JP6240443B2

JP6240443B2 - 液晶表示装置

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Publication number: JP6240443B2
Application number: JP2013187767A
Authority: JP
Inventors: 里克中村; 半田　正人; 正人半田
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd; Citizen Fine Device Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd; Citizen Fine Device Co Ltd
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2033-09-10
Also published as: JP2014074904A

Description

本発明は、液晶表示装置及びその製造方法に関するものである。

駆動回路が形成された半導体基板と対向ガラスとの間に液晶を注入した構造の液晶表示装置はＬＣＯＳ型液晶表示装置と呼ばれ、電子ビューファインダーやプロジェクター用として幅広く使用されている。ＬＣＯＳ型液晶表示装置は駆動回路を半導体基板上に作りこむことが可能であるため、通常の液晶表示装置と比較して、装置を小型に構成することが可能であり、また高速な信号を処理する駆動回路を半導体基板に盛り込むことができる。

図８はＬＣＯＳ型液晶表示装置の基本構造を示す断面図である。ここに示すＬＣＯＳ型液晶表示装置では、半導体基板１５と対向ガラス基板１０との間に液晶層１４を形成し、半導体基板１５上に設けられた画素電極１と対向ガラス基板１０上に設けられた透明電極１１との間の電位差により液晶層１４を制御して画像の表示を行う。液晶層１４に接する半導体基板１５と対向ガラス基板１０の表面には配向膜１３が設けられ、液晶層１４の配向を行っている。シール部材１２は半導体基板１５と対向ガラス基板１０との間に液晶層１４を封止する役割を果たすものである。半導体基板１５には種々の半導体回路と、これら回路同士や回路と画素電極１、外部電極２とを電気的につなぐ配線（ここではそれら配線と半導体回路を総称して回路配線層４と呼ぶ）が形成されている。

画素電極１は液晶層１４への電圧制御に加えて、入射光を反射する反射膜の役割も兼ねているため、その材質として反射率の高いアルミニウムもしくはその合金が用いられることが多い。また外部電極２は、回路配線層４と外部との間で信号をやりとりするためにワイヤーボンディング等によって外部と接続される電極端子であり、通常は画素電極１と同じ最上位配線層に設けられる。

半導体基板１５は、例えば単結晶シリコンで構成され、通常の半導体集積回路（ＩＣ）と同様な工程で半導体回路等が形成される。特に露光工程はステッパーと呼ばれる縮小投影型露光装置を用いて行われ、半導体ウェハーに回路を焼き付けるため、ウェハー上に感光性レジストを塗布し、レチクルのパターンを投影レンズにより１／４から１／５程度に縮小投影して露光を行う。ウェハー上の投影領域はショットと呼ばれ、所定の露光強度が得られる範囲では通常２０ｍｍ平方程度の大きさである。このショットが一度に形成できるＩＣサイズの実質的な上限となり、これより大きなＩＣを形成する場合には、繋ぎ露光という方法を用いる。繋ぎ露光はひとつのＩＣを複数回の露光により製造する方法で、ショットサイズを越えた大型のＩＣを製造することが可能である。具体的には、例えば、露光領域全体を４つの領域に区画し、それら４つの領域を別々のショットで露光する。尚、実際には半導体基板１５は多層構造になっているため、回路配線層４から最上位配線層（画素電極１、外部電極２）までの各層で同様の露光を行う。（例えば、特許文献１参照）

特開平１１−３１８２２号公報

しかし、繋ぎ露光においては、左右（もしくは上下）の隣接するショット間でステッパー（露光装置）の位置あわせ精度等に起因する微小な位置ずれがどうしても生じてしまう。このずれは微小であるため回路配線層４内にある通常の配線等であれば特に問題とならないが、最上位配線層にある画素電極１の位置ずれは画素ずれにつながるため、ずれ量は微小であっても表示画像の品質が大きく低下することとなる。

