JP6979938B2 - 導電性透明アルミニウムドープ酸化亜鉛スパッタ膜 - Google Patents

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Description

関連出願の説明
本出願は2012年10月8日に出願された米国仮特許出願第61/710848号及び2012年11月29日に出願された米国仮特許出願第61/731172号の優先権の恩典を主張する。本明細書は上記仮特許出願の明細書の内容に依存し、上記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。
本開示の技術は導電性透明酸化物(TCO)膜に関し、特にアルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)TCO膜に関する。
導電性透明酸化物(TCO)膜は、可視光及び近赤外光に透明な層に導電性が必要とされるディスプレイ及び光電池用途に広く用いられている。例えば、TCO膜は、液晶セルにアドレスするためにLCDフラットパネルディスプレイのカバーガラス上に、また電気抵抗型及び静電容量型のタッチスクリーンにおける検知電極として及び光電池の透明コンタクトとして、用いられる。TCOは低輻射(ローイー)ガラス窓の赤外(IR)ミラーにも広く用いられている。
酸化インジウムスズ(ITO)は、比抵抗(約1〜2×10−4Ω・cm)が低く、表面粗さが小さく(5nmR未満)、環境に耐え、パターン形成が容易であることにより、高性能用途に主要なTCOになっている。しかし、インジウムの希少性のため、ITO膜は高価になり、用途が限定される。より豊富な元素に基づく低コストの代替の実用的な工業適用の達成が過去数10年間の主要な研究対象になっている。
APCVD(常圧化学的気相成長)プロセスにおける粗さ及び欠陥率が許容され得る−「フロートプロセス」で作製されたガラス上にインラインで実施される−ローイー窓及びいくつかの光電池(PV)用途には、APCVD堆積フッ素ドープ酸化スズ(FTO)が広く用いられている。(フロートプロセスまたはその他のガラス製造プロセスにインラインで実施されない)オフラインプロセスに関する研究は主にドープト酸化亜鉛材料に主に向けられている。シリコンタンデムPVにおける前面コンタクト層に最適化された大表面粗さTCOを作製するためにホウ素ドープ酸化亜鉛TCOを堆積するため、LPCVD(減圧CVD)が用いられている。工業用には、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)膜及びガリウムドープ酸化亜鉛(GZO)膜の作製にスパッタリングが使用されているかまたは検討されている。これらのスパッタ酸化亜鉛プロセスは、シリコンタンデムPV用に最適化された大表面粗さ膜とは対照的に平滑膜がさらに望ましい、CdTe PVまたはタッチ用途に採用することができる。シリコンタンデムPVに適する制御された表面粗さを得るための、比較的平滑なドープト酸化亜鉛スパッタ膜のエッチングも非特許文献1に示されている。
AZOの特性はエルマー(Elmer)により非特許文献2に広い範囲にわたって総括されている。報告されている最小の比抵抗は2.0×10−4Ω・cmのオーダーであり、最も高いホール易動度は60cm−1−1である。AZOの光学特性と電気特性は独立ではない−両者は物理的にリンクしていて、ドゥルーデモデルによって説明することができる(非特許文献3を見よ)。このモデルは自由電子及び束縛電子の両者の運動によって金属の温度特性を、また電気特性及び光学特性も、説明する。自由電子濃度が高くなると導電度が高くなる。しかし、プラズマ周波数(それより高いとドゥルーデモデルにおいて材料が電磁放射に対して透明になる周波数)が高くなるにつれて赤外光(低周波数光)における吸収も大きくなる。
RF,MF,パルスDC,DC,及びRF重畳DCスパッタリングを用いる、金属ターゲット及びセラミックターゲットからのAZOのスパッタ堆積が報告されている。金属ターゲットからの堆積には、一貫したレベルの非化学量論的酸素含有量を達成するため、反応プロセスの精密な制御が必要である。双マグネトロン及び光学発光を用いるACプロセスが大面積インラインAZOコーティングに用いられる。金属ターゲットを用いるDCスパッタリングプロセスは、ターゲット中毒がヒステリシスを生じさせるため、制御が一層難しくなる。酸化物ターゲットを用いるDCスパッタリングも、スパッタ電圧が、特に少量ドーピングレベルに対して、高くなり得るから、制御が容易ではない。そのような高電圧にともなうアーキングが粒子状汚染を生じさせ、ターゲットを損ない得る。さらに、堆積膜の比抵抗は、マグネトロンレーストラックの形状を写像する傾向があり、一様にならない。
