JP5127357B2 - 透過型液晶表示素子の製造方法、透過型液晶表示素子及び液晶プロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は透過型液晶表示素子の製造方法と透過型液晶表示素子及び液晶プロジェクタに関するものである。

液晶表示素子はＣＲＴ技術に取って代わり、小型、薄型の表示素子として使用されている。シリコン基板に薄膜トランジスタを形成し画素とする反射型液晶表示素子は、半導体製造プロセスを使用するため、より精細な表示素子が可能であり、特に拡大表示するビューファインダやプロジェクタに採用されている。

現在商品化されているシリコン基板を使用した液晶表示素子はＬＣＯＳ（Liquid
Crystal On Silicon）と呼ばれ、ビューファインダやプロジェクタに使用されているが、単結晶シリコン基板に薄膜トランジスタを形成したものであり、反射型が主流である。

図７は、反射型液晶表示素子を使用した反射型液晶装置の模式図であり、図８は透過型液晶表示素子を用いた透過型液晶表示装置の模式図である。反射型液晶表示素子は、光を透過することができないため、光の入射方向と表示を確認する光の出射方向が最終的に異なる方向にする必要がある。そのため、入射方向と出射方向を異なる方向にするための光学部材が必要となる。たとえば、半透過光学部材であるハーフミラー、プリズム、反射型偏光板である。本光学部材は、透過と反射の両特性を有し、プリズムあるいは、反射型偏光板は、反射と透過の偏光も制御する。本光学部材を配置するため、薄型化には向いていない。さらに、カラー表示を行う場合には、本光学部材は反射型液晶表示素子の表示領域内で入射光と出射光の色が分布を持ってはいけないため、反射型液晶表示素子に対して、入射光と出射光は、ほぼ垂直にする必要がある。理由は、入射光の角度が異なると液晶を通過する光路長さが異なり、液晶の厚さ：ｄと液晶の屈折率異方性（Δｎ）との積：Δｎｄが異なってしまうからである。反射型液晶表示素子は、本Δｎｄの変化を利用して表示を行うため、表示領域でΔｎｄが分布することは表示ムラとなる。

反射型液晶表示素子は、透過型液晶表示素子に比較して、液晶表示素子の光の出射方向に光源、光学部材が必要となる。さらに、入射光、出射光を液晶表示素子に対してほぼ垂直にするため、簡易的には、光学部材の反射面を液晶表示素子に対して、４５度に配置するため、液晶表示素子の表示領域が大きくなればなるほど、反射型液晶表示素子から観察者までの必要な空間が大きくなる。つまり厚い反射型液晶表示素子のモジュールとなってしまう。

透過型液晶表示素子は、光を透過することができるため、光源と観察者の方向は透過型液晶表示素子を挟んで反対方向のため、薄型光源を利用すれば非常に薄くできる。さらに、偏光板、あるいは、位相差板からなる光学部材は、透過型液晶表示素子に対して平行配置できるため、光学部材が必要な空間は、反射型液晶表示素子の場合に比較して非常に小さくできる。すなわち薄型化、軽量化が可能となる。

シリコン薄膜やシリコン基板を使用して透過型液晶表示素子を形成する手段として、処理基板の上にシリコン薄膜を形成し、シリコン薄膜を処理基板から剥離して、透明基板に転写する方法（特許文献１参照）や、シリコン基板から水素イオンプランテーションでシリコン薄膜を形成して剥離し、透明基板に転写する技術（特許文献２参照）が開発されている。シリコン薄膜への素子形成は剥離前、剥離後またはその両方で行われる。

液晶プロジェクタのように液晶表示素子に強い光を照射する場合、放熱のため透明基板として熱伝導性の良いサファイアを使用する。

図３は従来技術による透過型液晶表示素子に用いる基板の製造方法を説明するための図で、断面図である。（Ａ）はＳＯＩ基板、（Ｂ）は裏面を研磨したＳＯＩ基板、（Ｃ）は水素インプランテーションを実施しているＳＯＩ基板、（Ｄ）は剥離したＳＯＩ基板を貼付した透明基板、（Ｅ）シリコン基板上に絶縁膜と画素電極を形成した透明基板である。

