JP4428698B2 - 酸化インジウム−酸化セリウム系スパッタリングターゲット及び透明導電膜及び透明導電膜の製造方法 - Google Patents
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Description
従来より、透明導電膜用スパッタリングターゲットとして、Snをドーピングした材料が検討されている。特に、ITO(インジウム・スズ酸化物)は、広く用いられている。
結晶化したITO膜のエッチング加工には、強酸である王水(硝酸・塩酸の混合液)が用いられているが、強酸を使用することによる不具合の発生が問題に成る場合があった。すなわち、TFT(薄膜トランジスタ:Thin Film Transistor)などの構成を使用する液晶表示装置では、ゲート線、ソース・ドレイン線(又は電極)に金属細線を使用することがあり、王水によるITO膜のエッチング時に、これら配線材料が断線したり、線細りが発生したりする問題が生じる場合がある。
一方で、Sn以外の添加金属として、Ceを添加するスパッタリングターゲットや導電材料、透明導電膜に関する特許として、後述する特許文献1〜特許文献2が開示されている。例えば、特許文献1によればCeを添加することにより、より低抵抗の透明導電膜が得られるとされている。
また一方、従来から半透過半反射型液晶が、以下に示す理由により鋭意研究開発されている。
(2)明るい場所で使用する場合、反射型として使用できるので消費電力をセーブできる。
(3)低消費電力特性に優れているため、携帯用ディスプレイに好適である。
(4)フルカラー化も容易である。
しかしながら、半透過半反射型液晶では、液晶駆動用の電極部において、反射電極と透過電極を同一画素内に設置する必要があり製造工程が複雑となり、以下のような問題点が指摘されている。
・コストの上昇
・透過モードと反射モードでの見え方が異なるために見にくい
そこで、後述する特許文献7や特許文献8においては、銀反射膜を形成後、保護層で覆い、その上に液晶駆動用の透明電極を設けた構造が採用されており、銀反射層と液晶駆動用の透明電極が互い違いに配置されることにより、半透過半反射液晶駆動電極が形成されている。
また、結晶質のITOは王水や塩酸などの強酸でないとエッチングできず、例えばこれら電極に接続するTFTの配線材料等を腐食してしまうという問題もある。
・例えばTFT配線材料との接触抵抗の増大がもたらされる。
・エッチング時に残渣を発生する。
・電極間のショート。
・液晶駆動の際の駆動不良等のトラブルの発生。
また、Alエッチャント(燐酸、酢酸、硝酸の混合酸)中で測定したITOの薄膜のAg/AgCl電極に対する標準電極電位は0.80Vである。同様に、Al及びAl−NdのAg/AgCl電極に対する標準電極電位は、それぞれ−0.41V、−0.54Vである。この結果、AlとITOが電気的に接触した状態で、電解質であるAlエッチャント中に存在する場合、電池反応によりAlが溶解する現象が生じていた。その結果、Al配線が断線したり、「線細り」を生じる場合があった。一方、非晶質系の材料としてIZO(インジウム−亜鉛酸化物:「IZO」は登録商標)が考案されているが、この材料は、アルニウムミのエッチャントでも溶解する性質があるので透明電極上に反射電極を具備する構成を採用する場合には、使用が困難であった。
なお、この非晶質の膜は、後述するように、その成膜後に、200℃以上の温度で熱処理をすることによって、結晶化することができるのである。
・透明導電膜中に成膜時に結晶質粒子が存在してしまうことによって、エッチング加工時に残渣を生じる
・200℃以上の加熱処理によっても結晶化しない(これに関しては後に再び詳述する)
(2)また、本発明は、EPMA測定を行った場合に、酸化インジウム中に分散した酸化セリウム粒子であって、その直径が1μm以上である前記酸化セリウムの粒子の存在が観察されることを特教とする上記(1)のスパッタリングターゲットである。
