JP2008233615A - 光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の単位構造を備えた光学素子を簡便かつ量産性に優れた方法で作製する。
【解決手段】基板１と、基板１の表面に形成された複数の単位構造３とを備え、各単位構造３は、基板１の表面に対して傾斜した傾斜面７ａを有する光学素子１００の製造方法であって、（ａ）ネガ型感光性樹脂を用いて、基板１の表面にレジスト層１２を形成する工程と、（ｂ）レジスト層１２に対してフォトマスク２０、３０を用いて露光し、現像を行うことにより、間隔を空けて配置された複数の単位構造形成層１３を形成する工程であって、各単位構造形成層１３は、第１の露光量で露光された第１領域１５と、前記第１の露光量よりも少ない第２の露光量で露光された第２領域１７とを含む工程と、（ｃ）複数の単位構造形成層１３の熱処理を行って、各単位構造形成層１３のうち少なくとも第２領域１７を熱変形させて基板１の表面に対して傾斜した傾斜面７ａを形成することにより、それぞれが傾斜面７ａを有する複数の単位構造３を得る工程とを包含する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光学素子の製造方法に関する。

回折格子やフルネルレンズなど、表面レリーフ型の光学素子が注目されている。これらの光学素子では、微細な凹凸が表面に配列されている。本明細書において、光学素子の表面に配列された個々の微細な凹凸を「単位構造」と呼ぶ。

このような単位構造を有する光学素子は、種々の光学系のデバイスに使用され得る。例えば、反射型液晶表示装置における液晶層の背面側に配置される散乱反射板（拡散反射板ともいう）として、または、垂直配向モードの液晶表示装置において、液晶分子の配向を制御するために、液晶層に接する表面に設けられる構造体（以下、「配向制御体」という）として用いることができる。

拡散反射板や配向制御体として用いられる光学素子では、極めて微細な単位構造を基板上に配列する必要があり、このような光学素子を量産化しようとすると、高い精度を確保しつつ、いかに簡便に作製するかが重要な課題となる。

上記のような光学素子の作製方法として、例えば機械切り法が提案されているが、機械切り法では、数μｍ以下の微小なピッチで、微細な単位構造を高精度に形成することは難しく、光学素子の設計の自由度が低くなる。

特許文献１には、原盤（金型）の表面形状を基板上に転写して、基板表面に微細な凹凸を形成することにより、複数の単位構造からなる構造体を形成する方法が記載されている。しかし、この方法によると、原盤として用いる金型の磨耗や変形、金型の表面凹凸に異物がかみ込んでしまうこと（異物のかみ込み）による金型の破損などを防止するために、金型には高い耐久性が要求される。また、この構造体を液晶表示装置に適用しようとすると、典型的には、液晶表示装置の背面基板におけるＴＦＴや配線を含むアクティブマトリクス層と、その上に設けられる画素電極との間に配置される。従って、構造体の上に設けられた画素電極と、構造体の下にあるアクティブマトリクス層の配線とを電気的に接続するために、構造体内にコンタクトホールを形成する必要がある。しかし、このようなコンタクトホールを有する構造体を、金型を用いた転写工程のみによって形成することは困難であり、転写工程に加えて、コンタクトホールを確保するための工程を別途行なわなければならず、工程数が増えてしまうという問題がある。

上述したような問題を解決できる作製方法として、フォトリソグラフィーを利用したパターニングによって上記構造体を作製する方法が挙げられる。フォトリソグラフィーを利用すると、高精度で微細な凹凸を形成でき、かつ、原盤を用いないため、原盤の耐久性に起因する問題も生じない。また、工程数を増加させることなくコンタクトホールを容易に形成できるので、量産プロセスに適している。

フォトリソグラフィーを利用した構造体の作製方法は、例えば特許文献２に記載されている。特許文献２に記載された方法では、ポジ型レジストを使用し、グレイスケールマスクを用いた多重露光工程および現像工程により、傾斜面を有する単位構造（回折格子）を備えた光学素子を形成している。傾斜面の角度は、露光強度、感光樹脂の感度、現像液濃度、現像時間などを含むフォトリソグラフィー工程の諸条件によって決定される。

特許文献２に記載された方法では、フォトリソグラフィー工程の条件が変動すると、形成される単位構造の形状も変化するため、次のような問題が生じる。

一般的な感光樹脂材料は、現像によって感光樹脂材料が除去されるとき（抜き）の露光量と、感光樹脂材料が除去されないで残るとき（残し）の露光量との境界となる露光量に対して、感度が高くなるように設定されているため、露光量が所定の値から少しずれただけで単位構造の形状が大きく異なってしまう。従って、安定した形状を有する光学素子を作製することは難しい。光学素子の形状安定性を確保するためには、感光樹脂材料の感度を下げることが考えられるが、感度を調節するだけでは、形状安定性を十分に高めることが難しい。

また、特許文献３にも、フォトリソグラフィー工程を利用して複数の単位構造を有する構造体を形成する方法が開示されている。特許文献３の方法では、露光および現像工程によって得られるレジストパターンを焼成する点で、前述の特許文献２の方法と異なっている。具体的には、ポジレジストを用いて、多数回露光またはグレイトーンマスクを使用した露光および現像工程により、ステップ状の傾斜面を有するレジストパターンを形成する。この後、焼成を行うことにより、傾斜面に存在するステップを平坦化させた単位構造を得る。この方法によると、焼成工程を行って、露光量の差によるレジストパターンの段差を平坦化させるため、露光量のずれに起因する形状安定性の低下を抑制できる。

しかしながら、本願発明者らが検討したところ、特許文献３の方法では、ポジレジストを用いているために、現像後のレジストパターンにおけるレジストの硬化度（重合度）が均質である。よって、レジストパターンを焼成すると、露光によって得られたレジストパターンの形状が維持されず、所望の形状を有する単位構造を形成することが困難であるという問題がある。この問題については、後で図面を参照しながら詳しく説明する。この問題を解決するためには、レジストパターンの焼成温度を厳密に制御する必要があり、特に大面積の基板を用いた量産化プロセスに適用することは難しい。

一方、特許文献４は、フォトリソグラフィーを利用して、壁部材と傾斜部材とを有する単位構造を備えた光学素子を作製する方法を提案している。この方法では、例えばポジレジストを用いて、フォトリソグラフィー工程により壁部材を形成した後、壁部材の材料とは異なる材料を用いて、フォトリソグラフィー工程により中間部材を形成する。次いで、熱処理を行って、壁部材の形状を維持したまま、中間部材のみを熱変形させる。これにより、中間部材から、基板表面に対して傾斜した傾斜面を有する傾斜部材が形成される。傾斜部材の傾斜面は、熱処理による変形を利用して形成されるため、露光量などのフォトリソグラフィー工程の諸条件のずれにかかわらず、安定した形状の単位構造を得ることができる。
特開２００１−２６９９９２号公報 特開２００２−１１６３１５号公報 米国特許第６１６３４０５号明細書 特開２００５−２２７６６５号公報

特許文献４の方法では、壁部材と傾斜部材とは互いに異なる材料を用いて別個に形成されるため、壁部材および傾斜部材をそれぞれ形成するために、レジスト膜の塗布、露光および現像の一連の工程を少なくとも２回繰り返す必要がある。しかしながら、量産性を考慮すると、より少ない工程数で光学素子を作製することが望ましい。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、微細な単位構造を備えた光学素子をより簡便に作製できる量産性に優れた方法を提供することにある。

本発明の光学素子の製造方法は、基板と、前記基板の表面に形成された複数の単位構造とを備え、各単位構造は、前記基板の表面に対して傾斜した傾斜面を有する光学素子の製造方法であって、（ａ）ネガ型感光性樹脂を用いて、基板の表面にレジスト層を形成する工程と、（ｂ）前記レジスト層に対してフォトマスクを用いて露光し、現像を行うことにより、間隔を空けて配置された複数の単位構造形成層を形成する工程であって、各単位構造形成層は、第１の露光量で露光された第１領域と、前記第１の露光量よりも少ない第２の露光量で露光された第２領域とを含む工程と、（ｃ）前記複数の単位構造形成層の熱処理を行って、前記各単位構造形成層のうち少なくとも前記第２領域を熱変形させて前記基板の表面に対して傾斜した傾斜面を形成することにより、それぞれが傾斜面を有する複数の単位構造を得る工程とを包含する。

