JP2006510068A - Lcdセルの成形構造の製造およびそのためのマスク - Google Patents
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Abstract
液晶ディスプレイセルに成形構造を形成する方法は、感光層(6)をトランジスタプレート(2)に塗布することと、グレー階調フォトマスク(7,21)を使用してフォトリソグラフィック工程において感光層に成形構造を形成することと、を含む。このマスクは少なくとも一つの半透過材料の領域(8,16,18)を具備し、その透過度は材料の光バンドギャップに依存する。
Description
本発明は、液晶ディスプレイの製造とその形体に関する。特に、本発明は、半透明マスクを使用して液晶ディスプレイ(LCD)セルに成形構造(shaped structure)を形成する方法に関する。
そのようなLCDの成形構造の一例は、薄膜トランジスタ(TFT)反射型アクティブマトリクス液晶ディスプレイ(反射型AMLCD)において使用されるような拡散反射型画素電極である。これは一般に不規則な上面トポグラフィ(topography)を使用して形成されるので、反射金属層、通常はアルミニウムまたは銀、で覆われたとき、入射光はLCDの視野エリアの一面に分散される。重要なことは、この分散が、実質的に広い視野エリアをもつこととその視野エリア内で適切な反射光の輝度を有することの兼ね合いを考慮するため制御されることである。この不規則な表面を形成する一つの知られた方法は、最初に感光層をAMLCDのTFTプレートに塗布する。この層は次に従来のフォトリソグラフィおよびエッチングによってパターニングされ、TFTプレートの各電極の表面上に多数のマイクロバンプを形成する。これにより、急勾配の側面をもつアイランドを備えた表面トポグラフィが得られ、それは次にリフローが生ずるように加熱され、より湾曲した表面トポグラフィが準備され、その表面トポグラフィが反射型金属コーティングで覆われる。
米国特許第6,163,405号に開示されるような拡散反射型画素電極を形成するより複雑な方法では、マイクロバンプを形成する前に、少なくとも一つの斜面がTFTプレート上の画素電極の表面に取り入れられる。このようにして、光は、TFTプレートに対して垂直ではないことがある好ましい視野エリアへ反射される。このタイプの傾斜型拡散反射器は、拡散マイクロ傾斜反射器(DMSR)と呼ばれる。
米国特許第6,163,405号は、画素電極上にこのような傾斜した表面を形成し、不規則なマイクロバンプをその上に形成するフォトリソグラフィを含むいくつかの方法を開示する。開示された主要な方法は、フォトリソグラフィの多重露光シフト方法の一部として単一のフォトマスクを多数回使用することにより、様々な高さをもつ不規則な隆起を生成することに関連する。フォトマスクは、小さい紫外線透過スロットを除いて紫外線不透過であるマスクの上に並べられる。紫外線光は次にマスクを通して、画素電極に塗布された感光材料層へ向けられる。ポジ型フォトリソグラフィでは、紫外線光は感光材料を露光するため使用され、露光されたエリアは現像段階中に取り除かれる。逆に、ネガ型フォトリソグラフィは、現像段階中に、紫外線光が照射されなかった感光材料のエリアを取り除く。
ある紫外線強度の紫外線照射後、透明スロットを備えたマスクは少しだけシフトされ、さらなる露光ステップが、異なる紫外線強度または露光時間で実行される。これは何回も実行されるので、現像後に、画素電極表面は、その表面トポグラフィ上に不規則な階段状の隆起線が残される。さらなるマスクが、次に、稜の表面上にマイクロバンプを作成するため使用され、マイクロバンプは次にリフローをプロパゲート(propagate)するため加熱される。これは、DMSR画素電極に最適化された視野エリアを提供する。しかし、LCDディスプレイの生産において、多重紫外線露光は非常に時間がかかりコスト高である。さらに、AMLCD工場で使用される標準的なフォトリソグラフィックアライナーは、一般に多重露光シフトのための設備を備えていない。したがって、米国特許第6,163,405号に開示されたこの特有の多重露光方法は、LCDディスプレイの大量生産での使用のためには非現実的である。
米国特許第6,163,405号に開示された別の方法は、中間調マスクとしても知られるグレー階調マスクを使用する。これは、光に対して少なくとも一つの半透明性を示すエリアを有するフォトマスクである。その結果として、設定露光時間に亘ってある一定の強度の紫外線がこのマスクを通して加えられ、感光材料の多数の露光レベルを生成することが可能である。たとえば、感光材料で覆われ、グレー階調マスクを通して1回の紫外線照射を受けたLCDのための基板は、現像されると、フォトリソグラフィの多重露光シフト方法を使用して作成されたものと同じ多重レベル表面トポグラフィを有する。
