JP5448960B2 - 薄膜トランジスタ基板並びにそれを備えた表示装置及び電磁波センサ - Google Patents
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Description
しかし、ガラス基板を薄型化するには限界があり、より軽量化、薄型化を実現するため樹脂フィルムを基板として利用しようという動きがある。樹脂フィルムを用いれば、軽量化、薄型化を実現するだけでなく、可撓性を有し、衝撃に強い製品にすることが可能となり、外装ケースの軽量化なども同時に実現することができるといった利点もある。
(1)熱膨張係数がガラスに比べ大きい。
(2)不可逆的な熱収縮が起きる。
(3)吸水、吸湿、乾燥などによりフィルムが伸縮する。
(4)耐熱温度が低い。
(5)表面の凹凸が大きい。
<1> 樹脂フィルムと、前記樹脂フィルム上に設けられており、圧縮応力性の層と引張応力性の層とが少なくとも3層交互に積層され、最下層及び最上層が前記圧縮応力性の層である積層構造を有するバッファ層と、前記バッファ層上に設けられている薄膜トランジスタと、を含む薄膜トランジスタ基板。
<2> 前記バッファ層を構成する全ての層が無機材料から構成されている<1>に記載の薄膜トランジスタ基板。
<3> 前記バッファ層を構成する層が、SixOy、SixNy、SixOyNz、AlxOy、TixOy、ZrxOy、及びHfxOyからなる群から選択される少なくとも1種の材料から構成されている<1>又は<2>に記載の薄膜トランジスタ基板。
<4> 前記バッファ層を構成する全ての層が同種の材料から構成されている<1>〜<3>のいずれかに記載の薄膜トランジスタ基板。
<5> 前記樹脂フィルムのヤング率が4GPa以下である<1>〜<4>のいずれかに記載の薄膜トランジスタ基板。
<6> <1>〜<5>のいずれかに記載の薄膜トランジスタ基板を備えた表示装置。
<7> <1>〜<5>のいずれかに記載の薄膜トランジスタ基板を備えた電磁波センサ。
例えば、圧縮応力性の無機層を5μm程度に厚く形成すればTFTにおけるクラックの発生をより確実に抑制できる。しかし、このような極めて厚い無機層を形成するとなると、成膜時間が長くなり、製造コストが著しく上昇するほか、樹脂フィルム本来の可撓性(フレキシブル性)が損なわれてしまう。
本発明に係る薄膜トランジスタ基板は、樹脂フィルムと、前記樹脂フィルム上に設けられており、圧縮応力性の層と引張応力性の層とが少なくとも3層交互に積層され、最下層及び最上層が前記圧縮応力性の層である積層構造を有するバッファ層と、前記バッファ層上に設けられている薄膜トランジスタと、を含む。上記のような積層構造を有するバッファ層であれば、5μm以上の厚膜にしなくても剛性をもたせることができる。基板となる樹脂フィルムの厚みが薄い場合や柔らかい樹脂で構成されている場合、フィルムはより変形し易くなる。そのため、例えば、半導体層の引張応力の影響がより強くなり、クラックが入りやすくなるが、そのような場合においてもバッファ層が高い剛性を有することでTFTにおけるクラックの発生を効果的に抑制することができる。
樹脂フィルム10としては、バッファ層16及びTFT21を形成することができ、電子デバイスを構成する他の部材を支持することができる樹脂フィルムであれば特に限定されない。樹脂フィルム10を構成する材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンフタレート、ポリエチレンナフタレート(PEN)等のポリエステル、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、アラミド、ポリアミド、アクリル、ポリイミド、ポリシクロオレフィン、ノルボルネン樹脂、ポリ(クロロトリフルオロエチレン)等の有機材料が挙げられる。
PEN 6GPa
アラミド 10GPa
ポリアミド 10GPa
ポリイミド 2〜3GPa
ポリエステル 6GPa
ポリエーテルサルホン 2〜3GPa
アクリル 0.5〜2GPa
ポリカーボネート 2GPa
ポリアリレート 3〜4GPa
バッファ層16は、圧縮応力性の層12A,12Bと引張応力性の層14とが交互に積層され、最下層12A及び最上層12Bが圧縮応力性の層である積層構造を有する。すなわち、引張応力性の層(適宜「引張応力層」と略称する。)を圧縮応力性の層(適宜「圧縮応力層」と略称する。)で挟み込んだ積層構造を有するバッファ層16を樹脂フィルム10上に設けることで剛性の向上を図ることができ、このバッファ層16上にTFT21を形成することで電極層、半導体層等におけるクラックの発生を効果的に抑制することができる。
