有機ELディスプレイの作製プロセスを革新する上部電極膜作製のための低ダメージスパッタ成膜プロセス技術

東京工芸大学 工学部 ハイパーメディアリサーチセンター

名誉教授 星 陽一

スパッタ法を用いた作製プロセス へ対向ターゲット式低ダメージスパッタ法 ＋ 赤外線照射

蒸着法を用いた作製プロセス から

有機ELディスプレイ

自発光で高いコントラスト比で色鮮やか

薄くて軽量

低消費電力

（スマホのディスプレイでは液晶より低消費電力を実現）（テレビではまだ液晶より消費電力大）

フィルムなどのフレキシブルな基板上にも形成可

透明ディスプレイも実現可能

照明素子としても有望

JOLEDのHPより

サムソンが発表した55型有機ELテレビ

LGが発表した55型有機ELテレビ

スマホGALAXY S II

アップルが新型iPadのディスプレイとして有機ELパネルを採用することを決定

有機EL照明

壁や天井全体から、光を取り出す平面照明が特徴！

★低消費電力140lm/W（LED 80lm/W）★長寿命

有機EL素子の構造と原理

透明電極

有機膜

上部電極光

有機層の上に電極膜を堆積することが必要

有機層上への上部電極膜堆積技術

蒸着法を利用して作製現状：

スパッタ法： 蒸着法に比較して 再現性、大面積基板上への

均一な膜の堆積、低温成膜などに有利

半導体集積回路の電極、ディスプレイや太陽電池の透明導電膜、ハードディスク 他 様々な薄膜の作製に利用

中性子原子・分子の放出

2次電子放出e

+＋イオン放出

－イオンの放出

hν Radiation

気体の分解・放出

スパッタされた粒子の逆戻り

入射イオンの反射

+イオン

中性

+入射イオン

結晶変化

加熱

拡散

堆積中の高エネルギー粒子の基板衝撃により、素子の特性が劣化するため、使用されていない

低ダメージ対向ターゲット式スパッタ法

N

S

N

S

二次電子

酸素負イオン

ターゲット

基板

有機EL素子の上部電極膜をスパッタ法で作製する技術

スパッタ時に発生する高エネルギー粒子の基板入射を抑制

NS S

酸素負イオン 二次電子

基板

マグネトロンスパッタ法

高エネルギー電子、スパッタ粒子、反跳粒子

S

N

S

N

S

N

S

N

Target(50 mmφ×5 mm）

80 mm

60 mm

70 mm

Substrate(25 mm×25 mm)

90 mm

Glass Substrate

ITO anode(80nm)

NPB(40nm)

Alq3(30nm)

BCP(30nm)

Al cathode

LiF：0.6nm

対向ターゲット式スパッタ源を利用してトップAl電極を作製

0 5 10 150

100

200

Lum

inance (

cd/m

2)

Voltage (V)

by conventional FTS sputtering

by evaporation 発光せず！

理由を明確にするため、様々な成膜方法での作製を試みた

SNSN

substrate

Magnetic field

Permanent magnet

高エネルギー2次電子の基板入射を除去することで、発光特性が顕著に改善される。

スパッタガス圧：8 ｍTorr

0 10 2010

–2

100

102

evaporation

Al shield

mesh shield

magnetmagnet+Al shield

conventional FTS

mesh electrode

Voltage (V)

Lum

inance (

cd/c

m2)

0 10 200

100

200

Lum

inance

(cd/m

2)

Voltage (V)

by evaporation

60mm70mm

substrate position

8 mTorrでは基板位置をターゲットから遠ざけると劣化

基板位置依存性

8 mTorr

0 5 100

100

200

Lum

inance (

cd/m

2)

Current density (mA/cm2)

by evaporation

10 mTorr

6 mTorr3 mTorr

0 10 200

100

200

Lum

inance (

cd/m

2)

Voltage (V)

by sputteringby evaporation

10 mTorr

15 mTorr

6 mTorr

3 mTorr

16 mTorr

電流・発光特性電圧・発光特性

スパッタガス圧依存性

スパッタガス圧８ｍTorr前後で最も良好な発光特性

8 mTorr 付近で基板に到達するスパッタ粒子の運動エネルギーがほぼゼロ

蒸着法で作製した場合に比較して発光電圧が高い

高エネルギースパッタ粒子の入射抑制（8 mTorr以上で作製） +

高エネルギー電子の入射抑制（基板磁界、ターゲットシールド板）

SNSN

substrate

magnetic field

magnet

Target(50 mmφ)

Shield plate

下地有機層にダメージを与えずに電極膜の作製が可能

Al電極成膜時の膜表面の温度の違いが影響

成膜時に蒸着源からの赤外線放射あり（基板温度が80℃以上に上昇）

蒸着法 低ダメージスパッタ法

基板への赤外線の入射は無いため成膜中の温度上昇は小さく40℃以下

有機EL素子特性への影響は？

★成膜中の膜表面の温度を評価する方法は無い★Al膜が堆積すると赤外線反射で温度上昇は抑制

蒸着源

基板

21 cm

蒸着源

蒸着源からの赤外線放射

低ダメージスパッタ

0 10 2010

–2

100

102

evaporation

Al shield

mesh shield

magnetmagnet+Al shield

conventional FTS

mesh electrode

Voltage (V)

Lum

inance (

cd/c

m2)

