KR20100027951A - 광학 이방성 패러미터 측정방법 및 측정장치 - Google Patents

광학 이방성 패러미터 측정방법 및 측정장치 Download PDF

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Abstract

차동 SMP법을 발전시켜, 상이한 3개의 편광상태에서의 복소 진폭 반사율비의 위상차 및 크기를 단시간에 측정할 수 있게 한다.
A∼D 중, 3개의 편광상태의 합계 12종의 광 강도에 기초하여 위상차 및 크기를 측정한다.
(A) P±αA의 편광에 대하여 편광 간 위상을 γA1 및 γA2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사시켰을 때의 반사광에 포함되는 합계 4종류의 S 편광; (B) P 편광을 입사시켰을 때, 반사광의 P 편광과 S 편광의 편광 간 위상차를 γB1 및 γB2로 조정한 편광 중, S±αB로 진동하는 합계 4종류의 편광; (C) S±αC의 편광에 대하여 편광 간 위상을 γC1 및 γC2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사시켰을 때의 반사광에 포함되는 합계 4종류의 P 편광; (D) S 편광을 입사시켰을 때, 반사광의 P 편광과 S 편광의 편광 간 위상차를 γD1 및 γD2로 조정한 편광 중, P±αD로 진동하는 합계 4종류의 편광.
입사광, 측정방위, 반사광, 편광 성분, 광 강도, 광학 이방성 패러미터, P 편광, S 편광

Description

광학 이방성 패러미터 측정방법 및 측정장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING OPTICAL ANISOTROPY PARAMETER}
본 발명은, 측정대상면에 형성된 광학 이방성 막의 복소 진폭 반사율비의 위상차를 측정하는 광학적 이방성 패러미터 측정방법 및 측정장치에 관한 것으로, 특히, 액정 배향막의 검사 등의 사용에 적합하다.
액정 디스플레이는, 표면에 투명 전극 및 배향막을 적층한 이면측 유리 기판과, 표면에 컬러 필터, 투명 전극 및 배향막을 적층 형성한 표면측 유리 기판이, 스페이서를 사이에 두고 배향막끼리 마주 향하고, 그 배향막의 간극에 액정을 봉입한 상태에서 밀봉됨과 아울러, 그 표리 양측에 편광 필터가 적층된 구조로 이루어져 있다.
여기에서, 액정 디스플레이가 정상적으로 동작하기 위해서는 액정분자가 균일하게 동일한 방향으로 배열되어 있을 필요가 있으며, 배향막이 액정분자의 방향성을 결정한다.
이 배향막이 액정분자를 정렬시킬 수 있는 것은, 일축성 광학적 이방성을 갖고 있기 때문으로, 배향막이 그 전체면에 걸쳐 균일한 일축성 광학적 이방성을 가 지고 있으면 액정 디스플레이에 결함을 발생시키기 어렵고, 광학적 이방성이 불균일한 부분이 존재하면 액정분자의 방향이 흐트러지기 때문에 액정 디스플레이가 불량품으로 된다.
즉, 배향막의 품질은 그대로 액정 디스플레이의 품질에 영향을 주어, 배향막에 결함이 있으면 액정분자의 방향성이 흐트러지기 때문에, 액정 디스플레이에도 결함을 일으키게 된다.
따라서, 액정 디스플레이를 조립할 때에, 미리 배향막의 결함의 유무를 검사하여 품질이 안정한 배향막만을 사용하도록 하면, 액정 디스플레이의 수율이 향상되어, 생산효율이 향상된다.
이 때문에 종래부터, 배향막의 검사방법으로서 일반화 엘립소메트리법(비특허문헌 1)이 알려져 있다.
비특허문헌 1: R. M. A. Azzam and N. M. Bashara: Ellipsometry and Polarized Light(North-Holland, Amsterdam, 1986)
이 방법은 3개 이상의 복수의 입사 편광상태에 대하여 각각 반사 편광상태를 측정하고, 복소 진폭 반사율비 Rpp≡rpp/rss, Rps≡rps/rss, Rsp≡rsp/rss의 측정방위 방향 의존성을 측정한다.
여기에서, Rχ(χ는 편광상태)는, 각각 측정점에 조사되는 입사광의 복소 진폭 반사율에 의해 정의되며, 구체적으로는, P 편광을 입사했을 때의 P 편광의 복소 진폭 반사율(rpp), S 편광을 입사했을 때의 S 편광의 복소 진폭 반사율(rss), S 편광 을 입사했을 때의 P 편광의 복소 진폭 반사율(rps), P 편광을 입사했을 때의 S 편광의 복소 진폭 반사율(rsp)의 비에 의해 정의된다.
그리고, 입사광의 측정방위를 측정점에 세워진 법선의 주위로 360도 회전시켜 측정했을 때에, 복소 진폭 반사율비의 측정방위 방향 의존성을 측정할 수 있기 때문에, 상세하게 배향막의 분자 배향을 평가할 수 있지만, 측정에 시간이 걸린다고 하는 문제가 있다. 또, 막 두께가 얇은 경우, 이방성의 검출 능력이 낮기 때문에, 이방성 그 자체를 검출할 수 없는 경우가 있다.
그래서 본 출원인은 분자 배향에 의한 광학 이방성을 고속으로 측정하는 방법으로서, 차동 SMP법을 제안했다.
특허문헌 1: 일본 특허공개 2008-76324호 공보
이 방법은, 측정대상물에 대하여 P 편광 또는 S 편광의 어느 일방의 방향을 기준방향으로 하고, 입사광 및 측정광의 일방을 기준방향으로 진동하는 직선 편광으로 하고, 입사광 및 측정광의 타방을 기준방향에 대하여 π/2±α(0<α<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 직선 편광으로 하고, 그 한 쌍의 편광에 대응하는 2종류의 측정광의 광 강도를 측정하고, 얻어진 2개의 광 강도 데이터의 차분을 나타내는 차분 데이터에 기초하여 광학 이방성 패러미터를 측정하는 것으로, 광학 이방성 패러미터로서 측정대상물의 배향 방위, 광학축의 경사각, 배향의 크기를 단시간에 측정할 수 있다.
그렇지만, 차동 SPM법에서는 광학 이방성 물질의 특성을 가장 잘 나타내는 복소 진폭 반사율비의 위상차 및 크기에 대해서는 이것을 측정할 수 없어, 엘립소메트리 등의 다른 수법을 병용하지 않을 수 없다고 하는 문제가 있었다.
그리고, 측정방위에 따른 복소 진폭 반사율비의 위상차 및 크기를 측정할 수만 있으면, 종래 공지의 수법에 의해, 그 측정결과에 기초하여 합계 7개의 모든 광학 이방성 패러미터(배향 방위, 광학축의 경사각, 상광 굴절률, 이상광 굴절률, 배향층 막 두께, 배향층 굴절률, 무배향층 막 두께)를 측정하는 것도 가능하게 된다.
그래서 본 발명은, 차동 SMP법을 더욱 발전시켜, 제1로 상이한 3개의 편광상태에서의 복소 진폭 반사율비의 위상차를 측정할 수 있고, 제2로 각각의 편광상태에서의 복소 진폭 반사율비를 측정할 수 있게 하는 것을 기술적 과제로 하고 있다.
