JPH08313862A

JPH08313862A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH08313862A
Application number: JP14117795A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Konuma; 利光小沼; Takeshi Nishi; 毅西
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1995-05-16
Filing date: 1995-05-16
Publication date: 1996-11-29

Abstract

(57)【要約】【目的】投射型液晶表示装置において、光の利用効率
を上げ、画素開口率を向上させることで、より明るく解
像度の高い表示を可能とする。【構成】薄膜トランジスタ型液晶パネルを用いた投射
型液晶表示装置において、液晶パネルの使用は１枚と
し、ダイクロイックミラーにてＲＧＢの分離を行う。液
晶パネルの画素をストライプ配置とし、液晶パネル上に
各レンズが画素ピッチに対応したシリンドリカルレンズ
よりなるマイクロレンズアレイを設ける。このような構
成とすることで明るく解像度の高い表示を可能が可能と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラス基板上に薄膜ト
ランジスタ（ＴＦＴ）や薄膜ダイオード（ＴＦＤ）、ま
たはそれらを応用したアクティブ型液晶表示装置に関す
る。特に投射型液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置は従来ＴＶ等で使用されて
きたＣＲＴに変わる軽量小型の表示装置として、近年多
用されている。特に大画面表示を行う場合、ＣＲＴをそ
のまま大きくすると装置全体の大きさ、及び重量が一般
の使用に堪えるものではなかった。このため表示面だけ
別に設けるプロジェクション方式が考案されたが、装置
の重量の問題は大きく改善されるものではなかった。し
かし、プロジェクション方式で液晶パネルを用いると、
画像形成部の軽量化が可能となる。

【０００３】液晶パネルを用いた投射型の表示装置には
大きく分けて液晶パネルを１枚用いる単板式と、３枚用
いる３板式の２種類がある。単板式は液晶パネルが１枚
ですむため安価な表示装置を作製できるが、カラー化の
ためには液晶パネル内にカラーフィルターを形成する必
要がある。このカラーフィルターによって入射光が吸収
され、画面が暗くなってしまうという問題があった。一
方３板式は３枚の液晶パネルを用いるためコストが上が
ってしまった。

【０００４】このため、単板式で明るい画面表示が可能
な方法として、ダイクロイックミラーにて光源からの光
をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色に分光し、パネ
ルにそれぞれの光を入射させる方式の表示装置が考案さ
れた。さらに、この方式で光の利用効率を向上させるた
めダイクロイックミラーと液晶パネルの間に画素ピッチ
に対応した微少なレンズの集合体（マイクロレンズアレ
イ）を設けた表示装置がより明るく、低価格のプロジェ
クション型表示装置として検討されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】プロジェクション型表
示装置ではより明るく低価格で小型の表示装置を実現す
ることが課題である。液晶パネルを用いたプロジェクシ
ョン型表示装置の場合、明るく微細な画像表示を可能に
するため、液晶パネルの画素開口率及び解像度を向上さ
せる必要があるが、このとき従来の液晶パネルを用いる
と下記の問題が発生した。

【０００６】例えば、従来の液晶パネルの画素配置はＲ
ＧＢ各画素でデルタ配置となっているが、ソース線を画
素周囲で蛇行させねばならず、配線領域が広くなるため
開口率を一定以上向上させるのが困難であった。また、
白色表示を行うために必要なＲＧＢ各色を組み合わせた
最小単位の面積が大きくなるため、微細な画像を形成す
ることが困難であった。

【０００７】また、光の利用効率向上のためのマイクロ
レンズアレイは、画素配置に対応させて配置させる必要
があり、デルタ配置の場合レンズアレイの形状が複雑に
なりコストが高くなってしまった。

