JP2006032156A - 表示装置および表示装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 有機樹脂中から発光部である有機ＥＬ層中への水分の拡散を抑止し、特性が劣化しない長期信頼性に優れた有機ＥＬ素子を用いた表示装置を得る。
【解決手段】 有機平坦化層７上に平滑な陽極１０を形成するとともに、この陽極１０上に発光部である有機ＥＬ層１４を形成し、上記有機平坦化層７から有機ＥＬ層１４中に拡散する水分を遮蔽するため、上記陽極１０上の上記有機ＥＬ層１４の周囲に設けた無機絶縁層からなる水分遮蔽層１１と金属陽極層１０、有機ＥＬ層１４上部を覆う陰極層１５とにより、有機ＥＬ層１４の周囲全体を無機材料で囲う。
【選択図】 図１

Description

この発明は、有機エレクトロルミネッセンス素子（electroluminesence:以下ＥＬと記す）を用いた表示装置とその製造方法に関するものである。

有機ＥＬ表示装置においては、薄膜トランジスタ(thin film transistor：以下ＴＦＴと記す)やソース／ドレイン配線が形成された面には段差があり、この上に有機ＥＬ層を形成するには、平坦化層を設けて、上記段差を解消する必要がある。平坦化の方法としてはポリイミドやアクリル樹脂といった有機絶縁樹脂を塗布する方法が広く用いられている。しかしながら、これら有機樹脂は材料自体が水分を多量に含んでおり、その後の製造過程においてさらに水分を吸収する。

有機ＥＬ層は、上記有機平坦化層上に形成された陽極上に形成されるが、有機平坦化層中の水分が有機ＥＬ層に拡散し、有機ＥＬ素子を劣化させて輝度を低下させる問題があった。

上記の問題を解決した表示装置として、有機平坦化層上にプラズマＣＶＤ(plasma enhanced chemical vapor deposition)法などの方法によって酸化シリコン層、窒化シリコン層などの無機層を設けて、有機平坦化層からの水分の拡散を防止するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３５６７１１号公報（図１）

従来例である上記の有機ＥＬ素子のように、有機平坦化層上にプラズマＣＶＤにより無機層を設け、水分の拡散を防止する構成では、プラズマイオンによる有機平坦化膜の分解や、有機平坦化層中の水分の影響により、緻密な無機の層を形成できず、水分に対する遮蔽性が十分でないとの問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、有機平坦化層上に陽極を備え、且つ、有機平坦化層から拡散する水分を遮蔽し、発光表示層である有機ＥＬ層の吸湿による劣化を防ぎ、経時的な輝度低下を抑制する表示装置およびその製造方法を提供することを目的としている。

この発明における表示装置を構成する有機ＥＬ素子の製造において、金属陽極（画素電極）上で有機ＥＬ層を囲むように、水蒸気を含むガスバリア性能を有する無機層による壁を形成したものである。

本発明の表示装置を構成する有機ＥＬ素子は、水分遮蔽壁となる無機絶縁層は、画素分離層で覆われ、無機絶縁層上部の画素分離層の一部が開口され、有機ＥＬ層形成後に有機ＥＬ表示部全体を覆うように成膜される陰極とは開口部にて接合され、発光表示層である有機ＥＬ層を隔離する構造を採っているので、有機平坦化層から画素分離層を経由して拡散してくる水分を無機絶縁層と陰極層で完全に遮蔽することが可能となる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の表示装置の有機ＥＬ素子ユニット１６を示す断面図（（ａ）とＣ−Ｃ面での平面図（ｂ）である。
図１にあるように、ガラス基板１上に、駆動回路であるＴＦＴ２が形成されており、このＴＦＴ２はゲート絶縁層３で覆われ、このゲート絶縁層３上には層間絶縁層４が形成されている。この層間絶縁層４には貫通孔が形成されており、ＴＦＴ２に接続されるソース／ドレイン配線５が設けられており、層間絶縁層４の上には保護絶縁層６が形成されている。ＴＦＴ２とゲート絶縁層３と層間絶縁層４とソース／ドレイン配線５と保護絶縁層６からなる駆動回路における保護絶縁層６の表面には凹凸があり平坦ではないので、保護絶縁層６上には、有機平坦化層７が設けられており、さらに、この有機平坦化層７上には金属層からなる陽極１０が一部を開口され全面に亘って形成されている。有機平坦化層７に設けられた貫通孔８と保護絶縁層６に設けられた接続孔９ｂとを介して、陽極１０とソース／ドレイン配線５とが導通しており、ゲート絶縁層３に設けられた接続孔９ａを介してソース／ドレイン配線５とＴＦＴ２が導通しており、陽極１０とＴＦＴ２とが、電気的に接続されている。

