KR100974478B1 - 액정 배향막 표면 검사 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피검사물의 표면 상태를 조사하기 위한 광을 출사하는 광원부와, 상기 출사된 광이 입사되어 피검사물의 표면 상태를 검사하기 위한 피검사물 지지대 및 상기 입사된 광의 반사광을 검출하여 변환하는 카메라와 모니터로 이루어진 수광부를 구비하는 액정 배향막 표면 검사 장치에 있어서, 상기 광원부와 피검사물 사이에 위치하여 상기 출사된 광을 편광시킨 후 피조사 대상 표면에 편광된 빛을 내보내는 편광자; 및 상기 편광된 빛이 피조사물 표면에 사각으로 입사되어 반사한 광을 검출 및 제어하는 결상제어수단;을 더 구비하며, 상기 광원부는 상기 광원부에서 출사되고 상기 피검사물에 반사되어 상기 결상제어수단에 입사되는 각도의 범위가 상기 피검사물의 굴절율에 따른 브루스터각을 포함하도록 단색광이고 결맞음(Coherent) 특성이 없는 평행한 광을 출력하는 RC LED를 광원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 액정 배향막 표면 검사 장치를 제공한다.

배향막, 러빙홈, 검사

Description

액정 배향막 표면 검사 장치 및 방법{Apparatus and method for inspecting surface of Liquid Crystal Alignment Layer}

본 발명은 액정 배향막의 표면 상태를 검사하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 액정 표시 소자에 있어서 액정 분자의 배향을 제어하는 배향막의 러빙홈의 상태 및 결함을 검사하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

영상 표시 장치로서 널리 사용되는 액정 소자는 액정이 가지고 있는 빛의 편광 특성을 이용한 표시 소자이다. 액정 소자에서는 한 벌의 기판 사이에 액정을 주입시키고, 이 기판 사이의 액정층에 전압을 인가하여 투과광 및 반사광을 제어한다. 각 기판상에는 투명전극이 각각 형성되어 있고 그 위에 액정층의 초기 배열을 결정시키기 위한 배향막이 형성되어 있다. 배향막 위의 액정분자들의 배향성은 배향막과 액정분자 사이의 표면 상호작용에 의해 결정되며 이러한 액정분자의 배향 상태는 액정 소자의 성능을 좌우하는 아주 중요한 요소이다. 이러한 이유로 배향막의 표면을 검사하고 평가하는 공정은 액정 표시 장치의 생산에 있어 불량률을 감소시킬 수 있는 중요한 요소 중 하나이다.

그러나, 종래의 액정 표시 장치 제작에 있어서, 배향막의 불량유무는 액정을 주입한 후 검사할 수 밖에 없었으므로, 불량 판정 시 주입액정까지 폐기해야 하는 등 막대한 손실을 감수할 수 밖에 없었다.

따라서, 배향막을 검사하고 평가하기 위하여, 호기 상법(시료표면에 습기를 부가한 뒤 반사광을 숙련자의 눈 검사 또는 광학적 수광 수단으로 검사하는 방법)으로 시료면에 대해 상기한 미세홈(microgroove)의 결함 검사하였다. 그러나, 상기 호기 상법의 경우, 결함으로부터의 반사광과 정상 부분으로부터의 반사광과의 강도의 차이가 거의 없기 때문에 미세한 결함을 검출할 수 없었다.

또한, 종래의 액정 배향막의 평가 및 검사 방법으로 사용되는 적외선 흡수 분광법이나 라만 산란 분광법 등 분자 진동으로부터 분자 상태를 관측하는 방법들은 주로 연구 용도에 국한되어 왔을 뿐 실제 생산에는 적용되지 못하였다.

한편, 피검사물의 표면에 레이저광의 직선 편광을 거의 브루스터각에 상당하는 입사각으로 조사하고, 레이저광의 편광 방향을 선정하여, 레이저광의 반사광에 의해서 피검사물 표면의 결함을 검출하는 표면결함 검사장치(일본 특개평3-291552호)가 제안되었다.

상기 표면결함 검사장치 및 이와 유사한 방법들은 광원으로 Ｈｅ-Ｎｅ 레이저등이나 레이저광으로 표면의 결함을 검사하는 방법을 사용하고 있으나, CCD(Charge Couple Device) 카메라를 이용하는 플라잉 이미지 방식에 있어서, 레이저광과 같은 결맞는(coherent) 빛을 CCD 카메라로 촬상하는 경우에는, CCD 팁의 보호막이나 투명 전극 혹은 유리 필터 등의 표면이나 이면에서 레이저광이 반사되므로, 입사광과의 사이에 간섭을 일으키는 문제가 있다. 즉, 빛의 경로에 수많은 광 학면을 가지고 있기 때문에 각 면으로부터의 간섭들로 인하여 매우 복잡한 상을 만들게 되는 문제점이 있다.

