JP5028645B2

JP5028645B2 - カラーフィルタ用フォトスペーサ製造用のフォトマスク

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Publication number: JP5028645B2
Application number: JP2007058996A
Authority: JP
Inventors: 敦子釜田; 龍士河本; 淳一白石
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2027-03-08
Also published as: JP2007272222A

Description

本発明は、液晶表示装置用カラーフィルタの製造に用いるフォトマスクに関する。

液晶表示装置に用いられるカラーフィルタは、例えば、図７に示すように、ガラス基板７０上にブラックマトリックス７１、着色画素７２、及び透明導電膜７３が順次に形成されたものである。このような構造のカラーフィルタは、先ず、ガラス基板上にブラックマトリックスを形成し、次に、このブラックマトリックスのパターンに位置合わせして着色画素を形成し、更に透明導電膜を位置合わせすることにより形成される。

多様な液晶表示装置の開発、実用化に伴い、液晶表示装置に用いられるカラーフィルタには、上記基本的な機能に付随して、例えば、１）保護層（オーバーコート層）、２）半透過型液晶表示装置に用いるカラーフィルタにおける透明部、３）透過表示の領域と反射表示の領域を通過する光の位相をそろえるための光路差調整層、４）カラーフィルタの反射表示の領域への光散乱層、５）スペーサ機能を有するフォトスペーサ（突起郎）、６）液晶の配向制御を行う配向制御突起、などの種々な機能を有する部材がカラーフィルタの用途、仕様にもとづき付加されるようになった。

特に、スペーサ機能を付与するために、従来の液晶表示装置では基板間にギャップを形成するために、スペーサと呼ばれるガラス又は合成樹脂の透明球状体粒子（ビーズ）や短繊維を散布していた。

しかし、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もれてしまい、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、この部分で光もれを生じ、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た。

このような問題を解決する技術として、例えば、画素間のブラックマトリックスの位置に、感光性樹脂を用い、フォトリソグラフィ法により、スペーサ機能を有する突起部（以下フォトスペーサという）を形成する技術が開発された。

図８は、このような液晶表示装置用カラーフィルタの部分断面図である。図８に示すように、液晶表示装置用カラーフィルタ８７は、ガラス基板８０上にブラックマトリックス８１、着色画素８２、及び透明導電膜８３が順次に形成され、ブラックマトリックス８１上方の透明導電膜８３上にスペーサ機能を有する突起部としてのフォトスペーサ８４が形成されている。このような液晶表示詰腹用カラーフィルタ８７を用いた液晶表示装置には、フォトスペーサ８４が着色画素内を避けた位置に形成できるので、上記の液晶表示のコントラスト向上という改善がみられる。

液晶表示装置用カラーフィルタと対向基板を貼り合わせて液晶表示パネルとするパネル組み立て工程では、周辺部にシール部（図示せず）を設け、上下定盤間に荷重を加えシール部及びフォトスペーサ８４を圧着し、貼り合わせるが、この際に加わる荷重によってフォトスペーサは多少の弾性変形をするので、この変形した状態で基板間のギャップが設定されることになる。

このように、フォトスペーサによって基板間のギャップは設定されるのであるが、パネルに通常の荷重が加わった際のフォトスペーサの変形を少なくし、また、過剰な荷重が加わった際のフォトスペーサの塑性変形、破壊を防ぐ必要がある。

この過剰な荷重による塑性変形や破壊といった問題に対応した技法として、２種のフォトスペーサを設けた液晶表示装置用カラーフィルタが提案されている。図９は、高さの異なる２種のフォトスペーサを有する液晶表示装置用カラーフィルタの一例を模式的に示した断面図である。図９に示すように、この液晶表示装置用カラーフィルタは、図８に示す構造カラーフィルタにおいて、フォトスペーサとして、高さの高いメインフォトスペーサ８４ａと、高さの低いサブフォトスペーサ８４ｂとにより構成したものである。

このような２種のフォトスペーサのうち、メインフォトスペーサ８４ａは基板間のギャップを設定している。このメインフォトスペーサ８４ａは、パネルに荷重が加わると変形し、荷重が取り除かれると復元する。また、温度による液晶の熱膨張及び熱収縮に追従して変形する弾性を有している。

