DE19926227B4

DE19926227B4 - Flüssigkristall-Lichtventil

Info

Publication number: DE19926227B4
Application number: DE19926227A
Authority: DE
Inventors: Paul M. Bulingame Moore
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1998-06-12
Filing date: 1999-06-10
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2019-06-11
Also published as: DE19926227A1; KR100311446B1; US6452652B1; KR20000005740A

Abstract

Flüssigkristall-Lichtventil (400a), mit
einem lichtdurchlässigen Substrat (402), das mit einem Siliciumsubstrat (405) durch ein Dichtungselement verbunden ist, um einen inneren Hohlraum (406) zu definieren,
einem Flüssigkristallmaterial (411), das in dem inneren Hohlraum (406) vorhanden ist,
mehreren Pixelzellen (410a, 410b), die im Siliciumsubstrat (405) gebildet sind, wobei jede Pixelzelle (410a, 410b) einen Speicherkondensator (418a, 418b) enthält, der Teil einer integrierten Schaltung im Siliciumsubstrat (405) ist und mit einer Pixelzellenelektrode (412a, 412b) elektrisch verbunden ist, und
einem lichtabsorbierenden Dünnfilmstapel (451), der enthält:
– eine Oberflächenschichtkombination (452), die zumindest eine obere und eine mittlere Schicht (452a, 452b) mit verschiedenen Durchlaßeigenschaften aufweist, derart, daß die Oberflächenschichtkombination (452) das reflektierte Licht einer destruktiven Interferenz unterwirft, und
– eine untere Schicht (453) die das durch die Oberflächenschichtkombination (452) durchgelassene Licht absorbiert,
wobei der lichtabsorbierende Dünnfilmstapel (451) unter einem Spalt (430) zwischen benachbarten Pixelzellenelektroden (412a, 412b) in einer Zwischenmetall-Dielektrikumschicht...

Description

Die Erfindung betrifft ein Flüssigkristall-Lichtventil nach Anspruch 1.
Flüssigkristallanzeigen (LCDs) werden in Projektionsanzeigevorrichtungen mit hoher Dichte zunehmend wichtig. Diese herkömmlichen Projektions-Farbanzeigevorrichtungen mit hoher Dichte enthalten typischerweise eine Lichtquelle, die weißes Licht emittiert. Dichroitische Spiegel trennen das weiße Licht in die entsprechenden roten, grünen und blauen Bänder (RGB-Bänder) des Lichts. Jedes dieser Farbbänder des Lichts wird dann auf ein entsprechendes Flüssigkristall-Lichtventil gerichtet, das in Abhängigkeit von dem zu projizierenden Bild einen Lichtdurchgang entweder zuläßt oder verhindert. Die RGB-Lichtbänder, die durch die Lichtventile durchgelas sen werden, werden anschließend durch dichroitische Spiegel oder ein Prisma kombiniert. Anschließend vergrößert eine Projektionslinse das Bild und projiziert es auf einen Projektionsschirm.
9 zeigt ein herkömmliches LCD-Abbildungssystem 100 des Projektionstyps, das eine Lichtquelle 101 enthält, die weißes Licht emittiert. Sobald das Licht auf ein Prisma 103 trifft, wird das Licht durch Beschichtungen, die dichroitische Filter bilden, in die roten, grünen und blauen Farbbänder des Lichts zerlegt. Das farbige Licht wird auf Flüssigkristallanzeige-Lichtventile (LCD-Lichtventile) 105 gerichtet. Wenn das farbige Licht vom Lichtventil 105 reflektiert wird, bewegen sich die Lichtwellen zurück durch das Prisma und durch die Projektionslinse 107. Die Linse 107 vergrößert das synthetisierte Farbbild und projiziert es auf einen Projektionsschirm 109.
Herkömmliche LCD-Lichtventile sind dadurch gebildet, daß eine dünne Schicht aus Flüssigkristallmaterial zwischen einer oberen Platte und einer unteren Platte eingeschlossen ist. Die obere Platte ist ein lichtdurchlässiges Substrat (typischerweise Glas), das auf einer an das Flüssigkristallmaterial angrenzenden Oberfläche eine große Elektrode besitzt. Die untere Platte ist im allgemeinen eine Zwischenverbindung, die über einer Speicherkondensatorstruktur liegt, die in einem Siliciumsubstrat gebildet ist.
10 zeigt eine Querschnittsansicht benachbarter Pixelzellenstrukturen, die keine Lichtabsorptionsschicht besitzen und die einen Abschnitt eines herkömmlichen Lichtventils bilden. Ein Abschnitt 200 des herkömmlichen Lichtventils enthält eine obere Glasplatte 202, die über ein (nicht gezeigtes) Dichtungselement mit einer Zwischenverbindung 204 verbunden ist. Das Dichtungselement dient dazu, einen Anzeigebereich einzuschließen und die Glasplatte 202 von der Zwischenverbindung 204 um eine vorgegebene geringe Strecke zu trennen. Somit besitzt das Lichtventil einen inneren Hohlraum 206, der durch die Glasplatte 202 und die Zwischenverbindung 204 definiert ist. In den inneren Hohlraum 206 ist ein Flüssigkristallmaterial 211 wie etwa ein auf ein Polymer dispergierter Flüssigkristall (PDLC) dicht eingeschlossen.
Der Abschnitt 200 des in 10 gezeigten herkömmlichen Lichtventils zeigt benachbarte Pixelzellen 210a und 210b mit reflektierenden Pixelelektroden 212a bzw. 212b. Die reflektierenden Pixelelektroden 212a und 212b sind als Teil einer dritten Metallisierungsschicht 214 der Zwischenverbindung 204 ausgebildet. Die Oberflächen benachbarter Pixelelektroden 212a und 212b sind mit einer reflektierenden Schicht 216 abgedeckt. Die reflektierende Schicht 216 dient dazu, weißes Licht, das auf die Pixelzelle wie oben in Verbindung mit 9 beschrieben auftrifft, wegzureflektieren. Benachbarte Pixelelektroden 212a und 212b sind mit entsprechenden Speicherkondensatorstrukturen 218a und 218b, die in einem darunterliegenden Siliciumsubstrat 205 ausgebildet sind, elektrisch verbunden.
