JP3531865B2 - 超平坦透明導電膜およびその製造方法 - Google Patents
超平坦透明導電膜およびその製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、有機ＥＬディスプ
レイ等の表示デバイス等の透明電極や、酸化物ＬＥＤや
ＬＤの透明電極として使用できる透明導電膜とその製造
方法に関する。
レイ等の表示デバイス等の透明電極や、酸化物ＬＥＤや
ＬＤの透明電極として使用できる透明導電膜とその製造
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＥＬディスプレイ、液晶ディスプレイ等
の表示デバイスには、通常、ＩＴＯが透明電極材料とし
て用いられる。ＩＴＯは、例えば、スパッタリング法や
イオンプレーティング法などにより、基板温度を５０〜
３５０℃として成膜する（例えば、特開平９−３６２８
号公報、特開平９−１２９３７６号公報、特開平１０−
３３０９１６号公報）。一方、酸化物ＬＥＤやＬＤは研
究段階にあり、実用例は無い。最近、ＺｎＯ/ＳｒＣｕ2
Ｏ2系の紫外発光ＬＥＤが実現した。この場合には、Ｉ
ＴＯを透明電極材料として用いているが、超平坦ＩＴＯ
電極膜ではない(H.Ohta et.al, Electronics Letters,
36 (2000) 984)。
の表示デバイスには、通常、ＩＴＯが透明電極材料とし
て用いられる。ＩＴＯは、例えば、スパッタリング法や
イオンプレーティング法などにより、基板温度を５０〜
３５０℃として成膜する（例えば、特開平９−３６２８
号公報、特開平９−１２９３７６号公報、特開平１０−
３３０９１６号公報）。一方、酸化物ＬＥＤやＬＤは研
究段階にあり、実用例は無い。最近、ＺｎＯ/ＳｒＣｕ2
Ｏ2系の紫外発光ＬＥＤが実現した。この場合には、Ｉ
ＴＯを透明電極材料として用いているが、超平坦ＩＴＯ
電極膜ではない(H.Ohta et.al, Electronics Letters,
36 (2000) 984)。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来のＩＴＯ薄膜は、
多結晶体の集合体であり、表面の凹凸が大きい。例え
ば、重里によれば、スパッタ膜は２０〜５０ｎｍ径の結
晶子が凝集して、２００〜３５０ｎｍの結晶粒領域を形
成しているサブストラクチャ構造を持つ（「透明導電体
の技術」、１０１頁、オーム社、１９９９年）。ＥＢ蒸
着膜の場合には、サブストラクチャ構造は見えず、１０
０〜１５０ｎｍの結晶子からなるシンプルな多結晶構造
を有しているが、表面平坦性はより低い。
多結晶体の集合体であり、表面の凹凸が大きい。例え
ば、重里によれば、スパッタ膜は２０〜５０ｎｍ径の結
晶子が凝集して、２００〜３５０ｎｍの結晶粒領域を形
成しているサブストラクチャ構造を持つ（「透明導電体
の技術」、１０１頁、オーム社、１９９９年）。ＥＢ蒸
着膜の場合には、サブストラクチャ構造は見えず、１０
０〜１５０ｎｍの結晶子からなるシンプルな多結晶構造
を有しているが、表面平坦性はより低い。
【０００４】この様な構造は、例えば、液晶ディスプレ
イ用の透明電極として用いる場合には大きな問題となら
ないが、有機ＥＬディスプレイの透明電極、ＬＥＤやＬ
Ｄの透明電極として用いる場合には問題となる。これら
のデバイスにおいては、透明電極膜の上に発光層となる
有機材料や無機材料を堆積させるため、透明電極膜の表
面粗さが発光層等の膜質に大きく影響するからである。
イ用の透明電極として用いる場合には大きな問題となら
ないが、有機ＥＬディスプレイの透明電極、ＬＥＤやＬ
Ｄの透明電極として用いる場合には問題となる。これら
のデバイスにおいては、透明電極膜の上に発光層となる
有機材料や無機材料を堆積させるため、透明電極膜の表
面粗さが発光層等の膜質に大きく影響するからである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決すべくなされたものであり、基板上に形成された表
面が１ｎｍ未満の平均表面粗さを有する超平坦透明導電
膜およびその製造方法を提供するものである。
解決すべくなされたものであり、基板上に形成された表
面が１ｎｍ未満の平均表面粗さを有する超平坦透明導電
膜およびその製造方法を提供するものである。
【０００６】すなわち、本発明は、平均表面粗さＲａが
１ｎｍ未満の超平坦化したＹＳＺ単結晶基板上に成膜さ
れた比抵抗率が５×１０ −４ Ωｃｍ以下のＩＴＯ透明導
電膜であり、該透明導電膜材料の酸化インジウムの結晶
構造を反映した、堆積する原子の酔歩運動により成長し
たテラス=ステップ構造からなる平均表面粗さが１ｎｍ
以下の超平坦面を有し、その上に発光層となる有機材料
や無機材料を堆積させるために用いられることを特徴と
する超平坦透明導電膜である。
１ｎｍ未満の超平坦化したＹＳＺ単結晶基板上に成膜さ
れた比抵抗率が５×１０ −４ Ωｃｍ以下のＩＴＯ透明導
電膜であり、該透明導電膜材料の酸化インジウムの結晶
構造を反映した、堆積する原子の酔歩運動により成長し
たテラス=ステップ構造からなる平均表面粗さが１ｎｍ
