微角隅棱鏡陣列、其制造方法和顯示裝置的制作方法

專利名稱：微角隅棱鏡陣列、其制造方法和顯示裝置的制作方法
背景技術：
1.發明領域本發明涉及微角隅棱鏡陣列、其制造方法以及包括這種微角隅棱鏡陣列的顯示裝置。
2.相關技術描述近幾年，已經開發了各種類型具有極小尺寸的光學元件(即所謂的“微光學元件”)，包括微透鏡、微反射鏡和微棱鏡，并日益廣泛地應用于光通信和顯示裝置領域。人們預期有了這些微光學元件會使光學技術和顯示技術進一步發展前進。
這種光學元件的例子包括按規則圖形排列許多個角隅棱鏡形成的角隅棱鏡反射器。這些角隅棱鏡的形狀都對應于立方體的一個角和三個垂直相對的反射面。角隅棱鏡反射器是一類逆反射器，它通過由這三個反射面中的每一個相繼將入射的光線反射，從而向其光源反射入射光。不管入射光的入射角如何，這種角隅棱鏡反射器總能將其朝光源反射。下面先描述制造角隅棱鏡的傳統方法。
平板法在平板法中，將多個平板彼此堆疊，每個平板具有兩個相互平行的平面。在這些堆疊平板的側端面上，垂直于平行面以相等的間距切割一些V形槽，結果形成一系列屋頂形的凸起，每個凸起的頂角約為90°。接著，這些平板中的每一個相對于相鄰的平板水平移動，使得前一板上形成的一系列屋頂形凸起的頂部對準后一板上形成的V形槽的底部。用這種方式，獲得用來制造角隅棱鏡陣列的模具。在平板法中，就使用這種模具制造角隅棱鏡陣列。然而，根據此方法，必須相對于鄰近平板準地移動并固定具有屋頂形凸起的平板，使得兩個平板滿足所需的位置關系。因此，用這種方法很難制造尺寸約為100μm或更小的角隅棱鏡。
針束法在針束法中，在六棱柱形金屬針的一端提供一個具有三個正方形面的棱鏡，這三個正方形面彼此基本上垂直相對，再將許多個這種針捆在一起形成棱鏡的集合。用這種方法，角隅棱鏡由三個鄰近針的各自端點上形成的三個棱鏡的三個面組成，然而，根據這種方法，要集合為相互不同的引線分別形成的多個棱鏡來制造角隅棱鏡。因此，實際上很難制造小尺寸的角隅棱鏡。用這種方法可以制造的角隅棱鏡的最小可能尺寸約為1mm。
三棱鏡法在三棱鏡法中，例如，從三個方向在一金屬平板表面上切出一些V形槽，以此形成多個三角錐凸起并獲得棱鏡的集合。然而，用這種方法形成的棱鏡除了三角錐形狀外，不能是其它形狀。
此外，日本公報公開No.7-205322揭示了用光化學技術制造微角隅棱鏡陣列的一種方法。該方法使用具有多個等邊三角形透明(或不透明)區域的掩模。該掩模這些透明(或不透明)區域中的每一個區域都具有可變的透明度(或不透明度)，該透明度值從其中心向邊緣逐漸減小。通過使用這種掩模進行曝光和顯影步驟，在一襯底上形成多個三角錐光致抗蝕劑圖形單元。然后，各向異性地腐蝕(例如干法腐蝕)部分涂覆有這些光致抗蝕劑圖形單元的襯底，使得襯底上具有與光致抗蝕劑圖形單元相同形狀的多個凸起。這樣在襯底上就形成了多個三角錐凸起，每個凸起具有彼此基本上垂直相對的三個等腰三角形面。
例如，美國專利No.5,182,663揭示了一種液晶顯示裝置，它使用這種角隅棱鏡反射器作為逆反射器。下面將參考

圖11描述包括這種角隅棱鏡反射器的傳統液晶顯示裝置。
在圖11所示的液晶顯示裝置900中，一個散射型液晶層60夾在兩個透明襯底80和90之間，襯底80接近觀察者，襯底90遠離觀察者(未圖示)，以下分別將它們稱為“觀察者側襯底”和“非觀察者側襯底”。在非觀察者側襯底90面對液晶層60的表面上，依次提供作為逆反射器的角隅棱鏡反射器95和透明電極65。另一方面，在觀察者側襯底80面對液晶層60的表面上，依次提供濾光層70和另一透明電極65。通過向夾住散射型液晶層60的一對透明電極65施加電壓或者不施加電壓，可使液晶層60在透為散射狀態和散射狀態之間轉換。當應該顯示白色時，此散射型液晶層60就得進入散射狀態。在這種模式中，從外部光源(如太陽)入射到散射型液晶層60的一部分入射光被液晶層60散射。另一部分入射光被角隅棱鏡95反射回來，然后被液晶層60散射。通過接受以此方式散射的入射光，可顯示明亮的影像。另一方面，當應該顯示黑色時，散射型液晶層60就得進入透射狀態。在這種模式中，通過散射型液晶層60透射的一部分入射光被角隅棱鏡90反射回其光源。因此，只有接近觀察者的光源發出的一部分光能到達觀察者的眼睛，因此實現了較佳的黑色顯示。此外，沒有環境光的規則反射部分到達觀察者的眼睛。結果，可避免不必要的環境光線的背反射。
在這種液晶顯示裝置900中，要求角隅棱鏡反射器95的每個單位元件(即每個微角隅棱鏡)的尺寸L1等于或小于每個像素區域的尺寸L2。原因如下。如果每個單位元件的尺寸L1大于每個像素區域的尺寸L2，那么通過預定像素區域透射并從角隅棱鏡反射器逆向反射的光線會通過回路上的另一像素區域。這時，就不能實現所期望的顯示。
