DE4407067A1

DE4407067A1 - Dielektrisches Interferenz-Filtersystem, LCD-Anzeige und CCD-Anordnung sowie Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Interferenz-Filtersystems und Verwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4407067A1
Application number: DE4407067A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl Ing Dr Sperger; Helmut Dipl Phys Rudigier; Peter Dr Wierer; Helmut Schoech
Original assignee: Balzers AG
Current assignee: Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Priority date: 1994-03-03
Filing date: 1994-03-03
Publication date: 1995-09-07
Anticipated expiration: 2014-03-04
Also published as: US6342970B1; GB2288053A; DE4407067C2; FR2716980B1; NL194990C; GB2288053B; GB9504601D0; JPH07270613A; FR2716980A1; NL194990B; NL9500412A

Description

Definitionen Dielektrisches Interferenz-Filtersystem

Im folgenden wird unter dem Begriff eines dielektrischen Interferenz- Filtersystems ein System verstanden, bei welchem auf einem gemeinsamen Träger nebeneinander Filterelemente vorgesehen sind, welche, betrachtet über der Wellenlänge, unterschiedliche Transmissionscharakteristika aufweisen. Es kann sich dabei um Hochpaß-, Tiefpaß-, Bandpaß- oder Bandstop- Filter handeln.

Transparent

Wenn im folgenden von transparenten Schichten gesprochen wird, so wird darunter der Sachverhalt verstanden, daß eine solche Schicht in spektralen Wellenlängenbereichen, die betreffs des Verhaltens der Filterelemente interessieren, eine im wesentlichen konstante hohe Transmission aufweisen bzw. geringe Absorptionswerte aufweisen.

Black-Matrix

Im folgenden wird darunter eine Schicht oder ein Schichtsystem verstanden, dessen Transmission für Strahlung in einem spektralen Wellenlängenbereich, der für das Verhalten der Filterelemente spezifisch ist, verschwindend ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein dielektrisches Interferenz- Filtersystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine LCD-Anzeige sowie eine CCD-Anordnung nach demjenigen der Ansprüche 8 bzw. 9 und ein Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Interferenz-Filtersystems und dessen Verwendung nach dem Oberbegriff von Anspruch 10 bzw. 12.

Obwohl die vorliegende Erfindung spezifisch auf Interferenz- Farbfiltersysteme gerichtet ist, d. h. Filtersysteme, welche bezüglich mit dem menschlichen Auge wahrnehmbarer Farbwellenlängenbereiche wirksam sind und auch insbesondere darauf Bezug nehmend beschrieben wird, kann die Erfindung durchaus im Zusammenhang mit Interferenz-Filtersystemen eingesetzt werden, die außerhalb des durch das menschliche Auge wahrnehmbaren Wellenlängenbereiches wirksam sind.

Unter einem Farbfilterelement versteht man ein optisches Element, das den für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich einer Lichtquelle so beeinflußt, daß die resultierende Lichtstrahlung einen bestimmten Farbeindruck hervorruft. Die Farbe kann in Form von CIE-Koordinaten ausgedrückt werden, zu deren Berechnung die Spektralcharakteristik (Transmission oder Reflexion) des optischen Filterelementes, die spektralen Strahlungsverteilungen der Lichtquelle und die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges herangezogen werden, wie in DIN-Norm 5083 (Juli 1970) definiert.

Grundsätzlich besteht eine Möglichkeit zur Realisierung von Farbfilterelementen in der Verwendung von spektral selektiv absorbierenden Schichten einer bestimmten Dicke d, die auf ein breitbandig hochtransmittierendes Substrat aufgebracht werden, wozu auf "Colour filters for LCDs", Displays, vol. 14, No. 2, p. 115 (1993) von Tsuda K. hingewiesen sei.

Solche selektiv absorbierenden Schichten bestehen aus organischen Materialien mit einem annähernd konstanten Brechwert n und mit einem stark wellenlängenabhängigen Extinktionskoeffizienten k(λ). Die spektrale Transmission beträgt dabei:

T(λ)=exp [-4 · π · d · k(λ) · λ^-1].

Grundsätzlich weisen organische Farbfilter oder, im Rahmen eines Filtersystems, organische Farbfilterelemente folgende Nachteile auf, wie aus obengenannter Literaturstelle K. Tsuda bekannt:

- geringe Farbsättigung;
- hohe Absorptionsverluste, die zu unerwünschter Erwärmung des Farbfilters bzw. Farbfilterelementes führen können;
- mangelhafte chemische, mechanische und thermische Stabilität;
- mangelhafte geometrische Genauigkeit, d. h. Schwankungen in der Schichtdicke bzw. Ebenheit der Oberfläche.

