JP4992363B2 - 硬化パターンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フォトリソエレクトロニクス分野に関わる露光工程全般、とりわけカラーフィルター製造におけるパターニング焼付け露光工程に関し、そのようにして得られるカラーフィルター等の硬化パターンの製造方法に関する。

液晶ディスプレイ等に用いられるカラーフィルターは、微細な赤、緑、青等のパターンからなる光学素子である。そしてその製造は、ガラス等の透明基板に感光性樹脂を塗布、露光、現像等の工程からなり、各色について同様の工程が繰り返される。以下、カラーフィルター露光工程の観点から従来の技術および課題について説明する。

露光工程は、感光性樹脂の塗膜に紫外線を所望の部分に照射して所望のパターンを硬化させる工程で、後の現像工程と並んで、フォトリソグラフィ工程（以下、フォトリソ工程という。）の中でもパターンの形状を左右する重要な工程である。如何にして所望のパターンを精度よく転写するかが問題となる。

露光方法には、大きく分けて、近接露光方式と投影露光方式とがある。近接露光方式は、別名プロキシミティー露光方式とも呼ばれ、両者ともフォトリソ工程では広く普及している技術である。

近接露光方式とは、フォトマスクと被露光基板とを一定のギャップを設けて重ねた状態で平行光を照射することによって、マスクパターンを基板に転写する方式である。とりわけカラーフィルター製造工程においては著しく普及した技術で、原理も簡潔である。

しかし、近接露光方式の欠点として、平行光のマスク透過時における光の回折、干渉が挙げられる。光の回折、干渉は、被露光基板上にマスクと同一のパターンを解像させることを困難にする。これは、マスクの開口部と遮光部の境界で光の強度がぼやけるためである。

前項の欠点は、マスクと基板のギャップを狭めることによってある程度回避することができる。しかし、生産ラインにおいてギャップを狭めることは不良の発生につながる。これは、もし基板に異物が存在した場合に、それがマスクに付着し、共通欠陥を発生させる可能性があるためである。

以上に述べた通り、近接露光方式においては必然的にパターンのぼやけが生じ、とりわけ複雑形状等の焼き付けを実施する際には、コーナー部の丸みなどの影響により、所望のパターンを解像させることは非常に困難である。

これに対し、投影露光方式は近接露光方式に比べて解像性が非常に高い。これは、マスクと被露光基板の間にレンズ、またはミラーを設けて、マスクに描画されたパターンを基板上に結像させているためである。また、マスクと基板間距離も充分離れているため、近接露光方式のようにマスクへの異物付着による共通欠陥を発生させる心配もない。

さらに、投影露光方式はその結像過程において、光学的に像を補正することができるため、仮にマスクが歪んでいる場合にも、それを正しい形状に補正することができるという特徴がある。

年々、カラーフィルター製造ラインは大型化の一途をたどっている。この背景には、とりわけ市場の需要に伴うディスプレイの大型化が関与している。ディスプレイの大型化はフォトリソラインの各工程に大きな負荷を生じさせる。露光工程もその例外ではない。

露光工程においては、基板の大型化にともない、マスクの大型化という問題がある。また、マスクを移動して分割露光するステップ露光の必要性も生じるため、まず、第一にパターンの露光位置精度が悪化する。特に、カラーフィルターの基本マトリックスとなるブラックマトリックスのパターン位置精度は重要である。

また、マスクが大型化になることによって、マスク自体が撓みやすくなる。したがって、プロキシミティー露光のような被露光基板とマスクを近接させて露光する場合、基板−マスク間のギャップに不均一性が生じる。そして、最悪の場合は基板とマスクが接触してしまい、不良発生の原因となる。

以上に挙げたような理由により、とりわけブラックマトリックスの露光工程では投影露光方式が採用されることが多い。投影露光方式を採用することにより、露光位置精度は光学的に補正することが可能となり、マスクと基板が近接していないために、マスクの撓みによる悪影響も回避できる。

投影露光方式を採用することによる最も大きな利点は、前述の通り高解像度でのパターン転写が可能となることである。現在、大型基板化と並行して高精細化も一層進み、露光パターンは細線化、複雑化の傾向にある。したがって、投影露光方式の採用はより意味深いものとなっている。

