JP4574399B2 - 光硬化性組成物及びそれから得られるカラーフィルタ - Google Patents
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Description
いずれの方法も一色づつ逐次形成されるが、顔料分散法はパターン精度が高く、製造工程が安定していることからカラーフィルタの多くはこの方法によって製造されている。
前記顔料分散法は、一般的に、着色剤、重合性モノマー、及び光重合開始剤を含む光硬化性組成物を基板上に塗布し、乾燥、露光及び現像した後、着色画素パターンを得る方法である。
しかしながら、画素の大きさが微小になるに従って、以下のような問題が生じた。
画素が薄くなると同じ色特性を維持するために着色剤の含有量をより多くする必要がある。着色剤の含有量が多くなるとそれだけ光硬化成分の比率が低下し、また活性エネルギー線(i線など)の光が透過しにくくなって、膜としての硬化が同じ露光量では不十分になることが多くなってきた。
イメージセンサ用途のカラーフィルタにあっては、通常、正方形に近い矩形の画素がマトリックス上に画素間に隙間がないように配列されている。そして画素が微小になると基板との接触面積が小さくなりアルカリ現像液などの現像処理によって、画素膜が脱膜しやすくなったりした。脱膜が起こらないように硬化を充分に行うと、画素周辺にまで硬化が及び矩形から角が丸まった円形状になって隣接する画素に影響を与えてしまうという問題が生じた。
特に、青(B)では、i線に吸収があるためにこのような傾向がより大きくなった。
また、本発明の目的は、該光硬化性組成物を用いて画素が所望の大きさ、形状にコントロールされたカラーフィルタを提供する。
即ち、画素が小さくなっても、露光後のアルカリ現像による矩形の画素を脱膜的に剥離することなく得ることができることを見出したものである。
即ち、本発明は下記の手段により達成されるものである。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の光硬化性組成物は、着色剤、アルカリ可溶性樹脂、反応性二重結合を有するモノマー、および光重合開始剤を含有する。一般的には溶剤を用い、必要に応じて他の成分を添加することができる。
本発明における光重合開始剤は、(A)下記一般式(I)で表される4,7位−置換クマリン系化合物と、(B)下記一般式(I−A)で表されるトリアジン系化合物、ベンゾフェノン系化合物、及びオキシム系化合物の群から選ばれる何れか一種以上の化合物と、を含むものであれば、特に限定されることなく、いずれの光重合開始剤を用いることができる。
以下、前記(A)下記一般式(I)で表される4,7位−置換クマリン系化合物と、(B)後述の一般式(I−A)で表されるトリアジン系化合物、ベンゾフェノン系化合物、及びオキシム系化合物について詳細に説明する。
具体的には、該シクロ環基としては、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサンなどが挙げられ、シクロペンタン、シクロヘキサンが特に好ましい。
また、置換基としては、アルキル基(好ましくは炭素数1〜10、より好ましくは炭素数1〜5、特に好ましくは炭素数1〜3で、例えば、メチル、エチル、プロピル、n−ブチル、tert−ブチル、iso−ブチル、ペンチル、ヘキシル、シクロヘキシルなどが挙げられ、中でも、メチル、エチル、プロピルが好ましい。)が挙げられる。
前記ベンゾフェノン系化合物の中でも、好ましくは、ラムベルチ(lamberti)化学(株)製、ESACURE TZT、ESACURE TZM、日本化薬(株)製、KAYACURE MBP、KAYACURE BP-100、保土谷化学(株)製、EAB−F(前記(II−1))であり、最も好ましくは、ラムベルチ(lamberti)化学(株)製、ESACURE TZT、日本化薬(株)製、KAYACURE MBP、保土谷化学(株)製、EAB−F(前記(II−1))である。
であり;R4’及びR5’が、互いに独立して、水素又は基OR8、SR9、又はNR10R11であり;R6’が、水素であり;R8及びR9が、C1−C4アルキル、フェニル又は下記式:
