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Verfahren zur Herstellung einer FlüssiZkristallanzeige
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Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Eine solche Fertigungstechnik wird in der DE-OS 22 56 317 beschrieben.
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Die optischen Qualitäten eines Flüssigkristalldisplays hängen bekanntlich
empfindlich davon ab, wie exakt und stabil die Flüssigkristallmoleküle in ihrem
Ruhezustand ausgerichtet sind. Man hat daher seit jeher intensiv an der Entwicklung
geeigneter Orientierungstechniken gearbeitet und mit der Zeit eine Fülle vonSLösungsvorschlägen
gemacht (vergl. hierzu beispielsweise RCA-Rev. ?# (1974) 447). So wurde etwa in
der zitierten Offenlegungsschrift ange#regt, die Elektrodenplatten der Anzeige mit
Fotolack zu beschichten und in dem Lack durch ein streifenförmiges Interferenzmuster
zweier kohärenter Lichtquellen eine Rillenstruktur zu erzeugen.
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Diese Methode liefert eine wohldefinierte Orientierung,
ist
jedoch mit einem beträchlichen Aufwand belastet und wurde daher auch nicht weiter
verfolgt. Man konzentrierte sich vielmehr auf die Ausarbeitung und Verfeinerung
der sogenannten Schrägbedampfungstechnik (Appl.
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Phys. Legt. 21 (1972) 173), die sich relativ bald nach ihrer Veröffentlichung
gegen die bis dahin praktizierte Reibetechnik durchsetzte, Schrägbedampfte Schichten
haben zweifellos ein gut reproduzierbares und auch langzeitstabiles Ausrichtvermögen,
sie lassen sich aber noch immer nicht besonders einfach herstellen. Vor allem bereitet
es Mühe, den Flüssigkristallmolekülen einen geringen Anstellwinkel zu geben (vergl.
hierzu beispielsweise Appl. Phys. Lett. 29 (1976) 691).
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Alternative zur
Schrägbedampfungsmethode anzugeben, die mindestens gleichwertige Resultate liefert,
dabei aber einfacher in eine Serienfertigung eingegliedert werden kann und ohne
besondere Zusatzvorkehrungen verkippt homöotrope Orientierungen ermöglicht. Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 giöst.
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Bei der vorgeschlagenen Technik wird das Bestrahlungsmuster nicht
etwa lichtquellenseitig, sondern durch eine geeignete Maskierun#g der strahlungsempfindlichen
Schicht erzeugt. Daß mit einer solchen Lithographie, die sich auf dem Gebiet der
Mikroelektronik an sich schon seit langem bewährt hat, ohne weiteres auch brauchbare
Orientierungsschichten hergestellt werden könne#n, ist# überraschend:
Eine
gewellte Oberfläche hat eine umso größere Orientierungskraft, je größer die Amplitude
und vor allem je kleiner die Wellenlänge der periodischen Struktur ist (vergl. hierzu
im einzelnen Nonemissive Elektrooptic Displays 1975, S. 121-143, insbesondere Abschnitt
5.1), und die Praxis hat gezeigt, daß die Rillen einer Orientierungsschicht nicht
breiter als 1 /um sein sollten. Braucht das Display eine besondere steile Spannungs-Kontrast-Kennlinie
und müssen daher die Flüssigkristallmoleküle in der Orientierungsschicht sehr fest
verankert sein, dann sind sogar Rillenbreiten in der Größenordnung von 0,1 /um anzustreben.
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Derart feine Strukturen wurden bisher auch schon auf lithografischem
Wege erzeugt, allerdings nicht in der erprobten Fototechnik sondern - auf recht
mühevolle Weise - mit Röntgen- und Elektronenstrahlen. Die Fotolithografie schied
deshalb aus, weil die Resisttechnik stets nur zu solchen Zwecken eingesetzt wurde,
bei denen die Strahlung den Gesetzen der geometrischen Optik folgen mußte.
