JP2009020335A - 反射型液晶表示素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】隣り合う画素電極との間で発生し得る横方向の電界によるディスクリネーションの発生を抑制することで、高画質・高コントラスト・高輝度を有する反射型液晶表示素子を提供する。
【解決手段】反射型液晶表示素子は、反射型の画素電極１１１を複数有する反射電極基板１１０と、画素電極１１１に対向するように設けられた透明電極を有する透明基板と、反射電極基板と透明基板との間に挟持された垂直配向液晶とを備える。画素電極１１１の表面１１３とその側面１１５とのなす稜線のうち、垂直配向液晶のプレチルト方向Ｘに位置する画素電極１１１の稜線１１７に斜面１１６を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射型の画素電極を有する反射型液晶表示素子とその製造方法に関する。

近年、プロジェクションディスプレイの高精細化、小型化、及び高輝度化が進むにつれ、小型・高精細化が可能で高い光利用効率が実現できシームレスな表示画像を提供できる反射型液晶表示素子が注目され実用化が進んでいる。反射型液晶表示素子のひとつに、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）があり、特に垂直配向液晶を有するＬＣＯＳは、コントラストが高く応答速度も速い。

このような垂直配向液晶を用いた反射型液晶表示素子の従来例として、例えば特許文献１に記載のものがある。特許文献１によると、画素電極の略矩形の四隅の角部のうち、少なくとも液晶分子の配向方向に位置する角部が切り欠かれている。これにより、画素電極の液晶分子の配向方向に位置する角部と隣り合う画素電極の角部との間の距離を長くすることができる。その結果、横電界によるクロストークの電界強度を弱め、液晶分子の配向方向に位置する画素電極の角部に複雑な形状を有するディスクリネーション（液晶分子の配向乱れ）が発生するのを抑制することができるとされている。
特開２００５−２４９２３号公報

図９は、特許文献１に記載の従来技術による反射画素電極の構成を示す要部平面図である。同図に示すように画素電極１１１の角部１２３を切り欠くことにより、黒表示と白表示の対角上境界において、横方向の電界が緩和されディスクリネーションは抑制される。しかし、画素の辺にそった方向に関してはディスクリネーションが残存してしまう。

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、隣り合う画素電極との間で発生し得る横方向の電界によるディスクリネーションの発生を抑制することで、高画質・高コントラスト・高輝度を有する反射型液晶表示素子を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明による反射型液晶表示素子は、反射型の画素電極を複数有する反射電極基板と、前記画素電極に対向するように設けられた透明電極を有する透明基板と、反射電極基板と透明基板との間に挟持された垂直配向液晶とを備え、画素電極の表面と画素電極の側面とのなす稜線のうち、垂直配向液晶のプレチルト方向に位置する画素電極の稜線に面取りされた斜面を有することを特徴としている。

さらに、前記画素電極間のギャップを前記画素電極の前記面取りされた斜面より低い領域まで絶縁物質で埋め込んだことを特徴とする。

好ましくは、前記画素電極が正方形であり、プレチルト方向が前記画素電極の対角方向であることを特徴とする。この場合、プレチルト方向の２辺の稜線に面取りされた斜面を有してもよい。

また、反射型液晶表示装置の製造方法として、回路を含む半導体基板上に、画素電極の反転パターンを犠牲層で形成する工程と、前記画素電極材料となる金属膜を垂直配向液晶のプレチルト方向からの金属粒子により成膜する工程と、前記犠牲層上の前記金属膜を前記犠牲層ごと除去する工程とを有することを特徴とし、プレチルト方向の稜線が面取りされた形状を形成することが可能となる。

さらに、他の実施形態の製造方法として、回路を含む半導体基板上に、画素電極の反転パターンを下層から絶縁層、犠牲層の順で２層以上形成する工程と、前記画素電極材料となる金属膜を垂直配向液晶のプレチルト方向からの金属粒子により成膜する工程と、前記犠牲層上の前記金属膜を前記犠牲層ごと除去する工程とを有することを特徴とすることで、平坦性の高い反射電極構造を形成することができる。

本発明によれば、隣り合う画素電極との間で発生し得る横方向の電界によるディスクリネーションの発生を抑制することが可能となり、高画質・高コントラスト・高輝度を有する反射型液晶表示素子を提供することが可能となる。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る反射型液晶素子とその製造方法の実施形態について具体的に説明する。

