JP2004214184A - Transparent conductive film and forming method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インジウムと錫の酸化物(ITO)からなる透明導電膜及びその成膜方法に関するものであり、特に、有機物基板上に基板無加熱で成膜されながら極めて低い抵抗率を有する全く新規な透明導電膜及びその成膜方法に関するものである。 The present invention relates to a transparent conductive film made of an oxide of indium and tin (ITO) and a method for forming the same, and more particularly, to a novel film having an extremely low resistivity while being formed on an organic substrate without heating the substrate. The present invention relates to a transparent conductive film and a method for forming the same.
インジウムと錫の酸化物(ITO)は、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイ等、各種表示デバイスの透明電極として広く用いられており、さらにはタッチパネルの透明電極等に用いられている。 Indium and tin oxide (ITO) is widely used as a transparent electrode of various display devices such as a liquid crystal display and an organic EL display, and is further used as a transparent electrode of a touch panel.
ITO透明導電膜は、通常はガラス基板上に成膜され、基板加熱を行うことで抵抗率の低い膜を得ている。例えば、反応性DCマグネトロンスパッタ法により、ITO焼結体をターゲットに用いるとともに、基板温度を300℃以上に加熱しながらITO膜を成膜することで、結晶性の良い低抵抗率のITO透明導電膜を作製することができる。また、In−Sn合金をターゲットとして用いて反応性DCマグネトロンスパッタを行い、Inの低級酸化物であるInOとSnとを基板上に堆積させた後、大気中で170から180℃で熱処理を行うことで、やはり抵抗率の低いITO透明導電膜を作製することができる。 The ITO transparent conductive film is usually formed on a glass substrate, and a film having a low resistivity is obtained by heating the substrate. For example, by using an ITO sintered body as a target by a reactive DC magnetron sputtering method and forming an ITO film while heating the substrate temperature to 300 ° C. or more, a low-resistivity ITO transparent conductive material having good crystallinity can be obtained. A membrane can be made. In addition, reactive DC magnetron sputtering is performed using an In—Sn alloy as a target to deposit InO and Sn, which are lower oxides of In, on a substrate, and then heat-treated at 170 to 180 ° C. in the air. Thus, an ITO transparent conductive film having a low resistivity can also be manufactured.
このように、低効率が10-3Ω・cm以下、例えば10-4Ω・cm前半の透明導電膜を作製するためには、ITOを結晶化させなくてはならず、基板を最低でも160℃以上に加熱しなくてはならない。基板加熱を行わずにITO膜を堆積させると、その膜質はアモルファスと微結晶が混在したものとなり、10-3Ω・cmオーダーの高抵抗率の膜となってしまう。 As described above, in order to produce a transparent conductive film having a low efficiency of 10 −3 Ω · cm or less, for example, in the first half of 10 −4 Ω · cm, ITO must be crystallized, and the substrate must be at least 160 Ω. Must be heated above ℃. If an ITO film is deposited without heating the substrate, the film quality is a mixture of amorphous and microcrystalline, resulting in a film having a high resistivity of the order of 10 −3 Ω · cm.
前記液晶ディスプレイや、有機ELディスプレイなどの分野においては、軽量化、薄型化、取り扱い性等を考慮して、ガラス基板に代わりプラスチック基板やプラスチックフィルム等の有機物基板を用いることが検討されている。また、タッチパネル用の透明電極等も、プラスチックフィルム上に形成する必要がある。これらプラスチック基板や、プラスチックフィルム等の有機物基板は熱に弱く、基板を加熱することは難しい。したがって、熱に弱い有機物基板上に、如何にして低抵抗のITO膜を成膜するかが大きな課題となる。 In the fields of the liquid crystal display and the organic EL display, use of an organic substrate such as a plastic substrate or a plastic film instead of a glass substrate has been studied in consideration of weight reduction, thinning, handling, and the like. Further, it is necessary to form a transparent electrode for a touch panel on a plastic film. These plastic substrates and organic substrates such as plastic films are weak to heat, and it is difficult to heat the substrates. Therefore, a major issue is how to form a low-resistance ITO film on an organic substrate that is vulnerable to heat.
プラスチックフィルム上にITO透明導電膜を成膜する技術としては、バイアス電圧を印加しながら反応性スパッタにより成膜する方法が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。この特許文献1記載の技術では、透明プラスチックフィルム基体上に反応性スパッタ法によりITO透明導電膜を形成するに際し、透明導電膜とアース間にイオンを基体方向に加速するためのバイアス電圧を印加しており、これにより透明性及び密着性が高く、耐磨耗性の向上した透明導電フィルムが安定して製造できるとしている。
As a technique for forming an ITO transparent conductive film on a plastic film, a method of forming a film by reactive sputtering while applying a bias voltage has been proposed (for example, see Patent Document 1). In the technique described in
また、基板にダメージを与えず、各種の膜を成膜する成膜方法としては、いわゆるガスフロースパッタ法が提案されている(例えば、特許文献2や特許文献3等を参照)。ガスフロースパッタ法は、陰極内部で生成されたスパッタ粒子を雰囲気ガスの流れにより基板側へ輸送する輸送型のスパッタリング方法であり、特許文献3の技術では、ターゲットの中心軸に垂直な方向にスパッタガスを排出する排出口を設け、この排気口側の位置に基板を配置し、基板がプラズマ及び高エネルギー粒子の影響を受けないようにして薄膜を形成している。
しかしながら、先の特許文献1の技術は、基本的には前述の従来技術の延長上にあり、作製される透明導電膜は、基板加熱を行っていないことから抵抗率の点で十分とは言えず、例えば抵抗率が10-3Ω・cm以下の透明導電膜を実現することは難しい。
However, the technique disclosed in
一方、特許文献2や特許文献3に開示されるガスフロースパッタ法では、基板の損傷の回避に重点が置かれており、成膜される膜の特性に関する検討は必ずしも十分ではない。特に、ガスフロースパッタ法をITO透明導電膜の成膜に適用することに関する報告や、成膜されたITO透明導電膜の膜特性に関する報告は皆無である。実際、本発明者らは、特許文献1や特許文献2に記載されるような方法でITO透明導電膜の成膜を試みたが、10-4Ω・cmオーダーのITO透明導電膜を成膜することはできなかった。
On the other hand, in the gas flow sputtering methods disclosed in
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、有機物基板上に基板無加熱で成膜しながらこれまで実現されたことのない低抵抗率を有する透明導電膜を提供することを目的とし、さらにはその成膜方法を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of such conventional circumstances, and provides a transparent conductive film having a low resistivity that has never been realized while forming a film on an organic substrate without heating the substrate. It is another object of the present invention to provide a film forming method.
