JP5866997B2 - Photomask and color filter manufacturing method - Google Patents

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本発明は、カラー液晶表示素子に用いるカラーフィルタに関し、特に、液晶表示セルのセルギャップを制御するための固定スペーサを設けたカラーフィルタとその製造に用いるフォトマスクに関する。   The present invention relates to a color filter used for a color liquid crystal display element, and more particularly to a color filter provided with a fixed spacer for controlling a cell gap of a liquid crystal display cell and a photomask used for manufacturing the color filter.

アクティブマトリックス方式の液晶表示素子では、一般に、ガラス基板上に各画素ごとに薄膜トランジスタ(TFT)等のスイッチング素子を形成した画素電極基板と、他のガラス基板上に画素パターンを配列した着色透明画素を覆って一様な透明電極を形成したカラーフィルタ基板とが、間に液晶を挟んで対向して配置される。本素子は、各TFT素子のスイッチング動作によって各画素の液晶配向の変化を利用したシャッター機能を制御している。
近年、液晶表示装置の大型化、高精細化、高速応答化、広い視野角や高コントラスト化などの高画質化にあわせて、垂直配向と呼称されるVA液晶において液晶の配向を制御する配向規制用突起を形成したMVA方式、画素の横方向に液晶駆動用の電界が印加されるIPS(In Plane Swiching)方式の液晶表示素子が採用されるようになってきている。
In an active matrix liquid crystal display element, generally, a pixel electrode substrate in which a switching element such as a thin film transistor (TFT) is formed for each pixel on a glass substrate, and a colored transparent pixel in which a pixel pattern is arranged on another glass substrate. A color filter substrate that covers and forms a uniform transparent electrode is disposed opposite to the liquid crystal. This element controls the shutter function using the change in the liquid crystal alignment of each pixel by the switching operation of each TFT element.
In recent years, alignment regulations that control the alignment of liquid crystals in VA liquid crystals, called vertical alignment, in line with higher image quality such as larger size, higher definition, faster response, wider viewing angle and higher contrast of liquid crystal display devices An MVA method in which a protrusion is formed and an IPS (In Plane Switching) method liquid crystal display element in which an electric field for driving a liquid crystal is applied in the horizontal direction of the pixel have been adopted.

TFTを用いた液晶表示素子は、画素電極基板であるTFT基板とカラーフィルタ基板を所定の間隔を設けて対向させて配置し、エポキシ樹脂等に補強用の繊維を混合したシール剤によってこれら基板を貼り合わせることにより構成される。カラーフィルタ基板とTFT基板との間には液晶が封入されているが、カラーフィルタ基板とTFT基板との間隔を正確に保持しないと、液晶層の厚みに差異が出て、液晶の旋光特性差による着色を生じたり、あるいは部分的な色むらが生じて、正しく表示されなくなるという現象が生じる。そのため、セル化工程でビーズスペーサとも称する直径2μmないし10μmの樹脂、ガラス、アルミナ等からなる球あるいは同等サイズの棒状体を多数散布してスペーサを設け、液晶に混合した状態で、液晶のセルギャップ(挟持間隔)の保持を図っている。このスペーサは透明な粒子であることから、画素内に液晶と一諸にスペーサが入っていると、黒色表示時にスペーサを介して光が漏れてしまい、また、液晶材料が封入されている基板間にスペーサが存在することによって、スペーサ近傍の液晶分子の配列が乱され、この部分で光漏れを生じ、コントラストが低下し表示品質に悪影響を及ぼす、などの問題を有している。   In a liquid crystal display element using TFT, a TFT substrate which is a pixel electrode substrate and a color filter substrate are arranged to face each other with a predetermined interval, and these substrates are bonded by a sealing agent in which reinforcing fibers are mixed with epoxy resin or the like. It is configured by pasting together. Liquid crystal is sealed between the color filter substrate and the TFT substrate, but if the distance between the color filter substrate and the TFT substrate is not accurately maintained, the thickness of the liquid crystal layer will differ, resulting in a difference in the optical rotation characteristics of the liquid crystal. This causes a phenomenon in which coloring is caused by or a partial color unevenness occurs and the image is not displayed correctly. Therefore, in the cell forming process, a large number of spheres made of resin, glass, alumina or the like having a diameter of 2 μm to 10 μm, which are also referred to as bead spacers, or a rod-like body of the same size are dispersed and spacers are provided. (Holding interval) is maintained. Since this spacer is a transparent particle, if there is a spacer in the pixel with liquid crystal, light leaks through the spacer during black display, and between the substrates in which the liquid crystal material is sealed Due to the presence of the spacers, the alignment of the liquid crystal molecules in the vicinity of the spacers is disturbed, causing light leakage at this part, resulting in a problem that the contrast is lowered and the display quality is adversely affected.

このような問題を解決する技術として、例えば、感光性樹脂を用い、部分的なパターン露光〜現像というフォトリソグラフィー法により、カラーフィルタ画素間の遮光層上に固定スペーサ機能を有する突起部を形成する方法が提案されている(特許文献1、2参照)。固定スペーサは、フォトスペーサ、あるいは、柱状(ポスト)スペーサなどとも呼ばれ、PSと略称される。感光性樹脂により選択的に位置決めされて形成される複数のPSを、カラーフィルタ基板上にフォトリソグラフィー法を用いて規則的に配することが多い。上記固定スペーサ、あるいは、前述のMVA方式の配向規制用突起のような突起状パターンを、フォトリソグラフィ法の手法で形成するための技術は、特許文献3〜6に開示されている。   As a technique for solving such a problem, for example, a photosensitive resin is used, and a protrusion having a fixed spacer function is formed on a light shielding layer between color filter pixels by a photolithography method of partial pattern exposure to development. A method has been proposed (see Patent Documents 1 and 2). The fixed spacer is also called a photo spacer or a columnar (post) spacer, and is abbreviated as PS. In many cases, a plurality of PSs formed by being selectively positioned by a photosensitive resin are regularly arranged on a color filter substrate using a photolithography method. Patent Documents 3 to 6 disclose techniques for forming the above-described fixed spacers or protrusion patterns such as the above-described MVA-type alignment regulating protrusions by a photolithography technique.

固定スペーサは、様々な外部からの圧力に抗して液晶セルギャップを一定の範囲に保持する機能を充分に発揮することが重要である。液晶セルは、セル化工程後にも、外部から強い圧力を受ける機会が多い。そこで、このような強い圧力に対しても固定スペーサが容
易につぶれないように、固定スペーサを構成する材料の強度や弾性特性を改善することが要請されている。
また、セル面内における柱状の固定スペーサの総断面積が小さいとセル化工程で基板間のギャップが均一になりにくく、液晶表示装置に色ムラなどが発生し易くなる。さらに、局部的に過剰な荷重を受けた場合には液晶表示装置に色ムラなどが発生し易くなる。従って、上述の固定スペーサを構成する材料の強度や弾性特性とともに、柱状の固定スペーサの断面形状および配置密度で決まるセルの押圧耐性を一定レベル以上とすることが必要である。
It is important that the fixed spacer sufficiently exhibits the function of holding the liquid crystal cell gap in a certain range against various external pressures. The liquid crystal cell often receives strong pressure from the outside even after the cell forming process. Therefore, it is required to improve the strength and elastic properties of the material constituting the fixed spacer so that the fixed spacer does not easily collapse even under such strong pressure.
Further, if the total cross-sectional area of the columnar fixed spacers in the cell plane is small, the gap between the substrates is difficult to be uniform in the cell forming process, and color unevenness or the like is likely to occur in the liquid crystal display device. Furthermore, when an excessive load is locally applied, color unevenness or the like is likely to occur in the liquid crystal display device. Therefore, it is necessary to make the pressure resistance of the cells determined by the cross-sectional shape and arrangement density of the columnar fixed spacers above a certain level together with the strength and elastic characteristics of the material constituting the above-mentioned fixed spacers.

柱状の固定スペーサーの断面積が大きく押圧耐性が高いとセル化工程で基板間のギャップは均一に保持できるが、過剰な押圧耐性により液晶セル内で真空気泡が発生し易くなる。例えば、低温時に液晶の体積収縮が生じた場合に、セルギャップが収縮に充分に追随できないと、内圧変動により低温発泡という異常現象が発生し、表示品質を劣化させる。
この問題を解決する方法として、基板間のギャップを保持する柱状の固定スペーサ(メインスペーサ)よりも高さの低い柱状の固定スペーサ(サブスペーサ)を併せて形成する方法が特許文献7に記載されている。サブスペーサを設ける上記の方法は、メインスペーサのみでの押圧耐性不足を補うためのセルギャップの下支えの意味と共に、下限のセルギャップをサブスペーサの高さに従って設定することにより、外部からの圧力に対抗して必要に応じてセルギャップを調節し易くする意味がある。
If the cross-sectional area of the columnar fixed spacer is large and the pressure resistance is high, the gap between the substrates can be kept uniform in the cell forming process, but vacuum bubbles are easily generated in the liquid crystal cell due to the excessive pressure resistance. For example, when the liquid crystal volume shrinkage occurs at a low temperature, if the cell gap cannot sufficiently follow the shrinkage, an abnormal phenomenon called low-temperature foaming occurs due to fluctuations in internal pressure, thereby degrading the display quality.
As a method for solving this problem, Patent Document 7 describes a method in which a columnar fixed spacer (sub-spacer) having a lower height than a columnar fixed spacer (main spacer) that holds a gap between substrates is also formed. ing. The above-mentioned method of providing the sub-spacer is effective for adjusting the pressure from the outside by setting the lower limit cell gap according to the height of the sub-spacer as well as the support of the cell gap to compensate for the insufficient pressure resistance only by the main spacer. It is meaningful to easily adjust the cell gap as needed.

