JP2013195992A

JP2013195992A - 液晶表示装置およびその製造方法

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Publication number: JP2013195992A
Application number: JP2012066655A
Authority: JP
Inventors: Takahito Hiratsuka; 崇人平塚; Osamu Ito; 理伊東; Masanao Yamamoto; 昌直山本; Daisuke Sonoda; 大介園田; Toshimasa Ishigaki; 利昌石垣
Original assignee: Japan Display Inc
Current assignee: Japan Display Inc
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2013-09-30
Also published as: US9606389B2; US20130250199A1; CN103323987B; CN103323987A

Abstract

【課題】壁電極方式の液晶表示装置において、壁状構造の根元付近に発生する壁電極の断線を抑制するとともに、ギャップ形成時の圧力による層間絶縁膜の割れを抑制し、歩留まりを向上する。
【解決手段】マトリクス状に複数の画素が配置され、各画素は、画素境界に絶縁体の壁状構造１４と、前記壁状構造間に前記壁状構造より小さい壁状構造１５を備え、前記画素境界の壁状構造の側面に形成した壁状電極２１１、および当該壁状電極と繋がる、前記壁状電極が基板に接する面から平面方向に伸びる平面電極２１２から成る壁電極２１と、前記小さい壁状構造を覆うＴＦＴ側電極１６、および当該ＴＦＴ側電極と繋がる、基板の平面方向に伸びる保持容量電極１７から成る電極と、前記保持容量電極と前記平面電極との間に形成した層間絶縁膜２０を有し、前記画素境界の壁状構造１４の上面、側面および根元部分には、無機膜から成る層間絶縁膜２０が形成されていない。
【選択図】図１

Description

本発明は、壁電極方式の液晶表示装置に関し、特に、表示や信頼性を向上した液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、表示品質が高く、かつ薄型軽量、低消費電力などの特徴を備えていることから、小型の携帯端末から大型テレビに至るまで広く用いられている。

一方、液晶表示装置においては、視野角特性が問題であり、広視野角を実現するために、ＩＰＳ( In−Plane Switching )方式の液晶表示装置が提案されている。ＩＰＳ方式では、液晶分子を水平に寝かせた状態において、基板と平行な方向の電界を印加して液晶分子を水平面内で回転させることで、バックライトの光量を制御して画像を表示する。

特許文献１には、ｍ×ｎ個のマトリクス状の画素と、画素内のアクティブ素子と、所定電圧波形を印加する駆動手段と、画素内に上下基板間のギャップを一定に保つ電極対を有し、かつ前記電極対間に基板面に平行な電界を印加することにより液晶分子の配向状態を制御し光を変調し得る所定構造を有する液晶表示装置が、開示されている（要約参照）。

特開平６−２１４２４４号公報

上下基板間に電極対を有し、電極対間に基板面に平行な電界を印加することにより液晶分子の配向状態を制御する液晶表示装置を実現するために、本発明に先立って、画素境界に絶縁体の壁状構造と、前記壁状構造間に小さい壁状構造を有し、前記画素境界の壁状構造の側面を壁状電極で覆うとともに、前記小さい壁状構造の表面を電極で覆った液晶表示装置を検討した。

しかし、画素境界に配置した壁状構造をスペーサ（ＳＯＣ : Spacer on Color Filter）と併用する際、壁状構造上層に緻密で硬い無機膜であるSiNやSiO₂などの層間絶縁膜を形成すると、ＣＦ(Color Filter ）側基板と貼り合わせてギャップを形成する時に、層間絶縁膜が割れて液晶層の異物による輝点発生やギャップ変動が生じ、表示不良や信頼性の低下などの問題が生じる。

また、壁状構造上層に無機絶縁膜を介して電極を形成するプロセスにおいて、無機絶縁膜の膜厚が壁状構造側面の頂上部分で厚く根元部分で薄くなることから、無機絶縁膜上層に設ける電極が壁状構造側面の根元部分で断線しやすくなり、表示不良や信頼性の低下の問題が生じる。

