JP2018206467A

JP2018206467A - 透明導電膜

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Publication number: JP2018206467A
Application number: JP2017106343A
Authority: JP
Inventors: 具和須田; Tomokazu Suda; 高橋　明久; Akihisa Takahashi; 明久高橋
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2018-12-27
Also published as: CN110678938A; TW201900407A; WO2018220953A1

Abstract

【課題】透明性及び導電性に優れ、さらに高い硬度を有する透明導電膜を提供する。【解決手段】本発明の一形態に係る透明導電膜は、下地上に成膜された透明導電膜である。上記透明導電膜は、酸化スズと、１．５ｗｔ％以上２．５ｗｔ％以下の酸化タンタルと、０．３ｗｔ％以上０．７ｗｔ％以下の酸化ニオブとを含む。このような透明導電膜は、酸化スズと、１．５ｗｔ％以上２．５ｗｔ％以下の酸化タンタルと、０．３ｗｔ％以上０．７ｗｔ％以下の酸化ニオブとを含むので、高い硬度を有し、さらに透明性及び導電性に優れたものになる。【選択図】図１

Description

本発明は、透明導電膜に関する。

表面保護膜の代表的なものに、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜がある。ＤＬＣ膜は、例えば、ｓｐ^３結合とｓｐ^２結合とを含み、ｓｐ^３結合の比率が多ければダイヤモンド性となり、ｓｐ^２結合の比率が多ければグラファイト性になる。例えば、ｓｐ^３結合の比率が高いと、ＤＬＣ膜では、透明性、高硬度性、絶縁性が優位になり、ｓｐ^２結合の比率が高いと、非透明性、低硬度性、導電性が優位になる。ＤＬＣ膜は、温度センサの表面保護膜に用いられたり（例えば、特許文献１参照）、表示パネルの表面保護膜に用いられたりする（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−２０７３９６号公報特開２０１３−１３０８５４号公報

しかしながら、表面保護膜として低抵抗の仕様が要求された場合、ＤＬＣ膜においてｓｐ^２結合の比率を増加させると、その抵抗は下がるものの、膜の透明性が低減し、硬度が低くなってしまう。一方、ＤＬＣ膜においてｓｐ^３結合の比率を増加させると透明性及び硬度は向上するものの、抵抗が上昇してしまう。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、透明性及び導電性に優れ、さらに高い硬度を有する透明導電膜を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る透明導電膜は、下地上に成膜された透明導電膜である。上記透明導電膜は、酸化スズと、１．５ｗｔ％以上２．５ｗｔ％以下の酸化タンタルと、０．３ｗｔ％以上０．７ｗｔ％以下の酸化ニオブとを含む。
このような透明導電膜は、酸化スズと、１．５ｗｔ％以上２．５ｗｔ％以下の酸化タンタルと、０．３ｗｔ％以上０．７ｗｔ％以下の酸化ニオブとを含むので、高い硬度を有し、さらに透明性及び導電性に優れたものになる。

上記透明導電膜は、１０００ｎｍ以下の厚みを有してもよい。
このような薄い透明導電膜においても、高い硬度を有し、さらに透明性及び導電性に優れたものになる。

上記透明導電膜は、１００Ω／ｓｑ．以下のシート抵抗を有してもよい。
このような透明導電膜によれば、シート抵抗が１００Ω／ｓｑ．以下になり、導電性に優れたものになる。

上記透明導電膜は、３５００μΩ・ｃｍ以下の抵抗率を有してもよい。
このような透明導電膜によれば、抵抗率が３５００μΩ・ｃｍ以下になり、導電性に優れたものになる。

上記透明導電膜は、１０００ｋｇｆ／ｍｍ^２以上のビッカース硬度を有してもよい。
このような透明導電膜によれば、ビッカース硬度が１０００ｋｇｆ／ｍｍ^２以上になり、硬度が優れたものになる。

以上述べたように、本発明によれば、透明性及び導電性に優れ、さらに高い硬度を有する透明導電膜が提供される。

本実施形態に係る透明導電膜を形成する成膜装置の概略断面図である。本実施形態に係る透明導電膜の光学特性を表すグラフ図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。各図面には、ＸＹＺ軸座標が導入される場合がある。

