DE2931293A1

DE2931293A1 - Verfahren zur herstellung einer fluessigkristallanzeige

Info

Publication number: DE2931293A1
Application number: DE19792931293
Authority: DE
Inventors: Hellmut Dipl Chem Dr Ahne; Hans Dipl Phys Krueger; Roland Dipl Chem Dr Rubner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-08-01
Filing date: 1979-08-01
Publication date: 1981-02-05
Also published as: DE2931293C2

Description

Verfahren zur Herstellun~ einer Flüssigkristallanzeige Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Fertigungstechnik wird in der DE-OS 22 56 317 beschrieben.
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 von Lösungsvorschlägen gemacht (vergl. hierzu beispielsweise RCA-Rev. 35 (1974) 447). So wurde etwa in der zitierten Offenlegungsschrift angeregt, die Elektrodenplatten der Anzeige mit Fotolack zu beschichten und in dem Lack durch ein streifenförmiges Inter- ferenzmuster zweier kohärentes Lichtquellen eine Rillenstruktur zu erzeugen. Diese Methode liefert eine wohldefinierte Orientierung, ist jedoch mit einem beträ#chtlichen Aufwand belastet und wurde daher auch nicht weiter verfolgt. Man konzentrierte sich vielmehr auf die Ausarbeitung und Verfeinerung der sogenannten Schrägbedampfungstechnik (Appl. Phys. Lett. 21 (1972) 173), die sich relativ bald nach ihrer Veröffentlichung gegen die bis dahin praktizierte Reibetechnik durchsetzte. Schrägbedampfte Schichten haben zweifellos ein gut reprodzierbares 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.
/1976) 691).
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 gelöst. Der dabei verwendete Strahl wird in der Regel aus Elektronen bestehen; brauchbare Resultate erhält man aber auch mit anderen Strahlungsarten, etwa mit Ionen- oder Laserstrahlen.
Zumindest die Elektronenstrahl-Lithographie wird auf dem Gebiet der Mikroelektronik schon seit Jahren angewendet, und zwar dann, wenn besonders feine Strukturen mit Abmessungen <1 erzeugt werden müssen. Auch gerillte Orientierungsschichten sollten eine Rillenbreite und einen Rillenabstand von höchstens 1 /um haben. Wenn dennoch das vorliegende Verfahren bis jetzt noch nicht ernstlich erwogen wurde, so mag dies daran liegen, daß man diese Technik als zu aufwendig ansah. Denn in der Tat kam das Auflösungsvermögen der Elektronenstrahltechnik in allen bisherigen Anwendungsfällen nur dann voll zur Wirkung, wenn man besonders sorgfältig arbeitete. So war vor allem darauf zu achten, daß elektrostatische Aufladungen an der Grenzfläche Substrat-Resist und Elektronenreflexionen am Substrat den Elektronenstrahl nicht allzu stark aufspreizen und daß der Resist beim Naßentwickeln nicht derart quillt, daß es zu bleibenden Berührungskontakten zwischen benachbarten Resistflächen kommt.
Sas erfindungsgemäße Verfahren führt auch dann zum Erfolg, wenn man auf seine Durchführung erheblich weniger Mühe verwendet: Störende Strahldeformationen sind nicht zu befürchten, da die Orientierungsschicht lediglich an ihrer Oberfläche strukturiert werden muß und somit der Einfluß des Substrats gering bleibt. Und die erwähnten Wandkontakte beeinträchtigen, wie sich gezeigt hat, die Orientierungseigenschaften der Schicht nicht nennens- wert. Im Ergebnis lassen sich die Orientierungsschichten eines Flüssigkristalldisplays auf die vorgeschlagene Weise überraschend einfach und auch in industriellem Maßstab praktisch ohne Ausschuß fertigen.
Eine erfindungsgemäß hergestellte Orientierungsschicht Xxturiert 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. Dies kann durch eine Modulation des Strahls geschehen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
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.
Die Figur zei#gt 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 sog. "Drehzelle, die in der DE-AS 21 58 563 im einzelnen beschrieben wird.
Die Orientierungsschichten, im vorliegenden Beispiel aus strahlungsvernetztem Glycidylmethacrylat-Äthylacrylat-Copolymeren bestehend, lassen sich folgendermaßen herstellen: Zunächst beschichtet man die bereits mit ihren Elektroden versehenen Trägerplatten in einem sogenannten "Roller Coating"-Verfahren. 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. Anschließend wird über die Schicht ein Elektrone#nstrahl mit einer Elektronenenerie von 10 - 20 kV und einer Intensität von 5x10 --1O#7c/m2 so #geführt, daß ein Muster aus zueinander parallelen Streifen mit einer Breite 1/u und einem Abstand 1 /u bestrahlt werden. Anschließend wird der Resist in eine geeignete Entwicklerlösung getaucht oder einer Plasmabehandlung unterzogen. Es entsteht dasgewünschte Rillenmuster.
Hiernach trocknet und härtet man die Schicht bei erhöhten Temperaturen.
Soll die Orientierungsschicht besonders wärmebeständig sein, so könnte man von Polyamidocarbonsäureäthylenglykolmethacrylatester ausgehen und eine vernetzte Polyamidocarbonsäure-äthyleng2)ykolmethacrylatester- bzw. Polyimid-Schicht erzeugen. Hierzu wird eine im Schleuderverfahren auf die Trägerplatten aufgebrachte 0,2 /um bzw. 0,5 /um starke Schicht mit einem Elektronenstrahl der Energie 20 kV und der Intensität 5x10#5 bis 5x10 6 c/m2 analog dem vorhergehenden Beispiel bestrahlt, entwickelt und getempert. In einer anderen Fertigungsvariante wird die Polyamidocarbonsäure-äthylenglykolmethacrylat-ester-Schicht mit einem Argonionenlaser der Wellenlänge 420 nm bestrahlt, der mit Hilfe eines Rechners elektrooptisch gesteuert wird. Das Rillenmuster wird in der gleichen Weise anschließend ent;wickelt und getempert.
