DE69931094T2

DE69931094T2 - Flüssigkristall Anzeige mit einer SiOxNy mehrschichtigen Schwarzmatrix

Info

Publication number: DE69931094T2
Application number: DE69931094T
Authority: DE
Inventors: Tieer Troy Gu
Original assignee: Guardian Industries Corp
Current assignee: Guardian Industries Corp
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1999-02-08
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2019-02-09
Also published as: DE69931094D1; US6157426A; EP0936494A3; EP0936494A2; EP0936494B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Flüssigkristall-Display (LCD) mit einem Schwarzmatrix-System. Genauer gesagt betrifft diese Erfindung ein Flüssigkristall-Display mit einem vielschichtigen Schwarzmatrix-Bereich, der mindestens eine Siliciumoxinitrid-Schicht enthält.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Flüssigkristall-Displays (LCDs) mit Schwarzmatrizen sind dem Fachmann bekannt. Vergleiche die US-Patente 5,666,177; 5,682,211; 5,592,317 und 5,641,974, auf deren Offenbarungen hiermit Bezug genommen wird.
Schwarzmatrizen in LCDs dienen dem Zweck, Licht aus einer anderen Quelle als dem Display oder einzelner Pixel davon zu blocken, das andernfalls auf der Seite des Betrachters erscheinen und den Gesamtkontrast reduzieren würde. Um daher bei hohem Umgebungslicht einen zufrieden stellenden Kontrast zu erhalten, sind in LCDs Schwarzmatrizen (BMs) vorgesehen, die Licht absorbieren und reflektieren können müssen. Schwarzmatrizen befinden sich oft auf dem Farbfiltersubstrat und haben die Funktion, zu verhindern, dass Umgebungslicht den Kontrast des Displays reduziert. Damit dies effizient erreicht werden kann, muss die Reflexion von Licht durch die Schwarzmatrix minimal gehalten werden. Eine Reihe von Materialien sind herkömmlich für Schwarzmatrix-Anwendungen verwendet worden, einschließlich von CrO_x und Cr-Kombinationen, schwarzen Polymeren, schwarzen Polyimiden, SiO_x und Si Kombinationen und Si-reichem SiN_x.
Leider weisen die oben genannten herkömmlichen Schwarzmatrix-Materialien mindestens die folgenden Schwierigkeiten auf: (1) die Reflexion ist nicht niedrig genug für einige Display-Anwendungen (z.B. CrO_x/Cr, schwarze Polymere oder Polyimide, Si-reiches SiN_x), da die Lichtreflexion dieser Materialien im Bereich von etwa 1,5 bis 7,0% liegt (und damit zu hoch für einige LCD-Anwendungen); (2) einige dieser Materialien sind schwierig zu strukturieren und/oder zu ätzen (z.B. Polyimide, CrO_x/Cr); und/oder(3) sie sind sehr teuer (z.B. mit Elektronenstrahl aufgedampftes SiO_x/Si von Optical Coating Lab., Inc.).
Um eine niedrige Reflexion zu erreichen, ist es erstrebenswert, die Brechungsindizes von Schwarzmatrizen wenigstens an den Grenzflächen mit den Substraten, auf denen sie aufgebracht sind, im Wesentlichen anzugleichen. Siliciumdioxid hat einen Brechungsindex, der im Wesentlichen mit dem von Glas übereinstimmt (d.h. sehr nahe), jedoch im Wesentlichen nicht mit dem einer a-Si-Schicht, die üblicherweise mit Siliciumdioxid bei Schwarzmatrix-Anwendungen verwendet wird. Außerdem hat durch plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung (PECVD) gebildetes Siliciumnitrid einen Brechungsindex zwischen 1,8 und 2,2 und stimmt daher im Wesentlichen nicht immer überein mit Glas (Glas hat einen Brechungsindex von ungefähr 1,5). Dies ist problematisch, da mangelnde Nähe aneinandergrenzender Brechungsindizes Reflexion verursachen kann.
Aus den oben genannten Gründen besteht in der Technik offensichtlich ein Bedarf an einem verbesserten Schwarzmatrix-System/-Material und an einem Verfahren zur Herstellung desselben für Display-Anwendungen (z.B. LCD-Anwendungen). Erstrebenswert ist es, dass verbesserte Reflexionseigenschaften und/oder eine verbesserte Herstellung erzielt werden könnten.
Diese Erfindung will dem oben genannten Bedarf und weiteren Bedürfnissen abhelfen, die dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung dieser Erfindung ersichtlich werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schwarzmatrix, die weniger Licht und auch weniger sichtbare Lichtstrahlen reflektiert, zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine vielschichtige Schwarzmatrix für Display-Anwendungen zur Verfügung zu stellen, die mindestens eine Siliciumoxinitrid-Schicht (SiO_xN_y) enthält.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Schwarzmatrix zur Verfügung zu stellen, deren Brechungsindex in einigen Bereichen einstellbar oder änderbar ist zwischen Werten von etwa 1,5 bis 4,5, indem x und y einer Schicht oder mehrerer Schichten von z.B. SiO_xN_y variiert werden. Dies kann etwa dadurch erfolgen, dass die Gasanteile von SiH₄/NH₃/N₂O/H₂/N₂/O₂ (jedes dieser Gase oder jede Kombination hiervon) während einer plasma-unterstützten chemischen Dampfabscheidung (PECVD) geändert werden und dass eine oder mehrere SiO_xN_y Schichten in einem Schwarzmatrix-System verwendet werden.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Schwarzmatrix bereitzustellen, deren Absorptionskoeffizient variiert werden kann durch Änderung von x und/oder y in einer Schicht der Schwarzmatrixmaterial-Schicht(en).