Eine zweite Möglichkeit, auf welche sich grundsätzlich die vorliegende Erfindung bezieht, ist die Realisierung optischer Filtersysteme, insbesondere, wie oben erwähnt, Farbfiltersysteme, durch Verwendung dielektrischer Dünnschichtsysteme, die beispielsweise aus abwechselnd aufeinanderfolgenden relativ niederbrechenden Schichten, z. B. aus SiO₂, und hochbrechenden Schichten, z. B. aus TiO₂, bestehen, wie dies beispielsweise aus "Thin-Film Optical Filters", Adam Hilger Ltd. (1986), Macleod H. A., bekannt ist.

Solche Schichtsysteme werden üblicherweise durch Vakuumbeschichtungsverfahren hergestellt, so beispielsweise durch Verdampfungstechniken, wie Elektronenstrahlverdampfen, Lichtbogenverdampfen oder durch Sputterbeschichtung in DC-, AC- oder gemischt AC- und DC-Plasmen, durch Ionenplattieren, alles PVD-Verfahren, welche reaktiv oder nicht reaktiv einsetzbar sind, oder aber durch CVD-Verfahren oder PECVD-Verfahren (Plasma enhanced chemical vapor deposition-Verfahren).

Eine entsprechende angestrebte spektrale Charakteristik, ausgedrückt beispielsweise durch die spektrale Transmission T(λ), kommt hier durch Interferenz des Lichtes zustande, welches an den verschiedenen Grenzflächen des Schichtsystems reflektiert und transmittiert wird. Näherungsweise kann dabei die Absorption vernachlässigt werden. Typischerweise ist die resultierende Gesamtdicke solcher Schichtsysteme abhängig vom Spektralbereich, insbesondere von der Farbe, die durch das Filterelement transmittiert werden soll. So ist beispielsweise ein dielektrisches Interferenz-Filterelement für Blau am dicksten, da hier der langwellige Bereich des sichtbaren Spektrums geblockt werden muß. Ein Rotfilterelement ist entsprechend am dünnsten. Diesbezüglich wird auf die obengenannte Literaturstelle von Macleod sowie auf "An Active-Matrix Color LCD with High Transmittance Using an Optical Interference Filter", Japan Display '89, p. 434 (1989), Unate T., Nakagawa T., Matsushita Y., Ugai Y. und Aoki S., verwiesen.

Dielektrische Schichtsysteme können mit optischen Überwachungsmethoden mit einer Schichtdickengenauigkeit von ±1% hergestellt werden. Bei typischen Gesamtdicken dielektrischer Interferenz-Farbfilterelemente im Bereich von 1,5-3,5 µm bedeutet dies eine absolute Genauigkeitsabweichung von höchstens 0,07 µm.

Zur Strukturierung dielektrischer Interferenz-Filtersysteme in einzelne Filterelemente bieten sich vornehmlich zwei Vorgehensweisen an:

- Ätzen: Ein aufgebrachtes Schichtsystem wird an vorgegebenen Bereichen abgeätzt. Hierzu wird eine Ätzmaske auf das vorest unstrukturierte Schichtsystem aufgebracht und an nicht durch die Maske abgedeckten Bereichen das darunterliegende Schichtsystem nach Wunsch abgeätzt. Das Ätzen kann dabei naßchemisch erfolgen, wird aber bevorzugterweise durch ein Vakuumverfahren realisiert. Hierzu sind reaktive oder nicht reaktive PVD-Verfahren geeignet, wie DC-, AC- oder AC- und DC-Sputtern, oder, insbesondere im vorliegenden Zusammenhang interessierend, reaktives Ionenätzen.
- Lift-Off-Technik: Dabei wird auf ein darunterliegendes Trägersystem eine Maske aufgebracht und das erwünschte Schichtsystem über der Maske abgelegt. Bei nachmaligem Abheben "Lift-Off" der Maske verbleibt das erwünscht strukturierte Schichtsystem nur an vormals nicht durch die Maske abgedeckten Bereichen.

Wie erwähnt wurde, schwankt die Dicke absorbierender organischer Farbfilterelemente aufgrund der Herstellungstoleranzen der Schichten aus organischem Material beträchtlich, bei dielektrischen Interferenz-Filtersystemen schwankt die Gesamtdicke der Filterelement-Schichtsysteme aufgrund der für die angestrebte spektrale Charakteristika notwendigen Schichtzahlen und Schichtdicken.