グレー階調フォトマスクを生産するための一つの方法は、透過アパーチャの精細なパターンを、そうしなければ不透過であり、紫外線透過量を部分的に削減するマスクの上に作成する。さらに、マスクを透過する光は回折され、したがって、分散されるので、感光材料を露光するため使用されるとき、かなり均一な露光が実現される。アパーチャのサイズを変えることにより、様々なパーセンテージの紫外線光がマスクを通過させられる。これらのタイプのグレー階調マスクは、殆ど任意の形状で生産することが可能である。しかし、それらの主要な欠点は、たとえば、LCDの拡散反射型画素電極を生産するときのように2μm未満の非常に小さい形状が要求されるとき、それらを生産するために非常に高いコストがかかることである。さらに、マスク上の形体のエッジにおける回折は、その形体の鮮明さを不足させるので、マスクの精度が制限される。これらの欠点のため、回折マスクの使用が産業上のある種の応用で非現実的になる。
本発明は、フォトリソグラフィック生産工程において水素化されたシリコンリッチ窒化ケイ素のような材料と共にグレー階調フォトマスクを使用するAMLCDセルの成形構造体の生産に伴うコストを削減する方法を提案する。シリコンリッチ窒化ケイ素(SiNx)マスクは、小さい形状が要求されるときでも比較的安価に生産できる。
本発明の一態様によれば、装置プレート(たとえば、トランジスタプレート)に成形構造体を形成する方法であって、感光層を上記プレートに塗布することと、少なくとも一つの半透過材料の領域を具備し、上記材料がその材料の光バンドギャップに依存するある程度の透過度を有するグレー階調フォトマスクを使用してフォトリソグラフィック工程において感光層に成形構造体を形成することと、を含む方法が提供される。
本発明は、さらに、上記フォトリソグラフィック工程においてこのようなフォトマスクを使用し、上記液晶ディスプレイの拡散反射型画素電極のための不規則な表面トポグラフィを生成する方法を提供する。上記液晶ディスプレイの上記拡散反射型画素電極のための上記表面トポグラフィは多数の厚さの度合いを有する。
グレー階調フォトマスクで使用される材料領域は、水素化されたシリコンリッチ窒化ケイ素SiNx:Hであり、ただし、xは1未満である。
本発明による有利な特徴は特許請求の範囲に記載される。これらの特徴およびその他の特徴は、添付図面を参照して、一例として、以下に記載される本発明の具体的な実施形態において説明される。
図1a〜1eは、SiNxグレー階調マスクを使用して、AMLCDで使用する拡散反射型画素電極の生産方法の一実施形態を示す。本実施例では、AMLCDは拡散マイクロ傾斜反射(DMSR)形体の無いマイクロバンプを組み込む。
図1aは、図1b〜1eに製造工程が表された拡散反射型TFT電極を組み込むアクティブマトリクス液晶ディスプレイ(AMLCD)装置を示す。液晶1はTFTプレート2とガラス基板3との間に介挿される。また、赤画素、緑画素および青画素の配列を設けるため、赤領域、緑領域および青領域のパターンに並べられたカラーフィルタ層4が表されている。TFT5は行電極および列電極(図示せず)によって切り換えられる。
図1bは、感光性ポリマー6の層が塗布された後に、AMLCDで使用されるようなTFT画素電極プレート2の断面図である。このポリマーは、ポリイミド、アクリル、または、フォトレジストのような材料で構成される。一実施例では、使用された材料はHDマイクロシステムズによって生産されるようなポジ型階調の水性現像型感光性HD−8001ポリイミドであった。これはスピニングまたはスクリーン印刷のような既知の方法を使用して塗布される。また、図1bには、生産工程におけるフォトリソグラフィック段階の間に利用されるSiNxグレー階調マスク7が示されている。このマスクは、半透過SiNx層8と不透過クロム層9の紫外線透過マスク基板10への堆積によって形成される。マスクの領域10Aは層8または9で覆われないので、紫外線光を通す。
マスク7はTFTプレートと位置を合わせて設置され、紫外線光は、TFTプレート2上の感光性ポリイミドコーティング6を露光するため、TFTプレートを通る方向へ向けられる。図1cは工程におけるこの段階を表し、紫外線照射後にポリシリコンの露光領域11が生じたTFTプレート2を示す。マスクのクロム領域の直下にあるポリシリコンのエリアは、クロムの不明瞭な特性のために、露光されない。これらは、図面に0%Trとマークされ、紫外線の透過率は0%と示される。領域10Aのようなマスクの紫外線透過領域の直下にある感光性ポリイミドのエリアは十分に露光され、SiNx領域8の下にあるこれらのエリアは、たとえば、35%Trとしてマークされるように部分的に露光され、その露光量は使用されたSiNxの光学特性に依存する。このフォトリソグラフィック工程は、マイクロバンプ12とTFT電極5への接続用のバイア13とを画成するため使用される。ポジ型フォトリソグラフィにおいて、紫外線照射量に依存した一定の厚さの露光された感光性ポリイミド6は次に現像段階で取り除かれる。
