JP5707960B2

JP5707960B2 - カラーフィルタ層の欠陥修正方法および、カラー液晶表示素子

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Publication number: JP5707960B2
Application number: JP2011009554A
Authority: JP
Inventors: 靖裕柴田; 圭介安田
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2031-01-20
Also published as: JP2012150323A

Description

本発明は、液晶表示装置等に用いるカラーフィルタの欠陥修正方法に関し、特にアレイ基板としてのＴＦＴ基板上に形成されたカラーフィルタの欠陥修正方法、及び、その欠陥修正方法によって欠陥部分が修正されたカラーフィルタ基板に関する。

カラー液晶表示装置はコンピュータ端末表示装置、テレビ画像表示装置を中心に急速に普及が進んでいる。このカラー液晶表示装置は、アレイ基板と、このアレイ基板に所定の隙間を保持して対向配置された対向基板と、これら２つの基板間に狭持された液晶層と、から構成される液晶表示素子を備えており、アレイ基板および対向基板のいずれか一方の基板には、カラー化のために通常、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色の着色層からなるカラーフィルタが設けられている。

近年、この液晶表示装置には、高コントラスト化、高視野角化、低消費電力等の様々な要求があり、液晶表示装置のカラー表示化には必要不可欠なカラーフィルタにおいても同様の要求を達成する必要がある。通常、カラーフィルタは対向基板に設けられていたが、最近では、例えば、特許文献１、２に開示されているように、この着色画素や樹脂により形成されるブラックマトリックス（ＢＭ）をアレイ基板側に形成する試みもなされて、カラーフィルタオンアレイ（ＣＯＡ・ＢＯＡ）と呼称されている。

液晶表示装置用カラーフィルタ基板の製造工程において、歩留まりを改善するためにカラーフィルタ基板中の欠陥を修正している。一般に、対向基板に設けられていた液晶表示装置用カラーフィルタは、ガラス基板上に、ブラックマトリックス、着色画素、透明導電膜、柱状スペーサおよび配向制御用突起が複数の工程で順次形成されている。カラーフィルタの製造工程において、代表的な不良の一つとして、「異物」が付着する欠陥が挙げられる。この異物には、レジスト材料の硬化片や、装置のベアリング削れ等による金属片、あるいは埃などの多様なバリエーションが存在する。カラーフィルタ製造の中間工程において欠陥が発生した場合、欠陥部をレーザーで除去した後、各構成層に対応した修正インクをそれぞれ塗布して硬化させることにより良品となるカラーフィルタ基板とする欠陥修正方法がある。

着色層の修正に関しては、特許文献１に開示されているように、まず異物近傍の欠陥部をレーザーで除去して微小な白欠陥部とすることが従来より行われてきた。その後、液晶表示装置の高精細化、高品位化への必要性から、特許文献２、特許文献３及び特許文献４に開示されているように、レーザーにより欠陥部が除去・トリミングされた被修正面（白欠陥部）に、塗布針方式やディスペンス方式あるいはインクジェット方式を用いて、極微量の修正液を塗布して硬化させることにより良品とする修正方法が採用・実用化されている。

着色層以外を対象とした修正方法として、特許文献５には、透明導電膜の上に発生した異物欠陥を、特定波長のレーザ光を用いて照射・除去する方法が開示されている。また、特許文献６には、ＩＴＯ（酸化インジウムすず）からなる下地層の上にある修正対象の樹脂部を、下地層に損傷を与えない強度のレーザー光のパルス照射によって欠陥を修正する方法が開示されている。

ガラス基板上に形成されたカラーフィルタのレーザーリペアによる修正方法については上記特許文献以外にも、例えば、特許文献７，８、９，１０、１１，１２、１３，１４，
１５，１６，１７に技術が開示されており、現在の量産品種の修正においては公知の対応方法として実施されている。上記した、特許文献に示されたカラーフィルタのレーザー修正において、着色層（ＲＧＢ他）およびブラックマトリックス（ＢＭ）等からなるカラーフィルタ層の欠陥部分を修正する際、一般にＹＡＧレーザー（３５５ｎｍ、５３２ｎｍ）等を用いレーザーアブレーションにて除去するが、カラーフィルタ層のレーザーエネルギー吸収量が構成層により様々であり、欠陥修正部分の周囲への影響をも考慮する必要がある。この為、アブレーションのレーザー強度レベルはそれぞれの層に応じて調整される。

