Жидкокристаллические индикаторы (LCD) появились на рынке с 70-х годов. Они широко применяются во многих устройствах, например, электронных часах, микрокалькуляторах, радиоприемниках и других устройствах, в которых требуются индикаторы и три или четыре буквенно-цифровых знака. Последние достижения в технологии жидкокристаллических материалов позволяют изготавливать большие индикаторы. Хотя жидкокристаллические индикаторы представляют собой лишь небольшую часть изделий, выпускаемых полупроводниковой промышленностью, их значение возросло благодаря применению в плоских дисплеях портативных компьютеров, сверхлегких ноутбуках и специализированных текстовых процессорах. Прогнозируется дальнейший рост использования жидкокристаллических индикаторов, так как, в конце концов, они заменят новейшую электронную лампу - электронно-лучевую трубку (CRT) (О'Mara 1993).
Изготовление жидкокристаллических индикаторов - высокоспециализированный процесс. Результаты мониторинга промышленных гигиенистов указывают на очень низкий уровень содержания посторонних веществ в воздухе при зафиксированном воздействии растворителей (Wade et al. 1981). В целом тип и количество токсичных, коррозийных и воспламеняемых твердых, жидких и газообразных химических веществ и опасных физических реагентов, применяемых при изготовлении жидкокристаллических индикаторов, ограничено по сравнению с другими типами полупроводниковых приборов.
Молекулы жидкокристаллических веществ имеют вытянутую "палочкообразную" форму. На рис. 83.5 показана молекула цианбифенила. Молекулы обладают свойством вращения плоскости поляризации света, проходящего через них. Хотя сами молекулы прозрачны для видимого света, контейнер с жидким материалом оказывается молочным или полупрозрачным вместо прозрачного. Это происходит из-за удлиненных осей молекул, располагающихся под произвольными углами, ведущих к хаотичному рассеиванию света. Ячейка жидкокристаллического индикатора организована так, что молекулы имеют определенную ориентацию. Ориентация может быть изменена под влиянием внешнего электрического поля, позволяющего изменение поляризации входящего света.
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 83.5 Базовые молекулы жидкокристаллического полимера
--------------------------------------------------------------------------------
При изготовлении плоских индикаторов две стеклянные пластины обрабатываются отдельно, а затем их соединяют. На передней пластине формируют рисунок для создания матрицы цветного фильтра. На задней пластине формируют рисунок тонкопленочных транзисторов и металлических межсоединений. Две пластины соединяют в процессе сборки и, если необходимо, разрезают и разделяют на отельные индикаторы. Зазор между двумя стеклянными пластинами заполняется жидкокристаллическим веществом. Индикаторы осматривают и проверяют; на каждую стеклянную пластину наносят пленку поляризатора.
Для изготовления плоского индикатора нужно выполнить ряд отдельных технологических операций со специализированным оборудованием, материалами и технологиями. Некоторые из основных технологических процессов будут описаны ниже.
Подготовка стеклянной подложки
Стеклянная подложка - важный и дорогостоящий компонент индикатора. Жесткий контроль оптических и механических свойств материала требуется на каждом этапе технологического процесса, особенно при нагревании.
Изготовление стекла
Применяются два способа изготовления очень тонкого стекла с точными размерами и воспроизводимыми механическими свойствами. В процессе плавления по технологии Корнинга применяется стеклянный стержень, который расплавляется в клинообразном желобе и течет поверх и по бокам желоба. Стекая по обеим сторонам желоба, расплавленное стекло соединяется в лист на дне желоба, и может вытягиваться в виде однородного листа. Толщина листа зависит от скорости протяжки стекла. Так можно изготовить лист шириной до 1 м.
Другие изготовители стекла с соответствующими размерами подложек жидкокристаллических индикаторов применяют плавающий метод изготовления. Расплавленное стекло течет на слой расплавленного олова. Стекло не растворяется и не взаимодействует с металлическим оловом, а плавает на поверхности. Это позволяет силе тяжести сгладить поверхность, а обеим сторонам стать параллельными (см. главу "Стекло, керамика и родственные материалы").
Имеются подложки разных размеров вплоть до 450х550 мм и больше. Типичная толщина стекла для плоских индикаторов равна 1.1 мм. Более тонкое стекло применяется для индикаторов меньшего размера (в пейджерах, телефонах, электронных играх и т.д.).
