Les écrans à cristaux liquides (LCD) sont commercialisés depuis les années 1970. Ils sont couramment utilisés dans les montres, calculatrices, radios et autres produits nécessitant des indicateurs et trois ou quatre caractères alphanumériques. Des améliorations récentes dans les matériaux à cristaux liquides permettent de fabriquer de grands écrans. Alors que les écrans LCD ne représentent qu'une petite partie de l'industrie des semi-conducteurs, leur importance a augmenté avec leur utilisation dans les écrans plats pour ordinateurs portables, les ordinateurs portables très légers et les traitements de texte dédiés. On s'attend à ce que l'importance des écrans LCD continue de croître à mesure qu'ils remplaceront le dernier tube à vide couramment utilisé en électronique, le tube à rayons cathodiques (CRT) (O'Mara 1993).

La fabrication des écrans LCD est un processus très spécialisé. Les résultats de la surveillance de l'hygiène industrielle indiquent de très faibles niveaux de contaminants atmosphériques pour les diverses expositions aux solvants surveillées (Wade et al. 1981). En général, les types et les quantités de produits chimiques solides, liquides et gazeux toxiques, corrosifs et inflammables et d'agents physiques dangereux utilisés sont limités par rapport à d'autres types de fabrication de semi-conducteurs.

Les matériaux à cristaux liquides sont des molécules en forme de tige illustrées par les molécules de cyanobiphényle illustrées à la figure 1. Ces molécules possèdent la propriété de faire tourner la direction de la lumière polarisée qui les traverse. Bien que les molécules soient transparentes à la lumière visible, un récipient du matériau liquide apparaît laiteux ou translucide au lieu de transparent. Cela se produit parce que le grand axe des molécules est aligné à des angles aléatoires, de sorte que la lumière est diffusée de manière aléatoire. Une cellule d'affichage à cristaux liquides est disposée de manière à ce que les molécules suivent un alignement spécifique. Cet alignement peut être modifié avec un champ électrique externe, permettant de modifier la polarisation de la lumière entrante.

Figure 1. Molécules de polymère à cristaux liquides de base

Dans la fabrication d'écrans plats, deux substrats de verre sont traités séparément, puis assemblés. Le substrat avant est modelé pour créer un réseau de filtres colorés. Le substrat de verre arrière est modelé pour former des transistors à couches minces et les lignes d'interconnexion métalliques. Ces deux plaques sont accouplées lors du processus d'assemblage et, si nécessaire, tranchées et séparées en présentoirs individuels. Un matériau à cristaux liquides est injecté dans un espace entre les deux plaques de verre. Les écrans sont inspectés et testés et un film polarisant est appliqué sur chaque plaque de verre.

De nombreux processus individuels sont nécessaires pour fabriquer des écrans plats. Ils nécessitent des équipements, des matériaux et des procédés spécialisés. Certains processus clés sont décrits ci-dessous.

Préparation du substrat de verre

Le substrat de verre est un composant essentiel et coûteux de l'écran. Un contrôle très serré des propriétés optiques et mécaniques du matériau est nécessaire à chaque étape du procédé, notamment en cas de chauffage.

Fabrication de verre

Deux procédés permettent de fabriquer des verres très fins aux dimensions très précises et aux propriétés mécaniques reproductibles. Le processus de fusion, développé par Corning, utilise une tige d'alimentation en verre qui fond dans une auge en forme de coin et s'écoule vers le haut et sur les côtés de l'auge. S'écoulant des deux côtés de l'auge, le verre fondu se joint en une seule feuille au fond de l'auge et peut être tiré vers le bas en une feuille uniforme. L'épaisseur de la feuille est contrôlée par la vitesse d'étirage du verre. Des largeurs allant jusqu'à presque 1 m peuvent être obtenues.

D'autres fabricants de verre aux dimensions appropriées pour les substrats LCD utilisent la méthode de fabrication float. Dans cette méthode, le verre fondu est autorisé à s'écouler sur un lit d'étain fondu. Le verre ne se dissout pas et ne réagit pas avec l'étain métallique, mais flotte à la surface. Cela permet à la gravité de lisser la surface et de permettre aux deux côtés de devenir parallèles. (Voir le chapitre Verre, céramique et matériaux connexes.)

Une variété de tailles de substrats sont disponibles allant jusqu'à 450 × 550 mm et plus. L'épaisseur typique du verre pour les écrans plats est de 1.1 mm. Un verre plus fin est utilisé pour certains écrans plus petits, tels que les téléavertisseurs, les téléphones, les jeux, etc.

