CN101545854A - 双折射测定装置以及双折射测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双折射测定装置以及方法，其对具有细微构造的薄膜的细微区域的双折射特性高精度地进行面测定。来自光源(11)的光经由准直器(15)、第一线偏振片(16)、第一λ/4波长板(17)、彩色滤光片(100)、第二λ/4波长板(21)、第二线偏振片(22)及远心透镜(23)，而由CCD照相机(24)进行受光。反复进行第一λ/4波长板的规定角度的旋转和CCD照相机的拍摄，直至第一λ/4波长板旋转1周为止。对于CCD照相机拍摄到的图像，针对与彩色滤光片的各个区域分别对应的CCD的各个规定像素，得到与第一λ/4波长板的旋转同步的亮度变化数据。根据该亮度变化数据，计算各个区域内的双折射特性。

Description

双折射测定装置以及双折射测定方法

技术领域

本发明涉及一种双折射测定装置以及双折射测定方法，特别涉及一种对如FPD彩色滤光片这样具有细微构造的薄膜的细微区域的双折射特性进行面测定的双折射测定装置以及双折射测定方法。

背景技术

已知作为对试样的细微区域的延迟量进行测定的装置具有偏振光显微镜。在专利文献1中记载了一种偏振光显微镜，其即使在使用高倍率的物镜的情况下，也可以得到高消光比。图8(a)中示出专利文献1中记载的偏振光显微镜的成像光学系统的概略光路图。31是被测定试样，32是成像透镜，33是成像面。专利文献1中的偏振光显微镜，通过形成如该图所示的结构而对被测定试样31准确地成像，由此可以对试样的细微区域进行放大观察，另外，可以利用未图示的线偏振片的效果而将延迟量作为对比度进行观察。

另外，在专利文献2中记载了二维地定量测定光学元件的双折射的测定方法。图8(b)示出专利文献2的图7中记载的缩小光学系统的概略光路图。34是缩小聚光透镜。如该图所示，由于没有成像透镜系统，所以并不在成像面上成像，以通过试样后的光是平行光作为前提。使用专利文献2中记载的光学系统的结构，可以提高延迟量的测定精度，可以进行延迟量的面测定。

专利文献1：特开2001—356276号公报

专利文献2：特开平7—77490号公报

发明内容

但是，在专利文献1所记载的偏振光显微镜中，用于成像的光为大范围的扩散光，由于被测定试样相对于成像透镜32的位置不同而导致进行增补的光的方位不同，所以对于延迟量的测定精度存在精度较低的问题。另外，如专利文献1中的结构所示，在双折射测定系统中配置有成像透镜32的情况下，由于成像透镜自身的双折射特性对试样的双折射测定产生干扰，所以存在无法进行准确的双折射测定这样的缺点。

另外，在专利文献2所记载的光学系统的结构中，如上述所示，以透过被测定试样31的光是平行光作为前提，但在实际中，由于在被测定试样31的内部发生光的扩散，所以有可能无法成为平行光。因此，如图8(c)所示，到达配置在成像面33上的面受光元件的各像素的光，无法与透过被测定试样31的细微构造的光一一对应，其结果，从被测定试样31的较大范围上透过的光重合在面受光元件的一个像素上。这样，在专利文献2的图7所示的光学系统的结构中，存在无法高精度地对细微区域的延迟量进行测定的问题。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供一种双折射测定装置以及双折射测定方法，其对FPD彩色滤光片等具有细微构造的薄膜的细微区域的双折射特性高精度地进行面测定。

为了达到上述目的，技术方案1中记载的双折射测定装置的特征在于，具有：使光照射在被测定试样上的单元；成像单元，其从透过所述被测定试样的透射光中提取平行光成分，使用该平行光成分进行成像；利用面受光元件将所述成像后的透射光变换为图像数据的单元；基于所述图像数据而对所述被测定试样的各个规定区域的双折射特性进行计算的单元；以及基于各个所述规定区域的双折射特性而计算所述被测定试样的双折射分布的单元。