なお、前記メインスペーサやサブスペーサは、基板に水平な断面形状が円形または多角形で、全体形状は、上底部が下底部より狭い柱状のパターンを用いることが多い。
また、前記メインスペーサやサブスペーサを形成するにあたり、高さの異なる2つのパターンを別個の工程で順次作製することは可能であるが、フォトリソグラフィー法を繰り返すために製造工程が長くなり、製品を高品質に低コストで供給する上で不利になる。そのため、工程を短縮する目的で、同一の感光性樹脂を用い、フォトマスクパターンに工夫をすることにより、異なる高さのパターンを一括して同時に実現することが試みられている。具体的には、厚く塗布されたフォトレジスト膜の厚さの制御に関して、充分な露光量を与える領域と遮光する領域との中間の露光量を与えて、突起部の高さを中間レベルに作る方法を用いれば、メインスペーサより低いサブスペーサのパターンをメインスペーサと一括して形成することができる。
さらに、メインスペーサ、サブスペーサ、MVA用の配向規制用突起の3種を、光透過率が異なる半透過性のハーフトーン膜を有するフォトマスクを用いて形成する方法が特許文献8に記載されている。
The main spacer and the sub-spacer have a circular or polygonal cross-sectional shape that is horizontal to the substrate, and the overall shape often uses a columnar pattern in which the upper bottom is narrower than the lower bottom.
In forming the main spacer and the sub-spacer, it is possible to sequentially produce two patterns having different heights in separate steps, but the manufacturing process becomes longer due to the repetition of the photolithography method, and the product becomes longer. It is disadvantageous to supply high quality at low cost. Therefore, for the purpose of shortening the process, an attempt has been made to simultaneously realize patterns of different heights at once by using the same photosensitive resin and devising a photomask pattern. Specifically, regarding the control of the thickness of the thickly applied photoresist film, an intermediate exposure amount between a region that provides a sufficient exposure amount and a region that shields light is provided, and the height of the protrusion is made at an intermediate level. If this method is used, a pattern of sub-spacers lower than the main spacer can be formed together with the main spacer.
Further, Patent Document 8 describes a method of forming three types of alignment spacer projections, a main spacer, a sub-spacer, and an MVA, using a photomask having a semi-transmissive halftone film having different light transmittance. Yes.

一方、面内均一なセルギャップを有する液晶セルをセル化工程でのトラブル無しに形成する目的で、カラーフィルタ基板端部にもダミーパターンとしてメインスペーサと同等のものを設ける提案があるが、通常は、端部のダミーパターンの天頂部の高さ方向の位置が有効部のメインパターンの天頂部の高さ方向の位置より低く形成される。これは、端部のダミーパターンを設ける土台となる端部の平面位置上にカラーフィルタ各層の厚み分が存在しないことにより、ダミーパターン自体の高さがメインスペーサと同じであっても、ダミーパターンの天頂部の高さ方向の位置がメインスペーサの天頂部の高さ方向の位置より低くなってしまうことによる。上記の問題を防ぐために、カラーフィルタ有効面内のメインスペーサ自体の高さをダミーパターン自体の高さより小さくして、結果的にパターン天頂部の高さ方向の位置を揃える手法として、フォトマスクに段差を設ける方法が提案されている(特許文献9参照)。   On the other hand, for the purpose of forming a liquid crystal cell having a uniform cell gap in the surface without trouble in the cell forming process, there is a proposal to provide a dummy pattern equivalent to the main spacer at the end of the color filter substrate. Is formed such that the height direction position of the zenith portion of the dummy pattern at the end portion is lower than the height direction position of the zenith portion of the main pattern of the effective portion. This is because even if the height of the dummy pattern itself is the same as that of the main spacer, there is no thickness of each layer of the color filter on the planar position of the edge part which becomes the base for providing the dummy pattern at the edge part. This is because the position in the height direction of the zenith portion of the main spacer becomes lower than the position in the height direction of the zenith portion of the main spacer. In order to prevent the above problem, as a method of aligning the height direction of the pattern zenith in the photomask, the height of the main spacer itself in the effective surface of the color filter is made smaller than the height of the dummy pattern itself. A method of providing a step has been proposed (see Patent Document 9).

特開平10−48636号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-48636 特開平8−262484号公報JP-A-8-262484 特開平9−258192号公報JP 9-258192 A 特開平11−248921号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-248921 特開2001−201750号公報JP 2001-201750 A 特開2001−108813号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-108813 特許第3925142号公報Japanese Patent No. 3925142 特開2009−151071号公報JP 2009-151071 A 特開2006−330545号公報JP 2006-330545 A

液晶表示素子に組み込むカラーフィルタ基板において、固定スペーサの平面配置位置に応じて異なる種類の固定スペーサの高さを制御する目的で、使用するフォトマスクにハーフトーンマスク(特許文献8)や段差付きフォトマスク(特許文献9)を用いることは既に提案されている。しかし、段差付きフォトマスクを用いる場合において、近接露光(プロキシミティ)法における露光ギャップを大きくするためにフォトマスク表面上で低く設けた通常パターンにより投影される有効部の固定スペーサは、露光ギャップを小さくするためにフォトマスク表面上で高く設けた通常パターンにより投影される端部のダミーパターンに較べて、形成されるスペーサパターン自体の高さを自由に制御された状態で低く設けることは簡単ではない。   In a color filter substrate incorporated in a liquid crystal display element, a halftone mask (Patent Document 8) or a stepped photo is used as a photomask to be used for the purpose of controlling the height of different types of fixed spacers depending on the planar arrangement position of the fixed spacers. The use of a mask (Patent Document 9) has already been proposed. However, in the case of using a photomask with a step, the fixed spacer of the effective portion projected by the normal pattern provided low on the photomask surface in order to increase the exposure gap in the proximity exposure (proximity) method, It is not easy to set the height of the spacer pattern to be formed low in a freely controlled manner compared to the dummy pattern at the end projected by the normal pattern provided high on the photomask surface in order to reduce the size. Absent.

これに対して、ハーフトーンマスクを用いる場合においては、ハーフトーン膜の光透過率を適宜設定することによって、ハーフトーン膜を通過する露光量を直接制御できるので、形成されるスペーサパターン自体の高さを自由に制御し易い。しかし、ハーフトーンマスクを用いてメインスペーサとサブスペーサを一度に形成する場合、サブスペーサのサイズによっては、サブスペーサの上底部が凹んだ形状になってしまい、液晶の配向乱れによる光漏れやサブスペーサの弾性特性の低下が生じることがある。図3は、従来のハーフトーン膜36を用いた(a)フォトマスク30と、プロキシミティ露光方式によりフォトマスク30を用いて製造される(b)光硬化性樹脂によるネガタイプ材料で突起部を形成したカラーフィルタ40の一例とを説明するための模式断面図である。ハーフトーン膜36により露光量を減らされて形成されたサブスペーサ46は、表面の開口部35を通して全透過の露光を受けて形成された隣接するメインスペーサ45より、その高さを低く制御することができるものの、不充分な露光量による光硬化のため上底部が凹んだ形状など形状不良になり易い。   In contrast, in the case of using a halftone mask, the exposure amount passing through the halftone film can be directly controlled by appropriately setting the light transmittance of the halftone film. It is easy to control the height freely. However, when the main spacer and the sub-spacer are formed at a time using a halftone mask, depending on the size of the sub-spacer, the upper bottom portion of the sub-spacer becomes a concave shape, which causes light leakage due to liquid crystal orientation disorder and sub-space. Deterioration of the elastic properties of the spacer may occur. 3A and 3B show a protrusion formed of a negative type material made of (a) a photomask 30 using a conventional halftone film 36 and a photomask 30 manufactured by a proximity exposure method and (b) a photocurable resin. It is a schematic cross section for demonstrating an example of the color filter 40 which was made. The height of the sub-spacer 46 formed by reducing the exposure amount by the halftone film 36 is controlled to be lower than that of the adjacent main spacer 45 formed by being subjected to the full transmission exposure through the opening 35 on the surface. However, it is liable to be inferior in shape such as a shape in which the upper bottom is recessed due to photocuring with an insufficient exposure amount.