陽極１０上には発光表示層である有機ＥＬ層１４が設けられており、ＣＶＤにより形成された無機絶縁層は、この有機ＥＬ層１４を囲むようにパターニングされ、水分遮蔽層１１として設けられている。水分遮蔽層１１の上、水分遮蔽層１１と有機ＥＬ層１４との間および、隣接する有機ＥＬ素子ユニット１６との間には画素分離層１２が形成されている。画素分離層１２と有機ＥＬ層１４との上面、画素分離層１２から露出する水分遮蔽層１１とからなる最上層には全体を覆うように陰極１５が設けられている。
すなわち、本実施の形態の表示装置の有機ＥＬ素子ユニット１６は上記のような構成で形成されており、ガラスで封止するとともに、外部制御回路と接続して表示装置となる（図示せず）。

図２、図３は、本実施の形態１における表示装置であるアクティブマトリックス方式のトップエミッション型有機ＥＬ素子を用いた表示装置の製造工程を示す工程図である。
図２（ａ）に示す第１の工程では、ガラス基板１上の各画素に対応させて、ＴＦＴ２（ＴＦＴは簡易に表現している）を配列形成する。次に、ＴＦＴ２を覆う状態で二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）よりなる無機絶縁層４を形成する。この無機絶縁層４は写真製版法により形成する接続孔９ａを設ける。無機絶縁層４上には、３層構造よりなる金属膜を成膜する。この金属膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）を連続して成膜し、接続孔９ａを介してＴＦＴ２に接続する。この金属膜は写真製版法にてパターン形成し、ソース配線およびドレイン配線５となる。この無機絶縁層４上には、上記配線５を覆うようにシリコン窒化膜（ＳｉＮ_ｘ）からなる保護絶縁層６を形成する。この保護絶縁層６には写真製版法により接続孔９ｂを形成する。

図２（ｂ）に示す第２の工程では、上記保護絶縁層６上にはこれまでのデバイス製造過程で発生した段差を平坦化する目的で、有機平坦化層７を形成する。この有機平坦化層７は感光性アクリル系樹脂材料からなり、スピンコート法で約１５００〜２０００ｎｍの膜厚となるように形成する。この工程により十分な平坦性を確保することが可能である。この有機平坦化層７は感光性を有しており、写真製版法により接続孔９ｂに通じる貫通孔８を形成する。
この有機平坦化層７は、写真製版法を用い、感光性樹脂材料の塗布、露光、現像、水洗後、２３０℃で１時間のべーク処理を行う。このベーク処理は樹脂材料の架橋反応を促進する他、写真製版作業中に吸湿した水分を脱水する。

図２（ｃ）に示す第３の工程では、上記貫通孔８と接続孔９bを介して配線（ドレイン）５と接続するように陽極１０となる金属層を有機平坦化層７上に形成する。ここで、金属層は例えばモリブデン（Ｍｏ）をＤＣマグネトロンスパッタ法により成膜する。ターゲットはＭｏターゲットを用い、アルゴン（Ａｒ）ガスによりスパッタリングする。スパッタ条件はＡｒガス流量１００ｓｃｃｍ、圧力０．１４Ｐａ、電力１．０ｋｗ、温度１００℃であり、膜厚は１００ｎｍである。膜厚については、反射率を十分に得るために５０ｎｍ以上の膜厚が必要であるが、厚くなりすぎると膜表面に突起が発生し平滑性が悪くなるため１００ｎｍ以下が望ましい。

