JP4438346B2

JP4438346B2 - 液晶表示装置用カラーフィルタの研磨方法

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Publication number: JP4438346B2
Application number: JP2003285098A
Authority: JP
Inventors: 智之海田; 定信安崎; 良和浅尾
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: JP2005055598A

Description

本発明は、液晶表示装置用カラーフィルタに関するものであり、特に、樹脂ブラックマトリックスと着色画素との重なりにより生じる、高さの高い突起を有するカラーフィルタの突起を、平盤研磨機を用いて研磨除去する際に、着色画素の膜厚のバラツキを減少させ、カラーフィルタの色度のバラツキを大幅に縮小させる液晶表示装置用カラーフィルタの製造方法に関する。

図３は、液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの一例を模式的に示した平面図である。また、図４は、図３に示すカラーフィルタのＸ−Ｘ’線における断面図である。

図３、及び図４に示すように、液晶表示装置に用いられるカラーフィルタは、ガラス基板（３０）上にブラックマトリックス（３１）、着色画素（３２）が形成されたものである。

図３、及び図４はカラーフィルタを模式的に示したもので、着色画素（３２）は９個表されているが、実際のカラーフィルタにおいては、例えば、対角１４インチの画面に数百μｍ程度の着色画素が多数個配列されている。

ブラックマトリックス（３１）は、遮光性を有し、開口部をマトリックス状に配置したものであり、着色画素（３２）は、例えば、赤色、緑色、青色のフィルタ機能を有するものである。

ブラックマトリックスは、カラーフィルタの着色画素の位置を定め、大きさを均一なものとし、また、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。

このブラックマトリックス（３１）は、ガラス基板（３０）上にブラックマトリックスの材料としてのクロム（Ｃｒ）、酸化クロム（ＣｒＯ_X）などの金属、もしくは金属化合物を薄膜状に成膜し、成膜された薄膜上に、例えば、ポジ型のフォトレジストを用いてエッチングレジストパターンを形成し、次に、成膜された金属薄膜の露出部分のエッチング及びエッチングレジストパターンの剥膜を行い、Ｃｒ、ＣｒＯ_Xなどの金属薄膜からなるブラックマトリックス（３１）に形成されたものである。

また、着色画素（３２）の形成は、このブラックマトリックス（３１）が形成されたガラス基板（３０）上に、例えば、顔料などの色素を分散させたネガ型のフォトレジストを用いて塗布膜を設け、この塗布膜への露光、現像によって着色画素を形成するといった方法がとられている。

また、図５は、図３に示すカラーフィルタのＸ−Ｘ’線における断面図であるが、ブラックマトリックスの材料として樹脂を用いた例を示すものである。

このカラーフィルタは、図４に示すカラーフィルタと同様に、ガラス基板（３０）上にブラックマトリックス（５１）、着色画素（５２）が形成されたものである。

このブラックマトリックス（５１）は、ガラス基板（３０）上に、例えば、ブラックマ
トリックス形成用の黒色感光性樹脂を用いてフォトリソグラフィ法によって形成されたものであり、樹脂を用いて形成されたブラックマトリックスを樹脂ブラックマトリックス（５１）と称している。

樹脂ブラックマトリックスは、例えば、テレビなどのように、高輝度なバックライトを用いた際に、クロムなどの金属をブラックマトリックスとして用いたときに起こる液晶表示装置での内部反射を抑制するために、低反射の樹脂ブラックマトリックスが要望される場合、或いは、例えば、ＩＰＳ（ＩｎＰｌａｎｅＳｗｉｃｈｉｎｇ）方式に用いたときに起こる液晶表示装置での電界の乱れを抑制するために、高絶縁性の樹脂ブラックマトリックスが要望される場合などに採用されていた。しかし、ブラックマトリックスは、クロムなどの金属を用いたブラックマトリックスから、次第に樹脂ブラックマトリックスへと移行が進んでいる。

