KR20060085574A - 광학적 이방성 파라미터 측정 방법 및 측정 장치 - Google Patents

광학적 이방성 파라미터 측정 방법 및 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학적 이방성 박막의 광학축의 방향과 크기 및 두께를 고속, 고정밀도로 측정하고, 아울러 이차원 수광 소자에 의한 분포 측정을 가능하게 하는 방법과 장치를 제공한다.
측정점(M)에 세워진 법선(Z)을 중심으로 하여 소정 각도 간격으로 설정된 복수의 입사 방향으로부터 P 편광의 단색광을 소정의 입사 각도로 조사시키고, 그 반사광에 포함되는 S 편광의 반사광 강도를 입사 방향에 따라 검출하고, 반사광 강도의 극소값을 나타내는 입사 방향 중 최대 피크로 되는 두 개의 극대값(Λ1, Λ2)에 끼워진 극소값(V1)이 측정된 입사 방향(ν1)에 기초하여 측정점(M)에서의 광학축(OX)의 방위각 방향(ΦA)을 결정하고, 최대 피크로 되는 극대값(Λ1)과 이에 인접하는 중간 피크로 되는 극대값(Λ3)에 끼워진 극소값(V3)이 측정된 입사 방향에 기초하여 극각 방향(θ)을 결정하도록 하였다.
극각, 방위각, 극대값, 극소값, 피크, 이방성, 파라미터, 광학, 박막, 편광, 법선, 발광 광학계, 수광 광학계

Description

광학적 이방성 파라미터 측정 방법 및 측정 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING OPTICAL AEOLOTROPIC PARAMETER}
도 1은 본 발명에 따른 광학적 이방성 파라미터 측정 장치의 일례를 나타낸 설명도.
도 2는 광학축의 방위각 방향 및 극각 방향의 관계를 나타낸 개념도.
도 3은 그 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 4는 다른 광학적 이방성 파라미터 측정 장치를 나타낸 설명도.
도 5는 박막 시료의 회전에 따른 각 측정점의 위치 추이를 나타낸 설명도.
도 6는 극각 방향 분포를 나타낸 설명도.
도 7은 또 다른 광학적 이방성 파라미터 측정 장치를 나타낸 설명도.
도 8은 그 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 그 측정 결과를 나타낸 그래프.
[부호의 설명]
1, 31, 41 : 광학적 이방성 파라미터 측정 장치
2 : 스테이지 3 : 박막 시료
OX : 광학축 ΦA : 방위각 방향
θ : 극각 방향 M : 측정점
Z : 법선 4 : 발광 광학계
5 : 수광 광학계 6 : 연산 처리 장치
　본 발명은 박막 시료의 광학축의 이방성을 측정하는 광학적 이방성 파라미터 측정 방법 및 측정 장치에 관한 것으로서, 특히 액정 배향막의 검사 등에 사용하기에 적합하다.
액정 디스플레이는 표면에 투명 전극 및 배향막을 적층한 뒷쪽 유리 기판과, 표면에 칼라 필터, 투명 전극 및 배향막을 적층 형성한 앞쪽 유리 기판이 스페이서를 사이에 두고 배향막끼리를 서로 마주보게 하고, 그 배향막 사이에 액정을 봉입한 상태에서 밀봉됨과 동시에, 그 앞뒤 양측에 편광 필터가 적층된 구조로 되어 있다.
여기서, 액정 디스플레이가 정상적으로 동작하기 위해서는 액정 분자가 균일하게 동일 방향으로 배열되어 있을 필요가 있으며, 배향막이 액정 분자의 방향성을 결정한다.
이 배향막이 액정 분자를 정렬시킬 수 있는 것은 일축성 광학적 이방성을 가 지고 있기 때문이며, 배향막이 그 전면(entire surface)에 걸쳐 균일한 일축성 광학적 이방성을 가지고 있으면 액정 디스플레이에 결함을 발생하기가 어렵고, 광학적 이방성이 불균일한 부분이 존재하면 액정 분자의 방향이 흐트러지기 때문에 액정 디스플레이가 불량품이 된다.
즉, 배향막의 품질은 그대로 액정 디스플레이의 품질에 영향을 미치며, 배향막에 결함이 있으면 액정 분자의 방향성이 흐트러지기 때문에 액정 디스플레이에도 결함을 발생시키게 된다.
따라서, 액정 디스플레이를 조립할 때 미리 배향막의 결함 여부를 검사하여 품질이 안정된 배향막만을 사용하도록 하면, 액정 디스플레이의 수율이 향상되고 생산 효율이 향상된다.
이에 따라, 종래로부터 배향막에 대하여 이방성 파라미터로 되는 광학축의 방위각 방향, 극각 방향, 두께 등을 측정하고 그 배향막의 광학적 이방성을 평가함으로써 결함 여부를 검사하는 방법이 제안된 바 있다.
가장 일반적인 방법은 일립소미터(ellipsometer)를 사용하는 방법으로 상당히 정확하게 측정하는 것이 가능하지만, 하나의 측정점 당 측정 시간이 2분 정도로 길고, 하나의 배향막의 이방성을 평가할 때 100×100의 총 일 만 점을 측정하고자 하면 단순 계산으로 약 2주일이나 소요되므로, 생산 라인에 올려놓고 전수 검사를 행하는 것은 도저히 불가능하다.
