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Die Erfindung betrifft eine thermisch-optische Anzeigevorrichtung, mit von Halbleiter-Widerstands- elementen gebildeten, in Matrixform angeordneten Heizelementen, die samt den notwendigen Zuleitungen auf einer Halbleiterplatte vorgesehen sind.
Im einzelnen handelt es sich um eine thermische Anzeigevorrichtung von jener Art, bei welcher eine
Anordnung von Heizelementen vorgesehen ist, von welchen Heizelementen jeweils bestimmte angeregt werden, um eine Nachricht (Darstellung) an wärmeempfindlichem Material zu zeigen, und insbesondere auf eine inte- grierte Halbleiter-Heizelementanordnung mit zugehöriger Treibermatrix.
Hiebei umfasst die Anzeigevorrichtung eine luftisolierte, integrierte Halbleiterschaltung, die eine Anordnung von Halbleiter-Heizelementen bildet, die durch ein Muster von metallischen Verbindungen miteinander verbunden sind, welches Muster sich über die Heizelemente hinaus erstreckt, um bestimmte Heizelemente und eine durch pn-Übergänge isolierte, in integrierter Schaltung aufgebaute Treibermatrix für die Heizelemente in Verbindung zu bringen. Hiebei liegt die Matrix in der gleichen Ebene wie die Heizelementanordnung.
Die durch pn-Übergänge isolierte, integrierte Halbleiter-Treibermatrix und die Halbleiter-Heizelementanordnung sind gleichzeitig auf dem gleichen Halbleiterplättchen gebildet und die Heizelementanordnung ist luftisoliert, um ein hohes Ausmass an elektrischer und thermischer Isolation für die Heizelementanordnung zu erreichen, während beide in der selben Ebene auf einem grösseren Träger angeordnet sind. Das wärmeempfindliche Material, mit welchem eine sich bewegende Darstellung erreicht wird oder mit welchem eine gleichbleibende Anzeige erzielt wird, steht in unmittelbarer Berührung mit dem mono-kristallinen Halbleitermaterial der Heizelementanordnung und kann die Heizelementanordnung und auch die Treibermatrix überdecken.
Ziel der Erfindung ist es, derartige Anzeigevorrichtungen zu vereinfachen und zu verbessern und einen solchen Aufbau derartiger Anzeigevorrichtungen zu schaffen, dass ihre Herstellung wesentlich vereinfacht wird.
Weitere Merkmale der erfindungsgemässen Einrichtung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert, welche Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen. Hiebei zeigt Fig. 1 eine integrierte Heizelement-Anordnung mit Treibermatrix gemäss der Erfindung, Fig. 2 zeigt ein Zwischenprodukt bei der Herstellung der integrierten Heizelementanordnung mit Treibermatrix nach Fig. l ; Fig. 3 zeigt das Muster der gegenseitigen Verbindungen der Heizelemente und der Steuermatrix an der Oberfläche des Zwischenproduktes nach Fig. 2, Fig. 4 zeigt das Muster der gegenseitigen Verbindungen der äusseren Anschlüsse der Heizelemente und der Treibermatrix nach Fig. l, und Fig. 5 zeigt die elektrische Schaltung, die in der integrierten Heizelementanordnung mit Treibermatrix angeordnet ist.
Fig. 1 zeigt eine "Drei zu fünf'-Heizelementanordnung von Halbleiter-"Mesas" (damit sind tafelbergartige oder tischähnliche Erhebungen gemeint), die im Abschnitt -3- angeordnet sind, und die Treibermatrix im Abschnitt-4-, worüber wärmeempfindliches Material vorgesehen ist, um so eine Anzeigevorrichtung von jener Art zu bilden, wie sie in der USA-Patentschrift Nr. 3, 323, 241 von I. W. Blair et al. beschrieben ist, demgemäss die dort angeführten "thermochromen" Stoffe verwendet sind, oder über welche letzrere ein in besonderer Weise behandeltes wärmeempfindliches Material gelegt ist, um auf diese Weise eine Anzeigevorrichtung zu bilden.
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gebracht, u. zw. mittels eines isolierenden Klebemittels mit guten thermischen und elektrischen Isoliereigenschaften, wie etwa Epoxy.
