WO2015015113A1 - Fabrication d'une electrode grille par demouillage d'argent - Google Patents

Fabrication d'une electrode grille par demouillage d'argent Download PDF

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    • H10K2102/351—Thickness

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a gate-shaped electrode supported for OLED using a silver dewetting step. It also relates to the electrode obtained by this method.
  • TCO transparent conductive oxides
  • Such metal networks can be manufactured by complex photolithography processes comprising several steps of masking, etching, exposure to radiation, washing, deposition etc.
  • the object of the present invention is to provide a considerably simpler method of forming an OLED transparent electrode comprising, on a mineral glass substrate, a transparent conductive layer and a continuous metal network in contact with the transparent conductive layer.
  • the method of the present invention unlike the photolithographic methods usually used for forming metal grids, does not require any masking, printing, ablating or selective etching step.
  • the key steps of the method of the present invention are likely to be implemented on a magnetron sputtering line, which greatly facilitates the industrialization of this method of producing supported electrodes for OLED.
  • the physical phenomenon underlying the present invention is the dewetting of thin films of solid silver. It is known that certain solid metal films, when heated to a much lower temperature than their melting temperature, do not remain in the form of continuous films but dewax to form metallic "droplets" having a smaller contact area. with the substrate.
  • the present invention takes advantage of the relatively slow dynamics of this dewetting phenomenon to freeze the film being dewaxed before the individualization of the metal droplets. A metallic network is thus spontaneously formed which, when sufficiently continuous, allows the passage of an electric current.
  • the Applicant has discovered that the conductivity and the transparency in the visible light of such a "dewaxed" metal network could easily be adjusted by modifying the initial film thickness, the temperature and the heating time.
  • the geometry of the formed metal network may further be adjusted by performing the dewetting of the silver not on a perfectly smooth substrate, but on a substrate comprising a relief.
  • This transparent conductive material can act as anode, output work adaptation layer or hole transport layer of the OLED organic stack. In all cases it will serve as a protective layer against oxidation of the silver grid during a possible storage and / or transport.
  • the subject of the present invention is therefore a method for manufacturing an electrode for OLED, comprising the following successive steps:
  • the present invention also relates to an electrode that can be obtained by such a method and which successively comprises a transparent substrate, a silver grid or random silver alloy obtained by dewetting a metal film, and a continuous layer of transparent conductive material covering said silver or silver alloy grid.
  • any transparent heat-resistant substrate of step (b) can be used in principle. It is of course preferably inorganic glass substrates, especially thin or ultrathin glasses having a thickness of less than 1 mm, but one could also consider the use of polymer substrates.
  • the substrate may be perfectly smooth, that is to say have a roughness of less than a few nanometers.
  • the dewetting of the metal film will then be governed primarily by the surface and interfacial tensions of the metal.
  • the substrate is not smooth but has a roughness or a sufficiently deep relief to guide or guide the dewetting.
  • Such relief must be formed of juxtaposed individualized patterns of regular or irregular shape, formed for example by etching or embossing.
  • the metal When a silver metallic film is deposited on such a relief formed of juxtaposed individualized patterns (pyramids, mounds, islets), the metal will fill, after dewaxing, preferentially the valleys. If the valleys form a continuous network, the metal network obtained should have good electrical conductivity while having an opening rate ensuring good transparency to the electrode.
  • the silver or silver alloy film may be deposited by any known method for controlling its thickness. Examples of such methods include vacuum evaporation deposition, magnetron sputter deposition and chemical silver plating (reduction of silver salt). It is particularly interesting to deposit the silver film by magnetron sputtering because this technique also allows the deposition of a transparent conductive oxide, the process thus being able to be implemented on the same magnetron cathode sputtering line.
  • the deposition of the metal film (step (a)) and the deposition of the transparent conductive oxide (step (c)) are both implemented by physical deposition in vapor phase (PVD), preferably by magnetron sputtering, on the same magnetron sputtering line.
  • PVD physical deposition in vapor phase
  • the step (b) of heating the substrate carrying the silver film is preferably carried out very shortly after the end of step (a) in order to avoid the oxidation of silver.
  • the heating of the silver-coated substrate is carried out under vacuum, on the magnetron sputtering line, between step (a) and step (c).