이는 박막 시료의 측정점에 세워진 법선을 중심으로 하여 소정 각도 간격으로 설정된 복수의 입사 방향으로부터 상기 측정점에 대하여 P 편광 또는 S 편광의 단색광을 소정의 입사 각도로 조사시키고, 그 반사광에 포함되는 편광 성분 중 조사광의 편광 방향에 직교하는 편광 성분의 반사광 강도를 측정함으로써 입사 방향에 따른 반사광 강도 변화를 검출함으로써 광학적 이방성 박막의 파라미터로 되는 방위각 방향, 극각 방향 및 두께를 산출하고자 하는 것이다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 2001-272308호 공보
그러나 이에 따르면, 광학적 이방성 박막의 파라미터를 구하려면 이 방법은 모든 방위에서 측정을 행할 필요가 있으므로 시간이 걸린다는 문제가 있다.
또한 측정은 반사광 강도의 절대량을 필요로 하기 때문에, 수광 소자의 감도의 선형성, 다이내믹 레인지(dynamic range) 등의 외적 요인에 따른 영향에 의해 측정정밀도가 좌우되고, 오차가 커질 가능성이 높아 측정 정밀도의 향상이 어렵다는 문제가 있다.
아울러, 비선형 최소 제곱법에 의해 주 유전율의 축의 방향과 크기, 막의 두께 및 규격화 상수의 6개 이상의 파라미터를 동시에 산출할 필요가 있기 때문에 극소값(local minimum)으로 수렴한 해를 산출하게 될 가능성이 있을뿐만 아니라, 계산에 방대한 시간을 필요로 한다는 문제가 있다.
따라서 본 발명은, 광학적 이방성 박막의 광학축의 방향과 경사를 고속, 고정밀도로 측정하고, 아울러 이차원 수광 소자에 의한 분포 측정을 가능하게 하는 방법과 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 하고 있다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 박막 시료의 이방성 파라미터로 되는 광학축의 방위각 방향과 극각 방향을 측정하는 광학적 이방성 파라미터 측정 방법으로서, 박막 시료 상의 측정점에 세워진 법선을 중심으로 하여 소정 각도 간격으로 설정된 복수의 입사 방향으로부터 상기 측정점에 대하여 P 편광 또는 S 편광의 단색광을 소정의 입사 각도로 조사시키고, 그 반사광에 포함되는 편광 성분 중 조사광의 편광 방향에 직교하는 편광 성분의 반사광 강도를 입사 방향에 따라 검출하고, 상기 반사광 강도의 극소값을 나타내는 입사 방향 중 최대 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값 또는 중간 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값이 측정된 입사 방향에 기초하여 측정점에서의 광학축의 방위각 방향을 결정하고, 상기 반사광 강도가 최대 피크로 되는 극대값과 이에 인접하는 중간 피크로 되는 극대값 사이에 낀 극소값이 측정된 입사 방향 또는 최대 피크로 되는 극대값이 측정된 입사 방향에 기초하여 그 측정점에서의 광학축의 극각 방향을 결정하는 것을 특징으로 한다.
(실시예)
본 발명은 광학적 이방성 박막의 광학축의 방향과 경사를 고속, 고정밀도로 측정한다는 목적을 달성하기 위하여, 박막 시료 상의 측정점에 세워진 법선을 중심으로 하여 소정 각도 간격으로 설정된 복수의 입사 방향으로부터 상기 측정점에 대하여 P 편광 또는 S 편광의 단색광을 소정의 입사 각도로 조사시키고, 그 반사광에 포함되는 편광 성분 중 조사광의 편광 방향에 직교하는 편광 성분의 반사광 강도를 입사 방향에 따라 검출하고, 상기 반사광 강도의 극소값을 나타내는 입사 방향 중 최대 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값이 측정된 입사 방향에 기초하여 측정점에서의 광학축의 방위각 방향을 결정하고, 상기 반사광 강도가 최대 피크로 되는 극대값과 이에 인접하는 중간 피크로 되는 극대값 사이에 낀 극소값이 측정된 입사 방향에 기초하여 그 측정점에서의 광학축의 극각 방향을 결정하도록 하였다.
도 1은 본 발명에 따른 광학적 이방성 파라미터 측정 장치의 일례를 나타낸 설명도, 도 2는 반사광 강도의 최소값을 나타내는 입사 방향과 광학축의 방위각 방향 및 극각 방향의 관계를 나타낸 개념도, 도 3은 반사광 강도의 측정 결과를 나타낸 그래프, 도 4는 다른 광학적 이방성 파라미터 측정 장치를 나타낸 설명도, 도 5는 박막 시료의 회전에 따른 각 측정점의 위치 추이를 나타낸 설명도, 도 6은 경사각 분포의 측정 결과를 나타낸 설명도, 도 7은 또 다른 광학적 이방성 파라미터 측정 장치를 나타낸 설명도, 도 8 및 도 9는 그 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
<실시예 1>
도 1 및 도 2에 나타낸 광학적 이방성 파라미터 측정 장치(1)는 스테이지(2)에 탑재된 박막 시료(3)의 이방성 파라미터로 되는 광학축(OX)의 방위각 방향(ΦA)과 극각 방향(θ)을 측정하기 위한 것으로서, 박막 시료(3) 상의 측정점(M)에 세워진 법선(Z)을 중심으로 하여 소정 각도 간격으로 설정된 복수의 입사 방향으로부터 상기 측정점(M)에 대하여 P 편광 또는 S 편광의 단색광을 소정의 입사 각도로 조사 시키는 발광 광학계(4)와, 그 반사광에 포함되는 편광 성분 중 조사광의 편광 방향에 직교하는 편광 성분의 반사광 강도를 입사 방향에 따라 검출하는 수광 광학계(5) 및 그 측정 결과에 기초하여 측정점(M)에서의 광학축의 극각 방향을 결정하는 연산 처리 장치(6)를 구비하고 있다.
