DE2316996B2 - Verfahren zur Behandlung einer Substratoberfläche durch Materialablagerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung einer Substratoberfläche durch Materialablagerung, in der Weise, daß das behandelte Substrat die Moleküle eines damit in Berührung gebrachten nema-

4^r] tischen Flüssigkristalls einheitlich ausrichtet.

Bei einem aus »Applied Physics Letters«, Band 18, Nummer 4 vom 15. Februar 1971, Seiten 127 und 128, bekannten Verfahren dieser Art wird eine Oberfläche eines Substrats in einer gleichbleibenden Rich-

K) tung gerieben und eine nematische Flüssigkeit wird mit der in der genannten Weise behandelten Oberfläche in Berührung gebracht. Es hat sich gezeigt, daß sich die Moleküle der kristallinen Flüssigkeit parallel zur Reibrichtung ausrichten. Ein Nachteil dieses Ver-

r> fahrens besteht darin, daß die erhaltene Ausrichtung nicht auf einfache Weise steuerbar ist, da es schwierig ist, durch Reiben eine Vielzahl von Substraten zu erhalten, die die vollständig gleiche Ausrichtungswirkung für eine nematische kristalline Flüssigkeit besit-

bo zen.

Aus »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Band 13, Nummer 10, Vom März 1971, Seite 2961, ist es ferner bekannt, zur Erzielung einer Ausrichtung der nematischen Flüssigkristallmoleküle die Oberfläche

μ einer mit Zinnoxid beschichteten Glasplatte mit einem grenzflächenaktiven Stoff, d. h. mit einer langkettigen organischen Verbindung; 7.11 beschichten. Dies geschieht dort beispielsweise dadurch, daß man das ge-

nannte Substrat in eine Lösung des entsprechenden grenzflächenaktiven Stoffes, beispielsweise in eine Lösung von Oktatekylamin-Hydrochlorid, eintaucht, langsam aus dieser Lösung herauszieht und anschließend das Substrat trocknen läßt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß die ausrichtende Wirkung nicht sofort bzw. von selbst eintritt, sondern daß nocL eine Wärmebehandlung der bereits mit dem Flüssigkristall gefüllten Zelle erforderlich ist.

Schließlich ist es aus »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Band 14, Nummer 5, vom Oktober 1971, Seite 1472 bis 1473, bekannt, zwischen der Elektrodenschicht und einem Flüssigkristall eine Isolationsschicht vorzusehen, die neben mehreren anderen Funktionen auch die Aufgabe zu erfüllen hat, nach einer geeigneten, dort nicht näher genannten Behandlung die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle zu bewirken. Auch hier ist wieder eine besondere Behandlung dieser Isolationsschicht erforderlich, um die gewünschte Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle herbeizuführen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Behandlung einer Substratoberfläche zu schaffen, bei welchem nach einer durchgeführten Materialablagerung keine weitere zusätzliche Behandlung erforderlich ist, um eine Ausrichtung der Flüssigkristallmolekühle herbeizuführen, wobei ferner sichergestellt sein soll, daß die einzelnen behandelten Substrate jeweils die gleiche AusrichtewirMung auf die Moleküle der kristallinen Flüssigkeit ausüben.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 definierte Erfindung gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Schicht des durch die Vakuumablagerung aufgebrachten Stoffes eine sehr geringe durchschnittliche Dicke aufweist, und daß diese in Wirklichkeit aus einer Vielzahl separater kleiner Bereiche besteht, d. h. die Ablagerung besteht aus einer diskontinuierlichen Schicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Vakuumablagerungssystems zur Ablagerung einer Schicht auf zwei Substrate,

Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer Flüssigkristall-Darstellungszelle,

Fig. 3 einen Querschnitt durch die in Fig. 2 gezeigte Flüssigki istall-Darstellungszelle,

F i g. 4 eine perspektivische Darstellung einer Wand der in Fig. 2 dargestellten Zelle,

Fig. 5 einen als Schnitt dargestellten Ausschnitt der in Fig. 4 dargestellten Wand,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Ablagerungsschrittes zur Bildung einer Schicht auf einem Substrat,

Fig. 8 eine übertrieben dargestellte Schnittansicht eines Substrats einer darauf abgelagerten Schicht,

