CN102103224B - 利用表面等离子体的滤色器、液晶显示设备及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种利用表面等离子体的滤色器、液晶显示设备及其制造方法，所述滤色器包括：金属层；以及在该金属层中形成的透射图案，该透射图案包括多个具有周期的亚波长孔，其中通过利用表面等离子体选择性地透射特定波长的光来输出所希望的颜色的光，并且所述多个亚波长孔排列成三角形点阵，该三角形点阵具有预定数量的与中心孔最相邻的孔。

Description

利用表面等离子体的滤色器、液晶显示设备及其制造方法
技术领域
本发明的实施例涉及一种利用表面等离子体的滤色器、液晶显示(LCD)设备及其制造方法，更特别的是，本发明的实施例涉及利用表面等离子体且具有三维(3D)图案结构的滤色器、LCD设备及其制造方法，其中所述三维图案结构具有用于选择性地透射特定波长的光的透射图案。
背景技术
由于对信息显示的关注以及对便携式信息媒介的需求的增大，因此正在积极地进行用于代替现有技术的阴极射线管(CRT)显示装置的平板显示器(FPD)的研究和商业化。这些平板显示器之一的液晶显示(LCD)设备通过利用液晶(LC)的光学各向异性来显示图像。由于LCD设备具有卓越的分辨率、彩色重现特性和画面质量，因此被积极地应用于笔记本电脑、台式显示器等。
LCD设备主要由滤色器基板、阵列基板以及置于该滤色器基板和该阵列基板之间的LC层组成。
通过多个掩模工艺(即光刻工艺)来制造LCD设备。因此，需要一种减少掩模工艺的数量以提高生产率的方法。
在下文中，将参照图1来更为详细地说明现有技术的LCD设备的结构。
图1是示意性地显示出现有技术的LCD的透视图。如图1中所示，LCD设备主要包括滤色器基板5、阵列基板10以及置于滤色器基板5和阵列基板10之间的LC层30。
滤色器基板5由滤色器(C)、黑矩阵6以及透明公共电极8组成，滤色器(C)由多个用于实现红色、绿色和蓝色(RGB)的子滤色器7组成，黑矩阵6用于使这些子滤色器7彼此分开并且遮蔽透过LC层30的光，透明公共电极8用于向LC层30施加电压。
阵列基板10由多条栅线16和数据线17、薄膜晶体管(TFT)以及像素电极18组成，多条栅线16和数据线17沿水平方向和垂直方向排列从而限定多个像素区域(P)，薄膜晶体管(TFT)作为开关器件形成在栅线16和数据线17之间的交叉处，像素电极18形成在像素区域(P)中。
由图像显示区域的外围上形成的密封剂使彼此面对的滤色器基板5和阵列基板10彼此贴合，由此构成LC面板。滤色器基板5和阵列基板10通过在滤色器基板5或阵列基板10处形成的对准标记而彼此贴合。
为了防止或减少在将两个基板彼此贴合时由于对准误差所引起的光泄漏，将黑矩阵的线宽设置成较宽，由此获得对准余量(margin)。这样可能降低LC面板的孔径比。
LCD设备中所用的常规滤色器通过用颜料或染料吸收不需要的颜色的光并且选择性地透射所希望的颜色的光来实现色彩。这可能仅允许源自入射白光的RGB颜色中的一种颜色透射到一个子像素。因此，很难使透射率大于30％。由于LC面板的如此低的透射率，因此增大了背光的功耗。
图2是示意性地显示出当用常规的颜料分散法实现滤色器时LC面板的透射率的视图。参考图2，由于随着从背光入射的光顺序地透过偏振器、TFT阵列、LC和滤色器，入射光的光量减少，因此透射率减小到5％或更小。
在这种情况中，偏振器、TFT阵列和滤色器分别近似地具有～40％、45～55％以及～25％的透射率。
常规的滤色器是利用复杂的工艺来进行制造的，因为该工艺根据每种颜色而重复地进行着色光刻胶涂敷、曝光、显影和硬化工艺。
而且，为了在滤色器基板上制造滤色器，用于滤色器加工的生产线必须与用于TFT加工的生产线分开。这可能增大生产线安装成本。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种能够通过利用表面等离子体而不是利用常规的染料或颜料来提高LC面板的孔径比和透射率的利用表面等离子体的滤色器、液晶显示(LCD)设备及其制造方法。
本发明的另一个目的在于提供一种通过改变透射图案的孔的排列来提高孔径比的利用表面等离子体的滤色器、液晶显示(LCD)设备及其制造方法。
本发明的又一个目的在于提供一种能够通过利用滤色器作为公共电极或背电极或者通过在下阵列基板上形成开关器件来简化工艺，并且能够减少安装成本的液晶显示(LCD)设备。
根据本发明的实施例，一种利用表面等离子体的滤色器包括：金属层；以及在该金属层中形成的透射图案，该透射图案包括多个具有周期的亚波长孔，其中通过利用表面等离子体选择性地透射特定波长的光来输出所希望的颜色的光，并且所述多个亚波长孔排列成三角形点阵，该三角形点阵具有预定数量的与中心孔最相邻的孔。