Während des Betriebs der Pixelzellen 210a und 210b sind (nicht gezeigte) Treiberschaltungen mit Speicherkondensatoren 218a und 218b über Zeilenwählleitungen 220a und 220b, die als Teil einer ersten Metallisierungsschicht 222 der Zwischenverbindung 204 ausgebildet sind, elektrisch verbunden. Die Speicherkondensatoren 218a und 218b übertragen ihrerseits Spannungen an die Pixelzellenelektroden 212a und 212b über Abschnitte der ersten, der zweiten und der dritten Metallisierungsschichten 222, 224 bzw. 214 der Zwischenverbindung 204.
Die erste Metallisierungsschicht 222 ist vom Siliciumsubstrat 205 durch eine erste Zwischenmetall-Dielektrikum schicht 226 elektrisch isoliert. Die zweite Metallisierungsschicht 224 ist von der ersten Metallisierungsschicht 222 durch eine zweite Zwischenmetall-Dielektrikumschicht 225 elektrisch isoliert. Die dritte Metallisierungsschicht 214 ist von der zweiten Metallisierungsschicht 224 durch eine dritte Zwischenmetall-Dielektrikumschicht 228 elektrisch isoliert.
Das wahlweise Anlegen einer Spannung an die Pixelelektroden 212a und 212b schaltet die Pixelzellen 210a und 210b des Lichtventils 200 ein und aus. Genauer ändert eine an die Pixelelektrode angelegte Spannung die Richtung der Orientierung des Flüssigkristallmaterials auf der Pixelelektrode. Eine Änderung der Richtung der Orientierung des Flüssigkristallmaterials auf der Pixelelektrode ändert die optischen Eigenschaften des durch den Flüssigkristall hindurchgehenden Lichts. Falls das Lichtventil einen verdrehten nematischen Kristall enthält, geht das Licht durch das Lichtventil unverändert hindurch, wenn an der Pixelelektrode keine Spannung anliegt, während das Licht polarisiert wird, wenn an die Pixelelektrode eine Spannung angelegt wird. Falls das Lichtventil PDLC enthält, geht das Licht durch das Lichtventil unverändert hindurch, wenn an die Pixelelektrode eine Spannung angelegt wird, während das Licht gestreut wird, falls an der Pixelelektrode keine Spannung anliegt.
In dem in 10 gezeigten herkömmlichen Lichtventil kann auftreffendes weißes Licht in die Zwischenverbindung 204 durch einen schmalen Spalt 230 zwischen benachbarten Pixelelektroden 212a und 212b eindringen. Die auftreffende Lichtwelle 232 kann in den schmalen Spalt 230 eintreten, wird an den Ecken 234 der Pixelzellenelektroden 212a und 212b gebrochen und dann von der zweiten Schicht der Zwischenverbindungsmetallisierung 224 auf mehreren verschiedenen Wegen reflektiert, bis sie schließlich in das Siliciumsubstrat 204 eindringt.
Das Eindringen des auftreffenden Lichts 232 in das Siliciumsubstrat 204 kann unerwünschte Ströme induzieren, die die in den Speicherkondensatoren 218a und 218b vorhandene Ladung stören können. Als Ergebnis dieser Ladungsfluktuation kann sich die Helligkeit der Pixelzellen 210a und 210b zwischen aufeinanderfolgenden Schreibzuständen ändern, was ein "Flackern" des Bildes hervorruft. Das durch die eindringenden Lichtwellen erzeugte Flackern verringert die Bildqualität und kann eine Belastung des Auges eines Beobachters hervorrufen.
Bei vorhandenen Vorrichtungen ist versucht worden, dieses Problem dadurch zu lösen, daß eine einfache Lichtabsorptionssschicht in den Zwischenverbindungsbereich eingebaut wird. 11 zeigt eine Querschnittsansicht benachbarter Pixelzellenstrukturen, die eine einfache Lichtabsorptionsschicht enthalten und die einen Teil eines herkömmlichen Lichtventils bilden. Das in 11 gezeigte Lichtventil stimmt mit dem in 10 gezeigten Lichtventil überein, mit der Ausnahme, daß zwischen die zweite dielektrische Zwischenmetallschicht 328 eine einfache lichtabsorbierende Schicht 350 eingesetzt worden ist. Die einfache lichtabsorbierende Schicht ist typischerweise aus einem optisch hochgradig absorbierenden Material wie etwa TiN gebildet.
11 zeigt, daß, während der größte Teil der auftreffenden Lichtwelle 332, die in den schmalen Spalt 330 eintritt, durch die einfache lichtabsorbierende Schicht 350 absorbiert wird, ein gewisser Anteil des auftreffenden Lichts von der Oberfläche der lichtabsorbierenden Schicht 350 reflektiert wird. Dieses reflektierte Licht kann durch die Zwischenverbindung 304 auf verschiedenen Wegen verlaufen, um anschließend in das Siliciumsubstrat 305 einzudringen und Anlaß zu elektrischen Strömen im Siliciumsubstrat 305 zu geben, die die in den Speicherkondensatorstrukturen 318a und 318b gespeicherten Ladungen stören.
Aus EP 0 833 171 A2 ist ein Flüssigkristall-Lichtventil bekannt, bei dem eine Schicht mit sich abwechselnden Farbfiltern und dazwischen angeordneten Dünnfilmstapeln vorgesehen ist. Oberhalb der Schicht befindet sich eine Schutzschicht und eine gemeinsame Elektrode. Unterhalb der Schicht befindet sich das Substrat, das den Flüssigkristall, einzelne Pixelelektroden und integrierte Schaltungen enthält.
Aus EP 0 921 419 A1 , US 5,691,044 A sowie WO 94/19709 A1 ist jeweils ein Dünnfilmstapel bekannt.
Aus US 5,461,501 A ist ein Flüssigkristall-Lichtventil bekannt, dessen Aufbau dem in 10 gezeigten Aufbau entspricht.
