WO2016093103A1 - 液晶表示装置 - Google Patents

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alignment
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display device
substrate
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敢 三宅
庸輔 神崎
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シャープ株式会社
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    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/786—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film

Definitions

  • the present invention relates to a liquid crystal display device. More specifically, the present invention relates to a liquid crystal display device in which an oxide semiconductor is applied to a thin film transistor substrate.
  • a liquid crystal display device is a display device that uses a liquid crystal composition for display, and a typical display method is that a light is incident on a liquid crystal panel in which the liquid crystal composition is sealed between a pair of substrates, and a liquid crystal display device is used. By applying a voltage to the composition to change the orientation of the liquid crystal molecules, the amount of light transmitted through the liquid crystal panel is controlled.
  • Such a liquid crystal display device has features such as thinness, light weight, and low power consumption, and thus is used in a wide range of fields.
  • silicon-based materials such as polycrystalline silicon and amorphous silicon have been used as a material constituting a channel layer of a thin film transistor (TFT) provided for each pixel of a liquid crystal display device.
  • TFT thin film transistor
  • the performance of TFTs has been improved by using an oxide semiconductor for a channel layer, and an oxide semiconductor containing indium, gallium, zinc and oxygen (In—Ga—Zn—O-based). TFTs using oxide semiconductors have already been mass-produced.
  • a channel etch (CE) structure is known as a structure advantageous for downsizing of a TFT.
  • the alignment of liquid crystal molecules in a state where no voltage is applied is controlled by an alignment film subjected to an alignment treatment.
  • the rubbing method has been widely used as an alignment treatment method, but in recent years, research and development on a photo-alignment method capable of performing the alignment treatment in a non-contact manner has been advanced (for example, see Patent Document 1). .
  • the threshold voltage (Vth) of the TFT sometimes decreases (minus shift).
  • Vth threshold voltage
  • static electricity may be generated when an electrostatic chuck is used or transported, and this static electricity is unintentionally written to each pixel via a negatively shifted pixel transistor. become.
  • DC direct current
  • the present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a liquid crystal display device in which display unevenness is suppressed by preventing deterioration of TFT characteristics due to photo-alignment processing.
  • the degradation of TFT characteristics is caused by the TFT having a channel etch (CE) structure and an In—Ga—Zn—O in the channel layer.
  • CE channel etch
  • Irradiated with light the current-voltage characteristic of the TFT shifts to the minus side, causing display unevenness.
  • the inventors have found that the damage to the CE structure forming process is smaller than that of an In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor, and the electron-positive polarity when irradiated with light.
  • An oxide semiconductor that hardly generates hole pairs has been found. That is, when an oxide semiconductor (In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor) containing indium, tin, zinc, and oxygen is used for the channel layer, an In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor is used for the channel layer. It has been found that TFT characteristics can be prevented from being deteriorated due to photo-alignment treatment while obtaining TFT characteristics equivalent to or better than those used. Thus, the present inventors have conceived that the above problems can be solved brilliantly and have reached the present invention.
  • one embodiment of the present invention is a liquid crystal display device including a thin film transistor substrate and a liquid crystal layer, wherein the thin film transistor substrate includes a thin film transistor having a channel etch structure and an alignment film, and the thin film transistor includes a gate electrode, A gate insulating film, a channel layer containing an oxide semiconductor, and a pair of source and drain electrodes are sequentially provided.
  • the oxide semiconductor contains indium, tin, zinc, and oxygen. It may be a liquid crystal display device having a functional group.
  • the channel layer is formed of an oxide semiconductor (In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor) containing indium, tin, zinc, and oxygen. It is possible to prevent the channel layer from being damaged. Therefore, it is possible to prevent the current voltage (IV) characteristics of the TFT from being deteriorated by the photo-alignment treatment. As a result, DC charge unevenness due to TFT characteristics can be prevented, and a liquid crystal display device excellent in display quality can be realized.
  • oxide semiconductor In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a liquid crystal display device of Example 1.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of a thin film transistor substrate of Example 1.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing pixels of a thin film transistor substrate of Example 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing an irradiation spectrum of alignment treatment in Example 1.
  • FIG. It is the graph which showed the current-voltage characteristic of TFT of Example 1 measured before and after the exposure for orientation processing.
  • 6 is a diagram showing an irradiation spectrum of alignment treatment in Comparative Example 1.
  • FIG. It is the graph which showed the current voltage characteristic of TFT of the comparative example 1 measured before and after the exposure for orientation processing.
  • FIG. 6 is a diagram showing an irradiation spectrum of alignment treatment in Example 2.
  • FIG. 6 is a diagram showing an irradiation spectrum of alignment treatment in Example 3.
  • FIG. It is the figure which showed typically the cross section of the thin-film transistor substrate of Example 4.
  • 6 is a plan view schematically showing pixels of a thin film transistor substrate of Example 4.
  • FIG. 10 is a diagram showing an irradiation spectrum of alignment treatment in Example 4.
  • FIG. 10 is a diagram showing an irradiation spectrum of alignment treatment in Example 5.
  • the liquid crystal display device of the present embodiment is a liquid crystal display device having a thin film transistor substrate and a liquid crystal layer, wherein the thin film transistor substrate includes a thin film transistor having a channel etch structure and an alignment film, and the thin film transistor includes a gate electrode, A gate insulating film, a channel layer containing an oxide semiconductor, and a pair of source and drain electrodes are sequentially provided.
  • the oxide semiconductor contains indium, tin, zinc, and oxygen. It has a functional group.
  • the thin film transistor substrate has a thin film transistor (TFT) having a channel etch structure.
  • the channel etch structure is used when a source electrode and a drain electrode are formed by a method of dividing a conductive film directly stacked on the channel layer by channel etching without providing a layer (etching stopper) for protecting the channel layer.
  • the structure of the TFT that is, in the channel etch structure, there is no etching stopper on the channel layer, and the source electrode and the drain electrode are located closer to the alignment film than the channel layer.
  • the channel layer is formed of an In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor, the channel layer is damaged by the channel etching, and thus light leakage occurs in the channel layer. Current is likely to occur.
  • the channel etch structure is an advantageous structure for shortening the channel length. That is, in the channel etch structure, the distance between the source electrode and the drain electrode becomes the channel length as it is, whereas in the etching stopper (ES) structure, the distance between the portion where the source electrode and the drain electrode are in contact with the channel layer is the channel length. Therefore, when a photolithographic apparatus having the same resolution limit is used, the channel length can inevitably be shortened in the channel etch structure. If the channel length can be shortened, the driving power of the TFT is improved, so that the channel width can be reduced.
  • ES etching stopper
  • the TFT has a gate electrode, a gate insulating film, a channel layer containing an oxide semiconductor, and a pair of source and drain electrodes in this order. That is, the TFT has a bottom gate structure.
  • the TFT has a bottom gate structure.
  • the gate electrode is formed before the channel layer, the surface of the channel layer is not covered by the gate electrode. For this reason, in the photo-alignment treatment, light is incident on the surface of the channel layer without being blocked by the gate electrode.
  • each member constituting the TFT substrate is in the order of (1) gate electrode, (2) gate insulating film, (3) channel layer, (4) source electrode and drain electrode in the order of formation. (4) The source and drain electrode sides are closer to the alignment film.
  • Examples of the material of the gate electrode include refractory metals such as tungsten, molybdenum, tantalum, and titanium, and nitrides of refractory metals.
  • the gate electrode may be a single layer or a laminate of two or more layers.
  • Examples of the material of the gate insulating film include insulating materials such as silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiNx), tantalum oxide, and aluminum oxide.
  • the oxide semiconductor used for the channel layer contains indium, tin, zinc, and oxygen, and is also referred to as an “In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor” in this specification.
  • the In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor has higher resistance to an etching solution or an etching gas used for removing the conductive film in the channel etching step than the In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor. Therefore, it is considered that the damage received in the process of forming the CE structure is small and it is difficult to generate electron-hole pairs when irradiated with light.
  • the etching solution include a PAN (phosphoric acid-acetic acid-nitric acid) etching solution.
  • an In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor is soluble in a PAN-based etching solution
  • an In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor is insoluble in a PAN-based etching solution.
  • the drain electrode is composed of a laminate (Al / Mo) of an Al film having a thickness of 300 nm and an Mo film having a thickness of 50 nm
  • channel etching can be performed by wet etching using a PAN-based etchant. It is.
  • the source electrode and the drain electrode are composed of, for example, a laminated body (Ti / Al / Ti) of a Ti film, an Al film, and a Ti film, dry etching is performed.
  • etching gas for example, a chlorine-based gas such as Cl 2 or BCl 3 is used.
  • the dry etching is more suitable because it is damaged by plasma, whereas the wet etching is not damaged in the channel etching process.
  • an In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor can have a thin film transistor with excellent electron mobility and low leakage current.
  • the composition of the In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor when the number of indium atoms is [In], the number of tin atoms is [Sn], and the number of zinc atoms is [Zn], for example, It is preferable to satisfy the following ratio. 0.2 ⁇ [In] / ([In] + [Sn] + [Zn]) ⁇ 0.4 0.1 ⁇ [Sn] / ([In] + [Sn] + [Zn]) ⁇ 0.4 0.2 ⁇ [Zn] / ([In] + [Sn] + [Zn]) ⁇ 0.7
  • Examples of the material for the source electrode and the drain electrode include metals such as titanium, chromium, aluminum, and molybdenum, and alloys thereof.
  • the source electrode and the drain electrode may be a single layer or a laminate of two or more layers.
  • the source electrode and the drain electrode can be formed, for example, by etching (channel etching) the conductive film by a photolithography method. Specifically, processing is performed in the order of resist coating, pre-baking (temporary baking), exposure, development, post-baking (main baking), dry etching, and resist peeling, and the conductive film is patterned.
  • the TFT is preferably a pixel TFT located in the display area.
  • the driving TFT located in a frame region or the like outside the display region can suppress the occurrence of light leakage current by shielding light during the photo-alignment process.
  • damage to the channel layer is reduced by using an In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor, and a light leakage current is generated during the photo-alignment process. It is required not to occur.
  • the alignment film is disposed on the surface of the TFT substrate on the liquid crystal layer side and has a function of controlling the alignment of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer.
  • the voltage applied to the liquid crystal layer is less than the threshold voltage (including no voltage applied)
  • the alignment of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer is controlled mainly by the action of the alignment film.
  • the alignment film has a photofunctional group.
  • a photofunctional group is a functional group that undergoes a structural change when irradiated with light (electromagnetic waves) such as ultraviolet light and visible light.
  • the alignment film is a so-called photo-alignment film that exhibits photo-alignment properties by having a photofunctional group.
  • photo-alignment refers to a material that develops a property (alignment regulating force) that regulates the orientation of liquid crystal molecules existing in the vicinity thereof when irradiated with light, and the magnitude and / or orientation of the orientation regulating force. Means all materials that change.
