JP2012013840A

JP2012013840A - カラーフィルタの製造方法

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Publication number: JP2012013840A
Application number: JP2010148941A
Authority: JP
Inventors: Hideki Kainuma; 英樹海沼
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-01-19

Abstract

【課題】樹脂のブラックマトリクスの形成において額縁部と線パターンの接続部分における線パターンの線幅細りを無くす。
【解決手段】基板上に形成した黒色感光性樹脂層に、フォトマスクを用いてブラックマトリクスのパターンを露光する露光工程を第１回目の露光工程と第２回目の露光工程で構成し、前記第１回目の露光工程と前記第２回目の露光工程では、前記フォトマスクと前記黒色感光性樹脂層との間隙を異ならせ、かつ、前記フォトマスクの面方向の位置を、カラーフィルタの画素のピッチの整数倍のピッチでずらして配置して露光することでブラックマトリクスを有するカラーフィルタを製造する。
【選択図】図５

Description

本発明は、黒色感光性樹脂にフォトマスクのパターンを投影露光して現像することでブラックマトリクスを形成する工程を有する、液晶表示装置用カラーフィルタの製造方法に関する。

一般に液晶表示装置は、パーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、パチンコ遊技台、自動車ナビゲーションシステム、小型テレビ等に搭載され、近年需要が増大している。しかしながら、液晶表示装置は価格が高く、そのコストダウンに対する要求は年々強まっている。

液晶表示装置を構成するカラーフィルタは、特許文献１のように、ガラス基板上に、表示コントラストを高めるために、光遮蔽するためのブラックマトリクスが形成され、そのブラックマトリクスの格子の間の空き領域に、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）などの各着色画素が形成され、その上層に透明導電膜が形成される。特に、そのブラックマトリクスは近年、環境問題などからパターン構成材料が従来のクロムに替わり、黒色顔料を分散させた感光性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用いられている。

近年液晶表示装置の高精細化が進み、液晶表示装置を構成するカラーフィルタにおいて、その各着色画素同士を仕切るブラックマトリクスの線幅の細線化が進み、その線幅は１０μｍ以下、特に近年では６μｍ以下が一般的になっている。今後もさらなる細線化が進む一方、線幅の公差低減も強く要求されている。

特開平１１−０５２５６４号公報

図１は、黒色感光性樹脂層に露光・現像することでブラックマトリクスを形成する場合の、光学シミュレーションにより得られた、露光強度を等高線で示した露光強度分布図である。図１は、ブラックマトリクスを形成する露光強度分布のうち、特に、カラーフィルタの周辺の額縁部と、幅が５．５μｍの線パターンとのつなぎ目の部分の露光強度分布を示す。このシミュレーションの結果、図１に示すように、額縁部とブラックマトリクス線パターンとのつなぎ目でブラックマトリクス線パターンの線幅が細くなる部分（図中Ａ部）が発生する現象が生じる知見を得た。

このように、フォトマスクの額縁部を成す広い開口部と、ブラックマトリクス線パターンを成す細いパターン開口部の交差部にて光の強度が弱まる。そのため、この露光強度分布で黒色感光性樹脂層に露光・現像すると、ブラックマトリクス線パターンと額縁部との接続部分の黒色感光性樹脂層のパターンの露光量が不十分なためブラックマトリクス線パターンの線幅が細くなってしまうと考えられる。

本発明の目的は、上記のような問題点を解決することにあり、即ち、樹脂のブラックマトリクスの形成において額縁部と線パターンの接続部分における線パターンの線幅細りを無くすカラーフィルタの製造方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために、ブラックマトリクスを有するカラーフィルタの製造方法であって、基板上に形成した黒色感光性樹脂層に、フォトマスクを用いてブラックマトリクスのパターンを露光する露光工程を第１回目の露光工程と第２回目の露光工程で構成し、前記第１回目の露光工程と前記第２回目の露光工程では、前記フォトマスクと前記黒色感光性樹脂層との間隙を異ならせ、かつ、前記フォトマスクの面方向の位置を、カラーフィルタの画素のピッチの整数倍のピッチでずらして配置して露光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、上記のカラーフィルタの製造方法であって、前記第１回目の露光工程において、前記フォトマスクと前記黒色感光性樹脂層の間隙を１００μｍ隔てて配置して紫外線を照射して露光し、前記第２回目の露光工程において、前記フォトマスクと前記黒色感光性樹脂層の間隙を３００μｍ隔てて配置して前記第１回目の露光工程と同じ光密度の紫外線を照射して露光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。

