DE4407067C2 - Dielektrisches Interferenz-Filtersystem, LCD-Anzeige und CCD-Anordnung sowie Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Interferenz-Filtersystems - Google Patents
Dielektrisches Interferenz-Filtersystem, LCD-Anzeige und CCD-Anordnung sowie Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Interferenz-FiltersystemsInfo
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Description
Im folgenden wird unter dem Begriff eines dielektrischen In
terferenz-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 Band
stop-Filter handeln.
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 wesentli
chen konstante hohe Transmission aufweisen bzw. geringe Ab
sorptionswerte aufweisen.
Im folgenden wird darunter eine Schicht oder ein Schichtsystem
verstanden, dessen Transmission für Strahlung in einem spek
tralen Wellenlängenbereich, der für das Verhalten der Filter
elemente spezifisch ist, verschwindend ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein dielektrisches Inter
ferenz-Filtersystem nach Anspruch 1, eine
LCD-Anzeige sowie eine CCD-Anordnung nach den An
sprüchen 9 bzw. 10 und ein Verfahren zur Herstellung eines di
elektrischen Interferenz-Filtersystems
nach Anspruch 11.
Obwohl die vorliegende Erfindung spezifisch auf Interferenz-
Farbfiltersysteme gerichtet ist, d. h. Filtersysteme, welche
bezüglich mit dem menschlichen Auge wahrnehmbarer Farbwellen
längenbereiche 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 Ele
ment, das den für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbe
reich 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 Emp
findlichkeit des menschlichen Auges herangezogen werden, wie
in DIN-Norm 5033 (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 filtere for LCDs", Displays, vol. 14, No. 2,
p. 115 (1993) von Tsuda K. hingewiesen sei.
Solche selektiv absorbierende Schichten bestehen aus organi
schen Materialien mit einem annähernd konstanten Brechwert n
und mit einem stark wellenlängenabhängigen Extinktionskoeffi
zienten 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 obgenannter Literaturstelle K. Tsuda
bekannt:
- - geringe Farbsättigung;
- - hohe Absorptionsverluste, die zu unerwünschter Erwärmung des Farbfilters bzw. Farbfilterelementes führen können;
- - mangelhafte chemische, mechanische und thermische Stabi lität;
- - 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, Farbfiltersy
steme, 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 ein
setzbar sind, oder aber durch CVD-Verfahren oder PECVD-Verfah
ren (Plasma enhanced chemical vapor deposition-Verfahren).
Eine entsprechende angestrebte spektrale Charakteristik, aus
gedrückt 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 Absorp
tion vernachlässigt werden. Typischerweise ist die resultie
rende Gesamtdicke solcher Schichtsysteme abhängig vom Spek
tralbereich, insbesondere von der Farbe, die durch das Filter
element transmittiert werden soll. So ist beispielsweise ein
dielektrisches Interferenz-Filterelement für Blau am dicksten,
da hier der langwellige Bereich des sichtbaren Spektrums ge
blockt werden muss. Ein Rotfilterelement ist entsprechend am
dünnsten. Diesbezüglich wird auf die obgenannte Literaturstel
le 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
Ueberwachungsmethoden mit einer Schichtdickengenauigkeit von
1% hergestellt werden. Bei typischen Gesamtdicken dielektri
scher 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 Vorge
hensweisen an:
- - Aetzen: Ein aufgebrachtes Schichtsystem wird an vorgege benen Bereichen abgeätzt. Hierzu wird eine Aetzmaske auf das vorerst unstrukturierte Schichtsystem aufgebracht und an nicht durch die Maske abgedeckten Bereichen das darunterliegende Schichtsystem nach Wunsch abgeätzt. Das Aetzen kann dabei nasschemisch erfolgen, wird aber be vorzugterweise 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 interessie rend, reaktives Ionenaetzen.
