DE3734770C2 - - Google Patents

Description

Der von A.G. Fischer 1972 erfundene Flüssigkristall- Farbfernsehbildschirm US-PS 38 40 695 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 wären, 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 heute maximal 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, Proceedings of the International Display Research Conference SID-IEEE, Cherry Hill, N. J., 1982, S. 161). Setzt man jedoch z.B. die große Fläche 99×120 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 mit der vorhandenen erprobten Technologie einen monolithischen Großfernseh-Flachbildschirm herzustellen, bei dem die vorstehenden Nachteile weitgehend vermieden sind, wurde die nachfolgend beschriebene neue Fabrikationsmethode entwickelt.

Bisher wurden kleine (9×12 cm) Dünnfilmtransistormatrizen durch Aufdampfen im Hochvakuum mittels Elektronenstrahlerhitzung aus nur vier einfachen Materialien vollautomatisiert durch perforierte Bimetallmasken hindurch auf kalte Glasscheiben hergestellt. Die Masken bestehen aus einem Träger-Gerippe aus 70 µm dünnem Eisen-Nickel-Blech (35 bis 36% Nickel, Rest Eisen; 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 Eisen-Nickel- Platten fixiert. Das mikrometer-genaue Anpassen dieser Lochmasken an das Aufdampfsubstrat bei jedem Aufdampfvorgang erfolgt sodann mittels Kugelbolzen und Trichter-Sockeln. Dies sind sehr billige Präzisionspassungen: Die Kugelbolzen bestehen aus Kugellager-Kugeln von 5,000 mm Durchmeser, welche durch Punktschweißen auf Stahlsäulen aufgebracht werden; die Trichtersockel werden auf vollautomatischen Maschinen gedreht und gebohrt und durch Honen auf einen Durchmesser von 5,002 mm gebracht.

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

Durch die Ausweitung dieser bereits bekannten Kleindisplay- Technologie und zwar durch schrittweises, stückweises Vakuumaufdampfen durch kleine Masken, wodurch unter Ausschluß des Registrierproblems benachbarter "Retikel" Großdisplays nahtlos und fugenlos zu fabrizieren sind, soll die Herstellung von Quadratmeter-Matrizen ermöglicht werden.

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 dem bekannten Mini-Bildschirm-Projekt wird die aus 10000 Bildelementen (=Pixels) (100 Zeilen, 100 Spalten) bestehende Dünnfilmtransistormatrix (9×12 cm) auf eine kalte Substratglasscheibe sukzessive durch acht nacheinander an dieses Substrat "registrierend" angehaltene perforierte Gold-Eisen-Nickel-Blechmasken von einer elektronenstrahlbeheizten Drehtiegel-Aufdampfquelle mit sechs Tiegeln aus sechs verschiedenen Materialien aufgedampft. Das Glassubstrat wird dabei auf die jeweilige Maske, welche aus einem schubladenähnlichen Reservoir hervorkommt, abgsenkt und mittels zweier Kugelbolzen (auf diametralen Ecken des Maskenrahmens angebracht) und dazu passender Trichtersockel (auf diametralen Ecken des Substrathalterahmens angebracht) positioniert. (Siehe z.B. A. Fischer: "Flache Fernsehbildschirme", in Nachrichtentechnische Zeitschrift NTZ, Bd. 33, 1980, S. 80, S. 162, S. 230).

Um dieses Prinzip zur stückweisen, schrittweisen Aufdampfung einer Großflächenmatrix zu erweitern, muß, wie in Fig. 1a und 1b 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, die auf einem großen Metallrahmen 8 angebracht sind, der über vier Hebe- und Senkvorrichtungen 9 (pneumatische Balgen) auf dem unteren Deckel 10 des Vakuumrezipienten gehaltert ist.

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 eine genaue Positionierung erforderlich.

Zu diesem Zwecke befindet sich unter dem X-Y-beweglichen Substrat 1 eine fest mit dem Rezipienten verbundene große Eisen-Nickel-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 positionierend an die zu bedampfende Stelle des Substrats 1 herangeführt werden. Dazu werden die Masken auf einer großen Dreh-Scheibe 14, welche sich unter der mittleren Metallplatte 11 befindet, gelagert. Durch Drehung dieser Scheibe 14, welche entlang ihrem Umfang über entsprechenden Öffnungen 21 die erforderlichen ca. zehn Aufdampfmasken 3 mit Rahmen enthält, kann jede Maske nacheinander über den Aufdampfkamin 2 gebracht werden. Anschließend wird die ausgewählte Maske genau positionierend an die zu bedampfende Substratstelle angehoben.

