Brevet FR2725534A1 — publié le 19960412

Dépôt de couches d'orientation sur un substrat pour alignement de molécules de cristaux liquides L'invention concerne un procédé et dispositif pour le dépôt de couches d'orientation sur un substrat pour l'alignement des molécules de cristaux liquides, en particulier d'afficheurs à cristaux liquides de grande surface, par pulvérisation au moyen de plasma de matières qui tendent à une croissance de colonnes de cristaux. Ce qui est déterminant pour la fonction de la plupart des afficheurs à cristaux liquides, par exemple des afficheurs à cristaux liquides nématiques en hélice TN-LCD (Twisted Nematic Liquid Crystal Displays) ou aussi des afficheurs à cristaux liquides ferroélectriques FLCD, c'est l'orientation des molécules cristallines liquides d'une cellule d'afficheur suivant une direction uniforme. C'est seulement par cette orientation uniforme du "cristal liquide" que l'anisotropie optique de celui-ci peut produire un effet macroscopique visible. Cet alignement s'effectue généralement par le dépôt d'une couche d'orientation anisotrope en direction sur les surfaces intérieures des deux substrats d'afficheur, avant que ceux-ci soient collés en un afficheur constitué de substrats de couverture et de base. Ensuite le cristal liquide est introduit dans l'afficheur. La couche d'orientation provoque alors une recristallisation des couches de cristaux liquides suivant une direction déterminée. Pour la production de ces couches d'orientation plusieurs procédés différents sont déjà connus, parmi lesquels les plus importants seront décrits brièvement ci-après avec leurs avantages et leurs inconvénients. Comme couche d'orientation on peut évaporer du SiO2, provenant par exemple d'une source d'évaporisation à rayonnement électronique, dans une chambre à vide sur les surfaces de substrat intérieures de l'afficheur sous un angle très plat de environ par rapport à la surface du substrat. Lors de la croissance de la couche de SiO2 suivant la direction de la source d'évaporisation, il se forme des colonnes de cristaux orientées obliquement, à la surface desquelles les molécules de cristaux liquides peuvent se déposer. Il résulte de la forte anisotropie directionnelle des colonnes de cristaux obliques une orientation très marquée et homogène. Par l'intermédiaire des paramètres d'évaporisation, l'angle d'inclinaison des colonnes de cristaux peut être influencé dans certaines limites et par conséquent on peut faire varier aussi ce qu'on appelle "l'angle d'inclinaison marginale" des molécules de cristaux liquides, lequel a une influence déterminante sur le comportement en commutation de l'afficheur. En outre, le processus de fabrication des couches d'orientation et donc le comportement en orientation par le processus d'évaporisation sont très bien reproductibles, et l'orientation du cristal liquide est très homogène. La couche de SiO2 est en outre très stable chimiquement et insensible aux rayonnements ultraviolets et aux hautes températures. Le cristal liquide ne subit pas non plus de liaisons chimiques avec la couche de SiO2 et ne peut pas la modifier, c'est-à- dire qu'il ne se produit pas de brûlure, ou seulement une brQlure très faible et effaçable d'images mémorisées (Image Sticking). En raison des surfaces relativement grandes et du caractère hydrophile des colonnes de cristaux de SiO2, il se produit cependant, lors du remplissage du cristal liquide dans l'afficheur, fréquemment une séparation chromatique des divers composants du mélange de cristaux liquides, ce qui modifie aussi le comportement en commutation de l'afficheur dans les zones séparées. Un autre inconvénient de ce procédé consiste en ce que les sources d'évaporisation sont généralement ponctuelles et par conséquent un traitement à la vapeur d'une surface de substrat assez grande de façon homogène n'est pas possible. L'orientation des colonnes de cristaux varie dans les différentes zones du substrat puisque les molécules provenant de la source d'évaporisation ponctuelle rencontrent la surface du substrat sous des angles différents. Suivant une direction, le manque d'homogénéité peut certes être diminué par la disposition de plusieurs sources d'évaporisation suivant une ligne, mais les puissances d'évaporisation des différentes sources doivent alors être réglées de façon très précise. En outre, une très