バッファ層16を構成する圧縮応力層12A,12Bは、形成された層が面方向に伸びようとする力が内在する層である。圧縮応力層12A,12Bを構成する材料は、有機材料でも無機材料でも良いが、有機材料は一般にヤング率が小さく、変形し易いため剛性向上に寄与し難い観点から、無機膜であることが好ましい。
圧縮応力層12A,12Bを構成する材料として、具体的には、SixOy、SixNy、SixOyNz、AlxOy、TixOy、ZrxOy、HfxOy等が挙げられ、スパッタリング法、CVD法、等によって成膜することができる。
圧縮応力層12A,12Bのトータルの厚みは、材料、バッファ層16を構成する層数、引張応力層14の厚みなどにもよるが、バッファ層全体の剛性を確保する観点から、250nm以上2.5μm以下であることが好ましい。
バッファ層16を構成する引張応力層14は、形成された層が面方向に縮もうとする力が内在する層である。引張応力層14を構成する材料は、有機材料でも無機材料でも良いが、有機材料は一般にヤング率が小さく、変形し易いため剛性向上に寄与し難い観点から、無機膜であることが好ましい。引張応力層14を構成する材料として、具体的には、SixOy、SixNy、SixOyNz、AlxOy、TixOy、ZrxOy、HfxOy等が挙げられ、スパッタリング法、CVD法、等によって成膜することができる。
引張応力層14のトータルの厚みは、材料、バッファ層16を構成する層数、圧縮応力層12A,12Bの厚みなどにもよるが、バッファ層全体の剛性を確保する観点から、250nm以上2.5μm以下であることが好ましい。
バッファ層16を構成する全ての層が同種の材料から構成されていることが好ましい。ここで、同種の材料とは、各層12A,14,12Bを構成する材料の元素が同じであることを意味する。例えば、圧縮応力層12A,12Bと引張応力層14がそれぞれSixNyにより構成され、圧縮応力層12A,12Bと引張応力層14とでx、yが異なる(組成比が異なる)場合が同種の材料に含まれる。
バッファ層16を構成する全ての層を同種の材料で構成し、各層をスパッタリング法で成膜する場合には、1つのターゲットを用いるだけで全ての成膜を行うことができる。1つのターゲットを用いてスパッタリング法により成膜する際、成膜条件を調整することで圧縮応力層12A,12Bと引張応力層14をそれぞれ形成することができる。具体的には、スパッタリング法により成膜する場合を想定すると、ターゲットに印加する電圧を高くして高励起状態にし、真空度を上げること、基板温度を上げること、等により緻密な膜が形成されるために結果的に圧縮応力層12A,12Bを形成することができる。
また逆にターゲットへの印加電圧を低くし、真空度を下げること、基板温度を下げること、等でポーラスな膜質にすることでき結果的に引張応力層14を形成することができる。
例えばバッファ層16を5層構造とする場合には、樹脂フィルム側から、圧縮応力性の層(最下層)、引張応力性の層、圧縮応力性の層、引張応力性の層、及び圧縮応力性の層(最上層)の順序で積層された構造とすればよい。
薄膜トランジスタ21は、ゲート電極18、ゲート絶縁層20、活性層26、及びソース・ドレイン電極22,24を有し、バッファ層16上に設けられている。なお、本実施形態では、ボトムゲート型のTFT21が設けられているが、TFTの形態は特に限定されない。以下では、TFTを構成する部材の材料、厚み、形成方法などについて具体的に説明するがこれらに限定されるものではない。
バッファ層16上に、例えば、スパッタリング法により0.05μmの厚みでモリブデン(Mo)膜を形成した後、フォトリソグラフィ法及びエッチング法によってパターニングすることによりゲート電極18を形成する。
なお、ゲート電極18の材質はMoに限定されず、他の公知の導電性材料を用いることができる。例えば、Al、Cr、Ta、Ti、Au、Ag等の金属、Al−Nd、APC等の合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化亜鉛インジウム(IZO)等の金属酸化物導電膜、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールなどの有機導電性化合物、またはこれらの混合物が挙げられる。
また、パターニング方法としては、リフトオフ法によりパターニングしてもよいし、形成すべきゲート電極18のパターンに応じた開口部を有するメタルマスク(シャドーマスク)を用いてもよい。