- - 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 organi
scher Farbfilterelemente aufgrund der Herstellungstoleranzen
der Schichten aus organischem Material beträchtlich, bei
dielektrischen Interferenz-Filtersystemen schwankt die Gesamt
dicke der Filterelement-Schichtsysteme aufgrund der für die
angestrebte spektrale Charakteristika notwendigen Schichtzah
len und Schichtdicken.
In der Offenlegungsschrift JP 05-45 515 A wird ein Verfahren
offenbart, die Interferenz-Filterelemente mit verschiedenen
spektralen Eigenschaften und verschiedenen Höhen auf eine
Photoresistschicht aufzubringen, die durch Ätzen so gestuft
wird, daß sie die Höhendifferenzen der Interferenz-
Filterelemente ausgleicht, wodurch eine einheitliche
Gesamthöhe erreicht wird.
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 diesbezüg
lich typisches Beispiel, ein Anwendungsfall, auf welches sich
auch die vorliegende Erfindung spezifisch bezieht, sind LCD-
Anzeigen. In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer bekann
ten 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. Un
ter, zwischen oder über den Farbfilterelementen 3 können, wie
in Fig. 1 teilweise unter und zwischen den Elementen 3 einge
tragen, Black-Matrixelemente 5 eingebaut sein. Letztere beste
hen üblicherweise aus Chrom und weisen je nach erwünschter
optischer Dichte eine Dicke von 0,1 bis 0,2 µm auf.
Ueber den Farbfilterelementen 3 befindet sich, je nach Dis
playtyp in Bereiche aufgeteilt oder durchgehend, eine elek
trisch 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 Farbfilterele mente und Unebenheiten an den einzelnen Farbfilterele ment-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 haupt sächlich 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, gel
ten für sie ähnliche Nachteile wie für Farbfilterschichten aus
organischem Material, nämlich
- - mangelhafte chemische, mechanische und thermische Stabi lität;
- - problematische Haftung auf den organischen Farbfilter elementen bzw. dem Substrat 1, üblicherweise aus Glas.
Gemäss Fig. 1 befindet sich auf dem den Farbelementen 3 gegen
überliegenden Substrat 11, je nach Displaytyp, eine durchge
hende oder in Felder eingeteilte elektrisch leitende Schicht
13, üblicherweise wiederum eine ITO-Schicht, oder eine komple
xere, 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 typischerwei
se 5 bis 10 µm beträgt, in Spezialfallen 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 kon
stanten 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 "Fabri
cation 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, ver
glichen mit organischen Schichten, eine wesentlich höhere che
mische und thermische Stabilität und mechanische Festigkeit
aufweisen, wodurch sie sowohl für nach ihrem Ablegen erfolgen
de 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 Ablagen 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 Inter
ferenz-Filtersystemen dasjenige unterschiedlicher Filterele
mentdicken gemäss der Ausdehnung d von Fig. 1.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Interferenz-
Filtersystem eingangs erwähnter Art zu schaffen, welches das Vor
sehen einer organischen Ausgleichsschicht aus geometrischen
Ausgleichsgründen überflüssig macht und die Nachteile sowohl
von Filtersystemen, welche auf organischen Absorptions-Filter
elementen 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 Filter
systeme hergestellt werden können, welche die obgenannte Auf
gabe lösen.
Die genannte Aufgabe wird an einem dielektrischen Interferenz-
Filtersystem eingangs genannter Art bei dessen Ausbildung nach
Anspruch 1 gelöst. Weiterhin werden die genannten Aufgaben
durch die in den Ansprüchen 9, 10 und 11 genannten Ausbildungen
einer LCD-Anzeige, einer CCD-Anordnung bzw. eines Herstellungsverfahrens gelöst.
Sowohl durch Systeme mit Filterelementen gleicher Höhe, wie
auch mit lückenlos aneinanderliegenden Filterelementen werden
Bedingungen geschaffen, um z. B. ohne Ausgleichsschichten, bei
spielsweise eine elektrisch leitende Schicht, wie eine ITO-
Schicht, direkt aufbringen zu können.
