JP2005062877A

JP2005062877A - 液晶ディスプレイ

Info

Publication number: JP2005062877A
Application number: JP2004235126A
Authority: JP
Inventors: Zhi Qiang Gao; チアンガオジー; Steve Wai Leung Yeung; ウェイレオンヨンスティーブ; George Lee; リージョージ
Original assignee: Varintelligent BVI Ltd
Current assignee: Varintelligent BVI Ltd
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2004-08-12
Publication date: 2005-03-10
Also published as: US20050062921A1; EP1507163A2; EP1507163A3; KR20050017593A; CN1580909A; TW200515032A

Abstract

【課題】簡単かつ低コストで光り安定性及びコントラストが高くプレチルト角が安定したホメオトロピックまたは傾斜ホメオトロピック配向層を提供する。
【解決手段】液晶ディスプレイの少なくとも２枚の基板と、当該基板上に被覆されたホメオトロピック配向膜または傾斜ホメオトロピック配向膜と、隣接する基板間のネマチック液晶混合物とを具える液晶ディスプレイが提供される。配向膜はアモルファスフッ化炭素膜の単一層で、炭化水素ガス、水素ガス、フッ化炭化水素ガス、或いはこれらの混合体を用い、プラズマエンハンスト化学蒸着法又はスパッタ蒸着法により、基板に斜め蒸着することによって作成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置の分野に関する。より明確には、本発明は垂直配向（Vertical Aligned）の液晶ディスプレイ装置およびこのような液晶ディスプレイ装置の製造方法に関する。

垂直配向は、視野角依存性（dark state）が低くコントラストが高いため、高解像度ディスプレイやプロジェクションディスプレイで非常に重要となっている。いわゆる正常なブラックモードは、ＴＦＴディスプレイや液晶シリコンマイクロディスプレイ（Liquid Crystal On Silicon Microdisplay）の双方においてコントラストおよびカラーパフォーマンスを向上させる。本願では、例えば、配向層で被覆され負誘電異方性の液晶を満たしたＩＴＯガラスまたはＣＭＯＳシリコンウエハの基板が用いられる。

垂直配向を乾式および湿式で得るのに多々の方法がある。例えばポリイミド溶剤、ＳｉＯｘ、ＳｉｘＮｙ、カルシウムフロライド、有機ポリマー層のイオンミーリングなどである。

湿式はプロセスが発達しておりサイクルタイムが短いという利点がある。しかしながら、機械的なバフ工程が必要であるため大量の塵や埃が生じ、これが最終生産物に多大な影響を与えてしまう。この影響はピクセルサイズの小さなディスプレイで特に大きくなる。ポリイミドには信頼性の課題もある。光度が強く長いためこのポリマーコーティングのパフォーマンスが劣化し、明るさと色の双方が変化してしまう。

乾式は、バフ工程が不要であり光の安定度も高い。ＳｉＯｘはホメオトロピック配向を得る最も一般的な方法である。従来の無機配向層は２段階角度蒸着法（two-step angle vapor deposition）によりプレチルト角と均一性を得ている。これには２つの大きな問題がある。入射角の敏感性と厚み制御である。蒸着角や厚みが少しでも変化すると性能にばらつきが生じるため、この方法は大量生産には向かないとされる。さらに、２段階の蒸着はコスト面で効率的ではない。各蒸着のサイクルタイムが１時間以上かかり、スループットレートが非常に低い。

本発明の課題は、これらの不都合を軽減することである。

本発明の液晶ディスプレイ装置は、複数の基板と、当該基板上に被覆されたホメオトロピック配向膜と、隣接する基板間のネマティック液晶混合物とを具えることを特徴とする。

本発明のＬＣＤの実施例では、単一またはマルチドメインの透過型，反射型，半透過型の液晶ディスプレイと、光安定性およびコントラストが高くプレチルト角が安定したホメオトロピックまたは傾斜ホメオトロピック配向層（tilted homeotropic-alignment layer(s)）が提供される。

本発明は、簡単かつ低コストで配向層を得る方法を開示する。１段階の蒸着により短いサイクルタイムで所望の特性が得られる。

本発明は、ＩＴＯガラスおよびシリコンウエハの双方に同じホメオトロピック配向特性を有する配向層を形成する好適な方法を提供する。ＩＴＯガラスは、ＴＮ／ＳＴＮＬＣＤディスプレイ用の通常の光沢のあるソーダ石灰ガラス、または反射型マイクロディスプレイ用の指数マッチングマルチレイヤＩＴＯ硼珪酸ガラス（index matching multi-layer ITO borosilicate glass）を用いることができる。シリコンウエハは、磨き上げた反射型ウエハまたはＣＭＯＳＡｌ鏡面処理シリコンウエハを用いることができる。フッ化ダイヤモンドライクカーボン（Fluorinated-Diamond like Carbon：Ｆ−ＤＬＣ）の単一層をフッ化ガスで斜めプラズマ蒸着法（oblique plasma deposition method）により基板上に蒸着させてもよい。

