JP2005105391A - 金属酸化物の成膜方法および成膜装置、有機ｅｌ素子の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スパッタリングにおけるスパッタ粒子（薄膜構成原子）の持つ運動エネルギーを軽減することにより、通常のスパッタリングによる優れた膜構造の特徴を活かしつつ有機層上に特性の良い成膜を可能にする、金属酸化物の成膜方法および成膜装置、有機ＥＬ素子の製造方法および製造装置を提供する。
【解決手段】 スパッタ法により基板１に金属酸化物の薄膜を形成する方法であって、薄膜構成原子が前記基板１に向かう際にプラズマガスの原子との衝突回数を増大させ、またその衝突により薄膜構成原子の基板方向成分の飛行速度を効率的に減速させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属酸化物の成膜方法およびその成膜装置に関し、特に有機エレクトロルミネッセンス素子（以下、「有機ＥＬ素子」と記す）の製造に有用な製造方法および製造装置に関する。

現在、導電性酸化物薄膜などの透明電極の成膜方法は、真空中でプラズマにより活性化された原子による弾性衝突を用いたスパッタリングやイオンプレーティングが主流となっている。スパッタリングやイオンプレーティングではガラス基板を２５０〜４００℃に加熱したり、基板に飛来するスパッタ粒子の運動エネルギーを増加させることで、特性の良い透明導電酸化物薄膜を作製している。この成膜方法は、緻密な膜が早いレートで作製できるところがメリットである。
しかし、上面出射方式表示素子(Top Emission素子)では透明電極は有機層上に成膜しなくてはならない。下地となる有機膜はガラス基板などとは異なり、物理的にも化学的にも外部からの影響を受けやすい物質である。したがって、従来方式のスパッタリングによりTop Emission素子の作製を行うと、物理衝撃や熱などが加わり、有機層が劣化するため特性が大幅に低下してしまうことがあった。

そこで、上記のような問題を解決するため、マグネトロンスパッタリング法により有機層上に金属酸化物を成膜する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この成膜方法は、基板とこれに対向して配置されるターゲットを特定の角度に傾けて配置し、ターゲットからたたき出されたスパッタ粒子の基板入射角度を７５゜以下となるように制限を加える方法である。また、基板温度は１００℃以下でスパッタリングすることとしている。
特開２００２−１２９３１９号公報

普通のマグネトロンスパッタ法では、陰極成膜時に基板に飛来する粒子の運動エネルギーが大きいために下地層の有機物を劣化させてしまう問題があった。（そのため、Top Emission素子の特性が低下してしまうという問題がある。）
また、上記のような成膜方法では、基板とターゲットを特定の角度に傾けて配置しているため、基板温度は上がらないとしても、スパッタ粒子の斜め入射成分の割合が多くなる。斜め入射成分の割合が多くなると、膜の柱状構造が粗くなり、その結果膜の密度が小さくなる。また、斜め入射成分の方向に偏りがある場合にも、膜の柱状構造が粗くなり、結果として膜の密度が小さくなる。さらに、結晶性を有する膜を成膜した場合に、斜め入射成分の方向に偏りがあると、柱状構造は基板面法線に対して斜めに成長するため、成膜された膜の結晶配向性はこの柱状構造の傾斜した成長方向に依存したものとなる。そのため、電気的特性、磁気的特性、光学的特性等の機能的な特性は特に膜の構造に大きく影響されるため、特性の良い膜の成膜が難しいという問題がある。

本発明は、上記成膜方法とは別の観点からスパッタリングにおけるスパッタ粒子（薄膜構成原子）の持つ運動エネルギーを軽減することに着目してなされたものであり、通常のスパッタリングによる優れた膜構造の特徴を活かしつつ有機層上に特性の良い成膜を可能にする、金属酸化物の成膜方法および成膜装置、有機ＥＬ素子の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

本発明に係る金属酸化物の成膜方法は、スパッタ法により基板に金属酸化物の薄膜を形成する方法であって、薄膜構成原子が前記基板に向かう際にプラズマガスの原子との衝突回数を増大させ、またその衝突により薄膜構成原子の基板方向成分の飛行速度を効率的に減速させることを特徴とする。

