JP2008084824A - Manufacturing method of conductor - Google Patents

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太郎 一杉
Atsuki Ueda
敦希 植田
Naotomi Yamada
直臣 山田
Tetsuya Hasegawa
哲也 長谷川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a conductor which excels in conductivity and has proper transparency. <P>SOLUTION: The manufacturing method of a conductor includes a process in which a precursor layer 12' comprising a titanium oxide with an addition of one or a plurality of dopants selected from among a group comprising Nb, Ta, Mo, As, Sb, Al, Hf, Si, Ge, Zr, W, Co, Fe, Cr, Sn, Ni, V, Mn, Tc, Re, P and Bi and a process in which the precursor layer 12' is annealed, under a reducing atmosphere for forming a metal oxide layer 12. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、導電体の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a conductor.

近年、液晶表示パネルの大型化および小型携帯化へのニーズが高くなっている。これを実現するためには、表示素子の低消費電力化が必要となり、可視光線透過率が高く、かつ抵抗値が低い透明電極の適用が不可欠になる。   In recent years, there is a growing need for large-sized and small-sized liquid crystal display panels. In order to realize this, it is necessary to reduce the power consumption of the display element, and it is indispensable to apply a transparent electrode having a high visible light transmittance and a low resistance value.

特に、最近開発されつつある有機エレクトロルミネッセンス素子は、自発光タイプであり、小型携帯端末への適用においては有効であるが、電流駆動で消費電力が大きいという問題点がある。また、現在、市場に広まりつつあるプラズマディスプレイパネル(PDP)、および次世代のディスプレイとして開発されつつあるフィールドエミッションディスプレイ(FED)は、高消費電力な構造であるという問題点がある。これらの点から、透明導電性薄膜の低抵抗化への期待は大きい。   In particular, an organic electroluminescence element that is being developed recently is a self-luminous type and is effective in application to a small portable terminal, but has a problem that power consumption is large due to current driving. In addition, plasma display panels (PDPs) that are currently spreading on the market and field emission displays (FEDs) that are being developed as next-generation displays have a problem of high power consumption. From these points, there is a great expectation for reducing the resistance of the transparent conductive thin film.

透明導電性薄膜の代表例は、スズをドープした酸化インジウムからなるインジウム・ティン・オキサイド膜(以下、ITO膜という)である。ITO膜は透明性に優れ、高い導電性を有するものの、Inの地殻含有率が50ppbと少なく、資源の枯渇とともに原料のコストが上昇してしまうという欠点がある。   A typical example of the transparent conductive thin film is an indium tin oxide film (hereinafter referred to as an ITO film) made of indium oxide doped with tin. Although the ITO film is excellent in transparency and has high conductivity, the crustal content of In is as low as 50 ppb, and there is a drawback that the cost of raw materials increases with the depletion of resources.

近年、透明導電体の材料として、耐薬品性および耐久性を兼ね備えた二酸化チタン(TiO)が注目されている(例えば下記非特許文献1)。
下記特許文献1には、基板上に、アナターゼ型結晶構造を有するM:TiO(MはNb、Taなど)からなる金属酸化物層を成膜して透明伝導体を得る方法が提案されている。ここでは、エピタキシャル成長により成膜した、アナターゼ型結晶構造を有するM:TiOの単結晶薄膜(固溶体)が、透明性を維持しつつ電気伝導度を著しく向上させることが示されている。
下記特許文献2には、透明基体上に、水素を含有する透明高屈折率薄膜層と、金属薄膜層とが交互に積層された積層体を形成して透明導電性薄膜積層体を得る方法が提案されている。透明高屈折率薄膜層は、例えば酸化チタンからなる。
いずれの文献にも金属酸化物層を形成した後にアニールすることについては記載されていない。
応用物理 第73巻第5号(2004)587項〜592項 国際公開第2006/016608号パンフレット 特開2004−95240号公報
In recent years, titanium dioxide (TiO 2 ) having both chemical resistance and durability has attracted attention as a material for transparent conductors (for example, Non-Patent Document 1 below).
Patent Document 1 below proposes a method of obtaining a transparent conductor by forming a metal oxide layer made of M: TiO 2 (M is Nb, Ta, etc.) having an anatase crystal structure on a substrate. Yes. Here, it is shown that a single crystal thin film (solid solution) of M: TiO 2 having an anatase type crystal structure formed by epitaxial growth remarkably improves electrical conductivity while maintaining transparency.
The following Patent Document 2 discloses a method of forming a transparent conductive thin film laminate by forming a laminate in which transparent high-refractive-index thin film layers containing hydrogen and metal thin film layers are alternately laminated on a transparent substrate. Proposed. The transparent high refractive index thin film layer is made of, for example, titanium oxide.
None of the documents describes annealing after the metal oxide layer is formed.
Applied Physics Vol.73, No.5 (2004), 587-592 International Publication No. 2006/016608 Pamphlet JP 2004-95240 A

特許文献1に記載されているアナターゼ型結晶構造を有するM:TiOの単結晶薄膜は、製造が難しく、生産性が良くないため、実現性が低い。
特許文献2における透明屈折率薄膜層は、成膜時に水素を含有させるため、透明性が不充分となりやすい。
このように、電気的抵抗が小さく、かつ透明性に優れた導電体を実現することは容易ではなかった。
The single crystal thin film of M: TiO 2 having an anatase type crystal structure described in Patent Document 1 is difficult to manufacture and has poor productivity, and thus has low feasibility.
Since the transparent refractive index thin film layer in Patent Document 2 contains hydrogen during film formation, the transparency tends to be insufficient.
Thus, it has not been easy to realize a conductor having a small electrical resistance and excellent transparency.

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、導電性に優れるとともに、透明性が良好な酸化チタン系導電体を生産性良く製造できる方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method capable of producing a titanium oxide-based conductor excellent in conductivity and excellent in transparency with high productivity.

前記課題を解決するために、本発明の導電体の製造方法は、Nb、Ta、Mo、As、Sb、Al、Hf、Si、Ge、Zr、W、Co、Fe、Cr、Sn、Ni、V、Mn、Tc、Re、P及びBiからなる群から選ばれる1又は2以上のドーパントが添加された酸化チタンからなる前駆体層を、基体表面上に形成する工程と、前記前駆体層を還元雰囲気下でアニールして金属酸化物層を形成する工程を有することを特徴とする。   In order to solve the above problems, the method for producing a conductor of the present invention includes Nb, Ta, Mo, As, Sb, Al, Hf, Si, Ge, Zr, W, Co, Fe, Cr, Sn, Ni, Forming a precursor layer made of titanium oxide to which one or more dopants selected from the group consisting of V, Mn, Tc, Re, P and Bi are added on the surface of the substrate; and It has a step of forming a metal oxide layer by annealing in a reducing atmosphere.

本発明によれば、導電性に優れるとともに、透明性が良好な酸化チタン系導電体を生産性良く製造できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being excellent in electroconductivity, a transparent titanium oxide type conductor can be manufactured with sufficient productivity.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は本発明の一実施形態を示す断面図である。本実施形態では、まず基板(基体)11の表面上に、特定のドーパントが添加された酸化チタンからなる前駆体層12’を形成した後、該前駆体層12’を還元雰囲気下でアニールして、金属酸化物からなる導電層(導電体)12を得る。導電層12は特定のドーパントを含む酸化チタンからなっており、以下、金属酸化物層12ということもある。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the present invention. In the present embodiment, first, a precursor layer 12 ′ made of titanium oxide to which a specific dopant is added is formed on the surface of a substrate (base) 11, and then the precursor layer 12 ′ is annealed in a reducing atmosphere. Thus, a conductive layer (conductor) 12 made of a metal oxide is obtained. The conductive layer 12 is made of titanium oxide containing a specific dopant, and may hereinafter be referred to as a metal oxide layer 12.

<基体>
基体の材質は特に限定されない。例えば単結晶材料、多結晶材料、またはアモルファス材料でもよく、これらの結晶状態が混在する材料でもよい。
具体例としては、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)の単結晶または多結晶からなる基板;ペロブスカイト型結晶構造またはそれと類似構造を有する岩塩型結晶からなる単結晶基板または多結晶基板;水晶基板;ノンアルカリガラス(例えば旭硝子社製、製品名:AN100)等のガラス基板;プラスチック基板;表面に熱酸化膜が形成されたシリコン基板(熱酸化Si基板)等の半導体基板等が挙げられる。これらは、本発明の効果を損なわない範囲でドーパント、不純物などが含まれていてもよい。
基板11としてSrTiOの単結晶基板を用いる場合は、基板表面が(100)面となるように仕上げられた基板が好ましい。
本発明は、表面の少なくとも一部がアモルファスである基体であっても、該基体の表面上に良好な導電膜を形成できる。本発明において、基体の結晶状態は、多結晶、アモルファス、または多結晶とアモルファスとが混在する状態が好ましい。
<Substrate>
The material of the substrate is not particularly limited. For example, a single crystal material, a polycrystalline material, or an amorphous material may be used, and a material in which these crystal states are mixed may be used.
Specific examples include a substrate composed of a single crystal or polycrystal of strontium titanate (SrTiO 3 ); a single crystal substrate or a polycrystal substrate composed of a rock salt type crystal having a perovskite crystal structure or a similar structure; a quartz substrate; a non-alkali substrate Examples thereof include glass substrates such as glass (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., product name: AN100), plastic substrates, and semiconductor substrates such as silicon substrates (thermally oxidized Si substrates) having a thermal oxide film formed on the surface. These may contain dopants, impurities and the like as long as the effects of the present invention are not impaired.
When a single crystal substrate of SrTiO 3 is used as the substrate 11, a substrate finished so that the substrate surface becomes a (100) plane is preferable.
The present invention can form a good conductive film on the surface of the substrate even if the substrate has an amorphous surface. In the present invention, the crystalline state of the substrate is preferably polycrystalline, amorphous, or a mixture of polycrystalline and amorphous.

本発明における基体の形状は特に限定されない。例えば板状の基板11であってもよく、プラスチックフィルム等のフィルム状であってもよい。
基板11の厚さは特に限定されない。基板11の透明性が要求される場合には1mm以下が好ましい。板状の基板において機械的強度が求められ、透過率を多少犠牲にしてもよい場合であれば、1mmより厚くてもよい。基板11の厚さは、例えば0.2〜1mmが好ましい。
The shape of the substrate in the present invention is not particularly limited. For example, it may be a plate-like substrate 11 or a film such as a plastic film.
The thickness of the substrate 11 is not particularly limited. When the transparency of the substrate 11 is required, 1 mm or less is preferable. If a plate-like substrate is required to have mechanical strength and the transmittance may be sacrificed somewhat, it may be thicker than 1 mm. The thickness of the substrate 11 is preferably 0.2 to 1 mm, for example.

基板11は、必要に応じて研磨したものを用いることができる。SrTiO基板等の結晶性を有する基板は、研磨して用いることが好ましい。例えば研磨材としてダイヤモンドスラリーを使用して機械研磨する。該機械研磨では、使用するダイヤモンドスラリーの粒径を徐々に微細化してゆき、最後に粒径約0.5μmのダイヤモンドスラリーで鏡面研磨することが好ましい。その後、更にコロイダルシリカを用いて研磨することにより、表面粗さの二乗平均粗さ(rms)が10Å(1nm)以下となるまで平坦化させてもよい。 The substrate 11 can be polished if necessary. A crystalline substrate such as a SrTiO 3 substrate is preferably used after being polished. For example, mechanical polishing is performed using diamond slurry as an abrasive. In the mechanical polishing, it is preferable that the particle diameter of the diamond slurry to be used is gradually refined and finally mirror-polished with a diamond slurry having a particle diameter of about 0.5 μm. Then, it may be further flattened by polishing using colloidal silica until the root mean square roughness (rms) is 10 mm (1 nm) or less.

前駆体層12’を形成する前に、基板11を前処理してもよい。該前処理は例えば以下の手順で行うことができる。まず基板をアセトン、エタノール等により洗浄する。次に、基板を高純度塩酸(例えば、ELグレード、濃度36質量%、関東化学社製)中に2分間浸す。次に、基板を純水中に移して塩酸等をすすぐ。次に、基板を新たな純水中に移し、ここで超音波洗浄を5分間行う。次に、基板を純水中から取り出し、窒素ガスを基板表面に吹き付けて水分を基板表面から除去する。これらの処理は例えば室温で行う。これらの処理により、基板表面から酸化物、有機物等が除去されると考えられる。上記の例では塩酸を使用したが、これに代えて王水、フッ酸等の酸を使用してもよい。また、酸による処理は室温下で行ってもよいし、加熱した酸を使用してもよい。   Prior to the formation of the precursor layer 12 ', the substrate 11 may be pretreated. The pretreatment can be performed by the following procedure, for example. First, the substrate is washed with acetone, ethanol or the like. Next, the substrate is immersed in high-purity hydrochloric acid (for example, EL grade, concentration 36 mass%, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) for 2 minutes. Next, the substrate is moved into pure water and rinsed with hydrochloric acid or the like. Next, the substrate is moved into new pure water, and ultrasonic cleaning is performed for 5 minutes. Next, the substrate is taken out from the pure water, and nitrogen gas is blown onto the substrate surface to remove moisture from the substrate surface. These treatments are performed at room temperature, for example. These treatments are considered to remove oxides, organic substances, etc. from the substrate surface. Although hydrochloric acid was used in the above example, an acid such as aqua regia or hydrofluoric acid may be used instead. Further, the treatment with an acid may be performed at room temperature, or a heated acid may be used.

<前駆体層>
前駆体層12’は、Nb、Ta、Mo、As、Sb、Al、Hf、Si、Ge、Zr、W、Co、Fe、Cr、Sn、Ni、V、Mn、Tc、Re、P及びBiからなる群から選ばれる1又は2以上のドーパントが添加された酸化チタンからなる。本発明における該酸化チタンはTiOのTiサイトが金属原子M(ドーパント)で置換されたものであり、以下「M:TiO」と表すことがある。前駆体層12’において、ドーパントの金属原子(M)、酸素原子(O)、およびチタン原子(Ti)以外の不純物の含有量は0.1原子%以下であることが好ましい。
特に、ドーパントとしてNb、Ta、Mo、As、Sb、Al、Hf、Si、Ge、Zr又はWを用いると、金属酸化物層12の透明度を維持しつつ電気伝導度の向上が期待できる。また、ドーパントとしてCo、Fe、Cr、Sn、Ni、V、Mn、Tc、Re、P又はBiを用いると、磁気光学効果や強磁性も期待できる。
上記に挙げたドーパントのうちで、Nb、Ta、Mo、As、Sb又はWを用いることが好ましく、特にNbおよび/又はTaを用いることが、導電性を良好とする点で好ましい。
<Precursor layer>
The precursor layer 12 ′ is made of Nb, Ta, Mo, As, Sb, Al, Hf, Si, Ge, Zr, W, Co, Fe, Cr, Sn, Ni, V, Mn, Tc, Re, P, and Bi. It consists of titanium oxide to which one or more dopants selected from the group consisting of: The titanium oxide in the present invention is one in which the Ti site of TiO 2 is substituted with a metal atom M (dopant), and may hereinafter be represented as “M: TiO 2 ”. In the precursor layer 12 ′, the content of impurities other than the dopant metal atom (M), oxygen atom (O), and titanium atom (Ti) is preferably 0.1 atomic% or less.
In particular, when Nb, Ta, Mo, As, Sb, Al, Hf, Si, Ge, Zr, or W is used as a dopant, an improvement in electrical conductivity can be expected while maintaining the transparency of the metal oxide layer 12. Further, when Co, Fe, Cr, Sn, Ni, V, Mn, Tc, Re, P, or Bi is used as a dopant, a magneto-optical effect and ferromagnetism can be expected.
Among the dopants listed above, it is preferable to use Nb, Ta, Mo, As, Sb, or W, and it is particularly preferable to use Nb and / or Ta from the viewpoint of improving conductivity.

前駆体層12’におけるドーパントの含有量はアニール後も維持される。したがって、前駆体層12’におけるドーパントの含有量は、アニール後に得ようとする金属酸化物層12のドーパント含有量と同じに設定する。
金属酸化物層12におけるドーパントの含有量は、チタン原子(Ti)とドーパントの金属原子(M)との合計量を100原子%とすると(以下、同様。)、0原子%超かつ50原子%以下が好ましい。50原子%より大きくなると、アニール後の金属酸化物層12において母物質であるTiOの特性が小さくなってしまう。より好ましくは20原子%以下、特に10原子%以下である。一方、アニール後の金属酸化物層12における高透明性と低抵抗を良好に両立させるうえで、前駆体層12’におけるドーパントの含有量は1原子%以上がより好ましい。
またドーパントの含有量によって、金属酸化物層12における光透過特性を調整することもできる。例えばNbドープ量を多くすることによって、長波長の赤色領域をカットし、青色のみ透過するように構成することも可能である。
The dopant content in the precursor layer 12 ′ is maintained after annealing. Therefore, the dopant content in the precursor layer 12 ′ is set to be the same as the dopant content in the metal oxide layer 12 to be obtained after annealing.
The content of the dopant in the metal oxide layer 12 is more than 0 atomic% and 50 atomic% when the total amount of titanium atoms (Ti) and the metal atoms (M) of the dopant is 100 atomic% (the same applies hereinafter). The following is preferred. If it exceeds 50 atomic%, the characteristics of TiO 2 as a base material in the metal oxide layer 12 after annealing will be reduced. More preferably, it is 20 atomic% or less, and especially 10 atomic% or less. On the other hand, the content of the dopant in the precursor layer 12 ′ is more preferably 1 atomic% or more in order to achieve both good high transparency and low resistance in the annealed metal oxide layer 12.
Moreover, the light transmission characteristic in the metal oxide layer 12 can also be adjusted with content of a dopant. For example, by increasing the Nb doping amount, it is possible to cut the long-wavelength red region and transmit only blue light.

前駆体層12’の結晶状態は、アニール後の金属酸化物層12の結晶状態に影響を与える。したがって、アニール後に所望の結晶状態が得られるように、前駆体層12’の結晶状態を設定する。
アニール後の金属酸化物層12における結晶状態は、アモルファス状態、多結晶状態、またはアモルファスと多結晶とが混在している状態が好ましいが、より低抵抗となりやすい点で、多結晶状態、またはアモルファスと多結晶とが混在している状態がより好ましい。さらに、製造が容易である点で、一部がアモルファスになっている状態、つまりアモルファスと多結晶の存在が確認できる混在状態が好ましい。金属酸化物層12に多結晶が存在する場合、該多結晶を構成する結晶は、より低抵抗となりやすい点でアナターゼ型が好ましい。
また、アモルファス構造には一般に複屈折がないため、アモルファス状態、またはアモルファスと多結晶とが混在している状態は、光学的にも好ましい。
The crystal state of the precursor layer 12 ′ affects the crystal state of the metal oxide layer 12 after annealing. Therefore, the crystal state of the precursor layer 12 ′ is set so that a desired crystal state can be obtained after annealing.
The crystal state of the annealed metal oxide layer 12 is preferably an amorphous state, a polycrystalline state, or a state in which amorphous and polycrystalline are mixed, but the polycrystalline state or the amorphous state in that the resistance tends to be lower. More preferred is a state in which a polycrystal is mixed. Furthermore, from the viewpoint of easy production, a state where a part thereof is amorphous, that is, a mixed state where the presence of amorphous and polycrystal can be confirmed is preferable. When a polycrystal exists in the metal oxide layer 12, an anatase type is preferable because the crystal constituting the polycrystal tends to have a lower resistance.
In addition, since an amorphous structure generally has no birefringence, an amorphous state or a state in which amorphous and polycrystalline are mixed is optically preferable.