（第１の実施形態）
まず、図１〜図４を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１（Ａ）は、本実施形態に係る反射型液晶表示素子の上面、図１（Ｂ）は、その断面、図１（Ｃ）は、その断面の拡大図を示す。

図１に示す本実施形態に係る反射型液晶表示素子は、半導体基板（反射電極基板）１１０上に駆動回路を形成し、その上に、遮光膜、層間絶縁膜を介してアルミニウムを主成分とする反射型の画素電極１１１を形成したＬＣＯＳである。画素電極１１１上には、配向膜１１２が形成される。図では、半導体基板上に画素電極１１１を複数有する構成を示し、駆動回路、遮光膜、層間絶縁膜及び画素電極１１１上の保護膜等は省略している。さらに、反射型液晶表示素子は、画素電極１１１に対向するように設けられた透明電極を有する透明基板と、半導体基板１１０と透明基板との間に挟持された垂直配向液晶とを備えるが、これらの図示も省略している。

図１に示すように、画素電極１１１は、その表面１１３と側面１１５とのなす稜線１１７のうち、少なくとも垂直配向液晶のプレチルト方向Ｘに位置する画素電極１１１の稜線１１７に、面取りした斜面１１６を有する構成になっている。ここで、プレチルト方向Ｘは、垂直配向液晶分子の長軸を画素電極１１１が形成された反射電極基板１１０の法線に対して所定角度（プレチルト角）で傾ける際の傾斜を与える方向に対応するもので、図の例では、垂直方向から平面図に対して左斜め４５°方向である。すなわち、図の例では、画素電極１１１の平面形状が正方形であり、プレチルト方向Ｘは画素電極１１１の対角方向である。

図２は、このときの液晶の動作を説明する図である。３００は黒表示のための電圧が印加された画素、３０１は白表示のための電圧が印加された画素である。１３０は、垂直配向液晶である。

図２において、隣り合う画素３００、３０１が黒と白といった輝度差の大きい表示、つまり印加電圧の差が大きい表示を行った場合には、これら隣り合う画素３００、３０１の画素電極１１１間において横方向電界が発生する。この横方向の電界により白表示のための電圧が印加された画素３０１の垂直配向液晶１３０には時計回りに回転させようとする力３０３が働き、ディスクリネーション（垂直配向液晶１３０の配向乱れ）を促すこととなる。

しかしながら、本実施形態では、垂直配向液晶１３０には面取りされた斜面１１６に対して垂直に配向しようとするため、面取りされた斜面が垂直配向液晶１３０に半時計回りに回転させようとする力３０２を与える。この力３０２は、横方向電界による垂直配向液晶１３０に与える力３０３を抑える方向に働くため、横方向電界によるディスクリネーションを抑制することが可能となる。

上記の面取りされる辺としては、配向膜１１２が斜方蒸着により形成された無機配向膜の場合には、後述する図４（Ｄ）に示されるように蒸着の向きにあわせて設定されることが望ましい。本実施形態では、無機の配向膜１１２の斜方蒸着は図２の右下方向からされており、少なくとも斜方蒸着の向きと反対側の左辺と上辺が面取りされている。

図３（Ａ）に本実施形態に係る反射型液晶表示素子の効果による隣り合う画素同士が黒白の場合の表示例を4画素に拡大した図、図３（Ｂ）にそのときの垂直配向液晶の配向状態の概念図を示す。垂直配向液晶を音符状の形状●（丸）と−（棒）で表し、立っているほど棒が短く（●-）、寝ているほど棒が長く（●−）なるように表示している。また、棒から丸に向かう方向が垂直配向液晶の配向方向と等しい。横方向電界による垂直配向液晶の配向乱れが抑制され、ディスクリネーションの発生を抑制する。

図４に本実施形態に係る反射型液晶表示素子の製造方法を、トランジスタ等の回路を構成した半導体基板１１０上の画素電極形成の製造方法として示す。

まず、図４（Ａ）に示すように、半導体基板１１０上に画素電極１１１のネガパターン（反転パターン）を厚さ０．８μｍのレジスト（犠牲層）１７０の塗布及びパターニング工程、エッチング工程で形成する。

次に、図４（Ｂ）に示すように、まず垂直方向からの金属粒子の蒸着等で画素電極材料となる金属膜１７１ａ、１７１ｂを堆積させる。その後に徐々に角度を変更し、プレチルト方向に４°傾いた方向ｄ１からの金属粒子の蒸着等で厚さ０．１μｍの金属膜１７１ａ、１７１ｂを堆積させて成膜する。このとき、レジスト１７０の厚みと傾ける角度、垂直蒸着の時間と傾けて蒸着する時間等を制御することで、面取りする幅と角度が制御できる。

