JP2005010280A - カラーフィルタアレイ及びその製造方法、表示装置、投射型表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】誘電体多層膜からなる干渉型カラーフィルタアレイの微細化と製造コトの低減を可能とする。
【解決手段】Ｂ，Ｒ，Ｇ用の干渉型フィルタ層３１，３２，３３を、それぞれＢ用の画素電極４１ｂ，Ｒ用の画素電極４１ｒ，Ｇ用の画素電極４１ｇに対応してパターン形成し、これらをそれぞれ透光性の層間膜３５，３６，３７を介して互いに積層する。したがって、複数種類の干渉型フィルタ層が層間膜を介してそれぞれ別々の層に配置されているため、各フィルタ層をパターニングする際に、下地の層間膜画エッチングストッパ若しくはエッチングバッファとして機能し、ドライエッチングが可能となりカラーフィルタの微細化が可能となる。また、遮光領域をフィルタの重なりで実現できるため、工程数を少なくして製造コストを低減できる。
【選択図】 図３
【解決手段】Ｂ，Ｒ，Ｇ用の干渉型フィルタ層３１，３２，３３を、それぞれＢ用の画素電極４１ｂ，Ｒ用の画素電極４１ｒ，Ｇ用の画素電極４１ｇに対応してパターン形成し、これらをそれぞれ透光性の層間膜３５，３６，３７を介して互いに積層する。したがって、複数種類の干渉型フィルタ層が層間膜を介してそれぞれ別々の層に配置されているため、各フィルタ層をパターニングする際に、下地の層間膜画エッチングストッパ若しくはエッチングバッファとして機能し、ドライエッチングが可能となりカラーフィルタの微細化が可能となる。また、遮光領域をフィルタの重なりで実現できるため、工程数を少なくして製造コストを低減できる。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉型のカラーフィルタ及びその製造方法と、このカラーフィルタを備えた直視型又は投射型の表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶等に用いられるカラーフィルタとしては、所定の色の光のみ透過して他の色の光を吸収する吸収型フィルタと、所定の色の光のみを透過して他の光を反射する反射型フィルタとが知られている（例えば、特許文献１参照）。この反射型フィルタの１つに、誘電体多層膜を用いた干渉型フィルタがある。
上述の干渉型フィルタでは、誘電体多層膜の層構造によって透過光の波長が変わり、透過波長が例えばＲ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）となる３種類のフィルタを複数並置することで、カラーフィルタアレイを形成することができる。
【０００３】
この干渉型フィルタは次のような特徴を有する。
（１） 色純度が極めて高い。
（２）無機材料から構成されるため、光や熱等による劣化がない。
（３）不要な光は反射されるため、光学系の工夫によりこの反射光を再利用することが可能である。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−３２５３１２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような干渉型フィルタでは、例えば赤と緑等、異なる色の間で膜材料に大きな差異がないため、実際のパターニングにおいてはエッチング選択比が確保できない。このため、従来はリフトオフ法やマスク蒸着法等を用いてパターニングするしか手段がなかった。
【０００６】
しかし、リフトオフ法やマスク蒸着法のいずれの場合も、数十ミクロンピッチでのパターン形成は困難であり、例えば２０μｍ以下のピッチが必要なプロジェクタ用のライトバルブ向け、或いは、携帯電話やＰＤＡ用等の高精細パネル向けには製造が困難であった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、微細化が可能な干渉型カラーフィルタアレイの製造方法及びこの方法で製造されたカラーフィルタアレイと、このカラーフィルタアレイを備えた直視型又は投射型の表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述のように、従来、干渉型フィルタのパターニングにエッチングが用いられなかったのは、透過波長の異なる複数種類のフィルタ層の間でエッチング選択比が十分にとれず、あるフィルタ層をパターニングする際に、パターニング済みの他のフィルタ層までエッチングされてしまうためである。しかし逆にいえば、各フィルタ層を他に影響を与えることなく別々に形成できれば、通常のエッチングにより微細なカラーフィルタアレイを製造可能ということにもなる。
このため本発明者は、従来同一層内に並置されていた複数種類のフィルタ層を層間膜を介して積層させることで、このような製造上の不具合を解消する構想に想い到った。
【０００８】
すなわち、上記の目的を達成するために、本発明のカラーフィルタアレイは、互いに異なる色光を透過する複数種類の干渉型フィルタ層が透光性の層間膜を介して順に積層されてなり、種類の異なる干渉型フィルタ層が平面視で互いに隣接して配置されたことを特徴とする。
【０００９】
このカラーフィルタアレイは例えば以下の方法により製造することができる。
まず、屈折率の異なる複数の誘電体層を積層することにより、基板上に所定の色光を反射しそれ以外の色光を透過する干渉型フィルタ層を形成する（フィルタ層形成工程）。次に、上記干渉型フィルタ層を所定形状にパターニングし（パターニング工程）、続いて、上記干渉型フィルタ層を覆うように基板上に透光性の層間膜を形成する（層間膜形成工程）。そして、上記フィルタ層形成工程，パターニング工程，層間膜形成工程を順に繰り返すことで、互いに異なる色光を透過する複数種類の干渉型フィルタ層を基板上に順に積層形成する。この際、パターニング工程では、これら複数種類の干渉型フィルタ層が平面視で互いに隣接して（具体的には、透過色の異なるフィルタ層がマトリクス状に配列して）配置されるように、各フィルタ層のパターニングを行なう。
