JP4921090B2 - 光学異方性パラメータ測定方法及び測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、偏光を用いて測定対象物の光学軸の方向、傾斜角、異方性の大きさなどの光学異方性パラメータを測定する光学的異方性パラメータ測定方法及び測定装置に関し、特に、液晶配向膜の検査等に用いて好適である。

液晶ディスプレイは、表面に透明電極及び配向膜を積層した裏側ガラス基板と、表面にカラーフィルタ、透明電極及び配向膜を積層形成した表側ガラス基板が、スペーサを介して配向膜同士を向かい合わせ、その配向膜の隙間に液晶を封入した状態で封止されると共に、その表裏両側に偏光フィルタが積層された構造と成っている。

ここで、液晶ディスプレイが正常に動作するためには液晶分子が均一に同一方向に配列されている必要があり、配向膜が液晶分子の方向性を決定する。
この配向膜が液晶分子を整列させることができるのは、一軸性光学的異方性を有しているからであり、配向膜がその全面にわたって均一な一軸性光学的異方性を有していれば液晶ディスプレイに欠陥を生じにくく、光学的異方性の不均一な部分が存在すれば液晶分子の方向が乱れるため液晶ディスプレイが不良品となる。
すなわち、配向膜の品質はそのまま液晶ディスプレイの品質に影響し、配向膜に欠陥があれば液晶分子の方向性が乱れるため、液晶ディスプレイにも欠陥を生ずることになる。

したがって、液晶ディスプレイを組み立てる際に、予め配向膜の欠陥の有無を検査して品質の安定した配向膜のみを使用するようにすれば、液晶ディスプレイの歩留りが向上し、生産効率が向上する。
このため従来よりエリプソメータなどを用いて、配向膜について、異方性パラメータとなる光学軸の方向、傾斜角（極角）、膜厚等を測定し、その配向膜の光学的異方性を評価することにより、欠陥の有無を検査する方法が提案されている。

しかしながら、エリプソメータによる測定は精度が高いものの時間と手間がかかり、製造ラインで簡単に検査することができるものではなかった。
そこで本出願人は、エリプソメータを用いるまでもなく、偏光を照射したときの反射光強度変化に基づいて、ＳＭＰ法により、配向方位や傾斜角などを簡単に測定できる技術を提案した。
特開２００６−２２６９９５号公報

これによれば、反射光に含まれる特定方向の偏光成分の極大値及び極小値が得られる方向に基づいて、配向方位や傾斜角を検出することができる。
しかしながら、その後の実験により、当該装置で測定を行う場合、測定の高速化は図れるものの、試料ステージや試料の微細パターンによる散乱光の影響により、特に異方性の小さい測定対象物においては精度の高い測定を行うことは困難であった。

そこで本発明は、偏光を利用して膜厚、屈折率及び屈折率異方性などの光学的パラメータを測定する際に、異方性の小さい測定対象物でも試料ステージや試料の微細パターンによる散乱光の影響を受けることなく、ＳＭＰ法と同様の手法で、高精度で光学異方性パラメータを簡単に測定できる差動ＳＭＰ法を提案することを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、ステージに立てられた垂線の周りの複数の方位から異方性測定対象物の測定点に対し、直線偏光を入射光として照射する照射光学系と、その反射光に含まれる直線偏光成分のうち特定方向の直線偏光を測定光としてその光強度を測定する測定光学系を備え、前記複数の方位における測定光の光強度を測定し、その光強度に基づいて、光学異方性パラメータである光学軸の方向、傾斜角、異方性の大きさを測定する光学異方性パラメータ測定方法において、
前記測定対象物の測定面に対してＰ偏光又はＳ偏光のいずれか一方の方向を基準方向とし、
前記入射光と測定光の一方を前記基準方向に振動する直線偏光とし、
前記入射光と測定光の他方を前記基準方向に対して±δ（δ≠ｎπ／２、ｎは整数）の方向に振動する一対の直線偏光とし、
前記入射光が照射される方位ごとに、前記一対の直線偏光に対応する二種類の測定光の光強度を測定して得られた二つの光強度データの差分を表す差分データを求め、
当該差分データを二乗した場合に、二つの最大ピークの間にある極小値が存在する方位又は二つの中間ピークの間にある極小値が存在する方位に基づいて光学軸の方向を測定し、隣接する最大ピーク及び中間ピークに挟まれた二つの極小ポイントの方向に基づいて光学軸の傾斜角を測定し、最大ピークの高さに基づいて異方性の大きさを測定することを特徴としている。

