JP5163016B2

JP5163016B2 - カラーフィルタの製造方法とフォトマスク

Info

Publication number: JP5163016B2
Application number: JP2007223956A
Authority: JP
Inventors: 亮介藤掛; 龍士河本
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2027-08-30
Also published as: JP2009058606A

Description

本発明は、透明電極に配向制御用開口部が設けられた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ものであり、特に、配向制御用開口部を形成する際にポジ型フォトレジストを用い、近接露光で露光を行っても、微細な配向制御用開口部Ａ１を形成することのできるフォトマスク、カラーフィルタ、及び液晶表示装置に関する。

図２（ａ）は、液晶表示装置に用いられるカラーフィルタ１を模式的に示した平面図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すカラーフィルタ１のＸ−Ｘ’線における断面図である。図２に示すように、液晶表示装置に用いられるカラーフィルタ１は、ガラス基板や透明樹脂基板などの透明基板５上にブラックマトリックス６、着色画素７、及び透明電極２ｂが順次に形成されたものである。また、ブラックマトリックス６の位置の透明電極２ｂ上にフォトスペーサ９が設置されている。図２はカラーフィルタ１を模式的に示したもので、着色画素７は１２個表されているが、実際のカラーフィルタ１においては、例えば、対角１７インチの画面に数百μｍ程度の着色画素が多数個配列されている。

上記構造の、液晶表示装置の多くに用いられているカラーフィルタ１の製造方法としては、先ず、透明基板５上にブラックマトリックス６を形成し、次に、このブラックマトリックス６のパターンに位置合わせして着色画素７を形成し、更に透明電極２ｂを位置合わせして形成する方法が広く用いられている。ブラックマトリックス６は、遮光性を有するマトリックス状のものであり、着色画素７は、例えば、赤色、緑色、青色のフィルタ機能を有するものであり、透明電極２ｂは、透明導電膜２ａをエッチングして透明な電極パターンを形成したものである。液晶表示装置は、このようなカラーフィルタ１を内蔵することにより、フルカラー表示が実現し、その応用範囲が飛躍的に広がり、液晶カラーＴＶ、ノート型ＰＣなど液晶表示装置を用いた多くの商品が創出された。多様な液晶表示装置の開発、実用に伴い、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種々な機能が付加されるようになった。

例えば、配向分割機能。従来の液晶表示装置に於いては、液晶分子１１を一様に配向させるために、液晶を挟持する両基板に設けられた透明電極２ｂ上に、予めポリイミドを塗布し、その表面に一様なラビング処理をしておく。しかし、ＴＮ型液晶においては、原理的に広い視野角を得ることは困難であり、コントラストが低下し表示品質が悪化する。コントラストが良好な視野角は狭いといった問題を有していた。

このような問題を解決する一技術として、一画素内での液晶分子１１の配向方向が一方向でなく、複数の方向になるように制御し視野角の広い、配向分割垂直配向型液晶表示装置（ＭＶＡ（Ｍｕｌｔｉ−ｄｏｍａｉｎＶｅｒｔｉｃａｌＡｌｉｇｎｍｅｎｔ）−ＬＣＤが開発された。

図６は、ＭＶＡ−ＬＣＤの動作を説明する断面図である。図６（ａ）に示すように、このＭＶＡ−ＬＣＤでは、カラーフィルタ１の透明電極２ｂに配向制御用開口部２ｃを形成し、このカラーフィルタ１と対向させるＴＦＴ基板１０に突起部１０ａを形成する。そして、カラーフルタ４の透明電極２ｂとＴＦＴ基板１０の透明電極１０ｂの間に電圧を印加する。その電極間に電圧を印加しない状態では、液晶分子１１は基板表面に対して垂直に配向する。中間の電圧を印加すると、図６（ｂ）に示すように、透明電極２ｂの配向制御用開口部（電極エッジ部）２ｃで基板表面に対して斜めの電界が発生する。また、突起部１０ａの液晶分子１１は、電圧無印加の状態からわずかに傾斜する。この突起部１０ａの
傾斜面と斜め電界の影響で液晶分子１１の傾斜方向が決定され、突起部１０ａの位置と透明電極２ｂの配向制御用開口部２ｃの位置で液晶分子１１の配向方向が対称に分割される。この時、例えば真下から真上に透過する光は液晶分子１１が多少傾斜しているため、若干の複屈折の影響を受け、透過が抑えられ、グレイの中間調表示が得られる。右下から左上に透過する光は液晶分子１１が左方向に傾斜した領域では透過しにくい、右方向に傾斜した領域では非常に透過し易く、平均するとグレイの中間調表示が得られる。左下から右上に透過する光も同様の原理でグレイ表示となり、全方位で均一な表示が得られる。更に、所定の電圧を印加すると、図６（ｃ）のように、液晶分子１１はほぼ水平になり、白表示が得られる。こうして、黒、中間調、白の表示状態のすべての状態において、視角依存性の少ない良好な表示が得られる。

