JP2006337442A

JP2006337442A - 基板の再生方法

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Publication number: JP2006337442A
Application number: JP2005158692A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Ikeda; 政博池田; Minoru Otani; 稔大谷
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: US20070004050A1; JP4500734B2

Abstract

【課題】無機材料膜上に形成された有機材料構造物、特に配向膜や配向制御用の突起構造物などを、工程数を最小限に抑え、有機材料構造物下の各層に及ぼされるダメージを可及的に低減しつつも容易且つ確実に除去し、カラーフィルタ基板又はＴＦＴ基板の最終形態に極めて近い状態に戻して再利用に供する。
【解決手段】ＣＦ基板１０を再生するにあたり、無機材料膜であるＩＴＯ透明電極４より上層に存する有機材料構造物、即ち配向膜７、柱状スペーサ５及び突起構造物６を、酸化セリウムを含有する研磨剤及び水を用いた湿式研磨によって研磨除去する。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶表示装置の製造プロセスにおいて発生した不良品について、不良部分である有機材料構造物を除去して基板の再利用を図るための基板の再生方法に関する。

一般的に、液晶表示装置は、透明電極等を備えた一対の基板と、これら基板間に挟持された液晶層とで構成されるものであり、透明電極間に電圧を印加することにより液晶を駆動させ、光透過率を制御して表示する装置である。

近年、液晶表示装置の需要は増加しており、液晶表示装置に対する要求も多様化している。そのなかで、特に視角特性や表示品質の改善が強く要求されており、これを実現する手段として、液晶分子を垂直配向させ、配向膜にラビング処理を施すことなく、基板表面に設けた土手状（線状）の突起構造物等により、電圧印加時の液晶分子の傾斜方向を複数方向に規制するＭＶＡ（Multi-domain Vertical Alignment）方式の液晶表示装置が開発されており、視角特性を大幅に改善することに成功している。

ところで、液晶表示装置の製造プロセスにおいて、工程内で生じる欠陥及び特性不良により不良品が発生する場合がある。特に、生産開始期から生産安定期に至る期間においては、材料、装置、プロセス条件等の変動により歩留が低く、多量の不良品が発生することがある。不良品については、不良層を除去して可能な限り支持基板を再利用することが望ましい。

従来、各種の不良層を除去するには、所定の剥離液を用いた化学的剥離処理により剥離除去する（特許文献１を参照）。例えば、配向膜が不良層となった場合、この配向膜を除去するには、基板をアルカリ性現像液ＴＭＡＨや有機溶媒γブチロラクトン、ＮＭＰなどの剥離用薬液に数分間から数十分間、浸漬することによって処理を行うが、焼成された配向膜は簡単には剥離できないため、薬液を４０℃〜６０℃程度に加熱することで反応を加速して除去を行う。

また、ＩＴＯ透明電極上に形成されたノボラック樹脂などの有機物による配向制御用構造物は、配向膜と同様に焼成後において薬液による剥離が簡単にはできないため、オゾン・アッシング、プラズマ・アッシング等のアッシングやドライエッチング処理によって除去を行い、基板を再生している。

特開２００３−２７９９１５号公報特開平１１−９５０１９号公報

ところが、特にＭＶＡ方式の液晶表示装置における垂直配向用の配向膜等の有機材料には、剥離用の薬液が浸透し難く、焼成前でも剥離できないものがある。更に、薬液の加熱によって反応を加速して剥離を行った場合、下地のカラーフィルタ層にも化学的なダメージが加わり、カラーフィルタ樹脂に剥離が生じたり、顔料の離脱による退色や樹脂の表面における凹凸の増加、ＩＴＯ透明電極の表面の荒れ等が発生する場合がある。

また、プラズマ・アッシング処理によりＩＴＯ透明電極上の有機材料構造物の除去を行った場合、例えば３０秒間当たり０．２μｍとエッチングレートが遅いため、配向制御用の突起構造物（膜厚１．４μｍ）や柱状スペーサ（膜厚３．５μｍ）など膜厚の厚い有機材料構造物は完全には除去できず、表面にパターン跡として一部が残る場合が多い。更に、アッシングの処理時間を長くした場合には、薬液処理と同様に表面の荒れや凹凸が発生する。

