JP2008039789A - 光ディスクの厚さ測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 波長による屈折率の変化、つまり波長の関数で屈折率を反映したスペクトルを高速フーリエ変換を通じて得られた干渉空間での反射光のピーク値の位置を通じて、速やかな分析速度および高精密度を有した光ディスクの厚さ測定方法を提供すること。
【解決手段】 光の波長の長さによる反射光の強度を波長別スペクトルデータとして検出する段階と、前記検出された波長別スペクトルデータを波長の関数として屈折率を反映したスペクトル値に変換処理する段階と、前記変換処理された値を高速フーリエ変換を通じて光ディスクの厚さを表す間接空間の長さに変換処理して反射光の強度がピーク値を有する位置をそれぞれスペーサーレイヤーおよびカバーレイヤーの厚さとして検出する段階とを含むことを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は光ディスクの厚さ測定方法に関し、特に屈折率を波長の関数で反映させた軸で反射スペクトルを高速フーリエ変換（ＦＦＴという）して得た干渉空間における反射光のピーク値の位置から光ディスクの厚さを測定する方法に関する。

今までの記録媒体としては、自己記録方式のテープや、光ディスクとしてのＬＤ又はＣＤ、さらに最近では大容量の情報記録能力を持つＤＶＤなどを挙げることができる。このような記録媒体のうち光ディスクは、以前に使用していた自己記録方式のテープと記録方式が異なるデジタル記録方式を使用しており、大きさが非常に小さくかつ軽いので、保管や移動がかなり効率的であることから消費者の反応が非常に良い。

また、産業の発達に伴い、高密度高集積化の趨勢に伴って現在のＤＶＤよりも更に集積度の高いＨＤ−ＤＶＤ用としてＢＤ(Blu-Ray Disc）が研究開発されている。如何なる製品も、製造された製品に何の欠陥もなく使用が可能であるべきであり、万一製品の品質に問題が発生した場合には、製品生産者の信頼を落とすことになるだろう。これは非常に微細な信号特性を有する光ディスクでは更に問題となる部分であって、製造や生産過程におけるディスクの厚さの誤差、スクラッチ、成型不良、指紋、さらには製造過程中の異物の付着などによって品質が良好ではなくなる結果をもたらす。

特に、ディスクの厚さは製造収率と信頼性に大きく影響を与える重要な制御因子で、製造工程において工程制御のために実時間測定の必要性が増大している。

光ディスクは薄膜として取り扱われる。薄膜の厚さが数μ以下である場合には楕円法による薄膜分析や反射率測定など、定量的な光量測定方法に依存し、数十μに至る比較的厚い薄膜の厚さを分析する場合には、薄膜による干渉効果によって反射率又は透過率スペクトルとして現れる振動周期から厚さを測定する方法も使用されている。

その際、分光器の波長分解力や結合力が劣る場合には、干渉によるスペクトルの振動周期（又は振動数）を求め、これから薄膜の厚さを決定する方法が有用に使用されるが、厚い膜の場合、周期の大きい数値を示すことによって薄膜厚さの計算に必要な時間が増大する。、したがって、厚膜の厚さを簡便かつ迅速に測定したい産業体からの要求に対応するために、スペクトルの振動周期を速やかに求める方法として、従来、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用していた。

図１は、従来の薄膜厚さ測定装置を示す構成図である。
図１に示したように、反射率スペクトルの測定によって薄膜の厚さを測定する装置は、ハロゲンランプ１２からの光を光ファイバ２０の一方２２とレンズ２６を介して薄膜３２がある基板３０に垂直に入射させ、基板から反射させる。レンズ２６と光ファイバの他方２４を介して受光された反射光を分光器４２に伝達する。分光器４２は、各波長の強度によって基板３０の試料の表面から反射された光を分割した後、光測定素子の配列４４に入れ、各波長での光量をコンピュータ４６に提供する。コンピュータ４６は、各波長における光量を波長別スペクトルデータとして用い、多様な方法により薄膜の厚さを測定することができる。

図２ａ、２ｂは従来の光ディスクの厚さの測定時に屈折率を適用した場合を説明している図である。図２ａは従来技術に係るコンピューターに提供された各波長での光量データスペクトルを示したグラフで、図２ｂは図２ａを用いて反射率スペクトルを高速フーリエ変換したグラフである。

