CN1641451A - 横向电场液晶显示器的像素及其底板、及像素的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种横向电场液晶显示器的像素及其底板、及像素的工艺，其反射板具有纳米级粗糙面以散射光源及提高对比度，且由于该粗糙面为纳米级，故在散乱效果方面会有较大的散乱角度和平缓的效果，即反射率不随视角做剧烈变化，也有很好的抗炫光效果，此外，该粗糙面是利用结晶及材料本身特性的关系而形成，不须多加光掩模。

Description

横向电场液晶显示器的像素及其底板、及像素的工艺

技术领域

本发明有关一种横向电场液晶显示器，特别是关于一种具有纳米级粗糙面反射板的横向电场液晶显示器的像素及工艺。

背景技术

在现有技术中，液晶显示器(liquid crystal display；LCD)使用TN模式及STN模式，然而，TN模式及STN模式的LCD具有视角狭窄的缺点，因此，有人提出一种具有广角的横向电场(in-plane switching；IPS)LCD，该IPS模式LCD除了具有广视角外，还具有不须补偿膜以及响应时间快等优点，且其工艺比TN模式LCD少一道光掩模，但是，该IPS模式LCD的像素电极(pixel electrode)及共电极(counter electrode)由不透光金属所制成且具有一光滑面，故反射时为镜面反射，因而降低了对比度，虽然，可以在该像素电极及共电极下方形成一由有机材料，例如，树脂(resin)，所构成的粗糙面来改善此缺点，然而，增加该有机材料须要多加光掩模数，故会增加工艺的复杂度及成本，且有机材料的耐热性不佳，约250度，此外，由于该粗糙面的高低落差过大，在0.5um到1.5um之间，因而造成液晶显示器的间隙变化过大，使得反射光效率的降低，由理想的100％降到60％～85％之间。

因此，一种具有纳米级粗糙面且能减少光掩模数的横向电场液晶显示器仍为所希望的。

发明内容

本发明的目的之一，在于一种具有纳米级粗糙面的横向电场液晶显示器的像素及工艺。

本发明的目的之一，又在于一种减少光掩模数的横向电场液晶显示器的像素及工艺。

根据本发明，一种横向电场液晶显示器的像素及工艺，在第一实施例的像素包括一第一结构在一基底上，具有一纳米级粗糙面以散射光源及提高对比度，且该第一结构包含一第一部分及第二部分、一第二结构在该第一部分上以形成一开关元件、一液晶层在该第二结构及第二部分上，以及一第三结构在该液晶层上，其中该第二部分是多个具有该纳米级粗糙面的反射板，该第三结构是一光学叠层，此外，该液晶层可以是正型或负型液晶。该粗糙面是因为结晶及材料本身特性的关系而形成，由于该第一部分与第二部分的反射板是一同制作，故本发明的液晶显示器仅须四道光掩模，比现有的散乱式液晶显示器所须的八或九道光掩模少了一半，进而大幅降低成本，而且，由于该粗糙面是纳米级，故在散乱效果方面会有较大的散乱角度和平缓的效果，即反射率不随视角做剧烈变化，也有很好的抗炫光效果(Anti-glare)。此外，由于该粗糙面的高低落差比现行散乱式内层反射板的粗糙面的高低落差更小，故能降低液晶层(liquid crystal cell)间隙的变化，使反射光效率保持在最佳状况。该反射板是利用无机薄膜工艺来制作，故比一般有机材料更耐高温。

在第二及第三实施例的像素底板中，包括一基底、一薄膜晶体管在该基底上、多个反射板、一护层覆盖该多个反射板，以及一第二金属层在该护层上，穿过该第一护层搭接到该多个反射板的其中之一，其中，每一该反射板包含一具有一纳米级粗糙面的微散乱层，以及一反射层在该微散乱层上，与该微散乱层的粗糙面共形而具有该粗糙面，该反射层与薄膜晶体管的栅极是同一层金属。该微散乱层包括一导电层以ITO构成，以及一绝缘层在该导电层上，由于绝缘层材料本身特性的关系因而形成该具有纳米级的粗糙面，而该反射层是高反射率金属构成。在第二及第三实施例中，由于薄膜晶体管的栅极与反射板并非一同制作，因此，须多加一道光掩模。

