JPH11166888A

JPH11166888A - 反射型測定装置

Info

Publication number: JPH11166888A
Application number: JP34871497A
Authority: JP
Inventors: Toshiyasu Tadokoro; 利康田所; Masashi Akaha; 正志赤羽; Munehiro Kimura; 宗弘木村; Hisakazu Chiyoukai; 弥和鳥海
Original assignee: Jasco Corp
Current assignee: Jasco Corp
Priority date: 1997-12-04
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 1999-06-22

Abstract

(57)【要約】【目的】プリズムに対する入射角度と、試料（液晶）
に対して照射させる偏光状態を簡単かつ正確に調整する
ことができる反射型測定装置を提供すること【構成】セル１０の窓板４１は液晶４０より屈折率の
大きい材質から構成し、窓板の表面に液体４４を介して
プリズム３５を配置する。各部材４１，４４，３６の屈
折率は同一にする。この状態でプリズムを介して液晶に
光を照射することにより、液晶の界面の状態を測定する
装置である。そして、プリズムとセルとをそれぞれ独立
して保持するようにして図（Ａ）に示すように、液体が
介在しない分離状態をとることができ、そのプリズムの
底面３５ｃの全反射面を利用して光学系の調整を行う。
液体を介在させた状態で図（Ｃ）のように矢印に移動
させて液晶の界面で全反射するようにし、さらにセル１
０のみを矢印のように回転することにより、液晶の主
軸方位を合わせることができるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反射型測定装置に
関するもので、より具体的には光学異方性を持つ物質の
特性を測定する装置における偏光面の調整機構の改良に
関する。

【０００２】

【従来の技術】よく知られているように、例えばセルに
封入された液晶などのように光学異方性（屈折率異方
性）のある物質を、偏光解析装置で測定・解析しようと
した場合には、測定対象の物質である試料の屈折率の主
軸方位と、偏光解析装置の偏光基準面を一致させる必要
がある。すなわち、例えば試料の表面にＰ偏光の光を照
射させ、その反射光の偏光方向を検出することにより、
試料表面で偏波面が何度回転したかを求め、それに基づ
いて試料の特性を測定する方法がある。係る場合に主軸
方位と偏光基準面が一致していないと、Ｐ偏光を照射し
たつもりが試料にとってはＳ偏光成分も含む光が照射さ
れたことになり、余分な副対角成分を落として規格化さ
れた行列式から解を求めることができなくなるためであ
る。

【０００３】一方、反射型の分光エリプソメータを用い
て、物質の表面近傍の測定を高感度で行うためには、例
えば図１に示すように、試料屈折率より高い屈折率を有
するプリズム１を用い、ブリュスターアングルを越える
入射角で入射させることにより測定する全反射法が一般
に行われる。

【０００４】つまり、例えば試料がセル３内に封入され
た液晶４とし、その液晶４の配向膜すなわち液晶界面の
液晶分子挙動を高感度に測定する場合には、プリズム１
と同じ屈折率を有する板材を用いてセル窓３ａを製造
し、さらに、セル窓３ａとプリズム１の屈折率を同じも
のとするとともに、セル窓３ａとプリズム１の接合面で
反射が起きないような処理を施して接合一体化する。な
お、係る反射が起きないような処理とは、接合面で屈折
率の変化が発生しないようにする処理である。

【０００５】係る構成にすると、プリズム１の斜面１ａ
から入射された光は、プリズム１及びセル窓３ａ内を直
進して液晶４の表面（液晶４とセル窓３ａの境界面）に
到達する。すると、セル窓３ａと液晶４の屈折率は異な
り、セル窓３ａの方が大きいのでその境界面にて全反射
し、反対側の斜面１ｂから出射されるようになってい
る。

【０００６】また、上記ブリュスターアングルを越えた
入射角の光路は、通常プリズム１の斜面１ａの法線に一
致するようにしている。これにより、プリズム１に入射
したときに屈折せずに直進する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の測定装
置では、プリズム１とセル３とを接合一体化し、係る一
体化したものを測定装置の治具（ホルダー）に取り付け
た後、測定装置の所定の光学系を介して図１に示したよ
うに所定の角度でプリズム１に光を照射し、反射光を受
光して解析をするようにしている。