【０００８】本発明は、投射型の液晶表示装置におい
て、低価格でより明るく高解像度の表示を行うことが可
能な表示装置を提案するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、以下の構成とした。即ち本発明は、薄膜トラ
ンジスタが形成された基板からなる液晶表示装置と、画
素配置に対応したマイクロレンズアレイが液晶パネル上
に形成された構成と、光源とフレネルレンズと投射レン
ズよりなる光学系と、を有し、前記液晶パネルの画素は
ストライプ配置となっており、前記マイクロレンズアレ
イはシリンドリカルレンズを使用していること、を特徴
とするプロジェクション型液晶表示装置。

【００１０】図１に、本発明の液晶表示装置の構成を説
明する。光源１０１より発せられた光はダイクロイック
・ミラー１０２によりＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）に
分光され液晶パネル前面に設けられたレンズアレイ１０
３に入射する。光は異なった角度で入射する３色の光が
レンズアレイの凸レンズを通過すると、異なった３つの
場所に焦点を結ぶ。その焦点と画素の位置を合わせるこ
とで、Ｒに対応する画素にはＲの光、Ｇに対応する画素
にはＧの光を選択的に入射させることが出来る。レンズ
アレイによりＲＧＢ各色は液晶パネル１０４の画素に選
択的に入射する。液晶パネルを透過した光はフレネル・
レンズ１０５により光の広がりを抑制され、投射レンズ
１０６を透過しスクリーン１０７に達し画像の表示を行
う。

【００１１】図１においては光学系はリア型とした。光
源１０１にはキセノンランプ、ハロゲンランプ、メタル
ハライドランプ等を利用することができるが、高輝度で
発光効率が高いこと、ＲＧＢ色成分がバランス良く配分
されていること、さらに長寿命であること等の条件を満
たすものとして、メタルハライドランプを使用するのが
望ましい。

【００１２】液晶パネルの動作モードとしては、ＴＮ
型、ＳＴＮ型、複屈折型、散乱型等を利用することがで
きる。液晶パネルに使用する液晶材料としては、ネマチ
ック液晶、スメクチック液晶、強誘電性液晶或いはそれ
らが高分子樹脂中に含有されたＰＤＬＣ（ポリマー分散
型液晶）等が使用できる。

【００１３】また、駆動方式としては単純マトリクス方
式、アクティブマトリクス型を利用することが出来る
が、高速かつ高画質であることから基板上の各画素毎に
スイッチング素子、特に結晶性薄膜トランジスタを設け
たアクティブマトリックス型が望ましい。

【００１４】特に結晶性薄膜トランジスタを用いたアク
ティブマトリクス型の液晶電気光学装置の場合、各画素
に連結されているスイッチング用の薄膜トランジスタ
と、液晶電気光学装置として駆動するための駆動用周辺
回路を同一基板上に設ける、いわゆるモノリシック構造
とすることができるため、装置の小型化、低価格化等を
実現でき、好ましい。

【００１５】液晶パネルの画素配置は縦方向に色が等し
いストライプ配置とした。これによりソース線を蛇行さ
せる必要がなくなり、開口率がデルタ配置のときに比べ
向上した。また、画素形状は縦横比が２：１〜３：１程
度の縦長状とすることでカラー表示の場合にも解像度が
低下しなかった。

【００１６】また、画素配置がストライプ配置なのでマ
イクロレンズアレイとしてシリンドリカルレンズを使用
することが出来た。このため、デルタ配置の場合に比べ
レンズ形状が単純になり、作製コストを低減することが
出来た。また、個々のマイクロレンズは横方向の画素ピ
ッチに対応した大きさとした。

【００１７】また、フレネルレンズを透過した光をスク
リーン表示のために拡大する投射レンズは従来の光学レ
ンズを使用することが可能である。

【００１８】なお、図１においては、スクリーン１０７
に投影した光を画像として見るフロント型を示したが、
スクリーンを半透明にしてスクリーンに投影した画像を
スクリーン越しに見るリア型としても表示特性には何ら
影響はない。

【００１９】また、スクリーン１０７上において、液晶
パネルからの光が回折し、各画素の輪郭がぼやける場合
には、表示面の開口率を極端に低減させない程度に、ス
クリーンの表側または裏側に格子状にブラックマトリク
スを形成すればよい。

