KR980010522A - 배향막 검사장치 및 그 장치를 이용한 배향막 검사방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액정표시소자의 제조공정중 액정을 배향하기 위해 기판에 형성하는 배향막의 상태를 검사하기 위한 장치에 관한 것으로, 특히 레이저 빔을 편광자를 이용하여 편광시킨 후, 이 편광된 빛을 배향막의 표면에 사각으로 입사시켜 표면으로부터 반사되는 빛을 현미경의 대물렌즈를 통하여 확대되도록 한 다음, CCD 카메라를 이용하여 측정하고 이를 모니터로 확인할 수 있는 액정 배향막의 검사장치 및 그 장치를 이용한 배향막 검사방법에 관한 것이다.

Description

배향막 검사장치 및 그 장치를 이용한 배향막 검사방법

제1도는 본 발명에 따른 배향막 검사장치의 구성을 나타낸 도면.

제2도는 제1도의 배향막 검사장치로 촬영한 배향막의 상태를 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 레이저 발생장치 11 : 편광자

12 : X-Y-Z 스테이지 13 : 회전판

14 : 배향막이 형성된 기판 15 : 대물렌즈

16 : 검광자 17 : 경통

18 : CCD 카메라 19 : 모니터

100 : 결맞음 빛 발생부 200 : 기판 장착부

300 : 모니터링부

[발명의 목적]

본 발명은 액정표시소자의 제조공정 중 기판에 배향막을 형성하여 러빙공정 전과 러빙공정 후의 배향막상태를 검사할 수 있으며, 그 표면의 각종 결함들을 찾아내고, 또한 액정이 채워지지 않은 빈 셀내의 스페이서 분포를 제조공정상에서 검사할 수 있는 배향막 검사장치를 제공하여 배향막의 상태검사를 용이하게 실시하는 것을 목적으로 한다.

[발명이 속하는 기술분야 및 그 기술분야의 종래의 기술]

본 발명은 액정을 배향시키기 위한 배향막을 검사하는 장치에 관한 것으로, 특히, 액정표시소자의 제조공정에 있어서 기판상에 배향막을 형성하고, 형성된 배향막의 상태와, 배향막에 러빙공정을 실시한 후 러빙된 배향막의 상태를 검사하기 위한 배향막 검사장치 및 그 장치를 이용한 배향막 검사방법에 관한 것이다.

액정표시소자의 제조는 두 개의 기판에 액정을 배향시키기 위한 배향막을 형성하고 각종 러빙방법으로 러빙을 실시한 후, 러빙된 배향막을 갖는 두 개의 기판을 스페이서를 매개로 하여 배향막이 마주보도록 유지시켜 접합시켜 빈 셀을 만들고, 상기 빈 셀 내부에 액정을 주입하여 액정표시소자를 제조하였다.

상기에서 러빙공정은 액정분자를 소정방향으로 배향시키기 위하여 실시하는 공정으로, 한 실시 예로는 연속 회전하는 드럼의 외주에 감싸여져 있는 러빙천을 기판에 도포된 배향막에 밀착하여 이동시킴으로써 배향막에 러빙을 실시한다.

상기와 같은 러빙처리를 한 배향막은 액정분자를 매우양호하게 배향시키는데 지금까지는 이 러빙처리에 의한 배향막이 어떻게 변화하는 가는 학문적으로 명확하게 밝혀지지 않았다. 다만 경험에 의하여 어떤 공정과정이 보다 효과적인지를 알 수 있을 뿐이다.

따라서 최근에는 배향막의 러빙상태를 관찰하기 위한 시도로서 전자현미경(SEM)이나 원자간력현미경(Atomic Force Microscope) 등의 원자 스캐일(scale) 장비가 사용되고 있다. 구체적인 예로서는 AFM으로 홈이라고 여겨지는 피치의 모양을 관찰한 것이 보고되어 있다.

[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]

그렇지만 상기 SEM이나 AFM은 시료를 관찰하기 위한 준비가 어려울 뿐만 아니라 미세범위의 관찰밖에는 할 수 없기 때문에 넓은 범위를 관찰하는데 많은 시간이 소요된다. 예를 들면 SEM은 시료를 진공실에 넣어 검사하여야 하며, 또한 AFM은 원자간력이라고 하는 아주 미약한 힘을 측정하고 있기 때문에 한 번에 관찰할 수 있는 범위가 수 nm ∼ 수 μm 정도로 미세하다. 따라서 어느 정도 넓은 범위를 관찰하는데 많은 시간이 소요되며, 상기 장비를 설치한다 하더라도 매우 고가인데다가 설치조건도 까다로워 러빙측정장치로는 효율적이지 못하다.

