JP5069082B2 - Silicon nitride film manufacturing method, gas barrier film, and thin film element - Google Patents
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Description
本発明は、樹脂基板等の低耐熱性の有機層を有する基体上に、水蒸気透過係数が低くガスバリア性の良好なシリコン窒化物膜を成膜する方法及び該方法により成膜されたシリコン窒化物膜を用いて得られたガスバリア膜、及び薄膜素子に関するものである。 The present invention relates to a method of forming a silicon nitride film having a low water vapor transmission coefficient and a good gas barrier property on a substrate having a low heat resistant organic layer such as a resin substrate, and a silicon nitride formed by the method The present invention relates to a gas barrier film obtained by using a film, and a thin film element.
近年、フラットパネルディスプレイ(FPD)に用いられる液晶表示素子や有機EL素子等分野では、軽量でフレキシブルな樹脂基板を採用したフレキシブルディスプレイへの展開が積極的になされている。樹脂基板は、ガラス基板等の無機基板に比してガスバリア性が劣るため、フレキシブルデバイスにおいては樹脂基板上に空気や水蒸気の混入を抑制するためのガスバリア膜等を備える構成が一般的となっている。ガスバリア膜としては、代表的なものとして、SiNxで表される窒化シリコン膜及びSiONxで表される酸窒化シリコン等のシリコン窒化物膜が挙げられる。 In recent years, in fields such as liquid crystal display elements and organic EL elements used in flat panel displays (FPDs), the development of flexible displays employing lightweight and flexible resin substrates has been actively made. Since the resin substrate has inferior gas barrier properties compared to an inorganic substrate such as a glass substrate, a flexible device generally has a structure including a gas barrier film or the like for suppressing the mixing of air and water vapor on the resin substrate. Yes. Typical examples of the gas barrier film include a silicon nitride film represented by SiNx and a silicon nitride film such as silicon oxynitride represented by SiONx.
液晶表示素子の用途では、近年大型化が進んでおり、また、有機EL素子や有機太陽電池、CIGS太陽電池等においては、素子特性が水蒸気や酸素の影響を受けやすいことが知られている。従って、ガスバリア膜にはより高いガスバリア性が要求されてきている。ガスバリア性は、水蒸気透過率(Water Vapor Transmission Rate: WVTR)により評価することができ、現在有機EL素子ではWVTR≦10−6g/m2/dayとなる水蒸気透過率が要求されてきている。このように、高いガスバリア性が要求される分野においては、複数のシリコン窒化物膜を有機層を介して積層することにより所望の水蒸気透過率を達成する構成が報告されている。従って、素子構成及び小型化の観点から考慮すれば、積層数は少ない方が好ましく、現在1層あたり、WVTR≦10−3g/m2/dayのガスバリア性が要求されている。 In applications of liquid crystal display elements, the size has been increasing in recent years, and in organic EL elements, organic solar cells, CIGS solar cells and the like, it is known that the element characteristics are easily affected by water vapor and oxygen. Therefore, a higher gas barrier property has been required for the gas barrier film. The gas barrier property can be evaluated by the water vapor transmission rate (Water Vapor Transmission Rate: WVTR). Currently, the organic EL element is required to have a water vapor transmission rate satisfying WVTR ≦ 10 −6 g / m 2 / day. As described above, in a field where high gas barrier properties are required, a configuration in which a desired water vapor transmission rate is achieved by laminating a plurality of silicon nitride films via an organic layer has been reported. Therefore, from the viewpoint of element configuration and miniaturization, it is preferable that the number of stacked layers is small. Currently, a gas barrier property of WVTR ≦ 10 −3 g / m 2 / day is required per layer.
シリコン窒化物膜は、非晶質でありながら高密度、高比誘電率を有し、耐フッ酸エッチング性が高い等の性質を有するものである。従って、上記のガスバリア膜の用途に限らず、TFT素子等の層間絶縁膜やゲート絶縁膜、DRAMや不揮発性メモリのキャパシタ容量膜等、その用途は幅広い。そのため、用途に応じて、膜特性の良好なシリコン窒化物膜が得られるように、成膜方法及び成膜条件の好適化がなされている。 The silicon nitride film is amorphous and has properties such as high density, high relative permittivity, and high resistance to hydrofluoric acid etching. Therefore, not only the use of the gas barrier film described above but also a wide range of uses such as an interlayer insulating film such as a TFT element, a gate insulating film, a capacitor capacity film of a DRAM or a nonvolatile memory, and the like. Therefore, the film forming method and film forming conditions are optimized so that a silicon nitride film having good film characteristics can be obtained according to the application.
シリコン窒化物膜の成膜によく用いられる成膜方法の一つとして、減圧プラズマCVD法が挙げられる。かかる方法により成膜されたシリコン窒化物膜は、膜特性の面内均一性が高く、良質の膜を得ることができる。しかしながら、減圧にするためには原料ガスの供給量が制限しないといけないため、減圧プラズマCVD法では薄膜形成に必要な化学反応が原料ガスの供給量により律即され、成膜速度が制限される。このため、単位面積あたり1μm/min以上の成膜速度を期待することはできない。 One of the film forming methods often used for forming a silicon nitride film is a low pressure plasma CVD method. A silicon nitride film formed by such a method has high in-plane uniformity of film characteristics, and a high-quality film can be obtained. However, since the supply amount of the source gas must be limited in order to reduce the pressure, the chemical reaction necessary for forming a thin film is limited by the supply amount of the source gas in the low-pressure plasma CVD method, and the film formation rate is limited. . For this reason, it is not possible to expect a deposition rate of 1 μm / min or more per unit area.
そこで近年、原料ガスの供給量を増加させることができる大気圧下でのプラズマCVD法により良質のシリコン窒化物膜を成膜する方法が検討されている。大気圧下では、ガス分子の濃度を高くすることができるため、良好な成膜速度にて成膜することができる。一方、成膜速度が速いと不必要な化学反応やガス分子の凝集等の反応速度もあがるため、良質な膜を成膜することが難しい。 Therefore, in recent years, a method for forming a high-quality silicon nitride film by a plasma CVD method under atmospheric pressure capable of increasing the supply amount of the source gas has been studied. Under atmospheric pressure, since the concentration of gas molecules can be increased, film formation can be performed at a good film formation rate. On the other hand, when the film formation rate is high, reaction rates such as unnecessary chemical reaction and gas molecule aggregation also increase, so that it is difficult to form a high-quality film.
かかる背景下、大気圧下でのプラズマCVD法において、H2ガスを含む原料ガスを用いることにより、良質なシリコン窒化物膜を成膜する方法が検討されている。原料ガス中にH2ガスを含むと、不必要な反応副生成物が少なくなる、膜中欠陥が低減されるなどの効果が得られるとされている。特許文献1には、減圧プラズマCVD法において用いられる成膜圧力よりもはるかに高い圧力下でのプラズマCVD法により、良質の膜を成膜する方法が開示されている。特許文献1には、原料ガス中のNH3のSiH4に対する割合を2以上、又は2以上20以下とし、かつ混合ガス中の水素の割合を5%以上とすることにより、減圧プラズマCVD法により成膜したシリコン窒化物膜にほぼ匹敵する膜質のシリコン窒化物膜を成膜できることが記載されている(段落[0024]等を参照。)。
しかしながら、特許文献1では、FPD等で使用されるTFT素子等の電子デバイスのゲート絶縁膜等の用途のシリコン窒化物膜を対象としており、かかる用途では通常ガラス基板を用いるため、300℃以上の比較的高い基板温度での成膜が可能である。
However, in
プラズマ核融合学会誌 第76巻第8号やプラズマ核融合学会誌 第77巻 第7号等に記載されているように、一般に、基板温度が変化すると原料ガスの分解条件が変化することになるため、発生するガス比率が変化し、成膜される膜の膜質が変化すると考えられている。 As described in Journal of Plasma Fusion Society Vol.76, No.8, Journal of Plasma Fusion Society, Vol.77, No. 7, etc., the decomposition conditions of the source gas generally change as the substrate temperature changes. For this reason, it is considered that the ratio of generated gas changes and the film quality of the film to be formed changes.
