DE3734770A1 - Herstellungsverfahren fuer quadratmetergrosse duennfilm-elektronikmatrizen auf glas fuer fluessigkristall-flachbildschirme durch stueckweises schrittweises vakuumaufdampfen durch kleine perforierte metallfolienmasken - Google Patents

Description

Der von A. G. Fischer 1972 erfundene Flüssigkristall-Farbfernsehbildschirm (A. G. Fischer, US-Pat. 38 40 695 (1974)) kann am besten gegen den weltweit verbreiteten Röhrenbildschirm konkurrieren, wenn er mit größerer Bildfläche fabriziert wird, als dies bei der Röhre möglich ist, also z. B. als Wandbild 90 × 120 cm.

Dazu müßte die erforderliche großflächige Dünnfilmtransistormatrix, mit welcher die Flüssigkristallschicht zwecks Adressierung und Signalspeicherung hinterlegt werden muß, auf einer einzigen großen Glasscheibe aufgebracht werden. Jedoch ist bei den heute benutzten Techniken, wie Schichtherstellung durch Gasphasenepitaxie oder Sputtern mit anschließender Konturierung durch Ätzen, oder Schichtherstellung durch Vakuumaufdampfung durch Fotoresist- oder Blechmasken hindurch, die Herstellung von monolithischen quadratmetergroßen Bildschirmen noch in weiter Ferne, da die erforderlichen Apparaturen zu groß und teuer werden würden, weil die Fotolack- und Belichtungstechnik für solche Riesenformate noch nicht existiert, und weil Vakuum-Aufdampfmasken aus Metallfolien in dieser Größe nicht mit der geforderten Genauigkeit hergestellt werden können. Die maximal heute erreichbare Flächengröße ist 20 × 30 cm. Auf diesem Marktsektor gibt es jedoch billige kleine Röhrenfernsehgeräte von ausgezeichneter Qualität, die schwer zu schlagen sind.

Will man also in den Quadratmeter-Bereich vordringen, bietet sich die Zusammensetzung der großen Fläche aus "Moduln" an (A. G. Fischer, Dj. Tizabi, K. Krusch. H. Teves, 1982, International Display Research Conference SID-IEEE, Cherry Hill, N. J., Proceedings p. 161).

Setzt man jedoch z. B. die große Fläche 90 × 120 cm aus 10 × 10 = 100 Moduln der Größe 9 × 12 cm kachelförmig zusammen, so bereitet die Minimierung der sichtbaren Fugen zwischen den Moduln erhebliche technische Schwierigkeiten. Ferner entstehen aus den tausenden von erforderlichen elektro-mechanischen Verbindungskontakten zwischen den Moduln massenhaft unvermeidliche Fehlerquellen.

Im Bestreben, dennoch, und zwar mit unserer vorhandenen, jahrelang entwickelten und erprobten Technologie einen sofort gangbaren Weg zum monolithischen Großfernseh-Flachbildschirm zu finden, haben wir die nachfolgend beschriebene neue Fabrikationsmethode erfunden und in den Grundzügen ausprobiert.

Wie 1982 an anderer Stelle zusammenfassend dargelegt, stellen wir unsere kleinen (9 × 12 cm) Dünnfilmtransistormatrizen durch Aufdampfen im Hochvakuum mittels Elektronenstrahlerhitzung aus nur 4 einfachen Materialien vollautomatisiert durch perforierte Bimetallmasken hindurch auf kalte Glasscheiben her. Die Masken bestehen aus einem Träger-Gerippe aus 70 µm dünnem Eisen-Nickel-Blech (INVAR, dies hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten so niedrig wie Quarzglas), worauf eine harte Gold-Kobalt-Schicht von 3 µm Dicke elektrolytisch abgeschieden ist, in welche das eigentliche Aufdampfmuster mit hoher Genauigkeit eingeätzt ist.

Diese dünnen Maskenfolien werden unter dem Justiermikroskop mit Schnellkleber auf massive Rahmen aus INVAR-Platten fixiert. Das mikron­ genaue Anpassen dieser Lochmasken an das Aufdampfsubstrat bei jedem Aufdampfvorgang erfolgt sodann mittels Kugelbolzen und Trichter-Sockeln. Dies sind sehr billige Präzisionpassungen: Die Kugelbolzen bestehen aus NIROSTA-Kugellager-Kugeln von 5000 mm Durchmesser, welche durch Punktschweißen auf Stahlsäulen aufgebracht werden; die Trichtersockel werden auf vollautomatischen Maschinen gedreht und gebohrt und durch Honen auf 5002 µm Genauigkeit gebracht.

