JP2014235724A - タッチパネルセンサー用配線膜、およびタッチパネルセンサー - Google Patents
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Abstract
【課題】透明導電膜と接続するタッチパネルセンサー用Cu配線膜について、低い電気抵抗を有することは勿論のこと、大気雰囲気にて約200℃以上の加熱処理を行なった場合でも表面が変色しない新規なCu配線膜、およびこれを用いたタッチパネルセンサーを提供する。【解決手段】本発明に係るタッチパネルセンサー用配線膜は、透明導電膜の上に形成される純CuまたはCuを主成分とするCu合金(第1層)と、第1層の上に形成され、純Al;またはTa、Nd、およびTiよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を10原子%以下の範囲で含むAl合金(第2層)との積層構造で構成されている。【選択図】図1
Description
本発明は、透明導電膜と接続するタッチパネルセンサー用配線膜、およびタッチパネルセンサーに関する。
タッチパネルセンサーは一般に、入力領域に形成された透明電極と、入力領域の側部(非入力領域)に位置して当該透明電極と電極的に接続される配線部と、を含む(例えば特許文献1を参照)。配線部は主に、透明電極を構成する透明導電膜の上に、Cu、Al、Agなどの金属材料で形成された配線膜で構成されており、特に電気抵抗の小さいCuが汎用されている。
通常、タッチパネルセンサーの製造過程では、200℃未満の低い加熱処理が施されるが、大気雰囲気にて200℃以上(例えば、約230℃程度)の加熱処理が施される場合がある。Cu配線材料を大気雰囲気下、上記の比較的高い温度で加熱処理すると、Cuが酸素と容易に反応し、茶褐色半透明のCu酸化物が表面に形成され、配線膜が変色する。配線材料の欠陥は通常、光学的な方法で検出されるが、上記のように配線膜が変色すると欠陥として検出され、製造歩留まりの低下の原因となる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、透明導電膜と接続するタッチパネルセンサー用Cu配線膜について、低い電気抵抗を有することは勿論のこと、大気雰囲気にて約200℃以上の加熱処理を行なった場合でも表面が変色しない新規な配線膜、およびこれを用いたタッチパネルセンサーを提供することにある。
上記課題を達成し得た本発明に係るタッチパネルセンサー用配線膜は、透明導電膜と接続するタッチパネルセンサー用の配線膜において、前記配線膜は、透明導電膜の上に形成され、純CuまたはCuを主成分とするCu合金で構成される低電気抵抗の第1層と;前記第1層の上に形成され、純Al;またはTa、Nd、およびTiよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を10原子%以下の範囲で含むAl合金で構成される第2層と、の積層構造で構成されているところに要旨を有するものである。
本発明の好ましい実施形態において、前記第2層は、Ta、Nd、およびTiよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を10原子%以下の範囲で含むAl合金で構成されている。
本発明の好ましい実施形態において、前記第1層を構成するCu合金は、Ni、Zn、およびMnよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む。
本発明には、上記のいずれかに記載のタッチパネルセンサー用配線膜を備えたタッチパネルセンサーも含まれる。
本発明のタッチパネルセンサー用配線膜は、低電気抵抗のCu配線材料の上に、純Alまたは所定のAl合金が形成された積層構造を有しているため、配線膜に要求される低い電気抵抗を維持しつつ、大気雰囲気にて約200℃以上の熱履歴に曝された場合でも、上記配線膜表面の変色を防止することができる。その結果、上記配線膜を一般的な光学的方法で検出しても、当該配線膜の欠陥は認められず、製造歩留まりが向上する。