Fig. 9 eine ebenfalls übertrieben dargestellte Schnittansicht, bei der sich eine kristalline Flüssigkeit in Berührung mit der nach F i g. 7 hergestellten Schicht befindet, und

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind jeweils mit einer transparenten elektrisch leitenden Elektrodenschicht 14 und 15 versehene Glassubstrate 10 und 11 in einer Vakuumkammer 4 angeordnet. Die Glassubstrate 10 und 11 stellen zusammen mit ihren Elektrodenschichten 14 und 15 die Substrate für den abzulagernden Stoff dar. Eine Vakuumablagerungsquelle 12, die eine verdampfbare Substanz 9. wie Platin, Gold, Zinn, Blei, Aluminium, Kupfer, Silber, Siliziummonoxid oder Chrom, enthält, ist unterhalb der Substrate 10 ίο und 11 angeordnet Die Substrate 10 und 11 können aus einem beliebigen geeigneten nichtleitenden Material bestehen. Die Vakuumablagerungsquelle 12 dient dazu, »Ausrichtungsschichten« 16 und 17 der Substanz 9 auf den Elektrodenschichten 14 und 15 in einem bestimmten Winkel zu der Normalen auf die Substrate 10 und 11 abzulagern. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bilden die Normalen zu den Oberflächen der Elektrodenschichten 14 und 15 jeweils einen Winkel θ von etwa 80" mit einer Verbindungslinie zwischen den Substraten 10 und 11 und der Quelle 12. Je größer der gewählte Winkel Θ ist, desto besser ist die Ausrichtwirkung für die später auf die Ausrichteschichten 16 und 17 aufzubringende kristalline Flüssigkeit. Je größer jedoch der gewählte Winkel Θ ist, desto größer ist auch die Menge des erforderlichen Stoffes 9, um Ausrichteschichten 16 und 17 mit der erforderlichen Dicke zu bilden. Aus diesem Grunde wird ein Winkel Θ von 80° als Optimum angesehen. Prinzipiell ist jedoch ein Bereich von Jd 10° bis 89,9° für den Winkel Θ zur Erzielung einer Ausrichtwirkung der Schichten 16 und 17 brauchbar. Bei einer abgewandelten Ausführungsform werden die Ausrichteschichten 16 und 17 direkt auf den Substraten 10 und 11 abgelagert. Es ist auch möglich, die η Elektrodenschichten 14 und 15 selbst in einem bestimmten Winkel auf die Substrate 10 und 11 abzulagern, so daß diese sowohl als Ausrichteschichten als auch als Elektroden wirken. Die Elektrodenschichten

14 und 15 besitzen eine Dicke von etwa 500 A. Aufgrund der relativen Lage der Quelle 9 zu den Substraten 10 und 11 wachsen die Schichten 16 und 17 durch Bildung kleiner Bereiche, deren Außenflächen zu der Oberfläche der Substrate 10 und 11 geneigt sind. Diese kleinen Bereiche werden im folgenden als

•Γι Wachstumsstellen bezeichnet. Die Wachstumsstellen

19 und 19a der Ausrichteschichten 16 und 17 dienen dazu, die Moleküle der auf die Ausrichteschichten 16 und 17 aufzubringenden kristallinen Flüssigkeit auszurichten.

ίο Eine geringe Menge Platin oder eines anderen verdampfbaren Stoffes wird bei einem Druck von etwa 10 Torr für eine kurze Zeitdauer verdampft, um die Wachstumsstellen 19 und 19a der Ausrichteschichten 16 und 17 auf den Elektroden 14 und 15 zu bilden.

