JP5023324B2

JP5023324B2 - カラーフィルタ装置及びその製造方法

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Publication number: JP5023324B2
Application number: JP2006168616A
Authority: JP
Inventors: 義明金森; 一博羽根
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2026-06-19
Also published as: JP2007041555A

Description

背景について説明する。液晶ディスプレイのカラー化は、カラーフィルタを用いた方式が一般的である。従来のカラーフィルタは、R(赤)、G(緑)、B(青)それぞれの色を透過するフィルタを、フォトリソグラフィ技術を用いて数十μmの寸法で配置し、各色を同時に点灯させることで全ての色を表現している。RGBの3色のカラーフィルタを塗り分けるためには、最低４回のフォトリソグラフィが必要になるため、製作工程が複雑になりコストが高くなる。図1.1に従来のカラーフィルタの製作工程を示す。また、カラーフィルタを用いることで白色光源の透過率が1/3になってしまい残りの波長は吸収されるため、光の利用効率が悪くなる問題もある。

そこで新しいカラーフィルタとして光の波長オーダーの周期を持つサブ波長格子を用いたカラーフィルタを提案する。図1.2に提案するカラーフィルタの模式図を示す。サブ波長格子（非特許文献１，２）を用いることで、特定の波長領域のみを透過するフィルタを製作することができる。これまでサブ波長格子の製作には光波長以下の寸法のパターニングが容易な電子線(EB)描画装置が使われてきたが、スループットやコスト高が問題であった。近年、安価かつ高スループットでナノパターンを製作する技術としてNanoimprint
Lithography (NIL)（非特許文献３，４）が注目されている。

S.Tibuleac and R.Magnusson, "Reflection and transmission guided-mode resonance filters", Opt. Lett. 14, (2001) 1617. Tae Jin Kim, Tineke Thio, T.W.Ebbesen and H.J.Lezec, "Control of optical transmission through metals perforatedwith subwavelength hole arrays", Opt. Lett. 24, (1999) 256. Stephen Y Chou, Peter R.Krauss, Wei Zhang, Lingjie Guo and Lei Zhuang, "Sub-10 nm imprint lithography and applications", J.Vac.Sci.Technol. B 15(6), (1997) 2897. L Jay Guo, "Recent progress in namoimprint technology and its applications", J.Phys: Appl. Phys.37, (2004) 123. 佐藤政次：光ディスプレイ、株式会社オーム社(2002)。 Daniel H.Raguin and G.Michael Morris, "Analysis of antireflection-structured surfaces with continuous one-dimensional surface profiles", Appl.Opt.32(14), (1993) 2582. 金森義明：博士論文、東北大学工学研究科(2001)。木浦成俊：ナノインプリント技術徹底解説、ELECTRONIC JOURNAL(2004)。

サブ波長格子について説明する。一定の周期構造を持つ回折格子は身近なところでは分光器や偏向器、色収差補正レンズなど、広い範囲に渡って利用されている。近年、加工技術の発達により光の波長よりも細かい周期構造(サブ波長構造)を持つ光学素子の研究開発が盛んになってきた。波長よりも細かい周期構造では０次光以外の回折波が存在せず、格子を形成している材質の屈折率や厚さ、形状などにより反射、透過光の光学特性が大きく変化することが知られている。図1.3に1次元のサブ波長格子の例を、図1.4に2次元のサブ波長格子の模式図を示す。1次元のサブ波長格子では入射光の偏向によって、反射特性や透過特性が変化するが、2次元のサブ波長格子では偏向による光学特性の変化はない。サブ波長周期の格子に光を入射した場合、ある特定の波長だけが強く反射されるという現象が起きる。ここでは、入射した光のうち、格子の形状に見合った特定の波長の光が内部を伝播し、多重反射して共鳴を起こしている。このような共鳴により特定の波長を選択的に強く反射するサブ波長周期の格子の事をガイドモード共鳴格子と呼び、これまでにも多くの研究がなされている。

