WO1986004688A1 - Color filter and method of producing the same - Google Patents

Description

明 細 書 カラーフィルタ およびその製造方法 技 術 分 野

この発明は、 カラー液晶表示装置、 カラービデオカメラな どにおいて、 受光面に配置されるカラーフィルタ の技術に闋 し、 ょ リ詳し く は、 酎熱性、 射薬品性あるいは酎光性などの 種々の酎性にすぐれたポリイ ミ ド樹脂を用いて形成したカラ 一フィルタ、 およびそれを得るのに好適な製造方法に関する 背 景 技 術

この種のカラーフィルタは、 光透過性のガラス板などの基 体と、 その基体の一面に設けられた着色フィルタ層とから構 成されている。 着色フィルタ層は、 互いに異なる分光特性を 有する 2以上のフィ ルタ画素群、 一般には、 赤、 緑、 青に対 応する 3群のフィ ルタ面素群を有し、 各フィ ルタ画素群は、 モザイ ク状あるいはス トライプ状などの微細なパターン、 つ ま り フィ ルタ画素を多数備えている。

従来、 こう したカラーフィ ルタ の形成材料と して、 ポリイ ミ ド樹脂を用いるこ とは既に知られている。 たとえば、 各フ ィ ルタ画素群の上面をポリイ ミ ド樹脂層で被う という、 日本 特開昭 5 8— 4 6 3 2 6号に記載された技術、 あるいは、 着 色フィ ルタ層を構成する各フィ ルタ面素群を形成する方法と して、 ポリ イ ミ ド樹脂膜をパタ ーンニングした後、 パタ ーン ニングしたフィルタ画素群を所定の色に染色する という、 日 本特開昭 5 9一 2 9 2 2 5号に記載された技術などがある。 第 1図は、 後者の技術によって、 赤、 緑、 青に対応する 3 群のフィルタ画素群と、 各フィルタ画素群の互いに雜接する 各フィルタ画素の境界部に位置する黒色の遮光層と を有する カラーフィルタ を製造する際のプロセスフ ローを示している。 この図が示すとおり、 染色を利用した従来の技術では、 パタ ーンニングと染色と を別に行なう ため工程が多く かつ複雑で あ り、 また、 パタ ーンニングしたポリィ ミ ド樹脂は少なく と もセミ キユア （半硬化） の状態にあるので、 その中へ色素を 均一にかつ充分に拡散することは困難である、 などのいく つ かの難点がある。

そこで、 本発明者等は、 そう した難点を解決する技術と し て、 ポリイ ミ ド前駆体溶液に予め着色材を混入して成る塗布 溶液を用いて、 前記フィルタ面素群の中の一群を形成するた めの塗布層を形成し、 ついで、 その塗布層をフォ ト リ ソグラ フィ技術によってパタ ーンニングする方法を、 日本特康昭

5 9 — 2 0 1 3 1 9号と して先に提案した。 第 2図はその提 案に係る技術によるプロセス フ ローを示すが、 前記第 1図に 示したものに比べて工程がかな り簡易化されていることが理 解されるであろう 。

先の提案に係る技術によれば、 各フィルタ面素群を比較的 簡単に形成することができるが、 各フィルタ画素群を形成す るごとに、 それ以前に形成したフィ ルタ画素群を保護するた めに中間の保護膜を形成しなければな らない。 その点は、 第 1図に示した従来一般の方法でも同様である。

こう した中間の保護膜は、 カラーフィルタの製造を複雑に する という問題を生じるほか、 カラーフィ ルタ の全体の厚さ を増し、 しかも、 カラーフィルタ の表面の平坦性を惑くする こ とにな り、 力ラー液晶表示装置のようなフラッ ト · パネル ディ スプレイの表示特性および薄形化を阻害する原因となる 本発明者等は、 以上述べたよう な問題を解消するため、 前 記中間の保護膜を省略するこ とに着目 し、 種々検討したと こ ろ、 次のようなことが判明した。