本発明者らは、上述の目的を達成するため、長期に亘り種々の検討を重ねてきた。その結果、ガスフロースパッタ法において、基板にバイアス電圧を印加することで、基板にダメージを与えることなく、低抵抗率のITO導電膜を成膜し得るとの知見を得るに至った。 The present inventors have conducted various studies over a long period of time in order to achieve the above object. As a result, it has been found that in a gas flow sputtering method, a bias voltage is applied to a substrate to form a low-resistivity ITO conductive film without damaging the substrate.
本発明は、前記の知見に基づいて完成されたものであり、請求項1記載の発明は、 インジウムと錫と含む酸化物を主体としてなり、有機物基板上にスパッタ法により成膜され、抵抗率が10-3Ω・cm以下であることを特徴とする透明導電膜である。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の透明導電膜であって、前記透明導電膜は、X線回折において、酸化インジウム錫の(222)面のピーク強度と(400)面のピーク強度の比が、1:1以上4:1以下であることを特徴とする透明導電膜である。
請求項3記載の発明は、請求項1記載の透明導電膜であって、前記有機物基板は、プラスチックフィルムであることを特徴とする透明導電膜である。
請求項4記載の発明は、インジウムと錫とを含むターゲットを用い、有機物基板にバイアス電圧を印加しながら、ターゲットからのスパッタ粒子をスパッタガス流により前記有機物基板上に輸送して堆積させることを特徴とする透明導電膜の成膜方法である。
請求項5記載の発明は、請求項4記載の透明導電膜の成膜方法であって、前記ターゲットを中空形状のターゲットとし、その中心軸方向にスパッタガスを流すとともに、この中心軸と直交して前記有機物基板をスパッタガスの流れに対向するように配することを特徴とする透明導電膜の成膜方法である。
請求項6記載の発明は、請求項5記載の透明導電膜の成膜方法であって、前記ターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、このプラズマによりスパッタ粒子を発生させることを特徴とする透明導電膜の成膜方法である。
請求項7記載の発明は、請求項6記載の透明導電膜の成膜方法であって、前記プラスチックの影響を受けるように前記有機物基板をターゲットに接近させることを特徴とする透明導電膜の成膜方法である。
請求項8記載の発明は、請求項7記載の透明導電膜の成膜方法であって、前記有機物基板とターゲットの距離を2cm以上10cm以下とすることを特徴とする透明導電膜の成膜方法である。
請求項9記載の発明は、請求項7記載の透明導電膜の成膜方法であって、 前記有機物基板を必要に応じて背面側から冷却することを特徴とする透明導電膜の成膜方法である。
請求項10記載の発明は、請求項4記載の透明導電膜の成膜方法であって、前記有機物基板としてプラスチックフィルムを用い、このプラスチックフィルムを走行させながら連続的に透明導電膜を成膜することを特徴とする透明導電膜の成膜方法である。
請求項11記載の発明は、請求項4記載の透明導電膜の成膜方法であって、前記バイアス電圧として、直流バイアス電圧を有機物基板に印加することを特徴とする透明導電膜の成膜方法である。
請求項12記載の発明は、請求項11記載の透明導電膜の成膜方法であって、前記直流バイアス電圧を放電プラズマ電位に対して−80V以上−10V以下とすることを特徴とする透明導電膜の成膜方法である。
請求項13記載の発明は、請求項4記載の透明導電膜の成膜方法であって、前記バイアス電圧として、高周波バイアス電圧を有機物基板に印加することを特徴とする透明導電膜の成膜方法である。
請求項14記載の発明は、請求項13記載の透明導電膜の成膜方法であって、前記高周波バイアス電圧を有機物基板の背面側に設置した高周波電極により印加し、透明導電膜が付着する有機物基板前面の高周波電圧の平均値(直流成分)を放電プラズマ電位に対して−80V以上−10V以下とすることを特徴とする透明導電膜の成膜方法である。
The present invention has been completed based on the above findings, and the invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the method for forming a transparent conductive film according to the fourth aspect, wherein the target is a hollow target, and a sputtering gas is caused to flow in a central axis direction of the target. Wherein the organic substrate is disposed so as to face a flow of a sputtering gas.
The invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided the method for forming a transparent conductive film according to the eleventh aspect, wherein the DC bias voltage is -80 V or more and -10 V or less with respect to a discharge plasma potential. This is a film formation method.
The invention according to claim 13 is the method for forming a transparent conductive film according to
The invention according to claim 14 is the method for forming a transparent conductive film according to claim 13, wherein the high-frequency bias voltage is applied by a high-frequency electrode provided on the back side of the organic substrate, and the organic substance to which the transparent conductive film adheres is applied. A method for forming a transparent conductive film, characterized in that the average value (DC component) of the high-frequency voltage on the front surface of the substrate is -80 V or more and -10 V or less with respect to the discharge plasma potential.
本発明の透明導電膜は、インジウムと錫とを含む酸化物を主体としてなり、有機物基板上にスパッタ法により成膜され、抵抗率が10-3Ω・cm以下であることを特徴とする。
有機物基板上に成膜された透明導電膜で、抵抗率が10-3Ω・cm以下のものはこれまで報告された例はなく、このような低抵抗率の透明導電膜は、本発明によって初めて実現されたものである。
The transparent conductive film of the present invention is mainly composed of an oxide containing indium and tin, is formed on an organic substrate by a sputtering method, and has a resistivity of 10 −3 Ω · cm or less.
No transparent conductive film formed on an organic substrate and having a resistivity of 10 −3 Ω · cm or less has been reported so far. Such a transparent conductive film having a low resistivity is provided by the present invention. This was realized for the first time.
