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Flüssigkris'allanzeige Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristall-(FK-)Anzeige
mit zwei Trägerplatten, die zwischen sich eie FK-Schicht hermetisch dicht einschließen
und auf ihren einander zugewandten, jeweils mit einem Elektrodenbelag versehenen
Flächen (Innenflächen) eine schräg aufgedampfte Schicht (schrägbedampfte Schicht)
tragen, sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Anzeige. Ein Display der geschilderten
Bauweise ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 3 834 792 bekannt.
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Unter der Vielzahl der bisher verwendeten Techniken zum Induzieren
einer FK-Orientierung (vergleiche hierzu beispielsweise den Übersichtsartikel von
F.J. Kahn in Proc. IEEE, Vol. 61, No. 7, Juli 1973, Seiten 823 bis 828, m.w.Nachw.)
gewinnt die Schrågtoedampfungsmethode zunehmend an Bedeutung da sie je nach Wahl
des Schichtmaterials und des Winkels zwischen der Bedampfungsrichtung und der Senhtrechten
zur Substratoberfläche (Aufdampf- oder Schrägbedampfungswinkel) nahezu jede gewünschte
Vorzugsrichtung in der FK-Schicht erzeugen kann und außerdem definierte,reproduzierbare
Werte liefert. Insbesondere gelingt durch Schrägbedar.pfung eine einheitlich plattenparallele
FK-Orientlerung, die beispielsweise für FK-Zellen mit verdrilltem Direktor ("Drehzellen")
eine wesentliche Voraussetzung bildet (eine FK-Schicht ist einheitlich plattenparallel
oder einheitlich "homogen" ausgerichtet, wenn ihre FK-Moleküle nicht nur in einer
zur Plattenebene parallelen Ebene, sondern in dieser Ebene auch zueinander parallel
liegen).
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Bislang wählte man für homogene FK-Orientierungen in aller Regel besonders
große Schrägbedampfurpswfnkel, vorzugsweise 850-Winel
(vergleiche
hierzu die zitierte Patentschrift oder auch Appl.
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Lett Phys. Lett., Vol. 21, No. 4, 15. August 1972, Seiten 173 f).
Ein derart spitzer Winkel gestattet eine besonders bequeme Fertigung, da man um
so mehr Substrate in einem Schrägbedampfungsvorgang gleichzeitig beschichten kann,
je spitzer der Winkel zwischen Bedampfungsrichtung und Substratebene ist. Untersuchungen
haben jedoch ergeben, daß ein großer Schrägbedampfungswinkel zu einem vergleichsweise
großen Winkel zwischen dem Direktor der FK-Schicht und der Plattenebene (Anstellwinkel)
fuhrt, bei dem allgemein das Multiplexverhalten der FK-Schicht verschlechtert ist
(die Spannungs-Kontrast-Kennlinie ist weniger steil) und speziell bei der Drehzelle
auch noch der Betrachtungswinkelbereich eingeschränkt wird (bei Betrachtung in Richtung
des FK-Direktors verschwindet der Kontrast).
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Die geschilderten optischen Unzulänglichkeiten und Schaltschwierigkeiten
ließen sich durch Verringerung des Schrägbedampfungswinkels beheben. Beispielsweise
kann man durch uebergang von einem Schrägbedampfungswinkel von 850 zu 600 den Anstellwinkel
von Werten größer als 200 auf etwa SO reduzieren, einem insbesondere für Drehzellen
sehr günstigen Wert. Diese zunächst unverständlich erscheinende Korrelation zwischen
Schrägbedampfungswinkel und Anstellwinkel mag darauf zurückzuführen sein, daß die
aufgedampfte Schicht zueinander parallele, zigarrenförmige Ellipsoide ausbildet,
an die sich die FK-Moleküle in der jeweils energetisch günstigsten Tantentialebene
anlagern.Kleine Schrägbedampfungswinkel sind allerdings mit einem insbesondere bei
Massenfertigungen unvertretbar hohen Herstellungsaufwand belastet und haben außerdem
den unangenehmen Nebeneffekt, die Ausschaltzeit der FK-Schicht zu verlängern.
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Man kann mit großen Schrägbedampfungswinkeln - bei geeigneter Wahl
des Schichtmaterials - die FK-Moleküle auch senkrecht zur Substratoberfläche (homöotroptr)
ausrichten, aber auch in diese Fall ergeben sich nicht die optimalen, etwas unter
900 liegenden
Anstellwinkel-Werte. Tatsächlich sind die günstigsten
Orientierungen in der überwiegenden Zahl aller Anwendungen (leicht) verkippt homogen
bzw. homöotrop, die genauen Größen für die FK-Schräglagen hängen in erster Linie
vom gewählten Anzeigeprinzip (beispielsweise dynamische Streuung, DAP-Effekt, Bistabilitätseffekie)
ab und differieren außerdem noch für verschiedene Parameter wie Sichtbarkeit, Multiplexbarkeit,
Schalt- bzw. Abschaltgeschwindigkeit. Darüberhinaus sollten beispielsweise bei einer
Drehzelle mit einer FK-Verdrillung von genau 900 auch noch die Anstellwinkel zur
vorderen und hinteren Trägerplatte voneinander abweichen, damit einer der beiden
möglichen Drehsinne energetisch bevorzugt ist und somit die Orientierung nicht lokal
gestört werden kann.
