Las pantallas de cristal líquido (LCD) han estado disponibles comercialmente desde la década de 1970. Se utilizan comúnmente en relojes, calculadoras, radios y otros productos que requieren indicadores y tres o cuatro caracteres alfanuméricos. Las mejoras recientes en los materiales de cristal líquido permiten fabricar pantallas grandes. Si bien las pantallas LCD son solo una pequeña parte de la industria de los semiconductores, su importancia ha crecido con su uso en pantallas planas para computadoras portátiles, computadoras portátiles muy livianas y procesadores de texto dedicados. Se espera que la importancia de las pantallas LCD continúe creciendo a medida que finalmente reemplacen al último tubo de vacío comúnmente utilizado en electrónica: el tubo de rayos catódicos (CRT) (O'Mara 1993).

La fabricación de pantallas LCD es un proceso muy especializado. Los resultados del monitoreo de higiene industrial indican niveles muy bajos de contaminantes en el aire para las diversas exposiciones a solventes monitoreadas (Wade et al. 1981). En general, los tipos y cantidades de sustancias químicas sólidas, líquidas y gaseosas tóxicas, corrosivas e inflamables y agentes físicos peligrosos en uso son limitados en comparación con otros tipos de fabricación de semiconductores.

Los materiales de cristal líquido son moléculas en forma de varilla ejemplificadas por las moléculas de cianobifenilo que se muestran en la figura 1. Estas moléculas poseen la propiedad de girar en la dirección de la luz polarizada que pasa. Aunque las moléculas son transparentes a la luz visible, un recipiente del material líquido parece lechoso o translúcido en lugar de transparente. Esto ocurre porque el eje largo de las moléculas está alineado en ángulos aleatorios, por lo que la luz se dispersa al azar. Una celda de visualización de cristal líquido está dispuesta de modo que las moléculas sigan una alineación específica. Esta alineación se puede cambiar con un campo eléctrico externo, lo que permite cambiar la polarización de la luz entrante.

Figura 1. Moléculas básicas de polímero de cristal líquido

En la fabricación de pantallas planas, dos sustratos de vidrio se procesan por separado y luego se unen. El sustrato frontal está modelado para crear una matriz de filtros de color. El sustrato de vidrio trasero está diseñado para formar transistores de película delgada y las líneas de interconexión de metal. Estas dos placas se acoplan en el proceso de ensamblaje y, si es necesario, se cortan y separan en pantallas individuales. El material de cristal líquido se inyecta en un espacio entre las dos placas de vidrio. Las pantallas se inspeccionan y prueban y se aplica una película polarizadora a cada placa de vidrio.

Se requieren numerosos procesos individuales para fabricar pantallas planas. Requieren equipos, materiales y procesos especializados. Ciertos procesos clave se describen a continuación.

Preparación de sustrato de vidrio

El sustrato de vidrio es un componente esencial y costoso de la pantalla. Se requiere un control muy estricto de las propiedades ópticas y mecánicas del material en cada etapa del proceso, especialmente cuando se trata de calentamiento.

fabricación de vidrio

Se utilizan dos procesos para fabricar vidrio muy delgado con dimensiones muy precisas y propiedades mecánicas reproducibles. El proceso de fusión, desarrollado por Corning, utiliza una varilla de alimentación de vidrio que se derrite en una cubeta en forma de cuña y fluye hacia arriba y por los lados de la cubeta. Al fluir hacia abajo por ambos lados de la cubeta, el vidrio fundido se une en una sola lámina en el fondo de la cubeta y puede arrastrarse hacia abajo como una lámina uniforme. El grosor de la lámina está controlado por la velocidad de descenso del vidrio. Se pueden obtener anchos de hasta casi 1 m.

Otros fabricantes de vidrio con las dimensiones apropiadas para sustratos LCD utilizan el método de fabricación flotante. En este método, se permite que el vidrio fundido fluya sobre un lecho de estaño fundido. El vidrio no se disuelve ni reacciona con el estaño metálico, sino que flota en la superficie. Esto permite que la gravedad alise la superficie y permita que ambos lados se vuelvan paralelos. (Ver el capítulo Vidrio, cerámica y materiales relacionados.)

Hay disponible una variedad de tamaños de sustrato que se extienden hasta 450 × 550 mm y mayores. El grosor típico del vidrio para pantallas planas es de 1.1 mm. El vidrio más delgado se usa para algunas pantallas más pequeñas, como buscapersonas, teléfonos, juegos, etc.

