DE4129427A1 - Farbfilter und verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Farbfilter und verfahren zur herstellung desselben

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Farbfilter sowie auf ein Verfahren zur Herstellung desselben, bei dem der optische Wirkungsgrad erhöht und gleichmäßige Spektraleigenschaften erzielt werden.
Seit kurzem ist mit bildempfindlichen Festkörperelementen, die Elektronenröhren ersetzen können und demgemäß als die bildempfindlichen Vorrichtungen der nächsten Generation gelten, Farbempfindlichkeit durch Schaffung von Farbfiltern auf Bereichen der oberen Oberfläche eines opto-elektrischen Wandlerbereiches erzielt worden.
Auch Flüssigkristallanzeiger (LCD′s) erzielen ihre Färbung durch Herstellen eines Farbfilters auf dem elektrisch-optischen Umwandlungsbereich.
Farbfilter werden in zwei Kategorien eingeteilt: organische Filter, die aus färbenden organischen Substanzen wie Kasein und Gelatine hergestellt werden, und anorganische Filter, die auf der Anwendung der optischen Interferenz beruhen. Von diesen beiden Filterarten weist das organische Filter die niedrigsten Kosten auf und ist in weitem Umfang in Gebrauch.
Fig. 1 stellt eine Querschnittansicht durch ein Farbfilter für eine herkömmliche ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) dar. Gemäß Fig. 1 besitzt ein Halbleitersubstrat 1 konkave und konvexe Abschnitte. Auf der Oberfläche der konkaven Abschnitte sind Fotodioden 2, 3 und 4 aufgebracht, während auf den konvexen Oberflächen eine leitende Schicht 5 sowie eine Isolierschicht 7 aufgebracht sind. Auf der so gebildeten ladungsgekoppelten Vorrichtung ist eine Glättungsschicht 9 aus einer durchscheinenden Substanz, wie etwa Polyimid aufgetragen.
Danach werden auf der gesamten Oberfläche der beschriebenen Struktur drei Zwischenschichten 13, 17 und 21 durch Aufbringen von Polyimid gebildet (gleiche Zusammensetzung wie bei der Glättungsschicht). Dabei sind auf jeder Schicht entsprechend den Fotodioden 2, 3 und 4 Farbschichten 11, 15 und 19 aufgetragen.
Die Farbschichten bestehen aus einer organischen Substanz, wie beispielsweise Kasein oder Gelatine, die eine vorbestimmte Menge an (NH4)2Cr2O2 enthalten und die mit Farbstoffen, wie etwa Magenta, Cyan und Gelb gefärbt sind, um jedes Spektrum des einfallenden Lichtes darzustellen.
Weiter ist auf der gesamten Oberfläche der Struktur eine Linsenschicht 23 aufgebracht, und auf dieser Schicht 23 sind Linsen 25, 26 und 27 jeweils entsprechend den Fotodioden 2, 3 und 4 aufgebracht.
Nunmehr soll ein Verfahren zur Herstellung des oben kurz erläuterten Farbfilters beschrieben werden.
Ausgegangen wird von einer ladungsgekoppelten Vorrichtung, die ein Halbleitersubstrat 1 mit konkaven und konvexen Oberflächen, Fotodioden 2 bis 4 auf den konkaven Oberflächenabschnitten des Halbleitersubtrats 1, und eine metallische leitende Schicht 5 sowie eine Isolierschicht 7 auf den konvexen Oberflächenabschnitten des Halbleitersubstrates 1 aufweist. Auf dieser Struktur wird eine Glättungsschicht 9 aus durchscheinendem Material, wie Polyimid, aufgebracht.
Anschließend wird auf der Glättungsschicht 9 entsprechend der Fotodiode 2 eine Farbschicht 11 aufgebracht, die aus einer organischen Substanz wie Kasein oder Gelatine besteht und eine vorbestimmte Menge an (NH4)2Cr2O2 enthält, und die mit einem der Farbstoffe, wie Magenta, Cyan und Gelb gefärbt ist. Als nächstes wird auf der gesamten Oberfläche der Struktur eine Zwischenschicht 13 durch Aufbringen von Polyimid erzeugt. Danach werden zwei Farbschichten 15 und 19 sowie eine Zwischenschicht 17 in der beschriebenen Weise aufgebracht.
