CN101153965B - 光学各向异性参数测定装置 - Google Patents

Abstract

提出了即使是各向异性小的测定对象物，也不受样品台或样品的微细图案引起的散射光的影响，采用和SMP法同样的手法，能够高精度且简单地测定光学各向异性参数的差动SMP法。相对于测定对象物(2)的测定面，将P偏振光和S偏振光中的任一个的方向作为基准方向；将入射光和测定光中的一个作为在基准方向上振动的直线偏振光；将入射光和测定光中的另一个作为在相对于基准方向±δ(δ≠nπ/2、n是整数)的方向上振动的一对直线偏振光；测定对应于该一对直线偏振光的两种测定光的光强度；基于表示获得的两个光强度数据的差分的差分数据来测定光学各向异性参数。

Description

光学各向异性参数测定装置

技术领域

本发明涉及一种利用偏振光来测定测定对象物的光学轴的方向、倾斜角、各向异性的大小等光学各向异性参数的光学各向异性参数测定方法及测定装置，特别适用于液晶定向膜的检查等中。

背景技术

液晶显示器具有在表面层叠了透明电极及定向膜的里侧玻璃基板与在表面层叠形成了彩色滤光片、透明电极及定向膜的表侧玻璃基板，经由隔离物使定向膜之间相对且对准，在该定向膜的间隙中封入液晶的状态下密封的同时，在该表里两侧上层叠了偏振滤光片的构造。

在此，为了使液晶显示器正常地工作，必须将液晶分子均匀地按同一方向进行排列，由定向膜决定液晶分子的方向性。

该定向膜能够使液晶分子定向排列，是因为具备单轴性光学各向异性，如果定向膜在其整个面上都具备均匀的单轴性光学各向异性，则在液晶显示器上就不易形成缺陷，如果存在光学各向异性不均匀的部分，则液晶分子的方向会打乱，因此液晶显示器成为次品。

也就是说，定向膜的品质会直接影响到液晶显示器的品质，如果定向膜有缺陷就会打乱液晶分子的方向性，因此也会在液晶显示器上形成缺陷。

所以，在组装液晶显示器时，如果预先检查定向膜有无缺陷，只使用品质稳定的定向膜，则液晶显示器的成品率就会提高，生产效率也会提高。

因此，以往的技术提出了通过使用椭圆偏振仪(ellipsometer)等，通过对定向膜测定成为各向异性参数的光学轴的方向、倾斜角(极角)、膜厚等，评价该定向膜的光学各向异性来检查有无缺陷的方法。

然而，利用椭圆偏振仪的测定虽然精度高，但需花费时间和劳力，不能在生产线上简单地检查出来。

因此，本申请人提出了不使用椭圆偏振仪，基于照射偏振光时的反射光强度的变化，根据SMP法，能够简单地测定定向方位、倾斜角等的技术。

专利文献1：特开2006-226995号公报

通过这样，基于包含在反射光中的特定方向的偏振光分量的极大值及极小值得出的方向，就能够检测出定向方位或倾斜角等。

然而，根据此后的实验，在使用该装置进行测定的情况下，虽然可达到测定的高速化，但由于受到样品台或样品的微细图案引起的散射光的影响，特别是在各向异性小的测定对象物中进行高精度的测定很困难。

发明内容

因此本发明提出了在利用偏振光测定膜厚、折射率及折射率各向异性等的光学参数时，即使是各向异性小的测定对象物，也不受由样品台或样品的微细图案引起的散射光的影响，采用与SMP法同样的手法，能够高精度且简单地测定光学各向异性参数的差动SMP法，并以此为技术课题。

为解决该课题，本发明是一种光学各向异性参数测定方法，将直线偏振光作为对各向异性测定对象物的入射光而从多个方位照射，在其反射光中所包含的直线偏振光分量中，将特定方向的直线偏振光作为测定光来测定其光强度，由此测定光学轴的方向、倾斜角、各向异性的大小等光学各向异性参数，

