JP2009163036A - フォトマスク及びフォトスペーサの製造方法及びカラーフィルタ基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】網点状のマスクパターンを使い、光透過率の差で光感光性樹脂の硬化度を変えて樹脂突起間の膜厚差をつける方法においては、液晶の体積収縮に応じるだけの十分な膜厚差が稼げないという問題があった。フォトスペーサの高さが低めに設定された場合に、特に顕著になるこの現象に対し、十分な膜厚差が確保できるフォトスペーサの製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】近接露光方式を用いるフォトリソグラフィー法によって基板上に高さの異なるフォトスペーサを製造するためのフォトマスクにおいて、前記フォトマスク面に凹部が形成され、該凹部に低いフォトスペーサに対応したマスクパターンを有することを特徴とするフォトマスクである。
【選択図】図1

Description

本発明は、液晶表示装置の対抗する基板間距離を維持するためのフォトスペーサを有するカラーフィルタ基板の製造方法に関する。

液晶表示装置は、一対の基板間に液晶を狭持する。液晶表示装置の大型化にともなって基板間の距離（以下、セルギャップ）を正確に保つ必要性から、従来の樹脂製のビーズを液晶内に散布する方式から、フォトリソグラフィー技術により突起物を形成する方法に移行しつつある。フォトリソグラフィー技術により形成された突起物、いわゆる、フォトスペーサと称されるものは、配置の自由度、高さの均一性、液晶中を移動しない、汚染が少ないなど、樹脂ビーズ方式に較べ多くの利点を有し、通常はカラーフィルタ層の上部に配設される。

突起物は、単にセルギャップを保持するスペーサとしてだけでなく、別の目的で素子内部に形成する場合もある。例えば、ＶＡ（Vertical Alignment）モードでは、表示領域内に規則的に突起物を配置して、この突起物により液晶分子の配向を制御している（特許文献１）。またＯＣＢ（Optically Compensated Bend）モードにおいても、液晶分子をスプレイ状態からベンド状態に容易に転移させるために突起物を備えた構成をとる（特許文献２）。強誘電性液晶においては、ストライプ状に配設した樹脂がスペーサとして使用される。

突起物が、スペーサ又は液晶の配向性制御用としての単独の機能だけでなく、複数の機能を果たす必要がある場合には、高さや形状の異なる突起物を同時に形成できるのが望ましい。高さの異なる突起物を同時に形成する技術に関しては、感光性樹脂を用い、光透過率の異なる部分を有するフォトマスクを使用し、樹脂が硬化する程度を変えて形成する技術が開示されている（例えば、特許文献３）。また、この文献によれば、スペーサとして数十個／ｍｍ以上の突起を形成する必要がある旨、開示されている。
特開平１１−２４２２２５号公報 特開平１０−２０２８４号公報 特開２００３−７５８０８号公報

有機樹脂からなるフォトスペーサは柔軟であるため、基板が外部から押された場合、セルギャップが狭まらないように十分な抵抗性を確保するには、硬めの樹脂を使うかあるいは上記のように相当の面積占有率で形成しなければならない。一方こうした場合、逆にセルギャップが狭くなる方向に動きにくくなるので、基板間に液晶を封入する場合に問題が生じる。すなわち、液晶は、通常、一対の基板間の間隙を減圧してから、温度を上げて粘性を低くした状態で加圧して封入する。その後、常温に戻すが、戻す過程で液晶の体積は収縮する。他方、セルギャップは、スペーサの抵抗で狭くならないため、両基板間の体積が減ることができない。そのため、追随できない体積部分が、液晶中で気泡となるという問題が生じる。

この様な気泡の発生を無くすためには、セルギャップが変化できるように、スペーサを柔らかくするか、接触面積もしくはスペーサ数を減らす必要がある。しかし、接触面積を減らしすぎると押圧に対して対して抵抗力がなくなる。こうした不具合を防止するため、
一定の高さのスペーサで、ある程度まで高さが縮みセルギャップが狭くなることは許容し、ある程度以下にはセルギャップが狭くなりにくくするストッパーとして、前記一定の高さのスペーサより高さの低い補助的なスペーサ（サブスペーサ）を併設する技術が開示されている（特許文献３）。