【００１０】
このように本発明によれば、複数種類の干渉型フィルタ層が層間膜を介してそれぞれ別々の層に配置されているため、各フィルタ層をパターニングする際に、下地の層間膜がエッチングストッパ若しくはエッチングバッファとして機能し、下層側のフィルタ層への影響が防止される。このため、フィルタ層のパターニング工程にドライエッチングを用いることができ、カラーフィルタの微細化が可能となる。
【００１１】
また、本発明では、種類の異なるフィルタ層が厚み方向に積層配置されているため、これらを一部平面的に重ねることにより容易に遮光領域（ブラックマトリクス）を形成することができる。つまり、透過色の異なる干渉型フィルタ層を積層した場合、一方のフィルタ層を透過した色光は他方のフィルタ層によって反射されるため、結局２種類のフィルタ層が平面的に重なる位置は黒表示となる。このように本構成では、特別な層を追加することなく遮光領域を形成できるため、工程数を少なくして製造コストを低減することが可能となる。
【００１２】
なお、各フィルタ層からの透過光の色純度を高めるために、層間膜形成工程では、層間膜を形成した後、ＣＭＰ（化学的機械研磨法）等によりこの表面を平坦化することが望ましい。
【００１３】
このようなカラーフィルタアレイは、直視型又は投射型の表示装置に対して適用可能である。すなわち、本発明の表示装置は、光源と、上記光源から射出された光を変調する光変調装置と、上記光源と光変調装置との間又は上記光変調装置の光出射側に配置された上述のカラーフィルタアレイを備えたことを特徴とする。或いは、本発明の投射型表示装置は、光源と、上記光源から射出された光を変調する光変調装置と、上記光変調装置によって変調された光を投射する投射手段と、上記光源と光変調装置との間又は上記光変調装置と投射手段との間に配置された上述のカラーフィルタアレイとを備えたことを特徴とする。これにより、光利用効率が高く高精細な直視型又は投射型の表示装置を提供することができる。
【００１４】
なお、カラーフィルタアレイを構成するフィルタ層の数は、表示に用いる原色の数に応じて、３種類或いは４種類以上とすることができる。具体的には、赤色用，緑色用，青色用の３種類のフィルタ層で構成したものを好適に用いることができる。この場合、視感度の高い（即ち、明るさに対して最も寄与率の大きい）緑色光の再帰性を高めるために、光源側から順に配置される３つのフィルタ層の内、緑色光を透過するフィルタ層を光源から最も遠い側に配置することが望ましい。すなわち、光源から最も遠い側に配置されたフィルタ層で反射された光は、光源側に配置された２つの層間膜を通って光源に戻されるため、これらの層間膜を透過する段階で光ロスが生じる。したがって、緑色光を反射する２つのフィルタ層を光源に近い側に配置して緑色光のロスを最小限に抑えることで、明るい照明が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６を参照しながら本発明の一実施形態に係る投射型表示装置について説明する。本実施形態の投射型表示装置１０は、ライトバルブとしての液晶装置１６内にカラーフィルタアレイを備えた単板式の投射型カラー液晶表示装置である。図１はこの投射型表示装置の概略構成を示す図であって、図中、符号１１は光源、１２はロッドインテグレータ、１３はコンデンサレンズ系、１６は液晶装置、１７は投射レンズを示している。
【００１６】
本実施の形態の投射型表示装置１０は、図１に示すように、白色光を射出する光源１１と、光源１１から射出された白色光の輝度分布を均一にするロッドインテグレータ１２と、輝度分布を均一にされた白色光を平行光に変換するコンデンサレンズ系１３と、平行光に変換された白色光をＲＧＢの色光に分光し、分光された各色光を変調する液晶装置１６と、変調された各色光をスクリーンＳに投射する投射レンズ１７とから概略構成されている。
【００１７】
光源１１には、図１に示すように、白色光を射出するメタルハライド等のランプ２１と、射出された白色光を反射するリフレクタ２２とが備えられている。
ロッドインテグレータ１２としては、透光性の棒状の導光体（例えば、ガラス棒）、もしくは内面が反射面とされた管状の導光体などが用いられている。
コンデンサレンズ系１３には、ロッドインテグレータ１２から入射した光が液晶装置１６に平行光となって入射するように、コンデンサレンズ２５ａおよびコンデンサレンズ２５ｂが備えられている。
【００１８】
図２は、本実施形態の液晶装置１６の概略図であり、図３は、その要部を示す拡大断面図である。
本実施形態の液晶装置１６は、ＴＦＴアレイ基板４０と、対向基板３０と、基板３０，４０の間に保持される光変調層としての液晶層４３とを備えている。
【００１９】
ＴＦＴアレイ基板４０には、ガラスや石英等からなる基板本体４０Ａの上に、ＩＴＯ等からなる透光性の画素電極４１がマトリクス状に複数配列形成されている。基板４０Ａには、それぞれ赤色表示，青色表示，緑色表示を行なうための青色用画素電極４１ｂ，赤色用画素電極４１ｒ，緑色用画素電極４１ｇが並置されており、３つの画素電極４１ｂ，４１ｒ，４１ｇによって１つの画素が構成される。そして、これらの画素電極４１（４１ｂ，４１ｒ，４１ｇ）を覆うようにポリイミド等からなる配向膜４２が設けられている。なお、図２，図３では画素電極の通電制御を行なうためのスイッチング素子や走査線，信号線等の図示を省略している。
【００２０】
対向基板３０はカラーフィルタアレイ基板として構成されており、基板３０には、ガラスやプラスチック等の透光性基板からなる基板本体３０Ａ上に、互いに異なる色光を透過する複数（本実施形態では例えば３種類）のフィルタ層３１，３２，３３が設けられている。
