JP2006193363A - 酸化物焼結体、スパッタリングターゲットおよび透明導電性薄膜 - Google Patents

Abstract

【課題】表面が平滑で、非晶質であり、かつ、成膜時に基板を加熱しなくても比抵抗が小さい透明導電性薄膜を提供する。
【解決手段】インジウム、タングステン、亜鉛、チタン、酸素からなり、インジウムに対して、原子数比で、タングステンが０．００４〜０．０３４、亜鉛が０．００５〜０．０３２、チタンが０．００８〜０．０３９の割合で含有される酸化物焼結体を用いてスパッタリングターゲットを作製する。作製したスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングを実施して、透明導電性薄膜を形成する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、透明導電性薄膜製造用の酸化物焼結体、該酸化物焼結体を用いたスパッタリングターゲットおよび透明導電性薄膜に関する。

透明導電性薄膜は、高い導電性（例えば、１×１０^-3Ωｃｍ以下の比抵抗）と可視光領域での高い透過率とを有することから、表示素子、および太陽電池、その他の各種受光素子、発光素子、トランジスタ、レーザなどの電子デバイスの電極などに利用されるほか、自動車や建築用の熱線反射膜、帯電防止膜、冷凍ショーケースなどの各種の防曇用の透明発熱体としても利用されている。

透明導電性薄膜が使用される表示素子を用いたディスプレイとしては、近年、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）などのフラットパネルディスプレイが広く普及しているが、次世代のフラットパネルディスプレイとして、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子を用いたディスプレイも近年注目を浴びている。ＥＬ素子は、自己発光のため視認性が高く、かつ、液晶やプラズマディスプレイパネルとは異なり完全固体素子であるため耐衝撃性に優れている等の利点を有している。

ＥＬ素子には、発光材料として無機化合物を用いる無機ＥＬ素子と、発光材料として有機化合物を用いる有機ＥＬ素子とがある。

このうち、有機ＥＬ素子は、駆動電圧を大幅に低くしても（例えば、１０Ｖ以下の直流電圧で）明るい発光が得られるため、小型化が容易である。

有機ＥＬ素子の構成は、透明絶縁性基板／陽極（透明電極）／正孔輸送層／発光層／電子輸送層／陰極（金属電極）の積層構造を基本とし、ガラス板などの透明絶縁性基板上に透明導電性薄膜を形成して、該透明導電性薄膜を陽極とする構成のボトムエミッション型が、通常、採用されている。

一方、透明絶縁性基板として、ＴＦＴ（thin-film transistor）基板を使用する場合、取出し光量を多くするために、透明絶縁性基板／陽極（金属電極）／正孔輸送層／発光層／電子輸送層／陰極（透明電極）の積層構造を有するトップエミッション型も提案されている。

また、透明導電性薄膜が使用される素子としては、前記有機ＥＬ素子のほかに、有機物を利用する発光素子、トランジスタ、太陽電池やレーザなどの有機デバイスも、近年、注目を集めている。

有機ＥＬ素子、およびこれらの有機デバイスに使用される透明導電性薄膜には、アンチモンやフッ素をドーパントとして含む酸化スズ（ＳｎＯ₂）や、アルミニウムやガリウムをドーパントとして含む酸化亜鉛（ＺｎＯ）や、スズをドーパントとして含む酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）などが利用されている。このうち、スズをドーパントとして含む酸化インジウム膜（Ｉｎ₂Ｏ₃−Ｓｎ系膜）は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜と称され、特に低抵抗の透明導電性薄膜が容易に得られることから、広く用いられている。

これらの透明導電性薄膜を製造する方法としては、スパッタリング法がよく用いられている。スパッタリング法は、蒸気圧の低い材料の成膜や、精密な膜厚制御を必要とする際に、有効な手法であり、かつ、操作も非常に簡便であるため、工業的に広く利用されている。

スパッタリング法においては、膜成分を供給する原料としてスパッタリングターゲットが用いられる。そして、一般に、約１０Ｐａ以下のガス圧のもとで、基板を陽極とし、スパッタリングターゲットを陰極として、これらの間にグロー放電を起こして、アルゴンプラズマを発生させ、プラズマ中のアルゴン陽イオンを陰極のスパッタリングターゲットに衝突させ、これによって弾き飛ばされるターゲット成分の粒子を基板上に堆積させて、膜を形成する。

また、スパッタリング法は、アルゴンプラズマの発生方法で分類され、高周波プラズマを用いる高周波スパッタリング法、直流プラズマを用いる直流スパッタリング法がある。また、スパッタリングターゲットの裏側にマグネットを配置することで、低ガス圧でもアルゴンイオンの発生効率を上げるとともに、プラズマをスパッタリングターゲットの直上に集中させて成膜するマグネトロンスパッタ法もある。一般に、直流スパッタリング法は、導電性ターゲットを用いる必要があるが、高周波スパッタリング法に比べて成膜速度が速く、電源設備が安価で、成膜操作が簡単などの理由で、工業的に広く利用されている。

