(57)【要約】【課題】屈折率が異なる薄膜を交互に積層した多層膜構成の位相差補償層による位相差補償作用を改善する。【解決手段】回転するドラム６に基板７ａ〜７ｅを保持させ、ドラム６を回転させながらターゲット材料９，１０からの飛散粒子で位相差補償層をスパッタ成膜する。位相差補償層の半分に相当する第一ユニット層を成膜した後、基板ホルダ２４を回転して各々の基板７ａ〜７ｅをその法線回りに９０°回転する。その後、全く同様にして位相差補償層を構成する残り半分の第二ユニット層を成膜する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に屈折率が互いに異なる少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の位相差補償層を備え、入射した光線に入射角に応じた負のリターデーションを生じさせる位相差補償素子において、
前記位相差補償層が、前記基板側に前記少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の第一ユニット層と、この第一補償層の上に前記少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の第二ユニット層との組み合わせで構成され、入射した光線の方位角に関して前記第一ユニット層がもつリターデーションの発生分布特性を前記第二ユニット層がもつリターデーションの発生分布特性に対して略直交させたことを特徴とする位相差補償素子。
【請求項２】
透明な基板上に屈折率が互いに異なる少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の位相差補償層を備え、入射した光線に入射角に応じた負のリターデーションを生じさせる位相差補償素子において、
前記位相差補償層が、前記基板の一方の面に前記少なくとも二種類の薄膜を交互に積層した多層構造の第一ユニット層と、前記基板の他方の面に前記少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の第二ユニット層との組み合わせで構成され、入射した光線の方位角に関して前記第一ユニット層がもつリターデーションの発生分布特性を前記第二ユニット層がもつリターデーションの発生分布特性に対して略直交させたことを特徴とする位相差補償素子。
【請求項３】
前記第一ユニット層を構成する多層構造と第二ユニット層を構成する多層構造とが、略同一の膜構成であることを特徴とする請求項１又は２記載の位相差補償素子。
【請求項４】
前記第一及び第二ユニット層を構成する少なくとも二種類の薄膜の少なくともいずれかが酸化雰囲気中で成膜された酸化膜又は、成膜後に酸素雰囲気に曝されることによって酸化された酸化膜であることを特徴とする請求項３記載の位相差補償素子。
【請求項５】
真空チャンバ内に基板と少なくとも二種類の薄膜材料とを収容し、前記薄膜材料から順次に粒子を放射して前記基板に堆積させ、前記基板上に屈折率が互いに異なる少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の位相差補償層を形成し、前記位相差補償層を通過する光線に入射角に対応した負のリターデーションを生じさせる位相差補償素子の製造方法において、
前記位相差補償層の中間まで前記少なくとも二種類の薄膜を積層して第一ユニット層を形成した後、前記基板をその法線に対して９０°回転してから前記少なくとも二種類の薄膜を積層して前記第一ユニット層と協同して前記位相差補償層を構成する第二ユニット層を形成することを特徴とする位相差補償素子の製造方法。
【請求項６】
真空チャンバ内に基板と少なくとも二種類の薄膜材料とを収容し、前記薄膜材料の各々から個別に粒子を放射して前記基板に堆積させ、前記基板上に屈折率が互いに異なる少なくとも二種類の薄膜を積層した多層構造の位相差補償層を形成し、前記位相差補償層を通過する光線に入射角に対応した負のリターデーションを生じさせる位相差補償素子の製造方法において、
前記基板の一方の面に、前記位相差補償層の中間まで前記少なくとも二種類の薄膜を積層して第一ユニット層を形成し、しかる後に前記基板をその法線に対して９０°回転させるとともに表裏を反転させ、前記基板の裏面に前記少なくとも二種類の薄膜を積層して前記第一ユニット層と協同して前記位相差補償層を構成する第二ユニット層を形成することを特徴とする位相差補償素子の製造方法。
