JP2009244523A - カラーフィルタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラックマトリクスパターン欠けやムラなどの表示不良を防止する。
【解決手段】カラーフィルタ基板の製造方法において、該樹脂ブラックマトリクス形成工程のパターン露光に使用する露光マスクの光透過部における透過率が領域によって透過率が異なるマスクであって、額縁近傍領域のブラックマトリクスの線幅と表示領域のブラックマトリクスの線幅の差が０．３μｍ以下になるようにパターン露光・現像を行うことを特徴とするカラーフィルタの製造方法。
【選択図】図４

Description

本発明は、カラーフィルタ露光パターン化とそれを用いたカラーフィルタのチップ内のブラックマトリクス線幅を均一にパターン形成すカラーフィルタの製造方法に関する。

CRTに代わるフラットパネル型表示装置として現在最も広く使用されているのは液晶表示装置（LCD）である。用途としては、テレビ、パーソナルコンピュータ、ワープロ、ＯＡ機器はもとより、最近では、携帯電話や携帯音楽プレイヤーなどの小型用途に至るまで応用され、市場の更なる拡大が期待されるとともに、画像品質の一層の向上が求められている。これら液晶表示装置の駆動方式としては、広く使用されているＴＮ（ねじれネマティック）方式やＳＴＮ（超ねじれネマティック）方式による縦電界駆動型のものから、近年では、ＴＦＴ（ThＩn FＩlm TransＩstor：薄膜トランジスタ）方式のものも一般化してきており、応答速度やコントラストなどの視認性の改善が日々検討されている。

特に、小型用途の液晶表示装置としては、画面の精細度がディスプレイの視認性に対して非常に大きな重要性を持つため、画素数は、従来多く見られたＱＶＧＡ（Quadrable ＶＩdeo GraphＩcs Array；320×240画素）からＶＧＡ（ＶＩdeo GraphＩc Array；640×480画素）のように、限られたパネル面積の中で飛躍的に増加しており、これに伴い画素の面積減少も著しくなっている。

したがって、必然的に、パネルの輝度の維持・向上の観点から、画素同士を仕切るブラックマトリクスの線幅も細線化の一途をたどり、線幅１０μｍ以下、特に近年においては線幅６μｍ以下のカラーフィルタ基板がごく一般的になってきている。ここで述べるブラックマトリクスの線幅とは、図１−Ｉ〜図１−ＩＶに示すように、ストライプ状（図１−Ｉ）、格子状（図１−ＩＩ）あるいはアイランド状（図１−ＩＩＩ、図１−ＩＶ）などのパターンにおける短辺方向の幅ｘであり、特にパターンが正方形や円形などのアイランド形状である場合は、長辺方向の長さｙ／短辺方向の幅ｘの区別はなく、一辺もしくは直径を指す。いずれの場合も、図２に示されるように、パターンの断面形状に関わらず、透過光で観察した場合に遮光される領域の幅で定義されるものである。

一方、このブラックマトリクスは、近年、環境面の問題や、製造方法の簡便さから、パターンの構成材料が従来のクロムに替わって、黒色顔料を分散させた感光性あるいは非感光性の樹脂ペーストを用い、露光マスクでパターン化することによって形成する方法が多く採用されている。

しかしながら、樹脂ブラックマトリクスは、所定の光学濃度を確保するための膜厚が、クロムパターンと比較して厚くなるため、パターンの細線化が進むにしたがって、前述のパターン露光後の現像工程にてブラックマトリクスパターンを形成する際に、パターン形状が不連続に変化するチップ外周の額縁近傍領域において、現像液の滞留が起こり、ブラックマトリクスの現像液に対する暴露履歴が増大するため、ブラックマトリクス線幅がチップ内部領域と比較して細線化し、基板との接触面積が著しく低下することから、形成したパターンが欠落する、あるいは、パターン形成後に形成する色画素パターンとブラックマトリクスパターンの間に隙間が生じ、遮光時の光漏れや色調異常などの表示不良が発生するという問題が発生する。ここで述べる額縁近傍領域とは、図３に示すようにチップの表示領域９２における額縁９１の境界からおよそ1mm内部に至るまでの領域９３を指し、チップ内部領域とは前述の額縁近傍領域よりさらに内部の表示領域９４を指す。

この問題を解消するために、額縁近傍領域におけるブラックマトリクスの線幅をある一定以上の幅になるようにパターンを加工した際は、前述のメカニズムから、チップ内部領域におけるブラックマトリクス線幅が相対的に太くなるため、色画素用の開口部面積が減少し、パネル輝度の低下を招く原因となる。特にＶＧＡなどに見られる高精細用途のＬＣＤにおいては、画素開口部に対するブラックマトリクスパターンの面積が大きくなるため、パネル輝度が著しく低下するため、大きな問題となる。