Aus EP 0 725 303 A1 ist eine Vorrichtung für ein Flüssigkristall-Display bekannt, bei der eine optisch absorbierende Schicht verwendet wird. Die optisch absorbierende Schicht besteht aus einer Aufeinanderlaminierung von einer 10 nm dicken Ti-Schicht, einer 100 nm dicken Al-Schicht und einer 50 nm dicken TiN-Schicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Flüssigkristall-Lichtventil zu schaffen, das nicht nur auftreffendes Licht absorbiert, sondern außerdem eine Reflexion des auftreffenden Lichts verhindert, das schließlich zu einem Eindringen von Licht in das darunterliegende Siliciumsubstrat der Pixelzelle führen könnte.
Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Ein derartiges Flüssigkristall-Lichtventil ist so beschaffen, daß es das Eindringen von Licht in das darunterliegende Siliciumsubstrat verhindert.
In einer Ausführung des Flüssigkristall-Lichtventils ist der lichtabsorbierende Dünnfilmstapel in dem Zwischenmetalldielektrikum der höchsten Ebene der Zwischenverbindung ausgebildet.
Der lichtabsorbierende Dünnfilmstapel ist aus einer Oberflächenschichtkombination und einer Rückkehrverhinderungs-Absorptionsschicht, die auch als untere Schicht bezeichnet wird, gebildet. Jede der Schichten, die die Oberflächenschichtkombination bilden, ändert den Phasenwinkel der Lichtwellen gegenüber der direkt vorhergehenden Schicht. Die Dicken der Oberflächenschichtkombination sind so bemessen, daß eine destruktive Interferenz des reflektierten Lichts erzeugt wird. Eine dicke Rückkehrverhinderungs-Absorptionsschicht (untere Schicht), die hinter der Oberflächenschichtkombination angeordnet ist, gewährleistet, daß der Anteil des auftreffenden Lichts, der von der Oberflächenschichtkombination nicht reflektiert wird, durchgelassen wird.
Die optischen Eigenschaften dieser ersten Ausführung fördern eine ausreichende Absorption des auftreffenden Lichts und eine destruktive Interferenz des reflektierten Lichts, so daß ein Eindringen von Licht in das darunterliegende Siliciumsubstrat beseitigt wird.
Genauer werden die Filme, aus denen die Oberflächenschichtkombination aufgebaut ist, in der Weise gewählt, daß die obere Schicht des Stapels einen höheren Brechungsindex als das über ihr liegende Material besitzt. Die mittlere Schicht besitzt ihrerseits einen niedrigeren Brechungsindex als die obere Schicht. Die untere Rückkehrverhinderungsschicht besitzt einen höheren Brechungsindex als die mittlere Schicht.
In einer ersten Ausführung eines Flüssigkristall-Lichtventils ist die Oberflächenschichtkombination aus zwei Schichten aufgebaut: aus einer dünnen Schicht (≈ 100 Å) aus TiN über einer dickeren Schicht (≈ 550 Å) aus Siliciumdioxid. Die Rückkehrverhinderungs-Absorptionsschicht ist aus einer dicken Schicht (≈ 1700 Å) aus TiN aufgebaut.
Die Zusammensetzung und die Dicke der oberen und mittleren Schichten sind so zugeschnitten, daß sich wesentlich verschiedene optische Dicken ergeben. Die verschiedenen optischen Dicken zwingen jede der reflektierten Wellen zu einer destruktiven Interferenz. Diese destruktive Interferenz dämpft das Reflexionsvermögen von Licht in das Zwischenmetalldielektrikum.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 zeigt eine Querschnittsansicht benachbarter Pixelzellenstrukturen, die einen lichtabsorbierenden Dünnfilmstapel enthalten.
2 zeigt eine Querschnittsansicht des lichtabsorbierenden Dünnfilmstapels nach 1.
3 zeigt ein Reflexionsdiagramm des lichtabsorbierenden Dünnfilmstapels nach 1 und 2.
4 zeigt die relative Verschiebung des Phasenwinkels zwischen den in 3 gezeigten reflektierenden Lichtwellen.
Die 5A bis 5D zeigen die Ergebnisse einer Computermodellierung des Lichtreflexionsvermögens verschiedener lichtabsorbierender Dünnfilmstapel aus drei Schichten, die TiN für die obere Schicht und für die Rückkehrverhinderungsschicht verwenden.
6 zeigt die Ergebnisse einer Computermodellierung des Reflexionsvermögens für Licht, das sich in Vorwärtsrichtung und Rückwärtsrichtung durch einen lichtabsorbierenden Stapel aus drei Schichten, in dem für die mittlere Schicht Siliciumnitrid verwendet wird, bewegt.
Die 7A und 7B zeigen die Ergebnisse einer Computermodellierung des Reflexionsvermögens verschiedener lichtabsorbierender Dünnfilmstapel aus fünf Schichten.
Die 8A bis 8C zeigen die Ergebnisse einer Computermodellierung des Reflexionsvermögens verschiedener lichtabsorbierender Dünnfilmstapel aus drei Schichten, die TiW für die obere Schicht und für die Rückkehrverhinderungsschicht verwenden.
9 zeigt ein herkömmliches LCD-Projektionssystem.
10 zeigt eine Querschnittsansicht benachbarter Pixelzellenstrukturen, die keine Lichtabsorptionsschicht besitzen und die einen Teil eines herkömmlichen Lichtventils bilden.
11 zeigt eine Querschnittsansicht benachbarter Pixelzellenstrukturen, die eine einfache Lichtabsorptionsschicht enthalten und die einen Teil eines herkömmlichen Lichtventils eines weiteren Typs bilden.
Der in 1 dargestellte Querschnitt benachbarter Pixelzellenstrukturen enthält einen Abschnitt 400 eines Lichtventils mit einer oberen Glasplatte 402, die mit einer Zwischenverbindung 404 durch ein (nicht gezeigtes) Dichtungselement verbunden ist. Das Dichtungselement dient dazu, einen Anzeigebereich dicht einzuschließen und die Glasplatte 402 von der Zwischenverbindung 404 um eine vorgegebene geringe Strecke zu trennen. Daher besitzt das Lichtventil einen inneren Hohlraum 406, der durch die Glasplatte 402 und durch die Zwischenverbindung 404 definiert ist. Das Flüssigkristallmaterial 411 wie etwa ein auf ein Polymer dispergierter Flüssigkristall (PDLC) ist in den inneren Hohlraum 406 dicht eingeschlossen.