이 과제를 해결하기 위하여, 청구항 1의 발명은, 입사광을 측정대상면 상의 측정점에 소정의 측정방위로부터 일정 입사각도로 조사하고, 그 반사광에 포함되는 특정 방향의 편광 성분의 광 강도를 측정함으로써 얻어진 광 강도 데이터에 기초하여 광학 이방성 패러미터가 되는 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)(χ는 편광상태)를 측정하는 광학 이방성 패러미터 측정방법에 있어서,
상기 입사광을 편광화하여 미리 설정된 측정 방위로 측정점에 조사시켜 측정할 때에, 측정대상면을 기준으로 하여 이것에 직교하는 면 내에서 진동하는 직선 편광을 P 편광으로 하고, 이 P 편광에 직교하는 방향으로 진동하는 직선 편광을 S 편광으로 했을 때, 이하의 A∼D의 4개의 편광상태 중, 적어도 3개의 편광상태에서 각 4종류씩 합계 12종류의 반사광에 대하여 측정된 광 강도 데이터에 기초하여, 미리 설정한 프로그램에 따라, 각 편광상태마다 부여하는 편광 간 위상차가 동일한 반사광 강도 데이터끼리의 2개의 차로부터 2개의 광 강도 차 데이터를 산출하고, 이들 2개의 광 강도 차 데이터를 나눔으로써 그 입사광의 측정방위에서의 복소 진 폭 반사율비의 위상차(Δχ)를 산출하는 것을 특징으로 하고 있다.
A: P 편광의 진동방향에 대하여 ±αA(0<αA<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γA1 및 γA2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 각 반사광에 포함되는 합계 4종류의 S 편광.
B: P 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γB1 및 γB2로 조정한 2종류의 광에 포함되는 편광 중, S 편광의 진동방향에 대하여 ±αB(0<αB<π/2)의 방향으로 진동하는 합계 4종류의 편광.
C: S 편광의 진동방향에 대하여 ±αC(0<αC<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γC1 및 γC2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 각 반사광에 포함되는 합계 4종류의 P 편광.
D: S 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γD1 및 γD2로 조정한 2종류의 광에 포함되는 편광 중, P 편광의 진동방향에 대하여 ±αD(0<αD<π/2)의 방향으로 진동하는 합계 4종류의 편광.
청구항 2의 발명은, 상기 측정방위를 측정점에 세워진 법선의 주위로 변화시키면서, 적어도 3개의 편광상태에서 각 4종류씩 합계 12종류의 반사광에 대하여 측정된 측정방위-광 강도 데이터에 기초하여, 미리 설정한 프로그램에 따라, 입사광의 측정방위에 따른 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)를 산출하는 것을 특징으로 하고 있다.
청구항 3의 발명은, 측정대상면 상의 측정점에 대하여 소정의 편광상태로 편광화된 광을 소정의 측정방위로부터 일정 입사각도로 조사하는 발광 광학계와, 그 반사광을 소정의 편광상태로 편광화한 광의 광 강도를 검출하는 수광 광학계와, 측정된 광 강도에 기초하여 광학 이방성 패러미터가 되는 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)(χ는 편광상태)를 산출하는 연산장치를 구비한 광학 이방성 패러미터 측정장치에 있어서,
상기 발광 광학계에는, 단색광을 조사하는 광원과, 편광방향의 조정이 가능한 편광자와, 위상의 조정이 가능한 발광측 위상 보상자가 이 순서로 개재됨과 아울러,
상기 수광 광학계에는, 위상의 조정이 가능한 수광측 위상 보상자와, 편광방향의 조정이 가능한 검광자와, 검광자를 투과한 편광의 광 강도를 측정하는 광센서가 이 순서로 개재되고,
측정대상면을 기준으로 하여 이것에 직교하는 면 내에서 진동하는 직선 편광을 P 편광으로 하고, 이것에 직교하는 방향으로 진동하는 직선 편광을 S 편광으로 했을 때에, 상기 연산장치에서는, 이하의 A∼D의 4개의 편광상태 중 적어도 3개의 편광상태의 각 4종류씩 합계 12종류의 반사광에 대하여 측정된 광 강도 데이터에 기초하여, 미리 설정한 프로그램에 따라, 각 편광상태마다 부여하는 편광 간 위상차가 동일한 반사광 강도 데이터끼리의 2개의 차로부터 2개의 광 강도 차 데이터를 산출하고, 이들 2개의 광 강도 차 데이터를 나눔으로써 그 입사광의 측정방위에서의 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)를 산출하는 것을 특징으로 하고 있다.
청구항 4의 발명은, 발광 광학계 및 수광 광학계가 측정점에 세워진 법선의 주위로 상대적으로 회전 가능하게 또는 방사상으로 배치되고, 입사광의 측정방위에 따른 광 강도에 기초하여 광학 이방성 패러미터가 되는 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)(χ는 편광상태)를 산출하는 연산장치를 구비하고 있고, 연산장치에서는, 이하의 A∼D의 4개의 편광상태 중 적어도 3개의 편광상태의 각 4종류씩 합계 12종류의 반사광에 대하여 측정된 측정방위-광 강도 데이터에 기초하여, 미리 설정한 프로그램에 따라, 각 편광상태마다 부여하는 편광 간 위상차가 동일한 반사광 강도 데이터끼리의 2개의 차로부터 2개의 측정방위-광 강도 차 데이터를 산출하고, 이들 2개의 광 강도 차 데이터를 나눔으로써 입사광의 측정방위에 따른 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)를 산출하는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 청구항 5∼8에서는, 편광상태마다 위상이 동일한 1세트의 반사광 강도 데이터의 합을 광 강도 합 데이터로서 산출하고, 상기 광 강도 차 데이터의 일방과 광 강도 합 데이터의 비로부터 그 입사광의 측정방위에서의/에 따른 복소 진폭 반 사율비의 크기(|Rχ|)를 산출하도록 하고 있다.
청구항 1 및 3의 발명에 의하면, 소정의 측정방위로부터 입사광을 측정점에 조사하고, 그 반사광의 광 강도를 측정할 때, 미리 설정된 3개의 편광상태에서 측정하고, 광 강도 차 데이터의 비를 산출함으로써, 그 측정방위 방향에 대하여 각각의 편광상태에서의 그 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)(χ는 편광상태)를 측정할 수 있다.
여기에서, 청구항 5, 7의 발명과 같이, 광 강도 차 데이터와 광 강도 합 데이터의 비를 산출하면, 그 측정방위 방향에 대하여 각각의 편광상태에서의 그 복소 진폭 반사율비의 크기(|Rχ|)(χ는 편광상태)를 측정할 수 있다.
또, 청구항 2 및 4와 같이, 예를 들면, 발광 광학계 및 수광 광학계가 측정점에 세워진 법선의 주위로 상대적으로 회전가능 또는 방사상으로 배치되어, 측정방위를 연속적 또는 단계적으로 변화시키면서 측정할 수 있게 되어 있으면, 입사광의 측정방위에 따른 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)(χ는 편광상태)를 측정할 수 있으므로, 위상차(Δχ)를 측정방위의 함수로서 측정할 수 있다.
여기에서, 청구항 6, 8의 발명과 같이, 광 강도 차 데이터와 광 강도 합 데이터의 비를 산출하면, 변화하는 측정방위 방향에 대하여 각각의 편광상태에서의 그 복소 진폭 반사율비의 크기(|Rχ|)(χ는 편광상태)를 측정할 수 있으므로, 복소 진폭 반사율비의 크기를 측정방위의 함수로서 측정할 수 있다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
본 발명은, 차동 SMP법을 더욱 발전시켜, 상이한 3개의 편광상태에서의 복소 진폭 반사율비의 위상차를 측정한다고 하는 목적을 달성하기 위하여, 입사광을 측정대상면 상의 측정점에 일정 입사각도로 조사하고, 그 반사광에 포함되는 특정 방향의 편광 성분의 광 강도를 측정함으로써 얻어진 광 강도 데이터에 기초하여 광학 이방성 패러미터가 되는 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)(χ는 편광상태)를 측정하는 광학 이방성 패러미터 측정방법에 있어서,
상기 입사광을 편광화하여 미리 설정된 측정방위에서 측정점에 조사시켜 측정할 때, 측정대상면을 기준으로 하여 이것에 직교하는 면 내에서 진동하는 직선 편광을 P 편광으로 하고, 이 P 편광에 직교하는 방향으로 진동하는 직선 편광을 S 편광으로 했을 때에, 이하의 A∼D의 4개의 편광상태 중, 적어도 3개의 편광상태에서 각 4종류씩 합계 12종류의 반사광에 대하여 측정된 광 강도 데이터에 기초하여, 미리 설정한 프로그램에 따라, 각 편광상태마다 부여하는 편광 간 위상차가 동일한 반사광 강도 데이터끼리의 2개의 차로부터 2개의 광 강도 차 데이터를 산출하고, 이들 2개의 광 강도 차 데이터를 나눔으로써 그 입사광의 측정방위에서의 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)를 산출하는 것으로 했다.