ゲート電極18を形成した後、ゲート絶縁層20としてSiO2層(厚み:0.2μm)、活性層26としてInGaZnO4層(厚み:0.05μm)、活性層26を保護する保護層(不図示)としてGa2O3層(厚み:0.1μm)を順次形成する。これらの層もゲート電極の形成と同様、それぞれスパッタリング法等によって順次成膜を行い、各層の形状に応じてパターニングする。
なお、各層の材料は適宜選択すればよい。例えば、ゲート絶縁層20としては、SiNx、SiON、Al2O3、Y2O3、Ta2O5、HfO2等の絶縁体から構成され、それらの化合物を2種以上含む絶縁層としてもよい。また、ポリイミドのような高分子絶縁体を用いてもよい。
活性層26は、低温で成膜可能な非晶質酸化物半導体が好ましく、具体的には、In、Ga及びZnの少なくとも一種を含む酸化物、例えば、Inを含む酸化物、InとZnを含む酸化物、及びIn、Ga及びZnを含む酸化物が挙げられ、組成構造としては、InGaO3(ZnO)m(mは6未満の自然数)のものが好ましい。これらは、キャリアが電子のn型半導体である。なお、ZnO・Rh2O3、CuGaO2、SrCu2O2のようなp型酸化物半導体を活性層に用いてもよいし、特開2006−165529号公報に開示されている酸化物半導体を用いてもよい。
例えば、フォトリソグラフィ法及びエッチング法によって活性層をパターニングした後、ソース・ドレイン電極22,24となるAlNd(厚み:0.1μm)をスパッタリング法により成膜してソース・ドレイン電極22,24にパターニングする。なお、ソース・ドレイン電極22,24の形成もゲート電極18の形成で例示した材料、成膜方法、パターニング方法等から適宜採用することができる。
本実施形態に係る薄膜トランジスタ基板200は、バッファ層17が5層からなり、樹脂フィルム側から順に圧縮応力層12A,12B,12Cと引張応力層14A,14Bとが交互に重ねられた積層構造を有している。成膜時の条件を変えることで圧縮性と引張性を制御することができるため、バッファ層17を構成する全ての層12A,14A,12B,14B,12Cを例えばSiNにより形成することができる。
図4は、第1の実施形態に係る薄膜トランジスタ基板を用いた有機ELディスプレイ300の構成を概略的に示している。TFT21上に平坦化層28とこの平坦化層28にソース電極22の一部を露出させるスルーホール(不図示)を形成した後、スルーホールを介してソース電極22の一部と接続し、陽極又は陰極となる画素電極30を形成し、その上に有機EL層32(例えば、ホール注入層、発光層、電子輸送層)、及び上部電極34を形成、最後に封止フィルム36を貼り付けた構成となっている。以下、第1の実施形態に係る薄膜トランジスタ基板を用いて有機EL素子を形成する方法について説明する。
ソース・ドレイン電極22,24を形成した後、TFT21を形成した側の基板全面に平坦化層(層間絶縁層)28を形成して平坦化する。例えば、アクリル樹脂を用いてスピンコーティングにより平坦化層28(厚み:1.5μm)を形成する。
次いで、平坦化層28にソース電極22の一部を露出させるスルーホール(不図示)を形成した後、スルーホールを介してソース電極22の一部と接続し、陽極又は陰極となる画素電極30を形成する。画素電極30としては、例えば、スパッタリング法によりAl、Mo、IZO、ITOなどの導電膜を成膜した後、フォトリソグラフィ法及びエッチング法によってパターニングする。また、形成すべき画素電極30のパターンに応じたメタルマスクを用いて画素電極30を形成してもよい。
画素電極30を形成した後、有機EL層32を形成する。有機EL層32は少なくとも発光層を含む層とし、必要に応じて、正孔注入層、正孔輸送層、電子注入層、電子輸送層、ブロック層などを形成する。陽極及び陰極を含めた有機EL素子の構成としては、例えば以下のような層構成を採用することができるが、これらの層構成に限定されず、目的等に応じて適宜決めればよい。
・陽極/正孔輸送層/発光層/電子輸送層/陰極
・陽極/正孔輸送層/発光層/ブロック層/電子輸送層/陰極
・陽極/正孔輸送層/発光層/ブロック層/電子輸送層/電子注入層/陰極
・陽極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/ブロック層/電子輸送層/陰極
・陽極/正孔注入層/正孔輸送層/発光層/ブロック層/電子輸送層/電子注入層/陰極
・陽極/正孔輸送層/ブロック層/発光層/電子輸送層/陰極
・陽極/正孔輸送層/ブロック層/発光層/電子輸送層/電子注入層/陰極
・陽極/正孔注入層/正孔輸送層/ブロック層/発光層/電子輸送層/陰極