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Schwarzmatrixmaterial bereitzustellen, das in Plasma geätzt werden kann.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Schwarzmatrixmaterial bereitzustellen, das mehr als einen Parameter (das heißt x, y und/oder z) aufweist, der variiert werden kann.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine vielschichtige Schwarzmatrix bereitzustellen, mit entweder abrupten Grenzflächen (z.B. SiO_x1N_y1/SiO_x2Ny₂/ .../SiO_xnN_yn) oder einer graduellen Grenzfläche (z.B. SiO_x(t)N_y(t)), die abgeschieden werden können. Vielschichtige Schwarzmatrix-Systeme mit abrupten Grenzflächen können abgeschieden werden, indem die Hochfrequenzleistung abgeschaltet wird, während der/die Gasanteile) geändert wird/werden, während ein Schwarzmatrix-System mit gradueller Grenzfläche gebildet werden kann mit eingeschalteter Hochfrequenzleistung bei gleichzeitiger Änderung des Gasanteils. In graduellen Ausführungen, sind die "x"- und "y"-Werte von SiO_xN_y oder ähnlichen Materialien in bestimmten Bereichen der Schicht abhängig von der Zeit, und in bestimmten weiteren Ausführungen hat jede SiO_xN_y Schicht mindestens einen Bereich (nahe der Grenzfläche mit einer angrenzenden Schicht), in dem "x" und/ oder "y" abhängig von der Zeit sind, und einen weiteren Bereich (nahe des Zentrums der Schicht), in dem "x" und/oder "y" im Wesentlichen konstant sind.
Allgemein ausgedrückt kann diese Erfindung die oben beschriebenen technischen Bedürfnisse erfüllen, indem ein Flüssigkristall-Display (LCD) bereitgestellt wird, das Folgendes umfasst:
ein aktives Substrat einschliesslich einer Vielzahl von Schaltgeräten (z.B. Transistoren oder Dioden);
ein passives Substrat einschliesslich einer gemeinsamen Elektrode hierauf;
eine Flüssigkristallschicht, die zwischen den aktiven und den passiven Substraten angeordnet ist, und
ein Schwarzmatrix-System auf dem passiven Substrat, wobei das Schwarzmatrix-System mindestens eine SiO_xN_y-Schicht mit einer Dicke umfasst, wobei „x" und „y" von SiO_xN_y jeweils über das gesamte Schwarzmatrix-System variieren.
Diese Erfindung erfüllt die oben beschriebenen technischen Bedürfnisse, indem ein Flüssigkristall-Display zur Verfügung gestellt wird wie in Anspruch 1 dargestellt.
Diese Erfindung wir nun beschrieben unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen, wie sie in den folgenden Zeichnungen veranschaulicht sind.
ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht eines Flüssigkristall-Displays (LCD) im Querschnitt mit einer Vielzahl von Pixeln gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung unter Verwendung eines Schwarzmatrix-Systems gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung.
2 ist eine Seitenansicht eines LCD-Pixels im Querschnitt gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung unter Verwendung eines Schwarzmatrix-Systems gemäß dieser Erfindung.
3 ist eine Seitenansicht eines Schwarzmatrix-Systems im Querschnitt gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung, das entweder in dem in 1 gezeigten Display oder in dem in 2 gezeigten Display verwendet werden kann.
4 ist ein Diagramm eines exemplarischen Schwarzmatrix-Systems gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung, in dem die Reflexion des Systems als Funktion der Dicke der zweiten SiO_xN_y-Schicht aufgezeichnet ist, während die Dicken der anderen Schichten konstant bleiben.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BESTIMMTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird genauer Bezug auf die Zeichnungen genommen, wobei in den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen.
1 zeigt ein Flüssigkristall-Display mit einem Schwarzmatrix-System 3 gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung aus der Seitenansicht im Querschnitt. Das Flüssigkristall-Display weist ein im Wesentlichen transparentes Aktivmatrix-Substrat 5 (z.B. Glas oder Plastik), ein im Wesentlichen transparentes Passivsubstrat oder Farbfiltersubstrat 7 (z.B. aus Glas oder Plastik), eine verdrillte nematische Flüssigkristall-Schicht 8, die sandwichförmig zwischen den beiden Substraten angeordnet ist, und umschaltbare Dünnschicht-Transistoren (TFTs) 9 auf dem aktiven Substrat 5 auf. Das "aktive" Substrat ist das Substrat, auf dem die Schalt geräte (z.B. TFTs 9 oder Dioden) aufgebracht sind. Jedes TFT schließt eine Torelektrode 15, die a-Si Halbleiterschicht 17, eine Quellenelektrode und eine Senken-Elektrode ein, wie im Stand der Technik bekannt. Das passive Substrat 7 (z.B. Farbfiltersubstrat in farbigen LCD-Anwendungen) umfasst die gemeinsame Elektrode 11 und die zahlreichen Segmente, die das schwarze (oder lichtundurchlässige) Matrixsystem 3 bilden. Die gemeinsame Elektrode 11 und die Pixelelektroden 13 (von denen jede elektrisch mit einem TFT 9 kommuniziert) sind beide im Wesentlichen transparent (z.B. aus Indium-Zinn-Oxid oder ITO) und nehmen sandwichförmig die Flüssigkristallschicht 8 so auf, dass durch das Anlegen unterschiedliche Spannungen an die Schicht 8 durch diese Elektroden das Display auf bekannte Weise einem Betrachter ein Bild zu emittieren vermag. Vergleiche z.B. US-Patent No. 5,641,974, welches hiermit als Referenz eingeführt wird. Der Begriff "im Wesentlichen transparent" bedeutet hier im Wesentlichen transparent für sichtbare Lichtwellenlängen.
Das Schwarzmatrix-Schichtensystem 3 ist auf dem passiven Substrat so angeordnet, damit Umgebungslicht (z.B. Sonnenlicht) nicht Bereiche zwischen Pixelelektroden 13 erreicht und die Kontrastverhältnisse des angezeigten Bildes reduziert. Die Schwarzmatrix ist üblicherweise zwischen aneinandergrenzenden Pixeln angeordnet und führt zu besseren Kontrastverhältnissen des Displays. Das Schwarzmatrix-System 3 kann direkt auf der Innenseite des passiven oder Farbfiltersubstrats 7 eingerichtet werden, wie in 2 zu sehen ist, oder auch an anderer Stelle auf der Innenseite des passiven Substrats. Wenn das Schwarzmatrix-System direkt auf dem Glas des Substrats 7 eingerichtet wird, sollte es gemäß bestimmter Ausführungsformen dieser Erfindung einen Brechungsindex (n) zwischen etwa 1,5 und 1,7 haben, der im Wesentlichen dem Glas-Substrat an der Grenzfläche zwischen dem Glas des Substrats 7 und dem Schwarzmatrix-System entspricht. Glas hat einen Brechungsindex von 1,5.
