JPH116917A - マスタホログラム，これを用いたカラーフィルタの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 露光波長より短い周期構造を含む体積ホログ
ラムによる高効率のホログラフィックカラーフィルタ
を、簡便な手法で作製し、高画素密度，高開口率のアク
ティブマトリクス型の表示を実現する。 【解決手段】 予め関数計算された１ビーム干渉用のホ
ログラムパターンが、金属膜（12）によるグレーティン
グ（18）として電子線描画により形成される。金属膜の
膜厚は、０．０５〜０．２０μmに設定される。グレー
ティングのデューティ比（WB/WA）は、２０〜８０％に
設定される。前記金属膜は、クロム層単体，もしくは、
クロム層と酸化クロム層の積層体によって形成される。
カラーフィルタは、前記マスタホログラムを用い、Ｓ偏
光を露光光として干渉露光を行うことで作製される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、カラーフィルタ
の製造に用いるマスタホログラム及びそれを用いたカラ
ーフィルタの製造方法にかかり、特に、アクティブマト
リクス型の液晶表示に好適なマスタホログラム，それを
用いたカラーフィルタの製造方法の改良に関するもので
ある。

【０００２】

【背景技術と発明が解決しようとする課題】液晶を用い
た画像表示素子として、アクティブマトリクスを用いた
ものがある。透過型のタイプの概略構成は、例えば図４
に示すようになっており、液晶層９００が透明電極９０
２，９０４で挟まれた構成となっている。液晶層９００
には、適宜の配向膜（図示せず）が設けられており、こ
れによって液晶層９００の液晶の配向方向が所定方向と
なっている。透明電極９０２，９０４間には、各画素に
対応して設けられたトランジスタなどの能動素子９０６
によって、画像信号に対応した駆動電圧が印加されてい
る。この電圧によって液晶層９００の配向状態が変化す
ると、矢印ＦＱで示す入射光が変調を受け、その偏光状
態が変化する。変調後の光は、矢印ＦＲで示すように、
透明電極９０２を透過する。

【０００３】一方、光の入射側及び出射側には、偏光素
子９０８，９１０がそれぞれ設けられており、これらの
偏光方向は直交している。このため、光の偏光状態の変
化がコントラストの変化となり、これによって画像表示
が行われるようになる。

【０００４】ところで、このような透過型のアクティブ
マトリクス方式ディスプレイでは、図４に示すように、
透明電極９０２と能動素子９０６は同一面内に配置され
る。この面内に占める透明電極９０２の面積比を開口率
と呼ぶ。総画素数が同一でディスプレイ面積が小さくな
ると、必然的に１画素当りの面積は小さくなる。つま
り、透明電極９０２と能動素子９０６が占める面積は小
さくなる。しかし、所定の駆動能力を保持するために
は、能動素子９０６として一定面積が必要であり、それ
以下にすることはできない。従って、透明電極９０２の
面積を小さくせざるを得ない。すると、矢印ＦＱで示す
入射光の比率が小さくなってしまう。このような理由か
ら、プロジェクタ用のディスプレイシステムのように小
型化を図る必要がある場合には、開口率が小さくなり、
光利用率は低下して表示画像が暗くなる。

【０００５】図４のようなディスプレイシステムを用い
てカラー表示を行う場合には、例えばＲ（赤），Ｇ
（緑），Ｂ（青）毎に設ける必要があり、装置が大型化
する。そこで、カラーディスプレイシステムを小型にす
るための手法として、いわゆる単板方式のディスプレイ
システムがある。この単板システムでは、図５に示すよ
うに、Ｒ，Ｇ，Ｂのマイクロフィルタが規則的に配列さ
れた吸収型や多層膜反射型のカラーフィルタ９２０が設
けられている。すなわち、Ｒの画像信号によって能動素
子９０６が駆動される画素にはＲのマイクロフィルタが
設けられ、Ｇの画像信号によって能動素子９０６が駆動
される画素にはＧのマイクロフィルタが設けられ、Ｂの
画像信号によって能動素子９０６が駆動される画素には
Ｂのマイクロフィルタが設けられる。

