KR20040059001A - 공정을 단순화한 액정표시장치의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 칼럼 스페이서로 셀갭을 유지하는 액정표시장치의 제조방법에 관한 것으로, 박막트랜지스터 기판의 보호막 형성시 칼럼 스페이서를 동시에 형성함으로써 제조공정을 단순화한 액정표시장치의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 제조공정에 사용되는 마스크의 수를 줄임으로써 액정표시장치의 제조비용을 절감하는 효과가 있다.

Description

공정을 단순화한 액정표시장치의 제조방법{FABRICATING METHOD OF LIQUID CRYSTAL DISPLAY DEVICE FOR SIMPLIFYING PROCESS}
본 발명은 액정표시장치의 제조방법에 관한 것으로, 특히 칼럼 스페이서가 형성된 TFT 기판을 포함하는 액정표시장치의 제조방법에 관한 것이다.
액정표시장치의 제조 공정은 서로 다른 제조 공정을 거쳐 완성된 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor; 이하 TFT) 기판과 컬러필터(color filter) 기판이 액정을 사이에 두고 합착되는 일련의 공정으로 이루어진다.
좀 더 상세히 설명하면, 액정표시장치의 제조 공정은 액정 분자를 일정 방향으로 배열시키기 위한 배향막 도포 및 러빙(rubbing) 공정이 TFT 기판과 컬러 필터 기판에 대하여 각각 진행되면서 시작된다. 보통, TFT 기판에는 액정을 주입하기 위한 씰 패턴(seal pattern) 인쇄와 컬러 필터 기판의 공통 전극 단자를 TFT 기판의 본딩 패드(bonding pad)에 연결하기 위한 쇼트(short)가 만들어지며, 컬러 필터 기판에는 일정한 셀 갭을 유지하기 위한 스페이서(spacer)를 형성한다.
스페이서에는 볼(ball) 형태와 패턴(pattern)화된 형태의 두 종류가 있다. 볼 형태의 스페이서는 기판과의 접착성 및 산포 밀도 조절이 용이하지 않은 단점이 있기 때문에, 패턴화된 형태의 스페이서가 많이 사용되고 있다. 볼 형태의 스페이서를 볼 스페이서라 하고, 패턴화된 스페이서를 칼럼(column) 스페이서라 하겠다. 칼럼 스페이서는 유기 고분자 물질을 증착, 현상, 식각하는 공정에 의해 형성하는데, 볼 형태의 스페이서보다 기판과의 접촉 면적이 넓고 분포 밀도 조절 및 기판과의 접착도 특성이 우수한 장점이 있다. 특히, 액정표시장치가 대면적화 되어감에 따라 점차 칼럼 스페이서를 주로 사용하고 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 칼럼 스페이서의 제조 공정을 도시한 수순 단면도이다.
컬러필터 기판에는 투명 기판(100)에 블랙매트릭스(110)가 각 화소의 경계마다 형성되고, 각 화소마다 컬러필터층(120)이 형성되어 있다. 컬러필터층(120) 상부에는 평탄화를 위한 평탄화막(overcoat layer; 130)이 형성되어 있다. 평탄화막(130) 상부에 도 1a와 같이 감광성 유기막(140)을 도포한다.
그 후, 도 1b와 같이 마스크(150)를 컬러필터 기판(160) 상부에 정렬(align)시킨 후 자외선을 조사한다. 자외선이 조사된 감광성 유기막(140)을 현상하면, 도 1c와 같이 칼럼 스페이서(145)가 형성된다. 상기와 같은 제조 공정을 거치면 본 발명의 실시예에 의한 액정표시장치에 사용되는 컬러 필터 기판이 완성된다.