カラーフィルタを大量に製造する際には、一基の液晶表示装置に対応したカラーフィルタを大サイズのガラス基板に面付けした状態で製造する。例えば、対角１４インチのカラーフィルタを５５０ｍｍ×６５０ｍｍ程度の大サイズのガラス基板に４面付けし、或いは、対角１７インチのカラーフィルタを６５０ｍｍ×８５０ｍｍ程度の大サイズのガラス基板に４面付けして製造する。

カラーフィルタを面付けして大量に製造する際の、大サイズのガラス基板が、例えば、４５０ｍｍ×５５０ｍｍ程度から５５０ｍｍ×６５０ｍｍ程度、６５０ｍｍ×８５０ｍｍ程度へと大サイズ化するに伴い、ブラックマトリックスの材料としてクロムなどの金属を用い真空装置で薄膜を成膜するブラックマトリックスよりも、黒色感光性樹脂を用いてフォトリソグラフィ法によって形成する樹脂ブラックマトリックスの方が価格的に有利なものとなり、次第に樹脂ブラックマトリックスへと移行が進んでいる。

この移行は、大サイズのガラス基板が今後、９００ｍｍ×１１００ｍｍ程度へと更に大サイズ化するに伴い著しくなるものと思われる。

また、環境に配慮してクロムなどの金属を用いることを回避する傾向もある。

樹脂ブラックマトリックスは、クロムなどの金属を用いたブラックマトリックスのように、膜厚１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度の薄膜では高濃度を得ることはできず、例えば、０．５μｍ〜３．０μｍ程度の厚さにして必要な高濃度を得るようにしている。

樹脂ブラックマトリックスの膜厚が、例えば、１．０μｍ程度と厚くなると、図５に示すように、樹脂ブラックマトリックス（５１）上にその周縁部を重ねて形成された着色画素（５２）は、周縁部が樹脂ブラックマトリックス（５２）上にて突起（５３）となる。

この突起（５３）は、カラーフィルタの表面を凹凸のあるものとし、平坦性を悪化させる。このような突起（５３）のある、表面の平坦性が悪化したカラーフィルタを液晶表示装置に用いると、突起の影響によって液晶分子の配向が乱され、表示ムラなど表示品質を低下させることになる。

例えば、図５において、厚さ１．３μｍ程度の樹脂ブラックマトリックス（５１）上に、厚さ０．５μｍ〜３．０μｍ程度の着色画素（５２）を形成した際には、突起（５３）の高さ（Ｈ）は０．５μｍ〜３．０μｍ程度のものとなる。

尚、金属を用いたブラックマトリックスの場合には、膜厚が１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度であるので、このような突起は僅少である。

多くの場合、カラーフィルタ表面への研磨によって、突起を除去し、同時に、例えば、着色画素上、及びガラス基板の周縁部に残存しているフォトレジストの残渣も取り除き、後工程、例えば、透明導電膜の成膜における透明導電膜の密着性にとって、或いは、周縁部を対向基板とのシール部とする際におけるシール剤の密着性にとって好ましいものとしている。

図１、及び図２は、液晶表示装置用カラーフィルタの表面を研磨する際に、一般的に使用されている平盤研磨機の一例の概略を示した説明図である。図１は、平盤研磨機の回転部分の断面図、図２は平面図である。

図１、及び図２に示すように、この研磨機の回転部分は、円盤状の下定盤（１）、下定盤と一体的に固定され下定盤を回転させる回転軸（２）、摩擦によって下定盤の回転に追従した回転をする円盤状の上定盤（３）、上定盤の回転軸（４）で構成されたものである。

上定盤（３）のサイズは、下定盤（１）より小さなものであり、上記摩擦によって下定盤の回転に追従した回転をしながら、下定盤（１）の上面上を円弧状に揺動（Ｃ）するようになっている。また、上定盤（３）の上部からは設定した研磨圧力（Ｄ）をかけられるようになっている。