v, Die Dicke der Platinschichten 16 und 17 beträgt etwa

20 A und die Dicke der Zinnoxidelektroden 14 und

15 etwa 500 A. Das Verdampfen erfolgt durch Schließen eines Schalters 7, der eine Stromquelle 8 mit der Ablagerungsapparatur verbindet, um den Stoff 9 zu

bo erwärmen. Andere Stoffe, die Wachstumsstellen 19 und 19a zu bilden vermögen, wie beispielsweise Chrom, können ebenfalls für die Ausrichteschichten verwendet werden. Die Dicke der Ausrichteschicht ist nicht kritisch und kann von 20 A nach oben variie-

t>5 ren.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand s zwischen der Verdampfungsquelle 12 und Punkten auf den Substraten 10

und 11 etwa 25 cm. Ein Kontrcllplättchen 20 wird in einem Abstand c von etwa 25 cm über der Verdampfungsquelle 12 so angeordnet, daß seine eine Fläche auf die Verdampfungsquelle 12 gerichtet ist. Eine auf dem Plättchen 20 abgelagerte Kontrollschicht 21 besitzt eine meßbare Dicke und dient dazu, die Dicke der Ausrichteschicht 16 und 17 zu berechnen, wodurch sichergestellt wird, daß die Schichten 16 und 17 mit der erforderlichen Dicke abgelagert werden. Durch Messung der Dicke h der abgelagerten Kontrollschicht 21 auf dem Kontrollplättchen 20, Messen des eingestellten Winkels Θ zwischen der Normalen auf die Flächen der transparenten Elektrodenschichten 14 und 15 und der Verdampfungsquelle 12, und durch Messen des Abstandes s zwischen den Substraten 10 und 11 und der Verdampfungsquelle 12 kann man die Dicke t der Ausrichteschichten 16 und 17 mittels der folgenden Gleichung berechnen:

t = h χ cos Θ/ (s/c)²

Die Dicke der Schichten 16 und 17 ist vorzugsweise sehr gering, so daß selbst dann, wenn der Stoff der Verdampfungsquelle elektrisch leitend ist, die erhaltenen Schichten elektrisch nicht leitend sind, da diese Schichten in Wirklichkeit durch eine Vielzahl von »Inseln« des abgelagerten Stoffes gebildet werden.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung eine Flüssigkristall-Anzeigezelle 30. Die Substrate 10 und 11 der Flüssigkristall-Anzeigezelle 30 besitzen Zinnoxid-Elektrodenschichten 14 und 15 und darauf aufgebrachte Ausrichteschichten 16 und 17 aus Platin. Zwischen den in dieser Weise beschichteten Substraten ist eine nematische kristalline Flüssigkeit angeordnet. Die Ausrichteschichten 16 und 17 dienen dazu, die Moleküle 25 der kristallinen Flüssigkeit in Richtung der Wachstumsstellen 19 und 19a der Ausrichteschichten 16 und 17 auszurichten. Die Wachstumsstellen 19 der Ausrichteschicht 16 liegen im rechten Winkel zu den Wachstumsstellen 19fl der Ausrichteschicht 17, was durch Drehen des Substrats 11 in Fig. 1 um 90° während der Herstellung der Zelle 30 bewirkt wird.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wird die nematische kristalline Flüssigkeit 22, wie beispielsweise 4-Methoxy-4'n-butylbenzyliden-anilin (MBBA), zwischen die Schichten 16 und 17 der Elektroden 14 und 15 gebracht, wonach die Zelle längs ihres Umfangs mit einer Dichtungsmasse 26 versiegelt wird. Abstandsstücke 24 mit einer Dicke von etwa 12 μΐη halten die beiden Ausrichteschichten 16 und 17 voneinander getrennt. Die Moleküle des linken Teiles der kristallinen Flüssigkeit 22 in der Zelle 30 sind parallel zur Richtung der Platin-Wachstumsstellen 19 der Ausrichteschicht 16 ausgerichtet. Die Moleküle des rechten Teiles der kristallinen Flüssigkeit 22 in der Zelle 30 sind parallel zur Richtung der Platin-Wachstumsstellen 19a der Ausrichteschicht 17 ausgerichtet. Die kristalline Flüssigkeit 22 bewirkt somit eine Drehung von durch die Zelle hindurchtretendem polarisierten Licht um 90°.

Die Fig. 4 und 5 zeigen die Wachstumsstellen 19a der Ausrichteschicht 17 der Fig. 2 und 3 noch deutlicher. Außerdem zeigen sie die Elektrodenschicht 15 und das Substrat 11.