各フィルタ層３１〜３３は誘電体多層膜からなる干渉型フィルタ層であり、例えばフィルタ層３１は青色光（Ｂ）を透過しそれ以外の色光を反射する青色用フィルタ層、フィルタ層３２は赤色光（Ｒ）を透過しそれ以外の色光を反射する赤色用フィルタ層、フィルタ層３３は緑色光（Ｇ）を透過しそれ以外の色光を反射する緑色用フィルタ層である。
【００２１】
このように特定の波長領域の光を反射する誘電体多層膜は、高屈折率の誘電体材料と低屈折率の誘電体材料とを、屈折率と層厚とにより決まる光学的厚さが目的とする波長領域の中心波長で１／４波長となるように層厚を調節して、蒸着等の方法により交互に数層〜数十層積層して造ることができる。層の中間等に反射防止層，１／２波長層等のスペーサ層，調整層を設けて反射透過特性でのリップルの抑制を図る等の公知の手法を併用してもよい。なお、上記誘電体材料としては、高屈折率のものではＺｎＳ，ＴｉＯ２等、低屈折率のものではＭｇＦ２，ＳｉＯ２，Ｎａ３ＡｌＦ６等が公知の材料として知られている。また、目的とする波長を変えるには誘電体層の層厚を調節すればよく、誘電体材料を変えることは必ずしも必要ではない。
【００２２】
本実施形態において、これらの干渉型フィルタ層３１〜３３は、層間膜を介して基板３０上に積層されている。すなわち、基板３０上には青色用フィルタ層３１がパターン形成され、このフィルタ層３１を覆うように透光性の第１の層間膜３５が積層されている。そして、この第１の層間膜３５上には赤色用フィルタ層３２がパターン形成され、このフィルタ層３２を覆うように透光性の第２の層間膜３６が積層されている。さらに、この第２の層間膜３６上には緑色用フィルタ層３３がパターン形成され、このフィルタ層３３を覆うように透光性の第３の層間膜３７が積層されている。
【００２３】
これらのフィルタ層３１，３２，３３はそれぞれＴＦＴアレイ基板４０の青色用画素電極４３ｂ，赤色用画素電極４３ｒ、緑色用画素電極４３ｇに対応して設けられており、平面視したときにこれらのフィルタ層３１〜３３がマトリクス状に隣接配置されるように、島状にパターニングされている。
そして、基板３０Ａ上にはＩＴＯ等からなる透光性の共通電極３８が層間膜３７を覆うように全面に形成されており、この共通電極３８を覆うようにポリイミド等からなる配向膜３９が設けられている。
【００２４】
この基板３０は、以下のような方法により製造される。
まず、図４（ａ）に示すように、ガラス等からなる透光性の基板本体３０Ａの上に屈折率の異なる複数の誘電体層を１５〜２５層積層し、透過色が青色となる青色用フィルタ層３１０を形成する（フィルタ層形成工程）。
【００２５】
次に、図４（ｂ），図４（ｃ）に示すように、このフィルタ層３１０上にレジスト５０を形成し、ドライエッチングによりフィルタ層３１０を所定形状にパターニングする（パターニング工程）。図４（ｃ）では、パターニングにより得られた個々の青色用フィルタ層を符号３１で示している。このパターニング工程では、各青色用フィルタ層３１がＴＦＴアレイ基板４０の各青色用画素電極４１ｂに対向配置されるようにし、各フィルタ層３１の大きさを、対応する青色用画素電極４１ｂ及びその周囲の非画素領域Ｓを含む大きさとする。
【００２６】
次に、図４（ｄ）に示すように、フィルタ層３１を覆うように基板３０Ａ上にＳｉＯ２等からなる透光性の第１の層間膜３５を形成する（層間膜形成工程）。この層間膜３５は後述の赤色用フィルタ層のパターニング工程におけるエッチングストッパ若しくはエッチングバッファとして機能するものである。このため、層間膜３５の層厚は、赤色用フィルタ層のパターニングにおいてエッチングマージンを十分に確保できる厚さとする。
この後、必要に応じてＣＭＰ（化学的機械研磨法）等により層間膜３５の表面を平坦化する。このように層間膜３５に平坦化処理を施すことで、フィルタ層３１を透過する光の色純度を高めることができる。
【００２７】
次に、図５（ａ）に示すように、層間膜３５の上に上記青色用フィルタ層と同様の誘電体材料を層厚を変えて１５〜２５層積層し、透過色が赤色となる赤色用フィルタ層３２０を形成する。そして、このフィルタ層３２０上にレジスト５１を形成し（図５（ｂ）参照）、ドライエッチングによりフィルタ層３２０を所定形状にパターニングする（図５（ｃ）参照）。このときのエッチング条件は上記青色用フィルタ層のパターニング工程と同様である。図５（ｃ）では、パターニングにより得られた個々の赤色用フィルタ層を符号３２で示している。このパターニング工程では、各赤色用フィルタ層３２がＴＦＴアレイ基板４０の各赤色用画素電極４１ｒに対向配置されるようにし、各フィルタ層３２の大きさを、対応する赤色用画素電極４１ｒ及びその周囲の非画素領域Ｓを含む大きさとする。
【００２８】
また、赤色用フィルタ層３２０のパターニング工程では、第１の層間膜３５がエッチングストッパ若しくはエッチングバッファとして機能し、下層側の青色用フィルタ層３１がこのパターニング工程によって影響を受けることはない。
【００２９】
次に、図５（ｄ）に示すように、フィルタ層３２を覆うように基板３０Ａ上にＳｉＯ２等からなる透光性の第２の層間膜３６を形成する。この層間膜３６は、後述の緑色用フィルタ層のパターニング工程におけるエッチングストッパ若しくはエッチングバッファとして機能するものである。このため、層間膜３６の層厚は、緑色用フィルタ層のパターニングにおいてエッチングマージンを十分に確保できる厚さとする。この後、必要に応じてＣＭＰ等により層間膜３６の表面を平坦化する。
【００３０】
次に、図６（ａ）に示すように、層間膜３６の上に上記青色用フィルタ層，赤色用フィルタ層と同様の誘電体材料を層厚を変えて２７〜４０層積層し、透過色が緑色となる緑色用フィルタ層３３０を形成する。そして、このフィルタ層３３０上にレジスト５２を形成し（図６（ｂ）参照）、ドライエッチングによりフィルタ層３３０を所定形状にパターニングする（図６（ｃ）参照）。このときのエッチング条件は上記青色用フィルタ層及び赤色用フィルタ層のパターニング工程と同様である。図６（ｃ）では、パターニングにより得られた個々の緑色用フィルタ層を符号３３で示している。このパターニング工程では、各緑色用フィルタ層３３がＴＦＴアレイ基板４０の各緑色用画素電極４１ｇに対向配置されるようにし、各フィルタ層３３の大きさを、対応する緑色用画素電極４１ｇｂ及びその周囲の非画素領域Ｓを含む大きさとする。
