Brevet FR2682493A1 — publié le 19930416

DISPOSITIF D'AMELIORATION DU CONTRASTE D'UN ECRAN A CRISTAL LIQUIDE ET SON PROCEDE DE FABRICATION La présente invention a pour objet un dispositif d'amélioration du contraste d'un écran à cristal liquide par l'utilisation d'un masque opaque (appelé communément "Black Matrix") et son procédé de fabrication. Un écran à cristal liquide est constitué d'un certain nombre de cellules à cristal liquide disposées selon un réseau matriciel. Ces cellules sont formées à partir de deux plaques supports, en général en verre, collées l'une à l'autre par un joint périphérique qui ménage une cavité de faible épaisseur (de l'ordre de quelques microns) dans laquelle se trouvent l' élément optiquement actif: le cristal liquide. La première plaque support est constituée d'un substrat contenant un premier jeu d'électrodes et les composants de commande en couches minces disposés entre ces électrodes auxquelles ils sont connectés. La seconde plaque support constitue une contre électrode. Chaque cellule ainsi formée fonctionne en valve optique. La modification locale de la transmission ou de la réflexion de la lumière est obtenue en appliquant de l'extérieur une tension entre un contact d'accès de la plaque et un contact de la contre-plaque. Cette tension fait naître un champ électrique entre les électrodes en regard et active le volume de cristal liquide situé entre les deux électrodes qui modifie plus ou moins les caractéristiques de la lumière qui le traverse. Dans la suite du texte, nous appelons Pixel (pour "Picture Element" en langue anglaise) la cellule formant le point élémentaire d'image ou d'affichage constitue' par l'électrode, le cristal liquide, la contre-électrode, le composant de commande et les connections du composant avec l'électronique périphérique. La surface active du Pixel est la surface couverte par l'électrode et le cristal liquide sur laquelle les effets électro-optiques désirés sont obtenus ; cette surface peut être supérieure ou inférieure à la surface effective de l'électrode car les effets de bord autour de l'électrode peuvent soit augmenter soit diminuer la surface de la zone active (ces variations étant de l'ordre de 1 tcm en deçà ou au-delà de la zone couverte par l'électrode). La surface non commandée du Pixel est constituée par toute la surface du Pixel hors la surface active définie précédemment. L'utilisation, pour améliorer le contraste d'un masque opaque (ou Black Matrix) pour cacher les interstices d'un affichage à cristal liquide ou à tube cathodique est connue. Dans le cas d'un écran à cristal liquide, il s'agit d'un masque recouvrant les surfaces non commandées des Pixels. Ce masque opaque, qui peut être en métal réfléchissant , bloque la transmission de la lumière sur la surface matricielle non-commandée et permet d'améliorer le contraste de l'écran. Dans l'art connu, ce masque opaque matriciel est dessiné sur la contre-plaque de verre constituant la contre-électrode de la cellule. Au cours du procédé de fabrication, cette contre-plaque de verre est positionnée par rapport à la plaque formant le substrat sur laquelle sont déposées les électrodes et collée à celle-ci par un joint périphérique. La précision de ce positionnement est en général limitée à plus ou moins 5clam. Pour intégrer cette incertitude due au procédé de collage utilisé, le masque opaque qui se superpose aux pixels doit être surd nensionné par rapport aux dimensions de la surface non-commandée et va occulter une partie non négligeable de la surface active de ces pixels.Pour des écrans à moyenne ou bonne résolution, c' est-à-dire dont le pas du réseau est de l'ordre de 150 à 250ym, comme dans le cas des écrans à vision directe, la transmission de la lumière n'est pas réduite de façon significative. Par contre pour des écrans dits à haute définition, comme pour les écrans projecteurs, cette perte de surface active provoque une perte significative de la transmission de la lumière. Par exemple pour un écran de pas de 50,um, la surface active des pixels aura environ 40ym de côté, soit 64 % de la surface totale du pixel. Si l'ouverture dans le masque opaque déborde de 1OCcm sur la surface active des pixels, celle-ci ne représente plus que 36% de la surface totale du pixel. L'invention propose de réduire cette perte de surface active en plaçant au moins une partie du masque opaque (ou Black Matrix) sur le substrat sur lequel sont également formés les cellules et composants de commande. Les technologies utilisées pour déposer les différentes couches minces sur le substrat sont des technologies du type de celles utilisées pour la fabrication de circuits intégrés dans lesquelles les équipements ont des précisions de l'ordre de 0,5,um. Cette augmentation de précision diminue la perte de surface active. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif, et accompagnée des figures annexées suivantes: - la figure 1 représente le positionnement d'un masque opaque par rapport à la surface matricielle non commandée d'un écran à cristal liquide selon l'art connu; - la figure 2 représente le positionnement d'un masque opaque par rapport à la surface matricielle non commandée d'un écran à cristal liquide selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 représente le positionnement d'un masque opaque par rapport à Ia surface matricielle non commandée d'un écran à cristal liquide selon un second mode de réalisation de l'invention;; - la figure 4 représente le positionnement d'un masque opaque par rapport à la surface matricielle non commandée d'un écran à cristal liquide selon un troisième mode de réalisation de l'invention; - la figure 5 représente une coupe d'un écran à cristal livide équipé d'un dispositif de masque opaque selon le troisième mode de réalisation de l'invention; Sur la figure 1 est représentée une partie du réseau matriciel comportant des éléments à transparence ou réflectance contrôlée et leurs composants de commande. Pour ne pas alourdir la description, nous ne considérons qu'un seul ensemble élément composant indexé ij, étant bien entendu que la même description s'applique à tous les autres ensembles élément-composants du réseau matriciel. Les éléments Pij contigus sont portés par une plaque constituant le substrat. Le détail d'une cellule photoélectrique et de son procédé de fabrication est décrit plus loin. Chaque élément Pij constitue un point élémentaire d'affichage et sa surface s'étend entre les bords 1, sensiblement en forme de carré. La surface comprise entre l'élément P et les huit autres éléments voisins apparaît sous forme de lignes Li et de colonnes Cj. Ces lignes et ces colonnes portent les connexions Xi et Yj reliant les composants de commande Tg situés aux intersections de ces lignes Li et colonnes Cj à l'électronique de commande périphérique. Un composant Tij est connecté à la cellule Pij correspondante par l'intermédiaire d'un organe de connexion 2.Dans l'exemple, les composants sont des transistors en couches minces (IFT pour Thin Film Transistor en langue anglaise) en silicium amorphe mais ces composants de commande peuvent être aussi de type à deux terminaisons comme les diodes en éléments métal-isolant-métal, ou de type à trois terminaisons comme les transistors en silicium mono ou polycristallin, sans sortir du cadre de l'invention. Les éléments Pij à transparence ou réflectance contrôlée peuvent être des cellules à cristal liquide dont les effets électro-optiques modulant la transmission de la lumière par la cellule sont des mécanismes du type agissant sur la polarisation de la lumière comme le mode nématique en hélice, la biréfringence contrôlée électriquement (BCE) ou le mode ferro-électrique, ou bien du type agissant sur la diffusion ou l'absorption de la lumière. L'écran considéré ici est un écran dit à haute résolution dont le pas du réseau est de l'ordre de 40 à 100pu et les surfaces non commandées 8 à 20clam, mais l'invention peut s'appliquer à tous types d'écrans à basse, moyenne ou haute résolution. On superpose, selon l'art connu, aux éléments Pij, un masque opaque 4 dont la surface est représentée en zone hachurée sur la figure 1. Ce masque opaque 4 est percé de fenêtres par les ouvertures desquelles apparaîssent les surfaces actives des éléments Pij. il est gravé sur la contre plaque avec une imprécision qui peut être de l'ordre de plus ou moins 0, litm puisque l'on peut utiliser des technologies de gravure du type photolithographie, mais l'imprécision du procédé de collage de la plaque et de la contreplaque + 5clam impose un surdimentionnement de 5 zm du masque opaque par rapport aux surfaces non commandées.Cela entraîne une réduction de la surface active des éléments Pij correspondant, sur la figure 1 à la surface comprise entre les bords 1 et 3. Dans la figure 2 le masque noir 6 a été réalisé entièrement en couches minces sur la plaque où sont déposés les composants de commande au cours d'une seule étape du procédé de fabrication. n est représenté en zone hachurée sur la figure 2 et recouvre totalement la surface non commandée de l'écran que sont les lignes Li et les colonnes Cj.Ce masque a donc la forme d'un quadrillage opaque divisant l'écran en autant