(57)【要約】【課題】液晶配向膜などの異方性薄膜を簡易に評価できるようにする。【解決手段】各投受光光学系８−１，９−１；８−２，９−２の光軸を、測定対象５のラビング方向とは異なる方向であって、ΔまたはΨの一方について、極大値および極小値をそれぞれ与える回転角方向になるように配置し、ΔまたはΨの一方についての極大値と極小値との差を計測し、この差に基づいて、異方性薄膜の配向状態を評価するようにしている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異方性薄膜試料に対して複数の回転角方向から光をそれぞれ同一の入射角度により入射させる複数の投光光学系と、前記異方性薄膜試料からの反射光または透過光をそれぞれ受光する複数の受光光学系とを備え、前記反射光または透過光の偏光状態の測定用の光学系であって、
前記投光光学系および受光光学系は、前記複数の各回転角方向が、前記偏光状態の測定値であるΔおよびΨの少なくともいずれか一方について、極値を与える方向に略一致するように配置されることを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記異方性薄膜試料は、ラビング処理されるものであり、前記複数の回転角方向が、前記ラビング方向とは異なる方向である請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記複数の各投光光学系は、前記極値を与える方向をそれぞれ含む所定の回転角範囲の光を一括して前記異方性薄膜試料に入射させるものであり、前記複数の各受光光学系は、前記異方性薄膜試料からの前記所定の回転角範囲の反射光を複数の細分化された回転角毎に一括して受光するものである請求項１または２に記載の光学系。
【請求項４】
異方性薄膜試料または当該光学系を相対回転させて予め測定したΔおよびΨの少なくともいずれか一方の測定結果に基づいて、前記複数の回転角方向が、前記極値をそれぞれ与える方向に略一致するように、前記投光光学系および受光光学系が配置される請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項５】
前記極値を与える複数の回転角方向を予め計算した結果に基づいて、前記複数の回転角方向が、前記極値をそれぞれ与える方向に略一致するように、前記投光光学系および受光光学系が配置される請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項６】
第１の投光光学系および第１の受光光学系を備えるとともに、第２の投光光学系および第２の受光光学系を備え、
その回転角方向が、前記偏光状態の測定値であるΔまたはΨについて、
前記第１の投光光学系および第１の受光光学系が、極大値を与える方向に略一致するように配置され、かつ、前記第２の投光光学系および第２の受光光学系が、最小の極小値を与える方向に略一致するように、配置される請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項７】
前記請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学系を備え、前記反射光または透過光の偏光状態を測定して前記異方性薄膜を評価する装置であって、
前記偏光状態の測定値であるΔおよびΨの少なくともいずれか一方について、極大値と極小値との差を算出する演算手段を備えることを特徴とする異方性薄膜評価装置。
【請求項８】
前記演算手段は、極大値と最小の極小値との差を算出する請求項７に記載の異方性薄膜評価装置。
【請求項９】
前記演算手段で算出される前記差を、予め定めた閾値と比較する比較手段を備える請求項７または８に記載の異方性薄膜評価装置。
【請求項１０】
前記比較手段の比較結果を出力する出力手段を備える請求項９に記載の異方性薄膜評価装置。
【請求項１１】
前記演算手段は、前記偏光状態の測定値であるΔおよびΨの少なくともいずれか一方について、極値を与える回転角を算出する請求項７〜１０のいずれか１項に記載の異方性薄膜評価装置。
【請求項１２】
前記演算手段は、算出した回転角に基づいて、異方性薄膜の分子の方位角を算出する請求項１１に記載の異方性薄膜評価装置。
【請求項１３】
複数の投光光学系によって複数の回転角方向から異方性薄膜試料に対して光をそれぞれ同一の入射角度により入射させ、前記異方性薄膜試料からの反射光または透過光を、複数の受光光学系によってそれぞれ受光し、前記反射光または透過光の偏光状態を測定して異方性薄膜を評価する方法であって、
前記投光光学系および受光光学系を、前記複数の回転角方向が、前記偏光状態の測定値であるΔおよびΨの少なくともいずれか一方について、極値を与える方向に略一致するように配置することを特徴とする異方性薄膜評価方法。
【請求項１４】
異方性薄膜試料に対して、前記投光光学系および受光光学系を相対回転させて前記ΔおよびΨの少なくともいずれか一方を測定し、
その測定結果に基づいて、前記複数の回転角方向が、前記極値をそれぞれ与える方向に略一致するように、前記投光光学系および受光光学系を配置する請求項１３に記載の異方性薄膜評価方法。
【請求項１５】
前記極値をそれぞれ与える複数の回転角方向を予め計算し、その計算結果に基づいて、前記複数の回転角方向が、前記極値をそれぞれ与える方向に略一致するように、前記投光光学系および受光光学系を配置する請求項１３に記載の異方性薄膜評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光解析を利用して、液晶配向膜等のような光学的異方性を有する薄膜を評価するのに好適な光学系、それを用いた評価装置および評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば半導体プロセスにおいては、基板の大型化や、デザインルールの微細化に伴い、不良に対する莫大な損害の可能性や微妙な異常に対する管理の必要性が出てきており、検査の重要性がますます高まってきている。また、ＬＣＤ(Liquid  Crystal  Display)やＰＤＰ(Plasma  Display  Panel)、に代表されるＦＰＤ(Flat  Panel  Display)プロセスにおいても、ガラス基板の大型化が進む中で、大画面化・高精細化・高品位化が急速に進んでおり、高品質の製品を高歩留まりで生産するために、検査の重要性がますます高まってきている。