由此，可以对细微区域的双折射特性高精度地进行面测定。

技术方案2所示的特征在于，在技术方案1所记载的双折射测定装置中，所述成像单元是远心透镜，所述远心透镜的数值孔径小于或等于0.045。

由此，可以确保透镜的分辨率，同时确保双折射测定的精度。

技术方案3所示的特征在于，在技术方案1或2所记载的双折射测定装置中，在所述成像单元的紧上游配置固定于规定方位上的偏振元件。

由此，可以消除透镜的延迟量和二色性的影响。

技术方案4所示的特征在于，在技术方案1至3中任一项所记载的双折射测定装置中，所述双折射测定装置的相位差检测方式是旋转相位元件法、旋转偏振元件法、以及双重旋转相位元件法中的某一种。

由此，可以在透镜的前段配置固定于规定方位上的偏振元件而进行测定。

技术方案5所示的特征在于，在技术方案1至4中任一项所记载的双折射测定装置中，所述被测定试样是彩色滤光片，其上以周期性的图案排列着色为3原色R、G、B中任意一种颜色的区域，所述规定区域是着色为所述3原色R、G、B中任意一种颜色的区域。

由此，可以对FPD彩色滤光片的细微区域的双折射特性进行面测定。

为了达到上述目的，技术方案6中记载的双折射测定方法的特征在于，具有：使光照射在被测定试样上的工序；从透过所述被测定试样的透射光中提取平行光成分，使用该平行光成分进行成像的工序；利用面受光元件将所述成像后的透射光变换为图像数据的工序；基于所述图像数据而对所述被测定试样的各个规定区域的双折射特性进行计算的工序；以及基于各个所述规定区域的双折射特性而计算所述被测定试样的双折射分布的工序。

由此，可以对细微区域的双折射特性高精度地进行面测定。

发明的效果

根据本发明，由于从透射光中提取平行光成分，并使用其进行成像，所以可以对FPD彩色滤光片等具有细微构造的薄膜的细微区域的双折射特性准确地进行测定。

附图说明

图1是表示彩色滤光片100的细微构造的放大图。

图2是表示通常的透镜的数值孔径sinθ的图。

图3(a)是表示远心透镜的数值孔径和分辨率的关系的图，图3(b)是表示对于图3(a)所示的透镜，在被测定试样的厚度为30nm时，由透镜的数值孔径sinθ引起的光程差的图。

图4是表示试样31中的光程差的图。

图5是表示输入至远心透镜23的线偏振光和旋转的线偏振光这2种光的概念图。

图6是表示将远心透镜23的特性以二色性(a)+延迟量+二色性(b)进行建模的概念图。

图7是表示本发明所涉及的双折射测定装置10的光学系统的概略的结构图。

图8是表示所使用的透镜的成像形态之间差异的图。

具体实施方式

下面，对用于实施本发明的最优方式进行说明。

首先，说明本发明所涉及的双折射测定装置10的测定对象，即FPD用彩色滤光片100。图1(a)是表示彩色滤光片100的细微构造的放大图。如该图所示，彩色滤光片100构成为使R区域101R、G区域101G、B区域101B这各个区域101交替排列。另外，在各个区域101之间形成防止混色的黑栅(black matrix)102。图1(b)是各个区域101的放大图。如该图所示，各个区域101以大约0.1mm×大约0.3mm的尺寸构成。

双折射测定装置10通过对按照这种方式构成的彩色滤光片100测定各个区域101内的微小区域的双折射特性并计算双折射分布，由此对彩色滤光片100进行评价。此外，双折射测定装置10的测定对象不限于图1所示的彩色滤光片100，也可以包括例如青色、深红色、黄色这样的互补色，也可以改变各个区域101的形状或尺寸。

