CN103403614A - 光取向曝光装置及光取向曝光方法 - Google Patents

光取向曝光装置及光取向曝光方法 Download PDF

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Abstract

提供能形成优异特性的取向膜的光取向曝光装置及光取向曝光方法。本发明所涉及的光取向曝光装置1，具备：照射光学***11，包含偏振光照射单元12和偏振光控制元件14，向表面具有取向膜的基板2照射光束；以及扫描单元15，使基板2或照射光学***11的至少一部分移动，沿既定的扫描方向对基板2扫描光束，偏振光照射单元12向偏振光控制元件14射出直线偏振光，偏振光控制元件14具有沿与扫描方向正交的方向排列的单位偏振光控制区域，从单位偏振光控制区域照射的光束的偏振方向按每既定数量的单位偏振光控制区域而周期性变化，并且在所述周期内关于与所述扫描方向平行且与所述基板正交的平面大致对称。

Description

光取向曝光装置及光取向曝光方法
技术领域
本发明在液晶显示板制造领域使用，尤其涉及用于在液晶显示装置所使用的基板上对取向膜赋予取向性以使液晶分子定位成希望的角度和方向的光取向曝光装置以及光取向曝光方法。
背景技术
随着近年来液晶显示领域的利用扩大而需求增大，强烈要求改善以往的液晶显示装置的不足即视角、对比度、显示动画性能等。特别是在液晶显示基板上，在对液晶分子赋予取向性的取向膜上，使取向方向统一、赋予预倾角、在单一像素内形成多个区域（多畴）等各种改善被推进。
现在，向形成于液晶显示基板上的聚合物层（取向膜）赋予取向特性的优点以及为此目的的技术被广泛知晓。作为这样的赋予取向特性的方法存在称为布摩擦法的方法，但是，该方法是一边使缠上布的辊旋转、一边使基板移动，单向强烈摩擦表面的聚合物层的处理。
然而，该布摩擦法被指出产生静电、取向膜表面出现划痕、产生粉尘等各种不足。已知为避免该布摩擦法的问题，向取向膜照射紫外区域的偏振光而赋予取向特性的光摩擦法。
在专利文献1中，关于使用这样的光摩擦法的方法，公开了利用曝光掩模，分开形成取向方向不同的多个取向区域的液晶显示用基板的制造方法。
在专利文献2中，公开了通过同时照射从线栅偏振光镜的第1区域出射的第1偏振光和从第2区域出射的第2偏振光，从而进行光取向处理的电光装置的制造方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开第2007－219191号公报；
专利文献2：日本专利公开第2010－91906号公报。
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1的方法中，需要多次曝光处理，因此在处理工序上花费了时间。而且，依然需要进行曝光掩模的对位，工序变得复杂。
另外，在专利文献2的方法中，无法使第1区域和第2区域中的取向强度统一，特别是无法谋求提高视角性能。而且，从线栅偏振光镜出射的偏振光经由会聚透镜照射到板状部件，线栅偏振光镜表面的像并未在板状部件表面成像。
为解决课题的方案
因此，本发明所涉及的光取向曝光装置，其特征在于，具备：照射光学***，包含偏振光照射单元和偏振光控制元件，向表面具有取向膜的基板照射光束；以及扫描单元，使所述基板或所述照射光学***的至少一部分移动，沿既定的扫描方向对所述基板扫描所述光束，所述偏振光照射单元向所述偏振光控制元件射出直线偏振光，所述偏振光控制元件具有沿与所述扫描方向正交的方向排列的单位偏振光控制区域，从所述单位偏振光控制区域射出的光束的偏振方向按每既定数量的单位偏振光控制区域而周期性变化，并且在所述周期内关于与所述扫描方向平行且与所述基板正交的平面大致对称。