ＳＯＩ基板１は絶縁基板上に薄い膜状の単結晶シリコン基板を貼付した物であるが、絶縁基板に単結晶シリコン基板２（２）を用い、表面を熱酸化して絶縁膜３を形成し、絶縁膜３の上に薄い膜状の単結晶シリコン基板１（４）を貼付した物が一般的である。単結晶シリコン基板１（４）に、透過型液晶表示素子の各画素電極を制御するためのトランジスタやゲート線、ソース線、コンデンサ等の回路素子（不図示）が形成される（Ａ）。

単結晶シリコン基板２（２）の裏面は薄型化のため研磨される（Ｂ）。研磨後、研磨面側から水素インプランテーションが実施され、図（Ｃ）に点線５で示す剥離面が形成される。剥離面５で剥離された単結晶シリコン基板２’（２’）は、平滑化のため研磨され、研磨された面５’が透明基板６に接着される（Ｄ）。（本例では単結晶シリコン基板２’（２’）を残しているが、単結晶シリコン基板２は全部除去することがより好ましい。）回路素子等７が形成された単結晶シリコン基板１（４）の上面に絶縁膜８が形成され、さらにその上に、画素電極となる透明電極９が形成され透明基板Iが完成する（Ｅ）。絶縁膜８には回路素子と画素電極９を電気的に接続するコンタクトホール（不図示）が形成されている。

前記透明基板Iと、前記画素電極となる透明電極の集合部に対向する透明電極を形成した透明基板IIを液晶層を介してシール材で貼付して透過型液晶表示素子が完成する。

サファイア基板の上にシリコンをエピタキシャル成長させ、シリコンを単結晶化して前述のように透過型液晶表示素子を形成する方法もある。

図４は従来技術によるＳＯＳ基板を使用した透過型液晶表示素子の上面図であり、図５はそのＡ−Ａ断面図である。

ＳＯＳ基板は、サファイア基板２２の上面に絶縁層（不図示）を介してシリコン基板２３を形成（または貼付）したものであり、シリコン基板２３上にＴＦＴやその他の回路素子及び外部回路との接続用パッド電極３３が形成される。シリコン基板２３上には絶縁層２４が形成され、その上に透明電極（例えばＩＴＯ膜）が形成され、パターニングにより画素電極２６が形成されている。シリコン基板２３に形成されたＴＦＴと、画素電極２６は絶縁層２４に形成されたコンタクトホール２５により電気的に接続されている。

ガラス基板２１には共通電極である透明電極２６’が形成されている。画素電極２６、透明電極２６’上には配向膜２７が形成され、スペーサ２８を介してシール材２９によりガラス基板２１とＳＯＳ基板が接着される。シール材２９により形成された注入口３０から液晶３２を注入し、封止材３１により注入口３０を封止して透過型液晶表示素子２０が完成する。

特許第３２２７１５６号公報 ＵＳＰ５３７４５６４号公報

ＳＯＩ基板を薄膜化して透明基板に接着して、高性能な半導体付き透明基板として使用するが、薄膜化したとはいえ、いずれの方法も単結晶シリコン薄膜はそのまま残存するので、光の透過率が低下し、画像が暗くなる。また、プロジェクタに使用すると単結晶シリコン薄膜で熱が発生する。

プロジェクタ用で透明基板にサファイアを使用すると、サファイア基板が高価であることと、サファイア基板サイズが限定（小さい）されるため、製造が制約され、高価な液晶表示素子となってしまう。

少なくとも、
支持基板であるシリコン基板２の表面に絶縁膜を介してシリコン基板１を積層してなるＳＯＩ基板のシリコン基板１に透過型液晶表示素子の各画素電極を制御するための回路素子を形成する工程と、
シリコン基板２を薄くする工程と、
シリコン基板２に水素イオンによるインプランテーションをする工程と、
該インプランテーションをした部分を境にシリコン基板２の一部を剥離する工程と、
該一部を剥離したシリコン基板２の表面を研磨する工程と、
該研磨したシリコン基板２の表面を透明基板に接着する工程と、
前記画素電極に対応する部分のシリコン基板１、シリコン基板２を除去する工程と、
該シリコン基板１、シリコン基板２を除去した部分と前記回路素子上部に絶縁膜を形成する工程と、
該絶縁膜を平坦化処理する工程と、
前記絶縁膜に前記回路素子と前記画素電極との導通をとるためのコンタクトホールを形成する工程と、
前記シリコン基板１、シリコン基板２を除去した部分に対応する前記絶縁膜の表面に前記画素電極を形成する工程と、
を具備する透過型液晶表示素子の製造方法とする。