下面，说明本发明所涉及的双折射测定装置10中使用的远心透镜23的分辨率和数值孔径。

为了准确地测定具有细微构造的试样，需要高于细微构造的分辨率。如果将入射光的波长记作λ，则透镜的分辨率由下述式进行表示。

分辨率＝0.61·λ/sinθ           …式1

在这里，sinθ是透镜的数值孔径，如图2所示，θ表示光轴上的一点和入射瞳径之间的张角。

如式1所示，数值孔径越大透镜的分辨率就越高。但是，由于数值孔径越大，就会汇集越大范围的光，所以如果在双折射测定中使用，则测定精度降低。即，透镜的分辨率和双折射测定的精度存在权衡折衷的关系，如果为了提高透镜的分辨率而增大数值孔径，则双折射测定的精度降低，如果为了得到双折射测定的精度而减小数值孔径，则透镜的分辨率降低。图3(a)是表示通常市售的远心透镜的数值孔径与分辨率的关系的图。

下面，说明入射至透镜的光的光程差。图4是表示在被测定试样31的A点，垂直入射的光200和以角度θ入射的光201之间的光程差的图。如该图所示，如果将垂直入射的光200从被测定试样20的出射点记作B，将从点B向光201引出的垂线与光201的交点记作D，将光201从被测定试样20的出射点记作C，则光程差以CD间的距离表示。因此，如果将被测定试样31的厚度设为d，则光程差由下述式表示。

光程差＝d·tanθ·sinθ                  …式2

对于图3(a)所示的#1～#6远心透镜，在被测定试样的延迟量的值为例如代表性的值30nm时，基于式2计算由数值孔径sinθ引起的光程差，其结果在图3(b)中示出。

如图1所示，作为测定对象的彩色滤光片100具有0.1mm量级的构造，为了对这种彩色滤光片100的各个区域101内的双折射分布进行测定，优选具有低1个量级即小于或等于10μm的分辨率。在图3(b)所示的#1～#6远心透镜中，分辨率小于或等于10μm、且数值孔径最小的透镜为#2透镜。即，在图3(b)所示的#1～#6远心透镜中，最适于进行双折射测定的透镜是#2透镜。在更重视分辨率的情况下，#3透镜也落入容许选择的范围。

下面，说明在双折射测定中进行拍摄的透镜的延迟量和二色性的影响。

如图5所示，双折射测定系统的输出光存在线偏振光和旋转的线偏振光这2种。

在输出为线偏振光的情况下，如果将偏振光的方位设为水平0°，则光的斯托克斯参数的形式如下所示。

线偏振光输出＝[1+X1+X00]^T         …式3

在这里，X是根据试样信息而调制后的变量，T是表示转置的符号。

摄像透镜具有延迟量和二色性的特性。在这里，如图6所示，将摄像透镜的特性以二色性(a)+延迟量+二色性(b)进行建模。

根据式3，由于入射至透镜的线偏振光的强度为1+X，所以经过二色性(a)后的光强度如下所示。

经过二色性(a)后＝[11+A·X00]^T           …式4

此外，A是由二色性(a)产生的一个系数，式4整体以直流分量1进行了标准化。

在这里，在超前相轴方位为α、相位差为δ的试样的米勒矩阵中，如下述所示对R、S、T、U、V进行定义。

[公式1]

$\left|\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& C^2+S^2\·\cos \mathrm{\δ}& C\·S\·(1-\cos \mathrm{\δ})& -S\·\sin \mathrm{\δ}\\ 0& C\·S\·(1-\cos \mathrm{\δ})& S^2+C^2\·\cos \mathrm{\δ}& C\·\sin \mathrm{\δ}\\ 0& S\·\sin \mathrm{\δ}& -C\·\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right|=\left|\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& R& S& -U\\ 0& S& T& V\\ 0& U& -V& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right|$

(其中，C＝cos2α、S＝sin2α)