이러한 실정에 의해 상기 배향막상의 러빙을 검사하는 공정은 액정표시소자를 제조하는 공정 중에는 생략되어 있다. 즉 러빙공정에 의해 러빙된 배향막의 불량여부는 실제로 액정표시소자가 완성된 다음, 액정표시소자의 동작을 확인하는 것으로 판단할 수 있었다. 따라서 만약 러빙공정에서 불량품이 된 기판에도 러빙공정 이후의 공정을 실시한 다음에야 완전한 액정 표시소자의 작동에 의해 불량여부를 판별 할 수 있어 시간적으로나 경제적으로 많은 손실을 가져온다는 문제점이 있다.

근래 일본에서는 상기 장치들이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 편광도가 큰 편광현미경을 이용하여 러빙의 무늬를 관찰하는 시도가 있었다. 이 장치는 배향막의 러빙방향에 대해 편광방향이 45도 틀어져 있는 두 개의 편광소자를 가지는 편광 관찰 광학계를 이용한 것이었다. 상기 장치는 광학적 측정이므로 AMF에 비해서 훨씬 넓은 범위를 관찰 할 수 있다. 그러나 상기 장치로는 근본적으로 미세한 러빙무늬를 잡아내기는 곤란하다. 상기 장치는 러빙에 의한 편광특성을 편광현미경으로 관측하고자 하는 시도임에도 불구하고, 액정배향막에 편광된 광원을 수직으로 입사해야 하기 때문에 관측영상에 러빙무늬 뿐만아니라 전극면, 배선 패턴 등 bulk 특성이 반영된다. 즉 상기 측정장치를 사용하여 순수하게 배향막의 표면만을 관찰하는 것은 어렵다. 또한 상기 장치는 레이저등과 같은 결맞음(coherent) 빛을 광원으로 사용하기가 곤란하다. 그 이유는 상기 장치에 빛의 경로에 있는 수많은 광학면을 가지고 있어 각면으로부터의 간섭들로 인하여 매우 복잡한 상을 만들기 때문이다. 따라서 상기 장치는 백색광의 광원을 사용하여야 함으로 분산특성의 제한성을 받을 수 밖에 없다.

상술한 배향막의 러빙방향 관찰방법 중 AMF를 이용하여 러빙표면을 관측한 예는 논문 등에 게재되는 등 보편적으로 인정되고 있으나, 편광현미경을 이용한 예는 발표사례가 보편적이지 못해 인정받지 못하고 있다.

상술한 종래 장치들의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 결맞음 빛인 레이저 빔을 편광자를 이용하여 편광시키고, 상기 편광된 빛을 러빙된 배향막의 표면에 사각으로 입사시키는 두 가지 방법으로 배향막 표면의 러빙방향이나 불순물 등을 검사한다. 첫째방법은 편광을 입사면에 평행한 P편광으로 만들고 입사각이 브루스터각이 되도록 조사하면 배향막의 표면으로부터의 반사가 최소가 된다. 이때 표면으로부터 반사되는 최소의 빛은 현미경이 대물렌즈를 사용하여 확대가 되도록 한다. 상기 대물렌즈 뒤에는 검광자를 장치하고 검광자 뒤에는 모니터에 연결되어 있는 CCD 카메라를 장착하여 검광자를 통과한 빛이 CCD 카메라에 촬영되어 모니터에 나타나도록 한다. 두 번째 방법으로 브루스터각에서 벗어나는 각으로 레이저 빔을 입사했을 경우인데 방법은 상기 첫 번째 방법과 같으며 다만 검광자의 각도와 편광각 등 입사조건에 따라 CCD 카메라의 촬영이 용이할 정도로 맞추어 주면 된다.

상기와 같은 장치와 방법으로 배향막 표면의 러빙상태와 불순물 그리고 빈 셀의 스페이서 위치를 검사할 수 있다.

[발명의 구성 및 작용]

본 발명은 결맞음 빛 발생부(100)와, 배향막이 코팅된 기판을 장착하기 위한 기판 장착부(200), 그리고 결맞음 빛 이 배향막에 의해 반사되는 빛을 관찰하기 위한 모니터링 부(300)로 구성된다.

