人们应当意识到直视液晶显示器(LCD)已经被应用了很多年。这些直 视LCD广泛地应用于膝上型电脑、桌上型监视器、TV、蜂窝式电话和其它 应用。几乎所有的直视LCD均为向列型(TN、VA和IPS)，因此需要偏振器 来观测通过将电场施加到液晶材料上产生的光学效应。在图1中示意性地 显示了直视LCD的一个实例。典型地，这些直视LCD组件包含发射非偏振 光102的背光100、透射一个偏振面112的第一偏振器110、单独可调制的 液晶元件的平面阵列118和第二偏振器120。第一偏振器的功能是只透射 一个偏振面以照射平面液晶阵列118。在所有当前的设计中，偏振器118 和120均为二色性型(吸收型)，其中透射一个偏振面，同时吸收正交的偏振 面。
使用这种串联吸收型偏振器的一个显著的问题是背光照明的净透射 率很低。在吸收型偏振器的情况下，理论上最多只有50％的背光输出可以 用来照射LCD并且被观察器130观测到。实际上，吸收型偏振器的效率小 于理想值，并且只有40-45％的可用背光能够透射穿过任一个偏振器。因此， 通过串联的一对偏振器118和120的背光照明的净透射率最多只有36-40％。
为了使可用于液晶层和观察器的背光输出的百分率更高，多年以来开 发了几种偏振恢复(recovery)技术。这些技术将通常被吸收因而未被利用的 一些偏振面转变为用于照射LCD的偏振面。在图2中显示了偏振恢复技术 的一个代表实例。图2中所示的实例来自美国专利5,422,756。在美国专利 5,587,816、5,751,388和5,973,833中可以找到偏振恢复的其它实例。从图2 中可以理解在偏振恢复的现有技术中使用的原理。如之前在图1中的，非 偏振光102由背光100提供。如果背光100没有漫射反射性能，则需要包含 辅助的漫射层(diffuser layer)240。利用漫射性能使光242的偏振面随机化； 将一些p-偏振光转变为s-偏振并且将一些s-偏振光转变为p-偏振。反射式偏 振器250根本不同于常规的二色性偏振器；它透射一个偏振面252并且反射 正交的偏振面254。通过如下方法实现偏振恢复：反射不需要反射的偏振 面252，并且将它的一部分转变为需要的偏振面，由此它被反射式偏振器 250透射。
图2还说明了使用这种反射式偏振器的问题。反射式偏振器250的消 光系数非常差，因而显示器需要第二“消除”偏振器110以产生足够的反差； 它没有消除对背侧吸收型偏振器的需要。因此在所有当前的直视LCD设 计，甚至使用当前可利用的偏振恢复方法的那些直视LCD中，也串联使用 两个吸收型偏振器。
在图3A-3B中说明了使用反射式偏振器的现有技术的偏振恢复技术。 可以在例如美国专利#5,422,756中找到这些现有技术的反射式偏振器的设 计实例。图3A的反射式偏振器300包含用棱镜表面316装配的透明衬底312 和314。在接合棱镜表面312和314之前，在一个或两个棱镜表面上沉积多 层电介质涂层。在多层沉积之后，在没有损害它们的光学性能的任何空隙 的情况下将棱镜表面粘合在一起。这是一种复杂且昂贵的制造方法。如图 3B中的特写所示，棱镜表面316可以由以层叠方式设置的数百层交替的聚 合物膜构成，其中无定形膜320与双折射膜322交替。膜的层叠体透射入射 光的p-偏振318-p，同时反射s偏振318-s。除上述问题以外，使用这些反射 式偏振器还存在涉及性能和成本的其它问题。具体而言，在图3A和图3B 中所示类型的回射式(retroreflective)偏振器使用造价高昂的复杂的多层 结构体。因此，尽管现有技术的反射式偏振器解决了提高LCD亮度的需要， 但是上述问题和其它已知的问题仍然存在。
使用两个吸收型偏振器的备选方案是使用线栅偏振器。线栅偏振器典 型地包含由透射衬底支承的密集平行导线的阵列。在图4中示出了这种偏 振器的透视示意图。可以看出，偏振器410包含在透明的衬底414上的平 行导线412的阵列。所述导线的每一根的特征在于厚度t、宽度w和相对于 相邻导线的周期性间距(或周期)Λ。在操作中，非偏振光416以角度入射。 (注意：入射角可以为零；即光416可以垂直于偏振器410的表面)。入射 光416的一部分418被反射，同时另一部分420被透射。反射部分418几乎全 部是s-偏振(与导线412的方向平行的电矢量)，而透射部分420几乎全部是 p-偏振(与导线412的方向垂直的电矢量)。
理想地，线栅偏振器起着一个偏振面(例如，s-偏振光)的理想反射镜 的作用并且对正交的偏振面(例如，p-偏振光)是完全透明。实际上，甚至 反射最大的金属也吸收一部分，而只反射80至95％的入射光。类似地，由 于表面反射，名义上透明的衬底透射不了100％的入射光。在所关心的波长 和入射角的范围外的偏振器性能表征为透射的(Tp/Ts)和反射的(Rs/Rp)光束 的反差比和光效率(透射过的入射非偏振光的百分比)。
