KR20020014990A - 편광광 조사장치 - Google Patents

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다나카 아키히로
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Abstract

본 발명은 반사 미러에 입사하는 편광광의 편광 방향을 변화시켜도, 워크에 조사되는 편광광의 소광비가 저하하지 않도록 한 것이다.
램프(1)로부터의 광을 편광 소자(8)에 입사하여, 편광 소자(8)로부터 출사하는 편광광을 제2 평면경(6)에 의해 반사시켜 마스크(M)를 통해 워크(W)의 배향막에 조사한다. 제2 평면경(6)의 평면에는 보호막(11)이 형성되고, 보호막(11)의 종류 및 막의 광학적 두께는 편광광의 입사각과 파장에 따라, 제2 평면경(6)으로부터 출사하는 P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)가 △≤±20°가 되도록 선정된다. 이 때문에 제2 평면경(6)에 입사하는 편광광의 편광 방향을 변화시켜도, 워크(W)에 조사되는 편광광의 소광비가 저하하지 않는다. 또, 제2 평면경(6) 대신해 다수의 평면경을 이용하여 평면경으로의 편광광의 입사각을 작게 하거나, 위상의 어긋남량의 차(△)를 두 장의 평면경으로 없애도록 해도 좋다.

Description

편광광 조사장치{Polarized light illuminating apparatus}
본 발명은 액정 표시 소자의 배향막에 편광광을 조사하여 액정을 광 배향시키기 위한 편광광 조사장치에 관한 것이다.
액정 표시 소자는, 투명 기판의 표면에 형성한 배향막에 액정을 원하는 방향으로 배향시키는 처리(배향 처리)를 행하고, 상기 투명 기판을 두 장, 배향막을 내측으로 하여 소정 간격의 극간을 유지하도록 접합하여, 상기 극간에 액정을 주입한 것이다.
배향막의 배향 처리에 관한 것으로, 배향막에 소정 파장의 편광광을 조사하여 노광 처리함으로써 배향을 행하는 광 배향이라 불리우는 기술이 있다.
현재, 가장 일반적으로 사용되는 TN 액정이라 불리우는 액정 표시 소자는, 액정의 배향 방향이 두 장의 투명 기판의 사이에서 90°회전하도록 만들어진다. 따라서, 배향 방향이 다른 배향막을 형성한 두 장의 투명 기판이 필요하게 된다.
또, 액정 표시 소자의 하나의 화소를 두 개 또는 그 이상으로 분할하고, 분할한 화소마다 액정의 배향 방향을 변화시킴으로써, 액정 표시 소자의 시야각을 개선하는 것이 행해지고 있다. 이 방법은 화소 분할법, 또는 멀티 도메인법이라 불리운다.
광 배향을 상기 화소 분할법에 적용하는 경우에는, 마스크를 이용하여 기판에 형성된 화소의 분할한 하나의 부분에 편광광을 조사하고, 다음에 마스크를 교환하여, 분할한 다른 부분에 상기와는 편광 방향을 변화시킨 광을 조사한다.
상기와 같이, 배향막에 편광광을 조사하는 광 배향용 편광광 조사장치에서는, 조사하는 편광광의 편광 방향을 임의의 방향으로 변경할 수 있는 장치가 바람직하다. 본 출원인은 먼저 일본국 특허 공개 2000-206525에서, 상기 광조사 장치내에 설치한 편광 소자를 회전시킴으로써 기판을 회전시키지 않고, 기판에 조사되는 편광광의 방향을 변경할 수 있는 광조사 장치를 제안하고 있다.
도 11에 편광광의 방향을 변경할 수 있는 광조사 장치의 구성예를 도시한다.
도 11에서, 램프(1)로부터의 광은 타원 집광경(2)에서 집광되어, 제1 평면경(3)에 의해 광로가 꺽여져 되돌아와, 편광 소자(8)에 입사한다. 편광 소자(8)는 예컨대, 다수의 글래스 판을 광축에 대해 브루스터 각만큼 경사져 배치한 것으로, P편광광은 투과하고, S편광광의 대부분은 반사한다. 이에 따라, 원하는 소광비를 가지는 편광광이 얻어진다.
편광 소자(8)로부터 출사한 편광광(P편광광)은 집적 렌즈(4)에 입사후, 셔터(5)를 통해 제2 평면경(6)에 의해 꺽여 되돌아와, 시준 렌즈(7)에 입사하여, 평행광으로 된 후, 마스크(M)를 통해 워크(W)(기판)의 배향막에 조사된다.
편광 소자(8)는 광조사 장치 내에서, 편광 소자(8)에 입사하는 광망(光芒)의 중심을 중심축으로 하여 회전할 수 있게 설치되어 있고, 상기 편광 소자(8)를 회전시킴으로써, 배향막에 조사되는 편광광의 방향을 임의로 변경·설정할 수 있다.