제1도는 본 발명에 따른 배향막 검사장치의 한 실시 예를 나타낸 것으로, 먼저 결맞음 빛 발생부(100)는 레이저 발생장치(10)와 편광자(11)으로 구성된다. 상기 레이저 빔 발생장치(10)는 일반적으로 사용되는 헬륨-네온(He-Ne) 레이저나 가시영역의 반도체 레이저를 발생시키는 레이저 빔 발생장치를 사용하며, 상기 레이저 빔 발생장치(10)로부터 발생된 레이저를 편광 시키는 편광자(11)는 편광효율(extinction ratio)이 높은 편광판을 사용하는 것이 효과적인데 본 실시 예에서는 Glan-Thompson 편광자를 사용한다. 상기 편광자(11)는 로테이션 스테이지(도시되지 않음)에 설치하여 레이저 빔의 편광방향을 조정할 수 있도록한다.

다음으로 배향막이 형성된 기판(14)이 장착되는 기판 장착부(200)는 상기 기판(14)을 장착할 수 있는 회전판(13)과, 상기 기판(14)이 장착된 회전판(13)을 설치할 수 있는 X-Y-Z 스테이지(12)로 구성된다. 상기 회전판(13)은 배향막의 검사하기 위한 최적각도를 찾는데 사용되며, X-Y-Z 스테이지(12)의 X-Y 스테이지는 배향막 표면의 스캔용으로 사용되고, Z 스테이지는 상기 배향막에 조사되는 편광된 레이저 빔의 초점을 맞추는데 사용된다.

다음으로 기판(14)에 반사되는 미세한 빛을 확대 관찰하는 모니터링부(300)는 반사되는 빛을 확대시키기 위한 현미경 경통부와, 상기 현미경 경통부에에 의해 확대된 빛을 촬영하기 위한 CCD카메라(18)와, 상기 CCD카메라(18)에 의해 촬영된 빛을 육안으로 확인할 수 있는 모니터(19)로 구성된다. 상기 현미경 경통부는 경통(17)과, 대물렌즈(15) 그리고 검광자(16)로 구성되는데 경통(17)은 촬영하고자 하는 빛을 유도하는 경로로 상기 경통(17)의 기판장착부(200) 방향의 끝단에 각기 다른 배율의 3개이상 대물렌즈(15)가 회전식으로 부착되어 있어 원하는 배율로 빛을 확대시킬 수 있고, 상기 검광자(16)는 편광자와 같은 편광제원을 가지며 회전 가능하도록 설치된다. 또한 상기 경통부(300)에 경통(17)의 또다른 끝단에는 극미량의 미세한 빛에 대해서도 예민하게 영상을 촬영할 수 있는 CCD 카메라(18)가 설치되며, 상기 CCD카메라(18)에서 촬영된 영상은 검사자가 육안으로 확인할 수 있도록 모니터(19)가 연결되어 있다.

상술한 바와 같이 구성되어 있는 배향막 검사장치를 이용한 배향막의 검사방법은 편광 되어 기판에 조사되는 레이저 빔의 각도에 따라 브루스터 모드와 비 브루스터 모드 등 두 가지 모드로 구동할 수 있는데, 비 브루스터 모드는 브루스터 모드와 입사편광 및 입사각의 조건만 다를 뿐 작동 개념은 서로 동일하다.

먼저, 브루스터 모드로 이 장치를 작동시켜 배향막을 검사하는 방법은 레이저의 출력이 크면 좋으나 약 0.5mW 급의 가시광 레이저인 헬륨-네온 레이저 또는 반도체 레이저를 사용하여도 측정에는 문제가 없다. 상기 레이저 빔 발생장치(10)로 부터 레이저 빔을 발생시켜 레이저 빔 발생장치(10) 앞쪽에 설치된 Glan-Thompson 편 광자(11)를 통과시켜 레이저 빔이 높은 편광도를 지니도록 한다. 다음에 배향막이 형성되어 있는 기판(14)을 X-Y-Z 스테이지(12)에 설치되어 있는 회전판(13)에 장착한다. 이때 배향막의 방향은 임의의 방향이어도 좋으나 측정의 최적조건을 찾기 위하여 회전판(13)을 회전시켜가며 최적의 각도를 찾는다. 상기 편광자(11)를 지난 입사광은 입사면에 대해 평행한 p편광이 되도록 하며, 배향막에 조사되는 편광된 레이저 빔의 각도가 브루스터각을 갖도록 한다. 이때, 배향막의 굴절률을 알면 계산으로 브루스터각을 계산할 수 있지만 배향막의 굴절률을 모르더라도 배향막으로부터 반사되는 빛이 최소가 되도록 입사각을 조정하면 된다. 이 경우 반사의 세기는 입사의 세기에 비해 훨씬 작지만 눈의 감광도는 이를 충분히 분간할 수 있다.

