CN106154593A - 异向性量测系统、异向性量测方法及其校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种异向性量测系统、异向性量测方法及其校正方法，异向性量测系统包括：径向起偏器，将入射光的偏振方向转变为径向；无偏振分光器，入射光部分穿透其穿透反射面形成部分入射光；物镜，将部分入射光聚焦至待测样品，并接收反射自待测样品的反射光后入射至穿透反射面；检偏器，接收反射光并产生输出光，输出光的偏振方向被转变为检偏器的穿透轴的方向；影像检测器，接收输出光并产生待测样品反射光强度分布图；以及运算处理器，根据待测样品反射光强度分布图求出的待测样品反射光强度分布曲线，并藉由修正琼斯运算模型拟合待测样品反射光强度分布曲线求得异向性。

Description

异向性量测系统、异向性量测方法及其校正方法

技术领域

本发涉及一种异向性量测系统、方法及其校正方法。

背景技术

由于高分辨率移动装置的风行，目前横向电场切换技术(in-planeswitching，IPS)面板在阵列(array)段工艺将朝逐渐采用光配向(optical alignment)技术，以提高面板分辨率。目前常被使用的配向方式是棉刷配向(Rubbing)，因薄膜晶体管(thin-film transistor)是山丘状高低结构，故棉刷配向在高低起伏较大的位置，其配向结果较差，造成对比度降低。

光配向是使用紫外光(UV)，依所设定的线偏振(linear polarization)入射至配向膜(polyimide，PI)，具特定振荡方向的电场打断配向膜的特定方向键结，剩下的配向膜分子呈现异向性(anisotropy)，也就是配向膜呈现单光轴(uniaxial)晶体特性。灌入液晶后，液晶分子和配向膜的吸引力，使液晶分子沿着特定方向定位，其中异向性大小就是评价配向膜定向(锚定)液晶强弱的关键参数。

在光配向时需要进行异向性量测的必要性在于面板制造商通过配向膜的材料改良，曝光设备的参数调整(光强度，曝光时间…等)，及配向膜的表面处理等方法来调整异向性大小。当异向性小，被施予电场的液晶分子在电场归零后不会被拉回定位或是排列散乱。再者，异向性不一致是另一问题，液晶面板能够正确动作，液晶分子必须排列方向一致。因此，单光轴异向性的配向膜扮演重要角色，当配向膜具有一致异向性，则显示器效果就会好，没有缺陷产生，但是若异向性不一致，液晶分子排列杂散，或是通电后无法归位，显示器就会产生缺陷。目前来说，光配向技术属新导入的技术，面板制造商对于配向膜的参数掌握度还不足，异向性不一致的问题就被凸显。

异向性所产生的缺陷在工艺前段(array段)无法被监控，其要到工艺后段(cell段)才会被发现(通过量测到cell gap不均匀)，甚至到模块段才会被发现有缺陷产生，徒然浪费许多材料成本(包括玻璃基板、液晶、偏光板等)。

发明内容

本发明的目的在于提出一种异向性量测系统、异向性量测方法及其校正方法可简化机构的复杂度，使探头的尺寸缩小，较易整合至线上量测设备，并提升可靠度。

本发明实施例揭露一种异向性量测系统，包括：径向起偏器，将光源产生的入射光的偏振方向转变为径向；无偏振分光器，具有穿透反射面，入射光部分穿透穿透反射面而形成部分入射光；物镜，接收部分入射光，将部分入射光聚焦至待测样品，并接收反射自待测样品的具有椭圆偏振的反射光后平行入射至穿透反射面；检偏器，接收反射自穿透反射面的反射光并产生输出光，输出光的偏振方向被转变为检偏器的穿透轴的方向；影像检测器，接收输出光并产生形状近似为圆的待测样品反射光强度分布图；以及运算处理器，根据待测样品反射光强度分布图求出的待测样品反射光强度分布曲线，并藉由修正琼斯运算模型拟合待测样品反射光强度分布曲线以求得待测样品的异向性。

本发明实施例揭露一种异向性量测系统，包括：线性起偏器，将光源产生的入射光的偏振方向转变为该线性起偏器的一第一穿透轴的方向；无偏振分光器，具有穿透反射面，入射光部分穿透穿透反射面而形成部分入射光；物镜，接收部分入射光，将部分入射光聚焦至待测样品，并接收反射自待测样品的具有椭圆偏振的反射光后平行入射至穿透反射面；线性检偏器，接收反射自穿透反射面的反射光并产生一输出光，该输出光的偏振方向被转变为该线性检偏器的一第二穿透轴方向；影像检测器，接收输出光并产生形状近似为圆的待测样品反射光强度分布图；以及运算处理器，根据待测样品反射光强度分布图求出的待测样品反射光强度分布曲线，并藉由修正琼斯运算模型拟合该待测样品反射光强度分布曲线以求得待测样品的异向性。

本发明实施例揭露一种异向性量测方法，包括：藉由起偏器将入射光的偏振方向转变为起偏器的第一穿透轴的方向；藉由无偏振分光器使得入射光部分穿透无偏振分光器而形成部分入射光；藉由物镜将部分入射光聚焦至待测样品并接收反射自待测样品的具有椭圆偏振的反射光后平行输出至无偏振分光器；藉由检偏器接收反射自无偏振分光器的反射光并产生输出光，其中，输出光的偏振方向被转变为检偏器的第二穿透轴的方向；根据输出光的形状近似为圆的待测样品反射光强度分布图求出待测样品反射光强度分布曲线；以及藉由修正琼斯运算模型拟合待测样品反射光强度分布曲线以求出待测样品的异向性。

