JP7003773B2

JP7003773B2 - カラーフィルタ及びその製造方法

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Publication number: JP7003773B2
Application number: JP2018055938A
Authority: JP
Inventors: 省吾倉田
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2038-03-23
Also published as: JP2019168588A

Description

本発明は、透明性基板上にブラックマトリクス、着色画素が形成されたカラーフィルタ、及びその製造方法に関する。

液晶表示装置などの表示装置において、カラー表示、反射率の低減、コントラストの調整、分光特性制御などの目的にカラーフィルタを用いることは有用な手段となっている。表示装置に用いられるカラーフィルタは、多くの場合、画素形成のために用いられる。表示装置に用いられるカラーフィルタの画素を形成する方法として、これまで実用化されてきた方法には、印刷法、フォトリソグラフィ法などが挙げられる。

液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの製造方法としては、先ず、透明性基板上に所定の形状の開口部を有するブラックマトリクス（以下、ＢＭ）を形成し、次に、透明性基板上のＢＭの開口部に位置合わせして着色画素を形成し、さらにオーバーコート層、透明導電膜を順次形成する方法が広く用いられている。

ＢＭは遮光性を有し、その開口部にて透明性基板上での着色画素の位置を定め、着色画素の大きさを均一なものとしている。また、表示装置に用いられる際に、好ましくない光を遮蔽し、表示装置の画像をムラのない均一な、且つコントラストの向上した画像にする機能を有している。

ＢＭの形成は、例えば、透明性基板上に、ネガ型の黒色レジストの塗布膜を設け、この塗布膜へのフォトマスクを介したパターン露光、現像によって不要な部分のレジストを除去し、残存したレジストにてＢＭを形成するフォトリソグラフィ法がとられている。黒色レジストの膜厚は必要な光学濃度を得るようにしている。

着色画素は、例えば、赤色、緑色、青色のフィルタの機能を有するものであり、ＢＭが形成された透明性基板上に、顔料などの色素を分散させたネガ型の着色レジストの塗布膜を設け、この塗布膜へのフォトマスクを介した露光、現像によって着色画素を形成するフォトリソグラフィ法がとられる。

図６に、フォトリソグラフィ法によりＢＭを形成し、さらにフォトリソグラフィ法により画素を形成するプロセスを模式的に示す。ここで、ＢＭの膜厚が１．０μｍ～１．５μｍと厚くなると、着色レジストの塗布において、着色レジストがＢＭ上に乗り上げる現象が起こる。

次に、着色画素パターンの形成を行うが、着色画素とＢＭの間に隙間ができないように、ＢＭと着色画素とが重なり部をもつよう、着色画素を形成するためのマスクパターンの遮光部幅はＢＭ線幅よりも小さく設計されている。このため、露光後はＢＭ上に乗り上げた着色レジストが硬化し、ＢＭの端部に着色画素の盛り上がり部（ツノ部）が発生する。

乗り上げ部の高さ、従ってツノ部の高さを低減するためには、ＢＭの断面形状は垂直であるよりも、図６の下方に示すように、スロープをもつ順テーパー形状である方がよい。逆に逆テーパー形状であると、着色レジストがＢＭ上に乗り上げてツノ段差ができたときＢＭの端部下では着色画素が薄くなっており、光漏れが発生することになる。

近年、画像表示装置の高機能化によって、液晶表示装置には、広視野角、高速応答性が
求められている。広視野角、高速応答の液晶表示装置としては横電界駆動（ＩＰＳ：ＩｎＰｌａｎｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ）方式の液晶表示装置が適している。

ＩＰＳ方式のカラーフィルタではツノ段差を覆う平坦化層としてオーバーコート層を成膜しカラーフィルタ上のツノ段差に起因した表示品質への悪影響を軽減する。しかしながら、オーバーコート層を設けても、ツノ段差自身が消失する訳ではないため、ツノ段差とオーバーコート層の膜厚を合計した総膜厚が大きくなって、光路が長くなり、斜め視認性が不利になる、という問題がある。

図７には、ＢＭを形成後に、１色目、２色目、３色目の着色画素を形成し、さらにオーバーコート層ＯＣを形成した後の形態を示している。ここで、１色目の着色画素の形成において、ＢＭの端部にツノ段差ΔＨ１が生じている。

２色目の着色画素の形成においては、前記のツノ段差ΔＨ１の影響を受けて、さらに高いツノ段差ΔＨ２を生じている。また、３色目の着色画素の形成においては、２色目の着色画素の形成によるツノ段差の影響を受けて、同様に高いツノ段差ΔＨ３を生じている。特に近年は、カラーフィルタの着色画素は高色域化が進み厚膜化しており、ツノ段差の影響はより大きな問題となっている。

