NL9002679A - Werkwijze voor het vervaardigen van een substraatplaat voor een vloeibare kristalcel met zwarte matrixgebieden. - Google Patents

Description

Werkwijze voor het vervaardigen van een substraatplaat voor e^n vloeibare kristalcel met zwarte matrixgebieden.

Beschrijving

Technisch gebied

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een substraatplaat voor een vloeibare kristalcel met zwarte matrixgebieden. Dergelijke zwarte matrixgebieden zijn bij substraatplaten, die altijd dergelijke gebieden omvatten, daar en weliswaar bij voorkeur overal daar aangebracht, waar er zich geen elektrodegebieden op de substraatplaat bevinden.

Stand der techniek

Zwarte matrixgebieden zijn tot dusver door middel van een of twee bekende methoden aangebracht. Een van deze methoden is een fotolithogra-fische methode, terwijl de andere een drukproces is.

Bij beide werkwijzen worden eerst gestructureerde elektrodegebieden vervaardigd, daarvoor wordt - op een van een elektrodelaag voorziene segmentplaat een fotoresist v aangebracht, - deze fotoresistlaag wordt door een masker belicht, - de belichte fotoresistlaag wordt ontwikkeld en - op die plaatsen, waarop de fotoresistlaag verwijderd is, wordt de elektrodelaag weggeëtst.

Bij de bekende werkwijzen wordt in de volgende procestrap de nog aanwezige fotoresist verwijderd. Bij het fotolithografische proces wordt daarna een laag uit gezwart polymeermateriaal op het totale substraatop-pervlak met de elektrodegebieden en vervolgens een fotoresistlaag op deze gezwarte laag aangebracht. Vervolgens wordt een masker zorgvuldig en nauwkeurig ten aanzien van de de elektrodegebieden zodanig aangebracht, dat na het belichten de fotoresistlaag op zodanige wijze verwijderd kan worden dat de verwijdering van die delen van de zwarte laag, die zich onder de elektrodegebieden bevinden, mogelijk wordt gemaakt. Gezwart materiaal zal derhalve slechts tussen de elektrodegebieden achterblijven.

Anderzijds wordt bij het drukproces de bovengenoemde verwijdering van de resterende fotoresistlaag gevolgd door een zorgvuldig en nauwkeurig ten aanzien van de elektrodegebieden aanbrengen van een drukinrichting, en weliswaar zodanig dat bij daarop volgend drukken gezwart polymeermateriaal slechts in tussenruimten tussen de elektrodegebieden gedrukt wordt. Het gedrukte materiaal wordt dan uitgehard.

Het is duidelijk dat in beide bekende werkwijzen er aanzienlijke kosten ontstaan om het belichtingsmasker, resp. de drukinrichting nauwkeurig ten opzichte van de elektrodegebieden in te stellen.

Beschrijving van de uitvinding

De werkwijze volgens de uitvinding onderscheidt zich van de bekende werkwijzen, doordat het gezwarte polymeermateriaal aangebracht wordt alvorens die fotoresistgebieden zijn verwijderd, welke zich boven niet weggeëtste elektrodegebieden bevinden. Na het gedeeltelijk wegetsen van de elektrodelaag worden de volgende trappen uitgevoerd: - Een gezwart polymeermateriaal wordt op het totale substraatopper-vlak met de elektrodegebieden en de fotoresistgebieden aangebracht , - het gezwarte polymeermateriaal wordt uitgehard, en - de nog aanwezige fotoresistgebieden worden verwijderd, waarbij het op deze aanwezige gezwarte polymeermateriaal wordt verwijderd, ^ zodat een dergelijk materiaal zich nog in de gebieden tussen de elektrodegebieden bevindt.

Bij deze procesvolgorde vervalt elke instellingstrap, aangezien de nog aanwezige fotoresistgebieden daarvoor gebruikt worden, dat zwart matrixmateriaal slechts tussen de elektrodegebieden kan worden aangebracht. Ten opzichte van een gebruikelijk procesverloop voor het vervaardigen van een substraatplaat zonder zwarte matrixgebieden zijn dientengevolge slechts de trap van het aanbrengen van het gezwarte polymeermateriaal en de trap van het uitharden van dit materiaal als extra trappen vereist. Behalve deze procesvereenvoudiging in vergelijking met andere werkwijzen voor het vervaardigen van zwarte matrixgebieden bestaat het voordeel, dat met absolute zekerheid garandeerd wordt, dat zwart matrixmateriaal enerzijds geen elektrodegebieden afdekt en anderzijds overal onmiddellijk aan de elektrodegebieden grenst, zodat het maximaal mogelijke oppervlak met zwart matrixmateriaal is afgedekt.

