JP2009212033A

JP2009212033A - 透明導電性結晶膜の製造方法

Info

Publication number: JP2009212033A
Application number: JP2008056058A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Shigesato; 有三重里; Akira Hasegawa; 彰長谷川
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2009-09-17

Abstract

【課題】従来の技術に比し、透明導電膜の膜特性を改良し得る結晶膜を得ることのできる透明導電性結晶膜の製造方法を提供する。
【解決手段】Ｚｎ、ＳｎおよびＯを主成分とする酸化物を用いて、物理的成膜法により、基板温度が５５０℃以上の温度の基板に成膜することを特徴とする透明導電性結晶膜の製造方法。酸化物が、Ａｌおよび／またはＳｂのドーピング元素を、さらに含有する前記の製造方法。結晶膜が、スピネル型結晶膜である前記の製造方法。酸化物が、焼結体ターゲットである前記の製造方法。物理的成膜法が、スパッタリング法である前記の製造方法。前記の製造方法により得られる透明導電性結晶膜。
【選択図】なし

Description

本発明は、透明導電性結晶膜の製造方法に関する。

透明導電膜は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ等のディスプレイの電極、太陽電池の電極、窓ガラスの熱線反射膜、帯電防止膜などに用いられている。透明導電膜には、Ｉｎが稀少金属であることからＩｎ含有量の少ないものが求められており、そのような透明導電膜としては、ＺｎＯ−ＳｎＯ₂系の膜が知られており、特許文献１には、ＺｎＯとＳｎＯ₂を混合・焼成して得られた焼成粉末をターゲットとし、基板温度を室温〜３００℃の範囲で、スパッタリングにより成膜して、ＺｎＯ−ＳｎＯ₂系の透明導電膜を得る技術が、具体的に記載されている。

特開平８−１７１８２４号公報

しかしながら、従来の技術においては、透明導電膜は、その透明性、導電性などの膜特性において、未だ改良の余地がある。本発明の目的は、従来の技術に比し、透明導電膜の膜特性を改良し得る結晶膜を得ることのできる透明導電性結晶膜の製造方法を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ね、本発明に至った。
すなわち本発明は、下記の発明を提供する。
＜１＞Ｚｎ、ＳｎおよびＯを主成分とする酸化物を用いて、物理的成膜法により、基板温度が５５０℃以上の温度の基板に成膜することを特徴とする透明導電性結晶膜の製造方法。
＜２＞酸化物が、Ａｌおよび／またはＳｂのドーピング元素を、さらに含有する前記＜１＞記載の製造方法。
＜３＞結晶膜が、スピネル型結晶膜である前記＜１＞または＜２＞記載の製造方法。
＜４＞酸化物が、焼結体ターゲットである前記＜１＞〜＜３＞のいずれかに記載の製造方法。
＜５＞物理的成膜法が、スパッタリング法である前記＜１＞〜＜４＞のいずれかに記載の製造方法。
＜６＞前記＜１＞〜＜５＞のいずれかに記載の製造方法により得られる透明導電性結晶膜。

本発明によれば、従来の技術に比し、透明導電膜の透明性、導電性を改良し得る結晶膜を得ることのできる透明導電性結晶膜の製造方法を提供することができることから、本発明は工業的に極めて有用である。

以下に本発明について詳しく説明する。
本発明の透明導電性結晶膜の製造方法は、Ｚｎ、ＳｎおよびＯを主成分とする酸化物を用いて、物理的成膜法により、基板温度が５５０℃以上の温度の基板に成膜することを特徴とする。

本発明において、Ｚｎ、ＳｎおよびＯを主成分とする酸化物は、ドーピング元素（ここで、ドーピング元素は、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｏのいずれでもない元素である。）を、さらに含有していてもよく、ドーピング元素は、Ａｌおよび／またはＳｂであることが好ましい。

Ｚｎ、ＳｎおよびＯを主成分とする酸化物において、Ｓｎに対するＺｎのモル比は、１以上２以下であることが好ましい。Ｓｎに対するＺｎのモル比が２であるときには、スピネル型結晶膜を得ることができ、より好ましい。ここで、スピネル型結晶は、式Ｚｎ₂ＳｎＯ₄で表すことができ、Ｚｎ、ＳｎおよびＯを主成分とする酸化物がドーピング元素を含む場合には、スピネル型結晶は、前記式におけるＺｎおよび／またはＳｎの一部がドーピング元素で置換された式で表される。本発明において得られる結晶膜が、スピネル型結晶膜の場合には、当該膜のＸ線回折測定により得られる図形において、スピネル型結晶の（１１１）面、（３１１）面、（２２２）面および（５１１）面に相当するピークが観察される。