In anderen als der angesprochenen LCD-Anwendung kann aber be
reits ein Interferenz-Filtersystem mit Filterelementen glei
cher Höhe oder bereits ein Interferenz-Filtersystem mit Fil
terelementen, welche lückenlos aneinanderliegen, an sich zu
wesentlichen Vorteilen führen.
Erstaunlicherweise ist es nämlich möglich, die unterschiedli
chen spektralen Anforderungen an die Filterelemente, wie bei
spielsweise 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 Aetztechnik eben gerade
Lücken geätzt werden und bei einer Lift-Off-Technik durch das
Lift-Off eben gerade Lücken entstehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäs
sen Filtersystems nach dem Wortlaut der Ansprüche 3-6 sind die
Filterelemente durch ein gemeinsames interferierendes Schicht
system abgedeckt, welches mithin bei der Dickenoptimierung der
Filterelemente zu berücksichtigen ist. Das gemeinsame inter
ferierende Schichtsystem ist in den Spektralbereichen, worin
die Filterelemente wirksam sind, transparent. Es umfasst vor
zugsweise mindestens eine elektrisch leitende Schicht, beste
hend vorzugsweise ausschliesslich aus einer elektrisch leiten
den 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 Fil
terelemente nur unwesentlich beeinflusst, wird bevorzugterwei
se 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
7 folgend, Black-Matrix-Elemente vorgesehen sein.
Auch mit Blick auf das erfindungsgemässe Verfahren nach An
spruch 11 geht in einer
weitaus bevorzugten Ausführungsform die Erfindung davon aus,
dass eine Aetztechnik Lücken schafft, nämlich dort, wo die
Aetzmaske freie Bereich aufweist, und dass die Lift-Off-Tech
nik Lücken schliesst, nämlich dort, wo die Lift-Off-Maske
freie Bereiche aufweist. Damit wird erfindungsgemäss eine
lückenlose Bildung der Filterelemente ermöglicht, dadurch,
dass grundsätzlich vorerst Filterelemente durch Aetztechnik
erstellt werden und dann Filterelemente durch Lift-Off-Tech
nik, wobei die vormals als Aetzmaske eingesetzte Maske nach
mals als Lift-Off-Maske eingesetzt wird. Damit wird die
spezifische Eigenart der Lift-Off-Technik optimal kombiniert
mit derjenigen der Aetztechnik. Mit der Lift-Off-Technik ist
auch die Erstellung einer Referenzebene in Lift-Off-Masken
ebene möglich, und zwar dann, wenn damit vormals durch Aetz
technik gebildete Lücken zwischen Filterelementen geschlossen
werden.
Für das Beschichten mit dem Schichtsystem, das das erste Fil
terelement bildet, werden vorzugsweise PVD-, CVD- oder PECVD-
Verfahren eingesetzt.
Zum Aetzen können Nassaetzverfahren eingesetzt werden, werden
aber vorzugsweise Plasmaaetzverfahren mit AC-, DC- oder, ge
mischt, AC- und DC-Plasmen eingesetzt, reaktiv oder nicht
reaktiv, dabei aber bevorzugterweise reaktives Ionenaetzen.
Als Aetz- und Lift-Off-Maske wird im weiteren vorzugsweise
eine Maske aus einem Metall eingesetzt, vorzugsweise aus Alu
minium oder Chrom, wobei aber auch ein Lack als Maskenmaterial
eingesetzt werden kann.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, insbesondere mit
Blick auf LCD- und CCD-Anordnungen, wird
das erfindungsgemässe Interferenz-Filtersy
stem als dielektrisches Farbfiltersystem ausgelegt.
Bevorzugterweise eingesetzte Materialien für die Filterelemen
te, insbesondere bei deren Einsatz als Farbfilterelemente,
sind in Anspruch 8 spezifiziert. In Zusammenhang mit Fig. 1
werden die Vorteile einer LCD-Anzeige oder einer CCD-Anordnung
nach den Ansprüchen 9 bzw. 10 dem Fachmann ohne weiteres er
sichtlich.
Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich durch die Merkmale
von Anspruch 11 aus, eine
bevorzugte Ausführungsvariante ist in Anspruch
12 angegeben.
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 zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch einen LCD-Dis
play bekannter Bauart,
Fig. 2 schematisch und in Analogie zur Darstellung von Fig.
1 eine erste Ausführungsvariante der Filterelemente
an einem erfindungsgemässen Interferenz-Filtersy
stem, insbesondere Farbfiltersystem,
Fig. 3 in Darstellung analog zu denjenigen der Fig. 1 bzw.
2 eine zweite Realisation der Fil
terelemente an einem Interferenz-Filter-, insbeson
dere Farbfiltersystem, mit erfindungsgemäss lücken
los aneinandergrenzenden Filterelementen, die, nicht
erfindungsgemäss, unterschiedlich hoch sind.
Fig. 4 die bevorzugte
Ausführungsvariante 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 ge
mäss 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 erfindungsgemäs
sen Filtersystem gemäss Beispiel 1,
Fig. 9 den zu Fig. 8 analogen Verlauf für die Farbfilter
elemente am erfindungsgemässen Filtersystem gemäss
Beispiel 2,
Fig. 10 schematisch die Abfolge der erfindungsgemässen Her
stellung eines erfindungsgemässen Interferenz-Fil
tersystems.
In Fig. 1, welche eine bekannte LCD-Struktur darstellt, sind,
wenn auch weit übertrieben, die Dickenunterschiede für dielek
trische Interferenz-Farbfilterelemente 3 dargestellt.
In Fig. 2 ist schematisch über dem Substrat 1 die Anordnung
von erfindungsgemässen Filterelementen 3 e, insbesondere für
Rot-, Grün-, Blau-Transmission dargestellt. Bis auf Herstel
lungstoleranzen der (nicht dargestellten) Einzelschichten sind
Schichtanzahl und Schichtdicke so optimiert, dass alle Filter
elemente 3 e die gleiche Dicke d0 aufweisen. Dabei werden die
spektralen Eigenschaften gegebenenfalls des Substrats 1 sowie
gegebenenfalls vorgesehener, nicht dargestellter, die Filter
elemente 3 e überdeckender weiterer Schichten für die Optimie
rung 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 darge
stellt, unter, dazwischen oder über den Filterelementen 3 e
Black-Matrixelemente 5 vorgesehen sein.
In Fig. 3 ist eine zweite für sich erfindungswesentliche Ei
genschaft am nicht erfindungsgemässen Filtersystem mit dielektri
schen Interferenz-Filterelementen 3 f dargestellt. Wahrend
gemäss den Fig. 1 und 2 die Filterelemente zwischen sich Lüc
ken aufspannen, liegen gemäss Fig. 3 die Filterelemente lüc
kenlos aneinander. Auch hier können, wie dargestellt, je nach
Einsatzzweck, Black-Matrixelemente 5 eingebaut sein.
Bei der bevorzugten Ausführungsvariante gemäss Fig. 4
weisen die Filterelemente 3 ef einer
seits 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 ins
besondere 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 0 bezüglich dem Substrat 1 auf wohl
definierter 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 sie abreis sen könnte;
- - eine elektrisch leitende Schicht gegenüber unter den Filterelementen liegenden Black-Matrixelementen durch die Filterelemente selbst isoliert ist.
Der Aufbau einer erfindungsgemässen LCD-Anzeige, unter Verwen
dung 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 ef je ein interferenzfähiges System, wes
halb die ITO-Schicht bei der Optimierung der jeweiligen Farb
filterelemente 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 tele
vision receivers".
