TW200422723A - Liquid crystal displays with post spacers, and their manufacture - Google Patents

Description

200422723 坎、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種液晶顯示器設備之結構及製造方法。 特定言之，本發明係關於一種形成一用於液晶顯示器裝置 之柱間隔物的方法。 【先前技術】 圖1A描述一先前之主動式矩陣液晶顯示器（Amlcd)裝 置1 ’其包含被插入於兩個玻璃基板3、4之間的液晶2。該 等基板3、4載有銦錫氧化物（IT〇)電極5、6，及用於界定液 曰曰分子2之定向的對準層7、8。紅色、綠色及藍色濾色器9R、 9G、9B層疊於該等基板4其中之一上，且被排列以提供一 像素陣列中之濾色器。該等像素由相關聯之薄膜電晶體 (TFT) lOaqoc驅動，可由列與行電極（未圖示）來開關㈠〜沈… 該等薄膜電晶體。 理想上，基板3、4應被排列成使得其間之間隙g在整個像 素陣列中保持恒定，以提供一致的對比度。利用分散於基 板3、4之間的間隔物元件（諸如球狀間隔物丨ia、丨ib或桿狀 間隔物（未圖示）），來保持該間隙g。但是，使用該等類型之 間隔物已導致許多問題。因爲它們在液晶顯示器裝置丨中之 位置基本上是隨機的，所以不能保證間隙g會一致，且該等 間隔物可能發生叢集，而導致出現點缺陷。球狀間：物 Ub之分佈亦可能導致該單元對接觸敏感。在球狀間 隔物11a附近之液晶分子之對準可能會發生扭曲，而導致出 現漏光問題，特別在高解析度顯示器中會如此。此外，間

O:\89\89858.DOC -6 - 200422723 隔物11a、lib可能會部分阻塞像素區域，從而導致亮度損 失，且若裝置1受到彎曲應力則會刮傷基板4。

標準低解析度LCD顯示器可使用球狀間隔物Ua、ub， 其中基板3、4厚度可爲〇.7mm。但是，在具有大像素陣列、 面内切換（IPS)顯示器、高對比率面板及包含較薄玻璃或塑 膠基板之顯示器的裝置中，其缺點變得格外嚴重。在LC — TV 應用之具有快速響應、狹窄間隙之單元中，亦需要精確間 隔0 藉由提供如圖1B&1C所展示之柱間隔物u、12、13，已 解决了 4等問題’纟中係利用光罩或喷墨印刷來將該等柱 門“物層$至基板4上。此使得可更好地控制其定位及間隙 g之一致性。例如，可將該等柱間隔物置於TFT上方，使得 像素區域不會變模糊。出於相似原因，亦可使該等柱間隔 物之形狀逐漸尖細。 利用光微影法來形成㈣隔㈣。基板4塗覆有4至5㈣ 之感光聚合物材料層或光致抗#制。在—正光微影製程 中，該光致抗#劑包含光敏性添加劑，該光敏性添加劑充 當溶解抑制劑，但亦吸收-種或多種特定波長之光，例如 紫外（UV)波段之光。將1特定波長之光可透過的及不可 透過的區域之圖案來組態的光罩放置於該基板與UV光源 之間，且 鄉该光致抗蝕劑。在與光罩圖案之透明區域對 準之基板的該等部分上，uv光子被吸收於光致錢劑之頂 面中，且光敏性添加劑經受光化學反應，而使得其不再充 當溶解抑制劑。另外，該等uv光子漂白經曝光之絲抗敍

O:\89\89858.DOC 200422723 劑，使付光可穿過該光致抗钱劑並導致在光致抗餘劑層更 深處的反應。因此，該等光化學反應以一”自頂向下”之方 式在光致抗餘劑層中進行。光罩圖案中之不透明區域遮蓋