grande dépense en appareils est nécessaire à cet effet, en particulier une grande chambre pour processus sous vide avec les pompes et sas largement dimensionnés associés, ce qui ne peut être réalisé que par une fabrication spéciale très coûteuse. Ce procédé n'est donc utilisable que de façon limitée pour des afficheurs avec une grande surface. Le procédé le plus répandu dans la fabrication industrielle d'afficheurs à cristaux liquides pour la fabrication de couches d'orientation est l'utilisation de couches organiques comme des polyimides, des alcools de polyvinyle ou d'autres films de matière plastique, qui sont centrifugés dans une phase liquide sur les substrats. Après un processus de séchage et de durcissement suivant cette opération, ce film de matière plastique de quelques nanomètres d'épaisseur est frotté suivant une direction avec une brosse en fibre de carbone ou en velours. De petites traces microscopiques dans la couche ainsi qu'un alignement des molécules organiques, respectivement des chaînes de molécules, sont ainsi produits. Les anisotropies micro- mécaniques et/ou moléculaires du film ainsi produites provoquent une orientation du cristal liquide introduit ultérieurement dans la cellule d'afficheur. L'avantage du procédé consiste en ce que la taille de la surface du substrat ne joue ici aucun rôle. Le procédé est aussi relativement économique, mais il ne peut être reproduit que dans certaines conditions. Le résultat de l'orientation des molécules dépend de très nombreux paramètres de processus comme la pression de frottement de la brosse en velours ou en fibre de carbone, de la force de frottement, du degré de polymérisation et de cristallisation du film en matière plastique et de ses propriétés chimiques ainsi que des réactions superficielles du film avec de l'eau provenant de l'air ou des solvants. Ces paramètres de processus sont difficiles à optimiser. En outre, les couches de matière plastique sont chimiquement moins stables contre les effets de la température ou du rayonnement ultraviolet. Avec des afficheurs à cristaux liquides ferroélectriques on a en outre l'inconvénient que les molécules organiques du film d'orientation subissent de fortes liaisons chimiques avec les molécules organiques de cristaux liquides, et donc tournent avec les molécules de cristaux liquides lors de l'application d'un champ électrique, ou maintiennent celles-ci dans leur position et rendent ainsi difficile une rotation nécessaire des molécules. La conséquence de ceci est ce qu'on appelle une "brûlure" d'images inscrites ou mémorisées plusieurs fois ("Image Sticking"), ou un comportement en commutation monostable du cristal liquide ferroélectrique commutant normalement de façon bistable. Outre le brossage ou le frottement de films de matière plastique, on connaît aussi une orientation de films de polymères à l'aide de rayonnement ultraviolet polarisé linéairement. Du fait de la dépendance du rayonnement polarisé en fonction de la direction, la réticulation des polymères s'effectue également en fonction de la direction, ce qui règle l'anisotropie nécessaire à l'orientation. Le dépôt de microstructures dans une couche de matière plastique à l'aide d'estampage ou de photolithographie a aussi déjà été essayé. Cependant, les inconvénients de la faible stabilité à long terme des couches de matière plastique par rapport aux effets de la température et du rayonnement ultraviolet ainsi que la capacité de réaction chimique des molécules de matière plastique avec les molécules de cristaux liquides demeurent aussi avec ce procédé. La possibilité de la pulvérisation oblique, avec des plasmas à basse pression, de matériaux qui conduisent à la croissance des colonnes a déjà été mentionnée séparément. Des matériaux comme le nitrure d'aluminium qui, pulvérisé dans une atmosphère sous azote, conduit à la croissance de colonnes même avec des angles de pulvérisation importants par rapport à la surface du substrat, sont particulièrement appropriés pour cela. Lors de la pulvérisation par une cible ponctuelle sur une grande surface de substrat inclinée, il se produit cependant, à cause de la géométrie, des difficultés similaires à celles de l'évaporisation de matières. Certes, des cibles de surface plus grande peuvent aussi être utilisées ici, ce qui entraîne, en raison du processus de pulvérisation plus diffus, moins