TWI460511B - 矽基液晶盒結構 - Google Patents

Description

矽基液晶盒結構

本發明係關於一種矽基液晶盒結構。特別是，本發明關於一種矽基液晶盒結構，其具有環繞而形成液晶盒之複合間隙結構。

在現今的平面顯示器(display)技術中，電漿顯示器(plasma display panel,PDP)面板以及液晶顯示器(liquid crystal display,LCD)面板可以說是兩大主流，此二者均由為數眾多被稱作畫素(pixel)之顯示格點所構成。前者是應用於較大尺寸的市場，但因量產技術尚未突破，成本仍高，距離普及化仍有一段距離。後者則係以近年來頗為盛行的薄膜電晶體型液晶顯示器(thin-film transistor LCD,TFT LCD)作為代表。

液晶矽晶(liquid crystal on silicon,LCoS)顯示器則是一種使用矽晶片(silicon chip)作為基底(substrate)材料的液晶顯示器，並利用標準的CMOS製程在矽晶片之上製作出畫素陣列(pixel matrix)、驅動積體電路(integrated driver)以及其他電子元件，其優點為可以完全採用CMOS半導體製程。由於CMOS半導體製程已經是一種非常成熟的工業技術，故可藉由它來製作出與液晶顯示器相比穩定性(stability)更高且信賴度(reliability)更高的產品，同時又可以縮小每一個像素間距(pixel pitch)至10μm之下，並因此而得到較高的解析度(resolutions)。

此外，液晶矽晶顯示面板不僅具有小畫素尺寸、高亮度及高解析度等技術優勢，還具有製程簡單、成本低廉以及體積小等優點，因此液晶矽晶顯示面板已開始被應用在例如手提攝影機與數位像機等之手攜式個人通訊影音設備，以及投影電視與多媒體投影機等之影音器材。

液晶矽晶顯示投影系統的基本原理與液晶投影系統相似，不同之處在於液晶投影系統是利用光源穿過液晶作調變，屬於穿透式，而液晶矽晶顯示投影系統則是反射式的架構，利用玻璃基板、液晶、以及CMOS晶片之電路與反射層等元件組成之矽晶面板來調變由光源發射出來欲投影至螢幕的光訊號。

液晶矽晶顯示器與一般薄膜電晶體液晶顯示器(thin film transistor-liquid crystal display，TFT-LCD)不同之處在於一般薄膜電晶體液晶顯示器上下兩面皆是以玻璃作為基底(substrate)，但液晶矽晶顯示面板僅有上面採用玻璃，底下的基底則是以半導體材料矽為主，因此，液晶矽晶顯示面板之製程其實是結合薄膜電晶體液晶顯示器與半導體互補式金氧半導體(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)製程的技術。

若與電漿顯示器相比，液晶矽晶顯示器則在成本上又有絕對的優勢，其不僅具有液晶顯示器的各種優點，而且在輔以適當投影技術(projection technology)的前提之下，又可以被廣泛應用於大尺寸的市場，故近年來吸引不少大廠投入研發的矽晶液晶顯示面板，是顯示器族群中最具潛力的一種產品。

傳統上，矽晶液晶顯示面板中會使用框膠。請參考第1圖，其例示一種習知之液晶矽晶顯示面板。液晶矽晶顯示面板1包含有矽基板(即下基板)10與玻璃基板20(即上基板)。下基板10與上基板20之間則是有框膠30夾置於其中。框膠30在一方面可以將下基板10與上基板20牢牢地黏在一起。框膠30在另一方面，又使得下基板10與上基板20之間保持一個適當的距離，於是使得液晶40能夠充滿由下基板10、上基板20與框膠30所圍成的腔室，稱為液晶盒41，中。還有，畫素電極50即以陣列的方式，排列在框膠30範圍內的下基板10上。

但是，由於液晶矽晶顯示面板1產品推陳出新，下基板10與上基板20之間的距離越來越小，很難再使用框膠30來界定液晶盒41的厚度，即所謂之間隙(cell gap)。此外，由於框膠30會透光，還會使得液晶盒漏光而降低了液晶矽晶顯示面板1的對比。

目前則是使用間隙球(space balls)來取代框膠30界定液晶盒41厚度的功能。但是一方面要額外製作大小均勻的間隙球並不是一件簡單的工作，另一方面，要將間隙球加入液晶矽晶顯示面板1還會增加製程的複雜度。所以這並不是一種兩全其美的解決方案。

因此，依然需要一種具有新穎矽基液晶盒結構的液晶矽晶顯示面板。此等新穎的矽基液晶盒結構，既不需要間隙球就可以維持液晶盒的厚度，又能維持液晶矽晶顯示面板的液晶盒具有盡量小的厚度。

