JP2007178763A - Method for manufacturing optical element, liquid crystal device, and projection-type display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学素子の製造方法、液晶装置、及び投射型表示装置に関するものである。 The present invention relates to an optical element manufacturing method, a liquid crystal device, and a projection display device.
プロジェクタ等の投射型表示装置における光変調装置として、液晶装置が用いられている。このような液晶装置としては、対向配置された一対の基板間に液晶層が挟持された構成のものが知られており、この一対の基板の内側には、液晶層に電圧を印加するための電極が形成されている。また、この電極の内側には、電圧無印加時において液晶分子の配列を制御する配向膜が形成され、配向膜としてはポリイミド膜の表面にラビング処理を施したものが公知である。 A liquid crystal device is used as a light modulation device in a projection display device such as a projector. As such a liquid crystal device, one having a configuration in which a liquid crystal layer is sandwiched between a pair of opposed substrates is known, and a voltage is applied to the liquid crystal layer inside the pair of substrates. An electrode is formed. Further, an alignment film that controls the alignment of liquid crystal molecules when no voltage is applied is formed inside the electrode, and an alignment film that has been rubbed on the surface of a polyimide film is known.
一方、一対の基板の外側(液晶層に対向する面とは異なる面側)には偏光板が配設されており、液晶層に対して所定の偏光が入射される構成となっている。偏光板としては、有機化合物の樹脂フィルムを一方向に延伸することによってヨウ素や二色性染料を一定方向に配向させて製造される偏光フィルムの他、ガラス基板上に金属からなる微細パターンを形成してなるワイヤーグリッド型の偏光素子(光学素子)が、例えば特許文献1に開示されている。
特許文献1に記載の発明は、ガラス基板と金属グリッドとの間に、ガラス基板の屈折率よりも小さい屈折率を有する誘電体層(MgF2層)を形成することで、ワイヤーグリッド偏光子の使用可能波長域を拡大するというものである。しかしながら、かかる技術は、ワイヤーグリッド偏光子の基本的な光学特性である透過率や反射率を制御するものではなく、特許文献1に記載のワイヤーグリッド偏光素子において透過率や反射率を調整しようとすれば、金属グリッドのみならず、基板との間の誘電体層についても平面形状及び膜厚の調整が必要となるため、所望の光学特性を得るのが困難であり、また光学特性にばらつきが生じやすくなる。
In the invention described in
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、簡便な工程でワイヤーグリッドのデューティー比を自在に制御することができ、所望の光学特性を容易に得られるワイヤーグリッド型の光学素子の製造方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and is capable of freely controlling the duty ratio of the wire grid in a simple process and easily obtaining desired optical characteristics. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing the optical element.
本発明の光学素子の製造方法は、上記課題を解決するために、透光性の誘電体基板上に金属層を形成する工程と、前記金属層をパターニングしてグリッド状の金属膜を形成する工程と、前記グリッド状の金属膜を気体雰囲気中で加熱処理して前記グリッド状の金属膜の表面部を改質する工程とを有することを特徴とする。
この製造方法によれば、前記グリッド状の金属膜の表面部を改質する工程を有していることで、グリッド状の金属膜を形成した後に光学素子の光学特性(透過率等)を調整することが可能である。すなわち従来はグリッド状の金属膜のライン幅やスペース幅を調整することでしか行えなかった光学特性の調整を金属膜の形成工程に依存することなく実施することができるので、露光精度等の問題で従来は得ることのできなかった光学特性を有する光学素子を簡便な工程で製造することが可能である。
In order to solve the above-described problems, the optical element manufacturing method of the present invention forms a metal layer on a translucent dielectric substrate, and forms a grid-like metal film by patterning the metal layer. And a step of heat-treating the grid-like metal film in a gas atmosphere to modify the surface portion of the grid-like metal film.
According to this manufacturing method, the optical characteristics (transmittance, etc.) of the optical element are adjusted after the grid-like metal film is formed by having the step of modifying the surface portion of the grid-like metal film. Is possible. In other words, since it is possible to adjust the optical characteristics without depending on the metal film forming process, which can be done only by adjusting the line width and space width of the grid-like metal film, there is a problem such as exposure accuracy. Thus, it is possible to manufacture an optical element having optical characteristics that could not be obtained conventionally by a simple process.