根据本发明的实施例，一种液晶显示(LCD)设备包括：第一基板；第二基板；在第一基板上形成的薄膜晶体管(TFT)，该TFT包括栅极、半导体层、源极和漏极；像素电极，在第一基板上连接到漏极；公共电极，在第一基板和第二基板之一上形成；以及滤色器，在第一基板和第二基板之一上形成，并且具有在金属层中形成的透射图案，该透射图案包括多个具有周期的亚波长孔，其中通过利用表面等离子体选择性地透射特定波长的光来输出所希望的颜色的光，并且所述多个亚波长孔排列成三角形点阵，该三角形点阵具有预定数量的与中心孔最相邻的孔。
根据本发明的实施例，一种液晶显示(LCD)设备包括：第一基板；第二基板；在第一基板上形成的薄膜晶体管(TFT)，该TFT包括栅极、半导体层、源极和漏极；像素电极，在第一基板上连接到漏极；滤色器，在第二基板上形成，并且具有在金属层中形成的透射图案，该透射图案包括多个具有周期的亚波长孔，其中通过利用表面等离子体选择性地透射特定波长的光来输出所希望的颜色的光，并且所述多个亚波长孔排列成三角形点阵，该三角形点阵具有预定数量的与中心孔最相邻的孔；以及置于第一基板和第二基板之间的液晶，其中在第一基板上的像素电极与第二基板上的滤色器之间产生电场来驱动液晶。
根据本发明的实施例，一种用于制造液晶显示(LCD)设备的方法，包括：提供第一基板和第二基板；在第一基板上形成薄膜晶体管(TFT)，该TFT包括栅极、半导体层、源极和漏极；在第一基板上形成连接到漏极的像素电极；在第一基板和第二基板之一上形成公共电极；在第一基板和第二基板之一上形成滤色器，该滤色器具有在金属层中形成的透射图案，该透射图案包括多个具有周期的亚波长孔，其中通过利用表面等离子体选择性地透射特定波长的光来输出所希望的颜色的光，并且所述多个亚波长孔排列成三角形点阵，该三角形点阵具有预定数量的与中心孔最相邻的孔；以及将第一基板和第二基板彼此贴合。
根据本发明的实施例，一种用于制造液晶显示(LCD)设备的方法，包括：提供第一基板和第二基板；在第一基板上形成薄膜晶体管(TFT)，该TFT包括栅极、半导体层、源极和漏极；在第一基板上形成连接到漏极的像素电极；在第二基板上形成滤色器，该滤色器具有在金属层中形成的透射图案，该透射图案包括多个具有周期的亚波长孔，其中通过利用表面等离子体选择性地透射特定波长的光来输出所希望的颜色的光，并且所述多个亚波长孔排列成三角形点阵，该三角形点阵具有预定数量的与中心孔最相邻的孔；在第一基板和第二基板的至少一个上形成取向层和衬垫料；以及提供液晶，其中在第一基板上的像素电极与第二基板上的滤色器之间产生电场来驱动液晶。
本发明实施例的上述和其他目的、特点、方面和优点将在下面结合附图对本发明实施例进行的详细描述中变得更为显而易见。
附图说明
所包括的附图提供对本发明的进一步的理解且合并到说明书中并构成说明书的一部分，附图用于图解说明本发明的实施例，并且连同文字描述一起用来解释本发明的原理。
在附图中：
图1是示意性地显示出依照现有技术的液晶显示(LCD)设备的结构的透视图；
图2是示意性地显示出用常规的颜料分散法实现滤色器时LC面板的透射率的视图；
图3A和3B分别是示意性地显示出根据本发明实施例的利用表面等离子体的滤色器的结构的平面视图和截面图；
图4A和4B是示意性地显示出根据本发明第一实施例的具有四边形点阵结构的滤色器的平面视图；
图5A至5C是示意性地显示出根据本发明第二实施例的具有三角形点阵结构的滤色器的平面视图；
图6A和6B分别是示意性地显示出根据本发明第二实施例的利用表面等离子体的滤色器的结构的平面视图和截面图；
图7是示意性地显示出根据本发明第二实施例的液晶显示(LCD)设备的一种结构的截面图；
图8是示意性地显示出根据本发明第二实施例的液晶显示(LCD)设备的另一种结构的截面图；
图9是示意性地显示出根据本发明第二实施例的LCD设备的阵列基板的一部分的平面视图；
图10A至10F是顺序地显示出用于制造图8的LCD设备的工序的截面图；以及
图11A至11E是顺序地显示出用于制造图9的阵列基板的工序的平面视图。
具体实施方式
现在参照附图详细地描述本发明的实施例。
为了参照附图时的简明，相同或等同的部件用相同的附图标记来表示，并且不对其进行重复描述。
在下文中，将参照附图更为详细地说明根据本发明的利用表面等离子体的滤色器、液晶显示(LCD)设备及其制造方法。
常规的通过改进阵列基板的孔径比来提高LC面板的透射率的方法具有许多限制。因此，必须将常规的范式(paradigm)变成通过去掉滤色器来提高LC面板的透射率的新的范式。
为此，提出了一种通过在金属层形成透射图案来对光进行过滤，从而能够选择性地透射特定波长的光的方法。本发明的实施例提供一种能够通过形成利用表面等离子体的金属层来透射RGB颜色的滤色器。
图3A和3B分别是示意性地显示出根据本发明实施例的通过利用表面等离子体现象制造的滤色器的结构的平面视图和截面图。
参考图3，在金属层152中形成由多个具有预定周期(L)的亚波长(sub-wavelength)孔组成的透射图案153。具有近红外光波长和可见光波长的入射光的电场与等离子体耦合。因此，仅透射特定波长的光，而反射其他波长的光，由此获得RGB颜色。