本発明によれば、例えば、Ｐ偏光の方向を基準方向としたときに、基準方向に対して＋δ（δ≠ｎπ／２、ｎは整数）の方向に振動する直線偏光（＋δ偏光）を複数の方位から測定対象物に入射させ、その反射光のＳ偏光の光強度Ｍ_＋δを測定する。
次いで、基準方向に対して−δの方向に振動する直線偏光（−δ偏光）を複数の方位から測定対象物に入射させ、その反射光のＳ偏光の光強度Ｍ_−δを測定する。
測定された反射光強度Ｍ_＋δ及びＭ_−δにはノイズＮが含まれており、そのノイズＮは、偏光方向に関係なく一定であると考えられるから、ノイズを除いた反射光強度Ｒ_＋δ及びＲ_−δは、次式で表わされる。
Ｒ_＋δ＝Ｍ_＋δ−Ｎ………………（１）
Ｒ_−δ＝Ｍ_−δ−Ｎ………………（２）
したがって、測定された反射光強度Ｍ_＋δ及びＭ_−δの差分を取れば、次式に示すようにノイズ成分をキャンセルすることができる（差動ＳＭＰ法）。
Ｄ＝Ｍ_＋δ−Ｍ_−δ＝（Ｒ_＋δ＋Ｎ）−（Ｒ_−δ＋Ｎ）＝Ｒ_＋δ−Ｒ_−δ

なお、単に差を取った場合は、入射光の方位によって負の値にも成り得る。実験によればＤ＝０の部分が、ＳＭＰ法により測定した場合の極小値となり、Ｄの極値がＳＭＰ法により測定したときの極大値を取る。
このため、Ｄを二乗し、これを差分データとして用いれば、差分データはすべて正の値をとり、その波形も、ＳＭＰ法により測定した波形と対応し、その結果に基づいて異方性パラメータを測定することができる。

本発明に係る光学異方性パラメータ測定方法は、異方性の小さい測定対象物でもノイズ影響を受けることなく高精度で測定できるようにするという目的を達成するため、
測定対象物の測定面に対してＰ偏光又はＳ偏光のいずれか一方の方向を基準方向としたときに、入射光と測定光の一方を基準方向に振動する直線偏光とし、前記入射光と測定光の他方を基準方向に対して±δ（δ≠ｎπ／２、ｎは整数）の方向に振動する一対の直線偏光とし、一対の直線偏光に対応する二種類の測定光の光強度を測定し、得られた二つの光強度データの差分を表す差分データに基づいて光学異方性パラメータを測定するようにした。

図１は本発明方法に使用する光学異方性パラメータ測定装置を示す説明図、図２は各測定点とＣＣＤカメラの画素の関係を示す説明図、図３はノイズを含んだ反射光強度Ｍ_＋δ及びＭ_−δの測定結果を示すグラフ、図４はノイズを除去した反射光強度Ｒ_＋δ及びＲ_−δの差Ｄの算出結果を示すグラフ、図５は差分データＤ^２の算出結果を示すグラフである。

図１に示す光学異方性パラメータ測定装置１は、ステージ２上に置かれた試料（異方性測定対象物）３に対して直線偏光を入射光として照射する照射光学系４と、その反射光に含まれる直線偏光成分のうち特定方向の直線偏光を測定光としてその光強度を測定する測定光学系５と、その測定結果に基づいて光学異方性パラメータを算出する演算処理装置６とを備え、各光学系４及び５がステージ２上に立てられた垂線を回転軸としてステージ２に対して相対的に回転可能に設置されている。