线栅偏振器的总性质由(1)平行导线的中心至中心的间距或周期 (periodicity)和(2)入射辐射的波长之间的关系确定。只有当导线的周期Λ小 于令人感兴趣的波长时，所述阵列才可以具有似偏振器的性质。如果导线 的周期超过令人感兴趣的波长，则格栅起着衍射光栅的作用。此外，存在 过渡区，其中导线的周期落在令人感兴趣的波长的大致三分之一至两倍 (即，λ/3<Λ<2λ)的范围内。在这种过渡区中观察到发生大的突变，即反 射率的增加与对应的p-偏振光的反射率的降低结合。这种“Raleigh共振” 对于任何给定的入射角，在一个或多个指定的波长处出现。结果，具有落 入这种过渡区的周期的线栅不适合用作宽带偏振器。
相对二色性吸收的偏振器，线栅偏振器技术提供一些固有的优点。线 栅偏振器通过光的反射和透射进行操作，因此既不是温度灵敏的，它也不 吸收过量的能量。相反，二色性吸收偏振器通过光的选择性吸收和透射进 行操作。如此，由于(a)有机染料对加热的存在下的降解的灵敏性和(b)通过 拉伸聚合物以排列染料分子实现的聚合物取向的热重排(驰豫)，因此二色 性基偏振器具有温度灵敏性。这种温度灵敏性限制了可以用于制造二色性 吸收偏振器的制造方法的类型。可利用的较低温方法通常在产量、质量和 成本方面是次优的。
人们研制了用于毫米波和微波频率范围的线栅偏振器。由于那时现有 的加工技术(例如，在心轴(mandrel)上拉伸细线)不能制造足够小周期的平 行导线，因此这些线栅偏振器起初不能用于红外和可见光波长范围。光刻 技术的使用克服了获得必需的小周期的问题。例如，参见，Garvin等的保 护“Process for Fabricating Small Geometry Semiconductive Devices Including Integrated Components”的美国专利4,049,944，在某种程度上，该专利教导 了使用光刻材料的全息曝光制造线栅偏振器的方法。例如，在下列美国专 利，即在Perkins等的保护“Broadband Wire Grid Polarizer For the Visible Spectrum”的美国专利6,122,103和Kurtz等的保护“Wire Grid Polarizer”的美 国专利6,665,119中，教导了光刻术在用于形成线栅偏振器的方法中的其它 应用。
Bird等的保护“Process For Preparing Light Polarizing Materials”的美国 专利3,046,839和Krueger等的保护“Method For Making Polarizers Comprising a Multiplicity of Parallel Electrically Conductive Strips on a Glass Carrier”的美国专利4,456,515公开了用于形成线栅偏振器的光刻方法，该光 刻方法消除了困难的蚀刻步骤。在透明的衬底上直接制备微细间隔的平行 线的光刻图案之后，以斜角将薄的金属层沉积到衬底上。倾斜的入射角与 在抗蚀图案中周期性的拓扑阶梯结构(topographic step)结合，导致金属主要 积聚在图案的侧壁上。当随后将光致抗蚀剂冲洗掉时，只有附在光致抗蚀 剂脊之间的衬底上和在抗蚀图案的侧壁上积聚的细金属线仍然存在。
例如，由Karthe(参见，Wolfgang Karthe，“Nanofabrication Technologies and Device Integration”，Proceedings of SPIE，第2213卷(1994年7月)， 288-296页)公开了用于将平行导线的周期从约1微米(将得到的器件限制到 近IR光谱)降低至约0.1微米(适用于可见光谱)的光刻技术。
通过使用光刻的方法制造线栅偏振器的技术面临固有和众所公认的 局限性。首先，在单次曝光过程中可以曝光的区域一侧的长度(因而，偏振 器的尺寸)被限制为几英寸。对于大多数直视显示器例如在膝上型电脑、电 视接收机、蜂窝式电话、个人数字助手(PDA)等中应用的那些直视显示器， 这种长度是极其小的。其次，由于高分辨率光刻掩模定位器和放置这种系 统所必需的超高质量的净室设备的成本，因此光刻方法的成本是相当高 的。
全息光刻术已经被用于形成亮区和暗区以使光致抗蚀剂曝光。这么做 需要很精密复杂的光学装置和激光器，除此以外可以用干涉图使光致抗蚀 剂曝光。然而，源于两种倾斜光束干涉的干涉图产生的周期决不会小于激 光的波长。因此，在可见激光的情况下，不可能达到可见光偏振器所需的 等于或小于100nm的周期。这么做需要一种远紫外线波长的激光，而且通 常不能获得适用于这种光谱区的光致抗蚀剂。
因此，在本领域中需要一种足够大的用于直视显示器的线栅偏振器和 用于制造这种线栅偏振器的方法。
发明概述
通过本发明的实施方案，克服了与现有技术有关的缺点。
