JP2007327985A - カラーフィルタの製造方法及びカラーフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】フォトスペーサーを形成する単独の工程を廃し、工程数の低減及び収率向上によって廉価なカラーフィルタを製造するＩＰＳ方式の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの製造方法及びカラーフィルタを提供すること。
【解決手段】透明基板５０上に樹脂ブラックマトリックス５１、着色画素５２を形成し、該透明基板上の全面に、オーバーコート層及びフォトスペーサーを形成するフォトレジスト層６０を形成し、オーバーコート層に対応したハーフトーンパターン７２及びフォトスペーサーに対応した開口パターン７１が設けられたフォトマスクを介した露光、及び現像処理を行い、オーバーコート層６３及びフォトスペーサーＰｓ−３を同時に形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、オーバーコート層及びフォトスペーサーが設けられたＩＰＳ方式の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの製造に関するものであり、特に、工程数の低減及び収率向上によって廉価なカラーフィルタを製造する方法、及び廉価なカラーフィルタに関する。

図１は、視野角、コントラスト比などの表示品質に優れる横電界方式（Ｉｎ Ｐｌａｉｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ、ＩＰＳ方式）の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの一例を模式的に示した断面図である。図１に示すように、このＩＰＳ方式の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタは、ガラス基板（５０）上にブラックマトリックス（５１）、着色画素（５２）、オーバーコート層（５３）、及びフォトスペーサー（Ｐｓ）が順次に形成されたものである。

ブラックマトリックス（５１）は、遮光性を有するマトリックス状のものであり、カラーフィルタの着色画素の位置を定め、大きさを均一なものとし、また、表示装置に用いられた際に、好ましくない光を遮蔽し、表示装置の画像をムラのない均一な、且つコントラストを向上させた画像にする機能を有している。
このブラックマトリックス（５１）は、ガラス基板（５０）上に、ブラックマトリックス形成用の黒色フォトレジストを用いてフォトリソグラフィ法によって形成された樹脂ブラックマトリックス（５１）である。

ＩＰＳ方式の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタのブラックマトリックスには、水平方向の電界の乱れを抑制するために、ブラックマトリックスの材料としてクロムなどの金属薄膜ではなく、黒色顔料を分散させた絶縁性の高い樹脂を用いることが多い。

また、着色画素（５２）は、例えば、赤色、緑色、青色のフィルタ機能を有するものである。着色画素（５２）は、この樹脂ブラックマトリックス（５１）が形成されたガラス基板（５０）上に、例えば、顔料などの色素を分散させたネガ型の着色フォトレジストを用いたフォトリソグラフィ法によって、すなわち、着色フォトレジストの塗布膜へのフォトマスクを介した露光、現像処理によって着色画素として形成されたものである。赤色、緑色、青色の着色画素は順次に形成されている。

上記樹脂ブラックマトリックスは、クロムなどの金属を用いたブラックマトリックスのように、膜厚１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度の薄膜では高濃度を得ることはできず、例えば、１．０μｍ〜１．５μｍ程度の厚さにして必要な高濃度を得るようにしている。
樹脂ブラックマトリックスの膜厚が、例えば、１．０μｍ程度と厚くなると、図１に示すように、樹脂ブラックマトリックス（５１）端部にその周縁部を重ねて形成された着色画素（５２）は、その周縁部が樹脂ブラックマトリックス（５１）の端部上にて突起（５４）となる。

ＩＰＳ方式の液晶表示装置は、主として複屈折効果により表示を行うモードであるため、基板間のギャップが変化した場合、複屈折が最適値からズレるため着色が発生し表示品質を低下させる。つまり、基板間のギャップの面内バラツキが表示特性の面内ムラとして視認される。
従って、上記樹脂ブラックマトリックス（５１）の端部上の突起（５４）、或いは着色画素（５２）上の異物などの影響を避けて、面内ムラのない表示を得るために、ＩＰＳ方式
の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの場合には平坦化処理として、例えば、オーバーコート層（５３）の形成が行われる。