次に連続して、陽極１０となる金属層を覆うようにプラズマＣＶＤ法を用いて水分遮断層１１となる無機絶縁層を形成する。この際、有機平坦化層７は陽極１０となる金属層で完全に覆われる為プラズマに曝されない。その結果、有機平坦化層７からの有機成分の分解の影響が無く、ガスバリア性の高い緻密な無機絶縁層が形成可能である。本実施の形態では、水分遮蔽層１１となる無機絶縁層にシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）を用いている。成膜条件としては、シラン（ＳｉＨ_４）３０ｓｃｃｍ、アンモニア（ＮＨ_３）３０ｓｃｃｍ、窒素（Ｎ_２）１０００ｓｃｃｍを反応室に導入して、成膜圧力１３０Ｐａ、成膜温度２２０℃とし１３．５６ＭＨｚの高周波を１．０ｋｗ印加して成膜した。膜厚は８００ｎｍである。

図２（ｄ）に示す第４の工程では、水分遮蔽層１１となるシリコン窒化膜の一部、有機ＥＬ発光部に対応する部分を開口するため、写真製版法とドライエッチングにより加工する。ドライエッチングは四フッ化メタン（ＣＦ_４）１０ｓｃｃｍ、ヘリウム（ Ｈｅ）９０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー２００Ｗ、圧力４Ｐａで、下層の陽極１０に到達するまでエッチングする。その後、開口部の陽極表面に残存しているカーボン（Ｃ）やフレオン（Ｆ）を除去し、表面を清浄化するため、ＵＶオゾン処理を行う。

図３（ｅ）に示す第５の工程では、写真製版法により、水分遮蔽層１１であるシリコン窒化膜と陽極１０となる金属層のＭｏ膜を連続してエッチングし、画素電極としての陽極１０を加工形成する。シリコン窒化膜のエッチング条件は上記と同じである。Ｍｏはリン酸、硝酸、酢酸を混合した溶液を用いてウエットエッチングする。これにより陽極１０上に有機ＥＬ層１４を囲う水分遮蔽層１１を形成する。

図３（ｆ）に示す第６の工程では、まず、有機平坦化層７上に、陽極１０及び水分遮蔽層１１を覆うように画素分離層１２を形成する。この画素分離層１２は、感光性ポリイミドを用いて、水分遮蔽層１１を完全に覆うようにスピンコート法で約１０００ｎｍの膜厚となるように形成する。次に、この画素分離層１２は写真製版法を用いて、有機ＥＬ層１４を形成する部分と水分遮断層１１の上辺を露出させるように開口する。開口後、２３０℃で１時間ベークを行い、樹脂の架橋反応を促進させ、且つ、写真製版作業中に吸湿した水分を脱水する。

図３（ｇ）に示す第７の工程では、マスク１３を用いた蒸着法により画素分離層１２の開口部に有機ＥＬ層１４を形成する。有機ＥＬ層１４は、正孔輸送層、発光層、電子注入層の順に真空状態を保持した状態で成膜する。ここでは、正孔輸送層としてビス［（Ｎ−ナフチル）−Ｎ−フェニル］ベンジジン（α−ＮＰＤ）２０ｎｍ、発光層として８−キノリノールアルミニウム錯体（Ａｌｑ）５０ｎｍ、電子注入層としてバソクプロイン６０ｎｍをそれぞれ連続成膜した。本実施の形態では、有機ＥＬ層１４は３層の積層構造としたが、この構造に限らず何層であっても良い。

図３（ｈ）に示す第８の工程では、表示エリア全体を覆うように陰極１５を形成する。ここで陰極１５は、スパッタ法により成膜したＩＴＯ（Ｉｎ_２Ｏ_３＋ＳｎＯ_２）による透明導電膜である。この陰極１５が画素分離層１２の開口部を介して水分遮蔽層１１と接合され、有機平坦化層７につながる画素分離層１２と有機ＥＬ層１４とを隔離する。その後、有機ＥＬ素子ユニット１６のマトリックスをガラスで封止し、外部制御回路と接続してアクティブマトリックス型の有機ＥＬ表示装置が完成する（図示せず）。

図４は、本実施の形態１の表示装置における有機ＥＬ素子部への水分の拡散を防止する機構を説明する図である。図４に示すように、有機平坦化層７中に吸収された水分は、水分拡散経路１７により画素分離層１２中に拡散しても水分遮蔽層１１が水分を阻止する壁を形成しているため、側面から有機ＥＬ層１４には移動できない。また、有機ＥＬ層１４の底面部には陽極１０の金属層が、有機ＥＬ層１４の上面部は陰極１５の無機導電層により水分の透過を阻止するため、有機ＥＬ素子の吸湿による劣化が防止される。