カラーフィルタについて説明する。一般的なカラーフィルタは、ガラス透明基板上に構築され、光遮断用のブラックマトリックス(BM)、Ｒ、Ｇ、Ｂの三原色画素、画素保護膜、作動電極透明導電膜の四部材からなる。R、G、Bの3色を透過するフィルタ部分の色材としては、染料、顔料、金属薄膜などが使われている。青色の波長領域は440nm〜490nm、緑色の波長領域は490nm〜550nm、赤色の波長領域は610nm〜770nmである。

ナノインプリントリソグラフィについて説明する。ナノインプリントリソグラフィは、他のリソグラフィ技術に比べて、安価でありながらナノオーダーの解像度を有する加工技術として注目されている。ナノインプリント技術は、ナノスケールの微小な凹凸のあるモールド(鋳型)を、樹脂薄膜などの被加工材料に押し付けることで、型の形状の反転パターンを転写することができる。転写形状としては微細かつ平面的であり、被加工材としてはSi基板にレジスト膜を塗布したものが多い。

転写方式は、熱可塑性材料に熱変形を利用して転写する熱式インプリントと、光硬化材料を型に充填したのち硬化させる光硬化式インプリントに大別される。

目的について説明する。本研究では、サブ波長格子を用いてディスプレイ用カラーフィルタを製作する。製作工程では、従来カラーフィルタの製作に使われているフォトリソグラフィに替わり、新しい微細加工技術としてナノインプリントリソグラフィを用いる。ナノインプリントを用いることで、1回の製作工程で3色全てのサブ波長格子を製作することが可能になる。図1.5に新しく提案するカラーフィルタの製作工程を示す。ナノインプリントリソグラフィによりパターニングされたレジストをマスクとして格子材料をエッチングすることにより製作する。あるいは、格子材料そのものを、ナノインプリントリソグラフィを用いて格子形状を形成することにより製作する。これにより、製作コストの削減が期待できる。

ディスプレイのカラー化方式について説明する。フルカラー化が可能な方式としては、大きく分けて並置加法混色、同時加法混色、継続加法混色の３つの方法に分けられる（非特許文献５）。これらの方法は、いずれもR、G、Bの3色の光量を独立に制御することにより色を表示する方法であり、一般的なカラーディスプレイもこの3種類のいずれかのカラー化方式をとっている。

今回、サブ波長周期格子を製作するにあたって、その回折効率を計算するためにRigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA)法を用いた。RCWA法とは周期構造の厳密的な電磁界解析方法の一つである。RCWA法は回折格子をフーリエ級数展開で表し、電磁場との結合方程式を求め、これを境界条件の下で数値的に解くことで回折効率を算出する計算手法である（非特許文献６，７）。この方法は、周期構造を高さ方向に多層分割して、各層の電磁界はMaxwell方程式の固有モードで展開して取り扱うため、マルチレベル格子として解析することができる。また、周期構造における誘電率分布をフーリエ級数展開で表現するため、任意の格子形状に対して適用することができる。

サブ波長格子について説明する。種々の波長が混ざった光（白色光）を波長ごとに分光する回折格子の最も単純な形は、多数の平行スリットが等間隔で配列したバイナリー格子である。白色光が格子に入射すると、回折により波長ごとに決まった角度で光が強め合い波長選択が可能となる。図2.1に光が回折格子に入射した時の回折波の様子を示す。屈折率n1の媒質中を進む光（波長λ）が回折格子に角度iで入射した時の回折波は以下の式で表せられる。

単純なバイナリー格子の場合では、この式を満たす角度に反射と透過回折波が発生する。ここで、話を簡単にする為に、媒質の屈折率n1,n2を１とし、入射角度を垂直入射0°とする。すると上式は、

となり、発生する回折波の回折次数と回折角度は格子の周期と波長に依存するようになる。

この時格子周期Λが光の波長λよりも大きい時は式を満たすｍが存在するため高次回折波が発生する。しかし、逆に格子周期が波長よりも小さい場合では、式を満たす為にmの値は0しか取ることができなくなる。この場合、0次回折波、つまり入射光に対して透過波と反射波しか存在しないことになる。本論文では、このように入射光に対して高次回折波が発生しない格子周期を持つ回折格子の事をサブ波長構造と呼ぶことにする。今回は入射角0°、周囲の屈折率を1としたが、もちろんこれらの値を変化させればサブ波長構造の条件を満たす格子周期の値は変化する。

