JPWO2008013238A1 - 透明導電膜の成膜方法 - Google Patents

透明導電膜の成膜方法 Download PDF

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Abstract

抵抗率が低い透明導電膜を提供する。本発明の成膜方法は、ZnOを主成分とし、Al2O3とB2O3とが添加されたターゲット11を、真空雰囲気中でスパッタリングして基板21表面に透明導電膜を形成した後、該透明導電膜を300℃以上400℃以下の温度で加熱してアニール処理を行う。得られた透明導電膜はZnOを主成分とし、AlとBとが添加されることで、抵抗率が下がっている。本発明により成膜された透明導電膜はFDP等の透明電極に適している。

Description

本発明は成膜方法に関し、特に透明導電膜の成膜方法に関する。
従来より、プラズマディスプレイパネル(PDP)や液晶パネル等のFDP(Flat Display Panel)に用いられる透明電極にはIn−Sn−O系透明導電膜(以下、ITO膜という)が用いられているが、近年、インジウム資源の枯渇化によりインジウムの価格が高騰しているため、ITOに代わる透明導電材料が求められている。
ITOに代わる透明導電材料としてはZnO系材料が検討されている。しかし、ZnOは高抵抗なため、ZnO単体では電極に用いることは困難である。
ZnOにAl23を添加すると抵抗率が下がることは知られているが、例えば、ZnOにAl23を添加したターゲットをスパッタリングして透明電極を成膜した場合、その透明電極の抵抗率はITO膜の数倍もあり、低抵抗化が実用上十分ではない。
一般に導電膜を成膜後加熱処理(アニール処理)すれば抵抗率は低下するが、Al23を添加したZnO膜は高温領域の大気アニール処理によりかえって抵抗率が上昇してしまった。
特開平11−236219号公報
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、抵抗率の低い透明導電膜を、安価でかつ供給の安定した材料を用いて製造することにある。
上記課題を解決するために本発明は、ZnOを主成分とするターゲットを真空雰囲気中でスパッタリングして、成膜対象物表面に透明導電膜を形成する透明導電膜の成膜方法であって、Alからなる主添加元素の原子数が、Zn原子数100個に対して1個以上5個以下になるように、前記ターゲットにAl23からなる主添加酸化物を添加し、B23と、Ga23と、In23と、Tl23とからなる副添加酸化物群から1種類以上の副添加酸化物を選択し、前記選択された副添加酸化物中の、B、Ga、In、又はTlの合計原子数が、Znの原子数100個に対して1個以上15個以下になるように、前記選択された前記副添加酸化物を前記ターゲットに添加しておく、透明導電膜の成膜方法である。
本発明は、前記透明導電膜を形成した後、前記透明導電膜を所定の加熱温度に加熱してアニール処理を行う透明導電膜の成膜方法であって、前記加熱温度を250℃以上500℃以下にする透明導電膜の成膜方法である。
本発明は透明導電膜の成膜方法であって、前記アニール処理は前記透明導電膜を大気雰囲気中で加熱する透明導電膜の成膜方法である。
尚、本発明で主成分とは、主成分となる物質を全体の50原子%以上含有することである。
本発明は上記のように構成されており、ターゲットには、Al23(主添加酸化物)と、B23(副添加酸化物)とが添加されているため、本発明により成膜された透明導電膜はZnOを主成分とし、Al(主添加元素)とB(副添加元素)とが添加されている。
ZnO膜はAlが添加されたことで抵抗率が下がり、Alを添加したことによるZnOの結晶の歪みはBの添加によって緩和されるため、ドーパント(AlとBの総量)を高濃度で添加することが可能となる。その結果、Alを添加しない場合や、Bを添加せずにAlだけを添加した場合に比べて透明導電膜の抵抗率が低くなる。尚、Bに変え、副添加元素としてGa、In、又はTlを添加した場合と、Bと一緒にGa、In、又はTlを添加した場合も、Bだけを添加した場合と同様の効果がある。
ZnOの膜にドナー(電子供与体)としてAlだけを高濃度に添加すると、結晶中の電子移動度が低下することと、酸化物状態のまま膜中に取り込まれるAlが増加することから却って抵抗率が高くなる。本発明では、Alに加え、Bのような別のドナーを添加することで電子移動度の低下を防止し、ドーパントの高濃度添加を可能にしている。