상기 적외선 흡수 등에 의한 진동 분광법 이외에도, 배향막을 평가하는 방법으로 시료를 투과 한 빛의 복굴절 위상차이를 평가하는 방법(일본 특개평 제6-102512호)이나, 편광 방향이 막 표면에 수평 또는 그것과 직교 하는 직선 편광을 입사하여 그 반사광 강도의 차이나 반사광의 편광도로부터 분자 배향에 의해서 생기는 막의 면내의 이방성을 관측하는 방법(일본 특개평 제4-95845호, 제9-90368호, 제9-60368호) 등이 제안된 바 있다.

그러나, 상기 적외선 흡수 분광법 등의 빛을 이용한 진동 분광에 의한 방법은 실리콘 기판상에 형성된 배향막의 해석에 적합하나, 유리 기판상에 투명 전극막을 제작하여 그 위에 액정 배향막이 설치되어서 되는 액정 소자를 측정할 때, 유리 기판이나 투명 전극막이 적외선을 흡수하기 때문에, 액정 소자의 평가에는 적절치 않은 문제점이 있다.

또한, 반사광의 편광 상태는 검광자를 통과하는 빛의 강도의 검광자 각도 의존성에 의해 요구하는 회전검광자법이 넓게 이용되고 있으나, 이 방법에서는 검광자의 360도 회전에 있어서의 빛의 강도를 측정하기 위해서, 시료면의 １점의 측정 시간이 길고, 넓은 면적의 분자 배향의 일 모양성의 평가를 실시하는데 막대한 시간이 필요하게 되는 문제가 있다.

또한, 편광 변조 방식을 이용 하더라도, 상기한 방법으로 배향막을 평가하는 경우에는 입사각을 일정하게 유지하면서 배향막을 360도 회전 시킬 필요가 있으므로, 측정에 매우 긴 시간이 소요될 뿐만 아니라, 회전 기구에 높은 정밀도가 요구 되는 문제점이 있다.

한편, 최근에는 배향막의 러빙(Rubbing) 상태를 관찰하기 위한 시도로서 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope; SEM)이나 원자력현미경(Atomic Force Microscope; AFM) 등과 같은 원자 스캐일(scale) 장비가 사용되고 있으며, 러빙에 의한 미세홈을 AFM으로 관측한 결과들이 보고되고 있다.

