KR20160052592A - 광학 이방성의 파라미터들을 측정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

광학 이방성의 파라미터들을 측정하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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엑소메트릭스, 인코포레이티드
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Abstract

유리 또는 다른 기판들 상의 필름의 광학 이방성 특성들을 측정하기 위한 방법들 및 시스템들이 제공된다. 이런 기술은 생산 환경에 적합하고, 매우 높은 픽셀 밀도 디스플레이들에 대해서도, LCD 패널 상의 TFT 또는 CF 활성 영역에 의해 크게 영향을 받지 않는다. 광학 이방성의 크기와 배향을 측정하기 위한 방법이 제공된다. 이들 방법 및 시스템은 반사 또는 투과 구성에서 이방성 물질들을 측정하기 위한 광학 이방성 측정 장치를 포함한다. 방법들 및 시스템들은 이방성 크기와 배향을 계산하기 위해 하나 이상의 회전 각도에서 샘플의 뮐러 매트릭스, 디어텐뉴에이션 배향 또는 지연을 측정할 수 있다.

Description

광학 이방성의 파라미터들을 측정하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING PARAMETERS OF OPTICAL ANISOTROPY}
관련 출원들
본 출원은 2014년 10월 2일자로 출원된 미국 출원 제14/504,426호, 및 2013년 10월 4일로 출원된 미국 가출원 제61/887,163호의 우선권을 주장하며, 이들 양자는 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명은 일반적으로 광학 이방성 측정을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 필름의 이방성 크기와 이방성 배향을 결정하기 위해 광학 이방성 폴리이미드(PI) 필름 또는 다른 폴리머 박막들을 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
액정 디스플레이(LCD)들을 포함하는 액정 디바이스들의 생산에서, 폴리이미드 필름과 같은 필름은 LCD 유리에 도포된다. 필름은 이후 필름을 기계적으로 마찰함에 의해 또는 필름을 편광된 광에 노출시키는 상대적으로 더 새로운 기술에 의해 이방성으로 된다. 필름이 이방성으로 되었을 때, 액정(LC) 분자들은 그들 자신을 필름의 이방성 축에 정렬하는 경향이 있을 것이다. 또한, 필름 이방성의 크기는 LC 분자와 필름 사이의 앵커링 에너지(anchoring energy)와 관련되고, 마찰된 PI의 경우에, LC 분자의 프리틸트 각도(pre-tilt angle)를 좌우한다. 액정 디바이스에서 광학 이방성 필름의 이방성 크기 및 배향은 액정 디바이스의 성능을 결정하는 주요 인자들이고, 제조업자들은 이들 파라미터를 측정하기 위한 수단을 필요로 한다.
광학 이방성은 전형적으로 필름의 정상 굴절률과 이상 굴절률 간의 차이, Δn = no - ne이다. 이런 이방성 때문에, 필름은 위상 지연 또는 지연의 편광 특성을 나타낼 것이다. 이방성 물질을 통과하는 광학 빔에서, 빔에 의해 경험되는 위상 지연은 δ = Δn × t이며, 여기서 t는 물질의 두께이다.
광학 이방성은 또한, 정상 소광 계수(ordinary extinction coefficient)와 이상 소광 계수 간 또는 굴절률의 허수 성분들 간의 차이, Δk = ko - ke일 수 있다. 이 경우에, 이방성은 2색성(dichroism) 또는 디어텐뉴에이션(diattenuation)의 편광 특성을 나타낼 것이고, 여기서 광학 빔의 투과율 또는 반사율은 광학 빔의 편광 상태에 따라 변한다.
현대의 액정 디바이스들에서, PI 필름 두께는 대략 50nm-100nm에 있는 경향이 있다. 마찰된 PI에서, 이방성은 대략 Δn
Figure pct00001
0.005인 경향이 있다. 그래서 이런 마찰된 PI 필름의 지연은 대략 0.25nm-0.5nm만큼 일 것이다. 광 정렬된 PI의 일부 유형에서, 이방성은 상당히 크고, 아마도 Δn
Figure pct00002
0.05이다. 이 경우에, 예상되는 이방성 필름의 가장 큰 지연은 약 5nm이다.
0.25nm-5nm 범위의 지연을 갖는 샘플에 대한 지연 크기와 지연 배향을 정확히 측정하는 것은 종래에는 적당한 장비 없이는 어려웠지만, 여러 상업적으로 구매 가능한 측정 시스템(예를 들어, AxoScanTM from Axometrics Inc. of Huntsville, AL)은 충분한 정확도로 이런 측정을 할 수 있다. 그러나 이런 측정을 하는 데 있어 문제는 PI 계층이 도포되는 유리 기판이 또한 제조 동안 야기되는 유리 내의 작은 응력에 기인하여 지연을 나타낼 것이라는 것이다. 유리의 지연이 아주 작다 할지라도, 이방성 PI 계층의 지연은 있다. 측정에서 지연의 이러한 2가지 소스를 분리하는 것은 어렵다. 이와 같이, 투과시 샘플의 지연만을 측정하는 단순한 측정 기술은 본 출원에 적당하지 않다고 판명되었다.