しかしながら、ＩＴＯ膜は、低抵抗であるものの結晶化温度が１５０℃前後と低い。このため、スパッタリングにおいて基板を加熱しなくても結晶相が生じやすく、透明導電性薄膜の表面に凹凸が生じやすい。ボトムエミッション型の有機ＥＬ素子において、正孔輸送層側である陽極に凹凸が生じたＩＴＯ膜を用いると、表面の凹凸により超薄膜の有機物層に過電流が流れて、有機ＥＬ素子に黒点（ダークスポット）が発生してしまう。

そこで、正孔輸送層側である陽極としてＩＴＯ膜を用いる場合には、透明絶縁性基板に陽極となるＩＴＯ膜を成膜後、研磨等により表面の凹凸をなくし、表面を平滑にしてから、正孔輸送層を積層させる必要が生じる。

また、トップエミッション型の有機ＥＬ素子において、電子輸送層側である陰極に結晶相のあるＩＴＯ膜を用いた場合、結晶粒界を通して水分および酸素などが下地側の有機物層に拡散してダメージを与えるので、素子寿命が短くなる。しかし、該陰極が非晶質の膜であれば、結晶粒界がないため、水分および酸素などが拡散し難くなる。

従って、透明電極性薄膜を有機ＥＬ素子および有機デバイスの陽極として用いる際には、表面が平滑であること、および非晶質で水分および酸素などの拡散が少ないことが望まれる。

さらに、ＩＴＯ膜においては、有機層の上に透明導電性薄膜を形成する際に、低温での成膜で低抵抗の薄膜を実現することが困難である。有機層の耐熱性が悪いため、基板を加熱して成膜することは不可能であるためである。

ＩＴＯ膜の場合、低抵抗の膜を得るためには、結晶化温度以上の温度において結晶化を促進し、移動度を上げる必要がある。室温で成膜した場合には、その比抵抗は６×１０^-4Ωcm程度である。

一方、透明導電性薄膜を成膜する過程においては、ボトムエミッション型の有機ＥＬ素子であるか、トップエミッション型の有機ＥＬ素子であるかに関わらず、スパッタリングターゲットに黒化物（ノジュール）が発生すると、薄膜中に粗大粒子が存在するようになる。ボトムエミッション型の場合は、粗大粒子の部分に有機層が蒸着できず、ダークスポットになる。トップエミッション型の場合は、有機層中へ粗大粒子が入り込み、粗大粒子の部分は有機層としての機能を果たさず、ダークスポット等の欠陥となる。従って、いずれにおいても素子としての機能が低下することになる。

このため、透明導電性薄膜をスパッタリング法で製造する際においては、ノジュールの発生が少ないスパッタリングターゲットを用いることが望まれている。ＩＴＯ膜の製造において、ノジュールの発生を抑制する方策としては、スパッタリングターゲットの焼結密度を高めること、焼結体中の空孔を制御すること、焼結体の強度を高めることなどが知られている。これらの対策を講じると、確かにスパッタリングターゲットでのノジュールの発生は減少する。しかし、完全にはノジュールの発生を抑制できていない。そのため、ＩＴＯ膜の製造において、現状でもノジュールが発生しており、成膜された導電性薄膜には欠陥が生じ、製品歩留まりが悪くなっている。

また、スパッタリングターゲットの焼結密度を高めても、スパッタ中に焼結割れが発生すると、その部分におけるノジュールの発生確率が高くなるので、焼結体の高密度化を図るとともに、焼結体の強度は高くする必要がある。

以上のように、有機ＥＬ素子の透明導電性薄膜については、ボトムエミッション型であるか、トップエミッション型であるかに関わらず、表面が平滑であること、非晶質であること、比抵抗が小さいことなどが望まれている。また、スパッタリングターゲットについては、ノジュールの発生抑制が望まれている。要求されるこれらの特性は、有機ＥＬ素子のほか、発光素子、トランジスタ、太陽電池およびレーザなどにおいて用いられる有機デバイスに関しても、同様である。

酸化インジウム系透明導電性薄膜に関しては、スズ以外の添加物を含む酸化インジウム系透明導電性薄膜が検討されており、ＩＴＯ膜にはない特徴を有する材料がいくつか見出されている。

特許文献１（特開昭６１−１３６９５４号公報）には、酸化インジウム系透明導電性薄膜の製造原料として、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）および／または酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂）を含有している酸化インジウム系焼結体が記載されており、また、特許文献２（特開昭６２−２０２４１５号公報）には、かかる酸化ケイ素および／または酸化ゲルマニウムを含有している酸化インジウム系焼結体を用い、高周波スパッタリング法と電子ビーム蒸着法で、Ｓｉ添加酸化インジウム膜などを成膜する方法が記載されている。

この方法によれば、膜欠陥が解消されたＳｉ添加酸化インジウム膜などが得られるものの、用いるスパッタリングターゲットは酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）および／または酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ₂）を含有している酸化インジウム系焼結体を用いたものであり、焼結体中に高抵抗物質である酸化ケイ素および／または酸化ゲルマニウムを含有しており、直流スパッタリングを行うと、アーキングなどが発生しやすく、安定して成膜することができないという問題がある。

また、直流電力を多く投入すれば、高抵抗物質の帯電が起きやすく、成膜中のアーキング発生頻度が増すため、成膜速度を上げるために高電力を投入することは難しいという問題もある。

