KR20080113596A - 액정표시장치용 어레이 기판 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20080113596A
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Abstract

본 발명은 액정표시장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 자세하게는 어레이 소자 간 단차에 의한 러빙 불균일을 개선하는 것에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명에서는 어레이 소자를 형성하는 과정에서 불가피하게 발생된 단차를 다중 슬릿 마스크(multi-slit mask)를 이용하여 단계적으로 단차의 경사를 완만하게 가져가는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성은 완만한 단차에 의한 균일한 러빙 공정으로 전경선의 발생을 방지할 수 있고, 전술한 전경선에 의한 빛샘의 발생을 막고자 과도하게 설계된 블랙 매트릭스의 선폭을 줄일 수 있어 개구율이 개선되는 장점이 있다.

Description

액정표시장치용 어레이 기판 및 그 제조방법{An array substrate of Liquid Crystal Display Device and the method for fabricating thereof}
도 1은 종래의 액정표시장치용 어레이 기판의 단위 화소를 나타낸 평면도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.
도 3은 종래의 액정표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 4a와 도 4b는 종래에 따른 액정표시장치용 어레이 기판을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 액정표시장치용 어레이 기판의 단위 화소를 나타낸 단면도.
도 6a 내지 도 6f는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절단한 단면을 공정 순서에 따라 나타낸 공정 단면도.
도 7은 다중 슬릿 마스크를 확대한 평면도.
도 8a와 도 8b는 라인 형상과 네트 형상으로 구성된 다중 슬릿 마스크를 각각 나타낸 평면도.
도 9a와 도 9b는 라인 형상과 네트 형상으로 구성된 다중 슬릿 마스크의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
도 10a와 도 10b는 라인 형상과 네트 형상의 다중 슬릿 마스크를 적용한 실험 데이터를 각각 나타낸 도면.
도 11a와 도 11b는 라인 형상과 네트 형상의 다중 슬릿 마스크를 적용한 실험 데이터를 각각 나타낸 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
300 : 기판 325 : 게이트 전극
330 : 데이터 배선 332 : 소스 전극
334 : 드레인 전극 340 : 오믹 콘택층
341 : 액티브층 342 : 반도체층
345 : 게이트 절연막 370 : 화소 전극
380 : 보호막 패턴 382 : 제 1 패턴
384 : 제 2 패턴 386 : 제 1 서브 패턴
388 : 제 2 서브 패턴 CH2 : 화소 오픈홀
T : 박막트랜지스터
본 발명은 액정표시장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 자세하게는 어레이 소자 간 단차에 의한 러빙 불균일을 개선하는 것에 관한 것이다.
일반적으로, 액정표시장치의 구동원리는 액정의 광학적 이방성과 분극성질을 이용한다. 상기 액정은 구조가 가늘고 길기 때문에 분자의 배열에 방향성을 지니고 있으며, 인위적으로 액정에 전기장을 인가하여 분자배열의 방향을 제어할 수 있다.
따라서, 상기 액정의 분자배열 방향을 임의로 조절하면, 액정의 분자배열이 변하게 되고, 광학적 이방성에 의해 상기 액정의 분자배열 방향으로 빛이 굴절하여 화상정보를 표현할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 종래에 따른 액정표시장치에 대해 설명한다.
도 1은 종래의 액정표시장치용 어레이 기판의 단위 화소를 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 기판(10) 상에 수직 방향으로 데이터 배선(30)이 구성되고, 상기 데이터 배선(30)에서 연장된 소스 전극(32)과, 이와는 일정 간격 이격된 드레인 전극(34)이 구성된다.
그리고, 상기 드레인 전극(34)의 일부와 접촉된 화소 전극(70)이 화소 영역(P)에 대응하여 구성된다.
상기 데이터 배선(30)과 소스 및 드레인 전극(32, 34) 상에는 이와 그 일부가 중첩된 반도체층(42)이 구성되는 바, 상기 반도체층(42)은 불순물 비정질 실리콘(n+ a-Si:H)으로 이루어진 오믹 콘택층(40)과 순수 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 이루어진 액티브층(41)을 포함한다.
상기 반도체층(42) 상부 전면에는 질화 실리콘(SiNx)과 산화 실리콘(SiO2) 등과 같은 무기절연물질 그룹 중에서 선택된 하나로 게이트 절연막(45)이 구성된다.
그리고, 상기 게이트 절연막(45) 상에는 상기 데이터 배선(30)과 수평 교차하여 화소 영역(P)을 정의하는 게이트 배선(20)과, 상기 게이트 배선(20)에서 연장되고 상기 반도체층(42)과 그 일부가 중첩된 게이트 전극(25)이 구성된다.
여기서, 상기 게이트 전극(25)과 반도체층(42)과 소스 및 드레인 전극(32, 34)은 박막트랜지스터(T)를 이룬다.
상기 박막트랜지스터(T)의 상부 전면에는 포토 아크릴(photo-acryl)과 벤조사이클로부텐(benzocyclobutene:BCB)을 포함하는 유기절연물질 그룹 중 선택된 하나 또는, 질화 실리콘(SiNx)과 산화 실리콘(SiO2)을 포함하는 무기절연물질 그룹 중 선택된 하나로 보호막(55)이 구성된다.
그리고, 상기 화소 영역(P)에 대응하여 구성된 화소 전극(70)을 노출하는 화소 오픈홀(CH1)이 구성된다.
현재, 전술한 보호막(55)은 무기절연물질의 경우는 플라즈마 화학기상증착법으로, 그리고 상기 유기절연물질은 스핀코팅(spin coating) 공정으로 제작되는 것이 일반적이다.
그러나, 위 두 공정은 모두 불가피하게 각 배선, 특히 데이터 배선(30), 박막트랜지스터(T) 그리고 화소 전극(70) 간 단차가 발생된다.
