JP2005215471A - 平坦化膜の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板表面の凹凸を平坦化するために、凸部間に充填される平坦化膜において、より基板表面を平坦にした平坦化膜の作製方法を提供する。
【解決手段】 基板１表面の凹凸を平坦化するために凸部間に充填される平坦化膜３の作製方法であって、反応前の膜厚が平坦化膜の膜厚の１．３倍以上となるようにネガ型感光性の高分子材料４を塗布し、高分子材料３のうち凸部間に位置する部分４ａを基板側から反応させ、高分子材料の表面側の一部を除去する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、平坦化膜の作製方法に係り、特に、パターン等の凸部によって形成された凹凸を平坦化するために凸部間を被膜で充填した平坦化膜の作製方法に関する。

従来、液晶表示素子は、様々な用途において使用されていたが、近年、携帯電話、携帯情報端末、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどの携帯機器用の表示装置として広く採用されている。

図５は、従来のパッシブマトリクス駆動の液晶表示素子の概略断面図である。従来の液晶表示素子１０１は、前面側の基板１１０および背面側の基板１２０をスペーサ１３０を介して対向して配置し、両基板１１０，１２０の周囲をシール１３１で囲繞し、その間に液晶１３２を充填した構成であり、前面側の基板１１０の外側から画像を観察されるようになっている。

前面側の基板１１０の他の基板１２０と対向する面には、下地の酸化珪素膜１１１と、酸化珪素膜１１１の上に格子状にパターニングされた遮光膜であるブラックマスク１１２と、ブラックマスク１１２間を充填する平坦化膜１１３と、それらの上に縞状にパターニングされた電極１１４と、表面に位置する配向膜１１６とが積層形成されている。

また、背面側の基板１２０の他の基板１１０と対向する面には、下地の酸化珪素膜１２１と、酸化珪素膜１２１の上に縞状にパターニングされた電極１２４と、電極１２４の上に配設された絶縁膜１２５と、表面に位置する配向膜１２６とが積層形成されている。

このような液晶表示素子１０１は、縞状の電極１１４と縞状の電極１２４とが交差するように配置されており、交差部がドットとして、液晶１３２に電圧を印加することで画像を表示することができる。

前面側の基板１１０に形成されたブラックマスク１１２は、各ドット間における光漏れを防止するために設けられており、縞状の電極１１４と縞状の電極１２４との交差部を開口し、隣接する電極間を遮光するように格子状にパターニングされている。このため、ブラックマスク１１２によって、ドット以外の部分における光漏れなどを防止することができ、液晶表示素子１０１のコントラストを向上させることができる。

平坦化膜１１３は、電極１１４が、ブラックマスク１１２によって形成された段差によって凹凸形状となり、断線することを防止するため、ブラックマスク１１２の開口を埋めるために設けられている。

平坦化膜１１３は、ブラックマスク１１２をパターニングして形成した後に、透明なネガ型のレジストを全面に塗布し、プリ露光ベークし、基板１１０の裏面からブラックマスク１１２をマスクとして露光し、現像し、ポストベークすることで形成されていた。

平坦化膜１１３の作製方法において、プリ露光ベークしたレジストに対して、露光し、現像し、ポストベークすると、露光処理およびポストベーク処理によってレジストが光重合、熱重合および脱ガスされるため収縮し、また現像処理によって露光されなかったレジストが除去される。この結果、プリ露光ベークしたレジストの膜厚に対して、平坦化膜１１３の膜厚は薄くなるのである。

図４は、レジストに対する露光量（ｍＪ／ｃｍ^２ ）とポストベーク後の膜厚の減少率ΔＴ（％）の関係を示すグラフである。図４において、減少率ΔＴは、プリ露光ベークしたレジストの膜厚とポストベーク後の平坦化膜１１３の膜厚の差を平坦化膜１１３の膜厚で除したものを百分率で表したものであり、ΔＴ＝（プリ露光ベークしたレジストの膜厚÷平坦化膜１１３の膜厚−1）×１００で求まる。

