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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einem Substrat,
wobei auf einer ersten Seite davon ein erstes Halbleiterelement
und mindestens eine Sicherheitsbeschichtung, die einen pulverförmigen,
in eine Matrix eingearbeiteten Füllstoff
umfasst, aufgebracht sind.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine Chipkarte, die mit einer Halbleiteranordnung
versehen ist, die einen Speicher und eine Sicherheitsbeschichtung
umfasst, die einen pulverförmigen,
in eine Matrix eingearbeiteten Füllstoff
umfasst.
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US-A
5.399.441 offenbart eine Halbleiteranordnung der eingangs erwähnten Art,
in der die Sicherheitsbeschichtung eine Schicht mit einer Matrix aus
Siliziumoxid ist, in der ein pulverförmiger Füllstoff eingearbeitet ist.
Wenn die Matrix mit einem Füllstoff, wie
z.B. einem Oxid, einem Nitrid oder einem Carbid von Silizium, Aluminium
oder einem Metall gefüllt
ist, verhindert die Beschichtung mindestens 90% der Transmission
sichtbaren Lichts. Wenn die Matrix mit einem anorganischen Salz
eines Schwermetalls gefüllt
ist, verhindert die Beschichtung mindestens 90% der Transmission
einer bestimmten Art von Infrarotstrahlung.
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Es
ist ein Nachteil der bekannten Halbleiteranordnung, dass immer noch über 10%
der Strahlung ausgewählter
Wellenlängen
durch die Beschichtung durchgelassen werden. Wenn man bedenkt, dass
Mikroskope nach dem Stand der Technik mit sichtbarem Licht oder
nahe der Infrarotstrahlung arbeiten, ist dieser Prozentsatz zu hoch,
um adäquate Sicherheit
zu schaffen. In der bekannten Halbleiteranordnung enthaltene persönliche oder
finanzielle Daten werden zugänglich
und ein Verfahren, die Daten illegal zu ändern, könnte durch Reverse Engineering der
Halbleiteranordnung gefunden werden. Wenn also die bekannte Halbleiteranordnung
in einer Chipkarte angewendet wird und wenn die Chipkarte in die Hände einer
unehrlichen Person fällt,
sind die Daten darin für
einen Bruch der Sicherheit anfällig.
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Es
ist deshalb eine erste Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiteranordnung
der eingangs erwähnten
Art zu schaffen, in der die Beschichtung Transmission sichtbaren
Lichts und Nahes-Infrarot-Strahlung in einem größeren Umfang verhindert. Es
ist eine zweite Aufgabe, eine Chipkarte der eingangs erwähnten Art
zu schaffen, deren Halbleiteranordnung eine solche verbesserte Beschichtung
hat.
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Die
erste Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass:
- – der
Unterschied zwischen dem Brechungsindex des pulverförmigen ersten
Füllstoffs
und dem der Matrix mindestens 0,3 ist, und
- – die
Beschichtung einen zweiten Füllstoff
so umfasst, dass die Beschichtung ein starker Absorber von Strahlung
ist, der Strahlung mit Wellenlängen mindestens
in dem Bereich von 800 bis 1400 nm um mindestens 99% absorbiert
und worin der zweite Füllstoff
frei von Schwermetallen ist.
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Der
zweite Füllstoff
ist beispielsweise ein Material in der Form von Partikeln, die einfallende Strahlung
in Wärme
umwandeln. Mit diesem Material absorbiert die Beschichtung die Strahlung
um mindestens 99 Prozent. Die Beschichtung mit dem zweiten Füllstoff
absorbiert die Strahlung bis zu mindestens 1400 nm. Strahlung mit
einer Wellenlänge
größer als
1,4 μm muss
nicht so viel wie 99% absorbiert werden, da die große Wellenlänge selbst
Details des ersten Halbleiterelements in der Halbleiteranordnung der
Erfindung versteckt. Vorzugsweise absorbiert die Beschichtung mit
dem zweiten Füllstoff
die Strahlung mit Wellenlängen
in dem Bereich von 800 bis 2000 nm. Passende Materialien sind beispielsweise
Titannitrid und Titanoxinitrid.