특히, 전술한 탑 게이트(top gate) 방식의 경우 투과율을 향상하기 위한 목적으로, 각 배선을 덮는 상기 보호막(55)을 제거하여 화소 전극(70)을 노출하는 화소 오픈홀(CH1)을 형성하게 되는데, 이 과정에서 상기 화소 오픈홀(CH1)의 양측으로 급격한 단차가 발생하게 된다.
전술한 구성을 갖는 액정표시장치용 어레이 기판은 컬러필터 기판과 액정층을 사이에 두고 대향 합착하여 액정 패널을 이루고, 이러한 액정 패널에 실장된 구동 회로와, 이의 배면에서 광원의 역할을 하는 백라이트 유닛을 포함하여 액정표시장치를 이룬다.
도 3은 종래의 액정표시장치를 개략적으로 나타낸 단면도로, 이를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도시한 바와 같이, 서로 일정 간격 이격된 상태에서 대향 합착된 컬러필터 기판(110) 및 어레이 기판(150)과, 상기 양 기판(110, 150)의 이격된 사이에 개재된 액정층(130)을 포함하여 액정 패널(170)을 이룬다.
상기 컬러필터 기판(110)의 투명 기판(101) 하부에는 비표시 영역(NA)으로 입사되는 빛을 차폐하기 위한 블랙 매트릭스(115)와, 상기 블랙 매트릭스(115)를 경계로 순차적으로 패턴된 적, 녹, 청 서브 컬러필터(120a, 120b, 120c)가 구성된다.
이때, 상기 적, 녹, 청 서브 컬러필터(120a, 120b, 120c)의 하부에는 오버 코트층(125)과 공통 전극(135)과 상부 배향막(145)이 차례로 구성된다.
그리고, 도면으로 상세히 제시하지는 않았지만, 상기 어레이 기판(150)의 투 명 기판(102) 상부에는 게이트 배선(도 2의 20)및 데이터 배선(도 2의 30)과, 박막트랜지스터(도 2의 T)와 화소 전극(도 2의 70)을 포함하는 어레이 소자(165)와, 상기 어레이 소자(165)를 덮는 보호막(175)과, 상기 보호막(175) 상에 하부 배향막(146)이 차례로 구성된다.
이때, 상기 액정 패널(170)과, 이에 실장된 외부 구동회로(미도시)와, 상기 액정 패널(170)의 배면에서 광원의 역할을 하는 백라이트 유닛(190)을 포함하여 액정표시장치(100)를 이룬다.
이러한 액정표시장치(100)는 상기 어레이 소자(165) 중 표시 영역(A)에 대응하여 구성된 화소 전극(도 2의 70)과, 공통 전극(135) 간의 전압차에 따른 수직 전계로 액정(185)을 구동하는 전기광학효과를 이용한 것으로, 상기 전기광학효과는 액정(185) 자체의 이방성과 액정(185)의 분자 배열 상태에 의해 결정된다.
따라서, 상기 액정 분자(185)의 배열을 제어하는 것이 액정표시장치(100)의 표시 품위를 결정짓는 중요한 변수라 할 수 있으며, 액정 분자(185)를 보다 효과적으로 배향시키기 위해 구성하는 것이 배향막(145, 146)이다.
이러한 배향막(145, 146)의 표면을 러빙포를 이용하여 균일한 압력과 속도로 마찰시켜 배향막(145, 146) 표면의 고분자 사슬을 일정한 방향으로 정렬시킴으로써 액정 분자(185)의 배향 방향을 결정하는 러빙 공정을 진행하게 된다.
그러나, 전술한 어레이 기판(150)에 하부 배향막(146)을 형성하고 나서 러빙 공정을 진행하다 보면, 단차가 발생된 부분(C, D)에서 액정의 배향이 균일하게 이루어지지 않아 액정의 이상 배열, 즉 전경선(disclination)을 야기하는 문제가 발 생한다.
특히, 상기 전경선은 액정의 왜곡에 기인한 것으로, 이러한 전경선이 발생된 부분(C, D)은 어레이 기판(150)의 배면에 위치한 백라이트 유닛(190)으로부터의 빛이 그대로 새는 현상으로, 액정표시장치(100)의 구동시 블랙이 상승하는 원인으로 작용하여 대비비(contrast ratio)의 저하를 불러온다.
이러한 이유로, 빛샘에 따른 휘도의 저하를 막고자 전경선이 발생된 부분(C, D)을 블랙 매트릭스(115)로 차폐할 수 있도록 공정 마진을 확보하여 설계하고 있으나, 이로 인해 개구율(aperture ratio)이 많이 잠식되고 있는 실정이다.
이를 해결하기 위해, 회절 원리를 이용한 슬릿 마스크(slit mask)로 단차진 부분에서의 러빙 불균일을 해소하려는 시도가 진행 중에 있는 바, 이에 대해서는 이하 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 4a와 도 4b는 종래에 따른 액정표시장치용 어레이 기판을 개략적으로 나타낸 단면도로, 상세하게는 슬릿 마스크를 이용한 사진식각공정으로 보호막 패턴을 형성하는 단계를 나타내고 있다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 기판(200) 상에 박막트랜지스터(T)와 화소 전극(270)과, 데이터 배선(230) 등이 구성되고, 상기 박막트래지스터(T) 상에 보호막(255)이 구성된다.
그러나, 전술한 바와 같이, 어레이 소자(도 3의 165)를 형성하는 과정에서 불가피하게 단차가 발생하게 되고, 이러한 단차에 의해 러빙 불균일이 발생될 수 있다.
