JP2009009058A - カラーフィルタ基板、その製造に用いるフォトマスク、及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低材料コスト及び低製造コストで形成された、３つ以上の高さの異なるパターンを備えるカラーフィルタ及びその製造に用いるフォトマスクを提供すること。
【解決手段】カラーフィルタ基板と、これに対向する基板との間に液晶を封入した液晶表示装置に使用されるカラーフィルタ基板であって、透明基板と、この透明基板上に形成された、所定のパターンの遮光層と、この遮光層により区画された領域に二次元的に配置された複数色の画素着色層と、前記遮光層上に三次元的に積層された、前記基板間のギャップを一定に保持するためのセルギャップ調整用スペーサとを具備し、前記スペーサを含む高さの異なる少なくとも３つのパターン状構造体を備え、前記少なくとも３つのパターン状構造体は、同一の材料からなり、同一の露光マスクを用いて一回の露光工程を含むプロセスにより形成されてなることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、カラーフィルタ基板、その製造に用いるフォトマスク、及び液晶表示装置に係り、特に、マルチドメイン垂直配向（ＭＶＡ）モード液晶表示装置用のカラーフィルタ基板や平行電界型（ＩＰＳ）の液晶表示装置用のカラーフィルタ基板に関する。

液晶表示装置は、小型、薄型、低消費電力及び軽量という特徴を有するため、様々な表示装置、例えば、パーソナルコンピューター、テレビジョン装置、携帯電話等に広範に使用されている。

このような液晶表示装置の駆動方法として、水平方向の横電界を用いてスイッチングを行うＩＰＳ駆動モードや、ＭＶＡ駆動モードが挙げられる。

例えば、ＭＶＡ駆動モードの液晶表示装置では、着色層上の透明電極上に、セルギャップを維持するためのメインフォトスペーサと、液晶の配向規制を行うためのＭＶＡパターンが形成されている。また、半透過型液晶表示装置では、メインフォトスペーサとＭＶＡパターン以外に、押圧試験などによりメインフォトスペーサが潰れた場合の補強用フォトスペーサとして、サブフォトスペーサと呼ばれるメインフォトスペーサよりも高さの低いフォトスペーサが形成されている。

この場合、メインフォトスペーサとサブフォトスペーサは、同一の材料により同一の工程で形成され、ＭＶＡパターンとフォトスペーサは、異なる材料により異なる工程で形成されている。即ち、フォトスペーサ形成工程とＭＶＡパターン形成工程の２工程が必要であり、かつ、フォトスペーサ形成用材料がネガ型感光性レジストであるのに対し、ＭＶＡパターン形成用材料がポジ型感光性レジストである。このように、パターン形成工程が２工程であることと、２種類の材料が必要であるため、製造コスト及び材料コストが高いという問題がある。

このような問題は、メインフォトスペーサ、サブフォトスペーサ、及びＭＶＡパターンを形成する場合に限らず、着色層形成後のフォトリソグラフィーにより、３つの高さの異なるパターンを形成する場合に共通の問題である。

一方、フォトレジストの膜厚を選択的に変えることを可能とするフォトマスクとして、グレートーンマスクが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１８９２８１公報

本発明は、以上のような事情の下になされ、低材料コスト及び低製造コストで形成された、３つ以上の高さの異なるパターンを備えるカラーフィルタ及びその製造に用いるフォトマスクを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、カラーフィルタ基板と、これに対向する基板との間に液晶を封入した液晶表示装置に使用されるカラーフィルタ基板であって、透明基板と、この透明基板上に形成された、所定のパターンの遮光層と、この遮光層により区画された領域に二次元的に配置された複数色の画素着色層と、前記遮光層上に三次元的に積層された、前記基板間のギャップを一定に保持するためのセルギャップ調整用スペーサとを具備し、前記スペーサを含む高さの異なる少なくとも３つのパターン状構造体を備え、前記３つのパターン状構造体は、同一の材料からなり、同一の露光マスクを用いて一回の露光工程を含むプロセスにより形成されてなることを特徴とするカラーフィルタ基板を提供する。

以上のように構成されるカラーフィルタ基板において、前記少なくとも３つのパターン状構造体は、ネガ型感光性レジストを用いて形成することができる。

また、前記少なくとも３つのパターン状構造体は、セルギャップ調整用スペーサと、このセルギャップ調整用スペーサよりも高さの低い補助スペーサと、この補助スペーサよりも高さの低い液晶配向用突起とを含むものとすることができる。

或いは、前記少なくとも３つのパターン状構造体は、セルギャップ調整用スペーサと、このセルギャップ調整用スペーサよりも高さの低い補助スペーサと、この補助スペーサよりも高さの低いオーバーコート層とを含むものとすることができる。

