JP2011027968A - 偏光露光装置及びそれを使用した偏光露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光露光手段を用いて、偏光方向、照度、輝線の波長、消光比を調整できる露光装置とともに、それを用いて、Ｒ、Ｇ、Ｂ各画素の位相差特性を制御して諧調を出す露光方法を提供する。
【解決手段】露光機の光路中に、光の入射方向を軸とした回転角度と、光の入射方向に対する傾斜角度とを任意に決定、調整することができる偏光板を具備する露光装置を用いて、カラーフィルタ上に塗布されたコレステリック液晶からなる位相差層に偏光露光光を照射し、面内位相差（Ｒｅ）膜厚方向位相差（Ｒｔｈ）の２軸を発現させ、カラーフィルターのＲｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅ等の3色以上の各画素のＲｅとＲｔｈの値を制御する。
【選択図】なし

Description

本発明は、液晶ディスプレイ分野に関わる配向膜、位相差膜を形成するための偏光露光装置及びそれを使用した偏光露光方法に関する。

液晶ディスプレイに用いられる配向膜は、液晶を整列させる機能を持つ。電圧ON時、またはOFF時に液晶をある方向に整列させることにより、光通過時に位相差を付与し、さらに表示用偏光板を用いることによって黒白表示を実現している。

配向膜は、布等で一定方向に擦ることによって、配向膜上に注入、もしくは塗布された液晶を整列させることができる。これはラビング工程と呼ばれている。液晶は、ラビング処理された配向膜の上ではラビング方向に整列し、液晶層は異方性をもつことになる。

偏光板を通った光が、ある角度で異方性を持った液晶層に入射した場合、液晶の遅延相に対応する光成分のみ位相差を生じる。これにより、光は円偏光に変化したり、９０°回転した直線偏光になったりする。以上のメカニズムを用いることによって、液晶に電圧を印加する状態（ON）と印加しない状態（OFF）で通過する光の偏光状態を操作することができる。

しかしながら、ラビング工程は、前述の通り、配向膜を布等で擦る必要がある。この為ラビング工程は処理中の発塵やラビング布の交換頻度が高い等の理由で生産性を落とす原因となっていた。そこで、近年は光配向技術が確立しつつあり、露光工程で非接触のプロセスにてラビングと同一の効果を持たせることができる。ラビング工程を露光工程に切り替えることにより、非接触プロセスが実現するため、生産性向上が見込める。

ラビング工程の露光機代替には、偏光露光と呼ばれる手段が用いられる。偏光板は入射光のなかの横波、もしくは縦波のみを選択的に透過する光学素子であり、一般的にはP波、S波と呼ばれる。

偏光露光が展開される代表的なものとして、光配向膜が挙げられる。配向膜は、その上に形成される液晶層を、ある方向に整列させる配向規制力を持つ膜である。光配向膜に偏光露光光を照射することにより、所望の方向に液晶層の配向規制力を持たせることができる。偏光光に反応するメカニズムとしては材料により多種多様であり、ここでは言及しない。

また、液晶パネルに使用される位相差板を、カラーフィルター上に位相差膜を形成させる、いわゆるインセル位相差膜と呼ばれる技術も提案されており、ここでも偏光露光技術が展開される。

通常の位相差板は、ＴＡＣ（トリアセチルセルロース）と呼ばれる液晶表示用偏光フィルムの保護膜に、位相差特性を付加したものが多い。延伸法などの方法でフィルムを伸ばすことによって、分子の整列に異方性を持たせることによって、所望の位相差特性を持たせるものである。ＴＡＣ位相差板の優位な点は、製造方法が容易であり、安価であるということが大きい。しかし欠点として、Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅの3色全ての画素で同一の位相差特性しか持たせられないという点が挙げられる。

パネルでの位相差フィルムの役割は、斜め視野角コントラストを向上させることを目的
とすることが多い。したがって、理想的には、波長の異なるＲｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅの各色で位相差特性を制御する必要がある。

インセル位相差膜は、Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅの各画素で位相差に階調をつけることができる。これにより、各画素で適正な波長分散を得ることが可能となり、最適な視野角コントラストを得ることができる。

位相差膜に階調をつける方法としては、偏光露光量を制御する方法が一般的である。例えば、特許文献１には、光源から被照射面までの光路中に光の偏光比を調整するための偏光素子を有し、かつ偏光素子から被照射面までの光路中に、特定の複屈折量を有した光学素子を配した及び／又は配さない照明光学系と、被照射面を通過した光を基板に導くための投影光学系とを有する露光装置が開示されている。また、特許文献２には、光源からの紫外光に少なくとも３つの互いに異なる位相差を付与する光学ユニットと、この光学ユニットを通過した紫外光の偏光状態に応じて異なる透過率を有する偏光素子と、偏光素子を通過した紫外光の光強度を検出する撮像素子と、その偏光状態を計測する手段を有する露光装置が開示されている。