【０００６】Ｒ，Ｇ，Ｂのマイクロフィルタは、それぞ
れＲ，Ｇ，Ｂの単色光だけを透過する。従って、例え
ば、Ｒのマイクロフィルタ上では、Ｇ及びＢの色の光は
利用できない。Ｇ，Ｂのマイクロフィルタについても同
様である。結果として、入射光の１／３が原理的に利用
できる最大光量である。このように、単板システムで
も、光利用率の低下を招く。

【０００７】これらの不都合を解決するため、マイクロ
レンズとアクティブマトリクスを組み合わせたディスプ
レイシステムがある。図６にはその主要部が示されてお
り、上述したカラーフィルタ９２０の光入射側には、マ
イクロレンズアレイ９３０が設けられている。マイクロ
レンズアレイ９３０は、Ｒ，Ｇ，Ｂのマイクロフィルタ
９２０Ｒ，９２０Ｇ，９２０Ｂに対応して配列された多
数のマイクロレンズ９３２がガラス基板９３４に形成さ
れた構成となっている。矢印ＦＱ方向から入射した光
は、それぞれマイクロレンズ９３２で集光されて、該当
するマイクロフィルタ９２０Ｒ，９２０Ｇ，９２０Ｂに
それぞれ入射する。このような構成とすることで、開口
率の低下を防ぐことができる。

【０００８】しかし、例えば２０μｍ以下の画素ピッチ
のアクティブマトリクスを組み合わせようとすると、理
想的な集光特性を持つマイクロレンズの作製は困難とな
り、光利用率の向上を図ることは事実上困難である。

【０００９】このような開口率の低下や、単板システム
における光量の低下を改善する有力な手法として、特願
平７ー３１５９５６号として出願されたカラーフィルタ
がある。これによれば、カラーフィルタを構成する体積
ホログラムは、良好な分光特性や理想的な集光特性を具
備し、通常のカラーフィルタよりも光利用率の高いディ
スプレイシステムを実現することができる。

【００１０】体積ホログラムフィルタの作製法には、２
ビーム干渉法と１ビーム干渉法がある。まず、２ビーム
干渉法は、同一レーザ光を２ビームに分岐し、光露光に
よって屈折率の変化を生じる感光体，例えばデュポン社
製「OmniDex」のようなポリマ上に角度を変えて入射さ
せる。すると、２ビームの干渉パターンが生じるので、
これによる屈折率の変化によってホログラムパターンと
するものである。しかしながら、この方法は、一度の干
渉によって一つのホログラムレンズを形成するに留ま
る。このため、ホログラムレンズアレイを作製するに
は、物体光としてレンズ集光光を何度も場所を変えて感
光剤に入射させる必要がある。従って、角度や位置のア
ライメント精度やかぶり光対策について配慮する必要が
ある。また、レンズピッチの小さな無収差マイクロレン
ズを作製するのは困難であり、現実的ではない。

【００１１】一方、１ビーム干渉法では、まず計算機に
よって計算された回折パターンを電子線描画装置により
表面ホログラム（マスタホログラム）として基板上に形
成する。そして、その表面ホログラムに特定角度から光
を入射し、回折パターンによって０次光と１次光を得
る。そして更に、これら０次光と１次光の干渉によっ
て、感光体に体積ホログラムを記録する。従って、０次
光と１次光の角度や位置のアライメントが不要であると
ともに、マイクロレンズアレイパターンをマスタホログ
ラム面内に必要な分だけ形成しておけば、１回の干渉で
レンズアレイパターンを感光体に転写できる。従って、
精度や量産性のいずれにおいても、体積ホログラムフィ
ルタの作製に有効な手段である。ただし、実際には、マ
スタホログラムに対してサブミクロンオーダーの加工を
大面積で行う必要があり、高度な微細加工技術が必要で
ある。