上記に記載の方法では、透明基板上に網点状のマスクパターンを形成したパターン露光用のフォトマスクを使い、網点の密度やパターンの大小の相違で生じる光透過率の差で光感光性樹脂の硬化度を変えて樹脂突起間の高さの差（膜厚差）をつけている。しかしながら、この網点方法のフォトマスクにおいては、液晶の体積収縮に応じるだけの十分な高さの差（膜厚差）が確保できない、特にスペーサの高さが３μｍ程度以下になるとそのことが顕著になるという問題があった。さらに、サブスペーサが微細になると、網点状のマスクパターンの形成自体が容易でないという問題もあった。本発明は、フォトスペーサの高さが低めに設定された場合に、顕著になるこれらの不具合に対し、十分な高さの差（膜厚差）（１０％以上）が確保できるフォトマスク及びフォトスペーサ製造方法及びこれらを用いたカラーフィルタ基板の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を達成するための請求項１の発明は、近接露光方式を用いるフォトリソグラフィー法によって基板上に高さの異なるフォトスペーサを製造するためのフォトマスクにおいて、前記フォトマスク面に凹部が形成され、該凹部に低いフォトスペーサに対応したマスクパターンを有することを特徴とするフォトマスクである。

このようなフォトマスクであれば、凹部のマスクパターンエッジ部で回折された光の干渉で光強度が、ネガ型レジストの位置で、弱くなるため硬化反応を抑止できる。その結果、スペーサ間で十分な膜厚差、すなわち高低差を確保できる。

請求項２の発明は、前記フォトマスクの凹部の深さが４０μｍ以上であることを特徴とする上記記載のフォトスペーサの製造方法である。

近接露光法においては、上記の光路差が付け加われば、光強度をさらに十分に弱めることができる。

請求項３の発明は、上記に記載のフォトマスクを用いて、近接露光方式により基板上に高さの異なるフォトスペーサを製造することを特徴とするフォトスペーサの製造方法である。

請求項４の発明は、フォトスペーサの高低差が、高さの高いスペーサの１０％以上であることを特徴とするフォトスペーサの製造方法である。

上述した構造のフォトマスクを用いてフォトスペーサを製造すれは、１０％の高低差が確保できるため、液晶封入後の液晶中の気泡の発生を完全に抑止できる。

請求項５の発明は、着色顔料を分散させた着色感光性樹脂にパターン露光、現像を行うフォトリソグラフィー法でカラーパターンを形成するカラーフィルタの製造方法において、カラーフィルタ上にフォトスペーサを製造する際に、上記の方法を用いることを特徴とするカラーフィルター基板の製造方法である。

以上、本発明によれば、液晶表示装置を構成する一対の基板が、液晶の体積収縮に応じて移動可能であるため、液晶を浸透させた場合に気泡の発生がない。また、押圧に対して
も十分な抵抗性があるため画像が歪むことがない。

以下、本発明の一例を実施例により図１から図３を用いて詳しく説明する。

フォトマスクとなるガラス基板２０上にノボラックタイプのポジ形フォトレジスト（ＯＦＰＲ８０００、東京応化（株）製）を塗布した後、定法のフォトリソグラフィー法により所定箇所にガラス基板２０を露出する開口を有するレジストパターンを形成した。開口形状は十分に長い長方形とし短辺の長さは２０μｍとした。これはサブスペーサ用のマスクパターンを複数個収容する凹部を形成するためである。

次いで、ガラス基板２０にエッチング処理を行い、前記開口から露出したガラス基板部位に凹部２３を形成した。エッチング液には、フッ化水素酸（ＨＦ）とフッ化アンモニウム（ＮＨ₄Ｆ）を混合したバッファードフッ酸（ＢＨＦ）を使用した。エッチングレートは混合比により調整するが、本例では、ＨＦ：ＮＨ₄Ｆ＝１０：１（重量％）を使用し、エッチングレートを７００Å／分とした。エッチング後の凹部２３の深さは４０μｍ、短辺の長さは約８０μｍであった（図２（ａ））。

