DE4341164A1 - Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-Elektrolumineszenz-Elements - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel­ lung eines Dünnfilm-Elektrolumineszenz-Elements (EL-Ele­ ments), dessen Lichtemissionsschicht durch einen Sputter­ prozeß ausgebildet wird.

In der letzten Zeit haben Dünnfilm-EL-Elemente mit Festkör­ peraufbau auf Grund ihrer hohen Auflösung und ihres hohen Anzeigevermögens besondere Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

Fig. 2 zeigt den Querschnitt eines Dünnfilm-EL-Elements. Die­ ses Element hat einen Aufbau mit doppelter Isolation, bei dem auf einem Glassubstrat 11 eine transparente Elektrode 12, eine erste Isolierschicht 13, eine Lichtemissionsschicht 14, eine zweite Isolierschicht 15 und eine Rückelektrode 16 aus­ gebildet sind. Die EL-Schicht 14 besteht aus einem Sulfid eines Elements der Gruppe II bis VI, dem ein Dotiermaterial zur Ausbildung von Lichtemissionszentren, etwa eine geringe Menge von Mn, Tb, Sm, Tm, Pr etc. zugesetzt ist. Als das Sul­ fid wird Zinksulfid (ZnS), Calciumsulfid (CaS), Strontium Sulfid (SrS) etc. verwendet.

Man hat verschiedene Verfahren zur Herstellung der EL-Schicht untersucht, einschließlich der Vakuumverdampfung, des so genannten ALE-Verfahrens (Atomic Layer crystal growth Evapo­ ration), bei dem es sich um eines der CVD-Verfahren handelt, sowie des Sputterverfahrens. Da das Sputterverfahren zur Schaffung eines gleichförmigen Films großer Fläche in der Lage ist, eignet es sich am besten für die Massenherstellung.

Die Lichtemission-Leuchtdichte von mit dem Sputterverfahren aufgebrachten Lichtemissionsschichten ist jedoch relativ schlecht (ACTA POLYTECNICA SCANDINAVICA Applied Physics Series No. 170 "5th International Work Shop on Electroche­ mistry" pp41-48). Untersuchungen des Sputterverfahrens haben gezeigt, daß sich Zink, Mangan und Schwefel in ihren physikalischen Eigenschaften wie der Sputterrate und dem Dampfdruck voneinander unterscheiden, daß die tatsächliche Filmzusammensetzung von der Targetzusammensetzung deutlich verschieden ist, und daß als Folge die kristalline Natur der Lichtemissionsschicht beeinträchtigt ist.

Man geht davon aus, daß reaktives Sputtern ein zum Erhalt einer gleichförmigen Lichtemissionsschicht hoher Qualität geeignetes Verfahren ist. Die JP-A-62-721396 offenbart das reaktive Sputtern unter Verwendung eines Zink Targets und Schwefelwasserstoffgases. Eine gleichförmige Lichtemissions­ schicht hoher Qualität wird dadurch hergestellt, daß man ein 5 bis 20 Vol. -% Schwefelwasserstoff enthaltendes inaktives Gas benutzt und die Substrattemperatur auf 100 bis 350°C ein­ stellt. Ein besonders gutes Ergebnis erreicht man, wenn die Substrattemperatur auf einen Bereich von 200-250°C einge­ stellt wird, die Schwefelwasserstoffkonzentration 10% beträgt, der Druck bei der elektrischen Entladung 10 mTorr (1,33 Pa) beträgt und die Leistungsdichte der elektrischen Entladung 8W/inch² (1,2W/cm²) beträgt.

