CN101118349A - 形成配向膜的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种形成配向膜的设备及方法，此设备包括一反应室，而反应室包含一用以装盛一蒸镀源的坩埚，一用以支撑一基板且控制此基板一倾斜角度的支撑装置，一用以将蒸镀源变为气态并附着于基板的表面以形成一配向膜的发射源，一用以控制反应室内压力的压力控制装置，以及一位于上述蒸镀源与基板之间且具有一狭缝的遮板，上述具有狭缝的遮板于配向膜形成过程中，与基板形成一相对移动，以控制配向膜的膜厚均匀度。

Description

形成配向膜的设备及方法

技术领域

本发明涉及一种形成配向膜的设备及方法，特别是一种形成无机配向膜的设备及方法。

背景技术

由于液晶显示器(Liquid crystal display；LCD)具有省电、高画质、空间利用效率佳、以及低輻射等优点，因此近年来已逐渐成为市场的主流产品。

一般的液晶显示器主要是由两片基板以及一配置于上述两基板间的液晶层所构成，由于液晶具有光学异方向性质，并可通过改变一施加电场而控制液晶分子的排列状态，使光线穿透液晶层时的光学特性发生改变，进而达到显像的目的。在一般的液晶显示器中，上述两基板可均为玻璃基板，而一种结合半导体制程与液晶显示器技术的硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon；LCoS)微显示器则由于开口率佳，且利用半导体制程所生产的背板，在通过电路整合与线距微缩后将可大幅提高驱动效率与分辨率，换言之，在相同分辨率之下其成本将较LCD为低且反应速度较快，因而成为当前产业重点发展之一。

然而不论对于何种液晶显示器而言，假使液晶显示器中的液晶分子不具有一预倾角，则当施加电场时，液晶分子将呈不同方向排列，而形成漏光或光环等显示缺陷。因此，液晶显示器需于上述两片基板间形成一配向膜以提供液晶分子一预倾角，降低上述显示缺陷的发生，而配向膜的优劣则为决定一液晶屏幕的显示品质好坏的重要因素之一。

配向膜在液晶显示器中的地位非常重要，其主要生产技术包含摩擦配向法(Rubbing)、光配向法(Photo-alignment)、离子束配向法(IonBeam Alignment)、以及斜向蒸着法(Obliquely Evaporation)...等。其中，摩擦配向法通常以聚亚酰胺(polyimide)等有机高分子化合物为配向膜材料，利用一绒布滚轮对聚亚酰胺表面进行接触式的顺向摩擦，使配向膜往相同方向延伸，进而使液晶分子于配向膜表面呈现整齐排列的状态。此项技术具有操作时间短、可常温操作、以及易于量产等优点，故为当前制作配向膜的主要方法。然而，由于有机配向膜材料例如聚亚酰胺具有高极性、高吸水性，因此容易变质进而造成配向不均，且容易因使用环境、或使用时间长而发生光劣化的情形，而刷膜制程亦容易造成尘埃、静电、以及刷痕等问题，使得信赖度因此降低。

而另外一种现有的适用于有机配向膜的形成方法为光配向法，利用偏极化的光源以特定方向照射配向膜引发光学异方向性，为一种非刷膜式的配向技术，其中更可将光源经由一狭缝，以于配向膜上造成一致且均匀的配向方向。

相较于有机高分子配向膜具有稳定性和信赖度不佳等问题，无机材料具有较佳的化学稳定性和耐旋光性，不会受到投射时的高温而逐渐被氧化，寿命较长，且不需要摩擦配向以致颗粒污染减少许多，并具有较佳的产品特性，例如对比可达至少1000∶1以上，因此目前在LCoS配向膜的制程上，无机配向膜已渐成趋势，然而在一般的薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)产业中，仍以有机配向膜聚亚酰胺为主。

现有的离子束配向法为形成无机配向膜的方法之一，通常包含一成膜制程与一预倾角制程，先利用一般薄膜形成方法如溅镀法、蒸镀法、亦或其它方法将一无机材料予以成膜，接着再通过原子束或离子束的轰击对上述薄膜进行配向处理。

