JP2008242175A - Method for forming thin film pattern and method for producing black matrix substrate for color filter - Google Patents
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Abstract
【課題】有機物薄膜の精密加工において、熱アブレーション法を採用することで、被加工部へのエネルギー伝達深度を深くして加工時間を短くするとともに、熱アブレーションの際に問題となる残膜を効率的に除去しうる方法を提供し、それをカラーフィルタ用ブラックマトリックス基板の製造に適用する。
【解決手段】基板1上に有機材料からなる薄膜2を形成し、その薄膜のうち除去すべき部分にレーザー光4を照射して熱アブレーションによるパターン加工を行った後、レーザーアブレーションが施された表面全面にアッシング処理8を施すことにより、残膜7も効率的に除去されたパターンを形成する。有機薄膜2の上には、後で除去可能な高分子膜3を形成しておき、レーザーアブレーション後にその高分子膜3を除去するのが有利である。有機薄膜2を遮光性樹脂薄膜とすれば、カラーフィルタ用のブラックマトリックス基板が製造できる。
【選択図】図1In the precision processing of organic thin films, the thermal ablation method is used to deepen the energy transfer depth to the workpiece, shorten the processing time, and efficiently remove the remaining film that becomes a problem during thermal ablation. This method is applied to the manufacture of a black matrix substrate for a color filter.
A thin film 2 made of an organic material is formed on a substrate 1, and a portion to be removed is irradiated with laser light 4 to perform pattern processing by thermal ablation, and then laser ablation is performed. By performing ashing 8 on the entire surface, a pattern in which the remaining film 7 is also efficiently removed is formed. It is advantageous to form a polymer film 3 that can be removed later on the organic thin film 2 and to remove the polymer film 3 after laser ablation. If the organic thin film 2 is a light-shielding resin thin film, a black matrix substrate for a color filter can be manufactured.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、レーザー光を被加工物である有機薄膜に照射し、照射部分に発生するレーザーアブレーション現象により有機薄膜を部分的に分解・除去する薄膜パターンの形成方法に関するものである。さらに詳細には、液晶表示装置等のディスプレイ装置に用いられる光学素子、例えばカラーフィルタ、特にそのブラックマトリックスの形成に有用なパターン形成方法に関する。本発明はまた、液晶表示装置に好適に組み込まれるカラーフィルタのブラックマトリックス基板の製造方法にも関係している。 The present invention relates to a method for forming a thin film pattern in which an organic thin film, which is a workpiece, is irradiated with laser light, and the organic thin film is partially decomposed and removed by a laser ablation phenomenon occurring at the irradiated portion. More specifically, the present invention relates to a pattern forming method useful for forming an optical element used in a display device such as a liquid crystal display device, for example, a color filter, particularly its black matrix. The present invention also relates to a method for manufacturing a black matrix substrate of a color filter that is suitably incorporated in a liquid crystal display device.
薄膜パターンの形成法としては、感光性樹脂膜に対してマスク露光を行い、光照射部に潜像を形成したのち、現像により不要部分を除去する方法(フォトリソグラフィー)が一般的であるが、高価な感光性樹脂や露光設備、フォトマスクが必要とされ、加工コストが高いことや、被加工物が薬液に対して安定である必要があることなどの制約がある。これに対して近年、フォトマスクを用いない直接加工法が提案されている。中でも、各種レーザー光を照射して有機物材料を局部的に分解・除去するレーザーアブレーション加工法が注目されている。 As a method for forming a thin film pattern, a method of exposing a photosensitive resin film to a mask and forming a latent image in a light irradiation portion, and then removing an unnecessary portion by development (photolithography) is common. Expensive photosensitive resin, exposure equipment, and a photomask are required, and there are limitations such as high processing cost and that the workpiece needs to be stable against chemicals. On the other hand, a direct processing method that does not use a photomask has recently been proposed. In particular, laser ablation processing methods that irradiate various laser beams to locally decompose and remove organic materials are attracting attention.
例えば、特開平 5-185269 号公報(特許文献1)には、被加工材料の表面に除去可能な皮膜を形成し、その上からエキシマレーザーを照射して照射部の皮膜及び被加工材料を分解除去するレーザーアブレーション加工を行い、加工後に前記皮膜とともに、レーザーアブレーションにより発生した煤を除去する方法が開示されている。 For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 5-185269 (Patent Document 1), a removable film is formed on the surface of a material to be processed, and an excimer laser is irradiated thereon to decompose the film on the irradiated portion and the material to be processed. There is disclosed a method of performing laser ablation processing to remove, and removing wrinkles generated by laser ablation together with the film after processing.
