JP4819016B2 - 液晶表示装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、液晶表示装置の製造方法に関し、リフロー距離が大きくしかも制御性の良い液晶表示装置の製造方法に関する。
半導体素子が形成された基板の表面の凹凸を埋めて基板表面を平坦化する技術には、凹凸を有する下地の基板上に有機膜を塗布し、有機膜に熱を加えて下地の凹凸を埋めて平坦化させる方法がある。
この方法を用いた例が、特開平7−120784号公報(特許文献1)に開示されており、図6の断面図を用いて説明する。
図6(a)に示されるように、ガラス基板301の上に下層配線302を形成する。次に、下層配線302が形成されたガラス基板301上に、ポリアミド酸を0.1〜1μmの厚さにスピンコーターで塗布し、200〜300℃の温度で焼成し、イミド化させてポリイミドからなる層間絶縁膜303を形成する(図6(b))。続いて、層間絶縁膜303上に上層配線304を下層配線302と同様の方法により形成する。さらに、上層配線304上に層間絶縁膜303の形成と同様の方法を用いてポリイミド膜を0.1〜1.5μmの厚さに形成して絶縁保護膜311とする(図6(c))。
以上のように、層間絶縁膜303及び絶縁保護膜311は、共に液状のポリアミド酸をスピンコートすることにより形成しているため、下層配線302及び上層配線304による凹凸を埋めて層間絶縁膜303及び絶縁保護膜311の表面はそれぞれ平坦化される。
特開平7−120784号公報
しかしながら、上記の有機絶縁膜は、スピンコーターで塗布された後に、いずれも200〜300℃の温度で数十分〜1時間程度の加熱処理を受けており、下層配線または上層配線がアルミニウムで形成される場合は、加熱処理によるヒロック発生の問題が生じる可能性を有しており、200℃を超える熱処理を経る有機絶縁膜の平坦化は、下地金属に熱的ストレスを与える。また、上記の有機絶縁膜の形成方法には、有機絶縁膜の平坦化の度合いが記載されていない。
本発明の目的は、凹凸を有する下地膜の表面を平坦化するに当たり、200℃以下の加熱処理でしかも表面の平坦化が容易となる液晶表示装置の製造方法を提供することにある。
本発明の有機膜の平坦化方法は、絶縁基板の表面に有機膜を塗布した後、前記有機膜に有機溶剤を浸透させて溶解を生じさせることにより前記有機膜を平坦化させることを特徴とする。
本発明の有機膜の平坦化方法に用いられる有機膜は、次のような形態を有している。
まず、前記有機膜が有機溶剤に溶解する有機材料であり、前記有機溶剤が下記に示す材料のうち少なくとも一つを含み、前記有機材料がアクリル、ポリイミド、ポリアクリルアミドのいずれかである。
有機溶剤(Rはアルキル基又は置換アルキル基、Arはフェニル基又はフェニル基以外の芳香環を示す):
・アルコール類(R−OH)
・エーテル類(R−O−R、Ar−O−R、Ar−O−Ar)
・エステル類
・ケトン類
・グリコール類
・アルキレングリコール類
・アルコキシアルコール類
・グリコールエーテル類
次に、前記有機材料がアクリル、ポリイミド、ポリアクリルアミドのいずれかである。
また、本発明の有機膜の平坦化方法の一適用形態として、前記有機膜に有機溶剤を浸透させて溶解を生じさせた後、100〜180℃の範囲の温度で熱処理を行い、前記有機膜中に含まれる有機溶剤を蒸発させる。
次に、本発明の液晶表示装置の製造方法は、第1基板上にゲート線及びゲート電極を形成し、続いて、前記第1基板上に前記ゲート線及び前記ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に半導体膜を形成し、前記半導体膜をその上に形成したソース電極及びドレイン電極と接続する工程と、前記ゲート絶縁膜の上に前記半導体膜、前記ソース電極及び前記ドレイン電極を覆う保護膜を形成する工程と、前記保護膜の上に平坦化膜を形成する工程とを有する製造方法によりTFT基板を形成し、続いて、前記第1基板の前記平坦化膜側に前記第1基板と対向する第2基板を配置して対向基板を形成し、さらに、前記TFT基板と前記対向基板との間に液晶組成物を充填する液晶表示装置の製造方法であって、前記平坦化膜を形成する工程が、前記保護膜の上に有機膜を塗布した後、前記有機膜に有機溶剤を浸透させて前記有機膜の溶解を生じさせることにより行われる。
