JP2005331619A - パターン部材およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 微細領域パターンを有するパターン部材において、該微細領域パターンを形成する膜の膜厚が均一に形成されるパターン部材およびその製造方法を実現する。
【解決手段】 ブラックマトリクス１２によって微細領域に区画されたガラス基板１１上の各絵素領域に、インク１３’の吐出を行い、これを乾燥させて、周辺部の膜厚が大きく中央部の膜厚が小さい形状のインク層１３を形成する。さらに、その上に、インク１４’の吐出を行い、これを乾燥させて、表面が平坦なインク層１４を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶表示装置に使用されるカラーフィルタや、金属配線パターンが形成された配線基板など、微細領域パターンを有するパターン部材およびその製造方法に関するものである。
近年、パーソナルコンピュータを初めとしたＯＡ機器、携帯情報端末、携帯電話、テレビなどへの液晶表示装置の応用が急速に進展している。これらの液晶表示装置はカラー化に対応するためにカラーフィルタが用いられており、一般的には赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光の３原色のフィルタが透明基板上にパターン形成されている。
従来のカラーフィルタの製造方法としては、カラーレジストを透明基板上に塗布し、露光、現像により着色層をパターン形成する顔料分散法、あるいは染色基材を透明基板上に塗布し、露光、現像により形成したパターンを染色して着色層とする染色法が一般的である。しかしながらこれらの製造方法では、各色ごとに洗浄、塗布、露光、現像の各工程を繰り返す必要があり、プロセスの簡略化が困難である。さらに塗布工程におけるスピンコートにより材料のロスが大きくなる。
上記以外のカラーフィルタの製造方法としては、透明電極を透明基板上にパターン形成し、各色の電解液中で透明電極に通電することで電着させる電着法、あるいは透明基板上に各色を印刷し着色層を形成する印刷法がある。しかし、電着法はパターン形状が限定されてしまい、印刷法は高精細パターンの形成が困難であるという問題がある。
上記各カラーフィルタの製造方法に対して、インクジェット方式は、透明基板上でインクジェットヘッドを移動させながらインクを吐出し、直接パターン形成するため、露光、現像工程を必要としない。このため、インクジェット方式は、インク使用量の低減、プロセスの簡略化によりコスト低減が可能となり、カラーフィルタ製造方法として現在注目されている。インクジェット方式では、透明基板上に設けた仕切り部材により囲まれた複数の凹部内にインクを吐出する方式が挙げられる。あるいは、インクを吐出する前処理として透明基板上に撥水性パターンと親水性パターンの各領域を形成しておくことで、インクを吐出した時に正確なパターンの着色層を形成する方式等が挙げられる。また、透明基板上の表示部へのインク吐出前に、表示には用いられない非表示部へインクを予備吐出することで吐出量、着弾位置などを安定させてから表示部へのインク吐出を開始する方式がある（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−３１８７２３号公報（公開日１９９５年１２月８日） 特開２００２−２５０８１１号公報（公開日２００２年９月６日） 特開２００３−２１７１４号公報（公開日２００３年１月２４日） 特開平９−１０１４１１号公報（公開日１９９７年４月１５日） 特開平９−２１９１０号公報（公開日１９９７年１月２１日） 特開平８−３０４６１９号公報（公開日１９９６年１１月２２日） 特開平１０−１２３３１０号公報（公開日１９９８年５月１５日） 表面科学 Vol.24, No.2, pp. 90-97, 2003
しかしながら、カラーフィルタの製造に上記のようなインクジェット方式を用いると、透明基板上に着弾したインクを表示部全面に均一な膜厚のままで乾燥させることは難しいため、以下で説明するようなインクの偏りの問題が発生する。
図６は従来のインクジェット方式を用いたカラーフィルタの製造工程を示すカラーフィルタの断面図である。インクジェット方式を用いたカラーフィルタの製造工程では、ブラックマトリクス１０２が形成された基板１０１へインク１０３をインクジェット方式で着弾してカラーフィルタを形成する。