また、基板上の各種の膜を強アルカリ等で完全に除去し、素ガラスの状態にまで戻すガラス基板再生を行うと、再度、ガラス基板状態からカラーフィルタやＴＦＴ等を形成する必要があり、非常に工数やコストが掛かるという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、無機材料膜上に形成された有機材料構造物、特に配向膜や配向制御用の突起構造物などを、工程数を最小限に抑え、有機材料構造物下の各層に及ぼされるダメージを可及的に低減しつつも容易且つ確実に除去し、カラーフィルタ基板又はＴＦＴ基板の最終形態に極めて近い状態に戻して再利用に供することのできる基板の再生方法を提供することを目的とする。

本発明の基板の再生方法は、液晶表示装置に使用される基板の再生方法であって、前記基板の上部に形成された無機材料膜を研磨ストッパ層として用い、前記無機材料膜上に形成された有機材料構造物のみを、研磨剤を用いた湿式の研磨のみにより選択的に除去する。

本発明では、物理的剥離処理である研磨により、研磨レートの小さいＩＴＯ膜等の無機材料膜を研磨ストッパ層として用い、物理的な全面研磨によって無機材料膜上にある有機材料構造物である配向膜、柱状スペーサ、配向制御用構造物等の一般的には剥離が難しい焼成後の樹脂層を除去する。しかもこの場合、湿式の研磨のみにより、その後に化学的剥離処理を行うことなく有機材料構造物を除去することができる。これにより、下地のＩＴＯ層、カラーフィルタ層、ＴＦＴ層などに品質的なダメージを与えることなく、更には化学的剥離処理が不要であるために基板表面の荒れや基板表面の凹凸の増加が抑止され、最小限の工程で各基板を最終工程に近い段階に戻し、基板再生を実現する。

本発明の基板の再生方法の一態様では、前記研磨剤を変えた研磨レートの異なる複数回の前記研磨により、前記有機材料構造物のみを除去する。
このような複数回の研磨を行うことにより、有機材料構造物のうち研磨され難いものでも効率良く研磨し、種々の有機材料構造物に適合したきめ細かい確実な研磨除去が可能となるとともに、研磨後の基板表面の平坦性が向上する。

本発明によれば、無機材料膜上に形成された有機材料構造物、特に配向膜や配向制御用の突起構造物などを、工程数を最小限に抑え、有機材料構造物下の各層に及ぼされるダメージを可及的に低減しつつも容易且つ確実に除去し、カラーフィルタ基板又はＴＦＴ基板の最終形態に極めて近い状態に戻して再利用に供することができる。

以下、本発明を適用した好適な緒実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態では、本発明をＭＶＡ方式の液晶表示装置のカラーフィルタ（ＣＦ）基板の再生に適用した場合について例示する。
図１は、ＣＦ基板の構成を示す概略断面図であり、図２は、第１の実施形態によるＣＦ基板の再生方法を順次示す概略断面図である。

図１に示すように、ＣＦ基板１０は、ガラス基板１の表面に、先ず、低反射Ｃｒ（例えば膜厚１６０ｎｍ程度）または樹脂ブラック（例えば膜厚１．２μｍ程度）などをパターニングしてなるブラックマトリクスが形成される。ここでは、低反射Ｃｒを採用し、低反射Ｃｒ−ＢＭ２と称する。

続いて、低反射Ｃｒ−ＢＭ２上に、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の各着色樹脂のパターニングを３回繰り返して行い、例えば膜厚１．８μｍ程度のカラーフィルタ層３が形成される。更に、カラーフィルタ層３を覆うように、ＩＴＯ透明電極４が膜厚１５０ｎｍ程度に形成される。