更に基板温度が低いと、原料ガスから分解した飛来粒子が基板表面で充分にマイグレーションすることができなくなり、且つ、膜表面のシリコン窒化物が水素原子で終端されている確率が高くなるため、飛来粒子のマイグレーションがより抑制されてしまう。そのため、粒子が本来吸着されるべきサイトに到達できないうちに基板上に堆積されてしまうため、充分な結合ができずに緻密性の低い膜となりやすい。緻密性が低いと、膜組成が経時変化しやすく、電子デバイスのゲート絶縁膜として用いることができないと考えられている。このため上記用途では、基板温度300〜400℃で成膜をすることが一般的であり、特許文献1においても、実施例に記載されている基板温度は300℃となっている(表1〜表3を参照)。
Furthermore, if the substrate temperature is low, flying particles decomposed from the source gas cannot migrate sufficiently on the substrate surface, and there is a high probability that the silicon nitride on the film surface is terminated with hydrogen atoms. Particle migration is further suppressed. For this reason, the particles are deposited on the substrate before reaching the site to be originally adsorbed, so that sufficient bonding cannot be achieved and the film is likely to be a low-density film. If the denseness is low, the film composition is likely to change with time and cannot be used as a gate insulating film of an electronic device. For this reason, in the said use, it is common to form into a film with the substrate temperature of 300-400 degreeC, and also in
上記したように、ガスバリア膜は、樹脂基板を有するデバイスに用いられ、その他有機層を備えたデバイスにも空気や水蒸気の混入を抑制するために用いられる。樹脂基板や有機層の耐熱温度はガラス基板等に比して低く、汎用性が高く安価なPET(ポリエチレンテレフタレート)やPEN(ポリエチレンナフタレート)基板等は150℃以下である。そのため、成膜時の基板温度も150℃以下とする必要があり、特許文献1の成膜方法をそのまま適用することができない。
As described above, the gas barrier film is used for a device having a resin substrate, and is also used for a device having an organic layer to suppress mixing of air and water vapor. The heat-resistant temperature of the resin substrate or the organic layer is lower than that of a glass substrate or the like, and a highly versatile and inexpensive PET (polyethylene terephthalate) or PEN (polyethylene naphthalate) substrate is 150 ° C. or lower. Therefore, the substrate temperature at the time of film formation needs to be 150 ° C. or lower, and the film formation method of
また、ガラス基板の場合はガスバリア膜としての機能が不要であるため、特許文献1では、WVTR値等のガスバリア性に関する評価は一切行われていない。特許文献1では、Bond densityに着目した検討がなされているが、Bond densityを高くするほど膜ストレスが増加し、膜ストレスが増加しすぎると部分的な剥離やクラックが発生して逆にガスバリア性が低くなると考えられる。
In the case of a glass substrate, since the function as a gas barrier film is unnecessary,
実際、成膜温度を室温とし、原料ガス中の水素濃度を5%〜30%として特許文献1に記載の方法により成膜して得られたシリコン窒化物膜は、水素濃度5%では、成膜後大気保管にて12時間後には組成が変化することを本発明者が初めて確認した。また水素濃度10%では、大気保管では2週間後にも組成変化はみられなかったものの、温度40℃、湿度90%雰囲気下においては数週間で組成変化を生じることも確認した。水素濃度を30%まで上げれば、室温での成膜でも組成変化を生じない膜特性のものを得ることができるが、一方、水素濃度の増加により成膜速度が40%程度低下してしまうことも確認した。
Actually, a silicon nitride film obtained by the method described in
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、薄膜素子のガスバリア膜として好適な、10−3g/m2/day以下の水蒸気透過率を有し、かつ膜質の良好なシリコン窒化物膜を、有機層の耐熱温度以下の成膜温度で高効率に成膜可能なシリコン窒化物膜の成膜方法を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a silicon nitride film having a water vapor transmission rate of 10 −3 g / m 2 / day or less and having a good film quality, which is suitable as a gas barrier film of a thin film element. It is an object of the present invention to provide a method for forming a silicon nitride film that can be formed with high efficiency at a film forming temperature that is not higher than the heat resistant temperature of the organic layer.
本発明のシリコン窒化物の成膜方法は、プラズマを用いる化学気相成長法により、反応容器内に設置された少なくとも一層の有機層を有する基体上に、シリコン窒化物膜を成膜する方法であって、反応容器内に、SiH4,NH3,H2,Heを含む原料ガスを、全ガス圧が大気圧となるように供給する工程と、基体の上方に設置された電極に電界を印加して電極と基体との間に電場を発生させ、この電場により電極と基体との間の原料ガスをプラズマ状態にする工程と、有機層の耐熱温度以下でプラズマ状態となった前記原料ガスを用いて基体上にシリコン窒化物膜を成膜する工程とを有し、原料ガス中のH2の割合が13%以上20%以下であり、原料ガス中におけるNH3のSiH4に対する割合が13%以上24%以下であることを特徴とするものである。 The silicon nitride film forming method of the present invention is a method of forming a silicon nitride film on a substrate having at least one organic layer placed in a reaction vessel by chemical vapor deposition using plasma. In the reaction vessel, a source gas containing SiH 4 , NH 3 , H 2 , and He is supplied so that the total gas pressure becomes atmospheric pressure, and an electric field is applied to the electrode installed above the substrate. A step of applying an electric field between the electrode and the substrate to generate a source gas between the electrode and the substrate by the electric field, and the source gas in a plasma state at a temperature lower than the heat resistant temperature of the organic layer. A step of forming a silicon nitride film on the substrate using the substrate, the ratio of H 2 in the source gas is 13% or more and 20% or less, and the ratio of NH 3 to SiH 4 in the source gas is 13% or more and 24% or less Is.
本明細書において、大気圧とは100〜1000Torr(1Torr=約133.322Pa)と定義する。
また、本明細書において、シリコン窒化物膜とは、一般にSiNxで表される窒化シリコン膜及び酸窒化シリコン膜を含むものであり、化学量論比の組成のもの及び、水素原子等を含み化学量論比組成(例えば窒化シリコンの場合はSi3 N4)以外の組成のものを含んでいる。
また、本明細書において、原料ガス中の各成分の割合の単位は、特に明記しない限り体積%である。
In this specification, the atmospheric pressure is defined as 100 to 1000 Torr (1 Torr = about 133.322 Pa).
In this specification, the silicon nitride film includes a silicon nitride film and a silicon oxynitride film generally represented by SiNx, and has a composition with a stoichiometric ratio and includes a hydrogen atom and the like. A composition other than the stoichiometric composition (for example, Si 3 N 4 in the case of silicon nitride) is included.
In the present specification, the unit of the ratio of each component in the raw material gas is volume% unless otherwise specified.
本発明のシリコン窒化物膜の成膜方法において、前記原料ガス中のH2の割合は15%以上18%以下であることが好ましい。また、前記電極に印加される電界の電力密度は、250W/cm3超450W/cm3以下であることが好ましい。 In the silicon nitride film forming method of the present invention, the ratio of H 2 in the source gas is preferably 15% or more and 18% or less. The power density of the electric field applied to the electrode is preferably not more than 250 W / cm 3 Ultra 450 W / cm 3.
本発明のシリコン窒化物膜の成膜方法では、膜厚が200nm以下において水蒸気透過率が10−3g/m2/day以下となるシリコン窒化物膜を成膜することができる。
本明細書において、ガスバリア性は水蒸気透過率により評価を行う。水蒸気透過率は、測定温度40℃,相対湿度90%における値とする。
In the method for forming a silicon nitride film of the present invention, a silicon nitride film having a water vapor transmission rate of 10 −3 g / m 2 / day or less at a film thickness of 200 nm or less can be formed.
In this specification, the gas barrier property is evaluated by the water vapor transmission rate. The water vapor transmission rate is a value at a measurement temperature of 40 ° C. and a relative humidity of 90%.
また、本発明のシリコン窒化物膜の成膜方法では、成膜速度が1μm/min以上にて成膜を実施することができる。 Further, in the method for forming a silicon nitride film of the present invention, the film formation can be performed at a film formation speed of 1 μm / min or more.
本発明のシリコン窒化物膜は、水蒸気透過率が10−3g/m2/day以下であり上記本発明のシリコン窒化物膜の成膜方法により成膜されたものであることを特徴とするものである。 The silicon nitride film of the present invention has a water vapor transmission rate of 10 −3 g / m 2 / day or less, and is formed by the silicon nitride film deposition method of the present invention. Is.
本発明のガスバリア膜は、少なくとも1層の上記本発明のシリコン窒化物膜と、少なくとも1層の有機膜とが交互に積層されてなることを特徴とするものである。
本発明のガスバリア膜は、水蒸気透過係数を10−6g/m2/day以下とすることができる。
The gas barrier film of the present invention is characterized in that at least one layer of the silicon nitride film of the present invention and at least one layer of organic film are alternately laminated.
The gas barrier film of the present invention can have a water vapor transmission coefficient of 10 −6 g / m 2 / day or less.
本発明の薄膜素子は、基板上に、上記本発明のガスバリア膜を備えたことを特徴とするものである。 The thin film element of the present invention is characterized in that the gas barrier film of the present invention is provided on a substrate.
本発明のシリコン窒化物膜の成膜方法は、大気圧下でのプラズマを用いる化学気相成長法により、少なくとも一層の有機層を有する基体上にシリコン窒化物膜を成膜する方法において、SiH4,NH3,H2,Heを含む原料ガス中のH2の割合を13%以上20%以下とし、かつ原料ガス中のNH3のSiH4に対する割合を13%以上24%以下としたものである。かかる成膜方法によれば、薄膜素子のガスバリア膜として好適な、10−3g/m2/day以下の水蒸気透過率を有し、かつ膜質の良好なシリコン窒化物膜を、有機層の耐熱温度以下の成膜温度にて高効率に成膜することができる。 The silicon nitride film forming method of the present invention is a method of forming a silicon nitride film on a substrate having at least one organic layer by chemical vapor deposition using plasma under atmospheric pressure. 4 , the ratio of H 2 in the source gas containing NH 3 , H 2 , and He is 13% or more and 20% or less, and the ratio of NH 3 in the source gas to SiH 4 is 13% or more and 24% or less It is. According to such a film forming method, a silicon nitride film having a water vapor transmission rate of 10 −3 g / m 2 / day or less, which is suitable as a gas barrier film of a thin film element, and a good film quality is obtained. Film formation can be performed with high efficiency at a film formation temperature lower than the temperature.