また、この問題を解消するために、ブラックマトリクスパターン形成用の露光マスクにおいて、チップ額縁近傍領域のブラックマトリクスの線幅を、あらかじめ現像工程でチップ内部領域の線幅に対して細くなる分だけ太くする補正を施しておくという方法が開示されている。

しかしながら、上記現像工程にてブラックマトリクスの線幅がチップ内部領域に対して細くなるチップ額縁近傍領域は、ブラックマトリクスパターンの形状によって異なるため、ブラックマトリクス線幅が細線化しない内部領域にまで露光マスクにおけるブラックマトリクス線幅を太くする補正を施すことにより、ブラックマトリクスをパターン加工した際に、露光マスクにて補正を施した領域の一部のブラックマトリクスの線幅が、補正を施していないチップ内部領域と比較して逆に太くなり、不連続に線幅が変化する境界部分が線状のムラとなって見えるという危険があるため、現像工程においてブラックマトリクスの線幅が実際に細るチップ額縁近傍領域を正確に把握しておく必要がある。しかしながら、様々な形状のブラックマトリクスパターンを有するカラーフィルタ基板に対して、チップ額縁近傍領域を正確に把握して、上記の露光マスク補正を適正に施すことは膨大な手間と困難を有する。またチップ形状も、用途によっては単純な四角形から例えば円形のような複雑なものも登場しており、その点においても、上記の露光マスクの補正を施す実際の作業に対して大きな障壁となる。

このように、マスク露光、現像によって、特に６μｍ以下の細線化した樹脂ブラックマトリクスパターンを有するカラーフィルタ基板を作製する際に、現像工程における現像液の滞留を低減することによって、チップ内全域におけるブラックマトリクスの線幅ばらつきが小さく均一なパターンを安定的に製造する方法が望まれていた。
特許第３８１３４３３号公報

本発明の目的は、上記問題点を解消するために、樹脂ブラックマトリクスから成るカラーフィルタ基板の作製に際し、使用する露光マスクおいて、チップの領域に応じて異なる透過率になるようにする処理を施すことによって、プラックマトリクス形状やチップ形状によることなく、チップ額縁近傍領域と内部領域におけるブラックマトリクス線幅を均一にすることにより、ブラックマトリクスパターン欠けやムラなどの表示不良を防止することを可能とすることである。

上記の目的を達成するために本発明は、以下の構成をとる。すなわち、まず請求項１においては、少なくとも透明基板上に黒色樹脂層をパターン露光、現像等のパターニング処理を行ってパターンを形成するブラックマトリクス工程と、着色樹脂層をパターン露光、現像等のパターニング処理を行って複数の着色フィルタを形成する着色フィルタ工程と、透明電極形成工程とを有するカラーフィルタ基板の製造方法において、前記ブラックマトリクス形成工程のパターン露光に使用する露光マスクのパターン露光領域が、領域によって透過率が変化するように処理が施されており、前記透過率変更処理が施されたパターン露光領域を有する露光マスクを用いてパターン露光、現像等のパターニング処理を行って、表示領域における着色層同士を仕切るブラックマトリクスパターンの線幅の差が、額縁近傍のチップ額縁近傍領域と内部領域で０．３μｍ以下になることを特徴とするカラーフィルタ基板の製造方法としたものである。

また、請求項２においては、前記樹脂ブラックマトリクスパターンの膜厚は、０．５μｍ以上であることを特徴とするカラーフィルタ基板の製造方法としたものである。

さらにまた、請求項３においては、前記樹脂ブラックマトリクスの線幅は、６μｍ以下であることを特徴とするカラーフィルタ基板の製造方法としたものである。

さらに請求項４においては、ブラックマトリクス形成用の材料としてポジ型感光性レジストを用い、マスクパターンの露光透過率が、ブラックマトリクスを有する表示領域に対してチップ額縁領域が高くなっている前記露光マスクを用いて露光し、現像することによってパターン加工することを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタの製造方法としたものである。

さらにまた、請求項５においては、ブラックマトリクス形成用の材料としてネガ型感光性レジストを用い、マスクパターンの露光透過率が、ブラックマトリクスを有する表示領域に対してチップ額縁領域が低くなっている前記露光マスクを用いた露光し、現像することよってパターン加工することを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタの製造方法としたものである。