그러나, 이와 같은 종래의 컬러필터 기판 제조공정에서는 칼럼 스페이서의 형성시 마스크를 사용한다. 마스크는 컴퓨터(Computer-Aided Design; CAD)를 사용하여 설계된 레이아웃 데이터(layout data)를 전자선 패턴 형성기(electron beam lithography system)에 입력하고, 이 데이터에 따라 전자선을 감광막이 입혀진 유리판에 주사하여 형성하는데 이와 같이 마스크를 제조하는데 높은 비용이 들어간다. 또한, 포토리소그래피(photolithography) 공정에 필요한 노광 장비 및 현상 장비를 사용하여 많은 비용이 들어 공정이 복잡화되고 액정표시장치의 가격을 상승시키는 요인이 되어왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 별도의 마스크를 사용하지 않고 칼럼 스페이서를 구비한 액정표시장치의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
기타 본 발명의 다른 특징 및 목적은 이하 발명의 구성 및 특허청구범위에서 상세히 설명될 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 칼럼 스페이서의 제조 공정을 도시한 수순 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 액정표시장치의 측단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 의해 TFT 기판에 TFT를 형성하는 제조공정을 도시한 수순 단면도.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 의해 칼럼 스페이서를 TFT 기판에 제조하는 공정을 도시한 수순 단면도.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
100: 투명기판 110, 300: 블랙매트릭스
120, 280: 컬러필터층 130, 410: 평탄화막
140: 감광성 유기막 145, 430: 칼럼 스페이서
150: 마스크 200: 제 1 투명기판
205: TFT 기판 210: 게이트 절연막
220: 보호막 250: 화소전극
260: 제 2 투명기판 265: 컬러필터 기판
290: 액정층 300: 블랙매트릭스
310: 박막트랜지스터 312: 게이트 전극
314: 반도체층 318: 소스 전극
320: 드레인 전극 330: 콘택홀
450: 부분회절마스크 452: 제 1 패턴
454: 제 2 패턴
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 화소영역 및 상기 화소영역을 둘러싸는 경계영역을 포함하는 투명기판을 준비하는 단계; 상기 화소영역의 모서리에 박막트랜지스터를 형성하는 단계; 상기 박막트랜지스터가 형성된 투명기판 상부에 감광성 유기물질을 도포하는 단계; 및 상기 감광성 유기물질을 패터닝하여 칼럼 스페이서 및 콘택홀을 구비한 보호막을 동시에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정을 단순화한 액정표시장치의 제조방법을 제공한다.
상기 박막트랜지스터를 형성하는 단계는 투명기판에 게이트 전극을 형성하는단계; 상기 투명기판 및 게이트 전극 상부에 게이트 절연막을 형성하는 단계; 상기 게이트 절연막 상부에 채널층을 형성하는 단계; 및 상기 채널층 상부에 상호 일정 간격 떨어진 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 감광성 유기물질은 아크릴 수지를 스핀 코팅으로 도포하는 것이 바람직하다.
회절 마스크를 사용하여 상기 감광성 유기물질을 패터닝하는 것이 바람직하다.
상기 콘택홀을 통해 박막트랜지스터와 접속되는 화소전극을 보호막 상부에 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 투명기판의 경계영역 상부에 칼럼 스페이서를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 투명기판에 박막트랜지스터를 형성하는 단계; 상기 박막트랜지스터의 상부에 감광성 유기물질을 도포하는 단계; 및 상기 감광성 유기물질을 패터닝하여 칼럼 스페이서 및 콘택홀을 구비한 보호막을 동시에 형성하는 단계; 및 상기 보호막 상부에 상기 콘택홀을 통해 박막트랜지스터와 접속되는 화소전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정을 단순화한 액정표시장치의 제조방법을 제공한다.
상기 보호막을 형성하는 단계는 회절 마스크를 투명기판 상부에 정렬하는 단계; 상기 회절 마스크를 통해 자외선을 감광성 유기물질에 조사하는 단계; 및 자외선이 조사된 감광성 유기물질을 현상하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 액정표시장치의 셀갭을 유지하는 스페이서를 TFT 기판의 보호막 형성시 동시에 형성하므로, 별도의 마스크를 사용하지 않아 액정표시장치의 제조비용을 절감하는 효과가 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 액정표시장치의 측단면도이다.
도면에 도시한 바와 같이, TFT 기판(205)과 컬러필터 기판(265) 사이에 액정이 충진되어 액정층(290)을 형성하고 있으며, TFT 기판(205)과 컬러필터 기판(265)은 칼럼 스페이서(430)에 의해서 일정한 셀갭(cell gap)을 유지하고 있다.
TFT 기판(205) 및 컬러필터 기판(265)은 투명기판(200, 260)에 형성되는데, 투명기판(200, 260)은 화소영역 및 상기 화소영역을 둘러싸는 경계영역으로 구분된다. 화소영역은 백라이트의 빛이 투과하는 영역을 의미하고, 경계영역은 각 화소영역 사이의 영역으로 TFT 기판(205)의 배선 및 컬러필터 기판(265)의 블랙매트릭스로 인해 빛이 투과하지 않는 영역을 의미한다.
