CN1250529A - 滤色器装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种改进的平面滤色装置(140),用于减少包括该滤色装置的显示器(包括有源矩阵显示器)的故障。滤色器基片(102)具有在其上形成的较厚的聚酰胺黑色矩阵(132)和在黑色矩阵上形成的透明聚酰胺层(142)。经黑色矩阵对透明层进行曝光并显影以除去在黑色矩阵上没有曝光的部分。所得到的表面(146)基本上为平面并便于剩余层的形成,从而形成基本上为平面的滤色器装置。

Description

滤色器装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及改进的滤色器装置、制造该滤色器装置的方法以及包括该滤色器装置的显示器。更具体地说，本发明涉及制造滤色器装置的方法，使滤色器装置平面化以增强由此形成的装置的性能和提高其成品率。
                        背景技术
最近几年，薄膜晶体管和包括这类薄膜晶体管的器件显示出了增长势头，例如，存储器阵列，各种类型的集成电路与机械开关和继电器的替代物。例如，舌簧继电器会疲劳并且MOS开关有太大的漏电流。
薄膜晶体管的具体的典型应用是在平板显示器中，例如应用液晶、场致发射、等离子体、电致变色或电致发光的显示器，替代常规的阴极射线管(CRT)。平板显示器有希望比CRT的显示器重量轻、体积小并且实际上功耗低。而且，由于工作模式的缘故，CRT几乎总是有失真。CRT通过将电子束投向荧光涂层屏而工作。电子束将产生在其上聚焦的束点以发光，发光的强度与束的强度成正比。通过均速移动在屏上产生不同束点的电子束以发出不同强度的光而实现显示。因为电子束从其稳定源到屏的边缘比到其中央运行了更远的距离，所以束以不同的角度轰击屏上的各个点，结果束点大小和形状发生变化(即，失真)。
平板显示器没有这种失真，因为在基片上光刻制作每一象素，与CRT电子束轰击屏上的荧光粉所限定的相反。在制作平板显示器过程中，通过在基片(例如，玻璃)上沉积电路元件并通过光刻制作图案。分级地沉积和蚀刻元件以形成具有行和列电路控制线垂直的矩阵，在控制线行和列之间有象素触点和控制元件。象素触点上具有介质，当阈值电压加在介质控制元件上时该介质或者是发光(发射)的基片或者是调制环境光(非发射)的传输的基片。介质可以是液晶、电致发光或电致变色材料(例如，硫化锌)、例如氖和氩的气体等离子体、双色染料或将发光的或者响应加到其上的电压改变光特性的这样的其它适合材料或元件。响应加在其上的合适电压在介质中产生光或出现其它光变化。在每一触点上光的有源介质通常称为图象单元或“象素”。
用于平板显示器的电路通常这样设计：对预定电压通常都在所有列线上移入数据。然后，给一行提供能量以使该行的所有晶体管导通(此时写入一行)。然后，断路该行并且将下一行的数据移入所有列线，并接着给第二行提供能量并写入第二行。重复进行这一过程，直到访问所有的行为止。通常在一帧周期写入所有的行，一帧周期典型地为大约1/60秒或大约16.7毫秒。然后，当写入行时将表示数据的电压有选择地加到特定列以使所选择的象素点亮或改变光特性。通过施加大量的电压或电流或较长的电压或电流脉冲能改变象素的强度。应用具有扭转向列有源材料的液晶显示器(LCD)，当没有驱动时显示基本上是透明的并且当驱动时显示变为吸收光，反之亦然，这取决于偏振器的取向。因而，通过在显示器上逐行依次地驱动象素而在显示器产生图象。上面针对CRT描述的几何失真在平板显示器中不是要素，因为每一象素的位置是光刻确定的并且是固定的。