本発明の光学素子の製造方法では、前記加熱処理により前記気体雰囲気のガス成分と前記グリッド状の金属膜の金属成分とを反応させ、前記グリッド上の金属膜の表面部に前記金属成分と前記ガス成分との化合物を主成分とする誘電体膜を形成することを特徴とする。この製造方法によれば、導電体である金属膜の面積率を、加熱処理によって金属膜表面部に形成される誘電体膜の厚さにより調整することができ、これにより光学素子の光学特性を調整することができる。
従って本発明の光学素子の製造方法は、前記加熱処理によってグリッド状の金属膜における導電体と誘電体との比率を調整し、もって光学素子の光学特性を調整する方法であるということができる。さらに換言すれば、前記加熱処理によって、グリッド状の金属膜における光反射領域(金属膜)と光透過領域(誘電体膜)との比率を調整し、もって光学素子の光学特性を調整する方法であるということもできる。
In the method of manufacturing an optical element of the present invention, the heat treatment causes the gas component in the gas atmosphere to react with the metal component of the grid-like metal film, and the metal component and the surface of the metal film on the grid are reacted. A dielectric film mainly comprising a compound with a gas component is formed. According to this manufacturing method, the area ratio of the metal film, which is a conductor, can be adjusted by the thickness of the dielectric film formed on the surface of the metal film by heat treatment, and thereby the optical characteristics of the optical element can be adjusted. Can be adjusted.
Therefore, it can be said that the optical element manufacturing method of the present invention is a method of adjusting the optical characteristics of the optical element by adjusting the ratio of the conductor and the dielectric in the grid-like metal film by the heat treatment. In other words, the ratio of the light reflection region (metal film) and the light transmission region (dielectric film) in the grid-like metal film is adjusted by the heat treatment, thereby adjusting the optical characteristics of the optical element. It can be said that there is.
以上から、本発明に係る光学素子は、前記グリッド状の金属膜の表面部に、前記加熱処理によって形成された誘電体膜を備えたものとなっている。この誘電体膜は、大気環境で金属膜の表面に形成される自然酸化膜より明らかに膜厚が大きいものとなる点で特徴的なものである。また、加熱処理により形成されるものであるため、金属膜を覆って金属膜の形状に倣って均一に形成されている点で特徴的なものである。さらに本発明に係る光学素子にあっては、前記金属膜の前記基板側に、当該金属膜の金属成分を含む誘電体層が形成されていてもよい。前記加熱処理時には、基板側から金属膜に酸素等のガス成分が拡散し、かかるガス成分と金属膜との反応により前記誘電体層が形成されることもある。この場合、前記誘電体層は、金属膜の形成に先立って前記基板上に誘電体材料を成膜したものとは異なり、前記金属膜の表面部の誘電体膜とともに本発明に係る製造方法を用いて形成された光学素子に特徴的なものである。 As described above, the optical element according to the present invention includes the dielectric film formed by the heat treatment on the surface of the grid-like metal film. This dielectric film is characteristic in that the film thickness is obviously larger than that of a natural oxide film formed on the surface of the metal film in the atmospheric environment. Moreover, since it is formed by heat treatment, it is characteristic in that it is formed uniformly covering the metal film and following the shape of the metal film. Furthermore, in the optical element according to the present invention, a dielectric layer containing a metal component of the metal film may be formed on the substrate side of the metal film. During the heat treatment, a gas component such as oxygen diffuses from the substrate side to the metal film, and the dielectric layer may be formed by a reaction between the gas component and the metal film. In this case, the dielectric layer is different from the dielectric film formed on the substrate prior to the formation of the metal film, and the manufacturing method according to the present invention is performed together with the dielectric film on the surface portion of the metal film. This is a characteristic of the optical element formed by using.
本発明の光学素子の製造方法では、前記気体雰囲気を、酸素、窒素、炭化水素、フッ素、もしくはこれらの混合ガスにより形成することが好ましい。これらのガスを用いることで、容易に前記金属膜の金属成分と反応させることができ、前記金属膜の表面部を改質することができる。 In the method for producing an optical element of the present invention, the gas atmosphere is preferably formed of oxygen, nitrogen, hydrocarbon, fluorine, or a mixed gas thereof. By using these gases, it can be easily reacted with the metal component of the metal film, and the surface portion of the metal film can be modified.
本発明の光学素子の製造方法では、前記金属層を、銀、金、銅、パラジウム、白金、アルミニウム、ロジウム、シリコン、ニッケル、コバルト、マンガン、鉄、クロム、チタン、ルテニウム、ニオブ、ネオジウム、イッテルビウム、イットリウム、モリブデン、インジウム、ビスマスから選ばれる金属、ないしこれらの合金により形成することができる。本発明に係る製造方法において前記金属層の構成材料としては、これらの金属材料、及び合金を挙げることができる。いずれの金属材料、合金を用いた場合にも、ガス雰囲気下での加熱による表面部の改質が可能であり、光学素子の光学特性を調整することができる。 In the method for producing an optical element of the present invention, the metal layer is made of silver, gold, copper, palladium, platinum, aluminum, rhodium, silicon, nickel, cobalt, manganese, iron, chromium, titanium, ruthenium, niobium, neodymium, ytterbium. , Yttrium, molybdenum, indium, bismuth, or alloys thereof. In the manufacturing method according to the present invention, examples of the constituent material of the metal layer include these metal materials and alloys. When any metal material or alloy is used, the surface portion can be modified by heating in a gas atmosphere, and the optical characteristics of the optical element can be adjusted.