本実施の形態１では、基板としてガラス材を用いた例を示したが、それ以外のもの、例えばシリコン（Ｓｉ）やプラスチック等の材料も基板に適用できる。

さらに、本実施の形態１では、ソースおよびドレイン配線５としては、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）の３層構造のものについて説明したが、材料としては抵抗の低い導電体であれば良く、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属の単層または積層によるものであっても良く、あるいは、ポリシリコン等の半導体材料でもよく、特に限定されるものではない。また、成膜方法についてもＤＣマグネトロンスパッタ法を用いて形成する方法について述べたが、蒸着、イオンプレート、クラスターイオンビーム法等、他の成膜方法によるものであっても良い。

本実施の形態１では、陽極１０の金属膜をモリブデン（Ｍｏ）としたが、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）その他の金属でも構わない。また、ボトムエミッション型であれば陽極は透明導電膜でなければならず、その場合はＩＴＯ膜やＩＺＯ膜（Ｉｎ_２Ｏ_３＋ＺｎＯ）、ＺＡＯ膜（ＺｎＯ＋Ａｌ_２Ｏ_３）などを用いれば良い。

本実施の形態１では、水分遮蔽層１１としての無機絶縁層をシリコン窒化膜としたが、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）であっても同様の効果が得られる。シリコン酸窒化膜の成膜条件としては、例えばシラン（ＳｉＨ_４）３０ｓｃｃｍ、二酸化窒素（ＮＯ_２）３００ｓｃｃｍ、窒素（Ｎ_２）７００ｓｃｃｍを導入し、成膜圧力１００Ｐａ、成膜温度２２０℃とし１３．５６ＭＨｚの高周波を０．８ｋｗ印加して膜厚８００ｎｍとなるように成膜する。

本実施の形態１では、水分遮蔽層１１としての無機絶縁層の形成方法としてプラズマＣＶＤ法によるものを示したが、ドライプロセスで、低温で成膜できる方法であれば良く、ＥＣＲ−ＣＶＤ（electron cyclotron resonance CVD）法等によるものも利用できる。

ところで、上記実施の形態１では、有機平坦化層７として、感光性アクリル系樹脂材料のものを使用したが、感光性ポリイミド等の他の有機絶縁材料を用いても良い。また、有機平坦化層７の形成法として、スピンコート法によるものについて説明したが、印刷等他の塗布法を用いても構わない。

本実施の形態１では、画素分離層１２として感光性ポリイミドを用いているが、例えば感光性の有機系アクリル樹脂などを用いても同様の効果が得られる。

本実施の形態１では、陰極１５として透明導電膜であるＩＴＯ膜を使用したが、ＩＺＯ膜等の他の透明導電膜であってもよい。

なお、上記実施の形態１では、表示装置として有機ＥＬ素子を製造する場合について説明したが、同様の構造を持つ他の表示素子に適用できることは言うまでもない。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２の表示装置の有機ＥＬ素子ユニットを示す断面図である。図５に示すように、本実施の形態２の表示装置は、実施の形態１の有機ＥＬ素子ユニットにおける無機の水分遮蔽層１１の替わりに、無機絶縁層１８と無機絶縁層１８上に形成した無機導電層１９との複合層とした、水分遮蔽層２０としたものである。
この無機導電層１９としては、陽極１０と同じ条件でモリブデン（Ｍｏ）により形成する。この無機導電層の材料は、Ｍｏに限定されるものではなくクロム（Ｃｒ）やアルミニウム（Ａｌ）などの導電率の高い金属等であれば良い。その後、写真製版法により各画素上の有機ＥＬ層１４に対応する部分を開口するためＭｏをウエットエッチングし、連続してシリコン窒化膜をドライエッチングする。ウエットエッチング及びドライエッチング条件は、実施の形態１記載のものと同じである。その後、接続孔９ｂの陽極１０表面に残存しているカーボン（Ｃ）やフレオン（Ｆ）を除去し、表面を清浄化するため、ＵＶオゾン処理を行う。

さらに、写真製版法を用いて、モリブデン膜（Ｍｏ）、シリコン窒化膜、モリブデン膜（Ｍｏ）を連続してエッチングし、陽極（画素電極）１０を形成する。この段階で陽極１０上に有機ＥＬ層１４を囲うように無機絶縁層１８と無機導電層１９を形成し、水分遮蔽層２０とする。