以下の超平坦面を有し、その上に発光層となる有機材料
や無機材料を堆積させるために用いられることを特徴と
する超平坦透明導電膜である。
【０００７】透明導電材料としては、酸化インジウム、
酸化錫、酸化亜鉛、酸化カドミウム、酸化ガリウム、Ｉ
ｎ2Ｏ3(ＺｎＯ)ｍ、ＩｎＧａＯ3(ＺｎＯ)ｍなどや、こ
れらに適当なドーパントを添加したもの、例えば、錫添
加酸化インジウム(ＩＴＯ)、アンチモン添加酸化錫(Ａ
ＴＯ)、アルミニウム添加酸化亜鉛(ＡＺＯ)などを用い
ることが知られている。ＥＬディスプレイ、液晶ディス
プレイ、酸化物ＬＥＤ、酸化物ＬＤ等の透明電極材料と
して用いるためには、特にＩＴＯが好適である。ＩＴＯ
の場合、超平坦透明導電膜は、酸化インジウムの結晶構
造を反映したテラス=ステップ構造を有している。ＩＴ
Ｏは、ドーパントとしてＳｎイオンを２．８〜１０．５
モル％含むことが好ましい。また、ＩＴＯからなる超平
坦透明導電膜は、比抵抗が５×１０−４Ωｃｍ以下であ
る。
酸化錫、酸化亜鉛、酸化カドミウム、酸化ガリウム、Ｉ
ｎ2Ｏ3(ＺｎＯ)ｍ、ＩｎＧａＯ3(ＺｎＯ)ｍなどや、こ
れらに適当なドーパントを添加したもの、例えば、錫添
加酸化インジウム(ＩＴＯ)、アンチモン添加酸化錫(Ａ
ＴＯ)、アルミニウム添加酸化亜鉛(ＡＺＯ)などを用い
ることが知られている。ＥＬディスプレイ、液晶ディス
プレイ、酸化物ＬＥＤ、酸化物ＬＤ等の透明電極材料と
して用いるためには、特にＩＴＯが好適である。ＩＴＯ
の場合、超平坦透明導電膜は、酸化インジウムの結晶構
造を反映したテラス=ステップ構造を有している。ＩＴ
Ｏは、ドーパントとしてＳｎイオンを２．８〜１０．５
モル％含むことが好ましい。また、ＩＴＯからなる超平
坦透明導電膜は、比抵抗が５×１０−４Ωｃｍ以下であ
る。
【０００８】超平坦透明導電膜を結晶性基板上に成膜す
る場合は、樹脂基板上に成膜する場合に比べてプロセス
上高温に加熱することによる問題が少ない。結晶性基板
としては、ＹＳＺ単結晶基板が好ましい。
る場合は、樹脂基板上に成膜する場合に比べてプロセス
上高温に加熱することによる問題が少ない。結晶性基板
としては、ＹＳＺ単結晶基板が好ましい。
【０００９】また、本発明は、パルス・レーザー蒸着
法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、ま
たはＭＢＥ法のいずれか一つの成膜方法を用いて成膜す
る際に、平均表面粗さＲａが１ｎｍ未満の超平坦化した
ＹＳＺ単結晶基板を８００℃〜１５００℃以下に保持
し、薄膜の堆積速度を表面原子の酔歩運動の速度より遅
くすることを特徴とする上記の超平坦透明導電膜の製造
方法である。
法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、ま
たはＭＢＥ法のいずれか一つの成膜方法を用いて成膜す
る際に、平均表面粗さＲａが１ｎｍ未満の超平坦化した
ＹＳＺ単結晶基板を８００℃〜１５００℃以下に保持
し、薄膜の堆積速度を表面原子の酔歩運動の速度より遅
くすることを特徴とする上記の超平坦透明導電膜の製造
方法である。
【００１０】パルス・レーザー蒸着法、スパッタリング
法、ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、またはＭＢＥ法のいず
れか一つの成膜方法を用いて成膜する際に、成膜する際
に、熱以外のエネルギーのアシストによって、または好
ましくない表面吸着種の除去によって、超平坦化したガ
ラス基板または結晶性基板を８００℃未満に保持するこ
とも可能である。
法、ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、またはＭＢＥ法のいず
れか一つの成膜方法を用いて成膜する際に、成膜する際
に、熱以外のエネルギーのアシストによって、または好
ましくない表面吸着種の除去によって、超平坦化したガ
ラス基板または結晶性基板を８００℃未満に保持するこ
とも可能である。
【００１１】本発明のＹＳＺ単結晶基板上に形成された
超平坦透明導電膜は、薄膜の平均表面粗さが１ｎｍ未満
であるので、有機ＥＬ用発光材料を緻密かつ配向性を良
好に堆積させることができるのみならず、ＬＥＤまたＬ
Ｄ用の結晶材料を結晶性良く堆積させることができる。
超平坦透明導電膜は、薄膜の平均表面粗さが１ｎｍ未満
であるので、有機ＥＬ用発光材料を緻密かつ配向性を良
好に堆積させることができるのみならず、ＬＥＤまたＬ
Ｄ用の結晶材料を結晶性良く堆積させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】透明導電膜用の基板には、ガラス
基板、酸化物単結晶基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、Ｃａ
Ｆ2基板などの結晶性基板を用いることが知られてい
る。酸化物単結晶基板には、例えば、ＹＳＺ、サファイ
ア、ＭｇＯ、ＺｎＯなどがある。特に、超平坦ＩＴＯ膜
を製造する場合には、ＹＳＺを用いると、超平坦表面を
有するヘテロエピタキシャル膜を製造することができ
る。ＹＳＺはイットリウムを添加して安定化した酸化ジ
