JP2001100010A

JP2001100010A - Ａｇ合金ブラックマトリックス及びそれを用いた液晶ディスプレイ用カラーフィルタ

Info

Publication number: JP2001100010A
Application number: JP28074399A
Authority: JP
Inventors: Tadakatsu Suzuki; 忠勝鈴木; Yuki Takahashi; 右記高橋; Hiromitsu Satake; 博光佐竹; Daisaku Kimoto; 大作木本; Koichi Furuyama; 晃一古山
Original assignee: TOYOSHIMA SEISAKUSHO KK; Toshima Manufacturing Co Ltd; Kuramoto Seisakusho Co Ltd
Current assignee: TOYOSHIMA SEISAKUSHO KK; Toshima Manufacturing Co Ltd; Kuramoto Seisakusho Co Ltd
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｃｒ等の有害金属を含まず、定着性、耐食性
に優れる等の新しいブラックマトリックスを提供する。【解決手段】液晶パネルのカラーフィルタ基板に用い
られる用金属ブラックマトリックスであって、透明基板
（１）上にＣｒ等の有害金属を実質的に含まない成膜材
料により形成される該ブラックマトリックス（４）が、
金属元素としてはＡｇを主成分とし、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐ
ｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅの何れか１種（元素Ｍｘ）と、Ｃ
ｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、ＡＩの何れか１種（元素ＭＹ）
とを含有する３元系合金からなるＡｇ合金ブラックマト
リックスとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、Ａｇ合金
ブラックマトリックス及びそれを用いた液晶ディスプレ
イ用カラーフィルタに関するものである。さらに詳しく
は、この発明は、液晶ディスプレイ用としてのブラック
マトリックス及びそれを用いたカラーフィルタの製造に
有用なＡｇ合金ブラックマトリックス及びそれを用いた
液晶ディスプレイ用カラーフィルタに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術とその課題】近年、各種情報機器の表示パ
ネルとして軽量薄型のカラー液晶パネルが広く用いられ
ている。

【０００３】添付した図面の図４は、カラーフィルター
基板等を備えた液晶パネル構成の一例を示した一部切り
欠き断面図である。図４に示したように、一般に、カラ
ー液晶パネルは２枚のガラス板（１及び１５）を所定の
間隔で対向させ、その一面を、３原色（Ｒ・Ｇ・Ｂ）の
各画素層（５）と、その境界部分にブラックマトリック
ス（ＢＭ）（４）等が形成されているカラーフィルタ
（ＣＦ）基板としている。このＣＦ基板に対向するガラ
ス板の一面には、例えばアクティブマトリックス方式の
液晶パネルにおいては、透明電極（１２）と画素スイッ
チ素子（薄膜トランジスタ・ＴＦＴ）（１３）が、ブラ
ックマトリックス（４）と前記各画素領域（５）に対応
して規則正しく緻密に形成されたＴＦＴアレイ基板とし
ている。

【０００４】このとき、ブラックマトリックス（４）
は、透明基板からの剥離や、各画素（５）による侵食を
防止して表示画面のコントラストを上げ、画像を鮮明化
し、画素スイッチ素子（１３）側への外光透過を防止し
てスイッチングの誤動作を防ぐこと等が主な役割であ
る。このため、密着性、加工性、耐食性、遮光性に優れ
ていることが要求される。

【０００５】そこで、上記の要件を容易に満足できる金
属薄膜として、マグネトロンスパッタリング装置を用い
て、Ｃｒ金属ターゲットをスパッタリングすることで得
られるＣｒ金属膜や、酸化クロム及び／又は窒化クロム
とＣｒ金属を積層したものが従来からよく知られており
利用されている。

【０００６】しかしながら、Ｃｒ金属薄膜をエッチング
するとき、その処理液に、人体にとって有害で環境を汚
染する６価の原子価をもつＣｒが溶解するために、該処
理液を回収し産業廃棄物として処理する等の環境面での
対応が必要となるとともに、大きなコスト負担となる。

