JP2006188392A - Oxide sintered compact, transparent electroconductive thin film, and element packaged with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液晶ディスプレイ(LCD)素子や有機エレクトロルミネッセンス(EL)素子などの表示素子や有機トランジスタ、有機太陽電池などの有機デバイス等に用いられ、膜応力が小さく、かつ、比抵抗の小さい非晶質の透明導電性薄膜と、該透明導電性薄膜を直流スパッタリング法で製造する際のターゲット材として用いられる酸化物焼結体に関する。 The present invention is used for a display element such as a liquid crystal display (LCD) element and an organic electroluminescence (EL) element, an organic device such as an organic transistor, and an organic solar battery, and has a low film stress and a low specific resistance. The present invention relates to a crystalline transparent conductive thin film and an oxide sintered body used as a target material when the transparent conductive thin film is produced by a direct current sputtering method.
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ため、太陽電池、液晶表示素子、その他各種の受光素子等の電子デバイスの電極として利用されるほか、自動車の窓ガラスや、建築物の窓ガラスなどに用いる熱線反射膜、各種の帯電防止膜、冷凍ショーケースなどの防曇用の透明発熱体としても利用されている。 Since the transparent conductive thin film has high conductivity (for example, a specific resistance of 1 × 10 −3 Ωcm or less) and high transmittance in the visible light region, it is a solar cell, a liquid crystal display element, and various other light receiving elements. In addition to being used as an electrode for electronic devices such as automobiles, as a heat-reflective film used for automobile window glass, window glass for buildings, various antistatic films, and as a transparent heating element for anti-fogging such as a freezer showcase It's being used.
透明導電性薄膜には、アンチモンやフッ素がドーピングされた酸化錫(SnO2)膜、アルミニウムやガリウムがドーピングされた酸化亜鉛(ZnO)膜、錫がドーピングされた酸化インジウム(In2O3)膜などが広範に利用されている。特に、錫がドーピングされた酸化インジウム膜、すなわちIn2O3−Sn系膜は、ITO(Indium Tin Oxide)膜と称され、比抵抗の小さい透明導電性薄膜が容易に得られることから、よく用いられている。 The transparent conductive thin film includes a tin oxide (SnO 2 ) film doped with antimony and fluorine, a zinc oxide (ZnO) film doped with aluminum and gallium, and an indium oxide (In 2 O 3 ) film doped with tin. Are widely used. In particular, an indium oxide film doped with tin, that is, an In 2 O 3 —Sn-based film is called an ITO (Indium Tin Oxide) film, and a transparent conductive thin film having a small specific resistance can be easily obtained. It is used.
これらの透明導電性薄膜の製造方法としては、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、蒸気圧の低い材料を用いて、被成膜物質(以下、単に「基板」という)上に成膜する場合や、精密な膜厚制御が必要とされる際に、有効な手法であり、操作が非常に簡便であることから、広範に利用されている。 A sputtering method is often used as a method for producing these transparent conductive thin films. The sputtering method is an effective method when a material having a low vapor pressure is used to form a film on a deposition target material (hereinafter simply referred to as “substrate”) or when precise film thickness control is required. Since the operation is very simple, it is widely used.
スパッタリング法では、目的の膜の成分を有する原料をターゲットとして用いることが一般的である。この方法では、一般に、真空装置を用い、ターゲットと基板を配置した真空槽を、いったん高真空にした後、アルゴン等の希ガスを導入し、約10Pa以下のガス圧のもとで、基板を陽極とし、ターゲットを陰極とし、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る。そして、プラズマ中のアルゴン陽イオンを、陰極のターゲットに衝突させ、これによってターゲット成分の粒子をはじき飛ばし、該粒子を基板上に堆積させて、成膜する。 In the sputtering method, a raw material having a target film component is generally used as a target. In this method, generally, a vacuum chamber using a vacuum apparatus and a target and a substrate are evacuated once, and then a rare gas such as argon is introduced, and the substrate is placed under a gas pressure of about 10 Pa or less. The anode is used as the anode, the target is used as the cathode, and glow discharge is generated between them to generate argon plasma. Then, argon cations in the plasma are collided with the target of the cathode, thereby repelling the target component particles and depositing the particles on the substrate to form a film.
一方、LCDや、有機EL素子用の電極には、表面が平滑な透明導電性薄膜が必要とされている。特に、有機EL素子の電極の場合、その上に有機化合物の超薄膜を形成するため、透明導電性薄膜には、優れた表面平滑性が要求される。表面平滑性は、一般に、膜の結晶性に大きく左右される。同一組成のものでも、粒界の存在しない非晶質構造の透明導電性薄膜(非晶質膜)の方が、結晶質構造の透明導電性薄膜(結晶質膜)に比べて、表面平滑性は良好である。実際、従来組成のITO膜の場合でも、成膜時の基板温度を下げて、150℃以下の基板温度で、かつ、1Pa以上のガス圧でスパッタリングをして得られる非晶質ITO膜の方が、表面平滑性に優れている。 On the other hand, a transparent conductive thin film with a smooth surface is required for electrodes for LCDs and organic EL elements. In particular, in the case of an electrode of an organic EL element, an ultra-thin film of an organic compound is formed on the electrode. Therefore, the transparent conductive thin film is required to have excellent surface smoothness. In general, the surface smoothness greatly depends on the crystallinity of the film. Even if the composition is the same, the transparent conductive thin film (amorphous film) with an amorphous structure with no grain boundaries is more smooth than the transparent conductive thin film (crystalline film) with a crystalline structure. Is good. In fact, even in the case of an ITO film having a conventional composition, an amorphous ITO film obtained by performing sputtering at a substrate temperature of 150 ° C. or lower and a gas pressure of 1 Pa or higher by lowering the substrate temperature during film formation. However, the surface smoothness is excellent.
しかし、非晶質ITO膜の比抵抗は、小さくても6×10-4Ωcmが限界であり、表面抵抗の低い膜を形成するためには、膜自体を厚く形成する必要がある。しかし、ITO膜の膜厚が厚くなると、着色という問題が生ずる。 However, the specific resistance of the amorphous ITO film is limited to 6 × 10 −4 Ωcm at the minimum, and in order to form a film with low surface resistance, it is necessary to form the film itself thickly. However, when the thickness of the ITO film is increased, a problem of coloring occurs.
また、基板に入射するスパッタ粒子の運動エネルギーが高いため、基板を加熱していない場合でも局所的に温度が上がり、基板を加熱せずに室温で成膜したITO膜でも、微細な結晶相と非晶質相で構成された膜が得られてしまうことがあるという問題もある。この現象はスパッタリングにおけるガス圧が低い場合に顕著である。 In addition, since the kinetic energy of the sputtered particles incident on the substrate is high, the temperature rises locally even when the substrate is not heated, and even with an ITO film formed at room temperature without heating the substrate, a fine crystalline phase and There is also a problem that a film composed of an amorphous phase may be obtained. This phenomenon is remarkable when the gas pressure in sputtering is low.
微細な結晶相が一部で形成されていると、表面平滑性に大きな影響を及ぼす。また、透明導電性薄膜を所定の形状に、弱酸でエッチング除去する際には、結晶相のみが除去できずに残存することがあり、問題となっている。なお、微細な結晶相の存在は、X線回折のほか、透過型電子顕微鏡や電子線回折でも確認することができる。 If the fine crystal phase is partially formed, the surface smoothness is greatly affected. In addition, when the transparent conductive thin film is etched into a predetermined shape with a weak acid, only the crystal phase may remain unremoved, which is problematic. The presence of a fine crystal phase can be confirmed not only by X-ray diffraction but also by a transmission electron microscope or electron beam diffraction.
次に、本発明の主な適用対象の1つである有機EL素子について説明する。 Next, an organic EL element which is one of main application targets of the present invention will be described.
EL素子は、電界発光を利用したものであり、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型素子である。このため、EL素子は、耐衝撃性に優れるなどの利点を有しており、各種の表示装置における発光素子として注目されている。 The EL element uses electroluminescence, has high visibility because of self-emission, and is a completely solid element unlike a liquid crystal or plasma display panel. For this reason, EL elements have advantages such as excellent impact resistance, and are attracting attention as light-emitting elements in various display devices.
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、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。このため、次世代の表示素子としての実用化研究が積極的になされている。 EL elements include an inorganic EL element using an inorganic compound as a light emitting material and an organic EL element using an organic compound. Among these, the organic EL element can be easily downsized because bright light emission can be obtained even when the driving voltage is significantly lowered (for example, at a DC voltage of 10 V or less). For this reason, research on practical application as a next-generation display element has been actively conducted.
有機EL素子の構成は、陽極/発光層/陰極の積層を基本とし、ガラス板等を用いた基板上に、透明陽極を形成する構成が、通常、採用されている。陰極には、Ca等が用いられており、透明ではないので、この場合、発光は基板側(陽極側)から取り出される。 The configuration of the organic EL element is basically a laminate of an anode / light emitting layer / cathode, and a configuration in which a transparent anode is formed on a substrate using a glass plate or the like is usually employed. Since Ca or the like is used for the cathode and is not transparent, in this case, light emission is extracted from the substrate side (anode side).
しかしながら、近年、陰極を透明にして、発光を陰極側から取り出す試みがなされている。陰極と共に陽極も透明にすれば、全体として透明な発光素子とすることができるからである。 However, in recent years, attempts have been made to make the cathode transparent and to extract emitted light from the cathode side. This is because if the anode is made transparent together with the cathode, a transparent light emitting element as a whole can be obtained.
全体として透明な発光素子を用いた場合、次のような利点がある。1つ目の利点は、背景色として任意の色を採用することができるので、発光時以外も、カラフルなディスプレイとすることができ、装飾性を改良することができるということである。2つ目の利点は、背景色として黒を採用した場合には、発光時のコントラストを向上させることができるということである。3つ目の利点は、カラーフィルタや色変換層を、該発光素子の上(基板と反対側)に置いて用いることができるので、カラーフィルタや色変換層を考慮することなく、発光素子を製造することができるということである。このため、例えば、耐熱性に劣ったカラーフィルタや色変換層上に透明電極を形成することを考慮する必要がない。 When a transparent light emitting element is used as a whole, there are the following advantages. The first advantage is that an arbitrary color can be adopted as a background color, so that a colorful display can be obtained even during light emission, and the decorativeness can be improved. The second advantage is that when black is used as the background color, the contrast during light emission can be improved. The third advantage is that a color filter and a color conversion layer can be used on the light emitting element (on the side opposite to the substrate), so that the light emitting element can be used without considering the color filter and the color conversion layer. It can be manufactured. For this reason, for example, it is not necessary to consider forming a transparent electrode on a color filter or a color conversion layer inferior in heat resistance.
陰極を透明にすることにより、上記のような利点が得られるため、透明陰極を用いた有機EL素子を作製する試みが盛んになされている。 Since the above advantages can be obtained by making the cathode transparent, attempts have been actively made to produce an organic EL device using a transparent cathode.