【０００３】
異方性薄膜の誘電率の状態が半導体やＦＰＤなどのデバイスの機能に与える影響は大きい。特にＦＰＤにおけるガラス基板の大型化が進む中で、液晶の初期配向に影響すると言われている異方性薄膜（液晶配向膜）の誘電率を評価することは重要である。
【０００４】
ここで、誘電率とは、電束密度Ｄと電場Ｅとの関係Ｄ＝εＥを与えるεをいう。等方性物質では定数であるが、異方性物質では２階のテンソルとなり、光学的異方性をもつ。誘電率テンソルは、直交座標系の方向を選んで
【０００５】
【数１】
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【０００６】
の形で表すことができる。εx、εy、εzはすべて負でない値をもつ。このような座標系を電気的主座標系、εx、εy、εzを主誘電率という（光学概論II、辻内順平著、p .145）。
【０００７】
また、液晶配向膜とは、液晶分子を所定の方向に揃えるために、パネル内部に設けられる有機薄膜（液晶ディスプレイ製造装置用語辞典第2版、p.68）である。
【０００８】
液晶配向膜には、主にラビング処理されたポリイミド膜が用いられ、その誘電率は光学的異方性をもつことが知られている。
【０００９】
ポリイミド膜をラビングした場合、表面付近の数nmから10nm程度の部分が均一に配向していることが知られている。
【００１０】
液晶配向膜のモデルとして、図２８（ａ）の斜視図および図２８（ｂ）の断面図に示すように、最表面層に異方性がある領域（異方性層）３６ｂ、その下の無配向層の等方的な領域（等方性層）３６ａの２層からなる膜が提案されている。その際のパラメータは、異方性層３６ｂの主誘電率をεx、εｙ、εz、電気的主座標系の膜表面に対する傾き角（チルト角）θ、および面内の方位角α、異方性３６ｂの膜厚ｄ1、等方性層３６ａの誘電率ε0、膜厚ｄ0があり、8個のパラメータを有している。
【００１１】
しかし、液晶配向膜は一軸性の異方性を持つことが知られており、異方性層３６ｂの主誘電率はεx＝εｙ≠εzの関係が成り立つ。等方性層３６ａの誘電率は、異方性層３６ｂの誘電率の平均値に等しいと考えられるため、等方性層３６ａの誘電率と異方性層３６ｂの誘電率には、３ε0＝２εｙ＋εｚの関係が成立する。したがって、液晶配向膜の配向状態を表す独立したパラメータは６個となる（廣沢、“液晶”、第7巻、第2号、2003年）。
【００１２】
図２９に、液晶配向膜のラビング工程の概略図を示す。同図（ａ）に示すようにガラス基板３５上にポリイミド３６を塗布し、同図（ｂ）に示すように焼成（乾燥）を行い、同図（ｃ）に示すようにラビングローラ３７で表面を摺ることで光学的異方性を発現させる。
【００１３】
このラビング工程におけるラビング条件にばらつきがあると、液晶配向膜の配向状態が均一とならず、液晶表示素子の表示品質がばらつくことになる。
【００１４】
かかる表示品質のばらつきを低減するために、液晶配向膜の反射光の偏光状態を計測し、その計測結果を、ラビング条件にフィードバックするようにした液晶装置の製造装置もある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−７５８４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述のように液晶配向膜の配向状態を表す独立したパラメータは、６個となり、光を用いた異方性薄膜計測では、これらの６個のパラメータを算出することになる。しかし、計測した偏光状態と、液晶配向膜の状態を表す６個のパラメータは非線形性が高く、解析的に直接解を決定することが困難である。したがって、最小二乗法などを用いて計算値が測定値を再現するようにパラメータを最適化する必要があり、全てのパラメータを簡易に測定することはできず、かかる全てのパラメータを測定することなく、簡易に異方性薄膜を評価できるようにすることが望まれる。
【００１６】
また、上記特許文献１の製造装置は、液晶配向膜の反射光の偏光状態を計測してラビング条件を制御するものであって、液晶配向膜そのものを評価できるものではない。
【００１７】
しかも、液晶配向膜の反射光の偏光状態の計測には、ラビング方向に沿って照射した偏光レーザー光および前記ラビング方向に直交する方向に沿って照射した偏光レーザー光の反射光を用いている。
【００１８】
本件発明者らが、鋭意研究した結果、ラビング方向に沿う偏光レーザー光およびラビング方向に直交する偏光レーザ−光では、液晶配向膜の配向状態を評価するには、誤差が大きく、精度が悪くなることを見出した。
【００１９】
本発明は、上述のような点に鑑みて為されたものであって、半導体やFPDなどで用いられる異方性薄膜を簡易に精度良く評価できるようにすることを目的する。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明では、上記目的を達成するために、次のように構成している。
【００２１】
（１）本発明の光学系は、異方性薄膜試料に対して複数の回転角方向から光をそれぞれ同一の入射角度により入射させる複数の投光光学系と、前記異方性薄膜試料からの反射光または透過光をそれぞれ受光する複数の受光光学系とを備え、前記反射光または透過光の偏光状態の測定用の光学系であって、前記投光光学系および受光光学系は、前記複数の各回転角方向が、前記偏光状態の測定値であるΔおよびΨの少なくともいずれか一方について、極値を与える方向に略一致するように配置されるものである。
【００２２】
本発明の光学系は、異方性薄膜試料に対して光を入射させ、異方性薄膜試料からの反射光または透過光の偏光状態を測定する偏光解析に用いられるものである。
【００２３】
ここで回転角とは、異方性薄膜試料の膜が有する面に対する法線を軸として、その軸を基準として周りに回転する角度であり、回転角方向とは、膜面上の当該回転角を示す線とその膜の法線により規定される面に沿う方向を言う。
【００２４】
極値は、極大値であってもよいし、極小値であってもよい。
【００２５】