また、ＩＰＳ方式の液晶表示装置に使用されている液晶は、低電圧での駆動が可能であるなどの優れた特性を持っている反面、液晶表示装置に内在するカラーフィルタなどの部材の電気的特性によって性能が低下しやすいという問題を持っている。例えば、着色画素中の顔料のイオン性不純物などが、液晶の配向乱れ、スイッチング閾値ズレなどによる表示不良をもたらしている。
また、近年、カラーフィルタのコントラストを向上させるために、顔料の粒径を微細にする方向へと進んでいるが、これによって耐薬品性が低下することも一因として加わってきている。

また、ＩＰＳ方式の液晶表示装置では、液晶はＴＦＴ基板上の共通電極と画素電極との間の水平方向の電界に応答するようになっているので、カラーフィルタ上には電極は設けられていない。
縦電界方式（例えば、ＴＮ方式）の液晶表示装置に用いるカラーフィルタ上に設けられる透明電極層は、一般にインジウムとすずの複合酸化物（ＩＴＯ）などの無機物が用いられるため、着色画素のイオン性不純物の溶出や耐薬品性を向上させる保護膜としての働きも担っていた。ところが、ＩＰＳ方式の液晶表示装置に用いるカラーフィルタでは保護膜としての働きも担ってきた透明電極層が存在しない。

従って、ＩＰＳ方式の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタにおいては、イオン性不純物の溶出を防ぎ、また着色画素を保護するために、図１に示すように、オーバーコート層（５３）が設けられる。
このオーバーコート層（５３）は、前記突起や異物などの影響を避ける平坦化処理と兼ねたオーバーコート層である。

しかし、実際の作業では透明樹脂によるオーバーコート層は、塗布ムラや異物の発生などで収率に支障をきたしている。また、昨今、液晶表示装置の低価格化が著しく、その部材であるカラーフィルタに対しても低価格化の要望は強い。
ＩＰＳ方式の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタのコストダウンに関しては、オーバーコート層の収率向上、オーバーコート層の工程簡略、オーバーコート層の削除などの課題が挙げられる。

また、オーバーコート層（５３）上に形成されたフォトスペーサー（Ｐｓ）は、スペーサー機能を有する突起として設けられたものである。従来の液晶表示装置では基板間にギャップを形成するために、スペーサーと呼ばれるガラス又は合成樹脂の透明球状体粒子（ビーズ）を散布していた。
この散布されたスペーサーは、面内分布が不均一になってしまうため、基板間のギャップの分布が悪くなってしまう。また、このスペーサーは透明な粒子であることから、画素内に液晶と一諸にスペーサーが入っていると、黒色表示時にスペーサーを介して光がもれてしまう。

特に、ＩＰＳ方式では液晶材料が封入されている基板間にスペーサーが存在することによって、スペーサー近傍の液晶分子の配向の乱れが多く、この部分で光もれを生じ、コントラストが低下し表示品質に悪影響を及ぼす、などの問題を有していた。
このような問題を解決する技法として、フォトレジストを用い、フォトリソグラフィ法により、図１に示すように、例えば、画素間のブラックマトリックスの位置にスペーサー機能を有するフォトスペーサー（突起部）（Ｐｓ）を形成する方法が開発され実用されている。このような液晶表示装置用カラーフィルタを用いた液晶表示装置では、フォトスペー
サー（Ｐｓ）が画素内を避けた位置に形成されているので、上記コントラストの改善がみられる。

上記のように、横電界方式の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの一例として図１に示すカラーフィルタは、ガラス基板（５０）上にブラックマトリックス（５１）、着色画素（５２）、オーバーコート層（５３）、及びフォトスペーサー（Ｐｓ）が順次に形成されたものである。
このような、フォトスペーサー（Ｐｓ）を有するカラーフィルタを廉価に製造する方法として、例えば、フォトスペーサーを積層構成とし、この積層を着色画素の形成と同時に形成することによって、フォトスペーサーを形成する工程を削減させる方法が提案されている。