前記ドーピング元素は、Ｓｎの一部を置換することが好ましく、Ｓｎ：ドーピング元素のモル比としては、Ｓｎおよびドーピング元素の合計量（モル）に対し、ドーピング元素の量（モル）が、好ましくは０．０００１以上０．２以下の範囲、より好ましくは０．０００５以上０．０５以下の範囲である。

本発明において、酸化物は、焼結体ターゲットであることが好ましい。焼結体ターゲットを用いることにより、安定した性能の透明導電性結晶膜を得ることができる。

次に、本発明の製造方法について、より詳細に説明する。
本発明を用いて、透明導電性結晶膜は、例えば、次のようにして製造される。すなわち、亜鉛含有化合物、錫含有化合物、および必要に応じてドーピング元素含有化合物を、所定量秤量し、混合して得られる混合物を、焼成して、Ｚｎ、ＳｎおよびＯを主成分とする酸化物を得ることができる。また、該混合物を成形して、焼結することにより、焼結体ターゲットを得ることもできる。また、前記酸化物を、必要に応じて粉砕して、さらに成形、焼結することにより、焼結体ターゲットを得てもよいし、焼成の前に、混合物につき仮焼を行ってもよい。なお、混合物におけるＺｎ、Ｓｎおよび必要に応じて用いるドーピング元素の組成（モル比）は、得られる結晶膜の組成に反映される。

前記亜鉛含有化合物としては、酸化亜鉛、水酸化亜鉛、炭酸亜鉛、硝酸亜鉛、硫酸亜鉛、燐酸亜鉛、ピロ燐酸亜鉛、塩化亜鉛、フッ化亜鉛、ヨウ化亜鉛、臭化亜鉛、カルボン酸亜鉛（酢酸亜鉛、蓚酸亜鉛など）、塩基性炭酸亜鉛、亜鉛のアルコキシド、およびそれらの水和塩などを挙げることができ、操作性から粉末状酸化亜鉛が好ましい。また、前記錫含有化合物としては、酸化錫（ＳｎＯ₂、ＳｎＯ）、水酸化錫、硝酸錫、硫酸錫、塩化錫、フッ化錫、ヨウ化錫、臭化錫、カルボン酸錫（酢酸錫、蓚酸錫など）、錫のアルコキシド、およびそれらの水和塩などを挙げることができ、操作性から粉末状酸化錫（特にＳｎＯ₂）が好ましい。また、前記ドーピング元素含有化合物としては、ドーピング元素を含有する酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、燐酸塩、ピロ燐酸塩、塩化物、フッ化物、ヨウ化物、臭化物、カルボン酸塩（酢酸塩、蓚酸塩など）、アルコキシド、およびそれらの水和塩などを挙げることができ、操作性から粉末状の酸化物が好ましい。また、これらの化合物の純度は高ければ高いほど良く、具体的には、９９重量％以上であることが好ましい。

前記混合は、乾式混合法、湿式混合法のいずれによってもよい。また、混合時には、通常、粉砕も伴う。具体的な混合法としては、亜鉛含有化合物、錫含有化合物、および必要に応じてドーピング元素含有化合物をより均一に混合できる方法によることが好ましく、混合装置としては、ボールミル、振動ミル、アトライター、ダイノーミル、ダイナミックミル等の装置を挙げることができる。また、混合後に、加熱乾燥（静置乾燥、噴霧乾燥）、真空乾燥、凍結乾燥等の方法による乾燥を行ってもよい。

また、ドーピング元素を含有する場合には、ドーピング元素含有化合物として水溶性の化合物を用いて、該化合物の水溶液と、亜鉛含有化合物および錫含有化合物の混合粉末とを混合し、必要に応じてこれを乾燥して混合物を得てもよい。また、該水溶液の代わりに、ドーピング元素含有化合物として、エタノールなどの有機溶媒に溶解可能な化合物を用いて、該化合物を有機溶媒に溶解させた溶液を用いてもよい。このようにして得られる混合物を焼成または焼結することにより、ドーピング元素の均一性により優れたＺｎ、ＳｎおよびＯを主成分とする酸化物が得られる。