本発明の透明導電膜が低抵抗率であることは、その成膜方法と深く関わっているものと考えられるが、その詳細な機構や理由については不明である。ただ、例えばX線回折の解析結果から、通常のスパッタ法により成膜された膜とは膜構造が大きく異なることがわかっている。通常のスパッタ法により成膜されるITO透明導電膜は、酸化インジウム錫の(400)面に由来するピークが支配的であり、(100)配向膜である。このような結晶方位の膜では、結晶性が良くないと透明導電膜の抵抗率は低くならない。これに対して、本発明の透明導電膜では、酸化インジウム錫(222)面に由来するピークが観察され、(111)配向にシフトしており、明らかに通常のスパッタ法によって成膜された膜とは膜構造が大きく異なる。前記(222)面に由来するピークの強度と(400)面に由来するピークの強度の比は、スパッタ条件等により変化し、検討の結果、酸化インジウム錫の(222)面のピーク強度と(400)面のピーク強度の比が、1:1以上3:1以下であるときに低抵抗率が実現されることがわかった。 It is considered that the low resistivity of the transparent conductive film of the present invention is closely related to the film formation method, but the detailed mechanism and the reason are unknown. However, for example, analysis results of X-ray diffraction show that the film structure is significantly different from that of a film formed by a normal sputtering method. The ITO transparent conductive film formed by a normal sputtering method has a dominant peak derived from the (400) plane of indium tin oxide, and is a (100) oriented film. In a film having such a crystal orientation, if the crystallinity is not good, the resistivity of the transparent conductive film does not decrease. On the other hand, in the transparent conductive film of the present invention, a peak derived from the indium tin oxide (222) plane was observed and shifted to the (111) orientation, and was clearly a film formed by a normal sputtering method. Differs greatly from the film structure. The ratio of the peak intensity derived from the (222) plane to the peak intensity derived from the (400) plane varies depending on sputtering conditions and the like. As a result of examination, the peak intensity of the (222) plane of indium tin oxide and ( It was found that a low resistivity was realized when the ratio of the peak intensity of the (400) plane was 1: 1 or more and 3: 1 or less.
一方、本発明の透明導電膜の成膜方法は、インジウム酸化物と錫酸化物とを含むターゲットを用い、有機物基板にバイアス電圧を印加しながら、ターゲットからのスパッタ粒子をスパッタガス流により前記有機物基板上に輸送して堆積させることを特徴とする。 On the other hand, the method for forming a transparent conductive film of the present invention uses a target containing indium oxide and tin oxide, and applies a bias voltage to an organic substrate while sputtering particles from the target by the sputter gas flow. It is characterized by being transported and deposited on a substrate.
本発明の成膜方法は、いわゆるガスフロースパッタを基本とするものであるが、直流バイアス電圧や高周波(RF)バイアス電圧等のバイアス電圧を印加することが最大の特徴点である。通常のガスフロースパッタで成膜したITO透明導電膜は、ポーラスな膜となっており、バイアス電圧を印加することで、すなわちイオン衝撃を加えることで、膜が緻密になる。バイアス印加した場合、バイアス無しの試料と比較してキャリア密度が高くなり、ホール移動度も10倍以上になる。このため抵抗率が低下するものと考えられる。 Although the film forming method of the present invention is based on so-called gas flow sputtering, the most characteristic feature is that a bias voltage such as a DC bias voltage or a high frequency (RF) bias voltage is applied. The ITO transparent conductive film formed by ordinary gas flow sputtering is a porous film, and the film becomes dense by applying a bias voltage, that is, by applying ion bombardment. When a bias is applied, the carrier density becomes higher and the hole mobility becomes 10 times or more as compared with a sample without a bias. Therefore, it is considered that the resistivity decreases.
また、本発明の成膜方法においては、積極的にプラズマの影響を受けるように有機物基板をターゲットに接近させることで良好な特性のITO透明導電膜を得るようにしているが、基板がプラズマ及び高エネルギー粒子の影響を受けないようにして薄膜を形成する従来技術とは、この点でも考えを異にする。 In the film forming method of the present invention, the ITO transparent conductive film having good characteristics is obtained by bringing the organic substrate close to the target so as to be positively affected by the plasma. This is also different from the conventional technique of forming a thin film without being affected by high energy particles.
以上の説明からも明らかなように、本発明によれば、プラスチックフィルム等の有機物基板上に基板無加熱で成膜しながら、これまで実現されたことのない10-4Ω・cmオーダーの低抵抗率を有するITO透明導電膜を提供することが可能である。 As is clear from the above description, according to the present invention, a film having a low level of 10 −4 Ω · cm, which has never been realized, is formed on an organic substrate such as a plastic film without heating the substrate. It is possible to provide an ITO transparent conductive film having resistivity.
以下、本発明を適用した透明導電膜及びその成膜方法について説明する。
本発明は、ITO透明導電膜をガスフロースパッタ法によりバイアス電圧を印加しながら有機物基板上に成膜するというのが基本的な考えであり、最初に本発明の透明導電膜の成膜方法について説明する。
Hereinafter, a transparent conductive film to which the present invention is applied and a method for forming the same will be described.
The basic idea of the present invention is to form an ITO transparent conductive film on an organic substrate while applying a bias voltage by a gas flow sputtering method. explain.
本発明においては、ITO透明導電膜を成膜するための手法として、通常のスパッタ法より動作圧力が高いガスフロースパッタ法を用いる。ガスフロースパッタ法では、ターゲットでスパッタされた原子は、ターゲット後方からのスパッタガス(Arガス)の強制ガス流に乗り、基板まで輸送される。この輸送過程での圧力が通常のスパッタよりも高いので、スパッタ粒子は衝突、散乱を繰り返して熱化し、エネルギーを放出する。したがって、基板上には低エネルギー粒子が堆積し、基板にダメージが加わることはない。 In the present invention, as a technique for forming the ITO transparent conductive film, a gas flow sputtering method having a higher operating pressure than a normal sputtering method is used. In the gas flow sputtering method, atoms sputtered by a target are carried on a forced gas flow of a sputtering gas (Ar gas) from behind the target and transported to a substrate. Since the pressure in this transport process is higher than that of normal sputtering, the sputtered particles repeatedly undergo collision and scattering, become thermalized, and release energy. Therefore, low energy particles are deposited on the substrate, and the substrate is not damaged.