Für die Orientierungsschichten können die verschiedensten strahlungsempfindlichen organischen Schichten verwendet werden. Einige der in Betra#cht kommenden Materialien sind im folgenden zusammengestellt. Am Schluß der Zusammenstellung werden weiterführende Literaturhinweise gegeben.
Negativ-Fotolacke Polyvinylcinnamate1 Polyvinylc innamylidenester2 Allylesterprepolymere3 wie Diallylphthalatprepolymere4 Partiell cyclisierte Poly-1,4-Isoprene and Copolymere5 Ungesättigte Polyesterharze6 7 Ungesättigte Epoxyharze wärme- und hochwärmebeständige vernetzbare Massen wie Substanzen auf Polytriallgcyanurat-Basis8 Strahlungsreaktive Vorstufen hochwärmebeständiger Polymerer9 Positiv-Fotolacke Novolake wie m-Kresolformaldehydharze mit Diazochinonen als Sensibillsatoren10 Gemische aus einer Polyimidvorstufe und einem Orthochinondiazid lichtempfindliche Gemische mit o-Nitrobenzylgruppenhaltigen Sensibilatoren 12.
Trockenresists Mischungen aus nicht photoreaktiven polymeren "Bindern" mit polyfunktionellen Vernetzern auf Acrylat- oder Methacrylatbasis und Sensibilator 13.
Deep- W -Positivresists Polyolefinsulfone14 wie Polybuten-1 -sulfon und acyclische Polyolefinsulfone14 Polybenzylmethacrylester Polymethylmethacrylate (PMMA) und-Copolymere von Methylmethacrylat mitoc-Cl- bzw.
bzw. mit Polystyrolsulfone16 Polymethacrylat mit fluorierter Esterkomponente17 Polymethylisoprop enylketon18 Polyoxymethylen mit eingebauten o-Nitrobenzylgruppen19 Polyisobutylen und Copolymere20 vorvernetzte PMMA-Typen, Methylmethacrylat-Copolymere mit Acrylamid-, Methacrylsäure-Partialstrukturen21 , 22 Elektronen-Positivresists Außer den unter "Deep-W-Positivresists" erwähnten Materialien: Gemische von Novolaken mit Orthonaphtochinonen18 Gemische von Novolaken und -Cynanaoäthylacrylat-i-Amidoäthylacrylat-Copolymer23.
Elektronen-Ne;2ativresists Polyglycidylmethacrylate 24 Glycidylmethacrylat-Äthylacrylat-Copolymere25 Glycidylmethacrylat-Allylglycidyläther-Copolymere26 Glycidylmethacrylat-p-Cl-Styrol-Copolymere27 Epoxidierte Polybuta d inne 8 Polydial#lorthophthalat e29 Polybutadiene29 Polyvinylferrocene30 Polyvinylsiloxane29 strahlungsreaktive -Vorstufen hochwärmebeständiger Polymerer Literatur zu den genannten Resists W.S. De Forest "Photoresist", Mc. Graw Hill, New York, 1975, S. 24 2"Photoresist" S. 28 3"Photoresist" S. 29 4"Photoresist" S. 30 5"Photoresist" S. 31 6Kosar "Light-Sensitive-Systems" John Wiley, New York, 1965, Abschnitt 4.3 7DE-AS 23 42 407 DE-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.
10"Photoresist", S. 48-60 11DE-OS 26 31 535 12DE-OS 22 42 106 13"Photoresist" S. 163 bis 212, insb. S. 165 1411J. of Appl. Polymer Science", 21 (1977) 677 15#atin#and Plastics Preprints, 174th Meeting, Chicago, Vol. 37 Number 2, Amer. Chem. Soc. 1977, S. 31 15bEighth International Conference on Electron and Ion Beams in Science and Technology, Seattle Meeting der ACS, May 1978 L.E. Stillwagen et al 16Coatings and Plastics Preprints, 174th Meeting, Chicago, Vol. 37, Nummer2, Amer. Chem, Soc. 1977, S. 38 7Jap. Journal of Appl. Physics, 17 (1978) 541# Solid State Technology, July 1974, S. 27ff 19Int. Symposium on Advances in Photopolymer Systems, l8thFall Symposium 1978, Washington, S. 69 20J.- Electrochem. Soc. 123/7 (1976) 1105 21J. of Appl. Polymer Science 22 (1978) 3397 Philips Techn. Rundschau 35 (1975) 72 23FMR-E101 Fuji Chemicals-Industrial Co. Ltd. Tokyo Japan 24. Electrochem. Soc.: Solid State Science and Technology 121 (1974) 1500 25Pol. Eng. & Sci.14 (July 1974) 529 26PSE-2 American Can Company, Princeton, N.J. USA Eighth 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 hochwärmeb eständiger Polymere und die Gemische aus einer Polyimidvorstufe und Orthochinondiazid hervorzuheben, di3 Orientierungsschichten ergeben, welche auch Tempercturen über 4600C vertragen und daher eine Glaslotversiegelung des Displays zulassen.
Besondere Vorteile bieten Resists, 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 insbesoiidere#Negativ-Fotolacke sowie Elektronenresists.
Unter Umständen kann es sich auch empfehlen, ein Schichtmaterial auszuwählen, das in seinen strukturierten Bereichen homogen oder homöotrop orientiert.
Solche Eigenschaften haben beispielsweise fotovernetzte Polyamidocarbonsäureäthylenglykolmethacrylat- ester bzw. Polyimid (homogen), fluorhaltige Polymere bzw. Polymere mit langen alphatischen Seitengruppen (homöotrop).
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 des Orientierungsmusters ein gewisser Spielraum. So ist es nicht immer erforderlich, daß die Vorlage aus einem einzigen einheitlichen Gitter besteht; sie könnte etwa aus mehreren gegeneinander verdrehten Teilgittern zusammengesetzt sein.
13 Patentansprüche 1 Figur