또, 상기와 같이 편광 소자(8)를 회전시키는 대신, 배향막이 형성된 워크(W)를 재치하는 워크 스테이지(도시하지 않음)를 회전시키도록 한 장치도 있다.
광 조사 장치에서는, 조사 면적, 조도 분포, 워크에 조사되는 광의 평행도 등의 광학 설계상의 문제로부터 필요한 광로 길이가 정해진다. 광 조사 장치를 소형화하고, 또 이 광로 길이를 확보하기 위해, 도 11에 도시한 제1 평면경(3), 제2 평면경(6)과 같은 미러에 의해 광로를 꺽어 되돌린다.
상기 이 평면경은 석영판에 알루미늄 등의 금속을 증착한 미러가 이용된다. 손상 방지를 위해 미러면에 플루오르화 마그네슘(MgFe2), 이산화규소(SiO2), 산화 알루미늄(Al2O3)등의 보호막이 통상, 수 십∼백 수 십nm의 두께로 증착되는 경우가 많다.
광 배향막을 배향시키기 위해서는, 소정의 파장에서 소정의 값 이상의 소광비를 가지는 편광광이 필요하다. 이것은 배향막의 물성에 따라 정해진다.
소광비란 광에 포함되는 P편광 성분과 S편광 성분의 비율이다. 광 배향막을 배향시키기 위해서는, 소광비 10:1 이상이 바람직하다고 되어 있다. 또, 파장은 250nm∼350nm의 범위의 자외광을 사용하는 경우가 많다.
그러나, 도 11의 장치에서, 편광 소자로부터 직선 편광에 가까운(소광비가 좋은, 예컨대 20:1∼15:1) 편광광을 출사해도 워크에 조사되는 편광광의 편광 방향을 변화하고자 하여 편광 소자를 회전시키면, 소광비가 저하하여(예컨대, 6:1), 원하는 소광비를 얻을 수 없는 경우가 발생했다.
예컨대, 브루스터 각으로 배치된 글래스를 편광 소자로 하면, 이 편광 소자로부터 출사되는 편광광(P편광)은 직선 편광이다. 일반적으로, 직선 편광광을 미러에 의해 반사하면, 경우에 따라 반사광은 위상의 어긋남에 의해 타원 편광이 된다고 알려져 있다. 이것이 소광비가 저하하는 원인이다.
타원 편광이 되는 이유에 대해서는 다음에 간단히 설명한다.
도 12는, 편광 소자로부터 직선 편광광이 출사하여, 미러에 입사각 45°로 입사하여, 반사하는 상태를 도시한 도면이다. 편광 소자로부터 출사하는 편광광은 지면에 대해 상하 방향의 전기장을 가지고 있다(편광 방향이 지면 상하 방향이다)고 한다.
도 12에서, 편광 소자로부터 출사되는 편광광의 광축과, 편광광의 전장의 방향에 의해 정해지는 평면을 평면(A)이라 한다. 한편, 미러로의 입사광(즉, 편광 소자로부터의 출사광)의 광축과, 미러로부터의 반사광의 광축에 의해 정해지는 평면을 평면(B)라 한다. 도 12는, 평면(A)과 평면(B)이 서로 평행한 경우이다.
여기에서, 편광 소자를 광축을 회전축으로 하여 회전시키면, 평면(A)과 평면(B)은 서로 평행하지 않게 되고, 편광 소자가 도 12의 상태에서 90°경사진 곳에서 평면(A)과 평면(B)은 서로 직교하는 관계가 된다.
미러의 반사면에서, 미러에 입사하는 광의 평면(B)에 평행한 성분을 P편광 성분, 평면(B)에 수직인 성분을 S편광 성분이라 한다.
평면(A)과 평면(B)이 평행 또는 수직의 관계에 있을 때는, 미러에 입사하는 편광광의 전기장의 방향(편광 방향)은, P편광 성분 또는 S편광 성분밖에 가지지 않는다. 그러나, 평면(A)과 평면(B)이 평행 또는 수직의 관계가 아닌 경우, 예컨대 미러에 입사하는 직선 편광광의 전기장의 방향(편광 방향)이, 도 13에 도시한 바와 같은 경우, 미러에 입사하는 광은 P편광 성분과 S편광 성분을 가지게 된다.
일반적으로, 광은 미러에 의해 반사하면 위상이 어긋나고, 그 위상의 어긋남량은 P편광 성분과 S편광 성분에서는 다르다는 것이 알려져 있다. 미러에 입사하는편광광이, P편광 성분, 또는 S편광 성분밖에 가지지 않는 경우(평면(A)과 평면(B)이 평행 또는 수직의 관계에 있는 경우)는, 반사에 의한 위상의 어긋남이 발생해도, 반사광은 P편광 성분, 또는 S편광 성분밖에 가지지 않으므로, 반사광은 입사광의 소광비와 같은 직선 편광광이 된다.