Die Zwischenschichten 13 und 17 verhindern das Vermischen der Farben zwischen einer zuvor gebildeten Farbschicht und einer aktuell gebildeten Farbschicht, wenn die Farbschichten 15 und 19 aufgebracht werden. Anschließend werden eine oberste Zwischenschicht 21 und eine Linsenschicht 23 auf der gesamten Oberfläche der Struktur hergestellt. Die oberste Zwischenschicht 21 besteht aus der gleichen Substanz wie die Zwischenschichten 13 und 17, während die Linsenschicht 23 aus einer Acrylsubstanz besteht.
Nach dem Aufbringen der gleichen Substanz auf die Linsenschicht 23 werden durch Fotolithografie und Wärmebehandlungsprozesse die Linsen 25 bis 27 entsprechend den Fotodioden 2 bis 4 erzeugt. Bei dem bisher beschriebenen Farbfilter ist die Stufenhöhe zwischen der Isolierschicht 5 und den Fotodioden 2 bis 4 sehr beträchtlich und erreicht 2-5 µm Dicke.
Es wird daher eine Glättungsschicht 9 benötigt, um bei der Herstellung der Farbschichten ein perfektes Planierungsverhältnis zu erzielen. Die Glättungsschicht 9 wird durch mindestens dreimaliges Schleuderauftragen des stark klebenden Fotolacks auf dem Halbleitersubstrat hergestellt, um ein Planierungsverhältnis von nahezu 100% zu erzielen. Weiter gelangt das auf die Linsen einfallende Licht mit einem normalen Einfallswinkel auf die Linsenoberfläche und erreicht die Farbschichten 11, 15 und 19.
Die durch die Farbschichten 11, 15 und 19 dringenden Lichtstrahlen haben jeweils eine vorbestimmte Farbe, und dieses farbige Licht wird durch die Fotodioden 2 bis 4 erfaßt. Die Glättungsschicht muß dick sein, um sicherzustellen, daß das Planierungsverhältnis 100% beträgt, wodurch aber die Durchlässigkeit und die Empfindlichkeit verschlechtert werden. Da weiter die Farbschichten flach sind, fallen die Einfallswinkel des durch die Linsen dringenden Lichtes unterschiedlich aus, was zu unterschiedlichen Reflexionen führt. Dadurch werden die Spektraleigenschaften verschlechtert.
Demgemäß besteht ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Farbfilters, das die Empfindlichkeit durch Verbessern des Durchlässigkeits- und Konzentrationsverhältnisses des Lichtes steigert.
Ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Farbfilters, bei dem die Spektraleigenschaften durch Unterdrücken der Erzeugung von diffusen Reflexionen verbessert wird.
Weiter besteht ein drittes Ziel der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung des so verbesserten Farbfilters.
Gemäß dem ersten und zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Farbfilter geschaffen, das auf einem Halbleitersubstrat mit Pixelmatrix gebildet ist und folgende Komponenten aufweist: eine auf dem Halbleitersubstrat gebildete Glättungsschicht, bei dem Abschnitte, die entsprechenden Pixeln zugehörig sind, konkav mit einem vorbestimmten Krümmungsradius ausgebildet sind; Kondensorlinsen, die auf den konkaven Abschnitten der Glättungsschicht gebildet sind; mindestens zwei Zwischenschichten, die auf der Glättungsschicht und der Kondensorschicht gebildet sind; mindestens zwei konvexe Farbschichten mit Krümmungsradius, die unter den Zwischenschichten gebildet sind und eine konstante Dicke besitzen; eine Linsenschicht, die auf der obersten Zwischenschicht gebildet ist; und Linsen, die auf der Linsenschicht mit einem vorbestimmten Krümmungsradius gebildet sind und zu den einzelnen Pixeln gehören.
Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Farbfilters auf einem Halbleitersubstrat mit Pixelmatrix geschaffen, das folgende Schritte aufweist:
  • a) Bilden einer Glättungsschicht, deren Abschnitte, die jeweiligen Pixeln angehören, mit einem vorbestimmten Krümmungsradius konkav ausgebildet sind;
  • b) Bilden von Kondensorlinsen auf den konkaven Abschnitten der Glättungsschicht;
  • c) Bilden von Farbschichten auf den Kondensorlinsen, die den gleichen Krümmungsradius auf dem oberen und dem unteren Abschnitt der Linse besitzen, und Herstellung von Zwischenschichten auf den Farbschichten;
  • d) mindestens zweimaliges Wiederholen des Schrittes c);
  • e) Herstellen einer Linsenschicht auf der obersten Zwischenschicht nach Schritt d); und
  • f) Herstellen von Linsen, die entsprechenden Pixeln auf der Linsenschicht angehören.
Nachfolgend wird der wesentliche Gegenstand der Figuren kurz beschrieben.
Fig. 1 stellt eine Querschnittsansicht durch ein herkömmliches Farbfilter dar;
Fig. 2 stellt eine Querschnittsansicht durch das Farbfilter gemäß der vorliegenden Erfindung dar; und
Fig. 3(A) bis 3(D) stellen Querschnittsansichten zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens des Farbfilters gemäß der Erfindung dar.
Fig. 2 stellt eine Querschnittsansicht des Farbfilters gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
Gemäß Fig. 2 besitzt ein Halbleitersubstrat 31 eine konkave und eine konvexe Oberfläche, wobei auf den konkaven Abschnitten der Oberfläche eine Matrix aus ersten, zweiten und dritten Fotodioden 32 bis 34 gebildet ist, während auf den konvexen Abschnitten der Oberfläche eine leitende Schicht 35 und eine Isolierschicht 37 angebracht sind.
Auf dieser ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD) ist eine erste Glättungsschicht 39 aus durchscheinendem Material angebracht.
Die erste Glättungsschicht 39 verläuft im Bereich der konkaven Abschnitte der Oberfläche des Halbleitersubstrates 31 konkav und ist entsprechend einem vorbestimmten Krümmungsradius eingewölbt.
Weiter sind auf den konkaven Abschnitten der Glättungsschicht 39 konzentrierende, konvexe Linsen 41 aus einem Material wie Acryl gebildet, das einen großen Brechungsindex besitzt.
Anschließend wird eine zweite Glättungsschicht 43 aus dem gleichen Material wie bei der ersten Glättungsschicht 39 sowohl auf der ersten Glättungsschicht 39, als auch auf den Kondensatorlinsen 41 aufgebracht.
Die zweite Glättungsschicht 43 weist nur auf den Kondensorlinsen 41 eine Erhöhung auf.
Auf dieser zweiten Glättungsschicht 43 sind eine erste, zweite und dritte Zwischenschicht 47, 51 und 53 aufgebracht. Weiter sind darauf eine erste, zweite und dritte Farbschicht 45, 49 und 53 mit einem vorbestimmten Krümmungsradius sowie jeweils eine erste und zweite Zwischenschicht 47 und 51 entsprechend der ersten, zweiten und dritten Fotodiode 32 bis 34 aufgebracht.
Die unteren Abschnitte der Farbschichten 45, 49 und 53 besitzen den gleichen Krümmungsradius wie die oberen Abschnitte, wodurch die Transmissionslänge des einfallenden Lichtes überall konstant ist.
Die erste, zweite und dritte Farbschicht 45, 49 und 53 bestehen aus Kasein oder Gelatine, die eine vorbestimmte Menge an Ammonium enthalten und jeweils mit Magenta, Cyan und Gelb gefärbt sind, um jedes Farbspektrum darzustellen.
Eine Linsenschicht 57 aus Polyimid oder Acryl mit flacher Oberfläche wird auf der dritten Zwischenschicht 35 aufgetragen.
Auf dieser Linsenschicht 57 werden die erste, zweite und dritte Linse 59 bis 61 entsprechend der ersten, zweiten und dritten Fotodiode 32 bis 34 gebildet. Die Linsen 59 bis 61 stehen zur Erzielung einer maximalen Fläche dicht beieinander.