ある好ましい実施形態において、前記フォトマスクのうち少なくとも１枚は、前記複数の単位構造を規定する複数の開口部を有しており、各開口部の形状は異方性を有する。

ある好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）は、（ｂ１）第１のフォトマスクを用いて、前記第１および第２領域を第１の露光量で露光する第１の露光工程と、（ｂ２）第２のフォトマスクを用いて、前記第１領域をさらに露光する第２の露光工程とを包含する。

前記工程（ｂ１）と前記工程（ｂ２）との間に、前記レジスト層のうち前記第１の露光工程で露光されなかった領域を現像によって除去する工程（ｂ３）をさらに含んでもよい。

前記工程（ｂ１）および（ｂ２）の後に、前記レジスト層のうち前記第１および第２の露光工程で露光されなかった領域を現像によって除去することにより、前記複数の単位構造形成層を得る工程（ｂ４）をさらに含んでもよい。

ある好ましい実施形態において、前記工程（ｂ）は、グレイトーンマスクを用いて、前記第１の露光量で前記第１領域を露光するとともに、前記第２の露光量で前記第２領域を露光する工程を含む。

前記工程（ｃ）は、前記各単位構造形成層のうち前記第１領域の軟化点以下であり、かつ、前記第２領域の軟化点よりも高い温度で熱処理を行う工程を含むことが好ましい。

前記傾斜面の法線方向は、前記基板の表面における予め決められた方位に傾斜していることが好ましい。

前記工程（ｃ）の後に、前記複数の単位構造が形成された基板の表面に反射性の膜を形成する工程をさらに含んでもよい。

前記工程（ｃ）の後に、前記複数の単位構造が形成された基板の表面に垂直配向膜を形成する工程をさらに含んでもよい。

前記傾斜面の法線方向は、前記基板の表面における位置に応じて、予め決められた方位に傾斜していてもよい。

本発明の光学素子は、上記の方法により製造される。

本発明の液晶表示装置は、上記の方法により製造された光学素子と、前記光学素子の上に配置された液晶層と、前記液晶層に電圧を印加するための電極とを備える。

本発明によれば、所定の方向に傾斜した傾斜面を有する単位構造を備えた光学素子を、量産化に適した方法で簡便に作製できる。また、単位構造のサイズ、配列ピッチ、各単位構造における傾斜面の向きや角度などを任意かつ正確に制御できる。本発明の方法によって作製された光学素子は、形状安定性に優れており、特に表面形状の異方性が要求される構造体、例えば異方性を有する反射特性を示す拡散反射板や、液晶層における液晶分子の配向を規制する配向制御体に好適に用いられ得る。

（実施形態１）
以下、図面を参照しながら、本発明による第１の実施形態を説明する。本実施形態の光学素子は、異方性を有する拡散特性を示す拡散反射板であり、特定の方向に傾斜した反射面の面積が、他の方向に傾斜した反射面の面積よりも十分に大きく、基板表面において方向依存性を有する表面形状を備えている。なお、本明細書では、このような反射板を「傾斜反射板」と呼び、光の入射方向に対して全方位に略均等に光を反射させるように設計された拡散反射板と区別する。本実施形態の傾斜反射板は、例えば反射型液晶表示装置の反射電極として好適に用いられる。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態における傾斜反射板の構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）および（ｃ）は、（ａ）に示すＩｂ−Ｉｂ’線およびＩｃ−Ｉｃ’線に沿った断面図である。

傾斜反射板１００は、基板１と、基板１の表面に配置された複数の単位構造３とを備えている。各単位構造３は、基板１の法線方向から見て扇形であり、壁部５と、壁部５における１つの側面５ａと接触し、かつ、基板１の表面に対して傾斜した傾斜面７ａを有する傾斜部７とを有している。壁部５における傾斜部７と接する側面５ａに対向する側面５ｂは、基板１の表面に略垂直である。また、これらの単位構造３は、傾斜面７ａの向きが互いに略同じとなるように配置されている。言い換えると、これらの単位構造３における傾斜面７ａの法線方向Ｎは、全体として、予め決められた方位（図１（ａ）に示すＸ方向）に傾斜している。よって、図１（ｃ）に示すように、基板１に垂直でＸ方向に沿った断面において、各単位構造３は左右非対称な形状を有する。

図１に示す構成では、複数の単位構造３の高さＨは略等しいが、単位構造３の大きさ（基板１の法線方向から見た単位構造３の面積）は均一ではない。従って、単位構造３の傾斜面７ａと基板１の表面とのなす角度（傾斜角度）αも均一ではなく、相対的に小さい単位構造３の傾斜面７ａの傾斜角度αは、それよりも大きい単位構造３の傾斜面７ａの傾斜角度αよりも大きくなる。一方、単位構造３の側面５ｂと基板１の表面とのなす角度（傾斜角度）βは、単位構造３の大きさにかかわらず、何れも約９０°である。なお、傾斜角度βは、その単位構造３の傾斜面７ａの傾斜角度αよりも大きくなるように設定されていればよく、９０°でなくてもよい。

本実施形態では、各単位構造３の傾斜面７ａの傾斜角度αは、９０°以下であり、好ましくは０°より大きく３０°以下、より好ましくは５°以上２０°以下である。一方、各単位構造３の側面５ｂの傾斜角度βは、傾斜角度αよりも大きければよいが、好ましくは４５°以上、より好ましくは６０°以上９０°以下である。

単位構造３の高さＨは、傾斜反射板１００の用途によって異なるが、例えば反射型表示装置に適用する場合には０．１μｍ以上２μｍ以下であることが好ましい。なお、図１に示す構成では、単位構造３の高さＨは均一であるが、互いに異なっていてもよい。

本実施形態における傾斜反射板１００の構成は図示する例に限定されない。各単位構造３の平面形状は扇形でなくてもよい。また、単位構造ごとに異なる平面形状を有していてもよい。傾斜反射板１００を構成する単位構造３は、特定の方向に傾斜した傾斜面７ａを有していればよく、その形状や大きさは、必要に応じて適宜設計できる。また、図１（ａ）に示す構成では、回折現象を防止するために、単位構造３の配列に視認される周期性はないが、単位構造３は、周期的または準周期的に配列されていてもよい。「準周期的」とは、例えば、ピッチが規則的に変化する配列や、複数の周期の重ね合わせで表される配列などを含む。単位構造３が規則的に配列される場合の配列ピッチは、傾斜反射板１００の用途によって異なるが、例えば反射型表示装置の反射電極として用いる際には５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。

次に、本実施形態の傾斜反射板１００の製造方法を説明する。本実施形態では、フォトリソグラフィー工程を利用して基板１の表面に複数の単位構造３を形成する。フォトレジストとしては、半導体装置や液晶表示装置の製造工程で一般的に使用されるポジレジストではなく、ネガレジストを用いる。

ポジレジストは、光で照射されると光分解する材料であり、光分解された部分が現像により除去される。従って、現像後に得られるレジストパターン（ポジレジスト膜のうち露光されなかった部分）の重合度（硬化度）は均一となる。これに対し、ネガレジストは、光で照射されると光重合する材料であり、露光量によって、ネガレジストの重合度（硬化度）を任意に制御することができる。光で照射されなかった部分は、重合度が低いために現像により除去される。従って、ネガレジスト膜に対して複数回の露光、またはグレイトーンマスクを用いた露光を行い、露光量の異なる複数の領域を形成することにより、同一のネガレジスト膜から、硬化度の異なる複数の領域を有するレジストパターンが得られる。ネガレジストの耐熱性は、その硬化度に依存し、硬化度が高いほど耐熱性も高くなるため、上記のようなレジストパターンは、部分的に耐熱性の低い領域を有することになる。

本願発明者らは、ネガレジストの上記のような特性に着目し、レジストパターンの熱だれ（熱変形）を利用して傾斜反射板１００を作製する簡便な方法を見出した。

図２（ａ）〜（ｆ）は、傾斜反射板１００の製造方法の一例を説明するための図であり、図１（ａ）に示すＸ方向に沿った工程断面図である。

まず、図２（ａ）に示すように、基板１の表面にネガレジスト層１２を形成する。ネガレジスト層１２は、例えばスピンコート法を用いて、基板１の表面にＪＳＲ製の透明ネガレジストを塗布することにより形成できる。ネガレジスト層１２の厚さは例えば２μｍである。

続いて、図２（ｂ）に示すように、単位構造を規定する複数の開口部２２を有するフォトマスク２０を用いて、ネガレジスト層１２の露光を行う（第１の露光工程）。露光量は、例えば９０ｍＪ／ｃｍ²とする。これにより、ネガレジスト層１２のうち光で照射された部分１３が光重合する。

