JP3938099B2 - マイクロレンズの製造方法、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイ板、電気光学装置及び電子機器 - Google Patents

マイクロレンズの製造方法、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイ板、電気光学装置及び電子機器 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶装置等の電気光学装置に好適に用いられるマイクロレンズアレイ板等を構成するマイクロレンズの製造方法の技術分野に属する。本発明は更に、該製造方法により製造されるマイクロレンズ、マイクロレンズアレイ板、該マイクロレンズを備えた電気光学装置、及び該電気光学装置を具備してなる電子機器の技術分野にも属する。
【0002】
【従来の技術】
液晶装置等の電気光学装置などでは、その画像表示領域内に、データ線、走査線、容量線等の各種配線や、薄膜トランジスタ(以下適宜、TFT(Thin Film Transistor)と称す)、薄膜ダイオード(以下適宜、TFD(Thin Film Diode)と称す)等の各種電子素子が作り込まれる。このため、各画素において、実際に表示に寄与し得る光が透過したり反射したりする領域は、各種配線や電子素子等の存在によって本質的に限られている。より具体的には、各画素について、全領域に対する、実際に表示に寄与する光が透過或いは反射する領域(即ち、各画素の開口領域)の比率である、各画素の開口率は、例えば70%程度である。ここで電気光学装置に入射される光源光や外光は、少なくとも当該電気光学装置内における、液晶層等の電気光学物質層を通過する際には、概ね平行光である。しかるに、電気光学装置に平行光を入射した場合、そのままでは、全光量のうち各画素の開口率に応じた光量しか利用できない。
【0003】
そこで従来は、各画素に対応するマイクロレンズを含んでなるマイクロレンズアレイを対向基板に作り込んだり、マイクロレンズアレイ板を対向基板に貼り付けたりしている。係るマイクロレンズによって、そのままでは各画素における開口領域を除いた非開口領域に向かって進行する筈の光を、画素単位で集光して、電気光学物質層を透過する際には、各画素の開口領域内に導かれるようにしている。この結果、電気光学装置においては、マイクロレンズアレイを利用することで、明るい表示が可能となるとされている。
【0004】
そして、この種のマイクロレンズの製造は、次のように行われる。即ち、先ず、例えば透明基板上に形成すべきマイクロレンズの中心に対応する個所に穴を開けたマスクを形成する。次に、このマスクを介して透明基板をウエットエッチングすることにより、マイクロレンズの曲面を規定する球面の凹部を掘る。その後、マスクを除去してから、凹部内に高屈折の透明媒質を充填する。これにより、当初マスクに開けられた穴を中心とする半球面の凹部をレンズ球面として備えたマイクロレンズが形成される。このようなマイクロレンズをアレイ状に多数形成することにより、マイクロレンズアレイを製造できる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この種のマイクロレンズの場合、基本的な要請として、レンズ効率を向上させることが重要であり、更に球面収差を小さくすることも重要である。
【0006】
しかしながら、上述した従来のマイクロレンズの製造方法によれば、比較的容易にして球面レンズを製造することはできるものの、非球面レンズを製造することはできない。
【0007】
これに対して、非球面レンズを製造するためには、非球面の凹部を基板上に別材料から形成した後にこれを基板側に転写したり、基板に対して複数の相異なるエッチング工程を段階的に施すなど、複雑高度な製造方法が考えられる。しかしながら、このような製造方法は、基本的に困難であり且つ製造コストの上昇や歩留まりの低下をもたらし、更に製造工程の複雑高度化に伴って、非球面レンズにおける非球面の度合いを制御することが技術的に非常に困難になるという問題点が生じる。
【0008】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、比較的容易にして非球面のマイクロレンズを製造可能なマイクロレンズの製造方法、該製造方法により製造されるマイクロレンズ、該マイクロレンズを備えた電気光学装置、及び該電気光学装置を具備してなる電子機器を提供することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロレンズの製造方法は上記課題を解決するために、基板上に所定種類のエッチャントに対するエッチングレートが前記基板と異なる第1膜を形成する工程と、形成すべきマイクロレンズの中心に対応する個所に穴が開けられたマスクを前記第1膜上に形成する工程と、前記マスクを介してウエットエッチングすることで、前記マイクロレンズの曲面を規定する非球面の凹部を前記基板に掘る工程とを含む。
【0010】
本発明のマイクロレンズの製造方法によれば、先ず、例えば石英基板、ガラス基板等の基板上に、例えばフッ酸系などの所定種類のエッチャントに対するエッチングレートが基板と異なる第1膜を形成する。このような第1膜は、例えば、CVD(Chemical Vapor Deposition)、スパッタリング等により形成する。続いて、形成すべきマイクロレンズの中心に対応する個所に穴が開けられたマスクを第1膜上に形成する。このようなマスクは、例えば、第1膜上の一面に、CVD、スパッタリング等により第2膜を成膜後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより穴を開けるようにパターニングして形成してもよい。或いは、第1膜上における穴を除く領域にマスクを直接形成してもよい。その後、このようなマスクを介して、第1膜及び基板をウエットエッチングする。ここで用いられるエッチャントに対するエッチングレートは、第1膜と基板とでは相異なる。このため、第1膜をエッチングが貫通するまでの間は、穴の周囲における第1膜に、指向性のないウエットエッチングによって球面の凹部が掘られるが、その貫通後には、第1膜がエッチングされる度合いと基板がエッチングされる度合いとは相互に異なるため、非球面の凹部が掘られることになる。
【0011】