本発明によれば、タッチパネルセンサーでは通常採用されていなかった、大気雰囲気中での比較的高い加熱処理を行なった後も、表面の変色を防止することができるタッチパネルセンサー用Cu合金配線膜、および当該配線膜を用いたタッチパネルセンサーを提供することができた。
本発明者らは、透明導電膜と直接接続するタッチパネルセンサー用配線膜において、Cu配線膜による低電気抵抗を維持しつつ、大気雰囲気にて約200℃以上の熱履歴に曝された場合でも、当該Cu配線膜表面の変色を防止可能な新規な配線膜を提供するため、検討を重ねてきた。その結果、純Cu、またはCuを主成分とするCu合金で構成される低電気抵抗層(第1層)の上に、純Al;またはTa、Nd、およびTiよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を0.1〜10原子%の範囲で含むAl合金(第2層)が配置された積層構造の配線膜を用いれば所期の目的が達成されることを見出し、本発明を完成した。
本明細書において「大気雰囲気にて200℃以上の加熱処理」とは、加熱温度がおおむね、200〜300℃、加熱時間がおおむね、30分〜1時間のものを意味する。上記の加熱処理には、第1層を形成する際に行われる加熱処理のほか、第1層形成後の熱履歴(例えば、スパッタリングやレジストをベークする工程など)も含まれる。
また、本明細書において「大気雰囲気にて200℃以上の熱履歴に曝された場合でもCu配線膜表面の変色を防止することができる」とは、後記する実施例に記載の方法で大気雰囲気下、230℃の加熱処理を行ない、加熱処理前後の配線膜の反射率を測定したとき、反射率の変化率が50%以下のものを意味する。
また本明細書において「電気抵抗が低い」とは、後記する実施例に記載の方法により、上記加熱処理前の配線膜(第1層+第2層の積層膜)の電気抵抗を測定したとき、電気抵抗が200mΩ/□以下のものを意味する。
また、第2層を構成する「純Al;またはTa、Nd、およびTiよりなる群から選択される少なくとも一種の元素」をまとめて、「純Alまたは所定のAl合金」と呼ぶ場合がある。
以下、図1を参照しながら、本発明の配線膜を備えたタッチパネルセンサーを詳しく説明する。
図1に示すように本発明のタッチパネルセンサーは、基板と、基板の上に形成される透明導電膜と、透明導電膜の上に直接接続される配線膜と、から構成されている。上記配線膜は、透明導電膜の上に直接形成される第1層と、第1層の上に直接形成される第2層との積層構造を有している。このうち第1層は、純CuまたはCuを主成分とするCu合金で構成され、電気抵抗の低減化に寄与する。第2層は、純Al;またはTa、Nd、およびTiよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を10原子%以下の範囲で含むAl合金(純Alまたは所定のAl合金)で構成され、大気雰囲気で200℃以上の熱履歴に曝されたときの配線膜の変色防止に寄与する。
まず、本発明の配線膜について、詳しく説明する。
(第1層を構成する、純CuまたはCuを主成分とするCu合金について)
透明導電膜の上に直接配置される第1層は、純CuまたはCuを主成分とするCu合金で構成される。具体的には、電気抵抗が低いというCu配線材料本来の特性を発揮し得るものであれば特に限定されず、例えば、従来用いられるものを用いることもできる。
透明導電膜の上に直接配置される第1層は、純CuまたはCuを主成分とするCu合金で構成される。具体的には、電気抵抗が低いというCu配線材料本来の特性を発揮し得るものであれば特に限定されず、例えば、従来用いられるものを用いることもできる。
本明細書において「低電気抵抗の第1層」とは、タッチパネルセンサーにおける配線抵抗による信号遅延や電力損失を抑える観点から、電気抵抗率が、例えば11μΩcm以下のものを意味する。好ましくは8.0μΩcm以下、より好ましくは5.0μΩcm以下である。
本発明では、電気抵抗率が上記範囲を満足するように、合金元素の種類またはその含有量の少なくとも一方が適切に制御されたCu合金を用いることができる。
例えば、Cu合金に用いられる元素として、電気抵抗率が低い元素(好ましくは、純Cu並みに低い元素)を、文献に記載の数値などを参照して公知の元素から容易に選択することができる。この場合の好ましい含有量の範囲は、電気抵抗率が上記範囲となるように、使用する元素の種類によって適切に制御すれば良い。