上定盤（３）の下面上には、研磨クロス（５）が貼り合わされており、下定盤（１）の上面上にはテンプレート（７）が設けられている。

テンプレート（７）は、バッキング材（７Ａ）と枠材（７Ｂ）が貼り合わされたものである。バッキング材（７Ａ）は、ガラス基板（カラーフィルタ）６のキズ防止、研磨ムラ防止、及び吸着性向上の為に使用され、また、ガラス基板（カラーフィルタ）６を囲むようになる枠材（７Ｂ）は、研磨処理中のガラス基板（カラーフィルタ）６が外れてしまうのを防止する為に使用される。

枠材（７Ｂ）の厚さは、ガラス基板（カラーフィルタ）６の厚さよりも２０％程度薄いものである。

研磨方法は、先ず、下定盤（１）の上面のテンプレート（７）内に、カラーフィルタの着色画素が上向きになるようにガラス基板（カラーフィルタ）（６）を貼り付ける。この貼り付けは、ガラス基板（カラーフィルタ）（６）の裏面、及びバッキング材（７Ａ）の上面を水で濡らし、水の表面張力を利用して貼り付ける。

次に、研磨液（図示せず）をガラス基板（カラーフィルタ）（６）の上方より滴下し、上定盤（３）を下ろし、設定した研磨圧力（Ｄ）をかけ、モーター（図示せず）により回転軸（２）を駆動させ、下定盤（１）を一定方向に回転（Ａ）させる。上定盤（３）の回転軸（４）には駆動を与えず、上定盤（３）には下定盤（１）の回転に追従した回転（Ｂ）をさせる。また、上定盤（３）に円弧状の揺動（Ｃ）をさせる。

このようにして、ガラス基板（カラーフィルタ）（６）の表面への研磨を行うといった方法である。

研磨クロス（５）としては、ＪＩＳ硬度８５程度の発泡樹脂素材、不織繊維素材などが用いられる。また、研磨液としては、一次粒子径０．０３〜０．２μｍのアルミナ、ジルコニア、セリウム、二酸化マンガン、シリコンカーバイド、シリカなどの研磨材を分散さ
せたものが用いられる。研磨材の含有量は１ｗｔ％程度である。

研磨圧力は１６００Ｐａ程度、下定盤の回転数は３０ｒｐｍ程度、所要時間は４０秒間程度である。

しかしながら、上記のような研磨処理によってカラーフィルタ表面の突起を除去し、フォトレジストの残渣を取り除くと、カラーフィルタ表面の全面は必ずしも均一なものにならず、着色画素の膜厚に差が生じる。

一基の液晶表示装置に対応したカラーフィルタを大サイズのガラス基板に面付けした状態で研磨処理を行うと、ガラス基板中央部の着色画素の膜厚よりも、周縁部の着色画素の膜厚の方が薄くなるといった、いわゆる、面ダレと称する膜厚の差が生じる。

着色画素の膜厚に差が生じることは、結果としてカラーフィルタの色度のバラツキとなるので好ましいことではない。

この相応の色度のバラツキは、これまでは許容されていたものであるが、液晶表示装置の高品質化に伴い、この色度のバラツキをより縮小させることが強く要望されてきた。
特開平５−６６３０６号公報特開平５−１３４１０６号公報特開平１０−２８２３３０号公報特開２００２−７１９２８号公報

本発明は、上記要望に対応してなされたものであり、液晶表示装置用カラーフィルタを製造する際の、平盤研磨機を用いたカラーフィルタ表面の研磨処理において、カラーフィルタ表面の全面をより均一に研磨し、着色画素の膜厚のバラツキを大幅に縮小させることのできる、すなわち、面ダレを低減し、カラーフィルタの色度のバラツキを大幅に縮小させることのできる液晶表示装置用カラーフィルタの研磨方法を提供することを課題とするものである。