本発明は、同じ配向膜を具えるホメオトロピックまたは傾斜ホメオトロピック配向液晶ディスプレイ装置を提供する。この薄膜蒸着の蒸着室は蒸着ソースと、所定の角度に保持された基板とを具えており、基板の法線に対する分子の入射角は斜角となる。

配向層は、プラズマエンハンスト化学蒸着法（plasma enhansed chemical vapor deposition）またはスパッタ蒸着法により形成される。基板は接地していても浮いていてもよい。基板に接続された外部電源が、蒸着の間所望のバイアスを提供する。このバイアスの範囲は＋１０００Ｖから−１０００Ｖであり、好ましくは＋３００Ｖから−３００Ｖである。フッ化カーボン配向層の厚さは約５ｎｍから２０００ｎｍである。この膜は、１５％以下、好ましくは５％以下の他の成分、例えばＳｉ，Ｏ，Ａｒ，Ｎ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｈｅ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｍｇ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｃａ，Ｂ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｂａ，Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ，Ｍｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｂ，Ｐ，Ｓ，Ｓｅ等、あるいはこれら成分の混合物を含んでいてもよい。

蒸着は、プラズマを形成する作用ガスまたはガス混合体である。このガスは、炭化水素ガス，水素ガス，フッ化炭化水素ガス，あるいはこれらの混合体を用いることができる。このガスは、ＣＨ_４，Ｃ_２Ｈ_２，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_６，Ｈ_２，ＨＦ，ＣＦＨ_３，ＣＦ_２Ｈ_２，ＣＦ_３Ｈ，ＣＦ_４，Ｃ_２Ｆ_６，Ｃ_４Ｆ_８等を含むのが望ましいが、これに限定されるものではない。

本発明には、真空到達度が１００から１×１０^６Ｔｏｒｒの真空室を用いることができる。

添付の図面は本発明で用いる装置およびセル構造の理解を補助するものである。これらは詳細な説明において参照され、これらの図面によりコンセプトがより理解されることになる。

本発明に係る傾斜ホメオトロピック液晶ディスプレイの基本セル構造を図１に示す。この液晶ディスプレイは透過型または反射型あるいは半透過型であり、基板（１，７）と、導電性の電極（２，６）と、配向層（３，５）とを具える。これは負誘電異方性の液晶（４）で満たされている。液晶の分子（８）は、基板の法線（９）に対し所定の斜角をなすよう配列されている。

ホメオトロピック液晶ディスプレイの基板（１，７）の厚さは０．１から５ｍｍの範囲であり、より好ましくは０．２から３ｍｍである。この厚さは用いる材料に応じて変化してもよい。この基板は、例えばＡｌメタル鏡面を有するＣＭＯＳシリコンウエハなど、設計によりマルチレイヤ構造としてもよい。

導電性電極（２，６）の厚さは１０Åから５０００Åの範囲であり、より好ましくは１００Åから２０００Åである。この電極の厚さは、膜の特性に応じて変化させたりマルチレイヤとしてもよい。

液晶配向用の無機配向膜（３，５）の厚さは実質的に５０から２００００Åの範囲であり、より好ましくは１００Åから２０００Åである。この配向層の厚さは膜の特性に応じて変化させたりマルチレイヤとしてもよい。

負誘電異方性を有する液晶（４）が用いられている。これは例えばE. M. Merck CorporationからモデルＭＬＣ−６６０８、ＭＬＣ−６６０９、ＭＬＣ−６６１０として供給されている。他のベンダーからの負異方性の適切な液晶を用いてもよい。

図１と同じ構造をもつ傾斜ホメオトロピック配向の反射型ディスプレイの場合、基板（１，７）はその上に誘電性電極（２，６）を有する。無機配向膜（３，５）がプラズマエンハンスト化学蒸着により斜角をつけて蒸着されている。液晶分子（８）は、基板の法線（９）に対し所定の斜角をなすよう配向層の上に配列されている。均一性およびプレチルト角の大きさはディスプレイのコントラストにより調整し、見ることができる。