该光学各向异性参数测定方法的特征在于：

相对于上述测定对象物的测定面，将P偏振光和S偏振光中的任一个的方向作为基准方向；

将上述入射光和测定光中的一个作为在上述基准方向上振动的直线偏振光；

将上述入射光和测定光中的另一个作为在相对于上述基准方向±δ(δ≠nπ/2、n是整数)的方向上振动的一对直线偏振光；

测定对应于上述一对直线偏振光的两种测定光的光强度；

基于表示获得的两个光强度数据的差分的差分数据来测定光学各向异性参数。

根据本发明，例如，在将P偏振光的方向作为基准方向时，将在相对于基准方向+δ(δ≠nπ/2、n是整数)的方向上振动的直线偏振光(+δ偏振光)从多个方位入射到测定对象物，测定该反射光的S偏振光的光强度M_+δ。

然后，将在相对于基准方向-δ的方向上振动的直线偏振光(-δ偏振光)从多个方位入射到测定对象物，测定该反射光的S偏振光的光强度M_-δ。

认为在所测定的反射光强度M_+δ以及M_-δ中包含噪声N，该噪声N与偏振方向无关是一定的，因此除去噪声的反射光强度R_+δ及R_-δ用下式表示。

R_+δ＝M_+δ-N..................(1)

R_-δ＝M_-δ-N..................(2)

因此，取测定的反射光强度M_+δ与M_-δ的差分的话，如下式所示，就可以消除噪声分量(差动SMP法)。

D＝M_+δ-M_-δ＝(R_+δ+N)-(R_-δ+N)＝R_+δ-R_-δ

另外，在只取差的情况下，根据入射光的方位也能够成为负值。根据实验，D＝0的部分成为根据SMP法测定的情况下的极小值，D的极值取根据SMP法测定时的极大值。

因此，如果将D平方，将其作为差分数据使用，则差分数据全部取正值，其波形也与根据SMP法测定的波形对应，基于该结果能够测定各向异性参数。

附图说明

图1是表示本发明的光学各向异性参数测定装置的一例的说明图。

图2是表示各测定点与CCD照相机的像素的关系的说明图。

图3是表示含有噪声的反射光强度M_+δ及M_-δ的测定结果的曲线图。

图4是表示除去噪声的反射光强度R_+δ及R_-δ的差D的计算结果的曲线图。

图5是表示差分数据D²的计算结果的曲线图。

(符号说明)

1    光学各向异性参数测定装置

2    样品台

3    样品(各向异性测定对象物)

4    照射光学系统

5    测定光学系统

6    运算处理装置

21   激光器

23   偏振器

24   检偏器

26   二维CCD照相机

具体实施方式

本发明的光学各向异性参数测定方法，为达到即使是各向异性小的测定对象物也不受噪声的影响而能够高精度地测定这一目的，相对于测定对象物的测定面，将P偏振光和S偏振光中的任何一个的方向作为基准方向时，将入射光和测定光中的一个作为在基准方向上振动的直线偏振光，将上述入射光和测定光的另一个作为在相对于基准方向±δ(δ≠nπ/2、n是整数)的方向上振动的一对直线偏振光，测定对应于一对直线偏振光的两种测定光的光强度，基于表示获得的两个光强度数据的差分的差分数据来测定光学各向异性参数。

图1是表示在本发明方法中使用的光学各向异性参数测定装置的说明图，图2是表示各测定点与CCD照相机的像素的关系的说明图，图3是表示含有噪声的反射光强度M_+δ及M_-δ的测定结果的曲线图，图4是表示除去噪声的反射光强度R_+δ及R_-δ的差D的计算结果的曲线图，图5是表示差分数据D²的计算结果的曲线图。

实施例1

图1所示的光学各向异性参数测定装置1具备：对于放置在样品台2上的样品(各向异性测定对象物)3将直线偏振光作为入射光照射的照射光学系统4；将该反射光中所包含的直线偏振光分量中特定方向的直线偏振光作为测定光来测定其光强度的测定光学系统5；基于该测定结果计算光学各向异性参数的运算处理装置6，将各光学系统4及5设置为将在样品台2上立起的垂直线作为旋转轴而对于样品台2能够相对地旋转。

本例中，照射光学系统4及测定光学系统5安装在利用电动机11旋转的旋转台7上，配置为使各光学系统4及5的照射光轴L_IR及测定光轴L_RF相对于其旋转轴7x等角交叉。