进而，在本发明所涉及的光取向曝光装置中，其特征在于，所述偏振光射出单元射出与所述扫描方向大致平行的方向的直线偏振光，所述偏振光控制元件用1/2波片构成，所述单位偏振光控制区域的快轴按每既定数量的单位偏振光控制区域而周期性变化，并且在所述周期内关于与所述扫描方向平行且与所述基板正交的平面大致对称。
进而，在本发明所涉及的光取向曝光装置中，其特征在于，所述照射光学***，具有将所述偏振光控制元件表面沿至少与所述扫描方向大致正交的方向成像到所述基板上的成像光学***。
进而，在本发明所涉及的光取向曝光装置中，其特征在于，所述照射光学***，具有将所述偏振光控制元件表面的像沿至少与所述扫描方向大致相同的方向收缩或者会聚并照射到所述基板上的收缩光学***。
进而，在本发明所涉及的光取向曝光装置中，其特征在于，所述收缩光学***具有至少1个柱面透镜，由所述柱面透镜形成的焦散面与所述基板相交而形成至少一条焦散线。
此外，本发明所涉及的光取向曝光方法，将通过照射光学***的光束照射到表面具有取向膜的基板，所述照射光学***包含偏振光控制元件，所述光取向曝光方法的特征在于，使所述基板或所述照射光学***的至少一部分移动，沿既定的扫描方向对所述基板扫描所述光束，并且，所述偏振光控制元件具有沿与所述扫描方向正交的方向排列的单位偏振光控制区域，从所述单位偏振光控制区域照射的光束的偏振方向按每既定数量的单位偏振光控制区域而周期性变化，并且在所述周期内关于与所述扫描方向平行且与所述基板正交的平面大致对称。
发明的效果
在本发明中，通过使从单位偏振光控制区域照射的光束的偏振方向按每既定数量关于扫描方向大致对称，能形成使取向强度一致的取向膜。进而通过取向状态具有对称性，能实现视角性能优异的液晶显示装置。
进而，在本发明中，通过在偏振光控制元件上利用1/2波片，能谋求构成的简化。
进而，在本发明中，通过在照射光学***设有成像光学***，能将偏振光控制元件表面沿与扫描方向大致正交的方向成像到基板的表面，能抑制偏振光控制元件在邻接的单位偏振光控制区域之间出现的衍射波、散射波等影响，形成良好的取向特性。
进而，在本发明中，通过在照射光学***设有收缩光学***，能将通过偏振光控制元件的光沿与扫描方向大致相同的方向收缩或者会聚并照射到所述基板的表面，能抑制在偏振光控制元件表面存在划痕等缺陷的情况的影响，形成良好的取向特性。
附图说明
 
图1是示出本发明的实施方式所涉及的光取向曝光装置的构成的图；
图2是示出本发明的实施方式所涉及的偏振光控制元件的偏振方向的图；
图3是示出本发明的实施方式所涉及的偏振方向与像素的关系的图；
图4是示出本发明的其他实施方式所涉及的偏振方向与像素的关系的图；
图5是示出本发明的其他实施方式所涉及的偏振方向与像素的关系的图；
图6是关于在偏振光控制元件中产生的问题进行说明的图；
图7是示出在本发明的其他实施方式中使用的照射光学***的图；
图8是示出在本发明的其他实施方式中使用的照射光学***的图；
图9是示出在本发明的其他实施方式中使用的照射光学***的图；
图10是示出在本发明的其他实施方式中使用的照射光学***的图。
具体实施方式
图1是示出本发明的实施方式所涉及的光取向曝光装置的构成的图。本实施方式的光取向曝光装置作为主要构成要件具有照射光学***11、扫描单元15。照射光学***11是通过对形成于基板2表面的取向膜照射紫外线光束，对配设于基板2上的取向膜赋予取向特性的单元，在本实施方式中，由偏振光照射单元12、偏振光控制元件14构成。
扫描单元15是通过使设置在其上表面的基板2沿既定的扫描方向（沿图中Y轴方向）移动，使通过照射光学***11照射的光束在基板2上扫描的单元。作为扫描方法，在如此使基板2移动以外，也可以使照射光学***11移动，或者使基板2和照射光学***11双方移动。在本实施方式中向基板2直接照射来自偏振光控制元件14的照射光C，但是，也可以在偏振光控制元件14与基板2之间设有将照射区域限制为狭缝状的掩模。通过设有掩模，能在基板2仅曝光有效的照射光，能谋求提高取向性能。
