JP4613707B2 - 液晶装置の製造方法、液晶装置、プロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、優れた光学特性を有する偏光子を内蔵する液晶装置の製造方法、液晶装置、プロジェクタに関する。

液晶プロジェクタ等の光変調手段に用いられる液晶ライトバルブや、携帯電話等に搭載される直視型表示装置として用いられる液晶装置は、液晶層を挟持して対向配置され、液晶層に電圧を印加するための電極を具備する一対の基板からなる液晶パネルを有して構成されている。
液晶ライトバルブとしては、一方の基板側から入射し、液晶層を透過した後、他方の基板側から出射された光を投射手段に導入する透過型液晶装置が知られている。この透過型液晶装置においては、一対の基板の外側に一方向の振動方向を有する偏光のみを透過する偏光子をそれぞれ設けることにより、電圧無印加時、電圧印加時における液晶層内の液晶分子の配列を光学的に識別し、表示を行う構成になっている。
更に、一対の基板の内側に偏光子を配置（内蔵）した透過型液晶装置もあり、特に、内蔵した偏光子の光学特性を向上させるために、偏光子の格子間を絶縁膜等で埋めることなく、空洞化する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−１６７２４６号公報

しかしながら、上述した技術では、偏光子の格子間を空洞化するために、煩雑な工程が必要となる。つまり、一旦、格子間を犠牲層で埋めた後、後工程でこの犠牲層を取り除くようにしている。このため、歩留まりが低下しやすく、製造コストの上昇を招いてしまうという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、優れた光学特性を有する偏光子を内蔵する液晶装置の製造方法等を提供することを目的とする。

本発明に係る液晶装置の製造方法、液晶装置、プロジェクタでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第１の発明は、一対の基板の間に液晶層が挟持された液晶装置の製造方法において、前記一対の基板のうちの少なくとも一方の基板の製造工程は、前記基板上に多数の略平行な直線状の金属突起体からなるワイヤーグリッド偏光子を形成する工程と、前記金属突起体上に誘電体層を斜方成膜しつつ、前記金属突起体同士の間に空洞部を形成する工程と、を有するようにした。
この発明によれば、液晶装置の一対の基板に、優れた光学特性を有する偏光子を、煩雑な工程を経ることなく、容易に形成することできる。

また、前記誘電体層が前記液晶層に接触するように前記基板を配置する工程を有するものでは、誘電体層を配向膜として用いることが可能となる。

第２の発明は、一対の対向基板の間に液晶層が挟持された液晶装置において、前記対向基板うちの少なくとも一方は、多数の略平行な直線状の金属突起体からなるワイヤーグリッド偏光子と、前記金属突起体同士の間に配置された空洞部と、前記金属突起体及び前記空洞部を覆う斜め配向保護層と、を備えるようにした。
この発明によれば、優れた光学特性を有する偏光子が基板内に形成されているので、高品質で低コストの液晶装置を実現できる。

また、前記斜め配向保護層が、前記液晶層に接触配置される配向膜として用いられるものでは、金属突起体上に複数の薄膜を配置する必要がないので、構成が簡単になり、製造工程の簡略化、低コスト化を図ることができる。
また、前記金属突起体が、前記液晶層を駆動するための電極として用いられるものでは、電極と偏光子とを一体化できるので、構成が簡単になり、製造工程の簡略化、低コスト化を図ることができる。

第３の発明は、プロジェクタが、第１の発明の方法により製造された液晶装置、又は第２の発明の液晶装置を、光変調手段として備えるようにした。
この発明によれば、高品質で安価なプロジェクタを実現することができる。