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Der für den Einzelfall festzulegende Anstellwinkel stellt also einen
Kompromißwert dar, der jedoch im allgemeinen nur unter fertigungstechnisch ungünstigen
Schrägbedampfungsbedingungen erzeugt werden kann.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine FK-Anzeige anzugeben,
deren schrägbedampfte Schichten so rationell wie möglich aufgebracht werden können
und bei der dennoch die FK-Schicht einen in hinreichend großen Grenzen variablen
optimalen Anstellwinkel hat.
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Hierzu ist bei einem Display der eingangs genannten Art erfindungsgemäß
vorgesehen, daß die schrägbedampfte Schicht zusätzlich mit einem Überzug versehen
ist.
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Die Erfindung geht von der Beobachtung aus, daß der vorgeschlagene
Überzug (Film) die topologische Struktur der schrägbedampften Schicht derart auf
seine eigene Oberfläche überträgt, daß dieses Schichtengefüge bezüglich des Anstellwinkels
wie eine unter kleinerem Schrägbedampfungswinkel aufgetragene Schicht wirkt. Der
simulierte Schrägbedampfungswinkel hängt dabei im wesentlichen von der gewählten
Filmdicke ab, denn mit wachsender Stärke bildet sich die Oberflächenstruktur der
Schicht in stetig schwächerem Ausmaß auf die Filmoberfläche ab und wird somit der
effektive Schrägbedampfungswinkel stetig geringer. Die Filmstärken
liegen
gewöhnlich unter 0,05 n und haben vorzugsweise Werte kleiner 0,02/um. Damit kann
der jeweils günstigste Anstellwinkel in einer Feinabstimmung exakt eingestellt werden,
ohne daß man von der günstigsten Schrägbedampfungsgeometrie abgehen und geringere
Schaltgeschwindigkeiten hinnehmen müßte.
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Der erfindungsgemäß vorgesehene Schichtenüberzug bringt darüber hinaus
noch einen weiteren, sehr wesentlichen Vorteil: Die bislang verwendeten dielektrischen
Schichten gehen mit einer Reihe von gängigen FK-Substanzen chemische Langzeitreaktionen
ein und verlieren dadurch allmählich - bei erhöhten Lager- oder Betriebstemperaturen
unter Umständen sogar sehr rasch - ihre Orientierungskraft. So verschwindet beispielsweise
bei Schichten auf Siliziumoxidbasis, wenn sie mit Biphenylen in Berührung kommen,
ihre orientierende Wirkung bei etwa800 schon nach Monaten vollkommen. Diese Qualitätsverschlechterung
durchkreuzt alle BemLihungen, FK-Displays universell einzusetzen.
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Wählt man nun für den Überzug ein auch unter längerer Hitzeeinwirkung
chemisch resistentes material, so kann die optimal eingestellte Vorzugsrichtung
in der FK-Schicht zugleich auch thermisch langzeitstabil gehalten werden. Hierfür
geeignete Verbindungen sind Nitride, insbesondere Siliziumnitrid, oder bestimmte
(Organo-) Silane.
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Der Überzug kann schließlich noch eine dritte Funktion übernehmen,
wen man ihn als elektrisch isolierende Schicht ausbildet. In diesem Fall werden
Kurzschlüsse, die sonst durch elektrisch leitende Verunreinigungen an der Oberfläche
oder in der FK-Schicht hervorgerufeh werden könnten, vermieden und ist somit die
Anzeige vor Funktionsstörungen oder gar Ausfällen wirksamer geschützt.
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Der erfindungsgemäß vorgesehene Überzug läßt sich reaktiv, pyrolytisch,
als Resinatschicht oder durch Tauchen aufbringen, er kann auch (reaktiv) aufgestäubt
oder - mit einem vom Schrägbedampfungswinkel verschiedenen Winkel - aufgedampft
werden. Eine
besonders einfache Technik besteht darin, am Ende des
Schrägbedampfungsvorganges den Druck soweit zu erhöhen, beispielsweise von 10 5
auf 5 x 10 3 Torr, und damit die Weglänge so klein zu machen, daß die auf dem Substrat
ankommenden Atome bzw. Moleküle keine ausgeprägte Vorzugsrichtung mehr aufweisen.
Zur Druckerhöhung wird sinnvollerweise beim Aufdampfen von Nitriden (Oxiden) Stickstoff
(Sauerstoff) zugegeben.
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Die Erfindung soll nun anhand eines in der einzigen Figur der Zeichnung
schematisch im Querschnitt dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Die FK-Anzeige der Figur arbeitet als Drehzelle, sie dieni zur Anzeige
von Ziffern und wird in Transmission betrieben. Zwischen zwei zueinander parallelen
Trägerplatten 1,2 befindet sich eine FK-Schicht 3. Diese Schicht ist durch eine
Füllöffnung eines Glaslotrahmens 4 in den Raum zwischen den beiden Trägerplatten
eingegeben und durch Verschluß der -Ilöffnung hermetisch dicht von der Umwelt abgeschlossen.