また、上記と同様のフォトマスクを用いてサブスペーサと同様にメインスペーサより低く形成する配向規制用突起を設ける場合、突起の形状不良により液晶配向制御に不具合が発生することがある。サブスペーサや配向規制用突起の凹み形状はスペーサや突起の形成工程においてプロキシミティ露光方式による露光時に露光ギャップを広くすることで一般的には改善できるが、同時に形成するメインスペーサに対して充分な露光量を与える際の露光ギャップが過剰に大きくなることにより、メインスペーサの高さバラツキが悪化する問題が発生する。このため、高さの異なる複数種類の突起状パターンを同時形成する場合の実用的な改善が困難であった。   In addition, in the case where an alignment regulating protrusion formed lower than the main spacer is provided using the same photomask as the sub-spacer, a defect may occur in liquid crystal alignment control due to a defective shape of the protrusion. The concave shape of the sub-spacer and the alignment regulating protrusion can be generally improved by widening the exposure gap during exposure by the proximity exposure method in the spacer or protrusion forming process, but it is sufficient for the main spacer formed at the same time. When the exposure gap at the time of giving the exposure amount becomes excessively large, there arises a problem that the height variation of the main spacer is deteriorated. For this reason, it has been difficult to improve practically when a plurality of types of protruding patterns having different heights are simultaneously formed.

本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、一回のフォトリソグラフィー法における露光工程により、高さの異なる複数種類の突起状パターンを適正な高さと形状を保持して同時に形成するためのフォトマスクを提供することである。   The present invention is proposed in view of the above-mentioned problems, and the problem to be solved by the present invention is to appropriately project a plurality of types of protruding patterns having different heights by an exposure process in a single photolithography method. It is to provide a photomask for simultaneously forming while maintaining a high height and shape.

上記の課題を解決するための手段として、請求項1に記載の発明は、高さの異なる複数種類の突起状パターンを露光対象基板の同一面側に製造する際に用いる、異なる高さの突起状パターン形成に対応したフォトマスクであって、
透明基材のパターン形成する側に段差を設け、最も高い突起状パターン(メインスペーサ)を除く突起状パターン(サブスペーサ)を形成するためのマスクパターンを前記段差の低い側に設け、前記段差の低い側に設けた前記マスクパターンを前記サブスペーサの上底部を凹みない適正な形状に形成するためハーフトーン膜としたことを特徴とするフォトマスクである。
As means for solving the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 is characterized in that a plurality of types of protrusion-shaped patterns having different heights are used to manufacture protrusions having different heights on the same surface side of the exposure target substrate. Photomask corresponding to the formation of a pattern,
A step is provided on the pattern forming side of the transparent substrate, and a mask pattern for forming a protruding pattern (sub-spacer) excluding the highest protruding pattern (main spacer) is provided on the lower side of the step. The photomask is characterized in that the mask pattern provided on the lower side is formed as a halftone film in order to form an appropriate shape in which the upper bottom portion of the sub-spacer is not recessed .

また、請求項2に記載の発明は、高さの異なる複数種類の突起状パターンを、光硬化タイプの感光性樹脂を用いて1回のフォトリソグラフィ工程で形成するカラーフィルタの製造方法であって、フォトリソグラフィ工程の露光時に請求項1に記載のフォトマスクを用いることを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。
The invention according to claim 2 is a method for producing a color filter, wherein a plurality of types of protruding patterns having different heights are formed by a single photolithography process using a photocurable photosensitive resin. a method of manufacturing a color filter, which comprises using a photo-mask according to claim 1 during the exposure photolithography process.

本発明は、高さの異なる複数種類の突起状パターンを露光対象基板の同一面側に製造する際に用いる、異なる高さの突起状パターン形成に対応したフォトマスクであって、最も高い突起状パターンを除く突起状パターンを形成するためのマスクパターンをフォトマスクの開口部に半透過性のハーフトーン膜により設け、かつ、ハーフトーン膜を用いるマスクパターンをハーフトーン膜を用いない最も高い突起状パターン形成に対応するマスクパターンよりも低く設けた透明基材表面に有するので、一回のフォトリソグラフィー法における露光工程により、高さの異なる複数種類の突起状パターンを適正な高さと形状を保持して同時に形成するためのフォトマスクを提供することができる。   The present invention is a photomask for use in manufacturing a plurality of types of protruding patterns having different heights on the same surface side of an exposure target substrate, and corresponding to the formation of protruding patterns having different heights. The mask pattern for forming the projection pattern excluding the pattern is provided in the opening of the photomask with a semi-transparent halftone film, and the mask pattern using the halftone film is the highest projection pattern that does not use the halftone film Since it has a transparent substrate surface that is lower than the mask pattern corresponding to pattern formation, multiple types of protruding patterns with different heights are maintained at the appropriate height and shape by one exposure process in photolithography. A photomask for simultaneous formation can be provided.

また、本発明のフォトマスクを、液晶表示素子用のカラーフィルタにおけるメインスペーサとサブスペーサとからなる固定スペーサの製造に適用することによって、各スペーサの高さを最適に保持し、良好な形状を有するカラーフィルタを提供できるので、これを組み込んだ液晶表示素子において、低温発泡による表示不良を起こさずに耐荷重特性を向上させることができる。   In addition, by applying the photomask of the present invention to the manufacture of a fixed spacer composed of a main spacer and a sub-spacer in a color filter for a liquid crystal display element, the height of each spacer is optimally maintained and a good shape is obtained. Since the color filter can be provided, in a liquid crystal display element incorporating the color filter, the load resistance can be improved without causing a display defect due to low-temperature foaming.

本発明のフォトマスクの構成の一例を形成順に説明するための模式断面図である。It is a schematic cross section for demonstrating an example of a structure of the photomask of this invention in order of formation. 本発明のカラーフィルタの構成の一例を説明するための模式断面図である。It is a schematic cross section for demonstrating an example of a structure of the color filter of this invention. 従来のフォトマスク(a)と、それを用いて製造されるカラーフィルタ(b)の一例とを説明するための模式断面図である。It is a schematic cross section for demonstrating the conventional photomask (a) and an example of the color filter (b) manufactured using it. 本発明のカラーフィルタの製造方法の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of the manufacturing method of the color filter of this invention. 本発明の液晶表示素子の構成の一例を説明するための模式断面図である。It is a schematic cross section for demonstrating an example of a structure of the liquid crystal display element of this invention.

以下、図面に従って、本発明を実施するための形態について説明する。図1は、本発明のフォトマスクの構成の一例を形成順に説明するための模式断面図である。
以下、加工対象として、カラーフィルタにメインスペーサとメインスペーサよりも高さの低いサブスペーサとからなる固定スペーサを同時形成する場合について説明するが、一般的に高さの異なる複数種類の突起状パターンを露光対象基板の同一面側に製造する場合に用いるフォトマスクに関して、同様の構成により同様の機能を得ることができる。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the configuration of the photomask of the present invention in the order of formation.
Hereinafter, a case where a fixed spacer including a main spacer and a sub-spacer having a height lower than that of the main spacer is simultaneously formed on the color filter as a processing target will be described. Generally, a plurality of types of protruding patterns having different heights are used. A similar function can be obtained with a similar configuration with respect to a photomask used in manufacturing the substrate on the same surface side of the substrate to be exposed.

図1(a)において、フォトマスクの透明基材1は、平坦性、光学的均一性、表面硬度、熱的安定性、耐薬品性等に優れた石英ガラス等のガラス基板が利用できる。透明基材1のパターン形成する側を表面、パターン形成しない反対面を裏面14とすれば、表面に段差13を設けることにより、高い表面11と低い表面12を選択的に形成することができる。ここで、高い表面とは透明基材1が厚い領域の表面を指し、低い表面とは透明基材1が薄い領域の表面を指す。
透明基材1の元来の板厚を特定の箇所だけ薄くする加工によって上記の段差13を設けるが、その方法としてウェットエッチング法とドライエッチング法があり、加工部の平坦性を考慮するとウエットエッチングの方が好ましい。フォトマスクの基材となる石英ガラス基板にポジレジストを塗布し、エッチングで基板厚を薄くする箇所のみを描画にて感光、現像して基材表面を露出させる。次に基材表面上の高い表面11となるべき箇所に残したポジレジストをマスクとしてフッ化水素酸溶液にてエッチングを行い、段差13とその結果現れる低い表面12を形成した後に、レジストパターンを専用の剥離液で除去して、段差付き透明基材1を得る。
In FIG. 1A, a transparent substrate 1 of a photomask can be a glass substrate such as quartz glass having excellent flatness, optical uniformity, surface hardness, thermal stability, chemical resistance and the like. If the pattern forming side of the transparent substrate 1 is the front surface and the opposite surface on which the pattern is not formed is the back surface 14, the high surface 11 and the low surface 12 can be selectively formed by providing the step 13 on the surface. Here, the high surface refers to the surface of the region where the transparent substrate 1 is thick, and the low surface refers to the surface of the region where the transparent substrate 1 is thin.
The step 13 is formed by thinning the original plate thickness of the transparent substrate 1 only at a specific location. There are a wet etching method and a dry etching method as the methods, and wet etching is considered in consideration of flatness of the processed portion. Is preferred. A positive resist is applied to a quartz glass substrate serving as a base material for the photomask, and only the portion where the substrate thickness is reduced by etching is exposed and developed by drawing to expose the base material surface. Next, etching is performed with a hydrofluoric acid solution using a positive resist left as a high surface 11 on the substrate surface as a mask to form a step 13 and a low surface 12 appearing as a result, and then a resist pattern is formed. Removal with a special stripping solution yields a transparent substrate 1 with a step.