以下、本発明の液晶装置の製造方法、液晶装置、プロジェクタの実施形態について、図を参照して説明する。
図１は、第１実施形態に係る液晶装置の概略構成を示す断面図である。
液晶装置１０１は、ＴＦＴアレイ基板１０と、これに対向配置される対向基板２０との間に液晶層５０が挟持される構成となっている。
ＴＦＴアレイ基板１０は、石英等の透光性材料からなる基板本体１０Ａ、その液晶層５０側に形成された画素電極９、ＴＦＴ素子３０、配向膜１６を主体として構成されている。
対向基板２０は、ガラスや石英等の透光性材料からなる基板本体２０Ａ、その液晶層５０側表面に形成された共通電極２１、配向膜２２、及び基板本体２０Ａの外側に配置された光吸収型の偏光子２４を主体として構成されている。

図２は、ＴＦＴアレイ基板１０に形成された画素電極９の構造を模式的に示した図であり、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は斜視図である。
画素電極９は、光反射性の高い導電性材料、例えば、アルミニウム、銀、銀合金等により構成されている。そして、図２に示すように、各画素電極９には多数のスリット状の空間が形成されており、この空間内が後述する空洞部９ｂとなっている。この構成によって、各画素電極９は、略平行で直線状に配列された多数の金属突起体９ａを具備する構造、つまり、ワイヤーグリッド偏光子６０を具備する。
なお、図面上は金属突起体９ａの幅及びピッチを大きく示しているが、金属突起体９ａは、液晶層５０に入射する光の波長よりも小さいピッチで多数配列されており、例えば、金属突起体９ａの幅は７０ｎｍ程度、ピッチは１４０ｎｍ程度、金属突起体９ａの厚さ（高さ）は１００ｎｍ程度に設定されている。なお、ピッチが狭い程、偏光子としての性能は高くなる。

各画素電極９において、全ての金属突起体９ａは、各画素電極９の周縁部に矩形環状に形成された導通電極９ｃを介して電気的に導通されており、導通電極９ｃは、コンタクトホール８を介してＴＦＴ素子３０のドレインに電気的に接続されている。本実施形態では、各画素電極９において、全ての金属突起体９ａと導通電極９ｃとは同一材料で一体に形成されている。
また、各画素電極９において、上述したように金属突起体９ａは微細なピッチで配列され、空間をなす部分、すなわち導電体が存在しない部分は非常に微細であるため、全体として見れば、画素電極９の電極としての機能は開口部を持たない画素電極とほとんど変わらない。

また、各画素電極９において、ＴＦＴ素子３０等が形成された領域を除く領域に、金属突起体９ａおよび空洞部９ｂが形成されている（図１参照）。また、本実施形態において、金属突起体９ａ（空洞部９ｂ）は、走査線３ａの延在方向に対して略平行方向に延在している。しかしながら、金属突起体９ａ（空洞部９ｂ）の延在方向はこれに限定されるものではなく、偏光子２４の偏光軸や電圧無印加時における液晶層５０の配向状態によって適宜設定される。

また、図２（Ｂ）に示すように、金属突起体９ａおよび空洞部９ｂの上方は、ＳｉＯ_２やＭｇＦ_２等の誘電体材料により形成された誘電体層からなる配向膜１６で覆われている。配向膜１６は、後述するように、斜方成膜法を用いて成膜されており、斜め配向された針状の結晶構造を有する（図６参照）。
そして、配向膜１６と隣接する２つの金属突起体９ａにより囲まれることにより、空洞部９ｂが形成されている。なお、空洞部９ｂには、空気もしくはアルゴンや窒素等の不活性ガス等の気体が封入されている。封入される気体の量は特に限定されるものではなく、充分に真空に近い状態であってもよい。

このように、画素電極９を、液晶層５０に入射する光の波長よりも小さいピッチでストライプ状に配列された多数の金属突起体９ａにより構成するとともに、各金属突起体９ａ間に金属突起体９ａよりも屈折率の低い空洞部９ｂが介在する構成としたことにより、画素電極９をワイヤーグリッド偏光子６０とすることができる。
そして、画素電極９に入射した光のうち、金属突起体９ａの延在方向に対して略平行方向に振動する偏光については反射させ、金属突起体９ａの延在方向に対して略垂直方向に振動する偏光については透過させる反射型偏光子として機能させることができる。