Découpe, biseautage et polissage

Les substrats de verre sont taillés à la taille après le processus de fusion ou de flottage, généralement à environ 1 m de côté. Diverses opérations mécaniques suivent le processus de formage, en fonction de l'application finale du matériau.

Étant donné que le verre est cassant et facilement ébréché ou fissuré sur les bords, ceux-ci sont généralement biseautés, chanfreinés ou autrement traités pour réduire l'écaillage lors de la manipulation. Les contraintes thermiques au niveau des fissures de bord s'accumulent pendant le traitement du substrat et conduisent à la rupture. Le bris de verre est un problème important pendant la production. Outre la possibilité de coupures et de lacérations par les employés, cela représente une perte de rendement et des fragments de verre peuvent rester dans l'équipement, provoquant une contamination particulaire ou des rayures sur d'autres substrats.

L'augmentation de la taille du substrat entraîne des difficultés accrues pour le polissage du verre. Les grands substrats sont montés sur des supports à l'aide de cire ou d'un autre adhésif et polis à l'aide d'une bouillie de matériau abrasif. Ce processus de polissage doit être suivi d'un nettoyage chimique approfondi pour éliminer toute cire restante ou tout autre résidu organique, ainsi que les contaminants métalliques contenus dans l'abrasif ou le milieu de polissage.

Nettoyage

Les procédés de nettoyage sont utilisés pour les substrats en verre nu et pour les substrats recouverts de films organiques, tels que les filtres colorés, les films d'orientation en polyimide, etc. De plus, les substrats avec des films semi-conducteurs, isolants et métalliques nécessitent un nettoyage à certains points du processus de fabrication. Au minimum, un nettoyage est nécessaire avant chaque étape de masquage dans la fabrication d'un filtre couleur ou d'un transistor à couches minces.

La plupart des nettoyages d'écrans plats utilisent une combinaison de méthodes physiques et chimiques, avec une utilisation sélective de méthodes sèches. Après attaque chimique ou nettoyage, les substrats sont généralement séchés à l'aide d'alcool isopropylique. (Voir tableau 1.)

Tableau 1. Nettoyage des écrans plats

* Les solvants organiques couramment utilisés dans le nettoyage chimique comprennent : l'acétone, le méthanol, l'éthanol, n-propanol, isomères du xylène, trichloroéthylène, tétrachloroéthylène.

Formation du filtre de couleur

La formation du filtre de couleur sur le substrat de verre avant comprend certaines des étapes de finition et de préparation du verre communes aux panneaux avant et arrière, y compris les processus de biseautage et de rodage. Des opérations telles que la formation de motifs, le revêtement et le durcissement sont effectuées à plusieurs reprises sur le substrat. De nombreux points de similitude avec le traitement des tranches de silicium existent. Les substrats en verre sont normalement manipulés dans des systèmes de rails pour le nettoyage et le revêtement.

Modèle de filtre de couleur

Divers matériaux et méthodes d'application sont utilisés pour créer des filtres de couleur pour divers types d'écrans plats. Un colorant ou un pigment peut être utilisé, et l'un ou l'autre peut être déposé et modelé de plusieurs manières. Dans une approche, la gélatine est déposée et colorée dans des opérations photolithographiques successives, en utilisant un équipement d'impression de proximité et des photorésists standard. Dans un autre cas, des pigments dispersés dans un photorésist sont employés. D'autres procédés de formation de filtres colorés comprennent l'électrodéposition, la gravure et l'impression.

Dépôt ITO

Après la formation du filtre coloré, l'étape finale est le dépôt par pulvérisation cathodique d'un matériau d'électrode transparent. Il s'agit d'oxyde d'indium-étain (ITO), qui est en fait un mélange des oxydes In₂O₃ et SnO₂. Ce matériau est le seul adapté à l'application conducteur transparent des LCD. Un mince film ITO est requis des deux côtés de l'écran. En règle générale, les films ITO sont fabriqués par évaporation sous vide et pulvérisation cathodique.

Les films minces d'ITO sont faciles à graver avec des produits chimiques humides tels que l'acide chlorhydrique, mais, à mesure que le pas des électrodes devient plus petit et que les caractéristiques deviennent plus fines, une gravure sèche peut être nécessaire pour éviter la sous-coupe des lignes due à une surgravure.

Formation de transistors à couches minces

La formation d'un transistor à couches minces est très similaire à la fabrication d'un circuit intégré.

