JP5020820B2 - カラーフィルタ基板の製造方法及びカラーフィルタ突起修正装置 - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光を用いて平坦な表面を有する基板を製造する方法に関し、さらに、液晶表示装置（LCD）などのカラーフィルタを通してカラー画像表示する表示装置のカラーフィルタ製造で発生する突起を修正する方法および当該方法を用いて平坦な表面を有するカラーフィルタ基板を製造する方法に関する。
図１に液晶表示装置の代表的な一部の構成を示す。液晶表示装置用液晶セル１は、表示パネルの裏側に設けられたバックライト（図示なし）、ＴＦＴ基板２２０、カラーフィルタ基板１００およびＴＦＴ基板２２０とカラーフィルタ基板１００に挟持された液晶２１０が基本的構成要素である。ＴＦＴ基板２２０は、透明ガラス基板５、偏光素子（図示しない）、透明ガラス基板上５に形成された画素制御用のトランジスタ６、ゲート走査線７−１、蓄積容量線７-２、配向膜を最上層に有する透明電極を備える。一方、カラーフィルタ基板１００は、透明基板２、透明基板２上に形成されたカラーフィルタ３および共通電極が基本的構成要素である。カラーフィルタ基板１００とＴＦＴ基板２２０の間には、液晶空間の層厚を画面全体にわたって均一にするために、カラーフィルタ基板のブラックマトリックス４−１を配置した不透明の場所に円筒状のスペーサ４−２が配置されている。
バックライトから照射された光は、ＴＦＴ基板に設けられた偏光板(図示なし)によって直線偏光し、液晶２１０を通過する間に偏光特性が制御され（つまり偏光特性が変化しあるいは変化せず）、カラーフィルタ基板１００に設けられた偏光板によって遮断あるいは透過される。
このような構成を有する液晶表示装置については、特開２００３-２３３０６４、特開２０００-３０５０８６などに記述されている。図２に液晶表示装置におけるカラーフィルタ基板の代表的構成要素を模式的に示した。表示画面は、カラーフィルタ赤（R）３−１、青（B）３−２、緑（G）３−３がそれぞれ形成された複数の画素で構成される。スペーサ４−２は、光感光性樹脂の露光、エッチングのプロセスによりブラックマトリックス４−1上に形成される。また、スペーサ４−２の高さ９は約４μｍ程度であり、液晶の封入する場所において色むらが発生しないように同じ高さで形成される。
カラーフィルタ基板を製造する工程において、カラーインクを１−３μｍの厚さで塗布するが、カラーフィルタの画素にインクを置く工程で、カラーインクの粘性や硬化速度などの物理的パラメータによっては、フィルタ画素部に突起８が形成されることがある。これは突起状の欠陥であり、この突起の高さ１０は10μｍ程度で円筒の直径は20μmから100μｍ程度である。
このような突起状の欠陥が発生すると、カラーフィルタ基板と対になって対向配置されるTFT基板との間の距離はスペーサ４−２の高さ９では決定されずに欠陥である突起８の高さ１０によって決定されることになる。したがって液晶空間の層厚が位置によって異なり、色むらが発生し液晶表示セルは欠陥品となる。
カラーフィルタに突起が形成された場合、公知技術によれば、検査によって特定された突起状の欠陥に向けてパルスレーザを照射し、突起を構成するごみ、カラーインクなどの突起全体を透明基板まで除去し、周囲のカラーフィルタに凹みを形成し、その後、ディスペンサを用いてその穴に修正用インクを充填して、異物突起状の欠陥を修正していた（特許文献３）。紫外線レーザでカラーフィルタ上の異物を除去し、色抜けされた位置に黒レジストを塗布し、紫外線で硬化させる方法も知られている（特許文献４）。
日本特許 特開２００３−２３３０６４号公報
日本特許 特開２０００−３０５０８６号公報
日本特許 特開２００３−２７９７２２号公報
日本特許 特開２００３−５７４２８号公報