図１は、本実施形態に係る透明導電膜を形成する成膜装置の概略断面図である。

本実施形態に係る透明導電膜は、例えば、図１に示すマグネトロン方式のスパッタリング装置１により形成される。スパッタリング装置１は、真空容器１０、ガス導入配管１５、基板トレイ１６、成膜源２０、電源２１Ａ、２１Ｂ及び真空排気ポンプ３０等を具備する。

真空容器１０は、上端が開口した容器本体１０１と、容器本体１０１の上端を覆う蓋体１０２とを有する。真空容器１０は、グランド電位になっている。真空容器１０の側壁には、開口１０ｈが設けられている。開口１０ｈには、ゲートバルブ１１が設置されている。真空容器１０は、ゲートバルブ１１を介して、例えば、他の真空容器に連結されている。

真空容器１０は内部に処理室１０３を画成している。処理室１０３は、真空排気ポンプ３０によって減圧状態（例えば、１×１０^−５Ｐａ以下）に維持されることが可能になる。真空排気ポンプ３０は、例えば、ターボ分子ポンプと、その排圧側に接続されたロータリーポンプとにより構成される。また、真空容器１０には、処理室１０３内に放電ガスを導入するためのガス導入配管１５が真空容器１０に設けられている。放電ガスは、例えば、アルゴン及び酸素の少なくとも１つを含む。放電ガスは、アルゴン、酸素に限らない。

処理室１０３には、基板５０を支持するための基板トレイ１６が設置されている。基板トレイ１６は、回転軸１７を中心に回転可能である。基板トレイ１６と蓋体１０２との間には、ヒータ機構等の温度調整器１８が設けられている。基板トレイ１６は、例えば、グランド電位になっている。基板トレイ１６には、複数の基板５０を設置できる。基板トレイ１６は、回転軸１７に対して脱着可能であり、例えば、複数の基板５０を基板トレイ１６とともに、処理室１０３内外に搬送することができる。

基板トレイ１６下には、成膜源２０が配置されている。成膜源２０は、基板トレイ１６に対向する。図１の例では、成膜源２０として、複数のカソードユニット２０Ａ、２０Ｂが例示されている。カソードユニット２０Ａは、ターゲット２０１Ａ、バッキングプレート２０２Ａ及びマグネット２０３Ａを有する。カソードユニット２０Ｂは、ターゲット２０１Ｂ、バッキングプレート２０２Ｂ及びマグネット２０３Ｂを有する。

カソードユニット数は、図示された数に限らない。ターゲット２０１Ａ、２０１Ｂは、スパッタリング源であるとともに、カソード電極でもある。基板５０とターゲット２０１Ａ、２０１Ｂとの間の距離は、例えば、６０ｍｍ以上３００ｍｍ以下である。

ターゲット２０１Ａ、２０１Ｂのいずれかは、酸化スズ、酸化タンタル及び酸化ニオブを含む。または、ターゲット２０１Ａは、酸化スズ、酸化タンタル及び酸化ニオブの少なくとも２つの材料を含み、ターゲット２０１Ｂが酸化スズ、酸化タンタル及び酸化ニオブの中からターゲット２０１Ａの材料を除く材料を含んでもよい。または、カソードユニット２０Ａ、２０Ｂ以外に別のカソードユニットを処理室１０３に設け、ターゲット２０１Ａが酸化スズを含み、ターゲット２０１Ｂが酸化タンタルを含み、残りのターゲットが酸化ニオブを含んでもよい。

ターゲット２０１Ａ、２０１Ｂのそれぞれの平面形状は、例えば、円形である。例えば、それぞれの直径は、４インチである。ターゲット２０１Ａには、スパッタリング時に、電源２１Ａからケーブル２２Ａを介して、１Ｗ／ｃｍ^２以上３Ｗ／ｃｍ^２以下の電力が供給される。ターゲット２０１Ｂには、スパッタリング時に、電源２１Ｂからケーブル２２Ｂを介して、１Ｗ／ｃｍ^２以上３Ｗ／ｃｍ^２以下の電力が供給される。

