粒子ビ―ム配向を用いる液晶ディスプレイの乾式製法

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【発明の名称】	粒子ビ―ム配向を用いる液晶ディスプレイの乾式製法
【発明者】	【氏名】アレッサンドロ・チェザーレ・カレガリ【氏名】プラヴェーン・チャウダリ【氏名】ジェームズ・パトリック・ドイル【氏名】ジェームズ・アンドリュー・レイシー【氏名】シュイ＝チン・アラン・リエン【氏名】サムパト・プルショタマン【氏名】マヘシュ・ゴーヴィンド・サマント【氏名】ジェームズ・エル・スペイデル【氏名】ヨアヒム・ストア
【要約】	【課題】液晶ディスプレイの液晶セルを形成する方法を提供する。【解決手段】まず、プラズマ強化化学的気相付着（ＰＥＣＶＤ）などの乾式加工法を用いて乾式加工配向膜を第１の透明基板上に付着させる。次に、液晶分子を配向させるために、この乾式加工配向膜を粒子ビームで照射してこの配向膜の原子構造を少なくとも１つの所望の方向に配列させる。乾式加工法を用いて別の乾式加工配向膜を第２の基板上に付着させ、同様に粒子ビームで照射する。次に、この第１の透明基板および第２の基板を間隔を持って互いに隣接するそれぞれの配向膜で挟む。次に、この膜間のスペースを液晶材料で充填する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】ａ）非水性気体環境付着法を使用して基板上に膜を付着させるステップとｂ）前記付着した膜を粒子ビームにより指定の角度で照射して、前記膜の原子構造を少なくとも１つの所定の方向に配列するステップとを含む、配向した分子構造を示す膜を基板上に形成する方法。
【請求項２】前記膜が蒸着、スパッタ付着、イオン・ビーム付着、化学的気相付着、およびプラズマ強化化学的気相付着からなる群から選択された前記非水性気体環境付着法を用いて、前記基板上に付着される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】前記膜がプラズマ強化化学的気相付着を用いて前記基板上に付着される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】前記膜がスパッタ付着を用いて前記基板上に付着される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】前記膜が可視スペクトルにおいて光学的に透明である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】前記膜が可視スペクトルにおいて約９０％より大きい透過率を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】前記膜が、イオン結合、部分イオン結合、共有結合、および部分共有結合からなる群から選択された結合特性を示す材料で形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】前記膜が、グラファイト、ダイヤモンド、非晶質炭素、水素化非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、水素化ダイヤモンド状炭素、非晶質水素化ケイ素、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、ガラス、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、ＳｎＯ₂、ＩｎＴｉＯ₂、ＩｎＺｎＯ₂およびＺｎＴｉＯ₂からなる群から選択された材料で形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】前記膜が可視スペクトルにおいて光学的に透明であるような水素含有率および厚みを有する水素化ダイヤモンド状炭素膜で形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】前記ステップ（ｂ）が気体をプラズマ状態に励起するステップと、プラズマ状態にある前記気体のイオンにエネルギーを与えて粒子ビームを発生するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】前記気体が貴ガス、貴ガスと活性ガスの混合物、窒素、フッ素、フルオロカーボン、炭化水素、酸素、およびこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】請求項１に記載の方法を用いて第１の基板上に第１の膜を形成するステップと、第２の基板を用意するステップと、前記第１の基板と前記第２の基板を、前記第１の膜が前記第２の基板と対向して、間隔を持って互いに隣接するように配置するステップと、前記間隔に液晶材料を配置するステップとを含む、ＬＣＤセルを形成する方法。
【請求項１３】請求項１に記載の方法を用いて第１の透明基板上に第１の透明膜を形成するステップと、請求項１に記載の方法を用いて第２の透明基板上に第２の透明膜を形成するステップと、第１の透明基板と第２の透明基板を、それぞれ第１および第２の膜が間隔を持って互いに隣接するように挟むステップと、前記第１と第２の膜の間のスペースを液晶材料で充填するステップとを含む、ＬＣＤセルを形成する方法。
【請求項１４】請求項１に記載の方法を用いて透明基板上に第１の透明膜を形成するステップと、請求項１に記載の方法を用いて不透明基板上に第２の膜を形成するステップと、前記透明基板と不透明基板を、それぞれ第１および第２の膜が間隔を持って互いに隣接するように挟むステップと、前記第１と第２の膜の間のスペースを液晶材料で充填するステップと、を含む、ＬＣＤセルを形成する方法。