しかし、投影露光装置の欠点として、イニシャルコストが高いという点が挙げられる。これは装置構成、とりわけ光学系が複雑になるためで、現在近接露光（プロキシミティー露光）装置の数倍の価格とされている。

カラーフィルター製造ラインにおいて、初期コストはランニングコストと同様に重要なファクターであり、露光装置が投影露光方式へ移行することは、収益面で望ましい形態とは言えない。したがって、従来のプロキシミティー露光方式で大型基板対応、および高精細化に対応する方法を検討した。

パターン位置精度やマスク撓みによるギャップばらつきは、マスクパターンの精度と装置のアライメント精度を上げる以外に手段は無いが、解像度向上による高精細化については、光学系や材料、マスクパターンの観点から解決することができる。

つまり、装置のアライメント精度を向上させることにより、マスクパターン位置精度の問題は解決できる。したがって、光学系や材料、マスクの調整により解像度の向上を実現できれば、プロキシミティー露光方式が投影露光方式の代替と成り得る。

近接露光方式では、図４の通常のマスクを用いて、例えば、正方形の開口パターンを露光し、現像すると、図１２の顕微鏡写真に示されるように、コーナー部が凹み、解像度が低いものとなってしまう。従来は、解像度としてのコーナー部の曲率は、図示例では、１２μｍと１０μｍ未満にすることはできなかった。
マスクの調整とは、強制的に所望のパターンを得る方法であり、原版となるマスクパターンに補助的なパターンを付随させるなど、半導体分野ではOPCとして極一般的に使われている手法である（例えば、特許文献１および２参照）。
しかし、これ等の方法を近接露光方式に、採用しても曲率１０μｍ未満の解像度の高いパターンを得ることはできない。
特開２００１−１００３８９号公報 特開２００５−１７３０５９号公報

本発明は、プロキシミティー露光のフォトマスクパターンを補正することによって、露光パターンの高解像度化を実現し、投影露光方式の代替と成り得るプロキシミティー露光方式と従来にない高い解像度を有する硬化樹脂のパターンを提案することを課題とする。

本発明は、近接露光方式にて、フォトマスクを使用して、露光を行い、その後、現像および焼成を行って得る樹脂硬化物の硬化パターンであって、少なくとも２本の直線部を有する多角形状をなし、この２本の直線部が交わる交点が曲率９μｍ以下の曲率をもつことを特徴とする硬化パターンの製造方法であって、フォトマスクのマスクパターンとして形成される開口部内に開口外周に沿った遮光補正パターンを設け、或いは、これに加えてまたは替えて、開口部外の遮光部に開口外周に沿った開口補正パターンを設けたフォトマスクを使用する硬化パターンの製造方法である。この場合の硬化パターンはカラーフィルターであることが好ましく、その曲率は、１μｍ以上で８μｍ以下であることが好ましく、さらには１〜６μｍであることが好ましい。また、最大径は２０〜２００μｍであることが好ましい。

本発明は以上の構成であるから、以下に示すような効果がある。即ち、本発明に係わる発明によれば、高価な投影露光方式の露光機を使用せず、安価な近接露光方式の露光機を使用しながら、露光工程で使用するフォトマスクに補正用の遮光部、および開口部を設けることにより、従来にない高い解像度のパターンを容易に補正することができる。
これにより、露光パターンの高解像度化が実現できるため、所望とするパターンが複雑な形状をしていてコーナー部が多い場合であっても、高品質な製品を容易に作成することができる。
そして、本発明では、外周の内側と外側の両方に補正パターンを設けることによって、補正無しの場合と同等のサイズの解像パターンが得られ、しかも形状は所望のパターンに近い高解像パターンが得られる。

以下に、本発明を実施の形態に基づいて説明する。
図１は、本発明によって得られた樹脂硬化物の硬化パターン１００の正面図である顕微鏡写真を図示したものでる。この場合、硬化パターン１００は、樹脂と顔料とを含む組成物を硬化させた樹脂硬化物のパターンであって、好ましくは、カラーフィルター用のものである。ここに、カラーフィルター用とは、赤、緑、青のカラーフィルター用着色層だけではなく、カラーフィルターに用いるブラックマトリックス（ＢＭ）や、フォトスペンサー（ＰＳ）や垂直配向（ＶＡ）や分割垂直配向（ＭＶＡ）などを含むものである。