例如，如果在银膜上形成具有预定周期(L)的亚波长孔图案，那么根据孔的尺寸(d)和周期(L)来透射选定的特定波长的RGB光，由此实现RGB颜色。通过吸收孔附近的光可以透射与孔的面积相比更多的光。
作为参考，等离子体(plasmon)指的是一种在金属表面上感生的自由电子由于入射光的电场而共同振荡的准粒子。表面等离子体(surface plasmon)表明与沿着金属与电介质之间的界面行进的电磁波对应的等离子体部分地存在于该金属表面上。
表面等离子体现象指的是当入射到具有纳米周期性孔图案的金属表面上的特定波长的光与该金属表面上的自由电子共振时形成特定波长的光。仅使特定波长的光透过该孔，而使其他波长的光从该金属表面反射。
一般来说，厚的金属层不能透射入射光。如果在金属层形成的孔的尺寸比入射光的波长小得多，那么透射光的强度明显降低。然而，如果在金属层上周期性地排列多个亚波长小孔，那么由于表面等离子体的激发而使光的透射率明显增大。一般而言，光或光子的色散曲线不与表面等离子体的色散曲线相交。为了使光子与表面等离子体直接耦合，在金属层的表面上形成具有预定周期的孔图案的格状结构。这样可以满足动量守恒，由此使表面等离子体被激发。
通过控制透射图案，即孔的尺寸和周期以及金属层的厚度等，可以透射所希望的波长的光。在孔的周期为“L”的正方形结构的金属层中，通过下面的方程式1可以获得垂直入射到金属层上的光的主峰值波长，即表面等离子体共振波长。
[方程式1]
λ spp = L ϵ m ϵ d ϵ m + ϵ d
这里，εm表示金属的介电常数，εd表示邻近金属的电介质材料的介电常数。即，可以通过改变透射图案的周期或者通过改变电介质材料来控制由于表面等离子体透射的光的峰值波长。
透射图案不仅可以具有圆形形状，如孔，而且可以具有各种形状，如椭圆形、四边形、三角形和狭缝形。当透射图案具有圆形形状时，孔的直径可以是大约50nm至100μm，周期可以是大约50nm至500nm。
表面等离子体共振的振幅和半宽度主要取决于金属层附近的电介质材料的折射率。如果填充透射图案的电介质材料的折射率与基板的折射率不匹配，那么会出现在该基板与该金属层之间的表面等离子体模式以及在该电介质材料与该金属层之间的表面等离子体模式。因此，透射光谱会出现两个特有的峰值。当电介质材料的折射率大于基板的折射率时，在长波长带宽处出现额外的峰值。另一方面，当电介质材料的折射率小于基板的折射率时，在短波长带宽处出现额外的峰值。然而，如果对金属层附近的电介质材料进行折射率匹配，那么在金属层的区域处激发一个表面等离子体共振。这样可以允许在可见光的透射光谱处仅出现一个具有卓越单色性的峰值。
在本发明的实施例中，在金属层上沉积由折射率等于或者类似于基板的折射率的电介质材料形成的绝缘层。这可以通过表面等离子体提高光的透射率并且增强彩色重现性。而且，由于在金属层上沉积的绝缘层代替了外涂层，因此可以简化整个工艺。
图4A和4B是示意性地显示出根据本发明第一实施例的具有四边形点阵结构的滤色器的平面视图，其中滤色器分别具有由圆形孔和四边形孔所形成的透射图案。
如图所示，通过在金属层152a和152b中形成由多个沿行和列方向具有预定周期的亚波长孔所组成的透射图案153a和153b来实现根据本发明第一实施例的滤色器150a和150b。滤色器150a和150b通过选择性地透射特定波长的光来实现所希望的颜色。
根据本发明第一实施例的滤色器150a和150b形成为使得这些孔以四边形点阵的形式周期性地排列。
这里，透过孔的主峰值波长与周期(a)成比例。并且，透射光的强度与最相邻的孔的数量或孔的密度成比例。因此，为了提高色纯度和光的透射率，必须增大最相邻的孔的密度。
更具体的，在四边形点阵结构中与中心孔隔开周期(a)的最相邻的孔的数量是4。与该中心孔最相邻的孔沿水平和垂直方向排列。从中心孔到次相邻的孔的距离是周期(a)的1.414倍。与该中心孔次相邻的孔沿对角线方向排列。
在几何学上，四边形点阵结构中的最相邻的孔的密度不大于三角形点阵结构中的最相邻的孔的密度。例如，当形成具有半径为(r)的圆形孔的透射图案153a和153b时，四边形点阵的每单位单元(unit cell)的开口和非开口之间的面积比是πr2/a2。另一方面，三角形点阵的每单位单元的开口和非开口之间的面积比是1.15(πr2/a2)。这意味着四边形点阵结构在透射率和彩色重现方面并不是最佳的结构。
为了实现用于提高透射率和彩色重现性的最佳结构，必须增大最相邻的孔的密度。将参考本发明的第二实施例更为详细地对此进行说明。
图5A和5C是示意性地显示出根据本发明第二实施例的具有三角形点阵结构的滤色器的平面视图，其中滤色器分别具有由圆形孔、三角形孔和四边形孔形成的透射图案。
如图所示，通过在金属层252a至252c中形成由多个沿行和列方向具有预定周期的亚波长孔组成的透射图案253a至253c来实现根据本发明第二实施例的滤色器250a至250c。滤色器250a至250c通过选择性地透射特定波长的光来实现所希望的颜色。