이때, 상기 보호막(255)이 질화 실리콘과 산화 실리콘을 포함하는 무기 절연물질 그룹 중 선택된 하나로 형성될 경우에는 상기 보호막(255) 상에 포토레지스트(photoresist)를 도포하고 노광 및 현상 공정을 통해 원하는 패턴을 형성할 수 있다.
이에 반해, 상기 보호막(255)이 포토 아크릴과 벤조사이클로부텐과 같은 감광성 물질로 이루어질 경우에는 포토레지스트를 증착할 필요 없이 바로 노광 및 현상 공정을 통해 원하는 패턴을 형성할 수 있다.
이때, 전술한 감광성 물질로 이루어진 유기절연물질을 예로 들어 설명하면, 상기 보호막(255)이 형성된 기판(200)과 이격된 상측에 슬릿 마스크(275)를 정렬하는 단계를 진행하는 바, 양측의 회절부(RA) 사이에 투과부(TA)가 위치하도록 하고, 이를 제외한 영역은 차단부(NTA)가 위치하도록 한다.
여기서, 상기 슬릿 마스크(275)는 라인 폭과 슬릿 폭의 조절을 통해, 통과되는 노광량의 차이로 화소 영역(P)의 양측 끝단의 단차진 부분에 위치하는 보호막(255)의 두께를 조절할 수 있다.
도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 슬릿 마스크(도 4a의 275)와 이격된 상부에서 노광 및 현상 공정을 진행하게 되면, 상기 차단부(NTA)에 대응하는 보호막(도 4a의 255)은 두께의 변화 없이 그대로 존재하여 제 1 패턴(282)이 형성되고, 상기 투과부(TA)에 대응하는 보호막(도 4a의 255)은 모두 제거되어 상기 화소 전극(270)이 노출되고, 상기 양측의 회절부(RA)에 대응하는 보호막(도 4a의 255)은 그 노출된 일부가 제거되어 그 두께가 낮아진 제 2 패턴(284)이 구성된다.
이때, 상기 제 1 패턴(282)과 제 2 패턴(284)을 포함하여 보호막 패턴(280)을 이룬다.
다음으로, 상기 화소 영역(P)에 대응하여 노출된 게이트 절연막(245)을 건식식각 공정으로 제거함으로써, 상기 화소 전극(270)을 노출하는 화소 오픈홀(CH1)이 구성된다.
그러나, 종래의 슬릿 마스크(도 4a의 275)는 라인 폭과 슬릿 폭을 정밀하게 제어하는 데 한계가 있어, 라인 폭과 슬릿 폭을 동일한 간격으로 배치함에 따라 회절 노광시 동일한 노광량으로 하나의 단차 영역을 형성할 수 밖에 없는 제약이 있었다.
이와 같은 공정은, 슬릿 마스크를 사용하지 않는 공정에 비해 전경선이 발생되는 영역을 줄일 수는 있으나, 반도체층(242)이 대략 2000Å의 두께로 제작되는 것을 고려할 때, 설계적으로 단차가 2000Å 이상인 영역에서는 전경선이 발생되는 것을 완전히 방지할 수 없는 문제로 유기절연물질을 적용할 시 최대 장점인 개구율의 향상에 기여하지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 어레이 소자의 단차에 의한 러빙 불균일을 개선하여 빛샘 방지 및 대비비를 향상하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정표시장치용 어레이 기판은 제 1 영역, 제 2 영역 및 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이의 제 3 영역으로 구분된 기판과, 상기 기판 상의 상기 제 1 영역에 구성된 스위칭 소자와, 상기 제 2 영역에 구성된 화소 전극과, 상기 스위칭 소자와 상기 화소 전극 상의 상기 제 1 영역에 구성된 제 1 패턴과, 상기 제 3 영역 상에 형성되며, 상기 제 1 패턴 보다 높이가 낮고 상기 제 2 영역의 방향으로 순차적으로 높이가 낮아지는 2 개 이상의 제 2 패턴으로 이루어진 보호막 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제 2 패턴은 상기 제 1 영역에 인접한 제 1 서브 패턴과, 상기 제 1 서브 패턴과 인접하며, 상기 제 1 서브 패턴 보다 낮은 높이를 가지는 제 2 서브 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 서브 패턴은 상기 제 1 패턴 두께의 2/3이고, 상기 제 2 서브 패턴은 상기 제 1 패턴 두께의 1/3인 것을 특징으로 한다.
상기 보호막 패턴은 감광성 물질인 포토 아크릴과 벤조싸이클로부텐을 포함하는 유기절연물질 그룹 중 선택된 하나 또는, 질화 실리콘과 산화 실리콘을 포함하는 무기 절연물질 그룹 중 선택된 하나로 구성된다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액정표시장치용 어레이 기판의 제조방법은 제 1 영역, 제 2 영역 및 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이의 제 3 영역으로 구분된 기판을 준비하는 단계와, 상기 제 1 영역에 스위칭 소자와, 상기 제 2 영역에 화소 전극을 형성하는 단계와, 상기 스위칭 소자와 상기 화소 전극 상부 의 상기 제 1 영역에 대응된 제 1 패턴과, 상기 제 3 영역에 상기 제 1 패턴 보다 높이가 낮고 상기 제 2 영역의 방향으로 순차적으로 높이가 낮아지는 2 개 이상의 제 2 패턴으로 이루어진 보호막 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 보호막 패턴을 형성하는 단계는 상기 스위칭 소자와 화소 전극을 포함하는 상기 기판 상에 유기 절연물질 그룹 중 선택된 하나로 보호막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 영역은 차단부, 상기 제 2 영역은 투과부, 상기 제 3 영역은 회절부가 각각 대응하도록 슬릿 마스크를 정렬하는 단계와, 상기 슬릿 마스크를 이용한 노광 및 현상 공정을 진행하여, 상기 제 1 영역에 대응된 제 1 패턴과, 상기 제 3 영역에 상기 제 1 패턴 보다 높이가 낮고 상기 제 2 영역의 방향으로 순차적으로 높이가 낮아지는 2 개 이상의 제 2 패턴으로 이루어진 보호막 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회절부는 라인과 라인 사이의 이격 공간인 슬릿이 구성되고, 상기 라인의 폭과 슬릿의 폭을 조절하는 것을 통해 상기 회절부로 투과되는 노광량이 조절되는 것을 특징으로 한다.
