微角隅棱镜阵列、其制造方法和显示装置的制作方法

专利名称：微角隅棱镜阵列、其制造方法和显示装置的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及微角隅棱镜阵列、其制造方法以及包括这种微角隅棱镜阵列的显示装置。
2.相关技术描述近几年，已经开发了各种类型具有极小尺寸的光学元件(即所谓的“微光学元件”)，包括微透镜、微反射镜和微棱镜，并日益广泛地应用于光通信和显示装置领域。人们预期有了这些微光学元件会使光学技术和显示技术进一步发展前进。
这种光学元件的例子包括按规则图形排列许多个角隅棱镜形成的角隅棱镜反射器。这些角隅棱镜的形状都对应于立方体的一个角和三个垂直相对的反射面。角隅棱镜反射器是一类逆反射器，它通过由这三个反射面中的每一个相继将入射的光线反射，从而向其光源反射入射光。不管入射光的入射角如何，这种角隅棱镜反射器总能将其朝光源反射。下面先描述制造角隅棱镜的传统方法。
平板法在平板法中，将多个平板彼此堆叠，每个平板具有两个相互平行的平面。在这些堆叠平板的侧端面上，垂直于平行面以相等的间距切割一些V形槽，结果形成一系列屋顶形的凸起，每个凸起的顶角约为90°。接着，这些平板中的每一个相对于相邻的平板水平移动，使得前一板上形成的一系列屋顶形凸起的顶部对准后一板上形成的V形槽的底部。用这种方式，获得用来制造角隅棱镜阵列的模具。在平板法中，就使用这种模具制造角隅棱镜阵列。然而，根据此方法，必须相对于邻近平板准地移动并固定具有屋顶形凸起的平板，使得两个平板满足所需的位置关系。因此，用这种方法很难制造尺寸约为100μm或更小的角隅棱镜。
针束法在针束法中，在六棱柱形金属针的一端提供一个具有三个正方形面的棱镜，这三个正方形面彼此基本上垂直相对，再将许多个这种针捆在一起形成棱镜的集合。用这种方法，角隅棱镜由三个邻近针的各自端点上形成的三个棱镜的三个面组成，然而，根据这种方法，要集合为相互不同的引线分别形成的多个棱镜来制造角隅棱镜。因此，实际上很难制造小尺寸的角隅棱镜。用这种方法可以制造的角隅棱镜的最小可能尺寸约为1mm。
三棱镜法在三棱镜法中，例如，从三个方向在一金属平板表面上切出一些V形槽，以此形成多个三角锥凸起并获得棱镜的集合。然而，用这种方法形成的棱镜除了三角锥形状外，不能是其它形状。
此外，日本公报公开No.7-205322揭示了用光化学技术制造微角隅棱镜阵列的一种方法。该方法使用具有多个等边三角形透明(或不透明)区域的掩模。该掩模这些透明(或不透明)区域中的每一个区域都具有可变的透明度(或不透明度)，该透明度值从其中心向边缘逐渐减小。通过使用这种掩模进行曝光和显影步骤，在一衬底上形成多个三角锥光致抗蚀剂图形单元。然后，各向异性地腐蚀(例如干法腐蚀)部分涂覆有这些光致抗蚀剂图形单元的衬底，使得衬底上具有与光致抗蚀剂图形单元相同形状的多个凸起。这样在衬底上就形成了多个三角锥凸起，每个凸起具有彼此基本上垂直相对的三个等腰三角形面。
例如，美国专利No.5,182,663揭示了一种液晶显示装置，它使用这种角隅棱镜反射器作为逆反射器。下面将参考

图11描述包括这种角隅棱镜反射器的传统液晶显示装置。
在图11所示的液晶显示装置900中，一个散射型液晶层60夹在两个透明衬底80和90之间，衬底80接近观察者，衬底90远离观察者(未图示)，以下分别将它们称为“观察者侧衬底”和“非观察者侧衬底”。在非观察者侧衬底90面对液晶层60的表面上，依次提供作为逆反射器的角隅棱镜反射器95和透明电极65。另一方面，在观察者侧衬底80面对液晶层60的表面上，依次提供滤光层70和另一透明电极65。通过向夹住散射型液晶层60的一对透明电极65施加电压或者不施加电压，可使液晶层60在透为散射状态和散射状态之间转换。当应该显示白色时，此散射型液晶层60就得进入散射状态。在这种模式中，从外部光源(如太阳)入射到散射型液晶层60的一部分入射光被液晶层60散射。另一部分入射光被角隅棱镜95反射回来，然后被液晶层60散射。通过接受以此方式散射的入射光，可显示明亮的影像。另一方面，当应该显示黑色时，散射型液晶层60就得进入透射状态。在这种模式中，通过散射型液晶层60透射的一部分入射光被角隅棱镜90反射回其光源。因此，只有接近观察者的光源发出的一部分光能到达观察者的眼睛，因此实现了较佳的黑色显示。此外，没有环境光的规则反射部分到达观察者的眼睛。结果，可避免不必要的环境光线的背反射。
在这种液晶显示装置900中，要求角隅棱镜反射器95的每个单位元件(即每个微角隅棱镜)的尺寸L1等于或小于每个像素区域的尺寸L2。原因如下。如果每个单位元件的尺寸L1大于每个像素区域的尺寸L2，那么通过预定像素区域透射并从角隅棱镜反射器逆向反射的光线会通过回路上的另一像素区域。这时，就不能实现所期望的显示。