【００１２】この加工手法としては、ＩＤＷ'９６（Int
ernational Display Workshop'96）のP345〜348に「Hol
ographic Optical Element for Projection Displays」
と題して開示されたホログラムマイクロレンズアレイの
作製法がある。これによれば、まず、電子線レジスト上
にマイクロレンズパターンを電子線描画する。そして、
このレジストパターンをマスクとして基板ガラス材をエ
ッチングすることによって、ガラス基板上に凹凸を形成
する。これら凹凸によって透過する光の位相を変調する
ことによって、１次回折光が発生する。このマスタホロ
グラムは表面ホログラムの一種で位相変調型ホログラム
を呼ばれる。ガラス基板上には凹凸しか存在しないた
め、入射した光のほぼすべてが０次光か１次光となる。
また、凹凸の段差を制御することで、０次光と１次光の
比をある程度制御できる。

【００１３】ところが、このような位相変調型ホログラ
ムによって、上述した特願平７−３１５９５６号のよう
な体積ホログラムフィルタを得るマスタホログラムを作
製することは非常に困難である。例えば、ガラス基板露
光のためのランプ光の入射角を６０度とし、青色帯域の
中心波長を４６０ｎｍ，ガラス基板の屈折率を１．５２
とすると、ＮＡ（開口率）０．２のマイクロレンズアレ
イを作製する場合、必要な凹凸のパターンピッチは０．
３０〜０．４１μmとなる。従って、凹凸のいずれか一
ラインの幅（凹ラインの幅又は凸ラインの幅）は、その
半分の略０．１５〜０．２μmとなる。このようなパタ
ーンピッチに対して０次光と１次光の比が１：１となる
凹凸の深さは、ガラス基板を用いた場合、０．３５μm
程度と計算されている。すなわち、ガラス基板に対し
て、ライン幅の２倍程度の深さの凹凸加工が必要とな
る。しかし、このような条件で、ガラス基板上の凹凸の
割合（デューティ比）や深さの両方を厳密に制御するこ
とは非常に困難であり、必ずしも現実的とは言えない。

【００１４】他のマスタホログラムの作製法として、１
９８６年応用物理学会予稿集p206,4p-L-13に「光ＩＣ用
ＥＢ描画サブミクロングレーティングのホログラフィッ
ク転写」と題して開示された振幅変調型ホログラムがあ
る。これによれば、まず、電子線描画によりマイクロレ
ンズアレイパターンを電子線レジスト上に作製する。次
に、これをマスク材として金属層をエッチングすること
で光遮光部と光透過部を作製し、周期的なスリットパタ
ーンを形成する。そして、このスリットパターンで回折
光を発生させている。

【００１５】しかしながら、この手法は、微細パターン
をレジストに転写するために用いられるものであるた
め、０次光と１次光に比率はあまり考慮する必要がな
い。このため、０次光と１次光の比率が不明である。し
かし、体積ホログラムフィルタの作製には、感光体であ
るフォトポリマ内に設計通りの屈折率分布を形成する必
要があり、０次光と１次光の比率は重要な要素となる。
加えて、２次光強度が大きいと、０次光と２次光による
干渉パターンが形成されてしまうとともに、本来の設計
と異なる方向に出射する光成分が発生するため、光利用
効率が低下する。他に、光遮光部が存在することでも、
光の透過量が減少して利用効率は低下する。更に、波長
より短い周期構造では、回折効率の低下が予想される。
このような点から、露光波長より短い周期の体積ホログ
ラムフィルタの作製には一般的に用いられていない。