また、対向基板としてガラス基板上にカラーフィルタを形成した単独カラーフィルタの場合、レーザー修正したい形成層の下層はガラス基板の為、修正箇所のレーザーアブレーションに伴う下地の損傷はそれほど考慮しなくてよかった。しかし、カラーフィルタオンアレイ（ＣＯＡ・ＢＯＡ）の場合、ＴＦＴ基板上に着色層（ＲＧＢ他）およびブラックマトリックス（ＢＭ）などのカラーフィルタ層が形成されており、修正箇所のレーザーアブレーションに伴う下地であるＴＦＴ基板上の保護膜の損傷を考慮する必要がある。

また、実際に保護膜上のカラーフィルタ層を修正する場合において、カラーフィルタ層の修正箇所のアブレーション除去に必要なレーザー強度に対して、下地であるＴＦＴ基板上の保護膜がアブレーションにより損傷を受けるレーザーエネルギー強度がカラーフィルタ層のそれよりも小さい場合、カラーフィルタ層のレーザーアブレーションにより下地であるＴＦＴ基板上の保護膜が損傷してしまうことがしばしばある。この為、ＴＦＴ基板上に形成されたカラーフィルタ層の選択的な修正ができないことが現状である。

特公平０６−１００６８３号公報特許第３３８１９１１号明細書特開２００６−１４５７８６号公報特開２００６−０３０２８３号公報特開２００７−３３３９７２号公報特開２００８−１８０９０７号公報特開２０１０−１０２０６３号公報特開２０１０−１０２０６３号公報特開２０１０−２２４３５９号公報特開２００９−２７１４５２号公報特開２００９−２７１２７４号公報特開２００９−１９８８６９号公報特開２００９−３６８０４号公報特開２００８−２２４９４２号公報特開２００９−９０１３号公報特開２００８−１４５８２８号公報特開２００７−１０１８０９号公報特開２００４−３２５８３７号公報

上述したように、従来のカラ−フィルタの欠陥修正方法を用いた場合には、対向基板としてガラス基板上に形成されたカラーフィルタに比べ、アレイ基板としてＴＦＴ基板上に形成されたカラーフィルタ（ＣＯＡ・ＢＯＡ）の場合、異物等によりＮＧとなった際、ＴＦＴ基板も破棄されることとなり損失が非常に大きい。この為、ＴＦＴ基板上に形成されたカラーフィルタの選択的な欠陥修正技術の確立は必須となっている。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、液晶表示装置用カラーフィルタ基板の製造工程において、ＴＦＴ基板上に着色層（ＲＧＢ他）およびブラックマトリックス（ＢＭ）などのカラーフィルタが形成されたカラーフィルタオンアレイ（ＣＯＡ・ＢＯＡ）におけるレーザー修正において、修正箇所のレーザーアブレーションに伴う下地であるＴＦＴ基板上の保護膜の損傷を発生させることなく、選択的にカラーフィルタ層のみを修正することができるカラーフィルタの欠陥修正方法、及び、その欠陥修正方法によって欠陥部分が修正されたカラーフィルタ基板を提供することを課題としている。

そこで、本発明の請求項１に係る発明は、液晶表示素子のアレイ基板側に形成された、着色層、ブラックマトリックスから成るカラーフィルタ層の欠陥修正方法であって、少なくとも、予め検出しておいた前記カラーフィルタ層の欠陥修正部分に赤外線を集光して炭化着色した後、前記欠陥修正部分の下地である保護膜層に損傷を与えないエネルギーのレーザー光を照射して前記欠陥修正部分を除去することを特徴とするカラーフィルタ層の欠陥修正方法である。

次に、本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載するカラーフィルタの欠陥修正方法によって、欠陥部分が修正されたカラーフィルタ層を備えることを特徴とする液晶表示素子である。

本発明のカラーフィルタの欠陥修正方法では、予めカラーフィルタの欠陥修正部分を炭
化着色させることで、ＴＦＴ基板上に形成された着色層（ＲＧＢ他）およびブラックマトリックス（ＢＭ）などのカラーフィルタ層（カラーフィルタオンアレイ（ＣＯＡ・ＢＯＡ））における、修正箇所のレーザーアブレーションに伴う下地の損傷を発生させることなく、選択的にカラーフィルタ層のみを修正することが可能となった。

また、本発明のカラーフィルタの欠陥修正方法によれば、修正箇所のレーザーエネルギー吸収率を上げることが可能となり、従来のアブレーション除去に必要なレーザーエネルギー強度に比べ、低いレーザーエネルギー強度で修正箇所をアブレーション除去することが可能となった。

本発明の欠陥修正方法が適用される、アレイ基板側に遮光層および着色画素が形成された、一例の液晶表示素子の部分断面模式図である。図１の液晶表示素子に用いられるアレイ基板の一例における部分平面模式図である。カラーフィルタ層のレーザーアブレーションによる下地（ＴＦＴ保護膜）の損傷例を示す部分拡大写真である。本発明の欠陥修正方法を適用した、選択的修正例を示す部分拡大写真である。