また、特開平 9-80221号公報(特許文献2)には、基板上にポリイミド系高分子有機材料をバインダーとした黒鉛を主成分とする遮光被膜材料を成膜し、そこに所定のパターンを有するマスクを介してエキシマレーザー光の照射による光分解現像を施して、遮光マトリックスを形成することが記載されており、遮光マトリックス形成後は、ブラシ水洗やアッシングで洗浄し、分解物を除去するとされている。 Japanese Patent Laid-Open No. 9-80221 (Patent Document 2) discloses that a light-shielding film material mainly composed of graphite containing a polyimide-based polymer organic material as a binder is formed on a substrate, and a predetermined pattern is formed thereon. It is described that a light-blocking matrix is formed by performing photodegradation development by irradiation of excimer laser light through a mask having a mask, and after the light-blocking matrix is formed, it is said to be washed with brush water washing or ashing to remove decomposition products. ing.
上記特許文献1や特許文献2で採用されているような、希ガスとハロゲンとの励起状態からの誘導発光現象を利用したエキシマレーザーは、その波長が紫外域にあることから、紫外線に強い吸収をもつ材料、例えばポリマーなどの有機物に照射すると、当該有機物内の分子が高密度に励起され、その後励起状態から瞬間的に光化学分解、すなわち光化学アブレーション現象を生じる。したがって、エキシマレーザー加工では化学分解が主体となるため、後述するNd−YAGレーザー(ネオジウム−ヤグレーザー、YAGはイットリウム・アルミニウム・ガーネット)のような赤外域のレーザーを用いた加工と比較して、溶融跡などの熱損傷が少ないクリーンな加工ができ、かつ短波長レーザーであるため、微細加工に適している。しかしながら短波長を用いることから、被加工部へのエネルギー伝達深度が浅いために加工能率が低く、さらに光源(エキシマレーザー)が高コストであるといった問題がある。
The excimer laser using the stimulated light emission phenomenon from the excited state of the rare gas and the halogen as employed in the above-mentioned
一方、Nd−YAGレーザーに代表される熱エネルギーを利用したレーザー加工は、有機物内の分子が赤外域のレーザー光を吸収すると高振動状態になり、かつ周囲の分子も振動エネルギー(熱エネルギー)によって、熱分解、すなわち光熱分解を起こし、アブレーション(蒸発)現象が生じることを利用するものである。したがってこの方式では、有機物内の分子の振動を利用するために、被加工部の周囲が熱的損傷を受けること、赤外線を用いることからスポット径を小さく絞りにくく、点加工であるためにスループットの観点から量産に適さないとされている。しかしながら長波長を用いるため、被加工部へのエネルギー伝達深度が深く、加工時間が短いという長所を有している。 On the other hand, laser processing using thermal energy typified by the Nd-YAG laser is in a high vibration state when molecules in organic matter absorb laser light in the infrared region, and surrounding molecules are also affected by vibration energy (thermal energy). It utilizes thermal decomposition, that is, photothermal decomposition and ablation (evaporation) phenomenon. Therefore, in this method, since the vibration of the molecules in the organic matter is used, the periphery of the processed part is thermally damaged, and since the infrared ray is used, it is difficult to reduce the spot diameter, and the point processing makes it possible to reduce the throughput. From the viewpoint, it is not suitable for mass production. However, since a long wavelength is used, there is an advantage that the energy transmission depth to the workpiece is deep and the machining time is short.
次に液晶表示装置や撮像素子などで用いられるカラーフィルタは、例えば、液晶表示装置に組み込まれて表示画像をカラー化するために用いられたり、固体撮像素子に組み込まれるカラー画像を得るために用いられたりする光学素子であって、通常、ガラスやシリコンウェハー、透明樹脂などの基板上の同一平面上に互いに隣接して形成された着色パターンからなるものである。 Next, a color filter used in a liquid crystal display device, an image sensor, or the like is used, for example, for colorizing a display image by being incorporated in a liquid crystal display device, or for obtaining a color image incorporated in a solid-state image sensor. These optical elements are usually composed of colored patterns formed adjacent to each other on the same plane on a substrate such as glass, silicon wafer, or transparent resin.
着色パターンは、例えば、赤色(R)画素、緑色(G)画素、及び青色(B)画素からなる三原色の色画素と、各色画素の境界に形成されたブラックマトリックスとを含んでいる。ここで、各色画素は各色に着色された透明な層であり、ブラックマトリックスは黒色で可視光を実質的に透過しない層である。また必要に応じて、RGBの各画素に加え、着色されていない透明画素が形成されることもある。 The coloring pattern includes, for example, three primary color pixels including red (R) pixels, green (G) pixels, and blue (B) pixels, and a black matrix formed at the boundary between the color pixels. Here, each color pixel is a transparent layer colored in each color, and the black matrix is a black layer that does not substantially transmit visible light. If necessary, transparent pixels that are not colored may be formed in addition to the RGB pixels.