続いて、ＩＴＯ透明電極４上に、例えば高さ３．５μｍ程度のセル厚保持用の柱状スペーサ５と、例えばノボラック樹脂製の誘電体層からなる例えば高さ１．４μｍ程度の土手状（線状）の配向規制用の突起構造物６とがパターン形成される。そして、柱状スペーサ５及び突起構造物６を覆うように、ＩＴＯ透明電極４上に液晶分子を配向させるための例えば膜厚０．１μｍ程度の配向膜７が形成され、ＣＦ基板１０が構成される。

本実施形態では、ＣＦ基板１０を再生するにあたり、無機材料膜であるＩＴＯ透明電極４より上層に存する有機材料構造物、即ち配向膜７、柱状スペーサ５及び突起構造物６を除去する。

先ず、図２（ａ）に示すように、ＣＦ基板１０の裏面（下面）を基板ホルダ（基板ステージ）１２に固定する。そして、ＣＦ基板１０を基板ホルダ１２に固定した状態で、研磨ヘッド（研磨ステージ）１１を用いて、基板ホルダ１２を加圧しながら研磨ヘッド１１にＣＦ基板１０の表面（上面）を当接した状態で回転させ、ここでは酸化セリウムを含有する研磨剤及び水を用いた湿式研磨によって、ＣＦ基板１０の表面全体の研磨を開始する。図示の例では、ＣＦ基板１０を図１の状態から倒立させて研磨する様子を示す。

研磨が進行すると、図２（ｂ）に示すように、ＣＦ基板１０の表面において高い部分から徐々に研磨されてゆく。ここでは、柱状スペーサ５上の配向膜７、柱状スペーサ５、突起構造物６上の配向膜７、突起構造物６、ＩＴＯ透明電極４上の配向膜７の順で研磨が進む。

そして、図２（ｃ）に示すように、無機材料膜であるＩＴＯ透明電極４が研磨ストッパ層として機能し、ＩＴＯ透明電極４の表面が露出した段階から約１分間の経過後に研磨を終了させる。

なお、本実施形態では、ＣＦ基板１０にアクリル樹脂樹脂の柱状スペーサ５及び配向制御用の突起構造物６が形成されている場合を説明したが、単純に配向膜７の除去のみ、または柱状スペーサの除去のみなどにも使用可能である。

ここで、ＣＦ基板１０に対して本実施形態の湿式研磨が完了した状態を、従来の化学的剥離処理により再生された状態と比較した様子を図３に示す。ここで、（ａ）が従来方法により剥離した様子を、（ｂ）が本実施形態により剥離した様子をそれぞれ示す。

従来方法では、ガラス基板１上に低反射Ｃｒ−ＢＭ２が形成された状態まで戻されている。これに対して本実施形態では、ＣＦ基板１０の最終形態に極めて近い状態、即ち、低反射Ｃｒ−ＢＭ２上にカラーフィルタ３及びＩＴＯ透明電極４が積層された状態まで戻されている。このように、本実施形態では、再びカラーフィルタ３及びＩＴＯ透明電極４を形成する必要がなく、従来方法に比べて工程数が大幅に削減される。

ここで、実際にＣＦ基板１０に上記の湿式研磨を施した様子を図４及び図５の顕微鏡写真に示す。ここで、図４の各図が光学顕微鏡写真を、図５の各図が図４の対象を部分的に拡大した電子顕微鏡写真をそれぞれ示す。図４及び図５において、（ａ）が研磨前の状態、（ｂ）が研磨後６０秒間が経過した状態、（ｃ）が研磨が完了した状態をそれぞれ示す。このように、（ｃ）では、ＩＴＯ透明電極４上の柱状スペーサ５及び配向制御用の突起構造物６及び配向膜７が除去された様子が判る。

以上説明したように、本実施形態によれば、無機材料膜であるＩＴＯ透明電極４上に形成された有機材料構造物である柱状スペーサ５及び配向制御用の突起構造物６及び配向膜７を、工程数を最小限に抑え、有機材料構造物下の各層に及ぼされるダメージを可及的に低減しつつも容易且つ確実に除去し、ＣＦ基板１０の最終形態に極めて近い状態に戻して再利用に供することが可能となる。