【請求項１５】ａ）間隔を持って互いに隣接する表面をそれぞれ有する一対の基板と、ｂ）各前記基板の表面上に配置された導体層と、ｃ）少なくとも一方の前記導体層の上に配置され、非水性気体環境付着法を用いて付着され、指定の角度で粒子ビームで照射して、その原子構造を少なくとも１つの所定の方向に配列させた膜と、ｄ）前記間隔内に配置された液晶材料とを含む液晶ディスプレイ・デバイス。
【請求項１６】ａ）間隔を持って互いに隣接する表面をそれぞれ有する１対の基板と、ｂ）各前記基板の表面上に配置された導体層と、ｃ）一方の前記導体層の上に配置され、非水性気体環境付着法を用いて付着され、指定の角度で粒子ビームで照射してその原子構造を少なくとも１つの所定の方向に配列させた第１の膜と、ｄ）もう一方の前記導体層の上に配置されたカラー・フィルタ層と、ｅ）前記カラー・フィルタの上に配置され、非水性気体環境付着法を用いて付着され、指定の角度で粒子ビームで照射してその原子構造を少なくとも１つの所定の方向に配列させた第２の膜と、ｆ）前記間隔内に分布する均等な大きさの複数のスペーサと、ｇ）前記間隔内に配置された液晶材料とを含む液晶ディスプレイ・デバイス。
【請求項１７】ａ）間隔を持って互いに隣接する表面を有する透明基板および不透明基板と、ｂ）前記透明基板の表面の上に配置された透明な導体層と、ｃ）前記不透明基板の表面の上に配置された反射性の導体層と、ｄ）前記透明な導体層の上に配置され、非水性気体環境付着法を用いて付着され、指定の角度で粒子ビームで照射してその原子構造を少なくとも１つの所定の方向に配列させた第１の膜と、ｅ）前記反射性のパターン付き導体層の上に配置され、非水性気体環境付着法を用いて付着され、指定の角度で粒子ビームで照射してその原子構造を少なくとも１つの配向した所定の方向に配列させた第２の膜と、ｆ）前記間隔内に分布する均等な大きさの複数のスペーサと、ｇ）前記間隔内に配置された液晶材料とを含む液晶ディスプレイ・デバイス。
【請求項１８】前記非水性気体環境付着法は、蒸着、スパッタ付着、イオン・ビーム付着、化学的気相付着、およびプラズマ強化化学的気相付着からなる群から選択される、請求項１５ないし１７のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項１９】前記膜がプラズマ強化化学的気相付着を用いて付着される、請求項１５ないし１７のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項２０】前記膜が、スパッタ付着を用いて付着される、請求項１５ないし１７のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項２１】前記膜が可視スペクトルにおいて光学的に透明である、請求項１５ないし１７のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項２２】前記膜が、グラファイト、ダイヤモンド、非晶質炭素、水素化非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、水素化ダイヤモンド状炭素、窒化炭素、非晶質水素化ケイ素、窒化ホウ素、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、ガラス、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、ＳｎＯ₂、ＩｎＴｉＯ₂、ＩｎＺｎＯ₂およびＺｎＴｉＯ₂からなる群から選択された材料で形成される、請求項１５ないし１７のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項２３】前記膜が可視スペクトルにおいて光学的に透明であるような水素含有率および厚みを有する水素化ダイヤモンド状炭素で形成される、請求項１５ないし１７のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項２４】前記膜の原子構造が一方向に配列される、請求項１５ないし１７のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項２５】前記膜の原子構造が多方向に配列され、多領域デバイスをもたらす、請求項１５ないし１７のいずれか１つに記載のデバイス。
【請求項２６】前記粒子ビームが貴ガス、貴ガスと活性ガスの混合物、窒素、フッ素、フルオロカーボン、炭化水素、酸素、およびこれらの混合物からなる群から選択されたガスから生成される、請求項１５ないし１７のいずれか１つに記載のデバイス。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）デバイスのための配向膜の形成に関し、より詳細には乾式加工技術を用いて配向膜を付着させ、付着した膜を粒子ビーム配向法を用いて配向させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】関連出願本出願は、参照により本明細書に含まれる、アレッサンドロ・カレガリ（Alessandro Callegari）らによる「Alignment of Liquid-Crystal Layers」という名称の同時出願の米国特許出願第０９／０２７９９７号に関連する。
【０００３】液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）デバイスは向かい合ったガラス板上に形成された透明電極の間に液晶を有する液晶セル、またはガラス基板上の透明電極と不透明基板上の反射性電極との間に液晶を有する液晶セルを含む。電極間に電気信号を印加することによりＬＣＤデバイスは入射光を変調し情報を表示することができる。コントラストを得るには液晶分子の配向を均一に制御する必要がある。上下の板の間で液晶分子を約０～３６０°捻るように設計されたネマティック系などの電界効果系では、液晶分子を基板表面に平行にしかも一方向に配向させることが好ましい。