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Der
zweite Füllstoff
in einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst Titannitrid. Aufgrund der Verwendung von Titannitrid als
zweiten Füllstoff
kann die Transmission von mindestens 99,9% der Strahlung einer Wellenlänge zwischen
600 und 2000 nm leicht verhindert werden. Die Erfinder haben gefunden,
dass Partikel von TiN in der Beschichtung eine Oberfläche haben,
die TiO2 umfasst, wobei geglaubt wird, dass
das aus zufälliger
Oxidation folgt. Solche Oxidation passiert beispielsweise, wenn
die Sicherheitsbeschichtung während
der Herstellung der Halbleiteranordnung aus einer wässrigen
Säure aufgebracht
wird.
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Ein
erster Vorteil dieses zweiten Füllstoffs
ist, dass bekannt ist, dass Titannitrid in der Herstellung von Halbleiteranordnungen
in Reinraumeinrichtungen verwendet wird. Außerdem ist er frei von Schwermetallen.
Dies ist ein wichtiger Vorteil, da Schwer metalle als giftige Materialien
bekannt sind, die Probleme sowohl während der Produktion als auch
als Abfall nach der Entsorgung der Halbleiteranordnung mit der Sicherheitsbeschichtung
bereiten. Ein weiterer Vorteil ist, dass Titannitrid in verschiedenen
Partikelgrößen kommerziell
verfügbar
ist.
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Der
erste Füllstoff,
der in der Sicherheitsbeschichtung der Anordnung der Erfindung vorhanden ist,
arbeitet durch Streuung sichtbaren Lichts. Strahlung im sichtbaren
Spektrum wie auch im ultravioletten Spektrum wird so durch gestreute
Reflexion am Eindringen gehindert. Um sicher zu stellen, dass die Beschichtung
ausreichendes Streuungspotenzial hat, wurde gefunden, dass der Unterschied
zwischen dem Brechungsindex des ersten Füllstoffs und dem der Matrix
mindestens 0,3 sein sollte. Da der Brechungsindex einer Matrix im
Allgemeinen in der Größenordnung
von 1,4–1,5
liegt, können
erste Füllstoffe mit
einem Brechungsindex größer als
1,7–1,8
verwendet werden. Beispiele solcher erster Füllstoffe umfassen Oxide von
Zirkon, Titan, Zink, Mangan, Chrom, Niob, Eisen, Nickel, Strontium,
Yttrium, Vanadium, Gallium, Kupfer und Kobalt und Nitride von Niob,
Titan und Zirkonium.
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Der
erste Füllstoff
in einer weiteren Ausführungsform
umfasst Titanoxid. Dieses Material hat einen sehr hohen Brechungsindex
und verursacht deshalb intensive Streuung von sichtbarem Licht und
von Strahlung in dem ultravioletten Spektrum. Wenn Titannitrid als
zweiter Füllstoff
verwendet wird, wird bevorzugt, in der Beschichtung ein Gewichtsverhältnis von
Titanoxid und Titannitrid in dem Bereich zwischen 0,25 und 4 zu
haben.
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Die
Menge an Füllstoff
in der Beschichtung der Halbleiteranordnung der vorliegenden Erfindung kann über einen
weiten Bereich variiert werden, beispielsweise abhängig von
der gewünschten
elektrischen Charakteristik in der Beschichtung. Allgemein gesprochen
sind der erste und der zweite Füllstoff
in einer kombinierten Menge in dem Bereich von 10 bis 90 Gewichtsprozent
der Beschichtung vorhanden. Der erste und der zweite Füllstoff
sind vorzugsweise als Partikel einer Größe im Submikronbereich vorhanden.