前記液晶表示装置が半透過型液晶表示装置である場合、前記少なくとも３つのパターン状構造体のうち一つのパターンが、カラーフィルタ基板の反射表示領域の画素上に形成することができる。

前記液晶表示装置が半透過型液晶表示装置である場合、前記少なくとも３つのパターン状構造体のうち一つのパターンが、カラーフィルタ基板の反射表示領域の画素上に形成された、セルギャップ調整用スペーサと、このセルギャップ調整用スペーサよりも高さの低い補助スペーサと、この補助スペーサよりも高さの低い、反射表示領域上の光路差を調整するためのマルチギャップ層とを含み、更に、前記マルチギャップ層よりも高さの低いオーバーコート層を有するものとすることができる。

本発明の第２の態様は、上述したカラーフィルタ基板を具備することを特徴とする液晶表示装置を提供する。

本発明の第３の態様は、上述したカラーフィルタ基板の前記少なくとも３つのパターン状構造体を形成する際の露光に用いるフォトマスクであって、露光の照射光をすべて透過する透過部と、露光の照射光の光量を減少させるグレートーン部と、露光の照射光の特定波長を透過させるハーフトーン部とを含むことを特徴とするフォトマスクを提供する。

本発明によると、同一材料から一回のプロセスで形成された、３つ以上の高さの異なるパターンを備える、低材料コスト及び低製造コストで形成されたカラーフィルタ、その製造に用いるフォトマスク、及び液晶表示装置が提供される。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るＭＶＡモードの液晶表示装置用カラーフィルタ基板を示す断面図である。図１（ａ）は、このようなカラーフィルタ基板の製造に用いるフォトマスクを示す断面図である。

図１（ｂ）において、透明基板１上には所定のパターンの遮光層２が形成され、この遮光層２により区分された領域に各色の着色層３が二次元的に配置されている。これら各着色層３の上には透明導電性膜、例えばＩＴＯ膜４が形成され、更にその上に所定のパターンのドメイン配向規制突起層５が形成されて、カラーフィルタ基板が構成されている。

このようなカラーフィルタ基板において、遮光層２上に、高さの高いメインフォトスペーサ６ａと、高さの低いサブフォトスペーサ６ｂが三次元的に積層されている。サブフォトスペーサ６ｂは、メインフォトスペーサが潰れた場合の補強用フォトスペーサである。メインフォトスペーサ６ａとサブフォトスペーサ６ｂの高さの差は、通常、０．３〜０．８μｍ、好ましくは０．３〜０．５μｍである。

以上のように構成されるカラーフィルタ基板では、メインフォトスペーサ６ａ、このメインフォトスペーサ６ａよりも高さの低いサブフォトスペーサ６ｂ、このサブフォトスペーサ６ｂよりも高さの低いドメイン配向規制突起層５が設けられている。本実施形態において、これらの高さの異なる構造体は、同一材料を用い、一つのフォトマスクを用い、一回の露光工程で形成することができる。

図１（ａ）に示すフォトマスクは、このようなメインフォトスペーサ６ａ、サブフォトスペーサ６ｂ、及びドメイン配向規制突起層５を同一材料から一回の露光工程で形成するためのフォトマスクである。このフォトマスクは、全透過部Ａ、グレートーンマスク部Ｂ及びハーフトーンマスク部Ｃを有する。

全透過部Ａは、メインフォトスペーサ６ａを形成するための部位であり、ガラス基板上の遮光膜が除去された透明基板部である。

グレートーンマスク部Ｂは、サブフォトスペーサ６ｂを形成するための部位であり、露光機の解像度以下のスリットを形成し、光の強度を干渉によって減少させたものであり、ＮＤフィルタの機能を有する。グレートーンマスク部Ｂの一例を図２に示す。図２（ａ）に示す例は四角形の二重目玉パターンであり、例えば、開口部寸法ａは２．１μｍ、遮光部寸法ｂは２．２μｍ、全体幅は１５．０μｍである。図２（ｂ）に示す例は四角形の格子状パターンであり、開口部寸法ａは１．５μｍ、遮光部寸法ｂは３．０μｍ、全体幅は１５．０μｍである。図２（ｃ）に示す例は八角形の二重目玉パターンであり、開口部寸法ａは２．１μｍ、遮光部寸法ｂは２．２μｍ、全体幅は１５．０μｍである。図２（ｄ）に示す例は八角形の格子状パターンであり、開口部寸法ａは１．５μｍ、遮光部寸法ｂは３．０μｍ、全体幅は１５．０μｍである。図２（ｅ）に示す例は八角形の十字遮光パターンであり、寸法ａは４．０μｍ、寸法ｂは１３．０μｍ、全体幅は１５．０μｍである。

