(57)【要約】本発明は、層（１）に対して異なる入射角（５）で偏光を通過させて、層（１）を通過した際の偏光状態の変化を測定、評価する、透明又は部分的に透明な層の屈折率と場合によっては層厚を三次元により測定するための方法及び装置に関する。この方法は、層（１）を間に挟み込んだ液浸媒体（３）を通過させる形で測定を行うことを特徴とする。この方法により、三つの空間方向すべてにおいて、異方性の薄い層の屈折率を高精度に測定することが可能となる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
層（１）に対して、異なる入射角（５）で偏光を通過させて、前記層（１）を通過した際の偏光状態の変化を測定、評価する、透明又は部分的に透明な層の屈折率の三次元による測定方法において、
空気より大きな屈折率を有するとともに、前記層（１）を間に挟み込んだ液浸媒体（３）を通過させて、前記測定を行うことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記層（１）を、透明な基板（２）の上に設けて、この基板（２）上で測定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
少なくとも前記基板（２）の屈折率とほぼ等しい屈折率を持つ液浸媒体（３）を使用することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記層（１）を、液体の液浸媒体（３）を入れた空間（６）内で測定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記液浸媒体（３）を、二つの固体の半分体で構成し、これらの半分体の間に前記層（１）を挟み込むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記液浸媒体（３）として、二つの半球又は半円筒を使用することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記二つの半球又は半円筒を、毛管引力により前記層（１）と前記基板（２）上に保持することを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記層（１）に、異なる波長の光を同時に又は順番に通過させて、複素屈折率を測定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
平面ディスプレイ、光データメモリ、光導波路用の層を測定することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
偏光が試料を通過した際の偏光状態の変化を測定するための透過測定設備と、前記試料用の回転設備とを有する、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置において、
前記装置は、空気よりも大きな屈折率を持つ液浸媒体を有し、該液浸媒体（３）用の支持体が配備されており、前記支持体は、前記試料を、前記液浸媒体の間に挟み込むことが可能であるとともに、前記液浸媒体（３）内で又は前記液浸媒体（３）と共に、偏光の光線軸に対して回転させることが可能であるように構成されていることを特徴とする装置。
【請求項１１】
前記支持体が、液体の前記液浸媒体（３）用の空間（６）であり、該空間は、前記偏光に対する入射面と出射面を備えていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記空間（６）が、円筒形に構成されるとともに、前記回転設備と連結されており、前記空間が、前記回転設備を用いて回転可能であることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記支持体が、前記液浸媒体（３）を構成する二つの固体の半分体を収容、固定するように構成されるとともに、前記回転設備と連結されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透明又は部分的に透明な層の屈折率を三次元で測定するための方法及び装置に関し、その際この層に異なる入射角で偏光を通過させて、この層を通過した際の偏光状態の変化を測定、評価するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の方法は、透過楕円偏光法又は透過偏光測定という用語でも知られている。この方法では、層に偏光を通過させて、層により生じる偏光の回転を検出している。使用する測定構成は、通常一つの光源と、検体である測定用物体の前と後におけるそれぞれ少なくとも一つの偏光子と、異なる位置における偏光子に入射する光の強度を測定する光検出器とを有する。