また、前記オキシム系化合物は特開2000−80068号公報[0060]〜[0068]、[0218]〜[0296]の記載の方法により合成することができる。
5〜60質量%であり、より好ましくは7〜50質量%であり、特に好ましくは10〜40質量%である。
前記光重合開始剤(A+B)の含有率が5質量%未満であると画素形成する際の現像時に、硬化不足によるパターンの欠落を生じ、基板から剥がれたり、形状に欠けを生じたりする。また、60質量%を超えると、硬化が進みすぎてパターンの太りや丸みなど画素パターンの形状不良を生じる場合がある。
そのような光重合開始剤としては、例えば、米国特許第2,367,660号明細書に開示されているビシナールポリケトルアルドニル化合物、米国特許第2,367,661号および第2,367,670号明細書に開示されているα−カルボニル化合物、米国特許第2,448,828号明細書に開示されているアシロインエーテル、米国特許第2,722,512号明細書に開示されているα−炭化水素で置換された芳香族アシロイン化合物、米国特許第3,046,127号および第2,951,758号明細書に開示されている多核キノン化合物、米国特許第3,549,367号明細書に開示されているトリアリルイミダゾールダイマー/p−アミノフェニルケトンの組合せ、特公昭51−48516号公報に開示されているベンゾチアゾール系化合物等を挙げることができる。
該光重合開始剤としては、ハロメチルオキサジアゾール化合物、3−アリール置換クマリン化合物、ロフィン2量体、アセトフェノン化合物およびその誘導体、シクロペンタジエン−ベンゼン−鉄錯体およびその塩等が挙げられる。
また、上記光重合開始剤としてはPANCHIM社製Tシリーズも有効に使用することが可能で、これらの例としては、T−OMS、T−BMP、T−R、T−B等が挙げられる。
さらに、上記光重合開始剤としてはチバガイギー社製イルガキュアシリーズも有効に使用することが可能であり、これらの例としては、イルガキュア651、イルガキュア184、イルガキュア149、イルガキュア819、イルガキュア261、ダロキュアシリーズ、ダロキュア1173等が挙げられる。
その他、上記光重合開始剤としては2−ベンジル−2−ジメチルアミノ−4−モルホリノブチロフェノン、2,2−ジメトキシ−2−フェニルアセトフェノン、2−(o−クロルフェニル)−4,5−ジフェニルイミダゾリル二量体、2−(o−フルオロフェニル)−4,5−ジフェニルイミダゾリル二量体、2−(o−メトキシフェニル)−4,5−ジフェニルイミダゾリル二量体、2−(p−メトキシフェニル)−4,5−ジフェニルイミダゾリル二量体、2−(p−ジメトキシフェニル)−4,5−ジフェニルイミダゾリル二量体、2−(2,4−ジメトキシフェニル)−4,5−ジフェニルイミダゾリル二量体、2−(p−メチルメルカプトフェニル)−4,5−ジフェニルイミダゾリル二量体、ベンゾインイソプロピルエーテル等も有用に用いられる。
公知の光重合開始剤の含有量としては、前記光重合開始剤の含有量の範囲内とすることが好ましい。
本発明に用いることができる着色剤は、特に限定されず、従来公知の種々の染料や顔料を一種又は二種以上を混合して用いることができる。
C.I.ピグメント イエロー 11, 24, 31, 53, 83, 93, 99, 108, 109, 110, 138, 139, 147, 150, 151, 154, 155, 167, 180, 185, 199, ;
C.I.ピグメント オレンジ36, 38, 43, 71;
C.I.ピグメント レッド81, 105, 122, 149, 150, 155, 171, 175, 176, 177,209, 220, 224, 242, 254, 255, 264, 270;
C.I.ピグメント バイオレット 19, 23, 32, 39;
C.I.ピグメント ブルー 1, 2, 15, 15:1, 15:3, 15:6, 16, 22, 60, 66;
C.I.ピグメント グリーン 7, 36, 37;
C.I.ピグメント ブラウン 25, 28;
C.I.ピグメント ブラック 1, 7;
カーボンブラック等を挙げることができる。
C.I.ピグメント オレンジ36, 71,