サブフォトスペーサ８４ｂはメインフォトスペーサ８４ａより高さの低いフォトスペーサであり、パネルに過剰な荷重が加わった際に、その荷重を分散させ、メインフォトスペーサ８４ａの塑性変形、破壊を防ぐためのものである。

このような高さの異なるメインフォトスペーサとサブフォトスペーサを形成する方法として、メインフォトスペーサと同形状のフォトマスクで、マスク開口サイズをメインフォトスペーサよりも小さくして、光の透過量を制御し、高さの低いフォトスペーサを形成する方法がある。

しかし、このような方法によると、フォトマスクの開口サイズを小さくして、光の透過量を減少させることによりサブフォトスペーサを形成するため、高さだけでなく、サブフォトスペーサ８４ｂのサイズがメインフォトスペーサ８４ａのサイズより小さくならざるを得ない。サブフォトスペーサ８４ｂのサイズが小さいと、押圧耐性が低くなってしまう。押圧耐性を高めるには、フォトスペーサの密度(単位面積あたりの個数)を上げる必要があるが、それには限界がある。また、サイズの小さいサブフォトスペーサは製造時にはがれやすいので、生産条件を厳しく管理しなければ作れない。

また、高さの異なる2種のフォトスペーサを形成する方法として、フォトマスクにハーフトーン加工、およびグレートーン加工して露光光の透過量を制御してサブフォトスペーサを形成する方法が知られているが、これらは、複雑なフォトマスク加工及び加工時に高い精度が求められる。
米国特許第３，８４６，２６４号

本発明は、以上のような事情の下になされ、高さの異なる２種のフォトスペーサを作成可能な、押圧耐性が高いカラーフィルタの製造に用いるフォトマスクを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、第１のフォトスペーサ形成用の第１の開口パターンと、この第１のフォトスペーサよりも膜厚の小さい第２のフォトスペーサ形成用の第２の開口パターンとを有するフォトマスクにおいて、前記第２の開口パターンは、横幅が２．０μｍ〜１０．０μｍの範囲内で、横幅：縦幅の比が１：１．２５以上である形状を有することを特徴とするカラーフィルタ用フォトスペーサ製造用のフォトマスクを提供する。

また、前記第１の開口パターンの径は、前記第２の開口パターンの横幅の長さより大きいことが好ましい。

かかるフォトスペーサ製造用のフォトマスクにおいて、第２の開口パターンは、横幅が３．０μｍ〜５．０μｍであることが好ましい。付言すれば、前記第１の開口パターンは、開口幅が８〜２０μｍであることが好ましい。

本発明によれば、サブフォトスペーサのフォトマスクの横幅を短くすることでメインフォトスペーサよりも高さの低いサブフォトスペーサを、１つのフォトマスクで1回の露光操作によりメインフォトスペーサと同時に作成できる。

また、サブフォトスペーサのフォトマスクの縦幅を長くすることにより、メインフォトスペーサの面積サイズと同程度もしくはメインフォトスペーサよりも大きなサイズのサブフォトスペーサを１つのフォトマスクで1回の露光により形成することができる。

従って、面積サイズの大きなサブフォトスペーサを形成できるので、押圧耐性が高いカラーフィルタを提供できるとともに、サイズが大きなサブフォトスペーサを形成可能なことから生産条件の制御が簡便であり、生産性を向上させることができる。

また、使用するフォトマスクのサブフォトスベーサ用の開口パターンの形状は長方形で良く、ハートーン加工などは必要としない。このため、フォトマスクの加工は簡便で生産性のあるパターニングが可能である。

以下、発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るフォトスペーサの局所的な配置例を示す模式図である。図１において、基体（例えば、透明導電膜）１１上に、高さａの第１のフォトスペーサ（メインフォトスペーサ）１２と、このメインフォトスペーサ１２よりも高さの低い、高さｂの第２のフォトスペーサ（サブフォトスペーサ）１３とが隣接して設けられている。

それらの断面形状において、横幅（短径）ｃと縦幅（長径）ｄの比は、横幅：縦幅＝１：１．２５以上であることが望ましい。縦幅がこの範囲より小さい場合には、上方からみたとき、第２のフォトスペーサの面積が不足気味となり、押圧耐性が弱くなる傾向となるから、好ましくない。

この例では、メインフォトスペーサ１２は円柱状であるのに対し、サブフォトスペーサ１３は、直方体の上面両端に２つの***部を有する形状、即ち、長方形の上辺両端にこぶ状凸部を有する垂直断面形状を有する。ここで言う垂直断面形状とは、基体１１と垂直に切断した場合の断面形状を意味する。

