JP2013204074A - 透明導電膜及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ＩＴＯ並みの低抵抗を有したＺｎＯ系の透明導電膜及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 透明導電膜が、全金属成分量に対してＡｌ：０．１〜２．０ｗｔ％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有した酸化物膜からなり、ｍ軸方向に配向している。この透明導電膜を作製するには、全金属成分量に対してＡｌ：０．１〜２．０ｗｔ％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有した酸化物の焼結体からなるスパッタリングターゲットを用い、面方位がｃ面の六方晶のＺｎＯ単結晶基板又は同様の面方位のサファイア単結晶基板の上に２００〜４００℃の成膜温度でスパッタする。
【選択図】なし
【解決手段】 透明導電膜が、全金属成分量に対してＡｌ：０．１〜２．０ｗｔ％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有した酸化物膜からなり、ｍ軸方向に配向している。この透明導電膜を作製するには、全金属成分量に対してＡｌ：０．１〜２．０ｗｔ％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有した酸化物の焼結体からなるスパッタリングターゲットを用い、面方位がｃ面の六方晶のＺｎＯ単結晶基板又は同様の面方位のサファイア単結晶基板の上に２００〜４００℃の成膜温度でスパッタする。
【選択図】なし
Description
本発明は、ＩＴＯ並みに低抵抗な透明導電膜及びその製造方法に関する。
液晶ディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ用の透明導電膜として、通常ＩＴＯ（Indium Tin Oxide：酸化インジウムスズ）が用いられている。このＩＴＯでは、Ｉｎを使用するため、資源的に将来不足する可能性があり、その代替材料としてＡＺＯ(Al-Zn-O：Aluminum doped Zinc Oxide：アルミニウム添加酸化亜鉛）などのＺｎＯ系の透明導電膜が活発に検討されている。
ＩＴＯの代替えのためには、抵抗率をＩＴＯ並みに低下させる必要があるが、ＺｎＯ系の透明導電膜の抵抗を下げる方法として、従来はスパッタリング法などで結晶性の良いｃ軸配向（（０００１）配向）の膜を作製することが良いとされていた（特許文献１〜３参照）。
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、従来のｃ軸配向のＺｎＯ系の膜では、フラットパネルディスプレイで標準的な１００〜２００ｎｍ程度の膜厚で、抵抗率がＩＴＯ並みの２．５×１０−４Ω・ｃｍ以下に低下しないという問題があった。したがって、ＩＴＯ代替のためには、２００ｎｍ以下の膜厚でＩＴＯと同程度に抵抗を低下させる必要がある。
すなわち、従来のｃ軸配向のＺｎＯ系の膜では、フラットパネルディスプレイで標準的な１００〜２００ｎｍ程度の膜厚で、抵抗率がＩＴＯ並みの２．５×１０−４Ω・ｃｍ以下に低下しないという問題があった。したがって、ＩＴＯ代替のためには、２００ｎｍ以下の膜厚でＩＴＯと同程度に抵抗を低下させる必要がある。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ＩＴＯ並みの低抵抗を有したＺｎＯ系の透明導電膜及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る透明導電膜は、全金属成分量に対してＡｌ：０．１〜２．０ｗｔ％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有した六方晶のＺｎＯ系酸化物膜からなり、ｍ軸方向に配向したことを特徴とする。