TFT 기판(205)에는 제 1 투명기판(200) 상부에 각 화소영역의 모서리마다 배치되어 화소전극(250)에 신호 전압을 인가하고 차단하는 TFT(310)가 형성된다. 상기 TFT(310)는 게이트 신호가 인가되는 게이트 전극(312), 상기 게이트 신호에 대응하여 활성화되어 채널(channel)을 형성하는 반도체층(314), n+도핑(doping)되어 상기 반도체층(314)의 양측 상부에 형성된 오믹 접촉층(미도시), 상기 오믹 접촉층과 게이트 전극(312)을 전기적으로 격리시켜주는 게이트 절연막(210)과, 오믹 접촉층의 상부에 형성되어 데이터 신호가 입력되는 소스 전극(318)과, 상기 반도체층(314)이 활성화됨에 따라 상기 소스 전극(318)으로 입력된 데이터 신호를 화소 전극(250)에 인가하는 드레인 전극(320)으로 구성된다. 상기와 같은 TFT(310) 상부에 소스 전극(318) 및 드레인 전극(320)을 보호하는 보호막(220)이 형성된다.
TFT(310) 상부의 보호막(220)은 컬러필터 기판(265)까지 돌출되어 셀갭을 유지하는 칼럼 스페이서(430)를 구성한다. 드레인 전극(320) 상부의 보호막(220)은 식각되어 콘택홀(contact hole; 330)이 형성되어 있고, 상기 콘택홀(330)을 통해 드레인 전극(320)과 화소 전극(250)이 전기적으로 접속된다.
컬러필터 기판(265)에는 제 2 투명기판(260)의 경계영역마다 블랙매트릭스(300)가 형성되고, 각 화소영역에는 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 컬러필터층(280)이 형성된다. 컬러필터층(280)의 상부에는 평탄화막(410)이 형성되고 다시 그 상부에 공통전극으로 투명전극(410)이 형성된다. 상기 투명전극(410)은 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide; ITO)과 같은 투명 물질로 형성하고 TFT 기판(310)의 화소 전극(250)과 함께 액정층(290)에 전압을 인가한다. 공통 전극으로 사용되는 투명전극(410)은 화소별 구분 없이 컬러 필터 기판(265)의 전면에 증착되어 은 도트(Ag dot)를 통해 TFT 기판(205)의 공통 전압 배선으로부터 공통 전압(Vcom)을 인가받는다.
이하 상기와 같은 액정표시장치를 구성하는 TFT 기판의 제조공정을 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의해 TFT 기판에 TFT를 형성하는 제조공정을 도시한 수순 단면도이다.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이 투명기판(200)의 상부에 전극물질을 증착한 다음 제 1 마스크(미도시)를 이용하여 포토리소그래피 공정으로 투명기판(200)상에 게이트 전극(312)을 형성한다. 포토리소그래피 공정은 감광액 도포, 정렬 및 노광, 현상, 세정 등 일련의 연속공정으로 이루어지며 생산성을 중요시하는 액정표시소자 패널제조에서는 이와 같은 공정은 자동화설비에서 연속적으로 진행된다. 상기 노광 공정은 마스크를 제 위치에 배치하고, 마스크와 기판의 얼라인 키를 맞춰 정렬하고 광원을 조사하는 차례로 진행되는데 마스크와 기판을 정렬함에 있어 고도의 정밀함이 요구된다.
그리고, 도 3b에 도시한 바와 같이 상기 결과물의 상부에 SiNx재질의 게이트 절연막(210), 반도체층(314) 및 금속층(315)을 순차적으로 형성한다. 이때, 반도체층(314)은 비정질실리콘과 고농도의 엔 도핑(N-doping) 비정질실리콘을 적층 형성한다.
그리고, 도 3c에 도시한 바와 같이 상기 금속층(315)의 상부에 감광막을 형성한 다음 회절 마스크인 제 2 마스크(미도시)를 이용하여 상기 반도체층(314) 상에 잔류하는 감광막의 패턴을 형성하되, 상기 게이트 전극(312) 상의 금속층(315) 상부에서는 감광막에 회절 노광을 적용하여 다른 영역의 감광막 패턴에 비해 얇은 두께를 갖도록 한 다음 그 감광막(400)의 패턴을 통해 노출된 영역의 적층막을 상기 게이트 절연막(210)이 노출될때까지 식각한다.
그리고, 도 3d에 도시한 바와 같이 상기 회절 노광이 적용되어 다른 영역의 감광막 패턴에 비해 얇은 두께를 갖는 금속층(315) 상부 감광막(400)을 선택적으로 제거한다.