サブ波長格子の設計について説明する。RCWA法を用いて、任意の可視光の波長領域のみを透過し、残りの波長領域を反射させるようなサブ波長格子の構造を求めた。図3.1に計算モデルを、表3.1に計算モデルのパラメータを示す。基板層にはSiO₂、格子層にはSiを用いた。屈折率はそれぞれ1.45、3.8である。フィルファクターとは、1周期に対する格子の体積占有率のことで、F = a/Λ より求まる。

表3.1のパラメータを元に透過率を計算した。格子部はサブ波長格子になっているため、高次の回折波が発生せず、R、G、Bの各波長領域においてそれぞれ高い透過率のピークが得られた。図3.2に計算結果を示す。

電子線(EB)描画によるカラーフィルタの製作の製作工程について説明する。製作工程を図4.1に示す。基板にはSOQ(Silicon on Quartz)基板を使用した。まず、SOQ基板にレジストを塗布し、EB(Electron Beam)描画装置を用いて、1次元のサブ波長格子をパターニングする。その後、FAB(Fast Atom Beam)を用いてレジストのパターンをSi層に転写した。表4.1にSOQ基板のスペックを示す。

EB描画について説明する。EBは集光した電子ビームでレジストを露光することで、微細なパターンを描画することが可能となる。今回描画するパターンは、光学設計の結果を元にR、G、Bの各パターンにおいてそれぞれ格子周期を変化させてEB描画を行った。表4.2に設計時のパラメータを示す。

レジストは、EBポジレジストZEP520を使用した。製作するサブ波長格子の厚さが100nmであるため、EB描画後に行うSiエッチングとFABの選択比を考慮すると、レジストの厚さは300nmで十分である。4000rpmでスピンコートにより、厚さ350nmのレジストを塗布した。また、SOQ基板はSi層が100nmと非常に薄いため、チャージアップなどの現象が起き、EB描画をしてもきれいにパターニングできない。そのため、今回はレジストの上に導電性ポリマー(エスペイサー100)を塗布した。これにより、チャージアップの心配なくEB描画が可能になる。現像液はZED-N50を、リンスとしてMIBK(Methyl Isobutyl Ketone)を使用した。現像液とリンスの温度を一定に保つために恒温槽を使用した。

Siエッチング(FAB)について説明する。EBで描画したパターンをSi層に転写するために、FABを用いてSiをエッチングした。FABは、電気的に中性の原子あるいは分子からなるビームで、非常に高い指向性を持つ。したがって、従来にICP-RIEなどのイオンビームによるエッチングで問題となるウェハ表面のチャージアップの影響を受けないため、より鋭利で微細なパターンを形成することができる。FABによるエッチングで、Si層にサブ波長格子のパターンが形成される。表4.4にFABの加工条件を示す。Siのエッチレートは21nm/minであるため、厚さ100nmの格子を形成するために5minエッチングした。

ナノインプリントによるカラーフィルタの製作のモールドの製作について説明する。基板にはSi基板を使用した。製作したパターンは、2次元のサブ波長格子である。FABによる加工条件は表4.4と同様であり、エッチング時間を7minとした。これによりSi基板を150nmエッチングできた。図4.5に製作したパターンのSEM画像を示す。

離型剤の塗布について説明する。ナノインプリント技術において、モールドと基板上に形成したポリマー(PMMA)との剥離性は極めて重要である。インプリントプロセスにおいて、プレスした後にモールドとポリマーを引き離す際、ポリマーとモールドの圧着や摩擦により、部分的にポリマーがモールドとともに剥離される現象が見られる。これは、モールド又はポリマーの表面エネルギーが大きいためである。ポリマーの剥離を避けるために、表面エネルギーの小さいフッ素ポリマーをモールド表面に形成し、モールドと基板上に剥離性を向上させる。フッ素樹脂は、表面エネルギーが最も小さいため、モールド上に形成することにより、付着力を下げることができる。よって、転写を行う前にモールドに離型剤(Optool DSX)を塗布しておくことで、剥離が容易に行えるようになり、ポリマーがモールドと共に剥離されるのを防ぐことができる（非特許文献９）。また、これによって剥離時にモールドにかかる負担が減少し、同一のモールドを用いて複数回のNILによる転写が可能になる。図4.8に離型剤の塗布方法を示す。