・陽極/正孔注入層/正孔輸送層/ブロック層/発光層/電子輸送層/電子注入層/陰極
有機EL層32の形成に続き、光を取り出す側の電極としてITOを全面に成膜して光透過性を有する共通電極34を形成する。光取り出し側の電極34は画素ごとに分割されている必要はなく、スパッタリング法により有機EL層32上の全面に成膜して共通電極34とすればよい。
また、水分や酸素の透過を防ぐためのバリア層としては、窒化珪素、酸化珪素、酸窒化珪素、酸化アルミニウムなどの無機物が挙げられる。
図5は第1の実施形態に係る薄膜トランジスタ基板を用いたX線フラットパネルディテクタ400(適宜「FPD」と略称する。)の構成の一例を示す概略図である。
本実施形態では、PETフィルム10上にバッファ層16とTFT21が形成されている。TFT21上には平坦化層28とこの平坦化層28にソース電極22の一部を露出させるスルーホール(不図示)を形成した後、スルーホールを介してソース電極22の一部と接続し、陽極又は陰極となる画素電極40を形成し、その上にシリコン、もしくは有機材料によるフォトディテクタ層42、ITO透明電極44を形成し、接着剤を介してシンチレータフィルム46を貼り付け、最後に封止用のフィルム48を貼り付けた構成となっている。
次いで、接着剤等を介してシート状のシンチレータ46を貼り付け、さらに封止用フィルム48を貼り付ける。なお、シンチレータ46を構成する材料としては、Gd2O2Sに限らず、CaWO4、CsI、等が選択可能である。
これにより、X線フラットパネルディテクタ400が得られる。
本実施形態に係るFPDは、支持体としてガラス板を用いたものに比べ、(a)軽量である、(b)フレキシブル性が高いことから壊れにくい(曲げや衝撃に強い)、(c)高感度である(樹脂フィルムを用いることでX線の吸収ロスが低減)、等の利点を有する。特に(c)の高感度化は最終的には患者に照射するX線量を低減することになり、侵襲性が低減される重要な効果となる。
図1に示す構成を有する薄膜トランジスタ基板を製造した。
支持体となる樹脂フィルムとしてポリイミド(厚さ25μm)を用い、このフィルム上に以下のバッファ層とTFTを順に形成した。
バッファ層は、圧縮応力層、引張応力層、圧縮応力層を順に3層積層して構成されている。圧縮応力層としてはSiNを厚さ150nmで形成し、引張応力層としてはSiO2を厚さ200nmで形成した。
圧縮応力層と引張応力層それぞれの応力絶対値は0.5GPaとした。各層の応力は成膜時の条件(スパッタリング法における、ターゲット印加電圧、真空度、基板温度、等)を変えることにより制御した。
圧縮応力層であるSiNの成膜は以下の条件により行った。
印加電圧:1kV
圧力:0.1Pa
基板温度:120℃
引張応力層であるSiO2の成膜は以下の条件により行った。
印加電圧:0.5kV
圧力:1Pa
基板温度:25℃
バッファ層上にボトムゲート構造の薄膜トランジスタ(TFT)を形成した。
具体的には、モリブデンからなるゲート電極(厚さ50nm)、SiO2からなる絶縁膜(厚さ200nm)、アモルファスInGaZnOからなるチャネル層(厚さ30nm)、GaOからなるチャネル保護層(厚さ100nm)、モリブデンからなるソース/ドレイン電極(厚さ80nm)を、順次スッパタリングによる成膜及びフォトリソグラフィによるパターニングにより形成した。
バッファ層を形成しなかったこと以外は実施例1と同様にして樹脂フィルム上に薄膜トランジスタを形成した。
実施例1で形成したバッファ層に代えて、圧縮応力層を形成したこと以外は実施例1と同様にして薄膜トランジスタを形成した。
実施例1で形成したバッファ層に代えて、引張応力層を形成したこと以外は実施例1と同様にして薄膜トランジスタを形成した。
実施例1で形成したバッファ層と比較して、圧縮応力層を各々50nm、引張応力層を100nm積層したこと以外は実施例1と同様にして薄膜トランジスタを形成した。
実施例1で形成したバッファ層と比較して、圧縮応力層を各々100nm、引張応力層を150nm積層したこと以外は実施例1と同様にして薄膜トランジスタを形成した。
実施例1〜3及び比較例1〜3で作製したTFTについてクラック発生の有無を以下の方法により調べた。
TFT作製後顕微鏡にて観察し、視野内(500μmφの円形)内に存在するクラックの本数を数えることで密度評価を行った。
結果を下記表1に示す。
一方、比較例1〜3で製造したTFTには、いずれもゲートもしくはソース・ドレイン電極に微小なクラックが入っていた。電極に用いているモリブデンを成膜した際に、もしくはパターニングする際のレジストのベーク工程においてクラックが生じたと考えられる。
