JP4726162B2

JP4726162B2 - 薄膜デバイスの製造方法

Info

Publication number: JP4726162B2
Application number: JP2000180918A
Authority: JP
Inventors: 忠宏古川; 一郎別宮
Original assignee: Kyodo Printing Co Ltd
Current assignee: Kyodo Printing Co Ltd
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2020-06-16
Also published as: JP2001356211A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラスチックフィルム上に薄膜デバイスを製造する方法、特に、転写を利用した薄膜デバイスの製造技術に関する。
【０００２】
【発明の背景】
薄膜デバイスとしては、ＴＦＴ等の薄膜半導体素子、ＩＴＯ等からなる透明電極、あるいはカラー液晶表示装置に用いるカラーフィルタなどがある。これらの薄膜デバイスは、薄いベタ状の層構成をもち、そのベタ状の層を全体として一体に剥離可能な構造である。たとえば、薄膜デバイスとしてのカラーフィルタは、一般に、透明なガラス基板の上に、たとえば原色系の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）や、補色系の黄（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）などの複数の色の色パターンを含むカラーフィルタ層を備える。カラーフィルタのそうした基本的な構成は、透過タイプあるいは反射タイプのいずれのタイプのカラーフィルタであれ、また、印刷法、フォトリソグラフィ法、電着法、転写法などいずれの製法によるものであっても同様である。また、カラーフィルタは、透明電極およびＴＦＴ等のアクティブ素子を含むものもあり、透明電極の材料としては、通常、低抵抗で加工性がよいＩＴＯが用いられる。
【０００３】
このような表示にかかわる薄膜デバイスの基材あるいは基板としてのガラスは、表面平滑性、光透過性、表示に要するその他の特性の面ですぐれている。しかし、ガラスは厚みを薄くすると、割れやすいなどという難点も併せもつ。したがって、耐衝撃性や小型軽量化を重視する携帯用の機器に対する表示に用いる場合などには、ガラス基板を用いた表示用の薄膜デバイスの欠点が目立つようになる。
【０００４】
発明者らは、そうしたガラス基板に起因する問題を解消するために、プラスチックフィルムを基板とした薄膜デバイスに着目し開発を企てた。プラスチックフィルムは薄く、しかも、耐衝撃性に優れているからである。しかし、そうした利点がある反面、プラスチックフィルムはガラスに比べて耐熱性や耐薬品性、さらには温度湿度による伸縮の点で劣り、カラーフィルタを代表とした薄膜デバイスの製造プロセスに制約を受けるという問題がある。
そこで、プラスチックフィルムに起因する制約を配慮し、転写法を利用した薄膜デバイスとしてのカラーフィルタの製造技術を先に提案した（たとえば、特願平１０−２２５３２０号、特願平１０−３７５９５１号、特願平１１−１１０３１０号ほか）。それらの先の提案の技術は、色パターンを含むカラーフィルタ層を、プラスチックフィルムに比べて熱伸縮性の小さい基板（たとえばガラス等）上に形成する第１工程と、その第１工程の後、そのガラス等の基板上のカラーフィルタ層を接着剤層を介してプラスチックフィルム上に転写する第２工程とを備える技術である点で共通している。そうした技術によれば、複数の色の色パターンを含み、相互に位置合わせが必要な処理を、ガラス等の基板に対する第１工程に集中させることによって、カラーフィルタ層の製造工程において使用する薬品や加熱処理等の制限を緩和することができ、しかも、プラスチックフィルムの熱伸縮性に起因する悪影響（パターン精度および位置合わせ精度を低下させるという問題）を回避することができる。また、第２工程において、カラーフィルタ層の複数の色パターンをプラスチックフィルム上に同時に転写させるため、第１工程による高い精度をそのままプラスチックフィルム側に移すことができる。同様のメリットは、透明電極等の転写においても、同様のメリットを得ることは勿論である。