Diese gerahmten perforierten Vakuum-Aufdampfmasken samt Passungen sind tausende von Malen zu gebrauchen; nach etwa 100 Aufdampfungen können sie durch Eintauchen in verdünnte Flußsäure gereinigt werden.

Hier geht es also um die Ausweitung unserer bereits veröffentlichten Kleindisplay-Technologie auf die Herstellung von Quadratmeter-Matrizen, und zwar durch schrittweises, stückweises Vakuumaufdampfen durch kleine Masken, wodurch Großdisplays nahtlos und fugenlos zu fabrizieren sind, vorausgesetzt man löst das Registrierproblem benachbarter "Retikel".

Da der Großbildschirm in einem einzigen Vakuumzyklus aus bis zu 100 Einzelstücken genau zusammenpassend aufzudampfen ist, deren jedes viele Einzeloperationen erfordert, ist außerdem Vollautomatisierungs-Fähigkeit die Grundvoraussetzung.

Bei unserem erprobten Mini-Bildschirm-Projekt wird die aus 10 000 Bildelementen (= Pixels) (100 Zeilen, 100 Spalten) bestehende Dünnfilmtransistormatrix (9 × 12 cm) auf eine kalte Substratglasscheibe sukzessive durch 8 nacheinander an dieses Substrat "registrierend" angehaltene perforierte Gold-INVAR-Blechmasken von einer Elektronenstrahl-beheizten Drehtiegel-Aufdampfquelle mit 6 Tiegeln aus 6 verschiedenen Materialien aufgedampft. Das Glassubstrat wird dabei auf die jeweilige Maske, welche aus einem schubladenähnlichen Reservoir hervorkommt, abgesenkt und mittels zweier Kugelbolzen (auf diametralen Ecken des Maskenrahmens angebracht) und dazu passender Trichtersockel (auf diametralen Ecken des Substrathalterahmens angebracht) in Registrierung gebracht. (Siehe z. B. A. Fischer: "Flache Fernsehbildschirme", in Nachrichtentechnische Zeitschrift NTZ 33, p. 80, p. 162, p. 230 (1980)).

Um dieses Prinzip zur stückweisen, schrittweisen Aufdampfung einer Großflächenmatrix zu erweitern, muß, wie in Fig. 1 und 2 in Seiten- und Draufsicht gezeigt, das große Glassubstrat (1) jetzt in X- und Y-Richtung über dem Aufdampfkamin (2) enthaltend, die jeweilige kleine Maske (3) bewegbar sein. Dies erfolgt über zwei in X-Richtung und zwei in Y- Richtung verlaufende, in Dreh-Gleitlagerböcken über der Substrathalteplatte angebrachte Präzisions-Rundwellen (4, 5), welche schrittmotorgedreht mit an den Enden angebrachten Zahnrädern (6) in Zahnstangen (7) fortschreiten, welch letztere auf einem großen Metallrahmen (8) angebracht sind, der über 4 Hebe- und Senkvorrichtungen (9) (pneumatische Balgen) auf dem unteren Deckel (10) des Vakuumrezipienten gehaltert sind.

Mit dieser Vorrichtung kann man jetzt also das Glassubstrat (1) so über den Aufdampfkamin (2) in der Mitte des Rezipienten fahren, daß die Matrix Stück für Stück nacheinander auf die große Glasscheibe aufgedampft werden kann. Dazu ist jedoch noch genaue Registrierung erforderlich.

Zu diesem Zweck befindet sich unter dem X-Y-beweglichen Substrat (1) eine fest mit dem Rezipienten verbundene große INVAR-Metallplatte (11) mit einem Loch an der Stelle des Aufdampfkamins (2). Auf der Oberseite dieser Platte sind zahlreiche, m × n Kugelbolzen (12) angebracht, und zwar so, daß jeweils ein Paar Kugelbolzen in die zwei in diametralen Ecken der Substrathalteplatte eingelassenen Trichtersockel (13) passen, wenn eine Substratverschiebung um eine Maskengröße (genannt Retikel) und die Absenkung erfolgt ist. Wenn dies durch die schrittmotorgetriebenen Wellen (5, 6) angenähert erreicht ist, wird die Substratplatte (1) samt Zahnstangenrahmen (8) durch die vier pneumatischen Balgen (9) abgesenkt, so daß die Kugelbolzen (12) in die Trichtersockel (13) gleiten und genaue Registrierung eintritt. Somit ist also die schrittweise registrierende Verschiebung des Substrats (1) bewerkstelligt.