ルコニウムを意味するが、この結晶はＩＴＯと同じく立
方晶構造を有し、ＹＳＺの格子定数の2倍がＩＴＯの格
子定数とほぼ一致するためである。
基板、酸化物単結晶基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、Ｃａ
Ｆ2基板などの結晶性基板を用いることが知られてい
る。酸化物単結晶基板には、例えば、ＹＳＺ、サファイ
ア、ＭｇＯ、ＺｎＯなどがある。特に、超平坦ＩＴＯ膜
を製造する場合には、ＹＳＺを用いると、超平坦表面を
有するヘテロエピタキシャル膜を製造することができ
る。ＹＳＺはイットリウムを添加して安定化した酸化ジ
ルコニウムを意味するが、この結晶はＩＴＯと同じく立
方晶構造を有し、ＹＳＺの格子定数の2倍がＩＴＯの格
子定数とほぼ一致するためである。
【００１３】本発明において、超平坦化基板とは、平均
表面粗さＲａが、１ｎｍ未満のものをいう。Ｒａは、よ
り好ましくは０．５ｎｍ以下、さらに好ましくは０．３
ｎｍ以下である。Ｒａが大きい、表面の荒れた基板上に
は、超平坦透明導電膜を形成することができない。Ｒａ
は、例えば、原子間力顕微鏡で、例えば、１μｍ角を走
査することによって算出できる。
表面粗さＲａが、１ｎｍ未満のものをいう。Ｒａは、よ
り好ましくは０．５ｎｍ以下、さらに好ましくは０．３
ｎｍ以下である。Ｒａが大きい、表面の荒れた基板上に
は、超平坦透明導電膜を形成することができない。Ｒａ
は、例えば、原子間力顕微鏡で、例えば、１μｍ角を走
査することによって算出できる。
【００１４】ＹＳＺ単結晶基板は、基板を大気中または
真空中で１０００℃以上に加熱することによって超平坦
化した表面が得られる。
真空中で１０００℃以上に加熱することによって超平坦
化した表面が得られる。
【００１５】超平坦化したＹＳＺ単結晶基板の表面には
結晶構造を反映した構造が現れる。すなわち、数１００
ｎｍ程度の幅を持つテラスとサブｎｍ程度の高さを持つ
ステップからなる構造で、一般に原子状に平坦化された
構造と呼ばれる。テラス部分は平面上に配列した原子か
らなり、若干存在する欠陥の存在を無視すれば、完全に
平坦化された表面である。ステップの存在により、試料
全体で完全平坦化された表面とはならない。この構造を
平均表面粗さＲａで表現して、Ｒａは１ｎｍ未満のもの
を用いる。
結晶構造を反映した構造が現れる。すなわち、数１００
ｎｍ程度の幅を持つテラスとサブｎｍ程度の高さを持つ
ステップからなる構造で、一般に原子状に平坦化された
構造と呼ばれる。テラス部分は平面上に配列した原子か
らなり、若干存在する欠陥の存在を無視すれば、完全に
平坦化された表面である。ステップの存在により、試料
全体で完全平坦化された表面とはならない。この構造を
平均表面粗さＲａで表現して、Ｒａは１ｎｍ未満のもの
を用いる。
【００１６】この超平坦化基板の上に超平坦透明導電膜
を成膜する。成膜方法には、パルス・レーザー蒸着法、
スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、ＭＢＥ
法などを用いることができる。本発明の透明導電膜は、
透明導電材料を上記の成膜法を用いて薄膜の形状に成膜
したものである。
を成膜する。成膜方法には、パルス・レーザー蒸着法、
スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、ＭＢＥ
法などを用いることができる。本発明の透明導電膜は、
透明導電材料を上記の成膜法を用いて薄膜の形状に成膜
したものである。
【００１７】本発明では、超平坦透明導電膜の成膜方法
として、特に、パルス・レーザー蒸着法(ＰＬＤ法：Pul
sed Laser Deposition法)が好ましい。ＰＬＤ法は、レ
ーザー光を原料蒸発用エネルギー源とする物理的成膜法
の一つであり、高出力パルス・レーザー光をターゲット
表面に集光・照射し、光・固体相互作用により、ターゲ
ット最表面を瞬時に２０００℃以上の高温に加熱する。
として、特に、パルス・レーザー蒸着法(ＰＬＤ法：Pul
sed Laser Deposition法)が好ましい。ＰＬＤ法は、レ
ーザー光を原料蒸発用エネルギー源とする物理的成膜法
の一つであり、高出力パルス・レーザー光をターゲット
表面に集光・照射し、光・固体相互作用により、ターゲ
ット最表面を瞬時に２０００℃以上の高温に加熱する。
【００１８】このとき起こる表層部での構成元素の瞬間
的な剥離(アブレーション)を利用して、アブレートされ
た原子、分子、イオンやクラスター(数個から数百個程
度の原子(分子)が緩く結合した集団)を基板上に堆積さ
せる。ターゲット上でプラズマ発光柱(プルーム)の発生
が観察されることから、単なる熱的な過程だけではな
く、光イオン化過程が複雑に関与していると言われる。
ＰＬＤ法は、スパッタ法やＣＶＤ法などに比べて不純物
の混入しにくい清浄なプロセスであり、結晶性の良好な
膜を作製できる点で優れている。またＰＬＤ法は、ＭＢ
Ｅ法に比べて、酸素圧を広く設定できる点で優れてい
る。
的な剥離(アブレーション)を利用して、アブレートされ
た原子、分子、イオンやクラスター(数個から数百個程
