DE10055636C2 - Transparenter leitfähiger Film und Verfahren zur Herstellung des Films - Google Patents

Transparenter leitfähiger Film und Verfahren zur Herstellung des Films

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen transparenten leitfähigen Film und ein Verfahren zur Herstellung des Films.
Transparente leitfähige Filme werden als Elektrode zur Ansteuerung von Flüssig­ kristallen verwendet, die als Display-Element für ein Informationsterminal von z. B. einem Computer oder einem Handy dienen. Indium-Zinn-Oxid wird für einen derartigen Film am häufigsten als Rohmaterial verwendet. Es besteht aber Bedarf nach der Herstellung eines transparenten leitfähigen Films mit einem geringeren Widerstand, um ein schnelleres und feineres Display-Element zu realisieren.
In JP-A-06081128 wird eine transparente, leitfähige Indium-Zinn-Oxid-Schicht beschrieben, die 0,001 bis 50 at% Stickstoff enthält. Die Schicht wird durch Sputtern von Indium-Zinn-Oxid auf ein Substrat erhalten, wobei eine Schichtdicke von 80 nm und spezifische Widerstände bis herunter auf 300 µΩcm angegeben werden.
Berichten zufolge beträgt der niedrigste spezifische Widerstand für transparente leitfähige Filme, der jemals erhalten wurde, 1 × 10-4 Ωcm. Mit der Technologie nach dem Stand der Technik war man mit anderen Worten nicht in der Lage, einen transparenten leitfähigen Film mit einem spezifischen Widerstand bis hinunter auf 5 × 10-5 Ωcm herzustellen, der den gewünschten spezifischen Widerstand zukünftiger Display-Elemente darstellt.
Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines transparenten leitfähigen Films mit einem niedrigeren spezifischen Widerstand als herkömmliche transparente leitfähige Filme.
Im Hinblick auf das vorstehend genannte Niveau der Technologie des Standes der Technik haben die Erfinder umfangreiche Untersuchungen ausgeführt und fest­ gestellt, daß ein Film aus Indium-Zinn-Oxid mit einer geringen Menge an Stickstoff einen niedrigen spezifischen Widerstand zeigt und als ausgezeichneter trans­ parenter leitfähiger Film eingesetzt werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt die folgenden transparenten leitfähigen Filme bzw. Schichten und Verfahren zur Herstellung derselben bereit.
Die Erfindung betrifft einen transparenten leitfähigen Film mit einer Dicke von 5 nm bis 100 µm und einem spezifischen Widerstand von 5 × 10-5 Ωcm oder weniger, der Stickstoff enthaltendes Indium-Zinn-Oxid umfaßt und auf einem Substrat gebildet ist.
Dieser transparente leitfähige Film kann einen Stickstoffgehalt von 0,01 bis 10 Atom- % bzw. einen Stickstoffgehalt von 1 bis 5 Atom-% aufweisen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines transparenten leitfähigen Films, umfassend auf einem Substrat gebildetes, Stickstoff enthaltendes Indium-Zinn-Oxid, in welchem das Verfahren den Schritt des Abscheidens von verdampftem Indium-Zinn-Oxid auf einer Substratoberfläche umfaßt, die im Vakuum durch Bestrahlung mit einem Ionenstrahl in einen Anregungszustand versetzt wird.
Bei diesem Verfahren kann die Substratoberfläche durch Bestrahlung mit einem Stickstoff enthaltenden Sauerstoff-Ionenstrahl angeregt werden. Dabei kann die Bestrahlung mit einem Stickstoff enthaltenden Sauerstoff-Ionenstrahl ausgeführt werden, wobei der Stickstoffgehalt 0,1 bis 30 Atom-% beträgt.
