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Dokumentenidentifikation DE4407067C2 18.06.2003
Titel Dielektrisches Interferenz-Filtersystem, LCD-Anzeige und CCD-Anordnung sowie Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Interferenz-Filtersystems
Anmelder Unaxis Balzers AG, Balzers, LI
Erfinder Sperger, Reinhard, Dipl.-Ing. Dr., Feldkirch, AT;
Rudigier, Helmut, Dipl.-Phys. (ETH) Dr., Bad Ragaz, CH;
Wierer, Peter, Dr., Bludenz, AT;
Schoech, Helmut, Feldkirch, AT
Vertreter Moll, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Glawe, U., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., 80538 München; Delfs, K., Dipl.-Ing.; Mengdehl, U., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Niebuhr, H., Dipl.-Phys. Dr.phil.habil., 20148 Hamburg; Merkau, B., Dipl.-Phys., Pat.-Anwälte, 80538 München
DE-Anmeldedatum 03.03.1994
DE-Aktenzeichen 4407067
Offenlegungstag 07.09.1995
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.06.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.06.2003
IPC-Hauptklasse G02B 5/28
IPC-Nebenklasse G02F 1/1335   
IPC additional class // G09F 9/35  

Beschreibung[de]
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 Anspruch 1, eine LCD-Anzeige sowie eine CCD-Anordnung nach den Ansprüchen 9 bzw. 10 und ein Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen 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 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 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 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 obgenannter 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 obgenannte 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 Ueberwachungsmethoden 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:

  • - Aetzen: Ein aufgebrachtes Schichtsystem wird an vorgegebenen 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 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 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 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 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 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.

Ueber 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 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 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 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 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 das 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 obgenannte Aufgabe 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, 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 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 erfindungsgemässen Filtersystems nach dem Wortlaut der Ansprüche 3-6 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 7 folgend, Black-Matrix-Elemente vorgesehen sein.

Auch mit Blick auf das erfindungsgemässe Verfahren nach Anspruch 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-Technik 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-Technik, wobei die vormals als Aetzmaske eingesetzte Maske nachmals 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-Maskenebene möglich, und zwar dann, wenn damit vormals durch Aetztechnik 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 Aetzen können Nassaetzverfahren eingesetzt werden, werden aber vorzugsweise Plasmaaetzverfahren mit AC-, DC- oder, gemischt, 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 Aluminium 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-Filtersystem als dielektrisches Farbfiltersystem ausgelegt.

Bevorzugterweise eingesetzte Materialien für die Filterelemente, 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 ersichtlich.

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-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 Realisation der Filterelemente an einem Interferenz-Filter-, insbesondere Farbfiltersystem, mit erfindungsgemäss lückenlos 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 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.

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

In Fig. 3 ist eine zweite für sich erfindungswesentliche Eigenschaft am nicht erfindungsgemässen Filtersystem mit dielektrischen Interferenz-Filterelementen 3f dargestellt. Wahrend 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 weisen die Filterelemente 3ef 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 3ef 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 150 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 sie 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 3ef, 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 3ef 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 (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 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 3ef 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 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 Aetzmaske, z. B. aus Chrom und beispielsweise mittels Lithographie aufgebracht, in Fig. 10 mit 17 bezeichnet.

Schritt 3

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

Schritt 4

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

Schritt 5

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

Schritt 6

Es werden durch Aetzen die zweiten Filterelemente der zweiten spektralen Charakteristik, wie beispielsweise die Grün-Farbfilterelemente, erstellt, wiederum wird bevorzugterweise das Aetzen durch reaktives Ionenaetzen vorgenommen.

Schritt 7

Unter Belassen der ersten und zweiten Aetzmasken 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 Aetzmasken 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




Anspruch[de]
  1. 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 Interferenzschichten bestehen, wobei die Zahl und die Dicke der Interferenzschichten der einzelnen Filterelemente so gewählt ist, dass die Gesamtdicken aller Filterelemente bei vorgegebener unterschiedlicher spektraler Wirkung bis auf Herstellungstoleranzen der Interferenzschichten gleich sind.
  2. 2. Filtersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente seitlich lückenlos aneinanderliegen.
  3. 3. Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterelemente durch ein gemeinsames Schichtsystem überdeckt sind, welches mindestens in den Spektralbereichen, worin die Filterelemente wirksam sind, transparent ist.
  4. 4. Filtersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Schichtsystem mindestens eine elektrisch leitende Schicht umfasst.
  5. 5. Filtersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Schichtsystem aus einer elektrisch leitenden Schicht besteht.
  6. 6. Filtersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Schicht eine ITO-Schicht ist.
  7. 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 Wellenlängenbereich, worin die Filterelemente transmittieren, verschwindend ist.
  8. 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.
  9. 9. LCD-Anzeige mit einem Farbfiltersystem, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtersystem ein dielektrisches Interferenz-Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.
  10. 10. CCD-Anordnung mit einem Farbfiltersystem, dadurch gekennzeichnet, dass letzteres ein dielektrisches Interferenz-Filtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.
  11. 11. Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Interferenz-Filtersystems nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen:
    1. a) Aufbringen eines ersten Systems von übereinander angeordneten Interferenzschichten mit einer ersten spektralen Wirkung auf einen Träger und Strukturieren dieses ersten Systems von Interferenzschichten mittels einer Ätzmaske zu ersten Filterelementen,
    2. b) Aufbringen eines letzten Systems von übereinander angeordneten Interferenzzschichten 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,
    wobei die Zahl und die Dicke der Interferenzschichten der einzelnen Filterelemente so optimiert ist, dass die Gesamtdicken aller Filterelemente bei vorgegebener unterschiedlicher spektraler Wirkung bis auf Herstellungstoleranzen der Interferenzschichten gleich sind, und wobei die Ätzmasken so ausgelegt sind, dass die Filterelemente nebeneinander auf dem Träger angeordnet sind.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem zwischen den Schritten a) und b) folgender Schritt ausgeführt wird:

    Aufbringen eines weiteren Systems von übereinander angeordneten Interferenzschichten mit einer zweiten spektralen Wirkung auf die vorhandenen Strukturen unter Belassen der Ätzmaske und Aufbringen einer zweiten Ätzmaske und Strukturieren des zweiten Systems von Interferenzschichten zu zweiten Filterelementen.
  13. 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 anschließende Ätzen mittels reaktiven oder nicht reaktiven AC- oder DC- oder AC + DC-Ätzens.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen durch reaktives Ionenätzen durchgeführt wird.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten für das Erstellen des ersten und zweiten Filterelementes nach dem gleichen Verfahren durchgeführt wird.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätz- und Lift-off-Maske aus einem Metall hergestellt ist.
  17. 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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