그리고, 도 3e에 도시한 바와 같이 상기 감광막 패턴이 선택적으로 제거되어 노출된 금속층(315)을 식각하고, 계속해서 반도체층(314)을 소정의 두께만큼 식각하여 반도체층(314)의 양측 상부에 이격되는 소스/드레인 전극(318, 320)을 형성한 다음 잔류하는 감광막의 패턴을 제거하면 게이트 전극(312), 반도체층(314), 소스 전극(318) 및 드레인 전극(320)을 구비한 TFT가 유리기판(200)상에 제조된다.
도 3은 회절 마스크를 포함하는 2개의 마스크를 사용하여 TFT를 제조하는 공정을 설명하였지만 3개의 마스크를 사용하여 TFT를 제조할 수도 있다. 2개의 마스크를 적용하여 포토리소그래피를 실시한 액정 표시장치의 제조방법은 3개의 마스크를 적용하는 것에 비해 제조비용을 절감시키고, 공정을 단순화할 수 있게 된다. 즉, 매 단계마다 감광액을 도포하고 마스크를 이용하여 사진 공정을 수행하는데 이러한 단계가 감소하면 제조비용의 절감 및 공정단순화에 기여할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 실시예에 의해 칼럼 스페이서를 TFT 기판에 제조하는 공정을 도시한 수순 단면도이다.
우선, 도 4a와 같이 TFT(310)를 포함한 투명기판(200)의 상부 전면에 감광성 유기막(440)을 원하는 셀갭의 두께만큼 균일하게 도포한다. 상기 감광성 유기막(440)으로 아크릴계 수지인 포토 아크릴(photo acryl)을 사용할 수 있다.
감광성 유기막(440)은 스핀 코팅(spin coating)을 사용하여 도포하는 것이 바람직한데, 스핀 코팅은 회전하는 기판 위에 감광액을 떨어뜨려 기판의 원심력에 의해 유기막을 도포하는 공정이다. 이러한 스핀 코팅은 유기막 도포가 간단하고 신속하다는 장점이 있다.
감광성 유기막을 형성한 후 도 4b와 같이 칼럼 스페이서 및 콘택홀의 패턴이 형성된 회절 마스크(450)를 감광성 유기막(440)이 도포된 투명기판(200) 상부에 정렬(align)시킨다. 이때 온도 변화에 따른 기판의 수축 및 팽창이 오정렬(misalign)을 초래하기 때문에 일정한 온도 유지가 매우 중요하다.
다음으로, 부분 회절 마스크(450)에 형성된 패턴(pattern)을 통해 자외선을 감광성 유기막(440)에 조사한다. 감광성 유기막은 자외선에 조사된 영역이 현상액과 반응하여 용해되는 포지티브(positive) 타입과 자외선에 조사된 영역이 현상액과 반응하지 않는 네거티브(negative) 타입이 있는데, 도 4b에서는 네거티브 타입의 감광성 유기막(440)을 사용한 경우를 도시하고 있다.
본 발명의 실시예에 사용되는 회절 마스크(450)는 제 1 패턴(452) 및 제 2 패턴(454)을 포함한다. 도면에서 빗금으로 표시한 부분은 불투명한 부분을 나타내고 그 외의 부분은 투명한 부분을 나타낸다. 자외선은 투명한 부분을 통해 조사된다. 포지티브 타입의 감광성 유기막을 사용하게 되면 마스크에서 투명한 부분과 불투명한 부분을 서로 바뀌게 형성한다.
제 1 패턴(452)은 칼럼 스페이서의 형성을 위한 것이고, 제 2 패턴(314)은 보호막의 형성을 위한 것이다. 제 2 패턴(454)은 도면에 도시된 바와 같이슬릿(slit)형으로 형성한다. 자외선이 제 1 패턴(452)은 그대로 통과하지만, 제 2 패턴(454)을 통해서는 일부 통과하여 감광성 유기막(440)에 조사된다. 슬릿의 간격으로 제 2 패턴(314)을 통해 조사되는 자외선의 양을 조절하여 보호막의 두께를 결정할 수 있다.
상기와 같은 마스크(450)를 사용하여 감광성 유기막(440)이 도포된 투명기판(200)에 자외선을 조사한 후 현상액과 반응시키면 도 4c와 같은 칼럼 스페이서(430) 및 보호막(220)이 형성된다. 보호막(220)의 높이는 설명한 바와 같이 마스크(310)에 형성된 제 2 패턴(454)의 슬릿 간격으로 조절할 수 있고, 칼럼 스페이서(430)의 높이는 도포되는 감광성 유기막의 두께로 조절할 수 있다.