本発明によれば、基板上に形成した黒色感光性樹脂層に、フォトマスクを用いてブラックマトリクスのパターンを露光する露光工程を第１回目の露光工程と第２回目の露光工程で構成し、１度目（第１回目）の露光工程と２度目（第２回目）の露光工程では、フォトマスクと黒色感光性樹脂層との間隙を異ならせ、かつ、フォトマスクの面方向の位置を、カラーフィルタの画素部のピッチの整数倍のピッチでずらして配置して露光することで、ブラックマトリクスの額縁部と線パターンの接続部分における線パターンの線幅細りを無くすことができる効果がある。

ブラックマトリクスの額縁部と線パターンとのつなぎ目の部分の露光強度分布を示す平面図である。フォトマスクを用いて、カラーフィルタ上にブラックマトリクスのパターンを形成するための露光方法を説明する側断面図である。本発明の実施形態のブラックマトリクスのパターンを示す平面図である。本発明の実施形態のフォトマスクのパターンを示す平面図である。本発明の実施形態のカラーフィルタの製造方法を示す側断面図である。本発明の実施形態のカラーフィルタの製造方法を示す側断面図である。本発明の実施形態における、黒色感光性樹脂層へのフォトマスクの１度目に投影露光されるパターンと２度目に投影露光されるパターンを示す平面図である。

＜第１の実施形態＞
本発明のブラックマトリクス形成用フォトマスク１０を一実施形態に基づいて以下に説明する。図２は、本発明のブラックマトリクス３０のパターンの形成用のフォトマスク１０、及びそのフォトマスク１０を用いて、カラーフィルタ２０上にブラックマトリクス３０のパターンを形成するための露光方法を説明する側断面図である。図２（ａ）は、ブラックマトリクス３０形成用フォトマスク１０の断面図を示す。ブラックマトリクス形成用フォトマスク１０は、透明なフォトマスク用透明基板１１の片面に遮光パターン１２と、その間の開ロパターン１３が設けられている。フォトマスク１０の透明基板１１の上面側から紫外線を露光して、その光をカラーフィルタ２０に投影することにより、開ロパターン１３を透過した光がカラーフィルタ２０の黒色感光性樹脂層２２に投影される。

図２（ｂ）は、カラーフィルタ２０の断面を示し、フォトマスク１０のパターンを、カ
ラーフィルタ用透明基板２１上の黒色感光性樹脂層２２に投影・露光し、露光された黒色感光性樹脂層２２の部分に酸２３が発生することを示す。遮光パターン１２を形成したフォトマスク１０のパターンを黒色感光性樹脂層２２に投影・露光し現像して、図３の平面図のようなブラックマトリクス３０のパターンを得る。図３の平面図のように、ブラックマトリクス３０は、カラーフィルタ３０の表示領域部に形成した、幅（Ｗ）が３〜３０μｍ程度のブラックマトリクス線パターン３２と、その表示領域部の周辺に形成した額縁部３３のパターンからなる。ブラックマトリクス３０の線パターン３２の間に、各画素部３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂとして空き領域が形成される。

フォトマスク１０の透明基板１１の材料は、石英ガラス（以下ＱＺと記す）からなる。遮光パターン１２は、露光光を遮蔽する金属薄膜又は酸化金属薄膜からなる。その材料として、例えばＣｒ（金属クロム）を用い、１層目はＣｒ、その上の２層目はＣｒＯ（酸化金属クロム）の２層膜から形成する。