さらに、得られる透明導電性薄膜の結晶構造が明記されていないことから、膜質が非晶質であるかどうかは不明であり、この方法により、純アルゴンガス中で高周波スパッタリングにより成膜しても、表面が平滑な膜を得ることができるかどうかは不明である。

これに対して、特許文献３（特許第３２２４３９６号公報）には、有機ＥＬ素子に使用する透明導電性薄膜として、Ｚｎ添加Ｉｎ₂Ｏ₃膜が記載されている。Ｚｎ添加Ｉｎ₂Ｏ₃膜は、非晶質構造をとりやすく、成膜時の基板温度が室温の場合だけでなく、例えば、２００℃に加熱しても結晶化しない。従って、表面平滑性に優れた透明導電性薄膜を、安定して作製しやすいという利点も持っている。

しかし、特許文献３（特許第３２２４３９６号公報）に記載のＺｎ添加Ｉｎ₂Ｏ₃膜には、短波長域における透過率、具体的には波長４００ｎｍの光の透過率がＩＴＯよりも低いという問題がある。

特開昭６１−１３６９５４号公報

特開昭６２−２０２４１５号公報

特許第３２２４３９６号公報

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、光の透過性を維持しつつ、表面が平滑で、非晶質であり、かつ、成膜時に基板を加熱しなくても比抵抗が小さい透明導電性薄膜を提供するとともに、このような透明導電性薄膜を安定的に成膜することを可能とする酸化物焼結体およびスパッタリングターゲットを提供することを目的とする。

本発明に係る酸化物焼結体は、インジウム、タングステン、亜鉛、チタン、酸素からなり、インジウムに対して、原子数比で、タングステンが０．００４〜０．０３４、亜鉛が０．００５〜０．０３２、チタンが０．００８〜０．０３９の割合で含有される。

前記酸化物焼結体においては、ビックスバイト型構造の酸化インジウム結晶相を主相とすることが好ましい。また、前記酸化物焼結体においては、焼結密度は６．５ｇ／ｃｍ³以上であることが好ましく、平均結晶粒径は５μｍ以下であることが好ましい。

前記酸化物焼結体を平板状に加工し、冷却用金属板に貼り合わせることで、スパッタリングターゲットとすることができる。

本発明に係る透明導電性薄膜は、インジウム、タングステン、亜鉛、チタン、酸素からなり、タングステンがＷ／Ｉｎ原子数比で０．００４〜０．０３４、亜鉛がＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．０３２、チタンがＴｉ／Ｉｎ原子比で０．００８〜０．０３９の割合で含有される。

前記透明導電性薄膜においては、比抵抗は５×１０^-4Ωｃｍ以下であることが好ましく、表面の平均粗さＲａは膜厚の１％未満であることが好ましく、波長４００ｎｍの光の透過率は６５％を超えることが好ましい。

前記透明導電性薄膜と、３〜５ｎｍの金属薄膜とを積層させて、比抵抗のより小さい透明導電性薄膜を形成することができる。

本発明に係る酸化物焼結体は、インジウム、タングステン、亜鉛、チタン、酸素からなり、インジウムに対して、原子数比で、タングステンが０．００４〜０．０３４、亜鉛が０．００５〜０．０３２、チタンが０．００８〜０．０３９の割合で含有されるので、本発明に係る酸化物焼結体を用いてスパッタリングを行うことにより、表面が平滑で、非晶質であり、かつ、成膜時に基板を加熱しなくても比抵抗が小さい透明導電性薄膜を得ることができる。

該透明導電性薄膜は、光の透過性も良好であり、有機ＥＬ素子や有機デバイスの電極等に用いるのに極めて有用である。

本発明者は、前記課題を解決するために、スパッタリング法によって種々の組成の透明導電性薄膜を作製し、得られた透明導電性薄膜の結晶構造、電気特性および光学特性を検討した。その結果、インジウム、タングステン、亜鉛、チタン、酸素からなり、タングステンがＷ／Ｉｎ原子数比で０．００４〜０．０３４、亜鉛がＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．０３２、チタンがＴｉ／Ｉｎ原子比で０．００８〜０．０３９の割合で含有されたスパッタリングターゲットを用いると、得られた透明導電性薄膜は、表面が平滑で、非晶質であり、比抵抗が小さく、有機ＥＬ素子の透明導電性薄膜として好適であること、さらには、スパッタリングの際にノジュールの発生が見られないことを見出し、本発明を完成するに至った。

（酸化物焼結体）
本発明に係る酸化物焼結体は、インジウム、タングステン、亜鉛、チタン、酸素からなり、タングステンがＷ／Ｉｎ原子数比で０．００４〜０．０３４、亜鉛がＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．０３２、チタンがＴｉ／Ｉｎ原子比で０．００８〜０．０３９の割合で含有される。なお、該酸化物焼結体から作製されるスパッタリングターゲット、および該スパッタリングターゲットを用いて成膜された透明導電性薄膜の組成は上記酸化物焼結体と実質的に同じである。