In vielen Anwendungsfällen von Filtersystemen, bei welchen nebeneinander auf demselben Träger spektral unterschiedlich wirkende Filterelemente aufgebaut sind, wäre das Erreichen gleicher Höhen für alle vorgesehenen spektral unterschiedlich wirkenden Filterelemente höchst wünschenswert. Ein diesbezüglich typisches Beispiel, ein Anwendungsfall, auf welches sich auch die vorliegende Erfindung spezifisch bezieht, sind LCD- Anzeigen. In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer bekannten Farb-LCD-Anzeige im Querschnitt dargestellt. Auf einem Substrat 1 befinden sich, im aktiven Bereich des Displays, d. h. in jenem Bereich, in dem die Bildentstehung stattfindet, Farbfilterelemente 3. In Fig. 1 sind Farbfilterelemente 3 für Rot "R", Grün "G" und Blau "B" beispielsweise eingetragen. Unter, zwischen oder über den Farbfilterelementen 3 können, wie in Fig. 1 teilweise unter und zwischen den Elementen 3 eingetragen, Black-Matrixelemente 5 eingebaut sein. Letztere bestehen üblicherweise aus Chrom und weisen je nach erwünschter optischer Dichte eine Dicke von 0,1 bis 0,2 µm auf.

Über den Farbfilterelementen 3 befindet sich, je nach Displaytyp in Bereiche aufgeteilt oder durchgehend, eine elektrisch leitende transparente Schicht 7, üblicherweise eine Indium-Zinn-Oxidschicht ITO. Zwischen den Farbfilterelementen 3 und der elektrisch leitenden transparenten Schicht 7 wird üblicherweise eine organische Ausgleichsschicht 9, z. B. aus Acryl, eingebaut, die folgende Funktionen erfüllen muß:

- Soll ungleiche Dicken der verschiedenen Farbfilterelemente und Unebenheiten an den einzelnen Farbfilterelement- Oberflächen ausgleichen und damit eine konstante Zelldicke für den Flüssigkristall 10 ermöglichen;
- Soll eine mechanisch stabilere Schicht darstellen und verhindern, daß die Spacer in die weicheren organischen Farbfilterschichten eingedrückt werden. Es muß nämlich an dieser Stelle betont werden, daß bis heute hauptsächlich absorbierende organische Farbfilterelemente 3 eingesetzt werden;
- Soll eine elektrische Isolierung zwischen der elektrisch leitenden Schicht 7 und den Black-Matrixelementen 5 realisieren;
- Soll verhindern, daß eine direkt auf verschieden dicke und/oder durch Spalten getrennte Farbfilterelemente aufgebaute elektrisch leitende Schicht 7, insbesondere ITO-Schicht, an den Kanten der Farbfilterelemente reißt, wodurch elektrische Verbindungen unterbrochen würden.

Abgesehen von zusätzlichen Herstellungsprozeßschritten, die durch Vorsehen der Ausgleichsschicht 9 erforderlich sind, gelten für sie ähnliche Nachteile wie für Farbfilterschichten aus organischem Material, nämlich

- mangelhafte chemische, mechanische und thermische Stabilität;
- problematische Haftung auf den organischen Farbfilterelementen bzw. dem Substrat 1, üblicherweise aus Glas.

Gemäß Fig. 1 befindet sich auf dem den Farbelementen 3 gegenüberliegenden Substrat 11, je nach Displaytyp, eine durchgehende oder in Felder eingeteilte elektrisch leitende Schicht 13, üblicherweise wiederum eine ITO-Schicht, oder eine komplexere, jedenfalls aber mindestens in Abschnitten transparente elektronische Schichtstruktur, wie beispielsweise zur Bildung sog. TFT, "Thin Film Transistors". Im Zwischenraum zwischen den beiden elektrisch leitenden Schichten 7 und 13 befindet sich die Flüssig-Kristallschicht 10, deren Dicke typischerweise 5 bis 10 µm beträgt, in Spezialfällen aber, wie z. B. bei ferro-elektrischen LCDs, sogar nur 1,5 bis 2,5 µm dick ist. Der optische Kontrast und damit die Bildqualität eines solchen LCD-Displays hängt direkt mit der Konstanz der Dicke der Zelle 10 zusammen und sollte über der gesamten Displayfläche nicht mehr als 0,1 bis 0,2 µm vom Mittelwert abweichen, wie dies aus "Development of a multicolour super-twisted-nematic display", Displays, p. 65 (April 1991), Ohgawara M., Tsubota H., Kuwata T., Akatsuka M., Koh H., Sawada K. und Matshiro K. bekannt ist. Wie erwähnt wurde, wird der möglichst konstante Abstand zwischen den Schichten 7 und 13 mittels kleiner Kugeln konstanten Durchmessers, den sog. Spacers, eingestellt.

