JP5816281B2 - 自己不動態化する機械的に安定な気密薄膜 - Google Patents

Description

関連出願の説明

本出願は、２０１０年７月２７日に出願された米国仮特許出願第６１/３６８０１１号の優先権の恩典を米国特許法第１１９条の下に主張し、２０１０年９月１０日に出願された米国特許出願第１２/８７９５７８号の優先権の恩典を米国特許法第１２０条の下に主張する。本明細書はこれらの特許出願の明細書の内容に依存し、これらの特許出願の明細書の内容はそれぞれの全体が本明細書に参照として含められる。

本発明は全般には気密バリア層に関し、さらに詳しくは、自己不動態化する機械的に安定な無機気密薄膜に関する。

最近の研究は、単層薄膜無機酸化物が、室温または室温近傍において、一般に気密バリア層としてのそのような薄膜の使用の成功を阻むかまたは困難にする、ナノスケールの細孔、ピンホール及び／または欠陥を含むことを示した。単層膜にともなう見かけの欠損に対処するため、複層封入方式が採られている。複数の層の使用は、欠陥性拡散を最小限に抑えるかまたは軽減し、周囲の水分及び酸素の透過を実質的に阻止する。複層手法は一般に交互する無機層とポリマー層を含み、無機層は一般に基板または保護されるべき加工物に直に接しても、多層積層における終端層または最上層としても、形成される。

複層手法は一般に複雑で費用がかかるから、経済的な薄膜気密層及びそれを形成するための方法が極めて望ましい。

本開示にしたがって形成される気密バリア層は、形成中及び／または形成後に内部に拡散する水分または酸素と反応して、自己不動態化する、機械的に安定な気密薄膜を形成する、単一被着無機層を含む。被着層−周囲界面における水分または酸素と第１の無機層の間の反応生成物が第２の無機層を形成する。第１及び第２の無機層は協働してその下の基板または加工物を隔離し、保護する。

実施形態において、第１の無機層は適するターゲット材料からの室温スパッタリングによって加工物の表面に形成することができる。被着されたままの第１の無機層は実質的に非晶質とすることができる。加工物は、例えば、有機発光ダイオードのような有機電子デバイスとすることができる。第１の無機層の水分または酸素との反応性は、膜の座屈、離層及び裂けを実質的におこさない機械的一体性を有する自己封止構造が形成されるに十分に圧縮性であり、協働的である。

一実施形態にしたがえば、気密薄膜は、基板を覆って形成される第１の無機層及び第１の無機層と連接する第２の無機層を有する。第１の無機層及び第２の無機層は実質的に等価な元素成分を含むが、第２の無機層のモル体積は第１の無機層のモル体積より約−１％から１５％大きい。第１の無機層の酸化により形成される第２の無機層の平衡厚は第１の無機層の初期厚の少なくとも１０％であるが、第１の無機層の初期厚よりは薄い。実施形態にしたがう第２の無機層は結晶性微細構造を有する。

本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を含み、添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。

上述の全般的説明及び以下の詳細な説明がいずれも本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような本発明の本質及び特質を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な実施形態を示し、記述とともに、本発明の原理及び動作の説明に役立つ。

図１は自己不動態化する機械的に安定な気密薄膜を形成するための単チャンバスパッタリング装置の略図である。 図２は気密性の加速評価のためのカルシウムパッチ試験サンプルの説明図である。 図３は、加速試験後の、非気密封止カルシウムパッチ（左列）及び気密封止カルシウムパッチ（右列）に対する試験結果を示す。 図４は気密膜形成材料（上段）及び非気密膜形成材料（下段）についての微小角入射Ｘ線回折（ＸＲＤ）スペクトル（Ａ，Ｃ）及び薄膜ＸＲＤスペクトル（Ｂ，Ｄ）を示す。 図５は、加速試験後の、気密膜（上段）及び非気密膜（下段）についての一連の微小角入射ＸＲＤスペクトルである。 図６Ａ〜Ｉは、加速試験後の、気密薄膜についての一連の微小角入射ＸＲＤスペクトルの１つを示す。