本発明によれば、例えば、膜厚が200nm以下であっても水蒸気透過率が10−3g/m2/day以下のシリコン窒化物膜を成膜することができるので、本発明の成膜方法によって成膜されたシリコン窒化物膜と有機膜とを交互に積層したガスバリア膜においては、水蒸気透過率が10−6g/m2/day以下のガスバリア性を達成することができる。 According to the present invention, for example, a silicon nitride film having a water vapor transmission rate of 10 −3 g / m 2 / day or less can be formed even when the film thickness is 200 nm or less. In the gas barrier film in which the silicon nitride film and the organic film formed by the method are alternately laminated, a gas barrier property with a water vapor transmission rate of 10 −6 g / m 2 / day or less can be achieved.
「シリコン窒化物膜の成膜方法」
本発明では、大気圧下においてプラズマを用いる化学気相成長法により(以下、大気圧プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法とする。)、反応容器内に設置された少なくとも一層の有機層を有する基体にシリコン窒化物膜を成膜する。一般に、大気圧プラズマCVD法では、成膜対象が設置された反応容器内に供給された原料ガス成分を、大気圧下においてプラズマ状態にして反応させ、成膜対象上に原料ガスの構成成分を含む機能性膜を成膜する。図1は、大気圧プラズマCVDによる成膜時の様子を模式的に示したものである。
"Method for forming silicon nitride film"
In the present invention, a substrate having at least one organic layer placed in a reaction vessel by a chemical vapor deposition method using plasma under atmospheric pressure (hereinafter referred to as atmospheric pressure plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method). Then, a silicon nitride film is formed. In general, in the atmospheric pressure plasma CVD method, a raw material gas component supplied into a reaction vessel in which a film formation target is installed is reacted in a plasma state under atmospheric pressure, and the constituent components of the source gas are formed on the film formation target. A functional film including the same is formed. FIG. 1 schematically shows a state during film formation by atmospheric pressure plasma CVD.
本発明において、シリコン窒化物膜の成膜対象としては、少なくとも一層の有機層を有する基体であれば特に制限されないが、ここではフイルム状の樹脂基板を成膜対象とした場合を例に説明する。 In the present invention, the film formation target of the silicon nitride film is not particularly limited as long as it is a substrate having at least one organic layer, but here, a case where a film-like resin substrate is a film formation target will be described as an example. .
本発明において成膜装置は特に制限されないが、フイルム状の樹脂基板を用いる場合は、ロールトゥロール方式とよばれる連続成膜法が、生産性の点で好ましいとされている。 In the present invention, the film forming apparatus is not particularly limited, but when a film-like resin substrate is used, a continuous film forming method called a roll-to-roll method is considered preferable in terms of productivity.
図2は、ロールトゥロール方式を用いた連続成膜装置300の構成を示す概略図である。背景技術の項において述べたように、ガスバリア膜の用途では、高いガスバリア性が要求される分野においては、複数のシリコン窒化物膜を有機層を介して積層することにより所望の水蒸気透過率を達成する構成が一般的である。図2に示される構成は、有機層を成膜した後にシリコン窒化物膜(無機層)を連続的に成膜する場合の例である。ガスバリア膜の実施形態については後記する。
FIG. 2 is a schematic view showing a configuration of a continuous
フイルム供給ロール310から供給されたフイルム状の樹脂基板10は、有機層塗布部320において樹脂基板10上に有機層の前駆体が成膜されたのち、硬化乾燥部330において前駆体中に含まれる有機溶剤等を揮発させて有機層が形成される。次いで無機層成膜部340においてシリコン窒化物膜を成膜され、巻き取りロール310により巻き取られる。有機層塗布部320、硬化乾燥部330、無機層成膜部340は、有機層及び無機層の層数に応じて適宜設置数又は構成を設定すればよい。
The film-shaped
シリコン窒化物膜が成膜される無機層成膜部340には、大気圧プラズマCVD装置が設置されている。大気圧プラズマCVD装置の装置構成は特に制限されないが、本実施形態では回転電極方式の大気圧プラズマCVD装置100を用いる。大気圧プラズマCVD装置は、電極の構成により、回転電極方式と平行平板電極方式の2種類に大別される。
An atmospheric pressure plasma CVD apparatus is installed in the inorganic layer
図3に示される大気圧プラズマCVD装置100は、ガス供給部117及びガス排気部118を備えた反応容器110内に、加熱ヒータ114を備えた可動性基板ステージ113と、高周波電源116により駆動される円筒型回転電極111を備えている。ガス排気部118には、循環ポンプ121により機能する粉体除去フィルター120を備えた循環ライン119が設けられている。大気圧プラズマCVD装置100では、電圧を印加することにより円筒型回転電極111と基板ステージ13上に設置された樹脂基板10との間に電場Pが発生し、電場Pによりガス供給部117から供給された原料ガスGがプラズマ化されて、樹脂基板10上に原料ガスGの構成元素を含む膜を成膜することができる。可動性基板ステージ113を動かすことにより、樹脂基板10は一定のテンションがかかった状態で移動されて連続的に成膜が実施される。
The atmospheric pressure
まず、大気圧プラズマCVD装置100の反応容器110に、SiH4,NH3,H2及びHeを含む原料ガスGを、全ガス圧が大気圧となるように供給する。原料ガスG中には、成膜する膜の組成によって酸素や窒素等を含んでもよい。
First, the source gas G containing SiH 4 , NH 3 , H 2 and He is supplied to the
次いで、円筒型回転電極111に電界を印加して円筒型回転電極111と樹脂基板10との間に電場Pを発生させ、この電場により円筒型回転電極111と樹脂基板10との間の原料ガスGをプラズマ状態にし、樹脂基板10の耐熱温度以下でプラズマ状態となった原料ガスGを用いて樹脂基板10上にシリコン窒化物膜1を成膜する。
Next, an electric field is applied to the cylindrical
また、図4は、平行平板電極方式の大気圧プラズマCVD装置の一例を示したものであある。大気圧プラズマCVD装置200は、ガス供給部217及びガス排気部218を備えた反応容器210内に、加熱ヒータ214を備えた第2平行平板電極212と、高周波電源216により電圧が印加される第1平行平板電極211を備えた構成としている。大気圧プラズマCVD装置200は、電極の構成が異なる以外は回転電極方式とほぼ同様の構成としているので、大気圧プラズマCVD装置100と同様にしてシリコン窒化物膜1を成膜することができる。
FIG. 4 shows an example of a parallel plate electrode type atmospheric pressure plasma CVD apparatus. In the atmospheric pressure
本発明では、薄膜素子のガスバリア膜として好適な、10−3g/m2/day以下の水蒸気透過率(以下、WVTRとする。)を有するシリコン窒化物膜1を成膜する。従って、かかるWVTR値を有するようにシリコン窒化物膜の成膜条件を決定する。以下に、本発明における成膜条件について詳述する。
In the present invention, a
(成膜条件)
本発明者は、まずガスバリア性が良好なシリコン窒化物膜1のWVTRに影響を与える膜特性として膜厚及び膜密度に着目した。膜密度はガスバリア性に大きく影響を与えるファクターであり、膜中にクラック等の欠陥がなければ、膜厚が厚いほど、膜密度が高いほどそのガスバリア性は高くなると考えられる。しかしながら、上記したように、シリコン窒化物膜は無機膜であり、フレキシビリティが乏しいために、膜厚が厚くなるにつれて曲げ等の膜応力によってクラックが入りやすくなる。クラックが入ると、剥離しやすくなる、クラック部分から空気や水蒸気が透過できるようになる等の素子特性の低下を引き起こすため、膜応力によってクラックが入りにくい膜厚とする必要がある。かかる点から鑑みて、シリコン窒化物膜1の膜厚は200nm以下であることが好ましい。
(Deposition conditions)
The inventor first paid attention to the film thickness and the film density as film characteristics that affect the WVTR of the
膜厚が薄ければ、クラックの問題はなく、生産性も向上するが、一方、薄すぎると、エネルギー障壁が小さくなって空気中の水分子等が透過しやすくなってしまう。エネルギー障壁の程度は、膜密度によっても変化し、同じ膜厚であっても膜密度の高い膜であるほどエネルギー障壁は高くなる。 If the film thickness is thin, there will be no problem of cracks and productivity will be improved. On the other hand, if it is too thin, the energy barrier will be small and water molecules in the air will be easily transmitted. The degree of the energy barrier varies depending on the film density, and the higher the film density, the higher the energy barrier even if the film thickness is the same.