Weiter entspricht die Krümmung der ersten, zweiten und dritten Linse 59 bis 61 derjenigen der ersten, zweiten und dritten Farbschicht, so daß diffuse Reflexionen in den Farbschichten minimiert werden.
Die Kondensatorlinsen 41 konzentrieren das Licht durch die Farbschichten 45, 49 und 53 auf die Fotodioden 32, 33 und 34.
Die Fig. 3(A) bis 3(D) zeigen Querschnittsansichten zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens des Farbfilters gemäß der vorliegenden Erfindung.
Gemäß Fig. 3(A) werden die erste, zweite und dritte Fotodiode 32 bis 34 auf den konkaven Abschnitten der Oberfläche des Halbleitersubstrates 31 gebildet, während die Isolierschicht 35 aus Al und die leitende Schicht 37 aus SiO2 auf den konvexen Abschnitten der Oberfläche des Halbleitersubstrates 7 aufgebracht werden. Auf dieser ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD) wird die erste Glättungsschicht 39 aufgebracht.
Die erste Glättungsschicht 39 wird durch Schleuderauftragen von Polyimid auf der CCD erzeugt, die im Bereich der konvexen Abschnitte dünn und mit einem vorbestimmten Krümmungsradius eingewölbt ist. Der Krümmungsradius wird beim Auftragen des Polyimids über die Umdrehungszahl pro Minute gesteuert.
Nach dem Auftragen von Acryl auf der gesamten Oberfläche der ersten Glättungsschicht 39 werden durch konventionelle Belichtung und Entwicklung Muster auf den konkaven Abschnitten erzeugt. Durch Aufschmelzen der Muster werden die Kondensorlinsen 41 gebildet.
Die Kondensorlinsen 41 sind konvex, wobei die Krümmung der Linsen über die Temperatur und die Zeitdauer des Aufschmelzprozesses gesteuert wird, um das Licht auf die erste, zweite und dritte Fotodiode zu fokussieren.
In der nächsten Verfahrensstufe wird die zweite Glättungsschicht 43 durch Aufbringen des gleichen Materials wie bei der ersten Glättungsschicht 39 auf die gesamte Oberfläche der Struktur aufgetragen.
Bezugnehmend auf Fig. 3(B) wird nach dem Auftragen einer Mischung aus Gelatine und Kasein mit einem Gehalt an H2Cr2O2 bei einer Dicke von 4000-7000 Å das Farbschichtmuster entsprechend der ersten Fotodiode 32 durch das konventionelle fotolithografische Verfahren gebildet. Anschließend wird die zweite Farbschicht 45 durch Ausbreiten eines Farbstoffes auf der gesamten Oberfläche der Struktur erzeugt. Dabei reagiert der Farbstoff mit dem Farbschichtmuster, aber nicht mit der zweiten Glättungsschicht.
Der auf der zweiten Glättungsschicht verbleibende unerwünschte Farbstoff wird durch entionisierendes Wasser beseitigt. Der für die erste Farbschicht 45 benutzte Farbstoff ist entweder Magenta, Cyan oder Gelb. Beispielshalber wird die erste Farbstoffschicht 45 durch Magenta eingefärbt, um ein Magentaspektrum zu erzielen.
Bezugnehmend auf Fig. 3(C) wird auf der gesamten Oberfläche der Struktur eine erste Zwischenschicht 47 von 1 µm Dicke unter Verwendung der gleichen Substanz wie im Falle der ersten und der zweiten Glättungsschicht aufgebracht.
Als nächstes werden gleichermaßen die zweite und die dritte Farbschicht 49 und 53 auf den der zweiten und der dritten Fotodiode 33 und 34 entsprechenden Stellen der ersten Farbschicht 47 geschaffen und jeweils mit Cyan und Gelb gefärbt, um das Cyan- und das Gelbspektrum zu erzielen.
Auf der zweiten und der dritten Farbschicht 49 und 53 werden eine zweite und dritte Zwischenschicht 51 und 55 unter Verwendung der gleichen Stoffe wie bei der ersten Zwischenschicht 47 aufgebracht.