如上所述，要求例如液晶显示装置中所用的角隅棱镜具有很小的尺寸(如约100μm或更小，这个值甚至比像素区域的尺寸还小)。然而，根据上述任何一种制造角隅棱镜的机械方法，通常很难将角隅棱镜制成所期望的小尺寸，因为在实际制造过程中可能发生一些变化。此外，即使用上述的一种方法制造了很小尺寸的角隅棱镜，其每个反射面应该具有较低的镜面反射率，且两个反射面交点处的曲率半径R应该较大。结果，逆向反射效率将不利地减小。
此外，对于用日本公报公开No.7-205322中所揭示光化学方法制造的微角隅棱镜，很难确保其每一侧面(或反射面)的高平面精度(即平面性)。在该方法中，微角隅棱镜每个侧面的平面精度依赖于衬底上形成的三角锥光致抗蚀剂图形单元。然而，为了增加光致抗蚀剂图形单元的平面精度，例如应该使掩模的透射比或不透明度恒定不变，来严格控制光致抗蚀剂层曝光和显影的步骤。然而，实际上，这种严格的过程控制很难实现。此外，根据该技术，每个角隅棱镜必须由三个等腰直角三角形平面组成。
发明概要为了克服上述问题，本发明提供一种制造尺寸非常小且形状精确度足够高的微角隅棱镜阵列。
本发明的另一目的是提供一种使用这种微角隅棱镜阵列的显示装置。
本发明的优选实施例提供一种制造微角隅棱镜阵列的方法。该方法优选包括以下步骤a)提供衬底，该衬底至少有一表面部分由立方单晶体组成，该衬底具有基本上与这些晶体的{111}平面平行的表面；b)使用能与衬底反应的腐蚀气体以各向异性方式对该衬底的表面进行干法腐蚀，从而在该衬底表面上形成微角隅棱镜阵列的许多个单位元件。各单位元件优选由以比晶体的{111}平面的腐蚀速率低的速率腐蚀露出的一些晶体平面构成。
在本发明的一个实施例中，步骤b)优选包括以低于其{111}平面的腐蚀速率的速率进行腐蚀将晶体的{100}平面露出。
在这个特别优选的实施例中，步骤b)优选包括形成单位元件这样的步骤，使得每个单位元件由3个基本上互相垂直相对的{100}平面构成。
或者或此外，步骤a)中制得的衬底的所述至少表面部分由具有闪锌矿结构的化合物半导体制成。
在此情况下，所述化合物半导体优先是砷化镓，所述衬底的表面较佳基本上与由镓原子形成的{111}A平面平行。
在本发明的另一优选实施例中，步骤b)优选包括使用包括卤素化合物在内的腐蚀气体，以各向异性的方式对衬底的表面进行干法腐蚀。
在一特别优选的实施例中，腐蚀气体可包含砷和溴的化合物。
在另一优选的实施例中，腐蚀气体可包含砷和氯的化合物。
在又一优选的实施例中，步骤b)较佳包括对衬底的表面在表面反应限制的范围内的腐蚀条件下进行干法腐蚀。
在又一优选的实施例中，步骤b)较佳包括使用腐蚀气体并且同时使用合砷气体对衬底的表面进行干法腐蚀。
在又一优选的实施例中，该方法较佳还在步骤a)和步骤b)之间包括步骤c)，即用腐蚀掩模层覆盖衬底的表面。该腐蚀掩模层较佳包括至少一个掩蔽单元和至少一个开口部分(opening)，它们排到形成一预定的图形。
在这个特别优选的实施例中，步骤b)较佳包括形成微角隅棱镜阵列的一些单位元件的步骤，使得各单位元件的尺寸是根据步骤c)中所述的腐蚀掩模层的图形而控制的。
在又一优选的实施例中，步骤b)较佳包括形成一些单位元件的步骤，各单位元件由三个基本上为正方形的平面构成，而这三个平面以基本上相互垂直的方式面对。
在又一优选的实施例中，本发明方法方法还可包括将在衬底的表面上形成的这些单位元件的形状转移到树脂材料上的步骤。
本发明另一优选的实施例提供一种采用本发明上述任一种优选实施例方法制得的微角隅棱镜阵列。
本发明的又一优选实施例提供一种显示装置。这种显示装置较佳包括本发明上述任一个优选实施例的微角隅棱镜阵列以及在该微角隅棱镜阵列上提供的光调制层。
在本发明的一个优选实施例中，微角隅棱镜阵列优选包括作为各单位元件的许多角隅棱镜，并且这些角隅棱镜各自的尺寸较佳等于或小于各像素区域的尺寸。
从下面结合附图对本发明的优选实施例进行的详细描述中，将更容易理解本发明的其它特征、要素、方法、步骤、特征和优点。
附图的简单描述图1A到1H是显示本发明第一特别优选的实施例中制造微角隅棱镜阵列的各方法步骤的截面图。
图2是显示制造第一优选实施例微角隅棱镜阵列的方法中所用光掩模的平面图。
图3是显示制造第一优选实施例微角隅棱镜阵列的方法中所用腐蚀系统的截面图。
图4A和4B分别是显示采用制造第一优选实施例微角隅棱镜阵列的方法获得的微角隅棱镜阵列的平面图和透视图。
图5是显示本发明的第二特别优选实施例中GaAs单晶的{111}A平面和{100}平面的腐蚀速率是如何随衬底的温度而变化的图。
图6是显示本发明第二特别优选实施例中GaAs单晶的{111}A平面的腐蚀速率对{100}平面的腐蚀速率之比如何随衬底的温度而变化的图。
图7A和7B是分别显示本发明第三个特别优选实施例中维持在约380℃下进行腐蚀的衬底和维持在约600℃下进行腐蚀的衬底的截面图。
图8是显示本发明第四个特别优选实施例的显示装置的截面图。
图9A和9B分别是显示各自由三个等腰直角三角平面组成的角隅棱镜阵列的透视图和平面图。
图10A和10B分别是显示各自由三个正方形平面组成的角隅棱镜阵列的透视图和平面图。
