CN101245234A - 彩色滤光片研磨液组合物 - Google Patents
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Abstract
一种彩色滤光片研磨液组合物，至少是由研磨料、缓冲溶液、添加剂所构成。研磨料是选自碳化合物、钻石、氮化合物或其混合物所组成的族群。缓冲溶液用于调整pH值。添加剂用以稳定研磨液组合物和改善研磨效果。
Description
技术领域
本发明是有关于一种研磨液，且特别是有关于一种研磨彩色滤光片用的研磨液组合物。
背景技术
随着电脑性能的大幅进步以及网际网路、多媒体技术的高度发展，目前影像资讯的传递大多已由模拟转为数字传输，而为了配合现代生活模式，视讯或影像装置的体积也日渐趋于轻薄。传统的阴极射线显示器(CRT)，虽然仍有其优点，但是由于内部电子腔的结构，使得显示器体积庞大而占空间，且显示时仍有辐射线伤眼等问题。因此，配合光电技术与半导体制造技术所发展的平面式显示器(Flat Panel Display)，例如液晶显示器(LCD)、有机发光显示器(OLED)或是等离子体显示器(Plasma Display Panel，PDP)等，已逐渐成为显示器产品的主流。
目前液晶显示器皆朝向全彩化、大尺寸、高分辨率的方向发展，液晶显示器必须具备彩色滤光片(Color Filter，CF)来赋予液晶显示器彩色影像功能。彩色滤光片不仅影响显示器面板的颜色特性，同时也左右着面板的对比值(Contrast)、亮度(Luminance)、表面反射等性能。
液晶显示器能呈现彩色的影像，主要就是靠彩色滤光片；而彩色滤光片上涂布着红、绿、蓝三色颜料光阻。背光源透过液晶及驱动集成电路(IC)的控制形成灰阶光源，此光源再通过彩色滤光片即形成红、绿、蓝色光，最后在人眼中混合形成彩色影像。彩色滤光片为薄膜晶体管(Thin-Film Transistor，TFT)面板主要零组件，以材料成本来看，彩色滤光片更是占面板成本比重最大的零组件，高于背光组件及驱动集成电路(IC)。
图1所绘示为公知的彩色滤光片的结构示意图。如图1所示，彩色滤光片(Color Filter)基本结构是由玻璃基板(Glass Substrate)100、黑色矩阵(BlackMatrix)102、彩色层(Color Layer)104a～104c、保护层(Over Coat)106及氧化铟锡(ITO)透明导电膜108所组成。目前，玻璃基板100厚度已逐步减少为0.63mm或0.55mm，以降低大尺寸LCD组件的重量。黑色矩阵102主要是为隔绝彩色层104a～104c(RGB)三颜色，且为提高颜色对比的关键。黑色矩阵102一般均要求低反射，反射愈低愈好，色彩表现也会愈好，黑色矩阵102的材料有铬与树脂两种。
彩色滤光片的制造方法有十多种，较常用的技术有颜料分散法、染色法、印刷法及电着法，其中以颜料分散法因具备高信赖性、高分辨率、及耐高温等良好特性，广为业者采用。
以颜料分散法制作彩色滤光片所用的光阻剂墨汁(又称为彩色光阻剂)的基本组成除了颜料、分散剂、添加剂、接合树脂和反应性稀释剂等单体，还包含光聚合引发剂和溶剂等物质。红绿蓝三原色的着色材料的光阻剂墨汁，一般是碱性显影的负型光阻(negative photoresist)。目前彩色滤光片的主流制造方法是颜料分散法，所使用的材料则是以颜料性化合物为主，颜料的结构有偶氮系、酞菁有机颜料(phthalocyanine organic pigments)、和各种混合多环系，从不同的特性，产品的功能和工艺等考量而使用不同的混合物。
颜料分散法的彩色滤光片制造工程，包括黑色矩阵工程、RGB工程与后工程。首先，黑色矩阵工程是先在已覆盖有氮氧化硅保护层的无碱硼玻璃基板上，溅镀形成氧化铬/铬的低反射二层膜，作为基板使用。此低反射二层膜即称为遮光金属层(metal black)。然后，再以旋转涂布(spin coating)的方式于遮光金属层上形成正型光阻。再经由黑色矩阵的光罩图案，照射紫外线并加以曝光、光阻显影后，将遮光金属层蚀刻，形成黑色矩阵图案。