스테이지(2)는 베이스(11) 상에 스테이지(2)를 승강시키는 승강 테이블(12)과, 스테이지(2)를 회전시키는 회전 테이블(13)과, 스테이지(2)를 회전 테이블(13)의 회전 중심(Z)에 대하여 XY 방향으로 수평 이동시키는 XY 테이블(14), 및 회전 테이블(13)의 회전시에 스테이지(2)의 틸트를 조정하는 틸트 조정 테이블(15)을 구비하고 있다.
또한 스테이지(2)의 상방에는 스테이지(2)의 틸트량을 광학적으로 측정하는 오토콜리메이터(7)가 배치되어 있으며, 그 측정 결과에 기초하여 틸트량의 조정을 행한다.
발광 광학계(4)는 파장 632.8nm, 광 강도 25mW의 He-Ne 레이저(21)가 회전 테이블(13)의 회전 중심(Z)을 향하여 측정 정밀도가 보다 양호한 브루스터 각(Brewster's angle) 부근의 입사각(본 예에서는 60°)이 되도록 배치되고, 그 조사광축(LIR)을 따라 P 편광을 투과시키는 2개의 글랜톰슨(Glan-Thompson) 프리즘(소광비 10-6)으로 이루어지는 편광자(22, 22)가 배치되어 있고, 이에 따라 순수한 P 편광만을 조사할 수 있도록 되어 있다.
수광 광학계(5)는 상기 레이저(21)로부터 조사되어 박막 시료(3)에서 반사된 반사광축(LRF)을 따라 시료(3)로부터의 이면 반사에 의한 광을 소거하는 핀홀 슬릿(23)과, S 편광을 투과시키는 2개의 글랜톰슨 프리즘(소광비 10-6)으로 이루어지는 검광자(analyzer; 24, 24)와, 파장 선택 필터(25) 및 광전자 배증관(26)이 배치되어 있으며, 광전자 배증관(26)의 검출 신호가 연산 처리 장치(6)로 출력되도록 되어 있다.
또한, 검광자(24)를 2개 사용함으로써 순수한 S 편광만을 광전자 배증관(Photomultiplier; 26)에서 검출할 수 있도록 되어 있다.
연산 처리 장치(6)에서는 회전 테이블(13)을 소정 각도 회전시킬 때마다 광전자 배증관(26)으로부터 출력되는 검출 신호를 입력하고, 그 회전 각도(입사 방향)와 반사광 강도의 관계를 기억한다.
광학 이방성을 갖는 박막 시료(3)에 대하여 입사 방향을 0∼360°까지 변화시켰을 때 검출되는 반사광 강도 변화는, 일반적으로 도 3의 그래프(G1)에 도시된 바와 같이, 최대 피크로 되는 두 개의 극대값(Λ1, Λ2)과, 중간 피크로 되는 두 개의 극대값(Λ3, Λ4) 및 각각의 사이에 네 개의 극소값(V1∼V4)을 갖는 파형이 된다.
즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 평면도로 보아 광학축(OX)의 길이 방향으로부터 입사되었을 때 최소값(V1, V2)이 측정되고, 광학축(OX)를 포함하는 종단면에서 광학축에 대하여 직교하는 방향으로부터 입사되었을 때에 극소값(V3, V4)이 측정된다.
그리고, 반사광 강도의 극소값을 나타내는 입사 방향(ν1∼ν4) 중 최대 피크로 되는 두 개의 극대값(Λ1, Λ2)에 끼워진 극소값(V1)이 측정된 입사 방향(ν1)에 기초하여 측정점에서의 광학축의 방위각 방향(ΦA)이 결정된다. 즉, 입사 방향(ν1)을 방위각 방향(ΦA=0)으로 한다.
이어서, 반사광 강도가 최대 피크로 되는 극대값(Λ1)과 이에 인접하는 중간 피크로 되는 극대값(Λ3)에 끼워진 극소값(V3)이 측정된 입사 방향(ν3), 반사광 강도가 최대 피크로 되는 극대값(Λ2)과 이에 인접하는 중간 피크로 되는 극대값(Λ4)에 끼워진 극소값(V4)이 측정된 입사 방향(ν4) 또는 최대 피크로 되는 극대값(Λ1 또는 Λ2)이 측정된 입사 방향(λ1 또는 λ2)에 기초하여 그 측정점에서의 광학축의 극각 방향(θ)이 결정된다.
이러한 경우, 식 (2)에 기초하여 산출하는 경우에는
ΦB=ν3-ν1=ν4-ν1
으로 하고, 식 (3)에 기초하여 산출하는 경우에는
|ΦC|=|ΦD|=|λ1-λ2|/2=|λ3-λ4|/2
로 하면 된다.
이상이 본 발명 장치의 일 구성예이며, 다음에는 본 발명 방법에 대하여 설명한다.
