JP2661963B2 - 液晶表示装置およびその製造方法 - Google Patents

液晶表示装置およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、支持プレートと被覆プレートとの間に液晶
媒体を有する液晶表示装置であって、これらプレートの
うちの少なくとも一方が透明であり、各プレートに少な
くとも、導電材料を有する層が設けられ、必要に応じ各
プレートに液晶媒体の側で保護材料の層が設けられてい
る液晶表示装置に関するものである。
本発明はまたこのような表示装置を製造する方法にも
関するものである。
上述した表示装置は例えばカラーテレビジョン或いは
データ表示用の（カラー）モニタに、また例えばダッシ
ュボード（計器板）中の表示装置等に用いられている
も、これら表示装置は光学装置における光スイッチとし
て或いはその他の光学分野にも用いることができる。更
に、このような表示装置は投写テレビジョンにも次第に
用いられるようになっている。
支持プレートおよび被覆プレートは一般に２板のガラ
ス基板の形態をしており、これらガラス基板の上に電極
（金属パターン）が設けられている。これらの基板はこ
れらを機械的に剛固とするためにある所定の厚さを有し
ている。このように機械的に剛固するのは、これら基板
間にスペーサを設けた後にこれら基板を互いに押圧する
とともにしばしば同時に大気圧以下の圧力を加える為に
必要なことである。
一般に、上記のプレートの一方の上に予め堆積させた
所望寸法のファイバー或いは球体がスペーサとして選択
されている。これらのファイバー或いは球体の寸法には
ある程度の広がりがある為、液晶層の厚さにも局部的に
広がりが生じる。この広がりは、ダイオードおよびトラ
ンジスタのような電気的スイッチング素子や金属細条が
存在する為に支持プレートおよび被覆プレートの双方ま
たはいずれか一方に生じる不平坦性によっても増大す
る。0.5μｍ程度の表面の不平坦性は例外なく生じる。
特にセルの厚さが薄い（２〜３μｍ）場合には、この不
平坦度は無視できない。
この問題に対する部分的な解決策はドイツ連邦共和国
特許公開第3529581号明細書に開示されている。支持プ
レートの完成後、この支持プレートに樹脂或いはホトレ
ジストと絶縁層との均一層を被覆し、その後にスペーサ
をこの二重層から写真食刻的に形成している。次に、第
２の支持プレートすなわち被覆プレートをスペーサ上に
載せ、これと同時に、形成すべきセル中を大気圧以下の
圧力に保っている。
しかし、このような製造方法では種々の問題が生じ
る。まず第１に２つの支持プレートを互いに正しく位置
合わせする必要がある。さらに、セルの厚さが減少すれ
ばする程表示装置の側部からこれら表示装置に液晶材料
を充填するのが困難となる。
また、この方法では、液晶層の厚さに依然として変化
があること明らかであり、この変化は液晶層全体の厚さ
の10％或いはそれ以上になるおそれがある。これらの厚
さの変化（差）の大部分は、一方の支持プレートの不平
坦性がいわばレプリカである他方の支持プレートの設計
によって補償されないという事実によって生じるもので
ある。
本発明の目的は、前述した問題を殆ど解決し、厚さの
変化を特に薄肉液晶層において多くとも４％とした液晶
表示装置を提供せんとするにある。更に本発明の目的
は、少数の処理工程で上述した液晶表示装置を製造する
種々の方法を提供せんとするにある。
本発明は、液晶材料と、電極が設けられた支持プレー
トとを具える液晶表示装置において、 前記液晶材料が前記支持プレートと層の間に存在し、
この層の幾何学的形状が、前記電極が設けられている前
記支持プレートの幾何学的形状を追従しており、 前記層が複数の孔を有し、 前記支持プレートと前記層との間にスペーサが存在し
ている ことを特徴とする。
この場合、スペーサは例えば、支持プレートまで延在
する導電材料によって或いは例えば孔の領域に設けた硬