例えば、特開平10−162959号公報に記載された有機EL素子は、陽極と陰極との間に有機発光層を含む有機層が介在しており、陰極は電子注入金属層と非晶質透明導電層とによって構成されており、かつ、電子注入金属層が有機層と接するという構成で成り立っている。 For example, in an organic EL device described in JP-A-10-162959, an organic layer including an organic light emitting layer is interposed between an anode and a cathode, and the cathode is an electron injection metal layer and an amorphous transparent conductive material. And an electron injecting metal layer is in contact with the organic layer.
また、特開2001−43980号公報には、陰極を透明にして、陽極に光反射性の金属膜を用いて、陰極から効率的に光を取り出すように工夫した有機EL素子が記載されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-43980 describes an organic EL element that is devised so as to efficiently extract light from a cathode by making the cathode transparent and using a light-reflective metal film for the anode. .
ここで、有機EL素子を構成する各層(電子注入金属層、有機層、正孔注入輸送層、陽極、陰極)について説明する。 Here, each layer (electron injection metal layer, organic layer, hole injection transport layer, anode, cathode) constituting the organic EL element will be described.
まず、電子注入金属層とは、発光層を含む有機層に、良好に電子注入をすることができる金属の層のことである。透明発光素子を得るためには、電子注入金属層は、50%以上の光線透過率を有することが好ましく、このためには当該層の膜厚を0.5nm〜20nm程度の超薄膜とする必要がある。 First, the electron injection metal layer is a metal layer that can inject electrons well into an organic layer including a light emitting layer. In order to obtain a transparent light-emitting element, the electron-injecting metal layer preferably has a light transmittance of 50% or more. For this purpose, the thickness of the layer needs to be an ultrathin film of about 0.5 nm to 20 nm. There is.
具体的には、電子注入金属層として、仕事関数が3.8eV以下で、電子注入性を有する金属、例えば、Mg、Ca、Ba、Sr、Li、Yb、Eu、YおよびScなどを用いて、膜厚を1nm〜20nmとした金属層を挙げることができる。光線透過率は50%以上であることが好ましく、より好ましくは60%以上の値を得ることができる構成とすることが望まれる。 Specifically, a metal having a work function of 3.8 eV or less and an electron injection property, such as Mg, Ca, Ba, Sr, Li, Yb, Eu, Y, and Sc, is used as the electron injection metal layer. And a metal layer having a thickness of 1 nm to 20 nm. The light transmittance is preferably 50% or more, and more preferably 60% or more.
有機層は、陽極と陰極との間に形成され、少なくとも発光層を含む。有機層は、発光層のみからなる層であってもよいし、また、発光層とともに、正孔注入輸送層などを積層した多層構造のものであってもよい。 The organic layer is formed between the anode and the cathode and includes at least a light emitting layer. The organic layer may be a layer composed only of the light emitting layer, or may have a multilayer structure in which a hole injecting and transporting layer and the like are laminated together with the light emitting layer.
有機EL素子において、有機層は、(1)電界印加時に、陽極または正孔輸送層から正孔を注入されることができ、かつ、電子注入層から電子を注入されることができる機能、(2)注入された電荷(電子と正孔)を電界の力で移動させる輸送機能、(3)電子と正孔の再結合の場を発光層内部に提供し、これを発光につなげる発光機能などの機能を有している。 In the organic EL element, the organic layer has the following functions: (1) a function that allows holes to be injected from the anode or the hole transport layer and an electron to be injected from the electron injection layer when an electric field is applied; 2) Transport function that moves injected charges (electrons and holes) by the force of an electric field, (3) Light emission function that provides a field for recombination of electrons and holes inside the light emitting layer, and connects this to light emission, etc. It has the function of
正孔注入輸送層は、正孔伝達化合物からなる層であって、陽極より注入された正孔を、発光層に伝達する機能を有する。この正孔注入輸送層を陽極と発光層との間に介在させることにより、より低い電界で多くの正孔が発光層に注入される。その上、電子注入層より発光層に注入された電子は、発光層と正孔注入輸送層の界面に存在する電子の障壁により、この発光層内の界面近くに蓄積される。これにより、有機EL素子の発光効率を向上させることができ、発光性能の優れた有機EL素子が得られる。 The hole injection transport layer is a layer made of a hole transfer compound, and has a function of transferring holes injected from the anode to the light emitting layer. By interposing this hole injecting and transporting layer between the anode and the light emitting layer, many holes are injected into the light emitting layer with a lower electric field. In addition, electrons injected from the electron injection layer into the light emitting layer are accumulated near the interface in the light emitting layer due to an electron barrier existing at the interface between the light emitting layer and the hole injection transport layer. Thereby, the luminous efficiency of an organic EL element can be improved and the organic EL element excellent in the light emission performance is obtained.
陽極は、仕事関数が4.4eV以上、好ましくは4.8eV以上の導電性を示すものであれば特に制限はなく、仕事関数が4.8eV以上の金属または透明導電性薄膜、またはこれらを組み合わせたものが好ましい。 The anode is not particularly limited as long as it has a work function of 4.4 eV or more, preferably 4.8 eV or more, and a metal or a transparent conductive thin film having a work function of 4.8 eV or more, or a combination thereof. Are preferred.
陽極は、必ずしも透明である必要はなく、黒色のカーボン層等をコーティングしてもよい。陽極に好適な金属としては、例えば、Au、Pt、Ni、AgおよびPdを挙げることができる。また、導電性酸化物としては、例えば、In−Zn−O、In−Sn−O、ZnO−Al、Zn−Sn−Oを挙げることができる。また、積層体としては、例えば、AuとIn−Zn−Oの積層体、PtとIn−Zn−Oの積層体、In−Sn−OとPtの積層体を挙げることができる。 The anode is not necessarily transparent and may be coated with a black carbon layer or the like. Examples of metals suitable for the anode include Au, Pt, Ni, Ag, and Pd. Examples of the conductive oxide include In—Zn—O, In—Sn—O, ZnO—Al, and Zn—Sn—O. Examples of the stacked body include a stacked body of Au and In—Zn—O, a stacked body of Pt and In—Zn—O, and a stacked body of In—Sn—O and Pt.
また、陽極は、有機層との界面が仕事関数4.4eV以上であれば良いため、陽極を二層とし、有機層と接しない側に仕事関数4.4eV以下の導電性膜を用いてもよい。この場合、Al、Ta、W等の金属やAl合金、Ta−W合金等の合金を用いることができる。また、ドープされたポリアニリンやドープされたポリフェニレンビニレンなどの導電性高分子や、a−Si、a−SiC、a−Cなどの非晶質半導体などを用いることもできる。さらには、黒色の半導体性の酸化物であるCr2O3 、Pr2O5 、NiO、Mn2O5 、MnO2 などを用いることもできる。 Further, since the anode only needs to have a work function of 4.4 eV or more at the interface with the organic layer, the anode may be formed in two layers and a conductive film having a work function of 4.4 eV or less may be used on the side not in contact with the organic layer. Good. In this case, a metal such as Al, Ta, or W, or an alloy such as an Al alloy or Ta—W alloy can be used. Alternatively, a conductive polymer such as doped polyaniline or doped polyphenylene vinylene, an amorphous semiconductor such as a-Si, a-SiC, or aC can be used. Further, black semiconductor oxides such as Cr 2 O 3 , Pr 2 O 5 , NiO, Mn 2 O 5 , and MnO 2 can also be used.
陰極は、前述のように、透明な導電層であって、平滑性にすぐれた非晶質膜であることが望ましい。また、電圧降下およびそれに起因する発光の不均一性を排除するため、比抵抗が5×10-4Ωcm以下であることが好ましい。 As described above, the cathode is preferably a transparent conductive layer and an amorphous film with excellent smoothness. In order to eliminate voltage drop and non-uniformity of light emission resulting therefrom, the specific resistance is preferably 5 × 10 −4 Ωcm or less.
しかしながら、表面平滑性に優れ、かつ、製造工程の熱履歴を受けても非晶質であることを保つことができる安定した透明導電性薄膜を実現することは、従来のITO材料では不可能であった。このため、従来のITO材料を、有機ELディスプレイやLCDなどの表示素子の透明電極に利用することは困難であった。 However, it is impossible with conventional ITO materials to realize a stable transparent conductive thin film that has excellent surface smoothness and can remain amorphous even when subjected to the thermal history of the manufacturing process. there were. For this reason, it has been difficult to use conventional ITO materials for transparent electrodes of display elements such as organic EL displays and LCDs.
非晶質膜としては、亜鉛を添加した酸化インジウムが、特許文献3(特開平7−235219号公報)に記載されている。この公報では、Zn元素が、Zn元素とIn元素の総和に対して10at%〜20at%含まれており、安定な非晶質性と高い電導性を示すことが紹介されている。 As the amorphous film, indium oxide to which zinc is added is described in Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-235219). This publication introduces that Zn element is contained in an amount of 10 at% to 20 at% with respect to the sum of Zn element and In element, and exhibits stable amorphousness and high electrical conductivity.
しかし、ここで紹介されている組成の膜は、可視光の短波長側、特に400nm付近の波長の光についての光透過性が低いという問題点がある。 However, the film having the composition introduced here has a problem in that it has low light transmissivity with respect to light having a short wavelength side of visible light, particularly light having a wavelength near 400 nm.
また、生産性の向上や製造コストの低減を考慮すると、直流スパッタリング法を採用し、高い直流電力を投入して高速成膜を行うことが好ましい。しかし、酸化インジウム薄膜の製造に用いるスパッタリングターゲットに添加されている元素の種類によっては、高い直流電力を投入するとアーキングが生じることがあり、この場合、高速成膜は不可能となる。また、成膜時にアーキングが発生すると、パーティクルの発生原因となり、製品歩留まり低下の要因となる。さらに、持続的にアーキングが生じれば、膜の形成そのものが阻害されてしまう。 In consideration of improvement in productivity and reduction in manufacturing cost, it is preferable to employ a direct current sputtering method and perform high-speed film formation by applying high direct current power. However, depending on the type of element added to the sputtering target used for manufacturing the indium oxide thin film, arcing may occur when high DC power is applied, and in this case, high-speed film formation is impossible. In addition, when arcing occurs during film formation, it causes generation of particles and causes a decrease in product yield. Furthermore, if arcing occurs continuously, the film formation itself is hindered.
さらに、スパッタリングターゲットによっては、投入電力の積算値が増加していくと、スパッタリングターゲットの表面にノジュール(ターゲット表面の黒色突起物)が発生して、アーキングが発生したり、成膜速度が低下したりするなどの問題が生じる。 Furthermore, depending on the sputtering target, when the integrated value of the input power increases, nodules (black projections on the target surface) are generated on the surface of the sputtering target, arcing occurs, and the film formation rate decreases. Problems occur.