また、共沈により得られる混合物を用いてもよい。例えば、亜鉛含有化合物、錫含有化合物、および必要に応じてドーピング元素含有化合物として、それぞれ水溶性の化合物を用いて、これらの混合水溶液を調整して、該水溶液とアルカリなどの晶析剤とを用いて、共沈を行い、得られる共沈物を、必要に応じてこれを乾燥して混合物として用いてもよい。このようにして得られる混合物を焼成または焼結することにより、構成元素の均一性により優れたドーピング元素の均一性により優れたＺｎ、ＳｎおよびＯを主成分とする酸化物が得られる。

前記の成形は、一軸プレス、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）等により行うことができる。また、一軸プレス後に冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）を行うなど両者を組み合わせてもよい。成形圧は、通常１００〜３０００ｋｇ／ｃｍ²の範囲である。成形して得られる成形体の形状は、通常、円板状または四角板状である。この成形の際に、混合物は、バインダー、分散剤、離型剤等を含有していてもよい。

前記焼結は、上記成形により得られる成形体を空気等の酸素含有雰囲気中において、最高到達温度が９００℃以上１７００℃以下の範囲の温度で、０．５〜４８時間保持して行う。焼結装置としては、電気炉、ガス炉等通常工業的に用いられる炉を用いることができる。また焼結により得られる焼結体について、切断や研削を行うことによりその寸法を調整してもよい。なお、寸法の調整は、加工が焼結体より容易な成形体の切断や研削により行ってもよい。また、上記の成形、焼結の代わりに、ホットプレス、熱間等圧プレス（ＨＩＰ）を用いて、成形および焼結を同時に行ってもよい。

前記焼成は、混合物を空気等の酸素含有雰囲気中において、最高到達温度が９００℃以上１７００℃以下の範囲の温度で、０．５〜４８時間保持して行う。焼成装置としては、電気炉、ガス炉等通常工業的に用いられる炉を用いることができる。焼成後、必要に応じて粉砕して、さらに成形、焼結する場合には、焼成時の最高到達温度を、焼結時のそれより低い温度に設定することが好ましい。また、焼成後、必要に応じて行う粉砕は、上記の混合法と同様にして、行うことができる。また、この場合においても、成形の際に、粉砕物は、バインダー、分散剤、離型剤等を含有してもよい。また、焼成前の仮焼は、焼成時の最高到達温度よりも低い温度で行ってもよく、仮焼後に粉砕を行っても良い。

上記のようにして得られるＺｎ、ＳｎおよびＯを主成分とする酸化物を用いて、物理的成膜法により、基板温度が５５０℃以上の温度の基板に成膜することで、透明導電性結晶膜を得ることができる。例えば、基板温度が、室温〜３００℃程度では、本発明における透明導電性結晶膜を得ることはできない。本発明において、基板温度の上限は、通常、１５００℃程度、好ましくは１１００℃である。

本発明において、物理的成膜法としては、パルス・レーザー蒸着法（レーザーアブレーション法）、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＥＢ蒸着法を挙げることができる。通常、成膜はチャンバー内で行い、成膜時の酸素分圧を１Ｐａ未満とすることが好ましい。成膜装置の汎用性の観点から、上記の成膜方法の中でも、スパッタリング法が好ましい。スパッタリング法を用いる場合には、Ｚｎ、ＳｎおよびＯを主成分とする酸化物は、焼結体ターゲットであることが好ましい。ターゲットは複数用いてもよい。例えば、結晶膜にドーピング元素を含有させる場合には、Ｚｎ、ＳｎおよびＯからなるターゲットとドーピング元素を含有するターゲットとを用いて、成膜を行ってもよい。

パルス・レーザー蒸着法により成膜するときは、チャンバー内の雰囲気圧力を１０^-3Ｐａ以下とするか、または、酸素ガスなどの酸化性ガスをチャンバー内に導入して行う。酸素ガスをチャンバー内に導入する場合の酸素分圧は、１Ｐａ未満であることが好ましい。

スパッタリング法により成膜するときは、チャンバー内の雰囲気圧力を０．１〜１０Ｐａ程度として、酸化性ガスを０〜１０体積％含有する不活性ガスをチャンバー内に導入して行う。このときの酸素分圧は、１Ｐａ未満であることが好ましい。特に、酸素が実質的に存在しない不活性ガス中で、スパッタリングすることが好ましい。スパッタリング装置としては、ｒｆマグネトロンスパッタリング装置を用いることができ、そのときの条件としては、ｒｆ投入電力が１０〜３００Ｗ、圧力が０．１〜１Ｐａ程度、基板の温度は５５０℃〜８００℃の条件が推奨される。また、不活性ガスとしては、Ａｒガスを挙げることができ、純度９９．９９５％以上のＡｒガスであることが好ましい。また、前記酸化性ガスとしては、酸素ガスを挙げることができる。

