液晶ディスプレイ (LCD) は、1970 年代から市販されています。 これらは、時計、電卓、ラジオ、およびインジケーターと 1993 文字または XNUMX 文字の英数字を必要とするその他の製品で一般的に使用されています。 液晶材料の最近の改良により、大型ディスプレイの製造が可能になりました。 LCD は半導体産業のごく一部にすぎませんが、その重要性は、ポータブル コンピューター、非常に軽量なラップトップ コンピューター、および専用のワード プロセッサ用のフラット パネル ディスプレイでの使用とともに増大しています。 LCD の重要性は、電子機器で一般的に使用されている最後の真空管である陰極線管 (CRT) に最終的に置き換わるため、成長し続けると予想されます (O'Mara XNUMX)。

LCD の製造は、非常に特殊なプロセスです。 産業衛生モニタリングの結果は、モニタリングされたさまざまな溶媒への曝露について、空気中の汚染物質レベルが非常に低いことを示しています (Wade et al. 1981)。 一般に、有毒、腐食性、可燃性の固体、液体、気体の化学物質、および危険な物理的作用物質の種類と量は、他の種類の半導体製造に比べて制限されています。

液晶材料は、図1に示すシアノビフェニル分子に代表される棒状の分子です。これらの分子は、通過する偏光の方向を回転させる性質を持っています。 分子は可視光に対して透明ですが、液体材料の容器は透明ではなく乳白色または半透明に見えます。 これは、分子の長軸がランダムな角度で整列しているため、光がランダムに散乱するために発生します。 液晶ディスプレイセルは、分子が特定の配列に従うように配置されています。 この配列は、外部電場によって変化する可能性があり、入射光の偏光を変化させることができます。

図 1. 基本的な液晶ポリマー分子

フラット パネル ディスプレイの製造では、XNUMX 枚のガラス基板が別々に処理されてから接合されます。 前面基板をパターン化して、カラー フィルター アレイを作成します。 背面ガラス基板をパターン化して、薄膜トランジスタおよび金属相互接続ラインを形成する。 これらの XNUMX つのプレートは、組み立てプロセスで合わせられ、必要に応じてスライスされ、個々のディスプレイに分離されます。 液晶材料は、XNUMX枚のガラス板の間の隙間に注入されます。 ディスプレイは検査およびテストされ、各ガラス板に偏光フィルムが貼り付けられます。

フラットパネルディスプレイの製造には、数多くの個々のプロセスが必要です。 特殊な機器、材料、およびプロセスが必要です。 特定の重要なプロセスを以下に概説します。

ガラス基板の準備

ガラス基板は、ディスプレイの必須かつ高価なコンポーネントです。 材料の光学的および機械的特性を非常に厳密に制御することは、プロセスのすべての段階で、特に加熱が必要な場合に必要です。

ガラス加工

非常に正確な寸法と再現可能な機械的特性を備えた非常に薄いガラスを製造するために、1 つのプロセスが使用されます。 コーニングが開発したフュージョン プロセスでは、くさび形のトラフで溶融し、トラフの側面を上って流れるガラス フィード ロッドを使用します。 トラフの両側を流れ落ちる溶融ガラスは、トラフの底でXNUMX枚のシートに合流し、均一なシートとして下方に引き寄せられます。 シートの厚さは、ガラスを引き下げる速度によって制御されます。 ほぼXNUMXmの幅まで取得できます。

LCD 基板に適した寸法のガラスを製造している他のメーカーは、製造にフロート法を使用しています。 この方法では、溶融ガラスを溶融スズのベッド上に流出させる。 ガラスは金属スズに溶けたり反応したりせず、表面に浮いています。 これにより、重力によって表面が滑らかになり、両側が平行になります。 (章を参照 ガラス、セラミックおよび関連材料.)