【０００４】多くの液晶配向方法がある。ポリマーの延伸、ポリマーのラビング、ラングミュア－ブロジェット膜の形でのポリマーの付着、および膜の紫外線照射がこれに含まれる。ＳｉＯの粒子を基板に付着させる方法、またはマイクロリソグラフィを用いて溝をエッチングする方法もある。これらの方法は全て欠陥を有する。
【０００５】好ましい方法は、液晶を配向させるため各透明電極上にポリイミドで形成された配向膜を付着させ、このポリイミド膜を毛羽立ち布、フロック加工布、またはビロード布で所望の方向に摩擦（rub）または研磨（abrade）し、続いて膜を洗浄してからこの透明基板を組み立てて液晶セルを形成する方法であった。配向膜は液晶分子を所定の方向に配向させるようにその原子構造（即ち分子）が所定の方向に配向している絶縁層である。
【０００６】ポリイミド膜を形成する方法は初めに基板にポリイミドの湿式被覆を付与することを含む。これは既知の印刷法またはスピン法で行うことができる。次にこの湿式被覆をベークして基板上にポリイミド膜を形成する。その後、この膜をローラに通して膜表面を平坦にする。次にこの膜はラビングされ、続いて洗浄工程でラビング工程で残った残滓を除去する。このような方法は（上記のように）多くのステップを要し、時間がかかりコスト高である。したがって、より高い効率および費用効果で基板上に形成することができる配向膜を提供する必要がある。
【０００７】ポリイミド膜は基板上に付着させると、液晶を所定の方向に配向させるために所定の方向にその原子構造が配向していなければならない。前述のように、これは膜の所望の方向へのラビングによって通常達成される。ラビング法にはいくつかの欠陥がある。ラビング圧力により残滓が生じ洗浄ステップを必要とするのでクリーン・ルーム加工に容易に適合しない。さらに、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）またはＭＩＭ（金属－絶縁層－金属）素子などの能動スイッチング素子アレイを用いるＬＣＤでは、処理した電極板のラビングによって生ずる静電気が半導体スイッチング素子を損傷するおそれがある。
【０００８】ラビング法のもう１つの問題は、電極板をラビング布で摩擦すると、布に含まれる繊維および不純物が配向膜に付着してＬＣＤを劣化させることである。このためＬＣＤを多量の洗浄溶剤で洗浄することが必要になる。ラビング動作はまた不純物および繊維を周囲環境に放出する。膜付着ステップはクリーン・ルーム環境で行う必要があるので、ラビング・ステップは膜付着ステップと異なる場所で行わなければならない。膜のラビングに別の部屋が必要であるとＬＣＤの総製造時間およびコストが増大する。
【０００９】配向膜の配向法を改良する１つの手法が、イオン照射を用いて液晶分子を配向させるポリイミド配向膜のエッチング方法を開示する米国特許第５０３０３２２号に見られる。同特許は従来のラビング法に勝る改良された配向方法を提供するが、湿式被覆の付与、配向膜を形成するための湿式被覆の加熱、および配向膜のローラ処理など、配向膜を付着させるのに多数のステップが必要なことに対する解決策を与えていない。
【００１０】ＬＣＤ基板上に配向膜を付着し配向させる効率的な低コストの方法を提供する必要がある。ＬＣＤに用いる信頼性があり適切な配向法を提供することも必要である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の一目的は従来法より製造のステップが少なく低コストの信頼性のある液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を提供することである。
【００１２】本発明の他の目的は、製造し易く、信頼性があり、従来法の配向膜と比肩しうる性能を有する改良された配向膜を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は液晶ディスプレイの液晶セルを形成する方法である。最初にプラズマ強化化学的気相付着（ＰＥＣＶＤ）などの乾式加工方法を用いて第１の透明基板上に乾式加工配向膜を付着させる。次いで、液晶分子を配向させるために、この乾式加工配向膜を粒子ビームで照射して配向膜の原子構造を少なくとも１つの所望の方向に配列させる。乾式加工法を用いて別の乾式加工法配向膜を第２の透明基板または不透明基板上に付着させ、同様に粒子ビームで照射する。第１の透明基板膜上にスペーサ・ボールを配置し、次いで第１の透明基板および第２の基板を、それぞれの配向膜が間隔を持って隣接するように挟む。次に膜間のスペースを液晶材料で充填する。
【００１４】ＬＣＤに用いるのに適した配向膜を形成するために乾式加工法と組み合わせて種々の膜材料を用いることができる。膜材料は光学的に透明で非晶質または微粒子状でなければならない。このような材料には、グラファイト、ダイヤモンド、非晶質炭素、水素化非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、水素化ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）、非晶質水素化ケイ素、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、ガラス、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、ＳｎＯ₂、ＩｎＴｉＯ₂、ＩｎＺｎＯ₂およびＺｎＴｉＯ₂が含まれることが分かっている。一般に、イオン性または部分イオン性、共有または部分共有結合を示し、必要な光学的透明性および非晶質または微粒子構造を有する材料がこのような配向膜の形成に適する。上記の材料は、最小限従来法のポリイミド膜と性能的に比肩し、製造に要するステップとコストが少ない配向膜を形成するのに用いることができる。