旋转台7配置为使其旋转轴7x与在样品台2上立起的垂直线一致，具备调整旋转轴7x的倾斜的倾斜调整机构(あおり調整機構)12、使各光学系统4及5的光轴的交点的高度与样品3一致的Z台(高度调整机构)13、使各光学系统4及5的各个光轴的交点位置与任意的测定点M一致的XY台(XY移动机构)14。

此外，在旋转台7的中心，配置有与旋转轴7x同轴地配置了光轴的倾斜检测用摄像装置15。

在该摄像装置15中，内置朝向样品台2同轴照射激光的光源装置(未图示)，使其能够拍摄到在样品3中反射的激光。

通过这样，在旋转台7的旋转轴7x不倾斜的情况下，即使使旋转台7旋转，反射光的受光点也不会移动，因此可判断为无倾斜。此外，旋转台7的旋转轴7x倾斜的情况下，在使旋转台7旋转时产生倾斜，反射光的受光点不恒定且描绘闭曲线的轨迹，因此可以通过该轨迹可检测出倾斜量。

照射光学系统4沿照射到样品2的照射光轴L_IR具备：波长632.8nm，光强度25mW的He-Ne激光器21；使该激光扩大直径或者加宽为规定的点状并平行化的准直透镜22；使该平行光束偏振化而照射直线偏振光的偏振器23。

偏振器23在对于样品2的测定面将P偏振光的方向作为基准方向时，由可调整地配置于输出在相对于该基准方向±δ(δ≠nπ/2、n是整数)的方向上振动的一对直线偏振光的两个方向上的格兰汤普森棱镜(Glan-Thompson prism，消光比10^-6)构成，通过调整偏振器23的方向可以输出一对直线偏振光。

测定光学系统5配置为使其测定光轴L_RF与从上述激光器21照射而在样品2中反射的反射光的光轴一致，沿该光轴L_RF，配备了检偏器24、波长选择滤光片25、二维CCD照相机26。

通过这样，就可以同时测定来自包含在样品3上的测定区域A中的多个测定点Mij的反射光强度。

CCD照相机26同时测定多个测定点中的反射光强度。

图2(a)表示旋转前的测定区域A内的测定点Mij(i，j＝1～10)。

图2(b)表示使光学系统4及5旋转规定角度时的图象，如果将各测定点Mij用极坐标Mij＝(r_n，α_m)来表示的话，旋转台12旋转角度γ大小时的Mij的位置用Mij＝(r_n，α_m+γ)来表示。

因此，在与Mij＝(r_n，α_m+γ)对应的CCD照相机26的像素区域中测定反射光强度即可。

因此，将偏振器23定位于+δ侧，将直线偏振光照射在样品3的状态下，只旋转旋转台12一次，就可以对于测定区域内的各测定点同时测定与入射方位对应的反射光强度R_+δ，然后，将偏振器23定位于-δ侧，只将旋转台12再次旋转一次，就可以对于测定区域内的各测定点同时测定与入射方位对应的反射光强度R_-δ。

并且，将这样测定的反射光强度数据M_+δ、M_-δ输入到运算装置27中。

在所测定的反射光强度M_+δ以及M_-δ中包含噪声N，由于认为该噪声N与偏振方向无关是一定的，因此除去噪声的反射光强度R_+δ以及R_-δ用下式表示。

R_+δ＝M_+δ-N..................(1)

R_-δ＝M_-δ-N..................(2)

因此，如果取测定的反射光强度M_+δ与M_-δ的差D的话，如下式所示，就可以消除噪声分量(差动SMP法)。

D＝M_+δ-M_-δ＝(R_+δ+N)-(R_-δ+N)＝R_+δ-R_-δ

另外，在只取差的情况下，D的值根据入射光的方位成为负值。根据实验，D＝0的部分为根据SMP法测定的情况下的极小值，D的极值取根据SMP法测定时的极大值。

因此，如果将D平方，将其作为差分数据使用，则差分数据全部取正值，其波形也与根据SMP法测定的波形对应。

D²＝(R_+δ-R_-δ)²

以上是本发明的光学各向异性参数测定装置的一个构成例，下面，说明使用本装置的光学各向异性参数测定方法。

将成为光学各向异性测定对象物的样品3设置在样品台2上，在进行倾斜调整之后，为了使反射光强度成为最大，利用Z台13调整高度。

在该状态下，将偏振器23设置在+δ(在本例中是+0.2°)的位置上，从照射光学系统4照射相对于P偏振光在+δ的方向上振动的直线偏振光时，在测定光学系统5中，与此对应的S偏振光作为测定光入射到CCD照相机26中，测定出其反射光强度M_+δ。