图11是显示包含微角隅棱镜阵列的传统反射型液晶显示装置的结构的截面图。
优选实施方案的详细描述在根据本发明一较佳实施例的制造微角隅棱镜阵列的方法中，在包含立方晶体的单晶衬底(下文将称为“立方单晶衬底”)上形成微角隅棱镜阵列。立方单晶衬底可以由例如闪锌矿结构的化合物半导体或金刚石结构的材料组成。具体地说，制备的立方单晶体衬底有一表面基本上平行于晶体的{111}平面，并且使用各向异性干法腐蚀过程在该表面上形成一定图形，从而制得微角隅棱镜阵列。
应该注意到“有个表面基本上平行于晶体{111}平面的衬底”在这里不仅指有个表面平行于晶体{111}平面的衬底，还指有个表面与晶体{111}平面的倾角为约0度到约10度的衬底。
本发明方法的部分特征在于通过各向异性干法腐蚀过程在衬底表面上形成一定图形，此时一族晶体平面的腐蚀率与另一族晶体平面不同。例如，如果使用反应性腐蚀气体如卤素化合物的气体对由GaAs组成的单晶衬底进行干法腐蚀，那么晶体{111}A平面(也就是镓原子形成的{111}平面)的腐蚀率较高，而{100}平面(也就是包括(100)、(010)和(001)平面的晶体平面)的腐蚀率较低。因此，如果将GaAs衬底的{111}A平面暴露于腐蚀气体对其进行干法腐蚀，则该干法腐蚀过程将以留下晶体{100}平面的方式而各向异性地进行。结果，由许多个单位元件在衬底表面上形成一些凹凸部分，该每个单位元件都由晶体的三个{100}平面组成。在本文中，{100}平面族所形成的每个“单位元件”也称为“凹陷部分”，因为该元件通过各向异性腐蚀过程形成。以这种方式形成的每个单位元件都都具有三个垂直相对的平面(如(100)、(010)和(001)平面)，由此形成一个角隅棱镜。
在用这种方法形成的角隅棱镜阵列中，每个角隅棱镜的三个平面都是立方晶体的{100}结晶平面，并具有非常高的形状精度。此外，组成每个角隅棱镜的三个平面具有很好的平面性，两个或三个平面彼此相交的各个角或棱都具有足够的锐度。此外，此角隅棱镜阵列具有多个单位元件即角隅棱镜排列成规则图形的立体形状。在此阵列中，角隅棱镜的各个顶点实质上位于同一水平面上(或实质上位于同一平面中)。因此，这样的角隅棱镜阵列可有效地用作逆反射器，用来将入射光反射朝向其光源。
此外，通过调节腐蚀过程中所用光致抗蚀剂图形(或抗蚀掩模)的特征尺寸，用本发明方法形成的角隅棱镜阵列中每个单位元件(也就是每个角隅棱镜)的尺寸可以是几十微米或更小。因此，可以获得极小尺寸的角隅棱镜阵列，它适用于例如作为液晶显示装置中的逆反射器。
应该注意到本发明各个较佳实施例中所用的“立方单晶体衬底”包括通过在无定形材料或多晶材料的支撑基座上形成单晶层而获得的衬底。此外，衬底不必要是平板，而可以是任何其它立体形状，只要衬底具有一个平面。
下文将参考附图描述本发明的一些较佳实施例。实施例1在本发明的第一个优选实施例中，用GaAs衬底作为立方单晶衬底，在其上面形成微角隅棱镜阵列。
图1A到1H说明了根据本发明第一优选实施例制造微角隅棱镜阵列的各个处理步骤。首先，如图1A所示，制备一块GaAs单晶的衬底1，其表面是一个{111}A族平面，该表面经过了镜面抛光。应该注意到{111}A平面是由镓原子形成，而{111}B平面是由砷原子形成的。
接着，如图1B所示，采用CAD法在衬底1的表面上沉积厚度约为3000的SiO2膜3。然后，如图1C所示，在SiO2膜3上旋涂以厚约2μm的抗蚀剂膜5。该抗蚀剂膜5可由如OFPR-800(由Tokyo Ohka Kogyo Co.，Ltd.生产)制得。
随后，在对该抗蚀剂膜5进行预烘焙处理后，将具有一预定图案的光掩模放置在该抗蚀剂膜5上，之后让抗蚀剂膜5选择性曝光于辐射中，然后对抗蚀剂膜5进行显影。通过这种方式，在SiO2膜3上形成了预定掩模图案5a的抗蚀剂膜，如图1D所示。
在此较佳实施例中，可使用如图2所示的光掩模。如图2所示，在这种光掩模中，等边三角形不透明区域9a和反向的等边三角形透明区域9b沿三角形三条边的三个方向中的每个方向交错排列。将该光掩模放置在衬底上，要以便使该光掩模的各等边三角形不透明区域9a的三条边(或边缘)中的一条与GaAs晶体的(100)平面平行。在这个优选的实施例中，光掩模的各等边三角形图案元件各边的长度约为10μm。
接着，使用氢氟酸(HF)缓冲液对具有掩模图案的抗蚀剂膜5a的衬底进行湿法腐蚀，以便使该图案5a也在SiO2膜3上产生。通过这种方式，在衬底1上的SiO2层也形成了掩模的图案3a，如图1E所示。之后，使用有机溶剂如丙酮清洗该衬底，除去具有掩模图案的抗蚀剂膜5a，然后在烘箱中将SiO2膜3加热到约200℃，以使其脱水，如图1F所示。结果，获得SiO2掩模图案3a，它将在随后的干法腐蚀过程中作为腐蚀用的掩模层使用。以这种方式形成的SiO2掩模图案3a与图2所示的光掩模的图案相同。