上述の従来方法は何れも、一旦カラーフィルタの透明基板まで除去し、次に、カラーまたは黒インクを充填して硬化させるので、除去と充填の工程が少なくとも２工程必要になるという欠点がある。
本発明は、基板表面から突出する突起部を除去して平坦な表面を有する基板を製造する方法であって、高NA集光レンズによる短加工焦点深度集光ビームを基板表面に照射して突起部に対しては該突起部の除去に必要なフルエンスを与えると同時に基板表面の位置では前記フルエンス以下として突起部を除去する工程を含む基板の製造方法を提供することによって上記の課題を解決するものである。
前記ビームを基板表面に平行に走査することによって作業効率を向上させることができる。短焦点深度集光ビームは第２高調波、第３高調波、第４高調波など基本波の高調波であることが好ましい。さらに、ビームウエストの位置は、基板表面または基板表面の近傍の位置にくるのが良い。また、突起部の平面形状を検出し、当該平面形状が検出されたら、前記平面形状を含む一定の範囲だけを走査することによって本発明を効率よく実施することができる。その際、絞り込んだ光束あるいは開口の結像を走査してもよい。
さらに、突起は必ずしも全てを除去することは必須ではなく、突起の上層の一部のみを除去するものであってもよい。その際使用するレーザの波長は、560〜390nm程度、さらには390nm以下であることが好ましい。これは、突起となるカラーフィルタの材料が主に樹脂であるので、可視から紫外域に掛けて比較的高い吸収特性を有し、このためレーザが照射された表層の僅かな部分のみが除去されやすくなるからである。また、レーザのパルス幅は1×10-12秒以下であることが好ましい。 さらに、前記基板がカラーフィルタ基板であれば、インクによって形成された突起が適切に除去されたカラーフィルタ基板を得ることができる。
本発明は、さらに、カラーフィルタ基板の製造過程において、スペーサより高い突起部を高NA集レンズによる短加工焦点深度集光ビームを基板表面に平行な方向に相対的走査し、突起部を除去することを特徴としたカラーフィルタ突起修正方法を提供することによって前記の課題を解決するものである。
また本発明は、レーザ光発生手段、レーザ光発生手段により発生したレーザ光を収束ビームに変換する集光レンズ、及び収束ビームを被処理物体であるカラーフィルタ基板の表面に平行な方向に相対的走査をする相対的移動手段を有し、収束ビームを相対的走査をしながら照射することにより前記カラーフィルタのスペーサより高い突起物を除去するカラーフィルタ突起修正装置を提供することによって前記の課題を解決するものである。収束ビームの相対的移動手段としてステージを用いるほかガルバノミラー光学系によるものが可能である。
本発明によれば、カラーフィルタの製作過程において突起が形成された後に検査工程でその突起のある位置を計測し、次いで短焦点深度集光レーザビームで除去し、所定の高さに加工を施すことが可能になる。突起部を所定の高さで切除するために、ピコ秒以下の短パルス、赤外域の短パルスを波長変換して紫外線レーザにし、この紫外線短パルスを高NA集光レンズで集光し、集光スポットによる加工焦点深度を突起の高さより短くなるように光軸方向のレーザパワー密度分布を形成し、その集光スポットをカラーフィルタ基板面に平行に走査することで、加工焦点内の突起を除去することで所望の突起を修正する。カラーフィルタ基板の突起状の欠陥を所定の高さまで残したまま、所定の高さ以上の部分を除去することで修正の工程を簡略にすることが可能になる。
本発明の効果として、例えばカラーフィルタに関して記載すれば、製作工程で発生した突起状の欠陥にレーザビームを照射するだけで、不良品の原因となる突起の先端部を含むスペーサより高い部分を簡単に除去できるので製品の歩留まり向上が図れ、製品のコストが低減される。さらに従来レーザ法で突起を修正する方法では完全に突起部を基板まで除去加工を行った後に、別工程としてカラーインクを除去部分に補填して修正する工程を必要としたが、この発明では突起部だけを除去することで修正が完了できる利点がある。
