CN1726424A - Lcd单元内成形结构的制造方法及其掩模 - Google Patents

Abstract

一种在液晶显示单元内形成成形结构的方法，该方法包括给晶体管板(2)涂覆光敏层(6)，并在光刻工艺中使用灰色调光掩模(7，21)在所述光敏层上形成所述成形结构。该掩模包括半透明材料的至少一个区域(8，16，18)，其透明度取决于所述材料的光学带隙。

Description

LCD单元内成形结构的制造方法及其掩模

本发明涉及液晶显示器的制造及其特征。特别地，本发明涉及使用半透明掩模在液晶显示器(LCD)内形成成形结构的方法。

LCD中成形结构的一个例子是作为用在薄膜晶体管(TFT)反射型有源矩阵液晶显示器(反射型AMLCD)中的漫反射像素电极。这一般用不规则的上表面形貌来形成，从而当用反射金属层涂布时，入射光分散在LCD的观看区域上，所述金属层一般为铝或银。重要的是控制所述分散，以在具有适当大的观察区域和在观察区域中具有足够亮度的反射光之间找到平衡。用于形成该不规则表面公知的方法是首先给AMLCD的TFT板涂覆光敏层。然后通过常规的光刻和蚀刻将该层图形化，从而在TFT板的每个像素电极的表面上产生许多微小的突起(bump)。这就导致了具有侧面陡峭的岛的表面形貌，然后将其加热，以发生回流，提供更加弯曲的表面形貌，然后用反射金属涂层将其覆盖。

在形成漫反射像素电极的更复杂的方法中，例如US 6163405中公开的，在形成微小突起以前，给TFT板上像素电极的表面引入至少一个斜面(slant)。这样，光可以反射进优选的观看区域，其可能不垂直于TFT板。这种类型的倾斜漫反射器称作漫射微小斜面反射器(DMSR)。

US 6163405公开了几种方法，这些方法涉及用于在像素电极上形成这种倾斜表面，并在倾斜表面上形成不规则微小突起的光刻。所披露的主要方法包括，作为多次曝光移位光刻方法的一部分，通过多次使用单个光掩模来产生不同高度的不规则脊。该光掩模在UV不透明掩模上，排列有微小UV透明狭缝。然后UV光通过所述掩模被引导到已涂覆到像素电极上的光敏材料层上。在正光刻中，使用UV光曝光光敏材料，并在显影阶段移除曝光区域。相反地，负光刻包括在显影阶段移除没有被UV光曝光的光敏材料。

在以特定UV强度进行UV曝光后，具有透明狭缝的掩模移动很小的量，并用不同的UV强度或曝光时间进行另一曝光步骤。这可以执行很多次，以便一旦显影，则在其表面形貌上，像素电极表面就会留有脊不规则台阶线。然后使用另外的掩模在脊的表面上产生微小突起，然后将其加热，以进行回流。这就产生了具有最佳观看区域的DMSR像素电极。然而，在LCD显示器的制造中，多次UV曝光是非常费时和费成本的。此外，在AMLCD工厂中使用的标准光刻对准器(aligner)一般不具有多次曝光移位的装置。从而，US 6163405中披露的这种特别的多次曝光方法对于LCD显示器大规模的制造并不实用。

US 6163405中披露的另一个方法使用灰色调掩模，也称作半色调掩模。这种光掩模具有对光表现出至少一定程度的半透明的区域。其结果是，通过该掩模可使用特定强度的UV光进行固定的曝光时间，以产生光敏材料的多级曝光。例如，用光敏材料涂覆的并通过灰调掩模在单个UV曝光中曝光的LCD的基板，一旦显影，则其就具有与使用多次曝光移位光刻方法产生的相同的多级表面形貌。

制造灰色调光掩模的一个方法包括在不透明掩模上产生透明开口的精细图案，其部分地减小了UV光的透过量。此外，透过掩模的光被衍射，从而被分散，所以，当用于曝光光敏材料时，获得了相对均匀的曝光。通过改变开口的尺寸，可使不同百分比的UV光透过掩模。这些类型的灰色调掩模可制造成具有几乎任何任意的特征形状。然而，它们最大的缺点是，当要求非常小的特征尺寸，例如小于2μm时，例如在LCD的漫反射像素电极制造过程中，制造它们非常昂贵。此外，在掩模上特征的边缘处的衍射使得所述特征缺乏清晰度，从而限制了掩模的精确度。这些缺点使得衍射掩模对工业中的特定应用缺乏实用性。