如果使用该R、S、T、U、V表示经过延迟量后的光的强度，则如下述式5所示。

经过延迟量后＝[1R·(1+A·X)S·(1+A·X)—U·(1+A·X)]^T           …式5

因此，如果将二色性(b)的振幅比记作tan

，则经过二色性(b)后的光的强度如下所示。

经过二色性(b)后＝(1+B·cos

·R·(1+A·X)+B·sin

·S·(1+A·X))               …式6

在这里，B是由二色性(b)产生的一个系数。如果将式6展开，令K＝B·(cos

·R+sin

·S)，则

经过二色性(b)后＝1+K+A·K·X

以直流分量(1+K)对其进行标准化而改写为，

二色性(b)＝(1+K)·{1+A·K/(1+K)·X·(1+K)}        …式7

然后，如果令K’＝A·K/(1+K)，则如下所示。

经过2色性(b)后＝(1+K)·(1+K’·X)·(1+K)      …式8

在进行光测定的情况下，由于光强度的绝对值并不重要，所以为了更容易理解式8的本质而使用适当的常数A’进行置换，整理为如下述所示。

经过二色性(b)后＝A’·(1+K’·X)        …式9

如上述所示，经过摄像透镜的光的强度，与入射至透镜的线偏振光的强度相比，差别仅在于有无系数。即，只要双折射测定系统的输出为线偏振光，就可以将摄像透镜的延迟量和二色性作为固有的光强度传递系数进行对待。另外，该光强度传递系数可以通过在没有被测定试样的状态下进行测定而计算。

与此相对，在入射至摄像透镜的来自双折射测定系统的输出光为旋转的线偏振光的情况下，由于未知数较多，所以实际上无法进行校正。因此，双折射测定的输出光必须是线偏振光。即，必须在远心透镜23的前段配置不旋转的固定的线偏振元件。

对于位于远心透镜23紧上游的元件为方位固定而不旋转的偏振元件的双折射测定方法，存在旋转相位元件法、旋转偏振元件法、以及双重旋转相位元件法这3种。本实施方式的双折射测定装置10使用旋转相位元件法。图7(a)是表示本发明所涉及的双折射测定装置10的光学系统的概略的结构图。

如图7(a)所示，本实施方式的双折射测定装置10具有下述部件而构成：光源11；准直器15，其由第一凸透镜12、小孔板13、以及第二凸透镜14构成；第一线偏振片16；第一λ/4波长板17；第二λ/4波长板21；第二线偏振片22；远心透镜23；以及CCD照相机24。另外，作为测定对象的彩色滤光片100配置在第一λ/4波长板17和第二λ/4波长板21之间。

准直器15对来自光源11的光进行校准，使用未图示的干涉滤光片提取规定的波长。使该光入射至以透射轴处于水平(0°)方位的方式配置的第一线偏振片16，变换为水平方向的线偏振光。也可以在第一线偏振片16的前段配置偏振消除元件。

该线偏振光入射至第一λ/4波长板17。第一λ/4波长板17构成为可以通过电动机而进行旋转，且可以停止于规定的划分量的位置。在本实施方式中，将1周划分为200份，可以每隔1.8°进行停止。

作为被测定试样的彩色滤光片100配置为，使透过第一λ/4波长板17的测定光相对于彩色滤光片100的表面垂直入射。此外，也可以在对彩色滤光片100进行固定的单元上设置倾斜机构，以使测定光可以相对于彩色滤光片100倾斜入射。

透过彩色滤光片100的光入射至超前相轴固定在45°方位上的第二λ/4波长板21。另外，透过第二λ/4波长板21的光入射至透射轴固定在0°方位上的第二线偏振片22。

透过第二线偏振片22的光入射至远心透镜23。远心透镜23被调整为焦点落在彩色滤光片100的表面上。透过远心透镜23的光由CCD照相机24进行拍摄。

图8(c)表示本发明的双折射测定装置10的光学系统的概略图。如该图所示，透过试样31的光由作为成像透镜32的远心透镜23提取平行光成分，在成像面33上成像。

CCD照相机24作为面受光元件具有未图示的CCD，使CCD的规定的像素与彩色滤光片100上排列的各个区域101对应而进行拍摄。因此，通过对与彩色滤光片100的各个区域101内的微小区域对应的CCD的规定像素进行光强度的测定，从而可以计算各个区域101内的微小区域的双折射特性，进而可以求出彩色滤光片100的双折射分布。微小区域可以是CCD的单个像素，也可以将CCD的多个像素相加并进行平均，作为1个更大的像素进行使用。