度の原子(分子)が緩く結合した集団)を基板上に堆積さ
せる。ターゲット上でプラズマ発光柱(プルーム)の発生
が観察されることから、単なる熱的な過程だけではな
く、光イオン化過程が複雑に関与していると言われる。
ＰＬＤ法は、スパッタ法やＣＶＤ法などに比べて不純物
の混入しにくい清浄なプロセスであり、結晶性の良好な
膜を作製できる点で優れている。またＰＬＤ法は、ＭＢ
Ｅ法に比べて、酸素圧を広く設定できる点で優れてい
る。
【００１９】成膜容器の到達真空度は、少なくとも１０
-1Ｐａ以下であることが必要である。１０-1Ｐａ以上で
は、基板や薄膜の表面に吸着物を生じて、良質な薄膜を
成長させることができない。到達真空度は、好ましくは
１０-4Ｐａ以下である。１０-4Ｐａ以上では、成膜容器
の雰囲気は水によって作られているため、水が透明導電
膜中に取り込まれると、透明性と導電性を阻害するから
である。到達真空度は、更に好ましくは１０-6Ｐａ以下
である。１０-6Ｐａ以下とすると、基板および薄膜の表
面は長時間清浄に保たれ、良質な薄膜を成長させること
ができ、透明性と導電性が高く、超平坦化した透明導電
膜を作製することができる。
-1Ｐａ以下であることが必要である。１０-1Ｐａ以上で
は、基板や薄膜の表面に吸着物を生じて、良質な薄膜を
成長させることができない。到達真空度は、好ましくは
１０-4Ｐａ以下である。１０-4Ｐａ以上では、成膜容器
の雰囲気は水によって作られているため、水が透明導電
膜中に取り込まれると、透明性と導電性を阻害するから
である。到達真空度は、更に好ましくは１０-6Ｐａ以下
である。１０-6Ｐａ以下とすると、基板および薄膜の表
面は長時間清浄に保たれ、良質な薄膜を成長させること
ができ、透明性と導電性が高く、超平坦化した透明導電
膜を作製することができる。
【００２０】成膜容器中には、酸素ガスを流入させる。
成膜容器中に酸素ガスをバッチ式にため込む形では、成
膜時間の経過とともに成膜雰囲気が変化するので好まし
くない。酸素ガスは、例えば、フローメーターを通し
て、適当な流量を流せばよい。パルスレーザー蒸着法の
場合、成膜容器中の酸素分圧は１０-4Ｐａから１００Ｐ
ａの範囲が適当である。１０-4Ｐａ以下では酸素分圧が
低すぎ、薄膜中から酸素成分が失われ、金属化しやす
い。１００Ｐａ以上では酸素分圧が高すぎ、プルームが
小さくなりすぎて、実用的な成膜速度が得られない。酸
素分圧は、流量をフローメーターにより制御し、排気速
度を排気ポンプに接続したバルブなどにより制御するこ
とにより、所望の値とすることができる。
成膜容器中に酸素ガスをバッチ式にため込む形では、成
膜時間の経過とともに成膜雰囲気が変化するので好まし
くない。酸素ガスは、例えば、フローメーターを通し
て、適当な流量を流せばよい。パルスレーザー蒸着法の
場合、成膜容器中の酸素分圧は１０-4Ｐａから１００Ｐ
ａの範囲が適当である。１０-4Ｐａ以下では酸素分圧が
低すぎ、薄膜中から酸素成分が失われ、金属化しやす
い。１００Ｐａ以上では酸素分圧が高すぎ、プルームが
小さくなりすぎて、実用的な成膜速度が得られない。酸
素分圧は、流量をフローメーターにより制御し、排気速
度を排気ポンプに接続したバルブなどにより制御するこ
とにより、所望の値とすることができる。
【００２１】スパッタリング法の場合、成膜中の酸素分
圧は、プラズマの立つ領域になくてはならない。酸素分
圧が高すぎるとプラズマが立たなくなる。適切な酸素分
圧の領域は、スパッタ装置の装置関数であるが、例え
ば、１０-4Ｐａから１Ｐａの範囲である。スパッタ装置
には酸素ガスの他に、プラズマ用の不活性ガス、例えば
ＡｒやＸｅを同時に流す。成膜時には酸素ガスとプラズ
マ用ガスの流量と成膜容器全圧を制御する。ＣＶＤ法や
ＭＯ−ＣＶＤ法の場合には、原料ガスとともに酸素ガス
を流せばよい。
圧は、プラズマの立つ領域になくてはならない。酸素分
圧が高すぎるとプラズマが立たなくなる。適切な酸素分
圧の領域は、スパッタ装置の装置関数であるが、例え
ば、１０-4Ｐａから１Ｐａの範囲である。スパッタ装置
には酸素ガスの他に、プラズマ用の不活性ガス、例えば
ＡｒやＸｅを同時に流す。成膜時には酸素ガスとプラズ
マ用ガスの流量と成膜容器全圧を制御する。ＣＶＤ法や
ＭＯ−ＣＶＤ法の場合には、原料ガスとともに酸素ガス
を流せばよい。
【００２２】本発明では、超平坦透明導電膜の成膜方法
として、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ
法、ＭＢＥ法等を用いることもできる。スパッタリング
法は、液晶ディスプレイ用のＩＴＯ膜の製造に広く用い
られている方法である。例えば、６００ｍｍ角のガラス
基板上に膜厚分布性良く成膜することができる。スパッ
タリング法は、ＰＬＤ法に比べて、大面積成膜が可能で
あり量産性がある点で優れた方法である。
として、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ
法、ＭＢＥ法等を用いることもできる。スパッタリング
法は、液晶ディスプレイ用のＩＴＯ膜の製造に広く用い
られている方法である。例えば、６００ｍｍ角のガラス