また、１つの半導体基板１５を製造するためには各層ごとに複数回の露光を行わなくてはならないため、その分製造コストが大幅に増大するという問題がある。

尚、露光領域全体の大きさがショットサイズを超える場合には、投影レンズの倍率を落として、あるいは投影レンズを使用せずに露光する方法（ここではそれらを総称して低縮小露光と呼ぶ）を用いることで、ショットサイズを露光領域全体と同じサイズに拡大することも可能であるが（例えば通常１／５に縮小投影しているものを半分の１／２．５の縮小投影にすればショット面積を４倍に拡大することができる）、このような露光方法では、露光の縮小率を落としているため、その分だけ単位面積当りの光の強度が低下し、回路パターンの微細な描画が困難となる。微細な描画が出来ないことは、低い周波数の信号のみを処理するＩＣでは特に問題とならないが、高解像度用の半導体回路のように高速な信号処理回路が含まれたＩＣでは信号遅延等を引き起こすため大きな問題となる。

本発明は、以上の問題に鑑みて成されたものであり、画素ずれがなく、安価で、回路配線の寸法精度が高い液晶表示装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

表面に画素電極を含む最上位配線層が一括露光を用いて形成され、当該最上位配線層の下に複数の回路配線層のうち少なくとも一層が繋ぎ露光を用いて形成された基板を備え、前記繋ぎ露光を用いて形成された前記回路配線層のうち、同層内に互いに隣接する露光領域にまたがる配線を有する層は、一層以下である液晶表示装置とする。

前記回路配線層の全ての層が繋ぎ露光を用いて形成されている液晶表示装置とすることができる。

前記繋ぎ露光を用いて形成された前記回路配線層のうち、同層内に互いに隣接する露光領域にまたがる配線を有する層は、無い液晶表示装置とすることができる。

前記繋ぎ露光の互いに隣接する露光領域の繋ぎ目を境界として互いに電気的に分離された二つの行駆動回路と、前記繋ぎ露光の互いに隣接する露光領域の繋ぎ目を境界として互いに電気的に分離された二つの列駆動回路とを、備える液晶表示装置とすることができる。

表面に画素電極を含む最上位配線層が一括露光を用いて形成され、当該最上位配線層の下に複数の回路配線層のうち少なくとも一層が繋ぎ露光を用いて形成された基板を備え、前記一括露光によって露光される領域は、前記繋ぎ露光によって露光される領域全体より大きく、前記繋ぎ露光によって露光される領域とは平面的に重ならない領域を有し、当該領域の前記最上位配線層に、前記回路配線層と外部との電気的接続を行うための外部電極が形成されている液晶表示装置とする。

表面に画素電極を含む最上位配線層が一括露光を用いて形成され、当該最上位配線層の下に複数の回路配線層のうち少なくとも一層が繋ぎ露光を用いて形成された基板を備え、前記回路配線層には、当該回路配線層と外部との電気的接続を行うための外部電極が形成され、当該外部電極は、前記画素電極よりも厚く形成されると共に、最表面に露出している液晶表示装置とする。

本発明によれば、画素ずれのない高品位の液晶表示装置を低価格で提供することができる。

本発明の液晶表示装置の一実施形態における半導体基板の基本構成を模式的に示す斜視図である。繋ぎ露光の境界領域をまたぐ配線を単一層に集めた構成を模式的に示す斜視図である。繋ぎ露光の境界領域をまたぐ配線無くした構成を模式的に示す上面図である。左右の配線パターンを接続する際に用いる２枚の露光マスクを模式的に示す要部拡大図である。左右の配線パターンの接続部分を露光した状態を模式的に示す要部拡大図である。１枚で繋ぎ露光が可能な露光マスクを模式的に示す上面図である。本発明の液晶表示装置の別の実施形態における半導体基板の基本構成を模式的に示す斜視図である。本発明の液晶表示装置の別の実施形態における半導体基板の基本構成を模式的に示す斜視図である。ＬＣＯＳ型液晶表示装置の基本構成を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の液晶表示装置の一実施形態における半導体基板の基本構成を模式的に示す斜視図である。本実施形態の基本構成は図８に示したＬＣＯＳ型液晶表示装置と同様であり、特徴は、回路配線層４は二つのショットによる繋ぎ露光を行うことで形成され、最上位配線層３のみは１ショットで露光（一括露光）を行うことで形成されていることである。