【請求項７】
前記第一ユニット層を構成する多層構造と第二ユニット層を構成する多層構造とを略同一の膜構成にしたことを特徴とする請求項５又は６記載の位相差補償素子の製造方法。
【請求項８】
前記第一及び第二ユニット層を構成する少なくとも二種類の薄膜の少なくともいずれかが酸化雰囲気中で成膜された酸化膜又は、成膜後に酸素雰囲気に曝されることによって酸化された酸化膜であることを特徴とする請求項７記載の位相差補償素子の製造方法。
【請求項９】
前記第一及び第二ユニット層を構成する二種類の薄膜をスパッタリングで成膜することを特徴とする請求項５〜８のいずれか記載の位相差補償素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示パネルに組み合わせて用いられる位相差補償素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示パネルは、テレビジョン受像機や各種機器の直視型ディスプレイ装置に多用され、また液晶プロジェクタの画像表示デバイスとしても用いられている。液晶表示パネルは、多数の液晶セルを画素配列に応じた所定のパターンで配列したもので、液晶セル内に封入された液晶分子の動作モードの違いによりＴＮ(Twisted Nematic)型、ＶＡＮ (Vertical Alignment Nematic)型、ＩＰＳ(In-Plane Switching)型、ＯＣＢ(Optically  Compensatory  Bend)型など種々のものが知られている。
【０００３】
液晶プロジェクタに用いる液晶表示パネルには、スクリーン上での画像のコントラストを高くするために光遮断性に優れたものが適しており、例えばＶＡＮ型のものが多く用いられる傾向にある。ＶＡＮ型のものは、液晶層を挟む基板間に電圧を印加しない無電圧状態では液晶層内の棒状の液晶分子のほとんどが基板に対して略垂直配向となり、クロスニコル配置された一対の偏光板と組み合わせることにより良好な光遮断特性を得ることができ、高いコントラストを得ることができる。
【０００４】
一方、液晶表示パネルが一般的にもっている欠点として視野角の狭いことが知られている。例えば前述したＶＡＮ型の液晶表示パネルを無電圧状態とし、液晶分子を垂直配向させた場合、液晶層に垂直に入射する光線については十分に遮断することができるものの、液晶分子に斜めに入射した光線は入射角度に応じて様々に複屈折し、一般には直線偏光が楕円偏光に変換される。この結果、一部の偏光成分は出射面側にクロスニコル配置された偏光板を通り抜けてスクリーン上の黒レベルを明るくする方向に作用し、コントラストを低下させてしまう。また、液晶層内で液晶分子が水平配向あるいは中間配向となった場合でも、液晶層に入射する光線の角度による複屈折の違いによって表示画像の品質が低下することが避けられない。
【０００５】
液晶表示パネルがもつ上記問題は、特許文献１あるいは特許文献２で知られる位相差補償素子を用いることによって改善することができる。液晶層はその複屈折性により、入射した光線の正常光成分が異常光成分に対して位相の進むポジティブリターダとして作用するが、位相差補償素子は逆に正常光成分が異常光成分に対して位相遅れを生じるネガティブリターダとして作用する。したがって、液晶表示パネルに位相差補償素子を組み合わせることによって互いの複屈折性が相殺され、前述したコントラストの低下が抑えられるようになる。
【特許文献１】特開２００６−９１３８８号公報
【特許文献２】特開２００４−１０２２００号公報
【０００６】
特許文献１，２に記載のように、液晶プロジェクタには光源として高輝度ランプが用いられるため位相差補償素子には十分な耐熱性が要求される。特許文献１記載のように、光学異方体の結晶板を位相差補償素子に用いれば耐熱性に富んだものが得られるが、こうした結晶自体が高価で、加工時には結晶面の切り出しや寸法精度を厳密に管理しなければならず、組み立てや調整も面倒である。この点、特許文献２記載の位相差補償素子は無機材料からなる透明な薄膜を積層した多層膜で構成することができ、耐熱性や耐久性はもとより量産適性にも優れており、ローコストで提供できるという利点がある。
【０００７】