自己不動態化する機械的に安定な気密薄膜を形成する方法は、基板を覆う第１の無機層を形成する工程及び第１の無機層と連接する第２の無機層を形成するために第１の無機層の自由表面を酸素にさらす工程を含み、第２の無機層のモル体積は第１の無機層のモル体積より約−１％から１５％大きく、第２の無機層の平衡厚は第１の無機層の初期厚の少なくとも１０％であるが第１の無機層の初期厚よりは薄い。第１の無機層は非晶質とすることができ、第２の無機層は少なくともある程度結晶性とすることができる。

実施形態において、モル体積変化（例えば増大）は、自己封止現象に寄与する、層内の圧縮力として現れる。第２の無機層は第１の無機層の酸素との自然反応生成物として形成されるから、気密膜の形成に成功できる被着されたままの層（第１の無機層）は対応する第２の無機層ほど熱力学的に安定ではない。熱力学的安定性は形成に対するそれぞれのギブスの自由エネルギーに反映される。

自己不動態化する機械的に安定な気密薄膜は、加工物または試験片上への適する出発原料の、物理的気相成長（例えばスパッタ被着またはレーザアブレーション）あるいは熱蒸着によって形成することができる。そのような薄膜を形成するための単チャンバスパッタ被着装置１００が図１に簡略に示される。

装置１００は、１つ以上の基板１１２をその上に搭載することができる基板ステージ１１０及び、基板上への相異なる層のパターン化被着のためのシャドウマスク１２２を搭載するために用いることができる、マスクステージ１２０を有する真空チャンバ１０５を備える。チャンバ１０５には、内部圧力を制御するための真空ポート１４０が設けられ、また水冷ポート１５０及びガス流入ポート１６０も設けられる。真空チャンバはクライオポンプ（ＣＴＩ−８２００／Ｈｅｌｉｘ；米国マサチューセッツ州）で真空排気することができ、蒸着プロセス（〜１０^−６Ｔｏｒｒ（１.３３×１０^−４Ｐａ））及びＲＦスパッタ被着プロセス（〜１０^−３Ｔｏｒｒ（１.３３×１０^−１Ｐａ））のいずれにも適する圧力で動作することができる。

図１に示されるように、基板１１２上に材料を蒸着するための、それぞれが選択的に対応するシャドウマスク１２２を有する、複数の蒸発源１８０が導電リード１８２を介してそれぞれの電源１９０に接続される。蒸着されるべき出発原料２００をそれぞれの蒸発源１８０に入れることができる。被着される材料の量の制御を実施するため、コントローラ１９３及び制御ステーション１９５を含むフィードバック制御ループに膜厚モニタ１８６を組み込むことができる。

一例のシステムにおいて、蒸発源１８０のそれぞれには、ＤＣ電流を約８０〜１８０ワットの動作電力で供給するための一対の銅リード１８２が備えられる。実効蒸発源抵抗は一般にその形状寸法の、精確な電流及びワット数を決定する、関数になる。

基板上に無機酸化物の層を形成するために、スパッタターゲット３１０を有するＲＦスパッタガン３００も備えられる。ＲＦスパッタガン３００はＲＦ電源３９０及びフィードバックコントローラ３９３を介して制御ステーション３９５に接続される。機械的に安定な無機気密薄膜をスパッタリングするため、円柱形水冷ＲＦスパッタガン（Ｏｎｙｘ−３（商標），Ａｎｇｓｔｒｏｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ社；米国ペンシルバニア州）をチャンバ１０５内に配置することができる。適するＲＦスパッタ被着条件には５０〜１５０Ｗの順電力（反射電力＜１Ｗ）があり、これは〜５Å/秒の一般的な被着速度に対応する（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ社；米国コロラド州）。実施形態において、第１の無機層の初期厚（すなわち被着されたままの厚さ）は５０μｍ未満（例えば、約４５，４０，３５，３０，２５，１５または１０μｍ）である。第２の無機層の形成は、第１の無機層が、大気、水浴または水蒸気の形態とすることができる、酸素にさらされたときにおこり得る。