なお、本実施形態において、対向基板２０側（光入射側）に設けられた偏光子２４は、ＴＭ偏光のみを透過し、それ以外の偏光を吸収する光吸収型偏光子により構成する。そして、各画素電極９において、金属突起体９ａ（空洞部９ｂ）を、その延在方向が偏光子２４の偏光軸に対して略平行になるように配列させる。
金属突起体９ａ（空洞部９ｂ）をこのように配列させることにより、画素電極９を、金属突起体９ａの延在方向に対して略平行方向に振動するＴＥ偏光を反射し、金属突起体９ａの延在方向に対して略垂直方向に振動するＴＭ偏光を透過するワイヤーグリッド偏光子６０とすることができる。

[液晶装置の製造方法]
次に、上述した液晶装置を製造する方法の一例について、図３、図４を参照して説明する。
なお、以下の説明では、基板本体１０Ａ上にＴＦＴ素子３０等を形成する工程は従来例と略同一であるため説明を省略し、基板本体１０Ａ上に画素電極９を形成する工程から説明を始める。

まず、図３（Ａ）に示すように、基板本体１０Ａ上にＴＦＴ素子３０等を形成し、更にシリケートガラス、窒化シリコン、酸化シリコン等からなる層間絶縁層７を成膜する。

次に、図３（Ｂ）に示すように、ＴＦＴ素子３０と画素電極９とを電気的に接続するためのコンタクトホール８を反応性エッチング、反応性イオンビームエッチング等のドライエッチングにより形成する。

次に、図３（Ｃ）に示すように、第３層間絶縁層７の上に、スパッタリング法等により、アルミニウム、銀、銀合金等の光反射性を有する導電性材料を約５０〜２００ｎｍの厚さに堆積して、導電性薄膜９０を成膜する。
更に、図４（Ａ）に示すように、フォトリソグラフィー法等を用いて導電性薄膜９０をパターニングし、ストライプ状に配列された金属突起体９ａを有する画素電極９および遮光膜２３ａを同時に形成する。
なお、ストライプ構造の金属突起体９ａを形成する方法としては、上述の方法以外に、開口部のない画素電極９を形成した後、画素電極９に電子ビームにより開口部９ｂを形成してストライプ構造の金属突起体９ａを形成する方法や、二光束干渉露光法等を採用することもできる。

続いて、図４（Ｂ）に示すように、画素電極９および遮光膜２３ａの上に、誘電体材料を斜方成膜して、配向膜１６を形成する。これにより、配向膜１６の形成と略同時に、金属突起体９ａ同士の間に空洞部９ｂが形成される。

ここで、空洞部９ｂの形成工程の詳細について、図５を用いて説明する。
図５は、画素電極９の一部を模式的に表した図である。なお、図面を簡略化するため、層間絶縁層７、画素電極９、配向膜１６のみを図示している。

まず、図５（Ａ）に示すように、層間絶縁層７上の導電性薄膜９０を覆って、レジスト１１０を略均一な膜厚で塗布する。
次いで、図５（Ｂ）に示すように、レジスト１１０に対して露光光を照射してレジスト１１０を露光し、更にレジスト１１０を焼成（ベーキング）し、その後に現像することにより、ストライプ状のパターンをレジスト１１０に発現させる。

次に、図５（Ｃ）に示すように、レジスト１１０をエッチングマスクとして用いて、導電性薄膜９０を、例えば異方性エッチングする。これにより、導電性薄膜９０にレジストパターンが転写される。
なお、エッチング方法としては、原理的にはウェットエッチング、ドライエッチングのいずれも採用することが可能である。特に、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）やＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）等の方法でドライエッチングすることが好適である。

