专利名称：液晶显示器取向层及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液晶显示器取向层(LCD Aligner)及其制作方法，以大大减少制作LCD取向层所需的制作步骤，以降低制作成本，本发明的制作方法简易，关键是利用石版印刷(Lithography)术及深蚀刻(Etchback)方法制造。
目前在平面显示器技术开发中，包括有场发射显示器(FED；Field Emission Display)、等离子显示器(PDP；PlasmaDisplay)及液晶显示器(LCD；Liquid Crystal Display)等，其中又以LCD技术较为成熟，由LCD应用的产品及市场销售值，每年均以倍数成长，可看出其重要性，其中薄膜晶体式液晶显示器(TFT LCD；Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)的色彩及质量足以和阴极射线管(CRT；Cathode Ray Tube)竞争，但LCD受限于视角宽度不够，如今仍然无法取代大部分CRT的产品，CRT产品的主要缺点为体积大、重量重等。
传统TET LCD产品是利用液晶分子旋转模态(TN mode；Twist Nematic mode)的排列特性，以加电压等方式来控制液晶分子的排列，进而控制光线是否通过在显示器内的液晶，而表现出LCD画面的明暗度，其工作原理说明如下首先，请参考
图1(a)所示，当上下电极板之间不外加偏压时，光源射入的光线A经过偏光片B后，则和偏光片B的偏极方向平行的光线会通过，通过偏光片B的光线，将会随着旋转排列液晶分子C其相位角旋转九十度，如此恰能通过与偏光片B的相位差九十度的偏光片D，使LCD屏幕产生明亮的画面。
请参考图1(b)所示，当上下电极之间加有偏压时，液晶分子C的光轴会朝同一方向排列，失去旋光作用，故入射光线A经由偏光片B后，无法穿过与偏光片B的相位差九十度的偏光片D，而使得LCD屏幕产生暗黑的画面。
具有旋转模态的液晶分子C所以在上下电极板间旋转九十度，主要是受限于电极板上的取向层的线条，该上下取向层上的线条方向互成九十度，所以部分镶入上下取向层线条内的液晶分子会呈现旋转九十度的排列，由此可知，取向层的结构在液晶显示器的工作原理中起着重要的作用。
传统制作液晶显示器取向层方法，是利用真空蒸镀方法在基板E上沉积取向层F或利用滚轮(roller)及旋转(spin)等方法，在基板E上布上一层取向层F(该取向层的材料一般是聚酰胺(polyimide)，请阅图1(a)所示，之后，再利用刷磨法(Rubbing method)以毛布或光栅的光学取向等方式，对取向层取向，即制定取向层的线条G(请参考图2(b)，图中箭号方向表示刷磨方向)。其中，如果液晶显示器的取向层F未加以分割(请参考图3(a)所示)，则观察者由不同位置(即，不同视角)A1、A2和A3所量测到的光线穿透率并不相同(如图3(b)所示)；此外，请参考图3(c)所示，(水平轴表示不同的视角范围，垂直轴表示光线穿透LCD的色泽对比度，同一条虚线代表该LCD明暗对比度等位曲线(例如明亮度定为16/16，较暗定为313/16，更暗定为1/16等等)，实线代表不同视角范围的清晰度)，说明了观察者在不同视角范围内所观看的LCD屏幕的明暗对比度和清晰度均不相同，该图亦说明了视角不对称且视角宽度不够等问题。因此，针对以上LCD缺点，有人乃提出利用双区域(TD；Twp domain)或多区域旋转模态的液晶分子(如图4(a)所示，分为区域H和区域I)用来改善LCD的视角范围，用此取向层结构制造出的LCD，在视角方面确实大大得到改善(如图4(b)所示。但由于上下两基板利用刷磨法制作多区域分割取向层，需要至少三道以上的刷磨步骤，如此繁复的步骤会增加制作成本及工时(如图4(c)所示，箭号方向代表刷磨方向，基板E，取向层F，光阻J，取向层线条G)。此外，传统方法是以相位差补偿膜来解决彩色多频光源(如白光)所发出频谱不同的光线，而造成不同频谱光(例如红、蓝和绿等光线)一同入射后，沿着液晶旋转角度会不一致，使得落在同一点屏幕上的各频谱光的强度不同的问题。请参考图5(a)所示，其为加有一层或两层相位差补偿膜(retardation film)的LCD的分解示意图(该LCD示意图，包括偏光片B、相位差补偿膜K及取向层F等等，其中相位差补偿膜K，可单用一层K1或两层K2一起用)，其中应用相位差补偿膜可将不同频率的光旋转角度加以补偿，以改善色泽对比度，同时也能使液晶显示器视角更宽广，如图5(b)所示。
