JPH055802A - カラーフイルター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 染色によって形成した着色画素の耐光性と顔
料分散によって形成した着色画素の分光特性を改良す
る。 【構成】 カラーフィルターの着色画素を、染料の染色
によって形成した着色画素と顔料の分散によって形成し
た互いに同一の色相の着色画素とを積層することによっ
て、染色によって形成した着色画素の耐光性を改善する
とともに、任意の分光特性が得られる染色による着色画
素との組み合わせにより、顔料の分散による着色画素の
固有の分光特性を改善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カラーフィルターに関
するものであり、とくにカラー液晶ディスプレイに使用
されるカラー表示用のフィルターあるいはＣＣＤ等の撮
像素子用の色分解フィルターに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、カラーフィルターは、液晶ディス
プレイ、ビデオカメラ用のビューファインダー、ＣＣＤ
等の固体撮像素子の色分解フィルター、カラーイメージ
センサー、カラーコピー用のラインセンサ等に用いら
れ、各種のカラーフィルターを用いた工業製品の開発が
進められている。

【０００３】これらのカラーフィルターの着色画素の形
成は、染色法、顔料分散法、電着法、蒸着法、印刷法等
の方法によって行われている。なかでも、染色層と顔料
分散法が中心である。

【０００４】染色法によるカラーフィルターの着色画素
の形成は、フォトリソグラフィー技術と染色技術により
形成される。染色法ではゼラチン、カゼイン、ポリビニ
ルアルコール等の水溶性のポリマーにクロム酸塩、ある
いは重クロム酸塩等の感光性のある架橋剤を混合したコ
ロイドを感光材料として使用し、スピンコート等の方法
によって所定の膜厚に形成した後にプリベークを行な
い、得られた感光膜上にマスクアライナー等の露光装置
を用いて露光を行い、水によるスプレー現像等によって
未露光部を溶出して得られたパターンを酸性染料あるい
は反応性染料を用いて染色する。次に防染層としてアク
リル、ウレタン、エポキシ等の樹脂の中間層を形成す
る。またこの様な中間層を用いずにタンニン酸等の化学
反応により防染を行う方法を用いても良い。この一連の
工程を、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色につい
て同様にくり返すことによりカラーフィルターを形成す
る。

【０００５】染色法によるカラーフィルターの特徴は他
法によるカラーフィルターに比べ以下の様に例挙でき
る。すなわち、 （１）フォトリソグラフィー法により製版されるので、
微細な着色画素（２μｍ以下）の形成が可能である点。

【０００６】（２）染料の種類が豊富であり、かつ複数
の染料を組み合わせることにより、種々の分光特性が得
られる。すなわち分光特性に対する自由度が大きい点で
ある。一方、顔料分散法によるカラーフィルターの着色
画素の形成方法は、カゼイン、ゼラチン、ポリビニルア
ルコールなどの水溶性ポリマーに重クロム酸塩などを混
合した透明感光性樹脂のコロイドに着色剤として有機顔
料、無機顔料を分散した感光剤をスピンコート等の方法
によって塗布し、染色法カラーフィルターと同様、フォ
トリソグラフィー技術により形成される。

【０００７】顔料分散法によって製造されたカラーフィ
ルターの特徴は、他法によるカラーフィルターに比べ以
下の様に列挙できる。すなわち、 （１）染色法の着色画素と同様にフォトリソグラフィー
法により、製版されるので、微細な着色画素（１０μｍ
程度まで）の形成が可能である。 （２）適切な顔料を選択することにより、光に対する堅
牢性すなわち、耐光性、耐熱、耐薬品性、耐水性等の物
性において、染料に比し優れている。 （３）染色法によるカラーフィルターの様に、染色工程
や防染工程などが必要でないので工程が簡略化される点
がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】染色法で形成されたカ
ラーフィルターの着色画素は豊富な染料から目的のもの
を選択することによって所定の分光特性のカラーフィル
ターを容易に得ることができるが、染料を用いているの
で、光にさらされることによって色が変化するなどの耐
光性、耐水性、耐熱性、耐薬品性等の耐久性の点で、カ
ラーフィルターとして必要な物性を満たし得る染料は少
ない。また、着色画素の基体となる有機物質層に染料を
含有する溶液を吸着させた場合には、有機物の基体が膨
潤し、さらには後の工程での加熱あるいは冷却による温
度変化によって、クラック等が生じて光の透過特性や外
観が不良になるなどの問題がある。また、染色法によっ
て高濃度の着色画素を形成しようとすると、染料を多量
に吸着させるか、染色基質を厚膜にする手段があるが、
これらの方法では染色基質の応力が大きくなってクラッ
ク等が発生し易くなる。このために、染色法では高濃度
な着色画素を得ることは困難であった。