背景技術の項において述べたように、膜の緻密性が低いということは、膜中に空孔があることを示しており、単位膜厚あたりのガスバリア性が低くなり、同等のガスバリア性を得るには比較的厚膜にする必要がある。また、組成がSiNx からSiOzNyと経時変化しやすくなり、組成変化すると部分的に膜剥離等の不良が発生する。このため、ガスバリア性の点からは、膜密度は高い方が好ましいが、膜密度が高すぎても膜応力によるクラックが入りやすくなる。従って、膜応力によるクラックが入りにくく、良好なガスバリア性を示すエネルギー障壁を有するように、膜厚及び膜密度を決定することが好ましい。 As described in the background art section, the fact that the film has low density indicates that there are vacancies in the film, and the gas barrier property per unit film thickness is lowered, thereby obtaining an equivalent gas barrier property. It is necessary to make the film relatively thick. Further, the composition easily changes over time from SiN x to SiO z N y, and when the composition changes, defects such as film peeling partially occur. For this reason, from the viewpoint of gas barrier properties, it is preferable that the film density is high. However, even if the film density is too high, cracks due to film stress easily occur. Therefore, it is preferable to determine the film thickness and the film density so that cracks due to film stress are difficult to occur and an energy barrier exhibiting good gas barrier properties is provided.
本発明者は、シリコン窒化物膜において、良好なガスバリア性を示す膜厚と膜密度との組み合わせを検討した。
本明細書において、膜厚は日立(株)製、走査型電子顕微鏡「S−900型」でフイルムサンプルの超薄切片を観察することにより測定し、膜密度は、Siウエハーに無機層を成膜した評価用サンプルを用い、理学電気製ATX−Gを用いてX線反射率から算出した。
The inventor of the present invention studied a combination of a film thickness and a film density exhibiting good gas barrier properties in a silicon nitride film.
In this specification, the film thickness is measured by observing an ultrathin section of a film sample with a scanning electron microscope “S-900 type” manufactured by Hitachi, Ltd., and the film density is obtained by forming an inorganic layer on a Si wafer. Using the filmed sample for evaluation, it was calculated from the X-ray reflectivity using ATX-G manufactured by Rigaku Denki.
また、水蒸気透過率(WVTR)は、MOCON社製、「PERMATRAN−W3/31」(条件:40℃・相対湿度90%)を用いて測定した。また、このMOCON装置の測定限界である0.01g/m2/day以下の値は、以下の方法を用いて補完する。
まず、ガスバリア膜上に直に金属Caを蒸着し、蒸着されたCaが内側になるようガスバリア膜とガラス基板を市販の有機EL用封止材で封止して測定試料を作製し、次にこの測定試料を上記温湿度条件に保持し、ガスバリア膜上の金属Caの光学濃度変化(水酸化あるいは酸化により金属光沢が減少することを利用)を測定した結果からWVTR値を算出した。
Further, the water vapor transmission rate (WVTR) was measured using “PERMATRAN-W3 / 31” (condition: 40 ° C., relative humidity 90%) manufactured by MOCON. Moreover, the value below 0.01 g / m < 2 > / day which is the measurement limit of this MOCON apparatus is supplemented using the following method.
First, metal Ca is directly deposited on the gas barrier film, and the measurement sample is prepared by sealing the gas barrier film and the glass substrate with a commercially available organic EL sealing material so that the deposited Ca is inside. A WVTR value was calculated from the result of measuring the optical density change of metal Ca on the gas barrier film (utilizing that the metallic luster decreases due to hydroxylation or oxidation) while keeping this measurement sample at the above temperature and humidity conditions.
まず、膜密度の異なるシリコン窒化物膜を作製し、それぞれの膜密度のシリコン窒化物膜において、膜厚を異ならせたときのWVTR値を測定した。膜密度は、1.9±0.1g/cm3,2.2±0.1g/cm3,2.5±0.1g/cm3とした。膜組成の変化しにくい膜密度を考慮した場合、膜密度は1.9g/cm3(±0.1の誤差を含んでもよい。)以上であることが好適であると考えられる。また、膜密度2.5±0.1g/cm3のものは膜厚120nmを超えるとWVTR値の評価工程の際にクラックが入ってしまうため測定することができなかったため、密度は2.5±0.1g/cm3以下であることが好ましいと判断した。結果を図5に示す。 First, silicon nitride films having different film densities were produced, and the WVTR values were measured when the film thicknesses of the silicon nitride films having different film densities were varied. The film densities were 1.9 ± 0.1 g / cm 3 , 2.2 ± 0.1 g / cm 3 , and 2.5 ± 0.1 g / cm 3 . In consideration of the film density in which the film composition hardly changes, it is considered that the film density is preferably 1.9 g / cm 3 (which may include an error of ± 0.1) or more. In addition, when the film density exceeds 2.5 ± 0.1 g / cm 3 , the film cannot be measured because cracks occur during the WVTR value evaluation process when the film thickness exceeds 120 nm. It was judged that it was preferably ± 0.1 g / cm 3 or less. The results are shown in FIG.
図5には、どの膜厚であっても、膜厚の増加につれてWVTR値が下がっていき、ある膜厚に達すると逆にWVTR値が増加する傾向が示されている。これは上記した、膜厚が薄すぎると、エネルギー障壁が小さくなって空気中の水分子等が透過しやすく、膜厚が厚くなるにつれて応力がかかり、その応力によってクラックが入りやすくなる傾向を示している。プロットされている膜厚の範囲内では、光学顕微鏡等を用いた目視観察では膜にクラックは発見されなかったが、応力により膜中に微小な空隙ができてWVTR値が増加しているものと考えられる。 FIG. 5 shows a tendency that the WVTR value decreases as the film thickness increases at any film thickness, and conversely increases when the film thickness reaches a certain film thickness. This is because when the film thickness is too thin, the energy barrier becomes small and water molecules in the air tend to permeate, and stress increases as the film thickness increases, which tends to cause cracks. ing. Within the plotted film thickness range, cracks were not found in the film by visual observation using an optical microscope or the like, but a small void was formed in the film due to stress, and the WVTR value increased. Conceivable.
次に、図5に示される結果に基づいて、WVTR値が10−3g/m2/day以下となる膜厚と膜密度の範囲をプロットした(図6)。図6は、斜線で示される範囲内の膜厚及び膜密度を有するシリコン窒化物膜においては、WVTR値が10−3g/m2/day以下となることを示している。図6における斜線で示される範囲において、膜厚t(nm)と膜密度d(g/cm3)とは下記式(1)及び(2)を満足している。
1.9≦d≦2.5・・・(1)、
−700d+1930≦6t≦−700d+2530 ・・(2)
Next, based on the results shown in FIG. 5, the range of film thickness and film density where the WVTR value is 10 −3 g / m 2 / day or less was plotted (FIG. 6). FIG. 6 shows that in a silicon nitride film having a film thickness and a film density within the range indicated by hatching, the WVTR value is 10 −3 g / m 2 / day or less. In the range indicated by the oblique lines in FIG. 6, the film thickness t (nm) and the film density d (g / cm 3 ) satisfy the following expressions (1) and (2).
1.9 ≦ d ≦ 2.5 (1),
−700d + 1930 ≦ 6t ≦ −700d + 2530 (2)
図6には、膜密度が高くなると、膜厚の薄さの許容範囲が広がることが示されている。生産性及びクラックの発生しやすさを考慮すれば、上記範囲内において、膜厚tは薄い方が好ましく、100nm以下であることが好ましい。 FIG. 6 shows that the allowable range of thin film thickness increases as the film density increases. Considering productivity and ease of occurrence of cracks, the thickness t is preferably smaller within the above range, and is preferably 100 nm or less.
本発明のシリコン窒化物膜の成膜方法では、原料ガスにH2ガスが添加されている。背景技術の項において述べたように、大気圧プラズマCVD法によりシリコン窒化物膜を成膜する場合は、原料ガス中にH2ガスを含むと、不必要な反応副生成物が少なくなる、膜中欠陥が低減されるなどの効果が得られて膜質が良質になるとされている。これは、ラジカル化されてエネルギーが高くなった水素が成膜中の表面にぶつかることにより、不必要なサイトに物理吸着している成膜粒子や、不必要な化学反応により生成された副生成物等の膜欠陥の原因となるものが解離することにより、緻密膜化されるためと考えられる。 In the silicon nitride film forming method of the present invention, H 2 gas is added to the source gas. As described in the background section, when a silicon nitride film is formed by an atmospheric pressure plasma CVD method, if the source gas contains H 2 gas, unnecessary reaction by-products are reduced. It is said that the film quality is improved by obtaining an effect such as reduction of medium defects. This is because hydrogen, which has been radicalized and increased in energy, collides with the surface during film formation, resulting in film formation particles that are physically adsorbed on unnecessary sites and by-products generated by unnecessary chemical reactions. It is considered that a dense film is formed by dissociating a substance that causes a film defect such as an object.