制作用于有源矩阵显示器(例如，在每一象素使用薄膜晶体管的显示器)的装置的已有方法所存在的主要问题之一是，它们一般面临着与集成电路类似的生产成品率的问题。也就是说，所生产的器件的成品率一般不是100％，成品率(没有缺陷的器件的比率)在最坏的情况下可能为0％。高质量的显示器几乎不充许有不合格的晶体管或其它元件。而且，与较小的屏幕显示器相比，更希望有较大的屏幕显示器。因而，制造者面临着最好制作较大尺寸和/或较高清晰度的显示器的困境，而不得不在不止几个晶体管不合格并因此不止几个象素不合格的条件下扔掉整个产品。换句话说，制造者面临着由可用产品率所造成的增加每单元的制造成本的问题。
制造任何类型的显示器所面临的一个问题在制造彩色显示器时也会出现，大多数，不是所有的高质量的显示器都变为标准显示器类型。在黑色矩阵上面的显示器底板上形成滤色器装置。如果黑色矩阵不是非常薄的话，则在黑色矩阵上的滤色器介质的台阶覆盖引起滤色器装置表面的不均匀性。当将底板再与不均匀滤色器装置基片放在一起时，在它们之间的空间会导致有缺陷的显示或长期使用后显示失败。
                发明的公开
提供了一种制作滤色器装置的改进方法，以减少包括该滤色器装置的器件(例如，有源矩阵显示器)的故障。滤色器基片上具有较厚的聚酰胺黑色矩阵和在黑色矩阵上形成的透明聚酰胺层。经黑色矩阵对透明层进行曝光并显影以除去在黑色矩阵上没有曝光的部分。所得到的表面基本上为平面的并便于剩余层的形成，从而形成基本上为平面的滤色器装置。
               附图的简单描述
图1是表示包括本发明的滤色器装置的有源矩阵显示器的平面示意图；
图2是图1的显示器的一个晶体管和一个存贮电容器的一个实施例的阶梯状剖面图；
图3是图2的晶体管实施例的第二剖面图；
图4是完成了的显示器的局部示意图；
图5和6是已有技术的滤色器装置；以及
图7A、7B和7C描述本发明的平面滤色器装置的一个实施例。
             实施本发明的最佳方式
在任何类型的彩色显示器中都能使用本发明的滤色器装置，但是，在此仅描述在薄膜晶体管(TFT)形成的有源矩阵液晶显示器(AMLCD’s)中所使用的本发明的滤色器装置。参照图1，示意地表示了一个已有发明的AMLCD，在申请日为1995年7月31日、题为“改进的TFT，制造方法和包括TFT的矩阵显示器”的待审的申请U.S.S.N.08/497,371中公开了该已有发明，在此引入作为参考。已有的TFT由标号10表示。
所示出的AMLCD 10包括一组优选的外短路棒12、14、16和18，这在申请日也为1995年7月31日、题为“有源矩阵ESD保护和测试线路”的、在此引入作为参考的共同待审案U.S.S.N.08/497,372中进行了更详细的描述。在加工过程中沿划线20通过断开外短路棒12、14、16和18而除去这些外短路棒，在引入的申请中也对此做了更详细的描述。
所示出的AMLCD 10还包括一组内短路棒22、24、26和28。在加工的过程中还利用内短路棒22、24、26和28，这也在引入的申请中进行了更详细的描述。然而，仅沿线30例如通过激光使内短路棒22、24、26和28与AMLCD 10电不连接，而剩下AMLCD 10的实际部分。
在基片32上沉积AMLCD 10，通常由玻璃板形成基片，沿上面所述的划线20断开AMLCD 10。基片32也可由其它类型的绝缘材料形成，包括用于不透光的具有绝缘涂层的金属板。由形成一个大阵列的大量的行线34和列线36形成AMLCD 10，图中仅描述了其中的一小部分。行线34包括与每一行线34相连的多个驱动器接触衬垫38之一，列线36也包括与每一列线36相连的多个驱动器接触衬垫40之一。