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Das
Material der Matrix der Beschichtung kann aus mehreren Materialien
ausgewählt
werden, wie z.B. eine Mono(Metall)Phosphat-Verbindung, in der das
Metall beispielsweise aus der Gruppe von Zink und Aluminium ausgewählt ist,
oder eine Komponente, die aus einem Siliziumdioxidvorstufenharz vorbereitet
wird. Solche Matrizen sind beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten
Anmeldung WO IB99/01007 und in US-A- 5.399.441 beschrieben. Vorzugsweise
wird Monoaluminiumphosphat für
die Matrix verwendet. Als ein Ergebnis der Verwendung dieses Materials
hat die Sicherheitsbeschichtung eine große mechanische Festigkeit und
eine große Ätzbeständigkeit.
Außerdem
kann die Beschichtung mit Monoaluminiumphosphat leicht in einem
Dickenbereich von 1 bis 10 μm
aufgebracht werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
hat die Beschichtung eine Dicke im Bereich von 1 bis 5 μm. Es ist
besonders bevorzugt, eine Beschichtungsdicke von weniger als 3 μm zu haben.
Die Beschichtung ist trotzdem für
sichtbares Licht und Nahes-Infrarot-Strahlung undurchsichtig. Ein erster
Vorteil ist, dass die Dicke der Halbleiteranordnung durch Aufbringen
der Sicherheitsbeschichtung nur wenig erhöht wird. Dies ist vorteilhaft
für die
Verwendung der Halbleiteranordnung der Erfindung in einer Chipkarte,
in der die Anordnungsdicke limitiert ist. Ein zweiter Vorteil ist,
dass es auch möglich
ist, mehr als eine Beschichtung in der Halbleiteranordnung anzuwenden. Ein
dritter Vorteil ist, dass die Anwendung von Endkontakten in der
Herstellung der Halbleiteranordnung leichter ist als in dem Fall
von Beschichtungen größerer Dicke.
Diese Endkontakte können
angewendet mithilfe eines Verfahrens, das nacheinander die Schritte
der Deposition eines Fotolack in Gebieten, wo Endkontakte gewünscht werden;
Deposition und Trocknen einer Mischung, die in eine Matrix eingebaute
Füllstoffe
umfasst; Entfernen des Fotolacks und der darauf deponierten Mischung;
Erhitzen, um so die Sicherheitsbeschichtung zu bilden; und Aufbringen
eines elektrisch passenden, leitenden Materials wie z.B. Kupfer
in den genannten Gebieten. Verwenden einer Beschichtungsdicke von
weniger als 5 μm
erleichtert das Entfernen des Fotolacks und der darauf deponierten
Beschichtung.
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Wenn
gewünscht,
können
auch andere Materialien in der Beschichtung vorhanden sein. Beispielsweise
kann ein Mittel, das die Oberfläche
der Füllstoffe
für bessere
Haftung modifiziert oder ein Dispersionsmittel verwendet werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Halbleiteranordnung der Erfindung umfasst ein lichtempfindliches
Element, das durch die Sicherheitsbeschichtung bedeckt ist und nach
Beschädigung
der Beschichtung darauf, sichtbarem Licht ausgesetzt zu sein, reagiert,
indem es eine permanente Veränderung
des Zustands des Elements, das zu schützenden Daten enthält, bewirkt.
Die genannte Reaktion, die in dieser Ausführungsform nach böswilliger
Beschädigung
der Beschichtung stattfindet, kann von einer elektrischen oder chemischen
Natur sein. Das Layout ausgewählter
Teile der Halbleiteranordnung, wie z.B. Schichten mit Verbindungsleitungen,
wird so zerstört.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Halbleiteranordnung der Erfindung umfasst ein lichtempfindliches
Element und ein elektrisch programmierbares Element, das zu schützende Daten
enthält,
wobei die Elemente durch die Sicherheitsbeschichtung bedeckt sind
und wobei das lichtempfindliche Element nach Beschädigung der
Beschichtung darauf, sichtbarem Licht ausgesetzt zu sein, reagiert,
indem es Löschen der
Daten bewirkt und das elektrisch programmierbare Element in einen
nicht-programmierbaren Zustand bringt.