図1dは、感光性ポリイミド6の現像段階後のTFTプレートの断面図である。ポリイミドの露光エリア11は取り除かれたところであり、ポリイミドの表面トポグラフィは、今度はマイクロバンプ12と、画素電極5の接触のためのバイア13の形体を表す。
図1eは生産の最終段階後のTFTプレートを示す。このプレートは、最初に、マイクロバンプ12に丸みを付けるリフローを起こすため加熱され、拡散反射型画素電極のために必要なトポグラフィをマイクロバンプに与える。次に、アルミニウムまたは銀のような高反射金属層14がスパッタリングのような方法においてTFTプレートの表面に塗布される。
SiNxグレー階調マスクは、SiNx:Hを水晶プレートのような紫外線透過基板へプラズマ堆積することにより形成される。一実施例では、RF容量結合プラズマ堆積が13.56MHz、摂氏200〜350度の範囲内の温度、および、50〜200パスカルの範囲内の圧力で実行された。その他の周波数、温度および圧力も使用できる。好ましい蒸着ガスは、シラン、アンモニア、窒素および水素の混合物であるが、その他の混合物を使用してもよい。堆積された特有の層内の窒素の割合xは、0.001から1.4まで変化し、その結果として、材料の光バンドギャップが1.7eVから6.0eVまで増加する。好ましくは、使用される割合xは、2.1eV〜2.5eVのバンドギャップに関連した0.2〜0.6である。図2は、堆積工程で使用されたSiH4(シランガス)に対するNH3(アンモニアガス)の比に従ってプラズマ堆積したSiNxの層によって示される光バンドギャップEoptのグラフである。
特定の光バンドギャップのSiNxをグレー階調マスクに組み込むことにより、特定の紫外線光透過度が観察される。図3は、3種類のSiNxの層A、BおよびCによって示された透過度を紫外線の波長に従って示すグラフである。層AのSiNxの光バンドギャップおよび層Bの光バンドギャップは2.14eVである。Cで表された層は、Aの1層とBの1層の組み合わせの光バンドギャップをもつ。典型的に、紫外線処理は、図3に示されるように、水銀光のg、hまたはiの基線を使用する。
図4は、それぞれが2.3eVの光バンドギャップをもち、厚さを増加させて堆積させられたSiNxの3層D、EおよびFの透過特性を表すグラフである。層Dの厚さは60nmであり、層Eは66nmであり、層Fは78nmである。SiNx層の透過特性に僅かに影響を与えるが、厚さが与える影響は、特に、h線波長の紫外線光に対して、光バンドギャップよりもかなり小さい。これはSiNxグレー階調マスクの低コスト生産に貢献するが、その理由は堆積厚に関する高い精度が重大ではないからである。
図5は本発明で使用されるようなSiNxフォトマスクの製造工程の一実施例を示す。第1段階において、紫外線透過基板15へのプラズマ堆積が、60nmの厚さと2.14eVの光バンドギャップをもつ第1のSiNx層16を形成するため使用される。紫外線光のh線を使用すると、この層は、35%の紫外線透過率を有し、或いは、光バンドギャップが2.3eVであるSiNx層と組み合わせて使用されるときには、23%の紫外線透過率を有する。したがって、その層は、次に、既知の技術を使用してパターニングされ、35%または25%の透過率が要求される領域だけをそのまま残す。図5aはSiNxフォトマスクの生産のこれらの第1段階後のマスクの断面図である。
マスクの生産工程のさらなる段階において、クロム層17が基板15に堆積され、パターン付けされる。クロムは0%の紫外線透過率が要求されるマスクの領域に残される。その上、クロムは35%の紫外線透過率が要求される領域にも、すなわち、前に堆積したSiNx層16の上に残される。これは、さらなるSiNx層が堆積させられるとき、クロム層17が第1のSiNx層16へのシールド層として働くように行われる。得られたマスクは図5bに示されている。
図5cは、厚さが60nmであり、光バンドギャップが2.3eVである第2のSiNx層18の堆積およびパターン付け後のマスクの断面図である。これは23%または54%の透過率が要求されるマスクの領域に残され、23%は第1のSiNx層16と組み合わされたこのSiNx層18によって実現される。
図5dはクロム層17の第2のパターニング後のマスクの断面図である。これは、35%の透過率が要求される領域、すなわち、第1のSiNx層16が定積した領域を照射するため行われる。マスクはここで完成し、本実施例では、図5dに示されるように0%、23%、35%、54%および100%の5種類の透過特性を有する。