まず、本発明に係る酸化物焼結体の添加金属元素（タングステン、亜鉛、チタン）について説明する。

タングステンは、透明導電性薄膜の結晶化温度を上げる効果、および透明導電性薄膜に導電性を付与する効果がある。タングステンの添加により透明導電性薄膜の結晶化温度が上がる結果、透明導電性薄膜は非晶質となりやすくなる。Ｗ／Ｉｎ原子数比が０．００４未満であると、透明導電性薄膜が結晶化してしまう。一方、０．０３４を超えると、透明導電性薄膜の比抵抗が１×１０^-3Ωｃｍ以上となってしまう。

また、タングステンは、酸化物焼結体においては、酸化物焼結体の結晶粒の成長を妨げる効果がある。Ｗ／Ｉｎ原子数比が０．００４以上であれば、酸化物焼結体の平均結晶粒径が、５μｍ以下と非常に微細になる。一方、Ｗ／Ｉｎ原子数比が０．０３４を超えると、たとえチタンを添加しても、焼結体の焼結密度が低下してしまう。スパッタリング中に焼結割れが発生すると、ノジュールはその部分に発生しやすくなるが、本発明の酸化物焼結体は、Ｗ／Ｉｎ原子数比で０．００４〜０．０３４であるため、平均結晶粒径は非常に小さくなり、酸化物焼結体の曲げ強さが大きくなる。このため、本発明の酸化物焼結体から作製したスパッタリングターゲットにおいては、ノジュール発生の原因となるスパッタ中の焼結割れが、ほとんど生じない。

亜鉛は、酸化物焼結体において、直流スパッタリングが可能な程度の導電性を付与する効果、および結晶化温度を上げる効果がある。酸化物焼結体のＺｎ／Ｉｎ原子数比が０．００５未満だと、焼結体の比抵抗が小さくなり、スパッタリングにおける成膜速度がＩＴＯ膜と比較して著しく低下してしまう。また、比抵抗が小さく、かつ、非晶質である透明導電性薄膜を得ることはできない。一方、Ｚｎ／Ｉｎ原子数比が０．０３２を超えると、可視域の短波長側（例えば、波長４００ｎｍ付近）で、優れた透過特性をもつ透明導電性薄膜を得ることはできない。

チタンは、酸化物焼結体において、焼結性を高める効果がある。タングステン、インジウムおよび酸素からなる酸化物焼結体の焼結密度（相対密度）は８５％程度であり、焼結密度（相対密度）が９９％程度のＩＴＯほど高くない。そのため、タングステン、インジウムおよび酸素からなる酸化物焼結体をスパッタリングターゲットに用いた場合、そのスパッタリングレートは不十分である。焼結密度は、ノジュールの発生を抑制するためにも、６．５ｇ／ｃｍ³以上必要である。チタンをＴｉ／Ｉｎ原子数比で０．００８程度添加するだけで、焼結密度は６．５ｇ／ｃｍ³を超えるが、添加量を増やしても、焼結密度に変化は見られない。逆に透明導電性薄膜の結晶化温度は下がる傾向にあり、Ｔｉ／Ｉｎ原子数比で０．０３９を超えると、低温成膜で作製された透明導電性薄膜は結晶化してしまう。

次に、本発明に係る酸化物焼結体の結晶相について説明する。

本発明に係る酸化物焼結体においては、原料粉である酸化タングステン、酸化亜鉛および酸化チタンに起因する結晶相が存在せず、ビックスバイト相のみで構成されていることが好ましい。ビックスバイト相のみで構成された酸化物焼結体の方が、原料粉に起因する酸化物の結晶相が検出された酸化物焼結体よりも、同一条件下におけるスパッタリングによる成膜速度が、明らかに速いという結果が得られているからである。このような結果が得られた理由は、原料に起因する酸化物結晶相のスパッタリングレートが、比較的遅いためであり、その存在する割合に応じて、スパッタリングレートが遅くなるからである。したがって、ビックスバイト型構造で単相の焼結体であれば、高速の成膜速度を実現することができる。

ここで、ビックスバイト（bixbyite）型構造は、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）の結晶構造であり、希土類酸化物Ｃ型とも呼ばれる（「透明導電膜の技術」、オーム社、ｐ．８２参照）。タングステンや亜鉛、チタンなどの陽イオンは、ビックスバイト型構造の酸化インジウム中のインジウムイオンの位置を置換して、固溶体を形成する。なお、Ｉｎ₂Ｏ₃は、ビックスバイト型構造の他にコランダム型構造をとることもある。

（酸化物焼結体の製造）
本発明に係る酸化物焼結体は、例えば次のようにして製造することができる。まず、平均粒径が０．１〜３μｍ以下の酸化インジウム粉末、酸化タングステン粉末、酸化チタン、および酸化亜鉛粉末を所定の割合で調合し、水とともに樹脂製ポットに入れ、湿式ボールミルで混合し、スラリーとする。この際、スラリー内への不純物混入を極力避けるため、硬質ＺｒＯ₂ボールミルを用いることが好ましい。混合時間は１０〜３０時間が好ましい。１０時間より短いと、原料粉末の粉砕が不十分となり、安定的に高密度のターゲットを得ることが困難となるおそれがあり、３０時間より長いと、過粉砕となり、粒子同士の凝集が強くなり、同様に安定的に高密度のターゲットを得ることが困難となるおそれがある。混合後、スラリーを取り出し、ろ過、乾燥、造粒する。