前記投光光学系および受光光学系は、前記複数の回転角方向が、前記偏光状態の測定値であるΔの極値を与える方向に略一致するように配置される、あるいは、前記投光光学系および受光光学系は、前記複数の回転角方向が、前記偏光状態の測定値であるΨの極値を与える方向に略一致するように配置されるものである。
【００２６】
本発明の光学系は、Δの複数の極値を与える方向にそれぞれ配置された投光、受光光学系で構成してもよいし、Ψの複数の極値を与える方向にそれぞれ配置された投光、受光光学系で構成してもよいし、あるいは、Δの極値を与える方向に配置された投光、受光光学系およびΨの極値を与える方向に配置された投光、受光光学系を組み合わせて構成してもよい。
【００２７】
極値を与える方向に略一致するとは、完全に一致する場合は勿論、測定対象とする異方性薄膜試料の種類の変化、すなわち、異方性層の厚み、誘電率、チルト角等のパラメータの変化に起因して生じる極値を与える方向のずれを含むものであり、略一致するとは、例えば、±５°の角度範囲にあることをいう。
【００２８】
本発明によると、複数の投光光学系および複数の受光光学系は、複数の回転角方向が、偏光状態の測定値であるΔおよびΨの少なくともいずれか一方について、複数の極値をそれぞれ与える方向に配置されるので、本発明の光学系を用いて、Δの極値およびΨの極値の少なくともいずれか一方を計測し、異方性薄膜を評価することができる。しかも、当該光学系が、極値を与える方向に配置されているので、Δの極値またはΨの極値を計測する場合に、異方性薄膜試料や当該光学系を回転させる必要がない。
【００２９】
（２）本発明の光学系の一つの実施形態では、前記異方性薄膜試料は、ラビング処理されるものであり、前記複数の回転角方向が、前記ラビング方向とは異なる方向である。
【００３０】
本件発明者らは、偏光状態の測定値であるΔまたはΨの極値を与える回転角方向が、ラビング方向と一致しないことを見出し、当該光学系の複数の回転角方向を、ラビング方向とは異なるΔまたはΨの極値を与える方向になるように配置している。
【００３１】
この実施形態によると、当該光学系を用いることによって、ΔまたはΨの極値を精度よく測定できる。
【００３２】
（３）本発明の光学系の好ましい実施形態では、前記複数の各投光光学系は、前記極値を与える方向をそれぞれ含む所定の回転角範囲の光を一括して前記異方性薄膜試料に入射させるものであり、前記複数の各受光光学系は、前記異方性薄膜試料からの前記所定の回転角範囲の反射光を複数の細分化された回転角毎に一括して受光するものである。
【００３３】
所定の回転角範囲とは、偏光状態の測定値であるΔおよびΨの少なくともいずれか一方について極値を与える方向を含む範囲をいい、ΔおよびΨの両方の極値をそれぞれ与える方向を含んでもよいし、ΔまたはΨの一方のみの極値を与える方向を含んでもよく、一つの極値を与える方向を含む場合には、その方向が、所定の回転角範囲の中心であるのが好ましい。
【００３４】
この所定の回転角範囲は、測定対象とする異方性薄膜試料の種類の変化、すなわち、異方性層の膜厚、誘電率、チルト角等のパラメータの変化に起因して極値を与える方向にずれが生じてもその方向が含まれる範囲であるのが好ましい。
【００３５】
この実施形態によると、当該光学系を用いることにより、極値を与える方向にずれが生じてもΔおよびΨの少なくともいずれか一方の極値を確実に測定することができる。更に、極値を与える方向にずれが生じた場合には、そのずれた方向を、回転角として測定するといったことも可能となる。
【００３６】
（４）本発明の光学系の他の実施形態では、異方性薄膜試料または当該光学系を相対回転させて予め測定したΔおよびΨの少なくともいずれか一方の測定結果に基づいて、前記複数の回転角方向が、前記極値をそれぞれ与える方向に略一致するように、前記投光光学系および受光光学系が配置される。
【００３７】
異方性薄膜試料を光学系に対して回転させてもよいし、異方性薄膜試料に対して光学系を回転させてもよい。
【００３８】
この回転は、０°〜３６０°に亘って回転させるのが好ましいが、複数の極値をそれぞれ与える方向を含む角度範囲で回転させてもよい。
【００３９】
この実施形態によると、予め異方性薄膜試料のサンプルについて、ΔおよびΨの少なくともいずれか一方について測定し、極値を与える方向を求めるので、当該光学系を用いて、ΔおよびΨの少なくともいずれか一方についての極値を精度よく計測することができる。
【００４０】
（５）本発明の光学系の更に他の実施形態では、前記極値を与える複数の回転角方向を予め計算した結果に基づいて、前記複数の回転角方向が、前記極値をそれぞれ与える方向に略一致するように、前記投光光学系および受光光学系が配置される。
【００４１】
この実施形態によると、異方性薄膜試料の異方性層の膜厚、誘電率、チルト角等の既知のパラメータを用いて、ΔまたはΨの一方の極値を与える方向を予め計算し、その計算結果に基づいて、投光光学系および受光光学系を配置するので、当該光学系を用いて、ΔまたはΨの一方についての極値を精度よく計測することができる。
【００４２】
（６）本発明の光学系の好ましい実施形態では、第１の投光光学系および第１の受光光学系を備えるとともに、第２の投光光学系および第２の受光光学系を備え、その回転角方向が、前記偏光状態の測定値であるΔまたはΨについて、第１の投光光学系および第１の受光光学系が、極大値を与える方向に略一致するように配置され、かつ、第２の投光光学系および第２の受光光学系が、最小の極小値を与える方向に略一致するように配置される。
【００４３】
この実施形態によると、当該光学系を用いて、ΔまたはΨのいずれか一方について、極大値と極小値とを計測できるので、例えば、極大値と極小値との差に基づいて、異方性薄膜を評価するといったことが可能になる。
【００４４】
（７）本発明の異方性薄膜評価装置は、本発明に係る光学系を備え、前記反射光または透過光の偏光状態を測定して前記異方性薄膜を評価する装置であって、前記偏光状態の測定値であるΔおよびΨの少なくともいずれか一方について、極大値と極小値との差を算出する演算手段を備えている。
【００４５】
算出される極大値と極小値との差をモニタし、異方性薄膜の配向状態を管理するようにしてもよい。
【００４６】