次に、段差付き透明基材の加工表面に真空蒸着、スパッタリング等により、酸化クロム膜、クロム膜及び酸化クロム膜の多層からなる遮光膜5を形成し、遮光膜上にスピンコート法等によりレジストを塗布し、レジスト層を形成し、電子ビーム描画装置にてパターン描画、現像処理等のフォトリソグラフィー法によるパターニング処理を行って、レジストパターンを形成する。電子ビーム露光では、基板厚の異なる領域に形成されたレジスト層をパターン露光する際、露光面の位置(フォーカス)調整を光の一括露光に較べて容易に行うことができる。その後、レジストパターンをマスクにして専用のエッチング液にて遮光膜5を選択的にエッチングし、レジストパターンを専用の剥離液で除去することにより、段差付き透明基材1上の遮光膜5の所定位置に高い表面の開口部15および低い表面の開口部16をそれぞれ形成する(図1(b)参照)。次に、酸化クロムからなるハーフトーン膜6を全面に成膜し、スピンコート法等によりレジストを塗布し、レジスト層を形成、電子ビーム描画装置にてパターン描画、現像処理等のパターニング処理を行って高い表面の開口部15上のハーフトーン膜上をレジスト開口部に、また低い表面の開口部16上のハーフトーン膜上をレジストで覆うようにレジストパターンを形成する。レジストパターンをマスクにして専用のエッチング液にてハーフトーン膜を選択的にエッチングし、レジストパターンを専用の剥離液で除去して、高い表面の開口部15を全透過性の開口部とし、低い表面の開口部16を半透過性の開口部にハーフトーン膜6を形成した領域とする本発明のフォトマスク10を得る(図1(c)参照)。   Next, a light shielding film 5 composed of a chromium oxide film, a multilayer of chromium film and a chromium oxide film is formed on the processed surface of the stepped transparent substrate by vacuum deposition, sputtering, etc., and a resist is formed on the light shielding film by a spin coating method or the like. Is applied to form a resist layer, and a resist pattern is formed by performing patterning processing by a photolithography method such as pattern drawing and development processing by an electron beam drawing apparatus. In electron beam exposure, when pattern exposure is performed on resist layers formed in regions having different substrate thicknesses, the position (focus) of the exposure surface can be adjusted more easily than in the case of batch exposure of light. Thereafter, the light-shielding film 5 is selectively etched with a dedicated etching solution using the resist pattern as a mask, and the resist pattern is removed with a dedicated stripping solution, whereby the light-shielding film 5 on the stepped transparent substrate 1 is predetermined. A high surface opening 15 and a low surface opening 16 are respectively formed at positions (see FIG. 1B). Next, a halftone film 6 made of chromium oxide is formed on the entire surface, a resist is applied by a spin coat method or the like, a resist layer is formed, and patterning processing such as pattern drawing and development processing is performed by an electron beam drawing apparatus. Then, a resist pattern is formed so as to cover the halftone film on the opening 15 on the high surface with the resist opening, and cover the halftone film on the opening 16 on the low surface with the resist. Using the resist pattern as a mask, the halftone film is selectively etched with a dedicated etchant, and the resist pattern is removed with a dedicated stripper to make the high surface opening 15 a fully transmissive opening and low. A photomask 10 of the present invention is obtained in which the opening 16 on the surface is a region in which the halftone film 6 is formed in a semi-transmissive opening (see FIG. 1C).

図2は、本発明のカラーフィルタの構成の一例を説明するための模式断面図である。
図2に示すように、このカラーフィルタは、液晶表示素子に用いるカラーフィルタとして基本的な機能を備えたカラーフィルタに、高さの異なる2種の柱状の固定スペーサが付加されたものである。
すなわち、図2に示すカラーフィルタ20は、一般に低膨張ガラス等を用いることの多いカラーフィルタの透明基板21上に、遮光性のブラックマトリックス22と、一般に赤色、緑色、青色の3色を選択的に平面配置する着色透明画素23、24、25が順次にフォトリソグラフィー法により形成された後に、オーバーコート層26が塗布形成される。必要に応じて、オーバーコート層26の全面上に透明電極層を真空蒸着法、スパッタリング法等により成膜するが、図では省略する。さらに高さの異なる2種の柱状の固定スペーサとして、メインスペーサ27およびサブスペーサ28が、前述の目的のために、同時に形成されたものである。サブスペーサ28は、前述のように外部からの圧力に対抗して必要に応じてセルギャップを調節し易くする意味で、メインスペーサ27よりも高さが0.3〜0.8μm低く、通常は約0.5μm低く形成する。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the configuration of the color filter of the present invention.
As shown in FIG. 2, this color filter is obtained by adding two types of columnar fixed spacers having different heights to a color filter having a basic function as a color filter used in a liquid crystal display element.
That is, in the color filter 20 shown in FIG. 2, a light blocking black matrix 22 and generally three colors of red, green, and blue are selectively provided on a transparent substrate 21 of a color filter that generally uses low expansion glass or the like. After the colored transparent pixels 23, 24, and 25 arranged in a plane are sequentially formed by photolithography, an overcoat layer 26 is formed by coating. If necessary, a transparent electrode layer is formed on the entire surface of the overcoat layer 26 by a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like, but is omitted in the drawing. Further, as two types of columnar fixed spacers having different heights, a main spacer 27 and a sub-spacer 28 are formed simultaneously for the above-mentioned purpose. As described above, the sub-spacer 28 is 0.3 to 0.8 μm lower than the main spacer 27 in order to easily adjust the cell gap as needed against the external pressure. Form about 0.5 μm lower.

図4は、本発明のカラーフィルタの製造方法の一例を、露光工程について示す模式断面図である。本発明のカラーフィルタ20を図2に示した構成に形成するために、ブラックマトリックス22、着色透明画素23、24、25、オーバーコート層26に積層して光硬化性の感光性樹脂8を塗布する。その後、該感光性樹脂材料により選択的に高さの異なる2種の柱状の固定スペーサとして、破線で示したメインスペーサ27’およびサブスペーサ28’が同時に形成されるように、前述の本発明のフォトマスク10による近接露光を行い、以後の現像等の一連のフォトリソグラフィー法による工程によってカラーフィルタを製造する。以下、露光工程について詳述する。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of the method for producing the color filter of the present invention for the exposure process. In order to form the color filter 20 of the present invention in the configuration shown in FIG. 2, the photocurable photosensitive resin 8 is applied by laminating the black matrix 22, the colored transparent pixels 23, 24, 25 and the overcoat layer 26. To do. Thereafter, the main spacer 27 ′ and the sub-spacer 28 ′ indicated by broken lines are simultaneously formed as two types of columnar fixed spacers having different heights selectively depending on the photosensitive resin material. Proximity exposure using the photomask 10 is performed, and a color filter is manufactured through a series of photolithography processes such as subsequent development. Hereinafter, the exposure process will be described in detail.

フォトマスク10とカラーフィルタ20との正確な位置合わせを行った後に、フォトマスク10の裏面14側に設置した光源(図示せず)より均一で平行な照射光7をフォトマスクパターン面に向けて、露光ギャップの最小値50μm程度の近接露光を行う。フォトマスク10の高い表面の開口部15を全透過した露光量の大きい光と、低い表面の開口部に設けたハーフトーン膜6により半透過した露光量の小さい光とが、感光性樹脂8の所定の位置を照射することにより、最終的にそれぞれメインスペーサ27’およびサブスペーサ28’を残すことができる。
すなわち、高さの異なる複数種類の突起状パターンを露光対象基板の同一面側に製造する際に用いる、異なる高さの突起状パターン形成に対応したフォトマスクにおいて、最も高い突起状パターンを除く突起状パターンであるサブスペーサ28’を形成するためのマスクパターンをフォトマスクの開口部に半透過性のハーフトーン膜6により設け、かつ、ハーフトーン膜6を用いるマスクパターンをハーフトーン膜を用いない最も高い突起状パターン形成に対応するマスクパターンである開口部15よりも低く設けた透明基材表面に有するフォトマスクを使用して露光することにより、高さの異なる複数種類の突起状パターンを露光対象基板の同一面側に同時に製造することができる。
また、本例においては、高さの異なる複数種類の突起状パターンが、メインスペーサ27’とメインスペーサよりも高さの低いサブスペーサ28’とからなる固定スペーサを含み、前述のように段差を設けたハーフトーン膜を設けたフォトマスク10が、前記固定スペーサを有するカラーフィルタ20を製造する際に用いるフォトマスクとして有効である。
After accurate alignment between the photomask 10 and the color filter 20, uniform and parallel irradiation light 7 is directed toward the photomask pattern surface from a light source (not shown) installed on the back surface 14 side of the photomask 10. Proximity exposure with a minimum exposure gap of about 50 μm is performed. The light having a large exposure amount that is totally transmitted through the opening 15 on the high surface of the photomask 10 and the light having a small exposure amount that is partially transmitted by the halftone film 6 provided in the opening portion on the low surface are formed by the photosensitive resin 8. By irradiating a predetermined position, the main spacer 27 'and the sub-spacer 28' can be finally left.
That is, a projection excluding the highest projection pattern in a photomask corresponding to the formation of projection patterns with different heights, used when manufacturing a plurality of types of projection patterns with different heights on the same surface side of the exposure target substrate. A mask pattern for forming the sub-spacer 28 ', which is a pattern, is provided in the opening portion of the photomask with the semi-transmissive halftone film 6, and the mask pattern using the halftone film 6 is not used with the halftone film. By exposing using a photomask on the transparent substrate surface provided lower than the opening 15 which is the mask pattern corresponding to the highest protrusion pattern formation, multiple types of protrusion patterns with different heights are exposed. They can be simultaneously manufactured on the same side of the target substrate.
In this example, the plurality of types of protruding patterns having different heights include a fixed spacer including a main spacer 27 ′ and a sub-spacer 28 ′ having a height lower than that of the main spacer. The photomask 10 provided with the provided halftone film is effective as a photomask used when manufacturing the color filter 20 having the fixed spacer.