450 × 550 mm 以上のさまざまな基板サイズが用意されています。 フラット パネル ディスプレイの一般的なガラスの厚さは 1.1 mm です。 より薄いガラスは、ポケットベル、電話、ゲームなどの一部の小型ディスプレイに使用されます。

切断、面取り、研磨

ガラス基板は、フュージョンまたはフロート プロセスの後、通常は 1 辺が約 XNUMX m になるようにトリミングされます。 材料の最終的な用途に応じて、成形プロセスの後にさまざまな機械操作が行われます。

ガラスはもろく、端が欠けたり割れたりしやすいため、通常は面取り、面取り、またはその他の処理を施して、取り扱い中の欠けを減らします。 エッジクラックの熱応力は、基板処理中に蓄積し、破損につながります。 ガラスの破損は、生産中の重大な問題です。 従業員の切り傷や裂傷の可能性に加えて、これは歩留まりの低下を意味し、ガラスの破片が装置に残り、粒子汚染や他の基板の傷の原因となる可能性があります。

基板のサイズが大きくなると、ガラスの研磨が難しくなります。 大きな基板は、ワックスまたは他の接着剤を使用してキャリアに取り付けられ、研磨材のスラリーを使用して研磨されます。 この研磨プロセスの後には、完全な化学洗浄を行って、残っているワックスやその他の有機残留物、および研磨剤または研磨媒体に含まれる金属汚染物質を除去する必要があります。

クリーニング

洗浄工程は、ベアガラス基板や、カラーフィルター、ポリイミド配向膜などの有機膜で覆われた基板に使用されます。 また、半導体、絶縁体、および金属膜を含む基板は、製造プロセス内の特定の時点で洗浄が必要です。 少なくとも、カラー フィルターまたは薄膜トランジスターの製造では、各マスキング ステップの前にクリーニングが必要です。

ほとんどのフラット パネル クリーニングでは、物理的方法と化学的方法を組み合わせて使用​​し、選択的に乾式方法を使用します。 化学エッチングまたは洗浄の後、基板は通常、イソプロピル アルコールを使用して乾燥されます。 (表 1 を参照してください。)

表 1. フラット パネル ディスプレイのクリーニング

* 化学洗浄に使用される一般的な有機溶剤には、アセトン、メタノール、エタノール、 n-プロパノール、キシレン異性体、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン。

カラーフィルター形成

前面ガラス基板上でのカラー フィルタの形成には、前面パネルと背面パネルの両方に共通のガラス仕上げおよび準備手順の一部が含まれます。これには、面取りおよびラッピング プロセスが含まれます。 基板上で、パターニング、コーティング、硬化などの操作が繰り返されます。 シリコンウェーハ加工との類似点が多い。 ガラス基板は、通常、洗浄とコーティングのためにトラック システムで処理されます。

カラーフィルターパターニング

さまざまな材料と塗布方法を使用して、さまざまなフラット パネル ディスプレイ タイプ用のカラー フィルターを作成します。 染料または顔料のいずれかを使用でき、いずれかをいくつかの方法で堆積およびパターン化することができます。 １つのアプローチでは、プロキシミティ印刷装置および標準的なフォトレジストを使用して、ゼラチンが堆積され、連続するフォトリソグラフィ操作で染色される。 別の方法では、フォトレジストに分散された顔料が使用されます。 カラーフィルタを形成する他の方法には、電着、エッチング、および印刷が含まれる。

ITO蒸着

カラーフィルター形成後の最終工程は、透明電極材料のスパッタ成膜です。 これはインジウム-スズ酸化物 (ITO) で、実際には酸化物 In の混合物です。₂O₃ およびSnO₂. この材料は、LCD の透明導電体アプリケーションに適した唯一の材料です。 ディスプレイの両面に薄い ITO フィルムが必要です。 通常、ITOフィルムは真空蒸着とスパッタリングを使用して作成されます。

ITOの薄膜は塩酸などのウェットケミカルで簡単にエッチングできますが、電極のピッチが狭くなり、微細化が進むにつれて、オーバーエッチングによるラインのアンダーカットを防ぐためにドライエッチングが必要になる場合があります。