Jedes Heizelement der Anordnung umfasst einen monokristallinen Halbleiterkörper in"Mesa"-Form (eine tafelbergartige Erhebung) und das eigentliche Heizelement, welches darin an der Unterseite der Erhebung, der Unterlage-l-benachbart, gebildet ist, so dass, wenn das Heizelement erregt wird, ein"Hitzefleck"an der Dberseite der Erhebung entsteht, wodurch sich ein scharf umgrenzter Leuchtpunkt auf dem darauf befindlichen wärmeempfindlichen Material bildet. Eine Gruppe von wahlweise erregbaren Heizelementen bildet daher eine Sruppe von Leuchtpunkten am wärmeempfindlichen Material, um etwa einen Buchstaben oder sonst eine Information zu bilden, welche auf dem wärmeempfindlichen Material erscheint.
Die Erhebungen, welche die Heizelementanordnung umfasst, sind voneinander luftisoliert und stehen miteinander durch ein metallisches Verbindungsmuster oder-netzwerk in Verbindung, welches sich unterhalb der Erhebungen zwischen dem Halbleiterplättchen -2- und der Unterlage-l-befindet. Dieses Netzwerk verbindet die Heizelemente in den Erhebungen in der gewünschten Schaltanordnung. Die Treibermatrix für das erregen bestimmter Heizelemente und die Lieferung der erforderlichen Energie an die Heizelemente ist im
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-2- entsprechend. ntegrierten Schaltung angeordnet, über einen pn-Übergang voneinander isoliert und entsprechend der ge- vünschten Schaltung durch ein metallisches Verbindungsnetzwerk miteinander verbunden, welches sich zwichen dem Halbleiterplättchen -2- und der Unterlage-l-befindet.
Die Heizelementanordnung und die Ureibermatrix sind ebenfalls, der gewünschten Schaltung entsprechend, miteinander verbunden, u. zw. durch
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welchem die luftisolierten Heizelemente angeordnet sind, und demgemäss bildet die Oberseite des Halbleiter- plättchens --2-- eine gute, gleichmässige Grundlage für die Anordnung oder das Aufbringen des wärmeempfindlichen Materials auf der Heizelementanordnung.
Das metallene Verbindungsmuster, welches sich zwischen dem Halbleiterplättchen --2-- und der Unterlage-l-befindet, ist nach aussen zu Verbindungsflächen erweitert, die sich unterhalb der Öffnungen-5, 6 und 7- der Unterlage -1-- befinden, so dass wegführende Verbindungen durch die an der Unterseite der Unterlage-l-befindlichen Öffnungen hindurch an die Verbindungsflächen angeschlossen werden können.
Dementsprechend sind die Anschlüsse an der Unterseite der Unterlage-l-vorgesehen und daher von dem auf den Erhebungen befindlichen wärmeempfindlichen Material weggerückt. Das metallene Verbindungsmuster, welches sich zwischen dem Halbleiterplättchen --2-- und der Unterlage-l-befindet, verbindet die voneinander luftisolierten Erhebungen in mechanischer und elektrischer Hinsicht und verbindet sie überdies elektrisch mit den Schaltelementen der Treibermatrix ; es ist im Epoxy-Kleber angeordnet, welcher zwischen dem Halbleiterplättchen --2-- und der Unterlage-l-vorgesehen ist.
Jede Erhebung enthält einen Transistor und einen Widerstand, welche beide wahlweise erregt werden, so dass die am Widerstand auftretende Wärme den Hitzefleck an der Oberseite der jeweils gewählten Erhebung verursacht. Der Transistor in jeder Erhebung ergibt eine aktive Steuer- oder Verstärkungsfunktion in der Weise., dass die von ihm erzeugte Wärme die Bildung des Hitzefleckes erleichtert.
Darüber hinaus verringert ein aktives Schaltelement in jeder Erhebung die Notwendigkeit der Verstärkung der Signale, die sonst von aussen her der Heizelementanordnung zuzuführen sind, und ermöglicht es der Heizelementanordnung, unmittelbar von schwachen Signalquellen gesteuert werden zu können.
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der Widerstand-R14-mit ihremRB3 (} - sind diffundierte p-Typ-Regionen in der Oberfläche des Halbleiterplättchens-2-. Diese Basiswiderstände sind mit den Basiselektroden (Basen) der jeweils zugehörigen Treibertransistoren-T16 bis T30-- ver-
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umfassen leitende Kanäle im Halbleiterplättchen-2-,
um eine galvanische elektrische Verbindung zwischen den Basiselektroden der einzelnen Transistoren-Tl bis T15-und den verschiedenen Schaltelementen in der Treibermatrix zu schaffen. Eine hochdotierte, diffundierte n-Typ-Region-TVC-, bildet einen leitenden
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-2- naheRB 21 - 25 RE21 - 25 bzw. RB26 - 30 - RE26 - 30-- vorgesehen. Der pn-Übergang, der zwischen einem n-Typ-Kanal und dem darunterliegenden p-Typ-Material vorhanden ist, isoliert die Kanäle voneinander und von den andern Schaltelementen.