その後は、このように掘られた非球面の凹部が規定する曲面を利用して、比較的容易に非球面のマイクロレンズを製造できる。例えば、基板を透明基板として、凹部内に透明媒質を充填することにより、非球面のマイクロレンズを製造可能となる。或いは、凹部を型として利用して非球面のマクロレンズを製造可能となる。更に、このようなマイクロレンズが形成された基板を2枚用意して、相互に貼り合わせることにより、両凸レンズのマイクロレンズを製造可能となる。
【0012】
本発明のマイクロレンズの製造方法の一態様では、前記第1膜は、前記基板と比べて前記エッチングレートが高い。
【0013】
この態様によれば、基板と比べてエッチングレートが高い第1膜に対して、エッチングすることで、基板には、半球に比べて底が浅いナベ形状の凹部が掘られる。
【0014】
本発明のマイクロレンズの製造方法の他の態様では、前記基板は、透明基板からなり、前記凹部内に前記透明基板よりも屈折率が大きい透明媒質を入れる工程を更に備える。
【0015】
この態様によれば、透明基板からなる基板に掘られた凹部内に、これより屈折率が大きい透明媒質を入れるので、透明基板上に、非球面の凸レンズとしてマイクロレンズを製造可能となる。この際、透明媒質は、透明樹脂等からなり、接着剤を兼ねてもよい。例えば、カバーガラスを透明基板に貼り合わせる際の接着剤を兼ねてもよい。
【0016】
また、透明基板としては、例えば石英がある。この場合、第1膜を形成する際に、高温に曝されても破壊されることはないので有利である。但し、第1膜を低温で形成する場合には、透明基板に耐熱性は要求されない。例えば、ガラス板、プラスチック或いは樹脂板等でもよい。いずれにせよ、透明基板は、第1膜と共に所定種類のエッチャントによってエッチング可能な材質からなれば問題は生じない。
【0017】
尚、基板に掘られた凹部をマイクロレンズの型として用いる場合には、基板は透明である必要はない。
【0018】
本発明のマイクロレンズの製造方法の他の態様では、前記第1膜は、透明膜又は不透明膜からなる。
【0019】
この態様によれば、エッチングにより凹部を掘った後に、第1膜を凹部の周囲にそのまま残しておいても、第1膜を透明膜から構成すれば、マイクロレンズに係る光学性能に悪影響を及ぼすことは殆ど又は全くない。更に、第1膜からなる凹部の縁付近を、非球面レンズの縁付近として用いることも可能である。
【0020】
但し、凹部の周囲に残された第1膜部分は、当該マイクロレンズで集光する光の光路の縁に位置しているため、第1膜を半透明膜或いは不透明膜から形成してもマイクロレンズに係る光学性能に及ぼす悪影響は限定的である。
【0021】
本発明のマイクロレンズの製造方法の他の態様では、前記第1膜は、酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜からなる。
【0022】
この態様によれば、比較的簡単に、基板とエッチングレートが異なる第1膜を形成できる。例えば、石英基板上に、CVD或いはスパッタリングにより、膜厚及び膜質の安定した酸化シリコン膜を比較的容易に形成できる。加えて、酸化シリコン膜から、上述の態様の如き透明な第1膜を形成できる。
【0023】
本発明のマイクロレンズの製造方法の他の態様では、前記エッチングレートの制御を、前記第1膜の種類、前記第1膜の形成方法、前記第1膜の形成条件及び前記第1膜の形成後における熱処理の温度のうち少なくとも一つに係る条件設定により行う。
【0024】
この態様によれば、例えば材質、密度、孔隙率等の第1膜の種類、例えばCVD、スパッタリング等の第1膜の形成方法、例えば400℃以下程度或いは400〜1000℃程度等の第1膜の形成温度、及び第1膜の形成後における熱処理における温度のうち、少なくとも一つに係る条件設定により、エッチングレートの制御を行う。そして、係るエッチングレートの制御によって、最終的に得られる凹部が規定する非球面における曲率或いは曲率分布を比較的容易に制御できる。尚、第1膜の膜厚によっても、最終的に得られる凹部が規定する非球面における曲率或いは曲率分布を制御できる。
【0025】
本発明のマイクロレンズの製造方法の他の態様では、前記マスクは、ポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜又は耐フッ酸膜からなる。
【0026】
この態様によれば、比較的簡単に、所定個所に穴が開いたマスクを、例えば酸化シリコン膜からなる第1膜上に、例えばCVD、スパッタリング等により形成できる。
【0027】
本発明のマイクロレンズの製造方法の他の態様では、前記基板上に前記マイクロレンズがアレイ状に複数形成される。
【0028】
この態様によれば、上述の如き非球面のマイクロレンズがアレイ状に複数形成されてなる、マイクロレンズアレイが製造される。よって、例えばアレイ状或いはマトリクス状に画素が配列された電気光学装置に好適に用いられるマイクロレンズアレイを比較的簡単に製造できる。
【0029】
本発明のマイクロレンズは上記課題を解決するために、上述した本発明のマイクロレンズの製造方法(但し、その各種態様を含む)により製造される。
【0030】
本発明のマイクロレンズによれば、上述した本発明のマイクロレンズの製造方法により製造されるので、光源光、外光等を小さい球面収差で且つ効率良く集光でき、しかも製造が容易であり比較的安価で品質の安定したマイクロレンズ、更にはマイクロレンズアレイ或いはマイクロレンズアレイ板を実現できる。
【0031】
尚、本発明のマイクロレンズは、基板上に直接形成される場合には、非球面のレンズ曲面の縁付近に第1膜と基板との境目が存在し且つこの境目でレンズ曲面の曲率が顕著に変化するという本発明独自の構造上の特徴を有する。或いは、本発明のマイクロレンズは、2P法等により型を介して形成される場合には、非球面のレンズ曲面の縁付近における第1膜と基板との境目に対応する個所でレンズ曲面の曲率が顕著に変化するという本発明独自の構造上の特徴を有する。
また、本発明のマイクロレンズアレイ板は、多数のマイクロレンズと、前記マイクロレンズの底部を規定する凹状の窪みを有する透明部材と、前記透明部材上に形成され、前記凹状の窪みに対応して形成され前記マイクロレンズの縁部を規定する開口を有する膜と、前記膜上に形成されたカバー部材とを備える。そして、前記マイクロレンズの断面形状は半楕円形状であることを特徴とする。
また、本発明のマイクロレンズアレイ板は、前記透明部材で規定されるレンズ面の縁における接線に対して、前記膜におけるレンズ面の接線は、50〜60度であることを特徴とする付近の断面形状は半楕円形状であると良い。