本発明の光学素子の製造方法では、前記加熱処理におけるグリッド状の金属膜の加熱温度が800℃以下であることが好ましい。基板や金属膜を保護するためである。 In the method for manufacturing an optical element of the present invention, it is preferable that the heating temperature of the grid-shaped metal film in the heat treatment is 800 ° C. or less. This is to protect the substrate and the metal film.
本発明の液晶装置は、先に記載の製造方法により得られた光学素子を偏光素子として備えたことを特徴とする。この構成によれば、設計に合わせて光学特性を最適化された偏光素子を備えた液晶装置が得られ、明るく高画質の表示が可能で、かつ耐熱性、信頼性に優れた液晶装置を実現することができる。 The liquid crystal device of the present invention is characterized in that an optical element obtained by the manufacturing method described above is provided as a polarizing element. According to this configuration, a liquid crystal device with a polarizing element whose optical characteristics are optimized according to the design can be obtained, and a liquid crystal device that can display bright, high-quality images and has excellent heat resistance and reliability is realized. can do.
本発明の投射型表示装置は、先に記載の製造方法により得られた光学素子を偏光素子として備えたことを特徴とする。この構成によれば、設計に合わせて光学特性を最適化された偏光素子を備えた投射型表示装置が得られ、明るく高画質の表示が可能で、かつ耐熱性、信頼性に優れた投射型表示装置を実現することができる。 The projection display device of the present invention is characterized in that the optical element obtained by the manufacturing method described above is provided as a polarizing element. According to this configuration, a projection type display device equipped with a polarizing element whose optical characteristics are optimized according to the design is obtained, and a projection type that can display bright, high quality images and has excellent heat resistance and reliability. A display device can be realized.
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each drawing used for the following description, the scale of each member is appropriately changed to make each member a recognizable size.
(プロジェクタ)
図1は、本発明の投射型表示装置の一実施の形態であるプロジェクタの要部を示す概略構成図である。本実施形態のプロジェクタは、光変調装置として液晶装置を用いた液晶プロジェクタである。
図1において、810は光源、813、814はダイクロイックミラー、815、816、817は反射ミラー、818は入射レンズ、819はリレーレンズ、820は出射レンズ、822、823、824は液晶装置からなる光変調装置、825はクロスダイクロイックプリズム、826は投射レンズ、831、832、833は入射側の偏光素子(光学素子)、834、835、836は射出側の偏光素子(光学素子)である。
(projector)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a main part of a projector which is an embodiment of a projection display device of the present invention. The projector according to the present embodiment is a liquid crystal projector using a liquid crystal device as a light modulation device.
In FIG. 1, 810 is a light source, 813 and 814 are dichroic mirrors, 815, 816 and 817 are reflection mirrors, 818 is an incident lens, 819 is a relay lens, 820 is an exit lens, and 822, 823 and 824 are liquid crystal devices. A modulation device, 825 is a cross dichroic prism, 826 is a projection lens, 831, 832, and 833 are polarization elements (optical elements) on the incident side, and 834, 835, and 836 are polarization elements (optical elements) on the emission side.