次に、図４（Ｃ）に示すように、レジスト１７０を剥離すると、レジスト１７０上（犠牲層上）に堆積した画素電極間の金属膜１７１ｂは、レジスト１７０とともにリフトオフ効果で除去される。

更に、図４（Ｄ）に示すように、所定方向ｄ２からの斜方蒸着等により配向膜１１２を形成することで、プレチルト方向の稜線が幅０．０４μｍ、高さ０．０５μｍの寸法で面取りされた金属膜１７１ａが画素電極１１１として形成される。

なお、本実施形態ではレジスト１７０が犠牲層として機能しているが、本発明はそれに限定されるものではなく、リフトオフが可能なものであればよい。

かかる実施形態は本発明の一態様を示すものであり、本発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。例えば、金属膜１７１の堆積を垂直方向からすぐにチルトをかけることも可能であり、そのような場合は面取り部の範囲が大きくなるが、本発明の主旨にたがわず同様な効果があることはいうまでもない。

（第２の実施形態）
次に、図５及び図６を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。

図５に示す本実施形態に係る反射型液晶表示素子は、半導体基板（反射電極基板）１１０上に駆動回路を形成し、その上に、遮光膜、層間絶縁膜を介してアルミニウムを主成分とする反射型の画素電極１１１を形成したＬＣＯＳである。画素電極１１１上には、配向膜１１２が形成される。本実施形態では、画素電極１１１間には絶縁膜１７２が面取りされた斜面の下まで埋め込まれている。図では、半導体基板上に画素電極１１１を複数有する構成を示し、駆動回路、遮光膜、層間絶縁膜及び画素電極１１１上の保護膜等は省略している。さらに、反射型液晶表示素子は、画素電極１１１に対向するように設けられた透明電極を有する透明基板と、半導体基板１１０と透明基板との間に挟持された垂直配向液晶とを備えるが、これらの図示も省略している。

反射型の画素電極１１１は、その表面１１３と側面１１５とのなす稜線１１７のうち、垂直配向液晶のプレチルト方向に位置する画素電極１１１の稜線１１７に面取りされた斜面１１６を有している。このような構造にすることで、垂直配向液晶は面取りされた斜面１１６に対して垂直に配向しようとするため、隣り合う画素を黒白表示した場合に発生する横方向電界による垂直配向液晶の配向乱れが抑制される。

また、画素電極１１１間には画素電極の面取りされた斜面１１６よりも低い領域まで絶縁物質である絶縁膜１７２が埋め込まれており、画素電極１１１間の段差を緩和している。このような構造にすることで、最も横方向電界が強い画素電極１１１間に液晶が存在しないため、垂直配向液晶の横方向電界による配向乱れの抑制効果が強化され、ディスクリネーションをより一層抑制できた。

図６に本実施形態の製造方法の一例を示す。

まず、図６（Ａ）に示すように半導体基板１１０上に膜厚０．０６μｍのＳｉＯ等の絶縁膜（絶縁層）１７２をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等で形成する。

次に、図６（Ｂ）に示すように、画素電極１１１のネガパターンを厚さ０．７μｍのレジスト１７０の塗布及びパターニング工程、エッチング工程を用いて形成し、さらに絶縁膜１７２をＲＩＥ等の方法でエッチングする。半導体基板１１０の表面は主に絶縁膜１７２であり、パターニングされた絶縁膜１７２と異なる種類の材料である方がエッチングの際の選択比が取れやすいため好ましいが、段差を生じても大きな問題が無いため、特に限定されることはない。

次に、図６（Ｃ）に示すように、まず垂直方向からの金属粒子の蒸着等で金属膜１７１を堆積した後に徐々に角度を変更し、プレチルト方向に２°傾いた方向ｄ１からの金属粒子の蒸着等で厚さ０．１μｍの金属膜１７１ａ、１７１ｂを堆積させる。

次に、図６（Ｄ）に示すように、レジスト１７０を剥離すると、レジスト１７０上に堆積した画素電極間の金属膜１７１ｂは、レジスト１７０とともにリフトオフ効果で除去される。