図２ａ、２ｂに示したように、屈折率によるスペクトルデータにおける特定層の厚さ(ｄ)は、特定波長(λ)に対してｍ倍であり、近接波長λ＋Δλに対して(ｍ−１)倍であるΔλを選択できるので、次の式１のように表すことができる。
式１
Δλ << λの条件で、
２ｎｄ＝ｍλ＝(ｍ−１)(λ＋Δλ）、
展開すると、
ｍλ＝(ｍ−１)(λ＋Δλ)＝ｍλ＋ｍΔλ−(λ＋Δλ）
ｍΔλ＝λ＋Δλ
即ち、ｍ＝(λ＋Δλ)/Δλとなる。
したがって、
２ｎｄ＝ｍλ＝λ(λ＋Δλ)/Δλ ≒ λ²/Δλ＝１/Δ(１/λ)

２ｎｄとλ(１/λ)とを掛けると１となるので、実験で反射強度とΔ(１/λ)との間の関係関数を求めることができれば、全体的にフーリエ変換（ＦＦＴ）を適用してΔ(１/λ)の変換変数に該当する２ｎｄに対するＦＦＴ関数を求めることができる。
ここで、ピークが現れるｄ値が求めようとする厚さに当たる。

参考までに、上記のＦＦＴ関連言及を一般式で表現すると次の通りである。
強度(Ｉ)と波長の間の関係式を次のように定義すると、

Ｉ＝ｆ(λ)＝ｇ(Δ(１/λ))である。

両辺にＦＦＴを適用すると、次の式２のように表現できる。

しかしながら、従来は薄膜物質の屈折率の分散を考慮しなかったため、ピーク間の間隔が緩慢に減少し、特に波長によって異なる屈折率を有しており、フーリエピーク位置を分ける屈折率値によって得られる厚さの値が変わるという問題点があったので、ピークの大きさの減少と幅の増加をもたらした。

実際に薄膜を構成している物質は屈折率の波長依存性を有している、つまり薄膜屈折率に分散が存在するため、干渉による振動周期の２つの光のエネルギーの差が一定ではなく、それによって反射スペクトルを高速フーリエ変換する時に得られる振動数のピークは屈折率の分散の程度によってその幅が広くなり、ピークの位置も不正確となり、膜厚の測定時に誤差を増加させる要因となっていたので、高精密度で膜厚を測定するためには屈折率の分散を考慮しなければならない。

本発明は上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、波長による屈折率の変化、つまり波長の関数で屈折率を反映させたスペクトルを高速フーリエ変換によって得られた干渉空間での反射光のピーク値の位置を通じて、速やかな分析速度を有するとともに高精密度を有する光ディスクの厚さ測定方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、基板上に反射光によって反射膜が一定の面積比で形成されているか、基板上に多層薄膜が形成された場合にもフーリエ変換時にピーク幅が広がることを防止すると共に、ピーク位置決定の正確性を維持して、高精密度で薄膜の厚さを測定することのできる改善された高速フーリエ変換を用いた膜厚測定方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、反射率スペクトルばかりでなく、透過率スペクトルなどのように厚い薄膜の干渉によって振動する他のスペクトルにも適用できる、精密に膜厚を測定できる方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る光ディスクレイヤーの干渉効果を用いた光ディスクの厚さを測定する方法は、光の波長の長さによる反射光の強度を波長別スペクトルデータとして検出する段階と、検出された波長別スペクトルデータを波長の関数として屈折率を反映させたスペクトル値に変換処理する段階と、変換処理された値を高速フーリエ変換を通じて光ディスクの厚さを表す間接空間の長さに変換処理し、反射光の強度がピーク値を有する位置をそれぞれスペーサーレイヤーおよびカバーレイヤーの厚さとして検出する段階とを含むことを特徴とする。