さらに、サブスペーサを形成するためのマスクパターンがi線透過率10〜30%の半透過性のハーフトーン膜であり、メインスペーサを形成するためのマスクパターンが遮光膜を除去した全透過性の開口部であって、サブスペーサを形成するためのマスクパターンがメインスペーサを形成するためのマスクパターンよりも20〜100μm低く設けた透明基材表面に有することが望ましい。
本発明のフォトマスクを用いて近接露光を行う場合に、光源として高圧水銀灯を用いることが実用的であり、高圧水銀灯が出射する照射光の主波長は、g線(波長436nm)、
h線(波長405nm)、i線(波長365nm)であるが、カラーフィルタの固定スペーサ等の微細パターンを形成するには、i線を最も有効に利用する。メインスペーサ27よりも高さが0.3〜0.8μm低く形成するサブスペーサ28に照射する露光量としては、メインスペーサに照射する充分なi線露光量の10%未満では硬化不足が甚だしく良好な形状が得られないため不適当であり、また30%を超えると形成するサブスペーサの高さにメインスペーサとの望ましい差が得られなくなるため、ハーフトーン膜6のi線透過率を10〜30%とすることが望ましい。
また、サブスペーサを形成するためのフォトマスクのパターンがメインスペーサを形成するためのパターンよりも低く設けるための段差の量としては、後述の実施例の結果より20〜100μmとすることが望ましい。
Further, the mask pattern for forming the sub-spacer is a semi-transmissive halftone film having an i-line transmittance of 10 to 30%, and the mask pattern for forming the main spacer is a totally transmissive film obtained by removing the light shielding film. It is desirable that the opening has a mask pattern for forming the sub-spacer on the surface of the transparent substrate that is 20 to 100 μm lower than the mask pattern for forming the main spacer.
When proximity exposure is performed using the photomask of the present invention, it is practical to use a high-pressure mercury lamp as a light source. The main wavelength of irradiation light emitted from the high-pressure mercury lamp is g-line (wavelength 436 nm),
Although they are h-line (wavelength 405 nm) and i-line (wavelength 365 nm), i-line is most effectively used to form a fine pattern such as a fixed spacer of a color filter. The amount of exposure to irradiate the sub-spacer 28, which is 0.3 to 0.8 μm lower than the main spacer 27, is extremely good if it is less than 10% of the sufficient amount of i-line exposure to irradiate the main spacer. In this case, the half-tone film 6 has an i-line transmittance of 10 to 10% because a desired difference from the main spacer cannot be obtained in the height of the sub-spacer to be formed. 30% is desirable.
Further, the amount of the step for providing the photomask pattern for forming the sub-spacer lower than the pattern for forming the main spacer is preferably 20 to 100 μm from the results of the examples described later.

前述のように本発明のフォトマスクを用いて近接露光を行うことにより、高さの異なる複数種類の突起状パターンを同時形成できるので、光硬化タイプの感光性樹脂を用いて1回のフォトリソグラフィ工程で、従来のカラーフィルタ上にメインスペーサとサブスペーサとからなる固定スペーサを追加して製造することができる。得られるカラーフィルタは、各固定スペーサの高さを最適に保持し、良好な形状を有することができるので、図5を用いて後述する上記のカラーフィルタを組み込んだ液晶表示素子において、低温発泡による表示不良を起こさずに耐荷重特性を向上させることができる。   As described above, by performing proximity exposure using the photomask of the present invention, a plurality of types of protruding patterns having different heights can be formed at the same time. Therefore, one-time photolithography using a photo-curable photosensitive resin. In the process, a fixed spacer composed of a main spacer and a sub-spacer can be added to a conventional color filter. The obtained color filter optimally holds the height of each fixed spacer and can have a good shape. Therefore, in the liquid crystal display element incorporating the color filter described later with reference to FIG. The load bearing characteristics can be improved without causing display defects.

なお、本発明のフォトマスクを用いて近接露光を行うことにより、高さの異なる複数種類の突起状パターンを良好な形状で同時形成できるメカニズムについて、以下のように考えられる。
まず、後述の実施例で述べる段差を有しないフォトマスクを用いる比較例のマスク開口広さと露光ギャップでは、光の回折と干渉により、パターン中央部の露光強度がパターン端部より弱くなっている。ハーフトーンの無い全透過の開口部分であれば、光の干渉で露光強度が多少弱くなっても飽和感度に達するため、充分に硬化して形状不良は発生しないが、ハーフトーン露光部では光の干渉の影響が、低い突起状パターンであるサブスペーサの形状に反映されやすい。サブスペーサに合わせて露光ギャップを大きくする方向に適切に設定すれば光の干渉による形状不良を解消できるが、露光ギャップを大きくし過ぎることはメインスペーサの線幅や高さの面内バラツキに悪影響を及ぼす。
すなわち、メインスペーサ形成に適切な露光ギャップに対してサブスペーサを形成するのに適切な露光ギャップは異なる場合が多く、メインスペーサの形成を優先するとサブスペーサの形状不良が発生し、サブスペーサの形状を優先するとメインスペーサの高さバラツキ、線幅太りを生じてしまう。従来のフォトマスクでは、メインスペーサとサブスペーサは必ず同じ露光ギャップで形成することになるので、固定スペーサの仕様によっては形状不良なくサブスペーサを形成することが不可能な場合があった。これに対して、本発明では、フォトマスクの透明基材をエッチングしサブスペーサ形成に対応するパターン部分に段差を設けることで、メインスペーサとサブスペーサの露光ギャップに一定の差をつけて設定することができるので、一枚のフォトマスクを露光時に設定する露光ギャップを、メインスペーサとサブスペーサでそれぞれ最適に設定することが可能になる。
また、本発明により、従来の方法では面内バラツキや形状不良が発生する仕様においても、メインスペーサの面内バラツキが良好で、サブスペーサや配向制御突起の形状不良が無い状態で形成することができる。
Note that the mechanism by which a plurality of types of protruding patterns having different heights can be simultaneously formed in good shape by performing proximity exposure using the photomask of the present invention is considered as follows.
First, in the mask opening area and the exposure gap of a comparative example using a photomask having no step described in the examples described later, the exposure intensity at the center of the pattern is weaker than the pattern edge due to light diffraction and interference. If it is a fully transmissive aperture with no halftone, the saturation sensitivity will be reached even if the exposure intensity is somewhat weak due to light interference. The influence of interference is easily reflected in the shape of the sub-spacer, which is a low projection pattern. If the exposure gap is set appropriately in accordance with the sub-spacer, the shape defect due to light interference can be eliminated. However, if the exposure gap is too large, the line width and height variation of the main spacer will be adversely affected. Effect.
That is, the exposure gap suitable for forming the sub-spacer is often different from the exposure gap suitable for forming the main spacer. If priority is given to the formation of the main spacer, the shape of the sub-spacer is deteriorated. If priority is given to this, the main spacers will vary in height and line width. In a conventional photomask, the main spacer and the sub-spacer are always formed with the same exposure gap, and depending on the specifications of the fixed spacer, it may not be possible to form the sub-spacer without a shape defect. On the other hand, in the present invention, the exposure gap between the main spacer and the sub-spacer is set with a certain difference by etching the transparent base material of the photomask and providing a step in the pattern portion corresponding to the sub-spacer formation. Therefore, the exposure gap for setting one photomask at the time of exposure can be optimally set for each of the main spacer and the sub-spacer.
Further, according to the present invention, even in a specification in which in-plane variation or shape defect occurs in the conventional method, the main spacer can be formed in a state where the in-plane variation of the main spacer is good and there is no shape defect of the sub-spacer or alignment control protrusion. it can.