根据本发明第二实施例的滤色器250a至250c形成为使得这些孔以三角形点阵的形式周期性地排列。即，根据第二实施例的滤色器250a至250c分别具有在透射图案253a至253c的中心孔附近设置有六个最相邻的孔的三角形点阵结构。因此，六个最相邻的孔的布置粗略地描绘出六边形。另外，与中心孔最相邻的六个孔的布置形成了六个三角形点阵。每个三角形点阵描绘出具有三个相等的60度内角的等边三角形。每个三角形点阵的轮廓都由中心孔和两个紧邻的最相邻的孔来描绘出。
这里，从中心孔到最相邻的孔的距离等于周期，从中心孔到次相邻的孔的距离是周期的1.732倍。所述距离可在中心孔的中心到最相邻的孔的中心之间或者是在中心孔的中心到次相邻的孔的中心之间。
如上所述，透射图案253a至253c的孔的水平截面(例如，横截面形状)可以具有圆形形状、四边形形状、三角形形状、椭圆形形状和纵横比大于1的狭缝形状中的其中一种。在这种情况中，纵横比表示预定图形的长轴长度和短轴长度之比。
金属层252a至252c优选但不一定由能够在整个可见光区域上实现表面等离子体共振的铝(Al)来形成。然而，本发明的实施例不限于此。更具体的，金属层252a至252c可以由导电材料形成，所述导电材料包括由铝(Al)、金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铜(Cu)、镍(Ni)、钯(Pd)、锌(Zn)、铁(Fe)、铬(Cr)、钼(Mo)、掺杂半导体器件、碳纳米管、富勒烯、导电塑料、以及导电复合材料、或其混合物构成的组中选择的至少一种。
透射图案253a至253c的孔优选但不一定具有大约100nm至300nm的尺寸。然而，本发明的实施例不限于此。即，孔可以具有大约50nm至10μm的尺寸，并且可以具有大约50nm至500nm的周期。
图6A和6B分别是示意性地显示出根据本发明第二实施例的利用表面等离子体的滤色器的结构的平面视图和截面图。
根据本发明第二实施例的滤色器通过以三角形点阵结构的形式周期性排列的透射图案253的孔的方式来实现。只要在金属层252中形成由多个具有预定周期(a)的亚波长孔组成的透射图案253，那么具有近红外光波长和可见光波长的入射光的电场就与等离子体振子耦合。因此，仅透射特定波长的光，而反射其他波长的光，由此获得RGB颜色。
如果光从基板的下侧入射，那么仅使由透射图案253的周期所确定的特定波长的光透过基板。即，当透射图案253具有周期(a)时，可以将透射光的主峰值波长设置为大约1≤λ/a≥2(特别是，λ＝1.65×a)。透射图案253可以在同一个金属层252中被分成多个具有不同周期的区域。不同波长的光可以选择性地透过划分的区域。
在用厚度为150nm的铝作为金属层252的情况中，为了透射主峰值波长为650nm的红光，孔的周期(a)大约为400(特别是，394nm)并且尺寸(d)大约为200(特别是，197nm)。为了透射主峰值波长为550nm的绿光，孔的周期(a)大约为350(特别是，333nm)并且尺寸(d)大约为180(特别是，167nm)。并且，为了透射主峰值波长为450nm的蓝光，孔的周期(a)大约为300(特别是，272nm)并且尺寸(d)大约为150(特别是，136nm)。
为了实现高纯度的颜色，可以不同地控制金属层252与每一波长相对应的各个厚度，以便获得在多个不同部分具有多个厚度的金属层252。然而，本发明的实施例不限于此。
在根据本发明第二实施例的三角形点阵结构中，最相邻的孔的数量比本发明第一实施例的四边形点阵结构中的最相邻的孔的数量增多至1.5倍。并且，当孔在三角形点阵结构中是圆形时，与四边形点阵结构相比，开口和非开口之间的面积比增大1.15倍。因此，孔径比可以提高15％或更多。这可以实现能够提供卓越的单色性和透射率的全色滤色器。而且，可以通过改变同一金属层中的透射图案的周期来控制透射光的主峰值波长，由此很容易控制滤色器的颜色。
在金属层中形成由多个具有特定周期和尺寸的孔所组成的透射图案。金属层通过利用从中出现的表面等离子体而被用作滤色器，并且该滤色器应用于LCD设备以实现颜色。
常规的滤色器在滤色器基板的上基板上形成。然而，根据本发明的利用表面等离子体的滤色器可以在下阵列基板上形成，或者在下阵列基板外形成。
更具体的，常规的利用颜料或染料的滤色器不能经受高温处理。另一方面，根据本发明实施例的利用表面等离子体的滤色器由于将金属层用作滤色器而可以经受高温处理。这可以允许通过高温处理而在金属层上制造薄膜晶体管。而且，由于滤色器在下阵列基板形成，因此这种构型能够解决或减少由于在使上基板和下基板彼此贴合时存在对准余量而出现的孔径比降低的常规问题。
图7和8是示意性地显示出根据本发明第二实施例的液晶显示(LCD)设备的结构的截面图。为方便起见，相同的部件用相同的附图标记来表示。
如图所示，根据本发明第二实施例的滤色器具有在金属层中形成的透射图案，该透射图案由多个沿行和列方向具有预定周期的亚波长孔组成。滤色器通过选择性地透射特定波长的光来实现所希望的颜色。
