JP2008309985A

JP2008309985A - カラーフィルタ用フォトマスク及びそれを用いたカラーフィルタの製造方法

Info

Publication number: JP2008309985A
Application number: JP2007157193A
Authority: JP
Inventors: Ryushi Kawamoto; 龍士河本; Kensaku Hayama; 顕作巴山
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2008-12-25

Abstract

【課題】カラーフィルタの製造において、ネガ型感光性樹脂組成物層にフォトマスクによる近接露光を行うことでも微細なブラックマトリックスが形成できるフォトマスクを提供する。
【解決手段】
透明基板上に形成したネガ型感光性樹脂組成物層に、波長λが４３０ｎｍ以下の略平行な光束の露光光を、前記ネガ型感光性樹脂組成物層から１４０λ以上５４０λ以下のギャップで隔てたフォトマスクを介して露光することで前記ネガ型感光性樹脂組成物層でブラックマトリックスを形成する近接露光法で使用する前記フォトマスクにおいて、前記ブラックマトリックスに幅が４μｍ以下の細線を形成するために、幅が３λ以上８λ以下の２本の平行するスリットの間に幅が３λ以上８λ以下の幅の細幅遮光帯を設けた開口パターンを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶表示装置用カラーフィルタにブラックマトリックスを製造するために用いるカラーフィルタ用フォトマスク及びそれを用いたカラーフィルタの製造方法に関する。

従来の液晶表示装置に用いられるカラーフィルタは、特許文献１では、図１の断面図のように、透明基板１０上に、帯状の線が縦横に形成された格子状のマトリックス部１１Ａと、着色画素層１２が形成された領域（表示部）の周辺部を囲む幅が広い額縁部１１Ｂとで構成されたブラックマトリックス１１が形成されている。このブラックマトリックス１１は、カラーフィルタ１の着色画素層１２の個々の着色画素の位置を定め、個々の着色画素の大きさを均一なものにする機能を有する。また、ブラックマトリックス１１は、液晶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。

ブラックマトリックス１１の製造工程は、図３の断面図のように、先ず、透明基板１０の面上にブラックマトリックス１１の材料としてのネガ型感光性樹脂組成物層３を透明基板１０上に形成し、フォトマスクを介してネガ型感光性樹脂組成物層３にパターン露光を行い、現像処理を行うことでパターン化したブラックマトリックス１１を形成する。

このネガ型感光性樹脂組成物層３にフォトマスクのパターンを露光するために、透明基板１０のサイズと略同程度のサイズのフォトマスクを用いる。すなわち、透明基板１０に形成したネガ型感光性樹脂組成物層３の上方に、近接露光のギャップを開けてフォトマスクを配置し、フォトマスクのパターンが形成された膜面を透明基板１０のネガ型感光性樹脂組成物層３に対向させて下に向けて配置する。そして、略平行な光を用いて、フォトマスクのパターンをそれに近接したネガ型感光性樹脂組成物層３に投影し露光する近接露光処理を、１回の処理でカラーフィルタ１の画面全体に一括して行う。

以下に公知文献を記す。
特開２００３−６６５８９号公報

携帯端末用などの小型、高精細な液晶表示装置に用いるカラーフィルタでは、ブラックマトリックスの幅を従来技術より細い幅の４μｍ以下に形成する必要がある。しかし、透明基板の面上にネガ型感光性樹脂組成物層を形成し、その上方にギャップを設けてフォトマスクを設置し、略平行な光でネガ型感光性樹脂組成物層に露光することでフォトマスクのパターンを露光する従来の近接露光技術では、露光光の回折の影響を受けるので、形成できるブラックマトリックスの幅は制約される。そして、ギャップの大きさが５０μｍから１５０μｍ程度の近接露光技術で得られるブラックマトリックスの幅は５μｍ程度が限度であった。そのため、ブラックマトリックスの幅を更に細線に形成する技術が必要であった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、幅が４μｍ以下のブラックマトリックスを形成した高精細なカラーフィルタを製造し、それにより高精細な液晶表示装置を得ることを課題とする。