この露光工程で使用するフォトマスク２０の平面形状を図３に示す。図示するように、複数の開口部２２は、間隔を空けて配置されている。ここでは、複数の開口部２２の形状は全て扇形であり、その要（かなめ）と円弧の中点とを結ぶ直線がＸ方向に平行になるように、同じ向きで配置されている。各開口部２２の扇形の半径は５μｍ以上２０μｍ以下であり、中心角は例えば１４０°である。なお、扇形の中心角は、９０°以上１８０°以下であることが好ましい。１２０°以上であれば、傾斜面７ａの面積を十分に確保でき、１７５°以下であれば、傾斜面７ａの傾斜方向をより確実に制御することができる。

フォトマスク２０における各開口部２２の形状は扇形に限定されず、任意に選択され得るが、異方性を有することが好ましい。異方性を有する形状とは、線対称性を有しない非対称な形状を指し、例えば台形、五角形等が含まれる。

第１の露光工程後、現像を行うと、図２（ｃ）に示すように、ネガレジスト層１２のうち光で照射されなかった部分のみが除去されて、互いに間隔を空けて配置された複数の単位構造形成層（高さ：２μｍ）１３が得られる。各単位構造形成層１３は、後のプロセスにより単位構造となる。

この後、図２（ｄ）に示すように、フォトマスク３０を用いて、単位構造形成層１３の一部をさらに露光する（第２の露光工程）。露光量は、例えば３００ｍＪ／ｃｍ²とする。フォトマスク３０は、単位構造形成層１３のうち壁部となる部分を規定する開口部３２を有している。

フォトマスク３０の平面形状を図４に示す。ここでは、フォトマスク３０の各開口部３２は、図３に示すフォトマスク２０の開口部２２の扇形における半径と弦とによって規定される二等辺三角形である。二等辺三角形の底辺は、Ｘ方向に垂直になるように配置されており、壁部５と傾斜部７との境界面（図１に示す側面５ａ）を規定している。

単位構造形成層１３のうち第２の露光工程で露光された領域、すなわち上記開口部３２によって規定された領域は、さらに光重合して重合度の高い壁部形成領域１５となる。一方、フォトマスク３０によって遮光されて照射されなかった部分は、壁部形成領域１５よりも重合度の低い傾斜部形成領域１７となる。

このようにして、単位構造形成層１３に、第１および第２の露光工程によって十分に硬化した壁部形成領域１５と、第１の露光工程のみで露光され、十分に硬化していない傾斜部形成領域１７とを形成できる。前述したように、レジスト材料の軟化点は、その硬化度（重合度）によって決まり、硬化度が高いほど軟化点が高くなるので、壁部形成領域１５は、傾斜部形成領域１７よりも高い耐熱性を有する。

次いで、単位構造形成層１３の焼成を行う。焼成温度は、傾斜部形成領域１７の軟化点以上であり、かつ、壁部形成領域１５の軟化点よりも低くなるように選択されることが好ましい。ここでは、ホットプレート上に単位構造形成層１３が形成された基板１を設置して１５０℃の温度で１０分間の焼成を行う。これにより、図２（ｅ）に示すように、耐熱性の高い壁部形成領域１５は、ほとんど熱変形せずに、その形状を維持したまま壁部５となる。一方、耐熱性の低い傾斜部形成領域１７は、熱だれを起こして、壁部５の上面に接する部分から基板１の表面に向かって傾斜した傾斜面７ａを有する傾斜部７となる。このようにして、壁部５および傾斜部７を有する単位構造３が得られる。

この後、図２（ｆ）に示すように、単位構造３が形成された基板１の表面に反射性の膜（例えばアルミニウム膜）９を形成する。反射性の膜９は、膜９の表面が単位構造３による凹凸を反映した表面形状を有することができるように、十分に薄いことが好ましく、その厚さは例えば０．５μｍ以下である。このようにして、傾斜反射板１００が完成する。

上記の方法によると、ネガレジストを用いているので、ネガレジスト層１２のうち壁部を形成しようとする領域に対する露光量を、傾斜部を形成しようとする領域に対する露光量よりも多くすることによって、耐熱性の高い壁部形成領域１５と、耐熱性が低く、熱だれを生じやすい傾斜部形成領域１７とを形成することができる。なお、ここでいう露光量（単位：ｍＪ／ｃｍ²）とは、焼成前に行われる全露光工程（ここでは第１および第２の露光工程）を通して、ネガレジスト層１２の所定の領域に照射された光の量（照度（ｍＷ／ｃｍ²）×照射時間（ｓｅｃ））をいう。

前述した特許文献４に記載された方法では、耐熱性の高い壁部材と、耐熱性が低く、熱変形により傾斜部材となる中間部材とを、それぞれ別個の材料を用いて形成する必要があったが、本実施形態では、同一の材料（ネガレジスト）からなる層に耐熱性の異なる２つの部分を形成できるので、製造プロセスをより簡略化できるメリットがある。

また、前述した特許文献３に記載された方法では、ポジレジストを用いて、露光および現像後に焼成工程を行うことにより、傾斜面を有する単位構造を形成している。

図５（ａ）および（ｂ）は、特許文献３に記載された方法を説明するための工程断面図である。この方法では、まず、図５（ａ）に示すように、基板６２に形成されたポジレジスト層に対して複数回の露光またはグレイトーンマスクを用いた露光を行った後、現像を行うことにより、高さの異なる複数の部分６６ａ、６６ｂおよび６６ｃを有する凸部６６を形成する。次いで、凸部６６を焼成して、各部分６６ａ、６６ｂ、６６ｃの縁部を滑らかにすることによって、図５（ｂ）に示すように、左右非対称な断面形状を有する凸部６８を形成している。

しかしながら、本願発明者らが上記方法を追試したところ、図５（ｃ）に示すような左右対称な断面形状を有する凸部６９が得られた。これは、ポジレジストの軟化点以上の温度で焼成を行ったために、レジストの表面張力によって凸部６６の形状が維持されず、等方的な形状に変形したからと考えられる。つまり、ポジレジスト層の露光および現像によって得られたパターン（凸部６６）では、硬化度が均一であるため、そのレジストの軟化点以上の温度で焼成を行うと、凸部６６の全体が熱だれを生じて変形してしまう。焼成温度を厳密に制御することによって、図５（ｂ）に示すような凸部６８を形成できる可能性はある。しかし、量産化のために大面積の基板を用いる場合には、基板全体に亘って焼成温度を均一に制御することが困難であり、基板に生じる温度分布を反映して、部分的に図５（ｃ）に示すような左右対称な断面形状を有する凸部６９が形成されるおそれがある。

このように、特許文献３の方法によると、焼成後の単位構造の形状、例えば傾斜面の向きや角度などを正確に制御することが難しく、所望の形状の単位構造が得られないという問題がある。

これに対して、本実施形態の方法によると、ネガレジスト層１２を用いて、耐熱性の異なる２つの領域１５、１７を容易に形成できるので、一方の領域１７のみを大きく熱変形させることができ、より確実に、左右対称な断面形状を有する単位構造３を形成できる。このとき、耐熱性の高い壁部形成領域１５はほとんど変形しないので、ネガレジスト層１２における壁部形成領域１５の厚さを制御することによって、所望の高さの単位構造３が得られる。

従って、本実施形態の方法では、焼成時に基板全体が略均一な温度となるような厳密な温度制御を行う必要がなく、壁部形成領域１５の軟化点よりも低く、かつ、傾斜部形成領域１７の軟化点以上の範囲内で温度分布を有していても、基板全体に亘って、所望の形状の単位構造３を形成することが可能である。よって、特許文献３の方法よりも高い形状安定性を実現でき、かつ、量産性にも優れている。

なお、焼成時に基板１に温度分布が生じた結果、部分的に壁部形成領域１５の軟化点よりも高くなっても、その部分に形成される単位構造３の形状が設計値から大きくずれて、例えば図５（ｃ）に示すような対称な断面形状を有してしまうおそれはほとんどない。焼成時に、温度が高くなりすぎて壁部形成領域１５にも熱変形が生じたとしても、その変形は、傾斜部形成領域１７の変形の大きさよりも十分に小さいため、壁部５の側面５ｂの傾斜角度βは、傾斜部７の傾斜面７ａの傾斜角度αよりも大きくなるからである。