そして、図５（Ｄ）に示すように、レジスト１１０を除去することにより、ストライプ状に配置された多数の金属突起体９ａ（開口部９ｂ）を有する画素電極９が形成される。

次に、図５（Ｅ）に示すように、画素電極９（金属突起体９ａ及び開口部９ｂ）上に、誘電体材料を斜方成膜して、配向膜１６を形成する（図４（Ｂ）に示した工程に相当）。
この際、例えばスパッタ法を用いると、スパッタ装置の成膜時の雰囲気ガスが、開口部９ｂに封入された状態で配向膜１６によって閉塞されることになる。したがって、雰囲気ガスがアルゴンであればアルゴンが封入され、また空気が封入されることも考えられる。更に、スパッタ装置内が減圧状態であるから、開口部９ｂ内も同様に減圧状態となる。このようにして、隣接する金属突起体９ａ同士の間に、空気等の気体が封入された空洞部９ｂが形成される。

以上のような工程を経ることによって、画素電極９に形成された多数の金属突起体９ａ同士の間に、確実に空洞部９ｂを形成することができる。これにより、従来に比べて消光比が高く、偏光機能に優れたワイヤーグリッド偏光子６０をＴＦＴアレイ基板１０上に形成することができる。特に、空洞部９ｂを容易かつ確実に形成することができるので、製造工程の簡略化、歩留まりの向上、低コスト化を図ることができる。
以上のようにして、ＴＦＴアレイ基板１０が製造される。

一方、対向基板２０については、ガラス等からなる基板本体２０Ａを用意し、基板本体２０Ａ表面の全面に、スパッタリング法等によりＩＴＯ等の透明導電性材料を堆積し、フォトリソグラフィー法を用いてパターニングすることにより、基板本体２０Ａのほぼ全面に共通電極２１を形成する。さらに、共通電極２１の全面に、配向膜形成用の塗布液を塗布した後、ラビング処理を施すことにより、配向膜２２を形成し、対向基板２０が製造される（図示略）。

そして、上述のように製造されたＴＦＴアレイ基板１０と対向基板２０とを、配向膜１６，２２が互いに対向するようにシール材（不図示）を介して貼り合わせ、真空注入法などの方法により両基板間の空間に液晶を注入し、液晶層５０を形成する。
最後に、対向基板２０の外側に偏光子２４を貼付し、本実施形態の液晶装置が完成する（図１参照）。

本実施形態の液晶装置１０１によれば、画素電極９に偏光子を形成する際に画素電極９上に成膜する誘電体層を、そのまま配向膜１６として用いるので、従来に比べて製造工程を少なくすることができ、歩留まりの向上、低コスト化を図ることができる。
また、ワイヤーグリッド偏光子６０を画素電極９として用いることで、液晶装置１０１の装置構造を簡略化できるので、液晶装置１０１の低コスト化を図ることができる。

誘電体層からなる配向膜１６を斜方成膜法により形成したので、図６に示すように、配向膜１６を形成する誘電体材料の柱状の結晶が斜め配向される。これにより、配向膜１６の上面も、特定方向に傾斜する複数の面を有するような凸凹形状となり、良好に液晶分子をプレチルトさせることが可能となる。
また、図５（Ｅ）に示したように、空洞部９ｂ上に形成された配向膜１６は、金属突起体９ａ上に形成された配向膜１６に対して傾斜するように形成されるので、これによっても、良好に液晶分子をプレチルトさせることが可能となる。

ここで、図７は、本実施形態の液晶装置１０１における画素電極９に形成したワイヤーグリッド偏光子６０の光学特性を示す図であって、図７（Ａ）は配向膜１６をＳｉＯ_２により形成したワイヤーグリッド偏光子６０の光学特性を示す。参考として、従来のワイヤーグリッド偏光子の光学特性として、図７（Ｂ）に空気中に配置したワイヤーグリッド偏光子、図７（Ｃ）に液晶中に配置したワイヤーグリッド偏光子を示す。
なお、図７において、実線はＴＭ偏光の透過率を示し、破線はＴＭ偏光とＴＥ偏光のコントラスト（ＴＭ／ＴＥ）を示す。また、ワイヤーグリッド偏光子の金属突起体のピッチは１４０ｎｍ、金属突起体のピッチの高さは１５０ｎｍである。

