DE19623070C2 - Verfahren zum Herstellen einer Substratsanordnung für eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Substratanordnung und speziell auf ein Verfahren zum Herstellen einer Substratanordnung einer Flüssigkristallanzeige­ vorrichtung.

Im allgemeinen werden bei einer Flüssigkristallanzeigevor­ richtung ein oberes und ein unteres Substrat im Abstand voneinander miteinander verbunden. Ein Substrat, das in Matrixform Pixelelektroden und Schalteinrichtungen aufweist, sowie ein Substrat, das ein Farbfilter zur Erzielung von Farben und eine gemeinsame Elektrode aufweist, werden aneinander befestigt. Flüssigkristallmaterial wird zwischen die zwei Substrate eingespritzt, die dann dicht verschlossen werden. Sobald ein äußeres elektrisches Feld an diese Anordnung angelegt wird, bewegt sich der Flüssigkristall entsprechend dem elektrischen Feld, so daß mittels Licht, das durch die Substrate tritt, ein Bild angezeigt wird.

Wie in Fig. 3 gezeigt, weist eine herkömmliche Flüssig­ kristallanzeigevorrichtung Flüssigkristallmaterial 5 mit sich in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld ändernder Lichtdurchlässigkeit, ein erstes transparentes Substrat 3 (unteres Substrat), auf dem eine elektrische Verdrahtung ausgebildet ist, um an einen ausgewählten Bereich ein elektrisches Feld anlegen zu können, und ein zweites transparentes Substrat 4 (Farbfiltersubstrat) auf. Das Flüssigkristallmaterial 5 wird zwischen die Substrate 3 und 4 eingespritzt. Dann wird das Flüssigkristallmaterial 5 mittels eines Dichtungsmaterials 6 zwischen den Substraten 3, 4 dicht verschlossen. Polarisierungsscheiben 2-1 und 2-2 werden an den Substraten 3 und 4 angebracht. Eine Hintergrundbeleuchtungs­ einrichtung 1 zum Erzeugen von Licht wird an der Unterseite des unteren Substrats befestigt.

Auf dem ersten transparenten Substrat sind eine Abtastleitung (Gate-Leitung), eine Datenleitung, eine Pixelelektrode und eine Schalteinrichtung zum Steuern eines an die Pixelelektrode anzulegenden elektrischen Feldes in Matrixform angeordnet. Auf dem zweiten transparenten Substrat sind die gemeinsame Elektrode und das Farbfilter angeordnet. Auf den Substraten sind Leiterbahnen und Anschlußflächen zum Anlegen äußerer Signale ausgebildet.

Ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Flüssigkristall­ anzeigevorrichtung wird nachfolgend erörtert.

Auf einem transparenten Substrat, z. B. Glas, sind mehrere hunderttausend bis mehrere Millionen Pixelelektroden-Einheiten zusammen mit Steuereinrichtungen zum Steuern von an diese Pixelelektroden anzulegenden Datensignalen angeordnet, und es sind Datenleitungen und Abtastleitungen ausgebildet, um von außen ein Videosignal anlegen zu können. Diese Anordnung stellt das erste transparente Substrat 3 dar.

Zur Bildung des zweiten transparenten Substrats 4 sind auf einem weiteren transparenten Substrat ein Farbfilter und eine gemeinsame Elektrode angeordnet, um mittels Durchleitung von Licht Farben zu erzeugen, wobei der Durchtritt des Lichts ausschließlich von den Pixelelektroden bestimmt wird. Nach dem Zusammenbau des unteren und des oberen Substrats wird auf diesen ein Dichtungsmittel verteilt, um sie dicht zu machen. Die beiden Substrate werden zum Zusammenfügen angeordnet. Das Flüssigkristallmaterial wird zwischen sie eingespritzt, und schließlich wird die Flüssigkristalleinspritzöffnung verschlossen, damit das Flüssigkristallmaterial nicht nach außen entweicht.

Nach dem Einsiegeln des Flüssigkristallmaterials werden die Polarisierungsscheiben 2-1 und 2-2 an den Substraten befestigt. Zum Anlegen eines äußeren Signals wird an den Leiterbahnen eine integrierte Treiberschaltung angeschlossen. Zur Vervollständi­ gung der Flüssigkristallanzeigevorrichtung werden unter dem unteren Substrat eine Hintergrundbeleuchtungseinrichtung, d. h. eine lichtaussendende Einrichtung, und eine Befestigungsanord­ nung angefügt.