フォトマスク１０の平面図を図４に示す。このブラックマトリクス形成用フォトマスク１０の遮光パターン１２の間に線状の開口パターン１３が形成され、遮光パターン１２の外側の周辺に額縁パターン１４が形成される。フォトマスク１０の線状の開口パターン１３がカラーフィルタ２０に投影されることによってブラックマトリクス３０の線パターン３２が形成される。フォトマスク１０の額縁パターン１４がカラーフィルタ２０に投影されることによってカラーフィルタ２０の周辺にブラックマトリクス３０の額縁部３３が形成される。また、フォトマスク１０のパターンをカラーフィルタ２０に投影・露光する際に、１度目の投影・露光後に、フォトマスク１０を列方向と行方向に２画素分づつずらして２度目の投影・露光をする。そのために、フォトマスク１０の遮光パターン１２の列の数と行の数を、カラーフィルタ２０のブラックマトリクス３０の画素部３１の列の数と行の数より２つづつ多く形成する。

尚、図４のフォトマスク１０のパターンは、露光対象であるカラーフィルタ２０の黒色感光性樹脂層２２がネガ型かポジ型かで、フォトマスク１０の遮光部と透過部のパターンの白黒が逆になる。

次に、図５と図６の断面図と図７の平面図を参照してカラーフィルタ２０の製造方法を説明する。カラーフィルタ２０の製造方法の概要は、先ず、図５（ａ）から（ｆ）の工程で、カラーフィルタ２０の透明基板２１の片面に、遮光膜パターン（ブラックマトリクス）３０を形成する。

次に、図６（ａ）の工程で、ブラックマトリクス線パターン３２の間の空き領域の画素部３１Ｒ、３１Ｇ、３１ＢにカラーフィルタのＲ画素５１Ｒ、Ｇ画素５１Ｇ、Ｂ画素５１Ｂを形成する。この工程は、光硬化性の顔料分散樹脂層を形成する工程と、該顔料分散樹脂層にカラーフィルタ用マスクを介して水銀ランプの露光光を照射する工程と、露光された顔料分散樹脂層を現像及びベーク処理する工程とでＲ画素５１Ｒを形成し、該工程を繰り返し実行し、更にＧ画素５１ＧとＢ画素５１Ｂを形成する。

次に、図６（ｂ）の工程で、ブラックマトリクス３０のパターン及びＲＧＢ画素５１の表面に所定の形状の透明電極層５２を形成する。

カラーフィルタ２０の製造方法を以下で詳しく説明する。
（透明基板準備工程）
図５（ａ）に示すように、ＬＣＤ用のカラーフィルタ２０用の、ガラス板またはプラスチック板若しくはプラスチックフィルム等からなる透明基板２１をロット形成し、透明基板２１を投入ケースに載置する。カラーフィルタ用基板２１は、規定の寸法で形成され、
板厚は０．７ｍｍを中心に１．１ｍｍ〜０．３５ｍｍのものを準備し、投入ケース毎に工程へ投入する。この工程では、表面の洗浄等の処理が主体である。

（黒色感光性樹脂組成物）
ブラックマトリクス３０を形成する黒色感光性樹脂組成物には、架橋可能な樹脂系材料と架橋剤と光酸発生剤とポリマーグラフト化されたカーボンブラックとを含有した黒色感光性樹脂組成物を用いる。これにより、高感度の黒色感光性樹脂組成物が得られ、また、膜強度が優れ且つ高遮光性のブラックマトリクス３０が得られる。また、光酸発生剤から発生する酸２３を利用し架橋する感光性樹脂組成物を用いることにより、感度特性曲線の傾きが大きくなり、ある露光量以上の領域で急に現像後の残膜率が大きくなるため、低露光量で所定のブラックマトリクス３０を形成することが可能になる。