【０００９】また、顔料分散法で着色画素を形成する場
合には、顔料を保持するバインダー樹脂に対する顔料の
分散性と透明性を満足しつつ、所望の分光特性を有する
顔料は極めて少なく、青あるいは緑の着色画素は、フタ
ロシアニン系顔料等に限定されている。また、顔料の粒
子の光の反射作用により、着色画素の彩度が低く、充分
な濃度の着色画素を得ようとすると明るさが低下してし
まうという問題があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は以上のような問
題点を解決するために、カラーフィルターの着色画素
を、染色法で形成した着色画素と、染色法で形成した色
相と同一の色相の着色画素を顔料分散法で形成し、両者
を積層することによって形成したもので、染色法および
顔料分散法の両者の有している欠点を補うとともに、更
に分光特性に優れたカラーフィルターを得るものであ
る。

【００１１】図１に本発明のカラーフィルターの１実施
例の断面図を示す。基板１１はＣＣＤの基板であり、基
板上には信号の転送部１２と受光部１３が形成されてお
り、それらの表面は透明な保護膜１４で被覆されてい
る。素子の表面は凹凸があるので、表面を平坦化するた
めにアクリル樹脂等からなる透明な平坦化層１５が形成
されている。

【００１２】平坦化層上には各受光部に対応して各色の
着色画素からなるカラーフィルター１６が形成されてい
るが、カラーフィルターの着色画素は２層から構成され
ており、下層は染料によって着色した着色画素１７から
なり、上層は顔料を分散した着色画素１８から構成され
ており、下層と上層の着色画素の色相は同一の色相であ
るまた、本発明のカラーフィルターは、赤、青、緑の各
色のうち１色、２色または全色で構成されたものに使用
することができる。

【００１３】染色法による着色画素と顔料分散法による
着色画素とをカラーフィルターの基板面に積層して設け
る場合には、いずれの着色画素を基板面側に設けても良
いが、基板面から光が入射する場合には、基板面側に顔
料分散法で形成した着色画素を形成することが好まし
く、基板面と反対方向から光が入射する場合には基板面
と反対の側に顔料分散法で得た着色画素を形成すること
が好ましい。

【００１４】とりわけ半導体装置などを形成した基板上
に設けるオンチップ型のカラーフィルターにおいては、
基板と反対側に耐光性の優れた顔料を分散させた着色画
素が表面に配置され、その着色画素を通過した光が染料
で着色された画素を通過することになるので、染色層に
悪影響を及ぼす光が大幅に減衰しており、着色画素全体
としての耐光性は、染料単独で着色された画素に比し、
大幅に向上する。この様な傾向は、他の耐久性について
も同様であり、耐久性が比較的低い染料で着色した画素
が、顔料を分散した着色画素によって覆われれているの
で、染料を単独で使用した場合に比べて、大幅に向上で
きる。とりわけ色の分光特性が満足でありながらも、耐
久性が低いためカラーフィルター用として、使用できな
かった染料を使用する際には好適である。

【００１５】一方、分光特性の面でも、フタロシアニン
系のグリーンＣ．Ｉ． Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｇｒｅｅｎ７
およびアゾ系のイエローＣ．Ｉ． １１７３０（ハンザ
エローＧＲ）の顔料を使用して顔料分散法で形成した着
色画素ではその特性から、図２（Ａ）で示すように、可
視光域の短波長域である４００ｎｍ付近から紫外線域に
かけて光を大幅にカットしてしまうので、感光性樹脂の
感度が低下して着色画素を形成することが困難になる。
このため、顔料分散法においては、この領域の光を通過
させるために顔料の濃度を低くして図２（Ｂ）に示すよ
うな分光特性にしなけらばならず、着色画素として必要
な濃度を得ることができなかった。

【００１６】そこで、このような着色画素に緑、または
黄の染色層を積層することによって、要求される濃度の
着色画素を得ることができる。すなわち、染色法におい
ては染色基質パターンを予め形成しておいてから染色を
行うので、感光性樹脂の感度からの制約がなく、これを
積層することにより高濃度の着色画素を得ることができ
る。

【００１７】また、青（Ｂ）の着色画素を顔料分散法で
形成する場合に使用するフタロシアニン系のブルーＣ．
Ｉ． ７４１６０（Ｃ．Ｉ． Ｐｉｇｍｅｎｔ Ｂｌｕ
ｅ１５）の顔料は、分光波長については特性上に問題は
ないが、図３（ａ）に１例を示すように、ピーク値と半
値幅が一定の関係にあって決まっているので、いずれか
を単独で変えることは困難である。そこで、図３（ｃ）
で示されるような分光特性が必要な場合には、図３で
（ｂ）で示すような青紫色の酸性染料（Ｃ．Ｉ． Ａｃ
ｉｄ Ｖｉｏｌｅｔ ４９）等の染料で形成した染色法
による着色画素を積層することによって要求される分光
特性のものを得ることが可能である。