すなわち、 たとえば第 1 のフィ ルタ画素群に保護膜を被せ ずに第 2 のフィルタ画素群を形成した場合、 第 1 のフィルタ 画素群の各フィルタ面素は、 第 2のフィルタ画素群を形成す るための塗布溶液を塗布した時に損傷を受けるが、 パタ ーン ニングのためのエッチング時にはほとんど損傷を受けないと いう こ とである。 ここで、 損傷とは、 たとえば第 1 のフィル タ面素群のよう な前段のフィルタ面素群のフィルタ画素にひ び割れあるいはしわを生じた り、 さ らには、 それらのフィル タ画素の中の着色材が溶け出したり、 あるいはフィルタ画素 自体が一部溶け出したりする という現象である。 こう した現 象は、 第 2のフィ ルタ画素群を形成するための塗布溶液に含 まれる溶媒によるものと考えられる。

発 明 の 開 示

この発明の目的は、 前記中間の保護膜を省略し、 表面の平 坦化およびカラーフィ ルタ全体の厚さの薄形化を可能と した カラ一フィルタ を提供するこ と にある。

この発明の他の 目的は、 既に形成した前段のフィルタ画素 群の各フィ ルタ画素に酎溶媒性、 つま リポリ イ ミ ド前駆体を 溶解する溶媒に対する酎性を付加する ことによって、 前記中 間の保護膜を省略することができるカラーフィルタ の製造技 術を提供するこ と にある。

この発明のさ らに他の目的は、 ポリイ ミ ドを着色する着色 材と して、 ポリイ ミ ド前駆体溶液の溶媒に溶解する染料を用 いることによって、 均一な着色性および塗布性にすぐれた塗 布溶液を用いたカラーフィルタ の製造技術を提供することに ある。

この発明によるカラーフィ ルタは、 第 3図にその断面構造 を示すよう に、 光透過性のガラス板等から成る基体 l Oと、 この基体 l Oの一面に設けられた着色フィルタ層 1 2とから 成る。 着色フィ ルタ層 1 2は、 たとえば、 赤、 緑、 青の各色 に対応した分光特性を有する 3群のフィ ルタ面素群 14 R , 14 G , 14 B から成り、 各群は多数のフィルタ面素 R , G , B を有する。 各フィ ルタ面素は、 受光面の大きさによって異 なるが、 たとえば小型のカラー液晶テレ ビなどでは、 縦横の いずれか一辺の長さが数十 / i m〜数百 / i m程度の 4.角のモザ イ ク状である。 こう した各フィルタ面素は基体 l Oの一面に マ ト リ ッ クス状に配列されているが、 その配列は、 通常、 横 および縦の互いに隣り合う フィルタ画素が、 互いに異なる色、 つま り異なる分光特性をもつよう に行なおれる。 勿論、 第 4 図に前記第 3図と同様に断面構造で示すよ う に、 前記 3群の フィ ルタ画素群 14 R， 14 G , 14 B の互いに隣接する各 フィ ルタ面素 R , G , Bの境界部に、 光を遮断する黒色の遮 光層 16が設けられる こ ともある。 遮光層 16は格子状を呈 する ことになる。

こ こで、 各フィ ルタ画素群 14 R， 14 G , 14 B の各フ ィルタ面素 R , G , Bはいずれのものも基体 l Oの一面に直 接接して配置されている。 各フィ ルタ画素 R , G , Bの膜厚 は、 要求される色濃度によっても異なるが、 たとえば 0 . 5 〜 2 · 0 m , 好ま し く は 0 . 7 5〜 ； L . 5 /i m程度である したがって、 各フィ ルタ画素の間における膜厚差はほとんど 無視する ことができ、 この発明によるカラーフィルタ の着色 フィルタ層 1 2は、 表面が平坦で、 かつ全体と して薄いもの となる。 なお、 基体 1 Oと しては、 一般的なガラス板のほか 光透過性の他の部材、 たとえば、 プラスチッ ク板あるいはフ レキシブルなプラスチッ ク フィルム、 さ らには電気的な素子 が形成された半導体基板などをも適用することができる。 ま た、 たとえばカラー液晶表示装置において、 共通電極あるい は画素電極のう ちの一方を構成する透明電極層は、 カラーフ ィルタ の上あるいは下のいずれかに形成されるが、 透明電極 層がカラーフィ ルタ の下面側に配置される場合、 前記基体 l Oの一面には、 基体 l O上に予め形成された透明電極層が 含まれるこ とは勿論である。

