DE4436285A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufbringen von Orientierungsschichten auf ein Substrat zum Ausrichten von Flüssigkristallmolekülen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen von Orientierungsschichten auf ein Substrat zum Ausrichten der Flüssigkristallmoleküle insbesondere von groß­ flächigen Flüssigkristalldisplays durch Aufstäuben mittels Plasmaerzeugung von Materialien, die zu einem Kristallsäulen­ wachstum neigen.

Ausschlaggebend für die Funktion der meisten Flüssigkristall­ displays, beispielsweise von Twisted Nematic Liquid Crystal Displays (TN-LCDs) oder auch ferroelektrischen Flüssigkri­ stalldisplays (FLCDs) ist die Orientierung der flüssigkristal­ linen Moleküle einer Displayzelle in eine einheitliche Rich­ tung. Erst durch diese einheitliche Orientierung des "flüssi­ gen Kristalls" kann dessen optische Anisotropie einen makro­ skopisch sichtbaren Effekt erzeugen. Diese Ausrichtung erfolgt im allgemeinen durch das Aufbringen einer richtungsanisotropen Orientierungsschicht auf die inneren Oberflächen der beiden Displaysubstrate, bevor diese zu einem Display bestehend aus Deck- und Grundsubstrat verklebt werden. Anschließend wird der Flüssigkristall in das Display eingefüllt. Die Orientierungs­ schicht bewirkt dabei eine Rekristallisation der Flüssigkri­ stallschichten in eine bestimmte Richtung.

Zur Erzeugung dieser Orientierungsschichten sind mehrere un­ terschiedliche Verfahren bereits bekannt, von denen die wich­ tigsten im folgenden kurz mit ihren Vor- und Nachteilen be­ schrieben werden sollen.

Als Orientierungsschicht können in einer Vakuumkammer auf die inneren Substratflächen des Displays unter einem sehr flachen Winkel von ca. 5° zur Substratoberfläche SiO₂ beispielsweise aus einer Elektronenstrahlverdampferquelle aufgedampft werden. Dabei entstehen beim Aufwachsen der SiO₂-Schicht in Richtung der Verdampferquelle schief geneigte Kristallsäulen, an deren Oberflächen sich die Flüssigkristallmoleküle anlagern können. Durch die starke Richtungsanisotropie der schiefen Kristall­ säulen ergibt sich eine sehr ausgeprägte und homogene Orien­ tierung. Über die Aufdampfparameter kann der Neigungswinkel der Kristallsäulen in gewissen Grenzen beeinflußt und damit auch der sogenannte "Randtiltwinkel" der Flüssigkristallmole­ küle variiert werden, der einen entscheidenden Einfluß auf das Schaltverhalten des Displays hat. Außerdem ist der Herstel­ lungsprozeß der Orientierungsschichten und somit das Orientie­ rungsverhalten durch den Aufdampfprozeß sehr gut reproduzier­ bar, und die Orientierung des Flüssigkristalls ist sehr homo­ gen. Die SiO₂-Schicht ist darüber hinaus chemisch sehr stabil und unempfindlich gegen UV-Licht und hohe Temperaturen. Auch geht der Flüssigkristall keine chemischen Verbindungen mit der SiO₂-Schicht ein und kann sie nicht verändern, d. h. es tritt kein oder nur ein geringes und wieder löschbares Einbrennen von gespeicherten Bildern (Image Sticking) auf. Durch die relativ großen Oberflächen und den hydrophilen Charakter der SiO₂-Kristallsäulen kommt es jedoch beim Einfüllen des Flüs­ sigkristalls in das Display häufig zu einer chromatischen Entmischung der einzelnen Komponenten des Flüssigkristall­ gemischs, wodurch auch das Schaltverhalten des Displays in den entmischten Bereichen verändert wird. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Verdampferquellen in der Regel punktförmig sind und somit ein Bedampfen einer größeren Substratfläche in homogener Weise nicht möglich ist. Die Ausrichtung der Kristallsäulen variiert in den einzelnen Substratbereichen, da die Moleküle aus der punktförmigen Verdampferquelle unter unterschiedlichen Winkeln auf der Substratoberfläche auftreffen. In eine Richtung kann die Inhomogenität zwar durch Anordnung mehrerer Verdampferquellen in einer Linie verringert werden, dabei müssen jedoch die Verdampferleistungen der einzelnen Quellen sehr genau geregelt werden. Außerdem ist hierzu ein sehr großer Apparateaufwand, insbesondere eine große Vakuumprozeßkammer mit den zugehörigen großdimensionierten Pumpen und Schleusen notwendig, was nur durch eine sehr kostspielige Spezialanfertigung zu realisieren ist. Für großflächige Displays ist dieses Verfahren daher nur sehr eingeschränkt einsetzbar.