上記のようにして造粒した造粒粉（平均粒径２５〜１００μｍ程度）を、冷間静水圧プレスで２〜５ｔｏｎ／ｃｍ²の圧力をかけて成形する。圧力は、２ｔｏｎ／ｃｍ²よりも低いと、成形体の密度が十分には高まらず、高密度のターゲットが得られにくくなり、５ｔｏｎ／ｃｍ²を超えると、成形体密度を高めることはできるが、その圧力を得るための工程および設備等の条件調整が大きくなり、製造コストが上がってしまう。

次に、得られた成形体を、炉内容積０．０１ｍ³あたり１０リットル／分の割合で焼結炉内に酸素を導入して得られる雰囲気中で、温度：１２００〜１５００℃で、１０〜３０時間、焼結させる。１２００℃よりも低温では、安定的に高密度のターゲットを得ることが難しく、１５００℃を超えると、結晶粒径が大きくなるだけでなく、炉床板との反応が生じる懸念も生じる。処理時間が、１０時間より短いと、安定的に高密度のターゲットを得ることが難しく、３０時間を超えると、結晶粒径が大きくなってしまう。

前記した１２００〜１５００℃での焼結を行う際の昇温速度は、７５０℃までを０．５℃／分程度で、７５０℃から所定の焼結温度までを１℃／分程度で行うことが好ましい。このように、昇温速度を遅くすることが好ましい理由は、炉内の温度分布を均一にするためである。また、前記焼結処理の終了後には、酸素導入を止め、熱衝撃で焼結体が割れないために１℃／分程度で降温することが好ましい。

なお、酸化物焼結体において異質な酸化物相が存在する場合、異常放電が起こりやすくなる。さらに、異質な酸化物相が高抵抗物質の場合、直流電力を多く投入すると、異質な酸化物相の帯電が生じやすくなり、成膜中のアーキング発生頻度が増してしまうため、直流電力を多く投入しても高成膜速度を得ることは難しい。しかし、酸化物焼結体に異質な酸化物相が存在せず、全添加元素がＩｎサイトに固溶している場合、このような現象が発生する可能性は小さくなる。本発明の酸化物焼結体においては、平均粒径が０．１〜３μｍ以下の酸化インジウム、酸化タングステン、酸化チタンおよび酸化亜鉛を原料粉に用いて、十分に混合粉砕を行うことで、全添加元素をＩｎサイトに置換させることができる。前記原料粉の平均粒径が０．１μｍ未満であると、固溶しやすくなるが、原料粉の凝集が強くなり、高密度化が達成しにくくなる。一方、前記原料粉の平均粒径が３μｍを超えると、粉砕工程において適度な粉砕が行われにくくなり、造粒粉に粗い原料粉が存在してしまうことが懸念される。これにより原料粉の分散が不均一になると、焼結が均一に行われなくなり、高密度化が達成できなくなる。また、造粒粉に粗い原料粉が存在してしまうと、焼結処理を行っても粗い原料粉中の原子の拡散が進まず、酸化物焼結体中に異質な酸化物相が存在してしまうという問題も発生する。

（スパッタリングターゲット）
得られた酸化物焼結体については、スパッタリングする面をカップ砥石などで研磨し、厚さ３〜１０ｍｍ程度に加工して、Ｉｎ系合金などの冷却用金属板（バッキングプレート）に貼り合わせることにより、スパッタリングターゲットとすることができる。

（スパッタリング成膜）
本発明に係る透明導電性薄膜は、本発明のスパッタリングターゲットを用いて、例えば、スパッタリング時のターゲット基板間距離を５０〜１００ｍｍとし、スパッタリングガス圧を０．５〜１．５Ｐａとして、直流マグネトロンスパッタリング法により成膜することで得ることができる。

ターゲット基板間距離については、ターゲット基板間距離が５０ｍｍよりも短くなると、基板に堆積するスパッタ粒子の運動エネルギーが大きくなるため、基板の受けるダメージが大きく、低級酸化物などになって抵抗が大きくなってしまう。また、膜厚も不均一となり膜厚分布が悪くなる。ターゲット基板間距離が１００ｍｍより長いと、膜厚分布は良くなるが、基板に堆積するスパッタ粒子の運動エネルギーが低くなりすぎ、基板上で拡散による緻密化が起きにくくなり、そのため密度の低い透明導電性薄膜しか得られなくなり、好ましくない。

スパッタリングガス圧については、スパッタリングガス圧が０．５Ｐａより低いと基板に堆積するスパッタ粒子の運動エネルギーが大きくなるため、基板の受けるダメージが大きく、低級酸化物などになって抵抗が大きくなってしまう。スパッタリングガス圧が１．５Ｐａより高いと、成膜速度が遅くなるだけでなく、基板に堆積するスパッタ粒子の運動エネルギーが低くなりすぎて、基板上で拡散による緻密化が起きず、密度の低い透明導電性薄膜しか得られなくなり、好ましくない。