Corte, biselado y pulido

Los sustratos de vidrio se recortan al tamaño después del proceso de fusión o flotación, típicamente a aproximadamente 1 m por lado. Varias operaciones mecánicas siguen al proceso de formación, dependiendo de la aplicación final del material.

Dado que el vidrio es quebradizo y se astilla o agrieta fácilmente en los bordes, normalmente se biselan, achaflanan o se tratan de otro modo para reducir el astillado durante la manipulación. Las tensiones térmicas en las grietas de los bordes se acumulan durante el procesamiento del sustrato y provocan la rotura. La rotura del vidrio es un problema significativo durante la producción. Además de la posibilidad de cortes y laceraciones de los empleados, representa una pérdida de rendimiento y es posible que queden fragmentos de vidrio en el equipo, lo que provoca la contaminación por partículas o el rayado de otros sustratos.

El aumento del tamaño del sustrato da como resultado mayores dificultades para el pulido del vidrio. Los sustratos grandes se montan en soportes con cera u otro adhesivo y se pulen con una suspensión de material abrasivo. Este proceso de pulido debe ir seguido de una limpieza química a fondo para eliminar cualquier resto de cera u otro residuo orgánico, así como los contaminantes metálicos contenidos en el abrasivo o medio de pulido.

Limpieza

Los procesos de limpieza se utilizan para sustratos de vidrio desnudo y para sustratos cubiertos con películas orgánicas, como filtros de color, películas de orientación de poliimida, etc. Además, los sustratos con películas semiconductoras, aislantes y metálicas requieren limpieza en ciertos puntos del proceso de fabricación. Como mínimo, se requiere una limpieza antes de cada paso de enmascaramiento en la fabricación de filtros de color o transistores de película delgada.

La mayoría de la limpieza de pantallas planas emplea una combinación de métodos físicos y químicos, con un uso selectivo de métodos secos. Después del grabado químico o la limpieza, los sustratos generalmente se secan con alcohol isopropílico. (Ver tabla 1.)

Tabla 1. Limpieza de pantallas planas

* Los solventes orgánicos comunes usados ​​en la limpieza química incluyen: acetona, metanol, etanol, n-propanol, isómeros de xileno, tricloroetileno, tetracloroetileno.

Formación de filtros de color

La formación del filtro de color en el sustrato del vidrio frontal incluye algunos de los pasos de preparación y acabado del vidrio comunes a los paneles frontal y posterior, incluidos los procesos de biselado y lapeado. Las operaciones como modelado, recubrimiento y curado se realizan repetidamente sobre el sustrato. Existen muchos puntos de similitud con el procesamiento de obleas de silicio. Los sustratos de vidrio normalmente se manejan en sistemas de rieles para limpieza y revestimiento.

Patrón de filtro de color

Se utilizan varios materiales y métodos de aplicación para crear filtros de color para varios tipos de pantallas planas. Se puede usar un colorante o un pigmento, y cualquiera de los dos se puede depositar y modelar de varias maneras. En un enfoque, la gelatina se deposita y se tiñe en operaciones fotolitográficas sucesivas, utilizando equipos de impresión de proximidad y fotoprotectores estándar. En otro, se emplean pigmentos dispersos en fotoprotector. Otros métodos para formar filtros de color incluyen la electrodeposición, el grabado y la impresión.

Deposición de ITO

Después de la formación del filtro de color, el paso final es la deposición por pulverización catódica de un material de electrodo transparente. Este es el óxido de indio y estaño (ITO), que en realidad es una mezcla de los óxidos En₂O₃ y SnO₂. Este material es el único adecuado para la aplicación de conductor transparente para LCD. Se requiere una película ITO delgada en ambos lados de la pantalla. Por lo general, las películas de ITO se fabrican mediante evaporación al vacío y pulverización catódica.

Las películas delgadas de ITO son fáciles de grabar con productos químicos húmedos como el ácido clorhídrico, pero, a medida que el paso de los electrodos se hace más pequeño y las características se hacen más finas, puede ser necesario grabar en seco para evitar la socavación de las líneas debido al grabado excesivo.

Formación de transistores de película delgada

La formación de transistores de película delgada es muy similar a la fabricación de un circuito integrado.