타원 편광법(ellipsometry)은, 광이 샘플의 표면으로부터 반사될 때 필름이 광의 편광 상태를 얼마나 변경하는지를 측정한 것에 기초하여 박막들의 두께와 굴절률을 측정하기 위한 광학 기술이다. 일반화된 타원 편광법(Generalized ellipsometry)(GE)은 이방성 샘플들의 테스트를 허용하는 표준 타원 편광법의 확장이다. GE 방법은 정확하고 정밀하다. 그러나 이 방법이 시간 소모적이기 때문에, 생산 환경에서 GE 측정을 이용하는 것은 항상 현실적이진 않다. GE 방법의 추가 어려움은 이 방법이, 측정된 샘플이 복잡도가 커질수록 점점 더 어렵게 된다는 것이다. 샘플이 박막들의 많은 계층을 갖는다면, 추가 파장들이 필요할 수 있다. 또는, 샘플의 필름들이 측정 광학 빔 직경보다 작은 특징들로 패터닝된다면, GE 기술은 완전히 실패할 수 있다. 이러한 어려움들 때문에, GE 방법은 PI가 색 필터(CF)(Color Filter) 유리 또는 현대의 고해상도 LCD 디스플레이들의 박막 트랜지스터(TFT) 유리 상에 피착되는 경우에 적절하지 않을 수 있으며, 그로 인해 GE 기술은 테스트 중인 PI의 측정에 제한된다.
이방성 PI 필름들을 특징화하기 위해 이루어진 다른 노력들은 아래 논의하는 문헌에 기술된다. 마찰된 PI 필름들이 수십 년간 액정 디스플레이 산업에 사용되었기 때문에, 이들 기술은 주로 마찰된 PI 필름들에 초점을 맞춘다. 그러나 이들 방법은 또한, 광 정렬된 PI 필름들을 측정하는데도 적용 가능해야 한다. 이들 방법들은 아래 기술된다.
마찰된 PI 필름들의 배향 및 이방성은 지연 측정, 적외선 2색성 측정, 및 표면 2차 고조파 발생에 의해 연구되었다(N. A. J. M. van Aerle , et. al., "Effect of rubbing on the molecular orientation within polyimide orienting layers of liquid crystal displays," J. Appl. Phys. 74(5), 3111-3120 (1993)을 참조하고, 이것은 참고로 본 명세서에 포함된다). 기판으로부터의 지연은 지연 측정에서 고려되어야만 하고, 적외선 2색성 측정은 극 박막 때문에 감도가 충분하지 않고, 표면 2차 고조파 발생은 복잡한 측정 셋업을 요구한다. 그레이징 입사 X선 산란 방법(grazing-incidence X-ray scattering method)은 더 정교한 방식으로 이방성 PI 필름들을 연구할 수 있다(M. F. Toney , et. al., "Near-surface alignment of polymers in rubbed films," Nature 374(20), 709-711 (1995)을 참조하고, 이것은 참고로 본 명세서에 포함된다). 일반화된 타원 편광법은 또한, 이방성 PI 필름들의 크기와 배향을 연구하는데 사용되었다(I. Hirosawa, "Method of characterizing rubbed polymide film for liquid crystal display devices using reflection ellipsometry," Jpn. J. Appl. Phys. 35, 5873-5875 (1996); 또한, I. Hirosawa, "Relation between molecular orientation and rubbing strength observed by reflection ellipsometry," Jpn. J. Appl. Phys. 36, 5192-5196 (1997)을 참조하고, 이들 양자는 참고로 본 명세서에 포함된다). 가장 최근에, 편광-변환 안내 모드 기술은 10nm 표면 계층에 대한 광학 이방성을 10-5만큼 낮게 정량화하기 위해 개발되었다(F. Yang, et.al., "Polarization-Conversion Guided Mode(PCGM) technique for exploring thin anisotropic surface layers," Optics Express 15(18), 11234-11240 (2007); 또한, F. Yang, et. al., "Optical anisotropy and liquid-crystal alignment properties of rubbed polyimide layers," Liquid Crystals 34(12), 1433-1441 (2007)을 참조하고, 이들 양자는 참고로 본 명세서에 포함된다). 이 방법은 샘플에 접촉하기 위해 프리즘 커플러와 굴절률 매칭 유체(refractive index matching fluid)를 요구한다. 반사 이방성 분광법(reflection anisotropy spectroscopy)(B. F. Macdonald, et. al., "Reflection anisotropy spectroscopy: A probe of rubbed polyimide liquid crystal alignment layers," J. Appl. Phys. 93(8), 4442-4446 (2003), 이것은 참고로 본 명세서에 포함된다), 수직 입사에서 반도체 내의 전자 표면 상태들을 특징화하는데 사용되는 기술은 유리 상의 PI 필름들의 이방성 특성들을 테스트하는데 사용될 수 있다. 상술한 방법들 대부분은 생산 환경에서 사용하도록 구현하기가 너무 어렵거나 불충분한 정확도를 갖는다.
이방성의 크기와 배향을 측정하기 위한 다른 장치는 (본 명세서에 참고로 포함되는, 일본 특허 공개번호 제2008-76324 11-304645 JP)에 설명된다. 이 기술은 수직 입사에서 역반사를 측정하기 위한 회전식 리타더(rotating retarder)들과 반 거울(half mirror)을 사용한다.