【０００７】そこで、カラーフィルタの製造工程でクロ
ム等の有害金属を含まない金属ブラックマトリックスが
求められている。だがこれまでに提案または、試作され
ているクロム以外の金属を用いて得られた金属薄膜は、
透明基板との密着力が弱く膜が剥離したり、従来から利
用されているウェットエッチングによるパターン化を高
精度にできない欠点がある。

【０００８】現在では殆ど、密着力、耐薬品特性を向上
させるために透明基板と金属薄膜との間にＺｎＯ等の下
地膜（アンダーコート）を設けたりしているが、製造工
程が複雑になりコストが高くなる欠点がある。

【０００９】また、金属の材質によっては、ウェットエ
ッチングが適用できずにドライエッチング処理にてブラ
ックマトリックスを形成することがあるが、生産性が低
下すること、処理済みのエッチング液から当該金属を回
収する手段や、使用済みターゲットを回収して再利用す
る手段が未だ確立されていない等の問題点がある。

【００１０】一方、前記マグネトロンスパッタリング装
置を用いた成膜において、金属ターゲットの背面側に配
設されているマグネットによってプラズマが局部的に収
束され、ターゲットがスパッタエッチングされて不均一
侵食（エロージョン）が進行する。この不均一侵食の最
も深い部分がターゲットの利用効率を決定する。このタ
ーゲットの利用効率は、一般に２０〜３０％程度であ
り、残部の約７０％程度は、回収再生コスト等を考慮し
て廃棄されている。

【００１１】さらに、Ｆｅ等の強磁性体をターゲットと
すると、磁力線がターゲット内部に収束されてマグネト
ロン放電が不安定になり成膜速度が低下したり、膜質分
布の均一化が容易にできない問題点があり、そのためタ
ーゲットにギャップを設けて磁界漏れを促したり、ター
ゲット温度を上げて透磁率を低下させる等のさまざまな
対策が行われているものの装置系が複雑になる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで、この出願の発明
は、上記の問題点を解消するために、第１には、液晶パ
ネルのカラーフィルタ基板に用いられる金属ブラックマ
トリックスであって、透明基板上にＣｒ等の有害金属を
実質的に含まない成膜材料により形成される該ブラック
マトリックスが、金属元素としてはＡｇを主成分とし
て、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅの何れか１種
（元素Ｍｘ）と、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、ＡＩの何れ
か１種（元素Ｍｙ）とを含有する３元系合金からなるこ
とを特徴とするＡｇ合金ブラックマトリックスを提供す
る。

【００１３】また、この出願の発明は、第２には、Ａｇ
合金の含有比が、７５≦Ａｇ≦１００ｗｔ％、０＜Ｍｘ
＜２５ｗｔ％、０＜Ｍｙ＜２５ｗｔ％であること等をも
提供する。

【００１４】さらに、この出願の発明は、第３には、透
明基板上に、上記のいずれかのＡｇ合金ブラックマトリ
ックスと、該ブラックマトリックスの複数の画素内に着
色樹脂とを備えることを特徴とする液晶ディスプレイ用
カラーフィルタをも提供する。

【００１５】

【発明の実施の形態】この出願の発明は、上記のとおり
の特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態につ
いて説明する。

【００１６】この出願の発明のブラックマトリックス
は、実質的にＡｇ−Ｍｘ−Ｍｙの３元素銀合金からな
り、Ｃｒ等の有害金属も含んでいない。ただし、金属Ｍ
ｘは、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅのうち何れ
か１種であり、金属ＭｙはＣｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ａ
Ｉの何れか１種である。

【００１７】なお、ここで言うところの「実質的」との
規定は、スパッタリングターゲット材の原料や、他の製
造工程に由来する不可避的不純物を除いては、金属元素
としては、前記のＡｇ、Ｍｘ、Ｍｙの３元素のみ含有し
ていることを意味している。