Die Transistoren, Widerstände, Kanäle und Isolier-Übergänge sind in der Oberfläche des Plättchens-2- unter Verwendung des "Planar-Verfahrens" erzeugt, bei welchem ein Oxydfilm vom gewünschten Widerstandswert durch Wärmeeinwirkung auf dem p-Typ-Siliciumplättchen gebildet wird, indem das Plättchen in einem Ofen erhöhter Temperatur ausgesetzt wird, während ein oxydierendes Mittel über das Plättchen streicht. Der entstehende Siliciumdioxydfilm wirkt als Abdeckmaske gegenüber den Verunreinigungen, die später in das Plättchen eindiffundiert werden. In diesem Oxydfilm werden Löcher vorgesehen, um bei den folgenden Diffusionsprozessen die Bildung der Transistoren, der Widerstände, der Kanäle und der isolierenden Teile zu ermöglichen.
Diese Löcher, welche Muster der herzustellenden Schaltelemente, Kanäle und Isoliergebiete sind, werden mit Hilfe der Photo-Lithographie gebildet. Kontakte und Verbindungen zwischen den Schaltelementen werden durch ähnliche lithographische Vorgänge erzeugt, wobei z. B. Aluminium auf den Oxydfilm aufgedampft wird, um ein metallisches Muster zu bilden, welches die Schaltelemente untereinander verbindet und in Anschlussflächen für die Anbringung äusserer Verbindungen endigt. Dieses Verbindungsmuster umfasst leitende Streifen auf dem Oxydfilm, welche sich in Öffnungen im Oxydfilm hinein erstrecken, um die gewünschten Verbindungen herzustellen.
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bildet wurde, ist in Fig. 3 gezeigt.
Eine grosse leitende Grundfläche, in Fig. 3 mit dem Symbol "Masse" bezeichnet, verbindet die Emitter aller Transistoren -T1 bis T15-und jeweils ein Ende aller Emitterwider- stände -RE16 bis RE30-. -RE20, RE25 und REO-sind in Fig. 3 dargestellt, um den Ort zu zeigen, an welchem die Grundfläche mit diesen Emitterwiderständen verbunden ist. Der leitende Streifen-Vc-ver-
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R15-und ein Ende--RC21 bis RC30-- (in Fig. 3 mit--VC--bezeichnet) und ein Ende des Kanals-TVCc- (in Fig. 2 mit -V C, - bezeichnet).
Der Leiterstreifen-36-verbindet die Basis des Transistors-T15-mit einem Ende des Kanals - TB15-und der Leiterstreifen-37-verbindet das andere Ende des Kanals--TB15-- mit dem Emitter des Transistors-T30-und mit dem einen Ende des Emitterwiderstandes--RE30--.Durch den Leiterstreifen-38wird die Basis des Transistors-T14-mit dem einen Ende des Kanals-Tg14-verbunden, während der Leiterstreifen-39-das andere Ende des Kanals -TB14- mit dem Emitter des Transistors --29-- und dem
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den Basen der Transistoren-30, 29,28, 27,26, 21,22, 23,24, 25,26, 17, 18,19 und 20-- zu einem Ende des jeweils zugehörigen Basiswiderstandes. Die verbreiterten Abschnitte der Leiterstreifen-21 bis 35-dienen später als Anschlussstellen für äussere Verbindungen und insbesondere als Eingangsanschlüsse, um die Heizelemente wahlweise zu erregen.
Demgemäss entspricht die Anschlussstelle --21-- in Fig.3 dem Eingangsanschluss-130-in Fig. 5 und die Anschlussstelle --22-- in Fig.3 entspricht dem Eingangsanschluss-129-in Fig. 5.