그러나, 상기 SEM이나 AFM을 사용한 배향막의 검사 및 평가방법은 시료를 관찰하기 위한 준비가 어려울 뿐만 아니라 미세범위의 관찰 밖에는 할 수 없기 때문에 넓은 범위를 관찰하는데 많은 시간이 소요된다. 예를 들면 SEM은 시료를 진공실에 넣어 검사하여야 하며, 또한 AFM은 원자간력이라고 하는 아주 미약한 힘을 측정하기 때문에 한 번에 관찰할 수 있는 범위가 수 nm ∼ 수 μm 정도로 미세하다. 따라서 어느 정도 넓은 범위를 관찰하는데 많은 시간이 소요되며, 상기 장비를 설치한다 하더라도 매우 고가인데다가 설치조건도 까다로워 러빙홈을 측정하기 위한 장치로는 효율적이지 못한 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 액정 표시 장치의 배향막에 형성된 러빙홈과 같은 표면에 미세한 홈을 가지는 기판에 있어서, 상기 미세한 홈의 결함을 검사할 수 있는 액정 배향막 표면 검사 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 상술한 종래기술의 문제점을 해결하여, 유리 기판상에 제작된 배향막의 표면상태를 평가하고 결함을 검출함으로써 배향막으로 인한 액정표시장치의 결함을 획기적으로 줄일 수 있는 액정 배향막 표면 검사 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 배향막 표면 검사 장치는, 피검사물의 표면 상태를 조사하기 위한 광을 출사하는 광원부와, 상기 출사된 광이 입사되어 피검사물의 표면 상태를 검사하기 위한 피검사물 지지대 및 상기 입사된 광의 반사광을 검출하여 변환하는 카메라와 모니터로 이루어진 수광부를 구비하는 액정 배향막 표면 검사 장치에 있어서, 상기 광원부와 피검사물 사이에 위치하여 상기 출사된 광을 편광시킨 후 피조사 대상 표면에 편광된 빛을 내보내는 편광자; 및 상기 편광된 빛이 피조사물 표면에 사각으로 입사되어 반사한 광을 검출 및 제어하는 결상제어수단;을 더 구비하며, 상기 광원부는 상기 광원부에서 출사되고 상기 피검사물에 반사되어 상기 결상제어수단에 입사되는 각도의 범위가 상기 피검사물의 굴절율에 따른 브루스터각을 포함하도록 단색광이고 결맞음(Coherent) 특성이 없는 평행한 광을 출력하는 RC LED를 광원으로 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정 배향막 표면 검사 방법은, 피검사물의 표면 상태를 조사하기 위한 광을 출사하는 광원부와, 상기 출사된 광이 입사되어 피검사물의 표면 상태를 검사하기 위한 피검사물 지지대 및 상기 입사된 광의 반사광을 검출하여 변환하는 카메라와 모니터로 이루어진 수광부를 구비하는 액정 배향막 표면 검사 장치를 이용한 액정 배향막 표면 검사 방법에 있어서, 상기 광원부로부터 상기 피검사물에 반사되어 결상제어수단에 입사되는 각도의 범위가 상기 피검사물의 굴절율에 따른 브루스터각을 포함하도록 RC LED를 광원으로 사용하여 단색광이고 결맞음(Coherent) 특성이 없는 평행한 광을 출사하는 과정; 상기 광원부와 피검사물 사이에 위치한 편광자를 통해 상기 출사된 광을 편광시킨 후 피조사 대상 표면에 편광된 빛을 내보내는 과정; 상기 편광된 빛을 상기 피조사물 표면에 사각으로 입사시키는 과정; 및 상기 입사된 광이 상기 피조사물 표면으로부터 반사한 광을 검출 및 제어하는 과정;으로 이루어짐을 특징으로 한다.

삭제

이때, 상기 피검사물은 액정의 배향막, 도메인의 배향, 복합단분자막의 경계면이 될 수 있다. 또한, 상기 결상제어수단은 위상차현미경을 사용하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명은 액정의 배향막 표면에 결함(이물질, 흠, 스크래치, 밀도의 불균일 등)이 있는 위치나 러빙에 의한 미세홈 등 있는 위치에서 공액면의 저주파 영역에 1/4 파장의 위상차를 인가함으로써, 배경과 굴절률차가 거의 없는 이물질을 검출하거나 또는 동일 배경물질위에 생긴 기하학적 결함(또는 의도적인 미세구조)를 관측하는데 있어 매우 효과적이다.

또한, 본 발명은 P 편광 입력광에 의한 반사광 이외의 광 노이즈를 제거할 수 있는 장점이 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은 배향막 표면의 러빙상태와 불순물 그리고 빈 셀의 스페이서 위치를 검사할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 광원으로 단색광 빔을 사용함으로써 시료의 굴절률의 분산효과를 고려하지 않아도 되는 장점이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 광을 출사하는 광원부와 상기 출사된 광이 입사되어 피검사물의 표면상태를 검사하기 위한 피검사물 지지대 및 상기 반사광을 검출하여 변환하는 카메라와 모니터로 이루어진 수광부로 구성된다.

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 광원부와 수광 부에서 각각 기존의 방법과 차별되는 방법을 사용하여 상기의 문제점들을 해결하기 위한 장치 및 방법을 제안한다.

본 발명의 광원부는 기본적으로 간섭노이즈가 없으면서도 브루스터 조건을 만족시킬 수 있도록 고안된 광원과 입사광학계를 제안한다.

일반적으로 레이저광은 우수한 단색성과 평행성을 가지고 있으나 결맞음 특성으로 인해 간섭 노이즈를 피할 수 없다. 따라서 본 발명에서는 결맞음(Coherent) 특성이 없는 광원을 입력광원으로 채택한다. 또한 광원이 단색이 아닐 경우에는 배향막의 굴절률 분산에 의해 파장에 따라 브루스터각이 달라지므로 단색의 광원을 입력광원의 조건으로 한다. 또한 표면이 평평(Flat)한 배향막 표면의 어느 위치에도 브루스터 조건으로 빛이 입사되도록 평행한 광원을 입사광원의 조건으로 한다. 이러한 세 가지 조간이 만족되는 경우 브루스터 조건을 만족하기 위해 빛의 편광을 입사면에 평행한 P편광이 되도록 광원이 후에 편광자를 설치한다.