Das unter den vorgenannten Bedingungen ausgeführte Verfahren führt jedoch zu einer Filmbildungsgeschwindigkeit von etwa 13 nm/min, was für den praktischen Gebrauch zu langsam ist. Obwohl eine höhere Filmbildungsgeschwindigkeit durch Erhöhung der elektrischen Entladungsleistung erreicht werden kann, lassen sich gute Eigenschaften der Lichtemissionsschicht nicht einfach durch Erhöhen der Entladungsleistung erzielen. Eine Erhöhung der Entladungsleistung allein vergrößert nur die Menge zugeführten Zinks und Mangans, wobei der Gleichge­ wichtszustand zwischen der Lieferung von Schwefel und derje­ nigen von Zink oder Mangan nicht erhalten bleibt. Als Folge davon beträgt das Zusammensetzungsverhältnis von Zink zu Schwefel in dem Film nicht mehr 1 : 1, und eine Lichtemissions­ schicht mit guten Eigenschaften läßt sich nicht erhalten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das reaktive Sput­ terverfahren zu verbessern und ein Verfahren zur Herstellung eines EL-Elements mit guten Lichtemissionseigenschaften zu schaffen, das bezüglich der erwähnten Filmbildungsgeschwin­ digkeit und der Qualität der Lichtemissionsschicht unter Erhaltung einer stöchiometrischen Zusammensetzung verbessert ist.

Dies Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer Sputtervorrich­ tung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Dünnfilm-EL-Elements, wie es gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt wird,

Fig. 3 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen der elektri­ schen Entladungsleistung und der Lichtemissions- Leuchtdichte mit der H₂S-Konzentration als Parameter und

Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer Sputtervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Dünnfilm-EL-Elements, das sich auf eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht. Auf einem Glassubstrat 11 ist durch Sputtern eines ITO-Targets eine transparente Elektrode 12 einer Dicke von 1700 Å (0,17µm) ausgebildet. Die erste Isolierschicht 13 besteht aus einer Tantalpentoxidschicht (Ta₂O₅) und einer Siliciumdioxidschicht (SiO₂) in einem Dickenverhältnis von 1 : 9, wobei die Tantalpentoxidschicht auf der Siliciumdioxid­ schicht ausgebildet ist. Da die Tantalpentoxidschicht eine große Dielektrizitätskonstante aufweist, wird die beim Betrieb des EL-Elements an der Isolierschicht anliegende Spannung geringer, wodurch die Treiberspannung erniedrigt werden kann. Wenn das Tantalpentoxid direkt an dem ITO-Film anhaftet, tritt eine ungünstige Beeinflussung zwischen den Filmen ein. Daher wird die Tantalpentoxidschicht unter Zwi­ schenlage der Siliciumdioxidschicht auf den ITO-Film auf­ gebracht.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht der mit einer Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung in Verbindung stehenden Sputtervorrichtung. In einer Reaktionskammer 1, ist eine negative Elektrode 3 gegenüber einer positiven Elektrode 4 angeordnet. An der negativen Elektrode 3 haftet das Target 2 an, während das Substrat 11 an der positiven Elektrode 4 mon­ tiert wird. Die transparente Elektrode 12 und die erste Iso­ lierschicht 13 werden auf das Substrat 11 laminiert. Die negative Elektrode wird mit einer 13,56 MHz Radiofrequenz- Stromquelle 6 über eine Anpaßschaltung 5 verbunden. Die posi­ tive Elektrode 4 ist geerdet.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel war das Target 2 ist eine 100 mm Scheibe aus einer Zinkmanganlegierung mit 0,5 Gew. -% Mangan. Das Sputtergas war eine Mischung aus Argon (Ar) und 40 Vol. -% H₂S. Dieses Mischgas wurde mit einer Strö­ mungsrate von 40 sccm (Standard cm³/min) über eine Gaseinlaß­ öffnung 7 in die Reaktionskammer 1 eingeleitet. Die Licht­ emissionsschicht 14 wurde mit einer Dicke von 0,7 µm und einem Gasdruck 10 mTorr (1,33 Pa), einer Substrattemperatur von 350°C und einer Leistungsdichte der elektrischen Entla­ dung von 3,8 W/cm² ausgebildet. Unter diesen Bedingungen konnte eine Filmbildungsgeschwindigkeit von immerhin 70 nm/min erreicht werden. Eine ähnliche Film­ bildungsgeschwindigkeit ergab sich, wenn ein Gasdruck im Bereich von 5 bis 20 mTorr (0,665 bis 2,66 Pa) und eine Gas­ strömungsrate im Bereich von 10 bis 60 sccm verwendet wurden.