（ブラックマトリクス形成工程）
この黒色感光性樹脂組成物を用い、まず、図５（ｂ）に示すように、透明基板１上に、黒色感光性樹脂組成物をスピンナー法、バーコート法、ロールコート法、カーテンコート法等を用いて均一に塗布し、乾燥して１〜３μｍ厚の黒色感光性樹脂層２２を形成する。尚、黒色感光性樹脂層２２と透明基板２１を密着させる場合には、７０℃〜１００℃程度の熱を加えてもかまわない。

（第１の露光工程）
次に、図５（ｃ）又は図２のように、フォトマスク１０を、その遮光パターン１２がカラーフィルタ２０の黒色感光性樹脂層２２から１００μｍの間隔を隔てて対向するように配置し、高圧水銀灯、超高圧水銀灯等を用いて５０ｍＪ／ｃｍ^２の光密度の紫外線を照射する。これにより、黒色感光性樹脂層２２にフォトマスク１０のパターンが投影・露光され、紫外線が照射された黒色感光性樹脂層２２に酸２３が発生し、その部分が、後の現像処理後にブラックマトリクス３０のパターンとして残る箇所になる。図７の平面図に、今回（１度目）の投影露光と２度目の投影露光で、黒色感光性樹脂層２２にフォトマスク１０の遮光パターン１２が投影されるパターンを大きめの矩形の集合であらわす。今回（１度目）の投影露光では、図７において大きめの矩形の集合であらわした遮光パターン１２ａがカラーフィルタ２０の黒色感光性樹脂層２２に投影され、それに対して、後に、小さめの矩形の集合であらわした２度目の投影露光のパターンが重ねられる。

（第２の露光工程）
次に、図５（ｄ）のように、フォトマスク１０を、その遮光パターン１２がカラーフィルタ２０の黒色感光性樹脂層２２から３００μｍの間隙を隔てて対向するように配置し、高圧水銀灯、超高圧水銀灯等を用いて１回目と同じ５０ｍＪ／ｃｍ^２の光密度の紫外線の照射により、２度目の投影露光を行う。図７の平面図のように、今回（２度目）の投影露光でフォトマスク１０を画素部３１のピッチの整数倍ずらして、黒色感光性樹脂層２２に投影する。図７では、第２の露光工程で遮光パターン１２ｂが投影される位置を小さめの矩形の集合であらわす。すなわち、今回（２度目）の投影露光では、フォトマスク１０と透明基板２１の相対位置を、１度目の投影露光のパターンから、画素部３１のピッチの２倍で、縦方向及び横方向にずらして投影露光する。図７に、１度目と２度目の投影露光で黒色感光性樹脂層２２に光が投影されない、遮光パターン１２ａと遮光パターン１２ｂの重なる部分を網点であらわす。この網点の領域以外の領域に酸２３のパターンが形成され、そこが、後の現像処理時にブラックマトリクス３０のパターンとして残る箇所になる。

（２回露光による効果）
このように、露光を２回に分けて実施して、後に現像してブラックマトリクス３０を形成した結果、露光を１回で実施するよりも膜減り率が少な＜、ブラックマトリクス３０の直線性、断面形状は何れも良好な結果が得られた。この効果が得られたのは、（１）１度
目の露光において、フォトマスク１０の遮光パターン１２をカラーフィルタ２０の黒色感光性樹脂層２２から１００μｍの間隙を隔てて紫外線を照射して露光することと、（２）２度目の露光において、フォトマスク１０の遮光パターン１２をカラーフィルタ２０の黒色感光性樹脂層２２から３００μｍの広めの間隙を隔てて紫外線を照射して露光することに因る。

すなわち、１度目（第１回目）の露光工程と２度目（第２回目）の露光工程では、フォトマスク１０と黒色感光性樹脂層２２との間隙を異ならせ、かつ、フォトマスク１０の面方向の位置を、カラーフィルタ２０の画素部３１のピッチの整数倍のピッチでずらして配置して、１度目と２度目で同じ光強度の紫外線を露光する。このように、ブラックマトリクス線パターン３２のぼかし量を変えて黒色感光性樹脂層２２に投影する２度の露光を行う。本実施形態では、フォトマスク１０と黒色感光性樹脂層２２との間隙が狭い１度目の露光によるブラックマトリクス線パターン３２の線幅の細り部分を、両者の間隙が広い２度目の露光により解消する効果が得られた。