住光致抗蝕劑層之部分使其免受uv光照射，從而不會發生 該等光化學反應。 X J用，、、'員〜液來移除其中光敏性添加劑不再抑制溶解之光 致抗蝕劑層之經曝光部分，且固化該基板。該製程在對應 於光罩圖案之不透明區域的基板上之一個或多個位置中留 下光致抗蝕劑層之部分，在該種狀況下在柱間隔物u之所 要位置中留下該等部分。 、但疋，因爲要移除塗覆至基板4之高達99%之聚合物材 料，所以該製程在製造過程中需要額外步驟，且係高度浪 費的。與該種類型的結構相關之成本與球狀或桿狀間隔物 結構相比並無優勢。 一種減少該類浪費之方法爲使用一個或多個著色感光材 料層來形成柱間隔物（如圖1C所示），其中使用相同材料來 形成該等濾、色器叹、.9卜此使得可在用來界定該遽色 材料之光微影步驟中形成一柱間隔物部分。因此，無需額 外光U衫步驟來形成該柱間隔物，且此減少了廢棄材料的 1。但是，柱間隔物層12a、i2b、12c之高度視濾色層9r、 9G、9B之厚度而定。濾色器厚度由單元1之所要光學性質（諸 如焭度）來決定，且必須在整個像素陣列中保持一致，從而 限制了柱間隔物之潛在高度。該等濾色層通常約12从爪 厚，此將導致柱間隔物高度及單元間隙爲2 4 一㈤爲更少，

O:\89\89858.DOC -8 - 200422723 其對大多數應用來說太小了。 在US 5,75 7,45 1中示範柱間隔物高度對濾、色器厚度之依 賴性。在5亥先如配置中’一柱間隔物部分之高度與一對應 濾色器之厚度之間的任何差異，僅起因於在該光微影製程 開始時塗覆至基板上之特定位置的光致抗蝕劑的厚度。以 下實例基於1^ 5,757,451中之論述，其與一負光微影製程相 關，在該負光微影製程中，光化學反應導致光致抗蝕劑層 之經曝光部分硬化，且未經曝光之材料在顯影過程中被廢 棄。假定未硬化之R、G及B光致抗蝕劑之密度爲2〇%，則在 第一步驟中，藉由塗覆10 pm之光致抗蝕劑層來沈積一 r渡 色器，從而産生2 μιη之R濾色器與2 μηι之R柱間隔物部分。 在第一步驟中’利用1 〇 μχη之光致抗钱劑層來形成一 〇濃色 器。假定該G光致抗蚀劑層被平面化，則因爲存在r柱間隔 物部分，所以該柱間隔物位置處之光致抗蝕劑層的厚度將 僅爲8 /xm，此導致形成2 μηι之G濾色器與16 柱間隔 物部分。在第三步驟中，塗覆並曝光一 10 光致抗餘 劑層’且假定該B光致抗蝕劑層被平面化，則形成2 遽色器與1 ·28 μιη之B柱間隔物部分。在該實例中，柱間隔 物提供2.88 μηι之間隙。 此外，因爲該柱間隔物與濾色器係同時形成，所以當將 柱間隔物置於該TFT 10b上時（如圖1C所示），可能會出現問 題。儘管該配置有利於最小化像素區域之模糊，但是將引 起覆蓋該柱間隔物之IT0電極層6緊鄰TFT l〇b。此可導致 TFT l〇b短路及/或品質降級。