なお、サブフォトスペーサ１３の水平断面形状は、略長方形であれば、どのような形状でもよい。例えば、そのような形状として、図２（ａ）に示す楕円形状、図２（ｂ）に示す小判型形状、図２（ｃ）に示す糸巻き型形、図２（ｄ）に示す略矩形状が挙げられる。

また、メインフォトスペーサ１２とサブフォトスペーサ１３の膜厚の差は、０．１μｍ〜１．０μｍであることが望ましい。膜厚の差が０．１μｍ未満では、ＬＣＤパネルの低温耐性が悪くなり、１．０μｍを超えると、ＬＣＤパネルの押圧特性を向上させることが困難となる。

ここで、本発明の一実施形態に使用できるフォトスペーサの露光条件の一例を記す。

露光方式：ブロキシミティ(近接)露光
プロキシミティ露光のギャップ(Ｇ)：１５０μｍ±５０μｍ
露光量：１００ｍＪ／cm²〜２００ｍＪ／cm²
露光波長：３６５ｎｍ
樹脂組成物：ネガ型感光性樹脂組成物
このようなメインフォトスペーサ１２を形成するためには、図４（a）に示す、メインスペーサ製造用フォトマスクパターンの開口幅W1を８〜２０μｍとすることが望ましい。これは、図４に示すような八角形の開口パターンの場合、その幅W1が8μｍよりも小さいと露光の透過強度が小さすぎ、感光性樹脂組成物の飽和感度にまで達することができないため、パターニングすることが困難だからである。

上記のようにして形成したメインフォトスペーサ１２との膜厚差が０．１〜１．０μｍであるサブフォトスペーサ１３を形成するためには、図４（ｂ）に示す、サブフォトスペーサ製造用フォトマスクパターンの横幅W2を２．０μｍ〜１０．０μｍの範囲内とし、横幅W2：縦幅W3の比が１：１．２５以上であるようなサブフォトスペーサ１３の形状とすることが必要である。特に、横幅W2は３．０μｍ〜５．０μｍであることが望ましい。

横幅W2が２μｍより小さいと、露光の透過強度が小さすぎて、感光性樹脂組成物の飽和感度にまで達することができないため、パターニングすることが困難となる。また、横幅W2：縦幅W3の比が１：１．２５未満の場合には、露光の際、フォトマスクを透過する光が、1箇所に集光されてしまうため、透過強度が大きくなり、膜厚を薄くすることができないが、横幅W2を３．０〜５．０μｍにし、横幅W2：縦幅W3の比を１：１．２５以上にすることで、露光した際にフォトマスクを透過する光が2分され、透過強度が小さくなるため、膜厚の薄いサブフォトスペーサを形成することができる。

このようなメインフォトスペーサ１２とサブフォトスペーサ１３の膜厚の差は、フォトマスクのサブフォトスペーサ１３形成用の開口幅をメインフォトスペーサ１２形成用の開口幅よりも小さくし、光の透過量を減少させることにより達成することができる。ただし、単に開口幅を減少させただけでは、形成されるサブフォトスペーサ１３の水平断面の面積サイズが小さくなって、押圧耐性が低下してしまう。

本発明者らは、フォトマスクのサブフォトスペーサ１３形成用の開口部を、横を細く、縦は長い形状とすることにより、光の集光部を2つに分け、光を分散させることにより透過強度を制御して、感光性樹脂組成物への該開口部を通しての露光及び現像により形成されたサブフォトスペーサ１３の膜厚を薄くできるとともに、メインフォトスペーサと同等もしくはそれより大きな面積サイズのサブフォトスペーサを作成できることを見出した。

以下、本発明の実施例及び比較例を示し、本発明についてより具体的に説明する。

実施例１
図１及び図５に示すようなメインフォトスペーサ１２，５１とサブフォトスペーサ１３，５２を有するカラーフィルタを製造する方法について、図３を参照して説明する。

図３に示すように、ブラックマトリックス２１、着色画素２２、及び透明導電膜２３が順次に形成されたガラス基板２０上にフォトレジスト層３０が形成され、その上方には近接露光のギャップ（Ｇ）を設けてカラーフィルタ用フォトスペーサ製造用のフォトマスク４０が配置されている。