【００３１】
また、緑色用フィルタ層３３０のパターニング工程では、第２の層間膜３６がエッチングストッパ若しくはエッチングバッファとして機能し、下層側の赤色用フィルタ層３２がこのパターニング工程によって影響を受けることはない。
【００３２】
次に、図６（ｄ）に示すように、フィルタ層３３を覆うように基板３０Ａ上にＳｉＯ２等からなる透光性の第３の層間膜３７を形成し、必要に応じてＣＭＰ法等により層間膜３７の表面を平坦化する。そして、この層間膜３７を覆うように、基板３０Ａの全面にＩＴＯ等からなる透光性の共通電極を形成し、これを覆うようにポリイミド等からなる配向膜を形成する。なお、層間膜３７は共通電極３８の密着性及び信頼性を確保するためのものであり、必ずしも形成する必要はない。また、層間膜３７を形成する前に共通電極３８を形成することも可能であり、この場合、層間膜３７は共通電極３８に対する保護膜として機能する。
【００３３】
そして、上述のように構成された基板３０，４０は、スペーサ（図示略）によって互いに一定に離間された状態で保持されるとともに、基板周辺部に枠状に塗布されたシール材（図示略）によって接着されている。そして、基板３０，４０及びシール材によって密閉された空間に液晶が封入されて液晶層（光変調層）４３が形成されている。
【００３４】
このように本実施形態によれば、複数種類の干渉型フィルタ層が層間膜を介してそれぞれ別々の層に配置されているため、各フィルタ層をパターニングする際に、下地の層間膜がエッチングストッパ若しくはエッチングバッファとして機能し、下層側のフィルタ層への影響が防止される。このため、フィルタ層のパターニング工程にドライエッチングを用いることができ、例えばライトバルブの画素ピッチである２０μｍ以下の微細なパターンにも対応することが可能となる。
【００３５】
また、本実施形態では、フィルタ層３１〜３３が厚み方向に積層配置されているため、これらを一部平面的に重ねることにより容易に遮光領域（ブラックマトリクス）を形成することができる。例えば本実施形態では、各フィルタ層は、平面視で、対応する画素電極４１及びこの周囲の非画素領域Ｓを含む大きさとされているため、隣接するフィルタ層（フィルタ層３１とフィルタ層３２、フィルタ層３２とフィルタ層３３、フィルタ層３３とフィルタ層３１）はその非画素領域Ｓに対応する部分が平面的に重なるように配置されている。このように透過色の異なるフィルタ層を積層した場合、一方のフィルタ層を透過した色光は他方のフィルタ層によって反射されるため、結局２種類のフィルタ層が平面的に重なる位置（非画素領域Ｓ）は黒表示となる。このように本実施形態では、特別な層を追加することなく遮光領域を形成できるため、工程数を少なくして製造コストを低減することが可能となる。
【００３６】
また、本実施形態では、光源１１側から順に配置される３つのフィルタ層の内、緑色光を透過するフィルタ層３３を光源１１から最も遠い層として緑色光の再帰性を高めているため、視感度の高い（即ち、明るさに対して最も寄与率の大きい）緑色光のロスを小さくすることができる。すなわち、光源から最も遠い側に配置されたフィルタ層で反射された光は、光源側に配置された２つの層間膜を通って光源に戻されるため、これらの層間膜を透過する段階で光ロスが生じる。したがって、緑色光を反射する２つのフィルタ層を光源に近い側に配置して緑色光のロスを最小限に抑えることで、明るい照明が可能となる。
【００３７】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、フィルタ層の数を３種類としたが、この数は表示に用いる原色の数に応じて４種類以上とすることも可能である。この場合、１画素はこれに応じて４つ以上の画素電極によって構成される。
【００３８】
また、上記実施形態では、投射型表示装置として透過型の液晶装置を光変調装置として用いたものを例示した。しかし、本発明の技術範囲はこのような透過型のものに限定されず、例えばＬＣＯＳ等の反射型の投射型表示装置、或いは、ＭＥＭＳ技術に基づくミラー方式の空間光変調器を用いた投射型表示装置に対して、本発明のカラーフィルタアレイを適用することも可能である。
さらに、上記実施形態では本発明のカラーフィルタアレイを投射型表示装置のライトバルブ（液晶装置）に適用した例を示したが、本カラーフィルタアレイは投射型だけでなく直視型の表示装置に対しても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の投射型表示装置を示す概略図である。
【図２】同、投射型表示装置に備えられるカラーフィルタアレイ及び液晶装置を示す概略図である。
【図３】同、カラーフィルタアレイ及び液晶装置の拡大断面図である。
【図４】同、カラーフィルタアレイの製造方法を説明するための工程図。
【図５】図４に続く工程図。
【図６】図５に続く工程図。
【符号の説明】
１０・・・投射型表示装置、１１・・・光源、１６・・・液晶装置（光変調装置）、１７・・・投射レンズ、３１・・・青色用フィルタ層、３２・・・赤色用フィルタ層、３３・・・緑色用フィルタ層、３５，３６，３７・・・層間膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉型のカラーフィルタ及びその製造方法と、このカラーフィルタを備えた直視型又は投射型の表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶等に用いられるカラーフィルタとしては、所定の色の光のみ透過して他の色の光を吸収する吸収型フィルタと、所定の色の光のみを透過して他の光を反射する反射型フィルタとが知られている（例えば、特許文献１参照）。この反射型フィルタの１つに、誘電体多層膜を用いた干渉型フィルタがある。