  • the type of the photofunctional group is not particularly limited, but preferably includes at least one selected from the group consisting of a cinnamate structure, a chalcone structure, a cyclobutane structure, an azobenzene structure, a stilbene structure, a coumarin structure, and a phenyl ester structure.
  • These structures can perform alignment treatment by light.
  • the cinnamate structure, chalcone structure, cyclobutane structure, azobenzene structure, stilbene structure, coumarin structure and phenyl ester structure may be contained in the main chain or side chain in the polymer constituting the alignment film. May be.
  • the cinnamate structure, chalcone structure, coumarin structure, and stilbene structure are photofunctional groups that undergo dimerization (dimer formation) and isomerization by light irradiation, or are dimerized or isomerized of the photofunctional group.
  • the cyclobutane structure is a photofunctional group that is decomposed by ring opening by light irradiation.
  • the azobenzene structure is a photofunctional group that causes isomerization upon irradiation with light, or is an isomerization of the photofunctional group.
  • the phenyl ester structure is a photofunctional group that undergoes optical fleece transition upon irradiation with light, or a photofunctional group that undergoes optical fleece transition.
  • the alignment film may be a single layer or a laminate of two or more layers.
  • the alignment film is, for example, in the order of application of an alignment agent containing a material exhibiting photo-alignment, temporary baking, exposure for alignment treatment, main baking, or application of an alignment agent including a material exhibiting photo-alignment, It can form by implementing a process in order of temporary baking, main baking, and exposure for orientation processing.
  • a polymer layer may be formed on the surface of the alignment film on the liquid crystal layer side by a polymer supported alignment (PSA) system.
  • PSA polymer supported alignment
  • a liquid crystal material containing a photopolymerizable monomer (precursor) and liquid crystal molecules is sealed in a liquid crystal panel, and then the liquid crystal material is irradiated with light to photopolymerize the photopolymerizable monomer. Since the polymer produced by photopolymerization has a lower solubility in the liquid crystal material than the photopolymerizable monomer, a polymer layer can be formed on the alignment film.
  • an acrylate monomer or a methacrylate monomer is preferably used as the photopolymerizable monomer because radical polymerization can be efficiently performed by light.
  • the polymer layer formed by polymerization of the acrylate monomer and / or methacrylate monomer includes an acrylate structure and / or a methacrylate structure.
  • Examples of the acrylate monomer and the methacrylate monomer include monomers represented by the following formula (C).
  • C A1- (R1) n -Y- (R2) m -A2 (C)
  • Y represents a structure containing at least one benzene ring and / or a condensed benzene ring, and a hydrogen atom in the benzene ring and the condensed benzene ring may be replaced by a halogen atom
  • A1 and A2 At least one represents acrylate or methacrylate, and A1 and A2 are bonded to the benzene ring or the condensed benzene ring via R1 and R2.
  • R1 and R2 represent a spacer, specifically carbon.
  • An alkyl chain having a number of 10 or less, wherein the methylene group in the alkyl chain may be substituted with a functional group selected from an ester group, an ether group, an amide group and a ketone group, and a hydrogen atom is substituted with a halogen atom N and m are each 0 or 1, and when n and m 0, there is no spacer.
  • the skeleton Y in the above formula (C) preferably has a structure represented by the following formula (C-1), (C-2) or (C-3). Note that hydrogen atoms in the following formulas (C-1), (C-2), and (C-3) may be each independently replaced with a halogen atom, a methyl group, or an ethyl group.
  • monomer represented by the above formula (C) include, for example, the following formulas (C-1-1), (C-1-2), and (C-3-1).
  • the polymer layer formed by the PSA method may be a film that covers the entire surface of the alignment film, or may be formed discretely on the alignment film.
  • the size of the pretilt angle (angle formed by the major axis of the liquid crystal molecules with respect to the surface of the alignment film) of the liquid crystal molecules provided by the alignment film (or the alignment film and the polymer layer) is not particularly limited.
  • the alignment film may be a horizontal alignment film or a vertical alignment film.
  • the pretilt angle is preferably substantially 0 ° (for example, less than 10 °), and more preferably 0 °.
  • the pretilt angle is preferably 0.5 ° or more and less than 25 °, more preferably 1 ° or more and less than 10 °. preferable.
  • the liquid crystal layer a layer normally used in a liquid crystal display device of a system in which the initial alignment of liquid crystal is controlled by an alignment film can be used.
  • the liquid crystal molecules contained in the liquid crystal layer may have a negative value or a positive value of dielectric anisotropy ( ⁇ ) defined by the following formula (P). . That is, the liquid crystal molecules may have a negative dielectric anisotropy or a positive dielectric anisotropy.
  • the liquid crystal molecules having negative dielectric anisotropy for example, those having ⁇ of ⁇ 1 to ⁇ 20 can be used.
  • liquid crystal molecules having positive dielectric anisotropy for example, those having ⁇ of 1 to 20 can be used.
  • ⁇ (dielectric constant in the major axis direction)
  • ⁇ (dielectric constant in the minor axis direction) (P)
  • the display mode of the liquid crystal display device of the present embodiment is not particularly limited.
  • a horizontal alignment mode such as a fringe field switching (FFS) mode, an in-plane switching (IPS) mode, or the like
  • VFS fringe field switching
  • IPS in-plane switching
  • TN Twisted Nematic
  • a pair of electrodes for applying an electric field to the liquid crystal layer is provided on the thin film transistor substrate.
  • the thin film transistor substrate is provided with a structure (FFS electrode structure) including a planar electrode, a slit electrode, and an insulating film disposed between the planar electrode and the slit electrode, and a liquid crystal adjacent to the thin film transistor substrate.
  • FFS electrode structure a structure including a planar electrode, a slit electrode, and an insulating film disposed between the planar electrode and the slit electrode, and a liquid crystal adjacent to the thin film transistor substrate.
  • An oblique electric field is formed in the layer.
  • the slit electrode, the insulating film, and the planar electrode are arranged in this order from the liquid crystal layer side.
  • slit electrode for example, a slit having a linear opening surrounded by the electrode around the entire circumference, or a linear notch provided with a plurality of comb teeth and disposed between the comb teeth.
  • the comb-shaped thing which comprises a slit can be used.
  • a pair of comb electrodes is provided on the thin film transistor substrate, and a horizontal electric field is formed in the liquid crystal layer adjacent to the thin film transistor substrate.
  • the pair of comb-shaped electrodes for example, an electrode pair that includes a plurality of comb-tooth portions and is arranged so that the comb-tooth portions mesh with each other can be used.
  • VATN mode liquid crystal display device since alignment processing is applied to each pixel in a plurality of directions, alignment processing using light is preferably used. Even in such a VATN mode liquid crystal display device, according to the present invention, it is possible to obtain the effect of preventing the deterioration of TFT characteristics.
  • the liquid crystal display device of the present embodiment includes a color filter substrate; a polarizing plate; a backlight; an optical film such as a retardation film, a viewing angle widening film, and a brightness enhancement film; -An external circuit such as a carrier package) or a PCB (printed wiring board); a member such as a bezel (frame) may be provided.
  • a color filter substrate such as a polarizing plate; a backlight; an optical film such as a retardation film, a viewing angle widening film, and a brightness enhancement film; -An external circuit such as a carrier package) or a PCB (printed wiring board); a member such as a bezel (frame) may be provided.
  • Example 1 relates to a fringe field switching (FFS) mode liquid crystal display device which is a kind of horizontal alignment mode.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the liquid crystal display device of Example 1
  • FIG. 2 is a view schematically showing the cross section of the thin film transistor substrate of Example 1
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing pixels of a thin film transistor substrate of Example 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the liquid crystal display device of Example 1
  • FIG. 2 is a view schematically showing the cross section of the thin film transistor substrate of Example 1
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing pixels of a thin film transistor substrate of Example 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the liquid crystal display device of Example 1
  • FIG. 2 is a view schematically showing the cross section of the thin film transistor substrate of Example 1
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing pixels of a thin film transistor substrate of Example 1.
  • the liquid crystal display device of Example 1 has a backlight 10, a thin film transistor (TFT) substrate 20, an alignment film 50, a liquid crystal layer 60, an alignment film 50, from the back side to the observer side.
  • a color filter (CF) substrate 40 is arranged in order.
  • the white arrow in FIG. 1 has shown typically the advancing direction of the light which the backlight 10 emitted.
  • the TFT substrate 20 has a bottom gate type channel etch (CE) structure.
  • a gate electrode 22g which is a laminate (W / TaN) of a tungsten film having a thickness of 300 nm and a tantalum nitride film having a thickness of 20 nm is provided on the substrate 21 in a predetermined pattern.
  • the gate electrode 22 g is a portion branched from the gate wiring 22.
  • a gate insulating film 23 which is a laminated body (SiO 2 / SiN x ) of a silicon oxide film having a thickness of 50 nm and a silicon nitride film having a thickness of 300 nm is provided so as to cover the entire surface of the substrate.
  • a channel layer 24 made of an oxide semiconductor with a thickness of 50 nm was provided on the gate insulating film 23.
  • the oxide semiconductor an oxide semiconductor containing indium, tin, zinc, and oxygen (In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor) was used.
  • a method for forming the channel layer 24 a method was used in which an oxide semiconductor was formed by a sputtering method, and then the formed film was patterned into a desired shape by a photolithography method including a wet etching step and a resist stripping step.
  • a source electrode 25s and a drain electrode 25d which are a laminate (Ti / Al / Ti) of a titanium film with a thickness of 100 nm, an aluminum film with a thickness of 300 nm, and a titanium film with a thickness of 30 nm, It was provided in a predetermined pattern.
  • the source electrode 25 s is a portion branched from the source wiring 25, and the drain electrode 25 d is disposed so as to face the source electrode 25 s with the channel layer 24 interposed therebetween.
  • an inorganic insulating film 26 which is a silicon oxide film (SiO 2 ) having a thickness of 300 nm is provided so as to cover the entire surface of the substrate. Further, an acrylic resin film 27 having a thickness of 2.0 ⁇ m was provided on the entire surface of the substrate.
  • the auxiliary capacitance electrode 28 made of an indium-zinc-oxygen film (IZO) having a thickness of 100 nm is provided in a predetermined pattern on the acrylic resin film 27. . Further, an opening penetrating the inorganic insulating film 26 and the acrylic resin film 27 was formed, and a part of the drain electrode 25d was exposed.
  • IZO indium-zinc-oxygen film
  • an alignment film 50 is provided on the pixel electrode 30.
  • the alignment film 50 was also formed on the surface of the CF substrate 40 adjacent to the liquid crystal layer 60.
  • the alignment film 50 was produced by the following procedure. First, an alignment agent containing a polyimide polymer having a cyclobutane structure in the main chain as a solid content was applied on the TFT substrate 20.
  • NMP N-methyl-2-pyrrolidone
  • BC butyl cellosolve
  • solid content 66: 30: 4.