如上所述，要求例如液晶顯示裝置中所用的角隅棱鏡具有很小的尺寸(如約100μm或更小，這個值甚至比像素區域的尺寸還小)。然而，根據上述任何一種制造角隅棱鏡的機械方法，通常很難將角隅棱鏡制成所期望的小尺寸，因為在實際制造過程中可能發生一些變化。此外，即使用上述的一種方法制造了很小尺寸的角隅棱鏡，其每個反射面應該具有較低的鏡面反射率，且兩個反射面交點處的曲率半徑R應該較大。結果，逆向反射效率將不利地減小。
此外，對于用日本公報公開No.7-205322中所揭示光化學方法制造的微角隅棱鏡，很難確保其每一側面(或反射面)的高平面精度(即平面性)。在該方法中，微角隅棱鏡每個側面的平面精度依賴于襯底上形成的三角錐光致抗蝕劑圖形單元。然而，為了增加光致抗蝕劑圖形單元的平面精度，例如應該使掩模的透射比或不透明度恒定不變，來嚴格控制光致抗蝕劑層曝光和顯影的步驟。然而，實際上，這種嚴格的過程控制很難實現。此外，根據該技術，每個角隅棱鏡必須由三個等腰直角三角形平面組成。
發明概要為了克服上述問題，本發明提供一種制造尺寸非常小且形狀精確度足夠高的微角隅棱鏡陣列。
本發明的另一目的是提供一種使用這種微角隅棱鏡陣列的顯示裝置。
本發明的優選實施例提供一種制造微角隅棱鏡陣列的方法。該方法優選包括以下步驟a)提供襯底，該襯底至少有一表面部分由立方單晶體組成，該襯底具有基本上與這些晶體的{111}平面平行的表面；b)使用能與襯底反應的腐蝕氣體以各向異性方式對該襯底的表面進行干法腐蝕，從而在該襯底表面上形成微角隅棱鏡陣列的許多個單位元件。各單位元件優選由以比晶體的{111}平面的腐蝕速率低的速率腐蝕露出的一些晶體平面構成。
在本發明的一個實施例中，步驟b)優選包括以低于其{111}平面的腐蝕速率的速率進行腐蝕將晶體的{100}平面露出。
在這個特別優選的實施例中，步驟b)優選包括形成單位元件這樣的步驟，使得每個單位元件由3個基本上互相垂直相對的{100}平面構成。
或者或此外，步驟a)中制得的襯底的所述至少表面部分由具有閃鋅礦結構的化合物半導體制成。
在此情況下，所述化合物半導體優先是砷化鎵，所述襯底的表面較佳基本上與由鎵原子形成的{111}A平面平行。
在本發明的另一優選實施例中，步驟b)優選包括使用包括鹵素化合物在內的腐蝕氣體，以各向異性的方式對襯底的表面進行干法腐蝕。
在一特別優選的實施例中，腐蝕氣體可包含砷和溴的化合物。
在另一優選的實施例中，腐蝕氣體可包含砷和氯的化合物。
在又一優選的實施例中，步驟b)較佳包括對襯底的表面在表面反應限制的范圍內的腐蝕條件下進行干法腐蝕。
在又一優選的實施例中，步驟b)較佳包括使用腐蝕氣體并且同時使用合砷氣體對襯底的表面進行干法腐蝕。
在又一優選的實施例中，該方法較佳還在步驟a)和步驟b)之間包括步驟c)，即用腐蝕掩模層覆蓋襯底的表面。該腐蝕掩模層較佳包括至少一個掩蔽單元和至少一個開口部分(opening)，它們排到形成一預定的圖形。
在這個特別優選的實施例中，步驟b)較佳包括形成微角隅棱鏡陣列的一些單位元件的步驟，使得各單位元件的尺寸是根據步驟c)中所述的腐蝕掩模層的圖形而控制的。
在又一優選的實施例中，步驟b)較佳包括形成一些單位元件的步驟，各單位元件由三個基本上為正方形的平面構成，而這三個平面以基本上相互垂直的方式面對。
在又一優選的實施例中，本發明方法方法還可包括將在襯底的表面上形成的這些單位元件的形狀轉移到樹脂材料上的步驟。
本發明另一優選的實施例提供一種采用本發明上述任一種優選實施例方法制得的微角隅棱鏡陣列。
本發明的又一優選實施例提供一種顯示裝置。這種顯示裝置較佳包括本發明上述任一個優選實施例的微角隅棱鏡陣列以及在該微角隅棱鏡陣列上提供的光調制層。
在本發明的一個優選實施例中，微角隅棱鏡陣列優選包括作為各單位元件的許多角隅棱鏡，并且這些角隅棱鏡各自的尺寸較佳等于或小于各像素區域的尺寸。
從下面結合附圖對本發明的優選實施例進行的詳細描述中，將更容易理解本發明的其它特征、要素、方法、步驟、特征和優點。
附圖的簡單描述圖1A到1H是顯示本發明第一特別優選的實施例中制造微角隅棱鏡陣列的各方法步驟的截面圖。
圖2是顯示制造第一優選實施例微角隅棱鏡陣列的方法中所用光掩模的平面圖。
圖3是顯示制造第一優選實施例微角隅棱鏡陣列的方法中所用腐蝕系統的截面圖。
圖4A和4B分別是顯示采用制造第一優選實施例微角隅棱鏡陣列的方法獲得的微角隅棱鏡陣列的平面圖和透視圖。
圖5是顯示本發明的第二特別優選實施例中GaAs單晶的{111}A平面和{100}平面的腐蝕速率是如何隨襯底的溫度而變化的圖。
圖6是顯示本發明第二特別優選實施例中GaAs單晶的{111}A平面的腐蝕速率對{100}平面的腐蝕速率之比如何隨襯底的溫度而變化的圖。
圖7A和7B是分別顯示本發明第三個特別優選實施例中維持在約380℃下進行腐蝕的襯底和維持在約600℃下進行腐蝕的襯底的截面圖。
圖8是顯示本發明第四個特別優選實施例的顯示裝置的截面圖。
圖9A和9B分別是顯示各自由三個等腰直角三角平面組成的角隅棱鏡陣列的透視圖和平面圖。
圖10A和10B分別是顯示各自由三個正方形平面組成的角隅棱鏡陣列的透視圖和平面圖。