【００１５】本発明はまた、膜の光学特性を犠牲にすることなく配向膜の厚みを増加させる方法を提供する。これは配向膜に水素など追加の元素を添加して光学的透明度を増加させることにより達成される。この方法で、適当な光学的透明度を有するより厚い配向膜を形成することができる。したがって、このような手法はＬＣＤの液晶セル製造においてより大きい設計の自由度を提供する。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明の詳細な説明に進む前にここで用いる用語を定義するのが適切である。乾式加工法という用語は以下では、蒸着、スパッタリング、イオン・ビーム付着、化学的気相付着、プラズマ強化化学的気相付着（ＰＥＣＶＤ）など、基板上に膜を付着させることができるあらゆる非水性気体環境付着法を指す。乾式加工膜という用語は乾式加工法を用いて付着されるあらゆる膜を指す。
【００１７】本発明はＬＣＤの透明基板上に配向膜を形成し配向させる改良された方法に関する。本発明はＰＥＣＶＤなどの乾式加工法を用いて透明基板上に非晶質配向膜を付着させる。本発明はまた、乾式加工配向膜の原子構造を粒子ビーム装置を用いて少なくとも１つの所望の方向に配向させる。このような手法は従来法のポリイミド膜に比肩する性能を有するが、膜材料の湿式被覆の付与、膜を形成するための湿式被覆の加熱、膜のローラ加工、膜のラビング、および膜の洗浄という追加のステップを必要としない乾式加工配向膜を提供する。さらに、このような手法はまた、配向膜を付着し配向させる従来法より速く低コストの方法を提供する。
【００１８】図１において、液晶セル１００はねじれネマチック・セルとして働く１対の基板２０Ａおよび２０Ｂ、好ましくはガラス板を含む。液晶セル１００はさらに基板２０Ａおよび２０Ｂの各々の上に位置する透明電極１０２および１０４、乾式加工された配向膜１０６および１０８、封止樹脂１１０および１１２、スペーサ１１４および１１６（すなわち、ガラス・ビーズまたはプラスチック球）、およびねじれネマチック液晶１１８を含む。基板２０Ａおよび２０Ｂは膠（glue）などの接着剤を用いて接着してもよい。基板２０Ａおよび２０Ｂの配向膜表面はスペーサ１１４および１１６によって約５μｍの間隔で互いに分離されることが好ましい。液晶１１８は配向層１０６と１０８の間に挟まれる。
【００１９】ネマチック液晶セル１００の構成要素は、以下に詳細に述べる特殊な材料である配向膜１０６および１０８、ならびに基板２０Ａおよび２０Ｂのそれぞれ上に膜を付着させる方法以外は一般に当業界で既知である。
【００２０】種々の膜を乾式加工法と組み合わせてＬＣＤに用いるのに適する配向膜を形成することができる。しかし、膜がＬＣＤに用いるのに適するためには、この膜は光学的に透明で非晶質または微粒子状でなければならない。非晶質という用語は膜の原子構造が優先する方向または配向を有しないことを意味する。
【００２１】上記の要因に基づいて、以下の膜材料、すなわちグラファイト、ダイヤモンド、非晶質炭素、水素化非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、水素化ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）、非晶質水素化ケイ素、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、ガラス、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、ＳｎＯ₂、ＩｎＴｉＯ₂、ＩｎＺｎＯ₂およびＺｎＴｉＯ₂が適当な配向膜を形成するのに使用できることが見出された。これらの材料は少なくとも従来法のポリイミド膜に比肩し、製造に必要なステップおよびコストが少ない配向膜を形成するために使用することができる。形成された膜が特に可視スペクトルにおいて光学的に透明でありさえすれば、どんなタイプの膜材料でも使用できることを理解されたい。
【００２２】好ましい実施形態においては、配向膜１０６および１０８は水素化ＤＬＣで形成される。水素化ＤＬＣ膜はＰＥＣＶＤ法を用いて付着され、所定の方向に走査する粒子ビームを用いて配向させることが好ましい。すなわち、粒子ビームを用いて配向膜の原子構造を少なくとも１つの所望の方向に配列または配向させて、ＬＣＤセルが形成されたときに液晶分子が配向膜の所定の方向に配向するようにする。好ましい実施形態を図２および図３を参照して以下に詳細に記述する。
【００２３】基板２０の上に水素化ＤＬＣなどの配向膜を付着させるための好ましいＰＥＣＶＤ加工装置１０を図２に示す。装置１０は反応室１２を真空ポンプ（図示せず）から分離するスロットル・バルブ１４を有する反応室１２を含む。陰極２８を反応室１２に取り付け、それから誘電スペーサ３０で分離する。陰極２８はヒータ２４、Ｎ₂ガス入口２６、およびＮ₂ガス出口を備える。基板２０を陰極２８の内側端部に取り付ける。陰極２８を制御可能な無線周波数（ＲＦ）源１８に電気的に接続し、陰極２８とＲＦ源１８との間のインピーダンスをインピーダンス整合デバイス１６を用いて整合させる。
【００２４】反応室１２はまた種々の材料を反応室１２に導入するダクト３２、３４および３６を含む。たとえば、あらかじめ混合された炭化水素ヘリウム・ガス混合物（すなわちＣ₂Ｈ₂／Ｈｅ）および水素（Ｈ₂）をそれぞれダクト３４および３６を通じて反応室１２に導入し、基板２０を洗浄するためのアルゴン（Ａｒ）ガスはダクト３２を通じて導入する。
【００２５】水素化ＤＬＣ配向膜を形成するために、炭化水素ガスは本発明で用いられる反応条件下で最初は気体となることができ、プラズマを形成することができる、いかなる炭化水素化合物でもよい。炭化水素という用語はこの化合物を構成する分子が炭素および水素原子を含むことを意味する。この方法では飽和または不飽和炭化水素を用いることもできる。定義により、飽和炭化水素はその分子が炭素単結合のみを含む化合物であり、不飽和化合物はその分子が炭素二重または三重結合を含む化合物である。
