OLEDデバイス向け
低ダメージスパッタプロセスの開発
松崎淳介 ・磯部辰徳＊1＊1

Development of Low Damage Sputtering Process for OLED Devices
Junsuke MATSUZAKI , Tatsunori ISOBE
＊1

＊1

＊1

Institute of Advanced Technology, ULVAC, Inc., 2500 Hagisono, Chigasaki, Kanagawa 253-8543, Japan

Organic Light Emitting Diode（OLED）devices are applied to various displays such as smartphones,monitors, and TVs, but it is necessary to improve the cost and lifetime performance of the display.
Top emission type OLEDs have high light extraction efficiency, but higher transmission and lower
resistance cathode electrodes are required, so we have developed a low damage sputtering process
for OLED devices.
ULVAC’s sputtering process concepts for OLED devices are “Low damage”, “Low temperature”
and “Low particles”. The sputtering process with high temperature and lots of particles is not only
reduces device performance, but also reduces mass production yields.
In this paper, we analyzed the sputtering damage factor related to device performance andestablished a sputtering process that can reduce the damage factor. The drive voltage and efficiencyof the OLED device using the low damage sputtering process was the same as that of the reference
vapor deposition device, and the lifetime was more than 20% higher.

1.

はじめに有機発光ダイオード（Organic Light Emitting Diode,能や寿命で課題の大きい青色の発光材料を出光興産が開発した3）ことでOLEDディスプレイの可能性を示した。

OLED）はスマートフォンやモニターなどの中小型デ有機材料が励起されて25％が一重項状態，75％が三ィスプレイだけでなく，高精細でフレキシブルな特性重項状態となり，基底状態に戻る時に生じる光をそれを活かしてテレビやサイネージ，近年ではウォールなぞれ蛍光，燐光と言う。燐光は高い発光効率を得るこどの大型ディスプレイ技術としても多く活用されていとが可能 だが，イリジウムや白金などのレアメタルる。

を用いるためコストに対してデメリットである。しか4）

1987年にC. W. TangとS. A. Vanslykeにより報告さし，近年ではレアメタルを用いずに高いエネルギーのれ た OLEDデ バ イ ス は， 酸 化 イ ン ジ ウ ム ス ズ

変換効率を得るため熱活性化遅延蛍光（Thermally（Indium Tin Oxide, ITO）基板上にホール輸送層でActivated Delayed Fluorescent, TADF） を応用したあるジアミンと電子輸送兼発光層のトリス（8-キノリ

材料やTADFをさらに応用した技術 などさらなる材ノラト）アルミニウム（Tris（8-hydroxyquinolinato）

料開発による性能改善が熾烈を極めている。

1）

5）

6）

aluminum, Alq3）と呼ばれる有機物，さらにカソード低分子有機材料を蒸着プロセスによって形成する技

電極としてMgAgを順に真空蒸着により形成した素子術が先行したが，追って高分子有機材料を溶液に溶かである。この素子は 5 V以下の低電圧で駆動し，高いして必要な領域へ塗布・印刷する形成技術も後続し，電流効率と輝度を100 nmオーダーという薄膜におい今日においては多種多様な分野で高性能なOLEDディて実現させたことを皮切りにOLED開発は活発化した。

スプレイが欠かせない技術となった。

その後のOLED開発では，OLEDデバイスを構成す当社は，フラットパネルディスプレイ（Flat Panel

る機能性を分離 して，より高効率なデバイス性能をDisplay, FPD）分野のスパッタリング製造装置におい求めて発光材料，機能膜の開発が進んだ。発光材料にて高いシェアを誇っており，今後大型化・高性能化・おいては，光の三原色である赤色と緑色に比べて，性低コスト化の一途をたどると予測されるOLEDへ適用

2）可能なスパッタリング技術を開発する。
＊112（株）アルバック 先進技術研究所（〒253-8543 神奈川県茅ヶ崎市萩園2500）

2.