Bei der Herstellung des oberen und des unteren Substrats nach dem herkömmlichen Verfahren werden Spülungs-, Ablagerungs- oder Ätzvorrichtungen in einer zweistelligen Zahl von Arbeitsschritten eingesetzt. Hierbei werden auf die transparenten Substrate während der Bearbeitungsvorgänge unter Umständen mechanische Kräfte ausgeübt. Außerdem erfahren die Substrate Erwärmungs- und Abkühlungsprozesse, welche die Substrate beschädigen können, wenn diese bruchempfindlich sind.

Beim herkömmlichen Verfahren wird zur Herstellung der Flüssigkristallanzeigevorrichtung als Substratmaterial transparentes Glas verwendet. Handelsübliches Glas ist normalerweise 1,1 mm dick. Um jedoch das Gewicht der Flüssigkristallanzeigevorrichtung zu verringern, wurde erwogen, ein Substrat von 0,7 mm Dicke zu verwenden. Beim oben beschriebenen herkömmlichen Verfahren wird, wenn die Dicke des Substrats in einer anfänglichen Arbeitsphase festgelegt wird, dieselbe Dicke bis zum Endprodukt beibehalten.

Da herkömmlich verwendetes Glas vergleichsweise dick ist, ist es gegen mechanische oder thermische Belastungen während des Herstellungsprozesses geschützt. Wenn jedoch von Anfang an ein dünnes Substrat verwendet wird, ist infolge seiner Beschädigung oder Verformung mit einem größeren Ausschuß zu rechnen. Außerdem wird bei der Herstellung des unteren Substrats und beim Einfüllen des Flüssigkristallmaterials mehr als zehnmal der Vorgang des Erwärmens und Abkühlens zwischen 200 und 300°C durchgeführt, und bei Spül- und Beschichtungsarbeitsgängen erfolgt wiederholt eine Bearbeitung bei hohen Drehzahlen. Aus diesem Grund kann die Glasdicke nicht dünner gewählt werden. Es gibt Grenzen für die Senkung des Gewichts einer Flüssig­ kristallanzeigevorrichtung. Um diese Probleme zu lösen, müssen die Bearbeitungsgeräte verbessert oder zusätzliche Funktionen bereitgestellt werden, wodurch die Kosten des Endprodukts in die Höhe getrieben werden.

Es wurde aber auch bereits bekannt, die bestückten Substrate nach ihrem Zusammenfügen in ihrer Dicke zu verringern, indem eine Teildicke eines oder beider Substrate von der Außenseite her abgetragen wird. Dies erfolgt gemäß JP 4-116 619 A, JP 5- 429 422 A und JP 5-429 423 A durch Ätzen, und gemäß JP 5-61 011 A durch Polieren in einem Läppverfahren. Gemäß der JP 5-249 422 wird eine Substratanordnung hergestellt, aus welcher eine Mehrzahl von Flüssigkristallelementen hergestellt werden. Hierzu werden die beiden Glassubstrate einander flächig gegenüberliegend mithilfe von Dichtungsmaterialien derart miteinander verklebt, daß zwischen den Substraten ein Zwischenraum mit einer der Mehrzahl der Flüssigkristallelemente entsprechenden Mehrzahl von im Abstand voneinander angeordneten abgedichteten Teilräumen und mit einer den Zwischenraum insgesamt abdichtenden Umfangsdichtung gebildet wird. Nach der Dickenreduzierung des einen Substrats durch Ätzen wird die Substratanordnung in die einzelnen Flüssigkristallelemente getrennt.

Allgemein ist es für die Glasveredelung bekannt (Lexikon der Fertigungstechnik und Arbeitsmaschinen, Bd. 8, Stuttgart, 1967, S. 374), im Anschluß an die Verarbeitung oder einen vorangegangenen Schleifprozeß einen Polierschritt durchzuführen, um die Güte der Oberfläche zu verbessern. Beim Säurepolieren werden auf chemischen Wege vorstehende Kanten, Grate und Ecken aufgelöst, wobei Bäder mit Fluß- oder Schwefelsäure in verschiedenen Konzentrationen und Temperaturen verwendet werden.

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, ein Verfahren zum Herstellen einer leichten und dünnen Substratanordnung bereitzustellen.

Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Herstellen einer Substratanordnung gemäß Anspruch 1 erreicht. Zweckmäßige Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Das Verfahren zum Herstellen einer Substratanordnung für eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung enthält folgende Schritte: ein erstes transparentes Substrat mit einer ersten Dicke wird bereitgestellt; ein zweites transparentes Substrat mit einer zweiten Dicke wird bereitgestellt; das erste und das zweite transparente Substrat werden so zusammengefügt, daß in dem Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten transparenten Substrat ein abgedichteter Teilraum gebildet wird, in dem ein Flüssigkristallmaterial aufgenommen wird, wobei der Zwischenraum mit Hilfe einer Hilfsdichtung abgedichtet wird; die erste und die zweite Dicke werden verringert, indem eine Teildicke mittels einer Kombination eines mechanischen Verfahrens und eines chemischen Verfahrens abgetragen wird, wobei das mechanische Verfahren durch Abschaben und das chemische Verfahren durch Abätzen mit einer säurehaltigen Lösung durchgeführt werden, wonach die Hilfsdichtung entfernt wird.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1A und 1B schematische Schnittansichten einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäß hergestellten Substratanordnung;

Fig. 2A bis 2G schematische speziellere Schnittansichten der Ausführungsform der erfindungsgemäß hergestellten Substratanordnung; und

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch eine herkömmliche Substratanordnung.

Wie in Fig. 1A gezeigt, werden bei einer ersten Ausführungsform ein oberes Substrat 4 (das zweite transparente Substrat) und ein unteres Substrat 3 (das erste transparente Substrat), die jeweils die Dicke t besitzen, miteinander verbunden. Zwischen die Substrate 3, 4 wird ein Zwischenlagematerial 5 eingespritzt. Die miteinander verbundenen Substrate 3, 4 werden durch ein Dichtungsmaterial 6 derart versiegelt, daß der Zwischenraum zwischen den beiden Substraten 3 und 4 vollständig verschlossen ist.

Die Gesamtdicke der Anordnung aus dem oberen und dem unteren Substrat ist gleich der Summe aus der Dicke der transparenten Substrate 3, 4 und der Dicke des Zwischenlagematerials 5. Der Abstand zwischen dem oberen und dem unteren Substrat 3, 4 ist gleich der Dicke des Zwischenlagematerials, die sehr klein ist (üblicherweise 5 bis 6 µm). Deshalb beträgt die tatsächliche Dicke der miteinander verbundenen Substrate ungefähr 2t.

Wenn in diesem Zustand die Außenflächen des oberen und des unteren Substrats, die miteinander verbunden sind, geätzt oder unter Verwendung einer Vorrichtung mechanisch abgetragen werden, um die Dicke der Substratanordnung zu verringern, kann die Dicke auf einen gewünschten Wert gebracht werden. Wie in Fig. 1B gezeigt, nimmt die Dicke des oberen und des unteren Substrats 4' und 3' (nach dem Ätzen und mechanischem Abtragen) den Wert 2t' an. Außerdem können zu Herstellungsbeginn ein oberes und ein unteres Substrat unterschiedlicher Dicke verwendet werden. Das obere Substrat 3 und das untere Substrat 4 können jeweils aus einem transparenten Isolator, einer Metallscheibe oder einer Halbleiterscheibe bestehen. Das obere Substrat und das untere Substrat können aus dem gleichen Werkstoff oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, um leichtgewichtige, dünne Substrate herzustellen.

Zur Dickenreduzierung des oberen und des unteren Substrats wird eine Kombination der folgenden beiden Verfahren verwendet:

• 1. mechanisches Verfahren: das obere und das mit ihm verbundene untere Substrat werden mit einer Vorrichtung abgeschabt, und dabei gleichzeitig mit einem Kühlmittel besprüht;
• 2. chemisches Verfahren: die Substrate werden unter Verwendung einer Lösung, z. B. einer starken Säure, geätzt, um eine Teildicke der Substrate abzulösen (dies führt nicht zu einer Beschädigung der Substrate, da aus diese keine mechanische Kraft einwirkt).

Wie aus Fig. 2A ersichtlich, wird ein Substrat 10 der Dicke t1 dazu verwendet, darauf eine Anordnung 11 aus einem Dünnschichttransistor (TFT: Thin Film Transistor), d. h. einer Schalteinrichtung, einer Pixelelektrode, einer Abtastleitung (Gate-Leitung) und einer Datenleitung auf die gleiche Weise wie beim herkömmlichen Herstellungsprozeß auszubilden. Dies ergibt das Substrat 10, welches das untere Substrat ist.

Wie aus Fig. 2B ersichtlich, wird ein Substrat 20 der Dicke t2 dazu verwendet, darauf ein Farbfilter 21 auf die gleiche Weise wie beim herkömmlichen Herstellungsprozeß auszubilden, um das zweite Substrat 20 anzufertigen, welches das obere Substrat ist. Hierbei können die Dicken t1 und t2 voneinander verschieden oder gleich sein.