ＢＭの端部にツノ段差が形成されたカラーフィルタを液晶表示装置に用いると、液晶の転傾などによる表示不良、或いは画素周辺部での光漏れや混色によるコントラストの低下や斜め視認性の悪化など、表示品質に悪影響を及ぼすことになる（図７参照）。

ツノ段差を低くする手法としては、例えば、ａ）オーバーコート層を形成する前に、カラーフィルタの表面を研磨してツノ段差を低くする方法（特許文献１）、ｂ）ＢＭの膜厚を低く形成しておく方法、ｃ）着色画素形成の際のフォトマスクの遮光部幅を広めにしてＢＭ端部での着色画素の重なり部幅を小さくする方法、あるいはｄ）ＢＭ側面のテーパー部の長さを大きくしてスロープを緩やかにし、ツノ段差を低くする方法などが考えられる。

しかしながら、前記ａ）カラーフィルタの表面を研磨する方法では、画素の表面にキズが生じるという問題、ｂ）ＢＭの膜厚を低くする方法では、ＢＭの光学濃度が不足するという問題、また、ｃ）着色画素の重なり部幅を小さくする方法では、着色画素を形成する際の位置ズレによっては、ＢＭと着色画素との間に白抜けが発生するといった問題が伴う。また、ｄ）の方法ではツノ段差は低くなるものの、テーパー角が大きくなり平面状に近づくため、斜め視認性が悪化する一要因となる。

そこで、斜め視認性を改善する方法として、ＢＭとツノ段差とオーバーコート層膜厚を含んだカラーフィルタの総膜厚を薄膜化することやツノ段差を低くすること以外に、ＢＭの膜厚を高膜厚化し、ツノ部を発生しにくくするとともに、斜め入射光の遮光性を上げる方法が考えられる。図８に、ＢＭを高膜厚化した形態で順テーパー形状のＢＭを形成し、斜め視認性を改善する様態を示す。

しかしながら、ＢＭ材料はカーボンを多く含み透過率が低いため、フォトリソグラフィにおいて高膜厚のＢＭの下部では露光光である紫外線の強度が低くなるので、高膜厚のＢＭパターンでは順テーパー形状の形成は難しく、逆テーパー形状になり好ましくない、という問題がある。

特開２００８－２８１６７８号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、高膜厚のＢＭが形成されるとともに、斜め視認性が改善されるカラーフィルタ及びその製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、透明性基板上に、ブラックマトリクス、着色画素が形成されたカラーフィルタにおいて、
前記ブラックマトリクスの膜厚は、前記着色画素の膜厚よりも大きく、
前記ブラックマトリクスは、２層以上の積層体形状のブラックマトリクスからなり、
前記積層体形状ブラックマトリクスの少なくとも１層の断面形状は逆テーパー形状である、ことを特徴とするカラーフィルタとしたものである。

請求項２に記載の発明は、前記積層体形状のブラックマトリクスの線幅は、上層のブラックマトリクスほど小さい、ことを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタとしたものである。
ここで、前記線幅とは、膜厚方向の中心を通る線により定まる線幅とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１、または２に記載のカラーフィルタの製造方法であって、部分的に透過率が異なるハーフトーンマスクを用いて、前記積層体形状のブラックマトリクスを作製する、ことを特徴とするカラーフィルタの製造方法としたものである。

本発明によれば、高膜厚のＢＭが形成でき、ツノ段差が抑制されるとともに、画素内の着色画素の膜厚均一性が向上し、平坦化のためのオーバーコート層の膜厚が薄膜化される。これらにより、斜め視認性が改善されるカラーフィルタ及びその製造方法が得られる。

（ａ）本発明のカラーフィルタの断面構造例（図２（ａ）の第１形態のＢＭを用いている）と、斜め視認性を改善する様態を説明するための模式断面図である。本発明のカラーフィルタで用いるＢＭの（ａ）第１形態、（ｂ）第２形態を説明するための模式断面図である。（ａ）従来のカラーフィルタと、（ｂ）本発明のカラーフィルタとで、ＢＭが高膜厚のときの着色画素の膜厚均一性の違いを説明するための模式断面図である。本発明のカラーフィルタの製造方法の第１方法に係り、第１形態のＢＭを作製するための（ａ）ハーフトーンマスクパターンの模式平面図、（ｂ）作製される第１形態のＢＭを示す模式断面図である。本発明のカラーフィルタの製造方法の第２方法に係り、第２形態のＢＭを作製するための（ａ）（ｂ）（ｃ）フォトマスクパターンの模式平面図、（ｄ）作製される第２形態のＢＭを示す模式断面図である。フォトリソグラフィ法によりＢＭを形成し、さらにフォトリソグラフィ法により画素を形成する、一般的なカラーフィルタの製造プロセスを示す模式図である。従来のカラーフィルタで、ＢＭ、着色画素、オーバーコート層を形成した形態で、混色が発生する様態を示す模式断面図である。従来のカラーフィルタで、ＢＭを高膜厚化し、順テーパー形状のＢＭを形成した仮想形態で、斜め視認性を改善する様態を示す模式断面図である。