A: P 편광의 진동방향에 대하여 ±αA(0<αA<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γA1 및 γA2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 각 반사광에 포함되는 합계 4종류의 S 편광.
B: P 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γB1 및 γB2로 조정한 2종류의 광에 포함되는 편광 중, S 편광의 진동방향에 대하여 ±αB(0<αB<π/2)의 방향으로 진동하는 합계 4종류의 편광.
C: S 편광의 진동방향에 대하여 ±αC(0<αC<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γC1 및 γC2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 각 반사광에 포함되는 합계 4종류의 P 편광.
D: S 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γD1 및 γD2로 조정한 2종류의 광에 포함되는 편광 중, P 편광의 진동방향에 대하여 ±αD(0<αD<π/2)의 방향으로 진동하는 합계 4종류의 편광.
도 1은 본 발명에 따른 광학적 이방성 패러미터 측정장치의 1예를 나타내는 설명도, 도 2는 연산장치의 메인루틴의 처리 수순을 나타내는 플로우차트, 도 3은 서브루틴의 처리 수순을 나타내는 플로우차트, 도 4는 편광상태 A에서의 광 강도 차 데이터, 광 강도 합 데이터를 나타내는 그래프, 도 5는 편광상태 B에서의 광 강도 차 데이터, 광 강도 합 데이터를 나타내는 그래프, 도 6은 편광상태 C에서의 광 강도 차 데이터, 광 강도 합 데이터를 나타내는 그래프, 도 7은 편광상태 D에서의 광 강도 차 데이터, 광 강도 합 데이터를 나타내는 그래프, 도 8은 산출된 복소 진폭 반사율비의 위상차를 나타내는 그래프, 도 9는 산출된 복소 진폭 반사율비의 크기를 나타내는 그래프이다.
우선, 본 발명에 의한 복소 진폭 반사율 및 그 위상차의 측정이론에 대하여 설명한다. 편광의 반사를 생각하면, 복소 진폭 반사율(rχ(χ는 편광상태)은,
rχ=|rχ|exp[iδχ]
rPP: P 편광을 입사했을 때의 반사광의 P 편광의 복소 진폭 반사율
rSP: P 편광을 입사했을 때의 반사광의 S 편광의 복소 진폭 반사율
rPS: S 편광을 입사했을 때의 반사광의 P 편광의 복소 진폭 반사율
rSS: S 편광을 입사했을 때의 반사광의 S 편광의 복소 진폭 반사율
δPP: 입사광의 P 편광의 위상에 대한 반사광의 P 편광의 위상의 건너뜀
δSP: 입사광의 P 편광의 위상에 대한 반사광의 S 편광의 위상의 건너뜀
δPS: 입사광의 S 편광의 위상에 대한 반사광의 P 편광의 위상의 건너뜀
δSS: 입사광의 S 편광의 위상에 대한 반사광의 S 편광의 위상의 건너뜀
으로 표시된다.
이 때, 복소 진폭 반사율비(Rχ)을 하기식에서 정의하면,
Rχ = rχ/rSS
= (|rχ|exp [iδχ])/(|rSS|exp[iδSS])
= (|rχ|/|rSS|)exp[i(δχ-δSS)]
= |Rχ|exp [iΔχ]
가 되고, 복소 진폭 반사율비(Rχ)의 위상차(Δχ)는,
Δχ=δχ-δSS
로 표시된다.
이와 같이 정의되는 복소 진폭 반사율비(Rχ)의 3종류의 위상차(ΔPP, ΔSP, ΔPS)와, 3종류의 크기(|RPP|, |RSP|, |RPS|)가, 배향막 등의 광학 이방성 재료의 물성 패러미터로서 중요하며, 특히, 위상차(ΔPP, ΔSP, ΔPS)를 아는 것이, 그 광학 이방성 재료의 평가를 행하는데 중요하다.
각 편광상태에서 측정한 반사광 강도의 이론식은 이하와 같다.
[편광상태 A]
P 편광의 진동방향에 대하여 ±αA(0<αA<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍 의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γA1 및 γA2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때의 반사광의 광 강도는 존스 행렬을 사용하여 이하로 나타낼 수 있다.
Figure 112009038624534-PAT00001
여기에서, IO는 장치 정수, Ein, Eout은 입사광 및 측정광의 편광 벡터, MP, Q, MS, MA, MR은 각각 편광자, 위상판, 시료, 검광자, 좌표회전의 존스 행렬이며, 각각 이하의 형태로 주어진다.
Figure 112009038624534-PAT00002
γ: 편광 간 위상차
θp: 편광자의 흔들림각
θA: 검광자의 흔들림각
입사광의 편광의 흔들림각을 θ로 하면 광 강도(IA)(θ, γ)는 다음 식으로 산출된다.
Figure 112009038624534-PAT00003
편광상태 A에서, 이하의 각 조건하에, 광 강도의 측정이 행해진다.
측정 1: [γ, θp, θA] = [γA1, +αA, 90°]
측정 2: [γ, θp, θA] = [γA1, -αA, 90°]
측정 3: [γ, θp, θA] = [γA2, +αA, 90°]
측정 4: [γ, θp, θA] = [γA1, -αA, 90°]
상기 식에 이 값을 대입하여,
IA11 = IA(αA, γA1)
IA12 = IA(αA, γA2)
IA21 = IA(-αA, γA1)
IA22 = IA(-αA, γA2)
를 각각 구하고, 그 차분, 합분을 취하면, 이것들은 이하로 주어진다.
Figure 112009038624534-PAT00004
DIA1:IA11과 IA21의 차
DIA2:IA12와 IA22의 차
SIA:IA11과 IA21, 또는, IA12와 IA22의 합
[편광상태 B]
P 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γB1 및 γB2로 조정한 2종류의 광에 포함되는 편광 중, S 편광의 진동방향에 대하여 ±αB(0<αB<π/2)의 방향으로 진동하는 합계 4종류의 편광의 광 강도는 다음 식으로 산출된다.
Figure 112009038624534-PAT00005
또 반사광의 편광의 흔들림각을 θ로 하면 광 강도(IB)(θ, γ)는 다음 식으로 산출된다.
Figure 112009038624534-PAT00006
편광상태 B에서, 이하의 각 조건하에, 광 강도의 측정이 행해진다.
측정 1: [γ, θp, θA] = [γB1, 0°, 90°+αB]
측정 2: [γ, θp, θA] = [γB1, 0°, 90°-αB]
측정 3: [γ, θp, θA] = [γB2, 0°, 90°+αB]
측정 4: [γ, θp, θA] = [γB1, 0°, 90°-αB]
상기 식에 이 값을 대입하여,
IB11 = IB(αB, γB1)
IB12 = IB(αB, γB2)
IB21 = IB(-αB, γB1)
IB22 = IB(-αB, γB2)
를 각각 구하고, 그 차분, 합분을 취하면, 이것들은 이하로 주어진다.
Figure 112009038624534-PAT00007
DIB1:IB11과 IB21의 차
DIB2:IB12와 IB22의 차
SIB:IB11과 IB21, 또는, IB12와 IB22의 합
[편광상태 C]
S 편광의 진동방향에 대하여 ±αC(0<αC<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γC1 및 γC2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때의 반사광의 광 강도는 다음 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112009038624534-PAT00008
또 편광의 흔들림각을 θ로 하면 광 강도(IC)(θ, γ)는 다음 식으로 산출된다.
Figure 112009038624534-PAT00009
편광상태 C에서, 이하의 각 조건하에, 광 강도의 측정이 행해진다.