近年の液晶ＴＶ大型化に伴い、斜め視野角のコントラスト向上は益々求められている。前述の通り、各画素で位相差膜の特性に階調をつける方法としては、偏光露光量を制御する方法が一般的である。しかし、液晶ＴＶ用の位相差膜に展開するためには、２軸の制御が必要となるため、露光量だけの制御では特性を出せない場合が多い。

ここで、２軸とは、面内の位相差Ｒｅと膜厚方向の位相差Ｒｔｈである。２軸の位相差膜を形成するための手段として、コレステリック液晶を使用する方法がある。

コレステリック液晶に偏光露光光を照射することによって、膜厚方向に形成されていた液晶の螺旋が偏光方向に異方性を持つようになる。コレステリック液晶は、膜厚方向に既に位相差を持っているため、偏光露光光を照射することによって、面内位相差も発現させることができる。これにより、ＲｅとＲｔｈの特性を持たせる。

また、Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅ各画素での特性値最適化のためには、面内位相差Ｒｅの階調だしが重要となる。しかし、従来の露光量だけでの制御では、所望の面内位相差Ｒｅを出すことは難しい。材料によっては、露光量では面内位相差Ｒｅに全く変化が出ない場合もある。したがって、露光量以外で特性値の階調を出すための手段が必要となる。

特開２００５−３１１１８７号公報 特開２００６−２７９０１７号公報

本発明は、偏光露光手段を用いて、偏光方向、照度、輝線の波長、消光比を調整できる露光装置とともに、それを用いて、Ｒ、Ｇ、Ｂ各画素の位相差特性を制御して諧調を出す露光方法を提供することを課題としている。

本発明の請求項１に係る発明は、露光機の光路中に、光の入射方向を軸とした回転角度と、光の入射方向に対する傾斜角度とを任意に決定、調整することができる偏光板を具備することを特徴とする露光装置である。

また、本発明の請求項２に係る発明は、前記偏光板が、その少なくとも片面に、２種以上の酸化物層からなる多層膜を形成して成ることを特徴とする請求項１に記載する露光装置である。

また、本発明の請求項３に係る発明は、前記偏光板の光の入射方向を軸とした前記回転角度は±３０°以下、前記偏光板の光の入射方向に対する前記傾斜角度は３０°〜７０°で調整することができることを特徴とする請求項１に記載する露光装置である。

また、本発明の請求項４に係る発明は、前記偏光板が、全ての軸、及び傾斜角度における３６５ｎｍの紫外線の偏光板透過率が３０％以上であり、全ての軸、及び傾斜角度における３６５ｎｍの紫外線の偏光板消光比が１００以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載する露光装置である。

次に、本発明の請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載する露光装置を用いて、カラーフィルタ上に塗布されたコレステリック液晶からなる位相差層に偏光露光光を照射し、面内位相差（Ｒｅ）膜厚方向位相差（Ｒｔｈ）の２軸を発現させ、カラーフィルターのＲｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅ等の3色以上の各画素のＲｅとＲｔｈの値を制御することを特徴とする露光方法である。

また、本発明の請求項６に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載する露光装置を用いて、位相差膜の下地となる光配向膜を形成することを特徴とする露光方法である。

本発明は以上の構成であるから、以下に示す如き効果がある。すなわち、請求項１に係る発明によれば、露光機の光路中に、光の入射方向を軸とした回転角、光の入射方向に対する傾斜角を任意に決定、調整することができる偏光板を具備することにより、偏光方向、照度、輝線の波長、消光比を調整することができる。

また、請求項２に係る発明によれば、偏光板の少なくとも片面に、２種以上の酸化物層からなる多層膜を形成して成る偏光板を具備することにより、入射光軸に対して偏光板を傾けることによって、入射光中の特定波長のP波のみを透過することができる。

また、請求項３に係る発明によれば、光の入射方向を軸とした偏光板の回転角度は±３０°以下、光の入射方向に対する傾斜角度は３０°〜７０°で調整可能であることにより、光源やミラー、偏光板を変更することなしに、偏光方向、照度、輝線の波長、消光比を調整することができる。軸角度の調整により、偏光方向の微量な調整が可能となり、露光装置の癖や品種毎の補正が可能となる。傾斜角度の調整により、照度、輝線の波長、消光比が調整可能となり、偏光露光の光学的成分を変えることができる。

