CN102289021A - 偏振元件及其制造方法、液晶装置、电子设备 - Google Patents

偏振元件及其制造方法、液晶装置、电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及偏振元件及其制造方法、液晶装置、电子设备，并提供了具有较高的环境性、即使在高温下偏振特性也不会轻易下降的线栅型偏振元件及其制造方法。该偏振元件具备在俯视时在基板上设置为条纹状的多个金属层和在上述多个金属层中的一个金属层的表面上设置的电介质层，该偏振元件的制造方法具有在氧气环境中通过使上述多个金属层的表面氧化来形成上述电介质层的步骤。

Description

偏振元件及其制造方法、液晶装置、电子设备
技术领域
本发明涉及偏振元件以及偏振元件的制造方法、液晶装置、电子设备。
背景技术
作为各种各样的电光学装置的光调制装置，采用了液晶装置。作为液晶装置的构造，在对置配置的一对基板间夹持有液晶层的构造被众所周知。另外，具备用于将规定的偏振光射入液晶层的偏振元件、和在没有施加电压时控制液晶分子的排列的定向膜的构成较为普遍。
作为偏振元件，已知有通过将包含碘、二色性染料的树脂膜向单一方向延伸而使碘、二色性染料在延伸方向上定向来进行制造的薄膜型偏振元件、和在透明的基板上铺满纳米尺寸的金属细线而形成的线栅型的偏振元件。
由于线栅型的偏振元件由无机材料构成，所以具有高耐热性的优点，被用于特别要求耐热性的领域。例如，作为液晶投影仪的光阀用的偏振元件进行使用。作为这种线栅型的偏振元件，例如公开有专利文献1所列举的那样的技术。
【专利文献1】日本特开平10-73722号公报
在专利文献1中，通过热处理使基板上的金属格子氧化，从而在金属格子表面形成氧化膜，由此可以提供具有高耐环境性的偏振元件。但是，在专利文献1所示的方法中，由于以500℃以上的温度对基板进行处理，所以会发生基板的破裂或变形。另外，金属格子自身也由于热膨胀而受到损伤，决定偏振元件特性的金属格子的高度和宽度等尺寸在热处理前后发生变化。因此，存在着如下问题，即以偏振元件整体无法体现均匀的偏振特性。并且，存在着如下问题，即在液晶装置工作时温度上升的情况下，由于金属格子发生变质而导致偏振特性下降。
发明内容
本发明是为了解决上述问题的至少一部分而完成的。
为了解决上述问题，基于本发明的偏振元件的制造方法，其特征在于，该偏振元件具备在俯视时在基板上形成为条纹状的多个金属层和、上述多个金属层中的一个金属层的表面上设置的电介质层；该偏振元件的制造方法具有在氧气环境中，通过使上述多个金属层的表面氧化来形成上述电介质层的步骤。
在该方法中，由于能够用高细密性的金属氧化层覆盖金属层的表面，所以即使在组装有偏振元件的液晶装置等工作时温度上升，因氧化等而导致的金属层的劣化也变得不易发生。其结果，能够在比较低的温度下制造偏振特性不易下降的偏振元件。
在本发明中，其特征在于，上述氧气是臭氧气体。
在该方法中，由于能够加快金属层的氧化速度，所以能够提供生产性较高的制造方法。另外，由于能够提高金属氧化层的细密性，所以能够进一步提高耐氧化性和耐磨损性。
在本发明中，优选在形成上述电介质层的步骤中，向上述多个金属层照射紫外光。
在该方法中，能够促进臭氧的分解反应，从而在低温下形成氧化膜。另外，由于能够提高金属氧化层的细密性，所以能够进一步提高耐氧化性和耐磨损性。
在本发明中，优选还具有在上述多个金属层之间的区域内的上述基板上形成沟的步骤。
在该方法中，能够减少基板和金属层表面的实际有效的折射率，从而能够抑制界面上的反射。其结果，能够增加TM波的透过率，得到较明亮的偏振元件。
在本发明中，优选地，上述多个金属层是从铝、银、铜、铬、钛、镍、钨、铁中选择的材料；上述电介质层是上述多个金属层的氧化物。
根据该方法，当在高温环境下进行使用时，由于能够抑制金属层的氧化，所以能够抑制偏振元件的偏振特性的劣化。