また、本発明に係る改善された高速フーリエ変換を用いた厚さ測定方法において、前記波長の関数に屈折率を反映させた値はｎ(λ)／２λであることが好ましい

以下、本発明に係る光ディスクの厚さ測定方法の好適な実施の形態について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図３は本発明に係る光ディスクの厚さ測定方法を示したフローチャートで、図４は本発明に係る光ディスクの厚さ測定のためのＨＤ−ＤＶＤ用光ディスクの側面構造図である。
また、図５ａは本発明に係る光波長の長さによる反射光の強度を測定して波長別スペクトルデータを示したグラフで、図５ｂは図５ａを用いて反射された光の強度を縦軸にし、波長の関数で屈折率を反映した値を横軸にして示したグラフで、図５ｃは図５ｂを用いて波長別スペクトルの高速フーリエ変換したグラフである。

図４は次世代光記録媒体として脚光を浴びているＨＤ−ＤＶＤ用光ディスクで、関心の対象となる膜は厚さが８０μｍ程度のカバーレイヤー(ＣＬ）３２ａと、その下にある１０余μｍの厚さを有するスペーサーレイヤー(ＳＬ)３２ｂである。
光ディスクの厚さ測定のために使用される測定装置は、図１で示したように、光源、光繊維、レンズ、薄膜を設けた基板、分光器、光測定素子配列、コンピュータを備えている。

このように構成された光ディスクの厚さ測定装置を用いて、測定試料として使用されたＨＤ−ＤＶＤ用光ディスクを、光波長の長さによる反射光の強度を測定して、波長別スペクトルデータとして検出する(Ｓ１０）。このように検出されたデータをグラフで表すと図５ａの通りである。

厚さ測定のための高速フーリエ変換をする前に、屈折率が波長によって異なるという点を考慮して、検出された波長別スペクトルデータを波長の関数として屈折率を反映したスペクトルデータに変換処理する(Ｓ２０）。そのとき、波長の関数として屈折率を反映したスペクトルデータを処理するための計算式は次の式３の通りである。
式３
２ｎ(λ)ｄ＝ｍλ
２ｎ(λ＋Δλ)ｄ＝(ｍ−１)(λ＋Δλ)
二番目の式を下記のように展開する、
２ｎ(λ)ｄ＋２Δｎλｄ＝ｍλ＋ｍΔλ−λ−Δλ
ここで、Δｎ＝ｎ(λ＋Δλ)−ｎ(λ)で、上記式を最初の式に代入して展開すると次の通りである。
ｍ＝(２Δｎｄ/Δλ)＋(λ＋Δλ/Δλ) ⇒ 最初の前提式に代入すると、
２ｎ(λ)ｄ＝(２λΔｎｄ/ Δλ)＋((λ＋Δλ)λ/Δλ)
２(ｎ(λ)−λΔｎ/Δλ)ｄ＝(λ＋Δλ)λ/Δλ
(２λ²/Δλ)((ｎ(λ)Δλ−λΔｎ)/λ²）ｄ＝(λ＋Δλ)λ/Δλ
２Δ(ｎ(λ)/λ)ｄ＝(λ＋Δλ)/λ＝１＋Δλ/λ≒１(Δλ/λ≪１)
ここで、一番最後の項は第一近似を適用して無視しても良い。

上記のような式によって求められた光の強度のΔ(ｎ(λ)/λ)に対する関数関係を用いて、前記装置で検出された光の強度の波長別スペクトルを光波長の関数として屈折率を反映させたスペクトルデータを求めることができる。反射された光の強度を縦軸とし、波長の関数によって屈折率を反映させた値ｎ(λ)/２λを横軸として示したグラフは図５ｂの通りである。

最後に、この段階で変換処理されたデータを高速フーリエ変換を通じて光ディスクの厚さを示す干渉空間の長さに変換処理すると、反射光の強度がピーク値を有する位置を検出するが、そのときに検出されたそれぞれのピーク値の位置がスペーサーレイヤー及びカバーレイヤーの厚さとなる(Ｓ３０)。

上記のようにフーリエ変換をした光の強度を縦軸とし、厚さを表す干渉空間を横軸として示したグラフが図５ｃの通りである。
図５ｃの横軸でｄ１の位置に現れるピーク値は、スペーサレイヤーに対する屈折率(ｎ１）を波長の関数ｎ１(λ)として高速フーリエ変換をした場合に現れる値で、このピーク値が現れる位置の値が光ディスクのスペーサーレイヤーの厚さを現す。そして、ｄ２の位置に現れるピーク値は、カバーレイヤーに対する屈折率(ｎ２)を波長の関数ｎ２(λ)として高速フーリエ変換をした場合に現れるもので、このピーク値が現れる位置の値が光ディスクのカバーレイヤーの厚さを表す。