前駆体層12’の結晶状態がアモルファスであると、アニール条件によって、アニール後にアモルファス状態、またはアモルファスと多結晶の混在状態となる。アニール温度が結晶化温度より高ければ多結晶化が生じる。
前駆体層12’がアモルファスと多結晶の混在状態であると、アニール後にアモルファスと多結晶の混合状態となる。また条件によっては完全な多結晶体を得ることも可能である。
前駆体層12’に多結晶が存在する場合、該多結晶を構成する結晶がアナターゼ型であると、アニール後の金属酸化物層12の多結晶はアナターゼ型となる。前駆体層12’において多結晶がルチル型であると、金属酸化物層12の多結晶はルチル型となる。
If the crystal state of the precursor layer 12 ′ is amorphous, it becomes an amorphous state after annealing or a mixed state of amorphous and polycrystalline depending on annealing conditions. If the annealing temperature is higher than the crystallization temperature, polycrystallization occurs.
If the precursor layer 12 'is in a mixed state of amorphous and polycrystalline, it becomes a mixed state of amorphous and polycrystalline after annealing. It is also possible to obtain a complete polycrystal depending on the conditions.
When polycrystals are present in the precursor layer 12 ′, if the crystals constituting the polycrystals are anatase type, the polycrystals of the metal oxide layer 12 after annealing are anatase types. If the polycrystal is rutile type in the precursor layer 12 ′, the polycrystal of the metal oxide layer 12 is rutile type.

前駆体層12’の厚さはアニール後に0〜10%程度減少することがある。したがって、前駆体層12’の厚さは、アニール後の金属酸化物層12の厚さが所望の厚さとなるよう、製造条件に応じて設定することが好ましい。
金属酸化物層12の厚さは特に限定されず、用途等に応じて適宜設定できる。例えば20〜1000nmが好ましく、100〜200nmがより好ましい。
The thickness of the precursor layer 12 ′ may decrease by about 0 to 10% after annealing. Accordingly, the thickness of the precursor layer 12 ′ is preferably set according to the manufacturing conditions so that the thickness of the metal oxide layer 12 after annealing becomes a desired thickness.
The thickness of the metal oxide layer 12 is not particularly limited, and can be set as appropriate depending on the application. For example, 20 to 1000 nm is preferable, and 100 to 200 nm is more preferable.

<前駆体層の形成方法>
前駆体層は公知の成膜方法を適宜用いて形成することができる。具体的には、パルスレーザ堆積(Pulsed Laser Deposition:PLD)法、スパッタリング法等の物理気相蒸着(PVD)法;MOCVD法等の化学気相蒸着(CVD)法;ゾルゲル法、化学溶液法等の溶液からの合成プロセスによる成膜法が挙げられる。
特にPLD法は良好な膜状態が得られ易い点で好ましく、スパッタリング法は、基板の結晶性に関わらず成膜しやすい点で好ましい。
<Method for forming precursor layer>
The precursor layer can be formed by appropriately using a known film forming method. Specifically, pulsed laser deposition (PLD) method, physical vapor deposition (PVD) method such as sputtering method; chemical vapor deposition (CVD) method such as MOCVD method; sol-gel method, chemical solution method, etc. The film-forming method by the synthesis process from the solution of this is mentioned.
In particular, the PLD method is preferable because a good film state can be easily obtained, and the sputtering method is preferable because a film can be easily formed regardless of the crystallinity of the substrate.

[PLD法]
以下、第1の例として、PLD法により基板11上に前駆体層12’を形成する方法について説明する。
図2は本方法に好適に用いられるPLD装置30の例を示した概略構成図である。このPLD装置30は、チャンバ31内に、基板11とターゲット39とが対向して、かつ対向面が互いにほぼ平行となるように配置されるようになっている。チャンバ31は、適切な真空度を維持すると共に、外部からの不純物混入を防止することにより、高品質な薄膜を作製できるようになっている。
基板11は、図示しないモーターにより、基板11の表面に垂直な回転軸35を中心に回転可能となっている。またターゲット39も、図示しないモーターにより、その表面39aに垂直な回転軸38を中心に回転可能となっている。
[PLD method]
Hereinafter, as a first example, a method of forming the precursor layer 12 ′ on the substrate 11 by the PLD method will be described.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of a PLD apparatus 30 preferably used in this method. The PLD apparatus 30 is arranged in a chamber 31 such that the substrate 11 and the target 39 face each other and the facing surfaces are substantially parallel to each other. The chamber 31 is capable of producing a high-quality thin film by maintaining an appropriate degree of vacuum and preventing impurities from entering from the outside.
The substrate 11 can be rotated around a rotation axis 35 perpendicular to the surface of the substrate 11 by a motor (not shown). The target 39 is also rotatable about a rotation axis 38 perpendicular to the surface 39a by a motor (not shown).

チャンバ31内には、基板11を加熱するための赤外線ランプ36が設置されている。基板11の温度は窓31bを介して、チャンバ31外部に設置された放射温度計37によってモニターされており、常に一定温度となるように制御されている。
チャンバ31の外部にはガス供給部44が設けられており、酸素ガスの流量を調節するための酸素ガス流量調整弁45を介して、チャンバ31内へ酸素ガスを注入できるようになっている。また減圧下における製膜を実現するため、チャンバ31にはターボ分子ポンプ42および圧力弁43が連結されている。チャンバ31内の圧力は、酸素ガス流量調整弁45および圧力弁43を用い、例えば、酸素分圧が1×10−5〜1×10−4Torr(1.33×10−3Pa〜1.33×10−2Pa)となるように制御される。なお、ターボ分子ポンプ42には、油回転ポンプ40と逆流防止弁41が連結されており、ターボ分子ポンプ42の排気側の圧力は常に10−3torr(1.33×10−1Pa)以下に保たれる。
An infrared lamp 36 for heating the substrate 11 is installed in the chamber 31. The temperature of the substrate 11 is monitored by a radiation thermometer 37 installed outside the chamber 31 through the window 31b, and is controlled to always be a constant temperature.
A gas supply unit 44 is provided outside the chamber 31, and oxygen gas can be injected into the chamber 31 through an oxygen gas flow rate adjustment valve 45 for adjusting the flow rate of oxygen gas. Further, a turbo molecular pump 42 and a pressure valve 43 are connected to the chamber 31 in order to realize film formation under reduced pressure. The pressure in the chamber 31 is determined by using an oxygen gas flow rate adjustment valve 45 and a pressure valve 43. For example, the oxygen partial pressure is 1 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Torr (1.33 × 10 −3 Pa to 1.3. 33 × 10 −2 Pa). The turbo molecular pump 42 is connected to an oil rotary pump 40 and a backflow prevention valve 41, and the pressure on the exhaust side of the turbo molecular pump 42 is always 10 −3 torr (1.33 × 10 −1 Pa) or less. To be kept.

チャンバ31の外部には光発振器32が設けられており、該光発振器32により発振されたパルスレーザ光が、照射位置を調節するための反射鏡33、スポット径を制御するためのレンズ34、およびチャンバ31の窓31aを介して、ターゲット39の基板11と対向する表面39aに入射されるようになっている。光発振器32は、上記パルスレーザ光として、例えばパルス周波数が1〜10Hzであり、レーザフルエンス(レーザパワー)が1〜2J/cm2であり、波長が248nmであるKrFエキシマレーザを発振する。発振されたパルスレーザ光は、反射鏡33およびレンズ34により焦点位置がターゲット39近傍となるようにスポット調整され、ターゲット39の表面39aに対して約45°の角度で入射される。 An optical oscillator 32 is provided outside the chamber 31, and a pulse laser beam oscillated by the optical oscillator 32 reflects a reflecting mirror 33 for adjusting an irradiation position, a lens 34 for controlling a spot diameter, and The light is incident on the surface 39 a of the target 39 facing the substrate 11 through the window 31 a of the chamber 31. The optical oscillator 32 oscillates, for example, a KrF excimer laser having a pulse frequency of 1 to 10 Hz, a laser fluence (laser power) of 1 to 2 J / cm 2 and a wavelength of 248 nm as the pulse laser light. The oscillated pulsed laser light is spot-adjusted by the reflecting mirror 33 and the lens 34 so that the focal position is in the vicinity of the target 39 and is incident on the surface 39a of the target 39 at an angle of about 45 °.

ターゲット39は、例えばNbを6原子%含むようなNb:TiO焼結体で構成される。該Nb:TiOはドーパント(M)がNbの例である。ドーパント(M)は、上記に挙げた本発明におけるドーパントのいずれでもよく、複数種類の金属を併用してもよい。
例えばNb:TiO焼結体は、所望の原子比となるように秤量されたTiOとNbとの各粉末を混合し、該混合した粉末を加熱成形することにより作製できる。なお、ターゲットの組成は膜の組成とほぼ同等となる。
The target 39 is made of, for example, a Nb: TiO 2 sintered body containing 6 atomic% Nb. The Nb: TiO 2 is an example in which the dopant (M) is Nb. The dopant (M) may be any of the dopants in the present invention described above, and a plurality of types of metals may be used in combination.
For example, an Nb: TiO 2 sintered body can be produced by mixing TiO 2 and Nb 2 O 5 powders weighed so as to have a desired atomic ratio, and then thermoforming the mixed powder. The composition of the target is almost the same as the composition of the film.

PLD装置30を用いて前駆体層12’を形成するには、まず、基板11をチャンバ31内に設置する。次に、基板表面の不純物を取り除き、原子レベルで平坦な表面を出すため、酸素分圧10−5Torr(1.33×10−3Pa)、基板温度500℃の条件下で前処理アニールを行ってもよい。該前処理アニールは、例えば1時間以上行うことが好ましい。 In order to form the precursor layer 12 ′ using the PLD apparatus 30, first, the substrate 11 is placed in the chamber 31. Next, in order to remove impurities on the substrate surface and to obtain a flat surface at the atomic level, pretreatment annealing is performed under conditions of an oxygen partial pressure of 10 −5 Torr (1.33 × 10 −3 Pa) and a substrate temperature of 500 ° C. You may go. The pretreatment annealing is preferably performed for 1 hour or longer, for example.

次に、チャンバ内の酸素分圧を1×10−5〜1×10−4Torr(1.33×10−3Pa〜1.33×10−2Pa)程度に保ちつつ、基板温度を所定の温度に設定し、基板11を回転駆動させる。またターゲット39を回転駆動させつつ、上記パルスレーザ光を断続的に照射することにより、ターゲット39表面の温度を急激に上昇させ、アブレーションプラズマを発生させる。このアブレーションプラズマ中に含まれるTi原子、Nb原子、O原子は、チャンバ31中の酸素ガスとの衝突反応等を繰り返しながら状態を徐々に変化させて基板11へ移動する。そして基板11へ到達したTi原子、Nb原子、O原子を含む粒子は、そのまま基板11の表面に拡散し、薄膜化される。こうして基板11上に前駆体層12’が形成される。 Next, the substrate temperature is set to a predetermined value while maintaining the oxygen partial pressure in the chamber at about 1 × 10 −5 to 1 × 10 −4 Torr (1.33 × 10 −3 Pa to 1.33 × 10 −2 Pa). And the substrate 11 is driven to rotate. Further, by intermittently irradiating the pulsed laser light while rotating the target 39, the temperature of the surface of the target 39 is rapidly increased to generate ablation plasma. Ti atoms, Nb atoms, and O atoms contained in the ablation plasma move to the substrate 11 while gradually changing the state while repeating a collision reaction with the oxygen gas in the chamber 31. Then, the particles containing Ti atoms, Nb atoms, and O atoms that have reached the substrate 11 are diffused as they are on the surface of the substrate 11 to be thinned. Thus, the precursor layer 12 ′ is formed on the substrate 11.

[スパッタリング法]
以下、第2の例として、スパッタリング法により基板11上に前駆体層12’を形成する方法について説明する。
スパッタリング装置は公知のものを適宜使用できる。例えば反応性DCマグネトロンスパッタリング装置を使用できる。
まず、スパッタリング装置の真空槽内に、ターゲットおよび基板11をセットする。基板11はターゲットの表面に対向するようにセットされる。ターゲット裏面側には磁石が配置されている。ターゲットとしては、例えばNbを6原子%含有するTi−Nb合金等、所定量のドーパントを含むチタン合金を用いることができる。またはNb:TiO焼結体等の金属酸化物をターゲットとして用いてもよい。ドーパントは、上記に挙げた本発明におけるドーパントのいずれでもよく、複数種類の金属を併用してもよい。なお、ターゲットにおけるドーパントの含有率は、膜におけるドーパントの含有率とほぼ同等となる。
ターゲットにおけるドーパントの含有量は、チタン原子(Ti)とドーパントの金属原子(M)との合計量を100原子%とすると、0原子%超かつ50原子%以下が好ましい。50原子%より大きくなると、アニール後の金属酸化物層12において母物質であるTiOの特性が小さくなってしまう。より好ましくは20原子%以下、特に10原子%以下である。一方、アニール後の金属酸化物層12における高透明性と低抵抗を良好に両立させるうえで、ターゲットにおけるドーパントの含有量は1原子%以上がより好ましい。
[Sputtering method]
Hereinafter, as a second example, a method of forming the precursor layer 12 ′ on the substrate 11 by a sputtering method will be described.
A known sputtering apparatus can be used as appropriate. For example, a reactive DC magnetron sputtering apparatus can be used.
First, the target and the substrate 11 are set in the vacuum chamber of the sputtering apparatus. The substrate 11 is set so as to face the surface of the target. A magnet is disposed on the back side of the target. As the target, for example, a titanium alloy containing a predetermined amount of dopant such as a Ti—Nb alloy containing 6 atomic% of Nb can be used. Alternatively, a metal oxide such as a Nb: TiO 2 sintered body may be used as a target. The dopant may be any of the dopants in the present invention described above, and a plurality of types of metals may be used in combination. In addition, the content rate of the dopant in a target becomes substantially equivalent to the content rate of the dopant in a film | membrane.
The content of the dopant in the target is preferably more than 0 atomic% and not more than 50 atomic% when the total amount of titanium atoms (Ti) and metal atoms (M) of the dopant is 100 atomic%. If it exceeds 50 atomic%, the characteristics of TiO 2 as a base material in the metal oxide layer 12 after annealing will be reduced. More preferably, it is 20 atomic% or less, and especially 10 atomic% or less. On the other hand, the content of the dopant in the target is more preferably 1 atomic% or more in order to satisfactorily achieve both high transparency and low resistance in the annealed metal oxide layer 12.

次いで、真空チャンバ内をポンプで5×10−4Pa以下まで排気した後、スパッタリングガスとしてOガスおよび不活性ガスを導入し、所定のスパッタ圧力に調整する。スパッタ圧力は0.1〜5.0Pa程度が好ましい。不活性ガスとしては、Ar、He、Ne、Kr、Xeから選ばれる1種または2種以上を使用できる。スパッタリングガスにおけるO/(不活性ガス+O)の割合(体積基準)が0.001〜30vol%となるように導入量を調整することが好ましい。
続いて、スパッタ圧力を維持しつつ、ターゲット裏面の磁石により所定強度の磁場を発生させるとともに、ターゲットに所定の電圧を印加して、基板上に前駆体層12’を成膜する。
Next, after the inside of the vacuum chamber is evacuated to 5 × 10 −4 Pa or less by a pump, O 2 gas and inert gas are introduced as sputtering gas and adjusted to a predetermined sputtering pressure. The sputtering pressure is preferably about 0.1 to 5.0 Pa. As the inert gas, one or more selected from Ar, He, Ne, Kr, and Xe can be used. It is preferable to adjust the introduction amount so that the ratio (volume basis) of O 2 / (inert gas + O 2 ) in the sputtering gas is 0.001 to 30 vol%.
Subsequently, while maintaining the sputtering pressure, a magnetic field having a predetermined intensity is generated by the magnet on the back surface of the target, and a predetermined voltage is applied to the target to form a precursor layer 12 ′ on the substrate.

(成膜時の基板温度)
いずれの成膜方法においても、基板11上に前駆体層12’を成膜する際の基板温度は、高すぎると前駆体層中にルチル型結晶が生成されるため好ましくない。したがって基板温度の上限は600℃以下が好ましく、より低抵抗の金属酸化物層を得るためには室温以下が好ましい。室温以下で成膜すると前駆体層12’はアモルファス状態となる。該基板温度の下限値は、成膜可能な温度であればよく特に限定されない。例えば77K(約−196℃)以上である。
なお成膜時の基板温度における「室温」とは、基板を非加熱で成膜する際に基板温度がとり得る温度範囲として、PLD法では25〜100℃程度であり、スパッタ法では25〜80℃程度である。金属酸化物層12の抵抗をより低くするうえで、成膜時の基板温度が例えば25〜50℃程度に保たれるよう、必要に応じて冷却することがより好ましい。
(Substrate temperature during film formation)
In any of the film forming methods, if the substrate temperature when the precursor layer 12 ′ is formed on the substrate 11 is too high, rutile crystals are generated in the precursor layer, which is not preferable. Therefore, the upper limit of the substrate temperature is preferably 600 ° C. or lower, and preferably room temperature or lower in order to obtain a metal oxide layer having a lower resistance. When the film is formed at room temperature or lower, the precursor layer 12 'is in an amorphous state. The lower limit of the substrate temperature is not particularly limited as long as it is a temperature capable of forming a film. For example, it is 77K (about -196 ° C) or higher.
The “room temperature” at the substrate temperature at the time of film formation is a temperature range that the substrate temperature can take when the substrate is formed without heating, and is about 25 to 100 ° C. in the PLD method, and 25 to 80 in the sputtering method. It is about ℃. In order to lower the resistance of the metal oxide layer 12, it is more preferable to cool as necessary so that the substrate temperature during film formation is maintained at, for example, about 25 to 50 ° C.

<アニール>
本発明では前駆体層12’を還元雰囲気下でアニール(以下、ポストアニールということもある。)する工程を経て、導電体としての金属酸化物層12を形成する。
本発明における還元雰囲気とは、雰囲気中における酸化性ガスの分圧が0.2×10Pa以下であることをいう。該酸化性ガスとは、アニール工程において前駆体層12’に酸素を与え得る気体を意味し、具体例としてはO、O、NO、NO、HO等が挙げられる。雰囲気中に酸化性ガスが2種以上含まれる場合は、それらの分圧の合計が上記の範囲内であればよい。還元雰囲気中における酸化性ガスの分圧は、1×10Pa以下が好ましく、10Pa以下がより好ましい。1×10−8Pa程度が最も好ましい。酸化性ガスの分圧の値が小さいほど、より低抵抗の金属酸化物層12を得ることができる。
また、金属酸化物層12をより低抵抗化するうえで、還元雰囲気中にHおよび/またはCOを存在させることが好ましく、プラズマ状態のHを存在させることがより好ましい。
したがって、アニール雰囲気を一旦真空状態にした後、水素(H)を導入してアニールを行うことが好ましい。ここでの真空状態は、雰囲気圧力が例えば10〜10−8Paの範囲であることが好ましい。
<Annealing>
In the present invention, the metal oxide layer 12 as a conductor is formed through a step of annealing the precursor layer 12 ′ in a reducing atmosphere (hereinafter sometimes referred to as post-annealing).
The reducing atmosphere in the present invention means that the partial pressure of the oxidizing gas in the atmosphere is 0.2 × 10 5 Pa or less. The oxidizing gas means a gas that can give oxygen to the precursor layer 12 ′ in the annealing step, and specific examples include O 2 , O 3 , NO, NO 2 , H 2 O, and the like. When two or more kinds of oxidizing gases are contained in the atmosphere, the sum of their partial pressures may be within the above range. The partial pressure of the oxidizing gas in the reducing atmosphere is preferably 1 × 10 4 Pa or less, and more preferably 10 Pa or less. About 1 × 10 −8 Pa is most preferable. The smaller the value of the partial pressure of the oxidizing gas, the lower the resistance of the metal oxide layer 12 can be obtained.
In order to further reduce the resistance of the metal oxide layer 12, it is preferable that H 2 and / or CO be present in the reducing atmosphere, and it is more preferable that H 2 in a plasma state be present.
Therefore, it is preferable that the annealing atmosphere is once evacuated and then annealed by introducing hydrogen (H 2 ). In this vacuum state, the atmospheric pressure is preferably in the range of 10 3 to 10 −8 Pa, for example.