また、 前記の各フィルタ面素 R , G , B は、 酎熱性、 酎光 性などの点ですぐれた特性をもつポリ イ ミ ド樹脂と、 その中 に保持された染料と から成る。 ポリ イ ミ ド樹脂は、 カラーフ ィルタ に要求される光透過性の機能を損なわないよう にする ため、 透明性にすぐれたものを用いるのが良く 、 また、 着色 のための染料は、 酎熱性にすぐれ、 しかも、 ポリイ ミ ド樹脂 に対する溶解性にすぐれたものを用いるのが良い。 ポリ イ ミ ド樹脂を着色する材料と しては、 染料のほかに顔料も考えら れるが、 顔料を用いた場合には， 顔料はたとえば 0 · 1 ~ 0 . 3 A m径程度の粒子であるが、 2次粒子を生じやすく粒 子径がさ らに大き く な リ、 ポリイ ミ ド樹脂中へ均一に分散さ せることが困難であ り、 しかもまた、 分散した固形分は各フ ィルタ面素のパターンニング用の塗布層の形成時、 塗布層に ムラ とかスジを生じるなど塗布性にも難点を生じる。 しかし 染料を用いる場合には、 そう した問題を回避することができ る。 ポリイ ミ ド樹脂は、 フォ ト レジス トをマスク と して用い るフォ ト リ ソグラフィ技術によって容易にパターンニングす ることができるが、 その場合、 ポリ イ ミ ドはポリ イ ミ ド前駆 体溶液と して準備される。 ポリ イ ミ ド 駆体溶液は、 N—メ チルー 2 —ピロ リ ドンなどの極性の高い溶媒中に、 ポリイ ミ ド前駆体であるポリ ア ミ ック酸を含む溶液である。 商品化さ れ容易に入手可能なポリイ ミ ド前駆体溶液は、 たとえば 1 2 0 0センチボイズ程度の高粘度な原液である。 この高粘度な 溶液は、 ジメチルァセ トアミ ド、 ジメチルホルムア ミ ド、 N ーメチルー 2 —ピロ リ ドン、 シク ロへキサノン、 または、 力 ルビトール系あるいはセルソルブ系の溶媒を用いて希釈する ことができ、 たとえば数十〜数百センチボイズ程度の回転塗 布に適した適当な粘性をもたせる こ とができる。 染料は、 こ う した溶媒に対して良好に溶解するため、 ポリイ ミ ド前駆体 溶液の中に容易にかつ均一に分散させること ができる。 しか も、 溶解性のある染料は、 塗布層を形成する上でも顔料のよ うな前述した不都合を生じることはない。 各染料は各フィ ル タ面素群に対して 1種あるいは 2 , 3種のものを混合して用 いることができるが、 色の濃さ を出すため、 その混入量をで きるだけ多くするのが良い。 しかし、 余り にも多くすると、 後の工程においてフォ ト レジス ト中、 フォ ト レジス トを剥雜 するための剥雜剤中、 あるいは上層に形成する塗布層中に逃 げ出すという不都合を生じる。 したがって、 そう した逃げ出 しを生じない範囲でできるだけ多くするのが良い。 染料の混 入量と しては、 たとえば、 ポリイ ミ ドと同程度の重量％が¾ 当である。

この発明では、 パターンニングした前段のフィルタ画素群 の熱処理の温度、 つま りポース トべークの温度を染料の酎熱 性が許される範囲でできるだけ高くする こ とによって、 イ ミ ド化をよ り一層促進させるよう にしている。

イ ミ ド化は、 ポリ イ ミ ド前駆体であるポリ アミ ッ ク酸が脱 水閉璟するこ と によって進行するが、 その進行度合は熱処理 の温度を髙くすればするほど大き く なる。 こ う した加熱脱水 タイプのポリ イ ミ ドは、 4 0 0 程度で熱処理しなければ完 全にはイ ミ ド化が完了しない。 しかし、 フィルタ画素群を形 成するための塗布層を、 ポリ イ ミ ド前駆体溶液の中に、 着色 のための染料を混入して成る溶液を用いて形成するので、 前 記ポース トべークの上限温度は染料の酎熱性によって規制さ れる。 そこで、 着色のための染料と して、 ポリ イ ミ ド前駆体 溶液に良く混合し、 しかも、 酎熱性の高いものを選択するの が良い。 好適な染料例を次の表 1 に示す。 なお、 表 1の中に おいて、 酎熱性 2 5 0 とは、 2 5 0 の温度で長時間の熱 処理をすれば若干退色する傾向にあるが、 実際上使用可能で あること をいい、 また、 耐熱性 2 5 0 以上とは、 2 5 0 の温度で長時間熱処理を しても退色する等の劣化傾向は見ら れず使用可能であるこ と をいう。 表 1：着色のための染料例