文献に報告されている最適AZO堆積温度は、金属ターゲットを用いる、150〜250℃(非特許文献4,非特許文献5)、セラミックターゲットとRFスパッタリングを用いる、250℃(非特許文献6)〜450℃(非特許文献7)及び、セラミックターゲットとDCスパッタリングを用いる、150〜400℃(非特許文献6)の、広い範囲にわたる。最適温度より高い温度では散乱中心の形成により比抵抗が高くなることが報告されている(非特許文献5)。散乱の原因はイオン化不純物散乱(非特許文献5、非特許文献6)及び、ドーパントの凝離及びガラス基板からのアルカリ汚染物の拡散による、過剰結晶粒界散乱(非特許文献5)であると報告されている。
シリコンタンデムPVに対するTCOコーティングに必要な特定の属性は一般に、分路を最小化するための低微粒率及び低欠陥率、光吸収を最小化するに十分に低い比抵抗、非晶質Si太陽電池による光収集を最大化するに十分にUV域からはなれた吸収端、多結晶Si太陽電池による光収集を最大化するに十分に赤外域内に入る低いプラズマ周波数及び散乱を制御するための調節可能な粗さである。シリコンタンデムPVのためのTCOコーティングの面積抵抗は一般に8〜20Ω/□の範囲にある。大きすぎる面積抵抗は太陽電池の望ましくない直列抵抗を高め、小さすぎる面積抵抗は光吸収を高めるので望ましくないから、モジュール形状寸法が最適面積抵抗を決定するであろう。したがって、TCOの最適化には、高レベルのドーピングは自由キャリア密度を高め、不純物散乱が支配するまで比抵抗を低めるから、これらのパラメータとトレードオフの関係にある。高レベルのドーピングはバースタイン−モス効果によりバンドギャップを大きくするが、プラズマ周波数も高め、IRの透過率を低める。
シリコンタンデムPVパネルは一般に20年以上の寿命にかけて動作が保証されなければならないから、環境耐久性も要求される。ZnOはいかなる酸性溶液にもごく可溶であり、よってモルフォロジー及び密度の制御が溶解率の最小化に肝要である。
光散乱モデルは比較的厚いTCOに光をより大きな角度に散乱するための長空間周波数の粗さをもたせることが望ましいことを示す。スパッタAZO膜は、光散乱に必要な粗さに比べると、比較的平滑である。シリコンタンデムPV用AZO TCO膜は一般により厚く堆積され、次いで、所望の粗さを得るために希HCl内でウエットエッチングされる。平滑な長周期クレーターをエッチングするには緻密な柱状組織膜が必要であることが示されている(非特許文献8、非特許文献4)。最適形状寸法は1〜3μmの横方向寸法及び120°〜135°の平均開口角として説明されている(非特許文献7)。
改善されたAZO TCO膜及び、透明度、導電度及び表面モルフォロジーを同時に最適化することができる、改善されたAZO TCO膜を堆積する方法を提供することが望ましいであろう。
ベルジンスキ(Berginski)等,J. Appl. Phys.,2007年,第101巻,p.074903 エルマー(Elmer),J.Phys. D: Appl. Phys.,2001年,第34巻,p.3097 シン(Singh),J. Appl. Phys.,2004年,第95巻,第7号,p.3640 オー・クラス(O. Kluth)等,Thin Solid Films,2003年,第442巻,p.80 ジェイ・チャン(J. Chang)及びエム・ホン(M. Hon),Thin Solid Films,2001年,第386巻,p.79 ティー・ミナミ(T. Minami)等,J. Cryst. Growth,1992年,第117巻,p.370 ベルジンスキ等,Thin Solid Films,2008年,第516巻,p.5836 ベルジンスキ等,SPIE,2006年,6197 Y1
改善されたAZO膜及び改善されたAZO膜を作製する方法が説明される。膜は安定で、極めて導電性であり、極めて透明である。本明細書に説明されるAZO膜の結晶粒構造は、DCにより250℃以下で堆積した場合の文献に一般的に説明されているクラウンタイプの代わりに、柱状組織構造である。既知の先に報告されているAZO膜と比較すると、本明細書に説明されるAZO膜は以下の独特な特性、
(1)325℃より高い温度においてパルスDCにより堆積されたAZO膜は、膜の底面から上面まで柱状組織が延び、AZO膜の横方向径の小さい結晶粒(基板から膜の上面まで延びる、70nmより幅が狭い結晶粒)をもたらす、緻密な柱状結晶粒構造を示す、