ここで、図６（ａ）〜（ｄ）を参照しながら、本明細書における単位構造３の配列ピッチや傾斜面７ａの傾斜角度αの定義を説明する。

前述したように、図１に示す構成では、単位構造３は周期的に配列されていないが、単位構造３を周期的に配列することもできる。このような場合、単位構造３の配列ピッチは、隣接する単位構造３における側面５ｂの頂点間の基板表面内における距離をいうものとする。例えば、図６（ａ）に示す単位構造３のピッチＰ_Xは、隣接する単位構造３における側面５ｂの最も高い点５ｐ間の基板表面内における距離である。

傾斜面７ａの傾斜角度αは、単位構造３の傾斜面７ａと基板表面とのなす角度を指す。しかし、単位構造３の形成条件などによっては、各単位構造３の傾斜面７ａが平面にならない場合もある。このような場合、各単位構造３における傾斜面７ａの傾斜角度αは、図６（ｂ）および（ｃ）に例示するように、基板表面に垂直で、Ｘ方向に沿った断面において、傾斜面７ａのうち高さが単位構造３の高さＨの１／２である点７ｈと、傾斜面７ａおよび基板表面の接する点７ｉとを結ぶ直線７Ａを引き、この直線７Ａと基板表面とのなす角度αをいう。

一方、焼成時に基板表面に温度分布が生じて、局所的に温度が高くなりすぎた場合などに、一部の単位構造３では、耐熱性の高い壁部形成領域１５も熱変形してしまい、単位構造３の側面５ｂが平面にならないおそれがある。このときには、単位構造３の側面５ｂと基板表面との間の角度（傾斜角度）βは、図６（ｄ）に示すように、側面５ｂのうち高さが単位構造の高さＨの１／２である点５ｈと、側面５ｂおよび基板表面が接する点５ｉとを結ぶ直線５Ｂを引き、その直線５Ｂと基板表面とのなす角度βをいう。

本実施形態の傾斜反射板の製造方法は、図２を参照しながら前述した方法に限定されない。例えば、ネガレジスト層１２に対して複数回の露光工程を行って露光量の異なる２つの領域１５、１７を形成した後に、現像により、ネガレジスト層１２のうち露光されなかった領域を除去してもよい。

図７（ａ）〜（ｆ）は、本実施形態の他の作製方法を例示する模式的な工程断面図である。

まず、図７（ａ）に示すように、基板１の上にネガレジスト層１２を形成する。

次いで、図７（ｂ）に示すように、壁部を規定する複数の開口部３２を有するフォトマスク３０を用いて、ネガレジスト層１２を露光して壁部形成領域１５を形成する。フォトマスク３０の形状は、図４を参照しながら説明した形状と同様であってもよい。露光量は、例えば３００ｍＪ／ｃｍ²とする。

次いで、図７（ｃ）に示すように、単位構造を規定する複数の開口部２２を有するフォトマスク２０を用いて、ネガレジスト層１２のうち壁部形成領域１５を含む複数の領域を露光する。フォトマスク２０の形状は、図３を参照しながら説明した形状と同様であってもよい。また、露光量は、例えば９０ｍＪ／ｃｍ²とする。これにより、壁部形成領域１５はさらに露光され、また、この工程で露光された領域のうち壁部形成領域１５以外の領域は、傾斜部形成領域１７となる。

なお、ここでは、フォトマスク３０を用いた露光工程の後に、フォトマスク２０を用いた露光工程を行っているが、この順序は逆であってもよい。また、本実施形態では、異なるフォトマスクを用いた複数の露光工程によって、露光量の異なる２つの領域１５、１７を有する単位構造形成層１３が形成されればよいので、露光工程の回数も２回に限定されない。

この後、ネガレジスト層１２の現像を行う。これにより、図７（ｄ）に示すように、上記の何れの露光工程でも遮光されていた領域が除去され、それぞれが壁部形成領域１５および傾斜部形成領域１７を含む複数の単位構造形成層１３が形成される。

続いて、図２（ｅ）を参照しながら説明した方法と同様の方法で単位構造形成層１３の焼成を行うことにより、図７（ｅ）に示すように、傾斜部形成領域１７に熱だれを生じさせて、傾斜部形成領域１７から傾斜面７ａを有する傾斜部７を形成する。壁部形成領域１５は、焼成によってもほとんど変形せず、現像時の形状を維持したまま壁部５となる。このようにして、所定の方向に傾斜した傾斜面７ａを有する単位構造３が得られる。

この後、図７（ｆ）に示すように、単位構造３が形成された基板１の表面に反射性の膜（例えばアルミニウム膜）９を形成して、傾斜反射板１００が完成する。

なお、この方法によると、現像時に重合度の異なる２つの領域（壁部形成領域１５および傾斜部形成領域１７）が存在するため、露光および現像の条件によっては、現像後、これらの領域１５、１７の間で段差が生じるおそれがある。具体的には、壁部形成領域１５の高さが傾斜部形成領域１７の高さよりも大きくなってしまう。このような段差が生じると、焼成後に得られる単位構造３の上面が滑らかな曲面にならずに、段差を有してしまう可能性があり、光学素子の特性を低下させる要因となり得る。従って、図２（ａ）〜（ｆ）を参照しながら上述した方法のように、現像後に第２の露光工程を行うことが好ましい。

図７を参照しながら説明した方法では、現像を行う前に２回の露光工程を行っているが、代わりに、グレイトーンマスクを用いて１回の露光工程のみを行ってもよい。以下、図面を参照しながら、グレイトーンマスクを用いた傾斜反射板の作製方法を説明する。

図８（ａ）は、グレイトーンマスクの一例を示す平面図である。図８（ａ）に示すグレイトーンマスク４０は、単位構造を規定する複数の透過領域４２を有しており、各透過領域４２は図３に示すフォトマスク２０の開口部２２と同様の扇形である。各透過領域４２の透過率は、扇形の円弧から要に向って高くなるように設定されている。図示する各透過領域４２の透過率は、中心４３からの距離に応じて７段階で変化する。具体的には、扇形の弦の中心４３を含む領域ｐの透過率は１００％であり、円弧に向って、９０％（領域ｑ）、８０％（領域ｒ）、７０％（領域ｓ）、６０％（領域ｔ）、５０％（領域ｕ）と徐々に小さくなり、円弧を含む領域ｖで４０％である。

図８（ａ）に示すようなグレイトーンマスク４０を用いて露光を行った後、現像すると、ステップ状の上面を有する単位構造形成層が得られる。

このようにして得られた単位構造形成層の断面図を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＶＩＩＩａーＶＩＩＩａ’に対応する断面における単一の単位構造形成層の形状を示している。単位構造形成層１３’の上面は、グレイトーンマスク４０の透過領域４２の透過率分布に起因して７段のステップを有している。単位構造形成層１３’のうちグレイトーンマスク４０の領域ｐを透過した光によって露光された領域が壁部形成領域１５’となり、他の領域は傾斜部形成領域１７’となる。

次いで、図２（ｅ）を参照しながら説明した方法と同様の方法で単位構造形成層１３’の焼成を行うと、図８（ｃ）に示すように、傾斜部形成領域１７’が熱だれを生じて、滑らかな傾斜面７ａ’を有する傾斜部７’となり、壁部形成領域１５’はほとんど熱変形せずに、その形状を維持したまま壁部５’となる。このようにして、傾斜部７’および壁部５’から構成される単位構造３’が得られる。

この後、図示しないが、単位構造３’が形成された基板表面を覆う反射性の膜を形成し、傾斜反射板が完成する。

上記方法のように、グレイトーンマスク４０を用いて露光を行うと、その後の焼成によって得られる単位構造３’の傾斜面７ａ’の設計がさらに容易となる。

なお、本実施形態の傾斜反射板は、転写物（レプリカ）であってもよい。例えば、図２、７および８を参照しながら説明した方法を用いて、表面に単位構造が配列された基板を作製し、これを原盤として、表面に樹脂層を有する他の基板にその表面形状を転写する。その後、表面形状が転写された他の基板の表面に反射性の膜を形成することにより、傾斜反射板を得ることができる。

本実施形態の傾斜反射板は、反射型液晶表示装置の反射電極として好適に用いられ得る。図９は、本実施形態の傾斜反射板を用いた反射型液晶表示装置の一例を模式的に示す断面図である。

液晶表示装置２００は、背面基板（ＴＦＴ基板）７３と、前面基板８３と、これらの基板７３、８３の間に配置された液晶層７７とを備えている。液晶層７７と背面基板７３との間には、画素電極としての機能と反射板としての機能を併せ持つ反射電極として、図１を参照しながら前述した傾斜反射板１００が設けられている。前面基板８３の液晶層側の表面には、カラーフィルター８１および透明電極７９がこの順で形成されており、前面基板８３の観察者側の表面には位相差板８５および偏光板８８が形成されている。