また、請求項４に係る発明によれば、全ての軸、及び傾斜角度における３６５ｎｍの紫外線の偏光板透過率が３０%以上であり、同３６５ｎｍの消光比が１００以上であることを特徴とするもので、多層膜の形成設計により、高照度、高消光比の３６５ｎｍ輝線を抽出することができる。これにより、３６５ｎｍに感度を持つ材料に対して、効率よく偏光露光が可能となる。

また、請求項５に係る発明によれば、請求項１〜４のいずれか１項に記載する露光装置を用いて、カラーフィルタ上に塗布されたコレステリック液晶からなる位相差層に偏光露光光を照射し、面内位相差（Ｒｅ）膜厚方向位相差（Ｒｔｈ）の２軸を発現させ、カラーフィルターのＲｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅ等の3色以上の各画素のＲｅとＲｔｈの値を制御する。この露光装置で、露光方法及び偏光光調整方法を展開することによって、位相差膜の面内位相差Ｒｅを制御することができる。これにより、光源やミラー、偏光板を変更することなく、Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅ等の各画素の位相差特性を制御することが可能となる。つまり、1台の露光機で上記パラメータを制御することにより、Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅの3色等の階調だしができる。

また、請求項６に係る発明によれば、位相差膜の位相差特性を制御する際に、その下地となる光配向膜を形成する工程において、請求項１〜４のいずれか１項に記載する露光装置を用いて、露光方法及び偏光光調整方法を展開することにより、位相差膜のみでなく、光配向膜についても所望の特性を出すことができる。

本発明に係る露光装置の光学経路を示す概略図。 本発明に係る露光装置の、偏光板搭載位置と可変軸を説明する3面展開概略図。 本発明に係る露光装置の、偏光板傾斜角度に対する３６５ｎｍ輝線の照度、消光比の関係を示すグラフ。 本発明に係る露光装置の、偏光板傾斜角度に対する３６５ｎｍ輝線プロファイルの強度変化を示すグラフ。 本発明に係る露光装置で、位相差膜に偏光露光した場合の偏光板傾斜角度と面内位相差（Ｒｅ）の関係を示すグラフ。

以下に、本発明の一実施形態の露光装置、およびそれを用いた露光方法に基づいて、コレステリック液晶を偏光露光することによって、位相差特性値を制御する実施の形態について説明する。

図１は、プロキシミティー露光機に偏光板を具備した実施形態例を示したものである。ここで、偏光板５はインテグレーターレンズ４の直後に設置してあるが、インテグレータレンズ前、またはインテグレーターレンズの中に設置してもかまわない。また、スペースが許せば、露光光源ランプ１からマスク８までの光路中のどの位置に設置してもかまわない。しかし、スペース以外に偏光板５の大きさも関与してくるため、インテグレーターレンズ前後等の光学設計的になるべく集光している位置が望ましい。また、偏光板を搭載する位置での露光光が平行光となるように光学設計すれば、被照射面での偏光特性のばらつきを抑えることも可能になる。

なお、使用する偏光板５には多層膜蒸着板を使用し、これは傾斜することによって初めて偏光機能を有する。

図２はインテグレーターレンズ後に偏光板を設置した場合の3面展開図である。図２−aは、ＸＹ平面における偏光板傾斜方向１２を示し、２−ｂは、ＸＺ平面における偏光板傾斜方向１３を示し、図２−ｃは、ＹＺ平面における偏光板回転方向１４を示す。

ここで、図２−ａ、ｂはそれぞれ、偏光板の傾斜角度の軸を示している。これにより、ＸＹ方向、ＸＺ方向それぞれに配向方向を持たせることができる。したがって、品種によって必要となる偏光軸の方向が異なっても対応可能である。また、図２−ｃは、偏光板の回転軸を示している。これは、偏光軸を微調整するために使用する。

ランプ光源固有の照度や輝線は特に限定するものではないが、少なくとも３６５ｎｍの輝線を持つ必要がある。したがって、光学ミラーは全て３６５ｎｍ輝線を反射する機能を有する必要がある。

角度、軸の制御は、パラメータ入力にて自動制御できる機構であることが望ましい。特にＲｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｉｕｅの各画素で異なる位相差を発現させる場合は、各画素毎に傾斜角を入力することによって、自動制御にて3色パターニング露光が可能となる。

