lumineuse sphérique pour l'objet 12), le front d'onde du faisceau incident est adapté à la géométrie étudiée : les rayons du faisceau d' éclairement sont perpendiculaires à la surface de l'objet.From an optical point of view, the two geometries shown in FIG. 11 are equivalent. This equivalence comes from the fact that in both cases (incident beam formed by a plane light wave for the object 10 and a spherical light wave for the object 12), the wavefront of the incident beam is adapted to the studied geometry: the beams of the beam of illumination are perpendicular to the surface of the object.
Une autre façon de percevoir l'équivalence entre les deux géométries ci-dessus est de considérer le cas plan comme la limite du cas sphérique quand le rayon de la sphère tend vers l'infini.Another way of perceiving the equivalence between the two geometries above is to consider the plane case as the limit of the spherical case when the radius of the sphere tends towards infinity.
Dans ce qui précède, on a fait référence à des spectres cannelés de réflexion. La mesure repose alors sur l'analyse de la lumière réfléchie par l'objet caractérisé.In the foregoing, reference has been made to fluted reflection spectra. The measurement then rests on the analysis of the light reflected by the characterized object.
Une mesure équivalente peut être effectuée en analysant la lumière transmise par cet objet. Comme pour la mesure en réflexion, les interfaces rencontrées par le faisceau lumineux, lors de sa propagation à travers l'objet, donnent naissance à plusieurs ondes transmises .An equivalent measurement can be made by analyzing the light transmitted by this object. As for the measurement in reflection, the interfaces encountered by the light beam, during its propagation through the object, give rise to several transmitted waves.
A titre d'exemple, la figure 12 montre la bicouche 4 éclairée par le faisceau incident E1 et l'on voit les diverses ondes transmises Eto, Eti, Et2 et Et3 qui en résultent.By way of example, FIG. 12 shows the bilayer 4 illuminated by the incident beam E 1 and the various transmitted waves E t o, E t i, E t 2 and E t 3 which result therefrom are seen.
Les ondes transmises interfèrent entre elles et l'analyse de la lumière transmise, au moyen d'un spectromètre, donne des spectres cannelés de transmission. Comme pour les spectres cannelés de réflexion, les spectres de transmission sont porteurs d'informations sur la structure de l'objet et leur analyse par le périodigramme de Lomb permet d'effectuer des mesures d'épaisseurs ou d'indices de réfraction.The transmitted waves interfere with each other and the analysis of the transmitted light, by means of a spectrometer, gives splined transmission spectra. As with the fluted reflection spectra, the transmission spectra carry information on the structure of the object and their Lomb's periodigram analysis makes it possible to measure thicknesses or refractive indices.
Toutefois, la mesure en transmission est moins intéressante que la mesure en réflexion. En effet, dans le cas de la mesure en transmission, la lumière transmise directement par l'objet (ordre 0) domine le signal et le contraste des franges sur les spectres cannelés est très faible.However, the measurement in transmission is less interesting than the measurement in reflection. Indeed, in the case of the measurement in transmission, the light transmitted directly by the object (order 0) dominates the signal and the contrast of the fringes on the fluted spectra is very weak.
Il convient de noter qu'il est même possible d'effectuer une mesure conforme à l'invention en analysant à la fois la lumière réfléchie et la lumière transmise par l'objet.It should be noted that it is even possible to perform a measurement according to the invention by analyzing both the reflected light and the light transmitted by the object.
La figure 13 est une vue schématique d'un exemple de dispositif pour la mise en œuvre du procédé objet de l'invention. Il s'agit d'un dispositif de spectroscopie interférentielle pour la mesure d'épaisseurs sans contact.Figure 13 is a schematic view of an exemplary device for implementing the method object of the invention. It is an interferential spectroscopy device for the measurement of contactless thicknesses.
Ce dispositif comprend une source de lumière blanche 14, un ensemble de lentilles de mise en forme 16, un télescope 18, une fibre optique 20 de transmission de signal, un spectromètre 22 et un ordinateur 24.This device comprises a white light source 14, a set of shaping lenses 16, a telescope 18, an optical fiber 20 of signal transmission, a spectrometer 22 and a computer 24.