Teneinde gezwart polymeermateriaal in de gebieden boven de verwijderde fotoresist goed te kunnen verwijderen, is het afhankelijk van het toegepaste polymere materiaal voordelig om dit eerst door drogen, bijvoorbeeld bij ongeveer 130°C, slechts in betrekkelijk geringe mate voor te harden en de uiteindelijk gewenste hardingsgraad eerst in te stellen, doordat na het verwijderen van de fotoresist en de zich daarop bevindende gebieden van het polymeermateriaal nagehard wordt.

Bij substraatplaten voor vloeibare kristalcellen met een zeer geringe laagdikte van de vloeibare kristallen kan het van voordeel zijn om de oneffenheden tussen de elektrodegebieden en de zwarte matrixgebie-den door egaliserende laag glad te maken. Hiervoor zijn alle zich op de markt bevindende egaliserende laagmaterialen geschikt.

Voor het zwarten van polymeermateriaal wordt bij voorkeur koolstof toegepast. Een geschikt materiaal is bijvoorbeeld in DE-3.812.030-A1 beschreven. Het daar vermelde polymeermateriaal is een hars, die door drogen gehard wordt. Een ander geschikt polymeermateriaal is polyamide. Ook dit materiaal kan men door temperen uitharden. Men kan echter ook voor lichtgevoelige harsen of imiden of andere polymeren toepassen, die bij het belichten met UV-stralen uitharden.

Na het weg-etsen van de elektrodelaag in gespecificeerde gebieden is het zeer voordelig in het substraat in deze gebieden verdiepingen in te etsen. Dit brengt twee voordelen met zich mee. Het ene voordeel is dat gezwarte gebieden met een grotere dikte en daarmee met een verbeterde indruk van de zwartheid vervaardigd kunnen worden. Het tweede .voordeel is dat de absolute krimp van de gezwarte laag tijdens het harden groter wordt, hetgeen verzekert dat de gezwarte gebieden of niet boven het niveau van de elektrodelaag uitsteken of slechts in zeer geringe mate daarboven uitsteken.

Korte beschrijving van de figuren

Figuur 1 is een schematische doorsnede door een substraat met een elektrodelaag;

Figuur 2 is een doorsnede volgens fig. 1 met een extra fotoresist-laag, die door een masker belicht wordt;

Figuur 3 is een doorsnede volgens fig. 2 met een ontwikkelde fotoresistlaag;

Figuur 4 is een doorsnede volgens fig. 3 met een weggeëtste elektrodelaag;

Figuur 5 is een doorsnede volgens fig. 4 met in het substraat geëtste groeven

Figuur 6 is een doorsnede volgens figuur 5 met een aangebrachte laag van gezwart polymeermateriaal;

Figuur 7 is een doorsnede volgens figuur 6 met verwijderde fotoresistgebieden;

Figuur 8 is een doorsnede volgens figuur 7 net een extra egaliserende laag.

Methoden voor het uitvoeren van de uitvinding

Bij de hieronder beschreven werkwijze wordt uitgegaan van een substraatplaat 10 uit glas, die een elektrodelaag 11 van ITO draagt. De substraatplaat 10 heeft kenmerkend een dikte van 1-2 mm, terwijl de elektrodelaag 11 een dikte van ongeveer 0,1 pm vertoont. Op de totale substraatplaat 10 met de elektrodelaag 11 wordt op gebruikelijke wijze, bijvoorbeeld door spincoating, een fotoresistlaag 12 aangebracht, zoals dit in figuur 2 is weergegeven. Deze laag wordt door een masker 13 heen belicht. Bij het uitvoeringsvoorbeeld wordt een fotoresist toegepast, die op de belichte plaatsen in alkali oplosbaar wordt. Wordt nu de fotoresist met een zwak alkalische oplossing behandeld, dan worden de belichte gebieden verwijderd, zodat er slechts nog enkele fotoresistgebieden 12b achterblijven. Dit zijn bijvoorbeeld lang-gerekte stroken, die in figuur 3 slechts nog in doorsnede herkenbaar zijn. In de volgende procestrap wordt een oplosmiddel voor de elektrodelaag 11 toegepast. Bij het uitvoeringsvoorbeeld werd verdund zoutzuur bij 55 °C opgesproeid. Daardoor werden de niet door fotoresistgebieden 12b afgedekte elektrode-gebieden weggeëtst, waardoor slechts nog elektrodegebieden 11b onder de fotoresistgebieden 12b achterbleven.

Tot dusver verliep het proces precies zoals in de gangbare methoden. Terwijl bij alle bekende gebruikelijke werkwijzen, onafhankelijk ervan of zij voor het vervaardigen van substraatplaten met zwarte matrixgebieden of voor platen zonder dergelijke gebieden dienen, de fotoresistgebieden 12b worden verwijderd, wordt bij het hier verduidelijkte proces anders te werk gegaan. In de volgende procestrap, waarvan het resultaat in figuur 5 wordt weergegeven, wordt het substraat, in de gebieden, die van de elektrodelaag 11 bevrijd zijn, met fluorwaterstof-zuur geëtst, waardoor groeven 16 worden verkregen. Met 4/U's fluorwater-stofzuur worden bij kamertemperatuur bij een etsproces van enkele minuten etsdiepten van enkele micrometer bereikt. Bij het uitvoeringsvoorbeeld werden groeven met een diepte van 4 pm vervaardigd.