【０００３】
光学的異方性の層の三次元での屈折率の測定は、所定の光学特性を持つ異方性の層を必要とする光学技術分野において、益々大きな役割を果たしてきている。このように、薄い層又はフィルムの異方性の光学特性は、例えば、ディスプレイ技術に対して、より重要となっている。非常に薄い層は、ナノテクノロジーにおいて、非常に興味深いものである。より厚いフィルムは、光情報処理に関する導波路としても使用されている。新しい利用分野は、光学的安全部品及び可逆的光データメモリの分野に関するものである。この種の方法の用途に関する具体的な例としては、薄い層の三次元的な異方性の測定があり、それらの層は、光学部品として、例えば、リターダー又は偏光子として直接平面ディスプレイに使用されている、或いはディスプレイの視角依存性を測定又は調整可能とするために、これらの部品を製造するための光配向層として使用されている。
【０００４】
最近、偏光を用いて薄いポリマー層の異方性を規定通りに調整するとともに、液晶相で焼結することによって、この異方性を強化するための方法が開発された（例えば、非特許文献１参照）。この製造方法の結果を制御可能とするためには、層内の屈折率の三次元測定が必要である。この場合、焼結によって生じる自己組織化過程によって、その後の結果を予測可能とするためには、照射後における三つの空間方向すべてでの屈折率の高精度な測定が非常に重要である。
【非特許文献１】J. Stumpe 氏他, SPIE Vol.3800, 1999, 150〜163 頁
【非特許文献２】T. Srikhirin氏他, ChemPhysChem, 2002, 3, 335〜342 頁
【非特許文献３】C. C. Jung氏他, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 2002, Vol.375, 713 〜721 頁
【非特許文献４】C. M. Ramsdae 氏他, Adv. Mat., 2002, 14(3), 213 〜215 頁
【非特許文献５】E. G. Bortchagovsky 氏, Thin Solid Films 307 (1997), 192〜199 頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
三つの空間方向すべてにおいて層の屈折率を測定するために、従来から様々な方法が知られている。そこでは、吸収性の検体に対して、例えば、非特許文献２に記載されている通り、紫外分光法を用いて、入射角を変化させる形で層の三次元的な異方性を測定することができる。この場合、薄い層をガラス基板上に設けて、このガラス基板を好適な屈折率を持つ材料から成る二つの半球の間に挟んで測定している。この液浸技術によって、境界面での角度に依存する反射損を低減しており、その防止は、まさに吸収分光法では非常に重要である。しかし、三次元的な異方性を測定するための紫外分光法は、十分な吸収性を持つ層の場合にのみ適したものである。
【０００６】
従って、透明な層に対しては、特に層厚が１μｍ以下の範囲の場合には、層内の複屈折によって、異方性を検出する楕円偏光法が用いられている。そこで、例えば、非特許文献３は、層厚１μｍの層を測定するために、偏光を用いた、所謂プリズムカプラー法を採用している。この場合、層の屈折率により決まる入射角でのプリズムを介した光の入力結合によって、層内に導波路モードを励起している。ここで、屈折率の大きなプリズムを用いる場合、入射面に対して平行な偏光を用いて層内に屈折させることによって、層の法線方向における屈折率も検出可能である。残念ながら、導波路モードは、層の光学的厚さ（ｎｘｄ）が、使用する光の波長より大きい場合にのみ存在し得るものである。絶対屈折率と層厚とを互いに独立して測定可能とするためには、少なくとも二倍の厚さの層が必要である。
【０００７】
非特許文献４により、層の屈折率を三次元で測定するための別の方法が周知である。この方法では、測定方法の精度を改善するために、屈折楕円偏光法と透過楕円偏光法を組み合わせたものを、入射角を変えて使用している。それでも、この方法は、実際の多くの利用において、薄い透明な層の測定では未だ十分に正確な結果を出していない。
【０００８】