于黑色矩阵的图案形成后，接着进行RGB工程；所谓RGB工程，就是在开口部形成R、G、B三色图案的工程。首先以旋转涂布的方式涂布着色为红色(R)的彩色光阻，经由R用图案光罩，再以波长小于等于248nm的紫外线照射曝光，再使用碱性系显影剂将未曝光部份去除，形成第一颜色用的R图案，再施于摄氏200度以上的后烤(post baking)，使图案具有耐药性。接着，以绿色(G)的彩色光阻或蓝色(B)的彩色光阻取代红色(R)的彩色光阻，重复进行与形成R图案相同的工程，而形成G图案与B图案。各图案之间均有黑色矩阵加以隔开，此功能是为增加显示时的对比度及避免杂色光产生。最后进行后工程，形成TFT阵列(array)基板的相对电极的ITO透明电极层，而完成彩色滤光片的制作。
为求彩色滤光片表面一致的反射率、光谱透过率等光学特性，获致较佳的视觉效果，完成RGB工程后的彩色滤光片，必须对其表面进行平坦化工艺(一般是利用化学机械研磨法)，再进行ITO透明电极层的层积。如图2所示，形成R、G、B三色图案的工程后，各图案之间均有黑色矩阵BM加以隔开。根据不同规格要求，研磨后峰顶的高度，即R1、R2、B1、B2、G1、G2的位置必须降至
以下。而谷底R、B、G的位置，研磨后的下降量(称RGB降低(RGB loss))必须控制在小于
以下。
然而，在以化学机械研磨法平坦化彩色滤光片时，所使用的研磨液所具有的化合物，于研磨过程中将导致滤光片中的颜料有变更化学性质之虞，因此尚存有待改良空间。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种彩色滤光片的研磨液组合物，研磨液组成于研磨过程中，降低与滤光片的材质如树脂、染料以及分散剂产生相互作用的可能性，以维持滤光片材质的稳定性，如此所制作出来的彩色滤光片的可靠度佳，而且具有良好的产能与良率。
为达到在化学机械研磨法平坦化彩色滤光片时，更进一步强化机械切削的作用，本发明使用硬度更高于一般氧化物的磨粒，来提高切削力与降低化学作用的影响。
本发明提出一种彩色滤光片研磨液组合物至少是由研磨料、缓冲溶液及添加剂所构成。研磨料为选自碳化合物、钻石、氮化合物或其混合物。
研磨液组合物中的碳化合物是选自碳化硅、碳化硼、碳化钒、碳化钛、碳化钨、碳化锆或其混合物所组成的族群。
研磨液组合物中的氮化合物是选自氮化硼、氮化碳、氮化铝、氮化钛、氮化钽或其混合物所组成的族群。
研磨液组合物中的研磨料粒子的一次粒径分布小于1.0微米，主要粒径为10纳米至1微米，较佳的粒径为30纳米至800纳米。研磨料在该彩色滤光片研磨液组合物中的含量为0.5至45重量百分比，较佳浓度为2至25重量百分比。
缓冲溶液则是用于调整pH值及作为缓冲pH值的溶液。缓冲溶液是选自无机酸、有机酸、碱类、及其混合物或其盐类所组成的族群，并且在彩色滤光片研磨液组合物中的含量为0.01～0.05重量百分比。缓冲溶液的选用视研磨料不同而定，如选用无机酸可以为硫酸、盐酸、硝酸等，有机酸则可选自甘氨酸、甲酸、乙酸、丙酸、苹果酸、柠檬酸、丁二酸及其混合物所组的族群。此外，所选用的有机酸还可添加含有钠、钾、钙、铁的有机或无机盐类。碱类则可为氢氧化钠、氢氧化钾等。
研磨液组合物的添加剂中含表面活性剂，表面活性剂用于校正研磨液组合物的介面电位，用以增进粒子于特定pH值下分散悬浮的程度，以稳定研磨液组合物。表面活性剂是可选自氯化铝、丙烷氧基铝或其混合物中的一种，或者表面活性剂是可选自多羧酸、多羧酸的铵盐、碱性盐类、脂肪族聚合物或其混合物中的一种。表面活性剂在彩色滤光片研磨液组合物中的含量为0.3至1.0重量百分比。脂肪族聚合物分子量为1000至5000道尔顿。
视选用研磨料的不同，研磨液组合物的添加剂中尚可以选自N-甲基吡咯烷酮、丁内酯(butyrolactone)、甲基丙烯酰胺、N-乙烯基咯酮及其依一定比例混合的组合物，或是选自甲基丙烯酰胺、N，N’-亚甲基双丙酰胺、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇单甲基丙烯酸酯及其依一定比例混合的组合物，以提升研磨速率与抛光品质。
本发明的研磨液组合物适用于研磨滤光片，尤其对于彩色滤光片(colorfilter)而言，其研磨速率较公知的研磨液的研磨速率好。
此外，本发明的彩色滤光片研磨液组合物，由于添加特殊研磨料，可降低在研磨过程中与光阻材料发生化学反应，以避免滤光片被过度研磨，而造成不必要的侵蚀问题。如此可以提升彩色滤光片的图案的可靠度，进而制作出具有精细化、尺寸精准与光学特性优良，且可靠度高的光学元件。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1所绘示为公知的彩色滤光片的结构示意图。