フォトマスク４０には、それぞれメインフォトスペーサ及びサブフォトスペーサの形成に対応した開口４１，４２が形成されている。開口４１の形状の一例を図４（ａ）に、開口４２の形状の一例を図４（ｂ）にそれぞれ示す。図４（ａ）に示すように、開口４１は八角形であり、図４（ｂ）に示すように、開口４２は、長方形である。

フォトマスク４０の膜面はフォトレジスト層３０に対向している。本実施例で使用したフォトレジスト３０は、ネガ型感光性樹脂「ＮＮ７７７(ＪＳＲ(株)製商品名)であった。

フォトマスク４０の、メインフォトスペーサに対応する開口４１の幅Ｗ１は、１０μｍとした
一方、メインフォトスペーサより高さの低いサブフォトスペーサに対応する開口４２の横幅W2を３．０μｍ、縦幅Ｗ３を２０μｍとした。これは、パターン（開口郎）の幅を狭くして集光部を2つに分散することで透過強度を減らし、高さの低いフォトスペーサを形成するためである。

フォトマスク４０を通してのフォトレジスト層３０への露光は、プロキシミティ（近接）露光方式により、次のような条件で行なった。

プロキシミティ露光のギャップ（Ｇ）：１５０μｍ±５０μｍ
露光量：１００ｍＪ／cm²〜２００ｍＪ／cm²
露光波長：３６５ｎｍ
以上の条件で露光されたフォトレジスト層３０は、次いでアルカリ水溶液で現像され、図５に示すように、ブラックマトリクス上の透明導電膜面に、メインフォトスペーサ５１及びサブフォトスペーサ５２が形成された。

この場合、幅Ｗ１を有する、メインフォトスペーサに対応した開口４１では、近接露光のギヤップ（Ｇ）が充分にあると、照射される光の開口端での回折により、フォトレジスト層４０表面に略円形に照射され、その結果、円形断面のメインフォトスペーサ５１が形成された。

一方、横幅Ｗ２、縦幅W３を有する、サブフォトスペーサに対応した開口４２では、照射される光は、長方形の四つ角に集光され2分されるために、透過強度が落ち、高さの低いサブフォトスペーサ５２が形成された。サブフォトスペーサ５２の形状は、図１に示すような、直方体の上面両端に２つの***部を有する形状であった。

このとき形成された、メインフォトスペーサ５１の高さは４．６５μｍ、サブフォトスペーサ５２の高さは４．１２μｍとなり、メインフォトスペーサ５１とサブフォトスペーサ５２の高さの差は０．５３μｍとなった。

実施例２
メインフォトスペーサに対応する開口４１の幅W1が１５μｍ、サブフォトスペーサに対応する開口４２の横幅W2が８．０μｍ、縦幅W3が１０．０μｍ、すなわち、横幅Ｗ２：縦幅Ｗ３＝１：１．２５であるフォトマスクを用いて、実施例１と同様にしてフォトスペーサを形成した。形成されたメインフォトスペーサ５１の高さaは４．６０３μｍ、サブフォトスペーサ５２の高さｂは４．１２μｍとなり、メインフォトスペーサ５１とサブフォトスペーサ５２の高さの差は０．４８μｍとなった。

実施例３
メインフォトスペーサに対応する開口４１の幅W1が１０μｍ、サブフォトスペーサに対応する開口４２の横幅W2が５．０μｍ、縦幅W3を１５．０μｍ、すなわち、横幅Ｗ２：縦幅Ｗ３＝１：３であるフォトマスクを用いて、実施例１と同様にしてフォトスペーサを形成した。形成されたメインフォトスペーサ５１の高さaは４．６５４μｍ、サブフォトスペーサ５２の高さｂは４．４９６μｍとなり、メインフォトスペーサ５１とサブフォトスペーサ５２の高さの差は０．１６μｍとなった。

実施例４
メインフォトスペーサに対応する開口４１の幅W1が１０μｍ、サブフォトスペーサに対応する開口４２の横幅W2が２．５μｍ、縦幅W3を２０．０μｍ、すなわち、横幅Ｗ２：縦幅Ｗ３＝１：８であるフォトマスクを用いて、実施例１と同様にしてフォトスペーサを形成した。形成されたメインフォトスペーサ５１の高さaは４．６５４μｍ、サブフォトスペーサ５２の高さｂは３．７２７μｍとなり、メインフォトスペーサ５１とサブフォトスペーサ５２の高さの差は０．９３μｍとなった。

