JP2008268466A - 位相差補償素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】屈折率が異なる薄膜を交互に積層した位相差補償層の補償作用を改善する。
【解決手段】所期の位相差補償層の半分までの前半層２１ａを、基板７Ａと基板７ａにそれぞれ同じ条件のもとで同時に成膜する。基板７Ａ，７ａに成膜されたそれぞれの前半層２１ａの物性は等しく、入射した光線の方位角に関するリターデーションの発生分布特性に偏りが生じていればその偏りも両者で共通する。基板７Ａ，７ａを重ねて一体化して一枚の位相差補償素子を製造する際に、基板の一方を他方に対して９０°回転させてから接着剤２６で接合する。
【選択図】図３

Description

本発明は、液晶表示パネルに組み合わせて用いられる位相差補償素子及びその製造方法に関するものである。

液晶表示パネルは、テレビジョン受像機や各種機器の直視型ディスプレイ装置に多用され、また液晶プロジェクタの画像表示デバイスとしても用いられている。液晶表示パネルは、多数の液晶セルを画素配列に応じた所定のパターンで配列したもので、液晶セル内に封入された液晶分子の動作モードの違いによりＴＮ(Twisted Nematic)型、ＶＡＮ (Vertical Alignment Nematic)型、ＩＰＳ(In-Plane Switching)型、ＯＣＢ(Optically Compensatory Bend)型など種々のものが知られている。

液晶プロジェクタに用いる液晶表示パネルには、スクリーン上での画像のコントラストを高くするために光遮断性に優れたものが適しており、例えばＶＡＮ型のものが多く用いられる傾向にある。ＶＡＮ型のものは、液晶層を挟む基板間に電圧を印加しない無電圧状態では液晶層内の棒状の液晶分子のほとんどが基板に対して略垂直配向となり、クロスニコル配置された一対の偏光板と組み合わせることにより良好な光遮断特性を得ることができ、高いコントラストを得ることができる。

一方、液晶表示パネルが一般的にもっている欠点として視野角の狭いことが知られている。例えば前述したＶＡＮ型の液晶表示パネルを無電圧状態とし、液晶分子を垂直配向させた場合、液晶層に垂直に入射する光線については十分に遮断することができるものの、液晶分子に斜めに入射した光線は入射角度に応じて様々に複屈折し、一般には直線偏光が楕円偏光に変換される。この結果、一部の偏光成分は出射面側にクロスニコル配置された偏光板を通り抜けてスクリーン上の黒レベルを明るくする方向に作用し、コントラストを低下させてしまう。また、液晶層内で液晶分子が水平配向あるいは中間配向となった場合でも、液晶層に入射する光線の角度による複屈折の違いによって表示画像の品質が低下することが避けられない。

液晶表示パネルがもつ上記問題は、特許文献１あるいは特許文献２で知られる位相差補償素子を用いることによって改善することができる。液晶層はその複屈折性により、入射した光線の正常光成分が異常光成分に対して位相の進むポジティブリターダとして作用するが、位相差補償素子は逆に異常光成分に対して正常光成分が位相遅れを生じるネガティブリターダとして作用する。したがって、液晶表示パネルに位相差補償素子を組み合わせることによって互いの複屈折性が相殺され、前述したコントラストの低下が抑えられるようになる。
特開２００６−９１３８８号公報 特開２００４−１０２２００号公報

特許文献１，２に記載のように、液晶プロジェクタには光源として高輝度ランプが用いられるため位相差補償素子には十分な耐熱性が要求される。特許文献１記載のように、光学異方体の結晶板を位相差補償素子に用いれば耐熱性に富んだものが得られるが、こうした結晶自体が高価で、加工時には結晶面の切り出しや寸法精度を厳密に管理しなければならず、組み立てや調整も面倒である。この点、特許文献２記載の位相差補償素子は無機材料からなる透明な薄膜を積層した多層膜で構成することができ、耐熱性や耐久性はもとより量産適性にも優れており、ローコストで提供できるという利点がある。

特許文献２に記載された位相差補償素子は、互いに屈折率が異なる二種類の薄膜を可視光で光学的な干渉が生じない程度の薄い膜厚で交互に積層した多層膜で構成され、結晶光学的には一軸性の負のｃ−ｐｌａｔｅとして作用する。二種類の薄膜としては、高屈折率膜としてＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５など、低屈折率膜としてＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２など種々の薄膜を用いることができる。また、これらの薄膜は、蒸着やスパッタリング、さらにはイオンプレーティングなどの多層膜形成手法を用いて製造することが可能で、例えば図７に示すスパッタ装置により簡便に製造することができる。