그러나, 도 13과 같이, 편광광이 P편광 성분과 S편광 성분의 양쪽을 가지도록 미러에 입사하면, 상기한 바와 같이 반사하는 P편광 성분의 위상 어긋남량과, S편광 성분 위상의 어긋남량이 다르기 때문에, P편광 성분과 S편광 성분의 사이에 위상차가 발생하여, 반사광은 도 14에 도시한 바와 같은 타원 편광이 된다(상세하게는, 예컨대 「응용 물리 핸드북」응용물리 학회편, 丸善주식회사, 헤이세이 2년 3월 30일 발행, P20∼P22를 참조).
즉, 이상적인 직선 편광광(소광비가 무한대)이어도, 평면(A)과 평면(B)이 평행 또는 수직의 관계가 아닌 경우, 미러로부터 출사되는 광은 타원 편광이 된다. 그리고, 타원 편광의 소광비는 이 타원의 긴 직경에 대한 짧은 직경의 비로 나타나므로, 소광비는 저하한다.
따라서, 도 11의 장치에서 워크(W)에 조사되는 편광광의 편광 방향을 변화시키고자 해도 편광 소자(8)를 회전시키면, 상기와 같은 평면(A)과 평면(B)이 평행 또는 수직의 관계가 아니게 되고, 제2 평면경에 의해 반사되면, 타원 편광이 되어 워크(W)에 조사되는 편광광의 소광비가 저하한다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 편광광을 반사 미러에 입사하여, 이 반사 미러에 의해 반사한 편광광을 광 배향막이 형성된 워크에 조사하는 광 배향용 편광광 조사 장치에 있어서, 반사 미러에 입사하는 편광광의 편광 방향을 변화시켜도, 워크에 조사되는 편광광의 소광비가 편광 소자로부터 출사하는 편광광의 소광비에 대해 저하하지 않는 편광광 조사 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 편광광 조사장치의 구성을 도시한 도면,
도 2는 직선 편광광이 순 알루미늄 미러에 의해 반사된 경우의 반사광의 P편광 성분과 S편광 성분의 위상 어긋남량의 차(△)를 도시한 도면,
도 3은 알루미늄 미러의 표면에 플루오르화 마그네슘(MgFe2)막을 형성한 경우의 위상의 어긋남량의 차(△)(입사각 30°의 경우)를 도시한 도면,
도 4는 알루미늄 미러의 표면에 플루오르화 마그네슘(MgFe2)막을 형성한 경우의 위상의 어긋남량의 차(△)(입사각 45°의 경우)를 도시한 도면,
도 5는 알루미늄 미러의 표면에 플루오르화 마그네슘(MgFe2)막을 형성한 경우의 위상의 어긋남량의 차(△)(입사각 50°의 경우)를 도시한 도면,
도 6은 알루미늄 미러의 표면에 이산화규소(SiO2)막을 형성한 경우의 위상의 어긋남량의 차(△)(입사각 45°의 경우)를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 제2 실시예의 편광광 조사장치의 구성을 도시한 도면,
도 8은 반사 미러로의 입사 각도를 변화시켰을 때의 반사광의 P편광 성분과 S편광 성분의 위상 어긋남량의 차(△)를 도시한 도면,
도 9는 두 장의 반사 미러를 이용한 경우와 한 장의 반사 미러를 이용한 경우의 반사 미러로의 입사각을 설명하는 도면,
도 10은 본 발명의 제3 실시예를 도시한 도면,
도 11은 편광광의 방향을 변경할 수 있는 광 조사 장치의 구성예를 도시한 도면,
도 12는 편광 소자로부터 직선 편광광이 출사하여 미러에 입사각 45°로 입사하여 반사하는 상태를 도시한 도면,
도 13은 도 12에서의 평면(A, B)이 평행 또는 직교하지 않은 경우에서의 P편광광과 S편광광 성분을 도시한 도면,
도 14는 타원 편광을 설명하는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 램프 2 : 타원 집광경
3 : 제1 평면경 4 : 집적 렌즈
5 : 셔터 6, 6a : 제2 평면경
6b : 제3 평면경 7 : 시준 렌즈
8 : 편광 소자 9 : 얼라인먼트 현미경
10 : 광조사 장치 11 : 보호막
미러에 입사하는 직선 편광광의 방위각을 α, 미러의 반사에 의해 발생하는 P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차를 △로 하면, 반사광의 타원 편광의 장축과 단축의 길이의 비로 정해지는 타원율 각(ε)과의 사이에는 sin2ε= sin2α×sin△인 관계가 성립한다(예컨대, 「광 공학 핸드 북」, 朝倉書店, 1981년 7월 25일 발행 P412 참조).