基板上に膜厚分布性良く成膜することができる。スパッ
タリング法は、ＰＬＤ法に比べて、大面積成膜が可能で
あり量産性がある点で優れた方法である。
【００２３】ＣＶＤ法は、太陽電池用のＦＴＯ膜の製造
に用いられている方法であり、例えば、１０００ｍｍ角
のガラス基板上に成膜することができる。ＣＶＤ法は、
ＰＬＤ法に比べて、量産性がある点で優れた方法であ
る。ＭＯ−ＣＶＤ法は、これまで、透明導電膜の製造に
は用いられていないが、原理的に大面積成膜が可能であ
り、膜厚制御性が極めて高く、結晶性の高い膜を形成す
ることができる。ＭＯ−ＣＶＤ法は、ＰＬＤ法に比べ
て、大面積成膜が可能であり、膜厚制御性が高い点で優
れた方法である。ＭＢＥ法は、これまで、透明導電膜の
製造には用いられていないが、結晶性の高い膜を形成す
ることができる。
に用いられている方法であり、例えば、１０００ｍｍ角
のガラス基板上に成膜することができる。ＣＶＤ法は、
ＰＬＤ法に比べて、量産性がある点で優れた方法であ
る。ＭＯ−ＣＶＤ法は、これまで、透明導電膜の製造に
は用いられていないが、原理的に大面積成膜が可能であ
り、膜厚制御性が極めて高く、結晶性の高い膜を形成す
ることができる。ＭＯ−ＣＶＤ法は、ＰＬＤ法に比べ
て、大面積成膜が可能であり、膜厚制御性が高い点で優
れた方法である。ＭＢＥ法は、これまで、透明導電膜の
製造には用いられていないが、結晶性の高い膜を形成す
ることができる。
【００２４】いずれの成膜方法を用いる場合において
も、超平坦透明導電膜の成膜条件として、最も重要なパ
ラメーターは基板温度である。基板温度は８００〜１５
００℃の範囲に選ばなければならない。この温度範囲に
基板温度を設定したとき、基板表面上に堆積した透明導
電膜を構成する原子が、初期は基板表面上を、その後は
堆積した透明導電膜の表面上を、「酔歩運動」によって
移動し、透明導電性材料の結晶表面に存在するステップ
やキンク等の活性点で安定化し、テラスを形成する。
も、超平坦透明導電膜の成膜条件として、最も重要なパ
ラメーターは基板温度である。基板温度は８００〜１５
００℃の範囲に選ばなければならない。この温度範囲に
基板温度を設定したとき、基板表面上に堆積した透明導
電膜を構成する原子が、初期は基板表面上を、その後は
堆積した透明導電膜の表面上を、「酔歩運動」によって
移動し、透明導電性材料の結晶表面に存在するステップ
やキンク等の活性点で安定化し、テラスを形成する。
【００２５】なお、「酔歩運動」とは、基板表面上を原
子がランダムに動く様を言う。起源は１９０５年にピア
ソンが提出した酔歩の問題、すなわち、「ある人が１点
から出発して、距離ｂだけまっすぐに進み、そこで方向
を勝手に変えてまた距離bだけまっすぐ進む。こういう
歩みをN回繰り返したとき、この人が出発点からの距離
がＲとＲ＋ΔＲの間の範囲にいる確率を求めよ」という
問題である(物理学事典、培風館)。
子がランダムに動く様を言う。起源は１９０５年にピア
ソンが提出した酔歩の問題、すなわち、「ある人が１点
から出発して、距離ｂだけまっすぐに進み、そこで方向
を勝手に変えてまた距離bだけまっすぐ進む。こういう
歩みをN回繰り返したとき、この人が出発点からの距離
がＲとＲ＋ΔＲの間の範囲にいる確率を求めよ」という
問題である(物理学事典、培風館)。
【００２６】基板表面上の原子の場合、原子は基板表面
到達時に自身が有していた運動エネルギーに基板から受
け取る熱エネルギーを加えて、基板表面上を移動する。
このとき、基板表面のポテンシャルエネルギーを感じ
て、原子は酔歩運動をする。テラス上ではポテンシャル
エネルギーが高いので原子は酔歩運動を続ける。ステッ
プおよびキンクではポテンシャルエネルギーが低いの
で、原子はステップもしくはキンクの安定点に吸着す
る。原子は次々にステップやキンクに吸着するので、テ
ラスが成長する。このようにして、ステップ＝テラス構
造からなる超平坦面が成長する。
到達時に自身が有していた運動エネルギーに基板から受
け取る熱エネルギーを加えて、基板表面上を移動する。
このとき、基板表面のポテンシャルエネルギーを感じ
て、原子は酔歩運動をする。テラス上ではポテンシャル
エネルギーが高いので原子は酔歩運動を続ける。ステッ
プおよびキンクではポテンシャルエネルギーが低いの
で、原子はステップもしくはキンクの安定点に吸着す
る。原子は次々にステップやキンクに吸着するので、テ
ラスが成長する。このようにして、ステップ＝テラス構
造からなる超平坦面が成長する。
【００２７】ステップ高さは透明導電性材料の結晶構造
を反映している。このように、透明導電膜の表面は、透
明導電材料の結晶構造を反映したステップとテラスから
なる表面構造を作り、その形状や、テラス幅、ステップ
高さなどは、例えば原子間力顕微鏡などにより、容易に
観察することができる。基板温度が８００℃より低い場
合には、酔歩運動が充分に起こらないため、テラスが形
成されない。１５００℃より高い場合には、透明導電材
料の蒸気圧が高くなりすぎて、真空中への蒸発速度が大
きくなり、基板表面への堆積が阻害される。
を反映している。このように、透明導電膜の表面は、透
明導電材料の結晶構造を反映したステップとテラスから
