JP2735053B2

JP2735053B2 - 有機薄膜配向検査方法及び検査装置

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Publication number: JP2735053B2
Application number: JP29788495A
Authority: JP
Inventors: 一郎廣沢
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2015-10-20
Also published as: JPH09113412A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は有機薄膜の微小部分
子の配向測定方法及び装置に関し、特に、好ましくは、
液晶表示素子において液晶分子の配向を制御する有機薄
膜の分子配向を評価する方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】有機薄膜の膜中分子の配向状態はそれを
用いたデバイスの機能に与える影響が大きい。特に、液
晶表示素子で液晶分子に初期配向を与えるのに用いられ
る有機薄膜においては、有機薄膜分子の配向と、液晶分
子の配向と、の間に密接な関係があることが知られてお
り（例えば文献⁽¹⁾（石原他、“リキッドクリスタル
ズ(Liquid Crystals)”、第４巻、６号、第６６９頁、
１９８９年）参照）、有機薄膜の分子配向度が大きいほ
ど、液晶分子の配向規制力が大きいとされる。このため
に有機薄膜の分子配向の定量的測定はデバイスの機能を
評価する上で重要である。

【０００３】有機薄膜の従来の評価方法においては、赤
外線吸収分光法やラマン散乱分光法など、分子振動から
分子の状態を観察する方法が中心である。薄膜内の分子
配向度や配向方向についての知見は、分子配向に起因す
る薄膜の光学異方性を光の偏光を利用した二色比の測定
を行うことで評価している（例えば特開平６−１６０８
６２号公報参照）。

【０００４】振動分光法以外にも試料を透過した光の旋
光度によって光学異方性を評価することが行われている
（例えば特開平６−１０２５１２号公報参照）。

【０００５】また、偏光方向が膜表面に水平またはそれ
と直交する直線偏光を入射し、その反射光強度の差か
ら、分子配向によって生じる膜の面内の屈折率異方性を
観測する方法も提案されている（例えば特開平４−９５
８４５号公報参照）。

【０００６】さらに、上記した以外の、有機薄膜の従来
の評価方法として、原子間力顕微鏡や走査トンネル顕微
鏡によって薄膜表面の形状を二次元的に測定することが
行われている（例えば文献⁽²⁾（磯野他、日本学術振興
会、１４２委員会Ａ委員会Ａ部会、特別研究会試料、第
３４頁、１９９４年）参照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】赤外吸収等の光を用い
た振動分光による方法は、ガラス基板上に透明電極膜を
作製し、その上に液晶配向膜がある液晶表示素子を測定
する際に、ガラス基板や透明電極膜の影響を避けること
はできない。特に、１５００ｃｍ^-1より低波数の赤外線
はガラスを透過しないために吸収スペクトルの測定が困
難である。

【０００８】これまでの赤外分光による液晶配向膜の分
子配向の観測は１２４０ｃｍ^-1のピークに注目して測定
を行っているので（例えば文献⁽³⁾（沢他、“ジャパニ
ーズジャーナルオブアプライドフィジクス(Japan
ese Journal of Applied Physics)”、第３３巻、第６
２７３頁、１９９４年）参照）、現在使用されている液
晶表示素子の配向膜の検査を行うことはできない。

【０００９】複屈折率測定を行う場合、通常ガラス基板
自身が歪による複屈折異方性を持つので配向膜自身の複
屈折率を測定するのは困難である。従って、従来から知
られている方法では、配向膜中の分子の配向状態を正確
に評価することはできない。

【００１０】これに加えて複屈折位相差φ、複屈折率Δ
ｎ、膜厚ｄ、光の波長λとの間には次式(1)のような関
係がある。

【００１１】φ＝２π（Δｎ）ｄ／λ …(1)

【００１２】上式(1)は、複屈折位相差φの測定から得
られる量が、膜厚ｄと分子配向によって生じる複屈折率
Δｎの積であることを示している。

【００１３】液晶表示素子に配向膜として広く使われて
いる、ラビング処理されたポリイミド膜は、膜全体の分
子が配向するのではなく、表面付近が配向することが知
られている（例えば上記文献⁽³⁾（沢他、“ジャパニー
ズジャーナルオブアプライドフィジクス(Japan
ese Journal of Applied Physics)”、第３３巻、第６
２７３頁、１９９４年）参照）ので、配向した部分の厚
さが測定できなければ分子配向を定量的に知ることはで
きない。

