(57)【要約】【課題】  液晶分子を均一な角度分布にて垂直配向させることが可能な再現性の良い液晶表示素子、並びにそれに係る配向膜形成方法を提供することを目的とする【解決手段】  シリコン基板１上には、反射電極膜（Ａｌ）２を挟んでＳｉＯ2からなる無機配向膜５１が形成されている。無機配向膜５１の表面には、当該無機配向膜５１表面をエッチングすることで、液晶分子７ａを配列させるための矩形状の凹部５１ａが無数に形成されており、液晶分子７ａはそれら凹部５１ａの垂直な壁面に沿って垂直配向している。凹部５１ａが無数に形成された無機配向膜５１の表面状態は、斜方蒸着により形成される無機配向膜のそれを擬似的に再現したものであり、配向膜として十分な機能を果たす。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機配向膜が形成された一対の基板をシール材を介して貼り合せることで形成された間隙に液晶を封入してなる液晶表示素子であって、
前記無機配向膜表面には、前記液晶の液晶分子を配列させる凹部が無数に形成されていることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
前記凹部は、矩形状の窪みであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項３】
前記凹部は、円柱状の窪みであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項４】
前記凹部は、平面方向に延びる矩形状の溝であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項５】
前記液晶分子は、前記配向膜表面の凹部に沿って垂直配向することを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の液晶表示素子。
【請求項６】
前記配向膜は、ＳｉＯ2からなることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項７】
基板上に液晶を配向させるための配向膜を形成する方法であって、
少なくとも、
基板上に無機膜を成膜する工程と、
当該無機膜上にフォトレジストを均一に塗布する工程と、
当該フォトレジストを露光・現像処理によりパターニングし、微細な開口部を無数に有するレジストパターンを形成する工程と、
当該レジストパターンをエッチングマスクとして露出領域の前記無機膜をエッチングにより一定量除去し、表面に無数の凹部を有する無機配向膜として形成する工程と、
を有することを特徴とする配向膜形成方法。
【請求項８】
前記フォトレジストは、Ｘ線に感光するＸ線レジストからなり、Ｘ線マスク露光を用いて露光することを特徴とする請求項７に記載の配向膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示素子、及び配向膜形成方法に関し、更に詳しくは無機配向膜の形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示素子は、例えば液晶プロジェクター装置の液晶ライトバルブとして用いられ、その表示特性を向上させるために様々な研究開発が行われている。図５は、通称ＬＣＯＳと呼ばれる反射型の液晶表示素子を示す断面図で、シリコン基板１上に反射電極膜２を介してＳｉＯ2からなる配向膜３が形成され、一方ではガラス基板４に透明電極膜（ＩＴＯ膜）５を介して同じくＳｉＯ2からなる配向膜３が形成されており、これら２枚の基板１、４をシール材６を介して互いに対向して貼り合せることで形成された間隙に液晶７が封入されている。
【０００３】
図６は、無機配向膜上に液晶分子が配列した状態を模式的に示す図５の要部拡大図（電極膜省略）で、無機配向膜３の表面には液晶分子７ａを配列させるための柱状構造体、即ちカラム構造３ａが無数に形成されており、基板間ギャップ（間隙）に封入された液晶７の液晶分子７ａは、配向膜分子との相互作用（引力や斥力）により無機配向膜３表面のカラム構造３ａに沿って配列し、基板面に対して層構造を形成している。
【０００４】