3minで基板裏面に貼ったThermo-plate

の温度＞65℃に上昇

低ダメージ対向ターゲット式スパッタ法＋赤外線照射 赤外線源

蒸着法と同様な赤外線照射下で成膜

Al電極スパッタ成膜中の赤外線照射

or heating wire

15 sec: < 43 ℃

30 sec : 48 ℃< Ts < 54 ℃

1 min : 54 ℃ < Ts < 62 ℃

5 min : 76 ℃ < Ts < 82℃

input power Ts

31.5 W 43 ℃＜ Ts

35.6 W 54 ℃＜ Ts

40 W 60 ℃ ＜ Ts

50.4 W 65 ℃ ＜ Ts

59 W 76 ℃ ＜ Ts

(After 3min irradiation)

投入電力（W） 基板温度

20.4 < 43 ℃

28.9 < 43 ℃

42.745 < 43 ℃

61.5 48 ℃< Ts < 54 ℃

75.04 54 ℃< Ts < 60 ℃

91.14 60 ℃< Ts < 65 ℃

蒸着時

Al cathode

FTS (50φtarget） Al(4N pure metal )

Gas pressure 8 [mTorr]

Ar gas flow rate 100 [sccm]

Sputtering voltage 340 [V]

Sputtering current 200 [mA]

Deposition time 4～5 [min]

Film thickness ～40 [nm]

Substrate heating was negligible small . （30℃～35℃）

Al電極膜の作製条件

0 5 10 15

10–2

100

102

Voltage （V)

Lum

inance (

cd/m

2)

14.5V 4.6A+pre–heating

evapo.

8 mTorr

without heating

14.5V 4.6A

15.5V 4.7A

13.6V 4.4A

赤外線照射による発光特性の変化

0 5 10 1510

–6

10–4

10–2

100

102

Voltage (V)

Curr

ent

density (

mA

/cm2

)

evapo.

14.5V 4.6A+pre–heating

8 mTorr without heating

8mTorr 13.6V 4.4A

8mTorr 15.5V 4.7A

8mTorr 14.6V 4.6A

★発光開始電圧は顕著に低下★100cd/m2以上の発光は2V以上高い電圧で発光

電圧-発光特性 電圧-電流特性

0 50 1000

500

1000

1500

Lum

inance (

cd/m

2)

Current density (mA/cm2)

evapo.

8 mTorr 14.5 V 4.6 A

8 mTorr 13.6 V 4.4 A

8 mTorr 15.5 V 4.7 A

8 mTorr without heating

14.5V 4.6A+pre–heat

0 50 1000

2

4

Current density （mA/cm2)

Lum

inance e

ffic

iency (

cd/A

)

14.5V 4.6A+pre–heating

evapo.

8 mTorr

without heating

14.5V 4.6A

15.5V 4.7A

13.6V 4.4A

電流-発光特性 電流-発光効率特性

電流に対する発光効率は、蒸着法で作製した素子よりも良好

0 5 10 15

10–2

100

102

Voltage （V)Lum

inance (

cd/m

2)

14.5V 4.6A+pre–heating

evapo.

8 mTorr

without heating

14.5V 4.6A

15.5V 4.7A

13.6V 4.4A

★スパッタ法でも蒸着法と同等以上の発光特性を示す素子の作製が可能

高エネルギー粒子除去＋赤外線照射による電圧-発光特性

0 10 2010

–2

100

102

evaporation

Al shield

mesh shield

magnetmagnet+Al shield

conventional FTS

mesh electrode

Voltage (V)

Lum

inance (

cd/c

m2)

高エネルギー粒子除去による発光特性の改善

提案スパッタ成膜プロセスによる有機EL素子の発光特性の改善効果

まとめ

適度な赤外線照射下で低ダメージスパッタ法（高エネルギー電子、高エネルギー粒子の基板への入射を除去）を用いて有機EL素子の上部Al陰極膜を成膜することで、蒸着法と同等以上の発光特性を示す有機EL素子の作製が可能

電極ー有機層界面に形成される障壁の制御が可能

赤外線照射による表面温度上昇で

実用化に向けた課題

現在、下地有機層にダメージ無しで電極膜を作製する技術はすでに開発済み。しかし、トップエミッション有機ELや透明有機ELなど上部電極として透明導電膜が必要な素子作製する場合に、電極膜作製時に発生する酸素ラジカルの効果は今後検討する必要がある。

電極・有機層界面に形成されるキャリア注入障壁は電極膜堆積時の基板温度に強く依存するため、最適化の条件設定を行っていく。

装置を大型化する場合の問題点について検討する。

ここで紹介した低ダメージスパッタ成膜プロセスは、基板温度上昇無しに膜の作製が可能であり、プラスチックフィルム基板への堆積技術として有望

有機ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ、有機太陽電池など、他の有機デバイスの電極膜の作製にも有効

スパッタ法が有効な透明電極膜を上部電極として利用するデバイスの場合は紹介した低ダメージスパッタ法が特に有効

想定される用途

企業への期待

有機ELディスプレイはすでに広く普及段階にあるが、スパッタ成膜プロセスの導入により、生産性の改善が期待できると考えている。

新規有機素子の技術を持つ、企業との共同研究を希望。

また、有機EL素子などの有機素子を開発中の企業には、本技術の導入が有効と思われる。

発明の名称有機ＥＬ素子の上部電極膜のスパッタ法による製造方法

発明者 星 陽一、内田孝幸、澤田 豊出願人 東京工芸大学出願番号 特願２０１７－0９８５３４

お問い合わせ先

本技術に関する知的財産権

〇タマティーエルオー株式会社研究成果移転事業部 松永義則Tel : 042-570-7240Fax : 042-570-7241E-mail : tech＠tama-tlo.com