圖11是顯示包含微角隅棱鏡陣列的傳統反射型液晶顯示裝置的結構的截面圖。
優選實施方案的詳細描述在根據本發明一較佳實施例的制造微角隅棱鏡陣列的方法中，在包含立方晶體的單晶襯底(下文將稱為“立方單晶襯底”)上形成微角隅棱鏡陣列。立方單晶襯底可以由例如閃鋅礦結構的化合物半導體或金剛石結構的材料組成。具體地說，制備的立方單晶體襯底有一表面基本上平行于晶體的{111}平面，并且使用各向異性干法腐蝕過程在該表面上形成一定圖形，從而制得微角隅棱鏡陣列。
應該注意到“有個表面基本上平行于晶體{111}平面的襯底”在這里不僅指有個表面平行于晶體{111}平面的襯底，還指有個表面與晶體{111}平面的傾角為約0度到約10度的襯底。
本發明方法的部分特征在于通過各向異性干法腐蝕過程在襯底表面上形成一定圖形，此時一族晶體平面的腐蝕率與另一族晶體平面不同。例如，如果使用反應性腐蝕氣體如鹵素化合物的氣體對由GaAs組成的單晶襯底進行干法腐蝕，那么晶體{111}A平面(也就是鎵原子形成的{111}平面)的腐蝕率較高，而{100}平面(也就是包括(100)、(010)和(001)平面的晶體平面)的腐蝕率較低。因此，如果將GaAs襯底的{111}A平面暴露于腐蝕氣體對其進行干法腐蝕，則該干法腐蝕過程將以留下晶體{100}平面的方式而各向異性地進行。結果，由許多個單位元件在襯底表面上形成一些凹凸部分，該每個單位元件都由晶體的三個{100}平面組成。在本文中，{100}平面族所形成的每個“單位元件”也稱為“凹陷部分”，因為該元件通過各向異性腐蝕過程形成。以這種方式形成的每個單位元件都都具有三個垂直相對的平面(如(100)、(010)和(001)平面)，由此形成一個角隅棱鏡。
在用這種方法形成的角隅棱鏡陣列中，每個角隅棱鏡的三個平面都是立方晶體的{100}結晶平面，并具有非常高的形狀精度。此外，組成每個角隅棱鏡的三個平面具有很好的平面性，兩個或三個平面彼此相交的各個角或棱都具有足夠的銳度。此外，此角隅棱鏡陣列具有多個單位元件即角隅棱鏡排列成規則圖形的立體形狀。在此陣列中，角隅棱鏡的各個頂點實質上位于同一水平面上(或實質上位于同一平面中)。因此，這樣的角隅棱鏡陣列可有效地用作逆反射器，用來將入射光反射朝向其光源。
此外，通過調節腐蝕過程中所用光致抗蝕劑圖形(或抗蝕掩模)的特征尺寸，用本發明方法形成的角隅棱鏡陣列中每個單位元件(也就是每個角隅棱鏡)的尺寸可以是幾十微米或更小。因此，可以獲得極小尺寸的角隅棱鏡陣列，它適用于例如作為液晶顯示裝置中的逆反射器。
應該注意到本發明各個較佳實施例中所用的“立方單晶體襯底”包括通過在無定形材料或多晶材料的支撐基座上形成單晶層而獲得的襯底。此外，襯底不必要是平板，而可以是任何其它立體形狀，只要襯底具有一個平面。
下文將參考附圖描述本發明的一些較佳實施例。實施例1在本發明的第一個優選實施例中，用GaAs襯底作為立方單晶襯底，在其上面形成微角隅棱鏡陣列。
圖1A到1H說明了根據本發明第一優選實施例制造微角隅棱鏡陣列的各個處理步驟。首先，如圖1A所示，制備一塊GaAs單晶的襯底1，其表面是一個{111}A族平面，該表面經過了鏡面拋光。應該注意到{111}A平面是由鎵原子形成，而{111}B平面是由砷原子形成的。
接著，如圖1B所示，采用CAD法在襯底1的表面上沉積厚度約為3000的SiO2膜3。然后，如圖1C所示，在SiO2膜3上旋涂以厚約2μm的抗蝕劑膜5。該抗蝕劑膜5可由如OFPR-800(由Tokyo Ohka Kogyo Co.，Ltd.生產)制得。
隨后，在對該抗蝕劑膜5進行預烘焙處理后，將具有一預定圖案的光掩模放置在該抗蝕劑膜5上，之后讓抗蝕劑膜5選擇性曝光于輻射中，然后對抗蝕劑膜5進行顯影。通過這種方式，在SiO2膜3上形成了預定掩模圖案5a的抗蝕劑膜，如圖1D所示。
在此較佳實施例中，可使用如圖2所示的光掩模。如圖2所示，在這種光掩模中，等邊三角形不透明區域9a和反向的等邊三角形透明區域9b沿三角形三條邊的三個方向中的每個方向交錯排列。將該光掩模放置在襯底上，要以便使該光掩模的各等邊三角形不透明區域9a的三條邊(或邊緣)中的一條與GaAs晶體的(100)平面平行。在這個優選的實施例中，光掩模的各等邊三角形圖案元件各邊的長度約為10μm。
接著，使用氫氟酸(HF)緩沖液對具有掩模圖案的抗蝕劑膜5a的襯底進行濕法腐蝕，以便使該圖案5a也在SiO2膜3上產生。通過這種方式，在襯底1上的SiO2層也形成了掩模的圖案3a，如圖1E所示。之后，使用有機溶劑如丙酮清洗該襯底，除去具有掩模圖案的抗蝕劑膜5a，然后在烘箱中將SiO2膜3加熱到約200℃，以使其脫水，如圖1F所示。結果，獲得SiO2掩模圖案3a，它將在隨后的干法腐蝕過程中作為腐蝕用的掩模層使用。以這種方式形成的SiO2掩模圖案3a與圖2所示的光掩模的圖案相同。