図１に示されるように、得られるパターン１００は、多角形状、この場合は、4角形をなし、多角形の２本の直線１０１，１０２の交わるコーナーの交差する交点、即ちコーナー部１０５は、曲率Ｒが、従来にない９μｍ以下である。この場合、曲率Ｒとは、コーナー部１０５の曲率半径であって、所謂、解像度である。コーナー部１０５は、略完全な円弧状、即ち、真円度100％の円弧状をなすので、この曲率Ｒは、両直線部１０１，１０２の開き角に応じ、円弧状の円弧の扇の要の開き角度、即ち、円弧の中心角度、この場合は、４角形であるので、開き角９０°の曲率半径であり、図示のように、顕微鏡写真から、容易に求めることができる。この曲率Ｒは、好ましい態様では、８μｍ以下、特に６μｍ以下、より好ましい場合においては、図１に示されるように、５μｍ程度にすることができる。曲率の最小値は、現在のところ、１μｍ程度である。なお、多角形とは、図示の4角形に限らず、３角形等であってもよく、その他、例えば、段差をもった形状であってもよい。また、多角形の最大径は、２０μｍから２００μｍにおいて適用可能である。図示の例では、１辺３０μｍの４角形としている。

本発明において、このような解像度の優れた硬化パターンを得るには、近接露光装置を用いて、所定のフォトマスクを介して露光する。
図２は、近接露光装置の概略図である。図２に示されるように、近接露光装置は、露光光源ランプ１、楕円ミラー２、コールドミラー３、フィルター４、インテグレーターレンズ５、コリメーションミラー６、反射ミラー７、マスク８を有する。
露光光源ランプ１からの光は、楕円ミラー２を経て、コールドミラー３で反射し、フィルター４、インデグレーターレンズ５、コリメーションミラー６、反射ミラー７、マスク８を経て、ガラス基板（被露光基板）１０上に塗工された感光剤９を露光する。
１の光源については特に限定するものではないが、極間が小さく、なるべく点光源となるものが望ましい。出力を上げるなどの影響により極間が広くなった場合は、正規分布する強度がブロードになり、５のインテグレーターレンズにおけるエネルギー損失が大きくなるためである。

本発明にて課題とする解像度の向上は、光学系に依存する部分も大きい。したがって、光源ランプの輝線の分布やそのミラー系の材質、さらにインテグレーターレンズの形状や大きさに起因するコリメーション半角等も適正な条件で実施することが望ましい。コリメーション半角、即ち、拡がり角θの適正条件は1.0°〜2.5°である（図３参照）。

図２にもどって、８はフォトマスクであり１０は感光剤９を塗工した被露光基板である。フォトマスクと感光剤を塗工した基板とのギャップは50μm以上とする。ギャップを狭めれば解像性は向上するものの、異物の混入によるマスク欠損の発生等の不良を招くおそれがあるためである。本発明においては、ギャップ50μm以上、望ましくは200μm程度にて露光し、解像性を向上させる。
露光量は、１００〜２００ｍＪ／ｃｍ^２の条件で行えばよい。露光後、現像と焼付け（焼成）を行う。現像液は通常のものを用い、焼付けは、例えば１８０〜２４０℃の温度、３０分〜６０分間の条件で行う。

図４は、従来のフォトマスクに描画した30μm正方形の開口パターン８５である。白い部分が開口部、黒い部分は遮光部である。黒い部分を含めた全体のサイズは50μmとなっており、これが計算領域となる。以下、全ての図において、白い部分が開口部、黒い部分が遮光部であり、全体領域が計算領域となる。

計算条件は、図３に示されるように、コリメーション半角２°、ギャップ２００μmとし、使用輝線は３６５nmの単一輝線とした。露光装置から発せられた平行光はマスクの開口部を通過して被露光基板に到達する。計算するのは被露光基板に到達した光の強度分布である。

図５は、図４のフォトマスクパターンを使用して得られる解像パターンを計算した結果のパターン１５５である。フォトマスクパターンの開口部とは異なり、4箇所のコーナーが丸みをおびて突き出し、逆に辺の部分が窪んで歪んだ形状となる。

これは、コーナー部での光の干渉により強度が高くなるためである。計算パターン１５５の矩形は4箇所のコーナーを持つために、光強度の高い部分が4箇所できる。結果としてその裾野が解像されて１５５のような歪んだパターンが得られることになる。