気密バリア層の気密性を評価するため、単チャンバスパッタ被着装置１００を用いて、カルシウムパッチ試験試料を作製した。第１の工程において、一回分のカルシウム（ストック番号１０１２７，Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ社）をシャドウマスク１２２を通して蒸着して、２.５インチ（６.３５ｃｍ）角ガラス基板上に５×５アレイに配列した２５のカルシウムドット（直径０.２５インチ（６.３５ｍｍ）、厚さ１００ｎｍ）を形成した。カルシウム蒸着に対し、チャンバ圧力を約１０^−４Ｔｏｒｒ（１.３３×１０^−２Ｐａ）まで減じた。初めの予備均熱化／脱ガス段階中、蒸発源への電力をほぼ１０分間約２０Ｗに制御し、続く被着工程において、それぞれの基板上に約１００ｎｍ厚のカルシウムパターンを被着するために電力を８０〜１２５Ｗに高めた。

カルシウムの蒸着に続いて、対照無機酸化物材料を用いて、また様々な実施形態にしたがう気密無機酸化物も用いて、パターン化カルシウムパッチを封入した。無機酸化物材料はプレス成形粉末スパッタターゲットの室温ＲＦスパッタリングを用いて被着した。プレス成形粉末ターゲットは手動卓上加熱油圧プレス（Ｃａｒｖｅｒ Ｐｒｅｓｓ社，モデル４３６８；米国インディアナ州ウォバッシュ(Wabash)）を用いて別途に作製した。プレスの代表的動作条件は、２００００ｐｓｉ（１.３８×１０^８Ｐａ）で、２００℃、２時間とした。

カルシウムを覆う約２μｍ厚の第１の無機酸化物層を形成するため、ＲＦ電源３９０及びフィードバックコントローラ３９３（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ社；米国コロラド州）を用いた。被着後熱処理は行っていない。ＲＦスパッタリング中のチャンバ圧力は約１ｍＴｏｒｒ（０.１３Ｐａ）とした。試験前に、室温及び大気圧への試験試料の大気暴露により、第１の無機層を覆う第２の無機層の形成を開始した。

図２は、ガラス基板４００，パターン化カルシウムパッチ（〜１００ｎｍ）４０２及び無機酸化物膜（〜２μｍ）４０４を有する試験試料の断面図である。大気暴露後、無機酸化物膜４０４は第１の無機層４０４Ａ及び第２の無機層４０４Ｂを含む。無機酸化物膜の気密性を評価するため、カルシウムパッチ試験試料をオーブン内に入れ、一定の温度及び湿度、一般に８５℃及び相対湿度８５％における加速環境エージング（８５／８５試験）にかけた。

気密試験では真空蒸着カルシウム層の外観が光学的にモニタされる。被着されたままでは、それぞれのカルシウムパッチは高反射性の金属的外観を有する。水及び／または酸素にさらすと、カルシウムが反応し、反応生成物は不透明であり、白色でフレーク状である。８５／８５オーブン内で１０００時間をこえて生き残るカルシウムパッチは、大気内動作で５〜１０年存続する封入膜と等価である。試験の検出限界は６０℃及び相対湿度９０％においてほぼ１０^−７ｇ/ｍ^２/日である。

図３は、８５／８５エージング試験にかけた後の、非気密封止カルシウムパッチ及び気密封止カルシウムパッチの代表的な挙動を示す。図３において、左列はパッチを直接覆って形成されたＣｕ_２Ｏ膜についての非気密封入挙動を示す。Ｃｕ_２Ｏ被覆試料の全てが加速試験に不合格であり、カルシウムドットパッチの破局的離層がＣｕ_２Ｏ層を通した水分の侵入の証拠を示した。右列はＣｕＯ被着気密層を有する試料のほぼ５０％について肯定的な試験結果を示す。右列の試料においては、（７５個の試験試料中）３４個の無傷のカルシウムドットの金属的外観がはっきりわかる。