次に、遮光膜となるクロム２１を基板の凹部形成面に、定法のスパッタリング法により１０００Åの厚みで成膜した（図２（ｂ））。次に、ポジ型フォトレジストをスピンコート法にてクロム２１上に塗布・乾燥し、パターン露光及び現像処理を行い、クロム２１を露出する開口部を有するレジストパターン２２を形成した（図２（ｃ））。現像液には低濃度テトラメチルアンモニウムハイドロキサイド溶液を使用した。その後、硝酸第二セリウムアンモニウム／過塩素酸水溶液を用い、レジストパターン２２から露出したクロム層のエッチングを１分間行い、さらにレジストの剥離と基板の洗浄を行い、本発明に係わる、マスクパターンを有するフォトマスクを得た（図２（ｄ））。

このようにしてフォトマスク平面上の凹部２３に形成したサブスペーサ形成用のマスクパターン２４の一例を、図１（ｂ）に示した。ネガ型フォトレジスト用のマスクで正８角形状の２つのリング状の開口４、５から構成されている。白部が開口部であり外寸８は１３μｍ、遮光部７の幅は２．６μｍ、開口部４、開口部５の幅は１．３μｍである。凹部以外の平面部には、クロムパターン２６が、一定の高さのフォトスペーサ形成のため敷設されている。尚、図２はフォトマスク断面の一部を模式的に示すものであって、実際には横方向に周期性をもって凹部が形成されており、周期は後述する着色画素の周期及びそこに配設するスペーサ数によって決まる。

上記凹部に形成したマスクパターンの寸法は、平行露光光源（例えば、波長３６５ｎｍのｉ線）を上記に類似のパターンを有するフォトマスクに照射し、１００μｍ離れた箇所での透過光の強度分布に関するシミュレーション結果から推測した数値にて決めた。

次に、カラーフィルタ基板の製造方法につき説明する（基板構造の概略は図１（ａ）参照）。まず、０．７ｍｍ厚の無アルカリガラス（ＯＡ−２：日本電気硝子（株）製）からなる透明基板３に、カーボンブラックをアクリル系樹脂に分散した黒色の感光性樹脂をスピンコート法により塗布した。次いで、パターン露光・現像等のパターニング処理、加熱処理を行って、幅１４μｍ、高さ１．３μｍの遮光層１１を形成した。

次に、アクリル系樹脂にジアントラキノン系赤色顔料を分散した感光性樹脂をスピンコート法により基板上に塗布し、赤色感光性樹脂層を形成した。次いで、所定の露光用マスクを使ってパターン露光・現像等のパターニング処理、加熱処理を行って、幅１００μｍ、膜厚１．３μｍの赤色画素状カラーフィルタ１２を形成した。同様に、アクリル系樹脂にフタロシアニングリーン系緑色顔料を分散した感光性樹脂をスピンコート法により塗布し、緑色感光性樹脂層を形成した。次いで、所定の露光用マスクを使って露光・現像等のパターニング処理、加熱処理を行って、幅１００μｍ、膜厚１．４μｍの緑色画素状カラーフィルタ１３を形成した。同様にアクリル系樹脂にフタロシアニンブルー系顔料を分散した感光性樹脂をスピンコート法により塗布し、青色感光性樹脂層を形成した。次いで、所定の露光用マスクを使って露光・現像等のパターニング処理、加熱処理を行って、幅１００μｍ、膜厚１．３μｍの青色画素状カラーフィルタを形成した。

次に、酸化インジウム系のターゲットをスパッタリングして、赤色、緑色、青色からなる画素状カラーフィルタ層１２及び遮光層１１上に２００ｎｍ厚の透明導電膜１４を形成した。場合によっては、着色画素間の段差の低減、不純物溶出防止のためオーバーコート層を透明導電膜下部に設けても構わない。透明導電膜上にもポリイミド等の配向制御膜を塗布することができる。

