(57)【要約】      （修正有）【課題】カーボン膜を液晶配向膜とするためには、従来、成膜工程後に更にイオン照射による配向方向付与の表面加工工程が必要でありスループットが低かったが、本願では１つの工程で成膜と配向方向付与の２つの工程が同時にできるカーボン膜の形成方法を提供する。【解決手段】グラファイトをカソードとするアーク放電によって炭素プラズマビームを発生させ、磁場によって軌道を曲げ、前記炭素プラズマビームを液晶表示素子を形成する一対の基板のいづれかに、基板の面に対して斜めの方向から照射することにより、カーボン膜を形成する。【選択図】図３
2008304608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板と、前記一対の基板の少なくとも一方に形成された配向膜と、前記配向膜により配向が規定された液晶とを有する液晶素子であって、前記配向膜が、膜厚方向に対して一定の角度で傾斜した断面構造を有するカーボン膜であることを特徴とする液晶素子。
【請求項２】
前記断面構造が、配向膜を構成する物質の柱状構造である請求項１に記載の液晶素子。
【請求項３】
前記液晶が、前記断面構造の傾斜する方位にホモジニアス配向している請求項１に記載の液晶素子。
【請求項４】
前記一対の基板のいずれか一方に一対の電極が備えられ、前記電極に電圧を加えることにより前記液晶が基板面内のスイッチングを行う請求項１に記載の液晶素子。
【請求項５】
一対の基板間に挟まれた液晶を含む液晶素子の製造方法であって、前記一対の基板の少なくとも一方に配向膜を形成する工程と、前記一対の基板を対向し，液晶を挟んで貼りあわせる工程とを有し、
前記配向膜を形成する工程が、
グラファイトをカソードとするアーク放電によって炭素プラズマビームを発生させ、
前記炭素プラズマビームを磁場によって軌道を曲げ、
前記炭素プラズマビームを、前記一対の基板のいずれかに、基板の面に対して斜めの方向から照射することにより、
前記基板の上にカーボン膜を形成する
工程であることを特徴とする液晶素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶素子とその製造方法に関し、詳しくは、炭素を主成分とする配向膜を有する液晶素子とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フラットパネルディスプレイは、パソコンのモニタや携帯電話などといった中小型のディスプレイから、１００インチを超える大型テレビに至るまで、幅広いサイズの製品が開発され市販されている。中でも最も広く普及しているのが液晶表示素子（ＬＣＤ）である。
【０００３】
テレビ用途の液晶表示素子としては、液晶が基板に対して垂直に配向し、電圧によって垂直から傾いていく垂直配向（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ：ＶＡ）モードと、液晶が基板に対して平行に配向し、基板面に平行な電界によって基板面内で方位を変えるインプレーンスイッチング（ＩＰＳ）モードとが主として使用されている。
【０００４】
従来、液晶分子を均一に配向させるために、ポリイミド膜をラビングする方法が用いられている。しかし、ラビングの際に「スクラッチ傷」と呼ばれる欠陥を生じたり、表面が削られたラビングくずの発生によって液晶中にごみが入りやすい。特許文献１は、この問題を解決するために、スクラッチ傷が付きにくい配向膜を提案する。
【０００５】
ごみの問題を解消するために、ラビングを用いない配向方法も試みられている。ＳｉＯの斜め蒸着法はその１つである。特許文献２および非特許文献１には、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）を成膜した後、１つの方向からイオンビームを当てて異方性を付与する配向膜形成方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−０４０４３６
【特許文献２】特登録３７３８９９０
【特許文献３】米国特許第５４３３８３６号明細書
【非特許文献１】ＳＩＤ０４  Ｙ．Ｎａｋａｇａｗａ  ｅｔ  ａｌ．ｐ．１２０５−１２０７