図７は、無機材料からなる二種類の薄膜を交互に積層した位相差補償素子を製造するスパッタ装置を概念的に示すもので、真空チャンバ２には排気管３及び、放電ガスの導入ノズル４、反応ガスの導入ノズル５，５が連通している。真空チャンバ２の内部には、垂直な支軸の回りにドラム６が回転自在に組み込まれ、ドラム６の外周面に薄膜の成膜対象となる透明な基板７が支持される。なお、図では八角筒形状をしたドラム６の平坦な外周面の一面だけに５枚の基板７ａ〜７ｅを縦に並べた状態を図示しているが、実際の製造時には八面全てに同様に基板７が支持される。また、ドラム６の回転中心から等距離に基板７ａ〜７ｅを支持できる構造であれば、ドラム６の形状も六角筒形状、円筒形状など適宜に決めてよく、さらにドラム６の外周面に支持させる基板の枚数は、基板やドラムのサイズに応じて適宜に増減させればよい。

各基板７ａ〜７ｅはドラム６の外周面上で回転自在な基板ホルダ８に固定され、基板ホルダ８が回転すると各々の基板７ａ〜７ｅは基板表面の法線回りに９０°回転する。なお、この回転方向は時計回り／反時計回りのいずれでもよい。各々の基板７に対面するように真空チャンバ２内に二種類のターゲット材料９，１０が設けられる。これらのターゲット材料９，１０は基板７ａ〜７ｅの表面に交互に積層される二種類の薄膜の材料となるもので、一例としてＮｂ（ニオブ）とＳｉ（シリコン）が用いられている。そして、ドラム６を一定の速さで回転させながら、これらのターゲット材料９，１０により酸素ガス雰囲気中で化学反応性スパッタを行うことによって、基板７ａ〜７ｅ上に高屈折率（ｎ＝２．３８）のＮｂ_２Ｏ_５膜と、低屈折率（ｎ＝１．４８）のＳｉＯ_２膜とを交互に積層した多層膜が得られる。

これらの高屈折率膜と低屈折率膜とを例えば物理的膜厚を１０〜２０ｎｍ程度に薄くして積層すると、複屈折Δｎをもつ位相差補償素子（ネガティブリターダ）が得られる。複屈折Δｎの大きさは、二種類の薄膜相互間の屈折率の差及び、各薄膜の物理的な膜厚比によって決まり、この複屈折Δｎと多層膜全体の膜厚ｄとの積によってリターデーションｄΔｎが決まる。したがって、適用する液晶表示パネルの液晶層によって生じる正のリターデーションｄΔｎの値に合わせて膜設計が行われ、複屈折Δｎと全体の膜厚ｄとが決定される。なお、成膜工程を簡略にするうえでは二種類の薄膜を交互に積層してゆくのが有利であるが、互いに屈折率が異なる三種類以上の薄膜を組み合わせても同様の位相差補償作用を得ることが可能である。

図８にこうして得られた位相差補償素子２０を示す。基板７の表面に高屈折率膜Ｌ１と低屈折率膜Ｌ２とが交互に積層された多層膜からなる位相差補償層２１が形成され、この位相差補償膜２１がネガティブリターダとして作用する。なお、必要に応じて基板７の裏面や、基板７と位相差補償層２１との界面、また位相差補償層２１の表面に反射防止層を設けることができる。この位相差補償素子２０は、図１０に示すように垂直に入射した光線Ｐ１に対しては複屈折性を示さず、したがって出射する光線に位相差は生じない。このことは、例えばＶＡＮ型の液晶層が無電圧状態では垂直に入射した光線に対しては複屈折性を現さないことに対応している。しかし、入射角θで入射してきた光線Ｐ２に対しては、無電圧状態で液晶分子のほとんどが垂直配向姿勢となっていたとしても、液晶分子はこの斜め入射光線Ｐ２に対しては複屈折性を発現し、入射角θに応じて決まる光路長に応じた正のリターデーションｄΔｎを生じさせる。そこでこの位相差補償素子２０により、入射角θの光線Ｐ２に対しては入射角θに応じた負のリターデーションｄΔｎを生じさせ、液晶層で生じた正のリターデーションを補償するように作用する。

図１１は、入射角θが３０°程度の斜め入射光に対し、図７に示すスパッタ装置で製造した前述の位相差補償素子２０が発生する負のリターデーションｄΔｎの発生分布特性をコノスコープ型のグラフ表示で表したもので、リターデーションｄΔｎの値はグラフ中心からの半径の長さに相当する。特性線Ｑ１に示すように、リターデーションｄΔｎの値が方位角（光線Ｐ２を一定方向に固定し基板７を法線回りに回転させた角度に相当）によらずにほぼ一定であれば問題はないが、特性線Ｑ２のように方位角によってその値が変動する位相差補償素子２０が製造されることがある。このような位相差補償素子２０では、液晶表示パネルを観察する方向によっては液晶層で生じたリターデーションｄΔｎが補償できないことを意味し、入射角θの値が大きくなればなる程その影響も大きくなる。しかも、光線Ｐ２に対して特性線Ｑ２のような傾向をもつ位相差補償素子は、垂直入射した光線Ｐ１に対しても１ｎｍを越える負のリターデーションｄΔｎを生じさせることが確認されており、より高精度な位相差補償作用を得ようとする上では妨げになる。