このように、本発明においては、酸化セリウムの組成は、[Ce]/([In]+[Ce])=0.005〜0.15となる範囲の組成を採用している。ここで[Ce]とは、単位重量・単位体積あたりのセリウム原子の数を表し、[In]とは、単位重量・単位体積あたりのインジウム原子の数を表す。すなわち、[Ce]/([In]+[Ce])は、スパッタリングターゲット中のセリウム原子の原子組成比率を表す。
また、この式の値が0.15超では、酸化セリウムの粒径が5μ超になり、異常放電が発生してしまう場合があるし、さらに、200℃で加熱しても結晶化が行われない場合もある。
さて、スパッタリングターゲットの密度が6.6g/cc未満では、バルク抵抗も1mΩcm超になり、異常放電が発生する場合がある。そして、バルク抵抗が、1mΩcm超の場合でも同様に異常放電が発生する場合があったのである。
上記(6)の透明導電膜は、成膜時及び成膜後においては、非晶質であるが、これを加熱することによって結晶化することができる。
成膜時及び成膜後に非晶質であることは、例えば、X線回折によって知ることが好適である。
上記(1)−(5)のスパッタリングターゲットを用いて成膜した場合、成膜温度が室温から200℃未満のときは、X線回折の結果から判断すると、非晶質の透明導電膜が得られる。また、成膜温度が室温以下の場合は、冷却に費用が掛かるため事実上無意味である。また、成膜温度が200℃以上の場合は、結晶化する場合があり、その結果エッチング時に残渣が発生するおそれがある。
上述したように、本発明においては、成膜後に200℃〜250℃の温度範囲で加熱することによって結晶化することを特徴とする。
この際、加熱温度が200℃未満の場合は、結晶速度(結晶化していく速度)が遅い場合があり、結晶化の処理時間が過大になってしまう場合がある。
このように、本発明では、加熱によって透明導電膜を結晶化した。この結晶化によって、蓚酸水溶液や燐酸・酢酸・硝酸の混酸、硝酸セリウムアンモニウムを含むエッチャント液など対する耐性を、この透明導電膜に持たせることができる。
成膜後に、加熱することによって結晶化する動作については既に説明したとおりである。このような構成によって、上で説明した透明導電膜を得ることが可能である。
まず、焼結炉内に、炉内容積0.1m3当たり5L/minの割合で酸素を導入している雰囲気を作る。この雰囲気下において1450℃で8時間焼結した。この際、1000℃までを1℃/min、1000〜1450℃を2℃/minで昇温した。その後、酸素導入を止め、1450℃〜1300℃を5℃/minで降温した。そして、炉内容積0.1m3当たり10L/minの割合でアルゴンガスを導入する雰囲気で、1300℃を3時間保持した後、放冷した。これにより、バルク抵抗0.95mΩcm、密度6.6g/cc以上のセリウム含有In2O3焼結体が得られた。この焼結体のスパッタ面をカップ砥石で磨き、直径100mm、厚み5mmに加工し、インジウム系合金を用いてバッキングプレートを貼り合わせて、焼結体ターゲットを作製した。
このAl膜を、パターンの異なるフォトマスクを用いてパターニングを行った後、エッチング(すなわち、フォトエッチング)を行った。このエッチング液としては、燐酸・酢酸・硝酸の混酸を用いた。
本比較例1においては、単位体積、単位質量あたりのセリウムとインジウムの原子の数の比((セリウム原子の数)/(インジウム原子の数))が0.0005の割合となるように調合したこと以外は、上記実施例1〜3と同様の処理・操作を行った。
このようにして得られたパターニングされた電極を有するガラス基板を230℃で30分間熱処理した後、この基板上に、Alを膜厚300nmで成膜した。このAl膜は、実際の電極基板では、透明電極上の反射電極に相当するものである。
なお、本比較例1の内容が、上記各実施例及び他の比較例と共に図1に示されている。
本比較例2においては、単位体積、単位質量あたりのセリウムとインジウムの原子の数の比((セリウム原子の数)/(インジウム原子の数))が0.18の割合となるように調合したこと以外は、上記実施例1〜3と同様の処理・操作を行った。