このＺｎＯ系の透明導電膜では、全金属成分量に対してＡｌ：０．１〜２．０ｗｔ％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有した六方晶のＺｎＯ系酸化物膜からなり、ｍ軸方向に配向しているので、ＩＴＯ並みの低抵抗を有するＡＺＯ膜となる。すなわち、伝導率は電子の流れる結晶方位によって異なり、ｃ軸方向（＜０、０、０、１＞方向）の配向よりも伝導率が高くなるｍ軸方向（＜１、０、−１、０＞方向）の配向となっていること、およびＡｌの良好なドーピング量によって、２．５×１０−４Ω・ｃｍ以下の抵抗率となる。
なお、Ａｌの含有量を上記範囲に設定した理由は、０．１ｗｔ％未満であると、Ａｌのドーピング量が少なくて膜中のキャリア濃度が低下するためであり、２．０ｗｔ％を超えると、Ａｌのドーピング量が増えすぎて、結晶欠陥が増加し、移動度が低下してしまうためである。
また、第２の発明に係る透明導電膜の製造方法は、上記本発明の透明導電膜を製造する方法であって、全金属成分量に対してＡｌ：０．１〜２．０ｗｔ％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有した酸化物の焼結体からなるスパッタリングターゲットを用い、面方位（表面に平行な格子面）がｍ面（｛1、０、−１、０｝面）の六方晶のＺｎＯ単結晶基板又は同様の面方位のサファイア（Ａｌ２Ｏ３）単結晶基板の上に２００〜４００℃の成膜温度でスパッタすることを特徴とする。
すなわち、この透明導電膜の製造方法では、全金属成分量に対してＡｌ：０．１〜２．０ｗｔ％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有した酸化物の焼結体からなるスパッタリングターゲットを用い、面方位がｍ面の六方晶のＺｎＯ単結晶基板又は同様の面方位のサファイア単結晶基板の上に２００〜４００℃の成膜温度でスパッタするので、ｍ軸配向した低抵抗のＡＺＯ膜である上記透明導電膜を成膜することができる。
なお、成膜温度を上記範囲に設定した理由は、２００℃未満または４００℃を超えた温度であると、膜の結晶性が悪くなり、キャリア濃度及び移動度が低下して所望の低抵抗を得ることができないためである。
また、Ａｌの含有量を上記範囲内に設定した理由は、成膜した透明導電膜中のＡｌ含有量を上述した設定範囲内とするためである。
また、Ａｌの含有量を上記範囲内に設定した理由は、成膜した透明導電膜中のＡｌ含有量を上述した設定範囲内とするためである。
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る透明導電膜及びその製造方法によれば、ｍ軸方向に配向した六方晶のＡＺＯ膜となるので、従来のＡＺＯ膜に比べて抵抗率が低下し、ＩＴＯ並みの低抵抗が得られる。
すなわち、本発明に係る透明導電膜及びその製造方法によれば、ｍ軸方向に配向した六方晶のＡＺＯ膜となるので、従来のＡＺＯ膜に比べて抵抗率が低下し、ＩＴＯ並みの低抵抗が得られる。
以下、本発明に係る透明導電膜及びその製造方法における一実施形態を説明する。
本実施形態の透明導電膜は、全金属成分量に対してＡｌ：０．１〜２．０ｗｔ％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有した六方晶のＺｎＯ系酸化物膜からなり、ｍ軸方向に配向した薄膜である。
この透明導電膜は、抵抗率が２．５×１０−４Ω・ｃｍ以下であり、六方晶の結晶構造を有している。
この透明導電膜は、抵抗率が２．５×１０−４Ω・ｃｍ以下であり、六方晶の結晶構造を有している。
なお、上記抵抗率は、膜厚計による膜厚測定と、抵抗測定装置によるシート抵抗測定により求められる。膜中のＡｌの含有量はＥＰＭＡ（電子線プローブ微小分析装置）による定量分析から求めることができる。また、ｍ軸配向（（１０−１０）配向）となっているかどうかは、Ｘ線回折（ＸＲＤ）測定により得られる回折パターンでの（１０−１０）ピークの相対強度比の大小から確認できる。