ＥＢ蒸着法を用いる場合には、上記焼結体ターゲットして用いて成膜を行ってもよいし、上記の焼成して得られる酸化物を蒸発セルに入れて成膜を行ってもよい。

本発明において、基板とは、成膜先のことを意味する。基板としては、ガラス、石英ガラス等の基板を用いることができるが、５５０℃以上の高温においても破損しないものでなくてはならない。本発明において、透明導電性結晶膜を透明電極として用いる場合には、基板は透明であることが好ましい。また、基板は結晶性基板であってもよい。石英ガラスは、軟化点が高く１２００℃程度まで、加熱することができる。結晶性基板としては、Ａｌ₂Ｏ₃（サファイア）、ＭｇＯ、ＹＳＺ（ＺｒＯ₂−Ｙ₂Ｏ₃）、ＣaＦ₂、ＳｒＴｉＯ₃等の基板を挙げることができる。

また、本発明により得られる透明導電性結晶膜について、熱処理を行ってもよい。熱処理条件としては、還元性ガス中、３００℃以上５００℃以下、好ましくは３５０℃以上４５０℃以下の範囲の温度を挙げることができ、熱処理を行うことにより、膜の抵抗率がさらに低下する場合がある。この還元性ガスとして、好ましいのは、水素を２〜４体積％含有し、不活性ガスを９８〜９６体積％含有するガスである。

以下、実施例を用いて、本発明についてより具体的に説明する。なお、特に断らない限り、得られた膜の電気特性、光学特性、結晶構造については、次の評価により行った。

電気特性の評価は、ＪＩＳＲ１６３７に準拠した４探針法による測定方法により、表面抵抗（シート抵抗）を測定し、触針式膜厚計により、膜厚を測定し、この表面抵抗の値と膜厚の値を用いて、以下の式（１）により膜の抵抗率を求めることにより行った。
抵抗率（Ωｃｍ）＝表面抵抗（Ω／□）×膜厚（ｃｍ）（１）

光学特性の評価は、可視分光光度計を用いて、ＪＩＳＲ１６３５に規定された方法により、可視光透過率を測定することにより行った。

膜の結晶構造の評価は、粉末Ｘ線回折測定装置を用いて、膜にＣｕＫα線を照射して、Ｘ線回折図形を得て結晶型を同定することにより行った。

実施例１
酸化亜鉛粉末（ＺｎＯ、株式会社高純度化学製、純度９９．９９％）および酸化錫粉末（ＳｎＯ₂、株式会社高純度化学製、純度９９．９９％）をモル比Ｚｎ：Ｓｎが２：１となるように秤量し、直径５ｍｍのジルコニア製ボールを用いて乾式ボールミルにより混合した。得られた混合粉末をアルミナ製ルツボに入れて酸素雰囲気中において９００℃で５時間保持して仮焼し、直径５ｍｍのジルコニア製ボールを用いて乾式ボールミルにより粉砕し、得られた粉砕粉末を、金型を用いて一軸プレスにより５００ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で円板状に成形した。得られた成形体を酸素雰囲気中において常圧で１２００℃で５時間保持して焼結して焼結体を得た。該焼結体をスパッタリング用ターゲットとしてマルチカソードスパッタリング装置（複数の材料を同時に放電させる多元同時スパッタリング機能を有する。アネルバ株式会社製、型番Ｌ−３３２Ｓ−ＦＨＳ）内に設置し、さらに基板として溶融石英ガラス基板を用い、該基板をスパッタリング装置内に設置した。Ａｒガス（ジャパンファインプロダクツ株式会社製Ａｒ純ガス−５Ｎ）をスパッタリング装置内に導入して、圧力０．２５Ｐａ、電力１００Ｗ、基板温度８００℃の条件でスパッタリングを行い、基板に成膜を行った。得られた膜についてＸＲＤ（粉末Ｘ線回折）を測定したところ、Ｚｎ₂ＳｎＯ₄スピネル結晶の（１１１）面、（３１１）面、（２２２）面、（５１１）面に相当するピークが観察され、結晶膜であることが確認できた。また、ＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ、装置名：ＪＸＡ−８２００、日本電子株式会社製）により、得られた膜の金属元素の組成（モル比）を測定したところ、Ｚｎ：Ｓｎ＝２：１であった。得られた結晶膜は目視において透明であり、透過率を測定したところ可視光透過率は８０％以上であった。得られた結晶膜の電気特性に関して、抵抗率は７．１９×１０^-2Ω・ｃｍ、移動度は１０．３ｃｍ²／Ｖ・ｓ、キャリア密度は７．６３×１０¹⁸／ｃｍ³であり、透明導電性結晶膜であることを確認することができた。