ここで述べるマスクパターンの露光透過率とは、使用する感光性レジストの特性に合わせて、ｇ線（４３６ｎｍ）、ｈ線（４０５ｎｍ）、Ｉ線（３６５ｎｍ）のいずれか任意の波長を基準とした場合で調整することが可能である。

カラーフィルタ基板のチップ外周の額縁近傍領域と内部におけるブラックマトリクス線幅の差が極めて小さく均一になり、高精細や高輝度を目的とした細線ブラックマトリクスパターンの欠落を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態につき説明する。
請求項１に係る本発明のカラーフィルタ基板の製造方法は、図６ａ〜７ｂに示すように、透明基板１１上に公知の黒色顔料を含有する樹脂ブラックペースト１２を塗布し、額縁部分が表示領域と透過率を異なるように処理が施されたパターン露光マスクを用いてパターン露光、現像等のパターニング処理を行うことにより、液晶ディスプレイパネルに使用した場合、ブラックマトリクスの線幅が均一となり、線幅の太りを原因とするパネル輝度低下や線幅細りを原因とするブラックマトリクスパターン欠けや、色画素抜けによる光漏れなどの表示不良を大幅に削減できるようにしたものである。本発明に係るブラックマトリクス用の樹脂ペーストに関しては、感光型／非感光型、あるいは感光型におけるポジ型／ネガ型のいずれについても本発明の製造方法を適用することができる。

以下、本発明のカラーフィルタ基板の製造方法について説明する。図６ａ〜６ｂおよび図７ａ〜７ｂは、本発明のカラーフィルタ基板の製造方法の一実施例を示す部分模式構成断面図である。
感光タイプの場合は、ガラス基板等からなる透明基板１１上に、アクリル系あるいはポリイミド系樹脂にカーボンブラックあるいはチタンブラックなどの顔料を分散した黒色の感光性レジストをスピンナーあるいはスリットコーターなどの装置を用い塗布し、感光性黒色樹脂層２１を形成し（図６ａ−Ｉ、図７ａ−Ｉ）、額縁領域と表示領域とで透過率の異なるフォトマスク４１あるいは４２を用いたパターン露光（図６ａ−ＩＩ、図７ａ−ＩＩ）、現像等のパターニング処理を行って、ブラックマトリクス５１を形成する（図６ａ−ＩＩＩ、図７ａ−ＩＩＩ）。

非感光型ペーストの場合は、同じくガラス基板等からなる透明基板１１上に、アクリル系あるいはポリイミド系樹脂にカーボンブラックあるいはチタンブラックなどの顔料を分散した黒色の非感光性樹脂ペースト２１をスピンナーあるいはスリットコーターなどの装置を用いて塗布し、その上にアクリル系あるいはノボラック系に代表される感光性レジストを塗布することで、感光性黒色樹脂層３１を形成し（図６ｂ−Ｉ、図７ｂ−Ｉ）、額縁領域と表示領域とで透過率の異なるフォトマスク４１あるいは４２を用いたパターン露光（図６ｂ−ＩＩ、図７ｂ−ＩＩ）、現像等のパターニング処理を行って、ブラックマトリクス５１を形成する（図６ｂ−ＩＩＩ、図７ｂ−ＩＩＩ）。
次に、透明基板１１上に額縁領域と表示領域とで透過率を異なるように処理を施した露光マスクについて説明する。

図４に示す露光マスク４１は、請求項４に係る発明の事例で、ブラックマトリクスがその形成用樹脂膜にネガ型感光性レジストあるいは非感光性樹脂膜上にネガ型感光性レジストを積層したものを露光する場合に用いられ、額縁領域９１におけるＩ線基準で見た場合の露光透過率は表示領域（９２領域の中の１０２）におけるそれの１０〜５０％となったものである。これにより、露光時の額縁領域の黒色レジスト膜厚が表示領域のブラックマトリクスパターンの膜厚より薄くなり、現像工程における額縁境界部での現像液の滞留が低減され、表示領域外周におけるブラックマトリクス線幅の低下を抑制することが可能となる。
また、図５に示す露光マスク４２は、請求項５に係る発明の事例で、ブラックマトリクスがその形成用樹脂膜にポジ型感光性レジストあるいは非感光性樹脂膜上にポジ型感光性レジストを積層塗布したものを露光する場合に用いられ、表示領域（９２領域の中の１０３）におけるＩ線基準で見た場合の露光透過率は、額縁領域９１におけるそれの１０〜５０％となったものである。これにより、露光時の額縁領域のレジスト膜厚が表示領域のブラックマトリクスパターン上のレジスト膜厚よりも薄くなり、ネガ型の場合と同じく現像工程における額縁境界部での現像液の滞留が低減されるため、表示領域外周におけるブラックマトリクス線幅低下を抑制することが可能となる。