Der Abschnitt 400 zeigt benachbarte Pixelzellen 410a und 410b mit reflektierenden Pixelzellenelektroden 412a bzw. 412b. Die reflektierenden Pixelzellenelektroden 412a und 412b sind als Teil einer dritten Metallisierungsschicht 414 der Zwischenverbindung 404 ausgebildet. Die Oberflächen der benachbarten Pixelzellenelektroden 412a und 412b sind mit einer reflektierenden Schicht 416 bedeckt. Die reflektierende Schicht 416 dient dazu, weißes Licht, das auf die Pixelzelle auftrifft, wie oben in Verbindung mit 9 beschrieben wegzureflektieren. Die benachbarten Pixelzellenelektroden 412a und 412b sind mit entsprechenden Speicherkondensatorstrukturen 418a und 418b, die in einem darunterliegenden Siliciumsubstrat 405 gebildet sind, elektrisch verbunden.
Während des Betriebs der Pixelzellen 410a und 410b sind (nicht gezeigte) Treiberschaltungen mit Speicherkondensatoren 418a und 418b über Zeilenwählleitungen 420a bzw. 420b, die als Teil einer ersten Metallisierungsschicht 422 der Zwischenverbindung 404 gebildet sind, elektrisch verbunden. Die Speicherkondensatoren 418a und 418b übertragen ihrerseits Spannungen an die Pixelzellenelektroden 412a und 412b über Abschnitte der ersten, zweiten und dritten Metallisierungsschichten 422, 424 bzw. 414 der Zwischenverbindung 404.
Die erste Metallisierungsschicht 422 ist vom Siliciumsubstrat 405 durch eine erste Zwischenmetall-Dielektrikumschicht 426 elektrisch isoliert. Die zweite Metallisierungsschicht 424 ist von der ersten Metallisierungsschicht 422 durch eine zweite Zwischenmetall-Dielektrikumschicht 425 elektrisch isoliert. Die dritte Metallisierungsschicht 414 ist von der zweiten Metallisierungsschicht 424 durch eine dritte Zwischenmetall-Dielektrikumschicht 428 elektrisch isoliert.
Das wahlweise Anlegen einer Spannung an die Pixelzellenelektroden 412a und 412b schaltet die Pixelzellen 410a und 410b zwischen den extremen Zuständen "ein" und "aus". Genauer ändert eine an die Pixelzellenelektrode 412a, 412b angelegte Spannung die Richtung der Orientierung des Flüssigkristallmaterials auf der Pixelzellenelektrode 412a, 412b. Eine Änderung der Richtung der Orientierung des Flüssigkristallmaterials 411 auf der Pixelzellenelektrode 412a, 412b ändert die optischen Eigenschaften des durch das Flüssigkristallmaterial 411 verlaufenden Lichts.
Falls das Lichtventil einen verdrehten nematischen Kristall enthält, bewegt sich das Licht unverändert durch das Lichtventil, wenn an die Pixelzellenelektrode 412a, 412b keine Spannung angelegt wird, während das Licht polarisiert wird, wenn an die Pixelzellenelektrode 412a, 412b eine Spannung angelegt wird. Falls das Lichtventil PDLC enthält, bewegt sich das Licht unverändert durch das Lichtventil, wenn an die Pixelzellenelektrode 412a, 412b eine Spannung angelegt wird, während das Licht gestreut wird, falls an die Pixelzellenelektrode 412a, 412b keine Spannung angelegt wird.
In dem Lichtventil kann auftreffendes weißes Licht in den Innenraum der Pixelzellen 410a, 410b durch den kleinen Spalt 430 eindringen, der zwischen benachbarten Pixelzellenelektroden 412a und 412b vorhanden ist. Das in den kleinen Spalt 430 eindringende Licht trifft jedoch auf den lichtabsorbierenden Dünnfilmstapel 451 in der dritten Zwischenmetall-Dielektrikumschicht 428.
Gemäß 2 besteht der lichtabsorbierende Dünnfilmstapel 451 aus einer Oberflächenschichtkombination 452 über der Rückkehrverhinderungsabsorptionsschicht 453, die auch als untere Schicht 453 bezeichnet wird. In dieser Ausführung ist die Oberflächenschichtkombination 452 aus zwei Schichten aufgebaut: einer oberen TiN-Schicht 452a und aus einer mittleren Siliciumdioxidschicht 452b.
Jede der Schichten 452a, 452b und 453 besitzt eine unterschiedliche Dicke. Die obere TiN-Schicht 452a besitzt eine Dicke im Bereich von ungefähr 40 bis ungefähr 300 Å und eine bevorzugte Dicke von ungefähr 150 Å. Die mittlere SiO₂-Schicht 452b besitzt eine Dicke im Bereich von ungefähr 200 bis ungefähr 950 Å und eine bevorzugte Dicke von ungefähr 500 Å. Die Rückkehrverhinderungs-Absorptionsschicht 453 (untere Schicht 453) aus TiN besitzt eine Dicke im Bereich von ungefähr 300 bis ungefähr 2000 Å und eine bevorzugte Dicke von ungefähr 1750 Å.
Der lichtabsorbierende Dünnfilmstapel 451 arbeitet durch Erzeugen einer destruktiven Interferenz zwischen reflektierten Lichtwellen und durch Absorption jeglichen Lichts, das weder reflektiert noch durchgelassen wird. Um das Reflexionsvermögen der Materialien, die die Absorptionsschicht bilden, minimal zu machen, ist es wünschenswert, Änderungen des Phasenwinkels der reflektierten Lichtwellen zu erzeugen, derart, daß die reflektierten Lichtwellen miteinander destruktiv interferieren. Diese erzeugte destruktive Interferenz setzt das Reflexionsvermögen der Absorptionsschicht herab und verhindert somit, daß sich reflektiertes Licht zum Siliciumsubstrat bewegt.
