KR101003577B1 - 마스크 및 이를 이용한 액정표시소자 제조방법 - Google Patents

마스크 및 이를 이용한 액정표시소자 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 마스크는 투명한 기판과, 상기 기판 위에 형성된 광흡수층과, 상기 기판 위에 형성되며, 복수의 슬릿을 포함하는 금속패턴으로 구성되며, 이 마스크를 사용함에 따라 3-마스크 액정표시소자 제조공정이 가능하게 된다.
액정표시소자, 마스크, 회절, 광흡수층, 3-마스크

Description

마스크 및 이를 이용한 액정표시소자 제조방법{A MASK AND METHOD OF LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE USING THEREOF}
도 1a∼도 1e은 종래 액정표시소자 제조방법을 나타내는 도면.
도 2는 액정표시소자의 제조에 사용되는 종래 마스크의 구조를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 마스크의 구조를 나타내는 도면.
도 4a∼도 4h는 본 발명에 따른 액정표시소자 제조방법을 나타내는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
110,120 : 기판 111 : 게이트전극
113 : 반도체층 115 : 소스/드레인전극
116 : 게이트절연층 117 : 보호층
119 : 화소전극 122 : 블랙매트릭스
124 : 컬러필터층 130 : 액정층
140 : 마스크 141 : 석영기판
142 : 금속패턴 145 : 슬릿
146 : 광흡수층
본 발명은 액정표시소자에 관한 것으로, 특히 광흡수층 및 회절패턴을 구비한 마스크 및 이를 사용함으로써 제조공정을 단순화시킬 수 있는 액정표시소자 제조방법에 관한 것이다.
액정표시소자(Liquid Crystal Display device)는 투과형 평판표시장치(Flat Panel Display device)로서, 노트북컴퓨터, PDA, 핸드폰(mobile phone)과 같은 휴대용 전자기기에 주로 적용되고 있을 뿐만 아니라 고화질 텔레비젼(HDTV), 디지털텔레비젼, 박형의 벽걸이용 텔레비젼과 같이 그 적용범위가 점차 확대되고 있다. 일반적으로 평판표시장치로는 상기한 액정표시소자 외에도 PDP(Plasma Display Panel), VFD(Vacuum Fluorescent Display), FED(Field Emission Display)와 같은 많은 종류의 장치가 활발하게 연구되고 있지만, 양산화기술, 구동수단의 용이성, 고화질의 구현 등과 같은 장점 때문에 상기 액정표시소자가 주로 채용되고 있다.
액정표시소자는 액정의 굴절률 이방성을 이용하여 화면에 정보를 표시하는 장치이다. 통상적으로, 액정은 구동소자가 형성된 하부기판과 컬러필터가 형성된 상부기판 사이에 주입되어 액정층을 형성하며, 상기 구동소자에 의해 액정분자를 구동하여 액정층을 투과하는 광량을 제어함으로써 정보를 표시하게 된다. 이러한 액정표시소자로는 다양한 종류가 존재하지만, 근래에는 주로 구동소자로서 박막트랜지스터(Thin Film Transistor)가 채용된 박막트랜지스터 액정표시소자가 주로 사용되고 있다.
박막트랜지스터는 액정표시소자의 수많은 화소들 각각에 형성되어 화소들을 독립적으로 제어한다. 이러한 액정표시소자는 주로 마스크를 이용되는 포토리소그래피공정과 같은 복잡한 공정에 의해 제작된다. 따라서, 이러한 복잡한 공정을 얼마나 단순화시키는가가 액정표시소자의 제조단가를 낮추고 수율을 증가시키기 위한 주요 요인이 되므로, 현재 공정단순화를 위한 많은 노력들이 이루어지고 있는 실정이다.
최초의 박막트랜지스터 액정표시소자는 주로 8-마스크를 이용하여 제작되었지만, 공정수를 줄이기 위해 많은 연구가 이루어진 결과 점차 7-마스크 및 6-마스크를 이용하게 되었으며, 최근에는 5-마스크를 이용한 액정표시소자가 주로 제작되고 있다.
도 1에 상기한 5-마스크를 이용한 액정표시소자의 제조공정이 도시되어 있다. 상기 도면을 참조하여 액정표시소자의 상세하게 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
우선, 도 1a에 도시된 바와 같이, 유리와 같은 투명한 제1기판(10) 상에는 금속으로 이루어진 게이트전극(11)이 형성된다. 상기 게이트전극(11)은 기판(10) 전체에 걸쳐서 금속층을 형성한 후 그 위에 포토레지스트를 도포하고 제1마스크를 이용하여 현상하고 식각액을 작용시킴으로써 형성된다. 상기와 같이 게이트전극(11)이 형성된 제1기판(10) 위에 게이트절연층(16)이 적층된다.