図２は、特開２００５−３８５４号公報に開示されている、積層構成のフォトスペーサーが設けられたカラーフィルタの一例の断面図である。図２に示すように、このカラーフィルタは、透明基板（１０）上にブラックマトリックス（１１）、赤色の着色画素（１２）、配向制御用突起（Ｍｖ）、柱状スペーサー（積層構成のフォトスペーサー）（Ｐｓ−１）が形成されたものである。

柱状スペーサー（Ｐｓ−１）は、ブラックマトリックス（１１）と、赤色の着色画素の延長パターン（Ｐ１）と、緑色の台座パターン（Ｐ２）と、青色の台座パターン（Ｐ３）と、柱状スペーサーの上部パターン（Ｐ４）を積層した構成でである。柱状スペーサー（Ｐｓ−１）の高さは、赤色の着色画素（１２）の上面から柱状スペーサーの上部パターン（Ｐ４）の上面までの高さ（Ｈ１１）である。

カラーフィルタを構成する赤色、緑色、青色３色の着色画素の内、赤色の着色画素が第一色目として透明基板（１０）上に形成されたものであり、着色画素の延長パターン（Ｐ１）は赤色を呈している。緑色の台座パターン（Ｐ２）は、赤色の着色画素の延長パターン（Ｐ１）上に、緑色の着色画素（図示せず）の形成と同時に形成されたものである。
また、青色の台座パターン（Ｐ３）は、緑色の台座パターン（Ｐ２）上に、青色の着色画素（図示せず）の形成と同時に形成されたものである。
また、柱状スペーサーの上部パターン（Ｐ４）は、赤色の着色画素（１２）上への配向制御用突起（Ｍｖ）の形成と同時に、青色の台座パターン（Ｐ３）上に形成されたものである。

すなわち、柱状スペーサー（Ｐｓ−１）を構成する赤色の着色画素の延長パターン（Ｐ１）、緑色の台座パターン（Ｐ２）、青色の台座パターン（Ｐ３）は、その各々が赤色、緑色、青色３色の着色画素の形成と同時に形成されたものであり、柱状スペーサーを設けたカラーフィルタを製造する際に、柱状スペーサーを単独に形成する工程は削減されたものとなる。

図３は、ＩＰＳ方式の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタにおいて、積層フォトスペーサー（柱状スペーサー）をフォトスペーサーとして採用したカラーフィルタとして提案されているカラーフィルタの一例の断面図である。
図３に示すように、このカラーフィルタは、ガラス基板（５０）上にブラックマトリックス（５１）、１色目の着色画素（５２−１）、２色目の着色画素（５２−２）、オーバーコート層（５３）及び積層フォトスペーサー（Ｐｓ−２）が形成されたものである。

積層フォトスペーサー（Ｐｓ−２）は、ブラックマトリックス（５１）と、１色目の着色画素（５２−１）の延長パターン（Ｐ１）と、２色目の着色画素（５２−２）の台座パターン（Ｐ２）と、３色目の着色画素（５２−３）の台座パターン（Ｐ３）と、オーバー
コート層（５３）の延長パターン（Ｐ４）を積層した構成である。

確かに、このカラーフィルタは、フォトスペーサーを単独に形成するといった工程は削減されたものとなっている。しかし、図３に示すカラーフィルタにおいては、積層フォトスペーサー（Ｐｓ−２）の側面は、積層であるがために、符号Ｓ２で示すように、段状或いはなだらかな傾斜となっており、この側面の傾斜は、スペーサー近傍の液晶の配向に悪影響を及ぼすことになる。
フォトスペーサーは、図１に符号Ｓで示すように、その縦断面形状は柱状であって、側面は特にフォトスペーサーの脚部から急峻な立ち上がりをしていることが、スペーサー近傍の液晶の配向の乱れを回避するのには好ましい。
特開２００５−３８５４号公報

