NST-POL - измерители толщин тонких пленок

Принцип работы толщиномера основан на применении метода быстрого Фурье-преобразования. Он заключается в анализе интерференционной картины, возникающей при отражении широкополосного светового излучения от структуры с прозрачными или полупрозрачными слоями. Измерения проводятся в два этапа: сначала регистрируется сигнал от калибровочного образца (подложки с известным коэффициентом отражения), затем — от исследуемого образца. После вычисляется абсолютный коэффициент отражения R(λ) в зависимости от длины волны.

При отражении света от многослойной структуры в спектре коэффициента отражения возникают интерференционные осцилляции (пики и провалы), период которых обратно пропорционален оптической толщине слоев. Для толстых пленок, когда в рабочем диапазоне длин волн укладывается множество интерференционных периодов, применяется алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Физика процесса и математическая обработка реализуются в следующей последовательности:

1. Регистрация интерференционных осцилляций

При освещении двухслойной пленки широкополосным (белым) светом, на каждой границе раздела сред (подложка/слой 1, слой 1/слой 2, слой 2/воздух) возникает отражение. Из-за разности оптических путей эти отраженные лучи интерферируют друг с другом. В результате на регистрируемом спектре коэффициента отражения (в зависимости от длины волны) возникают характерные периодические осцилляции — интерференционные полосы. Частота этих осцилляций напрямую пропорциональна оптической толщине проходимых слоев.

2. Переход в область толщин (FFT-анализ)

Алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ / FFT) выполняет математическую свертку полученного спектра. Он переводит сигнал из спектральной области (где по оси X отложены длины волн, нм) в область пространственных частот (где по оси X отложены оптические толщины, мкм). В этой новой координатной системе периодические интерференционные осцилляции трансформируются в четко выраженные частотные пики.

3. Декодирование многослойной структуры
Для двухслойной пленки на Фурье-спектрограмме (в домене толщин) автоматически формируется характерная картина из трех пиков:

Пик 1: Соответствует оптической толщине нижнего Слоя 1 (например, 3 мкм).
Пик 2: Соответствует оптической толщине верхнего Слоя 2 (например, 10 мкм).
Пик 3: Соответствует суммарной оптической толщине всей структуры — Слой 1 + Слой 2 (около 13 мкм). Этот пик возникает за счет интерференции лучей, отразившихся от нижней границы первого слоя и верхней границы второго слоя.

Ключевая особенность FFT-метода заключается в математическом разделении слоев. Алгоритм аппаратно-независимо извлекает информацию о каждом слое без необходимости физического препарирования (скалывания, шлифовки) образца или применения разрушающих методов анализа. Это обеспечивает высокую скорость измерения, что делает технологию идеальным инструментом для автоматизированного неразрушающего контроля (NDT) и входного/операционного контроля качества покрытий в промышленных масштабах.