この問題は、高・低二種類の屈折率をもつ薄膜を交互に積層して位相差補償作用を得る位相差補償素子特有のもので、個々の薄膜の膜厚を十分に薄くし、しかも全体の層数は補償しようとする位相差に応じて数十層あるいは百数十層〜数百層にも達する位相差補償層の成膜条件のわずかな違いによるものと考えられる。例えば図７に示すスパッタ装置により一般の光学干渉薄膜を成膜したとき、ドラム６の一段目に支持された基板７ａに成膜した薄膜と、三段目に支持された基板７ｃに成膜した薄膜とは、厳密な意味ではその光学特性が完全には一致しないものの、実用上はその差が問題になることはほとんどない。これに対し、上記位相差補償層では個々の薄膜が多数積層されてゆく間に、成膜条件のわずかな違いによる物性の変化が蓄積・強調されてしまい、図１１の特性線Ｑ２に見られるように方位角に関するリターデーションの発生分布特性が不均一となり、良好な位相差補償を得ることが困難となる。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、互いに屈折率が異なり、可視光で干渉を生じさせない程度に薄くした少なくとも二種類の薄膜を多数層積層させた位相差補償層がもつ位相差補償作用を改善することを目的とし、またこのような位相差補償層を成膜した位相差補償素子の効率的な製造を可能とする製造方法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するにあたり、上述した多層構造からなる位相差補償層を製造する際の個々の薄膜の成膜条件が必ずしも一定でないことから、この成膜条件のわずかな差が個々の薄膜の物性を変化させ、そして多層構造にすることに伴って各薄膜の物性の変化が蓄積・強調されることによって位相差補償作用に大きな変動が及ぶことに着目し、位相差補償層を第一素子に成膜した多層膜と第二素子に成膜した多層膜とに分割し、それぞれの多層膜がもつ位相差補償作用の偏りが互いに相補し合う関係となるように第一素子と第二素子とを組み合わせることを特徴とする。

例えば位相差補償層全体で、入射した光線の方位角に関するリターデーションの発生分布特性が図１１の特性線Ｑ２のような偏りを示すとき、その半分の膜厚まで薄膜を積層した多層膜はリターデーションの値は半減するものの、方位角に関する偏り傾向は同じ傾向を示す。そこで、方位角に関するリターデーションの発生分布特性が同一傾向を示す多層膜をそれぞれ基板に成膜した第一素子と第二素子とを用意し、これらを一体に組み合わせるときに、その一方の素子については法線回りに９０°回転させてから他方と一体化して一つの位相差補償素子を構成する。

第一素子と第二素子とを一体化するにあたっては、各々の基板を相互に接合し、あるいは各々の基板に積層された多層膜相互を互いに接合すればよい。液晶プロジェクタに本発明の位相差補償素子を用いる場合、高輝度光源からの光が位相差補償素子で反射してゴーストを発生することを防ぐために、基板と多層膜との界面、基板と空気との界面、多層膜と空気との界面の適宜の個所に反射防止層を設けるとよい。この反射防止層は、位相差補償層を構成するための薄膜と同じ薄膜材料で形成することができるから、位相差補償素子の製造工程を複雑化させることもない。

さらに本発明の製造方法によれば、真空チャンバ内で基板に積層される薄膜の層数あるいは全体の膜厚は所期の位相差補償層の略半分でよく、成膜に要する時間を大幅に短縮することができる。その後、真空チャンバから取り出した多層膜形成後の基板の一対を、位相差補償作用の偏りが相補的に矯正されるように組み合わせて接合すればよい。また、第一工程において、真空チャンバ内で回転するドラム上に前記基板を複数個保持させ、ドラムを回転させながら薄膜を順次に積層する場合、ドラムの同一回転円周上で保持されている基板の一対を組み合わせて一つの位相差補償素子を得るのが有利である。

本発明を用いることにより、ネガティブリターダとして良好に作用する位相差補償素子を簡便かつ効率的に製造することが可能となる。また、本発明の位相差補償素子によれば、従来の多層膜構造の位相差補償素子で生じがちであった斜め入射光に対する不完全な位相差補償作用が良好に改善され、同時に垂直入射光に対してはリターデーションの発生を１ｎｍ以下に抑えることも可能となる。