  • a similar alignment agent was also applied on the CF substrate 40.
  • FIG. 4 is a diagram showing an irradiation spectrum of the alignment treatment in Example 1.
  • a high-luminance point light source (product name “Deep UV lamp” manufactured by USHIO INC.) was used as a polarized ultraviolet light source, and no bandpass filter was used.
  • the intensity of the polarized ultraviolet light irradiated to the alignment film 50 is 0.6 J / when measured with an ultraviolet integrating light meter (product name “UIT-250”, product type “UVD-S365” manufactured by USHIO INC.). cm 2 .
  • the alignment film 50 was heated at 230 ° C. for 30 minutes as post-baking.
  • a sealant manufactured by Kyoritsu Chemical Industry Co., Ltd., trade name “World Rock”
  • a sealant manufactured by Kyoritsu Chemical Industry Co., Ltd., trade name “World Rock”
  • the liquid crystal was dropped on the TFT substrate 20 by a liquid crystal dropping (ODF) method.
  • ODF liquid crystal dropping
  • the CF substrate 40 and the TFT substrate 20 were bonded so that the polarization axes of the polarized ultraviolet rays irradiated during the alignment treatment were coincident, and liquid crystal was sealed between the TFT substrate 20 and the CF substrate 40.
  • heat treatment was performed at 130 ° C. for 40 minutes.
  • D ⁇ ⁇ n (product of thickness d and refractive index anisotropy ⁇ n) of the formed liquid crystal layer 60 was 330 nm.
  • a pair of polarizing plates was attached to the back surface side of the TFT substrate 20 and the observation surface side of the CF substrate 40 so that the polarization axes have a crossed Nicols relationship.
  • a backlight 10 including a light emitting diode (LED) was attached to the back side of the TFT substrate 20 to complete the FFS mode liquid crystal display device of Example 1.
  • Example 1 1) Current-Voltage (IV) Characteristics of TFT
  • the IV characteristics of the TFT of Example 1 were measured before and after exposure for alignment treatment using a semiconductor parameter analyzer 4156C manufactured by Agilent Technology.
  • Vds 10V
  • FIG. 5 is a graph showing the current-voltage characteristics of the TFT of Example 1 measured before and after exposure for alignment treatment.
  • the IV characteristics hardly changed before and after the exposure for alignment treatment.
  • the screen lit with 31 gradations was visually observed to evaluate display unevenness.
  • the 31 gradation corresponds to the rising portion of the voltage transmittance curve (VT line), and is a gradation in which the transmittance shows a sharp change with respect to the voltage change, and therefore display unevenness tends to be noticeable.
  • the liquid crystal display device of Example 1 was in good display quality with no display unevenness observed through a neutral density filter (ND20 filter) that transmits 20% of light. It should be noted that, when observed without passing through the ND20 filter, slight display unevenness was visually recognized, but since it was a slight unevenness that would not be visible when observed through the ND20 filter, display was performed using other than 31 gradations. It was judged that there was no problem in the product because it was display unevenness that was difficult to see under actual usage conditions.
  • Example 1 An FFS mode liquid crystal display device was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the channel layer 24 was formed of an In—Ga—Zn—O-based oxide semiconductor.
  • FIG. 6 is a diagram showing an irradiation spectrum of the alignment treatment in Comparative Example 1.
  • FIG. A high-luminance point light source (product name “Deep UV lamp” manufactured by USHIO INC.) was used as a polarized ultraviolet light source, and no bandpass filter was used.
  • the intensity of polarized ultraviolet light irradiated to the alignment film is 0.6 J / cm when measured with a UV integrating light meter (product name “UIT-250”, receiver type “UVD-S254” manufactured by USHIO INC.). 2 .
  • the spectrum of light used for the alignment treatment includes ultraviolet light having a short wavelength of 350 nm or less, and the characteristics of the oxide semiconductor (In—Ga—Zn—O) constituting the channel layer of Comparative Example 1 Can have a significant impact.
  • the channel layer is composed of an In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor, it is considered that the surface of the channel layer is not damaged by plasma discharge, and the generation of defect levels is reduced.
  • Example 2 An FFS mode liquid crystal display device was fabricated in the same manner as in Example 1 except for the formation of the alignment film.
  • the alignment film was produced by the following procedure. First, an alignment agent containing a polyimide polymer having an azobenzene structure in the main chain as a solid content was applied on the TFT substrate.
  • a similar alignment agent was also applied on the CF substrate.
  • FIG. 8 is a diagram showing an irradiation spectrum of the alignment treatment in Example 2.
  • a high-intensity point light source (product name “Deep UV lamp” manufactured by USHIO INC.) was used as a polarized ultraviolet light source, and a bandpass filter having a wavelength of 365 nm was further used.
  • the intensity of polarized ultraviolet light irradiated to the alignment film is 1 J / cm 2 when measured with a UV integrated light meter (product name “UIT-250”, receiver type “UVD-S365” manufactured by USHIO INC.). there were.
  • the alignment film was heated at 110 ° C. for 30 minutes and then heated at 230 ° C. for 30 minutes.
  • Example 2 ⁇ Characteristic evaluation of Example 2> 1) TFT Current-Voltage (IV) Characteristics
  • the IV characteristics were measured before and after exposure for alignment treatment in the same manner as in Example 1.
  • the IV characteristics hardly changed before and after the exposure for alignment treatment.
  • Example 3 An FFS mode liquid crystal display device was fabricated in the same manner as in Example 1 except for the formation of the alignment film.
  • the alignment film was produced by the following procedure. First, an alignment agent containing a polyimide polymer containing a cinnamate structure in the main chain as a solid content was applied on the TFT substrate.
  • a similar alignment agent was also applied on the CF substrate.
  • FIG. 9 is a diagram showing an irradiation spectrum of the alignment treatment in Example 3.
  • a high-luminance point light source (product name “Deep UV lamp” manufactured by USHIO INC.) was used as a polarized ultraviolet light source, and a shortcut filter that did not transmit light having a wavelength of 270 nm or less was used.
  • the intensity of the polarized ultraviolet light irradiated to the alignment film is 1 J / cm 2 when measured with an ultraviolet integrating light meter (product name “UIT-250”, receiver type “UVD-S313” manufactured by USHIO INC.). there were.
  • the alignment film was heated at 230 ° C. for 30 minutes as the main baking.
  • Example 3 Consideration on evaluation results In the same manner as in Example 1, not only an In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor was used for the channel layer, but also a shortcut that did not transmit light having a wavelength of 270 nm or less in the exposure for alignment treatment. Since the filter was used, better TFT characteristics than in Example 1 were obtained. This indicates that the defect level of the oxide semiconductor (In—Sn—Zn—O) that shifts the IV characteristics is excited by light having a wavelength of less than 270 nm.
  • Example 4 relates to a liquid crystal display device in a vertical alignment twisted nematic (VATN) mode which is a kind of vertical alignment mode.
  • FIG. 10 is a diagram schematically illustrating a cross section of the thin film transistor substrate of Example 4
  • FIG. 11 is a plan view schematically illustrating pixels of the thin film transistor substrate of Example 4.
  • the liquid crystal display device of Example 4 also has the configuration shown in FIG.
  • the thin film transistor substrate (TFT substrate) 20 of Example 4 has the channel etch (CE) structure shown in FIG. 10, and the TFT of Example 1 is not provided with the auxiliary capacitor electrode 28 and the auxiliary capacitor insulating film 29.
  • the substrate 20 has a different cross-sectional structure.
  • an alignment film 50 is provided on the pixel electrode 30.
  • the alignment film 50 was also formed on the surface of the color filter substrate (CF substrate) 40 adjacent to the liquid crystal layer 60.
  • the alignment film 50 was produced by the following procedure. First, an alignment agent containing, as a solid content, a polyimide polymer containing a cinnamate structure and an alkyl fluoride chain as a side chain was applied on the TFT substrate.
  • NMP N-methyl-2-pyrrolidone
  • BC butyl cellosolve
  • solid content 66: 30: 4.
  • a similar alignment agent was also applied on the CF substrate 40.
  • Temporary baking was performed by heating the TFT substrate 20 and the CF substrate 40 coated with the alignment agent at 70 ° C. for 2 minutes.
  • the film thickness of the alignment film 50 formed after the preliminary firing was 100 nm.
  • the alignment film 50 was heated at 200 ° C. for 30 minutes.
  • p-polarized ultraviolet rays were irradiated from a direction inclined by 40 ° with respect to the substrate normal.
  • FIG. 12 is a diagram showing an irradiation spectrum of alignment treatment in Example 4.
  • a p-polarized ultraviolet light source As a p-polarized ultraviolet light source, a high-luminance point light source (product name “Deep UV lamp” manufactured by Ushio Inc.) was used, and a shortcut filter that did not transmit light having a wavelength of 270 nm or less was used.
  • the intensity of the p-polarized ultraviolet ray irradiated to the alignment film 50 is 40 mJ / cm when measured with an ultraviolet integrating light meter (product name “UIT-250”, receiver type “UVD-S313” manufactured by USHIO INC.). 2 .
  • a sealant manufactured by Kyoritsu Chemical Industry Co., Ltd., trade name “World Rock”
  • a sealant manufactured by Kyoritsu Chemical Industry Co., Ltd., trade name “World Rock”
  • MLC6610 manufactured by Merck was used for the liquid crystal.
  • the CF substrate 40 and the TFT substrate 20 were bonded so that the pretilt directions of the liquid crystal were orthogonal, and the liquid crystal was sealed between the TFT substrate 20 and the CF substrate 40.
  • four domain regions having different orientation directions of liquid crystal molecules are formed in each pixel.
  • the arrows in FIG. 11 indicate the orientation direction of the liquid crystal molecules in each domain region.
  • D ⁇ ⁇ n product of thickness d and refractive index anisotropy ⁇ n
  • D ⁇ ⁇ n product of thickness d and refractive index anisotropy ⁇ n
  • a pair of polarizing plates was attached to the back surface side of the TFT substrate 20 and the observation surface side of the CF substrate 40 so that the polarization axes have a crossed Nicols relationship.
  • a backlight 10 including LEDs was attached to the back side of the TFT substrate 20 to complete the VATN mode liquid crystal display device of Example 4.
  • the effect of the present invention was confirmed not only when the alignment mode of the liquid crystal is the horizontal alignment mode (transverse electric field method) as in Examples 1 to 3, but also when it is the VATN mode.
  • Example 5 relates to a multi-domain vertical alignment (MVA) mode liquid crystal display device which is a kind of vertical alignment mode, and is characterized in that a polymer support alignment (PSA) method is applied.
  • the TFT substrate of Example 5 has the CE structure shown in FIG. 10 and has the same cross-sectional structure as the TFT substrate of Example 4.
  • the TFT substrate in Example 5 is different in that an electrode slit is formed in the pixel electrode. 4 has a different planar structure from the TFT substrate.