根据本发明第二实施例的滤色器形成为使得孔以三角形点阵的形式周期性地排列。即，根据本发明第二实施例的滤色器可以具有在透射图案的中心孔附近设置有六个最相邻的孔的三角形点阵结构。
为了将利用表面等离子体的滤色器应用于LCD设备，如图7中所示，可以在上滤色器基板205上形成根据本发明第二实施例的滤色器250。
这样的优点在于通过单步工艺在单个金属层上形成透射图案从而实现RGB颜色。并且，利用透射图案来代替上公共电极或背电极，由此简化了整个工艺并降低了制造成本。
如上所述，当在金属层252附近的电介质材料当中实现折射率匹配时，利用表面等离子体的滤色器250对于色纯度和透射率是有利的。因此，在玻璃基板上形成滤色器250的情况中，优选但不一定在包括透射图案253的金属层252上形成绝缘层206，该绝缘层206由与玻璃基板相同的材料如SiO2来形成。
当滤色器基板205与阵列基板彼此面对时，在由柱型衬垫料260保持两个基板间的单元间隙不变的状态下，由图像显示区域的外围上形成的密封剂将这两个基板贴合。阵列基板210由多条栅线和数据线、薄膜晶体管(TFT)和像素电极218组成，多条栅线和数据线沿水平和垂直方向排列以限定多个像素区域，薄膜晶体管TFT为在栅线和数据线之间的交叉处形成的开关器件，像素电极218在像素区域中形成。
TFT由连接到栅线的栅极221、连接到数据线的源极222和连接到像素电极218的漏极223组成。TFT还包括第一绝缘层215a和有源图案224，第一绝缘层215a用于使栅极221和源极222/漏极223彼此绝缘，有源图案224用于通过施加于栅极221的栅电压而在源极222与漏极223之间形成导电通道。附图标记215b表示第二绝缘层，附图标记225n表示用于有源图案224的源区/漏区与源极222/漏极223之间的欧姆接触的欧姆接触层。另外，可以在阵列基板210和上滤色器基板205的至少一个上形成取向层。在阵列基板210和上滤色器基板205之间提供液晶。
利用表面等离子体的滤色器由于使用了金属层而在高温处理过程中不会被损坏。根据这一考虑，可以在阵列基板上形成滤色器。
在图7中，所示的滤色器250在上滤色器基板205的内表面形成。在其他实施例中，滤色器250可以在上滤色器基板205的外表面形成。在这种情况中可以在上滤色器基板205上形成上公共电极或背电极。
如图8中所示，利用表面等离子体的滤色器250可以在单元内部形成，即在TFT阵列下方形成。滤色器250也可以在单元外部形成，即在阵列基板210的外表面上形成。
除了(或省去)滤色器和黑矩阵，可以在滤色器基板205上形成公共电极208。在阵列基板210上形成的滤色器250可被浮置或接地。
在阵列基板210上形成滤色器250的情况中，不需要用于使滤色器基板205与阵列基板210对准的余量。这可以允许在设计LC面板的时候增大孔径比，由此提高LC面板的透射率。如果提高了LC面板的透射率，那么可以减小背光的亮度从而降低背光的功耗。
由于降低了背光的功耗，因此能够实现多色像素从而获得具有真实彩色重现的高画面质量。
在阵列基板210上形成滤色器250并且去掉用于滤色器加工的生产线，可以将安装成本减少大约50％。
在图8中，所示出的滤色器250在阵列基板210的内表面形成。在其他实施例中，滤色器250可以在阵列基板210的外表面形成。
在下文中，将参考附图更为详细地说明在阵列基板上形成利用表面等离子体的滤色器的LCD设备的结构及其制造方法。
图9是示意性地显示出根据本发明第二实施例的图8中所示LCD设备的阵列基板的一部分的平面视图。
图9示出由从左侧开始对应于蓝色、红色和绿色的子滤色器所组成的一个像素。然而，本发明的实施例不限于此。即，本发明的实施例也可以用于实现多于三种颜色的多色。
除了滤色器的结构之外，即除了透射图案的孔尺寸和周期之外，对应于蓝色、红色和绿色的子滤色器由相同的部分(component)组成。
根据本发明实施例的LCD设备是用于在垂直于基板的方向上驱动向列液晶分子的扭曲向列(TN)LCD设备。然而，本发明的实施例不限于此。
阵列基板210由基板上沿水平和垂直方向排列以限定多个像素区域的多条栅线216和数据线217组成。在栅线216和数据线217之间的交叉处形成作为开关器件的薄膜晶体管(TFT)，在像素区域中形成像素电极218，该像素电极218通过连接到TFT而连同公共电极208一起驱动LC层。
TFT由构成栅线216的一部分的栅极221、连接到数据线217的源极222，和连接到像素电极218的漏极223组成。TFT还包括第一绝缘层和有源图案，第一绝缘层用于使栅极221和源极222/漏极223彼此绝缘，有源图案用于通过施加于栅极221的栅电压而在源极222与漏极223之间形成导电通道。
源极222的一部分朝一个方向延伸以便构成数据线217的一部分。并且，漏极223的一部分朝像素区域延伸以便通过第二绝缘层的接触孔240而电连接到像素电极218。