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Die
genannten lichtempfindlichen Elemente umfassen beispielsweise Widerstände in Kombination
mit Dioden oder Transistoren, die an einen Ausgangsanschluss wie
z.B. einen Verstärker
gekoppelt sind. Ein Beispiel eines lichtempfindlichen Elements ist
aus EP-A 0939 933 bekannt. Es umfasst einen vorspannenden Transistor,
der angeordnet ist, einen Bias-Strom zu liefern, einen rückwärts vorgespannten
Transistor mit einer Steuerelektrode, der angeordnet ist, rückwärts von
dem genannten Bias-Strom vorgespannt zu werden, und mit einer leitenden
Elektrode, und auch einen zwischen einer Versorgungsspannung und
der genannten leitenden Elektrode gekoppelten Widerstand. Einfallendes
sichtbares Licht wird durch einen Spannungsabfall an der leitenden Elektrode
des rückwärts vorgespannten
Transistors detektiert, der dann ein Signal an den Ausgang anlegen
kann. Dieser Ausgang kann das Rücksetzen
eines als EEPROM bekannten elektrisch löschbaren und programmierbaren
Lesespeichers bewirken. Der Ausgang kann das komplette Schreiben
eines einmalig elektrisch programmierbaren Schreib-Lese-Speichers
bewirken. Das komplette Schreiben bewirkt Löschen der zu schützenden
Daten.
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Das
Substrat der Halbleiteranordnung der Erfindung kann aus verschiedenen
Materialien gemacht werden. Passende Materialien sind beispielsweise
Siliziumdioxid, Aluminium und ein Polymermaterial wie z.B. Polyimid.
Es gibt mehrere Materialien und Konstruktionen, die in dem ersten
Halbleiterelement in der Halbleiteranordnung der Erfindung verwendet
werden können.
Bekannte Konstruktionen sind beispielsweise der MOS-Feldeffekttransistor und
der Bipolartransistor. Eine solche Konstruktion kann Speichereinheiten
umfassen, wie an sich bekannt ist. Bekannte Materialien umfassen
Metalle, anorganische Halbleiter und organische Leiter und Halbleiter.
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Vorzugsweise
stellt die Halbleiteranordnung einen vitalen Teil einer Chipkarte
dar, wie z.B. einer Geldkarte, einer Kreditkarte oder jeder anderen
Karte. Der Ausdruck „Chipkarte" ist so zu verstehen, dass
er allgemein jedes portable Gerät
beschreibt, das eine Halbleiteranordnung umfasst, das nur Daten
enthält,
die durch das Gerät
allein nicht geändert werden
können.
Obwohl die Chipkarte zur Zeit ein kartenähnliches Gerät ist, macht
die Einführung
kontaktloser Chipkarten es möglich,
die Funktion der Chipkarte in andere Geräte wie beispielsweise einen elektrisches
Kalender einzufügen.
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Die
zweite Aufgabe der Erfindung ist dadurch. gelöst, dass die Chipkarte die
Halbleiteranordnung der Erfindung umfasst. Sie ist so gegen visuelle Inspektion
von außen
geschützt.
Vorzugsweise umfasst die Chipkarte die Halbleiteranordnung der Erfindung,
die mit einem lichtempfindlichen Element versehen ist, um so den
Speicher der Chipkarte gegen visuelle Inspektion nach dem Öffnen der
Halbleiteranordnung zu schützen.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im Folgenden als Beispiel mit Bezug auf die Ausführungsformen
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung;
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2 die
chemische Struktur einer Sicherheitsbeschichtung auf einem Substrat
gemäß der Erfindung;
und
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3 die
Transmission T in % von einer Strahlung für zwei Sicherheitsbeschichtungen
A und B als eine Funktion der Wellenlänge λ zwischen 400 und 2000 nm, wobei
die Beschichtung B eine Beschichtung gemäß der Erfindung ist.