图3(a)是表示测定区域A内的一个测定点中的反射光强度M_+δ的测定结果例的曲线图。

然后，将偏振器23设置在-δ(在本例中是-0.2°)的位置上，从照射光学系统4照射相对于P偏振光在-δ的方向上振动的直线偏振光时，在测定光学系统5中，与此对应的S偏振光作为测定光入射到CCD照相机26中，测定出其反射光强度M_-δ。

图3(b)是表示测定区域A内的一个测定点中反射光强度M_-δ的测定结果的例的曲线图。

认为在所测定的反射光强度M_+δ以及M_-δ中包含噪声N，该噪声N与偏振方向无关是一定的，因此将获得的数据输入到运算处理装置6，计算D＝M_+δ-M_-δ时，就能计算出除去噪声的反射光强度R_+δ及R_-δ的差(差动SMP法)。

D＝M_+δ-M_-δ＝(R_+δ+N)-(R_-δ+N)＝R_+δ-R_-δ

图4是表示该数据D的曲线图。

这里，只取差的数据D，根据入射光的方位也取负值。根据实验，D＝0的部分成为根据SMP法测定的情况下的极小值，D的极值对应于根据SMP法测定时的极大值。

因此，如果将D平方，将其作为差分数据使用，则差分数据全部取正值，其波形也与根据SMP法测定的波形对应。

图5是表示差分数据D²的曲线图。

根据SMP法，对于具有光学各向异性的样品3，使入射方向在0～360°变化时检测出的反射光强度变化，存在两个最大峰值Λ₁及Λ₂、两个中间峰值Λ₃及Λ₄，各峰值Λ₁～Λ₄间存在成为光强度为0的极小点V₁～V₄的角度(参照图5)。

两个最大峰值Λ₁及Λ₂之间的极小点V₁与两个中间峰值Λ₃及Λ₄之间的极小点V₃表示样品2上的测定点的光学轴方向，其差为180°。

因此，即使在差动SMP法中也同样，光学轴的方向可以由两个最大峰值Λ₁及Λ₂之间的极小点V₁与两个中间峰值Λ₃及Λ₄之间的极小点V₃来决定。

另外，基于夹在反射光强度的最大峰值Λ₁和与之邻接的中间峰值Λ₄之间的极小点V₄的方向、夹在反射光强度的最大峰值Λ₂和与之邻接的中间峰值Λ₃之间的极小点V₃的方向，根据已知的计算式能够计算该测定点中光学轴的倾斜角θ。

并且，各向异性的大小是表示一个测定点中定向分布的均匀性的值，可以说定向方向越是一致各向异性就越大，各向异性越大图5中所示的曲线的最大峰值的高度就越高。

因此，能够基于最大峰值的高度测定各向异性的大小。

本例中，由于使用CCD照相机26测定反射光强度，因此能够同时测定样品3上的多数测定点中的光学轴的方向、倾斜角、各向异性的大小，也能够迅速测定其分布状态。

另外，在上述说明中，说明了利用二维CCD照相机26来接收照射在样品3上的平行光束的反射光，由此同时测定多个点的反射光强度的情况，而在仅测定一个测定点的情况下，也能够使用光电倍增管等。

此外，关于测定中所使用的光，该光不仅可以使用可见光，还可以使用紫外光～太赫光的任意波长的光，此外，偏振器、检偏器、检测器只要使用适合所使用的光的波长即可。

基准方向不限于P偏振光的方向，S偏振光的方向也同样。

此外，说明了可将偏振器23调整为±δ，使检偏器24固定化来测定的情况，而也可以是使偏振器23固定化，可将检偏器24调整为±δ的情况。

也就是说，不限于将P±δ(S±δ)方向的直线偏振光作为入射光且将S偏振光作为测定光的情况，也可以是将P±δ(S±δ)方向的直线偏振光作为入射光且将P偏振光作为测定光的情况、将S偏振光作为入射光且将P±δ(S±δ)方向的直线偏振光作为测定光的情况、将P偏振光作为入射光且将P±δ(S±δ)方向的直线偏振光作为测定光的情况中的任一种情况。