インクジェット方式で用いられるインク１０３は、ブラックマトリクス１０２が形成された基板１０１へ着弾後、基板１０１の隅々まで濡れ広がるように、粘性の低い流動性の良いインクが一般的に用いられる。また、上記ブラックマトリクス１０２によって区画された絵素領域に着弾されたインク１０３が隣接する他の絵素領域に漏れて混色が生じるのを防ぐため、上記ブラックマトリクス１０２は通常は撥水性を有している。この時、基板１０１の所定絵素に対して着弾されたインク１０３は、該絵素領域内で中央部分が膨らんだ凸形状となる。そして、インク１０３が乾燥させられることによってカラーフィルタが完成するが、乾燥後のインク１０３は、着弾直後の凸形状を維持している。
このように、上記カラーフィルタにおいて、インク（すなわち着色層）に凸形状が生じている場合、着色層が平坦に形成されるカラーフィルタと比較して、セル厚均一性、ブラックマトリクス近傍での白抜け、各絵素領域内での色濃度分布の不均一等の問題が発生する。
尚、上記特許文献１ないし３には、各絵素領域内に形成されるインク層の形状についての記載は特に無い。また、特許文献５には、基板上で乾燥したインクが凸形状になることの記載はあるが、このインク形状による問題点やその解決方法についての開示はない。
また、インクの凸形状を補正する方法の例は、特許文献６や特許文献７に開示がある。特許文献６には、凸形状のインク層を有するカラーフィルタ上へネガ型の光硬化性樹脂を塗布し、裏面から露光することで自己整合的にカラーフィルタの凸部の段差を吸収する方法が提案されている。特許文献７には、最初に基板上へインク層をインクジェット法にて形成し、その後、ブラックマトリクスをフォトリソプロセスにより形成する方法が提案されている。
しかしながら、特許文献６の方法では、凸形状による段差は平坦化されるが、もう１つの課題点であるブラックマトリクス近傍のインク膜厚が薄くなるといった問題は解決できないため、色濃度分布の不均一性は解消されない。ブラックマトリクス近傍で白抜けが発生していてもそのままである。
また、特許文献７の方法では、インクジェット法で直接ガラス基板上へインク層を形成しており、この時点でバンクとなるブラックマトリクスが存在しないため、ブラックマトリクス近傍の白抜けといった問題の発生はないが、インク液滴の着弾精度等を考慮すると各色を精度よく形成することは難しく、高精細パターンのカラーフィルタを形成する場合には、この方法の適用はさらに困難となる。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、液晶表示装置に使用されるカラーフィルタや、金属配線パターンが形成された配線基板など、微細領域パターンを有するパターン部材において、該微細領域パターンを形成する膜の膜厚が均一に形成されるパターン部材およびその製造方法を実現することにある。
本発明に係るパターン部材は、上記課題を解決するために、基板上の微細領域にパターニングされたパターン層を有するパターン部材において、上記パターン層が、基板法線方向に積層され、その層間に界面を有する複数の層にて形成されており、かつ、最上層以外の層では周辺部の膜厚が大きく中央部の膜厚が小さい形状となっており、最上層においてその表面が平坦になる形状となっていることを特徴としている。
また、本発明に係るパターン部材の製造方法は、上記課題を解決するために、基板上に液状材料を吐出または塗布して微細領域にパターニングし、これを乾燥させることによって、基板上に微細パターンのパターン層を形成してなるパターン部材の製造方法において、上記液状材料を吐出または塗布し、これを乾燥させる工程を複数回に分けて行うことで、上記パターン層を、基板法線方向に積層され、その層間に界面を有する複数の層にて形成すると共に、上記パターン層の各層は、最上層以外の層では周辺部の膜厚が大きく中央部の膜厚が小さい形状となり、最上層においてその表面が平坦になる形状となるように乾燥させられることを特徴としている。