根据本发明的第一实施方案，使用在薄膜衬底上形成多根具有预定周 期Λ的基本上直的金属线的方法，可以制造线栅偏振器。在所述衬底的表 面上形成一个或多个材料层，包括牺牲层和一种或多种导电材料。在所述 衬底和/或所述牺牲层的表面上形成纳米级周期性表面浮雕结构。然后选择 性蚀刻所述一种或多种材料以形成所述多根基本上直的金属线。例如通过 将所述薄膜衬底进行弹性拉长至能够形成所述金属线并且恢复，可以形成 所述线。
可以在不使用光刻技术将所述一种或多种材料中的任何一种形成图 案的情况下，将材料层形成图案并且蚀刻。
根据本发明的另一个实施方案，线栅偏振器包含在薄膜衬底上形成的 具有预定周期Λ的多根基本上直的金属线。所述金属线覆盖长度大于约4 厘米、20厘米或40厘米并且宽度大于约4厘米、20厘米或40厘米的区域， 其中周期Λ在约10纳米和约500纳米之间。
根据另一个实施方案，直视显示装置包含背光源、液晶显示器和设置 在所述背光源和液晶阵列之间的线栅偏振器。可以将所述液晶显示器设置 在所述线栅偏振器和第二偏振器之间。可以将第二偏振器配置成透射由线 栅偏振器透射过的光。
从如下的详细描述中，本发明的前述和其它特征将变得更明显。这样 的描述伴随一组附图进行。在全部书面描述和附图中，附图标记与书面正 文的那些附图标记相对应，都指本发明的特征，并且相同的标记指相同的 特征。
附图简述
当结合附图考虑时，本发明的各种其它目的、特征和伴随的优点变得 更好理解，因而这些都得到充分的理解，其中在这几幅图中，相同的标记 指相同或类似的部件，并且其中：
图1是直视液晶显示器组件的一部分的三维分解图。
图2是使用串联的一对吸收偏振器的直视显示器的一部分的三维分解 图。
图3A-3B是现有技术的反射式偏振器的一个实例的横截面图。
图4是说明其操作原理的现有技术的线栅偏振器的透视图。
图5A至5K是一系列用于说明根据本发明的一个实施方案，在弹性体 衬底上形成多根基本上平行的金属线的方法的图。
图5L是说明根据本发明的一个实施方案，拉伸衬底的横截面示意图。
图5M是说明根据本发明的一个实施方案，使用纳米压印辊 (nano-imprint roller)形成纳米级波状面的横截面示意图。
图5N是说明以大于约45度的角进行倾斜沉积的横截面示意图。
图6A-6E是说明根据本发明的一个实施方案，使用纳米压印模板石印 术(nano-imprint stamp lithography)形成纳米级波状面的横截面示意图。
图6F是说明根据本发明的一个实施方案，使用分步重复纳米压印模板 石印术形成线栅偏振器的纳米级浮雕结构表面的三维示意图。
图6G-6J是说明根据本发明的一个实施方案，使用压印模板石印术和 倾斜式金属沉积形成线栅偏振器的横截面示意图。
图7A-7E是具有根据本发明一个实施方案的线栅偏振器的直视液晶显 示器组件的三维示意图。
图7F是具有根据本发明一个实施方案的分片(tiled)线栅偏振器的直视 液晶显示器组件的三维示意图。
具体实施方案的详述
尽管以下详细的描述包含用于说明性目的的多种具体的详情，但是本 领域的任一个普通技术人员应当理解，以下详情的多种变化和变更在本发 明的范围内。因此，以下描述的本发明的示例性实施方案是阐述所要求的 发明，而不是使所要求的发明丧失一般性，并且不是对所要求的发明施加 限制。
本发明的第一实施方案提供一种用于形成线栅偏振器的方法，所述线 栅偏振器的特征在于具有适于在可见光和红外光谱中操作的周期的平行 导线。与依赖于光刻术获得必需的小周期的现有技术不同，本发明的方法 不使用任何一种光刻术，因此不受伴随光刻方法的装置尺寸和资本设备成 本的总限制。如此，可以制造例如长大于约10厘米、宽为10厘米的大尺度 线栅偏振器。
如在此所用，术语“光刻术”和“光刻技术”通常指其中将光敏材料(例 如，光致抗蚀剂)涂覆在其上可以具有或不具有涂层的衬底材料的表面上， 然后使亮区和暗区的图案曝光。所述光敏材料在以照明曝光的区域中发生 变化并且在未曝光区域中基本上不变化。曝光区域在随后的显影(溶解)过 程中变得可溶性更大(阳图光致抗蚀剂)或可溶性更小(阴图光致抗蚀剂)。利 用与被称为掩模定位器的很精密的设备件一起使用的光掩模，典型地(而不 是唯一地)形成亮区和暗区的图案。掩模定位器(典型地几百万美元)以及放 置它所需的超净室的低处理量和高成本使得这是一种较昂贵的制造方法。
如在此所用的术语“不使用光刻技术将所述一种或多种材料形成图 案”通常指在将用于线栅偏振器的金属线的衬底形成图案的过程中，无需 使用掩模定位器或类似的精密且昂贵的设备件的制造方法。应指出术语 “不使用光刻技术将所述一种或多种材料形成图案”不排除使用光刻技术 制造用于将所述一种或多种材料形成图案的母版(master)。
图5A至5K说明了本发明的用于形成线栅偏振器的方法，所述线栅偏 振器适于尤其是在可见光和红外波长下的操作。如图5A所示，所述方法从 提供衬底522开始，而所述衬底522包含具有不受应力长度“L”以及合适弹 性模量的弹性材料的薄膜。衬底522的合适弹性体膜的一个实例是厚度为 100微米的聚(二甲基硅氧烷)，该聚(二甲基硅氧烷)可从密歇根州的米德兰 的Dow Corning Corporation以商标SYLGARD 184商购。将这种材料配制成 具有允许将它轴向拉伸至高达其长度的100％而没有屈服的弹性能力(一些 配方可以允许超过200％的拉伸而没有屈服)。如在此所用的术语“没有屈 服”指没有非弹性(即，永久的)形变。在图5B中，将相反的单轴拉伸力F1 和F2施加到衬底522上以将它拉长至“L”。
