JP2004002111A

JP2004002111A - ディスプレイ窓材用光学薄膜の形成方法及び光学薄膜構造体

Info

Publication number: JP2004002111A
Application number: JP2002160352A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Nakayama; 中山　高博; Osamu Miura; 三浦　治; Hirohiko Murakami; 村上　　裕彦; Kanenori Matsuzaki; 松崎　　封徳; Toshiharu Kurauchi; 倉内　　利春; Shunji Misawa; 三沢　　俊司; Koichi Tamagawa; 玉川　孝一; Kensuke Okasaka; 岡坂　謙介; Kenji Fujii; 藤井　健司; Takahide Sasaki; 佐々木　　貴英
Original assignee: Ulvac Seimaku KK; Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Seimaku KK; Ulvac Inc
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】高効率で発光を取り出すために多孔質シリカ材料から成る低屈折率膜と透明導電膜とを有して光学薄膜を積層形成する際に、この透明導電膜に対する多孔質シリカ材料の付着強度を増大させることを可能とするディスプレイ窓材用光学薄膜の形成方法、及び、その方法を用いて形成した光学薄膜構造体を提供する。
【解決手段】ガラス基板１上に、ＳｉＯ_２膜などの透明絶縁層から成る中間密着層４を介して、透明導電膜２と疎水性多孔質シリカ材料から成る低屈折率膜３とを積層して光学薄膜構造体を形成する。このとき、疎水性多孔質シリカ材料から成る低屈折率膜３は、０．３〜２．０μｍの膜厚と、中心線平均粗さ表示で５０ｎｍ以下の平坦度とを有し、透明絶縁膜から成る中間密着層４は、５〜３００ｎｍの膜厚と中心線平均粗さ表示で５０ｎｍ以下の平坦度とを有することが望ましい。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部発光を高効率で取り出すことが要求されるディスプレイ窓材に用いられる光学薄膜の形成方法及びディスプレイ窓材用途に用い得る光学薄膜構造体に関する。このようなディスプレイ窓材は、外部からの入射光の反射防止が必要な太陽電池の受光部などにも転用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
内部の発光領域からの発光をガラスなどの透明基板を通して外部に取り出す窓材を用いるディスプレイ等において、ガラスの界面での反射や屈折のため発光の取り出しを効率良く行えない、光導波特性により発光の一部がガラス端面から散逸して、ディスプレイとしての発光輝度や視野角が減少する、また、このような輝度減少の補償のために消費電力が増大するという問題があった。
【０００３】
この種の問題の対策として、従来、特開２００１―２０２８２７号公報によるものが知られている。このものは、内部の発光を高効率で取り出すため、シリカエアロゲルから成る低屈折率（１．００３〜１．３００）の多孔質薄膜をガラス基板上に塗布し、その上に透明導電膜を成膜することにより、ガラス基板と透明導電膜との間に多孔質薄膜を挟んだものを有機ＥＬ素子等のディスプレイ用窓材として用いている。
【０００４】