特許文献２に記載された位相差補償素子は、互いに屈折率が異なる二種類の薄膜を可視光で干渉が生じない程度の薄い膜厚で交互に積層した多層膜で構成され、結晶光学的には一軸性の負のｃ−ｐｌａｔｅとして作用する。二種類の薄膜としては、高屈折率膜としてＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５など、低屈折率膜としてＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＣａＦ２など種々の薄膜を用いることができる。また、これらの薄膜は、蒸着やスパッタリング、さらにはイオンプレーティングなどの多層膜形成手法を用いて製造することが可能で、例えば図７に示すスパッタ装置により簡便に製造することができる。
【０００８】
図７は、無機材料からなる二種類の薄膜を交互に積層した位相差補償素子を製造するスパッタ装置を概念的に示すもので、真空チャンバ２には排気管３及び、放電ガスの導入ノズル４、反応ガスの導入ノズル５，５が連通している。真空チャンバ２の内部には、垂直な支軸の回りにドラム６が回転自在に組み込まれ、ドラム６の外周面に薄膜を成膜する透明な基板７が支持される。なお、図では八角筒形状をしたドラム６の平坦な外周面の一面だけに５枚の基板７を縦に並べた状態を図示しているが、実際には八面全てに同様に基板７が支持される。また、ドラム６の回転中心から等距離に基板７を支持できる構造であれば、ドラム６の形状も六角筒形状、円筒形状など適宜に決めてよく、さらにドラム６の外周面に支持させる基板７の枚数は、基板７やドラム６のサイズに応じて適宜に増減させればよい。
【０００９】
基板７に対面するように真空チャンバ２内に二種類のターゲット材料９，１０が設けられる。これらのターゲット材料９，１０は基板７に交互に積層する二種類の薄膜の材料となるもので、一例としてＮｂ（ニオブ）とＳｉ（シリコン）が用いられている。そして、ドラム６を一定の速さで回転させながら、これらのターゲット材料９，１０を酸素ガス雰囲気中で化学反応性スパッタを行うことによって、基板７上に高屈折率（ｎ＝２．３８）のＮｂ２Ｏ５膜と、低屈折率（ｎ＝１．４８）のＳｉＯ２膜とを交互に積層した多層膜が得られる。
【００１０】
これらの高屈折率膜と低屈折率膜とを例えば物理的膜厚を１０〜２０ｎｍ程度に薄くして積層すると、複屈折Δｎをもつ位相差補償素子（ネガティブリターダ）が得られる。複屈折Δｎの大きさは、高屈折率薄膜及び低屈折率薄膜の相互の屈折率の差及び、各薄膜の物理的な膜厚比によって決まり、この複屈折Δｎと多層膜全体の膜厚ｄとの積によってリターデーションｄΔｎが決まるから、適用する液晶表示パネルの液晶層によって生じる正のリターデーションｄΔｎの値に合わせて膜設計が行われる。なお、成膜工程を簡略にするうえでは二種類の薄膜を交互に積層してゆくのが有利であるが、互いに屈折率が異なる三種類以上の薄膜を組み合わせても同様の位相差補償作用を得ることが可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図８に示すように、こうして得られた位相差補償素子２０は基板７の表面に多層膜からなる位相差補償層２１を成膜した構造をもち、必要に応じて基板７の裏面、さらには位相差補償層２１の最上層や基板７に接する最下層に反射防止膜を設けることができる。この位相差補償素子２０を前述したＶＡＮ型の液晶表示パネルに適用する場合、例えば無電圧状態ではＶＡＮ型の液晶層は垂直に入射した光線Ｐ１に対してはほとんど複屈折性を現さないので、位相差補償素子２０も光線Ｐ１に対しては負のリターデーションを発生させない。しかし、入射角θで入射した光線Ｐ２に対しては、液晶層を通過するときに液晶層内の光路長に応じた正のリターデーションｄΔｎが生じるから、これを補償するために位相差補償素子２０は負のリターデーションｄΔｎを生じさせるようになっている。
【００１２】
図９は、入射角θが３０°程度の斜め入射光に対し、図７に示すスパッタ装置で製造した位相差補償素子２０が発生する負のリターデーションｄΔｎをコノスコープ型のグラフ表示で表したものである。特性線Ｑ１に示すように、リターデーションｄΔｎの値が方位角（光線Ｐ２を一定方向に固定し基板７を法線回りに回転させた角度に相当）によらずにほぼ一定であれば問題はないが、特性線Ｑ２のように方位角によってその値が変動する位相差補償素子２０が製造されることがある。このような位相差補償素子２０は、液晶表示パネルを観察する方向によっては液晶層で生じたリターデーションｄΔｎが補償できないことを意味し、入射角θの値が大きくなればなる程その影響も大きくなる。しかも、光線Ｐ２に対して特性線Ｑ２のような傾向をもつ位相差補償素子は、垂直入射した光線Ｐ１に対しても１ｎｍを越える負のリターデーションｄΔｎを生じさせることが確認されており、より高精度な位相差補償作用を得ようとする上では妨げになる。