このような方法によって、本発明に係る波長の関数として屈折率を反映させて、高速フーリエ変換を用いた光ディスクの厚さ測定を、膜厚を用いた実験値を通じて詳細に説明する。

図６は厚さが３０μｍの誘電薄膜の屈折率分散曲線を示したグラフである。
図６に示したように、高速フーリエ変換をする時、屈折率分散を反映させることでピーク幅が減り、ピークの大きさが大きくなることを厚さが３０μｍの誘電薄膜による反射率スペクトル分析を通じて先に確認できる。このとき、誘電薄膜は支持する基層がなく、空気中で薄膜単独で存在するものとした。

この現象は、屈折率の分散を反映させた場合と、そうでない場合とをフーリエ変換すると更に際立って現れる。図７ａと図７ｂを参照にして説明すると、図７ａは誘電薄膜の屈折率分散を考慮しない場合の、反射率スペクトルの高速フーリエ変換したグラフで、図７ｂは誘電薄膜の波長の関数として屈折率の分散を反映させて、反射率スペクトルの高速フーリエ変換したグラフである。

図７ａ、図７ｂに示したように、屈折率の分散を反映させた場合、フーリエ変換されたグラフのピークの幅が１．６１μｍから０．４４μｍに大幅に減少するばかりでなく、ピークの大きさも１．７倍程度増加する。このようなピークの大きさの増加と幅の減少は、屈折率の分散を反映させた場合、反射率スペクトルの振動間隔が均一となることから由来した当然の結果で、屈折率の分散を考慮したフーリエ変換の効果を明瞭に見ることができる。

屈折率の分散を考慮する場合に得られる他の大きな効果は、フーリエ変換をした後に求められる厚さの値にも現れる。図７ａは屈折率をｎ＝１．６に固定し、フーリエ変換をした後、横軸を厚さに換算して表したもので、誘電薄膜は、図６に示したように、波長によって異なる屈折率を有しているため、フーリエピークの位置を分ける屈折率値によって得られる厚さの値が変わる。

したがって、図７ａのピークから計算された厚さの値が３０．７１μｍで実際の厚さとは０．７１μｍの差があることは、使用された屈折率のｎ＝１．６が５００−９００ｎｍ領域にかけた反射率スペクトルの有効屈折率を適切に反映できないからであり、これは根本的に屈折率の分散を考慮しないことから由来する誤差と見れる。

しかし、屈折率の分散を考慮した高速フーリエ変換グラフを示した図７ｂでは、波長による屈折率の分散を正確に反映しているため、３０．０μｍの正確な厚さの値を算出することで、速やかな分析速度と高精密度で膜厚の測定を可能にする。

以上の実施の形態は本発明を説明するためのもので、本発明の範囲は上記の実施の形態に限定されず、添付の請求範囲に基づいて定義される本発明の範囲内で当業者によって変形又は修正可能である。
以上で説明したような本発明に係る光ディスクレイヤーの干渉効果を用いた光ディスクの厚さ測定方法は次のような効果が得られる。

第一に、屈折率の加重値を与えて薄膜の屈折率の分散を反映させた反射率スペクトルを高速フーリエ変換して得られた干渉空間での反射光のピーク値の位置によって光ディスクの厚さを測定するので、速やかな分析速度を維持しながら、高精密度でディスクの厚さを測定することができ、装置の信頼性を向上させると共に生産収率を高めることができる。

第二に、ディスクの種類と構造にかかわらず、基板上に反射膜が一定の面積比で形成された部分があるか、又は基板上に多層薄膜が形成された場合にも高精密度、かつ速い分析速度でディスクの厚さを測定できるばかりでなく、透過率スペクトルなど厚い薄膜の干渉によって振動する他のスペクトルにも適用できるので、速やかな分析速度と高精密度でディスク厚さの測定と分析を通じて実時間測定が可能となり、正確な分析を要する産業体の要求に最適に対応することができ、市場競争力を向上させることができる。