本发明揭露一种如前述实施例所述的异向性量测方法的校正方法，包括：取得标准样品的形状近似为圆的标准样品反射光光强度分布图；根据标准样品反射光强度分布图求出标准样品反射光强度分布曲线；以及藉由琼斯运算模型拟合标准样品反射光强度分布曲线，以求出校正矩阵。

本发明揭露一种异向性量测方法，包括：藉由线性起偏器将入射光的偏振方向转变为起偏器的第一穿透轴的方向，线性起偏器绕第一光轴旋转360度；藉由无偏振分光器使得入射光部分穿透无偏振分光器而形成部分入射光；藉由物镜将部分入射光聚焦至待测样品并接收反射自待测样品的具有椭圆偏振的反射光后平行输出至无偏振分光器；藉由线性检偏器接收反射自无偏振分光器的反射光并产生输出光，其中，输出光的偏振方向被转变为检偏器的第二穿透轴的方向，线性检偏器绕第二光轴旋转360度并与线性检偏器同步旋转360度；根据输出光的形状近似为圆的待测样品反射光强度分布图求出待测样品反射光强度分布曲线；以及根据不同的该待测样品的待测样品反射光强度分布曲线的振幅大小来判断异向性相对大小。

本发明实施例揭露一种异向性量测系统，包括：线性起偏器，将光源产生的入射光的偏振方向转变为线性起偏器的第一穿透轴的方向，其中线性起偏器绕第一光轴旋转360度；无偏振分光器，具有穿透反射面，入射光部分穿透穿透反射面而形成部分入射光；物镜，接收部分入射光，将部分入射光聚焦至待测样品，并接收反射自待测样品的具有椭圆偏振的反射光后平行入射至穿透反射面；线性检偏器，接收反射自穿透反射面的反射光并产生输出光，输出光的偏振方向被转变为线性检偏器的第二穿透轴方向，其中线性检偏器绕第二光轴旋转360度并与线性检偏器同步旋转360度；影像检测器，接收该输出光并产生形状近似为圆的待测样品反射光强度分布图；以及运算处理器，在待测样品反射光强度分布图上的位置撷取待测样品的待测样品反射光强度分布曲线，并根据不同的待测样品的待测样品反射光强度分布曲线的振幅大小来判断异向性相对大小。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是本发明揭露的第一实施例的异向性量测系统的示意图；

图2a-图2c是说明本发明揭露的所有实施范例的异向性量测系统及方法的原理的示意图；

图3a使用路径a,b,c,d,e说明部分入射光与反射光的路径及本发明异向性量测装置及方法的原理；

图3b显示部分入射光、反射光及输出光在分别代表上述光的圆(样品拟合圆)上的位置对应关系；

图4a-图4c分别绘示本发明揭露的第一至第三实施例的异向性量测系统中，部分入射光、反射光及输出光的偏振型态及强度；

图4d绘示在本发明揭露的第四实施例的异向性量测系统中，部分入射光、反射光及输出光在线性起偏器及线性同步绕轴旋转下的偏振型态及强度；

图4e绘示在本发明揭露的第四实施例中，同一待测样品以P入射S接收(左圆)及S入射S接收(右圆)的待测样品反射光强度分布曲线；

图5是本发明揭露的第二实施例的异向性量测系统的示意图；

图6是本发明揭露的第三实施例的异向性量测系统的示意图；

图7是本发明揭露的第四实施例的异向性量测系统的示意图；

图8a是说明本发明揭露的第五实施例及第六实施例(含校正程序)的异向性量测方法的流程图；

图8b是说明本发明揭露的第五实施例求出标准样品反射光强度分布曲线及第六实施例求出待测样品反射光强度分布曲线的流程图；

图9a是本发明的异向性量测系统及方法实施范例取得的标准样品强度分布图；

图9b上图是本发明的异向性量测系统及方法实施范例取得的待测样品强度分布图，下图是待测样品反射光强度分布曲线。

其中，附图标记

100、200、300、400：异向性量测系统

10：光源

11：准直透镜

12a、12b：径向起偏器 12c、12d：线性起偏器

14：无偏振分光器 16：物镜

17：待测样品 21：基板

18a：切向检偏器 d：厚度

18b、18c、18d：线性检偏器

20：影像检测器 22：运算处理器

Lo：入射光 Lin：部分入射光

Lreflec：反射光 Lout：输出光

no：正常折射率 ne：异常折射率

θ：部分入射光与光轴的夹角 θi：入射角

Ψ：方位角 O：圆心

P1～Pn点 C1：内圆

C2：外圆 θtilt：倾斜角

C_{std_fit}：标准样品拟合圆

C_{sample_fit}：待测样品拟合圆

a、b、c、d、e：路径

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

图1是本发明揭露第一实施例的异向性量测系统100的示意图。异向性量测装置100包括光源10、径向起偏器(radial polarizer)12a、无偏振分光器14、物镜16、切向检偏器(tangential analyzer)18、影像检测器20及运算处理器22。光源10产生入射光Lo，其中入射光Lo为单波长(single wavelength)及未偏振(non-polarized)的光。在本实施例中，光源10为发光二极管(LED)配合使用带通滤光片(bandpass filter)使得入射光Lo的波长为633nm，或使用波长633nm的激光，但并非以此为限。在揭露的所有实施范例中，入射光的波长可视异向性量测装置的组态而定。