図７から明らかなように、本実施形態の液晶装置１０１における画素電極９に形成したワイヤーグリッド偏光子６０は、従来のワイヤーグリッド偏光子に比べて、透過率、コントラストがそれぞれ向上している。なお、配向膜１６としてＭｇＦ_２を用いた場合も略同一の光学特性を得ることができる。
このように、液晶装置１０１は、優れた光学特性（透過率、反射率等）を有する偏光子を有するので、例えば液晶プロジェクタなどの電子機器へ適用することができる。特に、高分子を用いた偏光子を用いた場合では、高輝度ランプを長時間照射することによる特性の劣化が著しいために液晶プロジェクタの長寿命化の妨げとなっていたが、本実施形態の液晶装置１０１を用いることにより、液晶プロジェクタの長寿命化を図ることが可能となる。

[第２実施形態]
以下、本発明の液晶装置の第２実施形態について説明する。
図８は、第２実施形態の液晶装置１０２の概略構成を示す断面図である。なお、第１実施形態の液晶装置１０１と同一構成要素については、同じ符号を付して、説明を省略する。
液晶装置１０２の基本構造は、第１実施形態の液晶装置１０１とほぼ同様であるが、液晶装置１０１では、基板本体２０Ａ側に外付けの偏光子２４を設ける構成としたのに対して、液晶装置１０２では、基板本体２０Ａについても共通電極にワイヤーグリッド偏光子６２が形成される点が異なっている。

液晶装置１０２では、対向基板２０を構成する共通電極３１が、ストライプ状に配列されたアルミニウム、銀、銀合金等からなる多数の金属突起体３１ａを具備する構造になっている。
図面上は金属突起体３１ａの幅及びピッチを大きく図示しているが、金属突起体３１ａは、画素電極９を構成する金属突起体９ａと同様に、液晶層５０に入射する光の波長よりも小さいピッチで多数配列されている。
また、全ての金属突起体３１ａは、導通電極（図示略）を介して電気的に導通されており、全体として１つの共通電極３１として機能するようになっている。なお、金属突起体３１ａは微細なピッチで配列されており、隣接する金属突起体３１ａの間隔は非常に微細であるため、画素電極９と同様、全体として見れば、共通電極３１の電極としての機能は、第１実施形態の液晶装置における共通電極とほとんど変わらない。

また、金属突起体３１ａは、画素電極９を構成する金属突起体９ａの延在方向と同一方向、すなわち走査線３ａの延在方向に対して略平行方向に延在している。そして、ＴＦＴアレイ基板１０側のワイヤーグリッド偏光子６０（金属突起体９ａ）と同様、隣接する金属突起体３１ａ間には空洞部３１ｂが形成されており、配向膜２２によって覆われている。

このように、共通電極３１を液晶層５０に入射する光の波長よりも小さいピッチでストライプ状に配列された多数の金属突起体３１ａにより構成するとともに、隣接する金属突起体３１ａ間に金属突起体３１ａよりも充分に屈折率の低い空洞部３１ｂを介在させる構成とすることにより、共通電極３１をワイヤーグリッド偏光子６２とすることができる。
そして、共通電極３１に入射した光のうち、金属突起体３１ａの延在方向に対して略平行方向に振動する偏光については反射させ、金属突起体３１ａの延在方向に対して略垂直方向に振動する偏光については透過させることができる。特に本実施形態では、ワイヤーグリッド偏光子６２の偏光機能が高いために対向基板２０側の外付けの偏光子は設けられていない。