また、本実施形態とは逆に、１度目の露光において、フォトマスク１０と黒色感光性樹脂層２２との間隙を広くし、２度目の露光において、フォトマスク１０と黒色感光性樹脂層２２との間隙を狭くしても、同様な効果が得られると考える。

次に、図５（ｅ）のように、カラーフィルタ２０の透明基板２１をホットプレート４０上に載せ、温度７０℃〜１５０℃、時間１５秒〜５分の加熱処理にて酸２３の触媒反応を利用して、複数色の画素部３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂの間隙とカラーフィルタ２０の周辺部の黒色感光性樹脂層２２に架橋反応を起こさせてブラックマトリクス３０の線パターン３２と額縁部３３と成す部分を形成させる。

（ブラックマトリクス現像工程）
次に、図５（ｆ）のように、アルカリ現像液を用いて、未架橋部の黒色樹脂を除去して、図５（ｆ）に示すように、厚さ０．５〜３μｍのブラックマトリクス３０の線パターン３２と額縁部３３を形成する。現像液には、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム等の無機アルカリ溶液、トリエチルアミン等のアルキルアミン類、トリエタノールアミン等のアルコールアミン類、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイド等の第４級アンモニウム塩等が適用できる。

（ＲＧＢ画素形成工程）
次に、図６（ａ）のように、ブラックマトリクス３０の線パターン３２の間の画素部３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂに、赤色着色層（Ｒ画素５１Ｒ）、緑色着色層（Ｇ画素５１Ｇ）、青色着色層（Ｂ画素５１Ｂ）のＲＧＢ画素５１を、０．５〜３μｍ程度の厚さに形成する。そのために、先ず、赤色（Ｒ）の画素の形成工程でＲ画素を形成する。この工程では、フォトプロセス法、例えば、レジスト塗布法による顔料分散樹脂層４の形成工程と、該顔料分散樹脂層への前加熱処理（プリベーク処理）と、本発明のカラーフィルタ用マスクを用いてパターン転写するパターン露光処理と、顔料分散樹脂層の現像処理と、顔料分散樹脂層のＲ画素への後加熱処理（ポストベーク処理）とによりＲ画素３２を形成する。次に、Ｒ画素の形成と同様の工程により、緑色（Ｇ）の画素Ｇ画素を形成する。次に、同様の工程により、青色（Ｂ）の画素Ｂ画素を形成する。以上により、カラーフィルタ用基板２１上にブラックマトリクスのパターン層１３と、その開口部に、ＲＧＢ画素（５１）が形成される。

（焼成工程）
こうしてブラックマトリクス３０及びＲＧＢ画素５１を形成した後、熱処理を施して硬化させる硬膜工程を設ける。熱処理方法としてはコンベクションオーブン、ホットプレー
ト、ハロゲンヒータ、ＩＲオーブンによる加熱等が利用でき、特に限定されるものではない。ここで、焼成条件は、２００〜２５００Ｃで１０分〜６０分間加熱することが好ましい。

（透明電極形成工程）
図６（ｂ）のように、カラーフィルタ２０のブラックマトリクス３０の線パターン３２及びＲＧＢ画素５１及び透明電極５２の引出端子部に相当する部分のみ開口部を区画形成したメタルマスクを介して、真空蒸着法により、導電性の透明電極５２、具体的には金属酸化物、例えば通常、ＩＴＯの透明電極５２を区画形成する。