液晶表示装置２００は、傾斜反射板１００を用いているので、等方性を有する反射特性を示す従来の拡散反射板を用いた表示装置と比べて、明るく視認性に優れた表示が得られるという利点がある。以下に、図面を参照しながら詳しく説明する。

まず、傾斜反射板１００と比較するための従来の拡散反射板の構成を説明する。図１０（ａ）は従来の拡散反射板を模式的に示す平面図であり、（ｂ）および（ｃ）は拡散反射板における単一の単位構造を示す断面図である。拡散反射板９０は、基板９１の表面にランダムに配列された複数の単位構造９２を備えている。図示していないが、拡散反射板９０の表面は反射性の膜（例えばアルミニウム膜）で覆われている。各単位構造９２は、基板９１の法線方向から見て略円形であり、図１０（ｂ）および（ｃ）からわかるように、基板９１の表面における方向にかかわらず、基板に垂直な断面において、左右対称な形状を有している。

図１１（ａ）および（ｂ）は、半透過型もしくは反射型液晶表示装置の使用形態を示す概略図であり、（ａ）は図１０に示す従来の拡散反射板９０、（ｂ）は本実施形態の傾斜反射板１００を用いて表示を行う際の、入射光のうち表示に寄与する光の割合を説明するための図である。

図１１（ａ）に示すように、光源を周囲光とする反射表示を行う場合、使用者９４が遮光体として働くために、表示装置に対する入射光９５、９６は、主にパネルの上方向から入射する。入射光９５、９６は、パネルに入射して液晶層（図示せず）を通過した後、拡散反射板９０で反射して、使用者９４の方向へと出射する。このとき、拡散反射板９０の単位構造９２における上方向に傾斜した傾斜面９２ｕに入射した入射光９５は、使用者９４の顔（眼）の方向へと出射して表示に寄与する。一方、拡散反射板９０の単位構造９２における下方向に傾斜した傾斜面９２ｄに入射した入射光９６は、使用者９４の胸から腹の方向へと出射し、表示には寄与しない。

これに対して、図１１（ｂ）に示すように、傾斜反射板１００を用いて反射表示を行う場合には、表示装置に対する入射光９７、９８は、パネルに入射して液晶層（図示せず）を通過した後、傾斜反射板１００で反射する。このとき、傾斜反射板１００の単位構造３における傾斜面７ａが使用者９４から見て上側となるように傾斜反射板１００を配置することにより、入射光９７、９８の大部分を傾斜面７ａで反射させて、使用者９４の顔の方向へ出射させることができる。従って、傾斜反射板１００を用いた液晶表示装置によると、拡散反射板９０を用いた液晶表示装置に比べて、入射光のうち表示に寄与する光の割合を増加させることができるので、より明るく良好な反射表示を実現できる。

また、図１２および図１３は、それぞれ、拡散反射板９０および傾斜反射板１００を用いた表示装置に入射した光の反射方向を説明するための図である。図１２（ａ）は、拡散反射板９０を用いた場合の、パネルの表面に対して斜め３０°の方向から光を入射するときの反射光のふるまいを示す図であり、（ｂ）は、図１２（ａ）に示す反射光の角度分布を示すグラフである。図１３（ａ）は、傾斜反射板１００を用いた場合の、パネルの表面に対して斜め３０°の方向から光を入射するときの反射光のふるまいを示す図であり、（ｂ）は、図１３（ａ）に示す反射光の角度分布を示すグラフである。

図１２（ａ）および（ｂ）からわかるように、拡散反射板９０を用いた反射型液晶表示装置では、表示装置に入射した光１０１の大部分は、パネル表面１１０から液晶層（図示せず）を通過して拡散反射板９０で反射し、パネル表面１１０から観察者側へ出射して表示に寄与する（表示光）が、入射光１０１の一部は、パネル表面１１０で反射して観察者側へ出射する（表面反射光１０２）。このとき、表示光１０３が最も多く出射する方向（最も明るい方向）と表面反射光１０２の出射方向とが重なってしまうため、使用者にとって非常に視認性の悪い表示となる。

これに対し、傾斜反射板１００を用いた反射型液晶表示装置では、図１３（ａ）および（ｂ）からわかるように、パネル表面１１０で反射した表面反射光１０５の出射方向と、表示光１０６が最も多く出射する方向（最も明るい方向）とが重ならず、分離している。従って、使用者にとって視認性の良い表示が得られる。

（第２の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による光学素子の第２の実施形態を説明する。本実施形態の光学素子は、垂直配向モードの液晶表示装置において、垂直配向型液晶層の液晶分子の配向を規制する配向制御体である。前述した実施形態では、大きさや形状（傾斜角度α）が異なる複数の単位構造が配列され、その配列に周期性がなかったが、本実施形態では、大きさや形状が略同じ複数の単位構造を周期的に配列する点で、前述の実施形態と異なっている。また、本実施形態では、単位構造が形成された基板表面に反射性の膜を形成する必要はなく、必要に応じて、垂直配向膜などの配向膜が形成される。

図１４（ａ）は、本実施形態の配向制御体を示す模式的な断面図である。図示するように、配向制御体３００は、基板１および、基板１の表面に配列された複数の単位構造３を有している。各単位構造３は、壁部５および、壁部５に隣接し、基板１の表面に対して傾斜した傾斜面７ａを有する傾斜部７を有している。壁部５における傾斜部７と反対側の側面５ｂは、基板１に対して略垂直である。また、これらの単位構造３の傾斜面７ａが基板１の表面となす角度（傾斜角度）αは略同じであり、例えば５°である。また、これらの単位構造３は、傾斜面７ａの向きが略同じになるように、すなわち、傾斜面７ａの法線方向Ｎが、全体として、基板１の表面における特定の方位（Ｘ方向）に傾斜するように、配列されている。なお、前述した傾斜反射板１００と異なり、配向制御体３００の表面は反射性の膜で覆われていない。

配向制御体３００の平面図を図１４（ｂ）および（ｃ）に例示する。配向制御体３００における複数の単位構造３は、基板１の法線方向から見て、図１４（ｂ）に示すように、上記Ｘ方向に直交するＹ方向に延びる比較的長い短冊状の形状を有し、Ｘ方向に平行に配列されていてもよい。あるいは、図１４（ｃ）に示すように、Ｙ方向に、所定の溝４を空けて配列された複数の比較的短い短冊状の単位構造３を有していてもよい。図１４（ｃ）では、Ｙ方向とＸ方向とは直交しているが、Ｙ方向はＸ方向と異なる方向であればよい。なお、単位構造３は周期的に配列されているが、周期的に配列されていなくてもよい。

配向制御体３００は、例えば、垂直配向型液晶表示装置において、液晶層の背面側に、液晶層と接するように配置される。液晶層としては、ネガ型ネマティック液晶（Δε＜０）を用いた垂直配向型液晶層が用いられる。なお、配向制御体３００を用いてポジ型ネマティック液晶（Δε＞０）を用いた水平配向型液晶層の配向を制御することも可能である。

ここで、液晶層に含まれる液晶分子が、どのようにして単位構造３の傾斜面７ａによって配向制御されるかを、例を挙げて説明する。以下の説明では、単位構造３が図１４（ｃ）に示すように配列されているものとする。

例えば、液晶層としてネガ型ネマティック液晶を用いる場合、液晶層に電圧を印加しない状態（以下、「ＯＦＦ状態」という）において、傾斜面７ａの表面における液晶分子の長軸は、配向制御体３００の傾斜面７ａに対して略垂直方向に配向している。このため、液晶層の液晶分子は、基板１の表面の法線方向から傾いている（プレチルト方向）。この液晶層に対して、基板１と垂直方向に電圧を印加すると、それぞれの液晶分子はプレチルト方向に倒れようとする。印加される電圧が十分に高いと、液晶分子は基板１の表面と略平行になる。このとき、液晶分子の長軸は溝４の方向に沿う。

本実施形態における配向制御体３００が十分な液晶配向制御性を有するためには、単位構造３の平均ピッチＰ_Ｘは１０ｎｍ以上であることが好ましい。一方、液晶の配向方向を配向制御体３００の表面全体で制御するためには、単位構造３の平均ピッチＰ_Ｘは１０μｍ以下であることが好ましい。なお、単位構造３の（平均）ピッチＰ_Ｘは、図６（ａ）を参照しながら前述したように定義される。