图2所绘示为公知的彩色滤光片的结构示意图。
图3所绘示为钻石磨粒(0.50um)的扫描电子显微镜(SEM)照片图。
图4A及图4B所绘示为研磨后的彩色滤光片SEM照片图，使用以钻石(50nm)为磨粒的彩色滤光片研磨液组合物。
图5所绘示为碳化硅磨粒(0.65um)的SEM照片图。
图6所绘示为研磨后的彩色滤光片光学显微镜(OM)照片图，使用以碳化硅(0.65um)为磨粒的彩色滤光片研磨液组合物。
附图中的主要元件符号说明如下：
100：玻璃基板(Glass Substrate)
102、BM：黑色矩阵(Black Matrix)
104a～104c：彩色层(Color Layer)
106：保护层(Over Coat)
108：透明导电膜
R、R1、R2、B、B1、B2、G、G1、G2：位置
具体实施方式
本发明的彩色滤光片研磨液组合物是指用来帮助滤光片研磨的化学助剂。此种彩色滤光片研磨液组合物可以单独作为彩色滤光片研磨工艺的研磨液，或可以与其他彩色滤光片研磨液合并使用。
本发明的彩色滤光片研磨液组合物至少包括一种或一种以上研磨料，研磨料为选自碳化合物、钻石、氮化合物或其混合物。研磨料若选自碳化合物，则可为碳化硅、碳化硼、碳化钒、碳化钛、碳化钨、碳化锆或其混合物所组成的族群。上述研磨料尚可选自钻石。前述的研磨料若选自氮化合物，则可为氮化硼、氮化碳、氮化铝、氮化钛、氮化钽或其混合物所组成的族群。其粒子直径约为50纳米至5微米，本发明的研磨料在彩色滤光片研磨液组合物中的浓度为0.5至45重量百分比，其较佳是含有自2至25重量百分比的研磨料。
由于制造彩色滤光片对于研磨料的纯度的需求严格，因此，研磨料较佳是具有高纯度者，所谓「高纯度」意指来自来源的总杂质含量(诸如原料杂质与微量处理污染物)小于100ppm，其目的为降低研磨液对滤光片的潜在污染，以避免影响其性能与使用寿命。
研磨料较佳是与水性介质(例如去离子水)并用而作为水性分散液。此种研磨料的水性分散液可使用公知技术来制造，举例来说缓慢将研磨料添加于适当介质中，对此混合液进行公知的高速剪切分散而完成，而形成一种悬浮状态的分散液。然后通过调整分散液的pH值，使分散的研磨液具有良好的稳定性。
本发明的彩色滤光片研磨液组合物至少包括一种缓冲溶液。此缓冲溶液用于调整彩色滤光片研磨液组合物的pH值，及作为缓冲溶液。此缓冲溶液为选自无机酸、有机酸、碱类、及其混合物或其盐类所组成的族群。上述缓冲溶液的选用视研磨料不同而定。无机酸例如是硫酸、盐酸、硝酸等。有机酸则可为甘氨酸、甲酸、乙酸、丙酸、苹果酸、柠檬酸、丁二酸及其混合物所组成的族群。此外，有机酸尚可添加含有硝酸钾、碘化钾、碳酸钾等有机盐类、无机盐类或其混合物。缓冲溶液还包括钠、钾、钙、铁离子。碱类则可为氢氧化钠、氢氧化钾等。
缓冲溶液在彩色滤光片研磨液组合物中的含量例如是0.01～0.05重量百分比。而且，彩色滤光片研磨液组合物较佳是利用由缓冲溶液调整至pH值2～10，更佳是调整至pH值5～9。
除了本发明所揭露的上述各组成之外，其他研磨液添加剂也可以与本发明彩色滤光片研磨液组合物合并使用。这些添加剂包括表面活性剂。
本发明的彩色滤光片研磨液组合物至少包括一种添加剂，此种添加剂是用于稳定研磨液在酸性条件下研磨料的粒径成长、稳定研磨粒的粒子表面电荷及保存研磨液在酸性条件下长期稳定性。
上述表面活性剂可选自多羧酸、多羧酸的铵盐、碱性盐类、脂肪族聚合物或其混合物中的一种。表面活性剂在彩色滤光片研磨液组合物中的含量为0.3至1.0重量百分比。脂肪族聚合物的分子量例如是1000至5000道尔顿。
上述添加剂是可选自N-甲基吡咯烷酮、丁内酯、甲基丙烯酰胺、N-乙烯基咯酮及其依一定比例混合的组合物，或是选自甲基丙烯酰胺、N，N’-亚甲基双丙酰胺、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇单甲基丙烯酸酯及其依一定比例混合的组合物。
本发明的彩色滤光片彩色滤光片研磨方法，是供给上述研磨液组合物于安装在研磨台上的彩色滤光片表面上，然后通过彩色滤光片与研磨垫之间的相对运动，而使得彩色滤光被研磨。在研磨过程中，研磨垫的表面与基底被研磨面之间是以泵连续供应研磨液于其中。研磨完毕后，将被研磨物加以清洗干净。
本发明的彩色滤光片研磨液组合物，由于添加特殊研磨成份，此研磨成份于研磨过程中，并不会与滤光片单元的光阻材质产生化学反应，而影响滤光片的光学特性滤光片，且可避免滤光片被过度研磨，而造成不必要侵蚀的问题。如此可以提升彩色滤光片的可靠度，进而制作出具有精细化、尺寸精准与光学特性优良，且可靠度高的彩色滤光片组件。
