DD241175A1 - Verfahren zur herstellung transparenter leiterbahnen fuer elektrolumineszenzdisplays - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung transparenter Leiterbahnen fuer Elektrolumineszenzdisplays (ELD), das den Aufbau der Displays in einem durchgaengigen Vakuumzyklus ermoeglicht und bei duennen Schichten Anwendung findet. Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, das den Aufbau der Displays in einem durchgaengigen Vakuumzyklus ermoeglicht. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass das Material fuer die transparenten Leiterbahnen grossflaechig auf dem Substrat abgeschieden wird, danach eine Maske moeglichst direkt vor dem Substrat aber ohne direkten Kontakt angebracht und vor dieser eine zweite positioniert wird. Auf den vorgesehenen Stellen des Substrates wird ein fuer die Kontaktierung geeignetes Material abgeschieden und die zweite Maske wird gegen eine dritte ausgetauscht. Nachdem die Haftmarke fuer das Ionenstrahlaetzen aufgedampft wird, werden alle Masken entfernt, und es erfolgt eine Strukturierung der leitfaehigen Schicht durch Ionenstrahlaetzen.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung transparenter Leiterbahnen für Elektrolumineszenzdisplays (ELD), das den Aufbau der Displays in einem durchgängigen Vakuumzyklus ermöglicht, und bei dünnen Schichten angewendet wird, die mittels Vakuumbeschichtungsverfahren, wie Aufdampfen, Sputtern oder CVD abgeschieden werden und bei deren Abscheidung aus material- und/oder verfahrensspezifischen Gründen der Einsatz der Wechselmaskentechnik nicht möglich ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Transparente Leiterbahnen für ELD's bestehen in der Mehrzahl aus einem Gemisch von In₂O₃ und SnO₂ (ITO), das als dünne Schicht mit Hilfe von Vakuumbeschichtungsverfahren wie Aufdampfen, Sputtern oder CVD abgeschieden wird. Sie haben bei Matrixdisplays eine Breite von 100 bis einigen 100/xm und eine Länge bis zu einigen 100 mm. Ihre Enden müssen beispielsweise durch Vernickeln so vorbereitet sein, daß eine dauerhafte niederohmige Kontaktierung lösbar oder unlösbar möglich wird. Zur Vermeidung von Feldstärkespitzen im Bauelement dürfen die Leiterbahnen über keine scharfen Kanten verfügen. Bei Verwendung alkalihaltiger Gläser erfordert die Stabilität des Bauelementes den Einsatz geeigneter Zwischenschichten, die Leiterbahn und Glas voneinander trennen und zusätzliche Anforderungen an die Strukturierungsverfahren der Leiterbahnen stellen.

Zur Strukturierung von ITO-Schichten für ELD's sind verschiedene chemigrafische Verfahren bekannt. Dazu gehören die konventionellen Verfahren, die eine Haftmaske aus fotolitografisch strukturiertem Lack zur Gewährleistung eines selektiven chemischen Ätzangriffes nutzen, bei denen die Haftmaske durch Siebdruck aufgetragen wird und bei denen wie in der DE-OS 2929589 das Ätzmittel selektiv durch Siebdruck aufgetragen wird.

Diesen Verfahren ist der Nachteil gemeinsam, daß ihre Anwendung die Herstellung des kompletten ELD's in einem durchgängigen Vakuumzyklus ausschließt, der bezüglich der Reinhaltung der Oberflächen, der Anzahl der Verfahrensschritte und des Platzbedarfs der Anlagen Vorteile bietet.

Daneben ist es schwierig, Ätzmittel zu finden, die gegenüber allen beteiligten Materialien, ITO, Ni an den Leiterbahnenden, AI₂O₃ (T. SUNTOLA, Displays 84 p. 73—78) als Alkalibarriere unter dem ITO die notwendigen chemischen Eigenschaften besitzen. Das in DE-OS 2929589 angegebene Ätzmittel H₃PO₄ greift beispielsweise das AI₂O₃ der Unterlegung an, die zur Strukturierung des Ni geeignete HCI löst das darunterliegende ITO. Wie aus der DE-OS 3133853 hervorgeht, stellt die Herstellung runder Kanten zusätzliche Anforderungen an die verwendeten Ätzmittel. Um der Unterbrechung von Vakuumzyklen aus dem Wege zu gehen, werden auch die nicht zu beschichtenden Bereiche mittels Wechselmasken abgedeckt. Wenn dies gelingt, läßt sich gleichzeitig der Vorteil des Entstehens runder Kanten nutzen. Beim Aufdampfen von ITO-Schichten stößt die Wechselmaskentechnik auf Grenzen, da die Abscheidung bei hohen Sauerstoffpartialdrücken oberhalb 4 χ 10"⁴ Torr und Substrattemperaturen über 150⁰C notwendig ist, was selbst bei geringen Abständen zwischen Maske und Substrat infolge von Streuung und Oberflächendiffusion eine Trennung benachbarter Leiterbahnen bei Abständen von ca. ΙΟΟμ,ηι unmöglich macht.