在這個優選實施例中，要形成的角隅棱鏡的尺寸由SiO2掩模圖案3a的特征尺寸確定。具體而言，要形成的角隅棱鏡的尺寸大約等于SiO2掩模圖案3a的兩個相鄰掩模單元的質量中心之間的節距。在這個優選實施例中，該節距較佳約為10μm。
接著，將其上有SiO2掩模圖案3a的GaAs襯底1裝載到圖3所示的腐蝕系統30中，對襯底1的表面進行干法腐蝕。
具體而言，將襯底1固定在腐蝕系統30的加熱器6上，然后，使用真空泵7將系統抽成約1×10-9Torr的真空。接著，使用加熱器6將GaAs襯底1加熱到約590℃，在此溫度維持大約30分鐘，同時由含砷氣體供應器9向室中通入含砷氣體。通過這種方式，在GaAs襯底1的表面上已形成的天然氧化膜被去除。然后，停止通入含砷氣體，將襯底的溫度降至約380℃。之后，腐蝕氣體供應器8向室中通入腐蝕氣體，持續大約10小時，此時即以各向異性的方式對襯底1的表面進行干法腐蝕。在這個優選的實施例中，用三溴化砷氣體作為腐蝕氣體。也可以使用三氯化砷或其它任何適當的氣體作為腐蝕氣體。
為了采用這種干法腐蝕過程各向異性地腐蝕襯底的表面，所使用的腐蝕氣體需要與該襯底發生化學反應。當使用反應性腐蝕氣體時，襯底表面和腐蝕氣體之間發生化學反應。在此情況下，腐蝕氣體與襯底的某一族晶體平面之間的反應和相同的腐蝕氣體與襯底的另一族晶體平面之間的反應活性不同。因此，這兩族晶體平面的腐蝕速率相互不同。結果，襯底的表面被以各向異性的方式腐蝕。
此外，當所使用的腐蝕氣體與襯底反應時，較佳產生具有高蒸氣壓的氣態反應物。
為此，較佳使用鹵素化合物的氣體，如上述的三溴化砷或三氯化砷氣體作為腐蝕氣體。滿足這些條件的其它優選氣體的例子包括氫氣。
使用鹵素化合物作為腐蝕氣體腐蝕GaAs襯底的技術在本領域中是已知的。例如，在《表面科學》(Surface Science)312，181(1994)中描述了使用氯化氫的腐蝕方法。在《晶體生長雜志》(Joumal of Crystal Growth)164，97(1994)中描述了使用三氯化氫的腐蝕方法。此外，在日本公開公報No.8-312483中描述了使用三溴化砷作為腐蝕氣體腐蝕GaAs襯底的方法。這些文獻都分別公開了使用鹵素化合物作為腐蝕劑可進行精度非常高的腐蝕過程。在這個優選的實施例中，這種高精度腐蝕技術被用來制造微角隅棱鏡陣列，獲得具有非常高逆反射性的反射器。
在這個優選實施例的干法腐蝕過程中，包括(100)、(010)和(001)平面的GaAs單晶{100}平面比其{111}A平面難于腐蝕。因此，該腐蝕過程各向異性地進行，留下{100}平面。在這個優選的實施例中，使用包括鹵素化合物的腐蝕氣體干法腐蝕襯底。因此，露出的{100}平面具有良好的平面性。
之后，當襯底1已被腐蝕到如圖1G所示的深度后，就形成了它由GaAs單晶的{100}平面S構成的凹凸部分20，如圖4A和4B所示。圖4A和4B分別是以這種方式形成的凹凸部分20的平面圖和透視圖。如圖4A和4B所示，形成各自由三個基本上相互垂直相對的GaAs單晶{100}平面S構成的凹凸部分，以對應于腐蝕用掩模層(即SiO2掩模圖案)3a的掩蔽單元3b和開口部分3c。通過這種方式獲得角隅棱鏡陣列。應注意的是，當在腐蝕過程結束，在襯底1上形成角隅棱鏡陣列時，SiO2掩模圖案3a和襯底表面上的凹凸20部分相互之間是點接觸，如圖1G所示。因此，SiO2掩模圖案將自然而然地從襯底1上除去，結果如圖1H所示。
從圖4A和4B可以看出，以這種方式獲得的微角隅棱鏡陣列具有立體形狀，其中，多個凸起部分(其頂點以○表示)和多個凹下部分(其底點以●表示)相互組合。此外，各個單位元件(即陣列的各個元件棱鏡)由三個在底部相交、并且基本上垂直相對的三個基本上為正方形的平面構成。如圖4A所示，從襯底1上方看，各單位元件即角隅棱鏡具有基本上成六邊形的平面形狀。因此，用此優選實施例方法形成的角隅棱鏡的形狀比較復雜。但是，這個優選的實施例的角隅棱鏡的尺寸非常小，大約為10+μm。此外，其形狀精度(如三個實質上正方形平面它們各自的平面性)也非常高。
在上述優選的實施例中，使用三溴化砷為腐蝕氣體形成角隅棱鏡陣列。但是，使用三氯化砷為另一可選用的腐蝕氣體，也可形成類似的角隅棱鏡陣列。
當使用這種微角隅棱鏡陣列制造逆反射器時，可采用例如蒸發方法在GaAs基材的粗糙表面上沉積一層厚度基本上均勻(例如大約為200nm)的薄膜反射材料(如鋁或銀)。通過這種方式，可以獲得包括三個基本上相互垂直相對的基本上正方形的反射平面的逆反射器。
也可以將在GaAs襯底表面上形成的微角隅棱鏡陣列轉移到例如樹脂材料上，制造出樹脂材料的微角隅棱鏡陣列。具體而言，首先，采用一已知的技術，由其上已如上述形成角隅棱鏡陣列的GaAs襯底制造出電鑄模。接著，將此電鑄模裝在例如一個輥子上。然后由該輥子帶動該電鑄模旋轉，并壓在樹脂上，從而將微角隅棱鏡陣列的圖案轉移到樹脂材料上。