次に、前述した、凹部にサブスペーサ用マスクパターンを、凹部以外の平面部には一定の高さのフォトスペーサ形成用のマスクパターンを有するフォトマスク２５を用いて、透明導電膜を形成した上記カラーフィルタ基板上に、高さの異なるフォトスペーサを形成した。フォトスペーサの形成にあたっては、まず、カラーフィルタ基板上に、ネガ型感光性樹脂ＫＭＨ−Ｗ１０００（大阪有機工業（株）製）を塗布し乾燥した。次いで、フォトマスクと感光性樹脂の離間距離を７０μｍ〜１３０μｍで変化させ、前記フォトマスク２５を介して露光を行った。露光量は１００ｍＪで一定とした。次いで、３５秒のアルカリ現像処理を施し、フォトスペーサを得、形成されたフォトスペーサの形状を顕微鏡により観察した。

観察した結果を図３に示す。図３は、高さの高い方のスペーサの高さを３．６μｍ（□）となるように露光前の樹脂膜厚を設定し、露光・現像した後の高低差を縦軸に、フォトマスク平面と感光性樹脂の離間距離を横軸としてプロットしたものである。この場合、凹部に対する実際の離間距離は４０μｍ長くなっている。同図（△）は、サブスペーサの形状を、前記の外寸８、１３μｍ、遮光部７の幅、２．６μｍ、開口部４、開口部５の幅、１．３μｍから、それぞれ、１３μｍ、２．２μｍ、１．６μｍに変えた場合の結果である。この結果から、かなり遮光パターンの形状に依存することが分かった。

図３より明らかなように、スペーサの膜厚が３．４μｍ程度以下では、サブスペーサ形成用のマスクパターンを適正化しフォトマスクと感光性樹脂面の離間距離を１００μｍ以上にすれば、１０％以上の高低差を得ることができる。液晶を封入し観察したところ、気泡の発生は見られず、基板表面を指などで押圧した場合でも、樹脂ビーズ分散型の従来の液晶表示装置と比較して、画像の歪みは少なく十分な押圧耐性が確認できた。

尚、網点マスクにおいては、高い方のスペーサの高さが４μｍ以上であれば、サブスペーサに０．３μｍ程度の高低差を付与することが可能であった。しかしながら、それ以下であって、サブスペーサ基部で許容される径が狭い場合にあっては、高低差を十分に確保することができなかった。

（ａ）スペーサ付カラーフィルタ基板とフォトマスクを対抗させた様子を断面で見た図面である。（ｂ）サブスペーサを形成するために用いたマスクパターンの一例を示す図面である。 （ａ）〜（ｄ）は本発明になるフォトマスクの製造工程の概略を、断面から見た図面で説明するものである。 本発明になるフォトマスクを用いた露光実験結果の一例を示す図面である。

符号の説明

１、 スペーサ
２、 サブスペーサ
３、 透明基板
４、５、フォトマスクのリング状開口部
６、７、フォトマスクの遮光部
８、 遮光部の外寸
１１、遮光層
１２、１３、カラーフィルタ
１４、透明導電膜
２０、フォトマスク用基板
２１、クロム膜
２２、レジストパターン
２３、凹部開口
２４、凹部マスクパターン
２５、凹部を有するフォトマスク
２６、クロムパターン

Claims (5)

1. 近接露光方式を用いるフォトリソグラフィー法によって基板上に高さの異なるフォトスペーサを製造するためのフォトマスクにおいて、前記フォトマスク面に凹部が形成され、該凹部に低いフォトスペーサに対応したマスクパターンを有することを特徴とするフォトマスク。
2. 前記フォトマスクの凹部の深さが４０μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のフォトマスク。
3. 請求項１又は請求項２に記載のフォトマスクを用いて、近接露光方式により基板上に高さの異なるフォトスペーサを製造することを特徴とするフォトスペーサの製造方法。
4. 前記フォトスペーサの高低差が、高いフォトスペーサの高さの１０％以上であることを特徴とする請求項３に記載のフォトスペーサの製造方法。
5. 請求項１又は請求項２に記載のフォトマスクを用いて、フォトスペーサを形成することを特徴とするカラーフィルター基板の製造方法。

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