本発明の位相差補償素子の説明に先立ち、まず図７のスパッタ装置で作製したテストサンプルについて説明する。成膜工程は一般のスパッタ成膜と同様で、まず真空チャンバ２の排気が行われる。所定の真空度まで排気が行われると放電ガスの導入口ノズル４から放電ガスとしてアルゴンガスが導入され、排気を並行して行うことによって真空チャンバ２内は規定ガス圧のアルゴンガスで満たされる。ターゲット材料９，１０に電圧を印加すると、ターゲット材料９，１０とドラム６との間にアルゴンガスのプラズマが生成される。

その状態で反応ガスの導入ノズル５，５から所定のガス圧で酸素ガスが導入され、アルゴンガスのプラズマ中に酸素ガスのプラズマが混在した状態となる。ドラム６を一定の速さで回転させると、ターゲット材料９，１０に対面するスパッタ領域を基板７ａ〜７ｅが通過する間にスパッタ成膜が行われる。それぞれのターゲット材料９，１０から叩き出されたＮｂ粒子とＳｉ粒子は酸素雰囲気中で酸化してそれぞれＮｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２になって基板７ａ〜７ｅに順次に堆積し、薄膜Ｎｂ_２Ｏ_５からなる高屈折率膜と、低屈折率の薄膜ＳｉＯ_２からなる低屈折率膜とが交互に成膜される。なお、各々の薄膜の膜厚を制御するには、ドラム６の回転速度の調節、放電電圧・電力の調節、さらには各ターゲット材料とドラムとの間にシャッタを設け、その開閉時間を調節することでも対応が可能であり、シャッタを設けた場合には、スパッタリング領域に基板７ａ〜７ｅが移動してきたときにドラム６を停止させ、その状態でシャッタの開閉を制御する手法でも基板上に任意の膜厚で高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層することができる。

液晶層によって生じるリターデーションｄΔｎの大きさに応じてターゲット材料９，１０には種々のものを用いることが可能で、例えばＴｉＯ_２膜、ＺｒＯ_２膜、ＣｅＯ_２膜、ＳｎＯ_２膜、Ｔａ_２Ｏ_５膜などの酸化膜は、膜強度があり光吸収も少ないことから、高屈折率の薄膜として好適に用いることができる。また、低屈折率の薄膜に用いることができる酸化膜としては、Ａｌ_２Ｏ_３膜やＭｇＯ膜がある。こうした酸化膜を成膜するにあたっては、上記のようにスパッタ領域に酸素ガスを導入して酸化させながら成膜するほかに、スパッタ領域に酸素ガスを導入せずにアルゴンガスだけでターゲット材料９，１０からスパッタリングを行った後、その上に次層の薄膜が成膜される前に基板を酸素ガスで満たされた酸化領域を通過させて酸化膜にすることも可能である。

通常の成膜では、ドラム６の一段目〜五段目で支持された基板７ａ〜７ｅを一定姿勢にしたままで位相差補償層２１の成膜が全て行われ、これを比較サンプルとする。これに対し、テストサンプルではドラム６上の同位置で支持された各々の基板７ａ〜７ｅに位相差補償層２１の半分まで成膜した時点で基板ホルダ８を９０°回転させ、各基板７ａ〜７ｅを法線回りに回転させる。したがって、位相差補償層２１全体としての多層膜構成は全く同じではあるが、前半の多層膜と後半の多層膜とでは各基板７ａ〜７ｅ表面に対する薄膜の堆積方向や酸素ガスの供給方向が相違し、少なくともこれらの点で成膜条件が異なってくる。図９にテストサンプルの多層膜構成を概念的に示す。位相差補償層２１全体は図８に示す比較サンプルと同様、高屈折率膜Ｌ１と低屈折率膜Ｌ２とを交互に積層した多層膜構成ではあるが、基板７ａ〜７ｅの回転の前後で成膜条件が異なるので、便宜上、前半層２１ａ，後半層２１ｂとして示してある。

これらの比較サンプル及びテストサンプルに成膜した位相差補償層２１の多層膜構成を以下の表１に示す。この位相差補償層２１は、高屈折率膜Ｌ１としてＮｂ_２Ｏ_５膜、低屈折率膜Ｌ２としてＳｉＯ_２膜をそれぞれ物理的膜厚１５ｎｍで交互に積層し、全体で１７２層の多層膜構成となっており総膜厚は２５８０ｎｍとなる。そして比較サンプルでは全１７２層が一連のスパッタ工程で成膜されるのに対し、テストサンプルでは全１７２層のうち、前半の８６層まで前半層２１ａを成膜した時点で、基板７ａ〜７ｅをその法線回りに９０°回転させ、その後で残りの８６層分からなる後半層２１ｂを成膜して位相差補償層２１を形成した。