【００１６】この発明は、以上の点に着目したもので、
その目的は、露光波長より短い周期構造を含む体積ホロ
グラムによる高効率のマイクロレンズアレイカラーフィ
ルタを、簡便な手法で作製することである。他の目的
は、高画素密度，高開口率のアクティブマトリクス型の
表示を実現することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、この発明は、カラーフィルタ（52）を作製するため
のマスタホログラム（20）であって、予め関数計算され
た１ビーム干渉用のホログラムパターンが、金属膜（1
2）によるグレーティング（18）として電子線描画によ
り形成されており、そのグレーティングのデューティ比
（WB/WA）を、２０〜８０％としたことを特徴とする。
主要な形態によれば、前記金属膜の膜厚は、０．０５〜
０．２０μmに設定される。また、前記金属膜は、クロ
ム層単体，もしくは、クロム層と酸化クロム層の積層体
によって形成される。本発明のカラーフィルタの製造方
法は、前記いずれかのマスタホログラムを用い、Ｓ偏光
を露光光として干渉露光を行うことを特徴とする。

【００１８】この発明の前記及び他の目的，特徴，利点
は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。最初に、本発明の理解を容易にする
ため、図２を参照して振幅変調型マスタホログラムの作
製方法を説明する。まず、同図（A）に示すように、ま
ず、平坦性が確保できる材料，例えば石英やガラスなど
による透明基板１０を用意する。そして、この透明基板
１０の主面上に、クロムなどによる金属膜１２を形成す
る。次に、同図（B）に示すように、金属膜１２上に、
電子線レジスト１４が設けられる。一方、レンズ効果を
発生させるために必要なマイクロレンズアレイパターン
を、関数計算によって予め求める。そして、この求めた
パターンを、電子線描画法によって電子線レジスト１４
に転写する。すなわち、求めたマイクロレンズアレイパ
ターンに対応して、電子線を、図中に矢印ＦＡで示すよ
うに電子線レジスト１４に照射する。その後、電子線レ
ジスト１４を現像すると、同図（C）に示すように、電
子線レジスト１４によるマイクロレンズアレイのホログ
ラムパターン１６が形成される。

【００２０】次に、電子線レジスト１４によるホログラ
ムパターン１６をマスクとして、同図（D）に示すよう
に、透明基板１０上に積層された金属膜１２をエッチン
グする。このエッチングは、ウェット法でもドライ法で
も、どちらでも可能である。エッチング後に、電子線レ
ジスト１４を除去すれば、同図（E）に示すように、透
明基板１０上に金属によるホログラムパターン１６に相
当するグレーティングパターン１８が形成されたマスタ
ホログラム２０が得られる。

【００２１】なお、この場合において、金属膜１２とし
ては、フィルタ作製時の露光波長に対して遮光性が十分
であるとともに、透明基板１０に対する密着性が高く、
更には、加工性がよいことである。ところが、金属膜１
２が厚くなると、エッチング時に矢印ＦＢで示す横方向
の広がりの制御が困難になる。このため、必要とするグ
レーティングパターン１８のピッチとスペース（間隔）
のデューティ比を得るのが困難になる。なお、デューテ
ィ比は、グレーティングピッチＷＡ，スペースＷＢに対
して、ＷＢ／ＷＡで表わされる。このような加工性の点
からは、金属膜１４は薄い方がよい。しかし、上述した
ように、あまり薄いと、遮光性が不十分となる。

【００２２】従って、金属膜１２の厚みは、このような
遮光性と加工性の相反関係を考慮して決定する。本発明
に関係して行った実験によると、金属膜１２をクロムと
酸化クロムの２層構造とし、クロム０．０５μm／酸化
クロム０．０２μmの合計膜厚０．０７μmの積層膜によ
って、５１４．５nm（０．５１４５μm）のアルゴンレ
ーザによる体積ホログラムフィルタを作製することがで
きた。金属膜厚が厚くなれば、遮光性は向上するが加工
性は低下する。このような観点から実験的に見積ると、
金属膜１２の厚さは、０．０５〜０．２０μm程度が妥
当な範囲となる。