在第一实施例中，异向性量测装置100更包括准直透镜11，准直透镜11将入射光Lo的光束直径限制于所需数值，例如约4毫米(mm)，但并非以此为限。

径向起偏器12将入射光Lo的偏振方向转变为径向。具有径向偏振的入射光Lo，其光束每一点的偏振方向均朝向光束中心。

无偏振分光器(non-polarized beam splitter，NPBS)14具有穿透反射面(transflective surface)。NPBS 14根据光强度的比例，例如50：50，使得具有径向偏振的入射光Lo部分穿透反射面而形成部分入射光Lin。部分入射光Lin的偏振方向不会被NPBS 14改变，故部分入射光Lin的偏振方向仍为径向。

物镜16接收部分入射光Lin，将部分入射光Lin聚焦至待测样品17，并接收反射自待测样品17的具有椭圆偏振的反射光Lreflec后平行入射至穿透反射面。

切向检偏器18a，接收反射自穿透反射面的反射光Lreflec并产生输出光Lout，输出光Lout的偏振方向被转变为切线方向。具有切向偏振的输出光Lout，其光束每一点的偏振方向均在切线方向。

影像检测器20接收输出光Lout并产生形状近似为圆的待测样品反射光强度分布图(参考第9b图)。在本发明揭露的所有实施范例中，影像检测器20可为具有二维撷取影像功能的电荷耦合元件(CCD)阵列或互补式金属氧化物半导体元件(CMOS)阵列。

运算处理器22根据待测样品反射光强度分布图求出的待测样品反射光强度分布曲线，并藉由修正琼斯运算模型(modified Jones calculus model)拟合(fitting)待测样品反射光强度分布曲线以求得待测样品的异向性。在本发明揭露的所有实施范例中，运算处理器22可为电子计算机，或具有电子计算机功能的装置。

图2a-图2c是说明本发明揭露的所有实施范例异向性量测系统及方法的原理的示意图。

在本发明揭露的所有实施范例中，待测样品17可为单光轴(uniaxial)的异向性材料，例如配向膜等，基板21可为各向同性(isotropy)材料，例如玻璃等。光学折射率椭球(Refractive Index Ellipsoid)用来说明本发明异向性量测系统及方法的原理。假设配向膜为负单光轴，即正常折射率(ordinary index)no小于异常折射率(extraordinary index)ne，其中异常折射率ne的轴表示光轴，另假设折射率椭球的方位角ψ(azimuthal angle)为0度(光轴在XZ平面)，并以一倾斜角θtilt倾斜如图3的示意图所示。入射光可能穿透待测样品17射至基板21并造成在基板21的反射。但若基板21是各向同性，在基板21的反射并非异向性反射，所以可以忽略基板21的反射并得到待测样品17的异向性。

参考图2a示意图，当入射的部分偏振光Lin是P波且平行光轴入射单光轴材料，P波感受的折射率为no，所以不会发生双折射，其中部分偏振光Lin的入射角为θi。此条件下，反射光Lreflec仅具有P波。除了待测样品17及基板21之间的界面的反射之外，待测样品17及空气之间的界面的反射波亦为P波。

参考图2b，当入射的部分偏振光Lin是P波且垂直光轴入射单光轴材料，P波感受的折射率为ne，所以不会发生双折射。此条件下，反射光Lreflec仅具有P波。

参考图2c示意图，当入射的部分偏振光Lin具有P波及S波，且与光轴夹一个角度θ入射单光轴材料，部分偏振光Lin感受到两种折射率no及ne，便会发生双折射。此时，部分偏振光Lin被分为振动方向垂直主平面(XZ平面)且遵守司乃耳定律(Snell’s law)的寻常光(o-ray，o光)，以及振动方向平行主平面且同样遵守司乃耳定律的异常光(e-ray，e光)。o光及e光经待测样品17反射后以S波及P波射回空气中。此条件下，反射光Lreflec具有S波的分量及P波的分量。当S波的分量及P波的分量的相位差ΔΦ满足ΔФ≠kπ,k为整数时，S波的分量及P波的分量干涉并形成具有椭圆偏振的反射光Lreflec，其中λ为波长，d为待测样品17的厚度，且折射率差Δn＝ne-no。

参考图3a-图3b的示意图，部分入射光Lin经物镜16聚焦后形成锥形光束并射至待测样品17。锥形光束的路径a,b,c,c,d,e被用来举例说明部分入射光Lin、反射光Lreflec及输出光Lout的在影像检测器20取样圆上(后称样品拟合圆)的位置对应关系。例如，沿路径a的部分入射光Lin以入射角θi且平行光轴射至待测样品17，并以垂直光轴的路径e反射回物镜16，并被无偏振分光器17反射后，形成成像于反射光Lreflec及输出光Lout的样品拟合圆上90度的光束。路径c以入射角θi且与光轴夹一个角度θ入射待测样品17，并对称法线(Z轴)反向反射回物镜16，并被无偏振分光器17反射后，形成成像于反射光Lreflec及输出光Lout的样品拟合圆上180度的光束。路径e以入射角θi且垂直光轴射至待测样品17，并以平行光轴的路径e反射回物镜16，并被无偏振分光器17反射后，形成成像于反射光Lreflec及输出光Lout的样品拟合圆上270度的光束。余此类推，不再赘述。