本發明一方面即提出一種新穎的矽基液晶盒結構。本發明新穎的矽基液晶盒結構，在不需要間隙球的條件下，就可以維持液晶盒具有盡量小的厚度。另一方面，本發明又提出另一種新穎的矽基液晶盒結構。本發明新穎的矽基液晶盒結構，因為幾乎不會漏光而得以進一步增加液晶矽晶顯示面板的對比，而可以提供更佳品質的畫面。

本發明首先提出一種矽基液晶盒結構。本發明的矽基液晶盒結構，包含一基材、複數個呈陣列排列之金屬圖案、填充於金屬圖案間之一介電材料、以及位於介電材料上之一複合間隙結構，其環繞而形成一液晶盒。此複合間隙結構包含位於介電材料上之一第一介電層，以及位於第一介電層上之一間隙材料層。其中，間隙材料層與第一介電層之間具有足夠大之蝕刻選擇比。

本發明又提出一種矽基液晶盒結構。本發明的矽基液晶盒結構，包含一基材、複數個呈陣列排列之金屬圖案、填充於金屬圖案間之一介電材料、以及位於介電材料上之一複合間隙結構，其環繞而形成一液晶盒複合間隙結構包含位於介電材料上之一第一介電層，以及位於第一介電層上之一間隙材料層。間隙材料層則是實質上不透光。

本發明首先提供一種新穎的矽基液晶盒結構。本發明新穎的矽基液晶盒結構，可以省略使用間隙球，還可以維持液晶盒具有盡量小的厚度。

第2圖例示本發明矽基液晶盒結構之一實施例示意圖。請參考第2圖，本發明的矽基液晶盒結構200，包含基材201、多個金屬圖案211、介電材料212、以及複合間隙結構220。基材201可以包含一半導體基材，例如矽，或是其他適當之材料層。如果基材201為半導體基材時，本發明的矽基液晶盒結構200即可以利用標準的CMOS製程，在矽晶片之上製作出具有控制各像素開關之MOS元件的畫素陣列(pixel matrix)(圖未示)、驅動積體電路(integrated driver)(圖未示)以及其他電子元件，其為本發明的矽基液晶盒結構優點之一。通常，位於基材201的頂部，可以是一頂部金屬層間介電(top inter-metal dielectric,top IMD)202。

金屬圖案211與介電材料212則分別位於基材201上，亦即分別位於頂部金屬層間介電層202上，而水平高度實質上相同。第3圖例示本發明矽基液晶盒結構中金屬圖案排列之示意圖。請參考第3圖，可以用來當作各像素電極(pixel electrode)的複數個金屬圖案211，在基材201上呈陣列排列，例如呈棋盤、條狀(Stripe)、三角形(Triangle)或馬賽克形(Mosaic)等結構。介電材料212則填充於金屬圖案211間之間隙213中。金屬圖案211即包含一具高反射係數之金屬材料，其上可選擇性設置有分色片(dichroic layer)(圖未示)。另外，介電材料212可以為矽的化合物，例如氮化物或是氧化物之至少一者。此外，本發明還可選擇性設置有一保護層，例如氧化-氮化-氧化-氮化(ONON)之多層薄膜(multiplayer thin film)，覆蓋於各金屬圖案211與介電材料212表面。

複合間隙結構220即位於介電材料212上。複合間隙結構220會環繞基材201而形成一液晶盒230。液晶盒230的大小，則可以依據矽基液晶產品的規格而決定。複合間隙結構220至少會包含位於介電材料212上之一第一介電層221，以及位於第一介電層221上之間隙材料層222。

間隙材料層222與第一介電層221之間較佳會具有足夠大之蝕刻選擇比。換言之，在一特定之蝕刻條件下，間隙材料層222與第一介電層221之間具有實質上足夠大之蝕刻選擇比，使得其中一者實質上會被蝕刻而另一者實質上不會被蝕刻，因此還可以作為蝕刻停止層之用。例如，第一介電層221可以為矽的化合物，例如氮化物或是氧化物之至少一者。另一方面，間隙材料層222可以包含一金屬材料，例如鋁，導電材料，例如多晶矽，或是一有機高分子材料，例如聚醯亞胺(polyimide)。如果介電材料212與第一介電層221都為矽的化合物時，介電材料212與第一介電層221之間還可能會具有足夠小之蝕刻選擇比，即不具有蝕刻選擇比，例如其為相同之材料，而可以減化製程與結構。當第一介電層221之厚度不太大時，即可以精確地控制蝕刻程度而不會發生過蝕刻的結果。

視情況需要，複合間隙結構220之高度可以介於1微米(μm)-2微米(μm)之間。另外，複合間隙結構220還可以進一步包含第二介電層223。如第4圖所示。較佳者，第二介電層223會位於間隙材料層222上，使得複合間隙結構220成為一三明治結構。較佳者，第二介電層223與間隙材料層222之間具有足夠大之蝕刻選擇比。如果，複合間隙結構220進一步包含第二介電層223時，第一介電層221之高度較佳可以介於500-5000埃()之間，使得第一介電層221之厚度不會太大。