상술한 바와 같이 최적의 조건으로 조사되어 배향막의 표면에서 반사되는 빛은 경통부(300)의 대물렌즈(15)에 의해 확대되고, 상기 확대된 빛은 검광자(17)를 통과하여 CCD 카메라(18)에 의해 촬영된다. 원래 브루스터 조건에서는 p성분의 반사광은 생기지 않아야 되나 러빙이 되지 않은 배향막에서는 시료의 불균질 또는 정렬의 틀어짐으로 인해 그리고 러빙된 배향막에서는 시료의 불균질과 정렬의 틀어짐, 그리고 러빙으로 인해 생기는 광학적 불균질과 표면의 굴곡으로 인해 미약한 반사광은 생긴다. 즉, 상기 반사광은 시료표면의 결함이나 러빙상태를 나타내는 정보를 포함하게 된다. 이때, 상기 반사광을 육안으로 보면 매우 약하나 CCD 카메라로 검출하기에는 충분한 밝기를 갖는다. 따라서 대물렌즈 뒤에 검광자(17)를 설치하고 이를 회전 조정하여 모니터로 확인하는데 적정한 조건을 찾으면 된다. 상기 확대되어 검광자(17)를 통과한 미세한 빛은 CCD 카메라(18)에 입사되어 상을 맺도록 하고, 상기 상은 모니터(19)에 나타나 검사자가 육안으로 확인할 수 있다.

상술한 방법으로 기판의 뒷면도 검사할 수도 있다. 일반적으로 기판의 앞뒷면에서 반사되는 두 빛은 경로가 다름에 의해 약간의 경로차를 보인다. 이 정도의 차이를 완전히 분리하기는 쉽지가 않다. 그러나 대물렌즈와 CCD카메라를 뺀 상태에서 경통 끝에 반투명 프라스틱 판(예:필림통 뚜껑)을 설치하고, 기판의 뒷면에서 반사된 빛이 경통의 중심에 오도록 Z축을 조절한 다음, 대물렌즈와 CCD 카메라를 다시 설치하면 대물렌즈의 배율에 의해 두 빛을 쉽게 분리할 수 있어, 기판의 뒷면도 검사할 수 있다.

다음으로 비 브루스터 모드로 레이저 빔을 배향막에 입사시켜 검사하는 방법은 브루스터 모드를 사용하는 방법과 동일하고 다만 배향막의 표면에 편광된 레이저 빔이 입사각 및 편광방향이 다르다. 이 경우에도 배향막의 표면형태가 모니터에 적당한 밝기로 표현될 수 있도록 검광자를 회전조정하여 아주 적은량의 반사광만이 CCD카메라에 입사되도록 한다. 상기 입사각이 작으면 배향막의 표면과 뒷면에 반사되는 두빛을 분리하는데 불리하므로 입사각을 크게 하는 것이 바람직하다.

제2도는 본 발명에 따른 제1도의 배향막 검사장치를 사용하여 촬영한 배향막의 상태를 나타낸 것으로써, (a)는 배향막의 표면에 나타나는 흠집들을 나타낸 것이고, (b)는 러빙된 배향막을 나타낸 것으로 (b)의 배향막 러빙상태가 양호한 것을 나타낸다. (c)는 러빙된 배향막에 나타나는 결함들을 나타낸 것이고, (d)는 배향막 형성과정에서 발생한 화학적 결함을 나타낸 것이다.

[발명의 효과]

상술한 바와 같이 사각으로 입사하는 광학적 측정방법을 사용하는 배향막 검사장치는 측정방법을 두 가지 모드를 사용함으로써 조건에 맞는 방법을 사용할 수 있다.

즉 브루스터 모드의 경우에는 초기 셋업만 이루어지면 기판으로 부터의 반사가 최소가 되므로 반복적인 측정이 편리하고, 비 브루스터 모드의 경우에는 정렬이 용이하여 다른 조건의 여러 시료를 단 시간에 비교할 대 편리하다.