在上述優選的實施例中，其上形成了角隅棱鏡陣列的基材是GaAs單晶。或者，只要使用適當的腐蝕氣體，襯底也可以由具有閃鋅礦結構的任何其它化合物如InP、InAs、ZnS或GaP或者具有金剛石結構的材料(如Ge)的單晶組成。實施例2這里將描述在上述第一優選實施例中各向異性干法腐蝕過程中腐蝕速率如何隨GaAs襯底的溫度而變化。
圖5是顯示當三溴化砷用作腐蝕氣體時，GaAs單晶的{111}A和{100}平面隨襯底溫度而變化的圖。圖6是顯示{111}A平面的腐蝕速率V111A與{100}平面的腐蝕速率V100之比(V111A/V100)隨襯底溫度而變化的圖。
從圖5可以看出，如果襯底的溫度約為400℃或低于400℃，腐蝕速率隨溫度的變化較陡。與此不同，如果襯底的溫度高于約400℃，則腐蝕速率隨襯底溫度的變化甚微。腐蝕速率急劇變化的范圍在本文中稱為“表面反應限制范圍”，而腐蝕速率變化輕微或幾乎沒變化的范圍在本文中稱為“物質傳遞限制范圍”。
應注意的是，“表面反應限制范圍”可以由腐蝕條件的任何參數(如襯底溫度和提供腐蝕氣體的壓力)所限定。即，每一個這種參數會有一個范圍，在此范圍中腐蝕速率急劇變化，這樣的范圍就可以定義為該參數的“表面反應限制范圍”。在本文中，“表面反應限制范圍”指一族晶體平面的最高腐蝕速率是另一族平面最低腐蝕速率大約1.1倍或以上的某一腐蝕條件范圍。
此外，從圖5和圖6可以看出，{111}A平面的腐蝕速率V111A與{100}平面的腐蝕速率V100之比(V111A/V100)在約400℃或以下的表面反應限制范圍內是大的。而在超過約400℃的物質傳遞限制范圍內，腐蝕速率比(V111A/V100)非常小。因此，可以看出，為了增加腐蝕速率比(V111A/V100)，腐蝕過程較佳是在約400℃或以下的表面反應限制范圍內進行。
圖7A和7B是顯示在表面反應限制范圍內的約380℃腐蝕襯底而形成的角隅棱鏡的截面圖，和在物質傳遞限制范圍內的約600℃腐蝕襯底而形成的角隅棱鏡的截面圖。如圖7A所示，當襯底溫度約為380℃時，{111}A平面與{100}平面的腐蝕速率比是大的，由此腐蝕過程形成的角隅棱鏡具有一個銳角(即頂點)，并且平面具有良好的平面性。而當襯底溫度約為600℃，且{111}A平面與{100}平面的腐蝕速率比小時，由此腐蝕過程形成的角隅棱鏡具有個圓角和彎曲的表面，如圖7B所示。這樣，如果{111}A平面的腐蝕速率不足夠高于{100}平面的腐蝕速率，則所得的角隅棱鏡的形狀精度下降。
當所獲得的角隅棱鏡具有這種彎曲的表面或圓角時，由此角隅棱鏡制得的逆反射器，其逆反射性會下降。因此，腐蝕過程較佳在產生足夠高的腐蝕速率比的腐蝕條件(如，襯底溫度和提供腐蝕氣體的壓力)下進行。在這個優選的實施例中，{111}A平面的腐蝕速率V111A與{100}平面的腐蝕速率V100之比(V111A/V100)較佳至少約為1.7，更佳至少約為3.4。
此外，為了獲得這么高的腐蝕速率比，腐蝕過程中襯底的溫度較佳約為370℃到約400℃，更佳約為350℃到約385℃。
如上述，如果腐蝕速率比(V111A/V100)足夠高，可形成具有形狀精度高的角隅棱鏡。此外，如果腐蝕速率比增加得足夠，{100}結晶平面會本身暴露。因此，對于腐蝕過程中其它必需的條件(如腐蝕掩模層的形狀精度)可以放松，即不必很嚴格地控制，這對整個制造過程有利。
此外，當采用如本優選實施例中進行的干法腐蝕過程時，兩族晶體平面之間的腐蝕速率的差異(即腐蝕速率比)比采用濕法腐蝕過程的方法增加得容易些。在本申請者的日本專利申請第2001-306052號描述了使用氨水和過氧化氫水的混合物濕法腐蝕襯底制造角隅棱鏡的方法。在濕法腐蝕過程中，在晶體的{111}和{100}平面之間比較難以獲得約為3.4或以上的腐蝕速率比。但是，采用干法腐蝕易于獲得這么高的腐蝕速率比。當腐蝕速率比達到這樣高的比值時，容易形成具有良好平面性的{100}平面，且逆反射性可得到提高。因此，可在寬的區域內形成具有所需尖銳頂點的角隅棱鏡陣列。本發明者通過實驗證實，采用濕法腐蝕形成的角隅棱鏡的逆反射性約為71％，而采用本發明上述優選實施例中的干法腐蝕過程形成的角隅棱鏡，其逆反射性約為79％。實施例3本發明的第三個特別優選的實施例是上述第一優選實施例各向異性干法腐蝕過程的改動形式。具體而言，在這個實施例中，是使用腐蝕氣體和含砷氣體的組合進行干法腐蝕。
在這個優選的實施例中，在形成具有預定圖案的腐蝕用掩模層(即SiO2掩模圖案)3a之后，在腐蝕系統中進行與上述第一優選實施例類似的腐蝕過程。如上述第一優選實施例所述，在約為380℃的襯底上進行干法腐蝕過程。但是，在這個第三優選的實施例中，不僅將襯底暴露在三溴化砷氣體中，而且還同時將其暴露在也作為腐蝕氣體的含砷氣體中。通過將砷的來源加熱到約203℃，由含砷氣體供應器9提供含砷氣體。
本發明者發現，當將襯底暴露在含砷氣體以及三溴化砷中時，{111}A平面的腐蝕速率V111A和{100}平面的腐蝕速率V100之比(V111A/V100)與襯底僅暴露在三溴化砷的實施例相比，有所增加。結果列在表1中表1