Die andern Enden der Basiswiderstände-RB16 bis RB30-- sind an die Kanäle --PG-- angeschlossen, die in Fig. 2 gezeigt sind, und die Enden dieser Kanäle sind durch den Leiterstreifen --PG-- (Fig.3) untereinander verbunden. Beispielsweise ist das andere Ende des Basiswiderstandes --RB20-- an den Kanal-PG-mittels des Leiterstreifens-41-angeschlossen (Fig. 2 oben), das andere Ende des Basiswiderstandes-Rg30-- ist an den Kanal-PG-gelegt (gezeigt in der Mitte von Fig. 2), u. zw. mittels des Leiterstreifens-40-, der in Fig. 3 dargestellt ist, und der Basiswiderstand -RB26- hat sein anderes Ende an den Kanal --PG--, der im unteren
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Teil der Fig. 2 erkennbar ist, mittels des Leiterstreifens --PG1-- gelegt, der in Fig.
3 zu sehen ist.
Es ist hervorzuheben, dass dort, wo ein Leiterstreifen einen Kanal kreuzt-z. B. kreuzt der Leiterstreifen --VC-- die Kanäle -- TB1 bis TB10-, die isolierende Siliciumoxydschicht an der Oberfläche des Halbleiterplättchens den Leiterstreifen vom leitenden Kanal trennt, so dass gegenseitige elektrische Beeinflussungen nicht möglich sind.
Nachdem also die Treibermatrix komplizierter ist und mehr Schaltelemente umfasst als die Heizelementanordnung, beansprucht sie auch einen grösseren Bereich des Halbleiterplättchens als die Heizelementanordnung und ist trotzdem nahe der Heizelementanordnung, weil sowohl Treibermatrix als auch Heizelementanordnung während des gleichen Prozesses hergestellt und den Einwirkungen gleicher Milieus ausgesetzt werden. Die Notwendigkeit der Anordnung einer äusseren Treiberschaltung ist damit vermieden und der Umfang der nötigen Verbindungsleitungen verringert.
Nach der Behandlung des Halbleiterplättchens, wodurch es die Heizelementanordnung und die Treibermatrix mit dem gewünschten Muster von Verbindungen enthält, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, wird es umgekehrt,
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die in Fig. 3 mit --21 bis 25, PG1, RE30, VC und C-- bezeichnet sind. Sodann wird ein Epoxy-Kleber auf das Halbleiterplättchen, über das metallene Verbindungsmuster, das Siliciumoxyd und das Photoresist-Material, aufgetragen. Der Epoxy-Kleber haftet am Siliciumoxyd und am metallischen Verbindungsmuster, nicht aber am Photoresist-Material.
Das Halbleiterplättchen wird dann Oberseite nach unten gewendet und auf dem Isolier- träger-l-wie in Fig. 1 gezeigt, befestigt, wobei die Anschlussflächen--31 bis 35, Vc und G-in der Öff-
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--5-- zugen --5, 6 und 7-- zusammen, dass sie durch diese Öffnungen der Unterlage hindurch zugänglich sind. Fig. 4 zeigt eine Unteransicht der Unterlage --1-- und lässt die Öffnungen-5 bis 7-- mit den darüberliegenden Anschlussflächen erkennen.
Der Epoxy-Kleber wird darauf zu einer festen harten Masse ausgehärtet und während des ersten Abschnittes dieses Vorganges nimmt die Viskosität des Epoxy-Klebers vor der Polymerisation und dem Aushärten merkbar ab. Diese geringere Viskosität des Klebers erleichtert das Fliessen des Epoxy-Klebers dort, wo er das Photoresist-Material nicht hinreichend benetzen kann, so dass der Epoxy-Kleber sich vom Photoresist-Material zurückzieht und sich in den Gebieten um das Photoresist-Material herum sammelt und mit den Wänden der Öffnungen-5 bis 7-- in der Unterlage-l-einen Meniskus bildet.
Nach dem völligen Aushärten des Epoxy-Klebers wird das Photoresist-Material in üblicher Art entfernt, wodurch die Anschlussflächen freigelegt werden, sie sind frei vom Epoxy-Kleber und sauber, so dass an ihnen gute elektrische Verbindungen hergestellt werden können.
Die Oberseite des Halbleiterplättchens, d. i. die von den Heizelementen abgewendete Seite, wird nunmehr abgetragen, um das Halbleiterplättchen so dünn wie gewünscht zu machen. Dies kann in einem Schritt oder in mehreren Schritten durchgeführt werden durch Läppen, Sandstrahlen oder chemisches Ätzen. Die pn-Übergänge bleiben jedoch unversehrt erhalten. Nachdem das wärmeempfindliche Material auf die monokristalline Oberfläche des Halbleiterplättchens aufgebracht oder über diese aufgezogen worden ist, wird diese chemisch oder mechanisch poliert.
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wird auf diese Photoresist-Schichte gelegt, um das gewünschte Belichtungsmuster für die Photoresist-Schichte zu bilden.