Die am weitesten verbreitete Methode in der industriellen Fertigung von Flüssigkristalldisplays zur Herstellung von Orientierungsschichten ist die Verwendung von organischen Schichten wie Polyimiden, Polyvinylalkoholen oder anderen Kunststoffilmen, die in einer flüssigen Phase auf die Substra­ te aufgeschleudert werden. Nach einem anschließenden Trock­ nungs- und Aushärtungsprozeß wird dieser wenige Nanometer dicke Kunststoffilm mit einer Kohlefaser- oder Samtbürste in einer Richtung gerieben. Dadurch werden mikroskopisch kleine Spuren in der Schicht sowie eine Ausrichtung der organischen Moleküle bzw. Molekülketten erzeugt. Die so erzeugten, mikro­ mechanischen und/oder molekularen Anisotropien des Films be­ wirken eine Ausrichtung des später in die Displayzelle einge­ füllten Flüssigkristalls. Der Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß die Größe der Substratfläche hier keine Rolle spielt. Das Verfahren ist auch relativ preiswert, doch läßt es sich nur bedingt reproduzierbar anwenden. Das Ergebnis der Orientierung der Moleküle hängt von sehr vielen Prozeßparame­ tern wie Reibedruck der Samt- oder Kohlefaserbürste, Reibe­ stärke, Polymerisierungs- und Kristallisationsgrad des Kunst­ stoffilms und dessen chemischen Eigenschaften sowie von Ober­ flächenreaktionen des Films mit Wasser aus der Luft oder Lösungsmitteln ab. Diese Prozeßparameter lassen sich nur schwer optimieren. Außerdem sind die Kunststoffschichten che­ misch weniger stabil gegen Temperatur- oder UV-Lichteinflüsse. Bei ferroelektrischen Flüssigkristalldisplays ergibt sich zudem der Nachteil, daß die organischen Moleküle des Orientie­ rungsfilms mit den organischen Flüssigkristallmolekülen starke chemische Verbindungen eingehen und somit beim Anlegen eines elektrischen Feldes mit den Flüssigkristallmolekülen mitge­ dreht werden oder diese in ihrer Lage festhalten und somit ein notwendiges Drehen der Moleküle erschweren. Die Folge davon ist ein sogenanntes "Einbrennen" von wiederholt eingeschriebe­ nen bzw. gespeicherten Bildern ("Image Sticking") oder ein monostabiles Schaltverhalten des normalerweise bistabil schal­ tenden ferroelektrischen Flüssigkristalls.

Neben dem Bürsten oder Reiben von Kunststoffilmen ist auch eine Orientierung von Polymerfilmen mit Hilfe von linear pola­ risiertem UV-Licht bekannt. Durch die Richtungsabhängigkeit des polarisierten Lichts erfolgt die Polymervernetzung eben­ falls richtungsabhängig, wodurch sich die zur Orientierung nötige Anisotropie einstellt. Auch das Aufbringen von Mikro­ strukturen mit Hilfe von Prägung oder Fotolithographie in eine Kunststoffschicht ist schon versucht worden. Die Nachteile der geringen Langzeitstabilität der Kunststoffschichten gegenüber Temperatur- und UV-Lichteinflüssen sowie die chemische Reak­ tionsfähigkeit der Kunststoffmoleküle mit den Flüssigkristall­ molekülen bleibt bei diesen Verfahren jedoch ebenfalls erhal­ ten.