【０００５】
【発明の解決すべき課題】
しかし、その後さらに検討したところ、ガラス等の基板上のカラーフィルタ層（あるいは薄膜デバイス）を接着剤層を介してプラスチックフィルム側に転写するとき、その転写時点と転写を終えた時点（たとえば、カラーフィルタを含む機器の使用時点）との温度差が新たな問題を生じるおそれがあることが判明した。温度差は、プラスチックフィルムの伸縮を生じ、特に、転写時点の温度は転写後の温度に比べて高いので、プラスチックフィルムは縮み、その縮みに応じてプラスチックフィルム上の色パターンが引っ張られてパターン自体に寸法変動を生じる。
この発明は、薄膜デバイスの転写時点における温度変化を最小限に抑え、薄膜デバイスを含む機器のその後の使用時の温度にできるだけ近付けるようにすることを目的とする。
また、この発明は、転写によって得る薄膜デバイスの表面をできるだけ平滑にすることを他の目的とする。
さらに、この発明は、接着剤層の硬化に伴う応力の発生を最小限に抑えることをも目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明では、接着剤層を光硬化型の接着剤で構成し、その接着剤を硬化させるために、パルス化した光照射を行うことにより、その硬化処理に伴う接着剤層の温度変化を所定範囲に抑え、薄膜デバイスの転写前後の寸法変化を抑制するようにする。ここで、転写用の光硬化型の接着剤としては、紫外域から可視域まで、たとえば２００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲にわたって光硬化する各種のものを利用することができる。こうした接着剤としては、本来の接着性のほか、透明性にすぐれていることは勿論のこと、さらに、無溶剤の状態で液状であることが要求される。後者は、接着剤層を各種の塗布手段によって平滑に形成する点からの要求であるが、そのためにどうしても接着剤の中にはモノマー成分が多く含まれる。光硬化型の接着剤としては、ラジカル重合型とカチオン重合型とがあり、ラジカル重合型では、光重合開始剤が光を吸収してラジカル種を生成してモノマーに付加し、連鎖重合が進行してポリマーとなり高分子化し、また、カチオン重合型では、光重合開始剤が光を吸収してカチオンを発生し、このカチオンが触媒となりモノマーが重合してポリマーとなり高分子化する。ラジカル重合型のものは、ラジカルの寿命が短く、どうしても未反応モノマー成分が残留する傾向があり、モノマー成分が外部に溶出して接着性に影響を与える等、信頼性の点で劣るおそれがある。それに対し、カチオン重合型の接着剤は、光照射後も重合が進行するため、未反応物が残らず、良好な信頼性を得ることができる。したがって、接着剤としては、カチオン重合型のものが最適である。
【０００７】
また、接着剤層を瞬間的に固めると、硬化時の収縮による応力が残留しやすいため、ある程度の時間をかけて硬化させることが望ましいが、生産上からは硬化時間は短い方が良い。そこで、硬化時間を１〜１００秒、好ましくは１０〜１００秒に設定するのが良い。なお、残留応力は、プラスチックフィルムの反り、透明電極やカラーフィルタの変形、断線、耐熱性などの信頼性の低下の原因となる。
【０００８】