図１(a)にもどって、ハーフトーンマスク部Ｃは、ドメイン配向規制突起層５を形成するための部位であり、ガラス基板上に、特定波長を取り出すバンドフィルタの機能を有するＩＴＯ膜パターンが形成されている。

図１（ａ）に示すフォトマスクは、例えば、次のようにして製造される。表面にクロム膜が形成されたガラス基板の所定の個所に図２に示すようなフォトレジストパターンを形成して、グレートーンマスク部Ｂを形成する。次いで、硝酸第二セリウムアンモニウム水溶液を用いたウェットエッチング法にて、ガラス基板表面のクロム膜をパターニングした後、ＩＴＯ膜を蒸着する。ＩＴＯ膜の膜厚は、例えば、３０００〜６０００オングストロームである。次いで、ＩＴＯ膜をパターニングして、ＩＴＯ(インジウム−錫−酸化物)膜が除去された全透過部Ａと、ＩＴＯ膜が残されたハーフトーンマスク部Ｃとを形成し、図１（ａ）に示すフォトマスクが得られる。

以上のようにして製造したフォトマスクを用い、メインフォトスペーサ６ａ、サブフォトスペーサ６ｂ、及びドメイン配向規制突起層５を形成する実施例について、以下に説明する。

実施例
着色層が形成されたカラーフィルタ基板上にネガ型レジスト膜を形成した。ネガ型レジストとしては、オプトマーＮＮ７７７（商品名、ＪＳＲ社製）を用い、スピンコーターを用いたスピンコート法により、３〜４μｍに膜厚に塗布した。次いで、９０℃で６０分間プリベークを行った。

次に、以上のようにして製造したフォトマスクを用い、レジスト膜に露光を行った。露光の条件は、下記の通りである。

露光方式：プロキシミティー露光方式
露光ギャップ：１００μｍ〜１５０μｍ
露光光源（主光波長）：３６５ｎｍ（ｉ線）
露光量：１００ｍＪ／ｃｍ^２〜２００ｍＪ／ｃｍ^２
露光装置：マイクロニックＬＲＳ１１０００（商品名）
次いで、以上のようにして露光されたレジスト膜に対し、現像・定着処理を行った。現像・定着処理は、0.5重量％炭酸ナトリウム水溶液中に室温で４５秒間浸漬し、220℃、30分間の加熱をすることにより行った。

このようにして、図１に示すように、フォトマスクの全透過部Ａに対応するレジスト膜の部分に高さ４．０μｍのメインフォトスペーサ６ａ、グレートーンマスク部Ｂに対応するレジスト膜の部分に高さ３．５μｍのサブフォトスペーサ６ｂ、ハーフトーンマスク部Ｃに対応するレジスト膜の部分に高さ１．５μｍのドメイン配向規制突起層５を形成した。

以上のように、高さの異なる３つのパターン状構造体として、メインフォトスペーサ６ａ、サブフォトスペーサ６ｂ、及びドメイン配向規制突起層５を有するカラーフィルタを、同一材料で、同一の露光プロセスで、低コストで製造することができた。

以上、３つのパターン状構造体として、メインフォトスペーサ６ａ、サブフォトスペーサ６ｂ、及びドメイン配向規制突起層５を形成した例について説明したが、本発明はこれに限らず、最も高さの低いドメイン配向規制突起層５の代わりにオーバーコート層、オーバーコート層に加えて更に、反射表示領域上の光路差を調整するためのマルチギャップ層を形成することも可能である。以下、それらの実施形態について説明する。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る平行電界型（ＩＰＳ）液晶表示装置用カラーフィルタ基板を示す断面図である。

図３において、透明基板１上には所定のパターンの遮光層２が形成され、この遮光層２により区分された領域に各色の着色層３が二次元的に配置されている。これら各着色層３の上にはオーバーコート層１５が形成されて、カラーフィルタ基板が構成されている。

このようなカラーフィルタ基板において、遮光層２の上方のオーバーコート層１５上に、図１（ｂ）に示す構造と同様に、高さの高いメインフォトスペーサ６ａと、高さの低いサブフォトスペーサ６ｂが三次元的に積層されている。

以上のように構成されるカラーフィルタ基板では、メインフォトスペーサ６ａ、このメインフォトスペーサ６ａよりも高さの低いサブフォトスペーサ６ｂ、このサブフォトスペーサ６ｂよりも高さの低いオーバーコート層１５が設けられている。本実施形態において、これらの高さの異なる構造体は、同一材料を用い、一つのフォトマスクを用い、一回の露光工程で、図１（ｂ）に示す構造と同様にして形成することができる。