他方、アーキングの発生規模が小さいスパッタリングターゲットについては、アーキング抑制機能付きの電源を用いて回避することができる。該電源におけるアーキング抑制法としては、DCパルシング法(ターゲットに印加する負電圧を周期的に停止して、その間に低い正電圧を印加してターゲット上のチャージングを中和する方法)と、アーク遮断回路(アーキング発生時の放電電流の増加を検出して完全なアーキングに成長する前に電力供給を停止して、ターゲットに流れる電流が十分に低下したところで、電力供給を再開するような回路)を装備する方法がある(非特許文献1(「透明導電膜の技術」、オーム社、p.193〜195))。 On the other hand, a sputtering target with a small arcing generation scale can be avoided by using a power source with an arcing suppression function. As a method for suppressing arcing in the power source, a DC pulsing method (a method in which a negative voltage applied to a target is periodically stopped and a low positive voltage is applied therebetween to neutralize charging on the target), an arc Cut-off circuit (a circuit that stops the power supply before it grows to complete arcing by detecting an increase in discharge current when arcing occurs, and restarts the power supply when the current flowing to the target has dropped sufficiently) (Non-patent document 1 ("Technology of transparent conductive film", Ohm Co., p.193-195)).
しかし、これらのアーキング抑制機能を持つ電源は、非常に高価であるため、設備コストを増加させてしまう。また、これらのアーキング抑制機能を持つ電源を用いたとしても、特許文献3に記載の酸化インジウムを用いたスパッタリングターゲット等、従来のスパッタリングターゲットでは、アーキングを完全に抑制できるわけではなかった。 However, these power supplies having an arcing suppression function are very expensive and increase the equipment cost. Moreover, even if these power supplies having an arcing suppression function are used, arcing cannot be completely suppressed with a conventional sputtering target such as a sputtering target using indium oxide described in Patent Document 3.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、比抵抗が小さく、膜表面が平滑であり、さらに可視光領域の光透過率が高い非晶質透明導電性薄膜を製造することができる酸化物焼結体を提供することを目的とする。さらに、アーキング抑制機能のない電源を用いた直流スパッタリング法による成膜において、高い直流電力を投入しても、アーキングが発生しにくく、作製する薄膜にクラックも入りにくいスパッタリングターゲットを提供することも目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and it is possible to produce an amorphous transparent conductive thin film having a small specific resistance, a smooth film surface, and a high light transmittance in the visible light region. An object of the present invention is to provide an oxide sintered body. It is another object of the present invention to provide a sputtering target in which arcing does not occur even when high DC power is applied in a film formed by a DC sputtering method using a power source having no arcing suppression function, and a thin film to be formed is less likely to crack. And
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、ゲルマニウムからなり、タングステンをW/In原子数比で0.004〜0.023の割合、亜鉛をZn/In原子数比で0.004〜0.032の割合、ゲルマニウムをGe/In原子数比で0.004〜0.021の割合で含有し、かつ、比抵抗が1kΩcm以下であることを特徴とする。 The oxide sintered body according to the present invention is made of indium, tungsten, zinc, and germanium. Tungsten is a W / In atomic ratio of 0.004 to 0.023, and zinc is a Zn / In atomic ratio of 0. A ratio of 0.004 to 0.032, germanium is contained in a Ge / In atomic ratio of 0.004 to 0.021, and a specific resistance is 1 kΩcm or less.
なお、前記酸化物焼結体の比抵抗が1×10-1Ωcm以下である方が、スパッタリングターゲットとして用いたときの成膜速度が向上するので好ましく、また、前記酸化物焼結体を、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し、実質的に酸化タングステン結晶相、酸化亜鉛結晶相、酸化ゲルマニウム結晶相を含まないものとすることも前記成膜速度を向上させるので好ましい。さらに、前記酸化物焼結体の焼結密度を6.5g/cm3以上とすることは、ノジュール(ターゲット表面の黒色突起物)の発生量を少なくし、アーキングの発生や、成膜速度の低下といった問題が生じにくくさせるので好ましい。 The specific resistance of the oxide sintered body is preferably 1 × 10 −1 Ωcm or less because the film formation rate when used as a sputtering target is improved, and the oxide sintered body is preferably It is also preferable that the indium oxide crystal phase having a bixbyite structure is a main phase and does not substantially contain a tungsten oxide crystal phase, a zinc oxide crystal phase, or a germanium oxide crystal phase because the film forming speed is improved. Furthermore, setting the sintered density of the oxide sintered body to 6.5 g / cm 3 or more reduces the generation amount of nodules (black projections on the target surface), reduces arcing, and increases the film formation rate. This is preferable because it is less likely to cause a problem such as reduction.
本発明に係る酸化物焼結体は、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。 The oxide sintered body according to the present invention can be made into a sputtering target by processing it into a flat plate shape and bonding it to a cooling metal plate.
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、ゲルマニウムからなり、タングステンをW/In原子数比で0.004〜0.023の割合、亜鉛をZn/In原子数比で0.004〜0.032の割合、ゲルマニウムをGe/In原子数比で0.004〜0.021の割合で含有し、かつ、比抵抗が5×10-4Ωcm以下であり、さらに膜質が非晶質であることを特徴とする。さらに、本発明に係る透明導電性薄膜は、表面粗さ(算術平均粗さRa)が膜厚に対して1%未満であることが好ましく、また、波長400nmの光の透過率が65%以上であることが好ましい。 The transparent conductive thin film according to the present invention is made of indium, tungsten, zinc, and germanium, tungsten is a W / In atomic ratio of 0.004 to 0.023, and zinc is Zn / In atomic ratio of 0.00. A ratio of 004 to 0.032, germanium is contained in a ratio of 0.004 to 0.021 in terms of Ge / In atomic ratio, a specific resistance is 5 × 10 −4 Ωcm or less, and the film quality is amorphous. It is characterized by quality. Further, the transparent conductive thin film according to the present invention preferably has a surface roughness (arithmetic average roughness Ra) of less than 1% with respect to the film thickness, and a transmittance of light having a wavelength of 400 nm is 65% or more. It is preferable that
本発明に係る透明導電性薄膜は、本発明に係る酸化物焼結体を用いたスパッタリングターゲットでスパッタリングを実施することで得ることができる。なお、用いるスパッタリング装置はアーキング抑制機能を有していなくてもよく、本発明に係る透明導電性薄膜は、本発明に係る酸化物焼結体を用いたスパッタリングターゲットで直流スパッタリング法を実施することでも得ることができる。 The transparent conductive thin film according to the present invention can be obtained by performing sputtering with a sputtering target using the oxide sintered body according to the present invention. In addition, the sputtering apparatus to be used may not have an arcing suppression function, and the transparent conductive thin film according to the present invention is subjected to a direct current sputtering method with a sputtering target using the oxide sintered body according to the present invention. But you can get it.
本発明に係る透明導電性薄膜を陰極に用いることで、トップエミッション型有機EL素子とすることができ、また、本発明に係る透明導電性薄膜を樹脂フィルム上に形成し、該透明導電性薄膜を陰極および/または陽極として用いることでフレキシブル有機EL素子とすることができる。 By using the transparent conductive thin film according to the present invention as a cathode, a top emission type organic EL device can be obtained. Further, the transparent conductive thin film according to the present invention is formed on a resin film, and the transparent conductive thin film is formed. Can be used as a cathode and / or an anode to form a flexible organic EL device.
本発明に係る酸化物焼結体の製造方法は、平均粒径が1μm以下のIn2O3粉末、WO3粉末、ZnO粉末およびGeO2粉末を、タングステンがW/In原子数比で0.004〜0.023の割合、亜鉛がZn/In原子数比で0.004〜0.032の割合、ゲルマニウムがGe/In原子数比で0.004〜0.021の割合となるように調合し、混合して、混合粉末を得る工程と、得られた混合粉末を平均粒径20〜150μmとなるまで造粒し、造粒粉を得る工程と、得られた造粒粉に冷間静水圧プレスで2〜5ton/cm2の圧力を加えて成形体を得る工程と、炉内容積0.1m3あたり50〜250L/minの割合で焼結炉内に酸素を導入しつつ、温度:1200〜1500℃、時間:10〜40時間で前記成形体を焼結し、酸化物焼結体を得る工程と、を有することを特徴とする。 The method for producing an oxide sintered body according to the present invention includes an In 2 O 3 powder, a WO 3 powder, a ZnO powder and a GeO 2 powder having an average particle diameter of 1 μm or less, and tungsten having a W / In atomic ratio of 0.00. Formulated so that the ratio of 004 to 0.023, the ratio of zinc to 0.004 to 0.032 in terms of the Zn / In atomic ratio, and the ratio of germanium to 0.004 to 0.021 in terms of the Ge / In atomic ratio. And mixing to obtain a mixed powder; granulating the obtained mixed powder to an average particle size of 20 to 150 μm to obtain a granulated powder; A process of obtaining a compact by applying a pressure of 2 to 5 ton / cm 2 with a hydraulic press, and introducing oxygen into the sintering furnace at a rate of 50 to 250 L / min per furnace volume 0.1 m 3 , temperature: The molded body is sintered at 1200 to 1500 ° C. for 10 to 40 hours. And obtaining an oxide sintered body, characterized by having a.
なお、前記混合粉末を得る工程における混合時間は、10〜30時間であることが好ましい。 In addition, it is preferable that the mixing time in the process of obtaining the said mixed powder is 10 to 30 hours.
また、前記焼結において、焼結温度に達するまでの昇温速度は0.5〜3℃/minが好ましく、焼結後の冷却速度は、酸素導入を止めた後、1000℃に降温するまでについては、0.1〜1℃/minとすることが好ましい。 Moreover, in the said sintering, the temperature increase rate until it reaches a sintering temperature is preferably 0.5 to 3 ° C./min, and the cooling rate after sintering is about 1000 ° C. after the introduction of oxygen is stopped. Is preferably 0.1 to 1 ° C./min.
本発明に係る酸化物焼結体をスパッタリングターゲットとして用いることで、比抵抗が小さく、表面平滑性に優れ、かつ、可視光領域の光透過性に優れる非晶質の透明導電性薄膜を製造することができる。また、高速成膜も可能となる。さらに、本発明に係る酸化物焼結体の焼結密度を6.5g/cm3以上とすることで、アーキング抑制機能のない直流電源を装備した安価な直流スパッタリング法による成膜において、大きな直流電力を投入してもアーキングを発生しにくくすることができる。 By using the oxide sintered body according to the present invention as a sputtering target, an amorphous transparent conductive thin film having low specific resistance, excellent surface smoothness, and excellent light transmittance in the visible light region is produced. be able to. Also, high-speed film formation is possible. Furthermore, when the sintered density of the oxide sintered body according to the present invention is set to 6.5 g / cm 3 or more, a large direct current can be formed in an inexpensive direct current sputtering method equipped with a direct current power source having no arcing suppression function. Even if power is turned on, arcing can be made difficult to occur.
本発明者は、インジウム、タングステン、亜鉛、ゲルマニウムを所定の原子数比で含み、比抵抗が1kΩcm以下である酸化物焼結体を、スパッタリングターゲットとして用いると、比抵抗が小さく、かつ、表面平滑性に優れ、さらに可視光領域の透過性に優れる非晶質透明導電性薄膜を製造することができるとともに、高速成膜も可能となることを見出した。また、前記スパッタリングターゲットを用いれば、アーキング抑制機能のない直流電源を装備した安価な直流スパッタリング装置を用いた成膜において、高電力を投入しても、アーキングが発生しないことも見出した。本発明は、これらの知見に基づき完成されたものである。 The inventor of the present invention uses an oxide sintered body containing indium, tungsten, zinc and germanium in a predetermined atomic ratio and having a specific resistance of 1 kΩcm or less as a sputtering target. The present inventors have found that an amorphous transparent conductive thin film having excellent properties and visible light region transparency can be produced, and that high-speed film formation is possible. Further, it has also been found that when the sputtering target is used, arcing does not occur even when high power is applied in film formation using an inexpensive DC sputtering apparatus equipped with a DC power supply having no arcing suppression function. The present invention has been completed based on these findings.
