JP4000695B2 - カラーフィルター製造装置およびそれを用いたカラーフィルターの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、CCD カメラや液晶表示素子などの各種表示素子やカラーセンサーに使用されるカラーフィルターの製造装置及びそれを用いたカラーフィルターの着色層やブラックマトリックスの製造方法に関する。詳しくは、フォトリソ工程を使わずに着色層やブラックマトリックスを簡便にしかも高解像度で形成する新規なカラーフィルター製造装置およびそれを用いたカラーフィルターの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、 カラーフィルターの製造方法としては、（１）染色法、（２）顔料分散法、（３）印刷法、（４）インクジェット法、（５）電着法などが知られている。
これらのうち、（１）染色法及び（２）顔料分散法はいずれも技術の完成度は高く、カラー固体撮像素子(CCD) に多用されているが、フォトリソグラフィの工程を経てパターニングする必要があり、工程数が多くコストが高いという問題がある。
これに対して、（３）印刷法、（４）インクジェット法はいずれもフォトリソグラフィ工程を必要としないが、（３）印刷法は顔料を分散させた熱硬化型の樹脂を印刷し、硬化させる方法であり、解像度や膜厚の均一性の点で劣る。（４）インクジェット法は特定のインク受容層を形成し、親水化・ 疎水化処理を施した後、親水化された部分にインクを吹きつけてカラーフィルター層を得る方法であり、解像度の点、さらに、隣接するフィルター層に混色する確率が高く、位置精度の点でも問題がある。
【０００３】
（５）電着法は、水溶性高分子に顔料を分散させた電解溶液中で、予めパターニングした透明電極上に70V 程度の高電圧を印加し、電着膜を形成することで電着塗装を行い、これを3 回繰り返しR.G.B.のカラーフィルター層を得る。この方法は、予め、透明電極をフォトリソグラフィーによりパターニングする必要があり、これを電着用の電極として使用するため、パターンの形状が限定されTFT 液晶用には使えないという欠点がある。
【０００４】
また、一般にカラーフィルターはカラーフィルター層だけでは使えず、各カラーフィルター画素間をブラックマトリックスで覆う必要がある。通常、ブラックマトリックスの形成にはフォトリソグラフィーが使われており、コストアップの大きな要因の一つである。従って、R.G.B.層とブラックマトリックスを含めて考えると、高解像度で、制御性も高く、さらにフォトリソグラフィーを使用しなくてすみ工程数も少ない、カラーフィルターの製造方法は知られていないのが現状であり、カラーフィルターの製造において、歩留りが上がらずコストが高い原因となっている。
【０００５】
以上の従来技術に対して、予めパターニングされた透明導電膜が不要であり、フォトリソグラフィの工程なしに任意の画像パターンを形成できる画像形成方法として、本発明者らは有機あるいは無機の半導体を基板として利用し、パターン光を照射して水溶液中の水素イオン濃度を部分的に変化させることにより色素分子を半導体基板上に色素電着膜の形で析出させることで画像を形成し、それをカラーフィルターの製造に適用する方法を見いだし、先に、特願平１０−３３５３３０号を出願した。ここに記載の方法によれば、従来電着法によるカラーフィルターの形成法で必要であったフォトリソグラフィの工程なしに、微細で複雑な画素配置であっても対応でき、ブラックマトリックスの形成が容易で、低コストでカラーフィルターが製造できる。
【０００６】
本発明者らが提案した光電着法によって電着膜を形成する場合、電着液には光を吸収する色材が含まれているため、露光は透明基板が電着液と接していない側から基板を通して行なわれる。よって画像を形成する透明基板の一方の面は電着液に浸され、かつもう一方の面は露光のためにあけておく必要がある。そのため基板は画像パターンを形成したい部分の直下ではなく、基板の外周部で支持されることになる。
このような方法はパターン形成が容易であり、通常使用されるサイズでのカラーフィルターの製造には好適であるものの、ディスプレイの大型化、或いはカラーフィルターの生産性向上のための多数個どりの対応のため、透明基板を大型化すると、基板の自重により発生するたわみが大きくなるという新たな問題が生じてくる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
光電着法により、透明基板の裏面から精密な露光パターンを得るためには、基板がパターン光に対して平行である必要がある。また、露光に投影型の露光装置を用いる場合、投影型露光装置の性能を発揮するためには、結像光学系の焦点深度の範囲内に位置決めされるように基板を保持する必要がある。従って、大面積の透明基板が大きくたわんでしまっては精密な露光パターンがえられず、結果として精密な画像パターンを得ることができないという問題があった。