前記一部を剥離したシリコン基板２の表面を研磨する工程でシリコン基板２を全部除去する透過型液晶表示素子の製造方法とする。

本発明によると、ＳＯＩ基板を薄膜化して透明基板に接着して形成する透過型液晶表示素子の画素電極に対応する部分の単結晶シリコンを除去するので、従来技術と比べて光の透過率が上がり、明るい透過型液晶表示素子が得られ、それを使用した液晶プロジェクタも明るい表示が得られる。また、光の透過率の低い単結晶シリコンによる熱の発生がなくなる。

単結晶シリコンによる熱の発生が抑えられるので、放熱性がよいサファイア基板を使用しなくてもよいので、安価な液晶プロジェクタが提供できる。即ち、安価で光の透過率の高い透明基板を使用しながら、回路素子は単結晶シリコンを使用した高性能の液晶表示素子が製造できる。単結晶シリコン基板はサファイア基板に比べて大口径が製造されているので、量産性が高い。

少なくとも、
ＳＯＩ基板のシリコン基板１表面に透過型液晶表示素子の各画素電極を制御するためのトランジスタ等の回路素子を形成する工程と、
支持基板であるシリコン基板２を薄くする工程と、
シリコン基板２に水素イオンによるインプランテーションをして分割する工程と、
分割したシリコン基板２を剥離する工程と、
剥離したシリコン基板２の表面を研磨する工程と、
前記研磨したシリコン基板２側を透明基板１に接着する工程と、
前記画素電極に対応するシリコン基板１、シリコン基板２を除去する工程と、
該除去した部分と前記回路素子上部に絶縁膜を形成する工程と、
該絶縁膜を平坦化処理する工程と、
前記回路素子と画素電極の導通をとるためのコンタクトホールを形成する工程と、
前記画素電極を形成する工程
を具備する透過型液晶表示素子の製造方法とする。

図１、図２は本発明の液晶表示素子の製造方法を説明するための主要工程の断面図であるが図１は従来技術で説明した図３の（Ａ）〜（Ｄ）と同じなので説明は省略する。本実施例では剥離後の単結晶シリコン基板２’を残した例で説明するが、単結晶シリコン基板２’を除去した場合は単結晶シリコン基板２’が無いとして扱えばよい。

図２（Ｅ）は単結晶シリコン基板に回路素子を形成した透明基板、（Ｆ）は回路素子部を残して単結晶シリコン基板１、酸化シリコン、単結晶シリコン基板２’を除去した透明基板、（Ｇ）は絶縁膜を形成し表面を平坦化した透明基板、（Ｈ）は絶縁膜の上に透明電極膜を形成し画素電極を形成した透明基板を現している。

単結晶シリコン基板１（４）に、透過型液晶表示素子の各画素電極を制御するためのトランジスタやゲート線、ソース線、コンデンサ等の回路素子７が形成されるのは従来技術と同様であるが、前述したように剥離前に回路素子を部分的に形成しておくこともできる。

次に、回路素子７部を残して単結晶シリコン基板１（４）、絶縁膜（酸化シリコン）３、単結晶シリコン基板２’（２’）をエッチングにより除去する（Ｆ）。エッチャントは単結晶シリコン基板１、２’にはＫＯＨ、酸化シリコンにはＨＦまたはＮＨ４Ｆを使用する。