Wie in Fig. 2C gezeigt, wird auf das obere und das untere Substrat - nach deren Beschichtung mit einer Orientierungs­ schicht zur Orientierung von Flüssigkristallmaterial - ein Abstandshalter 13 aufgesprüht, um zwischen dem oberen und dem unteren Substrat einen konstanten Abstand beizubehalten. Um das Flüssigkristallmaterial am Entweichen zu hindern, wird ein Dichtungsmaterial 14 auf den Substraten aufgetragen, nur eine Flüssigkristalleinspritzöffnung 16 bleibt frei. Danach werden das obere und das untere Substrat miteinander verbunden, derart, daß die Dünnschichttransistor-Anordnung 11 und das Farbfilter 21 einander zugewandt sind.

Um vollständig zu verhindern, daß Fremdkörper oder starke Säure zwischen die zwei Substrate eintreten können, werden zusätzlich zum Dichtungsmaterial 14 außerhalb desselben Hilfsdichtungen 19 verwendet, wie in Fig. 2D dargestellt. Hierbei kann das als Hilfsdichtung 19 verwendete Material das gleiche wie das Dichtungsmaterial 14 sein oder von diesem unterschiedlich sein, und es kann zur gleichen Zeit wie das Dichtungsmaterial 14 aufgetragen werden.

Damit während des nachfolgenden Vorgangs des Ätzens der Substrate keine Fremdstoffe oder starken Säuren zwischen das erste und das zweite Substrat eintreten können, d. h. damit keine Fremdstoffe oder starke Säuren in die Dünnschicht­ transistor-Anordnung 11 und ins Farbfilter 21 eindringen können, wird eine säurefeste Dichtung 15 verwendet, von welcher der Spalt zwischen den beiden Substraten 10, 20 von außen dicht abgeschlossen wird. Wenn nach diesen Arbeitsschritten die Substrate in eine starke Säure, z. B. in eine Lösung zum Ätzen von Glassubstrat bei hoher Geschwindigkeit, eingetaucht und während einer vorgegebenen Zeitdauer geätzt werden, wird die Dicke des oberen und des unteren Substrats von t2 auf t4 bzw. von t1 auf t3 abgebaut, wie in Fig. 2E gezeigt. Auf diese Weise werden ein, oberes Substrat 20' und ein unteres Substrat 10' erhalten, die dünner und leichter sind. Hierbei wird die Dicke der Substrate durch die Ätzdauer gesteuert. Zum Verringern der Dicke der Substrate wird zusätzlich zum Ätzen ein mechanisches Abschaben angewendet.

Nach Abschluß des Ätzens werden feine Kratzer poliert und stirnseitig überflüssige Substratteile unter Verwendung einer Substrat-Schneideinrichtung entfernt, wie in Fig. 2F gezeigt. Dabei werden die säurefeste Dichtung 15 und die Hilfsdichtung 19 ebenfalls entfernt. Wie in Fig. 2G dargestellt, wird nach dem Beschneiden der Substrate Flüssigkristallmaterial 22 durch die Flüssigkristalleinspritzöffnung 16 eingespritzt. Um ein Austreten des Flüssigkristallmaterials zu verhindern, wird die Einspritzöffnung 16 mit einer Dichtung 17 verschlossen und damit der Herstellungsprozeß abgeschlossen.

Nach einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, das dem Verfahren nach den Fig. 2A bis 2G ähnlich ist, werden das erste und das zweite Substrat miteinander verbunden und dann Flüssigkristallmaterial dazwischen eingespritzt. Das erste und das zweite Substrat werden durch eine säurefeste Dichtung 15 dicht verschlossen. Anschließend werden das erste und das zweite Substrat unter Verwendung der Abschabvorrichtung und der chemischen Lösung in ihrer Dicke reduziert. Die darauffolgenden Arbeitsschritte sind die gleichen wie bei der herkömmlichen Bearbeitung.

Dementsprechend werden bei der Erfindung das erste und das zweite Substrat mittels einer säurefesten Dichtung verschlossen und ihre Außenflächen bearbeitet. Dann wird der von einer säurefesten Dichtung verschlossene Teil abgeschnitten. Vor dem Zusammenfügen des ersten und des zweiten Substrats wird ein Versiegelungsmittel verwendet, um die Substratanordnung dicht zu machen. In diesem Fall kann der Aufbau doppellagig sein und erst dann sein äußerer Teil abgeschnitten werden.