【００１８】純Ａｇ金属薄膜の欠点は、一般に知られて
いるように透明基板や画素材料等との密着力が弱く、剥
離やピンホールが生じ易く、耐食性に劣り、室内に放置
すると大気中の湿気、酸素、硫黄化合物の存在により銀
が拡散・凝集して劣化が進み、さらには、摩耗や擦傷し
易い等の物理的強度に劣っている。

【００１９】例えば、ＡｇにＰｔ等のような貴金属を添
加するＡｇ−Ｍｘ（Ｍｘ：貴金属元素）の２元系銀合金
薄膜の場合には、耐摩耗性、耐擦傷性に劣り、Ａｇに改
質促進剤としてＣｕ等を添加するＡｇ−Ｍｙ（Ｍｙ：改
質促進元素）の２元系Ａｇ合金薄膜の場合には、耐熱
性、耐擦傷性等の物理的強度は向上するが、低抵抗性や
耐食性が不十分であるために、何れのときも透明基板
に、酸化珪素膜や樹脂膜等の下地膜を設けた上にＡｇま
たはＡｇ合金薄膜を形成している。

【００２０】そこで、この発明においては、上記の下地
膜が不要なほど密着性、耐食性の優れＡｇ合金薄膜を得
るために、Ａｇに、酸化しにくく、酸やアルカに侵され
難い特性を有する貴金属であるＭｘとの合金化によっ
て、Ａｇの拡散・凝集が抑えられ密着性、耐食性が著し
く改善し、加熱処理を行ったときでも、膜の微小な表面
凹凸や膨れ（ヒロック）等を抑制できることと、Ａｇに
金属Ｍｙを添加すると、耐摩耗性、耐擦傷性が向上する
ことに着目してＡｇ−Ｍｘ−Ｍｙの３元系Ａｇ合金ブラ
ックマトリックスを開発するに至った。

【００２１】但し、この発明において、ＭｘとＭｙの総
含有量を２５ｗｔ％を越えて多くしすぎると、合金の表
層が白濁したりするなど耐食性が悪化するので、７５≦
Ａｇ＜１００ｗｔ％、０＜Ｍｘ＜２５ｗｔ％、０＜Ｍｙ
＜２５ｗｔ％とした。さらに、前記の他にも効果的な添
加元素があげられるが環境上懸念されるものは採用しな
いこととした。

【００２２】もちろん、この発明においては、金属ブラ
ックマトリックスの膜構成、積層数等も特段に限定され
るものではなく、単層金属膜のときも膜厚が９０ｎｍ程
に薄くとも光学濃度が４．０以上あり十分な遮光機能を
有し、かつ、Ｃｒ膜と比較すると外光の吸収が少ないた
めに液晶温度の上昇による表示画像の低下が起こらない
ため、ブラックマトリックスとしても好適に用いられ
る。

【００２３】添付した図面の図１（ａ）は、透明基板上
に成膜されたこの発明のＡｇ合金薄膜である。図１
（ａ）に示したように、透明基板（１）としては、無ア
ルカリガラスや、アルカリ含有ガラス上にアルカリ溶出
防止層を形成したもの、あるいはプラスチックフィルム
等が用いられる。この透明基板の上にはＡｇ合金薄膜
（２）が配設される。このＡｇ合金薄膜（２）には前記
のとおりＣｒを含有していない。また、Ｃｒと同様に有
害とされる物質も含んでいない。

【００２４】このような構成は、１（ｂ）に示したよう
に、下地膜（アンダーコート）（６）を持つ従来のもの
とは相違している。ただ、この発明においては、図１
（ｃ）に示したように、透明基板上（１）とその上に設
けた無機又は樹脂製、あるいは金属と反応性ガスとの混
合物からなる反射減衰層（７）の界面において、反射減
衰層（７）からの反射光とＡｇ合金薄膜（２）面からの
反射光の光干渉効果及び／又は該反射減衰層（７）の光
吸収効果によって、外光の反射率を一段と低減させて、
液晶パネル等の表示画面の視認性を向上させることもで
きる。