従来技術に係る膜厚測定装置の構成図である。 従来技術に係るコンピューターに提供された各波長での光量データスペクトルを示したグラフである。 図２ａを用いて反射率スペクトルの高速フーリエ変換したグラフである。 本発明に係る光ディスクの厚さ測定方法を示したフローチャートである。 本発明に係るＨＤ−ＤＶＤ用光ディスクの側面構造図である。 本発明に係る光波長の長さによる反射光の強度を測定して、波長別スペクトルデータを示したグラフである。 図５ａを用いて反射された光の強度を縦軸にし、波長の関数で屈折率を反映させた値を横軸にして示したグラフである。 図５ｂを用いて波長別スペクトルの高速フーリエ変換したグラフである。 ３０μｍの厚さを有した誘電薄膜の屈折率分散曲線を示したグラフである。 誘電薄膜の屈折率の分散の考慮の有無を通じて反射率スペクトルのピーク間の間隔をエネルギーに対して示した比較グラフである。 誘電薄膜の屈折率の分散の考慮の有無を通じて反射率スペクトルのピーク間の間隔をエネルギーに対して示した比較グラフである。

Claims (23)

1. 光ディスク・レイヤーの干渉効果を用いることによりスペーサー・レイヤー及びカバー・レイヤーを含む光ディスクの１つ又は複数のレイヤーの厚さを測定するシステムであって、装置は、
   光ディスクの表面から反射された光を分離し成分周波数に分ける分光器と、
   それぞれデータの第１のスペクトルとして前記成分周波数の強度を測定する光強度測定ユニットと、
   少なくとも、
   前記第１のスペクトル・データを、変化を波長及び屈折率の関数として示す値の第２のスペクトルに変換することと、
   高速フーリエ変換を用いて前記第２のスペクトルを変換することと、
   前記スペーサー・レイヤー及び前記カバー・レイヤーのうちの１つ又は複数の厚さを検出することとを、
   それぞれ、前記変換されたスペクトルに基づいて行うプロセッサとを備えるシステム。
2. 前記プロセッサは、さらに、ｎを屈折率、λを波長として、前記第２のスペクトルをｎ（λ）／２λの関数として決定するように動作可能である請求項１に記載のシステム。
3. 前記スペーサー・レイヤーは、屈折率ｎ₁を有し、前記カバー・レイヤーは、前記屈折率ｎ₁と異なる屈折率ｎ₂を有する請求項１に記載のシステム。
4. 前記プロセッサは、さらに、位置ｄ₁及びｄ₂における前記変換されたスペクトルの強度のピーク値を、ｄ₁及びｄ₂をそれぞれのレイヤーの厚さであるものとして示すものとして取り扱うように動作可能である請求項３に記載のシステム。
5. 前記プロセッサは、さらに、式
   ２ｎ（λ）ｄ＝ｍλ
   ２ｎ（λ＋Δλ）ｄ＝（ｍ−１）（λ＋Δλ）
   を用いて前記第１のスペクトル・データを第２のスペクトルに変換するように動作可能であり、
   ただし、式中、ｄは厚さであり、ｎは前記光ディスク・レイヤーの屈折率であり、λは波長であり、ｍは整数値である請求項１に記載のシステム。
6. 前記変換されたスペクトルは、強度を干渉空間の長さ（ｄ）の関数として表し、前記長さｄは、所定のレイヤーの厚さをさらに表す請求項１に記載のシステム。
7. 前記第２のスペクトルは、屈折率である第１の係数と波長である別の第２の係数の関数として変化する請求項１に記載のシステム。
8. 前記第２のスペクトルは、式
   ｎ／ｂλ
   の関数として変化し、
   ただし、式中、λは波長であって、前記第２の係数であり、ｎは屈折率であって、前記第１の係数であり、それ自体λの関数であり、ｂは整数である請求項７に記載のシステム。
9. 前記屈折率は、波長に依存する請求項１に記載のシステム。
10. 干渉効果を用いることにより光ディスクの１つ又は複数のレイヤーの厚さを測定する装置であって、
    複数の波長に応じて反射光の複数の強度を測定し、前記複数の強度を波長の関数として変化する第１の一組の強度として供給する手段と、
    前記第１の一組の強度を、屈折率と前記波長の関数として変化する第２の一組の強度に変換する手段と、
    高速フーリエ変換を前記第２の一組の強度に適用する手段と、