在扫描单元15上设置有成为曝光对象的基板2。在本实施方式中，基板2的扫描方向设置成作为液晶显示装置利用时的纵向或横向。在成为曝光对象的基板2的表面，聚酰亚胺等感光性高分子被形成为膜状。向该高分子膜上照射直线偏振光使高分子膜改性，如果在未图示的后续工序在高分子膜上涂敷液晶分子，则液晶分子受高分子膜作用并定位（取向）成特定的方向。本来将具有该取向特性的高分子膜称为取向膜，但是，一般也将赋予取向特性以前的高分子膜称为取向膜，在说明书中将也包含赋予取向特性以前的高分子膜在内称为取向膜。
偏振光照射单元12由光源12a、反射镜12b、偏振光镜12c构成。从紫外线灯等光源12a照射的紫外线用抛物面镜等反射镜12b等整理成平行光，作为光源光A向偏振光镜12c侧照射。偏振光镜12c是从光源光A取出既定方向的直线偏振光分量的单元。在本实施方式中，利用该偏振光镜12c从光源光A取出与Y轴方向（扫描方向）大致平行的直线偏振光B。此外，也可以利用与Y轴方向（扫描方向）大致垂直的直线偏振光。
偏振光控制元件14是使入射的直线偏振光的偏振方向旋转既定角度的元件，在本实施方式中由1/2波片构成。图2是示出该偏振光控制元件14中控制偏振方向的情况的图。图2（a）是示出入射到偏振光控制元件14的入射光的偏振方向的图，在图1中直线偏振光B与其相当。图2（b）是示出偏振光控制元件14的局部放大图的图。图2（c）是示出从偏振光控制元件14射出的输出光的偏振方向的图，在图1中照射光C与其相当。图2（a）～（c）实际上在Z轴方向重合，但是，此处为了说明表现为在Y轴方向错开。
如图2（b）所示，偏振光控制元件14在X轴方向、即与扫描方向正交的方向，形成为具有单位偏振光控制区域14a、14b，该单位偏振光控制区域14a、14b具有既定宽度。单位偏振光控制区域14a、14b的X轴方向的宽度为几μm～十几μm左右，每个邻接的区域快轴的方向不同。特别是在本实施方式中，形成为单位偏振光控制区域14a、14b以既定数量(此情况下为2个）为周期而具有重复图案。在图2（b）所示的例中，由2个单位偏振光控制区域14a、14b形成一个周期A1、A2。
进而，这些在各周期A1、A2内的单位偏振光控制区域14a、14b形成为其快轴关于Y轴方向、即扫描方向成为大致对称。此外，这里所说的对称，准确地说是指如既定数量(此情况下为2个）的单位偏振光控制区域14a、14b那样沿与扫描方向正交的方向（X轴方向）分开为多个，并且偏振方向或波片的快轴方向关于与扫描方向平行且与此处未图示的基板2正交的平面成为大致对称。观察周期A1，在单位偏振光控制区域14a中，快轴相对于Y轴沿逆时针方向倾斜角度θ，与之相对，在单位偏振光控制区域14b中，快轴相对于Y轴沿顺时针方向倾斜角度θ。
如果直线偏振光入射如此形成的偏振光控制元件14，则偏振面以关于快轴成为对称的方式旋转。即，如图2（c）所示，从单位偏振光控制区域14a输出的照射光的偏振面相对于Y轴沿逆时针方向旋转角度2θ。另一方面，从单位偏振光控制区域14b射出的照射光相对于Y轴沿顺时针方向旋转角度2θ。如此由偏振光控制元件14所照射的照射光、即照射到基板2的照射光C，按每既定数量的单位偏振光控制区域14a、14b其偏振方向相对于Y轴方向成为大致对称。特别是，能够通过设定θ=22.5°，将照射光的偏振方向设为2θ=45°，使邻接的单位偏振光控制区域14a、14b之间的偏振面相互正交（90°）。
照射光C对基板2的取向膜赋予取向特性，如此邻接的单位偏振光控制区域14a、14b之间的偏振方向关于扫描方向成为对称，因此，能使基板2的取向膜的取向强度一致。通常，Y轴方向成为液晶显示装置的纵向或者横向，因此，能够使偏振方向相对于液晶显示装置的纵向或者横向大致对称，能形成视角特性优异的取向特性。此外，图2（a）所示的入射光的偏振方向，不仅如本实施方式那样设为与扫描方向平行，即使设为垂直也能够将照射光的偏振方向设为对称。