Bei diesem Verfahren kann die Bestrahlung auch mit einem Stickstoff enthaltenden Sauerstoff-Cluster-Ionenstrahl ausgeführt werden, wobei der Cluster 0,1 bis 30 Atom-% Stickstoff enthält.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Aufdampfen von Indium-Zinn-Oxid durch ein Vakuum-Bedampfungsverfahren, ein Laser-Abrasionsverfahren, ein Ionen­ plattierverfahren, ein Ionenstrahl-Bedampfungsverfahren oder ein CVD-Verfahren ausgeführt werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Aufdampfen von Indium-Zinn-Oxid unter Verwendung eines Sinterprodukts von Indiumoxid und Zinnoxid ausgeführt werden oder das Aufdampfen von Indium-Zinn-Oxid kann unter Verwendung von Indiummetall und Zinnmetall ausgeführt werden.
Der hier verwendete Ausdruck "Substratoberfläche wird in einen Anregungszustand versetzt" bezieht sich auf den Zustand der Substratoberfläche, in dem die Substrat­ oberfläche nach Bestrahlung, bevorzugt mit einem Ionenstrahl mit einer Dichte von 0,1 mW/m2 oder mehr der in die zu bestrahlende Substratoberfläche fließenden Energie, eine höhere thermische Bewegungsenergie oder eine höhere innere Energie als vor der Bestrahlung erhält.
In der vorliegenden Erfindung gibt es keine Beschränkung bezüglich der Materialien für das Substrat, auf dem der transparente leitfähige Film gebildet wird. Geeignete Materialien umfassen z. B. Siliciumdioxid-Wafer, Gläser, Keramiken und organische Polymere.
Geeignete Gläser umfassen z. B. Oxidgläser und bevorzugte Gläser umfassen z. B. Silicatglas, Borosilicatglas und Alkaliglas.
Geeignete Keramiken umfassen z. B. kristalline Oxidkeramiken und bevorzugte Keramiken umfassen z. B. Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Zirkonoxid.
Geeignete organische Polymere umfassen z. B. Polyimid, Polyethylen und Vinyl­ polymere und bevorzugte organische Polymere umfassen z. B. Polymethylmeth­ acrylat und Polyimid.
Unter diesen Materialien ist Borosilicatglas ein bevorzugteres Material.
Der erfindungsgemäß auf dem Substrat gebildete transparente leitfähige Film besteht aus Stickstoff enthaltendem Indium-Zinn-Oxid. Der Stickstoffgehalt beträgt üblicherweise etwa 0,01 bis 10 Atom-%, bevorzugt etwa 1 bis 5 Atom-%. Der transparente leitfähige Film hat üblicherweise eine Dicke von etwa 5 nm bis 100 µm, vorzugsweise von etwa 10 nm bis 1 µm. Wenn der Film zu dünn ist, zeigt der als Elektrode verwendete Film einen hohen elektrischen Widerstand und ist für den Einsatz ungeeignet. Wenn der Film andererseits zu dick ist, absorbiert der Film in größerem Ausmaß licht und ist im Hinblick auf die Transparenz unzureichend.
Der erfindungsgemäße transparente leitfähige Film kann wie nachstehend erläutert hergestellt werden.
Zunächst wird die Substratoberfläche zur Bildung des Films in einen Anregungs­ zustand versetzt. Zur Anregung der Substratoberfläche wird die Oberfläche mit einem Ionenstrahl in herkömmlicher Weise bestrahlt. Die Bestrahlungsbe­ dingungen können entsprechend der Substratart, der gewünschten Filmdicke usw. in geeigneter Weise ausgewählt werden.
Zur Anregung der Substratoberfläche kann man z. B. mindestens ein Inertgas, wie z. B. Helium, Neon, Argon und Krypton, oder mindestens ein ionisches Element, ausgewählt aus Ionen von Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Stickstoffoxid, verwenden. Wenn als einen Ionenstrahl bildendes Ion kein Sauerstoffion, Stick­ stoffion oder Stickstoffoxidion verwendet wird, ist es bevorzugt, Sauerstoff, Stickstoff oder Stickstoffoxid über der Substratoberfläche an der Reaktionsseite bereitzustellen, um die Atmosphäre zu bilden. Die Ionen des Ionenstrahls sind bevorzugter keine Einzelatom-Ionen, sondern Multiatom-Ionen oder Cluster-Ionen. Die Beschleunigungsspannung des Ionenstrahls ist nicht eingeschränkt, aber normalerweise etwa 10 eV oder höher.