【００１３】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、互いに屈折率が異なり、可視光で干渉を生じさせない程度に薄くした少なくとも二種類の薄膜を多数層積層させた位相差補償層がもつ位相差補償作用を改善することを目的とし、またこのような位相差補償層を成膜した位相差補償素子の効率的な製造を可能とする製造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】
【００１４】
本発明は上記目的を達成するにあたり、上述した多層膜構造からなる位相差補償層を製造する際の個々の薄膜の成膜条件が必ずしも一定でないことから、この成膜条件の差が個々の薄膜の物性を変化させ、そして多層膜構成にすることに伴って各薄膜の物性の変化が蓄積・強調されることによって位相差補償作用に変動が及ぶことに着目し、多層構造をもつ位相差補償層をそれぞれ少なくとも二種類の薄膜を積層させた第一ユニット層と第二ユニット層との組み合わせで構成し、入射した光線の方位角に関して前記第一ユニット層がもつリターデーションの発生分布特性と前記第二ユニット層がもつリターデーションの発生分布特性とを略直交させることによって、特に斜め入射光に対する位相差補償作用を均一化したものである。
【００１５】
入射光線の方位角に関してリターデーションの発生分布特性が互いに直交する前記第一ユニット層と第二ユニット層とを基板の片側に一体的に積層するほか、基板の一方の面に第一ユニット層を、他方の面に第二ユニット層を形成するようにしてもよい。第一ユニット層と第二ユニット層を構成する多層膜構造を同一の膜構成にすると、製造効率を高める上で有利である。また、個々の薄膜を形成するには様々な薄膜材料を用いることが可能であるが、薄膜の物理的な強度や安定した屈折率を得るには酸化膜を好適に用いることができる。
【００１６】
入射光線の方位角に関し、リターデーションの発生分布特性が互いに直交する第一ユニット層、第二ユニット層を得るには、真空チャンバ内の成膜条件については一律に保ちながら、基板を９０°回転させることが製造上最も簡便な手法となる。真空チャンバ内の成膜条件を一定に保ったとしても、現実的には真空チャンバ内における基板と薄膜材料との相対位置によっては、成膜された個々の薄膜には方向性をもった物性が現れやすくなる。こうした成膜条件のわずかな違いによって薄膜に生じる物性の変化は一般の光学干渉薄膜では所望の光学性能を得る上でほとんど無視できるが、薄膜の積層数が数十層さらには百数十層〜数百層にも達することがある位相差補償層では蓄積・強調され無視できなくなるが、第一ユニット層の成膜後に基板を９０°回転させてから第二ユニット層を成膜すれば方向性をもつ物性が相補的に矯正され、良好な位相差補償作用を得ることができる。
【００１７】
また、基板の一方の面に第一ユニット層、他方の面に第二ユニット層を形成する場合には、第一ユニット層を形成した後に基板を法線回りに９０°回転させるだけでなく表裏反転も必要になるが、一連の成膜工程中に真空チャンバを大気圧にリークすることなく基板の反転と９０°回転とを行うことが好ましい。このような位相差補償素子の製造には様々な成膜手法を用いることが可能で、スパッタリングによる成膜法が好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明を用いることにより、ネガティブリターダとして良好に作用する位相差補償素子を簡便かつ効率的に製造することが可能となる。また、本発明の位相差補償素子によれば、従来の多層膜構造の位相差補償素子で生じがちであった斜め入射光に対する不完全な位相差補償作用が良好に改善され、同時に垂直入射光に対してはリターデーションの発生を１ｎｍ以下に抑えることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の位相差補償素子は例えば図１に示すスパッタ装置で製造される。このスパッタ装置は図７に示す従来装置と基本的には同じ構造であるが、基板７を支持するドラム６に基板７をその法線回りに回転させる機構が設けられている。そして、ドラム６にはその外周面上で回転自在な基板ホルダ２４が設けられ、この基板ホルダ２４に５枚の基板７ａ〜７ｅが保持されており、これらの基板７ａ〜７ｅは基板ホルダ２４を９０°回転させることによって、その法線回りに９０°回転させることができる。なお、９０°の回転方向は時計回り、反時計回りのいずれの方向であってもよい。