或いは、Cu合金に用いられる元素として、電気抵抗率が高い元素を用いることもできる。この場合は、電気抵抗率が上記範囲となるように含有量を少なくする。具体的には、使用する元素の種類によっても相違するが、おおむね、0.05〜1原子%程度の範囲に低減すれば電気抵抗率を低減することができる。
本発明に用いられるCu合金として、例えば、Cu−Ni合金、Cu−Zn合金、Cu−Mn合金、Cu−Mg合金、Cu−Ca合金など;または、これらの合金元素を少なくとも一種以上含むCu合金が好ましく用いられる。これらのうち、Cu−Ni合金、Cu−Zn合金、Cu−Mn合金は電気抵抗が比較的低いため、各合金元素(Ni、Zn、Mnの少なくとも一種)の含有量の上限を、おおむね10原子%以下とすることができる。また、上記Cu合金は、酸素ガスや窒素ガスのガス成分を含んでいても良く、例えば、Cu−OやCu−Nなどを用いることができる。
上記Cu合金は、上述した適用可能な元素を含み、実質的に残部がCuおよび不可避的不純物である。
本発明に用いられるCu合金、更に後記する第2層に用いられるAl合金の各含有量は、例えばICP発光分析法によって求めることができる。
上述した、純CuまたはCuを主成分とするCu合金で構成される第1層の膜厚は、50nm以上であることが好ましい。第1層の膜厚が薄すぎると、配線抵抗が高くなることがある。より好ましくは70nm以上、更に好ましくは100nm以上である。一方、第1層の膜厚が厚すぎると配線形状の悪化やエッチング残渣が生じることがあるため、好ましくは600nm以下、より好ましくは500nm以下、更に好ましくは450nm以下である。
(第2層を構成する、純Alまたは所定のAl合金について)
本発明に係るタッチパネルセンサー用配線膜の特徴部分は、上述した第1層(純CuまたはCuを主成分とするCu合金)の上に直接、純Alまたは所定のAl合金(第2層)を設けた点にある。
本発明に係るタッチパネルセンサー用配線膜の特徴部分は、上述した第1層(純CuまたはCuを主成分とするCu合金)の上に直接、純Alまたは所定のAl合金(第2層)を設けた点にある。
大気雰囲気下のような酸素存在下で約200℃以上の高温加熱を行なうと、第1層を構成するCuの表面は容易に酸化されてCu酸化物を形成する。そのため、Cuの酸化を防ぐ保護層の形成が必要になる。保護層の特性には、酸化に対する耐久性(耐酸化性)が高いことが必要とされる。加えて、保護層の耐酸化性が高い場合においても、粒界が粗いなど膜質が劣る場合には粒界を通して第1層のCu元素が表面に拡散し、Cu酸化物が表面に形成されてしまう。そのため、保護層は緻密であることが必要である。本発明において保護層として用いられる、純Alまたは所定のAl合金は、表面に不動態皮膜を形成する。Alの不動態皮膜は緻密であるため、Cu元素の拡散を防ぐことができる。そのため、上記純Alまたは所定のAl合金を保護層(第2層)として、上記第1層の上に積層することにより、Cuの酸化による変色を防止することができる。
更に、純Alでなく所定のAl合金を用いれば、加熱による凝集や表面の荒れといった問題も生じないため、非常に有用である。
上記Al合金を構成するTa、Nd、およびTiは、上記観点から数多くの基礎実験に基づき、選択されたものである。すなわち、これらの元素は、上記の高温熱履歴が加わったときの熱凝集を抑制し、結晶粒を微細化する作用を有している。そのため、熱履歴後の表面の平坦性を保持することができる。その結果、熱履歴後の反射率の低下が抑えられ、配線膜表面の変色を防止することができる。これらの元素は単独、または二種類以上併用して用いることもできる。上記元素のうち好ましいのはTa、Ndである。
上記元素の含有量(単独で含むときは単独の量であり、二種以上を含むときは合計量である)は0.1原子%以上であることが好ましい。上記元素の含有量が0.1原子%未満では、上記作用が有効に発揮されず、加熱による凝集を有効に抑えることができない。上記元素の、より好ましい含有量は0.2原子%以上である。但し、上記元素の含有量が多すぎると電気抵抗が増加するため、その上限を10原子%以下とする。上記元素の好ましい含有量の上限は、3原子%以下であり、より好ましくは2原子%以下である。