マグネット２０３Ａは、バッキングプレート２０２Ａの背面側に設置される。マグネット２０３Ａから発せられる磁場は、バッキングプレート２０２Ａを介して、ターゲット２０１Ａの表面に漏洩する。マグネット２０３Ｂは、バッキングプレート２０２Ｂの背面側に設置される。マグネット２０３Ｂから発せられる磁場は、バッキングプレート２０２Ｂを介して、ターゲット２０１Ｂの表面に漏洩する。

ターゲット２０１Ａの表面は、所定の距離を隔ててシャッタ２３Ａによって覆われたり（閉状態）、または、シャッタ２３Ａから開放されて処理室１０３に露出されたりする（閉状態）。ターゲット２０１Ｂの表面は、所定の距離を隔ててシャッタ２３Ｂによって覆われたり、シャッタ２３Ｂから開放されて処理室１０３に露出されたりする。

本実施形態では、一例として、ターゲット２０１Ａがスパッタリング源となって、基板５０に酸化スズ、酸化タンタル及び酸化ニオブを含む透明導電膜が形成される例を示す。すなわち、ターゲット２０１Ａが酸化スズ、酸化タンタル及び酸化ニオブを含み、シャッタ２３Ａが開状態でターゲット２０１Ａがスパッタリング源となって、基板５０に酸化スズ、酸化タンタル及び酸化ニオブを含む透明導電膜が成膜される。なお、スパッタリング時には、シャッタ２３Ｂは、閉状態である。

ターゲット２０１Ａは、例えば、主成分である酸化スズ（ＳｎＯ_２）と、１．５ｗｔ％以上２．５ｗｔ％以下の酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）と、０．３ｗｔ％以上０．７ｗｔ％以下の酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）とを含む。ターゲット２０１Ａにおいては、例えば、９６．８ｗｔ％以上９８．２ｗｔ％以下の酸化スズが含まれる。

一例として、ターゲット２０１Ａにおいては、酸化スズが主成分となり、２．０ｗｔ％の酸化タンタルと、０．５ｗｔ％の酸化ニオブとが含まれる。この場合、ターゲット２０１Ａにおいては、例えば、９７．５ｗｔ％の酸化スズが含まれる。酸化スズ、酸化タンタル及び酸化ニオブのそれぞれの組成は、化学両論組成のほか、化学両論組成に近い組成でもよい。

電源２１Ａ、２１Ｂのそれぞれは、例えば、ＤＣ電源、ＲＦ電源（周波数：１３．５６ＭＨｚ）またはＤＣパルス電源（パルス周波数：５ｋＨｚ以上４００ｋＨｚ以下）のいずれかである。ターゲット２０１Ａは、ケーブル２２Ａを介して電源２１Ａに接続されている。ケーブル２２Ａの中途には、整合回路が設けられてもよい。ターゲット２０１Ｂは、ケーブル２２Ｂを介して電源２１Ｂに接続されている。ケーブル２２Ｂの中途には、整合回路が設けられてもよい。

スパッタリング装置１では、処理室１０３が所定圧力の放電ガスに維持された状態で、所定パワーの電力が電源２１Ａからターゲット２０１Ａに印加される。これにより、処理室１０３には、プラズマが発生して、プラズマ中のイオンがターゲット２０１Ａをスパッタリングする。この結果、ターゲット２０１Ａから放出されたスパッタリング粒子が基板５０上に堆積する。つまり、基板５０の表面に、透明導電膜が成膜される。放電ガスは、例えば、酸素ガスまたは酸素ガスとアルゴンガスとの混合ガスである。

また、スパッタリング装置１は、マグネトロン方式を採用しているため、ターゲット２０１Ａ近傍では、電子のトラッピング効果が促進して、放電ガスが効率よく電離する。これにより、放電ガス中のイオンが高い頻度でターゲット２０１Ａに衝突し、スパッタリング粒子がターゲット２０１Ａから効率よく放出される。スパッタリング時における真空容器１０内のガス雰囲気は、０．１Ｐａ以上１０Ｐａ以下である。