Deposición de película delgada

Los sustratos comienzan el proceso de fabricación con un paso de aplicación de película delgada. Las películas delgadas se depositan mediante CVD o deposición física de vapor (PVD). La CVD mejorada con plasma, también conocida como descarga luminiscente, se utiliza para el silicio amorfo, el nitruro de silicio y el dióxido de silicio.

Patrones de dispositivos

Una vez que se ha depositado la película delgada, se aplica una fotoprotección y se forma una imagen para permitir el grabado de la película delgada a las dimensiones apropiadas. Se deposita y graba una secuencia de películas delgadas, como en la fabricación de circuitos integrados.

Aplicación y frotamiento de la película de orientación

Tanto en el sustrato superior como en el inferior, se deposita una fina película de polímero para orientar las moléculas de cristal líquido en la superficie del vidrio. Esta película de orientación, quizás de 0.1 µm de espesor, puede ser una poliimida u otro material polimérico “duro”. Después de la deposición y horneado, se frota con tela en una dirección específica, dejando surcos apenas detectables en la superficie. El frotamiento se puede hacer con un paño de una sola pasada en una correa, alimentada desde un rodillo en un lado, pasando por debajo de un rodillo que hace contacto con el sustrato, hasta un rodillo en el otro lado. El sustrato se mueve debajo de la tela en la misma dirección que la tela. Otros métodos incluyen un cepillo móvil que se mueve por el sustrato. La siesta del material de fricción es importante. Las ranuras sirven para ayudar a las moléculas de cristal líquido a alinearse en la superficie del sustrato y adoptar el ángulo de inclinación adecuado.

La película de orientación se puede depositar mediante recubrimiento por rotación o mediante impresión. El método de impresión es más eficiente en el uso de materiales; Del 70 al 80 % de la poliimida se transfiere del rollo de impresión a la superficie del sustrato.

Asamblea

Una vez que se completa el paso de frotamiento del sustrato, se inicia una secuencia de línea de ensamblaje automatizada que consiste en:

• aplicación de adhesivo (requerido para sellar los paneles)

• aplicación de espaciador

• ubicación y alineación óptica de una placa con respecto a la otra

• (calor o UV) para curar el adhesivo y unir las dos placas de vidrio.

El transporte automatizado de las placas superior e inferior se produce a través de la línea. Una placa recibe el adhesivo y la segunda placa se introduce en la estación de aplicación del espaciador.

Inyección de cristal líquido

En el caso de que se haya construido más de una pantalla sobre el sustrato, las pantallas ahora se separan mediante cortes. En este punto, el material de cristal líquido se puede introducir en el espacio entre los sustratos, haciendo uso de un orificio dejado en el material de sellado. Luego, este orificio de entrada se sella y se prepara para la inspección final. Los materiales de cristal líquido a menudo se entregan como sistemas de dos o tres componentes que se mezclan en la inyección. Los sistemas de inyección proporcionan mezcla y purga de la celda para evitar que queden burbujas atrapadas durante el proceso de llenado.

Inspección y prueba

La inspección y las pruebas funcionales se realizan después del montaje y la inyección de cristal líquido. La mayoría de los defectos están relacionados con partículas (incluidos defectos puntuales y lineales) y problemas de espacios entre celdas.

Accesorio polarizador

El paso final de fabricación de la pantalla de cristal líquido en sí es la aplicación del polarizador en el exterior de cada placa de vidrio. Las películas polarizadoras son películas compuestas que contienen la capa adhesiva sensible a la presión necesaria para unir el polarizador al vidrio. Se aplican mediante máquinas automáticas que dosifican el material a partir de rollos o láminas precortadas. Las máquinas son variantes de etiquetadoras desarrolladas para otras industrias. La película polarizadora está adherida a ambos lados de la pantalla.

En algunos casos, se aplica una película de compensación antes del polarizador. Las películas de compensación son películas de polímero (p. ej., policarbonato y metacrilato de polimetilo) que se estiran en una dirección. Este estiramiento cambia las propiedades ópticas de la película.

Una pantalla completa normalmente tendrá circuitos integrados de controladores montados en o cerca de uno de los sustratos de vidrio, generalmente el lado del transistor de película delgada.

Peligros

La rotura del cristal es un peligro importante en la fabricación de LCD. Pueden ocurrir cortes y laceraciones. La exposición a los productos químicos utilizados para la limpieza es otra preocupación.

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