La source de lumière 14, qui est utilisée pour éclairer l'objet à caractériser 26, est une source de lumière blanche dans l'exemple considéré. Le faisceau d' éclairement fourni par cette source est transmis par une fibre optique 28 et mis en forme par l'ensemble de lentilles 16, de façon à adapter le profil de ce faisceau à la géométrie de l'objet à étudier. Le télescope 18, par exemple du genre de celui qui est commercialisé par la société Questar sous la référence QMlOO, est utilisé pour éclairer l'objet à analyser et pour collecter la lumière réfléchie. Le télescope QMlOO autorise une distance de travail D allant de 15 cm à 38 cm.The light source 14, which is used to illuminate the object to be characterized 26, is a white light source in the example under consideration. The illumination beam provided by this source is transmitted by an optical fiber 28 and shaped by the lens assembly 16, so as to adapt the profile of this beam to the geometry of the object to be studied. The telescope 18, for example of the kind that is marketed by Questar under the reference QM100, is used to illuminate the object to be analyzed and to collect the reflected light. The QM100 telescope allows a working distance D ranging from 15 cm to 38 cm.
A la sortie du télescope, le signal lumineux réfléchi est injecté dans la fibre optique 20 et acheminé jusqu'au spectromètre 22 pour faire l'acquisition du spectre cannelé. Un injecteur 30 est prévu pour injecter la lumière issue de la fibre 20 dans le spectromètre.At the output of the telescope, the reflected light signal is injected into the optical fiber 20 and conveyed to the spectrometer 22 to acquire the fluted spectrum. An injector 30 is provided for injecting light from the fiber 20 into the spectrometer.
Le spectre cannelé est transmis jusqu'à l'ordinateur 24 pour être analysé par la méthode du périodigramme de Lomb. Cet ordinateur est muni de moyens 32 d'affichage des résultats obtenus.The fluted spectrum is transmitted to computer 24 for analysis by the Lomb periodigram method. This computer is provided with means 32 for displaying the results obtained.
On considère dans ce qui suit des applications de la présente invention.In the following, applications of the present invention are considered.
Cette invention peut être utilisée pour la mesure sans contact et non destructive de l'épaisseur d'objets plans, par exemple des films polymères tels que ceux qui sont utilisés dans l'industrie du conditionnement.This invention can be used for non-contact and non-destructive measurement of the thickness of planar objects, for example polymer films such as those used in the packaging industry.
Elle peut aussi être mise en œuvre pour mesurer l'épaisseur de revêtements déposés sur un autre matériau. Il peut par exemple s'agir de peintures ou de dépôts de résines polymères qui sont utilisés pour protéger des surfaces contre l'abrasion. Elle peut également servir à mesurer l'épaisseur d'objets creux. On a par exemple utilisé une technique de spectrométrie interférentielle de réflexion conformément à l'invention pour mesurer l'épaisseur de sphères creuses de 2 mm de diamètre. Des mesures ont été effectuées sur des sphères de 11 μm, 125 μm et 175 μm d'épaisseur. Ces résultats montrent la large plage d'application de l'invention en termes de mesure d'épaisseurs. De plus, le procédé de mesure, objet de l'invention, est particulièrement robuste vis-à-vis des vibrations. Cela le rend particulièrement intéressant par rapport à d' autres procédés interférométriques qui ne présentent généralement pas une telle robusteste pour des applications industrielles.It can also be used to measure the thickness of coatings deposited on another material. It may for example be paints or deposits of polymer resins that are used to protect surfaces against abrasion. It can also be used to measure the thickness of hollow objects. For example, a reflection interferometric spectrometry technique according to the invention has been used to measure the thickness of hollow spheres of 2 mm in diameter. Measurements were made on spheres of 11 μm, 125 μm and 175 μm thickness. These results show the wide range of application of the invention in terms of thickness measurement. In addition, the measurement method, object of the invention, is particularly robust vis-à-vis the vibrations. This makes it particularly interesting compared to other interferometric methods which generally do not exhibit such robustness for industrial applications.
Dans les exemples donnés plus haut, on a montré comment déterminer l'épaisseur d'un matériau simple, tel qu'une couche simple ou un objet creux, ou les épaisseurs correspondant à un matériau complexe tel qu'une couche multiple, lorsque l'on en connaît le ou les indices de réfraction.In the examples given above, it has been shown how to determine the thickness of a simple material, such as a single layer or a hollow object, or the thicknesses corresponding to a complex material such as a multiple layer, when the the refraction index or indices are known.
Cependant l'invention permet également de déterminer le ou les indices de réfraction d'un matériau simple ou complexe, qui est très faiblement dispersif c'est-à-dire pour lequel — est peu différent dλ de 0, lorsque la ou les épaisseurs de ce matériau sont connues .However, the invention also makes it possible to determine the refractive index or indices of a simple or complex material, which is very weakly dispersive, that is to say for which - is little different dλ from 0, when the thickness or thicknesses of this material are known.