それは、非特許文献５でもより詳しく述べられている通り、楕円偏光法を用いた薄い異方性の層を測定する際に発生する曖昧性のせいでもある。この文献は、反射楕円偏光法に対する理論的な計算と取り組んでおり、この問題点を防止するために、厚い透明な層で覆うことによって、使用する基板の反射特性を目的通りに変化させることを提案している。  この発明の課題は、三つの空間方向すべてにおいて、屈折率の高精度な測定を可能とする、薄い透明又は部分的に透明な層の屈折率を三次元で測定するための方法及び装置を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、請求項１にもとづく方法及び請求項１０にもとづく装置によって解決される。この方法及びこの装置の有利な実施形態は、従属請求項の対象であるか、或いは以下の記述と実施例から導き出すことができるものである。
【００１０】
この発明による透明又は部分的に透明な層の屈折率と場合によっては層厚を三次元で測定するための（反射楕円偏光法と組み合わせた）方法では、周知の仕方で、層に対して異なる入射角で偏光を通過させて、層を通過した際の偏光状態の変化を測定、評価する。この発明による方法は、（場合によっては透明な支持基板上に設けた）層を挟んだ液浸媒体を通過させる形で測定を行うことを特徴とする。この場合、測定する層とは、複数の層から成る層体系、箔、フィルムであると解釈する。この発明では、液浸媒体とは、空気／層又は空気／基板間の移行部と比べて屈折率の急激な変化を低減させることとなる、即ち、空気よりも（有利には少なくとも０．１だけ）大きな屈折率を有する媒体であると解釈する。有利には、少なくとも基板の屈折率と測定する層の期待値としての平均屈折率の両方又は一方とほぼ同等の（有利には、その差が０．１以下の）屈折率を持つ液体又は固体の液浸媒体を選定する。
【００１１】
この発明による方法を薄い透明な層の測定時に用いることによって、驚くべきことに、入射角を変えて行う従来の透過楕円偏光法と比べて、三つの空間方向における屈折率の測定の際の精度を二桁向上することができる。このことは、高い精度での三つの空間方向における光学的な異方性と、場合によっては起こり得る屈折率楕円の傾きの測定を可能とするものである。この方法により、測定した層の絶対屈折率をも測定することができる。更に、反射楕円偏光法と比べて、特徴を捕らえようとしている層の上に形成された、別の光学特性によって測定を妨害する可能性の有る極薄の表面層に関して感度が無いという利点が有る。
【００１２】
この方法は、特に層厚が１μｍ以下の薄い透明又は部分的に透明な層の測定に適している。５０ｎｍ以下の非常に薄い層に関しては、フィルムが透過性を持つ波長における三次元的な異方性の正確な光学測定が、この発明による方法によって初めて可能である。より厚いフィルム又は層では、この発明による方法を用いて、傾斜度を、そしてチルト傾斜度をも、従来用いられている方法よりも正確に測定することができる。
【００１３】
楕円偏光測定の評価は、既に周知の入射角を変えて行う透過楕円偏光法と同じ方法で行う。それに関しては、例えば、この明細書の初めに説明した非特許文献を参照されたい。この方法を反射楕円偏光法と組み合わせると、層厚の測定を改善することができる。そのためには、測定するパラメータを、双軸モデルを用いて反復して、詳しく言うと、（透過測定から得た平均屈折率を固定して）反射測定からそれぞれ層厚を取得し、（反射測定から得た層厚を固定して）透過測定からそれぞれ屈折率を取得するという方法で両方の測定に対して適合させるものである。測定した層の（評価を必要とする）層厚を求めるために、従来の層厚測定法、例えば、格子力顕微鏡法を用いることもできる。
【００１４】
この方法は、複数の異なる波長を用いて処理することによって、層の複素屈折率を測定するために使用することもできる。このことは、波長を変えた単色光を入射することによって行うことができる。更に、より広い帯域幅の光を入射することが可能であり、その中から、可変波長選択性部品、例えば、モノクロメーターを用いて、層に当たる前に、その時点の測定用波長を抽出するとともに、その時間を変化させるものである。より広い帯域幅を持つ光源を使用した場合、波長を空間的に拡散させる分散性部品、例えば、プリズムを層の前の光路内に置いて、このようにして空間的に拡散させた成分を、層を通過した後で同時にかつ互いに独立して相応に配置した検出器アレーにより測定することによって、複数の波長に関する測定を同時に行うこともできる。
【００１５】
この発明による方法の有利な実施構成では、液浸媒体として、液体を使用する。この液体を空間内に満たして、その中で、透明な基板上に有る層を測定する。この空間内において、例えば、手動による機械的なラッチ機構又はトルクモーターを用いて、取り付けた層（以下、試料と称する）と共に基板を回転させることによって、この空間を通過させる偏光の測定用の層に対する入射角を変えることができる。この偏光は、以下において、測定光とも称する。
【００１６】