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Im vorliegenden Fall stört es dagegen nicht, wenn sich die Wellennatur
der verwendeten Strahlen bemerkbar macht. Im Gegenteil: wirkt die Maske wie ein
Beugungsgitter und werden die einzelnen Beugungsmaxima aufgelöst, so erhalten die
belichteten Streifen jeweils mehrere Mikrorillen. Somit führt die Fototechnik auch
und gerade in Kombination mit einer Maske, deren Spalte schmaler als gewohnt sind,
zu hochwirksamen
Orientierungsschichten. Hinzukommt, daß man die
Schicht nicht durchzuentwickeln braucht und die einzelnen Schicht streifen auch
nicht auf ganzer Länge durc#hgehend bestrahlen muß. Es genügt im Grunde, ein Mikroprofil
aus langgetreckten, zueinander parallelen Vertiefungen herauszuarbeiten.
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Solche Fertigungserleichterungen fallen vor allem bei der Röntgen-
und Elektronenlithografie ins Gewicht und machen auch diese Varianten, die bisher
als Orientierungstechniken nicht infrage kamen, durchaus attraktiv.
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Eine nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellte Orientierungsschicht
texturiert benachbarte Flüssigkristallmoleküle zunächst schichtenparallel. Die Molekülachsen
lassen sich in gewissen Grenzen um einen bestimmten Winkel gegen die Schichtebene
neigen, wenn man die Rillen definiert unterbricht.
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Dies kann bei Verwendung einer elektromagnetischen Strahlung durch
eine entsprechende Maskierung und im Falle einer Elektronenstrahlung durch eine
Modulation des Strahls geschehen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erf-indung sind
Gegenstand weiterer Ansprüche.
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Die Erfindung soll nun anhand einer Flüssigkristallanzeige, deren
Orientierungsschichten in der hier vorgeschlagenen Weise hergestellt worden sind,
in Verbindung mit der beigefügten Figur näher erläutert werden.
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Die Figur zeigt in einem etwas schematisierten Seitenschnitt eine
7-Segment-Flüssigkristallanzeige mit einem vorderen Linearpolarisator 1, einer vorderen
Trägerplatte 2, einer hinteren Trägerplatte 3, einem hinteren, zum vorderen gekreuzten
Linearpolarisator 4 und einem Reflektor 6. Die beiden Trägerplatten werden durch
einen Rahmen 7 hermetisch dicht miteinander verbunden. Die vom Rahmen und den beiden
Substraten begrenzte Kammer ist mit einer Flüssigkristallschicht 8 gefüllt. Die
beiden Platten tragen auf ihren einander zugewandten Flächen elektrisch leitende
Beläge (Vorderelektroden 9, Rückelektrode 11) sowie eine Orientierungsschicht 12,13.
Das Display arbeitet nach dem Prinzip der sogenannten Drehzelle, die in der DE-AS
21 58 563 im einzelnen beschrieben wird.
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Die Orientierungsschichten, im vorliegenden Beispiel aus fotovernetztem
Polyamidocarbonsäure-äthylenglykol methacrylat-ester bzw. Pclyimi v bestehend, lassen
sich folgendermaßen herstellen Zunächst beschichtet man die bereits mit ihren Elektroden
versehenen TrEgerplatten in einem sogenannten "Roller Coating'l-Verfahren mit dem
Polyamidocarbonester-Fotolack9. Die aufgetragene Schicht sollte so dünn sein, daß
sie im fertigen Zustand nicht dicker als 0,2 /um bzw. 0,5 /um ist (der niedrigere
Wert gilt bei einer Multiplexansteuerung). Anderenfalls würde an den Orientierungsschichten
im Betrieb des Displays eine zu große Spannung abfallen.
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Anschließend wird die Schicht mit einer Fotomaske in Form eines Gitters
bedeckt; die Stäbe dieses Gitters haben eine Breite von 1 /um, benachbarte-Gitterstäbe
liegen etwa 1 /um auseinander.