Резка, косая заточка, шлифовка и полировка
После изготовления стекла методом плавления или плавающим способом стеклянные подложки разрезают, обычно до 1 м по боковой стороне. Затем в зависимости от конечной цели применения материала выполняют различные механические операции.
Поскольку стекло - хрупкий материал, легко бьется или образует трещины по краям, стеклянные подложки обычно обтачивают, скашивают, закругляют или обрабатывают иным способом, уменьшающим колкость стекла во время технологических операций. Термическое напряжение на трещинах по краям накапливается во время обработки подложек и ведет к тому, что они бьются. Хрупкость стеклянных подложек - серьезная проблема в процессе изготовления. Помимо того, что работники могут получить резаные и рваные раны, теряется много годных пластин. Куски стекла могут застревать в оборудовании и вызвать загрязнение или повреждение других подложек.
Увеличение размера подложек усложняет шлифовку. Большие стеклянные подложки устанавливают на опоры, с использованием воска (парафина) или другого адгезива и шлифуются с помощью суспензии абразивного материала. После шлифовки обязательно проводится тщательная химическая очистка с целью удаления остатков воска или других органических остатков, а также металлических частиц, содержащихся в абразивной или шлифующей среде.
Очистка
Очистке подлежат чистые стеклянные подложки и подложки с нанесенными на них органическими пленками, такими как цветные фильтры, пленки с полиимидной ориентацией и т.д. Кроме того, очищаются подложки с нанесенными полупроводниковыми, изолирующими и металлическими пленками на определенных этапах технологического процесса. Очистка необходима, как минимум, перед каждым этапом маскирования при изготовлении цветного фильтра или тонкопленочного транзистора.
Для очистки большинства плоских индикаторов применяется комбинация физических и химических методов, с выборочным использованием сухих методов. После химического травления или очистки подложки обычно сушат с помощью изопропилового спирта (см. таблицу 83.8).
--------------------------------------------------------------------------------
Таблица 83.8 Очистка плоских индикаторов
|
Физическая очистка |
Сухая очистка |
Химическая очистка |
|
Очистка с помощью щетки |
Ультрафиолетовый озон |
Органические растворители* |
|
Разбрызгивание |
Плазма (с окисла) |
Нейтральное моющее средство |
|
Ультразвуковая |
Плазма (без окисла) |
|
|
Мегазвуковая |
Лазер |
Чистая вода |
* Типичные органические растворители, используемые при химической очистке, включают: ацетон, метанол, этанол, n-пропанол, изомеры ксилена, трихлорэтилен, тетрахлоэтилен.
--------------------------------------------------------------------------------
Формирование цветного фильтра
При формировании цветного фильтра на передней стеклянной подложке осуществляют операции подготовки и доводки стекла, общие как для передней, так и для задней пластины, в том числе обточку и полировку. Формирование рисунка, нанесение покрытия и термообработку выполняют на подложке неоднократно. Процесс очень схож с обработкой кремниевых пластин. Как правило, стеклянные подложки обрабатываются в системах для очистки и нанесения покрытий.
Формирование рисунка цветного фильтра
Для создания фильтров плоских индикаторов различных типов применяются разные материалы и методы. Может использоваться краситель или пигментное вещество, каждый из которых осаждается и формирует рисунок различными способами. При одном методе, например, желатин осаждается и окрашивается во время последовательных фотолитографических операций на основе использования оборудования для литографии с зазором и стандартных фоторезистов. При другом используются пигментные вещества, рассеянные в фоторезисте. Другие методы формирования цветных фильтров включают электроосаждение, травление и литографию.
Осаждение пленок окислов олова и индия (ITO).
После образования цветного фильтра наступает заключительный этап: осаждение методом распыления материала прозрачного электрода. Этим материалом является окисел индия-олова (ITO), который на самом деле является смесью окиси индия 
и двуокиси олова 
. Это уникальный прозрачный электропроводник, который лучше всего подходит для жидкокристаллических индикаторов. Тонкая пленка ITO требуется на обеих сторонах индикатора. Как правило, ITO пленки наносят вакуумным испарением или катодным распылением.
Тонкие пленки ITO легко поддаются травлению жидкими химическими веществами, такими как хлористоводородная кислота, но может понадобиться и сухое травление.
Формирование тонкопленочного транзистора
Технология формирования тонкопленочного транзистора очень сходна с технологией изготовления интегральной схемы.