【０００８】
即ち、本発明の目的は大面積の透明基板であっても、精密な画像パターンを形成しうるカラーフィルター製造装置、及びそれを用いた解像度の高いカラーフィルターの製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記問題点を解決するため、本発明者らは鋭意検討の結果、液槽内の電着液に付加する圧力を調整することにより、簡易な構成で解像度の要求に適合する平行性を透明基板に付与しうることを見いだし、本発明を完成した。
即ち、本発明のカラーフィルター製造装置は、露光機と、前記露光機が露光しうる位置に配置された透明基板と、該透明基板をその周辺部で支持し、且つ、その内部に着色材を含む電解液を満たした液槽と、前記液槽内を満たす着色材を含む電解液に任意の圧力を加える圧力伝達機構と、を備えることを特徴とする。
ここで、前記液槽と前記透明基板との間に密閉材が配置され、前記電解液が液槽外にもれない構造をもつことが好ましい態様である。
本発明の製造装置には、前記透明基板のたわみ量を測定する変位センサーと、その測定結果に応じて圧力伝達機構の電解液に加える圧力を制御する制御手段と、を備えることが好ましい。
【００１０】
液槽は、一浴式であってもよく、前記透明基板に形成される複数のカラーフィルターに対応するセルに隔壁により区画され、前記透明基板が液槽の周辺部およびセルを区画する隔壁により支持される構造をもつものであってもよい。
液槽が複数のセルに区画される場合、液槽は電解液不透過性の隔壁により区画された独立した複数のセルを備え、それぞれのセルに圧力伝達機構を備える態様であってもよく、また、液槽は一部に電解液を透過しうる空隙などの液透過領域を有する隔壁により区画された複数のセルを備え、各セルに満たされた前記電着液が隔壁の液透過領域を通って各セル間を移動しうる構造を有していてもよい。
また、本発明の製造装置に備えられる露光機としては、結像光学系を備えた露光機、或いは、プロキシミティ方式の露光機を用いることができる。
本発明の特に好ましい態様は、透明基板として、透明のフィルムやガラス板等の透明基体の電解液に接する側の面に透明導電膜、透明半導体薄膜を順次積層したものを用い、着色材として水素イオン濃度の変化により析出する物質を用い、且つ、液槽として底部に対向電極を備えたものを用いることを特徴とする。
【００１１】
なお、前記問題点を解決する本発明は、好適な例として、前記電解液に接する側の面に透明導電膜、透明半導体薄膜を順次積層したものを用い、着色材として水素イオン濃度の変化により析出する物質を用い、且つ、液槽として底部に対向電極を備えたものを用いる方法について詳細に説明しているが、着色材を含有する液体に接触する透明基板の上部から露光してパターン形成する技術の全てについて適用可能であることはいうまでもない。
【００１２】
また、請求項９に記載の本発明のカラーフィルターの製造方法は、透明なフィルムやガラスからなる基体上に透明導電膜を形成し、その上部に透明半導体薄膜を積層した透明基板を準備し、所定の液槽内に満たした水素イオン濃度の変化により析出する着色材を含む電解液に、前記透明基板を接触させ通電可能にした後、所望の位置に光照射を行って、前記透明基板に起電力を発生させて着色材を析出させることによって基板上に選択的に電着膜を形成する工程を有し、前記電解液に前記透明基板の重力によるたわみを打ち消すような圧力を加えて透明基板の平面性を確保しながら光照射を行うことをを特徴とする。
この電解液に加える圧力は、前記基板中央のたわみ量を変位センサーで測定し、前記変位センサーの測定結果によって前記電解液に加える圧力量を制御する工程により行われることが好ましい。
【００１３】
本発明の製造装置によれば、カラーフィルター基板が大型化した場合でも、外周部で支持される透明基板の自重によって発生するたわみを電解液への圧力伝達機構を備えることで、小さく押さえることができる。そのため、露光装置の性能を損なわない程度の位置誤差範囲内に基板を平行に保持することが可能になり、精密な露光パターンによる光電着膜を形成できる。
【００１４】
【実施例】
以下図面を基に本発明のカラーフィルター製造装置を製造方法の工程に従って詳細に説明する。