上述の干渉型フィルタでは、誘電体多層膜の層構造によって透過光の波長が変わり、透過波長が例えばＲ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）となる３種類のフィルタを複数並置することで、カラーフィルタアレイを形成することができる。
【０００３】
この干渉型フィルタは次のような特徴を有する。
（１） 色純度が極めて高い。
（２）無機材料から構成されるため、光や熱等による劣化がない。
（３）不要な光は反射されるため、光学系の工夫によりこの反射光を再利用することが可能である。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−３２５３１２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような干渉型フィルタでは、例えば赤と緑等、異なる色の間で膜材料に大きな差異がないため、実際のパターニングにおいてはエッチング選択比が確保できない。このため、従来はリフトオフ法やマスク蒸着法等を用いてパターニングするしか手段がなかった。
【０００６】
しかし、リフトオフ法やマスク蒸着法のいずれの場合も、数十ミクロンピッチでのパターン形成は困難であり、例えば２０μｍ以下のピッチが必要なプロジェクタ用のライトバルブ向け、或いは、携帯電話やＰＤＡ用等の高精細パネル向けには製造が困難であった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、微細化が可能な干渉型カラーフィルタアレイの製造方法及びこの方法で製造されたカラーフィルタアレイと、このカラーフィルタアレイを備えた直視型又は投射型の表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述のように、従来、干渉型フィルタのパターニングにエッチングが用いられなかったのは、透過波長の異なる複数種類のフィルタ層の間でエッチング選択比が十分にとれず、あるフィルタ層をパターニングする際に、パターニング済みの他のフィルタ層までエッチングされてしまうためである。しかし逆にいえば、各フィルタ層を他に影響を与えることなく別々に形成できれば、通常のエッチングにより微細なカラーフィルタアレイを製造可能ということにもなる。
このため本発明者は、従来同一層内に並置されていた複数種類のフィルタ層を層間膜を介して積層させることで、このような製造上の不具合を解消する構想に想い到った。
【０００８】
すなわち、上記の目的を達成するために、本発明のカラーフィルタアレイは、互いに異なる色光を透過する複数種類の干渉型フィルタ層が透光性の層間膜を介して順に積層されてなり、種類の異なる干渉型フィルタ層が平面視で互いに隣接して配置されたことを特徴とする。
【０００９】
このカラーフィルタアレイは例えば以下の方法により製造することができる。
まず、屈折率の異なる複数の誘電体層を積層することにより、基板上に所定の色光を反射しそれ以外の色光を透過する干渉型フィルタ層を形成する（フィルタ層形成工程）。次に、上記干渉型フィルタ層を所定形状にパターニングし（パターニング工程）、続いて、上記干渉型フィルタ層を覆うように基板上に透光性の層間膜を形成する（層間膜形成工程）。そして、上記フィルタ層形成工程，パターニング工程，層間膜形成工程を順に繰り返すことで、互いに異なる色光を透過する複数種類の干渉型フィルタ層を基板上に順に積層形成する。この際、パターニング工程では、これら複数種類の干渉型フィルタ層が平面視で互いに隣接して（具体的には、透過色の異なるフィルタ層がマトリクス状に配列して）配置されるように、各フィルタ層のパターニングを行なう。
【００１０】
このように本発明によれば、複数種類の干渉型フィルタ層が層間膜を介してそれぞれ別々の層に配置されているため、各フィルタ層をパターニングする際に、下地の層間膜がエッチングストッパ若しくはエッチングバッファとして機能し、下層側のフィルタ層への影響が防止される。このため、フィルタ層のパターニング工程にドライエッチングを用いることができ、カラーフィルタの微細化が可能となる。
【００１１】
また、本発明では、種類の異なるフィルタ層が厚み方向に積層配置されているため、これらを一部平面的に重ねることにより容易に遮光領域（ブラックマトリクス）を形成することができる。つまり、透過色の異なる干渉型フィルタ層を積層した場合、一方のフィルタ層を透過した色光は他方のフィルタ層によって反射されるため、結局２種類のフィルタ層が平面的に重なる位置は黒表示となる。このように本構成では、特別な層を追加することなく遮光領域を形成できるため、工程数を少なくして製造コストを低減することが可能となる。
【００１２】
なお、各フィルタ層からの透過光の色純度を高めるために、層間膜形成工程では、層間膜を形成した後、ＣＭＰ（化学的機械研磨法）等によりこの表面を平坦化することが望ましい。
【００１３】
このようなカラーフィルタアレイは、直視型又は投射型の表示装置に対して適用可能である。すなわち、本発明の表示装置は、光源と、上記光源から射出された光を変調する光変調装置と、上記光源と光変調装置との間又は上記光変調装置の光出射側に配置された上述のカラーフィルタアレイを備えたことを特徴とする。或いは、本発明の投射型表示装置は、光源と、上記光源から射出された光を変調する光変調装置と、上記光変調装置によって変調された光を投射する投射手段と、上記光源と光変調装置との間又は上記光変調装置と投射手段との間に配置された上述のカラーフィルタアレイとを備えたことを特徴とする。これにより、光利用効率が高く高精細な直視型又は投射型の表示装置を提供することができる。
【００１４】