图3是示出装入液晶显示装置时基板2和像素的位置关系的一例的图。在本实施方式中，各周期A配置成与1个像素21相对应。在图中示出取向所使用的照射光C的偏振方向，像素21a、21b、21c分别与周期A1、A2、A3的取向区域相对应。各取向区域，如用图2所说明的，由既定数量（2个）的单位偏振光控制区域14a、14b形成。
在该实施方式中优选使各周期内的取向方向相互正交。在照射光C的偏振方向和液晶显示装置中实际使用时的取向方向一致的情况下，如用图2所说明的设为θ=22.5即可，在偏振方向与取向方向不一致的情况下，调整偏振光控制元件14的快轴，以使取向方向正交。在调整中使用的参数仅有角度θ，因此能简单地调整。
以上，在本实施方式中，来自偏振光控制元件14的照射光的偏振方向按每既定数量的单位偏振光控制区域关于扫描方向大致对称，因此能形成良好的取向特性的取向膜。
在图3所示的实施方式中，使具有2个取向区域的周期A与1个像素21对应而配置，但是，取向区域根据液晶显示装置的性能、或者使用用途能够设为适当的区域。图4、图5是示出其他实施方式所涉及的基板2和像素的位置关系的图。
图4是使具有4个取向区域的周期A与1个像素21对应而配置的实施方式。即使在该实施方式中各周期A的偏振方向也是相对于扫描方向成为对称。例如，通过设定偏振方向，以使在各周期A中基板2的取向方向相对于Y轴成为±30°、±60°的关系，从而能形成视角性能优异的取向膜。
图5是使1个取向区域与各像素对应，由邻接的2个像素21a、21b形成1个周期A。如此，像素21和周期A的关系即使不是一对一的关系也可以。在这样的实施方式中，通过使邻接的取向区域的偏振方向正交，能在用于立体视觉的液晶显示装置中使用。将图中的像素21a、21c作为左眼用像素、将像素21b、21d作为右眼用像素使用，使用具有与各个像素21相对应的偏振滤光片的偏振眼镜，能观察立体影像。
接下来，使用图6～图9关于本发明的其他实施方式进行说明。在用图1说明的实施方式中，来自偏振光控制元件14的照射光C直接照射基板2。现状下，制造能与大型的液晶显示装置相对应的大尺寸的偏振光控制元件14是困难的，因此，如图6所示，成为连接多个宽度30cm左右的偏振光控制元件单元14A～14C而形成的构成。邻接的偏振光控制元件单元14A～14C的连接部为不连续的边界，所以，在连接部出现衍射波、散射波等，由于与透射偏振光控制元件单元14A～14C的波干涉，在基板2上产生模糊、干涉条纹等。该现象即使在邻接的单位偏振光控制区域之间也会产生。在本实施方式中，为了应对这样的问题，在照射光学***11设有成像光学***。
图7是示意性地示出本实施方式中的照射光学***的一部分的图。本实施方式中的成像光学***，由配置在偏振光控制元件14与基板2之间的第1透镜16a和第2透镜16b构成。第1透镜16a是具有焦距f1的透镜，从偏振光控制元件14的表面向像侧隔开距离f1而配置。另一方面，第2透镜16b是具有焦距f1的透镜，从基板2向物侧隔开距离f1而配置。第1透镜16a与第2透镜16b之间的距离设定为2×f1。
利用这样的构成，通过偏振光控制元件14的平行光经过第1透镜16a暂时会聚，经过第2透镜16b再作为平行光照射基板2，使偏振光控制元件14的像在基板2上以等倍成像。
如此本实施方式的成像光学***，至少在X轴方向、即与偏振光控制元件单元14A～14C的连接部的方向（Y轴方向：扫描方向）大致正交的方向成像。从而，能抑制在邻接的偏振光控制元件单元14A～14C之间，或者在邻接的单位偏振光控制区域之间产生的衍射波、散射波等的影响。此外，在图7中，在偏振光控制元件14的端面标有示出波片的快轴方向的箭头，在基板2的端面标有示出各个区域的偏振方向的箭头。本来，这些箭头应记载在X－Y平面上，但是这里为了说明记载在纸面上。