习用技术为了提高LCD视角宽广度，一般是利用刷磨法(rubbing method)制作多区域的取向层，需要至少三道以上刷磨步骤，其步骤繁复且成本高；另外，为了补偿不同频率光旋转角度及改善色泽对比度，使用额外的相位差补偿膜，该补偿膜会使设备、制程、材料的成本增加，不符合经济效益。
本发明的主要目的在于提供一种制作方法简单的液晶显示器取向层的制作方法。
本发明的另一目的在于提供一种成本低的液晶显示器取向层的制作方法。
本发明的另一目的在于提供一种性能好的LCD取向层。
本发明的目的之四在于提供一种可供应用在制作具有取向多区域分割及相位差补偿作用的LCD取向膜的光罩。
为达到上述目的，本发明采取以下措施本发明的取向层的制作方法，实施例之一，其步骤说明如下(1)首先，在LCD电极板上布上一层取向层基础材料；(2)涂布一层光阻材料于基础材料上；(3)利用严密控制电子束(electron beam)的能量，制作渐近式改变透光率取向层线条光罩；(4)然后，应用本发明的光罩以传统曝光等方式，对布置在电极板上的光阻曝光，其中，该光阻是受到渐近式光能量的曝光；(5)显影后，利用深蚀刻(Etchback)方式以没有选择比的离子反应蚀刻方式(RIE；Reactive Ion Etch)对取向层垂直方向进行等高度的蚀刻，移去部分光阻及部分取向层基础材料；(6)除去剩余的光阻，此即完成LCD取向层的制作。
本发明的取向层的制作方法，实施例之二，其步骤说明如下(1)首先，在LCD电极板上布上一层透明感光性光阻作为取向层基础材料；(2)利用严密控制电子束(electron beam)的能量，制作渐近式改变透光率取向层线条光罩；(3)然后，应用本发明的光罩以传统曝光等方式，对布在电极板上的透明感光性光阻曝光，其中，该光阻受到渐近光阴量的曝光；4)利用显影时，移去部分光阻；此即完成LCD取向层的制作。
本发明的液晶显示器取向层具有以下特性相位差补偿一不同颜色象素，其取向层具有不同方向线条，此不同方向线条的角度差，正好补偿不同颜色通过上下取向层旋光的相位差，此即达到不同颜色光相位差的补偿作用。
本发明中光罩的制作如一首先，将光罩所对应的象素分为两个区域或两个区域以上，并在各区域中布满欲蚀刻取向层所需的线条，其中，制作上下取向层的光罩线条方向并不相同(视需要而定其方向，其具体说明在发明的详细说明部分)，然后每一区域以电子束(electron beam)能量约150毫米焦耳至50毫焦耳左右，起自于光罩线条图案的一端以渐近式电子束能量变化沿该线条扫描(例如电子束每移动0.5微米则能量减少(或增加)1毫焦耳)至该线条另一端，其中，在每一区域扫描之电子束能量变化可视需要而定，不同区域可作不同电子束能量变化；如此，即得到每一区域所对应的光罩线条，其单位长度内透光率的变化量不同，用此方式取代传统以刷磨法制取向层象素区域。
结合附图及实施例对本发明说明如下附图简要说明图1A液晶显示器的液晶未外加电压时，产生明亮画面的因素示意图；图(b)为液晶加有电压时，产生黑暗画面的示意图。
图2习知刷磨法制作LCD取向层的工作原理示意图(图中箭号方向表示刷磨方向)。
图3习用具有未分割取向层的LCD的缺点示意图，其中图3(a)为从不同角度A1、A2和A3量测光穿透率示意图；图3(b)为表示从不同视角所量测的光线穿透率；由图3(c)表示LCD屏幕色泽对比度及视角的关系示意图。