도면에는 칼럼 스페이서(430)가 TFT(310)의 상부에 형성된 경우를 도시하였지만 칼럼 스페이서(430)의 위치는 이에 한정되지 않고 투명기판(200)의 경계영역에 형성할 수 있다. 상기 경계영역은 컬러필터 기판의 블랙매트릭스가 형성된 영역과 대응되어 칼럼 스페이서(430)로 인해 개구율이 저하되지 않는다.
칼럼 스페이서(430)와 동시에 형성되는 콘택홀(330)은 드레인 전극(320) 상부에 형성되어 드레인 전극(320)이 노출되도록 형성한다.
그 후, 도 4d에 도시한 바와 같이 상기 결과물의 상부에 투명전극물질을 형성한 다음 패터닝하여 화소영역에 화소전극(250)을 형성한다. 화소전극(250)은 콘택홀을 통하여 TFT의 드레인 전극(320)과 전기적으로 접속된다.
상기한 바와 같은 공정으로 TFT 기판을 제조하게 되면 보호막의 형성과 동시에 칼럼 스페이서를 형성하기 때문에 액정표시장치의 전체적인 제조공정에서 사용되는 마스크의 수를 줄일 수 있다. 즉, 종래에 칼럼 스페이서를 컬러필터 기판에 제조할 때 사용되던 마스크를 사용하지 않고 칼럼 스페이서를 형성할 수 있게 되는 것이다.
상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이 아니라 바람직한 실시예로서 해석되어야 한다.
따라서 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.
본 발명에 의하면 액정표시장치의 셀갭을 유지하는 스페이서를 TFT 기판의 보호막 형성시 동시에 형성하므로, 별도의 마스크를 사용함이 없이 스페이서를 제조할 수 있는 장점이 있다.
종래에 마스크를 사용하여 컬러필터 기판에 스페이서를 제조할 때보다 공정의 단순화에 의한 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 화소영역 및 상기 화소영역을 둘러싸는 경계영역을 포함하는 투명기판을 준비하는 단계;
    상기 화소영역의 모서리에 박막트랜지스터를 형성하는 단계;
    상기 박막트랜지스터가 형성된 투명기판 상부에 감광성 유기물질을 도포하는 단계; 및
    상기 감광성 유기물질을 패터닝하여 칼럼 스페이서 및 콘택홀을 구비한 보호막을 동시에 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정을 단순화한 액정표시장치의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 박막트랜지스터를 형성하는 단계는,
    투명기판에 게이트 전극을 형성하는 단계;
    상기 투명기판 및 게이트 전극 상부에 게이트 절연막을 형성하는 단계;
    상기 게이트 절연막 상부에 채널층을 형성하는 단계; 및
    상기 채널층 상부에 상호 일정 간격 떨어진 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정을 단순화한 액정표시장치의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 스핀 코팅으로 상기 감광성 유기물질을 도포하는 것을 특징으로 하는 공정을 단순화한 액정표시장치의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 감광성 유기물질은 아크릴 수지인 것을 특징으로 하는 공정을 단순화한 액정표시장치의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 회절 마스크를 사용하여 상기 감광성 유기물질을 패터닝하는 것을 특징으로 하는 공정을 단순화한 액정표시장치의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 콘택홀을 통해 박막트랜지스터와 접속되는 화소전극을 보호막 상부에 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 공정을 단순화한 액정표시장치의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 투명기판의 경계영역 상부에 칼럼 스페이서를 형성하는 것을 특징으로 하는 공정을 단순화한 액정표시장치의 제조방법.
  8. 투명기판에 박막트랜지스터를 형성하는 단계;
    상기 박막트랜지스터의 상부에 감광성 유기물질을 도포하는 단계; 및
    상기 감광성 유기물질을 패터닝하여 칼럼 스페이서 및 콘택홀을 구비한 보호막을 동시에 형성하는 단계; 및
    상기 보호막 상부에 상기 콘택홀을 통해 박막트랜지스터와 접속되는 화소전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정을 단순화한 액정표시장치의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 보호막을 형성하는 단계는,
    회절 마스크를 투명기판 상부에 정렬하는 단계;
    상기 회절 마스크를 통해 자외선을 감광성 유기물질에 조사하는 단계; 및
    자외선이 조사된 감광성 유기물질을 현상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정을 단순화한 액정표시장치의 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 스핀 코팅으로 상기 감광성 유기물질을 도포하는 것을 특징으로 하는 공정을 단순화한 액정표시장치의 제조방법.
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