一方、原料ガスにH2ガスを含む場合、H2ガスを含まない場合に得られる膜厚に比して、得られる膜の膜厚が薄くなることが知られている。上記のように、原料ガスにH2ガスを含む場合は緻密膜化するため、その分膜厚が薄くなってもよいが、同一条件での成膜によって得られる膜厚が薄くなることは、成膜速度が低下し、生産効率が悪くなることを意味する。従って、原料ガス中のH2ガス濃度は、良好な成膜速度において所望のWVTR値が得られるように決定する必要がある。 On the other hand, when the source gas contains H 2 gas, it is known that the thickness of the obtained film becomes thinner than the thickness obtained when no H 2 gas is contained. As described above, when the source gas contains H 2 gas, it becomes a dense film, so the film thickness may be reduced accordingly, but the film thickness obtained by film formation under the same conditions is reduced, This means that the film formation rate decreases and the production efficiency deteriorates. Therefore, it is necessary to determine the H 2 gas concentration in the source gas so that a desired WVTR value can be obtained at a good film formation rate.
そこで本発明者は、原料ガス中のH2ガス濃度に対する膜厚及びWVTRへの影響をそれぞれ検討した。その結果を図7に示す。図7において、横軸は原料ガス中のH2ガス濃度(体積%)、縦軸は左側がH2ガス添加による膜厚の変化率(膜厚/H2ガス無添加時の膜厚×100)、右側がWVTR値を示している。図7において、成膜温度をRT、成膜時の投入電力密度を250W/cm3とし、H2ガス濃度以外の原料ガスの組成は、SiH4:0.05%、NH3:1.0%、残りをHeガスとした。 Therefore, the inventor examined the influence on the film thickness and WVTR with respect to the H 2 gas concentration in the raw material gas. The result is shown in FIG. In FIG. 7, the horizontal axis represents the H 2 gas concentration (volume%) in the source gas, and the vertical axis represents the rate of change in film thickness due to the addition of H 2 gas (film thickness / film thickness without addition of H 2 gas × 100). ), The right side shows the WVTR value. In FIG. 7, the film formation temperature is RT, the input power density during film formation is 250 W / cm 3, and the composition of the source gas other than the H 2 gas concentration is SiH 4 : 0.05%, NH 3 : 1.0. %, The remainder was He gas.
図7には、H2ガス濃度14%付近において、10−3g/m2/day以下のWVTR値が得られることが示されている。従って、WVTRの観点からは、H2ガス濃度は14%以上であればよい。 FIG. 7 shows that a WVTR value of 10 −3 g / m 2 / day or less can be obtained near an H 2 gas concentration of 14%. Therefore, from the viewpoint of WVTR, the H 2 gas concentration may be 14% or more.
H2ガス濃度が増加するにつれて、膜厚変化率が上昇して成膜速度が低下する。従って、H2ガス濃度の上限は、良好な成膜速度が保たれる膜厚変化率となるように決定すればよい。生産効率から鑑みて、成膜速度は1μm/min以上であることが好ましいとされており、H2ガス無添加時の成膜速度を考慮すると、成膜速度は、H2ガス無添加時における成膜速度の80%以上であることが好ましい。かかる成膜速度とするには、H2ガス濃度は20%以下であればよく、より良い生産効率を実現するには18%以下であることが好ましい。 As the H 2 gas concentration increases, the film thickness change rate increases and the film formation rate decreases. Therefore, the upper limit of the H 2 gas concentration may be determined so as to have a film thickness change rate that maintains a good film formation rate. In view of production efficiency, the film forming speed is preferably 1 μm / min or more. Considering the film forming speed when no H 2 gas is added, the film forming speed is the same as when no H 2 gas is added. It is preferably 80% or more of the film formation rate. In order to achieve such a deposition rate, the H 2 gas concentration may be 20% or less, and is preferably 18% or less in order to achieve better production efficiency.
上記のように、WVTRの観点からは、H2ガス濃度は14%以上であり、成膜速度の観点からはH2ガス濃度は20%以下、好ましくは18%以下である。ところで、H2ガス濃度14%においては、成膜速度はH2ガス無添加時のほぼ9割を達成している。成膜速度は、H2ガス無添加時の80%以上であればよいことを考慮すると、残りの10%分膜厚を増加することによってWVTRが達成されるのであれば、15%未満の濃度であってもよいことになる。かかる点を考慮にいれてH2ガス濃度の範囲を検討した結果、良好な成膜速度において10−3g/m2/day以下のWVTR値が得られるH2ガス濃度は、13%以上20%以下であり、15%以上18%以下が好ましい。
As described above, the H 2 gas concentration is 14% or more from the viewpoint of WVTR, and the H 2 gas concentration is 20% or less, preferably 18% or less from the viewpoint of film formation speed. By the way, when the H 2 gas concentration is 14%, the film formation rate is almost 90% of that when no H 2 gas is added. Considering that the film formation rate may be 80% or more when H 2 gas is not added, if WVTR is achieved by increasing the film thickness by the remaining 10%, the concentration is less than 15%. It may be. Tray such points into consideration and the result of examining the range of H 2 gas concentration, H 2 gas concentration WVTR values below 10 -3 g /
上記H2ガス濃度の好適化は、投入電力密度250W/cm3において行われているが、安定したプラズマ状態を形成可能な範囲であれば、投入電力密度の大きさに拘わらず適用することができる。250W/cm3は、現在の大気圧プラズマCVD装置において安定したプラズマ状態を形成可能な投入電力密度のほぼ最小値となる。 The optimization of the H 2 gas concentration is performed at an input power density of 250 W / cm 3 , but can be applied regardless of the input power density as long as a stable plasma state can be formed. it can. 250 W / cm 3 is almost the minimum value of input power density that can form a stable plasma state in the current atmospheric pressure plasma CVD apparatus.
投入電力密度は、H2ガスがラジカル化された時に有するエネルギーの大きさを変化させるファクターであり、投入電力密度が高いほど大きなエネルギーを与えることになる。従って、投入電力密度が高いほど、同一のH2ガス濃度であってもより高いH2ガス添加による効果を得ることができ、好ましい。現在の大気圧プラズマCVD装置において安定したプラズマ状態を形成可能な投入電力密度の上限値はほぼ450W/cm3となる。 The input power density is a factor that changes the magnitude of the energy that the H 2 gas has when radicalized, and the higher the input power density, the greater the energy. Therefore, the higher the input power density, the better the effect of adding a higher H 2 gas even at the same H 2 gas concentration, which is preferable. The upper limit of the input power density capable of forming a stable plasma state in the current atmospheric pressure plasma CVD apparatus is approximately 450 W / cm 3 .
図8に、投入電力密度を250〜450W/cm3とした時に、良好な成膜速度において10−3g/m2/day以下のWVTR値が得られるH2ガスの濃度範囲を、メッシュ及び斜線を施して示す。斜線で示した部分は好ましい領域を示している。ここで、投入電力を変えた以外は図7における成膜条件と同様の条件とした。 FIG. 8 shows the concentration range of H 2 gas that gives a WVTR value of 10 −3 g / m 2 / day or less at a good film formation rate when the input power density is 250 to 450 W / cm 3. Shown with diagonal lines. A hatched portion indicates a preferable region. Here, the film forming conditions in FIG. 7 were set to the same conditions except that the input power was changed.
図8に示されるように、良好な成膜速度で10−3g/m2/day以下のWVTR値が得られるH2ガス濃度範囲は、投入電力密度が大きくなるにつれて下限値が小さくなって広がっている。従って、図8より、投入電力密度250W/cm3の条件にて好適化した上記H2ガスの濃度範囲は、投入電力密度250〜450W/cm3の範囲において適用可能であることが確認される。 As shown in FIG. 8, the lower limit value of the H 2 gas concentration range in which a WVTR value of 10 −3 g / m 2 / day or less can be obtained at a good film formation rate decreases as the input power density increases. It has spread. Therefore, FIG. 8 confirms that the concentration range of the H 2 gas optimized under the condition of the input power density of 250 W / cm 3 is applicable in the range of the input power density of 250 to 450 W / cm 3. .
また、以上述べてきた成膜条件に関する全ての検討において、原料ガス中のH2ガス濃度以外の原料ガスの組成は、SiH4:0.05%、NH3:1.0%、残りをHeガスとしている。そこで更に、上記の成膜条件が適用可能な原料ガス中のSiH4とNH3の配合比を検討した。 Further, in all the studies on the film forming conditions described above, the composition of the source gas other than the H 2 gas concentration in the source gas is SiH 4 : 0.05%, NH 3 : 1.0%, and the rest is He. Gas is used. Therefore, the mixing ratio of SiH 4 and NH 3 in the source gas to which the above film forming conditions can be applied was further examined.
