Flüssigkristallanzeigen (LCDs) sind seit den 1970er Jahren im Handel erhältlich. Sie werden häufig in Uhren, Taschenrechnern, Radios und anderen Produkten verwendet, die Anzeigen und drei oder vier alphanumerische Zeichen erfordern. Jüngste Verbesserungen bei den Flüssigkristallmaterialien ermöglichen die Herstellung großer Displays. Während LCDs nur einen kleinen Teil der Halbleiterindustrie ausmachen, hat ihre Bedeutung mit ihrer Verwendung in Flachbildschirmen für tragbare Computer, sehr leichte Laptop-Computer und spezielle Textverarbeitungsprogramme zugenommen. Die Bedeutung von LCDs wird voraussichtlich weiter zunehmen, da sie schließlich die letzte Vakuumröhre ersetzen, die üblicherweise in der Elektronik verwendet wird – die Kathodenstrahlröhre (CRT) (O'Mara 1993).

Die Herstellung von LCDs ist ein sehr spezialisierter Prozess. Die Ergebnisse der industriellen Hygieneüberwachung weisen auf sehr niedrige Luftschadstoffgehalte für die verschiedenen überwachten Lösungsmittelexpositionen hin (Wade et al. 1981). Im Allgemeinen sind die verwendeten Arten und Mengen von giftigen, korrosiven und brennbaren festen, flüssigen und gasförmigen Chemikalien und gefährlichen physikalischen Mitteln im Vergleich zu anderen Arten der Halbleiterherstellung begrenzt.

Flüssigkristallmaterialien sind stäbchenförmige Moleküle, beispielhaft dargestellt durch die in Fig. 1 gezeigten Cyanobiphenylmoleküle. Diese Moleküle besitzen die Eigenschaft, die Richtung des durchtretenden polarisierten Lichts zu drehen. Obwohl die Moleküle für sichtbares Licht transparent sind, erscheint ein Behälter des flüssigen Materials milchig oder durchscheinend anstatt transparent. Dies geschieht, weil die Längsachse der Moleküle in zufälligen Winkeln ausgerichtet sind, sodass das Licht zufällig gestreut wird. Eine Flüssigkristallanzeigezelle ist so angeordnet, dass die Moleküle einer bestimmten Ausrichtung folgen. Diese Ausrichtung kann mit einem externen elektrischen Feld geändert werden, wodurch die Polarisation des einfallenden Lichts geändert werden kann.

Abbildung 1. Grundlegende Flüssigkristallpolymermoleküle

Bei der Herstellung von Flachbildschirmen werden zwei Glassubstrate separat verarbeitet und dann miteinander verbunden. Das vordere Substrat ist gemustert, um ein Farbfilterarray zu erzeugen. Das hintere Glassubstrat wird gemustert, um Dünnfilmtransistoren und die Metallverbindungsleitungen zu bilden. Diese beiden Platten werden im Montageprozess zusammengefügt und bei Bedarf geschnitten und in einzelne Displays getrennt. Flüssigkristallmaterial wird in einen Spalt zwischen den beiden Glasplatten eingespritzt. Die Displays werden geprüft und getestet und auf jede Glasplatte wird eine Polarisatorfolie aufgebracht.

Zur Herstellung von Flachbildschirmen sind zahlreiche Einzelprozesse erforderlich. Sie erfordern spezielle Ausrüstung, Materialien und Prozesse. Bestimmte Schlüsselprozesse sind unten skizziert.

Glassubstratvorbereitung

Das Glassubstrat ist eine wesentliche und teure Komponente des Displays. In jeder Phase des Prozesses ist eine sehr strenge Kontrolle der optischen und mechanischen Eigenschaften des Materials erforderlich, insbesondere wenn es um Erwärmung geht.