【００２５】成膜手段としては、パッチ式、またはイン
ライン式によるスパッタリング方法が適宜に採用でき
る。成膜材料、例えばスパッタリングターゲットは通
常、３元系のＡｇ合金ターゲットを用いることが好まし
いが、混合物ターゲットや、Ａｇ、Ｍｘ、Ｍｙの多元
（３本）のターゲットも使用でき、スパッタリング成膜
時の導入ガスは主にＡｒガスを用いる。

【００２６】尚、近年では、余分な遮光を防止して開口
率を高めるためにブラックマトリックスを対向するＴＦ
Ｔアレイ基板側へ配設する遮光層オンアレイ方式を採用
することが多くなっているが、この場合でも、この発明
を適用して好ましいブラックマトリックスを得ることが
できる。

【００２７】さらに、透明基板上に、上記に記載のＡｇ
合金ブラックマトリックスと、該ブラックマトリックス
の複数の画素内に着色樹脂とを備えることで、液晶ディ
スプレイ用カラーフィルタを作製することもできる。

【００２８】この発明は、上記の通りの構成によってこ
れまでにないＡｇ合金ブラックマトリックス及びそれを
用いた液晶ディスプレイ用カラーフィルタを提供するも
のであるが、その構成および作用効果の特徴について、
さらに詳しく以下の実施例に沿って説明する。もちろん
この発明は以下の例によって限定されるものではない。

【００２９】

【実施例】実施例１成膜装置内に透明で清浄な板厚０．７ｍｍの無アルカリ
ガラス基板（１）をセットし、該装置内を８０℃程度で
一定に保ち、十分に排気した後にＡｒガスを圧力０．２
８Ｐａまで導入したガス雰囲気中で、電力密度３．５ｗ
／ｃｍ²にて、Ａｇ−Ｒｕ−Ｃｕの３元系Ａｇターゲッ
トを１３０秒間スパッタリングして、図１（ａ）に示し
たように、該ガラス基板（１）上にＡｇ合金薄膜（２）
を成膜した。

【００３０】この薄膜を日本電子（株）製のエネルギー
分散型Ｘ線解析装置（ＥＤＸ）で組成比率を求めたとこ
ろ、Ａｇ：Ｒｕ：Ｃｕ＝９３．４：４．４：２．２ｗｔ
％であった。

【００３１】該薄膜の膜厚が９０ｎｍと薄いにもかかわ
らず、光学濃度が４．２程と高くＣｒ金属薄膜と同等以
上の遮光機能を有し、しかも膜厚を薄くできることによ
って、図２および図３に例示したブラックマトリックス
（４）と各画素（５）の段差を少なくでき、図４のよう
に、その上を保護膜（オーバーコート）（８）又は／及
び透明導電膜（９）で被覆して得られるカラーフィルタ
基板としたときに、透明導電膜等に及ぼすダメージを低
減化でき、膜抵抗率の低減化が可能である。

【００３２】さらに、この発明の薄膜の成膜速度が、Ｃ
ｒ薄膜の成膜時よりも２．６倍程速くなり、下地膜が不
要で直接透明基板（１）上に成膜できることで、スルー
プット（生産性）の向上が期待できる。 <a> 耐薬品性、耐熱性等をはじめとする実用性試験この実施例１によって得られたＡｇ−Ｒｕ−Ｃｕ３元系
銀合金薄膜について、液晶パネルの製造工程上、一般に
Ａｇ膜の欠点とされる耐薬品性、耐熱性等をはじめとす
る実用性についてテストを行った。テスト項目及び方法
は次の表１のとおりである。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１に従って得られたテスト後の試料につ
いて、膜剥離、ピンホールの有無、膜色変化を観察し、
テスト前とテスト後について、膜の光学濃度変化率と、
膜表面反射率の変化等を総合的に評価したところ、テス
ト項目全てについての評価結果は何らの問題も発生しな
かった。このことから、カラーフィルタ基板用ブラック
マトリックス（４）として十分な実用性があることが判
明した。