ところで、上記の低屈折率材料として用いるシリカエアロゲルは多孔質構造のため本来的に吸湿性を有しており、水分吸湿により材質が劣化して低屈折性を維持できなくなるおそれがある。このため、上記従来例では、シリカエアロゲルのゲル状前駆体化合物が有するシラノール基などの親水基を、シラン化合物などの疎水化処理剤の疎水基と置換して疎水化処理するものを態様の一つとして示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のように疎水化処理を経て形成される疎水性多孔質シリカ材料は、疎水基の影響により透明導電膜との付着強度に劣る。したがって、上記のように透明導電膜の下地膜として用いる場合に、透明導電膜との密着強度を充分に得ることができないことから、特に、フォトエッチング時の耐アルカリ性能において深刻な問題が生じる。例えば、疎水性多孔質シリカ材料から成る低屈折率膜付きのインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ膜）材質の透明導電膜を用いる場合、現像用の水酸化カリウムなどの無機アルカリ水溶液がＩＴＯ膜表面の欠陥部分から侵入してシリカ材料を侵して所定の低屈折率の維持を困難にする。また、レジスト除去剤の水酸化ナトリウムによる除去工程時に多孔質シリカ材料が溶解してＩＴＯ膜が剥離するなどの事態も想定される。さらに、レジスト除去用にアミン系などの有機アルカリ系除去剤を用いても疎水性多孔質シリカ材料層の変質やＩＴＯパターンエッジ部の剥離等、同様の問題が残る。
【０００６】
即ち、疎水性多孔質シリカ材料による低屈折率膜付きの透明導電膜に対して通常のパターニング工程は不向きである。そして、この種の制約は、上記低屈折率膜付き透明導電膜を有機ＥＬ素子等のディスプレイ用途に対して実用化を進める際の重大な阻害要因となる。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑み、高効率で発光を取り出すために多孔質シリカ材料から成る低屈折率膜と透明導電膜とを有して光学薄膜を積層形成する際に、この透明導電膜に対する多孔質シリカ材料の付着強度を増大させることを可能とするディスプレイ窓材用光学薄膜の形成方法、及び、その方法を用いて形成した光学薄膜構造体を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、中間密着層を介して透明導電膜と疎水性多孔質シリカ材料から成る低屈折率膜とを積層して、これをディスプレイ窓材用光学薄膜を構成するものとして用いる。
【０００９】
これにより、透明導電膜と上記の低屈折率膜との密着強度が向上して積層構造が強固になる。したがって、これらにより作製したディスプレイ用窓材は、所期の高効率の発光取り出しが可能となる。
【００１０】
この場合、疎水性多孔質シリカ材料から成る低屈折率膜の膜厚は、０．３〜２．０μｍの範囲内であり、その平坦度は、中心線平均粗さ表示で５０ｎｍ以下であることが望ましい。０．３μｍ以下の膜厚では可視光の波長に到達せず光学薄膜構成上の要請が及ばず、また、２．０μｍ以上の膜厚では上記平坦度（中心線平均粗さとして５０ｎｍ以下）を維持することが現実的でないためである。特に、中心線平均粗さとして５０ｎｍ以下の平坦度を維持することは、製品ディスプレイの輝度ムラ発生を回避するうえで重要である。
【００１１】
また、上記の中間密着層の材質は、透明絶縁膜を用いることが望ましい。中間密着層の介在によっても透明性や低比誘電率を維持するためである。このような透明絶縁膜としてはＳｉＯ_２膜が好適である。
【００１２】
この場合、上記の透明絶縁膜から成る中間密着層の膜厚は、５〜３００ｎｍの範囲内であり、その平坦度は、中心線平均粗さ表示で５０ｎｍ以下であることが望ましい。透明絶縁膜は、屈折率が比較的高いものを用いるのが一般的であり、これの介在により光学薄膜全体での屈折率が変動しないように上記した膜厚３００ｎｍの上限が必要となる。また、平坦度に関しては、低屈折率膜の場合と同様に、製品ディスプレイの輝度ムラ発生を回避するうえで重要である。
【００１３】