1.酸化物焼結体
本発明の酸化物焼結体は、インジウム、タングステン、亜鉛およびゲルマニウムを含み、タングステンの含有量がW/In原子数比で0.004〜0.023であり、亜鉛の含有量がZn/In原子数比で0.004〜0.032であり、ゲルマニウムの含有量がGe/In原子数比で0.004〜0.021であり、かつ、比抵抗が1kΩcm以下である。また、当該焼結体は、ビックスバイト型構造の酸化インジウムを主相とすることが好ましい。
1. Oxide Sintered Body The oxide sintered body of the present invention contains indium, tungsten, zinc, and germanium, the tungsten content is 0.004 to 0.023 in terms of W / In atomic ratio, and the zinc content The Zn / In atomic ratio is 0.004 to 0.032, the germanium content is Ge / In atomic ratio is 0.004 to 0.021, and the specific resistance is 1 kΩcm or less. . The sintered body preferably has a bixbite type indium oxide as a main phase.
前記酸化物焼結体から作製したスパッタリングターゲットを用いて、スパッタリング法で透明導電性薄膜を作製すると、200℃を超える高い結晶化温度を有し、非晶質で、かつ、比抵抗の小さい透明導電性薄膜を得ることができる。 When a transparent conductive thin film is produced by a sputtering method using a sputtering target produced from the oxide sintered body, it has a high crystallization temperature exceeding 200 ° C., is amorphous, and has a low specific resistance. A conductive thin film can be obtained.
酸化物焼結体中のタングステン、亜鉛およびゲルマニウムの割合を、上述のように限定した理由は、以下の通りである。 The reason why the proportions of tungsten, zinc and germanium in the oxide sintered body are limited as described above is as follows.
タングステンは、透明導電性薄膜の導電性の向上と結晶化温度の上昇に寄与する。酸化物焼結体のW/In原子数比が0.004未満であると、比抵抗が5×10-4Ωcmよりも大きくなる。また、得られる透明導電性薄膜の結晶化温度が十分に高くならず、スパッタリング法で成膜した場合に、結晶相が含まれる透明導電性薄膜が得られてしまう。一方、酸化物焼結体のW/In原子数比が0.023を超えると、得られる透明導電膜は非晶質であるが、比抵抗が5×10-4Ωcmよりも大きくなってしまう。 Tungsten contributes to improving the conductivity of the transparent conductive thin film and increasing the crystallization temperature. When the W / In atomic ratio of the oxide sintered body is less than 0.004, the specific resistance becomes larger than 5 × 10 −4 Ωcm. Further, the crystallization temperature of the obtained transparent conductive thin film is not sufficiently high, and when the film is formed by sputtering, a transparent conductive thin film containing a crystal phase is obtained. On the other hand, when the W / In atomic ratio of the oxide sintered body exceeds 0.023, the obtained transparent conductive film is amorphous, but the specific resistance becomes larger than 5 × 10 −4 Ωcm. .
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目的および膜の結晶化温度を上げる目的で添加する。酸化物焼結体のZn/In原子数比が0.004未満であると、焼結体の比抵抗が高くなるため成膜速度が非常に低くなり、生産性に劣り、また、非晶質の透明導電性薄膜を得ることができない。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が得られない。 Zinc is added in the oxide sintered body for the purpose of imparting conductivity to the extent that direct current sputtering is possible and for increasing the crystallization temperature of the film. If the Zn / In atomic ratio of the oxide sintered body is less than 0.004, the specific resistance of the sintered body increases, so the film forming speed becomes very low, the productivity is inferior, and the amorphous body is amorphous. The transparent conductive thin film cannot be obtained. On the other hand, when the Zn / In atomic ratio exceeds 0.032, a transparent conductive thin film having excellent transmission characteristics cannot be obtained on the short wavelength side in the visible range (for example, near the wavelength of 400 nm).
ゲルマニウムは、導電性の向上に寄与する。酸化物焼結体のGe/In原子数比が0.004未満だと、Ge添加による透明導電性薄膜の比抵抗を小さくする効果がなく、Ge/In原子数比が0.021を超えると、逆に得られる透明導電性薄膜の比抵抗が大きくなってしまう。 Germanium contributes to the improvement of conductivity. When the Ge / In atomic ratio of the oxide sintered body is less than 0.004, there is no effect of reducing the specific resistance of the transparent conductive thin film by adding Ge, and when the Ge / In atomic ratio exceeds 0.021. On the contrary, the specific resistance of the transparent conductive thin film obtained becomes large.
2.酸化物焼結体およびスパッタリングターゲットの製造方法
本発明のインジウム、タングステンおよび亜鉛を含む酸化物焼結体は、次のように作製することができる。
2. Production Method of Oxide Sintered Body and Sputtering Target The oxide sintered body containing indium, tungsten and zinc of the present invention can be produced as follows.
平均粒径が1μm以下のIn2O3粉末、WO3粉末、ZnO粉末およびGeO2粉末を原料粉末とする。In2O3粉末、WO3粉末、ZnO粉末およびGeO2粉末を所定の割合で調合し、水、分散剤、バインダーとともに樹脂製ポットに入れ、湿式ボールミルで混合して、スラリーにする。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ボールを用いることが好ましい。また、混合時間は10時間〜30時間が好ましい。10時間よりも短いと、原料粉末の粉砕が不十分となり、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焼結体が得られにくくなる。また、粉砕が不十分の原料粉末が存在していると、焼結時の拡散が十分に行われず、比抵抗の大きい原料粉末が焼結体中に存在することとなり、アーキングが発生しやすくなる。一方、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、安定して高密度ターゲットを得られにくくなるので、好ましくない。混合後、スラリーを取り出し、スプレードライヤーを用いて噴霧乾燥することにより、造粒粉を得る。 In 2 O 3 powder, WO 3 powder, ZnO powder and GeO 2 powder having an average particle size of 1 μm or less are used as raw material powders. In 2 O 3 powder, WO 3 powder, ZnO powder and GeO 2 powder are prepared at a predetermined ratio, put into a resin pot together with water, a dispersant and a binder, and mixed in a wet ball mill to form a slurry. At this time, it is preferable to use hard ZrO 2 balls in order to avoid mixing impurities in the slurry as much as possible. The mixing time is preferably 10 hours to 30 hours. When the time is shorter than 10 hours, the raw material powder is not sufficiently pulverized, and it becomes difficult to obtain a sintered body having a bixbite type indium oxide crystal phase as a main phase. In addition, if there is a raw material powder that is not sufficiently pulverized, diffusion during sintering is not sufficiently performed, and a raw material powder having a large specific resistance is present in the sintered body, and arcing is likely to occur. . On the other hand, if it is longer than 30 hours, it is excessively pulverized and the particles are strongly agglomerated, making it difficult to stably obtain a high-density target. After mixing, the slurry is taken out and spray-dried using a spray dryer to obtain granulated powder.
平均粒径20μm〜150μm程度に造粒した造粒粉を、冷間静水圧プレスで2〜5ton/cm2の圧力をかけて成形する。成形プレスは、均一な成形体を得ることができる点から、冷間静水圧プレスが好ましい。圧力が2ton/cm2よりも低いと、成形体の密度が高まらず、高密度ターゲットが得られにくい。また、5ton/cm2よりも高いと、成形体の密度を高めることはできるが、設備等が大がかりとなってしまい、製造コストが上がってしまう。 The granulated powder granulated to an average particle size of about 20 μm to 150 μm is molded by applying a pressure of 2 to 5 ton / cm 2 with a cold isostatic press. As the molding press, a cold isostatic press is preferable because a uniform molded body can be obtained. When the pressure is lower than 2 ton / cm 2 , the density of the molded body does not increase and it is difficult to obtain a high-density target. On the other hand, when the density is higher than 5 ton / cm 2 , the density of the molded body can be increased, but the facilities and the like become large and the manufacturing cost increases.
次に、炉内容積0.1m3あたり100L/min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、得られた成形体を、温度:1200〜1500℃、時間:10〜40時間で、熱処理をして焼結させる。 Next, in an atmosphere obtained by introducing oxygen into the sintering furnace at a rate of 100 L / min per 0.1 m 3 of the furnace internal volume, the obtained molded body was subjected to temperature: 1200 to 1500 ° C. and time: 10 In about 40 hours, heat treatment is performed and sintering is performed.
酸素導入量が炉内容積0.1m3あたり50L/minより少ないと、酸化タングステンおよび酸化亜鉛が熱解離されることで蒸発が多くなり高密度焼結体を得ることが困難となる。250L/minを超えると、炉内の温度ばらつきが大きくなり高密度焼結体の安定生産が困難となる。 When the amount of oxygen introduced is less than 50 L / min per 0.1 m 3 of the furnace volume, the tungsten oxide and zinc oxide are thermally dissociated to increase evaporation, making it difficult to obtain a high-density sintered body. If it exceeds 250 L / min, temperature variation in the furnace becomes large, and stable production of a high-density sintered body becomes difficult.
また、熱処理温度が1200℃よりも低温では、安定的に高密度ターゲットを得ることが困難なため、好ましくなく、熱処理温度が1500℃よりも高温では、原料中のWO3の昇華が起こり、スパッタリングターゲットの組成に影響を及ぼすため、好ましくない。 Moreover, since it is difficult to stably obtain a high-density target when the heat treatment temperature is lower than 1200 ° C., it is not preferable. When the heat treatment temperature is higher than 1500 ° C., sublimation of WO 3 in the raw material occurs and sputtering is performed. This is not preferable because it affects the composition of the target.
熱処理の際の昇温速度は、0.5〜3.0℃/min程度が好ましく、熱処理による焼結後の冷却においては、酸素導入を止め、1000℃程度まで1℃/minで降温することが好ましい。昇温を遅くすることは、炉内の温度分布を均一にするために必要であり、降温において、1000℃程度まで1℃/minで行うことは、熱衝撃によるターゲットの割れを防止するために必要である。 The heating rate during the heat treatment is preferably about 0.5 to 3.0 ° C./min. In cooling after sintering by heat treatment, oxygen introduction is stopped and the temperature is lowered to about 1000 ° C. at 1 ° C./min. Is preferred. Slowing the temperature rise is necessary to make the temperature distribution in the furnace uniform, and performing the temperature drop to about 1000 ° C. at 1 ° C./min in order to prevent the target from cracking due to thermal shock. is necessary.
得られたインジウム、タングステンおよび亜鉛を含む酸化物焼結体を、所望の形状(スパッタリングターゲットとして用いるため、厚さは通常3〜10mm程度。)に加工し、スパッタリングする面をカップ砥石などで磨く。 The obtained oxide sintered body containing indium, tungsten and zinc is processed into a desired shape (the thickness is usually about 3 to 10 mm because it is used as a sputtering target), and the surface to be sputtered is polished with a cup grindstone or the like. .
