DE19709750C1 - Multi-layer light absorber e.g. for image screen - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem Vielschichtsystem nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus dem täglichen Leben ist schon eine Absorberschicht für sichtbares Licht bekannt. Hierbei handelt es sich um schwarzen Anstrich, wie er in vielerlei Ausbildungen im Handel erhältlich ist.The invention is based on a multilayer system according to the Genus of the main claim. From everyday life an absorber layer for visible light is already known. This is black paint, as in various training courses are available in stores.
Um höheren Anforderungen in bezug auf Haltbarkeit, sehr geringe Schichtdicke und feine Strukturierung gerecht zu werden, werden jedoch auch andere Absorber eingesetzt, welche ebenfalls aus dem Stand der Technik, beispielsweise dem Artikel "Economically Sputtered Black Matrix Systems for FPD applications" von M. Bender et al., aus den Proceedings of the Display Manufacturing Conference, San Jose, 6.-8.8.1996, bekannt sind. Hierzu wird meist eine Metallschicht mit einer Antireflexionsschicht, beispielsweise Chrom mit Chromoxid, versehen. Die Metallschicht hat hierbei die Aufgabe, die Transmission von Licht zu verhindern, was durch die geringe Eindringtiefe von Licht in Metall meist problemlos möglich ist. Die Antireflexionsschicht hat die Aufgabe, die Reflexion des Lichts an der metallischen Oberfläche zu verhindern. Damit die Reflexion im ganzen sichtbaren Spektralbereich unterdrückt wird, ist ein vielschichtiger Aufbau der Absorberschicht notwendig, hierzu sind oftmals Materialien mit untereinander sehr verschiedenen chemischen und physikalischen Eigenschaften notwendig. Soll eine solche Absorberschicht später wieder abgetragen werden, so ist oftmals ein schichtweises Abtragen unvermeidlich. To meet higher requirements in terms of durability, very much low layer thickness and fine structuring other absorbers are used, which are also from the prior art, for example the article "Economically Sputtered Black Matrix Systems for FPD applications "by M. Bender et al., From the Proceedings of the Display Manufacturing Conference, San Jose, 6-8.8.1996. This is usually a Metal layer with an anti-reflective layer, for example, chromium with chromium oxide. The The metal layer has the task of transmitting To prevent light, which is due to the shallow penetration of Light in metal is usually possible without any problems. The Antireflection layer has the task of reflecting the To prevent light on the metallic surface. In order to the reflection in the entire visible spectral range is suppressed, is a multi-layered structure of the Absorber layer is necessary, often materials are used for this with very different chemical and physical properties necessary. Should be one Absorber layer to be removed later, that is often a layer-by-layer removal is unavoidable.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Absorber anzugeben, der einerseits über vorteilhafte optische Eigenschaften verfügt, andererseits leicht und als Ganzes strukturierbar ist.The object of the invention is to provide an absorber which on the one hand has advantageous optical properties, on the other hand, it is easy and structurable as a whole.
Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das gesamte Vielschichtsystem mit einem Chlor- oder Fluorplasmaätzprozeß in einem Schritt wie eine Einfachschicht strukturiert werden kann. Weiterhin ergibt sich der Vorteil, daß das erfindungsgemäße Vielschichtsystem eine viel geringere Reflektanz als das bekannte Chrom- Chromoxid-Vielschichtsystem aufweist. Somit ergeben sich Absorberschichten, deren Erscheinungsbild merklich näher am idealen Schwarz ist.The arrangement according to the invention with the characteristic In contrast, features of the main claim have the advantage that the entire multilayer system with a chlorine or One step fluorine plasma etching process Single layer can be structured. Furthermore results the advantage that the multilayer system according to the invention a much lower reflectance than the well-known chrome Chromium oxide multilayer system. Hence arise Absorber layers whose appearance is noticeably closer to ideal black.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Vielschichtsystems möglich. Durch Verbindung des Vielschichtsystems mit einem Substrat, insbesondere mit einem Glassubstrat oder einem anderen durchsichtigen Substrat, wird das erfindungsgemäße Vielschichtsystem leichter handhabbar.By those listed in the dependent claims Measures are advantageous training and Improvements to what is stated in the independent claim Multi-layer system possible. By connecting the Multi-layer system with a substrate, in particular with a glass substrate or other transparent The multi-layer system according to the invention becomes substrate easier to handle.