そして、透明絶縁膜から成る中間密着層を介し、疎水性多孔質シリカ材料から成る低屈折率膜と透明導電膜とを積層したものは、光学薄膜の構成膜として良好である。そして、このような構成膜を備える光学薄膜により作製されるディスプレイ窓材は、所期の高効率で発光を取り出すことが可能である。
【００１４】
また、透明導電膜に発光層を積層して、低屈折率膜と中間密着層と透明導電膜と発光層とが四重構造に積層して成る光学薄膜構造体は、発光層からの内部発光を高効率で取り出すことが可能であるので、ディスプレイ用発光素子構造体として好適である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のディスプレイ窓材用光学薄膜の形成方法により形成した光学薄膜構造体の一例である。この光学薄膜構造体は、ガラス基板１と透明導電膜２とが低屈折率膜３を挟持する構成層において、透明電導膜２と低屈折率膜３との間に中間密着層４を介在させて構成している。なお、図中５は、有機ＥＬ素子や無機ＥＬ素子またはＰＬ（フォトルミネッセンス）素子などの発光層である。
【００１６】
透明導電膜２の材料としてインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ膜）が用いられ、これにより発光素子構造の電極層が形成される。低屈折率膜３としては疎水化処理を行った多孔質シリカ材料が用いられ、透明導電膜２と積層することにより、所期の高効率で発光を取り出すことが可能となる。透明導電膜２と低屈折率膜３との密着強度を増大させる中間密着層４の材料は、ＳｉＯ_２膜などの透明絶縁膜が用いられる。
【００１７】
本発明の光学薄膜構造体を作製する際には、最初に、低屈折率多孔質シリカ材料膜３をガラス基板１などの透明絶縁性支持体上に形成する。即ち、低屈折率材料として、撥水性を有するヘキサメチルジシロキサンやヘキサメチルジシラザンを含有した低比誘電率物質の溶液（例えば株式会社アルバック製ＩＳＭ−１．５）を、有機ＥＬ素子のガラス基板１上にスピンコートにより塗布して低屈折率膜３として成膜を行う。ここで用いる低比誘電率物質の溶液には、ヘキサメチルジシロキサンやヘキサメチルジシラザンのような撥水性の物質以外にも、必要に応じてアルコールや酢酸ブチルなどを添加物として加えても良い。また、この薄膜は、上記スピンコート時の回転数を変化させて３００ｎｍ〜２．０μｍの範囲で膜厚制御でき、さらに、このときの平坦性を表す中心線平均粗さとして５０ｎｍ以下の平坦な膜表面を形成することができる。このような数値条件を満たしていれば取り出す可視光を屈折させることができ、また、輝度ムラを防止することができる。
【００１８】
そして、焼成処理などにより、上記低比誘電率物質の溶液中の溶媒や水、酸またはアルカリ触媒や界面活性剤などを蒸発させながら多孔質シリカ材料から成る低屈折率膜３を形成する。このときの焼成処理条件は、上記の溶媒や水、酸またはアンモニアなどを蒸発させることができ多孔質シリカ材料から成る低屈折率膜を得ることができる条件であれば特に制限はない。
【００１９】
次に、このように低屈折率膜３を形成し、これを洗浄した後に、低屈折率膜３上にＲＦスパッタ法によりＳｉＯ_２膜から成る透明絶縁膜で中間密着層４を形成する。このときの中間密着層４は、公知のスパッタ法の制御により、５〜３００ｎｍの範囲で膜厚制御でき、さらに、このときの平坦性を表す中心線平均粗さとして５０ｎｍ以下の平坦な膜表面を形成することができる。このような数値条件を満たしていれば取り出す可視光を屈折若しくは反射させることなく、また輝度ムラ防止を維持できる。
【００２０】
また、疎水性多孔質シリカ材料の密着性不良の要因は、シリカ材料中に存在するアルキル基であると推測される。これが撥水性と称される強力な疎水性を具備させて付着力の低下を招くと考えられるため、中間密着層４に用いられる材質はこの撥水性を緩和できるものであれば良い。本実施の形態においてはその材質としてＳｉＯ_２膜を用いたが、撥水性を緩和できる他の透明絶縁膜、例えば、ＳｉＯ_Ｘ（１≦Ｘ＜２）、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３などを用いても良い。また、中間密着層４の成膜方法も、電子ビーム蒸着や抵抗加熱法などの蒸着法や、化学気相成長法（ＣＶＤ法）によるシリコンの熱酸化反応生成を用いても良い。