無機配向膜３表面のカラム構造３ａは、液晶分子７ａの配向状態に応じてその態様は様々であるが、液晶分子７ａのプレチルト角θを制御する上で重要な要素となっている。プレチルト角θとは、図６に示すように基板面に接する最下層（又は最上層）の液晶分子７ａが基板面に対して成す角度であり、液晶分子７ａを所望の配向状態にするための基礎となる配向角度である。基本的に、互いに対向する配向膜間３、３に挟持された液晶７は、上記プレチルト角にて配列した液晶分子７ａで構成される最下層と最上層の液晶層間にその他の液晶層が挟まれた構造となっている。
【０００５】
液晶７の配向状態には垂直配向やホモジニアス配向等があるが、特に垂直配向は液晶分子７ａをその長手方向が基板面に対して概ね垂直になるように配向させるもので、例えばその際のプレチルト角θの目標値（最適値）は９０〜９４度である。
【０００６】
ここで、無機配向膜の形成方法については幾つかの手法が提案されており、以下にその例を示す。図７は、斜方蒸着を用いた無機配向膜の形成方法を示す模式図で、斜方蒸着を用いて無機配向膜を形成する際には、まず真空蒸着室１１内に予め反射電極膜２等（不図示）が形成されたシリコン基板１を治具等（不図示）に固定し、基板面（配向膜を形成すべき面）がその下方に配置された蒸着源（例えば、ＳｉＯ2源）１２に対して所定の角度δとなるように位置決めをする。この際、基板面が蒸着源１２に対して成す角度δとは、即ち形成すべき無機配向膜３表面のカラム構造３ａが基板面に対して成す傾斜角度であり、精確な形状のカラム構造３ａを得るには、この際の傾斜角度δを確実に制御する必要がある。例えば、斜方蒸着により形成された無機膜を配向膜として機能させるには、カラム構造３ａを誤差許容範囲±１．０度の角度分布にて形成する必要がある。
【０００７】
その後、蒸着源１２を加熱して気化させ、シリコン基板１上に図６に示したような所定のカラム構造３ａを有する無機配向膜３を堆積させる。尚、斜方蒸着による無機配向膜の形成方法では、無機配向膜３表面に形成されるカラム構造３ａの加工精度は、上述のような蒸着源１２に対する基板面の傾斜角度δを始め、蒸着室１１内の成膜環境（温度、真空度等）に依存する。（例えば、特許文献１参照）
【０００８】
ところで、無機配向膜を形成する方法としては、以上のような斜方蒸着によるものが広く実施されているが、一方では、それ以外の手法を用いた無機配向膜の形成方法も提案されている。図８、９、１０は、斜方蒸着以外の手法を用いた無機配向膜の形成方法を示しており、まず図８に示す無機配向膜の形成方法では、基板２１上にＳｉＯ2等からなる下地膜２２を形成すると共に、その表面にグレースケール露光を用いたフォトリソグラフィにより断面形状が略直角三角形のグルーブ（溝）２２ａを形成し、更にその上に対向ターゲット式スパッタリング法（斜方スパッタ）を用いてＩＴＯ等からなる無機配向膜２３を下地膜２２の形状に沿って波形に形成している。（例えば、特許文献２参照）
【０００９】
また、図９に示す無機配向膜の形成方法では、基板３１上（厳密には電極膜３２上）に真空蒸着法等を用いて成膜時に自ずから柱状の表面構造に成長する二酸化チタン等の無機膜３３を形成すると共に、その状態で無機膜３３をエッチングし、山形のカラム構造３３ａを有する無機配向膜３４を形成している。（例えば、特許文献５参照）
【００１０】
更に、図１０に示す無機配向膜の形成方法では、基板４１上（厳密には電極膜４２上）に真空蒸着法を用いてフッ化マグネシウム等の無機膜４３を形成すると共に、その上に当該無機膜４３よりエッチングレートが低いＳｉＯ（一酸化ケイ素）等の酸化物４４を斜方蒸着により形成し、その状態で無機膜４３をエッチングすることにより酸化物４４を頂点とする山形のカラム構造４３ａを有する無機配向膜４５を形成している。（例えば、特許文献４参照）
【００１１】
【特許文献１】特開平６−１０２５２６号公報
【特許文献２】特開２００４−１６３７８０号公報
【特許文献３】特開平８−１０６１０６号公報
【特許文献４】特開平８−１０６０９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上説明したように、無機配向膜の形成方法については様々な手法が提案されているものの、依然として以下のような問題点がある。まず、斜方蒸着では配向膜表面のカラム構造を均一な角度分布に制御するのが困難である。カラム構造の均一な角度分布が得られないと、液晶表示素子として所望のコントラストが得られず、製品としての仕様を満たさなくなる。