上記の構成によれば、上記パターン層は複数層の積層構造とされ、その各層は、液状材料を吐出または塗布の間に乾燥工程を挟んで形成される。そして、最上層以外の層では周辺部の膜厚が大きく中央部の膜厚が小さい形状とし、最上層においてその表面が平坦になる形状とすることで、微細領域にパターニングされるパターン層であっても、最終的に得られるパターン層において、表面が凸形状となることを防止でき、平坦な（膜厚が均一な）パターン層を得ることができる。
また、上記パターン部材及びその製造方法においては、上記パターン層において積層される各層は、同機能を有する層であることが好ましい。
また、上記パターン部材及びその製造方法においては、上記パターン部材は、上記パターン層としてインク層が形成されたカラーフィルタとすることができる。あるいは、上記パターン部材は、上記パターン層として金属配線層が形成された配線基板とすることができる。
また、上記パターン部材及びその製造方法においては、上記パターン層は、バンクによって囲まれた微細領域内に形成されている構成とすることができる。上記の構成によれば、上記パターン層を微細領域内に高精細に形成することができる。
また、上記パターン部材の製造方法においては、上記基板上に上記液状材料を吐出する方法として、インクジェット法を用いることが好ましい。
本発明に係るパターン部材およびその製造方法によれば、上記パターン層は複数層の積層構造とされ、その各層は、液状材料を吐出または塗布の間に乾燥工程を挟んで形成される。そして、最上層以外の層では周辺部の膜厚が大きく中央部の膜厚が小さい形状とし、最上層においてその表面が平坦になる形状とすることで、微細領域にパターニングされるパターン層であっても、最終的に得られるパターン層において、表面が凸形状となることを防止でき、平坦な（膜厚が均一な）パターン層を得ることができるといった効果を奏する。
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図面に基づいて説明すると以下の通りである。本実施の形態１では、本発明が適用されるパターン部材としてカラーフィルタを例示する。先ずは、上記カラーフィルタの製造工程を、図１および図２を参照して説明する。
最初に、および図２（ａ）に示すように、ガラス基板１１（図１（ａ）参照）上へネガ型ブラックマトリクスレジスト材料を使用し、フォトリソ法を用いてドットパターンのブラックマトリクス１２を形成する。尚、ブラックマトリクス１２の形成においては、レジスト材料、フォトリソ法を用いたが、ブラックマトリクスの形成材料および形成プロセスに特に限定はなく、ブラックマトリクスパターンが形成できれば問題ない。また、ブラックマトリクスパターンとしても、ドットパターンの使用に限定されるものではなく、形成するカラーフィルタの配列（ドット配列、ストライプ配列、モザイク配列、デルタ配列等）は特に限定されない。
ブラックマトリクス１２は、パターン形成後にＦ原子を含むガス（ＣＦ４等）でプラズマ処理され、その表面が撥インク化処理される。ブラックマトリクス１２の撥インク化処理は、上記プラズマ処理以外に、ブラックマトリクス材料中に撥インク剤を含有させても良いし、ブラックマトリクス材料がガラス基板１１に対して撥インク性を示せば良い。
次に、図１（ａ）に示すように、撥インク化したブラックマトリクス１２のドットパターン内へ、顔料分散型のカラー材料（RED, GREEN, BLUE）をインクジェット装置を用いて１回目のインク吐出を行う。顔料分散型のカラー材料としては、インクジェット吐出用に粘度・表面張力等を調整したインク（例えば、粘度１０ｍＰａ・ｓ、表面張力３０ｍＮ／ｍ）１３’を使用する。
上記１回目のインク吐出が完了すると、ここでインク１３’の乾燥を行い、図１（ｂ），図２（ｂ）に示すように、第１のインク層１３を形成する。このインク乾燥工程においては、最終的に平坦なカラーフィルタが得られるよう、１回目の吐出によるインク層１３が、ブラックマトリクス１２近傍（すなわち、ドットパターン内の周辺部）の膜厚が厚く、中心部の膜厚が薄くなるような形状（ブラックマトリクス周辺にインク材料が偏った形状）で乾燥させられる。この時、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）、ＨＰ（Hot Plate）、オーブン、減圧乾燥等の乾燥方法を用いると効率が良くなるが、乾燥装置を使用せずにインクを自然乾燥させてもよい。