de manques d'homogénéité qu'avec l'évaporisation, mais diminue en même temps aussi l'anisotropie directionnelle des colonnes de cristaux nécessaire à l'orientation. La présente invention a pour objectif de fournir une possibilité de pulvérisation de couches d'orientation qui présente aussi avec des substrats de grande surface une anisotropie directionnelle uniforme et une bonne résistance chimique et aux ultraviolets. A cette fin, selon l'invention, un procédé du type indiqué dans l'entrée en matière est caractérisé en ce que le substrat est déplacé très près devant une cible longue pour la matière à pulvériser, sous un angle entre la surface du substrat et la surface cathodique de la cible, de sorte que la pulvérisation s'effectue obliquement par rapport à la surface du substrat, la cible présentant une longueur au moins qui correspond à celle du substrat perpendiculairement à sa direction de déplacement. Un dispositif selon l'invention pour la mise en oeuvre du procédé comprend une chambre à vide, dans laquelle au moins une cible est disposée, et une palette avec laquelle le substrat peut être déplacé devant ladite au moins une cible, et est caractérisé en ce que la surface de la cathode de ladite au moins une cible est fortement inclinée par rapport à la surface du substrat. Pour des substrats en verre de grande surface pour des afficheurs, on utilise déjà aujourd'hui ce qu'on appelle des installations de pulvérisation en ligne pour la pulvérisation ou projection de couches minces. Avec des installations de ce type, les grands substrats en verre sont suspendus à une palette verticale avec laquelle ils sont déplacés suivant la direction horizontale relativement près devant une cible de forme allongée suivant la direction verticale, dans une chambre à vide pendant le processus de pulvérisation. Le plasma de pulvérisation est donc généré entre la cathode de la cible et la palette, respectivement l'écran de protection de la cible. Avec ces installations on peut obtenir une croissance de couche homogène sur toute la surface du substrat. Suivant la direction de déplacement de la palette, l'homogénéité est obtenue par le déplacement régulier du substrat devant la cathode et sur toute la largeur du substrat. Suivant la direction perpendiculaire à la direction de déplacement du substrat, l'homogénéité est obtenue par la cathode de la cible longue s'étendant sur toute la hauteur du substrat. En outre il peut être prévu ce qu'on appelle des écrans d'ombre sur les extrémités de la cible, lesquels compensent les éventuels manques d'homogénéité de la pulvérisation dans ces zones. Dans le dispositif selon l'invention, la surface de la cible est inclinée par rapport à la surface du substrat d'un angle qui est de préférence de 60 à . Un tel dispositif peut être intégré par la modification de telles installations de pulvérisation en ligne connues sans grandes transformations. Des couches d'orientation avec une grande homogénéité de couche peuvent ainsi être pulvérisées aussi sur de très grandes surfaces de substrat. La distance entre le substrat et la cible est faible, le volume de la chambre à vide pouvant donc être petit aussi. Le substrat peut avantageusement être déplacé devant la cible à une distance de 50 à mm. Cela correspond à une à trois fois la longueur de parcours libre moyenne des molécules dans un gaz selon le procédé, de sorte que les molécules pulvérisées ne reperdent pas leur propriété de dépendance en direction en raison de nombreux impacts moléculaires avant d'atteindre la surface du substrat. La cathode de la cible peut utilement être protégée latéralement par des écrans, de préférence fabriqués en matière non ferromagnétique, afin d'empêcher une formation de plasma à l'extérieur de la surface de la cible et de limiter la direction de pulvérisation à la gamme d'angle souhaitée par rapport à la surface du substrat. La couche de cristal croissante reçoit ainsi par les atomes arrivant par côté une frappe de direction nette, c'est-à-dire que le réseau cristallin qui se forme est alignée suivant une direction uniforme. Cette anisotropie directionnelle de la couche d'orientation aligne ultérieurement de la manière souhaitée les cristaux liquides à l'intérieur d'un afficheur achevé et rempli. Malgré l'angle de pulvérisation sensiblement plat, le taux de pulvérisation est suffisant. Un écran à