本発明によると、偏光状態の測定値であるΔまたはΨの極大値と極小値との差は、異方性薄膜の分子の配向状態と相関があるので、極大値と極小値との差を算出することによって、異方性薄膜の配向状態を評価することができ、しかも、ΔまたはΨの極値の計測は、異方性のパラメータを全て算出する手法に比べて、簡易に計測することができ、異方性薄膜の配向状態を簡易に評価できる。
【００４７】
更に、光学系は、ΔまたはΨの極値を与える回転角方向になるように配置されているので、異方性薄膜試料が載置されるステージまたは光学系を回転させる必要がなく、ステージや光学系の回転機構が不要となって当該異方性薄膜評価装置の小型化および低価格化、並びに、測定時間の短縮化を図ることができ、インライン計測に好適である。
【００４８】
（８）本発明の異方性薄膜評価装置の好ましい実施形態では、前記演算手段は、極大値と最小の極小値との差を算出するものである。
この実施形態によると、偏光状態の測定値であるΔまたはΨの極大値と極小値との差は、異方性薄膜の誘電率、膜厚と相関があるので、ΔまたはΨの極大値と極小値との差を算出することによって、異方性薄膜の配向状態を評価することができる。
【００４９】
（９）本発明の異方性薄膜評価装置の一つの実施形態では、前記演算手段で算出される前記差を、予め定めた閾値と比較する比較手段を備えている。
【００５０】
閾値は、一つに限らず複数であってもよく、例えば、異方性薄膜の良否を判定するための上限および下限の閾値であってもよい。
【００５１】
この実施形態によると、極大値と極小値との差と閾値とを比較して、異方性薄膜の配向状態の良否を判定するといったことが可能となる。
【００５２】
（１０）上記（９）の実施形態では、前記比較手段の比較結果を出力する出力手段を備えるようにしてもよい。
【００５３】
出力手段は、比較結果を他の装置、例えば、製造ラインを管理する管理装置などに出力するものであってもよいし、比較結果を、表示出力、印字出力、あるいは、音声出力等するものであってもよい。
【００５４】
この実施形態によると、出力される比較結果に基づいて、異方性薄膜の配向状態を把握して管理することができる。
【００５５】
（１１）本発明の異方性薄膜評価装置の他の実施形態では、前記演算手段は、前記偏光状態の測定値であるΔおよびΨの少なくともいずれか一方について、極値を与える回転角を算出するものである。
【００５６】
この実施形態によると、偏光状態の測定値であるΔまたはΨの極値を与える回転角は、異方性薄膜の分子の配向状態と相関があるので、回転角を算出することによって、異方性薄膜の配向状態を評価することができる。
【００５７】
（１２）本発明の異方性薄膜評価装置の更に他の実施形態では、前記演算手段は、算出した回転角に基づいて、異方性薄膜の分子の方位角を算出するものである。
【００５８】
この実施形態によると、既知の異方性パラメータ等を用いて、回転角から異方性薄膜の分子の方位角を算出することができる。
【００５９】
（１３）本発明の異方性薄膜評価方法は、複数の投光光学系によって複数の回転角方向から異方性薄膜試料に対して光をそれぞれ同一の入射角度により入射させ、前記異方性薄膜試料からの反射光または透過光を、複数の受光光学系によってそれぞれ受光し、前記反射光または透過光の偏光状態を測定して異方性薄膜を評価する方法であって、前記投光光学系および受光光学系を、前記複数の回転角方向が、前記偏光状態の測定値であるΔおよびΨの少なくともいずれか一方について、極値を与える方向に略一致するように配置するものである。
【００６０】
本発明によると、複数の投光光学系および複数の受光光学系は、複数の回転角方向が、偏光状態の測定値であるΔおよびΨの少なくともいずれか一方について、複数の極値をそれぞれ与える方向に配置されるので、Δの極値またはΨの極値を計測し、異方性薄膜を評価することができる。しかも、Δの極値またはΨの極値を計測する場合に、異方性薄膜試料や光学系を回転させる必要がない。
【００６１】
（１４）本発明の異方性薄膜評価方法の更に他の実施形態では、異方性薄膜試料に対して、前記投光光学系および受光光学系を相対回転させて前記ΔおよびΨの少なくともいずれか一方を測定し、その測定結果に基づいて、前記複数の回転角方向が、前記極値をそれぞれ与える方向に略一致するように、前記投光光学系および受光光学系を配置するものである。
【００６２】
この実施形態によると、予め異方性薄膜試料のサンプルについて、ΔおよびΨの少なくともいずれか一方について測定し、極値を与える方向を求めるので、当該光学系を用いて、ΔおよびΨの少なくともいずれか一方についての極値を精度よく計測することができる。
【００６３】
（１５）本発明の異方性薄膜評価方法の一つの実施形態では、前記極値をそれぞれ与える複数の回転角方向を予め計算し、その計算結果に基づいて、前記複数の回転角方向が、前記極値をそれぞれ与える方向に略一致するように、前記投光光学系および受光光学系を配置するものである。
【００６４】
この実施形態によると、異方性薄膜試料の異方性層の膜厚、誘電率、チルト角等の既知のパラメータを用いて、ΔまたはΨの一方の極値を与える方向を予め計算し、その計算結果に基づいて、投光光学系および受光光学系を配置するので、ΔまたはΨの一方についての極値を精度よく計測することができる。
【発明の効果】
【００６５】
本発明によれば、偏光状態の測定値であるΔまたはΨの極大値と極小値との差は、異方性薄膜の分子の配向状態と相関があるので、極大値と極小値との差を算出することによって、異方性薄膜の配向状態を評価することができ、しかも、ΔまたはΨの極値の計測は、異方性のパラメータを全て算出する手法に比べて簡易に評価できる。
【００６６】
更に、光学系は、ΔまたはΨの極値を与える回転角方向になるように配置されているので、異方性薄膜試料が載置されるステージや光学系の回転機構が不要となり、インライン計測に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６７】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００６８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一つの実施形態に係る異方性薄膜評価装置の全体構成図を示す図であり、この異方性薄膜評価装置は、反射型の偏光解析を利用して異方性薄膜を評価するものであり、単色、単入射角のエリプソメータ（回転検光子法）である。