上述のように加工した酸化物焼結体を、純銅製またはモリブデン製の冷却用バッキングプレートに、融点が120〜200℃のIn系ろう材で接合して、スパッタリングターゲットとする。この時、バッキングプレートとの濡れ性を向上させ、バッキングプレート材料の拡散防止を図るために、スパッタリングターゲットのボンディング面に、スパッタリングや蒸着によりメタライズ膜を形成してもよい。 The oxide sintered body processed as described above is bonded to a cooling plate made of pure copper or molybdenum with an In-based brazing material having a melting point of 120 to 200 ° C. to obtain a sputtering target. At this time, in order to improve wettability with the backing plate and prevent diffusion of the backing plate material, a metallized film may be formed on the bonding surface of the sputtering target by sputtering or vapor deposition.
3.スパッタリングターゲット
上述のようにして、本発明に係るスパッタリングターゲットを製造することができるが、以下、その特性等について説明する。
3. Sputtering target Although the sputtering target which concerns on this invention can be manufactured as mentioned above, the characteristic etc. are demonstrated below.
直流スパッタリング時の成膜速度は、スパッタリングターゲットの比抵抗に依存し、比抵抗が小さいほど成膜速度は大きくなる。従って、本発明に係るインジウム、タングステン、亜鉛およびゲルマニウムを含む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であっても、速い成膜速度を実現するためには、スパッタリングターゲットの比抵抗は小さい方がよく、具体的には、比抵抗として1kΩcm以下が必要であり、好ましくは、1×10-1Ωcm以下がよい。 The film formation speed during direct current sputtering depends on the specific resistance of the sputtering target, and the film formation speed increases as the specific resistance decreases. Therefore, even when the oxide sintered body containing indium, tungsten, zinc and germanium according to the present invention is used for a sputtering target, the specific resistance of the sputtering target is small in order to realize a high film formation rate. More specifically, the specific resistance is required to be 1 kΩcm or less, and preferably 1 × 10 −1 Ωcm or less.
また、本発明に係るスパッタリングターゲットにおいては、原料粉である酸化タングステン、酸化亜鉛および酸化ゲルマニウム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。比抵抗が同じ場合、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。 Moreover, in the sputtering target which concerns on this invention, it is preferable that the crystal phase resulting from tungsten oxide, zinc oxide, and germanium oxide which are raw material powder does not exist, and is comprised only by the bixbite phase. When the specific resistance is the same, the oxide sintered body composed only of the bixbite phase is sputtered under the same conditions than the oxide sintered body in which the crystalline phase of the oxide caused by the raw material powder is detected. This is because the film forming speed by is clearly fast. The reason why such a result was obtained is that the sputtering rate of the oxide crystal phase caused by the raw material is relatively slow, and the sputtering rate is slowed according to the ratio of the present. Therefore, a high deposition rate can be realized with a bixbite structure and a single-phase sintered body.
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、ゲルマニウムなどの陽イオンは、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と置換して、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。 Here, the bixbyite structure is a crystal structure of indium oxide (In 2 O 3 ) and is also referred to as a rare earth oxide C type (see “Technology of Transparent Conductive Film”, Ohm, p. 82). . Cations such as tungsten, zinc, and germanium are substituted with indium ions in indium oxide having a bixbyite structure to form a solid solution. In 2 O 3 may take a corundum type structure in addition to the bixbyite type structure.
さらに、本発明に係るスパッタリングターゲットにおいては、焼結密度が6.5g/cm3以上であることが望ましい。焼結密度が6.5g/cm3以上のスパッタリングターゲットであれば、ノジュール(ターゲット表面の黒色突起物)の発生量が少なく、アーキングの発生や、成膜速度の低下といった問題が生じにくい。 Furthermore, in the sputtering target according to the present invention, it is desirable that the sintered density is 6.5 g / cm 3 or more. If the sputtering target has a sintered density of 6.5 g / cm 3 or more, the generation amount of nodules (black projections on the target surface) is small, and problems such as arcing and a decrease in film formation rate are unlikely to occur.
本発明に係るスパッタリングターゲットでも、焼結密度が低くなると、長時間、スパッタリングを実施する間にエロージョン近傍にノジュール(ターゲット表面の黒色突起物をいう)が発生して、成膜中にアーキングが起きやすくなる。このような状態で成膜すると、比抵抗の小さい透明導電性薄膜は得られない。ノジュールの生じやすさは、焼結密度に関連があり、焼結密度を6.5g/cm3以上にすることが、長時間、スパッタリングを実施した場合に、ノジュールおよびアーキングの抑制に効果的である。 Even in the sputtering target according to the present invention, when the sintering density is lowered, nodules (referred to as black projections on the target surface) are generated in the vicinity of erosion during sputtering for a long time, and arcing occurs during film formation. It becomes easy. If the film is formed in such a state, a transparent conductive thin film having a small specific resistance cannot be obtained. The susceptibility of nodules is related to the sintered density, and setting the sintered density to 6.5 g / cm 3 or more is effective in suppressing nodules and arcing when sputtering is performed for a long time. is there.
スパッタリング法を実施すると、スパッタリングターゲットはスパッタリングによって表面から元素あるいは粒子が弾き飛ばされて、外観としては削り取られたような状態となるが、この時、スパッタリングターゲット中に存在していた空孔が、表面に出て、表面に出た空孔が、表面で凹部を形成する。表面の凹部では、スパッタリングされた元素あるいは粒子が、凹部の壁に付着して堆積し、成長してノジュールが形成される。焼結密度が低いほど、表面の凹部が多く形成されるため、ノジュールが多く形成される。このノジュールが成長すると、放電中にプラズマが集中し、アーキングの発生および成膜速度の低下が起こり、膜特性の悪化につながる。ターゲット表面のノジュールの発生量や、アーキングの発生および成膜速度の低下が始まる積算投入電力は、焼結密度に大きく依存し、焼結密度が高いほど、ノジュールの発生量は少なく、アーキングの発生および成膜速度の低下が始まる積算投入電力値は大きくなる。 When the sputtering method is performed, the element or particles are sputtered off from the surface by sputtering, and the appearance is scraped off as an appearance. At this time, vacancies existing in the sputtering target are, The vacancies coming out on the surface and coming out on the surface form recesses on the surface. In the recesses on the surface, the sputtered elements or particles adhere to and deposit on the walls of the recesses and grow to form nodules. The lower the sintering density, the more concave portions on the surface, and thus more nodules. When this nodule grows, plasma concentrates during discharge, and arcing occurs and the film formation rate decreases, leading to deterioration of film characteristics. The amount of nodules generated on the target surface, and the cumulative input power at which arcing and film deposition rate start to decrease greatly depend on the sintering density. The higher the sintering density, the smaller the amount of nodules and the occurrence of arcing. In addition, the integrated input power value at which the film formation rate starts to decrease increases.
したがって、焼結密度が低い(例えば4〜6.4g/cm3)場合には、アーキングの発生および成膜速度の低下が始まる積算投入電力値は小さくなる。 Therefore, when the sintered density is low (for example, 4 to 6.4 g / cm 3 ), the integrated input power value at which the occurrence of arcing and the decrease in the film formation rate starts is small.
4.透明導電性薄膜
本発明に係るスパッタリングターゲットを用いて、スパッタリング法もしくはイオンプレーティング法を行うことにより、比抵抗が5×10-4Ωcm以下であって、かつ、可視光領域、特に短波長側の透過率の大きい非晶質の透明導電性薄膜を製造することができる。また、この薄膜の表面粗さ(Ra)は、膜厚に対して1%未満である。なお、成膜された透明導電性薄膜の組成は、用いたスパッタリングターゲットと実質的に同一である。
4). Transparent conductive thin film By carrying out sputtering method or ion plating method using the sputtering target according to the present invention, the specific resistance is 5 × 10 −4 Ωcm or less, and the visible light region, particularly on the short wavelength side. An amorphous transparent conductive thin film having a large transmittance can be produced. Further, the surface roughness (Ra) of the thin film is less than 1% with respect to the film thickness. In addition, the composition of the formed transparent conductive thin film is substantially the same as the sputtering target used.
透明導電性薄膜の製造方法は、本発明のスパッタリングターゲットを用いて、スパッタリング時のターゲット基板間距離を60mm〜150mmとし、スパッタリングガス圧を0.5Pa〜1.5Paとして、成膜することが好ましい。 The method for producing a transparent conductive thin film is preferably formed using the sputtering target of the present invention, with the distance between the target substrates during sputtering being 60 mm to 150 mm, and the sputtering gas pressure being 0.5 Pa to 1.5 Pa. .
ターゲット基板間距離が60mm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高くなり、基板が受けるダメージが大きくなる。このため、比抵抗が大きくなってしまう。ターゲット基板間距離が150mmよりも長くなると、基板に堆積するスパッタ粒子の運動エネルギーが低くなりすぎて、基板に堆積した酸化膜内部の固相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ず、好ましくない。 When the distance between the target substrates is shorter than 60 mm, the kinetic energy of the sputtered particles deposited on the substrate increases, and the damage to the substrate increases. For this reason, specific resistance will become large. If the distance between the target substrates is longer than 150 mm, the kinetic energy of the sputtered particles deposited on the substrate becomes too low, and densification due to solid phase diffusion inside the oxide film deposited on the substrate does not occur, and the transparent conductive material with low density Only a thin film can be obtained, which is not preferable.
また、スパッタリングガス圧が0.5Paより低くなると、基板に堆積するスパッタ粒子の運動エネルギーが高くなり、基板が受けるダメージが大きくなる。このため、膜自体の比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よりも高くなると、基板に堆積するスパッタ粒子の運動エネルギーが低くなりすぎて、基板に堆積した酸化膜内部の固相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ず、好ましくない。 On the other hand, when the sputtering gas pressure is lower than 0.5 Pa, the kinetic energy of the sputtered particles deposited on the substrate increases, and the damage to the substrate increases. For this reason, the specific resistance of the film itself is increased. When the sputtering gas pressure is higher than 1.5 Pa, the kinetic energy of the sputtered particles deposited on the substrate becomes too low, and densification due to solid phase diffusion inside the oxide film deposited on the substrate does not occur, and the transparent conductive material with low density. Only a thin film is obtained, which is not preferable.
前記した好ましい条件で作製された本発明の透明導電性薄膜は、5×10-4Ωcm以下と比抵抗が小さい。また、非晶質構造であるため、表面が平滑である。さらに、200℃を超える高い結晶化温度を有することから、200℃未満の加熱でも、それらの性質が変化しない。したがって、基板がプラズマから熱を受けやすいスパッタリング法でも、安定的に非晶質膜を製造しやすい。また、膜付け後の製造プロセスで、200℃未満の加熱工程が含まれても、特性が安定している。さらに、可視光領域、特に短波長側の光(例えば、波長400nmの光)の透過率が大きいので、本発明の透明導電性薄膜を用いた発光素子は青、緑、赤色をそれぞれ均一に発光させることができる。このため、高品位なディスプレイを製造することを可能にする。 The transparent conductive thin film of the present invention produced under the preferable conditions described above has a small specific resistance of 5 × 10 −4 Ωcm or less. Moreover, since it is an amorphous structure, the surface is smooth. Furthermore, since it has a high crystallization temperature exceeding 200 ° C., even if it is heated below 200 ° C., their properties do not change. Therefore, it is easy to stably produce an amorphous film even by a sputtering method in which the substrate is susceptible to heat from plasma. In addition, the characteristics are stable even if a heating process of less than 200 ° C. is included in the manufacturing process after film formation. Furthermore, since the transmittance of visible light, particularly light on the short wavelength side (for example, light with a wavelength of 400 nm) is large, the light emitting element using the transparent conductive thin film of the present invention emits blue, green and red uniformly. Can be made. This makes it possible to manufacture a high-quality display.