OLED技術比べると劣っており，さらなる用途やシェアの拡大のためには改善が必要である。

2.1 OLEDディスプレイ
Table 1はOLEDと液晶ディスプレイ（Liquid Crystal

2.2 OLEDの構造

Display, LCD）を項目別に比較した表である。OLED

Fig.1に代表的なOLEDのデバイス構造を示す。アノは自発光型のディスプレイであるためLCDのようにバード電極からホールを，カソード電極から電子を注入

ックライトユニットを必要としない。従って，LCDにして発光層（Emissive Layer, EML）でホールと電子比べて高いコントラストと薄型で軽量かつフレキシブが再結合する際に光が放出される。その際，より効率ルなデバイスに適用可能な利点を有する。現在では，的にホールや電子を注入して再結合させるために，機フォルダブルやローラブルなOLEDディスプレイが市能膜としてホール注入層（Hall Injection Layer, HIL），場をにぎわしている。しかし，コストや寿命はLCDにホール輸送層（Hall Transport Layer, HTL）
，電子ブロック層（Electron Blocking Layer, EBL）
，ホールブ

Table 1Comparison List of OLED and LCD Display

ロック層（Hall Blocking Layer, HBL）
，電子注入層（Electron Injection Layer, EIL）
，電子輸送層（ElectronTransport Layer, ETL）などが必要に応じて割り当てられる。
Fig.2は（a）トップエミッションおよび（b）ボトムエミッション方式のOLEDデバイスを表している。光を薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor, TFT）回路側へ取り出すボトムエミッション方式は，TFT回路によって制限されているため開口率が必然的に小さくなる。一方で，トップエミッション方式は，光を遮るものが無いため，光の取り出し効率が高く，少ない消費電力で長寿命化が可能となるため有利である。
さらに，高田等に報告された

7）微小共振を利用した

OLEDデバイスによって，より純粋なRed, Green, Blue（RGB）の色や強い強度の発光を得ることが可能となった。さらに強い共振効果を得るために，電極間の光学設計をRGBそれぞれ最適化することも可能である。
2.3 OLEDの製造方法
現状，OLEDデバイスの製造方法は，Fig.3に示すように主に 2 つに分類される。
Fig.1

Configuration of Typical OLED Device

まず，Fig.3（a）に示すのは，スマートフォンや中小型モニターに多く用いられるRGBの塗分け方式で作製Fig.2 Top and Bottom Emission Type OLED Devices

13March/2023 No.85

Fig.3 OLED Device Structure

されたOLEDデバイスであり，サイド・バイ・サイドAg合金を蒸着プロセスによって形成することが一般（Side by Side, SBS）方式とも呼ばれる。RGBはそれ的であった。しかし，ディスプレイの大型化とともに，ぞれ蒸着や印刷技術を用いて個別に形成される。蒸着より高透過で低抵抗なカソード電極が求められる。透のSBS OLEDの場合，基板への堆積領域を限定するた明導電膜（Transparent Conductive Oxide, TCO）とめに，微細な穴が精密に配列された極薄のメタルマス

し て 一 般 的 なITOや 酸 化 イ ン ジ ウ ム 亜 鉛（Indiumクを用いる。高解像度なディスプレイの形成技術としZinc Oxide, IZO）は，FPDや太陽電池などのデバイて確立されているが，精密なマスクの製作が必要であスにも多く用いられている材料である。蒸着によってり，マスクと基板を高精度にアライメントする技術が良好なTCOの膜質を得るためには，高温プロセスが求められる。一方で，印刷技術を用いたSBS OLEDの必要となるためOLEDには不向きだが，スパッタリン

場合，大気環境下において印刷を行うため，高価な真グ技術であれば基板温度を低温に維持しつつ低抵抗で空設備を必要とせず，大型化にも有利と考えられる。

かつ高透過なTCOを形成することが可能である。し理論的には必要な有機材料のみを基板上へ堆積させるかし，トップエミッション構造のカソード電極にスパことが可能となり，材料の使用効率が向上する。しかッタリングを用いてTCO材料を成膜した場合，下地し，極微量の有機材料が溶けた溶液を印刷ヘッドによの有機膜へダメージを及ぼす懸念があるため，OLEDり制御して精度良く滴下して，均一に乾燥する技術がデバイス向けにダメージを低減したスパッタリングプ必要不可欠である。

ロセスの開発が必要となる。

Fig.3（b）は蒸着プロセスによってRGBの発光層を積層することで白色OLEDを形成して，カラーフィルター

3.2 プロセスコンセプトを用いてRGBを作り出す方式である。蒸着SBS OLED

当社のOLEDデバイス向けプロセスコンセプトは，のような精密なメタルマスクを使用しないため，アラ“低ダメージ”，“低温”，“低パーティクル”である。

イメントも不要となり，テレビやサイネージなどのOLEDデバイスにおいて，スパッタリングによるダメOLED大型ディスプレイで高いシェアを誇る。しかし，ージの因子は複数存在すると考えられており，低ダメ積層する材料はRGBの発光層だけでなく，前述した機ージプロセス開発や評価は，過去から現在まで多くの能膜なども合わせて必要となるため，大型の蒸着設備研究者によって報告されているが必要なだけでなく，カラーフィルターを透過するこ

ジ因子は一つの要因に限定することは困難であり，つとで光の取り出し効率が低くなる。

まりは各デバイスや構造，材料によってダメージ因子。しかし，ダメー

8 -14）や影響が異なり，精査していく必要性を示唆している

3.