この透明導電膜は、全金属成分量に対してＡｌ：０．１〜２．０ｗｔ％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有した酸化物の焼結体からなるスパッタリングターゲットを用い、面方位がｍ面の六方晶のＺｎＯ単結晶基板又は同様の面方位のサファイア単結晶基板の上に２００〜４００℃の成膜温度でスパッタすることで得られる。
なお、透明導電膜は、Ｘ線回折測定で、ｍ面に対応する（１０−１０）等の回折ピーク以外の回折ピークが観測されない程度にｍ軸方向に配向していることが好ましい。
なお、透明導電膜は、Ｘ線回折測定で、ｍ面に対応する（１０−１０）等の回折ピーク以外の回折ピークが観測されない程度にｍ軸方向に配向していることが好ましい。
このように、本実施形態の透明導電膜は、全金属成分量に対してＡｌ：０．１〜２．０ｗｔ％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有した六方晶のＺｎＯ系酸化物膜からなり、ｍ軸方向に配向しているので、ＩＴＯ並みの低抵抗を有するＡＺＯ膜となる。すなわち、伝導率は電子の流れる結晶方位によって異なり、ｃ軸方向の配向よりも伝導率が高くなるｍ軸方向の配向となっていること、およびＡｌの良好なドーピング量によって、２．５×１０−４Ω・ｃｍ以下の抵抗率となる。
また、この透明導電膜の製造方法では、全金属成分量に対してＡｌ：０．１〜２．０ｗｔ％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有した酸化物の焼結体からなるスパッタリングターゲットを用い、面方位がｍ面の六方晶のＺｎＯ単結晶基板又は同様の面方位のサファイア単結晶基板の上にの上に２００〜４００℃の成膜温度でスパッタするので、ｍ軸配向した低抵抗のＡＺＯ膜である上記透明導電膜を成膜することができる。
次に、本発明に係る透明導電膜及びその製造方法について、上記実施形態に基づいて作製した実施例を評価した結果について説明する。
まず、全金属成分量に対してＡｌ：０．１〜２．０ｗｔ％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有した六方晶のＺｎＯ系酸化物の焼結体からなるスパッタリングターゲットを用い、３００℃の成膜温度でＤＣスパッタにて、表面の面方位がｍ面のＺｎＯ単結晶基板又は同様の面方位のサファイア（Ａｌ２Ｏ３）単結晶基板の上にｍ軸配向したＡＺＯ膜を２００ｎｍ成膜し、その抵抗率を測定した。その際のターゲット及び膜における全金属成分量に対するＡｌの割合、単結晶基板の面方位、抵抗率を表１及び表２に示す。
なお、上記抵抗率は、膜厚測定（アルバック社製の膜厚計ＤＥＫＴＡＫを使用）と抵抗測定（三菱化学社製の抵抗率計ロレスタを使用）から、また、ターゲット及び膜におけるＡｌの含有量はＥＰＭＡ測定（日本電子社製の電子線ブローブ微小分析装置を使用）による定量分析から求めた。
また、比較例として、面方位がｃ面のＺｎＯ単結晶基板又は同様の面方位のサファイア単結晶基板の上にｃ軸配向したＡＺＯ膜を同様の条件で成膜し、その抵抗率を測定した。その際のターゲット及び膜における全金属成分量に対するＡｌの割合、単結晶基板の面方位、抵抗率を表１及び表２に示す。抵抗率やＡｌの含有量の測定は実施例と同様にして行なった。
なお、これら実施例及び比較例において、膜の配向面の方位が各単結晶基板の表面の面方位と同じであることは、ＸＲＤ測定（ブルカー社製のＸ線回折装置を使用）で、各単結晶基板の表面の面方位と同じ方位の回折ピークのみが膜において観測されたことにより確認した。
なお、これら実施例及び比較例において、膜の配向面の方位が各単結晶基板の表面の面方位と同じであることは、ＸＲＤ測定（ブルカー社製のＸ線回折装置を使用）で、各単結晶基板の表面の面方位と同じ方位の回折ピークのみが膜において観測されたことにより確認した。