単位構造３がＹ方向に所定の溝４を空けて配列される構成（図１４（ｃ））の場合、Ｙ方向における単位構造３のピッチＰ_Yは、例えば１０ｎｍ以上１０μｍ以下である。また、それぞれの溝４の幅ｄは、例えば１０ｎｍ以上で、単位構造３のＸ方向におけるピッチＰ_X以下である。

本実施形態では、単位構造３の高さ（すなわち壁部５の高さ）は１０ｎｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。高さが１０ｎｍ以上であれば、配向制御体３００の表面形状は液晶分子の配向をより確実に規制できる。一方、高さが１０μｍ以下であれば、単位構造３によって液晶層の実質的な厚さが変化することによる弊害を抑制できる。

単位構造３の傾斜面７ａと基板１の表面との間の傾斜角度αは、例えば０°より大きく４５°以下の範囲で適宜選択できる。なお、傾斜角度αは、図６（ｂ）および（ｃ）を参照しながら前述したように定義される。傾斜角度αを１０°以上４５°以下とすると、配向制御体３００における各傾斜面７ａの近傍では、液晶分子は基板１の法線方向から１０°以上４５°以下傾いて配向させることができる。

単位構造３の壁部５の側面５ｂと、基板１の表面との間の角度（傾斜角度）βは、上述した傾斜面７ａと基板１の表面との間の傾斜角度αよりも大きいことが好ましい。側面５ｂの傾斜角度βは、図６（ｄ）を参照しながら前述したように定義され、典型的には４５°より大きく１８０°未満である。

配向制御体３００の表面と接するように垂直配向型の液晶層を配置すると、液晶層と配向制御体３００との界面にある液晶分子は、配向制御体３００の表面の法線方向に沿って配向する。すなわち、傾斜面上の液晶分子は、傾斜面７ａの法線方向Ｎに沿って配向するプレチルト（第１プレチルト）、壁部の側面５ｂの上の液晶分子は側面５ｂの法線方向に沿って配向するプレチルト（第２プレチルト）をそれぞれ有する。本実施形態における各単位構造３は非対称な断面を有し、傾斜面７ａの付与するプレチルトが壁部５の側面５ｂの付与するプレチルトよりも支配的である。そのため、液晶層の厚さ方向の中間付近の液晶分子は、傾斜面７ａによる第１プレチルトの影響をより大きく受けて、例えば、第１プレチルトと同じプレチルト方向を有し、かつ第１プレチルトよりも小さいプレチルト角を有する。なお、液晶層の厚さ方向の中間付近にある液晶分子のプレチルトは、配向制御体３００の表面形状だけではなく、液晶層の上面と接する対向基板の表面の形状および状態によっても影響される。

なお、配向制御体３００における単位構造３の露出表面と液晶層とは接触していなくてもよい。例えば、配向制御体３００と液晶層との間に、壁部５および傾斜部７の露出表面を覆う膜を有していてもよい。この膜は、垂直配向膜などの配向膜であってもよいし、液晶層に電圧を印加するための電極として機能できる導電膜であってもよい。または、導電膜と配向膜とをこの順で積層した積層膜であってもよい。上記膜は、単位構造３の形状を反映した表面形状を有するように十分薄い（例えば厚さが１μｍ以下）ことが望ましい。上記膜が十分に薄いと、配向制御体３００の表面形状によって液晶層の配向を制御できるからである。

図１４に示すような構成を有する配向制御体３００は、例えば図２、図７または図８を参照しながら前述した方法と同様の方法で作製することができる。ただし、基板１の表面に単位構造３を形成した後、基板１の表面を覆う反射性の膜を形成する工程を行わない。また、露光工程の際に用いるフォトマスクやグレイトーンマスクの形状は、前述の実施形態で用いたそれらのマスクの形状と異なる。具体的には、本実施形態では、大きさおよび形状の略等しい複数の開口部または透過領域が、規則的または準規則的に配列されたフォトマスクやグレイトーンマスクを用いる。

図１５（ａ）〜（ｃ）は、配向制御体３００を作製する方法を説明するための平面図である。

まず、図示しないが、基板１にネガレジスト層を形成する。ネガレジスト層は、図２（ａ）を参照しながら説明した材料と同様の材料を用いて同様の方法で形成することができる。ネガレジスト層の厚さは、例えば３００ｎｍとする。

次いで、図１５（ａ）に示すように、単位構造を規定する複数の開口部を有するフォトマスクを用いてネガレジスト層を露光し（第１の露光工程）、続いて現像を行うことにより、基板１の表面に複数の単位構造形成層１３を形成する。露光条件は、図２（ｂ）を参照しながら前述した条件と同様とする。この例は、単位構造形成層１３は、基板１の表面においてＸ方向に直交するＹ方向に沿って、溝４を空けて配置されている。Ｘ方向に沿った単位構造形成層１３のピッチＰ_Ｘを１．６μｍ、Ｙ方向におけるピッチＰ_Ｙを３．２μｍ、溝４の幅ｄを０．８μｍとする。また、各単位構造形成層１３のＸ方向の幅ｗは1．0μｍとする。

この後、第１の露光工程で用いたフォトマスクとは異なるフォトマスクを用いて、単位構造形成層１３の一部を露光する（第２の露光工程）。露光条件は、図２（ｄ）を参照しながら前述した条件と同様とする。これにより、図１５（ｂ）に示すように、単位構造形成層１３のうち第２の露光工程で露光された部分は、壁部形成領域１５となり、露光されなかった部分が傾斜部形成領域１７となる。壁部形成領域１５のＸ方向における幅ｗ₅は、例えば０．４μｍとする。

次いで、単位構造形成層１３の焼成を行う。焼成条件は、図２（ｅ）を参照しながら前述した条件と同様とする。この焼成により、図１５（ｃ）に示すように、傾斜部形成領域１７は主にＸ方向に熱だれを生じて、傾斜面７ａを有する傾斜部７となる。一方、壁部形成領域１５は、ほとんど熱変形せずに、その形状を維持したまま壁部５となる。なお、図示しないが、焼成を行った後に、単位構造３の表面を含む基板１の表面全体に垂直配向膜などの配向膜を形成してもよい。

このようにして、壁部５および傾斜部７を有する単位構造３が配列された配向制御体３００が得られる。得られた配向制御体３００のＸ方向に沿った断面は、図１４（ａ）に示すような略台形である。各単位構造３の壁部５の高さは約３００ｎｍ、傾斜部７の傾斜面７ａの傾斜角度αは１２°、壁部５の側面５ｂの傾斜角度βは約８５°である。

上記方法では、２回の露光工程の間に現像工程を行っているが、図７を参照しながら前述したように、第１および第２の露光工程を行った後に現像してもよいし、図８を参照しながら前述したように、グレイトーンマスクを用いた１回の露光工程を行ってもよい。

本実施形態の方法によると、液晶層と接触する面全体で液晶層の初期配向を制御し得る配向制御体３００を簡便に作製できる。配向制御体３００を用いると、液晶層の配向をより均一に制御できるので有利である。また、配向制御体３００における単位構造３の平均ピッチＰ_Xを小さく（例えば数μｍ以下）しても、傾斜面７ａと基板１の表面との間の傾斜角度αや壁部５の高さなどを任意かつ精確に設定できる。また、傾斜面７ａの傾斜角度αを、単位構造形成層１３のピッチや高さ、傾斜部形成領域１７の幅などによって簡単に調整できるので、従来の方法では困難であったハイプレチルトが実現可能となる。

なお、図１５（ｃ）に示す構造体を原盤として、転写物（レプリカ）を作製することにより配向制御体３００を形成することもできる。

以下、転写によって配向制御体３００を形成する方法について説明する。

まず、例えば図１５を参照しながら説明した方法と同様の方法により、表面に複数の単位構造を有する原盤を作製する。

次に、この原盤をマスターとして用いて、原盤の表面形状を樹脂材料からなる層（樹脂層）などに転写することにより、配向制御体３００を形成する。樹脂層は、例えばガラス基板上などに配置されていてもよい。樹脂層の材料は特に限定されないが、公知の配向膜の材料と同じ材料を用いることができる。また、上記原盤を転写して得られた転写物をマスターとして用いて更なる転写を行うことにより、配向制御体３００を形成してもよい。

次に、図面を参照しながら、本実施形態の配向制御体の他の構成例を説明する。この例の配向制御体では、単位構造３の傾斜面７ａの法線方向Ｎは、基板１の表面における位置に応じて異なる方位に傾斜している。なお、傾斜面７ａが平面でない場合、「傾斜面７ａの法線方向Ｎ」は、その傾斜面７ａにおける平均の法線方向をいう。このような配向制御体を表示装置に適用すると、１画素内に配向方向（例えばプレチルト方向）が互いに異なる複数の領域を混在させることができるので（配向分割）、表示の視野角特性を大幅に改善できる。