图4a-图4d是说明部分输入光Lin进入物镜16之前、反射光Lreflec进入各检偏器之前及输出光Lout的偏振型态及强度变化的示意图。本发明第一至第四实施范例分别搭配图4a-图4d作说明如下。

在本发明第一实施例中，起偏器为径向起偏器12a，检偏器为切向检偏器18a。参考图4a示意图，左圆代表部分输入光Lin进入物镜16之前的光束。通过径向起偏器12a的光束中的每一个位置的偏振方向被转变为径向，所以左圆上的每一个位置的偏振方向都在径向(朝向圆心)，其中，左圆上双箭头的长度均相等表示强度均相等，且左圆的符号a-e表示左圆上各个位置的光线进入待测样品17的相应路径a-e，如图3a示意图所述。

图4a的中圆表示反射光Lreflec进入切向检偏器18a之前的光束。如图2a示意图所述，沿路径a的进入待测样品17的部分入射光Lin是P波，故沿路径e反射离开待测样品17的反射光Lreflec仅具有P波；沿路径e的进入待测样品17的部分入射光Lin是P波，故沿路径a反射离开待测样品17的反射光Lreflec仅具有P波。沿路径c的部分入射光Lin具有P波及S波并与光轴夹一个角度θ入射待测样品17，所以反射光Lreflec会形成椭圆偏振。中圆的符号a-e表示中圆上每一个位置的光线分别来自相应路径a-e。沿路径a前进的部分入射光Lin在被无偏振分光器14反射之前的偏振方向为X方向，在被无偏振分光器14反射之后(反射光Lreflec)的偏振方向为Z方向，因此左圆上0度及180度位置上的光线的偏振方向为X方向，中圆上90度及270度位置上的光线(分别来自路径a、e)的偏振方向为Z方向。来自路径c的反射光Lreflec的偏振被转变为椭圆偏振，因此中圆上180度位置上的光线的偏振方向被标示为椭圆偏振。

图4a的右圆表示输出光Lout的光束。因为切向检偏器18a仅让切向的偏振分量通过，所以沿路径a、e且呈现线性偏振的反射光Lreflec被截掉(cut)而无法通过切向检偏器18a，沿路径b、c、d且呈现椭圆偏振的反射光Lreflec的切向偏振分量(短轴方向)可以通过切向检偏器18a。其中，路径a、e没有光可以通过，所以是极小值；路径c的切向偏振分量最大，所以是极大值；路径b、d则是介于极小值及极大值的数值。输出光Lout的强度由路径a的极小值(90度)经路径b递增至路径c的极大值(180度)，再经路径d递减至路径e的极小值(270度)。然后，由轴对称特性可推知，输出光Lout的强度由路径e的极小值(270度)递增至360度的极大值，再递减至路径a的极小值。代表输出光Lout的光束的右圆上的强度因此具有周期性强度分布，此输出光Lout周期性的强度分布携带具有待测样品17的异向性的信息。

由于本发明光束中每一个位置的偏振型态及强度分布具有轴对称特性，且路径a、c分别是周期性强度分布的极小值及极大值，路径b及d是介于极小值及极大值的数值，所以路径b及d的椭圆是相等的，且小于路径c的椭圆。此外，在上述说明中，椭圆偏振的长轴在径向，但另有椭圆偏振的长轴垂直径向的可能性，此端视no、ne的数值而定，上述说明虽仅揭露椭圆偏振的长轴在径向，但并非用于限制本发明。

图5是本发明揭露的第二实施例的异向性量测系统200的示意图，其中起偏器为径向起偏器12b，检偏器为线性检偏器18b。参考图4b示意图，由于图4b的起偏器与图4a的起偏器均为径向起偏器，所以第二实施例的部分输入光Lin(图4b左圆)与反射光Lreflec(图4b中圆)的偏振型态及强度变化与图4a左圆及图4a右圆相同。不同于第一实施例不同的是，第二实施例使用线性检偏器18b。线性检偏器18b的穿透轴(transmission axis)设置于Y方向，因此，线性检偏器18b仅让反射光Leflec中Y方向的偏振分量通过，所以沿路径a、e且呈现线性偏振(Z方向)的反射光Lreflec被截掉(cut)而无法通过线性检偏器18b，沿路径b、c、d且呈现椭圆偏振的反射光Lreflec的Y方向偏振分量可以通过线性检偏器18b。其中，路径a、e没有光可以通过，所以是极小值；路径c的Y方向偏振分量最大，所以是极大值；路径b、d则是介于极小值及极大值的数值。

图6是本发明揭露的第三实施例的异向性量测系统300的示意图，其中起偏器为线性起偏器12c，检偏器为线性检偏器18c。参考图4c，第三实施例的线性起偏器12c的穿透轴设置于X方向，因此，部分输入光Lin的偏振方向均在X方向。

相同于第一及第二实施例，部分入射光Lin沿路径a、e入射待测样品17并在90度及270度形成具有线性偏振(Z方向)的反射光Lreflec。不同于第一及第二实施例的是，沿路径c入射待测样品17的部分入射光Lin仅具有S波。虽然如此，沿路径c入射待测样品17的部分入射光Lin并非平行光轴入射待测样品17，所以180度的反射光Lreflec仍会是椭圆偏振的。其他角度的反射光Lreflec(路径b、d)的偏振型态与强度与第一及第二实施例相同。第三实施例的椭圆偏振，其长轴方向均在Y方向。