Vervolgens wordt een gezwart polymeermateriaal 14 op het totale substraatoppervlak met de elektrodegebieden 11b en de fotoresistgebieden 12b aangebracht. Het resultaat van deze procestrap wordt door figuur 6 weergegeven. Bij het uitvoeringsvoorbeeld werd het materiaal "Black Matrix DARC" van de Amerikaanse firma Brewer Science toegepast. Er werd een geconcentreerde oplossing van dit polymeer op de substraatplaat uitgegoten en overtollig materiaal werd met een rakel weggeveegd. Vervolgens werd gedroogd en daarna bij 130°C voorgehard. Vervolgens werden met een verdunde alkalische oplossing de nog aanwezige fotore-sistgebieden 12b benevens het daarboven aanwezige zwarte matrixmateriaal 14 verwijderd. Op de substraatplaat 10 bleven dientengevolge slechts nog de elektrodegebieden 11b achter met zich daartussen bevindende zwarte matrixgebieden 14b, zoals in figuur 7 is weergegeven.

Het dient opgemerkt te worden dat de zwarte matrixgebieden 14b in figuur 7 nagenoeg niet boven de elektrodelaaggebieden 11b uitsteken. Deze eigenschap wordt verkregen wanneer het volgende in acht wordt genomen. Na het drogen van het gezwarte materiaal en het verwijderen van de fotoresistgebieden 12b bevinden de zwarte matrixgebieden 14b zich nog met die hoogte boven de elektrodegebieden 11b, die overeenkomt met de hoogte van de fotoresistgebieden 12b boven de elektrodegebieden 11b, bij het uitvoeringsvoorbeeld dus 1 pm. De totale hoogte van de gezwarte laaggebieden is dan ongeveer 5,1 pm, hetgeen overeenkomt met de som van de etsdiepte van de groeven 16 van 4 pm, de hoogte van de elektrodegebieden 11b van 0,1 pm en de hoogte van de fotoresistgebieden 12b van 1 pm. Bij het drogen en het uitharden van het gezwarte materiaal krimpt dit echter in aanzienlijke mate, bij het uitvoeringsvoorbeeld ongeveer £0%, hetgeen er toe leidt, dat de gerede gezwarte gebieden met hun oppervlak in wezen in het vlak van de oppervlakken van de elektrodegebieden 11b liggen.

Bij het vervaardigen van de groeven 16 moet er opgelet worden, dat de diepte ervan zo groot moet zijn, dat tenslotte een zo grote laagdikte van gezwart materiaal wordt verkregen, dat de absorptie van licht, dat van buiten invalt, zo dicht mogelijk bij 100# ligt. Bij het in het uitvoeringsvoorbeeld toegepaste materiaal is hiervoor een laagdikte van ongeveer 4-5 pm vereist. Bij toepassing van koolstofdeeltjes zijn geringere laagdikten voldoende. De groefdiepte wordt dus in de eerste plaats bepaald door het gewenste absorptieresultaat. Wanneer de groefdiepte en de hoogte van de fotoresistlaag bekend zijn, wordt het krimpgedrag van het gezwarte materiaal met voordeel zodanig ingesteld, dat het oppervlak van het gezwarte materiaal na het uitharden in hoofdzaak in het vlak van het oppervlak van de elektrodegebieden 11b ligt. Het krimpgedrag kan in de eerste plaats door de hoeveelheid oplosmiddel worden bepaald, waarin het gezwarte materiaal wordt opgelost. Kan het krimpgedrag niet zodanig worden ingesteld, dat het oppervlak van de gezwarte gebieden tot in het vlak van de oppervlakken van de elektrodegebieden 11b inkrimpt, dan vormt dit voor de functie van een vloeibare kristalcel weliswaar nauwelijks een nadeel.

Op deze plaats kan er op worden gewezen, dat de weergave van de figuren niet nauwkeurig op schaal is. Voor een vloeibare kristalcel voor toepassing als televisie-display vertonen de zwarte matrixgebieden lkb een breedte van 25 pm, bij een hoogte van maximaal ongeveer 1,1 pm, hetgeen uit de hoogte van de elektrodegebieden van ongeveer 0,1 pm en de hoogte van niet gekrompen fotoresistgebieden 12b van ongeveer 1 pm blijkt. De matrixgebieden 14b zijn als langgerekte stroken gevormd, die van het midden van de ene strook tot het midden van de andere strook telkens ongeveer 250 pm van elkaar zijn verwijderd. Vervangt men vanwege de aanschouwelijkheid de grootte van 1 pm door 1 m, dan betekent dit, dat op een vlak glasoppervlak, dat zich enkele kilometers in alle richting uitstrekt, er strookvormige elektrodegebieden met een hoogte van 10 cm en een breedte van 225 m aanwezig zijn, telkens gescheiden door strookvormige zwarte matrixgebieden met een hoogte van 1,1 m en een breedte van 25 m.