Die Verwendung magnetisch angehefteter Wechselmasken führt neben technischen Problemen bei der Substratheizung und dem verwerfungsfreien Anpassen der Masken vor allem zu mikroskopischen Beschädigungen der Substratoberfläche, die die Abscheidungsbedingungen für die Folgeschichten verändern, was im Bauelement Feldinhomogenitäten und damit letztlich Stabilitätsverlust zur Folge hat.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung transparenter Leiterbahnen für Elektrolumineszenzdisplays zu entwickeln, das den Aufbau der Displays in einem durchgängigen Vakuumzyklus ermöglicht, keine zusätzlichen Anforderungen an die Unterlage der Leiterbahnen stellt sowie die Möglichkeit bietet, die Leiterbahnenden durch Einsatz geeigneter Materialien für die Kontaktierung vorzubereiten, runde Kanten zu erzeugen und für die Nachfolgebeschichtungen güngstige Aüfwachsbedingungen zu schaffen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung transparenter Leiterbahnen für Elektrolumineszenzdisplays zu schaffen, das den Einsatz der Masken während der Beschichtung, bei der die störenden Faktoren Streuung und Re-Verdampfung prinzipiell nicht zu vermeiden sind, ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Material für die transparenten Leiterbahnen großflächig auf dem Substrat abgeschieden wird.

Danach wird eine Maske mit Öffnungen, deren Größe und Anordnung den geplanten Leiterbahnen entspricht, zwischen die beschichtete Seite des Substrates und einem Verdampfer möglichst dicht an das Substrat aber ohne direkten Kontakt zu diesem gebracht und in dieser Stellung fixiert. Anschließend wird vor dieser Maske eine zweite Maske positioniert, die lediglich die künftigen Kontaktbereiche freiläßt.

Im genannten Verdampfer wird das Material für die Kontaktbereiche der Leiterbahnen verdampft und durch die beiden Masken gemeinsamen Öffnungen im künftigen Kontaktbereich auf den für die Leiterbahnenden vorgesehenen Stellen auf dem Substrat abgeschieden. Dabei muß die Schichtdicke so gewählt werden, daß nach einem im weiteren Verlauf durchzuführendem lonenstrahlätzen noch soviel Material übrigbleibt, daß die Leiterbahnenden ihre Funktion bei der Kontaktierung des Bauelementes erfüllen können.

Die zweite Maske, die lediglich die künftigen Kontaktbereichefreiläßt, wird danach gegen eine dritte Maske ausgetauscht, deren Öffnung den übrigen Bereich der ersten Maske und einen daran angrenzenden schmalen Streifen des Kontaktbereiches freigibt.

Gleichzeitig wird durch Tiegelwechsel oder ähnliche geeignete Maßnahmen das Material im Verdampfer gegen ein zweites ausgetauscht, das zur Schaffung einer Haftmaske für das lonenstrahlätzen geeignet ist. Der Materialwechsel muß dabei so erfolgen, daß die dampfabgebende Oberfläche ihre Lage beibehält. Anschließend erfolgt die Abscheidung des Materials für die Haftmaske zum lonenstrahlätzen auf alle Stellen des Substrates, auf denen später Leiterbahnen sitzen sollen sowie auf die daran angrenzenden ebenfalls von den Masken noch freigelassenen Stellen der Kontaktbereiche.

Alle Masken werden dann entfernt und die beschichtete Seite des Substrates einem großflächigem lonenbeschuß ausgesetzt.

Dabei wird die Oberfläche selektiv nach den Sputterraten der verwendeten Materialien solange abgetragen, bis auf dem Substrat nur noch die getrennten Leiterbahnen vorhanden sind.

Die Tatsache, daß das Material für die transparenten Leiterbahnen großflächig abgeschieden wird, erlaubt es ohne Rücksicht auf Streuprozesse und Oberflächendiffusion die Abscheidungsparameter zu wählen, bei denen die günstigsten Schichteigenschaften erzielt werden.