また、上記液晶表示装置用カラーフィルタの研磨方法を用いて製造した液晶表示装置用カラーフィルタを提供することを課題とする。

本発明は、ガラス基板上に、樹脂ブラックマトリックス、樹脂ブラックマトリックスの端部に周縁部が重なる状態で膜厚の厚い着色画素が順次形成され、該端部上に着色画素との重なりにより生じる、高さの高い突起を有する液晶表示装置用カラーフィルタの該突起を、平盤研磨機を用いて除去する際に、
円盤状の下定盤とこの下定盤より小さな上定盤とを使用し、
バッキング材と枠材とを貼り合わせたテンプレートを前記下定盤上に設け、前記カラーフィルタをテンプレート内に貼り付け、
他方、上定盤の下面上に研磨クロスを貼り付け、
前記カラーフィルタに研磨クロスを押し付け、下定盤を回転させると共に、上定盤に円弧状の揺動を与えて研磨する方法において、
前記テンプレートの枠材として、該液晶表示装置用カラーフィルタの厚さ１００％に対し、８５％〜１００％未満の厚さを有する前記テンプレートの枠材を用いて研磨除去し、該研磨除去する際は、該液晶表示装置用カラーフィルタの厚さと、該テンプレートの枠材の厚さとの段差によって、その段差に対応した傾きを有さず研磨することを特徴とする液晶表示装置用カラーフィルタの研磨方法である。

また、本発明は、上定盤と上定盤の回転軸とを接続している継手部が自在継手の構造であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置用カラーフィルタの研磨方法である。

本発明は、樹脂ブラックマトリックスの端部上に着色画素との重なりにより生じる、高さの高い突起を有する液晶表示装置用カラーフィルタの該突起を、平盤研磨機を用いて除去する際に、テンプレートの枠材として、該液晶表示装置用カラーフィルタの厚さ１００％に対し、８５％〜１００％未満の厚さ有する枠材を用いて研磨除去するので、面ダレを低減し、カラーフィルタの色度のバラツキを大幅に縮小させることのできる液晶表示装置用カラーフィルタの研磨方法となる。

また、本発明は、上記液晶表示装置用カラーフィルタの研磨方法を用いて製造した液晶表示装置用カラーフィルタであるので、面ダレが低減され、色度のバラツキが大幅に縮小された液晶表示装置用カラーフィルタとなる。

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。

平盤研磨機において、着色画素の膜厚にバラツキを発生させる要因としては、研磨圧力、下定盤の回転数、上定盤の揺動幅、研磨クロスの硬度、パッキング、研磨時間、研磨液の組成、研磨液の滴下方法などが挙げられる。

本発明者は、上記要因を検討し、研磨圧力が大きな要因となっていること、すなわち、ガラス基板（カラーフィルタ）上に加圧される研磨圧力が、ガラス基板（カラーフィルタ）上の周縁部においては上定盤の傾きによって偏心荷重となっていることに起因している点に着目した。

そして、実験を重ねた結果、上定盤の傾きによる偏心荷重を解消し、カラーフィルタ表面の全面をより均一に研磨することのできる研磨条件を見出すことができた。

図６は、本発明による液晶表示装置用カラーフィルタの研磨方法における、ガラス基板（カラーフィルタ）の厚さと、テンプレートの枠材の厚さの関係を示す部分断面図である。

図６に示すように、上定盤（３）の下面上には、研磨クロス（５）が貼り合わされており、下定盤（１）の上面上にはテンプレート（１７）が設けられている。本発明においては、テンプレートの枠材（１７Ｂ）の厚さ（Ｔ２）が、ガラス基板（カラーフィルタ）（６）の厚さ（Ｔ１）１００％に対し、８５％〜１００％未満である。枠材（１７Ｂ）の厚さ（Ｔ２）を、この範囲に保つことによって、上定盤（３）の傾きによる偏心荷重を解消することができる。