在这个优选实施例中，要形成的角隅棱镜的尺寸由SiO2掩模图案3a的特征尺寸确定。具体而言，要形成的角隅棱镜的尺寸大约等于SiO2掩模图案3a的两个相邻掩模单元的质量中心之间的节距。在这个优选实施例中，该节距较佳约为10μm。
接着，将其上有SiO2掩模图案3a的GaAs衬底1装载到图3所示的腐蚀系统30中，对衬底1的表面进行干法腐蚀。
具体而言，将衬底1固定在腐蚀系统30的加热器6上，然后，使用真空泵7将系统抽成约1×10-9Torr的真空。接着，使用加热器6将GaAs衬底1加热到约590℃，在此温度维持大约30分钟，同时由含砷气体供应器9向室中通入含砷气体。通过这种方式，在GaAs衬底1的表面上已形成的天然氧化膜被去除。然后，停止通入含砷气体，将衬底的温度降至约380℃。之后，腐蚀气体供应器8向室中通入腐蚀气体，持续大约10小时，此时即以各向异性的方式对衬底1的表面进行干法腐蚀。在这个优选的实施例中，用三溴化砷气体作为腐蚀气体。也可以使用三氯化砷或其它任何适当的气体作为腐蚀气体。
为了采用这种干法腐蚀过程各向异性地腐蚀衬底的表面，所使用的腐蚀气体需要与该衬底发生化学反应。当使用反应性腐蚀气体时，衬底表面和腐蚀气体之间发生化学反应。在此情况下，腐蚀气体与衬底的某一族晶体平面之间的反应和相同的腐蚀气体与衬底的另一族晶体平面之间的反应活性不同。因此，这两族晶体平面的腐蚀速率相互不同。结果，衬底的表面被以各向异性的方式腐蚀。
此外，当所使用的腐蚀气体与衬底反应时，较佳产生具有高蒸气压的气态反应物。
为此，较佳使用卤素化合物的气体，如上述的三溴化砷或三氯化砷气体作为腐蚀气体。满足这些条件的其它优选气体的例子包括氢气。
使用卤素化合物作为腐蚀气体腐蚀GaAs衬底的技术在本领域中是已知的。例如，在《表面科学》(Surface Science)312，181(1994)中描述了使用氯化氢的腐蚀方法。在《晶体生长杂志》(Joumal of Crystal Growth)164，97(1994)中描述了使用三氯化氢的腐蚀方法。此外，在日本公开公报No.8-312483中描述了使用三溴化砷作为腐蚀气体腐蚀GaAs衬底的方法。这些文献都分别公开了使用卤素化合物作为腐蚀剂可进行精度非常高的腐蚀过程。在这个优选的实施例中，这种高精度腐蚀技术被用来制造微角隅棱镜阵列，获得具有非常高逆反射性的反射器。
在这个优选实施例的干法腐蚀过程中，包括(100)、(010)和(001)平面的GaAs单晶{100}平面比其{111}A平面难于腐蚀。因此，该腐蚀过程各向异性地进行，留下{100}平面。在这个优选的实施例中，使用包括卤素化合物的腐蚀气体干法腐蚀衬底。因此，露出的{100}平面具有良好的平面性。
之后，当衬底1已被腐蚀到如图1G所示的深度后，就形成了它由GaAs单晶的{100}平面S构成的凹凸部分20，如图4A和4B所示。图4A和4B分别是以这种方式形成的凹凸部分20的平面图和透视图。如图4A和4B所示，形成各自由三个基本上相互垂直相对的GaAs单晶{100}平面S构成的凹凸部分，以对应于腐蚀用掩模层(即SiO2掩模图案)3a的掩蔽单元3b和开口部分3c。通过这种方式获得角隅棱镜阵列。应注意的是，当在腐蚀过程结束，在衬底1上形成角隅棱镜阵列时，SiO2掩模图案3a和衬底表面上的凹凸20部分相互之间是点接触，如图1G所示。因此，SiO2掩模图案将自然而然地从衬底1上除去，结果如图1H所示。
从图4A和4B可以看出，以这种方式获得的微角隅棱镜阵列具有立体形状，其中，多个凸起部分(其顶点以○表示)和多个凹下部分(其底点以●表示)相互组合。此外，各个单位元件(即阵列的各个元件棱镜)由三个在底部相交、并且基本上垂直相对的三个基本上为正方形的平面构成。如图4A所示，从衬底1上方看，各单位元件即角隅棱镜具有基本上成六边形的平面形状。因此，用此优选实施例方法形成的角隅棱镜的形状比较复杂。但是，这个优选的实施例的角隅棱镜的尺寸非常小，大约为10+μm。此外，其形状精度(如三个实质上正方形平面它们各自的平面性)也非常高。
在上述优选的实施例中，使用三溴化砷为腐蚀气体形成角隅棱镜阵列。但是，使用三氯化砷为另一可选用的腐蚀气体，也可形成类似的角隅棱镜阵列。
当使用这种微角隅棱镜阵列制造逆反射器时，可采用例如蒸发方法在GaAs基材的粗糙表面上沉积一层厚度基本上均匀(例如大约为200nm)的薄膜反射材料(如铝或银)。通过这种方式，可以获得包括三个基本上相互垂直相对的基本上正方形的反射平面的逆反射器。
也可以将在GaAs衬底表面上形成的微角隅棱镜阵列转移到例如树脂材料上，制造出树脂材料的微角隅棱镜阵列。具体而言，首先，采用一已知的技术，由其上已如上述形成角隅棱镜阵列的GaAs衬底制造出电铸模。接着，将此电铸模装在例如一个辊子上。然后由该辊子带动该电铸模旋转，并压在树脂上，从而将微角隅棱镜阵列的图案转移到树脂材料上。