本発明におけるアニールとは、前駆体層12’を所定の温度(アニール温度)まで上昇させた後、温度を下げる操作をいう。本実施形態のように基板11上に前駆体層12’が形成されている場合は、アニール温度として基板温度を適用することができる。
アニール温度は、前駆体層12’の結晶化温度よりも高い温度が好ましい。例えばドーパントが添加されていないTiOの結晶化温度は約400℃であり、ドーパントが添加されると該結晶化温度は低下する傾向がある。したがって、金属酸化物層12の抵抗を良好に低下させるうえで好ましいアニール温度は、ドーパントの種類にもよるが、300℃以上が好ましい。またアニール温度が高すぎるとアニール工程においてアナターゼ型の結晶構造がこわれるおそれがあるため、900℃以下が好ましい。基板11の耐熱性、エネルギー削減、昇温時間の短縮等の点からはアニール温度が低い方が望ましい。アニール温度のより好ましい範囲は350〜850℃であり、350〜800℃がさらに好ましい。
所定のアニール温度に保持する時間(アニール時間)は特に制限されない。アニール後に所望の特性が得られればよく、例えば1〜120分の範囲内で設定できる。その他の条件にもよるが、アニール時間は例えば1〜60分が好ましい。
The annealing in the present invention refers to an operation of raising the precursor layer 12 ′ to a predetermined temperature (annealing temperature) and then lowering the temperature. When the precursor layer 12 ′ is formed on the substrate 11 as in the present embodiment, the substrate temperature can be applied as the annealing temperature.
The annealing temperature is preferably higher than the crystallization temperature of the precursor layer 12 ′. For example, the crystallization temperature of TiO 2 to which no dopant is added is about 400 ° C., and when the dopant is added, the crystallization temperature tends to decrease. Therefore, a preferable annealing temperature for satisfactorily reducing the resistance of the metal oxide layer 12 depends on the kind of the dopant, but is preferably 300 ° C. or higher. Further, if the annealing temperature is too high, the anatase type crystal structure may be broken in the annealing step, and therefore, 900 ° C. or lower is preferable. In view of heat resistance of the substrate 11, energy reduction, shortening of temperature raising time, etc., a lower annealing temperature is desirable. A more preferable range of the annealing temperature is 350 to 850 ° C, and 350 to 800 ° C is more preferable.
The time for maintaining the predetermined annealing temperature (annealing time) is not particularly limited. What is necessary is just to obtain a desired characteristic after annealing, for example, it can set within the range of 1-120 minutes. Although depending on other conditions, the annealing time is preferably 1 to 60 minutes, for example.

こうして得られる金属酸化物層12は、良好な導電性を有する。一般的に、導電体とは、例えば、室温における抵抗率が10Ωcm以下のものを指す。室温における抵抗率が10−3Ωcm以下であると、用途がより広がるため好ましい。また透明性も良好であり、特に可視光域で良好な透過率が得られる。例えば、可視光域における透過率が80%以上であり、抵抗率が2×10−4Ωcm以下である透明導電体を実現できる。したがって、透明性が要求される導電体として好適である。
また特許文献1に記載されている、アナターゼ型結晶構造を有するM:TiOの単結晶薄膜をエピタキシャル法で成膜する際には、基板における結晶の配向性が重視され、製造条件の管理も厳しいのに対して、本発明の製造方法によればガラス基板だけでなく、プラスチック表面、アモルファスシリコン基板などのシリコン基板上にも導電体を形成できるため基板選択の幅が大きく、製造も容易である。したがって適用できる用途も広い。
The metal oxide layer 12 thus obtained has good conductivity. In general, a conductor refers to one having a resistivity at room temperature of 10 0 Ωcm or less, for example. It is preferable for the resistivity at room temperature to be 10 −3 Ωcm or less because the use is further expanded. Further, the transparency is also good, and a good transmittance can be obtained particularly in the visible light range. For example, a transparent conductor having a transmittance in the visible light region of 80% or more and a resistivity of 2 × 10 −4 Ωcm or less can be realized. Therefore, it is suitable as a conductor requiring transparency.
In addition, when an M: TiO 2 single crystal thin film having an anatase type crystal structure described in Patent Document 1 is formed by an epitaxial method, the crystal orientation in the substrate is emphasized, and the manufacturing conditions are also managed. On the other hand, according to the manufacturing method of the present invention, a conductor can be formed not only on a glass substrate but also on a silicon substrate such as a plastic surface or an amorphous silicon substrate. is there. Accordingly, the applicable applications are wide.

特に、後述の実施例に示すように、PLD法により前駆体層を形成した後、H中または真空中でアニールすることによって、ガラス基板上に、多結晶が含まれるアモルファスに近い金属酸化物層を形成することができ、この金属酸化物層が透明導電性を示すことが確認された。かかる金属酸化物が透明導電性を示すことは一般の予想を大きく覆すものである。また、H雰囲気中など、還元雰囲気中でポストアニールを行うことによって、キャリアがほぼ活性化し、抵抗率がさらに減少することも判明した。これらのことは、透明導電膜の大面積化、低温成長という観点からも、今後の応用範囲に大きな広がりを期待させるものである。また、以下の実施例に示す還元雰囲気におけるアニールの効果についても、Nb、Taなどのドーパントを含むことで現れる特徴ある効果ということが可能である。 In particular, as shown in the examples to be described later, after forming a precursor layer by the PLD method, annealing is performed in H 2 or in a vacuum, whereby a near-amorphous metal oxide containing polycrystals is formed on a glass substrate. A layer can be formed, and it was confirmed that this metal oxide layer exhibits transparent conductivity. The fact that such metal oxide exhibits transparent conductivity greatly defeats general expectations. It has also been found that by performing post-annealing in a reducing atmosphere such as an H 2 atmosphere, the carriers are almost activated and the resistivity is further reduced. These things are expected to greatly expand the future application range from the viewpoint of increasing the area of the transparent conductive film and low-temperature growth. Also, the effect of annealing in a reducing atmosphere shown in the following examples can be said to be a characteristic effect that appears when a dopant such as Nb or Ta is included.

また、後述の実施例に示すように、スパッタリング法により室温成膜した後、アニール処理を行うことによって、アモルファス状態のNb:TiO膜が、アナターゼ型多結晶を含むNb:TiO膜へ変化することが確認された。特に、該アニール処理において、抵抗率がおよそ10Ωcmから8×10−4Ωcm程度へと劇的に減少することは予想を超える大きな成果である。この場合のNbの活性化率は、80%程度(n=1〜2×1021cm−3)であった。また室温におけるホール移動度は、スパッタ法ではm=1〜3cm/Vs程度、PLD法ではm=6〜12cm/Vs程度であった。
このように、汎用性の高いスパッタリング法とアニール処理を組み合わせることによって、抵抗率が著しく減少したTiO膜が得られることが判明した。これらのことは、大面積化、低温成長という観点からも、今後の応用範囲の大きな広がりを期待させるものである。
Further, as shown in the examples below, was deposited at room temperature by sputtering, by performing the annealing process, the amorphous Nb: Nb containing TiO 2 film, the anatase type polycrystalline: changes to the TiO 2 film Confirmed to do. In particular, in the annealing process, the dramatic decrease in resistivity from about 10 5 Ωcm to about 8 × 10 −4 Ωcm is a significant result exceeding expectations. In this case, the activation rate of Nb was about 80% (n = 1 to 2 × 10 21 cm −3 ). The hole mobility at room temperature, the sputtering m = 1~3cm 2 / Vs or so, in the PLD method was about m = 6~12cm 2 / Vs.
Thus, it was found that a TiO 2 film having a significantly reduced resistivity can be obtained by combining a versatile sputtering method and annealing treatment. These things are expected to greatly expand the range of future applications from the viewpoint of increasing the area and low-temperature growth.

<用途>
本発明の導電体は適用範囲が広く、例えば、フラットパネルディスプレイ、太陽電池、タッチパネルなどの透明電極へ適用が考えられる。また、反射防止膜に用いられる電磁波の遮蔽、静電気により埃がつかないようにするフィルム、帯電防止膜、熱線反射ガラス、紫外線反射ガラスへ適用も考えられる。SiOからなる層とNbをドープしたTiO層とからなる多層膜を作製すれば反射防止膜としても適用できる。
<Application>
The conductor of the present invention has a wide application range, and for example, it can be applied to transparent electrodes such as flat panel displays, solar cells, and touch panels. Further, it can be applied to the shielding of electromagnetic waves used for the antireflection film, a film that prevents dust from sticking due to static electricity, an antistatic film, heat ray reflective glass, and ultraviolet reflective glass. If a multilayer film composed of a layer made of SiO 2 and a TiO 2 layer doped with Nb is produced, it can also be applied as an antireflection film.

用途の例として、色素増感太陽電池の電極;ディスプレイパネル、有機ELパネル、発光素子、発光ダイオード(LED)、白色LEDやレーザの透明電極;面発光レーザの透明電極;照明装置;通信装置;特定の波長範囲だけ光を通すというアプリケーションも考えられる。   Examples of applications include dye-sensitized solar cell electrodes; display panels, organic EL panels, light-emitting elements, light-emitting diodes (LEDs), white LEDs and laser transparent electrodes; surface-emitting laser transparent electrodes; lighting devices; An application that allows light to pass through only a specific wavelength range may be considered.

さらに具体的な用途として次のものを挙げることができる。液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)における透明導電膜;カラーフィルタ部における透明導電性膜;EL(EL:Electro Luminescence)ディスプレイにおける透明導電性膜;プラズマディスプレイ(PDP)における透明導電膜;PDP光学フィルタ;電磁波遮蔽のための透明導電膜;近赤外線遮蔽のための透明導電膜;表面反射防止のための透明導電膜;色再現性の向上のための透明導電膜;破損対策のための透明導電膜;光学フィルタ;タッチパネル;抵抗膜式タッチパネル;電磁誘導式タッチパネル;超音波式タッチパネル;光学式タッチパネル;静電容量式タッチパネル;携帯情報端末向け抵抗膜式タッチパネル;ディスプレイと一体化したタッチパネル(インナータッチパネル);太陽電池;アモルファスシリコン(a−Si)系太陽電池;微結晶Si薄膜太陽電池;CIGS太陽電池;色素増感太陽電池(DSC);電子部品の静電気対策用透明導電材料;帯電防止用透明導電材;調光材料;調光ミラー;発熱体(面ヒーター、電熱ガラス);電磁波遮蔽ガラス。   Further specific applications can include the following. Transparent conductive film in a liquid crystal display (LCD); Transparent conductive film in a color filter part; Transparent conductive film in an EL (Electro Luminescence) display; Transparent conductive film in a plasma display (PDP); PDP optical filter Transparent conductive film for shielding electromagnetic waves; transparent conductive film for shielding near infrared; transparent conductive film for preventing surface reflection; transparent conductive film for improving color reproducibility; transparent conductive film for preventing damage Optical filter; touch panel; resistive touch panel; electromagnetic induction touch panel; ultrasonic touch panel; optical touch panel; capacitive touch panel; resistive touch panel for personal digital assistants; Panel]; solar cell; amorphous silicon (a-Si) solar cell; microcrystalline Si thin film solar cell; CIGS solar cell; dye-sensitized solar cell (DSC); transparent conductive material for static electricity countermeasures for electronic parts; Transparent conductive material; dimming material; dimming mirror; heating element (surface heater, electrothermal glass); electromagnetic wave shielding glass.

以下に実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
<測定方法>
以下において測定方法は次の方法を用いた。測定温度は特に断りのないかぎり室温(20〜25℃)とした。
[面抵抗(単位:Ω)] 基板上に金属酸化物層が形成されたサンプルの、金属酸化物層上に2mmの電極間隔でIn電極を圧着した後、二端子で電流―電圧(I−V)特性を測定し、その傾きから面抵抗の値を算出した。
[透過率、反射率、吸収率、分光透過率曲線] JEOL社製、分光光度計にて透過率(%)および反射率(%)を測定した。吸収率(%)は、該測定によって得られた透過率と反射率の合計を100から減じて求めた。すなわち反射率=100−透過率−吸収率により算出した。透過率の測定結果より分光透過率曲線を得た。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail using examples, but the present invention is not limited to these examples.
<Measurement method>
In the following, the following method was used as the measurement method. The measurement temperature was room temperature (20 to 25 ° C.) unless otherwise specified.
[Surface resistance (unit: Ω)] In a sample in which a metal oxide layer was formed on a substrate, an In electrode was crimped onto the metal oxide layer at an electrode interval of 2 mm, and then current-voltage (I- V) The characteristics were measured, and the surface resistance value was calculated from the inclination.
[Transmittance, Reflectance, Absorptivity, Spectral Transmittance Curve] Transmittance (%) and reflectivity (%) were measured with a spectrophotometer manufactured by JEOL. Absorptivity (%) was obtained by subtracting the total of transmittance and reflectance obtained by the measurement from 100. That is, reflectance = 100−transmittance−absorbance was calculated. A spectral transmittance curve was obtained from the measurement result of transmittance.

[SEM(走査電子顕微鏡)像] 日立社製のSEM(走査電子顕微鏡)により、加速電圧10kVの条件で、表面の像を得た。
[X線回折(XRD)によるプロファイル] Bruker社製のX線回折装置(XRD)により測定した。
[X線光電子分光分析装置(XPS)によるスペクトル] アルバックファイ社製のX線光電子分光分析装置(XPS)により測定した。
[原子間力顕微鏡(AFM)データ] SEIKO社製の原子間力顕微鏡(AFM)により測定した。
[SEM (Scanning Electron Microscope) Image] A surface image was obtained with an SEM (scanning electron microscope) manufactured by Hitachi under the condition of an acceleration voltage of 10 kV.
[Profile by X-ray diffraction (XRD)] The profile was measured by an X-ray diffractometer (XRD) manufactured by Bruker.
[Spectrum by X-ray photoelectron spectrometer (XPS)] The spectrum was measured by an X-ray photoelectron spectrometer (XPS) manufactured by ULVAC-PHI.
[Atomic Force Microscope (AFM) Data] Measurement was performed with an atomic force microscope (AFM) manufactured by SEIKO.

(例1−1)
図2に示すPLD装置を用い、下記の条件で基板上に前駆体層を形成した。
・基板:ノンアルカリガラス(旭硝子社製、製品名:AN100)からなる厚さ0.5mmのガラス基板
・成膜法:PLD法
・成膜時の酸素分圧:1.33×10−2Pa(1×10−4torr)
・ターゲット:Ti0.94Nb0.06からなるNb:TiO焼結体
・基板温度:250℃
(Example 1-1)
A precursor layer was formed on the substrate under the following conditions using the PLD apparatus shown in FIG.
-Substrate: glass substrate made of non-alkali glass (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., product name: AN100) with a thickness of 0.5 mm-Film formation method: PLD method-Oxygen partial pressure during film formation: 1.33 × 10 -2 Pa (1 × 10 −4 torr)
Target: Nb: TiO 2 sintered body made of Ti 0.94 Nb 0.06 O 2 Substrate temperature: 250 ° C.

得られた前駆体層のNb含有量は6原子%であった。次いで、下記の条件でポストアニールを行って、基板上に膜厚110nmの金属酸化物層が形成されたサンプルを得た。
<ポストアニール条件>
・アニール雰囲気:一旦10−1Paの真空にした後、水素(H)を導入して1.013×10Pa(1気圧)のH雰囲気とした。
・アニール温度(基板温度):500℃
・アニール時間:100分
なお、室温から基板温度が500℃に達するまで5分間かかり、500℃で100分保持した後、室温まで放冷した。
得られたサンプルの金属酸化物層について、抵抗率、キャリア濃度、ホール移動度を測定した。その結果を表1に示す。
The obtained precursor layer had an Nb content of 6 atomic%. Next, post-annealing was performed under the following conditions to obtain a sample in which a metal oxide layer having a thickness of 110 nm was formed on the substrate.
<Post annealing conditions>
Annealing atmosphere: After making a vacuum of 10 −1 Pa once, hydrogen (H 2 ) was introduced to form an H 2 atmosphere of 1.013 × 10 5 Pa (1 atm).
Annealing temperature (substrate temperature): 500 ° C
Annealing time: 100 minutes It took 5 minutes for the substrate temperature to reach 500 ° C. from room temperature. After holding at 500 ° C. for 100 minutes, the substrate was cooled to room temperature.
About the metal oxide layer of the obtained sample, resistivity, carrier concentration, and hole mobility were measured. The results are shown in Table 1.

(比較例1:単結晶薄膜・ポストアニールなし)
上記特許文献1に記載されている、アナターゼ型結晶構造を有する金属酸化物の単結晶薄膜(以下、エピタキシャル成長のアナターゼ単相、またはアナターゼ型エピタキシャル膜ということもある。)を作製した。
具体的には、図1に示すPLD装置を用い、下記の条件で基板上にNb:TiOからなるエピタキシャル成長のアナターゼ単相を形成してサンプルを得た。ポストアニールは行わなかった。
・基板:基板表面が(100)面のSrTiOの単結晶基板
・成膜法:PLD法
・成膜時の酸素分圧:1.33×10−2Pa
・ターゲット:Ti0.94Nb0.06からなるNb:TiO焼結体
・基板温度:550℃
形成されたエピタキシャル成長のアナターゼ単相は、膜厚約100nm、Nb含有量6原子%であった。
得られたサンプルのエピタキシャル成長のアナターゼ単相について、抵抗率、キャリア濃度、ホール移動度を測定した。その結果を表1に示す。
(Comparative Example 1: Single crystal thin film, no post-annealing)
A single crystal thin film of a metal oxide having an anatase type crystal structure described in Patent Document 1 (hereinafter sometimes referred to as an epitaxially grown anatase single phase or anatase type epitaxial film) was produced.
Specifically, using the PLD apparatus shown in FIG. 1, a sample was obtained by forming an anatase single phase of epitaxial growth composed of Nb: TiO 2 on a substrate under the following conditions. Post-annealing was not performed.
-Substrate: SrTiO 3 single crystal substrate with (100) substrate surface-Film formation method: PLD method-Oxygen partial pressure during film formation: 1.33 × 10 -2 Pa
Target: Nb: TiO 2 sintered body made of Ti 0.94 Nb 0.06 O 2 Substrate temperature: 550 ° C.
The formed epitaxially grown anatase single phase had a film thickness of about 100 nm and an Nb content of 6 atomic%.
The resistivity, carrier concentration, and hole mobility were measured for the epitaxially grown anatase single phase of the obtained sample. The results are shown in Table 1.

(参考例1:ITO薄膜)
ITO薄膜の抵抗率、キャリア濃度、ホール移動度について、公知の典型的な値を表1に示す。
(Reference Example 1: ITO thin film)
Table 1 shows known typical values for the resistivity, carrier concentration, and hole mobility of the ITO thin film.

Figure 2008084824
Figure 2008084824

表1の結果より、例1−1の金属酸化物層は、抵抗率及びキャリア濃度において単結晶基板から形成される結晶性の高いエピタキシャル成長のアナターゼ単相と同等であり、ITOにも迫る良好な特性を有することがわかる。   From the results of Table 1, the metal oxide layer of Example 1-1 is equivalent to an anatase single phase with high crystallinity and formed from a single crystal substrate in terms of resistivity and carrier concentration, and is close to ITO. It can be seen that it has characteristics.

(例1−2:室温成膜、冷却なし)
例1−1の条件において、前駆体層を形成する際にガラス基板を加熱せず、基板温度を室温とした他は同様にして基板上に金属酸化物層が形成されたサンプルを得た。
得られた金属酸化物層の抵抗率は、5.1×10−4Ωcmであり、例1−1よりも低下した。このことから、PLD法での成膜時の基板温度を室温とすると低抵抗の金属酸化物層が得られることがわかる。
(Example 1-2: Room temperature film formation, no cooling)
Under the conditions of Example 1-1, a sample in which a metal oxide layer was formed on a substrate was obtained in the same manner except that the glass substrate was not heated when forming the precursor layer and the substrate temperature was room temperature.
The resistivity of the obtained metal oxide layer was 5.1 × 10 −4 Ωcm, which was lower than that of Example 1-1. This shows that a low-resistance metal oxide layer can be obtained when the substrate temperature during film formation by the PLD method is room temperature.