【００１４】そして、膜からの反射光強度の入射光の偏
光状態と、膜への入射方向（分子の配向方向に対する入
射光の方向）の依存性から、膜の面内の屈折率異方性を
測定して配向を決定する方法が、例えば上記特開平４−
９５８４５号公報に提案されているが、複屈折位相差測
定と同様に、配向した部分の膜厚を測定することができ
ないために、膜の分子配向自身を測定することは不可能
である。

【００１５】さらに、測定を行う際の技術的な困難性と
して、表面形状の異方性の効果が挙げられる。すなわ
ち、液晶配向膜として広く用いられるポリイミド膜は、
ラビングにより膜中の分子に分子配向が与えられるが、
このラビング処理により、ラビング方向に走る微細な溝
が形成されることが知られている（例えば上記文献⁽²⁾
（磯野他、日本学術振興会、１４２委員会Ａ委員会Ａ部
会、特別研究会試料、第３４頁、１９９４年）等報告は
多数有る）。

【００１６】この溝の存在のために正反射方向以外に散
乱される光の量に差が生じて反射光強度に影響を与え
る。例えば、上記特開平４−９５８４５号公報の（実施
例３）には、入射光の偏光方向と垂直の偏光成分をもつ
反射光強度の測定から配向膜の状態の評価結果が記載さ
れているが、検出される反射光成分は膜中の配向してい
ない部分の厚さと表面の状態（荒れ）にも依存する量で
あるので、分子配向を直接反映している量とはいえな
い。

【００１７】また、原子間力顕微鏡による観察において
は、試料表面の粗さといった表面形状の測定がなされて
いるのみで、有機薄膜において原子レベルの分解能での
観察がなされた例はない。

【００１８】液晶配向膜の場合、これらの方法で観測さ
れた表面形状が液晶の配向状態に影響を与える膜中の分
子配向と直接の関係はないことは既に報告されている
（例えば上記文献⁽²⁾（磯野他、日本学術振興会、１４
２委員会Ａ委員会Ａ部会、特別研究会試料、第３４頁、
１９９４年）等報告は多数有る）。

【００１９】さらに、ラビングした表面をアセトン等の
有機溶媒で処理した膜では、液晶分子の配向規制力はあ
るものの、ラビングで発生した表面の筋状の構造がなく
なることが知られている。このように、表面形態観察は
膜の液晶配向規制力に関して直接的な情報を与えない。

【００２０】さらに、反射型の偏光顕微鏡による配向膜
の微小部分の評価も試みられている（ニコン社製『配向
膜観察顕微鏡』ＥＰＩＰＯＬ−５Ｄ参照）。この方法
は、直線偏光した光を試料に対してはほぼ垂直に入射
し、反射光のうち入射光の偏光成分とは垂直の成分をも
つ光の強度の面内部分を観察するものである。微小域を
観察するためには入射光をレンズを用いて集光し、反射
光をレンズを通して拡大し結像させる。入射光の偏光方
向に対する試料の向きを変えて観測することで膜の光学
的異方性をある程度観測できるが、定量的な観測は困難
である。さらに、光が試料に対してほぼ垂直に入射する
ためにガラス基板の歪が反射光の偏光状態に大きく影響
するために膜自身の分子配向の観測はより困難である。

【００２１】一方、分子配向は反射光の偏光状態の異方
性を観察することで測定できる。しかし、反射光の偏光
状態は試料の分子配向ばかりでなく、入射光の波長や試
料への入射角にも依存する。このため、微小領域を測定
するためにレンズを用いて入射光を絞ると、試料への入
射角に広がりが発生するために正確な測定ができなくな
ってしまう。

【００２２】以上のように、液晶配向膜の微小部での分
子配向を測定する方法はいまのところ存在しない。

【００２３】従って、本発明は上記問題点に鑑みてなさ
れたものであって、液晶表示素子に用いられる液晶高分
子配向膜の反射光強度の偏光及び入射角依存性を測定す
ることによって微小部の膜質を評価することを可能とす
る方法及び装置を提供することを目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、反射光強度の入射角及び偏光依存性の試
料の方向異方性測定による有機薄膜の分子配向の測定方
法であって、平行光線をレンズで集光してなる光を前記
試料に入射し、前記試料で反射した後再びレンズを通過
して平行光線とされてなる反射光の強度の空間分布を測
定して配向測定を行うことを特徴とする微小部の分子配
向測定方法を提供する。

【００２５】本発明は、第２の視点において、反射光強
度の入射角及び偏光依存性の試料の方向異方性測定によ
る有機薄膜のの分子配向の測定方法であって、入射面が
互いに直交する平行光線をレンズで集光した入射光を用
い、再びレンズを通過して平行光線とされたそれぞれの
反射光の強度の空間分布を測定して配向測定を行うこと
を特徴とする微小部の分子配向測定方法を提供する。