Durch Strukturierung des Vielschichtsystems in Form eines Gitters ergibt sich eine sogenannte schwarze Matrix, welche vorteilhafterweise zur Abschattung der Steuerleitungen für einzelne Bildpunkte in einer Aktivmatrixanzeige eingesetzt werden kann. In diesem Einsatzgebiet ist eine hohe Absorption des Vielschichtsystems wünschenswert, da weder Licht aus den Bereichen der Steuerleitungen zum Betrachter gelangen soll, noch die Umgebung sich in der Anzeige spiegeln soll.By structuring the multi-layer system in the form of a Grid results in a so-called black matrix, which advantageously for shading the control lines for individual pixels are used in an active matrix display can be. In this area of application there is a high absorption of the multilayer system is desirable since neither light from the Areas of the control lines should reach the viewer, the surroundings should still be reflected in the display.
Durch das Aufbringen eines erfindungsgemäßen Vielschichtsystems als Absorber auf eine wärmeleitende Platte lassen sich sowohl besonders effiziente Sonnenkollektoren als auch besonders effiziente optische Detektoren, welche als thermische Detektoren ausgebildet sind, herstellen.By applying an inventive Multi-layer system as an absorber on a thermally conductive Plate can be both particularly efficient Solar panels as well as particularly efficient optical ones Detectors, which are designed as thermal detectors are, manufacture.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Vielschichtsystem, Fig. 2 einen Vergleich zwischen einem erfindungsgemäßen Vielschichtsystem und einem Chrom- Chromoxidvielschichtsystem, Fig. 3 eine schwarze Matrix.An embodiment of the invention is shown in the drawing and explained in more detail in the following description. In the drawings Fig. 1 shows a multilayer system, Fig. 2 shows a comparison between a multilayer system according to the invention and a chromium Chromoxidvielschichtsystem, Fig. 3 is a black matrix.
Fig. 1 zeigt ein Vielschichtsystem 1, welches aus einer ersten Schicht 11 aus Siliziumnitrit, einer zweiten Schicht 12 aus Silizium und einer dritten Schicht 13 aus einem Metall besteht. Die Schichtdicken der einzelnen Schichten betragen 50 bis 70 nm für die erste Schicht, 20 bis 30 nm für die zweite Schicht. Die Schichtdicke der dritten Schicht ist nicht erfindungsrelevant, solange sie wenigstens von der Größenordnung der optischen Eindringtiefe in der dritten Schicht ist. Auf das Vielschichtsystem 1 fällt einfallendes Licht 20 ein, welches durch einen gewellten Pfeil symbolisiert ist. Ein Teil des einfallenden Lichts 20 wird als reflektiertes Licht 21 vom Vielschichtsystem 1 reflektiert. Ein weiterer Anteil des einfallenden Lichts 20 tritt durch das Vielschichtsystem 1 hindurch und verläßt das Vielschichtsystem 1 auf der Seite der dritten Schicht 13 als transmittiertes Licht 22. Fig. 1 shows a multilayer system 1 which consists of a first layer 11 of silicon nitride, a second layer 12 of silicon and a third layer 13 made of a metal. The layer thicknesses of the individual layers are 50 to 70 nm for the first layer, 20 to 30 nm for the second layer. The layer thickness of the third layer is not relevant to the invention as long as it is at least of the order of magnitude of the optical penetration depth in the third layer. Incident light 20 strikes multilayer system 1 , which is symbolized by a wavy arrow. Part of the incident light 20 is reflected as reflected light 21 by the multilayer system 1 . Another portion of the incident light 20 passes through the multilayer system 1 and leaves the multilayer system 1 on the side of the third layer 13 as transmitted light 22 .
Die Länge der gewellten Pfeile ist ein ungefähres Maß für die Lichtintensität. In Fig. 1 ist sichtbar, daß nur ein geringer Bruchteil des einfallenden Lichts 20 entweder reflektiert oder transmittiert wird. Das restliche Licht wird im Vielschichtsystem 1 absorbiert.The length of the wavy arrows is an approximate measure of the light intensity. In Fig. 1 it can be seen that only a small fraction of the incident light 20 is either reflected or transmitted. The remaining light is absorbed in the multilayer system 1 .