【００２３】一方、上述したように、位相変調型ホログ
ラムのエッチング深さは０．３５μmである。これと比
較すれば、本形態では１／５から１／２のエッチング深
さで済むため、より微細な周期のパターン作製が可能と
なる。なお、金属膜１２の材料としては、一般的にフォ
トマスクに使用されているクロム膜や、クロムと酸化ク
ロムによる積層膜が、密着力や加工性の点で良好であり
適している。

【００２４】図３には、以上のようにして得たマスタホ
ログラム２０を用いて投射装置に用いるマイクロレンズ
アレイフィルタを得る様子が示されている。金属膜１２
によって形成されたグレーティングパターン１８に、フ
ィルタを作製する干渉露光用の光を所定の角度で照射す
ると、図３（A）に示すように、直進する０次光Ｌ0とグ
レーティングパターン１８により回折される１次光Ｌ1
とが得られる。なお、回折光として、場合によっては少
量の高次光が発生することもある。

【００２５】フィルタ作製時は、図３（B）に示すよう
に、ガラス基板５０の表面に形成された適宜のホログラ
ム記録材料５２に対向するように、マスタホログラム２
０を配置する。そして、この状態で、露光光源（図示せ
ず）から露光光を所定の角度で照射すると、図３（A）
に示したように、グレーティングパターン１８によっ
て、０次光Ｌ0及び１次光Ｌ1が得られ、更にはそれらの
干渉縞がホログラム記録材料５２に形成される。このた
め、ホログラム記録材料５２には、干渉縞に相当する屈
折率分布，すなわち体積ホログラムレンズが形成され
る。このようにして得られるフィルタを、例えばＲ，
Ｇ，Ｂ毎に作製して重ね合せれば、３層のホログラムカ
ラーフィルタを得ることができる。

【００２６】ところで、このように、マスタホログラム
２０を用いて体積ホログラムフィルタを干渉露光で作製
する場合、０次光と１次光の光量和，０次光と１次光の
回折効率比，０次光と２次光の回折効率比の選択が重要
となってくる。まず、光量については、０次光と１次光
の光量が大きいほど露光時間を短くすることができるた
め、振動などの影響を受けず、安定した体積ホログラム
フィルタの作製が可能となる。また、０次光と１次光の
光量比率が１：１に近いほど干渉時のコントラストがと
れる。このため、屈折率差が大きくなり、回折効率の向
上を図ることができる。更に、２次光については、その
比率が小さいほど作製した体積ホログラムフィルタにお
ける２次光回折効率が低くなり、結果的に１次光の回折
効率が向上する。

【００２７】次に、マスタホログラム２０のグレーティ
ングパターン１８におけるデューティ比ＷＢ／ＷＡ（図
２（E）参照）と回折効率の関係について説明する。フ
ィルタ作製時における露光光の波長よりグレーティング
ピッチＷＡが小さくなると、露光光の回折効率が激減す
る。本形態のような振幅変調ホログラムの場合、グレー
ティングピッチＷＡが露光波長以下になると確かに１次
光の回折効率は１０％以下に低下する。しかし、本発明
に関して行った実験によると、デューティ比ＷＢ／ＷＡ
を変化させると、１次光の回折光量はあまり変化せず、
０次光の光量が大きく変化することが判明した。

【００２８】図１には、その様子が示されている。同図
中、縦軸は回折効率（％），横軸はデューティ比（％）
である。「0 order」は０次光，「1st order」は１次
光，「2nd order」は２次光を表わす。グレーティング
パターン１８に対する露光光（アルゴンレーザ光）の入
射角度は６０度である。グレーティングピッチＷＡは
０．５０μm，露光光波長は５１４．５nm（０．５１４
５μm）である。同図（A）はＳ偏光の場合、（B）はＰ
偏光の場合である。なお、Ｓ偏光はグレーティングパタ
ーン１８に対して平行な方向に偏光面を持つ光であり、
Ｐ偏光は垂直な方向に偏光面を持つ光である。