Nur vereinzelt werden dielektrische Interferenz-Filtersysteme im Zusammenhang mit LCD-Displays oder mit CCD-Anordnungen eingesetzt, wozu auf "An Active-Matrix-Color LCD with High Transmittance Using an Optical Interference Filter", Japan Display '89, p. 434 (1989) hingewiesen sei sowie auf "Fabrication of mosaic color filters by dry-etching dielectric stacks", J. Vac. Sci. Technol., vol. A4, no. 1, p. 70 (1986), Curtis B. J., Gale M. T., Lehmann H. W., Brunner H., Schuetz H. und Widmer R. Dies, obwohl dielektrische Schichtsysteme, verglichen mit organischen Schichten, eine wesentlich höhere chemische und thermische Stabilität und mechanische Festigkeit aufweisen, wodurch sie sowohl für nach ihrem Ablegen erfolgende Prozeßschritte wie auch im Betrieb Vorteile bieten. Diese sind:

- Beständigkeit gegen mechanische und chemische Reinigungs- und Prozeßschritte;
- Beständigkeit gegen Prozesse mit hoher Temperatur, z. B. beim Ablegen einer Ausgleichsschicht gemäß 9 von Fig. 1 oder Sputterbeschichtung mit einer ITO-Schicht 7 gemäß Fig. 1;
- gute Oberflächen für Haftung einer leitenden Schicht, insbesondere einer ITO-Schicht;
- mechanisch stabile Unterlage als Schichtträgerunterlage, wie für die ITO-Schicht;
- mechanisch stabiler Untergrund für Spacers im Flüssig- Kristallzwischenraum 10;
- hohe optische Qualität, wie hohe Transmission, stärkere Farbsättigung, geringste Absorption und hohe optische Langzeitstabilität.

Wie erwähnt, ist aber ein Problem der Erstellung von Interferenz- Filtersystemen dasjenige unterschiedlicher Filterelementdicken gemäß der Ausdehnung d von Fig. 1.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Interferenz- Filtersystem eingangs erwähnter Art zu schaffen, welches Vorsehen einer organischen Ausgleichsschicht aus geometrischen Ausgleichsgründen überflüssig macht und die Nachteile sowohl von Filtersystemen, welche auf organischen Absorptions-Filterelementen beruhen, wie auch diejenigen bekannter Interferenz- Filtersysteme behebt.

Im weiteren soll gemäß vorliegender Erfindung eine erfindungsgemäße LCD-Anzeige bzw. eine erfindungsgemäße CCD- Anordnung geschaffen werden sowie ein Verfahren, womit Filtersysteme hergestellt werden können, welche die obengenannte Aufgabe lösen.

Die genannte Aufgabe wird an einem dielektrischen Interferenz- Filtersystem eingangs genannter Art bei dessen Ausbildung nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 und/oder nach demjenigen von Anspruch 2 gelöst.

Sowohl durch Systeme mit Filterelementen gleicher Höhe, wie auch mit lückenlos aneinanderliegenden Filterelementen werden Bedingungen geschaffen, um z. B. ohne Ausgleichsschichten, beispielsweise eine elektrisch leitende Schicht, wie eine ITO- Schicht, direkt aufbringen zu können.

In anderen als der angesprochenen LCD-Anwendung kann aber bereits ein Interferenz-Filtersystem mit Filterelementen gleicher Höhe oder bereits ein Interferenz-Filtersystem mit Filterelementen, welche lückenlos aneinanderliegen, an sich zu wesentlichen Vorteilen führen.

Erstaunlicherweise ist es nämlich möglich, die unterschiedlichen spektralen Anforderungen an die Filterelemente, wie beispielsweise und insbesondere an die Transmission von Farben, wie insbesondere von Rot, Grün und Blau, auch bei gleicher Dicke d der unterschiedlichen Filterelemente zu realisieren. Ebenso erstaunlich ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Realisation lückenlos aneinanderliegender Filterelemente, wenn man bedenkt, daß bei Einsatz einer Ätztechnik eben gerade Lücken geätzt werden und bei einer Lift-Off-Technik durch das Lift-Off eben gerade Lücken entstehen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Filtersystems nach dem Wortlaut von Anspruch 3 sind die Filterelemente durch ein gemeinsames interferierendes Schichtsystem abgedeckt, welches mithin bei der Dickenoptimierung der Filterelemente zu berücksichtigen ist. Das gemeinsame interferierende Schichtsystem ist in den Spektralbereichen, worin die Filterelemente wirksam sind, transparent. Es umfaßt vorzugsweise mindestens eine elektrisch leitende Schicht, bestehend vorzugsweise ausschließlich aus einer elektrisch leitenden Schicht, vorzugsweise aus einer ITO-Schicht.

Obwohl gegebenenfalls über den Filterelementen eine Ausgleichsschicht analog zu Schicht 9 von Fig. 1 vorgesehen werden kann, deren Dicke die spektralen Eigenschaften der Filterelemente nur unwesentlich beeinflußt, wird bevorzugterweise und insbesondere bei der Kombination der erfindungsgemäßen Filtersystemeigenschaften nach den Ansprüchen 1 und 2 über den Filterelementen ausschließlich eine elektrisch leitende Schicht, vorzugsweise eine ITO-Schicht, vorgesehen.