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 die diametralen Ecken angebrachten Kugelbolzen 22 in die entsprechenden, in der mittleren festen Metallplatte 11 eingelassenen Trichter-Sockel 23.

Die elektronenstrahlbeheizte Vielfach-Aufdampfquelle 16, z.B. mit sechs Drehtiegeln und sechs Materialien, befindet sich am unteren Ende des ca. 80 cm tiefen Aufdampfschachtes 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 Aufdampfschachtes 17 angebracht ist.

Am unteren Ende dieses Aufdampfschachtes 17 ist auch die Hochvakuumpumpe 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 werden Schaltelemente benötigt, 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, ähnlich der Justierung der Schattenmasken bei Farbfernsehröhren, an der Aufdampfquelle eine parallele Lichtquelle installiert wird, die Lichtpunkte am Substrat mittels einer streuenden Farbschicht sichtbar gemacht werden und mittels eines Zweifach-Justiermikroskops die Registrierung beobachtet wird. Es sind auch Test-Aufdampfungen vorzunehmen. 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 die Positionierung 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 angewiesen zu sein, 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 (3) schrittweise und stückweise aufgedampft wird, wobei diese kleineren Aufdampfmasken (3) sukzessive in genauer Positionierung an die schrittweise verschobene große Glasplatte (1) angepreßt werden und dort mit dem jeweils erforderlichen Material von der multiplen Aufdampfquelle (16) bedampft werden, und wobei diese vielen erforderlichen Operationen mikroprozessorgesteuert vollautomatisch ablaufen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die große Glas-Substratplatte (1) unter einer Stahlplatte gehaltert wird, welche auf ihrer Oberseite kugelgelagerte, durch Schrittmotoren gedrehte Präzisions-Rundstangen (4, 5) in X- und Y- Richtung enthält, welche in Zahnrädern (6) enden, die auf Zahnstangen (7) fortschreiten, womit die Glasplatte (1) angenähert in die Positionen gefahren wird, wo die stückweisen Aufdampfungen stattfinden können.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratglasplatte (1) bei Erreichung einer Aufdampfposition auf eine mittlere Metallplatte (11) abgesenkt wird, welche zahlreiche genau positionierte Kugelbolzen (12) enthält, von denen jeweils zwei in die diametral an der Substrat- Trägerplatte eingelassenen Trichter-Sockel (13) passen, wodurch die genaue Positionierung zu dieser mittleren Metallplatte erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Bedampfungsöffnung (2) in dieser mittleren Metallplatte von unten her die auf einem Metallrahmen aufgespannte ausgewählte Aufdampfmaske (3) durchgehoben und an die Substratglasplatte (1) angepreßt wird, wobei die genaue Positionierung durch zwei diametral an der Oberseite des Maskenrahmens angebrachte Kugelbolzen (22), welche in entsprechende Trichter-Sockel (23) in der Unterseite der mittleren Metallplatte (11) passen, geschieht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderlichen kleinen Aufdampfmasken (3) samt ihren Rahmen auf Öffnungen (21) einer metallischen Drehscheibe (14) entlang deren Umfang gelagert sind, und daß die ausgesuchte Maske (3) durch Drehen dieser Scheibe in den Aufdampfkanal (2) gelangt, wo sie von einer Hebebühne (15) durch die mittlere Metallplatte (11) hindurch gegen das Glassubstrat (1) angepreßt wird, wobei die beiden Kugelbolzen (22) des Maskenrahmens in die beiden Trichtersockel (23) der mittleren Metallplatte (11) zur Positionierung geschoben werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach Positionierung und Registrierung von Substrat (1) und jeweiliger Maske (3) die Vakuum- Bedampfung von unten mit dem jeweils erforderlichen Material mittels einer Mehrfach-Drehtiegel- Elektronenstrahl-Bedampfungseinrichtung (16) im Hochvakuum erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Verfahrensschritte von einem Personalcomputer nach einem vorgegebenen Programm gesteuert durchgeführt werden.