【非特許文献２】Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｉｎｃｉｄｅｎｔ  ａｎｇｌｅ  ｏｆ  ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ  ｃａｒｂｏｎ  ｉｏｎｓ  ｏｎ  ｔｈｅ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｔｅｔｒａｈｅｄｒａｌ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ｃａｒｂｏｎ  ｆｉｌｍｓ  Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ２１（５）  ２００３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＤＬＣ膜を液晶配向膜とするためには、スパッタにより薄膜のＤＬＣを堆積させ、それにイオンなどの粒子ビームを照射するという工程が必要である。さらに、ＤＬＣの堆積とイオン照射とでは異なる真空装置が要求されるため、スループットもあがらない。
【０００７】
従来、ＳｉＯを基板に斜め方向から蒸着して配向膜とする方法が知られているが、炭素は融点が高いために電子ビームを当てても蒸気は発生せず、炭素膜を蒸着で作ることは困難である。
【０００８】
１つの工程で成膜と配向方向付与が同時にできるＤＬＣ膜の形成方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、
一対の基板と、前記一対の基板の少なくとも一方に形成された配向膜と、前記配向膜により配向が規定された液晶とを有する液晶素子であって、前記配向膜が、膜厚方向に対して一定の角度で傾斜した断面構造を有するカーボン膜であることを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、
一対の基板間に挟まれた液晶を含む液晶素子の製造方法であって、前記一対の基板の少なくとも一方に配向膜を形成する工程と、前記一対の基板を対向し，液晶を挟んで貼りあわせる工程とを有し、前記配向膜を形成する工程が、グラファイトをカソードとするアーク放電によって炭素プラズマビームを発生させ、前記炭素プラズマビームを磁場によって軌道を曲げ、前記炭素プラズマビームを、前記一対の基板のいずれかに、基板の面に対して斜めの方向から照射することにより、前記基板の上にカーボン膜を形成する工程であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の方法によれば、ラビングによらないで液晶を１方向に配向させる無機配向膜を作ることができる。得られる配向膜は低プレチルトであることから、インプレーン・スイッチングモードの液晶素子適用することにより、視野角特性が良好なディスプレイを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
真空アーク放電で発生したプラズマビームを、磁場で軌道を曲げて大きなかたまりの粒子（ドロプレット）を取り除き、基板に照射して薄膜を形成する方法が特許文献３に記載されている。
【００１３】
この方法は、磁場でビームを曲げることにより、アーク放電で発生する大きな液滴粒子が基板に到達するのを防ぐので、均一な膜が形成できるという特徴をもっており、Ｆｉｌｔｅｒｅｄ  Ａｒｃ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＦＡＤ）法と呼ばれている。
【００１４】
非特許文献２では、真空アーク放電法で発生した炭素プラズマビームを基板に斜め方向から照射してアモルファスカーボン（以下ａ−Ｃと記す）膜を作製し、照射角度を垂直（０°）から６０°までの範囲で変化させて膜の性質を調べている。ビームを基板に垂直に入射させると高密度でｓｐ３結合成分の多い膜が形成され、入射角を傾けていくとｓｐ２結合成分が増えてグラファイトに近くなることが報告されている。
【００１５】
本発明者らは、ＦＡＤ法で形成した照射角が０°のカーボン膜と、同じくＦＡＤ法で形成した照射角が６０°のカーボン膜とを液晶配向膜として比較し、後者が、液晶を均一にかつほぼ基板に平行に配向させることを見出して本発明に至った。
【００１６】
以下、本発明の液晶素子の製造方法を説明する。
【００１７】
１．成膜工程
図１は、本発明の液晶配向膜の形成に用いる真空アークプラズマ成膜装置の模式図である。
【００１８】