なる表面構造を作り、その形状や、テラス幅、ステップ
高さなどは、例えば原子間力顕微鏡などにより、容易に
観察することができる。基板温度が８００℃より低い場
合には、酔歩運動が充分に起こらないため、テラスが形
成されない。１５００℃より高い場合には、透明導電材
料の蒸気圧が高くなりすぎて、真空中への蒸発速度が大
きくなり、基板表面への堆積が阻害される。
【００２８】基板の加熱方法には、赤外線ランプ照射、
ＳｉＣヒーター、誘導加熱、通電加熱、電子線照射など
の方法を使うことができる。パルス・レーザー蒸着法、
スパッタリング法、ＭＢＥ法など、高真空容器中での成
膜装置には、赤外線ランプ照射やＳｉＣヒーターが適当
である。ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ法などの場合には、円
筒状の石英セルを成膜容器として使用することがある
が、この場合には、誘導加熱法が適当な方法の一つであ
る。Ｓｉ基板やＳｉＣ基板のように、基板が導電性を有
する場合には、通電加熱法や電子線照射法を用いること
ができる。
ＳｉＣヒーター、誘導加熱、通電加熱、電子線照射など
の方法を使うことができる。パルス・レーザー蒸着法、
スパッタリング法、ＭＢＥ法など、高真空容器中での成
膜装置には、赤外線ランプ照射やＳｉＣヒーターが適当
である。ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ法などの場合には、円
筒状の石英セルを成膜容器として使用することがある
が、この場合には、誘導加熱法が適当な方法の一つであ
る。Ｓｉ基板やＳｉＣ基板のように、基板が導電性を有
する場合には、通電加熱法や電子線照射法を用いること
ができる。
【００２９】薄膜の堆積速度は、表面原子の酔歩運動の
速度に比べて充分に遅いことが必要である。酔歩運動に
よって適当な安定化サイトに原子が移動する前に、さら
に物質が堆積するならば、超平坦化を阻害するからであ
る。パルス・レーザー蒸着法の場合には、レーザー光の
エネルギー密度、発振周波数、ターゲット＝基板間距離
などを調整して、適当な堆積速度を得る。スパッタリン
グ法の場合には、プラズマ・エネルギー、Ａｒ分圧、タ
ーゲット＝基板間距離などを調整する。
速度に比べて充分に遅いことが必要である。酔歩運動に
よって適当な安定化サイトに原子が移動する前に、さら
に物質が堆積するならば、超平坦化を阻害するからであ
る。パルス・レーザー蒸着法の場合には、レーザー光の
エネルギー密度、発振周波数、ターゲット＝基板間距離
などを調整して、適当な堆積速度を得る。スパッタリン
グ法の場合には、プラズマ・エネルギー、Ａｒ分圧、タ
ーゲット＝基板間距離などを調整する。
【００３０】通常のスパッタリング法と異なって、プラ
ズマ室を別個に用意する方法にイオンビーム・スパッタ
法、ヘリコン・スパッタ法などがある。これらの方法は
堆積速度が充分に遅いことが利点であるのみならず、プ
ラズマが薄膜表面に接触しないので、超平坦化しやす
い。ＣＶＤ法の場合には、原料ガスの流量、キャリアガ
スとの混合比などによって堆積速度を制御する。特に、
原料ガスに有機金属を用い、ガス流量をコンピューター
によって精密に制御する方法を用いると、超平坦化膜を
成膜しやすい。
ズマ室を別個に用意する方法にイオンビーム・スパッタ
法、ヘリコン・スパッタ法などがある。これらの方法は
堆積速度が充分に遅いことが利点であるのみならず、プ
ラズマが薄膜表面に接触しないので、超平坦化しやす
い。ＣＶＤ法の場合には、原料ガスの流量、キャリアガ
スとの混合比などによって堆積速度を制御する。特に、
原料ガスに有機金属を用い、ガス流量をコンピューター
によって精密に制御する方法を用いると、超平坦化膜を
成膜しやすい。
【００３１】本発明では、基板温度は８００℃〜１５０
０℃に限定されるが、表面原子の酔歩運動を熱以外のエ
ネルギーによってアシストしてやったり、好ましくない
表面吸着種を除いたりする方法をとることによって、基
板温度を低下させることが可能である。例えば、熱エネ
ルギー以外のエネルギーとして、光を基板表面に照射す
る方法を採用できる。光源は、例えば、水銀灯、ハロゲ
ンランプ、紫外レーザー光などを用い得る。また、例え
ば、ＭＯ−ＣＶＤ法において、原子層状成長モードを誘
起するとテラス上への好ましくない原料吸着を排除でき
る。これらの方法を採用することによって、基板温度を
８００℃以下としても、超平坦透明導電膜を得ることが
可能である。
０℃に限定されるが、表面原子の酔歩運動を熱以外のエ
ネルギーによってアシストしてやったり、好ましくない
表面吸着種を除いたりする方法をとることによって、基
板温度を低下させることが可能である。例えば、熱エネ
ルギー以外のエネルギーとして、光を基板表面に照射す
る方法を採用できる。光源は、例えば、水銀灯、ハロゲ
ンランプ、紫外レーザー光などを用い得る。また、例え
ば、ＭＯ−ＣＶＤ法において、原子層状成長モードを誘
起するとテラス上への好ましくない原料吸着を排除でき
る。これらの方法を採用することによって、基板温度を
８００℃以下としても、超平坦透明導電膜を得ることが