以下、図１６（ａ）〜（ｄ）を参照しながら、配向制御体のより詳細な構成を説明する。

配向制御体は、例えば図１６（ａ）に示すような基板（石英基板など）１２２の上に形成される。基板１２２は、配向制御体によって規定される６０ｍｍ×６０ｍｍの配向制御領域１２６を有している。配向制御領域１２６には、３００μｍ×１００μｍの単位領域１２４が２００個×６００個並べられている。例えば、配向制御領域１２６は表示装置における表示領域に、単位領域１２４は表示装置における画素にそれぞれ対向して設けられる。

ここで、各単位領域１２４は、図１６（ｂ）に示すように、縦横ともに２分割された４つの「サブ」の領域を有している。サブ領域は、画素分割されたサブ画素に対向づけられる。各サブ領域には複数の単位構造３が配列されている。それぞれのサブ領域では、単位構造３の傾斜面７ａは略同一の法線方向Ｎを有している。また、図１６（ｃ）に、図１６（ｂ）のＩ―Ｉ’およびＩＩ−ＩＩ’断面図を示す。図１６（ｂ）および（ｃ）に示すように、各サブ領域における傾斜面７ａは、そのサブ領域を含む単位領域１２４の中心に対して外を向くように形成されている。

図１６（ｄ）は、各サブ領域における単位構造３の配列状態をより詳しく説明するための斜視図である。単位構造３は、基板表面におけるＸ方向に１．６μｍの平均ピッチＰ_Xで配列され、また、基板表面におけるＸ方向と直交するＹ方向に、０．８μｍの溝を空けて、３．２μｍの平均ピッチＰ_Yで配列されている。

各単位構造の傾斜面の法線方向は、その単位構造の基板表面における位置に応じて予め決められた方位に傾斜している。従って、液晶層のプレチルト方向を所定の領域ごとに制御する、いわゆる配向分割が可能になる。

なお、配向分割が可能な配向制御体の構成は、図１６に示す構成に限定されない。例えば、単位領域１２４のサイズやサブ領域の数、形状なども任意に設定できる。このような配向制御体を表示装置に適用する場合には、単位領域１２４のサイズは、適用しようとする表示装置の画素のサイズに対応させることが好ましい。また、各単位構造３のサイズやピッチも任意に設定できる。さらに、配向制御体は、表面に配向膜および／または導電膜を有していてもよい。この場合、配向膜と接するように液晶層を配置するとよい。

上述したような配向分割可能な配向制御体は、例えば次のような方法で製造される。

まず、図１５（ａ）を参照しながら説明した方法と同様の方法で、基板１の上に単位構造形成層（厚さ：３００ｎｍ）１３を形成する。ただし、本実施形態では、単位構造形成層１３の配列方向は、図１６（ｂ）に示す単位構造３の配置に応じて、サブ領域毎に選択される。

次いで、図１５（ｂ）を参照しながら説明した方法と同様の方法で、単位構造形成層１３のうち壁部を形成しようとする部分のみを露光して、壁部形成領域１５を得る。単位構造形成層１３のうち本工程で露光されなかった部分は、壁部形成領域１５よりも露光量の少ない傾斜部形成領域１７となる。本実施形態では、図１６（ｂ）に示す単位領域の右上のサブ領域では、単位構造形成層１３のうち左下に位置する部分を露光して、右上に傾斜部形成領域１７を形成する。同様に、左上のサブ領域では左上に、右下のサブ領域では右下に、左下のサブ領域では左下に傾斜部形成領域１７をそれぞれ形成する。

この後の工程は、図１５（ｃ）を参照しながら説明した工程と同様である。これにより、基板表面における位置に応じて、傾斜面７ａの向きが異なる単位構造３を容易に形成できる。

上記の方法によると、単位構造３の配列ピッチ、高さおよび傾斜面７ａの傾斜角度αなどが任意かつ精確に制御され、かつ配向分割が可能な配向制御体を容易に作製できる。

なお、上記方法の代わりに、図１５を参照しながら説明した方法で、例えば右上のサブ領域と対応するマスターを作製し、このマスターの表面形状を、基板表面における異なる領域に、向きを変えながら４回転写することにより、サブ領域ごとに傾斜面の法線方向が異なる配向制御体を形成することもできる。

本実施形態の配向制御体は、液晶表示装置に好適に用いることができる。

図１７（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本実施形態の配向制御体を用いた表示装置の構成を示す模式的な断面図である。ここでは、配向制御体として、図１６を参照しながら説明したような配向分割が可能な配向制御体を用いた構成を例に説明する。

図１７（ａ）に示す表示装置では、表面に導電膜１３４および垂直配向膜１３６をこの順で有する配向制御体１３２と、表面に電極１４４および垂直配向膜１４２が形成された基板１４６とが対向し、配向制御体１３２および基板１４６によって液晶層１４０が狭持されている。垂直配向膜１３６は、液晶層１４０と接するように形成されている。液晶層１４０は垂直配向型液晶層である。配向制御体１３２は、傾斜面の向きの異なる複数の領域を有している。配向制御体１３２は、図１５を参照しながら前述した方法を用いて形成されてもよいし、転写物であってもよい。

また、図１７（ｂ）の表示装置は、図１７（ａ）に示す表示装置と同様の構成を有しているが、配向制御体１３２が基板と複数の単位構造との間に導電膜１３４を備えている点で異なる。図１７（ｂ）に示すような配向制御体１３２は、例えば、基板１の表面に導電膜１３４を形成した後、導電膜１３４の上に、図１５を参照しながら説明した方法で単位構造を形成することによって得られる。あるいは、ガラス基板１の表面に導電膜１３４および樹脂層をこの順で形成した後、前述の方法によって作製されたマスターの表面形状を樹脂層に転写することによって形成できる。

図１７（ａ）および（ｂ）に示す表示装置によると、液晶層１４０に電圧が印加されていない状態（ＯＦＦ状態）では、図１７（ａ）および（ｂ）に示すように、液晶層１４０に含まれる液晶分子１３８の長軸は、配向制御体１３２の表面（傾斜面）の影響を受けて傾いている。導電膜１３４および電極１４４によって液晶層１４０に電圧が印加されると、液晶分子１３８は、ＯＦＦ状態で傾いていた方向に倒れる。この例では、配向制御体１３２が傾斜面の向きの異なる複数の領域を有しているので、それぞれの領域ごとに液晶分子１３８の倒れる方向を制御できる。

なお、基板１４６の代わりに、他の配向制御体を配向制御体１３２と対向するように配置して、液晶層１４０が２つの配向制御体によって狭持される構成にしてもよい。また、液晶層１４０は水平配向型であってもよい。さらに、配向制御体として、図１４に示すような傾斜面の向きが一定の配向制御体を用いることもできる。

このように、本実施形態の配向制御体を用いて表示装置を構成すると、液晶層１４０の配向を略均一に制御できるので、高コントラストな表示が得られる。また、リブやスリットなどの従来の配向制御手段を備えた表示装置と比べて、リタデーションや開口率を向上できる。さらに、配向分割も可能であるため、視野角特性を改善できる。液晶層１４０のプレチルト角θを任意に設定でき、プレチルト角θを大きく（ハイプレチルト）することにより、液晶分子の配向をより安定して制御できる。

さらに、図１７（ａ）および（ｂ）に示す表示装置は、リブやスリットを利用した表示装置と比べて、優れた応答特性を実現できるという利点もある。この利点について、以下に説明する。

リブやスリットなどの従来のＭＶＡ型ＬＣＤで用いられる配向制御手段は、画素内の液晶層に対して局所的（一次元的）に配置される。そのため、２次元的な広がりを有する画素内において、配向制御手段近傍にある液晶分子は比較的速く応答するのに対し、配向制御手段の影響を受けにくい位置にある液晶分子の応答が遅くなる。この応答特性の分布が表示特性を低下させることがある。

リブ法では、リブの近傍に存在する液晶分子は、リブ形状の影響を受けて所定のプレチルト（プレチルト方向およびプレチルト角）を有する。一方、隣接するリブの中間に位置する液晶分子はリブ形状の影響を受けにくいので、そのプレチルト角は、リブの近傍に存在する液晶分子よりも小さくなる。このような液晶層に電圧を印加すると、プレチルト角の大きい液晶分子から順にプレチルト方向に倒れていくため、液晶層の応答速度が小さくなる。