O:\89\89858.DOC -9 - 200422723 可藉由形成結合遽色材料層13a、13b、13c與另一聚合物 層13d兩者的柱間隔物（如圖1B所示），來克服柱間隔物高度 對濾色杰厚度之依賴性。但是，此將需要一個單獨的光對 準及顯影步驟，從而消除了任何由使用濾色材料而産生的 優勢。 【發明内容】 本發明之一目標係提供一種自濾色材料形成柱間隔物之 方法，其中可獨立控制濾色層之厚度與柱間隔物之高度。 根據本發明之第一態樣，一種形成一用於液晶單元之柱 間隔物的方法包含··將第—感錢色材料沈積至一基板 上；在該基板與一光源之間對準一第一光罩，該第一光罩 ιέ該光源戶斤產生之光可透過的一個或多個區域、該光不 可透過之一個或多個區域及至少一個半色調或灰度色調區 域，使得該㈣隔物之所要求位置被一不透日月區域遮蓋， 將該第—感_色材料曝露於該光中，且自該基板移除經 曝光之第一感光濾色材料。 以此方式，可在基板上界定由相同感光濾色材料層所形 成的具有不同厚度之結構。利用半色調遮罩曝光以代替習 知遮罩曝光，可以獨立並精確地控制沈積於柱間隔物位置 及濾色态位置中之濾色材料層的厚度。此使得可同時形成 柱間隔物之部分及濾色器，而不限制其相對尺寸，同時減 少浪費。 該第一光罩較佳與該基板對準，使得第一濾色器之所要 求位置被曝露於穿過第—光罩之半色調區域的光中。 200422723 該方法可進一步包含··利用一第二光罩來在柱間隔物之 所要求位置中界定一第二感光濾色材料層。該第二光罩亦 可包含半色調區域。 本發明進一步提供一種利用上述方法形成之柱間隔物， 及一種具有包含該柱間隔物之液晶單元的顯示器。較佳將 该等柱間隔物放置於液晶單元中遠離TFT的位置處。特定言 之，可將該等柱間隔物提供於像素陣列中之列與行交會 處。但疋’若如此要求時，則可將柱間隔物放置於TFT上方。 根據本發明之第二態樣，與光源結合使用以形成液晶單 凡之濾色器與柱間隔物之至少一部分的光罩，包含該光源 所産生之光可透過的一個或多個區域、該光不可透過的一 個或多個區域，及僅該光之有限部分可透射的至少一個半 色调區域。 【實施方式】 圖2Α描繪一絕緣透明基板丨4 (諸如鋁矽酸鹽玻璃）之小部 刀。在以下製程中於該基板14上形成一柱間隔物。基板14 塗覆有第一光聚合物15，其中散佈有紅色顏料。在該實例 中，由塗覆紅色、綠色及藍色光聚合物層來形成柱間隔物， 然而將該等不同顏色塗覆至基板14之次序並不重要。在該 等圖式中’分別利用對角線、陰影及正方形來指示紅色、 綠色及藍色光聚合物材料，來指示該等著色部分。 使基板14與光罩16對準’該光罩16包含一由uv光可透過 之材料（諸如玻璃）形成的板17，一由鉻（Cr)形成之不透明層 19，及一由UV光可透射但使該uv光發生衰減之富矽氮化矽 200422723 (SiN)形成之半色調或灰度色調層18。該等SiN及Cr層18、 19被組態以提供透明、半色調及不透明區域之一圖案。 基板14經UV光曝光（如圖2B所示），其中由箭頭尺寸來指 示UV光強度。來自UV光源之光透射過該等透明區域並被半 色調區域衰減’且紅色光聚合物15相互作用，導致了上述 光化學反應。但是，因爲與光罩16之半色調區域對準的紅 色光聚合物層15之區域曝露於具有減少強度之uv光中，且 該等光化學反應以，’自頂向下”之方式進行，所以僅紅色光 聚合物層15之上面部分受曝光影響。該等不透明區域遮蓋 紅色光聚合物層15之下面區域使其免受uv光照射。接著顯 影並固化該紅色光聚合物層15，移除該紅色光聚合物層15 之經曝光區域。 紅色光聚合物層15之第一紅色部分i5a保留於基板14上 並具有厚度ti，該第一紅色部分15a與光罩16之一不透明區 域對準。在與光罩16之半色調區域對準的紅色光聚合物層 1 5之區域中，僅紅色光聚合物層丨5之最上面部分被移除， 而留下具有減少厚度t2之第二紅色部分15b。 光罩16之透明、半色調及不透明區域之圖案被組態，而 使知在該基板上留下紅色光聚合物部分丨5a、i 5b之陣列。 在其所要求位置中提供厚度爲tl之紅色柱間隔物部分 15a。由厚度爲t2之紅色部分15b來提供紅色濾色器，將其 沈積於對應於像素陣列中之紅色像素的位置中。以此方 式同時形成紅色濾色器15b與柱間隔物15a之部分，其中 該紅色柱間隔物部分15a之高度與該紅色濾色器15b之厚度

O:\89\89858.DOC -12- 200422723 無關。 接著藉由一第二光罩2〇來塗覆並曝光一第二光聚合物 '。圖2C描繪將一綠色聚合物層層疊至基板14上之操作。 在Θ實例中’該第二光罩2〇未包括任何半色調區域，而不 透月區域則由以上述方式而沈積於透明板22上之。層。來 界定。在顯影及固化過程中，光聚合物之經曝光區域（由點 ，區域：指示)被移除。厚度爲t3之綠色光聚合物部分仍保 界疋了綠色濾色器柱間隔物部分23a及綠色濾色器 咖。重複該製程以形成藍色濾、色器與柱間隔物部分24之^ 列(如圖3所示），從而完成滤色器^ m (藍色遽色器未 圖示）及柱間隔物2 5之陣列。 圖3祂繪一包含一完成的柱間隔物25之液晶單元26的截 面，而圖4係展示像素陣列部分的液晶單元26的俯視圖。形 成藍色柱間隔物部分24之後，爲基板14塗覆一銦錫氧化物 (ITO)層27，從而形成一連續電極與一聚醯亞胺對準層28， 打磨（rub)該對準層以界定液晶分子29之所要求定向。 放置基板14使之面向第二基板3〇，該第二基板3〇載有黑 色通道蝕刻TFT、31a、3lb的陣列及複數個電容器（未圖 示）’其中一 TFT及電容器與每個像素區域a_f相關。提供列 與行電極32、33之矩陣，而使得列電極32a可激活TFT 31a， 以導致可根據行電極33a上之電壓來爲與該TFT 3 la相關之 電容器充電。基板30亦載有SiN絕緣鈍化層34、35，一 ITO 電極層36及一打磨聚醯亞胺對準層37。 將柱間隔物25、25,放置於列與行電極32、33之交會處。 O:\89\89858.DOC -13- 200422723 此使得可使用一種以下結構，4 ’其中ITO電極層36之部分自柱