【００３５】ただし、この発明の３元系銀合金ブラック
マトリックス（４）において、Ａｇ含有比が７５ｗｔ％
未満になると耐食性の劣化が著しくなり、ブラックマト
リックス（４）を形成できる状態ではなくなるので、７
５≦Ａｇ＜１００ｗｔ％、０＜Ｍｘ＜２５ｗｔ％、０＜
Ｍｙ＜２５ｗｔ％であることが望ましい。 <b> フォトリソグラフィ技術によるパターニング性の評
価この実施例１において得られた３元系Ａｇ合金薄膜
（２）基板について、フォトリソグラフィ技術によるパ
ターニング性の評価を行った。

【００３６】Ｃｅ（ＮＨ₄）₂（ＮＯ₃）₆：７０％Ｈ
ＣｌＯ₄：Ｈ₂Ｏ＝１６５ｇ：４２ｍｌ：１０００ｍｌ
の割合で調合した液温３０℃のエッチング液を用いてブ
ラックマトリックス（４）を形成した。該パターンのエ
ッチング断面形状は、薄膜の挟れが殆どなく、パターン
幅も均一であり、膜剥離や膜の白濁等の腐蝕がみられな
かったことから、エッチング性の優れたものであること
が判明した。

【００３７】尚、上記エッチング液は液晶パネル等情報
機器の製造分野において既に公知で、クロム金属薄膜を
パターニングしてブラックマトリックス（４）を形成す
るときに多用されているクロムエッチング液と成分が殆
ど同じであることから、既存のパターニング製造設備や
方法をそのまま転用できることも重要な特徴である。

【００３８】さらに、透明基板（１）上に、上記のいず
れかに記載のＡｇ合金ブラックマトリックス（４）と、
前記ＣＦ基板（５）上に、顔料等の色素を含んで赤Ｒに
着色されたネガ型のフォトレジストを塗布しプリベーク
を行い、露光、現像及び、ポストベークの各工程を経て
ＣＦ基板の行列方向に３画素おきに赤色樹脂層Ｒを形成
した。その後に、同様の手順により、緑Ｇ、青Ｂ部分の
画素領域に緑色Ｇおよび青色樹脂層Ｂを形成した上に、
保護膜（５）とＩＴＯ等透明電極（９）を積層し、透明
基板（１）の裏面に偏光板（１７）を取り付けて、図４
に示したような液晶ディスプレイ用カラーフィルタを製
造するものである。

【００３９】エッチング処理液については、必要に応じ
て硝酸やアンモニア水を加え、ホルマリン等の還元性溶
液を用いてＡｇイオンを還元し、析出させる銀鏡反応を
参考にして容易にＡｇ金属を回収できる。

【００４０】一方、エロージョンのために利用されない
部分を７０％程残す使用済みＡｇ合金ターゲットは回収
して再利用したほうが、新たにＡｇ含有鉱石を採掘して
精錬するよりも、コスト面で割安であり、溶融してター
ゲットとして容易に再生できる。したがって廃棄物処理
費もかからずにリサイクルして資源を大切に利用でき
る。