图4(a)习知双区域或多区域取向层的侧面示意图；图4(b)为习知利用具有双区域或多区域取向层而作成的LCD，其屏幕色泽对比度不同视角的座标示意图；图4(c)为利用传统刷磨法制作双区域或多区域取向层的制作步骤示意图。
图5(a)习知加有一层或两层相位差补偿膜的薄膜晶体液晶显示器的分解示意图；图5(b)为加有一层、两层和不加补偿膜的薄膜晶体显示器的不同视角的色泽度座标示意图。
图6本发明液晶显示器取向层的制作步骤示意图。
图7本发明的液晶显示器取向层的顶视示意图。
图8、9本发明的液晶显示器取向层的侧视示意图。
请参考图6，其为本发明液晶显示器取向层的制作步骤，说明如下(1)请参考图6(a)所示，首先，利用滚轮(roller)或旋转器(spinner)以旋转或其它方法，在上下电极板1上布上一层厚约500埃至2000埃左右的聚酰胺(polyimide)或氮化硅(SiNx)材料，用以作为该取向层的基础材料；(2)请参考图6(b)所示，在取向层基础材料上布上一层厚约5000埃至12000埃左右的光阻3；(3)请参考图6(c)所示，制作一应用蚀刻下取向层的光罩，首先，将红色(R；Red)、蓝色(B；Blue)及绿色(G；Green)的每一颜色所对应的象素(pixel)区分为两区域，以区域4和区域5表示之，并在各区域中布满蚀刻取向层所需的平行线条6，且制定该线条的长度约为50微米(μm)宽度约为5微米(μm)左右；(4)请参考图6(d)所示，其为本发明第一个实施例，利用电子束制作下取向层蚀刻光罩上的平行线条6图案，首先在区域4中，电子束(electron beam)以能量150毫焦耳(mJ)自起点7处开始向左扫描，即，电子束打在光罩平行线条上，该电子束每移动0.5微米则能量降低1mJ，以此渐近方式降低电子束能量至线知终点8处，此时电子束能量为50毫焦耳(mJ)；在区域5中，电子束以能量50毫焦耳(mJ)自起点9处开始向左扫描，打在光罩平行线条上，每移动0.5微米则电子束能量增加1mJ，以渐近方式增加电子束能量至线条终点10处，此时电子束能量为150毫焦耳，用此方式完成制作象素线条透光率不同的光罩，其中该光罩的象素线条透光率变化情形25，如图6(e)所示；(5)请参考图6(f)所示，其为本发明第二个实施例，利用电子束制作下取向层蚀刻光罩上的平行线条图案6，首先，在区域4中，电子束以能量150毫焦耳(mJ)自起点11处开始向左扫描(即，电子束打在光罩平行线条上)，该电子束每移动0.5微米(μm)则能量降低1mj，以渐近方式降低电子束能量至线条终点12处，此时电子束能量为50毫焦耳；在区域5中，电子束以能量130毫焦耳(mJ)自起始13处开始向左扫描(即，电子束打在光罩平行线条上)，该电子束每移动0.5微米则能量降低0.5毫焦耳，以渐近方式降低电子束能量至线条终点14处，此时电子束能量为80毫焦耳。用此方式完成制作象素线条透光率不同的光罩，其中，该光罩的象素线条透光率变化情形25，如图6(g)所示；(6)然后，应用本发明的光罩以传统曝光显影等方式，对其上布有基础材料和光阻的下电极板曝光，由于本发明光罩上的象素线条透光率不同，故曝光后，通过光罩每一线条的光能量亦不同，因此，在显影后，光阻材料残留的厚度也就不同，如附图6(h)所示，其利用本发明第一个实施例的光罩图型，对电极板1曝光显影的侧面示意图；如附图6(i)所示，其利用本发明的第二个实施例的光罩图型，其为对电极板1作曝光显影的侧面示意图；(7)然后，利用深蚀刻(Etchback)方式以没有选择比的离子反应蚀刻(RIE；Reactive Ion