アーク放電によってカソードからプラズマビームを発生させ、さらに磁場で方向を曲げて指向性のよいプラズマビームを形成し、これを基板に照射する。カソード１０１の材料には、グラファイト（純度９９．９９９％）を用いる。
【００１９】
トリガ電極１０３は、アーク電源１０５から電圧の供給を受けてカソード１０１との間にアークを誘起する。トリガ電極１０３を一時的にカソード１０１の表面に接触させ引き離すと、カソード１０１とトリガ電極１０３との間に電気スパークが発生する。この電気スパークによってカソード１０１とトリガ電極１０３との間の電気抵抗が減少し、真空アークが発生する。通常はＤＣアークを用いるが、パルスアークも良好に用いることができる。
【００２０】
カソードではアーク放電によりカソード材料がイオン化され、電子と炭素イオンとが混合したプラズマを発生する。炭素イオンと電子はカソード表面から高速で飛び出してアノードに向かう。アノードはカソードに対して２０ないし３０Ｖの正の電位を与えられているが、炭素イオンは５０ないし７０Ｖの運動エネルギを持っているので，アノードのポテンシャル障壁を乗り越えてプラズマダクト内に放出される。このようにしてほぼ平行な炭素プラズマビームができる。
【００２１】
炭素プラズマは、外力を与えなくてもアーク放電が生じている空間から取り出される。カソード表面から飛び出してくる炭素イオンの運動エネルギは、カソード表面におけるイオン化の過程で決まっている。
【００２２】
形成されたプラズマは純粋なイオンビームや電子ビームとは全く振る舞いが違っている。イオンビームや電子ビームを偏向させるための磁場は，精度よく設計されなければならず，しばしば強い磁場が必要である。一方，プラズマビームは弱い磁場で容易に偏向させることができる。これは、電子がまず磁場によって軌道を曲げられ，それに正イオンが追随するからである。これは「プラズマストリーミング効果」と呼ばれている。
【００２３】
アークプラズマ中の電子と炭素イオンは、アノード電極１０２を通過して、プラズマダクト１０７に導かれる。プラズマダクト１０７には磁場を発生させるトロイダルコイル１０８が設けられており、ダクトの方向に沿った磁場が形成される。プラズマはこの磁場中で軌道を曲げられて、成膜室１１３内の基板１１０へと導かれる。
【００２４】
通常、アーク放電においては、カソードを構成する物質のプラズマのみならず、比較的サイズの大きなドロプレットと呼ばれる粒子も発生し、それが基板表面に堆積すると均一な膜の形成を妨げる。図１の真空アークプラズマ成膜装置では、トロイダルコイル１０８の磁場でプラズマの軌道を曲げて基板へ導くので、この過程で質量の大きなドロプレットは軌道を外れて基板１１０に到達しない。
【００２５】
カソード１０１から発生した炭素プラズマの流れは、湾曲したプラズマダクト１０７内で指向性を高めてほぼ平行になり、成膜室１１４に導かれる。
【００２６】
成膜室１１４にはバルブ１１１を通じてＡｒガスが導入される。Ａｒを導入し、装置内Ａｒ分圧は、１．０×１０−１Ｐａとする。アークプラズマは電圧３０  Ｖ、電流８０Ａの条件でオペレートし、約２００ｍＡのイオン電流を得る。
【００２７】
成膜室１１４内には、成膜のための基板１１０が成膜面をプラズマの流れ方向に対して斜めにして置かれている。基板１１０は、厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラス基板で、表面に２０ｎｍの膜厚のＩＴＯが形成されている。
【００２８】
３０秒間炭素プラズマビームを照射したところ、１００ｎｍの膜厚のカーボン膜が得られた。膜形成速度は、２００ｎｍ／ｍｉｎとなる。従来のスパッタ法による成膜でアモルファスカーボンを作製する場合の成膜速度は数１０ｎｍ／ｍｉｎであるから、ＦＡＤ法の成膜速度はそれより１桁以上高い。
【００２９】
基板１１０には、直流、ＲＦ交流、パルスなどのバイアス電圧を印加してもよい。これによって膜に到達するイオンの速度がコントロールできる。
【００３０】
プラズマビームの断面単位面積あたりの流量、つまりフラックス密度は、断面内でいくらか分布を持ち、ビームの中心のほうが密度が高い。イオンビーム径はカソードの大きさで基本的に規定される。基板の大きさがビーム径以上になると、蒸着方向は一定に保たれても膜厚に分布が生じる。膜厚の分布は、液晶の配向だけでなく駆動特性にも影響を与えるため、避けなければならない。