また、本発明のマイクロレンズアレイ板は、前記膜におけるレンズ面の断面形状は直線状であると良い。
【0032】
本発明の電気光学装置は上記課題を解決するために、上述した本発明のマイクロレンズと、該マイクロレンズに対向する表示用電極と、該表示用電極に接続された配線又は電子素子とを備える。
【0033】
本発明の電気光学装置によれば、上述した本発明のマイクロレンズを備えるので、非球面のマイクロレンズにより光源光、外光等を小さい球面収差で且つ効率良く集光でき、明るく鮮明な画像表示が可能な電気光学装置を実現できる。尚、このような電気光学装置は、島状の画素電極或いはストライプ状電極等の表示用電極に、走査線、データ線等の配線やTFT、TFD等の電子素子が接続されてなるアクティブマトリクス駆動型液晶装置等の電気光学装置として構築される。
【0034】
本発明の電子機器は上記課題を解決するために、上述した本発明の電気光学装置を具備する。
【0035】
本発明の電子機器によれば、上述した本発明の電気光学装置を具備して構成されているので、明るく表示品質に優れた、プロジェクタ、液晶テレビ、携帯電話、電子手帳、ワードプロセッサ、ビューファインダ型又はモニタ直視型のビデオテープレコーダ、ワークステーション、テレビ電話、POS端末、タッチパネルなどの各種電子機器を実現できる。
【0036】
本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施の形態から明らかにされる。
【0037】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0038】
(マイクロレンズアレイ板)
先ず、本発明のマイクロレンズの製造方法によって製造可能なマイクロレンズアレイ板について、図1から図5を参照して説明する。ここに、図1は、マイクロレンズアレイ板の概略斜視図であり、図2は、本実施形態のマイクロレンズアレイ板のうち4つのマイクロレンズに係る部分を拡大して示す部分拡大平面図であり、図3は、本実施形態のマイクロレンズアレイ板の部分拡大断面図であり、図4は、更に1つのマイクロレンズにかかる部分を拡大して示す部分拡大断面図である。図5は、その変形形態におけるマイクロレンズアレイ板の部分拡大断面図である。
【0039】
図1に示すように、本実施形態のマイクロレンズアレイ板20は、カバーガラス200で覆われた、例えば石英板等からなる透明板部材210を備える。透明板部材210には、マトリクス状に多数の凹状の窪みが掘られている。そして、この凹状の窪みの中に、カバーガラス200と透明板部材210とを相互に接着する、例えば感光性樹脂材料からなる接着剤が硬化してなる、透明板部材210よりも高屈折率の透明な接着層230が充填されている。これらにより、マトリクス状に平面配列された多数のマイクロレンズ500が構築されている。
【0040】
このように本実施形態では、透明板部材210から、本発明に係る「基板」の一例が構成されており、接着層230から、本発明に係る「透明媒質」の一例が構成されている。
【0041】
図2及び図3に示すように、各マイクロレンズ500の曲面は、相互に屈折率が異なる透明板部材210と接着層230とにより概ね規定されている。そして、各マイクロレンズ500は、図3中で下側に凸状に突出した凸レンズとして構築されている。
【0042】
本実施形態では特に、後述の如く本発明独自の製造方法により製造されるため、第1膜220が、各マイクロレンズ500の縁付近及びマイクロレンズ500が形成されていない領域における透明板部材210の上面に残されている。第1膜220は、例えば透明な酸化シリコン膜からなり、接着剤層230を介してカバーガラス200に密着している。
【0043】
マイクロレンズアレイ板20は、その使用時には、各マイクロレンズ500が、例えば後述する液晶装置等の電気光学装置の各画素に対応するように、配置される。従って、各マイクロレンズ500における中央部に、入射する入射光は、各マイクロレンズ500の屈折作用により、電気光学装置における各画素の中央に向けて集光される。
【0044】
図3及び図4に示すように、各マイクロレンズ500の縁部では、その曲面がカバーガラス200の面或いは透明板部材210の面に対して相対的に急峻に切り立っている。ここで特に、各マイクロレンズ500の縁部は、透明板部材210とエッチングレートが異なる第1膜220から形成されている。
【0045】
図4に示すように、マイクロレンズ500は全体として断面が半楕円状に形成されている。具体的には、透明板部材210におけるレンズ曲面は、球面と比べて底が浅いナベ形状の非球面、すなわち断面が半楕円状とされている。しかも、第1膜220におけるレンズ曲面は、係るナベ形状の非球面と比べて急峻に切り立っている。すなわち、断面が直線状となっている。従って各マイクロレンズ500では、球面レンズの場合と比較して、中央付近における曲率半径が大きくなる。そして、係る非球面の度合いに応じてレンズ効率が向上されている。更に、球面収差も小さくなり、球面レンズの場合と比較して、焦点が一定になる。
【0046】
加えて、図4に示したように、透明板部材210における最も傾斜した部分、即ち透明板部材210からなるレンズ曲面部分の上縁における接線Lt1に対して、第1膜220における最も傾斜した部分、即ち、第1膜220からなるレンズ曲面部分の上縁における接線Lt2は、例えば50〜60度となるようにレンズ曲面は規定されている。従って、レンズ効率は、この角度を例えば30〜40度程度となるようにレンズ曲面を緩やかに規定した場合や、この角度を例えば70〜80度程度となるようにレンズ曲面を急峻に規定した場合と比較して、非常に良好なレンズ効率が得られると共に乱反射光等の発生を効果的に防止できる。尚、この接線Lt1と接線Lt2とがなす角度を、電気光学装置の仕様に応じて適宜設定することによって、各マイクロレンズ500の中央付近のみならず縁付近を通して集光される入射光が、この電気光学装置内部の液晶層等を透過するときに、対応する画素の開口領域を通過するようにできる。
【0047】
以上の結果、図3及び図4において、その上側から入射される投射光等の入射光を、非球面レンズである各マイクロレンズ500による集光作用によって効率的に表示に寄与する光として利用できる。同時に、非球面レンズである各マイクロレンズ500により、その出射光における球面収差を低減できる。これらの結果、最終的には、明るく鮮明な画像表示が可能となる。