【０００８】そして、通常液晶等の試料の屈折率の主軸
方位は不明であるので、プリズム１の斜面１ａの法線方
向から入射してきた光の方向（偏光解析装置の偏光基準
面）と試料の主軸方位とが一致しないおそれがある。す
ると、複雑な演算処理をしなければならず、測定誤差を
招くことになる。

【０００９】一方、係る問題を解決するため、例えばプ
リズム１として図２（Ａ）に示すように、半割した円柱
状とすると、入射角θを変えてもプリズム１の入射面に
対して法線方向から光を照射させる（プリズムに対する
入射角を０度）ことができるものの方位角φを変化する
ことはできなくなる。また、同図（Ｂ）に示すように半
球状とすると、入射角並びに方位角のいずれもプリズム
に対する入射角を０度の状態を保ちながら変更すること
ができるようになる。

【００１０】このようにプリズムに対する入射角を０度
（試料に対する入射角θは所定角度）にすることによ
り、液晶の界面の所望の位置に光を照射させ、その反射
光を図外の受光装置にて受光・検出できるようになる。
従って、例えば入射角を０度の状態で光学系の位置関係
を調整した状態でプリズム１，試料を回転させることに
より入射角が０度でなくなると、そのままの光学系では
受光することができなくなる。換言すれば、プリズムに
対する入射角が０度のまま保てる範囲で、プリズム，試
料を回転させたり、試料に対する入射角θを変更するこ
とが可能となる。よって、特に同図（Ｂ）に示すような
構成とすることにより、試料の主軸方位と偏光解析装置
の偏光基準面とを一致させることができる。

【００１１】しかしながら、係るプリズムでは、光が照
射される面が曲面となっているので、本発明の適用対象
の一つである分光した光を照射するようにした場合に
は、分光することにより、スポット径が広くなるので、
レンズ効果により進行方向と偏光状態が変化してしまう
ため、やはり照射した光成分の全てに対して試料の主軸
方位と偏光解析装置の偏光基準面とを一致させることは
できなくなる。

【００１２】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、たとえビーム径の広い光であっても、プリズムに対
する入射角度と、試料に対して照射させる偏光状態とを
相互に簡単かつ正確に調整することができる反射型測定
装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る反射型測定装置ではセル内の試料
に対して光を照射し、その試料で反射された反射光に基
づいて前記試料の特性を測定する反射型測定装置であっ
て、前記セルの窓板は前記試料より屈折率の大きい材質
から構成するとともに、その窓板の表面に、その窓板と
同一の屈折率からなり光の入出射面が平面状のプリズム
を配置し、かつ、そのプリズムと前記窓板の接合面に前
記屈折率と同一の屈折率を有する液体を介在させた状態
で、前記プリズムを介して前記光を照射するようにした
反射型測定装置において、以下のように構成した。前記
プリズムを保持するプリズム保持手段と、前記セルを保
持するセル保持手段と、前記プリズム及び前記セルを、
前記接合面と直交する方向に移動させる移動手段とを設
ける。そしてさらに、前記プリズムと前記セルは、相対
角度位置を変更可能とした（請求項１）。

【００１４】前記相対角度位置の変更は、前記セルを回
転させることにより行うようにすることができる（請求
項２）。また、前記移動手段は、前記プリズムと前記セ
ルの間隔を保持したままそれらを同時に移動するように
構成することができる（請求項３）。

【００１５】そして、前記光を照射するとともに、前記
反射光を受光するための光学系の調整は、前記液体を介
在させない状態で前記プリズムの底面で全反射させるこ
とにより行い、前記移動手段により前記プリズム及び前
記セルを所定位置に移動させるとともに、前記接合面に
前記液体を介在させた状態で前記相対角度位置を変更す
ることにより前記試料の主軸方位の調整を可能とする機
能を備えた（請求項４）。