なお、本比較例2の内容が、上記各実施例及び他の比較例と共に図1に示されている。
本比較例3においては、上記実施例1−3と異なり、セリウムの代わりにスズを用いている。さらに、本比較例3においては、単位体積、単位質量あたりのスズとインジウムの原子の数の比((スズ原子の数)/(インジウム原子の数))が0.10の割合となるように調合したこと以外は、上記実施例1〜3と同様の処理・操作を行った。
次に、上述のスパッタリング装置に再びガラス基板を設置し、厚み60nmの透明導電膜を成膜した。こうして得られた薄膜付きガラス基板に、フォトエッチング法によりパターニングを施した。エッチング液としては、蓚酸(3.4wt%)水溶液、燐酸・酢酸・硝酸の混酸、硝酸セリウムアンモニウム塩を含む水溶液、の3種類を用いた。いずれの液を用いた場合も、残渣の発生が見られた。
以上説明したように、本実施の形態によれば、弱酸(有機酸など)によるエッチングにより残渣等の発生がない等の有用な性質を有する透明電極を構成する透明導電膜が得られる。本実施の形態は、種々の電極基板に利用することが可能である。液晶表示装置を構成する各種基板、特に半透過半反射型の液晶表示装置に用いる電極基板に応用することが好ましい。さらに、EL表示装置等に用いられる電極基板に利用することも好ましい。その他、従来から知られている透明導電膜の種々の利用分野に本発明を利用することが可能である。
Claims (8)
- 酸化インジウムと酸化セリウムからなるスパッタリングターゲットにおいて、
X線回折により結晶ピークを観察した場合、酸化インジウム及び酸化セリウムに由来するピークの存在が観察され、
且つ、EPMA測定を行った場合、酸化インジウム中に分散した酸化セリウム粒子の直径が、5μm以下であると測定され、さらに少なくとも粒径が1μm以上の酸化セリウム粒子が測定され、
[Ce]/([In]+[Ce])=0.005〜0.15であることを特徴とするスパッタリングターゲット。ここで、[Ce]は単位重量・単位質量あたりのセリウムの原子の数を表し、[In]は単位重量・単位質量あたりのインジウムの原子の数を表す。 - EPMA測定を行った場合に、酸化インジウム中に分散した酸化セリウム粒子であって、その直径が1μm以上である前記酸化セリウムの粒子の存在が観察されることを特徴とする請求項1記載のスパッタリングターゲット。
- 酸化インジウムと酸化セリウムからなるスパッタリングターゲットにおいて、密度が6.6以上であり、且つバルク抵抗が1mΩcm以下であることを特徴とする請求項1〜2のいずれかに記載のスパッタリングターゲット。
- 酸化インジウムと酸化セリウムからなるスパッタリングターゲットにおいて、酸化セリウムの原子価が、+3価である酸化セリウムを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のスパッタリングターゲット
- 請求項1〜4のいずれかに記載のスパッタリングターゲットを用いてスパッタ法により成膜した透明導電膜であって、比抵抗が600μΩcm未満であることを特徴とする透明導電膜。
- 200℃〜250℃の温度範囲で加熱することによって結晶化したことを特徴とする請求項5記載の透明導電膜。
- Ag/AgClに対する標準電極電位が、0.6V以下であることを特徴とする請求項5〜6のいずれかに記載の透明導電膜。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のスパッタリングターゲットを用いて透明導電膜を製造する方法であって、
請求項1〜4のいずれかに記載のスパッタリングターゲットを用いてスパッタ法により透明導電膜を成膜するステップと、
成膜した前記透明導電膜を200℃〜250℃の温度範囲で加熱することによって結晶化するステップと、
を含むことを特徴とする透明導電膜の製造方法。
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