以下に公知文献を記す。
特開平１１−２４２２２５号公報

カラーフィルタ１に配向制御用開口部２ｃを有する透明電極２ｂのパターンを形成するために、先ず、カラーフィルタ１の着色画素７上に透明導電膜２ａを形成し、その上にポジ型のフォトレジスト層３を形成する。その上方にギャップＧを設けてフォトマスク６を設置し、近接露光によって、フォトレジスト層３を露光する。このようなギャップＧを設けた近接露光法によってフォトレジスト層３にパターンを形成する際には、露光光の回折の影響を受けるので、形成できるパターンの精度は制約され、ギャップＧの大きさが７０μｍから１２０μｍ程度で、このフォトレジスト層３を露光し現像して得られるエッチングレジストパターン３ｂの小径窓３ｃの直径は１０μｍ程度が限界であり、それ以下の直径で製造することは困難であった。これは、近接露光において、フォトマスク６のパターンが微細になることで、フォトレジスト層３に到達する光が拡散してしまい、フォトレジスト層３に所望の開口径の露光ができないことが原因である。しかし、携帯電話向けなどの為、液晶表示装置の高精細化が必要であり、それ以下の径の小径窓３ｃを有するカラーフィルタ１が必要とされるようになった。

本発明は、この必要を満たし透明電極２ｂ内に幅が１０μｍ以下の配向制御用開口部２ｃを有する高精細なカラーフィルタ１を得ることを課題とする。すなわち、ポジ型のフォトレジスト層３をフォトマスクにより近接露光で露光・現像して小径窓３ｃを有するエッチングレジストパターン３ｂを形成する。そして、透明導電膜２ａをエッチングして配向制御用開口部２ｃを有する透明電極２ｂを形成し、カラーフィルタ１に、径が１０μｍ以下の配向制御用開口部２ｃを有する透明電極２ｂを形成することを課題とする。

本発明は、この課題を解決するために、透明基板上にブラックマトリックスと着色画素層と透明導電膜を形成し前記透明導電膜上にポジ型のフォトレジスト層を形成する第１の工程と、前記フォトレジスト層上に近接露光のギャップを隔てて、遮光領域内に多角形状の開口部を市松模様に複数個配列し、前記開口部の配列の中心部に解像限界以下の微小遮光部を形成して成る透明電極開口部形成用パターンを有するフォトマスクを設置し、前記フォトレジスト層を露光し現像することで前記透明電極開口部形成用パターンによる１０μｍ以下の小径窓を形成したエッチングレジストパターンを形成する第２の工程と、前記エッチングレジストパターンを用いて前記透明導電膜をエッチングすることで配向制御用開口部を有する透明電極を形成する第３の工程を有することを特徴とするカラーフィルタの製造方法である。

また、本発明は、上記フォトマスクの上記開口部の幅が２μｍ以上５μｍ以下であり、
上記微小遮光部の幅が２μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする上記のカラーフィルタの製造方法である。

また、本発明は、近接露光でカラーフィルタの透明電極形成用ポジ型フォトレジストを露光するためのフォトマスクであって、透明電極形成用の遮光領域内に多角形状の開口部を市松模様に複数個配列し、前記開口部の配列の中心部に解像限界以下の微小遮光部を形成して成る透明電極開口部形成用パターンを有することを特徴とするフォトマスクフォトマスクである。

また、本発明は、上記開口部の幅が２μｍ以上５μｍ以下であり、上記微小遮光部の幅が２μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする上記のフォトマスクである。

本発明は、近接露光で透明電極を形成するためのフォトマスクのパターンの透明電極の部分の遮光領域内に、複数の多角形状の開口部を市松模様に配列した透明電極開口部形成用パターンを形成し近接露光することで、光の干渉効果により透明電極開口部形成用パターンの中心部で光強度が強められ、現像して得られるエッチングレジストパターンのその位置に１０μｍ以下の多角形あるいは円形の小径窓が形成される効果がある。そのエッチングレジストパターンで透明導電膜をエッチングして１０μｍ以下の配向制御用開口部を有する透明電極を形成できる効果がある。