(2)AZO膜の比抵抗は375nmより大きい膜厚に依存しない、
(3)膜は大きな電子易動度にかかわらず小さい光吸収を有する、
(4)膜は450℃まで電気的劣化がない改善された温度安定性を有する、及び
(5)膜は改善された化学的耐久性を有する、
を有する。
本明細書に開示される方法は、Alの組成範囲が0.5〜2重量%で、膜の底面から上面まで延びる柱状組織を有する柱状結晶粒構造を示し、面内結晶粒径が70nmより小さい、アルミニウムドープ酸化亜鉛膜をもつ透明(望ましくはガラスの)基板の作成を可能にする。さらに、別の態様にしたがえば、400nmより薄い厚さにおいて10Ω/□より小さい面積抵抗を得ることができる。別の態様にしたがえば、AZO膜は10nmより小さい表面粗さRaを有し、500nmより大きい膜厚をもつ。また別の態様にしたがえば、AZO膜の柱状結晶粒の結晶粒角は2°より小さい。ここで、結晶粒角は基板に垂直な方向にある結晶粒の2つの側壁の間の角度として定義される。さらに別の態様にしたがえば、AZO膜は45cm/(V・s)より大きいホール易動度及び400×10−6Ω・cmより小さい比抵抗を有する。得られるAZO膜の比抵抗は450℃までの温度におけるアニールによって変化しないことも望ましい。酸性溶液内のAZO膜のエッチング速度は、300℃以下で堆積された、クラウンタイプの結晶粒構造を有し、結晶粒角が5°より大きい、AZO膜について観察された速度の50%より小さいことも望ましい。
また別の態様にしたがえば、特許請求項のAZO膜を堆積するための、ZnO内にAlが0.5〜2.0重量%の範囲で含まれる組成をもつ酸化物ターゲットをスパッタする工程を含む、方法が開示される。本方法の別の態様にしたがえば、堆積温度は325℃より高い。本方法のまた別の態様にしたがえば、酸化物ターゲットにパルスDC電圧が印加される。また別の態様にしたがえば、パルスのデューティサイクルは40%より大きい。堆積中にパルスDC信号によって形成されるプラズマの電力密度は1W/cmと2W/cmの間であることが望ましく、プロセス圧力は10mTorr(1.33Pa)より低いことが望ましい。
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、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を、また添付図面も、含む本明細書に説明されるように実施形態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のいずれもが実施形態を提示し、本開示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。図面は様々な実施形態を示し、記述とともに、開示される概念の原理及び動作の説明に役立つ。
図1Aは、ドーピングレベルが1重量%のAZOターゲットを用い、第1の温度で堆積された、スパッタAZO膜の結晶粒構造を示す(断面及び上面の)SEM像である。 図1Bは、ドーピングレベルが1重量%のAZOターゲットを用い、第1の温度とは異なる第2の温度で堆積された、スパッタAZO膜の結晶粒構造を示す(断面及び上面の)SEM像である。 図2は、いくつかのスパッタAl:ZnO膜の、堆積温度の関数としての比抵抗のグラフである。 図3は、いくつかのスパッタAl:ZnO膜の、堆積温度の関数としてのホール易動度を示すグラフである。 図4は、いくつかのスパッタAl:ZnO膜の、堆積温度の関数としての、自由キャリア密度とEMPA(スイス連邦材料試験研究所)によって測定されたアルミニウム含有量から計算したドーパント活性化を示すグラフである。 図5Aは、いくつかのスパッタAl:ZnO膜の、エッチング時間の関数としてのエッチング速度を示すグラフである。 図5Bは、いくつかのスパッタAl:ZnO膜の、エッチング時間の関数としての山対谷粗さを示すグラフである。 図6は、エッチングされた、350℃より高い温度においてパルスDCにより堆積したAZO膜のSEM像である。
その例が添付図面に示される実施形態をここで詳細に参照する。添付図面には、いくつかの、ただし全てではない実施形態が示されている。実際、本開示の概念は多くの異なる形態で具現化することができ、本開示を限定すると解されるべきではなく、これらの実施形態は本開示が法的要件を満たすであろうように提供される。可能であれば必ず、同様の参照数字が同様のコンポーネントまたは要素を指すために用いられるであろう。