なお、反射防止層３１，３２及び、位相差補償層３０の物理的膜厚は成膜後のサンプルについて実際に解析・測定した値ではなくいずれも成膜時の設定膜厚であり、ドラム６の回転速度、シャッタの開閉時間、ターゲット材料９，１０に印加される放電電圧・電力などの成膜条件の設定により得られる推定の膜厚で、少なくとも成膜を行いながら膜厚測定を行った場合の測定膜厚とよく一致する。また、各薄膜の屈折率も事前の成膜実験により同様にして確認された推定値である。

上記の表２は、比較サンプルとテストサンプルのそれぞれについて、５５０ｎｍの光を入射角３０°で入射させたときのリターデーションｄΔｎの実測値を示すもので、測定は方位角を３０°刻みに変えながら行った。同表における（１）〜（５）はドラム６上の基板７ａ〜７ｅの位置に対応させたサンプル番号を示している。一般の光学干渉薄膜では、ドラム６に基板７ａ〜７ｅを縦に並べて同様の成膜を行っても、基板の位置によって有意の差はほとんどないのに対し、比較サンプル中の（１）、（５）で特に顕著なように、ドラム６の最上段の基板７ａ及び最下段の基板７ｅに成膜された位相差補償層は、明らかに方位角に依存してリターデーションｄΔｎの値が大きく変動していることがわかる。

図１２は、表２中の比較サンプル（３），（５）の位相差補償層が示すリターデーションｄΔｎの値をコノスコープ型にグラフ化したもので、半径の長さがリターデーションの値に相当する。ドラム６の高さ方向の中央に位置する基板７ｃに成膜した位相差補償層のリターデーションの発生分布特性Ｒ（３）は、３０°の入射光線に対して方位角に依存する極端な偏りはないが、基板７ｅに成膜した位相差補償層のリターデーションの発生分布特性Ｒ（５）は、明らかに方位角に依存して大きく変化し、しかも方位角に関して１８０°の回転対称パターンを示す。なお、第１段目の基板７ａの位相差補償層（比較サンプル（１））も比較サンプル（５）とほぼ同じ傾向をもつ。また比較サンプル（２），（４）のリターデーションについてもグラフ化を省略したが、表２に示すように比較サンプル（３）とほぼ同様の特性を示している。

以上のテスト結果から、図７に示すスパッタ装置を用いて成膜した場合、ターゲット材料９，１０の大きさや位置、酸素ガスの導入ノズル５，５の位置による酸素ガス濃度のバラツキなど、厳密な意味では基板７ａ〜７ｅに薄膜を堆積させるときの成膜条件が一律ではないことが分かる。そして、従来のようにドラム６に基板７ａ〜７ｅを固定してそのまま位相差補償層２１を単に積層して位相差補償素子を製造した場合には、基板７ｂ，７ｃ，７ｄに成膜したものは方位角に依存せずに安定した特性を示すのに対し、他の基板７ａ，７ｅに成膜したものは方位角に対する依存性が大きくなるため用途によっては使用できない可能性も生じ、製造効率の低下が懸念される。

これに対しテストサンプル、すなわち位相差補償層２１を基板側の１層目から８６層目までの前半層２１ａを成膜した時点で基板を９０°回転させ、引き続き８７層目から１７２層目までの後半層２１ｂを成膜したテストサンプルでは、図１３に示すように、基板７ｃに成膜された位相差補償層のリターデーション発生分布特性Ｒ（３）、基板７ｅに成膜した位相差補償層のリターデーション発生分布特性Ｒ（５）はいずれも方位角に依存して大きく変化することがない。また、表２に参考的に付記したとおり、それぞれのサンプルについて方位角に関するリターデーション値の最大値（ＭＡＸ）、最小値（ＭＩＮ）、最大値と最小値との差、平均値（Ａｖｅｒａｇｅ）、標準偏差（σ）を評価しても、テストサンプルの方が比較サンプルよりも偏りのない良好な位相差補償作用を発揮することがわかる。

また、垂直入射（入射角θ＝０°）におけるリターデーションは方位角とは無関係であるが、比較サンプルとテストサンプルとでは次の表３に示すように差が認められた。比較サンプル（１）〜（５）の中では、基板７ａ，７ｅに成膜した位相差補償層が垂直入射光に対しても１ｎｍを越えるリターデーションが生じるのに対し、テストサンプル（１）〜（５）ではいずれの基板７ａ〜７ｅに成膜された位相差補償層であっても０．２ｎｍ未満のリターデーションしか生ぜず、良好な特性を示すことが確認された。