光照射による硬化は、熱硬化などの他の硬化方法に比べて、硬化処理時の温度上昇は小さいが、カラーフィルタのパターンをはじめとした薄膜デバイスにとっては、さらに、温度上昇を抑制する対策が必要である。硬化処理に伴う接着剤層の温度上昇を抑える手段として、パルス照射の光源が最適である、これは瞬間的に強い光の発光を繰り返すもので、エネルギー強度が大きいことから光の浸透性、利用効率が高い。光照射時、接着剤層に光が到達する間には、照射方向にもよるが、基材（ガラス、プラスチックフィルム）、フィルタ、剥離層等の光吸収層がある。しかし、パルス化した光源は連続照射する通常の光源に比べて大きな光強度をもつため、光吸収層があるにもかかわらず、接着剤層の硬化を有効に促進させる。しかも、パルス間の時間に照射基板からの熱拡散が起こり温度上昇を抑えることができる。また、必要時以外は点灯していないので、装置および環境の温度上昇を防止する事ができる。このような光源として、キセノンパルス光源（米国、キセノン社）があるが、パルスの照射条件を合わせなければ、温度上昇を招く結果になる。１秒あたりの照射回数を増やすと短時間で硬化を終了させる事ができるが、温度上昇を招く事になる。一方、照射回数を減らすと温度上昇は抑えられるが、硬化時間がかかりすぎる。そこで、照射回数を１秒あたり１〜１０回とする事で数秒〜１００秒の間で温度上昇を所定の範囲内に抑えつつ、接着剤の硬化を行う事ができる。
【０００９】
通常、転写時の接着剤層の温度変化は、次の関係式を満たす範囲にすべきである。
ΔＬ×ΔＴ＜５×１０^−４
ここで、ΔＬは、ガラス等の基板の温度線膨脹係数Ｌ１とプラスチックフィルムの温度線膨脹係数Ｌ２との差であり、また、ΔＴは、転写時の硬化処理に伴う接着剤層の温度上昇である。
たとえば、ソーダライムガラスの線膨張係数は１０×１０^−６であり、ポリエーテルスルホンの線膨張係数は５×１０^−５であり、たとえばカラーフィルタを含む機器の使用温度を室温の２３℃とすると、接着剤層の硬化処理温度を１０．５℃から３５．５℃の範囲にすべきである。
【００１０】
【実施例】
以下、添付の図面に示す実施例を参照しながら、この発明の内容をさらに具体的に説明する。
まず、図１に示すように、洗浄したガラス基板１０を用意する。ガラス基板１０の厚さは０．７〜１．１ｍｍ程度であり、全体として剛性をもっている。このガラス基板１０は、その表面に転写すべきカラーフィルタ層３０を支持する基板であるため、良好な表面平滑性、たとえば暗室下５０００Ｌｕｘの明るさの反射光で目視により観察した時にキズや突起等が見えない程度の表面平滑性（基板表面の外観規格）をもっていることが望ましい。
【００１１】
そうしたガラス基板１０の一面全体に、図２に示すように、保護層と剥離層とを兼ねた剥離層兼保護層２０を形成する。剥離層兼保護層２０の特性としては、色パターンなどの形成時の環境に耐える素材であり、安定してガラス基板１０に密着し、しかも、転写時には、適度の剥離性と形状保持性を示し、さらに、透明電極の成膜に耐え、かつ、液晶に溶け出さないことが要求される。また、透明性にすぐれていることも大事である。好適な素材はポリイミドであり、スピンコートやロールコートなどを利用して塗布形成することができる。その厚さは、たとえば１〜５μｍであり、実験によると、その上に形成するカラーフィルタ層３０に比べて４倍以上の厚さにするのが好ましい。剥離層兼保護層２０は、転写を容易にするだけでなく、カラーフィルタ層３０の表面を平滑化する機能をもち、厚さが大きくなるほど平滑化の上で有利である。また、剥離層の上に透明電極パターンを形成して透明電極の転写を行うこともできる。この場合は、透明電極を形成するための耐熱性、耐薬品性、転写後に剥離層だけ除去可能な特性を持ち合わせる必要がある。転写時に全体の長寸法精度を保持するという意味では、カラーフィルタの転写も透明電極の転写も同じ精度が要求される。以下においては、カラーフィルタを例にして説明する。
【００１２】
次いで、図３に示すように、剥離層兼保護層２０の上にイエロー、マゼンタ、シアンの色パターン３０Ｙ，３０Ｍ，３０Ｃを含むカラーフィルタ層３０をフォトリソグラフィ法によって形成する。色パターン３０Ｙ，３０Ｍ，３０Ｃの材料として、染料あるいは顔料などの着色剤をポリイミド樹脂溶液に溶解あるいは分散させた公知の塗布材料を用いることができる（たとえば、特開平１０−１７０７１６号）。各色パターンはストライプ形状であり、その幅は５０〜２００μｍであり、隣り合う色パターンの間の距離は５〜２０μｍである。また、カラーフィルタ層３０は、反射型のものであり、その厚さがたとえば０．５μｍほどであり、他の層に比べて非常に薄い。