  • the heating temperatures indicated above are understood as the temperatures of the substrate carrying the metal film.
  • the temperature of the heating elements is of course considerably higher than the temperature of the substrate, typically greater than 200 ° C to 300 ° C at the temperature at which it is desired to heat the substrate.
  • the random metal grid formed after dewetting has a greater thickness than the initially deposited silver film. This thickness is however generally less than about 150 nm.
  • the transparent electroconductive material deposited in step (c) may be a transparent conductive oxide (TCO). When it is deposited in a sufficient quantity, for example at a rate of 1 to 3 g / m 2 , it plays both the role of a planarization layer of the metal grid obtained by dewetting and the role of anode in the OLED final. The amount of transparent conductive oxide deposited must be sufficient to completely cover the grid.
  • Deposition of the TCO is preferably by magnetron sputtering using a ceramic target. Reactive cathode sputtering from a metal target should be avoided as oxygen may oxidize the silver gate.
  • the transparent conductive material may also be formed of an organic polymer, such as a PEDOTPSS polymer which has the same function as a TCO.
  • an organic polymer such as a PEDOTPSS polymer which has the same function as a TCO.
  • Such an organic polymer has the advantage of being liquid deposited and planarize perfectly the metal grid.
  • the transparent conductive material may be the first layer, that is to say the hole transport layer (HTL) of the organic stack of the OLED.
  • HTL hole transport layer
  • the process of the present invention preferably comprises, after step (c), a second annealing step (d) at a temperature between 150 and 350 ° C for a period of 5 and 60 minutes.
  • This second annealing essentially has the function of increasing the crystallinity and the conductivity of the partially amorphous TCO after deposition.
  • the TCO layer deposited on the relief created by the metal grid generally has a large surface roughness, incompatible with the deposition of the stack of organic layers which requires a perfectly flat surface, otherwise leakage currents due to short circuits in the final OLED.
  • the TCO layer is subjected, before or after annealing, to a step of polishing the transparent conductive oxide layer.
  • Influence of the thickness of the silver film on the properties of the grid formed after dewetting Magnetron sputtering films of different thicknesses are deposited on a mineral glass substrate.
  • the substrates carrying the films are immediately annealed in a radiation oven.
  • the temperature at the substrate is 300 ° C and the heating time 30 and 45 minutes.
  • the table below shows the resistances per square (Ra) and transmissions of silver films of different thicknesses, dewaxed by heating at a temperature of 300 ° C for 30 and 45 minutes.
  • Dewetting a film 40 nm thick leads to an electroconductive network after 45 minutes of annealing.
  • the lack of conductivity of the sample obtained after 30 minutes annealing is probably due to a lack of reproducibility.
  • the optimum film thickness is 50 nm.
  • the two samples obtained after 30 and 45 minutes of annealing have a resistance per square less than 3 ⁇ / ⁇ and have a transmission of between 29 and 41%. As the thickness of the silver film increases further, a decrease in square resistance accompanied by a decrease in transmission is observed.
  • Figure 1 shows two electron microscopy snapshots of a silver grid obtained by dewetting (30 minutes at 300 ° C) of a silver film having a thickness of 40 nm.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une électrode pour OLED, comprenant les étapes successives suivantes : (a) dépôt, sur un substrat transparent, d'un film métallique constitué d'argent ou d'un alliage d'argent ayant une épaisseur comprise entre 35 et 70 nm, de préférence entre 45 et 65 nm; (b) chauffage du substrat recouvert du film métallique à une température comprise entre 200 °C et 400 °C, pendant une durée au moins égale à 5 minutes, de préférence comprise entre 20 et 60 minutes, de manière à obtenir le démouillage du film métallique et la formation d'une grille métallique aléatoire sur le substrat transparent; (c) recouvrement du substrat transparent et de la grille métallique aléatoire avec une couche continue d'un matériau conducteur transparent.

Description

FABRICATION D'UNE ELECTRODE GRILLE PAR DEMOUILLAGE
D'ARGENT
La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une électrode en forme de grille supportée pour OLED utilisant une étape de démouillage d'argent. Elle concerne également l'électrode obtenue par ce procédé.
