JP5011973B2

JP5011973B2 - フォトマスク

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Publication number: JP5011973B2
Application number: JP2006308873A
Authority: JP
Inventors: 龍士河本; 剛鮎川; 裕一郎阿部
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2026-11-15
Also published as: JP2008003543A

Description

本発明は、配向制御用突起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、配向制御用突起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、微細な配向制御用突起を形成することのできるフォトマスクに関する。

図４は、液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの一例を模式的に示した平面図である。また、図５は、図４に示すカラーフィルタのＸ−Ｘ’線における断面図である。
図４、及び図５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（４）は、ガラス基板（４０）上にブラックマトリックス（４１）、着色画素（４２）、及び透明導電膜（４３）が順次に形成されたものである。
図４、及び図５はカラーフィルタを模式的に示したもので、着色画素（４２）は１２個表されているが、実際のカラーフィルタにおいては、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。

液晶表示装置の多くに用いられている、上記構造のカラーフィルタの製造方法としては、先ず、ガラス基板上にブラックマトリックスを形成してブラックマトリックス基板とし、次に、このブラックマトリックス基板上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して形成するといった方法が広く用いられている。
ブラックマトリックス（４１）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（４２）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、透明導電膜（４３）は、透明な電極として設けられたものである。

ブラックマトリックス（４１）は、着色画素（４２）間のマトリックス部（４１Ａ）と、着色画素（４２）が形成された領域（表示部）の周辺部を囲む額縁部（４１Ｂ）とで構成されている。
ブラックマトリックスは、カラーフィルタの着色画素の位置を定め、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。

このブラックマトリックス基板の製造には、ガラス基板（４０）上にブラックマトリックスの材料としてのクロム（Ｃｒ）、酸化クロム（ＣｒＯ_X）などの金属、もしくは金属化合物を薄膜状に成膜し、成膜された薄膜上に、例えば、ポジ型のフォトレジストを用いてエッチングレジストパターンを形成し、次に、成膜された金属薄膜の露出部分のエッチング及びエッチングレジストパターンの剥膜を行い、Ｃｒ、ＣｒＯ_Xなどの金属薄膜からなるブラックマトリックス（４１）を形成するといった方法がとられている。
或いは、ガラス基板（４０）上に、ブラックマトリックス形成用の黒色感光性樹脂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（４１）を形成するといった方法がとられている。

また、着色画素（４２）の形成は、このブラックマトリックス基板上に、例えば、顔料などの色素を分散させたネガ型の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といった方法がとられている。
また、透明導電膜（４３）の形成は、着色画素が形成されたブラックマトリックス基板上に、例えば、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）を用いスパッタ法によって透
明導電膜を形成するといった方法がとられている。

図４、及び図５に示すカラーフィルタ（４）は、液晶表示装置に用いられるカラーフィルタとして基本的な機能を備えたものである。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導電膜上に、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７は、このようなＭＶＡ−ＬＣＤの断面を模式的に示した説明図である。図７に示すように、ＭＶＡ−ＬＣＤ（８０）は、液晶分子（２１）を介して配向制御用突起（２２ａ）、（２２ｂ）が設けられたＴＦＴ基板（２０）と、配向制御用突起（２３）が設けられたカラーフィルタ（８）とを配置した構造であるが、配向制御用突起（２２ａ）、（２２ｂ）及び配向制御用突起（２３）は一画素内で互い違いの位置に設けられている。

図７に白太矢印で示すように、電圧印加時の状態では、一画素内で配向制御用突起（２２ａ）〜配向制御用突起（２３）間の液晶分子（２７）は、図中左斜めに傾斜し、配向制御用突起（２３）〜配向制御用突起（２２ｂ）間の液晶分子は、右斜めに傾斜する。すなわち、ラビング処理に代わり、突起を設けることにより液晶分子の配向を制御するものである。