Dann wird ein Dünnschichtsystem, bestehend aus SiO2 (n = 1.46;
k = 0) und TiO2 (n350nm = 2.55, n550nm = 2.35, n900nm = 2.22; k = 0),
derart optimiert, dass die blauen Farbkoordinaten innerhalb
einer festgelegten Toleranz erreicht werden. Dabei ist
nSubstrat = 1.52
nITO = 2
dITO = 110 nm
nLC = 1.52;
es wird die Absorption für alle optischen Schichten als ver nachlässigbar angenommen. Dann werden die grünen und roten Filterelement-Schichtsysteme derart optimiert, dass sowohl die entsprechenden Farbkoordinaten innerhalb festgelegter Toleran zen 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" darge stellt. Die resultierende Gesamtdicke der Farbfilterelemente stimmt bis auf ± 0,2 nm überein.
nSubstrat = 1.52
nITO = 2
dITO = 110 nm
nLC = 1.52;
es wird die Absorption für alle optischen Schichten als ver nachlässigbar angenommen. Dann werden die grünen und roten Filterelement-Schichtsysteme derart optimiert, dass sowohl die entsprechenden Farbkoordinaten innerhalb festgelegter Toleran zen 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" darge stellt. 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.
In Fig. 6 ist der Aufbau einer zweiten Ausführungsvariante
eines LCD-Schirmes mit erfindungsgemässem Filtersystem dar
gestellt. Es sind dieselben Referenzzeichen verwendet wie in
Fig. 5. Im Unterschied zur Ausführung gemäss Fig. 5 und Bei
spiel 1 ist hier zwischen den Filterelementen 3 ef des optischen
Filtersystems und der ITO-Schicht 15 eine Zwischenschicht 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 np = 1.46 angenommen, wiederum zeigen
die Tabelle, Fig. 7 und 9 die Ergebnisse einer solchen Opti
mierung. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die Gesamtdic
ken, der Farbfilterelemente bis auf weniger als 1 nm, nämlich
bis auf ± 0,25 nm übereinstimmen.
Anhand dieses Beispiels, mit Blick auf Fig. 10, soll das er
findungsgemässe Herstellungsverfahren erläutert werden.
Es wird das Substrat mit dem ersten Interferenz-Filtersystem
B im speziellen mit einem ersten Farbfiltersystem, z. B. Blau
"B" beschichtet.
Auf das abgelegte Schichtsystem B wird eine Aetzmaske, z. B.
aus Chrom und beispielsweise mittels Lithographie aufgebracht,
in Fig. 10 mit 17 bezeichnet.
Das aufgebrachte Schichtsystem B wird aetzstrukturiert, vor
zugsweise mittels reaktivem Ionenaetzen, womit die ersten
Filterelemente der ersten spektralen Charakteristik,
beispielsweise die Blau-Farbfilterelemente, erstellt sind.
Unter Belassen der Aetzmaske 17 wird die Beschichtung mit dem
Schichtsystem der zweiten spektralen Charakteristik, z. B. mit
dem Grün-Schichtsystem, vorgenommen.
Es wird eine zweite Aetzmaske 19, wiederum beispielsweise aus
Chrom, beispielsweise mittels Lithographie aufgebracht.
Es werden durch Aetzen die zweiten Filterelemente der zweiten
spektralen Charakteristik, wie beispielsweise die Grün-Farb
filterelemente, erstellt, wiederum wird bevorzugterweise das
Aetzen durch reaktives Ionenaetzen vorgenommen.
Unter Belassen der ersten und zweiten Aetzmasken 17 bzw. 19
wird die Beschichtung mit dem dritten Schichtsystem, entspre
chend der erwünschten dritten spektralen Charakteristik, beispielsweise
Rot-Charakteristik, vorgenommen. Dadurch werden
sämtliche Lücken zwischen den bereits aufgebrachten Filter
elementen B, G geschlossen.
Mittels Lift-Off-Technik wird das zuletzt aufgebrachte
Schichtsystem strukturiert, wobei die vormals eingesetzten
Aetzmasken 17, 19 nun als Lift-Off-Masken eingesetzt werden.