可能である。
【００３２】成膜した透明導電膜の表面粗さは、通常の
表面粗さ計で計測することができる。例えば触針式表面
粗さ計、光学式表面粗さ計、原子間力顕微鏡などを用い
て計測できる。また、Ｘ線反射率法を用いることもでき
る。
表面粗さ計で計測することができる。例えば触針式表面
粗さ計、光学式表面粗さ計、原子間力顕微鏡などを用い
て計測できる。また、Ｘ線反射率法を用いることもでき
る。
【００３３】透明導電材料にＩＴＯを用いて超平坦ＩＴ
Ｏ膜を製造する場合、ＩＴＯ膜中に含まれるＳｎドーパ
ントの量は２．８〜１０．５モル％の範囲にあることが
好ましい。２．８モル％以下ではＳｎの量が足りず、抵
抗率を充分に低めることができない。１０．５モル％以
上ではＳｎ成分がＩｎ2Ｏ3格子中に固溶しきれず、膜表
面や粒界に偏析して、表面の超平坦化を阻害したり、抵
抗率を高めたりする。Ｓｎドーパントの量は、より好ま
しくは、４〜８モル％である。
Ｏ膜を製造する場合、ＩＴＯ膜中に含まれるＳｎドーパ
ントの量は２．８〜１０．５モル％の範囲にあることが
好ましい。２．８モル％以下ではＳｎの量が足りず、抵
抗率を充分に低めることができない。１０．５モル％以
上ではＳｎ成分がＩｎ2Ｏ3格子中に固溶しきれず、膜表
面や粒界に偏析して、表面の超平坦化を阻害したり、抵
抗率を高めたりする。Ｓｎドーパントの量は、より好ま
しくは、４〜８モル％である。
【００３４】このように、Ｓｎドーパントの量を調整す
ることにより、５×１０-4Ωｃｍ以下の抵抗率を発現さ
せることができる。さらに、成膜条件を最適化すると、
１×１０-5Ωｃｍ以下の抵抗率を発現させることもでき
る。なお、本明細書においてドーパント量を示すモル％
の単位は、全金属イオンのモル数に対するドーパントイ
オンのモル数である。すなわち、ＩＴＯの場合、(Ｓｎ
イオンのモル数)/(Ｉｎイオンのモル数＋Ｓｎイオンの
モル数)を意味する。
ることにより、５×１０-4Ωｃｍ以下の抵抗率を発現さ
せることができる。さらに、成膜条件を最適化すると、
１×１０-5Ωｃｍ以下の抵抗率を発現させることもでき
る。なお、本明細書においてドーパント量を示すモル％
の単位は、全金属イオンのモル数に対するドーパントイ
オンのモル数である。すなわち、ＩＴＯの場合、(Ｓｎ
イオンのモル数)/(Ｉｎイオンのモル数＋Ｓｎイオンの
モル数)を意味する。
【００３５】超平坦ＩＴＯ膜をＰＬＤ法で製造する場合
には、ターゲット中に含めるＳｎドーパントの量は２．
８〜２０モル％とすることが好ましい。基板温度を８０
０℃〜１５００℃の高温に設定するために、ＩＴＯ膜中
に含まれるＳｎ成分の量は、ターゲット中の量に比較し
て少なくなる傾向にあるからである。スパッタリング法
で製造する場合においても同様であり、ターゲット中に
含めるＳｎドーパントの量は２．８〜２０モル％とする
ことが好ましい。
には、ターゲット中に含めるＳｎドーパントの量は２．
８〜２０モル％とすることが好ましい。基板温度を８０
０℃〜１５００℃の高温に設定するために、ＩＴＯ膜中
に含まれるＳｎ成分の量は、ターゲット中の量に比較し
て少なくなる傾向にあるからである。スパッタリング法
で製造する場合においても同様であり、ターゲット中に
含めるＳｎドーパントの量は２．８〜２０モル％とする
ことが好ましい。
【００３６】
【実施例】以下、実施例により、本発明を説明する。
実施例１
ＹＳＺ単結晶基板(１１１)面(明浄金属（株）社製、１
０ｍｍ角)を大気中１３００℃に加熱して、原子状平坦
面を作製した。レーザー・アブレーション用超高真空容
器(入江工研（株）社製)に、このＹＳＺ単結晶基板を設
置し、ＩＲランプヒーターによって、比較例１、２、３
としてそれぞれ３００℃、５００℃、６００℃に、実施
例１、２、３、４としてそれぞれ８００℃、９００℃、
１０００℃、１２００℃に加熱した。容器中に１．２×
１０-3Ｐａの酸素を導入し、ＫｒＦエキシマーレーザー
光(ラムダ・フィジクス（株）社製レーザー発光装置)を
高純度ＩＴＯターゲット(東ソー（株）社製、ＳｎＯ2含
有率１０ｗｔ％)に照射、ターゲットから３０ｍｍ離し
て対向させた基板上にＩＴＯを堆積させた。膜厚は２０
０ｎｍ〜５００ｎｍとした。
０ｍｍ角)を大気中１３００℃に加熱して、原子状平坦
面を作製した。レーザー・アブレーション用超高真空容
器(入江工研（株）社製)に、このＹＳＺ単結晶基板を設
置し、ＩＲランプヒーターによって、比較例１、２、３
としてそれぞれ３００℃、５００℃、６００℃に、実施
例１、２、３、４としてそれぞれ８００℃、９００℃、
１０００℃、１２００℃に加熱した。容器中に１．２×
１０-3Ｐａの酸素を導入し、ＫｒＦエキシマーレーザー
光(ラムダ・フィジクス（株）社製レーザー発光装置)を
高純度ＩＴＯターゲット(東ソー（株）社製、ＳｎＯ2含
有率１０ｗｔ％)に照射、ターゲットから３０ｍｍ離し
て対向させた基板上にＩＴＯを堆積させた。膜厚は２０
０ｎｍ〜５００ｎｍとした。
【００３７】Ｘ線回折装置(理学電機製：ＲＩＮＴ)によ
り、試料の回折パターンを集中法で測定し、Ｃ稀土型Ｉ
ｎ2Ｏ3構造が得られ、ＳｎＯ2相は析出していないこと
を確認した。また、Ｘ線回折装置(理学電気製：ＡＴＸ