以下系举出实验例1至实验例9来说明本发明，但是本发明并不仅限于以下的实验例。实验例1至实验例9的研磨液组成如表一所示。当制备出实验例1至实验例9的研磨液组合物后，对已经制备好的彩色滤光片试样进行研磨。实验例1至实验例8的研磨结果如表二所示。
首先，必须对RGB三个颜色的峰谷的高度做测量与记录，于研磨后再做测量，以验证抛光液的效果，在RGB降低(RGB Loss)必须控制在下的前提下，针对抛光液的移除率做探讨，本实验的实验条件如下：
研磨机台的下压力＝0.03psi或0.08psi
研磨台转速＝20rpm
研磨时间＝20sec
研磨液流量＝60ml/min
然后，以研磨前与研磨后的薄膜厚度差除以研磨用时间，计算出研磨速率。其中，薄膜厚度是利用KLA Tencor P15表面断面仪(surface profiler)测得。ΔhR、ΔhG、ΔhB分别代表R、G、B彩色光阻的平均磨除量。
接着，说明实验例1至实验例9以及试验结果。
表一
表二
实验例1～3
如表一和表二所示：实验例1～3是以0.5wt％的钻石(粒径约50nm)为磨料，制备研磨液(pH值分别为5.0、7.0、9.0)，在0.05psi的下压力(down force)下，20秒的平均ΔhR/ΔhG/ΔhB磨除量虽然偏低，实验例1与3可满足彩色率光片工艺生产所需。图3所绘示为钻石磨粒(0.50um)的扫描电子显微镜(SEM)照片图。图4A和图4B所绘示为研磨后的彩色滤光片SEM照片图，使用以钻石(50nm)为磨粒的彩色滤光片研磨液组合物。如图4A和图4B所示，研磨后的彩色滤光片上，表面上无刮痕，且具有极佳的平坦性与极低的表面粗糙度。
实验例4
如表一和表二所示：实验例4是以5wt％的钻石(粒径约50nm)为磨料，制备研磨液(pH＝7.0)，在0.08psi的下压力(down force)下，20秒的ΔhR/ΔhG/ΔhB磨除量，与实验例2相比，有更佳的表现。
实验例5
如表一和表二所示：实验例5是以10wt％的钻石(粒径约100nm)为磨料，此钻石磨料的制造和形状与实验例1～4不同，制备成研磨液(pH＝4.3)，在0.05psi的下压力(down force)下，20秒的ΔhR/ΔhG/ΔhB磨除量，可满足彩色率光片工艺生产所需。与实验例1相比，有更佳的表现。
实验例6～8
如表一和表二所示：实验例6～8是以20wt％的碳化硅(粒径约0.65μm)为磨料，制备研磨液(pH值分别为5.0、7.0、9.0)，在0.05psi的下压力(down force)下，20秒的平均ΔhR/ΔhG/ΔhB磨除量可满足彩色率光片工艺生产所需。图5所绘示为碳化硅磨粒(0.65um)的SEM照片图，磨粒的形状为锋利的多角形，展现极佳的切削力。图6所绘示为研磨后的彩色滤光片光学显微镜(OM)照片图，使用以碳化硅(0.65um)为磨粒的彩色滤光片研磨液组合物。如图6所示，研磨后的彩色滤光片上，表面上无刮痕，且具有较佳的平坦性。
实验例9
如表一和表二所示：实验例9是以10wt％的立方氮化硼(CBN，Cubic BoronNitride，粒径约0.65μm)为磨料，磨粒的形状为锋利的多角形，展现极佳的切削力。制备研磨液(pH值分别为5.0)，在0.03psi的下压力(down force)下，20秒的平均ΔhR/ΔhG/ΔhB磨除量，可满足彩色率光片工艺生产所需。
由实验结果可知，本发明的彩色滤光片研磨液组合物，由于研磨料与成份的特性，可降低在研磨过程中与光阻材料发生化学反应，可避免对光阻材料产生无法预期的影响，进而影响TFT LCD面板的使用寿命。同时可避免滤光片被过度研磨，而造成不必要的侵蚀问题。如此可以提升彩色滤光片的图案的可靠度，进而制作出具有精细化、尺寸精准与光学特性优良，且可靠度高的光学元件。
本发明的彩色滤光片研磨液组合物，研磨液组成可维持长期的稳定与活性，如此所制作出来的彩色滤光片的图案其可靠度佳，而且具有良好的产能与良率。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而这些实施例并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，应当可以作出一些改动和变更，因此本发明的保护范围应当视后附的权利要求书所界定者为准。