  • an alignment film was provided on the pixel electrode of the TFT substrate.
  • the alignment film was also formed on the surface of the CF substrate adjacent to the liquid crystal layer.
  • the alignment film was produced by the following procedure. First, an alignment agent containing a polyimide polymer containing a cholestane structure and a cinnamate structure in the side chain as a solid content was applied on the TFT substrate.
  • a similar alignment agent was also applied on the CF substrate.
  • the TFT substrate and the CF substrate coated with the alignment agent were calcined by heating at 70 ° C. for 2 minutes.
  • the film thickness of the alignment film formed after calcination was 100 nm.
  • the alignment film was heated at 200 ° C. for 30 minutes as the main firing.
  • a sealant manufactured by Kyoritsu Chemical Industry Co., Ltd., trade name “World Rock”
  • the liquid crystal was dropped on the TFT substrate by a liquid crystal dropping (ODF) method.
  • ODF liquid crystal dropping
  • MLC6610 manufactured by Merck Co., Ltd. in which 0.3 wt% of biphenyl-4,4′-diylbis (2-methylacrylate) was added as a precursor of the methacrylate polymer layer was used.
  • a CF substrate and a TFT substrate were bonded together, and liquid crystal was sealed between both substrates. Thereafter, heat treatment was performed at 130 ° C. for 40 minutes.
  • D ⁇ ⁇ n (product of thickness d and refractive index anisotropy ⁇ n) of the formed liquid crystal layer was 340 nm.
  • FIG. 13 is a diagram showing an irradiation spectrum of the alignment treatment in Example 5.
  • a black light fluorescent lamp manufactured by Toshiba Corporation, product name “FHF32BLB” was used as a non-polarized ultraviolet light source, and a cut filter was not used.
  • the intensity of non-polarized ultraviolet rays was 5 J / cm 2 when measured with an ultraviolet ray integrating light meter (product name “UIT-250”, receiver type “UVD-S365” manufactured by USHIO INC.).
  • Biphenyl-4,4′-diylbis (2-methyl acrylate) in the liquid crystal was photopolymerized by irradiation with non-polarized ultraviolet rays, and a methacrylate polymer layer was formed on the alignment film.
  • Example 5 ⁇ Characteristic evaluation of Example 5> 1) TFT Current-Voltage (IV) Characteristics
  • the IV characteristics were measured before and after exposure for alignment treatment in the same manner as in Example 1.
  • the IV characteristics slightly changed before and after the exposure for alignment treatment.
  • One embodiment of the present invention is a liquid crystal display device including a thin film transistor substrate and a liquid crystal layer, wherein the thin film transistor substrate includes a thin film transistor having a channel etch structure and an alignment film, and the thin film transistor includes a gate electrode and a gate insulating film.
  • the channel layer is formed by the oxide semiconductor (In—Sn—Zn—O-based oxide semiconductor) containing indium, tin, zinc, and oxygen. You can prevent damage.
  • the photofunctional group may include at least one selected from the group consisting of a cinnamate structure, a chalcone structure, a cyclobutane structure, an azobenzene structure, a stilbene structure, a coumarin structure, and a phenyl ester structure. These structures can perform alignment treatment by light.
  • a polymer layer containing at least one of the acrylate structure and the methacrylate structure may be provided between the alignment film and the liquid crystal layer.
  • Such a polymer layer can be produced by the PSA method.
  • the polymer layer is suitable because it can be formed by efficiently radical polymerization of a precursor (monomer or the like) contained in the liquid crystal by light.

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Abstract

本発明は、光配向処理によるＴＦＴ特性の劣化が防止されたことによって表示ムラが抑制された液晶表示装置を提供する。本発明の液晶表示装置は、薄膜トランジスタ基板及び液晶層を有する液晶表示装置であって、上記薄膜トランジスタ基板は、チャネルエッチ構造の薄膜トランジスタと、配向膜とを有し、上記薄膜トランジスタは、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、酸化物半導体を含有するチャネル層と、一対のソース及びドレイン電極とを順に有し、上記酸化物半導体は、インジウム、錫、亜鉛及び酸素を含有し、上記配向膜は、光官能基を有する。

Description

液晶表示装置
本発明は、液晶表示装置に関する。より詳しくは、薄膜トランジスタ基板に酸化物半導体を適用した液晶表示装置に関するものである。
液晶表示装置は、表示のために液晶組成物を利用する表示装置であり、その代表的な表示方式は、一対の基板間に液晶組成物を封入した液晶パネルに対して光を入射させ、液晶組成物に電圧を印加して液晶分子の配向を変化させることにより、液晶パネルを透過する光の量を制御するものである。このような液晶表示装置は、薄型、軽量及び低消費電力といった特長を有することから、幅広い分野で用いられている。
従来では、液晶表示装置の画素ごとに設けられる薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）のチャネル層を構成する材料として、多結晶シリコン、アモルファスシリコン等のシリコン系材料が用いられていた。これに対して、近年では、チャネル層に酸化物半導体を用いることによってＴＦＴの性能向上が図られており、インジウム、ガリウム、亜鉛及び酸素を含有する酸化物半導体（Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体）を用いたＴＦＴが既に量産化されている。
また、近年、液晶表示装置の高精細化が進展し、画素の面積が小さくなっている。このため、画素駆動用のＴＦＴを小さくして画素の開口率を高くすることが求められる。ＴＦＴの小型化に有利な構造としては、チャネルエッチ（ＣＥ）構造が知られている。
電圧が印加されていない状態における液晶分子の配向は、配向処理が施された配向膜によって制御されるのが一般的である。従来では、配向処理の方法として、ラビング法が広く用いられてきたが、近年では、非接触で配向処理を実施できる光配向法に関する研究開発が進められている（例えば、特許文献１参照。）。
国際公開第２０１２／０５０１７７号
シクロブタン構造を含む光分解型配向膜を用いて光配向処理を行った場合に、ＴＦＴの閾値電圧（Ｖｔｈ）が低下（マイナスシフト）することがあった。液晶表示装置の製造工程では、静電チャックの使用や搬送等の際に静電気が発生することがあり、この静電気は、マイナスシフトした画素トランジスタを介して、それぞれの画素に意図せず書き込まれることになる。その結果、液晶に印加される直流（ＤＣ）電位によって液晶中に残留ＤＣが発生し、表示ムラを引き起こしてしまう（ＤＣチャージムラ）。
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、光配向処理によるＴＦＴ特性の劣化が防止されたことによって表示ムラが抑制された液晶表示装置を提供することを目的とするものである。