C.I.ピグメント レッド 122, 150, 171, 175, 177, 209, 224, 242, 254, 255, 264,
C.I.ピグメント バイオレット 19, 23, 32,
C.I.ピグメント ブルー 15:1, 15:3, 15:6, 16, 22, 60, 66,
C.I.ピグメント ブラック 1
その他、直接染料、塩基性染料、媒染染料、酸性媒染染料、アゾイック染料、分散染料、油溶染料、食品染料、および/または、これらの誘導体等も有用に使用することができる。
以下に上記酸性染料の具体例を挙げるが、これらに限定されるものではない。例えば、
acid alizarin violet N;acid black 1,2,24,48;acid blue 1,7,9,15,18,23,25,27,29,40,45,62,70,74,80,83,86,87,90,92,103,112,113,120,129,138,147,158,171,182,192,243,324:1;acid chrome violet K;acid Fuchsin;acid green 1,3,5,9,16,25,27,50;acid orange 6,7,8,10,12,50,51,52,56,63,74,95;acid red 1,4,8,14,17,18,26,27,29,31,34,35,37,42,44,50,51,52,57,66,73,80,87,88,91,92,94,97,103,111,114,129,133,134,138,143,145,150,151,158,176,183,198,211,215,216,217,249,252,257,260,266,274;acid violet 6B,7,9,17,19;acid yellow 1,3,7,9,11,17,23,25,29,34,36,42,54,72,73,76,79,98,99,111,112,114,116,184,243;Food Yellow 3;およびこれらの染料の誘導体が挙げられる。
また、上記以外の、アゾ系、キサンテン系、フタロシアニン系の酸性染料も好ましく、C.I.Solvent Blue 44、38;C.I.Solvent orange 45;Rhodamine B、Rhodamine 110等の酸性染料およびこれらの染料の誘導体も好ましく用いられる。
本発明の光硬化性組成物は、バインダー樹脂としてアルカリ可溶性樹脂を含有する。
アルカリ可溶性樹脂としては、特に限定されるものではないが、上記の塗布膜の露光強度に対する現像後の線幅の変化率を、7.5×10-5μm・m2/J以下にするために、分子中にポリアルキレンオキサイド鎖および/またはヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)を有するアクリル系樹脂が好ましい。
該アクリル系樹脂は、ポリスチレン換算重量平均分子量が5,000〜50,000のものが好ましく、6,000〜30,000のものが更に好ましく、8,000〜20,000のものが最も好ましい。
また、前記ポリアルキレンオキサイド鎖の含有量は、モル比で0.5〜18モル%であるものが好ましく、0.8〜15モル%がさらに好ましく、1〜10モル%が最も好ましい。
ポリアルキレンオキサイド鎖の内、ポリエチレンオキサイド鎖が好ましく、その付加モル数n((EO)n)は、2〜25が好ましく、更に2〜15が好ましく、5〜12が最も好ましい。
前記ヒドロキシエチルメタクリレートの含有量はモル比で10〜30モル%であるものが好ましく、更に15〜25モル%であるものが好ましい。
アルカリ可溶性樹脂Aは、少なくとも(i)無水マレイン酸(MAA)、アクリル酸(AA)、メタクリル酸(MA)、メタクリル酸イソブチル(IBMA)及びフマル酸(FA)から選ばれた少なくとも一種の酸成分モノマー、(ii)アルキルポリオキシエチレン(メタ)アクリレート、及び(iii)ベンジル(メタ)アクリレートからなる共重合体である。
(ii)アルキルポリオキシエチレン(メタ)アクリレート(Acr(EO)n:CH3(OC2H4)nOCOC(CH3)=CHR)の組成質量比が上記範囲に満たないと、感光性着色樹脂組成物塗布液の基板上への液の広がり方が充分でなくなり、本発明を有効に達成することができなくなる傾向がある。また上記範囲を超えると、着色剤の分散性が低下する傾向があるので好ましくない。