（透明導電性薄膜）
本発明の透明導電性薄膜は、インジウム、タングステン、亜鉛、チタン、酸素からなり、タングステンがＷ／Ｉｎ原子数比で０．００４〜０．０３４、亜鉛がＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．０３２、チタンがＴｉ／Ｉｎ原子比で０．００８〜０．０３９の割合で含有される。なお、前記したように、前記スパッタリング成膜により得られた透明導電性薄膜の組成は、焼結体と実質的に同じである。該透明導電性薄膜は、５×１０^-4Ωｃｍ以下の小さい比抵抗を示す。また、本発明の透明導電性薄膜は、完全に非晶質で、表面が平滑であり、その表面の平均粗さ（Ｒａ）は膜厚の１％未満である。

なお、本発明の透明導電性薄膜は、基板を加熱せずに成膜されたものであっても、上記のように比抵抗が小さく、表面も平滑である。このため、本発明に係る透明導電性薄膜は、耐熱性に劣る有機発光層の上においても、電極として形成することができ、上面電極である陰極から光を効率的に取り出すことが可能なトップエミッション型有機ＥＬ素子の実現に寄与できる。また、基板を加熱せずに成膜されたものであっても、上記のように比抵抗が小さく、表面も平滑であることから、本発明に係る透明導電性薄膜は、樹脂フィルム基板を用いたフレキシブル透明有機ＥＬ素子の陰極および／または陽極としても利用することができ、工業的価値が極めて高い。

そして、本発明に係る透明導電性薄膜を、有機ＥＬ素子などの発光素子のほか、トランジスタ、太陽電池およびレーザなどの有機デバイスの電極に使用することで、ダークスポット等の欠陥が抑制された有機デバイスを提供することが可能となる。

また、透明導電性薄膜として使用する場合に、さらに比抵抗を小さくすることが望まれる場合がある。この場合には、本発明の透明導電性薄膜と銀、銀合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの金属薄膜を積層すれば、比抵抗をさらに小さくすることが可能となる。積層する金属膜の膜厚は、３ｎｍ〜５ｎｍが好ましい。金属膜は、膜厚が５ｎｍを超えて厚くなれば、比抵抗は小さくなるが、光の透過率は悪くなる。逆に、３ｎｍ未満であると、金属膜の連続性が失われ、金属膜を積層する効果を十分には発揮することができなくなる。

（実施例１〜３、比較例１〜３）
原料として、平均粒径０．１μｍ〜３μｍのＩｎ₂Ｏ₃粉（純度９９．９９質量％）、平均粒径０．１μｍ〜３μｍのＷＯ₃粉（純度９９．９９質量％）、平均粒径０．１μｍ〜３μｍのＴｉＯ₂粉（純度９９．９９質量％）、および平均粒径０．１μｍ〜３μｍのＺｎＯ粉（純度９９．９９質量％）を用いた。

各粉末を、所定の量を配合して、純水、分散剤、バインダとともに樹脂製ポットに入れ、硬質ＺｒＯ₂ボールミルを用いた湿式ボールミルを用いて、２０時間、混合して混合スラリーとした。そして、該混合スラリーを取り出し、濾過、乾燥、造粒した。得られた造粒粉に、２９４ＭＰａ（３ｔｏｎ／ｃｍ²）の圧力をかけて、冷間静水圧プレスで成形した。

次に、得られた成形体を、炉内容積０．０１ｍ³あたり１０リットル／分の割合で焼結炉内に酸素を導入して得られる雰囲気中で、１３００℃で３０時間、焼結した。この際、７５０℃までを０．５℃／分の昇温速度で、７５０℃から１３００℃までを１℃／分の昇温速度で、それぞれ昇温した。焼結終了後、酸素導入を止め、１℃／分で降温して酸化物焼結体を得た。

得られた酸化物焼結体の端材を粉砕し、Ｘ線回折装置（マックサイエンス社製、Ｍ１８ＸＨＦ２２）で粉末Ｘ線回折測定を実施したところ、ビックスバイト型構造の酸化インジウム結晶相に起因する回折ピークのみが観察された。また、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化ゲルマニウムの結晶相が存在していないことも確認した。ＥＰＭＡによる局所分析により、各酸化物焼結体中の酸化インジウム結晶相には、タングステン、亜鉛、チタンが固溶していることを確認した。

得られた酸化物焼結体の焼結密度については、アルキメデス法で求めた。得られた酸化物焼結体の結晶粒径の測定については、得られた酸化物焼結体の表面を研磨した後、１３００℃にてサーマルエッチングを施し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して、平均粒径を求めた。実施例１〜３および比較例１〜３について、組成、焼結温度、得られた酸化物焼結体の焼結密度および平均粒径を、表１に示す。

＜焼結密度について＞
実施例１〜３に示すように、Ｔｉ／Ｉｎ原子数比が０．００８以上であれば焼結密度は６．５ｇ／ｃｍ³を超えるが、比較例３のようにＴｉ／Ｉｎ原子数比が０．００８を下回ると、焼結密度は小さくなる。しかし、Ｔｉ／Ｉｎ原子数比が０．００８以上であっても、比較例２に示すように、Ｗ／Ｉｎ原子数比が本発明の上限値である０．０３４を超えると、チタンを添加しても、焼結密度が６．５ｇ／ｃｍ³を下回る。難焼結材であるＷＯ_３量が多くなると焼結性が悪くなるためと考えられる。