附图说明

对于本领域技术人员而言，从以下所作的详细叙述配合附图，本发明将能够更清楚地被了解，其上述及其他目的及优点将会变得更明显，其中：

图1是本发明的横向电场液晶显示器像素的一实施例；

图2是图1液晶显示器像素构造的俯视图；

图3(A)是现行反射板的粗糙面；

图3(B)是本发明所使用的反射板的粗糙面；

图4～图8是图1的横向电场薄膜晶体管构造的工艺步骤；

图9～图13是另一横向电场薄膜晶体管构造的工艺步骤；

图14是图1像素中底板的另一实施例；以及

图15是图1像素中底板的又一实施例。

附图标记说明

100像素构造                          101偏光膜

102基底                              104导电层

106绝缘层                            108反射层

110栅极电极                          112反射板

114反射板                            116护层

118非晶硅半导体薄膜                  120通孔

122薄膜晶体管                        124薄膜晶体管的漏极电极

126薄膜晶体管的源极电极              127汇流排线

128护层                              130液晶层

132液晶分子                          134散射膜

136黑色矩阵                          138彩色滤光片

140补偿膜                            142偏光膜

144透光区                            200薄膜晶体管构造

202弯曲反射板                        204弯曲反射板

300像素的底板                        302基底

304薄膜晶体管                        3042薄膜晶体管304的漏极

3044薄膜晶体管304的栅极              306绝缘层

308反射板                            310反射板

312护层                              314金属层

316护层                              318 ITO层

320绝缘层                            322反射层

400像素的底板                        402薄膜晶体管

具体实施方式

图1是本发明的横向电场液晶显示器像素构造100的一实施例，其为一透射反射式LCD，包括一具有一纳米级粗糙面的第一结构在基底102上，该第一结构包含第一部分及第二部分，其中该第一部分为栅极电极110，而该第二部分为反射板112及114，一护层116覆盖该第一结构，一第二结构在该栅极电极110上方的护层116上，该第二结构包括一漏极电极124、一源极电极126以及一由非晶硅半导体薄膜118所形成的沟道区在漏极电极124及源极电极126之间，该栅极电极110与第二结构形成一开关元件-薄膜晶体管122，且漏极电极124经由护层116上的通孔(contact hole)120搭接至反射板114，当一电压作用在该薄膜晶体管时，在反射板112及114之间产生一横向电场E以扭转液晶分子132，另一护层128覆盖该第二结构，一后端偏光膜在基底102下方，一液晶层130夹置在护层128及一第三结构之间，其中，该液晶层130可以是正型液晶或负型液晶，在本实施例中，液晶层是使用负型液晶，其复屈折射率Δn及相位延迟Δn×d的较佳实施范围分别为0.05-0.14及50-410nm，此外，本实施例的薄膜晶体管122是NMOS晶体管(N型金属氧化物半导体晶体管(n-type Metal-Oxide-Semiconductortransistor))。

该第三结构包括一彩色滤光片138，一散射膜在彩色滤光片138及液晶层130之间，一黑色矩阵136在彩色滤光片138的前端，一补偿膜140在该彩色滤光片之上，一前端偏光膜142在该补偿膜上方，其中黑色矩阵136并非Cr金属材质而是由黑色树脂(Black Resin)所构成。该栅极电极110与反射板112及114的构造包括，一导电层104由ITO或IZO所构成，一绝缘层106在该导电层上由硅氮化物(SiN_X)所构成，以及一反射层108在该绝缘层上由高反射率的金属，例如，铝、银及铝合金所构成，当绝缘层106形成在导电层104上时，且由于结晶及材料本身特性的关系，进而在绝缘层106的表面形成纳米级的粗糙面，因此，不须像现有技术一般多加一层树脂层来形成粗糙面，再者，由于反射板112及114是与栅极电极110一同制作，故能够以四道光掩模来制成液晶显示器的像素构造100，其比现有的散乱式透射反射式LCD的8道或9道光掩模的工艺少了一半的光掩模数，故可大幅减少成本。