Etch)，在取向层垂直方向进行等高度的蚀刻，然后再除去光阻以得到所需要线条图案，请参考图6(i)所示，其利用本发明第一个实施例的光罩图型，得到下取向层的侧面示意图，该下取向层的每个象素具有对称排列的预倾角12(pretiltangle)；请参考图6(k)所示，其为利用本发明的第二个实施例的光罩图型，得到下取向层的结构侧面示意图，该下取向层的每个象素具有两种不同的预倾角12；(8)接下来，制作上取向层光罩，其制造方法类似制作在下取向层的光罩，亦利用电子束来蚀刻光罩中所有线条，该电子束能量变化的情形，需配合第一个和第二个实施例的下取向层的蚀刻倾角，故，电子束应用在上取向层的制作时，其能量变化有两种选择第一种选择请参考图6(l)所示，其为本发明的上取向层光罩的制作，用以应用制定出取向的图案，该图案需配合第一个实例的下取向层图案，首先，在区域4中，电子束以能量50毫焦耳自起点15处开始向左扫描，该电子束每移动0.5微米，则能量增加1毫焦耳，以渐近方式增加电子束能量至线条终点16处，此时电子束能量为150毫焦耳；同理，在区域5中，电子束以能量150毫焦耳自起点17处开始向左扫描，该电子束每移动0.5微米，则能量减少1毫焦耳，以渐近方式降低电子束能量至线条终点18处，此时电子束能量为50毫焦耳，用此方式完成制作象素线条透光率不同的光罩，其中，该光罩象素线条透光率变化情形25，如图6(m)所示；
第二种选择请参考图6(n)所示，其为本发明的上取向层光罩的制作，用以制定出上取向层的图案，该图案是为了配合第二个实施例的下取向层图案，首先，在区域4中，电子束以能量80毫焦耳自起点19处开始向左扫描，该电子束每移动0.5微米，则能量增加0.5毫焦耳，以渐近方式增加电子束能量至线条终点20处，此时电子束能量为130毫焦耳；同理，在区域5中，电子束以能量50焦耳自起点21处开始向左扫描，该电子束能量至线条终点22处，此时电子束能量为150毫焦耳，用此方式完成制作象素线条透光率不同的光罩，其中，该光罩象素线条透光率变化情形25如图6(o)所示；(9)应用本发明实施例上取向层的光罩，以传统微影蚀刻等方式，对其上布有基础材料和光阻的上电极板1曝光显影(如图6(p)和6(r)所示)，之后，再利用深蚀刻方式垂直作等高度的蚀刻，去除残余上取向层的光阻3，以得到所需的取向层图案，如图6(q)和6(s)所示；(10)请参考图6(t)所示，其为说明本发明的上取向层光罩线条角度顶视示意图，对于不同颜色象素的光罩线条具有不同的旋光角度，因此在制作上取向层时，需考虑不同颜色象素的光罩线条角度，首先，依据下列公式T＝(1+μ2)-1Sin2(Q(1+μ2)1/2)计算不同颜色光线的旋转角度；其中T光线通过LCD的透光率θ液晶旋转角度
Δn光学异向性参数Δn＝Ne-No，其中，Ne定义为异光折射率(exordinary index)，No定义为常光折射率(ordinary index)λ光线波长d上下取向层的距离而μ＝πdΔn/θλ假如，上下两层取向层的距离d为5微米，且已知红光波长＝650mm、绿光波长＝550nm和蓝光波长＝450nm，并考虑光线不穿透(T＝0)时，利用该公式分别计算出红、蓝、绿象素的取向层旋转角度θ为红光→θ红＝144度绿光→θ绿＝127度蓝光→θ蓝＝90度用此方法制作出的上取向层，已考虑到因不同颜色的象素具有不同角度旋光效果，故该取向层已兼具了相位差补偿膜的功用，具有对红、蓝和绿光的相位差补偿作用。
请参考图6(u)所示，其为本发明第一个实施例的上下取向层图案侧面示意图，该图6(u)是由图6(i)的下取向层和图6(q)的上取向层的组合。
请参考图6(v)所示，其为本发明第二个实施例的上下取向层图案侧面示意图，该图6(v)是由图6(k)的下取向层和图6(s)的上取向层的组合。
若是以透明感光性光阻作为取向层基础材料；即图6(B)所示2、3部分两者合而为一，则可省略图6(B)涂布光阻及无选择比深蚀刻步骤；而在图6(h)、图6(i)、图6(p)和图6(r)的步骤中，直接对作为取向层基础材料的透明感光性光阻材料曝光，如此简化后的制程，显影后可以得到一具有同样结构与性能的取向层，其制程除了所省略的涂布光阻及无选择比回蚀刻步骤外，其余步骤相类似上述图6(a)至图6(v)流程。
请参考图7所示，其为本发明的液晶显示器取向层的顶视示意图，说明在不同颜色的象素，其上取向层具有不同方向的线条，利用此上下取向层线条方向的角度差，达到对不同颜色光的相位差补偿(retardation)作用。