此外，对透过远心透镜23的光进行拍摄的面受光元件不限于CCD，也可以是CMOS。

下面，说明本发明所涉及的双折射测定装置10的动作。

首先，使光源11照射光，由CCD照相机24对透过上述各光学元件和彩色滤光片100的光进行拍摄。然后，使第一λ/4波长板17旋转1.8°，同时由CCD照相机24进行拍摄。

然后，进一步使第一λ/4波长板17旋转1.8°，由CCD照相机24进行拍摄。只要拍摄图像中不出现晃动，就不需要为了进行拍摄而使旋转停止。

如上述所示，反复进行第一λ/4波长板17的旋转和CCD照相机24的拍摄，直至第一λ/4波长板17旋转1周为止。在本实施方式中，进行200次拍摄。此外，拍摄范围也可以只是第一λ/4波长板17的半周。

如果所有拍摄结束，则对于CCD照相机24拍摄到的图像，针对与彩色滤光片100的各个区域对应的CCD的各个规定像素，得到与第一λ/4波长板17的旋转同步的亮度变化数据。根据该亮度变化数据，计算各个区域101内的微小区域的双折射特性。

如果将以上动作以米勒矩阵进行表示，则如下述所示。

方位0的线偏振光通过第一λ/4波长板17而照射至彩色滤光片100的试样照射光，如[公式2]所示。

[公式2]

试样照射光 第一λ/4波长板17(方位γ) 方位0的线偏振光

$\left|\begin{array}{c}1\\ X\\ Y\\ Z\end{array}\right|=\frac{1}{2}\left|\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& P^2& P\·Q& Q\\ 0& P\·Q& Q^2& P\\ 0& Q& -P& 0\end{array}\right|\left|\begin{array}{c}1\\ 1\\ 0\\ 0\end{array}\right|$

此外，P＝cos2γ、Q＝sin2γ，γ是第一λ/4波长板17的超前相轴方位。另外，左边的1、X、Y、Z是试样照射光的斯托克斯参数。

在这里，如果将试样的超前相轴方位设为α，相位差设为δ，而且使C＝cos2α、S＝sin2α，则[公式2]的试样照射光透过彩色滤光片100而得到的试样透射光，如[公式3]所示。

[公式3]

试样透射光 超前相轴方位α·相位差δ的试样 试样照射光

$\left|\begin{array}{c}\mathrm{Sa}\\ \mathrm{Sb}\\ \mathrm{Sc}\\ \mathrm{Sd}\end{array}\right|=\left|\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& C^2+S^2\·\cos \mathrm{\δ}& C\·S\·(1-\cos \mathrm{\δ})& -S\·\sin \mathrm{\δ}\\ 0& C\·S\·(1-\cos \mathrm{\δ})& S^2+C^2\·\cos \mathrm{\δ}& C\·\sin \mathrm{\δ}\\ 0& S\·\sin \mathrm{\δ}& -C\·\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right|\left|\begin{array}{c}1\\ X\\ Y\\ Z\end{array}\right|$

另外，[公式3]的试样透射光通过第二λ/4波长板21以及第二线偏振片22后由CCD照相机24进行受光的光，如[公式4]所示。

[公式4]

进行受光的光 第二线偏振片22(0°) 第二λ/4波长板21(45°) 试样通过光

$\left|\begin{array}{c}S0\\ S1\\ S2\\ S3\end{array}\right|=\frac{1}{2}\left|\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right|\left|\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& -1\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0\end{array}\right|\left|\begin{array}{c}\mathrm{Sa}\\ \mathrm{Sb}\\ \mathrm{Sc}\\ \mathrm{Sd}\end{array}\right|$

因此，最终由CCD照相机24的CCD的各个像素进行受光的光的强度为，

光输出＝S0＝(Sa—Sd)/2  …式10。

在这里，根据[公式2]、[公式3]，将式10变形为，

光输出＝(1—1/2·S·sinδ—1/2·S·Sinδ·cos4γ+1/2·C·sinδ·sin4γ—cosδ·sin2γ)/4  …式11。

如上述所示，由CCD照相机24进行受光的光输出，可以与第一λ/4波长板17的旋转角γ对应地以直流、cos4γ分量、sin4γ分量、sin2γ分量的合波进行表示，可以通过进行离散傅里叶变换处理而求出各自的系数。如果将离散傅里叶变换处理的各自的结果记作F_DC、F_cos4、F_sin4、F_sin2，将CCD照相机24的CCD对积蓄电荷的放大率记作K，则得到式12～式15的关系。

