DE4007119A1 - Farbfilter und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Farbfilter und verfahren zu seiner herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft einen Farbfilter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
In jüngster Zeit wird die Färbung von Festkörper-Bildsensoren, die als Bildsensoren der nächsten Generation herausgestellt werden und die an die Stelle von Elektronenröhren oder Bildauf­ nahmeröhren treten werden, dadurch erreicht, daß über einem fo­ toelektrischen Umwandlungsbereich ein Farbfilter vorgesehen ist. Durch eine derartige Bildung eines Farbfilters über einem fotoelektrischen Umwandlungsbereich wird auch die Färbung einer Wiedergabeeinrichtung, wie z. B. einer Flüssigkristall-Wiederga­ beeinrichtung erzielt.
Die Arten von Farbfiltern werden in organische Filter, bei de­ nen ein organisches Material, wie z. B. Gelatine, mit einem Fär­ bemittel eingefärbt ist, und anorganische Filter unterschieden, bei denen die optische Interferenz ausgenutzt wird. Von den obigen Filtern werden organische Filter aufgrund der niedrige­ ren Kosten häufiger verwendet als anorganische Filter.
Fig. 1 zeigt einen Farbfilter für einen bekannten ladungsgekop­ pelten Speicher (CCD) im Querschnitt. In einem Siliziumsubstrat (1), dessen Oberseite Vertiefungen und Erhöhungen aufweist, sind an der Oberfläche der Vertiefungen Fotodiodenreihen (2, 3, 4) und an der Oberfläche der Erhöhungen eine leitfähige Schicht (5) und eine isolierende Schicht (6) vorgesehen. Ein Teil der leitfähigen Schicht (5) dient zur elektrischen Verbindung des Halbleiter-Bauelements mit einer Umhüllung und die isolierende Schicht (6) dient dazu, die Fotodiodenreihen (2, 3, 4) elektrisch zu isolieren.
Auf die die Vertiefungen und Erhöhungen aufweisende Oberfläche des Siliziumsubstrats (1) sind eine planierende Schicht (7) und Zwischenschichten (11, 17) aufgebracht.
Weiterhin sind jeweils Farbfiltermuster (8, 13, 19) vorgesehen, auf deren Oberfläche den Fotodiodenreihen (2, 3, 4) zugeordnete Farbgebungsschichten (9, 15, 21) aufgebracht sind. Die jeweili­ gen Farbfiltermuster (8, 13, 19) befinden sich dabei in unter­ schiedlicher Höhe über den jeweiligen Fotodiodenreihen (2, 3, 4).
Im folgenden wird kurz das Herstellungsverfahren für das Aus­ führungsbeispiel mit der obigen Strukturierung erläutert.
Auf die mit Vertiefungen und Erhöhungen versehene Oberfläche des Siliziumsubstrats (1) werden an der Oberfläche der Vertie­ fungen die Fotodiodenreihen (2, 3, 4) und an der Oberfläche der Erhöhungen die leitfähige Schicht (5) und die isolierende Schicht (6) aufgebracht. Dann wird die planierende, aus einer lichtdurchlässigen Substanz, wie z. B. Polyimid, bestehende Schicht (7) auf die Oberfläche des Siliziumsubstrats (1) aufge­ bracht.
Danach wird auf die planierende Schicht (7) eine lichtempfind­ liche Substanz, wie z. B. Casein oder Gelatine, aufgebracht und mittels Fotolithographie ein Farbfiltermuster (8) erzeugt. Als nächstes wird ein Färbemittel auf die planierende Schicht (7) und das Farbfiltermuster (8) aufgetragen. Durch Einfärbung des einzigen Farbfiltermusters (8) entsteht dadurch eine Farb­ schicht (9). Die Farbschicht (9) ist mit einem der Färbemittel Magenta, Cyan oder Gelb eingefärbt, um eine der Farben magenta­ rot, cyanblau oder gelb herauszufiltern. Durch Aufbringen von Polyimid auf die Oberfläche der obigen Struktur entsteht dann die Zwischenschicht (11).
In ähnlicher Weise wie oben beschrieben werden die Farbfilter­ muster (13, 19), auf deren Oberfläche die Farbschichten (15, 21), die die jeweils gewünschte Farbe herausfiltern, und die Zwischenschicht (17) ausgebildet. Die Zwischenschichten (11, 17) schützen die bereits erzeugten Farbschichten vor einer gegen­ seitigen Vermischung während der Erzeugung der Farbschichten (15, 21).