d'éléments d'affichage qu'il y a d'éléments P Son procédé de fabrication étant du type de ceux utilisés pour le dépôt, la photolithographie et la gravure des couches minces, la précision de l'alignement de ce masque par rapport à la surface non commandée de l'écran qui est, elle aussi, réalisée en couches minces est de l'ordre de 0,5clam (et peut aller jusqu'à 3 item) et permet une faible perte de surface active de l'élément Pij correspondant à la surface comprise entre les bords 1 des lignes Li et des colonnes q et les bords libres 5 du masque opaque 6. Ce dernier peut être déposé directement sur la plaque-substrat et les composants Tij ainsi que les lignes de contact Xi et Yj par dessus, ou bien il peut être disposé sur les composants Tii et les lignes de contact Xi et Yj, eux-mêmes déposés directement sur la plaque-substrat. Dans tous les cas, lorsque le masque opaque 6 est constitué d'un matériau conducteur, il faut l'isoler de Xi, Yj et Tij par une couche d'isolant. Sur la figure 3 le masque noir représenté en zone hachurée a été réalisé en deux parties ; l'une, la partie 6, a été déposée en couches minces sur la plaque substrat sur ou sous les composants Tij et les lignes de contact Xi et Yj et correspond exactement au masque noir 6 décrit dans la figure 2, et l'autre partie a été déposée sur la contreplaque. La partie 6 recouvre donc totalement les lignes Li et les colonnes Cj et les pertes de surfaces actives des éléments Pij correspondent à la surface comprise entre les bords 1 et 5. La seconde partie du masque opaque est constituée de zones Zij recouvrant les composants Tij Ces zones 4j peuvent être de différentes formes comme ronde, carrée, hexagonale ou toute autre, la seule contrainte étant qu'elles recouvrent les composants Tij. Ces zones peuvent être gravées directement sur la contre-plaque, la contreélectrode les recouvrant, ou bien elles peuvent être gravées sur la contre-électrode, elle-même déposée directement sur la contre-plaque, et recouvrent la partie de la zone non commandée qui n'est pas recouverte par les segments S et S'. Ce mode de réalisation a l'avantage de protéger de la lumière extérieure les composants Tii qui peuvent être photosensibles où dont les matériaux utilisés pour leur fabrication peuvent être endommagés, avec le temps, au contact de la lumière. Dans la figure 4 le masque opaque a été réalisé en deux parties. n comporte d'une part des segments S verticaux et S'y horizontaux recouvrant les lignes Li et les colonnes Cj entre les composants Tij qui se trouvent aux intersections entre ces lignes et colonnes et, d'autre part des zones Zij, et recouvrant les composants Tij joignant les segments consécutifs. Ces zones sont identiques à celles de la figure 3. Les segments S et S'y sont déposés sur la plaque substrat et permettent ainsi une faible perte de surface active des éléments Pij correspondant à la surface entre les bords l et 5. La longueur de cette surface de recouvrement est de l'ordre de 0,5 m et 3 clam. ns sont de forme rectangulaire mais peuvent avoir n'importe quelle autre forme, tant qu'ils recouvrent la partie de la surface non commandée située entre les bords des éléments Pg voisins et entre les composants Tij. Les zones Zij sont déposées sur la contreplaque, et recouvrent la partie de la zone non commandée qui n'est pas recouverte par les segments S y et S' Cette structure a l'avantage de permettre d'éliminer les court-circuits au niveau des lignes de contact par l'utilisation d'un laser. En effet, avec les cas précédents, la réparation qui consiste à isoler l'élément défectueux du fait d'un court-circuit entre une ligne Xi et une colonne Yj serait impossible car, pour cela, on utilise un laser qui en coupant cette ligne ou cette colonne la mettrait en contact avec le cadre opaque qui podt être conducteur et situé au-dessus ou en-dessous d'elle. La configuration du cadre noir selon la figure 4 ménage des zones où la coupure au laser est possible sans créer de court-circuits fatals. La figure 5 montre un mode de réalisation du masque opaque décrit figure 4 par une vue en coupe d'un composant Tij de type connu de transistor en couches minces, et commandant une cellule à cristal liquide. Sur cette figure 5, l'élément à transparence ou réflectance contrôlée est une cellule à cristal liquide fonctionnant en mode transmissif mais cet élément pourraît être une cellule à cristal liquide fonctionnant en mode réflexif ou transflexif sans sortir du cadre de l'invention. Cet écran correspond à celui décrit en relation avec la figure 4. Un procédé de fabrication d'un pixel décrit das le paragraphe précédent comporte les étapes suivantes: 1 / - préparation de la plaque-substrat 10 et de la contreplaque 23; 2 / - dépôt, photolithographie, et gravure d'un matériau opaque (titane, chrome, molybdène, aluminium tungstène par exemple), sur une épaisseur de l'ordre de 500 à 3.000 sur la plaque 10 pour former les segments S et S' et sur la contreplaque 23 pour former les zones Zij. 3 / - dépôt, photolithographie et gravure d'un matériau isolant 13 (dioxyde de silicium ou nitrure de silicium par exemple), sur une épaisseur de l'ordre de 0,5 à 2clam sur les segments Sq et S' du masque, réalisant leur isolation. 