作为实例而不是限制，如图5L中说明的，在辊对辊的环境中，可以通 过如下方法将拉伸力F1和F2施加到衬底上：使衬底522穿过两对以不同的 切向速度移动、以定距离间隔的夹紧辊542、544，例如，两对以不同的角 速度ω1和ω2旋转的相同尺寸的夹紧辊。如果下游夹紧辊544具有比上游辊 542更高的切向速度，则两对夹紧辊542、544可以施加沿衬底522纵向定向 的拉伸力。
在图5C中，用形成上覆的牺牲层524的材料涂覆受应力的衬底522。可 以通过任何适合的技术形成牺牲层524，例如，通过在衬底522的表面上沉 积牺牲材料或者通过使衬底表面与例如等离子体或其它反应性环境反应 以形成牺牲层524。优选地，所述牺牲层的厚度在约0.01微米(μm)和约10μm 之间，更优选在约0.1μm和约0.5μm之间。牺牲层524的材料优选包含容易 对反应性离子蚀刻工艺敏感的水溶性聚合物。其它材料也适合于牺牲层 524，条件是(1)对反应性蚀刻工艺敏感和(2)使用在下面所述的进行并且实 现剥离工艺用的适合溶剂。
将适合牺牲层524的水溶性聚合物分成几类，从下面的列举中选择： (1)具有羧酸基的聚合物和它们的具有一价阳离子的盐：聚(丙烯酸)；聚(甲 基丙烯酸)；聚(马来酸)；它们的钠、钾和铵盐。
(1)具有酰胺基的聚合物：聚(丙烯酰胺)；聚(甲基丙烯酰胺)。
(2)具有含羟基取代基的基团的聚合物：聚(丙烯酸羟乙酯)；聚(甲基丙烯酸 2-羟丙酯)；聚(乙烯醇)。
(3)具有多个醚基并且可以具有一些羟基端基的聚合物：聚(乙二醇)；聚(乙 二醇)单甲基丙烯酸酯的聚合物。
(5)(具有磺酸基的聚合物或它们的具有一价阳离子的盐：聚(苯乙烯磺酸)； 聚(苯乙烯磺酸，钠盐)；聚(乙烯磺酸，钠盐)。
(6)具有多个亚胺或胺基的聚合物：聚(乙烯亚胺)；聚(乙烯胺)。
(7)为糖基直链的聚合物：琼脂；可溶性淀粉；羟乙基纤维素。
(8)为氨基酸直链或者具有环化氨基酸基团的聚合物：明胶；聚(乙烯基吡 咯烷酮)。
(9)钠盐形式的酚醛树脂：可熔性酚醛树脂。
(10)共聚物的组合，包括一些含非水溶性单元的共聚物：丙烯酰胺/丙烯酸 共聚物；马来酸/甲基乙烯基醚共聚物；乙烯醇/乙酸乙烯酯共聚物；乙烯 基吡咯烷酮/乙酸乙烯酯共聚物。
将牺牲层524以液体形式涂覆在衬底522上，之后使其在气氛中干燥。 备选地，可以将牺牲层524沉积到在真空蒸发器中的衬底522上，或者形成 为独立的膜之后将其层压到衬底522的受应力膜上。
如图5D中所示，从衬底522除去轴向拉伸力F1和F2导致它大致回到初 始长度L并且使牺牲层524弯曲。这种弯曲产生包含脊526和谷528的平行阵 列的波状拓扑结构体。根据弯曲理论，可以根据如下关系确定得到的这些 弯曲的所得周期Λ：
Λ/t＝[π2E2/6(1-v12)E1(δL/L)]
其中：
t＝沉积层524的厚度。
E1＝衬底522的杨氏模量。
E2＝沉积层524的杨氏模量。
v1＝衬底膜522的泊松比。
L＝衬底522在拉伸之前的初始长度
δL＝L’-L是在沉积层524之前，刚刚拉伸时，衬底膜522的长度变化。
杨氏模量(有时称为弹性模量)通常指给定材料的刚性的量度标准。它 被定义为对于小应变而言的应力(拉伸力除以衬底522的垂直于拉伸力的横 截面积)变化与应变的比率的极限值(δL/L)。泊松比是在一个方向上拉伸的 材料在其它两个方向上变得更薄的趋向的量度标准。泊松比定义为每单位 宽度的横向收缩除以每单位长度的纵向拉长(δL/L)。
本发明的实施方案可以使用其它材料和方法研制类似的用于制造线 栅偏振器的表面构形。例如，N.Bowden等在下列文献中描述了其中弹性体 衬底的等离子体表面处理产生与图5D中所述类似的波状面的方法，该文献 通过引用结合在此：“The controlled formation of ordered，sinusoidal structures by plasma oxidation of an elastomeric polymer”，Applied Physics Letters第75卷，第17期，1999年10月25日。这种技术用于在形成浅浮雕图 案的聚二甲基硅氧烷(PDMS)上产生波浪(wave)。加热PDMS并且它的表面 在氧等离子体中被氧化。所述氧化在表面上形成薄的刚性硅酸盐层。当 PDMS冷却时，它收缩并且将硅酸盐层置于压缩应力下。通过弯曲除去这 种应力，从而形成波长为0.5至10μm的波浪图案。在PDMS中，这种波浪被 局部布置(order)为接近阶梯或棱。通过控制PDMS的温度和氧化的持续时 间，可以控制波浪的波长、振幅和图案。