【００１６】本発明では、プリズム保持手段とセル保持
手段により、プリズムとセルはそれぞれ相互に独立して
保持されている。従って、プリズムとセルの窓板の間に
両者間の接合面を光学的に透明にする液体がない場合に
は、プリズムの底面が全反射面となる。従って、非常に
簡単に光学系の調整をすることができる。つまり、光が
プリズムの底面所定位置（反射ポイント）に照射され、
反射された光が検出手段に受光されるようにすることが
行える。

【００１７】次いで、移動手段により、プリズムとセル
を同時或いは相互に移動させることにより、プリズムの
底面（光の反射ポイント）があった位置にセルと試料の
界面を位置させる。さらに、プリズムとセルの接合面に
所定の液体を介在させる。この介在させる処理は、前記
移動の前或いは後のいずれでもよい。係る液体によりプ
リズムとセルとの接合面は光学的に透明になり、プリズ
ムを使って調整した光学系のままで、セルの窓板と試料
との界面にて全反射し、反射光が検出手段に受光される
状態となる。

【００１８】そして、セルとプリズムは、それぞれ保持
手段により相互に独立して保持されているので、両者の
相対角度位置を回転させることができる。これにより、
光学系とプリズムの位置関係を崩すことなく相対的にセ
ルを回転させて主軸方位を合わせることができ、精度の
よい測定が可能となる。なお、係る角度位置の変更の際
には、請求項２に規定するようにセル側を回転した方が
簡単な構成で実現できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図３は、本発明に係る反射型測定
装置の一態様である反射型の分光エリプソメータの原理
図の一例を示している。同図に示すように、本装置は、
所定構造の液晶セル１０に対してアンカリングエネルギ
ーを測定するようにしている。同図から明らかなよう
に、装置構成としては、金属等の固体表面を検査する際
に用いるエリプソメータとほぼ同様の構造をとることが
できる。すなわち、Ｘｅランプを光源とする分光器１１
から所定波長の光が出射され、その出射光を偏光子１２
を通過させて直線偏光にした後、光弾性変調子（ＰＥ
Ｍ）１３にて所定周波数で変調した光を試料である液晶
セル１０に所定の入射角度で照射させる。

【００２０】また、前記液晶セル１０からの反射光の光
路上には検光子１４，受光素子１５が順に配置され、検
光子１４を通過した光が受光素子１５で受光されるとと
もに、受光量に応じた電気信号に変換され、その変換さ
れた信号がアンプユニット駆動コントローラ１６に入力
される。そして、そこにおいて増幅された受信信号が、
パソコン１７に与えられ、所定の信号処理を行うことに
よりアンカリングエネルギーを求めるようになってい
る。さらに、アンプユニット駆動コントローラ１６は、
モノクロメータドライバ１８，ＰＥＭコントローラ１９
並びにパルスジェネレータアンプ２０に対して制御信号
を送り、それらが同期して動作するようになっている。

【００２１】つまり、モノクロメータドライバ１８は、
モノクロメータ１１内の回折格子等を回転させ、所定の
波長（スキャンさせることもある）で光を出射させるよ
うになっている。ＰＥＭコントローラ１９は、ＰＥＭ１
３の周囲に装着したコイルに高周波を印加して、所定タ
イミングで変調をかけるようになっている。パルスジェ
ネレータアンプ２０は、所定周波数で発振し液晶セル１
０に対して、交流矩形波（パルス）を印加するものであ
る。なお、上記した各装置の構成並びに制御アルゴリズ
ムは、透過型の偏光解析装置におけるそれ（特開平７−
２６０６７６等により詳細に説明されている）と同様で
あるため、詳細な説明は省略する。

【００２２】次に本発明の要部となる液晶セル１０を保
持する機構について図４以降に基づいて説明する。ま
ず、帯板状の取付基板２２がＬ字型プレート２３によ
り、移動装置２４に起立形成されており、これにより、
取付基板２２は移動装置２４の動作によって図４中左右
方向に往復移動し、後述する取付基板２２に取り付けら
れる各種部材が全体的に往復移動するようになる。