【００２６】炭化水素はアルカン、アルケンおよびアルキンであることが好ましい。アルカンはここではメタン、エタン、プロパン、ブタンなど、その分子が炭素原子間に単結合のみを含む化合物と定義される。アルケンはここではエテン、プロペン、ｎ－ブテンなどその分子が炭素－炭素二重結合を含む化合物と定義される。最後に、アルキン化合物はアセチレン、プロピン、１－ブチン、２－ブチンなどその分子が炭素－炭素三重結合を含む化合物と定義される。しかし、アセチレン／メタンなど炭化水素ガス混合物も本発明の配向可能なＤＬＣ配向膜の形成に使用できることに留意されたい。
【００２７】熱安定性の高い水素化ＤＬＣ配向膜を得るために炭化水素ガスはヘリウムで希釈することが好ましい。希釈されたという用語はここでは混合物中の炭化水素の最終濃度が好ましくは混合物の約０．５％～約９０％となるような炭化水素（Ｃ₂Ｈ₂）とヘリウムの混合物と定義される。また炭化水素は混合物中の炭化水素の最終濃度が約２％～約５０％となるようにヘリウムで希釈することが好ましい。
【００２８】本発明に用いられるガスは約９５．５％より高い純度を有し、約９８．５％～約９９．９９％の範囲であることが好ましい。この高純度ガスを反応室１２に導入する前に同じガス・シリンダ中で予備混合する。まずガス混合物を炭化水素とヘリウムの全圧が約１×１０^-3トル～約６００×１０^-3トルとなるに十分な流量でフロー・コントローラを通して反応室１２に導入する。炭化水素ヘリウム混合物の圧力は約２０×１０^-3トル～２００×１０^-3トルであることが好ましい。上記の条件は各ガスを個別に所望の分圧で提供するフロー・コントローラを通して導入することによっても得られる。
【００２９】基板２０（一般に図１の基板２０Ａおよび２０Ｂで示す）はガラス、プラスチック、またはＬＣＤセルに用いるのに適するあらゆる透明材料であることができる。基板２０Ｂ（図１）は反射ディスプレイ・パネル用のＳｉ系基板などの不透明材料であってもよい。基板２０はＰＥＣＶＤ装置８の反応室１２内のＲＦ陰極２８上に取り付けられる。次に反応室１２を密封し、分圧の示度が好ましくは約１×１０^-5トル以下になるまで減圧する。反応室１２を所望の圧力範囲まで減圧した後、基板２０を室温２４℃に保持することが好ましい。
【００３０】ダイヤモンド状炭素膜を付着させる前に材料をその場でプラズマ洗浄するが、用いる基板のタイプによってはしなくてもよい。しかし、所望であればＨ₂、Ａｒ、Ｏ₂およびＮ₂プラズマ・スパッタ・エッチング法などの洗浄法を用いてもよい。この場合ではＡｒプラズマ中で約５×１０^-3トルの圧力および約０．３１Ｗ／ｃｍ²のＲＦ電流密度で約１．０分間基板２０を予備洗浄することが好ましい。
【００３１】所望の温度に達し維持した後、混合ガスを約１０～１００ｓｃｃｍの適当な流量で反応室１２に導入することが好ましい。混合物は約１×１０^-3トル～１０００×１０^-3トルの適当な圧力で反応室１２に導入することが好ましい。好ましい実施形態では、ガスは炭化水素混合物（アセチレン／ヘリウムすなわちＣ₂Ｈ₂／Ｈｅ）については約２５ｓｃｃｍ、Ｈ₂ガスについては約１５ｓｃｃｍの流量で反応室１２に導入する。
【００３２】ガス混合物のプラズマを得るために陰極バイアスをガス混合物に応じた適当な電圧に固定して維持する。付着工程を通じて、電圧は約－２０Ｖ～約－３００Ｖが好ましいが、約－１２５Ｖがより好ましい。この電圧はＲＦチョーク分離ＤＣ電源を用いてＲＦ陰極２８に供給される。付着工程の間基板２０の損傷を最小限に抑えるために低いＲＦ電流密度を用いるべきである。通常、それには約３～２０ｍＷ／ｃｍ²、好ましくは約１５ｍＷ／ｃｍ²のＲＦ電流密度を印加する。
【００３３】次に、基板上に本質的に連続した膜の被覆が得られるような速度で水素化ＤＬＣ配向膜を基板２０上に付着させる。上記の操作パラメータを用いることにより、水素化ＤＬＣ配向膜を約５Å／分～１０，０００Å／分の速度で基板上に付着させることができる。
【００３４】本発明によれば、基板上に付着した水素化ＤＬＣ配向膜は約１０～約１０，０００Åの範囲の厚みにすることができ、約１０～約１００Åの厚みが好ましい。この水素化ＤＬＣ配向膜の光学的透明度は得られる厚みを変えることにより制御できる。すなわち、水素化ＤＬＣ配向膜の光学的透明度はその厚みを単に増加または減少させることによって変えることができる。たとえば、可視スペクトル全域で９０％を超える透過率を得るには約６０Åの厚みで十分である。
【００３５】本発明の方法によって付着させた水素化ＤＬＣ配向膜の特徴は非晶質で、熱的に安定であり、電気絶縁性および光学的透明性を有することである。さらに、炭化水素／ヘリウム・ガス混合物からＰＥＣＶＤによって付着した水素化ＤＬＣ配向膜は通常ダイヤモンド膜で見られるものに比肩しうる誘電強度を有する。本発明に従って炭化水素／ヘリウム・ガス混合物から付着したダイヤモンド状炭素膜は１０ＭＶ／ｃｍに近い誘電強度を有する。
【００３６】（水素化ＤＬＣ膜などの）配向膜の原子構造をイオン照射を用いて少なくとも１つの所望の方向または配向方向に配向させるための粒子ビーム配向装置４８を図３に提供する。一般に理解されているように、配向膜は液晶の方向を配向させる働きをする。すなわち、液晶セルが形成されるとき、液晶の分子は配向膜の原子構造によって提供される方向に沿って配向する。したがって、粒子ビーム４８を用いて配向膜にイオンを照射して配向膜の原子構造を乱し（すなわち結合を切り）、水平、一方向または多方向など所望の方向すなわち配向方向に配向させることができる。エッチングによってフィーチャを賦与したマスクを用いて局部領域を選択的に配向させ、配向領域を作成させることができる。次いでこれを用いて非常に優れた視野属性を有する多領域ディスプレイを作成することができる。多方向配向では、多領域デバイスが得られるように多方向を選択することが好ましい。