Glasherstellung

Zwei Prozesse werden verwendet, um sehr dünnes Glas mit sehr genauen Abmessungen und reproduzierbaren mechanischen Eigenschaften herzustellen. Das von Corning entwickelte Schmelzverfahren verwendet einen Glaszuführungsstab, der in einer keilförmigen Rinne schmilzt und aufwärts und über die Seiten der Rinne fließt. Das geschmolzene Glas fließt an beiden Seiten der Rinne hinab, verbindet sich zu einer einzigen Schicht am Boden der Rinne und kann als einheitliche Schicht nach unten gezogen werden. Die Dicke der Platte wird durch die Geschwindigkeit des Herunterziehens des Glases gesteuert. Breiten bis knapp 1 m sind realisierbar.

Andere Hersteller von Glas mit den entsprechenden Abmessungen für LCD-Substrate verwenden das Floatverfahren zur Herstellung. Bei diesem Verfahren lässt man das geschmolzene Glas auf ein Bett aus geschmolzenem Zinn fließen. Das Glas löst sich nicht auf oder reagiert mit dem metallischen Zinn, sondern schwimmt auf der Oberfläche. Dadurch kann die Schwerkraft die Oberfläche glätten und beide Seiten parallel werden lassen. (Siehe Kapitel Glas, Keramik und verwandte Materialien.)

Eine Vielzahl von Substratgrößen bis zu 450 × 550 mm und mehr ist verfügbar. Die typische Glasdicke für Flachbildschirme beträgt 1.1 mm. Dünneres Glas wird für einige kleinere Displays wie Pager, Telefone, Spiele usw. verwendet.

Schneiden, Anfasen und Polieren

Glassubstrate werden nach dem Schmelz- oder Floatprozess auf die Größe zugeschnitten, typischerweise auf etwa 1 m Seitenlänge. Dem Umformprozess folgen verschiedene mechanische Operationen, abhängig von der endgültigen Anwendung des Materials.

Da Glas spröde ist und an den Rändern leicht abplatzt oder bricht, werden diese typischerweise abgeschrägt, abgeschrägt oder anderweitig behandelt, um das Abplatzen während der Handhabung zu verringern. Thermische Spannungen an Kantenrissen häufen sich während der Substratbearbeitung und führen zum Bruch. Glasbruch ist ein erhebliches Problem während der Produktion. Abgesehen von der Möglichkeit von Schnitt- und Platzwunden durch Mitarbeiter stellt dies einen Ertragsverlust dar, und Glasfragmente können in der Ausrüstung verbleiben und eine Kontamination mit Partikeln oder ein Verkratzen anderer Substrate verursachen.

Eine erhöhte Substratgröße führt zu erhöhten Schwierigkeiten beim Glaspolieren. Große Substrate werden unter Verwendung von Wachs oder anderem Klebstoff auf Trägern befestigt und unter Verwendung einer Aufschlämmung aus Schleifmaterial poliert. Auf diesen Polierprozess muss eine gründliche chemische Reinigung folgen, um alle verbleibenden Wachse oder andere organische Rückstände sowie die im Schleif- oder Poliermittel enthaltenen metallischen Verunreinigungen zu entfernen.

Reinigung

Reinigungsverfahren werden für blanke Glassubstrate und für Substrate verwendet, die mit organischen Filmen bedeckt sind, wie Farbfilter, Polyimid-Orientierungsfilme und so weiter. Außerdem müssen Substrate mit Halbleiter-, Isolator- und Metallfilmen an bestimmten Punkten innerhalb des Herstellungsprozesses gereinigt werden. Als Minimum ist vor jedem Maskierungsschritt bei der Herstellung von Farbfiltern oder Dünnschichttransistoren eine Reinigung erforderlich.

Die meisten Flachbildschirm-Reinigungen verwenden eine Kombination aus physikalischen und chemischen Methoden, mit selektiver Verwendung von Trockenmethoden. Nach dem chemischen Ätzen oder Reinigen werden Substrate üblicherweise mit Isopropylalkohol getrocknet. (Siehe Tabelle 1.)

Tabelle 1. Reinigung von Flachbildschirmen

* Zu den üblichen organischen Lösungsmitteln, die bei der chemischen Reinigung verwendet werden, gehören: Aceton, Methanol, Ethanol, n-Propanol, Xylolisomere, Trichlorethylen, Tetrachlorethylen.