【0048】
しかも、このように優れたレンズ特性を有する本発明のマイクロレンズアレイ板500は、後述する本発明の製造方法により製造されるので、製造が容易であり、しかも比較的安価で且つ安定した品質が得られる。
【0049】
図5に示すように、本実施形態の一変形形態として、マイクロレンズアレイ板20に、マイクロレンズアレイ板20が取り付けられる電気光学装置における非開口領域を少なくとも部分的に規定する遮光膜240を設けてもよい。より具体的には、格子状の非開口領域を単独で規定するように、格子状の平面パターンを有する遮光膜240を構成してもよい。或いは、格子状の非開口領域を、他の遮光膜と協働で規定するように、ストライプ状の平面パターンを有する遮光膜240を構成してもよい。
【0050】
図5のように構成すれば、より確実に各画素の非開口領域を規定でき、各画素間における光り抜け等を防止できる。更に、電気光学装置の非開口領域に作り込まれる、光が入射すると光電効果による光リーク電流が発生して特性が変化してしまうTFT、TFD等の電子素子に、光が入射するのを確実に防ぐことも可能となる。
【0051】
尚、図5において遮光膜240上には、保護膜241が形成されており、更に、この保護膜241に代えて又は加えて、後述の如き対向電極や配向膜が形成されてもよい。
【0052】
加えて、図5に示した如きマイクロレンズアレイ板に対して、遮光膜240により区切られた各画素の開口領域にR(赤)、G(緑)又はB(青)のカラーフィルタを作り込むことも可能である。
【0053】
(電気光学装置)
次に、本発明の電気光学装置に係る実施形態の全体構成について、図6及び図7を参照して説明する。ここでは、電気光学装置の一例である駆動回路内蔵型のTFTアクティブマトリクス駆動方式の液晶装置を例にとる。
【0054】
図6は、TFTアレイ基板をその上に形成された各構成要素と共に、対向基板として用いられる上述のマイクロレンズアレイ板側から見た平面図であり、図7は、図6のH−H’断面図である。
【0055】
図6及び図7において、本実施形態に係る電気光学装置では、TFTアレイ基板10と、対向基板として用いられるマイクロレンズアレイ板20とが対向配置されている。TFTアレイ基板10とマイクロレンズアレイ板20との間に液晶層50が封入されており、TFTアレイ基板10とマイクロレンズアレイ板20とは、画像表示領域10aの周囲に位置するシール領域に設けられたシール材52により相互に接着されている。
【0056】
シール材52は、両基板を貼り合わせるための、例えば紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂等からなり、製造プロセスにおいてTFTアレイ基板10上に塗布された後、紫外線照射、加熱等により硬化させられたものである。また、シール材52中には、TFTアレイ基板10とマイクロレンズアレイ板20との間隔(基板間ギャップ)を所定値とするためのグラスファイバ或いはガラスビーズ等のギャップ材が散布されている。即ち、本実施形態の電気光学装置は、プロジェクタのライトバルブ用として小型で拡大表示を行うのに適している。但し、当該電気光学装置が液晶ディスプレイや液晶テレビのように大型で等倍表示を行う液晶装置であれば、このようなギャップ材は、液晶層50中に含まれてもよい。
【0057】
シール材52が配置されたシール領域の内側に並行して、画像表示領域10aの額縁領域を規定する遮光性の額縁遮光膜53が、マイクロレンズアレイ板20側に設けられている。但し、このような額縁遮光膜の一部又は全部は、TFTアレイ基板10側に内蔵遮光膜として設けられてもよい。
【0058】
画像表示領域の周辺に広がる領域のうち、シール材52が配置されたシール領域の外側に位置する周辺領域には、データ線駆動回路101及び外部回路接続端子102がTFTアレイ基板10の一辺に沿って設けられており、走査線駆動回路104が、この一辺に隣接する2辺に沿って設けられている。更にTFTアレイ基板10の残る一辺には、画像表示領域10aの両側に設けられた走査線駆動回路104間をつなぐための複数の配線105が設けられている。また図6に示すように、マイクロレンズアレイ板20の4つのコーナー部には、両基板間の上下導通端子として機能する上下導通材106が配置されている。他方、TFTアレイ基板10にはこれらのコーナーに対向する領域において上下導通端子が設けられている。これらにより、TFTアレイ基板10とマイクロレンズアレイ板20との間で電気的な導通をとることができる。
【0059】
図7において、TFTアレイ基板10上には、画素スイッチング用のTFTや走査線、データ線等の配線が形成された後の画素電極9a上に、配向膜が形成されている。他方、マイクロレンズアレイ板20上には、前述したカバーガラス200、透明板部材210及びマイクロレンズ500の他、対向電極21が形成され、更に最上層部分(図7で、マイクロレンズアレイ板20の下側表面)に配向膜が形成されている。また、液晶層50は、例えば一種又は数種類のネマティック液晶を混合した液晶からなり、これら一対の配向膜間で、所定の配向状態をとる。
【0060】
尚、図6及び図7に示したTFTアレイ基板10上には、これらのデータ線駆動回路101、走査線駆動回路104等に加えて、画像信号線上の画像信号をサンプリングしてデータ線に供給するサンプリング回路、複数のデータ線に所定電圧レベルのプリチャージ信号を画像信号に先行して各々供給するプリチャージ回路、製造途中や出荷時の当該電気光学装置の品質、欠陥等を検査するための検査回路等を形成してもよい。
【0061】
次に以上の如く構成された電気光学装置における回路構成及び動作について図10を参照して説明する。図10は、電気光学装置の画像表示領域を構成する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ブロック図である。
【0062】
図10において、本実施形態における電気光学装置の画像表示領域を構成するマトリクス状に形成された複数の画素には夫々、画素電極9aと当該画素電極9aをスイッチング制御するためのTFT30とが形成されており、画像信号が供給されるデータ線6aが当該TFT30のソースに電気的に接続されている。そして、画像信号S1、S2、…、Snが、各データ線6aに供給されるように構成されている。このようにデータ線6aに書き込む画像信号S1、S2、…、Snは、この順に線順次に供給しても構わないし、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良い。