更に、図６（Ｅ）に示すように、所定方向ｄ２からの斜方蒸着等により配向膜１１２を形成することで、プレチルト方向の稜線が幅０．０２μｍ、高さ０．０４μｍの寸法で面取りされた金属膜１７１ａが画素電極１１１として形成される。そして、画素電極１１１間のギャップには、絶縁膜１７２が０．０６μｍ埋め込まれている構造を作成することができる。

以上詳細に説明したように、本実施形態の構成によれば、ディスクリネーションの発生を抑制することで、高画質・高コントラスト・高輝度を有する反射型液晶表示素子を提供できた。

なお、本実施形態ではレジスト１７０が犠牲層として機能しているが、本発明はそれに限定されるものではなく、リフトオフが可能なものであればよい。

また、本実施形態では半導体基板１１０上に、画素電極１１１の反転パターンを下層から絶縁膜１７２（絶縁層）、レジスト１７０（犠牲層）の順で２層形成しているが、これに限定されず、絶縁層、犠牲層の順で２層以上形成する工程であればよい。

（第３の実施形態）
次に、図７を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。

図７は、本実施形態に係る反射型液晶表示素子を用いた反射型液晶表示装置を説明するための等価回路図である。同図において、１、２は信号線、３から６はＭＯＳ(Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタからなる画素スイッチ、７から１０は液晶素子、１１から１４は保持容量、１５、１６は駆動線（走査線）である。これら画素スイッチ、液晶素子、保持容量により反射型液晶表示装置の有効画素領域内の行及び列方向に沿って二次元マトリクス状に配置される画素の単位を構成している。１７は水平シフトレジスタ、１８は垂直シフトレジスタ、１９はビデオ線、２０、２１はＭＯＳトランジスタからなるサンプリングスイッチである。

以下に図７を用いて本実施形態に係る反射型液晶表示装置の動作を簡単に説明する。

図７では、２行２列の複数の画素を用いた等価回路で説明している。しかしながら、本発明はこれに限定されず、行及び列方向に多数の画素が存在して有効画素領域を構成している。

まず、駆動線１５に画素スイッチ３、４をオン状態にするべくオン信号が入力される。このオン状態時に、水平シフトレジスタ１７が順次動作し、ビデオ線１９から信号線１、２に画像信号を伝達する。すなわち、まず、サンプリングスイッチ２０が開いて、信号線１にビデオ線１９の信号が伝達される。すると、画素スイッチ３を通して保持容量１１に画像信号に応じた電荷が蓄積され、液晶素子７の電極の一方（画素電極を成す反射電極）に画像信号に応じた電圧を印加する。

次いで、サンプリングスイッチ２０が閉じた後にサンプリングスイッチ２１が開いてビデオ線１９の画像信号が信号線２に伝達され、画素スイッチ４を通して保持容量１２に画像信号に応じた電荷が蓄積される。このシーケンスで行方向に順次画像信号が画素に書き込まれていく。１行全ての画素に画像信号が与えられた後に、駆動線１５にオフ信号が入力されて画素スイッチ３、４がオフされる。その後、駆動線１６に画素スイッチ５、６をオン状態にするべくオン信号が入力され、その後は駆動線１５の行と同様に順次画像信号が画素に与えられる。全画素に画像信号が与えられた後、再び１行目に戻りこの動作が繰り返される。

（第４の実施形態）
次に、図８を参照して、本発明の第４の実施形態について説明する。

図８は、本実施形態に係る反射型液晶表示素子を用いた反射型液晶表示装置を搭載した液晶プロジェクター用の光学システムの一例を示す概略図である。１０１はランプ、１０２はリフレクター、１０３はロッドインテグレーター、１０４はコリメーターレンズ、１０５は偏光ビームスプリッター及びλ／２板を有する偏光変換部、１０６はリレーレンズ、１０７はダイクロイックミラーである。１０８は偏光ビームスプリッター、１０９はクロスプリズム、１１０は反射型液晶表示装置、１１１は投影レンズ、１１２は全反射ミラーである。

この構成において、ランプ１０１から出た光束は、リフレクター１０２で反射しロッドインテグレーター１０３の入口に集光する。このリフレクター１０２は楕円リフレクターであり、ランプ１０１の発光部及びロッドインテグレーター１０３の入口にその焦点が存在する。ロッドインテグレーター１０３に入射された光束は、ロッドインテグレーター１０３の内部で０から数回反射を繰り返し、ロッドインテグレーター１０３の出口で２次光源像を形成する。２次光源形成法としてはフライアイを用いた方法も有るが、ここでは省略する。