【００６９】
ここで、実施の形態の説明に先立って、反射型の偏光解析法の計測原理について説明する。
【００７０】
図２に反射型偏光解析法を説明するための概略図を示す。同図において、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【００７１】
入射角θの入射光が測定対象５により反射して、出射光となるとき、入射光と出射光との関係は次式で表される。
【００７２】
【数２】
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【００７３】
ＡP, ＡSは入射光の電場のp方向、s方向成分、ＢP, ＢSは出射光の電場のp方向、s方向成分である。ｒP Pは、p偏光を入射したときの、p偏光の複素振幅反射率係数、ｒPSは、s偏光を入射したときの、p偏光の複素振幅反射率係数、ｒS Pは、p偏光を入射したときの、s偏光の複素振幅反射率係数、ｒSSは、s偏光を入射したときの、s偏光の複素振幅反射率係数であり、これらを表す行列式をジョーンズ行列という。測定対象５が等方性媒質の場合は、ｒPS ＝ｒS P＝0となるが、異方性媒質の場合は、これらは0にならず、値を持つことになる。
【００７４】
p、s偏光の振幅反射率係数の比（複素振幅反射率比Ｐ）は、式（３）のように表される。
【００７５】
【数３】
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【００７６】
χ=ＡP/ＡSであり、入射光の電場のp方向、s方向成分の比である。Δは電場のｐ偏光成分とｓ偏光成分の位相差をあらわし、Ψは、電場のｐ偏光成分とｓ偏光成分の振幅比をあらわす。
【００７７】
図３は、反射型の偏光解析装置であるエリプソメータ（回転検光子法）の光学系の構成を示す図である。
【００７８】
光源１からの光は、偏光子２および波長板３を介して測定試料５に入射し、測定試料５で反射した光は、回転される検光子６を介して検出器７で検出される。
【００７９】
検出器７における受光強度は、以下のように表される。
【００８０】
【数４】
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【００８１】
ここで、φは図２（ｂ）に示す回転角、Ａは検光子６の角度、Ｐは偏光子２の角度、Ｃは波長板３の角度、δは波長板３の位相遅れを表す。このときのΔ、Ψは、
【００８２】
【数５】
2007285926.tif 000007
【００８３】
で表される。これより、異方性媒質のΔ、Ψを計測することができ、式（３）と比較することで異方性媒質のパラメータを測定することができる。
【００８４】
再び、図１を参照して、この実施形態の異方性薄膜評価装置は、第１，第２の投光光学系８−１，８−２および第１，第２の受光光学系９−１，９−２を備える光学系と、測定対象５が配置される回転ステージ４と、第１，第２の受光光学系９および回転ステージ４にケーブル１０を介して接続されて所定の演算処理を行う演算処理部１１と、モニタ２２、キーボード、マウス２１等の外部Ｉ／Ｆ１２とを備えており、回転ステージ４の回転に合わせて、Δ、Ψのデータを計測することができる。
【００８５】
図４は、図１の異方性薄膜評価装置の電気的構成図である。      
【００８６】
第１，第２の投光光学系８−１，８−２から出た光信号は、測定対象５によって反射し第１，第２の受光光学系９−１，９−２でそれぞれ観測される。
【００８７】
演算処理部１１は、第１，第２の投光光学系８−１，８−２、第１，第２の受光光学系９−１，９−２を制御する投受光制御部１４と、第１，第２の受光光学系９−１，９−２からのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部１５と、光学系と同期して回転ステージ４を駆動するステージ制御部１６と、各種のプログラムを内蔵したＲＯＭ１７と、キーボード、マウス２１が接続される入力部１８と、ディスプレイなどのモニタ２２が接続される出力部１９と、これらを制御するとともに、所要の演算を行なうＣＰＵ２０で構成される。
【００８８】
図５は、この実施形態の光学系の構成を示す斜視図であり、図６は平面図であり、図７は側面図である。
【００８９】
この実施形態では、第１の投光光学系８−１の光源（ＬＤ）４０からでた光は、コリメータレンズ４１、偏光子４２を通過して、回転ステージ上の測定対象５に照射され、測定対象５から反射した光は、第１の受光光学系９−１の位相子４３、回転される検光子４４を通って検出器（ＰＤ）４５で観測される一方、第２の投光光学系８−２の光源（ＬＤ）４０からでた光は、コリメータレンズ４１、偏光子４２を通過して、回転ステージ４上の測定対象５に照射され、測定対象５から反射した光は、第２の受光光学系９−２の位相子４３、回転される検光子４４を通って検出器（ＰＤ）４５で観測される。
【００９０】
測定対象５は、例えば、半導体、ＦＰＤなどで用いられる異方性薄膜が形成された基板である。
【００９１】
この実施形態では、Δの極値を測定し、極大値と極小値とのΔの差（以下「ＤΔ」という）を算出して、異方性薄膜の評価を行うものであり、以下、Δの極大値と極小値との差ＤΔに基く異方性薄膜の評価方法について詳細に説明する。
【００９２】
図８に、上述の式（３）から、図２（ｂ）に示す回転角φ変化させたときのΔの変化をシミュレーションした結果を示す。
【００９３】
縦軸はΔであり、横軸は回転角であり、Δの値が回転角によって変化している様子がわかる。分子の配向方向は、回転角0°の位置と同じに設定してシミュレーションを行った。
【００９４】
図８より、Δの二つ極大値または二つの極小値を与える回転角は、分子の配向方向（回転角０°）とは一致しておらず、一定量だけずれた位置に存在することがわかる。
【００９５】
この実施形態では、Δの極大値および極小値の内、回転角方向に沿って３番目の極値である極大値と、４番目の極値である最小の極小値との差ＤΔに基づいて、異方性薄膜を評価するものである。以下、特に断らない限り、ＤΔは、Δの３番目の極値である極大値と、４番目の極値である極小値との差を意味する。
【００９６】
図９に、液晶配向膜のパラメータを変化させたときのＤΔのシミュレーション結果を示す。
【００９７】