4 / - dépôt, photolithographie et gravure d'un ou de plusieurs matériaux conducteurs sur une épaisseur de l'ordre de 200 à 3000 b réalisant la grille 14 du transistor. 5 / - dépôt d'un sandwich d'épaisseur de l'ordre de 1000 à 5000 d'un matériau isolant réalisant l'isolant 15 (oxyde de silicium ou nitrure de silicium par exemple), de silicium amorphe (a-Si) et de silicum dopé n+ (n+Si) réalisant la couche semiconductrice 17. 6 / - photolithographie et gravure sèche du n+Si et a-Si 7"1 - photolithographie et gravure sèche de l'isolant 15; 8 /- dépôt, photolithographie et gravure humide de l'oxyde d'Indium et d'Etain (ITO) sur une épaisseur de l'ordre de 300 à 3000 AO réalisant l'électrode 16 sur la plaque 10 et la contre-électrode 21 sur la contre-plaque 25. 9 / - dépôt, photolithographie et gravure humide d'un matériau conducteur sur une épaisseur de l'ordre de 500 à 5000 réalisant les sources et drains 18; 10 / - gravure sèche du n+. 11 / - test et réparation o 12 / - dépôt d'un matériau isolant sur une épaisseur de l'ordre de 300 à 5000 A réalisant la couche de passivation 19. 13 / - dépôt, photolithographie et gravure humide d'un matériau type polyimide souvent appelé LBL (pour Light Blocking Layer) sur une épaisseur de l'ordre de 3 à 6,um réalisant la couche 20 qui a pour fonction de créer un espace entre l'électrode 16 et l'électrode 21 pour le cristal liquide et par ailleurs bloque la photosensibilité du composant. 14 / - gravure du matériau isolant de la couche 19. 15 / - dépôt et frottement du polyimide d'alignement sur la plaque 10 ainsi que sur la contreplaque 23. 16 / - première découpe de la plaque 10 et découpe définitive de la contre plaque 23. 17 / - assemblage de la plaque 10 et de la contreplaque 23. 18 / - remplissage en cristal liquide de l'espace entre les électrodes 16 et 21. 19 / - pressage des deux plaques l'une contre l'autre. 20 / - scellement par un joint de colle périphérique. 21 / - découpe définitive de la plaque 10. Dans le cas où les segments S et S'ij sont déposés sur les composants Tii et les lignes de contact Xi et Yj la troisième étape et le dépôt, la photolithographie et la gravure d'un matériau conducteur réalisant le masque opaque décrits dans la seconde étape seront réalisés après la douzième étape. Dans le cas où les zones Z sont déposées par dessus la contre-électrode 21, elle-même directement déposée sur la contre-plaque 23, le dépôt, la photolithographie et la gravure humide décrits dans la seconde étape du matériau opaque utilisé pour constituer ces zones Zîj seront réalisés après la huitième étape. La présente invention s'applique à tous types d'écrans de visualisation à adressage matriciel modulant la lumière. REVENDICATIONS 1. Ecran de visualisation comportant une plaque (10) sur une face de laquelle sont déposés des éléments à transparence ou réflectance contrôlée (Pij) et les composants (Ty)en couches minces commandant ces éléments et une contre plaque (23) couvrant la face de la plaque 10 comportant les éléments à transparence ou réflectance contrôlée (piu) et les composants (Iy) les élements étant séparés par des bandes opaques en lignes (6) et en colonnes (6) formant un quadrillage, caractérisé en ce que ces bandes opaques sont déposée au moins en partie sur la plaque (10) comportant les éléments (Pij) et les composants (Tij). 2. Ecran de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bandes opaques (6) sont déposées au moins en partie sur la face où sont déposées les éléments (piu) et les composants (Tij). 3. Ecran de visualisation selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les matériaux isolants utilisés dans sa fabrication sont du nitrure de silicium ou de l'oxyde de silicium. 