【００１３】
また、斜方蒸着以外の無機配向膜形成方法も提案されているが、下地膜を形成した上で斜方スパッタを行わなければならなかったり、無機膜として成膜時に山状に成長する性質の材料を用いなければならなかったり、予め無機膜表面にエッチングマスク用の酸化膜を斜方蒸着しておかなければならない等の制約がある。
【００１４】
本発明は、以上の問題点に鑑みて成されたものであり、液晶分子を均一な角度分布にて配列させることが可能な液晶表示素子、並びにそれに係る無機配向膜を容易且つ再現性よく形成することが可能な配向膜形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
無機配向膜が形成された一対の基板をシール材を介して貼り合せることで形成された間隙に液晶を封入してなる液晶表示素子であって、
前記無機配向膜表面には、前記液晶の液晶分子を配列させる凹部が無数に形成されている液晶表示素子とする。
【００１６】
前記凹部は、矩形状の窪みである液晶表示素子とする。
【００１７】
前記凹部は、円柱状の窪みである液晶表示素子とする。
【００１８】
前記凹部は、平面方向に延びる矩形状の溝である液晶表示素子とする。
【００１９】
前記液晶分子は、前記配向膜表面の凹部に沿って垂直配向する液晶表示素子とする。
【００２０】
前記配向膜は、ＳｉＯ2からなる液晶表示素子とする。
【００２１】
基板上に液晶を配向させるための配向膜を形成する方法であって、
少なくとも、
基板上に無機膜を成膜する工程と、
当該無機膜上にフォトレジストを均一に塗布する工程と、
当該フォトレジストを露光・現像処理によりパターニングし、微細な開口部を無数に有するレジストパターンを形成する工程と、
当該レジストパターンをエッチングマスクとして露出領域の前記無機膜をエッチングにより一定量除去し、表面に無数の凹部を有する無機配向膜として形成する工程と、
を有する配向膜形成方法とする。
【００２２】
前記フォトレジストは、Ｘ線に感光するＸ線レジストからなり、Ｘ線マスク露光を用いて露光する配向膜形成方法とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、無機配向膜表面をエッチングすることで、斜方蒸着により形成された無機配向膜やラビングにより形成された有機配向膜と同様の表面状態を擬似的に作り出すことが出来るため、液晶分子の精確な配向状態を容易且つ再現性よく得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は本発明に係る無機配向膜に液晶分子が配向した状態を模式的に示す断面図、図２は本発明に係る無機配向膜の表面状態を示す要部拡大斜視図、図３は本発明による無機配向膜形成方法を示す工程毎の断面図である。本発明による液晶表示素子の基本的な構成は従来と同様であり、その特徴は、液晶分子を配向させるための配向膜にある。本発明に係る無機配向膜５１の表面には、シリコン基板１上（厳密には反射電極膜２上）に成膜した無機膜の表面をエッチングにより加工することで、図２（ａ）に示すような矩形状の凹部５１ａが無数に形成されており、従来の斜方蒸着により形成された無機配向膜と同等の機能を有する無機配向膜として、その表面状態が擬似的に再現されている。このように無機配向膜表面の加工にエッチングを用いることで、従来の斜方蒸着では成し得なかったカラム構造の均一な角度分布が実質的に実現されている。
【００２５】
以上の本発明に係る無機配向膜５１は、その表面に形成された凹部５１ａの断面が矩形状であること、即ち凹部５１の底面を取り囲む垂直な壁面を有することから、液晶分子７ａを垂直配向させるのに最も適しており、理論的上では凹部５１ａの垂直な壁面に沿って液晶分子７ａを９０度のプレチルト角にて垂直配向させることが可能である。尚、図１では液晶分子７ａが厳密に９０度に整列しておらず、多少傾いた状態を示している。
【００２６】