Claims

Patentans#rüche 1. Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkristallanzeige mit zwei Trägerplatteny die e#ine Flüssigkristall schicht zwischen sich einschließen und auf ihren einander zugewandten Seiten jeweils einen elektrisch leitenden Belag sowie eine Orientierungsschicht tragen, wobei zumindest eine der beiden Orientierungsschichten folgendermaßen erzeugt wird a) zunächst wird die bereits mit ihren elektrisch leitenden Belägen versehene Trägerplatte mit einer strahlungsempfindlichen Schicht überzogen; b) dann läßt man auf zueinander parallelen Streifen dieser Schicht eine entsprechende Strahlung einwirken und c) anschließend entwickelt man aus der bestrahlten Schicht ein Muster aus zueinander parallelen Rillen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h r. e t , d das Streifenmuster durch Führen eines modulierten Strahls über die Schicht erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Rillen höc#hstens 1 /um, insbesondere höchstens 0,4 /um breit sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß benachbarte Rillen höchstens 2 /um, insb. höchstens 1 /um voneinander distanziert sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,daß die Orientierungsschicht höchstens 0,5 /um, insbesondere höchstens 0,2 /um dick ist.
5.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i-c h n e t , daß ein Elektronenstrahl verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Ionenstrahl, insb. ein Helium-, Argon-, Chlor-oder Sauerstoffionenstrahl verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u ; c h g e k e n n z e i c h n e t ~daß ein Laserstrahl verwendet wird, der vorzugsweise eine Wellenlänge von 200-600 nm hat.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Laserstrahl von einem Lasermedium emittiert wird, das Argon-oder Kryptonionen oder ein Helium-Cadmium-Gemisch enthält.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, d 2 d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Laserstrahl akustooptisch oder elektrooptisch gesteuert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, d a d u r c h ge k e n .n z e i c h n e t , daß der insbesondere von einem Stickstofflaser stammende Laserstrahl gepulst wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , die Frequenz des Laserstrahls durch Vervielfachung erhöht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,daß das strahlungsempfindliche Material eine Vorstufe eines hochwärmebeständigen Polymers ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h ge k e n n z e i c h n e t , daß das strahlungsempfindliche Material ein Gemisch aus einer Polgimidvorstufe und Orthochinondiazid ist,