非気密被着層及び気密被着層のいずれについても、表面近傍及び酸化物層全体をそれぞれ評価するため、微小角入射Ｘ線回折（ＧＩＸＲＤ）及び従来の粉末Ｘ線回折の両者を用いた。図４は、気密ＣｕＯ被着層（グラフＡ及びＢ）と非気密Ｃｕ_２Ｏ被着層（グラフＣ及びＤ）の両者についてＧＩＸＲＤデータ（グラフＡ及びＣ）及び従来の粉末反射（グラフＢ及びＤ）を示す。一般に、図４Ａ及び４ＣのＧＩＸＲＤスキャンの生成に用いられる１°の微小角入射では、表面近傍のほぼ５０〜３００ｎｍの深さが探られる。

図４をさらに参照すれば、気密ＣｕＯ被着層（グラフＡ）はパラメラコナイト（Ｃｕ_４Ｏ_３）相に割り付けられる近表面反射を示すが、被着膜の内部（グラフＢ）はかなりの量の非晶質酸化銅と整合する反射を示す。パラメラコナイト層は、カルシウムパッチを直接覆って形成された第１の無機層（ＣｕＯ）の酸化によって形成された、第２の無機層に相当する。対照的に、非気密Ｃｕ_２Ｏ被着層はいずれのスキャンにおいてもＣｕ_２Ｏに整合するｘ線反射を示す。

ＸＲＤ結果は、スパッタされた（被着されたままの）材料の表面近傍領域だけでの水分とのかなりのまた協働的な反応を示すが、非気密膜は全体にわたって水分と反応して、実効気密性を損なうかなりの拡散チャネルを生じる。酸化銅系について、気密膜(被着ＣｕＯ)データは、非晶質の未反応スパッタＣｕ_２Ｏ基層の上面にパラメラコナイト結晶層が形成され、よって機械的に安定で気密な複合層が形成されることを示唆している。

本開示の実施形態において、気密薄膜は、初めに加工物上に第１の無機層を被着することによって形成される。第１の被着層は、第１の被着層の鏡面近傍領域を酸化して第２の無機層を形成するため、水分及び／または酸素にさらされる。したがって、得られた気密薄膜は、被着されたままの第１の無機層と、第１の無機層の水分及び／または酸素との反応生成物として第１の無機層と連接態様で形成された、第２の無機層の複合膜である。

いくつかの二元酸化物系の調査により、自己不動態化する気密薄膜を形成できる他の材料が明らかになった。例えば、酸化スズ系において、被着されたままの非晶質ＳｎＯは水分／酸素と反応して結晶性ＳｎＯ_２を形成し、得られる複合層は良好な気密性を示す。しかし、ＳｎＯ_２を第１の無機層として被着すると、得られる膜は気密性ではない。

８５／８５暴露後のＳｎＯ被着膜（上段）及びＳｎＯ_２被着膜（下段）についてのＧＩＸＲＤスペクトルを示す図５を参照することでわかるように、気密膜（上段）は被着された非晶質ＳｎＯ層を覆って形成されている結晶性ＳｎＯ_２（パッシベーション）層を示すが、非気密膜は純結晶性モルフォロジーを示す。

別の実施形態にしたがえば、（１つまたは複数の）気密薄膜材料の選択及び気密薄膜を組み入れるためのプロセス条件は加工物が気密薄膜の形成によって悪影響を受けずに済むに十分にフレキシブルである。気密薄膜材料の例には、酸化銅、酸化スズ、酸化ケイ素、リン酸スズ、フルオロリン酸スズ、カルコゲナイドガラス、亜テルル酸ガラス、ホウ酸ガラス、を含めることができ、これらの組合せも含めることができる。必要に応じて、気密薄膜は、タングステン及びニオブを含むがこれらには限定されない、１つ以上のドーパントを含むことができる。