Nach der Anregung der Substratoberfläche werden verdampftes Indium und Zinn auf der in vorstehend genannter Weise angeregten Substratoberfläche abgeschieden, um einen transparenten leitfähigen Film zu bilden. Die Bedampfung kann gleichzeitig mit der Anregung der Substratoberfläche ausgeführt werden.
Der Dampfauftrag von Indium und Zinn kann durch herkömmliche filmbildende Verfahren, wie z. B. Widerstandsheizungsverfahren, Elektronenstrahlverfahren, Laser-Abrasionsverfahren, Ionenplattierverfahren, Ionenstrahl-Bedampfungsver­ fahren und CVD-Verfahren, durchgeführt werden. Die Filmbildung kann in der vorliegenden Erfindung durch Einführung von Sauerstoff, Stickstoff, Stickstoffoxid oder dgl. in das Vakuum beim filmbildenden Vorgang beschleunigt werden.
In der vorliegenden Erfindung kann Stickstoff durch Beigabe von Stickstoff in der Stufe der Anregung der Substratoberfläche und/oder der Bedampfungsstufe in das Indium-Zinn-Oxid eingeführt werden.
Nach der vorliegenden Erfindung kann ein transparenter leitfähiger Film mit einem so niedrigen spezifischen Widerstand wie 5 × 10-5 Ωcm oder weniger erhalten werden.
Ein derartiger transparenter leitfähiger Film ist sehr brauchbar, z. B. als Elektrode zur Ansteuerung eines Flüssigkristalls, der in weitem Maße als Display-Element verwendet wird.
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf folgende Beispiele und folgendes Vergleichsbeispiel weiter verdeutlicht.
BEISPIEL 1
Ein Substrat aus erstarrter Quarzschmelze wurde im Vakuum mit einem 10% Stickstoff enthaltenden Sauerstoff-Cluster-Ionenstrahl bei einer Ionenstrahl- Beschleunigungsspannung von 7 kV und einer Ionenstrahl-Stromdichte von 170 mA/cm2 bestrahlt. Gleichzeitig mit der Ionenstrahl-Bestrahlung wurde ein Indium- Zinn-Oxid-Dampf auf der bei 100°C gehaltenen Substratoberfläche durch ein Elektronenstrahlverfahren abgeschieden. Die Bedampfung wurde 1000 Sekunden in einer aus 10% Stickstoff und 90% Sauerstoff bestehenden Atmosphäre bei einem Druck von 1,33 mPa (1 × 10-5 Torr) mit einer Aufdampfrate von 0,1 nm/s durchgeführt. Der abgeschiedene Film besaß eine Dicke von 100 nm und enthielt 5 Atom-% Stickstoff.
Der erhaltene Film von Stickstoff enthaltendem Indium-Zinn-Oxid besaß einen spezifischen elektrischen Widerstand von 5 × 10-5 Ωcm und eine Lichtdurchlässigkeit von 95% bei einer Wellenlänge von 550 nm. Augenscheinlich besitzt der Film eine ausgezeichnete Transparenz und eine ausgezeichnete spezifische elektrische Leitfähigkeit.
VERGLEICHSBEISPIEL 1
Ein Indium-Zinn-Oxid-Dampf wurde auf einem Substrat aus erstarrter Quarz­ schmelze im Vakuum durch ein Elektronenstrahlverfahren abgeschieden. Die Bedampfung wurde auf dem Substrat 1000 Sekunden bei 100°C in einer Atmosphäre aus 10% Stickstoff und 90% Sauerstoff bei einem Druck von 1,33 mPa (1 × 10-5 Torr) mit einer Aufdampfrate von 0,1 nm/s durchgeführt. Der abgeschiedene Film hatte eine Dicke von 100 nm.
Der erhaltene Film von Stickstoff enthaltendem Indium-Zinn-Oxid besaß einen spezifischen elektrischen Widerstand von 5 × 10-2 Ωcm und eine Lichtdurchlässigkeit von 25% bei einer Wellenlänge von 550 nm. Der Film besaß einen hohen spezifischen Widerstand und eine geringe Lichtdurchlässigkeit. Daher kann der Film nicht als transparenter leitfähiger Film verwendet werden.