【００２０】
このスパッタ装置の他の構成は図７に示す従来装置と共通で、ターゲット材料９には高屈折率のＮｂ２Ｏ５膜の成膜材料となるＮｂが用いられ、ターゲット材料１０には低屈折率のＳｉＯ２膜の成膜材料となるＳｉが用いられる。これらのターゲット材料９，１０の縦サイズはドラム６の縦サイズよりも長くしてあり、１段目の基板７ａや５段目の基板７ｅに対して極端に成膜条件が変わらないようにしてある。
【００２１】
成膜に先立ってまず真空チャンバ２の排気が行われる。所定の真空度まで排気が行われると放電ガスの導入口ノズル４から放電ガスとしてアルゴンガスが導入され、排気を並行して行うことによって真空チャンバ２内は規定ガス圧のアルゴンガスで満たされる。ターゲット材料９，１０に電圧を印加すると、ターゲット材料９，１０とドラム６との間にアルゴンガスのプラズマが生成される。
【００２２】
その状態で反応ガスの導入ノズル５，５から酸素ガスが導入され、アルゴンガスのプラズマ中に酸素ガスが含まれるようになる。ドラム６を一定の速さで回転させると、ターゲット材料９，１０に対面するスパッタ領域を基板７ａ〜７ｅが通過する間にスパッタリングが行われ、それぞれのターゲット材料９，１０から叩き出されたＮｂ粒子とＳｉ粒子は酸素雰囲気中で酸化してそれぞれＮｂ２Ｏ５とＳｉＯ２になって基板７ａ〜７ｅに順次に堆積し、Ｎｂ２Ｏ５膜からなる高屈折率膜と、低屈折率のＳｉＯ２膜からなる低屈折率膜とが交互に成膜される。なお、各々の薄膜の膜厚を制御するにはドラム６の回転速度の調節、放電電圧・電力の調節、さらには各ターゲット材料とドラムとの間にシャッタを設け、その開閉時間を調節することでも対応が可能であり、シャッタを設けた場合には、スパッタリング領域に基板７ａ〜７ｅが移動してきたときにドラム６を停止させ、その状態でシャッタの開閉を制御する手法でも基板上に任意の膜厚で高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層することができる。
【００２３】
これらの酸化膜以外にも、液晶層によって生じるリターデーションｄΔｎの大きさに応じてターゲット材料９，１０には種々のものを用いることができるが、そのほかにもＴｉＯ２膜、ＺｒＯ２膜、ＣｅＯ２膜、ＳｎＯ２膜、Ｔａ２Ｏ５膜などの酸化膜は、膜強度があり光吸収も少ないことから、高屈折率の薄膜として好適に用いることができる。また、低屈折率の薄膜に用いることができる酸化膜としては、Ａｌ２Ｏ３膜やＭｇＯ膜がある。こうした酸化膜を成膜するにあたっては、上記のようにスパッタ領域に酸素ガスを導入して酸化させながら成膜するほかに、スパッタ領域に酸素ガスを導入せずにアルゴンガスだけでターゲット材料９，１０からスパッタリングを行った後、その上に次層の薄膜が成膜される前に基板を酸素ガスで満たされた酸化領域を通過させて酸化膜にすることも可能である。
【００２４】
高屈折率薄と低屈折率膜とを所定の膜厚で交互に１００層ずつ重ね、合計で２００層の多層構造からなる位相差補償層を成膜する場合、基板７ａ〜７ｅに合計で１００層分の成膜を行った時点で、各基板ホルダ２４を一斉に９０°回転させる。その後は全く同様にして残りの１００層分の成膜を行う。図２は、こうして基板７に積層された位相差補償層３０の構成を概念的に示すもので、合計２００層の位相差補償層３０は、高屈折率膜Ｌ１と低屈折率膜Ｌ２とを交互に１００層まで積層した第一ユニット層３０ａと、さらにその上層に同様にして高屈折率膜Ｌ１と低屈折率膜Ｌ２とを交互に１００層まで積層した第二ユニット層３０ｂとから構成されることになる。
【００２５】
第一ユニット層３０ａと第二ユニット層３０ｂとは全く膜構成が同じであるが、その境界でターゲット材料９，１０に対して基板７が９０°回転しているため、第一ユニット層３０ａが成膜条件のわずかな違いで方向性のある物性、特に入射光線の方位角に関し、リターデーションｄΔｎの発生分布特性が偏りをもつ場合、第二ユニット層３０ｂがこのような偏りを相補的に矯正するように作用する。