反射板112及114所具有的粗糙面有较小的起伏落差及起伏周期，故在散乱效果方面，有较大的散乱角度和平缓的效果，即反射率不随视角做剧烈变化，也有很好的抗炫光效果，亦可使反射光效率保持在最佳状况，且因为可利用无机薄膜工艺，故可以比一般使用有机材料的反射式元件更耐高温。

图2是图1液晶显示器像素构造100的俯视图，其中该源极电极126是连接至汇流排线127。

图3是本发明所使用的反射板的粗糙面与现有散乱式反射板粗糙面的比较，图3(A)是现有散乱式反射板的粗糙面，其起伏落H差在0.5um到1.5um之间，起伏周期L在5um到20um之间，图3(B)是本发明所使用的反射板的粗糙面，其高低落差H’在5nm到50nm之间，起伏周期L’在20nm以下，由于超微型反射板粗糙面的高低落差较小，因此，减少液晶分子间隙的变化，进而使反射光效率保持在最佳状况，同时，使得散乱角度更广更均匀。

图4～图8是图1液晶显示器像素构造100工艺步骤的俯视图及剖面图，首先，如图4所示，在基底102上沉积一层由ITO所构成的导电层104，再沉积一层由硅氮化物(SiN_X)所构成的绝缘层106在导电层104上。在绝缘层106形成在导电层104上时，且由于结晶及材料本身特性的关系，进而在绝缘层104的表面形成一纳米级的粗糙面，如图3(B)所示，接着，在绝缘层104上以形成一由高反射率的金属，例如，铝、银或铝合金等所构成的反射层108，反射层108与绝缘层104的粗糙面共形而具有该纳米级粗糙面，然后，蚀刻反射层108、绝缘层106以及导电层104以形成具有纳米级粗糙面的电极110、112以及114。

跟着参照图5，形成一护层116覆盖电极110、112以及114，并在电极110上方形成一非晶硅半导体薄膜118。接着，如图6所示，蚀刻电极114上方的护层116直到露出电极114以形成一通孔120。

再来，在护层116上形成一第二金属层，再部分蚀刻该第二金属层以形成一薄膜晶体管122，如图7所示，薄膜晶体管122的栅极电极是电极110，而部分蚀刻后的第二金属层为其漏极电极124及源极电极126，漏极电极124通过通孔120搭接到反射板114，而源极电极126连接到汇流排线127。最后，再沉积一第二护层128覆盖薄膜晶体管122，如图8所示。在图8中透光区144及由反射板112及114所构成的反射区的面积比为10％至400％之间。

图9～图13是另一横向电场薄膜晶体管构造200的工艺步骤，其工艺方法与上述的横向电场薄膜晶体管构造100的工艺方法相同，其构造的差异处在于薄膜晶体管构造200的反射板202及204是弯曲的。

图14是图1像素中底板的另一实施例，底板300包括一基底302、一薄膜晶体管304在基底302上、一绝缘层306在基底302上、反射板308及310在绝缘层306上、一护层312覆盖该反射板308及310、一金属层314在护层312上，穿过护层312搭接到反射板310，以及另一护层316覆盖金属层314，其中，薄膜晶体管304是PMOS晶体管(P型金属氧化物半导体晶体管(p-type Metal-Oxide-Semiconductor transistor))，且金属层314与薄膜晶体管304的漏极3042。反射板308及310均包含一由ITO层318及绝缘层320的微散乱层，绝缘层320具有一纳米级粗糙面，以及一反射层322在绝缘层320上，与绝缘层320的粗糙面共形而具有该粗糙面，反射层322与薄膜晶体管304的栅极3044是同一层金属。绝缘层320除前述的材质外，亦可由非晶硅、多晶硅构成。该微散乱层除上述构造外亦可由一晶种层及一绝缘层经高温烧结长晶工艺。在此实施例中，晶体管304的栅极3044与反射板308及310并非一同工序，因此，比第一实施例多须一道光掩模。