こうしたカラーフィルタの製造法としては、着色感光性樹脂組成物の固形分からなる着色感光性樹脂組成物層を基板上に形成し、その樹脂組成物層にフォトマスクを介して光線を照射したのち、光線未照射領域を現像液に溶解させて着色パターンを形成するフォトリソグラフィー法(顔料分散法)が一般に知られている。一般のカラーフィルタを構成するブラックマトリックスや、赤色画素、緑色画素及び青色画素のみならず、ギャップ制御機構や液晶配向のための構造は、感光性樹脂を変えながら、繰り返しフォトリソグラフィー加工を行うことで順次形成される。 As a method for producing such a color filter, a colored photosensitive resin composition layer comprising a solid content of a colored photosensitive resin composition is formed on a substrate, and the resin composition layer is irradiated with light through a photomask, A photolithography method (pigment dispersion method) is generally known in which a colored pattern is formed by dissolving an unirradiated region in a developer. Not only the black matrix that constitutes a general color filter, but also the red pixel, green pixel, and blue pixel, the gap control mechanism and the structure for liquid crystal alignment can be obtained by repeatedly performing photolithography while changing the photosensitive resin. Sequentially formed.
近年、高価なフォトリソグラフィーを印刷やインクジェットなどといったより安価な方法に代替することが検討されているが、ブラックマトリックスに関しては、パターン異常や残膜精度が、表示欠陥(物理的欠陥や透過率ムラなど)に直結することから、代替技術の開発は進んでいない。 In recent years, replacement of expensive photolithography with a cheaper method such as printing or ink-jet has been studied. However, regarding black matrix, pattern anomalies and residual film accuracy are caused by display defects (physical defects and uneven transmittance). Development of alternative technologies is not progressing.
そこで本発明の目的は、有機物薄膜の精密加工において、熱アブレーション法を採用することで、被加工部へのエネルギー伝達深度を深くして加工時間を短くするとともに、熱アブレーションの際に問題となる残膜を効率的に除去しうる方法を提供することにある。本発明のもう一つの目的は、液晶表示などに用いられるカラーフィルタのブラックマトリックス基板の製造に上記の方法を適用し、薄膜精密パターンの直接加工法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to employ a thermal ablation method in precision processing of an organic thin film, thereby deepening the energy transmission depth to the workpiece and shortening the processing time and causing a problem in thermal ablation. An object of the present invention is to provide a method capable of efficiently removing the remaining film. Another object of the present invention is to provide a method for directly processing a thin film precision pattern by applying the above method to the manufacture of a black matrix substrate of a color filter used for liquid crystal display or the like.
すなわち、本発明による薄膜パターンの形成方法は、基板上に有機材料からなる薄膜を形成し、その薄膜のうち除去すべき部分にレーザー光を照射して熱アブレーションによるパターン加工を行った後、レーザーアブレーションが施された表面全面をアッシング処理するものである。 That is, the thin film pattern forming method according to the present invention forms a thin film made of an organic material on a substrate, irradiates a portion to be removed of the thin film with laser light, and performs pattern processing by thermal ablation. The ashing process is performed on the entire ablated surface.
また、本発明によるカラーフィルタ用ブラックマトリックス基板の製造方法は、透明基板上に、遮光性顔料を含有する遮光性樹脂薄膜を形成し、その薄膜のうち除去すべき部分にレーザー光を照射して熱アブレーションによるパターン加工を行った後、レーザーアブレーションが施された表面全面をアッシング処理するものである。 The method for producing a black matrix substrate for a color filter according to the present invention comprises forming a light-shielding resin thin film containing a light-shielding pigment on a transparent substrate, and irradiating a portion to be removed with laser light. After performing pattern processing by thermal ablation, the entire surface subjected to laser ablation is subjected to ashing treatment.
このように本発明では、熱アブレーションで発生する残膜を、精密パターンを損なうことなく除去する手段として、表面アッシングを採用する。上記の薄膜パターンの形成方法又はカラーフィルタ用ブラックマトリックスの製造方法においては、有機材料からなる薄膜ないし遮光性樹脂薄膜の上に、後で除去可能な高分子膜を形成し、その高分子膜の上からレーザー光を照射して熱アブレーションによるパターン加工を行い、次いで高分子膜を除去した後、アッシング処理を行うのが好ましい。この場合、後で除去可能な高分子膜を水溶性樹脂で構成し、パターン加工後の高分子膜の除去は、水を用いた洗浄によって行うのが有利である。また、水溶性の高分子膜は、好ましくはポリビニルアルコールで形成される。 Thus, in the present invention, surface ashing is employed as a means for removing the remaining film generated by thermal ablation without impairing the precision pattern. In the method for forming a thin film pattern or the method for producing a black matrix for a color filter, a polymer film that can be removed later is formed on a thin film made of an organic material or a light-shielding resin thin film. It is preferable to irradiate laser light from above and perform pattern processing by thermal ablation, and then remove the polymer film and then perform ashing. In this case, it is advantageous that the polymer film that can be removed later is made of a water-soluble resin, and the removal of the polymer film after patterning is performed by washing with water. The water-soluble polymer film is preferably made of polyvinyl alcohol.
