СИСТЕМА УПРАВЛЯЮЩИХ И ОТОБРАЖАЮЩИХ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ЭКРАНА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G02F1/13 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в устройствах отображения информации с высокой информационной емкостью, в частности в телевидении, портативных персональных ЭВМ, контрольно-измерительной аппаратуре.

Известна система управляющих и отображающих электродов для жидкокристаллического экрана, включающая стеклянную изолирующую пластину, покрытую слоем термического оксида тантала, на которой сформированы группа параллельных полосковых танталовых электродов, покрытых сверху пассивирующим слоем анодного оксида тантала, а на боковой поверхности тонким анодным оксидом тантала, матрица прозрачных проводящих отображающих электродов из оксида индия и матрица вторых электродов нелинейных элементов из хрома, через которые прозрачные проводящие электроды последовательно соединены с танталовыми электродами.

Способ изготовления системы управляющих и отображающих электродов для жидкокристаллического экрана заключается в последовательном формировании на стеклянной изолирующей пластине со сформированным слоем диэлектрика группы параллельных танталовых полосковых электродов, покрытых сверху пассивирующим диэлектриком анодного оксида тантала и на боковых поверхностях тонким диэлектриком анодного оксида тантала путем напыления танталовой пленки, электрохимического окисления всей поверхности напыленной пленки на определенную толщину, проведения фотолитографии по рисунку танталовых электродов, плазмохимического травления пленок оксида тантала и тантала через сформированную маску и электрохимического окисления вскрытых боковых поверхностей танталовых электродов на определенную толщину, формирования матрицы прозрачных проводящих отображающих электродов из оксида индия и вторых электродов нелинейных элементов со структурой МДМ из хрома путем напыления соответствующей пленки и проведения операции фотолитографии.

Недостатками известной системы управляющих и отображающих электродов являются наличие паразитной емкости вертикального МДМ элемента, невоспроизводимость симметричности вольт-амперной характеристики (ВАХ) структуры Та-Та₂О₅-Cr, а также имеющиеся топологические неровности на поверхности АМ, за счет конечной толщины формируемых элементов. Недостатками способа изготовления являются невозможность устранения вертикального паразитного МДМ элемента и сложность травления двухслойной пленки оксид тантала-тантал за счет высоких требований к плазмостойкости фоторезистивной маски.

Наиболее близкими по технической сущности к заявляемой системе управляющих и отображающих электродов для жидкокристаллического экрана и способу ее изготовления является система, включающая стеклянную изолирующую пластину со слоем термического оксида тантала, на которой сформированы группа параллельных полосковых танталовых электродов, покрытых слоем тонкого оксида тантала, матрица прозрачных проводящих отображающих электродов из оксида индия и матрица вторых электродов нелинейных элементов из Cr, сформированных на боковой поверхности танталовых электродов, через которые прозрачные отображающие электроды соединены с танталовыми электродами.

Способ изготовления системы управляющих и отображающих электродов для жидкокристаллического экрана, заключается в следующем. На стеклянную пластину со слоем термического оксида тантала напыляется пленка тантала и методом фотолитографии формируются танталовые электроды, проводится электрохимическое окисление последних на определенную толщину, наносится слой фоторезиста на сфоpмированную структуру, проводится его засветка с обратной стороны через маску танталовых электродов и проявляется, затем напыляется пленка хрома, проводится операция взрывной литографии, в результате которой происходит удаление пленки хрома над танталовыми электродами, методом фотолитографии формируются вторые электроды нелинейных элементов и методом напыления и фотолитографии формируются прозрачные отображающие электроды из оксида индия.

Недостатками известной системы управляющих и отображающих электродов являются наличие неровностей на поверхности активной матрицы за счет конечной толщины топологических элементов и невоспроизводимость симметричности ВАХ структуры Та-Та₂О₅-Cr, что приводит к неравномерности изображения и снижению контраста ЖК-экрана. Недостатком известного способа изготовления системы управляющих и отображающих электродов является невозможность получения планарной поверхности активной матрицы, что приводит к технологическим трудностям удержания зазора в ЖК-экранах с активной матрицей.

Целью изобретения является повышение равномерности и контраста изображения за счет улучшения условий удержания зазора в жидкокристаллическом экране.