Jetzt muß noch die jeweilige, auf Rahmen befestigte Maske (3) von unten registrierend an die zu bedampfende Stelle des Substrats (1) herangeführt werden. Dazu muß unsere bisher praktizierte Maskenablagerung in Form einer "Kommode mit Schubladen" aufgegeben werden (da sie Höhenunterschiede der einzelnen Masken ergibt), zugunsten einer Maskenablagerung auf einer großen Dreh-Scheibe (14), welche sich unter der mittleren INVAR-Metallplatte (11) befindet. Durch Drehung dieser Scheibe (14), welche entlang ihrem Umfang über entsprechende Öffnungen (2) die erforderlichen ca. 10 Aufdampfmasken (3) mit Rahmen enthält, kann jede Maske nacheinander über den Aufdampfkamin (2) gebracht werden.

Jetzt muß noch die ausgewählte Maske genau registrierend an die zu bedampfende Substratstelle angehoben werden.

Zu diesem Zweck berührt eine pneumatisch-betätigte kleine Hebebühne (15) die betreffende Maske von unten und hebt sie über das Loch (2) der Drehscheibe hinaus, durch die Öffnung in der Platte 11 hindurch bis zur Berührung mit der Substratplatte (1). Dabei gleiten die zwei an der Oberseite des Maskenrahmens an diametralen Ecken angebrachten Kugelbolzen (12) in die entsprechenden, in der mittleren festen INVAR- Platte eingelassenen Trichter-Sockel (13). Die Aufdampfung kann nun beginnen.

Die Elektronenstrahl-beheizte Vielfach-Aufdampfquelle (16), z. B. mit 6 Drehtiegeln und 6 Materialien, befindet sich am unteren Ende des ca. 80 cm tiefen Aufdampfschachts (17). Die Auswahl des Tiegels und die Parameter für die Aufdampfung der jeweils geforderten Filmschicht werden vom Mikroprozessor eingegeben. Als Sensor für die erreichte Schichtdicke dient ein Schwingquarz (18) mit angeschlossener Elektronik, welcher am oberen Ende des Aufdampfschachts (17) angebracht ist.

Am unteren Ende dieses Aufdampfschachts (17) ist auch die Hochvakuum- Pumpe (19) und das große Plattenventil sowie die Vorvakuumpumpe (nicht dargestellt) angebracht, nebst Sensoren zur Messung des Vakuums (nicht dargestellt). Weitere Vakuum-Meßsensoren befinden sich in der oberen Vakuumkammer in der Nähe des zu bedampfenden Substrats (nicht dargestellt).

Zum automatischen Ablauf all dieser Bewegungsvorgänge benötigen wir Schalter, welche Vollzugsmeldungen über jeden beendeten Vorgang abgeben. Als solche haben sich durch winzige Magnete betätigte Reed-Relais bewährt, wobei die Magnete mit den beweglichen Bauteilen, an den fest­ angebrachten Reed-Relais vorbei, mitfahren und diese betätigen.

Die erstmalige Justierung aller Kugelbolzen-Trichtersockel-Paare erfolgt dadurch, daß man, ähnlich der Justierung der Schattenmasken bei Farbfernsehröhren, an der Aufdampfquelle eine parallele Lichtquelle installiert und die Lichtpunkte am Substrat mittels einer streuenden Farbschicht sichtbar macht und mittels eines Zweifach-Justiermikroskops die Registrierung beobachtet. Man muß auch Test-Aufdampfungen vornehmen.

Die Kugelbolzen werden jedoch nicht, wie bisher, mittels Bohrungen sofort fest in die jeweiligen Platten versenkt, sondern sie stehen auf flachen Ständern, mit Schräubchen und Schlitzen zunächst nur locker befestigt. Sobald Registrierung durch Verschieben erreicht ist, werden sie mittels dieser Ständer auf der Platte durch einen Tropfen Sekundenkleber fixiert. Erst dann werden die Schräubchen fest angezogen.