[プロジェクタ]
以下、上記液晶装置１０１，１０２のいずれかを光変調手段として備えたプロジェクタの構成について、図９を参照して説明する。
図９は、プロジェクタ８００の要部を示す概略構成図である。
プロジェクタ（投射型表示装置）８００は、光源８１０、ダイクロイックミラー８１３，８１４、反射ミラー８１５，８１６，８１７、入射レンズ８１８、リレーレンズ８１９、出射レンズ８２０、光変調手段８２２，８２３，８２４、クロスダイクロイックプリズム８２５、投射レンズ８２６を備える。
このプロジェクタ８００は、上記液晶装置１０１，１０２を光変調手段８２２，８２３，８２４として備えている。

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。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、赤色光用光変調手段８２２に入射される。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、緑色光用光変調手段８２３に入射される。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、青色光が青色光用光変調手段８２４に入射される。

各光変調手段８２２，８２３，８２４により変調された３つの色光は、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上に投影され、画像が拡大されて表示される。

上記実施形態では、３板式のプロジェクタ８００を例にして説明したが、単板式の投射型表示装置や直視型表示装置に本発明を適用することも可能である。

また、本発明の液晶装置１０１，１０２を、プロジェクタ８００以外の電子機器に適用することも可能である。その具体例として、携帯電話を挙げることができる。この携帯電話は、上述した各実施形態またはその変形例に係る液晶装置を表示部に備えたものである。
また、その他の電子機器としては、例えばＩＣカード、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ、ヘッドマウントディスプレイ、さらに表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型ＴＶ、ＤＳＰ装置、ＰＤＡ、電子手帳、電光掲示盤、宣伝公告用ディスプレイ等が挙げられる。

本発明の第１実施形態に係る液晶装置の概略構成を示す断面図である。 画素電極の構造を模式的に示した図であり、 本実施形態の液晶装置の製造工程を説明する図である。 図３に続く工程を示す図である。 空洞部の形成工程の詳細について説明する図である。 配向膜の結晶構造を示す図である。 本実施形態の液晶装置に形成された偏光子の光学特性を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る液晶装置の概略構成を示す断面図である。 本発明のプロジェクタの要部を示す概略構成図である。

符号の説明

９…画素電極、 ９ａ，３１ａ…金属突起体、 ９ｂ，３１ｂ…空洞部，開口部、
１０…アレイ基板、 １６，２２…配向膜（誘電体層、斜め配向誘電体層）、
２０…対向基板、 ２１…共通電極、 ５０…液晶層、 ６０，６２…ワイヤーグリッド偏光子、 １０１，１０２…液晶装置、 ８００…プロジェクタ

Claims (6)

1. 一対の基板の間に液晶層が挟持された液晶装置の製造方法において、
   前記一対の基板のうちの少なくとも一方の基板の製造工程は、
   前記基板上に多数の略平行な直線状の金属突起体からなるワイヤーグリッド偏光子を形成する工程と、
   前記金属突起体上に誘電体層を斜方成膜しつつ、前記金属突起体同士の間に空洞部を形成する工程と、
   を有することを特徴とする液晶装置の製造方法。
2. 前記誘電体層が前記液晶層に接触するように前記基板を配置する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 一対の対向基板の間に液晶層が挟持された液晶装置において、
   前記対向基板うちの少なくとも一方は、
   多数の略平行な直線状の金属突起体からなるワイヤーグリッド偏光子と、
   前記金属突起体同士の間に配置された空洞部と、
   前記金属突起体及び前記空洞部を覆う斜め配向誘電体層と、
   を備えることを特徴とする液晶装置。
4. 前記斜め配向誘電体層は、前記液晶層に接触配置される配向膜として用いられることを特徴とする請求項３に記載の液晶装置。
5. 前記金属突起体は、前記液晶層を駆動するための電極として用いられることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の液晶装置。
6. 請求項１又は請求項２に記載の方法により製造された液晶装置、又は請求項３から請求項５のうちいずれか一項に記載の液晶装置を、光変調手段として備えることを特徴とするプロジェクタ。

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