本発明は以上のテスト結果を踏まえ、図７に示すスパッタ装置を用いて位相差補償層２１を成膜する際に、ドラム６に代えて図１に示すドラム２４を利用する。ドラム２４は、一段目から五段目まで縦並びに基板７ａ〜７ｅを支持し、さらにこれらに隣接して一段目から五段目まで縦並びに基板７Ａ〜７Ｅを支持する構造を備え、図７に示す回転自在な基板ホルダ８は不要である。

成膜を行う第一工程では、全く同様にドラム２４を矢印方向に回転させながら、それぞれの基板７ａ〜７ｅ、７Ａ〜７Ｅに一斉に高屈折率膜Ｌ１としてＮｂ_２Ｏ_５膜、低屈折率膜Ｌ２としてＳｉＯ_２膜をそれぞれ物理的膜厚１５ｎｍで交互に積層するが、位相差補償層２１の半分まで、すなわち前半層２１ａ（図９参照）まで成膜した時点で終了する。こうして例えば基板７Ｅには前半層２１ａが成膜されるが、入射角３０°の光線に対して方位角ごとに生じるリターデーションの値は、表２における比較サンプル（５）の半分の値になる。したがって方位角に関するリターデーションの発生分布特性は、図１２における特性Ｒ（５）と同様の傾向を示し、方位角に関して１８０°の回転対称パターンとなる。

同様に、基板７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄに成膜された前半層２１ａが入射角３０°の光線に対して生じさせるリターデーションは、表２の比較サンプル（１）〜（４）のリターデーションの測定値の略半分の値となる。そして成膜に際してドラム２４が回転したとき、基板７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅはそれぞれ横並びに隣接している基板７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅと同一の回転軌跡上を移動することになるから、基板７Ａと基板７ａ、基板７Ｂと基板７ｂ、基板７Ｃと基板７ｃ、基板７Ｄと基板７ｄ、基板７Ｅと基板７ｅのそれぞれの一対には同一の成膜条件のもとで前半層２１ａが成膜され、そのリターデーションの発生分布特性も同一のものとなる。

こうして第一工程を終えた後、真空チャンバ２を大気圧にリークして前半層２１ａまで成膜が行われた各基板７Ａと基板７ａ、基板７Ｂと基板７ｂ、基板７Ｃと基板７ｃ、基板７Ｄと基板７ｄ、基板７Ｅと基板７ｅの対をそれぞれ真空チャンバ２から取り出し、第二工程に移行する。第二工程では、トラム２４上で横並びに支持され、同じ条件で前半層２１ａが成膜された基板７Ａと基板７ａ、基板７Ｂと基板７ｂ、基板７Ｃと基板７ｃ、基板７Ｄと基板７ｄ、基板７Ｅと基板７ｅがそれぞれ第一素子、第二素子として一対に組み合わされ一体化される。

このとき図２に例示するように、一方の基板７ａに対して他方の基板７Ａを９０°回転した状態にし、成膜が行われていない基板裏面側で接合される。接合には、ガラス基板やガラスレンズの接合に用いられる透明な接着剤、例えば耐熱性に優れたエポキシ系あるいはアクリル系の接着剤を用いることができるが、基板とほぼ同じ屈折率をもち望ましくはほとんど複屈折性を示さないものが望ましい。

こうして製造された位相差補償素子３０は、図３（Ａ）に示すように、接着剤２６で互いに接合された基板７Ａと基板７ｂと、各々の基板の表面に成膜された前半層２１ａとからなる多層構造をもつ。そして、各基板７Ａ，７ａに成膜されている２つの前半層２１ａを加算した膜厚は所期の位相差補償層２１の膜厚と等しくなるから、この位相差補償素子３０に入射した光に対しては、位相差補償層２１と同等のネガティブリターダとして作用する。しかも、前半層２１ａのそれぞれは全く同じリターデーションの発生分布特性を有しながらも、方位角に関して互いに９０°回転した関係となっているから、結果的にこの位相差補償素子３０は、図１３の特性線Ｒ（５）と同等のリターデーション発生分布特性をもち、方位角に依存しない良好な位相差補償作用を得ることができる。

図３（Ｂ）に示す位相差補償素子３１は、同図（Ａ）の位相差補償素子３０の適宜の個所に反射防止層３３，３４を設けた例を示す。反射防止層３３は、基板７Ａ，７ａと、それぞれの前半層２１ａとの界面での反射を防止し、反射防止層３４は前半層２１ａと空気との界面での反射を防止する。これらの反射防止層３３，３４は、Ｎｂ_２Ｏ_５膜とＳｉＯ_２膜とを２〜６層程度に積層した一般的な光学干渉薄膜で構成することができるから、上記第一工程中に行うことが可能となる。