上記Al合金は、Ta、Nd、およびTiの少なくとも一種を上記範囲で含み、残部:Alおよび不可避的不純物である。
上述した、純Alまたは所定のAl合金で構成される第2層の膜厚は、5nm以上が好ましい。第2層の膜厚が5nm以下では、表面に均一な膜を形成することが難しい。より好ましい膜厚は10nm以上である。一方、第2層の膜厚が150nmを超えると、当該第2層の下に配置されるCu配線材料(第1層)とのテーパー差が大きくなり、配線膜の破断が生じやすい。より好ましい膜厚は100nm以下である。
また、本発明に用いられる配線膜全体(第1層+第2層の積層膜)の、好ましい合計厚さは、おおむね100nm以上、より好ましくは200nm以上であり、好ましくは600nm以下、より好ましくは450nm以下である。
上記第1層および第2層を構成する各膜は、スパッタリング法により成膜することが好ましい。スパッタリング法を用いれば、スパッタリングターゲットとほぼ同じ組成の膜を成膜することができる。例えば、所望とするCu合金膜またはAl合金膜と同一組成のスパッタリングターゲットを用いることにより、組成ズレすることなく、所望の各膜を得ることができる。但し、これに限定されず、異なる組成のスパッタリングターゲットを用いても良いし、或いは、純Cuスパッタリングターゲットまたは純Alスパッタリングターゲットに所望とする合金元素の金属をチップオンすることによって成膜することもできる。
具体的には、本発明の積層構造からなる配線膜を製造するためには、まず、第1層をスパッタリング法により成膜した後、その上に、上記第2層をスパッタリング法により成膜すれば良い。
スパッタリング法としては、例えばDCスパッタリング法、RFスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、反応性スパッタリング法等のいずれのスパッタリング法を採用してもよく、その形成条件は、適宜設定すればよい。また、スパッタリングターゲットの形状は、スパッタリング装置の形状や構造に応じて任意の形状(角型プレート状、円形プレート状、ドーナツプレート状など)に加工したものが含まれる。
以上、本発明の配線膜について説明した。
上述したように本発明は、透明導電膜と接続する配線膜の組成を特定したところに特徴があり、それ以外の構成は特に限定されず、タッチパネルセンサーの分野で通常用いられる公知の構成を採用することができる。
基板は、一般的に使用されている透明基板を用いることができ、例えば、ガラスの他、ポリエチレンテレフタレート系、ポリカーボネート系、またはポリアミド系の樹脂系基板が挙げられる。好ましくは、材料コストが安くロールトゥロールにも対応するポリエチレンテレフタレート系、ポリカーボネート系、またはポリアミド系等のフィルムを用いることが好ましい。本発明では例えば、固定電極である下部電極の基板にガラスを用い、可撓性の必要な上部電極の基板にポリカーボネート系等のフィルムを用いることができる。フィルム基板に加える熱履歴は、フィルムの耐熱温度以下であれば問題ないが、密着性向上の観点からは100℃以上の熱履歴に対する耐熱性を有するフィルムを用いることが好ましい。
基板の上に配置される透明導電膜の種類は特に限定されず、代表例として、酸化インジウム錫(ITO)または酸化インジウム亜鉛(IZO)が挙げられる。
本発明のタッチパネルセンサーは、抵抗膜方式、静電容量方式、超音波表面弾性波方式などのタッチパネルセンサーとして用いることができる。本発明のタッチパネルセンサーは、公知の方法により製造することができる。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限されず、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
実施例1
(試料No.1〜13の作製)
本実施例では、以下に詳述するようにITO膜の上に種々の配線膜を形成し、加熱処理前後の反射率および加熱処理前の電気抵抗を測定した。表1に示す各配線膜について、%の単位は原子%であり、Al合金の残部はAlおよび不可避的不純物、Cu合金の残部はCuおよび不可避的不純物である。
(試料No.1〜13の作製)