同図（ａ）は表面付近の異方性層の膜厚、同図（ｂ）は異方性層の屈折率差（ｎｘ−ｎｙ）、同図（ｃ）は等方性層の屈折率、同図（ｄ）は異方性層のチルト角、同図（ｅ）は異方性層の方位角、同図（ｆ）は等方性層の膜厚をそれぞれ変化させたときのＤΔの変化をそれぞれ示している。
【００９８】
ＤΔの値は、同図（ａ）に示すように、異方性層の膜厚が増加すると、大きくなり、また、同図（ｂ）に示すように、異方性層の屈折率差が増加すると、大きくなる。
【００９９】
ＤΔは、異方性層の膜厚および異方性層の屈折率差以外のパラメータでは、殆ど変化しておらず、ＤΔの変化が、異方性層の膜厚および屈折率差、すなわち、誘電率の変化に影響していることが分かる。
【０１００】
したがって、ＤΔを計測するだけで、異方性層の膜厚、誘電率を推定して異方性薄膜を評価することが可能となる。このため、異方性層の膜厚、異方性層の屈折率、チルト角、等方性層の屈折率、等方性層の膜厚といった多くのパラメータを解析して異方性薄膜を評価する手法に比べて、簡易に評価できることになる。
【０１０１】
また、例えば、予め実験等によってＤΔの管理値を設定することにより、異方性薄膜の管理が可能となり、歩留まり向上に貢献することができる。
【０１０２】
次に、ＤΔを計測するための光学系の配置について、詳細に説明する。
【０１０３】
この実施形態では、第１の投光光学系８−１および第１の受光光学系９−１によって、Δの３番目の極値である極大値を測定し、第２の投光光学系８−２および第２の受光光学系９−２によって、Δの４番目の極値である極小値を測定できるように、光学系を配置している。
【０１０４】
図１０は、測定対象５およびラビング方向を示す平面図である。
【０１０５】
ラビングローラ３７によって矢符Ａ方向に沿ってラビング処理することにより、測定対象５の配向膜のポリイミド分子４６は、ラビング方向に沿って配列する。したがって、ポリイミド分子の配向方向は、ラビング方向に一致する。
【０１０６】
このポリイミド分子の配向方向、すなわち、ラビング方向を回転角０°として、矢符Ｂで示すように、反時計方向にＸ度回転させた回転角度で光を入射させた場合のΔの変化を、図１１に示す。この図１１は、上述の図８に対応する図である。
【０１０７】
上述のように、Δの極値を与える回転角は、分子の配向方向（回転角０°）とは一致しておらず、一定量だけずれた位置に存在する。
【０１０８】
図１２および図１３は、第１，第２の投光光学系８−１，８−２の光を入射させる回転角方向を示すものであり、図１０および図１１にそれぞれ対応する図である。
【０１０９】
上述のＤΔの算出に用いる３番目の極値である極大値は、分子の配向方向、すなわち、ラビング方向を０°として反時計回りの回転角１８９．０°で与えられ、４番目の極値である最小の極小値は、同じく回転角２８１．５°で与えられる。したがって、両回転角の差は、９２．５°となる。
【０１１０】
この極値を与える回転角の値は、サンプルとなる測定対象について、０°〜３６０°の回転角範囲で予めΔを測定することにより求めることもできるし、シミュレーションによって予め求めてもよい。
【０１１１】
すなわち、異方性媒質の複素振幅反射率比Ｐは、上述の式（２）、式（３）を利用しては以下のように表される。
【０１１２】
【数６】
2007285926.tif 000008
【０１１３】
複素反射率係数ｒＰＰ，ｒＰS，ｒSＰ，ｒSSは、配向膜のパラメータおよび、入射光の波長、入射角、回転角に依存している。したがって、式（６）から、配向膜のパラメータが全て既知であれば、回転角に対するΔ、Ψの変化を、シミュレーションで求めることができる。なお、かかる異方性薄膜の計測の原理については、例えば、Harland G. Tompkins, Eugene A. Irene "Handbook of Ellipsometry" William Andrew (2004)に記載されている。
【０１１４】
この実施形態では、第１の投光光学系８−１および第１の受光光学系９−１を、その光軸が、３番目の極値である極大値を与える回転角である１８９．０°に一致するように配置する一方、第２の投光光学系８−２および第２の受光光学系９−２を、その光軸が、４番目の極値である最小の極小値を与える回転角である２８１．５°に一致するように配置する。
【０１１５】
以上のように配置された光学系を用いて、Δを計測し、３番目の極値である極大値と４番目の極値である極小値との差ＤΔを算出し、予め定めた閾値、例えば、測定対象の良否を判定するための閾値と比較し、測定対象の異方性薄膜の良否を評価することができる。
【０１１６】
この実施形態では、３番目の極値である極大値と４番目の極値である極小値との差ＤΔを用いたけれども、他の実施形態として、図８に示す１番目の極値である極大値と４番目の極値である極小値との差ＤΔを用いてもよい。
あるいは、１番目の極値である極大値と２番目の極値である極小値との差ＤΔを用いてもよい。
【０１１７】
図１４は、液晶配向膜のパラメータを変化させたときの、１番目の極値である極大値と２番目の極値である極小値との差ＤΔのシミュレーション結果を示すものであり、上述の図９に対応する図である。
【０１１８】
１番目の極値と２番目の極値との差ＤΔの値は、図１４（ｄ）に示すように、チルト角の影響が現れる以外は、図９の場合と同様の傾向を示し、１番目と２番目の極値の差ＤΔを用いて、異方性薄膜を評価することもできる。
【０１１９】
また、この実施形態では、第１の投光、受光光学系８−１，９−１および第２の投光、受光光学系８−２，９−２によって、２つの極値をそれぞれ計測したけれども、本発明の他の実施形態として、第３の投光、受光光学系を追加し、あるいは、第４の投光、受光光学系を更に追加し、３つ、あるいは、４つの極値を計測し、それらの極値の差に基づいて、異方性薄膜を評価し、精度を高めるようにしてもよい。
【０１２０】
（実施の形態２）
図１５は、本発明の他の実施形態の光学系の構成を示す斜視図であり、図１６は、その平面図であり、図１７は、その側面図である。
【０１２１】