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Dann setzt man die Schicht ca. 1-2 Minuten einem Licht mit Frequenzen
zwischen 350-450 nm aus.
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Der belichtete Kunststoff wird nach Abnahme der Maske in eine geeignete
Entwicklerlösung getaucht oder einer Plasmabehandlung unterzogen. Es entsteht das
gewünschte Rillenmuster.
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Hiernach trocknet und härtet man die Schicht bei erhöhten Temperaturen.
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Für die Orientierungsschichten können die verschiedensten strahlungsempfindlichen
organischen Schichten verwendet werden. Einige der in Betracht kommenden Materialien
sind im folgenden zusammengestellt. Am Schluß der Zusammenstellung werden weiterführende
Literaturhinweise gegeben.
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Negativ-Fotolacke Polyvinylcinnamate Polyvinylcinnamylidenester2 Allylesterprepolymere³
wie Diallylphthalatprepolymere4 Partiell cyclisierte Poly-1,4-Isopr'ene und Copolymere5
Ungestättigte Polyesterharze6 Ungesättigte Epoxyharze7 wärme- bis hochwärmebeständige
vernetzbare Massen wie Substanzen auf Polytriallylcyanurat-Basis8 Strahlungsre aktive
Vorstufen hochwärmebeständiger Polymerer9.
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Positiv-Fotolacke Novolake wie m-Kresolformaldehydharze mit Diazochinonen
als Sensibilisatoren10 Gemische aus einer Polyimidvorstufe und einem Orthochinondiazid11
lichtempfindliche Gemische mit o-Nitrobenzylgruppenhaltigen Sensibilatoren12.
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Trockenresists Mischungen aus nicht photoreaktiven polymeren "Bindern"
mit polyfunktionellen Vernetzern auf Acrylat- oder Methacr.ylatbasis und Sensibilisatoren13.
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Deep- W -Positivresists 14 Polyolefinsulfone wie Polybuten-1-sulfon
und cyclische Polyolefinsulfone14 Polybenzylmethacrylester Polymethylmethacrylate
(PMMA) und Copolymere von Methylmethacrylat mit α-C1-,α-CN-Acrylaten
15a bzw. mit Methacrylnitril Polystyrol sulfone Polymethacrylat mit fluorierter
Esterkomponente17 Polymethylisopropenylketon18 Polyoxymethylen mit eingebauten o-Nitrobenzylgruppen
Polyisobutylen und Copolymere20 vorvernetzte P#NA-Typen, Methylmethacrylat-Copolymere
mit Acrylamid-, Methacrylsäure-Partialstrukturen 21,22 Elektronen- und Röntgen-Positivresists
Außer den unter "Deep-W-Positivresists" erwähnten Materialien:
Gemische
von Novolaken mit Orthonaphtochinonen18 Gemische von Novolaken mit #-Cyanoäthylacrylat-
α -Amidoäthylacrylat-Copolymer³.
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Elektronen- und Röntgennegativresists Polyglyc idylmethacrylate24
Glycidylmethacrylat-Äthylacrylat-Copolymere25 Glycidylmethacrylat-Allylglycidyläther-Copolymere26
Glycidylmethacrylat-p-Cl-Styrol-Copolymere27 Epoxidierte Polybutadiene28 Polydiallylorthophthalate29
Polybutadiene29 Polyvinylferrocene30 Polyvinylsiloxane29 Literatur zu den genannten
Resists 1W,S. De Forest "Photoresists", Mc. Craw Hill, New York, 1975, S. 24 2"Photoresist"
S. 28 3"Photoresis" S. 29 5. 29 4"Photoresist" 5. 30 5"Photoresist" S. 31 6Kosar
"Light-Sensitive Systems" John Wiley, New York, 1965, Abschnitt 4,3 7DE-AS 23 42
407 8DE-PS 24 57 882 9DE-PSen 21 30 904, 23 08 830, 24 37 348, 24 37 368, 24 37
369, 24 37 383, 24 37 397, 24 37 413, 24 37 422 1O"photoresist", S. 48-60 11DE-OS
26 31 535 12DE-OS 22 42 106 l3flPhotoresist!t, S. 163 bis 212, insb. S. 165 14J.