本发明的投影型显示装置，其特征在于，具备：光源；入射从上述光源射出的光的液晶电光学元件；向被投影面投影通过了上述液晶电光学元件的光的投影光学***；在从上述光源射出的光的光路上的上述光源和上述液晶电光学元件之间、和通过了上述液晶电光学元件的光的光路上的上述液晶电光学元件和上述投影光学***之间的其中至少一方，设置有上述偏振元件。
通过设为该构成，由于具备耐热性较高的偏振元件，所以即使使用大功率输出的光源，也能够抑制因氧化等而导致的偏振元件的劣化。因此，能够构成可靠性较高、且具有良好的显示特性的投影型显示装置。
本发明的液晶装置，其特征在于，在一对基板间夹持液晶层，在上述一对基板中的至少一个基板和上述液晶层之间形成有上述偏振元件。
根据该构成，能够提供具备具有良好的光学特性和可靠性的偏振元件的液晶装置。
本发明的电子设备，其特征在于，具备上述的液晶装置。
根据该构成，能够提供显示品质和可靠性良好的电子设备。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式涉及的偏振元件的概略图。
图2是表示第1实施方式的偏振元件的制造步骤的步骤截面图。
图3是第1实施方式的变形例涉及的偏振元件的概略图。
图4是表示作为电子设备的投影仪的构成的概略图。
图5是表示液晶装置的构成的概略图。
图6是表示作为搭载有液晶装置的电子设备的便携式电话的构成的立体图。
图7是表示反射型偏振元件的YZ截面的SEM照片。
图中附图标记说明：
1A、1B...偏振元件；11...基板；12...金属层；12a...第1侧面；12b...第2侧面；12c...顶部；13...电介质层；15...沟部；16...折射率较低的区域；21...TM波；22...TE波；300...液晶装置；310...元件基板；320...对置基板；350...液晶层；800...投影仪(投影型显示装置)；810...光源(照明光学***)；826...投影透镜(投影光学***)；852...第1偏振元件(偏振元件)；1300...便携式电话(电子设备)
具体实施方式
[第1实施方式]
下面参照附图，对本发明的实施方式涉及的偏振元件和偏振元件的制造方法进行说明。图1是本实施方式的偏振元件1A的概略图，图1(a)是局部立体图，图1(b)是沿YZ平面对偏振元件1A进行切割而成的局部截面图。
另外，在下面的说明中，设定XYZ正交坐标系，并参照该XYZ坐标系对各构件的位置关系进行说明。此时，将与设置有金属层12的基板11的面11c平行的面设为XY平面，将金属层12的延伸方向设为X轴方向。金属层12的排列轴是Y轴方向。另外，在下面的所有附图中，为了便于观察附图，适当地调整了各构成要素的膜的厚度和尺寸的比例等。
(偏振元件)
如图1(a)和图1(b)所示那样，偏振元件1A具备基板11、位于基板11上并且在俯视时形成为条纹状的多个金属层12、和覆盖一个金属层12的电介质层13。电介质层13覆盖金属层12的在X轴方向上延伸的第1侧面12a、与该第1侧面12a对置的第2侧面12b、和顶部12c。
作为基板11使用玻璃基板。但是，基板11只要是具有透光性的材料即可，例如可以使用石英、塑料等。另外，根据应用偏振元件1A的用途不同，存在偏振元件1A进行蓄热而达到高温的情况，因此优选使用具有高耐热性的玻璃或者石英来作为基板11的材料。
作为金属层12的材料，使用在可见范围内光的反射率较高的材料。在本实施方式中，使用了铝作为金属层12的材料。除了铝以外，也可以使用例如银、铜、铬、钛、镍、钨、铁等金属材料等。
在金属层12的第1侧面12a、第2侧面12b、和顶部12c上，形成有电介质层13。作为电介质层13的材料，使用在可见范围内光透过率较高的材料、例如氧化铝这样的电介质材料。在本实施方式中，作为电介质层13使用了金属层12的氧化物。如后述那样，可以通过使金属层12氧化来形成电介质层13。