まず、Siモールド表面をアセトン洗浄の後、オゾンO3を30分間照射してモールド表面の有機物を除去する。次に、溶媒のDemnumsolventで0.1%に希釈したOptool DSX液にモールドを1分間浸漬し、75℃のウォーターバス内の高温多湿雰囲気中にモールドを1時間置く。その後、Demnumsolvent溶液内で10分間リンスをすることにより、モールド表面の余分な離型剤を除去する。最後に、乾燥処理することにより、モールド上に離型剤が塗布される。

ナノインプリントリソグラフィによる転写について説明する。製作したSiモールドのパターンをナノインプリントリソグラフィによりSOQ基板に転写した。ナノインプリントには、ホットエンボス装置を用いた。図4.9にナノインプリントによる転写工程を示す。表4.7に転写時の条件を示す。簡単に剥離を行えるように、SOQ基板を20mm×20mm、Siモールドを15mm×15mmのサイズにして転写を行った。

基板にPMMA(Polymethylmethacrylate)を6000rpmでスピンコートすることにより370nm塗布した。基板をPMMAのガラス転移点である105℃以上の125℃まで加熱し、モールドを基板の上側から接触させて52.4MPaで10分間加圧した。その後、50℃まで冷却・減圧してから基板とモールドを剥離した。

FABによるSi層へのパターニングについて説明する。SOQ基板上のPMMAに転写したパターンをマスクにして、FABでエッチングすることにより、PMMA層の格子パターンをSi層に転写する。FABでエッチングする際、表4.4と同じ条件でのPMMAのエッチレートは25nm/min、Siのエッチレートは21nm/minであるため、PMMA層(370nm)とSi層(100nm)をエッチングするのに加工時間を20minとした。エッチング後はアセトンで洗浄した。図4.10に転写したパターンを示す。図4.5(b)の反転パターンが形成されていることがわかる。モールドでは、同一のパターンで、BB´断面で見た溝幅が80nmであったのが反転パターンの格子幅は70nmとなっていた。

実験系について説明する。製作した2つのカラーフィルタの透過特性を測定した。まず、カラーフィルタを通さずに分光器に光源からの光を入射し、リファレンスとした。その後、カラーフィルタをSiO₂基板側から入射し、サブ波長格子部分での透過率を測定した。光源はランダム偏光で入射した。白色光源にはメタルハライド光源を、分光器はHR2000(Ocean optics)を使用した。対物レンズの倍率は5倍のものを使用した。これは、0次の透過光のみを測定するためである。偏光特性は、製作したカラーフィルタの透過光を偏光板に通すことにより計測した。電場の振動方向がサブ波長格子と平行な光をTE偏光、垂直な光をTM偏光とした。

1次元のサブ波長格子を用いたカラーフィルタの透過特性について説明する。SOQ基板の直接EB描画することにより製作したカラーフィルタの透過特性を測定した。図5.3にCCDカメラから得られた画像を示す。図5.3より、R、G、Bの3原色が出ていることが確認できた。この3つのパターンについて、透過率を測定した。図5.4に透過特性を示す。製作したサブ波長格子の寸法を元に、RCWA法で透過率を計算した結果も同じグラフ内に示す。測定値と計算値がほぼ一致していることがわかる。図5.5に製作したカラーフィルタのSEM画像を示す。

２次元のサブ波長格子を用いたカラーフィルタの透過特性について説明する。ナノインプリントにより製作したカラーフィルタの透過特性を測定した。図5.6(a)〜(c)に製作したカラーフィルタのCCD画像を示す。図5.7(a),(b)に製作したカラーフィルタのSEM画像を示す。図5.8(a)〜(c)に製作した赤フィルタの各偏光における透過特性を、図5.9(a)〜(c)に製作した緑フィルタの各偏光における透過特性を示す。2次元のサブ波長格子を用いたため、緑フィルタに関しては偏光依存性がほとんど無くなっている。しかし、赤フィルタにおいては、TM偏光で白色に近い色が出ている。これは、図4.10を見るとわかるように、縦のラインが剥がれたことで完全な2次元の格子になっていないことが原因だと考えられる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

