TWI867275B

TWI867275B - 液晶感測器系統的製造方法

Info

Publication number: TWI867275B
Application number: TW111108357A
Authority: TW
Inventors: 陳志欣; 黃致為; 何宗洋; 張容蓉; 劉舜維
Original assignee: 淡江大學學校財團法人淡江大學
Priority date: 2022-03-08
Filing date: 2022-03-08
Publication date: 2024-12-21
Also published as: TW202336424A

Abstract

本發明係提供一種液晶感測器的製作方法，其包含下列步驟：提供一玻璃基板；實施清洗製程清洗玻璃基板；實施光阻塗佈製程塗佈光阻在玻璃基板上；透過汞燈實施照射製程於玻璃基板上；光遮罩定義網格形成光阻網格於玻璃基板上；實施曝光製程於光阻網格上；以及實施液晶塗佈製程塗佈液晶於光阻網格上。

Description

液晶感測器系統的製造方法

本發明有關於一種液晶顯示器製作方法。本發明還涉及一種光刻製程用於製作網格並以旋轉塗佈的方式填充液晶的液晶顯示器製作方法。

近年來液晶感測器(LC sensor)普遍使用於可攜式和現場感測應用技術中，係屬有前景可期的先進技術，因為液晶的光信號可以直接用肉眼觀察或在環境光下直接使用，並可用於智慧手機記錄，其便利性造就市場和大量需求。

在傳統型態的液晶感測器中，金屬網格應用在玻璃基板上，並使金屬網格充滿液晶，其功效可以用於檢測水相或氣相中的分析物之分析平台。此種平台易於製備，常見使用於檢測各種分析物，如蛋白質，蛋白酶、小分子、和金屬離子。

然而，習知技術之帶有金屬網格的感測器技術一直都存在以下缺點：

(1)金屬網格用鑷子處理時容易變形。因此，在一系列實驗中，玻璃基板上的液晶薄膜形狀和尺寸大小可能會發生不一致的情況。

(2)金屬網格和玻璃基板沒有強烈的粘合作用，使得玻璃基板上金屬網格位置在水流系統(aqueous flow system)中，可能會發生移位。

(3)如果網格長時間浸泡在水溶液中，網格中的金屬離子會釋放到水溶液中，兩者結合後會產生化合物，進而影響分析結果。

(4)液晶分子中的氰基(cyano group of LC molecules)，如4-cyano-4’-pentylbiphenyl(5CB)會與金屬網格上的金屬原子相互作用，影響液晶的光信號分析結果。

在本揭露的一實施例中，係提供一種液晶感測器的製作方法，其包含提供一玻璃，實施一清洗製程清洗該玻璃，實施一光阻塗佈製程塗佈一光阻在該玻璃上，一汞燈實施一照射製程於該玻璃上，一光遮罩定義網格形成一光阻網格於該玻璃上，實施一曝光製程於該光阻網格上，以及實施一液晶塗佈製程塗佈一液晶於該光阻網格上。

本揭露的一實施例使用負性光阻(negative photoresist)並利用光刻法(photolithography)形成圖案化的精細網格(grid)在玻璃基板上。特別是針對網格的特性進行了功能性的改善，加上光阻具有良好的機械強度、光穩定性和化學穩定性，因此，當光阻網格中充滿了液晶，可藉以構建功效更優良的液晶基底感測器(LC-based sensor)。

根據本揭露的實施例的液晶感測器的優點包括：

(1)光阻網格不易變形，較不容易發生類似金屬網格在一系列實驗中形狀和尺寸改變之情形。

(2)光阻網格與玻璃基板的粘合更牢固，所以即便在水流系統中網格位置亦不容易改變位置。

(3)光阻網格不溶於水溶液中，或者不與溶液中的物質反應，所以不會產生合成物影響分析結果。

(4)當液晶填充在金屬網格中時，液晶的厚度會因為網格的厚度受到影響，通常金屬網格的厚度為20微米(μm)。較厚的液晶薄膜可能會導致薄膜中液晶的排列不一致，進而降低液晶的光信號強度。假若使用具有可調厚度的光阻製造的網格，進而製作更薄的網格則可以解決這個問題，使得液晶排列方向更一致。