図6a〜6cは、TFT AMLCDのためのDMSR(拡散マイクロ傾斜反射器)画素電極を生成するため、SiNxフォトマスクを組み込む方法を示す。既に説明したように、第1の段階は感光性材料層19の予め準備されたTFTプレート20への塗布に関連する。本実施例では、層19はHDマイクロシステムズ製HD−8001であり、約2μmのポリイミド厚を生成するため、従来の約500〜3000rpmのスピンコーティングの技術を使用して塗布される。図5のフォトマスクと類似したフォトマスク21は、次に、TFTプレートと位置を合わせて設置され、紫外線光は感光性ポリイミド19を照射するためフォトマスクを通される。工程におけるこの段階は図6aに示され、露光領域22はフォトマスク21を通る紫外線光透過率に依存する。フォトマスク上の層は、クロム17、35%の透過率をもつ第1のSiNx層16、および、54%の透過率をもつ第2のSiNx層18である。上述のように、2種類のSiNx層の組み合わせは23%の透過率を提供する。本実施例においてDMSR画素のマイクロバンプを画成するフォトマスク上の形体は、上方から見たときに四角形であり、約2μmの幅である。図6aの領域のようなそれぞれの傾斜領域は本実施例では約5μmの長さを有する。
図6bは、露光ポリイミドの現像と、リフローを起こすためのさらなる加熱工程の後のTFTプレートの断面図である。これにより、丸みが付けられたマイクロバンプを有し、さらに、バンプ23、24および25を徐々に高くさせる傾斜した形体を有する反射画素電極の表面トポグラフィが得られる。本実施例の最終段階では、銀を用いても構わないが、高反射アルミニウム層26がスパッタリングの工程を使用してTFTプレートに塗布される。得られたDMSR画素電極は図6cに示されている。
図7aは、製造のある段階におけるDMSR画素電極の断面図を表す。フォトリソグラフィック露光段階が実行され、感光性ポリイミドの現像が次に生じている。本実施例では、TFTプレート25には、このとき、28、29、30および31として表されるように4種類の厚さのポリイミドが残っている。画素電極32の平面図は図7bに示され、そのレイアウトを表示する。マイクロバンプ33のそれぞれは、本実施例では四角形であるが、その他の多角形または円形のような形状を使用してもよい。また、満足できるLCDの視野エリアが与えられるように、1画素32ごとのマイクロバンプ33をさらに多数にしてもよい。
以上の開示内容を読むことにより、その他の変形および変更が当業者にとって明白であろう。このような変形および変更は、フォトマスクの設計、製造および使用において既に知られ、本明細書中に記載された特徴に代えて、若しくは、加えて使用される等価的な特徴およびその他の特徴を含む。
Claims (11)
- 装置プレートに成形構造を形成する方法であって、
感光層を前記プレートに塗布し、
材料の光バンドギャップに依存する透過度を有する少なくとも一つの半透過材料の領域を備えたグレー階調フォトマスクを使用してフォトリソグラフィック工程において前記感光層に前記成形構造体を形成する、
ことを含む方法。 - 前記グレー階調フォトマスクに使用される前記材料の領域が、xは1未満であるとして、水素化されたシリコンリッチ窒化ケイ素SiNx:Hであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 液晶ディスプレイセルに前記成形構造体を形成する前に、
前記半透過材料の領域を紫外線透過基板に形成するため、前記半透過材料の層を堆積し、
前記半透過材料をパターニングし、
紫外線不透過材料の層を前記基板に堆積し、
前記紫外線不透過材料の層をパターニングし、
前記フォトマスクを形成するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。 - 半透過材料の第2の領域を前記紫外線透過基板に形成するため、当該材料の光バンドギャップに依存し、第1の材料とは異なる透過度を有する第2の半透過材料の層を堆積し、
前記第2の半透過材料をパターニングすることを特徴とする、
請求項3に記載の方法。 - 前記紫外線不透過材料の層に再度パターニングすることを特徴とする、請求項4に記載の方法。
- 前記紫外線不透過材料がCrであることを特徴とする、請求項3、4または5に記載の方法。
- 前記フォトマスクが液晶ディスプレイの拡散反射型画素電極のための不規則な表面トポグラフィを生成するため前記フォトリソグラフィック工程において使用されることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記液晶ディスプレイの前記拡散反射型画素電極のための前記表面トポグラフィが多数の厚さのレベルを有することを特徴とする、請求項7に記載の方法。
- 前記装置プレートを含むAMLCDを形成することを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1から9のいずれか一項に記載の方法によって製造されたことを特徴とする、液晶ディスプレイ装置。
- 請求項1に記載の方法で使用するため作られたマスク。
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