DE2614951C3

DE2614951C3 - Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristall-Zelle

Info

Publication number: DE2614951C3
Application number: DE2614951A
Authority: DE
Inventors: Hugh L. Malibu Garvin; Yat-Shir Costa Mesa Lee; Michael J. Tarzana Little
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1975-04-21
Filing date: 1976-04-07
Publication date: 1980-11-13
Also published as: FR2308675A1; GB1499703A; DE2614951A1; JPS51129251A; DE2614951B2; US4153529A; CH601824A5

Description

50

40

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristall-Zelle, bei dem ein Substrat mit einer Beschichtung versehen, die Oberfläche der Beschichtung durch eine gleichförmige Bearbeitung mit einem Ionenstrahl, der unter einem Winkel von weniger als 90° gegenüber der Fläche auf die Oberfläche der Beschichtung gerichtet wird, mit Rillen versehen und bei dem dann auf die gerillte Oberfläche ein Flüssigkristall-Material aufgebracht wird.

Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 22 56 317 bekannt. Der Ionenstrahl wird dabei unter Anwendung eines hohen elektrischen Feldes auf die Oberfläche der Besschichtung gerichtet. Es fehlen zwar nähere Angaben über die angewendete Feldstärke, jedoch sind auf dem Gebiet der Ionenstrahlen-Anwendung Beschleunigungsspannungen bis über 100 kV üblich, so daß unter einem »hohen« elektrischen Feld Beschleunigungsspannungen in der Größenordnung von 100 kV angenommen werden müssen. Hierfür spricht auch die Angabe, daß die Wirkung des Ionenbeschusses einer Bestrahlung mit Glaskügelchen mittels eines einem Sandstrahlgebläse ähnlichen Gerätes oder auch der Anwendung eines harten Materials zum Einritzen von Rillen gleich sein soll, insbesondere dem Einritzen von Rillen mittels eines Diamanten. Es ergeben sich dabei Rillen mit einer Breite von etwa 1000 nm und mit einem Abstand von etwa lOOOOnm. Die Rillentiefe soll etwa der Rillenbreite gleich sein, also ebenfalls etwa 1000 nm betragen.

Das bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß die Anbringung der relativ groben Rillen in dünnen Elektrodenschichten nicht mehr möglich ist, sondern die Rillen nur in einer die Elektroden bedeckenden Isolierschicht angebracht werden können. Außerdem wird auch mit dem bekannten Verfahren noch keine befriedigende Ausrichtung der Flüssigkristalle erzielt Das bekannte Verfahren unterscheidet sich- daher hinsichtlich seines Erfolges nicht von den anderen bekannten Verfahren, mit denen versucht wird, der Oberfläche der Beschichtung eine Strich-Struktur durch Reiben oder Polieren mit den verschiedensten Werkstoffen oder Materialien zu erteilen. Das größte Problem beim Reiben oder Polieren besteht darin, daß keine eindeutigen Ergebnisse erzielbar sind und keine Kontrolle über die Oberflächen-Beschaffenheit besteht, so daß keine reproduzierbaren Resultate erhalten werden können.

In einem Aufsatz »Thin Film Surface Orientation for Liquid Crystals« in Applied Physics Letters 21, 173 (1972) wird vorgeschlagen, eine Parallelausrichtung der Moleküle von Flüssigkristallen herzustellen, indem die Oberfläche durch Reiben oder Aufbringen einer dünnen Schicht mit einer Dicke von etwa 20 bis 50 nm aus Siliciummonoxid und Siliciumdioxid durch Aufdampfen unter einem sehr flachen Einfallswinkel zur Oberfläche behandelt wird. Auch diese Techniken führen nicht zu der gewünschten Reproduzierbarkeit und Dauerhaftigkeit der Ausrichtung.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß sowohl die Ausrichtung der Flüssigkristalle verbessert als auch auf die Anwendung einer Isolationsschicht auf Elektroden verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Bearbeitung der Oberfläche der Beschichtung ein Ionenstrahl mit neutralisierter Raumladung und einer Energie von 1 bis 3 keV sowie einer Intensität von etwa 0,2 mA/cm² verwendet und unter einem Winkel von weniger als 40° gegenüber der Fläche auf das Substrat gerichtet wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden an der Oberfläche der Beschichtung Rillen erzeugt, die eine Tiefe von etwa nur 2 nm und einen Abstand von nur etwa 6 bis 10 nm aufweisen. Es wird also eine Oberflächenstruktur erzielt, die um etwa drei Größenanordnungen feiner und dichter ist als die Struktur, die mittels des bekannten Verfahrens erzeugbar ist. Diese extrem feine Oberflächenstruktur läßt sich unmittelbar in Elektroden-Oberflächen anbringen, führt zu einer vollkommen gleichmäßigen Ausrichtung der Flüssigkristalle und bleibt auch bei Nachbehandlungen wirksam, wie beispielsweise wiederholten Reinigungen und einem Ausbacken in Luft bei Temperaturen von 500° C während ausgedehnter Zeiten. Hinzu kommt eine Vereinfachung der Fertigung, die sich aus der Anwendung niedrigerer Spannungen sowie der Möglichkeit des Einsparens einer zusätzlichen isolierenden Schicht ergibt.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur lonenstrahl-Zerstäubung mit einer Duoplasmatron-Ionenquelle zum Ätzen eines Substrats mit einem