本発明の液晶表示装置の製造方法の一適用形態において、前記第1基板上には前記ゲート線と同時に共通電極が形成され、前記ソース・ドレイン電極の形成と同時に前記ソース・ドレイン電極の一部を構成する画素電極が形成され、前記共通電極と前記画素電極は互いに並行する櫛歯状の電極を有する。
また、本発明の液晶表示装置の製造方法における平坦化膜は、上記の本発明の有機膜の平坦化方法における有機膜を用いて形成される。
本発明の有機膜の形成方法及びそれを用いた液晶表示装置の製造方法では、有機膜の平坦化に、200℃以下の加熱処理を経て有機膜に有機溶剤を浸透させて有機膜を溶解リフローさせるので、平坦性をよくすることができると共に、熱リフローに比べて熱処理温度が低く、配線のみならずTFTなどの素子に対する熱の影響をなくすことができる。また、液晶表示装置においては、液晶表示装置の配向膜の下地として優れた平坦化膜を提供することができる。また、有機膜を横方向へ大きく、しかも制御性良く変形させることができるので、凹凸を有する基板の表面の平坦化であれば、種々の分野における製造局面での表面の平坦化にも適用することができる。
本発明の第1の実施形態について図面を参照して説明する。図1は、2層配線の表面に平坦化膜を形成する方法を示す製造工程断面図である。
先ず、絶縁基板1上に下層配線2を形成後、層間絶縁膜3を成膜しさらにその上に上層配線4を形成する。続いて、上層配線4の上にアクリル、ポリイミド等の樹脂材料による塗布膜21を約2μm塗布形成する。このとき、下層配線2、層間絶縁膜3、上層配線4は、下層配線2、上層配線4による塗布膜21表面の凹凸の段差13が500nmとなるように形成される。
この塗布膜21は、有機溶剤に溶解性の有る有機材料、又は有機溶剤に溶解性の有る無機材料で構成され、スピンコート法により絶縁基板1上に塗布される。
スピンコート法により塗布された塗布膜21は、100〜140℃で1次加熱処理され、塗布膜21を脱水処理するとともに塗布膜21に含まれる有機溶剤の一部を蒸発させる。
次に、この塗布膜21の形成された絶縁基板1を有機溶剤の溶液の蒸気中に暴露する。この処理時の蒸気圧がリフロー処理進行速度に影響し、有機溶剤の温度と絶縁基板の温度とが共に常温(25℃付近)である場合、約2μmの膜厚の塗布膜21全体に有機溶剤による溶解リフローが生じ、塗布膜21は変形して有機絶縁膜11となる。
ここで、塗布膜に用いる有機材料によって蒸気圧が異なるため溶解リフローの速さが異なる。アセトンやプロピレングリコールモノエチルエーテルを用いると蒸気圧が高いため、0.1〜3分の蒸気暴露処理時間で塗布膜21の平坦化が完了するが、トリプロピレングリコールモノエチルエーテルやN−メチル−2−ピロリドンを用いると蒸気圧が低いため、5〜20分の蒸気暴露処理時間を要する。
また、有機溶剤の温度に対して基板温度が高くなると処理時間は長時間を必要とし、基板温度が低くなると短時間の蒸気暴露処理で済む、という傾向が見られる。
ここで、上記第1の実施形態においては、有機溶剤としてアセトン、プロピレングリコールモノエチルエーテル、トリプロピレングリコールモノエチルエーテル、N−メチル−2−ピロリドンを用いたが、他に、以下に示す有機溶剤のうち少なくとも一つを含むものであれば良い。以下に述べる他の実施形態においても同様のことが言える。以下には、有機溶剤を上位概念としての有機溶剤と、それを具体化した下位概念の有機溶剤とに分けて示している。(Rはアルキル基又は置換アルキル基、Arはフェニル基又はフェニル基以外の芳香環を示す)
有機溶剤:
・アルコール類(R−OH)
・アルコキシアルコール類
・エーテル類(R−O−R、Ar−O−R、Ar−O−Ar)
・エステル類