在上述优选的实施例中，其上形成了角隅棱镜阵列的基材是GaAs单晶。或者，只要使用适当的腐蚀气体，衬底也可以由具有闪锌矿结构的任何其它化合物如InP、InAs、ZnS或GaP或者具有金刚石结构的材料(如Ge)的单晶组成。实施例2这里将描述在上述第一优选实施例中各向异性干法腐蚀过程中腐蚀速率如何随GaAs衬底的温度而变化。
图5是显示当三溴化砷用作腐蚀气体时，GaAs单晶的{111}A和{100}平面随衬底温度而变化的图。图6是显示{111}A平面的腐蚀速率V111A与{100}平面的腐蚀速率V100之比(V111A/V100)随衬底温度而变化的图。
从图5可以看出，如果衬底的温度约为400℃或低于400℃，腐蚀速率随温度的变化较陡。与此不同，如果衬底的温度高于约400℃，则腐蚀速率随衬底温度的变化甚微。腐蚀速率急剧变化的范围在本文中称为“表面反应限制范围”，而腐蚀速率变化轻微或几乎没变化的范围在本文中称为“物质传递限制范围”。
应注意的是，“表面反应限制范围”可以由腐蚀条件的任何参数(如衬底温度和提供腐蚀气体的压力)所限定。即，每一个这种参数会有一个范围，在此范围中腐蚀速率急剧变化，这样的范围就可以定义为该参数的“表面反应限制范围”。在本文中，“表面反应限制范围”指一族晶体平面的最高腐蚀速率是另一族平面最低腐蚀速率大约1.1倍或以上的某一腐蚀条件范围。
此外，从图5和图6可以看出，{111}A平面的腐蚀速率V111A与{100}平面的腐蚀速率V100之比(V111A/V100)在约400℃或以下的表面反应限制范围内是大的。而在超过约400℃的物质传递限制范围内，腐蚀速率比(V111A/V100)非常小。因此，可以看出，为了增加腐蚀速率比(V111A/V100)，腐蚀过程较佳是在约400℃或以下的表面反应限制范围内进行。
图7A和7B是显示在表面反应限制范围内的约380℃腐蚀衬底而形成的角隅棱镜的截面图，和在物质传递限制范围内的约600℃腐蚀衬底而形成的角隅棱镜的截面图。如图7A所示，当衬底温度约为380℃时，{111}A平面与{100}平面的腐蚀速率比是大的，由此腐蚀过程形成的角隅棱镜具有一个锐角(即顶点)，并且平面具有良好的平面性。而当衬底温度约为600℃，且{111}A平面与{100}平面的腐蚀速率比小时，由此腐蚀过程形成的角隅棱镜具有个圆角和弯曲的表面，如图7B所示。这样，如果{111}A平面的腐蚀速率不足够高于{100}平面的腐蚀速率，则所得的角隅棱镜的形状精度下降。
当所获得的角隅棱镜具有这种弯曲的表面或圆角时，由此角隅棱镜制得的逆反射器，其逆反射性会下降。因此，腐蚀过程较佳在产生足够高的腐蚀速率比的腐蚀条件(如，衬底温度和提供腐蚀气体的压力)下进行。在这个优选的实施例中，{111}A平面的腐蚀速率V111A与{100}平面的腐蚀速率V100之比(V111A/V100)较佳至少约为1.7，更佳至少约为3.4。
此外，为了获得这么高的腐蚀速率比，腐蚀过程中衬底的温度较佳约为370℃到约400℃，更佳约为350℃到约385℃。
如上述，如果腐蚀速率比(V111A/V100)足够高，可形成具有形状精度高的角隅棱镜。此外，如果腐蚀速率比增加得足够，{100}结晶平面会本身暴露。因此，对于腐蚀过程中其它必需的条件(如腐蚀掩模层的形状精度)可以放松，即不必很严格地控制，这对整个制造过程有利。
此外，当采用如本优选实施例中进行的干法腐蚀过程时，两族晶体平面之间的腐蚀速率的差异(即腐蚀速率比)比采用湿法腐蚀过程的方法增加得容易些。在本申请者的日本专利申请第2001-306052号描述了使用氨水和过氧化氢水的混合物湿法腐蚀衬底制造角隅棱镜的方法。在湿法腐蚀过程中，在晶体的{111}和{100}平面之间比较难以获得约为3.4或以上的腐蚀速率比。但是，采用干法腐蚀易于获得这么高的腐蚀速率比。当腐蚀速率比达到这样高的比值时，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，可在宽的区域内形成具有所需尖锐顶点的角隅棱镜阵列。本发明者通过实验证实，采用湿法腐蚀形成的角隅棱镜的逆反射性约为71％，而采用本发明上述优选实施例中的干法腐蚀过程形成的角隅棱镜，其逆反射性约为79％。实施例3本发明的第三个特别优选的实施例是上述第一优选实施例各向异性干法腐蚀过程的改动形式。具体而言，在这个实施例中，是使用腐蚀气体和含砷气体的组合进行干法腐蚀。
在这个优选的实施例中，在形成具有预定图案的腐蚀用掩模层(即SiO2掩模图案)3a之后，在腐蚀系统中进行与上述第一优选实施例类似的腐蚀过程。如上述第一优选实施例所述，在约为380℃的衬底上进行干法腐蚀过程。但是，在这个第三优选的实施例中，不仅将衬底暴露在三溴化砷气体中，而且还同时将其暴露在也作为腐蚀气体的含砷气体中。通过将砷的来源加热到约203℃，由含砷气体供应器9提供含砷气体。
本发明者发现，当将衬底暴露在含砷气体以及三溴化砷中时，{111}A平面的腐蚀速率V111A和{100}平面的腐蚀速率V100之比(V111A/V100)与衬底仅暴露在三溴化砷的实施例相比，有所增加。结果列在表1中表1