なお、本発明の透明導電性薄膜は非晶質構造であるが、この非晶質構造にはX線回折により結晶相が検出されない程度の大きさや量の微結晶がある場合も含む。この程度の微結晶があっても、表面粗さ(Ra)は膜厚に対して1%未満であり、同様の効果を得ることができる。 Although the transparent conductive thin film of the present invention has an amorphous structure, this amorphous structure includes a case where there are microcrystals of such a size and amount that a crystal phase is not detected by X-ray diffraction. Even if there is such a fine crystal, the surface roughness (Ra) is less than 1% with respect to the film thickness, and the same effect can be obtained.
以上述べてきたように、本発明の透明導電性薄膜は、比抵抗が小さく、表面が平滑で、200℃を超える高い結晶化温度を有し、さらに可視光領域、特に短波長側の光(例えば、波長400nmの光)の透過率が大きい。このため、表示デバイス用に有用であり、特に、有機EL素子や無機EL素子、液晶素子、タッチパネルなどへの適用に好適である。 As described above, the transparent conductive thin film of the present invention has a small specific resistance, a smooth surface, a high crystallization temperature exceeding 200 ° C., and a light in the visible light region, particularly a short wavelength side ( For example, the transmittance of light having a wavelength of 400 nm is large. Therefore, it is useful for display devices, and is particularly suitable for application to organic EL elements, inorganic EL elements, liquid crystal elements, touch panels, and the like.
また、本発明に係る透明導電性薄膜を堆積させる際には、基板を加熱する必要がないため、本発明によれば、樹脂などの熱に弱い基板上に、比抵抗の小さい透明導電性薄膜を堆積させることが可能となる。したがって、有機発光層の上にも、陰極としての透明導電性薄膜を形成することも可能である。よって、本発明に係る透明導電性薄膜は、光を上面電極である陰極から、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素子を実現するのに有用であり、たとえば、TFT(thin−film transistor)基板を用いたトップエミッション型の有機EL素子における有機発光層の陰極に利用することができる。 Further, when depositing the transparent conductive thin film according to the present invention, it is not necessary to heat the substrate. Therefore, according to the present invention, the transparent conductive thin film having a small specific resistance is formed on the substrate that is weak against heat such as resin. Can be deposited. Therefore, a transparent conductive thin film as a cathode can be formed on the organic light emitting layer. Therefore, the transparent conductive thin film according to the present invention is useful for realizing a top emission type organic EL device capable of efficiently extracting light from the cathode which is the upper surface electrode. For example, a TFT (thin- It can be used as a cathode of an organic light emitting layer in a top emission type organic EL device using a film transistor) substrate.
さらに、基板が耐熱性の悪い柔らかい樹脂フィルム基板であっても、基板加熱をする必要がないので、基板を変形させることなく、比抵抗の小さい透明電極を形成することができる。したがって、本発明の透明導電性薄膜は、樹脂フィルム基板上に形成される透明電極として利用することが可能であり、たとえば、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/または陽極として利用することができる。 Furthermore, even if the substrate is a soft resin film substrate having poor heat resistance, it is not necessary to heat the substrate, so that a transparent electrode having a small specific resistance can be formed without deforming the substrate. Therefore, the transparent conductive thin film of the present invention can be used as a transparent electrode formed on a resin film substrate, for example, as a cathode and / or an anode of a flexible transparent organic EL element using the resin film substrate. Can be used.
[1.成膜速度および透明導電性薄膜の特性に対する酸化物焼結体の特性の影響について調べた実験例]
(実施例1〜7)
平均粒径が1μm以下のIn2O3粉末、WO3粉末、ZnO粉末およびGeO2粉末を原料粉末とした。In2O3粉末、WO3粉末およびZnO粉末を、所定の割合で調合し、水、分散剤、バインダーとともに樹脂製ポットに入れ、湿式ボールミルで混合した。この際、硬質ZrO2ボールを用い、混合時間を18時間とした。混合後、スラリーを取り出し、濾過、乾燥、造粒した。得られた造粒粉を、冷間静水圧プレスで3ton/cm2の圧力をかけて成形した。
[1. Experimental example investigating the effect of oxide sinter properties on film deposition rate and transparent conductive thin film properties]
(Examples 1-7)
In 2 O 3 powder, WO 3 powder, ZnO powder and GeO 2 powder having an average particle size of 1 μm or less were used as raw material powders. In 2 O 3 powder, WO 3 powder and ZnO powder were prepared at a predetermined ratio, put into a resin pot together with water, a dispersant and a binder, and mixed by a wet ball mill. At this time, hard ZrO 2 balls were used, and the mixing time was 18 hours. After mixing, the slurry was taken out, filtered, dried and granulated. The obtained granulated powder was molded by applying a pressure of 3 ton / cm 2 with a cold isostatic press.
次に、得られた成形体を次のように焼結した。炉内容積0.1m3あたり100L/minの割合で、焼結炉内に酸素を導入する雰囲気で、1300℃で20時間、焼結した。この際、1℃/minで昇温し、焼結後の冷却の際は、酸素導入を止め、1000℃までを1℃/minで降温した。 Next, the obtained molded body was sintered as follows. Sintering was performed at 1300 ° C. for 20 hours in an atmosphere in which oxygen was introduced into the sintering furnace at a rate of 100 L / min per 0.1 m 3 of the furnace volume. At this time, the temperature was raised at 1 ° C./min, and when cooling after sintering, the introduction of oxygen was stopped and the temperature was lowered to 1000 ° C. at 1 ° C./min.
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、EPMAによる局所分析により、得られた各酸化物焼結体中には酸化インジウムの結晶相は存在するが、酸化タングステン、酸化亜鉛、酸化ゲルマニウムの結晶相は存在しておらず、タングステン、亜鉛、ゲルマニウムはインジウムに固溶していることを確認した。 The milled end of the obtained oxide sintered body was pulverized and subjected to powder X-ray diffraction measurement with an X-ray diffractometer (M18XHF22, manufactured by MacScience Co.), resulting from a bixbite type indium oxide crystal phase. Only diffraction peaks were observed. Further, according to local analysis by EPMA, in each of the obtained oxide sintered bodies, there is a crystal phase of indium oxide, but there is no crystal phase of tungsten oxide, zinc oxide, or germanium oxide. It was confirmed that zinc and germanium were dissolved in indium.
次に、インジウム、タングステン、亜鉛およびゲルマニウムを含む上記の各酸化物焼結体を、直径152mm、厚み5mmの大きさに加工し、スパッタリング面をカップ砥石(ニートレックス製#140)で磨いた。接触式表面粗度計(東京精密製サーフコムE−MD−S75A)で測定したところ、すべて最大高さRzが0.3μm以下であった。また、酸化物焼結体のスパッタリング面に対し、四端針法抵抗率計ロレスタEP(ダイアインスツルメンツ社製、MCP−T360型)を用いて比抵抗を測定した。その測定結果を表1に示す。 Next, each oxide sintered body containing indium, tungsten, zinc, and germanium was processed into a size of 152 mm in diameter and 5 mm in thickness, and the sputtering surface was polished with a cup grindstone (# 140 manufactured by Nitrex). When measured with a contact-type surface roughness meter (Surfcom E-MD-S75A manufactured by Tokyo Seimitsu), the maximum height Rz was all 0.3 μm or less. Moreover, the specific resistance was measured with respect to the sputtering surface of the oxide sintered body using a four-end needle method resistivity meter Loresta EP (manufactured by Dia Instruments, MCP-T360 type). The measurement results are shown in Table 1.
表1に示す結果からわかるように、実施例1〜7の酸化物焼結体は、W/In原子数比が0.004〜0.022、Zn/In原子数比が0.005〜0.032、Ge/In原子数比が0.004〜0.020、比抵抗が0.004〜0.015Ωcmであり、組成、比抵抗とも、本発明の範囲内の酸化物焼結体であった。 As can be seen from the results shown in Table 1, the oxide sintered bodies of Examples 1 to 7 have a W / In atomic ratio of 0.004 to 0.022 and a Zn / In atomic ratio of 0.005 to 0. 0.032, the Ge / In atomic ratio is 0.004 to 0.020, the specific resistance is 0.004 to 0.015 Ωcm, and both the composition and the specific resistance are oxide sintered bodies within the scope of the present invention. It was.
次に、前述のように加工・研磨した酸化物焼結体を、無酸素銅製のバッキングプレートにボンディングして、スパッタリングターゲットとした。ボンディングには金属インジウムを用いた。 Next, the oxide sintered body processed and polished as described above was bonded to a backing plate made of oxygen-free copper to obtain a sputtering target. Metal indium was used for bonding.
次に、このスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングを行い、透明導電性薄膜を作製した。アーキング抑制機能のない直流電源を装備した直流マグネトロンスパッタリング装置(トッキ社製、SPF503K)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を取り付け、スパッタリングターゲットの対向位置にガラス基板を配置した。膜厚を計測するため、ガラス基板上において、スパッタリングターゲットの中心直上部の一部を、マジックインキでマークした。また、ターゲット−基板間距離は80mmとした。そして、導入する純ArガスにO2ガスを4%だけ混合して、ガス圧を0.8Paとし、直流電力160Wで直流プラズマを発生させ、基板をスパッタリングターゲットに対して静止対向のまま、基板加熱せずに、30分間スパッタリングを実施した。 Next, sputtering was performed using this sputtering target to produce a transparent conductive thin film. The sputtering target was attached to the cathode for a non-magnetic target of a direct current magnetron sputtering apparatus (SPF503K, manufactured by Tokki Co., Ltd.) equipped with a direct current power supply having no arcing suppression function, and a glass substrate was disposed at a position facing the sputtering target. In order to measure the film thickness, a part of the sputtering target directly above the center of the glass substrate was marked with magic ink. The target-substrate distance was 80 mm. Then, 4% of O 2 gas is mixed with pure Ar gas to be introduced, the gas pressure is set to 0.8 Pa, DC plasma is generated with a DC power of 160 W, and the substrate remains stationary facing the sputtering target. Sputtering was performed for 30 minutes without heating.