在本实施方式中，通过将第1透镜16a、第2透镜16b的焦距都选定为f1，并且将偏振光控制元件14、第1透镜16a、第2透镜16b及基板2之间的距离设为f1：2f1：f1，从而使偏振光控制元件14表面在基板2上以等倍成像，但是，也可以将偏振光控制元件14的像放大或者收缩而投影到基板2上。例如，通过以下设置就能实现，即将第2透镜16b的焦距选定为f5（f5=α×f1，α：放大率或收缩率），将偏振光控制元件14、第1透镜16a、第2透镜16b及基板2之间的距离设为f1：（f1+f5）：f5。另外如果无需将照射基板2的光设为平行光，则第1透镜16a与第2透镜16b之间的距离能任意设定。
图8是示意性示出其他实施方式中的照射光学***的一部分的图，在本实施方式中，使照射光学***11同时具有成像光学***和收缩光学***的功能。具体而言，如图8（a）、（b）所示，与图7同样地配置有第1透镜16a和第2透镜16b，进而，在偏振光控制元件14与第1透镜16a之间，配置有在X－Z面内不具有放大率而在Y－Z面内具有负放大率的凹柱面透镜17。该凹柱面透镜17（本发明中的“柱面透镜”）是具有焦距－f2的透镜，从偏振光控制元件14隔开距离f2而配置。
如图8（a）所示，偏振光控制元件14的表面在X－Z面内如用图7的实施方式说明那样在基板2表面成像。另一方面，如图8（b）所示在Y－Z面内通过偏振光控制元件14的平行光由凹柱面透镜17发散。第1透镜16a将该发散光转换为平行光并向第2透镜16b侧射出。第2透镜16b使该平行光收缩并照射到基板2上。在本实施方式中，通过在第2透镜16b的后侧焦点位置配置基板2而使平行光会聚。
如此在本实施方式中，以如下构成为特征，即设有沿与扫描方向大致平行的方向，使来自偏振光控制元件14的照射光收缩或者会聚到基板2上的收缩光学***。在这样的构成中，即使例如在偏振光控制元件14等存在划痕等缺陷的情况下，通过设有收缩功能也能抑制对曝光面的影响。
另外，在本实施方式中，设为在第1透镜16a的物侧设有凹柱面透镜17的构成，但是，其配置位置也可以为像侧。此外，在与第1透镜16a的像侧焦点相比配置在更靠近基板2侧的情况下，要实现收缩功能的情况下使用凸柱面透镜。
图9是示意性示出其他实施方式中的照射光学***的一部分的图，与图8的实施方式同样，使照射光学***11同时具有成像光学***和收缩光学***的功能。第1透镜16a和第2透镜16b与前述实施方式同样地作为成像光学***发挥功能。凸柱面透镜17在X－Z面内不具有放大率而在Y－Z面内具有正放大率（焦距f3），且配置在第2透镜16b的像侧。凸柱面透镜18在X－Z面内不具有放大率而在Y－Z面内具有正放大率（侧焦距f4），且配置在凸柱面透镜17与基板2之间。配置成：凸柱面透镜18与凸柱面透镜17的距离成为凸柱面透镜18的焦距f4与凸柱面透镜17的焦距f3的和，即形成共焦***。
从第2透镜16b射出的平行光，通过形成该共焦***的凸柱面透镜17、18再次形成平行光而照射到基板2上。通过将凸柱面透镜17的焦距f3设定为大于凸柱面透镜的焦距f4，能同时具有收缩光学***和平行光学***的功能。如此通过用平行光进行曝光，能谋求进一步提高取向特性。此外，该凸柱面透镜17及凸柱面透镜18即使为凸柱面透镜和凹柱面透镜的组合也能实现同样的功能。
图10是示意性示出其他实施方式中的照射光学***的一部分的图。为了简化，使用最简单构成的作为收缩光学***的凸柱面透镜17，配置成其焦点31与基板2相比更靠远方。凸柱面透镜17在X－Z面内不具有放大率而在Y－Z面内具有正放大率，且配置于第2透镜16b的像侧。如图10（a）所示，在X－Z面内柱面透镜17不具有透镜作用，因此与上述的实施方式同样单位偏振光区域14a、14b的边界在基板2上成像。