Schwarzmatrizen gemäß der unterschiedlichen Ausführungsformen dieser Erfindung können an jeder Stelle innerhalb des Displays angeordnet sein. Demnach kann entweder das aktive oder das passive Substrat verwendet werden, um Schwarzmatrizen zu tragen gemäß bestimmter Ausführungsformen der Erfindung. Solche Schwarzmatrizen können jede Form auf jedem Substrat annehmen.
2 zeigt einen anderen LCD-Pixel, der das Schwarzmatrix-System 3 verwenden kann. Dieser Pixel schließt ein aktives Substrat 5, ein Farbfilter- oder passives Substrat 7, TFT 9, eine Flüssigkristall-Schicht 8, eine TFT-Torelektrode 15, eine TFT-Senken-Elektrode 21, eine TFT-Quellenelektrode 23, eine a-Si-Halbleiterschicht 17, eine dotierte a-Si Kontaktschicht 25, eine Isolierschicht der Torelektrode 27 (z.B. Siliciumnitrid, Siliciumoxid), eine im Wesentlichen transparente, fotostrukturierbare organische Isolierschicht 29 mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als etwa 5,0, vorzugsweise etwa 3,5 und am besten weniger als etwa 3,0 (Schicht 29 kann aus fotostrukturierbarem BCB sein, bei Dow Chemical erhältlich, oder aus fotostrukturierbarem Fuji Clear, bei Fuji erhältlich), einen TFT-Kanalbereich 31, ein Durch- (Via) oder Kontaktloch 33 und eine im wesentlichen transparente Pixelelektrode 13 (z.B. aus ITO) ein, die elektrisch über den Via 33 die Quelle 23 kontaktiert und mit ihr kommuniziert. Weiter Bezug nehmend auf 2 werden, nachdem das Schwarzmatrix-System 3 gebildet worden ist, die Farbfilter (nicht dargestellt), eine gemeinsame Elektrode (nicht dargestellt) und ein Ausrichtungsfilm (nicht dargestellt) über der Schwarzmatrix auf bekannte Weise bereitgestellt. Ein Array der in 2 dargestellten Pixel wird in einem typischen Display so bereitgestellt, dass es ein Matrix-Array bildet. Für weitere Details zu dem in 2 dargestellten Display vergleiche US-Patent No. 5,641,974. Umgebungslicht 12 trifft aus der Richtung des Betrachters 4 auf das Display und dem Schwarzmatrix-System auf.
Die Displays der 1 und 2 sind vorzugsweise so ausgerichtet, dass das passive Substrat 7 näher am Betrachter 4 ist als das aktive Substrat 5 und dass die Hintergrundbeleuchtung 6 auf der Seite des aktiven Substrats des Displays bereitgestellt ist, so dass die von der Hintergrundbeleuchtung 6 emittierten Lichtstrahlen 10 durch das aktive Substrat 5 hindurchtreten, dann durch die Flüssigkristall-Schicht 8 und dann auf das Substrat 7 treffen. Das Schwarzmatrix-System 3 hindert Umgebungslicht, wie etwa Sonnenlicht oder anderes von der Seite des Betrachters kommendes Licht daran, den Kontrast des Displays zu reduzieren. Das Schwarzmatrix-System 3 absorbiert die meisten der umgebenden Lichtstrahlen 12 und reflektiert nur wenige, wodurch der Kontrast der angezeigten Bilder auf akzeptablen Niveaus bleibt. Vorzugsweise ist das Substrat, das mit dem Schwarzmatrix-System ausgestattet ist, dem Betrachter 4 am nächsten.
3 zeigt das vielschichtige Schwarzmatrix-System 3, das entweder in der in 1 gezeigten oder in 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann aus der Seitenansicht im Querschnitt. Alternativ kann das Schwarzmatrix-System 5 auf dem aktiven Substrat anstatt auf dem passiven Substrat bereitgestellt werden (besonders, wenn das aktive Substrat dem Betrachter am nächsten ist), obwohl das passive Substrat (oder Farbfiltersubstrat) der bevorzugte Träger für das Schwarzmatrix-System ist. Die Schwarzmatrix befindet sich vorzugsweise auf der Innenseite oder der Oberfläche des Substrats 7 (d.h. der Seite, die der Flüssigkristall-Schicht am nächsten ist). Die Matrix 3 ist so auf dem Substrat 7 aufgebracht, dass sie die Kanalbereiche des TFT 31, die Bereiche zwischen den Pixelelektroden und angrenzenden Adressleitungen und/oder die Bereiche zwischen aneinandergrenzenden Pixelelektroden (d.h. zwischen Pixeln) so abdeckt oder diesen entspricht, damit verhindert wird, dass unerwünschtes Licht den Kontrast des emittierten Bildes vermindert. Vergleiche die Anordnungen und Entwürfe der Schwarzmatrizen der US-Patente 5,641,974; 5,682,211; 5,666,177; 5,453,857; und 5,414,547, welche hiermit als Referenz eingeführt werden. Das vielschichtige Schwarzmatrix-System 3 gemäß dieser Erfindung kann in den Bereichen und Anordnungen verwendet werden die in jedem dieser Patente gelehrt werden, obwohl es vorzugsweise auf dem passiven Substrat angeordnet ist (d.h. dem Substrat, das nicht die Schaltgeräte [z.B. TFTs oder Dioden]) einschließt.