请参考图8、图9所示，其为本发明的第一个和第二个实施例的液晶显示器取向层的侧面示意图，该结构说明在第一个颜色象素(R＝红色象素、G＝绿色象素和B＝蓝色象素)均分割成两个或两个以上的区域(区域4、区域5……)(Domain)，每一个区域取向层线条预倾角12的角度不同。
相对于习用技术，本发明具有下列效果(1)根据习用技术，是利用刷磨法(Rubbing Method)分割取向层，至少需要三道以上刷磨法制程才可完成多区域分割取向层，然而，由于本发明是利用石版印刷(Lithography)方式，只要在上下电极板各进行一次蚀刻即可完成分割取向层，因此，只需要两道工序，步骤简化，可以减少制造成本；(2)习知液晶显示器需要额外一至二片的补偿膜，作为相位差补偿作用，然而，由于利用蚀刻方式制造特殊的LCD取向层，即具有相位差补偿作用，则无需额外再制作相位差补偿膜，以减少设备材料的额外需求；(3)由于本发明利用蚀刻方式，可以使得多区域分割取向层及相位差补偿作用同时完成；(4)本发明的取向层应用在LCD上，可有效改善LCD屏幕的色泽对比度(Contrast Ratio)并减少色泽干扰及增加LCD的视角宽度。
权利要求
1.一种用于彩色显示器的液晶显示器取向层，其特征在于在取向层基础材料上刻有对应不同颜色光的象素的不同方向的取向线条，该取向线条间的角度差起不同颜色光相位差的补偿作用。
2.根据权利要求1所述的液晶显示器取向层，其特征在于每一个颜色象素均分割为两个或两个以上的区域，每一个区域取向层线条预倾角的角度不同。
3.根据权利要求1所述的液晶显示器取向层，其特征在于每一个颜色象素均分割为至少两个区域，每一个区域取向层线条预倾角成对称排列。
4.根据权利要求1所述的液晶显示器取向层，其特征在于所述取向层基础材料为感光性光阻材料。
5.根据权利要求1所述的液晶显示器取向层，其特征在于，所述取向层基础材料为聚酰胺。
6.根据权利要求1所述的液晶显示器取向层，其特征在于所述取向层基础材料为氮化硅。
7.一种液晶显示器取向层的制作方法，其步骤包括(1)在电极板上布上一层取向层基础材料；(2)在取向层基础材料上布上一层光阻材料；(3)制作一能使取向层线条的透光率渐近式改变的光罩；(4)应用所述光罩，以曝光方式使光阻受到渐进式光能量的曝光加以显影；(5)利用深蚀刻以无选择比的蚀刻方式，移去部分光阻及部分取向层基础材料；(6)除去剩余的光阻材料，在取向层基础材料上留下具有预倾角的取向线条。
8.一种液晶显示器取向层的制作方法，其步骤包括(1)在电极板上布上一层透明感光性光阻材料作为取向层基础材料；(2)制作一能使取向层线条的透光率渐近式改变的光罩；(3)应用所述光罩，以传统曝光方式使光阻受到渐近式光能量的曝光加以显影；(4)显影后在透明感光性光阻上留下具预倾角的取向线条。
9.根据权利要求7或8所述的液晶显示器取向层的制作方法，其特征在于，所述制作应用在取向层上的光罩，其步骤是使光罩对每一个象素均分成至少两个区域，且每一个区域所对应的光罩线条其单位长度内的透光率变化量不同。
10.根据权利要求7或8所述的液晶显示器取向层的制作方法，其特征在于，制作所述取向层线条光罩，其所对应不同颜色象素取向层的线条方向各不相同，且不同方向线条的角度差，正好补偿不同颜色通过上下取向层旋光的相位差。
全文摘要
一种液晶显示器取向层及其制作方法，其是利用石版印刷术，制作透光率可改变的光罩，该光罩上对应不同颜色象素取向层的线条方向各不相同，用该光罩对光阻材料做渐进式光量递增或递减的曝光，再配合深蚀刻去除光阻，得到具有预倾角的取向层线条，本发明的LCD取向层同时具有多区域分割和相位差补偿作用；本发明方法制作过程简易、成本低并且能有效改善屏幕色泽对比和减少色泽干扰，且液晶显示器具有更宽广的视角。
文档编号G02F1/13GK1164040SQ96104920
公开日1997年11月5日 申请日期1996年4月29日 优先权日1996年4月29日
发明者陈昆地, 何斌明 申请人:南亚科技股份有限公司