本発明は、壁電極方式の液晶表示装置において、壁状構造の根元付近に発生する壁電極の断線を抑制するとともに、ギャップ形成時の圧力による層間絶縁膜の割れを抑制し、歩留まりを向上することを目的とする。

上記の課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本発明の液晶表示装置の一例を挙げるならば、マトリクス状に複数の画素が配置され、各画素は、画素境界に絶縁体の壁状構造と、前記壁状構造間に前記壁状構造より小さい壁状構造を備え、前記画素境界の壁状構造の側面に形成した壁状電極、および当該壁状電極と繋がる、前記壁状電極が基板に接する面から平面方向に伸びる平面電極から成る壁電極と、前記小さい壁状構造を覆うＴＦＴ側電極、および当該ＴＦＴ側電極と繋がる、基板の平面方向に伸びる保持容量電極から成る電極と、前記保持容量電極と前記平面電極との間に形成した層間絶縁膜を有する液晶表示装置において、前記画素境界の壁状構造の根元部分において、前記壁状電極と前記平面電極との接続部分の壁電極の厚さが厚く形成されているものである。

また、本発明の液晶表示装置の他の一例を挙げるならば、マトリクス状に複数の画素が配置され、各画素は、画素境界に絶縁体の壁状構造と、前記壁状構造間に前記壁状構造より小さい壁状構造を備え、前記画素境界の壁状構造の側面に形成した壁状電極、および当該壁状電極と繋がる、前記壁状電極が基板に接する面から平面方向に伸びる平面電極から成る壁電極と、前記小さい壁状構造を覆うＴＦＴ側電極、および当該ＴＦＴ側電極と繋がる、基板の平面方向に伸びる保持容量電極から成る電極と、前記保持容量電極と前記平面電極との間に形成した層間絶縁膜を有する液晶表示装置において、有機膜から成る前記画素境界の壁状構造が、配向膜を介して、カラーフィルタ側基板に接しているものである。

また、本発明の液晶表示装置の製造方法は、マトリクス状に複数の画素が配置され、各画素は、画素境界に絶縁体の壁状構造と、前記壁状構造間に前記壁状構造より小さい壁状構造を備え、前記画素境界の壁状構造の側面に形成した壁状電極、および当該壁状電極と繋がる、前記壁状電極が基板に接する面から平面方向に伸びる平面電極から成る壁電極と、前記小さい壁状構造を覆うＴＦＴ側電極、および当該ＴＦＴ側電極と繋がる、基板の平面方向に伸びる保持容量電極から成る電極と、前記保持容量電極と前記平面電極との間に形成した層間絶縁膜を有する液晶表示装置の製造方法であって、前記ＴＦＴ側電極および保持容量電極上であって、ＴＦＴ側の基板上の全面に、前記層間絶縁膜を形成するステップと、前記画素境界の壁状構造の上面、側面および根元部分の前記層間絶縁膜を除去するステップと、前記画素境界の壁状構造の側面から前記平面電極上に壁電極を形成するステップと、を含むものである。

本発明によれば、壁状電極と平面電極との接続部分の壁電極の厚さが厚く形成されていることにより、壁状構造の根元付近に発生する壁電極の断線を抑制することができる。また、有機膜から成る画素境界の壁状構造が、配向膜を介して、カラーフィルタ側基板に接していることにより、ギャップ形成時の圧力による層間絶縁膜の割れを抑制することができる。これにより、歩留まりが向上しコストを低減できる。

また、壁状構造をスペーサと併用することで、層数を削減でき、コスト低減に繋がる。

本発明の実施例１の液晶表示装置の画素の断面構造を示す図である。本発明の実施例１の液晶表示装置の画素の平面構造を示す図である。本発明の実施例１の層間絶縁膜のパターニングに適した位置を説明する図である。本発明の実施例２の液晶表示装置の画素の断面構造を示す図である。本発明の液晶表示装置の製造方法を説明する図である。本発明が適用される液晶表示装置の等化回路の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