그런 다음, 박막 시료(3)의 광학축(OX)의 방위각 방향(ΦA), 극각 방향(θ)이 이미 알려지게 되므로, 임의의 두 방향으로부터 일립소미터 또는 리플렉트미터로 측정을 행하면 박막 시료의 주 유전율의 크기 및 두께를 구할 수 있다.
박막 시료(3)로서 유리 기판(8) 상에 폴리아믹산(NISSAN CHEMICAL INDUSTRIES, LTD 제조 PI-C)을 스핀 코터에 의해 스핀 코팅한 다음 260℃에서 소성하고, 버프 천에 의해 러빙을 한 것을 준비하였다.
러빙 전의 박막의 두께(T=80nm), 유전율(ε=3.00)이었다.
러빙 후의 시료(3)를 종래 공지의 방법에 의해 미리 측정하였더니, 러빙 방향을 0°로 하였을 때 광학축(OX)의 방위각 방향(ν1=0.7°), 극각 방향(θ=24.2°), 정상 광 유전율(εO=2.83), 이상 광 유전율(εe=3.43), 이방성 층의 두께(t=12nm)이었다. 이 때의 측정 시간은 하나의 측정점에서 약 60초이었다.
박막 시료(3)를 스테이지(2)에 올려놓고 오토콜리메이터(7)로 시료의 틸트량을 검출하고, 틸트 조정 테이블(15)에서 시료(3)가 수평해지도록 조정하였다. 또한 시료(3)로부터의 반사광이 수광 소자에 들어가도록 승강 테이블(12)에 의해 시료(3)의 높이의 최적화를 행하였다.
시료(3)의 틸트, 높이 조정 후 회전 테이블(13)을 회전시키고, 입사 방향에 대한 S 편광의 반사광 강도를 측정하였다.
러빙된 박막 시료(3)는 방위각 방향(ΦA)이 그 러빙 방향(X 방향)과 대략 평행하다고 예상할 수 있고, 극각 방향(θ)이 이와 대략 직교하는 위치에 있다고 예 상할 수 있으므로, 본 예에서는 러빙 방향을 중심으로 ±20°, 이와 직교하는 방향(Y 방향)을 중심으로 ±20°의 범위에서 2°간격으로 반사광 강도를 측정하였다.
또한, 이 측정 범위는 광학축의 예상할 수 있는 방위각 방향과 경험적으로 측정되고 있는 실제의 방위각 방향의 차이를 감안하여, 예컨대 ± 45°, ± 30° 등 임의의 각도 범위로 설정하면 된다.
도 3의 확대 그래프(G2, G3)는 X 방향 및 Y 방향을 중심으로 한 각각의 측정범위에서의 반사광 강도 변화이다.
이 측정 데이터로부터, 광학축(OX)의 방위각 방향(ΦA), 극각 방향(θ)을 구하였다.
경사각(θ)을 구할 때, 식 (2)의 정상 광 유전율은 러빙 전의 폴리이미드 막의 유전율(εO=3.00)로 설정하였다.
그래프(G2)의 측정 결과에 대하여 피팅 계산을 행하고, 수광 강도가 극소로 되는 방위(ν1)를 산출하였더니, ν1=0.4°이었다. 따라서, 광학축(OX)의 방위각 방향(ΦA)은 Y축으로부터 0.4° 기울어져 있음을 알 수 있다.
또한 그래프(G3)의 측정 결과에 대하여 피팅 계산을 행하고, 수광 강도가 극소로 되는 방위(ν3)를 산출하고, ΦB=ν3-ν1, 정상 광 유전율(εO=3.00)(러빙 전의 폴리이미드 막의 유전율)로 하여 식 (2)에 기초하여 경사각(θ)을 산출하였더니, θ=22.5°이었다.
또한, 이 때의 하나의 측정점의 측정 시간은 약 2초이었다.
이 결과를 바탕으로 시료의 광학축의 방위각 방향과 이에 직교하는 방향의 두 방향에서 일립소미터로 측정을 행하였더니, 정상 광 유전율(εO=2.79), 이상 광 유전율(εe=3.44), 이방층의 두께(t=11nm)이었다. 이 정상 광 유전율(εO)의 값으로부터 경사각(θ)을 다시 계산하면 24.5°이었다.
이 때, 일립소미터로 측정하는 시간을 넣어도 측정 시간은 하나의 측정점 당 약 4초로서, 종래 방법과 동등한 결과를 고속으로 측정할 수 있었다.
<실시예 2>
도 4는 광학적 이방성 파라미터 측정 장치의 다른 실시 형태를 나타내며, 도 1과 공통되는 부분은 동일한 부호를 붙여 상세한 설명은 생략한다.
본 예의 광학적 이방성 파라미터 측정 장치(31)에서 발광 광학계(4)는 크세논 램프(32)가 배치되고, 그 조사광축(LIR)을 따라 반사경(33)의 집광점에 핀홀 슬릿(34), 그 투과 광을 평행하게 만드는 콜리메이팅 렌즈(35), 간섭 필터(36), P 편광을 투과시키는 편광자(22)가 배치되어 있다.
이 때, 간섭 필터(35)는 중심 파장 450nm, 반치전폭(FWHM, full-width at half-maximum) 2nm로 선정되고, 박막 시료(3)에 조사되는 빔 직경은 10mm2, 입사 각도는 브루스터 각 부근인 60°가 되도록 설정하였다.