透明導電膜の下地である基板５０としては、例えば、サファイア基板、ガラス基板、半導体基板等が用いられる。基板５０には、その表面に導電膜、導電膜パターン、絶縁膜（無機物、有機物）、絶縁膜パターン等が形成されてもよい。スパッタリング時には、基板５０の温度は、例えば、２５℃（室温）以上３００℃以下に制御される。基板５０の平面形状は、例えば、矩形であり、一辺の長さが３０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。

成膜条件の例を以下に示す。
ターゲット材：酸化スズ（９７．５ｗｔ％）／酸化タンタル（２．０ｗｔ％）／酸化ニオブ（０．５ｗｔ％）
電力：２Ｗ／ｃｍ^２（ＤＣ電源）
アルゴン分圧：０．５Ｐａ
酸素分圧：２×１０^−２Ｐａ
基板温度：室温
膜アニール（成膜後）：２５０℃、１時間（大気雰囲気）
ここで、酸素分圧は、一例であり、酸素分圧を調整することにより透明導電膜中の酸素濃度が適宜調整され、その抵抗率が所望の値に調整される。また、透明導電膜の厚みは、１０００ｎｍ以下である。

本実施形態において、基板５０上に成膜される透明電極膜は、例えば、センサの表面保護膜、ＥＳＤ（Electro Static Discharge）対策用の表面保護膜、表示パネルの表面保護膜等に適用される。基板５０上に成膜される透明電極膜は、透明性、導電性に優れ、且つハードコーティグに適している。

以下、基板５０上に成膜される透明電極膜について説明する。

透明導電膜は、主成分である酸化スズ（ＳｎＯ_ｘ：１．５≦ｘ≦２）と、１．５ｗｔ％以上２．５ｗｔ％以下の酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_ｙ：３．５≦ｙ≦５）と、０．３ｗｔ％以上０．７ｗｔ％以下の酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_ｚ：３．５≦ｚ≦５）とを含む。透明導電膜には、例えば、９６．８ｗｔ％以上９８．２ｗｔ％以下の酸化スズが含まれる。酸化スズ、酸化タンタル及び酸化ニオブのそれぞれの組成は、化学両論組成でもよく、化学両論組成に近い組成でもよい。化学両論組成に近い組成とは、例えば、酸素が若干欠損状態にある組成である。

一例として、透明導電膜においては、酸化スズが主成分となり、２．０ｗｔ％の酸化タンタルと、０．５ｗｔ％の酸化ニオブとが含まれる。例えば、透明導電膜における酸化スズの濃度は、９７．５ｗｔ％である。このような透明導電膜は、酸化スズと、１．５ｗｔ％以上２．５ｗｔ％以下の酸化タンタルと、０．３ｗｔ％以上０．７ｗｔ％以下の酸化ニオブとを含むので、高い硬度を有し、さらに透明性及び導電性に優れたものになる。

例えば、１０００ｋｇｆ／ｍｍ^２以上のビッカース硬度を有する。また、透明導電膜は、可視光領域において、７６％以上の光透過率を有する。さらに、透明導電膜は、１００Ω／ｓｑ．以下のシート抵抗を有し、３５００μΩ・ｃｍ以下の抵抗率を有する。

なお、透明導電膜には、ターゲット材の製造過程において導入される、微量なアルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の元素が含まれる場合がある。透明導電膜に、微量元素（Ａｌ、Ｚｒ等）が含まれたり、含まれなかったりしても、本実施形態では、実質的に同じ効果が得られる。なお、副成分としては、上記の酸化物のほか、第３族元素のいずれかが該当する。

次に、透明導電膜の具体的な効果について説明する。

図２は、本実施形態に係る透明導電膜の光学特性を表すグラフ図である。図２の横軸は、波長（ｎｍ）であり、縦軸は、光透過率（％）である。

図２には、透明導電膜が形成されたサファイア基板の光透過率（Ａライン）と、サファイア基板の光透過率（Ｂライン）とが示されている。Ｂラインは、透明導電膜付きのサファイア基板の光透過率のバックグラウンドに相当する。ここで、サファイア基板の厚みは、０．５ｍｍである。透明導電膜の厚みは、３６０ｎｍである。