（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例であるカラーフィルター製造装置を示す。１は結像光学系とフォトマスク、および紫外線光源からなる投影露光機、２は定電圧装置、４はアライメント調整およびステップ露光用に水平移動を行なうためのステージ、５は透明基板、６は液槽、７は白金電極、８は着色材を含む電解液、９はピストンとシリンダーとアクチュエーターから成る圧力伝達機構、１０は圧力制御用コンピュータ、１１は変位センサー、を示す。なお透明基板５にはガラス基体上に透明導電膜であるＩＴＯ、およびその上部に透明半導体薄膜である酸化チタン薄膜が順次積層してある。このような積層構造を有する透明基板を、以下、適宜、単にガラス基板と称する。ガラス基板５に配置されたＩＴＯと白金電極７間には、定電圧装置２によって一定のバイアス電圧がかかるようになっている。液槽６はガラス基板５で密閉されることによって電解液にかかる圧力が効率的にガラス基板５に伝わるようになっている。このときゴム材等の弾性体やパテなどの密閉材を液槽６とガラス基板５の間に挟むことが、より効率的な密閉が実現できるため望ましい。
【００１５】
第１の実施例においてガラス基板５の大きさは５５０ｍｍ×６５０ｍｍ、厚さは０．７ｍｍである。そのため、電解液に圧力を加えずに、この基板５を液槽６の両端の側壁で支持した場合のたわみ量はガラス中央部で約１０ｍｍに達する。そのため、このままの状態では精密な光電着膜を形成することができない。
【００１６】
実際の光電着によるカラーフィルターの製造は、図２に示すフローチャートに従って行われる。
まずガラス基板５のたわみ量が最大になる基板中心が変位センサー１１の真下に来るようにガラス基板５をステージ４によって水平移動する。変位センサー１１によって測定されたガラス基板５のたわみ量のデータは圧力制御用コンピュータ１０に送られる。圧力制御用コンピュータ１０で圧力伝達機構９におけるピストンの押し込み量を計算し、アクチュエーターによってピストンがシリンダーに押し込まれる。これによって電解液８に圧力が加えられ、ガラス基板５に対して重力によるたわみを打ち消す方向に力が加わる。圧力が加えられた後のたわみ量を変位センサー１１によって再度測定し、結像光学系１の焦点深度範囲内にガラス基板５が入っているかどうか圧力制御用コンピュータ１０で判定し、もし入っていない場合は上記ルーチンを繰り返す。
ここで用いうる変位センサー１１としては、公知のセンサー、例えば、三角測量式のレーザー変位計、共焦点検出方式のレーザー変位計等が挙げられる。
【００１７】
カラーフィルターの製造に用いられるような解像度をもつ投影露光機１は、紫外線光源１ａ、フォトマスク１ｂ及び結像光学系１ｃ、１ｄを備えている。このような投影露光機１において、焦点深度は１０〜１００μｍ程度である。上記ルーチンを繰り返すことによって充分焦点深度の範囲内にガラス基板５のたわみ量を押さえることができる。
ガラス基板５のたわみ量が規定量である焦点深度の範囲内になったら、露光を開始する。ガラス基板５をステージ４によって水平移動して、ガラス基板の全面について露光を行う。これによって大型のガラス基板全面に精度の良い光電着膜を形成することができ、これが単色のカラーフィルター層となる。これを、所望により電着液を変えて複数回行うことにより、多色のカラーフィルター層を形成することができる。
【００１８】
（実施例２）
図３に本発明の第２の実施例におけるカラーフィルター製造装置を示す。本実施例では、露光機２１としてプロキシミティ方式のものを用いている。プロキシミティ方式露光機２１には、平行紫外線光源２１ａ及びガラス基板５に近接する側の端部にフォトマスク２１ｂが備えられている。本発明の製造装置においては、ガラス基板５の上面には通常のフォトレジスト工程と異なりレジストなどが塗布されていないため、フォトマスク２１ｂが基板５に近接して配置されるプロキシミティ方式でもフォトマスク２１ｂの汚れる恐れが無い。このようなプロキシミティ方式の露光機２１を用いた場合、結像光学系を有する露光機を用いるより安価になる利点がある。その他の構成は、前記図１に示したものと同様であり、同じ部材は図１と同じ符号を付して表す。
【００１９】
（実施例３）
図４及び図５に本発明の第３の実施例における、複数のセルを備えた液槽１３の構造を示す。図４（Ａ）は液槽１３の平面図を、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線における断面図を、図５はその斜視図を示す。この液槽１３は、カラーフィルターを同時に多数形成するように、基板５を複数に分割しうるよう設計された構造を示す。本実施例では、液槽の内部が形成されるカラーフィルターの大きさのセル131 〜136 に隔壁により分割されていて、隔壁は液槽１３の上部にのみ形成され、それぞれのセルは下部でつながっているため、圧力伝達機構９におけるピストンの押し込みにより所定の圧力で加圧された電解液８は各セル間に均等に圧力を伝達することができる。
ガラス基板５は液槽１３の上部に乗せられるが、ガラス基板５がセルを形成する隔壁と接触する領域は画像を形成しない領域となり、隔壁で区画されたセルの内部、即ち、図４（Ａ）の平面図における斜線部分のみに光電着膜が形成される設計とすれば、セルの隔壁がカラーフィルターの形成に影響を与えることはない。実施例３における図４、図５に示す態様では、一工程で六面のカラーフィルターを形成することができる。