4. Ecran de visualisation selon la revendication 2 caractérisé en ce que les bandes opaques (6) sont déposées sur les composants (tir) et les lignes de contact (Xi, Yj) eux-mêmes directement déposés sur la plaque (10) 5. Ecran de visualisation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que sur la contreplaque (23) sont déposées des zones opaques (Zij) recouvrant les composants (tir) et joignant deux segments (Sij,S'ij) consécutifs de la bande opaque qui sont déposés sur la plaque (10). 6. Ecran de visualisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que les zones (Zij) sont déposées sur la face de la contreplaque (23) en regard de la face de la plaque (10) comportant les éléments (Pij) et les composants (Tij). 7. Ecran de visualisation comprenant une plaque (10) sur une face de laquelle sont déposés des éléments à transparence ou réflectance contrôlée (l? ) et les composants (tir) en couches minces commandant ces éléments (Pij) et une contreplaque (23) couvrant la face de la plaque (10) comportant les éléments à transparence ou réflectance contrôlée (Pij) et les composants (Ty) les éléments (puy) étant séparés par des bandes opaques en lignes (Li) et en colonnes (Cj) formant un quadrillage, caractérisé en ce que chaque bande opaque comporte, de façon séparée, d'une part des segments (Sij,S'ij) s'étendant entre les composants de commande (tir) voisins et d'autre part des zones (Zij) recouvrant les composants et joignant deux segments (Sij, S'ij) consécutifs. 8. Ecran de visualisation selon la revendication 7, caractérisé en ce que les segments opaques (Sîj,S'ij) sont déposés sur la plaque (10) comportant les éléments (Py ) et les composants (Ty) 9. Ecran de visualisation selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les zones opaques (Zy) sont sur la contreplaque (23). 10. Ecran de visualisation selon la revendication 8, caractérisé en ce que les segments opaques (SXS'y) sont déposés sous les composants (tir) et les lignes de contact (Xi, Yj) sur la plaque (10). 11. Ecran de visualisation selon la revendication 8 caractérisé en ce que les segments opaques (Ss S'ij) sont déposés sur les composants (rij) et les lignes de contact (Xi, Yj) eux-mêmes directement déposés sur la plaque (10). 12. Ecran de visualisation selon la revendication 9, caractérisé en ce que les zones (Zij) sont sur la face de la contreplaque (23) en regard de la face comportant les éléments (Pij ) et les composants (Tij ) de la plaque (10). 13. Ecran de visualisation selon les revendications 6 et 12 caractérisé en ce que les zones opaques (Zij) sont déposées directement sur la contre-plaque (23) 14. Ecran de visualisation selon les revendications 6 et 12 caractérisé en ce que les zones opaques (Zij) sont déposées sur la contre-électrode (21), elle-même déposée directement sur la contre-plaque (23) 15. Ecran de visualisation selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que les segments opaques (Sij,5,ij) recouvrent les éléments (Pij) sur une largeur de l'ordre de 0,5 à 3zm. 16. Ecran de visualisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les zones (Zij) ont une forme circulaire, carrée, hexagonale ou octogonale. 17. Ecran selon l'une quelconque des revendications de 1 à 16, caractérisé en ce que les bandes opaques sont au moins en partie réalisées en un métal, comme le titane, le chrome, le molybdène, l'aluminium ou le tungstène. 18. Ecran selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les composants de commande (tir) sont du type à deux terminaisons comme des diodes ou des éléments métal-isolant-métal. 19. Ecran selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les composants de commande (tir) sont de type à trois terminaisons comme des transistors en silicium amorphe, monocristallin ou polycristallin. 20. Ecran de visualisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que les éléments (piu) sont des cellules à cristal liquide. 21. Ecran de visualisation selon la revendication 20, caractérisé en ce que les éléments sont commandés pour modifier la polarisation de la lumière tel que le mode nématique en hélice, la biréfringence contrôlée électriquement (13CF), ou le mode ferroélectrique, ou pour modifier la diffusion ou l'absorption de la lumière. 22. Ecran de visualisation selon la revendication 20 ou 21, caractérisé en ce que l'écran est à projection ou à vision directe. 23. Ecran de visualisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, caractérisé en ce que le pas du réseau matriciel de cellules à cristal liquide est de l'ordre de 40 à 100,ut et la largeur des intervalles entre les cellules de l'ordre de 8 à 20ym. 24. Ecran de visualisation selon l'une quelconque des revendications 7 à 23, caractérisé en ce que les matériaux isolants utilisés dans sa fabrication sont du nitrure de silicium et de l'oxyde de silicium.