在互相邻接的2个金属层12之间设置有沟部15。沟部15以短于可见光波长的周期，在Y轴方向上以大致均等的间隔而设置。金属层12和电介质层13以相同的周期在Y轴方向上相互排列。例如，金属层12的高度H1是50～200nm，金属层12的Y轴方向的宽度L1是40nm。电介质层13的高度H2是10～100nm，电介质层13的Y轴方向的宽度L2是5～30nm。也可以将电介质13的宽度L2称为金属层12的侧面的电介质层13的厚度。另外，相互邻接的2个电介质层13的间隔S(沟部15在Y轴方向的宽度)是70nm，周期P(间距)是140nm。
这样，具备金属层12和电介质层13的偏振元件1A如上述那样，使在与金属层12的延伸方向正交的方向(Y轴方向)上振动的直线偏振光、即TM波21透过，而使在金属层12的延伸方向(X轴方向)上振动的直线偏振光、即TE波22反射。
(偏振元件的制造方法)
接着，对本实施方式的偏振元件1A的制造方法进行说明。图2是表示第1实施方式的偏振元件的制造方法的步骤图。本实施方式的偏振元件1A的制造方法包括在俯视时在基板11上多个金属层12形成为条纹状的金属层形成步骤和、在金属层12的第1侧面12a、第2侧面12b、和顶部12c上形成电介质层13的电介质层形成步骤。下面参照附图进行说明。
在图2的(a)的金属层形成步骤中，在基板11的面11c上形成金属层12。具体而言，在基板11上，形成铝膜，并在该铝膜上形成抗蚀剂膜。接着，对保护膜进行曝光，然后显影，从而在抗蚀剂膜上形成条纹状的图案。接着，将形成的抗蚀剂膜作为蚀刻掩膜使用，将该铝膜蚀刻至基板11的面11c。然后，除去抗蚀剂膜，由此如图2的(a)所示那样，在基板11上形成以条纹状配置的多个金属层12。
在图2的(b)的电介质层形成步骤中，在金属层12的第1侧面12a、第2侧面12b和顶部12c上形成电介质层13。具体而言，在将臭氧气体控制在50Pa至100Pa的范围内的石英等真空容器内，配置形成有金属层12的基板11。接着，将从Deep-UV灯输出的紫外光(波长＜310nm)从基板11的面11c一侧进行照射。
例如，紫外光强度是120mW/cm2。臭氧气体由于在波长220nm至300nm的范围内具有较高的吸收系数，所以作为光吸收反应的结果，能够有效生成具有较高能量的激发态的氧原子。该激发氧原子与通常的氧原子相比，扩散系数(活性度)较大，呈现较高的氧化速度。另外，与热氧化相比，能够在低温下生成氧化膜。在本步骤中，从与基板11的面11c相反的一侧照射卤素灯，使基板温度上升至150℃，由此进一步促进了氧化反应。
在这样的环境下进行20分钟的臭氧氧化，在金属层12的表面上形成了厚度(L2)为30nm的氧化铝膜(电介质层13)。电介质层13的厚度根据赋予可见光的相位差的大小，可以进行合理设定。通过经由以上的步骤，可以制造偏振元件1A。
根据基于本实施方式的制造方法，与以往相比能够在低温下形成金属层12的氧化膜(电介质层13)。因此，能够减少基板破裂或变形的发生，并且能够减少决定偏振元件特性的金属层12的高度和宽度等尺寸在热处理前后发生变化的情况。因此，能够提高偏振元件1A的偏振特性的面内的均匀性。
另外，根据基于本实施方式的制造方法，能够由比以往细密的电介质层13来覆盖金属层12的第1侧面12a、第2侧面12b和顶部12c。因此，即使使用时温度上升，也能够防止因氧化等而导致的金属层12的劣化，其结果，能够减少偏振特性的下降。
接着，对本实施方式的偏振元件1A的作用进行说明。
如上述那样，在本实施方式的偏振元件1A中，金属层12是由铝等在可视范围内具有较高的光反射率的材料形成的。另外，电介质层13是由氧化铝等在可视范围内具有较高的光透过率的材料形成的。
这样，通过将偏振元件1A设成金属层12和电介质层13的层叠构造，能够使在与金属层的延伸方向正交的方向上振动的直线偏振光、即TM波21透过，而使在金属层的延伸方向上振动的直线偏振光、即TE波22反射。