また、液晶分子７ａを垂直に配列させるための垂直な壁面を形成するという観点からすれば、凹部の形状は必ずしも矩形状の窪みとする必要は無く、例えば図２（ｂ）に示すような円柱状の窪み５１ｂとしても良い。更に、図２（ａ）、（ｂ）に示した無機配向膜の表面状態は、斜方蒸着により形成される無機配向膜のそれを擬似的に再現したものであるが、例えば図２（ｃ）に示すように凹部を平面方向に延びる矩形状の溝（帯状の溝）５１ｃとして形成することも可能である。この矩形状の溝５１ｃは、無機配向膜５１の一端側からそれと対向する他端側に連続的に延びており、隣接する溝５１ｃ同士は互いに等間隔を保った状態で並行している。図２（ｃ）に示す実施形態は、従来のラビングにより形成される有機配向膜の表面状態、即ちラビングにより形成される線状の溝を擬似的に再現したものであり、図２（ａ）、（ｂ）に示した実施形態と同様に配向膜としての作用がある。図２に示す無機配向膜は、何れも液晶分子７ａを凹部５１ａ、５１ｂ、５１ｃそれぞれの垂直な壁面に沿って垂直に配列させることが可能であり、配向膜として十分な機能を果たす。
【００２７】
尚、図１は液晶分子の配向状態を模式的に表したものであり、１つの凹部５１ａに対して１つの液晶分子７ａが配列した状態となっているが、液晶分子７ａは凹部５１ａに比べ極めて小さいため、実際には１つの凹部５１ａに無数の液晶分子７ａが配列している。また、本実施例において図２（ａ）に示す矩形状の凹部５１ａは、例えば深さ０．０１μｍ、外形５０×５０ｎｍ、凹部間ピッチ５０ｎｍ、１×１０14個／ｃｍ2としてマトリクス状に配置してある。但し、凹部５１ａ、５１ｂは、必ずしもマトリクス状に配置する必要はなく、配向膜としての機能を損なわない範囲で変更可能である。
【００２８】
また、無機配向膜５１を構成する無機材料としては、エッチングによる加工の容易性や基板との相性、また全波長帯域において吸収スペクトルが少ない等の配向膜としての特性を考慮して、例えばＳｉＯ2（二酸化ケイ素）である。特にこのＳｉＯ2はシリコン基板との相性が良いため、シリコン基板を用いるＬＣＯＳタイプの液晶表示素子を作成する際に有効である。但し、無機材料についてはこれに限定されるものではなく、諸事情を考慮して適宜選択が可能である。
【００２９】
また、本実施例では基板間に封入する液晶材料として誘電異方性が負の液晶材料を用いている。誘電異方性が負の液晶材料は、電圧が印加されると液晶分子の短手方向が電界方向を向く性質のもので、液晶の垂直配向を実施する上で従来より一般的に使用されているものである。但し、使用する液晶材料については垂直配向に適したものを用いればよく、本発明の要旨とは直接関係は無い。
【００３０】
尚、本発明に係る無機配向膜５１は液晶分子を垂直配向させるのに適してはいるものの、液晶分子を垂直配向させる場合にのみ適用されるものではなく、無機配向膜５１表面の凹部の大きさや形状を変化させることで、他の配向状態にも対応させることが可能である。その例としては、誘電異方性が正の液晶材料を用いて通常のＴＮ（Twisted  Nematic）配向をさせる場合等が該当する。誘電異方性が正の液晶材料は、前述の誘電異方性が負の液晶材料とは逆に、電圧印加時に液晶分子の長手方向が電界方向を向く性質を有するものである。
【００３１】
以下、図３を参照して、図２（ａ）に示した本発明に係る無機配向膜の形成方法を説明する。各ステップの概略的な流れは以下のとおりである。
ステップＡ：基板上に無機膜を成膜するステップ。
ステップＢ：無機膜上にエッチングマスク用のレジストパターンを形成するステップ。
ステップＣ：レジストパターンをエッチングマスクとして無機膜をエッチングするステップ。
ステップＤ：レジストパターンを除去するステップ。
【００３２】
具体的には、まずステップＡにおいて、予めシリコン基板１上に形成された反射電極膜（Ａｌ膜）２の表面に真空蒸着、又はスパッタを用いてＳｉＯ2からなる無機膜５２を所定の膜厚（例えば、５００Å）に成膜する。
【００３３】
次にステップＢにおいて、まず成膜された無機膜５２上にスピンコート（回転塗布法）を用いてポジ型のフォトレジストを均一に塗布し、その後、フォトマスク（不図示）を被せて紫外線露光を行う。フォトマスクには、無機配向膜５１表面に形成する凹部５１ａに対応した矩形状の微細孔が無数に開いており、露光時にはそれら微細孔を紫外線が通過して露呈領域のフォトレジストを感光させる。その後、現像液を用いて感光領域のフォトレジストを除去し、フォトマスクと同様の微細孔パターンをフォトレジストに転写することで、エッチングマスク用のレジストパターン５３を形成する。尚、無機配向膜５１表面の凹部を図２（ｂ）、（ｃ）に示したような円柱状や帯状（矩形状の溝）にする場合には、上記微細孔の形状をそれぞれ円形、又は帯状にしておけばよい。