回路配線層４には液晶表示装置を駆動するための信号生成を行う回路が複数の層から構成されている。具体的には、外部から入力される基準クロック信号、水平同期信号、垂直同期信号等を基に各画素スイッチ（トランジスタ）の開閉を制御し、外部から入力されるビデオ信号を各画素電極１に伝達する役割を果たす回路である。回路配線層４の動作周波数は液晶表示装置の画素数とフレーム周波数に比例するが、近年では表示品質を高めるための高画素化と高フレームレート化が進んでいるため、駆動周波数の高周波化が顕著である。このような高画素化や高フレームレート化に対応した高品位の液晶表示装置を実現するためには、回路配線層４は高周波駆動を可能にする微細な設計ルールで構成される必要がある。

また、回路配線層４には表示に関わる各種機能、具体的には画像フォーマット変換や画像圧縮伸張、温度補正、ガンマ補正等を盛り込むことも可能であるが、これらの機能を実行するためには更に高い駆動周波数が必要になり、それに伴い回路配線層４も更に微細な設計ルールで構成されることになる。しかし、画像表示に直接関わる画素電極に比べて、回路配線層４の配線間の位置ずれに対する許容度は高いため、回路配線層４の形成に繋ぎ露光を用いることは問題とはとならない。逆に低縮小露光による一括露光を用いることは、配線の寸法精度の低下（即ち信号遅延等）を招くため問題となる。

一方、最上位配線層３にはマトリクス状に配置された複数の画素電極１が含まれ、その他に外部電極２や図示しない配線等が含まれている。画素電極１のサイズは液晶表示装置の高画素化に伴い小さくなる傾向があるが、それでも数十マイクロメータ平方から数マイクロメータ平方程度の大きさであり、半導体の設計ルールに比べると十分に大きい。また、外部電極２はワイヤーボンディング等を実施するために、通常は百マイクロメータ平方程度の大きさが必要であり、これもまた、半導体の設計ルールに比べると十分な大きさを持っている。つまり半導体基板１５において最上位配線層３だけは、回路配線層４に必要とされる程の微細な設計ルールを必要としないため、露光強度の低い低縮小露光による一括露光を用いることが可能である。逆に繋ぎ露光を用いることは画素ずれを招くため問題となる。

繋ぎ露光により形成される回路配線層４には、同層内で左右の露光領域にまたがる配線を互いに接続する部分が存在する場合があるが、マスク費用や製造コストの低減という面から考えると、左右の配線を接続させる層はなるべく少なくした方が有利である。このため露光の境界部分にはトランジスタ等の素子は置かず、左右間で接続させなければならない配線は、単一層に集中させるような設計を行うことが有用である。図２は、この構成を示す図で、繋ぎ露光の境界領域をまたぐ配線を単一層に集めた構成を模式的に示す斜視図である。図中のｎ層、ｎ＋１層、ｎ−１層は回路配線層４に含まれる互いに積層される任意の層を表しており、そのうちｎ＋１層およびｎ−１層の配線はビア３２を用いてｎ層と接続され、露光境界部分３１をまたぐ配線３３、３４、３５は全てｎ層に集中している。