図1に示す構成を有する薄膜トランジスタ基板を作製した。
支持体となる樹脂フィルムにはアクリル、ポリカーボネート(PC)、ポリイミド(PI)、ポリアリレート(PAR)、PET、PEN、アラミドを用い、厚さは全て25μmのフィルムを用いた。このフィルム上に以下のバッファ層とTFTを順に形成した。
バッファ層は、SiN圧縮応力層、SiO2引張応力層、SiN圧縮応力層、SiO2引張応力層、SiN圧縮応力層の順で合計5層積層して構成し、全バッファ層の厚み(t)としては200nm、500nm、1000nm、の3種類を作製し、比較例としてバッファ層なしのサンプルも作製した。圧縮応力層と引張応力層それぞれの応力絶対値は0.5GPaとした。
‐TFT‐
TFTは実施例1と同様な構造とした。作製したTFTについては、顕微鏡観察によりクラック密度を評価した。結果を下記表2に示す。
図1に示す構成を有する薄膜トランジスタ基板を作製した。
支持体となる樹脂フィルムにはポリイミド(PI)を用い、厚さは25μmとし、このフィルム上に以下のバッファ層とTFTを順に形成した。
バッファ層は、圧縮応力層150nm、引張応力層200nm、圧縮応力層150nmを順に3層積層して構成し、それぞれの層の内部応力を変えて6種類の試料を作製した。トータルの厚さについては500nmとしている。応力については圧縮性に関してはプラス(+)で、引張性に関してはマイナス(−)で示している。各層の厚みは段差計(例えばアルファステップ)、もしくは電子顕微鏡(例えば日立電界放出形走査電子顕微鏡S−4800)による断面写真、等によって求め、応力は薄膜応力測定装置FLX−2320−S(東朋テクノロジー社製)によって求めた。
各層の層厚と応力の積を足しあわせてバッファ層全体に残量する内部応力値を換算し、クラック密度との関係を調べた。作製したTFTについては、先の実施例と同様に顕微鏡観察によりクラック密度を評価した。結果を下記表3に示す。
また、X線ディテクタに関しても、X線を直接電荷に変換する直接変換方式でもよいし、X線を一度可視光に変換し、変換した光を電荷に変換する間接変換方式でもよい。
12A,12B,12C 圧縮応力層
14,14A,14B 引張応力層
16,17 バッファ層
18 ゲート電極
20 ゲート絶縁層
21 薄膜トランジスタ(TFT)
22,24 ソース・ドレイン電極
26 活性層
28 平坦化層
30 画素電極
32 有機EL層
34 上部電極(共通電極)
36 封止フィルム
38 絶縁層
40 画素電極
42 光吸収層
44 透明電極(共通電極)
46 シンチレータ
48 封止用フィルム
100,200 薄膜トランジスタ基板
300 有機ELディスプレイ
400 X線フラットパネルディテクタ
Claims (8)
- 樹脂フィルムと、
前記樹脂フィルム上に設けられており、圧縮応力性の層と引張応力性の層とが少なくとも3層交互に積層され、最下層及び最上層が前記圧縮応力性の層である積層構造を有するバッファ層と、
前記バッファ層上に設けられている薄膜トランジスタと、
を含む薄膜トランジスタ基板。 - 前記バッファ層を構成する全ての層が無機材料から構成されている請求項1に記載の薄膜トランジスタ基板。
- 前記バッファ層を構成する層が、SixOy、SixNy、SixOyNz、AlxOy、TixOy、ZrxOy、及びHfxOyからなる群から選択される少なくとも1種の材料から構成されている請求項1又は請求項2に記載の薄膜トランジスタ基板。
- 前記バッファ層を構成する全ての層が同種の材料から構成されている請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ基板。
- 前記バッファ層の厚みが500nm以上である請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ基板。
- 前記樹脂フィルムのヤング率が4GPa以下である請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ基板。
- 請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ基板を備えた表示装置。
- 請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の薄膜トランジスタ基板を備えた電磁波センサ。
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