AlとBとが添加されたZnO膜は、スパッタリングによって成膜後、加熱処理(アニール処理)されることで活性化し、電気抵抗が下がる。ZnO膜中でAlは酸化物でなく、原子として結晶に取り込まれることで活性化しているが、大気雰囲気において400℃以上の高温で透明導電膜が加熱されると、Alは酸化されて不活性となる。BはAlよりも高温で活性化し、大気雰囲気において高温(例えば500℃)でも酸化しないので、本願の透明導電膜が高温で加熱された場合であっても抵抗率が上昇しない。尚、真空中であればAlの酸化は起こらない。
尚、Ga、In、TlもAlよりも高温で活性化し、大気雰囲気において高温でも酸化しないので、Bに変え、副添加元素としてGa、In、又はTlを添加した場合と、Bと一緒にGa、In、又はTlを添加した場合も、Bだけを添加した場合と同様の効果がある。
Znの原子数に対するAlの原子数の割合が1%以上5%以下になり、Znの原子数に対するBの原子数の割合が1%以上15%以下になるようにAl23とB23とが添加されたターゲットを用いれば、透明性が高く、かつ、抵抗率が低い透明導電膜が得られると推測される。
本発明によれば、インジウムを用いずに、ZnOと、Al23と、B23のような安価で安定供給される材料を用いて、抵抗率の低い透明導電膜を提供することができる。Inを用いる場合、Inは副添加元素として用いられるので、添加量は少なくてすむ。アニール処理を真空雰囲気で行う必要が無いので、成膜装置の構造が簡易であり、真空槽内での処理時間が短くなる。加熱成膜を行った場合同等以上の膜質が得られることが推測されるが、基板に対してダメージの小さい温度で成膜した後、アニール処理により抵抗が下がる。このような低温成膜装置は、高温成膜装置より構造が簡易となる。
本発明に用いる成膜装置の一例を説明する断面図 (a)、(b):本発明の透明導電膜の成膜工程を説明する断面図
符号の説明
1……成膜装置 2……真空槽 11……ターゲット 21……基板(成膜対象物)
先ず、本発明に用いるターゲットを製造する工程の一例について説明する。
ZnOと、Al23と、B23の3種類の粉状酸化物を秤量して、ZnOを主成分とし、Znの原子数に対して、Al原子とB原子が所定割合で含有された混合粉体を作成し、該混合粉体を真空中で仮焼成する。
得られた焼成体に水と分散材料を加えて混合して混合物を作製し、その混合物を乾燥させた後、真空中で再度仮焼成する。次いで、焼成体を粉砕して均質化した後、真空雰囲気中で板状に成形し、その成形体を真空雰囲気中で焼成し、板状のターゲットを作製する。このターゲットはZnOを主成分とし、Al23と、B23とが添加されており、該ターゲットに含まれるZnとAlとBの原子数の割合は、上記混合粉体と同じ割合になっている。
次に、上記ターゲットを用いて透明導電膜を成膜する工程について説明する。
図1の符号1は本発明に用いる成膜装置を示しており、この成膜装置1は真空槽2を有している。
真空槽2には真空排気系9とスパッタガス供給系8とが接続されており、真空排気系9によって真空槽2内を真空排気した後、真空排気を続けながらスパッタガス供給系8から真空槽2内にスパッタガスを供給し、所定圧力の成膜雰囲気を形成する。
真空槽2内には上述したターゲット11と、基板ホルダ7とが配置されており、成膜対象物である基板21は表面がターゲット11と対面するように向けた状態で基板ホルダ7に保持される。
ターゲット11は真空槽2外部に配置された電源5に接続されており、上記成膜雰囲気を維持しながら、真空槽2を接地電位に置いた状態でターゲット11に電圧を印加すると、ターゲット11がスパッタリングされてスパッタ粒子が放出され、基板21の表面にZnOを主成分とし、Znの原子数と、Alの原子数と、Bの原子数の割合が、ターゲット11と同じ割合の透明導電膜23が成長する(図2(a))。
透明導電膜23が所定膜厚まで成長したところで成膜を中止し、基板21を成膜装置1から大気雰囲気に取り出す。透明導電膜23が形成された状態の基板21を不図示の加熱装置に搬入し、大気雰囲気中で所定のアニール温度で加熱して、透明導電膜23をアニール処理する。図2(b)の符号24はアニール処理後の透明導電膜を示しており、アニール処理後の透明導電膜24は抵抗率が低いので、この透明導電膜24を所定形状にパターニングすれば、FDPの透明電極に用いることができる。