第三实施例的线性检偏器18c的穿透轴设置于Y方向，所以线性检偏器18c仅让反射光Leflec中Y方向的偏振分量通过，所以沿路径a、e且呈现线性偏振(Z方向)的反射光Lreflec被截掉(cut)而无法通过线性检偏器18b，沿路径b、c、d且呈现椭圆偏振的反射光Lreflec的Y方向偏振分量可以通过线性检偏器18b。其中，路径a、e没有光可以通过，所以是极小值；路径c的Y方向偏振分量最大，所以是极大值；路径b、d则是介于极小值及极大值的数值。

图7是本发明揭露的第四实施例的异向性量测系统400的示意图，其中起偏器为线性起偏器12d，检偏器为线性检偏器18d。线性起偏器12d的穿透轴初始设置于X方向且藉由马达(未图示)带动而绕光轴(Z轴)旋转360度，线性检偏器18d的穿透轴初始设置于Y方向且藉由马达(未图示)带动与线性检偏器12d的穿透轴同步绕光轴(X轴)旋转360度。此处光轴表示光行进的方向，其涵义与前述异向性材料的光轴不同，现有技艺者均能知悉两者涵义的差异。同步绕轴旋转是同时逆时针或同时顺时针的旋转，并且以等角速度旋转。图4d显示本发明揭露的第四实施例当线性起偏器12d及线性检偏器18d旋转不同角度时，部分输入光Lin、反射光Lreflec及输出光Lout的偏振型态及强度变化。当旋转0度时，部分输入光Lin、反射光Lreflec及输出光Lout的偏振型态及强度变化与第三实施例相同。在旋转90度或180度时，可以观察到每个位置的偏振型态都分别旋转90度或180度。其余的旋转角度(270度、360度)可以类推得知，不再赘述。我们可以观察到输出光Lout的强度亦呈现周期性分布，只是不同旋转角度时，偏振方向不同。

第四实施例的变型可以比较不同待测样品的异相性相对大小。此变型的元件及运作方式如上述，不再赘述。在影像检测器20所成影像(即待测样品反射光强度分布图)上选择某一位置的光强度，可代表部分入射光Lin以P波入射待测样品17而输出光Lou以S波被影像检测器接收(P入射S接收)，或部分入射光Lin以S波入射待测样品17而输出光Lou以P波被影像检测器20接收(S入射P接收)。以线性起偏器12d及线性检偏器18d的旋转角度为0度者为例，路径e即代表P入射S接收的情况。两者均旋转360度以后，在该位置撷取不同待测样品的待测样品反射光强度分布图会得到呈现周期性强度变化的不同待测样品的待测样品反射光强度分布曲线。在此情况下，不需以琼斯矩阵拟合待测样品反射光强度分布曲线来求出异向性的绝对数值，而是在待测样品反射光强度分布图上的一位置撷取待测样品的待测样品反射光强度分布曲线，并根据不同待测样品的待测样品反射光强度分布曲线的振幅大小来判断其异向性相对大小。

图4e的左圆表示沿路径e(P入射S接收)的待测样品反射光强度分布曲线，其以周期90度呈现周期性强度变化。当不同待测样品需要比较异向性相对大小时，可由其待测样品反射光强度分布曲线的振幅大小来判断其异向性相对大小，例如振幅较大者异向性较大。在P入射S接收的组态下，折射率椭球的方位角发生于两较大的极大值之间(45度、315度)的极小值或两较小的极大值之间(135度、225度)的极小值，即方位角为0度或180度(两种表示方式等价)。当待测样品17的方位角为0度(或180度)、光线以P入射S接收时、且旋转的角度为0度、90度、180度、360度时，待测样品反射光强度分布曲线为极小值；旋转的角度为45度、135度、225度、315度时，则为极大值，其中45度、315度的极大值稍大于135度、225度的极大值。反射率的极大值与极小值相差约2×10^-5。

图4e的右圆表示S入射S接收的待测样品反射光强度分布曲线，其以周期180度呈现周期性强度变化。当不同待测样品需要比较异向性相对大小时，可由其待测样品反射光强度分布曲线的振幅大小来判断其异向性相对大小，例如振幅较大者异向性较大。在S入射S接收的组态下，折射率椭球的方位角发生于两极大值之间(90度、270度)的极小值或两极小值之间(0度、360度)的极小值，即方位角为180度或0度(两种表式方式等价)。当待测样品17的方位角为180度(或0度)、光线以S入射S接收时、且旋转的角度为0度、180度、360度时，反射率为极小值；旋转的角度为90度、270度时，则为极大值，其中极大值均相等。反射率的极大值与极小值相差约2.25×10^-3。

以下将以第二实施例为例搭配琼斯运算(Jones calculus)说明本发明第五实施例的异向性量测方法。本发明第五实施例的异向性量测方法适用于前述第一至第四实施例揭露的异向性量测系统。参考图8a，当未偏振的入射光Lo穿透径向起偏器12b后，入射光Lo的偏振方向转变为径向偏振。假设入射光Lo的电场强度为Eo，穿透径向起偏器12b后的电场强度为Ei，则 $E_i=E_o\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\ψ}\\ \sin \mathrm{\ψ}\end{array}\right],$ 其中ψ为代表待测样品的折射率椭球的方位角(azimuthalangle)。在本发明揭露的所有实施范例，ψ＝0。ψ的范围可由0至π(ψ＝0～π)。