さらに、最上位配線層３以外の層を全て繋ぎ露光で形成した場合でも、繋ぎ露光層における左右間での配線の接続をまったく無くすことも可能である。図３は、この構成を示す図で、繋ぎ露光の境界領域をまたぐ配線無くした構成を模式的に示す上面図である。この構成では、例えば、行駆動回路４５、４８を露光境界部分４６を境界として表示領域４７の左右両側に設けると共に、列駆動回路４３、４４を同じように表示領域４７の左右両側に設けて、それぞれ表示領域４７の左右片側のみの駆動を行う。尚、行駆動回路４５、４８と列駆動回路４３、４４は、マトリクス状に配置された複数の画素電極１の横方向の駆動と縦方向の駆動をそれぞれ制御するものである。通常の液晶表示装置では、図中矢印で示すように表示領域４７の左端から右端へ水平同期信号をシフトさせながら駆動を行うことが一般的であるが、表示領域４７の左側と右側を電気的に独立した駆動回路で駆動させることで、左側から右側への水平同期信号受け渡しのための配線等が不要になる。外部電極４１、４２は表示領域４７の左右それぞれの駆動に必要な信号をやり取りするためのものを左右別々に設置し、左右の領域で共に必要なものであっても左右の領域間で共有化はしない。但し、電源配線やＧＮＤ配線４９は配線幅が太いので左右の領域間で共有化しても良く、また、それらは最上位配線層３で一括露光により形成することが可能である。

以上説明した半導体基板１５は例えば以下の工程により製造される。まず、回路配線層４を形成する段階では、回路配線層４の各層ごとに露光領域全体を第一露光領域５と第二露光領域６の二つに区画し、それら二つの領域に対して別々に１ショットで露光を行い、トランジスタや配線といった回路を構成する要素を下層から上層に向かって順に形成する。その際、同層内の第一露光領域５と第二露光領域６にまたがる左右の配線を接続する部分では、左右の配線パターンの一部を互いに重ねて露光を行う。図４（ａ）と図４（ｂ）は、この構成を示す図で、それぞれ、左右の配線パターンを接続する際に用いる２枚の露光マスクを模式的に示す要部拡大図、左右の配線パターンの接続部分を露光した状態を模式的に示す要部拡大図である。同層内の左右の配線を接続する際には、図４（ａ）に示すような左側露光マスクと右側露光マスクを用いて、図４（ｂ）に示すように左右の配線パターンの一部が互いに重なるように露光を行う。このように左右の配線の接続がある層の露光は、位置ずれを最小限に抑えるよう、より精度の高い制御が必要となり、通常より寸法精度の高い露光用マスクを使用することが一般的である。また、繋ぎ露光では、それぞれの領域の位置合せ精度を高めることにより、繋ぎ領域での位置ずれを小さく抑えることが好ましいが、近年主流となってきているレチクルと半導体基板を同時に動かして露光を行うスキャナーと呼ばれる露光装置では、特性の良いレンズ中心部分を使用して露光することができるため、より高精度な位置合せが可能である。尚、露光を行う工程の前後には、半導体基板１５の表面に金属材料や半導体材料からなる回路材料を堆積させる工程やそれらをエッチングする工程、感光性レジストを塗布及び現像する工程等の通常必要とされる工程があるが、ここでは説明を省略する（以下同様）。

次に、最上位配線層３を形成する段階では、第一露光領域５と第二露光領域６の二つを合わせた露光領域全体に対して１ショットで露光（一括露光）を行い、回路配線層４の上に画素電極１と外部電極２を含む最上位配線層３を形成する。ここでの露光の１ショットは、回路配線層４を形成する段階で用いた繋ぎ露光の１ショットの露光領域を、投影レンズの倍率を落とす、あるいは投影レンズを使用しないことにより拡大したものである。この段階では、画素電極１を１ショットの露光で形成しているため、画素電極１間に位置ずれが生じることはなく、また、１ショットの露光で各構成要素を同時に形成しているため、繋ぎ露光に比べて露光回数を減らすことができる。