染料の酎熱性が比較的に低いものについては、 塗布溶液中 に、 塗布層の表面をはつ水はつ油化する表面改質剤を添加す る と良い。 表面改質剤はフィ ルタ画素群に酎溶媒性を与える もので、 パーフ ロ ロアルキル基のよ う に表面移行性にすぐれ かつはつ水はつ油性をもつ機能性セグメ ン トを有するブロ ッ クポリマーである。 機能性セグメ ン トのほか、 アク リル系ポ リマーのよ う にポリイ ミ ドに相溶する相溶性セグメ ン トをも 有するビニルモノマーのブロ ックポリマーは、 はつ水はつ油 化の効果が半永久的であるので、 特に好ま しい。 また、 表面 改質剤と しては、 マク ロモノマーと機能性モノマーとの共重 合によ り合成され、 すぐれた界面移行性をもつ機能性クシ型 グラフ トポリマーを利用するこ ともできる。 さ らに、 表面改 質剤と して、 機能性クシ型グラ フ 卜ポリマーと前記ブロ ック ポリマーと を混合して用いる こ ともできる。 この表面改質剤 の添加量と しては、 通常 1〜 3 %程度が好適である。 添加量 を多くすれば、 はつ水はつ油化の効果が増す傾向にあるが、 たとえば 5〜 1 0 %以上にする と、 フィ ルタ画素群を形成す るための塗布層の均一性が低下する。 したがって、 塗布層の 均一性が損なわれない上のよ うな割合にするのが好ま しいの である。

この発明では、 第 5図にそのプロセスフ ローを示すよう に、 前段のフィルタ画素群を保護するための中間の保護膜の形成 工程をすベて省略することができる。 また、 遮光層および各 フィ ルタ画素群のすべてについて、 高温度での熱処理を施こ すこ とによって、 酎溶媒性を充分に増した場合には， カラー フィ ルタ の最上層を被う透明な保護膜、 いわゆる トップコー ト をも省略するこ と が可能となる。

図面の簡単な説明

第 1図は従来の染色法によるプロセスフ ローを示す工程囡、 第 2図は先の提案に係るプロセスフ ローを示す工程図、 第 3 図はこの発明によるカラーフィルタ の一例を示す断面図、 第 4図はこの発明によるカラーフィルタ の他の例を示す断面図、 第 5図はこの発明によるプロセスフローを示す工程図である。 発明を実施するための最良の形態

カラー液晶表示装置に用いるカラーフィルタ と して、 前記 第 4図に示すよう に、 ガラス板から成る基体 1 Oの一面に、 赤、 緑、 青に対応する分光特性を有する 3群のフィルタ面素 群 14 R， 14 G , 14 B と、 格子状の黒色の遮光層 16と を有するものを次のよ うな条件で製造した。 得られたカラー フィルタ は、 中間の保護膜がないにもかかおらず、 前段の遮 光層 16、 青のフィ ルタ面素群' 14 B、 赤のフィ ルタ画素群 14 Rに前述したよ うな損傷は何ら見られない良質のもので あった。 塗布に用いた塗布溶液の組成、 な らびに遮光層 16 および各フィ ルタ画素群 14 R , 14 G , 14 Bの形成は次 のとおりである。

塗 布 溶 液

(遮光層 16用）

ソルベン ト ブラ ッ ク 3 1 . 0 g ポリイ ミ ド前驩体溶液

(東レ株式会社製、 セ ミ コ フ ァ イ ン） 5 . 0 g メチルセ口 ソルブ 1 5 . O g シラ ンカ ッ プリ ング剤 0 . 0 2 g

(青のフィ ルタ画素群 14 B用）

アシ ッ ド ブルー 1 2 9 0 . 3 2 g ポリ イ ミ ド前駆体溶液

(東レ株式会社製、 セ ミ コ フ ァ イ ン） 5 0 g メチルセ口 ソルブ 7 5 g シランカ ッ プリ ング剤 0 0 2 g (赤のフィ ルタ画素群 14 R用）