Указанная цель достигается тем, что:
1. В системе управляющих и отображающих электродов для жидкокристаллического экрана, включающей прозрачную изолирующую подложку со слоем диэлектрика, на котором сфоpмированы группа параллельных полосковых танталовых электродов со слоем оксида тантала, являющихся шинами столбцов или строк и одновременно первыми электродами нелинейных элементов, матрица вторых электродов нелинейных элементов, сформированных на боковой поверхности полосковых танталовых электродов со слоем оксида тантала, а также матрицу прозрачных проводящих отображающих электродов, которые через вторые электроды нелинейных элементов последовательно соединены с полосковыми танталовыми электродами, вторые электроды нелинейных элементов выполнены из алюминия, поверхность подложки между танталовыми электродами, а в местах размещения нелинейных элементов между алюминиевыми и танталовыми электродами, заполнена слоем пористого оксида алюминия, на котором размещены прозрачные отображающие электроды, причем суммарная толщина слоя пористого оксида алюминия и прозрачных отображающих электродов равна толщине полосковых танталовых электродов со слоем оксида тантала.

2. В способе изготовления системы управляющих и отображающих электродов для жидкокристаллического экрана, заключающемся в том, что на прозрачной изолирующей подложке со слоем диэлектрика формируют группу полосковых танталовых электродов, являющихся одновременно шинами столбцов или строк и первыми электродами нелинейных элементов, затем методом электрохимического окисления формируют на них слой оксида тантала, формируют матрицу вторых электродов нелинейных элементов и методом фотолитографии формируют матрицу прозрачных проводящих отображающих электродов, матрицу вторых электродов нелинейных элементов формируют путем нанесения слоя фоторезиста на сформированные танталовые электроды, проведения экспонирования фоторезиста с обратной стороны изолирующей подложки, формирования фоторезистивной маски по рисунку танталовых электродов, нанесения слоя алюминия на сфоpмированную структуру, проведения взрывной фотолитографии для удаления слоя алюминия над танталовыми электродами, проведения операции фотолитографии по рисунку вторых электродов нелинейных элементов и электрохимического окисления слоя алюминия по сформированному рисунку в электролите на основе фосфорной кислоты, а матрицу прозрачных проводящих отображающих электродов фоpмируют на слое пористого оксида алюминия, полученного в результате электрохимического окисления слоя алюминия.

На фиг. 1-8 схематично изображен технологический процесс изготовления системы управляющих и отображающих электродов; на фиг. 9 - фрагмент топологии системы управляющих и отображающих электродов.

Использование Al в качестве второго электрода, кроме большей симметричности, позволяет расширить допустимый температурный диапазон технологического процесса, что является немаловажным фактором для обеспечения качественной ориентации и сборки ЖК-экранов, не используя специальных низкотемпературных технологических операций.

Система управляющих и отображающих электродов (см. фиг. 9) экранами включает в себя прозрачную изолирующую пластину 1, на внутренней стороне которой нанесен слой диэлектрика 2, выполняющий функции стоп слоя, выполнены группа проводящих полосковых электродов 3, покрытых слоем диэлектрика 6, тонкопленочные управляющие элементы 5 и прозрачные проводящие отображающие электроды 4, которые последовательно соединены через управляющие тонкопленочные элементы 5 с проводящими полосковыми электродами 3 и образуют ряды элементов отображения, являющиеся шинами столбцов (строк).

Матрица нелинейных элементов со структурой МДМ работает следующим образом. Сканирующие импульсы напряжения определенной амплитуды и длительности последовательно прикладываются к шинам строк одновременно с каждым сканирующим импульсом отображаемая информация в виде ряда информационных импульсов напряжения противоположной полярности (также определенной амплитуды и длительности) прикладываются к соответствующим шинам столбцов. В результате в соответствующих пересечениях шин столбцов и строк управляющие элементы 5 переходят в низкоомное состояние и через них происходит заряд емкости элементарных ЖК ячеек, образуемых на пересечении проводящих полосковых электродов, являющихся шинами столбцов и прозрачных отображающих электродов 4, которые через управляющие элементы 5 соединены с проводящими полосковыми электродами 3, и выполняющих функции запоминающих конденсаторов, т.е. происходит запоминание информации, которая сохраняется в течение времени кадра (для предлагаемого устройства время кадра составляло 20 мс). Нелинейные элементы 5 выполняют роль ключевых элементов, позволяющих увеличить время хранения информации на элементах отображения, что позволяет значительно увеличить количество мультиплексируемых строк (до 1000) без заметного ухудшения качества изображения.