薄膜トランジスタ形成

薄膜トランジスタの形成は、集積回路の製造と非常によく似ています。

薄膜堆積

基板は、薄膜アプリケーション ステップで製造プロセスを開始します。 薄膜は、CVD または物理蒸着 (PVD) によって堆積されます。 グロー放電とも呼ばれるプラズマ CVD は、アモルファス シリコン、窒化シリコン、二酸化シリコンに使用されます。

デバイスパターニング

薄膜が堆積されると、フォトレジストが適用され、イメージ化されて、薄膜を適切な寸法にエッチングできるようになります。 集積回路の製造と同様に、一連の薄膜が堆積され、エッチングされます。

配向膜塗布・ラビング

上部基板と下部基板の両方に、ガラス表面での液晶分子の配向のために薄いポリマーフィルムが堆積されます。 この配向フィルムは、おそらく厚さ０．１μｍであり、ポリイミドまたは他の「硬質」ポリマー材料であり得る。 堆積と焼き付けの後、布で特定の方向にこすり、表面にほとんど検出できない溝を残します。 ラビングは、一方の側のローラーから供給され、基材に接触するローラーの下を通過し、もう一方の側のローラー上を通過する、ベルト上の 0.1 回の布で行うことができます。 基材は布の下を布と同じ方向に移動します。 他の方法には、基板を横切って移動する移動ブラシが含まれます。 ラビング材の起毛は重要です。 溝は、液晶分子が基板表面に整列し、適切な傾斜角をとるのを助ける働きをします。

配向膜は、スピンコーティングまたは印刷によって堆積させることができる。 印刷方法は、材料の使用においてより効率的です。 ポリイミドの 70 ～ 80% が印刷ロールから基板表面に転写されます。

アセンブリ

基板のラビングステップが完了すると、自動化された組立ラインシーケンスが開始されます。

• 接着剤の塗布（パネルのシーリングに必要）

• スペーサー塗布

• 一方のプレートのもう一方に対する位置と光学的位置合わせ

• 露光 (熱または UV) して接着剤を硬化させ、XNUMX 枚のガラス板を接着します。

上部プレートと下部プレートの両方の自動搬送がラインを通じて行われます。 XNUMX 枚のプレートが接着剤を受け取り、XNUMX 枚目のプレートがスペーサー アプリケーター ステーションに導入されます。

液晶注入

複数のディスプレイが基板上に構築されている場合、ディスプレイはスライスによって分離されます。 このとき、シール材に空いた穴を利用して基板間の隙間に液晶材料を導入することができる。 次に、この入口の穴をふさぎ、最終検査の準備をします。 液晶材料は、多くの場合、注入時に混合される XNUMX つまたは XNUMX つのコンポーネント システムとして提供されます。 注入システムは、セルの混合とパージを提供して、充填プロセス中に気泡がトラップされるのを防ぎます。

検査とテスト

組立・液晶注入後、検査・機能検査を行います。 ほとんどの欠陥は、粒子 (点および線欠陥を含む) およびセル ギャップの問題に関連しています。

偏光子アタッチメント

液晶ディスプレイ自体の最終製造工程は、各ガラス板の外側に偏光子を貼り付けることです。 偏光フィルムは、偏光子をガラスに取り付けるために必要な粘着層を含む複合フィルムです。 それらは、ロールまたはプレカットシートから材料を分配する自動化された機械によって適用されます。 これらのマシンは、他の業界向けに開発されたラベリング マシンのバリエーションです。 偏光フィルムはディスプレイの両面に貼られています。

場合によっては、偏光子の前に補償フィルムが適用されます。 補償フィルムは、一方向に延伸されるポリマーフィルム（例えば、ポリカーボネートおよびポリメチルメタクリレート）である。 この延伸により、フィルムの光学特性が変化します。

完成したディスプレイは、通常、ガラス基板の XNUMX つ、通常は薄膜トランジスタ側に、またはその近くにドライバ集積回路が取り付けられています。

危険

ガラスの破損は、LCD 製造における重大な危険です。 切り傷や裂傷が発生する可能性があります。 洗浄に使用される化学物質への曝露も別の問題です。

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