本発明者らは、光配向処理によるＴＦＴ特性の劣化について研究を進める中で、ＴＦＴ特性の劣化は、ＴＦＴがチャネルエッチ（ＣＥ）構造を有し、かつチャネル層にＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体が使用された場合に起こることに着目した。そして、ＴＦＴ特性の劣化の原因について検討したところ、チャネル層がＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体で構成される場合には、ＣＥ構造を形成するプロセスにおいてＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体がダメージを受けており、ダメージを受けたＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体に、光が照射されると電子－正孔対が発生することを見出した。この電子－正孔対が発生することで、ＴＦＴの電流電圧特性（Ｉ－Ｖ特性）は、マイナス側にシフトし、表示ムラを引き起こしてしまう。
そこで本発明者らは、更に検討を重ねた結果、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体よりも、ＣＥ構造を形成するプロセスで受けるダメージが小さく、光が照射されたときに電子－正孔対を発生しにくい酸化物半導体を見出した。すなわち、インジウム、錫、亜鉛及び酸素を含有する酸化物半導体（Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体）をチャネル層に用いれば、チャネル層にＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体を用いた場合と同等以上のＴＦＴ特性を得つつ、光配向処理によるＴＦＴ特性の劣化についても防止できることを見出した。こうして、本発明者らは、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達した。
すなわち、本発明の一態様は、薄膜トランジスタ基板及び液晶層を有する液晶表示装置であって、上記薄膜トランジスタ基板は、チャネルエッチ構造の薄膜トランジスタと、配向膜とを有し、上記薄膜トランジスタは、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、酸化物半導体を含有するチャネル層と、一対のソース及びドレイン電極とを順に有し、上記酸化物半導体は、インジウム、錫、亜鉛及び酸素を含有し、上記配向膜は、光官能基を有する液晶表示装置であってもよい。
本発明の液晶表示装置によれば、インジウム、錫、亜鉛及び酸素を含有する酸化物半導体（Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体）によってチャネル層が構成されることから、チャネルエッチングの際にチャネル層がダメージを受けることを防止できる。したがって、光配向処理によって、ＴＦＴの電流電圧（Ｉ－Ｖ）特性が劣化することを防止できる。これによって、ＴＦＴ特性に起因するＤＣチャージムラを防止でき、表示品位に優れた液晶表示装置を実現することができる。
実施例１の液晶表示装置の構成を模式的に示した断面図である。 実施例１の薄膜トランジスタ基板の断面を模式的に示した図である。 実施例１の薄膜トランジスタ基板の画素を模式的に示した平面図である。 実施例１における配向処理の照射スペクトルを示した図である。 配向処理用の露光の前後で測定された実施例１のＴＦＴの電流電圧特性を示したグラフである。 比較例１における配向処理の照射スペクトルを示した図である。 配向処理用の露光の前後で測定された比較例１のＴＦＴの電流電圧特性を示したグラフである。 実施例２における配向処理の照射スペクトルを示した図である。 実施例３における配向処理の照射スペクトルを示した図である。 実施例４の薄膜トランジスタ基板の断面を模式的に示した図である。 実施例４の薄膜トランジスタ基板の画素を模式的に示した平面図である。 実施例４における配向処理の照射スペクトルを示した図である。 実施例５における配向処理の照射スペクトルを示した図である。
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に記載された内容に限定されるものではなく、本発明の構成を充足する範囲内で、適宜設計変更を行うことが可能である。
本実施形態の液晶表示装置は、薄膜トランジスタ基板及び液晶層を有する液晶表示装置であって、上記薄膜トランジスタ基板は、チャネルエッチ構造の薄膜トランジスタと、配向膜とを有し、上記薄膜トランジスタは、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、酸化物半導体を含有するチャネル層と、一対のソース及びドレイン電極とを順に有し、上記酸化物半導体は、インジウム、錫、亜鉛及び酸素を含有し、上記配向膜は、光官能基を有することを特徴とする。
上記薄膜トランジスタ基板は、チャネルエッチ構造の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を有するものである。チャネルエッチ構造は、チャネル層を保護する層（エッチングストッパー）を設けることなく、チャネル層上に直に積層された導電膜をチャネルエッチングによって分割する方法によってソース電極とドレイン電極とを形成した場合に、ＴＦＴが備える構造である。すなわち、チャネルエッチ構造においては、チャネル層上にエッチングストッパーが存在せず、ソース電極及びドレイン電極は、チャネル層よりも配向膜に近い側に位置する。このようなチャネルエッチ構造のＴＦＴにおいて、チャネル層がＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体で構成される場合には、チャネルエッチングによってチャネル層がダメージを受けているため、チャネル層に光リーク電流が生じやすい。
一方で、チャネルエッチ構造は、チャネル長を短くするのに有利な構造である。すなわち、チャネルエッチ構造では、ソース電極とドレイン電極との間隔がそのままチャネル長となるのに対して、エッチングストッパー（ＥＳ）構造では、ソース電極及びドレイン電極がチャネル層と接する部分の距離がチャネル長になるため、同じ解像限界のフォトリソグラフィ装置を用いた場合には、チャネルエッチ構造の方が必然的にチャネル長を短くすることができる。チャネル長を短くできると、ＴＦＴの駆動力が向上するため、チャネル幅を小さくすることも可能になる。
また、上記ＴＦＴは、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、酸化物半導体を含有するチャネル層と、一対のソース及びドレイン電極とを順に有するものである。すなわち、上記ＴＦＴは、ボトムゲート構造を有する。ボトムゲート構造では、ゲート電極がチャネル層よりも先に形成されるため、チャネル層の表面は、ゲート電極によって覆われない。このため、光配向処理の際には、ゲート電極によって遮光されることなく、チャネル層の表面に光が入射することになる。
以上のように、ＴＦＴ基板を構成する各部材は、それらの形成順に従い、（１）ゲート電極、（２）ゲート絶縁膜、（３）チャネル層、（４）ソース電極及びドレイン電極、の順に積層され、（４）ソース電極及びドレイン電極の側が配向膜により近くなる。
上記ゲート電極の材質としては、例えば、タングステン、モリブデン、タンタル、チタン等の高融点金属、高融点金属の窒化物等が挙げられる。上記ゲート電極は、単層であってもよいし、２以上の層が積層されたものであってもよい。
上記ゲート絶縁膜の材質としては、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、酸化タンタル、酸化アルミニウム等の絶縁性材料が挙げられる。
上記チャネル層に用いられる酸化物半導体は、インジウム、錫、亜鉛及び酸素を含有し、本明細書では「Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体」とも表記される。Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体は、チャネルエッチングの工程において導電膜の除去に用いられるエッチング液又はエッチングガスに対する耐性が、Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体よりも優れているため、ＣＥ構造を形成するプロセスで受けるダメージが小さく、光が照射されたときに電子－正孔対を発生しにくいと考えられる。なお、上記エッチング液としては、例えば、ＰＡＮ（リン酸－酢酸－硝酸）系エッチング液が挙げられる。
Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体がＰＡＮ系エッチング液に可溶であるのに対して、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体はＰＡＮ系エッチング液に不溶であるので、ソース電極及びドレイン電極が、例えば、厚さ３００ｎｍのＡｌ膜と厚さ５０ｎｍのＭｏ膜の積層体（Ａｌ／Ｍｏ）で構成される場合には、ＰＡＮ系エッチング液を用いたウェットエッチングでチャネルエッチングが可能である。
一方、ソース電極及びドレイン電極が、例えば、Ｔｉ膜、Ａｌ膜及びＴｉ膜の積層体（Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ）で構成される場合には、ドライエッチングを行う。上記エッチングガスとしては、例えば、Ｃｌ２、ＢＣｌ３等の塩素系ガスが用いられる。
ドライエッチングではプラズマによるダメージを受けるのに対して、ウェットエッチングではチャネルエッチングの工程においてダメージを受けないため、より好適である。
また、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体は、優れた電子移動度を有するとともに、リーク電流の小さい薄膜トランジスタを実現することができる。
Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体の組成としては、インジウムの原子数を［Ｉｎ］、錫の原子数を［Ｓｎ］、亜鉛の原子数を［Ｚｎ］と表したときに、例えば、下記の比率を満たすことが好ましい。
０．２＜［Ｉｎ］／（［Ｉｎ］＋［Ｓｎ］＋［Ｚｎ］）＜０．４
０．１＜［Ｓｎ］／（［Ｉｎ］＋［Ｓｎ］＋［Ｚｎ］）＜０．４
０．２＜［Ｚｎ］／（［Ｉｎ］＋［Ｓｎ］＋［Ｚｎ］）＜０．７
上記ソース電極及びドレイン電極の材質としては、例えば、チタン、クロム、アルミニウム、モリブデン等の金属、それらの合金が挙げられる。上記ソース電極及びドレイン電極は、単層であってもよいし、２以上の層が積層されたものであってもよい。上記ソース電極及びドレイン電極は、例えば、フォトリソグラフィ法により導電膜をエッチング（チャネルエッチング）することによって形成できる。具体的には、レジスト塗布、プリベーク（仮焼成）、露光、現像、ポストベーク（本焼成）、ドライエッチング、レジスト剥離の順番で処理が実施され、上記導電膜がパターニングされる。
なお、上記ＴＦＴは、表示領域に位置する画素ＴＦＴであることが好ましい。表示領域外の額縁領域等に位置する駆動ＴＦＴは、光配向処理の際に遮光することで、光リーク電流の発生を抑制できる場合がある。一方、表示領域は光配向処理の際に遮光できないため、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体を用いることによってチャネル層のダメージを低減しておき、光配向処理の際に光リーク電流が発生しないようにすることが求められる。
上記配向膜は、ＴＦＴ基板の液晶層側の表面に配置され、液晶層中の液晶分子の配向を制御する機能を有するものである。液晶層への印加電圧が閾値電圧未満（電圧無印加を含む）のときには、主に配向膜の働きによって液晶層中の液晶分子の配向が制御される。