次に、有機平坦化層７上に、陽極１０及び複合層の水分遮蔽層２０を覆うように画素分離層１２が設けられ、この画素分離層１２を写真製版法により、有機ＥＬ素子に対応する部分と無機導電層１９の上辺を露出させるように開口する。その後、実施の形態１と同様に有機ＥＬ層１４と陰極１５を形成し、陰極１５と無機導電層１９を接合する。これにより、有機平坦化層７中に吸収された水分が画素分離層１２中に拡散しても複合層の水分遮蔽層２０によって阻まれ、有機ＥＬ層には移動できないため、実施の形態１と同様、有機ＥＬ素子の吸湿による劣化が防止される。

また、本実施の形態２では、無機導電層１９が陰極１５の補助電極として作用するため、水分を遮断する効果だけでなく、シェーディングを抑制する効果もある。シェーディングとは、透明導電膜が金属膜と比較して何十倍も抵抗が高いため電圧降下が起こりやすく、表示エリアの外郭から中心へ向かうに従って陰極の電圧降下が顕著になり、充分な電子が供給されない結果、発光が弱まり暗くなる現象を言う。この対策として、抵抗の低い金属等を部分的に用いて補助電極とし、電圧降下を抑制する。

実施の形態１の表示装置の有機ＥＬ素子ユニットを示す断面図（ａ）とＣ−Ｃ面での平面図（ｂ）である。 実施の形態１における表示装置であるアクティブマトリックス方式のトップエミッション型有機ＥＬ素子を用いた表示装置の製造工程の前半を示す工程図である。 実施の形態１における表示装置であるアクティブマトリックス方式のトップエミッション型有機ＥＬ素子を用いた表示装置の製造工程の後半を示す工程図である。 実施の形態１の表示装置における有機ＥＬ素子部への水分の拡散を防止する機構を説明する図である。 実施の形態２の表示装置の有機ＥＬ素子ユニットを示す断面図である。

符号の説明

２ ＴＦＴ
７ 有機平坦化層
１０ 陽極
１１、２０ 水分遮蔽層
１２ 画素分離層
１４ 有機ＥＬ層
１５ 陰極
１９ 無機導電層

Claims (6)

1. 駆動回路と、
   上記駆動回路の上面の凹凸を平坦化するために設けられた有機平坦化層と、
   上記有機平坦化層の表面に設けられた金属陽極と、
   上記金属陽極の上面に配設された複数の発光表示層と、
   上記発光表示層の周囲を囲うように上記金属陽極の上面に設けられた無機絶縁層の水分遮蔽層と、
   上記発光表示層と上記水分遮蔽層の間隙、及び上記水分遮蔽層と隣接する上記水分遮蔽層の間隙に設けられた画素分離層と、
   上記発光表示層上面、上記画素分離層上面及び上記水分遮蔽層上面を覆うように設けられ、且つ上記発光表示層と上記水分遮蔽層とに接合された陰極と、
   を備えたことを特徴とする表示装置。
2. 水分遮蔽層が、無機絶縁層とその上に積層された無機導電層との複合層で構成されていることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
3. 無機絶縁層が、プラズマＣＶＤにより形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の表示装置。
4. 発光表示層が、有機エレクトロルミネッセンス層により構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表示装置。
5. 駆動回路の上面の凹凸を平坦化する有機平坦化層を設ける工程と、
   上記有機平坦化層の表面に金属陽極を設ける工程と、
   上記金属陽極の表面にＣＶＤにより形成された無機絶縁層を加工し開口部を持つ水分遮蔽層を設ける工程と、
   上記水分遮蔽層の開口部に、発光表示層を形成するための開口部を持つ画素分離層を設ける工程と、
   上記画素分離層の開口部の露出した上記金属陽極面に発光表示層を設ける工程と、
   上記発光表示層上面、上記画素分離層上面および上記水分遮蔽層上面を覆い、上記発光表示層と上記水分遮蔽層とに接合する陰極を設ける工程と、
   を順番に行うことを特徴とする表示装置の製造方法。
6. 水分遮蔽層を設ける工程が、ＣＶＤにより形成された無機絶縁層と、
   上記無機絶縁層上に連続して形成した無機導電層とが積層された複合層に開口部を設ける工程であることを特徴とする請求項５記載の表示装置の製造方法。
   

Images