Dans ce qui suit, on présente la mesure de l'indice de réfraction, entre 500 nm et 900 nm, d'une capsule creuse en polymère, de 2 mm de diamètre et deIn what follows, the measurement of the refractive index, between 500 nm and 900 nm, of a hollow polymer capsule 2 mm in diameter and
123,7 μm d'épaisseur. Pour ce faire, des spectres cannelés ont été mesurés par pas de 10 nm, sur la plage de longueurs d'onde considérée, avec le dispositif qui a été décrit en faisant référence à la figure 13. Les spectres cannelés ont ensuite été exploités avec la méthode du périodigramme de Lomb. Le périodigramme de chaque spectre présente un pic unique. Conformément à l'équation (4), la position de ce pic est donnée par :123.7 microns thick. To do this, spectra The fluted spectra were measured in steps of 10 nm over the range of wavelengths considered with the device that was described with reference to Figure 13. The fluted spectra were then exploited with the Lomb periodigram method. The periodigram of each spectrum has a single peak. According to equation (4), the position of this peak is given by:
_ 2e(n(κNN-n(κ,K1) Pi — \ Ό I_ 2e (n (κ N ) κ N -n (κ, K 1 ) Pi - \ Ό I
KN ~Kl K N ~ K l
où [K1 ; κN] est la plage d'acquisition du spectre cannelé considéré, e l'épaisseur de la capsule et n{κ) son indice. La plage d'acquisition des spectres étant petite (κN - K1 peu différent de 0,08 μm"1) , il est possible d'écrire :where [K 1 ; κ N ] is the acquisition range of the fluted spectrum considered, e the thickness of the capsule and n {κ) its index. Since the acquisition range of the spectra is small (κ N - K 1 slightly different from 0.08 μm "1 ), it is possible to write:
Figure imgf000022_0001
Figure imgf000022_0001
ou κm - (K1 + κN) l 2 et e s t l a dérivée
Figure imgf000022_0002
de n(κ)κ par rapport à K et ≈ signifie « peu différent
or κ m - (K 1 + κ N ) 1 2 and is the derivative
Figure imgf000022_0002
of n (κ) κ with respect to K and ≈ means "little different
de ». La grandeur est connue en optique comme
Figure imgf000022_0003
étant l'indice de groupe ng du matériau. Avec l'indice de groupe, l'équation (6) prend la forme :
of ". Size is known in optics as
Figure imgf000022_0003
being the group n g index of the material. With the group index, equation (6) takes the form:
Figure imgf000022_0004
(TTn,) Ainsi, connaissant p± et e, il est possible de connaître l'indice de groupe du matériau. La figure 14 représente les valeurs d'indice de groupe de la capsule, entre 500 nm et 900 nm. Les valeurs mesurées expérimentalement sont représentées par les carrés noirs. Chaque valeur correspond à l'acquisition d'un spectre cannelé et à son exploitation avec le périodigramme de Lomb. Sur cette figure,
Figure imgf000023_0001
est exprimée en nm et l'indice de groupe ng est sans unité.
Figure imgf000022_0004
(TT n ,) Thus, knowing p + and e, it is possible to know the group index of the material. Figure 14 shows the group index values of the capsule, between 500 nm and 900 nm. The values measured experimentally are represented by the black squares. Each value corresponds to the acquisition of a fluted spectrum and its exploitation with the Lomb periodigram. In this figure,
Figure imgf000023_0001
is expressed in nm and the group index n g is without unit.