unter flachem Winkel einfallenden Ionenstrahl und

F i g. 2 einen Ausschnitt der Vorrichtung nach F i g. 1, die zum Aufstäuben eines Targetmaterials auf das Substrat vor dessen Mikrobearbeitung eingerichtet ist

Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte- Vorrichtung zum Herstellen von Flüssigkristallzellen umfaßt eine Duoplasmatron-Ionenquelle 12 mit einem Einlaß 14 für ein geeignetes Gas, vorzugsweise ein Edelgas wie Argon, einen Auslaß 16 für in dem Gas gebildete Ionen, die auf ein Target zu richten sind, und mit einem Neutralisator 18, άςτ dazu dient, das Ansammeln von positiven Ladungen auf dem Target zu verhindern und dadurch das Target elektrisch neutral zu halten. Durch das Zuführen von Elektronen vom Neutralisator 18 wird die mittlere Ladungsdichte oder die Raumladung des Ionenstrahles neutral gehalten.

In dem Weg des Ionenstrahles, der in F i g. 1 durch Pfeile 20 angedeutet ist, befindet sich ein Halter 22 und ein Zerstäubungs-Target 24. Der Halter 22 ist in geeigneter Weise mit einem Ma.iipulatorstab 26 verbunden, der drehbar und axial verschiebbar ist und ein Verschwenken des Halters 22 erlaubt, wie es durch die Pfeile 28,30 und 32 angedeutet ist Auf dem Halter 22 ist ein Substrat 34 angeordnet und in geeigneter Weise befestigt Unter dem Halter 22 befindet sich das Target 24, auf dem jedes Material angeordnet sein kann, das durch Zerstäuben auf das Substrat 34 aufgebracht werden soll.

Die Vorrichtung wird von einer den Strahl begrenzenden Blende 36 und einem zu einer Vakuumpumpe rührenden Absaugsystem vervollständigt, das durch einen Pfeil 38 veranschaulicht wird.

Beim Betrieb der beschriebenen Vorrichtung wird zunächst ein Substrat 34 aus einem geeigneten Material an dem Halter 22 befestigt und, wie in F i g. 2 dargestellt, so angeordnet, daß es dem Zerstäubungs-Target 24 mit seiner Fläche gegenübersteht. Wird auf das Zerstäubungs-Target ein Ionenstrahl 20 gerichtet, so wird Material vom Target auf das Substrat 34 aufgestäubt, wie es durch Pfeile 40 angedeutet ist, und es entsteht auf <io dem Substrat eine dünne, aufgestäubte Beschichtung 42. Wenn die Beschichtung 42 auf dem Substrat 34 eine ausreichende Dicke erreicht hat, wird die Ionenquelle gesperrt und der Halter 22 in die in F i g. 1 dargestellte Lage gebracht, in der sich seine Fläche direkt im Ionenstrahl 20 befindet, wenn die Ionenquelle 12 wieder eingeschaltet wird. Nach Einschalten der Ionenquelle 12 trifft der Ionenstrahl 20 die Oberfläche der Beschichtung 42 und das Substrat 34 unter einem flachen Winkel und mit geringer Energie, die ausreichend ist, um mikroskopisch feine Rillen oder Riefen in der Oberfläche der Schicht 42 zu erzeugen. Es wird angenommen, daß das Ergebnis dieser Bearbeitung in einer mikroskopisch gewellten Oberfläche mit Rippen und Tälern besteht die parallel zur Richtung des -einfallenden Strahles verlaufen.

Es versteht sich, daß andere Verfahren zum Aufbringen der Beschichtung 42 auf dem Substrat 34 verwendet werden können, wie beispielsweise HF-Zerstäubung, Aufdampfen im Vakuum, elektrolytische Abscheidung und der Niederschlag aus chemischen Dämpfen. Allgemein i^r' -^- ubstrat 34 als Elektrodenfläche einer Flüssigkristall-Anzeige gestaltet, die mit einem passivierenden oder reflektierenden oder einem sonstigen Material beschichtet ist, das benötigt wird, damit die Flüssigkristall-Anordnung in der gewünschten Weise arbeitet. Es ist bekannt, daß eine solche Schicht dazu dienen kann, tfine elektrochemische Wechselwirkung mit dem Flüssigkristali-Material zu unterbinden, das Elektrodenmaterial den geringsten zeitlichen Veränderungen auszusetzen und unerwünschte Änderungen in den Eigenschaften des Flüssigkristalls zu vermeiden.