【００２０】

【作用】画素配置をストライプ配置、画素形状を縦長状
にした結果、より明るく解像度の高い表示が液晶パネル
が単板式のプロジェクション型液晶表示装置で可能とな
った。また、液晶パネル状にマイクロレンズアレイを設
けたことで画素に入射する光量が増加し光の利用効率が
向上した。

【００２１】

【実施例】〔実施例１〕図１に本実施例の液晶表示装置の構成を示
す。光源１０１より発せられた光はダイクロイック・ミ
ラー１０２によりＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）に分光
され液晶パネル前面に設けられたレンズアレイ１０３に
入射する。レンズアレイによりＲＧＢ各色は液晶パネル
１０４の画素に選択的に入射する。液晶パネルを透過し
た光はフレネル・レンズ１０５により光の広がりを抑制
され、投射レンズ１０６を透過しスクリーン１０７に達
し画像の表示を行う。

【００２２】図２（Ａ）（Ｂ）に本実施例により作製し
た液晶パネルの概念図を示した。液晶パネルはガラス基
板２０１上に各画素２０２毎に結晶性薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ）よりなるスイッチング素子２０３が形成され
た、アクティブマトリクス駆動型である。また液晶材料
２０９を介した対向基板２０４上にはブラックマトリク
ス２０５、反対側の面には接着剤２０７を介してマイク
ロレンズアレイ２０８が形成されている。また、同一基
板上にこの液晶パネルを駆動するための周辺駆動回路も
設けたモノリシック構成とした。周辺駆動回路は図２
（Ｂ）に示すように、ゲートドライブ２１０、ソースド
ライブ２１１とも画素の両側に２カ所形成した。また、
ＴＦＴ基板と対向基板を接着するシール材２１２は、図
２（Ｂ）に示すように画素領域と周辺駆動回路領域双方
を内側にするように形成した。

【００２３】液晶パネルの画素数はＶＧＡ対応の場合、
ＲＧＢ３色を１単位として６４０×４８０、ＥＷＳ対応
の場合１２８０×８００とした。横：縦はＶＧＡ、ＥＷ
Ｓとも１６：９とした。また、画素面積はＶＧＡの場
合、ＲＧＢ３色を１単位として４０μｍ×６０μｍ、Ｅ
ＷＳの場合２０．８μｍ×３６μｍとした。基板サイズ
はＶＧＡ及びＥＷＳとも５０ｍｍ×３０ｍｍとした。

【００２４】また、本実施例のアクティブマトリクス回
路の概観は図５（Ａ）に示すようになる。以下、本実施
例のモノリシック型アクティブマトリクス回路を得る作
製工程について、図３および図４を用いて説明する。ま
ず、ＴＦＴ基板としてコーニング＃７０５９ガラス基板
３０１を作製工程中の熱収縮を低減させるため６４０
℃、４時間熱アニールした。この熱アニールにより基板
は１３００ｐｐｍ収縮した。次に基板２０１上に下地酸
化膜３０２として厚さ１０００〜３０００Åの酸化珪素
膜を形成した。この酸化膜の形成方法としては、酸素雰
囲気中でのスパッタ法やプラズマＣＶＤ法を用いればよ
い。

【００２５】その後、プラズマＣＶＤ法やＬＰＣＶＤ法
によってアモルファス状もしくは結晶性のシリコン膜を
３００〜１５００Å、好ましくは５００〜１０００Å形
成した。結晶性シリコン膜を得るには、アモルファスシ
リコン膜を形成した後、レーザーもしくはそれと同等な
強光を照射する（光アニール）か、５００℃以上の温度
で長時間の熱アニールをおこなえばよい。また、熱アニ
ールによって結晶化させたのち、光アニールをおこなっ
て、さらに結晶性を高めてもよい。また、熱アニールに
よる結晶化の際に、特開平６−２４４１０３、同６−２
４４１０４に記述されているように、ニッケル等のシリ
コンの結晶化を促進させる元素（触媒元素）を添加して
もよい。なお、本実施例の基板では、この熱アニールに
よる縮みは１０ｐｐｍであり、後のアライメント工程で
の不具合はなかった。