化させたホトレジストのような絶縁材料によって形成さ
れる。他の実施例ではこれらのスペーサを複数個の孔か
らほぼ等間隔に位置させる。
本発明は、被覆プレートと支持プレートとをこれらが
互いのレプリカを構成するように形成でき、しかもこの
ような構成は種々の孔を腐食用の孔として用いるアンダ
ーエッチング技術により技術的に容易に実現しうるとい
う認識を基に成したものである。表示装置を製造するの
にアンダーエッチング技術を用いるということ自体はド
イツ連邦共和国特許公開第2641283号明細書から既知で
ある。
本発明によれば、層の厚さを極めて薄く（0.1〜３μ
ｍ）、その厚さの変化を４％よりも小さくした表示装置
を製造することができる。このような装置は、例えば厚
さが薄い際に生じる例えば零次複屈折（ECB効果;Electr
ically Controlled Birefringence）のような液晶効果
に基づいて動作する表示媒体或いは強誘電表示媒体に極
めて適している。
セルの厚さは薄い為に、緩和時間は他の液晶材料（例
えば捩れネマチック液晶）を用いた場合にも短くなり、
このような材料を充填したセルは一層迅速に駆動しうる
ようになる。
本発明によれば、アンダーエッチング用の孔を、セル
に液晶を充填するために用いることができるという追加
の利点が得られる。セルの厚さが減少すると、セルにそ
の側部から液晶材料を充填する場合に粘性抵抗が著しく
増大し、充填時間が許容できない程度に長くなる。本発
明による装置で被覆プレートに複数の充填用の孔を設け
れば充填がより一層迅速に行なえる。
好適な実施例では、支持プレート用の材料として珪素
を選択する。この場合、制御電子素子を支持プレート内
に形成うしる。
本発明による表示装置の製造方法では、電極を具える
支持プレートを有する液晶表示装置を製造するに当り、 支持プレートに中間層を被覆し、この中間層に層を被
覆し、ここで、この中間層は、支持プレート及び前記層
が互いのレプリカを構成するように形成し、 前記中間層の一部を除去し、 これらの除去部分に液晶材料を充填する ことを特徴とする。
他の方法では、中間層を完全に除去する。このような
方法は、絶縁材料が少なくとも部分的に充填される凹所
を前記の中間層に設けることを特徴とする。
図面につき本発明を説明する。
図面は線図的なものであり、実際のものに正比例して
描いておらず、また対応する素子には同一符号を付して
ある。
第１図は本発明による一例の液晶表示装置１を示す平
面図であり、第２図は第１図のII−II線上を断面として
矢の方向に見た断面図である。本例の液晶表示装置は珪
素より成る支持プレート２を有し、この支持プレート２
内には半導体回路が本例ではMOSトランジスタ３を以っ
て形成されている。
スイッチとして動作するこれらMOSトランジスタ３は
行電極４と列電極５との交点の区域に位置している。こ
れらトランジスタ３はスイッチ・オン状態で列電極５を
画像電極６に接続する。この目的の為に、これらMOSト
ランジスタのソース領域７およびドレイン領域８をそれ
ぞれ列電極５および画像電極６に接続し、行電極４は、
ソースおよびドレイン領域7,8間のチャネル領域から薄
肉ゲート酸化物10によって分離されたゲート電極９を介
してトランジスタ３のスイッチ・オンおよびスイッチ・
オフ状態を制御する。支持プレート２を構成する半導体
本体はチヤネル領域の外部で例えば酸化珪素より成る絶
縁層11で被覆されており、ソース領域７およびドレイン
領域８に接点を形成するための接点孔12が設けられてい
る。
トランジスタおよび電極のアセンブリには保護層13が
被覆されており、この保護層は必要に応じ、使用すべき
液晶に対する配向層として作用させることもできる。
表示装置は更に、酸化アルミニウムの保護層15と透明
な導電材料、例えば酸化鉛インジウムの層16とより成る
第１被覆プレート14を有している。
本発明によれば、層16に少なくとも１つの孔17をあけ
る。本例では被覆プレート14が二重層15,16にあけられ