ここで、前記基板にはダメージが加わることがないことから、成膜基板としてプラスチック基板やプラスチックフィルム等の有機物基板を用いることができる。ターゲットのターゲット材としては、ITO透明導電膜の原料となる酸化物や金属、合金等を用いることができ、例えばインジウムの酸化物であるIn2O3と錫の酸化物であるSnO2の混合物等を用いることができる。あるいは、インジウムと錫の合金ターゲットも使用可能である。 Here, since the substrate is not damaged, an organic substrate such as a plastic substrate or a plastic film can be used as the film formation substrate. As a target material of the target, an oxide, a metal, an alloy, or the like which is a raw material of the ITO transparent conductive film can be used. For example, a mixture of In 2 O 3 which is an oxide of indium and SnO 2 which is an oxide of tin Etc. can be used. Alternatively, an alloy of indium and tin can be used.
ターゲットの形状は、円筒形や平板形等があるが、これに限られるものではなく、一端側からターゲット面に沿って強制ガス流を供給し得る形状であれば如何なるものであってもよい。スパッタに際しては、ターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、このプラズマによりスパッタ粒子を発生させる。このターゲットでは、ホロカソード放電を利用して大スパッタ電流を得ることができる。 The shape of the target may be a cylindrical shape, a flat plate shape, or the like, but is not limited thereto, and may be any shape as long as a forced gas flow can be supplied from one end side along the target surface. During sputtering, a voltage is applied to the target to generate plasma, and the plasma generates sputtered particles. In this target, a large sputter current can be obtained by utilizing a hollow cathode discharge.
基板は、例えばターゲットを中空形状のターゲットとし、その中心軸方向にスパッタガスを強制ガス流として流す場合に、この中心軸と直交して配置し、基板が強制ガス流に対向するように配置する。これにより強制ガス流が直接基板の表面に吹き付けられ、強制ガス流に乗ったスパッタ粒子が効率的に基板表面に堆積する。 The substrate is, for example, a target having a hollow shape and, when a sputtering gas is flowed as a forced gas flow in the central axis direction, the substrate is disposed orthogonal to the central axis, and the substrate is disposed so as to face the forced gas flow. . As a result, the forced gas flow is sprayed directly on the surface of the substrate, and sputter particles riding on the forced gas flow are efficiently deposited on the substrate surface.
このとき、基板とターゲットの距離は、なるべく小さく設定し、前記プラズマの影響を受けるように前記基板をターゲットに接近させることが好ましい。最適な距離は、装置構成や後述のバイアス電圧の大きさ、プラズマ条件等によっても異なるが、例えば基板とターゲット間の距離を2cm以上10cm以下とすることが好ましい。基板とターゲット間の距離が大きすぎると、基板バイアス印加の効果が不足し、低抵抗率の膜とすることが難しくなる。ただし、あまり近づけ過ぎると、基板としてプラスチックフィルム等を用いた場合に、その損傷等が問題になる虞れがあるので注意を要する。このような基板の損傷を回避するためには、例えば基板ホルダに冷却水を循環する等、冷却機構を設けることが有効である。基板ホルダに冷却機構を設け、基板の背面側から基板を冷却することで、プラズマの影響を受けるように基板を配置した際にも基板を損傷することがなくなる。 At this time, it is preferable that the distance between the substrate and the target is set as small as possible, and the substrate is brought close to the target so as to be affected by the plasma. The optimum distance varies depending on the device configuration, the magnitude of a bias voltage described later, the plasma conditions, and the like. If the distance between the substrate and the target is too large, the effect of applying the substrate bias will be insufficient, and it will be difficult to form a low resistivity film. However, if the distance is too close, when a plastic film or the like is used as a substrate, there is a possibility that damage or the like may become a problem, so care must be taken. In order to avoid such damage to the substrate, it is effective to provide a cooling mechanism such as circulating cooling water through the substrate holder. By providing a cooling mechanism in the substrate holder and cooling the substrate from the back side of the substrate, the substrate is not damaged even when the substrate is arranged so as to be affected by the plasma.
上述のガスフロースパッタ法により有機物基板上にITO透明導電膜を成膜するが、ここで重要なのは、有機物基板に対してバイアス電圧を印加することである。直流(DC)バイアス電圧あるいは交流(高周波:RF)バイアス電圧を印加し、いわゆるバイアススパッタを行うことで、成膜されるITO透明導電膜中の不純物(窒素等)をたたき出し、結晶性を向上することができ、低抵抗のITO透明導電膜とすることができる。また、通常のガスフロースパッタ法により得られるITO透明導電膜よりも硬く緻密になり、有機物基板との密着性も向上する。 The ITO transparent conductive film is formed on the organic substrate by the above-described gas flow sputtering method, and what is important here is to apply a bias voltage to the organic substrate. By applying a direct current (DC) bias voltage or an alternating current (high frequency: RF) bias voltage and performing so-called bias sputtering, an impurity (nitrogen or the like) in the ITO transparent conductive film to be formed is knocked out to improve the crystallinity. And a low-resistance ITO transparent conductive film can be obtained. Further, it becomes harder and denser than an ITO transparent conductive film obtained by a normal gas flow sputtering method, and the adhesion to an organic substrate is also improved.