本発明は、オーバーコート層及びフォトスペーサーが設けられたＩＰＳ方式の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタを製造する際に、従来のフォトスペーサーを形成する単独の工程を廃し、オーバーコート層の形成と同時にフォトスペーサーを形成し、これによる工程数の低減及び収率向上によって廉価なカラーフィルタを製造することができるＩＰＳ方式の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの製造方法を提供することを課題とするものである。

また、本発明は、オーバーコート層及びフォトスペーサーが設けられたＩＰＳ方式の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタであって、廉価なカラーフィルタを提供することを課題とする。

本発明は、透明基板上に樹脂ブラックマトリックス、複数色の着色画素、オーバーコート層、及びフォトスペーサーが形成された液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの製造方法において、
１）前記樹脂ブラックマトリックスが形成された透明基板上に、複数色の着色画素を順次に形成し、
２）該複数色の着色画素が形成された透明基板上の全面に、前記オーバーコート層及びフォトスペーサーを形成するためのフォトレジストとしてネガ型フォトレジストを塗布してフォトレジスト層を形成し、
３）前記オーバーコート層の形成に対応したハーフトーンパターン及びフォトスペーサーの形成に対応した開口パターンが設けられたフォトマスクを介した露光、及び現像処理を行い、
樹脂ブラックマトリックス、複数色の着色画素が形成された透明基板上に、オーバーコート層及びフォトスペーサーを同時に形成することを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

また、本発明は、上記発明によるカラーフィルタの製造方法において、前記オーバーコート層及びフォトスペーサーを形成するためのフォトレジストがポジ型フォトレジストであり、前記フォトスペーサーの形成に対応した開口パターンが遮光パターンであることを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

また、本発明は、請求項１又は請求項２に記載のカラーフィルタの製造方法を用いて製造したことを特徴とするカラーフィルタである。

本発明は、１）前記樹脂ブラックマトリックスが形成された透明基板上に、複数色の着色画素を順次に形成し、２）該複数色の着色画素が形成された透明基板上の全面に、前記オーバーコート層及びフォトスペーサーを形成するためのフォトレジストとしてネガ型フォトレジスト又はポジ型フォトレジストを塗布してフォトレジスト層を形成し、３）前記オーバーコート層の形成に対応したハーフトーンパターン及びフォトスペーサーの形成に対応した開口パターン又は遮光パターンが設けられたフォトマスクを介した露光、及び現像処理を行い、樹脂ブラックマトリックス、複数色の着色画素が形成された透明基板上に、オーバーコート層及びフォトスペーサーを同時に形成するので、従来のフォトスペーサーを形成する単独の工程を廃し、これによる工程数の低減及び収率向上によって廉価なカラーフィルタを製造することができるＩＰＳ方式の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの製造方法となる。

また、本発明のフォトスペーサーは積層構成ではないので、縦断面形状は柱状で、その脚部から急峻な形状となり、液晶の配向に悪影響を及ぼすことはない。
また、オーバーコート層には、塗布ムラや異物の発生などがなく、その収率は向上したものとなる。また、フォトスペーサーは、オーバーコート層と一体的に形成されているために、オーバーコート層から剥離、脱落することはない。

以下に本発明の実施の形態を説明する。
図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明によるカラーフィルタの製造方法の一実施例を説明する断面図である。この例は着色画素が３色の場合である。
図４（ａ）は、透明基板（５０）上に樹脂ブラックマトリックス（５１）、第一色目の着色画素（５２−１）、第二色目の着色画素（５２−２）、第三色目の着色画素（５２−３）が形成された段階を表したものである。

図４（ｂ）に示すように、この３色の着色画素が形成された透明基板（５０）上の全面に、オーバーコート層及びフォトスペーサーを形成するための透明なフォトレジストを塗布してフォトレジスト層（６０）を形成する。フォトレジストとしてネガ型フォトレジストを用いた例である。
次に、図４（ｃ）に示すように、フォトマスク（ＰＭ）を介した露光（Ｌ）、現像、及びベーキングを行い、各着色画素間の樹脂ブラックマトリックス（５１）の上方にフォトスペーサー（Ｐｓ−３）を形成する。また、同時に第一色目の着色画素（５２−１）、第二色目の着色画素（５２−２）、第三色目の着色画素（５２−３）上にオーバーコート層（６３）を形成する。