또한 수광 광학계(5)는 그 반사광축(LRF)을 따라 S 편광을 투과시키는 검광 자(24), 파장 선택 필터(37), 2차원 CCD 카메라(38)가 배치되어 있다.
이에 따라 시료(3)에 조사된 10mm2의 측정 영역(A)에 포함되는 복수의 측정점(Mij)로부터의 반사광 강도를 동시에 측정할 수 있다.
시료(3)는 Si 기판 상에 폴리아믹산(NISSAN CHEMICAL INDUSTRIES, LTD 제조 PI-C)을 스핀 코팅하고 260℃에서 소성하고, 버프 천에 의해 러빙을 한 것을 준비하였다. 러빙시 시료(3)의 좌측보다 우측이 러빙 강도가 커지도록 러빙을 행하였다.
이 시료(3)의 경사각(θ)을 종래 방법으로 10×10=100 포인트를 측정하였더니, 우측이 30∼34°, 좌측이 27∼29°의 분포이었다.
또한 측정 시간은 100 포인트에서 약 100분이었다.
시료(3)를 스테이지(2)에 설치하고, 틸트, 높이를 조정한 후, 회전 테이블(13)을 회전시키고, 입사 방향에 대한 반사광 강도의 2차원 분포 측정을 행하였다.
도 5(a)는 회전 전의 측정 영역(A) 내의 측정점(Mij)(i, j=1∼10)을 나타낸다.
도 5(b)는 회전 테이블(13)의 회전에 따라 회전한 화상을 나타낸 것으로서, 각 측정점(Mij)을 극 좌표(Mij=(rn, αm))로 나타내면, 회전 테이블(13)이 각도(γ)만큼 회전하였을 때의 Mij의 위치는 Mij= (rn, αm+γ)로 표시된다.
따라서, Mij= (rn, αm+γ)에 대응하는 CCD 카메라(39)의 화소 영역에서 반사광 강도를 측정하면 된다.
이와 같이 하여 총 100 포인트의 각 측정점(Mij)에 대하여 실시예 1과 동일하게, 러빙 방향(X 방향)을 중심으로 ±20°, 이와 직교하는 방향(Y 방향)을 중심으로 ±20°의 범위에서 2°간격으로 반사광 강도를 측정하고, 식 (7)을 이용하여 경사각(θ)의 분포를 구하였다. 이 때의 100 포인트의 측정점의 측정 시간은 2초이었다.
이 결과를 바탕으로 시료의 각 측정점(Mij)에 대하여 광학축(OX)의 방위각 방향(ΦA)과 이에 직교하는 방향의 두 방향에서 일립소미터로 측정을 행하고, 정상 광 유전율(εO), 이상 광 유전율(εe), 이방층의 두께(t)를 측정하였다.
도 6은 측정된 정상 광 유전율(εO)의 값으로부터 다시 계산된 경사각(θ)의 분포를 나타낸다.
이에 따르면, 우측이 30∼34°, 좌측이 27∼29°의 분포로서, 종래 방법으로 측정한 것과 동일한 결과가 얻어졌다.
이 때, 일립소미터로 측정하는 시간을 넣어도 100 포인트의 측정점에 대한 측정 시간은 약 6초로서, 종래 방법과 동등한 결과를 매우 고속으로 측정할 수 있었다.
<실시예 3>
도 7은 광학적 이방성 파라미터 측정 장치의 다른 실시 형태를 나타내며, 도 1과 공통되는 부분은 동일한 부호를 붙여 상세한 설명을 생략한다.
본 예의 광학적 이방성 파라미터 측정 장치(41)는 시료(3)를 회전시키지 않 고 광학 이방성 파라미터를 측정하는 것이다.
발광 광학계(4)는 러빙 방향(X 방향)을 중심으로 ±20°, 이와 직교하는 Y 방향을 중심으로 ±20°의 범위로 브루스터 각 부근의 입사각(본 예에서는 60°)으로 측정점(M)을 향하여 광을 조사하는 복수의 조사광축(LIR)이 5°간격으로 설정되어 있다.
각 조사광축(LIR)에는 파장 780nm, 광 강도 20mW의 반도체 레이저(42), P 편광을 투과시키는 편광자(22)가 배치되어 있다.
수광 광학계(5)는 각 레이저(42)로부터 조사되어 박막 시료(3)에서 반사된 각각의 반사광축(LRF)을 따라 시료(3)로부터의 후면 반사에 의한 광을 소거하는 핀홀 슬릿(23)과 S 편광을 투과시키는 검광자(24), 파장 선택 필터(25)와 광전자 배증관(26)이 배치되어 있고, 각 광전자 배증관(26)의 검출 신호가 연산 처리 장치(6)로 출력되도록 되어 있다.
시료(3)는 유리 기판(흰색 판유리) 상에 폴리아믹산(NISSAN CHEMICAL INDUSTRIES, LTD 제조 PI-C)을 스핀 코터에 의해 스핀 코팅한 다음 260℃에서 소성하고, 버프 천에 의해 러빙을 한 것을 준비하였다.
러빙 전의 박막의 두께(T=93nm), 유전율(ε=2.98)이었다.
러빙 후의 시료(3)를 종래 공지의 방법에 의해 미리 측정하였더니, 러빙 방향을 0°로 하였을 때 광학축(OX)의 방위각 방향(ν1=1.5°), 극각 방향(θ=20.4° ), 정상 광 유전율(εO=2.78), 이상 광 유전율(εe=3.32), 이방성 층의 두께(t=12nm)이었다. 이 때의 측정 시간은 하나의 측정점에서 약 60초이었다.