SiH4とNH3の配合比以外の条件は、H2ガスによる効果がより高くなる条件となるように、投入電力密度は450W/cm3、H2ガス濃度20%としてSiH4とNH3の配合比によるWVTRへの影響を検討した。H2ガスによる効果がより高くなる条件にて好適化された成膜条件は、H2ガスによる効果が低い範囲においては適用することができる。 Conditions other than the mixing ratio of SiH 4 and NH 3, as the effect of the H 2 gas is higher following condition, the input power density of SiH 4 and NH 3 as 450 W / cm 3, H 2 gas concentration of 20% The influence on the WVTR by the compounding ratio was examined. The film forming conditions optimized under the condition that the effect of H 2 gas is higher can be applied in a range where the effect of H 2 gas is low.
結果を図9に示す。図9には、良好な成膜速度で10−3g/m2/day以下のWVTR値が得られるSiH4とNH3の配合比は、14以上24以下であることが示されている。 The results are shown in FIG. FIG. 9 shows that the compounding ratio of SiH 4 and NH 3 at which a WVTR value of 10 −3 g / m 2 / day or less can be obtained at a good film formation rate is 14 or more and 24 or less.
以上説明したように、プラズマを用いる化学気相成長法により、反応容器内に設置された少なくとも一層の有機層を有する基体に、シリコン窒化物膜を成膜する方法において、原料ガス中のH2の割合を13%以上20%以下とし、原料ガス中におけるNH3のSiH4に対する割合と13%以上24%以下とすることにより、薄膜素子のガスバリア膜として好適な、10−3g/m2/day以下の水蒸気透過率を有し、かつ膜質の良好なシリコン窒化物膜を、樹脂基板の耐熱温度以下の成膜温度にて高効率に成膜することができる。 As described above, in the method of forming a silicon nitride film on a substrate having at least one organic layer installed in a reaction vessel by chemical vapor deposition using plasma, H 2 in a source gas is used. 10 to 3 g / m 2 , which is suitable as a gas barrier film of a thin film element, by adjusting the ratio of NH 3 to SiH 4 in the raw material gas to 13% to 20% and 13% to 24%. A silicon nitride film having a water vapor permeability of not more than / day and good film quality can be formed with high efficiency at a film forming temperature not higher than the heat resistance temperature of the resin substrate.
「シリコン窒化物膜、ガスバリア膜」
図10を参照して、上記本発明のシリコン窒化物膜の製造方法により製造されたシリコン窒化物膜を備えたガスバリア膜について説明する。図10は、ガスバリア膜3の厚み方向断面図である。
"Silicon nitride film, gas barrier film"
With reference to FIG. 10, the gas barrier film provided with the silicon nitride film manufactured by the silicon nitride film manufacturing method of the present invention will be described. FIG. 10 is a sectional view in the thickness direction of the
図10に示されるように、本実施形態のガスバリア膜3は、樹脂基板10上に形成され、少なくとも1層の、上記本発明のシリコン窒化物膜の製造方法により製造されたシリコン窒化物膜1と、少なくとも1層の有機膜2とが交互に積層された構成としている。本実施形態においては、ガスバリア膜3が樹脂基板10の上面に形成されているが、ガスバリア膜3は基板の下面に形成されていてもよいし、上面及び下面の両方に形成された構成としてもよい。
As shown in FIG. 10, the
ガスバリア膜3において、シリコン窒化物膜1と有機膜2とは交互に積層されていればよく、樹脂基板10上に直接成膜される層及び最上層は特に制限されないが、樹脂基板10の表面に凹凸があるような場合は、その凹凸を緩和するために有機膜2が直接成膜されていることが好ましい。また、最上層は、ガスバリア膜3上に形成される層との密着性を考慮すれば、有機膜2であることが好ましい。
In the
上記したように、シリコン窒化物膜1はフレキシビリティが乏しいため、膜応力によりクラックが入らないように膜厚が制限される。従って、得られるガスバリア性も制限されることになるが、図示されるように、有機膜2を介して積層することにより、シリコン窒化物膜1の層数分の膜厚を有するものと同等のガスバリア性を実現することができる。
As described above, since the
有機膜2とシリコン窒化物膜1との境界面に働くせん断力:S (N/m2)は、本実施形態のように有機膜2の膜厚がシリコン窒化物膜1の膜厚より十分厚いものであれば(有機膜2の膜厚については後記する。)、その剛性が有機膜2>>シリコン窒化物膜1となり、ガスバリア膜3の伸びは有機膜2により決まる。このため、境界面に働くせん断力はシリコン窒化物膜1の剛性によりのみ決まり、かつ、シリコン窒化物膜1の上下に有機膜2を備えたサンドイッチ構造にすると上下で均等に支えるので、シリコン窒化物膜1に発生する応力は半分になり、シリコン窒化物膜1にかかるストレスを緩和することができる。このことからも、積層にする方が好ましい。
The shearing force S (N / m 2 ) acting on the interface between the
カスバリア膜3を構成するシリコン窒化物膜1の層数は特に制限はないが、典型的には2層〜30層が好ましく、3層〜20層がさらに好ましい。シリコン窒化物膜1の層数は、要求されるWVTR値に応じて適宜設計すればよく、シリコン窒化物膜1のWVTR値が10−3g/m2/day程度であれば、シリコン窒化物膜1を2層程度備えることにより、有機EL素子のガスバリア膜として現在要求されているWVTR値10−6g/m2/dayを実現することが可能となる。
The number of layers of the
樹脂基板10としては特に制限されず、使用目的等に応じて適宜選択することができる。具体的には、PET(ポリエチレンテレフタレート)やPEN(ポリエチレンナフタレート)等のポリエステル、アクリル樹脂(メタクリル樹脂を含む)、メタクリル酸―マレイン酸共重合体、ポリスチレン、含フッ素樹脂、ポリイミド、フッ素化ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、セルロースアシレート、ポリウレタン、ポリエーテルケトン、ポリカーボネート、脂環式ポリオレフィン、ポリアリレート、ポリエーテルスルフォン、ポリスルフォン、フルオレイン環変性ポリカーボネート、脂環変性ポリカーボネート、フルオレイン環変性ポリエステル、アクリロイル化合物等の熱可塑性樹脂が挙げられる。
The
樹脂基板10の厚みは用途に応じて適宜選択され、特に制限されない。薄膜素子の用途において、樹脂基板10の典型的な厚みは1〜800μmであり、好ましくは10〜200μmである。
The thickness of the
樹脂基板10は、上面及び/又は下面に導電層やプライマー層等の各種機能層を備えたものであってもよい。機能層としては、特開2006−289627号の段落[0036]〜[0038]に示される層や、マット剤層、保護層、帯電防止層、平滑化層、密着改良層、遮光層、反射防止層、ハードコート層、応力緩和層、防曇層、防泥層、被印刷層等が挙げられる。
The
有機膜2は、曲げ等の膜応力によってシリコン窒化物膜1にかかるストレスを緩和する層である。有機膜2はかかる機能を有するものであればよいので、有機膜であれば特に制限されないが、通常樹脂層が用いられる。樹脂層としては、成膜が容易な熱可塑性樹脂が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、上記樹脂基板10で例示した樹脂と同様の樹脂が挙げられる。
The
かかる有機膜2の成膜方法としては、真空成膜法や溶液塗布法等が挙げられる。真空成膜法としては、特に制限なく、蒸着法、プラズマCVD法等が挙げられる。
Examples of the method for forming the
溶液塗布法としては、ディップコート法、エアーナイフコート法、カーテンコート法、ローラーコート法、ワイヤーバーコート法、グラビアコート法、スライドコート法等の方法、また、米国特許第2681294号に記載されているホッパーを使用するエクストルージョンコート法等が挙げられる。かかる溶液塗布法において、有機膜2が樹脂層である場合は、樹脂を有機溶剤に溶解させた樹脂溶液を塗布し、その後乾燥させて有機膜2を形成してもよいし、樹脂の前駆体(例えばオリゴマーやモノマー等)を含む溶液を塗布し、その後重合させて有機膜2としてもよい。樹脂の前駆体を含む溶液中には、必要に応じて重合開始剤や連鎖移動剤等を含んでいてもよい。
Examples of the solution coating method include a dip coating method, an air knife coating method, a curtain coating method, a roller coating method, a wire bar coating method, a gravure coating method, and a slide coating method, and are described in US Pat. No. 2,681,294. For example, an extrusion coating method using a conventional hopper. In such a solution coating method, when the
モノマーを塗布した後に重合させることにより有機膜2を形成可能なモノマーとしては、各種メタクリレートモノマー、各種アクリレートモノマー等が挙げられる。メタクリレートモノマー及びアクリレートモノマーの好適な材料としては、米国特許第6083628号、米国特許第6214422号に記載されている化合物が挙げられる。
Examples of the monomer capable of forming the
モノマーの重合方法は特に限定されず、加熱重合、光重合(紫外線重合及び可視光線重合を含む)、電子ビーム重合、プラズマ重合及びこれらの組み合わせが挙げられる。重合方法はモノマーの種類に応じて開始剤と共に適宜選択すればよい。 The monomer polymerization method is not particularly limited, and examples thereof include heat polymerization, photopolymerization (including ultraviolet polymerization and visible light polymerization), electron beam polymerization, plasma polymerization, and combinations thereof. What is necessary is just to select a polymerization method suitably with an initiator according to the kind of monomer.