先ず、図６に、本発明が適用される液晶表示装置の等化回路の一例を示す。基板１０２上に走査線１０４と信号線１０３がマトリクス状に配線され、走査線１０４と信号線１０３の各交点にはＴＦＴ(Thin Film Transistor )素子１１０を介して画素１０６が接続されている。走査線１０４と信号線１０３には、それぞれ走査駆動回路１０８および信号駆動回路１０７が接続され、走査線１０４および信号線１０３に電圧を印加する。基板１０２上には信号線１０３に平行にコモン線１０５を配設し、全ての画素にコモン電圧発生回路１０９からコモン電圧を印加できるようになっている。基板１０２と基板１０１との間には液晶組成物が封入されており、全体として液晶表示装置を構成している。

図１に本発明の実施例１に係わる一つの画素の断面構造を、図２に一つの画素の平面構造を示す。図１は、例えば図２のＡ−Ａ’面の断面構造を示すものである。基板上において、画素境界には絶縁体の壁状構造１４を設け、前記画素境界の壁状構造間には前記壁状構造より小さい壁状構造１５を設ける。壁状構造は、例えば有機膜で形成される。画素両端に配置した壁状構造１４には、側面を電極で覆った壁状電極２１１と壁状電極の基板に接する面から平面方向に伸びた平面電極２１２を形成する。この壁状電極２１１と平面電極２１２が電気的に繋がっているため、壁状電極と平面電極を併せて壁電極２１という。平面電極２１２と液晶層２４との間には、絶縁膜２２および配向膜２３が配置される。小さい壁状構造１５には、これを覆うようにＴＦＴ側の電極(以下、「ＴＦＴ側電極１６」という。)が形成され、小さい壁状構造の基板に接する面から平面方向にコモン電極(以下、「保持容量電極１７」という。)が形成される。保持容量電極１７と平面電極２１２の間には、層間絶縁膜２０が設けられており、この保持容量電極１７の上層に層間絶縁膜２０を介して平面電極２１２を形成することで、重畳面積が保持容量となる。

基板上に、壁状構造１４、小さい壁状構造１５、ＴＦＴ側電極１６および保持容量電極１７、層間絶縁膜２０、壁電極２１、絶縁膜２２、配向膜２３を形成することにより、ＴＦＴ側基板が構成される。
もう一方で、基板上に、ブラックマトリクス（ＢＭ：Black Matrix）２８、カラーフィルタ（ＣＦ）２７、ＣＦ側電極２６、保護膜（ＯＣ：Over Coat）２５を形成することにより、ＣＦ側基板が構成される。
そして、ＴＦＴ側基板とＣＦ側基板とが貼り合わせられ、両基板間に液晶層２４が封入される。

本実施例では、画素境界の壁電極２１間に、ＴＦＴ側基板に設けたＴＦＴ側電極１６と、カラーフィルタ側基板に設けたＣＦ側電極２６とが配置されている(以下、ＴＦＴ側電極１６とＣＦ側電極２６とを合わせて「疑似壁電極」という。)。本実施例では画素両端の壁電極をソース電極とし、擬似壁電極をコモン電極とするが、画素両端の壁電極をコモン電極とし、擬似壁電極をソース電極としてもよい。

上記の液晶表示装置の構成において、層間絶縁膜２０は、無機膜であるSiNやSiO₂などであることが好ましい。この理由は、無機膜であれば保持容量電極１７と平面電極２１２間の層間絶縁膜２０の膜厚を薄くできるため保持容量を形成しやすいからである。

しかしながら、画素境界の壁状構造１４の上層にも層間絶縁膜２０が形成されて、画素境界の壁状構造１４がスペーサとして機能すると、基板貼り合わせの際に層間絶縁膜２０がギャップ形成時の圧力によって割れる問題が生じる。層間絶縁膜２０の割れに起因して、液晶層２４に異物が混入し輝点発生やギャップ変動によって歩留まりが低下し、コストアップを生じる。