図８（ａ）、（ｂ）は、ＭＶＡ−ＬＣＤに用いられるカラーフィルタの一例の一画素を拡大して示す平面図、及び断面図である。この例は、平面形状が円形の配向制御用突起（２３Ａ）が形成されたカラーフィルタ（８Ａ）である。このようなカラーフィルタを用いた液晶表示装置は、一画素内で液晶分子の傾斜方向が多方向となる。
また、図９（ａ）、（ｂ）は、別な例の一画素を拡大して示す平面図、及び断面図である。図９（ａ）、（ｂ）に示すように、この別な例は、平面形状がストライプ状の配向制御用リブ（２３Ｂ）であり、一画素内で９０°屈曲させた配向制御用リブ（２３Ｂ）が形成されたカラーフィルタ（８Ｂ）である。このようなカラーフィルタを用いた液晶表示装置は、一画素内で液晶分子の傾斜方向が４方向となる。

平面形状が円形の配向制御用突起（２３Ａ）の幅（Ｗ３）は１５μｍ程度、高さ（Ｈ３）は１．４μｍ程度である。また、平面形状がストライプ状の配向制御用リブ（２３Ｂ）のＡ−Ａ線での断面形状は、例えば、三角形、かまぼこ状であり、その幅（Ｗ４）、高さ（Ｈ４）は、配向制御用突起（２３Ａ）の各々と同程度である。これらは、透明なフォトレジストを用いて形成される。

配向制御用突起は画素内に設けられるので、図８に示す配向制御用突起（２３Ａ）、或
いは図９に示す配向制御用リブ（２３Ｂ）が設けられたカラーフィルタは、設けられた配向制御用突起の総面積に準じて光の透過率が低下する。すなわち、配向制御用突起が設けられたカラーフィルタを用いた液晶表示装置には、その分の輝度（透過率）の低下がもたらされる。
従って、液晶表示装置の輝度（透過率）を更に向上させるために、配向制御用突起に関しては、画素内の液晶の配向を正常に行う高さが保たれ、且つ極力狭い幅であることが要求されている。

配向制御用突起の形成には、例えば、ポジ型フォトレジストであるノボラック系感光性樹脂が広く用いられているが、ノボラック系感光性樹脂を用い露光、現像、ベーキングを施して形成した配向制御用突起には色付きが生じるので、特に配慮が必要である。

上記カラーフィルタを構成するブラックマトリックス、着色画素、及び配向制御用突起（２３Ａ、２３Ｂ）をフォトリソグラフィ法によりパターンとして形成する際のパターン露光には、ガラス基板（４０）のサイズと略同程度のサイズのフォトマスクを用いて露光する方法が広く採用されている。カラーフィルタの画面全体を１回の露光で一括して行う、所謂、一括露光法である。この露光法では、フォトレジスト層が設けられたガラス基板の上方に、近接露光のギャップを介してフォトマスクが配置され、パターンが形成されたフォトマスクは、その膜面を下方、すなわち、ガラス基板の塗布膜に対向させる近接露光が広く採用されている。

図６は、液晶表示装置用カラーフィルタの製造における近接露光の一例を説明する断面図である。図６に示すように、ブラックマトリックス（４１）、着色画素（４２）、及び透明導電膜（４３）が順次に形成されたガラス基板（４０）上にフォトレジスト層（６０）が形成され、その上方には近接露光のギャップ（Ｇ）を設けてフォトマスク（ＰＭ）が配置されている。
フォトマスク（ＰＭ）は、フォトスペーサー、及び配向制御用突起（２３Ａ）或いは配向制御用リブ（２３Ｂ）の形成に対応したパターンが形成されている。フォトマスクの膜面（５１）はフォトレジスト層（６０）に対向している。

このようなギャップ（Ｇ）を設けた近接露光によって、均一なパターンを形成する際には、露光装置における露光強度の面内バラツキ、露光光のディグリネーション（平行度）、ギャップ（Ｇ）の面内バラツキなどが重要な要素となってくる。また、このようなギャップ（Ｇ）を設けた近接露光法によって、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幅には制約が伴う。