物镜16接收部分入射光Lin，将部分入射光Lin聚焦至待测样品17，并接收反射自待测样品17的具有椭圆偏振的反射光Lreflec后平行入射至穿透反射面。在第二实施例中，待测样品17为配向膜，待测样品17的琼斯矩阵为 $R_s=\left[\begin{array}{cc}{r}_{\mathrm{pp}}& r_{\mathrm{ps}}\\ r_{\mathrm{sp}}& r_{\mathrm{ss}}\end{array}\right],$ 其中矩阵Rs的4个元素(entry)包括三种参数：待测样品17的异常折射率ne、正常折射率no及厚度d。换言之，待测样品17的ne、no及d可藉由求出琼斯矩阵Rs而被求出。在本发明揭露的所有实施范例中，物镜16的数值孔径(NA)可为0.9，对应收光角度(入射角θi的两倍)约64度。在实际量测时，待测样品17的ne＝1.6391，no＝1.6150，d＝0.238μm，故异向性＝d(ne-no)＝5.7358nm。

线性检偏器18b接收反射自穿透反射面的反射光Lreflec并产生输出光Lout。在第二实施例中，线性检偏器18b的穿透轴为Y方向，故线性检偏器18b的琼斯矩阵为 $T_a=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right].$ 椭圆偏振的反射光Lreflec，其偏振方向与线性检偏器18b的穿透轴方向相同的分量将被撷取出来，而偏振方向与穿透方向不同的分量无法通过线性检偏器18b，如图4b所述。

在步骤S4，影像检测器20接收输出光Lout并产生形状近似为圆的待测样品反射光强度分布图(图9b上图)。在步骤S5，运算处理器22根据待测样品反射光强度分布图求出的待测样品反射光强度分布曲线(图9b下图)。在步骤S6，运算处理器22藉由修正琼斯运算模型(modified Jones calculus model)拟合(fitting)待测样品反射光强度分布曲线以求得待测样品的异向性。

以下将以第二实施例为例搭配琼斯运算说明本发明第六实施例的包含校正方法的异向性量测方法。本发明第六实施例的包含校正方法的异向性量测方法适用于前述第一至第四实施例揭露的异向性量测系统。参考图8a，在第六实施例中，当首次使用异向性量测装置200时，由于无偏振分光器14与物镜16改变入射光L0与反射光Lreflec的相位及振幅，影响量测准确性造成误差，故需要在琼斯运算中引入校正矩阵Tc以修正NPBS 16及物镜16造成的误差。首先进行校正流程以求得校正矩阵Tc。在步骤S0，判断是否需要取得校正矩阵Tc，当首次使用异向性量测装置时则判断为是，反之则判断为否，流程进入步骤S1。

在步骤S1，取得标准样品的形状近似为圆的标准样品反射光强度分布图，如图9a所示。在第二实施例中，标准样品为镀铝反射镜，流程进入步骤S2。

在步骤S2，根据标准样品反射光强度分布图求出标准样品反射光强度分布曲线(未图示)，流程进入步骤S3。

在步骤S3，以琼斯运算模型拟合标准样品反射光强度分布曲线，以求出校正矩阵Tc，其中，琼斯运算模型如下：

其中，E_out表示影像检测器20接收到的输出光Lout的强度，校正矩阵 $T_c=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_c{e}^{i{\mathrm{\δ}}_c}& 0\\ 0& 0\end{array}\right],$ ε_c和δ_c表示无偏振分光器14与物镜16的吸收系数(absorptioncoefficient)及引入的相位差(phase difference)；镀铝反射镜的琼斯矩阵 $R_{\mathrm{mirror}}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right];$ 入射光及反射光的座标转换矩阵 $R_M=\left[\begin{array}{cc}\cos (-\mathrm{\π}/2)& \sin (-\mathrm{\π}/2)\\ -\sin (-\mathrm{\π}/2)& \cos (-\mathrm{\π}/2)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ 1& 0\end{array}\right];$ 检偏器18的琼斯矩阵 $T_a=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right].$ 在琼斯运算模型中乘上两次Tc表示光两次穿透反射无偏振分光器14及物镜16。

在步骤S2中，根据标准样品反射光强度分布图求出标准样品反射光强度分布曲线更包括步骤S1_1～S1_5，如图8b所示。

在步骤S1_1，在标准样品反射光强度分布图上选取中心点O(图9a)，流程进入步骤S1_2。

在步骤S1_2，以中心点O为圆心及第一长度为半径画圆而构成内圆C1，以中心点O为圆心及第二长度为半径画圆而构成外圆C2。内圆C1及外圆C2之间的区域为感兴趣区(region of interest，ROI)。流程进入步骤S1_3。

在步骤S1_3，作中心点O及外圆C2上点P1～Pn的多个连线OP1～OPn，流程进入步骤S1_4。

在步骤S1_4，当连线OP1～OPn上表示的光强度由内而外低于临界值时(例如最大强度的50％)，定义该临界值所处位置为多个边界点(图9a，十字符号标记者)。流程进入步骤S1_5。

在步骤S1_5，拟合该些边界点得到标准样品拟合圆C_{std_fit}。在标准样品拟合圆C_{std_fit}沿着圆上360度取强度的数值即得到标准样品反射光强度分布曲线。