本実施例では、以下に詳述するようにITO膜の上に種々の配線膜を形成し、加熱処理前後の反射率および加熱処理前の電気抵抗を測定した。表1に示す各配線膜について、%の単位は原子%であり、Al合金の残部はAlおよび不可避的不純物、Cu合金の残部はCuおよび不可避的不純物である。
まず、ガラス基板(コーニング社製、イーグルXG、直径100mmφ×10.7mm)の表面に、DCマグネトロンスパッタリング法により、透明導電膜(ITO:膜厚は100nm)を形成した。スパッタリング条件は以下のとおりである。
・島津製作所社製「HSR−552S」
・背圧 1.0×10-6Torr以下
・プロセスガス圧 0.8mTorr
・プロセスガス Ar 5sccm
5%−O2/Ar 8sccm
・スパッタパワー 1.85W/cm2
・極間距離 50mm
・成膜温度 室温
・基板温度 室温
・島津製作所社製「HSR−552S」
・背圧 1.0×10-6Torr以下
・プロセスガス圧 0.8mTorr
・プロセスガス Ar 5sccm
5%−O2/Ar 8sccm
・スパッタパワー 1.85W/cm2
・極間距離 50mm
・成膜温度 室温
・基板温度 室温
次に、上記ITO膜の直上に、表1に示すように第1層(純CuまたはCu合金膜)を形成した後、第2層(Cu合金膜、純Al膜、またはAl合金膜)を形成した(表1のNo.2〜13)。各膜の成膜には、対応する組成のスパッタリングターゲットを用い、DCマグネトロンスパッタリング法によるスパッタリングを行なった。比較のため、第2層を有しないものも用意した(表1のNo.1)。いずれの膜も、以下のスパッタリング条件を行なった。
・島津製作所製「HMS−552」
・背圧 1.0×10-6Torr以下
・プロセスガス圧 2mTorr
・プロセスガス Ar 30sccm
・スパッタパワー 3.2〜1.6W/cm2
・極間距離 50mm
・成膜温度 室温
・基板温度 室温
・島津製作所製「HMS−552」
・背圧 1.0×10-6Torr以下
・プロセスガス圧 2mTorr
・プロセスガス Ar 30sccm
・スパッタパワー 3.2〜1.6W/cm2
・極間距離 50mm
・成膜温度 室温
・基板温度 室温
(加熱処理前後の反射率の測定)
このようにして得られた各試料について、大気雰囲気下、230℃で1時間の加熱処理を行い、加熱処理前後の反射率(波長550nm)を測定した。反射率は、分光光度計(日本分光社製 V−570分光光度計)を用い、絶対反射率を測定した。各試料について、加熱処理前後の反射率の変化率の差(反射率の変化量)を求め、加熱処理前の反射率(%)に対する上記反射率の変化量(%)を反射率の変化率(%)として算出した。本実施例では、このようにして算出される反射率の変化率が50%以下のものを良とし、50%超のものを不良とした。
このようにして得られた各試料について、大気雰囲気下、230℃で1時間の加熱処理を行い、加熱処理前後の反射率(波長550nm)を測定した。反射率は、分光光度計(日本分光社製 V−570分光光度計)を用い、絶対反射率を測定した。各試料について、加熱処理前後の反射率の変化率の差(反射率の変化量)を求め、加熱処理前の反射率(%)に対する上記反射率の変化量(%)を反射率の変化率(%)として算出した。本実施例では、このようにして算出される反射率の変化率が50%以下のものを良とし、50%超のものを不良とした。
(加熱処理前の電気抵抗の測定)
加熱処理前の各試料について、4端子法で電気抵抗を測定した。測定した電気抵抗からシート抵抗を算出し、200mΩ/□以下のものを良、200mΩ/□超のものを不良とした。
加熱処理前の各試料について、4端子法で電気抵抗を測定した。測定した電気抵抗からシート抵抗を算出し、200mΩ/□以下のものを良、200mΩ/□超のものを不良とした。
これらの結果を表1に示す。表1の最右欄には総合評価の欄を設け、全ての項目が良のものに「合格」、いずれか一つの項目が不良のものに「不合格」を記載した。
(TEM分析)
図2に、上記加熱処理後のNo.3の断面を、日立製作所製電界放出形透過電子顕微鏡(TEM)HF−2200を用いて観察した結果を示す。また、図2中の各ポイント1〜5について、Noran社製EDX分析装置System SIXを用いて組成分析を行った。これらの結果を表2に示す。