如图5E中所示，例如，通过真空沉积法，将包含金属或电介质材料的 薄膜的掩模层530以斜角532沉积到牺牲层524的上述拓扑结构上。可以看 出，得到的沉积掩模层530的特征在于具有交替厚度的连续区，该连续区 重复并且跟踪牺牲层524的波动周期Λ。通常，在波动的牺牲层524对于斜 角532沉积是“上风”侧的上覆部分形成掩模层530的较大厚度，而在上覆在 对于倾斜沉积是“下风”的牺牲层524的区域上面的部分上以较小厚度沉 积。F.Katzenberg，“Cost-Effective Production of Highly Regular Nanostructured Metallization Layers”，Nanotechnology，第14卷，(2003)， 1019-1022页教导了将薄的金属层倾斜沉积到弯曲的表面拓扑结构体上以 形成金属层，所述金属层是周期性地更厚和更薄的，用于随后在受应力时 断裂以形成平行的金属线。
根据本发明的备选实施方案，如果掩模层530不是最后构成线栅偏振 器的平行导线，则可以使用电介质材料作为掩模层530。优选的沉积用金 属包括铝、银、镍、铜、钨以及钨和钛的合金，全部都是沉积在具有低的 内应变的牺牲层524上面的金属。用于沉积为掩模层530的适合的电介质材 料的实例包括但不限于氯化钠、二氧化硅和氮化硅，全部都是容易断裂的 材料。入射角532优选大于约45度。对于接近45度的角，沉积的材料具有 与周期性的表面浮雕结构对应的较厚和较薄区域。对于显著大于45度的沉 积角，例如，如图5N中所示的55度，沉积的涂层可以是不连续的，其中在 面向沉积源的波动面上的形成厚区域，而在远离所述沉积源的波动面上没 有沉积物积聚。结果，材料沉积带525形成图案，所述材料沉积带525具有 由宽度为d的间隔527隔开的宽度w。作为实例，可以形成这种在衬底表面 上的周期性浮雕结构的高度h约为0.3A的不连续涂层。
对于在45度附近的沉积角，其中沉积层不是不连续的，只是较厚且较 薄的，于是如图5F中所示施加轴向力F1′和F2′，将弹性体衬底522拉长至I”。 衬底522的这种拉长导致掩模层530在它的周期性分布的变薄区域断裂，从 而形成由间隔534隔开的掩模层530的材料的周期性分布的平行线。因为如 图5C中所示，将牺牲层524沉积在后续拉长(至L’)的衬底522上，所以当衬 底522的受应力长度L”必须超过之前的受应力长度L’以使牺牲层524发生 断裂时，由力F1′和F2′产生的净拉力必须超过最初施加的净拉力。而且，掩 模层的周期性分布的线的周期假定为新值Λ’，所述Λ’由于增加衬底522的 受应力长度(L”对L’)而略微超过Λ。
间隔534的宽度优选在λ/5和λ/10之间，在此λ是被此处所述那样制造的 线栅偏振器偏振的光或其它辐射的特征波长。应该理解这些间隔534确定 由在此所述的方法形成的线栅偏振器的平行导(金属)线的宽度。优选地， 平行导线的周期约为λ/3或更小，以使所得到装置有效地起偏振器的作用。
然后将所述装置进行反应性离子蚀刻处理，同时继续施加轴向力F1 和F2并且保持间隔534。在这种处理中，可以将所述装置放置在真空加工 室中，在此反应性离子蚀刻处理将牺牲层524的被间隔534暴露的那部分除 去，同时掩模层530的周期性分布部分保护牺牲层524的下覆部分，从而留 下如图5G中所示的结构体。
然后，在继续拉伸弹性体衬底522的同时，将薄金属层536真空沉积 在表面上。优选将形成薄金属层536的蒸发物垂直入射到衬底522的表面上 以利于下面所述的后续剥离。应该明白，薄金属层536的周期性分布的部 分形成由此处方法所形成的线栅偏振器的导线。适合形成薄金属层的材料 包括但不限于铝、金、银和镍。在其它特征之中，这些材料的每一种的特 征在于在所关注波长下的良好反射。如在图5H中可以看出，薄金属层536 交替地涂覆间隔534和掩模层530的上覆在牺牲层524上面的周期性分布部 分。然而，所述金属层相对于牺牲层的厚度足够薄以使在掩模层530的周 期性分布部分下面的牺牲层带524的侧面暴露。
如图5I中所述，将受应力装置浸入到能够溶解牺牲层524的溶剂538中。 如上所述那样，如果层524包含水溶性聚合物，则水是溶剂的合适选择。 所述溶剂可以从上述暴露侧面进入牺牲层524。这导致牺牲层524的残留的 水溶性聚合物材料的溶解，从而导致上覆层530和536的剥离。在图5J中示 出了这种处理的结果。可以看出，只留下薄金属层536的周期性分布部分。
然后，除去用于将弹性体衬底522拉长至L”的轴向力F1′和F2′，从而让 弹性体衬底522基本上回到它的初始尺寸，同时由剥离处理之后留下的薄 金属层536的部分所形成的平行导线的周期从Λ’降低至预定值Λ。得到的线 栅偏振器示于图5K中。