比較例１
メインフォトスペーサに対応する開口４１の幅W1が１０μｍ、サブフォトスペーサに対応する開口４２の横幅W2が１．０μｍ、縦幅W3が２０．０μｍ、すなわち、横幅Ｗ２：縦幅Ｗ３＝１：８であるフォトマスクを用いて、実施例１と同様にしてフォトスペーサを形成しようとした。その結果、メインフォトスペーサは形成することができたが、サブフォトスペーサは形成できなかった。

これは、サブフォトスペーサのW2の値が小さすぎて、マスクの透過光が少なすぎ、サブフォトスペーサの形成に必要な露光量が得られず、作成工程ではがれてしまったと考えられる。

比較例２
メインフォトスペーサに対応する開口４１の幅W1が１０μｍ、サブフォトスペーサに対応する開口４２の横幅W2が８．７μｍ、縦幅W3が１０．０μｍ、すなわち、横幅Ｗ２：縦幅Ｗ３＝１：１．１５であるフォトマスクを用いて、実施例１と同様にしてフォトスペーサを形成した。

形成されたメインフォトスペーサの高さaは４．６５４μｍ、サブフォトスペーサの高さｂは４．６０４μｍとなり、メインフォトスペーサとサブフォトスペーサの高さの差は０．０５μｍとなり、必要な値を得ることができなかった。

以上の実施例１〜４及び比較例１，２の結果を下記表にまとめた。

以上説明した実施形態及び実施例では、メインフォトスペーサ５１がブラックマトリックス２１の上方に位置しているが、細長いサブフォトスペーサ５２がブラックマトリックス２１の上方に位置している方が、フォトスペーサの存在によるコントラストの低下を防止することができる。

図６は、メインフォトスペーサとサブフォトスペーサが配置されたカラーフィルタの一例を示す。このカラーフィルタ６０では、図６に示すように、円形断面のメインフォトスペーサ６１と細長い長方形断面のサブフォトスペーサ６２が、規則的に配置されている。

本発明のカラーフィルタの一実施形態におけるフォトスペーサの一例を示す説明斜視図。サブフォトスペーサの水平断面形状の種々の例を示す説明図。メインフォトスペーサとサブフォトスペーサを形成するための露光方法を示す説明図。フォトマスクのそれぞれメインフォトスペーサ及びサブフォトスペーサの形成に対応した開口の形状を示す拡大平面図。図３に示す露光方法により形成されたメインフォトスペーサとサブフォトスペーサを有するカラーフィルタを示す断面図。メインフォトスペーサとサブフォトスペーサが配置されたカラーフィルタの一例を示す平面図。従来のカラーフィルタを示す断面図。フォトスペーサを有する従来のカラーフィルタを示す断面図。厚さの異なる２種のフォトスペーサを有する従来のカラーフィルタを示す断面図。

符号の説明

１１…基体、１２，５１，６１…メインフォトスペーサ、１３，５２，６２…サブフォトスペーサ、２０…ガラス基板、２１…ブラックマトリックス、２２…着色画素、２３…透明導電膜、３０…フォトレジスト層、４０…フォトマスク、４１…メインフォトスペーサの形成に対応した開口、４２…サブフォトスペーサの形成に対応した開口。

Claims

第１のフォトスペーサ形成用の第１の開口パターンと、この第１のフォトスペーサよりも膜厚の小さい第２のフォトスペーサ形成用の第２の開口パターンとを有するフォトマスクにおいて、前記第２の開口パターンは、横幅が２．０μｍ〜１０．０μｍの範囲内で、横幅：縦幅の比が１：１．２５以上である形状を有することを特徴とするカラーフィルタ用フォトスペーサ製造用のフォトマスク。
前記第１の開口パターンは円形であり、その径は、前記第２の開口パターンの横幅の長さより大きいことを特徴とする請求項１に記載のカラーフィルタ用フォトスペーサ製造用のフォトマスク。
前記第２の開口パターンは、横幅が３．０μｍ〜５．０μｍであ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用フォトスペーサ製造用のフォトマスク。
前記第１の開口パターンは、開口幅が８〜２０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のカラーフィルタ用フォトスペーサ製造用のフォトマスク。