또한 상술한 배향막 검사장치는 기존의 AMF이나 편광 현미경형의 장비가 러빙측정에만 이용된데 반하여 러빙검사, 표면검사, 스페이서 검사 등에 사용할 수 있는 등 활용범위가 넓으며, 대물렌즈의 배율에 따라 다르나 나타나는 영상은 보통 수mm 정도를 볼 수 있으므로 넓은 면적을 스캐닝 할 수 있고, 도면에서 보듯이 매우 깨끗한 러빙상을 볼 수 있다.

또한 본 발명의 배향막 검사장치는 광원으로 결맞으면서도 단색광인 레이저 빔을 사용함으로서 시료의 굴절률의 분산효과를 고려하지 않아도 된다.

또한 액정표시소자의 기판의 두께가 얇으므로 입사광을 기판에 입사시키면 기판의 앞면과 뒷면으로부터의 반사가 겹쳐지게 된다. 이때 배율이 높은 대물렌즈를 사용함으로써 두 빛을 분간할 수 있어, 반사되는 두 빛 중 하나를 선택하여 관찰함으로서 기판의 앞면 뿐만아니라 뒷면도 선택적으로 조사할 수 있으며, 배향막이 형성된 두 개의 기판으로 제조된 빈 셀 내부에 위치하는 스페이서의 분포도 확인 할 수 있다.

Claims (10)

1. 검사하고자 하는 배향막에 입사되는 빛을 발생시키는 결맞음 빛 발생부와, 상기 결맞음 빛 발생부에서 발생된 결맞음 빛이 조사되는 배향막을 갖는 기판을 장착하기 위한 기판 장착부와, 상기 기판 장착부에 장착되는 배향막에 반사된 빛을 관찰하기 위한 모니터링부를 포함하는 배향막 검사장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 결맞음 빛 발생부는 레이저빔 발생장치와, 상기 레이저빔 발생장치에서 발생된 레이저빔을 편광 시키기 위한 편광자를 포함하는 것을 특징으로 하는 배향막 검사장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 레이저빔 발생장치는 헬륨-네온 레이저 발생장치 또는 가시광선 영역의 반도체 레이저 발생장치인 것을 특징으로 하는 배향막 검사장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 편광자는 Glan-Thompson 편광자인 것을 특징으로 하는 배향막 검사장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 기판장착부는 배향막 러빙측정의 최적각도를 찾기 위해 기판을 장착하여 회전조정할 수 있는 회전판과, 상기 회전판을 장착할 수 있으며 X-Y방향으로 이동하여 기판을 스캔할 수 있고, Z방향으로 이동하여 광원의 초점을 조절할 수 있는 X-Y-Z스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 배향막 검사장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 모니터링부는 배향막으로부터 반사되는 빛을 확대 검광시키는 현미경 경통부와,상기 현미경 경통부로부터 확대 검광된 빛을 촬영하기 위한 CCD카메라와, 상기 CCD카메라에서 촬영한 영상을 육안으로 확인하기 위한 모니터를 포함하는 것을 특징으로 하는 배향막 검사장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 현미경 경통부는 반사되는 빛을 확대시키기 위한 다수개의 대물렌즈와, 상기 대물렌즈에 의해 확대된 빛을 검광시키는 검광자와, 상기 대물렌즈와 검광자를 설치 고정시키기 위한 경통을 포함하는 것을 특징으로 하는 배향막 검사장치.
8. 기판 장착부에 배향막을 가지는 기판을 장착하는 단계와, 상기 기판장착부에 장착된 기판에 결맞음 빛 발생부의 레이저 빔 발생장치로 부터 레이저 빔을 발생시키고, 편광자에 의해 편광시켜 사각으로 입사시키는 단계와, 상기 입사된 빛의 초점과 검사조건에 맞추기 위하여 회전판과 X-Y-Z 스테이지를 조정하는 단계와, 상기 배향막에 사각으로 입사되어 반사되는 빛을 모니터링부의 대물렌즈로 확대시키고, 검광자를 통과시켜 CCD 카메라로 촬영하는 단계와, 상기 CCD 카메라에 의해 촬영된 영상을 모니터로 확인하는 단계를 포함하는 배향막 검사장치를 이용한 배향막 검사방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 배향막에 입사되는 사각은 브루스터 각인 것을 특징으로 하는 배향막 검사장치를 이용한 배향막 검사방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 배향막에 입사되는 사각은 비 브루스터 각인 것을 특징으로 하는 배향막 검사장치를 이용한 배향막 검사방법.

    ※ 참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.