(iii)ベンジル(メタ)アクリレート(BzMA)の組成質量比が上記範囲に満たないと、着色剤の分散安定性や組成物中への溶解性が低下する傾向があるので好ましくない。また上記範囲を超えると、塗布膜のアルカリ現像適性が低下するので好ましくない。
分子中にポリアルキレンオキサイド鎖およびヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)を有するアクリル系樹脂としては、アルカリ可溶性樹脂Aに更にヒドロキシエチルメタクリレート(HEMA)を共重合させたものが挙げられる。
本発明の光硬化性組成物は、反応性二重結合を有するモノマー(以下、「感光性重合成分」、「光重合性モノマー」とも言う。)を有する。
本発明に用いる反応性二重結合を有するモノマーとしては、感光性の重合性モノマーであり、該重合性モノマーとしては、少なくとも1個の反応性二重結合(例えば、付加重合可能なエチレン基)を有する、常圧下で100℃以上の沸点を持つエチレン性不飽和基を持つ化合物が好ましく、その例としては、ポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、フェノキシエチル(メタ)アクリレート、等の単官能のアクリレートやメタアクリレート;ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリメチロールエタントリ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ(メタ)アクリレート、ヘキサンジオール(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(アクリロイルオキシプロピル)エーテル、トリ(アクリロイロキシエチル)イソシアヌレート、グリセリンやトリメチロールエタン等の多官能アルコールにエチレンオキサイドやプロピレンオキサイドを付加させた後(メタ)アクリレート化したもの、特公昭48−41708号、特公昭50−6034号、特開昭51−37193号各公報に記載されているようなウレタンアクリレート類、特開昭48−64183号、特公昭49−43191号、特公昭52−30490号各公報に記載されているポリエステルアクリレート類、エポキシ樹脂と(メタ)アクリル酸との反応生成物であるエポキシアクリレート類等の多官能のアクリレートやメタアクリレートおよびこれらの混合物をあげることができる。更に、日本接着協会誌Vol.20、No.7、300〜308頁に光硬化性モノマーおよびオリゴマーとして紹介されているものが挙げられる。
本発明に用いる光硬化性組成物において必要に応じて使用される溶剤は、組成物の溶解性、塗布性を満足すれば基本的に特に限定されないが、特に染料、アルカリ可溶性樹脂(バインダー)の溶解性、塗布性、安全性を考慮して選ぶことが好ましい。
光硬化性組成物を調製する際に使用することができる溶剤としては、エステル類、例えば酢酸エチル、酢酸−n−ブチル、酢酸イソブチル、ギ酸アミル、酢酸イソアミル、酢酸イソブチル、プロピオン酸ブチル、酪酸イソプロピル、酪酸エチル、酪酸ブチル、アルキルエステル類、乳酸メチル、乳酸エチル、オキシ酢酸メチル、オキシ酢酸エチル、オキシ酢酸ブチル、メトキシ酢酸メチル、メトキシ酢酸エチル、メトキシ酢酸ブチル、エトキシ酢酸メチル、エトキシ酢酸エチル、
本発明における光硬化性組成物には、必要に応じて各種添加物、例えば充填剤、上記以外の高分子化合物、界面活性剤、密着促進剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、凝集防止剤等を配合することかできる。