【００３１】
本発明者らの実験によると、イオンビームを基板に対してラスタースキャンすることが膜厚の均一化に有効である。図１の成膜室１１４の入口に２対の電磁石１１３を置き、垂直方向と水平方向の磁場を作ってそれを時間的に動かすことによりビームをその進行方向に垂直にシフトさせ、基板上でイオンビームを走査させる。
【００３２】
図２に電磁石１１３の配置構造を模式的に示した。イオンビーム５０１がＺ方向から入射されるとして、Ｘ方向の磁場Ｈｘをコイル１１３ｘで作り、Ｙ方向の磁場Ｈｙをコイル１１３ｙで作る。
【００３３】
通過するイオンは、Ｈｘを交流的に変動させることにより一定の範囲６０１でＹ方向に偏向し、同時にＨｙを交流的に変動させることにより一定の範囲６０２でＸ方向に偏向する。
【００３４】
Ｈｘ、Ｈｙの磁場をそれぞれコイル１１３ｘ、１１３ｙを流れる電流で制御して、ビームスキャンの周波数や範囲を変えることができる。
【００３５】
以上の方法により得られたカーボン膜の断面を走査型電子顕微鏡ＳＥＭで観測した結果を図３に示す。
【００３６】
図３（ａ）は膜厚が約１５０ｎｍのカーボン膜とその下のガラス基板の断面写真である。カーボン膜は、炭素プラズマビームの方向に対して基板を角度θ＝６０°傾けて置いて形成した。
【００３７】
図３（ｂ）は、膜厚が約２００ｎｍのカーボン膜とその下のガラス基板の断面写真である。基板をビームに対して垂直（θ＝０°）に置いて形成した。
【００３８】
図３（ａ）（ｂ）いずれの膜も炭素プラズマビームの方向は紙面内にあり、矢印で示されている。図３（ａ）においては、図の左上から基板法線に対して６０°の角をなして照射されている。
【００３９】
図３（ａ）と（ｂ）を比較すると、（ａ）では膜断面に斜めの模様が見られるのに対して、（ｂ）ではそのようなはっきりした模様は認められない。（ａ）の斜め模様の角度は膜厚方向および膜面方向でほぼ一定である。その角度はプラズマビームの入射方向とは一致していない。
【００４０】
これが、斜方蒸着に見られる柱状構造であるかは今のところわかっていないが、（ａ）の膜は、明らかに、膜厚方向に対して傾斜した断面構造をもっている。さらに、膜厚方向に角度が一定でかつ模様も一様であるから、これが炭素膜の成長過程で継続して形成された構造であることも明らかである。
【００４１】
ＦＡＤ法によって形成されたカーボン膜に特有のこのような構造が、液晶の配向作用を生じることを以下で説明する。
【００４２】
２．液晶セル化工程
以上説明した成膜工程でカーボン膜を形成したものを２枚用意し、貼り合わせてセルを作製する。セルの断面を図４に示す。図４において、３０１はガラス基板、３０２は電極、３０３は配向膜である。それぞれの基板の配向膜は、矢印３０５，３０６で示す方向の炭素プラズマビーム照射によって形成される。図４のセルは、２枚の基板でイオン照射方向３０５，３０６が平行になるように貼り合わされている。なお後述するが、本発明の製造方法で作製した基板上では液晶分子がほぼ完全に平行に並ぶため、平行ではなく反平行になるように貼り合わせてもよい。基板間隔は不図示のスペーサにより一定になっている。
【００４３】
次いでこのセルに液晶を注入する。充填される液晶は誘電異方性が負でも正でもよい。ここでは誘電異方性が正の液晶であるメルク社ＭＬＣ−２０５０を注入した。
【００４４】
作成された液晶セルをクロスニコルの偏光板に挟んで透過光を観察した。
【００４５】
図５はその結果を示す。矢印は、一対の基板のそれぞれのカーボン膜形成時のプラズマビーム方向を表している。断面は図４に示したものと同じである。
【００４６】
図５の中央の黒く見える部分Ａは液晶がないエリアで、その周りの光が透過して明るく見えるエリアが液晶のある部分である。液晶があるところはほぼ均一な明るさになっている。これは、液晶が一定の方向に配向していることを示している。セルを偏光板に対して回転させると明るさが一様に変化し、プラズマビームの照射方位（照射ベクトルの面内への投影方向）が偏光軸と一致するときに最暗位置となった。これから液晶の配向方向がプラズマビーム照射の基板面内方位に一致することが確認された。
【００４７】