根据本发明第二实施例的利用表面等离子体的滤色器250布置在阵列基板210上。滤色器250具有在金属层252中形成的透射图案253，该透射图案253由多个具有预定周期的亚波长孔组成。具有近红外光波长和可见光波长的入射光的电场与等离子体耦合。因此，仅透射特定波长的光，而反射其他波长的光，由此获得RGB颜色。
在除了形成有栅线216、数据线217和TFT的区域之外的像素区域中形成透射图案253。
根据本发明第二实施例的滤色器250形成为使得孔以三角形点阵的形式周期性地排列。即，根据本发明第二实施例的滤色器250可以具有在透射图案253的中心孔附近设置有六个最相邻的孔的三角形点阵结构。在其他实施例中，最相邻的孔的数量不需要是六个，甚至可以多于六个。
这里，从中心孔到最相邻的孔的距离等于周期，从中心孔到次相邻的孔的距离是周期的1.732倍。
透射图案253的孔的水平截面可以具有圆形形状、四边形形状、三角形形状、椭圆形形状和纵横比大于1的狭缝形状之一。金属层252优选但不一定由能够在整个可见光区域上实现表面等离子体共振的铝(Al)来形成。然而，本发明的实施例不限于此。更具体的，金属层252可以由导电材料而形成，所述导电材料包括由铝、金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铜(Cu)、镍(Ni)、钯(Pd)、锌(Zn)、铁(Fe)、铬(Cr)、钼(Mo)、掺杂半导体器件、碳纳米管、富勒烯、导电塑料、以及导电复合材料、或其混合物构成的组中选择的至少一种。
透射图案253的孔优选但不一定具有大约100nm至300nm的尺寸。然而，本发明的实施例不限于此。即，孔可以具有大约50nm至10μm的尺寸，并且可以具有大约50nm至500nm的周期。
图10A至10F是顺序地显示出用于制造图8的LCD设备的工序的截面图，图11A至11E是顺序地显示出用于制造图9的阵列基板的工序的平面视图。
如图10A和11A所示，在阵列基板210上形成根据本发明第二实施例的利用表面等离子体的滤色器250，该阵列基板210由诸如玻璃的透明绝缘材料形成。
滤色器250具有在金属层252中形成的透射图案253，透射图案253由多个具有预定周期的亚波长孔组成。具有近红外光波长和可见光波长的入射光的电场与等离子体耦合。因此，仅透射特定波长的光，而反射其他波长的光，由此获得RGB颜色。
根据本发明第二实施例的滤色器250可以具有在透射图案253的中心孔附近设置有六个最相邻的孔的三角形点阵结构。
这里，从中心孔到最相邻的孔的距离等于周期，从中心孔到次相邻的孔的距离是周期的1.732倍。
透射图案253的孔的水平截面可以具有圆形形状、四边形形状、三角形形状、椭圆形形状和纵横比大于1的狭缝形状之一。金属层252优选但不一定由能够在整个可见光区域上实现表面等离子体共振的铝(Al)来形成。然而，本发明的实施例不限于此。更具体的，金属层252可以由导电材料形成，所述导电材料包括由铝、金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铜(Cu)、镍(Ni)、钯(Pd)、锌(Zn)、铁(Fe)、铬(Cr)、钼(Mo)、掺杂半导体器件、碳纳米管、富勒烯、导电塑料、以及导电复合材料、或其混合物构成的组中选择的至少一种。
透射图案253的孔优选但不一定具有大约100nm至300nm的尺寸。然而，本发明的实施例不限于此。即，孔可以具有大约50nm至10μm的尺寸，并且可以具有大约50nm至500nm的周期。
可以通过利用气相法、液相法、固相法以及纳米溶胶涂敷法中的一种来形成金属层252。并且，可以通过利用电子束刻印、离子束刻蚀、纳米球刻印、纳米压印、光刻以及激光干涉刻印中的一种来形成透射图案253。
接着，在包括透射图案253的金属层252上方沉积折射率与阵列基板210的折射率相等或相似的电介质材料，由此形成用于将滤色器250的表面平坦化的绝缘层206。
当在金属层252中形成由多个具有恒定周期的亚波长孔组成的透射图案253时，滤色器250实现RGB颜色。
根据本发明第二实施例的滤色器250通过选择性地使红色透过红色区域内的红色透射图案、选择性地使绿色透过绿色区域内的绿色透射图案，以及选择性地使蓝色透过蓝色区域内的蓝色透射图案来实现RGB颜色。
如图10B和11B中所示，在其上形成有绝缘层206的阵列基板210上形成栅极221和栅线216。
这里，通过在阵列基板210的整个表面上沉积第一导电膜，然后通过光刻工艺使第一导电膜选择性地图案化而形成栅极221和栅线216。
第一导电膜可以由具有低电阻的不透明导电材料形成，诸如铝(Al)、铝合金、钨(W)、铜(Cu)、铬(Cr)、钼(Mo)和钼合金。可选择的是，第一导电膜可以形成为以至少两种上述材料彼此叠置而实现的多层结构。