AMLCD 10包括在行线34和列线36之间形成的大量的相同象素，因此，仅详细地描述了一个象素42。在行线34和列线36相交的每一矩阵交叉点44，形成TFT46，使行线和列线与象素触点48连接。至少在触点48上形成有源液晶介质，该介质会响应底板和加到象素42上的数据电压而改变性能。在象素42上的介质通常在AMLCD 10的整个矩阵中呈现方形或圆点。没有按比例示出晶体管46和触点48的实际尺寸，而仅仅是为了便于描述示意地示出了晶体管46和触点48。
应该注意到，可以使用的行线34和列线36的数量或AMLCD 10的外部尺寸在理论上没有限制。加工设备限制了外部尺寸的实际极限值，该极限值随着设备的改进将不断的变化。
制造AMLCD所遇到的问题是，如果AMLCD 10含有引起不止几个象素不工作的有缺陷的TFT或其它电路元件，则必须将整个显示器报废。掩盖不合格的象素42的一种技术是，使用一个附加(任选)的具有象素42的晶体管49，使象素42与邻近的行R1耦合。然后，当写入行R1时，不仅将数据加到前一象素42′上，而且还通过晶体管49加到象素42中。然后，当写入行r时，通过晶体管46来自前一象素的数据改写象素42的数据。然而，如果晶体管46不合格，象素42并不是表现出不操作，而是保持来自前一行R1的数据不变。这就掩盖了象素42不能正确操作的事实。
正如图4所进一步描述的，象素42还能包括一个与行R1耦合的的存贮电容器50，使在每一帧期间保持写入象素42中的电压和使该电压稳定。
形成TFT46和AMLCD 10以提高有源象素的成品率。将参照图2和3描述TFT46。首先由用作行线34而沉积的栅极52形成TFT46。完成后的TFT46如图2和3所示，而各种加工步骤在引入的待审申请中进行了最好的描述。尽管各层的厚度没有严格的临界值，但是，描述了优选的厚度和材料以形成TFT46和AMLCD 10的优选实施例。
栅极52最好由二层金属构成，沉积第一层铝，最好为铝/铜合金，并制作图案以形成线单元54。为了形成备用的行线34，在铝元件54上沉积第二栅极层钽并制成图形形成线单元56，线单元56覆盖单元54。单元56还具有形成各个TFT46的实际栅极的指状物58。线单元54最好由铝或铝合金形成。对于长线使用铝，因为铝具有高导电率，但是，对于小的显示器并不重要并且如果需要的话可从小显示器中省去铝。铝的沉积厚度为约1200埃以提供导电性，但仍然薄到足以防止单元54上的台阶覆盖问题。钽单元56或其它阳极耐熔金属最好分别冗余度沉积到约2000埃厚。形成TFT46栅极的指状物58不需要铝层并且通常仅由钽形成。
通过阳极化露出的钽元件56形成第一栅极绝缘层60，强阳极化铝单元56以由氧化钽(Ta2O2)形成绝缘层60。通过使用去离子水中的0.1％至4.0％的柠檬酸溶液进行强阳极氧化。利用大约60伏的电压将形成非常精确和均匀的氧化层60，氧化层60大约每伏15埃或约900埃的厚度。能用光刻胶覆盖垫38和40以防止垫阳极氧化或者可阳极化垫38和40并然后蚀刻垫38和40。
另外，可由沉积的介电层形成第一栅极绝缘层60。然后沉积第二或备用栅极绝缘层62，最好是氮化硅(Si3N4)，厚度约为3000埃。依次沉积两层附加层，一层非晶硅64，然后是一层搀杂N+的非晶硅66。有选择地蚀刻N+层66和非晶硅层64以在氮化物层62上的栅极部分58上留下分立的区域70。沉积非晶硅64，厚度约为1500埃，沉积N+层66，厚度约为300埃。在构图后，剩下的N+层之后形成欧姆接触部分68。在沉积下一金属层之前进行再阳极氧化以防止可能的短路，尤其是在漏极或源极金属覆盖栅极金属的任意点。以至少两倍于通常在源极和栅极线之间存在的最高电压的电压进行再阳极氧化。再阳极氧化将在钽或下面的铝层中形成新的氧化物，以防止后来沉积的金属通过曝光栅极金属的针孔与栅极线短路。