た複数個の孔17を有しており、液晶表示装置には更に、
本例の場合酸化マグネシウムより成るスペーサ18も設け
られている。
更に、支持プレート２と被覆プレート14との間の空間
には液晶材料19、本例では負の誘電異方性を有するホメ
オトロピック液晶、例えばメルク（Merck）社の商品名Z
LI3160を充填するも、他の材料を充填することもでき
る。
表示装置には最後に第２被覆プレート20が被覆されて
いるも、この第２被覆プレートはセル中に液晶材料を保
持するためには必ずしも必要としない。このように形成
されたセルには強い毛細管作用によって孔17を介して液
晶材料が急速に充填され、その後この液晶材料がセル中
に保持されるということを実際に確かめた。従って、第
１被覆プレート14上に直接或いは支持部材を介して配置
しうる第２被覆プレートは、液晶材料をセル内に保持す
るよりもむしろ液晶表示装置をほこりから保護する作用
をし、またこの第２被覆プレートはカラーフィルタ21に
対する支持体としても作用しうる。第２被覆プレート20
自体は、セルから約10μｍの位置に設けて殆ど視差が生
じないようにしうるカラーフィルタを構成しうる。
支持プレート２と第１被覆プレート14との間の距離は
本例では２％よりも少ない公差としたほぼ１μｍとす
る。この距離（厚さ）をこのように小さくすることによ
り、厚さの二乗値に反比例する種々の液晶効果の緩和時
間が短くなるという利点が得られる。従って、迅速なス
イッチ・オフ時間が可能となる。
図示の表示装置は反射モードで用いられる。入射光
（放射）が波長λ０を有する場合には、分子をセル（領
域22a）の壁部に対し平行に向ける所定の電圧Ｖがセル
に与えられた際に例えば保護層13を介して液晶内に導入
される配向方向に対し45゜の角度で延在する偏光方向を
偏光子33が有する。上述したように選択した寸法および
液晶では、この領域はλ０の波長での光23aに対し二分
の一波長板（0.5λ板）として機能する為、偏光方向は9
0゜回転し、光23aは偏光子33の偏光方向に対し90゜回転
した偏光方向を有する偏光子34を通過する。
電圧０（領域22b）では、ビーム23bが、偏光された後
にホメオトロピック液によって消滅せしめられる。所望
に応じ、中間電圧を印加することによってグレーの色合
いをうることができる。
第１および２図の表示装置は以下のようにして製造し
うる。出発材料は支持プレート２、本例の場合珪素基板
であり、この基板中に駆動のためのMOSトランジスタ３
と他の周辺電子素子とを集積化する。画像電極６の寸法
は例えば50×50（μｍ）２とし、1000×1000個のセルを
有する表示装置で全体の寸法（周辺電子素子を含む）が
約６×6cm2となるようにする。本例では、反射モードで
動作する装置に関する為、画像電極６は反射性材料（例
えばアルミニウム）を以って構成する。行電極４および
列電極５も所望に応じ多結晶珪素を以って構成しうる。
次に電子素子および電極を有する基板に、均一堆積技
術により保護層13を被覆する。SiO2より成るこの誘電体
保護層13の厚さは約0.1μｍとする。
必要に応じこの保護層13の自由面24を（例えばびろう
どによりこすることにより）処理し、後の工程で隣接の
液晶分子に好ましい配列方向を与えるようにする。
次に、酸化マグネシウム（MgO）の層（後にスペーサ1
8を構成する）を均一堆積技術により約250℃で蒸着す
る。この層の厚さは約1.1μｍとし、その表面がトラン
ジスタ、電極および保護層13を含む支持プレート２の表
面を微視的に追従するようにする。表面が極めて大きい
場合でも、このような層は４％の精度で0.1μｍの厚さ
に設けることができること明らかである。1.1μｍの厚
さｄは使用する波長と液晶材料とによって式 によって決定される。厚さｄは実際には上記よりもわず
かに大きく選択する。本例では液晶材料としてZLI3160
（メルク社の商品名）を選択する。この場合、Δｎは0.