図5は、本発明の液晶表示素子の構成の一例として、アクティブ駆動方式のTNタイプの透過型液晶表示素子60を説明するための模式断面図である。
前記メインスペーサ27やサブスペーサ28は、上述のようにカラーフィルタ20側に設けることが一般的である。カラーフィルタ20側にはメインスペーサ27やサブスペーサ28を設けずに、液晶セル構造を構成するカラーフィルタ20とは対向側の画素電極基板50上にそれらを設けることもできるが、樹脂素材を用いる一連の加工に引き続いてカラ
ーフィルタ20側に設ける方が製造工程上都合の良いことが多い。メインスペーサ27やサブスペーサ28がいずれの側にあっても、液晶表示素子60はセルギャップを制御するための固定スペーサをもち、一般的に両側に設けた液晶配向膜62に挟まれて配向駆動される液晶61を封止するための封止剤63で閉じたセル構造を作ることができる。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining an active drive type TN type transmissive liquid crystal display element 60 as an example of the configuration of the liquid crystal display element of the present invention.
The main spacer 27 and the sub-spacer 28 are generally provided on the color filter 20 side as described above. Although the main spacer 27 and the sub-spacer 28 are not provided on the color filter 20 side, they can be provided on the pixel electrode substrate 50 opposite to the color filter 20 constituting the liquid crystal cell structure, but a resin material is used. It is often more convenient in the manufacturing process to provide the color filter 20 after the series of processing. Regardless of which side the main spacer 27 and the sub-spacer 28 are on, the liquid crystal display element 60 has a fixed spacer for controlling the cell gap and is generally sandwiched between liquid crystal alignment films 62 provided on both sides to drive alignment. A cell structure closed with a sealant 63 for sealing the liquid crystal 61 to be formed can be formed.

図5の液晶表示素子60において、カラーフィルタ20は、透明基板21のセル内部に向く面に、前述のブラックマトリクス22、着色透明画素23、24、25、また必要に応じてオーバーコート層26、透明電極層29、を有し、それに加えて液晶配向膜62を設ける。また、セル外部側の面に偏光板64が貼り付けられている。また、カラーフィルタ20に対向する画素電極基板50は、透明基板51のセル内部に向く面に、TFT等のアクティブ駆動用スイッチング素子52、画素電極53、に加えて液晶配向膜62を有し、セル外部側の面には、カラーフィルタ側のセル外部側偏光板64と平行平面内にて直交する回転角度を設けた偏光板65が貼り付けられており、さらに外側には、液晶表示のための照明光源としてバックライト(図示せず)が設けてある。   In the liquid crystal display element 60 of FIG. 5, the color filter 20 is formed on the surface of the transparent substrate 21 facing the inside of the cell, the black matrix 22, the colored transparent pixels 23, 24, 25, and the overcoat layer 26, if necessary. A transparent electrode layer 29 is provided, and in addition, a liquid crystal alignment film 62 is provided. A polarizing plate 64 is attached to the surface outside the cell. The pixel electrode substrate 50 facing the color filter 20 has a liquid crystal alignment film 62 in addition to the active drive switching element 52 such as TFT and the pixel electrode 53 on the surface of the transparent substrate 51 facing the cell. A polarizing plate 65 having a rotation angle orthogonal to the cell external polarizing plate 64 on the color filter side is provided on the surface outside the cell, and further on the outer side for liquid crystal display. A backlight (not shown) is provided as an illumination light source.

以下に、本発明のフォトマスクおよびそれを用いて製造するカラーフィルタに関して実施例を述べる。
先ず、突起状パターンである固定スペーサを形成する前のカラーフィルタの構成部分の製造方法について、具体例により説明する。
Examples of the photomask of the present invention and a color filter produced using the photomask will be described below.
First, a specific example will be described with respect to a method of manufacturing a color filter component before forming a fixed spacer which is a protruding pattern.

透明基板上にブラックマトリックスを形成する。その後、赤色層、青色層、緑色層の各色のカラーフィルタ層を形成する。
次いで、前面に保護膜としてオーバーコート層を形成する。オーバーコートには熱硬化性の透明樹脂を使用し、ダイコート法により塗布、減圧下で乾燥させた後230℃で30分間ベークを実施した。
A black matrix is formed on a transparent substrate. Thereafter, color filter layers for each color of the red layer, the blue layer, and the green layer are formed.
Next, an overcoat layer is formed as a protective film on the front surface. For the overcoat, a thermosetting transparent resin was used, applied by a die coating method, dried under reduced pressure, and baked at 230 ° C. for 30 minutes.

着色層を形成する着色レジストとしては以下の組成のものを使用した。
着色レジストに使用する顔料として、下記のものを用いた。
[赤色顔料1(R−1)]
赤色顔料1(C.I. Pigment Red 254、BASF社製「IRギャップHOR RED B-CF」;R−1)を使用した。
[赤色顔料2(R−2)]
赤色顔料2(C.I. Pigment Red 177、BASF社製「CROMOPHTAL RED A2B」;R−2)を使用した。
[緑色顔料1(G−1)]
緑色顔料(C.I. Pigment Green 36、東洋インキ製造社製「LIONOL GREEN 6YK」;G−1)500部、塩化ナトリウム1300部、およびジエチレングリコール(東京化成社製)270部をステンレス製1ガロンニーダー(井上製作所社製)に仕込み、70℃で3時間混練した。次に、この混合物を約5リットルの温水に投入し、約70℃に加熱しながらハイスピードミキサーで約1時間撹拌してスラリー状とした後、濾過、水洗して塩化ナトリウム及びジエチレングリコールを除き、80℃で24時間乾燥し、496部のソルトミリング処理顔料を得た。
[黄色顔料1(Y−1)]
黄色顔料(C.I. Pigment Yellow 138、BASF社製「PALIOTOL YELLOW K0961HD」)200
部、塩化ナトリウム1500部、およびジエチレングリコール(東京化成社製)270部ステンレス製1ガロンニーダー(井上製作所社製)に仕込み、60℃で6時間混練した。次に、この混合物を約5リットルの温水に投入し、約70℃に加熱しながらハイスピードミキサーで約1時間撹拌してスラリー状とした後、濾過し、水洗して塩化ナトリウム及びジエチレングリコールを除き、80℃で24時間乾燥し、196部のソルトミリング処理
顔料を得た。
[青色顔料1(B−1)]
青色顔料1(C.I. Pigment Blue 15:6、東洋インキ製造社製「LIONOL BLUE ES」を使用した。
[紫色顔料1(V−1)]
紫色顔料1(C.I. Pigment Violet 23、東洋インキ製造社製「LIONOGEN VIOLET RL」を使用した。
[アクリル樹脂溶液の調製]
実施例で用いたアクリル樹脂溶液の調製について説明する。樹脂の分子量は、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィ)により測定したポリスチレン換算の重量平均分子量である。
反応容器にシクロヘキサノン370部を入れ、容器に窒素ガスを注入しながら80℃に加熱して、同温度で下記モノマーおよび熱重合開始剤の混合物を1時間かけて滴下して、重合反応を行った。
メタクリル酸 20.0部
メチルメタクリレート 10.0部
n−ブチルメタクリレート 35.0部
2−ヒドロキシエチルメタクリレート 15.0部
2,2’−アゾビスイソブチロニトリル 4.0部
パラクミルフェノールエチレンオキサイド変性アクリレート 20.0部(東亜合成株式会社製「アロニックスM110」)
滴下終了後、さらに80℃で3時間反応させた後、アゾビスイソブチロニトリル1.0部をシクロヘキサノン50部に溶解させたものを添加し、さらに80℃で1時間反応を続行して、アクリル樹脂の溶液を得た。このアクリル樹脂の重量平均分子量は、約40000であった。
室温まで冷却した後、樹脂溶液約2gをサンプリングして180℃で20分間加熱乾燥し、不揮発分を測定し、先に合成した樹脂溶液に不揮発分が20重量%になるようにシクロヘキサノンを添加して、アクリル樹脂溶液を調製した。
[顔料分散体の調製]
下記表1に示す組成(重量比)の混合物を均一に撹拌混合した後、直径0.5mmのジルコニアビーズを用いて、アイガーミルで2時間分散した後、5μmのフィルタで濾過し、顔料分散体RP−1、GP−1、BP−1を作製した。
As the colored resist for forming the colored layer, one having the following composition was used.
The following were used as pigments used in the colored resist.
[Red Pigment 1 (R-1)]
Red pigment 1 (CI Pigment Red 254, “IR Gap HOR RED B-CF” manufactured by BASF; R-1) was used.
[Red Pigment 2 (R-2)]
Red pigment 2 (CI Pigment Red 177, “CROMOPHTAL RED A2B” manufactured by BASF; R-2) was used.
[Green Pigment 1 (G-1)]
500 parts of green pigment (CI Pigment Green 36, Toyo Ink Mfg. Co., Ltd. “LIONOL GREEN 6YK”; G-1), 1300 parts of sodium chloride, and 270 parts of diethylene glycol (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) And kneaded at 70 ° C. for 3 hours. Next, this mixture is poured into about 5 liters of warm water, heated to about 70 ° C. and stirred with a high speed mixer for about 1 hour to form a slurry, then filtered and washed to remove sodium chloride and diethylene glycol, It was dried at 80 ° C. for 24 hours to obtain 496 parts of a salt milled pigment.
[Yellow Pigment 1 (Y-1)]
Yellow pigment (CI Pigment Yellow 138, “PALIOTOL YELLOW K0961HD” manufactured by BASF) 200
Parts, 1,500 parts of sodium chloride, and 270 parts of diethylene glycol (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.), 1 gallon kneader (manufactured by Inoue Seisakusho) made of stainless steel, and kneaded at 60 ° C. for 6 hours. Next, this mixture is poured into about 5 liters of warm water, stirred in a high speed mixer for about 1 hour while being heated to about 70 ° C. to form a slurry, filtered, washed with water to remove sodium chloride and diethylene glycol. And dried at 80 ° C. for 24 hours to obtain 196 parts of a salt milled pigment.
[Blue Pigment 1 (B-1)]
Blue pigment 1 (CI Pigment Blue 15: 6, “LIONOL BLUE ES” manufactured by Toyo Ink Co., Ltd.) was used.
[Purple Pigment 1 (V-1)]
Purple Pigment 1 (CI Pigment Violet 23, “LIONOGEN VIOLET RL” manufactured by Toyo Ink Manufacturing Co., Ltd.) was used.
[Preparation of acrylic resin solution]
The preparation of the acrylic resin solution used in the examples will be described. The molecular weight of the resin is a weight average molecular weight in terms of polystyrene measured by GPC (gel permeation chromatography).
A reaction vessel was charged with 370 parts of cyclohexanone, heated to 80 ° C. while injecting nitrogen gas into the vessel, and a mixture of the following monomer and thermal polymerization initiator was added dropwise at the same temperature over 1 hour to carry out the polymerization reaction. .
Methacrylic acid 20.0 parts Methyl methacrylate 10.0 parts n-Butyl methacrylate 35.0 parts 2-Hydroxyethyl methacrylate 15.0 parts 2,2'-azobisisobutyronitrile 4.0 parts paracumylphenol ethylene oxide modification Acrylate 20.0 parts ("Aronix M110" manufactured by Toa Gosei Co., Ltd.)
After completion of the dropwise addition, the mixture was further reacted at 80 ° C. for 3 hours, then 1.0 part of azobisisobutyronitrile dissolved in 50 parts of cyclohexanone was added, and the reaction was further continued at 80 ° C. for 1 hour, An acrylic resin solution was obtained. The weight average molecular weight of this acrylic resin was about 40,000.
After cooling to room temperature, about 2 g of the resin solution was sampled and heat-dried at 180 ° C. for 20 minutes, the non-volatile content was measured, and cyclohexanone was added to the previously synthesized resin solution so that the non-volatile content was 20 wt%. An acrylic resin solution was prepared.
[Preparation of pigment dispersion]
A mixture having the composition (weight ratio) shown in Table 1 below was uniformly stirred and mixed, then dispersed with an Eiger mill for 2 hours using zirconia beads having a diameter of 0.5 mm, filtered through a 5 μm filter, and pigment dispersion RP -1, GP-1, and BP-1.