Im weiteren können gegebenenfalls, dem Wortlaut von Anspruch 4 folgend, Black-Matrix-Elemente vorgesehen sein.

Auch mit Blick auf das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 10 geht, dem Wortlaut von Anspruch 5 folgend, in einer weitaus bevorzugten Ausführungsform die Erfindung davon aus, daß eine Ätztechnik Lücken schafft, nämlich dort, wo die Ätzmaske freie Bereiche aufweist, und daß die Lift-Off-Technik Lücken schließt, nämlich dort, wo die Lift-Off-Maske freie Bereiche aufweist. Damit wird erfindungsgemäß eine lückenlose Bildung der Filterelemente ermöglicht, dadurch, das grundsätzlich vorerst Filterelemente durch Ätztechnik erstellt werden und dann Filterelemente durch Lift-Off-Technik, wobei die vormals als Ätzmaske eingesetzte Maske nochmals als Lift-Off-Maske eingesetzt wird. Damit wird die spezifische Eigenart der Lift-Off-Technik optimal kombiniert mit derjenigen der Ätztechnik. Mit der Lift-Off-Technik ist auch die Erstellung einer Referenzebene in Lift-Off-Maskenebene möglich, und zwar dann, wenn damit vormals durch Ätztechnik gebildete Lücken zwischen Filterelementen geschlossen werden.

Für das Beschichten mit dem Schichtsystem, das das erste Filterelement bildet, werden vorzugsweise PVD-, CVD- oder PECVD- Verfahren eingesetzt.

Zum Ätzen können Naßätzverfahren eingesetzt werden, werden aber vorzugsweise Plasmaätzverfahren mit AC-, DC- oder, gemischt, AC- und DC-Plasmen eingesetzt, reaktiv oder nicht reaktiv, dabei aber bevorzugterweise reaktives Ionenätzen. Als Ätz- und Lift-Off-Maske wird im weiteren vorzugsweise eine Maske aus einem Metall eingesetzt, vorzugsweise aus Aluminium oder Chrom, wobei aber auch ein Lack als Maskenmaterial eingesetzt werden kann.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, isnbesondere mit Blick auf LCD- und CCD-Anordnungen, wird, dem Wortlaut von Anspruch 6 folgend, das erfindungsgemäße Interferenz-Filtersystem als dielektrisches Farbfiltersystem ausgelegt.

Bevorzugterweise eingesetzte Materialien für die Filterelemente, insbesondere bei deren Einsatz als Farbfilterelemente, sind in Anspruch 7 spezifiziert. In Zusammenhang mit Fig. 1 werden die Vorteile einer LCD-Anzeige oder einer CCD-Anordnung nach den Ansprüchen 8 bzw. 9 dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich weiter nach dem Wortlaut des kennzeichnenden Teils von Anspruch 10 aus, eine bevorzugte Ausführungsvariante nach demjenigen von Anspruch 11.

Wie erwähnt wurde, eignet sich auch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren insbesondere für die Herstellung von Interferenz-Farbfiltersystemen.

Die Erfindung wird anschließend beispielsweise anhand von Figuren und Beispielen erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch einen LCD-Display bekannter Bauart,

Fig. 2 schematisch und in Analogie zur Darstellung von Fig. 1 eine erste Ausführungsvariante der Filterelemente an einem erfindungsgemäßen Interferenz-Filtersystem, insbesondere Farbfiltersystem,

Fig. 3 in Darstellung analog zu denjenigen der Fig. 1 bzw. 2 eine zweite erfindungsgemäße Realisation der Filterelemente an einem Interferenz-Filter-, insbesondere Farbfiltersystem,

Fig. 4 die bevorzugte Kombination der erfindungsgemäßen Ausführungsvarianten gemäß den Fig. 2 und 3, in analoger Darstellung mit bevorzugtem Vorsehen einer elektrisch leitenden, gemeinsamen Deckschicht,

Fig. 5 den Querschnitt durch die Schichtstruktur eines Rot-, Grün-, Blau-LCD-Displays, aufgebaut gemäß Beispiel 1,

Fig. 6 eine Darstellung eines LCD-Displays, aufgebaut gemäß Beispiel 2,

Fig. 7 die Lage der Farbkoordinate der Rot-, Grün- und Blau-Farbfilterelemente gemäß den Beispielen 1 und 2,

Fig. 8 den spektralen Transmissionsverlauf an den Rot-, Grün-, Blau-Farbfilterelementen am erfindungsgemäßen Filtersystem gemäß Beispiel 1,

Fig. 9 den zu Fig. 8 analogen Verlauf für die Farbfilterelemente am erfindungsgemäßen Filtersystem gemäß Beispiel 2,

Fig. 10 schematisch die Abfolge der erfindungsgemäßen Herstellung eines erfindungsgemäßen Interferenz-Filtersystems gemäß den Fig. 2 oder 3 und insbesondere 4.