而另一种可用以形成无机配向膜的方法为斜向蒸着法，于高真空条件下将配向膜材料高温蒸发，从特定的角度射向基板表面，以控制晶体的倾斜角度，达到液晶配向排列的目的。图1及图2分别显示一利用现有斜向蒸着法形成一无机配向膜的沉积设备100及流程图示。此沉积设备100具有一反应室102，反应室102中包含一坩锅104、一发射源106、一支撑装置108、以及一压力控制装置110，其中坩锅104用以装盛一蒸镀源114。如步骤S201所示，先将一基板112置于反应室102中，并且利用支撑装置108作为支撑，以控制基板112的法线Lm与蒸镀源114来向呈一倾斜角度θ，进而控制晶体的配向角度。参照图1，沉积设备100更可包含一温度控制装置116以控制反应室102的温度。如步骤S203所示，先通过压力控制装置110以及温度控制装置116将反应室102内的压力和温度控制于一高温低压(例如真空)的条件下；接着如步骤S205所示，将坩锅104中的蒸镀源114，例如硅氧化物，由固态变成气态而挥发至基板112表面附着，以形成一配向膜118。当配向膜118到达至一平均预定膜厚时，如步骤S207所示，可将压力调整至常压下，并且降低温度，接着再取出基板112，如步骤S209所示。

然而，由于蒸镀过程中基板112的倾斜以及蒸镀源发散蒸镀的原因，因此成膜的均匀度不佳。例如以一8时硅晶圆作为基板112，倾斜角度θ为30度，基板112与蒸镀源114的距离为80厘米，反应室102的温度及压力各控制于250℃及10^-4托尔(torr)下，利用电子束轰击无机配向膜材料硅氧化物(SiOx)，而此硅氧化物会挥发至基板112表面形成附着，蒸镀速率为每秒1.5，直至平均膜厚约为600，如此条件下利用KLA膜面分析仪所检测的无机配向膜的膜厚均匀度约为30％。由于基板112的法线Lm与蒸镀源114来向呈一倾斜角度θ，因此基板112距离蒸镀源114较近的下方处具有较厚的膜厚，例如图3中所示。

由于配向膜的的均匀度不佳将影响对液晶分子的配向力，更进而影响液晶面板的显示品质，因此为了提高无机配向膜118的膜厚均匀度，一般将整个反应室102的腔体放大至6米高，亦即提高基板112与蒸镀源114的距离，以减低因基板112倾斜以及蒸镀源114发散所造成膜厚不均的问题，然而如此一来则将产生空间浪费、制造成本增加、以及耗时等缺点。

由于利用斜向蒸着法沉积一配向膜的同时即可形成一精确倾斜排列的角度，换言之，其不需施行额外的预倾角制程即可形成一控制液晶排列的预倾角，而搭配无机配向膜材料，则更具有可靠度高的优点。因此，业者极力寻求一种改善无机配向膜的形成方法及设备，其不仅可减少额外的预倾角制程，更可形成一具有均匀膜厚的配向膜。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种形成配向膜的设备及方法，于形成配向膜的同时，即可形成一预倾角，而不需额外施行一预倾角制程。

本发明的另一目的在于，提出一种形成无机配向膜的设备及方法，此无机配向膜具有优越的化学稳定性和耐旋光性，且不会受到投射时的高温而逐渐被氧化，具有较长的使用寿命。

本发明的又一目的在于，提出一种形成均匀膜厚的无机配向膜的设备及方法，具有方法简单、节省空间、以及可适用于一般蒸镀或溅镀设备的优点。

为达上述目的，本发明提供一种形成配向膜的设备，其包括一反应室，而反应室包含一用以装盛一蒸镀源的坩锅，一用以支撑一基板且控制此基板一倾斜角度的支撑装置，一用以将蒸镀源变为气态并附着于基板的表面以形成一配向膜的发射源，一用以控制反应室内压力的压力控制装置，以及一位于上述蒸镀源与基板之间且具有一狭缝的遮板。上述具有狭缝的遮板于配向膜形成过程中，与基板形成一相对移动，以控制配向膜的膜厚均匀度。

为达上述目的，本发明亦提供一种形成无机配向膜的方法，包括一种形成配向膜的方法，包括将一基板置于一反应室中，控制此基板与一蒸镀源呈一倾斜角度，使一具有一狭缝的遮板与上述基板呈相对移动，并同时形成一配向膜，当此配向膜达到一预定膜厚，则将上述基板取出。

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，特举出较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为利用现有斜向蒸着法形成一无机配向膜的沉积设备的概略图标；