Die Filmdicke der Lichtemissionsschicht wird in einem Bereich von 0,6 bis 1,0 µm eingestellt. Wie die Kurve B in Fig. 3 zeigt, entspricht die Leistungsdichte der elektrischen Entla­ dung von 3,8 W/cm² einer elektrischen Entladungsleistung mit einem Spitzenwert von 300 W.

Ähnlich der ersten Isolierschicht 13 wird auf der Lichtemis­ sionsschicht die zweite Isolierschicht 15 ausgebildet. Die zweite Isolierschicht 15 wird so hergestellt, daß sie über die SiO₂-Schicht fest an der Lichtemissionsschicht 14 haftet. Schließlich wird die Rückelektrode 16 hergestellt. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestand die Rückelektrode 16 aus einem Al-Film und einem Ni-Film in einem Dickenverhältnis von 1 : 1. Die Isolierschicht 15 haftet über den Al-Film fest an dem Ni-Film der Rückelektrode 16. Das Ni bietet eine gute Lötbarkeit. Das auf diese Weise hergestellte Dünnfilm-EL- Element erzeugt eine Lichtemissions-Leuchtdichte von immerhin 250 cd/m².

Bei der voranstehend beschriebenen Ausführungsform wurde ein Target aus einer Zn-Mn Legierung verwendet. Statt dessen kann auch ein mosaikartiges Target eingesetzt werden. Ein solches setzt sich aus einem Zn-Target und einer Manganplatte zusam­ men, die an dem Zn-Target haftet, wobei das Oberflächenver­ hältnis des Zn-Targets zur Manganplatte ihrem Zusammenset­ zungsverhältnis entspricht.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht einer Sputtervorrichtung für eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Sputtervorrichtung wird von dem Co-Sputterverfahren Gebrauch gemacht. Elemente in Fig. 4, die solchen in Fig. 1 entspre­ chen, sind mit denselben Bezugszahlen versehen. Die positive Elektrode 4 ist mit einem Rotationsmechanismus 8 verbunden. Die negative Elektrode umfaßt zwei negative Teilelektroden 31 und 32, von denen jede über eine Anpaßschaltung 5 mit einer Radiofrequenzstromquelle 6 verbunden ist. Ein Zn-Target 21 liegt auf der negativen Teilelektrode 31, und ein Mn-Target 22 auf der negativen Teilelektrode 32. Eine Lichtemissions­ schicht 14, die 0,5 Gew.-% Mangan enthielt, wurde unter einem Gasdruck von 10 mTorr (1,33 Pa) und einer Substrattemperatur von 350°C ausgebildet. Die positive Elektrode 4 rotierte mit 50 Upm. Die Leistungsdichte der elektrischen Entladung für das Zn-Target auf der negativen Teilelektrode 31 betrug 3,8 W/cm², und diejenige für das Mn-Target auf der negativen Teilelektrode 32 0,5 W/cm². Der Film wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 70 nm/min gebildet. Das resultie­ rende Dünnfilm-EL-Element zeigte eine hohe Lichtemissions­ leuchtdichte ähnlich der vorgenannten Ausführungsform. Wenn eine Lichtemissionsschicht unter Verwendung des Co-Sputter­ verfahrens hergestellt wird, wird das Verhältnis der elektri­ schen Entladungsleistungen für die Targets 21 und 22 so ein­ gestellt, daß die Mn-Konzentration in der Lichtemissions­ schicht auf dem optimalen Wert gehalten und gesteuert wird.

Es wurde dann ein Dünnfilm-EL-Element hergestellt, das eine transparente Elektrode aus ITO mit einer Dicke von 1700 Å (0,17 µm), eine erste Isolierschicht aus Siliciumdioxid und Siliciumnitrid mit einer Dicke von 2100 Å (0,21 µm), eine Lichtemissionsschicht mit einer Dicke von 7000 Å (0,7 µm), eine zweite Isolierschicht aus Siliciumdioxid und Silicium­ nitrid mit einer Dicke von 2100 Å (0,21 µm) und eine Rück­ elektrode aus Aluminium mit einer Dicke 7000 Å (0,7 µm), in dieser Reihenfolge aufgebracht, besaß.