상기 회절부는 제 1 및 제 2 회절부를 포함하며, 상기 제 1 회절부의 슬릿 간격이 상기 제 2 회절부의 슬릿 간격 보다 좁은 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제 1 회절부에는 제 1 서브 패턴이, 상기 제 2 회절부에는 제 2 서브 패턴이 각각 형되고, 상기 제 1 서브 패턴은 상기 보호막 패턴 두께의 1/3이, 그리고 상기 제 2 서브 패턴은 상기 보호막 패턴 두께의 2/3가 제거된 것을 특징으 로 한다.
상기 회절부는 라인 형상 또는 네트 형상의 슬릿 마스크가 이용된 것을 특징으로 한다.
전술한 제 5 항 내지 제 11 항에 의해 형성된 상기 보호막 패턴이 질화 실리콘과 산화 실리콘을 포함하는 무기절연물질 그룹 중 선택된 하나로 형성될 경우에는 상기 보호막 상에 감광층을 형성하고, 이를 사진식각하는 공정 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
--- 실시예 ---
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 액정표시장치에 대해 설명하도록 한다.
본 발명에서는 다중 슬릿 마스크를 이용하여 단차진 부분에 위치하는 보호막에 여러 개의 단차를 형성하여 경사를 완만하게 가져가는 것을 통해 러빙 불균일을 방지하는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 액정표시장치용 어레이 기판의 단위 화소를 나타낸 단면도로, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절단한 단면을 나타내고 있다.
도시한 바와 같이, 기판(300) 상에 수직 방향으로 구성된 데이터 배선(330)과, 상기 데이터 배선(330)에서 연장된 소스 전극(332)과, 이와는 이격된 드레인 전극(334)을 구성한다.
그리고, 상기 드레인 전극(334)의 일부와 접촉하는 화소 전극(370)을 화소 영역(P)에 대응하여 구성한다.
상기 소스 및 드레인 전극(332, 334) 상에는 이들과 그 일부가 중첩된 반도체층(342)을 구성하는 바, 상기 반도체층(342)은 불순물 비정질 실리콘(n+ a-Si:H)으로 이루어진 오믹 콘택층(340)과 순수 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 이루어진 액티브층(341)을 포함한다.
그리고, 상기 반도체층(342)과 화소 전극(370) 상에는 질화 실리콘과 산화 실리콘을 포함하는 무기절연물질 그룹 중 선택된 하나로 게이트 절연막(345)을 구성한다.
상기 게이트 절연막(345) 상에는 상기 데이터 배선(330)과 수평 교차하여 화소 영역(P)을 정의하는 게이트 배선(도 1의 20)과, 상기 게이트 배선에서 연장되고 상기 반도체층(342)과 그 일부가 중첩된 게이트 전극(325)을 구성한다.
상기 게이트 전극(325) 상에 보호막 패턴(380)과 상기 화소 전극(370)을 노출하는 화소 오픈홀(CH2)을 구성한다.
도면으로 상세히 제시하지는 않았지만, 상기 화소 오픈홀(CH2)은 게이트 배선(도 1의 20)과 데이트 배선(330) 각각의 일 끝단에 구성된 게이트 및 데이터 패드(미도시)를 외부의 구동회로에 실장하기 위해 그 각각의 일부를 노출시키는 공정과 동시에 구성된다.
이때, 상기 보호막 패턴(380)은 화소 오픈홀(CH2)과, 이의 양측에 대응된 데이터 배선(330)과 박막트랜지스터(T)에 의한 급격한 경사를 단계적으로 완만하게 구성한 제 1 및 제 2 패턴(382, 384)을 포함한다.
상기 제 1 패턴(382)은 데이터 배선(330)과, 박막트랜지스터(T)가 위치하는 데이터 영역(D)및 스위칭 영역(S)에 구성되고, 상기 제 2 패턴(382)은 상기 데이터 영역(D)과 화소 영역(P)의 사이 구간, 상기 스위칭 영역(S)과 화소 영역(P)의 사이 구간에 대응하여 각각 구성된다.
이때, 상기 제 2 패턴(384)은 상기 제 1 패턴(382) 보다 높이가 낮고 상기 화소 영역(P) 방향으로 순차적으로 높이가 낮아지는 2개 이상의 서브 패턴으로 구분된다.
상세하게는, 상기 제 2 패턴(384)은 서로 다른 두께를 갖는 제 1 및 제 2 서브 패턴(386, 388)으로 세분화되는 바, 바람직하게는, 상기 제 1 서브 패턴(386)은 상기 제 1 패턴(382) 두께의 1/3이, 상기 제 2 서브 패턴(388)은 상기 제 1 서브 패턴(386)과 맞닿은 상태에서 상기 제 2 패턴(384) 두께의 2/3가 제거되도록 구성한다.
이때, 상기 제 1 및 제 2 서브 패턴(386, 388) 만을 언급하였지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 상기 제 1 및 제 2 서브 패턴(386, 388) 뿐만 아니라 제 3 및 제 4 서브 패턴(미도시)을 더욱 구성하여 단차의 경사를 더욱 완만하게 가져갈 수 있다.