Weiter Bezug nehmend auf 3, ist das Schwarzmatrix-System 3 ein vielschichtiges System. In bestimmten Ausführungsformen schließt das Schwarzmatrix-System 3 (d.h. das im Wesentlichen für sichtbare Lichtstrahlen undurchlässige System) ein im Wesentlichen transparentes passives Substrat 7 ein, sowie erste 41, zweite 43 und dritte 45 SiO_xN_y Schichten, eine Licht absorbierende Schicht 47 (z.B. a-Si Halbleiterschicht) und eine lichtundurchlässige Metallschicht 49 (z.B. Mo oder Cr). Über Schicht 49 sind die Farbfilter des Displays, die gemeinsame Elektrode und eine passive Ausrichtungs- oder Polierschicht bereitgestellt. Demnach ist das Schwarzmatrix-System 5 an einer Position zwischen der Flüssigkristall-Schicht 8 und dem Substrat 7 angeordnet. Damit die Schwarzmatrix nur gering reflektiert, hat die Matrix 3 an Substrat 7 angrenzend einen Brechungsin dex (n) [d.h. von etwa 1,5 bis 1,7], der übereinstimmt oder im Wesentlichen übereinstimmt mit dem Index des Materials (z.B. Glas) des Substrats 7 an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Matrixmaterial und die verschiedenen aneinandergrenzenden Schichten von System 3 haben in einigen Ausführungsformen Brechungsindizes, die im Wesentlichen übereinstimmen, um Reflexionen zu reduzieren. Die graduelle im Gegensatz zur abrupten Verschiebung des Brechungsindex n von Substrat 7 zu Metallschicht 49 minimiert von Schwarzmatrix-System 3 ausgehende Umgebungsreflexionen.
Das Beschichtungssystem der Schwarzmatrix 3 hat mindestens die folgenden Vorteile: (1) der Brechungsindex des Systems 3 kann in den Siliciumoxinitrid-Bereichen variiert oder graduell zwischen etwa 1,5 (Glas-Substrat) und 4,5 geändert werden, indem "x" und "y" der SiO_xN_y (Siliciumoxinitrid) -Schichten variiert werden. Die Parameter "x" und "y" der Siliciumoxinitrid-Schichten) können dadurch variiert werden, dass die Gasanteile von SiH₄/NH₃/N₂O/H₂/N₂/O₂ während einer plasmanunterstützten chemischen Dampfabscheidung (PECVD), die zur Abscheidung der Siliciumoxinitrid-Schichten auf dem Substrat 7 verwendet wird, geändert werden, obwohl in vielen Ausführungsformen H₂, N₂ und O₂ nicht verwendet werden; (2) der Absorptionskoeffizient von System 3 kann ebenfalls durch die Änderung von x und y der Siliciumoxinitrid-Schichten variiert werden; (3) für Siliciumoxinitrid (SiO_xN_y) gibt es vielfache (d.h. mehr als einen) Parameter (z.B. x und y) die variiert werden können im Vergleich zu SiN_x oder SiO_x, bei denen nur der Parameter x variiert werden kann und dadurch wird die Flexibilität des Entwurfs und die potenzielle Effizienz des Systems dieser Erfindung maximiert; (4) Siliciumoxinitrid kann in Plasma wie CF₄/O₂, SF₄/O₂ oder jedem anderen bekannten Plasma trockengeätzt werden, wodurch es einfacher herzustellen ist; (5) die Siliciumoxinitrid-Bereiche des Systems 3 sind tatsächlich vielschichtig und können daher mit abrupter Grenzfläche (abrupten Grenzflächen) (Si-O_x1N_y1/SiO_x2N_y2/ .../SiO_xnN_yn) zwischen den Schichten 41 bis 45 hergestellt werden oder mit graduellen Grenzflächen (SiO_x(t),N_y(t)) zwischen den Schichten 41 bis 45. Bei abrupten Grenzflächen wird zwischen jeder Schicht 41, 43 und 45 die Hochfrequenzleistung abgeschaltet, so dass die Gasanteile von Schicht zu Schicht geändert werden können; auf diese Weise hat jede Schicht 41, 43 und 45 unabhängige und voneinander verschiedene, aber im Wesentlichen konstante x und y Werte in abrupten Ausführungsformen. Bei graduellen Grenzflächen zwischen Schicht 41, 43 und 45 bleibt die Hochfrequenzleistung der CVD-Apparatur bei der Abscheidung der Siliciumoxinitrid-Schichten eingeschaltet während die Gasanteile gerändert werden, wodurch ein stufenloser Übergang von x- und y-Werten zwischen den Ebenen 41 bis 45 entsteht; auf diese Weise sind die x- und y-Werte der Siliciumoxinitrid-Schichten) abhängig von der Zeit in Ausführungsformen dieser Erfindung mit graduellen Grenzflächen. In Ausführungsformen mit graduellen Grenzflächen kann die Änderung von x und/oder y in den Siliciumoxinitrid-Schichten durch die Gesamtheit aller Schichten 41, 43 und 45 eine annähernd lineare Funktion der Zeit sein oder optional eine krummlinige Funktion der Zeit durch die Gesamtheit aller Schichten 41, 43 und 45, oder sie kann optional nur nahe der Grenzflächen in Funktion der Zeit variieren, so dass ein erheblicher Bereich jeder Schicht 41, 43 und 45 einen im Wesentlichen konstanten x- und/oder y-Wert aufweist und dass nahe der Grenzflächenbereiche dieser Schichten x- und/oder y-Werte in Abhängigkeit von der Zeit variieren. Weitere Vorteile sind: (6) ein SiO_xN_y-Film kann durch andere Methoden der Dünnschichtabscheidung wie Sputtern oder Dampfabscheidung abgeschieden werden; Beim Sputtern kann SiO_x hergestellt werden, indem mindestens Si₃N₄ in O₂-Umgebungsplasma verwendet wird; und (7) die Reflexion der Schwarzmatrix kann optimiert werden, indem der Brechungsindex, der Absorptionskoeffizient und die Dicke jeder Siliciumoxinitrid-Schicht variiert werden.