図６において、フォトマスク（ＰＭ）の上方からの露光光（Ｌ）は、フォトマスク（ＰＭ）の光透過部を経て透明なフォトレジスト層（６０）に照射されるが、近接露光のギャップ（Ｇ）が充分にあると、照射される光は、光透過部の下方のフォトレジスト層（６０）部分のみでなく、照射される光の回折により、照射される光はフォトマスクの遮光部の下方のフォトレジスト層（６０）部分にも達し、例えば、用いたフォトレジストがポジ型フォトレジストである際には、現像液に可溶なものへと光分解される。

この回折される光は、幅の大きなフォトスペーサー（７３）に対応した、幅の大きな遮光部の下方では少なく、幅の小さな配向制御用突起（２３Ａ）に対応した、幅の小さな遮光部の下方では多くなる。
図６中に示す点線は、照射される光の回折によって光分解されない、すなわち、現像処理後にフォトスペーサー及び配向制御用突起として形成される部分に対応したフォトレジスト層（６０）の部分を表している。

このように、ギャップ（Ｇ）を設けた近接露光によって、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幅には制約が伴う。配向制御用突起の幅が狭くなると、配向制御用突起の形成に対応したフォトマスク上の遮光部の幅とギャップ（Ｇ）の幅の関係にて、所望する高さ（膜厚）を有する配向制御用突起が得られないことがある。また、配向制御用突起の中央部での膜厚の減少が大きくて凹みが生ずることがある。また、配向制御用突起の幅が狭くなると、剥離が生じ易くなる。
ポジ型フォトレジストを用いた場合、ギャップ（Ｇ）の幅が１００μｍ程度で得られる配向制御用突起（２３Ａ）の幅（Ｗ３）は１２μｍ程度、高さ（Ｈ３）は１．４μｍ程度が限度である。
特開２０００−２６７０７９号公報特許第３２５５１０７号公報特開２００２−８２４２６号公報特開２０００−２９８２０９号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、画素内に配向制御用突起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おいて、配向制御用突起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、幅１２μｍ以下、高さ１．４μｍ以下の配向制御用突起を形成することのできるフォトマスクを提供することを課題とするものである。

これにより、現状より狭い幅の配向制御用突起を容易に形成することができ、例えば、携帯端末用などの小型、高精細な液晶表示装置に用いるカラーフィルタを提供することが可能となる。また、配向制御用突起が設けられたカラーフィルタを用いた液晶表示装置において、輝度（透過率）を容易に向上させることができる。

本発明は、近接露光法を用いたフォトリソグラフィ法により、ポジ型フォトレジストを用いて設けた感光性組成物層に所望形状の配向制御用突起を形成する際に使用するフォトマスクにおいて、該感光性組成物層に配向制御用突起を形成するための単位の遮光パターンとして、フォトマスクの光透過領域中に、径もしくは一辺の寸法が１２μｍ以下の円形もしくは多角形の遮光パターンであって、該遮光パターンの中心部に光透過部を有する環状遮光パターンを形成し、前記光透過部の中心に、さらに島状の光遮光部を形成したことを特徴とするフォトマスクである。

また、本発明は、上記発明によるフォトマスクにおいて、前記環状遮光パターンの線幅が、０．５μｍ〜３．０μｍであることを特徴とするフォトマスクである。

また、本発明は、上記発明によるフォトマスクにおいて、前記光透過部の外形が、環状遮光パターンの外形と相似であることを特徴とするフォトマスクである。

また、本発明は、請求項９に記載のカラーフィルタを備えることを特徴とする液晶表示装置である。

本発明は、感光性組成物層に配向制御用突起を形成するための単位の遮光パターンとして、フォトマスクの光透過領域中に、径もしくは一辺の寸法が１２μｍ以下の円形もしくは多角形の遮光パターンであって、遮光パターンの中心部に光透過部を有する環状遮光パターンを形成したフォトマスクであるので、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、幅１２μｍ以下、高さ１．４μｍ以下の配向制御用突起を形成することができるフォトマスクとなる。

上記により、現状より狭い幅の配向制御用突起を容易に形成することができ、例えば、携帯端末用などの小型、高精細な液晶表示装置に用いるカラーフィルタを供することが可能となる。また、配向制御用突起が設けられたカラーフィルタを用いた液晶表示装置において、輝度（透過率）を容易に向上させるこがができる。