なお、特許文献２には、ＣＦ基板を再生するに際して、物理的剥離処理である研磨、ここでは微細でランダムな溝の形成を行って剥離液の浸透性を高めた後に、隔離液を用いた化学的剥離処理を行う技術が開示されている。特許文献２では、物理的剥離処理が化学的剥離処理の言わば補助的処理として行われる。これに対して本発明は、物理的剥離処理に続く化学的剥離処理を行うことなく、湿式研磨による物理的剥離処理のみで有機材料構造物を除去する技術であり、特許文献２の発明よりも少ない工程数で、化学的剥離処理に起因する基板表面の荒れや基板表面の凹凸の増加を惹起することなく、不要な有機材料構造物の確実な除去を行うことができる。

（変形例）
ここで、第１の実施形態の変形例について説明する。この変形例では、第１の実施形態と同様に、図１に示すＣＦ基板の再生に適用した場合について例示するが、湿式研磨の方法が第１の実施形態と若干異なる点で相違する。
図６は、第１の実施形態の変形例によるＣＦ基板の再生方法を順次示す概略断面図である。

本変形例では、本実施形態と同様に、ＣＦ基板１０を再生するにあたり、無機材料膜であるＩＴＯ透明電極４より上層に存する有機材料構造物、即ち配向膜７、柱状スペーサ５及び突起構造物６を除去する。

先ず、図６（ａ）に示すように、ＣＦ基板１０の裏面（下面）を基板ホルダ（基板ステージ）１２に固定する。そして、ＣＦ基板１０を基板ホルダ１２に固定した状態で、研磨ヘッド（研磨ステージ）１１を用いて、基板ホルダ１２を加圧しながら研磨ヘッド１１にＣＦ基板１０の表面（上面）を当接した状態で回転させ、研磨の当初には、研磨レートの比較的大きい酸化セリウムを含有する研磨剤及び水を用いた湿式研磨によって、ＣＦ基板１０の表面全体の研磨を開始する。図示の例では、ＣＦ基板１０を図１の状態から倒立させて研磨する様子を示す。

研磨が進行すると、ＣＦ基板１０の表面において高い部分から徐々に研磨されてゆく。ここでは、最初に柱状スペーサ５上の配向膜７、柱状スペーサ５、突起構造物６上の配向膜７、突起構造物６の順で研磨が進む。ここで、柱状スペーサ５及び突起構造物６は、比較的研磨され難いものであるため、研磨レートの比較的大きい酸化セリウムを含有する研磨剤及び水を用いた湿式研磨により、これらが効率良く確実に研磨除去されてゆく。

更に研磨が進行し、図６（ｂ）に示すように、ＩＴＯ透明電極４上の配向膜７に到達する時点で、研磨剤を変える。ここでは、酸化セリウムに比べて研磨レートの小さいもの、例えばアルミナを含有する研磨剤を用いて、当該研磨剤及び水による湿式研磨を引き続き行う。研磨レートの比較的小さいアルミナを含有する研磨剤及び水を用いた湿式研磨により、ＣＦ基板１０の表面状態を整えながら配向膜７が研磨除去される。

そして、図６（ｃ）に示すように、無機材料膜であるＩＴＯ透明電極４が研磨ストッパ層として機能し、ＩＴＯ透明電極４の表面が露出した段階から約１分間の経過後に研磨を終了させる。このとき、ＣＦ基板１０の表面状態を整えながら配向膜７が研磨除去されたことにより、配向膜７が除去されたＣＦ基板１０の表面、即ちＩＴＯ透明電極４の表面の平坦性が向上する

なお、本変形例では、本実施形態と同様に、ＣＦ基板１０にアクリル樹脂樹脂の柱状スペーサ５及び配向制御用の突起構造物６が形成されている場合を説明したが、単純に配向膜７の除去のみ、または柱状スペーサの除去のみなどにも使用可能である。