【００２１】
その後、中間密着層４の上にＤＣスパッタ法により室温でインジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ膜）の成膜を行う。このようなＩＴＯ膜は、例えば株式会社アルバック製スーパーＩＴＯ膜Ａとしても入手可能である。また、透明導電膜の材質としては、ＩＴＯ膜に限定されることなく、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化カドミウム（ＣｄＯ）や、これらを組み合わせた酸化カドミウム−酸化スズ（Ｃｄ_２ＳｎＯ_４）、酸化カドミウム−酸化亜鉛（ＣＺＴ）、酸化インジウム−酸化亜鉛（ＩＺＯ）などの可視光透過率が８０％以上の透明導電膜を用いることができる。
【００２２】
このようにして、ガラス基板１と低屈折率膜３と中間密着層４と透明導電膜２とから構成される光学薄膜構造体、即ち、透明導電膜付きの高効率光取り出し窓材が作製される。この光学薄膜構造体は、下記実施例に示すようにディスプレイ用窓材の構成層として良好な特性を有している。
【００２３】
なお、本実施の形態においては、本発明の光学薄膜構造体の好適例として、有機ＥＬ素子等のディスプレイ用窓材を挙げているが、本発明の適用はこの用途に制限されるものではなく、例えば、入射光の反射防止処理が必要な太陽電池の受光部などの用途にも適用できる。
【００２４】
【実施例】
［実施例１］本発明の実施の形態で示した光学薄膜構造体の作製方法に基づき、ガラス基板１上に、多孔質シリカ材料から成る膜厚７００ｎｍの低屈折率膜３と、ＳｉＯ_２膜から成る膜厚３０ｎｍの中間密着層４と、ＩＴＯ膜から成る膜厚１００ｎｍの透明導電膜２（面抵抗：３０Ω／□以下）とをこの順で形成し、透明導電膜付きの高効率光取り出し窓材を作製した。このとき、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により、低屈折率膜３、中間密着層４及び透明導電膜２の表面を観察したところ、中心線平均粗さ表示で、低屈折率膜３は５ｎｍ以下、中間密着層４は８ｎｍ以下、透明導電膜２は１２ｎｍ以下であるような平坦性を有していた。
【００２５】
このような窓材を用いると、発光素子による内部発光を所期の高効率で取り出すことが確認された。
【００２６】
［実施例２］シリコン基板上に、［実施例１］と同様にして多孔質シリカ材料から成る膜厚７００ｎｍの低屈折率膜３と、ＳｉＯ_２膜から成る膜厚３０ｎｍの中間密着層４とを積層して成膜を行い、その屈折率をエリプソメータで測定したところ１．３であった。
【００２７】
［比較例１］ＳｉＯ_２膜から成る膜厚３０ｎｍの中間密着層４を介在させず、［実施例２］の多孔質シリカ材料から成る膜厚７００ｎｍの低屈折率膜３単独で成膜を行い、その屈折率をエリプソメータで測定したところ１．２であった。
【００２８】
［実施例２］と［比較例１］とから、ＳｉＯ_２膜から成る膜厚３０ｎｍの中間密着層４の介在があっても屈折率の変動は小さいことが分る。
【００２９】
［実施例３］　［実施例２］と同様にして作製した、シリコン基板１と、多孔質シリカ材料から成る膜厚７００ｎｍの低屈折率膜３と、ＳｉＯ_２膜から成る膜厚３０ｎｍの中間密着層４との積層構造の強度測定を行ったところ、ヤング率２．３４９ＧＰａ、硬度０．３５３ＧＰａが得られ、本発明の光学薄膜構造が機械的強度に優れていることが分る。
【００３０】
