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Display a cristalli liquidi

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I display a cristalli liquidi (LCD) sono disponibili in commercio dagli anni '1970. Sono comunemente usati in orologi, calcolatrici, radio e altri prodotti che richiedono indicatori e tre o quattro caratteri alfanumerici. I recenti miglioramenti nei materiali a cristalli liquidi consentono la produzione di display di grandi dimensioni. Sebbene gli LCD rappresentino solo una piccola parte dell'industria dei semiconduttori, la loro importanza è cresciuta con il loro utilizzo nei display a schermo piatto per computer portatili, computer portatili molto leggeri e elaboratori di testi dedicati. Si prevede che l'importanza degli LCD continuerà a crescere poiché alla fine sostituiranno l'ultimo tubo a vuoto comunemente usato nell'elettronica: il tubo a raggi catodici (CRT) (O'Mara 1993).

La produzione di LCD è un processo molto specializzato. I risultati del monitoraggio dell'igiene industriale indicano livelli molto bassi di contaminanti aerodispersi per le varie esposizioni ai solventi monitorate (Wade et al. 1981). In generale, i tipi e le quantità di sostanze chimiche tossiche, corrosive e infiammabili solide, liquide e gassose e di agenti fisici pericolosi in uso sono limitati rispetto ad altri tipi di produzione di semiconduttori.

I materiali a cristalli liquidi sono molecole simili a bastoncini esemplificate dalle molecole di cianobifenile mostrate nella figura 1. Queste molecole possiedono la proprietà di ruotare la direzione della luce polarizzata che le attraversa. Sebbene le molecole siano trasparenti alla luce visibile, un contenitore del materiale liquido appare lattiginoso o traslucido invece che trasparente. Ciò si verifica perché l'asse lungo delle molecole è allineato ad angoli casuali, quindi la luce viene diffusa in modo casuale. Una cella di visualizzazione a cristalli liquidi è disposta in modo che le molecole seguano uno specifico allineamento. Questo allineamento può essere modificato con un campo elettrico esterno, consentendo di modificare la polarizzazione della luce in entrata.

Figura 1. Molecole polimeriche di base a cristalli liquidi

MIC030F1

Nella produzione di display a schermo piatto, due substrati di vetro vengono lavorati separatamente, quindi uniti insieme. Il substrato anteriore è modellato per creare una matrice di filtri colorati. Il substrato di vetro posteriore è modellato per formare transistor a film sottile e le linee di interconnessione metalliche. Queste due lastre vengono accoppiate durante il processo di assemblaggio e, se necessario, tagliate e separate in display individuali. Il materiale a cristalli liquidi viene iniettato in uno spazio tra le due lastre di vetro. I display vengono ispezionati e testati e su ogni lastra di vetro viene applicata una pellicola polarizzante.

Per la produzione di display a schermo piatto sono necessari numerosi processi individuali. Richiedono attrezzature, materiali e processi specializzati. Alcuni processi chiave sono descritti di seguito.

Preparazione del substrato di vetro

Il substrato di vetro è un componente essenziale e costoso del display. È necessario un controllo molto stretto delle proprietà ottiche e meccaniche del materiale in ogni fase del processo, specialmente quando è coinvolto il riscaldamento.

Fabbricazione del vetro

Vengono utilizzati due processi per realizzare vetri molto sottili con dimensioni molto precise e proprietà meccaniche riproducibili. Il processo di fusione, sviluppato da Corning, utilizza un'asta di alimentazione del vetro che si fonde in un trogolo a forma di cuneo e scorre su e sopra i lati del trogolo. Scorrendo lungo entrambi i lati del trogolo, il vetro fuso si unisce in un unico foglio sul fondo del trogolo e può essere tirato verso il basso come un foglio uniforme. Lo spessore della lastra è controllato dalla velocità di estrazione del vetro. Si possono ottenere larghezze fino a quasi 1 m.

Altri produttori di vetro con le dimensioni appropriate per i substrati LCD utilizzano il metodo di produzione float. In questo metodo, il vetro fuso viene lasciato fuoriuscire su un letto di stagno fuso. Il vetro non si dissolve né reagisce con lo stagno metallico, ma galleggia sulla superficie. Ciò consente alla gravità di levigare la superficie e consentire a entrambi i lati di diventare paralleli. (Vedi il cap Vetro, ceramica e materiali affini.)

È disponibile una varietà di formati di supporto che si estendono fino a 450 × 550 mm e oltre. Lo spessore tipico del vetro per i display a schermo piatto è di 1.1 mm. Il vetro più sottile viene utilizzato per alcuni display più piccoli, come cercapersone, telefoni, giochi e così via.