이러한 제 1 및 제 2 서브 패턴(386, 388)은 라인 폭과 슬릿 폭을 다양하게 조절한 다중 슬릿(multi-slit) 마스크를 통해 구성할 수 있다.
전술한 구성은 제 1 및 제 2 서브 패턴을 통해 급격한 단차의 경사를 완만하게 가져갈 수 있으므로, 단차에 따른 러빙 불균일을 해소할 수 있다. 그 결과, 러 빙 공정시 균일한 러빙 방향을 유도하는 것을 통해 빛샘의 발생을 예방할 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 액정표시장치용 어레이 기판의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
도 6a 내지 도 6f는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절단한 단면을 공정 순서에 따라 나타낸 공정 단면도이다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 기판(300) 상에 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd) 및 크롬(Cr)과 같은 도전성 금속 그룹 중 선택된 하나 또는 그 이상으로 소스 및 드레인 금속층(미도시)을 형성하고 이를 패턴하여, 수직 방향으로 구성된 데이터 배선(330)과, 상기 데이터 배선(330)에서 연장된 소스 전극(332)과, 이와는 이격된 드레인 전극(334)을 형성한다.
다음으로, 상기 데이터 배선(330)과 소스 및 드레인 전극(332, 334)이 형성된 기판(300) 상에 인듐-틴-옥사이드(ITO)와 인듐-징크-옥사이드(IZO)를 포함하는 투명한 도전성 금속 그룹 중 선택된 하나를 증착하고 이를 패턴하여, 상기 드레인 전극(334)의 일부와 접촉된 화소 전극(370)을 화소 영역(P)에 대응하여 형성한다.
도 6b에 도시한 바와 같이, 상기 화소 전극(370)이 형성된 기판(300) 상에 불순물 비정질 실리콘층(미도시)과 순수 비정질 실리콘층(미도시)을 연속적으로 형성하고 이를 패턴하여, 상기 소스 및 드레인 전극(332, 334)과 그 일부가 중첩된 반도체층(342)을 형성한다.
이때, 상기 반도체층(342)은 불순물 비정질 실리콘(n+ a-Si:H)으로 이루어진 오믹 콘택층(340)과 순수 비정질 실리콘(a-Si:H)으로 이루어진 액티브층(341)을 포함한다.
다음으로, 상기 반도체층(342)이 형성된 기판(300) 상에 질화 실리콘과 산화 실리콘을 포함하는 무기절연물질 그룹 중 선택된 하나로 게이트 절연막(345)을 형성한다.
도 6c에 도시한 바와 같이, 상기 게이트 절연막(345)이 형성된 기판(300) 상에 알루미늄(Al), 알루미늄 합금(AlNd) 및 크롬(Cr)과 같은 도전성 금속 그룹 중 선택된 하나 또는 그 이상으로 게이트 금속층(미도시)을 형성하고 이를 패턴하여, 상기 데이터 배선(330)과 수평 교차하여 화소 영역(P)을 정의하는 게이트 배선(도 1의 20)과, 상기 게이트 배선에서 연장되고 상기 반도체층(342)과 그 일부가 중첩된 게이트 전극(325)을 형성한다.
이때, 상기 게이트 전극(325)과 반도체층(342)과 소스 및 드레인 전극(332, 334)을 포함하여 박막트랜지스터(T)를 이룬다.
다음으로, 상기 박막트랜지스터(T)가 형성된 기판(300) 상에 질화 실리콘과 산화 실리콘 등과 같은 무기절연물질 그룹 중에서 선택된 하나, 또는 벤조사이클로부텐과 포토 아크릴을 포함하는 유기절연물질 그룹 중 선택된 하나로 보호막(355)을 형성한다.
도 6d에 도시한 바와 같이, 상기 보호막(355)이 형성된 기판(300) 상에 차단부(NTA)와 투과부(TA)와 회절부(RA)로 구성된 슬릿 마스크(375)를 정렬하는 단계를 진행한다.
이때, 상기 슬릿 마스크(375)는 빛의 파동 원리를 이용한 것으로, 빛은 파동성을 가지므로 장애물을 만나면 회절하는 성질을 갖는다. 즉, 빛이 좁은 슬릿을 통과할 때 회절하여 진행하므로 경로의 차이가 발생하는 바, 상기 경로차에 따라 빛이 서로 보강간섭을 하거나 상쇄간섭을 하게 된다.
따라서, 전술한 슬릿 마스크(375)는 빛의 회절에 따른 파장의 위상차 변화와, 슬릿과 라인 폭의 조절로 빛의 회절 정도를 결정할 수 있다.
이때, 상기 보호막(355)이 질화 실리콘과 산화 실리콘을 포함하는 무기절연물질 그룹 중 선택된 하나로 형성될 경우에는 상기 보호막(355) 상에 포토레지스트(photoresist)를 도포하여 감광층을 형성하고, 이를 사진식각 공정을 이용하여 원하는 패턴을 형성할 수 있다.
이에 반해, 상기 보호막(355)이 포토 아크릴과 벤조사이클로부텐과 같은 감광성 물질로 이루어질 경우에는 포토레지스트를 증착할 필요 없이 바로 노광 및 현상 공정을 통해 원하는 패턴을 형성할 수 있다.
이하, 전술한 감광성 물질인 유기절연물질, 특히 빛을 받은 부분이 화학적 반응에 의해 현상액에 제거되는 포지티브 타입을 예로 들어 설명하도록 한다.
이에 앞서, 도 7은 전술한 다중 슬릿 마스크를 확대한 평면도로, 도 6d와 연계하여 설명하도록 한다.
도 7과 도 6d에 도시한 바와 같이, 투과부(TA)와 회절부(RA)와 차단부(NTA)로 구성된 슬릿 마스크(375)가 구성되는 바, 상기 투과부(TA)는 완전 노광, 상기 차단부(NTA)는 비노광, 상기 회절부(RA)는 부분 노광이 이루어지는 구간이다.