以下に実施例を示す。
＜実施例１＞
幅が５．５μｍの線パターン３２を有するブラックマトリクス３０の製造において、第１回目のブラックマトリクス３０の露光工程において、フォトマスク１０と黒色感光性樹脂層２２の間隙を１００μｍ隔てて配置して５０ｍＪ／ｃｍ^２の光密度の紫外線を照射して露光し、第２回目のブラックマトリクス３０の露光工程において、フォトマスク１０と黒色感光性樹脂層２２の間隙を３００μｍ隔てて配置して５０ｍＪ／ｃｍ^２の光密度の紫外線を照射して露光した。これにより形成したカラーフィルタ３０では、線パターン３２の剥がれが無い良好なブラックマトリックス３０が得られた。

＜比較例１＞
幅が５．５μｍの線パターン３２を有するブラックマトリクス３０の製造において、第１回目のブラックマトリクス３０の露光工程において、フォトマスク１０と黒色感光性樹脂層２２の間隙を１００μｍ隔てて配置して７０ｍＪ／ｃｍ^２の光密度の紫外線を照射して露光し、第２回目のブラックマトリクス３０の露光工程において、フォトマスク１０と黒色感光性樹脂層２２の間隙を３００μｍ隔てて配置して３０ｍＪ／ｃｍ^２の光密度の紫外線を照射して露光した。これにより形成したカラーフィルタ３０では、ブラックマトリックス３０の線パターン３２が２箇所で剥がれる不具合があった。この比較例と実施例１の結果から、１回目の露光と２回目の露光は紫外線の強度を同じ強度にして露光することが望ましいことがわかった。

＜比較例２＞
幅が５．５μｍの線パターン３２を有するブラックマトリクス３０の製造において、露光回数を１回のみでブラックマトリクス３０を形成した。フォトマスク１０と黒色感光性樹脂層２２の間隙を１００μｍ隔てて配置して１００ｍＪ／ｃｍ^２の光密度の紫外線を照射して露光した。これにより形成したカラーフィルタ３０では、ブラックマトリックス３０の線パターン３２が広い領域にわたって多数箇所で剥がれる不具合があった。この比較例２と比較例１及び実施例１の結果を比較すると、露光工程を２回に分けることで、露光により得られるブラックマトリックス３０の線パターン３２の品質が改善される効果があることがわかる。

１０・・・フォトマスク
１１・・・フォトマスクの透明基板
１２、１２ａ、１２ｂ・・・遮光パターン
１３・・・線状の開ロパターン
１４・・・額縁パターン
２０・・・カラーフィルタ
２１・・・カラーフィルタ用透明基板
２２・・・黒色感光性樹脂層
２３・・・酸
３０・・・遮光膜パターン（ブラックマトリクス）
３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂ・・・画素部
３２・・・ブラックマトリクス線パターン
３３・・・額縁部
４０・・・ホットプレート
５１・・・ＲＧＢ画素
５１Ｒ・・・Ｒ画素
５１Ｇ・・・Ｇ画素
５１Ｂ・・・Ｂ画素
５２・・・透明電極
Ａ・・・ブラックマトリクス線パターンの線幅が細くなる部分

Claims

ブラックマトリクスを有するカラーフィルタの製造方法であって、基板上に形成した黒色感光性樹脂層に、フォトマスクを用いてブラックマトリクスのパターンを露光する露光工程を第１回目の露光工程と第２回目の露光工程で構成し、前記第１回目の露光工程と前記第２回目の露光工程では、前記フォトマスクと前記黒色感光性樹脂層との間隙を異ならせ、かつ、前記フォトマスクの面方向の位置を、カラーフィルタの画素のピッチの整数倍のピッチでずらして配置して露光することを特徴とするカラーフィルタの製造方法。
請求項１記載のカラーフィルタの製造方法であって、前記第１回目の露光工程において、前記フォトマスクと前記黒色感光性樹脂層の間隙を１００μｍ隔てて配置して紫外線を照射して露光し、前記第２回目の露光工程において、前記フォトマスクと前記黒色感光性樹脂層の間隙を３００μｍ隔てて配置して前記第１回目の露光工程と同じ光密度の紫外線を照射して露光することを特徴とするカラーフィルタの製造方法。