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明によるフォトマスクの一参考例の遮光パターンの一部を拡大して示す平面図である。このフォトマスクは、配向制御用突起を形成するためのものであり、配向制御用突起を形成するフォトレジストとしてポジ型フォトレジストを用いた際のものである。

また、このフォトマスクは、フォトマスクと基板上に設けられたフォトレジスト層との間にギャップを設けた近接露光法にて用いられるものである。そのギャップ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１００μｍ〜２００μｍの範囲内とされる。
図１に示すように、フォトマスクの光透過領域（５２）中に、外径（Ｄ１）の寸法が１２μｍ以下の円形の遮光パターンであって、その遮光パターンの中心部に光透過部（Ｔ０）を有する環状遮光パターン（Ｐ１）が設けられている。
尚、図１には、環状遮光パターン（Ｐ１）の外形が円形で、光透過部（Ｔ０）の外形が円形の例を示してある。

図１に示す、本発明の参考例のフォトマスクにおいては、上方から照射された光の内、環状遮光パターン（Ｐ１）の外周端で下方に回り込んだ光と、中心部の光透過部（Ｔ０）からの光が干渉し、フォトレジスト層面の中心部では光強度が弱まることがある。すなわち、この光強度が弱まるフォトレジスト層面の中心部の光分解は少なく、現像処理によって配向制御用突起が形成されることになる。

本発明者は、フォトレジスト層面での光強度と、使用する環状遮光パターン（Ｐ１）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、環状遮光パターン（Ｐ１）の外径（Ｄ１）が１２．０μｍ以下において、環状遮光パターン（Ｐ１）の環状の線幅（Ｗ１）が０．５μｍ〜３．０μｍであると、微細な配向制御用突起が形成されることを見出した。
環状遮光パターン（Ｐ１）の環状の線幅（Ｗ１）が０．５μｍより小さいと、干渉の効果が少なく微細な配向制御用突起が形成されない。また、線幅（Ｗ１）が３．０μｍより大きいと、解像してしまい断面形状がかまぼこ状突起とならず、環状の突起となってしまう。

また、図２（ａ）、（ｂ）は、環状遮光パターン（Ｐ１）の外形が、多角形の場合の例の平面図である。

また、図３（ａ）、（ｂ）は、中心部の光透過部（Ｔ０）の外形が、環状遮光パターン（Ｐ１）の外形と相似である場合の例の平面図である。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、光透過部（Ｔ０）の外形が環状遮光パターン（Ｐ１）の外形と相似であると、フォトレジスト層面の中心部内での光強度は均一になりやすい。

また、図１０（ａ）、（ｂ）は、請求項１に係わる発明によるフォトマスクの例の遮光パターンの一部を拡大して示す平面図である。図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、このフォトマスクの遮光パターンは、環状遮光パターン（Ｐ１）と光透過部（Ｔ０）と島状の光遮光部（Ｐ０）で構成され、光透過部（Ｔ０）の中心に、さらに島状の光遮光部（Ｐ０）が形成されている。

より微細な配向制御用突起を形成する際には、環状遮光パターン（Ｐ１）の外径（Ｄ１）をより小さなものとするが、外径（Ｄ１）がより小さくなると、環状遮光パターン（Ｐ１）端から回り込んだ光が環状遮光パターン（Ｐ１）の下方の中央部に集中し、配向制御用突起が形成されなくなる。この中央部への集中を抑制するために、より微細な配向制御用突起を形成する際には、光透過部（Ｔ０）の中心に、さらに島状の光遮光部（Ｐ０）を設けることが好ましい。
すなわち、請求項１に係わる発明は、１２μｍ以下で、より微細な配向制御用突起の形成に好適なものである。

下記に実施例により具体的に本発明を説明する。本実施例は、参考のための例である。

〔ポジ型フォトレジストの組成〕
配向制御用突起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）
７３．９５％
〔フォトマスク〕
配向制御用突起を形成する遮光パターンとして、図１に示す遮光パターンにおいて、環状遮光パターン（Ｐ１）の外径（Ｄ１）が９μｍ、光透過部（Ｔ０）の外径（Ｄ２）が５μｍ、環状遮光パターン（Ｐ１）の線幅（Ｗ１）が２μｍを有する遮光パターンを用いた。