Farbfilterbildung

Die Farbfilterbildung auf dem vorderen Glassubstrat umfasst einige der Glasveredelungs- und Vorbereitungsschritte, die sowohl der vorderen als auch der hinteren Platte gemeinsam sind, einschließlich der Abschrägungs- und Läppprozesse. Vorgänge wie Strukturieren, Beschichten und Aushärten werden wiederholt auf dem Substrat durchgeführt. Viele Ähnlichkeiten mit der Verarbeitung von Siliziumwafern bestehen. Üblicherweise werden Glassubstrate zum Reinigen und Beschichten in Bahnsystemen gehandhabt.

Farbfiltermusterung

Verschiedene Materialien und Anwendungsverfahren werden verwendet, um Farbfilter für verschiedene Arten von Flachbildschirmen herzustellen. Es kann entweder ein Farbstoff oder ein Pigment verwendet werden, und beide können auf verschiedene Weise aufgebracht und gemustert werden. Bei einem Ansatz wird Gelatine in aufeinanderfolgenden photolithographischen Arbeitsgängen unter Verwendung von Proximity-Printing-Geräten und Standard-Photoresists abgeschieden und gefärbt. Bei einem anderen werden in Photoresist dispergierte Pigmente verwendet. Andere Verfahren zum Bilden von Farbfiltern umfassen Elektroabscheidung, Ätzen und Drucken.

ITO-Abscheidung

Nach der Bildung des Farbfilters ist der letzte Schritt die Sputterabscheidung eines transparenten Elektrodenmaterials. Dies ist Indium-Zinn-Oxid (ITO), das eigentlich eine Mischung der Oxide In ist₂O₃ und SnO₂. Dieses Material ist das einzige, das für die transparente Leiteranwendung für LCDs geeignet ist. Auf beiden Seiten des Displays ist ein dünner ITO-Film erforderlich. Typischerweise werden ITO-Filme unter Verwendung von Vakuumverdampfung und Sputtern hergestellt.

Dünne ITO-Filme lassen sich leicht mit Nasschemikalien wie Salzsäure ätzen, aber wenn der Abstand der Elektroden kleiner und die Merkmale feiner werden, kann Trockenätzen erforderlich sein, um ein Unterätzen der Linien aufgrund von Überätzen zu verhindern.

Bildung von Dünnschichttransistoren

Die Bildung von Dünnschichttransistoren ist der Herstellung einer integrierten Schaltung sehr ähnlich.

Dünnschichtabscheidung

Die Substrate beginnen den Herstellungsprozess mit einem Dünnfilmauftragsschritt. Dünne Filme werden durch CVD oder physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschieden. Plasmaunterstützte CVD, auch bekannt als Glimmentladung, wird für amorphes Silizium, Siliziumnitrid und Siliziumdioxid verwendet.

Gerätemusterung

Sobald der Dünnfilm abgeschieden wurde, wird ein Photoresist aufgebracht und abgebildet, um das Ätzen des Dünnfilms auf die geeigneten Abmessungen zu ermöglichen. Wie bei der Herstellung integrierter Schaltungen wird eine Folge von Dünnfilmen abgeschieden und geätzt.

Aufbringen und Reiben des Orientierungsfilms

Sowohl auf dem oberen als auch auf dem unteren Substrat wird ein dünner Polymerfilm zur Orientierung der Flüssigkristallmoleküle an der Glasoberfläche abgeschieden. Dieser vielleicht 0.1 µm dicke Orientierungsfilm kann ein Polyimid oder ein anderes "hartes" Polymermaterial sein. Nach dem Auftragen und Backen wird es mit Stoff in einer bestimmten Richtung gerieben, wodurch kaum wahrnehmbare Rillen in der Oberfläche zurückbleiben. Das Reiben kann mit einem einmal durchlaufenden Tuch auf einem Band erfolgen, das von einer Walze auf einer Seite zugeführt wird, unter einer Walze, die das Substrat berührt, auf eine Walze auf der anderen Seite geführt wird. Das Substrat bewegt sich unter dem Tuch in die gleiche Richtung wie das Tuch. Andere Verfahren umfassen eine sich bewegende Bürste, die sich über das Substrat bewegt. Der Flor des Reibmaterials ist wichtig. Die Rillen dienen dazu, die Flüssigkristallmoleküle dabei zu unterstützen, sich an der Substratoberfläche auszurichten und den richtigen Neigungswinkel anzunehmen.