Die Beschichtung des Substrats 34 kann in einem passävierenden Material bestehen, wie beispielsweise Siliciumdioxid, Aluminiumoxid oder Titandioxid, das durch übliche Zerstäubungsverfahien aufgebracht wurde. Für eine Beschichtung mit reflektierender Oberfläche kann Chrom oder eine Kombination von Chrom und Gold verwendet und durch normales Aufdampfen oder Aufstäuben aufgebracht werden. Für die Ausrichtung in einer Gleichstromzelle kann das Beschichtungsmaterial Kohlenstoff sein, das ebenfalls durch übliche thermische Aufdampfung oder durch Aufstäuben aufgebracht wird. Unabhängig von den speziellen Werkstoffen, die für die Beschichtung 42 verwendet werden, wird die Dicke dieser Beschichtung so gewählt, daß die gewünschten optischen und elektrischen Eigenschaften erzielt werden. Gewöhnlich liegt die Dicke im Bereich von 10 bis 500 nm.

Beim Scheuern oder bei der Mikrobearbeitung der Oberfläche wird ein Strahl neutralisierter Ionen benutzt. Vorzugsweise wird ein breiter Strahl verwendet, um Randeffekte an der Beschichtung 42 zu vermeiden, also einen Ionenstrahl möglichst großer Parallelität zu erhalten. Es ist jedoch auch möglich, bei Bedarf einen schmalen Strahl zu verwenden und die Beschichtung 42 in bezug auf den schmalen Strahl zu bewegen oder umgekehrt.

Der Strahl wird unter einem flachen Winkel auf die Beschichtung gerichtet. Bevorzugte Winkel liegen zwischen 10° und 30° gegenüber der Fläche. Bei einem Winkel von weniger als 10° besteht die Gefahr einer Verminderung der Oberflächenqualität durch Zerstäuben, während über 40° die Ausrichtung weniger gleichförmig wird.

Als Material zur Erzeugung des Ionenstrahls kann jedes Gas dienen, dessen Ionen eine ausreichende Scheuerwirkung haben. Ein geeignetes Gas ist Argon mit einer Energie von 1 bis 3 keV. Da das erwünschte Resultat eine Scheuerwirkung ist, richtet sich die Wahl der Ionenart, der Energie und der Intensität (Stromdichte) des lonenstrahles nach dem gewünschten Endresultat der Mikrobearbeitung.

Nachdem die Oberfläche in geeigneter Weise mit dem Ionenstrahl gescheuert worden ist, wird das Flüssigkristall-Material auf die Oberfläche aufgebracht und es wird die Anordnung zu einer vollständigen Zelle vervollständigt.

Die Erfindung wurde zur Herstellung verschiedener Arten von Flüssigkristallzellen benutzt, nämlich zur Herstellung eines Wechselstrom-Lichtventils, einer reflektierenden Anzeige und einem Gleichstrom-Lichtventil. Die Herstellung der Elektrodenoberflächen wird nachstehend anhand einiger spezieller Beispiele noch näher beschrieben.

Beispiel 1

Zur Herstellung eines Wechselstrom-Lichtventils wurde ein Glassubstrat mit einer Elektrodenschicht aus Indiuinzinnoxid gewählt. Solch ein Glassubstrat mit einer Indiumzinnoxid-Elektrode ist im Handel erhältlich. Das Substrat mit dieser Elektrodenfläche wurde dann in eine Ionenstrahl-Abscheidungsvorrichtung eingebracht, wie sie in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist Unter Verwendung von Areon-Ionen mit einer Energie

von 1 bis 7 keV, die auf ein Target 24 aus Siliciumdioxid gerichtet wurden, wie es Fig.2 zeigt, wurde eine Siliciumdioxid-Schicht mit einer Dicke von 270 nm in einer Zeit von etwa 27 bis 30 Minuten auf das Elektrodenmaterial aufgestäubt.

Eine gleiche Beschichtung wurde durch eine H F-Aufstäubung in einer üblichen Vorrichtung erzielt.