そして、従来の平坦化膜１１３の作製方法において、露光処理は、レジストの光重合が完了するような露光量、例えば２００ｍＪ／ｃｍ^２ で露光していたため、ΔＴは２０％程度であった。よって、従来、プリ露光ベークしたレジストは、平坦化膜１１３の膜厚（即ちブラックマスク１１２の膜厚と同じ）に比べて２０％程度厚くなるように、つまり１．２倍の膜厚に形成されていた。

特開２００２−１８９１２０号公報

しかしながら、従来の平坦化膜１１３は、平坦化が充分ではなかった。図６は、従来の液晶表示素子１０１において、膜厚１μｍのブラックマスク１１２とその間に平坦化膜１１３を形成した後の前面側の基板１１０の表面形状を測定した結果である。図６において、横軸は、基板１１０における位置（ｍｍ）を示し、０．１６５ｍｍまでがブラックマスク１１２であり、０．１６５ｍｍ以上が平坦化膜１１３であり、縦軸は膜厚（μｍ）を示す。

図６に示すように、平坦化膜１１３の膜厚は、ブラックマスク１１２の膜厚に比べて厚く形成されており、特に、ブラックマスク１１２の近傍において大きな突起１１３ａが形成されてしまった。突起１１３ａの高さは１．４６μｍであり、ブラックマスク１１２から０．４６μｍも突出していた。

この突起１１３ａによって、格子状のブラックマスク１１２に沿って表示ムラが生じ、表示品質を低下させていた。特に、この表示ムラは、基板１１０，１２０間の間隔（セルギャップと呼ばれる）が狭い狭ギャップの液晶表示素子において顕著に観察された。

このため、従来は、平坦化膜１１３を形成した後に、表面を研磨して突起１１３ａを除去したり、ブラックマスク１１２および平坦化膜１１３を覆って更にオーバーコート膜を形成したりすることがあった。

本発明は前述した点に鑑みてなされたもので、ブラックマスク間を充填する平坦化膜の突起を小さくして液晶表示素子の表示品質を向上させる平坦化膜の作製方法を提供することを下位の目的とするものであり、更には、基板表面の凹凸を平坦化するために、凸部間に充填される平坦化膜において、より基板表面を平坦にした平坦化膜の作製方法を提供することを上位の目的とするものである。

まず、本発明者らは、従来の液晶表示素子において、平坦化膜１１３のブラックマスク１１２の近傍に突起１１３ａが形成される機構を考察した。そして、本発明者らは、従来の平坦化膜１１３の作製方法において、プリ露光ベークしたレジストが、平坦化膜１１３の膜厚に比べて２０％程度厚くなるように形成され、レジストの光重合が完了するような露光量で露光されていた点に大きな突起が形成される要因を発見したのである。

すなわち、レジストは、ブラックマスク１１２によって形成された段差を覆って塗布されるので、塗布されたレジストの表面形状は、ブラックマスク１１２の段差の影響を受けて凹凸が形成される。レジストの凹凸は、レジストが流動性を有するため、ブラックマスク１１２によって形成される急峻な段差と違って、ブラックマスク１１２の上の凸部からブラックマスク１１２間の凹部に向かって徐々に変化している。そして、この状態で、レジストの光重合が完了するような露光量で露光されるため、この凹凸形状が固定されてしまいブラックマスク１１２の近傍に大きな突起１１３ａが形成されてしまったのである。

そこで、第１の発明の平坦化膜の作製方法は、基板表面の凹凸を平坦化するために凸部間に充填される平坦化膜の作製方法であって、反応前の膜厚が前記平坦化膜の膜厚の１．３倍以上となるようにネガ型感光性の高分子材料を基板上に塗布し、前記高分子材料のうち前記凸部間に位置する部分を高分子材料の前記基板に面する下側から反応させ、前記高分子材料の上側の一部を除去することを特徴とする。

更に、第１の発明の平坦化膜の作製方法において、前記平坦化膜となる高分子材料として、塗布された後、プレ露光ベークされ、露光され、現像され、ポストベークされることで前記平坦化膜となるレジストを使用し、前記反応前の膜厚が前記プレ露光ベーク後のレジストの膜厚であることが好ましい。