パターン露光の透過率を領域によって異なるように形成する方法としては、所定の透過率を有する薄膜を形成してパターニング処理する工程を所定回数繰り返すか、遮光層をパターニングする際所定の透過率になるように網点分解してエッチングする工程を所定回数繰り返すなどの方法がある。
次に、パターン露光された黒色樹脂層を専用の現像液で現像、リンス処理を行って、ブラックマトリクスパターンを形成する。非感光性樹脂ペースト上に形成したネガ型あるいはポジ型の感光性レジストは、図６ｂ−ＩＶ、図７ｂ−ＩＶに示すように、必要に応じて更に専用の剥離液でこれを剥離、リンス処理を行う。
このような方法を用いて形成されたブラックマトリクスパターンの線幅を表１に示す。表からも分かるように、チップ外周領域とその内部領域における平均線幅は約０．３μｍ以下となり、カラーフィルタ基板の作製ならびに液晶パネルの表示特性において全く問題ないものとなる。

なお、非感光性樹脂を用いずに、感光性黒色レジストのみを塗布したものを露光する場合、上記のマスクの構造から、ブラックマトリクス膜厚が表示領域より低いものが形成される結果となる。これにより、額縁部分の光学濃度低下や表示領域との段差の発生という現象が二次的に問題となる場合は、あらかじめ薄くなった額縁領域にて所定の光学濃度が得られるように感光性レジスト中の黒色顔料を調製する方法や、あるいは、図６ａ−ＩＶ、図７ａ−ＩＶに示すように、色層の露光パターニング工程において、額縁領域に色層を積層させるなどの方法を好適にとることができる。この際、色層の形成においても、ブラックマトリクス形成時と同様に、額縁領域と表示領域での透過率を異なるように処理を施した露光マスクを用いて露光、現像することにより、額縁領域での形成膜厚を調製する方法もとることが可能であり、これにより所望の光学濃度、段差を調整することができる。

本発明を工程別に具体的に説明する。
［１］ブラックマトリクス用黒色塗膜の形成
厚み０．５ｍｍの無アルカリガラス基板（旭硝子製 ＡＮ１００ ４００ｍｍ×５００ｍｍ）に、カーボン系遮光剤を５０ｗｔ％含む東レ社製非感光性ポリイミド樹脂ペーストＴＢ−１を、最終単体膜厚が１．２μｍになるように塗布し、１４０℃／３分で乾燥・溶媒除去した後、ＡＺエレクトロニックマテリアルズ社製のポジ型感光性レジストＲＦＰ−２５０ＳＡを、最終膜厚が１．５μｍになるように積層塗布し、１００℃／５分の条件で乾燥・溶媒除去した。

［２］露光マスクのパターン形状
表示領域が４５ｍｍ×４５ｍｍの正方形で、これを囲む額縁に相当する遮光領域の幅が２ｍｍのチップ形状を有し、チップ内部のブラックマトリクス形成領域が、遮光線幅が５μｍかつ遮光線に囲まれた開口部形状が短辺２０μｍ×長辺７０μｍの長方形で、開口部長辺が基板進行方向に対し垂直となる格子形状になるようにクロムパターニングされた露光パターンを用いた。

［３］黒色塗膜の露光
［２］のパターン形状で構成され、露光透過率を実施例や比較例に示されるように調整した露光マスクと条件を以て、露光を実施した。

［４］露光後塗膜の現像
［３］で露光した基板を、長さ４０００ｍｍの現像槽の中を４５００ｍｍ／ｍＩｎの速度で通過させることにより、露光部分を現像・パターン加工した。現像液には、液温２５℃の水酸化テトラメチルアンモニウム２．３％水溶液を使用し、２０Ｌ／ｍＩｎの流量でシャワーリングを行った。基板の現像槽通過後は、長さ２５００ｍｍの洗浄槽にて、２５Ｌ／ｍＩｎの流量で純水シャワーリングし、現像反応停止とともに、基板を洗浄した。基板の搬送速度は現像槽と同じく２５００ｍｍ／ｍＩｎとした。最後にエアーナイフで液除去し、基板を乾燥した。