Изготовление системы управляющих и отображающих электродов включает следующие основные операции (см. фиг. 1-8):
1. Нанесение на прозрачную изолирующую пластину слоя диэлектрика, например Та₂О₅, Al₂O₃, SiO₂ и др.;
2. Нанесение слоя металла и формирование методом фотолитографии и травления проводящих полосковых электродов;
3. Формирование слоя диэлектрика управляющих МДМ структур;
4. Нанесение на сформированную структуру слоя фоторезиста, проведение экспонирования с обратной стороны прозрачной изолирующей подложки, проявление полученной фоторезистивной маски, повторяющей рисунок сформированных полосковых электродов;
5. Напыление пленки алюминия и проведение операции взрывной фотолитографии, в результате которой удаляется Al над электродами;
6. Проведение фотолитографии по рисунку вторых электродов;
7. Электрохимическое окисление Al через сформированную маску в электролите на основе фосфорной кислоты;
8. Нанесение прозрачного проводящего материала и формирование методом фотолитографии и травления матрицы прозрачных проводящих отображающих электродов.

Как видно из перечисленных операций и фиг. 7, при формировании вторых электродов вместо стандартной операции травления напыленной пленки используется процесс электрохимического окисления алюминиевой пленки, что в совокупности с удалением пленки алюминия над танталовыми полосковыми электродами методом взрывной фотолитографии позволяет избежать формирования топологического рельефа на поверхности активной матрицы выше определенной величины. Однако следует учитывать коэффициент роста оксида Al при электрохимическом окислении пленки алюминия (толщина оксида равна 1,3 толщины исходной пленки Al). Если подобрать соответствующим образом толщины формируемых слоев, то топологический рельеф системы управляющих и отображающих электродов можно практически исключить.

П р и м е р. На основании предложенной конструкции системы управляющих и отображающих электродов и способа ее изготовления был изготовлен ЖК экран информационной емкостью 640х400 элементов отображения.

Технологический маршрут изготовления системы управляющих и отображающих электродов включал следующие операции:
1. Нанесение на прозрачную изолирующую пластину слоя термического оксида тантала толщиной 200-300 нм;
2. Напыление методом ВЧ магнетронного распыления пленки тантала толщиной 0,3 мкм;
3. Фотолитография по рисунку проводящих полосковых электродов;
4. Плазмохимическое травление танталовой пленки по сформированному рисунку в плазме CF₆:
5. Электрохимическое окисление танталовых электродов в 0,01%-ном водном растворе лимонной кислоты при напряжении формовки 30-35В;
6. Отжиг структуры в среде азота или в вакууме при температуре 250^оС в течение 90 мин;
7. Нанесение фоторезиста толщиной 0,5 мкм, экспонирование с обратной стороны обрабатываемой подложки, проявление и задубливание фоторезистивной маски;
8. Напыление пленки Al толщиной 0,15 мкм методом электронно-лучевого испарения;
9. Удаление методом взрыва алюминиевой пленки над танталовыми электродами;
10. Фотолитография по рисунку вторых электродов;
11. Электрохимическое окисление Al через сформированную маску в 4%-ном водном растворе фосфорной кислоты в гальваностатическом режиме при напряжении анодирования не более 30 В;
12. Напыление методом ВЧ магнетронного распыления пленки оксида индия-олова толщиной 0,1 мкм и формирование методом фотолитографии и травления матрицы прозрачных проводящих отображающих электродов.

Исследования толщин формируемых слоев показали, что неравномерность по поверхности активной матрицы составляет не более 0,05 мкм, что позволяет уверенно удерживать зазор в ЖК-экране, соответствующий оптимальным условиям работы ЖК-материала.

При следующих управляющих напряжениях и характеристиках экрана:
Амплитуда импульсов,
подаваемых на строки
(импульсы сканирова- ния) Не более ±18 В
Амплитуда импульсов,
подаваемых на столбцы
(информационные импуль- сы) Не более ±3 В
Число мультиплексиру- емых строк 400 Время кадра 20 мс Зазор в ЖК экране 6 мкм Используемый эффект Твист ЖК материал ЖК 1289
Нелинейные элементы обеспечивали следующие параметры: Ток включено Не менее 10 Е-7 Ток выключено Не более 10 Е-12
Экспериментальные ЖК экраны обеспечивали следующие светотехнические характеристики: Контраст Не менее 25:1 Угол обзора по горизон- тали Не менее ±65 Угол обзора по верти- кали Не менее ±45
Исследования экспериментальных образцов показали, что ЖК-экран с системой управляющих и отображающих электродов предлагаемой конструкции по основным характеристикам (величинам управляющих напряжений, разрешающей способности, энергопотреблению и др.) не уступает устройству аналогичного назначения (прототипу). В то же время было достигнуто улучшение условий удержания зазора в ЖК-экране с точностью не менее ± 0,1 мкм, что привело к увеличению процента выхода годных изделий в два раза по сравнению со стандартной технологией изготовления ЖК-экранов с активных матриц.