(例1−3:室温成膜、冷却あり)
例1−2の条件において、前駆体層を形成する際に、基板温度を25〜50℃に保持するための冷却水の循環を行った他は同様にして基板上に金属酸化物層が形成されたサンプルを得た。
得られた金属酸化物層の抵抗率は、4.5×10−4Ωcmであり、例1−2よりもさらに低下した。このことから、PLD法で室温成膜する際に、基板を冷却すると金属酸化物層の抵抗率がより低下することがわかる。
また後述する図15(a)(例14)、および図19〜21(例19)に示されるように、本例の条件で製造すると、アニール前の前駆体層はアモルファスとなり、アニール後の金属酸化物層ではアモルファスと多結晶体とが混在している状態となる。
(Example 1-3: Room temperature film formation, with cooling)
Under the conditions of Example 1-2, a metal oxide layer was formed on the substrate in the same manner except that the cooling water was circulated to maintain the substrate temperature at 25 to 50 ° C. when forming the precursor layer. Sample was obtained.
The resistivity of the obtained metal oxide layer was 4.5 × 10 −4 Ωcm, which was further lower than that of Example 1-2. This shows that the resistivity of the metal oxide layer is further lowered when the substrate is cooled during film formation at room temperature by the PLD method.
Further, as shown in FIG. 15A (Example 14) and FIGS. 19 to 21 (Example 19) which will be described later, when manufactured under the conditions of this example, the precursor layer before annealing becomes amorphous, and the metal after annealing In the oxide layer, amorphous and polycrystal are mixed.

(例2:成膜時の基板温度)
本例では、例1−1の条件において前駆体層の成膜時の基板温度を変化させて、アニール前後の相構造および抵抗値(面抵抗)を調べた。アニール雰囲気は例1−1と同じH雰囲気と、真空雰囲気(10−1Pa)の2通りでそれぞれサンプルを製造した。結果を表2に示す。
表2において、Tは前駆体層の成膜時の基板温度(単位:℃)を示し、かっこ内の数値が実測の基板温度であり、かっこ内の数値が付されていない場合には、推定の基板温度である。なお、基板温度250℃でH中アニールの例は例1−1に相当する。
表2において、欄中の矢印の左側の数字はアニール前の抵抗値(面抵抗)であり、矢印の右側の数字はアニール後の抵抗値である。なお、例1−1と比較すると、面抵抗1kΩは抵抗率約2.3×10−3Ωcmに相当する。
また、抵抗値の下に記載されているAnatase(アナターゼ)又はRutile(ルチル)の文字は、金属酸化物層において、アモルファス状の相の中にアナターゼ型結晶又はルチル型結晶が確認されたことを示している。また、「ややAnatase」とは、アモルファス状の相の中にアナターゼ型結晶が確認され、かつ大部分がアモルファス構造となっている状態を意味する。
なお、金属酸化物層の相構造については、後記にてSEM像などを用いて説明する。
(Example 2: Substrate temperature during film formation)
In this example, the substrate temperature during the formation of the precursor layer was changed under the conditions of Example 1-1, and the phase structure and the resistance value (surface resistance) before and after annealing were examined. Samples were manufactured in two different annealing atmospheres: the same H 2 atmosphere as in Example 1-1 and a vacuum atmosphere (10 −1 Pa). The results are shown in Table 2.
In Table 2, T s indicates the substrate temperature (unit: ° C.) at the time of film formation of the precursor layer, the numerical value in the parenthesis is the actually measured substrate temperature, and when the numerical value in the parenthesis is not attached, Estimated substrate temperature. An example of annealing in H 2 at a substrate temperature of 250 ° C. corresponds to Example 1-1.
In Table 2, the number on the left side of the arrow in the column is the resistance value (surface resistance) before annealing, and the number on the right side of the arrow is the resistance value after annealing. In addition, compared with Example 1-1, the sheet resistance 1 kΩ corresponds to a resistivity of about 2.3 × 10 −3 Ωcm.
In addition, the letters “Anatase” or “Rutile” described under the resistance value indicate that anatase-type crystals or rutile-type crystals were confirmed in the amorphous phase in the metal oxide layer. Show. “Slightly Anatase” means a state in which anatase-type crystals are confirmed in an amorphous phase and most of the crystal has an amorphous structure.
Note that the phase structure of the metal oxide layer will be described later using an SEM image or the like.

Figure 2008084824
Figure 2008084824

表2の結果に示されるように、アニール前の抵抗値はいずれも20kΩ〜13MΩと低い値であった。アニール前に比べてアニール後は抵抗値がさらに小さくなった。真空中アニールよりもH中アニールの方が、アニールによる抵抗値の低下が大きい。
アモルファス状の相の中に、アナターゼ型結晶が確認される場合(基板温度200〜450℃)のほうが、アモルファス状の相の中にルチル型結晶が確認される場合(基板温度500℃)よりも、アニール前およびアニール後の両方において抵抗値が低いことがわかる。特に、基板温度が250℃以下の場合には、H中アニール後に700Ωという極めて低い抵抗値が得られた。
As shown in the results of Table 2, the resistance values before annealing were as low as 20 kΩ to 13 MΩ. The resistance value was even smaller after annealing than before annealing. In the annealing in H 2 , the resistance value decreases more greatly by annealing than in vacuum annealing.
When the anatase type crystal is confirmed in the amorphous phase (substrate temperature 200 to 450 ° C.), the rutile type crystal is confirmed in the amorphous phase (substrate temperature 500 ° C.). It can be seen that the resistance value is low both before and after annealing. In particular, when the substrate temperature was 250 ° C. or lower, a very low resistance value of 700Ω was obtained after annealing in H 2 .

(例3−1:成膜雰囲気が酸素+水素)
本例では、例1−1において前駆体層の成膜時の雰囲気ガス組成を下記の通り変更した。その他は例1−1と同様にしてサンプルを製造し、アニール前後の面抵抗を調べた。
・成膜雰囲気:酸素と水素の混合ガス
・成膜時の酸素分圧:1.33×10−3Pa
・成膜時の水素分圧:1.33×10−3Pa
アニール前およびアニール後の面抵抗はいずれも約1kΩであった。表2における基板温度250℃の場合と比べると、アニール前の面抵抗は本例の方が低く、アニール後の面抵抗は本例の方が高い。このことから、水素が存在する雰囲気中で前駆体層を成膜すると、アニール前で既に低抵抗となり、その後アニールしても抵抗の低下は見られないことがわかる。
(Example 3-1: Deposition atmosphere is oxygen + hydrogen)
In this example, the atmospheric gas composition at the time of film formation of the precursor layer in Example 1-1 was changed as follows. Others were manufactured in the same manner as in Example 1-1, and the sheet resistance before and after annealing was examined.
-Film formation atmosphere: mixed gas of oxygen and hydrogen-Oxygen partial pressure during film formation: 1.33 × 10 -3 Pa
-Hydrogen partial pressure during film formation: 1.33 × 10 −3 Pa
The sheet resistance before and after annealing was about 1 kΩ. Compared with the case of the substrate temperature of 250 ° C. in Table 2, the surface resistance before annealing is lower in this example, and the surface resistance after annealing is higher in this example. From this, it can be seen that when the precursor layer is formed in an atmosphere where hydrogen is present, the resistance is already low before annealing, and the resistance is not lowered even after annealing.

(例3−2:成膜雰囲気が酸素+水素)
本例では、例3−1において前駆体層の成膜時の酸素分圧と水素分圧を下記の通りに変更した。本例における酸素分圧は例1−1と同じである。その他は例3−1と同様にしてサンプルを製造し、アニール前後の面抵抗を調べた。その結果、例3−1と同様にアニール前後の面抵抗はいずれも約1kΩであった。
・成膜時の酸素分圧:1.33×10−2Pa
・成膜時の水素分圧:1.33×10−2Pa
(Example 3-2: Film formation atmosphere is oxygen + hydrogen)
In this example, the oxygen partial pressure and the hydrogen partial pressure at the time of forming the precursor layer in Example 3-1 were changed as follows. The oxygen partial pressure in this example is the same as in Example 1-1. Others were manufactured in the same manner as in Example 3-1, and the sheet resistance before and after annealing was examined. As a result, the sheet resistance before and after annealing was about 1 kΩ as in Example 3-1.
-Oxygen partial pressure during film formation: 1.33 × 10 −2 Pa
-Hydrogen partial pressure during film formation: 1.33 × 10 −2 Pa

(例3−3:成膜時の酸素分圧)
本例では、例1−1において前駆体層の基板温度および成膜時の酸素分圧(P(O))を変化させてサンプルを製造し、アニール前後の抵抗値(面抵抗)を調べた。成膜時の酸素分圧は例1−1と同じ1.33×10−2Paと、1.33×10−3Paの2通りとした。アニール条件は例1−1と同じとした。結果を表3に示す。
表3の表記方法は表2と同様である。
(Example 3-3: partial pressure of oxygen during film formation)
In this example, a sample was manufactured by changing the substrate temperature of the precursor layer and the oxygen partial pressure (P (O 2 )) during film formation in Example 1-1, and the resistance value (surface resistance) before and after annealing was examined. It was. The oxygen partial pressure during film formation was the same as in Example 1-1, 1.33 × 10 −2 Pa and 1.33 × 10 −3 Pa. The annealing conditions were the same as in Example 1-1. The results are shown in Table 3.
The notation in Table 3 is the same as in Table 2.

Figure 2008084824
Figure 2008084824

表3の結果より、酸素分圧を1.33×10−3Paに変えても例2と同様の傾向が見られた。すなわちアニール前の抵抗値はいずれも低く、アニール前に比べてアニール後は抵抗値がさらに小さくなった。また、この範囲の酸素分圧P(O)においては、酸素分圧が異なっても抵抗値に顕著な差は見られないことがわかる。 From the results in Table 3, the same tendency as in Example 2 was observed even when the oxygen partial pressure was changed to 1.33 × 10 −3 Pa. That is, the resistance value before annealing was low, and the resistance value was even smaller after annealing than before annealing. In addition, in the oxygen partial pressure P (O 2 ) in this range, it can be seen that there is no significant difference in resistance value even if the oxygen partial pressure is different.

(比較例2:ドーパントなし)
本例では、例1−1において、前駆体層の成膜時のターゲットを、Nbを含まないTiO焼結体に変更し、基板温度を例1−1と同じ250℃と、350℃の2通りとし、その他は例1−1と同様にして前駆体層を形成した。
次いで、アニール雰囲気を例1−1と同じH雰囲気と、真空雰囲気(10−1Pa)の2通りとし、その他は例1−1と同様にしてアニールを行い、サンプルを製造した。
得られた金属酸化物層についてアニール前後の相構造および抵抗値(面抵抗)を調べた。その結果を表4に示す。表4の表記方法は表2と同様である。
(Comparative example 2: no dopant)
In this example, in Example 1-1, the target at the time of film formation of the precursor layer was changed to a TiO 2 sintered body not containing Nb, and the substrate temperature was 250 ° C. and 350 ° C. same as those in Example 1-1. The precursor layer was formed in the same manner as in Example 1-1 except for two.
Next, annealing was performed in the same manner as in Example 1-1 except that the annealing atmosphere was the same H 2 atmosphere as in Example 1-1 and a vacuum atmosphere (10 −1 Pa), and a sample was manufactured.
The obtained metal oxide layer was examined for the phase structure before and after annealing and the resistance value (surface resistance). The results are shown in Table 4. The notation in Table 4 is the same as that in Table 2.

Figure 2008084824
Figure 2008084824

表4の結果より、表2における基板温度250℃、350℃の場合とそれぞれ比べると、アニール前の面抵抗は本例の方が低いが、アニール後には面抵抗が増大している。このことからアニールによって抵抗値を小さくするにはドーパントが有効であることがわかる。   From the results of Table 4, the surface resistance before annealing is lower in this example than in the case of the substrate temperatures of 250 ° C. and 350 ° C. in Table 2, but the surface resistance increases after annealing. This shows that the dopant is effective for reducing the resistance value by annealing.

(例4:250℃、350℃成膜−抵抗率の温度依存性)
例2において、前駆体層の成膜時の基板温度(Ts)が250℃(例1−1に相当する)、350℃で、H中アニールを行って得られたサンプルについて、測定温度10〜300Kにおける抵抗率を測定した。その結果を図3(A)のグラフに示す。このグラフにおいて、Tsは成膜時の基板温度を示し、横軸は測定温度、縦軸は抵抗率を示す。
また比較のために、該グラフには比較例1の条件で得られたサンプルのエピタキシャル成長のアナターゼ単相について同様の測定を行った結果(図中「Anatase epitaxial film」と記載する)も合わせて示す。
図3(A)の結果より、例2の条件で得られたサンプルは、エピタキシャル成長のアナターゼ単相と比べても、抵抗値が低くて良好であることがわかる。また成膜時の基板温度を下げると抵抗率が下がることがわかる。
(Example 4: film formation at 250 ° C. and 350 ° C.—temperature dependence of resistivity)
In Example 2, a sample temperature obtained by performing annealing in H 2 at a substrate temperature (Ts) of 250 ° C. (corresponding to Example 1-1) and 350 ° C. at the time of film formation of the precursor layer was measured at a measurement temperature of 10 The resistivity at ~ 300K was measured. The result is shown in the graph of FIG. In this graph, Ts represents the substrate temperature during film formation, the horizontal axis represents the measured temperature, and the vertical axis represents the resistivity.
For comparison, the graph also shows the result of the same measurement performed on the epitaxially grown anatase single phase of the sample obtained under the conditions of Comparative Example 1 (denoted as “Anatase epitaxial film” in the figure). .
From the results of FIG. 3A, it can be seen that the sample obtained under the conditions of Example 2 has a low resistance value and is good as compared with the epitaxially grown anatase single phase. It can also be seen that the resistivity decreases when the substrate temperature during film formation is lowered.

(例5:250℃、350℃成膜−キャリア濃度およびホール移動度)
例2において、前駆体層の成膜時の基板温度(Ts)が250℃(例1−1に相当する)、350℃で、H中アニールを行って得られたサンプルについて、測定温度10〜300Kにおけるキャリア濃度およびホール移動度をそれぞれ測定した。その結果を図4Aおよび図4Bのグラフにそれぞれ示す。このグラフにおいて、Tsは成膜時の基板温度を示し、横軸は測定温度、図4Aの縦軸はキャリア濃度、図4Bの縦軸はホール移動度を示す。
また比較のために、該グラフには比較例1の条件で得られたサンプルのエピタキシャル成長のアナターゼ単相について同様の測定を行った結果(図中「Anatase epitaxial film」と記載する)も合わせて示す。
図4Aの結果より、例2の条件で得られたサンプル(基板温度250℃、350℃)において、Nbの活性化率は90%程度と高く、比較例1のアナターゼ型エピタキシャルの金属酸化物層と同様に、縮退半導体となっていることがわかる。
また、図4Bによると、例2の条件で得られたサンプルの金属酸化物層は、ホール移動度の点では比較例1のアナターゼ型エピタキシャル膜より小さいが、キャリア濃度の点では比較例1のアナターゼ型エピタキシャルの金属酸化物層に迫るものであることがわかる。
(Example 5: 250 ° C., 350 ° C. film formation—carrier concentration and hole mobility)
In Example 2, a sample temperature obtained by performing annealing in H 2 at a substrate temperature (Ts) of 250 ° C. (corresponding to Example 1-1) and 350 ° C. at the time of film formation of the precursor layer was measured at a measurement temperature of 10 The carrier concentration and hole mobility at ˜300 K were measured. The results are shown in the graphs of FIGS. 4A and 4B, respectively. In this graph, Ts represents the substrate temperature during film formation, the horizontal axis represents the measured temperature, the vertical axis in FIG. 4A represents the carrier concentration, and the vertical axis in FIG. 4B represents the hole mobility.
For comparison, the graph also shows the result of the same measurement performed on the epitaxially grown anatase single phase of the sample obtained under the conditions of Comparative Example 1 (denoted as “Anatase epitaxial film” in the figure). .
4A, in the sample obtained under the conditions of Example 2 (substrate temperatures 250 ° C. and 350 ° C.), the activation rate of Nb is as high as about 90%, and the anatase type epitaxial metal oxide layer of Comparative Example 1 It can be seen that this is a degenerate semiconductor.
Moreover, according to FIG. 4B, the metal oxide layer of the sample obtained under the conditions of Example 2 is smaller than the anatase type epitaxial film of Comparative Example 1 in terms of hole mobility, but in terms of carrier concentration, It turns out that it is close to an anatase type epitaxial metal oxide layer.

(例6−1:250℃成膜−透過率T、反射率R、吸収率)
例1−1の条件で得られたサンプルについて、ガラス基板上に厚さ110nmの金属酸化物層が積層された状態で、所定の波長範囲における透過率、反射率、および吸収率を測定した。また、アニールを行う前の、ガラス基板上に前駆体層が積層された状態で、同様にして透過率および反射率を測定した。
その結果を図5に示す。図5(a)において横軸は波長、縦軸は透過率または反射率を示す。図中符号Tは透過率のグラフ、Rは反射率のグラフである。
図5の結果より、例1−1の条件で得られたサンプルの金属酸化物層は、アニール前後の両方において、透過率T、反射率R、吸収率のいずれも、特に可視光域で良好な値を示していることがわかる。
(Example 6-1: 250 ° C. film formation—transmittance T, reflectance R, absorptance)
About the sample obtained on the conditions of Example 1-1, the transmittance | permeability in the predetermined wavelength range, the reflectance, and the absorptivity were measured in the state by which the 110-nm-thick metal oxide layer was laminated | stacked on the glass substrate. Further, the transmittance and reflectance were measured in the same manner in the state where the precursor layer was laminated on the glass substrate before annealing.
The result is shown in FIG. In FIG. 5A, the horizontal axis represents wavelength, and the vertical axis represents transmittance or reflectance. In the figure, symbol T is a transmittance graph, and R is a reflectance graph.
From the results of FIG. 5, the sample metal oxide layer obtained under the conditions of Example 1-1 has good transmittance T, reflectance R, and absorptance both in the visible light region both before and after annealing. It can be seen that this value is shown.

(例6−2:室温成膜−透過率T、反射率R、吸収率)
例1−3の条件で得られたサンプルについて、例6−1と同様にして、アニール前後の透過率、反射率、および吸収率を測定した。その結果を図6に示す。
図6の結果より、前駆体層を室温で成膜した場合には、Hアニールによって可視光領域における透過率の増大、反射率の低下、および吸収率の減少が顕著に見られることがわかる。
(Example 6-2: Room temperature film formation-transmittance T, reflectance R, absorptance)
About the sample obtained on the conditions of Example 1-3, it carried out similarly to Example 6-1, and measured the transmittance | permeability, reflectance, and absorption rate before and behind annealing. The result is shown in FIG.
From the results shown in FIG. 6, it can be seen that when the precursor layer is formed at room temperature, the increase in the transmittance, the decrease in the reflectance, and the decrease in the absorptance in the visible light region are significantly observed by the H 2 annealing. .

(例6−3:350℃成膜−透過率T、反射率R、吸収率)
例2において、前駆体層の成膜時の基板温度(Ts)が350℃で、H中アニールを行って得られたサンプルについて、例6−1と同様にして、アニール後の透過率および反射率を測定した。その結果を図7に示す。
図7の結果より、例2の条件で得られたサンプル(基板温度350℃)の金属酸化物層は、透過率および反射率のいずれも、特に可視光域で良好な値を示していることがわかる。
(Example 6-3: 350 ° C. film formation—transmittance T, reflectance R, absorption rate)
In Example 2, with respect to the sample obtained by annealing in H 2 at a substrate temperature (Ts) of 350 ° C. during the formation of the precursor layer, the transmittance after annealing and The reflectance was measured. The result is shown in FIG.
From the results shown in FIG. 7, the metal oxide layer of the sample (substrate temperature 350 ° C.) obtained under the conditions of Example 2 shows good values for both transmittance and reflectance, particularly in the visible light region. I understand.

(例7:SEM像)
図8は、例1−1の条件で得られたサンプルにおける金属酸化物層のSEM像である。この図によると、金属酸化物層中にグレインがほとんど観測されず、アモルファスの相の中に少しのアナターゼ型多結晶が生成していることがわかる。
(Example 7: SEM image)
FIG. 8 is an SEM image of the metal oxide layer in the sample obtained under the conditions of Example 1-1. According to this figure, it is understood that almost no grains are observed in the metal oxide layer, and a little anatase type polycrystal is formed in the amorphous phase.