In Fig. 1, welche eine bekannte LCD-Struktur darstellt, sind, wenn auch weit übertrieben, die Dickenunterschiede für dielektrische Interferenz-Farbfilterelemente 3 dargestellt.

In Fig. 2 ist schematisch über dem Substrat 1 die Anordnung von erfindungsgemäßen Filterelementen 3, insbesondere für Rot-, Grün-, Blau-Transmission dargestellt. Bis auf Herstellungstoleranz der (nicht dargestellten) Einzelschichten sind Schichtanzahl und Schichtdicke so optimiert, daß alle Filterelemente 3 _e die gleiche Dicke d₀ aufweisen. Dabei werden die spektralen Eigenschaften gegebenfalls des Substrats 1 sowie gegebenenfalls vorgesehener, nicht dargestellter, die Filterelemente 3 _e überdeckender weiterer Schichten für die Optimierung der jeweiligen spektralen Filterelementeigenschaften miteinbezogen. Je nach Einsatzzweck des erfindungsgemäßen Filtersystems mit dielektrischen Interferenz-Filterelementen 3 _e gleicher Höhe können, wie in Fig. 2 schematisch bei 5 dargestellt, unter, dazwischen oder über den Filterelementen 3 _a Black-Matrixelemente 5 vorgesehen sein.

In Fig. 3 ist eine zweite für sich erfindungswesentliche Eigenschaft am erfindungsgemäßen Filtersystem mit dielektrischen Interferenz-Filterelementen 3, dargestellt. Während gemäß den Fig. 1 und 2 die Filterelemente zwischen sich Lücken aufspannen, liegen gemäß Fig. 3 die Filterelemente lückenlos aneinander. Auch hier können, wie dargestellt, je nach Einsatzzweck, Black-Matrixelemente 5 eingebaut sein.

Bei der bevorzugten Ausführungsvariante gemäß Fig. 4 sind die je erfinderischen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Interferenz- Filtersystems kombiniert. Mithin weisen an dieser bevorzugten Ausführungsvariante die Filterelemente 3 _ef einerseits gleiche Dicken d₀ auf, andererseits liegen sie lückenlos aneinander. Wie dargestellt, ist es damit möglich, ein Schichtsystem oder eine Schicht mit konstanter Dicke direkt auf die Filterelemente 3 _ef abzulegen, beispielsweise und insbesondere eine elektrisch leitende Schicht, insbesondere eine ITO-Schicht. Die Farbfilterelemente bilden in diesem Fall sowohl eine mechanisch stabile Referenzebene für den Aufbau der Schicht 15, bilden weiter eine elektrisch isolierende Ablagefläche und ermöglichen, die Schicht 15 mit konstanter Dicke aufzubauen, insbesondere wenn, wie bei LCD-Anwendungen, ihre freie Oberfläche 15, bezüglich dem Substrat 1 auf wohldefinierter Parallelebene liegen muß.

Wie erwähnt wurde, kann beim erfindungsgemäßen Filtersystem im Einsatz als Farbfiltersystem für LCDs auf eine zusätzliche organische Ausgleichsschicht gemäß 9 von Fig. 1 verzichtet werden, da

- eine elektrisch leitende Schicht, insbesondere ITO- Schicht bzw. ein Schichtpaket, beispielsweise aus SiO₂/ITO, wegen der guten Haftung auf dielektrischen Schichtsystemen problemlos direkt auf die Filterelemente aufgebracht werden kann;
- die aufgebrachte, elektrisch leitende Schicht innerhalb des aktiven Filtersystembereiches keinerlei Kanten an den Filterelementen mehr vorfindet, an denen es abreißen könnte;
- eine elektrisch leitende Schicht gegenüber unter den Filterelementen liegenden Black-Matrixelementen durch die Filterelemente selbst isoliert ist.

Beispiel 1

Der Aufbau einer erfindungsgemäßen LCD-Anzeige, unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Farbfiltersystems gemäß Fig. 4, ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Auf dem Substrat 1 sind die Farbfilterelemente 3 _ef, darüber die elektrisch leitende ITO-Schicht 15. Es folgt die Flüssig-Kristallschicht 10, dann eine elektrisch leitende Schicht 13, ITO, und das Substrat 11.