【００２６】次にシリコン膜をエッチングして、周辺駆
動回路のＴＦＴ活性層３０３、３０４とマトリクス回路
のＴＦＴ活性層３０５を形成した。さらに、酸素雰囲気
中でのスパッタ法によって、厚さ５００〜２０００Åの
酸化珪素のゲイト絶縁膜３０６を形成した。ゲイト絶縁
膜の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法を用いてもよ
い。（図１（Ａ））

【００２７】本発明においてはゲイト絶縁膜は耐圧が十
分に高いことが好ましい。これは陽極酸化工程の際に、
ゲイト電極とシリコン活性層の間に高い電界が印加され
るためである。したがって、プラズマＣＶＤ法によって
得られる酸化珪素膜によってゲイト絶縁膜を形成する場
合には、原料ガスとして、一酸化二窒素（Ｎ₂ Ｏ）もし
くは酸素（Ｏ₂ ）とモンシラン（ＳｉＨ₄ ）を用いるこ
とが好ましかった。

【００２８】その後、厚さ２０００Å〜５μｍ、好まし
くは２０００〜６０００Åのアルミニウム膜（０．１〜
０．５重量％のスカンジウムを含有する）をスパッタ法
によって基板全面に形成した。そして、これをエッチン
グして、ゲイト電極もしくはゲイト線３０７、３０８、
３０９（３０９’）（図４（Ａ））、３１０（３１
０’）および陽極酸化用の配線３２９を形成した。ゲイ
ト線３０９（３０９’）は全て陽極酸化用の配線３２９
につながるように設計した。なお、図４は、図３を上面
から見た状態に対応する。

【００２９】一方、周辺論理回路のゲイト電極３０７、
３０８は陽極酸化用の配線（給電線）３２９とは電気的
に絶縁されるようにした。（図３（Ｂ）、図４（Ａ））その後、基板を電解溶液中に置き、陽極酸化用配線に電
流を通じてゲイト線３０９（３０９’）およびゲイト電
極３１０（３１０’）の陽極酸化をおこなった。この時
電解溶液として、３％の酒石酸を含有するエチレングリ
コール溶液をアンモニア水で中和したものを用いた。

【００３０】陽極酸化工程においては図５（Ｂ）に示す
ように陽極酸化用配線３２９を鰐口クリップ等の給電ク
リップではさむことによって電流を供給した。この結
果、陽極酸化用の配線３２９につながるゲイト線３０９
（３０９’）やゲイト電極３１０（３１０’）の上面お
よび側面に陽極酸化物被膜３１１、３１２が得られた。
本実施例では１２０Ｖの電圧を印加し、１７００Åとし
た。

【００３１】このようにほぼ中性の溶液での陽極酸化に
よって得られる陽極酸化物は緻密で硬く、耐圧も高い。
耐圧は陽極酸化時に印加した最高電圧の７０％以上であ
る。このような陽極酸化物はバリヤ型陽極酸化物と呼ば
れる。（図３（Ｃ））

【００３２】次に、ゲイト線と陽極酸化用配線３２９の
境界部分のみをエッチングできるようレジストを形成
し、下記のエッチャントを用いて分断エッチングを行っ
た。エッチャントとしてはフッ酸、フッ化アンモニウ
ム、純水を適当な比率で混合した溶液を用いた。エッチ
ング後、溝３３０が形成されたことにより、ゲイト線と
陽極酸化用配線３２９を切断された。（図４（Ｂ））