更に、第１の発明の平坦化膜の作製方法において、前記凸部が遮光性材料から形成され、前記凸部をマスクとして前記基板の裏面から前記レジストが露光されることが好ましい。

更に、第１の発明の平坦化膜の作製方法において、前記レジストが、光重合性および熱重合性を有する材料からなることが好ましい。

また、第２の発明の平坦化膜の作製方法は、基板表面の凹凸を平坦化するために凸部間に充填される平坦化膜の作製方法であって、反応前の膜厚が前記平坦化膜の膜厚の１．３倍以上となるように基板上に高分子材料を塗布し、前記高分子材料の前記基板に面する下側から前記高分子材料を反応させ、前記高分子材料の上側の反応が不十分な高分子材料を除去することを特徴とする。

本発明の平坦化膜の作製方法を使用すると、反応前の膜厚が平坦化膜の膜厚の１．３倍以上となるように高分子材料を塗布し、高分子材料のうち凸部間に位置する部分を高分子材料の基板に面する下側から反応させ、高分子材料の上側の一部を除去することで平坦化膜が作製されるため、高分子材料の表面に形成された凹凸形状も除去され、より平坦な表面を得ることが可能となる。その結果、従来行われることがあった平坦化膜を形成した後に、表面を研磨して突起を除去したり、ブラックマスクおよび平坦化膜を覆って更にオーバーコート膜を形成したりする必要が無くなり、工程数を減らすことができた。

また、平坦化膜となる高分子材料として、塗布された後、プレ露光ベークされ、露光され、現像され、ポストベークされることで平坦化膜となるレジストを使用することで、従来よりも小さい露光量でレジストを露光するため、低照度のランプを使用することができ、ランプコストを低減することができる。

更に、凸部を遮光性材料から形成し、凸部をマスクとしてレジストを露光する場合は、マスクが１枚不要になり、位置合わせが必要なくなるので好ましい。

更に、基板が液晶表示素子の一部であり、平坦化膜が、基板表面に設けられたブラックマスクによって形成される段差を平坦化する場合は、平坦化膜の突起に起因して生じるブラックマスクに沿った表示ムラが、従来よりも軽減され、コントラストを向上し高い表示品質の液晶表示素子を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図１乃至図３を参照して説明する。図１は、基板１表面に形成された凹凸を平坦化する平坦化膜３を作製する工程を示す概略断面図である。

まず、図１（Ａ）に示すように、基板１の表面には、凸部２が設けられており、凸部２の上面と基板１との表面との間で段差が形成されている。基板１としては、ガラス基板、プラスチック基板、石英基板、半導体基板等を用いることができる。なお、高分子材料の硬化方法として裏面露光法を採用する場合は、高分子材料を反応させる光に対して透光性を有する基板が好ましい。

凸部２としては、基板１の表面に被膜を形成し、パターニングすることで形成されることが多いが、基板１の表面の一部をエッチングして除去して形成されることもある。

次に、図１（Ｂ）に示すように、段差を覆って平坦化膜３となるネガ型の高分子材料４を基板上に塗布する。高分子材料４は、段差を覆って塗布されるので、段差の上側と下側、図１の場合は凸部２の上面と基板１の表面の両方に形成される。なお、高分子材料４としては、レジストや熱硬化性樹脂を使用することができる。

レジストには、使用する光源の種類により、紫外線である４３６ｎｍのｇ線や３６５ｎｍのｉ線を用いるフォトレジスト、２５０ｎｍのＸｅ‐Ｈｇランプ、２４８ｎｍのＫｒＦエキシマーレーザ、１９３ｎｍのＡｒＦエキシマーレーザを用いる遠紫外線レジスト、波長１０〜０．４４ｎｍのＸ線を用いるＸ線レジスト、１０〜５０ｋＶの電子線を用いる電子線レジストがあり、高分子レジストおよび無機レジストを含む。

この高分子材料４の膜厚（段差の上側と下側で膜厚が異なる場合は、段差の下側の膜厚）は、平坦化膜３の膜厚の１．３倍以上、好ましくは１．３〜２．０倍となるように設計されている。平坦化膜３は、凸部の高さと同じ膜厚に設計されるから、高分子材料４の膜厚は凸部の１．３倍以上となるように設計されていると見ることもできる。高分子材料４としてレジストを用いた場合は、プレ露光ベークした後の膜厚を指す。