例えば、光重合を行う場合には、重合開始剤として光重合開始剤を用いる。光重合開始剤としては、チバ・スペシャルティ・ケミカルズ社製のイルガキュアシリーズ(例えば、イルガキュア651,イルガキュア754nイルガキュア184,イルガキュア2959,イルガキュア907,イルガキュア369,イルガキュア379,イルガキュア819等),ダロキュアシリーズ(例えば、ダロキュアTPO,ダロキュア1173等),クオンタキュアPDO、サートマー社製エザキュアシリーズ(例えばエザキュアTZM,エザキュアTZT等)等が挙げられる。かかる重合開始剤を用いる場合は、紫外線照射により重合が進行する。紫外線照射には一般的に用いられる高圧水銀灯や低圧水銀灯等を用いればよい。 For example, when performing photopolymerization, a photopolymerization initiator is used as a polymerization initiator. Examples of the photopolymerization initiator include Irgacure series (for example, Irgacure 651, Irgacure 754n Irgacure 184, Irgacure 2959, Irgacure 369, Irgacure 379, Irgacure 819, etc.), Darocur Series (manufactured by Ciba Specialty Chemicals) For example, Darocur TPO, Darocur 1173, etc.), QuantaCure PDO, Ethercure series manufactured by Sartomer (for example, Ezacure TZM, Ezacure TZT, etc.), and the like. When such a polymerization initiator is used, polymerization proceeds by irradiation with ultraviolet rays. A generally used high-pressure mercury lamp or low-pressure mercury lamp may be used for ultraviolet irradiation.
アクリレートモノマーやメタクリレートモノマーは、重合時に酸素の存在によって重合阻害を受けるため、重合時の酸素濃度又は酸素分圧を低くすることが好ましい。重合が不十分である場合、有機膜2に残存する未反応モノマー等により有機膜2が経時劣化しやすくなってしまう。従って、重合率は80%以上であることが好ましく、85%以上であることがより好ましく、90%以上であることが更に好ましい。ここで重合率とは、モノマー混合物中の全ての重合性基(アク密度はリレートモノマーではアクリロイル基、メタクリレートモノマーではメタクリロイル基)のうち反応した重合性基の比率を意味し、硬化した膜およびモノマー混合物の赤外吸収スペクトルにおける1720cm−1付近のカルボニル基に基づく吸収強度と810cm−1付近の炭素−炭素二重結合に基づく吸収強度の比から、以下の計算式1により算出することができる。
Since acrylate monomers and methacrylate monomers are subject to polymerization inhibition due to the presence of oxygen during polymerization, it is preferable to lower the oxygen concentration or oxygen partial pressure during polymerization. When the polymerization is insufficient, the
(計算式1)
硬化率(%)={(a×d−b×c)/a×d}×100
a:硬化膜の1720cm−1付近のピーク強度
b:硬化膜の810cm−1付近のピーク強度
c:モノマー混合物の1720cm−1付近のピーク強度
d:モノマー混合物の810cm−1付近のピーク強度
(Calculation formula 1)
Curing rate (%) = {(a × d−b × c) / a × d} × 100
a: peak intensity of the cured film near 1720 cm −1 b: peak intensity of the cured film near 810 cm −1 c: peak intensity of the monomer mixture near 1720 cm −1 d: peak intensity of the monomer mixture near 810 cm −1
酸素濃度を低くする方法としては一般的な窒素置換法等が挙げられ、この場合、酸素濃度は2%以下とすることが好ましく、0.5%以下とすることがより好ましい。また、酸素分圧を低くする方法としては一般的な減圧法等を用いることができる。この場合、全圧が1000Pa以下であることが好ましく、100Pa以下であることがより好ましい。減圧法により光重合を行う場合、100Pa以下の減圧条件下では、照射する光のエネルギーは、2J/cm2以上であることが好ましい。 Examples of the method for lowering the oxygen concentration include a general nitrogen substitution method. In this case, the oxygen concentration is preferably 2% or less, and more preferably 0.5% or less. As a method for reducing the oxygen partial pressure, a general decompression method or the like can be used. In this case, the total pressure is preferably 1000 Pa or less, and more preferably 100 Pa or less. When photopolymerization is performed by a reduced pressure method, the energy of the irradiated light is preferably 2 J / cm 2 or more under reduced pressure conditions of 100 Pa or less.
有機膜2は、平滑性が高いことが好ましく、平均表面粗さRaが10μm角において10nm以下であることが好ましく、2nm以下であることがより好ましい。表面の平滑性は、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて測定することができる。このとき、平滑性は1μm角の測定範囲に対する平均粗さRa(単位nm)で表した。装置は、SPI3800N/SPA400(エスアイアイ・ナノテクノロジー(株)製)、カンチレバーはSI−DF20を使用して、測定条件は操作周波数1Hz、X,Yデータ数256ラインとした。
The
また、有機膜2は、膜硬度が高いことが好ましく、鉛筆硬度のHB以上の硬度を有することが好ましく、H以上の硬度を有することがより好ましい。
The
有機膜2の膜厚は特に限定されないが、薄すぎると膜厚の均一性を得ることが難しくなり、また厚すぎるとフレキシビリティの高い有機膜であっても曲げ等の膜応力によってクラックが発生してしまう。かかる観点から、有機膜2の膜厚は300nm〜2μmであることが好ましく、500nm〜1μmであることがより好ましい。
The film thickness of the
シリコン窒化物膜1は、上記本発明のシリコン窒化物膜の製造方法により成膜されたものである。シリコン窒化物膜1は、上記シリコン窒化物膜の製造方法の実施形態において述べたように、薄膜素子のガスバリア膜として好適な膜厚200nm以下において10−3g/m2/day以下の水蒸気透過率を有し、かつ膜質の良好な膜である。
The
既に説明したように、ガスバリア膜3において、最上層は有機膜2であることが好ましいが、最上層の有機膜2の上面に更に機能層を備えた構成としてもよい。かかる機能層としては、樹脂基板10の上面及び/又は下面に備えることのできる機能層と同様のものが例示できる。
As already described, in the
本実施形態のガスバリア膜3は、樹脂基板10上に上記本発明のシリコン窒化物膜1と有機膜2とが交互に積層されたものである。本発明のシリコン窒化物膜1は、水蒸気透過率(WVTR)が10−3g/m2/day以下であるので、かかるシリコン窒化物膜1を備えたガスバリア膜3は、良好なガスバリア性を有するものとなる。本実施形態のガスバリア膜3においては、シリコン窒化物膜1の層数を設計することにより所望のガスバリア性を有するものとすることができるので、本実施形態によれば、WVTRが10−6g/m2/day以下のガスバリア性有するガスバリア膜3を提供することができる。
The
なお、本実施形態では図10に示されるようにガスバリア膜3において、有機膜2とシリコン窒化物膜1との境界が明確である構成について説明したが、有機膜2とシリコン窒化物膜1の境界(界面)は必ずしも明確である必要はなく、有機膜2を構成する有機化合物とシリコン窒化物膜1を構成する無機化合物とが混在している領域が存在してもよい。
In the present embodiment, the configuration in which the boundary between the
かかる構成の場合は、シリコン窒化物膜1と有機膜2との機能が一体化されるため、ガスバリア膜3全体として所望のWVTR値となるように設計すればよい。例えば、有機化合物と無機化合物の割合が膜厚方向に連続的に変化するものであってもよい。例としては、“Journal of Vacuum Science and Technology A Vol. 23 p971−977(2005 American Vacuum Society, ”に記載の態様や、米国公開特許2004−46497号に開示されている有機層と無機層が界面を持たずに連続的に積層された構造等が挙げられる。このように有機化合物と無機化合物が混在する領域を設ける場合は、有機化合物の含有量が多い領域と無機化合物の含有量が多い領域が膜厚方向に交互に現れる構造を採用することが好ましい。
In such a configuration, since the functions of the
「薄膜素子」
図11を参照して、上記実施形態のガスバリア膜3を備えた薄膜素子の構成例について説明する。薄膜素子としては、例えば、有機EL素子、液晶表示素子、電子ペーパ等の画像表示素子や、色素増感型太陽電池、タッチパネル等が挙げられるが、本実施形態では、有機EL素子を例に説明する。図11は、本実施形態の有機EL素子の構成を示す概略断面図である。
"Thin film element"
With reference to FIG. 11, the structural example of the thin film element provided with the
本実施形態の有機EL素子(薄膜素子)4は、上面及び下面に上記実施形態のガスバリア膜3を備えた樹脂基板10上に、下部電極11、有機EL層20、上部電極12、更に上面及び下面に上記実施形態のガスバリア膜3を備えた樹脂基板10を備えてなり、図示下方より画像等を表示するものである。
The organic EL element (thin film element) 4 of the present embodiment has a
先に述べたように、有機EL素子の用途では、ガスバリア膜3は、WVTRが10−6g/m2/day以下であることが好ましい。従って、本実施形態のガスバリア膜3は、かかるWVTR値を有するようにシリコン窒化物膜1の層数が設計されている。
As described above, in the use of the organic EL element, the
下部電極11及び上部電極12の材料及び構成については、特開2006−289627号公報の段落[0042]〜[0048]に具体的に詳述されている。
The materials and configurations of the
また有機EL層20は、特開2006−289627号公報の段落[0049]〜[0058]に、有機化合物層として具体的に詳述されている。
The
本実施形態の有機EL素子4は、WVTRが10−6g/m2/day以下のガスバリア膜3を備えたものであるので、素子内部への空気や水蒸気の混入を高レベルに抑制することができる。従って、素子特性が水蒸気や酸素の影響を受けやすい有機EL素子においても、水蒸気や酸素の混入による特性劣化を生じにくい、良好で信頼性の高い素子特性を実現することができる。
Since the
(設計変更)
上記実施形態では、少なくとも一層の有機層を有する基体として、樹脂基板を例に説明したが、基体はこれに限定されるものではない。例えば、無機層と有機層とが積層された基体や各種機能層や配線等を備えた基体等にも好ましく適用ことができる。
(Design changes)
In the above embodiment, the resin substrate has been described as an example of the substrate having at least one organic layer, but the substrate is not limited to this. For example, it can be preferably applied to a substrate in which an inorganic layer and an organic layer are laminated, a substrate having various functional layers, wirings, and the like.