改善されたAZO膜及び改善されたAZO膜を形成する方法が説明される。膜は安定で、極めて導電性であり、極めて透明である。本明細書に説明されるAZO膜の結晶粒構造は、クラウンタイプまたはコーンタイプの代わりに、柱状であり、クラウンタイプ結晶粒構造は一般に、250℃以下でDCにより堆積された場合の文献に述べられている。現在報告されているAZO膜と比較して、本明細書に開示されるAZO膜は以下の独特な特性、
(1)325℃より高い温度においてパルスDCにより堆積されたAZO膜は、AZO膜の横方向結晶粒径を小さくする、柱状結晶粒構造(基板から膜の最上面まで延びる、70nmより直径が小さい柱状構造)を示す、
(2)AZO膜の比抵抗は375nmより大きい膜厚に依存しない、
(3)膜は大きな電子易動度にかかわらず小さい光吸収を有する、
(4)膜は熱的により安定であり、450℃まで電気的劣化がない、及び
(5)膜は改善された化学的耐久性を有する、
を有する。
本明細書に開示される方法は、Alの組成範囲が0.5〜2重量%であって、膜の底面から上面まで延びる柱状組織を有する柱状結晶粒構造を示し、面内結晶粒径が70nmより小さい、アルミニウムドープ酸化亜鉛膜をもつガラス基板の作成を可能にする。さらに、膜は10Ω/□より小さい面積抵抗及び400nmより薄い厚さを示すことが好ましい。別の態様にしたがえば、AZO膜は10nmより小さい表面粗さRを有し、膜厚は500nmより大きい。また別の態様にしたがえば、AZO膜の柱状結晶粒の結晶粒角は2°より小さい。ここで、結晶粒角は膜厚方向にある結晶粒の2つの側壁の間の角度として定義される。さらに別の態様にしたがえば、AZO膜は45cm/(V・s)より大きいホール易動度及び400×10−6Ω・cmより小さい比抵抗を有する。AZO膜の比抵抗は450℃までの温度におけるアニールによって変化しないことが望ましい。酸性溶液内のAZO膜のエッチング速度は、300℃未満で堆積された、クラウンタイプの結晶粒を有し、結晶粒角が5°より大きい、AZO膜について観察された速度の50%より小さいことも望ましい。
また別の態様にしたがえば、AZO膜を堆積するための方法は、ZnO内にAlが0.5〜2.0重量%の範囲で含まれる組成をもつ酸化物ターゲットをスパッタする工程を含む。本方法の別の態様にしたがえば、堆積温度は325℃より高い。本方法のまた別の態様にしたがえば、酸化物ターゲットにパルスDC電圧が印加される。また別の態様にしたがえば、パルスのデューティサイクルは40%より大きい。パルスDC信号によって形成されるプラズマの電力密度は1W/cmと2W/cmの間であることが望ましく、さらに、プロセス圧力は10mTorr(1.33Pa)より低いことが望ましい。
本明細書に開示されるAZO膜は、極めて導電性であり、良好な透明度を有し、化学的耐久性もあり、AZO膜を作製するスパッタリングプロセスは一般に安定で反復可能なプロセスである。
実験
ショートスロークライオポンプで真空引きされるPVDシステムに直径12.9インチ(32.8cm)の酸化物ターゲットを装着し、パルスDC電源でスパッタして、150mm径ガラス基板上にAZO膜を堆積した。基板をステンレス鋼ヒータに機械的にクランプし、裏面アルゴンで425℃まで加熱した。パルスDCスパッタリングは、パルス周波数に無関係に、スパッタ電圧をパルスデューティサイクルに線形依存して実効的に低下させることでターゲットアーキングが無くなることが分かった。
250℃及び425℃で堆積した1.0重量%AZOの断面SEM顕微鏡写真を、それぞれ図1A(対照)及び図1B(開示されたプロセス及び構造)に示す。250℃において、膜は、結晶粒が大きく、表面粗さが大きい、柱状モルフォロジーを示す。425℃において、成長は柱状であり、結晶粒幅は70nm以下でしかなく、表面粗さは小さい。X線回折解析は、250℃未満の温度では予想通りのランダム/複方位を有する紅亜鉛鉱構造を示し、350℃以上の温度では強い(002)方位を示す。図2は、0.5重量%AZO、1.0重量%AZO及び2.0重量%AZOの比抵抗を堆積温度の関数として示す。2%AZOの比抵抗は〜350℃で〜3.2×10−4Ω・cmの最小値に達することが分かる。0.5重量%AZOの比抵抗は温度とともに減少し、425℃の最高ヒータ温度において7.50×10−4Ω・cmの低い値に達することが分かる。1重量%AZOについての比抵抗対温度曲線は2つの極小を有する。SEMが既知の手法と矛盾しないクラウン成長を示す250℃において、比抵抗は8.00×10−4Ω・cmの第1の極小を示す。比抵抗は、250℃より上で、初めは温度が高くなるにつれて増加し、次いで減少に転じ、SEMが本開示において好ましいと認められる柱状成長を示す425℃において、2.95×10−4Ω・cmの第2の極小に至る。