本発明のカラーフィルターは基板上に形成された複数の矩形の画素の配列を有し、上述の光硬化性組成物を用いて製造される。本発明のカラーフィルタの製造方法は、該光硬化性組成物を基板上に直接または他の層を介して塗布し、その後乾燥して塗布膜を形成する工程(塗膜形成工程)と、該塗布膜上に、特定のパターンを露光する工程(露光工程)と、露光された前記塗布膜をアルカリ現像液で現像処理する工程(現像工程)と、現像処理された前記塗布膜に加熱処理を施す工程(ポストベーク工程)と、を含むことを特徴とし、これらの工程を経ることで着色されたパターンを形成することができる。また、本発明のカラーフィルタの製造方法は、必要により上記レジストパターンを加熱および露光により硬化する工程を含んでいてもよい。
上記基板としては、例えば液晶表示素子等に用いられるソーダガラス、パイレックス(登録商標)ガラス、石英ガラスおよびこれらに透明導電膜を付着させたものや、撮像素子等に用いられる光電変換素子基板、例えばシリコン基板等や、相補性金属酸化膜半導体(CMOS)等が挙げられる。これらの基板は、各画素を隔離するブラックマトリックスが形成されている場合もある。
また、これらの基板上に必要により、上部の層との密着改良、物質の拡散防止あるいは基板表面の平坦化の為に、下塗り層を設けてもよい。
上記有機溶剤としては、本発明に用いる前記光硬化性組成物を調製する際に使用される前述の溶剤が挙げられる。
上記現像工程は、このようなアルカリ性水溶液からなる現像液により現像処理を行う。現像方法には、例えばディップ法、スプレー法、パドル法等があり、温度は15〜40℃でおこなうことが好ましい。また、現像後は一般に流水にて洗浄を行う。
(平坦化膜レジスト液の調製)
下記各成分をホモジナイザー攪拌機で混合・攪拌して、平坦化膜用レジスト液を調製した。
ベンジルメタアクリレート/メタアクリル酸共重合体 16.4部
ジペンタエリスリトールペンタアクリレート 6.5部
プロピレングリコールモノメチルエチルアセテート 13.8部
エチル−3−エトキシプロピオネート 12.3部
(B)トリアジン系化合物としてハロメチルトリアジン化合物(VI)
0.3部
この平坦化膜用レジスト液を6インチシリコンウエハ上にスピンコートで塗布した。次いで、表面温度120℃×120秒、ホットプレート上で加熱処理し、前記シリコンウエハ上に約2μmの膜厚の均一な塗布膜を得た。次いで、220℃の条件下で1時間、オーブンにてその塗布膜を硬化処理して、平坦化膜を得た。
次いで、下記組成物をサンドミル分散機で混連・分散して、光硬化性組成物を調製した。
ベンジルメタアクリレート/メタアクリル酸共重合体 2.1部
ジペンタエリスリトールペンタアクリレート 2.57部
PB15:6顔料分散液(BASF(株)社製、Heliogen Blue D6700T) 37.5部
PV23顔料分散液(Clariant(株)社製、Hostaperm Violet RL−NF) 9.5部
プロピレングリコールモノメチルエチルアセテート 30部
エチル−3−エトキシプロピオネート 12部
(B)トリアジン系化合物として上記ハロメチルトリアジン化合物(VI)
0.4部
前記光硬化性組成物を前記平坦化膜上にスピンコートで塗布し、次いで、表面温度100℃で120秒の条件でホットプレートで加熱処理して膜厚が約1.0μmの塗布膜を得た。
次に、上記乾燥塗布膜に1.5μmの正方ピクセルがそれぞれ基板上の4×3mm中に配列されたマスクパターンを介してi線ステッパー、キャノン製FPA−3000i5+にて500〜12500J/m2の範囲で、500J/m2の間隔で25箇所に段階露光した。
(1)画素パターンの形状評価
前記で得られた1.5μm正方形のカラーフィルタの画素パターンの形状を、測長SEM(日立S−7800H)を用いて、上部から観察し、角の丸みや側面の形状等を下記評価基準で評価した。画素パターンの形状を図1に、また、その結果を表1に示した。
該形状が丸まっているものは、デバイス製造時に隣り合った他色のパターンと異なり、混色、ノイズとして計測されてしまい、デバイスの性能を悪化させる。
上部からの観測の結果、矩形の度合いを良好な形状の順に、○(矩形)→△(矩形が崩れかけている)→×(円形)に段階をつけて評価した。
前記の現像工程を経て形成された1.5μmカラーフィルタの画素パターンをOLYMPUS製光学顕微鏡BX60を用いて、反射観測(倍率1000倍)にて観察し、画素パターンの状態を下記のように評価し、その結果を表1に示した。