本発明の透明導電膜はITOとは異なり、アニール処理後もパターニングすることが可能である。
下記の「作製条件」でターゲット11を作製した後、該ターゲット11を用いて下記の「成膜条件」で基板表面に実施例1の透明導電膜24を作製した。
<作製条件>
混合粉体の組成:Alの原子数3、Bの原子数6(Zn原子数100に対する)
仮焼成(1回目、2回目):真空雰囲気中で450℃、12時間
混合物の作成:ジルコニアボール10φ(粒径10mm)を用い、ボールミルにより24時間混合
混合物の乾燥:オーブンにより48時間乾燥。
粉砕:乳鉢を用いた手粉砕により粒径が750μm以下になるように粉砕
ターゲットの成形及び焼成:ホットプレスにより600℃×150分真空中で成形及び焼成
ターゲットの大きさ:直径4インチ
<成膜条件>
基板温度:160℃
膜厚:200nm(2000Å)
スパッタガス:Ar
Ar流量:200sccm
成膜雰囲気の圧力:0.4Pa
ターゲットへの投入電力:0.8kW(DC電源)
アニール温度:200以上400℃以下(大気雰囲気中)
<抵抗率測定>
アニール処理後の実施例1の透明導電膜24について、抵抗率を四探針プローブ低抵抗率計により測定した。
尚、ZnOを主成分とし、Al23が2重量%添加されたターゲット(Bを含有せず)を用いた以外は、上記実施例1と同じ条件で比較例の透明導電膜を作製し、その透明導電膜についても実施例1と同じ条件で抵抗率を測定した。
その測定結果を、アニール温度と共に下記表1に記載する。
Figure 2008013238
FDPの透明電極としては、抵抗率が500μΩ・cm程度か、それ以下がより好ましいとされている。表1に記載した測定結果から、アニール温度が300℃以上400℃以下であれば、比較例よりも実施例1が抵抗率が低く、しかもその抵抗率は600μΩ・cm未満と低く、500μΩ・cmに近かった。また、実施例1で得られた膜は透明であり、光学的にも電気的にも透明電極に適していることが分かる。
比較例はアニール温度を変えても抵抗率が600μΩ・cmを超えており、特に、400℃以上のアニール温度でアニール処理したものは、透明導電膜の酸化が進行し、抵抗劣化が顕著であった。これに対し、実施例1の透明導電膜24はアニール温度が400℃であっても、抵抗率が極端に大きくはならなかった。
以上の結果から、ZnOを主成分とし、Al23とB23とを加えたターゲットをスパッタリングして形成された透明導電膜を、300℃以上400℃以下の温度でアニール処理すれば、透明電極に適した膜が得られることが確認された。
以上は、スパッタガスとしてArガスを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、スパッタガスとしてはXeガス、Neガス等も用いることができる。
ターゲット11の製造方法も特に限定されず、一般的に用いられる種々の製造方法で本願に使用するターゲット11を製造することができる。
アニール処理を真空雰囲気で行うと、大気雰囲気で行った場合に比べて抵抗率はより低くなるが、真空雰囲気で行うためにはアニール処理専用の真空槽を用意する必要があるため、成膜装置が複雑で高価になる。また、アニール処理を行う分、真空槽内での処理時間が長くなると、アニール処理を大気雰囲気で行った場合に比べて1枚の基板の成膜処理に要する時間が長くなる。
上述したように、本発明によれば、大気雰囲気でアニール処理を行った場合でも、透明電極として実用上十分に抵抗率が低くなるのだから、アニール処理は大気雰囲気中で行うことが好ましい。
本発明により成膜された透明導電膜24はPDPや液晶パネルの透明電極以外にも、FED(Field Emission Display)等、種々の表示装置の透明電極に用いることができる。FEDとPDPの場合、アニール温度を300℃以上の高温にしても製造工程上問題が無いから、本願発明はこれらの表示装置の透明電極の製造に特に適している。
また、ターゲットに添加するAl23の添加量(Zn原子数に対するAl原子数の割合)と、B23の添加量(Zn原子数に対するB原子数の割合)の最適範囲をそれぞれ見つければ、アニール温度が300℃未満であっても低抵抗率が可能であると推測される。