图2为利用现有斜向蒸着法形成一无机配向膜的流程概略图标；

图3显示基板表面配向膜的膜厚不均的情形；

图4为利用本发明一实施例中形成一配向膜的沉积设备的概略图标；

图5为利用本发明一实施例中形成一配向膜的流程概略图标；

图6显示配向膜的膜厚均匀度与膜厚沉积比的关式；

图7A及图7B为本发明一具有狭缝的遮板的正视图；

图8显示一具有等腰三角型形状的狭缝的遮板；

图9为根据本发明另一实施例中，一配向膜的沉积设备的局部放大图。

图中符号说明

100、400    沉积设备

102、402    反应室

104、404    坩锅

106、406    发射源

108、408    支撑装置

110、410    压力控制装置

112、412   基板

114、414   蒸镀源

116、416   温度控制装置

118、418   配向膜

4081       横向延伸部

409        支撑基座

417        电子束

420        遮板

422        遮板的狭缝

L          狭缝的长度

Z          旋转轴

a          狭缝的上方宽度

b          狭缝的下方宽度

θ         基板的法线与蒸镀源来向所呈的倾斜角度

Lm、Ln     基板的法线

h          基板与蒸镀源之间距离

S201、S501 将基板置于反应室中

S203、S503 控制反应室中的温度及压力

S205       形成配向膜

S207、S507 达预定膜厚

S209、S509 取出基板

S505       经一狭缝遮板形成配向膜

具体实施方式

本发明举列一些实施例详述如下，其中相关的图标并未依据实际比例绘制，且各个构件的相对位置亦并非限于图中所示，其作用仅在于表达本发明的构件的功能与特征。另，除了所提出的实施例外，本发明亦可广泛地施行于其它的实施例中，亦即，本发明的实施范围不受限定，而以本发明所提出的权利要求书为准。

图4及图5分别阐述本发明一实施例中形成一无机配向膜的沉积设备400和流程图示，其中本实施例虽以一蒸镀法为例，然并非以此为限，本领域技术人员当可利用一溅镀法，例如磁溅镀法、或离子束溅镀法，以形成一无机配向膜。沉积设备400具有一反应室402，反应室402包含一坩锅404、一发射源406、一支撑装置408、以及一压力控制装置410。其中，坩锅404用以装盛一蒸镀源414，而发射源406可将蒸镀源414由固态变为气态，支撑装置408用以支撑一基板412，而压力控制装置410则可用以控制反应室402内的压力。

首先，如步骤S501所示，将基板412置于反应室402中，利用支撑装置408作为支撑，并可据以控制基板412的法线Ln与蒸镀源414来向呈一倾斜角度θ，且基板412与蒸镀源414之间大抵呈一距离h。另，在蒸镀的过程中，基板412的温度对蒸镀薄膜的性质有相当重要的影响，因此支撑装置408可更包含一支撑基座409用以支撑基板412，并且适当控制基板412的温度，使蒸镀原子具有足够能量于基材412表面自由移动，如此才能形成均匀的薄膜。在此实施例中，基板412以一8时空白硅晶圆为例，然而本发明并非以此为限，基板412亦可为一LCoS晶圆、或一适用于液晶显示器的矩形玻璃基板。

由于薄膜的沉积速率和结构与反应室温度和压力息息相关，因此沉积设备400更可包含一温度控制装置416用以控制反应室402的温度，例如提高反应室402的温度，以增加气体分子的平均自由径(MeanFree Path)，避免气体分子于蒸镀的过程中与其它分子大量碰撞，降低薄膜沉积的效率。另，为了避免反应室402中的气体影响薄膜的纯度，当进行薄膜沉积制程时，可利用压力控制装置410降低反应室402的压力，使形成的薄膜达到高纯度的要求。在此实施例中，反应室402的温度及压力大抵控制于250℃及10^-4托尔的条件下，然本领域技术人员亦可视需要而将压力和温度控制于一特定范围内。

坩锅404用以装盛蒸镀源414，而蒸镀源414较佳为一无机材料，例如硅氧化物(SiOx)、氮硅化物、碳硅化合物(SiC)、氢化类钻石排列碳薄膜(Hydrogenated Diamond Like Carbon；DLC)、或氧化镁(MgO)、氧化铝、或氧化铟锡(ITO)等金属氧化物。由于硅氧化物具有原料取得容易、产量丰富、以及价格低廉等优点，因而在此实施例中，蒸镀源414以硅氧化物为例，然并非以此为限。发射源406可包含多种形式，例如热阻丝加热、射频(RF)感应加热、激光加热、或电子束加热等方法，以将蒸镀源414例如硅氧化物由固态变成气态，其中由于利用电子束进行蒸镀具有加热面积较小、以及可精确控制蒸镀的速率及薄膜的厚度的优点，因此在此实施例中，发射源406以一电子束发射源为例。