・ケトン類
・グリコール類
・アルキレングリコール類
・グリコールエーテル類
上記有機溶剤の具体例:
・CH3OH、C2H5OH、CH3(CH2)XOH
・イソプロピルアルコール(IPA)
・エトキシエタノール
・メトキシアルコール
・長鎖アルキルエステル
・モノエタノールアミン(MEA)
・アセトン
・アセチルアセトン
・ジオキサン
・酢酸エチル
・酢酸ブチル
・トルエン
・メチルエチルケトン(MEK)
・ジエチルケトン
・ジメチルスルホキシド(DMSO)
・メチルイソブチルケトン(MIBK)
・ブチルカルビトール
・n−ブチルアセテート(nBA)
・ガンマーブチロラクトン
・エチルセロソルブアセテート(ECA)
・乳酸エチル
・ピルビン酸エチル
・2−ヘプタノン(MAK)
・3−メトキシブチルアセテート
・エチレングリコール
・プロピレングリコール
・ブチレングリコール
・エチレングリコールモノエチルエーテル
・ジエチレングリコールモノエチルエーテル
・エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート
・エチレングリコールモノメチルエーテル
・エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート
・エチレングリコールモノ−n−ブチルエーテル
・ポリエチレングリコール
・ポリプロレングリコール
・ポリブチレングリコール
・ポリエチレングリコールモノエチルエーテル
・ポリジエチレングリコールモノエチルエーテル
・ポリエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート
・ポリエチレングリコールモノメチルエーテル
・ポリエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート
・ポリエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテル
・メチル−3−メトキシプロピオネート(MMP)
・プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)
・プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)
・プロピレングリコールモノプロピルエーテル(PGP)
・プロピレングリコールモノエチルエーテル(PGEE)
・エチル−3−エトキシプロピオネート(FEP)
・ジプロピレングリコールモノエチルエーテル
・トリプロピレングリコールモノエチルエーテル
・ポリプロピレングリコールモノエチルエーテル
・プロピレングリコールモノメチルエーテルプロピオネート
・3−メトキシプロピオン酸メチル
・3−エトキシプロピオン酸エチル
・N−メチル−2−ピロリドン(NMP)
また、本実施形態のリフローには、塗布膜を有機溶剤の蒸気中に暴露する方法を用いたが、塗布膜を極希薄な(例として、1/100〜1/1000)濃度の有機溶剤中に浸漬する方法も用いることができる。この方法では、有機溶剤濃度が高いと有機溶剤中にレジストが溶解し剥離を起こす為、溶解剥離を起こさずに、しかもレジスト中に有機溶剤の一部が浸透するように溶液中の有機溶剤濃度を極希薄に調整する必要がある。
上記塗布膜が、有機材料と有機溶剤とで構成される場合、有機材料としてアクリル、ポリイミド、ポリアクリルアミド等が用いられる。この他に、塗布膜が無機材料と有機溶剤とで構成される場合、無機材料としては、シロキサン、ポリシロキサン、ポリシラン、ポリシリーン、カルボシラン、シリコン、無機ガラス等が用いられる。
次に、本実施形態に用いられるリフロー方法を具体例に説明する。
まず、図2に示すように、深さ20mmのステンレスバット容器401に、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤402を10mmまで入れ、バット容器401の上に絶縁基板1を処理面を裏返しにして蒸気暴露処理する面が有機溶剤402側に向くように配置させる。絶縁基板1の温度を24℃、有機溶剤402の温度は、常温(26℃付近)に保つようにする。こうして、有機溶剤の蒸気にさらし、蒸気暴露処理する。