本发明提出了一种方法，其在光刻制造工艺中通过使用具有诸如氢化的富硅氮化硅(hydrogenated silicon-rich silicon nitride)的材料的灰色调光掩模，降低了与制造AMLCD中成形结构相关的成本。即使当要求小的特征尺寸时，富硅氮化硅(SiN_x)掩模的制造也相对便宜。

依照本发明的一个方面，提供了一种在器件板(例如晶体管板)上形成成形结构的方法，该方法包括给所述板涂覆光敏层，并在光刻工艺中使用灰色调光掩模在光敏层上形成所述成形结构，其中所述掩模包括至少一个半透明材料的区域，且所述材料具有取决于该材料光学带隙的透明度。

本发明进一步提供了一种在所述光刻工艺中使用这种光掩模、以产生所述液晶显示器的漫反射像素电极的不规则的表面形貌的方法。液晶显示器的所述漫反射像素电极的所述表面形貌可具有多级厚度。

灰色调光掩模中使用的材料区域可以是氢化的富硅氮化硅SiN_x:H，x小于1。

所附的权利要求中列出了依照本发明的优选特征。现在通过示例的方式参照附图在本发明具体的实施方案中这些和其它特征，其中：

图1a到1e是在用于确定其漫反射表面形貌的工艺的各个阶段中反射型LCD显示器的TFT板的横截面图；

图2是根据在其制造过程中使用不同的NH3/SiH4气体比率而画出的SiN_x光学带隙的曲线图；

图3是用在光掩模中的三种不同的构成的SiN_x：A、B和C的透射率特性与使用的光的波长的关系曲线图；

图4绘出了分别具有2.3eV的光学带隙的三个厚度的SiN_x：D、E和F的透射百分比与使用的光的波长关系曲线图；

图5a到5d是在其制造的各个阶段中SiN_x光掩模的横截面图；

图6描述了使用SiN_x光掩模在TFT AMLCD像素电极上形成微小突起，包括倾斜特征，的方法；以及

图7a和7b分别是在形成其表面上具有倾斜特征的微小突起后，TFT板的横截面图和平面图。

图1a到1e图解了使用SiN_x灰色调掩模制造AMLCD中使用的漫反射像素电极的方法的一个实施例。在该实施例中，AMLCD包含不具有漫射微小斜面反射(DMSR)特征的微小突起。

图1a图解了包含漫反射TFT电极的有源矩阵液晶显示(AMLCD)器件，图1b到1e示出了漫反射TFT电极的制造。液晶1插入TFT板2和玻璃基板3之间。还示出了滤色器层4，其设置成红色、绿色和蓝色区域的图案中，以提供红色、绿色和蓝色像素的阵列。TFT 5通过行和列电极(没有示出)开关。

图1b是在涂覆光可确定(photo-definable)聚合物6的层后，用在AMLCD中的TFT像素电极板2的横截面图。所述聚合物可包括诸如聚酰亚胺、丙烯酸或光致抗蚀剂的材料。在一个实施例中，使用的材料是正色调水显影光可确定HD-8001聚酰亚胺，其由HDMicrosystems制造。其可使用公知的方法涂覆，例如旋涂或丝网印刷方法。图1b中还示出了在制造工序中用于光刻阶段的SiN_x灰色调掩模7。该掩模通过将半透明SiN_x 8和不透明铬9的层沉积到UV透明掩模基板10上而形成。掩模的区域10A没有涂覆层8或9，从而对UV光是透明的。

掩模7与TFT板对齐放置，UV光被引导通过该掩模以便曝光TFT板2上的光可确定聚酰亚胺涂层6。图1c描述了工序中的这个阶段，示出了UV曝光后的TFT板2，产生了多晶硅的曝光区域11。由于铬的不透明特性，在掩模的铬区域9正下方的多晶硅区域没有被曝光。这在图上用0％Tr表示，代表0％的UV透射。在掩模的UV透明区域，例如区域10A正下方的光可确定聚酰亚胺区域被完全曝光，并且在SiN_x区域8下方的那些区域被部分曝光，例如如35％Tr表示的，所述曝光取决于所使用的SiN_x的光学特性。该光刻工艺用于确定微小突起12和用于连接TFT电极5的通孔13。在正光刻中，然后在显影阶段中移除曝光的光可确定聚酰亚胺6的某一厚度，该厚度取决于UV曝光的量。