光源810は、メタルハライド等のランプ811とランプの光を反射するリフレクタ812とからなる。なお、光源810としては、メタルハライド以外にも超高圧水銀ランプ、フラッシュ水銀ランプ、高圧水銀ランプ、Deep UVランプ、キセノンランプ、キセノンフラッシュランプ等を用いることも可能である。
The light source 810 includes a
ダイクロイックミラー813は、光源810からの白色光に含まれる赤色光を透過させるとともに、青色光と緑色光とを反射する。透過した赤色光は反射ミラー817で反射されて、偏光素子831を介して赤色光用液晶光変調装置822に入射する。また、ダイクロイックミラー813で反射された緑色光は、ダイクロイックミラー814によって反射され、偏光素子832を介して緑色光用液晶光変調装置823に入射する。さらに、ダイクロイックミラー813で反射された青色光は、ダイクロイックミラー814を透過する。青色光に対しては、長い光路による光損失を防ぐため、入射レンズ818、リレーレンズ819および出射レンズ820を含むリレーレンズ系からなる導光手段821が設けられている。この導光手段821を介して、青色光が偏光素子833を介して青色光用液晶光変調装置824に入射する。
The
各光変調装置822〜824により変調された3つの色光は、各色偏光素子834〜836を介してクロスダイクロイックプリズム825に入射する。このクロスダイクロイックプリズム825は4つの直角プリズムを貼り合わせたものであり、その界面には赤光を反射する誘電体多層膜と青光を反射する誘電体多層膜とがX字状に形成されている。これらの誘電体多層膜により3つの色光が合成されて、カラー画像を表す光が形成される。合成された光は、投射光学系である投射レンズ826によってスクリーン827上に投写され、画像が拡大されて表示される。
The three color lights modulated by the respective
ここで、本実施形態のプロジェクタにおいては、偏光素子831〜836として、無機材料からなるものを採用している。メタルハライドランプ811からなる光源810は高エネルギーの発光が行われるものであるため、有機材料では当該高エネルギーの光により分解ないし変形が生じる惧れがある。そこで、耐光性及び耐熱性の高い無機材料(金属材料を含む)で偏光素子831〜836を構成している。
Here, in the projector according to the present embodiment, the
図2は偏光素子831〜836(以下、これらを総称して偏光素子1ともいう)の概略構成を示す斜視図である。図3(a)は偏光素子1の平面模式図である。図3(b)は偏光素子1の断面模式図であり、偏光素子1を光が透過する際の作用も併せて示している。
FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of
偏光素子1は、本発明の光学素子に係るもので、光源810から射出された各色光を偏光選択して直線偏光のみを透過させるものである。具体的には図2及び図3に示すように、ガラス等の誘電体材料からなる透光性の基板11A上に、酸化シリコン等からなる下地絶縁膜15と、該下地絶縁膜15上にストライプ状に配置された複数の金属膜からなるワイヤーグリッド12とを備えて構成されている。ワイヤーグリッド12上には各ワイヤーグリッド12を覆う保護膜が形成されていてもよく、この場合において当該保護膜の表面は平坦面とされることが好ましい。
The
図3(a)に示すワイヤーグリッド12のピッチPは、当該偏光素子1への入射光の波長よりも小さい値であり、例えば140nm以下に設定されている。また、ワイヤーグリッド12の幅は、例えば80nm以下に設定されており、製造上の都合もあるが、入射光の波長の1/10程度にするとより好ましい。従って、ワイヤーグリッド12の隙間に形成される線状の溝13の幅(スペース幅)は60nm程度である。
The pitch P of the
また、ワイヤーグリッド12の高さは100nm〜200nm程度となっている。また、ワイヤーグリッド12を構成する金属材料としては、アルミニウムのほか、銀、金、銅、パラジウム、白金、ロジウム、シリコン、ニッケル、コバルト、マンガン、鉄、クロム、チタン、ルテニウム、ニオブ、ネオジウム、イッテルビウム、イットリウム、モリブデン、インジウム、ビスマス、又はこれらの合金などを用いることができる。
Moreover, the height of the
ここで図9は、本実施形態に係るワイヤーグリッド12の断面構造をさらに詳細に示す図である。同図に示すように、本実施形態に係るワイヤーグリッド12は、線状の金属膜12Mとその表面を覆う誘電体膜12D2を有している。この誘電体膜12D2は、基板11A上に、例えばアルミニウム膜を形成してなる金属膜12Mの表面を酸化させて形成した金属酸化物膜(酸化アルミニウム膜)であり、その膜厚は金属膜12Mの表面に形成される自然酸化膜よりも厚いものとなっている。
Here, FIG. 9 is a diagram showing the cross-sectional structure of the
上記誘電体膜12D2は、詳細は後述するが、ワイヤーグリッド12を形成する際の加熱処理によってワイヤーグリッド12の表面部に形成されるものであり、本発明に係る光学素子の製造方法により得られる光学素子において特徴的なものである。本発明に係る製造方法では、上記加熱処理によってワイヤーグリッド12の光学特性を調整可能になっており、従来の製造方法では得ることのできない優れた光学特性の光学素子を得ることができる。
Although the details will be described later, the dielectric film 12D2 is formed on the surface portion of the
