Жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи) коммерчески доступны с 1970-х годов. Они обычно используются в часах, калькуляторах, радиоприемниках и других продуктах, требующих индикаторов и трех или четырех буквенно-цифровых символов. Недавние усовершенствования жидкокристаллических материалов позволяют производить большие дисплеи. Хотя ЖК-дисплеи составляют лишь небольшую часть полупроводниковой промышленности, их значение возросло с их использованием в плоских дисплеях для портативных компьютеров, очень легких портативных компьютеров и специализированных текстовых процессоров. Ожидается, что важность ЖК-дисплеев будет продолжать расти, поскольку они в конечном итоге заменят последнюю электронную лампу, обычно используемую в электронике, — электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) (O'Mara 1993).
Производство ЖК-дисплеев является очень специализированным процессом. Результаты мониторинга промышленной гигиены указывают на очень низкие уровни переносимых по воздуху загрязняющих веществ для различных отслеживаемых воздействий растворителей (Wade et al. 1981). В целом, количество используемых токсичных, коррозионных и легковоспламеняющихся твердых, жидких и газообразных химических веществ и опасных физических веществ ограничено по сравнению с другими видами производства полупроводников.
Жидкокристаллические материалы представляют собой стержнеобразные молекулы, примером которых являются молекулы цианобифенила, показанные на рисунке 1. Эти молекулы обладают свойством вращать направление прохождения поляризованного света. Хотя молекулы прозрачны для видимого света, контейнер с жидким материалом кажется молочным или полупрозрачным, а не прозрачным. Это происходит потому, что длинная ось молекул выровнена под случайными углами, поэтому свет рассеивается случайным образом. Ячейка жидкокристаллического дисплея устроена так, что молекулы следуют определенному выравниванию. Это выравнивание можно изменить с помощью внешнего электрического поля, что позволяет изменить поляризацию входящего света.
Рисунок 1. Основные молекулы жидкокристаллического полимера
При производстве плоскопанельных дисплеев две стеклянные подложки обрабатываются отдельно, а затем соединяются вместе. Передняя подложка имеет рисунок для создания массива цветовых фильтров. На задней стеклянной подложке расположены тонкопленочные транзисторы и металлические соединительные линии. Эти две пластины сопрягаются в процессе сборки и, при необходимости, разрезаются и разделяются на отдельные дисплеи. Жидкокристаллический материал впрыскивается в зазор между двумя стеклянными пластинами. Дисплеи проверяются и тестируются, и на каждую стеклянную пластину наносится поляризующая пленка.
Для производства плоских дисплеев требуется множество отдельных процессов. Они требуют специального оборудования, материалов и процессов. Некоторые ключевые процессы описаны ниже.
Подготовка стеклянной подложки
Стеклянная подложка является важным и дорогостоящим компонентом дисплея. Требуется очень жесткий контроль оптических и механических свойств материала на каждой стадии процесса, особенно при нагреве.
Производство стекла
Два процесса используются для изготовления очень тонкого стекла с очень точными размерами и воспроизводимыми механическими свойствами. В процессе плавления, разработанном Corning, используется стеклянный питательный стержень, который плавится в клиновидном желобе и течет вверх и по краям желоба. Стекая по обеим сторонам желоба, расплавленное стекло соединяется в единый лист на дне желоба и может вытягиваться вниз как однородный лист. Толщина листа регулируется скоростью опускания стекла. Может быть получена ширина почти до 1 м.
Другие производители стекол с соответствующими размерами для ЖК-подложек используют флоат-метод изготовления. В этом методе расплавленное стекло вытекает на слой расплавленного олова. Стекло не растворяется и не реагирует с металлическим оловом, а плавает на поверхности. Это позволяет гравитации сгладить поверхность и позволить обеим сторонам стать параллельными. (см. главу Стекло, керамика и сопутствующие материалы.)
Доступны различные размеры подложек, вплоть до 450 × 550 мм и больше. Типичная толщина стекла для плоских дисплеев составляет 1.1 мм. Более тонкое стекло используется для некоторых небольших дисплеев, таких как пейджеры, телефоны, игры и так далее.