Taglio, bisellatura e lucidatura

I substrati di vetro vengono tagliati a misura dopo il processo di fusione o frattazzo, tipicamente a circa 1 m di lato. Diverse operazioni meccaniche seguono il processo di formatura, a seconda dell'applicazione finale del materiale.

Poiché il vetro è fragile e facilmente scheggiato o incrinato ai bordi, questi sono tipicamente smussati, smussati o trattati in altro modo per ridurre la scheggiatura durante la manipolazione. Le sollecitazioni termiche sulle crepe dei bordi si accumulano durante la lavorazione del substrato e portano alla rottura. La rottura del vetro è un problema significativo durante la produzione. Oltre alla possibilità di tagli e lacerazioni dei dipendenti, rappresenta una perdita di rendimento e frammenti di vetro potrebbero rimanere nell'apparecchiatura, causando contaminazione da particolato o graffi di altri substrati.

L'aumento delle dimensioni del substrato comporta maggiori difficoltà per la lucidatura del vetro. I substrati di grandi dimensioni vengono montati su supporti utilizzando cera o altro adesivo e lucidati utilizzando un impasto di materiale abrasivo. Questo processo di lucidatura deve essere seguito da un'accurata pulizia chimica per rimuovere qualsiasi residuo di cera o altri residui organici, nonché i contaminanti metallici contenuti nel mezzo abrasivo o lucidante.

Pulizia

I processi di pulizia vengono utilizzati per substrati di vetro nudo e per substrati ricoperti di film organici, come filtri colorati, film di orientamento in poliimmide e così via. Inoltre, i substrati con film semiconduttori, isolanti e metallici richiedono la pulizia in determinati punti durante il processo di fabbricazione. Come minimo, è richiesta la pulizia prima di ogni fase di mascheratura nella fabbricazione di filtri colorati o transistor a film sottile.

La maggior parte della pulizia dei pannelli piatti impiega una combinazione di metodi fisici e chimici, con l'uso selettivo di metodi a secco. Dopo l'attacco chimico o la pulizia, i substrati vengono solitamente asciugati con alcol isopropilico. (Vedi tabella 1.)

Tabella 1. Pulizia dei display a schermo piatto

Pulizia fisica

Lavaggio a secco

Pulizia chimica

Lavaggio a pennello

Ozono ultravioletto

Solvente organico*

Getto d'acqua

Plasma (ossido)

Detergente neutro

Ultrasonico

Plasma (non ossido)

  

Megasonico

Laser

Acqua pura

* I comuni solventi organici utilizzati nella pulizia chimica includono: acetone, metanolo, etanolo, n-propanolo, isomeri di xilene, tricloroetilene, tetracloroetilene.

Formazione del filtro colore

La formazione del filtro colorato sul substrato di vetro anteriore include alcune delle fasi di finitura e preparazione del vetro comuni ai pannelli anteriore e posteriore, compresi i processi di smussatura e lappatura. Operazioni come la modellatura, il rivestimento e l'indurimento vengono eseguite ripetutamente sul substrato. Esistono molti punti in comune con la lavorazione dei wafer di silicio. I substrati di vetro vengono normalmente manipolati nei sistemi di binari per la pulizia e il rivestimento.

Motivo del filtro colore

Vari materiali e metodi di applicazione vengono utilizzati per creare filtri colorati per vari tipi di display a schermo piatto. È possibile utilizzare un colorante o un pigmento e uno dei due può essere depositato e modellato in diversi modi. In un approccio, la gelatina viene depositata e colorata in successive operazioni fotolitografiche, utilizzando apparecchiature di stampa di prossimità e fotoresist standard. In un altro vengono impiegati pigmenti dispersi in fotoresist. Altri metodi per formare filtri colorati includono l'elettrodeposizione, l'incisione e la stampa.

Deposizione ITO

Dopo la formazione del filtro colorato, la fase finale è la deposizione per sputtering di un materiale trasparente per l'elettrodo. Questo è l'ossido di indio-stagno (ITO), che in realtà è una miscela degli ossidi In2O3 e SnO2. Questo materiale è l'unico adatto per l'applicazione di conduttori trasparenti per LCD. È necessaria una sottile pellicola ITO su entrambi i lati del display. In genere, i film ITO vengono realizzati utilizzando l'evaporazione sotto vuoto e lo sputtering.

Le pellicole sottili di ITO sono facili da incidere con sostanze chimiche umide come l'acido cloridrico, ma, poiché il passo degli elettrodi si riduce e le caratteristiche diventano più fini, può essere necessario eseguire l'incisione a secco per evitare la sottosquadro delle linee a causa della sovraincisione.

Formazione di transistor a film sottile

La formazione di transistor a film sottile è molto simile alla fabbricazione di un circuito integrato.