なお、カラーフィルタアレイを構成するフィルタ層の数は、表示に用いる原色の数に応じて、３種類或いは４種類以上とすることができる。具体的には、赤色用，緑色用，青色用の３種類のフィルタ層で構成したものを好適に用いることができる。この場合、視感度の高い（即ち、明るさに対して最も寄与率の大きい）緑色光の再帰性を高めるために、光源側から順に配置される３つのフィルタ層の内、緑色光を透過するフィルタ層を光源から最も遠い側に配置することが望ましい。すなわち、光源から最も遠い側に配置されたフィルタ層で反射された光は、光源側に配置された２つの層間膜を通って光源に戻されるため、これらの層間膜を透過する段階で光ロスが生じる。したがって、緑色光を反射する２つのフィルタ層を光源に近い側に配置して緑色光のロスを最小限に抑えることで、明るい照明が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６を参照しながら本発明の一実施形態に係る投射型表示装置について説明する。本実施形態の投射型表示装置１０は、ライトバルブとしての液晶装置１６内にカラーフィルタアレイを備えた単板式の投射型カラー液晶表示装置である。図１はこの投射型表示装置の概略構成を示す図であって、図中、符号１１は光源、１２はロッドインテグレータ、１３はコンデンサレンズ系、１６は液晶装置、１７は投射レンズを示している。
【００１６】
本実施の形態の投射型表示装置１０は、図１に示すように、白色光を射出する光源１１と、光源１１から射出された白色光の輝度分布を均一にするロッドインテグレータ１２と、輝度分布を均一にされた白色光を平行光に変換するコンデンサレンズ系１３と、平行光に変換された白色光をＲＧＢの色光に分光し、分光された各色光を変調する液晶装置１６と、変調された各色光をスクリーンＳに投射する投射レンズ１７とから概略構成されている。
【００１７】
光源１１には、図１に示すように、白色光を射出するメタルハライド等のランプ２１と、射出された白色光を反射するリフレクタ２２とが備えられている。
ロッドインテグレータ１２としては、透光性の棒状の導光体（例えば、ガラス棒）、もしくは内面が反射面とされた管状の導光体などが用いられている。
コンデンサレンズ系１３には、ロッドインテグレータ１２から入射した光が液晶装置１６に平行光となって入射するように、コンデンサレンズ２５ａおよびコンデンサレンズ２５ｂが備えられている。
【００１８】
図２は、本実施形態の液晶装置１６の概略図であり、図３は、その要部を示す拡大断面図である。
本実施形態の液晶装置１６は、ＴＦＴアレイ基板４０と、対向基板３０と、基板３０，４０の間に保持される光変調層としての液晶層４３とを備えている。
【００１９】
ＴＦＴアレイ基板４０には、ガラスや石英等からなる基板本体４０Ａの上に、ＩＴＯ等からなる透光性の画素電極４１がマトリクス状に複数配列形成されている。基板４０Ａには、それぞれ赤色表示，青色表示，緑色表示を行なうための青色用画素電極４１ｂ，赤色用画素電極４１ｒ，緑色用画素電極４１ｇが並置されており、３つの画素電極４１ｂ，４１ｒ，４１ｇによって１つの画素が構成される。そして、これらの画素電極４１（４１ｂ，４１ｒ，４１ｇ）を覆うようにポリイミド等からなる配向膜４２が設けられている。なお、図２，図３では画素電極の通電制御を行なうためのスイッチング素子や走査線，信号線等の図示を省略している。
【００２０】
対向基板３０はカラーフィルタアレイ基板として構成されており、基板３０には、ガラスやプラスチック等の透光性基板からなる基板本体３０Ａ上に、互いに異なる色光を透過する複数（本実施形態では例えば３種類）のフィルタ層３１，３２，３３が設けられている。
各フィルタ層３１〜３３は誘電体多層膜からなる干渉型フィルタ層であり、例えばフィルタ層３１は青色光（Ｂ）を透過しそれ以外の色光を反射する青色用フィルタ層、フィルタ層３２は赤色光（Ｒ）を透過しそれ以外の色光を反射する赤色用フィルタ層、フィルタ層３３は緑色光（Ｇ）を透過しそれ以外の色光を反射する緑色用フィルタ層である。
【００２１】
このように特定の波長領域の光を反射する誘電体多層膜は、高屈折率の誘電体材料と低屈折率の誘電体材料とを、屈折率と層厚とにより決まる光学的厚さが目的とする波長領域の中心波長で１／４波長となるように層厚を調節して、蒸着等の方法により交互に数層〜数十層積層して造ることができる。層の中間等に反射防止層，１／２波長層等のスペーサ層，調整層を設けて反射透過特性でのリップルの抑制を図る等の公知の手法を併用してもよい。なお、上記誘電体材料としては、高屈折率のものではＺｎＳ，ＴｉＯ２等、低屈折率のものではＭｇＦ２，ＳｉＯ２，Ｎａ３ＡｌＦ６等が公知の材料として知られている。また、目的とする波長を変えるには誘電体層の層厚を調節すればよく、誘電体材料を変えることは必ずしも必要ではない。
【００２２】
本実施形態において、これらの干渉型フィルタ層３１〜３３は、層間膜を介して基板３０上に積層されている。すなわち、基板３０上には青色用フィルタ層３１がパターン形成され、このフィルタ層３１を覆うように透光性の第１の層間膜３５が積層されている。そして、この第１の層間膜３５上には赤色用フィルタ層３２がパターン形成され、このフィルタ層３２を覆うように透光性の第２の層間膜３６が積層されている。さらに、この第２の層間膜３６上には緑色用フィルタ層３３がパターン形成され、このフィルタ層３３を覆うように透光性の第３の層間膜３７が積層されている。
【００２３】
これらのフィルタ層３１，３２，３３はそれぞれＴＦＴアレイ基板４０の青色用画素電極４３ｂ，赤色用画素電極４３ｒ、緑色用画素電極４３ｇに対応して設けられており、平面視したときにこれらのフィルタ層３１〜３３がマトリクス状に隣接配置されるように、島状にパターニングされている。
そして、基板３０Ａ上にはＩＴＯ等からなる透光性の共通電極３８が層間膜３７を覆うように全面に形成されており、この共通電極３８を覆うようにポリイミド等からなる配向膜３９が設けられている。
【００２４】
この基板３０は、以下のような方法により製造される。