Fig. 2 zeigt die Reflektanz des in Fig. 1 dargestellten Vielschichtsystems im Vergleich zu einem zweiten Vielschichtsystem aus Chrom und Chromoxid. Auf der x-Achse ist die Photonenenergie 30 aufgetragen, auf der y-Achse die Reflektanz 31. Die Transmission durch beide Schichten ist vernachlässigbar, so daß die Reflektanz der beiden Schichten gleichzeitig etwa 1-Absorption darstellt. In Fig. 2 kennzeichnet die Kurve 32 das Reflektanzspektrum von Chrom- Chromoxid, die Kurve 33 die Reflektanz des in Fig. 1 dargestellten Vielschichtsystems. FIG. 2 shows the reflectance of the multilayer system shown in FIG. 1 in comparison to a second multilayer system made of chromium and chromium oxide. The photon energy 30 is plotted on the x-axis and the reflectance 31 on the y-axis. The transmission through both layers is negligible, so that the reflectance of the two layers simultaneously represents approximately 1 absorption. In FIG. 2, curve 32 denotes the reflectance spectrum of chromium-chromium oxide, curve 33 the reflectance of the multilayer system shown in FIG. 1.
In Fig. 2 ist deutlich sichtbar, daß die Reflektanz des erfindungsgemäßen Vielschichtsystems auf etwa ein Viertel des Chrom-Chromoxid-Vielschichtsystems realisiert ist.In Fig. 2 it is clearly visible that the reflectance of the multilayer system according to the invention is realized on about a quarter of the chrome-chromium oxide multilayer system.
Besonders einfach herzustellen ist das Vielschichtsystem durch aufeinanderfolgendes Aufdampfen. Es ist einerseits vorgesehen, als Substrat für das Vielschichtsystem ein transparentes Material zu wählen. Die in der Beschreibung zu Fig. 1 angegebenen Schichtdicken für die erste Schicht und die zweite Schicht sind für ein transparentes Substrat mit niedrigem Brechungsindex, wie beispielsweise Glas, ausgelegt. Wird als transparentes Substrat ein Material mit anderem Brechungsindex gewählt, so müssen die Schichtparameter der ersten und der zweiten Schicht entsprechend angepaßt werden. Andererseits ist jedoch auch möglich beim Aufbau des Vielschichtsystems mit der metallischen Schicht anzufangen. In diesem Fall wird zuerst eine metallische Schicht auf ein Substrat aufgebracht. Falls das Substrat aus einem metallischen Material besteht, kann auf die metallische Schicht verzichtet werden. Auf das Metall wird nun zuerst die zweite und dann die erste Schicht aufgebracht.The multilayer system is particularly easy to manufacture by successive vapor deposition. On the one hand, it is intended to choose a transparent material as the substrate for the multilayer system. The layer thicknesses given in the description of FIG. 1 for the first layer and the second layer are designed for a transparent substrate with a low refractive index, such as glass. If a material with a different refractive index is selected as the transparent substrate, the layer parameters of the first and second layers must be adapted accordingly. On the other hand, it is also possible to start with the metallic layer when building the multilayer system. In this case, a metallic layer is first applied to a substrate. If the substrate consists of a metallic material, the metallic layer can be dispensed with. The second and then the first layer is then applied to the metal.
Das so erzeugte Vielschichtsystem weist nicht nur besonders günstige optische Eigenschaften auf, sondern ist auch besonders einfach strukturierbar. Das gesamte Vielschichtsystem kann in einer geeigneten Anlage in einem einzigen Chlor- oder Fluorplasmaätzprozeß wie eine Einfachschicht strukturiert werden. Insbesondere ist es vorgesehen, das erfindungsgemäße Vielschichtsystem, welches auf Glas aufgedampft wurde, in Form eines Gitters mit Zeilen und Spalten zu strukturieren. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3 ist ein Vielschichtsystem 1 auf ein Glassubstrat 2 aufgebracht. Wobei das Vielschichtsystem als ein Gitter mit Spalten 34 und Zeilen 35 ausgebildet ist. An jedem Kreuzungspunkt befindet sich noch in einem Quadranten eine kleine quadratische Abschattung 36.The multilayer system produced in this way not only has particularly favorable optical properties, but is also particularly easy to structure. The entire multilayer system can be structured in a suitable system in a single chlorine or fluorine plasma etching process like a single layer. In particular, it is provided to structure the multilayer system according to the invention, which has been vapor-deposited on glass, in the form of a grid with rows and columns. This is shown in FIG. 3. In Fig. 3 is a multilayer system 1 is applied to a glass substrate 2. The multilayer system is designed as a grid with columns 34 and rows 35 . At each crossing point there is still a small square shadow 36 in a quadrant.