本発明は、この課題を解決するために、透明基板上にネガ型感光性樹脂組成物層を形成する第１の工程と、前記ネガ型感光性樹脂組成物層にフォトマスクのパターンを略平行な光束で露光する近接露光法により露光・現像することで前記透明基板上にブラックマトリックスを形成する第２の工程と、前記透明基板上に着色画素層を形成する第３の工程を具備し、前記ネガ型感光性樹脂組成物層を露光するのに用いる露光光の波長をλとし、λが４３０ｎｍ以下の露光光に対して、前記フォトマスクと前記ネガ型感光性樹脂組成物層の近接露光のギャップを１４０λ以上５４０λ以下とし、前記フォトマスクに、幅が３λ以上８λ以下の２本の平行するスリットの間に幅が３λ以上８λ以下の幅の細幅遮光帯を設けた開口パターンを有する前記フォトマスクを用い、幅が４μｍ以下の前記ブラックマトリックスを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、透明基板上に形成したネガ型感光性樹脂組成物層に、波長λが４３０ｎｍ以下の略平行な光束の露光光を、前記ネガ型感光性樹脂組成物層から１４０λ以上５４０λ以下のギャップで隔てたフォトマスクを介して露光することで前記ネガ型感光性樹脂組成物層でブラックマトリックスを形成する近接露光法で使用する前記フォトマスクにおいて、前記ブラックマトリックスに幅が４μｍ以下の細線を形成するために、幅が３λ以上８λ以下の２本の平行するスリットの間に幅が３λ以上８λ以下の幅の細幅遮光帯を設けた開口パターンを有することを特徴とするカラーフィルタ用フォトマスクである。

本発明は、近接露光用に適合した寸法の平行する２本のスリットのパターンを形成したフォトマスクを用い、略平行な光束で近接露光処理することにより、ネガ型感光性樹脂組成物層から幅が４μｍ以下の線状のブラックマトリックスを得ることができる効果がある。それにより、携帯端末用などの小型な液晶表示装置を高精細化する高精細なカラーフィルタを供することが可能になる効果がある。

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
（フォトマスクの形成）
図２（ａ）は、本実施形態による、フォトマスク２の一実施形態の開口パターンＰを拡大して示す平面図である。このフォトマスク２を用いてネガ型感光性樹脂組成物層３を、波長λが３６５ｎｍの光で略平行な光束により近接露光・現像して線状のブラックマトリックス１１を形成する。フォトマスク２には、図２（ａ）に示すように、線状のブラックマトリックス１１を形成するための単位の開口パターンＰとして、幅（Ｗ）が１μｍ〜３μｍ（３λ〜８λ）の２本の平行するスリットの間に幅（Ｗｔ）が１μｍ〜３μｍ（３λ〜８λ）の細幅遮光帯Ｔを設けた開口パターンＰを形成する。

（ブラックマトリックスの形成工程）
まず、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、透明基板１０上にコントラスト向上のためのブラックマトリックス１１を設ける。透明基板１０には、ガラス基板、石英基板、プラスチック基板等、公知の透明材料を使用できる。中でもガラス基板は、透明性、強度、耐熱性、耐候性において優れている。

この透明基板１０上に以下のようにしてブラックマトリックス１１を形成する。先ず、アクリル酸やメタクリル酸など側鎖部に水酸基やカルボキシル基を含有するアルカリ溶解性を持つアクリル樹脂などのバインターポリマーと、カーボンブラック、チタンブラック（ＴｉＯ₂）等の黒色顔料をバインダーポリマーの５〜２００ｗｔ％と、架橋性モノマー
をバインダーポリマーの３０〜８０ｗｔ％と、光の吸収波長が３６５ｎｍ以下であるトリアジン系化合物などの光によりラジカルや酸などを発生してモノマーを重合させる光重合開始剤を架橋性モノマーの０．１〜２０ｗｔ％と、シラン化合物をバインダーポリマーの１〜５０ｗｔ％程度、適当な溶媒に溶解してなるネガ型ブラックマトリックス組成物を製造する。

次に、図３（ａ）のように、このネガ型ブラックマトリックス組成物を、スピンコータによって無アルカリガラス基板の透明基板１０の面に乾燥後の膜厚が１．５ μｍになるように塗布し、７０〜１３０℃の温度で３０秒から５分間加熱乾燥しネガ型感光性樹脂組成物層３を形成する。

次に、先に形成したフォトマスク２の開口パターンをネガ型感光性樹脂組成物層３に略平行な光束を露光する。図２（ｂ）にフォトマスク２の断面図とフォトマスク２の透過光がネガ型感光性樹脂組成物層３の位置に照射する光強度分布を示す。図２（ｂ）において、フォトマスク２の上方からの露光光（Ｌ）が、フォトマスク２の光透過部を透過して透明なネガ型感光性樹脂組成物層３に照射される。その光はフォトマスク２の２本の平行するスリットからの光が干渉して、近接露光方式では、細幅遮光帯Ｔの直下のネガ型感光性樹脂組成物層３の位置で特に光が強くなる光強度のピークを生じる。そのため、その位置のネガ型感光性樹脂組成物層３が微細な幅で現像される。