まず、図４（ａ）に示すように、ガラス等からなる透光性の基板本体３０Ａの上に屈折率の異なる複数の誘電体層を１５〜２５層積層し、透過色が青色となる青色用フィルタ層３１０を形成する（フィルタ層形成工程）。
【００２５】
次に、図４（ｂ），図４（ｃ）に示すように、このフィルタ層３１０上にレジスト５０を形成し、ドライエッチングによりフィルタ層３１０を所定形状にパターニングする（パターニング工程）。図４（ｃ）では、パターニングにより得られた個々の青色用フィルタ層を符号３１で示している。このパターニング工程では、各青色用フィルタ層３１がＴＦＴアレイ基板４０の各青色用画素電極４１ｂに対向配置されるようにし、各フィルタ層３１の大きさを、対応する青色用画素電極４１ｂ及びその周囲の非画素領域Ｓを含む大きさとする。
【００２６】
次に、図４（ｄ）に示すように、フィルタ層３１を覆うように基板３０Ａ上にＳｉＯ２等からなる透光性の第１の層間膜３５を形成する（層間膜形成工程）。この層間膜３５は後述の赤色用フィルタ層のパターニング工程におけるエッチングストッパ若しくはエッチングバッファとして機能するものである。このため、層間膜３５の層厚は、赤色用フィルタ層のパターニングにおいてエッチングマージンを十分に確保できる厚さとする。
この後、必要に応じてＣＭＰ（化学的機械研磨法）等により層間膜３５の表面を平坦化する。このように層間膜３５に平坦化処理を施すことで、フィルタ層３１を透過する光の色純度を高めることができる。
【００２７】
次に、図５（ａ）に示すように、層間膜３５の上に上記青色用フィルタ層と同様の誘電体材料を層厚を変えて１５〜２５層積層し、透過色が赤色となる赤色用フィルタ層３２０を形成する。そして、このフィルタ層３２０上にレジスト５１を形成し（図５（ｂ）参照）、ドライエッチングによりフィルタ層３２０を所定形状にパターニングする（図５（ｃ）参照）。このときのエッチング条件は上記青色用フィルタ層のパターニング工程と同様である。図５（ｃ）では、パターニングにより得られた個々の赤色用フィルタ層を符号３２で示している。このパターニング工程では、各赤色用フィルタ層３２がＴＦＴアレイ基板４０の各赤色用画素電極４１ｒに対向配置されるようにし、各フィルタ層３２の大きさを、対応する赤色用画素電極４１ｒ及びその周囲の非画素領域Ｓを含む大きさとする。
【００２８】
また、赤色用フィルタ層３２０のパターニング工程では、第１の層間膜３５がエッチングストッパ若しくはエッチングバッファとして機能し、下層側の青色用フィルタ層３１がこのパターニング工程によって影響を受けることはない。
【００２９】
次に、図５（ｄ）に示すように、フィルタ層３２を覆うように基板３０Ａ上にＳｉＯ２等からなる透光性の第２の層間膜３６を形成する。この層間膜３６は、後述の緑色用フィルタ層のパターニング工程におけるエッチングストッパ若しくはエッチングバッファとして機能するものである。このため、層間膜３６の層厚は、緑色用フィルタ層のパターニングにおいてエッチングマージンを十分に確保できる厚さとする。この後、必要に応じてＣＭＰ等により層間膜３６の表面を平坦化する。
【００３０】
次に、図６（ａ）に示すように、層間膜３６の上に上記青色用フィルタ層，赤色用フィルタ層と同様の誘電体材料を層厚を変えて２７〜４０層積層し、透過色が緑色となる緑色用フィルタ層３３０を形成する。そして、このフィルタ層３３０上にレジスト５２を形成し（図６（ｂ）参照）、ドライエッチングによりフィルタ層３３０を所定形状にパターニングする（図６（ｃ）参照）。このときのエッチング条件は上記青色用フィルタ層及び赤色用フィルタ層のパターニング工程と同様である。図６（ｃ）では、パターニングにより得られた個々の緑色用フィルタ層を符号３３で示している。このパターニング工程では、各緑色用フィルタ層３３がＴＦＴアレイ基板４０の各緑色用画素電極４１ｇに対向配置されるようにし、各フィルタ層３３の大きさを、対応する緑色用画素電極４１ｇｂ及びその周囲の非画素領域Ｓを含む大きさとする。
【００３１】
また、緑色用フィルタ層３３０のパターニング工程では、第２の層間膜３６がエッチングストッパ若しくはエッチングバッファとして機能し、下層側の赤色用フィルタ層３２がこのパターニング工程によって影響を受けることはない。
【００３２】
次に、図６（ｄ）に示すように、フィルタ層３３を覆うように基板３０Ａ上にＳｉＯ２等からなる透光性の第３の層間膜３７を形成し、必要に応じてＣＭＰ法等により層間膜３７の表面を平坦化する。そして、この層間膜３７を覆うように、基板３０Ａの全面にＩＴＯ等からなる透光性の共通電極を形成し、これを覆うようにポリイミド等からなる配向膜を形成する。なお、層間膜３７は共通電極３８の密着性及び信頼性を確保するためのものであり、必ずしも形成する必要はない。また、層間膜３７を形成する前に共通電極３８を形成することも可能であり、この場合、層間膜３７は共通電極３８に対する保護膜として機能する。
【００３３】
そして、上述のように構成された基板３０，４０は、スペーサ（図示略）によって互いに一定に離間された状態で保持されるとともに、基板周辺部に枠状に塗布されたシール材（図示略）によって接着されている。そして、基板３０，４０及びシール材によって密閉された空間に液晶が封入されて液晶層（光変調層）４３が形成されている。
【００３４】
このように本実施形態によれば、複数種類の干渉型フィルタ層が層間膜を介してそれぞれ別々の層に配置されているため、各フィルタ層をパターニングする際に、下地の層間膜がエッチングストッパ若しくはエッチングバッファとして機能し、下層側のフィルタ層への影響が防止される。このため、フィルタ層のパターニング工程にドライエッチングを用いることができ、例えばライトバルブの画素ピッチである２０μｍ以下の微細なパターンにも対応することが可能となる。
【００３５】