＜第１の実施形態＞
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。本実施形態では、透明導電膜２ａをエッチングして透明電極２ｂを形成するためのエッチングレジストパターン３ｂを以下の材料で形成する。すなわち、ポジ型のフォトレジストを用いてフォトレジスト層３を形成する。図１（ａ）は、ポジ型のフォトレジスト層３に透明電極２ｂの配向制御用開口部２ｃのパターンを近接露光で投影するフォトマスク４の透明電極開口部形成用パターン４ｄの部分を拡大して示す平面図である。

本実施形態によるカラーフィルタ１は以下のようにして製造する。図２（ａ）は、カラーフィルタ１全体を模式的に示した平面図であり、図２（ｂ）は、そのＸ−Ｘ’線での断面図を示す。
（ブラックマトリックスの形成）
先ず、ガラス基板や透明樹脂基板などの透明基板５上に図２のようにブラックマトリックス６を形成する。ブラックマトリックス６は、着色画素７間のマトリックス部Ａ６と、着色画素７が形成された領域（表示部）の周辺部を囲む額縁部６Ｂとで構成されている。ブラックマトリックス６は、カラーフィルタ１の着色画素７の位置を定め、大きさを均一なものとし、また、表示装置に用いられた際に、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、且つコントラストを向上させた画像にする機能を有している。

透明基板５上へのブラックマトリックス６の形成は、例えば、透明基板５上に金属薄膜を形成し、この金属薄膜をフォトエッチングすることによって形成する。或いは、透明基板５上に、ブラックマトリックス６形成用の黒色フォトレジストを用いてフォトリソグラ
フィ法によってブラックマトリックス６を形成する。

（着色画素の形成）
着色画素７の形成は、このブラックマトリックス６が形成された透明基板５上に、例えば、顔料などの色素を分散させたネガ型の着色フォトレジストを用いて塗布膜を設け、この塗布膜への露光、現像によって着色画素を形成する。

（透明電極の形成）
透明電極２ｂの形成は、ブラックマトリックス６、着色画素７が形成された透明基板５上に、例えば、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）を用いスパッタ法によってＩＴＯ膜の約７０ｎｍの厚さの透明導電膜２ａを形成する。次に、この透明導電膜２ａにポジ型のフォトレジスト層３を形成する。次に、フォトレジスト層３の上方に、近接露光のギャップＧを設けて、膜面８をフォトレジスト層３に対向させた透明電極２ｂ形成用のフォトマスク４を配置する。近接露光のギャップＧは形成するパターンの大きさ等によって異なるものであるが、通常５０μｍ〜２００μｍの範囲内に設定する。

（フォトマスク）
透明電極２ｂ形成用にポジ型のフォトレジスト層３を露光してエッチングレジストパターン３ｂを形成するフォトマスク４として、膜面８にクロム膜をフォトエッチングして形成したパターンを設置したフォトマスクを作成する。そのフォトマスク４のパターンは、透明電極２ｂの電極の幅を約３０μｍから３００μｍ、電極間隔を５μｍから２０μｍ程度に形成するため、透明電極２ｂに対応する遮光領域４ｂを有する。そのフォトマスク４の透明電極２ｂ用の遮光領域４ｂ内には、図１（ａ）のように、幅Ｗａが２μｍ以上５μｍ以下の複数の多角形の開口部４ａを市松模様に配列し、配列の中心部に開口部４ａと同じ寸法の多角形の微小遮光部４ｃを設けた透明電極開口部形成用パターン４ｄを形成する。

図１（ａ）は、正方形の開口部４ａを４個市松模様に配列した例である。４個の開口部４ａの正方形の幅Ｗａは２μｍ以上５μｍ以下であり、４個の開口部４ａで構成される透明電極開口部形成用パターン４ｄの外形寸法（ｃ）は９μｍ以下のものであり、その透明電極開口部形成用パターン４ｄの中心部に、幅が２μｍ以上５μｍ以下の、近接露光法での解像限界以下の微小遮光部４ｃを設置する。

図１（ａ）に示す、本発明のフォトマスク４においては、上方から照射された光のうち、透明電極開口部形成用パターン４ｄの外周端で下方に回り込んだ光が干渉し、透明電極開口部形成用パターン４ｄの中心、すなわち市松模様開口部の配列の中心部の微小遮光部４ｃの直下のフォトレジスト層３の位置では光強度が強められる。すなわち、透明電極開口部形成用パターン４ｄの中心の直下のフォトレジスト層３では、光強度が強められたため、その光分解が大きくなり、フォトレジスト層３の現像処理によってその位置に小径窓３ｃを有するエッチングレジストパターン３ｄを形成できる効果がある。