Резка, скашивание и полировка
Стеклянные подложки обрезаются по размеру после процесса плавления или флоатинга, обычно примерно до 1 м со стороны. За процессом формования следуют различные механические операции, в зависимости от конечного применения материала.
Поскольку стекло является хрупким и легко скалывается или трескается по краям, на них обычно делают фаски, фаски или иную обработку для уменьшения сколов при обращении. Термические напряжения в краевых трещинах накапливаются в процессе обработки подложки и приводят к ее разрушению. Поломка стекла является серьезной проблемой во время производства. Помимо возможности получения порезов и рваных ран работниками, это представляет собой потерю производительности, а осколки стекла могут оставаться в оборудовании, вызывая загрязнение твердыми частицами или царапая другие подложки.
Увеличение размера подложки приводит к увеличению сложности полировки стекла. Большие подложки крепятся к носителям с помощью воска или другого клея и полируются с помощью суспензии абразивного материала. За этим процессом полировки должна следовать тщательная химическая очистка для удаления остатков воска или других органических остатков, а также металлических примесей, содержащихся в абразиве или полировальной среде.
Уборка
Процессы очистки используются для чистых стеклянных подложек и для подложек, покрытых органическими пленками, такими как цветные фильтры, полиимидные ориентационные пленки и т.д. Кроме того, подложки с полупроводниковыми, изоляционными и металлическими пленками требуют очистки на определенных этапах производственного процесса. Как минимум, требуется очистка перед каждым этапом маскирования при изготовлении цветных фильтров или тонкопленочных транзисторов.
В большинстве случаев при очистке плоских панелей используется комбинация физических и химических методов с избирательным использованием сухих методов. После химического травления или очистки подложки обычно сушат изопропиловым спиртом. (См. таблицу 1.)
Табл. 1. Очистка плоскопанельных дисплеев
|
Физическая очистка |
Сухая чистка |
Химическая очистка |
|
Чистка щеткой |
Ультрафиолетовый озон |
Органический растворитель* |
|
Струйный спрей |
Плазма (оксид) |
Нейтральное моющее средство |
|
Ультразвуковой |
Плазма (неоксидная) |
|
|
Мегазвук |
Лазер |
Чистая вода |
* Обычные органические растворители, используемые при химической очистке, включают: ацетон, метанол, этанол, n-пропанол, изомеры ксилола, трихлорэтилен, тетрахлорэтилен.
Формирование цветового фильтра
Формирование цветного фильтра на передней стеклянной подложке включает в себя некоторые этапы обработки и подготовки стекла, общие для передней и задней панелей, в том числе процессы снятия фаски и притирки. Такие операции, как формирование рисунка, покрытие и отверждение, многократно выполняются на подложке. Существует много точек сходства с обработкой кремниевых пластин. Стеклянные подложки обычно обрабатываются в направляющих системах для очистки и покрытия.
Рисунок цветового фильтра
Для создания цветных фильтров для различных типов плоскопанельных дисплеев используются различные материалы и методы нанесения. Можно использовать либо краситель, либо пигмент, и любой из них можно наносить и создавать узор несколькими способами. В одном подходе желатин наносят и окрашивают в последовательных фотолитографических операциях с использованием оборудования для бесконтактной печати и стандартных фоторезистов. В другом используются пигменты, диспергированные в фоторезисте. Другие методы формирования цветных фильтров включают электроосаждение, травление и печать.
Депонирование ИТО
После формирования цветного фильтра завершающим этапом является напыление прозрачного электродного материала. Это оксид индия-олова (ITO), который на самом деле представляет собой смесь оксидов In2O3 и SnO2. Этот материал является единственным, подходящим для использования в качестве прозрачного проводника для ЖК-дисплеев. Тонкая пленка ITO требуется с обеих сторон дисплея. Обычно пленки ITO изготавливают с помощью вакуумного испарения и напыления.
Тонкие пленки ITO легко протравливаются влажными химическими веществами, такими как соляная кислота, но по мере того, как шаг электродов становится меньше, а детали становятся тоньше, может потребоваться сухое травление, чтобы предотвратить подрезание линий из-за перетравливания.
Формирование тонкопленочных транзисторов
Изготовление тонкопленочных транзисторов очень похоже на изготовление интегральной схемы.