また、本実施形態では、フィルタ層３１〜３３が厚み方向に積層配置されているため、これらを一部平面的に重ねることにより容易に遮光領域（ブラックマトリクス）を形成することができる。例えば本実施形態では、各フィルタ層は、平面視で、対応する画素電極４１及びこの周囲の非画素領域Ｓを含む大きさとされているため、隣接するフィルタ層（フィルタ層３１とフィルタ層３２、フィルタ層３２とフィルタ層３３、フィルタ層３３とフィルタ層３１）はその非画素領域Ｓに対応する部分が平面的に重なるように配置されている。このように透過色の異なるフィルタ層を積層した場合、一方のフィルタ層を透過した色光は他方のフィルタ層によって反射されるため、結局２種類のフィルタ層が平面的に重なる位置（非画素領域Ｓ）は黒表示となる。このように本実施形態では、特別な層を追加することなく遮光領域を形成できるため、工程数を少なくして製造コストを低減することが可能となる。
【００３６】
また、本実施形態では、光源１１側から順に配置される３つのフィルタ層の内、緑色光を透過するフィルタ層３３を光源１１から最も遠い層として緑色光の再帰性を高めているため、視感度の高い（即ち、明るさに対して最も寄与率の大きい）緑色光のロスを小さくすることができる。すなわち、光源から最も遠い側に配置されたフィルタ層で反射された光は、光源側に配置された２つの層間膜を通って光源に戻されるため、これらの層間膜を透過する段階で光ロスが生じる。したがって、緑色光を反射する２つのフィルタ層を光源に近い側に配置して緑色光のロスを最小限に抑えることで、明るい照明が可能となる。
【００３７】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、フィルタ層の数を３種類としたが、この数は表示に用いる原色の数に応じて４種類以上とすることも可能である。この場合、１画素はこれに応じて４つ以上の画素電極によって構成される。
【００３８】
また、上記実施形態では、投射型表示装置として透過型の液晶装置を光変調装置として用いたものを例示した。しかし、本発明の技術範囲はこのような透過型のものに限定されず、例えばＬＣＯＳ等の反射型の投射型表示装置、或いは、ＭＥＭＳ技術に基づくミラー方式の空間光変調器を用いた投射型表示装置に対して、本発明のカラーフィルタアレイを適用することも可能である。
さらに、上記実施形態では本発明のカラーフィルタアレイを投射型表示装置のライトバルブ（液晶装置）に適用した例を示したが、本カラーフィルタアレイは投射型だけでなく直視型の表示装置に対しても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の投射型表示装置を示す概略図である。
【図２】同、投射型表示装置に備えられるカラーフィルタアレイ及び液晶装置を示す概略図である。
【図３】同、カラーフィルタアレイ及び液晶装置の拡大断面図である。
【図４】同、カラーフィルタアレイの製造方法を説明するための工程図。
【図５】図４に続く工程図。
【図６】図５に続く工程図。
【符号の説明】
１０・・・投射型表示装置、１１・・・光源、１６・・・液晶装置（光変調装置）、１７・・・投射レンズ、３１・・・青色用フィルタ層、３２・・・赤色用フィルタ層、３３・・・緑色用フィルタ層、３５，３６，３７・・・層間膜
Claims (9)
- 互いに異なる色光を透過する複数種類の干渉型フィルタ層が透光性の層間膜を介して順に積層されてなり、
種類の異なる干渉型フィルタ層が平面視で互いに隣接して配置されたことを特徴とする、カラーフィルタアレイ。 - 種類の異なる干渉型フィルタ層は、その隣接する端部同士が平面的に重なるように配置されたことを特徴とする、請求項１記載のカラーフィルタアレイ。
- 屈折率の異なる複数の誘電体層を積層することにより、基板上に所定の色光を反射しそれ以外の色光を透過する干渉型フィルタ層を形成するフィルタ層形成工程と、
上記干渉型フィルタ層を所定形状にパターニングするパターニング工程と、
上記干渉型フィルタ層を覆うように基板上に透光性の層間膜を形成する層間膜形成工程とを備え、
上記フィルタ層形成工程，パターニング工程，層間膜形成工程を順に繰り返すことにより、互いに異なる色光を透過する複数種類の干渉型フィルタ層が平面視で互いに隣接して配置されるように、これら複数種類の干渉型フィルタ層を基板上に順に積層形成することを特徴とする、カラーフィルタアレイの製造方法。 - 上記層間膜形成工程が、上記層間膜の表面を平坦化する工程を含むことを特徴とする、請求項３記載のカラーフィルタアレイの製造方法。
- 種類の異なる干渉型フィルタ層は、その隣接する端部同士が平面的に重なるように配置されたことを特徴とする、請求項３又は４記載のカラーフィルタアレイの製造方法。
- 光源と、上記光源から射出された光を変調する光変調装置と、上記光源と光変調装置との間又は上記光変調装置の光出射側に配置された請求項１又は２記載のカラーフィルタアレイとを備えたことを特徴とする、表示装置。
- 上記複数種類の干渉型フィルタ層が、赤色光を透過する赤色用フィルタ層と、緑色光を透過する緑色用フィルタ層と、青色光を透過する青色用フィルタ層とからなり、
上記３つのフィルタ層の内、上記緑色用フィルタ層が光源から最も遠い側に配置されたことを特徴とする、請求項６記載の表示装置。 - 光源と、上記光源から射出された光を変調する光変調装置と、上記光変調装置によって変調された光を投射する投射レンズと、上記光源と光変調装置との間又は上記光変調装置と投射手段との間に配置された請求項１又は２記載のカラーフィルタアレイとを備えたことを特徴とする、投射型表示装置。
- 上記複数種類の干渉型フィルタ層が、赤色光を透過する赤色用フィルタ層と、緑色光を透過する緑色用フィルタ層と、青色光を透過する青色用フィルタ層とからなり、
上記３つのフィルタ層の内、上記緑色用フィルタ層が光源から最も遠い側に配置されたことを特徴とする、請求項８記載の投射型表示装置。
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