［５］ブラックマトリクスの線幅測定
ソキア社製ＳＭＩＣ−８００を用い、チップ表示領域における内部領域と額縁近傍領域について各３６ポイントずつ測定した。額縁近傍領域の測定は、額縁と表示領域の境界部から０．３ｍｍ内側の部分を、チップ辺に沿って５ｍｍ間隔で１辺９ポイントずつ計３６ポイント測定した。内部領域の測定は、額縁と表示領域の境界部から２．５ｍｍ内側の部分で表される１辺４０ｍｍの正方形を、その各頂点を含んで８ｍｍ間隔で計３６ポイント測定した。

実施例１
チップ表示領域に対するチップ額縁領域の露光透過率がＩ線換算で２０％となるように調整した露光マスクを用い、露光量をＩ線換算で７０ｍｊ／ｃｍ^２、露光ギャップを１００μｍの条件で露光を実施した。その後、［４］に記載の条件で現像した。この現像基板のチップ表示領域のブラックマトリクスの線幅は表１ａで示されるように、チップ内部領域の平均値が４．９８μｍのとき、チップ額縁近傍領域の平均値は４．８５μｍでその差は０．１３μｍとなり、更にチップ全体で見ても最大値と最小値の差は０．２８μｍと極めて均一な分布となった。

比較例１
露光パターンは実施例１と同じであり、露光透過率については調整を行わず、領域によらず等しい透過率を有する露光マスクを用い、実施例１と同じく露光量をＩ線換算で７０ｍｊ／ｃｍ^２、露光ギャップを１００μｍの条件で露光を実施した。その後、［４］に記載の条件で現像した。この現像基板のチップ表示領域のブラックマトリクスの線幅は表１ｂで示されるように、チップ内部領域の平均値が５．０３μｍのとき、チップ額縁近傍領域の平均値は４．４７μｍでその差は０．５６μｍとなり、更にチップ全体で見ると最大値と最小値の差は０．７４μｍと非常に幅の広い分布となった。
実施例１と比較例１におけるブラックマトリクス線幅の測定結果を表１に示す。

ブラックマトリクスのパターン平面図と線幅を示す説明図である。 ブラックマトリクスの断面図と線幅を示す説明図である。 チップにおける領域の説明図である。 ネガ型マスクの構造例を示す図である。 ポジ型マスクの構造例を示す図である。 ネガ型マスクを用いたカラーフィルタの製造方法を示す図である。 ポジ型マスクを用いたカラーフィルタの製造方法を示す図である。

符号の説明

ｘ：ブラックマトリクスの線幅（短辺方向）
ｙ：ブラックマトリクスの長さ（長辺方向）
１１：ガラス基板
２１：黒色樹脂層
３１：感光性レジスト層
４１、４２：フォトマスク
５１、５２：ブラックマトリクス
６１、６２、６３：ＲＧＢ（色層）
９１：額縁領域
９２：表示領域
９３：表示領域における額縁近傍領域
９４：表示領域における内部領域
１０１：画素開口領域（遮光領域）
１０２：ブラックマトリクス形成領域（露光領域）
１０３：画素開口領域（露光領域）
１０４：ブラックマトリクス形成領域（遮光領域）

Claims (5)

1. 少なくとも（１）透明基板上に黒色樹脂層を形成してパターン露光・現像処理を行い、表示領域内の樹脂ブラックマトリクスと表示領域外の額縁部を形成する樹脂ブラックマトリクス形成工程、（２）着色樹脂層を形成してパターン露光・現像処理を行い、複数色の画素を形成する画素形成工程、（３）樹脂ブラックマトリクスと複数色の画素が形成された基板の表面に透明電極を形成する透明電極形成工程、とをこの順に有するカラーフィルタ基板の製造方法において、該樹脂ブラックマトリクス形成工程のパターン露光に使用する露光マスクの光透過部における透過率が領域によって透過率が異なるマスクであって、額縁近傍領域のブラックマトリクスの線幅と表示領域のブラックマトリクスの線幅の差が０．３μｍ以下になるようにパターン露光・現像を行うことを特徴とするカラーフィルタの製造方法。
2. 前記樹脂ブラックマトリクスの膜厚は、０．５μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタの製造方法。
3. 前記樹脂ブラックマトリクスの線幅は、６μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタの製造方法。
4. 前記樹脂ブラックマトリクスパターン形成用にポジ型感光レジストを使用し、露光マスクの額縁領域の光透過部における透過率が表示領域の透過率よりも高い露光マスクを用いて露光、現像することを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタの製造方法。
5. 前記樹脂ブラックマトリクスパターン形成用にネガ型感光レジストを使用し、露光マスクの額縁領域の光透過部における透過率が表示領域の透過率よりも低い露光マスクを用いて露光、現像することを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタの製造方法。

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