유리 상의 PI 필름의 이방성 배향과 상대적인 이방성 크기가, s 평면에 편광된(입사 평면에 평행하게 편광된) 광을 이용하여 사각에서 샘플을 조명하고, p 평면을 따라 배향된(입사 평면에 수직한) 편광기를 통해 반사빔을 수집하고, 샘플이 그 수직에 대해 360도 완전히 회전할 때 신호를 관찰함으로써 측정될 수 있다(대만 특허 제095102013호 참조, 이것은 참고로 본 명세서에 포함된다). 이런 신호-대-회전 데이터에 커브-피트(curve-fit)를 적용하면 이방성 배향과 상대적인 이방성 크기가 측정되는 것이 허용된다. 상대적인 이방성 크기는 실제 이방성 크기가 변할 때 변하는 일부 측정 파라미터를 지칭한다. 상대값은 실제값들로 잘 보정되진 않지만, 이것은 생산 프로세스 동안 변동들을 모니터링하는데 적당하다.
참고로 본 명세서에 포함된 대만 특허 제095102013호에 설명된 기술은 생산 환경에 사용하도록 충분히 빠르고, 이 기술은 LCD 산업에서 현재 사용된다. 이런 기술은 LCD 유리의 활성 영역에서 측정을 할 때 적어도 하나의 단점을 겪는다. 활성 영역은 패터닝된 픽셀들을 갖는 유리의 영역이며, 색 필터(CF) 또는 박막 트랜지스터(TFT) 영역 중 어느 하나이다. CF 또는 TFT 활성 영역을 측정할 때, 이 기술은 현미경 측정 빔이 단일 픽셀에 초점을 맞추고, 측정 빔이 테스트 중인 픽셀 중심에 유지되도록 측정 장치가 이런 포인트 주위에서 정확히 회전될 것을 요구한다. 현대의 셀 전화들과 태블릿 디스플레이들의 픽셀 밀도가 인치당 300 픽셀 이상으로 증가함에 따라, 측정 포인트가 회전 동안 픽셀에 계속 중심을 두게 하는 요건은 시스템 복잡도와 가격을 크게 증가시킨다. 따라서, 이들 및 다른 관련된 문제점들을 해결하기 위한 방법들 및 시스템들에 대한 요구가 있다.
물질의 광학 이방성 특성들을 측정하기 위한 장치에서의 방법이 제공되며, 방법은, (1) 물질의 뮐러 매트릭스(Mueller matrix), (2) 물질의 디어텐뉴에이션 배향(diattenuation orientation), 및 (3) 물질의 지연 크기 중 하나를 측정하는 단계를 포함한다. 방법은 (1) 물질의 뮐러 매트릭스, (2) 물질의 디어텐뉴에이션 배향, 및 (3) 물질의 지연 크기 중 측정된 하나에 기초하여 물질의 이방성 크기에 비례하는 값을 결정하는 단계를 더 포함한다.
물질의 광학 이방성 특성들을 측정하기 위한 장치에서의 방법이 제공되며, 방법은, 제1 각도에서 물질의 뮐러 매트릭스를 측정하는 단계, 및 제1 각도에서의 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 물질의 디어텐뉴에이션 배향을 결정하는 단계를 포함한다. 방법은 물질을 제2 각도로 회전시키는 단계, 제2 각도에서 물질의 뮐러 매트릭스를 측정하는 단계, 및 제2 각도에서의 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 물질의 디어텐뉴에이션 배향을 결정하는 단계를 더 포함한다. 또한, 방법은 결정된 디어텐뉴에이션 배향들과 제1 및 제2 각도들의 데이터세트를 저장하는 단계, 피팅 파라미터들을 결정하기 위해 공식(formula)을 결정된 디어텐뉴에이션 배향들과 제1 및 제2 각도들의 저장된 데이터세트에 커브 피팅(curve fitting)하는 단계, 및 결정된 피팅 파라미터들을 이용하여 이방성 배향과, 물질의 이방성 크기에 비례하는 값을 결정하는 단계를 포함한다.
물질의 광학 이방성 특성들을 측정하기 위한 장치가 제공되며, 장치는, 물질의 뮐러 매트릭스를 측정하도록 구성된 편광계를 포함한다. 장치는 또한, 물질의 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 물질의 이방성 크기에 비례하는 값을 결정하도록 구성된 프로세서를 포함한다.
물질의 광학 이방성 특성들을 측정하기 위한 장치가 제공되며, 장치는, 제1 각도에서 물질의 뮐러 매트릭스를 측정하고 제2 각도에서 물질의 뮐러 매트릭스를 측정하도록 구성된 편광계를 포함한다. 장치는 물질을 제2 각도로 회전시키도록 구성된 회전 픽스처(rotating fixture)를 더 포함한다. 장치는 또한, 제1 각도에서의 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 물질의 디어텐뉴에이션 배향을 결정하고 제2 각도에서의 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 물질의 디어텐뉴에이션 배향을 결정하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 프로세서는 또한, 결정된 디어텐뉴에이션 배향들과 제1 및 제2 각도들의 데이터세트를 저장하고, 피팅 파라미터들을 결정하기 위해 공식을 결정된 디어텐뉴에이션 배향들과 제1 및 제2 각도들의 저장된 데이터세트에 커브 피팅하고, 결정된 피팅 파라미터들을 이용하여 이방성 배향과, 물질의 이방성 크기에 비례하는 값을 결정하도록 구성된다.