上記配向膜は、光官能基を有する。光官能基は、紫外光、可視光等の光（電磁波）が照射されることによって構造変化を生じる官能基である。上記配向膜は、光官能基を有することによって光配向性を示す、いわゆる光配向膜である。光配向性を示すとは、光が照射されることによって、その近傍に存在する液晶分子の配向を規制する性質（配向規制力）を発現する材料や、配向規制力の大きさ及び／又は向きが変化する材料全般を意味する。
上記光官能基の種類は特に限定されないが、シンナメート構造、カルコン構造、シクロブタン構造、アゾベンゼン構造、スチルベン構造、クマリン構造及びフェニルエステル構造からなる群より選択された少なくとも１つを含むことが好ましい。これらの構造は、光によって配向処理を実施できるものである。なお、シンナメート構造、カルコン構造、シクロブタン構造、アゾベンゼン構造、スチルベン構造、クマリン構造及びフェニルエステル構造は、配向膜を構成するポリマーにおいて、主鎖に含まれていてもよいし、側鎖に含まれていてもよい。
シンナメート構造、カルコン構造、クマリン構造、スチルベン構造は、光照射によって、二量化（二量体形成）及び異性化を生じる光官能基、又は、該光官能基が二量化又は異性化したものである。シクロブタン構造は、光照射によって開環して分解される光官能基である。アゾベンゼン構造は、光照射によって、異性化を生じる光官能基、又は、該光官能基が異性化したものである。フェニルエステル構造は、光照射によって、光フリース転移する光官能基、又は、該光官能基が光フリース転移したものである。
なお、上記配向膜は、単層であってもよいし、２以上の層が積層されたものであってもよい。
上記配向膜は、例えば、光配向性を示す材料を含む配向剤の塗布、仮焼成、配向処理用の露光、本焼成の順番で、又は、光配向性を示す材料を含む配向剤の塗布、仮焼成、本焼成、配向処理用の露光の順番で処理を実施することによって形成できる。
上記配向膜の液晶層側の表面には、高分子支持配向（ＰＳＡ：Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｓｕｓｔａｉｎｅｄ　Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式によってポリマー層が形成されてもよい。ＰＳＡ方式では、液晶パネル中に、光重合性モノマー（前躯体）及び液晶分子を含有する液晶材料を封入した後、液晶材料に対して光を照射し、光重合性モノマーを光重合させる。光重合によって生じたポリマーは、液晶材料への溶解度が光重合性モノマーよりも低下するため、配向膜上にポリマー層を成膜させることができる。光によって効率よくラジカル重合させることができることから、光重合性モノマーとしては、例えば、アクリレートモノマー、メタクリレートモノマーが好適に用いられる。アクリレートモノマー及び／又はメタクリレートモノマーの重合によって形成されるポリマー層は、アクリレート構造及び／又はメタクリレート構造を含むものとなる。
アクリレートモノマー及びメタクリレートモノマーとしては、下記式（Ｃ）で表されるモノマーが挙げられる。
Ａ１－（Ｒ１）ｎ－Ｙ－（Ｒ２）ｍ－Ａ２　（Ｃ）
（式中、Ｙは、少なくとも１つのベンゼン環及び／又は縮合ベンゼン環を含む構造を表し、上記ベンゼン環及び上記縮合ベンゼン環中の水素原子はハロゲン原子に置き換えられていてもよく、Ａ１及びＡ２の少なくとも一方は、アクリレート又はメタクリレートを表し、Ａ１及びＡ２は、Ｒ１及びＲ２を介して上記ベンゼン環又は上記縮合ベンゼン環に結合している。Ｒ１及びＲ２はスペーサーを表し、具体的には、炭素数が１０以下のアルキル鎖であって、そのアルキル鎖中のメチレン基はエステル基、エーテル基、アミド基及びケトン基から選ばれる官能基に置換されていてもよく、水素原子はハロゲン原子に置換されていてもよい。ｎ及びｍはそれぞれ０又は１であり、ｎ、ｍ＝０の場合はスペーサーが無い。）
上記式（Ｃ）中の骨格Ｙは、下記式（Ｃ－１）、（Ｃ－２）又は（Ｃ－３）で表される構造であることが好ましい。なお、下記式（Ｃ－１）、（Ｃ－２）、（Ｃ－３）中の水素原子は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、メチル基、エチル基に置き換えられていてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
上記式（Ｃ）で表されるモノマーの具体例としては、例えば、下記式（Ｃ－１－１）、（Ｃ－１－２）、（Ｃ－３－１）が挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
なお、ＰＳＡ方式によって形成されるポリマー層は、配向膜の全面を覆う膜であってもよいし、配向膜上に離散的に形成されたものであってもよい。
上記配向膜（又は上記配向膜及び上記ポリマー層）によって付与される液晶分子のプレチルト角（配向膜の表面に対して液晶分子の長軸が形成する角度）の大きさは特に限定されず、上記配向膜は、水平配向膜であってもよいし、垂直配向膜であってもよい。ＩＰＳモード、ＦＦＳモード等の横電界モードに用いられる水平配向膜の場合、プレチルト角は、実質的に０°（例えば、１０°未満）であることが好ましく、０°であることがより好ましい。また、ＴＮモード、ＳＴＮモード等の垂直電界モードに用いられる水平配向膜の場合、プレチルト角は、０．５°以上２５°未満であることが好ましく、１°以上１０°未満であることがより好ましい。
上記液晶層としては、配向膜によって液晶の初期配向を制御する方式の液晶表示装置において通常使用されるものを用いることができる。液晶層に含まれる液晶分子は、下記式（Ｐ）で定義される誘電率異方性（Δε）が負の値を有するものであってもよく、正の値を有するものであってもよい。すなわち、液晶分子は、負の誘電率異方性を有するものであってもよく、正の誘電率異方性であってもよい。負の誘電率異方性を有する液晶分子としては、例えば、Δεが－１～－２０のものを用いることができる。正の誘電率異方性を有する液晶分子としては、例えば、Δεが１～２０のものを用いることができる。
Δε＝（長軸方向の誘電率）－（短軸方向の誘電率）　　（Ｐ）
本実施形態の液晶表示装置の表示モードは特に限定されず、例えば、フリンジ・フィールド・スイッチング（ＦＦＳ：Ｆｒｉｎｇｅ　Ｆｉｅｌｄ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、面内スイッチング（ＩＰＳ：Ｉｎ－Ｐｌａｎｅ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード等の水平配向モード；垂直配向ねじれネマチック（ＶＡＴＮ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ　Ｔｗｉｓｔｅｄ　Ｎｅｍａｔｉｃ）モード、マルチドメイン垂直配向（ＭＶＡ：Ｍｕｌｔｉ－ｄｏｍａｉｎ　Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、パターンド垂直配向（ＰＶＡ：Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ　Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード等の垂直配向モード；ツイステッド・ネマチック（ＴＮ：Ｔｗｉｓｔｅｄ　Ｎｅｍａｔｉｃ）モードを用いることができる。
水平配向モードでは、上記薄膜トランジスタ基板に、上記液晶層に電界を印加する一対の電極が設けられる。ＦＦＳモードでは、薄膜トランジスタ基板に、面状電極と、スリット電極と、面状電極及びスリット電極の間に配置された絶縁膜とを含む構造（ＦＦＳ電極構造）が設けられ、薄膜トランジスタ基板に隣接する液晶層中に斜め電界（フリンジ電界）が形成される。通常では、液晶層側から、スリット電極、絶縁膜、面状電極の順に配置される。スリット電極としては、例えば、その全周を電極に囲まれた線状の開口部をスリットとして備えるものや、複数の櫛歯部を備え、かつ櫛歯部間に配置された線状の切れ込みがスリットを構成する櫛型形状のものを用いることができる。
ＩＰＳモードでは、薄膜トランジスタ基板に、一対の櫛形電極が設けられ、薄膜トランジスタ基板に隣接する液晶層中に横電界が形成される。一対の櫛形電極としては、例えば、それぞれ複数の櫛歯部を備え、かつ櫛歯部が互いに噛み合うように配置された電極対を用いることができる。
ＶＡＴＮモードの液晶表示装置では、各画素に対して複数方向に配向処理が施されることから、光による配向処理が好適に用いられる。そのようなＶＡＴＮモードの液晶表示装置においても、本発明によれば、ＴＦＴ特性の劣化を防止する効果を得ることができる。
本実施形態の液晶表示装置は、上記薄膜トランジスタ基板、上記液晶層の他に、カラーフィルタ基板；偏光板；バックライト；位相差フィルム、視野角拡大フィルム、輝度向上フィルム等の光学フィルム；ＴＣＰ（テープ・キャリア・パッケージ）、ＰＣＢ（プリント配線基板）等の外部回路；ベゼル（フレーム）等の部材を備えるものであってもよい。これらの部材については特に限定されず、液晶表示装置の分野において通常使用されるものを用いることができるので、説明を省略する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、説明された個々の事項は、すべて本発明全般に対して適用され得るものである。
以下に実施例及び比較例を掲げ、本発明について図面を参照しながら更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
［実施例１］
実施例１は、水平配向モードの一種であるフリンジ・フィールド・スイッチング（ＦＦＳ）モードの液晶表示装置に関する。図１は、実施例１の液晶表示装置の構成を模式的に示した断面図であり、図２は、実施例１の薄膜トランジスタ基板の断面を模式的に示した図であり、図３は、実施例１の薄膜トランジスタ基板の画素を模式的に示した平面図である。
図１に示したように、実施例１の液晶表示装置は、背面側から観察者側に向かって、バックライト１０、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）基板２０、配向膜５０、液晶層６０、配向膜５０、カラーフィルタ（ＣＦ）基板４０が順に配置された構成を有する。なお、図１中の白抜き矢印は、バックライト１０が発した光の進行方向を模式的に示している。
図２に示したように、ＴＦＴ基板２０は、ボトムゲート型のチャネルエッチ（ＣＥ）構造を有する。具体的には、基板２１上に、厚さ３００ｎｍのタングステン膜と厚さ２０ｎｍの窒化タンタル膜の積層体（Ｗ／ＴａＮ）であるゲート電極２２ｇを、所定のパターンで設けた。図３に示したように、ゲート電極２２ｇは、ゲート配線２２から分岐した部分である。
ゲート電極２２ｇ上には、基板全面を覆って、厚さ５０ｎｍの酸化珪素膜と厚さ３００ｎｍの窒化珪素膜の積層体（ＳｉＯ２／ＳｉＮｘ）であるゲート絶縁膜２３を設けた。
ゲート絶縁膜２３上には、厚さ５０ｎｍの酸化物半導体からなるチャネル層２４を設けた。酸化物半導体としては、インジウム、錫、亜鉛及び酸素を含有するもの（Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体）を用いた。チャネル層２４の形成方法としては、酸化物半導体をスパッタ法によって成膜した後、形成された膜をウェットエッチング工程及びレジスト剥離工程を含むフォトリソグラフィ法によって所望の形状にパターニングする方法を用いた。
チャネル層２４上には、厚さ１００ｎｍのチタン膜、厚さ３００ｎｍのアルミニウム膜、及び、厚さ３０ｎｍのチタン膜の積層体（Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ）であるソース電極２５ｓ及びドレイン電極２５ｄを、所定のパターンで設けた。図３に示したように、ソース電極２５ｓは、ソース配線２５から分岐した部分であり、ドレイン電極２５ｄは、チャネル層２４を挟んでソース電極２５ｓと対向するように配置された。ソース電極２５ｓ及びドレイン電極２５ｄの形成方法としては、スパッタ法によって基板２１全面に積層体を形成した後、この積層膜をドライエッチング工程（チャネルエッチング）及びレジスト剥離工程を含むフォトリソグラフィ法を用いてパターニングする方法を用いた。上記ドライエッチング工程によって、チャネル層２４上に形成された積層体の一部が、所定のチャネル長（Ｌ＝４μｍ）及びチャネル幅（Ｗ＝４μｍ）を有するように除去された。