そして、図１（Ｃ）に示すように、高分子材料４のうち凸部間に位置する部分４ａを高分子材料の基板１に面する下側から反応させる。高分子材料４としてレジストを用いた場合は、プレ露光ベークした後の膜厚を考慮して、基板１の裏面からレジストの光重合が完了しない露光量にて露光すればよい。

露光量（ｍＪ／ｃｍ^２ ）と平坦化膜となった時の膜厚の減少率ΔＴ（％）の関係が図４に示すようなレジストで、プレ露光ベークした後のレジストの膜厚が１．３倍であった場合、減少率ΔＴ（％）が３０％となるように、即ち４５ｍＪ／ｃｍ^２ の露光量で露光すればよい。もし、プレ露光ベークした後のレジストの膜厚が１．４倍であれば、減少率ΔＴ（％）が４０％となるように、即ち３０ｍＪ／ｃｍ^２ の露光量で露光すればよい。

また、レジストを用いた場合に、基板側から反応させる時に、凸部２を遮光性材料から形成した場合は、凸部２をマスクとして裏面露光することができる。このように、凸部２をマスクとして露光すれば、マスクが１枚不要になり、位置合わせが必要なくなるので好ましい。

また、高分子材料４として熱硬化性樹脂を使用した場合は、基板１の裏面側に熱源を配置し、表面側に冷却源を配置して、熱硬化性樹脂の基板側が加熱により硬化され、熱硬化性樹脂の表面側は加熱されにくい条件で熱処理を行えばよい。

最後に、図１（Ｄ）に示すように、高分子材料４の上側（表面側）の一部を除去して平坦化膜３を形成する。前述したとおり、高分子材料４は、凸部間に位置する部分の基板１側から反応が進んでおり、表面側は完全には反応が完了していない状態であるから、種々の現像またはエッチング方法により容易に除去することが可能である。

高分子材料４としてレジストを用いた場合は、現像液を用いて現像することにより、表面側の完全に光重合が完了していない領域は部分的に除去され、その後のポストベークによって熱重合して平坦化膜３として固化する。

また、熱硬化性樹脂を使用した場合は、適宜の酸またはアルカリ溶液によるウェットエッチングによって、表面側の反応が不十分な完全に硬化していない領域が除去される。必要であれば、ウェットエッチングした後に残存した平坦化膜３を加熱して、平坦化膜３における熱重合を完全に終わらせて、平坦化膜３を強固にしてもよい。

このように、平坦化膜３は、その前段階である高分子材料４の表面側を除去して得られるので、高分子材料４の表面に形成された凹凸形状も除去され、より平坦な表面を得ることが可能なのである。

図２は、液晶表示素子の前面側の基板１０を作製する工程を示す概略断面図であり、本発明の平坦化膜の作製方法を応用した例である。

図２（Ａ）は、前面側の基板１０の一方の表面上に下地の酸化珪素膜１１と、その上に格子状にパターニングされた遮光膜であるブラックマスク１２を形成した状態である。ブラックマスク１２は、各ドットの電極間やアクティブマトリクスの能動素子部分を遮光するために設けられている。

図２（Ａ）においては、カーボンブラックを配合したネガ型のアクリル系フォトレジスト（新日鐵化学株式会社製）を塗布し、２４０秒の室温待機後、８０℃×１２０秒の条件でプレ露光ベークし、液晶表示素子のドット部分以外が開口したマスクを用いて露光量６００ｍＪ／ｃｍ^２ で露光し、その後、炭酸ソーダ系０．０５ｗｔ％濃度の現像液（新日鐵化学株式会社製）で現像し、２３０℃×３０分の条件でポストベークを行い膜厚１μｍのブラックマスク１２を形成した。

次に、図２（Ｂ）に示すように、ブラックマスク１２によって形成された段差を平坦化するために、ブラックマスク１２を覆って平坦化膜となるレジスト１４を塗布し、プレ露光ベークを行う。