BEISPIEL 2
Ein Substrat aus Aluminiumoxid-Einkristall wurde im Vakuum mit einem von einer ECR-Ionenquelle abgeleiteten Ionenstrahl mit einer Ionenstrahl-Beschleunigungs­ spannung von 3 kV und einer Ionenstrahl-Stromdichte von 0,1 mA/cm2 bestrahlt. Ein Gemisch aus 5% Stickstoff und 95% Sauerstoff wurde der ECR-Ionenquelle zugeführt.
Gleichzeitig mit der Ionenstrahl-Bestrahlung wurde ein Dampf von Indium und Zinn auf der Substratoberfläche bei 150°C durch ein Elektronenstrahl-Heizverfahren abgeschieden. Die Bedampfung wurde 500 Sekunden mit einer Aufdampfrate von 1 nm/s durchgeführt. Der abgeschiedene Film hatte eine Dicke von 500 nm und enthielt 3 Atom-% Stickstoff. Das Substrat wurde gleichzeitig mit der Bedampfung mit einem Excimer-Laser bei 50 mJ und 100 Hz bestrahlt.
Der erhaltene Film von Stickstoff enthaltendem Indium-Zinn-Oxid besaß einen spezifischen elektrischen Widerstand von 5 × 10-5 Ωcm und eine Lichtdurchlässigkeit von 93% bei einer Wellenlänge von 550 nm. Offensichtlich besitzt der Film eine ausgezeichnete Transparenz und eine ausgezeichnete spezifische elektrische Leitfähigkeit.

Claims (12)

1. Transparenter leitfähiger Film mit einer Dicke von 5 nm bis 100 µm und einem spezifischen Widerstand von 5 × 10-5 Ωcm oder weniger, der Stickstoff ent­ haltendes Indium-Zinn-Oxid umfaßt und auf einem Substrat gebildet ist.
2. Transparenter leitfähiger Film nach Anspruch 1, der einen Stickstoffgehalt von 0,01 bis 10 Atom-% aufweist.
3. Transparenter leitfähiger Film nach Anspruch 2, der einen Stickstoffgehalt von 1 bis 5 Atom-% aufweist.
4. Verfahren zur Herstellung eines transparenten leitfähigen Films, umfassend auf einem Substrat gebildetes, Stickstoff enthaltendes Indium-Zinn-Oxid, bei dem verdampftes Indium-Zinn-Oxid auf einer Substratoberfläche abgeschieden wird, die im Vakuum durch Bestrahlung mit einem Ionenstrahl in einen Anregungszu­ stand versetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, in welchem Stickstoff durch Beigabe von Stickstoff in der Stufe der Anregung der Substratoberfläche und/oder der Bedampfungs­ stufe eingeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, in welchem die Substratoberfläche durch Bestrah­ lung mit einem Stickstoff enthaltenden Sauerstoff-Ionenstrahl angeregt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, in welchem die Bestrahlung mit einem Stickstoff enthaltenden Sauerstoff-Ionenstrahl ausgeführt wird, wobei der Stickstoffgehalt 0,1 bis 30 Atom-% beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 5, in welchem die Bestrahlung mit einem Stickstoff enthaltenden Sauerstoff-Cluster-Ionenstrahl ausgeführt wird, wobei der Cluster 0,1 bis 30 Atom-% Stickstoff enthält.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, in welchem das Aufdampfen von Indium-Zinn-Oxid durch ein Vakuum-Bedampfungsverfahren, ein Laser-Abra­ sionsverfahren, ein Ionenplattierverfahren, ein Ionenstrahl-Bedampfungsver­ fahren oder ein CVD-Verfahren ausgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, in welchem das Aufdampfen von Indium-Zinn-Oxid unter Verwendung eines Sinterprodukts von Indiumoxid und Zinnoxid ausgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, in welchem das Aufdampfen von Indium-Zinn-Oxid unter Verwendung von Indiummetall und Zinnmetall ausge­ führt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, in welchem die Beschleuni­ gungsspannung des Ionenstrahls 10 eV oder mehr beträgt.
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