Connaissant l'indice de groupe, il est possible de remonter à l'indice de réfraction n(κ) du matériau. En effet, la dispersion d'un matériauKnowing the group index, it is possible to go back to the refractive index n (κ) of the material. Indeed, the dispersion of a material
(évolution de l'indice de réfraction en fonction de la longueur d'onde) peut être représentée par des lois optiques. A titre d'exemple et de manière non limitative, on peut citer les formules de Sellmeier, de Cauchy ou de Briot pour représenter la dispersion d'un matériau. Dans le cas présent, l'évolution de l'indice n de la capsule de polymère est bien représentée par une formule de Cauchy (présence d'une bande d'absorption dans le bleu) :(evolution of the refractive index as a function of the wavelength) can be represented by optical laws. By way of example and in a nonlimiting manner, mention may be made of the formulas of Sellmeier, Cauchy or Briot to represent the dispersion of a material. In the present case, the evolution of the index n of the polymer capsule is well represented by a Cauchy formula (presence of an absorption band in the blue):
\ < B C\ < BC
"-V+Y+Y (9) "-V + Y + Y (9)
A partir de l'équation (8) il est possible de calculer une expression théorique pour ng(κ). Cette expression est utilisée pour effectuer une régression sur les points expérimentaux de la figure 14 et trouver les paramètres A, B et C de l'équation (9) . Sur la figure 14, la courbe continue représente le résultat de la régression sur les points expérimentaux. Pour la capsule de polymère, la régression donne A = 2,46191, B = 0,0164228 μm2 et C = 0,000620526 μm4. L'indice de la capsule est donc donné par :From equation (8) it is possible to calculate a theoretical expression for n g (κ). This expression is used to perform a regression on the experimental points of Figure 14 and find the parameters A, B and C of equation (9). In FIG. 14, the continuous curve represents the result of the regression on the experimental points. For the polymer capsule, the regression gives A = 2.46191, B = 0.0164228 μm 2 and C = 0.000620526 μm 4 . The index of the capsule is thus given by:
,,. ,- Ar 0,0164 0,000621 «μ) = 1/2,46 + -î-2— + -2— ^ (10),,. - Ar 0.0164 0.000621 "μ) = 1 / 2.46 + - I - 2 - + - 2 - ^ (10)
A AA A
où λ est exprimée en μm.where λ is expressed in μm.
La figure 15 représente l'indice de réfraction de la capsule de polymère. Sur cette figure, λ est exprimé en nm et n est sans unité. Figure 15 shows the refractive index of the polymer capsule. In this figure, λ is expressed in nm and n is without unit.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure, sans contact, d'une caractéristique opto-géométrique d'un matériau (2, 4, 10, 12, 26), à savoir l'épaisseur ou l'indice de réfraction de ce matériau, ce procédé étant caractérisé en ce que :A non-contact measuring method of an opto-geometric characteristic of a material (2, 4, 10, 12, 26), namely the thickness or the refractive index of this material, this method being characterized in that
- on illumine le matériau au moyen d'une source de lumière à large bande (E1, Ep, Es) dans une plage de transparence du matériau, - on collecte une lumière qui est réfléchie et/ou transmise par le matériau, présente des interférences et résulte de cette illumination,the material is illuminated by means of a broadband light source (E 1 , E p , E s ) in a range of transparency of the material, light is collected which is reflected and / or transmitted by the material, interferes and results from this illumination,
- on analyse la lumière collectée, au moyen d'un spectromètre à haute résolution, ce qui conduit à un spectre cannelé, etthe collected light is analyzed by means of a high-resolution spectrometer, which leads to a fluted spectrum, and
- on détermine l'épaisseur du matériau en fonction de l'indice de réfraction de ce matériau ou l'indice de réfraction en fonction de l'épaisseur, à partir de ce spectre cannelé.the thickness of the material is determined as a function of the refractive index of this material or the index of refraction as a function of the thickness, from this grooved spectrum.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine l'épaisseur ou l'indice de réfraction du matériau (2, 4, 10, 12, 26) à partir de la transformée de Fourier du spectre cannelé.2. Method according to claim 1, wherein the thickness or refractive index of the material (2, 4, 10, 12, 26) is determined from the Fourier transform of the fluted spectrum.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la transformée de Fourier comporte au moins un pic et l'on détermine l'épaisseur ou l'indice de réfraction du matériau à partir de ce pic. The method of claim 2, wherein the Fourier transform has at least one peak and the thickness or refractive index of the material is determined from that peak.
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine l'épaisseur ou l'indice de réfraction du matériau à partir du périodigramme de Lomb du spectre cannelé.The method of claim 1, wherein the thickness or refractive index of the material is determined from the Lomb periodigram of the fluted spectrum.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le périodigramme de Lomb comporte au moins un pic (pi, p2, P3) et l'on détermine l'épaisseur ou l'indice de réfraction du matériau à partir de ce pic.The method of claim 4, wherein the Lomb periodigram has at least one peak (p1, p2, P3) and the thickness or refractive index of the material is determined from this peak.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la valeur de l'indice de réfraction du matériau est connue et l'on détermine l'épaisseur du matériau à partir de cette valeur.6. A method according to any one of claims 1 to 5, wherein the value of the refractive index of the material is known and the thickness of the material is determined from this value.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la valeur de l'épaisseur du matériau est connue et l'on détermine l'indice de réfraction du matériau à partir de cette valeur. 7. A method according to any one of claims 1 to 5, wherein the value of the thickness of the material is known and the refractive index of the material is determined from this value.
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