In Fig. 6 ist eine Flüssigkristall-Anzeigezelle 30a innerhalb eines optischen Systems 31 angeordnet, das von einer Lichtquelle 32 gespeist wird. Eine Kollimatorlinse 34 sammelt das von der Lichtquelle 32 kommende Licht 33. Ein optisches Filter 35 filtert das ultraviolette und infrarote Licht aus, bevor das Licht 33 durch einen Polarisator 36 geführt wird. Ein weiterer als Analysator verwendeter Polarisator 38 ist planparallel zu dem Polarisator 36 polarisiert. Ein Schirm 81 dient dazu, ein helles Bild jeweils einer von zehn verschiedenen Ziffern anzuzeigen, die jeweils durch ausgewählte Segmente einer nach Art einer »8« angeordneten Segmentgruppe 52 dargestellt werden.

ίο Diese Segmente werden durch entsprechendes Ätzen einer Zinnoxid-Elektrodenschicht hergestellt. Hierzu wird zunächst auf dem Substrat 41 eine kontinuierliche Zinnoxidschicht abgelagert, die dann durch ein bekanntes Fotoätzverfahren zur Erzielung der Segmentgruppe 52 selektiv weggeätzt wird. Eine dünne nichtleitende Platin-Ausrichteschicht 42 bedeckt eine nicht geätzte Elektrodenschicht 54 auf dem Substrat 47. Die Segmentgruppe 52 und die Elektrodenschicht 54 sind durchsichtig, da sie sehr dünn sind. Die Wachstumsstellen 46 und 48 auf den Ausrichteschichten 42 und 44 sind zueinander im rechten Winkel angeordnet. Die Moleküle 45 einer kristallinen Flüssigkeit sind zwischen den Schichten 42 und 44 in der dargestellten Richtung ausgerichtet..

Die Wachstumsstellen 46 der Ausrichteschicht 42 sind parallel zur Polarisationsebene der Polarisatoren 36 und 38 angeordnet.

Wird ein Schalter 51 geschlossen, dann entsteht zwischen den äußeren Segmenten der Segmentgruppe

κι 52 und der Elektrodenschicht 54 ein elektrisches Feld, wodurch sich die Moleküle 45 der kristallinen Flüssigkeit innerhalb der Anzeigezelle 30a in unmittelbarer Nähe der äußeren Segmente der Segmentgruppe 52 parallel zum elektrischen Feld orientieren. Dadurch

j-, entsteht ein helles Bild 43 einer »0« auf dem Schirm 81. Wird der Schaher 51 geöffnet, dann verschwänden die hellen äußeren Segmente der Segmentgruppe 52 von dem Schirm 81. Die Ziffern 0 bis 9 können durch Anlegen einer Spannung an entsprechende durch nicht gezeigte Mittel ausgewählte Segmente der Segmentgruppe 52 dargestellt werden.

In Fig. 7 ist dargestellt, wie ein Ausrichtestoff 58 in einem relativ großen Winkel zu der Normalen auf ein Substrat 60 auf das letztere aufgedampt wird, um eine relativ dicke Ausrichteschicht 62 zu bilden, wie sie in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist. Nach dem Aufdampfen des Ausrichtestoffes 58 auf das Substrat 60 von der Verdampfungsquelle 56 in einem großen Winkel erhält man eine Ausrichteschicht 62 auf der

,ο Oberfläche des Substrats 60, wie dies aus Fig. 8 ersichtlich ist. Die Ausrichteschicht 62 besitzt Wachtumsstellen 64, wie dies weiter oben näher beschrieben wurde.

Wie aus Fig. 9 zu ersehen ist, wird anschließend

eine kristalline Flüssigkeit 66 auf die Ausrichteschicht 62 aufgebracht. Die Moleküle 68 der kristallinen Flüssigkeit 66, die sich in unmittelbarer Nähe zu der Ausrichteschicht 62 befinden, sind in Richtung der Wachstumsstellen 64 der Ausrichteschicht 62 orien-

bo tiert.