Dans le domaine des dispositifs opto-électroniques, et en particulier des OLED, il est connu d'augmenter la conductivité des électrodes en oxydes conducteurs transparents (TCO) en les doublant d'un réseau de lignes métalliques suffisamment fines pour être invisibles à l'œil nu. De tels réseaux métalliques peuvent être fabriqués par des procédés de photolithographie complexes comportant plusieurs étapes de masquage, gravure, exposition à un rayonnement, lavage, dépôt etc.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé considérablement plus simple de formation d'une électrode transparente pour OLED comportant, sur un substrat en verre minéral, une couche conductrice transparente et un réseau métallique continu en contact avec la couche conductrice transparente.
Le procédé de la présente invention, contrairement aux procédés photolithographiques utilisés habituellement pour la formation de grilles métalliques, ne nécessite aucune étape de masquage, d'impression, d'ablation ou de gravure sélective. Les étapes clés du procédé de la présente invention sont susceptibles d'être mises en œuvre sur une ligne de pulvérisation cathodique magnétron, ce qui facilite considérablement l'industrialisation de cette méthode de production d'électrodes supportées pour OLED.
Le phénomène physique à la base de la présente invention est le démouillage de films minces solides d'argent. Il est en effet connu que certains films métalliques solides, lorsqu'on les chauffe à une température bien inférieure à leur température de fusion, ne restent pas sous forme de films continus mais démouillent pour former des « gouttelettes » métalliques ayant une moindre surface de contact avec le substrat. La présente invention met à profit la dynamique relativement lente de ce phénomène de démouillage pour figer le film en cours de démouillage, avant l'individualisation des gouttelettes métalliques. Il se forme ainsi spontanément un réseau métallique qui, lorsqu'il est suffisamment continu, permet le passage d'un courant électrique. La Demanderesse a découvert que la conductivité et la transparence à la lumière visible d'un tel réseau métallique « démouillé » pouvaient facilement être ajustées en modifiant l'épaisseur du film initial, la température et la durée de chauffage. La géométrie du réseau métallique formé peut en outre être ajustée en réalisant le démouillage de l'argent non pas sur un substrat parfaitement lisse, mais sur un substrat comportant un relief.
Après formation du réseau métallique aléatoire par démouillage et refroidissement, on procède de façon connue au dépôt d'une couche d'un matériau conducteur transparent recouvrant de façon homogène le réseau métallique. Ce matériau conducteur transparent peut jouer le rôle d'anode, de couche d'adaptation du travail de sortie ou de couche de transport de trous de l'empilement organique de l'OLED. Dans tous les cas il servira de couche de protection contre l'oxydation de la grille en argent au cours d'un éventuel stockage et/ou transport.
La présente invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'une électrode pour OLED, comprenant les étapes successives suivantes :
(a) dépôt, sur un substrat transparent, d'un film métallique constitué d'argent ou d'un alliage d'argent ayant une épaisseur comprise entre 35 et 70 nm, de préférence entre 40 et 65 nm ;
(b) chauffage du substrat recouvert du film métallique à une température comprise entre 200 °C et 400 °C, pendant une durée au moins égale à 5 minutes, de préférence comprise entre 15 et 90 minutes, en particulier entre 20 et 60 minutes, de manière à obtenir le démouillage du film métallique et la formation d'une grille métallique aléatoire sur le substrat transparent;
(c) recouvrement du substrat transparent et de la grille métallique aléatoire avec une couche continue d'un matériau conducteur transparent. La présente invention a également pour objet une électrode susceptible d'être obtenue par un tel procédé et qui comprend successivement un substrat transparent, une grille d'argent ou d'alliage d'argent aléatoire obtenue par démouillage d'un film métallique, et une couche continue d'un matériau conducteur transparent recouvrant ladite grille d'argent ou d'alliage d'argent.
On peut utiliser pour la mise en œuvre du procédé de la présente invention en principe n'importe quel substrat transparent résistant au chauffage de l'étape (b). Il s'agit bien entendu préférentiellement de substrats en verre minéral, notamment des verres minces ou ultraminces ayant une épaisseur inférieure à 1 mm, mais on pourrait également envisager l'utilisation de substrats en polymère.
Le substrat peut être parfaitement lisse, c'est-à-dire avoir une rugosité inférieure à quelques nanomètres. Le démouillage du film métallique sera alors régi avant tout par les tensions superficielle et interfaciale du métal.