특히, 상기 회절부(RA)는 라인(376)과 라인(376) 사이의 이격 공간인 슬릿(378)이 구성되는 바, 상기 라인의 폭(LW)과 슬릿의 폭(SW)을 조절하여 회절부(RA)로 투과되는 노광량을 조절할 수 있다.
여기서, 상기 양측의 회절부(RA) 사이에 투과부(TA)가 위치하도록 하고, 이를 제외한 부분은 차단부(NTA)가 위치하도록 한다.
이때, 상기 회절부(RA)는 라인 폭(LW)과 슬릿 폭(SW)을 가깝게 구성한 제 1 회절부(RA1)와, 상기 제 1 회절부(RA1) 보다 라인 폭(LW)과 슬릿 폭(SW)을 넓혀 구성한 제 2 회절부(RA2)를 포함한다.
일 예로, 상기 제 1 회절부(RA1)는 33%, 그리고 상기 제 2 회절부(RA2)는 66%의 광량이 투과될 수 있도록 슬릿 마스크(375)의 라인 폭(LW)과 슬릿 폭(SW)을 조절할 수 있다.
이때, 본 발명에서는 제 1 및 제 2 회절부(RA1, RA2) 만을 언급하였지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 공정 조건이 뒷받침된다면 점진적으로 단차의 경사를 줄여나갈 수 있도록 제 3 및 제 4 회절부(미도시)를 더욱 구성하는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성은 노광 및 현상 공정시 제 1 및 제 2 회절부(RA1, RA2)로 투과되는 노광량의 차이로, 상기 제 1 및 제 2 회절부(RA1, RA2)에 대응된 보호막(255)의 두께를 단계적으로 줄여나갈 수 있는 장점이 있다.
다음으로, 도 7과 도 6e에 도시한 바와 같이, 상기 슬릿 마스크(375) 상부에서 노광 및 현상하는 공정 단계를 진행한다.
전술한 공정을 진행하면, 상기 차단부(NTA)에 대응하는 보호막(도 6d의 355)은 두께 변화 없이 그대로 존재하여 제 1 패턴(382)이 형성되고, 상기 회절부(RA)에 대응하는 보호막(도 6d의 355)은 그 노출된 일부가 제거되어 두께가 낮아진 제 2 패턴(384)이 형성되며, 상기 투과부(TA)에 대응하는 보호막(도 6d의 355)은 모두 제거되어 그 하부의 게이트 절연막(345)이 노출된다.
특히, 상기 회절부(RA)는 다시 제 1 회절부(RA1)와 제 2 회절부(RA2)로 세분화되는 바, 상기 제 1 회절부(RA1)에 대응된 보호막(도 6d의 355)은 그 노출된 절반 이상이 제거되어 제 1 서브 패턴(386)이 형성되고, 상기 제 2 회절부(RA2)에 대응된 보호막(도 6d의 355)은 상기 제 1 서브 패턴(386)의 두께 보다 더욱 낮아진 제 2 서브 패턴(388)이 형성된다.
바람직하게는, 상기 제 1 서브 패턴(386)은 상기 제 1 패턴(382) 두께의 1/3이, 상기 제 2 서브 패턴(388)은 상기 제 1 서브 패턴(386)과 맞닿은 상태에서 상기 제 1 패턴(380) 두께의 2/3가 제거되도록 형성한다.
이때, 상기 제 1 및 제 2 서브 패턴(386, 388) 만을 언급하였지만, 이는 예시적인 것에 불과하며, 상기 제 1 및 제 2 서브 패턴(386, 388) 뿐만 아니라 제 3 및 제 4 서브 패턴(미도시)을 더욱 구성하여 단차의 경사를 더욱 완만하게 가져갈 수 있다.
따라서, 종래와 달리 본 발명에서는 제 1 및 제 2 서브 패턴(386, 388)을 통해 급격한 단차의 경사를 더욱 완만하게 가져갈 수 있으므로, 급격한 단차에 따른 러빙 불균일을 방지할 수 있어 전경선의 발생을 미연에 차단할 수 있다.
다음으로, 도 6f에 도시한 바와 같이, 상기 투과부(TA)에 대응하여 노출된 게이트 절연막(345)을 건식식각 공정으로 제거하여, 상기 화소 전극(370)을 노출하는 화소 오픈홀(CH2)을 형성한다.
이때, 도면으로 상세히 제시하지는 않았지만, 상기 화소 오픈홀(CH2)은 게이트 배선(도 1의 20)과 데이트 배선(330) 각각의 일 끝단에 구성된 게이트 및 데이터 패드(미도시)를 외부 구동회로에 실장하기 위해 그 각각의 일부를 노출시키는 공정과 동시에 형성된다.
그 결과, 본 발명에서는 상기 화소 오픈홀(CH2)을 형성하는 단계에, 슬릿 마스크를 이용한 사진식각공정으로 마스크 수의 증가 없이, 제 1 및 제 2 서브 패턴(386, 388)을 형성하는 것을 통해 급격한 단차가 발생된 부분의 경사를 완만하게 가져갈 수 있는 장점이 있다.
이상으로, 전술한 공정을 통해 본 발명에 따른 액정표시장치용 어레이 기판을 제작할 수 있다.
따라서, 전술한 공정을 통해 제작된 어레이 기판 상에 배향막을 도포한 후, 러빙 공정을 실시할 경우 서로 다른 두께로 구성된 제 1 및 제 2 서브 패턴에 의해 단차의 경사를 단계적으로 가져갈 수 있으므로, 균일한 러빙 특성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
그 결과, 러빙 불균일로 인해 발생된 빛샘을 방지할 수 있고, 과도하게 설계된 블랙매트릭스의 선폭을 줄일 수 있어 개구율이 개선되는 효과가 있다.