박막 시료(3)의 틸트, 높이를 조정한 후, 각 레이저(42)로부터 출력된 광의 반사광 강도를 측정하였다.
도 8 및 도 9는 각각 X 방향 (180°) 및 Y 방향 (90°)을 중심으로 한 ±20°의 각도 범위에서의 측정 데이터이다.
도 8의 측정 결과에 대하여 피팅 계산을 행하고, 수광 강도가 극소로 되는 방위(ν1)를 산출하였더니 ν1=1.8°이었다. 따라서, 광학축(OX)의 방위각 방향(ΦA)은 Y축으로부터 1.8° 기울어져 있음을 알 수 있다.
또한 도 9의 측정 결과에 대하여 피팅 계산을 행하고, 수광 강도가 극소로 되는 방위(ν3)를 산출하고, ΦB=ν3-ν1, 정상 광 유전율(εO=2.98)(러빙 전의 폴리이미드 막의 유전율)로 하여 식 (2)에 기초하여 경사각(θ)을 산출하였더니 θ=19.0°이었다.
또한, 이 때의 하나의 측정점의 측정 시간은 약 0.5초이었다.
이 결과를 바탕으로 시료의 광학축의 방위각 방향과 그에 직교하는 방향의 두 방향에서 일립소미터로 측정을 행하였더니, 정상 광 유전율(εO=2.76), 이상 광 유전율(εe=3.38), 이방층의 두께(t=16nm)이었다. 이 정상 광 유전율(εO)의 값으로부터 경사각(θ)을 다시 계산하면 20.5°이었다.
이 때, 일립소미터로 측정하는 시간을 넣어도 측정 시간은 하나의 측정점 당 약 2초로서, 종래 방법과 동등한 결과를 고속으로 측정할 수 있었다.
본 발명에 따르면, 먼저 박막 시료 상의 측정점에 세워진 법선을 중심으로 하여 소정 각도 간격으로 설정된 복수의 입사 방향으로부터 상기 측정점에 대하여 P 편광 또는 S 편광의 단색광을 소정의 입사 각도로 조사시키고, 그 반사광에 포함되는 편광 성분 중 조사광의 편광 방향에 직교하는 편광 성분의 반사광 강도를 측정함으로써 입사 방향에 따른 반사광 강도 변화를 검출한다.
입사 방향을 0∼360°의 사이에서 변화시켰을 때, 광학 이방성을 갖는 박막 시료의 반사광 강도의 측정값은, 최대 피크로 되는 두 개의 극대값이 인접함과 동시에, 중간 피크로 되는 두 개의 극대값이 인접하고, 각각의 극대값 사이에 네 개의 극소값을 갖는 파형이 된다.
여기서, 박막 시료의 광학축의 방위각 방향의 각도, 즉, 측정면 내에서의 광학축의 방향은 최대 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값이 측정된 방향과 같으므로 그 방향을 방위각 방향으로 결정하고, 그 각도를 그 측정점에서의 방위각 방향(ΦA=0)으로 둔다.
　또한 이 방향은 중간 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값이 측정되는 방향에서 180° 벗어나 있으므로, 중간 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값이 측정되는 방향에서도 특정할 수 있다.
다음, 박막 시료의 광학축의 극각 방향의 각도, 즉 기판 평면에 대한 광학축의 경사각은 식 (2) 또는 식 (3)에 의해 산출할 수 있다.
여기서, 식(2), (3) 중 극각 방향의 각도(θ) 이외의 변수는 모두 이미 알려졌거나 또는 측정값이므로, 식 (2)에 의할 때에는 최대 피크로 되는 극대값과 중간 피크로 되는 극대값 사이에 낀 극소값이 측정되는 각도를 검출함으로써, 그리고 식 (3)에 의할 때에는 최대 피크로 되는 극대값이 측정되는 각도를 검출함으로써 산정할 수 있다.
Figure 112006003493278-PAT00001
ΦA : 최대 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값이 측정된 입사 방향(=방위각 방향=0)
ΦB : 최대 피크로 되는 극대값과 중간 피크로 되는 극대값 사이에 낀 극소값이 측정된 입사 방향
ΦC : 최대 피크로 되는 극대값이 측정된 입사 방향
ΦD : 최대 피크로 되는 극대값이 측정된 입사 방향
θ : 기판 평면으로부터의 광학축의 극각 방향의 각도(경사각)
μ : +/- (S 편광 입사에 대한 P 편광의 반사 강도일 때 "+", P 편광 입사에 대한 S 편광의 반사 강도일 때 "-")
φ0 : 박막에 대한 입사 각도
φ2 : 기판으로 들어갔을 때의 광의 각도
N2 : 기판의 굴절율
ε0 : 박막 시료의 정상 광 유전율
또한 박막 시료 상의 임의의 측정 영역에 대하여 P 편광 또는 S 편광의 단색광을 소정의 입사 각도로 조사시키고, 그 반사광에 포함되는 편광 성분 중 조사광의 편광 방향에 직교하는 편광 성분의 반사광 강도 분포를 이차원적으로 검출함으로써, 측정 영역 내에 존재하는 각 측정점에 대하여 반사광 강도를 입사 방향에 따라 검출함으로써, 복수의 측정점에 대하여 개별적으로 방위각 방향, 극각 방향을 산출할 수 있다.