成膜後、マークしたマジックインキと、その上に堆積した膜とを、アセトンで取り除き、生じた段差を接触式表面形状測定器(日本真空技術株式会社製、Dektak3ST)で測定し、膜厚を測定した。そして、膜厚/成膜時間から、成膜速度を算出した。算出した成膜速度を表1に示す。 After film formation, the marked magic ink and the film deposited thereon are removed with acetone, and the resulting step is measured with a contact-type surface shape measuring instrument (Dektak 3ST, manufactured by Nippon Vacuum Technology Co., Ltd.). It was measured. The film formation rate was calculated from the film thickness / film formation time. Table 1 shows the calculated film formation rates.
また、透明導電性薄膜の電気的特性および光学的特性を調べるため、マジックインキでマークしないこと以外は、前述した方法と同様の方法で、所定の成膜速度に応じて、約150nmの膜厚の透明導電性薄膜を作製した。 Further, in order to investigate the electrical and optical characteristics of the transparent conductive thin film, a film thickness of about 150 nm is obtained in accordance with a predetermined film formation speed in the same manner as described above, except that no marking is performed with magic ink. A transparent conductive thin film was prepared.
次に、作製した透明導電性薄膜について、比抵抗、表面粗さRaおよび波長400nmの光の透過率を測定した。比抵抗は、透明導電性薄膜の表面抵抗を四端針法で測定することで算出した。透明導電性薄膜の表面粗さRaは、原子間力顕微鏡(デジタルインスツルメンツ社製、NS−III、D5000システム)で測定した。基板を含めた光透過率は、分光光度計(日立製作所社製、U−4000)で測定した。表1に、それらの測定結果を示す。 Next, specific resistance, surface roughness Ra, and light transmittance at a wavelength of 400 nm were measured for the produced transparent conductive thin film. The specific resistance was calculated by measuring the surface resistance of the transparent conductive thin film by the four-end needle method. The surface roughness Ra of the transparent conductive thin film was measured with an atomic force microscope (manufactured by Digital Instruments, NS-III, D5000 system). The light transmittance including the substrate was measured with a spectrophotometer (manufactured by Hitachi, Ltd., U-4000). Table 1 shows the measurement results.
なお、作製した透明導電性薄膜が非晶質であるかどうかについて、透過電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製、HF2200)により確認したところ、実施例1〜7の透明導電性薄膜は全て非晶質であった。 Whether or not the produced transparent conductive thin film was amorphous was confirmed by a transmission electron microscope (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, HF2200). The transparent conductive thin films of Examples 1 to 7 were all amorphous. Met.
表1からわかるように、実施例1〜7に係る酸化物焼結体は、組成が本発明の範囲内に入っており、かつ、比抵抗も0.004〜0.015Ωcmと小さく、本発明の範囲内に入っている。このため、実施例1〜7に係る酸化物焼結体を用いたスパッタリング法による成膜速度は45〜55nm/minと大きい。また、得られた透明導電性薄膜の特性は、比抵抗が3.3×10-4〜4.8×10-4Ωcmと小さく、かつ、表面粗さRaは0.3〜0.5nmと小さく平滑性に優れ、さらに、波長400nmの光の透過率は65〜70%と大きく、可視光領域において光透過率が良好である。 As can be seen from Table 1, the oxide sintered bodies according to Examples 1 to 7 have compositions within the scope of the present invention, and the specific resistance is as small as 0.004 to 0.015 Ωcm. It is in the range of. For this reason, the film-forming speed | rate by the sputtering method using the oxide sintered compact which concerns on Examples 1-7 is as high as 45-55 nm / min. Moreover, the characteristic of the obtained transparent conductive thin film has a specific resistance as small as 3.3 × 10 −4 to 4.8 × 10 −4 Ωcm, and a surface roughness Ra as 0.3 to 0.5 nm. It is small and excellent in smoothness. Furthermore, the transmittance of light having a wavelength of 400 nm is as large as 65 to 70%, and the light transmittance is good in the visible light region.
また、実施例1〜7に係る透明導電性薄膜は、窒素中で200℃にて加熱しても、非晶質性が維持されており、導電性の悪化がみられなかった。したがって、基板がプラズマからの熱を受けやすいスパッタリング法を用いた場合であっても、実施例1〜7に係る酸化物焼結体を用いれば、安定して非晶質膜が得られると考えられる。また、膜付け後の製造プロセスで、200℃の加熱工程が含まれていても、実施例1〜7に係る透明導電性薄膜は特性が安定していると考えられる。 Moreover, even if the transparent conductive thin film which concerns on Examples 1-7 was heated at 200 degreeC in nitrogen, the amorphousness was maintained and the deterioration of electroconductivity was not seen. Therefore, even when the sputtering method in which the substrate easily receives heat from the plasma is used, it is considered that the amorphous film can be stably obtained by using the oxide sintered body according to Examples 1 to 7. It is done. Moreover, even if a 200 degreeC heating process is included in the manufacturing process after film | membrane formation, it is thought that the characteristic of the transparent conductive thin film which concerns on Examples 1-7 is stable.
(比較例1〜7)
実施例1〜7では平均粒径が1μm以下のIn2O3粉末、WO3粉末、ZnO粉末およびGeO2粉末を原料粉末としたのに対して、比較例1〜7では平均粒径が3〜5μmのIn2O3粉末、WO3粉末、ZnO粉末およびGeO2粉末を原料粉末として用いた。また、実施例1〜7では原料粉末を湿式ボールミルで混合する時間が18時間であるのに対し、比較例1〜7では5時間と短くした。それ以外の条件は、実施例1〜7と同じ製造条件で、インジウム、タングステン、亜鉛およびゲルマニウムを含む酸化物焼結体を作製し、比較例1〜7のサンプルとした。
(Comparative Examples 1-7)
In Examples 1 to 7, In 2 O 3 powder, WO 3 powder, ZnO powder and GeO 2 powder having an average particle diameter of 1 μm or less were used as raw material powders, while in Comparative Examples 1 to 7, the average particle diameter was 3 ˜5 μm In 2 O 3 powder, WO 3 powder, ZnO powder and GeO 2 powder were used as raw material powders. Moreover, in Examples 1-7, the time for mixing the raw material powder in the wet ball mill was 18 hours, whereas in Comparative Examples 1-7, the time was shortened to 5 hours. The other conditions were the same as those in Examples 1 to 7, and an oxide sintered body containing indium, tungsten, zinc, and germanium was produced and used as samples of Comparative Examples 1 to 7.
実施例1から7と同様に、粉末X線回折およびEPMA(島津製作所社製、EPMA−2300)による測定を行い、得られた酸化物焼結体にはWO3 、ZnOおよびGeO2の結晶相が含まれており、さらに、該酸化物焼結体中には、インジウムに対する原子比でタングステン、亜鉛、ゲルマニウムが表2に示す割合で含まれていることを確認した。 In the same manner as in Examples 1 to 7, powder X-ray diffraction and measurement by EPMA (manufactured by Shimadzu Corporation, EPMA-2300) were performed, and the obtained oxide sintered body had a crystalline phase of WO 3 , ZnO and GeO 2 Furthermore, it was confirmed that the oxide sintered body contained tungsten, zinc, and germanium in an atomic ratio with respect to indium at a ratio shown in Table 2.
また、実施例1から7と同様に、四端針法抵抗率計ロレスタEP(ダイアインスツルメンツ社製、MCP−T360型)を用いて、比較例1〜7の酸化物焼結体の比抵抗を測定した。 Similarly to Examples 1 to 7, the specific resistance of the oxide sintered bodies of Comparative Examples 1 to 7 was determined using a four-end needle method resistivity meter Loresta EP (manufactured by Dia Instruments, MCP-T360 type). It was measured.
次に、実施例1〜7と同様の方法で、酸化物焼結体を研磨・加工し、無酸素銅製のバッキングプレート上にボンディングして、スパッタリングターゲットとした。そして、該スパッタリングターゲットを用いてスパッタリング法により透明導電性薄膜を作製し、実施例1〜7と同様にして成膜速度の測定をした。表2に、比較例1〜7の酸化物焼結体の組成および比抵抗、ならびに比較例1〜7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を用いた場合の成膜速度の測定結果を示す。 Next, the oxide sintered body was polished and processed by the same method as in Examples 1 to 7, and bonded to a backing plate made of oxygen-free copper to obtain a sputtering target. And the transparent conductive thin film was produced by sputtering method using this sputtering target, and the film-forming speed | rate was measured like Example 1-7. Table 2 shows the composition and specific resistance of the oxide sintered bodies of Comparative Examples 1 to 7 and the measurement results of the film formation rate when using the sputtering target prepared from the oxide sintered bodies of Comparative Examples 1 to 7. Show.
表2にからわかるように、比較例1〜7の酸化物焼結体は、W/In原子数比が0.005〜0.023、Zn/In原子数比が0.004〜0.032、Ge/In原子数比が0.004〜0.021と組成については本発明に係る酸化物焼結体の範囲内であるが、比抵抗が11000Ωcm〜30000Ωcmと大きく、本発明に係る酸化物焼結体の比抵抗の上限値(1kΩcm=1000Ωcm)を上回っており、本発明に係る酸化物焼結体の範囲から外れる酸化物焼結体であった。このため、成膜速度が20〜29nm/minと小さくなっている。 As can be seen from Table 2, the oxide sintered bodies of Comparative Examples 1 to 7 have a W / In atomic ratio of 0.005 to 0.023 and a Zn / In atomic ratio of 0.004 to 0.032. The Ge / In atomic ratio is 0.004 to 0.021 and the composition is within the range of the oxide sintered body according to the present invention, but the specific resistance is as large as 11000 Ωcm to 30000 Ωcm, and the oxide according to the present invention. It was an oxide sintered body that exceeded the upper limit (1 kΩcm = 1000 Ωcm) of the specific resistance of the sintered body and deviated from the range of the oxide sintered body according to the present invention. For this reason, the film formation rate is as low as 20 to 29 nm / min.
(比較例8および9)
比較例8および9では、実施例1〜7とは組成を変えたが、原料粉末については実施例1〜7と同様に、平均粒径が1μm以下のIn2O3粉末、WO3粉末、ZnO粉末およびGeO2粉末を原料粉末とし、また、原料粉末を湿式ボールミルで混合する時間も実施例1〜7と同様に18時間とするとともに、他の製造条件も実施例1〜7と同様にして、酸化物焼結体を作製した。
(Comparative Examples 8 and 9)
In Comparative Examples 8 and 9, the composition was changed from that of Examples 1 to 7, but the raw material powder was similar to Examples 1 to 7, In 2 O 3 powder having an average particle size of 1 μm or less, WO 3 powder, ZnO powder and GeO 2 powder were used as raw material powders, and the time for mixing the raw material powders with a wet ball mill was 18 hours as in Examples 1 to 7, and the other production conditions were the same as in Examples 1 to 7. Thus, an oxide sintered body was produced.
次に、実施例1〜7と同様の方法で、得られた酸化物焼結体からスパッタリングターゲットを作製し、該スパッタリングターゲットを用いてスパッタリング法により透明導電性薄膜を作製した。そして、実施例1〜7と同様の方法で、作製した透明導電性薄膜について、比抵抗、表面粗さRaおよび波長400nmの光の透過率を測定した。表3に、それらの測定結果を示す。 Next, the sputtering target was produced from the obtained oxide sintered compact by the method similar to Examples 1-7, and the transparent conductive thin film was produced by sputtering method using this sputtering target. And the specific resistance, surface roughness Ra, and the transmittance | permeability of the light of wavelength 400nm were measured about the produced transparent conductive thin film by the method similar to Examples 1-7. Table 3 shows the measurement results.