また、スパッタなどの成膜によって層間絶縁膜２０を壁状構造１４の上層に形成すると、層間絶縁膜２０は壁状構造側面の上部で堆積しやすいため、壁状構造上部の膜厚が厚くなる。一方、壁状構造の根元部分では絶縁膜が堆積しにくくなるため、膜厚が薄くなる。このことは、層間絶縁膜上層に形成する壁電極２１の場合も同様であり、膜厚が不均一である層間絶縁膜２０の上層に壁電極２１を形成すると、壁電極２１は壁状構造の根元部分で更に堆積しにくくなることから、壁状電極２１１と平面電極２１２との間が断線しやすくなる。以上のことから、壁状構造１４の上層に層間絶縁膜２０を形成すると、電極断線による歩留まり低下によって、コストアップが生じる。

これらの課題に対して、本発明では、図１に示すように、画素境界の壁状構造１４の上面、側面及び根元部分で層間絶縁膜２０を除去した構造を採用する。また、本発明は、図１に示されるように、画素境界の壁状構造１４の根元部分において、壁状電極２１１と平面電極２１２との接続部分の壁電極２１の厚さが厚く形成されているものである。また、本発明は、有機膜から成る画素境界の壁状構造１４が、配向膜２３を介して、カラーフィルタ側基板に接しているものである。

この構造にすることで、画素境界の壁状構造１４をスペーサＳＯＣと併用しても、ギャップ形成時の圧力が層間絶縁膜２０にかからないため、層間絶縁膜２０の割れを抑制できる。すなわち、液晶層２４への異物混入やギャップ変動などを防止できる。また、壁電極２１を形成する際、壁状構造１４の側面には層間絶縁膜２０が存在しないことから、壁状構造１４の根元部分における電極層が形成しやすくなり、膜厚を厚くできるため、壁状電極２１１と平面電極２１２の断線を防止できる。以上のことから、図１の構造にすることで、壁状構造１４をスペーサＳＯＣとして用いることができ、層数削減、液晶層への異物混入やギャップ変動の防止及び壁電極の断線による歩留まり低下を抑制し、コストを低減できる。

一方、製造プロセスには層間合わせずれが生じることから、画素構造にも層間合わせずれの影響を考慮する必要がある。層間合わせずれは、ある基準となる層から積層していった場合、基準となる層と形成した層との間にずれが生じる現象のことである。例えば、層間合わせずれの影響が層間に±0.5μｍ生じることを想定すると、層間絶縁膜２０の端部は保持容量電極１７の端部及び壁状構造１４の側面から少なくとも1μｍ以上離すことが必要である。この理由は、層間絶縁膜２０の端部から1μｍ未満しか離れていない場合、層間絶縁膜２０の端部と、保持容量電極１７の端部がそれぞれ＋0.5μｍ、−0.5μｍずれると、層間絶縁膜２０が保持容量電極１７を完全に被覆できないため保持容量電極１７と壁電極２１がショートする可能性があるからである。また、層間絶縁膜２０の端部と壁状構造１４側面がそれぞれ＋0.5μｍ、−0.5μｍずれると、層間絶縁膜２０が壁状構造１４の側面に形成されるため、層間絶縁膜２０がギャップ形成時の圧力によって割れる可能性があるからである。従って、図３に示すように、壁状構造１４の位置、保持容量電極１７の位置をそれぞれ0、Ｌ(μｍ)とすると、層間絶縁膜２０のパターニングに適した位置x(μｍ)は1≦x≦L−1(μｍ)である。この領域内で層間絶縁膜２０をパターニングすることによって、製造プロセスにおける層間合わせずれの影響が生じても、保持容量電極１７と平面電極２１２のショートを抑制し、壁状構造１４側面に層間絶縁膜２０が形成されることを防止できる。そして、安定して保持容量を形成でき、また、安定してギャップ形成が可能になる。

以上のことから、本発明の実施例１の構造は、壁状構造を壁電極の下地およびスペーサＳＯＣを併用しても、液晶層への異物混入、ギャップ変動および電極の断線を防止できるため、層数削減と歩留まり向上に繋がりコスト低減を実現できる。