以下將參照相關圖式，說明依本發明所揭露之液晶感測器製造方法之實施例，以下為實施詳細說明，然而本發明不受限於以下實施例。

第1圖係本揭露之一實施例的液晶感測器製作方法流程圖，包含含步驟S100~S1200。步驟S100：提供玻璃基板。玻璃基板的材質可為氧化銦錫玻璃(ITO)。

步驟S200：實施清洗製程清洗玻璃基板。在此步驟中，使用去離子水、丙酮和異丙醇清洗玻璃基板，清洗方法為上述每種溶劑分別以超音波方式清洗玻璃基板10分鐘。之後，利用氮氣(nitrogen)乾燥玻璃基板。本揭露之實施方法不限定用上述溶液，亦可單一溶液或混合各等溶液使用，亦可混合其他種類溶液清洗玻璃基板。

步驟S300：實施第一烘烤製程，蒸發玻璃基板之殘留溶劑。在此步驟中，玻璃基板放置在120°C下熱板上，將玻璃基板烘烤1分鐘以蒸發殘留溶劑。在另一實施例中，玻璃基板放置在96至144°C下熱板上，將玻璃基板烘烤48秒鐘至1.2分鐘以蒸發殘留溶劑。

步驟S400：實施光阻(negative photoresist)塗佈製程，將光阻旋轉塗抹在玻璃基板。在此步驟中，將光阻旋轉塗佈在玻璃基板上，此光阻可以為ENPI 205或ENPI 202材質，而且旋轉塗佈之光阻厚度與轉速依照順序為步驟S410:第一旋轉塗佈製程、步驟S420:第二旋轉塗佈製程及步驟S430:第三旋轉塗佈製程。

步驟S410:第一旋轉塗佈製程用於製作厚度8(微米)μm的光阻。在本實施例中，第一前塗佈製程旋轉塗佈的每分鐘轉速為600rpm，時間為20秒鐘，而第一後塗佈製程轉速1250rpm，時間為20秒鐘。在另一實施例中，第一旋轉塗佈製程形成之光阻厚度為6.4至9.6μm，其中，第一前塗佈製程速度係每分鐘轉速為480rmp至720rmp，時間為16至24秒鐘，而第一後塗佈製程每分鐘轉速為1000rmp至1500rmp，時間為16至24秒鐘。

步驟S420:第二旋轉塗佈製程為製作厚度5μm的光阻，其中第二前塗佈製程旋轉塗佈的轉速為600rpm，時間為20秒鐘，而第二後塗佈製程轉速為2000rpm，時間為20秒鐘。在另一實施例中，第二旋轉塗佈製程形成之光阻厚度為4至6微米，第二前塗佈製程速度係每分鐘轉速係480rmp至720rmp，時間為16至24秒鐘，以及執行第二後塗佈製程，其中第二後塗佈製程每分鐘轉速係1600rmp至2400rmp，時間為16至24秒鐘。

步驟S430:第三旋轉塗佈製程為製作厚度3μm的光阻，第三前塗佈製程旋轉塗佈的轉速為600rpm，時間為20秒鐘，而第三後塗佈製程旋轉塗佈的轉速3500rpm，時間為20秒鐘。在另一實施例中，第三旋轉塗佈製程形成之光阻厚度為2.4至3.6微米，其中，第三前塗佈製程旋轉塗佈的轉速為480rmp至720rmp，時間為16至24秒鐘，以及第三後塗佈製程每分鐘轉速係2800rmp至4200rmp，時間為16至24秒鐘。

步驟S500:實施第二烘烤製程，烘烤玻璃基板去除多餘光阻溶劑。將塗有光阻的玻璃基板放置在熱板上，以120°C下烘烤玻璃基板4分鐘，以去除多餘的光阻溶劑。在另一實施例中，第二烘烤製程的溫度為96度至144度，時間為3.2分鐘至4.8分鐘。

步驟S600:利用高壓汞燈實施照射製程，形成光遮罩定義網格特徵於玻璃基板上。使用高壓汞燈(high-pressure mercury lamp)照射玻璃基板，形成光遮罩定義之網格特徵，高壓汞燈距離玻璃200μm，照射時間為15秒。在另一實施例中，高壓汞燈距離玻璃160至240μm，照射時間為12至18秒。

步驟S700:實施第三烘烤製程，對形成網格之玻璃基板進行烘烤。將形成網格之玻璃基板進行第三烘烤製程，在加熱板上以120°C烘烤玻璃基板4分鐘。在另一實施例中，烘烤溫度為96度至144度，製程的時間為3.2分鐘至4.8分鐘。