Fig. 10 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 6 dargestellten Anzeigevorrichtung, wobei bei der in Fig. 10 gezeigten Anzeigevorrichtung die Ausrichteschicht in einem bestimmten Muster geätzt ist. Die geätzte Aus-

b5 richteschicht 70 ist auf einer Elektrodenschicht 72 eines Substrats 74 angeordnet. Eine ungeätzte Ausrichteschicht 71 ist auf der Elektrodenschicht 73 eines Substrats 75 angeordnet Die Polarisationsebene des

Polarisators 78 ist gegenüber der Polarisationsebene des Polarisators 76 um 90° gedreht. Bei geöffnetem Schalter 80 liegt keine Spannung zwischen den beiden Elektrodenschichten 72 und 73 und das geätzte Muster in der Ausrichteschicht 70 wird durch den Licht-

strahl 84 auf dem Schirm 82 sichtbar gemacht. Wird dagegen der Schalter 80 geschlossen, dann liegt eine Spannung an den Elektrodenschichten 72 und 73 und der Schirm 82 wird dunkel, so daß das geätzte Muster in der Ausrichteschicht 70 nicht sichtbar ist.

Hierzu 3 Blau Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Behandlung einer Substratoberfläche durch Materialablagerung, in der Weise, daß das behandelte Substrat die Moleküle eines damit in Berührung gebrachten nematischen Flüssigkristalls einheitlich ausrichtet, dadurch gekennzeichnet, daß das Material auf das Substrat durch Vakuumauf dampf ung aufgebracht wird, wobei die Verdampfungsquelle (9) für das abzulagernde Material so angeordnet wird, daß jede Gerade zwischen dem Substrat und der Verdampfungsquelle (9) mit der Normalen zur Substratoberfläche in dem betreffenden Punlt einen Winkel von mindestens 10° bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel etwa 80° beträgt.

3. Verfahren nach einem der vorangehenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch nicht leitende Ablagerung (16) aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Siliciummonoxid abgelagert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Platin abgelagert wird und zwar so dünn, daß die Ablagerung (16) elektrisch nicht leitend ist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Substratplatte (41) mit einem Muster elektrisch leitender Elektroden (52) versehen wird und daß anschließend die ausrichtende Ablagerung aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Substratplatte (74) mit einer Schicht eines elektrisch leitenden Materials (72) versehen wird, daß anschließend die ausrichtende Ablagerung aufgebracht und zur Bildung eines gewünschten Musters (70) aus dieser Ablagerung selektiv Teile entfernt werden.

8. Flüssigkristallanzeigevorrichtung mit zwischen einer ersten und einer hiervon beabstandeten zweiten Substratplatte befindlichem nematischem Flüssigkristallmaterial, bei der die erste und die zweite Platte jeweils auf ihren einander zugewandten Flächen mit einer ersten bzw. einer zweiten Elektrode und einer entsprechenden ersten bzw. einer zweiten, einheitlich ausrichtenden Ablagerung versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Substratoberflächen mit den darauf befindlichen ersten und zweiten Ablagerungen (19,19a) eine Struktur aufweisen, wie sie durch Behandlung gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 entsteht.

9. Flüssigkristallanzeigevorichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite ausrichtende Ablagerung elektrisch nicht leitend sind.

10. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste Elektrode auf der ersten Substratplatte (41) aus einem Muster individueller Elektroden (52) besteht, und daß die erste ausrichtende Ablagerung sowohl das Muster der individuellen Elektroden (52) als auch die umgeben-

den Bereiche der Innenfläche der ersten Substratplatte (41, Fig. 6) überdeckt.

11. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die eiste Elektrode aus einer kontinuierlichen Elektrodenschicht (72) besteht, die auf der Innenfläche der ersten Substratplatte (74) vorgesehen ist, und daß die erste ausrichtende Ablagerung aus einem Muster individueller Bereiche (70) besteht, die auf der kontinuierlichen Elektrodenschicht (72, Fig. 10) vorgesehen sind.

12. Flüssigkristallarizeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite ausrichtende Ablagerung aus normsäJerweise elektrisch leitendem Material bestehen, jedoch so dünn sind, daß sie elektrisch nicht leitend sind.

13. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite ausrichtende Ablagerung aus elektrisch leitendem Material bestehen und so dick sind, daß sie sowohl die erste und die zweite Elektrode bilden, als auch zur Ausrichtung der benachbarten Flüssigkristallmoleküle dienen.

14. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die erste und die zweite ausrichtende Ablagerung bewirkten Ausrichtungen unterschiedliche Richtungen aufweisen.

15. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichterichtungen an den Substratplatten (41, 47) im rechten Winkel zueinander verlaufen.