ソース電極２５ｓ及びドレイン電極２５ｄ上には、基板全面を覆って、厚さ３００ｎｍの酸化珪素膜（ＳｉＯ２）である無機絶縁膜２６を設けた。更に、厚さ２．０μｍのアクリル樹脂膜２７を基板全面に設けた。
本実施例の液晶表示装置はＦＦＳモードであることから、アクリル樹脂膜２７上には、厚さ１００ｎｍのインジウム－亜鉛－酸素膜（ＩＺＯ）である補助容量電極２８を、所定のパターンで設けた。更に、無機絶縁膜２６及びアクリル樹脂膜２７を貫通する開口を形成し、ドレイン電極２５ｄの一部を露出させた。
続いて、ドレイン電極２５ｄの一部が露出した領域を除いて、厚さ１００ｎｍの窒化珪素膜（ＳｉＮｘ）である補助容量絶縁膜２９を設けた。更に、厚さ１００ｎｍのインジウム－亜鉛－酸素膜（ＩＺＯ）である画素電極３０を、所定のパターンで設けた。以上のようにして、図２及び図３に示した構造を有するＴＦＴ基板が作製された。
図２には図示されていないが、画素電極３０上には配向膜５０を設けた。また、配向膜５０は、ＣＦ基板４０の液晶層６０と隣接する側の表面にも形成した。
配向膜５０は、以下の手順で作製した。まず、シクロブタン構造を主鎖に含むポリイミドポリマーを固形分として含む配向剤を、ＴＦＴ基板２０上に塗布した。配向剤の組成は、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）：ブチルセロソルブ（ＢＣ）：固形分＝６６：３０：４の重量比とした。ＣＦ基板４０上にも同様の配向剤を塗布した。
配向剤が塗布されたＴＦＴ基板２０及びＣＦ基板４０を７０℃で２分間加熱する仮焼成を行った。仮焼成後に形成された配向膜５０の膜厚は１００ｎｍであった。仮焼成の後、本焼成として、配向膜５０を２３０℃で３０分間加熱した。本焼成の後に、配向処理用の露光として、偏光紫外線を基板法線方向から照射した。図４は、実施例１における配向処理の照射スペクトルを示した図である。偏光紫外線の光源には、高輝度点光源（ウシオ電機社製、製品名「Ｄｅｅｐ　ＵＶランプ」）を使用し、バンドパスフィルターは使用しなかった。配向膜５０に照射された偏光紫外線の強度は、紫外線積算光量計（ウシオ電機社製、製品名「ＵＩＴ－２５０」、受光器形式「ＵＶＤ－Ｓ３６５」）で測定したときに、０．６Ｊ／ｃｍ２であった。配向処理用の露光の後には、後焼成として、配向膜５０を２３０℃で３０分間加熱した。
続いて、ＣＦ基板４０上にシール剤（協立化学産業社製、商品名「ワールドロック」）を所定のパターンで描画した。その後、液晶を液晶滴下（ＯＤＦ）方式でＴＦＴ基板２０上に滴下した。液晶には、メルク社製のＭＬＣ６６１０（Δε＝－３．１）を使用した。そして、ＣＦ基板４０とＴＦＴ基板２０とを、配向処理時に照射した偏光紫外線の偏光軸が一致するように貼り合せ、ＴＦＴ基板２０とＣＦ基板４０との間に液晶を封入した。その後、１３０℃４０分間の熱処理を行った。形成された液晶層６０のｄ・Δｎ（厚みｄと屈折率異方性Δｎの積）は３３０ｎｍであった。そして、偏光軸がクロスニコルの関係になるように、ＴＦＴ基板２０の背面側及びＣＦ基板４０の観察面側に、一対の偏光板を貼り付けた。更に、発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えるバックライト１０をＴＦＴ基板２０の背面側に取り付け、実施例１のＦＦＳモードの液晶表示装置が完成した。
＜実施例１の特性評価＞
１）ＴＦＴの電流電圧（Ｉ－Ｖ）特性
実施例１のＴＦＴについて、Ａｇｉｌｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製の半導体パラメータアナライザー４１５６Ｃを用いて、配向処理用の露光の前後でＩ－Ｖ特性を測定した。測定においては、ソース電極２５ｓ－ドレイン電極２５ｄ間の電圧を１０Ｖに設定し（Ｖｄｓ＝１０Ｖ）、ゲート電極２２ｇの電圧（Ｖｇ）を変化させたときにチャネル層２４を流れる電流量（Ｉｄ）を計測した。図５は、配向処理用の露光の前後で測定された実施例１のＴＦＴの電流電圧特性を示したグラフである。図５に示したように、Ｉ－Ｖ特性は、配向処理用の露光の前後で殆ど変化しなかった。具体的には、ＴＦＴの閾値電圧は、露光後に０．４３Ｖ低下した（ΔＶｔｈ＝－０．４３Ｖ）。
２）３１階調での表示ムラ
３１階調で点灯させた画面を目視で観察し、表示ムラの評価を行った。３１階調は、電圧透過率曲線（Ｖ－Ｔライン）の立ち上がり部分に相当し、電圧変化に対して透過率が急峻な変化を示す階調であるため、表示ムラが顕著になりやすい。観察の結果、実施例１の液晶表示装置は、光を２０％透過させる減光フィルター（ＮＤ２０フィルター）越しで表示ムラが観察されず、良好な表示品位であった。なお、ＮＤ２０フィルターを介さずに観察した場合には僅かに表示ムラが視認されたが、ＮＤ２０フィルター越しで観察すれば視認されない程度の軽微なムラであったため、３１階調以外も利用して表示を行う実際の使用状況下では視認し難い表示ムラであり、製品上問題ないと判断した。
［比較例１］
チャネル層２４をＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体によって形成したことを除いて、実施例１と同様にして、ＦＦＳモードの液晶表示装置を作製した。
図６は、比較例１における配向処理の照射スペクトルを示した図である。偏光紫外線の光源には、高輝度点光源（ウシオ電機社製、製品名「Ｄｅｅｐ　ＵＶランプ」）を使用し、バンドパスフィルターは使用しなかった。配向膜に照射された偏光紫外線の強度は、紫外線積算光量計（ウシオ電機社製、製品名「ＵＩＴ－２５０」、受光器形式「ＵＶＤ－Ｓ２５４」）で測定したときに、０．６Ｊ／ｃｍ２であった。
＜比較例１の特性評価＞
１）ＴＦＴの電流電圧（Ｉ－Ｖ）特性
比較例１のＴＦＴについて、実施例１と同様に、配向処理用の露光の前後でＩ－Ｖ特性を測定した。図７は、配向処理用の露光の前後で測定された比較例１のＴＦＴの電流電圧特性を示したグラフである。図７に示したように、Ｉ－Ｖ特性は、配向処理用の露光の前後で明らかに変化した。具体的には、ＴＦＴの閾値電圧は、露光後に０．８９Ｖ低下した（ΔＶｔｈ＝－０．８９Ｖ）。
２）３１階調での表示ムラ
３１階調で点灯させた画面を目視で観察し、表示ムラの評価を行った。観察の結果、比較例１の液晶表示装置は、光を１０％透過させる減光フィルター（ＮＤ１０フィルター）越しでも表示ムラが観察され、充分な表示品位を有していなかった。この表示ムラは、ＴＦＴ特性に起因するＤＣチャージムラであると考えられる。
［実施例１及び比較例１の評価結果に関する考察］
比較例１のＴＦＴは、配向処理用の露光によって閾値電圧が大幅に低下し、その結果、表示ムラが引き起こされた。チャネルエッチ（ＣＥ）構造のＴＦＴでは、ソース・ドレイン電極を分離するドライエッチングプロセス中に、チャネル層表面（バックチャネル）が露出し、プラズマ放電に晒される。比較例１のように、チャネル層がＩｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体によって構成される場合には、プラズマ放電によってチャネル層には欠陥準位が生成され、配向処理のために光が照射された場合には欠陥準位が電子―正孔対の発生中心となる。その結果、ＴＦＴのＩ－Ｖ特性はマイナスシフトすると考えられる。ちなみに、配向処理に用いられた光のスペクトルは、３５０ｎｍ以下の短波長の紫外線を含むものであり、比較例１のチャネル層を構成する酸化物半導体（Ｉｎ－Ｇａ－Ｚｎ－Ｏ）の特性に顕著な影響を与え得る。
一方、実施例１では、チャネル層がＩｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体によって構成されたため、チャネル層表面にプラズマ放電によるダメージが生じず、欠陥準位の生成が減少したと考えられる。
［実施例２］
配向膜の形成を除いて、実施例１と同様にして、ＦＦＳモードの液晶表示装置を作製した。
配向膜は、以下の手順で作製した。まず、アゾベンゼン構造を主鎖に含むポリイミドポリマーを固形分として含む配向剤を、ＴＦＴ基板上に塗布した。配向剤の組成は、ＮＭＰ：ＢＣ：固形分＝６６：３０：４の重量比とした。ＣＦ基板上にも同様の配向剤を塗布した。
配向剤が塗布されたＴＦＴ基板及びＣＦ基板を７０℃で２分間加熱する仮焼成を行った。仮焼成後に形成された配向膜の膜厚は１００ｎｍであった。仮焼成の後、配向処理用の露光として、偏光紫外線を基板法線方向から照射した。図８は、実施例２における配向処理の照射スペクトルを示した図である。偏光紫外線の光源には、高輝度点光源（ウシオ電機社製、製品名「Ｄｅｅｐ　ＵＶランプ」）を使用し、更に波長３６５ｎｍのバンドパスフィルターを使用した。配向膜に照射された偏光紫外線の強度は、紫外線積算光量計（ウシオ電機社製、製品名「ＵＩＴ－２５０」、受光器形式「ＵＶＤ－Ｓ３６５」）で測定したときに、１Ｊ／ｃｍ２であった。配向処理用の露光の後には、本焼成として、配向膜を１１０℃で３０分間加熱した後、２３０℃で３０分間加熱した。
＜実施例２の特性評価＞
１）ＴＦＴの電流電圧（Ｉ－Ｖ）特性
実施例２のＴＦＴについて、実施例１と同様に、配向処理用の露光の前後でＩ－Ｖ特性を測定した。その結果、Ｉ－Ｖ特性は、配向処理用の露光の前後で殆ど変化しなかった。具体的には、ＴＦＴの閾値電圧は、露光後に０．０２Ｖ低下した（ΔＶｔｈ＝－０．０２Ｖ）。
２）３１階調での表示ムラ
３１階調で点灯させた画面を目視で観察し、表示ムラの評価を行った。観察の結果、実施例２の液晶表示装置は、表示ムラがなく良好な表示品位であった。したがって、ＴＦＴ特性に起因するＤＣチャージムラが発生しないことが確認された。
３）評価結果に関する考察
実施例１と同様にチャネル層にＩｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体が用いられただけでなく、配向処理用の露光において、波長３６５ｎｍのバンドパスフィルターが使用されたことから、実施例１よりも良好なＴＦＴ特性が得られた。
［実施例３］
配向膜の形成を除いて、実施例１と同様にして、ＦＦＳモードの液晶表示装置を作製した。
配向膜は、以下の手順で作製した。まず、シンナメート構造を主鎖に含むポリイミドポリマーを固形分として含む配向剤を、ＴＦＴ基板上に塗布した。配向剤の組成は、ＮＭＰ：ＢＣ：固形分＝６６：３０：４の重量比とした。ＣＦ基板上にも同様の配向剤を塗布した。
配向剤が塗布されたＴＦＴ基板及びＣＦ基板を７０℃で２分間加熱する仮焼成を行った。仮焼成後に形成された配向膜の膜厚は１００ｎｍであった。仮焼成の後、配向処理用の露光として、偏光紫外線を基板法線方向から照射した。図９は、実施例３における配向処理の照射スペクトルを示した図である。偏光紫外線の光源には、高輝度点光源（ウシオ電機社製、製品名「Ｄｅｅｐ　ＵＶランプ」）を使用し、更に波長２７０ｎｍ以下の光を透過させないショートカットフィルターを使用した。配向膜に照射された偏光紫外線の強度は、紫外線積算光量計（ウシオ電機社製、製品名「ＵＩＴ－２５０」、受光器形式「ＵＶＤ－Ｓ３１３」）で測定したときに、１Ｊ／ｃｍ２であった。配向処理用の露光の後には、本焼成として、配向膜を２３０℃で３０分間加熱した。
＜実施例３の特性評価＞
１）ＴＦＴの電流電圧（Ｉ－Ｖ）特性
実施例３のＴＦＴについて、実施例１と同様に、配向処理用の露光の前後でＩ－Ｖ特性を測定した。その結果、Ｉ－Ｖ特性は、配向処理用の露光の前後で僅かに変化した。具体的には、ＴＦＴの閾値電圧は、露光後に０．１８Ｖ低下した（ΔＶｔｈ＝－０．１８Ｖ）。
２）３１階調での表示ムラ
３１階調で点灯させた画面を目視で観察し、表示ムラの評価を行った。観察の結果、実施例３の液晶表示装置において、表示ムラ（ＴＦＴ特性に起因するＤＣチャージムラ）は、光を５０％透過させる減光フィルター（ＮＤ２フィルター）越しで観察されず、良好な表示品位であった。