図４は、本発明の第３の実施形態に係る半透過型液晶表示装置用カラーフィルタ基板を示す断面図である。

図４において、透明基板１上には所定のパターンの遮光層２が形成され、この遮光層２により区分された領域に各色の着色層３が二次元的に配置されている。着色層３には、スルーホール７が形成されている。このスルーホール７が形成された領域が、反射表示領域を構成する。

これら各着色層３の上にはオーバーコート層１５が形成されて、カラーフィルタ基板が構成されている。

このようなカラーフィルタ基板において、遮光層２の上方のオーバーコート層１５上に、図１（ｂ）に示す構造と同様に、高さの高いメインフォトスペーサ６ａと、高さの低いサブフォトスペーサ６ｂが三次元的に積層されるとともに、更に、サブフォトスペーサ６ｂよりも高さの低いマルチギャップ層２５が形成されている。

以上のように構成されるカラーフィルタ基板では、メインフォトスペーサ６ａ、このメインフォトスペーサ６ａよりも高さの低いサブフォトスペーサ６ｂ、このサブフォトスペーサ６ｂよりも高さの低いマルチギャップ層２５が設けられている。本実施形態において、これらの高さの異なる構造体は、同一材料を用い、一つのフォトマスクを用い、一回の露光工程で、図１（ｂ）に示す構造と同様にして形成することができる。

本発明の第１の実施形態に係るカラーフィルタ基板及びフォトマスクを示す断面図である。 図１に示すフォトマスクのグレートーンマスク部Ｂの様々な例を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るカラーフィルタ基板を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るカラーフィルタ基板を示す断面図である。

符号の説明

１…透明基板、２…遮光層、３ａ…赤色着色層、３ｂ…緑色着色層、３ｃ…青色着色層、４…ＩＴＯ膜、５…突起層、６…スペーサ形成領域、７ａ…スペーサ赤色着色層，７ｂ…スペーサ緑色着色層、７ｃ…青色着色層、８…スペーサ突起層、１５…オーバーコート層、２５…マルチギャップ層。

Claims (8)

1. カラーフィルタ基板と、これに対向する基板との間に液晶を封入した液晶表示装置に使用されるカラーフィルタ基板であって、
   透明基板と、この透明基板上に形成された、所定のパターンの遮光層と、この遮光層により区画された領域に二次元的に配置された複数色の画素着色層と、前記遮光層上に三次元的に積層された、前記基板間のギャップを一定に保持するためのセルギャップ調整用スペーサとを具備し、
   前記スペーサを含む高さの異なる少なくとも３つのパターン状構造体を備え、前記少なくとも３つのパターン状構造体は、同一の材料からなり、同一の露光マスクを用いて一回の露光工程を含むプロセスにより形成されてなることを特徴とするカラーフィルタ基板。
2. 前記少なくとも３つのパターン状構造体は、ネガ型感光性レジストを用いて形成されたことを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタ基板。
3. 前記少なくとも３つのパターン状構造体は、セルギャップ調整用スペーサと、このセルギャップ調整用スペーサよりも高さの低い補助スペーサと、この補助スペーサよりも高さの低い液晶配向用突起とを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のカラーフィルタ基板。
4. 前記少なくとも３つのパターン状構造体は、セルギャップ調整用スペーサと、このセルギャップ調整用スペーサよりも高さの低い補助スペーサと、この補助スペーサよりも高さの低いオーバーコート層とを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のカラーフィルタ基板。
5. 前記液晶表示装置は半透過型液晶表示装置であり、前記少なくとも３つのパターン状構造体のうち一つのパターンが、カラーフィルタ基板の反射表示領域の画素上に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のカラーフィルタ基板。
6. 前記液晶表示装置は半透過型液晶表示装置であり、前記少なくとも３つのパターン状構造体のうち一つのパターンが、カラーフィルタ基板の反射表示領域の画素上に形成された、セルギャップ調整用スペーサと、このセルギャップ調整用スペーサよりも高さの低い補助スペーサと、この補助スペーサよりも高さの低い、反射表示領域上の光路差を調整するためのマルチギャップ層とを含み、更に、前記マルチギャップ層よりも高さの低いオーバーコート層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のカラーフィルタ基板。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のカラーフィルタ基板を具備することを特徴とする液晶表示装置。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載のカラーフィルタ基板の前記少なくとも３つのパターン状構造体を形成する際の露光に用いるフォトマスクであって、露光の照射光をすべて透過する透過部と、露光の照射光の光量を減少させるグレートーン部と、露光の照射光の特定波長を透過させるハーフトーン部とを含むことを特徴とするフォトマスク。

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