【００２６】また、本発明は、反射光強度の入射角及び
偏光依存性の試料の方向異方性測定による有機薄膜の分
子配向を測定する装置であって、平行光線を集光して試
料への入射光とするレンズを少なくとも備え、前記試料
で反射した後再び前記レンズを通過して平行光線とされ
てなる反射光の強度の空間分布を測定して配向測定を行
うことを特徴とする微小部の分子配向測定装置を提供す
る。

【００２７】そして、本発明は、反射光強度の入射角及
び偏光依存性の試料の方向異方性測定による液晶配向膜
の分子配向を測定する装置であって、入射面が互いに直
交する平行光線を集光して試料への入射光とするレンズ
を備え、前記試料で反射した後再び前記レンズを通過し
て平行光線とされてなるそれぞれの反射光の強度の空間
分布を測定して配向測定を行うことを特徴とする微小部
の分子配向測定装置を提供する。

【００２８】

【作用】従来より提案されている反射光強度異方性の測
定では、分子配向によって生じる屈折率の異方性と表面
荒れの異方性を区別することはできず、分子配向状態に
ついて定量的に知ることはできない。

【００２９】これに対して、本発明による入射角度依存
性の異方性の測定は、表面荒れの異方性と分子配向によ
って生じた屈折率異方性を測定することができる。これ
は、表面荒れは乱反射を生じるために、測定される反射
光の量の減少を引き起こし、入射角が大きくなるほどそ
の影響は大きい。

【００３０】この状態は膜が完全に透明ではなく、吸収
がある場合に置き換えることができる。膜に吸収がある
場合も、入射角が大きくなれば反射光の膜中の光路が長
くなるためにその影響は大きくなる。すなわち、表面荒
れの異方性は、みかけ上、吸収の異方性として観測さ
れ、分子配向に依存した屈折率の異方性とは分離して観
測される。

【００３１】また、反射光の偏光状態異方性の観測によ
り液晶配向膜の分子配向を観測する方法では、光をレン
ズ等で集光すると光の試料への入射角分布が大きくなっ
てしまうために、偏光解析から屈折率を正確に求めるこ
とができず、微小部の分子配向の定量的測定はできな
い。

【００３２】一方、反射光強度の入射角依存性の測定で
は、試料に対して入射角の定まった平行光線を入射させ
ることは不要とされ、レンズ等で集光された様々な入射
角をもった光を入射させることができるため、微小部分
の光学的性質を測定することができる。

【００３３】本発明においては、好ましくは、入射光は
試料面上に焦点を結ぶようにレンズを用いて集光され、
レンズの周辺部を通過した光の入射角は大きく、中央に
近いところを通過した光ほど入射角が小さくなる。従っ
て、集光による微小部観察においては入射角度の変化が
同時に行える。

【００３４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して以下に説明する。

【００３５】図１は、本発明の一実施形態に係る装置の
構成を説明するための図である。

【００３６】図１を参照して、単色光源１より出射され
た光はコンデンサーレンズ２により拡大されて平行光線
になり、スリット３によってほぼ線状の断面形状にされ
る。さらに、スリット３の出射光は偏光子４を通過して
直線偏光とされ、集光レンズ５の一側に入射する。この
際、光の長手方向が集光レンズ５の中心から周辺に向か
うように設定する。

【００３７】また、偏光子４を通過した光の振動面がス
リット３の長手方向に平行であれば、ｐ偏光が試料１０
に入射し、垂直であればｓ偏光が試料１０に入射するこ
とになる。

【００３８】さらに、集光レンズ５によって光は試料１
０の表面で焦点を結ぶ。この際、試料１０面に入射する
光は、集光レンズ５の周辺を通過したものほど入射角が
大きく、中心部ほど小さい。なお、単色光源１から試料
１０に入射するまでの光路は、図１に一点鎖線で示して
いる。

【００３９】そして、試料１０の表面から反射された光
は入射光の集光に用いた集光レンズ５を再び通過して平
行光線とされ、反射鏡６で向きを変えられた後、スリッ
ト７に入射する。

【００４０】さらに、拡大レンズ８によって拡大された
のち、１次元検出器９により光の強度が測定される。

【００４１】図１では、１次元検出器９の上側に入る反
射光の方が下側にくる反射光より入射角が小さい。以上
のように、１次元検出器９にて検出される反射光の位置
により、試料１０への入射角が判る。