塗布膜に上述した有機溶剤が浸透している状態では塗布膜が溶解してリフローが起きる(溶解リフロー)。有機溶剤の供給を絶つと有機溶剤は数十秒〜数分以内(有機溶剤の種類による)に塗布膜中に浸透した有機溶剤が蒸発して塗布膜が固まる現象が見られる。また、溶解中は有機溶剤が浸透しているので塗布膜は膨張状態になるが、有機溶剤が蒸発した後では体積が元に戻る。
この塗布膜21の溶解リフローは、有機溶剤の浸透した塗布膜21の上層より溶解が始まり、主として塗布膜21の上層部分のリフローにより塗布膜21の平坦化が完了する。
上記実施形態においては、有機絶縁膜11の形成で平坦化を完了させているが、この後に、有機絶縁膜の平坦化膜としての絶縁性を高めるために、有機絶縁膜11に、150〜180℃の範囲の温度で60〜300分の2次加熱処理や、100〜150℃の範囲の温度で30〜60分の真空乾燥処理を加え、有機絶縁膜11に含まれる有機溶剤等をほぼ完全に蒸発させる処理を追加する方法が採られる場合もある。
本実施形態の平坦化方法を用いれば、塗布膜21が塗布直後に示した500nmの凸部の段差が、平坦化後に40〜60nmに低減した。また、塗布膜21の加熱処理が100〜140℃で行われるため、塗布膜の下にある配線がアルミニウムで形成された場合においても、熱の影響によるヒロックの発生はない。
このように本発明の溶解リフローは前述の加熱リフローに比較すると、溶解リフロー時の塗布膜の粘度が低いので、凸部の塗布膜が溶解する際の塗布膜の重力で流出する速度が大きくなり、流出量が多くなる。従って、溶解リフローは加熱リフローに比較し、塗布膜が平坦化し易く、平坦性も良好で、熱処理による配線への影響もない。
また、本実施形態では図1(a)に示す様に、塗布膜21の下地の凹凸を緩和させ易くするために、厚い膜厚で、高粘度の塗布膜を形成する。その後、塗布膜21を有機溶剤の蒸気にさらすと、塗布膜21中の表面側から有機溶剤が浸透し、塗布膜21中に溶解するので塗布膜21の上層部分の粘度が部分的に低下し、その部分の流動性が高くなる。
また、このときの有機溶剤の種類により、塗布膜21の表面側からの有機溶剤の浸透速度、塗布膜21の上層部分の粘度を異ならせることができるので、必要に応じ流動する速度と流動する深度を有機溶剤の選択と処理時間等でコントロールする。このような処理を施すことにより、塗布膜21の表面の高流動性が実現でき、理想的な平坦化が実現出来る。
次に、本発明の第2の実施形態について図3〜5を用いて説明する。本実施形態は、横電界方式の液晶表示装置におけるTFT基板及びCF(カラーフィルタ)基板の表面の平坦化膜の形成方法である。図3は、薄膜トランジスタを搭載する基板(TFT基板)を、それに対向する基板側から見た模式平面図であり、図4は、液晶表示装置を、図3における切断線P−P’を含み、基板に直交する平面で切断したときの液晶表示装置の模式断面図である。
まず、ガラス等からなる第1の透明基板101の上に、Cr材料をパターニングすることでゲート電極102と同時に共通電極103を形成する。
次に、SiNxとSiO2からなる層間絶縁膜104を第1の透明基板101の全面を覆うよう形成する。続いて、アモルファスシリコン等からなる島状半導体膜105(図3)を形成し、さらに、Cr材料をパターニングすることで同一工程にて、ドレイン電極106、データ線107、ソース電極108、画素電極109をそれぞれ形成する。
最後に、バックチャネル部を保護する目的でSiNxからなるパッシベーション膜110を第1の透明基板101の最上層に全面を覆うよう形成して、さらにその上に平坦化膜111を形成するとTFT基板100が得られる。
次に、TFT基板100に対向して配置され、透過光を着色するカラーフィルタ基板200の製造手順を記載する。