图15是图1像素中底板的又一实施例，底板400的构造与底板300同样包括一基底302、一薄膜晶体管304、一绝缘层306、反射板308及310、一护层312、一金属层314，以及另一护层316，不同之处在于薄膜晶体管304是CMOS晶体管(互补金属氧化物半导体晶体管(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor transistor))。

以上对于本发明的优选实施例所作的叙述是说明性的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例是为解说本发明的原理以及让本领域技术人员以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由所附的权利要求及其均等来决定。

Claims (53)

1.一种横向电场液晶显示器像素，包括：

一第一结构，在一基底上，具有一纳米级粗糙面以散射光源及提高对比度，该第一结构包含一第一部分及第二部分；

一第二结构，在该第一部分上形成一开关元件；

一液晶层，在该第二结构及第二部分上；以及

一第三结构，在该液晶层上。

2.如权利要求1的像素，其中该液晶层是正型液晶，具有复屈折射率Δn，该折射率的最佳范围为0.05-0.12。

3.如权利要求1的像素，其中该液晶层是负型液晶，具有复屈折射率Δn及相位延迟Δn×d，该折射率的最佳范围为0.05-0.14，而该相位延迟的最佳范围为150-410nm。

4.如权利要求1的像素，其中该粗糙面具有一起伏落差的范围在5nm到50nm之间。

5.如权利要求1的像素，其中该粗糙面具有一起伏周期的范围在10nm到500nm。

6.如权利要求1的像素，其中该第一结构的构造包括：

一微散乱层，在该基底上，具有该纳米级粗糙面；

一反射层，在该微散乱层上，与该微散乱层的粗糙面共形而具有该粗糙面，且由高反射率金属构成。

7.如权利要求6的像素，其中该微散乱层包括：

一导电层，在该基底上；以及

一绝缘层，在该导电层上，具有该纳米级粗糙面。

8.如权利要求7的像素，其中该导电层由ITO或IZO构成。

9.如权利要求7的像素，其中该绝缘层由氮化硅、氧化硅或氮氧化硅构成。

10.如权利要求6的像素，其中该微散乱层至少包括一具有该纳米级粗糙面的绝缘层。

11.如权利要求10的像素，其中该绝缘层由非晶硅、多晶硅、氮化硅、氧化硅或氮氧化硅构成。

12.如权利要求6的像素，其中该微散乱层至少包括一晶种层及一具有该纳米级粗糙面的绝缘层。

13.如权利要求12的像素，其中该绝缘层是经高温烧结长晶工艺。

14.如权利要求6的像素，其中该高反射率金属是铝、银或铝合金。

15.如权利要求1的像素，其中该第二部分是多个具有该纳米级粗糙面的反射板。

16.如权利要求15的像素，其中该多个反射板是弯曲的构造。

17.如权利要求1的像素，其中该第一部分是栅极电极。

18.如权利要求1的像素，其中该开关元件是一薄膜晶体管。

19.如权利要求1的像素，其中该第三结构包括：

一彩色滤光片；

一散射膜，夹置在该彩色滤光片及液晶层之间；以及

一偏光膜，在该彩色滤光片上。

20.如权利要求1的像素，其中该第一结构是由无机薄膜工艺形成。

21.如权利要求1的像素，其中该第一结构还包括一透光区，该透光区具有一第一面积，该第二部分具有一第二面积，该第一面积对该第二面积比为10％至400％。

22.一种横向电场薄膜晶体管液晶显示器像素的工艺，包括下列步骤：

在一基底上形成一具有一纳米级粗糙面的第一结构；

部分蚀刻该第一结构以形成一第一部分及第二部分；

在该第一部分上形成一第二结构，以当作一开关元件；

在该第二结构及第二部分上形成一液晶层；以及

在该液晶层上形成一第三结构。