Die Funktionsweise des lichtabsorbierenden Dünnfilmstapels wird im folgenden erläutert. Die erste Erläuterung verwendet eine vereinfachte mathematische Behandlung. Die zweite Erläuterung diskutiert den wirklichen Entwurf des lichtabsorbierenden Dünnfilmstapels unter Verwendung einer computergestützten Modellierung.
1. VEREINFACHTES REFLEXIONSMODELL
Die folgende Gleichung (1) beschreibt den Phasenwinkel der Lichtwellen, die durch die Schichten eines lichtabsorbierenden Dünnfilmstapels verlaufen:
wobei v die dielektrische Schicht ist, ϕ_v der Phasenwinkel der Lichtwelle ist, n_v der Brechungsindex der Schicht ist, λ die Wellenlänge der Lichtwelle ist, d_v die Dicke der Schicht ist und θ_v der Brechungswinkel ist.
Der komplexe Brechungsindex n_v einer besonderen Schicht ist durch die folgende Gleichung gegeben: nv = n – j × k (1A)wobei n der Realteil des Brechungsindexes ist, j die imaginäre Wurzel ist und k der Extinktionskoeffizient ist.
Der Phasenwinkel der reflektierten Welle ist durch die folgende Gleichung gegeben:
Der Brechungswinkel θ_v von Gleichung (1) kann unter Verwendung des Snellschen Gesetzes bestimmt werden: θv-1 × sin(θv-1) = θv × sin(θv) (3)wobei θ_v-1 der Auftreffwinkel ist.
Aus den Gleichungen (1), (2) und (3) geht hervor, daß die das Verhalten des lichtabsorbierenden Dünnfilmstapels gemäß der Erfindung bestimmenden Parameter 1) der Brechungsindex (n_v) und 2) die Dicke (d_v) des Dünnfilms sind. Somit können die Dicke und die Zusammensetzung der Schichten des lichtabsorbierenden Dünnfilmstapels so eingestellt werden, daß sich die optimale Verschiebung des Phasenwinkels des von den verschiedenen Schichten reflektierten bzw. durch diese verschiedenen Schichten durchgelassenen Lichts ergibt.
Mit Bezug auf 3 wird eine vereinfachte Beschreibung der Funktionsweise des lichtabsorbierenden Dünnfilmstapels gegeben.
In 3 besitzt die obere TiN-Schicht 452a einen größeren Brechungsindex als die darüberliegende dritte Schicht 428 des Zwischenmetalldielektrikums. Die mittlere Siliciumdioxidschicht 452b besitzt einen kleineren Brechungsindex als die obere TiN-Schicht 452a. Die Rückkehrverhinderungsabsorp tionsschicht 453 besitzt einen größeren Brechungsindex als die mittlere Siliciumdioxidschicht 450b.
Die auftreffende Lichtwelle 432 bewegt sich von der Zwischenmetall-Dielektrikumschicht 428 zur Oberfläche der oberen TiN-Schicht 452a, wobei ein Teil der auftreffenden Lichtwelle 432 am Punkt A als Lichtwelle 434 reflektiert wird, während der Rest von TiN absorbiert oder zur mittleren Schicht 452b durchgelassen wird. Die einmal durchgelassene Lichtwelle 436 trifft dann auf die mittlere Schicht 452b, wo ein Teil am Punkt B als Lichtwelle 437 reflektiert wird, während der Rest in die mittlere Schicht 452b als zweimal durchgelassene Lichtwelle 438 durchgelassen wird. Die Lichtwelle 437 bewegt sich durch die obere Schicht 452a zurück und tritt von der oberen Schicht 452a am Punkt C als Lichtwelle 440 aus.
Wenn die zweimal durchgelassene Welle 438 auf die Rückkehrverhinderungs-Absorptionsschicht 453 auftrifft, wird ein Teil von ihr durch die Rückkehrverhinderungs-Absorptionsschicht 453 als Welle 442 reflektiert, während die restliche Welle 438 in die Rückkehrverhinderungs-Absorptionsschicht 453 eintritt und von dieser absorbiert wird. Die reflektierte Welle 442 bewegt sich dann durch die mittlere Schicht 452b zurück, um aus der oberen Schicht 452a auszutreten.
Sämtliche Lichtwellen 434, 440 und 442, die von dem lichtabsorbierenden Stapel 451 reflektiert werden, interferieren miteinander. Die aus der Oberfläche der oberen Schicht 452a am Punkt C austretende Lichtwelle 440 muß sich um die zusätzliche Strecke ABC weiter als die Lichtwelle 434 bewegen, die am Punkt A der oberen Schicht 452 reflektiert wird. Diese durchlaufene Strecke bewirkt eine Phasenänderung der austretenden Wellen im Vergleich zur auftreffenden Welle.
In 3 ist ein Beispiel dieser destruktiven Interferenz dargestellt, wobei sich am Punkt Z' die reflektierte Lichtwelle 434 an einem Tiefpunkt befindet, während die reflektierte Lichtwelle 440 eine Spitze besitzt. Am Punkt Z'' besitzt jedoch die reflektierte Lichtwelle 434 eine Spitze, während sich die reflektierte Lichtwelle 440 an einem Tiefpunkt befindet.
2. COMPUTERGESTÜTZTE MODELLIERUNG DES REFLEXIONSVERMÖGENS
Leider bestehen in dem oben diskutierten vereinfachten Reflexionsmodell zahlreiche Schwierigkeiten. Ein Problem besteht darin, daß die Ausführung der obenbeschriebenen mathematischen Berechnungen für lichtabsorbierende Stapel, die aus mehr als zwei Dünnfilmen bestehen, äußerst aufwendig wird.
Weiterhin zeigen Dünnfilme keinen konstanten Brechungsindex über das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts. Statt dessen ändert sich der Brechungsindex der Dünnfilme in Abhängigkeit von der Wellenlänge des auftreffenden Lichts. Im Ergebnis erfordert die Optimierung des Absorptionscharakters des Dünnfilmstapels eine Optimierung über das gesamte sichtbare Spektrum. Die Forderung der Optimierung der Leistung des Stapels über das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts macht die Berechnungen noch komplizierter.