[着色組成物の調製]
下記表2に示す組成(重量比)の混合物を均一になるように攪拌混合した後、1μmのフィルタで濾過して、各色の着色組成物であるRR−1(赤色)、GR−1(緑色)、BR−1(青色)を得た。
[Preparation of colored composition]
The mixture (weight ratio) shown in Table 2 below is stirred and mixed to be uniform, and then filtered through a 1 μm filter, and RR-1 (red) and GR-1 (green) which are colored compositions of each color. ) And BR-1 (blue).

上記表2の組成要素の具体例を以下に示した。
モノマー:トリメチロールプロパントリアクリレート(新中村化学社製「NKエステルATMPT」)
光開始剤:2-メチル-1-[4-(メチルチオ)フェニル]-2-モルフォリノプロパン-1-オン(BASF社製「イルガキュア 907」)
増感剤:4,4’−ビス(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン(保土ヶ谷化学社製「EAB−F」)
有機溶剤:シクロヘキサノン
Specific examples of the compositional elements in Table 2 are shown below.
Monomer: Trimethylolpropane triacrylate (Shin Nakamura Chemical "NK Ester ATMPT")
Photoinitiator: 2-methyl-1- [4- (methylthio) phenyl] -2-morpholinopropan-1-one ("Irgacure 907" manufactured by BASF)
Sensitizer: 4,4′-bis (diethylamino) benzophenone (“EAB-F” manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd.)
Organic solvent: cyclohexanone

〔着色層形成およびオーバーコート層形成〕
以上のようにして得た着色組成物を用いて、透明基板上にあらかじめ形成された膜厚2.0μmブラックマトリックスにより区画された領域に各色の画素を形成した。
即ち、透明基板に、赤色の着色組成物であるRR−1をダイコートにより仕上り膜厚1.5μmとなるように塗布した。次いで、90℃で3分間乾燥した後、画素形成用のストライプ状フォトマスクを通して高圧水銀灯の光を100mJ/cm照射し、アルカリ現像液にて60秒間現像した。その後、230℃で30分間のベイキングにより硬膜し、赤色画素を得た。このとき、ブラックマトリックス上の赤色層の膜厚は0.65μmとなった。なお、仕上り膜厚とは、230℃で30分間の硬膜後の膜厚あるいは色層の高さを意味する。
次に、同様にして、緑色の着色組成物であるGR−1をダイコートにより仕上り膜厚が1.5μmとなるように塗布し、90℃で5分間乾燥した後、フォトマスクを通して露光し、現像した後、230℃で30分間硬膜することで、緑色画素を得た。このとき、赤色層上の緑色層の膜厚は0.6μmとなった。
更に、赤色の画素、緑色の画素を形成した場合と全く同様にして、青色の着色組成物であるBR−1をダイコートにより仕上り膜厚が1.5μmとなるように塗布し、90℃で5分間乾燥した後、フォトマスクを通して露光し、現像した後、230℃で30分間で硬膜することで、緑色画素、赤色画素と隣接した位置に、仕上り膜厚が1.8μmの青色画素を形成した。このとき、緑色層上の青色層の膜厚は0.5μmとなった。
このようにして、透明基板に赤、緑、青3色の画素を有するカラーフィルタが得られた。なお、アルカリ現像液は以下の組成を有する。
炭酸ナトリウム 1.5重量%
炭酸水素ナトリウム 0.5重量%
陰イオン系界面活性剤(花王・ペリレックスNBL) 8.0重量%
水 90.0重量%
これら3色の画素を形成したカラーフィルタ上に、液晶表示装置の設計により、オーバーコート層ないし透明電極層を形成し、その上に後述の方法によりスペーサを形成する。
[Colored layer formation and overcoat layer formation]
Using the colored composition obtained as described above, pixels of each color were formed in regions partitioned by a 2.0 μm-thick black matrix formed in advance on a transparent substrate.
That is, RR-1 which is a red coloring composition was apply | coated to the transparent substrate by die coating so that it might become a finished film thickness of 1.5 micrometers. Next, after drying at 90 ° C. for 3 minutes, the light from a high-pressure mercury lamp was irradiated at 100 mJ / cm 2 through a stripe photomask for pixel formation, and developed with an alkali developer for 60 seconds. Then, it hardened | cured by baking for 30 minutes at 230 degreeC, and the red pixel was obtained. At this time, the film thickness of the red layer on the black matrix was 0.65 μm. The finished film thickness means the film thickness after hardening for 30 minutes at 230 ° C. or the height of the color layer.
Next, in the same manner, GR-1, which is a green coloring composition, is applied by die coating so that the finished film thickness is 1.5 μm, dried at 90 ° C. for 5 minutes, exposed through a photomask, and developed. After that, a green pixel was obtained by hardening at 230 ° C. for 30 minutes. At this time, the film thickness of the green layer on the red layer was 0.6 μm.
Further, BR-1 which is a blue coloring composition is applied by die coating so that the finished film thickness becomes 1.5 μm in the same manner as in the case where red pixels and green pixels are formed. After drying for a minute, exposure through a photomask, development, and hardening at 230 ° C. for 30 minutes to form a blue pixel with a finished film thickness of 1.8 μm at a position adjacent to the green and red pixels did. At this time, the film thickness of the blue layer on the green layer was 0.5 μm.
In this way, a color filter having red, green, and blue pixels on the transparent substrate was obtained. The alkaline developer has the following composition.
Sodium carbonate 1.5% by weight
Sodium bicarbonate 0.5% by weight
Anionic surfactant (Kao Perillex NBL) 8.0% by weight
90.0% by weight of water
An overcoat layer or a transparent electrode layer is formed on the color filter in which the pixels of these three colors are formed according to the design of the liquid crystal display device, and a spacer is formed thereon by a method described later.