当得知校正矩阵Tc之后，即可进行待测样品的量测程序，流程进入步骤S4。在步骤S4，取得标准样品的形状近似为圆的标准样品反射光强度分布图，如图9b所示。在第二实施例中，待测样品17为配向膜，流程进入步骤S5。

在步骤S5，根据待测样品反射光强度分布图求出待测样品反射光强度分布曲线(图9b下图)，流程进入步骤S6。

在步骤S6，以修正琼斯运算模型(modified Jones calculus model)拟合标准样品反射光强度分布曲线，以求出待测样品的异向性，其中，修正琼斯运算模型如下：

其中表示影像检测器20接收到的输出光Lout的强度(已经校正)，(式2)中的校正矩阵Tc使用经由步骤S1～S3所求得的校正矩阵Tc，Rs为配向膜的琼斯矩阵。及T_a与(式1)所示者相同。

在步骤S5中，根据待测样品反射光强度分布图求出待测样品反射光强度分布曲线更包括步骤S2_1～S2_5，如图8b所示。

步骤S2_1～S2_5类似于步骤S1_1～S1_5，为了简化说明，仅选择步骤S2_5加以说明。在步骤S2_5，拟合该些边界点得到待测样品拟合圆C_{sample_fit}。在待测样品拟合圆C_{sample_fit}沿着圆上360度取强度的数值即为待测样品反射光强度分布曲线(第9图下图)。

本发明已由说明书搭配实施范例以及所附的附图说明如上，本发明揭露的实施例仅用于说明本发明的异向性量测系统、异向性量测方法及其校正方法的实施范例，但并非用于限定本发明发明的范畴及精神。上述假设不失其一般性且不会产生不自洽(self-inconsistency)。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (20)

1.一种异向性量测系统，其特征在于，包括：

一径向起偏器，将一光源产生的一入射光的偏振方向转变为径向；

一无偏振分光器，具有一穿透反射面，该入射光部分穿透该穿透反射面而形成一部分入射光；

一物镜，接收该部分入射光，将该部分入射光聚焦至一待测样品，并接收反射自该待测样品的具有椭圆偏振的一反射光后平行入射至该穿透反射面；

一检偏器，接收反射自该穿透反射面的该反射光并产生一输出光，该输出光的偏振方向被转变为该检偏器的一穿透轴的方向；

一影像检测器，接收该输出光并产生形状近似为圆的一待测样品反射光强度分布图；以及

一运算处理器，根据该待测样品反射光强度分布图求出一待测样品反射光强度分布曲线，并藉由一修正琼斯运算模型拟合该待测样品反射光强度分布曲线以求得该待测样品的异向性。

2.根据权利要求1所述的异向性量测系统，其特征在于，该检偏器为一切向检偏器，该穿透轴的方向为切向。

3.根据权利要求1所述的异向性量测系统，其特征在于，该检偏器为一线性检偏器，该穿透轴的方向为Y方向。

4.一种异向性量测系统，其特征在于，包括：

一线性起偏器，将一光源产生的一入射光的偏振方向转变为该线性起偏器的一第一穿透轴的方向；

一无偏振分光器，具有一穿透反射面，该入射光部分穿透该穿透反射面而形成一部分入射光；

一物镜，接收该部分入射光，将该部分入射光聚焦至一待测样品，并接收反射自该待测样品的具有椭圆偏振的一反射光后平行入射至该穿透反射面；

一线性检偏器，接收反射自该穿透反射面的该反射光并产生一输出光，该输出光的偏振方向被转变为该线性检偏器的一第二穿透轴方向；

一影像检测器，接收该输出光并产生形状近似为圆的一待测样品反射光强度分布图；以及

一运算处理器，根据该待测样品反射光强度分布图求出的一待测样品反射光强度分布曲线，并藉由一修正琼斯运算模型拟合该待测样品反射光强度分布曲线以求得该待测样品的异向性。

5.根据权利要求4所述的异向性量测系统，其特征在于，该第一穿透轴的方向为X方向，该第二穿透轴的方向为Y方向。

6.根据权利要求4所述的异向性量测系统，其特征在于，该线性起偏器绕一第一光轴旋转360度，该线性检偏器绕一第二光轴旋转360度并与该线性检偏器同步旋转360度，该第一光轴Z方向及该第二光轴为X方向，且该第一穿透轴的起始方向为X方向，该第二穿透轴的起始方向为Y方向。