本领域技术人员应该承认存在许多关于上述用于在牺牲层524和/或衬 底522上形成需要的波状图案的技术的变化。例如，如在图5M中所示，可 以将抗蚀剂550的形式的牺牲层形成在衬底的表面上，并且使用纳米压印 辊552的周期性表面浮雕结构形成图案。纳米压印辊带有多个具有所需纳 米级周期Λ’的线性构造554。将这种周期转移到抗蚀剂540中。可以备选地 使用类似的技术使衬底522本身形成图案。
因此，应该理解本发明的上述实施方案通过提供一种制造方法解决了 困扰制造具有足够小的周期的线栅偏振器的问题，所述制造方法的特征在 于(1)使用单独的牺牲涂层材料形成薄的皱折层(牺牲层524)，(2)通过反应 性离子蚀刻选择性除去所述牺牲涂层材料的一部分，(3)沉积具有为光学性 能选择的组成和厚度的薄金属层(薄金属层536)和(4)使用依赖于牺牲层的 溶解度的剥离处理除去在后面不需要的结构体。
另外，可以使用分步重复纳米压印技术形成周期性表面浮雕结构(例 如，如图5D中所示)或形成线栅偏振器的导线。例如，图6A-6E说明了可适 于实施本发明的实施方案的软纳米压印石印术。在这种技术中，将母版602 制造成在其表面上具有凸起的特征604和间隔606的图案。在母版602上的 特征图案与将要转移到弹性体模板608中的图案相反。优选地，所述特征 图案的特征在于在约20nm和约500nm之间的间距以及宽度在约10nm和约 200nm之间的特征。可以使用电子束光刻术在适合的衬底中形成这些特征。 适合的衬底的实例包括例如，硅或在下覆硅衬底上的聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)的薄层(例如300nm)。
模板608可以包含刚性的底板610和弹性体层612。如图6B中所示，将 未固化或部分固化状态下的弹性体层612对着母版602上的图案按压。随后 使弹性体层612固化以固定从母版602转移的图案。为了实现与模板610的 可靠和可重复的保形接触以及相对没有缺陷的分开，模板需要具有相对低 和限定的杨氏模量以及高的韧性以避免易损坏特征的局部超负荷和由脆 性断裂导致的缺陷。对于模板，还需要具有足够的弹性行为，以使模板即 使在经过明显的应变(例如约25％或更大)之后，也可以恢复它的初始形状。 此外，对于模板610，需要具有低的粘附功以便于以低的力下将模板与母 版分开并且防止颗粒粘附到衬底上。作为举例，弹性体层612可以是硅氧 烷弹性体材料如聚(二甲基硅氧烷)的层。弹性体材料的选择还部分依赖于 印刷的结构元件的尺寸。通常，结构元件越小，可能需要使用具有越高杨 氏模量的弹性体。
如图6C中所示，例如，通过浸渍或与印泥(没有显示)接触，可以将抗 蚀剂614涂覆在模板608的弹性体层612上的图案上。优选地，抗蚀剂是当 印刷到衬底上时形成自组装单层的类型。抗蚀剂614的材料的选择部分依 赖于其上将要印刷抗蚀剂的衬底的材料，并且部分依赖于弹性体层612是 否可以使用抗蚀剂614涂敷(inked)。作为举例，烷烃硫醇可以在金、银和 铜上形成自组装的密集有序的单层，并且可以使用由硅氧烷弹性体如 PDMS制成的模板进行印刷。适合的链烷硫醇的实例包括十二烷硫醇 (CH3(CH2)11SH)和十六烷硫醇(CH3(CH2)15SH)。
使涂覆模板608的弹性体层612的抗蚀剂接触表面，将抗蚀剂614从模 板的凸起部分614转移到衬底615的表面上。如图6D中所示，结果是在衬底 615的表面上形成了抗蚀剂614的多个自组装单层的图案。只作为举例，衬 底615可以在聚合物下覆层618上包含金属626如金、铜或银的层。如图6E 中所示，可以使用适合的蚀刻工艺蚀刻衬底615的没有被抗蚀剂614覆盖的 部分。只作为举例，可以使用在氧气饱和的1摩尔氢氧化钾(KOH)中的0.1 摩尔氰化物溶液蚀刻金。金属层616的蚀刻可以在下覆聚合物618上形成以 定距离间隔的金属线的图案。任何残留的覆盖金属线的抗蚀剂614都可以 被看作是可除去的牺牲层。
如果模板608的尺寸受到限制，则如在图6F中所示，通过使用分步重 复石印术，可以将上述技术用于制造大面积线栅偏振器。具体而言，模板 608将抗蚀图案应用到衬底615的一部分上，然后移动到相邻部分，在此重 复抗蚀图案。一旦所述图案覆盖衬底615的足够大的面积，就可以蚀刻衬 底以制造波状面图案。用于移动模板608或衬底615的步进器可以具有宽范 围的步进公差，例如在约1μm至约25μm之间。应该指出步进公差是效率的 函数并且不是一个破坏缺陷的问题。
根据本发明的一个实施方案，在关于图6A-6E中所示技术的变化中， 可以使用纳米模板石印术和倾斜式金属沉积制造线栅偏振器。具体而言， 可以如上面相对于图6A-6B所述那样制造纳米压印模板608。可以使用当印 刷到衬底620上时形成自组装单层的这一类型的抗蚀剂614涂覆模板608。 如图6G中所示，当对着衬底620的表面按压模板608的抗蚀剂涂覆的表面 时，将抗蚀剂614的图案转移到透明的衬底620(例如，玻璃或聚合物)上。 所述抗蚀剂形成如图6H中所示并且如上面相对于图6C所述那样的图案。 然后可以通过在形成图案的抗蚀剂614中的开口蚀刻衬底620，从而在衬底 620的表面中留下周期性浮雕结构，即如图6I中所示的脊621和谷623的图 案。然后可以在脊621和谷623的图案上以斜角(例如，如上面相对于图5N 所述的大于45度)沉积金属622。通过适当地选择周期λ、谷的深度和倾斜沉 积的角度，倾斜沉积可以形成具有以定距离间隔的金属线的金属化图案 624，所述金属线形成用于线栅偏振器的线。