對之ITO電極層27被以彼此緊鄰之方式放置

糊。在圖5A中，以 所不）。在該等配置中，使柱間隔物38、39、 或逐漸尖細，以避免使像素孔徑變得模 以與圖2A所展示之形式相似的形式，來使 用一紅色光聚合物層來形成具有兩種不同厚度之區域。如 上所述，由厚度爲ti之紅色柱間隔物部分15a來形成柱間隔 物38之-部分’且由具有減小厚如之紅色部分⑽來形成 紅色濾色器。將均具有一致厚度之綠色及藍色光聚合物層 層疊至基板14上，以形成紅色及藍色濾色器，與柱間隔物 3 8之其他部分。 在圖2A、3及5A中，塗覆至基板14之第一光聚合物層（在 該種情況下爲紅色光聚合物層15)用來形成許多具有不同 厚度之部分。但是，因爲第二光聚合物層23及第三光聚合 物層可被組恶以留下具有不同厚度之部分，來代替或補充 第一光聚合物層15，所以無需以此方式來使用該第一光聚 合物層15。 圖5B描繪一柱間隔物39，其藉由塗覆紅色及綠色光聚合 物層15、23以形成柱間隔物部分15a、23a及濾色器15b、2外 而形成，其中對紅色光聚合物層15而言tl=t2，且綠色光聚 O:\89\89858.DOC -14- 200422723 合物區域23a、23b具有相同厚度t3。已形成一藍色光聚人 物層以提供具有不同厚度之藍色遽色器(未圖示)及柱間： 物部分26。使用塗覆至基板14的最終光聚合物層來界定具 有不同厚度之結構可能較佳，如此使得當塗覆了該等光聚 合物層15、23等中的每-個時，基板14及任何覆蓋於& 的層可盡可能的平。此方式可將歸因於底部各声 (_吻ing feature)的光聚合物層之厚度變化及對最終: 厚度所産生之影響最小化。 μ圖2A-C之方法使用具有半色調區域之光罩16，以僅爲該 等光聚合物層中的一層15界定具有不同厚度之部分。雖狹 =程序最小化所需之半色調光罩數目，但是—敎應料 能會要求-較高的柱間隔物高度，且當僅使用單個半色調 遮罩時，此導致_t2之間出現較大差異。#比率_2保持 在-特定值以下時，可產生—較佳結果。此可藉由使用半 色調光罩16以界㈣等光聚合物層中的任何兩個或所有三 個而實現。例如，如圖5。所示之柱間隔物4〇包含具有超過 其對應滤色器（如15b)之厚度的紅色及綠色部分 由-致的藍色光聚合物層來形成第三部分％，然而，若需 要時，則可使用另一個半色調光罩來形成具有不同厚度之 藍色濾色器（未圖示）及柱間隔物部分26。 "應注意術語，，對準，，用來指*··基板Η之-部分吸收穿過 光罩16之特定區域或受該特定區域遮蓋之光·且在基板上 界疋之圖案與光罩圖案的尺度無需相同。 曷示案可知，熟習此項技術者將明白其他改變及修