この光のピークを生じる現象の知見は、使用する開口パターンの形状の関係についてシミュレーションを行うことで得られた。すなわち、微細な線状のブラックマトリックス１１が形成される条件は、ネガ型感光性樹脂組成物層３に吸収させるために照射する光の波長λは３６５ｎｍに限定されず、波長λに関する各部の寸法が以下の関係の場合にこの効果が得られる。図２（ｂ）の近接露光法で、波長が４３０ｎｍ以下の露光光（代表的にはλ＝３６５ｎｍ）で、露光するフォトマスク２に、幅（Ｗ）が１μｍ〜３μｍ（３λ〜８λ）の２本の平行するスリットの間に幅（Ｗｔ）が１μｍ〜３μｍ（３λ〜８λ）の細幅遮光帯Ｔを設けた開口パターンＰを形成した。近接露光のギャップ（ｈ）を５０μｍから１５０μｍ（光の波長λに関して１４０λから５４０λ）にしてネガ型感光性樹脂組成物層３を露光する場合は、ネガ型感光性樹脂組成物層３を現像すると、幅が１１λ（４μｍ）以下の微細な線状のブラックマトリックス１１が形成される。

ここで、フォトマスク２の２本の平行するスリットの幅（Ｗ）が１μｍ（３λ）より小さいと、それ自体小さすぎて干渉の効果が少なく、線状のブラックマトリックス１１が形成されない。また、２本の平行するスリットの幅（Ｗ）が３μｍ（８λ）より大きいと、図２（ｃ）の線状のブラックマトリックス１１の断面形状が一山のかまぼこ状にならず、断面に段差のある山状の断面になってしまう。また、細幅遮光帯Ｔの幅（Ｗｔ）が８λより大きいと、２本のスリットが分離されてネガ型感光性樹脂組成物層３に投影され、ネガ型感光性樹脂組成物層３を現像すると２本の線状のブラックマトリックス１１が形成されてしまう。細幅遮光帯Ｔの幅（Ｗｔ）が３λより小さいと、２本のスリットの光が干渉せず、光強度のピークが生じない。

このように、幅（Ｗ）が１μｍ〜３μｍ（３λ〜８λ）の２本の平行するスリットの間に幅（Ｗｔ）が１μｍ〜３μｍ（３λ〜８λ）の細幅遮光帯Ｔを設けた開口パターンＰを有するフォトマスク２に略平行な光束を照射し、そのフォトマスク２で覆われたネガ状感光性樹脂組成物を露光する。その際に、開口パターンＰの中心の細幅遮光帯Ｔの直下のネガ型感光性樹脂組成物層３の位置で光が干渉して図２（ｂ）のように光強度にピークを生じ、そのピーク光の部分のネガ型感光性樹脂組成物層３が現像されることで細線のブラックマトリックス１１が得られる。露光後には、ネガ型感光性樹脂組成物層３を１１０℃で１分間加熱する。次に、ネガ型感光性樹脂組成物層３に１．０％水酸化ナトリウム水溶液
を用いて、基板を回転させながらシャワーを噴霧する方式で９０秒間アルカリ現像処理し、図２（ｃ）および図３（ｂ）に示すように、線状のブラックマトリックス１１を形成する。次に、このブラックマトリックス１１を２３０℃で１時間加熱するポストベークを行う。

（着色画素層１２の形成工程）
次に、図３（ｃ）に示すように、格子状に形成したブラックマトリックス１１の格子で区切られた領域内に、印刷法により赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の着色画素層１２を所望の形状に配置し約２μｍの厚さに形成する。すなわち、着色画素層１２は、印刷装置により塗工材料を形成し、その後、後述する加熱工程を経て着色画素層１２を形成する。印刷法によるパターニング方法としては、塗工材料をシリコンブランケット上に均一に塗工し、凸版あるいは凹版を押し付けて非画線部を除去した後に、基板上に転写して厚さが約２μｍの着色画素層１２を形成する。この塗工材料には、適正な溶剤成分を含有することで着色画素層１２を微細化しやすい塗工皮膜を形成することができる。さらに、塗工材料中に、印刷性の向上を目的として、例えば粒径が１０〜１００nｍのフィラー成分を、固形分中に５〜５０重量％含有させる。塗工材料における着色剤としては、顔料、染料等を使用することができる。塗工材料に用いられる熱硬化性樹脂は、カゼイン、ゼラチン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルアセタール、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、メラニン樹脂などを用いることができる。特に、耐熱性や耐光性を要求されるカラーフィルタ１を製造する場合には、アクリル樹脂を用いることが好ましい。