23.如权利要求22的工艺，其中形成该第一结构的步骤包括：

在该基底上形成一微散乱层；以及

在该绝缘层上形成一层具有高反射率的反射层。

24.如权利要求23的工艺，其中形成该微散乱层的步骤包括：

在该基底上形成一导电层；以及

在该导电层上沉积一绝缘层以形成该纳米级粗糙面。

25.如权利要求24的工艺，其中形成该导电层的步骤包括由ITO或IZO形成。

26.如权利要求24的工艺，其中形成该绝缘层的步骤包括由氮化硅、氧化硅或氮氧化硅形成。

27.如权利要求23的工艺，其中形成该微散乱层的步骤至少包括形成一具有该纳米级粗糙面的绝缘层。

28.如权利要求27的工艺，其中形成该绝缘层的步骤包括由非晶硅、多晶硅、氮化硅、氧化硅或氮氧化硅形成。

29.如权利要求23的工艺，其中形成该微散乱层的步骤至少包括形成一晶种层及一具有该纳米级粗糙面的绝缘层。

30.如权利要求29的工艺，其中形成该绝缘层的步骤包括高温烧结长晶工艺。

31.如权利要求23的工艺，其中形成该反射层的步骤包括使用铝、银或铝合金来形成。

32.如权利要求22的工艺，其中形成该第一部分的步骤包括形成一栅极电极。

33.如权利要求22的工艺，其中形成该第二部分的步骤包括形成多个具有该纳米级粗糙面的反射板。

34.如权利要求22的工艺，其中形成该第二部分的步骤包括形成多个具有该纳米级粗糙面的弯曲反射板。

35.如权利要求22的工艺，其中形成该第一结构的步骤包括使用无机薄膜工艺来形成。

36.如权利要求22的工艺，其中形成该开关元件的步骤包括形成一薄膜晶体管。

37.如权利要求22的工艺，其中形成该第三结构的步骤至少包括：

形成一散射膜；

在该散射膜上形成一彩色滤光片；以及

在彩色滤光片上形成一偏光膜。

38.一种横向电场液晶显示器像素的底板，包括：

一基底；

一薄膜晶体管，在该基底上；

多个反射板，每一该反射板包含：

一微散乱层，具有一纳米级粗糙面；

一反射层，在该微散乱层上，与该微散乱层的粗糙面共形而具有该粗糙面，该反射层与薄膜晶体管的栅极是同一层金属；

一护层，覆盖该多个反射板；以及

一金属层，在该护层上，穿过该护层搭接到该多个反射板的其中之一。

39.如权利要求38的底板，其中该粗糙面具有一起伏落差的范围在5nm到50nm之间。

40.如权利要求38的底板，其中该粗糙面具有一起伏周期的范围在10nm到500nm。

41.如权利要求38的底板，其中该微散乱层，包括：

一导电层；

一绝缘层，在该导电层上，具有该纳米级粗糙面。

42.如权利要求41的底板，其中该导电层由ITO或IZO构成。

43.如权利要求41的底板，其中该绝缘层由氮化硅、氧化硅或氮氧化硅构成。

44.如权利要求38的底板，其中该微散乱层至少包括一具有该纳米级粗糙面的绝缘层。

45.如权利要求44的底板，其中该绝缘层由非晶硅、多晶硅、氮化硅、氧化硅或氮氧化硅构成。

46.如权利要求38的底板，其中该微散乱层至少包括一晶种层及一具有该纳米级粗糙面的绝缘层。

47.如权利要求46的底板，其中该绝缘层是经高温烧结长晶工艺。

48.如权利要求38的底板，其中该微散乱层是由无机薄膜工艺形成。

49.如权利要求38的底板，其中该反射层是高反射率金属构成。

50.如权利要求38的底板，其中该薄膜晶体管包含N型金属氧化物半导体晶体管。

51.如权利要求38的底板，其中该薄膜晶体管包含P型金属氧化物半导体晶体管。

52.如权利要求38的底板，其中该薄膜晶体管包含互补金属氧化物半导体晶体管。

53.如权利要求38的底板，还包括一透光区具有一第一面积，而该多个反射板具有一第二面积，该第一面积对该第二面积比为10％至400％。

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