【００２６】
すなわち、位相差補償層３０のリターデーションｄΔｎの値は全体の膜厚ｄと複屈折Δｎで決まるから、高屈折率膜Ｌ１と低屈折率膜Ｌ２の成膜時に、わずかな成膜条件の偏りによって膜厚や屈折率が必ずしも一律にならないことが十分に考えられる。ところが、上記のように第一ユニット層３０ａを成膜した時点で基板７を９０°回転させ、しかる後に同一の膜構成からなる第二ユニット層３０ｂを積層することにより全体として成膜条件の違いによる偏りが矯正され、良好な位相差補償作用を得ることができるものである。
【００２７】
なお、高屈折率膜Ｌ１，低屈折率Ｌ２の個々の膜厚は通常の光学干渉薄膜と比較してかなり薄く、例えば可視光（基準波長を５５０ｎｍ）に対して、その光学的膜厚はλ／１００〜λ／５、好ましくはλ／５０〜λ／５、より好ましくはλ／３０〜λ／１０程度である。したがって、第一ユニット層３０ａと第二ユニット層３０ｂとの境界が１００層目と１０１層目との間から数層程度の範囲でずれたとしてもほとんど有意の差は生じないが、好ましくは１００層目までを第一ユニット層３０ａとし、１０１層以降を第二ユニット層３０ｂとして各ユニット層３０ａ，３０ｂとを同一の多層膜構造にするのがよい。
【００２８】
図３に、基板７の表裏に上述した第一ユニット層３０ａと第二ユニット層３０ｂとを成膜した位相差補償素子を示す。この位相差補償素子を製造するには、基板７の一方の面をターゲット材料９，１０に対面させて第一ユニット層３０ａを成膜した後、基板７の表裏を反転させて他方の面をターゲット材料９，１０に対面させるとともに、基板７をその法線回りに９０°回転させてから第一ユニット層３０ａの成膜と全く同様にして第二ユニット層３０ｂを成膜すればよい。
【００２９】
図４に反射防止層を付加した位相差補償素子の例を示す。同図（Ａ）は図２に示す位相差補償素子に反射防止層３１，３２，３３を付加したもので、反射防止層３１は位相差補償層３０と基板７との界面反射を防止し、反射防止層３２は位相差補償層３０と空気との界面反射を防止し、反射防止層３３は基板７と空気との界面反射を防止する。これらの反射防止層は、例えば反射防止層３３については低屈折率膜Ｌ２をλ／４の光学膜厚で成膜し、また反射防止層３１，３２については高屈折率膜Ｌ１と低屈折率膜Ｌ２とをそれぞれ干渉薄膜を構成する膜厚で組み合わせた多層反射防止層で構成することも可能である。
【００３０】
図４（Ｂ）は図３に示す位相差補償素子に反射防止層を組み合わせた例を示すもので、図４（Ａ）に用いた反射防止層３１，３２を図示のように組み合わせることによって、位相差補償素子の反射防止を行うことができる。これらの反射防止層は、いずれも位相差補償層３０の成膜工程の前後に組み合わせて成膜することができるので、真空チャンバを途中で大気圧までリークする必要もなく製造効率を低下させることがない。
【実施例】
【００３１】
本発明を用いた位相差補償素子の具体的な実施例について説明する。原理的に図１に示す構造を有するスパッタ装置を用い、基本的に図４（Ａ）に示す多層構造をもつ位相差補償層３０を成膜した。ドラム６には基板７ａ〜７ｅを縦列に並べて支持させ、これらの基板７ａ〜７ｅに一斉に高屈折率膜Ｌ１としてＮｂ２Ｏ５膜、低屈折率膜Ｌ２としてＳｉＯ２膜を交互に積層した。下記の表１は、その具体的な膜構成の一例を示すもので、基板側の第１層と第２層が反射防止層３１に相当し、最上層側の第１７５層〜第１７８層の４層が反射防止層３２に相当する。なお、基板７の裏面側の反射防止層は省略したが、実用的には４〜６層程度の多層膜からなる反射防止層を設けるのが望ましい。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
位相差補償層３０は第３層〜第１７４層までの合計１７２層で構成され、Ｎｂ２Ｏ５膜とＳｉＯ２膜とが交互に１５ｎｍの膜厚で積層されている。位相差補償層３０を構成する基板側の第一ユニット層３０ａは第３層〜第８８層までの合計８６層であり、その上にさらに積層される第二ユニット層３０ｂは第８９層から第１７４層までの合計８６層となっている。第一ユニット層３０ａを成膜した後、基板７をドラム６上で時計方向に９０°回転させた後に第二ユニット層３０ｂの成膜を行うことによって本発明位相差補償素子のサンプル（１）〜（５）を作製した。また、比較のために基板７を全く回転させることなく第３層から第１７４までの位相差補償層３０を一連に成膜して比較サンプル（１）〜（５）を作製した。これらのサンプル（１）〜（５）のそれぞれは、ドラム６上での基板位置に応じたもので、一段目の基板７ａに成膜したサンプルを（１）とし、二段目の基板７ｂ、三段目の基板７ｃ、四段目の基板７ｄ、五段目の基板７ｅにそれぞれ成膜したものを、順にサンプル（２）、（３）、（４）、（５）としている。