또, 소광비=(1/tanε)2:1로 나타낼 수 있다. 이로부터, 타원율 각(ε)이 작을수록 높은 소광비를 얻을 수 있다는 것을 알았다. 가령, 소광비가 ∞:1의 직선 편광광을 미러에 입사했을 때, ∞=0의 경우, 반사광의 소광비는 ∞:1이 된다.
한편, sin2ε=sin2α×sin△로부터 △=0이면 ε=0이 되고, 이 때의 소광비는 편광광의 편광 방향에 상관없이, 소광비는 ∞:1이 된다. △가 커지면 ε는 α까지 커질 수 있다. 그 경우, 미러에 편광 방향이 45° 경사진 편광광이 입사하면, 반사광의 소광비는 1:1이 된다.
따라서, 반사광의 소광비를 저하시키지 않기 위해서는, 이상적으로는 △=0 또는 △≒0이 되도록 반사 미러를 구성하면 된다.
상기 식에 따라 계산하면, 소광비 15:1의 편광광을 미러에 입사했을 때, 소광비 10 :1의 반사광을 얻기 위해서는, △≤±20°, 소광비 12 :1의 반사광을 얻기 위해서는 △≤±15°, 소광비 13.5 :1의 반사광을 얻기 위해서는 △≤±10°일 필요가 있다.
상기한 바와 같이 광 배향막을 배향시키기 위해서는, 소광비 10:1 이상이 바람직하다. 이를 위해서는 상술한 바와 같이 △≤±20°인 것이 필요하고, △≤±20°으로 하기 위해서는, 다음과 같은 수단을 고려할 수 있다.
P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차의 △는, 미러에 입사하는 광의 파장, 입사 각도에 의존한다. 또, 미러의 표면에 보호막을 형성하는 경우에는 상기 막의 종류, 막 두께에 의존한다. 따라서, 이하에 설명하는 바와 같이, 미러로의 편광광의 입사각, 보호막의 두께를 적절히 설정하거나, P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)를 없애는 미러의 배치이면 좋다.
(1)미러 표면에 막을 형성하면, 미러에 광이 입사했을 때, 막 표면에서 반사하는 광의 위상에 대해, 막을 투과하여 미러 표면에서 반사하는 광의 위상이 막의 광학적 두께에 의존하여 늦어진다.
이 막 형성에 의한 위상의 어긋남을 이용하면, 반사광의 P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)를 작게 할 수 있다.
이 위상의 어긋남량의 차(△)는 미러로의 편광광의 입사각에 의존한다. 또, 광 배향에 이용되는 파장은 광 배향막의 종류에 의해 정해진다. 따라서, 광학적인 설계에 의해 정해지는 미러로의 편광광의 입사각과, 광 배향막을 배향시키기 위해요구되는 파장에 따라, 미러 표면에 형성하는 보호막의 종류 및 막의 광학적 두께를 선정하면, △≤±20°로 할 수 있어, 소광비를 10:1 이상으로 할 수 있다.
(2) 반사 미러에 입사하는 편광광의 입사 각도를 작게 하면, 반사광에서의 P편광 성분과 S편광 성분의 위상 어긋남량의 차(△)를 작게 할 수 있다.
따라서, 다수의 반사 미러를 조합하여, 각 반사 미러에 입사하는 편광광의 입사 각도가 작아지도록 하면, △≤±20°로 할 수 있어, 소광비를 10:1 이상으로 할 수 있다.
(3) 동일 재질의 제1 및 제2 반사 미러를 이용하여, 제1 반사 미러의 입사광의 광축과 반사광의 광축에 의해 정해지는 평면에 대해, 제2 반사 미러의 입사광의 광축과 반사광의 광축에 의해 정해지는 평면이 수직이 되도록, 또 제1 반사 미러로의 입사 각도와 제2 반사 미러로의 입사 각도가 같아지도록, 상기 제1과 제2 반사 미러를 배치하면, 제1 미러의 반사에 의해 발생한 위상차를 제1 미러의 반사에 의해 없앨 수 있다.
따라서, 적어도 제1, 제2 두 장의 반사 미러를 이용하여, 반사 미러를 상기 배치로 함으로써, P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남을 없앨 수 있어, 제2 반사 미러에서 반사된 편광광을 직선 편광으로 할 수 있다.
(실시예)
도 1에 본 발명의 제1 실시예의 편광광 조사장치의 구성을 도시한다. 도 1에서, 상기 도 11에 도시한 것과 동일한 것에는 동일 부호가 붙여져 있고, 본 실시예에서는, 제2 평면경(6)의 표면에 유전체 막(보호막)(11)이 형성되어 있다. 이 유전체막의 재질, 막 두께는 제2 평면경(6)으로의 편광광의 입사각과, 워크(W)상에 형성된 광 배향막을 배향시키기 위해 요구되는 파장에 따라, 반사하는 편광광의 P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)가 20°이하가 되도록 선정되어 있다. 상기 제2 평면경(6)은 예컨대 알루미늄 미러이고, 그 표면에 형성되는 유전체막(11)(이하, 보호막(11)이라 한다)으로서는, 예컨대 플루오르화 마그네슘(MgFe2)막, 또는 이산화규소(SiO2)막을 이용할 수 있다.
