專利名稱：濾色器裝置及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及改進的濾色器裝置、制造該濾色器裝置的方法以及包括該濾色器裝置的顯示器。更具體地說，本發(fā)明涉及制造濾色器裝置的方法，使濾色器裝置平面化以增強由此形成的裝置的性能和提高其成品率。
背景技術：
最近幾年，薄膜晶體管和包括這類薄膜晶體管的器件顯示出了增長勢頭，例如，存儲器陣列，各種類型的集成電路與機械開關和繼電器的替代物。例如，舌簧繼電器會疲勞并且MOS開關有太大的漏電流。
薄膜晶體管的具體的典型應用是在平板顯示器中，例如應用液晶、場致發(fā)射、等離子體、電致變色或電致發(fā)光的顯示器，替代常規(guī)的陰極射線管(CRT)。平板顯示器有希望比CRT的顯示器重量輕、體積小并且實際上功耗低。而且，由于工作模式的緣故，CRT幾乎總是有失真。CRT通過將電子束投向熒光涂層屏而工作。電子束將產生在其上聚焦的束點以發(fā)光，發(fā)光的強度與束的強度成正比。通過均速移動在屏上產生不同束點的電子束以發(fā)出不同強度的光而實現(xiàn)顯示。因為電子束從其穩(wěn)定源到屏的邊緣比到其中央運行了更遠的距離，所以束以不同的角度轟擊屏上的各個點，結果束點大小和形狀發(fā)生變化(即，失真)。
平板顯示器沒有這種失真，因為在基片上光刻制作每一象素，與CRT電子束轟擊屏上的熒光粉所限定的相反。在制作平板顯示器過程中，通過在基片(例如，玻璃)上沉積電路元件并通過光刻制作圖案。分級地沉積和蝕刻元件以形成具有行和列電路控制線垂直的矩陣，在控制線行和列之間有象素觸點和控制元件。象素觸點上具有介質，當閾值電壓加在介質控制元件上時該介質或者是發(fā)光(發(fā)射)的基片或者是調制環(huán)境光(非發(fā)射)的傳輸?shù)幕?。介質可以是液晶、電致發(fā)光或電致變色材料(例如，硫化鋅)、例如氖和氬的氣體等離子體、雙色染料或將發(fā)光的或者響應加到其上的電壓改變光特性的這樣的其它適合材料或元件。響應加在其上的合適電壓在介質中產生光或出現(xiàn)其它光變化。在每一觸點上光的有源介質通常稱為圖象單元或“象素”。
用于平板顯示器的電路通常這樣設計對預定電壓通常都在所有列線上移入數(shù)據(jù)。然后，給一行提供能量以使該行的所有晶體管導通(此時寫入一行)。然后，斷路該行并且將下一行的數(shù)據(jù)移入所有列線，并接著給第二行提供能量并寫入第二行。重復進行這一過程，直到訪問所有的行為止。通常在一幀周期寫入所有的行，一幀周期典型地為大約1/60秒或大約16.7毫秒。然后，當寫入行時將表示數(shù)據(jù)的電壓有選擇地加到特定列以使所選擇的象素點亮或改變光特性。通過施加大量的電壓或電流或較長的電壓或電流脈沖能改變象素的強度。應用具有扭轉向列有源材料的液晶顯示器(LCD)，當沒有驅動時顯示基本上是透明的并且當驅動時顯示變?yōu)槲展?，反之亦然，這取決于偏振器的取向。因而，通過在顯示器上逐行依次地驅動象素而在顯示器產生圖象。上面針對CRT描述的幾何失真在平板顯示器中不是要素，因為每一象素的位置是光刻確定的并且是固定的。
制作用于有源矩陣顯示器(例如，在每一象素使用薄膜晶體管的顯示器)的裝置的已有方法所存在的主要問題之一是，它們一般面臨著與集成電路類似的生產成品率的問題。也就是說，所生產的器件的成品率一般不是100％，成品率(沒有缺陷的器件的比率)在最壞的情況下可能為0％。高質量的顯示器幾乎不充許有不合格的晶體管或其它元件。而且，與較小的屏幕顯示器相比，更希望有較大的屏幕顯示器。因而，制造者面臨著最好制作較大尺寸和/或較高清晰度的顯示器的困境，而不得不在不止幾個晶體管不合格并因此不止幾個象素不合格的條件下扔掉整個產品。換句話說，制造者面臨著由可用產品率所造成的增加每單元的制造成本的問題。