측정 1: [γ, θp, θA] = [γC1, 90°+αC, 0°]
측정 2: [γ, θp, θA] = [γC1, 90°-αC, 0°]
측정 3: [γ, θp, θA] = [γC2, 90°+αC, 0°]
측정 4: [γ, θp, θA] = [γC1, 90°-αC, 0°]
상기 식에 이 값을 대입하여,
IC11 = IC(αC, γC1)
IC12 = IC(αC, γC2)
IC21 = IC(-αC, γC1)
IC22 = IC(-αC, γC2)
를 각각 구하고, 그 차분, 합분을 취하면, 이것들은 이하로 주어진다.
Figure 112009038624534-PAT00010
DIC1:IC11과 IC21의 차
DIC2:IC12와 IC22의 차
SIC:IC11과 IC21, 또는, IC12와 IC22의 합
[편광상태 D]
S 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γD1 및 γD2로 조정한 2종류의 광에 포함되는 편광 중, P 편광의 진동방향에 대하여 ±αD(0<αD<π/2)의 방향으로 진동하는 합계 4종류의 편광의 광 강도는 하기 식으로 표시된다.
Figure 112009038624534-PAT00011
또 편광의 흔들림각을 θ로 하면 광 강도(ID)(θ, γ)는 다음 식으로 산출된다.
Figure 112009038624534-PAT00012
편광상태 D에서, 이하의 각 조건하에, 광 강도의 측정이 행해진다.
측정 1: [γ, θp, θA] = [γD1, 90°, 0°+αD]
측정 2: [γ, θp, θA] = [γD1, 90°, 0°-αD]
측정 3: [γ, θp, θA] = [γD2, 90°, 0°+αD]
측정 4: [γ, θp, θA] = [γD1, 90°, 0°-αD]
상기 식에 이 값을 대입하고,
ID11 = ID(αD, γD1)
ID12 = ID(αD, γD2)
ID21 = ID(-αD, γD1)
ID22 = ID(-αD, γD2)
를 각각 구하고, 그 차분, 합분을 취하면, 이것들은 이하로 주어진다.
Figure 112009038624534-PAT00013
편광상태(A∼D)에서 측정한 반사광 강도의 차끼리의 비 및, 차와 합의 비를 구하면 이하의 식이 도출된다.
[편광상태 A]
(1) 차의 비
DIA1/DIA2 = cos(ΔSP+γA1)/cos(ΔSP+γA2)
(2) 차와 합의 비
DIA1/SIA = sin(2αA)|RSP|cos(ΔSP+γA1)
/{2(|RSP|2cos2αA+sin2αA)}
[편광상태 B]
(1) 차의 비
DIB1/DIB2 = cos(ΔPP-△SP+γB1)/cos(ΔPP-△SP+γB2)
(2) 차와 합의 비
DIB1/SIB = sin(2αB)|RPP||RSP|cos(ΔPP-△SP+γB1)
/{2(|RPP|2cos2αB+|RSP|2sin2αB)}
[편광상태 C]
(1) 차의 비
DIC1/DIC2 = cos(ΔPP-△PS+γC1)/cos(ΔPP-△PS+γC2)
(2) 차와 합의 비
DIC1/SIC = sin(2αC)|RPP||RPS|cos(ΔPP-ΔPS+γC1))
/{2(|RPP|2cos2αC+|RPS|2sin2αC)}
[편광상태 D]
(1) 차의 비
DID1/DID2 = cos(ΔPS+γD1)/cos(ΔPS+γD2)
(2) 차와 합의 비
DID1/SID = sin(2αD)|RPS|cos(ΔPS+γD1)
/{2(|RPS|2cos2αD+sin2αD)}
상기 식 중, 광 강도 차 데이터(DIA1, DIA2, DIB1, DIB2, DIC1, DIC2, DID1, DID2는 측정된 반사광 강도로부터 산출할 수 있는 기지의 값이며, 편광의 흔들림각(αA∼αD)이나, 위상 보상자 등에 의해 부여되는 편광 간 위상차(γA1, γA2, γB1, γB2, γC1, γC2, γD1, γD2)도 기지의 설정값이다.
그리고, 3개의 복소 진폭 반사율비의 위상차(ΔPP, ΔSP, ΔPS)와, 3개의 복소 진폭 반사율의 크기(|RPP|, |RSP|, |RPS|)가 미지수이므로, 각 값을 대입함으로써, 이들 미지수를 산출할 수 있다.
또, 측정점에 세워진 법선의 주위로부터 측정점을 향하는 입사광의 측정방위를 변화시키면서 반사광 강도를 측정하면, 반사광 강도, 광 강도 차 데이터, 광 강도 합 데이터의 측정방위에 대한 변화를 측정할 수 있고, 광 강도 차 데이터의 변화에 기초하여 배향방향을 구할 수 있으며, 또, 위상차(ΔPP, ΔSP, ΔPS) 및 복소 진폭 반사율비의 크기(|RPP|, |RSP|, |RPS|)에 대해서도 측정방위에 대한 변화를 측정할 수 있다.
이 경우, 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ) 및 크기(|Rχ|)는 배향 방위, 광학축의 경사각, 상광 굴절률, 이상광 굴절률, 배향층 막 두께, 배향층 굴절률, 무배향층 막 두께의 7개의 패러미터의 함수로서 나타낼 수 있으므로, 이들 6개의 값에 기초하여, 컴퓨터를 사용하여 피팅을 행하는 종래 공지의 수법에 의해, 상기 7개의 광학 이방성 패러미터를 구할 수 있다.
도 1에 도시하는 광학 이방성 패러미터 측정장치(1)는 스테이지(2)에 놓여진 샘플의 표면(측정대상면)(3) 상의 측정점(4)에 대하여 소정의 편광상태로 편광화된 광을 소정의 측정방위로부터 일정 입사각도로 조사하는 발광 광학계(10)와, 그 반사광을 소정의 편광상태로 편광화한 광의 광 강도를 검출하는 수광 광학계(20)가, 상기 측정점(4)에 세워진 법선(5)의 주위로 상대적으로 회전가능하게 또는 방사상으로 배치됨과 아울러, 입사광의 측정방위에 따른 광 강도에 기초하여 광학 이방성 패러미터가 되는 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)(χ는 편광상태) 및 크기(|Rχ|)를 산출하는 컴퓨터(연산장치)(30)를 구비하고 있다.
또한, 스테이지(2)의 상방에는 기울임량 검출을 위한 오토 콜리미터(6)가 배치되고, 스테이지(2)는 기울임 조정 테이블(7), 높이 조정 테이블(8), 회전 테이블(9)에 부착되어 있다.
발광 광학계(10)에는, 단색광을 조사하는 광원(11)과, 편광방향의 조정이 가능한 편광자(12)와, 위상 조정이 가능한 발광측 위상 보상자(13)가 이 차례로 개재되어 있다.
본 예에서는, 광원(11)으로서 발신 파장 532nm의 반도체 여기 SHG 레이저를 사용하고, 편광자로서 소광비 10-6의 글랜-톰슨 프리즘(Glan-Thompson prism)을 사용하여, 위상 보상자(13)로서 바비네-솔레일 보상판(Babinet-Soleil compensator)을 사용했다.
수광 광학계(20)에는, P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차의 조정이 가능한 수광측 위상 보상자(21)와, 편광방향의 조정이 가능한 검광자(22)와, 검광자(22)를 투과한 편광의 광 강도를 측정하는 광센서(23)가 이 순서로 개재되어 있다.
본 예에서는, 위상 보상자(21)로서 바비네-솔레일 보상판을 사용하고, 검광자(22)로서 소광비 10-6의 글랜-톰슨 프리즘을 사용하고, 광센서(23)로서 광전자 증배관을 사용하고, 이 광센서(23)에서 검출된 광 강도가 컴퓨터(30)에 구비된 A-D 변환기를 사용하여 디지털 데이터화되어 판독되게 되어 있다.