本発明によれば、従来のフォトマスク露光を用いずに所望の形状の薄膜パターンを形成することができる。そしてこの方法をカラーフィルタ用ブラックマトリックス基板の製造に適用すれば、高いパターン精度を維持しながら、所望の光学特性を有し、解像度の高い樹脂ブラックマトリックス基板を得ることができる。 According to the present invention, a thin film pattern having a desired shape can be formed without using conventional photomask exposure. If this method is applied to the production of a black matrix substrate for color filters, a resin black matrix substrate having desired optical characteristics and high resolution can be obtained while maintaining high pattern accuracy.
図1に、本発明による薄膜パターンの形成方法又はかかる薄膜パターンが形成されたブラックマトリックス基板の製造方法について、好ましい形態を工程毎に順を追って断面模式図で示した。以下、この図も参照しながら、本発明の実施の形態を詳しく説明する。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a preferred embodiment of the method of forming a thin film pattern according to the present invention or the method of manufacturing a black matrix substrate on which such a thin film pattern is formed, step by step. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to this figure.
図1に示す形態では、まず(A)に示すように、基板1の上に有機薄膜2を形成する。次に、同(B)に示すように、その有機薄膜2の上に後で除去可能な高分子膜3を形成する。その後、同(C)に示すように、有機薄膜2のうちの除去すべき部分に対応する所望の開口部6を有するマスク5を介して、レーザー光4を照射する。これによって熱アブレーション加工が行われ、レーザー光4が照射された部分の高分子膜3及び有機薄膜2が除去されて、同(D)に示すように、所望のパターンが形成される。その後、同(E)に示すように、有機薄膜2上に形成された高分子膜3を除去する。ただし、図1(D)に示すパターンが形成された状態あるいは同(E)に示す高分子膜3が除去された状態では、高分子膜3及び有機薄膜2が熱アブレーションによって除去されているとはいえ、その部分の基板1上に、薄い残膜7が残っている。そこで本発明では、図1(F)に示すように、レーザーアブレーションが施された表面全面にアッシング処理8を施す。これにより、残膜7が分解除去されて、同(G)に示すように、基板1上に有機薄膜2からなる所望のパターンが形成されたもの、例えば、ブラックマトリックス基板が完成する。
In the form shown in FIG. 1, first, as shown in FIG. 1A, an organic
ここでは主として、前記した薄膜パターンの形成方法で規定する要件に沿って説明したが、上の説明における「有機薄膜2」を、「遮光性顔料を含有する遮光性樹脂薄膜2」と読み替えれば、前記したカラーフィルタ用ブラックマトリックス基板の製造方法の説明となる。
Here, the description has been made mainly in accordance with the requirements stipulated in the method for forming a thin film pattern described above. However, if “organic
本発明においては、図1に示す各工程のうち、(A)の有機薄膜形成工程、(C)及び(D)のレーザー照射(熱アブレーション)によるパターン形成工程、並びに(F)及び(G)のアッシングによるパターン完成工程を必須とする。(B)の高分子膜を形成する工程は任意であるが、採用することが好ましい。後で除去可能な高分子膜3を形成する工程(B)を組み込めば、アブレーション加工のときに発生しやすい煤を、当該高分子膜3を除去する際一緒に除去することができ、完成後のパターン表面の清浄化が期待できる。したがって、高分子膜3を形成する工程(B)を組み込んだ場合は、(E)の高分子膜を除去する工程も組み込まれることになる。
In the present invention, among the steps shown in FIG. 1, the organic thin film forming step (A), the pattern forming step by laser irradiation (thermal ablation) (C) and (D), and (F) and (G) A pattern completion process by ashing is essential. The step of forming the polymer film (B) is optional, but preferably employed. If the step (B) for forming a
レーザーアブレーション加工に使用する基板1は、特に限定されるものでなく、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、表面がシリカコートされたソーダライムガラスなどの無機ガラス類、さらには各種プラスチックフィルムやシートなどが用いられる。また、反射型液晶表示装置に用いられる金属膜付きなど、不透明基板も使用可能である。基板1の厚さは、一般的に0.1mm〜3mm 程度である。
The
基板1の上には、有機薄膜2を形成する。有機薄膜2は、有機材料からなり、カラーフィルタ用ブラックマトリックス基板を製造する場合は、この有機薄膜2は、ブラックマトリックス膜、すなわち、遮光性顔料を含有する遮光性樹脂薄膜で構成される。ブラックマトリックス膜に使用する材料には、金属薄膜、金属薄膜に酸化物膜や窒化物膜を積層したもの、また、遮光性顔料を含有する樹脂からなるものなどがあるが、本発明では、遮光性顔料を含有する樹脂からなるものを用いる。遮光性顔料には、金属酸化物、金属窒化物、金属硫化物、カーボンブラック、各種有機黒色顔料などがあるが、これらの中でもカーボンブラックが好ましく用いられる。すなわち、カーボンブラックを遮光性顔料として含有する遮光性樹脂膜は、色調補正もしやすいことから、好ましい。
An organic
遮光性顔料としてカーボンブラックを用いる場合には、補色用に、青色顔料又は紫色顔料をそれぞれ単独で、あるいは両者を混合して使用することができる。また、これらに加えて、金属酸化物や金属窒化物、金属硫化物などの粉末を混合してもよい。 When carbon black is used as the light-shielding pigment, a blue pigment or a violet pigment can be used singly or in combination for complementary colors. In addition to these, powders such as metal oxides, metal nitrides, and metal sulfides may be mixed.