Осаждение тонких пленок
Процесс начинается с нанесения тонких пленок на подложку. Тонкие пленки наносят методом химического парофазного осаждения (CVD) или физического парофазного осаждения (PVD). Плазменно-химическое парофазное осаждение, или осаждение при тлеющем разряде, применяется для кремния, нитрида кремния и диоксида кремния.
Создание конфигурации электродов индикаторных устройств
После нанесения тонкой пленки методом осаждения, наносится слой фоторезиста и создается рисунок. Затем проводится травление незащищенных фоторезистивных участков пленочного покрытия до получения соответствующих размеров. Серию тонких пленок осаждают и травят, как при изготовлении интегральных схем.
Создание направленной ориентации и натирка
На верхнюю и нижнюю подложку методом осаждения наносят тонкую полимерную пленку для ориентации молекул жидкого кристалла на стеклянной поверхности.
Ориентированная пленка толщиной 0.1
, может быть из полиимида или другого "тяжелого" полимерного материала. После осаждения и термообработки поверхность натирают с помощью куска ткани в определенном направлении, оставляя едва заметные канавки на поверхности. Натирку можно производить с помощью натянутой ткани, подаваемой от ролика на одной стороне и проходящей под роликом, который контактирует с подложкой, на ролик на другой стороне. Подложка движется под тканью в том же направлении, что и ткань. При других методах применяется скользящая щетка, которая движется по подложке. Важен ворс материала для натирки. Канавки помогают молекулам жидкого кристалла ориентироваться на поверхности подложки и принимать правильный угол наклона.
Ориентированная пленка осаждается с помощью напыления или литографии. Метод литографии более эффективен с точки зрения использования материала: от 70 до 80% полиимида переносится с литографического валка на поверхность подложки.
Сборка
После натирки подложки начинается сборка на автоматической линии. Процесс состоит из следующих этапов:
· нанесение адгезива (необходимого для герметизации панелей);
· установка прокладок;
· размещение и оптическое совмещение рисунков на стеклянных подложках;
· затвердевание адгезива и склеивание двух стеклянных пластин при температурной или ультрафиолетовой обработке.
Автоматическая транспортировка верхней и нижней пластины происходит на линии сборки. Одна пластина получает адгезив, а вторая вводится на участок установки прокладок.
Заполнение индикаторных устройств жидкокристаллическим веществом
Когда на подложке образуется больше одного индикатора, ее разрезают на отдельные маленькие пластинки с готовыми индикаторами. На этом этапе жидкокристаллическое вещество может вводиться в зазор между подложками с помощью отверстия, оставленного в герметизирующем материале. Затем входное отверстие герметизируется и готовится к заключительной проверке. Жидкокристаллические вещества часто представляют собой системы из двух или трех компонентов, смешиваемых при заполнении. Системы заполнения обеспечивают смешивание компонентов и продувку ячейки для предотвращения образования пузырьков при заполнении.
Осмотр и испытания
После сборки и заполнения жидкокристаллического вещества производится осмотр и функциональные испытания. Большинство дефектов связано с посторонними частицами (включая точечные и линейные дефекты) и зазорами между ячейками.
Крепление поляризатора
Заключительный этап изготовления жидкокристаллических индикаторов состоит в нанесении поляризатора на внешнюю сторону каждой стеклянной пластины. Пленки поляризатора представляют собой композитные пленки, содержащие чувствительный к давлению адгезивный слой для приклеивания поляризатора к стеклу. Они наносятся с помощью автоматов, которые распределяют материал из рулонов или предварительно нарезанных листов. Автоматы представляют собой модификации маркировочных установок, применяющихся в других отраслях. Пленка поляризатора наклеивается на обе стороны индикатора. В некоторых случаях перед поляризатором наносится компенсационная пленка, т.е. полимерная пленка (например, из поликарбоната и полиметилметакрилата), растягивающаяся в одном направлении. Растяжение изменяет оптические свойства пленки. Готовый индикатор обычно имеет интегральные схемы драйвера на одной из стеклянных подложек или около нее, как правило, на стороне тонкопленочного транзистора.
Факторы риска
Серьезным фактором риска при изготовлении жидкокристаллических индикаторов является хрупкость стекла, вследствие чего персонал может получить резанные и рваные раны. Другой проблемой, вызывающей озабоченность, является воздействие химикатов, использующихся для очистки подложек.