なお、スパッタリング成膜条件、ターゲット作製方法は以下のとおりである。
＜ターゲット作製方法＞
原料粉末として、平均粒径が０．５μｍ以下で純度が９９．９％以上の酸化亜鉛粉末、酸化アルミニウム粉末を用意し、所望のＡｌ含有量となるようそれぞれ配合し、乾式ボールミルにより混合して混合粉末を作製した。この混合粉末を金型に入れ、ＣＩＰ（冷間静水圧プレス）による緻密化処理を行い、成形体に加工した。さらに、得られた成形体を大気中、１４００℃で５時間焼成することにより、焼結体を作製した。得られた焼結体を研削して、直径１０１．６ｍｍ、厚さ６ｍｍの寸法を有するタ−ゲットを作製した。
＜ターゲット作製方法＞
原料粉末として、平均粒径が０．５μｍ以下で純度が９９．９％以上の酸化亜鉛粉末、酸化アルミニウム粉末を用意し、所望のＡｌ含有量となるようそれぞれ配合し、乾式ボールミルにより混合して混合粉末を作製した。この混合粉末を金型に入れ、ＣＩＰ（冷間静水圧プレス）による緻密化処理を行い、成形体に加工した。さらに、得られた成形体を大気中、１４００℃で５時間焼成することにより、焼結体を作製した。得られた焼結体を研削して、直径１０１．６ｍｍ、厚さ６ｍｍの寸法を有するタ−ゲットを作製した。
＜スパッタリング成膜条件＞
・スパッタリング装置：ＤＣスパッタリングスパッタ装置（アルバック社製）
・磁界強度：１０００Ｇａｕｓｓ（ターゲット直上、垂直成分）
・スパッタリングターゲット：ＡＺＯ（ＺｎＯ＋Ａｌ２Ｏ３）焼結ターゲット（焼結密度９８．５％）
・到達真空度：５×１０−５Ｐａ未満
・スパッタリングガス：Ａｒ
・スパッタリングガス圧：０．５Ｐａ
・スパッタリングパワー：ＤＣ２００Ｗ
・スパッタリング装置：ＤＣスパッタリングスパッタ装置（アルバック社製）
・磁界強度：１０００Ｇａｕｓｓ（ターゲット直上、垂直成分）
・スパッタリングターゲット：ＡＺＯ（ＺｎＯ＋Ａｌ２Ｏ３）焼結ターゲット（焼結密度９８．５％）
・到達真空度：５×１０−５Ｐａ未満
・スパッタリングガス：Ａｒ
・スパッタリングガス圧：０．５Ｐａ
・スパッタリングパワー：ＤＣ２００Ｗ
これらの結果、比較例に比べて面方位がｍ面のＺｎＯ単結晶基板又は同様の面方位のサファイア単結晶基板の上に所定Ａｌ含有量で成膜した本発明の実施例は、抵抗率が低く、ＩＴＯ並みの２．５×１０−４Ω・ｃｍ以下の値が得られている。
なお、成膜温度を１８０℃及び４２０℃として同様に上記成膜を行った結果、ＺｎＯ単結晶又はサファイア単結晶のいずれの面方位を持つ基板を用いても、抵抗率が２．５×１０−４Ω・ｃｍを超えた値となることを確認した。
なお、成膜温度を１８０℃及び４２０℃として同様に上記成膜を行った結果、ＺｎＯ単結晶又はサファイア単結晶のいずれの面方位を持つ基板を用いても、抵抗率が２．５×１０−４Ω・ｃｍを超えた値となることを確認した。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
Claims (2)
- 全金属成分量に対してＡｌ：０．１〜２．０ｗｔ％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有した六方晶のＺｎＯ系酸化物膜からなり、ｍ軸方向に配向したことを特徴とする透明導電膜。
- 請求項１に記載の透明導電膜を製造する方法であって、
全金属成分量に対してＡｌ：０．１〜２．０ｗｔ％を含有し、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有した酸化物の焼結体からなるスパッタリングターゲットを用い、面方位がｍ面の六方晶のＺｎＯ単結晶基板又は同様の面方位のサファイア単結晶基板の上に２００〜４００℃の成膜温度でスパッタすることを特徴とする透明導電膜の製造方法。
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