図1は、ガスフロースパッタにおけるDCバイアススパッタの様子を示す概略図であり、少なくとも表面が絶縁性の基板3のその表面の少なくとも一部領域には、電極4、5が配置されている。
この電極4、5は、蒸着法やスパッタリング法によって形成された金属薄膜(アルミニウム等の金属の薄膜)がパターニングされて形成されており、基板3表面と密着している。
FIG. 1 is a schematic view showing a state of DC bias sputtering in gas flow sputtering. At least a part of the surface of a
The
また、ここでは基板3は、図1に示されているように長方形であり、電極4、5は、基板3の長手方向の二辺付近に、それぞれ配置されている。電極4、5間には、基板3の表面が露出されている。これら電極4、5は直流電源6に接続されており、二個の電極4、5に同じ大きさの電圧が印加されるようになっている。
Here, the
ターゲット1は円筒等の筒状であり、その一端が基板3の電極4、5が形成された面に向けられており、直流電源6によって電極4、5に負電圧を印加した状態でターゲット1の他端から、その円筒の内部空間にスパッタリングガス(例えばArガス)を導入し、ターゲット1に電圧を印加してターゲット1の円筒の内部空間に露出する表面をスパッタリングすると、ターゲット1から発生したスパッタ粒子2は、円筒の内部空間を流れるスパッタリングガスに乗り、基板3の表面と電極4、5の表面に到達し、そこに付着し、ITO透明導電膜が成長する。
The
成長中のITO透明導電膜は電極4、5と接触しており、基板3表面に位置する部分も電極4、5に電気的に接続されている。
従って、ITO透明導電膜は、直流電源6からの負電圧が印加された状態で成長しており、その結果、プラズマ中のスパッタリングガスの正イオンがITO透明導電膜の表面に入射しながらITO透明導電膜が成長し、その結果、結晶性が向上する。
The growing ITO transparent conductive film is in contact with the
Accordingly, the ITO transparent conductive film is grown in a state where a negative voltage is applied from the
図2は、ガスフロースパッタにおけるRFバイアススパッタの様子を示す概略図である。RFバイアススパッタの場合には、基板3の前面にアース板7を配するとともに、基板3の背面側にRF電極8を設置し、ここにマッチングボックス9やアンプ10を介してRF電源11を接続する。印加するRFバイアス電圧は、オシロスコープ12によってモニターする。RFバイアスの場合、絶縁体基板にバイアス電圧を印加することが可能である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a state of RF bias sputtering in gas flow sputtering. In the case of RF bias sputtering, an
バイアス電圧は、例えば図1に示すDCバイアスの場合には、バイアス電圧を放電プラズマ電位に対して−80V以上−10V以下とすることが好ましい。DCバイアス電圧が、放電プラズマ電位に対して−10V未満であると、得られるITO透明導電膜の抵抗率を十分に下げることができず、抵抗率10-3Ω・cm以下を実現することが難しい。逆に、DCバイアス電圧が、放電プラズマ電位に対して−80Vを越えると、堆積中に膜面での放電が確認され、膜を損傷する虞れがある。 For example, in the case of the DC bias shown in FIG. 1, it is preferable that the bias voltage be −80 V or more and −10 V or less with respect to the discharge plasma potential. If the DC bias voltage is less than −10 V with respect to the discharge plasma potential, the resistivity of the obtained ITO transparent conductive film cannot be sufficiently reduced, and a resistivity of 10 −3 Ω · cm or less can be realized. difficult. Conversely, if the DC bias voltage exceeds -80 V with respect to the discharge plasma potential, discharge on the film surface is confirmed during deposition, and the film may be damaged.
図2に示すRFバイアスの場合には、有機物基板表面に自己バイアスされるRFバイアス電圧を−100V以下(直流成分)とすることが好ましく、基板の背面に設置されるバイアス電極の電極電圧を調節する必要がある。特に、高周波バイアス電圧を有機物基板の背面側に設置した高周波電極により印加し、透明導電膜が付着する有機物基板前面の高周波電圧の平均値(直流成分)が放電プラズマ電位に対して−80V以上−10V以下となるように調節することがより好ましい。これにより抵抗率が10-4Ω・cmオーダーとなる。また、RFバイアス電圧の周波数は、300kHz以上であることが好ましい。 In the case of the RF bias shown in FIG. 2, the RF bias voltage for self-biasing the organic substrate surface is preferably -100 V or less (DC component), and the electrode voltage of the bias electrode provided on the back surface of the substrate is adjusted. There is a need to. In particular, a high-frequency bias voltage is applied by a high-frequency electrode provided on the back side of the organic substrate, and the average value (DC component) of the high-frequency voltage on the front surface of the organic substrate to which the transparent conductive film adheres is -80 V or more with respect to the discharge plasma potential. It is more preferable to adjust the voltage to 10 V or less. This results in a resistivity on the order of 10 −4 Ω · cm. Further, the frequency of the RF bias voltage is preferably 300 kHz or more.
ガスフロースパッタ方法におけるその他のスパッタ条件であるが、例えばスパッタ圧力は、13Pa以上133Pa以下とすることが好ましい。スパッタ電力は、1.6W/cm2以上11W/cm2以下とすることが好ましい。ターゲットの大きさに依存するが、例えば開口面積が80cm2の場合、Arガス流量は、1000scm以上(+1000sccm)とすることが好ましい。そのときのO2ガス流量は、10sccm以下とすることが好ましい。 The other sputtering conditions in the gas flow sputtering method are, for example, the sputtering pressure is preferably 13 Pa or more and 133 Pa or less. It is preferable that the sputtering power be 1.6 W / cm 2 or more and 11 W / cm 2 or less. Although it depends on the size of the target, for example, when the opening area is 80 cm 2 , the Ar gas flow rate is preferably 1000 scm or more (+1000 sccm). At that time, the flow rate of the O 2 gas is preferably set to 10 sccm or less.
以上が本発明におけるガスフロースパッタの概要であるが、本発明では、前記の通り、ガスフロースパッタとバイアススパッタを組み合わせることで、プラスチック基板のような有機物基板上への成膜ではこれまで達成されたことのない低抵抗率を有するITO透明導電膜の成膜を実現することができる。 The above is the outline of gas flow sputtering in the present invention.In the present invention, as described above, by combining gas flow sputtering and bias sputtering, film formation on an organic substrate such as a plastic substrate has been achieved so far. It is possible to realize the formation of an ITO transparent conductive film having a low resistivity, which has never been achieved.