［実施例４］　［実施例２］と同様にして作製した、シリコン基板１と、多孔質シリカ材料から成る膜厚７００ｎｍの低屈折率膜３と、ＳｉＯ_２膜から成る膜厚３０ｎｍの中間密着層４との積層構造に対する水滴の接触角を測定したところ、中間密着層４上での接触角は、１３〜１６°と親水性を示した。
【００３１】
［比較例２］ＳｉＯ_２膜から成る膜厚３０ｎｍの中間密着層４を介在させず、［比較例１］の多孔質シリカ材料から成る膜厚７００ｎｍの低屈折率膜３単独で成膜を行い、水滴の接触角を測定したところ、１０７〜１１２°と疎水性を示した。
【００３２】
［実施例４］と［比較例２］とから、ＳｉＯ_２膜から成る膜厚３０ｎｍの中間密着層４の介在により親水性向となり、これが付着力向上の要因となっていることが推察される。
【００３３】
［実施例５］　［実施例１］と同様にして、ガラス基板１上に、多孔質シリカ材料から成る膜厚７００ｎｍの低屈折率膜３と、ＳｉＯ_２膜から成る膜厚３０ｎｍの中間密着層４と、ＩＴＯ膜から成る膜厚１００ｎｍの透明導電膜２（面抵抗：３０Ω／□以下）とをこの順で形成して作成した基板のＩＴＯ膜パターニングを行った。即ち、ＩＴＯ膜上に、市販のポジ型フォトレジストを１２００ｎｍの膜厚にスピンコートして形成し、これを乾燥し、マスクを用いて露光した。マスクのパターン線幅は３ｍｍ、ライン間隔は２ｍｍであった。
【００３４】
そして、これを水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液などの有機アルカリ系現像液を用いて現像した。現像した基板をクリーンオーブン等でベーキングし、その後、市販の塩化鉄／塩酸系エッチング液を用いてエッチングを行った。この結果、所望の良好なパターン形状が得られた。
【００３５】
さらに、アセトン等の有機系剥離液を用いて、上記のパターン形状と、低屈折率膜及び透明導電膜の特性とを損なうことなしに、室温下数十秒程度でレジストの除去を行った。
【００３６】
このようにしてパターニングを行った基板について、ＩＴＯ膜のパターンエッジを光学顕微鏡にて観測したところ、剥離のない良好なパターンを認めることができた（図２（ａ）の顕微鏡写真参照）。このような剥離の無い状態は、テープを用いた剥離試験にても認められ、強力な付着力があることが分る（図２（ｂ）の顕微鏡写真参照）。
【００３７】
［比較例３］中間密着層４を介在させず、これ以外の各層の形成条件を［実施例５］によるパターンエッジ（顕微鏡写真図２（ａ）参照）形成時と同様にしたときのＩＴＯ膜パターンエッジの顕微鏡写真を図３に示す。
【００３８】
即ち、図３に示すＩＴＯ膜のパターンエッジから分るように、ＩＴＯパターン周辺部は、膜厚が非常に薄くなっていることが明らかである。図２（ａ）に示すものとの相違点は中間密着層４の有無であることから、図３に示すパターンエッジでは、ＩＴＯ膜と多孔質シリカ材料から成る低屈折率膜との間の密着性が不良で、パターンエッジ周辺部分から、ＩＴＯ膜と低屈折率膜との界面を通じてＩＴＯ膜のエッチング液がしみ込み、レジスト塗布面の反対側からＩＴＯ膜のエッチングが進行したものと推定される。従って、ＩＴＯ膜の良好なパターン制御ができない。
【００３９】
［比較例４］［実施例５］によるパターンエッジ（顕微鏡写真図２参照）及び［比較例３］によるパターンエッジ（顕微鏡写真図３参照）において、上記実施の形態に示すＩＴＯ膜のスパッタ成膜を行った後の熱処理は、２００℃のアニール処理だけである。
【００４０】
ところで、一般的に、ＩＴＯ膜形成前の下地層に紫外線（ＵＶ）照射を行うと密着性が改善されること、また、ＩＴＯ膜の成膜前や成膜後に加熱処理を行うことによってもその密着性が向上することが知られている。そこで、［比較例３］におけるＩＴＯ膜の成膜前にＵＶ照射を行い、その後に２８０℃の加熱工程を経てＩＴＯ膜を形成し、これにパターン加工を行った。これにより得られるパターンエッジの顕微鏡写真を図４（ａ）に示す。また、このパターンエッジの形成条件中、ＩＴＯ膜の形成後に、さらに２００℃の加熱工程を追加した後にパターン加工を行ったときに得られるパターンエッジの顕微鏡写真を図４（ｂ）に示す。