In dieser Erfindung ist jede der Schichten 41, 43 und 45 aus Siliciumoxinitrid, wobei die erste abgeschiedene Schicht 41 zwischen etwa 5 und 200 nm dick ist (vorzugsweise zwischen etwa 70 und 90 nm dick und am meisten bevorzugt etwa 80 nm dick), die zweite abgeschiedene Schicht 43 zwischen etwa 5 und 500 nm (am meisten bevorzugt zwischen etwa 40 und 200 nm) und die dritte abgeschiedene Schicht 45 zwischen etwa 10 und 500 nm dick (vorzugsweise zwischen etwa 30 und 70nm und am meisten bevorzugt etwa 50 nm dick). Obwohl in 3 nur 3 Siliciumoxinitrid-Schichten dargestellt sind, kann die Anzahl solcher Schichten zwischen 2 und 10 variiert werden.
In der Ausführungsform in 3 kann die vierte Schicht 47 aus amorphem Silicium (a-Si) bestehen oder aus a-Si-reichem Silicium-oxinitrid. Amorphes Silicium ist ein Material, das dazu tendiert mehr Licht zu absorbieren, als jede der Schichten 41 bis 45, obwohl der Absorptionskoeffizient der Schichten 41 bis 45 nach oben oder nach unten angepasst werden kann, indem x und/oder y im Siliciumoxinitrid variiert werden. Die Absorptionsschicht 47 kann zwischen etwa 50 und 600 nm dick sein, vorzugsweise zwischen etwa 200 und 300 nm dick. Die aufliegende lichtundurchlässige Metallschicht 49 kann zwischen etwa 100 und 1000 nm dick sein, vorzugsweise zwischen etwa 200 und 600 nm dick, noch; besser zwischen etwa 200 und 300 nm dick und am besten etwa 200 nm dick. Die Metallschicht 49 kann aus Mo, Cr oder jedem anderen geeigneten Metall bestehen.
Umgebungslicht 12, welches das Display erreicht, setzt seinen Weg fort durch das Farbfiltersubstrat 7 und trifft auf die Schichten 41 bis 45. Jede der Schichten 41 bis 45 absorbiert Licht in gewissem Umfang und ihre Brechungsindizes minimieren die von System 3 ausgehende Reflexion. Ein Teil des Umgebungslichts tritt durch die Siliciumoxinitrid-Schichten 41 bis 45 und erreicht die Absorptionsschicht 47 (z.B. aus a-Si) und die Schicht 49. Die Schicht 47 hat die Funktion, eine erhebliche Menge des auftreffenden sichtbaren Lichts zu absorbieren (z.B. mehr als etwa 60% und vorzugsweise mehr als etwa 80%). A-si absorbiert beispielsweise größtenteils blaues und grünes sichtbares Licht, lässt aber kleine Mengen roten Lichts durch. Das Licht, welches durch die Schicht 47 tritt, trifft dann auf die lichtundurchlässige Metallschicht 49, die etwas von diesem Licht reflektiert. Das reflektierte Licht wird dann größtenteils von der a-Si Schicht 47 absorbiert und eine weitere Absorption reflektierter Lichtstrahlen erfolgt durch die Schichten 41 bis 45. Auf diese Weise erscheint das Matrix-System 3 dem bloßen Auge im Wesentlichen "schwarz" und kann eine Reflexion sichtbaren Lichts (z.B. 550 nm Lichtstrahlen) erreichen von weniger als etwa 1,0%, vorzugsweise weniger als etwa 0,80%, noch besser weniger als etwa 0,60% und am besten weniger als etwa 0,40% in bestimmten Ausführungsformen.
Die Verwendung des Begriffs "schwarz" für das Matrix-System dieser Erfindung bedeutet nicht, das alles völlig schwarz ist, sondern lediglich, dass das System 3 im Wesentlichen undurchlässig ist für die meisten Wellenlängen des sichtbaren Lichts, wenig Licht reflektiert und die typische Funktionsweise einer Schwarz matrix besitzt, wie im Stand der Technik bekannt.
Bezug nehmend auf 3 und 4 wurden – nicht einschänkend gemeinte – Beispiele dieser Erfindung simuliert, bei denen das Umgebungslicht 12 eine Wellenlänge von 550 nm hatte. Zuerst wurde das Substrat 7 bereitgestellt, wie in 3 dargestellt. Das transparente Substrat 7 hatte einen Brechungsindex "n" von 1,5 und einen "k"-Wert von 0 (d.h. n = 1,5; k = 0). Der Ausdruck "k" bezieht sich auf den imaginären Teil des Brechungsindex, der technisch als Extinktionskoeffizient bekannt ist, und kann oft durch die folgende Gleichung gekennzeichnet werden: k =(α λ)/4π wobei α der Absorptionskoeffizient ist und λ die Wellenlänge. Auf dem Substrat 7 befanden sich die SiO_xN_y Schichten 41, 43 und 45, wobei "x" und "y" dieser Schichten abrupt variiert wurden, um die unten dargelegten "n"- und "k"-Werte zu erreichen. In einem Beispiel für eine Ausführungsform war die erste Schicht 41 80 nm dick (n = 1,7; k = 0,05); die zweite Schicht 43 hatte in jedem Beispiel eine andere Dicke, wie mit Bezug auf 4 beschrieben wird (in allen Beispielen war in Schicht 43 n = 2,0; k = 0,05) und die dritte Schicht 45 hatte eine Dicke von 50 nm (n = 2,0; k = 0,10).
Dann wurde über den Schichten 41 bis 45 die a-Si Schicht 47 bereitgestellt bis zu einer Dicke von 250 nm (n = 4;0; k = 0,26) und danach wurde die Metallschicht 49 über der Schicht 47 gebildet, wobei Schicht 49 200 nm dick war (n = 3,6; k = 3,4).
Diese Schwarzmatrix-Struktur wurde dann mit optischen Modellen bei einer Lichtwellenlänge von 550 nm simuliert wie in 4 dargestellt, wobei die Dicke der zweiten Schicht 43 zwischen etwa 15 nm und 300 nm variiert wurde. 4 ist eine Aufzeichnung der Reflexionseigenschaften dieser Schwarzmatrix bei unterschiedlichen Dicken der zweiten Siliciumoxinitrid-Schicht 43 und konstanten Dicken aller anderen Schichten. 4 zeigt grafisch den Verlauf der Reflexion der Schwarzmatrix 3 gegenüber der Dicke (nm) der zweiten Schicht 43. Es ist erkennbar, dass durch System 3 eine prozentuale Reflexion von weniger als etwa 0,20% erreicht werden kann.