アシ ッ ド レ ッ ド 2 5 7 0 . 5 g ポリ イ ミ ド前駆体溶液

(東レ株式会社製、 セ ミ コ フ ァ イ ン） 5 0 g メチルセ口 ソルブ 8 5 g シラ ンカ プリ ング剤 0 0 2 g 表面改質剤 0 0 2 g (緑のフィルタ画素群 14 G用）

ソルベン ト イェロー 7 7 0 5 g アシ ッ ド ブル一 7 0 5 g ポリ イ ミ ド前駆体溶液 _

(東レ株式会社製、 セ ミ コ フ ァ イ ン） 5 0 g メチルセ口 ソルブ 8 5 g シラ ンカ ッ プリ ング剤 0 0 2 g なお、 各塗布溶液については、 塗布に先立ち ポアサイズ 0 . 5 ii mのろ過フィ ルタ を通し、 夾雑物を取り除いた。 パタ ーンの形成

( a ) 塗布層の形成

前記各塗布溶液をスピンナによっ て 1 0 0 0 r p m、 6 0 〜 9 0秒回転塗布し、 その後、 レべリ ングのため 3 0分間、 室温に放置する。 ( b ) 第 1 のプレベーク

1 2 0〜 1 7 0 に加熱したホ ジ トプレー トの上に基体 l Oを載せ、 3〜 1 5分間乾燥させる。

( c ) フォ ト レジス トの塗布および露光

ポジ型のフォ ト レジス トを回転塗布し， ホッ トプレー トに よって 1 2 5 、 3分間乾燥させた後、 所定のフォ トマスク を通して超高圧水銀灯を光源と した紫外線による露光を行な う 。 露光のエネルギーは S O m J Zaiである。

( d ) 現像およびエッチング

0 . 1〜 0 · 3 Νの水酸化ナ ト リ ウム現像液で現像し、 同 時に塗布層のエッチングをも行なう 。

( e ) フォ ト レジス トの剥雜

セロ ソルブアセテー トを用いて、 フォ ト レジス トの未露光 部を剥雜する。

( f ) ポース トべーク

空気中、 2 5 0 で 3 0〜 6 0分間加熱処理する。

以上の操作を各色ごとに頫次行なって、 前記カラーフィル タ を完成した。

産業上の利用可能性

以上のよう に、 この発明は、 カラー液晶表示装置、 カラー ビデオカメ ラ等における、 カラー表示用あるいは色分解用の カラーフィルタ と して有用であ り、 特に、 カラーフィルタ の 表面の平坦化および厚さの低滅を図る ことができることから、 面素密度の高い装置、 あるいは受光面積が大きな装置に用い るのに適している。

Claims

請 求 の 範 囲 . 受光面に配置されるカラーフィルタであって、

( a ) 前記受光面と平行な一面を有する基体と、

( b ) 前記基体の一面に設けられた着色フ ィ ルタ層と から 成り、

前記着色フ ィ ルタ層は、 互いに異なる分光特性を有する 2以上のフ ィ ルタ面素群を有し、 各フ ィ ルタ画素群は多数 のフ ィ ルタ画素を各々備えており、 前記の各群の各フ ィ ル タ画素は、 ポリ イ ミ ド樹脂と、 このポリ イ ミ ド樹脂中に保 持された染料とから成リ、 それらのフ ィ ルタ画素のいずれ もが前記基体の一面に直接接して配置されている、 カラー フ イ ノレタ 。