也就是说，从基板11的电介质层13一侧射入的TE波22在通过电介质层13时被赋予相位差，被金属层12(作为线栅发挥作用)反射。该反射后的TE波22在通过电介质层13时进一步被赋予相位差，根据干涉效应而进行衰减。
另外，由于金属层12的两个侧面和上表面整体被比以往细密的电介质层13覆盖，所以能够防止因氧化等而导致的金属层的劣化，从而能够抑制偏振光分离功能的下降。由于金属层12的剩余侧面的面积与金属层12的全部表面面积相比非常小，所以金属层12的剩余侧面不需要被电介质层13覆盖，但是也可以被覆盖。
如上所述，根据本实施方式，能够得到即使使用时温度上升，偏振特性也不会轻易下降的偏振元件1A。
[第1实施方式的变形例]
图3是第1实施方式的变形例涉及的偏振元件1B的说明图。本实施方式的偏振元件1B与第1实施方式的偏振元件1A有一部分是共同的。不同之处在于，在金属层12之间存在折射率低于基板11的区域16。
如图3所示那样，对于偏振元件1B而言，除了偏振元件1A的构成之外，在相互邻接的2个金属层12之间还具有折射率低于基板11的区域16。
区域16是通过利用干法蚀刻等去除在相互邻接的2个金属层12之间露出的基板11而形成的。下挖的深度H3与金属层12的高度H1程度相同。
根据该构成，能够减少基板和金属层界面的实际有效的折射率，因此抑制了界面上的TM波21的反射，其结果能够提高TM波21的透过率。
[投影型显示装置]
接着，对本发明的电子设备的实施方式进行说明。图4所示的投影仪800具有光源810、二向色镜813、814、反射镜815、816、817、入射透镜818、中继透镜819、射出透镜820、光调制部822、823、824、正交二向色棱镜825和投影透镜826。
光源810由金属卤化物等的灯811、和用于反射灯光的反射镜812构成。另外，作为光源810，除了金属卤化物以外，也可以使用超高压水银灯、闪光水银灯、高压水银灯、Deep UV灯、氙气灯、氙气闪光灯等。
二向色镜813使来自光源810的白色光中包含的红色光透过，并且反射蓝色光和绿色光。透过的红色光被反射镜817反射，从而射入红色光用的光调制部822。另外，被二向色镜813反射的蓝色光和绿色光中，绿色光被二向色镜814反射，从而射入绿色光用的光调制部823。蓝色光透过二向色镜814，经由中继光学***821，蓝色光被射入光调制部824。其中，上述中继光学***821包括为了防止较长的光路导致的光损失而设置的入射透镜818、中继透镜819、和射出透镜820。
对光调制部822～824来说，夹着液晶光阀830而在两侧配置有入射侧偏振元件840和射出侧偏振元件部850。入射侧偏振元件840设置在从光源810射出的光的光路上的光源810和液晶光阀830之间。另外，射出侧偏振元件部850设置在通过了液晶光阀830的光的光路上的液晶光阀830和投影透镜826之间。入射侧偏振元件840和射出侧偏振元件部850被配置为相互的透过轴正交(正交偏振方式)。
入射侧偏振元件840是反射型的基于本发明的偏振元件，使与透过轴正交的振动方向的光反射。
另一方面，射出侧偏振元件部850具有第1偏振元件(前偏振片、与预偏器同义)852、和第2偏振元件854。在第1偏振元件852中使用了在基于本发明的偏振元件上追加了光吸收层的偏振元件。另外，第2偏振元件854是将有机材料作为形成材料的偏振元件。第1偏振元件852和第2偏振元件854都是吸收型的偏振元件，第1偏振元件852和第2偏振元件854进行协作来吸收光。
一般而言，由有机材料形成的吸收型偏振元件由于容易因热而劣化，所以难以作为需要较高亮度的大功率输出的投影仪的偏振装置进行使用。但是，在本发明的投影仪800中，在第2偏振元件854和液晶光阀830之间，配置有由具有高耐热性的无机材料形成的第1偏振元件852，第1偏振元件852和第2偏振元件854进行协作来吸收光。因此，由有机材料形成的第2偏振元件854的劣化被抑制。