本例では、照射光学系４及び測定光学系５は、モータ１１により回転される回転テーブル７に取り付けられ、各光学系４及び５の照射光軸Ｌ_ＩＲ及び測定光軸Ｌ_ＲＦがその回転軸７ｘに対して等角的に交差するように配されている。
回転テーブル７は、その回転軸７ｘがステージ２上に立てられた垂線と一致するように配され、回転軸７ｘの傾きを調整するあおり調整機構１２、各光学系４及び５の光軸の交点の高さを試料３に一致させるＺテーブル（高さ調整機構）１３、各光学系４及び５の夫々の光軸の交点の位置を任意の測定点Ｍに一致させるＸＹテーブル（ＸＹ移動機構）１４を備えている。

また、回転テーブル７の中心には、回転軸７ｘと同軸的に光軸が配されたあおり検出用撮像装置１５が配されている。
この撮像装置１５には、ステージ２に向ってレーザ光を同軸落射させる光源装置（図示せず）が内蔵され、試料３で反射されたレーザ光を撮像できるようになっている。
これにより、回転テーブル７の回転軸７ｘが傾斜していない場合は、回転テーブル７を回転させても反射光の受光点が移動しないので、あおりがないと判断できる。また、回転テーブル７の回転軸７ｘが傾斜している場合は、回転テーブル７を回転させたときにあおりを生じ、反射光の受光点が一定せず閉曲線の軌跡を描くので、この軌跡からあおり量を検出することができる。

照射光学系４は、試料２へ照射する照射光軸Ｌ_ＩＲに沿って、波長６３２.８ｎｍ、光強度２５ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザ２１と、そのレーザ光を所定のスポット形状に拡径又は拡幅して平行化するコリメータレンズ２２と、その平行光束を偏光化して直線偏光を照射する偏光子２３を備えている。
偏光子２３は、試料２の測定面に対してＰ偏光の方向を基準方向としたときに、その基準方向に対して±δ（δ≠ｎπ／２、ｎは整数）の方向に振動する一対の直線偏光を出力する二つの方向に調整可能に配されたグラントムソンプリズム（消光比１０^―６）からなり、偏光子２３の方向を調整することにより一対の直線偏光を出力できる。

測定光学系５は、その測定光軸Ｌ_RFが、前記レーザ２１から照射されて試料２で反射された反射光の光軸と一致するように配され、その光軸Ｌ_RFに沿って、検光子２４、波長選択フィルタ２５、２次元ＣＣＤカメラ２６が配されている。
これにより、試料３上の測定エリアＡに含まれる複数の測定点Ｍijからの反射光強度を同時に測定することができる。

ＣＣＤカメラ２６は、複数の測定点における反射光強度を同時に測定する。
図２（ａ）は回転前の測定エリアＡ内の測定点Ｍij（ｉ，ｊ＝１〜１０）を示す。
図２（ｂ）は光学系４及び５を所定角度回転させたときの画像を示すもので，各測定点Ｍijを極座標Ｍij＝（ｒ_ｎ，α_ｍ）で表わせば、回転テーブル１２が角度γだけ回転したときのＭijの位置はＭij＝（ｒ_ｎ，α_ｍ＋γ）で表わされる。
したがって、Ｍij＝（ｒ_ｎ，α_ｍ＋γ）に対応するＣＣＤカメラ２６の画素領域で反射光強度を測定すればよい。
したがって、偏光子２３を＋δ側に位置決めして直線偏光を試料３に照射させた状態で、テーブル１２を一回転するだけで、測定エリア内の各測定点について同時に入射方位に応じた反射光強度Ｒ_＋δを測定することができ、次いで、偏光子２３を−δ側に位置決めして、テーブル１２を再度一回転するだけで、測定エリア内の各測定点について同時に入射方位に応じた反射光強度Ｒ_−δを測定することができる。