然后沉积源-漏层(S-D)72，对于大显示器最好是由多层金属层形成。对于小显示器，层72可以是单个金属层，例如铝或钼。通过沉积厚度为500埃数量级的钼的第一阻挡层形成优选的较大器件的多层72。然后沉积铝或铝合金的厚度为约5000埃的第二导电增强层。接着沉积厚度为300埃的钼或钼合金的第三阻挡层。另一种方案是，仅需要沉积前两层。
然后制作S-D层72的图案以形成源极部分74、漏极部分76和顶层电容器接触部分78。接着通过除去在接触部分68之间的N+搀杂层而在源极部分74和漏极部分76之间形成晶体管沟道区80；在S-D金属部分74和76的下面仍保留N+搀杂层。在这里，晶体管46是电操作的。
存贮电容器50现在也是电操作的并且由接触部分78、氮化物层62的覆盖部分、氧化层60和栅极52来形成。可随意地电测试晶体管46和电容器50。
然后，沉积第一钝化层82，最好由厚度约为7000埃的Si3N4来形成。该介电层也可由沉积的SiO2来形成，旋涂在玻璃(SOG)或其它有机介电材料上。将层82构图以形成漏极接点开口84和电容器接点开口。在要形成备用列线时，形成通道88(图3)以给接点提供覆盖列线36。
然后，沉积象素ITO层90并制作该ITO层90的图案，以通过通道88(能应用的地方)和象素48的接触在开口84处形成漏极接点、在开口86外形成电容器接点、备用列线。象素48没有按比例示出并且偏置剖面图以包括晶体管46和电容器结构50的相对位置，晶体管46和电容器结构50相互交错排列。剖面图没有全部描述在列ITO和象素ITO48之间的电绝缘(参见图1)。没有描述附加的晶体管49(图1)，但是，用与晶体管结构46相同的方法形成附加的晶体管49。
然后通过形成最后的纯化层92来完成TFT结构。用与层82相同的方法形成厚度为约2000-3000埃的纯化层92。也可在滤色器基片上或在两者上形成层92。
源线74与漏极76是交指型设置的。漏极76最好具有至少一个指状物并且源线74最好包括一对指状物。通过与指状物相邻的源线74蚀刻缝隙或开口。交指型设置具有几个优点。第一，沟道宽度能达到最大，而漏极与栅极电容最小。另一优点是，通过与短路指状物断开在电测试期间能排除源极指状物之一中的短路。通过贯穿到短路指状物两侧的缝隙能有效地排除短路。
虽然通过描述的交指型的实施例使漏极与栅极的电容最小，但是，通过形成附加指状物能获得较高的驱动电流，例如，漏极可包括一对指状物并且源极包括三个匹配的指状物。
图4示出了完成的AMLCD 10的一部分和利用存贮电容器50的理由。当没有访问象素行(在此为行3)时电容器50使在帧周期期间加在象素42的液晶材料上的电压稳定。在一帧周期期间一次仅访问一给定象素行，一帧通常为1/60秒或16.7毫秒。对于480行的AMLCD 10，1/480帧周期或大约34.7毫秒仅能访问一个给定行。在没有访问象素行的帧时间期间，TFT46截止。而象素电压在液晶材料上应该保持不变。液晶材料具有电容CLC和有限电阻RLC。晶体管46在驱动器和源极之间和/或通过液晶材料电阻RLC具有泄漏电流。为了使在液晶材料上的电压降(数据延迟)最小，形成与CLC并联的具有电容CS的存贮电容器50。由行3的晶体管46驱动的象素42通过电容器50与前面的行2耦合。这假定正好在行3之前驱动行2。当给定行的晶体管46导通时，晶体管46给CLC和CS充电，因为总的电容量为CLC+CS。在较高的工作温度下晶体管46和液晶材料的漏电流较大(较坏)。在TFT基片32和滤色器或单色底板94之间含有液晶材料。底板94通过衬垫与基片32隔开，如图5和6所示。