Преимущества предлагаемой конструкции системы управляющих и отображающих электродов для управления ЖК-экранами:
высокая степень планарности активной матрицы, что позволяет улучшить условия удержания зазора в ЖК-экранах и повысить процент выхода годных изделий при сборке;
симметричность и воспроизводимость вольт-амперных характеристик нелинейных элементов со структурой Та-Та₂О₅-Al.

отсутствие миграции ионов щелочных металлов из стекла в слой ЖК материала в собранном экране, за счет дополнительного слоя диэлектрика (пористого оксида Al);
Преимущества предлагаемого способа изготовления системы управляющих и отображающих электродов:
способ позволяет получить планарную поверхность матрицы с высокой степенью точности;
расширенный температурный диапазон технологического процесса за счет использования Al в качестве материала верхнего электрода нелинейных элементов, что позволяет использовать стандартные процессы при сборке ЖК-экранов.

Сущность изобретения: поверхность между танталовыми электродами заполнена слоем пористого оксида алюминия, на котором выполнены прозрачные электроды элементов отображения, причем суммарная толщина слоя пористого оксида алюминия и прозрачных электродов элементов отображения равна толщине полосковых танталовых электродов со слоем диэлектрика, вторые электроды нелинейных элементов выполнены из алюминия. В способе изготовления активной матрицы нелинейных элементов со структурой металл - диэлектрик - металл для управления жидкокристаллическими экранами матрицу вторых электродов нелинейных элементов формируют путем нанесения слоя фоторезиста на сформированные танталовые электроды, проведения экспонирования фоторезиста с оборотной стороны изолирующей подложки, формирования фоторезистивной маски по рисунку танталовых полосковых электродов, нанесения слоя алюминия на сформированную структуру, проведения операции взрывной фотолитографии, в результате которой происходит удаление слоя алюминия над танталовыми полосковыми электродами. Затем проводят операцию фотолитографии по рисунку вторых электродов нелинейных элементов и электрохимическое окисление слоя алюминия по сформированному рисунку в электролите на основе фосфорной кислоты. 2 с.п. ф-лы, 9 ил.

1. Система управляющих и отображающих электродов для жидкокристаллического экрана, включающая прозрачную изолирующую подложку со слоем диэлектрика, на котором сформированы группа параллельных полосковых танталовых электродов со слоем оксида тантала, являющихся шинами столбцов или строк и одновременно первыми электродами нелинейных элементов, матрица вторых электродов нелинейных элементов, сформированных на боковой поверхности полосковых танталовых электродов со слоем оксида тантала, а также матрицу прозрачных проводящих отображающих электродов, которые через вторые электроды нелинейных элементов последовательно соединены с полосковыми танталовыми электродами, отличающаяся тем, что, с целью повышения равномерности и контраста изображения за счет улучшения условий удержания зазора в жидкокристаллическом экране, вторые электроды нелинейных элементов выполнены алюминиевыми, поверхность подложки между танталовыми электродами, а в местах размещения нелинейных элементов - между алюминиевыми и танталовыми электродами заполнена слоем пористого оксида алюминия, на котором размещены прозрачные отображающие электроды, причем суммарная толщина слоя пористого оксида алюминия и прозрачных отображающих электродов равна толщине полосковых танталовых электродов со слоем оксида тантала. 2. Способ изготовления системы управляющих и отображающих электродов для жидкокристаллического экрана, заключающийся в том, что на прозрачной изолирующей подложке со слоем диэлектрика формируют группу полосковых электродов из тантала, являющихся одновременно первыми электродами нелинейных элементов, затем методом электрохимического окисления формируют на них слой оксида тантала, формируют матрицу вторых электродов нелинейных элементов и методом фотолитографии формируют матрицу прозрачных проводящих отображающих электродов, отличающийся тем, что, с целью повышения равномерности и контраста изображения за счет улучшения условий удержания зазора в жидкокристаллическом экране, матрицу вторых электродов нелинейных элементов формируют путем нанесения слоя фоторезиста на сформированные электроды из тантала, проведения экспонирования фоторезиста с обратной стороны у изолирующей подложки, формирования фоторезистивной маски по рисунку электродов из тантала, нанесения слоя алюминия на сформированную структуру, проведения операции взрывной фотолитографии для удаления слоя алюминия над электродами из тантала, проведения фотолитографии по рисунку вторых электродов нелинейных элементов и электрохимического окисления слоя алюминия по сформированному рисунку в электролите на основе фосфорной кислоты, а матрицу прозрачных проводящих отображающих электродов формируют на слое полученного в результате электрохимического окисления слоя пористого оксида алюминия.