물질의 광학 이방성 특성들을 측정하기 위한 장치에서의 방법이 제공되며, 방법은, 물질의 뮐러 매트릭스를 측정하는 단계, 및 물질의 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 물질의 이방성 크기에 비례하는 값을 결정하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명과 일치하는 방법들 및 시스템들에 따른, 반사 구성에서 예시적 광학 이방성 측정 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명과 일치하는 방법들 및 시스템에 따른, 투과 구성에서 예시적 광학 이방성 측정 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명과 일치하는 방법들 및 시스템에 따른, 이방성 측정 장치를 이용하여 획득된 측정된 광학 이방성 신호의 예를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른, 이방성 크기와 이방성 배향과 같은 물질의 이방성 특성들을 결정하는 예시적 방법의 흐름도를 도시한다.
본 발명에 따르는 방법들 및 시스템들은 유리 또는 다른 기판들 상의 필름의 광학 이방성 특성들을 측정한다. 이런 기술은 생산 환경에 적합하고, 매우 높은 픽셀 밀도 디스플레이들에 대해서도, LCD 패널 상의 TFT 또는 CF 활성 영역에 의해 크게 영향을 받지 않는다. 종래의 시스템들이 활성 영역에 대해 측정할 수 있는 경우에, 본 발명에 따른 방법 및 시스템들은 이들이 유리로 향하는 빔의 초정밀 정렬을 요구하지 않기 때문에 비용이 크게 줄어들 수 있고, 그에 따라 시스템 비용을 낮출 수 있다. 광학 이방성의 크기와 배향을 측정하기 위한 방법이 제공된다. 이들 방법 및 시스템은 반사 또는 투과 구성에서 이방성 물질들을 측정하기 위한 광학 이방성 측정 장치를 포함한다. 방법들 및 시스템들은 이방성 크기와 배향을 계산하기 위해 하나 이상의 회전 각도에서 샘플의 뮐러 매트릭스, 디어텐뉴에이션 배향 또는 지연을 측정할 수 있다. 본 발명에 따른 방법들 및 시스템은 이하 설명되는 바와 같은 예시적 광학 이방성 측정 장치를 이용하여 광학 이방성 측정을 이방성 샘플에 제공한다.
본 발명에 따른 예시적 장치는 예를 들어, 반사 또는 투과에서 수직이 아닌 입사각에서 디어텐뉴에이션 배향 또는 지연(특히, 지연 크기)을 측정할 수 있다. 이런 디어텐뉴에이션 배향은 특정한 회전 각도와, 이후 다시 다양한 다른 회전 각도에서 측정될 수 있다. 최종 데이터는 샘플의 이방성 특성들을 결정하는데 사용될 수 있다.
상술한 디어텐뉴에이션 배향 또는 지연은 예를 들어, 뮐러 매트릭스 편광계를 사용하여 특정한 각도에서 샘플의 풀 뮐러 매트릭스(full Mueller matrix)를 측정하고 그 후 측정된 뮐러 매트릭스로부터 디어텐뉴에이션 배향 또는 지연을 계산함으로써 측정될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이 프로세스는 다양한 각도, 및 각각의 각도에서 수집된 데이터(예를 들어, 그것이 측정되었던 디어텐뉴에이션 배향 및 대응하는 각도)에서 반복된다.
최종 데이터는 이하 설명되는 실험식에 피팅된다. 그 데이터가 적용되고 실험식에 피팅될 때, 최종 알려진 파라미터들 중 2개는 샘플의 이방성 크기와 배향을 기술한다.
예시적 장치는 투과 및 반사 양쪽에서, 센서들의 다수의 세트 또는 유리의 어느 한 측면으로 이동될 수 있는 센서에 의해 측정할 수 있다.
공식을 통해 피팅할 때, 샘플의 이방성 파라미터들의 결정을 제공하는 여러 편광 파라미터들이 식별된다. 이들은, 예를 들어 디어텐뉴에이션 배향 또는 지연 크기를 포함한다. 이들 편광 파라미터가 샘플에 대한 다양한 각도에서 측정될 때, 이방성 크기와 배향은 공식을 통해 도출될 수 있다.
도 1은 반사 구성에서 광학 이방성 측정 장치의 예를 도시한다. 하나의 예시적 구현에서, 도 1 및 2에 설명되는 장치의 광학 구성은 뮐러 매트릭스 편광계의 광학 구성이며, 그 설계는 참고문헌(M. H. Smith, "Optimization of a dual-rotating-retarder Mueller matrix polarimeter," Applied Optics 41(13), 2488-2493 (2002), 이것은 참고로 본 명세서에 포함된다)에 완전히 기술된다. 뮐러 매트릭스는 샘플의 특성들을 변경하는 편광을 완전히 기술하는 16-엘리먼트 매트릭스이다. 광학 이방성 측정 장치는 광원(102), 콜리메이팅 렌즈(104), 편광기(106), 회전식 리타더(108), 회전 스테이지(112), 선택적 집광 렌즈(114), 회전식 리타더(116), 분석기 편광기(118), 및 포커싱 렌즈(120)를 갖는 광 검출기(122)를 포함할 수 있다. 회전식 리타더는 (M. H. Smith, "Optimization of a dual-rotating-retarder Mueller matrix polarimeter," Applied Optics 41(13), 2488-2493 (2002))에 더 자세히 기술된다. 광 검출기(122)는 포토다이오드, 애벌런치 포토다이오드, 광전자 증배관(photomultiplier tube)일 수 있다. 광학 이방성을 가진 샘플(110)은 회전 스테이지(112) 상에 배치된다. 측정이 수행될 때, 회전 스테이지(112)는 회전축으로서 샘플(110)의 수직에서 회전한다. 하나의 구현에서, 광학 장치는 고속에서 모든 편광 파라미터들, 즉 풀 뮐러 매트릭스를 측정할 수 있다.