正如图4所描述的，底板94包括滤色器装置并包括在滤色器装置上面的ITO层96。在图5中示出了已有技术的滤色器装置100。底板94包括一块玻璃基片102。在基片102上形成黑色矩阵104。通常按箭头106所示的方向通过玻璃基片102观看AMLCD10。
所使用的一种黑色矩阵材料为金属，例如，铬。对于低档显示器，例如，便携的(laptop)AMLCD的显示器，黑色矩阵是令人满意，因为能以800至1000埃数量级的薄层104沉积黑色矩阵并制作图案。在黑色矩阵104上形成滤色器，绿色滤色器108，蓝色滤色器110和红色滤色器112。由于黑色矩阵104比较薄，所以滤色器装置100还算是平面。在滤色器108、110和112的顶部形成钝化层114。可将钝化层114旋涂到滤色器108、110和112上，这有利于简化滤色器的步骤并有利于填充在滤色器108、110和112之间形成的缝隙116。由基本上透明的材料以常规的方法旋涂、沉积或胶版印刷来形成钝化层114。例如，也可由在玻璃或聚丙烯上旋涂氧化物、氮化物来形成钝化层114。
然后，钝化层114具有沉积在其顶上的ITO层118，并且厚度大约为1000埃。在整个AMLCD矩阵上沉积ITO层118然后制作图案，从而用在密封、基片32和底板94之间含有的LCD材料(没有示出)将基片32和底板94密封在一起。由在基片32和底板94之间受压缩的多个塑料球形衬垫120将基片32与底板94隔开。球形衬垫120可以随意地是透明的或是涂有黑色。
用滤色器装置100有许多问题和潜在的问题。用作黑色矩阵104的例如铬之类的金属具有高反射率。对于高清晰度的AMLCD来说，反射率仅能为1％或更少。分别形成滤色器108、110和112中的每一个。例如，首先形成G滤色器108。旋涂滤色器材料(例如染色聚酰胺)，然后烘干，沉积光刻胶，曝光并显影或蚀刻光刻胶。在这些步骤完成之后，就在1/3的AMLCD上形成G滤色器108。然后，用与G滤色器108相同的方法分别形成B滤色器110和R滤色器112。如果滤色器中的两个重叠在黑色矩阵104上，则能看到两个颜色和的强亮点。如果保留黑色矩阵104的边缘不覆盖，则显示器将模糊(wash out)，因为光没有被滤色器衰减。
为了减少反射，可用其它黑色矩阵材料，但是，必须沉积或形成厚得多的材料，如图6中的另一滤色器装置160所示。黑色矩阵可以是一种基于聚酰胺材料(例如，聚丙烯)的颜料或染料。在表I中示出了使用的几种不同的黑色矩阵材料的明视光反射率数据(通过基片94，没有偏振器，以30度的入射角获得的)。
            表I
黑色聚丙烯        0.64％
黑色金属          0.81％至2.0％
常规的黑色金属    5.2％
初看起来，好象黑色金属接近聚丙烯涂层的低反射率。可是，金属提供镜面反射。这意味着偏振状态不会改变。而聚丙烯材料具有漫反射。这意味着使光消偏振。由于使光消偏振，当反射光从AMLCD出射时，通过前偏振器还有50％的损耗。在表II中给出了考虑偏振器损耗的反射率数据：
             表II
黑色聚丙烯          0.32％
黑色金属            0.81％至2.0％
常规的黑色金属      5.2％
黑色聚丙烯黑色矩阵材料非常昂贵，每加仑多于$1500数量级。如果将该材料旋涂到基片102上，将浪费大约90％。因此，最好是将黑色聚丙烯黑色矩阵材料胶版印刷到基片102上，这实际上消除了所有的浪费。金属黑色矩阵的优点在于它非常薄。缺点是高反射率和必须将其溅射或蒸发到基片102上，然后进行光刻。