【００２０】
本実施例３においても、実施例１と同様に圧力伝達機構９を用いて電解液に圧力を加えることによってガラス基板５のたわみを露光装置の性能を維持できる範囲内に押さえることが可能になる。本実施例の如く、隔壁により複数のセルに液槽１３を区画する構造をとることによって、電解液に加わる圧力が下がった場合のガラス基板のたわみを小さく押さえることができるため、加圧前の時点や機器の故障により圧力が加わらなくなるような場合でも、自重によってたわんだガラス基板が破損する恐れが少なくなり、効率の良い作業が可能になる。
本実施例の如き態様をとる場合、変位センサーによるたわみ量測定は、各セルの中心で行なうことが好ましい。セルの大きさ（面積）によっては圧力を加えなくても基板５のたわみ量が露光装置の性能を維持できる範囲内になる場合がある。このような場合は、当然圧力伝達機構９による圧力をかける必要はない。
【００２１】
（実施例４）
図６及び図７に本発明の第４の実施例における液槽１４の構造を示す。図６（Ａ）は液槽１４の平面図を、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線における断面図を、図７はその斜視図を示す。本実施例では、液槽１４の内部が形成されるカラーフィルターの大きさに適合するセル141 〜146 に隔壁により区画されていて、それぞれの隔壁は液槽１４の底面から、液槽１４の側壁と同じ高さに形成され、セル間を電解液が移動できない、セル毎に独立した液槽を形成している。それぞれのセルが別個の液槽を構成する態様となり、それぞれの区画された液槽（141 〜146 ）には別々の圧力伝達機構９１〜９６が付属していて、独立した液槽ごとに、独立にたわみ量をおさえるために圧力制御することができる。これによって１つの圧力伝達機構でガラス基板全体のたわみ量を制御するよりも、より精密な制御を行なうことが可能になる。
【００２２】
本発明は、これら実施例に制限されるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、前記各実施例では、ピストンとシリンダーとアクチュエーターから成る圧力伝達機構を備えているが、圧力伝達機構としては、例えば、電解液タンクとポンプとを備え、液槽中に新たに電解液を注入することで液槽内部を加圧するような態様でもよく、その他の制御可能な公知の加圧手段を備える態様であってもよい。
【００２３】
液層を複数のセルに分割する態様において、液透過領域を備える隔壁を用いる場合、液透過領域は液の通過が自由にできるものであれば、いずれの構造でもよく、実施例３に示すように、液層の高さ方向の一部分のみに隔壁を設ける態様の他、一部に貫通穴を有する隔壁等、液不透過性の材料で一部に開口部を有する構造や、金網状の隔壁、多孔質構造を有する隔壁など、公知の液体透過性の材料を用いた隔壁等を採用することができる。この場合でも、それぞれのセル内の圧力を一つの圧力伝達機構により制御する観点から、圧力損失のできるだけ少ないような構造をとることが好ましく、液不透過性の材料で一部に開口部を有する構造が、圧力損失及び製造の容易性の観点から好ましい。
【００２４】
本発明のカラーフィルター製造装置によれば、カラーフィルター基板が大型化した場合でも、液槽の外周部で支持される透明基板の自重によって発生するたわみを小さく押さえることができる。そのため、露光装置の性能を損なわない程度の位置誤差範囲内に基板を保持することが可能になり、精密な露光パターンによる光電着膜を形成できる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明のカラーフィルター製造装置によれば、大面積の透明基板であっても、精密な画像パターンを形成することができる。また、この装置を用いることにより、解像度の高いカラーフィルターを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１のカラーフィルター製造装置を示す概略構成図である。
【図２】 本発明のカラーフィルターの製造方法のフローチャートを示す。
【図３】 プロキシミティ方式の露光機を備えた実施例２のカラーフィルター製造装置を示す概略構成図である。
【図４】 （Ａ）は実施例３のカラーフィルター製造装置に用いる互いに連通する複数のセルに区画された液槽の平面図であり、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線における概略断面図である。
【図５】 実施例３のカラーフィルター製造装置に用いる互いに連通する複数のセルに区画された液槽の斜視図である。