このような偏光素子1は、図3(b)に示すように、ワイヤーグリッド12の屈折率nAと、ワイヤーグリッド12間に介在する溝13における屈折率nBとが異なるため、偏光素子1に入射した光の偏光方向により、偏光選択が行なわれる。具体的には、ワイヤーグリッド12の延在方向と垂直な方向に偏光軸を有する直線偏光Etを透過させ、ワイヤーグリッド12の延在方向と平行な方向に偏光軸を有する直線偏光Erを反射する。したがって、本実施形態の偏光素子1は、光反射型偏光子と同じ作用、すなわち光軸(透過軸)と平行な偏光を透過させ、垂直な偏光に対しては反射させる作用を有している。
As shown in FIG. 3 (b), the
以上のような偏光素子1を透過して生成された直線偏光は、光変調手段としての液晶装置822〜824に入射する。液晶装置822〜824は、例えば図4から図6に示すような構成を備えている。図4(a)は、液晶装置822〜824の平面構成図、図4(b)は図4(a)のH−H’線に沿う断面構成図である。図5は、液晶装置822〜824の画像表示領域においてマトリクス状に形成された複数の画素における各種素子、配線等の等価回路を示す図である。また、図6は、液晶装置822〜824の側断面の概略構成を示す図である。
The linearly polarized light generated by passing through the
液晶装置100は、図4(b)に示すように、TFTアレイ基板10と対向基板20とがシール材52によって貼り合わされ、このシール材52によって区画された領域内に液晶層50が封入された構成を備えている。図4(a)に示すように、前記シール材52の形成領域の内側の領域には、遮光性材料からなる遮光膜(周辺見切り)53が形成されている。シール材52の外側の領域には、データ線駆動回路101および外部回路実装端子102がTFTアレイ基板10の一辺に沿って形成されており、この一辺に隣接する2辺に沿って走査線駆動回路104が形成されている。TFTアレイ基板10の残る一辺には、画像表示領域の両側に設けられた走査線駆動回路104の間を接続するための複数の配線105が設けられている。また、対向基板20の角部においては、TFTアレイ基板10と対向基板20との間で電気的導通をとるための基板間導通材106が配設されている。
In the
なお、データ線駆動回路101および走査線駆動回路104をTFTアレイ基板10の上に形成する代わりに、例えば、駆動用LSIが実装されたTAB(Tape Automated Bonding)基板とTFTアレイ基板10の周辺部に形成された端子群とを異方性導電膜を介して電気的および機械的に接続するようにしてもよい。
Instead of forming the data line driving
このような構造を有する液晶装置100の画像表示領域においては、図5に示すように、複数の画素電極9がマトリクス状に配列されており、これらの画素電極9の各々には、画素スイッチング用のTFT30が接続されている。また、画素信号S1、S2、…、Snを供給するデータ線6aがTFT30のソースに電気的に接続されている。データ線6aに書き込む画素信号S1、S2、…、Snは、この順に線順次で供給してもよく、相隣接する複数のデータ線6a同士に対して、グループ毎に供給するようにしてもよい。また、TFT30のゲートには走査線3aが電気的に接続されており、所定のタイミングで、走査線3aにパルス的に走査信号G1、G2、…、Gmをこの順に線順次で印加するように構成されている。画素電極9は、TFT30のドレインに電気的に接続されており、スイッチング素子であるTFT30を一定期間だけオン状態とすることにより、データ線6aから供給される画素信号S1、S2、…、Snを各画素に所定のタイミングで書き込む。このようにして画素電極9を介して液晶に書き込まれた所定レベルの画素信号S1、S2、…、Snは、図4に示す対向基板20の対向電極21との間で一定期間保持される。また、保持された画素信号S1、S2、…、Snがリークするのを防ぐために、画素電極9と対向電極21との間に形成される液晶容量と並列に蓄積容量70が付加されている。符号3bは蓄積容量70を構成する容量線である。
In the image display region of the
液晶装置822〜824は、図6に示すように、上下に対向配置された透明のガラス等からなるTFTアレイ基板10及び対向基板20の間に液晶層50が挟持された基本構造を具備している。前記液晶層50における液晶モードとしては、TN(Twisted Nematic)モードのほか、STN(Super Twisted Nematic)モード、ECB(Electrically Controlled Birefringence)モード、VAN(Vertical Aligned Nematic)モード等を採用することができる。
As shown in FIG. 6, the
TFTアレイ基板10は、ガラスや石英等の透光性の基板本体10Aを備えており、基板本体10Aの内面側(液晶層50が設けられた側)には、マトリクス状に配置されたそれぞれの画素に対応して設けられるTFT30、ITO等の透明導電膜からなる画素電極9等が設けられている。基板本体10Aの内面側に、酸化シリコン等からなる下地絶縁膜31が形成され、下地絶縁膜31上に島状にパターニングされたシリコン膜等からなる半導体層60が形成されている。半導体層60を覆って、酸化シリコンや窒化シリコン等からなるゲート絶縁膜42が形成されており、ゲート絶縁膜42を介して前記半導体層60と対向する位置にゲート電極61が形成されている。ゲート電極61は、実際には図5に示した走査線3aと電気的に接続されている。ゲート電極61及びゲート絶縁膜42を覆って、酸化シリコン等からなる第1層間絶縁膜32が形成されており、第1層間絶縁膜32とゲート絶縁膜42とを貫通して半導体層60に達するコンタクトホールを介して、第1層間絶縁膜32上に形成されたソース電極62とドレイン電極63とが前記半導体層60と電気的に接続されている。上記ソース電極62は、実際には図5に示したデータ線6aと電気的に接続されている。ソース電極62、ドレイン電極63、及び第1層間絶縁膜32を覆って、酸化シリコンや樹脂材料からなる第2層間絶縁膜33が形成されている。第2層間絶縁膜33を貫通して前記ドレイン電極63に達するコンタクトホールを介して、第2層間絶縁膜33上に形成された画素電極9とドレイン電極64とが電気的に接続されており、かかる導電接続構造によって画素電極9とTFT30とが電気的に接続されている。画素電極9を覆うように、液晶層50の配向を制御する配向膜16が画像表示領域全体にわたって設けられている。配向膜16は酸化シリコンの斜方蒸着膜等からなる無機配向膜であり、その膜厚は10nm〜100nm(例えば25nm)である。
