撥油フォトレジストの解説と事例紹介

フォトレジストとは、電子基板や半導体製造などのフォトリソグラフィ工程で使用される光感光性組成物です。
フォトリソグラフィとは、写真現像の仕組みを応用した技術です。基板(ウェーハ)にフォトレジストを塗布した後、原版となる微細な回路パターンが描かれたフォトマクスを介し、紫外線(UV光)などで露光させて現像します。リソグラフィとも呼ばれます。
使用するフォトレジストには、ポジレジストとネガレジストの2種類があります。ポジレジストとは、フォトマスクを通してパターン露光した部分が現像で無くなります。一方、ネガレジストはパターン露光した部分が残ります。
フォトレジストは、フォトリソグラフィでの微細なパターン露光、現像を実現します。

ウェーハにフォトレジストを塗布後、プリベーク、パターニングされたフォトマクスを介し、紫外線(UV光)で露光、現像、ポストベーク経てパターン転写が完了します。

撥油技術のメカニズムは、フッ素加工されたフライパンで観察できます。
フッ素加工されたフライパンの表面に垂らされた油(液体)が、丸い形状でコロコロと転がるのは、液体と固体の表面張力、および界面張力のつりあいの関係が生じているからです。

この状態の固体表面と、液体接点からの接線の角度θを、濡れ性(接触角)と言います。この関係はYoungの式(図2)で表します。関係式にもある各項の表面(界面)張力が変化すれば、濡れ性(接触角)は変化します。例えば、固体の表面張力(γS)を小さくすれば、固体は濡れにくくなり、液体をはじきます。つまり、撥油は固体側の表面張力を小さくする技術です。

撥油性を向上させるためには、撥油材をコーティングしたり、固体自体に表面張力の小さい基材を用いたりします。

従来の有機ELディスプレイ基板製造方式には「白色蒸着+カラーフィルター方式」「RGB蒸着方式」がありました。これらの製造プロセスには、大型の真空装置や精細なマスクが必要でした。しかし、これら方式でのディスプレイ大型化は技術的に難易度が高く、低い生産効率に伴う製造コストの増加や、低い材料使用効率による材料コストの増加、環境負荷などが課題でした。

これに対し研究開発が進められてきた「RGB印刷方式」は、大型真空装置の工程を削減し、精細なマスクを必要としません。これにより、中型モニター向けディスプレイの量産化、高生産効率、製造コストのダウンを実現しました。株式会社JOLEDが「RGB印刷方式」による量産ラインの稼働を2021年より開始し、32型ディスプレイ(OLEDIO™)の生産がスタートしています。

この「RGB印刷方式」の実現には撥油技術が不可欠となります。

高効率な有機ELディスプレイ製造に有効な「RGB印刷方式」とは、有機ELディスプレイ基板内にあるRGBピクセルへ発光材料をインクジェットによって塗布する技術です。
有機ELは発光材料に有機化合物(インク)を用いています。また、図3のように有機ELディスプレイ基板内には幅10〜30μm、膜厚1～2μm程度のRGBピクセル(画素)が並んでいます。

ピクセルに発光材料となるインクを塗布する際に、隣同士のピクセルのインクが混色しないよう、ピクセルを隔てる壁(バンク)には、撥油性が要求されます。フォトリソグラフィ工程では、RGBピクセルを隔てる壁(バンク)の頂上部分(図4参照)にのみ撥水撥油層を形成し、混色を防いでいます。

RGB印刷方式に対応した撥油フォトレジストには、フォトリソグラフィ工程において、RGBピクセルを隔てる壁(バンク)の頂上部分のみに撥水撥油層を形成することが求められます。
フォトリソグラフィ工程後の撥水撥油層が形成された基板は、インクジェットによるピクセル内への発光材料(インク)の塗布過程へとすすみます。この塗布過程において、バンクトップ部の撥水撥油層上にインクが滴下しても、撥油性能によって発光材料(インク)が滑落し、ピクセル内に収めるようにインクを制御できます(図5参照)。

有機ELディスプレイ基板用の撥油フォトレジストには、フッ素化合物が使われます。
その理由はフッ素の性質である撥油性と空気界面への表面移行性にあります。
理由のひとつである表面移行性はRGBピクセルを隔てる壁(バンク)の頂上部分にのみ撥水撥油層を形成するための重要な性質です。

フッ素が表面移行するのは、ファンデルワールス力(分子間力)が弱く、内部エネルギーが小さいことに起因します。撥油フォトレジスト中の溶媒によりフッ素成分を含む複数の化合物が混合していますが、フォトリソグラフィー工程中で溶媒が除去されるとファンデルワールス力の差によってフッ素成分とその他成分が分離します。空気はフッ素成分同様にファンデルワールス力が小さいため、塗膜の安定化の観点から、他の化合物と比べ相対的に内部エネルギーが小さいフッ素成分が空気界面に移動する傾向となります。(図6参照)。

この特性を利用すればフッ素成分を選択的に表面移行させることができ、バンクのトップ部のみに撥水撥油層を形成する撥油フォトレジストが実現可能です。

有機ELディスプレイ基板用 撥油フォトレジストの標準的な仕様は以下となります。