図2に、上記加熱処理後のNo.3の断面を、日立製作所製電界放出形透過電子顕微鏡(TEM)HF−2200を用いて観察した結果を示す。また、図2中の各ポイント1〜5について、Noran社製EDX分析装置System SIXを用いて組成分析を行った。これらの結果を表2に示す。
これらの結果より以下のように考察することができる。
まず、No.1は、純Cu(第1層の単層のみ)の配線膜を用いた従来例である。No.1では、本発明のような第2層を有しないため、高温の大気加熱処理を行うと純Cuの酸化によって反射率が減少(透過率が増加)し、反射率の変化率は約64%と大きく変化した。
No.2は、上記No.1の上にCu−30原子%Ni合金(第2層)を形成した積層配線膜の比較例である。第2層としてCu−30原子%Ni合金を用いても、大気加熱処理によるCu酸化物の形成を抑制することはできず、反射率の変化率は約90%と、一層大きくなった。
No.3は、上記No.2において、第1層として純Cuの代わりにCu−1.0原子%Mn合金を用いた積層配線膜の比較例である。No.3における反射率の変化率は約93%であり、前述したNo.2に比べて、更に一層大きくなった。No.2とNo.3の結果より、第2層としてCu−30原子%Ni合金を用いた場合には、第1層の種類にかかわらず、高温の大気加熱処理によるCu酸化物の形成を抑制できないことが分かる。
上記No.3の結果は、図2のTEM断面写真および表2の組成分析結果から確認することができる。すなわち、図2および表2に示すように、No.3に上記の高温大気加熱処理を行なうと、第2層(Cu−30原子%Ni合金)の表面(ポイント1および2)に酸素(O)量の多いCuOの酸化膜が形成された。この酸素は、第1層(Cu−1.0原子%Mn合金)中(図2中、ポイント5)、上記第1層と第2層(Cu−30原子%Ni合金)の界面近傍(図2中、ポイント4)、および上記第2層中(図2中、ポイント3)には全く見られなかったものであり(表2を参照)、第2層として用いたCu−30原子%Ni合金は、大気加熱処理によるCuOの酸化膜の形成効果を全く奏しないことが確認された。
これに対し、No.4〜13は、上記No.1の上に、本発明に規定する所定の第2層(純AlまたはAl合金)を種々の膜厚で有する積層配線膜の本発明例である。表1に示すように、いずれの場合も、反射率の変化率を50%以下に低減することができた。また、いずれの場合も、加熱処理前の電気抵抗は十分に低いものであった。
なお、上記No.4〜13のTEM写真は示していないが、いずれの場合も、前述した図2と異なり、第2層の表面にCuOの酸化膜は形成されなかったことを確認している。よって、本発明の積層配線膜を用いれば、低い電気抵抗を維持しつつ、大気加熱処理によるCu酸化物の形成を抑制できることが分かる。
Claims (4)
- 透明導電膜と接続するタッチパネルセンサー用の配線膜において、
前記配線膜は、
透明導電膜の上に形成され、純CuまたはCuを主成分とするCu合金で構成される低電気抵抗の第1層と;
前記第1層の上に形成され、純Al;またはTa、Nd、およびTiよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を10原子%以下の範囲で含むAl合金で構成される第2層と、
の積層構造で構成されていることを特徴とするタッチパネルセンサー用配線膜。 - 前記第2層は、Ta、Nd、およびTiよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を10原子%以下の範囲で含むAl合金で構成されている請求項1に記載のタッチパネルセンサー用配線膜。
- 前記第1層を構成するCu合金は、Ni、Zn、およびMnよりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含む請求項1または2に記載のタッチパネルセンサー用配線膜。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のタッチパネルセンサー用配線膜を備えたタッチパネルセンサー。
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