インクジェット法などで吐出される微少液滴では、非特許文献１に示されるように液滴の乾燥は周辺環境によって大きく影響を受ける。それゆえ、乾燥条件や乾燥方法の変更を行うことでブラックマトリクス周辺にインク材料が偏った形状を簡単に形成できる。今回は、１回目のインク吐出の後、ＨＰを使用することで、乾燥後のインク層１３において上記形状を実現した。
このようにして形成された１層目のインク層１３の上に、図２（ｃ）に示すように、さらにインク１４’によって２回目のインク吐出が行われ（図１（ｃ）参照）、これを乾燥させて２層目のインク層１４が形成される（図１（ｄ）参照）。
２層目のインク層１４の乾燥工程では、形成されたカラーフィルタの表面、すなわちインク層１４の表面が平坦になるように、乾燥条件・乾燥方法の制御が行われる。今回は、減圧乾燥を用いて形状を形成した後、オーブンによる焼成を行った。２層目のインク層１４の乾燥方法は、１層目と同様にＲＴＡ、ＨＰ、オーブン、減圧乾燥等を用いても良く、自然乾燥させても構わない。
尚、インク層１３，１４の乾燥工程においては、乾燥条件・乾燥方法の制御によって、所望の形状を得ているが、元々平坦な面を有するガラス基板上に、１回の吐出で形成されるインク層を乾燥させて平坦面を得ることは極めて困難である。上記方法では、インク吐出を２回に分けて、２つのインク層を間に乾燥工程を挟んで形成しているため、最終的に平坦な平面を有するインク層が得られている。
また、上記２層のインク層１３，１４は、基本的に同材料のインクからなっているが、間に乾燥工程を挟んでいるため、インク層１３，１４の間には界面が生じており、本実施の形態に係るカラーフィルタは、各ドットパターン（絵素領域）内のインク層が積層構造になっていると見なすことができる。
このように、本実施の形態に係るカラーフィルタは、各ドットパターン（絵素領域）内のインク層をインク層１３，１４の２層構造とし、１層目（基板に接する側）のインク層１３を周辺部での膜厚が厚く中心部での膜厚が薄くなるような形状とし、２層目（フィルタ表面側）のインク層１４をその表面が平坦になる形状としている。これにより、上記カラーフィルタでは、各ドットパターン内のインク層で周辺部および中心部ともほぼ同じ程度の膜厚とすることができ（全体的にほぼ均一な膜厚とすることができ）、従来問題となっていたブラックマトリクス近傍の膜厚不足や凸形状を改善することが可能になる。
尚、上記例では、１層目および２層目の何れのインク層において、３色分のインクを吐出したのち、同時に乾燥を行っているが、１色ずつ吐出→乾燥のプロセスを行っても良い。また、カラーフィルタの色も、RED, GREEN, BLUEの３色に限定される必要はなく、多原色のカラーフィルタでも問題ない。
また、上記方法では、乾燥前のインク塗布にインクジェット法によるインク吐出を用いたが、カラーフィルタ作製方法も特に限定されるものではなく、インクジェット法以外にも、印刷法等によって乾燥前のインクを塗布しても良い。
〔実施の形態２〕
本実施の形態２では、本発明をカラーフィルタの修正技術に応用した例を示す。
本実施の形態２に係るカラーフィルタは、インクジェット法や印刷法等により、液状のインクを用いて基板上記へ直接パターンを描画した後、このインクを乾燥させることによってパターン形成を行うものである。このように、インクジェット法や印刷法等を用いたカラーフィルタの製造方法では、隣接する絵素間でのリーク（混色）が発生してしまう場合がある。
このようなリークが生じたカラーフィルタ（図３（ａ）参照）を修正する場合、リーク部分のインクをレーザーで取り除いた後（図３（ｂ）参照）、カラーフィルタ作製の時と同様にＦ原子を含むガスでプラズマ処理することによって、インクを取り除いた周辺のブラックマトリクスを撥水化させる。
そして、このインクが取り除かれた絵素にインクジェット法でインクを吐出すれば良いが、この場合、レーザー修正時の残留物等の影響もあり、カラーフィルタ形成時ほどの撥水性を得ることができない。その結果、修正を受けた絵素は、他の周辺絵素よりもインク層の膜厚が薄くなってしまう。