図２に示すように、４００ｎｍ以上の波長帯域では、透明導電膜付きのサファイア基板の光透過率は、６５％以上８３％以下となった。サファイア基板の光透過率（バックグラウンド値）から透明導電膜の単層の光透過率を換算すると、透明導電膜では、波長が４００ｎｍ以上で光透過率が７６％以上９７％以下になっている。

また、図２に示す透明導電膜においては、シート抵抗が７５Ω／ｓｑ．以上１００Ω／ｓｑ．以下となり、抵抗率は、２６２５μΩ・ｃｍ以上３５００μΩ・ｃｍ以下になった。透明導電膜において、シート抵抗が１００Ω／ｓｑ．より大きくなると、電極として用いる場合、シート抵抗が高く不具合が生じる場合があり好ましくない。

また、表１に、本実施形態に係る透明導電膜の硬度と、比較例に係るＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜の硬度とを示す。

比較例（ＩＴＯ膜）における成膜条件は、
ターゲット材：酸化インジウム（９０ｗｔ％）／酸化スズ（１０ｗｔ％）
電力：２Ｗ／ｃｍ^２（ＤＣ電源）
アルゴン分圧：０．５Ｐａ
酸素分圧：５×１０^−３Ｐａ
基板温度：室温
膜アニール（成膜後）：２５０℃、１時間（大気雰囲気）
である。

表１において、「ＨＭ」は、マルテンス硬さである。「ＨＩＴ」は、ナノインデンテーション硬さである。「ＨＶ」は、ビッカース硬さである。基板５０としては、サファイア基板を用いている。

表１に示すように、実施例（透明導電膜）のマルテンス硬さ、ナノインデンテーション硬さ及びビッカース硬さは、比較例（ＩＴＯ膜）のそれらよりも高い。ＩＴＯ膜は、透明性導電膜として、広く知られた材料である。本実施形態に係る透明導電膜は、ＩＴＯ膜に比べてさらに高い硬度を有している。例えば、実施例（透明導電膜）のそれぞれの硬度は、比較例（ＩＴＯ膜）のおよそ３倍になっている。

このように、本実施形態に係る透明導電膜は、高い硬度を有し、さらに透明性及び導電性に優れる。特に、本実施形態に係る透明導電膜をデバイスの表面保護膜として用いれば、デバイスの耐傷性が大きく向上する。例えば、人手やペンで透明導電膜をタッチしても、透明導電膜は長時間にわたり損傷を受けにくく、且つ帯電もしにくくなる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

１…スパッタリング装置
１０…真空容器
１０１…容器本体
１０２…蓋体
１０３…処理室
１０ｈ…開口
１１…ゲートバルブ
１５…ガス導入配管
１６…基板トレイ
１７…回転軸
１８…温度調整器
２０…成膜源
２０Ａ、２０Ｂ…カソードユニット
２０１Ａ、２０１Ｂ…ターゲット
２０２Ａ、２０２Ｂ…バッキングプレート
２０３Ａ、２０３Ｂ…マグネット
２１Ａ、２１Ｂ…電源
２２Ａ、２２Ｂ…ケーブル
２３Ａ、２３Ｂ…シャッタ
３０…真空排気ポンプ
５０…基板

Claims

下地上に成膜された透明導電膜であって、
酸化スズと、
１．５ｗｔ％以上２．５ｗｔ％以下の酸化タンタルと、
０．３ｗｔ％以上０．７ｗｔ％以下の酸化ニオブと
を含む透明導電膜。
請求項１に記載の透明導電膜であって、
前記透明導電膜は、１０００ｎｍ以下の厚みを有する
透明導電膜。
請求項１または２に記載の透明導電膜であって、
前記透明導電膜は、１００Ω／ｓｑ．以下のシート抵抗を有する
透明導電膜。
請求項１〜３のいずれか１つに記載の透明導電膜であって、
前記透明導電膜は、３５００μΩ・ｃｍ以下の抵抗率を有する
透明導電膜。
請求項１〜４のいずれか１つに記載の透明導電膜であって、
前記透明導電膜は、１０００ｋｇｆ／ｍｍ^２以上のビッカース硬度を有する
透明導電膜。