【００３３】その後、イオンドーピング法によって、各
ＴＦＴの島状シリコン膜中に、ゲイト電極部（すなわち
ゲイト電極やその周囲の陽極酸化膜）をマスクとして自
己整合的に不純物を注入した。この際には、最初に全面
にフォスフィン（ＰＨ₃ ）をドーピングガスとして燐を
注入し、その後、図の島状領域３０３だけをフォトレジ
ストで覆って、ジボラン（Ｂ₂ Ｈ₆ ）をドーピングガス
として、島状領域３０４および３０５に硼素を注入し
た。ドーズ量は、燐は４×１０¹⁴〜４×１０¹⁵原子／ｃ
ｍ² 、硼素は１〜８×１０¹⁵原子／ｃｍ² とし、硼素の
ドーズ量が燐を上回るように設定した。この結果、Ｎ型
領域３１３、Ｐ型領域３１４、３１５が形成された。
（図３（Ｄ））

【００３４】その後、ＫｒＦエキシマーレーザー（波長
２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓｅｃ）を照射して、上記
不純物領域の導入によって、結晶性の劣化した部分の結
晶性を改善させた。レーザーのエネルギー密度は２００
〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、好ましくは２５０〜３００ｍＪ
／ｃｍ² とした。この結果、Ｎ型およびＰ型領域が活性
化された。これらの領域のシート抵抗は２００〜８００
Ω／□であった。

【００３５】その後、全面に層間絶縁物３１６として、
プラズマＣＶＤ法によって窒化珪素膜を厚さ５００Å、
及び酸化珪素膜を厚さ９０００Åで形成し多層膜とし
た。そして、層間絶縁物３１６をウェットエッチング法
によってエッチングした。層間絶縁膜３１６のエッチン
グには、エッチャントとしてＬＬ１０：１（橋本化成製
界面活性剤入り）を用いた。エッチング時間は５分４５
秒であった。このようにして、Ｎ型領域、Ｐ型領域にコ
ンタクトホール３１７、３１８、３１９を形成した。ま
た、同時にゲイト電極・ゲイト線にホール３２０を形成
した。ただし、この段階では陽極酸化物３１１がバリヤ
となって、エッチングが中断し、ゲイト線には到達して
いない。（図３（Ｅ）、図４（Ｃ））

【００３６】その後、再度、フォトリソ法により、先の
工程によって形成したホール３２０の中にコンタクトホ
ールのパターンを形成し、上記分断エッチングを行った
のと同じ比率のエッチャントを用いて、エッチングをお
こない、コンタクトホール３２１を形成した。エッチン
グ時間は２分３３秒で、２０％のオーバーエッチングを
行った。（図３（Ｆ）、図４（Ｄ））

【００３７】その後、スパッタ法によって、厚さ５００
〜１０００Åのチタン膜を形成し、さらに厚さ６０００
〜８０００Åのアルミニウム膜を形成した。アルミニウ
ム膜にはヒロック防止のため２％スカンジウムを含む。
次にこれをアンモニア過水（過酸化水素：アンモニア：
水＝５：２：２）で４０℃にて１０秒、次にアルミ混酸
（燐酸＋酢酸＋硝酸）で３５℃にてエッチングして、周
辺回路の電極・配線３２２、３２３、３２４およびソー
ス線３２５、画素ＴＦＴの電極３２６を形成した。配線
３２３はゲイト線３０９と接続するようにした。（図４
（Ｅ））

【００３８】さらに、スパッタ法で成膜した厚さ５００
〜１５００ÅのＩＴＯ（インディウム錫酸化物）膜をエ
ッチングして、画素電極３２７を形成した。最後に、プ
ラズマＣＶＤ法によって、厚さ１０００〜３０００Åの
窒化珪素膜３２８をパッシベーション膜として形成し
た。このようにして、周辺論理回路とアクティブマトリ
クス回路を一体化して形成できた。（図３（Ｇ））