Daher wurde der tatsächliche Entwurf des lichtabsorbierenden Dünnfilmstapels unter Ausnutzung der computergestützten Modellierung ausgeführt. Das gewöhnlich verwendete Matrixverfahren zur Lösung der Reflexions- und Durchlaßprobleme, das angegeben ist in Handbook of Optics (CD-ROM Ver.), J. A. Dobrowolski, BD. I, Teil 11, Kap. 42, S. 9–13 (McGraw-Hill, 1997), diente als theoretische Basis für diese Computermodellierung.
Die Modellierung wurde auf einem Memorex Telex Celeria MT und auf einem NEC Versa 6030H unter Verwendung des Computerprogramms Mathcad Plus 6.0 Professional Edition, Mathsoft, Inc., 1986–1995, ausgeführt. Dieses Programm forderte den Anwender auf, Werte für die folgenden Parameter einzugeben: 1) Materialdispersion; 2) Filmdicke; und 3) Brechungsindex der Filme in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Auf der Grundlage dieser Eingaben berechnete das Programm anschließend den Gesamtreflexionswert für den Dünnfilmstapel.
4 zeigt die relative Verschiebung des Phasenwinkels zwischen reflektierten Lichtwellen 432, 434, 440 und 442, die in 3 gezeigt sind. 4 ergibt, daß die Lichtwelle 434 vom lichtabsorbierenden Dünnfilmstapel 451 unter einem Phasenwinkel von +139° relativ zur auftreffenden Lichtwelle 432 reflektiert wird. Die einmal durchgelassene Lichtwelle 440 wird vom lichtabsorbierenden Dünnfilmstapel 451 unter einem Phasenwinkel von 0° relativ zur auftreffenden Lichtwelle 432 reflektiert. Die zweimal durchgelassene Lichtwelle 442 wird vom lichtabsorbierenden Dünnfilmstapel 451 unter einem Phasenwinkel von +278° relativ zur auftreffenden Lichtwelle 432 absorbiert.
Unter der Annahme, daß die reflektierten Lichtwellen die anfängliche beliebige Amplitude der auftreffenden Lichtwelle 432 beibehalten, geht aus 4 hervor, daß die reflektierten Lichtwellen 434, 440 und 442 miteinander destruktiv interferieren. Diese destruktive Interferenz dämpft die Lichtmenge, die von dem lichtabsorbierenden Dünnfilmstapel gemäß der Erfindung reflektiert wird.
Die 5A bis 5D zeigen die Ergebnisse einer Computermodellierung des Reflexionsvermögens mehrerer verschiedener lichtabsorbierender Dünnfilmstapel aus drei Schichten, die für die obere Schicht und für die Rückkehrverhinderungsschicht TiN verwenden.
In 5A ist das Reflexionsvermögen für eine Menge lichtabsorbierender Dünnfilmstapel dargestellt, die eine Rückkehrverhinderungsschicht aus TiN mit einer Dicke von 1750 Å, eine Mittelschicht aus SiO₂ mit einer Dicke von 400 Å und eine obere Schicht aus TiN mit Dicken von 100 Å, 150 Å oder 200 Å besitzen.
In 5B ist das Reflexionsvermögen für eine Menge von lichtabsorbierenden Dünnfilmstapeln dargestellt, die eine Rückkehrverhinderungsschicht aus TiN mit einer Dicke von 1750 Å, eine Mittelschicht aus SiO₂ mit einer Dicke von 500 Å und eine obere Schicht aus TiN mit einer Dicke von 100 Å, 150 Å oder 200 Å besitzen.
In 5C ist das Reflexionsvermögen für eine Menge von lichtabsorbierenden Dünnfilmstapeln dargestellt, die eine Rückkehrverhinderungsschicht aus TiN mit einer Dicke von 1750 Å, eine Mittelschicht aus SiO₂ mit einer Dicke von 550 Å und eine obere Schicht aus TiN mit einer Dicke von 100 Å, 150 Å oder 200 Å besitzen.
In 5D ist das Reflexionsvermögen für eine Menge von lichtabsorbierenden Dünnfilmstapeln dargestellt, die eine Rückkehrverhinderungsschicht aus TiN mit einer Dicke von 1750 Å, eine Mittelschicht aus SiO₂ mit einer Dicke von 600 Å und eine obere Schicht aus TiN mit einer Dicke von 100 Å, 150 Å oder 200 Å besitzen.
Die einfache visuelle Untersuchung der 5A bis 5D ergibt, daß die Wellenlänge, bei der das Reflexionsvermögen minimal ist, mit zunehmender Dicke der Mittelschicht ansteigt. Das niedrigste Reflexionsvermögen ungefähr in der Mitte des sichtbaren Spektrums (570 nm) wurde bei Verwendung eines lichtabsorbierenden Dünnfilmstapels mit einer Dicke von 150 Å/500 Å/1750 Å erzielt, wie in 5B gezeigt ist.
Selbstverständlich zeigen andere Kombinationen über anderen Abschnitten des Spektrums des sichtbaren Lichts ein besseres Reflexionsvermögen.
6 zeigt das Ergebnis der Computermodellierung des Reflexionsvermögens für das in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung durch einen lichtabsorbierenden Stapel mit drei Schichten verlaufende Licht, für den als mittlere Schicht Siliciumnitrid verwendet wird. Diese alternative Ausführung des Dünnfilmstapels stimmt mit der in den 2 bis 4 gezeigten zweckmäßigen Ausführung nahezu vollkommen überein, mit der Ausnahme, daß er einen mittleren Si₃N₄-Film mit einer Dicke von 550 Å und einen unteren Film mit einer Dicke von 1700 Å enthält.
6 zeigt, daß wegen des hohen Absorptionsvermögens von TiN und der Dicke der 1700 Å-Rückkehrverhinderungs-Absorptionsschicht aus TiN kein Nettodurchlaß von auftreffendem sichtbaren Licht durch den lichtabsorbierenden Dünnfilmstapel auftritt. Das bedeutet, daß das gesamte auftreffende Licht entweder reflektiert oder absorbiert wird.