Mit diesem Verfahren ist es möglich, ohne auf Fortschritte in anderen Bereichen, wie Linsenoptik, Fotolacktechnik und Großflächenhalbleiterschichten-Herstellung, warten zu müssen, schon jetzt mit konventioneller Technologie (jedoch in neuer Kombination!) monolithische große Flüssigkristall-Bildschirme vollautomatisch herzustellen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von monolithischen Großflächen- Dünnfilmelektronik-Matrixschaltkreisen auf großen Glasscheiben, insbesondere für flache quadratmetergroße Flüssigkristall- Fernsehbildschirme, dadurch gekennzeichnet, daß die großflächige monolithische Dünnfilmtransistor-Pixel-Matrix nebst peripherer Schieberegister- und Speicher-Elektronik durch kleinere perforierte Metallfolien-Aufdampfmasken schrittweise und stückweise aufgedampft wird, wobei diese kleineren Aufdampfmasken sukzessive in genauer Registrierung an die schrittweise verschobene große Glasplatte angepreßt werden und dort mit dem jeweils erforderlichen Material von der multiplen Aufdampfquelle bedampft werden und wobei diese vielen erforderlichen Operationen mikroprozessorgesteuert vollautomatisch ablaufen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die große Glas-Substratplatte unter einer Stahlplatte gehaltert wird, welche auf ihrer Oberseite kugelgelagerte, durch Schrittmotoren gedrehte Präzisions-Rundstangen in X- und Y-Richtung enthält, welche in Zahnrädern enden, die auf Zahnstangen fortschreiten, womit die Glasplatte angenähert in die Positionen gefahren wird, wo die stück­ weisen Aufdampfungen stattfinden können.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratglasplatte bei Erreichung einer Aufdampfposition auf eine mittlere Metallplatte abgesenkt wird, welche zahlreiche genau positionierte Kugelbolzen enthält, von denen jeweils zwei in die diametral an der Substrat-Trägerplatte eingelassenen Trichter-Sockel passen, wodurch die genaue Registrierung zu dieser mittleren Metallplatte erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Bedampfungs-Öffnung in dieser mittleren Metallplatte von unten her die auf einem Metallrahmen aufgespannte ausgewählte Aufdampfmaske durchgehoben und an die Substratglasplatte angepreßt wird, wobei die genaue Registrierung durch zwei diametral an der Oberseite des Maskenrahmens angebrachte Kugelbolzen, welche in entsprechende Trichter- Sockel in der Unterseite der mittleren Metallscheibe passen, geschieht.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderlichen kleinen Aufdampfmasken samt ihren Rahmen auf Öffnungen einer metallischen Drehscheibe entlang deren Umfang gelagert sind, und daß die ausgesuchte Maske durch Drehen dieser Scheibe in den Aufdampfkanal gelangt, wo sie von einer Hebebühne durch die mittlere Metallplatte hindurch gegen das Glassubstrat angepreßt wird, wobei die beiden Kugelbolzen des Maskenrahmens in die beiden Trichtersockel der mittleren Metallplatte zwecks Registrierung geschoben werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß nach Positionierung und Registrierung von Substrat und jeweiliger Maske die Vakuum-Bedampfung von unten mit dem jeweils erforderlichen Material mittels einer Mehrfach-Drehtiegel-Elektronenstrahl- Bedampfungseinrichtung im Hochvakuum erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das motorische Hin- und Herverschieben der Glas-Substratglasplatte in die Aufdampfpositionen, das Absenken und Registrieren mit der mittleren Metallplatte, das Heranführen der geeigneten Aufdampfmaske durch Drehen der Maskenspeicher-Drehscheibe, das Anheben der ausgewählten Maske von unten an die mittlere Scheibe mit Registrierung sowie das Drehen der Drehtiegel-Aufdampfkanone auf den Tiegel mit dem jeweils erforderlichen Material, das Aufheizen des gewählten Aufdampfmaterials, das Rückziehen der Aufdampfblende bei Erreichen der gewünschten Dampfstrahlstärke, das Aufdampfen mit vor-eingestellter konstantgehaltener Aufdampfrate und das Abschalten der Elektronenkanone nach erreichter gewünschter Schichtdicke, gesteuert von einem Personalcomputer nach einem vorgegebenen Programm erfolgt.