制造任何類型的顯示器所面臨的一個問題在制造彩色顯示器時也會出現(xiàn)，大多數(shù)，不是所有的高質量的顯示器都變?yōu)闃藴曙@示器類型。在黑色矩陣上面的顯示器底板上形成濾色器裝置。如果黑色矩陣不是非常薄的話，則在黑色矩陣上的濾色器介質的臺階覆蓋引起濾色器裝置表面的不均勻性。當將底板再與不均勻濾色器裝置基片放在一起時，在它們之間的空間會導致有缺陷的顯示或長期使用后顯示失敗。
發(fā)明的公開提供了一種制作濾色器裝置的改進方法，以減少包括該濾色器裝置的器件(例如，有源矩陣顯示器)的故障。濾色器基片上具有較厚的聚酰胺黑色矩陣和在黑色矩陣上形成的透明聚酰胺層。經黑色矩陣對透明層進行曝光并顯影以除去在黑色矩陣上沒有曝光的部分。所得到的表面基本上為平面的并便于剩余層的形成，從而形成基本上為平面的濾色器裝置。
附圖的簡單描述

圖1是表示包括本發(fā)明的濾色器裝置的有源矩陣顯示器的平面示意圖；圖2是圖1的顯示器的一個晶體管和一個存貯電容器的一個實施例的階梯狀剖面圖；圖3是圖2的晶體管實施例的第二剖面圖；圖4是完成了的顯示器的局部示意圖；圖5和6是已有技術的濾色器裝置；以及圖7A、7B和7C描述本發(fā)明的平面濾色器裝置的一個實施例。
實施本發(fā)明的最佳方式在任何類型的彩色顯示器中都能使用本發(fā)明的濾色器裝置，但是，在此僅描述在薄膜晶體管(TFT)形成的有源矩陣液晶顯示器(AMLCD’s)中所使用的本發(fā)明的濾色器裝置。參照圖1，示意地表示了一個已有發(fā)明的AMLCD，在申請日為1995年7月31日、題為“改進的TFT，制造方法和包括TFT的矩陣顯示器”的待審的申請U.S.S.N.08/497,371中公開了該已有發(fā)明，在此引入作為參考。已有的TFT由標號10表示。
所示出的AMLCD 10包括一組優(yōu)選的外短路棒12、14、16和18，這在申請日也為1995年7月31日、題為“有源矩陣ESD保護和測試線路”的、在此引入作為參考的共同待審案U.S.S.N.08/497,372中進行了更詳細的描述。在加工過程中沿劃線20通過斷開外短路棒12、14、16和18而除去這些外短路棒，在引入的申請中也對此做了更詳細的描述。
所示出的AMLCD 10還包括一組內短路棒22、24、26和28。在加工的過程中還利用內短路棒22、24、26和28，這也在引入的申請中進行了更詳細的描述。然而，僅沿線30例如通過激光使內短路棒22、24、26和28與AMLCD 10電不連接，而剩下AMLCD 10的實際部分。
在基片32上沉積AMLCD 10，通常由玻璃板形成基片，沿上面所述的劃線20斷開AMLCD 10?；?2也可由其它類型的絕緣材料形成，包括用于不透光的具有絕緣涂層的金屬板。由形成一個大陣列的大量的行線34和列線36形成AMLCD 10，圖中僅描述了其中的一小部分。行線34包括與每一行線34相連的多個驅動器接觸襯墊38之一，列線36也包括與每一列線36相連的多個驅動器接觸襯墊40之一。
AMLCD 10包括在行線34和列線36之間形成的大量的相同象素，因此，僅詳細地描述了一個象素42。在行線34和列線36相交的每一矩陣交叉點44，形成TFT46，使行線和列線與象素觸點48連接。至少在觸點48上形成有源液晶介質，該介質會響應底板和加到象素42上的數(shù)據(jù)電壓而改變性能。在象素42上的介質通常在AMLCD 10的整個矩陣中呈現(xiàn)方形或圓點。沒有按比例示出晶體管46和觸點48的實際尺寸，而僅僅是為了便于描述示意地示出了晶體管46和觸點48。
應該注意到，可以使用的行線34和列線36的數(shù)量或AMLCD 10的外部尺寸在理論上沒有限制。加工設備限制了外部尺寸的實際極限值，該極限值隨著設備的改進將不斷的變化。