＜平均粒径について＞
表１からわかるように、Ｗ量が多くなると平均粒径は小さくなり、Ｗ量が少なくなると平均粒径は大きくなる傾向がある。実施例１〜３に示すように、Ｗ／Ｉｎ原子数比が０．００４以上であれば、平均粒径は５μｍよりも小さくなる。

＜添加元素の分布状態および異質な酸化物相の有無＞
実施例１〜３、および比較例１〜３で得られた酸化物焼結体における添加元素の分布状態および異質な酸化物相の有無を、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）およびＸ線回折装置（ＸＲＤ）で調査したところ、タングステン、チタンおよび亜鉛とも、均一に分散しており、これらの酸化物相の存在は認められなかった。

（比較例４）
次に、原料として、平均粒径０．５μｍのＩｎ₂Ｏ₃粉（純度９９．９９質量％）、平均粒径６μｍのＷＯ₃粉（純度９９．９９質量％）、平均粒径０．５μｍのＴｉＯ₂粉（純度９９．９９質量％）、平均粒径０．５μｍのＺｎＯ粉（純度９９．９９質量％）を用いた以外は、実施例１〜３と同様にして、酸化物焼結体を製造した。比較例４で用いたＩｎ₂Ｏ₃粉、ＴｉＯ₂粉、ＺｎＯ粉についての平均粒子径は、実施例１〜３で用いたそれぞれの粉末の平均粒径の範囲に入っているが、比較例４で用いたＷＯ₃粉の平均粒径は６μｍであり、実施例１〜３で用いたＷＯ₃粉の平均粒径０．１μｍ〜３μｍの範囲を超えている。

ＥＰＭＡで各元素の分布状態を調査したところ、粒径３μｍのタングステン酸化物が観察された。このような粗大な酸化物が存在すると、アーキングの原因となるので、スパッタリング法を用いて生産する上で、好ましくない。なお、チタンおよび亜鉛は均一に分散していたため、インジウムサイトに固溶していると考えられる。

（実施例４〜８、比較例５〜８）
混合するＩｎ₂Ｏ₃粉、ＷＯ₃粉、ＴｉＯ₂粉およびＺｎＯ粉の配合を変えて、実施例１とは組成を変えた以外は、実施例１と同様にして、実施例４〜８および比較例５〜８の酸化物焼結体を得た。そして、それぞれの酸化物焼結体のスパッタ面を、カップ砥石で磨き、直径１５２ｍｍ、厚み５ｍｍに加工し、Ｉｎ系合金を用いてバッキングプレートに貼り合わせて、スパッタリングターゲットとした。

実施例４〜８、比較例５〜８で用いた直流マグネトロンスパッタ装置を図１に示す。直流マグネトロンスパッタ装置の非磁性体ターゲット用カソードに、前記スパッタリングターゲット２を取り付け、スパッタリングターゲット２の対向面に、厚み１．１ｍｍの＃７０５９ガラス基板４を取り付けた。そして、ターゲット基板間距離を７０ｍｍとしてスパッタリングを実施し、ガラス基板４の上に、膜厚２００ｎｍの透明導電性薄膜を形成した。なお、基板加熱は行わなかった。

実施例４、５および比較例５の酸化物焼結体を用いてスパッタリングを実施した場合について、成膜時間と膜厚から成膜速度を求めた。実施例４、５および比較例５について、酸化物焼結体の組成、焼結密度および成膜速度を表２に示す。なお、膜厚は、ガラス基板４上にマジックインキでマークし、成膜後にマークしたマジックインキとその上に堆積した膜とを、アセトンで除去し、生じた段差を接触式表面形状測定器（Dektak3ST）で測定することにより求めた。

実施例６〜８および比較例６〜８に係る透明導電性薄膜の表面平滑性は、原子間力顕微鏡で平均粗さを測定することで評価した。比抵抗は、４端針法で測定した。さらに、基板を含めた光透過率を、分光光度計（日立製作所社製、Ｕ−４０００）で測定した。実施例６〜８および比較例６〜８に係る透明導電性薄膜の組成、比抵抗、平均粗さ（Ｒａ）および波長４００ｎｍの光の透過率を表３に示す。

なお、結晶性については、ＸＲＤで評価した。

本発明の範囲内の実施例４から８に係る透明導電性薄膜は、ＸＲＤ測定の結果、いずれも結晶ピークは観察されず、非晶質であった。

Ｚｎ／Ｉｎ原子数比が０．００５以上の実施例４、５では、成膜速度が５５ｎｍ／ｓ、５２ｎｍ／ｓと大きく、ＩＴＯの場合の成膜速度と同等程度であった。これに対して、Ｚｎ／Ｉｎ原子数比が０．００５未満の比較例５では、成膜速度が２９ｎｍ／ｓと小さく、ＩＴＯの場合の成膜速度の半分程度であり、生産上好ましくない結果となった。

本発明の範囲内の実施例６から８に係る透明導電性薄膜は、比抵抗の大きさが３．５〜４．８×１０^-4Ωｃｍであり、５×１０^-4Ωｃｍ以下の比抵抗を示す。なお、実施例６から８に係る透明導電性薄膜は、基板を加熱せずに成膜されたものである。