【００４１】
いずれの場合も、［比較例３］によるパターンエッジ（顕微鏡写真図３参照）と比べ、密着性が改善しているものの周辺部の線幅が一定せず、所望のシャープなパターンエッジが得られていないことが分る。
【００４２】
即ち、本発明の中間密着層を介在させることは、ＵＶ照射や熱処理などの公知技術に比べて、所望のシャープなパターンエッジを得るために、効果的であることが分る。さらに、熱処理に伴う上記の高温（２８０℃）アニール工程が不要であり、ＩＴＯ膜の成膜工程における熱負荷も軽減できる。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１の中間密着層を介在させることにより低屈折率膜と透明導電膜とが良好な密着強度で積層するため、透明導電膜のパターニング制御が可能となる。従って、高効率で発光を取り出すことができる発光素子の作製が実現できる。
【００４４】
また、請求項２のような可視光の波長程度乃至その数倍程度の膜厚で、表面粗さを小さく制御して成膜できることは、電界集中を防止するため高い平坦性が要求される有機ＥＬ素子にも適用可能となる。
【００４５】
また、請求項３の中間密着層により、この中間密着層が介在しても低屈折率膜などの光学特性が維持される効果を奏する。
【００４６】
そして、請求項４の中間密着層により、この中間密着層が介在しても高い平坦性が維持される効果を奏する。
【００４７】
また、請求項５の中間密着層により、この中間密着層が介在しても低屈折率膜の撥水性が維持される効果を奏する。
【００４８】
さらに、請求項６の四重の膜構造により、光学特性を劣化させることなく、低屈折率膜の撥水性と透明導電膜の平坦性と透明導電膜のパターニング特性とをすべて同時に満足させることが可能となる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学薄膜構造体
【図２】［実施例５］に示すＳｉＯ_２中間密着層を介在させた低屈折率膜上のＩＴＯパターンの密着性を示す顕微鏡写真
（ａ）テープ剥離試験前　　　（ｂ）テープ剥離試験後
【図３】［比較例３］に示す低屈折率膜上のＩＴＯパターンの密着性を示す顕微鏡写真
【図４】［比較例４］に示す低屈折率膜上のＩＴＯパターンの密着性を示す顕微鏡写真
（ａ）ＩＴＯ成膜前ＵＶ処理及び成膜前加熱（２８０℃）の工程を経た場合
（ｂ）ＩＴＯ成膜前ＵＶ処理、成膜前加熱（２８０℃）及び成膜後加熱（２００℃）の工程を経た場合
【符号の説明】
１　ガラス基板（またはシリコン基板）
２　透明導電膜
３　低屈折率膜
４　中間密着層
５　発光層

Claims

中間密着層を介して透明導電膜と疎水性多孔質シリカ材料から成る低屈折率膜とを積層することを特徴とするディスプレイ窓材用光学薄膜の形成方法。
前記疎水性多孔質シリカ材料から成る低屈折率膜は、０．３〜２．０μｍの膜厚と、中心線平均粗さ表示で５０ｎｍ以下の平坦度とを有することを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ窓材用光学薄膜の形成方法。
前記中間密着層として透明絶縁膜を用いることを特徴とする請求項１または２に記載のディスプレイ窓材用光学薄膜の形成方法。
前記透明絶縁膜から成る中間密着層は、５〜３００ｎｍの膜厚と中心線平均粗さ表示で５０ｎｍ以下の平坦度とを有することを特徴とする請求項３に記載のディスプレイ窓材用光学薄膜の形成方法。
前記透明絶縁膜から成る中間密着層を介し、前記疎水性多孔質シリカ材料から成る低屈折率膜と透明導電膜とが積層して成ることを特徴とする光学薄膜構造体。
前記透明導電膜に発光層を積層して、低屈折率膜と中間密着層と透明導電膜と発光層とが四重構造に積層して成ることを特徴とする請求項５に記載の光学薄膜構造体。