Op het produkt volgens figuur 7 kan op gebruikelijke wijze direkt een oriënteringslaag worden aangebracht, eventueel ook een volgorde bestaande uit een grenslaag uit S1O2 en een oriënteringslaag. De oriënteringslaag wordt dan op gebruikelijke wijze met een fluweelwals •gewreven. Het voorbeeld van de vorige paragraaf maakt duidelijk dat dit wrijven door eventueel nog hoogstaande zwarte matrixgebieden niet al te zeer wordt gehinderd. Moet men echter garanderen dat het wrijven door eventueel hoogstaande zwarte matrixgebieden l4b zo goed als geheel niet gehinderd wordt, dan wordt op de structuur volgens figuur 7 een gebruikelijke egalisatielaag 15 (figuur 8) aangebracht, alvorens dan een (niet weergegeven) oriënteringslaag of laag-sequentie van de bovengenoemde aard wordt aangebracht. Als materiaal voor de egalisatielaag komt bijvoorbeeld het materiaal "Selektilux HTRB-200" van de firma Merck in aanmerking.

Voor het aanbrengen van eventueel andere lagen op de structuur volgens figuur 7» wordt echter het zwarte matrixmateriaal gedurende een uur bij 25Ο°C nagehard.

Er moet op worden gewezen dat bij het bovenstaande procesverloop elk willekeurig bekend materiaal en elk willekeurig aanbrengproces voor het telkens genoemde doel kan worden toegepast. Nieuw zijn niet de toegepaste materialen of de methoden voor het opbrengen van de materialen, maar nieuw is de volgorde van de werkwijze, namelijk het feit, dat het gezwarte polymeermateriaal reeds wordt aangebracht alvorens de gestructureerde fotoresistgebieden 12b van de gestructureerde elektrode-gebieden 11b worden verwijderd. Het inetsen van groeven is voor bet bereiken van de vereenvoudiging van de werkwijze bij het opbrengen van gezwarte elektrodegebieden niet vereist. Het gaat veel meer om een extra maatregel, die doelmatig is wanneer er door de gezwarte gebieden voor een bijzonder hoge absorptie moet worden gezorgd. Voor het inetsen van de groeven bestaat er weliswaar hetzelfde voordeel als voor het aanbrengen van de gezwarte laag, dat namelijk als masker de fotoresistgebieden 12b worden toegepast, die zonder meer reeds aanwezig zijn cm de elektrodelaag 11 te structureren. Opdat het etsmiddel slechts die gebieden etst, waarin gezwart materiaal moet worden aangebracht, moet het etsmiddel of plaatselijk worden aangebracht, of de resterende substraatgebieden moeten zodanig van een laag worden voorzien, dat zij niet worden aangetast. In dit geval kan een substraatplaat geheel in een etsoplossing, bijvoorbeeld in verdund fluorwaterstofzuur, worden gedompeld.

Claims (4)

1. Werkwijzen voor het vervaardigen van een substraatplaat voor een vloeibare kristalcel met zwarte matrixgebieden, waarbij - op een van een elektrodelaag voorziene substraatplaat een fotoresistlaag wordt aangebracht, - deze fotoresistlaag door een masker wordt belicht, - de belichte fotoresistlaag ontwikkeld wordt, en - op die plaatsen, waarbij de fotoresistlaag verwijderd is, de elektrodelaag wordt weggeëtst, met het kenmerk, dat - een gezwart polymeermateriaal op het totale substraatoppervlak met de na het ontwikkelen en etsen achtergebleven fotoresistgebieden en elektrodegebieden wordt aangebracht, - het gezwarte polymeermateriaal wordt uitgehard, en de nog aanwezige fotoresistgebieden worden verwijderd, waarbij het daarop aanwezige gezwarte polymeermateriaal wordt verwijderd, zodat een dergelijk materiaal zich nog slechts in de gebieden ^ tussen de elektrodegebieden bevindt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat na het verwijderen van de fotoresist het gezwarte polymeermateriaal nagehard wordt.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat op de elektrodegebieden en de gebieden van het gezwarte polymeermateriaal een egaliserende laag wordt aangebracht.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat die substraatplaatsen, waarop de elektrodelaag is weggeëtst, geëtst worden om verdiepingen voor het gezwarte polymeermateriaal te verkrijgen.