【００３４】
ここで、上述の露光プロセスでは、通常のエッチングプロセスで用いられるような紫外線露光を採用しているが、この際にＸ線マスク露光を用いることで、より緻密な形状にレジストパターンを形成することが可能である。
【００３５】
図４は、Ｘ線マスク露光を示す模式図で、Ｘ線マスク露光とは、ＳＲリング６１で電子を加速することにより発生したＸ線６２をＸ線反射体のＸ線ミラー６３で反射してＢｅ（ベリリウム）窓６４を透過させ、それにより効率化されたＸ線６２をＸ線露光用のＸ線マスク６５を介して基板（ウエハ）６６面上に照射し、そこに塗布されたＸ線感応（感光）材であるＸ線レジスト６７を感光させるもので、５０ｎｍのパターン精度が実現可能である。これにより、次工程で無機膜５２をエッチングする際の加工精度が向上し、無機配向膜５１表面の凹部５１ａをより精確に形成することが可能となる。尚、図４では１つのＸ線マスク６５に対して基板（ウエハ）６６を相対的に移動させることで、基板６６上に複数の露光パターン６８を形成している。
【００３６】
次いでステップＣにおいて、無機膜５２上に形成されたレジストパターン５３をエッチングマスクとして、露出領域の無機膜５２を例えばＣＦ4ガスを用いた異方性のドライエッチングにより一定量（例えば、深さ方向に０．０１μｍ）除去する。これにより、無機膜５２表面に矩形状の凹部５１ａが無数に形成され、斜方蒸着により形成された無機配向膜と同様の表面状態が擬似的に再現される。
【００３７】
その後ステップＤにおいて、無機膜５２上のレジストパターン５３をドライ処理（例えば、Ｏ2アッシング）により除去する。これにより、シリコン基板１上に反射電極膜２を挟んでＳｉＯ2からなる無機配向膜５１が形成される。
【００３８】
以上のように、無機配向膜の形成にフォトリソグラフィを利用することで、垂直配向に適した無機配向膜を容易且つ再現性よく形成することが可能である。
【００３９】
尚、以上の説明ではシリコン基板上に無機配向膜を形成する場合について述べたが、ガラス基板やプラスチック基板等、その他の材質の基板に対しても本発明に係る無機配向膜を形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る無機配向膜に液晶分子が配向した状態を模式的に示す断面図
【図２】本発明に係る無機配向膜の表面状態を示す要部拡大斜視図
【図３】本発明に係る無機配向膜の形成方法を示す工程毎の断面図
【図４】Ｘ線マスク露光を示す模式図
【図５】ＬＣＯＳと呼ばれる反射型の液晶表示素子を示す断面図
【図６】無機配向膜上に液晶分子が配列した状態を模式的に示す図５の要部拡大図
【図７】斜方蒸着を用いた無機配向膜の形成方法を示す模式図（特許文献１）
【図８】斜方蒸着以外の手法を用いた無機配向膜の形成方法を示す図（特許文献２）
【図９】斜方蒸着以外の手法を用いた無機配向膜の形成方法を示す図（特許文献３）
【図１０】斜方蒸着以外の手法を用いた無機配向膜の形成方法を示す図（特許文献４）
【符号の説明】
【００４１】
１      シリコン基板
２      反射電極膜
３      配向膜
４      ガラス基板
５      透明電極膜
６      シール材
７      液晶
７ａ    液晶分子
１１    真空蒸着室
１２    蒸着源
２１    基板
２２    下地膜
２２ａ  グルーブ（溝）
２３    無機配向膜
３１    基板
３２    電極膜
３３    無機膜
３３ａ  カラム構造
３４    無機配向膜
４１    基板
４２    電極膜
４３    無機膜
４３ａ  カラム構造
４４    酸化物
４５    無機配向膜
５１    無機配向膜
５１ａ  矩形状の凹部
５１ｂ  円柱状の凹部
５１ｃ  帯状の凹部
５２    無機膜
５３    レジストパターン
６１    ＳＲリング
６２    Ｘ線
６３    Ｘ線ミラー
６４    Ｂｅ窓
６５    Ｘ線マスク
６６    基板（ウエハ）
６７    Ｘ線レジスト
６８    露光パターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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