フォトマスク（ＰＭ）には、フォトスペーサー（Ｐｓ−３）の形成に対応した開口パターン（７１）が形成されている。また、フォトマスク（ＰＭ）には、オーバーコート層（６３）の形成に対応したハーフトーンパターン（７２）が設けられている。このフォトマスク（ＰＭ）を介して、高さ（Ｈ１）のフォトスペーサー（Ｐｓ−３）の形成が良好になされるように、フォトレジスト層（６０）への露光が適正に行われた際に、高さ（Ｈ２）のオーバーコート層（６３）への露光も適正に行われるようにハーフトーンパターン（７２）の濃度（光透過率）を設定する。

これにより、図４（ｃ）に点線で示すように、開口パターン（７１）に対応したフォトレジスト層（６０）の部位には現像処理後にフォトスペーサー（Ｐｓ−３）が、また、ハーフトーンパターン（７２）に対応したフォトレジスト層（６０）の部位には現像処理後に、フォトスペーサー（Ｐｓ−３）より高さの低いオーバーコート層（６３）が形成される（Ｈ２＜Ｈ１）。

ハーフートーンパターン（７２）としては、紫外線を減衰させる薄膜、例えば、ＩＴＯなどの金属酸化物膜からなるハーフートーン、或いは、フォトマスクを製造する際に成膜したクロム膜をフォトエチングしたハーフートーンなどがあげられる。

このようにして、図４（ｄ）に示すように、透明基板（５０）上に樹脂ブラックマトリックス（５１）、第一色目の着色画素（５２−１）、第二色目の着色画素（５２−２）、第三色目の着色画素（５２−３）、及び高さ（Ｈ２）を有するオーバーコート層（６３）、並びに高さ（Ｈ１）を有するフォトスペーサー（Ｐｓ−３）が形成されたカラーフィルタを得る。

具体的には、先ず透明基板（５０）上に樹脂ブラックマトリックス（５１）、赤色、緑色、青色の着色画素（５２−１、２、３）を形成し、次に、ネガ型フォトレジストとして、ＪＳＲ（株）製：オプマーＮＮ７８２（商品名）を用い、膜厚５．０μｍにてフォトレジスト層を形成し、プレベーキングを行った。

次に、フォトマスクを介して、１５０ｍＪ／ｃｍ² の露光を与え、炭酸ナトリウム・重炭酸ナトリウム３重量％の現像液にて、液温度２５℃、４０秒間の現像処理を行った。続いて、２３０℃、４０分間のポストベーキングを行い、高さ（Ｈ１）３．０μｍのフォトスペーサー、高さ（Ｈ２）１．５μｍのオーバーコート層（６３）を形成した。
フォトマスクのハーフートーンの材質としてＩＴＯを用い、濃度（光透過率）は２５％程度のものを使用した。

上記のように、図４（ａ）〜（ｄ）に示すカラーフィルタの製造方法によれば、オーバーコート層の形成と同時にフォトスペーサーを形成するので、従来のフォトスペーサーを形成する単独の工程はなく、工程数は低減される。
また、フォトスペーサーの形成は、オーバーコート層の形成と同時に行われるが、フォトスペーサーは積層構成ではないので、図４に符号Ｓ３で示すように、フォトスペーサーの縦断面形状は柱状で、その脚部から急峻な形状となる。
従って、このカラーフィルタをＩＰＳ方式の液晶表示装置に用いた場合において、フォトスペーサー近傍の液晶の配向に悪影響を及ぼすことはない。

また、このオーバーコート層は、フォトレジスト層への露光、現像によって形成されるので、オーバーコート層には、塗布ムラや異物の発生などがなく、その収率は向上したものとなる。