制造AMLCD所遇到的問題是，如果AMLCD 10含有引起不止幾個象素不工作的有缺陷的TFT或其它電路元件，則必須將整個顯示器報廢。掩蓋不合格的象素42的一種技術是，使用一個附加(任選)的具有象素42的晶體管49，使象素42與鄰近的行R1耦合。然后，當寫入行R1時，不僅將數(shù)據(jù)加到前一象素42′上，而且還通過晶體管49加到象素42中。然后，當寫入行r時，通過晶體管46來自前一象素的數(shù)據(jù)改寫象素42的數(shù)據(jù)。然而，如果晶體管46不合格，象素42并不是表現(xiàn)出不操作，而是保持來自前一行R1的數(shù)據(jù)不變。這就掩蓋了象素42不能正確操作的事實。
正如圖4所進一步描述的，象素42還能包括一個與行R1耦合的的存貯電容器50，使在每一幀期間保持寫入象素42中的電壓和使該電壓穩(wěn)定。
形成TFT46和AMLCD 10以提高有源象素的成品率。將參照圖2和3描述TFT46。首先由用作行線34而沉積的柵極52形成TFT46。完成后的TFT46如圖2和3所示，而各種加工步驟在引入的待審申請中進行了最好的描述。盡管各層的厚度沒有嚴格的臨界值，但是，描述了優(yōu)選的厚度和材料以形成TFT46和AMLCD 10的優(yōu)選實施例。
柵極52最好由二層金屬構成，沉積第一層鋁，最好為鋁/銅合金，并制作圖案以形成線單元54。為了形成備用的行線34，在鋁元件54上沉積第二柵極層鉭并制成圖形形成線單元56，線單元56覆蓋單元54。單元56還具有形成各個TFT46的實際柵極的指狀物58。線單元54最好由鋁或鋁合金形成。對于長線使用鋁，因為鋁具有高導電率，但是，對于小的顯示器并不重要并且如果需要的話可從小顯示器中省去鋁。鋁的沉積厚度為約1200埃以提供導電性，但仍然薄到足以防止單元54上的臺階覆蓋問題。鉭單元56或其它陽極耐熔金屬最好分別冗余度沉積到約2000埃厚。形成TFT46柵極的指狀物58不需要鋁層并且通常僅由鉭形成。
通過陽極化露出的鉭元件56形成第一柵極絕緣層60，強陽極化鋁單元56以由氧化鉭(Ta2O2)形成絕緣層60。通過使用去離子水中的0.1％至4.0％的檸檬酸溶液進行強陽極氧化。利用大約60伏的電壓將形成非常精確和均勻的氧化層60，氧化層60大約每伏15?；蚣s900埃的厚度。能用光刻膠覆蓋墊38和40以防止墊陽極氧化或者可陽極化墊38和40并然后蝕刻墊38和40。
另外，可由沉積的介電層形成第一柵極絕緣層60。然后沉積第二或備用柵極絕緣層62，最好是氮化硅(Si3N4)，厚度約為3000埃。依次沉積兩層附加層，一層非晶硅64，然后是一層攙雜N+的非晶硅66。有選擇地蝕刻N+層66和非晶硅層64以在氮化物層62上的柵極部分58上留下分立的區(qū)域70。沉積非晶硅64，厚度約為1500埃，沉積N+層66，厚度約為300埃。在構圖后，剩下的N+層之后形成歐姆接觸部分68。在沉積下一金屬層之前進行再陽極氧化以防止可能的短路，尤其是在漏極或源極金屬覆蓋柵極金屬的任意點。以至少兩倍于通常在源極和柵極線之間存在的最高電壓的電壓進行再陽極氧化。再陽極氧化將在鉭或下面的鋁層中形成新的氧化物，以防止后來沉積的金屬通過曝光柵極金屬的針孔與柵極線短路。
然后沉積源-漏層(S-D)72，對于大顯示器最好是由多層金屬層形成。對于小顯示器，層72可以是單個金屬層，例如鋁或鉬。通過沉積厚度為500埃數(shù)量級的鉬的第一阻擋層形成優(yōu)選的較大器件的多層72。然后沉積鋁或鋁合金的厚度為約5000埃的第二導電增強層。接著沉積厚度為300埃的鉬或鉬合金的第三阻擋層。另一種方案是，僅需要沉積前兩層。