第１の無機層の形成に適するドープトフルオロリン酸スズ出発原料の組成は、３５〜５０モル％のＳｎＯ，３０〜４０モル％のＳｎＦ_２，１５〜２５モル％のＰ_２Ｏ_５及び１.５〜３モル％の、ＷＯ_３及び／またはＮｂ_２Ｏ_５のような、ドーパント酸化物を含む。

実施形態において、薄膜は上述した材料またはそれらの材料の前駆体の１つ以上の室温スパッタリングによって得ることができるが、他の薄膜被着手法を用いることもできる。様々な加工物アーキテクチャに適合するように、被着マスクを用いて適するパターン化気密薄膜を形成することができる。あるいは、従来のリソグラフィ／エッチング手法を用いて一様な層からパターン化気密薄膜を形成することができる。

適する気密薄膜材料のさらなる態様は、共通に所有される、米国特許出願第６１/１３０５０６号並びに米国特許出願公開第２００７/０２５２５２６号及び第２００７/００４０５０１号の明細書に開示されている。これらの明細書の内容はそれぞれの全体が本明細書に参照として含められる。

図６Ａ〜６Ｈは一連のＧＩＸＲＤグラフを示し、図６Ｉは加速試験後のＣｕＯ被着気密薄膜についてのブラッグＸＲＤスペクトルを示す。全膜体積からのブラッグ回折は非晶質の特徴を有し、膜の表面ないし近傍にパラメラコナイト層が存在する。６.３１ｇ/ｃｍ^３のＣｕＯ密度、４４.６５ｃｍ^２/ｇの質量減衰係数及び２８１.７６１ｃｍ^−１の減衰係数を用いて、図６のＧＩＸＲＤグラフからパラメラコナイト層深さを推定した。図６Ａ〜６Ｈにおいて、１°，１.５°，２°，２.５°，３.０°，３.５°，４°及び４.５°の入射角のそれぞれにおいて得られた連続微小角入射Ｘ線回折スペクトルは、８５℃及び相対湿度８５％に１０９２時間さらした後の、スパッタＣｕＯ膜の元来の２μｍの３１％（６１９ｎｍ）と４６％（９２９ｎｍ）の間を占める酸化表面（パラメラコナイト）を示す。それぞれのＧＩＸＲＤ角に対して計算した表面深さ（探られる深さ）の要約を表１に示す。

実施形態において、第１の無機層の平衡厚は第１の無機層の初期厚の少なくとも１０％（例えば、少なくとも１０，１５，２０，２５，３０，３５，４０，４５，５０，５５，６０，６５または７５％）である。

表２は表面水和生成物の膜応力への寄与への中心金属イオンに関する体積変化の影響に注目している。モル体積変化におけるほぼ１５％以下に対応する狭い帯域が気密化に有効な圧縮力に寄与することが見いだされた。実施形態において、第２の無機層のモル体積は第１の無機層のモル体積より−１％から１５％（すなわち、−１，０，１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４または１５％）大きい。得られる自己封止挙動（すなわち気密性）は体積膨張に関係すると思われる。

表３は、気密膜形成無機酸化物が必ず、与えられた元素対に対し、形成のギブスの自由エネルギーに反映されるように、熱力学的安定性が最も低い酸化物であったことを示す。このことは、被着されたままの無機酸化物膜が準安定であり、したがって加水分解または酸化に向かう反応をおこすことを示唆する。

気密層は、実用目的のため、実質的に空気を遮断し、実質的に水を通さないと見なされる層である。例として、気密薄膜は、酸素の浸透（拡散）を約１０^−２ｃｍ^３/ｍ^２/日未満（例えば約１０^−３ｃｍ^３/ｍ^２/日未満）に抑え、水の滲透（拡散）を約１０^−２ｇ/ｍ^２/日未満（例えば約１０^−３，１０^−４，１０^−５または１０^−６ｇ/ｃｍ^２/日未満）に抑えるように構成することができる。実施形態において、気密薄膜はその下にある加工物への空気及び水の接触を実質的に阻止する。