【００２３】この取付基板２２の上方両側縁には、前方
に向けて突出するように一対の小片２５が設けられ、そ
の各小片２５の対向面には支持軸２１が突出するように
配置されている。そして、この支持軸２１が、リング状
の枠体２６の両側面に挿入されることにより、枠体２６
が取付基板２２に保持される。またこの枠体２６の裏面
側でもネジなどにより取付基板２２に固定されている。

【００２４】また、枠体２６の中央の孔部２６ａ内に
は、略円柱状のベース２７を挿入している。このベース
２７には、軸方向に延びる複数の通路２８が形成され
（図７参照）、その通路２８の一端２８ａがベース２７
の前面に開口して吸着口となり、サンプルホルダー３０
を吸着保持可能としている。一方、枠体２６の孔部２６
ａ内に位置するベース２７の側周面には、円周方向に延
びるリング状の凹溝３１が形成され、その凹溝３１に上
記通路２７の他端２７ｂが連通している。これにより、
その凹溝３１を介して複数の通路２８が接続される。さ
らに、凹溝３１は枠体２６を径方向に貫通する貫通孔３
２に接続され、その貫通孔３２は枠体２６の側面に取り
付けられた連通管３３に接続されている。そして、この
連通管３３が図外の真空ポンプに連携されているため、
係る真空ポンプの吸引力が連通管３３，貫通孔３２，凹
溝３１を介して通路２８に伝達され、一端２８ａの吸着
口に吸引力が発生するようになっている。

【００２５】サンプルホルダー３０は基本的に従来と同
様のものを用いることができ、図８に示すように、円板
状の本体３０ａと、液晶セル１０を保持する板バネ３０
ｂを備えている。そして本形態で使用する液晶セル１０
は、所定の屈折率からなる透明な一対の板（ガラス板）
内に液晶を挟み込んだ形状からなる通常のものである。
そして、その液晶セル１０の表面側に、等脚台形状のプ
リズム３５を配置するとともに、接合面に所定の液体を
介在させることにより接合面を光学的に透明で界面が存
在しないようにする。このとき使用する材質としては、
プリズム３５と液体並びに基板の屈折率が同一のものを
用いる。

【００２６】ここで本発明では、プリズム３５を保持す
る保持機構を設けている。つまり、従来であれば、液晶
セル１０とプリズム３５とは予め接合一体化しているた
め、例えば液晶セルを保持するための１つの保持機構で
よいが、本発明ではプリズム３５と液晶セル１０は分離
し相対的に移動可能とするため、上記のように液晶セル
１０を保持する保持機構（サンプルホルダー３０等）と
プリズム３５を保持する保持機構（プリズムホルダー３
６等）の２種類を備えている。

【００２７】そして、係るプリズム３５を保持する保持
機構の具体的な構成は、以下のようになっている。ま
ず、プリズム３５の上下面を挟み持って支持するプリズ
ムホルダー３６をスクリューネジ３７を介してＬ字型ア
ーム３８に取り付け、そのＬ字型アーム３８を上記した
枠体２６に固定ネジ３９によって固定している。

【００２８】さらに本形態では、ベース２７は、枠体２
６に対して回転可能となっており、ベース２７の露出し
た側面に取り付けたレバー３４を手動により操作するこ
とにより、枠体２６の孔部２６ａ内で正逆回転するよう
になっている。

【００２９】係る構成にすることにより、スクリューネ
ジ３７を操作することにより液晶セル１０に対して相対
的にプリズム３５を前後進移動できる。また、レバー３
４を操作することにより、ベース２７ひいてはサンプル
ホルダー３０を回転させることができる。これにより、
本形態では液晶セル１０とプリズム３５とは相互に移動
できるようになっているので、プリズム３５を回転移動
することなく液晶セル１０のみを回転させることができ
る。さらに、移動装置２４を操作すると、プリズム３５
と液晶セル１０を同時に前後進移動することができる。