Bezugnehmend auf Fig. 3(D) wird auf der dritten Zwischenschicht 55 die Linsenschicht 57 aus Polyimid oder Acryl aufgebracht. Anschließend werden auf der Linsenschicht 57 die erste, zweite und dritte Linse 59 bis 61 jeweils entsprechend der ersten, zweiten und dritten Fotodiode 32 bis 34 hergestellt.
Die Linsen 59 bis 61 stehen zur Maximierung der Linsenfläche sehr eng beieinander. Weiter sind die Abschnitte der zweiten Glättungsschicht 43 und der ersten und zweiten Zwischenschicht 47 und 51, auf denen die Farbschichten 45, 49 und 53 gebildet sind, erhöht, so daß die Farbschichten 41, 45 und 49 die vorbestimmte Krümmung besitzen.
Wie oben erwähnt, ist die Glättungsschicht auf den Fotodioden konkav, und auf diesen konkaven Abschnitten sind Kondensorlinsen mit vorbestimmtem Krümmungsradius gebildet, um die Lichtdurchlässigkeit auf der Oberfläche der Farbschichten sowie die Lichtkonzentration zu verbessern.
Durch Bilden der Farbschichten mit dem gleichen Krümmungsradius wie dem der Linsen wird weiter die diffuse Reflexion verhindert. Die vorliegende Erfindung verbessert also die Empfindlichkeit der Fotodioden durch Verbessern des Transmissionsgrades und der Konzentration des Lichtes, und sie verbessert weiter durch Minimieren der Lichtinterferenz die Spektraleigenschaften durch Verhindern der diffusen Reflexion.

Claims (8)

1. Farbfilter, das auf einem Halbleitersubstrat mit Pixelmatrix erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Komponenten aufweist:
  • - eine auf dem Halbleitersubstrat gebildete Glättungsschicht, bei dem Abschnitte, die entsprechenden Pixeln zugehörig sind, konkav mit einem vorbestimmten Krümmungsradius ausgebildet sind;
  • - Kondensorlinsen, die auf den konkaven Abschnitten der Glättungsschicht gebildet sind;
  • - mindestens zwei Zwischenschichten, die auf der Glättungsschicht und der Kondensorschicht gebildet sind;
  • - mindestens zwei konvexe Farbschichten mit Krümmungsradius, die unter den Zwischenschichten gebildet sind und eine konstante Dicke besitzen;
  • - eine Linsenschicht, die auf der obersten Zwischenschicht gebildet ist; und
  • - Linsen, die auf der Linsenschicht mit einem vorbestimmten Krümmungsradius gebildet sind und zu den einzelnen Pixeln gehören.
2. Farbfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Kondensorlinsen eine weitere Glättungsschicht angebracht ist.
3. Farbfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensorlinsen konvexe Linsen sind.
4. Farbfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Farbschichten im wesentlichen derjenigen der Kondensorlinsen entspricht.
5. Verfahren zur Herstellung eines Farbfilters auf einem Halbleiter mit einer Pixelmatrix, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte aufweist:
  • a) Bilden einer Glättungsschicht, deren Abschnitte, die jeweiligen Pixeln angehören, mit einem vorbestimmten Krümmungsradius konkav ausgebildet sind;
  • b) Bilden von Kondensorlinsen auf den konkaven Abschnitten der Glättungsschicht;
  • c) Bilden von Farbschichten auf den Kondensorlinsen, die den gleichen Krümmungsradius auf dem oberen und dem unteren Abschnitt der Linse besitzen, und Herstellung von Zwischenschichten auf den Farbschichten;
  • d) mindestens zweimaliges Wiederholen des Schrittes c);
  • e) Herstellen einer Linsenschicht auf der obersten Zwischenschicht nach Schritt d); und
  • f) Herstellen von Linsen, die entsprechenden Pixeln auf der Linsenschicht angehören.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) weitere Glättungsschichten auf den Kondensorlinsen gebildet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Glättungsschichten durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Halbleitersubstrates gesteuert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensorlinsen konvexe Linsen sind.
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