또한, 박막 시료로서 예컨대 액정 배향막을 이용한 경우에는, 러빙(rubbing)에 의해 광학축이 가지런해지고, 그 러빙 방향 근방과 이에 직교하는 방향 근방으로부터 입사시켰을 때 반사광 강도가 최소로 되는 극값이 존재한다.
또한 반사광 강도가 최대 피크 또는 중간 피크로 되는 극대값이 존재하는 각 도(방향)는 극각 방향에 의존하고, 액정 배향막을 제조하는 경우 러빙 강도(압력)에 의해 경험적으로 대략 그 극각 방향을 컨트롤하고 있으므로, 그 극각 방향에 기초하여 식 (3)으로부터 특정 가능하다.
따라서, 러빙 방향과 이에 직교하는 방향을 중심으로 예컨대 소정의 각도 범위에서 광을 입사시키거나, 러빙 방향과 반사광 강도가 최대 피크로 되는 극대값이 존재하는 것으로 예상되는 각도(방향)를 중심으로 소정의 각도 범위에서 광을 입사시킴으로써 측정 범위를 좁힐 수 있다.
또한 이러한 각도 범위는 액정 배향막의 제조 라인 등에서는 경험적으로 측정된 방위각 방향 등의 통계상의 편차에 기초하여, 편차가 적으면 ±20°정도의 한정된 범위로 충분하고, 편차가 많은 경우에는 ±45° 정도로 범위를 넓히면 된다.
이와 같이 반사광의 극소값 및 극대값의 입사 방향만 알면 광학축의 방위각 방향과 극각 방향을 결정할 수 있고, 또한 이들 값이 이미 알려진 측정점에 대하여 박막 시료의 이방성 층의 두께(t), 정상 광 유전율(ε0), 이상 광 유전율(εe)을 측정하는 경우에는 2개 내지 3개의 방향으로부터 일립소미터 또는 리플렉트미터로 측정을 행하면 충분하여, 매우 단시간에 정확하게 이들 광학 이방성 파라미터를 측정할 수 있다.
[산업상 이용 가능성]
본 발명은 광학 이방성을 갖는 박막 제품, 특히 액정 배향막의 품질 검사 등에 적용할 수 있다.

Claims (13)

  1. 박막 시료의 이방성 파라미터로 되는 광학축의 방위각 방향과 극각 방향을 측정하는 광학적 이방성 파라미터 측정 방법으로서,
    박막 시료 상의 측정점에 세워진 법선을 중심으로 하여 소정 각도 간격으로 설정된 복수의 입사 방향으로부터 상기 측정점에 대하여 P 편광 또는 S 편광의 단색광을 소정의 입사 각도로 조사시키고,
    그 반사광에 포함되는 편광 성분 중 조사광의 편광 방향에 직교하는 편광 성분의 반사광 강도를 입사 방향에 따라 검출하고,
    상기 반사광 강도의 극소값을 나타내는 입사 방향 중 최대 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값 또는 중간 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값이 측정된 입사 방향에 기초하여 측정점에서의 광학축의 방위각 방향을 결정하고,
    상기 반사광 강도가 최대 피크로 되는 극대값과 이에 인접하는 중간 피크로 되는 극대값 사이에 낀 극소값이 측정된 입사 방향 또는 최대 피크로 되는 극대값이 측정된 입사 방향에 기초하여 그 측정점에서의 광학축의 극각 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 광학적 이방성 파라미터 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 법선을 중심으로 하여 시료를 회전시킴으로써 복수의 입사 방향으로부 터 상기 측정점에 대하여 P 편광 또는 S 편광의 단색광을 소정의 입사 각도로 조사시키는 것을 특징으로 하는 광학적 이방성 파라미터 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 법선을 중심으로 하여 그 주위에 소정 각도 간격으로 배치된 복수의 발광부로부터 상기 P 편광 또는 S 편광의 단색광을 조사시키는 것을 특징으로 하는 광학적 이방성 파라미터 측정 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    박막 시료를 이동시킴으로써 복수의 측정점에 대하여 광학축의 이방성을 측정하는 것을 특징으로 하는 광학적 이방성 파라미터 측정 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 법선을 중심으로 하여 소정 각도 간격으로 입사되는 P 편광 또는 S 편광의 단색광의 입사 방향이 최대 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값이 존재하는 것으로 예상되는 제 1 각도와, 최대 피크로 되는 극대값과 중간 피크로 되는 극대값 사이에 낀 극소값, 최대 피크로 되는 극대값 또는 중간 피크로 되는 극대값이 존재하는 것으로 예상되는 제 2 각도를 중심으로 하여, 각각 소정의 각도 범위에서 소정 각도 간격으로 복수개 설정되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학적 이방성 파라미터 측정 방법.