如图10C和11C所示，在其上形成有栅极221和栅线216的阵列基板210的整个表面上沉积第一绝缘层215a、非晶硅薄膜、n+非晶硅薄膜和第二导电膜，然后通过光刻工艺将沉积的膜层选择性地去掉。结果，在阵列基板210上形成有源图案224以及源极222/漏极223，有源图案224由非晶硅薄膜形成，源极222/漏极223由第二导电膜形成并且电连接到有源图案224的源区/漏区。
通过光刻工艺来形成数据线217，数据线217由第二导电膜形成并且与栅线216相交以限定像素区域。
在有源图案224上方形成欧姆接触层225n，欧姆接触层225n由n+非晶硅薄膜形成并且按照与源极222/漏极223相同的形状来图案化。
在数据线217下面形成非晶硅薄膜图案和n+非晶硅薄膜图案，二者分别由非晶硅薄膜和n+非晶硅薄膜来形成，并且按照与数据线217相同的形状来图案化。
可以通过利用半色调掩模或衍射掩模的单掩模工艺来同时形成根据本发明第二实施例的有源图案224、源极222/漏极223和数据线217。
第二导电膜可以由具有低电阻的不透明导电材料形成，诸如铝(Al)、铝合金、钨(W)、铜(Cu)、铬(Cr)、钼(Mo)和钼合金，以便构成源极222/漏极223和数据线217。可选择的是，第二导电膜可以形成为以至少两种上述材料彼此叠置而实现的多层结构。
如图10D和11D中所示，在其上形成有有源图案224、源极222/漏极223和数据线217的阵列基板210的整个表面上形成第二绝缘层215b。然后，通过光刻工艺选择性地去掉第二绝缘层215b，由此在阵列基板210上形成暴露一部分漏极223的接触孔240。
第二绝缘层215b可以由诸如氮化硅或氧化硅的无机绝缘层形成，或者可以由诸如光丙烯(photoacryl)或苯并环丁烯(benzocyclobutene)(BCB)的有机绝缘层形成。
如图10E和11E中所示，在其上形成有第二绝缘层215b的阵列基板210的整个表面上形成第三导电膜，然后通过光刻工艺选择性地去掉第三导电膜。结果，形成通过接触孔240电连接到漏极223的像素电极218。
这里，第三导电膜包括具有高透射率的透明导电材料以便构成像素电极，所述透明导电材料诸如氧化铟锡(ITO)或氧化铟锌(IZO)。
如图10F中所示，当根据本发明第二实施例的阵列基板210与滤色器基板205彼此面对时，在由柱形衬垫料260保持两基板间恒定的单元间隙的状态下，由图像显示区域的外围上形成的密封剂将这两个基板贴合。
可以在滤色器基板205上形成公共电极208，而不是形成滤色器和黑矩阵。
在第一和第二实施例中，说明了本发明应用于利用非晶硅薄膜作为有源图案的非晶硅薄膜晶体管。然而，本发明的实施例不限于此。即，本发明的实施例也可以应用于利用多晶硅薄膜作为有源图案的多晶硅薄膜晶体管，以及利用氧化物半导体器件作为有源层的氧化物薄膜晶体管。
本发明的实施例不仅可以应用于LCD设备，而且可以应用于利用薄膜晶体管制造的其他显示设备，例如其中将有机发光二极管(OLED)连接到驱动晶体管的OLED显示设备。
前述实施例和优点只不过是示例，并不理解为限制本发明的公开内容。本发明的教导能够很容易地应用于其他类型的装置。本文的描述意在说明而非限制权利要求的范围。许多可选择的方案、修改和变化对于本领域技术人员而言是显而易见的。这里描述的实施例的特点、结构、方法和其他特性可以按照各种方式进行结合以获得另外的和/或可选择的实施例。
由于本发明的特征在不背离其特性的情况下能够以几种方式来具体体现，因此除非另有说明，否则也应当理解为上述实施例不受前面描述的任何细节的限制，而是应当在如随附的权利要求所限定的范围内概括地进行理解，因此，所有落入权利要求的界限和范围内的改变和修改，或者这些界限和范围的等价物因此意在包含于随附的权利要求中。

Claims (21)

1.一种液晶显示LCD设备，包括：
第一基板；
第二基板，其特征是，该LCD设备还包括：
在第一基板上形成的薄膜晶体管TFT，该TFT包括栅极、半导体层、源极和漏极；
像素电极，在第一基板上连接到漏极；
公共电极，在第一基板和第二基板之一上形成；
滤色器，在第一基板和第二基板之一上形成，并且具有在金属层中形成的透射图案，该透射图案包括多个具有距离周期的亚波长孔，其中通过利用表面等离子体选择性地透射特定波长的光来输出所希望的颜色的光，并且所述多个亚波长孔排列成三角形点阵，该三角形点阵具有预定数量的与中心孔最相邻的孔，并且其中所述距离周期等于从该透射图案的中心孔到最相邻的孔的距离;以及
在包含所述透射图案的所述金属层上形成的绝缘层，所述绝缘层由折射率等于或类似于所述第一基板、第二基板的折射率的电介质材料形成。
2.根据权利要求1所述的LCD设备，其中该三角形点阵包括与该透射图案的中心孔相距同样的距离的六个相邻的孔。
3.根据权利要求1所述的LCD设备，其中从该中心孔到次相邻的孔的距离是该距离周期的大约1.732倍。
4.根据权利要求1所述的LCD设备，其中该透射图案的多个亚波长孔中的每一个的水平截面都具有圆形形状、四边形形状、三角形形状、椭圆形形状和纵横比大于1的狭缝形状的其中一种。