以下、本発明の実施形態に係るカラーフィルタ及びその製造方法について図面を用いて説明する。同一の構成要素については便宜上の理由がない限り同一の符号を付ける。各図面において、見易さのため構成要素の厚さや比率は誇張されていることがあり、構成要素の数も減らして図示していることがある。また、本発明はその主旨を逸脱しない範囲で、以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明のカラーフィルタの断面構造例（後述の第１形態のＢＭを用いている）と、斜め視認性を改善する様態を説明するための模式断面図である。図１を、図８の従来のカラーフィルタでＢＭを高膜厚化し順テーパー形状のＢＭを形成した仮想形態で斜め視認性を改善する場合と比較すると、図１においては実際に高膜厚ＢＭが形成され、従って斜め視認性が改善される。

加えて、本発明のカラーフィルタでは、１色目、２色目、３色目の着色画素いずれも、図８の従来のカラーフィルタのような、ＢＭに近づくにつれて着色画素の膜厚が急速に大きくなる現象が緩和され、画素内の着色画素の膜厚均一性が向上している。これにより、平坦化のためのオーバーコート層の膜厚は、図８の場合よりも薄膜化され、斜め視認性上有利となる。また、色特性の均一性も向上する。

図２は、本発明のカラーフィルタで用いるＢＭの（ａ）第１形態１、（ｂ）第２形態２を説明するための模式断面図である。第１形態１、第２形態２のＢＭいずれにおいてもその膜厚は着色画素の膜厚よりも大きく、いずれにおいても２層以上の積層体形状のＢＭからなっており、ここでは３層の場合を例示している。

また積層体形状の第１形態１、第２形態２のＢＭいずれにおいて、少なくとも１層の断面形状は逆テーパー形状であり、ここでは（ａ）第１形態１では２段目のＢＭ１－２及び３段目のＢＭ１－３が逆テーパー形状、（ｂ）第２形態２では１～３段目のＢＭ２－１～２－３すべてが逆テーパー形状である場合を例示している。

図３は、（ａ）従来のカラーフィルタと、（ｂ）本発明のカラーフィルタとで、ＢＭが高膜厚のときの着色画素の膜厚均一性の違いを説明するための模式断面図である。（ａ）従来のカラーフィルタでは、ＢＭ膜厚が高膜厚のとき、既述のように、断面形状が順テーパー形状のＢＭは作ることが難しく、図のような逆テーパー形状となる。この場合、高膜厚ＢＭであるのでツノ部は発生しにくい。

一般に、着色レジストなどのネガレジストの硬化は、露光光を吸収してラジカルになった開始剤が、周辺のモノマーと重合して進行する。図３（ａ）の従来のカラーフィルタでＢＭの断面形状が逆テーパー形状の場合、塗布された着色レジストはＢＭ側壁に達した後は、専ら、Ｄ１の矢印で示す上方向に向かって反応が進行していく。

これに対して、図３（ｂ）の本発明のカラーフィルタでは、ＢＭ側壁は多段の逆テーパー形状でオーバーハング形状になっているため、Ｄ２の矢印で示す横方向に向かって反応が進行することができる。従って、本発明のカラーフィルタでは、画素内の着色画素の膜厚均一性が向上し、色特性の均一性も向上する。仮に着色レジストがＢＭ上に乗り上げたとしてもツノ段差の高さは従来のカラーフィルタよりも低くなる。それ故、平坦化のためのオーバーコート層の膜厚が薄膜化され、斜め視認性の改善に有利となる。

本発明のカラーフィルタで、ＢＭ側壁の多段の逆テーパー形状によるオーバーハング形状を利用し、横方向に向かって反応を進行させ、画素内の着色画素の膜厚均一性を、より効率よく向上させるためには、積層体形状のＢＭの線幅は、上層のＢＭほど小さいことが望ましい。ここで、線幅とは、図２（ａ）、（ｂ）の３段目のＢＭである１－３、２－３
で例示する膜厚方向の中心（ｔ１＝ｔ２）を通る線Ｃにより定まる線幅とする。すなわち、ｗ３＜ｗ２＜ｗ１であることが望ましい。

図４は、本発明のカラーフィルタの製造方法の第１方法に係り、第１形態のＢＭを形成するための（ａ）フォトマスクパターンの模式平面図、（ｂ）形成される第１形態のＢＭ１を示す模式断面図である。ここで用いるフォトマスクは、部分的に透過率が異なる領域を有するハーフトーンマスク（グレーマスク、階調マスクとも称される）である。