【００３９】次いで、図２において、対向する基板２０
４上にはブラックマトリクス２０５及びその上に全面に
ＩＴＯよりなる透明電極２０６を形成した。次に基板２
０１、２０４上に配向膜としてポリイミドからなる配向
膜（図示せず）２０９を形成した。次に配向膜２０９を
通常の方法によりラビングした。この時ラビングの方向
は上下の基板で９０°の角度をなすような方向で行なっ
た。次に直径５μｍの酸化珪素より成るスペーサーを基
板の配向膜を塗布した基板上に散布した（図示せず）。
次に、基板２０１上にシール剤２１２を印刷し、基板２
０１、２０４を重ね合わせ、固定した。このときシール
材は画素領域及び周辺駆動回路領域を内側にするように
基板の外周近くに印刷した。次に液晶材料２０９を上記
セルに真空注入法で注入した。使用した液晶材料はメル
ク社製ネマチック液晶ＺＬＩ−４７９２（商品名）であ
った。こうして、図２の液晶パネルが形成された。

【００４０】次にマイクロレンズアレイ２０８について
説明する。本実施例で使用したレンズアレイはシリンド
リカルレンズであり、レンズサイズは横方向では画素ピ
ッチに対応している。

【００４１】光源１０１（図１に図示））にはメタルハ
ライドランプを使用した。光源の出力は２５０Ｗ、液晶
パネルの周辺温度は５０℃であった。

【００４２】液晶パネル１０４と投射レンズ１０６と投
射レンズとの間にはフレネルレンズ１０５を設けた。投
射レンズ１０６の口径１００ｍｍφは、Ｆナンバーは
２．２、焦点距離は１３０ｍｍのものを用いた。またス
クリーン１０７は８００×６００ｍｍの物を用いた。

【００４３】上記プロジェクション型液晶表示装置によ
り良好な画像の表示が可能になった。

【００４４】〔発明の効果〕以上、詳述したように、薄
膜トランジスタが形成された基板からなる液晶表示装置
と、画素配置に対応したマイクロレンズアレイが液晶パ
ネル上に形成された構成と、光源とフレネルレンズと投
射レンズよりなる光学系と、を有した構成において、前
記液晶パネルの画素はストライプ配置となっており、か
つ前記マイクロレンズアレイはシリンドリカルレンズを
使用した構成とすることによって、投射型の液晶表示装
置でより明るく、解像度を高くする事が可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示装置の概念図を示す。

【図２】本発明の液晶パネルの断面及びＴＦＴ基板の
概略図を示す。

【図３】薄膜トランジスタの作製工程を示す。

【図４】薄膜トランジスタの作製工程を示す。

【図５】本発明のモノリシック型アクティブマトリク
ス回路の概要と陽極酸化法を示す。

【符号の説明】

１０１光源１０２ダイクロイックミラー１０３、２０８マイクロレンズアレイ１０４液晶パネル１０５フレネルレンズ１０６投射レンズ１０７スクリーン２０１、２０４基板２０２画素電極２０３薄膜トランジスタ２０５ブラックマトリクス２０６対向電極２０７接着剤２０９液晶材料２１０ゲートドライバ２１１ソースドライバ２１２シール材３０２下地膜３０３〜３０５活性層（シリコン）３０６ゲート絶縁膜３０７〜３１０ゲート電極・ゲート線３１１、３１２陽極酸化物３１３〜３１５Ｎ／Ｐ型領域３１６層間絶縁膜３１７〜３１９コンタクトホール３２０ホール３２１コンタクトホール３２２〜３２６金属配線・電極３２７画素電極３２８パッシベーション膜３２９陽極酸化用配線３３０陽極酸化用配線とゲート線の分断
部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄膜トランジスタが形成された基板からな
る液晶表示装置と、画素配置に対応したマイクロレンズアレイが液晶パネル
上に形成された構成と、光源とフレネルレンズと投射レンズよりなる光学系と、を有し、前記液晶パネルの画素はストライプ配置となっており、前記マイクロレンズアレイはシリンドリカルレンズを使
用していること、を特徴とするプロジェクション型液晶
表示装置。