이어서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 게이트절연층(16) 위에 비정질실리콘(a-Si) 등의 반도체물질을 적층하고 제2마스크를 이용하여 식각하여 반도체층(13)을 형성한 후, 도 1c에 도시된 바와 같이 상기 반도체층(13) 위에 소스/드레인전극(15)을 형성한다. 상기 소스/드레인전극(15)은 반도체층(13) 및 게이트절연층(16) 전체에 걸쳐서 금속층을 형성한 후 그 위에 포토레지스트를 도포하고 제3마스크를 이용하여 현상하고 식각액을 작용시킴으로써 형성된다. 이때, 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 반도체층(13)과 소스/드레인전극(15) 사이에는 불순물층인 오믹컨택층(ohmic contact layer)이 형성된다.
이어서, 도 1d에 도시된 바와 같이, 제1기판(10) 전체에 걸쳐 보호층(17)을 형성한 후 제4마스크를 이용하여 상기 보호층(17)에 컨택홀(18)을 형성한다.
그 후, 도 1e에 도시된 바와 같이, 상기 보호층(17) 위에 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명전극을 적층하고 제5마스크를 이용하여 식각함으로써, 상기 보호층(17) 위에 화소전극(19)을 형성한다. 이때, 상기 화소전극(19)은 보호층(17)에 형성된 컨택홀(18)을 통해 드레인전극(15)에 접속된다.
한편, 제2기판(20)에는 블랙매트릭스(black matrix;22)와 컬러필터층(24)이 형성되며, 상기 제1기판(10)과 제2기판(20)이 합착되고 그 사이에 액정층(30)이 형성되어 액정표시소자가 완성된다.
상기한 바와 같이, 종래 액정표시소자 제조방법에서는 게이트전극용 마스크, 반도체층용 마스크, 소스/드레인전극용 마스크, 컨택홀용 마스크, 화소전극용 마스크 등 총 5개의 마스크가 필요하게 된다.
일반적으로 상기와 같은 5-마스크 액정표시소자 제조공정에 사용되는 마스크(40)는 도 2에 도시된 바와 같이, 광을 투과하는 영역과 광을 차단하는 영역 으로 이루어져 있다. 이때, 광을 차단하는 영역은 기판(41)위에 형성된 금속패턴(42)으로서, 주로 Cr과 같은 금속으로 이루어진다. 또한, 기판(41)은 투과도가 좋은 석영 등으로 이루어져 있다. 이러한 마스크를 사용함에 따라 포토레지스트에는 마스크(40)를 투과한 광이 조사되는 영역과 광이 조사되지 않은 영역으로 구분되며, 현상액을 이용하여 광이 조사되지 않은 영역의 포토레지스트(또는 광이 조사된 영역의 포토레지스트를)를 제거함으로써 원하는 패턴을 형성하는 것이다.
도면에는 도시하지 않았지만, 마스크를 이용한 포토리소그래피공정은 대단히 복잡한 공정으로, 액정표시소자의 제조단가를 상승시키고 수율을 저하시키는 요인이 된. 따라서, 사용되는 마스크의 숫자를 줄이기 위한 노력(즉, 제조공정을 단순화하기 위한 노력)이 활발하게 이루어지고 있지만, 현재까지 뚜렷한 효과를 얻을 수가 없는 실정이다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 투과영역, 반투과영역, 회절영역 및 차단영역으로 이루어져 한번의 공정에 의해 3개의 패턴을 형성할 수 있는 마스크를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 마스크를 이용함으로써 제조방법을 대폭 단순화시킬 수 있는 액정표시소자 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 마스크는 투명한 기판과, 상기 기판 위에 형성된 광흡수층과, 상기 기판 위에 형성되며, 복수의 슬릿을 포함하는 금속패턴으로 구성된다. 상기 기판은 광이 투과되는 투과영역을 형성하고 광흡 수층은 광의 일부만을 투과시키는 반투과영역을 형성한다. 또한, 금속패턴은 광의 투과를 차단하는 차단영역을 형성하고 복수의 슬릿은 투과되는 광을 회절시키는 회절영역을 형성한다.