作为偏振器23及检偏器24，不限于格兰汤普森棱镜这样的透射型的偏振元件，也可以使用反射型的偏振元件。

例如，由于以布儒斯特角将光入射在平面反射板上时仅输出S偏振光，因此通过在光轴方向上旋转该光学系统，能够对于样品3输出P偏振光、S偏振光、P±δ(S±δ)方向的直线偏振光等任意的偏振光，所以可将其作为偏振器使用，同样，也可作为检偏器使用。

此外，因为以共振角将光入射到在反射面上形成了金属薄膜的棱镜上时，只输出S偏振光，所以与平面反射板同样，可作为偏振器及检偏器使用。

说明了为了从多个方位测定而使设置了照射光学系统4及测定光学系统5的旋转台7旋转的情况，但也可以是将它们固定，使样品台2旋转的情况。

此外，也可以预先按照规定角度间隔来配置从多个方位照射的多个测定光学系统和测定其反射光强度的多个测定光学系统。

本发明可适用于具有光学各向异性的产品，特别是适用于液晶定向膜的品质检查等。

Claims (7)

1.一种光学各向异性参数测定方法，将直线偏振光作为入射光从多个方位照射各向异性测定对象物，在其反射光中所包含的直线偏振光分量中，将特定方向的直线偏振光作为测定光来测定其光强度，由此测定光学各向异性参数，

该光学各向异性参数测定方法的特征在于：

相对于上述测定对象物的测定面，将P偏振光和S偏振光中的任一个的方向作为基准方向；

将上述入射光和测定光中的一个作为在上述基准方向上振动的直线偏振光；

将上述入射光和测定光中的另一个作为在相对于上述基准方向±δ的方向上振动的一对直线偏振光，其中，δ≠nπ/2且n是整数；

测定对应于上述一对直线偏振光的两种测定光的光强度；

基于表示获得的两个光强度数据的差分的差分数据来测定光学各向异性参数。

2.根据权利要求1所述的光学各向异性参数测定方法，其特征在于：

基于上述差分数据的极值来测定各向异性测定对象物的定向方位及倾斜角。

3.根据权利要求1所述的光学各向异性参数测定方法，其特征在于：

基于上述差分数据变化的大小来决定各向异性的大小。

4.根据权利要求1所述的光学各向异性参数测定方法，其特征在于：

所述光学各向异性参数是光学轴的方向、倾斜角、各向异性的大小。

5.一种光学各向异性参数测定装置，具备：将利用偏振器偏振的直线偏振光作为入射光从多个方位照射到各向异性测定对象物上的照射光学系统；在其反射光中所包含的直线偏振光分量中，将利用检偏器抽取的特定方向的直线偏振光作为测定光来测定其光强度的测定光学系统；基于该光强度来测定光学各向异性参数的运算装置，

该光学各向异性参数测定装置的特征在于：

相对于上述测定对象物的测定面，将P偏振光和S偏振光中的任一个的方向作为基准方向时，将上述偏振器及检偏器中的一个配置为输出在基准方向上振动的直线偏振光的朝向，将上述偏振器及检偏器中的另一个配置为在两个方向上可调整，所述两个方向是输出在相对于基准方向±δ的方向上振动的一对直线偏振光的两个方向，其中，δ≠nπ/2且n是整数，

上述运算装置基于表示与上述一对直线偏振光对应的两种测定光的光强度数据的差分的差分数据，测定光学各向异性参数。

6.根据权利要求5所述的光学各向异性参数测定装置，其特征在于：

上述照射光学系统具备照射与测定对象物的测定区域的形状对应的点状平行光束的光源装置，测定光学系统具备检测从上述测定区域反射的平行光束的测定光的光强度的一维或二维光传感器。

7.根据权利要求5所述的光学各向异性参数测定装置，其特征在于：

所述光学各向异性参数是光学轴的方向、倾斜角、各向异性的大小。

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