このため、本実施の形態２では、修正絵素におけるインク層の形成において本発明を適用する。すなわち、インクが取り除かれた絵素において、インクの吐出を少量ずつ複数回に分けて行い、吐出→乾燥の工程を複数回繰り返すことで、膜厚、形状ともに周辺の絵素と同様なパターンを修正できる。もちろん、この場合においても、最上層（最終的なインク層の表面を有する層）以外のインク層においては、インクを周辺に偏らせた形状となるように乾燥条件が制御される。
〔実施の形態３〕
上記実施の形態１および２では、本発明をカラーフィルタの製造に適用した例を示したが、本実施の形態３では、インクジェット法を用いて金属材料を吐出し、フラットパネルディスプレイ等に用いられるＴＦＴ用基板への配線形成に本発明を応用した例を示す。本実施の形態３において、インクジェット法を用いて形成される金属配線は十分に細い配線幅で形成されるため、従来の方法ではこの幅方向において凸形状が生じる。このため、本実施の形態３における金属配線も、微細領域において形成されるパターン層であると見なされる。上記ＴＦＴ用基板への配線形成工程を、図４を参照して説明する。
先ずは、図４（ａ）に示すように、ガラス基板２１に配線材料吐出用の溝２２を形成する。この溝は、ガラス基板２１にＳＯＧ膜等の材料をガラス基板上へ積層し、積層した膜に溝を形成しても良いが、ここでは、ウエットエッチングによってガラス基板２１上に直接溝を形成している。また、ガラス基板に対して直接に溝加工を行う場合であっても、その加工方法はウエットエッチングに限定されるものではない。
上記ＴＦＴ用基板では、パネルサイズの大型化・高精細化に伴い、配線を低抵抗および低容量とすることが求められており、上記配線をできるだけ細く、厚膜に形成する必要がある。その際、上層との兼ね合いから、形成後の配線に段差がない方が望ましいことから、ガラス基板上へ予め溝を形成し、その溝部分へ配線を埋め込むことが検討されている。
ここで、ガラス基板の溝内に金属材料（金属微粒子を溶媒中に分散させた液状金属材料）の吐出を行い、これを乾燥させて金属配線とする配線形成において、従来の方法（吐出→乾燥の工程を１回のみ行う方法）を用いると、溝内に形成される金属配線が凸形状の断面を有し、溝と配線との間で上記凸形状に起因する隙間を生じる（図５参照）。そして、この隙間が上層への段差を生じ、上層の配線において、断線等の不具合を起こす要因となり得る。
このため、本実施の形態３に係るＴＦＴ用基板では、上記配線の形成において、図４（ｂ）に示すように、上記溝２２内に配線材料の１回目の吐出を行った後、これを乾燥させて溝２２側面付近の配線を選択的に厚膜とする。その後、図４（ｃ）に示すように、２回目の配線材料の吐出を行い、これを乾燥させることによって、溝２２部分をきれいに埋めるような平坦な配線層２３を得ることが可能となる。
尚、上記実施の形態１ないし３は何れも、形成されるパターン層（インク層あるいは金属配線層）の周囲にブラックマトリクスや溝等のバンク（土手部）を形成している。しかしながら、本発明において、このようなバンクの形成は必ずしも必要ではない。すなわち、１層目のパターン層を形成するにあたって、上記バンク層が無くても、周辺部の膜厚が大きく中央部の膜厚が小さい形状とすることは、乾燥方法や乾燥条件の制御によって可能である。そして、上記形状とされた１層目のパターン層の上に、２層目のパターン層を形成することで、全体的に略膜厚が均一な平坦なパターン層を得ることができる。
また、上記実施の形態１ないし３において形成されるパターン層は、何れも２層構造としているが、本発明において上記パターン層は、少なくとも２層以上の積層構造であればよい。すなわち、上記パターン層を３層以上の積層構造とする場合には、最上層となるパターン層において平坦な表面が得られれば良く、最上層以外のパターン層においては周辺部の膜厚が大きく中央部の膜厚が小さい形状となるように乾燥条件が制御される。
また、本発明が適用されるパターン部材の種類は、上記実施の形態１ないし３にて説明したカラーフィルタや配線基板に限定されない。すなわち、本発明は、基板上の微細領域にパターニングされた液状材料を塗布し、これを乾燥させることによって、基板上にパターン層を形成してなるパターン部材において適用可能である。例えば、本発明の適用が可能となるパターン部材の他の例として 有機ＥＬパネルが挙げられる。有機ＥＬパネルに製造する場合、ガラス基板上に有機ＥＬ層をパターン形成するにあたって本発明を適用することが可能である。