The
一方、対向基板20は、TFT基板10と同様、ガラスや石英等の透光性の基板本体20Aを備えており、基板本体20Aの内面側(液晶層50が設けられた側)には、遮光膜23が設けられている。遮光膜23は、TFT30や配線等(データ線6a、走査線3a等)が形成される各画素の縁に沿って格子状に設けられている。遮光膜23によって照明光が遮られる領域が非照明領域であり、遮光膜23の開口部を通して照明光が透過する領域が照明領域である。照明領域のみが表示に寄与する。基板本体20Aの内面には、遮光膜23を覆って絶縁膜23aが形成されており、絶縁膜23a上にITO等の透明導電膜からなる対向電極21が全面に設けられている。さらに対向電極21を覆うように、液晶層50の配向を制御する配向膜22が画像表示領域全体にわたって設けられている。配向膜22も酸化シリコンの斜方蒸着膜等からなる無機配向膜であり、その膜厚は10nm〜100nm(例えば25nm)である。
On the other hand, the
このような液晶装置822〜824では、図1に示した偏光素子831,832,833を介して入射する直線偏光の位相制御が行われる。つまり、電極9,21に対する印加電圧により液晶層50の駆動制御を行い、当該入射光の位相を制御するものとしている。位相制御された光は、光射出側に配設された偏光素子834,835,836に入射し、偏光素子の透過軸に平行な成分の光のみが偏光素子834〜836を透過して表示に利用される。
In such
液晶装置822〜824で変調され、偏光素子831〜836を透過した各色光は、上述した通り、クロスダイクロイックプリズム825に入射して合成され、かかる合成光は、投射光学系である投射レンズ826によってスクリーン827上に投写され、画像が拡大されて表示される。
As described above, each color light modulated by the
本実施の形態では、偏光素子1(831〜836)に関して有機材料を用いないものとしている。つまり、メタルハライドランプから供給される高エネルギー光により劣化する惧れのある有機材料を排除して、無機材料及び/又は金属材料から偏光素子1(831〜836)を構成している。また、当該偏光素子1(831〜836)は、以下に示すような方法により製造しているため、製造コストも安価で、非常に信頼性の高いものとなっている。 In the present embodiment, no organic material is used for the polarizing element 1 (831 to 836). That is, the polarizing element 1 (831-836) is comprised from an inorganic material and / or a metal material, excluding the organic material which may be deteriorated by the high energy light supplied from a metal halide lamp. Moreover, since the said polarizing element 1 (831-836) is manufactured by the method as shown below, manufacturing cost is also cheap and it has become very reliable.
(偏光素子の製造方法)
以下、図2及び図3に示した偏光素子(光学素子)1の製造方法の一例について、図7〜図11を参照して説明する。図7は本実施形態の偏光素子の製造方法を説明するための断面工程図である。図8及び図9は本実施形態の製造方法におけるワイヤーグリッドの構造について説明するために要部を拡大して示す断面構成図である。図10及び図11は、それぞれ図8及び図9に示す構造のワイヤーグリッドを備えた偏光素子の光学特性を示す図である。
(Polarizing element manufacturing method)
Hereinafter, an example of the manufacturing method of the polarizing element (optical element) 1 shown in FIGS. 2 and 3 will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a cross-sectional process diagram for explaining the manufacturing method of the polarizing element of this embodiment. 8 and 9 are enlarged cross-sectional views showing the main part in order to explain the structure of the wire grid in the manufacturing method of this embodiment. 10 and 11 are diagrams showing optical characteristics of a polarizing element including a wire grid having the structure shown in FIGS. 8 and 9, respectively.