또, 본 예에서는, 한 쌍의 발광 광학계(10) 및 수광 광학계(20)로 입사각의 측정방위를 연속적으로 변화시킬 수 있도록, 샘플을 놓는 스테이지(2)에 대하여 상대적으로 회전 가능하게 배치되고, 구체적으로는, 스테이지(2)가 수평으로 회전구동되는 회전 테이블로 형성되어 있다.
이 경우, 스테이지(2)를 고정하고, 발광 광학계(10) 및 수광 광학계(20)를 회전 가능하게 배치하는 경우이어도 되고, 또, 예를 들면, 복수 쌍의 발광 광학계(10) 및 수광 광학계(20)를 등각적으로 방사상으로 배치하는 경우이어도 된다.
또한, 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ) 및 크기(|Rχ|)를 특정 측정방위에 대해서만 측정하는 경우에는, 발광 광학계(10) 및 수광 광학계(20)를 스테이지(2)에 대하여 상대적으로 회전 가능하게 배치하거나, 방사상으로 복수 쌍 설치하는 등의 측정 방위 가변기구는 필요 없다.
그리고, 스테이지를 회전시켜 입사광의 측정방위를 변화시키면서, 이하의 A∼D의 4개의 편광상태 중 적어도 3개의 편광상태의 각 4종류씩 합계 12종류의 반사광에 대하여 측정방위-광 강도 데이터를 측정한다.
A: P 편광의 진동방향에 대하여 ±αA(0<αA<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γA1 및 γA2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 각 반사광에 포함되는 합계 4종류의 S 편광.
B: P 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γB1 및 γB2로 조정한 2종류의 광에 포함되는 편광 중, S 편광의 진동방향에 대하여 ±αB(0<αB<π/2)의 방향으로 진동하는 합계 4종류의 편광.
C: S 편광의 진동방향에 대하여 ±αC(0<αC<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γC1 및 γC2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 각 반사광에 포함되는 합계 4종류의 P 편광.
D: S 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γD1 및 γD2로 조정한 2종류의 광에 포함되는 편광 중, P 편광의 진동방향에 대하여 ±αD(0<αD<π/2)의 방향으로 진동하는 합계 4종류의 편광.
컴퓨터(30)는 그 입력측에 스테이지(2)를 구동하는 회전 테이블(9)의 회전각 센서(9s), 광센서(23)가 접속되고, 출력측에, 광원(11), 회전 테이블(9)의 구동기구(9d), 편광자(12)의 구동기구(12d), 발광측 위상 보상자(13)의 구동기구(13d), 수광측 위상 보상자(21)의 구동기구(21d), 검광자(22)의 구동기구(22d)가 접속되어 있다.
이것에 의해, 편광자(12), 발광측 위상 보상자(13), 수광측 위상 보상자(21), 검광자(22)를 조정하고, 편광상태(A∼D)로 설정할 수 있으며, 또, 각각의 편광상태(A∼D)에서 광센서(23)로 광 강도를 검출함과 동시에, 그 검출시점에서의 입사광의 측정방위가 입력되게 되어 있다.
그리고, 컴퓨터(30)에서는, 미리 설정한 프로그램에 따라, 편광상태마다 위상이 동일한 반사광 강도 데이터끼리의 2개의 차로부터 2개의 측정방위-광 강도 차 데이터를 산출하고, 이들 2개의 광 강도 차 데이터의 비로부터 입사광의 측정방위에 따른 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ) 및 크기(|Rχ|)를 산출한다.
도 2 및 도 3은 컴퓨터에 의한 처리 수순을 나타내는 플로우차트이다.
우선, 스텝 STP1은 초기 설정을 행한다.
편광상태(A∼D) 중 어느 편광상태에서 측정할지 3개의 편광상태를 설정함과 아울러, 여기에서 설정한 편광상태에 따라, 편광자(13)에 의해 설정되는 P 편광 및 S 편광에 대한 흔들림각(αA 및 αC)과, 검광자(14)에 의해 설정되는 S 편광 및 P 편광 에 대한 흔들림각(αB 및 αD)을 설정하고, 발광측 위상 보상자(13) 및 수광측 위상 보상자(21)에서 설정될 위상차를 설정한다.
본 예에서는, 편광상태(A∼C)가 설정되고, 편광자(13) 또는 검광자에 의한 흔들림각이
αA=αB=αC=αD=10°
로 설정되고, 발광측 위상 보상자(13) 및 수광측 위상 보상자(21)에서 부여되는 편광 간 위상차가,
γA1=γB1=γC1=γD1=0°
γA2=γB2=γC2=γD2=90°
로 설정된다.
스텝 STP2에서는 소정의 스타트 스위치가 눌려질 때까지 대기하고, 눌려졌을 때 스텝 STP3에서 광원(11) 및 광센서(23)가 온 되어, 스테이지(2) 상에 올려 놓인 샘플에 대하여 광학 이방성 패러미터의 측정을 개시한다.
우선, 스텝 STP4에서는, 편광상태 A가 선택되어 있는지 아닌지가 판단되고, 선택되어 있을 때는 서브루틴 A의 처리를 행하고, 선택되어 있지 않을 때 또는 그 처리가 종료된 시점에서 스텝 STP5로 이행한다.
스텝 STP5에서는, 편광상태 B가 선택되어 있는지 아닌지가 판단되고, 선택되어 있을 때는 서브루틴 B의 처리를 행하고, 선택되어 있지 않을 때 또는 그 처리가 종료된 시점에서 스텝 STP6으로 이행한다.
스텝 STP6에서는, 편광상태 C가 선택되어 있는지 아닌지가 판단되고, 선택되어 있을 때는 서브루틴 C의 처리를 행하고, 선택되어 있지 않을 때 또는 그 처리가 종료된 시점에서 스텝 STP7로 이행한다.
스텝 STP7에서는, 편광상태 D가 선택되어 있는지 아닌지가 판단되고, 선택되어 있을 때는 서브루틴 D의 처리를 행하고, 선택되어 있지 않을 때 또는 그 처리가 종료된 시점에서 스텝 STP8로 이행한다.
편의상, 편광자 및 검광자의 각도는 P 편광 방향을 0°, S 편광 방향을 90°로 하고, 편광자(12)의 각도(θP), 발광측 위상 보상자(13)에 의해 부여되는 편광 간 위상차(λin), 수광측 위상 보상자(14)에 의해 부여되는 편광 간 위상차(λout), 검광자(12)의 각도(θA)로 한다.
도 3(a)에 나타내는 서브루틴 A의 스텝 STP11에서는, 각 구동기구(12d, 13d, 21d, 22d)를 기동하고, [θP, λin, λout, θA] = [0+αA, 0, 0, 90]이 되도록 발광 광학계(10) 및 수광 광학계(20)를 조정하고, 스텝 12에서 스테이지(2)를 360° 회전시키면서 소정 각도간격마다 광 강도 IA11를 읽어들인다.
스텝 STP13에서, [θP, λin, λout, θA] = [0-αA, 0, 0, 90]이 되도록 발광 광학계(10) 및 수광 광학계(20)를 조정하고, 스텝 STP14에서 스테이지(2)를 360° 회전시키면서 소정 각도간격마다 광 강도 IA21을 읽어들인다.
스텝 STP15에서, [θP, λin, λout, θA] = [0+αA, 90, 0, 90]이 되도록 발광 광학계(10) 및 수광 광학계(20)를 조정하고, 스텝 STP16에서 스테이지(2)를 360° 회전시키면서 소정 각도간격마다 광 강도 IA12를 읽어들인다.
스텝 STP17에서, [θP, λin, λout, θA] = [0-αA, 90, 0, 90]이 되도록 발광 광학계(10) 및 수광 광학계(20)를 조정하고, 스텝 STP18에서 스테이지(2)를 360° 회전시키면서 소정 각도간격마다 광 강도 IA22를 읽어들인다.
이하 마찬가지로, 도 3(b)에 나타내는 서브루틴 B의 스텝 STP21에서는, [θP, λin, λout, θA] = [0, 0, 0, 90+αB]로 하고, 스텝 STP22에서 광 강도 IB11을 읽어들인다.