２次光源からの光束は、コリメーターレンズ１０４を通して、おおむね平行光とされ、偏光変換部１０５の偏光ビームスプリッターに入射する。この入射光のうちＰ波は偏光変換部１０５の偏光ビームスプリッターで反射し、λ／２板を通りＳ波となる。これにより偏光変換部１０５の出射側で全ての光がＳ波となり、リレーレンズ１０６に入射する。リレーレンズ１０６を通過した光束は、全反射ミラー１１２、ダイクロイックミラー１０７、偏光板(不図示)、偏光ビームスプリッター１０８、クロスプリズム１０９等で構成された色分解系を通過し、それぞれ３枚の反射型液晶表示装置１０７に入射する。

反射型液晶表示装置１０７では、液晶シャッターが、映像に合わせて画素ごとに電圧を制御し、液晶の作用によりＳ波を楕円偏光（もしくは直線偏光）に変調する。変調された光は、偏光ビームスプリッター１０８でＰ波成分が透過され、クロスプリズム１０９で色合成した後、投影レンズ１１１から投影される。

本発明は、電気光学物質として垂直配向液晶を用いた電気光学装置や電子機器の用途に利用可能である。例えば、携帯電話機やモバイルコンピュータ、携帯型デジタル音楽プレーヤ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等をはじめとする電子機器のビューファインダ、プロジェクター、リヤプロジェクションテレビ等に利用できる。

（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る反射型液晶表示素子の構成を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る反射型液晶表示素子における垂直配向液晶に働く力を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る反射型液晶表示素子における垂直配向液晶の表示状態と配向状態を示す図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る反射型液晶表示素子の製造方法を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る反射型液晶表示素子の構成を示す図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、本発明の第２の実施形態に係る反射型液晶表示素子の製造方法を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る反射型液晶表示素子を用いた反射型液晶表示装置の全体構成を示す等価回路図である。 本発明の第４の実施形態に係る反射型液晶表示素子を用いた反射型液晶表示装置を搭載した液晶プロジェクター用の光学システムの全体構成を示す図である。 従来例の反射型液晶表示素子における画素電極形状の概念図である。

符号の説明

１１０ 半導体基板（反射電極基板）
１１１ 画素電極
１１２ 配向膜
１１３ 表面
１１５ 側面
１１６ 斜面
１１７ 稜線
１３０ 垂直配向液晶
１７０ レジスト
１７１ａ 画素電極となる金属膜
１７１ｂ リフトオフされる金属膜
１７２ 絶縁膜
３００ 黒表示画素
３０１ 白表示画素
３０２ 斜面に対して垂直配向しようとする力
３０３ 横方向電界により回転しようとする力
Ｘ プレチルト方向

Claims (6)

1. 反射型の画素電極を複数有する反射電極基板と、
   前記画素電極に対向するように設けられた透明電極を有する透明基板と、
   前記反射電極基板と前記透明基板との間に挟持された垂直配向液晶とを備え、
   前記画素電極の表面と前記画素電極の側面とのなす稜線のうち、前記垂直配向液晶のプレチルト方向に位置する前記画素電極の前記稜線に斜面を有することを特徴とする反射型液晶表示素子。
2. 前記画素電極間のギャップを前記画素電極の前記斜面より低い領域まで絶縁物質で埋め込んだことを特徴とする請求項１に記載の反射型液晶表示素子。
3. 前記画素電極の平面形状が正方形であり、
   前記プレチルト方向が前記画素電極の対角方向であることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の反射型液晶表示素子。
4. 回路を含む半導体基板上に、画素電極の反転パターンを犠牲層で形成する工程と、
   前記画素電極材料となる金属膜を垂直配向液晶のプレチルト方向からの金属粒子により成膜する工程と、
   前記犠牲層上の前記金属膜を前記犠牲層ごと除去する工程とを有することを特徴とする反射型液晶表示素子の製造方法。
5. 回路を含む半導体基板上に、画素電極の反転パターンを下層から絶縁層、犠牲層の順で２層以上形成する工程と、
   前記画素電極材料となる金属膜を垂直配向液晶のプレチルト方向からの金属粒子により成膜する工程と、
   前記犠牲層上の前記金属膜を前記犠牲層ごと除去する工程とを有することを特徴とする反射型液晶表示素子の製造方法。
6. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の反射型液晶表示素子を用いたことを特徴とする電子機器。