通過這種方式，如果基材被同時暴露在含砷氣體中進行腐蝕，則腐蝕速率比(V111A/V100)可以增加，并且可以形成具有更高形狀精度的角隅棱鏡。
在這個優選的實施例中，是認為不僅使用腐蝕氣體(如三溴化砷或三氯化砷)而且還同時提供含砷氣體進行干法腐蝕過程。也可以使用腐蝕氣體和Ga氣體的混合物進行干法腐蝕。
如果在干法腐蝕過程中同時提供腐蝕氣體和Ga氣體，那么在襯底表面上形成的凹凸部分可具有進一步平面化的平面。本發明者發現并實驗證實，當僅提供三溴化砷作為各向異性干法腐蝕過程的腐蝕氣體時，該凹凸部分的表面粗糙度約為5.4nm。而當同時提供三溴化砷氣體和Ga氣體(即，將Ga源加熱到約890℃所得的的氣體)作為各向異性干法腐蝕的腐蝕氣體時，該凹凸部分的表面粗糙度可減少到約0.2nm。實施例4這里將描述第四個特別優選實施例。此第四優選實施例涉及采用上述第一到第三優選實施例中所述的任何一種方法獲得的微角隅棱鏡陣列作為逆反射器的反射型液晶顯示裝置。
圖8顯示第四優選實施例的反射型液晶顯示裝置100的結構。如圖8所示，這種液晶顯示裝置100包括一對襯底80和90與一層散射型液晶層60，此液晶層60位于襯底80和90之間，是個光線調節層。襯底80接近觀察者，而襯底90與襯底80相對。這兩個襯底都由透明的材料制成，例如可以是玻璃平板或聚合物膜。
在襯底80與液晶層60面對的那個表面上，按順序分別堆疊包括濾色片R、G和B的濾色層70和透明電極65。而在襯底90與液晶層60面對的那個表面上放置了微角隅棱鏡陣列20。這個微角隅棱鏡陣列20用一反射性電極25覆蓋，該電極由具有表面反射性很高的材料(如銀或鋁)制成，并且厚度基本上均勻。反射性電極25的形成，是采用例如蒸氣法將銀沉積到約200nm的厚度，使其緊貼微角隅棱鏡陣列20的粗糙表面。反射性電極25不僅作為將入射光反射回其光源的反射平面，而且還作為對液晶層60施加電壓的電極。
具有這種結構的液晶顯示裝置100，在透明電極65和反射性電極25對液晶層60所施加的電壓作用下，通過在像素-像素基礎上控制液晶層60的光線調節狀態，從而在其上顯示圖像。可使用已知的有源元件如薄膜晶體管或任何其它驅動器來驅動電極65和25。
在圖8所示的優選實施例中，微角隅棱鏡陣列20在襯底90上形成。或者，可將微角隅棱鏡陣列20自身用作襯底，而不用再提供襯底90。如先前第一優選實施例所述，微角隅棱鏡陣列20可形成于GaAs襯底之外。當使用GaAs襯底時，例如，可將驅動有源元件的電路和其它電路一起集成在環繞其顯示區域的相同的襯底上。如果可在相同的襯底上提供驅動電路和其它電路，則可減少顯示裝置的總尺寸。
在這個優選的實施例中，散射型液晶層60由聚合物分散型液晶材料制成。但是，液晶層60的材料并不限于此，它還可以是其它任何散射型液晶材料，如向列型膽甾醇相改變型液晶材料或者液晶凝膠。此外，液晶層60也可以由其它任何液晶材料制成，只要該材料至少能讓液晶層60在透過入射光模式和散射光線模式之間轉換即可。具體而言，其它可使用的液晶材料的例子包括膽甾醇液晶材料，這種材料可在透射和反射狀態之間轉換，并通過控制液晶分子結構域的大小可使這種材料產生漫射特性；具有金息功能的聚合物分散型液晶材料，這種材料可在透射和反射狀態之間轉換，并通過將該材料暴露在漫射輻射中而使其具有漫射特性。
制備低分子量液晶組合物和未聚合的預聚物的可溶混混合物，將其注射到襯底之間的空間中，然后使該預聚物發生聚合，可以獲得用于本優選實施例中的聚合物分散型液晶材料。任何類型的聚合物分散型液晶材料都可使用，只要該材料是通過使預聚物進行聚合而獲得。在這個優選的實施例中，將具有液晶性質的UV-固化的預聚物與一液晶組合物的混合物曝光于活性射線如紫外線，從而對其進行光固化，然后將熟化的混合物(即UV熟化的液晶材料)用作聚合物分散型液晶材料。如果將這種UV熟化液晶材料用作聚合物分散型液晶材料，則該可聚合的液晶材料可在不加熱的情況下發生聚合。因此，液晶顯示裝置中的其它元件不會受到所產生的熱量的影響。
將少量的聚合引發劑(如Ciba-Geigy公司生產的)加入到以例如約20∶80重量比混合的UV熟化的材料與液晶組合物的混合物中，可獲得預聚物-液晶混合物。以這種方式獲得的預聚物-液晶混合物在室溫時呈向列性液晶相。入射光在進入由這種材料制成的液晶層時，會根據隨著施加于其上的電壓而變化的液晶層的模式(即散射或透射模式)而被調節。在這個優選的實施例中，當不給該液晶層施加電壓時，它處于散射狀態，當施加電壓時，它處于透射狀態。
下面將具體描述反射型液晶顯示裝置100的操作。
首先描述顯示裝置100白色顯示模式的操作。在白色顯示模式中，控制液晶層60，使其處于散射狀態。因此，外部進入的光在透過襯底80和濾色層70之后被該液晶層60散射。在此情況下，已被液晶層60背散射的部分入射光返回到觀察者。同樣，在這個優選實施例的顯示裝置中，直線透過液晶層60的另一部分入射光以及被該液晶層60前向散射的又一部分入射光被微角隅棱鏡陣列20上的反射電極25反射。這些反射部分的光在通過液晶層60時再次被處于散射狀態的液晶層60散射。結果，部分散射光返回觀察者。通過這種方式，在白色顯示模式中，不僅僅是背散射的光，而且還有部分前向散射的光返回到觀察者，從而顯示出高亮度的圖像。