7.根据权利要求1或4所述的异向性量测系统，其特征在于，该修正琼斯运算模型包括一校正矩阵以修正该无偏振分光镜及该物镜造成的误差。

8.一种异向性量测方法，其特征在于，包括：

藉由一起偏器将一入射光的偏振方向转变为该起偏器的一第一穿透轴的方向；

藉由一无偏振分光器使得该入射光部分穿透该无偏振分光器而形成一部分入射光；

藉由一物镜将该部分入射光聚焦至一待测样品并接收反射自该待测样品的具有椭圆偏振的一反射光后平行输出至该无偏振分光器；

藉由一检偏器接收反射自该无偏振分光器的该反射光并产生一输出光，其中，该输出光的偏振方向被转变为该检偏器的一第二穿透轴的方向；

根据该输出光的形状近似为圆的一待测样品反射光强度分布图求出一待测样品反射光强度分布曲线；以及

藉由一修正琼斯运算模型拟合该待测样品反射光强度分布曲线以求出该待测样品的异向性。

9.根据权利要求8所述的异向性量测方法，其特征在于，该修正琼斯运算模型包括一校正矩阵以修正该无偏振分光器及该物镜造成的误差。

10.根据权利要求8所述的异向性量测方法，其特征在于，根据该待测样品反射光强度分布图求出该待测样品反射光强度分布曲线的步骤更包括：

在该待测样品反射光强度分布图上选取一中心点；

在该待测样品反射光强度分布图上，以该中心点为圆心及一第一长度为半径画圆而构成一内圆，以该中心点为圆心及一第二长度为半径画圆而构成一外圆；

作该中心点与该外圆上的点的多个连线；

当该些连线表示的光强度由内而外低于一临界值时，定义该临界值所处位置为多个边界点；以及

拟合该些边界点得到一待测样品拟合圆及该待测样品反射光强度分布曲线。

11.根据权利要求8所述的异向性量测方法，其特征在于，该起偏器为一径向起偏器，该检偏器为一切向检偏器，且该第一穿透轴的方向为径向，该第二穿透轴的方向为切向。

12.根据权利要求8所述的异向性量测方法，其特征在于，该起偏器为一径向起偏器，该检偏器为一线性检偏器，且该第一穿透轴的方向为径向，该第二穿透轴的方向为Y方向。

13.根据权利要求8所述的异向性量测方法，其特征在于，该起偏器为一线性起偏器，该检偏器为一线性检偏器，该第一穿透轴的方向为X方向，该第二穿透轴的方向为Y方向。

14.根据权利要求8所述的异向性量测方法，其特征在于，该起偏器为一线性起偏器，该检偏器为一线性检偏器，该线性起偏器绕一第一光轴旋转360度，该线性检偏器绕一第二光轴旋转360度并与该线性检偏器同步旋转360度，其中该第一光轴为Z方向及该第二光轴为X方向，且该第一穿透轴的起始方向为X方向，该第二穿透轴的起始方向为Y方向。

15.一种异向性量测方法，其特征在于，包括：

藉由一线性起偏器将一入射光的偏振方向转变为该起偏器的一第一穿透轴的方向，该线性起偏器绕一第一光轴旋转360度；

藉由一无偏振分光器使得该入射光部分穿透该无偏振分光器而形成一部分入射光；

藉由一物镜将该部分入射光聚焦至一待测样品并接收反射自该待测样品的具有椭圆偏振的一反射光后平行输出至该无偏振分光器；

藉由一线性检偏器接收反射自该无偏振分光器的该反射光并产生一输出光，其中，该输出光的偏振方向被转变为该检偏器的一第二穿透轴的方向，该线性检偏器绕一第二光轴旋转360度并与该线性检偏器同步旋转360度；

根据该输出光的形状近似为圆的一待测样品反射光强度分布图求出一待测样品反射光强度分布曲线；以及

根据不同的该待测样品的该待测样品反射光强度分布曲线的振幅大小来判断异向性相对大小。

16.根据权利要求15所述的异向性量测方法，其特征在于，该第一光轴为Z方向及该第二光轴为X方向，且该第一穿透轴的起始方向为X方向，该第二穿透轴的起始方向为Y方向。

17.一种如权利要求8所述的异向性量测方法的校正方法，包括：

取得一标准样品的形状近似为圆的一标准样品反射光强度分布图；

根据该标准样品反射光强度分布图求出一标准样品反射光强度分布曲线；以及

藉由一琼斯运算模型拟合该标准样品反射光强度分布曲线，以求出一校正矩阵。

18.根据权利要求17所述的校正方法，其特征在于，根据该标准样品反射光强度分布图求出该标准样品反射光强度分布曲线的步骤更包括：

在该标准样品反射光强度分布图上选取一中心点；

在该标准样品反射光强度分布图上，以该中心点为圆心及一第一长度为半径画圆而构成一内圆，以该中心点为圆心及一第二长度为半径画圆而构成一外圆；

作该中心点与该外圆上的点的多个连线；

当该些连线表示的光强度由内而外低于一临界值时，定义该临界值所处位置为多个边界点；以及

拟合该些边界点得到一标准样品拟合圆及该标准样品反射光强度分布曲线。

19.一种异向性量测系统，其特征在于，包括：

一线性起偏器，将一光源产生的一入射光的偏振方向转变为该线性起偏器的一第一穿透轴的方向，其中该线性起偏器绕一第一光轴旋转360度；

一无偏振分光器，具有一穿透反射面，该入射光部分穿透该穿透反射面而形成一部分入射光；

一物镜，接收该部分入射光，将该部分入射光聚焦至一待测样品，并接收反射自该待测样品的具有椭圆偏振的一反射光后平行入射至该穿透反射面；

一线性检偏器，接收反射自该穿透反射面的该反射光并产生一输出光，该输出光的偏振方向被转变为该线性检偏器的一第二穿透轴方向，其中该线性检偏器绕一第二光轴旋转360度并与该线性检偏器同步旋转360度；

一影像检测器，接收该输出光并产生形状近似为圆的一待测样品反射光强度分布图；以及

一运算处理器，在该待测样品反射光强度分布图上的一位置撷取该待测样品的一待测样品反射光强度分布曲线，并根据不同的该待测样品的该待测样品反射光强度分布曲线的振幅大小来判断异向性相对大小。

20.根据权利要求19所述的异向性量测系统，其特征在于，该第一光轴为Z方向及该第二光轴为X方向，且该第一穿透轴的起始方向为X方向，该第二穿透轴的起始方向为Y方向。