Deposizione di film sottili

I substrati iniziano il processo di fabbricazione con una fase di applicazione del film sottile. I film sottili vengono depositati mediante CVD o deposizione fisica da vapore (PVD). La CVD potenziata dal plasma, nota anche come scarica a bagliore, viene utilizzata per silicio amorfo, nitruro di silicio e biossido di silicio.

Modello del dispositivo

Una volta che il film sottile è stato depositato, viene applicato un fotoresist e ripreso per consentire l'attacco del film sottile alle dimensioni appropriate. Una sequenza di film sottili viene depositata e incisa, come nella fabbricazione di circuiti integrati.

Applicazione e sfregamento della pellicola di orientamento

Sia sul substrato superiore che su quello inferiore viene depositato un sottile film polimerico per l'orientamento delle molecole di cristalli liquidi sulla superficie del vetro. Questa pellicola di orientamento, spessa forse 0.1 μm, può essere una poliimmide o un altro materiale polimerico "duro". Dopo la deposizione e la cottura, viene strofinato con tessuto in una direzione specifica, lasciando solchi appena percettibili sulla superficie. Lo sfregamento può essere eseguito con un panno una volta passato su un nastro, alimentato da un rullo su un lato, passando sotto un rullo a contatto con il substrato, su un rullo sull'altro lato. Il substrato si muove sotto il telo nella stessa direzione del telo. Altri metodi includono una spazzola mobile che si muove attraverso il substrato. Il pelo del materiale di sfregamento è importante. Le scanalature servono ad aiutare le molecole di cristalli liquidi ad allinearsi alla superficie del substrato e ad assumere il corretto angolo di inclinazione.

La pellicola di orientamento può essere depositata mediante spin coating o mediante stampa. Il metodo di stampa è più efficiente nell'uso del materiale; Dal 70 all'80% della poliimmide viene trasferito dal rullo di stampa alla superficie del substrato.

montaggio

Una volta completata la fase di sfregamento del substrato, viene avviata una sequenza di catena di montaggio automatizzata, che consiste in:

  • applicazione adesivo (necessario per la sigillatura dei pannelli)
  • applicazione del distanziatore
  • posizione e allineamento ottico di una piastra rispetto all'altra
  • esposizione (calore o UV) per polimerizzare l'adesivo e unire insieme le due lastre di vetro.

 

Il trasporto automatizzato delle lastre superiori e inferiori avviene attraverso la linea. Una piastra riceve l'adesivo e la seconda piastra viene introdotta nella stazione di applicazione del distanziatore.

Iniezione di cristalli liquidi

Nel caso in cui sul substrato sia stato costruito più di un display, i display vengono ora separati mediante slicing. A questo punto, il materiale a cristalli liquidi può essere introdotto nell'intercapedine tra i substrati, sfruttando un foro lasciato nel materiale di tenuta. Questo foro di ingresso viene quindi sigillato e preparato per l'ispezione finale. I materiali a cristalli liquidi vengono spesso forniti come sistemi a due o tre componenti che vengono miscelati all'iniezione. I sistemi di iniezione forniscono la miscelazione e lo spurgo della cella per evitare l'intrappolamento di bolle durante il processo di riempimento.

Ispezione e test

L'ispezione e il test funzionale vengono eseguiti dopo l'assemblaggio e l'iniezione di cristalli liquidi. La maggior parte dei difetti è correlata a particelle (inclusi difetti puntiformi e lineari) e problemi di gap cellulare.

Attacco polarizzatore

La fase di produzione finale per lo stesso display a cristalli liquidi è l'applicazione del polarizzatore all'esterno di ciascuna lastra di vetro. Le pellicole polarizzatori sono pellicole composite che contengono lo strato adesivo sensibile alla pressione necessario per fissare il polarizzatore al vetro. Sono applicati da macchine automatiche che erogano il materiale da rotoli o fogli pretagliati. Le macchine sono varianti di etichettatrici sviluppate per altri settori. La pellicola polarizzante è fissata su entrambi i lati del display.

In alcuni casi, prima del polarizzatore viene applicata una pellicola di compensazione. I film di compensazione sono film polimerici (ad es. policarbonato e polimetilmetacrilato) che vengono stirati in una direzione. Questo allungamento modifica le proprietà ottiche del film.

Un display completato avrà normalmente circuiti integrati driver montati su o vicino a uno dei substrati di vetro, solitamente il lato del transistor a film sottile.

Pericoli

La rottura del vetro è un rischio significativo nella produzione di LCD. Possono verificarsi tagli e lacerazioni. L'esposizione a sostanze chimiche utilizzate per la pulizia è un'altra preoccupazione.

 

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