Es wird jetzt beschrieben, wie ein LCD gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung hergestellt wird. Zuerst wird das aktive Substrat einschließlich der TFTs und der Pixelelektroden darauf hergestellt, wie in US-Patent No. 5,641,974 beschrieben und veranschaulicht. Ein zweites transparentes, aber passives Glassubstrat 7 wird bereitgestellt. Die Siliciumoxinitrid-Schichten 41, 43 und 45 werden mittels PECVD in Sheet-Form direkt auf das Glassubstrat 7 abgeschieden und zwar im Wesentlichen über die gesamte Oberfläche des Substrats. Der Brechungsindex zwischen den Schichten 41, 43 und 45 kann im Bereich von etwa 1,5 und 4,0 geändert werden, indem "x" und/oder "y" des SiO_xN_y in jeder dieser Schicht variiert werden, wobei die Änderung dadurch erfolgt, dass bei dem PECVD-Prozess die Gasanteile von SiH₄/NH₃/N₂O und möglicherweise von anderen Gasen variiert werden. Der Absorptionskoeffizient des Siliciumoxinitrids kann ebenfalls durch Änderung von "x" und/oder "y" variiert werden. Vorzugsweise ist der Index "n" von Schicht 41 niedriger, als der von Schicht 43, der wiederum niedriger ist, als der von Schicht 45, wodurch der Brechungsindex von Schicht 43 einen Wert annimmt, der zwischen den Werten der Schichten 41 und 45 liegt, wobei der Wert von Schicht 41 dem Glas des Trägersubstrats am nächsten liegt.
Bei Ausführungsformen mit graduellen Grenzflächen werden die Schichten 41, 43 und 45 mittels PECVD abgeschieden, ohne dass die Hochfrequenzleistung der CVD-Apparatur bei Abscheidung aller drei Schichten abgeschaltet wird, während die Gasanteile (und damit x und y) sich in Abhängigkeit von der Zeit (t) ändern. Bei Ausführungsformen mit abrupten Grenzflächen werden drei Schichten 41, 43 und 45 so abgeschieden, dass an den Grenzflächen zwischen den Schichten die Hochfrequenzleistung abgeschaltet wird und die Gasanteile geändert werden, bevor die nächste Schicht abgeschieden wird. Demnach können die Schichten 41 bis 45 vollkommen getrennt voneinander abgeschieden werden, wobei jede solcher Schichten ihre eigenen, nur einmal vorkommenden, im Wesentlichen konstanten x- und/oder y- Werte besitzt (abrupte Ausführungsformen), oder alternativ können sie in einem kontinuierlichen CVD-Prozess abgeschieden werden, während die Gasanteile geändert werden (graduell), so dass x und y in Abhängigkeit von der Zeit variieren. In bestimmten Ausführungsformen dieser Erfindung werden die Siliciumoxinitrid-Schichten 41 bis 45 abgeschieden und x und y in diesen Schichten werden so variiert, dass das Delta der Werte "n" des Brechungsindex (oder der Unterschied zwischen den Werten "n") von unmittelbar aneinandergrenzenden Siliciumoxinitrid-Schichten nicht größer ist, als etwa 1,0 und das Delta der k-Werte unmittelbar aneinandergrenzender Siliciumoxinitrid-Schichten nicht größer, als etwa 0,05. Diese minimalen Änderungen des Brechungsindex und des k-Wertes im gesamten Stapel des Schwarzmatrix-Systems zwischen dem Glassubstrat 7 und der Metallschicht 49 minimieren die Reflexionen. Nachdem die Schicht 45 abgeschieden wurde, wird die Absorptionsschicht 47 (z.B. a-Si) mittels PECVD bis zu einer Dicke abgeschieden, die wesentlich größer ist, als die Dicke einer der Schichten 41, 43 und 45.
Nachdem die Schichten 41 bis 47 auf das Substrat 7 abgeschieden wurden, wird dieses Schichtensystem strukturiert und mit Fotoresist versehen und danach geätzt) um die Schichten 41 bis 47 so zu strukturieren oder zu formen, dass die Schwarzmatrix-Bereiche (z.B. zwischen den Pixeln) entstehen. Die Siliciumoxinitrid-Schichten 41 bis 45 können in bestimmten Ausführungsformen in F-basiertem Plasma trockengeätzt werden.
In bestimmten Ausführungsformen können die Schichten 41 bis 47 alle gleichzeitig in derselben RIE-Kammer geätzt werden. Es ist jedoch auch möglich, nur die Siliciumoxinitrid-Schichten 41 bis 45 abzuscheiden und sie allein in F-basiertem Plasma zu ätzen und danach die a-Si-Schicht 47 in dieselbe Struktur abzuscheiden und zu ätzen.
Nach diesem Strukturieren der Schichten 41 bis 47, wird die Metallschicht 49 (z.B. Molybdän) in Sheet-Form auf das Substrat 7 abgeschieden und strukturiert (z.B. durch Fotoresist und Ätzen) in derselben Struktur wie die darunter liegenden Siliciumoxinitrid- und a-Si-Schichten 41 bis 47. Das Ergebnis ist das Schwarzmatrix-System 3 auf Substrat 7 (siehe z.B. 2).
Eine alternative Vorgehensweise besteht darin, die Schicht 49 zusammen mit den Schichten 41 bis 47 zu strukturieren und zu ätzen.
Nachdem das System 3 hergestellt wurde, werden die Farbfilter auf dem Substrat über der Schwarzmatrix aufgebracht und strukturiert (so dass die Farbfilter die Schwarzmatrix überlappen) und dann werden die gemeinsame Elektrode (z.B. ITO) und ein Ausrichtungsfilm auf dem Substrat 7 über der Schwarzmatrix gebil det.