さらに短パルスの高パワー密度で除去するため、除去物は微細に気化されることで飛散でき、吸引ノズルを加工点の突起に接近して設置すれば、容易にガス状体として吸引処理が可能である。
１：液晶表示装置用液晶セル
２：カラーフィルタ用透明基板
３：３−１，３−２，３−３ カラーフィルタ
４−１：ブラックマトリックス
４−２：スペーサ
５：透明ガラス基板
６：画素制御用のトランジスタ
７−１：ゲート走査線
７−２：蓄積容量線
８、２３：突起
８−１：被除去突起
８−２：残存突起
９：スペーサ高さ
１０：突起高さ
１４、２７：切除面
１６：ビームウエスト
１７、１９：ビーム
１８：高NA集光レンズ
２０、２１：ビーム方向
２２：ビームウエスト位置
２４：XYステージ
２５：ステージ台
２６：軌跡
２７：切除面
２８：段差
２９：突起頂上
３０：模擬突起
１００：カラーフィルタ基板
２２０：TFT基板
２１０：液晶
２：カラーフィルタ用透明基板
３：３−１，３−２，３−３ カラーフィルタ
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１００：カラーフィルタ基板
２２０：TFT基板
２１０：液晶
以下に本発明を図により説明する。図２に示したカラーフィルタ基板の代表的構成要素は、本発明による加工対象である。カラーフィルタには図示していない透明電極、さらにその上に配向膜などが設けられるがここでは発明の加工方法とは関連しないので図示していない。図２においてカラーフィルタを構成する透明基板２の上にクロムなどの蒸着膜をパターン形成によってブラックマトリックスの不透明部４−１を形成し、光透過部分の窓の開かれた部分に赤、緑、青のカラーフィルタ３―１，３-２，３−３が設けられる。光の透過しないブラックマトリックス４−１の部分にはカラーフィルタ基板１００とTFT基板２２０の間の空間距離を定めるスペーサ４−２が設けられる。この高さ９は４μｍ程度である。
一方この発明の修正方法を適用するためのカラーフィルタの製作工程の中で形成される突起８は高さ１０が１０μｍ程度から１００μｍの高さに及ぶものも発生する。もしこのような高さの突起がそのまま液晶基板セルとして組み立てられると、液晶２１０を封入する空間の厚さは場所によって異なる。このため液晶表示基板には色むらが発生することになり、実用的な表示装置が得られない。したがって突起８の高さは少なくともスペーサ４−２の高さ９以下に抑えることが必要である。
このような必要性からこの発明ではレーザ加工を用いるが通常のレーザ切断加工はレーザビームの光軸方向に沿って切断面が形成されるのが一般的である。この発明はレーザビームの空間的な軸方向のパワー密度を制御して加工面をレーザビームの光軸に直角方向に形成する。
一般に、加工焦点距離は光学的な焦点距離と同等と考えられ、その範囲は、λ/NA２で与えられる。ここでλは光の波長、NAはレンズの開口数である。この式より、加工焦点距離はNAの2乗に反比例する。このことは短焦点大口径レンズを用いれば光軸方向の加工範囲を小さな範囲に限定できることを意味している。レンズとしてNA=0.7、焦点距離ｆ＝２ｍｍの集光レンズを加工用紫外線レンズとして用い、波長780nmの短パルスレーザから２倍波を非線形光学結晶で発生させた波長390nmの短パルスレーザを用いると加工焦点距離は0.9μｍとなる。したがってこの程度の高NA集光レンズを用いると光軸方向にこの加工焦点深度程度で加工範囲を制御可能となる。加工面の平坦度は走査スポットのオーバラップ率によって変化するが、実用的にはカラーフィルタの突起切除の場合は50％程度で十分である。