また、本発明に用いるナノインプリントの方法としては、実施例に示した熱ナノインプリントリソグラフィに限らず、紫外線硬化ナノインプリントリソグラフィであってもよい。
また、本発明に用いる格子材質および基板材質としては、それぞれ実施例に示したシリコンおよびSiO2に限らず、共鳴格子となりうる条件、すなわち、共鳴格子の導波層の屈折率をng、周囲の屈折率をncとすると、ng>ncを満足する材質であればよい。
また、本発明に用いるモールドの製作方法としては、実施例に示したEB描画によるパターニング方法に限らず、格子パターンを形成できる製造方法であるならば、特に、限定されるものではない。

また、本発明に用いるモールドの製作方法としては、実施例に示したFABによるエッチング方法に限らず、格子パターンをモールド材質へエッチングできる製造方法であるならば、特に、限定されるものではない。
また、本発明に用いるモールドの材質としては、実施例に示したシリコンに限らず、被転写材質よりも固い強度をもつモールド材質であるならば、特に、限定されるものではない。

従来のカラーフィルタの製作工程サブ波長格子を用いたカラーフィルタの模式図 1次元のサブ波長格子 2次元のサブ波長格子新しく提案するカラーフィルタの製作工程回折波の様子計算モデル計算結果 EB描画によるカラーフィルタの製作工程 2次元格子モールド(格子周期 300nm, dose time 60μs) 赤フィルタの2次元格子モールド(格子周期 400nm, dose time 60μs) 離型剤の塗布方法ナノインプリントによる転写工程 SOQ基板に転写したパターン(格子周期 400nm) CCDカメラから得られた画像（光学顕微鏡写真）を示す。透過特性を示す（測定結果−分光透過率）。製作したカラーフィルタのSEM画像を示す。 2次元格子を用いたカラーフィルタのCCD画像(ランダム偏光) 2次元格子を用いたカラーフィルタのCCD画像(TE偏光) 2次元格子を用いたカラーフィルタのCCD画像(TM偏光) 製作した2次元格子の赤フィルタ製作した2次元格子の緑フィルタ 2次元格子の赤フィルタの透過特性(ランダム偏光) 2次元格子の赤フィルタの透過特性(TE偏光) 2次元格子の赤フィルタの透過特性(TM偏光) 2次元格子の緑フィルタの透過特性(ランダム偏光) 2次元格子の緑フィルタの透過特性(TE偏光) 2次元格子の緑フィルタの透過特性(TM偏光) 色度図

Claims

モールドを基板に接触させてパターニングするナノインプリントリソグラフィ法によって、前記基板上に、レジストをパターニングし、それをマスクとしてエッチ除去することによって、前記基板上に、一層構造のガイドモード共鳴格子を形成し、
当該ガイドモード共鳴格子は、ある入射角度で入射される入射光に対し、１次以上の高次回折波が発生しないよう設定されているカラーフィルタ装置の製造方法。
モールドを基板に接触させてパターニングするナノインプリントリソグラフィ法によって、前記基板上に、一層構造のガイドモード共鳴格子を形成し、
当該ガイドモード共鳴格子は、ある入射角度で入射される入射光に対し、１次以上の高次回折波が発生しないよう設定されているカラーフィルタ装置の製造方法。
請求項１又は２に記載のカラーフィルタ装置の製造方法であって、
前記ガイドモード共鳴格子は、前記基板に垂直な方向から入射される入射光に対し、前記基板に垂直な方向に回折波が出るように設定されているカラーフィルタ装置の製造方法。
請求項１又は２に記載のカラーフィルタ装置の製造方法であって、
前記ガイドモード共鳴格子は、格子周期または格子高さを調整することにより所定の色を表現するカラーフィルタ装置の製造方法。