現在描述顯示裝置100黑色模式的操作。在黑色模式中，通過施加電壓控制液晶層60，使其處于透射狀態。在此情況下，外部進入的光透過襯底80、濾色層70和液晶層60。透過液晶層60的光被微角隅棱鏡陣列20上的反射電極25逆向反射。即入射光在進入觀察顯示器上的圖像的觀察者的眼睛之前，先被襯底80和液晶層60反射，從微角隅棱鏡陣列20逆向反射，然后再被液晶層60和襯底80折射。因此，僅有來自觀察者眼睛的鄰近地方的光射出這個顯示裝置100，射向觀察者。在此情況下，如果觀察者眼睛的鄰近地方太狹窄，不能使任何光源在該處存在(即如果該區域的面積小于觀察者的瞳孔大小)，就實現了良好的黑色顯示。
如上所述，射到微角隅棱鏡陣列20上的光線被朝著與入射光光路的方向正好相反的方向反射回去。但是，逆向反射的出射光與入射光有輕微的水平偏移(或轉移)。這種偏移大約等于該微角隅棱鏡陣列20的單位元件的尺寸(或節距)。因此，如果微角隅棱鏡陣列20的單位元件的尺寸大于像素區域的尺寸，那么入射光線通過的濾色片的顏色可能與出射光線通過的濾色片的顏色不同，從而引起無意的顏色混合。
另一方面，如果微角隅棱鏡陣列20的尺寸小于像素區域的尺寸，那么入射光線通過的濾色片的顏色應與出射光線通過的濾色片的顏色相同，所以不會導致色彩混合。因此，為了以所需的顏色顯示圖像，微角隅棱鏡陣列20的單位元件的尺寸需要比像素區域的尺寸小。在用于本優選實施例的的微角隅棱鏡陣列20中，單位元件的尺寸(如約10μm)規定為足夠小于像素區域的正常尺寸(如幾十微米)。這樣圖像就可以以所需的顏色恰當地顯示。
接著，將筆直入射到由三個等腰直角三角形平面組成的微角隅棱鏡上的光線的逆反射性與入射到由三個正方形平面組成的角隅棱鏡上的光線的逆反射性進行比較。日本特許公開公報No.7-205322中描述了其各角隅棱鏡由三個等腰直角三角形平面組成的逆反射器。
圖9A和9B分別是顯示各角隅棱鏡由三個等腰直角三角形平面組成的的透視圖和平面圖。在各角隅棱鏡由三個等腰直角三角形平面組成的情況下，角隅棱鏡具有圖9B所示的等邊三角形平面形狀。在此情況，如果光線入射到等邊三角形的一個頂點附近的角隅棱鏡的點上，則該光線不會逆向反射，因為在該角隅棱鏡內部，沒有與該入射點相對于該角隅棱鏡中心對稱的點。結果逆反射性至多約為66％。
另一方面，圖10A和10B分別是顯示各角隅棱鏡中由三個正方形平面組成的透視圖和平面圖。在各角隅棱鏡由三個方形平面組成的情況下，角隅棱鏡具有圖10B顯示的直角六邊形平面形狀。在此情況，不管光線在何處射入，各個和每個入射點都具有相對于該角隅棱鏡中心對稱的點。因此，入射到該直角六邊形的任何點上的光線總是被逆向反射。因此，可以看出，要增加入射光線的逆反射性，陣列中的每個微角隅棱鏡較佳由三個正方形平面組成，并且較佳具有直角六邊形平面形狀。
在用于此優選實施例中的微角隅棱鏡陣列中，其各單位元件是包含由立方單晶的{100}平面形成的三個基本上為正方形的平面，如上所述。因此該微角隅棱鏡陣列可根據需要對入射光進行逆向反射。即在黑色顯示模式中，觀察者不會感覺到多余的光線。結果，能實現適當的黑暗顯示，且其反差比增大。
在此優選的實施例中，將本發明優選實施例的微角隅棱鏡陣列用于液晶顯示裝置。或者，可在光發射器如EL裝置后面，提供由本發明優選實施例的微角隅棱鏡陣列制得的逆反射器。
作為另外一種選擇，也可制成具有與基本材料的參考平面的法線有一定傾斜的光軸的微角隅棱鏡陣列。具體而言，首先制造一種GaAs襯底，該襯底的表面與GaAs晶體的(111)A平面有約0-10度的傾斜角。接著如第一優選實施例中所述，對制得的GaAs襯底進行鏡面拋光、形成光抗性蝕劑圖案和干法腐蝕處理各步驟，從而在襯底的表面上形成多個角隅棱鏡，此各棱鏡由三個相互之間基本上垂直相對的{100}晶體平面構成〔如(100)、(010)和(001)平面〕。通過這種方式獲得角隅棱鏡陣列。但是，在這個優選的實施例中，GaAs襯底具有偏離晶體的{111}A平面約0-10度的表面，這與第一優選實施例不同。因此，由角隅棱鏡三個平面的各個平面與襯底的參考平面(即襯底的末腐蝕原始平面)之間的角度與第一優選如果如先前第一優選實施例所述，使用反射膜涂覆以這種方式在GaAs襯底的表面上形成的角隅棱鏡陣列，那么可將該角隅棱鏡陣列用作逆反射器。通過這種方式獲得的逆反射器具有與襯底的的參考平面呈一定傾斜的光軸，并且沿著該傾斜的光軸入射的入射光具有最高的逆反射性。所以，根據顯示設備的操作環境(例如當光源位于一固定位置上時)，使用這種逆反射器可獲得較高的顯示性能。