３）評価結果に関する考察
実施例１と同様にチャネル層にＩｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体が用いられただけでなく、配向処理用の露光において、波長２７０ｎｍ以下の光を透過させないショートカットフィルターが使用されたことから、実施例１よりも良好なＴＦＴ特性が得られた。このことから、Ｉ－Ｖ特性をシフトさせる酸化物半導体（Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ）の欠陥準位は波長２７０ｎｍ未満の光で励起されることがわかった。
［実施例４］
実施例４は、垂直配向モードの一種である垂直配向ねじれネマティック（ＶＡＴＮ）モードの液晶表示装置に関する。図１０は、実施例４の薄膜トランジスタ基板の断面を模式的に示した図であり、図１１は、実施例４の薄膜トランジスタ基板の画素を模式的に示した平面図である。なお、実施例４の液晶表示装置もまた、図１に示した構成を有する。
実施例４の薄膜トランジスタ基板（ＴＦＴ基板）２０は、図１０に示したチャネルエッチ（ＣＥ）構造を有し、補助容量電極２８及び補助容量絶縁膜２９が設けられない点で、実施例１のＴＦＴ基板２０とは異なる断面構造を有する。
図１０には図示されていないが、画素電極３０上には配向膜５０を設けた。また、配向膜５０は、カラーフィルタ基板（ＣＦ基板）４０の液晶層６０と隣接する側の表面にも形成した。
配向膜５０は、以下の手順で作製した。まず、シンナメート構造とフッ化アルキル鎖を側鎖に含むポリイミドポリマーを固形分として含む配向剤を、ＴＦＴ基板上に塗布した。配向剤の組成は、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）：ブチルセロソルブ（ＢＣ）：固形分＝６６：３０：４の重量比とした。ＣＦ基板４０上にも同様の配向剤を塗布した。
配向剤が塗布されたＴＦＴ基板２０及びＣＦ基板４０を７０℃で２分間加熱する仮焼成を行った。仮焼成後に形成された配向膜５０の膜厚は１００ｎｍであった。仮焼成の後、本焼成として、配向膜５０を２００℃で３０分間加熱した。本焼成の後に、配向処理用の露光として、ｐ偏光紫外線を基板法線に対して４０°傾いた方向から照射した。図１２は、実施例４における配向処理の照射スペクトルを示した図である。ｐ偏光紫外線の光源には、高輝度点光源（ウシオ電機社製、製品名「Ｄｅｅｐ　ＵＶランプ」）を使用し、更に波長２７０ｎｍ以下の光を透過させないショートカットフィルターを使用した。配向膜５０に照射されたｐ偏光紫外線の強度は、紫外線積算光量計（ウシオ電機社製、製品名「ＵＩＴ－２５０」、受光器形式「ＵＶＤ－Ｓ３１３」）で測定したときに、４０ｍＪ／ｃｍ２であった。
続いて、ＣＦ基板４０上にシール剤（協立化学産業社製、商品名「ワールドロック」）を所定のパターンで描画した。その後、液晶を液晶滴下（ＯＤＦ）方式でＴＦＴ基板２０上に滴下した。液晶には、メルク社製のＭＬＣ６６１０を使用した。そして、ＣＦ基板４０とＴＦＴ基板２０とを、液晶のプレチルト方位が直交するように貼り合せ、ＴＦＴ基板２０とＣＦ基板４０との間に液晶を封入した。これによって、各画素内には、液晶分子の配向の向きが互いに異なる４つのドメイン領域が形成される。図１１中の矢印は、各ドメイン領域における液晶分子の配向の向きを表している。その後、１３０℃４０分間の熱処理を行った。形成された液晶層６０のｄ・Δｎ（厚みｄと屈折率異方性Δｎの積）は３４０ｎｍであった。そして、偏光軸がクロスニコルの関係になるように、ＴＦＴ基板２０の背面側及びＣＦ基板４０の観察面側に、一対の偏光板を貼り付けた。更に、ＬＥＤを備えるバックライト１０をＴＦＴ基板２０の背面側に取り付け、実施例４のＶＡＴＮモードの液晶表示装置が完成した。
＜実施例４の特性評価＞
１）ＴＦＴの電流電圧（Ｉ－Ｖ）特性
実施例４のＴＦＴについて、実施例１と同様に、配向処理用の露光の前後でＩ－Ｖ特性を測定した。その結果、Ｉ－Ｖ特性は、配向処理用の露光の前後で僅かに変化した。具体的には、ＴＦＴの閾値電圧は、露光後に０．１４Ｖ低下した（ΔＶｔｈ＝－０．１４Ｖ）。
２）３１階調での表示ムラ
３１階調で点灯させた画面を目視で観察し、表示ムラの評価を行った。観察の結果、実施例４の液晶表示装置において、表示ムラ（ＴＦＴ特性に起因するＤＣチャージムラ）は、光を５０％透過させる減光フィルター（ＮＤ２フィルター）越しで観察されず、良好な表示品位であった。
以上のように、液晶の配向モードが、実施例１～３のように水平配向モード（横電界方式）である場合だけでなく、ＶＡＴＮモードである場合においても本発明の効果が確認された。
［実施例５］
実施例５は、垂直配向モードの一種であるマルチドメイン垂直配向（ＭＶＡ）モードの液晶表示装置に関し、ポリマー支持配向（ＰＳＡ）方式が適用された点に特徴がある。
実施例５のＴＦＴ基板は、図１０に示したＣＥ構造を有し、実施例４のＴＦＴ基板と同じ断面構造を有するものであるが、画素電極に電極スリットが形成された点で、実施例４のＴＦＴ基板とは異なる平面構造を有する。
実施例５においても、ＴＦＴ基板の画素電極上には配向膜を設けた。また、配向膜は、ＣＦ基板の液晶層と隣接する側の表面にも形成した。
配向膜は、以下の手順で作製した。まず、コレスタン構造及びシンナメート構造を側鎖に含むポリイミドポリマーを固形分として含む配向剤を、ＴＦＴ基板上に塗布した。配向剤の組成は、ＮＭＰ：ＢＣ：固形分＝６６：３０：４の重量比とした。ＣＦ基板上にも同様の配向剤を塗布した。
配向剤が塗布されたＴＦＴ基板及びＣＦ基板を７０℃で２分間加熱する仮焼成を行った。仮焼成後に形成された配向膜の膜厚は１００ｎｍであった。仮焼成の後、本焼成として、配向膜を２００℃で３０分間加熱した。
続いて、ＣＦ基板上にシール剤（協立化学産業社製、商品名「ワールドロック」）を所定のパターンで描画した。その後、液晶を液晶滴下（ＯＤＦ）方式でＴＦＴ基板上に滴下した。液晶には、メルク社製のＭＬＣ６６１０に、メタクリレートポリマー層の前駆体として、ビフェニル－４，４’－ジイル　ビス（２－メチルアクリレート）を０．３ｗｔ％添加したものを使用した。そして、ＣＦ基板とＴＦＴ基板とを貼り合せ、液晶を両基板間に封入した。その後、１３０℃４０分間の熱処理を行った。形成された液晶層のｄ・Δｎ（厚みｄと屈折率異方性Δｎの積）は３４０ｎｍであった。
続いて、配向処理用の露光として、ＴＦＴ基板に設けた画素電極とＣＦ基板に設けた共通電極間に２０Ｖの直流（ＤＣ）電圧を印加しながら、無偏光紫外線を基板法線方向から照射した。図１３は、実施例５における配向処理の照射スペクトルを示した図である。無偏光紫外線の光源には、ブラックライト蛍光ランプ（東芝社製、製品名「ＦＨＦ３２ＢＬＢ」）を使用し、カットフィルターは使用しなかった。無偏光紫外線の強度は、紫外線積算光量計（ウシオ電機社製、製品名「ＵＩＴ－２５０」、受光器形式「ＵＶＤ－Ｓ３６５」）で測定したときに、５Ｊ／ｃｍ２であった。無偏光紫外線の照射によって液晶中のビフェニル－４，４’－ジイル　ビス（２－メチルアクリレート）が光重合し、配向膜上にメタクリレートポリマー層が形成された。
その後、偏光軸がクロスニコルの関係になるように、ＴＦＴ基板の背面側及びＣＦ基板の観察面側に、一対の偏光板を貼り付けた。更に、ＬＥＤバックライトをＴＦＴ基板の背面側に取り付け、実施例５のＰＳＡ技術が適用されたＭＶＡモードの液晶表示装置が完成した。
＜実施例５の特性評価＞
１）ＴＦＴの電流電圧（Ｉ－Ｖ）特性
実施例５のＴＦＴについて、実施例１と同様に、配向処理用の露光の前後でＩ－Ｖ特性を測定した。その結果、Ｉ－Ｖ特性は、配向処理用の露光の前後で僅かに変化した。具体的には、ＴＦＴの閾値電圧は、露光後に０．２０Ｖ低下した（ΔＶｔｈ＝－０．２０Ｖ）。
２）３１階調での表示ムラ
３１階調で点灯させた画面を目視で観察し、表示ムラの評価を行った。観察の結果、実施例５の液晶表示装置において、表示ムラ（ＴＦＴ特性に起因するＤＣチャージムラ）は、光を５０％透過させる減光フィルター（ＮＤ２フィルター）越しで観察されず、良好な表示品位であった。
以上のように、ＰＳＡ方式を併用した場合においても本発明の効果が確認された。
なお、本発明の各実施例に記載されている技術特徴はお互いに組合せして新しい本発明の実施態様を形成することができる。
［付記］
本発明の一態様は、薄膜トランジスタ基板及び液晶層を有する液晶表示装置であって、上記薄膜トランジスタ基板は、チャネルエッチ構造の薄膜トランジスタと、配向膜とを有し、上記薄膜トランジスタは、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、酸化物半導体を含有するチャネル層と、一対のソース及びドレイン電極とを順に有し、上記酸化物半導体は、インジウム、錫、亜鉛及び酸素を含有し、上記配向膜は、光官能基を有する液晶表示装置であってもよい。上記態様によれば、インジウム、錫、亜鉛及び酸素を含有する酸化物半導体（Ｉｎ－Ｓｎ－Ｚｎ－Ｏ系酸化物半導体）によってチャネル層が構成されることから、チャネルエッチングの際にチャネル層がダメージを受けることを防止できる。したがって、光配向処理によって、ＴＦＴの電流電圧（Ｉ－Ｖ）特性が劣化することを防止できる。これによって、ＴＦＴ特性に起因するＤＣチャージムラを防止でき、表示品位に優れた液晶表示装置を実現することができる。
上記光官能基は、シンナメート構造、カルコン構造、シクロブタン構造、アゾベンゼン構造、スチルベン構造、クマリン構造及びフェニルエステル構造からなる群より選択された少なくとも１つを含むものであってもよい。これらの構造は、光によって配向処理を実施できるものである。
上記配向膜と上記液晶層の間に、上記アクリレート構造及び上記メタクリレート構造の少なくとも一方を含むポリマー層を有してもよい。このようなポリマー層は、ＰＳＡ方式によって作製することができる。また、上記ポリマー層は、光によって液晶中に含有させた前駆体（モノマー等）を効率よくラジカル重合させることによって形成できるため、好適である。
以上に示した本発明の技術特徴は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜組み合わされてもよい。
１０　バックライト
２０　薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）基板
２１　基板
２２　ゲート配線
２２ｇ　ゲート電極
２３　ゲート絶縁膜
２４　チャネル層
２５　ソース配線
２５ｄ　ドレイン電極
２５ｓ　ソース電極
２６　無機絶縁膜
２７　アクリル樹脂膜
２８　補助容量電極
２９　補助容量絶縁膜
３０　画素電極
４０　カラーフィルタ（ＣＦ）基板
５０　配向膜
６０　液晶層

 

Claims (3)

  1. 薄膜トランジスタ基板及び液晶層を有する液晶表示装置であって、
    前記薄膜トランジスタ基板は、チャネルエッチ構造の薄膜トランジスタと、配向膜とを有し、
    前記薄膜トランジスタは、ゲート電極と、ゲート絶縁膜と、酸化物半導体を含有するチャネル層と、一対のソース及びドレイン電極とを順に有し、
    前記酸化物半導体は、インジウム、錫、亜鉛及び酸素を含有し、
    前記配向膜は、光官能基を有する
    ことを特徴とする液晶表示装置。
  2. 前記光官能基は、シンナメート構造、カルコン構造、シクロブタン構造、アゾベンゼン構造、スチルベン構造、クマリン構造及びフェニルエステル構造からなる群より選択された少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
  3. 前記配向膜と前記液晶層の間に、アクリレート構造及びメタクリレート構造の少なくとも一方を含むポリマー層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示装置。

     
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