F_DC＝K/4·(1—1/2·S·sinδ)   …式12

I_cos4＝F_cos4/F_DC＝—1/2·S·sinδ/(1—1/2·S·sinδ)  …式13

I_sin4＝F_sin4/F_DC＝1/2·C·sinδ/(1—1/2·S·sinδ)  …式14

I_sin2＝F_sin2/F_DC＝—cosδ/(1—1/2·S·sinδ)  …式15

因此，根据式13～式15，彩色滤光片100的方位α、延迟量δ如式16、式17所示。

根据—I_cos4/I_sin4＝S/C＝tan2α，

得到α＝1/2·Atan(—I_cos4/I_sin4)  …式16

根据(I_cos4/I_sin2)²+(I_sin4/I_sin2)²＝1/4·sin²δ/cos²δ＝1/4·tan²δ，

得到

   …式17

如上述所示，通过进行Atan运算，δ得到2个候选值，可以根据I_cos4、I_sin4、I_sin2的符号而选择真值。

另外，通过对与彩色滤光片100的各个区域分别对应的CCD的各个规定像素进行该运算，可以求出彩色滤光片100的双折射分布。

如以上说明所示，通过利用不旋转的第二线偏振片22，将透过彩色滤光片100的光变换为线偏振光，使用远心透镜23作为平行光而进行成像，由CCD照相机24进行拍摄，由此可以对具有细微构造的彩色滤光片100的双折射特性高精度地进行面测定。

此外，如上述所示，对于在远心透镜23的紧上游为偏振元件的双折射测定方法，除了旋转相位元件法以外，还有旋转偏振元件法和双重旋转相位元件法，也可以使用这些方式对双折射特性进行测定。图7(b)是表示使用旋转偏振元件法的情况下的光学系统的概略的结构图，图7(c)是表示使用双重旋转相位元件法的情况下的光学系统的概略的结构图。在图7(c)所示的双重旋转相位元件法的情况下，可以使用使第二λ/4波长板21以5倍于第一λ/4波长板17的旋转速度旋转而进行测定的方法。

Claims (6)

1.一种双折射测定装置，其特征在于，具有：

使光照射在被测定试样上的单元；

成像单元，其从透过所述被测定试样的透射光中提取平行光成分，使用该平行光成分进行成像；

利用面受光元件而将所述成像后的透射光变换为图像数据的单元；

基于所述图像数据而对所述被测定试样的各个规定区域的双折射特性进行计算的单元；以及

基于各个所述规定区域的双折射特性而计算所述被测定试样的双折射分布的单元。

2.根据权利要求1所述的双折射测定装置，其特征在于，

所述成像单元是远心透镜，

所述远心透镜的数值孔径小于或等于0.045。

3.根据权利要求1或2所述的双折射测定装置，其特征在于，

在所述成像单元的紧上游配置固定于规定的方位上的偏振元件。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的双折射测定装置，其特征在于，

所述双折射测定装置的相位差检测方式是旋转相位元件法、旋转偏振元件法、以及双重旋转相位元件法中的某一种。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的双折射测定装置，其特征在于，

所述被测定试样是彩色滤光片，其上以周期性的图案排列着色为3原色R、G、B中任意一种颜色的区域，

所述规定区域是着色为所述3原色R、G、B中任意一种颜色的区域。

6.一种双折射测定方法，其特征在于，具有：

使光照射在被测定试样上的工序；

从透过所述被测定试样的透射光中提取平行光成分，使用该平行光成分进行成像的工序；

利用面受光元件而将所述成像后的透射光变换为图像数据的工序；

基于所述图像数据而对所述被测定试样的各个规定区域的双折射特性进行计算的工序；以及

基于各个所述规定区域的双折射特性而计算所述被测定试样的双折射分布的工序。

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