−Ｇ)により、試料の回折パターンをｉｎ−ｐｌａｎｅ
法で測定し、ＩＴＯ膜がＹＳＺ単結晶基板上にヘテロエ
ピタキシャル成長していることを確認した。
り、試料の回折パターンを集中法で測定し、Ｃ稀土型Ｉ
ｎ2Ｏ3構造が得られ、ＳｎＯ2相は析出していないこと
を確認した。また、Ｘ線回折装置(理学電気製：ＡＴＸ
−Ｇ)により、試料の回折パターンをｉｎ−ｐｌａｎｅ
法で測定し、ＩＴＯ膜がＹＳＺ単結晶基板上にヘテロエ
ピタキシャル成長していることを確認した。
【００３８】４端子法により測定した電気抵抗率および
原子間力顕微鏡により１μｍ平方の領域において測定し
た平均表面粗さＲａを表１に示す。８００℃以上におい
て平均表面粗さは充分に小さくなる。９００℃において
成膜した透明導電膜の原子間力顕微鏡像を図１に示す。
テラス=ステップ構造が現れており、原子状平坦面にな
っていることが分かる。
原子間力顕微鏡により１μｍ平方の領域において測定し
た平均表面粗さＲａを表１に示す。８００℃以上におい
て平均表面粗さは充分に小さくなる。９００℃において
成膜した透明導電膜の原子間力顕微鏡像を図１に示す。
テラス=ステップ構造が現れており、原子状平坦面にな
っていることが分かる。
【００３９】
【表１】
【００４０】
【発明の効果】本発明の超平坦透明導電膜の製造方法に
より、ＹＳＺ単結晶基板上に平均表面粗さが１ｎｍ以下
の超平坦表面透明導電膜を製造することができる。本発
明の超平坦透明導電膜は、その上に堆積させる発光層と
なる有機材料や無機材料の膜質を高めることができ、有
機ＥＬディスプレイ用の透明電極や、酸化物ＬＥＤやＬ
Ｄ用の透明電極の特性を向上させることができる。
より、ＹＳＺ単結晶基板上に平均表面粗さが１ｎｍ以下
の超平坦表面透明導電膜を製造することができる。本発
明の超平坦透明導電膜は、その上に堆積させる発光層と
なる有機材料や無機材料の膜質を高めることができ、有
機ＥＬディスプレイ用の透明電極や、酸化物ＬＥＤやＬ
Ｄ用の透明電極の特性を向上させることができる。
【図１】図１は、実施例１により成膜した透明導電膜の
テラス＝ステップ構造を原子間力顕微鏡によって示す図
面代用写真および該透明導電膜の表面粗さを示す膜の断
面図である。
テラス＝ステップ構造を原子間力顕微鏡によって示す図
面代用写真および該透明導電膜の表面粗さを示す膜の断
面図である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ
Ｈ０１Ｌ 21/285 Ｈ０１Ｌ 21/285 Ｐ
Ｓ
３０１ ３０１
33/00 33/00 Ｅ
Ｈ０５Ｂ 33/28 Ｈ０５Ｂ 33/28
(72)発明者 折田 政寛
千葉県船橋市三山５−７−９
(72)発明者 細野 秀雄
神奈川県大和市下鶴間2786−４−212
(72)発明者 平野 正浩
東京都世田谷区松原５−５−６
(56)参考文献 特開 平８−183635（ＪＰ，Ａ)
特開2001−89846（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01B 5/14
H01B 13/00 503
C23C 14/08
C23C 16/40
H01L 21/285
H01L 33/00
H05B 33/28
Claims (5)
- 【請求項１】 平均表面粗さＲａが１ｎｍ未満の超平坦
化したＹＳＺ単結晶基板上に成膜されたＩＴＯ透明導電
膜であり、該透明導電膜材料の酸化インジウムの結晶構
造を反映した、堆積する原子の酔歩運動により成長した
テラス=ステップ構造からなる平均表面粗さが１ｎｍ以
下の超平坦面を有し、その上に発光層となる有機材料や
無機材料を堆積させるために用いられることを特徴とす
る超平坦透明導電膜。 - 【請求項２】 ドーパントとしてＳｎイオンを２．８〜
１０．５モル％含むことを特徴とする請求項１記載の超
平坦透明導電膜。 - 【請求項３】 比抵抗率が５×１０−４Ωｃｍ以下であ
ることを特徴とする請求項１又は２記載の超平坦透明導
電膜。 - 【請求項４】 パルス・レーザー蒸着法、スパッタリン
グ法、ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、またはＭＢＥ法のい
ずれか一つの成膜方法を用いて成膜する際に、平均表面
粗さＲａが１ｎｍ未満の超平坦化したＹＳＺ単結晶基板
を８００℃〜１５００℃以下に保持し、薄膜の堆積速度
を表面原子の酔歩運動の速度より遅くすることを特徴と
する請求項１乃至３のいずれかに記載の超平坦透明導電
膜の製造方法。 - 【請求項５】 パルス・レーザー蒸着法、スパッタリン
グ法、ＣＶＤ法、ＭＯ−ＣＶＤ法、またはＭＢＥ法のい
ずれか一つの成膜方法を用いて成膜する際に、熱以外の
エネルギーをアシストして、または好ましくない表面吸
着種を除去して、超平坦化したガラス基板または結晶性
基板を８００℃未満に保持し、薄膜の堆積速度を表面原
子の酔歩運動の速度より遅くすることを特徴とする請求
項１乃至３のいずれかに記載の超平坦透明導電膜の製造
方法。
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