〔固定スペーサの形成〕
実施例1については、ブラックマトリクス、着色層、オーバーコート層を有する基板にネガ型フォトレジストをスピンナーで塗布し、仕上り膜厚が3.5μmとなるように塗布量を調整してフォトレジスト膜を形成した。減圧乾燥、プレベークを行った後、フォトマスク基材に50μmの窪み部段差とi線透過率が15.0%である半透光膜(ハーフトーン膜)遮光部と、透光部を有する本発明によるフォトマスクを用いて露光を行った。外観で判別出来るようにメインスペーサ用のマスク開口部は一辺が8μmの正方形、ハーフトーン膜を形成したサブスペーサ用の開口部は内接円の直径が14μmの正八角形とした。メインスペーサ用のマスクの高い表面と被露光面とのギャップ量は50μm、露光照度40mW/cm、露光量100mJ/cmの近接露光を行った。上記フォトマスクの設計条件と露光ギャップ量を表3の実施例1の欄に示す。
メインスペーサは透光部を介した照射で、メインスペーサより高さの低いサブスペーサは半透光膜(ハーフトーン膜)を介した照射で露光を行い、無機アルカリ現像液にて現像し、クリーンオーブンにて230℃30分間の焼成した結果、表4の実施例1に示す固定スペーサのサイズと柱状形状の状態評価を得た。
実施例2〜8、比較例1〜9については、表3に示すようにフォトマスクの各種の設計条件、すなわち窪み部の段差、マスク開口サイズ、ハーフトーン透過率の条件、のいずれかに関して実施例1とは異なるマスクを使用し、露光ギャップの大きさを変える以外は、実施例1と同様の方法で固定スペーサを形成した。
[Formation of fixed spacer]
For Example 1, a negative photoresist was applied to a substrate having a black matrix, a colored layer, and an overcoat layer with a spinner, and the coating amount was adjusted so that the finished film thickness was 3.5 μm. Formed. After drying under reduced pressure and pre-baking, a photomask base material having a 50 μm depression step, a semi-transparent film (half-tone film) light-shielding part having an i-line transmittance of 15.0%, and a light-transmitting part Exposure was carried out using a photomask according to the invention. As can be discriminated by appearance, the mask opening for the main spacer is a square with a side of 8 μm, and the opening for the sub-spacer on which the halftone film is formed is a regular octagon with a diameter of an inscribed circle of 14 μm. Proximity exposure was performed with a gap amount between the high surface of the mask for the main spacer and the exposed surface being 50 μm, an exposure illuminance of 40 mW / cm 2 , and an exposure amount of 100 mJ / cm 2 . The design conditions and exposure gap amount of the photomask are shown in the column of Example 1 in Table 3.
The main spacer is exposed through the translucent part, and the sub-spacer lower than the main spacer is exposed through the semi-transparent film (halftone film), developed with an inorganic alkaline developer, and cleaned. As a result of baking at 230 ° C. for 30 minutes in an oven, the size of the fixed spacer and the state evaluation of the columnar shape shown in Example 1 of Table 4 were obtained.
For Examples 2 to 8 and Comparative Examples 1 to 9, as shown in Table 3, various photomask design conditions, that is, any one of the conditions of the step of the dent, the mask opening size, and the halftone transmittance were carried out. A fixed spacer was formed in the same manner as in Example 1 except that a mask different from that in Example 1 was used and the size of the exposure gap was changed.

比較例はいずれも従来の方法により作製されたフォトマスクを用いた一例である。
実施例および比較例にて作製したカラーフィルタのメインスペーサおよびサブスペーサの高さ、線幅の測定(μm単位)およびサブスペーサの形状を確認した結果を表4に示す。スペーサの線幅は顕微鏡にて平面視野で測定した際の下底線幅である。また、メインスペーサの高さバラツキ3σはカラーフィルタ面内20ポイントを測定した際の高さのバラツキである。サブスペーサの形状は走査型電子顕微鏡にて60°の角度より観察し、凹みや干渉縞の有無により判定を行った。○印は形状が良好であること、×印は形状が不良であることを示す。
Each of the comparative examples is an example using a photomask manufactured by a conventional method.
Table 4 shows the results of measuring the height and line width (unit: μm) of the main spacer and sub-spacer of the color filter produced in the examples and comparative examples, and confirming the shape of the sub-spacer. The line width of the spacer is the bottom line width when measured with a microscope in a plane view. Further, the height variation 3σ of the main spacer is a variation in height when 20 points in the color filter plane are measured. The shape of the sub-spacer was observed at an angle of 60 ° with a scanning electron microscope, and the determination was made based on the presence or absence of dents and interference fringes. A circle indicates that the shape is good, and a cross indicates that the shape is bad.

上記の結果より、本実施例、比較例におけるフォトマスクの設計条件および露光ギャップの範囲では、高さの異なる複数種類の突起状パターンを同一面側に同時に形成するためのフォトマスクパターンを同一平面上に設けた場合に、それを用いて形成する高い方の突起状パターンの高さのバラツキが大きくなるか、または、低い方の突起状パターンの形状が不良となり、フォトマスクのパターン形成面に高低差を設けて形成することによって、上記の不具合を克服できることが実証された。
本発明のフォトマスクを使用することで、従来の方法ではサブスペーサの形状不良ないしメインスペーサの高さバラツキが生じたことを改善し、良好なカラーフィルタを提供するとともに、これを組み込んだ液晶表示素子において、低温発泡による表示不良を起こさずに耐荷重特性を向上させることができる。
From the above results, the photomask pattern for simultaneously forming a plurality of types of protrusion-like patterns having different heights on the same surface side in the range of the photomask design conditions and the exposure gap in this example and the comparative example is the same plane. When it is provided above, the variation in the height of the higher protrusion pattern formed by using it increases, or the shape of the lower protrusion pattern becomes defective, and the pattern formation surface of the photomask becomes defective. It has been proved that the above-mentioned problems can be overcome by forming with a height difference.
By using the photomask of the present invention, it is possible to improve the occurrence of sub-spacer shape defects or main spacer height variations in the conventional method, provide a good color filter, and a liquid crystal display incorporating the same In the element, the load bearing characteristics can be improved without causing display defects due to low-temperature foaming.

1、31・・・フォトマスクの透明基材
5・・・遮光膜
6・・・ハーフトーン膜
7・・・照射光
8・・・感光性樹脂
10、30・・・フォトマスク
11・・・高い表面
12・・・低い表面
13・・・表面の段差
14・・・裏面
15・・・高い表面の開口部
16・・・低い表面の開口部
20、40・・・カラーフィルタ
21、41・・・カラーフィルタの透明基板
22、42・・・ブラックマトリクス
23、24、25、43・・・着色透明画素
26、44・・・オーバーコート層
27、45・・・メインスペーサ
28、46・・・サブスペーサ
29・・・透明電極層
35・・・表面の開口部
36・・・ハーフトーン膜
50・・・画素電極基板
51・・・透明基板
52・・・スイッチング素子
53・・・画素電極
60・・・液晶表示素子
61・・・液晶
62・・・液晶配向膜
63・・・封止剤
64、65・・・偏光板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 31 ... Transparent base material 5 of photomask ... Light shielding film 6 ... Halftone film 7 ... Irradiation light 8 ... Photosensitive resin 10, 30 ... Photomask 11 ... High surface 12 ... Low surface 13 ... Surface step 14 ... Back surface 15 ... High surface opening 16 ... Low surface openings 20 and 40 ... Color filters 21, 41 .. Color filter transparent substrates 22, 42 ... black matrix 23, 24, 25, 43 ... colored transparent pixels 26, 44 ... overcoat layers 27, 45 ... main spacers 28, 46 ... Sub-spacer 29 ... transparent electrode layer 35 ... surface opening 36 ... halftone film 50 ... pixel electrode substrate 51 ... transparent substrate 52 ... switching element 53 ... pixel electrode 60 ... Liquid crystal display element 61 And LCD 62 ... liquid crystal alignment film 63 ... sealant 64, 65 ... polarizer

Claims (2)

高さの異なる複数種類の突起状パターンを露光対象基板の同一面側に製造する際に用いる、異なる高さの突起状パターン形成に対応したフォトマスクであって、
透明基材のパターン形成する側に段差を設け、最も高い突起状パターン(メインスペーサ)を除く突起状パターン(サブスペーサ)を形成するためのマスクパターンを前記段差の低い側に設け、前記段差の低い側に設けた前記マスクパターンを前記サブスペーサの上底部を凹みない適正な形状に形成するためハーフトーン膜としたことを特徴とするフォトマスク。
A photomask corresponding to the formation of protrusion patterns having different heights, which is used when manufacturing a plurality of kinds of protrusion patterns having different heights on the same surface side of the exposure target substrate,
A step is provided on the pattern forming side of the transparent substrate, and a mask pattern for forming a protruding pattern (sub-spacer) excluding the highest protruding pattern (main spacer) is provided on the lower side of the step. A photomask comprising a halftone film for forming the mask pattern provided on the lower side into an appropriate shape that does not dent the upper bottom portion of the sub-spacer .
高さの異なる複数種類の突起状パターンを、光硬化タイプの感光性樹脂を用いて1回のフォトリソグラフィ工程で形成するカラーフィルタの製造方法であって、フォトリソグラフィ工程の露光時に請求項1に記載のフォトマスクを用いることを特徴とするカラーフィルタの製造方法。 A plurality of types of projecting patterns having different heights, a color filter manufacturing method of forming by one photolithography process using a photo-curing type photosensitive resin, to claim 1 during the exposure photolithography process A method for producing a color filter, comprising using the photomask described above.
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