도 1에서, 램프(1)로부터의 광은, 타원 집광경(2)에서 집광되어, 제1 평면경(3)에 의해 광로가 꺽여 되돌아와 편광 소자(8)에 입사한다. 편광 소자(8)는 예컨대, 상기한 바와 같이 다수의 글래스판을 광축에 대해 브루스터 각만큼 경사시켜 배치한 것으로, P편광광은 투과하고, S편광광의 대부분을 반사한다. 이에 따라, 원하는 소광비를 가지는 편광광이 얻어진다.
편광 소자(8)로부터 출사한 편광광(P편광광)은 집적 렌즈(4)에 입사 후, 셔터(5)를 통해 표면에 상기 보호막(11)이 형성된 제2 평면경(6)에 의해 꺽여 되돌아와, 시준 렌즈(7)에 입사하여, 평행광으로 된 후, 마스크(M)를 통해 워크(W)(기판)의 배향막에 조사된다.
편광 소자(8)는, 상기한 바와 같이 광조사 장치(10) 내에서, 편광 소자(8)에 입사하는 광망의 중심을 중심축으로 하여 회전시킬 수 있고, 이 편광 소자(8)를 회전시킴으로써, 배향막에 조사되는 편광광의 방향을 임의로 변경·설정할 수 있다.
다음에, 상기 제2 평면경(6)에 형성하는 보호막(11)의 종류 및 막 두께의 선정에 대해 설명한다.
도 2에 직선 편광광이 순 알루미늄 미러(보호막 없음)에 의해 반사된 경우의 반사광의 P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)(계산값)를 도시한다. 동 도면은, 편광광의 미러로의 입사각이 45°(즉, 반사 미러에 의해 광로를 90°꺽어 되돌린다)의 경우를 나타내고, 상기 도 12에서 평면(A)과 평면(B)이 45°에서 교차하는 경우를 도시하고 있다(이 경우가 반사광의 소광비가 가장 저하한다).
동 도면에서, 가로 축은 입사하는 편광광의 파장(nm), 세로 축은 P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)(°)이다.
또, 현 상태에서 광 배향에는 파장 250nm∼300nm 부근의 광이 이용되므로, 이하에서는 주로 편광광이 이 파장 범위인 경우에 대해 설명한다.
상기 파장 영역에서, 상기 도 12에서의 평면(A)과 평면(B)의 관계가 수직·평행이 아니어도, 상기한 바와 같이 △=0이면 소광비의 저하는 발생하지 않는다.
그러나, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 이 파장 범위에서 △=-30°∼-20°이고, 반사에 의한 소광비의 저하가 발생한다.
도 3∼도 5는 도 2의 알루미늄 미러의 표면에, 플루오르화 마그네슘(MgF2)막을 형성한 경우의 위상 어긋남량의 차(△)를 도시한 것으로, 플루오르화 마그네슘(MgF2)막의 막 두께 0nm, 50nm, 75nm, 100nm, 125nm의 경우를 나타낸다.
도 3∼도 5에서, 가로 축은 입사하는 편광광의 파장(nm), 세로 축은 P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)(°)이고, 도 3은 편광광의 미러로의 입사각이 30°, 도 4는 입사각이 45°, 도 5는 입사각이 50°인 경우를 도시하고 있다.
예컨대, 반사 미러로의 편광광의 입사각이 45°인 경우는, 도 4에 도시한 바와 같이, 파장 범위 250nm∼350nm에서는, 막 두께 100nm, 125nm의 어떤 경우도 P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)가 20°이하가 되고, 막 두께가 100nm인 경우, 상기 위상의 어긋남의 차(△)가 가장 작아지게 된다.
상기 도 12에 도시한 평면(A)과 평면(B)이 교차하는 각도가 45°이고, 15:1의 소광비를 가지는 편광광이 반사 미러에 입사각 45°로 입사한 경우, 상기한 바와 같이 △≤±20°이면, 반사광의 소광비는 10:1이 된다. 여기에서, 편광광의 소광비 15:1은 일반적인 편광 소자에 의해 얻어질 수 있는 편광광의 소광비이다.
반사광의 소광비 10:1는 현재, 광 배향막을 배향하기 위해 요구되는 소광비이고, 반사 미러에 의한 반사광의 소광비가 10:1이면, 실용상 문제는 발생하지 않는다.
또, △≤±15°이면, 같은 조건하에서 반사광의 소광비가 12:1 이상이 된다. 또, △≤±10°이면 반사광의 소광비가 13.6:1 이상이 된다. 즉, 위상의 어긋남량의 차(△)가 작아질수록, 입사광의 소광비를 좋게 함으로써, 보다 소광비가 좋은 반사광을 얻을 수 있다.