【００１３】
さらに、図４に示すように、カラーフィルタ層３０の上を全体的に覆うように、接着剤層４０を塗布によって形成する。接着剤層４０としては、紫外線硬化型であり、カチオン重合型のもの、たとえば、エポキシ系の紫外線硬化型接着剤（旭電化工業株式会社製のＵＶ硬化樹脂ＫＲ４００）を用いる。塗布の厚さは、５〜２０μｍ程度であり、充分な接着強度を得ることができ、透過率を失わない薄さをもつ値に設定する。
【００１４】
この後、図５に示すように、接着剤層４０の側に、ポリエーテルスルホン基板からなるプラスチックフィルム５０を配置し、カラーフィルタ層３０などをガラス基板１０側からプラスチックフィルム５０側に転写する。この転写処理に際しては、プラスチックフィルム５０側から紫外線を照射するが、併せて、照射に伴う接着剤層４０の側（硬化対象物）の温度上昇を積極的に抑え、できるだけ常温に近い温度にする。この温度コントロールの手法としてパルス光源を用いる方法を適応する。さらにこれにａ．冷却風を硬化対象物に送風する方法、ｂ．紫外線照射の光源と硬化対象物との間に、熱線遮蔽用の光学カットフィルタを挿入する方法、ｃ．紫外線照射の光源と硬化対象物との間に、遮蔽用光学フィルタとして、紫外線硬化型の接着剤の感光波長域を透過し、その他の波長域に吸収帯をもつもの、たとえば転写対象のプラスチックフィルム５０やカラーフィルタ層３０を形成したガラス基板１０と同一材質のものなどを挿入する方法、などを組み合わせて適用することもできる。
【００１５】
この点、こうした温度コントロールをしないで、たとえば水銀ランプを用いて紫外線照射後、転写を行ったとき、紫外線照射による硬化前のパターン寸法が１００．０００ｍｍであり、硬化後に転写した後のパターン寸法は９９．８６６ｍｍであり、転写前後におけるパターン寸法の変化率は、１．３×１０^−３であった。
【００１６】
紫外線照射による温度上昇を抑える手段として、パルス光源（米国キセノン社のパルス紫外線照射装置ＲＣ−７４２）を使用した場合、接着剤層（接着剤として、旭電化工業株式会社のＫＲ−４００を使用）の硬化に必要な照射パルス数は、照射距離３３０ｍｍで３００パルスであった。照射のサイクルを１秒間に１０回で行うと時間にして３０秒であり、その照射前後における温度変化は＋１２．２℃で所定の温度以上であった。１秒あたりの照射回数を増加させると、基板からの熱が有効に拡散されず、温度上昇が著しく増加していく傾向があった。また、照射のサイクルを１秒間に４回で行うと時間にして７５秒であり、その照射前後における温度変化は＋９．０℃であった。この時の長寸法はガラス上で１００．０００ｍｍであったものが、９９．９７８ｍｍと２２μｍ縮まった。その寸法変化は、ドライバーとの接続に影響を及ぼさないレベルである。
【００１７】
また、パルス光源の中心波長に感光波長域を合わせた接着剤を選択すると、硬化に必要な照射パルス数は１００パルスであり、温度上昇をさらに抑えることができ、１秒間で１０回でも＋６．７℃の上昇と所定の温度内に収まった。ところが、紫外線照射装置に無電極型ＵＶランプ（フュージョンＵＶシステムズ株式会社のＦ６００）および熱対策（コールドミラーおよび熱線カットフィルタ）を使用した場合、接着剤層（接着剤として、旭電化工業株式会社のＫＲ−４００を使用）の硬化に２０００ｍＪ／ｃｍ^２必要であり、その照射前後において８５μｍの縮みが発生した。ここで、光照射に伴う温度上昇を抑えることは、寸法の変化を小さくすることのほか、接着剤層の硬化に伴う応力を抑えることにも関係する。
【００１８】
次の結果は、照射パルス数（ショット数／秒）と、時間の経過に伴う温度上昇についての実験例の一つを示している。これから分かるように、照射パルス数を規定することにより、温度上昇を所定の範囲に抑えることができる。