步驟S800:將玻璃放置在水溶液中顯影並乾燥。此處之水溶液含有2.38%且pH為12.5的氫氧化四甲基銨(tetramethyl-ammonium hydroxide)的水溶液中顯影，然後在氮氣下沖洗和乾燥。本揭露之實施方法不限定用上述溶液，亦可單一溶液或混合各等溶液使用，亦可混合其他種類溶液作為顯影之用。

步驟S900:實施曝光製程，曝光光阻玻璃網格。曝光光阻網格，其時間為5分鐘。在另一實施例中，曝光時間可為4至6分鐘。

步驟S1000:實施第四烘烤製程，烘烤光阻玻璃網格。執行第四烘烤製程，將光阻網格在120°C下熱板上烘烤10分鐘。在另一實施例中，烘烤溫度為96度至144度，時間為8分鐘至12分鐘。

步驟S1100:實施液晶塗佈製程，執行液晶塗佈前製程和液晶塗佈後製程旋轉塗抹液晶於光阻玻璃網格。將大約0.2微升(μL)的液晶(5CB) 旋轉塗佈分配到光阻網格上。使用旋轉塗佈機將液晶均勻塗佈在光阻網格上，實施第一液晶前塗佈製程轉速為1200rpm，時間為20秒鐘以及後塗佈製程轉速為2500rpm，時間為40秒鐘。在另一實施例中，液晶前塗佈製程的旋轉塗佈之速度係每分鐘轉速係960rmp至1440rmp，時間為16至24秒鐘，液晶後塗佈製程的旋轉塗佈之速度係每分鐘轉速係2000rmp至3000rmp，時間為32至48秒鐘。

步驟S1200:實施浸潤製程，將光阻網格浸入檢測溶液中。

本揭露之液晶感測器製造方法之實施例，其使用之材料和儀器，可由以下來源購得，但不限於此。

液晶採用4-cyano-4’-pentylbiphenyl((4-氰基-4'-戊基聯苯))(5CB)購自TCI。高氯酸汞水合物(sodium dodecyl sulfate)和十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate)購自Sigma-Aldrich。癸基硫酸鈉(Sodium decyl sulfate)購自Acros。正辛基硫酸鈉(Sodiumn-octyl sulfate)購自Alfa Aesar。5-(Pyridine-4-yl)-2-(5-(pyridin-4-yl)thiophen-2-yl)thiazole(ZT)是根據現有技術合成。光阻(ENPI 205或ENPI 202)和顯影劑KTD-1購自Everlight Chemical，ITO玻璃購自Lumtec。

第2圖係本揭露之一實施例與先前技術之液晶方向示例圖。第2圖係將玻璃基板切成10x10mm ²之樣品，利用帶有背散射電子檢測器的掃描式電子顯微鏡，並使用光學導航相機在5kV的加速電壓下對表面進行成像。示例圖顯示在銅網格和光阻網格中，液晶在DMOAP(N,N-dimethyl-N-octadecyl(3-aminopropyl) trimethoxysilyl chloride)介質表面裡平面、垂直液晶的方向。

其中，201表示光阻網格中平面液晶的方向示例。202表示銅網格中平面液晶的方向示例。203表示光阻網格中垂直液晶的方向示例。204表示銅網格中垂直液晶的方向示例。

依據本發明之實施例顯示光阻形成之網格在材質上更平均且滑順，而且藉由改變旋轉塗佈的轉速可將其光阻厚度調整成3.0至8.0μm之間，相較於銅網格厚度達到20μm，光阻網格明顯更薄。因此，銅網格中液晶在單一矽烷(N,N-dimethyl-N-octadecyl-3-amonopropyltrimethoxysilyl chloride，簡稱DMOAP)介質的傾斜角度和在光阻網格中明顯不同，請參考201光阻網格中平面液晶的方向示例，其中平面液晶方向趨於一致，對比202銅網格中平面液晶的示例，則銅網格中平面液晶方向明顯較不一致。

再者，因為光阻網格中不含有銅材質，所以液晶中的腈基(nitrile group)不與光阻網格相互作用，其中204銅網格裡垂直液晶方向的示例中，液晶和和銅格線非常靠近，但反觀203光阻網格中垂直液晶的示例中，光阻網格和液晶並未有靠近的現象。因此，光阻網格更能夠避免錯誤的正向或負向信號，得以使光學信號在定義成數位信號時，其正確率可大幅提升。

第3圖係本揭露之一實施例與先前技術在偏光顯微鏡下之功效圖。其中，301表示具有平面方向液晶的銅網格之偏光顯微鏡(POM)影像。302表示具有垂直方向液晶的銅網格之偏光顯微鏡影像。303表示具有平面方向液晶的光阻網格之偏光顯微鏡影像。304表示具有垂直方向液晶的光阻網格之偏光顯微鏡影像。