Schließlich wird eine Schutzschicht (23) aus Polyimid auf die gesamte Oberfläche der obigen Struktur aufgebracht und durch Bildung einer Öffnung (25) ein Teil der Anschlußfläche (5) zur Bildung der Elektrode freigelegt.
Ein weiterer, bekannter Farbfilter ist in der KR-PS 83-1454 of­ fenbart.
Der oben beschriebene, bekannte Farbfilter hat den Nachteil, daß seine Bildqualität aufgrund der Dispersionserscheinungen, die durch Brechung und Reflexion des einfallenden Lichts ent­ stehen, gering ist und der optische Transmissionsgrad durch die Zwischenschichten reduziert ist, weil die den Reihen von Foto­ zellen zugeordneten Farbfilterschichten in unterschiedlicher Höhe angeordnet sind und sich die Dicke der gesamten Zwischen­ schicht durch das schichtweise Aufbringen der einzelnen Zwi­ schenschichten erhöht. Aus diesem Grund entstehen auch Schwie­ rigkeiten bei der Erzeugung der Öffnung für die Bildung der Elektrode.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Farbfilter zu schaffen, der die oben beschriebenen Unzuläng­ lichkeiten bisheriger Bauelemente beseitigt und eine gute Bild­ qualität liefert.
Zur Lösung der Aufgabe sieht die Erfindung einen Farbfilter vor, welcher wenigstens zwei voneinander verschiedene, jeweils einer Mehrzahl von in Form einer Matrix auf einem Trägersub­ strat angeordneten Bildelementen zugeordnete Filtercharakteri­ stiken aufweist und folgende charakteristische Elemente enthält:
eine sich über die gesamte Oberseite des Trägersubstrats er­ streckende, lichtdurchlässige, planierende Schicht,
Farbfiltermuster oberhalb der planierenden Schicht, die sämtlich auf derselben Höhe über jedem jeweils zugeordneten Bildelement angeordnet sind,
selektiv in wenigstens zwei unterschiedlichen Farben eingefärb­ te Farbschichten auf der Oberfläche der jeweiligen Farbfilter­ muster und
eine lichtdurchlässige Schutzschicht auf der planierenden Schicht und den Farbschichten.
In Ausgestaltung der Erfindung wird ein Herstellungsverfahren für den Farbfilter geschaffen, der wenigstens zwei voneinander verschiedene, jeweils einer Mehrzahl von in Form einer Matrix auf dem Trägersubstrat angeordneten Bildelementen zugeordnete Filtercharakteristiken aufweist, das durch folgende Prozeß­ schritte gekennzeichnet ist:
einen ersten Prozeßschritt, in dem eine planierende, lichtdurch­ lässige Schicht auf die gesamte Oberfläche des Trägersubstrats aufgebracht wird,
einen zweiten Prozeßschritt, in dem auf der planierenden Schicht die einem jeden Bildelement zugeordneten Farbfiltermu­ ster aufgebracht und auf deren Oberfläche durch selektive Fär­ bung in wenigstens zwei voneinander verschiedenen Farben die Farbschichten erzeugt werden, und
einen dritten Prozeßschritt, in dem auf die planierende Schicht und die Farbschichten die lichtdurchlässige Schutzschicht auf­ gebracht wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Die obigen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, erfin­ dungsgemäßen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs­ beispiels näher verdeutlicht.
Fig. 1 ist ein Querschnitt eines bekannten, in der Beschrei­ bungseinleitung beschriebenen Farbfilters,
Fig. 2 ein Querschnitt eines Farbfilters gemäß der vor­ liegenden Erfindung, und
Fig. 3A bis 3E sind Querschnitte, die aufeinanderfolgende Verfahrens­ schritte zur Herstellung des Farbfilters der Fig. 2 darstellen.
In dem vertikalen Querschnitt der Fig. 2 ist ein erfindungsge­ mäßer Farbfilter in Verbindung mit einem ladungsgekoppelten Speicher-Bauelement (CCD) dargestellt. Es ist jedoch zu beach­ ten, daß es genauso möglich ist, den erfindungsgemäßen Farbfil­ ter in Verbindung mit anderen Festkörper-Bildsensoren und Wie­ dergabegeräten anzuwenden.
Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, besitzt ein Siliziumsubstrat (31) eine Struktur mit Vertiefungen und Erhöhungen. An der Ober­ fläche der Vertiefungen sind Fotodiodenreihen (32, 33, 34) aus­ gebildet, welche in den Bildelementen eine Rolle spielen. An der Oberfläche der Erhöhungen sind eine leitfähige Schicht (35) zur elektrischen Verbindung und eine isolierende Schicht (36) gebildet. Ein Teil der leitfähigen Schicht (35) wird zur elek­ trischen Verbindung des Halbleiter-Bauelements mit einer Umhül­ lung und die isolierende Schicht (36) dazu verwendet, die Foto­ diodenreihen (32, 33, 34) elektrisch zu isolieren.
Auf die die Vertiefungen und Erhöhungen aufweisende Oberfläche des Siliziumsubstrats (31) ist eine planierende Schicht (37) aufgebracht.
Auf der Oberseite der planierenden Schicht (37) sind den Foto­ diodenreihen (32, 33, 34) zugeordnete Farbfiltermuster (38, 43, 49) gebildet, deren Oberfläche von Farbschichten (39, 45, 51) umgeben ist. Die Farbfiltermuster (38, 43, 49) befinden sich alle auf derselben Höhe bezüglich der Fotodiodenreihen (32, 33, 34).
Des weiteren ist eine Schutzschicht (53) auf die Oberfläche der planierenden Schicht (37) und der Farbschichten (30, 45, 51) aufgebracht und eine Öffnung zur Bildung einer Elektrode auf der Anschlußfläche (35) gebildet.
Die Querschnitte der Fig. 3A bis 3E zeigen den Herstellungspro­ zeß für das Ausführungsbeispiel der Fig. 2.
Im Prozeßstadium der Fig. 3A weist die Oberfläche des Silizium­ substrats (31) die aus Vertiefungen und Erhöhungen bestehende Struktur auf, auf welche die Fotodiodenreihen (32, 33, 34) an der Oberfläche der Vertiefungen und eine leitfähige, aus einem Metall, wie z. B. Al, bestehende Schicht (35) sowie eine isolie­ rende Schicht (36), wie z. B. SiO2, an der Oberfläche der Er­ höhungen aufgebracht sind. Darüber ist die planierende Schicht (37), bestehend aus einer durchsichtigen Substanz, wie z. B. Po­ lyimid, auf das Siliziumsubstrat (31) aufgebracht. Um das ein­ fallende Licht zu über 95% zu transmittieren, ist die planie­ rende Schicht (37) in einer Dicke von ca. 300 nm bezogen auf die Erhöhungen aufgebracht. Darauf ist ein erstes Farbfiltermu­ ster (38) fotolithographisch aufgebracht, nachdem Gelatine oder eine Mischung von Casein mit Dichromatsäure in einer Dicke von ca. 400 bis 1000 nm auf die Oberfläche der planierenden Schicht (37) aufgetragen wurde. Dieses erste Farbfiltermuster (38) ist der ersten Fotodiodenreihe (32) zugeordnet.
Durch kontinuierliches Aufbringen eines Färbemittels auf die Oberfläche der obigen Struktur färbt sich die Oberfläche des ersten Farbfiltermusters (38), womit die erste Farbschicht (39) erzeugt ist. Als nächstes wird das auf der planierenden Schicht (37) befindliche Färbemittel mit deionisiertem Wasser entfernt. Im Färbemittel wird Magenta, Cyan oder Gelb benutzt, so daß die Farbschicht (39) eine der Farben magentarot, cyanblau oder gelb herausfiltert. Beispielhaft ist im Färbemittel Magenta verwen­ det, so daß die erste Farbschicht (39) magentarot gefärbtes Licht herausfiltert.
Nachdem auf die Oberseite der planierenden Schicht (37) und der ersten Farbschicht (39) Polyimid in einer Dicke von ca. 1µm aufgetragen wurde, ist im Stadium des Prozesses der Fig. 3B die planierende Schicht (37) im Bereich der zweiten Fotodiodenreihe (33) durch ein fotolithographisches Verfahren freigelegt, so daß eine erste Zwischenschicht (41) ausgebildet ist. Die planierende Schicht (37) und die erste Zwischenschicht (41) be­ stehen entweder aus derselben oder aus verschiedenen Substan­ zen.