Der Orientierungsfilm kann durch Schleuderbeschichtung oder durch Drucken aufgebracht werden. Das Druckverfahren ist effizienter im Materialverbrauch; 70 bis 80 % des Polyimids werden von der Druckwalze auf die Substratoberfläche übertragen.

Versammlung

Sobald der Schritt des Reibens des Substrats abgeschlossen ist, wird eine automatisierte Fließbandsequenz gestartet, die aus Folgendem besteht:

• Kleberauftrag (erforderlich zum Abdichten der Platten)

• Spacer-Anwendung

• Lage und optische Ausrichtung einer Platte in Bezug auf die andere

• Belichtung (Wärme oder UV), um den Klebstoff auszuhärten und die beiden Glasplatten miteinander zu verbinden.

Der automatische Transport von Ober- und Unterplatten erfolgt durch die Linie. Eine Platte nimmt den Klebstoff auf, und die zweite Platte wird an der Abstandshalter-Applikatorstation eingeführt.

Flüssigkristallinjektion

In dem Fall, in dem mehr als eine Anzeige auf dem Substrat konstruiert wurde, werden die Anzeigen nun durch Schneiden getrennt. An diesem Punkt kann das Flüssigkristallmaterial in die Lücke zwischen den Substraten eingeführt werden, wobei ein in dem Dichtungsmaterial verbleibendes Loch genutzt wird. Dieses Eintrittsloch wird dann verschlossen und für die Endkontrolle vorbereitet. Flüssigkristallmaterialien werden häufig als Zwei- oder Dreikomponentensysteme geliefert, die beim Einspritzen gemischt werden. Injektionssysteme sorgen für das Mischen und Spülen der Zelle, um das Einschließen von Blasen während des Füllvorgangs zu vermeiden.

Inspektion und Test

Inspektion und Funktionstest werden nach dem Zusammenbau und der Flüssigkristallinjektion durchgeführt. Die meisten Defekte hängen mit Partikeln (einschließlich Punkt- und Liniendefekten) und Problemen mit Zelllücken zusammen.

Polarisator-Aufsatz

Der letzte Herstellungsschritt für die Flüssigkristallanzeige selbst ist das Aufbringen des Polarisators auf die Außenseite jeder Glasplatte. Polarisatorfolien sind Verbundfolien, die die druckempfindliche Klebeschicht enthalten, die zum Befestigen des Polarisators am Glas erforderlich ist. Sie werden von automatisierten Maschinen aufgebracht, die das Material von Rollen oder vorgeschnittenen Bögen abgeben. Die Maschinen sind Varianten von Etikettiermaschinen, die für andere Branchen entwickelt wurden. Die Polarisationsfolie ist auf beiden Seiten des Displays angebracht.

In manchen Fällen wird vor dem Polarisator eine Kompensationsfolie aufgebracht. Kompensationsfolien sind Polymerfolien (z. B. Polycarbonat und Polymethylmethacrylat), die in einer Richtung gestreckt werden. Diese Dehnung verändert die optischen Eigenschaften der Folie.

Eine fertiggestellte Anzeige weist normalerweise integrierte Treiberschaltungen auf, die auf oder in der Nähe eines der Glassubstrate montiert sind, normalerweise auf der Seite des Dünnschichttransistors.

Gefahren

Glasbruch ist eine erhebliche Gefahr bei der LCD-Herstellung. Es kann zu Schnitt- und Platzwunden kommen. Die Exposition gegenüber Chemikalien, die zur Reinigung verwendet werden, ist ein weiteres Problem.

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