Осаждение тонкой пленки
Подложки начинают процесс изготовления с этапа нанесения тонкой пленки. Тонкие пленки наносят методом CVD или методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). Плазменный CVD, также известный как тлеющий разряд, используется для аморфного кремния, нитрида кремния и диоксида кремния.
Шаблоны устройств
После нанесения тонкой пленки наносится фоторезист и отображается изображение, позволяющее протравить тонкую пленку до соответствующих размеров. Последовательность тонких пленок осаждается и травится, как при изготовлении интегральных схем.
Нанесение ориентационной пленки и втирание
Как на верхнюю, так и на нижнюю подложку нанесена тонкая полимерная пленка для ориентации молекул жидкого кристалла на поверхности стекла. Эта ориентирующая пленка толщиной примерно 0.1 мкм может быть полиимидом или другим «жестким» полимерным материалом. После осаждения и запекания его натирают тканью в определенном направлении, оставляя на поверхности едва заметные бороздки. Натирание может производиться однократной тканью на ленте, подаваемой с валика с одной стороны, проходящей под валиком, контактирующим с подложкой, на валик с другой стороны. Подложка перемещается под тканью в том же направлении, что и ткань. Другие методы включают передвижную щетку, которая перемещается по подложке. Важное значение имеет ворс натирающего материала. Канавки помогают молекулам жидких кристаллов выравниваться на поверхности подложки и принимать правильный угол наклона.
Ориентационная пленка может быть нанесена центрифугированием или печатью. Метод печати более эффективен в использовании материала; От 70 до 80% полиимида переносится с печатного вала на поверхность подложки.
сборка
После завершения этапа притирки подложки начинается последовательность автоматизированной сборочной линии, которая состоит из:
- нанесение клея (необходимо для герметизации панелей)
- применение прокладки
- расположение и оптическое выравнивание одной пластины по отношению к другой
- воздействие (тепло или УФ) для отверждения клея и соединения двух стеклянных пластин вместе.
По линии происходит автоматизированная транспортировка как верхних, так и нижних плит. На одну пластину наносится клей, а вторая пластина вводится в аппликаторную станцию.
Впрыск жидких кристаллов
В случае, когда на подложке было построено более одного дисплея, дисплеи теперь разделяются путем нарезки. В этот момент жидкокристаллический материал может быть введен в зазор между подложками, используя отверстие, оставленное в герметизирующем материале. Затем это входное отверстие запечатывается и подготавливается к окончательной проверке. Жидкокристаллические материалы часто поставляются в виде двух- или трехкомпонентных систем, которые смешиваются при впрыскивании. Системы впрыска обеспечивают перемешивание и продувку ячейки во избежание захвата пузырьков в процессе наполнения.
Проверка и тестирование
Осмотр и функциональное тестирование выполняются после сборки и впрыска жидких кристаллов. Большинство дефектов связано с частицами (включая точечные и линейные дефекты) и проблемами с зазорами между ячейками.
Насадка-поляризатор
Последним этапом изготовления самого жидкокристаллического дисплея является нанесение поляризатора на внешнюю сторону каждой стеклянной пластины. Поляризационная пленка представляет собой композитную пленку, содержащую самоклеящийся клейкий слой, необходимый для прикрепления поляризатора к стеклу. Они наносятся автоматическими машинами, которые дозируют материал из рулонов или предварительно нарезанных листов. Эти машины представляют собой варианты этикетировочных машин, разработанные для других отраслей промышленности. Поляризационная пленка прикреплена к обеим сторонам дисплея.
В некоторых случаях перед поляризатором наносится компенсационная пленка. Компенсационные пленки представляют собой полимерные пленки (например, поликарбонат и полиметилметакрилат), которые растягиваются в одном направлении. Это растяжение изменяет оптические свойства пленки.
Готовый дисплей обычно имеет интегральные схемы драйвера, установленные на одной из стеклянных подложек или рядом с ней, обычно на стороне тонкопленочного транзистора.
опасности
Разрушение стекла представляет собой серьезную опасность при производстве ЖК-дисплеев. Возможны порезы и рваные раны. Воздействие химических веществ, используемых для очистки, является еще одной проблемой.