然后制作S-D層72的圖案以形成源極部分74、漏極部分76和頂層電容器接觸部分78。接著通過除去在接觸部分68之間的N+攙雜層而在源極部分74和漏極部分76之間形成晶體管溝道區(qū)80；在S-D金屬部分74和76的下面仍保留N+攙雜層。在這里，晶體管46是電操作的。
存貯電容器50現(xiàn)在也是電操作的并且由接觸部分78、氮化物層62的覆蓋部分、氧化層60和柵極52來形成?？呻S意地電測試晶體管46和電容器50。
然后，沉積第一鈍化層82，最好由厚度約為7000埃的Si3N4來形成。該介電層也可由沉積的SiO2來形成，旋涂在玻璃(SOG)或其它有機介電材料上。將層82構圖以形成漏極接點開口84和電容器接點開口。在要形成備用列線時，形成通道88(圖3)以給接點提供覆蓋列線36。
然后，沉積象素ITO層90并制作該ITO層90的圖案，以通過通道88(能應用的地方)和象素48的接觸在開口84處形成漏極接點、在開口86外形成電容器接點、備用列線。象素48沒有按比例示出并且偏置剖面圖以包括晶體管46和電容器結構50的相對位置，晶體管46和電容器結構50相互交錯排列。剖面圖沒有全部描述在列ITO和象素ITO48之間的電絕緣(參見圖1)。沒有描述附加的晶體管49(圖1)，但是，用與晶體管結構46相同的方法形成附加的晶體管49。
然后通過形成最后的純化層92來完成TFT結構。用與層82相同的方法形成厚度為約2000-3000埃的純化層92。也可在濾色器基片上或在兩者上形成層92。
源線74與漏極76是交指型設置的。漏極76最好具有至少一個指狀物并且源線74最好包括一對指狀物。通過與指狀物相鄰的源線74蝕刻縫隙或開口。交指型設置具有幾個優(yōu)點。第一，溝道寬度能達到最大，而漏極與柵極電容最小。另一優(yōu)點是，通過與短路指狀物斷開在電測試期間能排除源極指狀物之一中的短路。通過貫穿到短路指狀物兩側的縫隙能有效地排除短路。
雖然通過描述的交指型的實施例使漏極與柵極的電容最小，但是，通過形成附加指狀物能獲得較高的驅動電流，例如，漏極可包括一對指狀物并且源極包括三個匹配的指狀物。
圖4示出了完成的AMLCD 10的一部分和利用存貯電容器50的理由。當沒有訪問象素行(在此為行3)時電容器50使在幀周期期間加在象素42的液晶材料上的電壓穩(wěn)定。在一幀周期期間一次僅訪問一給定象素行，一幀通常為1/60秒或16.7毫秒。對于480行的AMLCD 10，1/480幀周期或大約34.7毫秒僅能訪問一個給定行。在沒有訪問象素行的幀時間期間，TFT46截止。而象素電壓在液晶材料上應該保持不變。液晶材料具有電容CLC和有限電阻RLC。晶體管46在驅動器和源極之間和/或通過液晶材料電阻RLC具有泄漏電流。為了使在液晶材料上的電壓降(數(shù)據(jù)延遲)最小，形成與CLC并聯(lián)的具有電容CS的存貯電容器50。由行3的晶體管46驅動的象素42通過電容器50與前面的行2耦合。這假定正好在行3之前驅動行2。當給定行的晶體管46導通時，晶體管46給CLC和CS充電，因為總的電容量為CLC+CS。在較高的工作溫度下晶體管46和液晶材料的漏電流較大(較壞)。在TFT基片32和濾色器或單色底板94之間含有液晶材料。底板94通過襯墊與基片32隔開，如圖5和6所示。
正如圖4所描述的，底板94包括濾色器裝置并包括在濾色器裝置上面的ITO層96。在圖5中示出了已有技術的濾色器裝置100。底板94包括一塊玻璃基片102。在基片102上形成黑色矩陣104。通常按箭頭106所示的方向通過玻璃基片102觀看AMLCD10。