另一方面，在图10（b）所示的Y－Z面内，通过光轴附近的光线32a在基板2前端的焦点31会聚。如果是理想的透镜，则从光轴稍微偏离的光线32b还会在焦点31会聚，但是实际的透镜存在像差，因此在通常的凸透镜中越是从光轴偏离的光线其焦距越短，与焦点31相比在更靠近柱面透镜17的位置会聚。进而从光轴偏离的光线32c与光线32b相比在更加靠近柱面透镜17的位置会聚。
这样，由光线32a、32b、32c、32d在光轴的Y方向两侧形成包络面33a、33b（焦散面）。实际上该包络面与光线32a、32b、32c、32d相接，但是在图示的情况下描绘为稍微分离。如果观察基板2上的各光线的位置，则与光线32a相比光线32b、32c位于更靠外侧，光线32d与光线32b、32c相比位于靠近光轴的位置。即，入射时按光线32a、32b、32c、32d的次序从光轴偏离的光线，在基板2上以光线32b、32c附近为界折回。从而，在包络面上光线因折回而集中，所以强度高。
该包络面和基板2的交线在球面透镜的情况下为圆形，而如本实施方式那样柱面透镜时则为一对平行的直线。在本说明书中，将该包络面（焦散面）和基板的交线定义为“焦散线”。基板2上的Y方向的光束强度分布为：焦散线的中间因为会聚所以明亮，焦散线上非常明亮，而且焦散线的外侧光束强度为零。即，如果利用焦散线则能够得到边界非常陡的直线上的光束。其结果是能够对取向膜有效地赋予取向特性。
在本实施方式中，设为通过凸柱面透镜17在基材2上形成2条焦散线34a、34b，但是，此前示出的其他光学***，也同样具有能利用包含焦散线的光束，另外因此能取得边界较陡的线状光束等的优点。
此外，本发明并不限于这些实施方式，适当组合各个实施方式的构成而构成的实施方式也成为本发明的范畴。

Claims (6)

1. 一种光取向曝光装置，其特征在于，具备：
照射光学***，包含偏振光照射单元和偏振光控制元件，向表面具有取向膜的基板照射光束；以及
扫描单元，使所述基板或所述照射光学***的至少一部分移动，沿既定的扫描方向对所述基板扫描所述光束，
所述偏振光照射单元向所述偏振光控制元件射出直线偏振光，
所述偏振光控制元件具有沿与所述扫描方向正交的方向排列的单位偏振光控制区域，
从所述单位偏振光控制区域射出的光束的偏振方向按每既定数量的单位偏振光控制区域而周期性变化，并且在所述周期内关于与所述扫描方向平行且与所述基板正交的平面大致对称。
2. 如权利要求1所述的光取向曝光装置，其特征在于，
所述偏振光射出单元射出与所述扫描方向大致平行或大致正交的方向的直线偏振光，
所述单位偏振光控制区域用1/2波片构成，
所述单位偏振光控制区域的快轴按每既定数量的单位偏振光控制区域而周期性变化，并且在所述周期内关于与所述扫描方向平行且与所述基板正交的平面大致对称。
3. 如权利要求1或权利要求2所述的光取向曝光装置，其特征在于，
所述照射光学***，具有将所述偏振光控制元件表面沿至少与所述扫描方向大致正交的方向成像到所述基板上的成像光学***。
4. 如权利要求1至权利要求3中任一项所述的光取向曝光装置，其特征在于，
所述照射光学***，具有将通过所述偏振光控制元件的光束沿至少与所述扫描方向大致相同的方向收缩或者会聚并照射到所述基板上的收缩光学***。
5. 如权利要求4所述的光取向曝光装置，其特征在于，
所述收缩光学***具有至少1个柱面透镜，
由所述柱面透镜形成的焦散面与所述基板相交而形成至少一条焦散线。
6. 一种光取向曝光方法，将通过照射光学***的光束照射到表面具有取向膜的基板，所述照射光学***包含偏振光控制元件，所述光取向曝光方法的特征在于，
使所述基板或所述照射光学***移动，沿既定的扫描方向对所述基板扫描所述光束，并且，
所述偏振光控制元件具有沿与所述扫描方向正交的方向排列的单位偏振光控制区域，
从所述单位偏振光控制区域射出的光束的偏振方向，关于通过既定数量的单位偏振光控制区域所邻接的边界且与所述基板正交的平面大致对称。
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