【００４２】なお、反射鏡６は、光学素子のスペースの
都合で、図１に示す位置に配設して測定を行ったが、測
定において必ずしも必要なものではなく（例えば１次元
検出器９を集光レンズ５の上方に配置するような場合反
射鏡６は不要）、状況に応じて置く位置や個数は変化す
る。

【００４３】反射光強度の異方性の測定は、図１のスリ
ット３として図２（ａ）に示すような形状の開口部を持
つものを用い、試料１０を回転させて測定を行う。

【００４４】しかし、試料１０の表面の微小部の異方性
を観察するために、試料１０を回転させる場合には、観
測位置が回転中心に正確に一致している必要があり、現
実には装置の位置調整に時間を要する。

【００４５】そこで、スリット３の開口部を図２（ｂ）
に示すように、長手方向が互いに直交するような２本の
光を試料に入射する。この場合、図２（ｂ）に示すスリ
ットの第１の開口部１２の出射光がｐ偏光であれば、第
２の開口部１３の出射光はｓ偏光となり、第１の開口部
１２がｓ偏光の場合には、第２の開口部１３はｐ偏光に
なる。

【００４６】このように２本の光を用いた場合は、スリ
ット７の形状も図２（ｂ）に示すように２つの開口部を
もった形にする。また、反射光の検出器９には２次元検
出器あるいは２本の１次元検出器を組み合わせて用い
る。なお、実際の測定では２本の１次元検出器を組み合
わせて用いた。

【００４７】この装置を用いて以下の試料を測定した。

【００４８】ポリイミド原料液の日産化学のＳＥ７３１
１をコーニング社製７０５９ガラスの表面にスピンコー
ト装置を用いて塗布した後、２００℃で１時間加熱によ
る焼成を行った。この試料を光源にＨｅ−Ｎｅレーザー
の６３２．８ｎｍの光を用い、２つの光線を同時に試料
に入射させて異方性の測定を行った。なお、焦点の大き
さは約３０μｍである。

【００４９】その結果得られた反射率の入射角依存性の
測定結果を図３及び図４に示す。図３及び図４は、２方
向同時に光を入射してラビング前の試料を測定した際の
測定結果を示す図であり、図３と図４は互いに直交する
方向の反射率の分布を示している。図中の点が実測値、
実線は計算値を示している。なお、図中の実線は理論式
（文献⁽⁴⁾（アザム及びバサラ著、「エリプソメトリー
アンドポーラライズドライト」（Azzam & Bashar
a、“Ellipsometry and Polarized light”）、North-H
olland、第２８５頁、１９８７年刊）参照）に従ってポ
リイミド膜の屈折率と厚さを求めた際に得られた反射率
の計算値である。

【００５０】その結果、屈折率は１．６０〜１．６１、
膜圧は７．８〜８．２ｎｍとなった。なお、ラビングを
行っていないのでポリイミドの表面の荒れによるみかけ
の吸収は発生しないので、吸収の効果は考慮していな
い。

【００５１】図３と図４に示す測定結果はほぼ等しく、
ラビング処理前の試料表面は無配向状態であることがわ
かる。

【００５２】この測定の後、この試料を直径５０ｍｍの
バフ布ローラーで８００ｒｐｍ、送り速度２０ｍｍ／ｓ
で２回ラビングを行った後に再び観測を行った。

【００５３】２本の光のうち一方の長手方向をラビング
方向に一致させて測定した。測定結果を図５及び図６に
示す。図５がラビング方向に平行、図６がラビング方向
に垂直な方向である。

【００５４】図５及び図６から、両者の反射率の角度依
存性に差があるのは明らかである。図中の実線は図３及
び図４の場合と同様に、ポリイミド膜の屈折率膜厚から
計算した反射率である。今回は吸収についても考慮し
た。膜厚を８ｎｍに固定し、屈折率と吸収を測定から求
めると、ラビングに平行な方向では屈折率が１．６７９
〜１．６８５、吸収は小さいためにはっきりと決めるこ
とができず、約５×１０^-4程度と見積もられた。

【００５５】一方、ラビングに垂直な方向では屈折率が
１．５３３〜１．５４３、吸収が２×１０^-3となった。

【００５６】以上のように、ラビングによりポリイミド
分子が配向した様子が屈折率の異方性より明らかになっ
た。なお、ラビングと垂直方向では吸収の値が平行の場
合よりも大きく、表面荒れによる影響がより顕著となっ
ている。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
反射光強度の入射角及び偏光依存性の測定より、これま
での反射光の偏光解析では測定できない微小な領域の屈
折率等の光学的異方性の測定が可能となり、ポリイミド
液晶配向膜の分子配向の微小な領域での測定を可能とす
るという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る装置の構成を示す図
である。