ガスフロースパッタ法は、基板に損傷を与えないという点でプラスチックフィルム等の有機物基板上への成膜に有利であるが、例えばITO透明導電膜の成膜に適用した場合、低抵抗膜が得られない。ガスフロースパッタ法で成膜されたITO透明導電膜の電気特性を測定すると、1×10-2Ω・cmと高比抵抗である。その理由としては、キャリア密度が小さく、ホール移動度が非常に小さいことが挙げられる。ガスフロースパッタ法で成膜されたITO透明導電膜では、InとSnとが上手く置換されておらず、キャリア密度が小さい。また、組成分析の結果、膜中に窒素が含まれており、これが中性散乱中心となり、移動度を減少させているものと考えられる。 The gas flow sputtering method is advantageous for forming a film on an organic substrate such as a plastic film in that the substrate is not damaged, but when applied to the formation of an ITO transparent conductive film, for example, a low-resistance film is obtained. I can't. When the electrical characteristics of the ITO transparent conductive film formed by the gas flow sputtering method are measured, it is as high as 1 × 10 −2 Ω · cm. The reason is that the carrier density is small and the hole mobility is very small. In the ITO transparent conductive film formed by the gas flow sputtering method, In and Sn are not substituted well, and the carrier density is small. Further, as a result of the composition analysis, it is considered that nitrogen was contained in the film, and this became a neutral scattering center, which reduced the mobility.
バイアス印加した場合、バイアス無しの試料と比較して移動度が10倍以上になっており、このために抵抗率が減少しているものと考えられる。特に、プラズマの影響を受けるくらい基板をターゲットに近づけることで、比較的高エネルギーのスパッタ粒子が基板に堆積され、前記バイアス印加による効果との相乗効果により、極めて抵抗率の低いITO透明導電膜を成膜することができる。 When the bias was applied, the mobility was 10 times or more as compared with the sample without the bias, and it is considered that the resistivity was reduced because of this. In particular, by bringing the substrate closer to the target under the influence of the plasma, sputtered particles of relatively high energy are deposited on the substrate, and a synergistic effect with the effect of the bias application is used to form an ITO transparent conductive film having extremely low resistivity. A film can be formed.
上述の方法で成膜される本発明の透明導電膜は、インジウムと錫を含む酸化物を主体とするITO透明導電膜であり、有機物基板上に成膜されながら抵抗率が10-3Ω・cm以下という極めて低い抵抗率を有する。具体的には、DCバイアス−50Vで抵抗率2.5×10-4Ω・cm、RF電極電圧160Vで3.3×10-4Ω・cmの低抵抗膜を作製することができた。 The transparent conductive film of the present invention formed by the above-described method is an ITO transparent conductive film mainly composed of an oxide containing indium and tin, and has a resistivity of 10 −3 Ω · while being formed on an organic substrate. cm and extremely low resistivity. Specifically, a low-resistance film having a resistivity of 2.5 × 10 −4 Ω · cm at a DC bias of −50 V and a voltage of 3.3 × 10 −4 Ω · cm at an RF electrode voltage of 160 V could be produced.
本発明のITO透明導電膜は、アモルファスライクな微結晶構造を有し、明瞭な結晶構造を有する通常のスパッタ膜とは膜構造を大きく異にする。この結晶構造の相違はX線回折結果にも顕著に表れており、本発明のITO透明導電膜は、X線回折で(222)面のピークが観察され、111方位に配向する成分を有する。通常のスパッタ膜は、(400)面のピークが支配的であり、100方位に配向している。この結晶構造の相違がどのように電気抵抗に関与しているかについては、詳細な機構は不明であるが、本発明のITO透明導電膜においては、酸化インジウム錫の(222)面のピーク強度と(400)面のピーク強度の比が、1:1以上4:1以下である時に低抵抗率となることがわかっている。 The ITO transparent conductive film of the present invention has an amorphous-like microcrystalline structure, and is significantly different from a normal sputtered film having a clear crystal structure. This difference in the crystal structure is also notable in the results of X-ray diffraction. The ITO transparent conductive film of the present invention has a component in which a (222) plane peak is observed by X-ray diffraction and is oriented in 111 directions. In a normal sputtered film, the peak of the (400) plane is dominant and oriented in 100 directions. Although the detailed mechanism of how this difference in crystal structure is related to the electric resistance is unknown, in the ITO transparent conductive film of the present invention, the peak intensity of the (222) plane of indium tin oxide and It is known that the resistivity becomes low when the ratio of the peak intensities of the (400) plane is 1: 1 or more and 4: 1 or less.
以下、本発明の具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。
ガスフロースパッタ+DCバイアス
本実験では、ガスフロースパッタにおいて基板にDCバイアス電圧を印加し、その影響について調べた。
Hereinafter, specific examples of the present invention will be described based on experimental results.
Gas Flow Sputtering + DC Bias In this experiment, a DC bias voltage was applied to the substrate in gas flow sputtering, and the effect was examined.
本実験で用いたスパッタ装置の構成を図3に示す。このガスフロースパッタ装置は、真空チャンバ21や冷却機構23を有するターゲット22、ITO透明導電膜が成膜される基板24を支持する基板ホルダ25等を備え、真空チャンバ21の下方に冷却機構23を有するターゲット22が配置されるとともに、真空チャンバ21内に基板24が基板ホルダ25に取り付けて配置されている。そして、ターゲット22の後方からArガス及び酸素ガスの強制ガス流を供給することにより、ターゲット22から発生したスパッタ粒子をこの強制ガス流に乗せて基板24上に輸送し堆積する。真空チャンバ21の側方には、ターゲット22の中心軸と直交して排気口26が設けられており、供給されたArガスや酸素ガスは、この排気口26から速やかに排出される。
FIG. 3 shows the configuration of the sputtering apparatus used in this experiment. This gas flow sputtering apparatus includes a
本例のスパッタ装置では、前記真空チャンバ21の強制ガス流導入口21aには、アルミニウム等の金属板からなる放電防止板28が設けられており、この部分で発生する無用なアーク放電を防止するようにしている。
In the sputtering apparatus of this embodiment, a
ITO透明導電膜が成膜される基板24の近傍には、無用なスパッタ粒子や強制ガス流を遮断するシャッター29が設けられており、必要に応じてシャッター29が開放され、ガスフロースパッタによるITO透明導電膜の基板24上への成膜が行われる。
In the vicinity of the
前記基板24の表面には、その縁に沿って電極30が配置されている。
この電極30は、平面形状がリング状である。平面形状が異なる他は、図1の電極4、5と同じ材質、同じ構造であり、直流バイアス電源31を起動して電極30に直流電圧を印加すると、その電圧は、成長中のITO透明導電膜に印加されるように構成されている。
An
The
上述のスパッタ装置を用い、ITO透明導電膜を成膜したが、このときのDCバイアススパッタ条件は以下の通りである。
DCバイアススパッタ条件
スパッタ圧力・・・・・15Pa
スパッタ電力・・・・・500W
Arガス流量・・・・・1000sccm(+1000sccm)
O2 ガス流量・・・・・0sccm以上5sccm以下
予備排気 ・・・・・8×10-3Pa以下
基板 ・・・・・ポリエチレンテレフタレート
DCバイアス電圧(放電プラズマ電位に対して)・・・−80V以上0V以下
ターゲット ・・・・・In2O3:SnO2=95:5(重量%)
基板温度 ・・・・・室温(基板加熱なし)
The ITO transparent conductive film was formed using the above-described sputtering apparatus. The DC bias sputtering conditions at this time are as follows.