まず、ガラス等からなる第2の透明基板201の上に、遮光材料を分散した樹脂からなるブラックマトリクス215をパターニングにより形成する。次に、R色、G色、B色の色層216を形成する。続いて、第2の透明基板201の全面を覆うように平坦化膜211を形成して、カラーフィルタ基板200が形成される。
このようにして作成したTFT基板100とカラーフィルタ基板200のそれぞれに、オフセット印刷等による方法で、配向膜150を印刷する。こうして得られたTFT基板100とカラーフィルタ基板200の配向膜150をラビング方法により所定の方向に配向膜分子を並べて(ラビング方向160)、この2枚の基板が所定の間隔を持つようにセルギャップ材を挟みこませて組み合わせ、その間隙に液晶170を封止した。
最後に、第1の透明基板101の他方の面上には偏光板118が、第2の透明基板201の他方の面上には導電膜217、偏光板218とが形成される。
上述の製造方法の中で、TFT基板100側の平坦化膜111は、図5の製造方法に従って形成される。
パッシベーション膜110上にアクリル、ポリイミド等の樹脂材料による塗布膜121を約2μm塗布形成する。このとき、塗布膜121の表面には有機絶縁膜121より下層のゲート電極102、共通電極103、島状半導体膜105、ドレイン電極106、データ線107、ソース電極108、画素電極109の段差に相当する凹凸が約500nmの高さに形成される(図5(a))。
この塗布膜121は、有機溶剤に溶解性の有る有機材料、または有機溶剤に溶解性の有る無機材料で構成され、スピンコート法により塗布される。
スピンコート法により塗布された塗布膜121は、100〜140℃で1次加熱処理され、塗布膜を脱水処理するとともに有機溶剤の一部を蒸発させる。
次に、この塗布膜121の形成されたTFT基板100を有機溶剤の溶液の蒸気中に暴露する。この処理時の有機溶剤の蒸気圧がリフロー処理進行速度に影響し、有機溶剤の温度と基板の温度とが共に常温(25℃付近)である場合、約2μmの膜厚の塗布膜121全体に溶解リフローが生じ、塗布膜121は平坦化膜111となる(図5(b))。塗布膜121の溶解リフローにより、塗布膜121の500nmの段差が40〜60nmとなり、平坦性の良い平坦化膜111が得られた。塗布膜121の平坦化に、アセトンやプロピレングリコールモノエチルエーテルを用いると蒸気圧が高いので、0.1〜3分の蒸気暴露処理時間で塗布膜121の平坦化が完了するが、トリプロピレングリコールモノエチルエーテルやN−メチル−2−ピロリドンを用いると蒸気圧が低いので、5〜20分の蒸気暴露処理時間を要する。
上記実施形態においては、平坦化膜111の形成で平坦化を完了させているが、この後に、平坦化膜としての絶縁性を高めるために、平坦化膜111に、150〜180℃の範囲の温度で60〜300分の2次加熱処理や、100〜150℃の範囲の温度で30〜60分の真空乾燥処理を加え、平坦化膜111に含まれる有機溶剤等をほぼ完全に蒸発させる処理を追加する方法が採られる場合もある。
最後に、平坦化膜111の上に有機溶媒にポリイミドを溶解させた有機絶縁膜を塗布して配向膜150を形成する(図5(c))。
CF基板200側の平坦化膜211もTFT基板100側と同じ方法で形成され、さらにその上に配向膜150が形成される。
以上のように、本発明の液晶表示装置の製造方法では、平坦化膜が塗布膜の溶解リフローにより(段差が40〜60nm)優れた平坦性を示すので、その上に形成される配向膜に対するラビング処理が配向膜全体に渡って均一となり、大きな凹凸(段差が約200nm)を有する配向膜に対するラビングで生じる配向不良を防止することができる。