本発明のカラーフィルタの欠陥修正方法を、一実施形態例に基づいて以下に詳細に説明する。

図１は、本発明の欠陥修正方法が適用される、アレイ基板側にカラーフィルタを構成するＢＭおよび着色層を形成した、一例の液晶表示素子の部分断面を模式的に示したものである。また、図２は、そのアレイ基板の部分平面模式図である。

アレイ基板側に着色層及びＢＭを形成することにより、画素の開口率を向上させるだけでなく、ＴＮ（ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）方式やＰＳＡ（ＰｏｌｙｍｅｒＳｕｓｔａｉｎｅｄＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式といった対向基板（１）側に配向分割用のスリット（１４）や図示しない突起を必要としない液晶駆動方式を用いた液晶表示装置においては、対向基板（１）は、ガラス基板（１１）に共通電極（１３）及び配向膜（１５）のベタ膜を形成すればよいため、液晶パネル製造時における、対向基板（１）とアレイ基板（２）を貼り合せる工程においてアライメントを必要としないためにタクトタイムを向上させることが可能となる。

図１に示すように、この液晶表示素子は、少なくとも画素電極（２４）、および前記画素電極を駆動する薄膜トランジスタ（３）と、前記薄膜トランジスタを覆って設けられた複数色の着色画素（２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂ）を備えたアレイ基板（２）と、前記アレイ基板に所定の隙間を保持して対向配置された対向基板（１）と、を備えており、当該複数色の画素は少なくとも着色層から構成されている。複数色には赤、緑、青（ＲＧＢ）の組み合わせやそれらにイエロー、マゼンダ、シアンを追加した組み合わせが挙げられるが、ここではアレイ基板にＲＧＢ系を適用したものを示す。

図１、図２に示すように、アレイ基板（２）は透明基板（２１）上に、モリブデンやタングステンもしくはその合金等の金属からなるゲート線（３８）およびゲート電極（３１）を配置し、これらを覆うように酸化ケイ素・窒化ケイ素等からなるゲート絶縁膜（３２
）が配置されている。また、ゲート絶縁膜上にはアモルファス・シリコンなどの半導体層（３４）が配置され、更にモリブデンやアルミニウムからなるソース線（３７）、ソース電極（３５）、ドレイン電極（３６）が配置されスイッチング素子を形成している。スイッチング素子の上には、酸化ケイ素・窒化ケイ素等からなる保護層（３３）が配置される。

アレイ基板上への着色層および遮光層の作製方法は、公知のインクジェット法、印刷法、フォトリソグラフィ法、エッチング法など何れかの方法で作製できる。高精細、分光特性の制御性及び再現性等を考慮すれば、透明な樹脂中に顔料を、光開始剤、重合性モノマーと共に適当な溶剤に分散させた着色樹脂組成物をアレイ基板上に塗布して塗布膜を形成し、この塗布膜にパターン露光、現像することで一色の着色層を形成する工程を各色毎に繰り返し行って着色画素を形成するフォトリソグラフィ法が好ましい。

本発明のカラーフィルタの欠陥修正方法を適用する場合、まず、上記したアレイ基板上への着色層および遮光層の作製工程において、欠陥を検出する。上記したカラーフィルタ付アレイ基板（２）基板を、図示しない検査機で検査し、欠陥を検出した場合、欠陥の位置を座標データとして記録し、図示しない修正装置へ転送する。以下、欠陥修正装置における作業となる。対象となる欠陥は、着色層の白欠陥、ブラックマトリックスの白欠陥及び黒欠陥などがある。

上記位置データに基づき、ＴＦＴ基板上に形成された着色層（ＲＧＢ他）およびブラックマトリックス（ＢＭ）などのカラーフィルタ層の任意の修正箇所に赤外線を集光させ、カラーフィルタ層の任意の修正箇所を炭化させる。

ここで、着色層およびブラックマトリックス層はアクリル樹脂を骨格としている為、３５０〜７００℃付近の熱エネルギーをかけることで、炭化処理により着色（茶褐色〜黒色）を呈する。この為、レーザーエネルギーの吸収率が上がる。