Zusammen mit der ITO-Schicht 15 bilden die Schichtpakete der Farbfilterelemente 3 _af je ein interferenzfähiges System, weshalb die ITO-Schicht bei der Optimierung der jeweiligen Farbfilterelemente berücksichtigt werden muß. Gleichzeitig wird damit verhindert, daß durch Vorsehen der ITO-Schicht ein zusätzlicher Transmissionsverlust entsteht.

Zuerst werden die Zielwerte für die Farbkoordinate der R-, G- und B-Filterelemente festgelegt. In diesem Beispiel sind es die Farbkoordinaten für Farbfernsehen nach der Norm E. B. U. D 28-1980 (E) "The chromaticity of the luminophors of television receivers".

Dann wird ein Dünnschichtsystem, bestehend aus SiO₂(n=1,46; k=0) und TiO₂ (n₃₅₀_nm=2,55, n₅₅₀_nm=2,35, n₉₀₀_nm=2,22; k=0), derart optimiert, daß die blauen Farbkoordinaten innerhalb einer festgelegten Toleranz erreicht werden. Dabei ist

n_Substrat=1,52
n_ITO=2
d_ITO=110 nm
n_LC=1,52;

es wird die Absorption für alle optischen Schichten als vernachlässigbar angenommen. Dann werden die grünen und roten Filterelement-Schichtsysteme derart optimiert, daß sowohl die entsprechenden Farbkoordinaten innerhalb festgelegter Toleranzen erreicht werden als auch die Gesamtdicke jeweils gleich wird, wie jene des blauen Filterelement-Schichtsystems. In der am Schluß der Beschreibung figurierenden Tabelle sind unter Beispiel 1 die resultierenden Farbkoordinatenwerte und der Schichtaufbau der Filterelemente "Rot", "Grün", "Blau" dargestellt. Die resultierende Gesamtdicke der Farbfilterelemente stimmt bis auf ±0,2 nm überein.

Fig. 7 zeigt die resultierenden Farbkoordinatenwerte, Fig. 8 die Spektralcharakteristika der gemäß Beispiel 1 realisierten Farbfilterelemente inkl. Substrat, ITO-Schichten und LC- Schicht.

Beispiel 2

In Fig. 6 ist der Aufbau einer zweiten Ausführungsvariante eines LCD-Schirmes mit erfindungsgemäßem Filtersystem dargestellt. Es sind dieselben Referenzzeichen verwendet wie in Fig. 5. Im Unterschied zur Ausführung gemäß Fig. 5 und Beispiel 1 ist hier zwischen den Filterelementen 3 _ef des optischen Filtersystems und der ITO-Schicht 15 eine Ausgleichsschicht 9 vorgesehen. Hiermit wirkt die ITO-Schicht in diesem Aufbau als isolierte Einzelschicht, d. h. sie verringert in Teilen des sichtbaren Spektrums die Transmission, ohne daß dies mit Hilfe der Farbfilterelemente ausgeglichen werden könnte. Das Vorgehen ist identisch mit demjenigen zu Beispiel 1. Für die Ausgleichsschicht wird n_p=1,46 angenommen. Wiederum zeigen die Tabelle, Fig. 7 und 9 die Ergebnisse einer solchen Optimierung. Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß die Gesamtdicken der Farbfilterelemente bis auf weniger als 1 nm, nämlich bis auf ±0,25 nm übereinstimmen.

Beispiel 3

Anhand dieses Beispiels, mit Blick auf Fig. 10, soll das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erläutert werden.

Schritt 1

Es wird das Substrat mit dem ersten Interferenz-Filtersystem B im speziellen mit einem ersten Farbfiltersystem, z. B. Blau "B" beschichtet.

Schritt 2

Auf das abgelegte Schichtsystem B wird eine Ätzmaske, z. B. aus Chrom und beispielsweise mittels Lithographie aufgebracht, in Fig. 10 mit 17 bezeichnet.

Schritt 3

Das aufgebrachte Schichtsystem B wird ätzstrukturiert, vorzugsweise mittels reaktivem Ionenätzen, womit die ersten Filterelemente der ersten spektralen Charakteristik, beispielsweise die Blau-Farbfilterelemente, erstellt sind.

Schritt 4

Unter Belassen der Ätzmaske 17 wird die Beschichtung mit dem Schichtsystem der zweiten spektralen Charakteristik, z. B. mit dem Grün-Schichtsystem, vorgenommen.

Schritt 5

Es wird eine zweite Ätzmaske 19, wiederum beispielsweise aus Chrom, beispielsweise mittels Lithographie aufgebracht.

Schritt 6

Es werden durch Ätzen die zweiten Filterelemente der zweiten spektralen Charakteristik, wie beispielsweise die Grün-Farbfilterelemente, erstellt. Wiederum wird bevorzugterweise das Ätzen durch reaktives Ionenätzen vorgenommen.