以下、本発明の一実施形態に沿った具体的な露光実施例について説明する。露光装置の機構は図１、２に示した通りであるが、本実施例においては、マスクの上に傾斜させた多層膜フィルターを置いて、角度可変冶具を用いることによって行った。

偏光板は、１ｍｍの石英基板にシリコンとタンタルの酸化物多層膜を約５０層積層形成させたものを使用し、傾斜角度５０°〜５５°付近で照度、消光比が最大値をとるような設計とした。

図３は、この多層膜偏光板の傾斜角度と３６５ｎｍＵＶ輝線の照度、及び消光比の関係を実測したものである。傾斜角度５４°以上では３６５ｎm照度は定常状態に達し、傾斜角度５１°〜５６°で消光比が最大値をとることが分かる。

傾斜角度５４°以下では、照度、消光比ともに同様の傾向を示し、低角になるほど照度、消光比とも低下する特性を持つ。また傾斜角度５６°以降では、高角になるほど、消光比が低下するが、照度はそのままである。

図４は，３６５ｎｍ強度の偏光板傾斜角度依存性を示したものである。傾斜角度４５°ではほとんどピークが発生していないのに対して、傾斜角度４６°以降で次第にピークが出現している状態が確認できる。傾斜角度５４°付近ではほぼ定常に達しており、これは図３の照度と傾斜角度の関係を裏付ける結果となっている。

実施例として、素ガラス上に配向膜を塗布し、ラビング後に液晶層を塗布し、上記した多層膜偏光板を透過した紫外線を照射した。偏光板の傾斜角度を振ることによって、位相差特性値を制御することができるかどうかを検証した。

位相差層はコレステリック液晶を使用し、塗布膜厚は約３μm、露光量は５０ｍＪ／ｃｍ^２とした。なお、露光量は各傾斜角度における照度を基準に換算した。露光後は２３０℃にて1時間の焼成を行った。

上記プロセスにて、偏光板の傾斜角度と位相差特性の関係をプロットした結果を図５に示す。傾斜角度５６°で面内位相差Ｒｅは最大値となり、これより高角、低角の双方においてＲｅ値は低下する傾向が確認された。

材料によって特性は異なるが、本実施例で使用した材料においては、照度、消光比の双方が面内位相差Ｒｅの発現に影響していることが分かる。傾斜角度５６°より高角では、
消光比が下がるが、照度は一定のため、低角に比べて面内位相差Ｒｅの低下が緩やかになっている。

以上の結果より、多層膜偏光板の傾斜角度を調整することによって、同一露光量でも面内位相差Ｒｅを制御することが可能であることが分かった。材料や偏光板の設計によっては、制御幅や制御に必要な偏光板傾斜角度を任意に決めることができる。

１・・・露光光源ランプ ２・・・楕円ミラー ３・・・熱線カットフィルター
４・・・インテグレーターレンズ ５・・・偏光板 ６・・・コリメーションミラー７・・・凹面ミラー ８・・・マスク ９・・・塗布膜 １０・・・ガラス基板
１１・・・露光ステージ １２・・・ＸＹ面内での偏光板傾斜方向
１３・・・ＸＺ面内での偏光板傾斜方向 １４・・・ＹＺ面内での偏光板傾斜方向

Claims (6)

1. 露光機の光路中に、光の入射方向を軸とした回転角度と、光の入射方向に対する傾斜角度とを任意に決定、調整することができる偏光板を具備することを特徴とする露光装置。
2. 前記偏光板が、その少なくとも片面に、２種以上の酸化物層からなる多層膜を形成して成ることを特徴とする請求項１に記載する露光装置。
3. 前記偏光板の光の入射方向を軸とした前記回転角度は±３０°以下、前記偏光板の光の入射方向に対する前記傾斜角度は３０°〜７０°で調整することができることを特徴とする請求項１に記載する露光装置。
4. 前記偏光板が、全ての軸、及び傾斜角度における３６５ｎｍの紫外線の偏光板透過率が３０％以上であり、全ての軸、及び傾斜角度における３６５ｎｍの紫外線の偏光板消光比が１００以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載する露光装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載する露光装置を用いて、カラーフィルタ上に塗布されたコレステリック液晶からなる位相差層に偏光露光光を照射し、面内位相差（Ｒｅ）膜厚方向位相差（Ｒｔｈ）の２軸を発現させ、カラーフィルターのＲｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅ等の3色以上の各画素のＲｅとＲｔｈの値を制御することを特徴とする露光方法。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載する露光装置を用いて、位相差膜の下地となる光配向膜を形成することを特徴とする露光方法。