(例8:XRDプロファイル)
図9A、図9B及び図9Cは、例2において、前駆体層の成膜時の基板温度(Ts)が200℃、250℃(例1−1に相当)、350℃で、H中アニールを行って得られたサンプルについて、アニール前後にそれぞれX線回折を行って得られた測定結果(XRDプロファイル)である。図9Aは基板温度200℃、9Bは250℃、9Cは350℃の測定結果である。
また図9Dは、例2において、前駆体層の成膜時の基板温度(Ts)が250℃、300℃、350℃で、H中アニールを行って得られたサンプルについての、アニール後のXRDプロファイルである。図9D中の温度は成膜時の基板温度である。
(Example 8: XRD profile)
9A, FIG. 9B, and FIG. 9C show the substrate temperature (Ts) at the time of forming the precursor layer in Example 2 being 200 ° C., 250 ° C. (corresponding to Example 1-1), 350 ° C., and annealing in H 2. It is a measurement result (XRD profile) obtained by performing X-ray diffraction before and after annealing for the sample obtained by performing the above. FIG. 9A shows measurement results at a substrate temperature of 200 ° C., 9B at 250 ° C., and 9C at 350 ° C.
9D shows a sample obtained by annealing in H 2 at a substrate temperature (Ts) of 250 ° C., 300 ° C., and 350 ° C. when the precursor layer was formed in Example 2. XRD profile. The temperature in FIG. 9D is the substrate temperature during film formation.

一般に、(101)および(004)のピークはアナターゼ型多結晶において観察されるピークである。また、完全多結晶であればインテンシティの比は(101)と(004)で1000対185になる。したがって、図9A〜Cの結果より、アニールの前後にかかわらず、アモルファスの相とアナターゼ型多結晶体が混在している状態になっていることがわかる。
また、図9Dの結果より、成膜温度を変えた場合であっても、アニール後においてアナターゼ型結晶とアモルファスが混在している状態であることがわかる。
In general, the peaks at (101) and (004) are observed in anatase type polycrystals. In the case of perfect polycrystal, the intensity ratio of (101) and (004) is 1000: 185. Therefore, from the results of FIGS. 9A to 9C, it can be seen that the amorphous phase and the anatase-type polycrystal are mixed regardless of before and after annealing.
Further, from the result of FIG. 9D, it can be seen that even when the film forming temperature is changed, the anatase crystal and the amorphous are mixed after the annealing.

(例9:XPSスペクトル)
図10は、例1−1の条件で得られたサンプルについて、X線光電子分光分析装置(XPS)により金属酸化物層の状態スペクトルを測定した結果を示す図である。この図において、破線はアニール前、実線はアニール後の測定結果である。
この図の結果より、ガラス基板上の金属酸化物層において、アニール後にはTi3+のピークが観察され、膜中にTi3+が含まれていることが分かる。したがって、アニールにより還元されていることがわかる。該Ti3+が検出されることは、成膜時の基板温度や成膜法にかかわらず、本発明の方法で得られる低抵抗薄膜に共通して観察される現象である。
(Example 9: XPS spectrum)
FIG. 10 is a diagram showing the results of measuring the state spectrum of the metal oxide layer with an X-ray photoelectron spectrometer (XPS) for the sample obtained under the conditions of Example 1-1. In this figure, the broken line is the measurement result before annealing, and the solid line is the measurement result after annealing.
From the result of this figure, in the metal oxide layer on the glass substrate, a peak of Ti 3+ is observed after annealing, and it can be seen that Ti 3+ is included in the film. Therefore, it turns out that it is reducing by annealing. The detection of Ti 3+ is a phenomenon commonly observed in the low resistance thin film obtained by the method of the present invention regardless of the substrate temperature and the film forming method during film formation.

(例10:AFMデータ)
例2において、前駆体層の成膜時の基板温度(Ts)が250℃(例1−1に相当する)、350℃で、H中アニールを行って得られたサンプルの金属酸化物層をAFM(原子間力顕微鏡)で測定した。その結果を図11A、図11Bに示す。
図11Aは基板温度250℃のサンプル、図11Bは基板温度350℃のサンプルの結果であり、それぞれ(a)は金属酸化物層表面の像を示し、(b)は表面凹凸の状態を示すRawプロファイルを示している。図中Raは面粗さの値、RMSは平均面粗さの値をそれぞれ示している。
図11A及び図11Bの結果より、金属酸化物層表面における凹凸は10nm程度であり比較的平坦な表面が形成されていることがわかった。表面粗さは用途にもよるが、20nm以下であることが好ましい。
(Example 10: AFM data)
In Example 2, the sample metal oxide layer obtained by annealing in H 2 at a substrate temperature (Ts) of 250 ° C. (corresponding to Example 1-1) and 350 ° C. during the formation of the precursor layer Was measured with an AFM (atomic force microscope). The results are shown in FIGS. 11A and 11B.
FIG. 11A shows the result of a sample with a substrate temperature of 250 ° C., FIG. 11B shows the result of a sample with a substrate temperature of 350 ° C. Shows the profile. In the figure, Ra represents a surface roughness value, and RMS represents an average surface roughness value.
From the results of FIGS. 11A and 11B, it was found that the unevenness on the surface of the metal oxide layer was about 10 nm, and a relatively flat surface was formed. The surface roughness is preferably 20 nm or less, although it depends on the application.

なお、図11Bのサンプル(基板温度350℃)について、電子後方散乱回折(EBSD)と呼ばれる手法で分析したところ、結晶化部分は少なく大部分がアモルファス(ややanatase)という結果を得た。
該EBSD(Electron Backscatter Diffraction Pattern)は、材料の局所的な結晶方位を分析する手段として、走査電子顕微鏡(SEM)との組み合わせで急速に普及している手法であり、このEBSDを超高真空の走査電子顕微鏡(UHV−SEM)と組み合わせることでより有効な結晶方位観察が実現される。
Note that the sample of FIG. 11B (substrate temperature 350 ° C.) was analyzed by a technique called electron backscatter diffraction (EBSD), and as a result, there were few crystallized portions and most of the results were amorphous (slightly anatase).
The EBSD (Electron Backscatter Diffraction Pattern) is a technique that is rapidly spreading in combination with a scanning electron microscope (SEM) as a means for analyzing the local crystal orientation of a material. More effective crystal orientation observation is realized by combining with a scanning electron microscope (UHV-SEM).

(例11:アニール前後における抵抗率の変動幅)
図12は、例1−3の条件で得られたサンプル(室温成膜)、および例2において、前駆体層の成膜時の基板温度(Ts)が250℃(例1−1に相当する)、350℃で、H中アニールを行って得られたサンプルについて、アニール前後での抵抗率の変動を示した図である。
この図の結果より、アニールによる抵抗率の変化は、前駆体層を成膜する際の基板温度が室温である場合が一番大きい。つまり、ガラス基板上に室温成長させたTi0.94Nb0.06薄膜は、他の基板温度条件で成膜したTi0.94Nb0.06薄膜よりも、H雰囲気中アニールによる抵抗率の減少幅が大きい。
(Example 11: Variation range of resistivity before and after annealing)
FIG. 12 shows a sample (room temperature film formation) obtained under the conditions of Example 1-3, and in Example 2, the substrate temperature (Ts) during film formation of the precursor layer was 250 ° C. (corresponding to Example 1-1). FIG. 4 is a diagram showing a change in resistivity before and after annealing for a sample obtained by annealing in H 2 at 350 ° C. FIG.
From the results in this figure, the change in resistivity due to annealing is greatest when the substrate temperature at the time of forming the precursor layer is room temperature. That, Ti 0.94 Nb 0.06 O 2 thin film obtained by RT grown on a glass substrate, than Ti 0.94 Nb 0.06 O 2 thin film formed by other substrate temperature condition, H 2 atmosphere The decrease in resistivity due to annealing is large.

(例12:抵抗率の温度依存性)
図13は、例1−3の条件で得られたサンプル(基板温度Ts:室温)、および例1−1の条件で得られたサンプル(基板温度Ts:250℃)について、測定温度10〜300Kの範囲で、アニール後の抵抗率の温度依存性をそれぞれ測定した結果を示す図である。また図13には例1−3の条件で得られたサンプルにおける、アニール前の抵抗率の値(測定温度300K)も示す。
この図から、例1−1および例1−3の条件で得られたサンプルにおいて、抵抗率の温度依存性はほとんどなく、アニール後のTi0.94Nb0.06薄膜は、やや金属的な挙動をとることが判明した。
また図には示していないが、例1−3の条件で得られたサンプル(基板温度Ts:室温、H中アニール)を、次いで酸素中でアニールすると抵抗値は上がるが、その後、再度H雰囲気中でアニールすると、再び6×10−4Ωcm程度の低抵抗状態となった。
(Example 12: Temperature dependence of resistivity)
FIG. 13 shows a measurement temperature of 10 to 300 K for the sample obtained under the conditions of Example 1-3 (substrate temperature Ts: room temperature) and the sample obtained under the conditions of Example 1-1 (substrate temperature Ts: 250 ° C.). It is a figure which shows the result of having measured the temperature dependence of the resistivity after annealing in the range of each. FIG. 13 also shows the resistivity value (measurement temperature 300 K) before annealing in the sample obtained under the conditions of Example 1-3.
From this figure, in the samples obtained under the conditions of Example 1-1 and Example 1-3, there is almost no temperature dependence of resistivity, and the Ti 0.94 Nb 0.06 O 2 thin film after annealing is slightly metal It turned out that it took a typical behavior.
Although not shown in the figure, when the sample obtained under the conditions of Example 1-3 (substrate temperature Ts: room temperature, annealed in H 2 ) is then annealed in oxygen, the resistance value increases. When annealed in two atmospheres, the low resistance state of about 6 × 10 −4 Ωcm was obtained again.

(例13:キャリア濃度、ホール移動度の温度依存性)
図14は、例1−3の条件で得られたサンプル(基板温度Ts:室温)、および例1−1の条件で得られたサンプル(基板温度Ts:250℃)について、アニール後の、キャリア濃度およびホール移動度の温度依存性を、測定温度10〜300Kの範囲で測定した結果を示す図である。図14(a)はキャリア濃度、図14(b)はホール移動度の測定結果を示す。
図14(a)の結果から、例1−1、例1−3の条件で得られたサンプル(基板温度:室温および250℃)のいずれにおいても、90%以上のNbがキャリアを放出(活性化)し、ほぼ縮退していることがわかる。
(Example 13: Temperature dependence of carrier concentration and hole mobility)
FIG. 14 shows the carrier after annealing for the sample obtained under the conditions of Example 1-3 (substrate temperature Ts: room temperature) and the sample obtained under the conditions of Example 1-1 (substrate temperature Ts: 250 ° C.). It is a figure which shows the result of having measured the temperature dependence of a density | concentration and hole mobility in the range of measurement temperature 10-300K. FIG. 14A shows the carrier concentration, and FIG. 14B shows the hole mobility measurement results.
From the results shown in FIG. 14A, 90% or more of Nb released carriers (active) in any of the samples (substrate temperature: room temperature and 250 ° C.) obtained under the conditions of Example 1-1 and Example 1-3. It can be seen that it is almost degenerate.

(例14:XRDプロファイル)
図15は、例1−3の条件で得られたサンプル(基板温度Ts:室温)について、アニール前後にそれぞれX線回折を行って得られた測定結果(XRDプロファイル)である。
この結果より、アニール前がアモルファスであり、アニール後にアナターゼ型多結晶に変化したことがわかる。すなわち、例1−3の条件で室温成膜した前駆体層はアモルファス状態となっており、その後H中アニールを施すことにより多結晶へ変化したことがわかる。なお、後述の図20、21に示される断面TEM像からわかるように、本例の製造条件では、アニール後にはアモルファスと多結晶体が混在している状態となっている。
(Example 14: XRD profile)
FIG. 15 shows measurement results (XRD profiles) obtained by performing X-ray diffraction before and after annealing on the sample (substrate temperature Ts: room temperature) obtained under the conditions of Example 1-3.
From this result, it can be seen that the material was amorphous before annealing and changed to anatase polycrystal after annealing. That is, it can be seen that the precursor layer formed at room temperature under the conditions of Example 1-3 was in an amorphous state and then changed to polycrystal by annealing in H 2 . As can be seen from the cross-sectional TEM images shown in FIGS. 20 and 21, which will be described later, under the manufacturing conditions of this example, the amorphous and polycrystalline bodies are mixed after annealing.

(例15:250℃成膜−TEM像)
例1−1の条件で得られたサンプルの金属酸化物層についての、断面TEM(透過型電子顕微鏡)像を図16および図17に示す。図16は拡大率が50万倍であり、図17は拡大率が250万倍である。
図16の像では多結晶薄膜ができていることがわかり、粒界も観察される。図17の像では、ひとつひとつの格子が観察される。
また前述の図8(例7)に示されるSEM像や、例10で用いたEBSDによる分析によれば、表面においてはアモルファスが多いことがわかり、本例の断面TEM像によれば層内部においては大部分が結晶化しており、アモルファスの部分も存在していることがわかる。
(Example 15: 250 ° C. film formation-TEM image)
FIGS. 16 and 17 show cross-sectional TEM (transmission electron microscope) images of the sample metal oxide layer obtained under the conditions of Example 1-1. 16 shows an enlargement ratio of 500,000 times, and FIG. 17 shows an enlargement ratio of 2.5 million times.
In the image of FIG. 16, it can be seen that a polycrystalline thin film is formed, and grain boundaries are also observed. In the image of FIG. 17, every single lattice is observed.
Further, according to the SEM image shown in FIG. 8 (Example 7) and the analysis by EBSD used in Example 10, it can be seen that there are many amorphous materials on the surface, and according to the cross-sectional TEM image of this example, inside the layer, It can be seen that most of them are crystallized, and amorphous parts are also present.

(例18:250℃成膜−電子線回折像)
図18は、例1−1の条件で作製したサンプルにおける、金属酸化物層の内部の電子線回折像である。面間隔dはLλ/Rで求められる。ここで、Rは、中心のビームスポットからの距離、Lは、カメラ長(ここでは653.3mm)、λは、電子線の波長(ここでは0.0027nm)である。図中の1で示される面間隔dは1.73Å、その面方位はA(211)または(105)であった。また、図中の2で示される面間隔dは2.39Å、その面方位はA(004)であった(「A」はアナターゼを意味する。)。さらに、図中の3で示される面間隔dは1.70Å、その面方位はA(211)又は(105)であった(「A」はアナターゼを意味する。)。
このことから結晶内部もアナターゼ型結晶であることがわかる。
(Example 18: 250 ° C. film formation-electron diffraction pattern)
FIG. 18 is an electron diffraction image inside the metal oxide layer in the sample manufactured under the conditions of Example 1-1. The surface distance d is determined by Lλ / R. Here, R is the distance from the center beam spot, L is the camera length (here, 653.3 mm), and λ is the wavelength of the electron beam (here, 0.0027 nm). The surface distance d indicated by 1 in the figure was 1.73 mm, and the surface orientation was A (211) or (105). In addition, the surface distance d indicated by 2 in the figure was 2.39 mm, and the surface orientation was A (004) (“A” means anatase). Furthermore, the surface interval d indicated by 3 in the figure was 1.70 mm, and the surface orientation was A (211) or (105) (“A” means anatase).
This indicates that the inside of the crystal is also an anatase type crystal.

(例19:室温成膜−TEM像)
例1−3の条件でサンプルを作製し、アニール前の前駆体層およびアニール後の金属酸化物層の断面TEM像を得た。
図19はアニール前の断面TEM像であり、拡大率は50万倍である。この像から完全なアモルファス状態であることがわかる。
図20、21は、アニール後の断面TEM像であり、図20は拡大率が50万倍、図21は拡大率が250万倍である。
図20の像では、転位などの結晶の欠陥構造が観察され、ガラス基板近傍で多少結晶化が見られている。
また上述した図15に示されるように、XRDプロファイルにおいてアナターゼ(101)のピークが観察されるため、室温成長させたTi0.94Nb0.06薄膜は、アニールすると、アモルファスと多結晶体が混在している状態となると結論できる。
拡大率が50万倍の図20では結晶化がほとんど観察されなかったのに対して、図21では格子が観察されている。これは、拡大率を250万倍にした際に電子線がサンプルに集中して照射されたことによって実質的にサンプルが加熱され、アニール効果が生じたことによると考えられる。
(Example 19: Room temperature film formation-TEM image)
Samples were prepared under the conditions of Example 1-3, and cross-sectional TEM images of the precursor layer before annealing and the metal oxide layer after annealing were obtained.
FIG. 19 is a cross-sectional TEM image before annealing, and the enlargement ratio is 500,000 times. From this image, it can be seen that the film is completely amorphous.
20 and 21 are cross-sectional TEM images after annealing. FIG. 20 shows an enlargement ratio of 500,000 times, and FIG. 21 shows an enlargement ratio of 2.5 million times.
In the image of FIG. 20, a crystal defect structure such as dislocation is observed, and some crystallization is observed in the vicinity of the glass substrate.
Further, as shown in FIG. 15 described above, since the peak of anatase (101) is observed in the XRD profile, the Ti 0.94 Nb 0.06 O 2 thin film grown at room temperature is amorphous and polycrystalline when annealed. It can be concluded that the body is in a mixed state.
In FIG. 20 where the enlargement ratio is 500,000 times, almost no crystallization was observed, whereas in FIG. 21, a lattice was observed. This is considered to be due to the fact that when the enlargement ratio was increased to 2.5 million times, the sample was substantially heated by the irradiation of the electron beam concentrated on the sample, and an annealing effect was produced.

図22は、図21において250万倍で拡大して観察した金属酸化物層(NbドープTiO薄膜)を、拡大率50万倍で観察した際の断面TEM像である。この像からは、拡大率を50万倍に戻すと、結晶化が進んでしまっていることがわかる。これは、上述のとおり、250万倍に拡大した際にビームをしぼったことによる加熱でアニール効果をサンプルにもたらした結果と考えられる。
このことから、室温成長させたTi0.94Nb0.06薄膜は、H中アニールすると、アモルファスと多結晶体が混在している状態となり、その後大気中で加熱されると結晶化がさらに進むと考えられる。
FIG. 22 is a cross-sectional TEM image of the metal oxide layer (Nb-doped TiO 2 thin film) observed at a magnification of 2.5 million in FIG. 21 and observed at a magnification of 500,000 times. From this image, it can be seen that when the magnification is returned to 500,000 times, crystallization has progressed. As described above, this is considered to be a result of bringing the annealing effect to the sample by heating due to squeezing the beam when it was magnified 2.5 million times.
From this, the Ti 0.94 Nb 0.06 O 2 thin film grown at room temperature becomes a state in which amorphous and polycrystals are mixed when annealed in H 2 , and then crystallizes when heated in the atmosphere. Is expected to go further.

(例20:室温成膜におけるアニール時間)
(例20−1:抵抗率)
例1−3の条件において、前駆体層の厚さを100nmに変更した他は同様にして、基板上に前駆体層を形成した。
次いで、アニール時間を5分間〜100分間の範囲で変化させた他は、例1−3と同様にしてサンプルを作製し、金属酸化物層の抵抗率を測定した。図23は、抵抗率とアニール時間の関係を示す図である。図23には、アニール前(アニール時間:0分)の抵抗率の値も示す。
この図の結果より、アニール時間が5分間でもアニール前に比べて抵抗率は6桁減少することが判明した。このことは、アニール時間を5分間以内としても低抵抗化される可能性はあるが、少なくとも5分間アニールを行えば低抵抗化のためには十分であることを示している。また、5分間以上アニールを行っても抵抗率はほとんど変動しないことも判明した。
(Example 20: Annealing time in room temperature film formation)
(Example 20-1: resistivity)
A precursor layer was formed on the substrate in the same manner except that the thickness of the precursor layer was changed to 100 nm under the conditions of Example 1-3.
Next, a sample was prepared in the same manner as in Example 1-3 except that the annealing time was changed in the range of 5 minutes to 100 minutes, and the resistivity of the metal oxide layer was measured. FIG. 23 is a diagram showing the relationship between resistivity and annealing time. FIG. 23 also shows the resistivity value before annealing (annealing time: 0 minutes).
From the results in this figure, it was found that the resistivity decreased by 6 orders of magnitude even when the annealing time was 5 minutes compared to before annealing. This indicates that there is a possibility that the resistance is lowered even if the annealing time is within 5 minutes, but it is sufficient to reduce the resistance if annealing is performed for at least 5 minutes. It was also found that the resistivity hardly fluctuates even after annealing for 5 minutes or longer.