本発明の平坦化膜の作製方法において、平坦化膜となるレジスト１４は、プレ露光ベーク後の膜厚が、ポストベークして平坦化膜１３となった時の膜厚の１．３倍以上、好ましくは１．３〜２．０倍となるように設定されている。つまり、ブラックマスク１２の膜厚が１μｍだった場合、ブラックマスク１２による段差を平坦化するための平坦化膜１３の膜厚も１μｍとなるように設定されるので、プレ露光ベーク後のレジスト１４の膜厚は、１．３μｍ以上、好ましくは１．３〜２．０μｍとなるように設定される。

平坦化膜となるレジスト１４としては、光照射によって溶けにくくなるネガ型のレジストが用いられる。また、平坦化膜となるレジスト１４として透明な材料を使用すれば、白黒表示の液晶表示素子が得られるが、液晶表示素子をカラー表示とするために、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色に着色した平坦化膜を用いることも可能である。

図２（Ｂ）においては、平坦化膜１３の膜厚の１．３６倍となるように膜厚１．３６μｍの透明なネガ型のアクリル系フォトレジスト（新日鐵化学株式会社製）を塗布し、２７０秒の室温待機後、８０℃×１２０秒の条件でプレ露光ベークした。

そして、ブラックマスク１２間のみレジスト１４が残存するように、レジスト１４に対して基板側から露光処理を行う。露光処理において、レジスト１４の光重合が完了しない露光量にて露光する。露光量（ｍＪ／ｃｍ^２ ）と平坦化膜となった時の膜厚の減少率ΔＴ（％）の関係が図４に示すようなレジスト１４であった場合は、プレ露光ベーク後のレジスト１４の膜厚を考慮して減少率ΔＴ（％）を決定し、その露光量で露光すればよい。

この露光処理は、図２（Ｃ）に示すように、ネガ型のレジスト１４に対して基板１０の裏面から光を照射して、ブラックマスク１２をマスクとしてレジスト１４を露光する裏面露光が、マスク数の低減とマスクの位置合わせが不要な点において好適である。

図２（Ｃ）においては、プレ露光ベーク後のレジスト１４の膜厚が１．３６μｍであるから、減少率ΔＴ（％）が３６％となるように３０ｍＪ／ｃｍ^２ で露光した。

その後、露光したレジスト１４を現像し、ポストベークして平坦化膜１３を完成させる。現像およびポストベークによって、減少率ΔＴ（％）だけレジスト１４の膜厚は減少するため、結局完成した平坦化膜１３の膜厚はちょうど段差分の厚みとなる。

図２（Ｄ）においては、炭酸ソーダ系０．０５ｗｔ％濃度の現像液（新日鐵化学株式会社製）で現像し、２３０℃×３０分の条件でポストベークを行って平坦化膜１３を形成した。

図３は、このようにして平坦化膜１３が得られた前面側の基板１０の表面形状を測定した結果である。図３において、横軸は、基板１１０における位置（ｍｍ）を示し、０．２５７ｍｍまでがブラックマスク１２であり、０．２５７ｍｍ以上が平坦化膜１３であり、縦軸は膜厚（μｍ）を示す。

図３に示すように、平坦化膜１３の膜厚は、ブラックマスク１２近傍の突起１３ａにおいて１．１６μｍであり、ブラックマスク１２から０．１６μｍだけしか突出していない。更に、突起以外の平坦化膜１３の膜厚は、ブラックマスク１２と同じ１μｍであった。

比較例１として、平坦化膜となるレジストを１．２倍の膜厚に形成し、２００ｍＪ／ｃｍ^２ で露光した以外は同じ条件で平坦化膜を形成した場合、平坦化膜の膜厚は、ブラックマスク近傍の突起において１．４６μｍ、突起以外において１μｍという結果であった。比較例１では、２００ｍＪ／ｃｍ^２ という光重合が完了する露光量で露光したため、ブラックマスク近傍において大きな突起が形成されてしまった。