そして、このように測定された反射光強度データＭ_＋δ、Ｍ_−δが演算装置２７に入力される。
測定された反射光強度Ｍ_＋δ及びＭ_−δにはノイズＮが含まれており、そのノイズＮは、偏光方向に関係なく一定であると考えられるから、ノイズを除いた反射光強度Ｒ_＋δ及びＲ_−δは、次式で表わされる。
Ｒ_＋δ＝Ｍ_＋δ−Ｎ………………（１）
Ｒ_−δ＝Ｍ_−δ−Ｎ………………（２）
したがって、測定された反射光強度Ｍ_＋δ及びＭ_−δの差Ｄを取れば、次式に示すようにノイズ成分をキャンセルすることができる（差動ＳＭＰ法）。
Ｄ＝Ｍ_＋δ−Ｍ_−δ＝（Ｒ_＋δ＋Ｎ）−（Ｒ_−δ＋Ｎ）＝Ｒ_＋δ−Ｒ_−δ

なお、単に差を取った場合、Ｄの値は入射光の方位によって負の値になる。実験によればＤ＝０の部分が、ＳＭＰ法により測定した場合の極小値となり、Ｄの極値がＳＭＰ法により測定したときの極大値を取る。
このため、Ｄを二乗し、これを差分データとして用いれば、差分データはすべて正の値をとり、その波形も、ＳＭＰ法により測定した波形と対応する。
Ｄ^２＝（Ｒ_＋δ−Ｒ_−δ）^２

以上が本発明に係る光学異方性パラメータ測定装置の一構成例であって、次に、この装置を用いた光学異方性パラメータ測定方法について説明する。
光学異方性測定対象物となる試料３をステージ２にセットし、あおり調整を行った後、反射光強度が最大となるようにＺテーブル１３で、高さ調整を行う。

この状態で、偏光子２３を＋δ（本例では＋０.２°）の位置にセットして、照射光学系４からＰ偏光に対して＋δの方向に振動する直線偏光を照射させると、測定光学系５では、これに対応するＳ偏光が測定光としてＣＣＤカメラ２６に入射されて、その反射光強度Ｍ_＋δが測定される。
図３（ａ）は、測定エリアＡ内の一測定点における反射光強度Ｍ_＋δの測定結果の例を示すグラフである。

次いで、偏光子２３を−δ（本例では−０.２°）の位置にセットして、照射光学系４からＰ偏光に対して−δの方向に振動する直線偏光を照射させると、測定光学系５では、これに対応するＳ偏光が測定光としてＣＣＤカメラ２６に入射されて、その反射光強度Ｍ_−δが測定される。
図３（ｂ）は、測定エリアＡ内の一測定点における反射光強度Ｍ_−δの測定結果の例を示すグラフである。

測定された反射光強度Ｍ_＋δ及びＭ_−δにはノイズＮが含まれており、そのノイズＮは、偏光方向に関係なく一定であると考えられるから、得られたデータを演算処理装置６に入力し、Ｄ＝Ｍ_＋δ−Ｍ_−δを算出すると、ノイズを除いた反射光強度Ｒ_＋δ及びＲ_−δの差が算出される（差動ＳＭＰ法）。
Ｄ＝Ｍ_＋δ−Ｍ_−δ＝（Ｒ_＋δ＋Ｎ）−（Ｒ_−δ＋Ｎ）＝Ｒ_＋δ−Ｒ_−δ
図４は、このデータＤを示すグラフである。
ここで、単に差を取ったデータＤは、入射光の方位によって負の値もとる。実験によればＤ＝０の部分が、ＳＭＰ法により測定した場合の極小値となり、Ｄの極値がＳＭＰ法により測定したときの極大値に対応する。
そこで、Ｄを二乗し、これを差分データとして用いれば、差分データはすべて正の値をとり、その波形も、ＳＭＰ法により測定した波形と対応する。
図５は差分データＤ^２を示すグラフである。