所使用的一種黑色矩陣材料為金屬，例如，鉻。對于低檔顯示器，例如，便攜的(laptop)AMLCD的顯示器，黑色矩陣是令人滿意，因為能以800至1000埃數(shù)量級的薄層104沉積黑色矩陣并制作圖案。在黑色矩陣104上形成濾色器，綠色濾色器108，藍色濾色器110和紅色濾色器112。由于黑色矩陣104比較薄，所以濾色器裝置100還算是平面。在濾色器108、110和112的頂部形成鈍化層114?？蓪⑩g化層114旋涂到濾色器108、110和112上，這有利于簡化濾色器的步驟并有利于填充在濾色器108、110和112之間形成的縫隙116。由基本上透明的材料以常規(guī)的方法旋涂、沉積或膠版印刷來形成鈍化層114。例如，也可由在玻璃或聚丙烯上旋涂氧化物、氮化物來形成鈍化層114。
然后，鈍化層114具有沉積在其頂上的ITO層118，并且厚度大約為1000埃。在整個AMLCD矩陣上沉積ITO層118然后制作圖案，從而用在密封、基片32和底板94之間含有的LCD材料(沒有示出)將基片32和底板94密封在一起。由在基片32和底板94之間受壓縮的多個塑料球形襯墊120將基片32與底板94隔開。球形襯墊120可以隨意地是透明的或是涂有黑色。
用濾色器裝置100有許多問題和潛在的問題。用作黑色矩陣104的例如鉻之類的金屬具有高反射率。對于高清晰度的AMLCD來說，反射率僅能為1％或更少。分別形成濾色器108、110和112中的每一個。例如，首先形成G濾色器108。旋涂濾色器材料(例如染色聚酰胺)，然后烘干，沉積光刻膠，曝光并顯影或蝕刻光刻膠。在這些步驟完成之后，就在1/3的AMLCD上形成G濾色器108。然后，用與G濾色器108相同的方法分別形成B濾色器110和R濾色器112。如果濾色器中的兩個重疊在黑色矩陣104上，則能看到兩個顏色和的強亮點。如果保留黑色矩陣104的邊緣不覆蓋，則顯示器將模糊(wash out)，因為光沒有被濾色器衰減。
為了減少反射，可用其它黑色矩陣材料，但是，必須沉積或形成厚得多的材料，如圖6中的另一濾色器裝置160所示。黑色矩陣可以是一種基于聚酰胺材料(例如，聚丙烯)的顏料或染料。在表I中示出了使用的幾種不同的黑色矩陣材料的明視光反射率數(shù)據(jù)(通過基片94，沒有偏振器，以30度的入射角獲得的)。
表I黑色聚丙烯0.64％黑色金屬 0.81％至2.0％常規(guī)的黑色金屬5.2％初看起來，好象黑色金屬接近聚丙烯涂層的低反射率?？墒?，金屬提供鏡面反射。這意味著偏振狀態(tài)不會改變。而聚丙烯材料具有漫反射。這意味著使光消偏振。由于使光消偏振，當反射光從AMLCD出射時，通過前偏振器還有50％的損耗。在表II中給出了考慮偏振器損耗的反射率數(shù)據(jù)表II黑色聚丙烯 0.32％黑色金屬0.81％至2.0％常規(guī)的黑色金屬 5.2％黑色聚丙烯黑色矩陣材料非常昂貴，每加侖多于$1500數(shù)量級。如果將該材料旋涂到基片102上，將浪費大約90％。因此，最好是將黑色聚丙烯黑色矩陣材料膠版印刷到基片102上，這實際上消除了所有的浪費。金屬黑色矩陣的優(yōu)點在于它非常薄。缺點是高反射率和必須將其濺射或蒸發(fā)到基片102上，然后進行光刻。
沉積黑色聚丙烯黑色矩陣材料，但是，由于它具有小很多的吸收常數(shù)，所以必須沉積相當厚的一層，數(shù)量級為1.2微米。曝光黑色聚丙烯并顯影以形成黑色矩陣132。然后烘干黑色矩陣132以便它不會與濾色器層顯影。接著以形成濾色器裝置130類似的方式分別形成G濾色器108、B濾色器110和R濾色器112。
由于黑色矩陣132厚得多，所以因厚黑色矩陣132引起的臺階覆蓋所得到的濾色器108、110和112是相當不平整的。再形成鈍化層114和ITO層118。理想地，如前面所述，濾色器108、110、112和層114、118是光滑的并且基本上是平面?？墒?，黑色矩陣132的厚度增加，顯然這不是所要的結果。
當應用基片32并密封到基片102時，襯墊球120不是均勻隔開。正如所述的，圖6中的左邊的球120在峰值或高點134上，右邊的球120在谷值或低點136上。這引起許多問題，因為壓擠高點134上的球120多于低點136中的球120。事實上，并不壓擠或固定低點136中的球120并且球120能在豎向和橫向方向上移動，引起AMLCD10變壞或失效。