Die Trennung der Masken in eine am Substrat fixierte, mit der kompletten und in der Regel sehr feinen Leiterbahnstruktur und zwei Masken, die nur sehr grob bestimmte, sich überlappende Bereiche freilassen, bietet die Möglichkeit auch mit Maskenwechslern deren Positioniergenauigkeit viel geringer ist als die Strukturbreiten der Leiterbahnen eine exakte Abbildung der Leiterbahnstruktur zu erhalten, obwohl die Leiterbahnenden aus verschiedenen Materialien bestehen.

Dadurch, daß nicht die leitende Schicht selbst, sondern eine zusätzlich, als Haftmaske beim lonenstrahlätzen dienende Schicht strukturiert wird, ist der Einsatz der Wechselmaskentechnik mit ihren Vorteilen möglich, da man für die Haftmaske ein Material wählt, dessen Abscheidung bei Bedingungen erfolgt, die für die Wechselmaskentechnik optimal sind und dessen Sputterrate wesentlich geringer ist als die der zu strukturierenden Schicht, wodurch die Dicke der Haftmaske wesentlich geringer ist als die Dicke der zu strukturierenden Schicht, was die Abbildungsgenauigkeit erhöht.

Gelingt es ein Material zu finden, von dem Reste nach dem lonenstrahlätzen verbleiben können, sinken die Anforderungen an die Schichtdickenhomogenität der Haftmaske, da beim lonenstrahlätzen nur eine Mindestdicke nicht unterschritten werden darf.

Dies bietet die Möglichkeit, beim Bedampfen mit einem stehenden Substrat zu arbeiten, wodurch die notwendige Abbildungsgenauigkeit auch dann noch erreicht wird, wenn ein geringer Abstand zwischen Maske und Substrat bleibt. Dadurch gelingt es, mikroskopische Beschädigungen der Substratoberfläche zu vermeiden.

In Verbindung mit der Wechselmaskentechnik wird die Durchgängigkeit des Vakuumzyklusses durch die Verwendung des lonenstrahlätzens als abtragendes Strukturierungsverfahren gesichert.

Dieses Verfahren überträgt die runden Kanten, die durch Einsatz der Wechselmaskentechnik an der Haftmaske vorhanden sind im Verhältnis der Sputterraten des Materials der Haftmasken und des Materials der zu strukturierenden Schicht auf die fertigen Leiterbahnen.

Leichte Schleier, die infolge von Oberflächendiffusion die eng benachbarten Strukturen der Haftmaske miteinander verbinden können, lassen sich durch geringfügiges Überätzen beseitigen. Da es beim lonenstrahlätzen keine Unterätzung gibt, erfüllt im Gegensatz zum chemischen Ätzen auch eine sehr dünne und damit poröse Haftmaske ihre Funktion. Ebenso ist ein Unterätzen der Leiterbahnen, das zu deren Ablösung führt, durch beschleunigten Ätzangriff der Unterlegung ausgeschlossen.

Da die Sputterraten, die die Ätzgeschwindigkeit beim lonenstrahlätzen bestimmen, in erster Linie von den Massezahlen der beteiligten Elemente abhängen, ist das Verfahren unempfindlich gegen die chemischen Eigenschaften der beteiligten Schichten.

Das bietet besonders bei der Strukturierung von ITO Vorteile, da dessen chemische Ätzbarkeit stark von den konkreten Abscheidungsbedingungen abhängt, da es von diesem Material chemisch äußerst stabile, praktisch nicht chemisch ätzbare Modifikationen gibt.

Hinsichtlich der nachgeordneten Beschichtungen ist das lonenstrahlätzen ein besonders vorteilhaftes Verfahren, da es saubere Oberflächen mit hoher Keimdichte hinterläßt, auf denen sehr gut haftende, dichte Schichten hergestellt werden können.

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Ausführungsbeispiel

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend am Beispiel der Herstellung von ITO-Leiterbahnen mit vernickelten Enden für Elektrolumineszenzdisplays näher erläutert.

Dabei wird im ersten Schritt eine 1 800Ä dicke ITO-Schicht großflächig auf dem Substrat abgeschieden.

Danach wird eine Bronzemaske mit 128 jeweils 110mm langen, 450μ,ιη breiten und 175Mm voneinander entfernten parallelen Öffnungen im Abstand von etwa 0,5 mm vom Substrat zwischen dessen beschichtete Seite und einem Ni-Verdampfer angeordnet und fixiert.