この発明による方法の別の実施形態では、液浸媒体として、二つの透明な固体の半分体を使用する。これらの固体の半分体の両方は、その基板又は層の方を向いた平坦な面を、液浸用液体を介して層及び基板と接触させられており、試料と一緒に測定光内を回転させられる。この場合、回転は、前述した実施構成と同じ方法で行うことができる。有利には、固定の半分体として、例えばガラスから成る、二つの半球又は二つの半円柱を使用する。半円柱を使用する場合、各角度位置において、この液浸媒体の表面上に測定光が垂直に入射するのを保証するために、回転方向を一つの次元に制限する。この場合、固体の半分体の両方は、歪複屈折を防止するために、出来る限り歪の無い状態に保持される。特に有利な実施構成では、固体の半分体は、測定中において、試料の方向に圧力を加えられない。むしろ、液浸用液体の毛管引力の作用を活用し、それによって、試料と固体の半分体は、ほぼ十分に一緒に保持される。
【００１７】
この発明による方法を実施するための装置は、測定光の偏光が試料を通過する際の偏光状態の変化を測定するための透過測定設備と試料用の回転設備とを有する。このような透過測定設備は、例えば、一つの光源と、試料用測定物体の前後における一つ以上の偏光子と、透過後の強度を測定するための光検出器とから構成される。この装置は、更に液浸媒体用の支持体を有し、この支持体は、試料を、液浸媒体の間に挟み込むことが可能であるとともに、測定光の光線軸に対して浸漬媒体内で、或いは浸漬媒体と一緒に回転させることが可能であるように構成される。
【００１８】
この装置の有利な実施形態では、この支持体は、液体の液浸媒体用の空間で構成され、この空間は、測定光用の入射面と出射面を有する。この実施形態では、試料を支持している回転ピンにより、試料を、液浸媒体内で、そのため測定光内で回転させることができる。これに代わる実施形態では、円筒形状の空間を規定しており、その中に試料を入れる。この実施形態では、例えば、その上にこの空間を載せた回転テーブルにより、空間全体を、試料と一緒に測定光内で回転させることができる。別の有利な実施形態では、この支持体は、液浸媒体を形成する固体の半分体の両方を収容、固定するように構成されるとともに、回転設備と連結される。
【００１９】
当然のことながら、回転設備と支持体とを別々に準備して、当該の透過楕円偏光計に組み込むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下においては、この発明による方法及びそれに関する装置を、図面と関連して、実施例にもとづき、再度短く説明する。
【００２１】
図１は、例として、支持基板２（この例では、石英ガラス基板）上に回転塗布された測定対象の異方性の層１から成る試料を図示している。模範的な層１としては、１３７．７ｎｍの厚さのポリマー層（アゾベンゼン側鎖型ポリマー）を使用する。この発明による方法を用いて、三つの空間方向（ｘ，ｙ，ｚ）すべてにおいて、この層１の屈折率を測定する。そのために、少なくとも支持基板２と同等の屈折率を持つ液浸媒体の中又はその間に試料を入れる。このことは、固体の半分体、例えば、半球、半円柱、プリズムを用い、液浸用液体と組み合わせて行う。その例が、図２に図示されている。これに代わる実施形態では、図３から分かる通り、液浸用液体を満たしている、或いは満たす空間内に、この試料を入れることもできる。
【００２２】
図２は、この発明による測定構成の一部に関する第一の例を図示している。この場合、支持基板２の材料、この例ではガラスから成る二つの半球３が使用されており、それらの間に試料が挟み込まれている。基板２の側に有る半球３は、中央の高さが基板の厚さだけ低減されており、その結果両方の半球３は、その間に配置された層１と共に球を形成している。この場合、測定する層１の厚さの１３７．７ｎｍは、無視することができる。両方の半球３を試料と合体させる前に、両方の半球３と試料の間に、液浸用オイルを入れる。この試料と合わせた構成全体は、図面に図示されていない支持体によって固定されており、この支持体は、測定光４内で試料を回転するための回転設備と連結されている。この支持体は、半球３内での歪屈折が防止されるように構成されている。そのために、支持体は、試料だけを掴んで、その際半球３と試料が専ら液浸用液体の毛管引力によって一緒に保持されるようにするか、或いは半球３を掴んで、その際弱いばねを用いるか、又は精密に調整可能なねじにより、半球３に小さい圧力を及ぼすだけにするかのどちらかにすることができる。測定光４内で半球３と共に試料を回転することによって、測定している間に、層１上への測定光４の入射角５を変更して、異なる入射角での測定を行うことができる。
【００２３】