この現象は８５の正方形に限らず、鋭角から鈍角に至るまで、すべてのコーナー部で発生する現象であり、とりわけ三角形等の鋭角のコーナーを持つ形状ほどその傾向は顕著に現れる。

図６は、３０μm開口マスクの２μm内側に遮光ラインを内周補正したマスクパターン８１である。遮光は開口外周に沿って付加したものであり、補正パターン８１５の線幅は２μmとした。つまり、外側から２μm開口、２μm遮光、そして開口矩形という順になる。

図７は、図６のパターンで露光した場合の解像パターンの強度分布を計算した結果のパターン１５０である。強度のしきい値は、図４で実施した計算と同等の値とした。この結果から、図５の解像パターンよりも、よりマスクバターンに近づいていることが分かる。しかし、パターンのサイズは、図５の結果よりもかなり小さく解像される。

図８は３０μｍ矩形の外側に開口の補正を付加したマスクパターン８１である。内側補正とは逆に、矩形の２μｍ外側に２μｍ線幅の開口ラインを設けた。

図８のマスクから解像されるパターンを計算した結果のパターン１５１を図９に示す。内側補正と同様、解像パターンは歪みが少なくマスクパターンに近づいている。しかし、内側補正とは逆に、図５の結果よりもかなり大きく解像される。

図１０は、外側補正と内側補正を同時に付加したマスクパターンである。３０μｍ矩形パターンの外側２μｍに開口ラインを設け、内側２μｍに遮光ラインを設けた。各線幅は２μｍとした。

図１０のマスクで解像されるパターンを計算した結果が図１１である。補正ラインを２本入れたため、補正効果が助長され、コーナー部が逆に凸になる傾向が確認された。しかし、補正無しのマスクで露光した場合よりはマスクパターンに近い矩形が得られている。また、解像パターンサイズも、図４の補正無しマスクとほぼ同等の結果となった。

前述の通り、今回の計算は全て３６５nmの単一輝線にて計算しているため、解像パターンがやや波状の回折うねりが発生している。しかし、実際の露光では他輝線が混入するために、今回示した図のように顕著な回折うねりは生じない。したがって、図１０の解像結果も、実際は、前記の解像結果とほぼ同等程度に歪みの少ない矩形が得られる。

比較例および実施例

以下に、実施形態に沿った具体的な運用方法について説明する。
感光性樹脂組成物としては、アクリル−エポキシ系バインダー樹脂をレジスト固形分中に３０質量％、不飽和二重結合を有する重合性モノマーをレジスト固形分中に２７質量％、カーボンブラック顔料（平均粒子径５０〜２００ｎｍ）をレジスト固形分中に４０質量％含有するものを使用した。なお、レジスト固形分中には、光重合開始剤を２質量％添加し、さらに、シランカップリング剤も１質量％含有されている。レジスト全体に占める固形分濃度は、用途により異なるが、ここでは、２０質量％のものを使用した。残りは溶剤である。
露光光学系は、図２に示したごく一般的なもので、ランプは２kＷのものを使用した。また、コリメーション半角は2°、露光ギャップは２００μｍの固定で行った。また、露光後、無機アルカリ現像液（５質量％の炭酸ナトリウム水溶液）を用いて現像を行い、その後、２３０℃の温度で焼成した。

比較例１
図４に示した補正無しのパターンで露光した場合の結果を図１２に示す。この場合、図５の計算結果の図とほぼ同等に歪んだ形状が得られた。曲率は図示のとおり、１２μｍであった。なお、露光量、現像時間はマスクパターンと同一の線幅、つまり３０μｍで解像される条件で実施した。

実施例１
前項と同じ条件にて、図６のマスクパターンで露光した結果、図１３に示される結果を得た。この場合、図７に示した計算結果とほぼ同等の歪みの少ない矩形形状が得られた。実際の曲率は、５μｍであった。なおその線幅は２６μｍとなり、計算結果とほぼ同一の値となった。

実施例２
前項と同じ条件にて、図８のマスクパターンで露光した結果、図１４に示される結果を得た。図８に示した計算結果とほぼ同等の歪みの少ない矩形形状が得られた。なお、その線幅は３４μｍとなり、計算結果とほぼ同一の値となった。