ＳＭＰ法によれば、光学異方性を有する試料３について、入射方向を０〜３６０°まで変化させたときに検出される反射光強度変化は、二つの最大ピークΛ_１及びΛ_２と、二つの中間ピークΛ_３及びΛ_４が存在し、各ピークΛ_１〜Λ_４の間に光強度が０となる極小ポイントＶ_１〜Ｖ_４となる角度が存在する（図５参照）。
二つの最大ピークΛ_１及びΛ_２の間の極小ポイントＶ_１と、二つの中間ピークΛ_３及びΛ_４の間の極小ポイントＶ_３は試料２上の測定点の光学軸方向を示し、その差は１８０°となる。
したがって、差動ＳＭＰ法においても同様に、光学軸の方向は、二つの最大ピークΛ_１及びΛ_２の間の極小ポイントＶ_１と、二つの中間ピークΛ_３及びΛ_４の間の極小ポイントＶ_３により決定できる。

また、反射光強度が最大ピークΛ_１とこれに隣接する中間ピークΛ_４に挟まれた極小ポイントＶ_４の方向、反射光強度が最大ピークΛ_２とこれに隣接する中間ピークΛ_３に挟まれた極小ポイントＶ_３の方向に基づいてその測定点における光学軸の傾斜角θを既知の計算式により算出できる。

さらに、異方性の大きさは、一つの測定点における配向分布の均一性を示す値であるが、配向方向が揃っているほど異方性が大きいということができ、異方性が大きいほど、図５に示すグラフの最大ピークの高さが高い。
したがって、最大ピークの高さに基づいて異方性の大きさを測定することができる。

本例では、ＣＣＤカメラ２６で反射光強度を測定しているので、試料３上の多数の測定点における光学軸の方向、傾斜角、異方性の大きさを同時に測定することができ、これらの分布状態も迅速に測定することができる。

なお、上述の説明では、試料３に照射した平行光束の反射光を二次元ＣＣＤカメラ２６で受光することにより複数点の反射光強度を同時に測定する場合について説明したが、一つの測定点についてのみ測定する場合は、光電子倍増管等を用いることもできる。
また、測定に用いる光は、光は可視光だけでなく、紫外光〜テラヘルツ光までのいずれの波長の光を用いても良く、また、偏光子、検光子、検出器は、使用する光の波長に適したものを使えばよい。

基準方向は、Ｐ偏光の方向に限らず、Ｓ偏光の方向でも同様である。
また、偏光子２３を±δに調整可能とし、検光子２４を固定化して測定する場合について説明したが、偏光子２３を固定化し、検光子２４を±δに調整可能とする場合であっても良い。
すなわち、Ｐ±δ（Ｓ±δ）方向の直線偏光を入射光としＳ偏光を測定光とする場合に限らず、Ｐ±δ（Ｓ±δ）方向の直線偏光を入射光としＰ偏光を測定光とする場合、Ｓ偏光を入射光としＰ±δ（Ｓ±δ）方向の直線偏光を測定光とする場合、Ｐ偏光を入射光としＰ±δ（Ｓ±δ）方向の直線偏光を測定光とする場合のいずれであってもよい。

偏光子２３及び検光子２４としては、グラントムソンプリズムのような透過型の偏光素子に限らず、反射型の偏光素子を用いても良い。
例えば、平面反射板にブリュースター角で光を入射させるとＳ偏光しか出力されないので、この光学系を光軸方向に回転させることにより、試料３に対してＰ偏光、Ｓ偏光、Ｐ±δ（Ｓ±δ）方向の直線偏光など任意の偏光を出力することができるのでこれを偏光子として使用することができ、同様に、検光子として用いることもできる。
また、反射面に金属薄膜を形成したプリズムに共鳴角で光を入射させるとＳ偏光しか出力されないので、平面反射板と同様に、偏光子及び検光子として使用することができる。

複数の方位から測定するために、照射光学系４及び測定光学系５を設けたテーブル７を回転させる場合について説明したが、これらを固定してステージ２を回転させる場合であっても良い。
また、予め複数の方位から照射する複数の測定光学系とその反射光強度を測定する複数の測定光学系を、所定角度間隔で配しても良い。