13であり、λ０は550nmに選択されている。
酸化マグネシウムの層上には約300℃で以下の層を順
次に堆積する。
＊最終装置で誘電体として機能し、且つ追加の機械的強
度を与える、厚さが約0.2μｍの酸化アルミニウム（Al2
O3）層15。
＊導電材料層16に対する、厚さが約0.15μｍの酸化鉛イ
ンジウム層。
所望に応じ、層15,16を設ける前に酸化マグネシウム
層に配向用の表面処理を行なうことができる。こすり或
いはその他の方法で得た好ましい配列（配向）方向はこ
の酸化マグネシウム層の表面上に堆積する材料15によっ
て引継がれるということを実際に確かめた。この場合、
液晶層全体に亘る好ましい調整を強化するために前の配
列方向を引継ぐことができる。或いはまた、液晶分子に
所望の捩れを与えるために他の配列方向を選択すること
もできる。配列方向が１つの好ましい方向でもある場合
には、薄肉層の液晶材料に対しては１回の表面処理で充
分である。
次に、直径が２μｍの円形孔17の位置を写真食刻技術
により決定する。層15,16中の孔17は、250mlのHCl（36
％）、30gのFeCl3,25mlのHNO3（65％）、250mlのH2Oを
含む浴中で45℃で90秒間ホトレジスト中の孔の位置で層
16の酸化鉛インジウムを腐食し、次に露出された酸化ア
ルミニウム15を５％HF溶液中に室温で45秒間浸して除去
することにより得られる。
これにより層15,16にあけられた孔17を介してアンダ
ーエッチングすることにより酸化マグネシウム中間層の
大部分を除去する。この処理は例えば５％H2SO4溶液中
に35℃で約75秒間アセンブリを浸すことにより行う。こ
のアンダーエッチングの結果としてスペーサ18のみが互
いに規則的な間隔で残存する。
中間層は極めて正確に所定の厚さに形成しうる為、基
板２と第１被覆プレート14（15,16）との間の距離はほ
ぼ一定となる。スペーサ18の相互間の距離は約50μｍと
し、層が可成り剛固に保たれるようにする。
アセンブリを蒸留水、アセトン（ホトレジストを除去
するため）および例えばヘキサン中ですすいだ後、セル
に液晶材料19を充填する。この充填処理は、例えば、第
１被覆プレート14上に液晶材料の薄肉層を載せ、比較的
大きな毛細管作用によりセルに液晶材料が急速に入り込
むようにして行う。次に、過剰の液晶材料を除去し、ア
センブリにガラス或いは合成材料箔の第２被覆プレート
20を設ける。この第２被覆プレートは外部からの影響に
対する保護層としてのみ作用する。孔17は必ずしも閉じ
る必要はなく、実際に前記の毛細管作用の力は液晶材料
が逆流するのを阻止するのに充分であるということを確
かめた。
次に通常の技術によりカラーフィルタ21を設けると、
第１および２図に示す装置が完成される。
上述した方法には、１回の位置決め工程、すなわち
（ホトレジストを経て）孔17を決定する位置決め工程し
か必要としないという利点がある。
更に、大きな表面に亘って均一性を大きく保ってセル
の厚さを極めて薄く（0.1μｍ以上）することができ
る。セルの厚さを薄くすることにより特に、零次の複屈
折性に基づく効果（ECB効果）や強誘電性液晶を有効に
用いるようになる。
図示の例では、このような効果を、珪素基板を支持プ
レートとして有する反射モードで用いた。このようにす
ることにより、使用すべきスイッチング素子の歩留りを
高めるとともに“冗長度”のようなIC技術の種々の利点
を用いうるようにする。
第３図は、第１および２図の装置とほぼ同じ構造を有
する光学スイッチ25を示す平面図であり、第４図は第３
図のIV−IV線上を断面として矢の方向に見た断面図であ
る。この場合支持プレート２はガラスより成っており、
このプレート上に酸化鉛インジウムの１つの連続する電
極６が設けられている。本例では各孔17に対して互いに
分離された各別のセル22が形成されるまでアンダーエッ
チングを継続する。本例では密閉式の層に比べて孔17が
存在するけれども、セル22の表面は装置のほぼ全表面を
占める（ほぼ90％）。この装置は電極6,16における電圧
によって透明にも不透明にもしうる。その他の符号は第
１および２図における対応符号と同じ意味を有してい