스텝 STP23에서, [θP, λin, λout, θA] = [0, 0, 0, 90-αB]로 하고, 스텝 STP24에서 광 강도 IB21을 읽어들인다.
스텝 STP25에서, [θP, λin, λout, θA] = [0, 0, 90, 90+αB]로 하고, 스텝 STP26에서 광 강도 IB12를 읽어들인다.
스텝 STP27에서, [θP, λin, λout, θA] = [0, 90, 0, 90-αB]로 하고, 스텝 STP28에서 광 강도 IB22를 읽어들인다.
도 3(c)에 나타내는 서브루틴 C의 스텝 STP31에서는, [θP, λin, λout, θA] = [90+αC, 0, 0, 0]로 하고, 스텝 22에서 광 강도 IC11을 읽어들인다.
스텝 STP23에서는, [θP, λin, λout, θA] = [90-αC, 0, 0, 0]로 하고, 스텝 STP23에서 광 강도 IC21을 읽어들인다.
스텝 STP25에서는, [θP, λin, λout, θA] = [90+αC, 90, 0, 0]로 하고, 스텝 STP26에서 광 강도 IC12를 읽어들인다.
스텝 STP27에서는, [θP, λin, λout, θA] = [90-αC, 90, 0, 0]]로 하고, 스텝 STP28에서 광 강도 IC22를 읽어들인다.
도 3(d)에 나타내는 서브루틴 D의 스텝 STP41에서는, [θP, λin, λout, θA] = [0, 0, 0, 90+αB]로 하고, 스텝 STP42에서 광 강도 ID11을 읽어들인다.
스텝 STP43에서는, [θP, λin, λout, θA] = [0-αB, 0, 0, 90]로 하고, 스텝 STP44에서 광 강도 ID21을 읽어들인다.
스텝 STP45에서는, [θP, λin, λout, θA] = [0+αB, 90, 0, 90]로 하고, 스텝 STP46에서 광 강도 ID12를 읽어들인다.
스텝 STP47에서는, [θP, λin, λout, θA] = [0-αB, 90, 0, 90]로 하고, 스텝 STP48에서 광 강도 ID22를 읽어들인다.
각 서브루틴(A∼D)에 의한 측정이 종료되면, 스텝 STP8로 이행하고, 측정결과에 기초하여, 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ) 및 크기(|Rχ|)가 산출된다.
스텝 STP8에서는 각 편광상태(A∼D)에서 측정된 광 강도에 기초하여, 편광상태마다 위상이 동일한 반사광 강도 데이터끼리의 2개의 차로부터 2개의 측정방위- 광 강도 차 데이터를 산출하고, 위상이 동일한 반사광 강도 데이터의 합을 측정방위-광 강도 합 데이터로서 산출한다.
도 4(a)∼(c)는, 편광상태 A에서의 반사광 강도 차 DIA1=IA11-IA21, 반사광 강도 차 DIA2=IA12-IA22, 반사광 강도 합 SIA=IA11+IA21의 측정결과이다.
도 5(a)∼(c)는, 편광상태 B에서의 반사광 강도 차 DIB1=IB11-IB21, 반사광 강도 차 DIB2=IB12-IB22, 반사광 강도 합 SIB=IB11+IB21의 측정결과이다.
도 6(a)∼(c)는, 편광상태 C에서의 반사광 강도 차 DIC1=IC11-IC21, 반사광 강도 차 DIC2=IC12-IC22, 반사광 강도 합 SIC=IC11+IC21의 측정결과이다.
도 7(a)∼(c)는, 편광상태 D에서의 반사광 강도 차 DID1=ID11-ID21, 반사광 강도 차 DID2=ID12-ID22, 반사광 강도 합 SID=ID11+ID21의 측정결과이다.
그리고, 스텝 STP9에서는, 편광상태마다 2개의 광 강도 차 데이터의 비가 산출됨과 아울러, 광 강도 차 데이터의 일방과 광 강도 합 데이터의 비가 산출된다.
이어서, 스텝 STP10에서는, 복소 진폭 반사율비의 위상차(ΔPP, ΔSP, ΔPS) 및 크기(|RPP|, |RSP|, |RPS|)가 산출된다.
이 때, 광 강도 차 데이터의 비를 나타내는 이론식과, 광 강도 차 데이터의 일방과 광 강도 합 데이터의 비를 나타내는 이론식은 스텝 STP1에서 설정한 패러미터로부터, 다음 식으로 바꿔 쓸 수 있다.
[편광상태 A]
(1) 차의 비
DIA1/DIA2 = cot(ΔSP)
(2) 차와 합의 비
DIA1/SIA = cos(ΔSP)/{tan10/|RSP|+|RSP|/tan10}
DIA1, DIA2, SIA는 측정값으로부터 산출할 수 있는 기지의 값이므로, 이들 식으로부터 ΔSP 및 |RSP|가 산출된다.
[편광상태 B]
(1) 차의 비
DIB1/DIB2 = cot(ΔPP-ΔSP)
(2) 차와 합의 비
DIB1/SIB = cos (ΔPP-ΔSP)
/{|RSP|tan10/|RPP|+|RPP|/tan10}
DIB1, DIB2, SIB는 측정값으로부터 산출할 수 있는 기지의 값, ΔSP 및 |RSP|는 편광상태 A의 측정결과에 의해 기지이므로, 이들 식으로부터 ΔPP 및 |RPP|가 산출된다.
[편광상태 C]
(1) 차의 비
DIC1/DIC2 = cot(ΔPP-ΔPS)
(2) 차와 합의 비
DIC1/SIC = cos(ΔPP-ΔPS)
/{|RSP|tan10/|RPP|+|RPP|/tan10}
DIC1, DIC2, SIC는 측정값으로부터 산출할 수 있는 기지의 값, ΔPP 및 |RPP|는 편광상태 B의 측정결과에 의해 기지이므로, 이들 식으로부터 ΔPS 및 |RPS|가 산출된다.
[편광상태 D]
(1) 차의 비
DID1/DID2 = cot(ΔPS)
(2) 차와 합의 비
DID1/SID = cos(ΔPS)/{tan10/|RPS|+|RPS|/tan10}
DID1, DID2, SID는 측정값으로부터 산출할 수 있는 기지의 값이므로, 이들 식으로부터 ΔPS 및 |RPS|가 산출된다.
이와 같이, 편광상태(A∼D)로부터, 복소 진폭 반사율비의 3종류의 위상차(ΔPP, ΔSP, ΔPS)에 관하여 이것들을 미지수로 하는 합계 4종류의 광 강도 차 데이터의 비의 이론식이 구성되므로, 이 중 3종류를 사용함으로써, 위상차(ΔPP, ΔSP, ΔPS)를 산출할 수 있고, 따라서, 3종류의 편광상태에 대하여 반사광 강도를 측정하면 충분하다.
또 마찬가지로, 편광상태(A∼D)로부터, 복소 진폭 반사율비의 3종류의 크기(|RPP|, |RSP|, |RPS|)에 관하여 이것들을 미지수로 하는 합계 4종류의 광 강도 차 데이터의 비의 이론식이 성립하므로, 이 중 3종류를 사용함으로써, 위상차(ΔPP, ΔSP, ΔPS)를 산출할 수 있고, 따라서, 3종류의 편광상태에 대하여 반사광 강도를 측정하면 된다.
도 8(a)∼(c)가 산출된 복소 진폭 반사율비의 위상차(ΔPP, ΔSP, ΔPS), 도 9(a)∼(c)가 산출된 복소 진폭 반사율비의 크기(|RPP|, |RSP|, |RPS|)를 나타내는 그래프이다.