また、本発明の範囲内の実施例６から８に係る透明導電性薄膜は、表面の平均粗さ（Ｒａ）が０．３８〜０．５１ｎｍであり、膜厚に対しては０．１９〜０．２６％であり、平滑性に優れるものであった。

比較例６に係る透明導電性薄膜は、Ｗ／Ｉｎ原子数比が０．０４１であり、本発明の範囲の上限値である０．０３４を超えている。そのため、透明導電性薄膜の比抵抗が１４×１０^-4Ωｃｍと大きくなり、電極としては不適となる結果となった。

比較例７に係る透明導電性薄膜は、Ｗ／Ｉｎ原子数比が０．００３であり、本発明の範囲の下限値である０．００４を下回っている。そのため、結晶化温度が低くなり、スパッタ中に透明導電性薄膜が結晶化してしまい、表面に凹凸が発生した。その結果、表面の平均粗さ（Ｒａ）は４ｎｍとなり、膜厚に対しては２％となり、１％を超えてしまった。

比較例８に係る透明導電性薄膜は、Ｚｎ／Ｉｎ原子数比が０．０３５であり、本発明の範囲の上限値である０．０３２を上回っている。そのため、波長４００ｎｍの光の透過率が６０％以下となった。

なお、ＩＴＯ膜についても、表面の平均粗さ（Ｒａ）の測定をした。その結果、表面の平均粗さは４．２ｎｍとなり、膜厚に対しては２．１％となり、１％を超えた。

（実施例９、１０、比較例９）
実施例９、１０、比較例９は、さらなる低抵抗化を目的として、本発明に係る導電性薄膜とＡｇ膜との積層を試みたものである。

実施例９は、実施例６と同じ組成で、かつ、同様に作製した膜厚２００ｎｍの透明導電性薄膜である。実施例１０は、実施例６と同じ組成で、かつ、同様に作製した膜厚７５ｎｍの透明導電性薄膜に、Ａｇ層を５ｎｍ成膜し、さらに同組成の透明導電性薄膜を７５ｎｍの厚さだけ積層したものである。実施例１１は、実施例６と同じ組成で、かつ、同様に作製した膜厚７５ｎｍの透明導電性薄膜に、Ａｇ層を７ｎｍ成膜し、さらに同組成の透明導電性薄膜を７５ｎｍの厚さだけ積層したものである。実施例９に係る透明導電性薄膜、および実施例１０および比較例９に係る積層膜について、前記と同様の方法で、比抵抗および波長５５０ｎｍの光の透過率を測定した。その結果を下記表４に示す。

実施例９に係る透明導電性薄膜の比抵抗の値は３．５×１０^-4Ωｃｍであるのに対し、５ｎｍのＡｇ層を設けた実施例１０は、比抵抗の値が６×１０^-5Ωｃｍとなり、実施例９の１／６程度に小さくなった。また、実施例１０は、波長５５０ｎｍの光の透過率が９３％であり、実施例９と比べても遜色はない。

一方、７ｎｍのＡｇ層を設けた実施例１０は、比抵抗の値が４×１０^-5Ωｃｍとなり、実施例１０の１／９程度に小さくなったものの、波長５５０ｎｍの光の透過率は８６％となり、実施例９と比べて１０％程度小さくなってしまい、９０％を下回った。

本発明の実施例で使用する直流マグネトロンスパッタリング装置の概略図である。

符号の説明

１ 真空チャンバ
２ ターゲット
３ 直流電源
４ ガラス基板
５ 供給管
６ マグネット

Claims (12)

1. インジウム、タングステン、亜鉛、チタン、酸素からなり、インジウムに対して、原子数比で、タングステンが０．００４〜０．０３４、亜鉛が０．００５〜０．０３２、チタンが０．００８〜０．０３９の割合で含有される酸化物焼結体。
2. ビックスバイト型構造の酸化インジウム結晶相を主相とすることを特徴とする請求項１に記載の酸化物焼結体。
3. 焼結密度が６．５ｇ／ｃｍ³以上である請求項１または２に記載の酸化物焼結体。
4. 平均結晶粒径が５μｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の酸化物焼結体。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の酸化物焼結体を平板状に加工し、冷却用金属板に貼り合わせたスパッタリングターゲット。
6. インジウム、タングステン、亜鉛、チタン、酸素からなり、タングステンがＷ／Ｉｎ原子数比で０．００４〜０．０３４、亜鉛がＺｎ／Ｉｎ原子数比で０．００５〜０．０３２、チタンがＴｉ／Ｉｎ原子比で０．００８〜０．０３９の割合で含有される透明導電性薄膜。
7. 比抵抗が５×１０^-4Ωｃｍ以下である請求項６に記載の透明導電性薄膜。
8. 表面の平均粗さＲａが、膜厚の１％未満である請求項６または７に記載の透明導電性薄膜。
9. 波長４００ｎｍの光の透過率が６５％を超えることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の透明導電性薄膜。
10. 請求項６〜９のいずれかに記載の透明導電性薄膜と、３〜５ｎｍの金属薄膜とを積層させて形成した透明導電性薄膜。
11. 請求項６〜１０に記載の透明導電性薄膜を用いた有機エレクトロルミネッセンス素子。
12. 請求項６〜１０に記載の透明導電性薄膜を用いた有機デバイス。

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