根據本發明，立方單晶襯底的{111}平面進行各向異性干法腐蝕制得了微角隅棱鏡陣列，其許多個單位元件中的每一個均由在相對低的腐蝕速率下露出的結晶平面〔如{100}平面〕構成。因此，可采用較簡單的處理步驟，制造由其尺寸小于顯示裝置的像素區域的尺寸(如約幾十微米)的非常小的單位元件組成、且仍具有形狀精度非常高的微角隅棱鏡陣列。
采用這種微角隅棱鏡陣列的顯示設備，可顯示出反差比高、色純度高，清晰度又高的明亮圖像。
雖然本發明已就其一些優選實施例進行了描述，但是本領域熟練的技術人員應當理解，此公開的發明可以各種方式進行修改，并且還可具有除了上述具體描述的實施例以外的其它許多實施例。因此，本發明的權利要求書包括著符合本發明實質精神和范圍的所有修改。
權利要求
1.一種制造微角隅棱鏡陣列的方法，該方法包括a)提供一個襯底，該襯底至少有一表面部分由立方單晶組成，該襯底具有基本上與這些晶體的{111}平面平行的表面；b)使用與襯底能反應的腐蝕氣體以各向異性方式對該襯底的表面進行干法腐蝕，從而在該襯底表面上形成微角隅棱鏡陣列的許多個單位元件，各所述單位元件由以比晶體的{111}平面的腐蝕速率低的速率腐蝕露出的一些晶體平面構成。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，上述步驟b)包括以低于晶體{111}平面腐蝕速率的速率腐蝕露出晶體的{100}平面。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，上述步驟b)包括形成由3個相互之間基本上垂直相對的{100}平面構成的單位元件。
4.如權利要求2或3所述的方法，其特征在于，步驟a)制得的襯底的至少該表面部分由具有閃鋅礦結構的化合物半導體制得。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述化合物半導體是砷化鎵，所述襯底的表面與鎵原子形成的{111}A平面基本上平行。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟b)包括使用包含鹵素化合物的腐蝕氣體各向異性地干法腐蝕所述襯底的表面。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述腐蝕氣體包括砷和溴的化合物。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述腐蝕氣體包括砷和氯的化合物。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟b)包括在表面-反應-限制范圍內的腐蝕條件下干法腐蝕所述襯底的表面。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟b)包括不僅用腐蝕氣體而且還使用含砷的氣體干法腐蝕所述襯底的表面。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還在步驟a)和步驟b)之間，包括步驟c)用腐蝕掩模層覆蓋襯底的表面，該腐蝕掩模層包括至少一個掩蔽單元和至少一個開口部分，它們排列形成預定的圖案。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述步驟b)包括形成該微角隅棱鏡陣列的單位元件，這些單位元件各自的尺寸由在步驟c)中所述的腐蝕掩模層的圖案控制。
13.如權利要求1-12中任一項所述的方法，其特征在于，所述步驟b)包括形成所述單位元件，各所述單位元件由三個相互之間基本上垂直相對的基本上是正方形的平面構成。
14.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括將已在所述襯底的表面上形成的單位元件的形狀轉移到樹脂材料上。
15.一種微角隅棱鏡陣列，它采用權利要求1所述的方法制得。
16.一種顯示裝置，它包括權利要求15所述的微角隅棱鏡陣列；位于所述微角隅棱鏡陣列上的光調節層。
17.如權利要求16所述的顯示裝置，其特征在于，所述微角隅棱鏡陣列包含許多個角隅棱鏡作為單位元件，并且，各所述角隅棱鏡的尺寸等于或小于各像素區域的尺寸。
全文摘要
一種制造微角隅棱鏡陣列的方法。該方法包括以下步驟提供襯底，該襯底至少有一表面部分由一些立方單晶組成，該襯底具有基本上與這些晶體的{111}平面平行的表面；使用能與襯底反應的腐蝕氣體以各向異性方式對該襯底的表面進行干法腐蝕，從而在該襯底表面上形成微角隅棱鏡陣列的許多個單位元件。各單位元件由以比晶體的{111}平面的腐蝕速率低的速率腐蝕露出的一些晶體表面構成。
文檔編號G02F1/13GK1425927SQ0215742
公開日2003年6月25日 申請日期2002年12月13日 優先權日2001年12月13日
發明者伊原一郎, 箕浦潔, 澤山豐 申請人:夏普株式會社