. 前記基体が、 光透過性の钣状体である、 請求の範囲第 1 項記載の カ ラー フ ィ ノレタ 。

. 前記基体は、 前記一面に透明電極層を含む、 請求の範囲 第 1項あるいは第 2項記載のカラーフ ィ ルタ 。

. 前記の各フィルタ面素は 4角形状であ り、 それらがマ 卜 リ ッ クス状に配列されている、 請求の範囲第 1項記載の力 ラー プ イ ノレタ 。

. 横および縦の互いに酶リ合う フ ィ ルタ画素が、 互いに異 なる分光特性をもつよ う に配列されている、 請求の範囲第 4項記載のカラーフィルタ 。

. 前記フィ ルタ面素群は 3群であって、 赤、 緑、 青に対応 する分光特性をもっている、 請求の範囲第 1項記載のカラ 一フィ ルタ 。

. 前記 3群のフィルタ面素群の互いに隣接する各フィルタ 画素の境界部に、 光を遮断する遮光層が設けられている、 請求の範囲第 6項記載のカラーフィ ルタ 。

. 前記遮光層は、 ポリ イ ミ ド樹脂と、 このポリイ ミ ド樹脂 中に保持された黒色の染料とから成る、 請求の範囲第 7項 記載のカラーフィルタ 。

. 前記遮光層が、 前記基体の一面に直接接して設けられて いる、 請求の範囲第 7項あるいは第 8項記載のカラーフィ ルタ 。

. 前記着色フィ ルタ層の上面に、 透明な保護膜が設けられ ている、 請求め範囲第 1項あるいは第 7項記載のカラーフ ィルタ 。

. 受光面に配置されるカラーフィルタであって、

( a ) 前記受光面と平行な一面を有する基体と、

( b ) 前記基体の一面に設けられた着色フィ ルタ層とから 成り、

前記着色フィ ルタ層は、 互いに異なる分光特性を有する 2以上のフィルタ面素群を有し、 各フィ ルタ面素群は多数 のフィルタ画素を各々備えているカラーフィルタ を製造す る方法において、

( A ) 前記基体の一面に、 ポリ イ ミ ド前駆体溶液の中に、 当該溶液の溶媒に溶解する着色のための第 1 の染料を混入 して成る塗布溶液を用いて、 前記 2以上のフィ ルタ面素群 の中の一群を形成するための第 1 の塗布層を形成する工程、 ( B ) 前記第 1 の塗布層を フォ 卜 リ ソグラ フィ技術によつ てパタ ーンユングして、 第 1 のフィ ルタ画素群のパタ ーン を得る工程、

( C ) パターンニングした第 1 のフィルタ面素群を、 前記 第 1 の染料の酎熱性が許される範囲で高温度で熱処理する こ と によっ て、 当該第 1 のフィ ルタ面素群の射溶媒性を増 す工程、

( D ) 前記第 1 のフィルタ面素群を形成した前記基体の一 面に、 ポリ イ ミ ド前駆体溶液の中に、 当該溶液の溶媒に溶 解する着色のための第 2の染料を混入して成る塗布溶液を 用いて、 前記 2以上のフィ ルタ画素群の中の他の一群を形 成するための第 2 の塗布層を直接形成する工程、

( E ) 前記第 2の塗布層をフォ ト リ ソグラフィ技術によつ てパタ ーンニングして、 第 2 のフィ ルタ画素群のパタ ーン を得る工程、

( F ) パタ ーンニングした第 2のフィ ルタ画素群を、 前記 ' 第 ί および第 2の染料の酎熱性が許される範囲で高温度で 熱処理すること によって、 当該第 2のフィルタ画素群の射 溶媒性を増す工程、 および、

( G ) 前記（D )、 （E )および（F )工程と同様の工程を繰り 返すこ とによって、 前記 2以上のフィルタ画素群の残り の 群についてのパターンニングを行なう工程、

を含む、 カラーフィルタ の製造方法。

12 . 前記の各塗布溶液は、 ポリ イ ミ ド前駆体溶液に希釈溶媒 を加えて、 塗布に適した粘性をもつよ う に調整されている 請求の範囲第 1 1項記載のカラーフィ ルタ の製造方法。

. 前記の各塗布層は、 回転塗布によって形成される、 請求 の範囲第 1 1項あるいは第 1 2頊記載のカラーフィ ルタ の 製造方法。

. 前記の高温度の熱処理は， 2 5 0 前後で行なわれる、 請求の範囲第 1 1項記載のカラーフィルタ の製造方法。

. 前記の各塗布溶液の少な く とも一つは、 塗布層の表面を はつ水はつ油化する表面改質剤を含んでいる、 請求の範囲 第 1 1項記載のカラーフィルタ の製造方法。