DC bias sputtering conditions Sputtering pressure: 15 Pa
Sputtering power: 500W
Ar gas flow rate ... 1000 sccm (+1000 sccm)
O 2 gas flow rate ···· 0 sccm or more and 5 sccm or less Preliminary evacuation ····· 8 × 10 −3 Pa or less Substrate ···· Polyethylene terephthalate DC bias voltage (relative to discharge plasma potential) 80 V or more and 0 V or less Target: In 2 O 3 : SnO 2 = 95: 5 (% by weight)
Substrate temperature ..... room temperature (without substrate heating)
図4は、酸素流量1.2sccmでのDCバイアス電圧と成膜されたITO透明導電膜の抵抗率の関係を示すものである。この図4から明らかなように、DCバイアス電圧を−50Vとしたときに抵抗率が最小となっている。DCバイアス電圧を−80V以上に設定したときには、堆積中に膜面で放電が確認された。 FIG. 4 shows the relationship between the DC bias voltage at an oxygen flow rate of 1.2 sccm and the resistivity of the formed ITO transparent conductive film. As is clear from FIG. 4, the resistivity is minimum when the DC bias voltage is -50 V. When the DC bias voltage was set to -80 V or higher, discharge was confirmed on the film surface during deposition.
図5は、DCバイアス電圧−50Vにおける堆積時間と抵抗率の関係を示すものである。堆積時間4分以上で抵抗率の小さいITO透明導電膜が得られている。堆積時間が4分以下では、バイアス電圧が印加されない初期層の影響があるものと考えられる。 FIG. 5 shows the relationship between the deposition time and the resistivity at a DC bias voltage of -50V. With a deposition time of 4 minutes or more, an ITO transparent conductive film having a small resistivity is obtained. When the deposition time is 4 minutes or less, it is considered that there is an influence of the initial layer to which no bias voltage is applied.
図6は各DCバイアス電圧における酸素流量と抵抗率の関係を示すものであり、図7はDCバイアス−30Vでのキャリア密度、ホール移動度の酸素流量依存性を示すものである。いずれの場合においても、酸素流量は少ない方が良好な結果となっている。 FIG. 6 shows the relationship between the oxygen flow rate and the resistivity at each DC bias voltage, and FIG. 7 shows the oxygen flow rate dependence of carrier density and hole mobility at a DC bias of -30 V. In any case, the smaller the oxygen flow rate, the better the results.
図8は、酸素流量1.2sccmとした時の各DCバイアス電圧での結晶性を示すX線回折チャートである。バイアス電圧の上昇とともに(111)配向から(100)配向に変化している。また、DCバイアス電圧−70Vでは、それ以下の場合と比較すると回折ピークが少なくなっている。 FIG. 8 is an X-ray diffraction chart showing the crystallinity at each DC bias voltage when the oxygen flow rate is 1.2 sccm. The orientation changes from the (111) orientation to the (100) orientation as the bias voltage increases. At a DC bias voltage of -70 V, the number of diffraction peaks is smaller than in the case of a voltage lower than -70 V.
図9は、得られたITO透明導電膜の表面モフォロジーを示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真(倍率60000倍)である。図9(A)はDCバイアス電圧−30V、図9(B)はDCバイアス電圧−50V、図9(C)はDCバイアス電圧−70VのときのITO透明導電膜の表面を示す。DCバイアス電圧の増加に伴って、結晶が微細化している。 FIG. 9 is a scanning electron microscope (SEM) photograph (magnification: 60,000) showing the surface morphology of the obtained ITO transparent conductive film. 9A shows the surface of the ITO transparent conductive film at a DC bias voltage of −30 V, FIG. 9B shows the surface of the ITO transparent conductive film at a DC bias voltage of −50 V, and FIG. As the DC bias voltage increases, the crystal becomes finer.
ガスフロースパッタ+RFバイアス
本実験では、ガスフロースパッタにおいて基板にRFバイアス電圧を印加し、その影響について調べた。
Gas Flow Sputtering + RF Bias In this experiment, an RF bias voltage was applied to the substrate in gas flow sputtering, and the effect was examined.