이러한 광원과 입사광학계에서는 P편광의 단색이고 평행하며 결맞음성이 없는 빛을 배향막의 조사면에 평행하게 입사시킬 수 있다.

상기 P편광에 의한 반사광의 세기는 하기의 수학식 1로 나타낼 수 있다.

여기서, n은 매질의 상대굴절율이고, θ는 입사각임.

그러나 입사각이 브루스터각일 경우, 상기 수학식 1에 의한 반사계수는 0 이 된다.

따라서 표면에 브루스터각으로 입사된 P 편광된 평행광은 표면의 각부분으로 입사되어 브루스터조건이 맞는 위치에서는 반사가 없게 되지만, 결함(이물질, 흠, 스크래치, 밀도의 불균일 등)이 있는 위치나 러빙에 의한 미세홈 등 있는 위치에서는 브루스터 조건이 깨져 반사가 생기게 된다.

본 발명에서는 수광부에서 표면으로부터 상기와 같은 반사광을 확대하여 CCD장치를 통해 표면형상을 검사하는 광학계를 채택하되 기존의 현미경 광학계를 이용한 측정보다 성능면에서 월등하게 향상된 영상을 얻기 위해 현미경대물렌즈의 초점부근에 광학적 저주파필터를 위치시키는 위상차현미경(Phase Contrast Microscope; PCM)계를 채택하였다. 이 방법은 공액면의 저주파 영역에 1/4 파장의 위상차를 인가함으로서 배경과 굴절률차가 거의 없는 이물질을 검출하거나 또는 동일 배경물질위에 생긴 기하학적 결함(또는 의도적인 미세구조)를 관측하는데 있어 특별한 장점을 가진다.

원리적으로 P 편광된 입사 빛에 대하여 평평한 배향막의 표면으로부터의 반사는 생길 수 없다. 그러나 실제로는 편광자의 소광비율 때문에 발생하는 약간의 S 편광성분이나, 표면의 열적요동, 또는 표면반사 시 생기는 위상변화 등으로 인해 아주 약한 반사는 생길 수 있다.

이러한 반사는 배경반사이므로 특별한 무늬를 생성하지 않는다. 그러나 배향막 표면의 러빙이나 표면결함, 불순물 등은 브루스터조건을 교란하여 표면에서 그 형상에 따른 반사를 일으킨다. 따라서, 본 발명에서는 상기 표면으로부터 반사되는 빛을 현미경의 대물렌즈를 사용하여 확대시킨다. 상기 대물렌즈 뒤에는 CCD 카메라를 장착하여 표면에서 반사된 빛이 CCD 카메라에 촬영되어 모니터에 나타나도록 한다. 상황에 따라 수광부에 검광자를 광로상에 설치하여 P 편광 입력광에 의한 반사광 이외의 광 노이즈를 제거하는데 사용될 수 있다.

상기와 같은 장치와 방법으로 배향막 표면의 러빙상태와 불순물 그리고 빈 셀의 스페이서 위치를 검사할 수 있다

이하 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 액정 배향막 표면 검사 장치 및 방법을 실시 예를 들어 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배향막 검사장치를 나타낸 것으로, 먼저 광원부(10)는 RC-LED(Resonant Cavity Light Emitting Diode)를 사용하여 단색광이면서도 결맞음(Coherent) 특성이 없는 평행한 광원빔을 생성한다. 상기 광원부(10)의 광원(11)으로부터 빛을 편광 시키는 편광자(12)는 편광효율(extinction ratio)이 높은 편광판을 사용하는 것이 효과적인데 본 실시 예에서는 Glan-Thompson 편광자를 사용한다. 상기 편광자(12)는 로테이션 스테이지(미 도시함)에 설치하여 레이저 빔의 편광방향을 조정할 수 있도록 한다. 브루스터 입사각을 맞추기 위해 입사각(51)을 조정할 수 있는 장치(미 도시함)가 있어야 하며, 이 각도는 피측정물(20)의 굴절률에 따라 하기의 수학식 2에 의해 결정된다.

여기서, n1은 공기의 굴절율이고, n2는 매질의 굴절율 임.

x-y 스테이지(21)는 그 위에 설치된 피측정물의 전체면을 검사하기 위한 미세 이동수단으로 사용될 수 있으며 경우에 따라 스텝모터와 같은 전동이동 수단을 첨가하여 사용될 수 있다.

반사된 표면형상은 수광부(30)의 대물렌즈(31), 1/4파장 위상차 필터(32), 그리고 경우에 따라 편광자(33)를 거쳐 CCD 카메라 또는 C-MOS 영상카메라(34)에 의해 영상으로 측정된다.

상기 대물렌즈(31)의 배율은 field of view 설정에 따라 결정되지만 사각으로 장치되는 점을 고려하여 working distance가 충분히 확보될 수 있도록 결정된다. 상기 1/4파장 위상차필터(32)는 상기 대물렌즈(31)의 초점에 설치하되, 공간저주파 부분이 그 외 부분에 대해 1/4파장 위상차를 가질 수 있도록 상기 1/4파장 위상차 필터(32)의 중심과 상기 대물렌즈(32)의 초점을 정확히 일치시켜 장치한다. 또한, 경우에 따라서는 초점의 일치를 위해 상기 1/4파장 위상차 필터(32)가 미세 x-y 스테이지에 설치될 수도 있다. 또한, 경우에 따라서는 contrast를 높이기 위해, 또는 표면의 편광의존 특성을 검출하기 위해 다른 편광자(33)을 설치할 수도 있다. 이렇게 반사된 표면형상은 CCD 카메라 등과 같은 영상카메라에 의해 측정되 어 영상신호처리부(40)에 의해 영상처리된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 광원부는 기본적으로 간섭노이즈가 없으면서도 브루스터 조건을 만족시킬 수 있도록 고안된 광원과 입사광학계를 제안하고, 이를 사용하여 배향막 위에 형성되는 러빙의 형상을 광학적으로 관측함으로써, 액정의 배향막 표면에 존재하는 결함의 검사가 가능하도록 한다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 배향막 검사장치를 나타낸 도면.

Claims (8)

1. 피검사물의 표면 상태를 조사하기 위한 광을 출사하는 광원부와, 상기 출사된 광이 입사되어 피검사물의 표면 상태를 검사하기 위한 피검사물 지지대 및 상기 입사된 광의 반사광을 검출하여 변환하는 카메라와 모니터로 이루어진 수광부를 구비하는 액정 배향막 표면 검사 장치에 있어서,

   상기 광원부와 피검사물 사이에 위치하여 상기 출사된 광을 편광시킨 후 피조사 대상 표면에 편광된 빛을 내보내는 편광자; 및

   상기 편광된 빛이 피조사물 표면에 사각으로 입사되어 반사한 광을 검출 및 제어하는 결상제어수단;을 더 구비하며,

   상기 광원부는 상기 광원부에서 출사되고 상기 피검사물에 반사되어 상기 결상제어수단에 입사되는 각도의 범위가 상기 피검사물의 굴절율에 따른 브루스터각을 포함하도록 단색광이고 결맞음(Coherent) 특성이 없는 평행한 광을 출력하는 RC LED를 광원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 액정 배향막 표면 검사 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 피검사물은,

   액정의 배향막, 도메인의 배향, 복합 단분자막의 경계면임을 특징으로 하는 액정 배향막 표면 검사 장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 결상제어수단은,

   위상차현미경임을 특징으로 하는 액정 배향막 표면 검사 장치.
6. 피검사물의 표면 상태를 조사하기 위한 광을 출사하는 광원부와, 상기 출사된 광이 입사되어 피검사물의 표면 상태를 검사하기 위한 피검사물 지지대 및 상기 입사된 광의 반사광을 검출하여 변환하는 카메라와 모니터로 이루어진 수광부를 구비하는 액정 배향막 표면 검사 장치를 이용한 액정 배향막 표면 검사 방법에 있어서,

   상기 광원부로부터 상기 피검사물에 반사되어 결상제어수단에 입사되는 각도의 범위가 상기 피검사물의 굴절율에 따른 브루스터각을 포함하도록 RC LED를 광원으로 사용하여 단색광이고 결맞음(Coherent) 특성이 없는 평행한 광을 출사하는 과정;

   상기 광원부와 피검사물 사이에 위치한 편광자를 통해 상기 출사된 광을 편광시킨 후 피조사 대상 표면에 편광된 빛을 내보내는 과정;

   상기 편광된 빛을 상기 피조사물 표면에 사각으로 입사시키는 과정; 및

   상기 입사된 광이 상기 피조사물 표면으로부터 반사한 광을 검출 및 제어하는 과정;으로 이루어짐을 특징으로 하는 액정 배향막 표면 검사 방법.
7. 삭제
8. 제 6항에 있어서, 상기 결상제어수단은,

   위상차현미경임을 특징으로 하는 액정 배향막 표면 검사 방법.

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