有機薄膜2ないし遮光性樹脂膜に用いる有機材料は、一般に樹脂であり、塗膜の耐熱性や耐光性、耐溶剤性などの観点から、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン系樹脂などが、好ましいものとして挙げられる。
The organic material used for the organic
有機薄膜2ないし遮光性樹脂薄膜の形成方法としては、デッィプコーティング、ロールコーティング、スピンコーティング、ダイコーティング、ワイヤーバーコーティングなどが一般的に用いられるが、印刷法、転写法、電着法、真空蒸着法、電子写真法などによりこの薄膜2を形成してもよい。
As a method for forming the organic
有機薄膜2ないし遮光性樹脂薄膜を形成した後は、真空乾燥機、オーブン、ホットプレートなどを用いた加熱(ベーク)が行われ、乾燥される。ベーク条件は、使用する樹脂や溶剤などにより異なるが、通常、40〜200℃で1〜60分間加熱することが一般的である。
After the organic
カラーフィルタ用ブラックマトリックスを形成するための遮光性樹脂薄膜は、その膜厚を0.5〜3μm程度とするのが好ましい。その理由として、膜厚が0.5μm未満の場合には遮光性が不十分になり、逆に膜厚が3μm を超えるとカラーフィルタ表面の平坦性が損なわれ、ギャップ調整が困難になる。 The light-shielding resin thin film for forming the color filter black matrix preferably has a thickness of about 0.5 to 3 μm. The reason for this is that when the film thickness is less than 0.5 μm, the light-shielding property becomes insufficient. Conversely, when the film thickness exceeds 3 μm, the flatness of the color filter surface is impaired, and the gap adjustment becomes difficult.
遮光性樹脂薄膜における遮光性の基準は、光学濃度(OD値)を指標とする。光学濃度は、透過率の逆数の常用対数で表される。遮光性樹脂薄膜の光学濃度は、液晶表示装置の表示品位を向上させるため、2.5以上、とりわけ3.5以上であるのが好ましい。この値は、遮光性樹脂薄膜の膜厚との関係で定められるものである。 The standard of the light shielding property in the light shielding resin thin film is based on the optical density (OD value). The optical density is expressed as a common logarithm of the reciprocal of the transmittance. In order to improve the display quality of the liquid crystal display device, the optical density of the light-shielding resin thin film is preferably 2.5 or more, particularly preferably 3.5 or more. This value is determined by the relationship with the film thickness of the light-shielding resin thin film.