【００３４】
なお、反射防止層３１，３２及び、位相差補償層３０の物理的膜厚は成膜後のサンプルについて実際に解析・測定した値ではなくいずれも成膜時の設定膜厚であり、ドラム６の回転速度、ターゲット材料９，１０に印加される放電電圧・電力などの成膜条件の設定により得られる推定の膜厚で、少なくとも成膜を行いながら膜厚測定を行った場合の測定膜厚とよく一致する。また、各薄膜の屈折率も事前の成膜実験により同様にして確認されたもので、製造した位相差補償層３０そのものの各層を測定した得た実測値ではない。
【００３５】
【表２】
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【００３６】
上記の表２は、作製された比較サンプルと本発明サンプルのそれぞれについて、５５０ｎｍの光を入射角３０°で入射させたときのリターデーションｄΔｎの測定値を示すもので、測定は方位角を３０°刻みに変えながら行った。一般の光学干渉薄膜では、ドラム６に基板７ａ〜７ｅを縦に並べて同様の成膜を行っても、基板の位置によって有意の差はほとんどないのに対し、比較サンプル（１），（５）で特に顕著なように、位相差補償素子では明らかにリターデーションｄΔｎの値に方位角に依存する差が認められる。
【００３７】
図５は、表２中の比較サンプル（３）と比較サンプル（５）が示すリターデーションｄΔｎの値をグラフ化したもので、半径の長さがリターデーションの値に相当する。比較サンプル（３）、すなわちドラム６の高さ方向の中央に位置する基板７ｃの位相差補償層が示すリターデーションＲ（３）は、３０°の入射光線に対して方位角に依存する極端な偏りはないが、比較サンプル（５）、すなわちドラム６の五段目の基板７ｅに成膜した位相差補償層が示すリターデーションＲ（５）は、明らかに方位角に依存して大きく変化している。なお、表２から確認できるように、第１段目の基板７ａに位相差補償層を成膜した比較サンプル（１）も比較サンプル（５）とほぼ同じ傾向をもつ。また、比較サンプル（２），（４）が示すリターデーションはグラフ化を省略したが、比較サンプル（３）のもつ特性に近いものとなっている。
【００３８】
以上の知見から、図１に示すような成膜手法を採った場合、ターゲット材料９，１０の大きさや位置、酸素ガスの導入ノズル５，５の位置による酸素ガス濃度のバラツキなど、厳密な意味では基板７ａ〜７ｅに薄膜を堆積させるときの成膜条件が一律ではないことが分かる。したがって、従来のようにドラム６に基板７ａ〜７ｅを固定してそのまま位相差補償層３０を単に積層して位相差補償素子を製造した場合には、サンプル（２）〜（４）は問題なく製品化が可能であるが、方位角依存性のない高精度の位相差補償作用が要求されるような場合にはサンプル（１）及び（５）は製品化ができなくなる可能性が生じてくる。
【００３９】
これに対し本発明サンプル、すなわち位相差補償層をその中間の第一ユニット層まで成膜した時点で基板を９０°回転させ、引き続き第二ユニット層を成膜して製造した本発明サンプル（１）〜（５）では、特にサンプル（３）及び（５）について図６に示すように、基板７ｃに成膜した位相差補償層のリターデーションＲ（３）と、基板７ｅに成膜した位相差補償層のリターデーションＲ（５）とはいずれも方位角に依存して大きく変化することがなくいずれも良好な位相差補償作用が得られ、製品化が可能であることが分る。また、表２に参考として付記したとおり、それぞれのサンプル（１）〜（５）について方位角に関するリターデーション値の最大値（ＭＡＸ）、最小値（ＭＩＮ）、最大値と最小値との差、平均値（Ａｖｅｒａｇｅ）、標準偏差（σ）を評価しても、本発明サンプルの方が比較サンプルよりも偏りのない良好な位相差補償作用を発揮することがわかる。
【００４０】