(例20−2:XRDプロファイル)
例20−1と同様にして前駆体層を作製した。次いで、(1)アニールを行わないアモルファス状態のもの、(2)5分間のアニールを行いアナターゼの多結晶体とアモルファスが混在している状態となったもの、(3)20分間のアニールを1回、続いて10分間のアニールを2回行いアナターゼの多結晶体とアモルファスが混在している状態となったもの、(4)100分間のアニールを行いアナターゼの多結晶体とアモルファスが混在している状態のもの、の4通りのサンプルを作製した。
図24は、該4通りのサンプルについてXRD測定を行って得られたXRDプロファイルである。
この図において、(101)のピークについて(2)のサンプルの半値幅(FWHM)は0.330°、(3)のサンプルのFWHMは0.292°、(4)のサンプルのFWHMは0.257°であった。(1)のサンプルにおいては(101)のピークは観察されなかった。
この図の結果からも、アニール時間が5分間でも、前駆体層のアモルファスが一部多結晶体へ変化することがわかる。また、アニール時間およびアニールの回数によってピーク強度にあまり差異はないが、FWHMは(2)>(3)>(4)であった。FWHMの減少は結晶性(結晶の質)の向上を示す。
(Example 20-2: XRD profile)
A precursor layer was produced in the same manner as in Example 20-1. Next, (1) an amorphous state in which annealing is not performed, (2) a case in which annealing is performed for 5 minutes and anatase polycrystal and amorphous are mixed, and (3) annealing for 20 minutes is 1 Followed by two 10-minute anneals, resulting in a mixture of anatase polycrystal and amorphous, (4) 100 minutes of anneal and anatase polycrystal and amorphous mixed Four types of samples were prepared.
FIG. 24 shows XRD profiles obtained by performing XRD measurement on the four samples.
In this figure, with respect to the peak of (101), the half width (FWHM) of the sample of (2) is 0.330 °, the FWHM of the sample of (3) is 0.292 °, and the FWHM of the sample of (4) is 0.00. It was 257 °. In the sample (1), the peak (101) was not observed.
From the results in this figure, it can be seen that even if the annealing time is 5 minutes, the amorphous part of the precursor layer is partially changed to a polycrystalline body. Moreover, although there was not much difference in peak intensity by annealing time and the frequency | count of annealing, FWHM was (2)>(3)> (4). A decrease in FWHM indicates an improvement in crystallinity (crystal quality).

(例21:室温成膜におけるアニール時の昇温時間)
(例21−1:抵抗率)
例1−3において、前駆体層の厚さを100nmに変更した他は同様にして、基板上に前駆体層を形成した。
次いで下記の条件でポストアニールを行って、基板上に金属酸化物層が形成されたサンプルを得た。
・アニール雰囲気:H100%、1.013×10Pa(1気圧)
・基板温度:500℃
・アニール時間:10分
また、例1−3では、アニール温度(500℃)に達するまでの昇温時間が5分間であったが、これを5分、10分、20分と変更して3通りのサンプルを作製した。500℃で10分間保持した後、室温まで放冷した。
得られたサンプルの金属酸化物層について抵抗率を測定した。
(Example 21: Temperature rising time during annealing in room temperature film formation)
(Example 21-1: resistivity)
In Example 1-3, the precursor layer was formed on the substrate in the same manner except that the thickness of the precursor layer was changed to 100 nm.
Next, post-annealing was performed under the following conditions to obtain a sample in which a metal oxide layer was formed on the substrate.
Annealing atmosphere: H 2 100%, 1.013 × 10 5 Pa (1 atm)
-Substrate temperature: 500 ° C
Annealing time: 10 minutes In Example 1-3, the temperature rising time until reaching the annealing temperature (500 ° C.) was 5 minutes, but this was changed to 5 minutes, 10 minutes, and 20 minutes. Street samples were made. After holding at 500 ° C. for 10 minutes, the mixture was allowed to cool to room temperature.
The resistivity was measured for the metal oxide layer of the obtained sample.

その結果、アニールを行わない前駆体層の抵抗率は63.3Ωcm、昇温時間5分の場合5.5×10−4Ωcm、昇温時間10分の場合5.8×10−4Ωcm、昇温時間20分の場合5.5×10−4Ωcmであった。このことから、昇温時間は、アニール後の抵抗率に影響を及ぼさないことがわかった。 As a result, the resistivity of the precursor layer that is not annealed is 63.3 Ωcm, 5.5 × 10 −4 Ωcm when the heating time is 5 minutes, 5.8 × 10 −4 Ωcm when the heating time is 10 minutes, In the case where the temperature raising time was 20 minutes, it was 5.5 × 10 −4 Ωcm. From this, it was found that the temperature raising time does not affect the resistivity after annealing.

(例21−2:XRDプロファイル)
例21−1と同様にして前駆体層を作製した。次いで、(1)アニールを行わないアモルファス状態のもの、(2)昇温時間5分でアニールを行ったもの、(3)昇温時間10分でアニールを行ったもの、(4)昇温時間20分でアニールを行ったもの、の4通りのサンプルについて、XRD測定を行った。得られたXRDプロファイルを図25に示す。
この図において、(101)のピークについて(2)(3)(4)における差異はほとんどなかった。(1)のサンプルにおいては(101)のピークは観察されなかった。
この結果からも、アニール後における結晶状態において、昇温時間の違いによる差はほとんど無いことがわかる。
(Example 21-2: XRD profile)
A precursor layer was produced in the same manner as in Example 21-1. Next, (1) amorphous state in which annealing is not performed, (2) annealing is performed with a heating time of 5 minutes, (3) annealing is performed with a heating time of 10 minutes, (4) heating time XRD measurement was performed on four types of samples that were annealed in 20 minutes. The obtained XRD profile is shown in FIG.
In this figure, there was almost no difference in (2), (3), and (4) for the peak of (101). In the sample (1), the peak (101) was not observed.
Also from this result, it can be seen that there is almost no difference due to the difference in the heating time in the crystalline state after annealing.

(比較例3:ドーパントなし、室温成膜)
例1−3の条件において、前駆体層の成膜時のターゲットを、Nbを含まないTiO焼結体に変更した他は同様にして、基板上に前駆体層(厚さ110nm)を形成し、同様にアニールを行ってサンプルを製造した。
図26は、アニール前後にそれぞれX線回折を行って得られた測定結果(XRDプロファイル)である。また、アニール前後における抵抗率を測定したところ、アニール前の前駆体層は46.3Ωcm、アニール後の金属酸化物層は0.28Ωcmであった。
(Comparative example 3: no dopant, film formation at room temperature)
A precursor layer (thickness: 110 nm) is formed on the substrate in the same manner as in Example 1-3 except that the target for forming the precursor layer is changed to a TiO 2 sintered body not containing Nb. In the same manner, annealing was performed to manufacture a sample.
FIG. 26 shows measurement results (XRD profiles) obtained by performing X-ray diffraction before and after annealing. When the resistivity before and after annealing was measured, the precursor layer before annealing was 46.3 Ωcm, and the metal oxide layer after annealing was 0.28 Ωcm.

上述の図12(例11)に示した、NbドープTiOからなる室温成膜の前駆体層および金属酸化物層の抵抗率と比べて、本例では、H中アニールによる抵抗率の減少幅が著しく小さい。また、図15(a)(例14)に示した、NbドープTiOからなる室温成膜の前駆体層および金属酸化物層のXRDプロファイルでは、アモルファス状態の前駆体層がアニールを経てアナターゼ型多結晶へ変化したことが観察されるのに対して、本例のXRDプロファイルでは、アニール後にアナターゼだけでなくルチル型結晶を示すピークも存在している。ルチル型結晶が生成されると金属酸化物層の抵抗率が高くなる。
このことから、Nbがアナターゼ型結晶の安定化に寄与しており、ルチル型結晶の生成を抑制していることがわかる。つまり、Nbの添加は抵抗率の低下とともにアナターゼ型結晶の安定化にも寄与していることになる。
Compared to the resistivity of the precursor layer and the metal oxide layer made of Nb-doped TiO 2 shown in FIG. 12 (Example 11) described above, in this example, the resistivity is reduced by annealing in H 2. The width is extremely small. Further, in the XRD profile of the precursor layer and the metal oxide layer made of Nb-doped TiO 2 shown in FIG. 15A (Example 14), the amorphous precursor layer is annealed to be anatase type. In contrast to the fact that the crystal was changed to a polycrystal, in the XRD profile of this example, not only anatase but also a peak indicating a rutile crystal is present after annealing. When the rutile crystal is generated, the resistivity of the metal oxide layer is increased.
This indicates that Nb contributes to the stabilization of the anatase type crystal and suppresses the generation of the rutile type crystal. That is, the addition of Nb contributes to the stabilization of the anatase crystal as well as the decrease in resistivity.

(例22:室温成膜、アニール温度)
例1−3の条件で、前駆体層を形成した。次いで、1.33×10−1Pa(1×10−3torr)の真空中で、基板温度を室温から600℃まで200分間かけて徐々に上昇させ、600℃に達したら室温まで200分間かけて徐々に降下させる方法でアニールを行った。その間の金属酸化物層の抵抗率を1秒毎に測定した。その結果を図27に示す。
この図に示されるように、室温から基板温度が上昇するにしたがって抵抗率は徐々に低下し、基板温度が320〜350℃付近で大きく低下した。その後、抵抗率は基板温度の上昇に伴って徐々に増加する傾向が見られたものの、ほぼ横這いであった。
この結果より、H中アニールにおいて、アニール温度(アニール時の基板温度)が350℃以上であれば良好に低抵抗化できることがわかる。
(Example 22: Room temperature film formation, annealing temperature)
A precursor layer was formed under the conditions of Example 1-3. Next, in a vacuum of 1.33 × 10 −1 Pa (1 × 10 −3 torr), the substrate temperature is gradually increased from room temperature to 600 ° C. over 200 minutes. Annealing was performed by gradually lowering the temperature. During that time, the resistivity of the metal oxide layer was measured every second. The result is shown in FIG.
As shown in this figure, the resistivity gradually decreased as the substrate temperature increased from room temperature, and the substrate temperature greatly decreased in the vicinity of 320 to 350 ° C. After that, although the resistivity tended to increase gradually as the substrate temperature increased, it was almost flat.
This result in in H 2 annealing, (the substrate temperature during annealing) annealing temperature it can be seen that satisfactorily low resistance if 350 ° C. or higher.

(参考例2:アニール温度の上限)
比較例1の条件で形成したエピタキシャル成長のアナターゼ単相に対して、アニール温度(基板温度)を250〜850℃の範囲で変化させてポストアニールを行い、アニール後の抵抗率を測定した。アニール時間は1時間、アニール雰囲気は例1−1と同じH雰囲気、および酸素分圧0.5×10Paの酸化雰囲気の2通りとした。結果を図28に示す。図においてアニール温度0℃の測定値はアニール前の抵抗率である。
この図の結果より、還元雰囲気であるH中アニールにおいては、基板温度800℃まで低抵抗が良好に維持された。このことから、アニール温度800℃を超えるとアナターゼ型結晶の安定性が損なわれることが推測される。アナターゼ型結晶がこわれると透明性が悪くなる。
また、酸化雰囲気中(O中アニール)でアニールした場合は、アニール温度(基板温度)が300℃を超えると抵抗率が顕著に上昇した。
(Reference Example 2: Upper limit of annealing temperature)
For the epitaxially grown anatase single phase formed under the conditions of Comparative Example 1, post annealing was performed by changing the annealing temperature (substrate temperature) in the range of 250 to 850 ° C., and the resistivity after annealing was measured. The annealing time was 1 hour, the annealing atmosphere was the same H 2 atmosphere as in Example 1-1, and the oxidizing atmosphere with an oxygen partial pressure of 0.5 × 10 5 Pa. The results are shown in FIG. In the figure, the measured value at the annealing temperature of 0 ° C. is the resistivity before annealing.
From the result of this figure, in the annealing in H 2 which is a reducing atmosphere, the low resistance was well maintained up to the substrate temperature of 800 ° C. From this, it is presumed that when the annealing temperature exceeds 800 ° C., the stability of the anatase crystal is impaired. If the anatase crystal is broken, the transparency becomes worse.
Further, when annealing was performed in an oxidizing atmosphere (annealing in O 2 ), the resistivity significantly increased when the annealing temperature (substrate temperature) exceeded 300 ° C.

(例23:熱酸化Si基板、室温成膜)
(例23−1:XRDプロファイル)
例1−3の条件において、基板を熱酸化Si基板に変更し、前駆体層の厚さを200nmに変更した他は同様にしてサンプルを製造した。
図29は、アニール前後にそれぞれX線回折を行って得られた測定結果(XRDプロファイル)である。また、アニール前後の抵抗値(面抵抗)を測定したところ、アニール前の前駆体層は880kΩ、H中アニール後の金属酸化物層は171Ωであった。
これらの結果から、熱酸化Si基板を用いる場合も、ガラス基板上に金属酸化物層を形成する場合と同様に、H中アニールによってアモルファスから多結晶への変化、および抵抗の大幅な減少が起こることが明らかになった。
(Example 23: Thermal oxidation Si substrate, room temperature film formation)
(Example 23-1: XRD profile)
A sample was manufactured in the same manner as in Example 1-3 except that the substrate was changed to a thermally oxidized Si substrate and the thickness of the precursor layer was changed to 200 nm.
FIG. 29 shows measurement results (XRD profiles) obtained by performing X-ray diffraction before and after annealing. Further, when the resistance value (surface resistance) before and after annealing was measured, the precursor layer before annealing was 880 kΩ, and the metal oxide layer after annealing in H 2 was 171 Ω.
From these results, even when a thermally oxidized Si substrate is used, as in the case of forming a metal oxide layer on a glass substrate, the change from amorphous to polycrystalline and the resistance is greatly reduced by annealing in H 2. It has become clear that this will happen.

(例23−2:Nbドープ量)
例23−1の条件において、PLD法で成膜する際に可動マスクを併用して、熱酸化Si基板上に、前駆体層として、Nb含有量が0原子%から20原子%までの傾斜がついた厚さ200nmのコンポジションスプレッド薄膜(傾斜組成膜)を形成した。その他は例23−1と同様にして、Nb含有量の傾斜がついた金属酸化物層を形成した。
図30は、アニール後の金属酸化物層についてX線回折を行って得られた測定結果(XRDプロファイル)である。図30(b)は図30(a)におけるアナターゼ(101)のピーク付近を拡大して示した図である。
これらの図に示されるように、アナターゼ(101)のピークはNbが高濃度になるにつれ低角側にシフトしており、Nbの固溶が示唆される。これによって、c軸は単調に伸びるため、アモルファスからアナターゼができるときに20原子%までNbが結晶中に入っていくということが確認された。これは粒界にNbが偏析しているのではないということも示している。
(Example 23-2: Nb doping amount)
Under the conditions of Example 23-1, a movable mask was used in combination with the PLD method, and the Nb content was inclined from 0 atomic% to 20 atomic% as a precursor layer on the thermally oxidized Si substrate. A 200-nm thick composition spread thin film (gradient composition film) was formed. Others were the same as in Example 23-1, and a metal oxide layer with a gradient of Nb content was formed.
FIG. 30 is a measurement result (XRD profile) obtained by performing X-ray diffraction on the annealed metal oxide layer. FIG. 30 (b) is an enlarged view showing the vicinity of the peak of anatase (101) in FIG. 30 (a).
As shown in these figures, the peak of anatase (101) shifts to the lower angle side as Nb becomes higher, suggesting solid solution of Nb. As a result, since the c-axis is monotonically extended, it was confirmed that Nb enters the crystal up to 20 atomic% when anatase is formed from amorphous. This also indicates that Nb is not segregated at the grain boundaries.

図31は、上記で得られた、Nb含有量の傾斜がついた金属酸化物層について抵抗値(面抵抗)を測定した結果を示すグラフである。
抵抗値の測定は図32に示すように、金属酸化物層において、Nb濃度が増す方向に沿って1mmおきにIn電極を圧着し、圧着を行った各箇所で、二端子にてI−V測定を行いその傾きから抵抗値を算出する方法で行った。
図31の結果より、Nbドープ量が2.5原子%以上であると抵抗値は充分に減少することが判明した。またNbドープ量が2.5原子%より少なくても低抵抗にできると推測される。
FIG. 31 is a graph showing the results of measuring the resistance value (surface resistance) of the metal oxide layer with the Nb content gradient obtained above.
As shown in FIG. 32, the resistance value is measured by using the I-V at two terminals at each location where the In electrode is crimped every 1 mm along the direction of increasing Nb concentration in the metal oxide layer. Measurement was performed and the resistance value was calculated from the slope.
From the results of FIG. 31, it was found that the resistance value is sufficiently reduced when the Nb doping amount is 2.5 atomic% or more. Further, it is presumed that the resistance can be lowered even if the Nb doping amount is less than 2.5 atomic%.

(例24:還元雰囲気にする前の真空状態)
中でアニールを行う際に、ポンプで一旦真空状態にしてから、還元雰囲気とするためのガスである水素を系に導入することによって、抵抗値がより小さい金属酸化物層を形成できることが判明した。
例えば、例1−3では、H中アニールを行う際に、ポンプで一旦真空状態にしてから、水素を系に導入した。この場合のアニール後の金属酸化物層の抵抗値は4.5×10−4Ωcmであった。これに対して、一旦真空状態にせず、その他は例1−3と同様にした場合の該抵抗値は5.0×10−4であった。
(Example 24: vacuum state before reducing atmosphere)
When annealing is performed in H 2 , a metal oxide layer having a lower resistance value can be formed by introducing a hydrogen gas, which is a gas for making a reducing atmosphere, into a vacuum state once with a pump. found.
For example, in Example 1-3, when performing annealing in H 2 , hydrogen was introduced into the system after a vacuum state was once generated by a pump. In this case, the resistance value of the metal oxide layer after annealing was 4.5 × 10 −4 Ωcm. On the other hand, the resistance value was 5.0 × 10 −4 when the vacuum state was not used once and the others were the same as in Example 1-3.

以下は、前駆体層をスパッタリング法で製造した例である。
以下のスパッタリング法の例において、基板温度の「室温」とは、25℃以上80℃以下の範囲である。実際の実験では、基板を加熱しない条件でスパッタリング法による成膜を行い、その際の基板温度は70℃以上80℃以下の範囲であったことが確認できている。
The following is an example in which the precursor layer was manufactured by the sputtering method.
In the following sputtering method examples, the “room temperature” of the substrate temperature is in the range of 25 ° C. or more and 80 ° C. or less. In an actual experiment, it was confirmed that the film was formed by the sputtering method without heating the substrate, and the substrate temperature at that time was in the range of 70 ° C. or higher and 80 ° C. or lower.

(例30:室温成膜−XRDプロファイル)
反応性DCマグネトロンスパッタリング装置を用い、表5の1)に示す成膜条件で基板上に前駆体層を形成した。基板としては厚さ1mmのノンアルカリガラス(旭硝子社製、製品名:AN100)を使用した。
すなわち、反応性DCマグネトロンスパッタリング装置の真空槽内に、ターゲットとして、Nbを6原子%含有するTi−Nb合金をセットするとともに、基板をセットした。
ターゲットと基板との距離(T/S)は70mmとした。
次いで、真空槽をポンプで5×10−4Pa以下まで排気した後、ArガスとOガスとをO/(Ar+O)の割合が所定の値となるように真空系内に導入し、真空槽内の圧力が1.0Paとなるように調整した。
そして、マグネトロン磁場強度1000Gの状態で、Ti−Nb合金ターゲットに150Wで電圧を印加し、基板上にNbがドープされた酸化チタン膜(前駆体層)を形成した。基板の加熱は行わず、基板温度は室温とした。
得られた前駆体層は、膜厚150nm、Nb含有量6原子%であった。次いで、表5の2)に示す条件でポストアニールを行って、基板上に金属酸化物層が形成されたサンプルを得た。なお、室温から基板温度が500℃に達するまで5分間かかり、600℃に達するまで6分間かかった。所定のアニール温度で1時間保持した後、室温まで放冷した。得られた金属酸化物層は、膜厚140nm、Nb含有量6原子%であった。
前駆体層を形成する際のO/(Ar+O)の割合は10vol%と20vol%の2通りとし、アニール温度(基板温度)は500℃および600℃の2通りとして、合計4通りの条件でサンプルをそれぞれ製造した。
(Example 30: Room temperature film formation-XRD profile)
Using a reactive DC magnetron sputtering apparatus, a precursor layer was formed on the substrate under the film forming conditions shown in 1) of Table 5. A non-alkali glass (product name: AN100 manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) having a thickness of 1 mm was used as the substrate.
That is, a Ti—Nb alloy containing 6 atomic% of Nb was set as a target in a vacuum chamber of a reactive DC magnetron sputtering apparatus, and a substrate was set.
The distance (T / S) between the target and the substrate was 70 mm.
Next, after evacuating the vacuum tank to 5 × 10 −4 Pa or less with a pump, Ar gas and O 2 gas are introduced into the vacuum system so that the ratio of O 2 / (Ar + O 2 ) becomes a predetermined value. The pressure in the vacuum chamber was adjusted to 1.0 Pa.
Then, with a magnetron magnetic field strength of 1000 G, a voltage was applied to the Ti—Nb alloy target at 150 W to form a titanium oxide film (precursor layer) doped with Nb on the substrate. The substrate was not heated and the substrate temperature was room temperature.
The obtained precursor layer had a film thickness of 150 nm and an Nb content of 6 atomic%. Next, post-annealing was performed under the conditions shown in 2) in Table 5 to obtain a sample in which a metal oxide layer was formed on the substrate. It took 5 minutes for the substrate temperature to reach 500 ° C. from room temperature and 6 minutes for reaching 600 ° C. After holding at a predetermined annealing temperature for 1 hour, it was allowed to cool to room temperature. The obtained metal oxide layer had a film thickness of 140 nm and an Nb content of 6 atomic%.
The ratio of O 2 / (Ar + O 2 ) at the time of forming the precursor layer is 10 vol% and 20 vol%, and the annealing temperature (substrate temperature) is 500 ° C. and 600 ° C., and there are 4 conditions in total. Samples were manufactured respectively.

Figure 2008084824
Figure 2008084824

図33は、アニール前の前駆体およびアニール後の金属酸化物層について、X線回折を行って得られた測定結果(XRDプロファイル)である。図33(a)は、スパッタリングガスにおけるO/(Ar+O)の割合を10vol%とした場合、図33(b)は20vol%とした場合である。図中において記載した温度はアニール温度(500℃または600℃)である。縦軸は強度(任意単位)である。
この図において、ポストアニール後の金属酸化物層においてはアナターゼ型結晶に見られる(101)のピークが観察される。また前駆体層はアモルファス状態であることがわかる。このことからポストアニールによってアナターゼ型Nb:TiOが得られることがわかる。本例で形成された金属酸化物層はアモルファス状の相の中にアナターゼ型結晶が存在している状態であると推測される。
FIG. 33 shows measurement results (XRD profiles) obtained by performing X-ray diffraction on the precursor before annealing and the metal oxide layer after annealing. FIG. 33A shows the case where the ratio of O 2 / (Ar + O 2 ) in the sputtering gas is 10 vol%, and FIG. 33B shows the case where it is 20 vol%. The temperatures described in the figure are annealing temperatures (500 ° C. or 600 ° C.). The vertical axis represents intensity (arbitrary unit).
In this figure, in the metal oxide layer after post-annealing, the peak (101) seen in the anatase crystal is observed. Moreover, it turns out that a precursor layer is an amorphous state. This shows that anatase type Nb: TiO 2 is obtained by post-annealing. The metal oxide layer formed in this example is presumed to be in a state where anatase crystals are present in the amorphous phase.

(例31:成膜時の基板温度−XRDプロファイル)
例30において、前駆体層を成膜する際の基板温度を室温(例30に相当)、200℃、350℃、500℃にそれぞれ変更し、アニール温度を600℃の1通りとした他は同様にしてサンプルを製造した。
図34は、アニール前の前駆体(矢印の左側)およびアニール後の金属酸化物層(矢印の右側)について、X線回折を行って得られた測定結果(XRDプロファイル)である。図34(a)は、スパッタリングガスにおけるO/(Ar+O)の割合を10vol%とした場合、図34(b)は20vol%とした場合である。図中において記載した温度(Ts)は成膜時の基板温度である
(Example 31: Substrate temperature during film formation-XRD profile)
In Example 30, the substrate temperature when forming the precursor layer was changed to room temperature (corresponding to Example 30), 200 ° C., 350 ° C., and 500 ° C., and the annealing temperature was changed to one of 600 ° C. A sample was manufactured.
FIG. 34 shows measurement results (XRD profile) obtained by performing X-ray diffraction on the precursor before annealing (left side of the arrow) and the metal oxide layer after annealing (right side of the arrow). FIG. 34A shows a case where the ratio of O 2 / (Ar + O 2 ) in the sputtering gas is 10 vol%, and FIG. 34B shows a case where 20 vol%. The temperature (Ts) described in the figure is the substrate temperature during film formation.

この図から、低い基板温度で成膜すると、アニール前の前駆体層はアモルファス状態であり、アニールによって結晶化が進み、アナターゼ型構造になることがわかる。成膜時の基板温度を上昇させると、アナターゼ型に結晶化した前駆体層が得られる。また、図34(a)と(b)を比べると、前駆体層を成膜する際に、O/(Ar+O)の割合が高いほうが、より低い基板温度で結晶化することもわかる。 From this figure, it can be seen that when the film is formed at a low substrate temperature, the precursor layer before annealing is in an amorphous state, and crystallization progresses by annealing, resulting in an anatase structure. When the substrate temperature during film formation is increased, a precursor layer crystallized into anatase type is obtained. 34A and 34B, it can be seen that when the precursor layer is formed, the higher the ratio of O 2 / (Ar + O 2 ), the lower the substrate temperature.

また図34では、基板温度の低下に伴い、アニール後の金属酸化物層における(004)ピーク(38°付近のピーク)が大きくなっている。後述の図37(例34)に示されるように、ホール移動度は基板温度の低下に伴い向上するというデータもある。これらは、移動度が結晶軸の配向性に依存することを示唆している。   In FIG. 34, as the substrate temperature decreases, the (004) peak (peak near 38 °) in the annealed metal oxide layer increases. As shown in FIG. 37 (Example 34), which will be described later, there is data that the hole mobility increases as the substrate temperature decreases. These suggest that the mobility depends on the orientation of the crystal axes.

(例32:ドーパントの有無−XRDプロファイル)
(例32−1:Nb含有)
例30において、スパッタリングガスにおけるO/(Ar+O)の割合を10vol%、アニール温度を600℃の1通りとした他は同様にしてサンプルを製造した。
(例32−2:Nbなし)
例32−1において、ターゲットを、Nbを含有しないTiからなる金属板に変更した他は同様にしてサンプルを製造した。
(Example 32: Presence / absence of dopant-XRD profile)
(Example 32-1: containing Nb)
A sample was produced in the same manner as in Example 30, except that the ratio of O 2 / (Ar + O 2 ) in the sputtering gas was 10 vol% and the annealing temperature was 600 ° C.
(Example 32-2: No Nb)
A sample was produced in the same manner as in Example 32-1, except that the target was changed to a metal plate made of Ti containing no Nb.

図35は、例32−1の条件で得られた金属酸化物層(Nb:TiO膜)および例32−2の条件で得られた金属酸化物層(TiO膜)について、X線回折を行って得られた測定結果(XRDプロファイル)である。
この図から、Nbドーピングによって(101)ピークおよび(004)ピークが低角度側にシフトしていることがわかる。これは、結晶格子が膨張していることを示している。Nb5+のイオン半径は0.069nm、Ti4+のイオン半径は0.068nmであるため、TiサイトにNbが置換した結果、結晶格子が膨張したと考えられる。したがって、この図のXRDプロファイルより、NbがドープされたTiO膜において、NbがTiと置換していることが確認できる。
Figure 35 is a metal oxide layer obtained under the conditions of Example 32-1 (Nb: TiO 2 film) and a metal oxide layer obtained in the conditions of Example 32-2 for (TiO 2 film), X-ray diffraction It is a measurement result (XRD profile) obtained by performing.
From this figure, it can be seen that the (101) peak and the (004) peak are shifted to the lower angle side by Nb doping. This indicates that the crystal lattice is expanded. Since the ionic radius of Nb 5+ is 0.069 nm and the ionic radius of Ti 4+ is 0.068 nm, it is considered that the crystal lattice expanded as a result of substitution of Nb at the Ti site. Therefore, from the XRD profile in this figure, it can be confirmed that Nb is substituted for Ti in the TiO 2 film doped with Nb.

(例33:ドーパントの有無、基板温度−抵抗率)
(例33−1:Nb含有)
例30において、前駆体層を成膜する際の基板温度を室温(例30に相当)、200℃、350℃、500℃にそれぞれ変更し、スパッタリングガスにおけるO/(Ar+O)の割合を10vol%、アニール温度を600℃の1通りとした他は同様にしてサンプルを製造した。
(例33−2:Nbなし)
例33−1において、ターゲットを、Nbを含有しないTiからなる金属板に変更した他は同様にしてサンプルを製造した。ただし、前駆体層を成膜する際の基板温度は室温、200℃、400℃の3通りとした。
(Example 33: Presence / absence of dopant, substrate temperature-resistivity)
(Example 33-1: containing Nb)
In Example 30, the substrate temperature when forming the precursor layer was changed to room temperature (corresponding to Example 30), 200 ° C., 350 ° C., and 500 ° C., and the ratio of O 2 / (Ar + O 2 ) in the sputtering gas was changed. A sample was manufactured in the same manner except that the volume was 10 vol% and the annealing temperature was 600 ° C.
(Example 33-2: No Nb)
A sample was produced in the same manner as in Example 33-1 except that the target was changed to a metal plate made of Ti containing no Nb. However, the substrate temperature at the time of forming the precursor layer was set to room temperature, 200 ° C., and 400 ° C.

図36は、例33−1の条件で得られた金属酸化物層(Nb:TiO膜、図中◆で示す。)および例33−2の条件で得られた金属酸化物層(TiO膜、図中◇で示す。)について、抵抗率を測定した結果を示す図である。
この図より、Nbをドープすることによって抵抗率が4桁〜2桁低くなっていることがわかる。したがって、上述のように、XRDにてNbがTiと置換しているが確認でき、さらに、この図によって置換したNbがドナーとして有効に振舞っていることが確認できる。
FIG. 36 shows a metal oxide layer (Nb: TiO 2 film, indicated by ◆ in the figure) obtained under the conditions of Example 33-1 and a metal oxide layer (TiO 2 obtained under the conditions of Example 33-2. It is a figure which shows the result of having measured the resistivity about a film | membrane, (indicated by ◇ in a figure).
From this figure, it can be seen that the resistivity is lowered by 4 to 2 digits by doping Nb. Therefore, as described above, it can be confirmed that Nb is substituted with Ti by XRD, and further, it can be confirmed that the substituted Nb is effectively acting as a donor by this figure.

(例34:基板温度、スパッタリングガス組成−抵抗率、キャリア濃度、ホール移動度)
例30において、前駆体層を成膜する際の基板温度を室温(例30に相当)、200℃、350℃、500℃の4通りとした。またスパッタリングガスにおけるO/(Ar+O)の割合を7.5、10(例30に相当)、15、および20(例30に相当)vol%の4通りとした。アニール温度は600℃の1通りとした。その他は例30と同様にして16通りのサンプルを製造した。
得られたサンプルの金属酸化物層について抵抗率、キャリア濃度、ホール移動度を測定した。その結果を図37に示す。
(Example 34: Substrate temperature, sputtering gas composition-resistivity, carrier concentration, hole mobility)
In Example 30, the substrate temperature at the time of forming the precursor layer was set to four types: room temperature (corresponding to Example 30), 200 ° C., 350 ° C., and 500 ° C. In addition, the ratio of O 2 / (Ar + O 2 ) in the sputtering gas was set to four types of 7.5, 10 (corresponding to Example 30), 15 and 20 (corresponding to Example 30) vol%. The annealing temperature was one at 600 ° C. Otherwise, 16 samples were produced in the same manner as in Example 30.
The resistivity, carrier concentration, and hole mobility of the obtained metal oxide layer were measured. The result is shown in FIG.

図37の(a)は横軸をスパッタリングガスの酸素濃度とした図であり、(b)は横軸を成膜時の基板温度とした図であり、縦軸はいずれもキャリア濃度、移動度及び抵抗率である。(a)と(b)は、同一のデータをプロットしたものであり、パラメータの違いを除いては、本質的には同等の図である。
本例で得られた16通りのサンプルにおいて、アニールを行う前の前駆体層の抵抗率はいずれも10Ωcm程度であった。図37に示されるように、得られた16通りのサンプルにおいて、抵抗率の最小値は1.1×10−3Ωcmであった。このことから、条件によっては、ポストアニールにより抵抗率が8桁減少することがわかる。
FIG. 37A is a diagram in which the horizontal axis is the oxygen concentration of the sputtering gas, and FIG. 37B is a diagram in which the horizontal axis is the substrate temperature during film formation, and the vertical axis is the carrier concentration and mobility. And resistivity. (A) and (b) are plots of the same data, and are essentially equivalent diagrams except for the difference in parameters.
In the 16 samples obtained in this example, the resistivity of the precursor layer before annealing was about 10 5 Ωcm. As shown in FIG. 37, in the obtained 16 samples, the minimum value of resistivity was 1.1 × 10 −3 Ωcm. From this, it can be seen that, depending on the conditions, the resistivity decreases by 8 digits due to post-annealing.

図37の(a)からは、(1)キャリア濃度はO/(Ar+O)の増大とともに減少傾向であること、(2)移動度はO/(Ar+O)にほとんど依存していないこと、(3)O/(Ar+O)増大に伴う抵抗率の増大は、キャリア濃度の減少が主な原因であることがわかる。
図37の(b)からは、(1)キャリア濃度は基板温度の増大とともに上昇すること、(2)移動度は基板温度の増大とともに減少すること、(3)これらの2つの関係から、基板温度350℃付近でもっとも抵抗率が高くなってしまうことがわかる。
From (a) of FIG. 37, (1) the carrier concentration tends to decrease with an increase in O 2 / (Ar + O 2 ), and (2) the mobility hardly depends on O 2 / (Ar + O 2 ). (3) It is understood that the increase in resistivity accompanying the increase in O 2 / (Ar + O 2 ) is mainly caused by a decrease in carrier concentration.
From (b) of FIG. 37, (1) the carrier concentration increases as the substrate temperature increases, (2) the mobility decreases as the substrate temperature increases, and (3) from these two relationships, It can be seen that the resistivity is highest at around 350 ° C.

以上のことから、スパッタリングガス中の酸素濃度O/(Ar+O)については、7.5vol%以上20vol%以下とすれば、程度の差はあるとは言え、アニールによって大幅に抵抗率が低減されたNb:TiO膜を得ることができる。また、該酸素濃度を10vol%以上20vol%以下とすれば、スパッタリング工程における基板温度に依存することなく、10−2Ωcm程度以下の抵抗率のNb:TiO膜を得ることができる。 From the above, with respect to the oxygen concentration O 2 / (Ar + O 2 ) in the sputtering gas, if it is 7.5 vol% or more and 20 vol% or less, there is a difference in degree, but the resistivity is greatly reduced by annealing. An Nb: TiO 2 film can be obtained. Further, if the oxygen concentration is 10 vol% or more and 20 vol% or less, an Nb: TiO 2 film having a resistivity of about 10 −2 Ωcm or less can be obtained without depending on the substrate temperature in the sputtering process.

なお、図38は、膜形成速度とO/(Ar+O)比との関係を示したものであり、この図によれば、O/(Ar+O)が低いほど膜形成速度が大きく、15vol%以上ではあまり変化しないことがわかる。したがって、高速な成膜が可能であり、かつ低抵抗なNb:TiO膜を得ることができる点で、スパッタリングガス中の酸素濃度O/(Ar+O)は10vol%がより好ましいと考えられる。
ここで、膜形成速度(単位:nm/min)の測定方法は、成膜後の膜厚(単位:nm)を実測し、該膜厚を成膜に要した時間(単位:分)で除して算出した。
FIG. 38 shows the relationship between the film formation rate and the O 2 / (Ar + O 2 ) ratio. According to this figure, the lower the O 2 / (Ar + O 2 ), the greater the film formation rate. It turns out that it does not change so much at 15 vol% or more. Therefore, it is considered that the oxygen concentration O 2 / (Ar + O 2 ) in the sputtering gas is more preferably 10 vol% in that a high-speed film formation and a low resistance Nb: TiO 2 film can be obtained. .
Here, the film formation rate (unit: nm / min) is measured by measuring the film thickness (unit: nm) after film formation and dividing the film thickness by the time (unit: minutes) required for film formation. And calculated.

また、スパッタリング工程における基板温度については、室温以上500℃以下とすれば、程度の差はあるとは言え、アニールによって大幅に抵抗率が低減されたNb:TiO膜を得ることができる。該基板温度を200℃以上500℃以下とすれば、スパッタリング工程における基板温度に依存することなく、10−2Ωcm程度以下の抵抗率のNb:TiO膜を得ることができる。また上述の図34(例31)に示されるように、Nb:TiO膜のXRD(004)ピークの強度が増大して、高い移動度が得られることが期待できるため、スパッタリング工程における基板温度を室温とすることが好ましいと考えられる。 In addition, if the substrate temperature in the sputtering process is set to room temperature to 500 ° C., an Nb: TiO 2 film whose resistivity is significantly reduced by annealing can be obtained although there is a difference in degree. If the substrate temperature is 200 ° C. or more and 500 ° C. or less, an Nb: TiO 2 film having a resistivity of about 10 −2 Ωcm or less can be obtained without depending on the substrate temperature in the sputtering process. In addition, as shown in FIG. 34 (Example 31) described above, since the strength of the XRD (004) peak of the Nb: TiO 2 film increases and high mobility can be expected, the substrate temperature in the sputtering process can be expected. Is considered to be preferably room temperature.

(例35:室温成膜−透過率、抵抗率、キャリア濃度、ホール移動度)
例30の条件において、スパッタリングガスにおけるO/(Ar+O)の割合を10vol%、アニール温度は600℃の1通りとした。その他は例30と同様にしてサンプルを製造した(例32−1と同条件)。
表6は、アニール前の前駆体層(絶縁性膜)およびアニール後の金属酸化物層(Nb:TiO膜、導電性膜)について、電気的特性(抵抗率、キャリア濃度、移動度)及び膜厚を測定した結果を示す表である。アニール前の前駆体層は抵抗が非常に高いためにキャリア濃度と移動度の測定は困難であった。
図39は、得られたサンプルにおける、アニール前の前駆体層(絶縁性膜)およびアニール後の金属酸化物層(Nb:TiO膜、導電性膜)について分光透過特性を測定した結果を示す図である。
(Example 35: Room temperature film formation-transmittance, resistivity, carrier concentration, hole mobility)
Under the conditions of Example 30, the ratio of O 2 / (Ar + O 2 ) in the sputtering gas was 10 vol%, and the annealing temperature was 600 ° C. Others were produced in the same manner as in Example 30 (same conditions as in Example 32-1).
Table 6 shows electrical characteristics (resistivity, carrier concentration, mobility) and the precursor layer (insulating film) before annealing and the metal oxide layer (Nb: TiO 2 film, conductive film) after annealing and It is a table | surface which shows the result of having measured the film thickness. Since the resistance of the precursor layer before annealing was very high, it was difficult to measure the carrier concentration and mobility.
FIG. 39 shows the results of measuring spectral transmission characteristics of the obtained precursor layer (insulating film) before annealing and the metal oxide layer (Nb: TiO 2 film, conductive film) after annealing in the obtained sample. FIG.

Figure 2008084824
Figure 2008084824

これらの結果より、可視光領域(波長380nm〜780nm)において、アニール前の前駆体層とアニール後の金属酸化物層とで透過率はほとんど変化しないことがわかる。したがって、金属酸化物層が透明性を要求される用途に適用される場合であっても、アニールを行うことによる実用上の問題はないことが判明した。また、これらのデータから、近赤外線領域(波長800nm以上)では、アニールによって透過率が低下することもわかる。これは、アニール後に導電性を示すようになり、導電性に寄与する自由電子による光吸収が起こっていることを示唆している。すなわち、透過率の測定結果からも、アニール後の金属酸化物層が導電性を有していることが裏付けられる。
また、アニール前後の両方において、透過率が、特に可視光域で良好な値を示しており、透明性に優れていることがわかる。
From these results, it can be seen that in the visible light region (wavelength 380 nm to 780 nm), the transmittance hardly changes between the precursor layer before annealing and the metal oxide layer after annealing. Therefore, even when the metal oxide layer is applied to an application requiring transparency, it has been found that there is no practical problem due to annealing. Further, it can be seen from these data that the transmittance is reduced by annealing in the near-infrared region (wavelength of 800 nm or more). This shows conductivity after annealing, suggesting that light absorption by free electrons contributing to conductivity occurs. That is, the transmittance measurement results also confirm that the annealed metal oxide layer has conductivity.
In addition, the transmittance shows a good value especially in the visible light region both before and after annealing, indicating that the transparency is excellent.

(例36:室温成膜−抵抗率、キャリア濃度、ホール移動度の温度依存性)
例30の条件において、スパッタリングガスにおけるO/(Ar+O)の割合を10vol%、アニール温度は600℃の1通りとした。その他は例30と同様にしてサンプルを製造した(例32−1と同条件)。
図40は、得られたサンプルの金属酸化物層について、測定温度を10〜300Kの範囲で変化させながら、電気的特性(抵抗率、キャリア濃度、移動度)を測定した結果を示す図である。図40の(a)は抵抗率、(b)はキャリア濃度、(c)はホール移動度の測定結果をそれぞれ示す。
この図から、キャリア濃度は測定温度に依存しないことがわかる。つまり、得られた金属酸化物層は金属的振る舞いを示している。活性化率は80%程度であった。また、ホール移動度は、温度の上昇に伴い減少することがわかる。室温付近ではフォノンの影響も観察される。これらのことから得られた金属酸化物層は縮退半導体であることがわかる。この点は、上述の例に示したPLD法で成膜した金属酸化物層(Nb:TiO膜)と共通する。
(Example 36: Room temperature film formation-resistivity, carrier concentration, temperature dependence of hole mobility)
Under the conditions of Example 30, the ratio of O 2 / (Ar + O 2 ) in the sputtering gas was 10 vol%, and the annealing temperature was 600 ° C. Others were produced in the same manner as in Example 30 (same conditions as in Example 32-1).
FIG. 40 is a diagram showing the results of measuring electrical characteristics (resistivity, carrier concentration, mobility) of the obtained metal oxide layer of the sample while changing the measurement temperature in the range of 10 to 300K. . 40A shows the resistivity, FIG. 40B shows the carrier concentration, and FIG. 40C shows the hole mobility measurement results.
From this figure, it can be seen that the carrier concentration does not depend on the measurement temperature. That is, the obtained metal oxide layer exhibits a metallic behavior. The activation rate was about 80%. It can also be seen that the hole mobility decreases with increasing temperature. Near the room temperature, phonon effects are also observed. It can be seen from these facts that the metal oxide layer obtained is a degenerate semiconductor. This point is common to the metal oxide layer (Nb: TiO 2 film) formed by the PLD method shown in the above example.

(例37:成膜時のターゲットと基板との距離−XRD)
例30において、前駆体層を成膜する際の、スパッタ装置のチャンバ内でのターゲット−基板間距離T/Sを50mmおよび75mmの2通りとし、スパッタリングガスにおけるO/(Ar+O)の割合を10vol%の1通りとした他は、同様にしてサンプルを製造した。
図41は、アニール前の前駆体およびアニール後の金属酸化物層について、X線回折を行って得られた測定結果(XRDプロファイル)である。図41(a)は、ターゲット−基板間距離T/Sが50mmである場合、図41(b)は該T/Sを75mmとした場合である。図中において記載した温度はアニール温度(500℃または600℃)である。
この図の結果より、ターゲット−基板間距離を大きくすると(004)ピークの増大が起き、サンプルの配向性が変化することがわかる。
また前述の図34(a)に示されるように、基板温度の低下に伴って(004)ピークの増大が起こっていることから、ターゲット−基板間距離の拡大により基板温度が実質的に低下したために、上記のような(004)ピークの増大が起こったものと考えられる。
(Example 37: Distance between target and substrate during film formation -XRD)
In Example 30, when the precursor layer is formed, the target-substrate distance T / S in the chamber of the sputtering apparatus is set to 50 mm and 75 mm, and the ratio of O 2 / (Ar + O 2 ) in the sputtering gas. The sample was produced in the same manner except that the amount of 10 vol% was one.
FIG. 41 is a measurement result (XRD profile) obtained by performing X-ray diffraction on the precursor before annealing and the metal oxide layer after annealing. 41A shows a case where the target-substrate distance T / S is 50 mm, and FIG. 41B shows a case where the T / S is 75 mm. The temperatures described in the figure are annealing temperatures (500 ° C. or 600 ° C.).
From the results in this figure, it can be seen that when the target-substrate distance is increased, the (004) peak increases and the orientation of the sample changes.
In addition, as shown in FIG. 34A, the (004) peak increases as the substrate temperature decreases, so the substrate temperature substantially decreases due to the increase in the target-substrate distance. In addition, it is considered that the increase in the (004) peak as described above occurred.

(例38:成膜時のターゲットと基板との距離膜−抵抗率、キャリア濃度、ホール移動度の温度依存性)
例30において、前駆体層を成膜する際の、スパッタ装置のチャンバ内でのターゲット−基板間距離T/Sを50mmとし、スパッタリングガスにおけるO/(Ar+O)の割合を10vol%とし、アニール温度を600℃とした他は、同様にしてサンプルを製造した。
図42は、得られたサンプルの金属酸化物層について、測定温度を10〜300Kの範囲で変化させながら、電気的特性(抵抗率、キャリア濃度、移動度)を測定した結果を示す図である。図42の(A)は、ターゲット−基板間距離T/Sが50mmである場合、(B)は該T/Sを75mmとした場合である。また(a)は抵抗率、(b)はキャリア濃度、(c)はホール移動度の測定結果をそれぞれ示す。
(Example 38: Distance film between target and substrate during film formation—temperature dependence of resistivity, carrier concentration, hole mobility)
In Example 30, when the precursor layer is formed, the target-substrate distance T / S in the chamber of the sputtering apparatus is 50 mm, and the ratio of O 2 / (Ar + O 2 ) in the sputtering gas is 10 vol%. A sample was manufactured in the same manner except that the annealing temperature was 600 ° C.
FIG. 42 is a diagram showing the results of measuring electrical characteristics (resistivity, carrier concentration, mobility) of the obtained metal oxide layer of the sample while changing the measurement temperature in the range of 10 to 300K. . 42A shows a case where the target-substrate distance T / S is 50 mm, and FIG. 42B shows a case where the T / S is 75 mm. (A) shows the resistivity, (b) shows the carrier concentration, and (c) shows the measurement result of the hole mobility.

図42の(A)に比べて(B)ではホール移動度が顕著に増加しており、抵抗率は僅かに減少している。またこのことと前述の図41の結果より、ターゲット−基板間距離を大きくすると、(004)ピークが増大するとともに、移動度が増加したことがわかる。また結晶軸の配向に伴って抵抗率が低下していることがわかる。   Compared with (A) of FIG. 42, in (B), the hole mobility is remarkably increased and the resistivity is slightly decreased. Further, from this and the result of FIG. 41 described above, it can be seen that when the target-substrate distance is increased, the (004) peak increases and the mobility increases. It can also be seen that the resistivity decreases with the orientation of the crystal axis.

<権利解釈について>
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について説明してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正又は代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
<About interpretation of rights>
The present invention has been described above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications or substitutions of the embodiment without departing from the gist of the present invention. That is, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and the contents described in the present specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims section described at the beginning should be considered.

また、この発明の説明用の実施形態が上述の目的を達成することは明らかであるが、多くの変更や他の実施例を当業者が行うことができることも理解されるところである。特許請求の範囲、明細書、図面及び説明用の各実施形態のエレメント又はコンポーネントを他の1つまたは組み合わせとともに採用してもよい。特許請求の範囲は、かかる変更や他の実施形態をも範囲に含むことを意図されており、これらは、この発明の技術思想および技術的範囲に含まれる。   It will also be appreciated that illustrative embodiments of the invention achieve the above objects, but that many modifications and other examples can be made by those skilled in the art. The elements or components of each embodiment described in the claims, specification, drawings, and description may be employed in combination with one or more other elements. The claims are intended to cover such modifications and other embodiments, which are within the spirit and scope of the present invention.

基板上に金属酸化物層を積層させた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which laminated | stacked the metal oxide layer on the board | substrate. PLD装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a PLD apparatus. 本発明にかかる金属酸化物層をアナターゼ型エピタキシャル膜と比較した図である。It is the figure which compared the metal oxide layer concerning this invention with the anatase type epitaxial film. 本発明にかかる金属酸化物層のキャリアホール濃度をアナターゼ型エピタキシャル膜と比較しながら示す図である。It is a figure which shows the carrier hole density | concentration of the metal oxide layer concerning this invention, comparing with an anatase type epitaxial film. 本発明にかかる金属酸化物層のホール移動度をアナターゼ型エピタキシャル膜と比較しながら示す図である。It is a figure which shows hole mobility of the metal oxide layer concerning this invention, comparing with an anatase type epitaxial film. 本発明にかかる金属酸化物層の(a)透過率T、反射率Rと(b)吸収率とを示す図である。It is a figure which shows (a) transmittance | permeability T, reflectance R, and (b) absorptance of the metal oxide layer concerning this invention. 本発明にかかる金属酸化物層の(a)透過率T、反射率Rと(b)吸収率とを示す図である。It is a figure which shows (a) transmittance | permeability T, reflectance R, and (b) absorptance of the metal oxide layer concerning this invention. 本発明にかかる金属酸化物層の透過率Tと反射率Rとを示す図である。It is a figure which shows the transmittance | permeability T and the reflectance R of the metal oxide layer concerning this invention. 本発明にかかる金属酸化物層のSEM像である。It is a SEM image of the metal oxide layer concerning this invention. X線回折による測定結果(XRDプロファイル)をH雰囲気中アニール前後で比較した結果を示す図である。X-ray diffraction by measurement results (XRD profile) shows the results of a comparison with H 2 atmosphere before and after annealing. X線回折による測定結果(XRDプロファイル)をH雰囲気中アニール前後で比較した結果を示す図である。X-ray diffraction by measurement results (XRD profile) shows the results of a comparison with H 2 atmosphere before and after annealing. X線回折による測定結果(XRDプロファイル)をH雰囲気中アニール前後で比較した結果を示す図である。X-ray diffraction by measurement results (XRD profile) shows the results of a comparison with H 2 atmosphere before and after annealing. X線回折による測定結果(XRDプロファイル)をH雰囲気中アニール前後で比較した結果を示す図である。X-ray diffraction by measurement results (XRD profile) shows the results of a comparison with H 2 atmosphere before and after annealing. X線光電子分光分析装置(XPS)による、本発明にかかる金属酸化物層の状態スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the state spectrum of the metal oxide layer concerning this invention by X-ray photoelectron spectroscopy analyzer (XPS). 本発明にかかる金属酸化物層のAFM(原子間力顕微鏡)データである。It is AFM (atomic force microscope) data of the metal oxide layer concerning this invention. 本発明にかかる金属酸化物層のAFM(原子間力顕微鏡)データである。It is AFM (atomic force microscope) data of the metal oxide layer concerning this invention. アニール前後における抵抗率の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the resistivity before and behind annealing. 抵抗率の温度依存を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of a resistivity. キャリア濃度の温度依存、ホール移動度の温度依存を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of carrier concentration and the temperature dependence of hole mobility. X線回折による測定結果(XRDプロファイル)をH雰囲気中アニール前後で比較した結果を示す図である。X-ray diffraction by measurement results (XRD profile) shows the results of a comparison with H 2 atmosphere before and after annealing. 250℃で成膜した後、アニールを行ったNbドープTiO2薄膜の断面TEM像である。It is a cross-sectional TEM image of the Nb dope TiO2 thin film which annealed after forming into a film at 250 degreeC. 250℃で成膜した後、アニールを行ったNbドープTiO薄膜の断面TEM像である。After forming at 250 ° C., a cross-sectional TEM image of the Nb-doped TiO 2 thin film was annealed. 250℃で成膜した後、アニールを行ったNbドープTiO薄膜の電子線回折像である。After forming at 250 ° C., an electron diffraction image of Nb-doped TiO 2 thin film was annealed. 室温で成膜し、アニールを行う前(as grown)のNbドープTiO薄膜の断面TEM像である。Formed at room temperature, a cross-sectional TEM image of the Nb-doped TiO 2 thin film before (the as grown) is annealed. 室温で成膜した後、アニールを行ったNbドープTiO薄膜の断面TEM像である。After forming at room temperature, a cross-sectional TEM image of the Nb-doped TiO 2 thin film was annealed. 室温で成膜した後、アニールを行ったNbドープTiO薄膜の断面TEM像である。After forming at room temperature, a cross-sectional TEM image of the Nb-doped TiO 2 thin film was annealed. 250万倍で拡大して観察したNbドープTiO薄膜を拡大率50万倍で観察した際の断面TEM像である。The Nb-doped TiO 2 thin film was observed to expand 250 thousand times a cross-sectional TEM images when observed with magnification 500,000 times. 抵抗変化とアニール時間の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between resistance change and annealing time. XRDとアニール時間の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between XRD and annealing time. アニール時の昇温時間の結晶性への影響を示す図である。It is a figure which shows the influence on the crystallinity of the temperature rising time at the time of annealing. ノンドープTiOの場合のアニール前後でのXRDを示す図である。Shows the XRD before and after annealing in the case of non-doped TiO 2. アニール温度と抵抗率の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between annealing temperature and resistivity. アナターゼ型エピタキシャル膜におけるアニール温度と抵抗率の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the annealing temperature and resistivity in an anatase type epitaxial film. 熱酸化Si基板上に形成したNb6at%ドープTiO薄膜のX線回折による測定結果(XRDプロファイル)をH雰囲気中アニール前後で比較した結果を示す図である。Is a graph showing a result of thermal oxidation Si Nb6at% was formed on a substrate doped TiO 2 thin film measurement results of X-ray diffraction of the (XRD profile) was compared before and after annealing in H 2 atmosphere. 熱酸化Si上に作製された、Nbが0at%から20at%までの傾斜がついたコンポジションスプレッド薄膜のXRDデータを示す図である。It is a figure which shows the XRD data of the composition spread thin film with which Nb inclined from 0at% to 20at% produced on thermal oxidation Si. 熱酸化Si上に作製された、Nbが0at%から20at%までの傾斜がついたコンポジションスプレッド薄膜の抵抗値を示す図である。It is a figure which shows the resistance value of the composition spread thin film with which Nb inclined from 0at% to 20at% produced on thermal oxidation Si. 抵抗値の算出のための測定サンプルを示す図である。It is a figure which shows the measurement sample for calculation of resistance value. X線回折による測定結果(XRDパターン)を、酸素濃度を変えて比較した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having compared the measurement result (XRD pattern) by X-ray diffraction, changing oxygen concentration. XRDパターンの成膜パラメータ依存性を示す図である。It is a figure which shows the film-forming parameter dependence of a XRD pattern. Nb:TiO膜とTiO膜とのXRDパターンにおける比較を示す図である。Nb: shows a comparison of the XRD pattern of the TiO 2 film and the TiO 2 film. Nb:TiO膜とTiO膜との抵抗率の比較を示す図である。Nb: shows a comparison of the resistivity of the TiO 2 film and the TiO 2 film. キャリア輸送特性の成膜パラメータ依存性を示す図である。It is a figure which shows the film-forming parameter dependence of a carrier transport characteristic. 膜形成速度とO/(Ar+O)比との関係を示す図である。It is a graph showing the relationship between the film formation rate and O 2 / (Ar + O 2 ) ratio. Nb:TiO膜の分光透過特性を示す図である。Nb: shows the spectral transmission characteristic of the TiO 2 film. Nb:TiO膜の電気特性の温度依存性を示す図である。Nb: is a diagram showing a temperature dependence of the electrical properties of the TiO 2 film. スパッタ装置のチャンバ内でのターゲット−基板間距離と配向性との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the target-substrate distance in the chamber of a sputtering device, and orientation. 配向性変化に伴う移動度の向上を示す図である。It is a figure which shows the improvement of the mobility accompanying an orientation change.

符号の説明Explanation of symbols

11 基板
12 金属酸化物層
12’ 前駆体層
30 PLD装置
31 チャンバ
32 光発振器
33 反射鏡
34 レンズ
36 赤外線ランプ
39 ターゲット
40 油回転ポンプ
41 逆流防止弁
42 ターボ分子ポンプ
43 圧力弁
45 酸素ガス流量調整弁
11 Substrate 12 Metal oxide layer 12 ′ Precursor layer 30 PLD device 31 Chamber 32 Optical oscillator 33 Reflector 34 Lens 36 Infrared lamp 39 Target 40 Oil rotary pump 41 Backflow prevention valve 42 Turbo molecular pump 43 Pressure valve 45 Oxygen gas flow rate adjustment valve

Claims (9)

Nb、Ta、Mo、As、Sb、Al、Hf、Si、Ge、Zr、W、Co、Fe、Cr、Sn、Ni、V、Mn、Tc、Re、P及びBiからなる群から選ばれる1又は2以上のドーパントが添加された酸化チタンからなる前駆体層を、基体表面上に形成する工程と、
前記前駆体層を還元雰囲気下でアニールして金属酸化物層を形成する工程を有することを特徴とする導電体の製造方法。
1 selected from the group consisting of Nb, Ta, Mo, As, Sb, Al, Hf, Si, Ge, Zr, W, Co, Fe, Cr, Sn, Ni, V, Mn, Tc, Re, P and Bi Or forming a precursor layer made of titanium oxide to which two or more dopants are added on the surface of the substrate;
A method of manufacturing a conductor, comprising: annealing the precursor layer in a reducing atmosphere to form a metal oxide layer.
前記基体表面の少なくとも一部がアモルファスである請求項1記載の導電体の製造方法。   The method of manufacturing a conductor according to claim 1, wherein at least a part of the surface of the substrate is amorphous. 前記基体表面の少なくとも一部がガラスからなる請求項2に記載の導電体の製造方法。   The method for producing a conductor according to claim 2, wherein at least a part of the surface of the substrate is made of glass. 前記ドーパントがNbである請求項1〜3のいずれか一項に記載の導電体の製造方法。   The said dopant is Nb, The manufacturing method of the conductor as described in any one of Claims 1-3. 前記前駆体層を形成する際の前記基体の温度が600℃以下である請求項1〜4のいずれか一項に記載の導電体の製造方法。   The method for producing a conductor according to any one of claims 1 to 4, wherein a temperature of the base body when the precursor layer is formed is 600 ° C or lower. 前記前駆体層をパルスレーザ堆積法またはスパッタリング法で形成する請求項1〜5のいずれか一項に記載の導電体の製造方法。   The method for producing a conductor according to any one of claims 1 to 5, wherein the precursor layer is formed by a pulse laser deposition method or a sputtering method. 前記基体を非加熱とした状態で前記前駆体層を形成する請求項6に記載の導電体の製造方法。   The method of manufacturing a conductor according to claim 6, wherein the precursor layer is formed in a state where the substrate is not heated. 前記前駆体層をアニールする際の前記基体の温度が300℃以上900℃以下である請求項1〜7のいずれか一項に記載の導電体の製造方法。   The method for producing a conductor according to any one of claims 1 to 7, wherein a temperature of the base body when the precursor layer is annealed is 300 ° C or higher and 900 ° C or lower. 前記金属酸化物層の厚さが20〜1000nmである請求項1〜8のいずれか一項に記載の導電体の製造方法。   The thickness of the said metal oxide layer is 20-1000 nm, The manufacturing method of the conductor as described in any one of Claims 1-8.
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