또한, 본 발명에 따른 액정표시소자 제조방법은 화소부와 패드부를 포함하는 제1기판상의 화소부 및 패드부에 각각 게이트전극과 패드를 형성하는 단계와, 상기 제1기판 전체에 걸쳐 게이트절연층, 반도체, 금속층 및 보호층을 적층하는 단계와, 상기 보호층 위에 포토레지스트층을 적층한 후, 상기 포토레지스트층 위에 투과영역, 반투과영역, 회절영역 및 차단영역을 포함하는 마스크를 위치시킨 후 광을 조사하고 현상하여 서로 다른 3개의 두께를 갖는 포토레지스트패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트패턴을 이용해서 제1식각하여 패드를 오픈하는 단계와, 상기 포토레지스트패턴을 에이싱한 후 제2식각하여 패드부의 보호층과 금속층 및 화소부의 박막트랜지스터 형성영역 이외의 보호층과 금속층을 제거하는 단계와, 상기 포토레지스트패턴을 에이싱한 후 제3식각하여 게이트전극 상부의 보호층을 제거하는 단계와, 제4식각하여 패드부의 반도체층과 화소영역의 박막트랜지스터 영역 이외의 반도체층을 제거하는 단계와, 제5식각하여 게이트전극 상부의 금속층과 반도체층의 일부를 제거하여 소스/드레인전극을 형성하는 단계와, 화소전극을 형성하는 단계로 구성된다.
본 발명에서는 제조공정이 단순화된 액정표시소자를 제공한다. 특히, 본 발명에서는 새로운 구성으로 이루어진 마스크를 제작한 후 이를 이용하여 액정표시소 자를 제작한다. 이와 같은 새로운 마스크의 사용에 의해 액정표시소자를 제조하는 5-마스크공정이 3-마스크공정으로 변하게 되어, 제조공정을 대폭 단순화할 수 있게 괴는 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 마스크(140)는 석영과 같은 투명한 물질로 이루어진 기판(141)과, 상기 기판(141)의 일정 영역 위에 적층된 광흡수층(146)과, 상기 광흡수층(146)의 일정 영역에 형성된 금속패턴(142)으로 이루어진다. 상기 광흡수층(146)은 MoSi와 같이 입사되는 광을 흡수하는 물질로 구성되며, 금속패턴(142)은 광차단특성이 좋은 Cr과 같은 금속으로 이루어진다. 이때, 상기 금속패턴(142)에는 복수의 슬릿(145)이 구성되어 입사되는 광을 회절시킨다.
상기와 같이 구성된 마스크(140)는 광의 투과정도에 따라 복수의 영역을 구분할 수 있다. 즉, 상기 금속패턴(142)이 형성된 영역은 조사되는 광이 전혀 투과되지 않으므로 투과영역을 형성하고 광흡수층(146)이 적층된 영역은 조사된 광의 일부(예를 들어, 조사되는 광의 약 35∼55％)만이 투과하는 반투과영역을 형성한다. 또한, 금속패턴(142)이 형성된 영역은 광이 전혀 투과하지 않으므로 차단영역을 형성하고 슬릿(145)이 형성된 영역은 회절된 광이 투과되므로 회절영역을 형성한다.
상기 각 영역으로 투과되는 양의 양이 다르기 때문에, 포토레지스트를 적층한 후 상기 마스크(140)를 사용하여 현상하면 서로 다른 3개의 두께를 갖는 포토레지스트패턴을 형성할 수 있게 된다. 이러한 포토레지스트패턴을 이용하여 하나의 마스크에 의해 3개의 패턴을 형성할 수 있게 되며, 이 마스크를 사용함으로써 3-마 스크공정이 가능하게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 액정표시소자의 제조방법을 상세히 설명한다.
도 4a∼도 4h는 본 발명에 따른 액정표시소자 제조방법을 나타내는 도면이다. 이때, 도면에서는 설명의 편의를 위해 화소부와 패드부로 구분하여 도시하였다.
우선, 도 4a에 도시된 바와 같이, 유리와 같은 투명한 제1기판(110)위에 Al이나 Al합금 또는 Cu와 같은 금속을 증착(evaporation)방법이나 스퍼터링(sputtering)방법에 의해 적층한 후 제1마스크를 사용하여 식각하여 화소부 및 패드부에 각각 게이트전극(111) 및 패드(151)를 형성한 후, 상기 제1기판(110) 전체에 걸쳐 게이트절연층(116), 반도체층(113a), 금속층(115a) 및 보호층(117)을 연속 적층한다.