レーザーアブレーション加工を行うにあたり、有機薄膜2ないし遮光性樹脂薄膜の上には、図1(B)を参照して先に説明したように、後で除去可能な高分子膜3を形成してもよい。後で除去可能な高分子膜3は、レーザーアブレーション加工の後、剥離除去あるいは洗浄による溶解除去が可能な樹脂で構成するのが好ましく、このような後で除去可能な高分子膜3の存在により、レーザーアブレーション加工の際に発生しやすい煤を、当該高分子膜3とともに容易に除去でき、パターンないしブラックマトリックスの表面の清浄化が期待できる。
When performing laser ablation processing, a
高分子膜3は、水溶性の樹脂で形成するのが好ましいが、この膜3の下地に影響を及ぼさない程度であれば、アルコールや他の有機溶剤に可溶な材料で形成してもよい。水溶性樹脂には、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドンなどがあり、また、アルコールに可溶な樹脂には、ナイロン、ポリエチレングリコール、ポリビニルブチラールなどある。一方、その他の有機溶剤に可溶な樹脂としては、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエステル樹脂など、多くの汎用熱可塑性樹脂が挙げられる。
The
図1(C)に示すレーザーアブレーション加工においては、熱アブレーションを採用する。熱アブレーションとは、先述の如く、レーザー照射された部分の有機物分子がレーザー光を吸収して高振動状態になり、かつ周囲の分子も振動エネルギー(熱エネルギー)によって光熱分解を起こし、アブレーション(蒸発)現象が生じることを利用するものである。熱アブレーションに用いるレーザー光源は、樹脂成分の化学結合に影響しないものであればよく、その波長は一般に紫外線よりも長い波長、具体的には380nm以上である。レーザー光源の波長は、好ましくは500nm以上であり、より好ましくは赤外線レーザーが用いられる。一方、加工物の解像度の観点から、レーザーの波長は10μm 以下であることが好ましく、特に発振周波数1kHz 以上のパルスレーザーが好ましい。このようなレーザー光源としては、サファイア、イットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)などの固体レーザーや、半導体レーザーを例示することができる。 In the laser ablation process shown in FIG. 1C, thermal ablation is employed. As described above, thermal ablation means that the organic molecules in the laser-irradiated part absorb the laser beam and become in a high vibration state, and the surrounding molecules also undergo photothermal decomposition by vibrational energy (thermal energy), resulting in ablation (evaporation). ) The phenomenon occurs. The laser light source used for thermal ablation is not particularly limited as long as it does not affect the chemical bonding of the resin component, and its wavelength is generally longer than that of ultraviolet rays, specifically, 380 nm or more. The wavelength of the laser light source is preferably 500 nm or more, and more preferably an infrared laser is used. On the other hand, from the viewpoint of the resolution of the workpiece, the wavelength of the laser is preferably 10 μm or less, and a pulse laser having an oscillation frequency of 1 kHz or more is particularly preferable. Examples of such a laser light source include solid lasers such as sapphire and yttrium aluminum garnet (YAG), and semiconductor lasers.
レーザー光のエネルギー密度は、タクトタイムの短縮を図るうえで重要な要素である。エネルギー密度が大きすぎると、塗膜のみならず下地基板表面へのダメージを及ぼす可能性がある。一方、エネルギー密度が小さすぎると、塗膜がアブレーションされないか、若しくはアブレーション加工時間が長くなる可能性がある。したがって、最適なエネルギー密度を得るには、レーザー光の出力を制御できること、連続光ではなく、ある一定条件下での周波数でパルス発振されたレーザー光を用いること、ショットの回数によって、塗膜材料の種類や塗膜の膜厚に応じた条件下での加工を行うことが望ましい。このような観点から、有機薄膜2の膜厚を 0.5〜3μm とした場合、レーザー光のエネルギー密度は、0.1〜5J/cm2 程度の範囲から、塗膜材料の種類や塗膜の膜厚に合わせて選択するのが好ましい。
The energy density of the laser beam is an important factor for shortening the tact time. If the energy density is too large, not only the coating film but also the underlying substrate surface may be damaged. On the other hand, if the energy density is too small, the coating film may not be ablated or the ablation processing time may be increased. Therefore, in order to obtain the optimum energy density, it is possible to control the output of laser light, use laser light pulsed at a frequency under a certain condition, not continuous light, and coating material depending on the number of shots. It is desirable to perform processing under conditions according to the type of film and the film thickness of the coating film. From such a viewpoint, when the film thickness of the organic
微細加工を行う目的で、図1(C)を参照して先に説明したように、レーザー光路の途中にマスク5を使用してもよい。マスク5の材料に特別な制限はなく、シリコン、銅、ステンレス鋼(SUS)などからなる金属マスクを、それぞれ単独で用いることができるほか、それらの2種以上を併用してもよい。また、マスク5には加工部形状に対応した開口部6を単独で設けてもよいが、加工効率を上げるために複数の開口部6を設けてもよい。
For the purpose of performing fine processing, a
図1(B)に示すような後で除去可能な高分子膜3を設けた場合には、レーザーアブレーション後、同(E)に示すように、高分子膜3の除去を行う。高分子膜3を水溶性樹脂で構成した場合、それの除去は、水を用いた洗浄によって行われる。洗浄に用いる水は、純水であってもよいし、適当な溶質を含む水溶液であってもよい。洗浄法としては、当該高分子膜3の溶解度にもよるが、浸漬法、シャワーリング法、高圧スプレー法などが採用でき、それぞれ単独で適用してもよいし、複数種を組み合わせて適用してもよい。
When a