图1d是在光可确定聚酰亚胺6显影阶段后的TFT板的横截面图。聚酰亚胺的曝光区域11现在已经被移除，聚酰亚胺的表面形貌现在以微小突起12、和用于像素电极5接触的通孔13为特征。

图1e示出了在制造的最后阶段后的TFT板。首先将该板加热，从而产生回流，所述回流导致了微小突起12的圆化，赋予其漫反射像素电极所需要的形貌。然后，以例如溅射的方法给TFT板的表面涂覆高反射金属(例如铝或银)14的层。

可通过等离子体沉积SiN_x:H到UV透明基板，例如石英板上，来形成SiN_x灰色调掩模。在一个实例中，在200到350摄氏度的温度下和50到200帕斯卡的压力下，以13.56MHz执行RF可容性耦合的(capacatively coupled)等离子体沉积。也可以使用其它的频率，温度和压力。尽管可以使用其它的混合物，但优选的沉积气体是硅烷、氨、氮和氢的混合物。在沉积的特定层中氮的比值x可从0.001到1.4变化，这使得材料的光学带隙从1.7eV升高到6.0eV。优选地，所使用的比值x为0.2到0.6，相关的带隙为2.1eV-2.5eV。图2的曲线图说明了根据沉积工艺中使用的NH₃(氨气)和SiH₄(硅烷气体)的比率，由等离子体沉积的SiN_x层表现出来的光学带隙Eopt。

通过在灰色调掩模中结合具有特定光学带隙的SiN_x，将观察到UV光透射率的特定百分比。图3示出了根据UV光的波长，由SiN_x的A、B和C三个不同层表现出来的透射率百分比的曲线图。层A的SiN_x的光学带隙是2.3eV，层B的为2.14eV。由C表示的层具有一层A和一层B的组合的光学带隙。通常，UV处理使用汞灯的g、h或i发射线，如图3上所示。

图4是表示SiN_x的D、E和F三个层透射特性的曲线图，三个层的每一个都具有2.3eV的光学带隙，并用递增的厚度沉积。层D具有60nm的厚度，E具有66nm的厚度，F具有78nm的厚度。尽管稍微影响了SiN_x层的透射特性，但与光学带隙相比，厚度具有相对小的影响，特别是对于h线波长处的UV光。当沉积厚度的高精确度不是很重要时，该特性有助于以低成本制造SiN_x灰色调掩模。

图5示出了制造本发明中使用的SiN_x光掩模的过程的实例。在第一个阶段，使用对UV透明的基板15上的等离子体沉积形成SiN_x的第一层16，其具有60nm的厚度和2.14eV的光学带隙。使用UV光的h线，该层具有35％的UV透射率，或可选择地当与2.3eV光学带隙的SiN_x层结合时具有23％的透射率。因此，然后使用公知的技术将该层图形化，从而只留下需要35％或23％透射率的区域。图5a是在其制造的第一阶段后掩模的横截面图。

在掩模制造工艺的进一步阶段中，将铬17的层沉积到基板15上，并图形化。在需要0％UV透射率的掩模区域中留下铬。另外，铬还留在需要35％透射率的区域中，即在先前沉积的SiN_x层16上。这样做是因为当沉积另外的SiN_x层时，铬层17用作第一SiN_x层16的遮挡层。图5b中示出了所得的掩模。

图5c是在具有60nm厚度和2.3eV光学带隙的第二SiN_x层18沉积和图形化后，掩模的横截面。其留在需要23％或54％透射率的掩模的区域中，通过将SiN_x的该层18与SiN_x的第一层16结合可获得23％的透射率。

图5d是第二次图形化铬层17后掩模的横截面。这样做是为了暴露需要35％透射率的区域，即沉积SiN_x的第一层16的区域。现在完成了该掩模，在该实施例中，其具有5个不同的透射特性，0％、23％、35％、54％和100％，如图5d中所示。