以上説明したように、本変形例によれば、第１の実施形態の奏する緒効果に加え、有機材料構造物のうち研磨され難いものでも効率良く研磨し、種々の有機材料構造物に適合したきめ細かい確実な研磨除去が可能となるとともに、研磨後の基板表面の平坦性が向上する。

（第２の実施形態）
本実施形態では、本発明をＭＶＡ方式の液晶表示装置の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）基板の再生に適用した場合について例示する。
図７は、ＴＦＴ基板の構成を示す概略断面図であり、図８は、第２の実施形態によるＴＦＴ基板の再生方法を順次示す概略断面図である。

図７に示すように、ＴＦＴ基板２０は、ガラス基板２１の表面に、先ず、ゲート電極２２がパターン形成される。ゲート電極２２としては、例えばＡｌ／Ｎｄ／Ｍｏの積層膜が膜厚２５０ｎｍ程度に形成され、これを電極形状にパターニングすることにより形成される。更に、ゲート電極２２を覆うように、ゲート絶縁膜２３が形成される。ゲート絶縁膜２３としては、例えばシリコン窒化膜が膜厚３５０ｎｍ程度に形成される。

続いて、ゲート電極２２の上方で当該ゲート電極２２とゲート絶縁膜２３を介して対向するように、アモルファス・シリコン（ａ−Ｓｉ）膜２４がパターン形成される。更に、ａ−Ｓｉ膜２４の一部と接続されるように、ソース電極２５及びドレイン電極２６がパターン形成される。ソース電極２５及びドレイン電極２６としては、Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏの積層膜が膜厚３２０ｎｍ程度に形成され、これを各々の電極形状にパターニングすることにより形成される。ここで、ａ−Ｓｉ膜２４上に形成されたソース電極２５及びドレイン電極２６と、ａ−Ｓｉ膜２４とゲート絶縁膜２３を介して対向するゲート電極２２とにより、能動素子となるＴＦＴ素子が構成される。

続いて、ソース電極２５及びドレイン電極２６を覆う保護膜２７が形成される。保護膜２７としては、例えばシリコン窒化膜が膜厚２００ｎｍ程度に形成される。図示の例では、保護膜２７にソース電極２５の一部を露出させる開孔が形成される。更に、前記開孔を埋め込みソース電極２５と接続されてなるＩＴＯ画素電極２８が保護膜２７上に膜厚４０ｎｍ程度にパターン形成される。そして、ＩＴＯ画素電極２８上及び保護膜２７上に、液晶分子を配向させるための例えば膜厚０．１μｍ程度の配向膜２９が形成され、ＴＦＴ基板２０が構成される。

本実施形態では、ＴＦＴ基板２０を再生するにあたり、配向膜２９を除去する。
先ず、図８（ａ）に示すように、ＴＦＴ基板２０の裏面（下面）を基板ホルダ（基板ステージ）１２に固定する。そして、ＴＦＴ基板２０を基板ホルダ１２に固定した状態で、研磨ヘッド（研磨ステージ）１１を用いて、基板ホルダ１２を加圧しながら研磨ヘッド１１にＴＦＴ基板２０の表面（上面）を当接した状態で回転させ、ここではアルミナを含有する研磨剤及び水を用いた湿式研磨によって、ＴＦＴ基板２０の表面全体の研磨を開始する。図示の例では、ＴＦＴ基板２０を図７の状態から倒立させて研磨する様子を示す。

研磨が進行すると、図８（ｂ）に示すように、ＴＦＴ基板２０の表面において高い部分から徐々に研磨されてゆく。ここでは、最初にＴＦＴ素子上の配向膜２９から研磨が進む。
ＴＦＴ基板２０では、ＩＴＯ画素電極２８の部分よりも、ＴＦＴ素子上や中間電極上の部分が約０．５ｎｍ〜０．６ｎｍ程度高いため、この部分から先に研磨され、ＩＴＯ画素電極２８上の配向膜２９が研磨されている間に中間電極等も研磨されるが、電極や配線は無機膜で研磨レートが小さいため、特に問題は生じない。