請參考301和302的影像顯示結果，在銅網格的成品中，液晶會從銅網格的邊緣漏出，302示意圖中圓形白色處即顯示液晶從邊緣漏出，此為干擾訊號亮度測量之主因，反觀本案實施例中303和304的光阻網路塗佈液晶後，不會有液晶從網格邊緣露出，故不會干擾訊號亮度的測量，可達到良好的測量效果。

第4圖係本揭露之一實施例與先前技術中具有平面液晶的網格之亮度曲線比較圖。第5圖係本揭露之一實施例與先前技術中具有垂直液晶的網格之亮度曲線比較圖。其係利用離子水(DI water)加入4-cyano-4’-pentylbiphenyl (5CB)液晶中，將其分別浸潤在銅網格和光阻網格中，並記錄24小時內液晶訊號之亮度值所得之結果。

第4圖中具有平面液晶的銅網格亮度曲線於兩個小時後明顯亮度快速下降，而且第5圖中具有垂直液晶的光阻網格之亮度曲線表現也比具有垂直液晶的銅網格亮度曲線穩定，這顯示光阻網格中液晶訊號亮度的長期穩定性優於銅網格。

因為銅會跟水中氧氣跟二氧化碳會形成碳酸銅(Cu(OH)·CuCO)，所以銅網格中的液晶亮度值會下降。而光阻網格因為沒有銅材質，所以不會產生碳酸銅，所以不會干擾液晶呈現之亮度值，故光阻網格內的液晶，能長期產生穩定的亮度值，使得液晶訊號更值得被信賴，分析訊號的結果也更正確。

本揭露使用光阻的光刻技術在玻璃基板上製造精細網格製作液晶感測器。利用光阻製備的網格性質上更均勻且光滑，只要藉由改變旋轉塗佈速度，就可以調節其厚度在3.0至8.0μm之間，比銅網格更薄。且光阻網格的明暗比和亮度值明顯大於使用銅網格製作的液晶感測器，將有助於在可視化系統，例如應用於數位相機或肉眼中，用以確定液晶信號並保有準確性。

此外，利用光阻光刻在玻璃基板上製造精細網格的製作方法，其成本方法低廉，適用於大規模生產。另外，網格的形狀和厚度可以很容易地改變。因此，這種方法非常適合製造具有增強性能的液晶感測器。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。其它任何未脫離本揭露之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應該包含於後附之申請專利範圍中。

S100, S200, S300, S400, S410, S420, S430, S500, S600, S700, S800, S900, S1000, S1100, S1200:步驟 201:光阻網格中平面液晶的方向示例 202:銅網格中平面液晶的方向示例 203:光阻網格中垂直液晶的方向示例 204:銅網格中垂直液晶的方向示例 301:具有平面方向液晶的銅網格之偏光顯微鏡影像 302:具有垂直方向液晶的銅網格之偏光顯微鏡影像 303:具有平面方向液晶的光阻網格之偏光顯微鏡影像 304:具有垂直方向液晶的光阻網格之偏光顯微鏡影像

第1圖係本揭露之一實施例的液晶感測器製作方法流程圖。第2圖係本揭露之一實施例與先前技術之液晶方向示例圖。第3圖係本揭露之一實施例與先前技術在偏光顯微鏡下之功效圖。第4圖係本揭露之一實施例與先前技術中具有平面液晶的網格之亮度曲線比較圖。第5圖係本揭露之一實施例與先前技術中具有垂直液晶的網格之亮度曲線比較圖。