〔配向制御用突起の形成〕
ガラス基板上にブラックマトリックス、着色画素、及び透明導電膜を順次に形成し、この透明導電膜上に上記組成のポジ型フォトレジストを塗布して膜厚２．０μｍのフォトレジスト層を設けた。
近接露光のギャップを１００μｍとし、上記フォトマスクを介した露光を１００ｍＪ／ｃｍ²与え、現像、ベーキングを施し配向制御用突起を形成した。
得られた配向制御用突起は高さ（膜厚）１．３μｍ、外径８．０μｍを有し、平面形状が円形、断面形状がかまぼこ状の良好な配向制御用突起であった。

本発明によるフォトマスクの一参考例の遮光パターンの一部を拡大して示す平面図である。（ａ）、（ｂ）は、環状遮光パターンの外形が、多角形の場合の例の平面図である。（ａ）、（ｂ）は、中心部の光透過部の外形が、環状遮光パターンの外形と相似である場合の例の平面図である。液晶表示装置に用いられるカラーフィルタの一例を模式的に示した平面図である。図４に示すカラーフィルタのＸ−Ｘ’線における断面図である。近接露光の一例を説明する断面図である。ＭＶＡ−ＬＣＤの断面を模式的に示した説明図である。（ａ）は、ＭＶＡ−ＬＣＤに用いられるカラーフィルタの一例の一画素を拡大して示す平面図である。（ｂ）は、ＭＶＡ−ＬＣＤに用いられるカラーフィルタの一例の一画素を拡大して示す断面図である。（ａ）は、別な例の一画素を拡大して示す平面図である。（ｂ）は、別な例の一画素を拡大して示す断面図である。（ａ）、（ｂ）は、請求項１に係わる発明によるフォトマスクの例の遮光パターンの一部を拡大して示す平面図である。

符号の説明

４、８Ａ、８Ｂ・・・カラーフィルタ
２０・・・ＴＦＴ基板
２１・・・液晶分子
２２ａ、２２ｂ、２３・・・配向制御用突起
２３Ａ、２３Ｂ・・・配向制御用突起（リブ、楕円形状）
２７・・・液晶分子
４０・・・ガラス基板
４１・・・ブラックマトリックス
４１Ａ・・・マトリックス部
４１Ｂ・・・額縁部
４２・・・着色画素
４３・・・透明導電膜
５０・・・フォトマスクの基板
５１・・・フォトマスクの膜面
５２・・・フォトマスクの光透過領域
６０・・・フォトレジスト層
７３・・・フォトスペーサー
８０・・・ＭＶＡ−ＬＣＤ
Ｄ１・・・環状遮光パターンの外径
Ｄ２・・・光透過部の外径
Ｇ・・・近接露光のギャップ
Ｈ３、Ｈ４・・・配向制御用突起（リブ）の高さ
Ｌ・・・露光光
Ｐ０・・・島状の光遮光部
Ｐ１・・・環状遮光パターン
ＰＭ・・・フォトマスク
Ｔ０・・・光透過部
Ｗ１・・・環状遮光パターンの幅

Claims

近接露光法を用いたフォトリソグラフィ法により、ポジ型フォトレジストを用いて設けた感光性組成物層に所望形状の配向制御用突起を形成する際に使用するフォトマスクにおいて、該感光性組成物層に配向制御用突起を形成するための単位の遮光パターンとして、フォトマスクの光透過領域中に、径もしくは一辺の寸法が１２μｍ以下の円形もしくは多角形の遮光パターンであって、該遮光パターンの中心部に光透過部を有する環状遮光パターンを形成し、前記光透過部の中心に、さらに島状の光遮光部を形成したことを特徴とするフォトマスク。
前記環状遮光パターンの線幅が、０．５μｍ〜３．０μｍであることを特徴とする請求項１記載のフォトマスク。
前記光透過部の外形が、環状遮光パターンの外形と相似であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のフォトマスク。