of Appl. Polymer Science, 21 (1977) 677
15aCoatings and Plastics
Preprints, 174th Meeting, Chicago, Vol 37 Number 2, Amer. Chem. Soc. 1977, S.31
Conference Conferenceon Electron and Ion Beams in Science andTechnology, Seattle
Meeting der ACS, May 1978#L.E. Stillwagen et al 16Coatings and Plastics Preprints,
174th Meeting, Chicago, Vol 37 Number 2, Amer. Chem. Soc. 1977, S.38 17Jap. Journal
of Appl. Physics, 17 (1978) 541 Solid State Technology, July 1974, S. 27 ff 19Int.
Symposium on Advances in Photopolymer Systems, 18thFall Symposium 1978, Washington,
S. 69 20J. Electrochem. Soc. 123/7 (1976) 1105 21J. of Appl. Polymer Science 22
(1978) 3397 22Philips Techn. Rundschau 35 (1975)72 23FMR-E101 Fuji Chemicals Industrial
Co., Ltd. Tokyo Japan 24J. Electrochem. Soc.: Solid State Science and Technology
121 (1974) 1500 Pol. Eng. & Sci. 14 No. 7 (July 1974) 529 26PSE-2 American Can
Comnany, Princeton, N.J, USA 27Eighth International Conference on Electron and Ion
Beams in Science and Technology, Seattle Meeting der ACS, May 1978 28C.F.Thompson
et al ACS Div. of Org. Coat. and Plast. Chem. Preprint (1973) 383; J. Electrochem.Soc.
118 (1971) 669 29Pol. Eng. & Sci.# 14 No. 7 (July 1974) 534 30J. Electrochem.
Soc.: Solid State Science 116 (1969)94
Unter den erwähnten Substanzen
sind vor allem die strahlungsreaktiven Vorstufen hochwärmebeständiger Polymere und
die Gemische aus einer Polyimidvorstufe und Orthochinondiazid hervorzuheben, die
Orientierungsschichten ergeben; welche auch Temperaturen über 4000C vertragen und
daher eine Glaslotversiegelung des Displays zulassen.
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Besondere Vorteile bieten Resiste, die bei einer Ionen- bzw. Plasmaätzung
auf ihren bestrahlten und unbestrahlten Flächen mit deutlich verschiedenen Raten
abgetragen werden. Unter dieser Voraussetzung kann man nämlich die Orientierungsschichten
bequem entwickeln und sie dabei zugleich auch noch dünner machen. Geeignete Lacke
sind insbesondere Negativ-Fotolacke sowie Elektronen- und Röntgenresists.
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Unter Umständen kann es sich auch empfehlen, ein Schichtmaterial auszuwähen,
das in seinen strukturierten Bereichen homogen oder homöotrop orientiert.
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Solche Eigenschaften haben beispielsweise fotovernetzte Polyamidocarbonsäureathylenglykolmethacrylat-ester
bzw. Polyimid (homogen), fluorhaltige Polymere bzw.
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Polymere mit langen aliphatischen Seitengruppen (homöotrop).
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.
Abgesehen davon, daß man unter verschiedenen Lithographien und Resisttypen wählen
kann, besteht auch bei der Gestaltung
der Maske ein gewisser Spielraum.
So braucht man etwa bei der Fototechnik keineswegs in jedem Fall mit Beugungseffekten
zu arbeiten. Auch ist es nicht immer erforderlich, daß die Maske aus einem einzigen
einheitlichen Gitter besteht; sie könnte etwa aus mehreren gegeneinander verdrehten
Teilgittern zusammengesetzt sein.
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13 Patentansprüche 1 Figur