O:\89\89858.DOC 15- 200422723 正。例如，可藉由使用不同材料來界定光罩圖案以形成半 色調及不透明區域’例如可使用梦化翻（MgS〇以代替siN來 形成半色調層。類似地，不透明層可由鉬(M〇)形成。亦可 由濾、色材料之單個部分15b來形成柱間隔物，受到關於比率 tl/t2之任何限制。該等改變及修正可涉及均等及其他特 徵該等特徵在包含液晶單元及其組件部分之電子裝置的 設計、製造及使用中係已知的，且可被用來代替或補充此 處所描述之特徵。 【圖式簡單說明】 現在將參考該等隨附圖式來描述本發明之實施例，其中： 圖ΙΑ、1B及1C展示包含先前間隔物之先前液晶單元； 圖2A、2B及2C描繪製造根據本發明之柱間隔物中的3 階段； 圖3展示一包含根據本發明之柱間隔物的液晶單元的實 例； 圖4係一液晶顯示器裝置中之像素陣列的俯視圖；且 圖5A、5B及5C展示根據本發明之柱間隔物的其他實例。 【圖式代表符號說明】 1 主動式矩陣液晶顯示器（AMLCD)裝置 2 液晶 3 ' 4 ' 14 基板 5、6 銦錫氧化物（ITO)電極 7、8 對準層 9R、15b 紅色濾色器 200422723 9G、23b 綠色濾色器 9B 藍色濾色器 10 薄膜電晶體（TFT) 11 、 12 、 13 柱間隔物 11a、b 球狀間隔物 12a、b、c 柱間隔物層 13a 、 b 、 c 濾色材料 13d 聚合物 15 紅色光聚合物層 15a 紅色間隔物部分 16 光罩 17 板 18 半色調或灰度色調層 19 不透明層 20 第二光罩 21 Cr層 22 透明板 23 綠色光聚合物層 23a 綠色間隔物部分 25、25’ 柱間隔物 26 液晶早元 27 銦錫氧化物（ITO)層 28、37 聚醯亞胺對準層 29 液晶分子 200422723 30 第二基板 31 薄膜電晶體（TFT) 3 1 a、b TFT 32 、 32a 列電極 33a 行電極 34、35 SiN絕緣鈍化層 36 ITO電極層 38 、 39 、 40柱間隔物 g 間隙 tl、t2 厚度 O:\89\89858.DOC -18-

Claims (1)

1. 200422723 拾、申請專利範園： 1· 一種形成用於一液晶單元（26)之柱間隔物（25、38、39、 40)的方法包含·· 將一第一感光濾色材料（15)沈積至一基板上； 在該基板（14)與一光源之間對準一第一光罩（16)，該 第一光罩包含該光源所産生之該光可透過的一個或多 個區域、該光不可透過之一個或多個區域，及至少一半 色調區域，使得該柱間隔物（25)之一所要求位置受到一 —φ 不透明區域遮蓋； 將該第一感光濾色材料（15)曝露於該光中；及 自該基板（14)移除經曝光之第一感光濾色材料。 2.如申請專利範圍第1項之方法，其中將該第一光罩〇6) 與該基板（14)對準，使得一第一濾色器之一所要求位置 曝露於透射過一半色調區域之光中。 3 _如申请專利範圍第1項之方法，進一步包含： 將一第二感光濾色材料（23)沈積至該基板上； 〇 在該基板（14)與一光源之間對準一第二光罩（2〇)，該 第二光罩（20)包含該光源所産生之該光可透過的一個或 多個區域，及該光不可透過之一個或多個區域，使得該 柱間隔物（25)之該所要求位置受到該第二光罩之一不透 明區域遮蓋而免受該光照射； 將該第二感光濾色材料（23)曝露於光中；及 自該基板（14)移除經曝光之第二感光濾色材料。 4·如申請專利範圍第3項之方法，其中該第二光罩（2〇)包含 O:\89\89858.DOC 2色°周區域，且與該基板（14)對準，而使得一第二濾色 。。之所I求位置曝露於透射過一帛色調區域之光中。 5· 一種利用申請專利範圍第丨至4項中的任何一項的方法 而形成的柱間隔物（25、38、39、40)。 6， 一種具有一液晶單元（26)的顯示器，該液晶單元包 含根據申請專利範圍第5項之一個或多個柱間隔物。 7. 如申請專利範圍第6項之液晶單元（26)，進一步包含一以 列與行排列之像素陣列（A-F)，其中該柱間隔物（25、38、 39、40)位於一列/行交會處。 8. 如申請專利範圍第6項之液晶單元（26)’其中該柱間隔物 (25、38、39、40)位於一薄膜電晶體上方。 9· 一種與一光源結合使用以形成一液晶單元（26)之请色5| 與一柱間隔物（25、38、39、40)之至少部分的光罩（丨6)， 其包含该光源所産生之该光可透過的一個或多個區 域、該光不可透過的一個或多個區域，及僅該光之一有 限部分可透射的至少一個半色調區域。 O:\89\89858.DOC -2-