【００３０】次に、上記した装置を用いた初期設定につ
いて説明する。まず、図９に示すように、プリズム３５
及び液晶セル１０をそれぞれ対応するホルダー３６，３
０（図示せず）に装着する。この時、同図（Ａ）に示す
ように、プリズム３５と液晶セル１０の間には、接合面
を光学的に透明にするための液体は充填していない。な
お、図示の関係でプリズム３５と液晶セル１０のセル窓
となる板４１の間には、所定の空間をおいて離反は位置
されているが、必ずしもこのように離反させる必要はな
く、機械的に接触させていてもよい。その場合であって
も、プリズム３５の底面３５ｃが全反射面となる。従っ
て、一方の斜面３５ａから光を入射させ、底面３５ｃで
全反射させて他方の斜面３５ｂから出射させた反射光
が、図外の検出器に受光されるように光学系及びまたは
プリズム３５の位置・姿勢を調整する。この時、本形態
では斜面３５ａに対して入射角が０度になるように光が
入射するように設定する。

【００３１】次に、同図（Ｂ）に示すように、プリズム
３５と液晶セル１０（板４１）との接合面に、屈折率が
プリズム３５及び板４１と同一の液体４４を充填する。
実際には、例えば両者３５，４１を接触させている状態
において、接合面に係る液体４４を滴下すると表面張力
により接合面全面に充填される。これにより、プリズム
３５から板４１まで同一屈折率となり、プリズム３５の
底面３５ｃが光学的に見えなくなり、界面は板４１と液
晶４０との接合面４１ａとなる。そして、板４１の屈折
率の方が液晶４０の屈折率より大きくしているので、そ
の接合面４１ａは全反射面となる。

【００３２】そこで、同図（Ｃ）に示すように、まずプ
リズム３５と液晶セル１０の相対位置関係を保持しなが
ら矢印方向に距離ｄだけ移動する。この移動は、移動
装置２４を動作させて取付基板２２ごと移動することに
より行える。また、距離ｄは、プリズム３５，底面３５
ｃと板４１の接合面４１ａ間の間隔である。これによ
り、同図（Ａ）に示した処理で位置合わせした入射光が
全反射するポイントＰが、同図（Ｃ）に示すように板４
１の接合面４１ａの面上に位置することになる。従っ
て、同図（Ｃ）に示すように光を入射させると、接合面
４１ａで全反射し、その反射光がプリズム３５の他方の
斜面３５ｂから出射する。そして、同図（Ａ）と同図
（Ｃ）における光の全反射するポイントＰが同じである
ので、光学系を再調整することなく反射光は検出器に受
光される。

【００３３】ところで、この状態では液晶４０の屈折率
の主軸方位と、偏光解析装置の偏光基準面が一致してい
るとは限らない。そこで、矢印に示すように、液晶セ
ル１０を正逆回転させて方位角を調整する。具体的には
レバー３４を操作してベース２７を回転させる。する
と、そのベース２７に吸着保持しているサンプルホルダ
ー３０も回転し、それにつれて液晶セル１０も回転す
る。従って、係る回転をさせながら反射光の光強度を監
視し、その光強度の変極点を見つけることにより、一致
したか否かの判定が行える。そして、このように液晶セ
ル１０を回転させても、プリズム３５は回転しないの
で、光学系による全反射位置や受光位置は調整があった
まま主軸方位を合わせる調整が行える。

【００３４】次に、上記した初期設定を終えた測定装置
を用い、液晶アンカリングエネルギー測定を測定する方
法について説明する。まず、通常の分光エリプソメータ
と同様に動作させて所定の波長の光を液晶セル１０に照
射させる。すると、図１０中矢印で示すように、表面側
のセル窓を構成する板４１と液晶４０との境界面で全反
射しガラス板４１ひいてはプリズム３５内を通過後出射
する。よって、液晶の内側に屈折して進まないので、ガ
ラス板から出射される反射光は、板４１から出射された
反射光は、その大部分が液晶４０と板４１の界面付近に
位置しアンカリング効果を受ける液晶分子にて反射した
光となる。