また、フォトスペーサーは、例えば、高さが基板間のギャップである２μｍ〜５μｍ程度の際に、その形状は角丸の矩形、菱形で、水平断面の対角長（１５μｍ×１５μｍ）〜（３５μｍ×３５μｍ）程度のものが用いられている。
フォトスペーサーの対角長は、この程度のものであるため、前記図１に示すように、オーバーコート層（５３）上に形成されたフォトスペーサー（Ｐｓ）の場合にはオーバーコート層（５３）への密着性が十分でなく、フォトスペーサー（Ｐｓ）がオーバーコート層（５３）から剥離、脱落することがある。

しかるに、本発明によるフォトスペーサー（Ｐｓ−３）は、オーバーコート層（６３）と一体的に形成されているために、オーバーコート層（６３）から剥離、脱落することはない。すなわち、液晶表示装置の画素の微細化への対応の一環として、水平断面が更に小さなフォトスペーサーを用いても、剥離、脱落することのないフォトスペーサーを提供することが可能となる。

また、オーバーコート層及びフォトスペーサーを形成するためのフォトレジストとしてポジ型フォトレジスト、例えば、ノボラック系フォトレジストを用いた場合には、フォトマスク上の、フォトスペーサーの形成に対応したパターンは遮光パターンとし、オーバーコート層の形成に対応したハーフトーンパターンの濃度（光透過率）は、高さ（Ｈ２）のオーバーコート層への露光が適正に行われるように設定することになる。

ＩＰＳ方式の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの一例を模式的に示した断面図である。 積層構成のフォトスペーサーが設けられたカラーフィルタの一例の断面図である。 積層フォトスペーサー（柱状スペーサー）をフォトスペーサーとして採用したカラーフィルタの一例の断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明によるカラーフィルタの製造方法の一実施例を説明する断面図である。

符号の説明

１０・・・透明基板
１１、５１・・・（樹脂）ブラックマトリックス
１２、５２・・・着色画素
５０・・・ガラス基板
５２−１・・・第一色目の着色画素
５２−２・・・第二色目の着色画素
５２−３・・・第三色目の着色画素
５３・・・オーバーコート層
５４・・・突起
６０・・・フォトレジスト層
７１・・・開口パターン
７２・・・ハーフトーンパターン
Ｌ・・・露光光
Ｍｖ・・・配向制御用突起
Ｐ１・・・赤色の着色画素の延長パターン
Ｐ２・・・緑色の台座パターン
Ｐ３・・・青色の台座パターン
Ｐ４・・・上部パターン、延長パターン
ＰＭ・・・フォトマスク
Ｐｓ・・・フォトスペーサー
ＰＳ−１、ＰＳ−２・・・柱状スペーサー（積層フォトスペーサー）
ＰＳ−３・・・本発明のフォトスペーサー

Claims (3)

1. 透明基板上に樹脂ブラックマトリックス、複数色の着色画素、オーバーコート層、及びフォトスペーサーが形成された液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの製造方法において、
   １）前記樹脂ブラックマトリックスが形成された透明基板上に、複数色の着色画素を順次に形成し、
   ２）該複数色の着色画素が形成された透明基板上の全面に、前記オーバーコート層及びフォトスペーサーを形成するためのフォトレジストとしてネガ型フォトレジストを塗布してフォトレジスト層を形成し、
   ３）前記オーバーコート層の形成に対応したハーフトーンパターン及びフォトスペーサーの形成に対応した開口パターンが設けられたフォトマスクを介した露光、及び現像処理を行い、
   樹脂ブラックマトリックス、複数色の着色画素が形成された透明基板上に、オーバーコート層及びフォトスペーサーを同時に形成することを特徴とするカラーフィルタの製造方法。
2. 前記オーバーコート層及びフォトスペーサーを形成するためのフォトレジストがポジ型フォトレジストであり、前記フォトスペーサーの形成に対応した開口パターンが遮光パターンであることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタの製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載のカラーフィルタの製造方法を用いて製造したことを特徴とするカラーフィルタ。

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