この液晶は従来のＳｉＯ斜方蒸着膜上でほぼ垂直なホメオトロピック配向を示す。しかし、上記のように、液晶セルの観察から、本発明のカーボン配向膜に対してはホモジニアス配向になっていることがわかった。基板面に対する液晶の傾き、すなわちプレティルト角はほぼ０°である。これはＣＶＤで成膜し、イオンビームを当てて表面を加工する従来のカーボン配向膜と同じである。本発明のカーボン膜はプラズマビーム照射方向で決まる方向性を持っており、イオン加工を行わないでも液晶を配向させる性質がある。
【００４８】
この性質は、図３（ａ）に示されるＦＡＤ法の配向膜の断面構造によってもたらされたものである。単にカーボンプラズマを斜めから基板に照射することにより、照射方向に液晶の配向作用を持つ膜が形成できる。従来のカーボン膜に液晶配向作用を与えるには、方向性のないカーボン膜を形成した後、イオンの斜め照射によって方向性を付与する必要があったが、本発明はそれを１つの工程で済ませる。
【００４９】
本発明のカーボン膜の結晶構造も詳しくわかっていない。上記非特許文献２は、斜めの炭素プラズマ照射によって形成されるカーボン膜が、アモルファスカーボンを主成分とし、表面にグラファイトの薄い層を持つことを報告している。
【００５０】
以下、本発明を実施例を用いてより具体的に説明する。
【実施例】
【００５１】
本発明のカーボン膜は液晶に対してホモジニアス配向を与えるので、基板面に平行な成分を持つ電界を印加し、基板面内で液晶の方向を制御するインプレーンスイッチングモードの液晶表示装置に適用できる。
【００５２】
インプレーンスイッチングモードの液晶素子を図６に示す。図６（ａ）は電圧印加前、（ｂ）は印加中の液晶分子の配列方向を示している。液晶は上記ＭＬＣ−２０５０など、誘電異方性が正の液晶材料を用いることができる。
【００５３】
基板８０１と８０２の対向する面上には、それぞれ上で説明した成膜方法でカーボン膜８０３と８０４が形成されている。プラズマ照射方向は紙面に垂直な面内にあり、カーボン膜８０３，８０４は紙面に垂直な方向の液晶配向を生じる。透明電極８０８，８０９は、紙面に垂直な方向に延びた互いに対向する電極で、基板８０２上に形成されている。基板８０１には電極はない。偏光板８０５の吸収軸は紙面に垂直に、偏光板８０６の吸収軸はそれに直交させて配置されている。
【００５４】
電極８０８と８０９の間に電圧をかけないときは、図６（ａ）に示すように、液晶はカーボン膜の軸方向すなわち紙面に垂直な方向を向いている。このとき、光は透過せず暗状態となる。
【００５５】
電極８０８と８０９の間に交流電圧を印加すると、図６（ｂ）の矢印８０７のように横向きの電界が出来る。液晶分子８１０は、電界強度に応じて配向方向を変化させ、透過率が増大する。図６（ｂ）は、電圧印加中の液晶が紙面に垂直な方向からずれて配向しているようすを示している。インプレーンスイッチングモードにおいては、電界印加中も液晶分子は基板面に平行なので、視野角による光学特性の変化が少ない。
【００５６】
本実施例で示されるように、ＦＡＤ法で得たカーボン膜を液晶配向膜として用いると、成膜工程で配向作用が生じ、かつ液晶セル化によってホモジニアス配向の液晶素子が得られるので、インプレーンスイッチングモードの液晶素子の製造に都合がよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の製造方法で使用されるＦＡＤ法の成膜装置の構成図。
【図２】基板面上でイオンビームを走査する電磁石の配置図。
【図３】炭素プラズマビームを（ａ）斜め照射、（ｂ）垂直照射して形成したカーボン膜の断面図。
【図４】本発明の液晶素子の断面構成図。
【図５】本発明の液晶素子の光透過を説明する図。
【図６】本発明の実施例の液晶素子の断面図。
【符号の説明】
【００５８】
１０１カソード
１０２アノード
１０３トリガ電極
１０４加速電源
１０５アーク電源
１０７プラズマダクト
１０８  トロイダルコイル
１０９  シャッター
１１０  基板
１１１  ガス供給バルブ
１１２  ロードロック
１１３  ビーム走査用電磁石
６０１  Ｙ方向走査範囲
６０２  Ｘ方向走査範囲
８０１、８０２  ガラス基板
８０３、８０４  配向膜
８０５、８０６  偏光板
８０８、８０９  電極
８１０  液晶
【図１】
2008304608.tif 000003
【図２】
2008304608.tif 000004
【図３】
2008304608.tif 000005
【図４】
2008304608.tif 000006
【図５】
2008304608.tif 000007
【図６】
2008304608.tif 000008