Optional können zusätzliche Siliciumoxinitrid-Schichten über Schicht 45 abgeschieden werden und in anderen Ausführungsformen können nur eine oder zwei Siliciumoxinitrid-Schichten auf dem Substrat 7 verwendet werden. Beispielsweise könnten vier oder mehr Siliciumoxinitrid-Schichten (z.B. bis zu etwa 10 bis 50, abhängig von den Reflexionsanforderungen) in bestimmten Ausführungsformen verwendet werden, oder nur eine oder zwei solcher Schichten in anderen Ausführungsformen. Ferner können Siliciumoxinitrid-Schichten zwischen der Metallschicht 49 und der a-Si-Schicht 47 angeordnet werden, um die Leistung der Schwarzmatrix zu verbessern.
Indem die Änderung der Brechungsindizes "n" zwischen unmittelbar aneinandergrenzenden Schwarzmatrix-Schichten durch Variieren von x und y des Siliciumoxinitrids minimiert wird, kann die erste Schicht 41 einen Brechungsindex n besitzen, der im Wesentlichen dem Glassubstrat 7[nicht 17!, Anm. d.Ü.] entspricht (z.B. 1,5 bis 1,7 gegenüber 1,5); wobei die zweite Schicht 43 einen geringfügig höheren Brechungsindex n hat (z.B. von etwa 1,7 bis 2,0) der im Wesentlichen dem von Schicht 41 entspricht; wobei die dritte Schicht 45 einen geringfügig höheren Brechungsindex n hat (z.B. etwa 3,0), der verhältnismäßig nahe an dem von Schicht 43 und von Schicht 47 liegt; und schließlich wird die a-Si-Schicht 47 so abgeschieden, dass ihr Brechungsindex von dem der angrenzenden Schicht 45 um nicht mehr als etwa 1,4 abweicht, vorzugsweise um nicht mehr als 1,0. Die Metallschicht 49 wird so über Schicht 47 abgeschieden, dass ihr Brechungsindex im Wesentlichen dem von Schicht 47 entspricht. Weil der Brechungsindex der Schichten 41 bis 45 graduell während des Abscheidungsprozesses geändert werden kann, gibt es keine wirklich gravierenden Unterschiede zwischen den Brechungsindizes aneinandergrenzender Schichten in System 3, so dass Reflexionen minimiert werden. In bestimmten Ausführungsformen variiert der Brechungsindex aneinandergrenzender Schichten in Matrix 3 um nicht mehr als etwa 1,0 (d.h. Δn ist bei unmittelbar aneinandergrenzenden Schichten in System 3 geringer oder gleich ungefähr 1,0) und der "k"- Wert aneinandergrenzender Siliciumoxinitrid-Schichten in Matrix 3 variiert um nicht mehr als etwa 0,15 (d.h. Δk ist bei unmittelbar aneinandergrenzenden Siliciumoxinitrid-Schichten geringer oder gleich ungefähr 0,15). Der große Wertebereich für Brechungsindizes n von Siliciumoxinitrid, der mittels PECVD erreicht werden kann und Änderungen der Gasanteile während des PECVD-Prozesses, reduzieren die Unterschiede (Δ) zwischen aneinandergrenzenden Brechungsindex-Werten in System 3 und minimieren dadurch Reflexionen.
Das Variieren von n und k unterschiedlicher Siliciumoxinitrid-Schichten, manchmal kombiniert mit dem Variieren der Dicke(n) einer beliebigen solchen Schicht oder aller solcher Schichten ermöglicht sehr geringe Reflexionen von Umgebungslicht und zwar geringer als oder gleich etwa 1% im sichtbaren Wellenlängenbereich von 380–760 nm. Das Optimieren von sowohl der Dicke als auch von n und k jeder Siliciumoxinitrid-Schicht machen es möglich, dass minimale Reflexionen, geringer oder gleich ungefähr 1 %, erreicht werden können.
Nach der hier erfolgten Offenlegung werden jedem Fachmann viele weitere Eigenschaften, Veränderungen und Verbesserungen offensichtlich. Derartige Eigenschaften, Veränderungen und Verbesserungen werden daher als Teil dieser Erfindung betrachtet, deren Umfang durch die folgenden Ansprüche bestimmt wird.

Claims

Flüssigkristall-Display mit: einem aktiven Substrat (5) einschließlich einer Vielzahl von Schaltgeräten (9); einem passiven Substrat (7) einschließlich einer gemeinsamen Elektrode hierauf; einer Flüssigkristallschicht (8), die zwischen den aktiven (5) und den passiven (7) Substraten angeordnet ist, einem Schwarzmatrix-System (3) auf dem passiven Substrat (7), dadurch gekennzeichnet, dass das Schwarzmatrix-System mindestens eine SiO_xN_y-Schicht (41, 43, 45) mit einer Dicke umfasst, wobei „x" und „y" von SiO_xN_y jeweils erheblich im gesamten Schwarzmatrix-System (3) variieren.
Display nach Anspruch 1, wobei „x" und „y" in der mindestens einen vorhandenen Si-O_xN_y-Schicht (41, 43, 45) so variieren, dass der Brechungsindex der SiO_xN_y-Schicht im Bereich zwischen etwa 1,5 und 4,5 schwankt.
Display nach Anspruch 1, wobei erste (41), zweite (43) und dritte (45) SiO_xN_y-Schichten in dem Schwarzmatrix-System vorgesehen sind, wobei die erste SiO_xN_y-Schicht an das passive Substrat (7) angrenzt und die zweite SiO_xN_y-Schicht zwischen der ersten (41) und der dritten SiO_xN_y-Schicht (45) liegt.
Display nach Anspruch 3, wobei jede der ersten, zweiten und dritten SiO_xN_y Schicht einen unterschiedlichen Brechungsindex „n" und einen unterschiedlichen „k"- Wert hat.
Display nach Anspruch 4, wobei der Brechungsindex „n" der ersten (41) SiO_xN_y-Schicht etwa zwischen 1,5 und 1,7, der Brechungsindex „n" der zweiten (43) SiO_xN_Y- Schicht etwa zwischen 1,75 und 2,50 und der Brechungsindex der dritten (45) SiO_xN_y-Schicht etwa zwischen 2,50 und 3,50 liegt.