また、下地にあたるＴＦＴ基板の保護膜は、通常窒化珪素Ｓｉ_３Ｎ_４（シリコンナイトライド：ＳｉｌｉｃｏｎＮｉｔｒｉｄｅ）などのナイトライドにより形成されており、共有結合による強固で安定した構造であり、高硬度、耐摩耗性に優れ、高温環境で機械的強度を失わず、高い耐熱性を持つ。なお、窒化珪素Ｓｉ_３Ｎ_４は約１４００℃まで安定しているが、約１４００℃〜１５００℃においてα型と呼ばれる低温安定相からβ型と呼ばれる高温安定相へと相転移が起こる。このナイトライドの耐熱性により、任意の修正箇所のカラーフィルタ層を炭化処理することにおける保護膜の損傷はない。

次に、炭化させた任意の修正箇所をＹＡＧレーザー（３５５ｎｍ）にてレーザーアブレーションを行い除去する。

ここで、レーザー光源は、強度可変のレーザー光源が選定される。昇華時に必要な光強度を確保するためにＹＡＧレーザーを用いることが好ましい。また、レーザー波長としては、３５５ｎｍの他、５３２ｎｍ等を用いても良い。レーザーは、特にこのタイプに限定されず、炭化処理されたカラーフィルタ層が除去されるエネルギーを持つレーザーであればよい。

表1に、修正対象である着色層の炭化処理した炭化処理部と、未処理部とのアブレーションに必要なレーザーエネルギー強度の値を示す。このときのレーザー条件は、波長３５５ｎｍ、周波数２０Ｈｚ、レーザーショット数２０Ｓｈｏｔである。表１に示すように、修正箇所の炭化処理を行うことにより、該当カラーフィルタ層のレーザーエネルギーの吸収率が高まるため、未処理部に比べより低エネルギーでのレーザーアブレーションが可能
となることがわかる。ここで、レーザーエネルギー強度の単位として、発振出力２ｍＪを０．５単位で１００分割した値をエネルギー強度１と規定している。すなわち、レーザーエネルギー強度１＝１．０×１０^−２［ｍＪ／強度］である。

表２に、修正対象である着色層の下地となるＴＦＴ基板上の保護膜のアブレーションに必要なレーザー強度の値を示す。このときのレーザー条件は、波長３５５ｎｍ、周波数２０Ｈｚ、レーザーショット数２０Ｓｈｏｔである。ここで、レーザーエネルギー強度１＝１．０×１０^−２［ｍＪ／強度］である。

この結果、ＴＦＴ基板上の保護膜のアブレーションに必要なレーザーエネルギー強度の値に対して、炭化処理を施すことによりカラーフィルタ層のアブレーションに必要なレーザーエネルギー強度が十分に低くなるため、ＴＦＴ基板上の保護膜を損傷させることなく、選択的にＴＦＴ基板上に形成されたカラーフィルタ層の任意修正箇所をレーザーアブレーションにより選択的に除去することが可能となった。図３に、未処理部のカラーフィルタ層のレーザーアブレーションによる下地（ＴＦＴ基板上の保護膜）の損傷例を、図４に、ＴＦＴ基板上に形成したカラーフィルタ層（ＢＬＵＥ画素）の本発明による選択的修正例を示す。

以上の如く、選択的に欠陥修正を実施した後、次に、公知の方法により着色層を再形成することで着色画素を再生させる。以上説明したように、本発明のカラーフィルタの欠陥修正方法を用いることによって、今まで廃棄せざるをえなかったＣＯＡ・ＢＯＡの不良品の良品化が図れるため、歩留まりが向上し、生産性向上への寄与が期待できる。

１・・・対向基板１１・・・ガラス基板１２・・・偏光板
１３・・・共通電極１４・・・スリット１５・・・配向膜
２・・・アレイ基板２１・・・ガラス基板２２・・・偏光板
２３・・・着色層（Ｒ、Ｇ、Ｂ）２４・・・画素電極２６・・・スリット
２７・・・配向膜２８・・・ブラックマトリクス２９・・・コンタクトホール

３・・・薄膜トランジスタ層３１・・・ゲート電極３２・・・ゲート絶縁膜３３・・・保護層３４・・・半導体層３５・・・ソース電極
３６・・・ドレイン電極３７・・・データ線３８・・・ゲート線
４・・・液晶層

Claims

液晶表示装置のアレイ基板上に形成された、着色層、ブラックマトリックスから成るカラーフィルタ層の欠陥修正方法であって、少なくとも、予め検出しておいた前記カラーフィルタ層の欠陥修正部分に赤外線を集光して炭化着色させ、その後、前記欠陥修正部分の下地である保護膜層に損傷を与えないエネルギーのレーザー光を照射して前記欠陥修正部分を除去することを特徴とするカラーフィルタ層の欠陥修正方法。
請求項１に記載するカラーフィルタの欠陥修正方法によって、欠陥部分が修正されたカラーフィルタ層を備えることを特徴とする液晶表示素子。