被各个光调制部822～824调制后的3色光射入正交二向色棱镜825。该正交二向色棱镜825由4个直角棱镜贴合而成，在其界面上，以X字状形成有反射红光的电介质多层膜和反射蓝光的电介质多层膜。利用这些电介质多层膜，3色光被合成，以形成表现彩色图像的光。被合成后的光通过作为投影光学***的投影透镜826被投影到屏幕827上，并且图像被放大显示。
具有以上那样构成的投影仪800利用上述的本发明的偏振元件，因此即使使用大功率输出的光源也能够抑制偏振元件的劣化。因此，能够构成可靠性较高、且具有良好的显示特性的投影仪800。
[液晶装置]
图5是表示具备本发明涉及的偏振元件的液晶装置300的一例的截面示意图。本实施方式的液晶装置300被构成为，在元件基板310和对置基板320之间夹持有液晶层350。
元件基板310具备偏振元件330，对置基板320具备偏振元件340。偏振元件330和偏振元件340是上述的第1实施方式的偏振元件。
偏振元件330具备基板主体331、金属层332、和保护膜333，偏振元件340具备基板主体341、金属层342、和保护膜343。其中，金属层332和金属层342各自具备的电介质层13未图示。在本实施方式中，基板主体331、341是偏振元件的基板，同时也兼作液晶装置用的基板。另外，金属层332和金属层342以相互交叉的方式被配置。所有的偏振元件都将金属层配置在内面侧(液晶层350侧)。
在偏振元件330的液晶层350一侧，具备像素电极314、未图示的布线和TFT元件，并配置有定向膜316。同样，在偏振元件340的内面侧，设置有共同电极324和定向膜326。
在具有这种构成的液晶装置中，基板主体331、341兼具液晶装置用的基板和偏振元件用的基板的功能，因此能够减少部件个数。因此，能够使装置整体小型化，并能够提高液晶装置300的功能。并且，由于装置构造被简化，所以制造简单，并且能够实现成本缩减。
[电子设备]
接着，对本发明的电子设备涉及的其他实施方式进行说明。图6是表示使用了图5所示的液晶装置的电子设备的一例的立体图。图6所示的便携式电话(电子设备)1300被构成为，具备本发明的液晶装置来作为小尺寸的显示部1301，并具备多个操作按钮1302、接听口1303和通话口1304。由此，能够提供具备可靠性较高、且能够进行高品质显示的显示部的手机1300。
另外，本发明的液晶装置除了上述的便携式电话以外，还可以作为电子书、个人计算机、数码相机、液晶电视、投影仪、取景器(viewfinder)型或者监视器直视型录像机、车辆导航装置、呼叫器、电子记事本、计算器、文字处理器、工作站、可视电话、POS终端、具备有触摸屏的设备等图像显示装置来进行适当的使用。
另外，该发明不限于上述的实施方式，可以在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种变形来实施。
[偏振元件的试制验证和可靠性评价]
为了确认发明的效果，制成偏振元件并对可靠性试验后的光学特性进行了评价。
在评价中，假定将本发明的偏振元件作为液晶投影仪的光阀用的偏振元件来应用。对于本发明的偏振元件而言，由于由无机材料形成，耐热性较高，所以能够被应用为上述的具有大功率输出的光源的液晶投影仪的入射侧偏振元件。
在这种入射侧偏振元件中，需要对TM光具有较高的透过率，而对TE光具有较高的反射率并且具有较低的透过率。具体而言，当TM光的透过率I(TM)大于80％而TE光的透过率I(TE)小于1％时，在使用上没有问题，更优选的是，由I(TM)/I(TE)定义的对比度在100以上。另外，将TE光的透过率从初始值变化了10％所用的时间定义为偏振元件的产品寿命。