図４は、上記第一工程で得られた第一素子と第二素子とを、前半層２１ａ側で互いに接合した位相差補償素子３５を示す。この位相差補償素子３５は、各々の前半層２１ａを内面側にし、表面側に基板７Ａ，７ａを露呈させているため、前半層２１ａを保護し耐熱性を高める上で有利である。もちろん、基板７Ａ，７ａとそれぞれの前半層２１ａとの界面に反射防止層を設け、さらには基板７Ａ，７ａの表面に反射防止層を設けるようにしてもよい。

ところで、第二工程で重要なポイントは、基板７Ａに対して基板７ａを９０°回転させて一体化することにある。仮に、９０°回転させずにこれらを一体化した場合には、表２の比較サンプル（１）と同様のリターデーションを生じ、方位角に関する発生分布特性は図１２の特性線Ｒ（５）と同等のものになる。さらに、一体に組み合わせる基板はドラム２４上で横並びに隣接しているもの同士にしなければならない。したがって、特に正方形の基板を用いた場合には、第一工程を終え、真空チャンバ２から基板７Ａ〜７Ｅ、基板７ａ〜７ｅを取り出すときには、外観上、全く区別がつかない各基板の姿勢を厳密に管理しておく必要がある。こうした作業の手間を省くには、例えば図５に示すように、予め基板にマークを記しておくのがよい。

図５に示す基板７Ｂ，７ｂは、図１に示すドラム２４の上から二段目に保持されたものを示している。基板７Ｂ，７ｂの裏面側には、予め二段目で使用されることを表す二本線のマーク３８が記され、これらの基板７Ｂ，７ｂは図示のように一方が他方に対して９０°回転させた姿勢でドラム２４にセットされる。もちろん、他の段数目にセットする基板には予め対応する本数のマークが付される。このようなマーク３８を利用すれば、第一工程を経て真空チャンバから取り出された基板を、マーク３８が互いに重なり合うように組み合わせることによって、適正な一対の基板を適正な姿勢で組み合わせることができる。なお、基板は必ずしも正方形でなくても構わないが、ドラム２４の何段目にセットされたものであるかを表すマークは予め記しておくことが望ましい。

成膜後の一対の基板を正しく組み合わせ、またこれらを接合する際に互いに９０°回転させたことを確認できるようにするには、成膜と同時に各基板にマークを形成してこれを利用することもできる。図６は、ドラムに固定された支持枠４０と側板４１，４２，４３で保持された二段目の基板７Ｂ，７ｂと、三段目の基板７Ｃ，７ｃとを正面側から図示したもので、側板４１，４２，４３は各基板の左右の辺を覆って各基板が手前側に倒れないように基板の前面を抑えるほか、基板上における位相差補償層の成膜エリアを画定するコートマスクの作用をもつ。

二段目の基板７Ｂ，７ｂ、三段目の基板７Ｃ，７ｃの位置に対応し、図示のように側板４１，４２に切り込み４５，４６が形成されている。これにより、二段目の基板７Ｂ，７ｂに成膜された位相差補償層の左辺には二本の凸部が形成され、三段目の基板７Ｃ，７ｃに成膜された位相差補償層の左辺には三本の凸部が形成される。これらの凸部は、それぞれの位相差補償層の表面反射を観察することによって容易に識別することができるから、これらの凸部をマークとして利用し、組み合わせる一対の基板の選択、そして組み合わせるときに互いに９０°回転させたかを的確に識別することができる。もちろん側板は各段の基板ごとに個別のものを用いてもよく、また基板の左右の辺を覆う代わりに基板の上下の辺を覆うコートマスクに同じ機能をもたせてもよい。

以上のとおり、本発明の位相差補償素子によれば、個々の薄膜の成膜時に厳密には制御し得ないわずかな成膜条件のバラツキに伴って、膜厚や複屈折率などの物性の偏りが徐々に蓄積されてゆき、最終的には無視できない程度にまで物性が偏ってしまうことを想定し、所期の位相差補償層の半分の膜厚まで共通に成膜した一対の基板を、物性の偏りが相補的に矯正されるように一方を９０°回転させて他方と一体化し、トータル的に位相差補償層全体の物性を良好に保つようにしている。この手法は、成膜条件のわずかな違いや、それに伴う物性値の変化を定量的に把握していなくても適用できるという実用的価値があり、単に一般のスパッタ成膜法に限らず、蒸着法やイオンプレーティング法など、種々の成膜法に適用可能である。