まず、図7(a)に示すように、ガラス基板等からなる基板11A上に、透光性の誘電体材料である酸化シリコンからなる下地絶縁膜15を形成し、下地絶縁膜15上に、アルミニウムからなるベタ状の金属層12aを形成する。ここでは、蒸着法或いはスパッタ法等の成膜手段を用いることができる。なお、金属層12aを構成する金属としては、アルミニウム以外にも、例えば金、銅、パラジウム、白金、ロジウム、シリコン、ニッケル、コバルト、マンガン、鉄、クロム、チタン、ルテニウム、ニオブ、ネオジウム、イッテルビウム、イットリウム、モリブデン、インジウム、ビスマス、若しくはその合金のいずれかを用いることができる。また、下地絶縁膜15としては、酸化シリコンに限らず、種々の透光性の誘電体材料を用いることができ、例えば窒化シリコンや酸化窒化シリコンであってもよい。
First, as shown in FIG. 7A, a
次に、金属層12a上にレジストをスピンコートにより塗布し、これをベークして、レジスト膜を形成する。その後、露光、現像処理を施し、図7(b)に示すように、線状の平面形状のレジスト14aを形成する。具体的には、上記レジスト膜に対して、形成されるレジスト14aが縞状に配置されるよう選択的にレーザー照射を行う。先に記載のように、形成されるレジスト14aのピッチは60〜80nm程度であるから、可視光の波長以下の微細な縞状パターンを形成可能な干渉露光法(ここでは二光束干渉露光)を用いる。このような露光を行った後、ベーク(PEB)を行い、さらにエッチングによりレジスト膜の露光部分を取り除くことで、図7(b)に示したパターンを有するレジスト14aを形成することができる。
Next, a resist is applied onto the
続いて、形成したレジスト14aをマスクとして金属層12aをエッチングし、さらにレジスト14aを除去することで、図7(c)に示すような金属膜12Mを形成する。その後、金属膜12Mが形成された基板11Aを、酸素雰囲気下で加熱処理(例えば400℃、60分)することで、金属膜12Mの表面にその構成材料(アルミニウム)の酸化膜(酸化アルミニウム)からなる誘電体膜12D2を形成する。以上の工程により、図7(d)に示すワイヤーグリッド12を備えた偏光素子1を製造することができる。
Subsequently, the
上記工程では、加熱処理時の気体雰囲気として酸素ガス雰囲気を用いているが、かかる気体雰囲気については、金属膜12Mの材質に応じて変更することができる。すなわち、金属膜12Mの構成材料と反応して誘電体膜を形成可能な気体であれば用いることができ、酸素のほか、窒素、炭化水素、フッ素、もしくはこれらの混合ガスを用いることができる。また、加熱処理の温度や時間についても適宜変更することが可能である。ただし、金属膜12Mや基板11Aの保護や製造効率の観点から、加熱温度は800℃以下、加熱時間は2時間以下とすることが好ましい。
In the above process, an oxygen gas atmosphere is used as the gas atmosphere during the heat treatment, but the gas atmosphere can be changed according to the material of the
本実施形態の製造方法によれば、上記気体雰囲気下での加熱処理によって、偏光素子の光学特性を調整することができるようになっている。図8は、図7(c)に示した加熱処理を施す前の金属膜12Mの断面構造を示す図であり、図9は、図7(d)に示した加熱処理後のワイヤーグリッド12の断面構造を示す図である。
According to the manufacturing method of the present embodiment, the optical characteristics of the polarizing element can be adjusted by the heat treatment under the gas atmosphere. FIG. 8 is a diagram showing a cross-sectional structure of the
図7(c)に示した工程においてパターン形成される金属膜12Mの断面構造を見ると、図8に示すように、下地絶縁膜15上に形成された金属膜12Mの表面に、金属膜12Mを構成するアルミニウムの自然酸化膜12D1が形成されたものとなっている。このように金属膜表面に自然酸化膜が形成された構造は、従来公知の製造方法により作製されたワイヤーグリッド型の偏光素子におけるワイヤーグリッドの断面構造と同様である。
図8に示す上記構造を具備した偏光素子について透過率及びコントラストを測定したところ、図10に示すような結果が得られている。測定に供した偏光素子におけるワイヤーグリッドのライン幅Lは80nm、ワイヤーグリッド間のスペース幅Sは60nm、ワイヤーグリッドの形成高さは160nmである。また、図10に示す透過率は、偏光素子の透過軸に平行な直線偏光(p波)を入射させたときの入射光に対する透過光の強度比であり、コントラストは前記p波の透過率Tpに対する偏光素子の透過軸と直交する直線偏光(s波)の透過率Tsの強度比Tp/Tsである。
When the cross-sectional structure of the
When the transmittance and contrast of the polarizing element having the above structure shown in FIG. 8 were measured, the results shown in FIG. 10 were obtained. The line width L of the wire grid in the polarizing element subjected to the measurement is 80 nm, the space width S between the wire grids is 60 nm, and the formation height of the wire grid is 160 nm. The transmittance shown in FIG. 10 is the intensity ratio of the transmitted light to the incident light when linearly polarized light (p wave) parallel to the transmission axis of the polarizing element is incident, and the contrast is the transmittance Tp of the p wave. Is the intensity ratio Tp / Ts of the transmittance Ts of linearly polarized light (s wave) orthogonal to the transmission axis of the polarizing element.