Die beiden Platten tragen an ihren Außenseiten je einen Polarisator 6,7 (beide Polarisatoren
liegen im vorliegenden Fall zueinander gekreuzt) und sind auf ihren Innenflächen
mit Elektrodenbelägen 8,9 versehen. Einer der beiden Beläge (Elektrodenbelag 8)
ist in an sich bekannter Weise segmentiert. Die Platteninnenflächen weisen ferner
je eine in an sich bekannter Weise schräg aufgedampfte Schicht (Zwischenschicht)
auf, die ihrerseits jeweils mit einem etwa 0,0in h dicken Überzug (Film) 13,14 überzogen
ist. Die Display-Teile bestehen aus folgenden Werkstoffen: Die Trägerplatten sind
aus Glas, die Elektrodenbeläge aus SnO2, die schrägbedampften Schichten können aus
I'agnesiumfluorid, Aluminiumoxid, Zinksulfid, Siliziumoxid oder einem Hartglas (z.B.
eine Mischung aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid und Kalziumoxid) bestehen, für den
Überzug ist Si4N3 gewählt.
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Der Siliziumnitrid-Überzug ist chemisch stabil, isoliert elektrisch
und führt bei einem Schrägbedampfungswinkel der Zwischenschicht
von
850 zu einem Anstellwinkel von etwas weniger als 50 Der leicht gegen die Plattenebene
geneigte Direktor der FK-Schicht beschreibt bei seinem Weg von der einen zur anderen
Trägerplatte eine Drehung um 90O, da die Schrägbedampfungsrichtungen der beiden
Glasplatten um 900 gegeneinander verdreht sind. Für weitere Herstellungs- und Betriebseinzelheiten
wird auf Appl.Phys. Lett., Vol. 18, No. 4, 15. Febr. 1971, Seite 127 f. sowie auf
die bereits genannten Literaturstellen verwiesen.
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Im folgenden werden vier Beispiele für eine einfache und wirksame
Filmbildung gegeben.
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Beispiel 1 Zur Abscheidung dünner Isolierschichten (beispielsweise
Schichten aus Siliziumdioxid, aus mit Boroxid dotiertem Siliziumdioxid oder aus
Aluminiumoxid) aus der Gasphase werden flüchtige anorganische oder organische Verbindungen
(Silizium-, Boroxid-dotierte Silizium-oder Aluminium-Verbindungen) mit Edelgasen
gemischt. Das Gas wird dann auf ein erhitztes Substrat geleitet. Die (Oxid-)Schicht
bildet sich dann durch thermische Zersetzung der Verbindung (??pyrolytisches Verfahren).
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Beispiel 2 Bestimmte metallorganische Verbindungen, insbesondere Verbindungen
auf Carboxilatbasis, werden mit Lösungsmitteln verdünnt. Das Substrat wird in diese
Lösung getaucht oder mit ihr besprüht - vorzugsweise in Richtung der Schrägbedampfung
- , so daß sich eine dünne Resinatschicht auf der Substratoberfläche bildet. Nach
Brhitzen des Substrats auf etwa 500° zerfällt die Verbindung und das Metall, gewöhnlich
ein Nichtedelmetall, bleibt als Oxidschicht auf dem Substrat bestehen (Resinattechnik).
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Beispiel 3 Soll der Überzug aus Siliziumnitrid bestehen, so kann Siliziumnitrid
durch Abstäuben eines Siliziumnitridtargets oder eines Siliziumtargets in einer
Stickstoffatmosphäre auf die Trägerplatte
aufgebracht werden. Bei
Wahl eines Siliziumtargets bildet der Stickstoff durch chemische Reaktion auf dem
Substrat das gewünscht Nitrid ("Aufsputtern" bzw. "reaktives Aufsputtern").
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Die aufgesputterten Schichten zeigen keine Vorzugsrichtung.
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Beispiel 4 Die Schichten werden aufgedampft, und zwar entweder senkrecht
zur Schichtoberfläche oder unter einem großen Winkel, der insbesondere größer als
600 zur Substratoberfläche sein sollte (Schrägbedampfungsverfahrenn), Man könnte
stattdessen auch den Aufdampfwinkel variieren, beispielsweise durch Verwendung einer
Substrathalterung mit Planeten-Antrieb. Man könnte schließlich auch dadurch aufdampfen,
daß man das als drittes Beispiel genannte Verfahren lediglich unter erhöhtem Druck
durchfuhrt.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel und
die geschilderten Verfahrensbeispiele beschränkt. So kann sie auch zur Erzeugung
anderer Vorzugsrichtungen als einer einheitlich verkippt homogenen herangezogen
werden und findet auch bereits dann Anwendung, wenn nur eine langzeitlich hitzebeständige
Orientierung verlangt ist oder die Kurzschlußgefahr besonders gering gehalten werden
soll.
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12 Patentansprüche 1 Figur