首先，改变不同的试验参数，例如基板412的法线Ln与蒸镀源414来向的倾斜角度θ、或基板412与蒸镀源414间的距离h，以每秒1.5的蒸镀速率进行薄膜的沉积，直至平均膜厚约为600，由此得到0.1～0.4(亦即10％～40％)间不同的膜厚均匀度，如图6所示。上述膜厚均匀度、以及最高膜厚和最低膜厚利用KLA膜面分析仪所量测，而平均膜厚则为最高膜厚与最低膜厚的平均值。由于基板412的法线Ln与蒸镀源414来向呈一倾斜角度，因此距离蒸镀源414较近的基板412下方具有较厚的薄膜沉积，而距离蒸镀源414较远的基板412上方则具有较薄的薄膜沉积。

在此实施例中，发射源406可发射一电子束417，利用此电子束417将蒸镀源414例如硅氧化物挥发成气态，并通过一具有一狭缝422的遮板420与基板412间的相对移动，而将一配向膜418均匀地形成于基板412的表面，如步骤S505所示，其中上述具有狭缝422的遮板420的正视图如图7A和图7B所示。

参照图7A和图7B，上述狭缝422具有一长度L，且较佳具有一开口比。狭缝422的长度L较佳可涵盖基板412，在此实施例中，基板412为一8时空白硅晶圆，因此狭缝422的长度L需等于或大于空白硅晶圆的8时直径。此外，根据基板412表面配向膜418的最高膜厚与最低膜厚的比值而得到一膜厚沉积比；举例来说，以膜厚均匀度为0.3，且平均膜厚为600的配向膜418为例，其膜厚范围应大抵介于510～690之间，亦即最高膜厚约为690，最低膜厚约为510，而膜厚沉积比为最高膜厚与最低膜厚的比值，亦即大抵为1.3529。依照这个方法，根据其它试验参数下所得到的不同膜厚均匀度x，分别推演其相对的膜厚沉积比y，得到如图6中所示的关系式y＝1.3149x+0.9664。当因其它因素而改变制程参数，使得膜厚均匀度为15％(亦则x为0.15)时，将其带入上述关系式中，可得到膜厚沉积比y为1.1636，亦即约近于1.16。

在此实施例中，狭缝422以一等腰梯型形状为例，然并非以此为限，狭缝422亦可包含一弧型形状(如图7A中虚线所示)、或其它几何图形例如等腰三角型形状(如图8所示)，狭缝422可以是梯型形状、弧型形状、或三角型形状。然而不论狭缝422形状为何，当狭缝422与基板412形成一相对移动时，狭缝422的长度应均可涵盖于基板412。上述狭缝422的开口比可用以补偿因基板412倾斜所造成膜厚不均的问题，进一步详述之，在此实施例中，具有梯型狭缝422的遮板420于配向膜418的形成过程中，以等速率线性行进方式横向移动于基板412的表面，而梯型狭缝422的一上方宽度a以及一下方宽度b分别对应于基板412的上方处和底部，且梯型狭缝422的上方宽度a与下方宽度b的比值大抵等于基板412底部的配向膜418的最高膜厚与基板412上方处的配向膜418的最低膜厚的比值，亦即上述的膜厚沉积比；另，梯型狭缝422的上方宽度a与下方宽度b的比值亦称为狭缝422的开口比。简单地说，狭缝422中较窄的下方宽度b对应于基板412底部具有较厚沉积的配向膜418，由此补偿因基板412倾斜所造成膜厚不均的问题。

在此实施例中，当膜厚均匀度为0.15，而膜厚沉积比约为1.16时，梯型狭缝422的下方宽度b可约为1厘米，而其上方宽度a则相对约为1.16厘米，遮板420可大抵平行基板412表面一距离，并以等速率横向移动于基板412的表面，由此具有狭缝422的遮板420可将配向膜的膜厚均匀度达到5％以下，甚至达到3％以下。本领域技术人员可根据实际需要或条件而采用开口比相同而上下底宽度a和b不同的狭缝422、调整遮板420的行进速率或来回次数、改变遮板420与基板412的相对角度和距离，亦或者将遮板420固定不动而移动基板412等，均不脱本发明所揭示的精神。