図3に示すホール測定値は比抵抗と矛盾しない。2重量%AZOのホール易動度及び自由キャリア密度は350℃近くでピーク値をとる。対照的に、1重量%AZOのホール易動度及び自由キャリア密度は第1の極小が250℃近くにある1重量%AZO比抵抗曲線にしたがい、自由キャリア密度は増加し続けるが、ホール易動度は21cm/(V・s)まで減少してか、再び増加して、425℃で45cm/(V・s)に達する。0.5重量%AZOの易動度は425℃まで一意的に増加することが分かる。
図4はEPMA(スイス連邦材料試験研究所(Eidgenoessische Materialpruefungs- und Forschugsanstalt),スイス国ザンクトガレン(St. Gallen))で測定された自由キャリア密度及びアルミニウム含有量から計算したドーパント活性化を温度の関数として示す。一般に、ドーパント活性化は、堆積温度と共に増大する。しかし、350℃より高い温度での活性化対温度の勾配は、0.5重量%AZO及び1.0重量%AZOについては大きくなるが、2.0重量%AZOについては負に転じる。0.5重量%AZO及び1.0重量%AZOについては、400℃より高い温度において60%をこえる活性化が見られる(従来技術では、金属ターゲットを用い、200℃において最適条件下で堆積したAZO膜について40%のドーパント活性化が報告されている)。425℃で堆積した1重量%AZO膜についての比抵抗対膜厚を図4に示す。375nm厚でしかない膜について、300×10−6Ω・cm未満までの比抵抗の減少が見られる。従来技術では、400nm厚において550×10−6Ω・cmをこえる比抵抗が見られ、膜厚が1μmになるまで比抵抗が400×10−6Ω・cm未満に下がることはない。
図5Aは、250℃、325℃及び425℃で堆積した1重量%AZO膜の5秒間から50秒間のエッチングによるエッチング速度を示し、図5Bはエッチングにより形成されたピーク対谷表面粗さを膜厚で規格化して示す。425℃で堆積した1重量%AZO膜のエッチング速度はより低い温度で堆積したAZO膜のエッチング速度の1/3でしかなかった。平均表面粗さ(R)を膜厚で規格化した値(R/th)も同様に、特に長時間エッチングで、小さかった。しかし、膜厚で規格化したピーク対谷粗さ(図5Bに示されるRp−v/th)は大きくは異ならなかった。30秒をこえるエッチングでは、ピーク対谷粗さは膜厚の50%をこえた。エッチング速度とR/th及びRp−v/thの間のこの不一致の原因は図6に示される425℃で堆積した1重量%AZO膜のAFM像に見ることができる。エッチング後の表面は、エッチング時間が20秒をこえると形成される大きなピットを除いて、比較的平滑である。このエッチングされた表面のモルフォロジーは改善された光散乱を生じさせる−特許文献4を見よ。
本明細書に述べられる実施形態の多くの改変及び他の実施形態が上記説明及び関連図面に提示された教示の恩恵を有する当業者には思い浮かぶであろう。したがって、説明及び特許請求項が開示された特定の実施形態に限定されることはなく、そのような改変及び他の実施形態が添付される特許請求項の範囲内に含まれるとされることは当然である。実施形態の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価形態の範囲内に入れば、実施形態はそのような改変及び変形を包含するとされる。特定の術語/述語が本明細書に用いられているが、それらは包括的かつ説明の意味でしか用いられておらず、限定の目的のためではない。

Claims (4)

  1. AZO膜を堆積するための方法であって、
    ZnO内にAlが1.0重量%含まれる組成をもつ酸化物ターゲットを提供する工程と、
    400℃より高い温度でパルスDC電圧を印加して前記酸化物ターゲットをスパッタすることにより、AZO膜を堆積する工程、
    を有する方法。
  2. 前記パルスDC電圧を印加することが、40%より大きいデューティサイクルを持つパルスを印加することを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記堆積する工程がさらに、1W/cmと2W/cmの間の電力密度を有するプラズマを形成すること含む、請求項1または2に記載の方法。
  4. プロセス圧力は10mTorr(1.33Pa)より低いことを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載の方法。
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