本発明の液晶表示装置の製造では、露光マスクの枚数が多くなってしまうことが難点である。特に最上位配線層３以外の全ての層を繋ぎ露光とした場合は、通常の約２倍の露光マスクが必要になる。露光マスクの枚数を減らす手段として、１枚のマスクに複数の露光パターンを作りこみ、各露光パターンを選択的に用いて部分的に露光（部分露光）を行う方法がある。

本発明で上記部分露光を使い、各層の露光マスクをそれぞれ１枚ずつに納める方法を図５を用いて説明する。図５は、１枚で繋ぎ露光が可能な露光マスクを模式的に示す上面図である。図５に示す１枚の露光マスク５０では、露光マスク５０を左端部分露光用領域５１、中央部分露光用領域５２、右端部分露光用領域５３の３つの領域に分け、それぞれの領域を使って各露光パターンを形成する。露光の際は、例えば、まず左端部分露光用領域５１もしくは右端部分露光用領域５３の露光を行い、次に中央部分露光用領域５２の露光を複数回繰り返し行い、最後に残りの右端部分露光用領域５３もしくは左端部分露光用領域５１の露光を行う。この露光にあたっては中央部分露光用領域５２が繰り返しで使用できるようなパターン設計にしておく必要がある。また、露光境界領域にはトランジスタ等の素子を置かず、配線接続が必要な層も限定した方が良い。

尚、以上の工程において繋ぎ露光は二つのショットに限定されることなく、三つ以上のショットにすることも可能である。ショット数を増やすことで、より大型の液晶表示装置を作成することが可能になる等の効果が得られるが、ショット数が増えるに連れて使用するマスクセット数や露光工程に費やされる時間も比例して増加するため、むやみにショット数を増やすことは好ましくない。

最小配線幅が許す範囲では、最上位配線層３の露光領域（一括露光領域）は、繋ぎ露光を行う回路配線層４の露光領域全体より大きくすることが可能であり、このことを利用して、画像表示領域の面積をより大きく取れるように構成した半導体基板１５を図６に示す。図６は、本発明の液晶表示装置の別の実施形態における半導体基板の基本構成を模式的に示す斜視図である。この実施形態では、回路配線層４の露光領域全体に対して最上位配線層３の露光領域が、外部電極配置領域７の分だけ大きくなるように構成されており、この外部電極配置領域７に外部電極２が形成されている。このように外部電極２を回路配線層４の範囲外に配置すれば、その分だけ画素電極１を配置できる面積が増加し、また回路配線層４内により多くの回路を組み込むことが可能になる。

尚、回路配線層４の露光は、１つのショットを打った後、外部電極配置領域７の分だけオフセットさせて次のショットを打つ必要がある。また、外部電極２の下に回路配線層４が存在しない場合には、外部電極２からの配線はいったん回路配線層４が下に存在する領域まで引き出した後、ビア（貫通電極）により下層の回路配線層４と接続することになる。

外部電極２と外部との電気的接続にワイヤーボンディングを用いる場合、外部電極２はボンディング時の熱と衝撃に耐えられるだけの強度が必要とされるため、外部電極２が設けられる最上位配線層３は、他の配線層に比べて配線材料（メタル）を厚くすることが一般に行われる。

半導体基板１５の場合、最上位配線層３には画素電極１が設けられており、この画素電極１は入射光を反射するために高い反射率を備えている必要がある。しかし一般に配線材料の厚みと反射率とは反比例の関係にあり、ワイヤーボンディングに対する耐性を上げるために最上位配線層３の配線材料厚を厚くすると、逆に画素電極１の反射率が低下するという問題が生じる