本発明では、スパッタリングによりターゲットよりたたき出された薄膜構成原子に積極的にプラズマガスの原子を衝突させ衝突回数を多くして、またその衝突により薄膜構成原子の基板方向成分の飛行速度を効率的に減速させてから基板に堆積させるものである。したがって、プラズマガスの原子との衝突により薄膜構成原子は様々な方向から基板に入射することになり、そのため成膜された膜の構造は、密度の大きい、配向性の良い、緻密な構造となる。さらに、基板に到達する薄膜構成原子の運動エネルギーが軽減されているため、基板温度はほとんど上昇せず、常温すなわち無加熱でスパッタリングを行うことができる。よって、有機層の劣化を生じることなく電気的・磁気的・光学的特性等に優れた金属酸化物の薄膜を成膜することができる。

本発明の金属酸化物の成膜方法においては、薄膜構成原子の放出方向とほぼ反対方向にプラズマガスを噴出させることが好ましい。
この方法によれば、薄膜構成原子とプラズマガスの原子との衝突回数が多くなり、またその衝突により薄膜構成原子の基板方向成分の飛行速度を効率的に減速させるため上記の作用効果を効率よく達成することができる。

本発明の金属酸化物の成膜方法においては、薄膜構成原子の放出方向とほぼ垂直方向に一部の薄膜構成ガスを導入することもできる。
例えば、酸素ガスはターゲットとは別に、薄膜構成原子の放出方向とほぼ垂直方向に真空チャンバ内に導入することによって目的の成分を持つ薄膜を成膜することができる。

本発明の金属酸化物の成膜方法においては、導入ガスの排気は基板と反対のターゲット側より行う。
この方法によって、プラズマガスのターゲットへ向かう流れを均一かつ高密度にすることができ、薄膜構成原子とプラズマガスの原子との衝突回数を多くすることができるとともに、成膜された膜の膜厚分布を均一にすることができる。また、シート抵抗値が均一な分布を有するものとなる。

また、本発明の金属酸化物の成膜装置は、基板と、薄膜構成元素の一部または全部を含むターゲットとを平行に対向配置したスパッタ装置において、プラズマガスの噴出口を前記ターゲットを指向するように基板側に設けたことを特徴とする。
本成膜装置の構成によれば、プラズマガスはターゲットに向けて噴出されることになるため、薄膜構成原子とプラズマガスの原子との衝突回数が多くなり、またその衝突により薄膜構成原子の基板方向成分の飛行速度を効率的に減速させるため、上述した特性の良い膜を成膜することができる。

また、プラズマガスの噴出口は、口径をガス配管径よりも小さくするのがよい。これによって、プラズマガスに初速度を与えることができるので、衝突により薄膜構成原子の運動エネルギーを軽減するのに効果がある。

また、導入ガスの排気手段は、前記ターゲット側に配設された複数の排気口を有するものとするのがよい。
この構成により、導入ガスを均一に排気することができ、プラズマガスのターゲットへ向かう流れを均一にすることができる。そのため、膜厚分布の均一化、シート抵抗値分布の均一化が可能となる。

また、前記ターゲットは、中央部に排気口を有する構成とすることもできる。ターゲットの周辺部のみならず中央部からも排気を行うことにより、プラズマガスのターゲットへ向かう流れをより均一にすることができる。

本発明の有機ＥＬ素子の製造方法は、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属酸化物の成膜方法または請求項５乃至８のいずれかに記載の金属酸化物の成膜装置を用いて、基板の有機層上に透明電極を成膜することを特徴とする。

また、本発明の有機ＥＬ素子の製造装置は、請求項９記載の有機ＥＬ素子の製造方法に使用することを特徴とする。
したがって、上述した本発明の成膜方法または成膜装置を用いることにより、基板の有機層上に性能の良い透明電極を成膜することができ、有機ＥＬ素子の製造に効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の成膜方法の原理を示す説明図、図２はより具体的な成膜装置の構成図である。
基板１とターゲット２は、真空チャンバ３内において所定の間隔（例えば、基板−ターゲット間距離１２０ｍｍ）を隔てて平行に対向配置される。基板１は基板ホルダー４により保持され、ターゲット２はターゲットホルダー５により保持されている。成膜される基板１は、目的物質の金属酸化物薄膜を形成するために用いられる基板であり、下地基板の材質、あるいは下地基板の有無は問わないが、少なくとも膜形成面が有機層を有し、あるいは全体が有機物からなる基板である。例えば、図３に示すようなTop Emission素子の有機ＥＬ素子の場合、下地基板のガラス基板２１上に順次形成された陽極２２、有機層からなる正孔注入層２３、発光層２４、および電子注入層２５を有する有機層成膜済みのものが成膜の対象となる基板１である。この有機層の電子注入層２５の上に、例えばＩＴＯからなる透明な陰極２６が本発明により成膜される。