黑色矩陣104、132在低側為矩陣面積的25％的數(shù)量級，在高側為矩陣面積的大約50％。因此希望濾色器裝置平面化以避免由不平的非均勻層可能引起的問題。
參見圖7A，示出了本發(fā)明的濾色器裝置的實施例140。再形成聚丙烯黑色矩陣132，至數(shù)量級為1.2微米的厚度。然而，形成的下一層是與黑色矩陣132材料和濾色器材料的類型相同或相似的透明聚酰胺材料層142。不是按常規(guī)的方式從頂部而是按箭頭144所指的方向經基片102對層142進行曝光。通過經基片102對層142進行曝光，黑色矩陣用作自調整掩膜。層142的在黑色矩陣132的每一部分上的沒有曝光的部分將如圖7B所示被顯影掉。
在圖7B中示出了所得到的透明層142。層142基本上使黑色矩陣132平面化，形成平面表面146。這使濾色器108、110、112和層114、118以一個基本的平面表面層加到由黑色矩陣132和透明層142形成的平面表面146上，如圖7C所示。最好選擇層142的厚度與黑色矩陣132的厚度相同或略大于黑色矩陣132的厚度。然后，同樣地壓緊襯墊球120以形成完整的AMLCD150。當然，在任何類型的彩色矩陣中可使用本發(fā)明的濾色裝置140并且本發(fā)明的濾色裝置140不局限于在此作為說明所描述的AMLCD150。
本發(fā)明的許多修改和變化能在上述技術的范圍內。不用說，在所附權利要求書的范圍內，可以與具體描述的不同來實施本發(fā)明。
權利要求
1.一種制造濾色裝置的方法，其特征在于在第一基本上透明的基片上形成一層較厚的聚酰胺黑色矩陣，在所述的黑色矩陣上形成厚度基本等于所述黑色矩陣的厚度的透明聚酰胺層，通過所述的基片對所述透明層進行曝光并顯影所述透明層以除去在黑色矩陣上的層部分，形成大致的平面表面。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于包括在所述平面表面上形成一組濾色器的步驟。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于包括在所述濾色器上形成鈍化層的步驟。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于包括在所述鈍化層上形成ITO層的步驟。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于包括如下步驟通過將球形襯墊加在所述ITO層上并將液晶材料加在所述ITO層和第二基片之間形成顯示器。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于包括形成有源矩陣液晶顯示器的步驟。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于包括形成厚度略大于所述黑色矩陣厚度的的所述透明層的步驟。
全文摘要
一種改進的平面濾色裝置(140),用于減少包括該濾色裝置的顯示器(包括有源矩陣顯示器)的故障。濾色器基片(102)具有在其上形成的較厚的聚酰胺黑色矩陣(132)和在黑色矩陣上形成的透明聚酰胺層(142)。經黑色矩陣對透明層進行曝光并顯影以除去在黑色矩陣上沒有曝光的部分。所得到的表面(146)基本上為平面并便于剩余層的形成,從而形成基本上為平面的濾色器裝置。
文檔編號G02F1/1333GK1250529SQ98803252
公開日2000年4月12日 申請日期1998年1月13日 優(yōu)先權日1997年1月13日
發(fā)明者斯科特·H·霍爾姆伯格, 朱杉 申請人:現(xiàn)代電子美國公司