Display nach Anspruch 4, wobei der „k"-Wert der ersten und zweiten SiO_xN_y Schicht (41, 43) zwischen 0 und 0,20 liegt.
Display nach Anspruch 1, wobei die Brechungsindices aneinandergenzender SiO_xN_y-Schichten nicht weiter als etwa 1,0 auseinander liegen.
Display nach Anspruch 1, wobei das Schwarzmatrix-System erste und zweite SiO_xN_y-Schichtbereiche jeweils mit einem unterschiedlichen Brechungsindex und einem unterschiedlichen „k"-Wert aufweist, und wobei das Schwarzmatrix-System (3) ferner eine Metallschicht (49) einschließt, die so auf dem passiven Substrat aufgebracht ist, dass die zweite SiO_xN_y-Schicht (43) zwischen der ersten SiO_xN_y-Schicht (41) und der Metallschicht (49) liegt.
Display nach Anspruch 8, wobei die zweite SiO_xN_y-Schicht (43) zwischen 5 und 500 nm dick und die Metallschicht (49) zwischen 100 und 1000 nm dick ist.
Display nach Anspruch 9, ferner einschließlich einer a-Si Schicht (47), die unterhalb der Metallschicht (49) aufgebracht ist.
Display nach Anspruch 1, wobei das Schwarzmatrix-System (3) weniger als etwa 1,0 % der auftreffenden, sichtbaren Lichtstrahlen reflektiert.
Display nach Anspruch 1, wobei das Schwarzmatrix-System (3) weniger als etwa 0,80 % der sichtbaren Lichtstrahlen von 550 nm reflektiert.
Display nach Anspruch 11, wobei das Schwarzmatrix-System (3) weniger als etwa 0,40 % der sichtbaren Lichtstrahlen reflektiert.
Display nach Anspruch 1, wobei das Schwarzmatrix-System (3) eine Grenzfläche zwischen dem Schwarzmatrix-System und einem der aktiven und passiven Substrate (5, 7) definiert; wobei das Schwarzmatrix-System (3) weniger als etwa 1,0 % der umgebenden sichtbaren Lichtstrahlen reflektiert; das Schwarzmatrix-System (3) unmittelbar an der Grenzfläche einen ersten Brechungsindex von etwa 1,5 bis 1,7 hat und das Substrat unmittelbar an der Grenzfläche einen zweiten Brechungsindex von etwa 1,4 bis 1,6; und wobei „x" und „y" von SiO_xN_y innerhalb des Schwarzmatrix-Systems variieren, damit der Brechungsindex des Materials in dem System variiert.
Verfahren zur Herstellung eines Displays, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellung eines im Wesentlichen transparenten Substrats; Bildung einer Schwarzmatrix-Struktur (3) auf dem Substrat dadurch, dass mindestens die folgenden Schritte ausgeführt werden: a) Abscheidung einer ersten Schicht oder eines ersten Bereichs auf dem Substrat, wobei die erste Schicht oder der Bereich erste, zweite und dritte chemische Elemente enthält, wobei die erste Schicht oder der erste Bereich einen ersten Anteil des ersten Elements, einen ersten Anteil des zweiten Elements und einen ersten Anteil des dritten Elements aufweist; b) Abscheidung einer zweiten Schicht oder eines zweiten Bereichs einschließlich der ersten, zweiten und dritten chemischen Elemente auf dem Substrat in der Weise, dass die erste Schicht oder der erste Bereich sich zwischen dem Substrat und der zweiten Schicht oder dem zweiten Bereich befindet, wobei die zweite Schicht oder der zweite Bereich eine zweite Menge des zweiten chemischen Elements und eine zweite Menge des dritten chemischen Elements enthält, so dass der Wert des Brechungsindex der zweiten Schicht oder des zweiten Bereichs höher ist als der Wert der ersten Schicht oder des ersten Bereichs und die zweiten Mengen sich von den ersten Mengen unterscheiden; und c) Bereitstellung einer dritten Schicht auf dem Substrat, wobei der Wert des Brechungsindex der dritten Schicht größer ist, als die Werte der ersten und zweiten Schichten/Bereiche; wobei das erste chemische Element Silicium, das zweite Element Sauerstoff und das dritte Element Stickstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die ersten und zweiten Schichten/Bereiche Siliciumoxinitrid enthalten und das Verfahren den Schritt der Abscheidung einer weiteren Sili ciumoxinitrid-Schicht einschließt, die zwischen der dritten und der zweiten Schicht angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner einschließlich variierender Gasanteile in einem Dampfphasenabscheidungsgerät, um die Mengen der zweiten und dritten chemischen Elemente von der ersten zur zweiten Schicht zu variieren.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei A, B und C jeweils die erwähnten ersten, zweiten und dritten chemische Elemente sind und wobei die ersten und zweiten Schichten/Bereiche aus AB_xC_y bestehen und wobei x und y variiert werden, um die Mengen der Elemente B und C in den ersten und zweiten Schichten/Bereichen zu verändern, mit variierenden Gasanteilen in einem Dampfphasenabscheidungsgerät, die dazu führen, dass x und y in der zweiten Schicht/dem zweiten Bereich anders sind als in der ersten Schicht/dem ersten Bereich, so dass die zweite Schicht/der zweite Bereich einen höheren Brechungsindex hat als die erste Schicht/der erste Bereich.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die ersten und zweiten Schichten Siliciumoxinitrid enthalten und das Verfahren ferner die Schritte der Bildung der Siliciumoxinitrid-Schichten mit plasmaunterstützter chemischer Dampfphasenabscheidung (PECVD) unter Variierung jeder Kombination von der Gasanteilen an SiH₄/NH₃/N₂O/H₂/N₂/O₂.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die ersten und zweiten Schichten Siliciumoxinitrid enthalten und wobei das Verfahren ferner den Schritt der Bildung der Siliciumoxinitrid-Schichten durch Sputtern oder Evaporation einschließt.