【0063】
また、画素スイッチング用のTFT30のゲートに走査線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9a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を一定期間だけそのスイッチを閉じることにより、データ線6aから供給される画像信号S1、S2、…、Snを所定のタイミングで書き込む。画素電極9aを介して電気光学物質の一例としての液晶に書き込まれた所定レベルの画像信号S1、S2、…、Snは、対向基板に形成された対向電極との間で一定期間保持される。液晶は、印加される電位レベルにより分子集合の配向や秩序が変化することにより、光を変調し、階調表示を可能にする。ノーマリーホワイトモードであれば、各画素の単位で印加された電圧に応じて入射光に対する透過率が減少し、ノーマリーブラックモードであれば、各画素の単位で印加された電圧に応じて入射光に対する透過率が増加され、全体として電気光学装置からは画像信号に応じたコントラストを持つ光が出射する。ここで、保持された画像信号がリークするのを防ぐために、画素電極9aと対向電極との間に形成される液晶容量と並列に蓄積容量70を付加する。走査線3aと並行して、蓄積容量70の固定電位側容量電極を含むと共に定電位に固定された容量線300が設けられている。
【0064】
次に、本発明の実施形態の電気光学装置の画像表示領域における構成について、図9及び図10を参照して説明する。図9は、データ線、走査線、画素電極等が形成されたTFTアレイ基板の相隣接する複数の画素群の平面図である。図10は、図9のA−A’断面図である。尚、図10においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならしめてある。
【0065】
図9において、電気光学装置のTFTアレイ基板上には、マトリクス状に複数の透明な画素電極9a(点線部9a’により輪郭が示されている)が設けられており、画素電極9aの縦横の境界に各々沿ってデータ線6a及び走査線3aが設けられている。
【0066】
また、半導体層1aのうち図中右上がりの斜線領域で示したチャネル領域1a’に対向するように走査線3aが配置されており、走査線3aはゲート電極として機能する。このように、走査線3aとデータ線6aとの交差する個所には夫々、チャネル領域1a’に走査線3aがゲート電極として対向配置された画素スイッチング用のTFT30が設けられている。
【0067】
図9及び図10に示すように、蓄積容量70は、TFT30の高濃度ドレイン領域1e及び画素電極9aに接続された画素電位側容量電極としての中継層71と、固定電位側容量電極としての容量線300の一部とが、誘電体膜75を介して対向配置されることにより形成されている。
【0068】
容量線300は平面的に見て、走査線3aに沿ってストライプ状に伸びており、TFT30に重なる個所が図9中上下に突出している。このような容量線300は好ましくは、例えば金属を含む遮光性の導電膜からなる。このように構成すれば、容量線300は、蓄積容量70の固定電位側容量電極としての機能の他、TFT30の上側において入射光からTFT30を遮光する遮光層としての機能を持つ。
【0069】
他方、TFTアレイ基板10上におけるTFT30の下側には、下側遮光膜11aが格子状に設けられている。下側遮光膜11aは、例えば、Ti(チタン)、Cr(クロム)、W(タングステン)、Ta(タンタル)、Mo(モリブデン)等の高融点金属のうち少なくとも一つを含む、金属単体、合金、金属シリサイド、ポリシリサイド、これらを積層したもの等からなる。
【0070】
そして、図9中縦方向に夫々伸びるデータ線6aと図9中横方向に夫々伸びる容量線300とが相交差して形成されること及び格子状に形成された下側遮光膜11aにより、各画素の非開口領域を規定している。
【0071】
図9及び図10に示すように、データ線6aは、コンタクトホール81を介して、例えばポリシリコン膜からなる半導体層1aのうち高濃度ソース領域1dに電気的に接続されている。尚、上述した中継層71と同一膜からなる中継層を形成して、当該中継層及び2つのコンタクトホールを介してデータ線6aと高濃度ソース領域1dとを電気的に接続してもよい。
【0072】
また容量線300は好ましくは、画素電極9aが配置された画像表示領域10a(図6参照)からその周囲に延設され、定電位源と電気的に接続されて、固定電位とされる。このような定電位源としては、データ線駆動回路や走査線駆動回路に供給される正電源や負電源の定電位源でもよいし、マイクロレンズアレイ板20の対向電極21に供給される定電位でも構わない。更に、TFT30の下側に設けられる下側遮光膜11aについても、その電位変動がTFT30に対して悪影響を及ぼすことを避けるために、容量線300と同様に、画像表示領域10aからその周囲に延設して定電位源に接続するとよい。
【0073】
画素電極9aは、中継層71を中継することにより、コンタクトホール83及び85を介して半導体層1aのうち高濃度ドレイン領域1eに電気的に接続されている。
【0074】
図9及び図10において、電気光学装置は、透明なTFTアレイ基板10と、これに対向配置されるマイクロレンズアレイ板20(図1から図4参照)とを備えている。TFTアレイ基板10は、例えば石英基板、ガラス基板、シリコン基板からなる。
【0075】
図10に示すように、TFTアレイ基板10には、画素電極9aが設けられており、その上側には、ラビング処理等の所定の配向処理が施された配向膜16が設けられている。画素電極9aは例えば、ITO膜などの透明導電性膜からなる。また配向膜16は例えば、ポリイミド膜などの透明な有機膜からなる。
【0076】
他方、マイクロレンズアレイ板20には、その全面に渡って対向電極21が設けられており、その下側には、ラビング処理等の所定の配向処理が施された配向膜22が設けられている。対向電極21は例えば、ITO膜などの透明導電性膜からなる。また配向膜22は、ポリイミド膜などの透明な有機膜からなる。
【0077】