【００３７】図３に示すように、粒子ビーム装置４８はベル・ジャー６０、交流（ＡＣ）または直流（ＤＣ）電源５０、および３つの電極からなる群を含む。これら３つの電極は加速電極５４、引き出し（pulling）電極５６、およびアース電極５８を含み、これによってプラズマ発生ユニット５２で発生したイオンを取り出す。上記では３つの電極と述べたが、本発明では２つの電極を用いて粒子ビームを発生することもできる（２－グリッド・イオン・オプティック・セットなど）。粒子ビーム装置４８はさらに、ベル・ジャー６０内に位置するプレート固定プラットホーム６２、プレート固定プラットホーム６２上に固定され上に配向膜を有する基板２０、（粒子ビームの経路内に位置する）中和フィラメントまたはデバイス６８またはその等価物、およびガス流量制御ユニット７０を含む。粒子ビーム装置４８はさらに、基板２０の周囲を覆うマスク６６を含むことができる。
【００３８】プラズマ発生ユニット５２はイオンを発生する働きをし、３つの電極５４、５６、５８の群がイオンを取り出して基板２０を照射する。ガス供給源７２はガス流量制御装置７０を介して真空室６０に接続されている。基板２０を、基板２０に対して垂直な線に対する加速粒子の入射角である角θを維持するようにプレート固定プラットホーム６２に固定する。角θは約２０°～８０°の範囲であることが好ましい。
【００３９】動作に際しては、真空ポンプ７６はバルブ７４を通して、好ましくは１×１０^-5トル～２×１０^-5トルの範囲にベル・ジャー６０を減圧する働きをする。その後、ガス流量制御ユニット７０を介してガスをベル・ジャー６０に導入する。このガスはヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）などの貴ガスまたは不活性ガス、貴ガスと窒素、フッ素、フルオロカーボン、または炭化水素などの活性ガスの混合物、窒素、酸素、またはこれらの組み合わせでよい。次に導入したガスがプラズマ状態になるような適当な圧力、好ましくは約１×１０^-4トル～約１×１０^-5トルでプラズマ発生ユニット５２を操作する。次に、プラズマから抽出されたイオンに運動エネルギーを与える働きをする加速電極５４に適当な電圧、好ましくは約７５Ｖ～約４００Ｖを印加する。
【００４０】配向方向、すなわち配向膜の方向は適当な入射角θ、加速電極に印加する電圧、曝露時間などを選択することにより調節できることに留意されたい。基板２０の配向膜は、ＤＬＣ膜では約５秒～約２分間配向イオン照射に曝露されることが好ましい。
【００４１】ただし、イオン照射は配向膜上に電荷の蓄積を引き起こすおそれがあることに留意されたい。配向膜は絶縁層として働くので、中和フィラメントまたはデバイス６８あるいはその等価物（プラズマ・ブリッジ中和器または中空陰極など）を用いて熱電子を放射し、イオンを中和する。この設計は非線形素子を損傷するような静電気を発生しないので、ＴＦＴ、ＭＩＭなどの非線形ディスプレイ素子のアレイが基板上に存在することができる。
【００４２】膜を付着するステップと膜を配向させるステップを別のチャンバ中で実施すると述べたが、両ステップを同じチャンバ、部屋、または場所で行うこともできることを理解されたい。また上記方法をＰＥＣＶＤ以外の乾式加工法と共に用いることができることも理解されたい。例えば、スパッタ付着を用いるのが望ましい。この配向膜は、グラファイト、ダイヤモンド、非晶質炭素、水素化非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、非晶質水素化シリコン、窒化炭素、窒化ホウ素、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、ガラス、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、ＳｎＯ₂、ＩｎＴｉＯ₂、ＩｎＺｎＯ₂およびＺｎＴｉＯ₂など水素化ＤＬＣ以外の乾式加工膜、あるいはＬＣＤでの使用に適する他のどんな乾式加工膜でもよい。（特に可視スペクトルにおいて）光学的に透明で、非晶質または微粒子状でありさえすればどんなタイプの乾式加工膜でも用いることができる。膜を付着するステップおよび膜を配向させるステップは、透過型ディスプレイまたは透過型ライト・バルブ用の透明基板にも、反射型ディスプレイまたは反射型ライト・バルブ用の不透明基板と組み合わせた透明基板にも応用できることもまた理解されたい。また、一方の基板にのみ適用することもできる。
【００４３】ＤＬＣ膜の表示特性水素化ＤＬＣ膜の配向膜としての適切さを決めるために種々の実験を行った。ＤＬＣ配向膜が配向膜に必要な表示特性を提供するかどうかを確証するために実験を行った。表示特性には光学的透明度、電気絶縁性、プレチルト角、固着（anchoring）エネルギー、電荷保持、ＬＣＤにおけるグレイ・スケールの品質、および画像劣化が含まれる。このような実験を通して、乾式加工した水素化ＤＬＣ膜が従来法の湿式被覆ポリイミド膜に比肩しうる性能を与えることが確認された。この実験結果を以下に図４～図８および表１を参照して説明する。
【００４４】
【表１】

【００４５】光学的透明度については、ＤＬＣ配向膜の光学的透過特性を厚みおよび水素含有率の関数として調べた。表１は水素（Ｈ）含有率が増加すると光学的透過率も増加することを示す。この情報は表１に示されている。表１に示すように、水素化ＤＬＣ膜の透過率は可視スペクトルにおいて優に９０％を超えている。このように水素化ＤＬＣ膜は光学的に透明であり、ＬＣＤセルの配向膜としての使用に適している。水素化ＤＬＣ膜のダイヤモンド状炭素構造はまた電気絶縁性の膜を与える。