Das Substrat mit der Siliciumdioxid-Beschichtung auf der Elektrode wurde dann in die Ionenstrahl-Vorrichtung gebracht oder in ihr belassen, je nachdem, ob die Siliciumdioxid-Schicht mittels eines Ionenstrahles oder eines HF-Plasmas aufgestäubt wurde. Die Oberfläche der Siliciumdioxid-Beschichtung wie die Beschichtung 42, wurde dann unter etwa 20° zu einem einfallenden Argor.iop.enstrah! ausgerichtet, wie es Fig.! zeigt. Es wurde ein breiter Strahl mit einer Energie von 2,5 keV und einer Intensität von 0,2 mA/cm² verwendet. Nach etwa 6 Minuten des Ätzens oder Scheuerns waren etwa 70 nm Siliciumdioxid entfernt. Danach wurde das Flüssigkristall-Material auf die gescheuerte Siliciurridioxid-Oberfläche aufgebracht und die Anordnung zu einer vollständigen Zelle vervollständigt.

Beispiel 2

Zum Erzielen einer reflektierenden Oberfläche wurde in einem Fall ein Glassubstrat und in einem anderen Fall eine aktive Anordnung mit einer aufgedampften Chromschicht von etwa 200 nm Dicke versehen. In einem anderen Beispiel wurde die Chromschicht aufgestäubt Danach wurden die gleichen Scheuerschritte vorgenommen, wie sie irn Beispiel 1 beschrieben sind, um etwa 20 nm der Chromschicht zu entfernen.

Beispiel 3

Eine Anordnung nach Beispiel 2 wurde zur Erhöhung ihres Reflektionsvermögens um 60% durch Aufbringen von Silber auf die Chromschicht mit einer Dicke von etwa 10 bis 20nm gemäß Fig.2 weiterbehandelt. Es wurde festgestellt, daß die an der Chromschicht erzeugte Oberflächenstruktur von der Silberschicht abgebildet wurde und eine gute parallele Ausrichtung erzielt werden konnte. Silber wurde bei solchen Anwendungen benötigt, für welche das Reflexionsvermögen von Chrom zu gering war. Daher wurde durch die dünne Silberschicht das Reflexionsvermögen bedeutend erhöht, während die Ausrichtung des anschließend aufgebrachten Flüssigkristall-Materials erhalten blieb.

Beispiel 4

Zum Betrieb als Gleichstrom-Lichtventil wurde eine Schicht Kohlenstoff mit einer Dicke von etwa 10 bis 15 nm auf eine Indiumzinnoxid-Elektrode aufgestäubt. Nach dem Aufbringen der Kohleschicht, wie sie in der Zeichnung als Beschichtung 42 angedeutet ist, wurde das Scheuerverfahren nach Beispiel 1 angewendet. Es wurden jedoch nur 5 bis 10 nm des Materials abgetragen.

Es wurde festgestellt, daß bei allen Beispielen mikroskopisch feine Rillen oder Riefen auf der Oberfläche der Schicht 42 erzeugt wurden, die 1. eine reproduzierbare Wirksamkeit auf die parallele Ausrichtung der Flüssigkristall-Moleküle hatten, 2. wiederholten Reinigungs- und Ausbackschritten standhielten und 3. Produktionsverfahren in Verbindung mit Einrichtungen zur Herstellung von Beschichtungen durch Aufstäuben zugänglich sind. Die vorstehenden Beispiele ergaben eine ausgezeichnete Homogenität der Ausrichtung und Haltbarkeit, einschließlich einer Beständigkeit gegen ein wiederholtes Reinigen der Oberflächen mit organischen Lösungsmitteln und einem Ausbacken in Luft bei 500⁰C während einer Stunde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristall-Zelle, bei dem ein Substrat mit einer Beschichtung versehen, die Oberfläche der Beschichtung durch eine gleichförmige Bearbeitung mit einem Ionenstrahl, der unter einem Winkel von weniger als 90° gegenüber der Fläche auf die Oberfläche der Beschichtung gerichtet wird, mit Rillen versehen und bei dem dann auf die gerillte Oberfläche ein Flüssigkristall-Material aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bearbeitung der Oberfläche der Beschichtung ein Ionenstrahl mit neutralisierter Raumladung und einer Energie von 1 bis 3 keV sowie einer Intensität von etwa 0,2 mA/cm² verwendet und unter einem Winkel von weniger als 40° gegenüber der Fläche auf das Subsli at gerichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl unter einem Winkel zwischen 10 und 30° gegenüber der Fläche die Oberfläche der Beschichtung gerichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl nacheinander dazu benutzt wird, erst die Beschichtung durch Aufstäuben auf das Substrat aufzubringen und dann die Oberfläche der Beschichtung zu bearbeiten.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mit der Beschichtung und der Ionenstrahl quer zur Strahlrichtung gegeneinander bewegt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschichtung eine 10 bis 500 nm dicke Schicht aus Siliciumdioxid, Aluminiumdioxid, Titandioxid, Chrom, Chrom und Gold oder Chrom und Kohlenstoff aufgebracht wird.