Dans un mode de réalisation, le substrat n'est pas lisse mais comporte une rugosité ou un relief suffisamment profonds pour orienter ou guider le démouillage. Un tel relief doit être formé de motifs individualisés juxtaposés, de forme régulière ou irrégulière, formés par exemple par gravure ou embossage.
Lorsqu'on déposé un film métallique d'argent sur un tel relief formé de motifs individualisés juxtaposés (pyramides, monticules, îlots), le métal remplira après démouillage préférentiellement les vallées. Si les vallées forment un réseau continu, le réseau métallique obtenu devrait avoir une bonne conductivité électrique tout en présentant un taux d'ouverture garantissant une bonne transparence à l'électrode.
Le film d'argent ou d'alliage d'argent peut être déposé selon n'importe quel procédé connu permettant de maîtriser son épaisseur. On peut citer à titre d'exemple de tels procédés le dépôt par évaporation sous vide, le dépôt par pulvérisation cathodique magnétron et le dépôt par argenture chimique (réduction d'un sel d'argent). Il est particulièrement intéressant de déposer le film d'argent par pulvérisation cathodique magnétron car cette technique permet également le dépôt d'un oxyde transparent conducteur, le procédé pouvant ainsi être mis en œuvre sur une même ligne de pulvérisation cathodique magnétron.
Dans un mode de réalisation préféré du procédé de l'invention le dépôt du film métallique (étape (a)) et le dépôt de l'oxyde conducteur transparent (étape (c)) sont donc toutes les deux mis en œuvre par dépôt physique en phase vapeur (PVD), de préférence par pulvérisation cathodique magnétron, sur une même ligne de pulvérisation cathodique magnétron.
Il est essentiel de maîtriser la quantité d'argent déposé par unité de surface, autrement dit l'épaisseur du film d'argent. En effet, lorsque cette épaisseur est trop fine, le démouillage conduira à la formation de gouttelettes métalliques séparées qui ne forment pas un réseau électroconducteur.
A l'inverse lorsque la quantité d'argent déposé est trop importante, la conductivité électrique du réseau métallique formé est satisfaisante, mais les ouvertures seront trop petites ou trop peu nombreuses et la grille formée présentera une transmission insuffisante.
Un film d'argent d'une épaisseur comprise entre 35 et 70 nm, de préférence entre 40 et 65 nm, correspond donc à un compromis entre une résistivité trop importante et une transmission trop faible.
L'étape (b) de chauffage du substrat portant le film d'argent est de préférence mise en œuvre très peu de temps après la fin de l'étape (a) afin d'éviter l'oxydation de l'argent. Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, le chauffage du substrat recouvert d'argent se fait sous vide, sur la ligne de pulvérisation cathodique magnétron, entre l'étape (a) et l'étape (c). Les températures de chauffage indiquées ci-avant s'entendent comme les températures du substrat portant le film métallique. Dans un four à rayonnement la température des éléments chauffants est bien entendu considérablement plus élevée que la température du substrat, typiquement supérieure de 200 °C à 300 °C à la température à laquelle on souhaite chauffer le substrat.
La grille métallique aléatoire formée après démouillage a bien entendu une épaisseur plus importante que le film d'argent déposé initialement. Cette épaisseur est toutefois généralement inférieure à environ 150 nm. Le matériau électroconducteur transparent déposé à l'étape (c) peut être un oxyde conducteur transparent (TCO). Lorsqu'il est déposé en une quantité suffisante, par exemple à raison de 1 à 3 g/m2, il joue à la fois le rôle de couche de planarisation de la grille métallique obtenue par démouillage et le rôle d'anode dans l'OLED finale. La quantité d'oxyde conducteur transparent déposée doit être suffisante pour recouvrir totalement la grille.
Le dépôt du TCO se fait de préférence par pulvérisation cathodique magnétron utilisant une cible céramique. La pulvérisation cathodique réactive à partir d'une cible métallique est à éviter car l'oxygène risquerait d'oxyder la grille d'argent.
Le matériau conducteur transparent peut également être formé d'un polymère organique, tel qu'un polymère PEDOTPSS qui a la même fonction qu'un TCO. Un tel polymère organique présente l'avantage de pouvoir être déposé par voie liquide et de planariser parfaitement la grille métallique.