  6. 박막 시료의 이방성 파라미터로 되는 광학축의 방위각 방향과 극각 방향을 측정하는 광학적 이방성 파라미터 측정 방법으로서,
    박막 시료 상의 측정 영역의 중심에 세워진 법선을 중심으로 하여 소정 각도 간격으로 설정된 복수의 입사 방향으로부터 상기 측정 영역에 대하여 P 편광 또는 S 편광의 단색광을 소정의 입사 각도로 조사시키고,
    그 반사광에 포함되는 편광 성분 중 조사광의 편광 방향에 직교하는 편광 성분의 반사광 강도 분포를 검출함으로써 측정 영역 내에 존재하는 각 측정점에 대하여 각각의 반사광 강도를 입사 방향에 따라 이차원적으로 검출하고,
    각 측정점에 대하여 상기 반사광 강도가 극소값을 나타내는 입사 방향 중 최대 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값 또는 중간 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값이 측정된 입사 방향에 기초하여 그 측정점에서의 광학축의 방위각 방향을 결정하고,
    상기 반사광 강도가 최대 피크로 되는 극대값과 이에 인접하는 중간 피크로 되는 극대값 사이에 낀 극소값이 측정된 입사 방향 또는 최대 피크로 되는 극대값이 측정된 입사 방향에 기초하여 그 측정점에서의 광학축의 극각 방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 광학적 이방성 파라미터 측정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    결정된 방위각 방향에 기초하여 적어도 임의의 두 방향으로부터 일립소미터 또는 리플렉트미터로 측정을 행하여, 광학적 이방성 파라미터로 되는 이방성 박막의 주 유전율, 막의 두께를 구하는 것을 특징으로 하는 광학적 이방성 파라미터 측정 방법.
  8. 박막 시료의 이방성 파라미터로 되는 광학축의 방위각 방향과 극각 방향을 측정하는 광학적 이방성 파라미터 측정 장치로서,
    박막 시료 상의 측정점에 세워진 법선을 중심으로 하여 소정 각도 간격으로 설정된 복수의 입사 방향으로부터 상기 측정점에 대하여 P 편광 또는 S 편광의 단색광을 소정의 입사 각도로 조사시키는 발광 광학계;
    그 반사광에 포함되는 편광 성분 중 조사광의 편광 방향에 직교하는 편광 성분의 반사광 강도를 입사 방향에 따라 검출하는 수광 광학계; 및
    상기 반사광 강도가 극소값을 나타내는 입사 방향 중 최대 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값 또는 중간 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값이 측정된 입사 방향에 기초하여 그 측정점에서의 광학축의 방위각 방향을 결정함과 동시에, 상기 반사광 강도가 최대 피크로 되는 극대값과 이에 인접하는 중간 피크로 되는 극대값 사이에 낀 극소값이 측정된 입사 방향 또는 최대 피크로 되는 극대값이 측정된 입사 방향에 기초하여 그 측정점에서의 광학축의 극각 방향을 결정하는 연산 처리 장치;
    를 구비한 것을 특징으로 하는 광학적 이방성 파라미터 측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 시료가 상기 법선을 중심으로 하여 회전 가능하게 배치된 것을 특징으로 하는 광학적 이방성 파라미터 측정 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 발광 광학계 및 수광 광학계가 상기 법선을 중심으로 하여 그 주위에 소정 각도 간격으로 복수 세트 배치된 것을 특징으로 하는 광학적 이방성 파라미터 측정 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    복수의 측정점에 대하여 광학축의 이방성을 측정하기 위하여 박막 시료를 이동시키는 테이블을 구비한 것을 특징으로 하는 광학적 이방성 파라미터 측정 장치.
  12. 제 8 항에 있어서,　
    상기 법선을 중심으로 하여 소정 각도 간격으로 입사되는 P 편광 또는 S 편광의 단색광의 입사 방향이, 최대 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값이 존재하는 것으로 예상되는 제 1 각도와 최대 피크로 되는 극대값과 중간 피크로 되는 극대값 사이에 낀 극소값, 최대 피크로 되는 극대값 또는 중간 피크로 되는 극대값 중 어느 하나가 존재하는 것으로 예상되는 제 2 각도를 중심으로 하여 각각 소정의 각도 범위에서 소정 각도 간격으로 복수개 설정되어 이루어지는 것을 특징 으로 하는 광학적 이방성 파라미터 측정 장치.
  13. 박막 시료의 이방성 파라미터로 되는 광학축의 방위각 방향과 극각 방향을 측정하는 광학적 이방성 파라미터 측정 장치로서,
    박막 시료 상의 측정 영역의 중심에 세워진 법선을 중심으로 하여 소정 각도 간격으로 설정된 복수의 입사 방향으로부터 상기 측정 영역에 대하여 P 편광 또는 S 편광의 단색광을 소정의 입사 각도로 조사시키는 발광 광학계;
    그 반사광에 포함되는 편광 성분 중 조사광의 편광 방향에 직교하는 편광 성분의 반사광 강도 분포를 측정함으로써 측정 영역 내에 존재하는 각 측정점에 대하여 각각의 반사광 강도를 입사 방향에 따라 검출하는 이차원 수광 소자를 갖는 수광 광학계; 및
    각 측정점에 대하여 상기 반사광 강도가 극소값을 나타내는 입사 방향 중 최대 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값 또는 중간 피크로 되는 두 개의 극대값 사이에 낀 극소값이 측정된 입사 방향에 기초하여 그 측정점에서의 광학축의 방위각 방향을 결정함과 동시에, 상기 반사광 강도가 최대 피크로 되는 극대값과 이에 인접하는 중간 피크로 되는 극대값 사이에 낀 극소값이 측정된 입사 방향 또는 최대 피크로 되는 극대값이 측정된 입사 방향에 기초하여 그 측정점에서의 광학축의 극각 방향을 결정하는 연산 처리 장치;
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