そして、無機材料膜であるＩＴＯ画素電極２８が研磨ストッパ層として機能し、図８（ｃ）に示すように、ＩＴＯ画素電極２８の表面が露出した段階から約３０秒間の経過後に研磨を終了させる。ここで、ＩＴＯ画素電極２８を若干研磨することにより、ＩＴＯ画素電極２８上等の配向膜２９が研磨除去される。

ここで、ＴＦＴ基板２０に対して本実施形態の湿式研磨が完了した状態を図９に示す。
本実施形態では、ＴＦＴ基板２０の最終形態に極めて近い状態、即ち、保護膜２７上にＩＴＯ画素電極２８が形成された状態まで戻される。このように、本実施形態では、再びＩＴＯ画素電極２８やＴＦＴ素子の構成要素等を形成する必要がなく、従来方法に比べて工程数が大幅に削減される。

以上説明したように、本実施形態によれば、無機材料膜であるＩＴＯ画素電極２８上に形成された有機材料構造物である配向膜２９を、工程数を最小限に抑え、有機材料構造物下の各層に及ぼされるダメージを可及的に低減しつつも容易且つ確実に除去し、ＴＦＴ基板２０の最終形態に極めて近い状態に戻して再利用に供することが可能となる。

ＣＦ基板の構成を示す概略断面図である。第１の実施形態によるＣＦ基板の再生方法を順次示す概略断面図である。ＣＦ基板に対して本実施形態の湿式研磨が完了した状態を、従来の化学的剥離処理により再生された状態と比較した様子を示す概略断面図である。ＣＦ基板に第１の実施形態による湿式研磨を施した様子を光学顕微鏡写真により示す図である。ＣＦ基板に第１の実施形態による湿式研磨を施した様子を電子顕微鏡写真により示す図である。第１の実施形態の変形例によるＣＦ基板の再生方法を順次示す概略断面図である。ＴＦＴ基板の構成を示す概略断面図である。第２の実施形態によるＴＦＴ基板の再生方法を順次示す概略断面図である。第２の実施形態の湿式研磨が完了した状態を示す概略断面図である。

符号の説明

１，２１ガラス基板
２低反射Ｃｒ−ＢＭ
３カラーフィルタ層
４ＩＴＯ透明電極
５柱状スペーサ
６配向規制用の突起構造物
７，２９配向膜
１０ＣＦ基板
２０ＴＦＴ基板
２２ゲート電極
２３ゲート絶縁膜
２４ａ−Ｓｉ膜
２５ソース電極
２６ドレイン電極
２７保護膜
２８ＩＴＯ画素電極

Claims

液晶表示装置に使用される基板の再生方法であって、
前記基板の上部に形成された無機材料膜を研磨ストッパ層として用い、前記無機材料膜上に形成された有機材料構造物のみを、研磨剤を用いた湿式の研磨のみにより選択的に除去することを特徴とする基板の再生方法。
前記無機材料膜がＩＴＯからなる透明電極であることを特徴とする請求項１に記載の基板の再生方法。
前記有機材料構造物が配向膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の基板の再生方法。
前記有機材料構造物が柱状スペーサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の基板の再生方法。
前記有機材料構造物が配向制御用の突起構造物であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の基板の再生方法。
前記研磨剤が酸化セリウム又はアルミナを含有するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の基板の再生方法。
前記研磨剤を変えた研磨レートの異なる複数回の前記研磨により、前記有機材料構造物のみを除去することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の基板の再生方法。
１回目の前記研磨に酸化セリウムを含有する第１の研磨剤を用い、２回目の前記研磨に、前記第１の研磨剤よりも研磨レートの小さいアルミナを含有する第２の研磨剤を用いることを特徴とする請求項７に記載の基板の再生方法。