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Die
Halbleiteranordnung 20 in 1 hat ein Substrat 1 aus
Siliziumdioxid mit einer ersten Seite 2. Auf der ersten
Seite 2 ist die Anordnung 20 mit einem ersten
Halbleiterelement 3 versehen, das in diesem Beispiel ein
Bipolartransistor mit einem Emittergebiet 4, einem Basisgebiet 5 und
einem Kollektorgebiet 6 ist. Die genannten Gebiete 4, 5 und 6 sind
in einer ersten Schicht 7 geschaffen, die mit einer strukturierten
isolierenden Schicht 8 aus Siliziumoxid bedeckt ist. Die
isolierende Schicht 8 ist so strukturiert, dass sie Kontaktfenster 9 und 10 hat,
wodurch eine strukturierte leitende Schicht 11 aus Aluminium
das Emittergebiet 4 und das Basisgebiet 5 kontaktiert.
Eine Passivierungsschicht 13 ist auf der ersten Seite 2 aufgebracht.
Die Passivierungsschicht 13 ist beispielsweise eine Schicht
aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Die erste Seite ist auch mit
einer Sicherheitsbeschichtung 14 gemäß der Erfindung versehen. Sowohl
die Passivierungsschicht 13 als auch die Sicherheitsbeschichtung 14 lassen
die leitende Schicht 11 in dem Gebiet 12 unbedeckt,
und bilden so eine Kontaktfläche,
um externen Kontakt zu ermöglichen.
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Um
das Gebiet 12 zu bilden, ist die Passivierungsschicht 13 gemäß einem
bekannten Verfahren strukturiert worden. Anschließend wurde
ein Fotolack an gewünschten
Gebieten auf die Passivierungsschicht 13 aufgebracht. Diese
Gebiete umfassen beispielsweise das Gebiet 12 und Gebiete,
in denen die Halbleiteranordnung 20 von einer benachbarten
Anordnung, die von derselben Siliziumscheibe hergestellt wurde,
getrennt ist. Solche Gebiete werden allgemein als Ritzbahnen bezeichnet.
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Anschließend wurde
eine Mischung zum Schleuderbeschichten auf die Passivierungsschicht 13 des
Substrats 1 der Halbleiteranordnung 20 vorbereitet.
Die Mischung umfasst 50 Gramm Monoaluminiumphosphat gesäuert mit
50 Gramm 0,01 M Salzsäure,
eine Hydrolysenmischung aus Tetraethoxysilan (TEOS) mit 5 Gramm
TEOS, 25 Gramm TiO2 und 25 Gramm TiN. Nach
Naß-Kugel-Mahlen über Nacht
wurde die Beschichtungsflüssigkeit
auf die Passivierungsschicht 13 und auf die leitende Schicht 11,
die auf Kontaktflächen
und auf Sägebahnen
mit einem fotostrukturierten Polymer bedeckt waren, schleuderbeschichtet.
Anschließend
wurde die so gebildete Beschichtung 14 bei 100°C getrocknet
und der Fotolack wurde mithilfe von Ethanol entfernt. Die Monoaluminiumphosphat-Matrix wurde als
Nächstes durch
Erhitzen der Schicht bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis
500°C gebildet.
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Der
Einfachheit halber ist nur das erste Halbleiterelement 3 gezeigt,
aber in der Praxis umfasst die erste Schicht 7 eine Vielzahl
solcher Elemente und die leitende Schicht 11 umfasst eine
Anzahl von Schichten und ist zusätzlich
mit vielen Anschlussflächen
für externen
Kontakt versehen. Der Aufbau kann eine integrierte Schaltung bilden.
Wie Fachleuten bekannt ist, können
Feldeffekttransistoren anstatt oder zusätzlich zu den Bipolartransistoren
vorhanden sein. Wie Fachleuten auch bekannt ist, können auch andere
Elemente wie z.B. Kondensatoren, Widerstände und Dioden in die Halbleiteranordnung 20 integriert
werden.
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In 2 ist
eine Sicherheitsbeschichtung 14 gemäß der Erfindung auf die Passivierungsschicht 13 aufgebracht.
Die Matrix der Beschichtung 14 umfasst Moleküle eines
ersten Materials, in diesem Fall Monoaluminiumphosphat Al(OPO3H2)3,
dessen Moleküle
an die Oberfläche
der Passivierungsschicht und aneinander gebunden sind. Die Bindungen
werden durch Kondensation von Hydroxylgruppen gebildet. Um den molekularen
Prozess der Bindung näher zu
erläutern,
zeigt 2 die Moleküle
der Matrix und die Partikel, die als der erste oder der zweite Füllstoff agieren,
in einem Übergangszustand
zur Bindung. In diesem Zustand hat die Beschichtung eine interne Struktur
wie in dem gebundenen Zustand, aber es hat noch keine Kondensation
stattgefunden. Die eingekreisten Paare von Hydroxylgruppen müssen so verstanden
werden, dass sie sich bei der Bindung in eine Sauerstoffbindung
und ein freigesetztes H2O-Molekül ändern. Die
Matrix umfasst auch Partikel von TiO2 und
TiN, die als der erste und der zweite Füllstoff in der Matrix agieren.
Die Partikel haben vorzugsweise eine durchschnittliche Partikelgröße zwischen
50 nm und 1 μm.
Die TiN-Partikel haben eine oxidierte Oberfläche, d.h. ihre Oberfläche umfasst hauptsächlich TiO2, und sie können genauso leicht wie die
TiO2-Partikel an die Matrix gebunden werden.
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3 zeigt
die Transmission T in % von einer Strahlung für zwei Sicherheitsbeschichtungen
A und B als eine Funktion der Wellenlänge λ zwischen 400 und 2000 nm. Die
erste Beschichtung A, die nicht in Übereinstimmung mit der Erfindung
ist, besteht aus 55 Gewichtsprozent Monoaluminiumphosphat, etwa
40 Gewichtprozent TiO2-Partikel als erster
Füllstoff
und etwa 5 Gewichtsprozent Tetraethoxysiloxan. Die Beschichtung
A hat eine Dicke von 4 μm.
Während
die Transmission in dem Bereich von 400 bis 600 nm sehr gering ist,
wächst
die Transmission bei etwa 1300 nm auf bis zu 50 Prozent an und auf
75 Prozent bei etwa 2000 nm.
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Die
zweite Linie, als B bezeichnet, zeigt die Transmission bei einer
Sicherheitsbeschichtung gemäß der Erfindung,
die aus 48 Gewichtsprozent Monoaluminiumphosphat, etwa 24 Gewichtprozent TiO2-Partikel, etwa 24 Gewichtprozent TiN-Partikel und
etwa 4 Gewichtsprozent Tetraethoxysiloxan besteht. Deutlich ist
die Transmission in dem Spektrum von 400 bis 2000 nm für einen
sehr großen
Teil verhindert, z.B. um mehr als 99,9 Prozent. Deshalb stellt die
Erfindung eine exzellente Sicherheitsbeschichtung bereit, die sicher
die bekannte Sicherheitsbeschichtung verbessert und mit der Daten
sehr gut geschützt
werden können.
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Es
sei verstanden, dass die Verwendung des Wortes „umfassen" und seiner Konjugationen, wie es hierin
verwendet wird, das Vorhandensein von anderen Elementen oder Schritten
als die aufgeführten nicht
ausschließt.