【００４１】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、この発明に
よって得られるカラーフィルタ基板用Ａｇ合金ブラック
マトリックスは、Ｃｒ等の有害な金属を含んでいないこ
と、密着性、耐食性に優れているため、透明基板（１）
上に直接成膜が可能であって下地膜を必要としないこ
と、一定の光学濃度を保って十分な遮光性があること、
Ｃｒ金属薄膜をブラックマトリックスにパターニングし
ている既存のウェットエッチング装置や方法を殆ど変更
しないで利用できること、エッチング処理液及び、使用
済みターゲットからＡｇ等の金属を回収してリサイクル
使用が可能であること、ターゲットの主成分が非磁性体
のためマグネトロンスパッタリングが容易にでき、成膜
速度は、例えば強磁性体ターゲットを用いたときと比較
すると２〜３倍速いこと、透明基板上に反射減衰層を設
けたり、請求項２に係わる範囲内でＣｕ等の添加物の含
有比を調整することで、外光反射率を低下させて表示画
面のコントラストや発色効果を高めることができる特徴
を有するカラーブラックマトリックス及び、これを用い
た液晶ディスプレイ用カラーフィルタを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】透明基板上に形成されたパターニング前の薄膜
（ブランクス）の概略図である。（ａ）この発明に関する透明基板上に直接形成されたＡ
ｇ合金薄膜を示したものである。（ｂ）従来の発明に関する下地膜上に形成されたＡｇ合
金薄膜を示したものである。（ｃ）反射減衰層（反射防止層）上に形成されたＡｇ合
金薄膜と、外光の入射光及び反射光の説明図である。

【図２】図１（ａ）のＡｇ合金薄膜をパターニングして
得られた本発明によるＡｇ合金ブラックマトリックス
と、画素（Ｒ・Ｇ・Ｂ）を備えたカラーフィルタ基板の
一例を模式的に示した構成図である。

【図３】図２のカラーフィルタ基板に関して一部切欠い
た正面図である。

【図４】カラーフィルタ基板等を備えた液晶パネル構成
の一例を模式的示した一部切欠き断面図である。

【符号の説明】

１透明基板２Ａｇ合金薄膜（ブランクス）３Ａｇ合金薄膜（周縁部）４ブラックマトリックス（Ａｇ合金薄膜をパターニン
グした後の残部）５画素部（樹脂層Ｒ・Ｇ・Ｂ）６下地膜（アンダーコート）７反射減衰層８保護膜（オーバーコート）９透明電極１０液晶１１液晶層１２透明電極１３画素スイッチ素子（薄膜トランジスタ・ＴＦＴ）１４封止部１５透明基板１６偏向板（ＴＦＴアレイ基板側・バックライト側）１７偏向板（カラーフィルタ基板側・視覚側）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐竹博光宮城県栗原郡若柳町武鎗字花水前１−１株式会社倉元製作所内 (72)発明者木本大作埼玉県東松山市下野本1414番地株式会社豊島製作所内 (72)発明者古山晃一埼玉県東松山市下野本1414番地株式会社豊島製作所内Ｆターム(参考） 2H042 AA06 AA09 AA15 AA26 2H048 BA02 BA11 BA16 BA17 BA53 BA54 BB02 BB14 BB15 BB22 BB26 BB37 BB44 2H091 FA02Y FA35Y FB08 LA01 LA02 LA12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液晶パネルのカラーフィルタ基板に用い
られる金属ブラックマトリックスであって、透明基板上
にＣｒを実質的に含まない成膜材料により形成される該
ブラックマトリックスが、金属元素としてはＡｇを主成
分とし、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅの何れか
１種（元素Ｍｘ）と、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、ＡＩの
何れか１種（元素ＭＹ）とを含有する３元系合金からな
ることを特徴とするＡｇ合金ブラックマトリックス。
【請求項２】Ａｇ合金の含有比が、７５≦Ａｇ＜１０
０ｗｔ％、０＜Ｍｘ＜２５ｗｔ％、０＜Ｍｙ＜２５ｗｔ
％であることを特徴とする請求項１のＡｇ合金ブラック
マトリックス。
【請求項３】透明基板上に、請求項１ないし請求項２
のいずれかに記載のＡｇ合金ブラックマトリックスと、
該ブラックマトリックスの複数の画素内に着色樹脂とを
備えることを特徴とする液晶ディスプレイ用カラーフィ
ルタ。