在表1中表示了试制标准。电介质层13的宽度L2由上述的臭氧氧化的处理时间控制。对于各个样品，下面的标准是共同的，即铝(金属层12)的高度H1为160nm，沟部15的宽度S为70nm，电介质层13(或者金属层12)的周期P为140nm。1号样品是没有进行臭氧处理的比较例，在金属层12的表面形成有自然氧化膜。该自然氧化膜与基于本发明的电介质层13不同，但是为了方便，在表1中将1号样品的自然氧化膜的厚度显示成电介质层的宽度L2。在图7中，表示了2号、3号、4号样品的SEM观察结果。在进行观察时，为了测量电介质层的宽度，通过溶解铝来将电介质层13表面化。
【表1】
Figure BSA00000521539000111
针对通过上述内容制作的样品，在300℃的大气环境下进行了可靠性试验。在下面的表2中，表示了TE光的透过率从初始值开始变化了10％的寿命时间和、以1号样品为基准的情况下的寿命延长倍率。为了进行测量，使用了日立高新技术股份有限公司生产的分光光度计U-4100。
【表2】
  样品编号   寿命时间(hr)   寿命延长倍率
  1   3.2   1.0
  2   110.0   34.3
  3   230.0   71.7
  4   123.3   38.5
根据该结果，由于电介质层的形成，寿命时间大幅度增加，3号样品(电介质层的宽度为20nm)表示了寿命延长倍率最高的值。这里所形成的电介质层13(氧化铝)与金属层12(铝)相比，晶格常数大了20％左右。因此，若如4号样品那样，将进行臭氧处理前的金属层12的宽度(60nm)的40％以上的金属层置换成电介质层13，则伴随着体积变化产生结晶缺陷，其结果，能认为氧气将其作为导入通路来进行氧化。综上所述可以得知，在试制的偏振元件的情况下，当将电介质层13的宽度L2控制在进行臭氧处理前的金属层12的宽度的25％以上、40％以下的范围内时，可以制作产品寿命最长的偏振元件。
根据上述结果，能够确认具备本发明构成的反射型偏振元件具有良好的光学特性，并确定了本发明的构成对于课题解决是有效的。

Claims (8)

1.一种偏振元件的制造方法，其特征在于，
该偏振元件具备在俯视时在基板上形成为条纹状的多个金属层和、在上述多个金属层中的一个金属层的表面上设置的电介质层；
该偏振元件的制造方法具有在氧气环境中，通过使上述多个金属层的表面氧化来形成上述电介质层的步骤。
2.根据权利要求1所述的偏振元件的制造方法，其特征在于，
上述氧气是臭氧气体。
3.根据权利要求1或2所述的偏振元件的制造方法，其特征在于，
在形成上述电介质层的步骤中，向上述多个金属层照射紫外光。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的偏振元件的制造方法，其特征在于，
还具有在上述多个金属层之间的区域内的上述基板上形成沟的步骤。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的偏振元件的制造方法，其特征在于，
上述金属层是从铝、银、铜、铬、钛、镍、钨、铁中选择的材料；
上述电介质层是上述金属层的氧化物。
6.一种投影型显示装置，其特征在于，具备：
光源；
入射从上述光源射出的光的液晶电光学元件；
向被投影面投影通过了上述液晶电光学元件的光的投影光学***；
在从上述光源射出的光的光路上的上述光源和上述液晶电光学元件之间、和通过了上述液晶电光学元件的光的光路上的上述液晶电光学元件和上述投影光学***之间的其中至少一方，设置有根据权利要求1至5的任意一项所述的制造方法制造出的偏振元件。
7.一种液晶装置，其特征在于，
在一对基板间夹持液晶层，在上述一对基板中的至少一个基板和上述液晶层之间设置有根据权利要求1至5中的任意一项所述的制造方法制造出的偏振元件。
8.一种电子设备，其特征在于，
具备权利要求7所述的液晶装置。
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