또, 이렇게 하여 산출된 복소 진폭 반사율비의 위상차(ΔPP, ΔSP, ΔPS) 및 크기(|RPP|, |RSP|, |RPS|)는, 각각, 배향 방위, 광학축의 경사각, 상광 굴절률, 이상광굴절률, 배향층 막 두께, 배향층 굴절률, 무배향층 막 두께의 7개의 패러미터의 함수로서 나타낼 수 있으므로, 이들 6개의 값에 기초하여, 컴퓨터를 사용하여 피팅을 행하는 종래 공지의 수법에 의해, 상기 7개의 광학 이방성 패러미터를 구할 수 있다.
액정 배향막을 샘플로 하여 측정된 복소 진폭 반사율비의 위상차 및 크기에 기초하여, Berreman의 4×4 행렬을 사용하고, 상기 패러미터를 피팅에 의해 구한 바, 배향방위 90.3°, 광학축의 경사각 24.6°, 상광 굴절률 1.76, 이상광 굴절률 1.79, 배향층 막 두께 6.0nm, 배향층 굴절률 1.77, 무배향층 막 두께 94.1nm로, 일반 엘립소메트리에 의한 측정결과와 일치했다.
또한, 측정시에, 발광 광학계(10) 및 수광 광학계(20)를 조정하면서 스테이지(2)을 합계 12회전 시킬 필요가 있지만, 그래도 합계 측정시간은 20∼30초 전후로, 일반화 엘립소메트리법에 의한 측정에 비해 1/10 시간의 대단히 짧은 시간에 측정이 가능하게 되어, 공장의 생산 라인의 제품검사 등에 응용하는 것이 가능하게 되었다.
또한, 발광측 및 수광측의 위상 보상자 12, 21에 바비네-솔레일 위상판을 사용한 경우에 대하여 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 위상차 고정의 위상판을 광로에 대하여 진퇴 가능하게 배합한 위상 보상자를 사용해도 된다.
본 발명은 광학 이방성을 갖는 제품, 특히, 액정 배향막의 품질검사 등에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광학적 이방성 패러미터 측정장치의 1예를 나타내는 설명도.
도 2는 연산장치의 메인루틴의 처리 수순을 나타내는 플로우차트.
도 3은 서브루틴의 처리 수순을 나타내는 플로우차트.
도 4는 편광상태 A에서의 광 강도 차 데이터, 광 강도 합 데이터를 나타내는 그래프.
도 5는 편광상태 B에서의 광 강도 차 데이터, 광 강도 합 데이터를 나타내는 그래프.
도 6은 편광상태 C에서의 광 강도 차 데이터, 광 강도 합 데이터를 나타내는 그래프.
도 7은 편광상태 D에서의 광 강도 차 데이터, 광 강도 합 데이터를 나타내는 그래프.
도 8은 산출된 복소 진폭 반사율비의 위상차를 나타내는 그래프.
도 9는 산출된 복소 진폭 반사율비의 크기를 나타내는 그래프.
(부호의 설명)
1 광학 이방성 패러미터 측정장치
2 스테이지
3 샘플의 표면(측정대상면)
4 측정점
5 법선
10 발광 광학계
11 광원
12 편광자
13 발광측 위상 보상자
20 수광 광학계
21 수광측 위상 보상자
22 검광자
23 광센서
30 컴퓨터(연산장치)

Claims (8)

  1. 입사광을 측정대상면 상의 측정점에 소정의 측정방위로부터 일정 입사각도로 조사하고, 그 반사광에 포함되는 특정 방향의 편광 성분의 광 강도를 측정함으로써 얻어진 광 강도 데이터에 기초하여 광학 이방성 패러미터가 되는 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)(χ는 편광상태)를 측정하는 광학 이방성 패러미터 측정방법에 있어서,
    상기 입사광을 편광화하여 미리 설정된 측정 방위로 측정점에 조사시켜 측정할 때에, 측정대상면을 기준으로 하여 이것에 직교하는 면 내에서 진동하는 직선 편광을 P 편광으로 하고, 이 P 편광에 직교하는 방향으로 진동하는 직선 편광을 S 편광으로 했을 때, 이하의 A∼D의 4개의 편광상태 중, 적어도 3개의 편광상태에서 각 4종류씩 합계 12종류의 반사광에 대하여 측정된 광 강도 데이터에 기초하여, 미리 설정한 프로그램에 따라, 각 편광상태마다 부여하는 편광 간 위상차가 동일한 반사광 강도 데이터끼리의 2개의 차로부터 2개의 광 강도 차 데이터를 산출하고, 이들 2개의 광 강도 차 데이터를 나눔으로써 그 입사광의 측정방위에서의 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)를 산출하는 것을 특징으로 하는 광학 이방성 패러미터 측정방법.
    A: P 편광의 진동방향에 대하여 ±αA(0<αA<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γA1 및 γA2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 각 반사광에 포함되는 합계 4종류의 S 편광.
    B: P 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γB1 및 γB2로 조정한 2종류의 광에 포함되는 편광 중, S 편광의 진동방향에 대하여 ±αB(0<αB<π/2)의 방향으로 진동하는 합계 4종류의 편광.
    C: S 편광의 진동방향에 대하여 ±αC(0<αC<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γC1 및 γC2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 각 반사광에 포함되는 합계 4종류의 P 편광.
    D: S 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γD1 및 γD2로 조정한 2종류의 광에 포함되는 편광 중, P 편광의 진동방향에 대하여 ±αD(0<αD<π/2)의 방향으로 진동하는 합계 4종류의 편광.
  2. 입사광을 측정대상면 상의 측정점에 소정의 측정방위로부터 일정 입사각도로 조사하고, 그 반사광에 포함되는 특정 방향의 편광 성분의 광 강도를 측정함으로써 얻어진 광 강도 데이터에 기초하여 광학 이방성 패러미터가 되는 복소 진폭 반사율 비의 위상차(Δχ)(χ는 편광상태)를 측정하는 광학 이방성 패러미터 측정방법에 있어서,
    측정대상면을 기준으로 하여 이것에 직교하는 면 내에서 진동하는 직선 편광을 P 편광으로 하고, 이 P 편광에 직교하는 방향으로 진동하는 직선 편광을 S 편광으로 했을 때에, 상기 측정방위를 측정점에 세워진 법선의 주위로 변화시키면서, 이하의 A∼D의 4개의 편광상태 중, 적어도 3개의 편광상태에서 각 4종류씩 합계 12종류의 반사광에 대하여 측정된 측정방위-광 강도 데이터에 기초하여, 미리 설정한 프로그램에 따라, 각 편광상태마다 부여하는 편광 간 위상차가 동일한 반사광 강도 데이터끼리의 차로부터 2개의 측정방위-광 강도 차 데이터를 산출하고, 이들 2개의 광 강도 차 데이터의 비로부터 입사광의 측정방위에 따른 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)를 산출하는 것을 특징으로 하는 광학 이방성 패러미터 측정방법.
    A: P 편광의 진동방향에 대하여 ±αA(0<αA<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γA1 및 γA2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 각 반사광에 포함되는 합계 4종류의 S 편광.
    B: P 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γB1 및 γB2로 조정한 2종류의 광에 포함되는 편광 중, S 편광의 진동방향에 대하여 ±αB(0<αB<π/2)의 방향으로 진동하 는 합계 4종류의 편광.
    C: S 편광의 진동방향에 대하여 ±αC(0<αC<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γC1 및 γC2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 각 반사광에 포함되는 합계 4종류의 P 편광.
    D: S 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γD1 및 γD2로 조정한 2종류의 광에 포함되는 편광 중, P 편광의 진동방향에 대하여 ±αD(0<αD<π/2)의 방향으로 진동하는 합계 4종류의 편광.