高品質のホメオトロピック液晶ディスプレイはセルのコントラストが均質でなければならない。直接的な検査はクロス偏光の下でオン／オフパフォーマンスを観察することにより行うことができる。オフ状態では如何なる色の変化も観測されてはならない。プレチルト角はセルローテーション法にて調整しアイソジャイレダイアグラム（isogyre diagram）により検査することができる。図３に、セルローテーション法用のセルギャップが２０ｕｍの透過ディスプレイを示す。アイソジャイレダイアグラムはプレチルト角のある垂直配向特性を示している。ピクセルが１２ｕｍのサイズの反射型マイクロディスプレイも形成されており、良好なホメオトロピック配向を示している。

図２は、薄膜蒸着システムの概略を示す図である。このシステムは蒸着ソースと、シャッタと、処理対象の基板とを含む真空室を具える。基板は基板の法線に対し斜角を設けて配置されている。配向層はプラズマエンハンスト化学蒸着法またはスパッタ蒸着法により形成される。基板は接地していても浮いていてもよい。基板に接続された外部電源が、蒸着の間所望のバイアスを提供する。このバイアスレンジは＋３００Ｖから−３００Ｖである。発明者による実験では、フッ化炭素配向層の厚みは１００Åから１０００Åである。蒸着にはプラズマを形成する作用ガスまたはガス混合体を用いる。このガスには、炭化水素ガス，水素ガス，フッ化炭化水素ガス，またはこれらの混合体を用いることができる。このガスは、ＣＨ_４，Ｃ_２Ｈ_２，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_６，Ｈ_２，ＨＦ，ＣＦＨ_３，ＣＦ_２Ｈ_２，ＣＦ_３Ｈ，ＣＦ_４，Ｃ_２Ｆ_６，Ｃ_４Ｆ_８等を含むのが望ましいが、これに限定されるものではない。本発明に用いる真空室は、真空到達度が１００から１×１０^６Ｔｏｒｒである。

このようにして、本発明は光安定性のホメオトロピック配向または傾斜ホメオトロピック配向液晶ディスプレイを提供する。いくつかの好適な実施例について本発明を説明したが、本発明は添付した特許請求の範囲の意図および目的の範囲内で変化させてもよいことは当業者であれば自明である。

非有機配向層を具える液晶ディスプレイのセル構造を示す図である。蒸着室における様々な部品の位置関係および配置を示す図である。プラズマエンハンスト化学蒸着法により基板上の配向が斜角となる。セルローテーション法によるプレチルト値のセルギャップが２０ｕｍの透過ホメオトロピック配向液晶ディスプレイである。ベルトランレンズ（Bertrand lens）を用いる顕微鏡で観察されるアイソジャイレの図であり、非軸構成の干渉パターンを示す。