また、比較例２として、平坦化膜となるレジストを１．２倍の膜厚に形成し、３０ｍＪ／ｃｍ^２ で露光した以外は同じ条件で平坦化膜を形成した場合、平坦化膜の膜厚は、ブラックマスク近傍の突起において０．９μｍ、突起以外において０．７μｍという結果であった。比較例２では、３０ｍＪ／ｃｍ^２ という光重合が完全には完了しない露光量で露光したが、平坦化膜となるレジストを１．２倍の膜厚でしか形成していなかったので、ブラックマスクよりもブラックマスク近傍の突起及び平坦化膜が低くなってしまった。

以上のように、本発明の方法によって形成された平坦化膜１３は、従来の平坦化膜に比べてブラックマスク１２の近傍に形成される突起を小さくすることができ、表面をより平坦にすることができた。更に、本発明の方法は、従来よりも小さい露光量でレジストを露光するため、低照度のランプを使用することができ、ランプコストを低減することができる。

更に、液晶表示素子を構成するために、前面側の基板１０に縞状にパターニングされた電極および配向膜を形成する。また、背面側の基板は、表面上に下地の酸化珪素膜と、縞状にパターニングされた電極と、絶縁膜と配向膜とを形成する。そして、スペーサを間に介して、前面側の基板および背面側の基板を電極が交差するように対面させ、両基板の周囲をシールで囲繞し、その間に液晶を充填して液晶表示素子を作製する。

この液晶表示素子においては、平坦化膜の突起に起因して生じる格子状のブラックマスクに沿った表示ムラが、従来よりも軽減され、コントラストが向上し表示品質を高めることができた。特に狭ギャップの液晶表示素子において、突起に起因して生じる表示ムラを低減し、コントラストを向上させることができた。

なお、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更をすることができる。例えば、上記実施態様では、液晶表示素子として、パッシブマトリクス駆動の液晶表示素子を用いて説明したが、アクティブマトリクス駆動の液晶表示素子に対しても、本発明の平坦化膜の作製方法を適用できることは明らかである。更に、以上においては、液晶表示素子のブラックマスク間を充填する平坦化膜に応用することを重点的に説明したが、本発明の平坦化膜の作製方法がそれに限定されるものではなく、種々の素子の段差を平坦化するために適用することができる。

本発明の平坦化膜を作製する工程を示す概略断面図 液晶表示素子の前面側基板を作製する工程を示す概略断面図 本発明を実施した液晶表示素子の前面側基板の表面形状の測定結果 レジストに対する露光量（ｍＪ／ｃｍ^２ ）とポストベーク後の膜厚の減少率ΔＴ（％）の関係を示すグラフ 従来の液晶表示素子の概略断面図 従来の液晶表示素子の前面側基板の表面形状の測定結果

符号の説明

１ 基板
２ 凸部
３ 平坦化膜
４ 高分子材料

Claims (5)

1. 基板表面の凹凸を平坦化するために凸部間に充填される平坦化膜の作製方法であって、
   反応前の膜厚が前記平坦化膜の膜厚の１．３倍以上となるようにネガ型感光性の高分子材料を基板上に塗布し、
   前記高分子材料のうち前記凸部間に位置する部分を高分子材料の前記基板に面する下側から反応させ、
   前記高分子材料の上側の一部を除去することを特徴とする平坦化膜の作製方法。
2. 前記平坦化膜となる高分子材料として、塗布された後、プレ露光ベークされ、露光され、現像され、ポストベークされることで前記平坦化膜となるレジストを使用し、前記反応前の膜厚は前記プレ露光ベーク後のレジストの膜厚である請求項１に記載の平坦化膜の作製方法。
3. 前記凸部は遮光性材料から形成され、前記凸部をマスクとして前記基板の裏面から前記レジストが露光される請求項２に記載の平坦化膜の作製方法。
4. 前記レジストは、光重合性および熱重合性を有する材料からなる請求項２または３に記載の平坦化膜の作製方法。
5. 基板表面の凹凸を平坦化するために凸部間に充填される平坦化膜の作製方法であって、
   反応前の膜厚が前記平坦化膜の膜厚の１．３倍以上となるように基板上に高分子材料を塗布し、
   前記高分子材料の前記基板に面する下側から前記高分子材料を反応させ、前記高分子材料の上側の反応が不十分な高分子材料を除去することを特徴とする平坦化膜の作製方法。