実施例２（ドーピング元素：Ａｌ）
実施例１で作製した焼結体からなるスパッタリングターゲットとアルミナターゲット（Ａｌ₂Ｏ₃）とをマルチカソードスパッタリング装置内に設置し、さらに基板として溶融石英ガラス基板を用い、該基板をスパッタリング装置内に設置し、同時にスパッタリングを行うことにより、Ａｌのドーピングを行った。Ａｒガス（ジャパンファインプロダクツ株式会社製Ａｒ純ガス−５Ｎ）をスパッタリング装置内に導入して、圧力０．２５Ｐａ、ＺＴＯターゲットの電力５０Ｗ、アルミナターゲットの電力１３Ｗ、基板温度８００℃の条件でスパッタリングを行い、基板に成膜を行った。得られた膜についてＸＲＤ（粉末Ｘ線回折）を測定したところ、Ｚｎ₂ＳｎＯ₄スピネル結晶の（１１１）面、（３１１）面、（２２２）面、（５１１）面に相当するピークが観察され、結晶膜であることが確認できた。また、ＥＰＭＡにより、得られた膜の金属元素の組成（モル比）を測定したところ、Ｚｎ：Ｓｎ：Ａｌ＝２：１：０．０９であった。得られた結晶膜は目視において透明であり、可視光領域においてほぼ８０％以上の透過率を示した。得られた結晶膜の電気特性に関して、抵抗率は１Ω・ｃｍ、移動度は７ｃｍ²／Ｖ・ｓ、キャリア密度は１０¹⁸／ｃｍ³であり、透明導電性結晶膜であることを確認することができた。

実施例３（ドーピング元素：Ｓｂ）
実施例１で作製した焼結体からなるスパッタリングターゲットとアンチモンターゲット（Ｓｂ）をマルチカソードスパッタリング装置内に設置し、さらに基板として溶融石英ガラス基板を用い、該基板をスパッタリング装置内に設置し、同時にスパッタリングを行うことにより、Ｓｂのドーピングを行った。Ａｒガス（ジャパンファインプロダクツ株式会社製Ａｒ純ガス−５Ｎ）をスパッタリング装置内に導入して、圧力０．２５Ｐａ、ＺＴＯターゲットの電力５０Ｗ、アンチモンターゲットの電力１２Ｗ、基板温度８００℃の条件でスパッタリングを行い、基板に成膜を行った。得られた膜についてＸＲＤ（粉末Ｘ線回折）を測定したところ、Ｚｎ₂ＳｎＯ₄スピネル結晶の（１１１）面、（３１１）面、（２２２）面、（５１１）面に相当するピークが観察され、結晶膜であることが確認できた。また、ＥＰＭＡにより、得られた膜の金属元素の組成（モル比）を測定したところ、Ｚｎ：Ｓｎ：Ｓｂ＝１．４：１：０．０６であった。得られた結晶膜は目視において透明であり、可視光領域においてほぼ８０％以上の透過率を示した。得られた結晶膜の電気特性に関して、抵抗率は１０^-1Ω・ｃｍ、移動度は２ｃｍ²／Ｖ・ｓ、キャリア密度は４×１０¹⁹／ｃｍ³であり、透明導電性結晶膜であることを確認することができた。

比較例１
基板温度を５００℃とした以外は実施例１と同様にして、基板に成膜を行った。得られた膜について、ＥＰＭＡにより金属元素の組成（モル比）を測定したところ、Ｚｎ：Ｓｎ＝２：１であった。しかしながら、膜のＸＲＤ測定では、Ｚｎ₂ＳｎＯ₄スピネル結晶のピークは検出されず、非晶質膜であることを示すハローが検出された。

Claims

Ｚｎ、ＳｎおよびＯを主成分とする酸化物を用いて、物理的成膜法により、基板温度が５５０℃以上の温度の基板に成膜することを特徴とする透明導電性結晶膜の製造方法。
酸化物が、Ａｌおよび／またはＳｂのドーピング元素を、さらに含有する請求項１記載の製造方法。
結晶膜が、スピネル型結晶膜である請求項１または２記載の製造方法。
酸化物が、焼結体ターゲットである請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
物理的成膜法が、スパッタリング法である請求項１〜４のいずれかに記載の製造方法。
請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法により得られる透明導電性結晶膜。