5.根据权利要求1所述的LCD设备，其中该金属层由导电材料形成，所述导电材料包括铝（Al）、金（Au）、银（Ag）、铂（Pt）、铜（Cu）、镍（Ni）、钯（Pd）、锌（Zn）、铁（Fe）、铬（Cr）、钼（Mo）、掺杂半导体器件、碳纳米管、富勒烯、导电塑料、以及导电复合材料、或其混合物中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的LCD设备，其中该透射图案的多个亚波长孔中的每一个都具有大约50nm至10μm的直径。
7.根据权利要求1所述的LCD设备，其中该透射图案的多个亚波长孔中的每一个都具有大约50nm至500nm的距离周期。
8.根据权利要求1所述的LCD设备，其中对应于每种颜色的金属层的厚度不同。
9.一种液晶显示LCD设备，包括：
第一基板；
第二基板，其特征是，该LCD设备还包括：
在第一基板上形成的薄膜晶体管TFT，该TFT包括栅极、半导体层、源极和漏极；
像素电极，在第一基板上连接到漏极；
滤色器，在第二基板上形成，并且具有在金属层中形成的透射图案，该透射图案包括多个具有距离周期的亚波长孔，其中通过利用表面等离子体选择性地透射特定波长的光来输出所希望的颜色的光，并且所述多个亚波长孔排列成三角形点阵，该三角形点阵具有预定数量的与中心孔最相邻的孔，并且其中所述距离周期等于从该透射图案的中心孔到最相邻的孔的距离；
在包含所述透射图案的所述金属层上形成的绝缘层，所述绝缘层由折射率等于或类似于所述第二基板的折射率的电介质材料形成；以及
液晶，置于第一基板和第二基板之间，
其中在第一基板上的像素电极与第二基板上的滤色器之间产生电场以驱动液晶。
10.根据权利要求9所述的LCD设备，其中该滤色器还起到公共电极的作用以便与像素电极一起驱动液晶。
11.根据权利要求9所述的LCD设备，其中该三角形点阵包括与该透射图案的中心孔相距同样的距离的六个相邻的孔。
12.根据权利要求9所述的LCD设备，其中从该中心孔到次相邻的孔的距离是该距离周期的大约1.732倍。
13.一种用于制造液晶显示LCD设备的方法，该方法包括以下步骤：
提供第一基板和第二基板，其特征是，该方法还包括以下步骤：
在第一基板上形成薄膜晶体管TFT，该TFT包括栅极、半导体层、源极和漏极；
在第一基板上形成连接到漏极的像素电极；
在第一基板和第二基板之一上形成公共电极；
在第一基板和第二基板之一上形成滤色器，该滤色器具有在金属层中形成的透射图案，该透射图案包括多个具有距离周期的亚波长孔，其中通过利用表面等离子体选择性地透射特定波长的光来输出所希望的颜色的光，并且所述多个亚波长孔排列成三角形点阵，该三角形点阵具有预定数量的与中心孔最相邻的孔，并且其中所述距离周期等于从该透射图案的中心孔到最相邻的孔的距离；
在包含所述透射图案的所述金属层上形成绝缘层，其中所述绝缘层由折射率等于或类似于所述第一基板、第二基板的折射率的电介质材料形成；以及
将第一基板和第二基板彼此贴合。
14.根据权利要求13所述的方法，其中该三角形点阵包括与该透射图案的中心孔相距同样的距离的六个相邻的孔。
15.根据权利要求13所述的方法，其中从该中心孔到次相邻的孔的距离是该距离周期的大约1.732倍。
16.根据权利要求13所述的方法，其中该透射图案的多个亚波长孔中的每一个的水平截面都具有圆形形状、四边形形状、三角形形状、椭圆形形状和纵横比大于1的狭缝形状中的其中一种。
17.根据权利要求13所述的方法，其中对应于每种颜色的金属层的厚度不同。
18.一种用于制造液晶显示LCD设备的方法，该方法包括以下步骤：
提供第一基板和第二基板，其特征是，该方法还包括以下步骤：
在第一基板上形成薄膜晶体管TFT，该TFT包括栅极、半导体层、源极和漏极；
在第一基板上形成连接到漏极的像素电极；
在第二基板上形成滤色器，该滤色器具有在金属层中形成的透射图案，该透射图案包括多个具有距离周期的亚波长孔，其中通过利用表面等离子体选择性地透射特定波长的光来输出所希望的颜色的光，并且所述多个亚波长孔排列成三角形点阵，该三角形点阵具有预定数量的与中心孔最相邻的孔，并且其中所述距离周期等于从该透射图案的中心孔到最相邻的孔的距离；
在包含所述透射图案的所述金属层上形成绝缘层，其中所述绝缘层由折射率等于或类似于所述第二基板的折射率的电介质材料形成；
在第一基板和第二基板的至少一个上形成取向层和衬垫料；以及
提供液晶，
其中在第一基板上的像素电极与第二基板上的滤色器之间产生电场以驱动液晶。
19.根据权利要求18所述的方法，其中该滤色器还起到公共电极的作用以便与像素电极一起驱动液晶。
20.根据权利要求18所述的方法，其中该三角形点阵包括与该透射图案的中心孔相距同样的距离的六个相邻的孔。
21.根据权利要求18所述的方法，其中从该中心孔到次相邻的孔的距离是该距离周期的大约1.732倍。
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