マイクロレンズアレイ板20には、図5に示した如く、各画素の非開口領域に対応して格子状又はストライプ状の遮光膜240を設けるようにしてもよい。このような構成を採ることで、前述の如く非開口領域を規定する容量線300やデータ線6aと共に当該マイクロレンズアレイ板20上の遮光膜240により、マイクロレンズアレイ板20側からの入射光がチャネル領域1a’や低濃度ソース領域1b及び低濃度ドレイン領域1cに侵入するのを、より確実に阻止できる。
【0078】
このように構成された、画素電極9aと対向電極21とが対面するように配置されたTFTアレイ基板10とマイクロレンズアレイ板20との間には、シール材52(図6及び図7参照)により囲まれた空間に電気光学物質の一例である液晶が封入され、液晶層50が形成される。
【0079】
更に、画素スイッチング用のTFT30下には、下地絶縁膜12が設けられている。下地絶縁膜12は、下側遮光膜11aからTFT30を層間絶縁する機能の他、TFTアレイ基板10の全面に形成されることにより、TFTアレイ基板10の表面の研磨時における荒れや、洗浄後に残る汚れ等で画素スイッチング用のTFT30の特性変化を防止する機能を有する。
【0080】
図10において、画素スイッチング用のTFT30は、LDD(Lightly Doped Drain)構造を有しており、走査線3a、当該走査線3aからの電界によりチャネルが形成される半導体層1aのチャネル領域1a'、走査線3aと半導体層1aとを絶縁するゲート絶縁膜を含む絶縁膜2、半導体層1aの低濃度ソース領域1b及び低濃度ドレイン領域1c、半導体層1aの高濃度ソース領域1d並びに高濃度ドレイン領域1eを備えている。
【0081】
走査線3a上には、高濃度ソース領域1dへ通じるコンタクトホール81及び高濃度ドレイン領域1eへ通じるコンタクトホール83が各々開孔された第1層間絶縁膜41が形成されている。
【0082】
第1層間絶縁膜41上には中継層71及び容量線300が形成されており、これらの上には、高濃度ソース領域1dへ通じるコンタクトホール81及び中継層71へ通じるコンタクトホール85が各々開孔された第2層間絶縁膜42が形成されている。
【0083】
第2層間絶縁膜42上にはデータ線6aが形成されており、これらの上には、中継層71へ通じるコンタクトホール85が形成された平坦化した第3層間絶縁膜43が形成されている。画素電極9aは、このように構成された第3層間絶縁膜43の上面に設けられている。
【0084】
本実施形態では、第3層間絶縁膜43の表面は、CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械研磨)処理等により平坦化されており、その下方に存在する各種配線や素子による段差に起因する液晶層50における液晶の配向不良を低減する。
【0085】
ここで図11を参照して、電気光学装置におけるマイクロレンズアレイ板20の集光機能について説明する。図11は、対向基板として用いられるマイクロレンズアレイ板20の各マイクロレンズ500により入射光が集光される様子を概略的に示す断面図である。尚、図11では、各マイクロレンズ500は、そのレンズ中心が、各画素中心に一致するように配置されている。
【0086】
図11に示すように、マイクロレンズアレイ板20は、図中上方から入射される入射光を複数の画素電極9aに夫々集光する、マトリクス状に配置された複数のマイクロレンズ500と、そのレンズ縁部に形成された反射膜220とを備える。そして、透明板部材210の上に(図中下側に)、対向電極21及び配向膜22が形成されている。
【0087】
以上のように構成されているため、本実施形態の電気光学装置によれば、複数のマイクロレンズ500により、マイクロレンズアレイ板20側からの入射光は、複数の画素電極9a上に夫々集光される。従って、マイクロレンズ500が無い場合やマイクロレンズ500の縁部に反射膜220が無い場合と比較して、各画素における実効開口率が高められている。
【0088】
本実施形態では特に、マイクロレンズ500は非球面であり、レンズ効率に優れ且つ球面収差も小さい。このため、入射光の利用効率が非常に高い。
【0089】
以上図1から図11を参照して説明した各実施形態では、データ線駆動回路101や走査線駆動回路104をTFTアレイ基板10の上に設ける代わりに、例えばTAB(Tape Automated bonding)基板上に実装された駆動用LSIに、TFTアレイ基板10の周辺部に設けられた異方性導電フィルムを介して電気的及び機械的に接続するようにしてもよい。また、マイクロレンズアレイ板20の投射光が入射する側及びTFTアレイ基板10の出射光が出射する側には各々、例えば、TN(Twisted Nematic)モード、VA(Vertically Aligned)モード、PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)モード等の動作モードや、ノーマリーホワイトモード/ノーマリーブラックモードの別に応じて、偏光フィルム、位相差フィルム、偏光板などが所定の方向で配置される。
【0090】
尚、図6から図11に示した実施形態では、対向基板として図1から図4に示した如きマイクロレンズアレイ板20を用いているが、このようなマイクロレンズアレイ板20を、TFTアレイ基板10として利用することも可能である。或いは対向基板として(マイクロレンズアレイ板20ではなく)単純にガラス基板等に対向電極や配向膜が形成されたものを使用して、TFTアレイ基板10側にマイクロレンズアレイ基板20を取り付けることも可能である。即ち、本発明のマイクロレンズ及びそのレンズ縁部における反射膜や遮光膜を含む構造(図1から図4参照)は、TFTアレイ基板10側に作り込むこと或いは取り付けることが可能である。
また、他の電気光学装置としては、エレクトロルミネッセンス装置、電気泳動装置等にも適用できる。
【0091】
(マイクロレンズアレイ板の製造方法)
次に、本実施形態に係るマイクロレンズアレイ板20の製造方法について、図12を参照して説明する。
【0092】
先ず図12(a)に示すように、石英等からなる透明板部材210a上に、例えばフッ酸系などの所定種類のエッチャントに対するエッチングレートが透明板部材210aより高い第1膜220’を形成する。このような第1膜220’は、例えば、CVD、スパッタリング等により、透明な酸化シリコン膜から形成する。その後、この第1膜220’に対して、例えば800〜900℃程度である所定温度による熱処理或いはアニール処理を施して、第1膜220’を焼き固めることにより、そのエッチングレートの制御を行う。この際、透明板部材210は、例えば石英からなるので、このような比較的高温の熱処理を施しても、透明板部材210aが破壊する等の問題は特に生じない。