この実施形態では、第１，第２の投光光学系８−１‘，８−２‘は、極値を与える方向をそれぞれ含む所定の回転角範囲、例えば、２０°の光を一括して測定対象５に入射させるものであり、第１，第２の受光光学系９−１‘，９−２‘は、測定対象５からの所定の回転角範囲の反射光を一括して受光するものである。各投光光学系８−１‘，８−２‘は、投光レンズ４７を備える一方、各受光光学系９−１‘，９−２‘は、受光レンズ４８および検出器としてのラインＣＣＤ４９を備えている。
【０１２２】
この実施形態では、第１，第２の投光光学系８−１‘，８−２‘の光源４０からでた光はコリメータレンズ４１で幅を持った平行光になり、偏光子４２を通過し、投光レンズ４７で集光されて測定対象５に照射される。測定対象５から反射した光は、第１，第２の受光光学系９−１‘，９−２‘の受光レンズ４８を通って平行光になり、位相子４３、検光子４４を通ってラインＣＣＤ４９で観測される。その他の構成は、上述の実施形態１と同様である。
【０１２３】
図１８および図１９は、上述の実施形態の図１２および図１３にそれぞれ対応する図である。
【０１２４】
この実施形態では、測定対象５に集光して光を照射することにより、図１８および図１９に示すように、Δの極値を与える方向（１８９．０°，２８１．５°）を含む一定の回転角範囲φ´を一括して計測することが可能となる。
【０１２５】
このように一定の回転角範囲φ´を一括して計測することができるので、測定対象とする配向膜の種類が変わった場合に、極値を与える回転角が数度程度ずれても確実に極値を計測することが可能となる。
【０１２６】
（その他の実施の形態）
上述の各実施形態では、Δの極値の差ＤΔを用いて異方性薄膜を評価したけれども、ΨもΔと同様に、その極値の差と、異方性層の膜厚および誘電率との間に相関があるので、Ψの極値の差ＤΨを用いて異方性薄膜を評価してもよい。
【０１２７】
図２０は、表面付近の異方性層の膜厚、屈折率差、チルト角θ、方位角、等方性層の屈折率および等方性層の膜厚を変化させたときの、Ψの３番目の極値と４番目の極値との差であるＤΨのシミュレーション結果を示すものであり、上述の図９に対応する図である。
【０１２８】
この図２０に示すように、Ψの３番目の極値と４番目の極値との差ＤΨもＤΔと同様に、異方性層の膜厚および誘電率との間に相関があることが分かる。
【０１２９】
また、図２１は、表面付近の異方性層の膜厚、屈折率差、チルト角θ、方位角、等方性層の屈折率および等方性層の膜厚を変化させたときの、Ψの１番目の極値と２番目の極値との差であるＤΨのシミュレーション結果を示すものであり、上述の図１４に対応する図である。
【０１３０】
この図２１に示すように、Ψの１番目の極値と２番目の極値との差ＤΨもＤΔと同様に、異方性層の膜厚、誘電率およびチルト角との間に相関があることが分かる。
【０１３１】
上述の各実施形態では、ΔまたはΨの極値の差ＤΔ、ＤΨを用いて異方性薄膜を評価したけれども、本発明の他の実施形態として、極値を与える回転角に基づいて、異方性薄膜を評価してもよい。
【０１３２】
図２２は、測定対象５の基準方向、分子の配向方向および極値を与える回転角の関係を説明するための図である。
【０１３３】
同図において、iは測定対象５である基板の分子の配向方向を、iiは基板の基準方向を、iiiはΔの極値を与える回転角が成す方向をそれぞれ示している。この図２２では、Δの極値を与える回転角の一例を代表的に示しており、また、基準方向を、基板の一辺に沿う方向としている。
【０１３４】
異方性薄膜の方位角αは、基板の基準方向iiに対する分子の配向方向iが成す角度である。
【０１３５】
分子の配向方向iとΔの極値を与える回転角とは、他の異方性パラメータが決まれば一意に決まるものであり、したがって、図２３に示すように、分子の配向方向iがθ１°ずれると、極値を与える回転角も同様にθ１°ずれることになり、Δの極値を与える回転角は、分子の配向方向を反映した値になっている。
【０１３６】
方位角αは、上述のように分子の配向方向iと基準方向iiの成す角度であり、測定対象５である基板の基準方向iiは同じであるので、分子の配向方向iがずれると、同じだけ方位角αもずれることになる。したがって、分子の配向方向iがずれて、方位角αがずれると、同じだけ極値を与える回転角がずれることになる。
【０１３７】
ここで、極値を与える回転角のずれは、厳密には、分子の配向方向iだけではなく、上述の図２８で示した異方性層３６ｂの主誘電率εz、チルト角θ、膜厚ｄ1および等方性層３６ｂの誘電率ε0、膜厚ｄ0によってもずれるのであるが、後述のように、極値を与える回転角のずれに対しては、分子の配向方向の影響が最も大きなものとなっている。
【０１３８】
液晶配向膜は、上述のように６個のパラメータを持つが、等方性層３６ａの誘電率ε0、膜厚ｄ0はラビング工程前後で変化せず、塗布、焼成後に計測するものとして既知とする。よって、ラビング工程で変化するパラメータは、異方性層３６ｂの主誘電率εz、チルト角θ、膜厚ｄ1および方位角αの４つになる。
【０１３９】
方位角α以外のパラメータをシミュレーションで変化させ、Δ、Ψの波形の極値の変化を図示すると、図２４〜図２６のようになる。なお、この図２４〜図２６では、シミュレーションにおけるパラメータの相違によって、上述の図８のΔの極値を与える回転角とはずれが生じている。
【０１４０】
図２４はチルト角に対する極値を与える回転角の変化を、図２５は誘電率に対する極値を与える回転角の変化を、図２６は膜厚に対する極値を与える回転角の変化をそれぞれ示しており、各図（ａ）はΔの極値を与える回転角を、各図（ｂ）はΨの極値を与える回転角をそれぞれ示している。
【０１４１】
図２４〜図２６より、異方性層の主誘電率εz、チルト角θ、膜厚ｄ1が変化しても、極値を与える回転角の変化は０．５°以下でほとんどずれていないことがわかる。したがって、極値を与える回転角に大きく寄与するパラメータは、分子の配向方向に対応する方位角ということがわかる。なお、図２７に、Δの極値を与える回転角と方位角とのシミュレーション結果を示す。方位角がずれると、極値も同じだけずれることが分かる。
【０１４２】
以上のように、Δ，Ψの極値を与える回転角は、分子の配向方向、したがって、方位角と相関があるので、Δ，Ψの極値を与える回転角を求めることにより、異方性薄膜の各パラメータを最適化するなど、複雑な計算を用いることなく、分子の配向方向、したがって、方位角を間接的に計測することが可能になる。
【０１４３】