通过这种方式，如果基材被同时暴露在含砷气体中进行腐蚀，则腐蚀速率比(V111A/V100)可以增加，并且可以形成具有更高形状精度的角隅棱镜。
在这个优选的实施例中，是认为不仅使用腐蚀气体(如三溴化砷或三氯化砷)而且还同时提供含砷气体进行干法腐蚀过程。也可以使用腐蚀气体和Ga气体的混合物进行干法腐蚀。
如果在干法腐蚀过程中同时提供腐蚀气体和Ga气体，那么在衬底表面上形成的凹凸部分可具有进一步平面化的平面。本发明者发现并实验证实，当仅提供三溴化砷作为各向异性干法腐蚀过程的腐蚀气体时，该凹凸部分的表面粗糙度约为5.4nm。而当同时提供三溴化砷气体和Ga气体(即，将Ga源加热到约890℃所得的的气体)作为各向异性干法腐蚀的腐蚀气体时，该凹凸部分的表面粗糙度可减少到约0.2nm。实施例4这里将描述第四个特别优选实施例。此第四优选实施例涉及采用上述第一到第三优选实施例中所述的任何一种方法获得的微角隅棱镜阵列作为逆反射器的反射型液晶显示装置。
图8显示第四优选实施例的反射型液晶显示装置100的结构。如图8所示，这种液晶显示装置100包括一对衬底80和90与一层散射型液晶层60，此液晶层60位于衬底80和90之间，是个光线调节层。衬底80接近观察者，而衬底90与衬底80相对。这两个衬底都由透明的材料制成，例如可以是玻璃平板或聚合物膜。
在衬底80与液晶层60面对的那个表面上，按顺序分别堆叠包括滤色片R、G和B的滤色层70和透明电极65。而在衬底90与液晶层60面对的那个表面上放置了微角隅棱镜阵列20。这个微角隅棱镜阵列20用一反射性电极25覆盖，该电极由具有表面反射性很高的材料(如银或铝)制成，并且厚度基本上均匀。反射性电极25的形成，是采用例如蒸气法将银沉积到约200nm的厚度，使其紧贴微角隅棱镜阵列20的粗糙表面。反射性电极25不仅作为将入射光反射回其光源的反射平面，而且还作为对液晶层60施加电压的电极。
具有这种结构的液晶显示装置100，在透明电极65和反射性电极25对液晶层60所施加的电压作用下，通过在像素-像素基础上控制液晶层60的光线调节状态，从而在其上显示图像。可使用已知的有源元件如薄膜晶体管或任何其它驱动器来驱动电极65和25。
在图8所示的优选实施例中，微角隅棱镜阵列20在衬底90上形成。或者，可将微角隅棱镜阵列20自身用作衬底，而不用再提供衬底90。如先前第一优选实施例所述，微角隅棱镜阵列20可形成于GaAs衬底之外。当使用GaAs衬底时，例如，可将驱动有源元件的电路和其它电路一起集成在环绕其显示区域的相同的衬底上。如果可在相同的衬底上提供驱动电路和其它电路，则可减少显示装置的总尺寸。
在这个优选的实施例中，散射型液晶层60由聚合物分散型液晶材料制成。但是，液晶层60的材料并不限于此，它还可以是其它任何散射型液晶材料，如向列型胆甾醇相改变型液晶材料或者液晶凝胶。此外，液晶层60也可以由其它任何液晶材料制成，只要该材料至少能让液晶层60在透过入射光模式和散射光线模式之间转换即可。具体而言，其它可使用的液晶材料的例子包括胆甾醇液晶材料，这种材料可在透射和反射状态之间转换，并通过控制液晶分子结构域的大小可使这种材料产生漫射特性；具有金息功能的聚合物分散型液晶材料，这种材料可在透射和反射状态之间转换，并通过将该材料暴露在漫射辐射中而使其具有漫射特性。
制备低分子量液晶组合物和未聚合的预聚物的可溶混混合物，将其注射到衬底之间的空间中，然后使该预聚物发生聚合，可以获得用于本优选实施例中的聚合物分散型液晶材料。任何类型的聚合物分散型液晶材料都可使用，只要该材料是通过使预聚物进行聚合而获得。在这个优选的实施例中，将具有液晶性质的UV-固化的预聚物与一液晶组合物的混合物曝光于活性射线如紫外线，从而对其进行光固化，然后将熟化的混合物(即UV熟化的液晶材料)用作聚合物分散型液晶材料。如果将这种UV熟化液晶材料用作聚合物分散型液晶材料，则该可聚合的液晶材料可在不加热的情况下发生聚合。因此，液晶显示装置中的其它元件不会受到所产生的热量的影响。
将少量的聚合引发剂(如Ciba-Geigy公司生产的)加入到以例如约20∶80重量比混合的UV熟化的材料与液晶组合物的混合物中，可获得预聚物-液晶混合物。以这种方式获得的预聚物-液晶混合物在室温时呈向列性液晶相。入射光在进入由这种材料制成的液晶层时，会根据随着施加于其上的电压而变化的液晶层的模式(即散射或透射模式)而被调节。在这个优选的实施例中，当不给该液晶层施加电压时，它处于散射状态，当施加电压时，它处于透射状态。
下面将具体描述反射型液晶显示装置100的操作。
首先描述显示装置100白色显示模式的操作。在白色显示模式中，控制液晶层60，使其处于散射状态。因此，外部进入的光在透过衬底80和滤色层70之后被该液晶层60散射。在此情况下，已被液晶层60背散射的部分入射光返回到观察者。同样，在这个优选实施例的显示装置中，直线透过液晶层60的另一部分入射光以及被该液晶层60前向散射的又一部分入射光被微角隅棱镜阵列20上的反射电极25反射。这些反射部分的光在通过液晶层60时再次被处于散射状态的液晶层60散射。结果，部分散射光返回观察者。通过这种方式，在白色显示模式中，不仅仅是背散射的光，而且还有部分前向散射的光返回到观察者，从而显示出高亮度的图像。