【００１８】また、染料によって、染色基質を所定の濃
度で染色して濃度の大きな着色画素を得るためには、大
量の染料を染色基質に吸着させる必要があるが、吸着量
が大きいと膜厚が増加して内部応力が大きくなり、染色
画素の乾燥時に強度的にはもろい染色基質にはクラック
が入る。ところが、顔料分散法による着色画素を積層す
ることによって、顔料分散法の着色画素の濃度の分を染
色で形成する着色画素の濃度は小さくすることができる
ので、染色基質への染料の吸着量を小さくすることが可
能となり、その結果、クラックの発生を防止することが
できる。

【００１９】このように、染色単独の場合に比し大幅に
特性を向上するできる。とりわけ色の分光特性が満足で
ありながらも、耐久性が低いためにカラーフィルター用
として使用できなかった染料を使用する際には好適であ
る。

【００２０】着色画素の構造は、図１のものに限らず、
図４（ａ）に断面図を示す様に、基板２１上に染料によ
って着色された着色画素２２の全体を顔料を分散した着
色画素２３が覆うようにしたり、図４（ｂ）に示す様
に、染料によって着色した着色画素２２を顔料を分散し
た着色画素２３が一部覆っているような構造でも良い。
本発明のカラーフィルターの製造方法は、フォトリソグ
ラフィーの方法によって基板上に染色基質を形成し、次
いで染色液に浸漬させて染色基質を染色することにより
着色画素を形成し、その上に顔料を分散した着色画素を
形成する。

【００２１】その他の方法としては、基板上に染色基質
を形成した後、その上に顔料を分散した着色画素を形成
し、最後に染色液に浸漬させて染色させることもでき
る。この方法では、最後に染色するので、分光特性の微
妙な調整が行い易い。しかし、顔料を分散した着色画素
が、染色基質上に存在するので、染料が表面から吸着し
難しく、染料の吸着は画素の端から始まるので、画素内
を均一に染めることがやや困難である。

【００２２】また、基板側に顔料分散法によって着色画
素を形成する場合には、フォトリソグラフィーの方法に
よって基板上に顔料を分散させた着色画素を形成し、次
いでその上に同様に染色基質を形成し染色液に浸積させ
て染色基質を染色し、着色画素を形成する。この方法で
は最後に染色するために分光特性の微妙な調整が行い易
い。

【００２３】各着色画素の厚みは目的とするカラーフィ
ルターの用途によって任意の厚みとすることができる
が、０．８μｍないしは２μｍの範囲が適当である。

【００２４】なお、本発明における「色相」とは、原色
タイプのカラーフィルターにおいては、赤、青、緑の色
を意味するとともに、無彩色ではあるが黒を含むものと
する。補色タイプのカラーフィルターにおいては、マゼ
ンタ、黄、シアン、緑又は、黄色、シアン、緑の色を意
味し、同様に黒を含むものとする。

【００２５】

【作用】本発明によれば、染料を吸着した着色画素と顔
料を分散させた着色画素を積層したので、それぞれの着
色画素の有する特性を発揮するので、任意の分光特性の
ものが容易に得られ、彩度に優れた染料の特性と、入射
する光に対する耐光性をはじめとする耐久性に優れた顔
料の特性を合わせ持つ着色画素が得られる。

【００２６】

【実施例】本発明のカラーフィルターを固体撮像素子用
のＣＣＤのカラーフィルターに使用する場合について説
明すると、ＣＣＤの素子は図５（Ａ）に示すように、シ
リコン等の基板５１上に受光部５２と信号を転送する転
送部５３から構成されており、素子の表面は透明な保護
膜５４によって被覆されている。

【００２７】素子の表面には凹凸があるので、図５
（Ｂ）に示すように、ＣＣＤ上に透明な感光性アクリル
樹脂（富士薬品工業製ＦＶＲ）を塗布し、フォトマスク
を介して露光した後、現像して平坦化層５５を形成す
る。

【００２８】次いで、図５（Ｃ）に示すように、平坦化
層５５上に、カゼイン、ゼラチン、ポリビニルアルコー
ルなどの水溶性高分子材料に重クロム酸アンモニウム等
の光の照射によって高分子材料を水に不溶化する反応を
進める物質を混合した感光性材料の塗布膜５６を形成し
て乾燥する。