도 2는 투과 구성에서 동일한 광학 이방성 측정 장치의 예를 도시한다. 도 2는 도 1과 동일 또는 유사한 컴포넌트들을 도시하지만, 상이한 구성이다. 도 1 및 2에서, 시스템은 샘플이 회전하고 센서들이 고정된 것으로 도시된다. 많은 경우에, 특히 샘플이 커질 때, 샘플은 샘플에 수직한 축에 대해 센서를 회전시키는 동안 고정되게 유지될 수 있다. 도 2의 투과 시스템은, 투과시 측정할 때 광학적 정렬과 샘플 평탄성이 중요하지 않다는 점에서 도 1의 반사 시스템에 비해 장점을 제공한다. 그래서 이방성 파라미터 측정들은 샘플이 구부러지거나 경사진 경우에도 크게 영향을 받지 않는다. 도 1의 반사 시스템은, 디어텐뉴에이션 배향-대-회전 각도로부터 이방성 파라미터를 측정하는 것뿐만 아니라, 반사 시스템이 또한 일반화된 타원 편광법 측정을 수행할 수 있다는 장점을 제공한다.
회전 각도의 함수로서 측정된 디어텐뉴에이션 배향은 샘플의 이방성 특성들의 우수한 결정을 제공한다. 이런 측정은 부르스터의 각도(Brewster's angle) 근처의 입사각들에서 더 정확하게 된다. 이런 파라미터는 전형적으로 CF 또는 TFT 활성 영역의 존재에 의해서 크게 영향을 받지 않고, 이런 측정을 고 픽셀 밀도 LCD 패널들을 테스트하는데 적합하게 한다. 이런 파라미터는 전형적으로 기판과 이방성 계층 사이의 다른 박막 또는 후막의 존재에 의해 크게 영향을 받지 않는다. 광 파장과 입사각은 이들의 효과인 측정 감도를 감소시키기 위해 실험적으로 최적화될 수 있다.
디어텐뉴에이션은 샘플의 투과율(또는 반사율)이 상이한 입사 편광 상태들을 위해 변경하는 편광 특성이다. 일부 편광 상태는 최대 투과율 Tmax를 가질 것이고, 직교 상태는 반드시 최소 투과율 Tmin을 가질 것이다. 디어텐뉴에이션 크기는 D = (Tmax - Tmax)/(Tmax + Tmax)으로 정의된다. 디어텐뉴에이션 배향은 Tmax에 대응하는 편광 상태의 각도이다. 이들 파라미터는 뮐러 매트릭스로부터 결정될 수 있다.
도 3은 샘플의 회전 각도의 함수로서 특징적인 디어텐뉴에이션 배향 신호를 표시한다. 도 3에 도시된 신호는 측정된 샘플의 광학 이방성의 크기와 배향을 추출하는데 사용될 수 있다. 도 3의 데이터 포인트(302)는 편광 파라미터 측정, 이 경우에서는 디어텐뉴에이션 배향을 나타낸다. 이 측정은 0°와 360° 사이에서 20° 증분들로 샘플 회전 각도들에서 반복된다. 도 3의 연속적인 커브는 이하 공식 1에 의해 기술되는 것처럼 베스트-피트 커브(best-fit curve)(304)를 나타낸다. 지연 크기, 디어텐뉴에이션 크기 등과 같은 다른 편광 파라미터들도 측정된 샘플의 광학 이방성의 크기와 배향을 추출하는데 사용될 수 있다. 방법은, 이하 더 상세히 설명되는 바와 같이, 광학 이방성의 크기와 배향을 추출하고, 디어텐뉴에이션 배향, 지연 크기 등과 같은 회전 편광 신호를 다음 함수(공식 1)와 같은 경험 함수에 피팅한다:
Figure pct00003
이 함수에서, P는 디어텐뉴에이션 배향과 같은 측정된 편광 파라미터이고(샘플의 뮐러 매트릭스 측정으로부터 알려지고), θ는 샘플의 회전 각도이고, 이것 또한 알려졌다.
B는 샘플의 이방성 크기에 비례하고,
Figure pct00004
는 이방성 배향이고 공식을 데이터에 피팅하기 전에 원래 알 수 없다. 많은 수의 상이한 각도들(알려진 θ들)에 대한 디어텐뉴에이션 배향 P가 측정되고 알 수 있기 때문에, 해당 데이터와 이런 함수는 이방성 크기에 비례하는 B와, 이방성 배향인
Figure pct00005
를 결정하는데 사용될 수 있다. 비선형 커브 피팅 알고리즘은 B와
Figure pct00006
를 결정하기 위해 P들과 대응하는 θ들에 대한 데이터에 적용될 수 있다. 푸리에 분석 기술은 또한 B 및
Figure pct00007
의 동일한 결정을 행하기 위해 사용될 수 있다.