  3. 측정대상면 상의 측정점에 대하여 소정의 편광상태로 편광화된 광을 소정의 측정방위로부터 일정 입사각도로 조사하는 발광 광학계와, 그 반사광을 소정의 편광상태로 편광화한 광의 광 강도를 검출하는 수광 광학계와, 측정된 광 강도에 기초하여 광학 이방성 패러미터가 되는 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)(χ는 편광상태)를 산출하는 연산장치를 구비한 광학 이방성 패러미터 측정장치에 있어서,
    상기 발광 광학계에는, 단색광을 조사하는 광원과, 편광방향의 조정이 가능한 편광자와, 위상의 조정이 가능한 발광측 위상 보상자가 이 순서로 개재됨과 아울러,
    상기 수광 광학계에는, 위상의 조정이 가능한 수광측 위상 보상자와, 편광방향의 조정이 가능한 검광자와, 검광자를 투과한 편광의 광 강도를 측정하는 광센서가 이 순서로 개재되고,
    측정대상면을 기준으로 하여 이것에 직교하는 면 내에서 진동하는 직선 편광을 P 편광으로 하고, 이것에 직교하는 방향으로 진동하는 직선 편광을 S 편광으로 했을 때에, 상기 연산장치에서는, 이하의 A∼D의 4개의 편광상태 중 적어도 3개의 편광상태의 각 4종류씩 합계 12종류의 반사광에 대하여 측정된 광 강도 데이터에 기초하여, 미리 설정한 프로그램에 따라, 각 편광상태마다 부여하는 편광 간 위상차가 동일한 반사광 강도 데이터끼리의 2개의 차로부터 2개의 광 강도 차 데이터를 산출하고, 이들 2개의 광 강도 차 데이터의 비로부터 그 입사광의 측정방위에서의 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)를 산출하는 것을 특징으로 하는 광학 이방성 패러미터 측정장치.
    A: P 편광의 진동방향에 대하여 ±αA(0<αA<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γA1 및 γA2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 각 반사광에 포함되는 합계 4종류의 S 편광.
    B: P 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γB1 및 γB2로 조정한 2종류의 광에 포 함되는 편광 중, S 편광의 진동방향에 대하여 ±αB(0<αB<π/2)의 방향으로 진동하는 합계 4종류의 편광.
    C: S 편광의 진동방향에 대하여 ±αC(0<αC<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γC1 및 γC2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 각 반사광에 포함되는 합계 4종류의 P 편광.
    D: S 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γD1 및 γD2로 조정한 2종류의 광에 포함되는 편광 중, P 편광의 진동방향에 대하여 ±αD(0<αD<π/2)의 방향으로 진동하는 합계 4종류의 편광.
  4. 측정대상면 상의 측정점에 대하여 소정의 편광상태로 편광화된 광을 소정의 측정방위로부터 일정 입사각도로 조사하는 발광 광학계와, 그 반사광을 소정의 편광상태로 편광화한 광의 광 강도를 검출하는 수광 광학계가, 상기 측정점에 세워진 법선의 주위로 상대적으로 회전 가능하게 또는 방사상으로 배치되고, 입사광의 측정방위에 따른 광 강도에 기초하여 광학 이방성 패러미터가 되는 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)(χ는 편광상태)를 산출하는 연산장치를 구비한 광학 이방성 패러미터 측정장치에 있어서,
    상기 발광 광학계에는, 단색광을 조사하는 광원과, 편광방향의 조정이 가능한 편광자와, 위상조정이 가능한 발광측 위상 보상자가 이 순서로 개재됨과 아울러,
    상기 수광 광학계에는, 위상의 조정이 가능한 수광측 위상 보상자와, 편광방향의 조정이 가능한 검광자와, 검광자를 투과한 편광의 광 강도를 측정하는 광센서가 이 순서로 개재되고,
    측정대상면을 기준으로 하여 이것에 직교하는 면 내에서 진동하는 직선 편광을 P 편광으로 하고, 이것에 직교하는 방향으로 진동하는 직선 편광을 S 편광으로 했을 때, 측정방위를 변화시키면서, 이하의 A∼D의 4개의 편광상태 중 적어도 3개의 편광상태의 각 4종류씩 합계 12종류의 반사광에 대하여 측정된 측정방위-광 강도 데이터에 기초하여, 상기 연산장치에서, 미리 설정한 프로그램에 따라, 각 편광상태마다 부여하는 편광 간 위상차가 동일한 반사광 강도 데이터끼리의 2개의 차로부터 2개의 측정방위-광 강도 차 데이터를 산출하고, 이들 2개의 광 강도 차 데이터의 비로부터 입사광의 측정방위에 따른 복소 진폭 반사율비의 위상차(Δχ)를 산출하는 것을 특징으로 하는 광학 이방성 패러미터 측정장치.
    A: P 편광의 진동방향에 대하여 ±αA(0<αA<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γA1 및 γA2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 각 반사광에 포함되는 합계 4종류의 S 편광.
    B: P 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γB1 및 γB2로 조정한 2종류의 광에 포함되는 편광 중, S 편광의 진동방향에 대하여 ±αB(0<αB<π/2)의 방향으로 진동하는 합계 4종류의 편광.
    C: S 편광의 진동방향에 대하여 ±αC(0<αC<π/2)의 방향으로 진동하는 한 쌍의 편광에 대하여, 각각의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γC1 및 γC2로 조정한 합계 4종류의 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 각 반사광에 포함되는 합계 4종류의 P 편광.
    D: S 편광을 입사광으로 하여 측정대상면에서 반사시켰을 때, 반사광의 P 편광 성분과 S 편광 성분의 편광 간 위상차를 γD1 및 γD2로 조정한 2종류의 광에 포함되는 편광 중, P 편광의 진동방향에 대하여 ±αD(0<αD<π/2)의 방향으로 진동하는 합계 4종류의 편광.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 3개의 편광상태에서 각 4종류씩 합계 12종류의 반사광에 대하여 측정된 광 강도 데이터에 기초하여, 미리 설정한 프로그램에 따라, 각 편광상태마다 부여하는 편광 간 위상차가 동일한 반사광 강도 데이터의 합을 광 강도 합 데이터로서 산출하고, 상기 광 강도 차 데이터의 일방과 광 강도 합 데이터의 비로부터 그 입사광의 측정방위에서의 복소 진폭 반사율비의 크기(|Rχ|)(χ는 편광상태)를 산출하는 것을 특징으로 하는 광학 이방성 패러미터 측정방법.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 3개의 편광상태에서 각 4종류씩 합계 12종류의 반사광에 대하여 측정된 측정방위-광 강도 데이터에 기초하여, 미리 설정한 프로그램에 따라, 각 편광상태마다 부여하는 편광 간 위상차가 동일한 반사광 강도 데이터의 합을 측정방위-광 강도 합 데이터로서 산출하고, 상기 광 강도 차 데이터의 일방과 광 강도 합 데이터의 비로부터 입사광의 측정방위에 따른 복소 진폭 반사율비의 크기(|Rχ|)(χ는 편광상태)를 산출하는 것을 특징으로 하는 광학 이방성 패러미터 측정방법.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 연산장치에서, 3개의 편광상태의 각 4종류씩 합계 12종류의 반사광에 대하여 측정된 광 강도 데이터에 기초하여, 미리 설정한 프로그램에 따라, 각 편광상태마다 부여하는 편광 간 위상차가 동일한 반사광 강도 데이터의 합을 광 강도 합 데이터로서 산출하고, 상기 광 강도 차 데이터의 일방과 광 강도 합 데이터의 비로부터 그 입사광의 측정방위에서의 복소 진폭 반사율비의 크기(|Rχ|)(χ는 편광상태)를 산출하는 것을 특징으로 하는 광학 이방성 패러미터 측정장치.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 연산장치에서, 3개의 편광상태의 각 4종류씩 합계 12종류의 반사광에 대하여 측정된 측정방위-광 강도 데이터에 기초하여, 미리 설정한 프로그램에 띠라, 각 편광상태마다 부여하는 편광 간 위상차가 동일한 반사광 강도 데이터의 합을 측정방위-광 강도 합 데이터로서 산출하고, 상기 광 강도 차 데이터의 일방과 광 강도 합 데이터의 비로부터 입사광의 측정방위에 따른 복소 진폭 반사율비의 크기(|Rχ|)(χ는 편광상태)를 산출하는 것을 특징으로 하는 광학 이방성 패러미터 측정장치.
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