この発明による装置の一部の別の例が、図３に図示されている。装置のこの部分は、一つの空間６から構成されており、その中では、試料用の回転可能な支持体が、回転ピン７を介して取り付けられている。そして、この空間６は、液浸用液体で満たされている。この空間は、測定光４が空間６を通って、試料に到達することができるように構成されている。そのために、この空間６は、測定光４に対して垂直な入射窓とこの入射窓に対して平行な出射窓を備えることができ、その際両方の窓が反射防止膜を備えることができる。この回転ピン７は、下方からパッキングを備えた通過開口部を通して空間内に取り込むか、或いはこの例で実現されている通り、上方からパッキング無しで液体内に沈めるかのどちらかにすることができる。この測定構成は、簡単な構造であるとの利点を持つとともに、液浸媒体内での歪複屈折の問題を防止するものである。気化により、液浸用液体の屈折率が場合によって変化するのを防止するために、この空間６は、中央に回転ピン７用の通過開口部を有する、押し開くことが可能な蓋を備えることもできる。
【００２４】
図４は、既に述べた試料に関する、この発明による方法を用いた透過楕円偏光測定の結果を図示している。この測定は、図２による測定構成を用いて行われたものであり、その際半球３は、液浸用オイルの毛管引力により一緒に保持した。この測定曲線は、入射角が増加するにつれて、ｓ偏光とｐ偏光間の光路差を示す、楕円偏光法の測定パラメータΔが増加することを明らかに示している。この増加は、符号を正しく考慮すると、測定した層の平面内の優位偏光方位に対応するものである。この測定から得られた結果は、平均屈折率ｎ＝ｎx ＋ｎy ＋ｎz ＝１．５６８１（１）及びｚ方向の複屈折Δｎzx＝ｎz −ｎx ＝−０．０２５９となる。この図により、これらの値が理論的なモデルにより得られた点と重なり合うことが分かる。
【００２５】
最後に、図５は、この測定結果と同じ試料の従来の透過楕円偏光法を用いて液浸媒体無しで行った測定結果との比較を図示している。この評価に関しては、両方の測定におて、それぞれ平均屈折率ｎを一定と仮定し、そしてｚ方向の複屈折率を、その理論的な曲線に調整することによって求めている。こうすることによって、図５で明らかな通り、ｎとΔｎzxの依存関係が得られる。液浸による測定曲線と液浸によらない測定曲線は、この発明による方法を用いて既に予測されていた屈折率ｎのところで正確に交差している。これにより、この発明による方法を用いて、薄い層の絶対屈折率も異方性も測定することが可能であることが示される。比較のために、図５では、理論値と実験値との間の差も、平均二乗偏差として示している。この平均二乗偏差の最低値が、この発明による方法の測定と液浸によらない透過測定との交点と素晴らしくも一致することが分かる。このような最低値は、従来の透過楕円偏光法の実施では達成されず（図面には図示されていない）、その結果液浸によらない標準的な測定の自由な調整による評価によって、１．５８４の絶対屈折率と−０．０３２７のΔｎzxが得られている。これらの値は、実際の値とはかけ離れたものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】支持基板上の測定対象の層とそれに対応する座標系の図である。
【図２】この発明による方法を実施するための測定構成又は装置の一部の例を示す図である。
【図３】この発明による方法を実施するための測定構成又は装置の一部の別の例を示す図である。
【図４】厚さ１３７．７ｎｍのポリマー層の測定結果を理論値と比較した例を示す図である。
【図５】図４の測定評価後の測定結果と同じ試料の標準的な透過楕円偏光測定により得られた測定結果との比較を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  測定対象の層
２  支持基板
３  液浸媒体としての半球
４  測定光
５  入射角
６  空間
７  回転ピン
ｘ，ｙ，ｚ  座標軸
【図１】
2007526981.tif 000003
【図２】
2007526981.tif 000004
【図３】
2007526981.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2007526981.tif 000008
2007526981.tif 000009
2007526981.tif 000010
2007526981.tif 000011
2007526981.tif 000012
2007526981.tif 000013
2007526981.tif 000014
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