在另一个备选的实施方案中，可以通过与压缩盘(CD)或数字视频盘 (DVD)制造中使用的技术类似的热或冷压印技术，使用母版将线栅图案直 接压印到可变形的衬底(例如，适合的聚合物)中。使用电子束光刻或激光 蚀刻将图案蚀刻到高度抛光的涂覆有光致抗蚀剂的玻璃母版衬底中，可以 在母版上制造线栅图案。然后例如，使用紫外光使光致抗蚀剂固化，并且 将未固化部分漂洗掉。然后可以通过在抗蚀剂中的开口蚀刻玻璃母版的表 面以形成图案。然后可以将金属(例如，镍或银模件)电铸在玻璃母版上面。 然后可以将金属模件除去并且例如，使用镍合金进行电镀以形成一个或多 个模板。可以使用所述压模将线栅图案注射模塑到聚合物(例如，聚碳酸酯) 衬底中以形成波状面。注射模塑通常指这样的一种制造方法：通常在高压 下迫使熔融材料进入模具，然后冷却，因此所述材料呈现出模具上的图案 的镜像形状。
上述提及的技术允许制造特征在于在约20纳米(nm)和约500纳米之间 的周期Λ的大尺度线栅偏振器，其中所述偏振器的金属线覆盖尺寸为长约4 厘米(或20厘米或40厘米)至约10公里并且宽约4厘米(或20厘米或40厘米)至 500厘米的衬底面积，同时金属线宽约10nm至约100nm并且厚约5nm至约 1000nm的范围内。可以以在每平方米约$1/平方米和约$100/平方米之间的 成本大规模制造这种线栅偏振器。以前用于制造在这种尺度的线栅偏振器 的适合的技术的缺乏表现出对这种偏振器用于直视显示器应用的阻碍。经 过比较，使用包括使用掩模定位器的光刻技术制造的线栅偏振器的成本约 为$80,000/平方米。
例如如上所述制造的大尺度线栅偏振器可以用于直视显示器组件中， 例如用于平面屏幕监视器用的显示器中。例如，图7A说明了根据本发明的 一个实施方案的改进的直视LCD组件700A。在组件700中，非偏振光742 由背光701产生，在此，为简单起见，假设将光漫射功能结合到背光701中。 使非偏振光742入射到线栅偏振器702上，于是一部分被反射760，一部分 被透射780。透射光780直接照射图像生成器718如液晶显示器(LCD)阵列， 同时反射的偏振面760向背光701返回。可以将LCD阵列718放置在线栅偏 振器702和第二偏振器720之间，所述第二偏振器720具有以透过透射光780 这样的方式取向的偏振轴。
已知线栅偏振器透射很高分数(例如，>90％)的需要的偏振面并且基本 上没有(例如，<0.01％)不需要的偏振面。相反，用于直视LCD的现有技术 的反射式偏振器的复杂结构体朝LCD阵列透射显著分数(例如，>10％)的不 需要的偏振面。因此，在具有现有技术的反射式偏振器的LCD组件中，在 反射式偏振器之后需要第二“清除”偏振器以全部除去这种如图2中252所 示的具有不需要的偏振面的透射光。在现有技术设计中的在背光和液晶之 间的这种偏振器的串联设置中，由于在所有偏振器中固有的实用低效率， 因此需要的偏振面的总透射显著低于本发明的使用单个线栅偏振器的实 施方案中的总透射。这种提高的需要的偏振面的透射是有助于本发明的光 学效率相对于现有技术的反射式偏振器得到提高的两个因素中的首要一 个。
再次参考图7A，反射光760几乎唯一地由不需要的偏振面组成(例如， >90％)。光760的偏振面变得混杂(即，偏振面在反射之后不保持)，同时从 背光701漫射式反射。当从背光701反射时的偏振混杂的光760A再次继续朝 线栅偏振器702返回。在合适偏振面中的返回光760A的一部分将被线栅偏 振器702透射成780A，同时不需要的偏振面再次被反射(为清楚起见，没有 显示)。相对现有技术的反射式偏振器的选择性，线栅偏振器的选择性的提 高成为了本发明的光学效率得到提高中的第二个因素。在现有技术设计 中，从反射式偏振器的复杂结构体反射的光具有相当大部分的需要的偏振 面以及不需要的偏振面。在这种反射/混杂过程中，需要的偏振面将混杂成 不需要的偏振面，于是它被反射式偏振器拒收(反射)，从而必须以衰减的 效率再次通过反射/混杂过程。重复此过程，每一次都透射出最初没有用的 正交偏振的更多一部分。
对于图7A的直视显示器700，可以有多种变化。例如，如图7B中所示， 直视显示器700B可以具有截然不同的设置在背光701和线栅偏振器702之 间的层漫射器740，从而实现偏振混杂功能。备选地，如图7C中所示，直 视显示器700C可以具有与反射式线栅偏振器702整体合并的漫射器740或 它的等价功能。