(比較例10および11)
比較例10では、周知の材料であるITO(In2O3−10質量%SnO2)からなる透明導電性薄膜を周知の方法で作製し、実施例1から7と同様の方法で、該透明導電性薄膜について、比抵抗、表面粗さRaおよび波長400nmの光の透過率を測定した。表3に、それらの測定結果を示す。
(Comparative Examples 10 and 11)
In Comparative Example 10, a transparent conductive thin film made of ITO (In 2 O 3 -10% by mass SnO 2 ), which is a well-known material, was prepared by a well-known method, and the transparent thin film was formed by the same method as in Examples 1 to 7. The conductive thin film was measured for specific resistance, surface roughness Ra, and light transmittance at a wavelength of 400 nm. Table 3 shows the measurement results.
比較例11では、前記特許文献3で提案されているIZO(In2O3−10質量%ZnO)からなる透明導電性薄膜を周知の方法で作製し、実施例1から7と同様の方法で、該透明導電性薄膜について、比抵抗、表面粗さRaおよび波長400nmの光の透過率を測定した。表3に、それらの測定結果を示す。 In Comparative Example 11, a transparent conductive thin film made of IZO (In 2 O 3 -10 mass% ZnO) proposed in Patent Document 3 was prepared by a known method, and the same method as in Examples 1 to 7 was used. The transparent conductive thin film was measured for specific resistance, surface roughness Ra, and light transmittance at a wavelength of 400 nm. Table 3 shows the measurement results.
表3からわかるように、比較例8に係る酸化物焼結体は、タングステン、亜鉛、ゲルマニウムの含有量が、本発明の範囲の下限値をいずれも下回っている。このため、得られた透明導電性薄膜の特性は、比抵抗が15.1×10-4Ωcmと大きく、かつ、表面粗さRaも1.8nmと大きく平滑性に劣る。 As can be seen from Table 3, in the oxide sintered body according to Comparative Example 8, the contents of tungsten, zinc, and germanium are all below the lower limit of the range of the present invention. For this reason, the characteristics of the obtained transparent conductive thin film are large, such as a specific resistance of 15.1 × 10 −4 Ωcm, and a surface roughness Ra of 1.8 nm, which is inferior in smoothness.
比較例9に係る酸化物焼結体は、タングステン、亜鉛、ゲルマニウムの含有量が、本発明の範囲の上限値をいずれも上回っている。このため、得られた透明導電性薄膜の特性は、表面粗さRaについては1.1nmであり、膜厚に対して0.7%であり、1%未満であるが、比抵抗については18.2×10-4Ωcmと大きく、かつ、波長400nmの光の透過率も60%と小さい。 In the oxide sintered body according to Comparative Example 9, the contents of tungsten, zinc, and germanium all exceed the upper limit of the range of the present invention. Therefore, the characteristics of the obtained transparent conductive thin film are 1.1 nm for the surface roughness Ra, 0.7% with respect to the film thickness, and less than 1%, but 18% for the specific resistance. .2 × 10 −4 Ωcm, and the transmittance of light with a wavelength of 400 nm is as small as 60%.
比較例10に係る酸化物焼結体は、周知の材料であるITO(In2O3−10質量%SnO2)からなる透明導電性薄膜であり、組成が本発明に係る酸化物焼結体とは異なる。このため、得られた透明導電性薄膜の特性は、比抵抗が6.5×10-4Ωcmと大きく、かつ、表面粗さRaも2.5nmと大きく平滑性に劣る。 The oxide sintered body according to Comparative Example 10 is a transparent conductive thin film made of ITO (In 2 O 3 -10 mass% SnO 2 ), which is a well-known material, and the composition is an oxide sintered body according to the present invention. Is different. For this reason, the characteristics of the obtained transparent conductive thin film have a large specific resistance of 6.5 × 10 −4 Ωcm and a surface roughness Ra of 2.5 nm, which is inferior in smoothness.
比較例11に係る酸化物焼結体は、前記特許文献3で提案されているIZO(In2O3−10質量%ZnO)からなる透明導電性薄膜であり、組成が本発明に係る酸化物焼結体とは異なる。このため、得られた透明導電性薄膜の特性は、比抵抗および表面粗さRaは良好であるものの、波長400nmの光の透過率も61%と小さい。 The oxide sintered body according to Comparative Example 11 is a transparent conductive thin film made of IZO (In 2 O 3 -10% by mass ZnO) proposed in Patent Document 3, and the composition is an oxide according to the present invention. Different from sintered body. For this reason, although the characteristic of the obtained transparent conductive thin film has favorable specific resistance and surface roughness Ra, the transmittance | permeability of light with a wavelength of 400 nm is as small as 61%.
[2.アーキングおよびノジュールの発生に対する焼結体密度の影響について調べた実験例]
(実施例8〜11、比較例12〜15)
実施例2の製造条件において、冷間静水圧プレスにより得た成形体を焼結する際の温度を1400℃とし、焼結時間を1〜30時間と振り、他の製造条件は実施例2の製造条件と同様にして、種々の焼結密度の酸化物焼結体を作製した。組成は実施例2と同様に、W/In原子数比=0.007、Zn/In原子数比=0.020、Ge/In原子数比=0.014であり、焼結密度は5.1〜7.0g/cm3となった。酸化物焼結体の破断面の走査型電子顕微鏡観察から、酸化物焼結体中の100個の結晶粒径の平均値を求めたところ、実施例8〜11、比較例12〜15のいずれも結晶粒径の平均値は7〜9μmであった。
[2. Experimental example investigating the effect of sintered density on arcing and nodule generation]
(Examples 8-11, Comparative Examples 12-15)
In the manufacturing conditions of Example 2, the temperature at the time of sintering the molded body obtained by cold isostatic pressing was set to 1400 ° C., the sintering time was varied from 1 to 30 hours, and the other manufacturing conditions were as in Example 2. Similar to the production conditions, oxide sintered bodies having various sintered densities were produced. As in Example 2, the composition was W / In atomic ratio = 0.007, Zn / In atomic ratio = 0.020, Ge / In atomic ratio = 0.014, and the sintered density was 5. It became 1-7.0g / cm < 3 >. When the average value of 100 crystal grain sizes in the oxide sintered body was determined from observation of the fracture surface of the oxide sintered body by a scanning electron microscope, any one of Examples 8 to 11 and Comparative Examples 12 to 15 was obtained. The average value of the crystal grain size was 7 to 9 μm.
次に、直流マグネトロンスパッタリング装置の非磁性体ターゲット用カソードに実施例8〜11、比較例12〜15に係る酸化物焼結体を用いたスパッタリングターゲットを取り付け、スパッタリング法による成膜を実施した。ターゲット基板間距離を80mmとし、純度99.9999質量%のArガスにO2ガスを4%だけ導入し、ガス圧を0.8Paとして直流プラズマを発生させた。直流電力は、150Wから800Wまで50W刻みで上昇させ、各電力で1時間、成膜し、スパッタリングターゲットにクラックが入り始めるときの直流電力を求めた。その結果を表4に示す。 Next, the sputtering target using the oxide sintered bodies according to Examples 8 to 11 and Comparative Examples 12 to 15 was attached to the nonmagnetic target cathode of the direct current magnetron sputtering apparatus, and film formation was performed by the sputtering method. The distance between the target substrates was 80 mm, and 4% of O 2 gas was introduced into Ar gas having a purity of 99.9999% by mass, and the gas pressure was set to 0.8 Pa to generate DC plasma. The direct current power was increased from 150 W to 800 W in increments of 50 W, each power was deposited for 1 hour, and the direct current power when cracks began to enter the sputtering target was determined. The results are shown in Table 4.
表4に示すように、スパッタリングターゲットの焼結体密度が6.5g/cm3以上(実施例8〜11)であれば、直流電力を800Wまで投入してもクラックが発生することはなく、安定して成膜することができた。透明導電性薄膜の生産性を上げるためには、なるべく高い電力をターゲットに投入して、高い成膜速度で製造することが必要であるが、焼結体密度が6.5g/cm3以上のスパッタリングターゲットであれば、高い電力をターゲットに投入して成膜することが可能であると考えられる。 As shown in Table 4, if the sintered body density of the sputtering target is 6.5 g / cm 3 or more (Examples 8 to 11), cracks do not occur even when DC power is applied up to 800 W. The film could be stably formed. In order to increase the productivity of the transparent conductive thin film, it is necessary to apply as high an electric power as possible to the target and to produce the film at a high film formation rate. However, the sintered body density is 6.5 g / cm 3 or more. In the case of a sputtering target, it is considered that a film can be formed by applying high power to the target.
これに対して、スパッタリングターゲットの焼結体密度が6.5g/cm3未満(比較例12〜15)のときは、直流電力を800Wまで上昇させる前にスパッタリングターゲットにクラックが発生してしまった。スパッタリングターゲットにクラックが発生してしまうと、クラック部分にノジュールが発生することが観察された。また、クラック発生後に引き続いて成膜した場合、成膜速度の減少、アーキングの発生および得られた膜の比抵抗の増加が観察された。したがって、焼結体密度が6.5g/cm3未満(比較例12〜15)のようなスパッタリングターゲットは、透明導電性薄膜の製造に用いることはできない。 On the other hand, when the sintered compact density of the sputtering target was less than 6.5 g / cm 3 (Comparative Examples 12 to 15), cracks occurred in the sputtering target before increasing the DC power to 800 W. . It was observed that nodule was generated in the crack part when the crack was generated in the sputtering target. Further, when the film was formed continuously after the occurrence of cracks, a decrease in the film formation rate, the occurrence of arcing, and an increase in the specific resistance of the obtained film were observed. Therefore, a sputtering target having a sintered body density of less than 6.5 g / cm 3 (Comparative Examples 12 to 15) cannot be used for manufacturing a transparent conductive thin film.
なお、実施例8〜11、比較例12〜15は、実施例2と同様の組成(W/In原子数比=0.007、Zn/In原子数比=0.020、Ge/In原子数比=0.014)のスパッタリングターゲットについて測定した結果であるが、実施例1および実施例3〜8と同様の組成からなる酸化物焼結体を用いても、全く同様の結果が得られた。 In addition, Examples 8-11 and Comparative Examples 12-15 have the same composition as Example 2 (W / In atomic ratio = 0.007, Zn / In atomic ratio = 0.020, Ge / In atomic number The ratio was measured for a sputtering target having a ratio = 0.014). Even when an oxide sintered body having the same composition as in Example 1 and Examples 3 to 8 was used, the same result was obtained. .
本発明に係る透明導電性薄膜は、有機EL素子だけでなく、無機EL素子や、LCD(Liquid Crystal Display)、電子ペーパーおよびタッチパネル用の透明電極として利用することができる。 The transparent conductive thin film according to the present invention can be used not only as an organic EL element but also as an inorganic EL element, a transparent electrode for LCD (Liquid Crystal Display), electronic paper, and a touch panel.
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