图6a到6c示出了结合SiN_x光掩模制造TFT AMLCD的DMSR(漫射微小斜面反射器)像素电极的方法。如前面已经描述过的，第一阶段包括将光可确定材料层19涂覆到预先制备好的TFT板20。在该实例中，层19是HD Microsystems HD-8001，并以大约500到3000rpm的公知旋涂技术进行涂覆，以产生大约2μm厚的聚酰亚胺。然后将与图5类似的光掩模21与TFT板对齐放置，UV光被引导通过其该掩模，从而曝光光可确定聚酰亚胺19。图6a中示出了该工艺中的该阶段，其中曝光区域22具有依赖于透射通过光掩模21的UV光的百分比的厚度。光掩模上的层是铬17，具有35％透射率的SiN_x的第一层16，具有54％透射率的SiN_x的第二层18。如先前提到的，两个不同的SiN_x层的组合提供了23％透射率。当从上面看时，在该实例中确定DMSR像素的微小突起的光掩模上的特征是正方形的，且是大约2μm宽。在该实施例中每个倾斜区域，例如图6a的倾斜区域具有大约5μm的长度。

图6b是在曝光的聚酰亚胺显影，并进一步进行加热工艺来产生回流后的TFT板的横截面图。这导致了除倾斜特征以外，反射型像素电极的表面形貌具有圆化的微小突起，其导致突起23、24、25逐渐增高。在该实例的最后阶段，使用溅射工艺将高反射的铝层26涂覆到TFT板上，当然还可以使用银。图6c中示出了所得的DMSR像素电极。

图7a描述了在其制造过程中一个阶段中的DMSR像素电极的横截面图。已经进行了光刻曝光阶段，且已经进行了光可确定聚酰亚胺的显影。在该实例中，TFT板25现在具有四个不同厚度的聚酰亚胺残留，表示为28、29、30和31。图7b中示出了像素电极32的平面图，以给出其布局的表示。在该实例中每个微小突起33都是正方形的，当然也可以使用诸如其它多边形或圆形的形状。为了提供可接受的LCD的观看区域，在每个像素32中还可以具有更多个微小突起33。

通过阅读本说明书，其它变化和修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。这些变化和修改包括在光掩模的设计、制造和使用中已经公知的等同物和其它的特征，其可以代替或附加到这里已经描述的特征。

Claims (11)

1.一种在器件板(2，20)上形成成形结构的方法，包括给所述板涂覆光敏层(6，19)，并在光刻工艺中使用灰色调光掩模(7，21)在该光敏层上形成所述成形结构，所述灰色调光掩模包括至少一个半透明材料的区域(8，16，18)，所述材料具有取决于所述材料光学带隙的透明度。

2.根据权利要求1的方法，其中在所述灰色调光掩模中使用的材料区域是氢化的富硅氮化硅SiN_x:H，x小于1。

3.根据权利要求1或2的方法，其中在形成液晶显示单元中的成形结构之前，所述方法还包括形成光掩模(7，21)的步骤，所述步骤包括：

在UV透明基板(15)上沉积所述半透明材料层，以形成所述半透明材料的区域(16)；

将所述半透明材料图形化；

在所述基板上沉积UV不透明材料层(17)；以及

将所述UV不透明材料层图形化。

4.根据权利要求3的方法，包括：

沉积具有与第一材料不同透明度的第二半透明材料层(18)，从而在所述UV透明基板上形成半透明材料的第二区域(18)，其中所述透明度取决于所述材料的光学带隙；以及

将所述第二半透明材料图形化。

5.根据权利要求4的方法，包括再次将所述UV不透明材料层(17)图形化。

6.根据权利要求3、4或5的方法，其中所述UV不透明材料(17)是Cr。

7.根据前述任意一个权利要求的方法，其中在所述光刻工艺中使用所述光掩模，以产生液晶显示器的所述漫反射像素电极的所述不规则的表面形貌。

8.根据权利要求7的方法，其中液晶显示器的所述漫反射像素电极的表面形貌具有多级厚度。

9.根据前述任意一个权利要求的方法，包括形成含有所述器件板的AMLCD。

10.一种液晶显示器件，通过前述任意一个权利要求的方法制造。

11.一种掩模，使用权利要求1中所述的方法构造。

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