図７は、図１に示す平盤研磨機の一例の一部分を拡大し、ガラス基板（カラーフィルタ）（６）の厚さ（Ｔ１）と、枠材（７Ｂ）の厚さ（Ｔ３）との関係を示す説明図である。

テンプレートの枠材（７Ｂ）の厚さ（Ｔ３）は、ガラス基板（カラーフィルタ）（６）の厚さ（Ｔ１）の８０±５％であり、厚さ（Ｔ１）と厚さ（Ｔ３）とで２０±５％の段差（ｄ）が生じている。テンプレートの枠材（７Ｂ）の厚さ（Ｔ３）が７５％より薄い厚さであると、研磨処理中にガラス基板（カラーフィルタ）（６）が枠材（７Ｂ）から押し出され、テンプレート（７）内の定位置から離脱され易くなる。

また、テンプレートの枠材（７Ｂ）の厚さ（Ｔ３）が１００％であると、枠材（７Ｂ）にもガラス基板（カラーフィルタ）（６）と同等に加圧されるため、研磨の負荷が増加し、ガラス基板（カラーフィルタ）の研磨処理を行う時間が長くなってしまう。

従って、ガラス基板（カラーフィルタ）の離脱、及び作業効率を考慮し、枠材（７Ｂ）の厚さ（Ｔ３）は、ガラス基板（カラーフィルタ）（６）の厚さ（Ｔ１）の８０±５％の厚さとしていた。

本発明者は、枠材（７Ｂ）の厚さ（Ｔ３）を、ガラス基板（カラーフィルタ）（６）の厚さ（Ｔ１）に対し８０±５％の厚さとすると、ガラス基板（カラーフィルタ）の中央部の着色画素の膜厚よりも、周縁部の着色画素の膜厚の方が薄くなるといった、いわゆる、面ダレが発生する原因は、以下のようなものと推量した。

すなわち、図８は、枠材の厚さ（Ｔ３）が、ガラス基板（カラーフィルタ）（６）の厚さ（Ｔ１）の８０±５％の際の、研磨の状態を示す説明図である。

図８は、下定盤（１）の上面のテンプレート（７）内に、ガラス基板（カラーフィルタ）（６）を貼り付け、上定盤（３）を下ろし、設定した研磨圧力をかけて下定盤（１）を一定方向に回転させ、上定盤（３）には下定盤（１）の回転に追従した回転をさせ、また、上定盤（３）に円弧状の揺動をさせて、上定盤（３）がガラス基板（カラーフィルタ）（６）の周縁部〜枠材（７Ａ）に達した時点の状態を示したものである。

図８に示すように、ガラス基板（カラーフィルタ）（６）の周縁部〜枠材（７Ｂ）に上定盤（３）が達すると、上定盤（３）は、前記ガラス基板（カラーフィルタ）（６）の厚さ（Ｔ１）と、テンプレートの枠材（７Ｂ）の厚さ（Ｔ３）との段差（ｄ）によって、その段差（ｄ）に対応した傾き（θ）を有するものとなる。

上定盤（３）が、このように傾くことによって、加圧される研磨圧力は、傾いた偏心荷重となり、ガラス基板（カラーフィルタ）（６）の周縁部（Ｆ）での荷重が増大し、周縁部（Ｆ）の研磨が過剰に行われてしまう。といった推量である。

尚、この傾き（θ）は、図１に示す円盤状の上定盤（３）と上定盤の回転軸（４）とを接続している継手部（Ｅ）が、自在継手の構造であるために、その傾きを発生し易いものとしている。

本発明においては、上記のように、テンプレートの枠材（７Ｂ）として、ガラス基板（カラーフィルタ）（６）の厚さ（Ｔ１）１００％に対し、８５％〜１００％未満の厚さ（Ｔ２）有する枠材にしたことによって、上定盤（３）の傾きによる偏心荷重が解消されたものとなり、カラーフィルタの着色画素の膜厚のバラツキが大幅に減少したものとなった。