【００３５】係る反射光が図３に示す検光子１４を介し
て受光素子１５に受光される。そして、従来と同様の方
法、すなわち、シミュレーション等により予め求めてお
いた各アンカリングエネルギーにおける特性と、今回の
測定結果とを比較し、最も近い特性を抽出し、その特性
のアンカリングエネルギーを測定結果として決定し、出
力するようにする。

【００３６】また、上記した実施の形態では、液晶アン
カリングエネルギーの測定を行う場合について説明した
が、本発明はこれに限ることはなく、例えば界面近傍の
液晶の電場応答測定を行ったり、その他プリズム全反射
法を用いた屈折率異方性を持つ物質の偏光解析に用いる
ことができる。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る反射型測定
装置では、プリズム保持手段とセル保持手段により、プ
リズムとセルはそれぞれ相互に独立して保持し、さらに
プリズムとセルを接合面と直交方向に移動可能とすると
ともに、両者の相対角度位置を変更可能としたため、た
とえビーム径の広い光であっても、プリズムに対する入
射角度と、試料に対して照射させる偏光状態とを相互に
簡単かつ正確に調整することができる。

【００３８】すなわち、プリズムとセルの窓板の間に両
者間の接合面を光学的に透明にする液体がない場合に
は、プリズムの底面が全反射面となるので、それを利用
して非常に簡単に光学系の調整をすることができる。ま
た、接合面に液体を介在させた状態でセルとプリズムの
回転角度位置を変更することにより、セル内の試料の主
軸方位を合わせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の測定法の一例を説明する図である。

【図２】先行技術を説明する図である。

【図３】本発明に係る反射型測定装置の好適な一実施の
形態の測定系全体を示す図である。

【図４】本発明の要部となる試料を保持する機構を示す
側面図である。

【図５】その正面図である。

【図６】その平面図である。

【図７】側面図の要部を示す拡大断面図である。

【図８】サンプルホルダーを示す図である。

【図９】初期設定の一例を説明する図である。

【図１０】実際の測定を説明する図である。

【符号の説明】

１０液晶セル２４移動装置２７ベース（セル保持手段，相対角度位置を変更可能
にするための手段）３０サンプルホルダー（セル保持手段）３４レバー（相対角度位置を変更可能にするための手
段）３５プリズム３６プリズムホルダー（プリズム保持手段）３７スクリューネジ（プリズム保持手段）３８Ｌ字型アーム（プリズム保持手段）４０液晶（試料）４１板（窓板）４４液体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セル内の試料に対して光を照射し、その
試料で反射された反射光に基づいて前記試料の特性を測
定する反射型測定装置であって、前記セルの窓板は前記試料より屈折率の大きい材質から
構成するとともに、その窓板の表面に、その窓板と同一
の屈折率からなり光の入出射面が平面状のプリズムを配
置し、かつ、そのプリズムと前記窓板の接合面に前記屈
折率と同一の屈折率を有する液体を介在させた状態で、
前記プリズムを介して前記光を照射するようにした反射
型測定装置において、前記プリズムを保持するプリズム保持手段と、前記セルを保持するセル保持手段と、前記プリズム及び前記セルを、前記接合面と直交する方
向に移動させる移動手段とを設け、さらに前記プリズムと前記セルは、相対角度位置を変更
可能としていることを特徴とする反射型測定装置。
【請求項２】前記相対角度位置の変更は、前記セルを
回転させることにより行うようにしたものであることを
特徴とする請求項１に記載の反射型測定装置。
【請求項３】前記移動手段は、前記プリズムと前記セ
ルの間隔を保持したままそれらを同時に移動するもので
あることを特徴とする請求項１または２に記載の反射型
測定装置。
【請求項４】前記光を照射するとともに、前記反射光
を受光するための光学系の調整は、前記液体を介在させ
ない状態で前記プリズムの底面で全反射させることによ
り行い、前記移動手段により前記プリズム及び前記セルを所定位
置に移動させるとともに、前記接合面に前記液体を介在
させた状態で前記相対角度位置を変更することにより前
記試料の主軸方位の調整を可能とすることを特徴とする
請求項１〜３のいずれか１項に記載の反射型測定装置。