Vereinzelt ist auch schon die Möglichkeit des schrägen Auf­ stäubens mit Niederdruckplasmen von Materialien, die zu Säu­ lenwachstum führen, erwähnt worden. Hierbei eignen sich ins­ besondere Materialien wie Aluminiumnitrid, das in einer Stick­ stoffatmosphäre aufgestäubt selbst bei großen Aufstäubwinkeln gegenüber der Substratoberfläche zu Säulenwachstum führt. Beim Aufstäuben aus einem punktförmigen Target auf eine geneigte große Substratfläche ergeben sich jedoch durch die Geometrie bedingt ähnliche Schwierigkeiten wie beim Aufdampfen von Mate­ rialien. Zwar können hier auch großflächigere Targets einge­ setzt werden, wodurch sich aufgrund des diffuseren Aufstäub­ prozesses weniger Inhomogenitäten bilden als beim Aufdampfen, sich gleichzeitig aber auch die für die Orientierung notwendi­ ge Richtungsanisotropie der Kristallsäulen verringert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit des Aufstäubens von Orientierungsschichten zu schaffen, die auch bei großflächigen Substraten eine einheit­ liche Richtungsanisotropie und eine hohe chemische und UV- Beständigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Substrat dicht an einem länglichen Target mit dem aufzustäubenden Material unter Bildung eines Winkels zwischen Substratoberfläche und Katho­ denoberfläche des Targets vorbeibewegt wird, so daß das Auf­ stäuben schräg zur Substratoberfläche erfolgt, wobei das Tar­ get mindestens eine Länge aufweist, die derjenigen des Sub­ strats senkrecht zu seiner Bewegungsrichtung entspricht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Vakuumkammer, in der ein oder mehrere parallele Targets angeordnet sind, und mit einer Palette, an der das Substrat an dem mindestens einen Target vorbeibewegbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenoberfläche min­ destens eines Targets stark geneigt gegenüber der Substrat­ oberfläche angeordnet ist. Für großflächige Glassubstrate für Displays werden heute bereits sogenannte vertikale In-Line- Sputteranlagen zum Aufstäuben dünner Schichten eingesetzt. Bei derartigen Anlagen werden die großen Glassubstrate an einer vertikalen Palette aufgehängt, mit der sie in einer Vakuumkam­ mer während des Aufstäubprozesses relativ dicht an einem in vertikaler Richtung länglich ausgebildeten Target in horizon­ taler Richtung vorbeibewegt werden. Das Sputterplasma brennt dabei zwischen der Targetkathode und der Palette bzw. der Abschirmblende des Targets. Mit diesen Anlagen läßt sich auf der ganzen Substratfläche ein homogenes Schichtwachstum errei­ chen. In Bewegungsrichtung der Palette wird die Homogenität durch das gleichmäßige Vorbeifahren des Substrats an der Kathode über die gesamte Substratbreite erreicht. In der Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Substrats wird die Homogenität durch die über die gesamte Substrathöhe rei­ chende, langgestreckte Targetkathode erzielt. Außerdem können sogenannte Abschattungsblenden an den Enden des Targets vor­ gesehen sein, die eventuelle Aufstäubinhomogenitäten in diesen Bereichen kompensieren. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nun die Targetoberfläche gegenüber der Substratoberfläche um einen Winkel geneigt, der vorzugsweise 60° bis 85° betragen kann. Eine solche Vorrichtung läßt sich durch Umbau in solchen bekannten In-Line-Sputteranlagen ohne größere Umbauten inte­ grieren. Damit können Orientierungsschichten mit hoher Schichthomogenität auch auf sehr große Substratoberflächen aufgestäubt werden. Der Abstand zwischen Substrat und Target ist gering, wodurch auch das Volumen der Vakuumkammer klein sein kann. Vorteilhafterweise kann das Substrat in einem Abstand von 50 bis 100 mm am Target vorbeibewegt werden. Dies entspricht dem Ein- bis Dreifachen der mittleren