ターゲット２は、例えばＩＴＯ（インジウムと錫の金属酸化物、Ｉｎ₂Ｏ₃：９５％、ＳｎＯ₂：５％）により構成される。もちろんターゲット２は、合金製でなくてもよく、膜構成元素のそれぞれを含む純金属製のターゲットを用いてもよい。この場合、酸素は酸素ガスとして別途導入する。すなわち、ターゲット２は、薄膜構成元素の一部または全部を含むものである。ターゲット２の個数、配置、構造等には特に制限はない。

基板１の周囲にはプラズマガス供給管６が配設される。プラズマガスはターゲット２より放出する原子の放出方向と反対の方向（すなわち基板側）より供給するようになっており、プラズマガスのイオンによりたたき出されたターゲット２の構成原子が基板２に向かう際にプラズマガスの原子との衝突回数を増大させることにより、ターゲット２の構成原子の飛行速度を減速させ運動エネルギーを減少させることにしている。プラズマガスには、ここではＡｒガスを用いているが、特にＡｒに限定されるものではない。また、衝突によりターゲット構成原子の運動エネルギーを軽減させるために、プラズマガスには噴出圧力をかけ、初速度を与えた状態で真空チャンバ３内へ導入することが好ましい。そのため、プラズマガスの噴出口７は供給管６の配管口径より小さい口径となっている。また、ガス噴出口７はターゲット２を指向するように基板１の周囲にほぼ等間隔に複数配設されている。これにより、基板１とターゲット２間に、より均一かつ高密度にプラズマガスを満たすことができる。

導入ガスの排気手段８は、ガスの流れが基板１側からターゲット２側へ向かうように真空チャンバ３の下部（ターゲット側）に設置されている。この排気手段８は、例えば図２に示すように、仕切り板９に複数設けられた排気口１０と、真空チャンバ３の底部に設けられ真空ポンプ（図示せず）に接続される少なくとも１つの吸引口１１とから構成されている。また、ターゲット２の中央部からも排気できるように排気口１２をターゲット２およびターゲットホルダー５に設けてもよい。仕切り板９に設けられる排気口１０はターゲット２の周辺部にほぼ均等に配設され、これによって均一にガスを排気することができる。また、膜厚分布の均一化、シート抵抗値分布の均一化が可能となる。

基板１上に成膜される薄膜の構成元素の一部として酸素ガスを真空チャンバ３内に導入する場合は、酸素ガス導入口１３を真空チャンバ３の側面に設け、ターゲット２の構成原子の放出方向とほぼ垂直方向に酸素ガスを導入する。

本発明の成膜方法によれば、衝突後の薄膜構成原子（スパッタ粒子）の運動エネルギーは次のようになるものと考えられる。例えば、Ａｒ（原子量約４０）とＩｎ（原子量約１１５）が衝突（弾性衝突）する場合、真空圧８×１０^-4Ｐａの場合、従来のスパッタ法ではスパッタ粒子（Ｉｎ）の運動エネルギーは１０ｅＶ程度である。速度は１２９ｍ／ｓ程度である。したがって、このような高い運動エネルギーでもって有機層上に成膜すると、有機層がダメージを受けることになる。これに対して、本発明ではスパッタガスのＡｒに初速度を与えているため、衝突後のスパッタ粒子（Ｉｎ）の運動エネルギーは４ｅＶ程度、速度は８１ｍ／ｓ程度となる。有機層を構成するＣ−Ｃ、Ｃ−Ｈ、Ｈ−Ｃ₆Ｈ₅などの結合エネルギーは４〜５ｅＶ付近にあるので、これらの有機分子の結合が外れることはなく、したがって有機層にダメージを与えることなく成膜することができる。しかも、基板温度は常温で、すなわち基板を加熱することなく無加熱でスパッタリングを行うことができる。さらに、衝突によりスパッタ粒子はあらゆる方向から基板１に入射するので、従来法と同様に緻密で特性の良い構造の膜を作製することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。比較の対象は図３に示した有機ＥＬ素子とした。また、本実施例は図１の方法により成膜し、従来例は図７に示すように従来通りのスパッタ法により成膜した。すなわち、基板１とターゲット２を上下に平行に配置し、横方向からＡｒガスを導入し、反対側の横方向へ導入ガスを吸引排気することとした。
成膜条件は次のとおりとした。
Ａｒガス流量：２０ｓｃｃｍ
印加電圧：２００Ｖ
電流値：１Ａ
到達真空圧：８×１０^-4Ｐａ
成膜圧力：５〜８Ｐａ
温度：無加熱
基板−ターゲット間距離：１２０ｍｍ

