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【入門】分光法による膜厚解析

3.光の干渉効果による膜厚解析

光の干渉効果を利用した膜厚計の最も一般的なものが、ピークバレー法(PV法)です。原理は簡単で、膜の表面で反射した光と裏面で反射した光が互いに干渉を起こし、光の位相が一致すると強度が強まり、ずれると弱まるという性質を利用しています。そのため、波長の変化に伴い反射強度が変化する干渉パターンがスペクトル上で観測されます。具体的には、このパターンのピーク、バレー波長から膜厚を求めるのがPV法です。

ピークバレー法(PV法)の原理
 

光は膜層を2回通過して合成されるため、n=屈折率、d=厚さとすると、光路差が2ndだけ生じます。屈折率が必要となる理由なのですが、膜層中では光の伝達速度がn倍遅くなるためです。最終的には、反射光の位相がどのように変化したかと言うことが重要なポイントになります。すなわち、屈折率が大きい媒体での反射では位相は変化しないので、波長の整数倍が光路差2ndとなる波長がピークとなります。反対に低い媒体での反射では180度のズレが生じます。つまり空気/膜/空気の組み合わせでは裏面において、位相が180度ずれることにより、波長の整数倍 光路差2ndがバレーとなります。この関係から屈折率が既知であれば厚さが求められます。さらに光路差2ndの整数倍の波長がピークであるかバレーであるかによって、屈折率の大小も判定できるのです。

また、ピーク、バレー以外の波長においても、各波長における反射強度と理論値をカーブ・フィッティングさせることにより、膜厚値と同時に屈折率も求めることができます。

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