Wie vorstehend beschrieben, werden bei der Erfindung während eines zur Herstellung von Pixelelementen (Bildelementen) und eines Farbfilters dienenden Prozesses, bei dem die Substrate starke mechanische oder thermische Belastungen erfahren, Substrate stabiler Dicke verwendet. Nachdem die beiden Substrate miteinander verbunden wurden und vor oder nach dem Einspritzen von Flüssigkristallmaterial, d. h. nach den Bearbeitungsgängen, in denen mechanische oder thermische Belastungen auftreten, werden die Substrate bearbeitet, und zwar unter Verwendung einer Abschabvorrichtung und mittels Naßätzung. Durch diese Bearbeitung wird die Dicke der Substrate verringert, wodurch die Anzahl von Ausschußerzeugnissen gesenkt wird und leichte und dünne Substrate erzielt werden.

Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren hat die Erfindung folgende Vorteile:

• a) Es ist nicht notwendig, von Anfang an ein instabiles dünnes Substrat zu verwenden, sondern es wird ein stabiler Herstellungsprozeß unter Verwendung kostengünstiger Substrate erhalten. Dies senkt auch die Kosten für eine Verbesserung der Ausrüstung und eine Ergänzung von Funktionen.
• b) Dieses Verfahren ist stabil, wodurch eine gleich­ bleibende Ausbeute erzielt und eine hohe Wettbewerbsfähigkeit ermöglicht wird.
• c) Als wirksamster Vorteil werden die Substrate zur Einstellung ihrer Dicke auf dünne und leichte Produkte erst dann bearbeitet, nachdem sie mechanischen oder thermischen Belastungen ausgesetzt waren, im Gegensatz zu dem Fall, in dem von Anfang an ein dünnes Substrat verwendet wird und dann dessen Dicke wegen Beschädigungsgefahr nicht unter einen gegebenen Wert (0,7 mm) zurückgeführt werden kann, so daß letzteres Verfahren an Grenzen stößt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung einer Substratanordnung einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung, welche ein erstes transparentes Substrat (3', 10'), ein zweites transparentes Substrat (4', 20') und ein Flüssigkristallmaterial (5, 22) zwischen den beiden Substraten (3', 10'; 4', 20') aufweist, die jeweils eine vorbestimmte Dicke (t'; t₃, t₄) aufweisen, bei dem
ein erstes und ein zweites transparentes Substrat (3, 10; 4, 20) bereitgestellt werden, die jeweils eine die vorbestimmte Dicke (t'; t₃, t₄) um eine Teildicke überschreitende Dicke (t; t₁, t₂) haben, wobei auf dem ersten Substrat eine Anordnung (11) aus Pixelelektroden und Schalteinrichtungen, und auf dem zweiten Substrat ein Farbfilter (21) und eine gemeinsame Elektrode ausgebildet sind,
das erste transparente Substrat (3, 10) und das zweite transparente Substrat (4, 20) einander flächig gegenüberliegend im Abstand voneinander derart miteinander verklebt werden, daß zwischen den beiden Substraten (3, 10; 4, 20) ein Zwischenraum gebildet wird und ein das Flüssigkristallmaterial (5; 22) aufnehmender Teilraum des Zwischenraums zwischen den beiden Substraten (3, 10; 4, 20) mit einem Dichtungsmaterial (6, 14) abgedichtet wird;
der Zwischenraum zwischen den beiden Substraten (3, 10; 4, 20) mit Hilfe einer Hilfsdichtung (19, 15) abgedichtet wird;
die Teildicke des ersten transparenten Substrats (3, 10) und des zweiten transparenten Substrats (4, 20) mittels einer Kombination eines mechanischen Verfahrens und eines chemischen Verfahrens von der Außenseite der Substrate (3, 10; 4, 20) her abgetragen wird, wobei das mechanische Verfahren durch Abschaben und das chemische Verfahren durch Ätzen mit einer säurehaltigen Lösung durchgeführt werden; und
die Hilfsdichtung wieder entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Flüssigkristall­ material (5; 22) vor oder nach dem Abtragen der Teildicke des ersten transparenten Substrats (3, 10) und des zweiten transparenten Substrats (4, 20) in dem Teilraum des Zwischenraums zwischen den beiden Substraten (3, 10; 4, 20) angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Hilfsdichtung (15, 19) in dem Randbereich der Substrate (3, 10; 4, 20) zwischen diesen angeordnet wird und nach dem Abtragen der Teildicke des ersten transparenten Substrats (3, 10) und des zweiten transparenten Substrats (4, 20) dadurch entfernt wird, daß die Substratanordnung mit Hilfe einer Substrat- Schneideeinrichtung auf Maß geschnitten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem beim Verbinden des ersten Substrats (3, 10) mit dem zweiten Substrat (4, 20) zwischen diesen wenigstens ein Abstandhalter (13) zur Bestimmung der Dicke des Zwischenraumes angeordnet wird.