同様に、斜め電界法においても、スリットの近傍に存在する液晶分子と隣接するスリットの中間に位置する液晶分子とでは、スリット近傍に存在する液晶分子の方が斜め電界の影響を大きく受ける。従って、電圧を印加すると、スリット近傍に存在する液晶分子から順に応答していく。そのため、液晶層の応答時間は長くなってしまう。

これに対し、本発明では、画素部のほぼ全域に（２次元的に）均一に液晶層１４０の配向制御手段を形成できるので、液晶分子は液晶層における位置にかかわらず高速で応答できる。従って、液晶層１４０の応答速度を従来よりも大幅に向上できる。

なお、一般的に行われているラビング処理も、画素部のほぼ全域に液晶層の配向制御手段を形成するものであり、応答速度の分布が形成されることはない。しかしながら、垂直配向型液晶層の液晶分子の配向を制御することはできない。また、プレチルト方向の異なる領域を作るためには異なる方向にラビングする必要があり、配向制御するためのプロセスが複雑になるという問題がある。これに対し、本発明では、プレチルト方位は、傾斜面（例えば図１４の傾斜面７ａ）の法線方向が傾斜している方位によって制御され、傾斜面の角度によってプレチルトの「角度」を制御することもできる。そのため、所定の領域ごとに異なる表面形状を形成することにより、容易に配向分割できる。

本発明は、上述の実施形態に限定されず、傾斜反射板や配向制御体以外の用途に使用される光学素子に適用してもよい。例えば種々の回折格子としても用いられ得る。本発明をブレーズド回折格子に適用すると、格子定数やブレーズ角などを任意かつ精確に制御できるので有利である。

本発明によれば、表面に複数の単位構造が配列された基板を備えた高精細な光学素子が簡便に作製できる。本発明は、例えば液晶表示装置の液晶パネル内に配置される拡散反射板、反射電極、配向制御体などに好適に用いられ得る。

本発明を、例えば反射型液晶表示装置の拡散反射板や反射電極に適用すると、拡散反射板や反射電極を構成する単位構造の傾斜面の向きを容易に制御できるので、従来よりも明るく視認性の高い表示を実現できる。

また、液晶表示装置において、液晶層の液晶分子の配向を規制する配向制御体に適用すると、液晶層をより均一に配向制御することができ、高コントラストな表示が得られるだけでなく、プレチルト角を容易かつ任意に制御できるメリットがある。さらに、配向制御体に、単位構造の傾斜面の向きが異なる複数の領域を形成することによって配向分割を行うことができるので、視野角特性を向上できる。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態の光学素子（傾斜反射板）の構成を説明するための模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）および（ｃ）は、（ａ）に示すＩｂ−Ｉｂ’線およびＩｃ−Ｉｃ’線に沿った断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１の実施形態の傾斜反射板の製造方法の一例を説明するための工程断面図である。 本発明の第１の実施形態で使用するフォトマスクの形状を例示する平面図である。 本発明の第１の実施形態で使用するフォトマスクの形状を例示する平面図である。 （ａ）および（ｂ）は、特許文献３に記載された従来の方法を説明するための工程断面図であり、（ｃ）は、本願発明者らがこの従来の方法を追試した結果得られた光学素子の形状を模式的に示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の光学素子における単位構造のピッチ、および傾斜面または側面の角度を説明するための図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明による第１の実施形態の他の製造方法を説明するための模式的な工程断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明による第１の実施形態のさらに他の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は、グレイトーンマスクの一例を示す平面図であり、（ｂ）および（ｃ）は、模式的な工程断面図である。 本発明による第１の実施形態の傾斜反射板を用いた反射型液晶表示装置を例示する模式的な断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、従来の拡散反射板の構成を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）および（ｃ）は、単一の単位構造を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、従来の拡散反射板および第１の実施形態の傾斜反射板を用いた反射型液晶表示装置において、入射光のうち表示に寄与する光の割合を説明するための図である。 （ａ）は、従来の拡散反射板を用いた場合の、パネルの表面に対して斜め３０°の方向から光を入射するときの反射光のふるまいを示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す反射光の角度分布を示すグラフである。 （ａ）は、第１の実施形態の傾斜反射板を用いた場合の、パネルの表面に対して斜め３０°の方向から光を入射するときの反射光のふるまいを示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す反射光の角度分布を示すグラフである。 本発明による第２の実施形態の光学素子（配向制御体）を示す模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）および（ｃ）は平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明による第２の実施形態の配向制御体の製造方法の一例を説明するための工程断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明による第２の実施形態の配向制御体の他の構成を説明するための図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本発明による第２の実施形態の配向制御体を用いた液晶表示装置を例示する模式的な断面図である。

符号の説明

１ 基板
３ 単位構造
５ 壁部
５ａ、５ｂ 壁部の側面
７ 傾斜部
７ａ 傾斜面
９ 反射性の膜
１２ ネガレジスト層
２０、３０、４０ フォトマスク
２２、３２、４２ 開口部
１３、１３’ 単位構造形成層
１５、１５’ 壁部形成領域
１７、１７’ 傾斜部形成領域
１００、３００ 光学素子

Claims (13)

1. 基板と、前記基板の表面に形成された複数の単位構造とを備え、各単位構造は、前記基板の表面に対して傾斜した傾斜面を有する光学素子の製造方法であって、
   （ａ）ネガ型感光性樹脂を用いて、基板の表面にレジスト層を形成する工程と、
   （ｂ）前記レジスト層に対してフォトマスクを用いて露光し、現像を行うことにより、間隔を空けて配置された複数の単位構造形成層を形成する工程であって、各単位構造形成層は、第１の露光量で露光された第１領域と、前記第１の露光量よりも少ない第２の露光量で露光された第２領域とを含む工程と、
   （ｃ）前記複数の単位構造形成層の熱処理を行って、前記各単位構造形成層のうち少なくとも前記第２領域を熱変形させて前記基板の表面に対して傾斜した傾斜面を形成することにより、それぞれが傾斜面を有する複数の単位構造を得る工程と
   を包含する光学素子の製造方法。
2. 前記フォトマスクのうち少なくとも１枚は、前記複数の単位構造を規定する複数の開口部を有しており、各開口部の形状は異方性を有する請求項１に記載の光学素子の製造方法。
3. 前記工程（ｂ）は、
   （ｂ１）第１のフォトマスクを用いて、前記第１および第２領域を第１の露光量で露光する第１の露光工程と、
   （ｂ２）第２のフォトマスクを用いて、前記第１領域をさらに露光する第２の露光工程と
   を包含する請求項１または２に記載の光学素子の製造方法。
4. 前記工程（ｂ１）と前記工程（ｂ２）との間に、前記レジスト層のうち前記第１の露光工程で露光されなかった領域を現像によって除去する工程（ｂ３）をさらに含む請求項３に記載の光学素子の製造方法。
5. 前記工程（ｂ１）および（ｂ２）の後に、前記レジスト層のうち前記第１および第２の露光工程で露光されなかった領域を現像によって除去することにより、前記複数の単位構造形成層を得る工程（ｂ４）をさらに含む請求項３に記載の光学素子の製造方法。
6. 前記工程（ｂ）は、グレイトーンマスクを用いて、前記第１の露光量で前記第１領域を露光するとともに、前記第２の露光量で前記第２領域を露光する工程を含む請求項１または２に記載の光学素子の製造方法。
7. 前記工程（ｃ）は、前記各単位構造形成層のうち前記第１領域の軟化点以下であり、かつ、前記第２領域の軟化点よりも高い温度で熱処理を行う工程を含む請求項１から６のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
8. 前記傾斜面の法線方向は、前記基板の表面における予め決められた方位に傾斜している請求項１から７のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
9. 前記工程（ｃ）の後に、前記複数の単位構造が形成された基板の表面に反射性の膜を形成する工程をさらに含む請求項１から８のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
10. 前記工程（ｃ）の後に、前記複数の単位構造が形成された基板の表面に垂直配向膜を形成する工程をさらに含む請求項１から８のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
11. 前記傾斜面の法線方向は、前記基板の表面における位置に応じて、予め決められた方位に傾斜している請求項１０に記載の光学素子の製造方法。
12. 請求項１から請求項１１のいずれかに記載の方法により製造された光学素子。
13. 請求項１から請求項１１のいずれかに記載の方法により製造された光学素子と、
    前記光学素子の上に配置された液晶層と、
    前記液晶層に電圧を印加するための電極と
    を備えた液晶表示装置。

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