Schritt 7

Unter Belassen der ersten und zweiten Ätzmasken 17 bzw. 19 wird die Beschichtung mit dem dritten Schichtsystem, entsprechend der erwünschten dritten spektralen Charakteristik, beispielsweise Rot-Charakteristik, vorgenommen. Dadurch werden sämtliche Lücken zwischen den bereits aufgebrachten Filterelementen B, G geschlossen.

Schritt 8

Mittels Lift-Off-Technik wird das zuletzt aufgebrachte Schichtsystem strukturiert, wobei die vormals eingesetzten Ätzmasken 17, 19 nun als Lift-Off-Masken eingesetzt werden.

Tabelle 1

Ergebnis der Dünnschicht-Optimierung aus den Beispielen 1 und 2; H . . . TiO₂-Schichten, L . . . SiO₂-Schichten.

Claims

1. Dielektrisches Interferenz-Filtersystem mit mindestens zwei auf einem gemeinsamen Träger aufgebauten Filterelementen, welche spektral unterschiedlich wirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicken der interferierenden Schichten an den Filterelementen höchstens bis auf Herstellungstoleranzen der Schichten gleich sind.

2. Interferenz-Filtersystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Filterelemente lateral lückenlos aneinanderliegen.

3. Interferenz-Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Filterelemente durch ein gemeinsames interferierendes Schichtsystem abgedeckt sind, welches mindestens in beiden Spektralbereichen, worin die Filterelemente wirksam sind, transparent ist, vorzugsweise daß dabei das gemeinsame Schichtsystem vorzugsweise mindestens eine elektrisch leitende Schicht umfaßt, vorzugsweise aus einer elektrisch leitenden Schicht besteht, vorzugsweise eine ITO-Schicht ist.

4. Interferenz-Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß über und/oder unter und/oder zwischen den Filterelementen mindestens ein Black-Matrixelement vorgesehen ist.

5. Interferenz-Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein erstes Filterelement durch Beschichten, vorzugsweise mittels eines PVD-, - reaktiv oder nicht reaktiv -, CVD- oder PECVD-Verfahrens, und durch anschließendes Ätzen, vorzugsweise durch AC-, DC-, AC- und DC-Plasmaätzen, reaktiv oder nicht reaktiv, vorzugsweise durch reaktives Ionenätzen, erstellt wird, mindestens ein zweites, vorzugsweise durch Beschichtung mittels eines PVD-, reaktiv oder nicht reaktiv, CVD- oder PECVD-Verfahrens, vorzugsweise mit dem gleichen Verfahren wie das erste Element, und anschließende Lift-Off-Technik erstellt wird, wobei die Ätzmaske für die Erstellung des ersterwähnten Filterelementes als Lift-Off-Maske zur Erstellung des zweiten eingesetzt wird und vorzugsweise aus einem Metall besteht, vorzugsweise aus Al oder Cr, oder aus einem Lack.

6. Interferenz-Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es ein dielektrisches Farbfiltersystem ist.

7. Interferenz-Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente Schichten mindestens zweier der folgenden Materialien umfassen:

- Oxide oder Oxinitride von Si, Hf, Ti, Zr, Ta, Nb, Al oder Mischungen davon oder
- MgF₂, ZnS, Si₃N₄.

8. LCD-Anzeige mit einem Farbfiltersystem, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtersystem ein dielektrisches Interferenz- Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfaßt.

9. CCD-Anordnung mit einem Farbfiltersystem, dadurch gekennzeichnet, daß letzteres ein dielektrisches Interferenz-Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfaßt.

10. Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Interferenz- Filtersystems mit mindestens zwei Filterelementen auf einem gemeinsamen Träger, insbesondere zur Herstellung eines Interferenz-Filtersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein erstes Interferenz- Filterelement durch Beschichten, vorzugsweise durch PVD, CVD oder PECVD und anschließendes Ätzen, vorzugsweise Plasmaätzen, mittels AC, DC oder mittels AC und DC, reaktiv oder nicht reaktiv, vorzugsweise durch reaktives Ionenätzen, erstellt wird, dabei eine Ätzmaske, vorzugsweise eine metallische, vorzugsweise eine Maske aus Al oder Cr, oder aber ein Lack eingesetzt wird, und anschließend mindestens ein zweites Interferenz-Filterelement durch Beschichten und anschließendes Strukturieren in Lift-Off-Technik erstellt wird, wobei die Ätzmaske als Lift-Off-Maske eingesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein unterschiedliches Interferenz-Filterelement hintereinander mittels Beschichten und Ätzen erstellt wird, bevor das letzte Interferenz-Filterelement durch Lift-Off- Technik erstellt wird.

12. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 oder 11 für die Herstellung von Interferenz-Farbfiltersystemen.