また、金属パターン層を形成するために本発明を適用する例では、実施の形態３のように金属配線の形成だけでなく、例えば、液晶表示装置等で用いられるアクティブマトリクス基板における画素電極の形成にも本発明を適用することができる。
また、基板上への液体状のパターン層材料を吐出（あるいは塗布）する方法にしても、液体状のパターン層材料を所望のパターンにて形成できる方法であれば特に限定されるものではなく、上述したインクジェット法以外に、例えば、転写法やスピンコート法を用いることもできる。スピンコート法を用いて、基板上に液体状のパターン層材料を塗布する場合、該基板に予めバンク等によるパターンが形成されていれば、上記パターン層材料を所望のパターンにて形成できる。
また、本発明においては、上記パターン層が積層構造とされるが、各層の機能は本質的に異なるものではない（例えば、カラーフィルタにおいては同色のインク層が積層される）。但し、各層における液体状のパターン層材料を吐出（あるいは塗布）際においては、例えば粘度等の材料特性を異ならせていてもよい。
本発明の一実施形態を示すものであり、図１（ａ）〜（ｄ）は、カラーフィルタの製造工程を示す断面図である。 図２（ａ）〜（ｃ）は、上記カラーフィルタの製造工程を示す平面図である。 図３（ａ）〜（ｄ）は、上記カラーフィルタのリーク箇所の修正工程を示す平面図である。 図４（ａ）〜（ｃ）は、配線基板の製造工程を示す断面図である。 従来の方法で作成された配線基板を示す断面図である。 図６は、従来のカラーフィルタの製造工程を示す断面図である。図である。
符号の説明
１１，２１ ガラス基板（基板）
１２ ブラックマトリクス（バンク）
１３，１４ インク層（パターン層）
１３’，１４’ インク（液状材料）
２２ 溝（バンク）
２３ 金属配線（パターン層）

Claims (10)

  1. 基板上の微細領域にパターニングされたパターン層を有するパターン部材において、
    上記パターン層が、基板法線方向に積層され、その層間に界面を有する複数の層にて形成されており、
    かつ、最上層以外の層では周辺部の膜厚が大きく中央部の膜厚が小さい形状となっており、最上層においてその表面が平坦になる形状となっていることを特徴とするパターン部材。
  2. 上記パターン層において積層される各層は、同機能を有する層であることを特徴とする請求項１に記載のパターン部材。
  3. 上記パターン部材は、上記パターン層としてインク層が形成されたカラーフィルタであることを特徴とする請求項１に記載のパターン部材。
  4. 上記パターン部材は、上記パターン層として金属配線層が形成された配線基板であることを特徴とする請求項１に記載のパターン部材。
  5. 上記パターン層は、バンクによって囲まれた微細領域内に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパターン部材。
  6. 基板上に液状材料を吐出または塗布して微細領域にパターニングし、これを乾燥させることによって、基板上に微細パターンのパターン層を形成してなるパターン部材の製造方法において、
    上記液状材料を吐出または塗布し、これを乾燥させる工程を複数回に分けて行うことで、上記パターン層を、基板法線方向に積層され、その層間に界面を有する複数の層にて形成すると共に、
    上記パターン層の各層は、最上層以外の層では周辺部の膜厚が大きく中央部の膜厚が小さい形状となり、最上層においてその表面が平坦になる形状となるように乾燥させられることを特徴とするパターン部材の製造方法。
  7. 上記パターン部材は、上記パターン層としてインク層が形成されたカラーフィルタであることを特徴とする請求項６に記載のパターン部材の製造方法。
  8. 上記パターン部材は、上記パターン層として金属配線層が形成された配線基板であることを特徴とする請求項項６に記載のパターン部材の製造方法。
  9. 上記パターン層は、バンクによって囲まれた微細領域内に形成されることを特徴とする請求項６に記載のパターン部材の製造方法。
  10. 上記基板上に上記液状材料を吐出する方法として、インクジェット法を用いることを特徴とする請求項６に記載のパターン部材の製造方法。
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