熱アブレーション加工では、有機薄膜がレーザーのエネルギーを吸収することで、その部分を蒸発させて除去する加工が可能となるが、加工部分に薄い残膜7が残存することがある。その原因は必ずしも明確でないが、被加工物が薄膜状の場合には、膜に吸収されたレーザー光のエネルギー(熱)が下地(例えばガラス)に放熱されてしまうため、被加工物の分解が基板面まで進まないことが考えられている。
In the thermal ablation process, the organic thin film absorbs the energy of the laser, so that the part can be removed by evaporation, but a thin
そこで本発明では、レーザーアブレーションによるパターン形成後、また図1(B)に示すように後で除去可能な高分子膜3を予め形成した場合には、レーザーアブレーション後に当該高分子膜3を除去してから、図1(F)に示すように、レーザーアブレーションが施された表面全面にアッシング処理8を施す。これにより、上述の如き薄い残膜7が分解除去され、アブレーション加工が施された部分に高い透過率を確保する。ここでアッシング(ashing)とは、有機物の最表面だけ酸化させ、除去する処理をいう。
Therefore, in the present invention, after forming a pattern by laser ablation, or when a
薄い残膜7の除去に利用可能なアッシング法としては、酸素プラズマを用いる方法や、紫外線(UV)とオゾンを用いる方法などを挙げることができる。酸素プラズマによるアッシングは、半導体製造におけるドライエッチング後のレジスト除去に用いられることが多く、また紫外線とオゾンによるアッシングは、液晶セル基板やカラーフィルタ基板の表面処理に用いられることが多い。いずれも、雰囲気中に酸素ラジカルを発生させ、有機物の最表面のみ酸化処理することで、表面の親水化や、膜表面の付着汚染物質の除去を行うといわれている。
Examples of the ashing method that can be used to remove the thin
紫外線とオゾンによるアッシングに使用する紫外線ランプの種類は、特に限定されるものでないが、酸素ガス及びオゾンガスの両方に作用して活性酸素を生じさせる波長領域で発光するものが望ましい。また、紫外線とオゾンによるアッシングでは、紫外線の照射量によってアッシングの効果が変わってくることから、紫外線照射量を一定値以上とすることが好ましく、具体的には、1J/cm2 以上、さらには3J/cm2 以上とするのが好ましい。 The kind of ultraviolet lamp used for ashing with ultraviolet rays and ozone is not particularly limited, but it is desirable to emit light in a wavelength region that acts on both oxygen gas and ozone gas to generate active oxygen. Also, in ashing with ultraviolet rays and ozone, the effect of ashing varies depending on the irradiation amount of the ultraviolet rays. Therefore, it is preferable to set the ultraviolet irradiation amount to a certain value or more, specifically, 1 J / cm 2 or more, It is preferably 3 J / cm 2 or more.
以下に実施例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。例中、含有量ないし使用量を表す部及び%は、特記ない限り重量基準である。 The present invention will be described more specifically with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples. In the examples, the parts and% indicating the content or amount used are based on weight unless otherwise specified.
[実施例1]
黒色樹脂膜形成用の塗料として、新日鐵化学(株)から販売されているブラックレジスト(型番“V-259 BK66”、黒色顔料入りのネガ型レジスト)を用いた。ガラス基板上に上記のブラックレジストをスピンコーターにより塗布した。光学特性から、乾燥後の膜厚が1.2μmとなるように塗布条件を調整した。塗布後、150℃のホットプレート上に15分間置き、乾燥させて、黒色樹脂膜を形成した。
[Example 1]
As a paint for forming a black resin film, a black resist (model number “V-259 BK66”, a negative resist containing a black pigment) sold by Nippon Steel Chemical Co., Ltd. was used. The above black resist was applied on a glass substrate by a spin coater. From the optical characteristics, the coating conditions were adjusted so that the film thickness after drying was 1.2 μm. After the application, it was placed on a hot plate at 150 ° C. for 15 minutes and dried to form a black resin film.
次に、上記黒色樹脂膜上に 1.0%ポリビニルアルコール水溶液をスピンコーターにより塗布し、ポリビニルアルコール膜を形成した。この際、乾燥後の膜厚が0.5μmとなるように、塗布条件を調整した。塗布後、50℃のホットプレート上に40秒間置き、乾燥させて、レーザーアブレーション加工前の塗膜を完成させた。 Next, a 1.0% polyvinyl alcohol aqueous solution was applied onto the black resin film by a spin coater to form a polyvinyl alcohol film. At this time, the coating conditions were adjusted so that the film thickness after drying was 0.5 μm. After coating, the film was placed on a hot plate at 50 ° C. for 40 seconds and dried to complete the coating film before laser ablation processing.
黒色樹脂膜とポリビニルアルコール膜で形成された上記塗膜に対し、金属シリコン製のステンシルマスクを介して、パターンとして削り取られるべき領域にNd−YAGレーザー(波長1,064nm )を照射し、レーザーアブレーション加工を行った。このときのレーザー加工条件は、発振周波数7,500Hz、エネルギー密度0.9J/cm2とした。 The above-mentioned coating film formed of a black resin film and a polyvinyl alcohol film is irradiated with an Nd-YAG laser (wavelength: 1,064 nm) through a metal silicon stencil mask to an area to be scraped as a pattern, and laser ablation Processing was performed. The laser processing conditions at this time were an oscillation frequency of 7,500 Hz and an energy density of 0.9 J / cm 2 .