S100,S200,S300,S400,S410,S420,S430,S500,S600,S700,S800,S900,S1000,S1100,S1200:步驟

Claims

一種液晶感測器的製作方法，其包含：提供一玻璃基板；實施一清洗製程清洗該玻璃基板；實施一光阻塗佈製程塗佈一光阻在該玻璃基板上；一汞燈實施一照射製程於該玻璃基板上；一光遮罩定義網格形成一光阻網格玻璃於該玻璃基板上；實施一曝光製程於該光阻網格上；以及實施一液晶塗佈製程塗佈一液晶於該光阻網格上；其中實施該液晶塗佈製程塗佈該液晶於該光阻網格上的步驟包含：執行一液晶塗佈前製程，其中該液晶前塗佈製程的旋轉塗佈之速度係每分鐘轉速係960rpm至1440rpm，時間為16至24秒鐘；以及執行一液晶後塗佈製程，其中該液晶後塗佈製程的旋轉塗佈之速度係每分鐘轉速係2000rpm至3000rpm，時間為32至48秒鐘。
如請求項1所述之製作液晶感測器的方法，其中該玻璃基板之材質係氧化銦錫(ITO)。
如請求項1所述之製作液晶感測器的方法，其中該光阻係一負性光阻。
如請求項1所述之製作液晶感測器的方法，其中實施該光阻塗佈製程塗佈該光阻在該玻璃基板上的步驟包含：執行一第一旋轉塗佈製程；執行一第二旋轉塗佈製程；以及執行一第三旋轉塗佈製程。
如請求項4所述之製作液晶感測器的方法，其中執行該第一旋轉塗佈製程的步驟包含：執行一第一前塗佈製程，其中該第一前塗佈製程速度係每分鐘轉速係480rpm至720rpm，時間為16至24秒鐘；以及執行一第一後塗佈製程，其中該第一後塗佈製程每分鐘轉速係1000rpm至1500rpm，時間為16至24秒鐘。
如請求項5所述之製作液晶感測器的方法，其中第一旋轉塗佈製程形成之該光阻厚度為6.4至9.6微米(μm)。
如請求項4所述之製作液晶感測器的方法，其中執行該第二旋轉塗佈製程的步驟包含：執行一第二前塗佈製程，其中該第二前塗佈製程速度係每分鐘轉速係480rpm至720rpm，時間為16至24秒鐘；以及執行一第二後塗佈製程，其中該第二後塗佈製程每分鐘轉速係1600rpm至2400rpm，時間為16至24秒鐘。
如請求項7所述之製作液晶感測器的方法，其中該第二旋轉塗佈製程形成之該光阻厚度為4至6微米。
如請求項4所述之製作液晶感測器的方法，其中執行該第三旋轉塗佈製程的步驟包含：執行一第三前塗佈製程，其中該第三前塗佈製程速度係每分鐘轉速係480rpm至720rmp，時間為16至24秒鐘；以及執行一第三後塗佈製程，其中該第三後塗佈製程每分鐘轉速係2800rpm至4200rmp，時間為16至24秒鐘。
如請求項9所述之製作液晶感測器的方法，其中該第三塗佈製程形成之該光阻厚度為2.4至3.6微米。
如請求項1所述之製作液晶感測器的方法，其中該一汞燈係一高壓汞燈。
如請求項1所述之製作液晶感測器的方法，該照射製程之步驟時間係12秒至18秒。
如請求項1所述之製作液晶感測器的方法，更包含：在該清洗製程後實施一光阻塗佈製程前，執行一第一烘烤製程烘烤該玻璃基板。
如請求項13所述之製作液晶感測器的方法，其中該第一烘烤製程的溫度為96度至144度。
如請求項13所述之製作液晶感測器的方法，其中該第一烘烤製程的時間為48秒鐘至1.2分鐘。
如請求項1所述之製作液晶感測器的方法，更包含：在該光阻塗佈製程後執行一第二烘烤製程以烘烤該玻璃基板。
如請求項16所述之製作液晶感測器的方法，其中該第二烘烤製程的溫度為96度至144度。
如請求項16所述之製作液晶感測器的方法，其中該第二烘烤製程的時間為3.2分鐘至4.8分鐘。
如請求項1所述之製作液晶感測器的方法，更包含：在該光阻網格玻璃形成後以及實施該曝光製程前，執行一第三烘烤製程以烘烤該玻璃基板。
如請求項19所述之製作液晶感測器的方法，其中該第三烘烤製程的溫度為96度至144度。
如請求項19所述之製作液晶感測器的方法，其中該第三烘烤製程的時間為3.2分鐘至4.8分鐘。
如請求項1所述之製作液晶感測器的方法，更包含：在實施該曝光製程後以及實施該液晶塗佈製程前，執行一第四烘烤製程以烘烤該玻璃基板。
如請求項22所述之製作液晶感測器的方法，其中該第四烘烤製程的溫度為96度至144度。
如請求項22所述之製作液晶感測器的方法，其中該第四烘烤製程的時間為8分鐘至12分鐘。
如請求項1所述之製作液晶感測器的方法，其中該液晶係為向列型液晶(5CB)。
如請求項1所述之製作液晶感測器的方法，更包含：在該液晶塗佈製程後執行一浸潤製程以浸潤該光阻網格於一檢測溶液中。