freien Weg­ länge der Moleküle in einem Prozeßgas, so daß die aufgestäub­ ten Moleküle ihre Richtungsabhängigkeit nicht durch viele Molekularstöße vor Erreichen der Substratoberfläche wieder verlieren. Die Targetkathode kann dabei zweckmäßigerweise seitlich von Blenden abgeschirmt sein, um eine Plasmabildung außerhalb der Targetoberfläche zu verhindern und die Aufstäub­ richtung auf den gewünschten Winkelbereich zur Substratober­ fläche zu begrenzen. Die aufwachsende Kristallschicht erhält damit durch die einseitig ankommenden Atome eine eindeutige Richtungsprägung, d. h. das sich bildende Kristallgitter wird in eine einheitliche Richtung ausgerichtet. Diese Richtungs­ anisotropie der Orientierungsschicht richtet später die Flüs­ sigkristalle innerhalb eines fertiggebauten und gefüllten Displays in der gewünschten Weise aus. Trotz des flachen Auf­ stäubwinkels ist die Aufstäubrate ausreichend. Vor dem Target kann außerdem eine lamellenartige Blende angeordnet werden, die schräg nach oben oder unten fliegende Moleküle abfängt, die die Ausrichtung des wachsenden Kristallgitters unerwünscht beeinflussen könnten. Weiterhin kann vor der Kathodenober­ fläche des Targets ein Magnetfeld erzeugt werden, dessen kreisförmige Feldlinien in Ebenen senkrecht zur Oberfläche und parallel zur Bewegungsrichtung des Substrats verlaufen. Da­ durch kann bekannterweise die Aufstäubrate bei gleicher Plas­ magesamtleistung erhöht werden. Dadurch, daß die Feldlinien keine Komponenten längs des Targets besitzen, wird die Aus­ richtung des wachsenden Kristallgitters in Bewegungsrichtung des Substrats zusätzlich unterstützt. Bei dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren lassen sich auch Hochfrequenz-Wechselstromplas­ men erzeugen, die ein Aufstäuben von nichtleitenden und auch transparenten Materialien wie z. B. Quarz (SiO₂) ermöglichen, wie sie für Orientierungsschichten wünschenswert sind. Als Alternative können auch Metalloxid- oder Metallnitridschichten mittels eines Gleichspannungsplasmas und durch Beifügen eines reaktiven Gases wie Sauerstoff oder Stickstoff aufgestäubt werden (reaktives Sputtern von Oxiden, Nitriden o. ä.). Die Erzeugung von dünnen Quarzschichten mit ausgeprägter Kristall­ orientierung zeigt insbesondere bei ferroelektrischen Flüssig­ kristalldisplays mit Zelldicken von ca. 1,5 Mikrometern eine sehr gute Orientierungswirkung. Solche Quarzschichten zeichnen sich außerdem durch sehr gute Langzeitstabilität und UV-Be­ ständigkeit aus. Durch geeignete Wahl der Sputterparameter wie Druck, Temperatur, Sputterleistung, Aufstäubwinkel sowie der reaktiven Gaskomponenten können die Schichteigenschaften in weiten Bereichen in gewünschter Form variiert werden.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch weitere, parallel angeordnete Aufstäubtargets vorhanden sein, so daß in der Vorrichtung mehrere verschiedene Schichten vor dem Auf­ bringen der Orientierungsschicht auf das Substrat aufgebracht werden können. Insbesondere bei großflächigen ferroelektri­ schen Flüssigkristalldisplays ist aufgrund der durch den ge­ ringen Zellabstand bedingten Kurzschlußwahrscheinlichkeit zwischen den Zeilen und Spalten im allgemeinen eine Isola­ tionsschicht auf den Bildpunktelektroden aus einem ebenfalls aufgestäubten, transparenten Dielektrikum notwendig. Bei einer Vorrichtung mit mehreren Targets kann also in einem Maschinen­ lauf zunächst die Isolationsschicht und dann die Orientie­ rungsschicht aufgestäubt werden, wodurch Maschinen- und Pro­ zeßkosten eingespart werden können.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung ein bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläu­ tert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungs­ gemäße Vorrichtung;