【００２９】図５（Ｄ）示すように、受光部に対応した
一色目のパターンを描いたフォトマスク５７を介して超
高圧水銀灯で紫外線５８露光する。

【００３０】図５（Ｅ）のように、水によるスプレー現
像によって未露光部分を溶出し、染料を吸着させる第１
色目の染色基質パターン５９を形成する。

【００３１】図５（Ｆ）のように、基板を第１色目の染
料を溶解した染色浴に浸漬して、染色基質のパターンを
染色して、染色パターン６０を形成する。得られた染色
層をタンニン酸と酒石酸アンチモニルカリウム水溶液等
を用いて処理して染色層を防染した後に、他の２色の受
光部に対応する２色の染色層を図５（Ｃ）から図５
（Ｆ）の染色までの工程を繰り返す。

【００３２】染色による着色画素が形成された基板に、
顔料を分散した水溶性の樹脂からなる感光性材料を塗布
して染色による着色画素を形成する際と同様にして、露
光と水による現像を各色毎に行って、顔料による着色画
素を形成する。

【００３３】以上は、基板側に染色による着色画素を有
する場合であるが、基板側に顔料からなる着色画素を形
成する場合についても同様に製造することができる。

【００３４】実施例１ 直径５インチのシリコン基板上に形成したＣＣＤ素子上
に、感光性アクリル樹脂（富士薬品工業製ＦＶＲ）を１
μｍの厚みで塗布し、露光、現像して表面を平坦化し
た。平坦化した層上にスピンコーティングによりカゼイ
ンと重クロム酸アンモニウムからなる水溶性感光層膜を
厚さ約１．５μｍの膜厚で塗布形成する。ついで２ｋＷ
の超高圧水銀灯の紫外光で第１のマスクを用いて選択的
に露光する。この露光で、赤のパターンに相当する露光
を行った。

【００３５】未露光部を水によって現像後、基板を赤色
染料を溶かした染色浴に浸漬し感光体膜を染色する。し
かるのち、タンニン酸と酒石酸アンチモニルカリウム水
溶液を用いてこの染色層を防染した。

【００３６】同様の操作を繰り返して、第２のマスクパ
ターンを使い得られたパターンを青の染色液によって染
色して青色の着色画素を形成し、第３のマスクパターン
を使い得られたパターンを緑の染色液によって染色し、
緑色の着色画素を形成する。以上のようにして３色の着
色画素が設けられた基板が得られる。

【００３７】それぞれの染色液は表１の組成を有してい
る。

【００３８】

【表１】

【００３９】得られた着色画素上にカゼインと重クロム
酸アンモニウムからなる水溶性感光材料に表２に示す赤
色顔料を５％分散した感光剤をスピンコーティングによ
って厚さ１．５μｍの塗布膜を形成する。ついで２ｋＷ
の超高圧水銀灯の紫外線で第１のマスクを用いて選択的
に露光する。この露光では既に形成した染色による着色
画素のうちの赤色画素とほぼ一致する領域を露光した。
この層を現像することにより顔料を分散したパターンを
形成する。画素以外の部分にも地汚れを生じてしまうた
め短時間のアッシングを行い、地汚れを除き顔料層を形
成する。

【００４０】同様に赤色顔料の代わりに表２に示す青色
顔料と緑色顔料を用いて、青色画素には青色顔料を５％
含有する感光剤を用いて第２のパターンにて画素を形成
し、緑色画素には緑色顔料を５％含有する感光剤を用い
て第３のパターンにて画素を形成した。

【００４１】

【表２】

【００４２】さらに表面の保護のために最上部に感光性
アクリル樹脂を３μｍ塗布して、露光、現像を経て保護
膜層を形成し工程を終える。この様に形成したカラー固
体撮像素子をレンズ系を介して、撮像したところ、良好
な画像が得られた。

【００４３】本実施例のカラーフィルターを有するカラ
ーＣＣＤに、ハロゲンランプから３０００ルックスの光
を、５００時間照射したところ、光照射前後で色信号出
力に変化は認められなかった。

【００４４】これに対して、従来の染色法のみで形成し
たカラーフィルターを有するカラーＣＣＤに同様の条件
で光照射したものでは、青で１５％、緑で５％、赤で−
４％の色信号出力の変化が認められた。当該光照射量程
度ではＣＣＤ単体での信号出力変化は生じないので、染
色法のみで形成したカラーフィルターを有するＣＣＤに
おいては、カラーフィルターの色変化により色信号出力
の変化が生じたものとみられ、本発明の実施例に係わる
カラーＣＣＤでは耐候性が改善されていることが明らか
になった。