本発明は、光学異方性を有する製品、特に、液晶配向膜の品質検査などに適用することができる。

本発明に係る光学的異方性パラメータ測定装置の一例を示す説明図。 各測定点とＣＣＤカメラの画素の関係を示す説明図。 ノイズを含んだ反射光強度Ｍ_＋δ及びＭ_−δの測定結果を示すグラフ。 ノイズを除去した反射光強度Ｒ_＋δ及びＲ_−δの差Ｄの算出結果を示すグラフ。 差分データＤ^２の算出結果を示すグラフ。

符号の説明

１ 光学異方性パラメータ測定装置
２ ステージ
３ 試料（異方性測定対象物）
４ 照射光学系
５ 測定光学系
６ 演算処理装置
２１ レーザ
２３ 偏光子
２４ 検光子
２６ ２次元ＣＣＤカメラ

Claims (3)

1. ステージに立てられた垂線の周りの複数の方位から異方性測定対象物の測定点に対し、直線偏光を入射光として照射する照射光学系と、その反射光に含まれる直線偏光成分のうち特定方向の直線偏光を測定光としてその光強度を測定する測定光学系を備え、前記複数の方位における測定光の光強度を測定し、その光強度に基づいて、光学異方性パラメータである光学軸の方向、傾斜角、異方性の大きさを測定する光学異方性パラメータ測定方法において、
   前記測定対象物の測定面に対してＰ偏光又はＳ偏光のいずれか一方の方向を基準方向とし、
   前記入射光と測定光の一方を前記基準方向に振動する直線偏光とし、
   前記入射光と測定光の他方を前記基準方向に対して±δ（δ≠ｎπ／２、ｎは整数）の方向に振動する一対の直線偏光とし、
   前記入射光が照射される方位ごとに、前記一対の直線偏光に対応する二種類の測定光の光強度を測定して得られた二つの光強度データの差分を表す差分データを求め、
   当該差分データを二乗した場合に、二つの最大ピークの間にある極小値が存在する方位又は二つの中間ピークの間にある極小値が存在する方位に基づいて光学軸の方向を測定し、隣接する最大ピーク及び中間ピークに挟まれた二つの極小ポイントの方向に基づいて光学軸の傾斜角を測定し、最大ピークの高さに基づいて異方性の大きさを測定することを特徴とする光学異方性パラメータ測定方法。
2. ステージに立てられた垂線の周りの複数の方位から異方性測定対象物の測定点に対し、直線偏光を入射光として照射する照射光学系と、その反射光に含まれる直線偏光成分のうち特定方向の直線偏光を測定光としてその光強度を測定する測定光学系とを備え、前記複数の方位における測定光の光強度を測定し、その光強度に基づいて、光学異方性パラメータである光学軸の方向、傾斜角、異方性の大きさを測定する光学異方性パラメータ測定装置において、
   前記測定対象物の測定面に対してＰ偏光又はＳ偏光のいずれか一方の方向を基準方向としたときに、前記偏光子及び検光子の一方が基準方向に振動する直線偏光を出力する向きに配され、前記偏光子及び検光子の他方が基準方向に対して±δ（δ≠ｎπ／２、ｎは整数）の方向に振動する一対の直線偏光を出力する二つの方向に調整可能に配され、
   前記演算装置は、前記入射光が照射される方位ごとに、前記一対の直線偏光に対応する二種類の測定光の光強度を測定して得られた二つの光強度データの差分を表す差分データを求め、
   当該差分データを二乗した場合に、二つの最大ピークの間にある極小値が存在する方位又は二つの中間ピークの間にある極小値が存在する方位に基づいて光学軸の方向を測定し、隣接する最大ピーク及び中間ピークに挟まれた二つの極小ポイントの方向に基づいて光学軸の傾斜角を測定し、最大ピークの高さに基づいて異方性の大きさを測定するようになされたことを特徴とする光学異方性パラメータ測定装置。
3. 前記照射光学系が、測定対象物の測定領域の形状に応じたスポット形状の平行光束を照射する光源装置を備え、
   測定光学系が、前記測定領域から反射された平行光束の測定光の光強度を検出する１次元又は２次元の光センサを備えた請求項２記載の光学異方性パラメータ測定装置。

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