アブレーション加工後の基板を、24℃に保たれた 0.5%濃度の水酸化カリウム水溶液に90秒間浸漬し、ポリビニルアルコール膜の剥離洗浄を行い、樹脂ブラックマトリックス基板を作製した。この状態において、アブレーション加工部分を光学顕微鏡で観察すると、ブラックマトリックスパターンは高い解像度で得られているものの、アブレーション加工部分に薄い残膜が観察された。このときのアブレーション加工部分について、大塚電子(株)製の微小分光光度計を用いて、可視光領域の分光透過率を測定し、その結果を図2の(A)にプロットした。 The substrate after ablation was immersed in a 0.5% strength aqueous potassium hydroxide solution maintained at 24 ° C. for 90 seconds, and the polyvinyl alcohol film was peeled and washed to prepare a resin black matrix substrate. In this state, when the ablation processed part was observed with an optical microscope, a thin residual film was observed in the ablation processed part although the black matrix pattern was obtained with high resolution. With respect to the ablation processed portion at this time, the spectral transmittance in the visible light region was measured using a microspectrophotometer manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd., and the result was plotted in FIG.
上記の残膜が残った状態のブラックマトリックス基板を、紫外線/オゾンアッシング装置に通し、室温で、紫外線照射量を3,000mJ/cm2及び8,000mJ/cm2の2水準に変えてアッシングした。 The black matrix substrate with the remaining film remaining was passed through an ultraviolet / ozone ashing apparatus, and ashing was performed at room temperature by changing the ultraviolet irradiation dose to two levels of 3,000 mJ / cm 2 and 8,000 mJ / cm 2 . .
アッシング後の上記ブラックマトリックス基板のレーザーアブレーション加工部分について、大塚電子(株)製の微小分光光度計を用いて可視光領域の分光透過率を測定し、紫外線照射量3,000mJ/cm2でアッシングしたときの分光透過率を図2の(B)に、また紫外線照射量8,000mJ/cm2でアッシングしたときの分光透過率を同(C)にプロットした。図2において、(B)の曲線と(C)の曲線はほとんど重なっており、紫外線照射量2水準のいずれにおいても処理前の(A)に比べて透過率が大幅に改善され、可視光領域の全域に渡って95%以上の透過率を得ることができた。また、2水準のいずれのアッシングを施した場合も、ブラックマトリックスパターンは紫外線照射による影響がなく、解像度の高いパターンを維持していた。 The laser ablation processed part of the black matrix substrate after ashing was measured for spectral transmittance in the visible light region using a microspectrophotometer manufactured by Otsuka Electronics Co., Ltd., and ashing was performed at an ultraviolet irradiation dose of 3,000 mJ / cm 2 The spectral transmittance at the time of ashing was plotted in FIG. 2B, and the spectral transmittance when ashing was performed at an ultraviolet irradiation amount of 8,000 mJ / cm 2 was plotted in FIG. In FIG. 2, the curve of (B) and the curve of (C) almost overlap each other, and the transmittance is greatly improved compared to (A) before the treatment at any of the two levels of ultraviolet irradiation, and the visible light region. A transmittance of 95% or more was obtained over the entire area. In addition, the black matrix pattern was not affected by ultraviolet irradiation and maintained a high-resolution pattern in any of the two levels of ashing.
[比較例1]
比較例として、ガラス基板上に実施例1と同様の黒色樹脂膜を形成し、ポリビニルアルコール膜の形成は行わず、黒色樹脂膜の上に直接、実施例1と同じ条件でレーザーアブレーション加工を行い、さらに水によるフラッシュ洗浄を行って、ブラックマトリックス基板を作製した。このブラックマトリックス基板のアブレーション加工部分について、可視光領域での分光透過率を測定したところ、可視光領域の全域に渡って透過率が90%以下であり、所望する光学特性を得ることができなかった。
[Comparative Example 1]
As a comparative example, a black resin film similar to that in Example 1 is formed on a glass substrate, and a polyvinyl ablation film is not formed, and laser ablation is performed directly on the black resin film under the same conditions as in Example 1. Further, flash cleaning with water was performed to prepare a black matrix substrate. When the spectral transmittance in the visible light region was measured for the ablation portion of this black matrix substrate, the transmittance was 90% or less over the entire visible light region, and the desired optical characteristics could not be obtained. It was.
1……基板、
2……有機薄膜(遮光性樹脂薄膜)、
3……後で除去可能な高分子膜、
4……レーザー光、
5……マスク、
6……マスクの開口部、
7……アブレーション加工部の残膜、
8……アッシング。
1 …… Board,
2 ... Organic thin film (light-shielding resin thin film),
3 …… Polymer film that can be removed later,
4 ... Laser light,
5 …… Mask,
6 …… Opening of the mask,
7 …… Remaining film of ablation processing part,
8 ... Ashing.
Claims (7)
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