<実施例2>
Al23と、B23の添加量を変えた以外は、上記実施例1と同じ条件で実施例2のターゲット11を作成し、該ターゲット11を用いて、上記実施例1と同じ条件で透明導電膜23を成膜した後、200℃〜500℃の温度範囲で大気雰囲気中で加熱処理を行い、アニール処理後の透明導電膜24を得た。
アニール処理後の透明導電膜24と、アニール処理前の透明透明導電膜23の抵抗率を、上記「抵抗率測定」で記載した方法で測定した。
実施例2のターゲット11は、ZnOと、Al23と、B23が成分であり、下記表2は、ターゲット11を構成する成分の個数100個当たりの各成分の個数(ターゲット成分比の欄の数字)と、加熱温度と、抵抗値の関係を示す表である。
Figure 2008013238
上記表2の「O.L.」は、オーバーレンジを示し、抵抗率が高すぎて上記低抵抗率計で測定不可能なことを示す。
上記表2を見ると、実施例2のターゲット11を用いた場合、加熱温度が500℃でもオーバーレンジとならず、200℃以上500℃以下で低抵抗率が得られることが分かる。尚、上記比較例のターゲットを用いて成膜した透明導電膜を、450℃と、500℃で加熱処理したところ、抵抗率はオーバーレンジとなった。
上記表2のターゲット成分比から、ターゲット11中のZn100個に対する、上記各成分に含まれるAl、Bの個数を求め、元素含有量とした。実施例2の元素含有量は下記表3のようになる。
Figure 2008013238
上記表3と実施例1から、実施例1、2は、Znの原子数100個に対する主添加元素(Al)の原子数が3以上3.14であり、Znの原子数100個に対する副添加元素(B)の原子数が6以上6.28以下になる。
以上は、副添加酸化物としてB23をターゲット11に添加する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。
ターゲット11には、主添加酸化物であるAl23と一緒に、B23と、Ga23と、In23と、Tl23とからなる副添加酸化物群より選択されるいずれか1種類以上の副添加酸化物を添加することができる。この場合、ターゲットに添加された副添加酸化物の、副添加元素(B、Ga、In、Tl)の原子数の総量を、Zn原子100個に対して、1個以上15個以下にする。
透明導電膜23の加熱は、大気雰囲気中での加熱に限定されず、透明導電膜23を真空雰囲気で成膜中に加熱してもよいし、透明導電膜23を成膜後に、真空雰囲気中で加熱してもよい。
抵抗劣化の主要な原因は、イオン化しているキャリアが酸化することと、酸化により酸素欠損状態が維持できず、n型半導体として機能しないことである。従って、大気雰囲気における高温加熱は、成膜中に加熱する場合と、真空雰囲気中で加熱する場合に比べて、低抵抗化の目的では最も厳しい条件であることは明らかである。
真空雰囲気中での加熱は加熱温度を大気雰囲気中での加熱より高い温度(例えば500℃以上)にしても抵抗劣化が発生せず、成膜中に加熱する場合は大気雰囲気中での加熱と同等以上の膜質が得られる。

Claims (3)

  1. ZnOを主成分とするターゲットを真空雰囲気中でスパッタリングして、成膜対象物表面に透明導電膜を形成する透明導電膜の成膜方法であって、
    Alからなる主添加元素の原子数が、Zn原子数100個に対して1個以上5個以下になるように、前記ターゲットにAl23からなる主添加酸化物を添加し、
    23と、Ga23と、In23と、Tl23とからなる副添加酸化物群から1種類以上の副添加酸化物を選択し、前記選択された副添加酸化物中の、B、Ga、In、又はTlの合計原子数が、Znの原子数100個に対して1個以上15個以下になるように、前記選択された前記副添加酸化物を前記ターゲットに添加しておく、透明導電膜の成膜方法。
  2. 前記透明導電膜を形成した後、前記透明導電膜を所定の加熱温度に加熱してアニール処理を行う請求項1記載の透明導電膜の成膜方法であって、
    前記加熱温度を250℃以上500℃以下にする請求項1記載の透明導電膜の成膜方法。
  3. 前記アニール処理は前記透明導電膜を大気雰囲気中で加熱する請求項2記載の透明導電膜の成膜方法。
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