露光量が足りないため膜が硬化せず、パターンの欠けが少なくとも1箇所発生した露光量は不可とし、また露光量が多くパターン形状が大きくなり、隣り合ったパターンと密着した露光量をも不可とし、その間の1箇所の欠けもなく、パターン形成が良好な露光量を「最適露光領域」とし、パターン形成に最低限必要な露光量を「最低露光量」とする。尚、露光量12500J/m2でもパターン剥がれが見られた場合には「全面剥がれ」とする。
比較例1において、光硬化性組成物(カラーレジスト液)における光重合開始剤トリハロメチルトリアジン系開始剤(VI)の代わりに、下記表1の光重合開始剤に変更した以外は、比較例1と同様に行って光硬化性組成物を調製した後、カラーフィルタの画素パターンを作成した。比較例1と同様に評価し、結果を下記表1に示す。尚、平坦化膜用レジスト液は、すべて比較例1におけるものと同様のものを使用した。
比較例1において、(B)トリアジン系化合物としての上記ハロメチルトリアジン化合物(VI)0.3部に変えて、(B)ベンゾフェノン系化合物として下記化合物10.4部を使用した以外は比較例1と同一の条件で光硬化性組成物を得た。
実施例1において、(B)ベンゾフェノン系化合物として上記化合物1を0.4部追加使用した以外は、実施例1と同一の条件で光硬化性組成物を得た。
比較例1において、さらに(B)ベンゾフェノン系化合物として上記化合物1を0.1部追加使用した以外は、比較例1と同一の条件で光硬化性組成物を得た。
比較例10において、(A)4,7位置換クマリン系化合物として式(II)の化合物を0.2部使用た以外は、比較例10と同一の条件で光硬化性組成物を得た。
比較例1において、(B)トリアジン系化合物としてのハロメチルトリアジン化合物0.3部に変えて、(B)オキシム系化合物として下記オキシムを0.3部、及び(B)ベンゾフェノン系化合物としてベンゾフェノン化合物1を0.1部を追加使用した以外は、比較例1と同一の条件で光硬化性組成物を調製した。
実施例1において、(B)オキシム系化合物として下記オキシム化合物を0.3部、及び(B)ベンゾフェノン系化合物として下記ベンゾフェノン化合物1を0.1部を追加使用した以外は、実施例1と同一の条件で光硬化性組成物を調製した。
一方、4位クマリンをトリハロメチルトリアジン、オキシム、又はベンゾフェノン化合物1のいずれか一以上の化合物と併用した実施例1、3〜4においては、画素パターンの剥がれもなく、最低露光量も低値を示し、感度的にも、得られた画素パターンの状態からも良好であることが分かる。
Claims (6)
- 着色剤、アルカリ可溶性樹脂、反応性二重結合を有するモノマー、および光重合開始剤を含有する光硬化性組成物において、該光重合開始剤は、(A)下記一般式(I)で表される4,7位−置換クマリン系化合物と、(B)下記一般式(I−A)で表されるトリアジン系化合物、ベンゾフェノン系化合物、及びオキシム系化合物の群から選ばれる何れか一種以上の化合物とを含むことを特徴とする光硬化性組成物。
[一般式(I)中、Xは、炭素数1〜20のアルキル基、3位と結合した無置換シクロ環基もしくは置換シクロ環基、カルボキシル基、カルボン酸エステル残基を表す。Yは、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基を表す。一般式(I−A)中、X 1 及びX 2 はそれぞれ独立して、ハロゲン原子または水素原子を表す。A 1 及びA 2 はそれぞれ独立して、ハロゲン原子、水素原子または炭素数1〜4のアルキル基を表す。] - 前記一般式(I)で表される4,7位−置換クマリン系化合物が下記式(II)で表されることを特徴とする請求項1に記載の光硬化性組成物。
- 請求項1または2に記載の光硬化性組成物を用いて基板上に形成された複数の矩形の画素の配列を有することを特徴とするカラーフィルタ。
- 前記画素の一辺が5μm以下であることを特徴とする請求項3に記載のカラーフィルタ。
- 前記画素の厚さが2μm以下であることを特徴とする請求項3又は4に記載のカラーフィルタ。
- 前記画素の着色剤の含有率が30質量%以上であることを特徴とする請求項3〜5の何れか1項に記載のカラーフィルタ。
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