在本發明的矽基液晶盒結構200中，由於設計有複合間隙結構220來維持上基板240與下基板201之間的距離，亦即複合間隙結構220的高度即構成間隙230(cell gap)用以容置液晶，所以可以省略傳統上必須使用間隙球的結構設計。另一方面，視情況需要來調整複合間隙結構220之高度，還可以維持液晶盒具有盡量小的厚度，以符合未來產品設計之需求。

本發明又提供另一種新穎的矽基液晶盒結構。本發明另一種的矽基液晶盒結構，經過結構上的改良而幾乎不會漏光。如此一來，就可以進一步增加液晶矽晶顯示面板的對比，而可以提供更佳品質的畫面。

第5圖例示本發明矽基液晶盒結構之一實施例示意圖。請參考第5圖，本發明的矽基液晶盒結構300，包含基材301、金屬圖案311、介電材料312、以及複合間隙結構320。基材301可以包含一半導體基材，例如矽，或是其他適當之材料層。如果基材301為半導體基材時，本發明的矽基液晶盒結構300即可以利用標準的CMOS製程，在矽晶片之上製作出畫素陣列(圖未示)、驅動積體電路(圖未示)以及其他電子元件，其為本發明的矽基液晶盒結構優點之一。通常，位於基材301的頂部，可以是一頂部金屬層間介電302。

金屬圖案311與介電材料312則分別位於基材301上，亦即分別位於金屬層間介電層302上，而水平高度實質上相同。第6圖例示本發明矽基液晶盒結構中金屬圖案排列之示意圖。請參考第6圖，用來當作各像素電極(pixel electrode)的複數個金屬圖案311在基材301上呈陣列排列，例如呈棋盤、條狀(Stripe)、三角形(Triangle)或馬賽克形(Mosaic)等結構。介電材料312則填充於金屬圖案311間之間隙313。金屬圖案311即包含一具高反射係數之金屬材料，其上可選擇性設置有分色片(dichroic layer)(圖未示)。另外，介電材料312可以為矽的化合物，例如氮化物或是氧化物之至少一者。此外，本發明還可選擇性設置有一保護層，例如氧化-氮化-氧化-氮化(ONON)之多層薄膜(multiplayer thin film)，覆蓋於各金屬圖案311與介電材料312表面。

複合間隙結構320即位於介電材料312上。複合間隙結構320會環繞基材301而形成一液晶盒330。液晶盒330的大小，則可以依據矽基液晶產品的規格而決定。複合間隙結構320至少會包含位於介電材料312上之一第一介電層321，以及位於第一介電層321上之間隙材料層322。

第5圖之實施例與第2圖實施例不同之處在於，位於第一介電層321上之間隙材料層322實質上不透光。因此，液晶盒330內之光線便不容易從複合間隙結構320漏失，如第7圖所示。還有，液晶盒330外之光線亦不容易從複合間隙結構320進入液晶盒330中。另一方面，間隙材料層322之高度會大於第一介電層321之高度。視情況需要，複合間隙結構320之高度可以介於1微米(μm)-2微米(μm)之間，而第一介電層321之高度較佳可以介於500-5000埃()之間，使得第一介電層321之厚度不會太大，以盡量減低光線從複合間隙結構320漏失或穿透。

另一方面，間隙材料層322之材料與第一介電層321上之材料也會不同。例如，第一介電層321可以為矽的化合物，例如氮化物或是氧化物之至少一者，然而間隙材料層322可以包含一金屬材料，例如鋁、導電材料，例如多晶矽，或是一有機高分子材料，例如聚醯亞胺。因此，間隙材料層322與第一介電層321之間還可能會具有足夠大之蝕刻選擇比。也就是說，在一特定之蝕刻條件下，間隙材料層322與第一介電層321之間具有實質上足夠大之蝕刻選擇比，使得其中一者實質上會被蝕刻而另一者實質上不會被蝕刻，因此還可以作為蝕刻停止層之用。如果介電材料312與第一介電層321都為矽的化合物時，介電材料312與第一介電層321之間還可能會沒有蝕刻選擇比。

另外，複合間隙結構320還可以進一步包含第二介電層323，如第8圖所示。較佳者，第二介電層323會位於間隙材料層322上，使得複合間隙結構320成為一三明治結構。第二介電層323可以包含矽的化合物，例如氮化物或是氧化物之至少一者。較佳者，第二介電層323與間隙材料層322之間具有足夠大之蝕刻選擇比。