상기 게이트절연층(116)은 SiNx나 SiOx와 같은 절연물질로 이루어지며, 반도체층(113a)은 비정질실리콘(a-Si)이나 결정질실리콘과 같은 반도체와 그 상부의 불순물이온(n+이온)이 도핑된 불순물층으로 이루어진다. 또한, 상기 금속층(115a)은 Mo나 Mo합금 등의 금속을 증착이나 스퍼터링방법에 의해 적층함으로써 이루어진다. 보호층(117)은 SiNx나 SiOx 등의 무기물 또는 BCB(Benzo Cyclo Butene)나 포토아크릴과 같은 유기물을 적층함으로써 형성된다.
상기와 같이, 게이트절연층(116), 반도체층(113a), 금속층(115a) 및 보호층(117)이 적층된 제1기판(110)에 포토레지스트층(162a)을 적층하고 그 상부에 본 발명의 마스크(140), 즉 투과영역, 반투과영역, 회절영역 및 차단영역을 구비한 마스크(140)를 위치시킨 후 자외선과 같은 광을 조사하고 현상액을 이용하여 현상하면, 도 4b에 도시된 바와 같이 서로 다른 두께를 갖는 포토레지스트패턴(162)이 상기 보호층(117) 위에 형성된다. 이때, 상기 마스크(140)의 투과영역은 패드부의 패드(151) 상부에 위치하고 회절영역은 게이트전극(111) 상부에 위치한다. 또한, 차단영역은 상기 회절영역의 양측면에 위치하고 반투과영역은 상기 투과영역 및 차단영역 이외의 화소부에 위치한다.
현상액이 작용함에 따라 패드(151) 상부의 포토레지스트층이 현상되어 상기 패드(151) 상부의 포토레지스트층이 제거되고, 화소부의 보호층(117) 위에는 각각 t1,t2,t3(t1〈t2〈t3)의 두께를 갖는 포토레지스트패턴(162)이 형성된다.
상기와 같이, 포토레스트패턴(162)이 형성된 상태에서 식각가스를 이용하여 포토레지스트패턴(162)이 형성되지 않는 패드(151) 상부의 보호층(117), 금속층(115a) 및 게이트절연층(116)을 건식식각하여 제거하면, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 패드(151) 상부에 홀(153)이 형성되어 패드(151)가 외부로 오픈(open)된다.
이어서, 화소부의 포토레지스트패턴(162)을 플라즈마이온을 이용하여 에이싱하면 게이트전극(111)과 그 양측면의 일정 영역에만 포토레지스트패턴(162)이 남게 된다. 이 상태에서 건식식각을 진행하여, 상기 포토레지스트패턴(162)이 형성된 영역을 제외한 화소부와 패드부의 보호층(117)과 금속층(115a)을 제거한다. 이때, 상 기 금속층(115a)은 Mo나 Mo합금으로 이루어지기 때문에 건식식각에 의해 제거되며, 따라서 Al이나 Al합금으로 이루어진 패드(151)는 상기 건식식각에 의해 전혀 영향을 받지 않게 된다.
그 후, 도 4d에 도시된 바와 같이, 포토레지스트패턴(162)을 에이싱하면 게이트전극(111) 상부의 포토레지스트가 제거되어 게이트전극(111) 측면에만 포토레지스트패턴(162)이 남게 된다. 이 상태에서 건식식각에 의해 도 4e에 도시된 바와 같이 게이트전극(111) 상부의 보호층(117)을 제거하여 금속층(115a)을 노출시킨 후, 건식식각을 계속 실행하면 금속층(115a)에 의해 블로킹된 영역을 제외한 화소부와 패드부의 반도체층(113a)이 제거된다.
이어서, 도 4f에 도시된 바와 같이, 건식식각을 계속 실행하여 게이트전극(111) 상부의 금속층(115a)과 반도체층(113)의 일부(즉, 불순물층인 오믹컨택층)을 제거한 후 상기 포토레지스트패턴(162)을 제거하면, 도 4g에 도시된 바와 같이, 소스전극/드레인전극(115)이 형성된다. 이때, 상기 금속층(115a)은 Mo나 Mo 합금으로 이루어져 있기 때문에 건식식각방법에 의해 제거되며, 상기 금속층(115a)의 식각시 패드(151)는 아무런 영향을 받지 않게 된다.