本実験で用いたスパッタ装置の構成を図10に示す。このガスフロースパッタ装置は、図3に示すスパッタ装置と基本的な構造は同じであるが、RFバイアス電圧を印加するための変更が施されている。具体的には、本例は、一対のロール32、33間でフィルム状の有機物基板34を走行させながら成膜するものである。この走行する有機物基板34の背面側にはRFバイアス電極36を備えたバイアス印加ユニット35が配置されており、このRFバイアス電極36はマッチングボックス37やアンプ38を介して高周波電源39に接続されている。前記バイアス印加ユニット35では、絶縁体40を介してアースシールド41が外周面に設けられ、また内部に冷却水を供給する冷却水循環機構42が設けられている。さらに、有機物基板34とシャッター29との間にもアースシールド43が配されている。
FIG. 10 shows the configuration of the sputtering apparatus used in this experiment. This gas flow sputtering apparatus has the same basic structure as the sputtering apparatus shown in FIG. 3, but is modified to apply an RF bias voltage. Specifically, in this example, the film is formed while the
上述のスパッタ装置を用い、ITO透明導電膜を成膜したが、このときのRFバイアススパッタ条件は下記の通りである。
RFバイアススパッタ条件
スパッタ圧力・・・・・15Pa
スパッタ電力・・・・・500W
Arガス流量・・・・・1000sccm(+1000sccm)
O2ガス流量・・・・・0sccm以上5sccm以下
予備排気 ・・・・・8×10-3Pa以下
基板 ・・・・・ポリエチレンテレフタレート(厚さ125μm)
RFバイアス電圧・・・−75V以上0V以下(直流成分)
RF電極電圧 ・・・0VP-P以上200VP-P以下
周波数 ・・・・・10MHz
ターゲット ・・・・・In2O3:SnO2=95:5(重量%)
基板温度 ・・・・・室温(基板加熱なし)
なお、上記条件において、RFバイアス電圧は、RF電極電圧波形におけるピーク電圧(peak to peak 電圧)VP-Pである。また、上記条件では基板前面のRFバイアス電圧(直流成分)は、RF電極電圧の0.28倍程度であった。
The ITO transparent conductive film was formed using the above-described sputtering apparatus. The RF bias sputtering conditions at this time are as follows.
RF bias sputtering conditions Sputter pressure: 15 Pa
Sputtering power: 500W
Ar gas flow rate ... 1000 sccm (+1000 sccm)
O 2 gas flow rate ····· 0 sccm or more and 5 sccm or less Preliminary evacuation ····· 8 × 10 -3 Pa or less Substrate ···· Polyethylene terephthalate (125 μm thickness)
RF bias voltage: -75V or more and 0V or less (DC component)
RF electrode voltage ・ ・ ・ 0V PP or more and 200V PP or less Frequency ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 10MHz
Target: In 2 O 3 : SnO 2 = 95: 5 (% by weight)
Substrate temperature ..... room temperature (without substrate heating)
In the above conditions, the RF bias voltage is a peak voltage (peak to peak voltage) V PP in the RF electrode voltage waveform. Further, under the above conditions, the RF bias voltage (DC component) on the front surface of the substrate was about 0.28 times the RF electrode voltage.
図11は、酸素流量1.2sccmでのRF電極電圧と成膜されたITO透明導電膜の抵抗率の関係を示すものである。RF電極電圧が100VP-P以上で抵抗率は10-4Ω・cmオーダーになっている。RF電極電圧160VP-Pで最小の抵抗率3.33×10-4Ω・cmが得られた。 FIG. 11 shows the relationship between the RF electrode voltage at an oxygen flow rate of 1.2 sccm and the resistivity of the formed ITO transparent conductive film. When the RF electrode voltage is 100 V PP or more, the resistivity is on the order of 10 −4 Ω · cm. A minimum resistivity of 3.33 × 10 −4 Ω · cm was obtained at an RF electrode voltage of 160 V PP .
図12は、酸素流量1.2sccmとした時の各RF電極電圧での結晶性を示すX線回折チャートである。RF電極電圧が80VP-P以上になると、(222)、(400)面のピークが観察され、結晶性の向上が認められる。160VP-P以上の電圧では、(222)面のピークはブロードになり、200VP-Pでは(400)面のピークが大きくなっている。この条件下では、RF電極電圧120VP-Pのサンプルが最も良い結果である。 FIG. 12 is an X-ray diffraction chart showing the crystallinity at each RF electrode voltage when the oxygen flow rate is 1.2 sccm. When the RF electrode voltage is 80 V PP or more, peaks on the (222) and (400) planes are observed, and improvement in crystallinity is recognized. At a voltage of 160 V PP or higher, the peak of the (222) plane is broad, and at 200 V PP , the peak of the (400) plane is large. Under these conditions, a sample with an RF electrode voltage of 120 V PP gives the best results.
図13は、得られたITO透明導電膜の表面モフォロジーを示す走査型電子顕微鏡(SEM)写真(倍率60000倍)である。図13(A)はRF電極電圧0VP-P、図13(B)はRF電極電圧40VP-P、図13(C)はRF電極電圧80VP-P、図13(D)はRF電極電圧120VP-P、図13(E)はRF電極電圧160VP-P、図13(F)はRF電極電圧200VP-PのときのITO透明導電膜の表面を示す。RF電極電圧120VP-Pまでは結晶性が良くなり、それ以上になるとグレインサイズが小さくなることが観察された。 FIG. 13 is a scanning electron microscope (SEM) photograph (magnification: 60,000) showing the surface morphology of the obtained ITO transparent conductive film. 13A shows an RF electrode voltage of 0 V PP , FIG. 13B shows an RF electrode voltage of 40 V PP , FIG. 13C shows an RF electrode voltage of 80 V PP , and FIG. 13D shows an RF electrode voltage of 120 V PP . (E) shows the surface of the ITO transparent conductive film when the RF electrode voltage is 160 V PP , and FIG. 13 (F) shows the surface of the ITO transparent conductive film when the RF electrode voltage is 200 V PP . It was observed that the crystallinity was improved up to an RF electrode voltage of 120 V PP, and that the grain size was reduced above that.
なお、上述したように、本発明では表面が絶縁性の基板の表面の電極に直流電圧を印加し、又は基板の裏面に配置された電極に交流電圧を印加することで、基板に直流電圧や交流電圧が印加されるばかりでなく、成長途中の透明導電膜に直流電圧や交流電圧が印加される。 As described above, in the present invention, a DC voltage is applied to the substrate by applying a DC voltage to the electrode on the front surface of the insulating substrate, or by applying an AC voltage to the electrode disposed on the back surface of the substrate. Not only an AC voltage is applied, but also a DC voltage or an AC voltage is applied to the growing transparent conductive film.
1……ターゲット、2……スパッタ粒子、3……基板、4,5……Al電極(DCバイアス電極)、8……RF電極
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