本明細書に用いられるように、単数形の冠詞‘a’，‘an’及び‘the’は、そうではないことが文脈に明白に規定されていない限り複数の指示対象を含む。すなわち、例えば、「層」への言及は、そうではないことを文脈が明白に示していない限り、そのような「層」を２つ以上有する例を含む。

本明細書において範囲は[「約」１つの特定値]から、及び／または[「約」別の特定値]までのように表され得る。範囲がそのように表される場合、例はその１つの特定値から及び／またはその別の特定値までを含む。同様に、先行詞「約」の使用により値が近似値として表されていれば、その特定の値が別の態様をなすことが理解されるであろう。さらに、範囲のそれぞれの端点が、他方の端点との関係でも、他方の端点とは独立にも、有意であることが理解されるであろう。

別途に明白に言明されない限り、本明細書に述べられるいかなる方法もその工程が特定の順序で実施されるべきであることを要求されると解されることは全く考えていない。したがって、工程がしたがうべき順序を方法特許請求項が実際に挙げていないか、そうではなくとも工程が特定の順序に限定されるべきであることを特許請求項または説明に特に言明されていない場合、いかなる特定の順序も推定されるとは全く考えていない。

本発明の叙述は特定の仕方で機能するように「構成」または「適合」されている本発明のコンポーネントを指すことにも注意されたい。この点において、そのようなコンポーネントは、特定の特性を、または特定の態様で機能を、具現化するように「構成」または「適合」されており、そのような叙述は目的使用の叙述に対するものとしての構造叙述である。さらに詳しくは、コンポーネントが「構成」または「適合」されている態様への本明細書における言及は、コンポーネントの既存の物理的状況を表し、したがってコンポーネントの構造特徴の明確な叙述ととられるべきである。

本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。本発明の精神及び本質を組み込んでいる開示された実施形態の改変、組合せ、サブ組合せ及び変形が当業者には思い浮かび得るから、本発明は添付される特許請求項及びその等価形態内に全てを含むと解されるべきである。

１００ 単チャンバスパッタ被着装置
１０５ 真空チャンバ
１１０ 基板ステージ
１１２ 基板
１２０ マスクステージシャドウマスク
１２２ シャドウマスク
１４０ 真空ポート
１５０ 水冷ポート
１６０ ガス流入ポート
１８０ 蒸発源
１８２ 導電リード
１８６ 膜厚モニタ
１９０ 電源
１９３ コントローラ
１９５，３９５ 制御ステーション
３００ スパッタガン
３１０ スパッタターゲット
３９０ ＲＦ電源
３９３ フィードバックコントローラ
４００ ガラス基板
４０２ カルシウムパッチ
４０４ 無機酸化物膜
４０４Ａ 第１無機層
４０４Ｂ 第２無機層

Claims (3)

1. 基板を覆って形成された、初期厚を有する第１の無機層、及び
   前記第１の無機層と連接する第２の無機層、
   を含む気密薄膜であって、
   前記第１の無機層及び前記第２の無機層が実質的に等価な元素成分を含み、
   前記第２の無機層のモル体積が前記第１の無機層のモル体積より−１％から１５％大きく、
   前記第２の無機層の平衡厚が前記第１の無機層の前記初期厚の少なくとも１０％であって、かつ、前記第１の無機層の前記初期厚よりは薄く、
   前記第１の無機層を構成する材料と前記第２の無機層を構成する材料が、ＣｕＯとパラメラコナイトの組合せであることを特徴とする気密薄膜。
2. 前記第１の無機層が非晶質であることを特徴とする請求項１に記載の気密薄膜。
3. 前記第２の無機層が結晶質であることを特徴とする請求項１に記載の気密薄膜。