【0093】
続いて、第1膜220’の上に、例えばCVD、スパッタリング等によりポリシリコン膜からマスク層612を形成する。
【0094】
次に図12(b)に示すように、マスク612に対するフォトリソグラフィ及びエッチングを用いたパターニングにより、形成すべきマイクロレンズの中心に対応する個所に穴612aを開ける。この際、穴612aの径は、形成すべきマイクロレンズ500の径と比べると小さくなるように開けておく。
【0095】
次に図12(c)に示すように、このような穴612aが開けられたマスク612を介して、第1膜220’及び透明板部材210aを、フッ酸系などのエッチャントにおり、ウエットエッチングする。すると、第1膜220’のエッチャントに対するエッチングレートは、透明板部材210aより高いので、第1膜220’は、より早くエッチングされる。即ち、第1膜220’をエッチングが貫通するまでの間は、穴612aの周囲における第1膜220’に、指向性のないウエットエッチングによって球面の凹部が掘られるが、その貫通後には、第1膜220’が、より早くエッチングされる。このため、エッチングは、穴612aの深さ方向よりも周囲に早く広がるので、即ちサイドエッチが相対的に大きく入るので、周囲に底の浅いナベ形状の凹部220aが掘られることになる。
【0096】
その後図12(d)に示すように、時間管理等により、マイクロレンズ500に対応する大きさの凹部が掘られた段階で、エッチングを終了する。即ち、マイクロレンズ毎に、底の浅いナベ形状の凹部が掘られた透明板部材210が完成する。そして、第1膜220が、この凹部の縁付近及び透明板部材210の上面に残された本発明独自の構造が得られる。
【0097】
本実施形態では特に、例えば材質、密度、孔隙率等の第1膜220’の種類、例えばCVD、スパッタリング等の第1膜220’の形成方法、例えば400℃以下程度或いは400〜1000℃程度等の第1膜220’の形成温度、及び第1膜220’の形成後における熱処理或いはアニール処理における温度のうち、少なくとも一つに係る条件設定により、エッチングレートの制御を行う。例えば、CVDとスパッタリングとでは、後者の方が、第1膜220’がより緻密となり、そのエッチングレートを高くできる。また、例えば、第1膜220’形成後の熱処理については、温度を高くすると第1膜220’がより緻密となり、そのエッチングレートを低くでき、逆に温度を低くするとそのエッチングレートを高くできる。そして、係るエッチングレートの制御によって、最終的に得られる凹部が規定する非球面における曲率或いは曲率分布を比較的容易に制御できる。
【0098】
尚、第1膜220’の膜厚によっても、最終的に得られる凹部が規定する非球面における曲率或いは曲率分布を制御できる。
【0099】
このようなエッチングレート制御用の各種条件設定や第1膜220’の膜厚設定は、実験的、経験的、理論的等により、或いはシミュレーションによって、実際に用いられるマイクロレンズ500のサイズ及びマイクロレンズ500として要求される性能や装置仕様等に応じて、個別具体的に設定すればよい。
【0100】
次に、図12(e)に示すようにマスク層612をエッチング処理によって除去する。尚、図12(d)の工程におけるエッチングによって、マスク層612が完全に除去されるように、マスク612の膜厚を設定すれば、図12(e)の工程は、省略可能である。
【0101】
次に、図12(f)に示すように、マイクロレンズ500の表面に熱硬化性の透明な接着剤を塗布してネオセラム・石英等からなるカバーガラス200を押し付けて硬化させる。これにより、透明板部材210に掘られた各凹部内に、接着層230が充填されてなるマイクロレンズ500が完成する。この際、透明板部材210よりも高屈折率の接着層230を形成することで、各々が凸レンズからなる非球面のマイクロレンズ500を比較的簡単に作成できる。
【0102】
尚、この図12(f)に示した工程では、カバーガラス200を研磨して、所望の厚みを有するカバーガラス200としてもよい。
【0103】
以上説明したように本実施形態の製造方法によれば、図1から図4に示した如き非球面のマイクロレンズ500がアレイ状に形成されたマイクロレンズアレイ板20を比較的効率良く製造できる。
【0104】
また、図12(e)に示した凹部が完成した段階にある透明板部材210を2枚用意して、これらを相互に貼り合わせることにより両凸レンズのマイクロレンズを製造することも可能である。或いは、図12(e)に示した凹部を、2P法等における型として利用することにより、非球面のマイクロレンズを製造することも可能である。
【0105】
加えて、図5に示した変形形態におけるマイクロレンズアレイ板を製造する場合には、上述した図12(f)で示した工程に続いて、遮光膜240及び保護膜241などを、スパッタリング、コーティング等によりこの順に成膜すればよい。
【0106】
(電子機器の実施形態)
次に、以上詳細に説明した電気光学装置をライトバルブとして用いた電子機器の具体例として、複板式カラープロジェクタの実施形態について、その全体構成、特に光学的な構成について説明する。ここに図13は、複板式カラープロジェクタの図式的断面図である。
【0107】
図13において、本実施形態における複板式カラープロジェクタの一例たる、液晶プロジェクタ1100は、駆動回路がTFTアレイ基板上に搭載された電気光学装置を含む液晶モジュールを3個用意し、夫々RGB用のライトバルブ100R、100G及び100Bとして用いたプロジェクタとして構成されている。液晶プロジェクタ1100では、メタルハライドランプ等の白色光源のランプユニット1102から投射光が発せられると、3枚のミラー1106及び2枚のダイクロイックミラー1108によって、RGBの3原色に対応する光成分R、G、Bに分けられ、各色に対応するライトバルブ100R、100G及び100Bに夫々導かれる。この際特にB光は、長い光路による光損失を防ぐために、入射レンズ1122、リレーレンズ1123及び出射レンズ1124からなるリレーレンズ系1121を介して導かれる。そして、ライトバルブ100R、100G及び100Bにより夫々変調された3原色に対応する光成分は、ダイクロイックプリズム1112により再度合成された後、投射レンズ1114を介してスクリーン1120にカラー画像として投射される。