【００１９】
さらに、転写時における光照射について、接着剤層を介して重ね合わせたガラス基板とプラスチックフィルムに対し、一方の側（通常は、プラスチックフィルム側）から光照射をすることもできるが、照射パルス数をより小さくするために両方の側（つまり、プラスチックフィルム側およびガラス基板側）から光照射を行い、接着剤層を光硬化させるようにすることもできる。両方から光照射を行う場合、接着剤層の上下両側から硬化が進むため、硬化に伴う応力の発生を有効に抑制し、それにより、薄膜デバイスに影響を与える応力を小さくし、薄膜デバイスにクラック等の損傷を生じることを未然に防止するという効果をも得ることができる。
【００２０】
なお、プラスチックフィルム５０としては、前記したポリエーテルスルホンのほか、ポリエステル、ポリカーボネート、塩化ビニール、ナイロン、ポリアリレート、アクリル、ポリイミド等を適用することができる。また、プラスチックフィルム５０は、シート（枚葉）、ロールのいずれの形態でも用いることができ、好ましい厚さは０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲である。したがって、ここでいうプラスチックフィルムは、いわゆるフィルムやシートを含むシート状の部材を包含する概念である。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱伸縮性の小さいガラス基板を示す断面図である。
【図２】ガラス基板上に剥離層兼保護層を形成した状態を示す断面図である。
【図３】剥離層兼保護層の上に、薄膜デバイスとしてのカラーフィルタ層を形成した状態を示す断面図である。
【図４】カラーフィルタ層の上に接着剤層を塗布した状態を示す断面図である。
【図５】転写の際の状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ガラス基板
２０剥離層兼保護層
３０カラーフィルタ層（薄膜デバイス）
４０接着剤層
５０プラスチックフィルム

Claims

プラスチックフィルム上に薄膜デバイスを製造する方法であって、その薄膜デバイスを前記プラスチックフィルムに比べて熱伸縮性の小さいガラス基板上に形成する第１工程と、その第１工程の後、その基板上の薄膜デバイスを接着剤層を介して前記プラスチックフィルム上に転写する第２工程とを備え、前記接着剤層を光硬化型の接着剤で構成し、その接着剤を硬化させるために、キセノンパルス光源によるパルス化した光照射を１秒間に１〜１０回点灯させ、１〜１００秒間行うことにより、その硬化処理に伴う前記接着剤層の温度変化を考慮し、硬化処理時の温度を１０．５℃〜３５．５℃に抑え、それによって、ガラス基板上のパターン精度をプラスチックフィルム上のパターン精度に移すことができ、しかもまた、転写時点の温度を転写後の前記薄膜デバイスの使用時の温度に近付けることによって、それら転写時点と転写後の温度差が起因する、前記プラスチックフィルム上のパターンの変動を抑制するようにしたことを特徴とする薄膜デバイスの製造方法。
前記光硬化型の接着剤は、カチオン重合型の接着剤である、請求項１の薄膜デバイスの製造方法。
前記転写前の薄膜デバイスは、前記基板の一面上、剥離層兼保護層の上に位置する、請求項１の薄膜デバイスの製造方法。
前記光照射に伴う前記接着剤層の温度変化は、次の関係式を満たす範囲にある、請求項１の薄膜デバイスの製造方法。
ΔＬ×ΔＴ＜５×１０^−４
ここで、ΔＬは、前記基板の温度線膨脹係数Ｌ１と前記プラスチックフィルムの温度線膨脹係数Ｌ２との差であり、また、ΔＴは、前記光照射に伴う前記接着剤層の温度上昇である。
前記第２工程において接着剤層を介して重ね合わせたガラス基板とプラスチックフィルムに対し、プラスチックフィルムあるいはガラス基板の一方の側から接着剤層に光照射をするか、または、プラスチックフィルム側およびガラス基板側の両方から接着剤層に光照射を行う、請求項１の薄膜デバイスの製造方法。