絶縁膜１０を回路素子７部より厚く形成し、表面を研磨して平坦化する（Ｇ）。絶縁膜１０には回路素子７と画素電極９を接続するコンタクトホール（不図示）を形成する。絶縁膜１０は、例えば有機絶縁膜を回転塗布法で形成し表面を研磨する方法や酸化シリコン膜をＣＶＤ法で形成し、ＣＭＰ（化学メカニカル研磨）する方法で形成する。

絶縁膜１０の上に透明電極膜（例えばＩＴＯ膜）を形成して、画素電極９のアレイを形成することで、透過型液晶表示素子の透明基板Iが完成する。

前記透明基板Iと、前記画素電極９の集合部に対向する透明電極を形成した透明基板IIを液晶層を介してシール材で貼付して透過型液晶表示素子が完成する。

図６は本発明による透過型液晶表示素子の断面図である。
従来技術として示した図５と異なるのは、画素電極９（２６）の下部のシリコン基板７（２３）とその下の絶縁層３、さらにその下のシリコン基板２’が無いこと、代わりに絶縁層１０（２４）が形成されていること、サファイア基板２２が透明基板６（例えば石英基板）になっていることである。本発明の構造により、光の透過する画素領域に透過率の低いシリコン層を無くしたので明るい透過型液晶表示素子が得られる。（括弧内の符号は対応する図５の符号である。）

本発明の液晶プロジェクタは、図８の透過型ＬＣＯＳに本発明の透過型液晶表示素子を使用して液晶プロジェクタにしたものであり、光の透過率が高い明るく、また、透過型液晶素子における熱の発生を抑えることができるものである。

本発明の液晶表示素子の製造方法を説明するための主要工程の断面図 本発明の液晶表示素子の製造方法を説明するための主要工程の断面図 従来技術による透過型液晶表示素子に用いる基板の製造方法を説明するための図で、断面図 従来技術によるＳＯＳ基板を使用した透過型液晶表示素子の上面図 図４のＡ−Ａ断面図 本発明による透過型液晶表示素子の断面図 反射型液晶表示素子を使用した反射型液晶装置の模式図 透過型液晶表示素子を用いた透過型液晶表示装置の模式図

符号の説明

１ ＳＯＩ基板
２ 単結晶シリコン基板２
２’ 単結晶シリコン基板２’
３ 絶縁膜
４ 単結晶シリコン基板１
５ 剥離面
５’ 研磨された面
６ 透明基板
７ 回路素子
８ 絶縁膜
９ 画素電極（透明電極）
１０ 絶縁膜
２０ 透過型液晶表示素子
２１ ガラス基板
２２ サファイア基板
２３ シリコン基板
２４ 絶縁層
２５ コンタクトホール
２６ 画素電極
２６’ 透明電極
２７ 配向膜
２８ スペーサ
２９ シール材
３０ 注入口
３１ 封止材
３２ 液晶
３３ パッド電極

Claims (2)

1. 少なくとも、
   支持基板であるシリコン基板２の表面に絶縁膜を介してシリコン基板１を積層してなるＳＯＩ基板のシリコン基板１に透過型液晶表示素子の各画素電極を制御するための回路素子を形成する工程と、
   シリコン基板２を薄くする工程と、
   シリコン基板２に水素イオンによるインプランテーションをする工程と、
   該インプランテーションをした部分を境にシリコン基板２の一部を剥離する工程と、
   該一部を剥離したシリコン基板２の表面を研磨する工程と、
   該研磨したシリコン基板２の表面を透明基板に接着する工程と、
   前記画素電極に対応する部分のシリコン基板１、シリコン基板２を除去する工程と、
   該シリコン基板１、シリコン基板２を除去した部分と前記回路素子上部に絶縁膜を形成する工程と、
   該絶縁膜を平坦化処理する工程と、
   前記絶縁膜に前記回路素子と前記画素電極との導通をとるためのコンタクトホールを形成する工程と、
   前記シリコン基板１、シリコン基板２を除去した部分に対応する前記絶縁膜の表面に前記画素電極を形成する工程と、
   を具備することを特徴とする透過型液晶表示素子の製造方法。
2. 前記一部を剥離したシリコン基板２の表面を研磨する工程でシリコン基板２を全部除去することを特徴とする請求項１記載の透過型液晶表示素子の製造方法。
   

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