る。この装置には必要に応じ１個以上の偏光子を設ける
ことができる。この場合（透明セル）、被覆プレートは
偏光子として機能することもできる。
金属化層6,16は、酸化鉛インジウム電極を、交点の領
域に画素を有するクロスバーシステムに分割することに
より列および行の形態にすることもできる。この場合、
Al2O3の層15が強度補強部材となる。このような装置は
マルチプレックス装置に極めて適している。
第５図は前述したのとはわずかに異なる本発明による
表示装置の一部を示す平面図であり、第6aおよび6b図は
第５図のVI−VI線上を断面として矢の方向に見た異なる
製造工程中の装置を示す断面図である。
この場合、透過モードで動作する表示装置１を示して
ある。透明な支持プレート２上には下側電極26と駆動素
子（図示せず）、例えば非晶質或いは多結晶珪素中に形
成したトランジスタとを設け、その後アセンブリを保護
層13で被覆し、この保護層には必要に応じ液晶に対する
好ましい配列方向を与える。
次にこのアセンブリ上に、微視的に下側のプレトのト
ポロギー（幾何学的形状）を追従する正確に規定された
厚さを有する酸化マグネシウムの層27を設ける。この上
にホトレジスト層28を設け、写真食刻技術によってこの
層をパターン化する。このパターンをマスクとして用い
て下側の層27に例えば２×２μm2の寸法の孔29を腐食形
成する。次に第6b図に矢印30で示すように斜め蒸着によ
りこれらの孔内および層27の残存部分上に保護層15およ
び導電材料層16を設ける。蒸着角度（約45゜）および孔
29の寸法を適切に選択することにより、二重層14が孔29
内で下側の支持プレートの保護層13まで延在しこれらの
孔内でスペーサ18を構成するようにする。この処理は下
側電極26の区域（孔29′）で行うことも、下側電極26間
で行うこともできる。前者の場合には、必要に応じ保護
層13を予め局部的に除去しておき、下側電極26と上側の
導電材料層（電極）16との間を貫通接続するようにしう
る。
この場合も層27は孔29,29′を経て腐食除去すること
ができる。この腐食工程は前述した例におけるようには
臨界的でない。その理由は本例の場合スペーサ18が耐腐
食性である為である。上述した点以外では孔29は第１お
よび２図における孔17と同じ機能を有する。清浄工程後
セルに液晶材料を充填し、その後第２被覆プレートおよ
び１つ以上の偏光子を設けることができる。
第7aおよび7b図と第8aおよび8b図とに示すような本発
明による装置の更に他の製造方法では、支持プレート２
に順次に電極６、保護層13およびMgOの層27を設け、こ
の層27に保護層15および酸化鉛インジウムの層16を被覆
する。写真食刻技術により層15,16に、次に層27に例え
ば２×６μm2の寸法の孔或いは溝31をあける。この場合
層27のMgOはわずかにアンダーエッチングさせることが
できる。次にホトレジスト層を除去し、次に孔（溝）31
をも充填するホトレジストを再び設ける。
このホトレジストの一部をマスク32を用いて露光さ
せ、現像後（200℃）で硬化したホトレジストより成る
スペーサ18を残す。これにより孔31を部分的に充填さ
せ、腐食剤（および後の工程での液晶材料）に対するア
クセスを行いうるようにする。
本発明は上述した図示の実施例に限定されず、種々の
変更が可能であること勿論である。
例えば、第7bおよび8b図に示すように、孔31bが完全
にホトレジストで、従ってスペーサ18で充填されるよう
にマスク32を形成するようにすることができる。この場
合、層14上に設けるホトレジスト層（28）を第２の孔31
aの形成後に除去し、この第２の孔31aを層27のアンダー
エッチング中補助マスクで一時的に被覆し、孔31aが層2
7に進行しないようにすることができる。この後者の例
ではスペーサ18を形成するのにホトレジストの代わりに
無機材料を用いることができる。
更に、スペーサ18は、特に第5,6a,6b図および第7a,7
b,8a,8b図において、上側の電極の縁部に沿って延在さ
せることができる。
反射モードで動作する装置では、被覆プレートを不透
明に形成し、支持プレートを光透過性に形成することも
できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による表示装置の一例を示す線図的平
面図、 第２図は、第１図のII−II線上を断面とする断面図、 第３図は、本発明による表示装置の他の例を示す線図的
平面図、 第４図は、第３図のIV−IV線上を断面とする線図的断面
図、 第５図は、本発明による表示装置の更に他の例を示す線
図的平面図、 第6aおよび6b図は、第５図のVI−VI線上を断面とした異
なる製造工程を示す線図的断面図、 第7aおよび7b図は、本発明による表示装置の更に他の例
を示す線図的平面図、 第8aおよび8b図は、それぞれ第7aおよび7b図のVIII−VI
II線上を断面とした線図的断面図である。 １……液晶表示装置、２……支持プレート（基板） ３……MOSトランジスタ ４……行電極、５……列電極 ６……画像電極（連続電極） ７……ソース領域、８……ドレイン領域 ９……ゲート電極、10……薄肉ゲート酸化物 11……絶縁層、12……接点孔 13……保護層、14……第１被覆プレート 15……保護層、16……透明導電材料層 17……孔、18……スペーサ 19……液晶材料、20……第２被覆プレート 21……カラーフィルタ、22a,22b……セル（領域） 23……入射光、25……光学スイッチ 26……下側電極、27……酸化マグネシウム層 28……ホトレジスト層、29,29′……孔 31,31a,31b……孔、32……マスク 33,34……偏光子

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電極（4,5,6）を具える支持プレート
    （２）を有する液晶表示装置（１）を製造するに当り、 支持プレート（２）に中間層（27）を被覆し、この中間
    層（27）に層（14;15,16）を被覆し、ここで、この中間
    層は、支持プレート（２）及び前記層（14;15,16）が互
    いのレプリカを構成するように形成し、 前記中間層の一部を除去し、 これらの除去部分に液晶材料（19）を充填する ことを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の液晶表示装置の製造方法
    において、 前記層（14;15,16）に複数の孔（17;29）をあけ、 前記中間層（27）の大部分をこれらの孔（17;29）を経
    るアンダーエッチングにより除去し、この中間層の残部
    をスペーサ（18）として残しておく ことを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
  3. 【請求項３】請求項２に記載の液晶表示装置の製造方法
    において、 前記孔（17;29）を経て液晶表示装置に液晶材料（19）
    を充填することを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
  4. 【請求項４】液晶材料（19）と、電極（4,5,6）が設け
    られた支持プレート（２）とを具える液晶表示装置
    （１）において、 前記液晶材料（19）が前記支持プレート（２）と層（1
    4;15,16）との間に存在し、この層（14;15,16）の幾何
    学的形状が、前記電極（4,5,6）が設けられている前記
    支持プレート（２）の幾何学的形状を追従しており、 前記層（14;15,16）が複数の孔（17;29）を有し、 前記支持プレート（２）と前記層（14;15,16）との間に
    スペーサ（18）が存在している ことを特徴とする液晶表示装置。
  5. 【請求項５】請求項４に記載の液晶表示装置において、 前記支持プレート（２）及び前記層（14;15,16）に、導
    電材料を有する層（4,5,6;16）が設けられ、 前記支持プレート（２）上の導電材料と前記層（14;15,
    16）上の導電材料とが細条状の行及び列として構成さ
    れ、これら行及び列の交点の領域に画素が存在している ことを特徴とする液晶表示装置。
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