Die Photoresist-Schichte wird sodann durch die Öffnungen in der Photomaske hindurch belichtet, entwickelt und stellenweise entfernt, wobei jene Flächenteile der Oberfläche des Halbleiters belichtet werden, die entfernt werden sollen. Entsprechend der Photoresist-Schichte, die das gewünschte Muster zeigt, wird nun das Halbleitermaterial bis zum Siliciumoxydfilm abgeätzt, um hiedurch die luftisolierten Erhebungen, wie in Fig. 1 gezeigt, zu erhalten.
Fig. 1 zeigt die endgültige Form des Halbleiterplättchens -2-, in welchem sich die dreimal- 5-Anordnung der luftisolierten Erhebungen befindet.
Gemäss Fig. 4, bei Betrachtung der Unterseite der isolierenden Unterlage-l-, ist zu erkennen, dass ein vorhergehend an der Unterseite der isolierenden Unterlage-l-angebrachtes Muster metallischer Leitungszüge mit den Anschlussflächen am Halbleiterplättchen zu verbinden ist. Hiezu werden Verbindungen --42- an- geordnet zwischen den Anschlussflächen und den Leiterbahnen an der Unterseite der isolierenden Unter- lage-l-, u. zw. durch die Öffnungen --5 bis 7-- in der Unterlage-l-.
Wie zu erkennen ist, bilden die Anschlussstreifen --21 bis 35-in Verbindung mit dem Anschlussstreifen --PGI-- die Eingangs-Anschlüsse für die wahlweise Erregung der Heizelementanordnung, welche Anschlüsse zuvor behandelt wurden in Verbindung mit den Eingangs-Anschlüssen -129. 130 und PG-in Fig. 5. Die Anschlüsse zur Zubringung der Betriebsspannung sind durch die Streifen--VC und G-gebildet und legen Grund-
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potential bzw. Kollektorspannung an die Einrichtung.
Das wärmeempfindliche Material zur Erzielung der Darstellung ist in unmittelbarer Berührung mit den Erhebungen des monokristallinen Silicium-Materials angeordnet ; diese Erhebungen sind äusserst dünn und ermög- lichen hiedurch ein hohes Ausmass von Wärmeübergang zwischen den Erhebungen und dem wärmeempfindlichen Material. Die Heizelementanordnung zeigt einen hohen Grad von elektrischer und thermischer Isolierung zwischen den Erhebungen und ist besonders anwendbar für thermische Anzeigezwecke, weil eine hohe Dichte der
Schaltelemente, welche die Treibermatrix bilden, mit entsprechend hoher elektrischer und thermischer Isolation verbunden werden kann.
Die fünfmal-3-Anordnung von Erhebungen ist hier lediglich als Beispiel angeführt ; es kann jede Anzahl und Form der Anordnung gewählt werden, entsprechend der Art der Information, die durch das wärmeempfindliche Material dargestellt werden soll.
Es ist klar, dass die beschriebene Ausführungsform nur zur Erläuterung der Erfindung dient. Zahlreiche andere Ausbildungen können von Fachleuten des gegebenen Sachgebietes erdacht werden, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen werden müsste.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Thermisch-optische Anzeigevorrichtung, mit von Halbleiter-Widerstandselementen gebildeten, in Matrixform angeordneten Heizelementen, die samt den notwendigen Zuleitungen auf einer Halbleiterplatte vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Widerstandselement (R1, R2... R15) ein Halbleiterverstärkerelement (Transistor) (Tl, T2... T15) in Serie geschaltet ist, dass eine nach der Technik der integrierten Schaltung aufgebaute Halbleiter-Treibermatrix vorgesehen ist, deren Elemente mit den zugehörigen Halbleiter-Verstärkerelementen durch metallische Leitungen verbunden sind, dass die HalbleiterVerstärkerelemente und die Treibermatrix auf der gleichen Halbleiterplatte (2) angeordnet sind, wie die Widerstandselemente (R1,...
R15), wobei die Treibermatrix im Abstand von diesen letzteren liegt, und dass die von den Widerstandselementen gebildete Matrix mit einer Schicht von wärmeempfindlichem Material überzogen ist, das an dem jeweils über einem Widerstandselement (Rl... R15) liegenden Punkt bei Erregung des Widerstandselementes aufleuchtet, wobei die Gesamtheit dieser leuchtenden Punkte einen Buchstaben oder ein eine Information darstellendes Zeichen ergibt.
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