그후, 도 4h에 도시된 바와 같이, 제1기판(110) 전체에 걸쳐 ITO나 IZO(Indium Zinc Oixde)와 같은 투명도전층을 형성한 후 제3마스크를 이용하여 식각하여 화소영역에 화소전극(119)을 형성하고 패드영역의 패드(151) 위에 패드산화방지용 금속층(153)을 형성한다. 박막트랜지스터의 소스/드레인전극(115)은 Mo나 Mo합금으로 이루어져 있기 때문에, 측면접촉특성(side contact characteristic)이 좋다. 따라서, 도면에 도시된 바와 같이, 화소전극(119)이 드레인전극(115)의 측면에 접속될 수 있게 되는 것이다.
한편, 제2기판(120)에는 Cr/CrOx나 블랙수지등을 적층하고 식각하여 화상비표시영역으로 광이 투과하는 것을 방지하기 위한 블랙매트릭스(122)가 형성되고 R(Red), G(Green), B(Blue)의 컬러층으로 이루어져 실제 컬러를 구현하는 컬러필터층(124)이 형성된다.
상기와 같이, 구성된 제1기판(110)과 제2기판(120)을 실링재(sealent)를 이용하여 합착한 후, 상기 제1기판(110)과 제2기판(120) 사이에 액정층(130)을 형성하여 액정표시소자를 완성한다.
상기와 같이, 본 발명에서는 게이트전극용 마스크, 반도체층 및 소스/드레인전극용 마스크 및 화소전극용 마스크 등 총 3개의 마스크에 의해 액정표시소자를 제작할 수 있게 된다. 상기 반도체층 및 소스/드레인전극용 마스크는 투과영역, 반투과영역, 회절영역 및 차단영역으로 구성되어 광의 투과량을 조절하며, 이 투과량에 따라 포토레지스트패턴의 두께가 결정된다. 따라서, 하나의 마스크에 의해 3개의 패턴 형성이 가능하게 되어, 3-마스크공정에 의해 액정표시소자가 제작되는 것이다.
이와 같은, 본 발명의 마스크는 상기한 액정표시소자 공정에만 적용되는 것이 아니라, 다른 구조의 액정표시소자의 공정, 예를 들어 공통전극과 화소전극을 동일 기판상에 형성하는 IPS(In Plane Switching)모드 액정표시소자나 VA(Vertical Alignment)모드 액정표시소자의 제조에도 유용하게 사용할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 투과영역, 반투과영역, 회절영역 및 차단영역으로 이루어진 마스크를 사용하여 액정표시소자를 제조하므로, 사용되는 마스크의 숫자를 대폭 감소시킬 수 있게 되며, 그 결과 제조공정을 대폭 단순화시킬 수 있게 된다.

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  8. 화소부와 패드부를 포함하는 제1기판상의 화소부 및 패드부에 각각 게이트전극과 패드를 형성하는 단계;
    상기 제1기판 전체에 걸쳐 게이트절연층, 반도체층, 금속층 및 보호층을 적층하는 단계;
    상기 보호층 위에 포토레지스트층을 적층한 후, 상기 포토레지스트층 위에 투과영역, 반투과영역, 회절영역 및 차단영역을 포함하는 마스크를 위치시킨 후 광을 조사하고 현상하여 서로 다른 3개의 두께를 갖는 포토레지스트패턴을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트패턴을 이용해서 제1식각하여 패드를 오픈하는 단계;
    상기 포토레지스트패턴을 에이싱한 후 제2식각하여 패드부의 보호층과 금속층 및 화소부의 박막트랜지스터 형성영역 이외의 보호층과 금속층을 제거하는 단계;
    상기 포토레지스트패턴을 에이싱한 후 제3식각하여 게이트전극 상부의 보호층을 제거하는 단계;
    제4식각하여 패드부의 반도체층과 화소영역의 박막트랜지스터 영역 이외의 반도체층을 제거하는 단계;
    제5식각하여 게이트전극 상부의 금속층과 반도체층의 일부를 제거하여 소스/드레인전극을 형성하는 단계; 및
    화소전극을 형성하는 단계로 구성된 액정표시소자 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 금속층은 Mo 또는 Mo합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정표시소자 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 금속층은 건식식각에 의해 식각되는 것을 특징으로 하는 액정표시소자 제조방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 화소전극은 드레인전극과 측면접촉되는 것을 특징으로 하는 액정표시소자 제조방법.
  12. 제8항에 있어서, 게이트전극 및 패드는 제1마스크를 이용하여 형성되고, 화소전극은 제2마스크를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 액정표시소자 제조방법.
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