Vor diese Maske wird eine zweite Maske im Abstand von etwa 10 mm positioniert, in der sich zwei 90 mm voneinander entfernte, 15mm breite, 90mm lange parallele, senkrecht zu den Öffnungen der ersten Maske stehende Durchbrüche befinden, die nur noch die Enden der Öffnungen der ersten Maske zur Bedampfung freigeben.

Anschließend werden durch die beiden Masken gemeinsamen Öffnungen hindurch Ni auf dem Substrat abgeschieden und danach wird die zweite Maskegegen eine dritte mit einer 90 x 95 mm² großen rechteckigen Öffnung ausgetauscht und im Verdampfer der Tiegel gewechselt, so daß jetzt AI₂O₃ verdampft wird.

Die dritte Maske ist so angeordnet, daß nach Abscheidung des AI₂O₃ ein Raster von 128 Streifen aus AI₂O₃ entsteht, die 2,5 mm überlappend auf vernickelte Enden trifft.

Die Abscheidung des AI₂O₃ erfolgt bei einer Substrattemperatur unter 8O⁰C, einem Sauerstoffpartialdruckunter4 χ 10""⁶ Torr mit einer Rate von 4-5Ä/s. Die Schichtdicke beträgt 400Ä.

Nach Entfernen aller Masken wird die beschichtete Seite des Substrates bei einem Restgasdruck von 7 χ 10~⁶ Torr und einem Arbeitsdruck von 1,5 x 10~⁴Torr mit einem Ar-Ionenstrahl mit einer Energie von 60OeV bei einem Targetgesamtstrom von 20OmA beschossen und dabei abgetragen. Die Ätzzeiten liegen zwischen 3 und 4 Minuten.

Dabei entsteht ein kurzschlußfreies Leiterbahnfeld, bei dem die Enden der Leiterbahnen aus Ni bestehen, und deren innere Bereiche mit AI₂O₃-Resten bedeckt werden.

Anschließend erfolgt die Abscheidung von Isolatorschichten. Das auf diesem Leiterbahnfeld aufgebaute ELD zeichnet sich durch Homogenität der Leuchterscheinung im Bildpunkt und durch Stabilität aus. Es wird bei 2,5facher Schwellspannung betrieben.

Claims (9)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Herstellung transparenter Leiterbahnen für Elektrolumineszenzdisplays, gekennzeichnet dadurch, daß das Material für die transparenten Leiterbahnen großflächig auf dem Substrat abgeschieden wird, danach eine Maske mit Öffnungen der Größe und Anordnung der Leiterbahnen zwischen dem Substrat und einem Verdampfer dicht an das Substrat, aber ohne direkten Kontakt, gebracht und in dieser Stellung fixiert wird, anschließend vor dieser Maske eine zweite Maske positioniert wird, die lediglich die künftigen Kontaktbereiche freiläßt und nach Bedampfung des Kontaktbereiches die zweite Maske gegen eine dritte ausgetauscht wird, deren Öffnung den übrigen Bereich der ersten Maske und einen daran angrenzenden schmalen Streifen des Kontaktbereiches freigibt und die Abscheidung des Materials für die Haftmaske zum lonenstrahlätzen durchgeführt wird, danach alle Masken entfernt werden und die beschichtete Seite des Substrates einem großflächigen lonenbeschuß ausgesetzt wird.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Material für die Leiterbahnen eine 500 bis 2 000Ä dicke ITO-Schicht ist.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Kontaktbereich der Leiterbahnen Nickel abgeschieden wird.
4. 4. Verfahren nach Punkt !,gekennzeichnet dadurch, daß das Material der zum lonenstrahlätzen genutzte Haftmaske eine wesentlich geringere lonenstrahlätzrate als ITO-Schicht aufweist.
5. 5. Verfahren nach Punkt 1,2 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß das Material für die Haftmaske aus AI2O3 besteht.
6. 6. Verfahren nach Punkt 1 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß das AI₂O₃ bei einem Sauerstoffpartialdruck unter 4 x 10~⁶mit einer Rate von 4-5Ä/s und einer Subtrattemperatur unter 8O⁰C abgeschieden wird.
7. 7. Verfahren nach Punkt 1,2,4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Schichtdicke der Al₂O₃-Haftmaske zwischen ¹/β und ¹A der Dicke der ITO-Schicht mindestens aber oberhalb 300Ä liegt. ,
8. 8. Verfahren nach Punkt 1 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß mit lonenenergien zwischen 0,5 und 1 keV geätzt wird.
9. 9. Verfahren nach Punkt 1,7 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß mit Stromdichten nicht wesentlich über 0,2 mA/cm² geätzt wird.