Enfin, le matériau conducteur transparent peut être la première couche, c'est-à-dire la couche de transport de trous (HTL, hole transport layer) de l'empilement organique de l'OLED.
Le procédé de la présente invention comprend de préférence, après l'étape (c), une deuxième étape de recuit (d) à une température comprise entre 150 et 350 °C pendant une durée de 5 et 60 minutes.
Ce deuxième recuit a essentiellement pour fonction d'augmenter la cristallinité et la conductivité du TCO, partiellement amorphe après dépôt.
La couche de TCO déposée sur le relief créé par la grille métallique présente généralement une rugosité de surface importante, incompatible avec le dépôt de l'empilement de couches organiques qui exige une surface parfaitement plane, sous peine de créer des courants de fuite dus à des court-circuits dans l'OLED finale.
Il est donc préférable que la couche de TCO soit soumise, avant ou après recuit, à une étape de polissage de la couche d'oxyde conducteur transparent.
Exemple
Influence de l'épaisseur du film d'argent sur les propriétés de la grille formée après démouillage On dépose par pulvérisation cathodique magnétron des films d'argent de différentes épaisseurs sur un substrat en verre minéral. Les substrats portant les films sont soumis immédiatement à un recuit dans un four à rayonnement. La température au niveau du substrat est de 300 °C et la durée de chauffage de 30 et 45 minutes.
Le tableau ci-dessous montre les résistances par carré (Ra) et transmissions de films d'argent de différentes épaisseurs, démouillés par chauffage à une température de 300 °C pendant 30 et 45 minutes.
Figure imgf000008_0001
Ces valeurs montrent qu'il est impossible de former un réseau métallique continu par démouillage d'un film d'argent de 30 nm.
Le démouillage d'un film de 40 nm d'épaisseur conduit à un réseau électroconducteur après 45 minutes de recuit. L'absence de conductivité de l'échantillon obtenu après 30 minutes recuit est probablement due à un manque de reproductibilité. Dans cette série d'essais, l'épaisseur optimale du film est de 50 nm. Les deux échantillons obtenues après 30 et 45 minutes de recuit ont une résistance par carré inférieure à 3 Ω/α et présentent une transmission comprise entre 29 et 41 %. Lorsque l'épaisseur du film d'argent augmente encore, on observe une diminution de la résistance par carré accompagnée d'une diminution de la transmission.
La figure 1 montre deux clichés de microscopie électronique d'une grille d'argent obtenue par démouillage (30 minutes à 300 °C) d'un film d'argent ayant une épaisseur de 40 nm.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d'une électrode pour OLED, comprenant les étapes successives suivantes :
(a) dépôt, sur un substrat transparent, d'un film métallique constitué d'argent ou d'un alliage d'argent ayant une épaisseur comprise entre 35 et 70 nm, de préférence entre 40 et 65 nm ;
(b) chauffage du substrat recouvert du film métallique à une température comprise entre 200 °C et 400 °C, pendant une durée au moins égale à 5 minutes, de préférence comprise entre 20 et 60 minutes, de manière à obtenir le démouillage du film métallique et la formation d'une grille métallique aléatoire sur le substrat transparent;
(c) recouvrement du substrat transparent et de la grille métallique aléatoire avec une couche continue d'un matériau conducteur transparent.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que le matériau conducteur transparent est un oxyde conducteur transparent.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre, après l'étape (c), une deuxième étape de recuit (d) à une température comprise entre 150 et 350 °C pendant une durée de 5 et 60 minutes.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre une étape (e) de polissage de la couche d'oxyde conducteur transparent.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le dépôt du film métallique à l'étape (a) et le dépôt de l'oxyde conducteur transparent à l'étape (c) sont mis en œuvre par dépôt physique en phase vapeur (PVD), de préférence par pulvérisation cathodique magnétron.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les étapes (a), (b) et (c) sont mises en œuvre sur une même ligne de pulvérisation cathodique magnétron.
7. Electrode susceptible d'être obtenue par un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant successivement - un substrat transparent, - une grille d'argent ou d'alliage d'argent irrégulière obtenue par démouillage d'un film métallique, et
- une couche continue d'un matériau conducteur transparent recouvrant ladite grille d'argent ou d'alliage d'argent.
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