沉积黑色聚丙烯黑色矩阵材料，但是，由于它具有小很多的吸收常数，所以必须沉积相当厚的一层，数量级为1.2微米。曝光黑色聚丙烯并显影以形成黑色矩阵132。然后烘干黑色矩阵132以便它不会与滤色器层显影。接着以形成滤色器装置130类似的方式分别形成G滤色器108、B滤色器110和R滤色器112。
由于黑色矩阵132厚得多，所以因厚黑色矩阵132引起的台阶覆盖所得到的滤色器108、110和112是相当不平整的。再形成钝化层114和ITO层118。理想地，如前面所述，滤色器108、110、112和层114、118是光滑的并且基本上是平面。可是，黑色矩阵132的厚度增加，显然这不是所要的结果。
当应用基片32并密封到基片102时，衬垫球120不是均匀隔开。正如所述的，图6中的左边的球120在峰值或高点134上，右边的球120在谷值或低点136上。这引起许多问题，因为压挤高点134上的球120多于低点136中的球120。事实上，并不压挤或固定低点136中的球120并且球120能在竖向和横向方向上移动，引起AMLCD10变坏或失效。
黑色矩阵104、132在低侧为矩阵面积的25％的数量级，在高侧为矩阵面积的大约50％。因此希望滤色器装置平面化以避免由不平的非均匀层可能引起的问题。
参见图7A，示出了本发明的滤色器装置的实施例140。再形成聚丙烯黑色矩阵132，至数量级为1.2微米的厚度。然而，形成的下一层是与黑色矩阵132材料和滤色器材料的类型相同或相似的透明聚酰胺材料层142。不是按常规的方式从顶部而是按箭头144所指的方向经基片102对层142进行曝光。通过经基片102对层142进行曝光，黑色矩阵用作自调整掩膜。层142的在黑色矩阵132的每一部分上的没有曝光的部分将如图7B所示被显影掉。
在图7B中示出了所得到的透明层142。层142基本上使黑色矩阵132平面化，形成平面表面146。这使滤色器108、110、112和层114、118以一个基本的平面表面层加到由黑色矩阵132和透明层142形成的平面表面146上，如图7C所示。最好选择层142的厚度与黑色矩阵132的厚度相同或略大于黑色矩阵132的厚度。然后，同样地压紧衬垫球120以形成完整的AMLCD150。当然，在任何类型的彩色矩阵中可使用本发明的滤色装置140并且本发明的滤色装置140不局限于在此作为说明所描述的AMLCD150。
本发明的许多修改和变化能在上述技术的范围内。不用说，在所附权利要求书的范围内，可以与具体描述的不同来实施本发明。

Claims (7)

1、一种制造滤色装置的方法，其特征在于：
在第一基本上透明的基片上形成一层较厚的聚酰胺黑色矩阵，在所述的黑色矩阵上形成厚度基本等于所述黑色矩阵的厚度的透明聚酰胺层，通过所述的基片对所述透明层进行曝光并显影所述透明层以除去在黑色矩阵上的层部分，形成大致的平面表面。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于包括在所述平面表面上形成一组滤色器的步骤。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于包括在所述滤色器上形成钝化层的步骤。
4、如权利要求3所述的方法，其特征在于包括在所述钝化层上形成ITO层的步骤。
5、如权利要求4所述的方法，其特征在于包括如下步骤：通过将球形衬垫加在所述ITO层上并将液晶材料加在所述ITO层和第二基片之间形成显示器。
6、如权利要求5所述的方法，其特征在于包括形成有源矩阵液晶显示器的步骤。
7、如权利要求1所述的方法，其特征在于包括形成厚度略大于所述黑色矩阵厚度的的所述透明层的步骤。
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