着色画素の膜厚のバラツキを色度のバラツキで換言すると、従来の１枚のガラス基板（カラーフィルタ）内の中央部と周縁部とでの色度のバラツキを１００とすると、本発明の研磨方法によると、色度のバラツキは略５０であり、大幅に減少したものとなった。

液晶表示装置用カラーフィルタの表面を研磨する平盤研磨機の一例の回転部分の断面図である。液晶表示装置用カラーフィルタの表面を研磨する平盤研磨機の一例の回転部分の平面図である。液晶表示装置用カラーフィルタの一例を模式的に示した平面図である。図３に示すカラーフィルタのＸ−Ｘ’線における断面図である。図３に示すカラーフィルタのＸ−Ｘ’線における断面図である。本発明による液晶表示装置用カラーフィルタの研磨方法における、ガラス基板の厚さと、テンプレートの枠材の厚さの関係を示す部分断面図である。図１に示す平盤研磨機の一例の一部分を拡大し、ガラス基板（カラーフィルタ）の厚さと、枠材の厚さとの関係を示す説明図である。枠材の厚さが、ガラス基板（カラーフィルタ）の厚さの８０±５％の際の、研磨の状態を示す説明図である。

符号の説明

１・・・下定盤
２・・・下定盤を回転させる回転軸
３・・・上定盤
４・・・上定盤の回転軸
５・・・研磨クロス
６・・・ガラス基板（カラーフィルタ）
７・・・テンプレート
７Ａ・・・テンプレートのバッキング材
７Ｂ・・・テンプレートの枠材
１７・・・本発明によるテンプレート
１７Ａ・・・本発明によるテンプレートのバッキング材
１７Ｂ・・・本発明によるテンプレートの枠材
３０・・・ガラス基板
３１・・・ブラックマトリックス
３２、５２・・・着色画素
５１・・・樹脂ブラックマトリックス
５３・・・突起
Ａ・・・下定盤の回転
Ｂ・・・上定盤の回転
Ｃ・・・揺動
Ｄ・・・研磨圧力
Ｅ・・・継手部
Ｆ・・・ガラス基板（カラーフィルタ）の周縁部
Ｈ・・・突起の高さ
Ｔ１・・・ガラス基板（カラーフィルタ）の厚さ
Ｔ２・・・本発明によるテンプレートの枠材の厚さ
Ｔ３・・・テンプレートの枠材の厚さ

Claims

ガラス基板上に、樹脂ブラックマトリックス、樹脂ブラックマトリックスの端部に周縁部が重なる状態で膜厚の厚い着色画素が順次形成され、該端部上に着色画素との重なりにより生じる、高さの高い突起を有する液晶表示装置用カラーフィルタの該突起を、平盤研磨機を用いて除去する際に、
円盤状の下定盤とこの下定盤より小さな上定盤とを使用し、
バッキング材と枠材とを貼り合わせたテンプレートを前記下定盤上に設け、前記カラーフィルタをテンプレート内に貼り付け、
他方、上定盤の下面上に研磨クロスを貼り付け、
前記カラーフィルタに研磨クロスを押し付け、下定盤を回転させると共に、上定盤に円弧状の揺動を与えて研磨する方法において、
前記テンプレートの枠材として、該液晶表示装置用カラーフィルタの厚さ１００％に対し、８５％〜１００％未満の厚さを有するテンプレートの枠材を用いて研磨除去することにより、液晶表示装置用カラーフィルタの厚さとテンプレートの枠材の厚さとの段差に対応した上定盤の傾きによる研磨圧力の偏心荷重を解消して研磨することを特徴とする液晶表示装置用カラーフィルタの研磨方法。
上定盤と上定盤の回転軸とを接続している継手部が自在継手の構造であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置用カラーフィルタの研磨方法。