本発明者は、フォトレジスト層３での光強度と、使用するフォトマスク４の透明電極開口部形成用パターン４ｄの形状の関係についてシミュレーションを行った結果、具体的には、市松模様に配列する開口部４ａの幅Ｗａが２μｍ以上５μｍ以下であると、エッチングレジストパターン３ｂに径が１０μｍ以下の多角形の小径窓３ｃが形成されることを見出した。そのエッチングレジストパターン３ｂで透明電極２ｂを形成することで、透明電極２ｂ内に微細な配向制御用開口部２ｃが形成される。図１（ｂ）は、透明電極２ｂに形成される微細な配向制御用開口部２ｃの平面図である。フォトマスク４の開口部４ａの一辺が２μｍより小さいと、それ自体小さすぎて干渉の効果が少なくエッチングレジストパターン３ｂに微細な小径窓３ｃが形成されない。また、その一辺が５μｍより大きいと、
その開口部４ａによって囲まれる微小遮光部４ｃ自体を解像してしまい、透明電極２ｂの微細な配向制御用開口部２ｃが円形にならず、環状になってしまう。

図３は、本実施形態によるカラーフィルタ１の製造方法を示す断面図である。図３（ａ）は、透明電極２ｂ形成用のフォトマスク４と、フォトレジスト層３と、カラーフィルタ１の製造途中の基板の断面図である。

（ポジ型フォトレジストの組成）
配向制御用開口部２ｃを有する透明電極２ｂの形成に用いるポジ型フォトレジストの組成を下記に示す。
・樹脂：クレゾールノボラックエポキシ樹脂１２ｗｔ％
・感光剤：ジアゾナフトキノン（ＤＮＱ）１４ｗｔ％
・溶剤：プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＡＣ）
７３．９５ｗｔ％
この組成のポジ型フォトレジストを塗布して膜厚２μｍのフォトレジスト層３を設け、その上に、近接露光のギャップＧを７０μｍから１２０μｍとし、上記のフォトマスク４を介した露光を１００ｍＪ／ｃｍ²与え、現像、ベーキングを施し、小径窓３ｃを有するエッチングレジストパターン３ｂを形成することができる。図３（ｂ）は、フォトレジスト層３が現像されて形成されたエッチングレジストパターン３ｂと、カラーフィルタ１の製造途中の基板の断面図である。

（透明導電膜のエッチング）
透明導電膜２ａがＩＴＯ膜の場合は、その表面をエッチングレジストパターン３ｂで保護し、ＩＴＯ膜のエッチング液として硝酸と塩酸の混合溶液または塩化系第２鉄系の溶液を用いたウエットエッチングによりＩＴＯ膜の透明導電膜２ａをエッチングする。図３（ｃ）は、配向制御用開口部２ｃを有する透明電極２ｂが形成されたカラーフィルタ１の断面図である。フォトマスク４の開口部４ａの幅Ｗａが２μｍの場合は、透明電極２ｂの配向制御用開口部２ｃの幅は６μｍに形成できる。すなわち、配向制御用開口部２ｃの幅を１０μｍ以下に形成できる効果がある。

（フォトスペーサの形成）
次に、図５のカラーフィルタ１の断面図に示すように、感光性樹脂を用い、フォトリソグラフィ法により、着色画素７間のブラックマトリックス６の位置にフォトスペーサ９を形成する。こうして、液晶表示装置用カラーフィルタ１には、透明基板５上にブラックマトリックス６、着色画素７、及び透明電極２ｂが順次に形成され、ブラックマトリックス６上方の透明電極２ｂ上にスペーサ機能を有する突起状のフォトスペーサ９を形成する。

本実施形態は、以上のように、近接露光で透明電極２ｂを形成するためのフォトマスク４の透明電極２ｂに対応する遮光領域４ｂ内に、複数の多角形状の開口部４ａを市松模様に配列した透明電極開口部形成用パターン４ｄを形成し、その中心部に近接露光での解像限界以下の微小遮光部４ｃを形成し近接露光することで、光の干渉効果により透明電極開口部形成用パターン４ｄの中心部で光強度が強められ、その位置でのフォトレジスト層３の光分解が大きくなり、現像して得られるエッチングレジストパターン３ｄのその位置に１０μｍ以下の多角形あるいは円形の小径窓３ｃが形成される効果がある。そのエッチングレジストパターン３ｄで透明導電膜２ａをエッチングすることで、１０μｍ以下の配向制御用開口部２ｃを有する透明電極２ｂを形成できる効果がある。