実施例３
前項と同じ条件にて、図９のマスクパターンで露光した結果、図１に示される結果を得た。計算結果よりも一層歪みの少ない矩形形状が得られ、曲率は５μｍであった。これは、単一輝線で計算した結果と多輝線混入の実験との差と考えられる。なお、その線幅は３０μｍとなり、計算結果とほぼ同一の値であり、マスク寸法とも一致した。

比較例２
図１５（ａ）に示されるマスク、即ち、略凸字状の開口部を有するマスクを用いたところ、図１５（ｂ）に示されるように、比較例１と同様に、歪んだ形状のパターンしか得られなかった。

実施例４
同様に、図１６（ａ）に示される略凸字状の開口部を有し、２μｍ内側に２μｍ幅の補正パターンを設けたマスクを用いたところ、図１６（ｂ）に示されるように、解像度の高いパターンが得られた。

安価な近接露光方式の露光装置を使用しながら、露光パターンの高解像度化が実現できる。このため、所望とするパターンが複雑な形状をしている場合であっても、高品質な製品を容易に作成することができる。

本発明の実施形態において得られた樹脂硬化物の硬化パターンの正面図である顕微鏡写真を示す図である。 本発明の実施形態において使用する近接露光装置の概略図である。 本発明の実施形態においてパターンの計算条件を説明するための概略図である。 従来の補正無しマスクパターンの一例を示す平面図である。 補正無しマスクパターンにて露光した際の解像パターン形状計算結果を示す平面図である。 本発明の実施形態による開口パターン内側に補正を施したマスクパターンの一例を示す平面図である。 本発明の実施形態による開口パターン内側に補正を施したマスクパターンにて露光した際の解像パターン形状計算結果を示す平面図である。 本発明の実施形態による開口パターン外側に補正を施したマスクパターンの一例を示す平面図である。 本発明の実施形態による開口パターン外側に補正を施したマスクパターンにて露光した際の解像パターン形状計算結果を示す平面図である。 本発明の実施形態による開口パターン内側と外側に補正を施したマスクパターンの一例を示す平面図である。 本発明の実施形態による開口パターン内側と外側に補正を施したマスクパターンにて露光した際の解像パターン形状計算結果を示す平面図である。 比較例において得られた樹脂硬化物の正面図である顕微鏡写真を示す図である。 実施例において得られた樹脂硬化物の硬化パターンの正面図である顕微鏡写真を示す図である。 実施例において得られた樹脂硬化物の硬化パターンの正面図である顕微鏡写真を示す図である。 比較例において得られた樹脂硬化物の硬化パターンの正面図である顕微鏡写真を示す図である。 実施例において得られた樹脂硬化物の硬化パターンの正面図である顕微鏡写真を示す図である。

符号の説明

１ 露光光源ランプ
２ 楕円ミラー
３ コールドミラー
４ フィルター
５ インテグレーターレンズ
６ コリメーションミラー
７ 反射ミラー
８ マスク
９ 感光剤
１０ ガラス基板
１００ 硬化パターン
１０５ コーナー部

Claims (6)

1. 近接露光方式にて、フォトマスクを使用して、露光を行い、その後、現像および焼成を行って得る樹脂硬化物の硬化パターンであって、少なくとも２本の直線部を有する多角形状をなし、この２本の直線部が交わる交点が曲率９μｍ以下の曲率をもつ硬化パターンの製造方法であって、フォトマスクのマスクパターンとして形成される開口部内に開口外周に沿った遮光補正パターンを設け、或いは、これに加えてまたは替えて、開口部外の遮光部に開口外周に沿った開口補正パターンを設けたフォトマスクを使用する硬化パターンの製造方法。
2. 前記開口マスクパターンにおいて、遮光補正パターン、および開口補正パターンの線幅が一定幅であり、かつ前記線幅が０．５μｍ以上、８μｍ以下である請求項１の硬化パターンの製造方法。
3. カラーフィルター用である請求項１または２の硬化パターンの製造方法。
4. 前記曲率が１μｍ以上８μｍ以下である請求項１〜３のいずれかの硬化パターンの製造方法。
5. 前記曲率が１〜６μｍである請求項４の硬化パターンの製造方法。
6. 最大径が２０〜２００μｍである請求項１〜５のいずれかの硬化パターンの製造方法。

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