前記ハーフトーンマスクは、遮光部と透過部に加えて、透過部の外周部に透過部よりも透過率が低いグレー部２、さらにグレー部２の外周部にグレー部２よりも透過率が低いグレー部１を備えている。該ハーフトーンマスクを用い、１回の露光により、透過部で３段目のＢＭ１－３、グレー部２で２段目のＢＭ１－２、グレー部１で１段目のＢＭ１－１を形成し、第１形態のＢＭ１を形成する。この際、グレー部１で例えば垂直形状の１段目のＢＭ１－１が形成されるような露光量としておくことで、グレー部２ではオーバー露光、透過部ではさらなるオーバー露光となる。

オーバー露光となった２段目のＢＭ１－２の形成では、黒色レジストの表面へ近いほど重合反応が過剰に進行するので２段目のＢＭ１－２の断面形状は逆テーパー形状となる。透過部ではさらなるオーバー露光となるため、３段目のＢＭ１－３は２段目のＢＭ１－２よりもテーパー角の大きい逆テーパー形状となる。ここで、テーパー角とは、ＢＭの側壁の端点を結ぶ線と、透明性基板面へ下した垂線との成す角度とする。また、同様に露光量の違いにより、膜厚は３段目のＢＭ１－３がもっとも厚く、２段目のＢＭ１－２、１段目のＢＭ１－１の順に薄くなる。

このように、積層体形状のＢＭで、上層のＢＭほどテーパー角が大きく、また膜厚が厚くなるように形成することは、既述の逆テーパー形状によるオーバーハング形状を利用し、画素内の着色画素の膜厚均一性をより確実に向上させるために好ましい。

図５は、本発明のカラーフィルタの製造方法の第２方法に係り、第２形態のＢＭを作製するための（ａ）（ｂ）（ｃ）フォトマスクパターンの模式平面図、（ｄ）作製される第２形態のＢＭ２を示す模式断面図である。第２方法では、このように３枚のフォトマスク１、２、３を用い、３回の露光を行い、個別に１段目のＢＭ２－１、２段目のＢＭ２－２、３段目のＢＭ２－３を形成し、第２形態のＢＭ２を形成する。

３枚のフォトマスク１、２、３の透過部の線幅は、フォトマスク１がもっとも大きく、フォトマスク２、フォトマスク３の順に次第に小さくしておく。加えて、３回の露光いずれにおいてもオーバー露光となる露光量とすることにより、図２（ｂ）に示す形態の、３層ともに逆テーパー形状で、ｗ３＜ｗ２＜ｗ１の線幅関係にある第２形態のＢＭ２を形成することができる。

以上、本発明のカラーフィルタの製造方法によれば、第１方法においてはグレー部１及びのグレー部２の透過率と線幅、並びに露光量、第２方法においては各段目用のマスクの透過部の線幅、及び各段目用の露光量を好適化することで、各段目の逆テーパー形状のテーパー角と線幅を適宜調整することができるので、製品仕様に応じて斜め視認性が改善されたカラーフィルタが得られる。

本発明のカラーフィルタ及びその製造方法は、高い表示品質が求められる高精細液晶表示装置、及びそれを構成するカラーフィルタ基板、液晶表示パネルに好適に用いることができる。

１・・・・・本発明のカラーフィルタで用いる第１形態のブラックマトリクス
１－１・・・第１形態のブラックマトリクスの１段目
１－２・・・第１形態のブラックマトリクスの２段目
１－３・・・第１形態のブラックマトリクスの３段目
２・・・・・本発明のカラーフィルタで用いる第２形態のブラックマトリクス
２－１・・・第２形態のブラックマトリクスの１段目
２－２・・・第２形態のブラックマトリクスの２段目
２－３・・・第２形態のブラックマトリクスの３段目
１０・・・・第１形態のブラックマトリクスを用いた本発明のカラーフィルタ

Claims

透明性基板上に、ブラックマトリクス、着色画素が形成されたカラーフィルタにおいて、
前記ブラックマトリクスの膜厚は、前記着色画素の膜厚よりも大きく、
前記ブラックマトリクスは、２層以上の積層体形状のブラックマトリクスからなり、
前記積層体形状ブラックマトリクスの少なくとも１層の断面形状は逆テーパー形状である、ことを特徴とするカラーフィルタ。
前記積層体形状のブラックマトリクスの線幅は、上層のブラックマトリクスほど小さい、ことを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタ。
ここで、前記線幅とは、膜厚方向の中心を通る線により定まる線幅とする。
請求項１、または２に記載のカラーフィルタの製造方法であって、
部分的に透過率が異なるハーフトーンマスクを用いて、前記積層体形状のブラックマトリクスを作製する、ことを特徴とするカラーフィルタの製造方法。