評価は、有機ＥＬ素子のＩ−Ｖ−Ｌ特性と膜厚分布で行った。図４は有機ＥＬ素子の電流密度（Ｉ）−電圧（Ｖ）特性を示し、図５は有機ＥＬ素子の輝度（Ｌ）−電流密度（Ｉ）特性を示す。また、図６はＩＴＯ陰極の膜厚分布を示す。
これらの図にみられるように、実施例の有機ＥＬ素子は、従来例と比較して、より低電圧での駆動が可能で、高輝度を有し、かつ膜厚分布がより平坦化されている。

なお、本発明は、ＤＣスパッタ法、ＲＦスパッタ法のいずれにも適用できるものである。また、スパッタ装置はバッチ式に限らず、連続式でもよいものであり、搬送型、あるいは回転型のスパッタ装置にも適用できるものである。
また、本発明における金属酸化物は、導電性を有するものに限らず、絶縁性を有するものでもよい。
また、本発明は、フレキシブル基板や半導体素子など、基板が物理的化学的影響を受けやすいもの全般に利用することができる。

本発明の金属酸化物の成膜方法の説明図。 本発明の実施形態による金属酸化物の成膜装置の構成図。 本発明が適用される有機ＥＬ素子の一例を示す構成図。 有機ＥＬ素子の電流密度−電圧特性についての実施例と従来例の比較図。 有機ＥＬ素子の輝度−電流密度特性についての実施例と従来例の比較図。 ＩＴＯ陰極の膜厚分布についての実施例と従来例の比較図。 従来のスパッタ法の模式図。

符号の説明

１ 基板、２ ターゲット、３ 真空チャンバ、４ 基板ホルダー、５ ターゲットホルダー、６ プラズマガス供給管、７ ガス噴出口、８ 排気手段、９ 仕切り板、１０ 排気口、１１ 吸引口、１２ 排気口、１３ 酸素ガス導入口、２１ ガラス基板、２２ 陽極、２３ 正孔注入層、２４ 発光層、２５ 電子注入層、２６ 陰極

Claims (10)

1. スパッタ法により基板に金属酸化物の薄膜を形成する方法であって、薄膜構成原子が前記基板に向かう際にプラズマガスの原子との衝突回数を増大させ、またその衝突により薄膜構成原子の基板方向成分の飛行速度を効率的に減速させることを特徴とする金属酸化物の成膜方法。
2. 薄膜構成原子の放出方向とほぼ反対方向にプラズマガスを噴出させることを特徴とする請求項１記載の金属酸化物の成膜方法。
3. 薄膜構成原子の放出方向とほぼ垂直方向に一部の薄膜構成ガスを導入することを特徴とする請求項１または２記載の金属酸化物の成膜方法。
4. 導入ガスの排気は基板と反対のターゲット側より行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の金属酸化物の成膜方法。
5. 基板と、薄膜構成元素の一部または全部を含むターゲットとを平行に対向配置したスパッタ装置において、プラズマガスの噴出口を前記ターゲットを指向するように基板側に設けたことを特徴とする金属酸化物の成膜装置。
6. プラズマガスの噴出口は、口径がガス配管径よりも小さいことを特徴とする請求項５記載の金属酸化物の成膜装置。
7. 導入ガスの排気手段は、前記ターゲット側に配設された複数の排気口を有することを特徴とする請求項５または６記載の金属酸化物の成膜装置。
8. 前記ターゲットは、中央部に排気口を有することを特徴とする請求項７記載の金属酸化物の成膜装置。
9. 請求項１乃至４のいずれかに記載の金属酸化物の成膜方法または請求項５乃至８のいずれかに記載の金属酸化物の成膜装置を用いて、基板の有機層上に透明電極を成膜することを特徴とする有機ＥＬ素子の製造方法。
10. 請求項９記載の有機ＥＬ素子の製造方法に使用することを特徴とする有機ＥＬ素子の製造装置。
    

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