Dépôt de couches minces

Les substrats commencent le processus de fabrication par une étape d'application de film mince. Les couches minces sont déposées par CVD ou dépôt physique en phase vapeur (PVD). Le CVD assisté par plasma, également connu sous le nom de décharge luminescente, est utilisé pour le silicium amorphe, le nitrure de silicium et le dioxyde de silicium.

Modélisation de l'appareil

Une fois le film mince déposé, un photorésist est appliqué et imagé pour permettre la gravure du film mince aux dimensions appropriées. Une séquence de couches minces est déposée et gravée, comme pour la fabrication de circuits intégrés.

Application et frottement du film d'orientation

Sur les substrats supérieur et inférieur, un mince film polymère est déposé pour l'orientation des molécules de cristaux liquides à la surface du verre. Ce film d'orientation, peut-être de 0.1 µm d'épaisseur, peut être un polyimide ou un autre matériau polymère "dur". Après dépôt et cuisson, il est frotté avec du tissu dans une direction spécifique, laissant des rainures à peine détectables dans la surface. Le frottement peut être effectué avec un chiffon à passage unique sur une courroie, alimenté à partir d'un rouleau d'un côté, passant sous un rouleau qui entre en contact avec le substrat, sur un rouleau de l'autre côté. Le substrat se déplace sous le tissu dans la même direction que le tissu. D'autres méthodes incluent une brosse mobile qui se déplace sur le substrat. Le poil de la matière frottant est important. Les rainures servent à aider les molécules de cristaux liquides à s'aligner sur la surface du substrat et à adopter l'angle d'inclinaison approprié.

Le film d'orientation peut être déposé par spin-coating ou par impression. La méthode d'impression est plus efficace dans l'utilisation des matériaux ; 70 à 80% du polyimide est transféré du rouleau d'impression à la surface du substrat.

Assemblée

Une fois l'étape de frottement du substrat terminée, une séquence de chaîne de montage automatisée est lancée, qui consiste à :

• application d'adhésif (nécessaire pour sceller les panneaux)

• demande d'entretoise

• emplacement et alignement optique d'une plaque par rapport à l'autre

• exposition (chaleur ou UV) pour durcir l'adhésif et coller les deux plaques de verre ensemble.

Le transport automatisé des plaques supérieures et inférieures se produit à travers la ligne. Une plaque reçoit l'adhésif, et la deuxième plaque est introduite au niveau du poste d'application de l'entretoise.

Injection de cristaux liquides

Dans le cas où plus d'un affichage a été construit sur le substrat, les affichages sont maintenant séparés par découpage. A ce stade, le matériau à cristaux liquides peut être introduit dans l'espace entre les substrats, en utilisant un trou laissé dans le matériau de scellement. Ce trou d'entrée est ensuite scellé et préparé pour l'inspection finale. Les cristaux liquides sont souvent livrés sous forme de systèmes à deux ou trois composants qui sont mélangés à l'injection. Les systèmes d'injection assurent le mélange et la purge de la cellule pour éviter de piéger les bulles pendant le processus de remplissage.

Inspection et test

L'inspection et les tests fonctionnels sont effectués après l'assemblage et l'injection des cristaux liquides. La plupart des défauts sont liés aux particules (y compris les défauts ponctuels et linéaires) et aux problèmes d'espacement des cellules.

Accessoire Polariseur

La dernière étape de fabrication de l'écran à cristaux liquides lui-même est l'application du polariseur à l'extérieur de chaque plaque de verre. Les films polarisants sont des films composites qui contiennent la couche adhésive sensible à la pression nécessaire pour fixer le polariseur au verre. Ils sont appliqués par des machines automatisées qui distribuent le matériau à partir de rouleaux ou de feuilles prédécoupées. Les machines sont des variantes d'étiqueteuses développées pour d'autres industries. Le film polarisant est fixé des deux côtés de l'écran.

Dans certains cas, un film de compensation est appliqué avant le polariseur. Les films de compensation sont des films polymères (par exemple, polycarbonate et polyméthacrylate de méthyle) qui sont étirés dans une direction. Cet étirement modifie les propriétés optiques du film.

Un affichage terminé aura normalement des circuits intégrés de commande montés sur ou à proximité de l'un des substrats en verre, généralement du côté du transistor à couches minces.

Dangers

Le bris de verre est un risque important dans la fabrication d'écrans LCD. Des coupures et des lacérations peuvent survenir. L'exposition aux produits chimiques utilisés pour le nettoyage est une autre préoccupation.

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