    前記変換された一組の強度に基づいて前記光ディスクの１つ又は複数のレイヤーの厚さを決定する手段とを備える装置。
11. 前記第２の一組の強度は、屈折率である第１の係数と波長である別の第２の係数の関数として変化する請求項１０に記載の装置。
12. 前記第２の一組の強度は、式
    ｎ／ｂλ
    の関数として変化し、
    ただし、式中、λは波長であって、前記第２の係数であり、
    ｎは屈折率であって、前記第１の係数であり、それ自体λの関数であり、ｂは整数である請求項１１に記載の装置。
13. 前記屈折率は、波長に依存する請求項１０に記載の装置。
14. 光ディスク・レイヤーの干渉効果を用いることによりスペーサー・レイヤー及びカバー・レイヤーを含む光ディスクの１つ又は複数のレイヤーの厚さを決定するデバイスであって、
    複数の命令からなるプログラムを実行するように動作可能なプロセッサと、
    前記プロセッサにより実行される機械実行可能命令を格納する、前記プロセッサに動作可能なように接続されている、機械可読媒体とを備え、前記命令は、
    強度の変化を波長及び屈折率の関数として示す、光ディスクの表面から反射された光を表す、値のスペクトルを受け取ることと、
    高速フーリエ変換を用いて前記スペクトルを変換することと、
    前記スペーサー・レイヤー及び前記カバー・レイヤーのうちの１つ又は複数の厚さを、それぞれ、前記変換されたスペクトルに基づいて、検出することとを含むデバイス。
15. 前記プロセッサは、さらに、ｎを屈折率、λを波長として、前記スペクトルをｎ（λ）／２λの関数として他のスペクトルに変換するように動作可能である請求項１４に記載のデバイス。
16. 前記スペーサー・レイヤーは、屈折率ｎ₁を有し、前記カバー・レイヤーは、前記屈折率ｎ₁と異なる屈折率ｎ₂を有する請求項１４に記載のデバイス。
17. 前記命令は、さらに、位置ｄ₁及びｄ₂における前記変換されたスペクトルの強度のピーク値を、ｄ₁及びｄ₂をそれぞれのレイヤーの厚さであるものとして示すものとして取り扱うことを含む請求項１６に記載のデバイス。
18. 前記変換する命令は、式
    ２ｎ（λ）ｄ＝ｍλ
    ２ｎ（λ＋Δλ）ｄ＝（ｍ−１）（λ＋Δλ）
    を使用することを含み、
    ただし、式中、ｄは厚さであり、ｎは光ディスク・レイヤーの屈折率であり、λは波長であり、ｍは整数値である請求項１４に記載のデバイス。
19. 前記変換されたスペクトルは、強度を干渉空間の長さ（ｄ）の関数として表し、前記長さｄは、所定のレイヤーの厚さを表す請求項１４に記載のデバイス。
20. 前記他のスペクトルは、屈折率である第１の係数と波長である別の第２の係数の関数として変化する請求項１５に記載のデバイス。
21. 前記プロセッサは、さらに、前記スペクトルを、式
    ｎ（λ）／ｂλ
    の関数として変化する他のスペクトルに変換するように動作可能であり、
    ただし、式中、λは波長であり、ｎは屈折率であって、それ自体λの関数であり、ｂは整数である請求項２０に記載のデバイス。
22. 前記屈折率は、波長に依存する請求項１４に記載のデバイス。
23. 機械可読命令を格納する機械可読媒体であって、前記命令が機械により実行されると、光ディスク・レイヤーの干渉効果を用いることによりスペーサー・レイヤー及びカバー・レイヤーを含む光ディスクの１つ又は複数のレイヤーの厚さが決定される機械可読媒体であって、前記機械可読命令は、
    強度の変化を波長及び屈折率の関数として示す、光ディスクの表面から反射された光を表す、値のスペクトルを受け取ることと、
    高速フーリエ変換を用いて前記スペクトルを変換することと、
    前記スペーサー・レイヤー及び前記カバー・レイヤーのうちの１つ又は複数の厚さを、それぞれ、前記変換されたスペクトルに基づいて、検出することとを含む機械可読媒体。

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