Claims (18)
1. 一种彩色滤光片研磨液组合物，包括：
一研磨料，该研磨料是选自碳化合物、钻石、氮化合物或其混合物所组成的族群；
一缓冲溶液，它用于调整pH值；以及
一添加剂，它用以校正该组合物于特定pH值下粒子的界面电位。
2. 如权利要求1所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述碳化合物是选自碳化硅、碳化硼、碳化钒、碳化钛、碳化钨、碳化锆或其混合物所组成的族群。
3. 如权利要求1所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述氮化合物是选自氮化铝、氮化硼、氮化碳、氮化钛、氮化钽或其混合物所组成的族群。
4. 如权利要求1所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述研磨料在所述彩色滤光片化学研磨液组合物中的一次粒径包括10纳米至1微米。
5.如权利要求1所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述研磨料在所述彩色滤光片化学研磨液组合物中的一次粒径包括50纳米至800纳米。
6. 如权利要求1所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述研磨料在所述彩色滤光片研磨液组合物中的含量包括0.5至45重量百分比。
7. 如权利要求1所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述研磨料在所述彩色滤光片研磨液组合物中的含量包括2至25重量百分比。
8. 如权利要求1所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述彩色滤光片研磨液组合物的pH值为2～10。
9. 如权利要求1所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述彩色滤光片研磨液组合物的pH值为5～9。
10. 如权利要求1所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述缓冲溶液是选自无机酸、有机酸、碱类及其混合物或其盐类所组成的族群。
11. 如权利要求10所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述无机酸是选自硫酸、盐酸、硝酸及其混合物所组成的族群。
12. 如权利要求10所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述有机酸是选自甘氨酸、甲酸、乙酸、丙酸、苹果酸、柠檬酸、丁二酸及其混合物所组成的族群。
13. 如权利要求12所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述盐类含有钠、钾、钙、铁的有机或无机盐类。
14. 如权利要求1所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述添加剂包括表面活性剂。
15. 如权利要求14所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述表面活性剂的含量为0.3至1.0重量百分比。
16 .如权利要求1所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述表面活性剂是选自多羧酸、多羧酸的铵盐、碱性盐类、脂肪族聚合物或其混合物中的一种。
17. 如权利要求16所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述脂肪族聚合物的分子量为1000至5000道尔顿。
18. 如权利要求1所述的彩色滤光片研磨液组合物，其特征在于，所述添加剂是选自N-甲基吡咯烷酮、丁内酯、甲基丙烯酰胺、N-乙烯基咯酮、N，N’-亚甲基双丙酰胺、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇单甲基丙烯酸酯或混合物中的一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080820 |