Fig. 2 eine Ansicht von vorne auf die Vorrich­ tung nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Ausschnitt der Targetoberfläche mit waagrechten Magnetfeldlinien.

Fig. 1 zeigt eine Vakuumkammer 10 mit rechteckförmigem Quer­ schnitt mit zwei Targetplätzen 11 und 12. Vor diesen Targets wird senkrecht hängend an einer Palette 13 ein Substrat 14 in Richtung des Pfeiles 15 vorbeibewegt. Die beiden Targets 11 und 12 sind rechteckförmig ausgebildet, wie in Fig. 2 zu sehen ist und weisen dabei eine Länge auf, die mindestens derjenigen des Substrates 14 senkrecht zu dessen Bewegungsrichtung 15 entspricht. Die Targetkathode 11 ist gegenüber der Oberfläche des Substrates 14 stark geneigt angeordnet. Vor der Targetka­ thode 11 bildet sich ein Plasma 16 aus, aus dem Teilchen auf die Oberfläche des Substrates 14 gelangen, wie in Fig. 1 durch die Pfeile 17 angedeutet ist. Dabei ist das Target 11 seitlich von Blenden 18 und 19 derart abgeschirmt, daß sich seitlich der Targetkathode 11 kein Plasma ausbilden kann, und eine Aus­ trittsöffnung für die Teilchen 17 entsteht, die so eng ist, daß die Teilchen unter dem gewünschten flachen Winkel auf der Oberfläche des Substrates 14 auftreffen. Durch diesen engen Winkelbereich sowie durch die Länge des Targets 11 kann durch ein gleichmäßiges Vorbeibewegen des Substrates 14 in dichtem Abstand am Target 11 eine äußerst homogene Orientierungs­ schicht mit einer über der gesamten Substratfläche gleichmäßig verteilten Richtungsanisotropie erzeugt werden. Der zweite Targetplatz 12 mit nicht geneigter Targetkathode kann dazu genutzt werden, vor Aufbringen der Orientierungsschicht auf dem Substrat 14 beispielsweise eine Isolationsschicht zu er­ zeugen. Somit können mit der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung in einem Maschinenlauf zwei Schichten nacheinander auf ein Substrat 14 aufgestäubt werden. Die Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 kann dabei durch Umbau einer handelsüblichen In-Line-Sputteranlage mit zwei parallel angeordneten Targets vom Typ des Targets 12 mit senkrechter Bestäubungsrichtung gewonnen werden. Hierzu wird eines der Targets durch ein Tar­ get mit stark geneigter Kathode, wie im dargestellten Beispiel das Target 11, ersetzt und mit entsprechenden Blenden verse­ hen.

Fig. 3 zeigt eine Detailansicht eines Targets 11′, vor dem ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen kreisförmige Feldlinien 20 in Ebenen parallel zur Zeichenebene verlaufen und dadurch die Ausrichtung des Kristallsäulenwachstums unterstützen. Die Feldlinien 20 reichen dabei bis in den Bereich des Substrats 14′.

Claims (9)

1. Verfahren zum Aufbringen von Orientierungsschichten auf ein Substrat zum Ausrichten der Flüssigkristallmoleküle insbesondere von großflächigen Flüssigkristalldisplays durch Aufstäuben mittels Plasmaerzeugung von Materialien, die zu einem Kristallsäulenwachstum neigen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Substrat (14) dicht an einem läng­ lichen Target (11) mit dem aufzustäubenden Material unter Bildung eines Winkels zwischen Substratoberfläche und Kathodenoberfläche des Targets (11) vorbeibewegt wird, so daß das Aufstäuben schräg zur Substratoberfläche erfolgt, wobei das Target (11) mindestens eine Länge aufweist, die derjenigen des Substrats (14) senkrecht zu seiner Bewe­ gungsrichtung entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Substratoberfläche und Kathodenoberfläche vorzugsweise einen Winkel von 60° bis 85° zueinander bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (14) vorzugsweise in einem Abstand von 50 bis 100 mm am Target (11) vorbeibewegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor der Kathodenoberfläche des Targets (11) ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen kreisförmige Feldlinien in Ebenen senkrecht zur Oberfläche und parallel zur Bewegungsrichtung des Substrats (14) verlaufen, welche eine waagrechte Ausrichtung der aufgestäubten Kristall­ schicht unterstützen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Aufstäuben nichtleitender Materia­ lien ein Hochfrequenzwechselstromplasma durch die Target­ kathode (11) erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine SiO₂-Schicht aufgestäubt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Aufstäuben von Metalloxid- oder Metallnitridschichten ein Gleichspannungsplasma durch die Targetkathode (11) erzeugt und während des Aufstäubvor­ gangs ein reaktives Gas wie Sauerstoff oder Stickstoff beigefügt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Vakuumkammer (10), in der ein oder mehrere parallele Targets (11, 12) angeordnet sind, und mit einer Palette (13), an der das Substrat (14) an dem mindestens einen Target (11, 12) vorbeibewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenoberfläche des mindestens einen Targets (11) stark geneigt gegenüber der Substratoberfläche angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Targetkathode (11) seitlich von Blenden (18, 19) abge­ schirmt ist, welche vorzugsweise aus nicht ferromagneti­ schem Material gefertigt sind, um eine Plasmabildung au­ ßerhalb der Targetoberfläche zu verhindern und die Auf­ stäubrichtung auf den gewünschten Winkelbereich zur Sub­ stratoberfläche zu begrenzen.