게다가, 고려되고 있는 편광 파라미터에 따라서, 경험 함수의 다른 파라미터들은 임의의 물리적 의미를 가지거나 가지지 않을수 있다. 일부 파라미터들에서, A는 필름 두께에 비례한다. 마찰된 PI 샘플들에서, C는 PI의 프리틸트 각도에 비례한다. 파라미터
Figure pct00008
은 일반적으로 샘플의 물리적 특성과 관련되진 않지만, 그 대신에 샘플 스테이지의 회전 축과 샘플의 표면 법선(즉, 수직 축) 사이의 작은 오정렬들과 관련된다. P들 및 θ들의 다양한 쌍(디어텐뉴에이션 배향들과 대응하는 회전 각도들)을 알 때, 이들 파라미터는 비선형 커브 피팅 및 제공된 공식 1을 이용하여 풀릴 수 있다. 다른 공식들도 가능하다.
편광계는 뮐러 매트릭스, 디어텐뉴에이션 배향 및 지연과 같은 측정들을 한다. 일 실시예에서, 편광계에 연결된 개별 픽스처는 편광계를 샘플에 대해 회전시키거나 샘플을 편광계에 대해 회전시킨다. 편광계와 회전 픽스처 양자는 감시 컴퓨터에 의해 제어될 수 있다. 디어텐뉴에이션 배향, 뮐러 매트릭스들, 지연 및 회전 각도들과 같은 다양한 측정된 파라미터들은 컴퓨터에 저장될 수 있고, 커브 피팅을 포함하는 연산들은 컴퓨터에 의해 실행될 수 있다. 컴퓨터는 편광계, 픽스처 및 연산들의 제어, 및 임의의 다른 적절한 컴포넌트 또는 기능을 구현하기 위한 프로세서과 같은 소프트웨어 및/또는 하드웨어를 포함할 수 있다. 프로세서는 또한 컴퓨터 상의 메모리에 데이터를 저장할 수 있다.
도 1 및 2에서는, 샘플의 풀 뮐러 매트릭스를 측정할 수 있는 시스템이 도시된다. 그러나 디어텐뉴에이션 배향을 측정할 목적으로, 풀 뮐러 매트릭스를 측정하는 것은 필요하지 않다. 디어텐뉴에이션 배향만을 측정할 수 있는 덜 복잡한 측정 시스템들은 또한 이방성 파라미터들을 결정하기 위해 상술한 실험식 1에 필요한 데이터를 제공할 것이다. 그런 시스템의 가장 단순한 설계는 샘플을 조명하는데 사용되는 회전 편광기, 및 반사된 또는 투과된 빔을 수집하기 위한 편광-비감광 검출기(polarization-insensitive detector)(예를 들어, 적분구(integrating sphere)와 포토다이오드)를 동반하는 광원일 것이다.
도 4는 본 발명에 따르는, 이방성 크기와 이방성 배향과 같은, 물질의 이방성 특성을 결정하기 위한 예시적 방법의 흐름도를 도시한다. 먼저, 이방성 샘플(110)은 측정 시스템의 회전 스테이지(112) 위에 배치된다(단계 402). 다음에, 뮐러 매트릭스 편광계는 반사 또는 투과 중 어느 하나에서 샘플의 디어텐뉴에이션 배향을 측정한다(단계 404). 디어텐뉴에이션 배향을 측정하기 위한 하나의 수단은 (M.H Smith, "Optimization of a dual-rotating-retarder Mueller matrix polarimeter,", Applied Optics 41(13), 2488-2493 (2002))에 설명된 기술을 이용하여 뭘러 매트릭스를 측정하는 것이고(단계 406), 이후 (S. Y. Lu , et.al,. "Interpretation of Mueller matrics based on polar decomposition, "J. Opt, Soc. Am. A 13(5), 1106-1113 (1996), 이것은 참고로 본 명세서에 포함됨)에 설명된 기술을 이용하여 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 디어텐뉴에이션 배향을 계산하는 것이다(단계 408).
다음에, 샘플은 상이한 각도로 회전되고(단계 410), 샘플(110)의 다른 디어텐뉴에이션 배향 측정이 수행된다. 이들 회전과 측정 단계는 디어텐뉴에이션 배향-대-회전 각도의 데이터세트를 생성하도록 반복된다(단계들 404-412). 예를 들어, 샘플(110)은 20도 증분들로 360도 완전한 회전을 통해 회전되고, 각각의 증분에서 디어텐뉴에이션 배향을 측정한다. 증분 각도는 요구되는 측정 속도와 측정 정확도에 의존한다. 일반적으로 작은 증분의 사용은 측정 정확도를 향상할 것이지만, 이것은 또한 측정에 요구되는 시간량을 늘릴 것이다. 디어텐뉴에이션 배향과 회전 각도의 원하는 데이터세트가 완성된다면(단계 412), 뮐러 매트릭스를 회전하고 측정하며 디어텐뉴에이션 배향을 계산하는 프로세스는 중단될 것이다.