また、本発明を実施する上では、必ずしも屈折率が互いに異なる二種類の薄膜を交互に積層させた位相差補償層に限らず、三種類以上の薄膜を積層した位相差補償層を用いることも可能で、位相差補償層を構成する個々の薄膜の屈折率や膜厚、さらにはその積層数は、組み合わせて用いる液晶層の種類に応じて適宜に設定すればよい。実用的には基板、位相差補償層、空気の互いの界面に適数層の反射防止層を設けることが好ましいが、例えば低屈折率材料として安定的に使用されるＭｇＦ_２膜のように、反射防止層を構成する少なくとも一部の薄膜には位相差補償層には使用しない専用の薄膜材料を用いることもできる。もちろん、位相差補償作用のみが目的であればこれらの反射防止層は省略することも可能である。

本発明の位相差補償素子をスパッタ成膜で製造する際に用いられるドラムの外観図である。 一対の基板を一体化するときの説明図である。 本発明を用いた位相差補償素子の二例を示す概略断面図である。 本発明の別の実施例を示す概略断面図である。 本発明に好適な基板の例を示す説明図である。 成膜時に基板にマークを施す例を示す説明図である。 スパッタ装置の概略図である。 比較サンプルの多層構造を示す概略図である。 テストサンプルの多層構造を示す概略図である。 位相差補償素子に入射する光線の説明図である。 入射光線の方位角に関するリターデーションの発生分布特性の概略を示すグラフである。 比較サンプルのリターデーション発生分布特性を示すグラフである。 テストサンプルのリターデーション発生分布特性を示すグラフである。

符号の説明

２ 真空チャンバ
６、２４ ドラム
７、７Ａ〜７Ｅ、７ａ〜７ｅ 基板
９，１０ ターゲット材料
２０、３０、３１、３５ 位相差補償素子
２１ 位相差補償層
２１ａ 前半層
２１ｂ 後半層
３８ マーク

Claims (11)

1. 透明な基板上に屈折率が互いに異なる少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の位相差補償層を備え、この位相差補償層を通過する光線に入射角に応じた負のリターデーションを生じさせる位相差補償素子において、
   それぞれの基板の一方の面に前記少なくとも二種類の薄膜を積層することにより前記位相差補償層の略半分の膜厚をもつ多層膜が形成され、入射した光線の方位角に関するリターデーションの発生分布特性が同一傾向を示す第一素子と第二素子とを備え、これらの第一素子と第二素子とが前記発生分布特性が互いに直交するように互いに重ね合わされたことを特徴とする位相差補償素子。
2. 入射した光線の方位角に関する前記リターデーションの発生分布特性が１８０°の回転対称パターンをもつことを特徴とする請求項１記載の位相差補償素子。
3. 前記第一素子と第二素子とが、互いに前記多層膜が形成されていない他方の面で接合されていることを特徴とする請求項１又は２記載の位相差補償素子。
4. 前記第一素子及び第二素子の多層膜の最上層に反射防止層が形成されていることを特徴とする請求項３記載の位相差補償素子。
5. 前記第一素子及び第二素子の基板の前記一方の面に予め反射防止層が形成され、その上に前記多層膜が形成されていることを特徴とする請求項３記載の位相差補償素子。
6. 前記第一素子と第二素子とが、互いに前記多層膜が形成された側で接合されていることを特徴とする請求項１又は２記載の位相差補償素子。
7. 前記第一素子と第二素子の基板の他方の面に反射防止層が形成されていることを特徴とする請求項６記載の位相差補償素子。
8. 真空チャンバ内に透明な基板と少なくとも二種類の薄膜材料とを収容し、前記薄膜材料から順次に粒子を放射して前記基板に堆積させ、前記基板上に屈折率が互いに異なる少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の位相差補償層を形成し、前記位相差補償層を通過する光線に入射角に対応した負のリターデーションを生じさせる位相差補償素子の製造方法において、
   前記位相差補償層の略半分の膜厚まで前記少なくとも二種類の薄膜を前記基板の一対に積層してそれぞれ多層膜を形成する第一工程と、この第一工程で得た多層膜形成後の一対の基板を前記真空チャンバ内から取り出し、それぞれの多層膜が入射光線の方位角に関して示すリターデーションの発生分布特性が互いに直交するようにこれらを接合する第二工程とからなることを特徴とする位相差補償素子の製造方法。
9. 前記第二工程において、前記一対の基板の多層膜が形成されていない面を互いに接合することを特徴とする請求項８記載の位相差補償素子の製造方法。
10. 前記第二工程において、前記一対の基板が互いの多層膜の表面側で接合することを特徴とする請求項８記載の位相差補償素子の製造方法。
11. 前記第一工程において、前記一対の基板は前記真空チャンバ内で回転するドラムで保持され、ドラムの回転により同一の軌跡上を移動することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか記載の位相差補償素子の製造方法。
    

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