Darüber hinaus ist bei der mittleren Wellenlänge des sichtbaren Lichts (600 nm) das Nettoabsorptionsvermögen des lichtabsorbierenden Dünnfilmstapels 100%, ohne daß Licht reflektiert wird. Bei Wellenlängen des sichtbaren Lichts, die größer oder kleiner als 600 nm sind, wird ein bestimmter Prozentsatz des auftreffenden Lichts eher reflektiert als absorbiert. Für dieses reflektierte Licht ist die Eigenschaft der destruktiven Interferenz des lichtabsorbierenden Dünnfilmstapels geschaffen worden.
6 zeigt außerdem die theoretischen optischen Eigenschaften des lichtabsorbierenden Dünnfilmstapels beim Durchgang des Lichts in Rückwärtsrichtung. 6 ergibt, daß ein Nettodurchlaß des auftreffenden sichtbaren Lichts durch den lichtabsorbierenden Dünnfilmstapel auftritt, wenn das Licht zunächst auf die dicke Rückkehrverhinderungs-Schicht aus TiN (1700 Å), dann auf die mittlere Schicht aus Si₃N₄ (500 Å) und schließlich auf die obere dünne Schicht aus TiN (100 Å) trifft.
Die theoretische Modellierung des Rückwärtsdurchgangs des Lichts durch den lichtabsorbierenden Dünnfilmstapel in 6 zeigt die Wichtigkeit der relativen Dicke und die Reihenfolge der Schichten, die der lichtabsorbierende Dünnfilmstapel enthält. Wie in 6 gezeigt ist, dringt während des Rückwärtsdurchgangs eine geringe Lichtmenge durch die dicke Rückkehrverhinderungs-TiN-Schicht ein, um in das Siliciumsubstrat einzutreten.
Der lichtabsorbierende Dünnfilmstapel ist nicht auf drei Schichten eingeschränkt. Statt dessen kann die Oberflächenschichtkombination aus mehr als zwei Schichten gebildet sein, solange jede Schicht ausreichend unterschiedliche optische Eigenschaften gegenüber den direkt angrenzenden Schichten besitzt, um die destruktive Interferenz sicherzustellen. Die 7A und 7B zeigen die Ergebnisse der Computermodellierung des Reflexionsvermögens mehrerer verschiedener lichtabsorbierender Dünnfilmstapel aus fünf Schichten.
In 7A ist das Reflexionsvermögen für eine Menge von lichtabsorbierenden Dünnfilmstapeln dargestellt, die eine Rückkehrverhinderungsschicht aus TiN mit einer Dicke von 1750 Å, eine zweite Schicht aus SiO₂ mit einer Dicke von 400 Å, eine dritte Schicht aus TiN mit einer Dicke von 100 Å, eine vierte Schicht aus SiO₂ mit einer Dicke von 600 Å und eine obere TiN-Schicht mit einer Dicke von 100 Å, 120 Å oder 140 Å besitzen.
In 7B ist das Reflexionsvermögen für eine Menge von lichtabsorbierenden Dünnfilmstapeln dargestellt, die eine Rückkehrverhinderungsschicht aus TiN mit einer Dicke von 1750 Å, eine zweite Schicht aus SiO₂ mit einer Dicke von 400 Å, eine dritte Schicht aus TiN mit einer Dicke von 100 Å, eine vierte Schicht aus SiO₂ mit einer Dicke von 700 Å und eine obere Schicht aus TiN mit einer Dicke von 100 Å, 120 Å oder 140 Å besitzen.
Die lichtabsorbierenden Dünnfilmstapel mit fünf Schichten, die in den 7A und 7B gezeigt sind, besitzen im unteren Bereich des sichtbaren Lichtspektrums eine besonders ausgeprägte Absorptionseigenschaft. Diese Eigenschaft macht solche lichtabsorbierenden Strukturen besonders geeignet für Anwendungen, die die Absorption von Licht mit diesen Wellenlängen erfordern.
Weiterhin könnte ein lichtabsorbierender Dünnfilmstapel auch aus Materialien gebildet sein, die von TiN und von Siliciumdioxid wie oben beschrieben verschieden sind. Beispielsweise könnte das Siliciumdioxid durch Siliciumnitrid als im wesentlichen nicht absorbierende Mittelschicht ersetzt sein, wie weiter oben in Verbindung mit 6 diskutiert worden ist. Da Si₃N₄ und SiO₂ nicht genau die gleichen optischen Eigenschaften besitzen, würde die relative Dicke der Schichten selbstverständlich eine Einstellung erfordern, um den gewünschten Grad an destruktiver Interferenz zu erzielen.
Für die im wesentlichen absorbierenden Schichten, die die obere Schicht und die Rückkehrverhinderungsschicht des Stapels bilden, ist irgendeine Anzahl von ausreichend absorbierenden Materialien geeignet. Materialien, die 1) einen Brechungsindex zwischen ungefähr 1,3 und 6 besitzen und 2) einen Extinktionskoeffizienten im Bereich von ungefähr 0,8 bis 7 besitzen, zeigen ein annehmbares Absorptionsvermögen. Beispiele für solche Materialien enthalten amorphes Silicium und TiW, sie sind jedoch nicht darauf eingeschränkt. Die 8A bis 8C zeigen die Ergebnisse der Computermodellie rung des Reflexionsvermögens mehrerer verschiedener lichtabsorbierender Dünnfilmstapel aus drei Schichten, die für die obere Schicht und für die Rückkehrverhinderungsschicht TiW verwenden.
In 8A ist das Reflexionsvermögen für eine Menge von lichtabsorbierenden Dünnfilmstapeln dargestellt, die eine Rückkehrverhinderungsschicht aus TiW mit einer Dicke von 1500 Å, eine mittlere Schicht aus SiO₂ mit einer Dicke von 400 Å und eine obere Schicht aus TiW mit einer Dicke von 40 Å, 50 Å oder 60 Å besitzen.
In 8B ist das Reflexionsvermögen für eine Menge von lichtabsorbierenden Dünnfilmstapeln dargestellt, die eine Rückkehrverhinderungsschicht aus TiW mit einer Dicke von 1500 Å, eine mittlere Schicht aus SiO₂ mit einer Dicke von 500 Å und eine obere Schicht aus TiW mit einer Dicke von 40 Å, 50 Å oder 60 Å besitzen.