도 6은 알루미늄 미러의 표면에 이산화규소(SiO2)막을 형성한 경우의 위상의 어긋남량의 차(△)를 도시한 것으로, 상기와 마찬가지로, 이산화규소(SiO2)막의 막두께 0nm, 50nm, 75nm, 100nm, 125nm의 경우를 나타낸다. 동 도면의 가로 축은 입사하는 편광광의 파장(nm), 세로 축은 P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)(°)이고, 편광광의 미러로의 입사각이 45°인 경우를 나타내고 있다. 도 6에서는, 상기 파장 범위에서 막 두께 75, 100, 125nm 모두 20°이하가 되고, 100nm인 경우, △가 가장 작아진다.
여기에서, 반사 미러상에 형성하는 보호막(11)의 막 두께는 다음과 같이 계산된다.
이하에서는, 편광광의 미러로의 입사각을 45°(즉, 반사 미러에 의해 광로를 90°꺽어 되돌린다), 상기 도 12에 도시한 평면(A)과 평면(B)이 교차하는 각도를 45°로 한 경우(이 경우가 반사광의 소광비가 가장 악화된다)에 대해서 계산한다.
보호막(11)에 입사하는 광의 파장을 λ으로 하고, 이 파장에서의 보호막의 굴절률을 n1, 대기의 굴절률을 n0, 반사 미러로의 입사각을 φ0으로 하면, P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)=0이 되는 막 두께(d)는, 이하와 같이 구해진다(예컨대, 「광학적 측정 핸드북」, 朝倉書店, 1981년 7월 25일 발행 P256∼259 참조).
막 두께(d)는 다음의 (1), (2)식으로 나타낼 수 있다. 여기에서, (2)식 중 A, B, C는 상기 n1, d, φ0, λ, △등에 의해 정해지는 값이다. 막 두께(d)는 실수이어야만 하므로, 다음의 (3)식이 성립해야만 한다.
(식 1)
X는 다가 함수이므로, 상기 식의 답은 다수 개 존재한다. 상기 식으로부터 구해지는 d 중, 최소의 답과 다음으로 작은 답을 각각 d1, d2로 하면, 파장이 250nm∼350nm의 범위에서는 0.75×d1<d<1.25×d2의 범위이면, P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)(△P-△S)≤±20°가 되고, 0.84×d1<d<1.18×d2의 범위이면 △≤±15°가 되어 반사광의 소광비의 저하를 방지할 수 있다.
이상에 따라, 상기 도 1에 도시한 제2 평면경(6)상에 형성하는 막 두께를 다음과 같이 선정할 수 있다.
(1) 워크(W)상에 형성하는 광 배향막에 따른 편광광의 파장 범위, 보호막(11)의 종류를 선정한다. 또, 요구되는 소광비에 따라 P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)를 구한다.
(2) 광 조사 장치의 광학 설계를 행하여, 제2 평면경(6)에 입사하는 편광광의 입사각을 구한다.
(3) 편광광의 파장 범위, 보호막(11)의 종류와 제2 평면경(6)에 입사하는 편광광의 입사각, 상기 위상 어긋남량의 차(△)에 따라, 상기 도 3∼도 6에 도시한 그래프 등을 이용하여 보호막(11)의 막 두께를 선정한다.
도 7에 본 발명의 제2 실시예의 편광광 조사장치의 구성을 도시한다. 도 7에서, 상기 도 1에 도시한 것과 동일한 것에는 동일 부호가 붙여지고, 본 실시예에서는, 제2 평면경(6) 대신 두 장의 평면경(6a, 6b)(제2, 제3 평면경이라 한다)을 이용하여, 평면경(6a, 6b)으로의 편광광의 입사각을 적당히 선택하여, 광 배향막에 조사하는 평면경(6b)의 반사광의 P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)를 작게 하도록 한 것이다.
도 7에서, 도 1과 마찬가지로, 램프(1)로부터의 광은, 타원 집광경(2)에서 집광되어, 제1 평면경(3)에 의해 광로가 꺽여 되돌아와, 편광 소자(8)에 입사한다. 편광 소자(8)는 예컨대 상기한 바와 같이, 다수의 글래스판을 광축에 대해 브루스터 각만큼 경사져 배치한 것으로, P편광광은 투과하고, S편광광의 대부분을 반사한다. 이에 따라, 원하는 소광비를 가지는 편광광이 얻어진다.
편광 소자(8)로부터 출사한 편광광(P편광광)은 집적 렌즈(4)에 입사 후, 셔터(5)를 통해, 제2 평면경(6a)에 입사하고, 그 반사광은 또 제3 평면경(6b)에서 꺽여 되돌아와, 시준 렌즈(7)에 입사하여, 평행광이 된 후, 마스크(M)를 통해 워크(W)(기판)의 배향막에 조사된다.
집광 소자(8)는 상기한 바와 같이 광조사 장치(10) 내에서, 편광 소자(8)에 입사하는 광망의 중심을 중심축으로 하여 회전시킬 수 있고, 이 편광 소자(8)를 회전시킴으로써, 배향막에 조사되는 편광광의 방향을 임의로 변경·설정할 수 있다.
도 8에, 반사 미러(보호막 없음)로의 입사 각도를 변화시켰을 때의 반사광의 P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)를 나타낸다. 그 외 편광광의편광 방향 등의 조건은 상기와 같고, 가로 축은 입사광의 파장(nm), 세로 축은 반사광의 P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)(°)이다. 입사 각도는 0°, 15°, 22.5°, 30°, 45°, 60°인 경우에 대해 계산했다.
동 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 파장 250∼350nm의 범위에서는 반사 미러(보호막 없음)로의 입사 각도가 작을수록 반사광의 위상 어긋남량의 차(△)는 작아진다. 즉, 반사광의 위상 어긋남량의 차(△)를 작게 하기 위해서는, 미러(보호막 없음)로의 입사 각도를 가능한 한 작게 하면 좋다는 것을 알 수 있다.
따라서, 상기 반사 미러(보호막 없음)를 사용하여 편광광을 90°꺽어 되돌린 후, 배향막에 그 반사광을 조사하는 경우, 도 9(b)와 같이, 한 장의 미러에 의해 입사 각도 45°에서 반사시켜 90°꺽어 되돌리면, 배향막에 조사되는 반사광의 위상의 어긋남량의 차(△)는 20°보다도 커지지만, 도 9(a)에 도시한 바와 같이, 두 장의 상기 반사 미러(보호막 없음)를 사용하여 22.5°로 2회 반사시켜 90°꺽어 되돌리면, 배향막에 조사되는 반사광의 위상의 어긋남량의 차(△)는 20°보다도 작아지게 되어, 워크(W)에 조사되는 편광광의 소광비가 좋아진다.
단, 미러에 의한 반사의 횟수가 증가하면 광량이 저하하여, 필요한 광량을 얻을 수 없게 된다. 또, 조사 영역의 확보 등 광학 설계가 매우 복잡해지기 때문에, 반사시키는 횟수와 각도는 적당히 선택할 필요가 있다.
또, 상기 제1 실시예와 제2 실시예를 조합하여 편광광 조사장치를 구성해도 좋다. 예컨대, 제2 실시예에서 제2, 제3 평면경(6a, 6b)상에 입사하는 편광광의 입사각과, 광 배향막을 배향시키기 위해 요구되는 파장에 따라 보호막의 종류 및 막의 광학적 두께를 선정하여, 제2, 제3 평면경(6a, 6b)상에 보호막을 형성하여, 제3 평면경(6b)에 의한 반사광의 P편광광과 S편광광의 위상의 어긋남량의 차(△)가 원하는 값 이하가 되도록 하면, 소광비의 저하를 방지할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예를 도시한 도면으로, 동 도면은 상기 도 1에 도시한 편광광 조사장치에서의 제2 평면경의 부분만을 도시하고 있고, 그 외의 구성은 생략되어 있다. 도 9에서 (a)는 사시도, (b)는 동 도면(a)를 A방향에서 본 도면, (c)는 동 도면(a)를 B방향에서 본 도면이다.
본 실시예는, 도 1에서 제2 평면경(6) 대신에 두 장의 평면경(6a, 6b)(제1 평면경(6a), 제2 평면경(6b)이라 한다)을 이용하여, 두 장의 평면경(6a, 6b)에 의해 위상차의 어긋남을 없애도록 편광광을 반사시키도록 한 것이다.
도 10에서, 제1 평면경(6a), 제2 평면경(6b)은 동일 재료로 이루어진 미러이고, 동 도면에서는 제1 평면경(6a)의 입사광의 광축과 반사광의 광축에 의해 정해지는 평면에 대해, 제2 평면경(6b)의 입사광의 광축과 반사광의 광축에 의해 정해지는 평면이 수직이 되도록 꺽어 되돌리고, 편광광의 제1 평면경(6a)으로의 입사 각도와 제2 평면경(6b)으로의 입사 각도가 같아지도록 미러를 배치하고 있다. 제1 평면경(6a), 제2 평면경(6b)은 동일 재질로 이루어진 미러이면 되고, 양 평면경(6a, 6b)상에 상기한 보호막이 형성되어 있어도 보호막의 종류, 막 두께가 같으면 된다.
도 10에서, 동 도면에 도시한 XYZ의 직교 좌표계로 설명하면, X축에 평행한 입사광이 제1 평면경(6a)에 입사각 45°로 입사하여, Y축에 평행한 광을 반사한다.이 Y축에 평행한 광이 제2 평면경(6b)에 입사각 45°로 입사하여, Z축에 평행한 광을 반사한다.
도 10에 도시한 바와 같이 평면경을 배치하면, 제1 평면경(6a)에 입사하는 광의 P편광 성분과 S편광 성분이 90° 회전하여 제2 평면경(6b)에 입사한다. 즉, 제1 평면경(6a)에 입사하는 광의 P편광 성분과 S편광 성분이 제2 평면경(6b)에 입사하는 광의 P편광 성분과 S편광 성분에서 반대가 된다.
이 때문에, 제1 평면경(6a)에서 반사했을 때에 늦어진 성분이, 제2 평면경(6b)에서 반사했을 때에, 그 만큼 빨라진다. 즉, 제1 평면경(6a)에서 발생한 위상의 어긋남이 제2 평면경(6b)에서 반사되었을 때에 사라지게 된다.
따라서, 제2 평면경(6b)에 의한 반사광은 제1 평면경(6a)에 입사하는 편광광과 같은 직선 편광광이 된다. 이에 따라, 반사광의 소광비의 저하를 방지할 수 있다.
도 10에서는 도시하기 쉬운 일례를 도시하고 있지만, 제1 평면경(6a)의 입사광의 광축과 반사광의 광축으로 정해지는 평면에 대해, 제2 평면경(6b)의 입사광의 광축과 반사광의 광축으로 정해지는 평면이 직교하도록 제1, 제2 평면경(6a, 6b)이 배치되고, 제1, 제2 평면경(6a, 6b)으로의 편광광의 입사각이 같지 않으면, 제1 평면경(6a)에서 발생한 위상의 어긋남을 제2 평면경(6b)에서 없앨 수 있어, 제1, 제2 평면경(6a, 6b)의 입사각은 도 10에 도시한 바와 같이 45°가 아니어도 좋다.
또, 상기의 실시예에서는 램프로부터의 광을 편광 소자에 의해 직선 편광시키고 있지만, 이것에 한하지 않고, 레이저 장치를 이용하여 편광광을 얻도록 구성해도 좋다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(1) 편광광 조사장치에서, 편광광을 반사하는 반사 미러에서의 반사광의 P편광 성분과 S편광 성분의 위상의 어긋남량의 차(△)가 반사 미러가 입사하는 편광광의 전기장의 방향에 상관없이 20°이하가 되도록 구성했기 때문에, 편광 소자로부터 출사하는 직선 편광광의 편광 방향을 변화시켜도, 반사 미러에 의한 반사광이 원하는 파장에서 타원 효율을 억제할 수 있어, 반사광의 소광비의 저하를 방지할 수 있다.
(2) 광 배향막이 형성된 워크에 대해, 원하는 파장 및 소광비의 편광광을 워크를 회전시키지 않고 임의의 편광 방향에서 조사할 수 있는 편광광 조사 장치를 실현할 수 있다.

Claims (4)

  1. 편광광을 반사 미러에 입사하여, 이 반사 미러의 반사광을 광 배향막에 조사하는 편광광 조사장치에 있어서,
    상기 반사 미러가 입사하는 상기 편광광의 광축과 편광광의 전기장의 방향으로 정해지는 제1 평면과, 입사하는 상기 편광광의 광축과 반사 미러의 반사광의 광축에 의해 정해지는 제2 평면이 평행하지 않거나, 또는 직교하지 않는 상태로 배치되어 있고,
    상기 반사 미러로부터의 반사광의 P편광 성분과 S편광 성분의 위상 어긋남량의 차를 20°이하로 하는 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 편광광 조사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 P편광 성분과 S편광 성분의 위상 어긋남량의 차를 20°이하로 하는 수단은, 상기 반사 미러로의 편광광의 입사 각도에 따라, 반사 미러의 표면에 형성하는 유전체 막의 막 두께 및 재질을 선택하는 것을 특징으로 하는 편광광 조사 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 P편광 성분과 S편광 성분의 위상 어긋남량의 차를 20°이하로 하는 수단은, 상기 반사 미러로서 다수의 반사 미러를 조합하여 이용하는 것을 특징으로하는 편광광 조사 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 P편광 성분과 S편광 성분의 위상 어긋남량의 차를 20°이하로 하는 수단은, 상기 반사 미러로서, 동일 재료로 이루어진 제1 및 제2 반사 미러를 이용하여, 제1 반사 미러의 입사광의 광축과 반사광의 광축에 의해 정해지는 평면에 대해, 제2 반사 미러의 입사광의 광축과 반사광의 광축에 의해 정해지는 평면이 거의 수직이 되도록, 또 제1 반사 미러로의 입사 각도와 제2 반사 미러로의 입사 각도가 거의 같아지도록 상기 제1과 제2 반사 미러를 배치한 것을 특징으로 하는 편광광 조사 장치.
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