Claims

少なくとも２枚の基板と、当該基板上に被覆されたホメオトロピック配向膜と、隣接する基板間の液晶混合物と、を具えることを特徴とする液晶ディスプレイ装置。
前記ホメオトロピック配向膜は傾斜ホメオトロピック配向膜であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記ホメオトロピック配向膜は、単一ドメイン、２ドメイン、または４ドメインのホメオトロピック配向膜を具えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記ホメオトロピック配向膜は、アモルファスフッ化炭素膜を具えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
前記フッ化炭素ホメオトロピック配向膜が水素を含むことを特徴とする請求項４に記載の装置。
前記フッ化炭素ホメオトロピック配向膜が、Ｓｉ，Ｏ，Ａｒ，Ｎ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｈｅ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｃｏ，Ｍｇ，Ａｇ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｃａ，Ｂ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｂａ，Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ，Ｍｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｂ，Ｐ，Ｓ，Ｓｅ，他，あるいはこれら成分の混合物など、他の元素の不純物を１５％以下、好ましくは５％以下含むことを特徴とする請求項４または５に記載の装置。
前記ホメオトロピック配向膜の厚さが、５ｎｍから２０００ｎｍ、好ましくは１０ｎｍから１００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の装置。
前記ホメオトロピック配向膜が、可視光範囲の透過度が５０％以上、好ましくは７５％以上であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
前記ホメオトロピック配向膜が、抵抗率が１×１０^２から１×１０^１４Ωｃｍの絶縁性または導電性であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の装置。
前記装置は受動的に駆動されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の装置。
前記装置は能動的に駆動されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の装置。
前記能動駆動は薄膜トランジスタにより行われることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
前記能動駆動はＣＭＯＳにより行われることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
前記基板の各々が、被覆された導電膜を具える電極を具えることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の装置。
装置の漏れ電流を抑制し、および／または、光学的結合を改善し、および／または、前記配向膜の厚みを低減するためのバッファ層が前記電極の上に形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
前記ホメオトロピック配向膜がプラズマエンハンスト化学蒸着により形成されていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載の装置。
前記ホメオトロピック配向膜がスパッタ蒸着により形成されていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載の装置。
請求項１乃至１５のいずれかに記載の液晶ディスプレイ装置の製造方法であって、前記ホメオトロピック配向膜がスパッタ蒸着により形成されることを特徴とする方法。
請求項１乃至１５のいずれかに記載の液晶ディスプレイ装置の製造方法であって、前記ホメオトロピック配向膜がプラズマエンハンスト化学蒸着により形成されることを特徴とする方法。
前記ホメオトロピック配向膜の蒸着の間、前記基板の各々が蒸着ソースに対して角度をつけて保持されていることを特徴とする請求項１８または１９に記載の方法。
前記基板と蒸着面の間の角度が、±０°から±９０°、好ましくは±１°から±９０°の間であることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
前記基板と蒸着の面の間の角度が、±０°から±８９°、好ましくは±１°から±８９°の間であることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
前記プラズマエンハンスト化学蒸着が、基板を保持する基板ホルダと、電源により作用ガスからプラズマを形成するプラズマ手段と、真空室とを具える装置により行われることを特徴とする請求項１９乃至２２のいずれかに記載の方法。
前記プラズマは、コンデンサ結合ＤＣおよび／またはＲＦプラズマであることを特徴とする請求項１９乃至２３のいずれかに記載の方法。
前記プラズマは、インダクタ結合ＲＦプラズマであることを特徴とする請求項１９乃至２３のいずれかに記載の方法。
前記プラズマは、マイクロ波誘導プラズマまたは電子サイクロトロン共鳴マイクロ波プラズマであることを特徴とする請求項１９乃至２３のいずれかに記載の方法。
前記作用ガスは、炭化水素ガス、水素ガス、フッ化炭化水素ガス、あるいはこれらの混合体からなるグループから選択されることを特徴とする請求項２３乃至２６のいずれかに記載の方法。
前記作用ガスは、Ｃ_２Ｈ_２，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_６，ＨＦ，ＣＦＨ_３，ＣＦ_２Ｈ_２，ＣＦ_３Ｈ，ＣＦ_４，Ｃ_２Ｆ_６，Ｃ_４Ｆ_８，他を含むグループから選択されることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
前記スパッタ蒸着は、ターゲットと、基板を保持する基板ホルダと、前記ターゲットと基板ホルダとの間でプラズマを形成するプラズマ手段と、真空室とを具える装置により行われることを特徴とする請求項１８、２０乃至２２のいずれかに記載の方法。
前記ターゲットは、グラファイト、ＰＴＦＥ、および主に炭素成分を含む他の固体材料を含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
前記プラズマは、ＤＣまたはＲＦプラズマであることを特徴とする請求項２９または３０に記載の方法。
前記作用ガスは、ＡＲ，ＨＥ，Ｋｒ，Ｎ_２，炭化水素ガス，水素ガス，フッ化炭化水素ガス，またはこれらの混合体を含むグループから選択されることを特徴とする請求項２９乃至３１のいずれかに記載の方法。
前記作用ガスは、ＣＨ_４，Ｃ_２Ｈ_２，Ｃ_２Ｈ_４，Ｃ_２Ｈ_６，Ｈ_２，ＨＦ，ＣＦＨ_３，ＣＦ_２Ｈ_２，ＣＦ_３Ｈ，ＣＦ_４，Ｃ_２Ｆ_６，Ｃ_４Ｆ_８を含むグループから選択されることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
前記基板ホルダが接地しているか浮いていることを特徴とする請求項２３乃至３３のいずれかに記載の法王。
前記基板ホルダは、前記蒸着の間に＋１０００Ｖから−１０００Ｖ、好ましくは＋３００Ｖから−３００Ｖの範囲でバイアスされていることを特徴とする請求項２３乃至３４のいずれかに記載の方法。
前記基板のバイアスは、様々な波形のＤＣまたはパルスバイアスであることを特徴とする請求項３５に記載の方法。
前記基板は、室温から６００°Ｃの範囲の温度を有することを特徴とする請求項２３乃至３６のいずれかに記載の方法。
前記基板ホルダは、回転式、移動式または固定式であることを特徴とする請求項２３乃至３７のいずれかに記載の方法。
前記真空室は、真空到達度が７６０トールから１×１０^−６トール、好ましくは１０トールから１×１０^−５トールの範囲であることを特徴とする請求項２３乃至３８のいずれかに記載の方法。
一対の基板と；
前記基板上に被覆されアモルファスフッ化炭素膜を具えるホメオトロピック配向膜と；
ホメオトロピック配向剤を用いずに前記ホメオトロピック配向膜によって配列された負誘電異方性のネマチック液晶混合物とを具え、
前記アモルファスフッ化炭素膜が少なくとも元素ＦとＣを具える個相薄膜であることを特徴とする液晶ディスプレイ装置。