Ein Zn-Mn Legierungstarget wurde zur Ausbildung der Licht­ emissionsschicht verwendet. Die Konzentration des Mangans betrug 0,3 Gew.-%. Bei dem Sputtergas handelte es sich um Argon, dem Schwefelwasserstoff in einer vorgeschriebenen Kon­ zentration zugesetzt wurde. Das Sputtern wurde unter einem Gasdruck von 10 mTorr (1,33 Pa) und einer Substrattemperatur von 400°C ausgeführt. Tabelle 1 zeigt die Filmbildungsbedin­ gungen- und -geschwindigkeiten.

Tabelle 1

Die Oberfläche des Zn-Mn Legierungstargets wurde unter den vorgenannten Bedingungen sulfurisiert. Die Lichtemissions­ schicht wurde nach Ausbildung auf 500°C erhitzt. Die Licht­ emissions-leuchtdichte des erhaltenen Dünnfilm-EL-Elements war hoch. Tabelle 1 zeigt, daß die Lichtemissionsschicht unter Verwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfin­ dung 3 bis 7 mal schneller ausgebildet wird als mit dem her­ kömmlichen Verfahren.

Bei dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Dünn­ film-Elektrolumineszenzelements erfolgt die Ausbildung der Lichtemissionsschicht aus Zinksulfid und einem Dotiermaterial durch Sputtern. Dabei wird eine Gasmischung aus einem inakti­ ven Gas und mehr als 20 Vol. -% Schwefelwasserstoff als das Sputtergas verwendet wird und die an das zu sputternde Target anzulegende Entladungsleistungsdichte in Abhängigkeit von der Konzentration des Schwefelwasserstoffs in dem Sputtergas optimal eingestellt, so daß sich eine stöchiometrische Zusam­ mensetzung der Lichtemissionsschicht ergibt. Auf diese Weise werden gleichzeitig sowohl eine hohe Geschwindigkeit bei der Ausbildung der Lichtemissionsschicht als auch eine gute Qualität derselben, insbesondere eine hohe Leuchtdichte erzielt.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Entladungsleistung und der Lichtemissions-Leuchtdichte für zwei verschiedene Werte der H₂S-Konzentration als Parameter wiedergibt. Den in Fig. 3 gezeigten Kurven liegt ein Target mit einem Durchmesser von 100 mm zugrunde. Wenn die Konzen­ tration des H₂S-Gases in dem Sputtergas konstant gehalten wird, läßt sich ein optimaler Wert für die Entladungsleistung bestimmen. Die bei gegebener H₂S-Konzentration optimale Ladungsleistung führt zu einer Lichtemissionsschicht hoher Qualität.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines Dünnfilm-EL-Elements mit einem Sputterschritt zur Ausbildung einer aus Zinksulfid und einem Dotiermaterial zur Schaffung von Lichtemissionszen­ tren bestehenden Lichtemissionsschicht, bei dem eine Gasmi­ schung aus einem inaktiven Gas und mehr als 20 Vol. -% Schwe­ felwasserstoff als das Sputtergas verwendet wird und die an ein zu sputterndes Target anzulegende Entladungsleistungs­ dichte in Abhängigkeit von der Konzentration des Schwefelwas­ serstoffs in dem Sputtergas gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Target aus einer Legierung aus Zink und dem Dotiermaterial besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Target ein Zinksubstrat ist, an dem eine Platte aus dem Dotiermaterial anhaftet, wobei das Verhältnis der freiliegenden Fläche des Zinks zur freiliegenden Fläche des Dotiermaterials einen vor­ gegebenen Wert aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwei gesonderte Targets, eines aus Zink und das andere aus dem Dotiermate­ rial, verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Dotiermaterial Mangan ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Konzentration des Schwefelwasserstoffs in der Sputtergasmischung 25-50 Vol. -% beträgt und die Entladungsleistungsdichte 2-5 W/cm² beträgt.