図３に上記の光学系と加工対象物であるカラーフィルタの突起の配置関係を示す。波長390nmのパルスは光ファイバによるモード同期フェムト秒レーザ発生器からの波長1560nmのフェムト秒レーザを非線形光学結晶で波長を半分に変換し、この短パルスをチタン添加のサファイヤ結晶の増幅利得物質で増幅し、その近赤外域の波長に非線形光学結晶で変換し波長390nmの紫外線短パルス出力を得る。このパルスを図３においてビーム19として矢印20の方向から高NA集光レンズ18に入射させ、集光レンズを出た収束ビーム17を突起８に向けて照射する。収束ビーム17は集光ビームウエスト16を形成する。
レーザ出力のパルスエネルギーを調整することでビームウエスト16近傍の加工焦点深度を1μｍ以下の十分小さな値にできるから、この焦点近傍のレンズ18から遠方側の加工焦点深度をカラーフィルタ突起8の制御したい高さである図３のガラス基板２から距離15のところに設定する。ビームウエストの位置２２はカラーフィルタの切断除去位置レベル１４より上の加工焦点深度１３程度だけ上のレベルに設定する。
このような光学系配置で図４に示すビーム走査を行う。ステージ台25上にXYステージ24を搭載し、その上に突起２３を配置し、XYステージ24をジグザク軌跡26でレーザビーム光軸と直角面内で走査する。この走査の軌跡は突起物から外れた面積まで走査してもこの部分には悪影響を与えない。このようなビーム走査によって図３に示す突起８は、レーザビームの加工焦点内に来ると加工焦点内の突起は除去される。図３ではその除去された突起部を破線で示した部分８−１で示す。さらにビーム走査を方向２１に進めていくと、残存している突起部分８−２は除去され、結果的には切除面１４から突起が切り詰められる。
ビームを走査するには、ステージを移動させる方法以外に、ガルバノミラーを用いてビームを図4に示されたようなジグザグ状に動かす方法を用いてもよい。
ビームを走査するには、ステージを移動させる方法以外に、ガルバノミラーを用いてビームを図4に示されたようなジグザグ状に動かす方法を用いてもよい。
加工実例を示す。レーザ光は、基本波として780nmを発振するTi:Sa（チタンサファイア）レーザの第2高調波である390nmの波長を使用した。パルス繰り返し率：1000Hz，パルスエネルギー：５ｎJ、パルス幅200fs、ビーム品質M2=X方向1.63、Y方向1.62、レンズはNAが０．７（ミツトヨ製M Plan NIR 100×HR）を採用、ビーム径：1μm、走査速度：10μm/s、走査ピッチ：１μｍ、エネルギー照射フルエンス：0.6J/cm2の条件で図5の写真に示すカラーフィルタと同じ材料で人工的に作製した模擬突起30の上半分を切除するために、写真の下手の方から左右にビームを走査して半分程度を切除した。
切除面27と模擬突起の頂上２９の段差28は切除によって形成され、切除面の表面粗さは照射時の集光スポットの重ね合わせられる率、すなわちオーバラップ率により変化し、50％の場合で粗さは60nmであった。この表面粗さはカラーフィルタとして用いる上では十分な平坦さである。突起の高さをスペーサより低いところまで切除すればよいので、十分な加工精度が得られることがわかる。本発明の方法では、パルス幅の狭いレーザ光を用いるので、加工点での熱衝撃が少なく、変性などが生じない。また、レーザ光が照射された部分はプラズマ化するため、色料に対する影響もほとんど生じない。
なお、チタンサファイアレーザの基本波は必ずしも780nmとは限らず、700から900nm程度の間で波長を調整することができる。したがって、その第2高調波は350から450nm程度、第3高調波は233から300nm程度になる。また、基本波が980から1120nm程度のYb（イッテルビウム）ファイバーレーザーの第2高調波または第3高調波を使うこともできる。高調波を得るための非線形光学結晶としては、LBO（リチウムトリボレート）、BBO（バリウムボーレート）などが用いられる。
さらに、基本波が1064nmのNd:YAGまたはNd:YVO4レーザの第2高調波（532nm）、第3高調波（355nm）、第4高調波（266nm）も使用可能であり、材料への吸収が高い紫外領域である第3高調波と特に第4高調波は著しい効果が得られる。