また、垂直入射（入射角θ＝０°）におけるリターデーションは方位角とは無関係であるが、比較サンプル（１）〜（５）と本発明サンプル（１）〜（５）とでは次の表３に示すように差が認められた。比較サンプル（１），（５）では垂直入射光に対しても１ｎｍを越えるリターデーションが生じるのに対し、本発明サンプル（１）〜（５）ではいずれも０．２ｎｍ未満のリターデーションしか生ぜず、良好な特性を示すことが確認された。
【００４１】
【表３】
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【００４２】
以上のとおり、本発明の位相差補償素子は、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に数十層〜百数十層、さらには数百層まで積層させた位相差補償層により位相差補償作用を得ている。したがって、個々の薄膜の成膜時に厳密には制御し得ないわずかな成膜条件のバラツキに伴う膜厚や複屈折率などの物性の偏りが徐々に蓄積されてゆき、最終的には無視できない程度にまで物性が偏ってしまうことを想定し、成膜の途中で基板をその法線に関して９０°回転させ、しかる後に全く同様にして成膜を継続することによって物性の偏りを相補的に解消して、トータル的に位相差補償層全体の物性を良好に保つようにしている。この手法は、成膜条件のわずかな違いや、それに伴う物性値の変化を定量的に把握していなくても適用できるという実用的価値が高く、単に一般のスパッタ成膜法に限らず、蒸着法やイオンプレーティング法など、種々の成膜法に適用可能である。
【００４３】
また、本発明を実施する上では、位相差補償層を構成する個々の薄膜の屈折率や膜厚、さらにはその積層数は、上述した実施例に限定されるものではなく、組み合わせて用いる液晶層の種類に応じて適宜に設定されることはもちろんである。さらに本発明は、例えば反射型液晶パネルと組み合わせて用いられる位相差補償素子にも適用することができる。この場合、位相差補償素子は液晶層の光入射面と偏光板との間に配置して用いられるのが通常であるが、液晶層の背面側すなわち反射面側に配置することも可能である。特に、反射面上に位相差補償層を成膜する場合には位相差補償素子の基板は不透明であってもよく、位相差補償素子の基板は透明なものに限られない。
【００４４】
なお、位相差補償層の膜構成としては、以上の実施形態で説明したように高・低二種類の屈折率をもつ薄膜を交互に同じ物理的膜厚で積層したものが製造工程を簡略化するうえで最も好ましいが、互いに屈折率が異なる薄膜の種類数を三種類以上にしたり、個々の膜厚を変えたりすることも可能である。また、実用的には基板、位相差補償層、空気の互いの界面に適数層の反射防止層を設けることが望ましく、しかも反射防止層を構成する薄膜も位相差補償層の成膜に用いたものと同じ薄膜材料を用いることが好ましいが、例えば低屈折率材料として安定的に多用されるＭｇＦ２膜のように、反射防止層を構成する少なくとも一部の薄膜には専用の薄膜材料を用いてもよい。もちろん、位相差補償作用のみが目的であればこれらの反射防止層は省略することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の位相差補償素子を作製するスパッタ装置の概略図である。
【図２】基板の片側に位相差補償層を設けた例を示す概略断面図である。
【図３】基板の両面に位相差補償層を分けて成膜した例を示す概略断面図である。
【図４】反射防止層を組み合わせた位相差補償素子の例を示す概略断面図である。
【図５】比較サンプルによるリターデーションの方位角に関する発生分布特性を示すグラフである。
【図６】本発明サンプルによるリターデーションの方位角に関する発生分布特性を示すグラフである。
【図７】従来のスパッタ装置の概略図である。
【図８】位相差補償素子に入射する光線の説明図である。
【図９】従来の位相差補償素子によるリターデーションの方位角に関する発生分布特性の概略を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
２  真空チャンバ
６  ドラム
７、７ａ〜７ｅ  基板
９，１０  ターゲット材料
２０  位相差補償素子
３０  位相差補償層
３０ａ  第一ユニット層
３０ｂ  第二ユニット層
３１、３２、３３  反射防止層
【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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