지금까지, 전술한 슬릿 마스크를 이용하여 단차진 부분을 덮는 보호막을 단 계적으로 제거해 나가는 방법에 대해 간략하게 설명하였지만, 이러한 다중 슬릿 마스크를 이용한 노광 공정에서는 라인 폭과 슬릿 폭을 정밀하게 제어하는 것이 핵심이라 할 수 있는 바, 이에 대해, 이하 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
우선, 도 8a와 도 8b는 라인 형상과 네트 형상으로 구성된 슬릿 마스크를 나타낸 각각의 평면도이고, 도 9a와 도 9b는 그 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면으로, 도 9a는 라인 폭과 슬릿 폭을 0.2μm와 0.5μm로, 도 9b는 라인 폭과 슬릿 폭을 0.5μm와 0.4μm로 설계했을 때의 시뮬레이션을 각각 나태내고 있다.
도시한 바와 같이, 각각의 슬릿 마스크(475a, 475b)는 양 차단부(NTA) 사이에 회절부(RA)가 위치한다. 상기 회절부(RA)에는 라인(476)과 라인(476) 사이에 슬릿(478)이 구성되어 있어, 이러한 라인의 폭(LW)과 슬릿의 폭(SW)을 선택적으로 결정하여 상기 회절부(RA)로 투과되는 노광량을 조절할 수 있다.
이때, 상기 라인 폭(LW)이 좁을 수록, 슬릿 폭(SW)이 넓을 수록 마스크를 통과하는 광량이 증가하여 회절부(RA)에 잔류하는 보호막의 두께(RT)는 감소하고, 잔류하는 보호막의 길이(RL)는 증가하는 경향을 보인다.
이때, 전술한 잔류 보호막의 길이(RL)에 변화가 발생하는 것은 슬릿 마스크를 이용한 사진식각공정 시, 회절 효과로 양 차단부(NTA)의 측면이 과식각에 의해 보호막(455)의 일부가 제거되기 때문이다.
또한, 동일한 라인 폭(LW)과 슬릿 폭(SW)을 갖는 구조에서는 네트 형상의 슬릿 마스크(475b)가 라인 형상의 슬릿 마스크(475a) 보다 투과 영역이 넓으므로 잔 류하는 보호막의 두께(RT)가 낮아지는 경향을 보인다.
이에 대해, 이하 첨부한 실험 데이터를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 10a, 10b와 도 11a, 11b는 라인 형상과 네트 형상의 다중 슬릿 마스크를 적용한 실험 데이터를 각각 나타낸 도면으로, 도 8a, 8b, 도 9a, 9b와 연계하여 설명하도록 한다.
상세하게는, 상기 실험 데이터는 I-라인 단파장의 고해상도 노광기를 이용한 사진식각공정에서 회절부의 폭이 6μm일 때, 라인 폭(0.1 ~ 0.5μm)과 슬릿 폭(0.3 ~ 0.5μm)의 변화에 따른 회절부에서의 잔류 보호막 두께(RT)와 길이(RL)를 각각 나타낸 것이다.
먼저, 도 10a, 10b에 도시한 바와 같이, 라인 폭(0.1 ~ 0.5μm)과 슬릿 폭(0.3 ~ 0.5μm)의 변화에 따른 회절부(RA)에 잔류하는 보호막 두께(RT)를 나타내고 있다.
상기 슬릿 폭(SW)을 0.1μm와 0.2μm로 설계한 경우를 도시하지 않은 것은 0.1 ~ 0.5μm의 범위로 설계된 라인 폭(LW)에 대해 슬릿 폭(SW)을 0.1μm와 0.2μm로 설계할 시에는 슬릿 폭(SW)이 너무 얇아 회절 효과가 발생하지 않았다.
이때, 라인 폭(LW)이 좁을 수록, 슬릿 폭(SW)이 넓을 수록 마스크를 통과하는 광량이 증가하여 회절부(RA)에 잔류하는 보호막의 두께(RT)가 감소하는 것을 알 수 있다.
여기서, 상기 네트 형상의 슬릿 마스크(475b)의 경우 빛이 통과되는 영역이 라인 형상의 슬릿 마스크(475a) 보다 넓으므로 잔류하는 보호막의 두께(RT)가 상대 적으로 낮게 분포함을 알 수 있다.
그리고, 도 11a, 11b는 라인 폭(0.1 ~ 0.5μm)과 슬릿 폭(0.3 ~ 0.5μm)의 변화에 따른 회절부(RA)에 잔류하는 보호막의 길이(RL)를 각각 나타내고 있다.
이때, 라인 폭(LW)이 좁을 수록, 슬릿 폭(SW)이 넓을 수록 마스크를 통과하는 광량이 증가하여 잔류 보호막의 길이(RL)가 증가하는 것을 알 수 있다.
즉, 잔류 보호막의 길이(RL)와 전술한 잔류 보호막의 두께(RT)는 서로 상쇄되는 바, 상세하게는 상기 잔류 보호막의 길이(RL)가 넓을 수록 유리하나, 이 경우에는 잔류 보호막의 두께(RT)가 매우 낮아지므로 두 인자를 적절히 조절하여 최적화하는 것이 최우선 과제라 할 수 있다.