在本發明的矽基液晶盒結構300中，由於用以建構間隙(cell gap)的複合間隙結構320幾乎不會透光，所以可以盡量減低光線從複合間隙結構320漏失的可能性。還有，複合間隙結構320的高度即構成間隙330(cell gap)。如此一來，就可以進一步增加液晶矽晶顯示面板的對比，而可以提供更佳品質的畫面。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

1．．．液晶矽晶顯示面板

10．．．矽基板

20．．．玻璃基板

30．．．框膠

40．．．液晶

41．．．液晶盒

50．．．畫素電極

200．．．矽基液晶盒結構

201．．．基材

202．．．頂部金屬層間介電

211．．．金屬圖案

212．．．介電材料

220．．．複合間隙結構

221．．．第一介電層

222．．．間隙材料層

223．．．第二介電層

300．．．矽基液晶盒結構

301．．．基材

302．．．頂部金屬層間介電

311．．．金屬圖案

312．．．介電材料

320．．．複合間隙結構

321．．．第一介電層

322．．．間隙材料層

323．．．第二介電層

第1圖例示一種習知之液晶矽晶顯示面板。

第2圖例示本發明矽基液晶盒結構之一實施例示意圖。

第3圖例示本發明矽基液晶盒結構中金屬圖案排列之示意圖。

第4圖例示本發明矽基液晶盒結構之一實施例示意圖。

第5圖例示本發明矽基液晶盒結構之一實施例示意圖。

第6圖例示本發明矽基液晶盒結構中金屬圖案排列之示意圖。

第7圖例示本發明矽基液晶盒結構之一實施例示意圖。

第8圖例示本發明矽基液晶盒結構之一實施例示意圖。

200．．．矽基液晶盒結構

201．．．基材

202．．．頂部金屬層間介電

211．．．金屬圖案

212．．．介電材料

220．．．複合間隙結構

221．．．第一介電層

222．．．間隙材料層

Claims (18)

1. 一種矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)盒(cell)結構，包含；一基材；複數個呈陣列排列之金屬圖案與一介電材料填充於該等金屬圖案之間；以及一複合間隙結構(composite post spacer)，位於該介電材料上並且環繞而形成一液晶盒(cell space)，該複合後間隙結構包含：一第一介電層，位於該介電材料上；一間隙材料層，位於該第一介電層上，其中該間隙材料層與該第一介電層之間具有蝕刻選擇比；以及一第二介電層，位於該間隙材料層上。
2. 如請求項1之矽基液晶盒結構，其中該基材包含一頂部金屬層間介電(top inter-metal dielectric,top IMD)。
3. 如請求項1之矽基液晶盒結構，其中該介電材料與該第一介電層之間沒有蝕刻選擇比。
4. 如請求項1之矽基液晶盒結構，其中該介電材料與該第一介電層分別包含一種氧化物與一種氮化物之至少一者。
5. 如請求項1之矽基液晶盒結構，其中該複合間隙結構之高度介於1微米(μm)-2微米(μm)之間。
6. 如請求項1之矽基液晶盒結構，其中該第二介電層與該間隙材料層之間具有蝕刻選擇比。
7. 如請求項1之矽基液晶盒結構，其中該第一介電層之高度介於500-5000埃(Å)之間。
8. 如請求項1之矽基液晶盒結構，其中該間隙材料層包含一金屬與一有機高分子材料之至少一者。
9. 如請求項1之矽基液晶盒結構，其中該間隙材料層實質上不透光。
10. 一種矽基液晶盒結構，包含；一基材；複數個呈陣列排列之金屬圖案；一介電材料填充於該等金屬圖案之間；以及一複合間隙結構，位於該介電材料上並且環繞而形成一液晶盒，該複合後間隙結構包含：一第一介電層，位於該介電材料上；一間隙材料層，位於該第一介電層上，其中該間隙材料層實質上不透光；以及 一第二介電層，位於該間隙材料層上。
11. 如請求項10之矽基液晶盒結構，其中該基材包含一頂部金屬層間介電(top inter-metal dielectric,top IMD)。
12. 如請求項10之矽基液晶盒結構，其中該介電材料與該第一介電層之間沒有蝕刻選擇比。
13. 如請求項10之矽基液晶盒結構，其中該介電材料與該第一介電層分別包含一種氧化物與一種氮化物之至少一者。
14. 如請求項10之矽基液晶盒結構，其中該複合間隙結構之高度介於1微米(μm)-2微米(μm)之間。
15. 如請求項10之矽基液晶盒結構，其中該第二介電層與該間隙材料層之間具有蝕刻選擇比。
16. 如請求項10之矽基液晶盒結構，其中該第一介電層之高度介於500-5000埃(Å)之間。
17. 如請求項10之矽基液晶盒結構，其中該間隙材料層包含一金屬與一有機高分子材料之至少一者。
18. 如請求項10之矽基液晶盒結構，其中該間隙材料層與該第一介 電層之間具有蝕刻選擇比。