この問題を解決するための構成を図７に示す。図７は、本発明の液晶表示装置の別の実施形態における半導体基板の基本構成を模式的に示す斜視図である。図７に示す構成において、回路配線層４は絶縁層内にビア（貫通電極）が形成された最上位ビア層２１と、最上位ビア層２１のビアと電気的に接続される配線を有する第二位配線層２２とを含み、外部電極２は最上位配線層３ではなく、第二位配線層２２に設けられており、更にその上層にあたる最上位配線層３および最上位ビア層２１の外部電極２上に該当する領域に、少なくともワイヤーボンディングが実施可能な大きさの貫通孔２０が設けられている。外部電極２は最上位配線層３および最上位ビア層２１に設けられた貫通孔２０を通して最表面に露出している。

図７の構成であれば、最上位配線層３の配線材料厚を薄くすることにより高い反射率の画素電極１が実現でき、また一方では、外部電極２を第二位配線層２２の配線材料と共にを厚くすることでワイヤーボンディングに対する耐性を高めることができ、背反する二つを両立させることが可能である。

以上本発明の構成について、いずれも最上位配線層３のみを一括露光によって形成し、回路配線層４の全ての層を繋ぎ露光で形成する場合について述べてきたが、最小寸法幅が許すのであれば、第二位配線層２２や最上位ビア層２１、トランジスタ形成層等の回路配線層４に含まれる一部の層を一括露光で形成することも可能である。

また、本発明は半導体基板上に画素電極１と回路配線層４を形成したＬＣＯＳ型液晶表示装置に限らず、例えばガラス基板上に画素電極１と回路配線層４を形成した透過型液晶表示装置にも適用することが可能である。

１画素電極
２外部電極
３最上位配線層
４回路配線層
５第一露光領域
６第二露光領域
７外部電極配置領域
１０対向ガラス基板
１１透明電極
１２シール部材
１３配向膜
１４液晶層
１５半導体基板
２０貫通孔
２１最上位ビア層
２２第二位配線層
３１、４６露光境界部分
３２ビア
３３、３４、３５露光境界部分をまたぐ配線
４１、４２外部電極
４３、４４列駆動回路
４５、４８行駆動回路
４７表示領域
４９電源配線やＧＮＤ配線
５０露光マスク
５１左端部分露光用領域
５２中央部分露光用領域
５３右端部分露光用領域

Claims

表面に画素電極を含む最上位配線層が一括露光を用いて形成され、当該最上位配線層の下に複数の回路配線層のうち少なくとも一層が繋ぎ露光を用いて形成された基板を備え、前記繋ぎ露光を用いて形成された前記回路配線層のうち、同層内に互いに隣接する露光領域にまたがる配線を有する層は、一層以下であることを特徴とする液晶表示装置。
前記回路配線層の全ての層が繋ぎ露光を用いて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記繋ぎ露光を用いて形成された前記回路配線層のうち、同層内に互いに隣接する露光領域にまたがる配線を有する層は、無いことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
前記繋ぎ露光の互いに隣接する露光領域の繋ぎ目を境界として互いに電気的に分離された二つの行駆動回路と、前記繋ぎ露光の互いに隣接する露光領域の繋ぎ目を境界として互いに電気的に分離された二つの列駆動回路とを、備えることを特徴とする請求項３に記載の液晶表示装置。
表面に画素電極を含む最上位配線層が一括露光を用いて形成され、当該最上位配線層の下に複数の回路配線層のうち少なくとも一層が繋ぎ露光を用いて形成された基板を備え、前記一括露光によって露光される領域は、前記繋ぎ露光によって露光される領域全体より大きく、前記繋ぎ露光によって露光される領域とは平面的に重ならない領域を有し、当該領域の前記最上位配線層に、前記回路配線層と外部との電気的接続を行うための外部電極が形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
表面に画素電極を含む最上位配線層が一括露光を用いて形成され、当該最上位配線層の下に複数の回路配線層のうち少なくとも一層が繋ぎ露光を用いて形成された基板を備え、前記回路配線層には、当該回路配線層と外部との電気的接続を行うための外部電極が形成され、当該外部電極は、前記画素電極よりも厚く形成されると共に、最表面に露出していることを特徴とする液晶表示装置。