In 8C ist das Reflexionsvermögen für eine Menge von lichtabsorbierenden Dünnfilmstapeln dargestellt, die eine Rückkehrverhinderungsschicht aus TiW mit einer Dicke von 1750 Å, eine mittlere Schicht aus SiO₂ mit einer Dicke von 600 Å und eine obere Schicht aus TiW mit einer Dicke von 40 Å, 50 Å oder 60 Å besitzen.
Die Bildung einer lichtabsorbierenden Schicht muß in Verbindung mit den Verarbeitungsschritten erfolgen, die für die Bildung der anderen Strukturen des Lichtventils verwendet werden. Das Siliciumdioxid wird daher gegenüber Siliciumnitrid für die im wesentlichen nicht absorbierende mittlere Schicht bevorzugt, weil sie für eine Ätzung mit auf Chlor basierenden Systemen geeignet ist, die für die Fertigung der Schicht aus dem Zwischenmetalldielektrikum verwendet werden.
Obwohl darüber hinaus das in 1 dargestellte Lichtventil einen Dünnfilmstapel 451 in der höchsten Schicht 428 aus dem Zwischenmetalldielektrikum der Zwischenverbindung 404 enthält, könnte der lichtabsorbierende Stapel auch an anderen Stellen in der Zwischenverbindung 404 angeordnet sein. Beispielsweise könnte der Stapel auf der Schicht aus dem Zwischenmetalldielektrikum oder auf der Zwischenverbindungs-Metallisierungsschicht angeordnet sein.

Claims

Flüssigkristall-Lichtventil (400a), mit einem lichtdurchlässigen Substrat (402), das mit einem Siliciumsubstrat (405) durch ein Dichtungselement verbunden ist, um einen inneren Hohlraum (406) zu definieren, einem Flüssigkristallmaterial (411), das in dem inneren Hohlraum (406) vorhanden ist, mehreren Pixelzellen (410a, 410b), die im Siliciumsubstrat (405) gebildet sind, wobei jede Pixelzelle (410a, 410b) einen Speicherkondensator (418a, 418b) enthält, der Teil einer integrierten Schaltung im Siliciumsubstrat (405) ist und mit einer Pixelzellenelektrode (412a, 412b) elektrisch verbunden ist, und einem lichtabsorbierenden Dünnfilmstapel (451), der enthält: – eine Oberflächenschichtkombination (452), die zumindest eine obere und eine mittlere Schicht (452a, 452b) mit verschiedenen Durchlaßeigenschaften aufweist, derart, daß die Oberflächenschichtkombination (452) das reflektierte Licht einer destruktiven Interferenz unterwirft, und – eine untere Schicht (453) die das durch die Oberflächenschichtkombination (452) durchgelassene Licht absorbiert, wobei der lichtabsorbierende Dünnfilmstapel (451) unter einem Spalt (430) zwischen benachbarten Pixelzellenelektroden (412a, 412b) in einer Zwischenmetall-Dielektrikumschicht (425, 426, 428) zwischen der integrierten Schaltung im Siliciumsubstrat (405) und den Pixelzellenelektroden (412a, 412b) angeordnet ist, und die Oberflächenschichtkombination (452) den Pixelzellenelektroden (412a, 412b) und die untere Schicht (453) der integrierten Schaltung im Siliciumsubstrat (405) zugewandt ist, und wobei die obere Schicht (452a) der Oberflächenschichtkombination (452) einen größeren Brechungsindex aufweist als die mittlere Schicht (452b) der Oberflächenschichtkombination (452),
Flüssigkristall-Lichtventil nach Anspruch 1, wobei die obere Schicht (452a) eine absorbierende Schicht ist.
Flüssigkristall-Lichtventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberflächenschichtkombination (452) aus zwei Schichten (452a, 452b) besteht.
Flüssigkristall-Lichtventil nach Anspruch 3, wobei die obere Schicht (452a) aus TiN mit einer Dicke von 10 nm gebildet ist, die mittlere Schicht (452b) aus Siliciumdioxid mit einer Dicke von 55 nm gebildet ist und die untere Schicht (453) aus TiN mit einer Dicke von 170 nm gebildet ist.
Flüssigkristall-Lichtventil nach Anspruch 3, wobei die obere Schicht (452a) aus TiN mit einer Dicke von 15 nm gebildet ist, die mittlere Schicht (452b) aus Siliciumdioxid mit einer Dicke von 50 nm gebildet ist und die untere Schicht (453) aus TiN mit einer Dicke von 175 nm gebildet ist.
Flüssigkristall-Lichtventil nach Anspruch 3, wobei die obere Schicht (452a) aus TiN mit einer Dicke von 10 nm gebildet ist, die mittlere Schicht (452b) aus Siliciumnitrid mit einer Dicke von 55 nm gebildet ist und die untere Schicht (453) aus TiN mit einer Dicke von 170 nm gebildet ist.
Flüssigkristall-Lichtventil nach Anspruch 3, wobei die obere Schicht (452a) aus TiW mit einer Dicke im Bereich von 4 bis 6 nm gebildet ist, die mittlere Schicht (452b) aus Siliciumdioxid mit einer Dicke von 50 nm gebildet ist und die untere Schicht (453) aus TiW mit einer Dicke von 150 nm gebildet ist.
Flüssigkristall-Lichtventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberflächenschichtkombination (452) aus vier Schichten besteht.
Flüssigkristall-Lichtventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste obere Schicht aus TiN mit einer Dicke im Bereich von 10 nm bis 15 nm gebildet ist, eine erste mittlere Schicht aus Siliciumdioxid mit einer Dicke im Bereich von 50 nm bis 70 nm gebildet ist, eine zweite obere Schicht aus TiN mit einer Dicke von 10 nm gebildet ist, eine zweite mittlere Schicht aus Siliciumdioxid mit einer Dicke von 40 nm gebildet ist und die untere Schicht (453) aus TiN mit einer Dicke von 175 nm gebildet ist.