【0108】
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴なうマイクロレンズの製造方法、マイクロレンズ、電気光学装置及び電子機器もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のマイクロレンズアレイ板に係る実施形態の概略斜視図である。
【図2】 マイクロレンズアレイ板に係る実施形態のうち、4つのマイクロレンズに係る部分を拡大して示す部分拡大平面図である。
【図3】 マイクロレンズアレイ板に係る実施形態の部分拡大断面図である。
【図4】 マイクロレンズアレイ板に係る実施形態の更に1つのマイクロレンズにかかる部分を拡大して示す部分拡大断面図である。
【図5】 本発明のマイクロレンズアレイ板の変形形態における部分拡大断面図である。
【図6】 本発明の電気光学装置に係る実施形態おけるTFTアレイ基板をその上に形成された各構成要素と共に対向基板の側から見た平面図である。
【図7】 図6のH−H’断面図である。
【図8】 電気光学装置に係る実施形態における画像表示領域を構成するマトリクス状の複数の画素に設けられた各種素子、配線等の等価回路を示すブロック図である。
【図9】 電気光学装置に係る実施形態におけるデータ線、走査線、画素電極等が形成されたTFTアレイ基板の相隣接する複数の画素群の平面図である。
【図10】 図9のA−A’断面図である。
【図11】 電気光学装置に係る実施形態において、対向基板として用いられるマイクロレンズアレイ板の各マイクロレンズにより入射光が集光される様子を概略的に示す断面図である。
【図12】 マイクロレンズアレイ板の製造方法を示す工程図である。
【図13】 本発明の電子機器の実施形態である複板式カラープロジェクタの一例たるカラー液晶プロジェクタを示す図式的断面図である。
【符号の説明】
10…TFTアレイ基板
20…マイクロレンズアレイ板
50…液晶層
200…カバーガラス
210…透明板部材
220…第1膜
230…接着層
240…遮光膜
500…マイクロレンズ

Claims (16)

  1. 基板上に所定種類のエッチャントに対するエッチングレートが前記基板と異なる第1膜を形成する工程と、
    形成すべきマイクロレンズの中心に対応する個所に穴が開けられたマスクを前記第1膜上に形成する工程と、
    前記マスクを介してウエットエッチングすることで、前記マイクロレンズの曲面を規定する非球面の凹部を前記基板に掘る工程と
    を含むことを特徴とするマイクロレンズの製造方法。
  2. 前記第1膜は、前記基板と比べて前記エッチングレートが高いことを特徴とする請求項1に記載のマイクロレンズの製造方法。
  3. 前記基板は、透明基板からなり、
    前記凹部内に前記透明基板よりも屈折率が大きい透明媒質を入れる工程を更に備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載のマイクロレンズの製造方法。
  4. 前記第1膜は、透明膜又は不透明膜からなることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のマイクロレンズの製造方法。
  5. 前記第1膜は、酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜からなることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のマイクロレンズの製造方法。
  6. 前記エッチングレートの制御を、前記第1膜の種類、前記第1膜の形成方法、前記第1膜の形成条件及び前記第1膜の形成後における熱処理の温度のうち少なくとも一つに係る条件設定により行うことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のマイクロレンズの製造方法。
  7. 前記マスクは、ポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜又は耐フッ酸膜からなることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のマイクロレンズの製造方法。
  8. 前記基板上に前記マイクロレンズがアレイ状に複数形成されることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載のマイクロレンズの製造方法。
  9. 請求項1から8のいずれか一項に記載のマイクロレンズの製造方法により製造されるマイクロレンズ。
  10. 請求項9に記載のマイクロレンズと、
    該マイクロレンズに対向する表示用電極と、
    該表示用電極に接続された配線又は電子素子と
    を備えたことを特徴とする電気光学装置。
  11. 請求項10に記載の電気光学装置を具備することを特徴とする電子機器。
  12. マイクロレンズアレイ板であって、
    多数のマイクロレンズと、
    前記マイクロレンズの底部を規定する凹状の窪みを有する透明部材と、
    前記透明部材上に形成され、前記凹状の窪みに対応して形成され前記マイクロレンズの縁部を規定する開口を有する膜と、
    前記膜上に形成されたカバー部材とを備え、
    前記マイクロレンズの断面形状は半楕円形状であることを特徴とするマイクロレンズアレイ板。
  13. 前記透明部材で規定されるレンズ面の縁における接線に対して、前記膜におけるレンズ面の接線は、50〜60度であることを特徴とする付近の断面形状は半楕円形状であることを特徴とする請求項12に記載のマイクロレンズアレイ板。
  14. 前記膜におけるレンズ面の断面形状は直線状であることを特徴とする請求項12又は13に記載のマイクロレンズアレイ板。
  15. 請求項12から14のいずれか一項に記載のマイクロレンズアレイ基板と、
    該マイクロレンズに対向する表示用電極と、
    該表示用電極に接続された配線又は電子素子と、
    を備えたことを特徴とする電気光学装置。
  16. 請求項15に記載の電気光学装置を具備することを特徴とする電子機器。
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