Claims (17)
1. Dielektrisches Interferenz-Filtersystem mit mehreren nebeneinander auf einer Seite
eines gemeinsamen Trägers aufgebrachten Interferenz-Filterelementen, die jeweils
ausschließlich aus einer Mehrzahl von übereinander angeordneten dielektrischen In
terferenzschichten bestehen, wobei die Zahl und die Dicke der Interferenzschichten
der einzelnen Filterelemente so gewählt ist, dass die Gesamtdicken aller Filterele
mente bei vorgegebener unterschiedlicher spektraler Wirkung bis auf Herstel
lungstoleranzen der Interferenzschichten gleich sind.
2. Filtersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente
seitlich lückenlos aneinanderliegen.
3. Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Filterelemente durch ein gemeinsames Schichtsystem überdeckt sind, welches min
destens in den Spektralbereichen, worin die Filterelemente wirksam sind, transparent
ist.
4. Filtersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame
Schichtsystem mindestens eine elektrisch leitende Schicht umfasst.
5. Filtersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame
Schichtsystem aus einer elektrisch leitenden Schicht besteht.
6. Filtersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende
Schicht eine ITO-Schicht ist.
7. Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass über
und/oder unter und/oder zwischen den Filterelementen mindestens ein Black-Matrix-
Element vorgesehen ist, dessen Transmission für Strahlung in einem spektralen Wel
lenlängenbereich, worin die Filterelemente transmittieren, verschwindend ist.
8. Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 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.
Oxide oder Oxinitride von Si, Hf, Ti, Zr, Ta, Nb, Al oder Mischungen davon oder
MgF2, ZnS, Si3N4.
9. LCD-Anzeige mit einem Farbfiltersystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter
system ein dielektrisches Interferenz-Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8
umfasst.
10. CCD-Anordnung mit einem Farbfiltersystem, dadurch gekennzeichnet, dass letzte
res ein dielektrisches Interferenz-Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8
umfasst.
11. Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Interferenz-Filtersystems nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen:
- a) Aufbringen eines ersten Systems von übereinander angeordneten Interferenz schichten mit einer ersten spektralen Wirkung auf einen Träger und Strukturie ren dieses ersten Systems von Interferenzschichten mittels einer Ätzmaske zu ersten Filterelementen,
- b) Aufbringen eines letzten Systems von übereinander angeordneten Interfe renzzschichten mit einer weiteren spektralen Wirkung auf die vorhandenen Strukturen unter Belassen der vorherigen Ätzmaske bzw. Ätzmasken und Strukturierung des zuletzt aufgebrachten Schichtsystems mittels Lift-off- Technik, wobei die vorhergehende(n) Ätzmaske(n) als Lift-off-Maske(n) dient bzw. dienen,
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem zwischen den Schritten a) und b) folgender
Schritt ausgeführt wird:
Aufbringen eines weiteren Systems von übereinander angeordneten Interferenz schichten mit einer zweiten spektralen Wirkung auf die vorhandenen Strukturen un ter Belassen der Ätzmaske und Aufbringen einer zweiten Ätzmaske und Strukturie ren des zweiten Systems von Interferenzschichten zu zweiten Filterelementen.
Aufbringen eines weiteren Systems von übereinander angeordneten Interferenz schichten mit einer zweiten spektralen Wirkung auf die vorhandenen Strukturen un ter Belassen der Ätzmaske und Aufbringen einer zweiten Ätzmaske und Strukturie ren des zweiten Systems von Interferenzschichten zu zweiten Filterelementen.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten für
die Herstellung des ersten Filterelementes durch ein reaktives oder nicht reaktives
PVD- oder ein CVD- oder ein PECVD-Verfahren durchgeführt wird, das an
schließende Ätzen mittels reaktiven oder nicht reaktiven AC- oder DC- oder AC +
DC-Ätzens.
14. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen
durch reaktives Ionenätzen durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das
Beschichten für das Erstellen des ersten und zweiten Filterelementes nach dem glei
chen Verfahren durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ätz- und Lift-off-Maske aus einem Metall hergestellt ist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die
als Lift-off-Maske eingesetzte Ätzmaske eine Maske aus Al oder Cr oder einem Lack
ist.
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ID=6511768
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