Im Falle, daß die beiden Schichten (37, 39) aus derselben Sub­ stanz bestehen, wird vor dem Aufbringen der ersten Zwischen­ schicht (41) und nach dem Aufbringen der planierenden Schicht (37) thermische Energie zugeführt, so daß sich eine nachfolgen­ de Belichtung nicht auf die planierende Schicht (37) auswirkt. Im Falle zweier unterschiedlicher Substanzen werden die beiden Schichten (37, 41) mit Licht jeweils verschiedener Wellenlänge belichtet. Die planierende Schicht (37) wird über einen genü­ gend großen Bereich freigelegt, um die danach aufzubringende Schicht ausreichend eben gestalten zu können.
Ebenso ist sich über die gesamte Oberfläche der obigen Struktur erstreckend im Prozeßstadium der Fig. 3C das zweite Farbfilter­ muster (43) mit Hilfe derselben Substanz und Verfahrensweise wie das erste Farbfiltermuster (38) aufgebracht. Dieses zweite Farbfiltermuster (43) ist dann der zweiten Fotodiodenreihe (33) zugeordnet. Als nächstes ist die zweite Farbschicht (45) auf der Oberfläche des zweiten Farbfiltermusters (43) nach demsel­ ben Verfahren wie bei der Bildung der ersten Farbschicht (38) aufgebracht. Hierbei verhindert die erste Zwischenschicht (41) eine Vermischung des Färbemittels für die Bildung der zweiten Farbschicht (45) mit der ersten Farbschicht (38). Im Färbemit­ tel wird Cyan verwendet, so daß die zweite Farbschicht (45) cyanblau gefärbtes Licht herausfiltern kann.
Nachdem das Färbemittel auf der ersten Zwischenschicht (41) mittels deionisiertem Wasser entfernt ist, wird die erste Zwi­ schenschicht entwickelt bzw. durch einen Verdünner oder einen Stripper abgelöst. Das Prozeßstadium der Fig. 3D wird dadurch erreicht, daß als nächstes das dritte Farbfiltermuster (49) und die dritte Farbschicht (51) durch dieselbe Methode, wie oben beschrieben, erzeugt werden. Das dritte Farbfiltermuster (49) ist dann der dritten Fotodiodenreihe (34) zugeordnet. Im Färbe­ mittel wird Gelb verwendet, so daß die dritte Farbschicht (51) gelb gefärbtes Licht herausfiltern kann.
Nach Entfernung des Färbemittels auf einer zweiten Zwischen­ schicht (47) durch deionisiertes Wasser wird diese zweite Zwi­ schenschicht (47) auf dieselbe Weise abgelöst wie die erste Zwischenschicht (41). Nach Aufbringen der Schutzschicht (53) aus Polyimid auf die gesamte Oberfläche der obigen Struktur in einer Dicke von ca. 1µm wird das Prozeßstadium der Fig. 3E da­ durch erreicht, daß eine Öffnung (55) zur Bildung der Elektrode ausgebildet wird, wodurch ein Teil der Anschlußfläche (35) freigelegt ist.
Da, wie oben beschrieben, alle den Reihen der fotoelektrischen Elemente zugeordneten Farbschichten in derselben Höhe ange­ bracht sind, können Dispersionserscheinungen aufgrund von Bre­ chung und Reflexion des einfallenden Lichts verhindert werden. Da keine Zwischenschichten erforderlich sind, um eine Vermi­ schung der Farben bei Aufbringen des Färbemittels zu verhin­ dern, wird außerdem die optische Transmission verbessert und der Prozeßschritt zur Herstellung der Öffnung für die Elektrode vereinfacht.
Die vorliegende Erfindung weist daher den Vorteil auf, daß die optische Transmission und die Bildqualität des Farbfilterbildes durch Beseitigung der Dispersionserscheinungen aufgrund von Brechung und Reflexion des einfallenden Lichts verbessert sind und gleichzeitig das Herstellungsverfahren vereinfacht ist.

Claims (15)

1. Farbfilter, welcher wenigstens zwei voneinander ver­ schiedene, jeweils einer Mehrzahl von in Form einer Matrix auf einem Trägersubstrat angeordneten Bildelementen zugeordnete Filtercharakteristiken aufweist, mit:
einer sich über die gesamte Oberseite des Trägersubstrats er­ streckenden, lichtdurchlässigen, planierenden Schicht,
Farbfiltermuster oberhalb der planierenden Schicht,
selektiv in wenigstens zwei unterschiedlichen Farben eingefärb­ ten Farbschichten auf der Oberfläche der jeweiligen Farbfilter­ muster und
einer lichtdurchlässigen äußeren Schutzschicht,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Farbfiltermuster (38, 43, 49) oberhalb der planierenden Schicht (37) sämtlich auf derselben Höhe über jedem jeweils zu­ geordneten Bildelement angeordnet sind und
die abschließende Schutzschicht (53) eine homogene Abdeckung mit gleicher Dicke über sämtlichen Farbschichten (39, 45, 51) ist.
2. Farbfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbfiltermuster aus Gelatine oder einer Mischung von Case­ in und Dichromatsäure hergestellt sind.
3. Farbfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die planierende Schicht (37) mittels einer lichtemp­ findlichen Substanz gebildet ist.
4. Farbfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbschichten selektiv in magentaroter, cyanblauer oder gelber Farbe eingefärbt sind.
5. Verfahren zur Herstellung eines Farbfilters nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Prozeß­ schritte:
einem ersten Prozeßschritt, in dem die planierende, lichtdurch­ lässige Schicht (37) auf die gesamte Oberfläche des Trägersub­ strats (31) aufgebracht wird;
einem zweiten Prozeßschritt, in dem die einem jeden Bildelement zugeordneten Farbfiltermuster (38, 43, 49) auf die planierende Schicht (37) aufgebracht und die Farbschichten (39, 45, 51) auf der Oberfläche der Farbfiltermuster (38, 43, 49) durch selekti­ ves Einfärben in wenigstens zwei voneinander verschiedenen Far­ ben erzeugt werden und
einem dritten Prozeßschritt, in dem die lichtdurchlässige Schutzschicht (53) auf die planierende Schicht (37) und die Farbschichten (39, 45, 51) aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Prozeßschritt aus einem ersten Abschnitt,in dem eine Gruppe (38) von Farbfiltermustern, die einer Gruppe (32) aus der Mehrzahl der Bildelemente zugeordnet sind, auf der Oberseite der planierenden Schicht (37) ausgebildet wird und die Farb­ schichten (39) erzeugt werden, welche die Oberflächen dieser Gruppe (38) von Farbfiltermustern mit der gewünschten Farbe einfärben, und aus einem zweiten Abschnitt besteht, in dem die folgenden fünf Schritte wenigstens einmal in Reihenfolge wie­ derholt werden:
  • 1) ein erster Schritt, in dem auf der gesamten Oberfläche der planierenden Schicht (37) und der Farbschichten (39) die Zwischenschicht (41) aufgebracht wird;
  • 2) ein zweiter Schritt, in dem einer Gruppe (33) der restli­ chen Bildelemente zugeordnete Öffnungen in der Zwischen­ schicht (41) ausgebildet werden;
  • 3) ein dritter Schritt, in dem die Farbfiltermuster (43) auf der Oberseite des durch die Öffnungen freigelegten Teils der planierenden Schicht (37) ausgebildet werden;
  • 4) ein vierter Schritt, in dem die Farbschicht (45) erzeugt wird, die mit einer von der gewählten Farbe auf der Ober­ fläche des vorigen Farbfiltermusters (38) verschiedenen Farbe eingefärbt ist;
  • 5) ein fünfter Schritt, in dem die Zwischenschicht (41) ent­ fernt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schichten (38, 43, 49) für die Farbfiltermuster aus Gelatine oder einer Mischung von Casein mit Dichromatsäure hergestellt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die planierende Schicht (37) und die Zwi­ schenschichten (41, 47) aus lichtempfindlichen Substanzen her­ gestellt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die planierende Schicht (37) und die Zwi­ schenschichten (41, 47) aus derselben Substanz hergestellt wer­ den.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Ausbildung der planierenden Schicht (37) die­ ser thermische Energie zugeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die planierende Schicht (37) und die Zwischenschicht (41) aus unterschiedlichen Substanzen hergestellt werden, die jeweils gegenüber Licht unterschiedlicher Wellenlänge empfindlich sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8, 10 oder 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichten (41, 47) nach Bestrahlung der ganzen Oberfläche durch Entwicklung entfernt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichten (41, 47) entweder durch einen Verdünner oder einen Stripper entfernt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einfärbung der Farbschichten (39, 45, 51) selektiv eine magentarote, eine cyanblaube oder eine gelbe Farbe verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbschichten (39, 45, 51) durch selektive Einfärbung mit Magenta, Cyan und Gelb hergestellt werden.
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