【００２９】これらのグラフから明らかなように、Ｐ，
Ｓいずれの偏光においても、デューティ比が変化する
と、０次光の回折効率は大きく変化しており、デューテ
ィ比が高いほど、つまりスペースＷＢが広がるほど、０
次光の回折効率も高くなっている。しかし、１次光の回
折効率は、さほど高くはなっていない。

【００３０】次に、平均的にみて、１次光の回折効率は
Ｓ偏光よりＰ偏光の方が大きい。ところが、Ｐ偏光で
は、０次光と１次光の回折比率が１：１になる点，つま
り、両者のグラフが重なる点のデューティ比は２０％の
付近であり、それ以上デューティ比が大きいと、０次光
の光量が１次光よりも大きい。しかし、ピッチが０．５
μｍ以下のグレーティングパターンでデューティ比２０
％以下のものを作製することは困難である。従って、Ｐ
偏光は、体積ホログラム作製の露光光には適していな
い。

【００３１】これに対し、Ｓ偏光の場合は、図１（A）
のように、５０％のデューティ比で０次光と１次光の回
折比率がほぼ１：１となる。一方、回折効率は若干低下
するものの、実際には光量比率＝０次光量／１次光量
が、０．５〜２以内であればグレーティングパターンの
作製が可能である。しかし、デューティ比２０％以下と
８０％以上のグレーティングパターンは、実際上作製は
困難である。このような点からすると、デューティ比
は、２０〜８０％が実用範囲となる。

【００３２】以上をまとめると、デューティ比２０〜８
０％のグレーティングパターンによる振幅変調型ホログ
ラムをマスタとして、Ｓ偏光を露光光として用いれば、
ピッチ０．５μm以下の体積ホログラムフィルタの作製
が可能となる。しかし、Ｐ偏光の場合では、０次光と１
次光の回折比率が１：１となるのがデューティ比２０％
であり、体積ホログラムフィルタの作製には不適であ
る。

【００３３】

【発明の効果】このように、本発明によれば、０．５μ
mピッチ以下の高効率のマイクロレンズアレイを持つ投
射用のホログラフィックカラーフィルタを作製すること
ができ、更には、そのフィルタを用いて高密度，高開口
率のアクティブマトリクス型の表示が可能となるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一形態にかかるマスタホログラムにお
けるグレーティングデューティ比と露光光の回折効率の
関係を示すグラフである。

【図２】本発明の一形態にかかるマスタホログラムの製
造工程を示す図である。

【図３】前記マスタホログラムをカラーフィルタの製造
の様子を示す図である。

【図４】アクティブマトリクスタイプの液晶表示装置の
一例を示す図である。

【図５】アクティブマトリクスタイプの単板液晶表示装
置の一例を示す図である。

【図６】マイクロレンズとアクティブマトリクスを組み
合わせた液晶表示装置の主要部を示す図である。

【符号の説明】

１０…透明基板 １２…金属膜 １４…電子線レジスト １６…マイクロレンズアレイのホログラムパターン １８…グレーティングパターン ２０…マスタホログラム ５０…ガラス基板 ５２…ホログラム記録材料 Ｌ0…０次光 Ｌ1…１次光

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カラーフィルタを作製するためのマスタ
   ホログラムであって、 予め関数計算された１ビーム干渉用のホログラムパター
   ンが、金属膜によるグレーティングとして電子線描画に
   より形成されており、 そのグレーティングのデューティ比を、２０〜８０％と
   したことを特徴とするマスタホログラム。
2. 【請求項２】 前記金属膜の膜厚を、０．０５〜０．２
   ０μmとしたことを特徴とする請求項１のマスタホログ
   ラム。
3. 【請求項３】 前記金属膜を、クロム層単体，もしく
   は、クロム層と酸化クロム層の積層体によって形成した
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のマスタホログラ
   ム。
4. 【請求項４】 請求項１，２又は３のいずれかに記載の
   マスタホログラムを用い、Ｓ偏光を露光光として干渉露
   光を行うことを特徴とするカラーフィルタの製造方法。