现在描述显示装置100黑色模式的操作。在黑色模式中，通过施加电压控制液晶层60，使其处于透射状态。在此情况下，外部进入的光透过衬底80、滤色层70和液晶层60。透过液晶层60的光被微角隅棱镜阵列20上的反射电极25逆向反射。即入射光在进入观察显示器上的图像的观察者的眼睛之前，先被衬底80和液晶层60反射，从微角隅棱镜阵列20逆向反射，然后再被液晶层60和衬底80折射。因此，仅有来自观察者眼睛的邻近地方的光射出这个显示装置100，射向观察者。在此情况下，如果观察者眼睛的邻近地方太狭窄，不能使任何光源在该处存在(即如果该区域的面积小于观察者的瞳孔大小)，就实现了良好的黑色显示。
如上所述，射到微角隅棱镜阵列20上的光线被朝着与入射光光路的方向正好相反的方向反射回去。但是，逆向反射的出射光与入射光有轻微的水平偏移(或转移)。这种偏移大约等于该微角隅棱镜阵列20的单位元件的尺寸(或节距)。因此，如果微角隅棱镜阵列20的单位元件的尺寸大于像素区域的尺寸，那么入射光线通过的滤色片的颜色可能与出射光线通过的滤色片的颜色不同，从而引起无意的颜色混合。
另一方面，如果微角隅棱镜阵列20的尺寸小于像素区域的尺寸，那么入射光线通过的滤色片的颜色应与出射光线通过的滤色片的颜色相同，所以不会导致色彩混合。因此，为了以所需的颜色显示图像，微角隅棱镜阵列20的单位元件的尺寸需要比像素区域的尺寸小。在用于本优选实施例的的微角隅棱镜阵列20中，单位元件的尺寸(如约10μm)规定为足够小于像素区域的正常尺寸(如几十微米)。这样图像就可以以所需的颜色恰当地显示。
接着，将笔直入射到由三个等腰直角三角形平面组成的微角隅棱镜上的光线的逆反射性与入射到由三个正方形平面组成的角隅棱镜上的光线的逆反射性进行比较。日本特许公开公报No.7-205322中描述了其各角隅棱镜由三个等腰直角三角形平面组成的逆反射器。
图9A和9B分别是显示各角隅棱镜由三个等腰直角三角形平面组成的的透视图和平面图。在各角隅棱镜由三个等腰直角三角形平面组成的情况下，角隅棱镜具有图9B所示的等边三角形平面形状。在此情况，如果光线入射到等边三角形的一个顶点附近的角隅棱镜的点上，则该光线不会逆向反射，因为在该角隅棱镜内部，没有与该入射点相对于该角隅棱镜中心对称的点。结果逆反射性至多约为66％。
另一方面，图10A和10B分别是显示各角隅棱镜中由三个正方形平面组成的透视图和平面图。在各角隅棱镜由三个方形平面组成的情况下，角隅棱镜具有图10B显示的直角六边形平面形状。在此情况，不管光线在何处射入，各个和每个入射点都具有相对于该角隅棱镜中心对称的点。因此，入射到该直角六边形的任何点上的光线总是被逆向反射。因此，可以看出，要增加入射光线的逆反射性，阵列中的每个微角隅棱镜较佳由三个正方形平面组成，并且较佳具有直角六边形平面形状。
在用于此优选实施例中的微角隅棱镜阵列中，其各单位元件是包含由立方单晶的{100}平面形成的三个基本上为正方形的平面，如上所述。因此该微角隅棱镜阵列可根据需要对入射光进行逆向反射。即在黑色显示模式中，观察者不会感觉到多余的光线。结果，能实现适当的黑暗显示，且其反差比增大。
在此优选的实施例中，将本发明优选实施例的微角隅棱镜阵列用于液晶显示装置。或者，可在光发射器如EL装置后面，提供由本发明优选实施例的微角隅棱镜阵列制得的逆反射器。
作为另外一种选择，也可制成具有与基本材料的参考平面的法线有一定倾斜的光轴的微角隅棱镜阵列。具体而言，首先制造一种GaAs衬底，该衬底的表面与GaAs晶体的(111)A平面有约0-10度的倾斜角。接着如第一优选实施例中所述，对制得的GaAs衬底进行镜面抛光、形成光抗性蚀剂图案和干法腐蚀处理各步骤，从而在衬底的表面上形成多个角隅棱镜，此各棱镜由三个相互之间基本上垂直相对的{100}晶体平面构成〔如(100)、(010)和(001)平面〕。通过这种方式获得角隅棱镜阵列。但是，在这个优选的实施例中，GaAs衬底具有偏离晶体的{111}A平面约0-10度的表面，这与第一优选实施例不同。因此，由角隅棱镜三个平面的各个平面与衬底的参考平面(即衬底的末腐蚀原始平面)之间的角度与第一优选如果如先前第一优选实施例所述，使用反射膜涂覆以这种方式在GaAs衬底的表面上形成的角隅棱镜阵列，那么可将该角隅棱镜阵列用作逆反射器。通过这种方式获得的逆反射器具有与衬底的的参考平面呈一定倾斜的光轴，并且沿着该倾斜的光轴入射的入射光具有最高的逆反射性。所以，根据显示设备的操作环境(例如当光源位于一固定位置上时)，使用这种逆反射器可获得较高的显示性能。