Die in Fig. 3 gezeigte strukturierte Vielfachschicht auf dem Glassubstrat kann beispielsweise als schwarze Matrix für eine Anzeige, insbesondere eine Aktivmatrixflüssigkristallanzeige eingesetzt werden. In diesen Anzeigen wird jeder Bildpunkt (Pixel) von einem an Rand des Pixels angeordneten Transistor angesteuert. Jeder Transistor wiederum benötigt zwei Steuerleitungen. Um möglichst wenig Fläche zu verbrauchen, werden die Steuerleitungen als kreuzförmiges Muster aus Spalten- und Zeilenleitungen angeordnet, und an jeder Kreuzung sitzt ein Transistor. In unmittelbarer Nähe der Transistoren und auch der Steuerleitungen werden nur schwer kontrollierbare elektrische Felder erzeugt, welche in der Anzeige nur schwer kontrollierbare Effekte hervorrufen. Daher werden diese Bereiche der Anzeige abgeschattet. Zu diesem Zweck dient die in Fig. 3 dargestellte schwarze Matrix. Das erfindungsgemäße Vielschichtsystem bietet für die Herstellung dieser schwarzen Matrix zwei wichtige Eigenschaften, nämlich die hohe Absorption und auch die einfache Strukturierbarkeit.The structured multilayer shown in FIG. 3 on the glass substrate can be used, for example, as a black matrix for a display, in particular an active matrix liquid crystal display. In these displays, each pixel (pixel) is driven by a transistor arranged at the edge of the pixel. Each transistor in turn requires two control lines. In order to use as little space as possible, the control lines are arranged as a cross-shaped pattern of column and row lines, and a transistor is located at each crossing. In the immediate vicinity of the transistors and also the control lines, electrical fields that are difficult to control are generated, which produce effects that are difficult to control in the display. Therefore, these areas of the display are shadowed. The black matrix shown in FIG. 3 is used for this purpose. The multilayer system according to the invention offers two important properties for the production of this black matrix, namely the high absorption and also the simple structurability.
Der Vorteil der hohen Absorption kann jedoch auch zur Beschichtung von Vorrichtungen benutzt werden, welche sich durch Lichteinstrahlung erwärmen sollen. Es ist einerseits vorgesehen, diese Beschichtung an Sonnenkollektoren zu verwenden, wodurch das erfindungsgemäße Vielschichtsystem eine effizientere Erwärmung des Wärmetransportmediums ermöglicht wird.However, the advantage of high absorption can also be used Coating devices can be used, which should warm up by exposure to light. It is on the one hand provided this coating on solar panels too use, whereby the multilayer system according to the invention a more efficient heating of the heat transfer medium is made possible.
Weiterhin ist es vorgesehen, das erfindungsgemäße Vielschichtsystem als Absorber in einem breitbandigen Fotodetektor zu verwenden. Zwar lassen sich durch komplexe Vielschichtsystem noch höhere Absorptionen erreichen, jedoch sind diese meist auf eine spezielle Wellenlänge beschränkt. Wie schon in Fig. 2 gezeigt wurde, weist das erfindungsgemäße Vielschichtsystem den Vorteil einer hohen Absorption über ein breites Spektrum auf. Vor allem für die monolithische Integration eines Absorbers in ein Mikrosystem ist die einfache Strukturierbarkeit des erfindungsgemäßen Vielschichtsystems von Vorteil. Darüber hinaus ist es von Vorteil, daß das Material für die erste Schicht und die zweite Schicht des erfindungsgemäßen Vielschichtsystems ohnehin gebräuchliche Materialien in der Mikroelektronik und der Mikrosystemtechnik darstellen.Furthermore, it is provided to use the multilayer system according to the invention as an absorber in a broadband photo detector. Even higher absorptions can be achieved with a complex multilayer system, but these are mostly limited to a specific wavelength. As has already been shown in FIG. 2, the multilayer system according to the invention has the advantage of high absorption over a wide spectrum. The simple structurability of the multilayer system according to the invention is particularly advantageous for the monolithic integration of an absorber into a microsystem. In addition, it is advantageous that the material for the first layer and the second layer of the multilayer system according to the invention are materials which are customary in microelectronics and microsystem technology.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |