JP2008153141A - 有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁層や画素分離膜から有機ＥＬ層へ侵入する水分量を低減する。
【解決手段】基板上のＴＦＴを覆う絶縁膜と平坦化膜からなる絶縁層や、電極、画素分離膜等を含むインターフェースを形成する工程において、露点温度を−６０℃以下に管理した環境下で脱水処理を行う。さらに、脱水処理以後の、有機ＥＬ層を形成するまでの全工程を、露点温度を−６０℃以下に管理された環境下で行う。脱水後のインターフェースの水分吸収を防ぎ、有機ＥＬ層の含水による性能劣化を回避する。
【選択図】図３

Description

本発明は、フラットパネルディスプレイ等に用いられる有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法に関するものである。

近年、フラットパネルディスプレイとして、自発光型素子である有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）が注目されている。

最近では、高画質、動画対応への要求の対応として、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）を備える基板（ＴＦＴ基板）を用いた有機ＥＬ素子の開発が進められている。このＴＦＴ基板には、各画素を分離する目的で各画素の周囲に配置する画素分離膜や、ＴＦＴによる凹凸を低減させる目的で配置する平坦化膜を含む絶縁層が形成される。これらを形成する材料として、コスト、製造容易性の観点から有機材料が用いられている。

しかし、一般的に含水量が高いことが知られている有機材料によって画素分離膜や平坦化膜を形成すると、画素領域の周辺から発光強度が低下する現象が顕著に現れ、パネル表示特性を低減させる。この原因として、有機材料からなる平坦化膜や画素分離膜中の水分が有機ＥＬ素子の有機ＥＬ層（有機エレクトロルミネッセンス層）に侵入し、性能劣化を引き起こしていることが考えられている。

素子内部の水分による性能劣化を解決するため、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層等の薄膜層からなる有機ＥＬ層を形成する前に加熱乾燥処理等を行い、所定の水分量まで下げる方法が、例えば特許文献１に開示されている。

この方法は、上記薄膜層の形成前に基板を８０℃以上に加熱することで絶縁層を脱水処理したり、上記薄膜層形成前の基板を減圧雰囲気下に１０分以上置くことで絶縁層を脱水処理したりするものである。すなわち、図９の作製フローに示すように、有機ＥＬ層を形成する前の基板にＴＦＴ、平坦化膜、電極、画素分離膜等のインターフェースを形成するインターフェース形成プロセスと、有機ＥＬ層形成工程との間に、前記脱水処理工程が挿入される。
特登録３５３１５９７号公報

しかし、特許文献１に開示された有機ＥＬ作製方法では、インターフェース中の水分を十分に低減しにくいという未解決の課題がある。その理由は、インターフェース形成プロセス後に大気に暴露するため、インターフェース中に新たな水分を吸着し、含水してしまうからである。

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、インターフェースからの含水による有機ＥＬ層の性能劣化を効果的に抑制できる有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明の有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法は、有機エレクトロルミネッセンス素子の素子基板上に絶縁層を形成する工程と、絶縁層上に電極を形成する工程と、絶縁層または電極の脱水処理を行う工程と、電極の周囲に画素分離膜を形成する工程と、電極上に有機エレクトロルミネッセンス層を形成する工程と、を有し、前記脱水処理および前記脱水処理以後の全工程を、露点温度を−６０℃以下に管理した環境下で行うことを特徴とする。

絶縁層、電極、画素分離膜等のインターフェース形成プロセスにおいて、絶縁層または電極の脱水処理を行う。さらに、脱水処理以後の、有機エレクトロルミネッセンス層を形成するまでの全工程を、露点温度を−６０℃以下に管理した環境下で行うことにより、インターフェースからの水分が拡散等により有機ＥＬ層に侵入してくるのを防ぐ。

このようにして、水分による有機エレクトロルミネッセンス素子の特性劣化や、ダークスポットおよび画素周辺の輝度の劣化等を効果的に抑制する。

本発明者らは、絶縁層を形成する平坦化膜や、画素分離膜等に用いられる有機材料（アクリル系レジスト）をシリコンウエハーに塗布し、常圧昇温脱離ガス分析装置（ＡＰＩＭＳ−ＴＤＳ）にて各種環境下に置いたサンプル中に含まれる水分量を測定した。まず、大気中に保管して一定昇温速度で２００℃まで加熱したものをサンプルＡとした。サンプルＡを測定後、気温２３℃、露点温度１０℃の大気中に３０分暴露した後に、一定昇温速度で２００℃まで加熱したものをサンプルＢとした。また、サンプルＡを測定後、露点温度−６０℃の乾燥窒素雰囲気の装置内で冷却した後に、一定昇温速度で２００℃まで加熱したものをサンプルＣとした。

前記装置による測定データおよび算出された水分量を図１０に示す。この測定結果から判るように、サンプルＡは、大気中に保管しているだけで、水分を多く吸着し、含水している。サンプルＢでは、加熱による脱水処理をしても大気中に暴露してしまうと、短時間の暴露でも水分を多く吸収し、例えばサンプルＣの約４０倍の水分量を吸着し、含水してしまう。なお、サンプルＢの条件は特許文献１による作製工程が該当する。サンプルＣは、脱水処理とその後の全工程において露点温度を管理することが、水分の吸着や含水の低減に有効であることを示唆している。

そこで本発明は、脱水処理および脱水処理以降の全工程を露点温度を管理した環境下で行うことで、有機ＥＬ層（有機エレクトロルミネッセンス層）に含まれる水分量を抑制することを提案するものである。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、一実施形態によるトップエミッション型の有機ＥＬ素子（有機エレクトロルミネッセンス素子）の膜構成を示す。有機ＥＬ素子の素子基板である基板１はＴＦＴ２を有し、その上に、絶縁膜３および平坦化膜４からなる絶縁層が積層形成され、さらにその上に画素単位で電極５が形成され、各画素を分離する目的で各画素の周囲を覆う画素分離膜６が形成されている。このインターフェース上に、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層等の薄膜層を順次積層し、有機ＥＬ層７を形成する。そして、その上に透明電極８を形成し、さらに、取り出し電極（不図示）を除き、透明電極８、有機ＥＬ層７、画素分離膜６、平坦化膜４を完全に覆うようにパッシベーション膜９を形成する。そしてパッシベーション膜９の上部をカバーガラス１１で覆い、カバーガラス１１の周辺をシール材で封止する。カバーガラス１１とパッシベーション膜９との間には、充填材１０が挿入される。

平坦化膜４は、ＴＦＴ２で形成された段差を緩和させる目的と、ＴＦＴ２と電極５間の寄生容量を低減させる目的のために必要である。絶縁膜３および平坦化膜４には、ＴＦＴ２と電極５を電気的に繋ぐためのスルーホールが形成される。

画素分離膜６は、電極５と透明電極８との短絡を防ぐ目的と、有機ＥＬ層７を蒸着で形成する時に用いるマスクが、蒸着した有機ＥＬ層７に接触するのを防ぐ目的で設けられる。

これらを構成する材料としては、種々の無機材料および有機材料が用いられる。無機材料としては、酸化ケイ素をはじめとして酸化マンガン、酸化バナジウム、酸化チタン、酸化クロムなどの酸化物材料、ケイ素、ガリウム砒素などの半導体材料、ガラス材料、セラミック材料などを用いる。また、有機材料としては、ポリビニル系、ポリイミド系、ポリスチレン系、ノボラック系、シリコーン系などのポリマー材料などがある。

絶縁層の形成には既知の種々の形成方法を適用することができるが、特に、感光性樹脂を利用したフォトリソグラフィー法が好ましい。フォトリソグラフィー法は、感光性樹脂からなるレジストを塗布し、プレベーク、露光、現像、ポストベーク等の各工程を行うことが一般的である。

本実施形態は、絶縁層から画素分離膜６までのインターフェース形成プロセス中に、露点温度を管理した環境下で加熱による脱水処理を行う工程を含む。さらに、この脱水処理以後、有機ＥＬ層７を形成するまでの全工程を、露点温度を管理した環境下で行う。

露点温度が管理された環境下での脱水処理は、インターフェース形成プロセス中であれば、特に限定しないが、好ましくはインターフェースにおいて有機材料を用いた工程中やパターニングに水を用いる工程で行うのがよい。すなわち、平坦化膜４および／または電極５、あるいは画素分離膜６の形成中である。特に、平坦化膜４や画素分離膜６をフォトリソグラフィー法により感光性樹脂で形成する場合、ポストベーク時に脱水処理を並行させて行うことが好ましい。

ポストベーク時にレジスト自身の架橋反応や重合、脱水縮合などが伴うことで脱水量が多く露点温度を管理できない場合は、ポストベークの途中の、露点温度を管理できる段階から脱水処理を行ってもよい。電極５のパターニングにウエットエッチングを用いる場合は、エッチング後のベーク時に脱水処理を並行させて行うことが好ましい。脱水量が多く露点温度を管理できない場合は、ポストベークの途中の、露点温度を管理できる段階から脱水処理を行ってもよい。

上記の露点温度は、インターフェース中にある水分が有機ＥＬ層７に影響を及ぼさない量まで脱水するための露点温度であることが必須である。具体的には−６０℃以下、好ましくは−８０℃以下であることである。この露点温度環境を実現する手段として、乾燥空気、乾燥窒素、乾燥不活性ガスなどの乾燥ガス雰囲気下にすることや、減圧雰囲気下にすることが挙げられる。脱水処理は、インターフェースからの水の脱離を促すための加熱、冷却（凍結乾燥）等を行ってもよい。

なお、露点温度の管理には、一度所望の露点温度に到達させ、その後の露点温度の調整を行わない管理の仕方と、常に所望の露点温度になるように継続的に調整する管理の仕方などがあげられる。このなかから、有機ＥＬ素子からの脱水のし易さなどに基づいて適宜選択すればよいが、好ましくは、後者の常に所望の露点温度になるように継続的に調整する管理の仕方である。

脱水処理後は、有機ＥＬ層を形成するまでの全工程を、露点温度を管理した環境下で行う。この際の露点温度は、脱水処理時の露点温度と同等かそれ以下であることが好ましい。これにより、脱水処理を行ったインターフェース中の含水量を維持したまま有機ＥＬ層７を形成することができ、水分による特性劣化を効果的に抑えることができる。

有機ＥＬ素子の製造装置は、図２に示すように、各工程ごとに露点温度を管理できるチャンバー１３、１４等と、露点温度を管理しながら各チャンバー間を搬送できる搬送機構１５とを備えているのが望ましい。すなわち、脱水処理を行うための加熱機構を有するチャンバー１３、有機ＥＬ層７の各薄膜層を蒸着するためのチャンバー１４、透明電極８を蒸着するためのチャンバー１６、プラズマＣＶＤを備えたチャンバー１７およびグローブボックス１８を直結する。そして、それぞれのチャンバー間を露点温度が管理された状態で搬送できる搬送機構１５を設ける。

インターフェース形成プロセスでは、例えば、加熱機構を有するチャンバー１３に投入されて画素分離膜６の形成と脱水処理が行われる。続いて搬送機構１５を経由して、有機ＥＬ層７の各薄膜層を蒸着するチャンバー１４に導入されて有機ＥＬ層７が形成される。その後搬送機構１５を経由して、チャンバー１６にて透明電極８を形成し、プラズマＣＶＤを備えたチャンバー１７にてパッシベーション膜９を形成する。そして、チャンバー１７を乾燥窒素等で常圧に戻した後に、搬送機構１５を経由してグローブボックス１８に導入され、カバーガラス１１の貼り合わせが行われる。

加熱機構を有するチャンバー１３は、画素分離膜６のポストベークと脱水処理を同時に行うことを目的としたチャンバーである。そして、チャンバー内の露点温度を計測する機構、乾燥ガスを導入、排出する機構や、チャンバー内を減圧させることが可能な真空ポンプ機構を有する。なお、有機ＥＬ層７を形成する各チャンバー１４、透明電極８を蒸着するチャンバー１６、プラズマＣＶＤを備えたチャンバー１７およびグローブボックス１８は公知の有機ＥＬ素子製造装置と同様でよい。

図３は、本実施形態による有機ＥＬ素子の作製フローを示す。また、図４には、図３による画素分離膜形成工程を細分化したフローを示す。図３に示すように、本実施形態においては、基板１のＴＦＴ形成工程、平坦化膜形成工程、電極形成工程、画素分離膜形成工程を経て有機ＥＬ層形成工程に至る。

画素分離膜６を有機材料から形成する場合は、画素分離膜形成中に脱水処理を行うことが好ましい。特に、画素分離膜６が感光性樹脂からなる場合は、図４に示すように、ポストベーク時に脱水処理を並行させて行うことが好ましい。なお、ポストベーク時にレジスト自身の架橋反応や重合、脱水縮合などが伴うことで脱水量が多く露点温度を管理できない場合は、ポストベークの途中から（露点温度を管理できる段階から）脱水処理を行ってもよい。

また、平坦化膜４が有機材料からなる場合や、平坦化膜４が有機材料で画素分離膜６が無機材料からなる場合は、平坦化膜形成中に脱水処理を行うことができる。この場合の有機ＥＬ素子の作製フローを図５に、図５における平坦化膜形成工程を細分化したフローを図６に示す。平坦化膜４が感光性樹脂からなる場合は、図６に示すようにポストベーク時に脱水処理を並行させて行うことが好ましい。なお、ポストベーク時にレジスト自身の架橋反応や重合、脱水縮合などが伴うことで脱水量が多く露点温度を管理できない場合は、ポストベークの途中から（露点温度を管理できる段階から）脱水処理を行ってもよい。

脱水処理後の電極形成工程や画素分離膜形成は露点温度管理下で形成する必要がある。電極形成工程では、例えば画素単位にパターニングしたシャドウマスクを用い、真空蒸着法により電極を形成する方法などを用いることで、露点温度を管理した環境下で作製することができる。また、画素分離膜形成工程では、用いる材料で作製法が異なる。無機材料から形成される場合は、例えば、画素単位にパターニングしたシャドウマスクを用い、真空蒸着法により電極を形成する方法などを用いることで作製することができる。有機材料から形成される場合は、ネガ型レジストを用い、現像液に水を含まない有機溶剤を用いることで、露点温度を管理した環境下で作製することができる。

さらに、電極５の電極形成工程でウエットエッチング法を用いる場合は、電極形成工程中に脱水処理を行うことができる。この場合の有機ＥＬ素子の作製フローを図７に、図７における電極形成工程を細分化したフローを図８に示す。この場合は、図８のようにベーク時に脱水処理を並行させて行うことが好ましい。なお、脱水処理後の画素分離膜形成は露点温度管理下で形成する必要がある。画素分離膜６が無機材料から形成される場合は、例えば、画素単位にパターニングしたシャドウマスクを用い、蒸着により電極を形成する方法などを用いることで作製することができる。画素分離膜６が有機材料から形成される場合は、ネガ型レジストを用い、現像液に水を含まない有機溶剤を用いることで、露点温度を管理した環境下で作製することができる。

有機ＥＬ素子は、駆動方式の違いにより単一発光素子、セグメント型、単純マトリックス型、アクティブマトリックス型に分けられるが、本実施形態における有機ＥＬ素子はこれらすべての方式が当てはまる。

図１に示す構成の有機ＥＬ素子を作製した。

ガラス基板（基板１）上にＴＦＴを形成し、ＴＦＴの保護膜（絶縁膜３）として窒化ケイ素の薄膜をＣＶＤ法により形成した。次にアクリル系ポジ型レジストをＴＦＴ基板上に塗布し、プレベークをした後に、スルーホールを形成する領域以外を遮光して露光し、エッチング液に浸して現像し、ポストベークすることにより、平坦化膜４を形成した。

次に、スルーホール部にアルミニウムを蒸着し、画素領域に合わせてクロムをスパッタ法により蒸着し、クロム電極（電極５）を形成した。

その後、画素分離膜６を形成する。ポリイミド系ポジ型レジストを塗布し、プレベークをした後に、画素分離膜領域のみ遮光して紫外線を照射し、エッチング液に浸して現像した。

このＴＦＴ基板を、脱水処理のための加熱機構を有するチャンバー１３に投入し、投入後、乾燥窒素を導入しながら２００℃に加熱し、３０分後、露点温度が−６０℃になるように流量を調整した。その後、加熱温度を２３０℃とし、乾燥窒素の導入を止めて真空ポンプ機構にて１０^-5Ｐａ環境下にし、露点温度が−８０℃になるように調整した。露点温度が−８０℃に到達してから３０分後に加熱をやめ冷却し、真空度を維持したまま、ＴＦＴ基板を有機ＥＬ層７を形成するチャンバー１４に搬送し、クロム電極上にホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層の順で積層形成した。そして、チャンバー１６内で、有機ＥＬ層７の上層にＩＴＯからなる厚さ２００ｎｍの透明電極８をスパッタ法により成膜した。さらに、プラズマＣＶＤを備えたチャンバー１７に搬送し、有機ＥＬ層７、透明電極８を覆うように保護層（パッシベーション膜９）として厚さ１μｍの窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法で形成した。その後乾燥窒素にて常圧に戻しグローブボックス１８に搬送後、周囲にＵＶ硬化型シール剤を塗布したカバーガラス１１をＴＦＴ基板に貼り合わせ、紫外線を６分照射して紫外線硬化させ、有機ＥＬ素子を作製した。

実施例１と同様の膜構成の有機ＥＬ素子において、画素分離膜６が無機材料からなる有機ＥＬ素子を作製した。

ガラス基板上にＴＦＴを形成し、ＴＦＴの保護膜（絶縁膜３）として窒化ケイ素の薄膜をＣＶＤ法により形成した。次にポリイミド系ネガ型レジストをＴＦＴ基板上に塗布し、プレベークをした後に、画素領域のみ遮光して紫外線を照射した。なお、画素領域内に電極への電力供給用のスルーホールを形成する時は、その領域は遮光しない。そして、エッチング液に浸して現像し、平坦化膜４を形成した。

このＴＦＴ基板を、加熱機構を有するチャンバー１３に投入した。投入後、乾燥窒素を導入しながら２５０℃に加熱し、３０分後、露点温度が−６０℃になるように流量を調整した。その後、加熱温度はそのままで乾燥窒素の導入を止めて真空ポンプ機構にて１０^-5Ｐａまで減圧して、露点温度を−８０℃に調整した。露点温度が−８０℃に到達してから３００℃に加熱し、３０分後に加熱を止めて冷却した。真空度を維持したまま、ＴＦＴ基板を電極を蒸着するチャンバーに搬送し、画素領域とスルーホール部を開口したマスクを用いてクロムからなる厚さ１００ｎｍのクロム電極（電極５）をスパッタ法により成膜した。

続いてプラズマＣＶＤを備えたチャンバーに搬送し、画素分離膜領域を開口したマスクを用い、画素分離膜６として厚さ０．５μｍの窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法で形成した。その後、有機ＥＬ層７を蒸着するチャンバー１４に搬送し、クロム電極上にホール輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層の順で積層形成した。そして電極を蒸着するチャンバー１６に搬送し、有機ＥＬ層７の上にＩＴＯからなる厚さ２００ｎｍの透明電極８をスパッタ法により成膜した。さらに、プラズマＣＶＤを備えたチャンバー１７に搬送し、これらの有機ＥＬ層７、透明電極８を覆うように保護層（パッシベーション膜９）として厚さ１μｍの窒化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法で形成した。

乾燥窒素にて常圧に戻しグローブボックス１８に搬送後、画素に対応してＲＧＢを色分けしたカラーフィルター層が形成される。さらに、周囲にＵＶ硬化型シール剤を塗布したカバーガラス１１をＴＦＴ基板に貼り合わせ、紫外線を６分照射して紫外線硬化させ、有機ＥＬ素子を作製した。

（比較例１）
実施例１における画素分離膜をすべて大気中で作製し、その後減圧下に１０分置いた以外は、実施例１と同じ工程により有機ＥＬ素子を作製した。

（比較例２）
実施例２にける平坦化膜をすべて大気中で作製した以外は、実施例２と同じ工程により有機ＥＬ素子を作製した。

実施例１、２および比較例１、２で作製した有機ＥＬ素子を、それぞれ、気温６０℃、相対湿度９０％の環境に放置し、２４０時間後のＶＩ特性、輝度特性、ダークスポットの有無および画素周辺の輝度の劣化状況を観察した。

実施例１、２の有機ＥＬ素子の性能は変化がなかったが、比較例１、２の有機ＥＬ素子はＶＩ特性の悪化、輝度の低下、ダークスポットや画素周辺の輝度の劣化が多数観察された。以上のことから、実施例１、２による有機形態ＥＬ素子の作製方法では、インターフェースや有機ＥＬ層に含まれる水分を低減し、性能劣化のない有機ＥＬ素子を得ることができることが判った。

一実施形態による有機ＥＬ素子の膜構成を示す図である。 有機ＥＬ素子製造装置の構成を示す模式図である。 一実施形態による有機ＥＬ素子の作製フローを示す図である。 図３の作製フローにおける画素分離膜形成工程を細分化したフローを示す図である。 第１の変形例による有機ＥＬ素子の作製フローを示す図である。 図５の作製フローにおける平坦化膜形成工程を細分化したフローを示す図である。 第２の変形例による有機ＥＬ素子の作製フローを示す図である。 図７の作製フローにおける電極形成工程を細分化したフローを示す図である。 一従来例による有機ＥＬ素子の製作フローを示す図である。 アクリル系レジストの常圧昇温脱離ガス分析の測定結果を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）
３ 絶縁膜
４ 平坦化膜
５ 電極
６ 画素分離膜
７ 有機ＥＬ層
８ 透明電極
９ パッシベ−ション膜
１０ 充填材
１１ カバーガラス
１３、１４、１６、１７ チャンバー
１５ 搬送機構

Claims (3)

1. 有機エレクトロルミネッセンス素子の素子基板上に絶縁層を形成する工程と、
   絶縁層上に電極を形成する工程と、
   絶縁層または電極の脱水処理を行う工程と、
   電極の周囲に画素分離膜を形成する工程と、
   電極上に有機エレクトロルミネッセンス層を形成する工程と、を有し、
   前記脱水処理および前記脱水処理以後の全工程を、露点温度を−６０℃以下に管理した環境下で行うことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
2. 有機エレクトロルミネッセンス素子の素子基板上に絶縁層を形成する工程と、
   絶縁層上に電極を形成する工程と、
   電極の周囲に画素分離膜を形成する工程と、
   画素分離膜の脱水処理を行う工程と、
   電極上に有機エレクトロルミネッセンス層を形成する工程と、を有し、
   前記脱水処理および前記脱水処理以後の全工程を、露点温度を−６０℃以下に管理した環境下で行うことを特徴とする有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。
3. 露点温度を−６０℃以下に管理した環境が、減圧雰囲気、乾燥ガス雰囲気または乾燥ガスの減圧雰囲気を有することを特徴とする請求項１または２記載の有機エレクトロルミネッセンス素子の製造方法。

Images