【００４５】実施例２ 石英ガラス基板を充分に洗浄した後、スピンコーティン
グによりカゼインと重クロム酸アンモニウムからなる水
溶性感光液に赤色顔料を５重量％分散させた感光剤を約
１．５μｍの厚みで塗布する。ついで２ｋＷの超高圧水
銀灯の紫外光で、ＣＣＤ素子の受光部に対応する第１パ
ターンのフォトマスクを用いて選択的に露光した後、現
像して赤色の着色画素を形成した。

【００４６】同様に青色顔料を分散した感光剤を用いて
第２のパターンにて露光、現像して青色の着色画素を形
成し、さらに緑色原料を分散した感光液を用いて第３の
パターンにて露光、現像して緑色の着色画素を形成し
た。使用した顔料は表２に示す。

【００４７】この後に、スピンコーティングによりカゼ
インと重クロム酸アンモニウムからなる水溶性感光液を
塗布して約１．５μｍの厚みの膜を形成し、次いで２ｋ
Ｗの超高圧水銀灯の紫外光で、第１のパターンのフォト
マスクを用いて選択的に露光した後、現像して被染色パ
ターンを形成した。この露光では、下層の顔料を分散し
た着色画素における赤色画素にほぼ対応する領域を露光
した。

【００４８】被染色パターン形成後、表１に示す組成の
赤色染料の染色浴に浸漬し、被染色パターンを染色して
赤色の着色画素を形成した。次いでタンニン酸と酒石酸
アンチモニルカリウム水溶液を用いて、この着色画素を
防染した。

【００４９】同様の操作を繰り返して、第２のパターン
にて青色に染色した着色画素を青色顔料を分散した着色
画素の上に形成し、更に第３のパターンにて緑色に染色
した着色画素を緑色顔料を分散した着色画素の上に形成
した。

【００５０】表面の保護のために最上部に感光性アクリ
ル樹脂を１μｍの厚みで塗布して、露光、現像を行い保
護膜を形成した。

【００５１】表面の保護のために、最上部に感光性アク
リル樹脂を１μｍの厚みで塗布して、露光、現像を行い
保護膜を形成した。

【００５２】このようにして得られたカラーフィルター
基板を接着剤を用いてＣＣＤ基板と接着してカラーＣＣ
Ｄを得た。

【００５３】このカラーＣＣＤを用いて撮像したところ
良好な画像が得られた。

【００５４】また、水銀ランプにて１昼夜光照射を行っ
たところ、従来の染色のみで形成されたカラーフィルタ
ーを有するカラーＣＣＤでは分光特性の変化がみられた
が、本実施例のカラーＣＣＤでは、ほとんど分光特性の
変化は見られなかった。

【００５５】

【発明の効果】本発明は、カラーフィルターの着色画素
を、染色法で形成した着色画素と顔料分散法で形成した
互いに同一の色相の着色画素とを積層することによって
形成したもので、染色法の着色画素が有している耐光
性、耐熱性、耐薬品性、耐水性等の問題点を顔料分散法
による着色画素を形成することによって解決し、また顔
料分散法で得られた着色画素の分光特性は染色法による
着色画素と組み合わせることによって任意の分光特性の
カラーフィルターを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のカラーフィルターの断面図の１例を示
す。

【図２】染色による着色画素の積層によって短波長側の
分光特性の改善を説明する図。

【図３】染色による着色画素の積層によって半値幅の改
善することを説明する図。

【図４】本発明のカラーフィルターの他の実施例を示す
断面図。

【図５】ＣＣＤへの本発明のカラーフィルターの形成工
程を示す図。

【符号の説明】

１１…基板、１２…転送部、１３…受光部、１４…保護
膜、１５…平坦化層、１６…カラーフィルター、１７…
染料によって着色した着色画素、１８…顔料を分散した
着色画素、２１…染色基板、２２…染料によって着色し
た着色画素、２３…顔料を分散した着色画素、５１…基
板、５２…受光部、５３…転送部、５４…保護膜、５５
…平坦化層、５６…塗布膜、５７…フォトマスク、５８
…紫外線、５９…染色基質パターン、６０…染色パター
ン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 基板上に規則的に着色画素を形成したカ
   ラーフィルターにおいて、着色画素は染料で染色するこ
   とによって形成した着色画素と該染料と同一の色相を有
   する顔料を分散させた着色画素とを積層したものである
   ことを特徴とするカラーフィルター。 【請求項２】 積層した着色画素が、光が入射する側に
   は顔料を分散した着色画素を設けたものであることを特
   徴とする請求項１記載のカラーフィルター。