【図２】本発明の一実施形態におけるスリットの開口部
を示した図である。（ａ）は一方向入射の際に用いるス
リットを示す図であり、（ｂ）は２方向入射の場合のス
リットを示す図である。

【図３】本発明の一実施形態により２方向同時入射でラ
ビング前の試料を測定した際の結果を示す図である。

【図４】本発明の一実施形態により２方向同時入射でラ
ビング前の試料を測定した際の結果を示す図である。

【図５】本発明の一実施形態により２方向同時入射でラ
ビング後の試料を測定した際の結果を示す図である（ラ
ビング方向に平行な向き）。

【図６】本発明の一実施形態により２方向同時入射でラ
ビング後の試料を測定した際の結果を示す図である（ラ
ビング方向に垂直な向き）。

【符号の説明】

１単色光源２コンデンサーレンズ３スリット４偏光子５集光レンズ６反射鏡７スリット８拡大レンズ９１次元検出器１１、１２、１３スリット開口部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】反射光強度の入射角及び偏光依存性の試料
の方向異方性測定による有機薄膜の分子配向の測定方法
であって、平行光線をレンズで集光してなる光を前記試料に入射
し、前記試料で反射した後再びレンズを通過して平行光
線とされてなる反射光の強度の空間分布を測定して配向
測定を行うことを特徴とする有機薄膜の配向検査方法。
【請求項２】反射光強度の入射角及び偏光依存性の試料
の方向異方性測定による有機薄膜のの分子配向の測定方
法であって、入射面が互いに直交する平行光線をレンズで集光した入
射光を用い、再びレンズを通過して平行光線とされたそ
れぞれの反射光の強度の空間分布を測定して配向測定を
行うことを特徴とする有機薄膜の配向検査方法。
【請求項３】反射光強度の入射角及び偏光依存性の試料
の方向異方性測定による有機薄膜の分子配向を測定する
装置であって、平行光線を集光して試料への入射光とするレンズを少な
くとも備え、前記試料で反射した後再び前記レンズを通過して平行光
線とされてなる反射光の強度の空間分布を測定して配向
測定を行うことを特徴とする有機薄膜の配向検査装置。
【請求項４】反射光強度の入射角及び偏光依存性の試料
の方向異方性測定による液晶配向膜の分子配向を測定す
る装置であって、入射面が互いに直交する平行光線を集光して試料への入
射光とするレンズを備え、前記試料で反射した後再び前記レンズを通過して平行光
線とされてなるそれぞれの反射光の強度の空間分布を測
定して配向測定を行うことを特徴とする有機薄膜の配向
検査装置。
【請求項５】請求項１又は２記載の有機薄膜の配向検査
方法により、基板上に有機薄膜を形成してなる液晶配向
膜の分子配向を測定することを特徴とする液晶配向膜の
検査方法。
【請求項６】請求項３又は４記載の有機薄膜の配向検査
装置を含み、基板上に有機薄膜を形成してなる液晶配向
膜の分子配向を測定することを特徴とする液晶配向膜の
検査装置。
【請求項７】前記試料を回転させるか又は入射面が互い
に交差する光を前記試料に入射し、それぞれの反射光の
偏光及び入射角依存性を測定して、微小部の分子配向を
測定することを特徴とする請求項１記載の有機薄膜の配
向検査方法。
【請求項８】単色光を出射する光源と、前記光源から出射された光を平行光線とする第１のレン
ズと、前記平行光線を光軸に直交する面上で所定形状に変換す
る変換手段と、前記変換手段からの出射光を直線偏光とする偏光手段
と、前記偏光手段からの直線偏光を試料表面上に集光させる
と共に前記試料表面からの反射光を平行光線とする第２
のレンズと、前記第２のレンズからの反射光の光強度の空間分布を検
出する手段と、を含むことを特徴とする有機薄膜の配向検査装置。
【請求項９】前記平行光線を光軸に直交する面上で所定
形状に変換する変換手段が、所定の矩形形状の開口部を
備えたスリットからなることを特徴とする請求項８記載
の有機薄膜の配向検査装置。
【請求項１０】前記平行光線を光軸に直交する面上で所
定形状に変換する変換手段が、所定の矩形形状の二つの
開口部を備え、前記二つの開口部が長手方向の延長線が
互いに直交するスリットからなることを特徴とする請求
項８記載の有機薄膜の配向検査装置。