另外，可以使用多种可能类型的偏振器作为有时称为分析器的第二偏 振器720。例如，如图7D中所示，直视显示器700D可以使用第二线栅偏振 器721作为与线栅偏振器702串联的第二偏振器。然而，如在图7D所示，当 使用线栅偏振器作为前面偏振器时，固有的反射性是显著的问题。周围的 照明源730被前面的线栅偏振器720强烈反射并且减小显示器700D产生的 反差。因此，来自周围的光源730的反射710从显示器700D中出来的光竞争， 从而显著减小由显示器产生的反差。因此，串联线栅型偏振器的使用可以 负面影响显示器700D的可视性。
作为两个串联线栅偏振器的备选方案，如图7E中所示，直视显示器 700E可以采用线吸收型偏振器722作为串联的前面偏振器，并且采用线栅 偏振器702作为背面偏振器。这种组合是创新的，因为线栅偏振器702的优 良的反射偏振能力对于背面偏振功能是最佳的，而吸收型偏振器722的低 反射率对于前面偏振功能是最佳的。
另一个备选的实施方案中，如图7F中所示，分片(tiled)线栅偏振器732 可以用于由第一和第二常规的吸收型偏振器722A、722B串联的直视显示 器700F中。分片线栅偏振器732包含由间隔736隔开的线栅区734。例如使 用如上所述的分步重复压印的石印术，可以制造分片线栅偏振器732。如 在常规显示器中，沿着在吸收型偏振器722A、722B之间的光路设置图像 生成器718，例如LCD显示器。这种组合是创新的，原因是在显示器工业 中，分片偏振器通常被考虑避免某些东西，因为通过间隔736的非偏振光 导致在观察显示器时，在偏振“分片”之间的间隔显露出来。因此，分片偏 振器的使用对于本领域技术人员是高度违反直觉(counterintuitive)的。然 而，第二吸收型偏振器722B可以“消除”通过间隔736的非偏振光。因此， 对于商业上可接受的显示器来说，如果线栅区734彼此充分接近，则间隔 736可以是不能明显察觉的。可以凭经验确定线栅区734的间隔。可以使用 商业上有利的分步重复压印石印术控制线栅区734的间隔。
应该指出与现有技术相比，本发明的前述实施方案的重要创新是线栅 偏振器在这样的直视显示器的用途。这种创新是重要的，原因是线栅偏振 器的优良的反射偏振能力，所述线栅偏振器能够消除图2中所示的“消除” 偏振器110，从而明显简化LCD制造方法，提高光学效率并且降低LCD的 成本。
本发明的实施方案允许经济地批量生产大尺度线栅偏振器。在本发明 的实施方案的情况下，人们可以在需要极小周期的波长下实现线栅偏振器 性能的优点，包括最小能量吸收，温度不灵敏性以及由低能耗和长寿命带 来的经济性。与用于形成这些偏振器的现有技术相比，本发明的方法不受 在使用光刻术中的固有特性的限制，这些固有特性包括小的显示器尺寸和 大量的资本投资。
本发明的实施方案提供直视液晶显示器用的偏振器类型的最佳组合， 它克服了现有技术装置的缺点。本发明的实施方案提供克服现有技术装置 的缺点的直视液晶显示器用的反射式偏振器。本发明的实施方案提供直视 液晶显示器用的反射式偏振器，这种反射式偏振器将偏振和偏振恢复两种 功能组合到单一的简单层中。这种反射式偏振器对于直视液晶显示器更有 效率。通过避免使用单独的偏振器层以获得适当的显示器反差，本发明的 实施方案还可以更简单地制造LCD。另外，通过使用单一的线栅偏振器代 替当前复杂和昂贵的偏振恢复层，本发明的实施方案可以降低LCD组件的 成本。
尽管上述是本发明的优选实施方案的完整描述，但是可以使用各种备 选方案、修改和等价物。因此，本发明的范围不应当根据上述描述确定， 而应当根据后附权利要求以及它们的等价内容的全部范围一起确定。无论 是否优选的任何特征都可以与无论是否优选的任何其它特征组合。在后附 权利要求中，除非另外特意声明，不定冠词“一个”或“一种”指在该冠词之 后的物品的一个或多个的数量。不应当将后附权利要求解释成包含装置加 功能的限定，除了在给定的权利要求中使用术语“用于...的装置”明确陈述 这种限定之外。
相关申请的交叉引用
本申请要求共同转让、共同未决的美国专利申请号11/001,449的优先 权，该专利申请于2004年11月30提交并且题目为 “NON-PHOTOLITHOGRAPHIC METHOD FOR FORMING A WIRE GRID POLARIZER FOR OPTICAL AND INFRARED WAVELENGTHS”，其全部 内容通过引用结合在此。本申请还要求共同转让的美国临时专利申请号 60/677,309的优先权，该临时专利申请于2005年5月4日提交并且题目为 “AN IMPROVED DIRECT-VIEW LIQUID CRYSTAL DISPLAY ASSEMBLY”，其全部内容通过引用结合在此。本申请还要求共同转让的 美国临时专利申请号60/677,310的优先权，该临时专利申请于2005年5月4 日提交并且题目为“DIRECT-VIEW LIQUID CRYSTAL DISPLAY ASSEMBLY WITH OPTIMIZED POLARIZERS”，其全部内容通过引用结 合在此。