이때, 전술한 도 9a, 9b에 도시한 바와 같이, 현 공정 수준에서는 라인 형상의 슬릿 마스크(475a)의 경우에는 라인 폭(LW)을 0.2μm, 슬릿 폭(SW)을 0.5μm로 설계할 때, 그리고 네트 형상의 슬릿 마스크(475b)의 경우에는 라인 폭(LW)을 0.5μm, 슬릿 폭(SW)을 0.4μm로 설계할 때 가장 우수한 회절 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 전술한 다중 슬릿 마스크의 회절 특성을 이용하여 단차의 경사를 점진적으로 줄여나가는 것을 통해 러빙 불균일을 해소할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 슬릿 마스크의 라인 폭과 슬릿 폭의 정밀한 조절을 통해 단차진 부분에 대응된 보호막을 단계적으로 단차가 지도록 구성함으로써, 러빙 공정시 단차에 의한 러빙 불균일을 미연에 방지할 수 있다.
지금까지, 본 실시예에서는 탑 게이트 방식의 액정표시장치에 대해서만 언급하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변경 및 변형하는 것이 가능하다.
본 발명에서는 첫째, 러빙 공정시 균일한 배향 방향을 확보하는 것을 통해 빛샘을 방지할 수 있다.
둘째, 빛샘 방지에 따른 블랙 휘도의 상승을 막을 수 있는 효과가 있다.
셋째, 전경선의 발생을 막고자 과도하게 설계된 블랙매트릭스의 선폭을 줄일 수 있어 개구율이 개선되는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 제 1 영역, 제 2 영역 및 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이의 제 3 영역으로 구분된 기판과;
    상기 기판 상의 상기 제 1 영역에 구성된 스위칭 소자와, 상기 제 2 영역에 구성된 화소 전극과;
    상기 스위칭 소자와 상기 화소 전극 상의 상기 제 1 영역에 구성된 제 1 패턴과, 상기 제 3 영역 상에 형성되며, 상기 제 1 패턴 보다 높이가 낮고 상기 제 2 영역의 방향으로 순차적으로 높이가 낮아지는 2 개 이상의 제 2 패턴으로 이루어진 보호막 패턴
    을 포함하는 액정표시장치용 어레이 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 패턴은 상기 제 1 영역에 인접한 제 1 서브 패턴과, 상기 제 1 서브 패턴과 인접하며, 상기 제 1 서브 패턴 보다 낮은 높이를 가지는 제 2 서브 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 어레이 기판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 서브 패턴은 상기 제 1 패턴 두께의 2/3이고, 상기 제 2 서브 패턴은 상기 제 1 패턴 두께의 1/3인 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 어레이 기판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호막 패턴은 감광성 물질인 포토 아크릴과 벤조싸이클로부텐을 포함하는 유기절연물질 그룹 중 선택된 하나 또는, 질화 실리콘과 산화 실리콘을 포함하는 무기 절연물질 그룹 중 선택된 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 어레이 기판.
  5. 제 1 영역, 제 2 영역 및 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이의 제 3 영역으로 구분된 기판을 준비하는 단계와;
    상기 제 1 영역에 스위칭 소자와, 상기 제 2 영역에 화소 전극을 형성하는 단계와;
    상기 스위칭 소자와 상기 화소 전극 상부의 상기 제 1 영역에 대응된 제 1 패턴과, 상기 제 3 영역에 상기 제 1 패턴 보다 높이가 낮고 상기 제 2 영역의 방향으로 순차적으로 높이가 낮아지는 2 개 이상의 제 2 패턴으로 이루어진 보호막 패턴을 형성하는 단계
    를 포함하는 액정표시장치용 어레이 기판의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 보호막 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 스위칭 소자와 화소 전극을 포함하는 상기 기판 상에 유기 절연물질 그룹 중 선택된 하나로 보호막을 형성하는 단계와;
    상기 제 1 영역은 차단부, 상기 제 2 영역은 투과부, 상기 제 3 영역은 회절부가 각각 대응하도록 슬릿 마스크를 정렬하는 단계와;
    상기 슬릿 마스크를 이용한 노광 및 현상 공정을 진행하여, 상기 제 1 영역에 대응된 제 1 패턴과, 상기 제 3 영역에 상기 제 1 패턴 보다 높이가 낮고 상기 제 2 영역의 방향으로 순차적으로 높이가 낮아지는 2 개 이상의 제 2 패턴으로 이루어진 보호막 패턴을 형성하는 단계
    를 포함하는 액정표시장치용 어레이 기판의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 회절부는 라인과 라인 사이의 이격 공간인 슬릿이 구성되고, 상기 라인의 폭과 슬릿의 폭을 조절하는 것을 통해 상기 회절부로 투과되는 노광량이 조절되는 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 어레이 기판의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 회절부는 제 1 및 제 2 회절부를 포함하며, 상기 제 1 회절부의 슬릿 간격이 상기 제 2 회절부의 슬릿 간격 보다 좁은 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 어레이 기판의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 회절부에는 제 1 서브 패턴이, 상기 제 2 회절부에는 제 2 서브 패턴이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 어레이 기판의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 서브 패턴은 상기 보호막 패턴 두께의 1/3이, 그리고 상기 제 2 서브 패턴은 상기 보호막 패턴 두께의 2/3가 제거된 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 어레이 기판의 제조방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 회절부는 라인 형상 또는 네트 형상의 슬릿 마스크가 이용된 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 어레이 기판의 제조방법.
  12. 제 5 항 내지 제 11 항에 의해 형성된 상기 보호막 패턴이 질화 실리콘과 산화 실리콘을 포함하는 무기절연물질 그룹 중 선택된 하나로 형성될 경우에는 상기 보호막 상에 감광층을 형성하고, 이를 사진식각하는 공정 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 액정표시장치용 어레이 기판의 제조방법.
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US8981390B2 (en) 2012-12-10 2015-03-17 Samsung Display Co., Ltd. Display device
US9664940B2 (en) 2013-08-14 2017-05-30 Samsung Display Co., Ltd. Display panel comprising a color filter having a depression that is planarized by a black matrix deposited within the depression

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