上述の実施形態では、塗布膜に有機溶剤に溶解する有機材料を用いたが、水溶性材料を用いることも可能である。この場合、水溶性材料として、ポリアクリル酸、ポリビニルアセタール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンイミン、ポリエチレンオキシド、スチレン−無水マレイン酸共重合体、ポリビニルアミン、ポリアリルアミン、オキサゾリン基含有水溶性樹脂、水溶性メラミン樹脂、水溶性尿素樹脂、アルキッド樹脂、スルホンアミドのうちのいずれか、或いは、これらの2種類以上の混合物を用いることができる。また、この水溶性材料を塗布膜として用いる場合には、溶解リフロー用の薬液として少なくとも水を含む水溶液を用いることで、有機溶媒における有機材料と同様の溶解リフローを生じさせることも可能である。
最後に、上述の本発明の第1、2の実施形態に示す塗布膜の形成方法は、例えばエレクトロルミネッセンス表示装置(EL)、フィールドエミッションディスプレイ(FED)、蛍光表示装置、プラズマディスプレイパネル(PDP)のアクティブ素子基板、半導体集積回路の製造方法として用いられる。
本発明の第1の実施形態を製造工程順に示す断面図である。 本発明に用いられる蒸気暴露装置の模式断面図である。 本発明の第2の実施形態の液晶表示装置におけるTFT基板の平面図である。 本発明の第2の実施形態の液晶表示装置の断面図である。 本発明の第2の実施形態の液晶表示装置におけるTFT基板の製造工程を示す断面図である。 従来の平坦化膜の製造工程を示す断面図である。
符号の説明
1 絶縁基板
2、302 下層配線
3、104、303 層間絶縁膜
4、304 上層配線
11、111、211 有機絶縁膜
13 段差
21、121、321 塗布膜
100 TFT基板
101 第1の透明基板
103 共通電極
105 半導体膜
106 ドレイン電極
107 データ線
108 ソース電極
109 画素電極
110 パッシベーション膜
118、218 偏光板
150 配向膜
170 液晶
200 CF基板
201 第2の透明基板
215 ブラックマトリクス
216 色層
217 導電膜
301 ガラス基板
311 絶縁保護膜
401 ステンレスバット容器
402 有機溶剤

Claims (4)

  1. 第1基板上にゲート線及びゲート電極を形成し、続いて、前記第1基板上に前記ゲート線及び前記ゲート電極を覆うゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に半導体膜を形成し、前記半導体膜をその上に形成したソース・ドレイン電極と接続する工程と、前記ゲート絶縁膜の上に前記半導体膜、前記ソース・ドレイン電極を覆う保護膜を形成する工程と、前記保護膜の上に平坦化膜を形成する工程とを有する製造方法によりTFT基板を形成し、続いて、前記第1基板の前記平坦化膜側に前記第1基板と対向する第2基板を配置して対向基板を形成し、さらに、前記TFT基板と前記対向基板との間に液晶組成物を充填する液晶表示装置の製造方法であって、前記平坦化膜を形成する工程が、前記保護膜の上に有機膜を塗布することにより行われる液晶表示装置の製造方法において、
    前記有機膜の平坦化を行う工程で、前記有機膜が、水溶性材料を用いた塗布膜であって、前記有機膜中に浸透させ溶解させる薬液として、少なくとも水を含む水溶液を用いることを特徴とする液晶表示装置の製造方法。
  2. 前記第1基板上には前記ゲート線と同時に共通電極が形成され、前記ソース・ドレイン電極の形成と同時に前記ソース・ドレイン電極の一部を構成する画素電極が形成され、前記共通電極と前記画素電極は互いに並行する櫛歯状の電極を有する請求項1記載の液晶表示装置の製造方法。
  3. 前記有機膜に前記水溶液を浸透させる方法が、前記有機膜を前記水溶液の溶液の蒸気にさらすことにより行われることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置の製造方法。
  4. 前記有機膜に前記水溶液を浸透させる方法が、前記有機膜を前記水溶液の溶液に浸漬することにより行われることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置の製造方法。
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