したがって、例えば、予め実験等で求めた正常と判定される回転角の範囲あるいは方位角の範囲を規定し、計測した回転角あるいは方位角が、正常な範囲にあるか否かを判定することによって、異方性薄膜の配向状態を評価できることになる。
【０１４４】
上述の各実施形態では、反射型の偏光解析に適用して説明したけれども、本発明は、透過型の偏光解析に適用することもできる。
【０１４５】
すなわち、上述の図２の入射光が測定対象により透過して、透過光となるとき、入射光と透過光の関係は、上述の式（２）と同様に次式で表される。
【０１４６】
【数７】
2007285926.tif 000009
【０１４７】
ＡＰ, ＡSは入射光の電場のp方向、s方向成分、ＣＰ, ＣSは透過光の電場のp方向、s方向成分である。tPPは、p偏光を入射したときの、p偏光の複素振幅反射率係数、tＰSは、s偏光を入射したときの、p偏光の複素振幅反射率係数、tSPは、p偏光を入射したときの、s偏光の複素振幅反射率係数、tSSは、s偏光を入射したときの、s偏光の複素振幅反射率係数である。
【０１４８】
また、p、s偏光の振幅透過率係数の比（複素振幅透過率比τ）は、上述の式（３）と同様に、次式で表される。
【０１４９】
【数８】
2007285926.tif 000010
【０１５０】
したがって、反射型の上述の各実施形態の場合と同様に透過型にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１５１】
本発明は、例えば、液晶配向膜などの異方性薄膜の評価に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】本発明の一つの実施形態に係る異方性薄膜評価装置の概略構成図である。
【図２】図１の異方性薄膜評価装置の電気的構成図である。
【図３】反射型偏光解析法を説明するための概略図である。
【図４】反射型の偏光解析装置であるエリプソメータ（回転検光子法）の光学系の構成を示す図である。
【図５】図１の異方性薄膜評価装置の光学系の構成を示す斜視図である。
【図６】図５の平面図である。
【図７】図５の側面図である。
【図８】Δの回転角による変化をシミュレーションした結果を示す図である。
【図９】液晶配向膜のパラメータを変化させたときのΔの極値の差であるＤΔのシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】測定対象５およびラビング方向を示す平面図である。
【図１１】Δの回転角による変化をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１２】測定試料および各投光光学系の回転角方向を示す平面図である。
【図１３】Δの回転角による変化および各投光光学系の回転角方向を示す図である。
【図１４】液晶配向膜のパラメータを変化させたときのΔの極値の差であるＤΔのシミュレーション結果を示す図である。
【図１５】本発明の他の実施形態の光学系の構成を示す斜視図である。
【図１６】図１５の平面図である。
【図１７】図５の側面図である。
【図１８】測定試料および各投光光学系の回転角範囲を示す平面図である。
【図１９】Δの回転角による変化および各投光光学系の回転角範囲を示す図である。
【図２０】液晶配向膜のパラメータを変化させたときのΨの極値の差であるＤΨのシミュレーション結果を示す図である。
【図２１】液晶配向膜のパラメータを変化させたときのΨの極値の差であるＤΨのシミュレーション結果を示す図である。
【図２２】測定対象の基準方向、分子の配向方向および極値を与える回転角の関係を説明するための図である。
【図２３】分子の配向方向がずれた状態を示す図２２に対応する図である。
【図２４】チルト角に対する極値を与える回転角の変化を示す図である。
【図２５】誘電率に対する極値を与える回転角の変化を示す図である。
【図２６】膜厚に対する極値を与える回転角の変化を示す図である。
【図２７】Δの極値を与える回転角と方位角との関係のシミュレーション結果を示す図である。
【図２８】液晶配向膜のモデルを示す図である。
【図２９】ラビング工程の概略図である。
【符号の説明】
【０１５３】
８−１，８−１‘，８−２，８−２’    投光光学系
９−１，９−１‘，９−２，９−２’    受光光学系
４                                    回転ステージ
５                                    測定対象
【図１】
2007285926.tif 000011
【図２】
2007285926.tif 000012
【図３】
2007285926.tif 000013
【図４】
2007285926.tif 000014
【図５】
2007285926.tif 000015
【図６】
2007285926.tif 000016
【図７】
2007285926.tif 000017
【図８】
2007285926.tif 000018
【図９】
2007285926.tif 000019
【図１０】
2007285926.tif 000020
【図１１】
2007285926.tif 000021
【図１２】
2007285926.tif 000022
【図１３】
2007285926.tif 000023
【図１４】
2007285926.tif 000024
【図１５】
2007285926.tif 000025
【図１６】
2007285926.tif 000026
【図１７】
2007285926.tif 000027
【図１８】
2007285926.tif 000028
【図１９】
2007285926.tif 000029
【図２０】
2007285926.tif 000030
【図２１】
2007285926.tif 000031
【図２２】
2007285926.tif 000032
【図２３】
2007285926.tif 000033
【図２４】
2007285926.tif 000034
【図２５】
2007285926.tif 000035
【図２６】
2007285926.tif 000036
【図２７】
2007285926.tif 000037
【図２８】
2007285926.tif 000038
【図２９】
2007285926.tif 000039