図４に、本発明の実施例２の液晶表示装置の一つの画素の断面構造を示す。実施例１では擬似壁電極を形成するために、ＣＦ側基板にＣＦ側電極２６を配置しているが、図４に示される、ＣＦ側電極２６が存在しない断面構造においても、同様の作用効果を奏する。従って、本発明の実施例２の構造も、壁状構造を壁電極の下地およびスペーサＳＯＣを併用しても、液晶層への異物混入、ギャップ変動および電極の断線を防止できるため、層数削減と歩留まり向上に繋がりコスト低減を実現できる。

図５に、○囲い数字で本発明のＴＦＴ側基板の構造の層順を示す。そして、この層順に基づいて、以下に液晶表示装置の製造のプロセスフローを記載する。
(1)ＴＦＴ側の基板上に、信号配線１３をスパッタもしくはCVDなどによって全面形成し、所望のパターンになるようにフォトリソグラフィなどの技術によってパターニングする。信号配線の材料は金属(Al, Cu, Mo, Wなど)である。
(2)その上層に壁状構造となる絶縁膜をスピン塗布などによって全面形成し、フォトリソグラフィなどによってパターニングする。この際、大きい壁状構造１４および大きい壁状構造間の小さい壁状構造１５を、ハーフ露光などの技術によってパターニングしても、別々に形成してもよい。
(3)壁状構造上層にはコモン電極１７となるITO電極を全面に形成し、小さい壁状構造１５を覆うようにITOをパターニングする。
(4)コモン電極１７上層には層間絶縁膜２０となるSiNやSiO₂などの無機絶縁膜をCVD法などによって全面に形成し、大きい壁状構造１４の周辺ではSiNやSiO₂などをパターニングによって除去する。
(5)層間絶縁膜２０上層に壁電極２１となるITOをスパッタなどによって全面に形成し、所望のパターンになるようにパターニングする。
(6)以上のプロセスでは大きい壁状構造１４と小さい壁状構造１５間に穴が存在する。この穴を埋めるために絶縁膜２２となる有機絶縁膜材料をスピン塗布などによって全面に形成する。有機絶縁膜は、大きい壁状構造１４の頂上で除去してもよく、大きい壁状構造１４頂上に形成されていてもよい。図５は、有機絶縁膜を大きい壁状構造１４の頂上で除去した場合である。
(7)絶縁膜２２の形成後、配向膜２３を全面に形成する。そして、ラビングや光配向技術などによって配向膜に配向規制力を付与することによって、液晶を一定方向に配向させることができる。
(8)以上のプロセスで形成したＴＦＴ側基板と、ＣＦ側基板とを貼り合わせ、液晶層を封入することによって、液晶表示装置が完成する。

以上のプロセスにおいて、層間絶縁膜２０となる無機絶縁膜を全面に形成した後、大きい壁状構造１４の周辺の無機絶縁膜を除去し、その上層に壁電極２１をスパッタなどによって全面に形成することにより、大きい壁状構造１４の根元部分において、壁状電極２１１と平面電極２１２との接続部分の壁電極２１の厚さを厚く形成することができる。

１３信号配線
１４壁状構造
１５小さい壁状構造
１６ＴＦＴ側電極
１７保持容量電極
２０層間絶縁膜
２１壁電極
２１１壁状電極
２１２平面電極
２２絶縁膜
２３配向膜
２４液晶層
２５ＯＣ（オーバーコート）
２６ＣＦ側電極
２７ＣＦ（カラーフィルタ）
２８ＢＭ（ブラックマトリクス）
１０１基板
１０２基板
１０３信号線
１０４走査線
１０５コモン線
１０６画素
１０７信号駆動回路
１０８走査駆動回路
１０９コモン電圧発生回路
１１０ＴＦＴ素子