以上本発明の実施例を説明した。特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想から逸脱することなく、これらに変更を施すことができることは明らかである。
上記の実施例は、液晶表示装置のカラーフィルタに関して説明したが、その他の表示装置の突起を除去する場合にも適用できる。カラー表示の方法として液晶表示以外に有機ELのカラー表示に用いるカラーフィルタの突起状の欠陥の修正工程にも使用できる。この場合は液晶表示セルのようにスペーサは不要であるが突起が不良原因になることは考えられる。カラーフィルタの表面近傍にビームウエストを位置させ、カラーフィルタの基板に平行に走査することで、もし突起がカラーフィルタの面から突出していれば、切除することが可能となる。その他、機械加工時に発生するバリを除去する場合にもこの発明の突起除去方法が利用できる。即ち本体の上部に高NA集光レンズでレーザビームウエストの位置を設定し、突起部だけを切除し、本体表面は無傷のままになるように、パワー密度を短加工焦点深度による光軸方向の加工焦点深度の浅いことを利用して設定して、バリ部だけを切除する。
Claims (11)
- カラーフィルタ基板の基板表面から突出する突起部を除去することを含むカラーフィルタ基板の製造方法であって、高ＮＡ集光レンズによる短加工焦点深度集光ビームを基板表面に平行に走査して、該ビームを基板表面に照射し、前記突起部に対しては基板表面に形成されたスペーサより低い所定の高さまで前記突起部を除去するのに必要なフルエンスを与えて、前記突起部を前記スペーサより低くなるように前記突起部を部分的に除去する工程を含むカラーフィルタ基板の製造方法。
- 前記ビームは基本波の高調波である請求項１に記載のカラーフィルタ基板の製造方法。
- 前記ビームは基本波の第２高調波である請求項１に記載のカラーフィルタ基板の製造方法。
- 突起部の表面近傍にビームウエストがくるように短加工焦点深度集光ビームを設定する請求項１ないし３のいずれかに記載のカラーフィルタ基板の製造方法。
- 突起部の平面形状を検出し、前記平面形状を含む一定の範囲だけを走査する請求項１ないし４のいずれかに記載のカラーフィルタ基板の製造方法。
- 絞り込んだ光束あるいは開口の結像を走査する、請求項１ないし５のいずれかに記載のカラーフィルタ基板の製造方法。
- レーザの波長が５６０nm以下である請求項１ないし６のいずれかに記載のカラーフィルタ基板の製造方法。
- レーザの波長が３９０nm以下である請求項１ないし６のいずれかに記載のカラーフィルタ基板の製造方法。
- レーザのパルス幅が１×１０ −１２ 秒以下である請求項１ないし８のいずれかに記載のカラーフィルタ基板の製造方法。
- レーザ光発生手段、前記レーザ光発生手段により発生したレーザ光を短加工焦点深度の収束ビームに変換する高ＮＡ集光レンズ、及び前記収束ビームを被処理物体であるカラーフィルタ基板の表面に平行な方向に相対的に走査をする相対的移動手段を有し、
前記収束ビームをカラーフィルタ基板の基板表面に平行に走査して、前記収束ビームを基板表面に照射し、基板表面から突出する突起部に対しては基板表面に形成されたスペーサより低い所定の高さまで前記突起部を除去するのに必要なフルエンスを与えて、前記突起部を前記スペーサより低くなるように前記突起部を部分的に除去することを特徴とするカラーフィルタ突起修正装置。 - 前記相対的走査手段が、ステージまたはガルバノミラー光学系であり、前記ステージの移動または前記ガルバノミラー光学系による前記短加工焦点深度の収束ビームの移動によって前記相対的走査がなされることを特徴とする請求項１０記載のカラーフィルタ突起修正装置。
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