これに対して、本実施形態の製造方法により得られる偏光素子のワイヤーグリッド12の断面構造は、図9に示すように、金属膜12Mの表面に、金属膜12Mを構成するアルミニウムの酸化物からなる誘電体膜12D2が形成されたものとなっている。この誘電体膜12D2は、図7(d)に示した工程における酸素ガス雰囲気下での加熱処理により形成されたものであり、その膜厚は、図8に示した自然酸化膜12D1の膜厚に比して相当程度大きく、本発明に係る製造方法を用いて得られるワイヤーグリッドに特徴的な構造である。さらに本発明に係る製造方法を用いた場合、下地絶縁膜15、基板11A側からの加熱処理に伴うガス成分の拡散により、金属膜12Mと下地絶縁膜15(下地絶縁膜を設けない場合には基板)との間に誘電体層12D3が形成されることもある。誘電体膜12D2とともにこのような誘電体層12D3が形成されている構造も、本発明に係る製造方法を用いて得られるワイヤーグリッドに特徴的なものである。
On the other hand, as shown in FIG. 9, the cross-sectional structure of the
なお、誘電体膜12D2の膜厚は、製造する偏光素子1の光学特性に応じて変化するものであり、ワイヤーグリッドのデューティー比(上記ライン幅Lとスペース幅Sとの比L/S)が同じであれば、高透過率のものほど誘電体膜12D2の膜厚が大きくなる。
The film thickness of the dielectric film 12D2 varies depending on the optical characteristics of the
図11は、本実施形態の製造方法により得られた偏光素子1の透過率及びコントラストの測定結果である。測定に供した偏光素子は、図8に結果を示した測定に供した偏光素子にさらに酸素ガス雰囲気下で400℃、60分の加熱処理を施したものである。図10と図11とを比較すると、550nm以上の波長域での透過率はほぼ同等であるが、図11に示した本実施形態の偏光素子1は、400nm〜500nmの範囲における透過率が向上しており、具体的には、450nmにおける透過率が、図10に示すグラフでは60.3%であるのに対し、図11に示すグラフでは68.4%と、8%程度向上している。
FIG. 11 shows the measurement results of the transmittance and contrast of the
以上のような偏光素子の製造方法によると、有機材料を用いない偏光素子1を簡便に製造することができ、該製造される偏光素子1は耐光性及び耐熱性に非常に優れたものとなる。また、誘電体からなる基板11A上に、導電体としてのワイヤーグリッド12を縞状に形成することができ、この縞のピッチを140nm(可視光の波長以下)に設定しているため、金属ワイヤーグリッド型の偏光素子1として機能することとなる。
According to the manufacturing method of the polarizing element as described above, it is possible to easily manufacture the
また、上記製造方法によれば、気体雰囲気下での加熱処理という簡便な工程により、所望の透過率を具備した偏光素子1を製造することができる。つまり、従来の製造方法では、ワイヤーグリッドのデューティ比L/Sを変更することでしか実現することができなかった光学特性の調整を、金属膜12Mの形成工程を同一としたまま実施することができるのである。従って、従来はフォトリソグラフィ工程の分解能等に起因する制限により実現することが困難であった高透過率の偏光素子1を簡便な工程を用いて極めて容易に製造することができる。具体的には、レジスト膜の露光に干渉露光法を用いる場合、2つの光束を光学的に干渉させて縞状の露光パターンを得るため、露光領域の幅と非露光領域の幅とが同一(デューティ比L/Sが1)になるのが通常であり、デューティ比を1から大きく異ならせるのは極めて困難である。これに対して、本発明に係る製造方法によれば、金属膜12Mの形成時はデューティ比が1であっても、形成する誘電体膜12D2の膜厚を変化させることで容易に偏光素子1の光学特性を弔意制することができる。
Moreover, according to the said manufacturing method, the
なお、本実施の形態では、微細構造を有する光学素子を偏光素子として用いる例を示したが、その他にも回折素子やPBS(Polarized Beam Splitter)、位相差板として用いることも可能である。また、本実施の形態では、プロジェクタとして投射型のものを例示したが、直視型のプロジェクタに対しても、上記偏光素子1を用いることが可能である。
In the present embodiment, an example in which an optical element having a fine structure is used as a polarizing element has been described. However, it is also possible to use it as a diffraction element, a PBS (Polarized Beam Splitter), or a retardation plate. In the present embodiment, a projector is exemplified as the projector. However, the
1,831〜836…偏光素子(光学素子)、11A…基板、12…ワイヤーグリッド、13…溝、822〜824 液晶装置(光変調装置) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,831-836 ... Polarizing element (optical element), 11A ... Substrate, 12 ... Wire grid, 13 ... Groove, 822-824 Liquid crystal device (light modulation device)
Claims (7)
前記金属層をパターニングしてグリッド状の金属膜を形成する工程と、
前記グリッド状の金属膜を気体雰囲気中で加熱処理して前記金属膜の表面部を改質する工程と
を有することを特徴とする光学素子の製造方法。 Forming a metal layer on a translucent dielectric substrate;
Patterning the metal layer to form a grid-like metal film;
And a step of modifying the surface portion of the metal film by heat-treating the grid-shaped metal film in a gas atmosphere.
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