Claims

マトリクス状に複数の画素が配置され、各画素は、画素境界に絶縁体の壁状構造と、前記壁状構造間に前記壁状構造より小さい壁状構造を備え、
前記画素境界の壁状構造の側面に形成した壁状電極、および当該壁状電極と繋がる、前記壁状電極が基板に接する面から平面方向に伸びる平面電極から成る壁電極と、
前記小さい壁状構造を覆うＴＦＴ側電極、および当該ＴＦＴ側電極と繋がる、基板の平面方向に伸びる保持容量電極から成る電極と、
前記保持容量電極と前記平面電極との間に形成した層間絶縁膜を有する液晶表示装置において、
前記画素境界の壁状構造の根元部分において、前記壁状電極と前記平面電極との接続部分の壁電極の厚さが厚く形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
請求項１記載の液晶表示装置において、
前記画素境界の壁状構造の上面、側面および根元部分には、無機膜から成る前記層間絶縁膜が形成されていないことを特徴とする液晶表示装置。
請求項２記載の液晶表示装置において、
前記壁状構造の位置、保持容量電極の位置をそれぞれ０、Ｌ（μｍ）としたとき、前記層間絶縁膜のパターニング位置ｘ（μｍ）を、１≦ｘ≦Ｌ−１（μｍ）としたことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１記載の液晶表示装置において、
前記画素境界の壁状構造を、カラーフィルタ側基板とのスペーサとしたことを特徴とする液晶表示装置。
請求項１記載の液晶表示装置において、
カラーフィルタ側基板上にカラーフィルタ側電極を備え、前記ＴＦＴ側電極と前記カラーフィルタ側電極とを疑似壁電極としたことを特徴とする液晶表示装置。
マトリクス状に複数の画素が配置され、各画素は、画素境界に絶縁体の壁状構造と、前記壁状構造間に前記壁状構造より小さい壁状構造を備え、
前記画素境界の壁状構造の側面に形成した壁状電極、および当該壁状電極と繋がる、前記壁状電極が基板に接する面から平面方向に伸びる平面電極から成る壁電極と、
前記小さい壁状構造を覆うＴＦＴ側電極、および当該ＴＦＴ側電極と繋がる、基板の平面方向に伸びる保持容量電極から成る電極と、
前記保持容量電極と前記平面電極との間に形成した層間絶縁膜を有する液晶表示装置において、
有機膜から成る前記画素境界の壁状構造が、配向膜を介して、カラーフィルタ側基板に接していることを特徴とする液晶表示装置。
請求項６記載の液晶表示装置において、
前記カラーフィルタ側基板の近傍まで、無機膜から成る前記壁状電極が形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
請求項６記載の液晶表示装置において、
前記画素境界の壁状構造の上面、側面および根元部分には無機膜から成る前記層間絶縁膜が形成されていないことを特徴とする液晶表示装置。
請求項６記載の液晶表示装置において、
前記画素境界の壁状構造を、カラーフィルタ基板とのスペーサとしたことを特徴とする液晶表示装置。
請求項６記載の液晶表示装置において、
カラーフィルタ基板上にカラーフィルタ側電極を備え、前記ＴＦＴ側電極と前記カラーフィルタ側電極とを疑似壁電極としたことを特徴とする液晶表示装置。
マトリクス状に複数の画素が配置され、各画素は、画素境界に絶縁体の壁状構造と、前記壁状構造間に前記壁状構造より小さい壁状構造を備え、前記画素境界の壁状構造の側面に形成した壁状電極、および当該壁状電極と繋がる、前記壁状電極が基板に接する面から平面方向に伸びる平面電極から成る壁電極と、前記小さい壁状構造を覆うＴＦＴ側電極、および当該ＴＦＴ側電極と繋がる、基板の平面方向に伸びる保持容量電極から成る電極と、前記保持容量電極と前記平面電極との間に形成した層間絶縁膜を有する液晶表示装置の製造方法であって、
前記ＴＦＴ側電極および保持容量電極上であって、ＴＦＴ側の基板上の全面に、前記層間絶縁膜を形成するステップと、
前記画素境界の壁状構造の上面、側面および根元部分の前記層間絶縁膜を除去するステップと、
前記画素境界の壁状構造の側面から前記平面電極上に壁電極を形成するステップと、
を含むことを特徴とする液晶表示装置の製造方法。