根据本发明，立方单晶衬底的{111}平面进行各向异性干法腐蚀制得了微角隅棱镜阵列，其许多个单位元件中的每一个均由在相对低的腐蚀速率下露出的结晶平面〔如{100}平面〕构成。因此，可采用较简单的处理步骤，制造由其尺寸小于显示装置的像素区域的尺寸(如约几十微米)的非常小的单位元件组成、且仍具有形状精度非常高的微角隅棱镜阵列。
采用这种微角隅棱镜阵列的显示设备，可显示出反差比高、色纯度高，清晰度又高的明亮图像。
虽然本发明已就其一些优选实施例进行了描述，但是本领域熟练的技术人员应当理解，此公开的发明可以各种方式进行修改，并且还可具有除了上述具体描述的实施例以外的其它许多实施例。因此，本发明的权利要求书包括着符合本发明实质精神和范围的所有修改。
权利要求
1.一种制造微角隅棱镜阵列的方法，该方法包括a)提供一个衬底，该衬底至少有一表面部分由立方单晶组成，该衬底具有基本上与这些晶体的{111}平面平行的表面；b)使用与衬底能反应的腐蚀气体以各向异性方式对该衬底的表面进行干法腐蚀，从而在该衬底表面上形成微角隅棱镜阵列的许多个单位元件，各所述单位元件由以比晶体的{111}平面的腐蚀速率低的速率腐蚀露出的一些晶体平面构成。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤b)包括以低于晶体{111}平面腐蚀速率的速率腐蚀露出晶体的{100}平面。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，上述步骤b)包括形成由3个相互之间基本上垂直相对的{100}平面构成的单位元件。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤a)制得的衬底的至少该表面部分由具有闪锌矿结构的化合物半导体制得。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述化合物半导体是砷化镓，所述衬底的表面与镓原子形成的{111}A平面基本上平行。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)包括使用包含卤素化合物的腐蚀气体各向异性地干法腐蚀所述衬底的表面。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述腐蚀气体包括砷和溴的化合物。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述腐蚀气体包括砷和氯的化合物。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)包括在表面-反应-限制范围内的腐蚀条件下干法腐蚀所述衬底的表面。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b)包括不仅用腐蚀气体而且还使用含砷的气体干法腐蚀所述衬底的表面。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还在步骤a)和步骤b)之间，包括步骤c)用腐蚀掩模层覆盖衬底的表面，该腐蚀掩模层包括至少一个掩蔽单元和至少一个开口部分，它们排列形成预定的图案。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤b)包括形成该微角隅棱镜阵列的单位元件，这些单位元件各自的尺寸由在步骤c)中所述的腐蚀掩模层的图案控制。
13.如权利要求1-12中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤b)包括形成所述单位元件，各所述单位元件由三个相互之间基本上垂直相对的基本上是正方形的平面构成。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将已在所述衬底的表面上形成的单位元件的形状转移到树脂材料上。
15.一种微角隅棱镜阵列，它采用权利要求1所述的方法制得。
16.一种显示装置，它包括权利要求15所述的微角隅棱镜阵列；位于所述微角隅棱镜阵列上的光调节层。
17.如权利要求16所述的显示装置，其特征在于，所述微角隅棱镜阵列包含许多个角隅棱镜作为单位元件，并且，各所述角隅棱镜的尺寸等于或小于各像素区域的尺寸。
全文摘要
一种制造微角隅棱镜阵列的方法。该方法包括以下步骤提供衬底，该衬底至少有一表面部分由一些立方单晶组成，该衬底具有基本上与这些晶体的{111}平面平行的表面；使用能与衬底反应的腐蚀气体以各向异性方式对该衬底的表面进行干法腐蚀，从而在该衬底表面上形成微角隅棱镜阵列的许多个单位元件。各单位元件由以比晶体的{111}平面的腐蚀速率低的速率腐蚀露出的一些晶体表面构成。
文档编号G02F1/13GK1425927SQ0215742
公开日2003年6月25日 申请日期2002年12月13日 优先权日2001年12月13日
发明者伊原一郎, 箕浦洁, 泽山丰 申请人:夏普株式会社