その他の変形例として、この着色画素層１２は、顔料分散インキを分散させた紫外線硬化型アクリル樹脂感光性樹脂を乾燥膜厚が約１．３μｍになるようにスピンコーターにより塗布し乾燥させてフォトリソグラフィー法で着色画素層１２を形成することもできる。

（透明電極４３の形成工程）
次に、液晶ディスプレイの場合は、図３（ｄ）に示すように、着色画素層１２の面上に、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜をスパッタリング法で形成した透明導電膜１３を形成する。

これにより、最終的に、図３（ｃ）あるいは図３（ｄ）に示すように、透明基板１０、ブラックマトリックス１１、及び赤、緑、青の着色画素層１２を合わせたカラーフィルタ１が完成する。このようにして製造したカラーフィルタ１を、液晶層を介して、例えば薄膜トランジスタのような電極を形成した対向基板と対置させることで、携帯端末用などの小型、高精細な液晶表示装置が実現する。

以上のように、本実施形態によれば、２本の平行するスリットから成る開口パターンＰを形成したフォトマスク２を用いる近接露光法で、線幅が４μｍ以下の高精細なブラックマトリックス１１を形成することができるので、高精細なカラー液晶ディスプレイ用のカラーフィルタ１が製造でき、これを用いた高精細な液晶表示装置が得られる効果がある。

カラーフィルタの断面図である。（ａ）本発明のフォトマスクの一部の開口パターンＰを拡大した平面図である。（ｂ）本発明の、略平行な光束をフォトマスクを介して露光する近接露光におけるネガ型感光性樹脂組成物層の各位置の光強度分布を示す図である。（ｃ）本発明により得る線状のブラックマトリックスの断面図である。本発明のカラーフィルタの製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１・・・カラーフィルタ
２・・・フォトマスク
３・・・ネガ型感光性樹脂組成物層
１０・・・透明基板
１１・・・ブラックマトリックス
１１Ａ・・・マトリックス部
１１Ｂ・・・額縁部
１２・・・着色画素層
１３・・・透明導電膜
ｈ・・・近接露光のギャップ
Ｌ・・・露光光
Ｐ・・・開口パターン
Ｔ・・・細幅遮光帯
Ｗ・・・スリットの幅
Ｗｔ・・・細幅遮光帯Ｔの幅

Claims

透明基板上にネガ型感光性樹脂組成物層を形成する第１の工程と、前記ネガ型感光性樹脂組成物層にフォトマスクのパターンを略平行な光束で露光する近接露光法により露光・現像することで前記透明基板上にブラックマトリックスを形成する第２の工程と、前記透明基板上に着色画素層を形成する第３の工程を具備し、前記ネガ型感光性樹脂組成物層を露光するのに用いる露光光の波長をλとし、λが４３０ｎｍ以下の露光光に対して、前記フォトマスクと前記ネガ型感光性樹脂組成物層の近接露光のギャップを１４０λ以上５４０λ以下とし、前記フォトマスクに、幅が３λ以上８λ以下の２本の平行するスリットの間に幅が３λ以上８λ以下の幅の細幅遮光帯を設けた開口パターンを有する前記フォトマスクを用い、幅が４μｍ以下の前記ブラックマトリックスを形成することを特徴とするカラーフィルタの製造方法。
透明基板上に形成したネガ型感光性樹脂組成物層に、波長λが４３０ｎｍ以下の略平行な光束の露光光を、前記ネガ型感光性樹脂組成物層から１４０λ以上５４０λ以下のギャップで隔てたフォトマスクを介して露光することで前記ネガ型感光性樹脂組成物層でブラックマトリックスを形成する近接露光法で使用する前記フォトマスクにおいて、前記ブラックマトリックスに幅が４μｍ以下の細線を形成するために、幅が３λ以上８λ以下の２本の平行するスリットの間に幅が３λ以上８λ以下の幅の細幅遮光帯を設けた開口パターンを有することを特徴とするカラーフィルタ用フォトマスク。