【００４６】４０Åの厚みを有する標準ＤＬＣ配向膜（すなわち、水素含有率約２６％）では、６２０ｎｍ波長の透過率は約９６．１６％、５４０ｎｍ波長の透過率は約９３．９２％、４５０ｎｍ波長の透過率は約９０．１２％である。表１に示すように、より高い水素含有率でＤＬＣ膜は同じ厚みの標準ＤＬＣより高い透過率を有する。具体的には、厚み４０Å、水素含有率約３０％の水素化ＤＬＣは６２０ｎｍ波長では９８．６２％の透過率、５４０ｎｍ波長では９７．６７％の透過率、４５０ｎｍ波長では９５．７６％の透過率を有する。厚み約５０Åおよび７５Åの水素化ＤＬＣ膜も、より薄く水素含有率の低い上記の標準ＤＬＣより改善された光学特性を有する。厚み５０Åの水素化炭素膜の透過率と波長の関係を示すグラフを図４に示す。５０Åの水素化ＤＬＣ膜の透過率は３９２．１ｎｍ波長で約９０％で、波長と共に増加する。
【００４７】したがって、水素含有率を高める（上記の場合）かまたは別の元素を添加することにより適当な光学的透過率の、より厚い配向膜を用いることができる。この方法で、膜の光学特性を犠牲にすることなく、より厚い配向膜を用いることができる。したがってこの手法はＬＣＤセルの製造により大きい設計の自由度を与える。
【００４８】図５はＤＬＣ配向膜を有するＬＣＤセルのプレチルト（pretilt）角のグラフを示す。このプレチルト角は図５に示すように光学的透過率とセル回転の関係から決められる。プレチルト角は水素化ＤＬＣ配向膜の分子が基板に対して自然に配向する角度に関係する。よい表示特性を得るには、プレチルト角は２～２．５度（°）より大きくなければならない。図５に示すように、厚み５０Å、水素含有率約３０％の水素化ＤＬＣ配向膜のプレチルト角は少なくとも３．０度（°）である。プレチルト角は図５のグラフの最小点から推定でき、この場合は約３．３度（°）である。
【００４９】水素化ＤＬＣ膜の固定エネルギーおよび電荷保持を決めるためにも測定を行った。固着エネルギーは液晶と配向膜表面の間の結合強度に関する。固着エネルギーが低すぎるとＬＣＤは正常に機能しない。摩擦したポリイミドの固着エネルギー、約１．４Ｎ／ｍ（Ｎ＝ニュートン）はＬＣＤ用途には十分である。水素化ＤＬＣ膜では固着エネルギーは約２Ｎ／ｍで従来法の膜の値より大きい。したがって水素化ＤＬＣ膜は配向膜として実用可能な候補である。
【００５０】電荷保持に関しても、本発明の水素化ＤＬＣ配向膜が摩擦したポリイミド膜と比肩しうることが分かった。
【００５１】ＤＬＣ配向膜を用いるＬＣＤのグレイ・スケールの品質を求めるための電圧に対する光透過率の変化のグラフを図６に示す。図６に示すように光透過率は約１．５Ｖ～約３．０Ｖで緩やかに変化し、約２．１５Ｖに透過率の変曲点がある。上記の透過率特性（図６に示す）は最良のポリイミド膜に比肩する。したがって、水素化ＤＬＣ配向膜は最良のポリイミド膜に比肩するグレイ・スケール品質を与える。
【００５２】配向膜にとってもう１つの重要な特徴は、ＬＣＤが作動状態にあるとき、時間と共に蓄積する残留電圧に伴う画像劣化に関するものである。この問題は一般に画像固着問題（image sticking problem）と呼ばれ、明るさと時間の関係から定量化することができる。図７のグラフに示すように、水素化ＤＬＣ配向膜では測定可能な固着問題はない。すなわち、水素化ＤＬＣ配向膜を有するＬＣＤセルの明るさの値はスイッチのオンまたはオフの際に突然変化（即ち階段状に変化）し、時間経過に伴う画像劣化を示さない。
【００５３】まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００５４】（１）ａ）非水性気体環境付着法を使用して基板上に膜を付着させるステップとｂ）前記付着した膜を粒子ビームにより指定の角度で照射して、前記膜の原子構造を少なくとも１つの所定の方向に配列するステップとを含む、配向した分子構造を示す膜を基板上に形成する方法。
（２）前記膜が蒸着、スパッタ付着、イオン・ビーム付着、化学的気相付着、およびプラズマ強化化学的気相付着からなる群から選択された前記非水性気体環境付着法を用いて、前記基板上に付着される、上記（１）に記載の方法。
（３）前記膜がプラズマ強化化学的気相付着を用いて前記基板上に付着される、上記（１）に記載の方法。
（４）前記膜がスパッタ付着を用いて前記基板上に付着される、上記（１）に記載の方法。
（５）前記膜が可視スペクトルにおいて光学的に透明である、上記（１）に記載の方法。
（６）前記膜が可視スペクトルにおいて約９０％より大きい透過率を有する、上記（５）に記載の方法。
（７）前記膜が、イオン結合、部分イオン結合、共有結合、および部分共有結合からなる群から選択された結合特性を示す材料で形成される、上記（１）に記載の方法。
（８）前記膜が、グラファイト、ダイヤモンド、非晶質炭素、水素化非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、水素化ダイヤモンド状炭素、非晶質水素化ケイ素、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、ガラス、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、ＳｎＯ₂、ＩｎＴｉＯ₂、ＩｎＺｎＯ₂およびＺｎＴｉＯ₂からなる群から選択された材料で形成される、上記（１）に記載の方法。
（９）前記膜が可視スペクトルにおいて光学的に透明であるような水素含有率および厚みを有する水素化ダイヤモンド状炭素膜で形成される、上記（１）に記載の方法。
（１０）前記ステップ（ｂ）が気体をプラズマ状態に励起するステップと、プラズマ状態にある前記気体のイオンにエネルギーを与えて粒子ビームを発生するステップとを含む、上記（１）に記載の方法。
（１１）前記気体が貴ガス、貴ガスと活性ガスの混合物、窒素、フッ素、フルオロカーボン、炭化水素、酸素、およびこれらの混合物からなる群から選択される、上記（１０）に記載の方法。