다음 단계는 데이터세트에, 전술한 공식 1과 같은, 실험식을 피팅하는 것이다(단계 414). 이 경우에, θ는 측정된 증분들 각각에서의 회전 각도이고, P는 측정된 디어텐뉴에이션 배향이고, 파라미터들 A, B,
Figure pct00009
, C 및
Figure pct00010
는 피팅 파라미터들이다. P들 및 θ들의 다양한 알려진 데이터가 주어지면, 임의의 적절한 비선형 커브 피팅 기술은 공식 1이 단계들 404-412에서 측정된 디어텐뉴에이션 배향-대-회전 각도 데이터세트에 가장 잘 매칭하게 하는 피팅 파라미터들 A, B,
Figure pct00011
, C 및
Figure pct00012
의 값들을 찾는데 사용될 수 있다. 이들 커브 피팅 기술은 본 기술 분야의 통상의 기술자들에게 잘 알려져 있다.
최종적으로, 단계 414에서 결정된 피팅 파라미터들 B와
Figure pct00013
는 샘플의 이방성 배향 및 상대적인 이방성 크기를 결정하는데 사용된다(단계 416). 공식 1의 예에서, B는 이방성 크기에 비례하고,
Figure pct00014
는 이방성 배향이다. 샘플의 이방성 크기가 증가할 때 B는 증가하고, 샘플의 이방성 크기가 감소할 때 B는 감소한다. 샘플의 이방성 크기가 0이면, B는 0이다. LCD 패널 제조업자는 특정한 LCD 설계를 위한, 샘플의 B와 진정한 이방성 간의 관계를 실험적으로 결정할 것이고, 이후 제조되는 패널들의 이방성이 매우 높은지 매우 낮은지, 또는 그들의 허용 가능한 설계 범위 내에 있는지의 지시자로서 B의 측정값을 이용한다. 제조업자는 이 피드백에 기초하여 그들의 제조 프로세스를 조절할 것이다.
하나의 예시적 장치는 공칭 이방성 배향으로부터 45° 떨어진 회전 각도에서만 측정한다. 이 시스템은 이방성 배향이 아니라 상대적인 이방성 크기를 측정할 수 있을 것이다.
다양한 실시예들에 대한 앞선 설명은 실례 및 설명을 제공하나, 본 발명을 개시된 정확한 형태로 한정하거나 총망라한 것으로 의도되지 않는다. 수정들 및 변경들이 위의 가르침에 비추어 가능하거나, 본 발명에 따르는 실시로부터 획득될 수 있다. 본 발명은 첨부된 청구항들의 정신 및 범주 내에 포함되는 다양한 변형 및 등가인 배열을 커버하는 것으로 의도되는 것을 이해해야 한다.

Claims (17)

  1. 물질의 광학 이방성 특성들을 측정하기 위한 장치에서의 방법으로서,
    (1) 상기 물질의 뮐러 매트릭스(Mueller matrix), (2) 상기 물질의 디어텐뉴에이션 배향(diattenuation orientation), 및 (3) 상기 물질의 지연 크기(retardance magnitude) 중 하나를 측정하는 단계; 및
    (1) 상기 물질의 상기 뮐러 매트릭스, (2) 상기 물질의 상기 디어텐뉴에이션 배향, 및 (3) 상기 물질의 상기 지연 크기 중 상기 측정된 하나에 기초하여 상기 물질의 이방성 크기에 비례하는 값을 결정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (1) 상기 물질의 상기 뮐러 매트릭스, (2) 상기 물질의 상기 디어텐뉴에이션 배향, 및 (3) 상기 물질의 상기 지연 크기 중 상기 측정된 하나에 기초하여 상기 물질의 이방성 배향을 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 물질의 광학 이방성 특성들을 측정하기 위한 장치에서의 방법으로서,
    제1 각도에서 상기 물질의 뮐러 매트릭스를 측정하는 단계;
    상기 제1 각도에서의 상기 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 상기 물질의 디어텐뉴에이션 배향을 결정하는 단계;
    상기 물질을 제2 각도로 회전시키는 단계;
    상기 제2 각도에서 상기 물질의 뮐러 매트릭스를 측정하는 단계;
    상기 제2 각도에서의 상기 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 상기 물질의 상기 디어텐뉴에이션 배향을 결정하는 단계;
    상기 결정된 디어텐뉴에이션 배향들과 상기 제1 및 제2 각도들의 데이터세트를 저장하는 단계;
    피팅 파라미터들을 결정하기 위해 공식(formula)을 상기 결정된 디어텐뉴에이션 배향들과 상기 제1 및 제2 각도들의 상기 저장된 데이터세트에 커브 피팅(curve fitting)하는 단계; 및
    상기 결정된 피팅 파라미터들을 이용하여 이방성 배향과, 상기 물질의 이방성 크기에 비례하는 값을 결정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    (1) 상기 물질을 상이한 각도로 회전시키고,
    (2) 상기 물질의 뮐러 매트릭스를 상기 상이한 각도에서 측정하고,
    (3) 상기 상이한 각도에서의 상기 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 상기 물질의 상기 디어텐뉴에이션 배향을 결정하는
    것을 반복해서 수행하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 공식은
    Figure pct00015
    이고,
    상기 P는 상기 디어텐뉴에이션 배향이고,
    상기 θ는 상기 물질의 회전 각도이고,
    상기 B는 상기 물질의 상기 이방성 크기에 비례하고,
    상기
    Figure pct00016
    는 상기 물질의 상기 이방성 배향인, 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    C는 (1) 상기 물질의 프리틸트 및 (2) 측정시의 틸트 에러 중 하나에 비례하고,
    Figure pct00017