lamelles peut en outre être disposé devant la cible, lequel récupère les molécules volant obliquement vers le haut ou vers le bas qui pourraient influencer de façon non souhaitée l'alignement du réseau cristallin croissant. En outre on peut générer devant la surface de la cathode de la cible un champ magnétique dont les lignes de champ sensiblement circulaires incitent à un alignement horizontal de la couche de cristaux pulvérisée et sont développées dans des plans perpendiculaires à la surface du substrat et parallèles à la direction de déplacement du substrat. Le taux de pulvérisation peut alors comme on le sait être augmenté pour une même puissance totale de plasma. Comme les lignes de champ ne possèdent pas de composantes le long de la cible, l'alignement du réseau cristallin croissant suivant la direction de déplacement du substrat est encore incité. Dans le procédé selon l'invention, on peut aussi produire des plasmas à courant alternatif à haute fréquence qui permettent une pulvérisation de matières non conductrices et aussi transparentes comme par exemple le quartz (SiO2), ainsi qu'elles sont souhaitables pour des couches d'orientation. Selon une autre variante, on peut aussi pulvériser des couches d'oxyde de métal ou de nitrure de métal au moyen d'un plasma à tension continue et par l'adjonction d'un gaz réactif comme l'oxygène ou l'azote pendant l'opération de pulvérisation (pulvérisation réactive d'oxydes, de nitrures ou similaires). La production de fines couches de quartz avec orientation marquée des cristaux montre, en particulier sur les afficheurs à cristaux liquides ferroélectriques avec des épaisseurs de cellule de 1,5 micronmètre environ, un très bon effet d'orientation. De telles couches de quartz se caractérisent en outre par une stabilité à long terme et une résistance aux ultraviolets très bonnes. Par un choix approprié des paramètres de pulvérisation comme la pression, la température, la puissance de pulvérisation, l'angle de pulvérisation ainsi que les composants réactifs des gaz, les caractéristiques de la couche peuvent varier dans de larges plages sous la forme souhaitée. Dans un dispositif selon l'invention, il peut y avoir aussi d'autres cibles de pulvérisation disposées parallèlement, de sorte que dans le dispositif plusieurs couches différentes peuvent être déposées avant le dépôt de la couche d'orientation sur le substrat. En particulier sur des écrans à cristaux liquides ferroélectriques de grande surface, une couche d'isolation en un diélectrique transparent également métallisé, sur les électrodes de point d'image, est généralement nécessaire en raison de la probabilité de court- circuit résultant du faible écart de cellules entre les lignes et les fentes. Dans un dispositif avec plusieurs cibles, on peut donc pulvériser d'abord la couche d'isolation en une passe de machine et ensuite la couche d'orientation, des coûts de machine et de processus pouvant ainsi être économisés. Un mode de réalisation préféré d'un dispositif selon l'invention est maintenant décrit ci-après à titre d'exemple en référence aux dessins annexes dans lesquels: la Fig. 1 est une vue en coupe à travers un dispositif selon l'invention; la Fig. 2 est une vue de face sur le dispositif selon la Fig. 1; et la Fig. 3 montre un détail de la vue en coupe de la Fig. 1, relatif à la surface de la cible avec des lignes de champ magnétique horizontales. La Fig. 1 montre une chambre à vide 10 de section rectangulaire avec deux emplacements pour cibles 11 et 12. Un substrat 14 suspendu verticalement à une palette 13 est déplacé devant ces cibles suivant la direction de déplacement indiquée par la flèche 15. Les deux cibles 11 et 12 sont de forme rectangulaire, comme montré à la Fig. 2, et présentent une longueur qui correspond au moins à celle du substrat 14 perpendiculairement à sa direction de déplacement 15. La cathode de cible 11 est disposée fortement inclinée par rapport à la surface du substrat 14. Devant la cathode de cible 11 se forme un plasma 16, à partir duquel des particules parviennent à la surface du substrat 14, comme cela est indiqué à la Fig. 1 par les flèches 17. La cible 11 est protégée latéralement par des écrans 18 et 19, de telle sorte qu'aucun plasma ne peut se former latéralement à la cathode de cible 11 et qu'il apparaît une ouverture de sortie pour les particules 17. Cette