＜第２の実施形態＞
以下で、第２の実施形態を図４により説明する。図４（ａ）に示すフォトマスク４は図１（ａ）のフォトマスク４と同一であるが、透明導電膜２ａ上にポジ型フォトレジストを
塗布して形成するフォトレジスト層３の膜厚を、第１の実施形態より厚く、膜厚３μｍのフォトレジスト層３を設ける。また、露光を１５０ｍＪ／ｃｍ²与える。これにより、近接露光法による光干渉作用で露光させるが現像後に残存するエッチングレジストパターン３ｂが多くなり、図４（ｂ）に示すような、×形（もしくは十文字形）の小径窓３ｃを有するエッチングレジストパターン３ｂが形成される。フォトレジスト層３の厚さを調整することで形成する小径窓３ｃの形状を円形、多角形、十字パターン形状に調整できる効果がある。そのエッチングレジストパターン３ｂで透明導電膜２ａをエッチングすることで、その配向制御用開口部２ｃの形状を調整して形成した透明電極２ｂを形成することができる効果がある。

（ａ）は、第１の実施形態の、フォトマスクの透明電極部分の透明電極開口部形成用パターンを拡大して示す平面図である。（ｂ）は、第１の実施形態の、透明電極に形成される微細な配向制御用開口部の平面図である。（ａ）カラーフィルタを模式的に示した平面図である。（ｂ）図（ａ）に示すカラーフィルタのＸ−Ｘ’線における断面図である。本実施形態によるカラーフィルタの製造方法を示す断面図である。（ａ）は、第２の実施形態の、フォトマスクの透明電極部分の透明電極開口部形成用パターンを拡大して示す平面図である。（ｂ）は、第２の実施形態の、透明電極に形成される微細な配向制御用開口部の平面図である。カラーフィルタ１の断面図である。ＭＶＡ−ＬＣＤの動作を説明する断面図である。

符号の説明

１・・・カラーフィルタ
２ａ・・・透明導電膜
２ｂ・・・透明電極
２ｃ・・・配向制御用開口部
３・・・フォトレジスト層
３ｂ・・・エッチングレジストパターン
３ｃ・・・小径窓
４・・・フォトマスク
４ａ・・・開口部
４ｂ・・・遮光領域
４ｃ・・・微小遮光部
４ｄ・・・透明電極開口部形成用パターン
５・・・透明基板
６・・・ブラックマトリックス
６Ａ・・・マトリックス部
６Ｂ・・・額縁部
７・・・着色画素
８・・・膜面
９・・・フォトスペーサ
１０・・・ＴＦＴ基板
１０ａ・・・突起部
１０ｂ・・・透明電極
１１・・・液晶分子
Ｇ・・・近接露光のギャップ
Ｌ・・・露光光
Ｗａ・・・フォトマスクの開口部４ａの幅

Claims

透明基板上にブラックマトリックスと着色画素層と透明導電膜を形成し前記透明導電膜上にポジ型のフォトレジスト層を形成する第１の工程と、前記フォトレジスト層上に近接露光のギャップを隔てて、遮光領域内に多角形状の開口部を市松模様に複数個配列し、前記開口部の配列の中心部に解像限界以下の微小遮光部を形成して成る透明電極開口部形成用パターンを有するフォトマスクを設置し、前記フォトレジスト層を露光し現像することで前記透明電極開口部形成用パターンによる１０μｍ以下の小径窓を形成したエッチングレジストパターンを形成する第２の工程と、前記エッチングレジストパターンを用いて前記透明導電膜をエッチングすることで配向制御用開口部を有する透明電極を形成する第３の工程を有することを特徴とするカラーフィルタの製造方法。
前記フォトマスクの前記開口部の幅が２μｍ以上５μｍ以下であり、前記微小遮光部の幅が２μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルタの製造方法。
近接露光でカラーフィルタの透明電極形成用ポジ型フォトレジストを露光するためのフォトマスクであって、透明電極形成用の遮光領域内に多角形状の開口部を市松模様に複数個配列し、前記開口部の配列の中心部に解像限界以下の微小遮光部を形成して成る透明電極開口部形成用パターンを有することを特徴とするフォトマスク。
前記開口部の幅が２μｍ以上５μｍ以下であり、前記微小遮光部の幅が２μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載のフォトマスク。