当配向膜418到达至一平均预定膜厚时，如步骤S507所示，可将压力调整至常压下，并且降低温度，接着再取出基板412，如步骤S509所示。

依照此实施例，利用一具有狭缝422的遮板420与基板412间的相对线性移动，改善配向膜418的膜厚均匀度，而上述狭缝422可具有一开口比大抵等于膜厚沉积比，以补偿因基板412倾斜所造成膜厚不均的问题，将膜厚均匀度回馈至5％以下，甚至到达3％以下。

此外，根据本发明的另一实施例，上述具有狭缝422的遮板420与基板412间的相对移动方式亦可包含一旋转方式。在此实施例中，其形成配向膜的设备及方法大致与上述实施例相同，故此处不再赘述，而图9为根据本实施例而针对上述配向膜的沉积设备400的局部放大图，其中相同的标号表示具有相同功能的构件，然而部份构件的结构和特征为配合本实施例的实施方式已稍作改变。参照图9，为配合本实施例以旋转方式形成配向膜，支撑装置408可更包含一横向延伸部4081，而当支撑装置408旋转时，可使得基板412沿着旋转轴Z以一半径移动，并经由一具有狭缝422的遮板420控制配向膜的膜厚均匀度。在此实施例中，狭缝422以一梯型形状为例，然并非以此为限，还可以是梯型形状、弧型形状、或三角型形状，而本领域技术人员亦可根据实际需要而适当改变支撑基座409的形状或尺寸。

此外，虽然本发明已以数个较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，例如改变狭缝形状和尺寸、亦或使具有狭缝的遮板和基板间采用一纵向相对移动方式，均应包含在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种形成配向膜的设备，其特征在于，包括一反应室，该反应室包含：

一坩锅，其中装盛一蒸镀源；

一支撑装置，支撑一基板，并且控制该基板的法线与该蒸镀源来向呈一倾斜角度；

一发射源，将该蒸镀源变为气态并附着于该基板的表面，以形成一配向膜；

一压力控制装置，控制该反应室内的压力；以及

一具有一狭缝的遮板，位于该蒸镀源与该基板之间，于该配向膜形成过程中，与该基板形成一相对移动，以控制该配向膜的膜厚均匀度。

2.如权利要求1所述的形成配向膜的设备，其中，该狭缝包含梯型形状、弧型形状、或三角型形状，该狭缝具有一长度涵盖于该基板，且该狭缝具有一开口比，用以补偿因上述该基板的法线与该蒸镀源来向呈倾斜角度而造成配向膜膜厚不均的情形。

3.一种形成配向膜的方法，其特征在于，包括：

将一基板置于一反应室中；

控制该基板与一蒸镀源呈一倾斜角度；

使一具有一狭缝的遮板与该基板呈相对移动，并同时形成一配向膜；

使该配向膜达到一预定膜厚；以及

取出该基板。

4.如权利要求3所述的形成配向膜的方法，其中，具有该狭缝的该遮板与该基板，相对于该蒸镀源的来向，呈现一横向相对移动，且上述该遮板与该基板的横向相对移动以择其一的等速率、加速率、及变速率方式进行。

5.如权利要求4所述的形成配向膜的方法，其中，由于该基板与该蒸镀源呈倾斜角度，使得该配向膜于距离该蒸镀源较近处具有一最高膜厚，且该配向膜于距离该蒸镀源较远处具有一最低膜厚，上述配向膜的最高膜厚与最低膜厚的比值为膜厚沉积比。

6.如权利要求5所述的形成配向膜的方法，其中，该狭缝具有择其一的梯型形状、弧型形状、及三角形状，该狭缝具有一长度涵盖于该基板，且该狭缝具有一第一宽度与一第二宽度，而该第一宽度与该第二宽度的比值为开口比。

7.如权利要求6所述的形成配向膜的方法，其中，该狭缝的该开口比等于该膜厚沉积比，用以补偿上述该基板与该蒸镀源呈倾斜角度所造成该配向膜膜厚不均的情形。

8.如权利要求3所述的形成配向膜的方法，其中，该蒸镀源为一无机材料择自包含硅氧化物、氮硅化物、碳硅化合物、氢化类钻石排列碳薄膜、氧化镁、氧化铝、以及氧化铟锡所组成的族群中之一。

9.如权利要求3所述的形成配向膜的方法，其中，该配向膜利用择其一的蒸镀法、及溅镀法而形成。

10.如权利要求3所述的形成配向膜的方法，其中，该具有该狭缝的遮板与该基板呈相对旋转移动。

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