ouverture de sortie est si étroite que les particules rencontrent la surface du substrat 14 sous un angle sensiblement plat souhaité. Du fait de cette plage d'angle étroite et de la longueur de la cible 11, une couche d'orientation extrêmement homogène avec une anisotropie directionnelle répartie régulièrement sur toute la surface du substrat peut être obtenue par un déplacement régulier du substrat 14 à très faible distance de la cible 11. Le deuxième emplacement de cible 12 avec cathode de cible non inclinée peut être utilisé pour produire par exemple une couche d'isolation avant le dépôt de la couche d'orientation sur le substrat 14. Avec le dispositif représenté aux Figs. 1 et 2, deux couches peuvent ainsi être pulvérisées l'une après l'autre sur un substrat 14 en une passe de machine. Le dispositif selon les Figs. 1 et 2 peut ainsi être obtenu par transformation d'une installation de pulvérisation en ligne courante dans le commerce avec deux cibles du type de la cible 12 disposées parallèlement, avec direction de pulvérisation perpendiculaire. A cet effet, l'une des cibles est remplacée par une cible avec cathode fortement inclinée, comme la cible 11 dans l'exemple illustré, et munie d'écrans correspondants. La Fig. 3 montre en détail une cible 11', devant laquelle est généré un champ magnétique dont les lignes de champ sensiblement circulaires 20 sont situées dans des plans parallèles au plan du dessin et participent ainsi à l'alignement de la croissance des colonnes de cristaux. Les lignes de champ 20 s'étendent ainsi jusque dans la zone du substrat 14'. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déposer des couches d'orientation sur un substrat pour l'alignement des molécules de cristaux liquides, en particulier d'afficheurs à cristaux liquides de grande surface, en pulvérisant au moyen de plasma des matières qui tendent à une croissance de colonnes de cristaux, caractérisé en ce que le substrat (14) est déplacé très près devant une cible longue (11) pour la matière à pulvériser, sous un angle entre la surface du substrat et la surface cathodique de la cible (11), de sorte que la pulvérisation s'effectue obliquement par rapport à la surface du substrat, la cible (11) présentant une longueur au moins qui correspond à celle du substrat (14) perpendiculairement à sa direction de déplacement (15). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface du substrat et la surface de la cathode forment entre elles un angle de 600 à 85 . 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le substrat (14) est déplacé devant la cible (11), à une distance de à 100 mm. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un champ magnétique est généré devant la surface de la cathode de la cible (11) et a des lignes de champ sensiblement circulaires qui incitent à un alignement horizontal de la couche de cristaux pulvérisée et qui sont développées dans des plans perpendiculaires à la surface du substrat et parallèles à la direction de déplacement du substrat (14). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un plasma à courant alternatif à haute fréquence est produit par la cathode de la cible (11) pour pulvériser des matières non conductrices. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une couche de SiO2 est pulvérisée. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un plasma à tension continue est produit par la cathode de la cible (11) pour pulvériser des couches d'oxyde de métal ou de nitrure de métal, et un gaz réactif comme l'oxygène ou l'azote est ajouté pendant l'opération de pulvérisation. 8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant une chambre à vide (10), dans laquelle au moins une cible (11, 12) est disposée, et une palette (13) avec laquelle le substrat (14) peut être déplacé devant ladite au moins une cible (11, 12), caractérisé en ce que la surface de la cathode de ladite au moins une cible (11) est fortement inclinée par rapport à la surface du substrat (14). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la cathode de la cible (11) est protégée latéralement par des écrans (18, 19), qui sont fabriqués de préférence en matière non ferromagnétique, afin d'empêcher une formation de plasma à l'extérieur de la surface de la cible et de limiter la direction de pulvérisation à la gamme d'angle souhaitée par rapport à la surface du substrat.