【図６】 （Ａ）は実施例４のカラーフィルター製造装置に用いる互いに独立した複数のセルに区画された液槽の平面図であり、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線における概略断面図である。
【図７】 実施例４のカラーフィルター製造装置に用いる互いに独立した複数のセルに区画された液槽の斜視図である。
【符号の説明】
１ 投影露光機
２１ プロキシミティ方式露光機
２ 定電圧装置、
４ ステージ
５ ガラス基板（透明基板）
６、１３、１４ 液槽
７ 白金電極
８ 電解液
９、９１〜９６ 圧力伝達機構
１０ 圧力制御用コンピュータ
１１ 変位センサー
１３１〜１３６、１４１〜１４６ セル

Claims (10)

1. 露光機と、
   前記露光機が露光しうる位置に配置された、内部に着色材を含む電解液を満たした液槽であって、カラーフィルターを形成しようとする透明基板を、該透明基板の前記露光機の露光を受光する面の反対側の面が液槽内の着色剤を含む電解液に接するように支持しうる周辺部を有する液槽と、
   前記液槽内を満たす着色材を含む電解液に、前記透明基板の重力によるたわみを打ち消すような圧力を加える圧力伝達機構と、を備えることを特徴とするカラーフィルター製造装置。
2. 前記液槽に、カラーフィルターを形成しようとする透明基板を配置したとき、該透明基板と液槽周辺部との間に前記電解液が液槽外にもれない構造をもつ密閉材が配置されることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルター製造装置。
3. 前記透明基板のたわみ量を測定する変位センサーと、その測定結果に応じて圧力伝達機構の電解液に加える圧力を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のカラーフィルター製造装置。
4. 前記液槽が、前記透明基板に形成される複数のカラーフィルターに対応するセルに隔壁により区画され、前記透明基板が液層の周辺部およびセルを区画する隔壁により支持される構造をもつことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のカラーフィルター製造装置。
5. 前記液槽が、電解液不透過性の隔壁により区画された独立した複数のセルを備え、それぞれのセルに圧力伝達機構を備えることを特徴とする請求項４に記載のカラーフィルター製造装置。
6. 前記液槽が、液不透過性の材料で形成され、液槽の高さ方向の一部のみに設けられた隔壁、一部に液透過領域を形成する開口部又は貫通孔を有する隔壁、金網状の隔壁、多孔質構造を有する隔壁から選択される電解液の透過領域を有する隔壁により区画された複数のセルを備え、各セルに満たされた前記電着液が隔壁の電解液透過領域を通って各セル間を移動しうる構造を有することを特徴とする請求項４に記載のカラーフィルター製造装置。
7. 前記露光機として、結像光学系を備えた露光機、或いは、プロキシミティ方式の露光機を用いることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のカラーフィルター製造装置。
8. 前記透明基板として、透明基体の前記電解液に接する側の面に透明導電膜、透明半導体薄膜を順次積層したものを用い、前記着色材として水素イオン濃度の変化により析出する物質を用い、且つ、前記液槽として底部に対向電極を備えたものを用いることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のカラーフィルター製造装置。
9. 透明なフィルムやガラスからなる基体上に透明導電膜を形成し、その上部に透明半導体薄膜を積層した透明基板を準備し、
   露光機が露光しうる位置に配置され、内部に水素イオン濃度の変化により析出する着色材を含む電解液を満たした液槽の電解液と接触するように、前記透明基板を配置して通電可能にした後、
   前記透明基板の電着膜形成位置に前記露光機より光照射を行って、透明基板の透明半導体膜に起電力を発生させて露光領域の着色材を析出させることによって基板上に選択的に電着膜を形成する工程を有し、
   前記透明基板の重力によるたわみが発生した場合、当該領域における前記電解液に圧力伝達機構により前記透明基板の重力によるたわみを打ち消すような圧力を加えて透明基板の平面性を確保しながら光照射を行うことを特徴とするカラーフィルターの製造方法。
10. 前記基板中央のたわみ量を変位センサーで測定し、前記変位センサーの測定結果によって前記電解液に加える圧力量を制御する工程を有することを特徴とする請求項９に記載のカラーフィルターの製造方法。

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