    는 측정시의 틸트 에러의 방향에 비례하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    피팅 파라미터들을 결정하기 위해 상기 공식을 상기 결정된 디어텐뉴에이션 배향들과 상기 제1, 제2 및 상이한 각도들의 상기 저장된 데이터세트에 커브 피팅하는 단계; 및
    상기 결정된 피팅 파라미터들을 이용하여 이방성 배향과, 상기 물질의 상기 이방성 크기에 비례하는 값을 결정하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 물질을 20도 증분들로 360도 완전히 회전시키는 단계;
    상기 20도 증분들의 각각의 증분된 각도에서 상기 물질의 뭘러 매트릭스를 측정하는 단계; 및
    상기 20도 증분들의 각각의 각도에서의 상기 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 상기 물질의 상기 디어텐뉴에이션 배향을 결정하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  9. 물질의 광학 이방성 특성들을 측정하기 위한 장치로서,
    상기 물질의 뮐러 매트릭스를 측정하도록 구성된 편광계; 및
    상기 물질의 상기 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 상기 물질의 이방성 크기에 비례하는 값을 결정하도록 구성된 프로세서
    를 포함하는 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 물질의 상기 측정된 뭘러 매트릭스에 기초하여 상기 물질에 대한 이방성 배향을 결정하는 것을 더 포함하는, 장치.
  11. 물질의 광학 이방성 특성들을 측정하기 위한 장치로서,
    제1 각도에서 상기 물질의 뮐러 매트릭스를 측정하고,
    제2 각도에서 상기 물질의 뮐러 매트릭스를 측정하도록 구성된 편광계;
    상기 물질을 제2 각도로 회전시키도록 구성된 회전 픽스처(rotating fixture); 및
    상기 제1 각도에서의 상기 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 상기 물질의 상기 디어텐뉴에이션 배향을 결정하고,
    상기 제2 각도에서의 상기 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 상기 물질의 상기 디어텐뉴에이션 배향을 결정하고,
    상기 결정된 디어텐뉴에이션 배향들과 상기 제1 및 제2 각도들의 데이터세트를 저장하고,
    피팅 파라미터들을 결정하기 위해 공식을 상기 결정된 디어텐뉴에이션 배향들과 상기 제1 및 제2 각도들의 상기 저장된 데이터세트에 커브 피팅하고,
    상기 결정된 피팅 파라미터들을 이용하여 이방성 배향과, 상기 물질의 이방성 크기에 비례하는 값을 결정하도록 구성된 프로세서
    를 포함하는 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 장치는
    (1) 상기 회전 픽스처에 의해, 상기 물질을 상이한 각도로 회전시키고,
    (2) 상기 편광계에 의해, 상기 물질의 뮐러 매트릭스를 상기 상이한 각도에서 측정하고,
    (3) 상기 프로세서에 의해, 상기 상이한 각도에서의 상기 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 상기 물질의 상기 디어텐뉴에이션 배향을 결정하는
    것을 반복해서 수행하는, 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 공식은
    Figure pct00018
    이고,
    상기 P는 상기 디어텐뉴에이션 배향이고,
    상기 θ는 상기 물질의 회전 각도이고,
    상기 B는 상기 물질의 상기 이방성 크기에 비례하고,
    상기
    Figure pct00019
    는 상기 물질의 상기 이방성 배향인, 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 C는 (1) 상기 물질의 프리틸트 및 (2) 측정시의 틸트 에러 중 하나에 비례하고,
    상기
    Figure pct00020
    는 측정시의 틸트 에러의 방향에 비례하는, 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 프로세서는 또한,
    피팅 파라미터들을 결정하기 위해 상기 공식을 상기 결정된 디어텐뉴에이션 배향들과 상기 제1, 제2 및 상이한 각도들의 상기 저장된 데이터세트에 커브 피팅하고,
    상기 결정된 피팅 파라미터들을 이용하여 이방성 배향과, 상기 물질의 상기 이방성 크기에 비례하는 값을 결정하도록 구성되는, 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 물질을 20도 증분들로 360도 완전히 회전시키고;
    상기 20도 증분들의 각각의 증분된 각도에서 상기 물질의 뭘러 매트릭스를 측정하고;
    상기 20도 증분들의 각각의 각도에서 상기 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 상기 물질의 상기 디어텐뉴에이션 배향을 결정하는 것을 더 포함하는, 장치.
  17. 물질의 광학 이방성 특성들을 측정하기 위한 장치에서의 방법으로서,
    상기 물질의 뮐러 매트릭스를 측정하는 단계; 및
    상기 물질의 상기 측정된 뮐러 매트릭스에 기초하여 상기 물질의 이방성 크기에 비례하는 값을 결정하는 단계
    를 포함하는 방법.
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