本発明に係る実施例について説明する。
(実施例1)
図3に示される大気圧プラズマCVD装置100を用いてPENフイルム基板上にシリコン窒化物膜を成膜した。成膜条件は、投入電力密度250W/cm3、RF周波数150MHz、圧力760Torr、原料ガス比率(体積%):SiH4:0.05%、NH3:1.0%、H2:20%、He:78.95%、基板−電極間距離:800μm、膜厚100nm、基板温度をRTとした。ここで基板温度とは、基板ステージ温度をK熱電対でモニターした温度であり、RTは25±1℃の範囲とした。この時の成膜速度は6〜7μm/minであった。
Embodiments according to the present invention will be described.
Example 1
A silicon nitride film was formed on the PEN film substrate using the atmospheric pressure
得られたシリコン窒化物膜にはクラック等は観察されず、また膜密度を測定した結果膜密度2.4±0.1g/cm3であった。 Cracks and the like were not observed in the obtained silicon nitride film, and the film density was measured. As a result, the film density was 2.4 ± 0.1 g / cm 3 .
次に、シリコン窒化物膜についてWVTRの測定を行った。WVTRの測定は上記実施形態中で記載したように、MOCON社製、「PERMATRAN−W3/31」(条件:40℃・相対湿度90%)を用いて行い、金属Caの光学濃度変化による補完を行って算出した。その結果WVTR値は2×10-4g/m2/dayであった。 Next, WVTR measurement was performed on the silicon nitride film. As described in the above embodiment, the measurement of WVTR is performed using “PERMATRAN-W3 / 31” (condition: 40 ° C., relative humidity 90%) manufactured by MOCON, and complemented by changes in the optical density of metallic Ca. Calculated by going. As a result, the WVTR value was 2 × 10 −4 g / m 2 / day.
実施例1と成膜条件を変えて、PENフイルム基板上にシリコン窒化物膜を成膜した。成膜条件は、投入電力密度450W/cm3、RF周波数150MHz、圧力760torr、原料ガス比率(体積%):SiH4:0.05%、NH3:1.0%、H2:15%、He:83.95%、基板−電極間距離:800μm、膜厚100nm、基板温度はRTとした。この時の成膜速度は6.5〜7.5μm/minであった。
A silicon nitride film was formed on a PEN film substrate by changing the film formation conditions in Example 1. The film forming conditions are: input power density 450 W / cm 3 ,
得られたシリコン窒化物膜にはクラック等は観察されず、また膜密度を測定した結果、2.3±0.1g/cm3であった。また、得られたシリコン窒化物膜について実施例1と同様にしてWVTRの測定を行った結果、WVTR値は4×10−4g/m2/dayであった。 Cracks and the like were not observed in the obtained silicon nitride film, and the film density was measured and found to be 2.3 ± 0.1 g / cm 3 . Moreover, as a result of measuring WVTR like Example 1 about the obtained silicon nitride film, WVTR value was 4 * 10 < -4 > g / m < 2 > / day.
実施例1及び実施例2において得られた膜は、いずれも良好な成膜速度で得られた膜であり、WVTR値が10−3g/m2/day以下のクラック等のない、良質なシリコン窒化物膜であった。従って、本発明の有効性が示された。 The film obtained in Example 1 and Example 2 is a film obtained at a good film formation rate, and has a good quality without cracks having a WVTR value of 10 −3 g / m 2 / day or less. It was a silicon nitride film. Therefore, the effectiveness of the present invention was shown.
本発明のシリコン窒化物膜は、樹脂基板を用いた有機EL素子、液晶表示素子、電子ペーパ等の画像表示素子や、色素増感型太陽電池、タッチパネル等の薄膜素子のガスバリア膜に好ましく適用することができる。 The silicon nitride film of the present invention is preferably applied to an organic EL element using a resin substrate, a liquid crystal display element, an image display element such as electronic paper, and a gas barrier film of a thin film element such as a dye-sensitized solar cell and a touch panel. be able to.
1 シリコン窒化物膜
2 有機膜
3 ガスバリア膜
4 薄膜素子(有機EL素子)
10 樹脂基板(基体)
DESCRIPTION OF
10 Resin substrate (base)
Claims (7)
前記反応容器内に、SiH4,NH3,H2及びHeを含む原料ガスを、該原料ガスの全ガス圧が大気圧となるように供給する工程と、
前記基体の上方に設置された電極に、電力密度250W/cm 3 超450W/cm 3 以下の電界を印加して該電極と前記基体との間に電場を発生させ、該電場により前記電極と前記基体との間の前記原料ガスをプラズマ状態にする工程と、
前記有機層の耐熱温度以下で、プラズマ状態となった前記原料ガスを用いて前記基体上に前記シリコン窒化物膜を成膜する工程とを有し、
前記原料ガス中のH2の割合が13%以上20%以下であり、前記原料ガス中におけるNH3のSiH4に対する割合が13%以上24%以下であることを特徴とするシリコン窒化物膜の成膜方法。 A method of forming a silicon nitride film on a substrate having at least one organic layer placed in a reaction vessel by chemical vapor deposition using plasma,
Supplying a source gas containing SiH 4 , NH 3 , H 2 and He into the reaction vessel so that the total gas pressure of the source gas becomes atmospheric pressure;
Upwards the installed electrodes of the substrate, by applying a power density of 250 W / cm 3 Ultra 450 W / cm 3 or less of the electric field is generated an electric field between the electrode and the substrate, the said electrode by electric field Bringing the source gas between the substrate into a plasma state;
Forming the silicon nitride film on the substrate using the source gas in a plasma state at a temperature lower than the heat resistant temperature of the organic layer,
The ratio of H 2 in the source gas is 13% or more and 20% or less, and the ratio of NH 3 to SiH 4 in the source gas is 13% or more and 24% or less. Film forming method.
前記反応容器内に設置された少なくとも一層の有機層を有する基体の上方に設置された電極に電界を印加して該電極と前記基体との間に電場を発生させ、該電場により前記電極と前記基体との間の前記原料ガスをプラズマ状態にする工程と、
プラズマを用いる化学気相成長法により、前記有機層の耐熱温度以下で、プラズマ状態となった前記原料ガスを用いて前記基体上に前記シリコン窒化物膜を成膜する工程とを有し、
前記原料ガス中のH 2 の割合が13%以上20%以下であり、前記原料ガス中におけるNH 3 のSiH 4 に対する割合が13%以上24%以下であるシリコン窒化物膜の成膜方法により成膜されたシリコン窒化物膜であって、
水蒸気透過率が10−3g/m2/day以下であることを特徴とするシリコン窒化物膜。 Supplying a source gas containing SiH 4 , NH 3 , H 2 and He into the reaction vessel so that the total gas pressure of the source gas becomes atmospheric pressure;
An electric field is applied to an electrode disposed above a substrate having at least one organic layer disposed in the reaction vessel to generate an electric field between the electrode and the substrate, and the electric field and the electrode Bringing the source gas between the substrate into a plasma state;
Forming the silicon nitride film on the substrate using the source gas in a plasma state at a temperature lower than the heat resistant temperature of the organic layer by a chemical vapor deposition method using plasma,
It is formed by a silicon nitride film forming method in which the ratio of H 2 in the source gas is 13% to 20% and the ratio of NH 3 to SiH 4 in the source gas is 13% to 24%. A silicon nitride film formed,
A silicon nitride film having a water vapor transmission rate of 10 −3 g / m 2 / day or less.
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