（１２）上記（１）に記載の方法を用いて第１の基板上に第１の膜を形成するステップと、第２の基板を用意するステップと、前記第１の基板と前記第２の基板を、前記第１の膜が前記第２の基板と対向して、間隔を持って互いに隣接するように配置するステップと、前記間隔に液晶材料を配置するステップとを含む、ＬＣＤセルを形成する方法。
（１３）上記（１）に記載の方法を用いて第１の透明基板上に第１の透明膜を形成するステップと、上記（１）に記載の方法を用いて第２の透明基板上に第２の透明膜を形成するステップと、第１の透明基板と第２の透明基板を、それぞれ第１および第２の膜が間隔を持って互いに隣接するように挟むステップと、前記第１と第２の膜の間のスペースを液晶材料で充填するステップとを含む、ＬＣＤセルを形成する方法。
（１４）上記（１）に記載の方法を用いて透明基板上に第１の透明膜を形成するステップと、上記（１）に記載の方法を用いて不透明基板上に第２の膜を形成するステップと、前記透明基板と不透明基板を、それぞれ第１および第２の膜が間隔を持って互いに隣接するように挟むステップと、前記第１と第２の膜の間のスペースを液晶材料で充填するステップと、を含む、ＬＣＤセルを形成する方法。
（１５）ａ）間隔を持って互いに隣接する表面をそれぞれ有する一対の基板と、ｂ）各前記基板の表面上に配置された導体層と、ｃ）少なくとも一方の前記導体層の上に配置され、非水性気体環境付着法を用いて付着され、指定の角度で粒子ビームで照射して、その原子構造を少なくとも１つの所定の方向に配列させた膜と、ｄ）前記間隔内に配置された液晶材料とを含む液晶ディスプレイ・デバイス。
（１６）ａ）間隔を持って互いに隣接する表面をそれぞれ有する１対の基板と、ｂ）各前記基板の表面上に配置された導体層と、ｃ）一方の前記導体層の上に配置され、非水性気体環境付着法を用いて付着され、指定の角度で粒子ビームで照射してその原子構造を少なくとも１つの所定の方向に配列させた第１の膜と、ｄ）もう一方の前記導体層の上に配置されたカラー・フィルタ層と、ｅ）前記カラー・フィルタの上に配置され、非水性気体環境付着法を用いて付着され、指定の角度で粒子ビームで照射してその原子構造を少なくとも１つの所定の方向に配列させた第２の膜と、ｆ）前記間隔内に分布する均等な大きさの複数のスペーサと、ｇ）前記間隔内に配置された液晶材料とを含む液晶ディスプレイ・デバイス。
（１７）ａ）間隔を持って互いに隣接する表面を有する透明基板および不透明基板と、ｂ）前記透明基板の表面の上に配置された透明な導体層と、ｃ）前記不透明基板の表面の上に配置された反射性の導体層と、ｄ）前記透明な導体層の上に配置され、非水性気体環境付着法を用いて付着され、指定の角度で粒子ビームで照射してその原子構造を少なくとも１つの所定の方向に配列させた第１の膜と、ｅ）前記反射性のパターン付き導体層の上に配置され、非水性気体環境付着法を用いて付着され、指定の角度で粒子ビームで照射してその原子構造を少なくとも１つの配向した所定の方向に配列させた第２の膜と、ｆ）前記間隔内に分布する均等な大きさの複数のスペーサと、ｇ）前記間隔内に配置された液晶材料とを含む液晶ディスプレイ・デバイス。
（１８）前記非水性気体環境付着法は、蒸着、スパッタ付着、イオン・ビーム付着、化学的気相付着、およびプラズマ強化化学的気相付着からなる群から選択される、上記（１５）ないし（１７）のいずれか１つに記載のデバイス。
（１９）前記膜がプラズマ強化化学的気相付着を用いて付着される、上記（１５）ないし（１７）のいずれか１つに記載のデバイス。
（２０）前記膜が、スパッタ付着を用いて付着される、上記（１５）ないし（１７）のいずれか１つに記載のデバイス。
（２１）前記膜が可視スペクトルにおいて光学的に透明である、上記（１５）ないし（１７）のいずれか１つに記載のデバイス。
（２２）前記膜が、グラファイト、ダイヤモンド、非晶質炭素、水素化非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、水素化ダイヤモンド状炭素、窒化炭素、非晶質水素化ケイ素、窒化ホウ素、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、ガラス、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、ＳｎＯ₂、ＩｎＴｉＯ₂、ＩｎＺｎＯ₂およびＺｎＴｉＯ₂からなる群から選択された材料で形成される、上記（１５）ないし（１７）のいずれか１つに記載のデバイス。
（２３）前記膜が可視スペクトルにおいて光学的に透明であるような水素含有率および厚みを有する水素化ダイヤモンド状炭素で形成される、上記（１５）ないし（１７）のいずれか１つに記載のデバイス。
（２４）前記膜の原子構造が一方向に配列される、上記（１５）ないし（１７）のいずれか１つに記載のデバイス。
（２５）前記膜の原子構造が多方向に配列され、多領域デバイスをもたらす、上記（１５）ないし（１７）のいずれか１つに記載のデバイス。
（２６）前記粒子ビームが貴ガス、貴ガスと活性ガスの混合物、窒素、フッ素、フルオロカーボン、炭化水素、酸素、およびこれらの混合物からなる群から選択されたガスから生成される、上記（１５）ないし（１７）のいずれか１つに記載のデバイス。

【出願人】	【識別番号】３９０００９５３１【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレイション【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬＢＵＳＩＮＥＳＳＭＡＳＣＨＩＮＥＳＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【出願日】	平成１１年（１９９９）２月１７日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】坂口博（外１名）
【公開番号】	特開平１１－２７１７７３
【公開日】	平成１１年（１９９９）１０月８日
【出願番号】	特願平１１－３８３１７