O
 LED向け低ダメージスパッタプロセスの開発

3.1 低ダメージスパッタリングプロセスの必要性

14と考えている。また，OLEDの製造においては，スパッタリングによって成膜する際に，成膜エリアと非成膜エリアを区分するためにμmオーダー厚みの薄いメタルマスクを用いる必要がある。基板の高温化は，有OLEDデバイス構造は，ボトムエミッション方式か機材料へのダメージだけでなく，マスクの変形を引きらより高効率なトップエミッション方式へシフトして起こして製品歩留りを悪化させる懸念があるため，80いくと予想している。従来，カソード電極はAlやAg，℃以下にすることが好ましい。パーティクルについても同様である。OLEDデバイスやOLED素子上に落下3.4 OLEDデバイス評価やデバイFig.6にスパッタリング評価を行ったOLEDデバイススを封止する際の不具合要因となる。従って，OLED構造を示す。トップエミッション方式のデバイス構造向けに適用可能なスパッタリングプロセスを検討するである。アノード電極がパターニングされた基板上にうえでは，量産プロセスの展開も考慮して，スパッタHILからEMLまでの有機材料をスピンコートによってリングによるダメージだけでなく，温度やパーティク塗布して乾燥させる。その後，上層のNaFからカソールについても配慮が必要である。

ド電極のAgまでを蒸着で形成した。この時のAgの膜したパーティクルは，デバイスの性能劣化15）厚は18 nmである。カソード電極兼光学調整層として3.3 評価装置

IZOをスパッタリングによって成膜することでスパッ今回，OLED評価に使用したスパッタリング装置

タリングによって下地膜へ与える影響をデバイス性能「SCH-135」をFig.4に示す。水平インラインタイプのにより評価した。この時のIZOの膜厚はマイクロキャスパッタリング装置であり，生産時にはロード室からビティー効果による光の取り出し効率を考慮して67アンロード室まで基板が連続搬送されながらスパッタnmに決定した。

処理されるため，最小限のフットプリントで生産性にTable 2にデバイス評価結果を示す。比較として，優れるという特徴を有する。Fig.5は，今回OLEDデバ

高ダメージな従来のスパッタリングプロセスと低ダメイス評価に使用したロータリーカソードの断面概略図ージとなるようカソードを改良した条件（低ダメージを示している。円筒形のターゲット材質には，10.7

スパッタリングプロセスVer.1）を用いてIZOを成膜

wt％の酸化亜鉛がドープされたIZOを用いた。ターゲしたデバイスを作製した。リファレンスはIZOの代わットを冷却するためにボンディングされたバッキングりに有機膜を蒸着により形成したデバイスである。評チューブ内部に磁気回路を内蔵しており，磁気回路か価したデバイス特性は，OLED素子へ単位面積あたりら放出される磁力線に沿って真空雰囲気中に高密度なに流れる電流が10 mA/cm となる時の駆動電圧［V］プラズマが形成される。ターゲットはスパッタリングと，1000 cd/m の輝度が得られる時の電流効率［cd/A］によって放電している際に回転することで，ターゲッを評価した。IZOを成膜しているカソード側からは電トが均一に掘れて高い材料使用効率を得ることができ子を効率よく注入するために低い駆動電圧で電流が流22る。これらの評価装置およびロータリーカソードを用いてOLEDデバイス評価を行った。

Fig.4

SCH-135 System
Fig.6 OLED Device Configuration of SputteringProcess Evaluation

Table 2 O LED Device Evaluation Results for Low Damage
Sputtering Process

Fig.5 Cross-section Image of Sputtering Rotary
Cathode15
March/2023 No.85

れる必要があり，かつ低い電流で高い効率の発光が得

Table 3 O LED Device Evaluation Results for Further
Sputtering Damage Reduction Process

られることが好ましい。
リファレンスとなる蒸着OLEDデバイスの駆動電圧と効率を100％と規格化した場合に，従来の高ダメー
ジスパッタリングプロセスにおいては20％以上の駆動電圧の上昇と10％以上の効率低下が見られた。しかし，低ダメージスパッタリングプロセスVer.1を用いて作製したOLEDデバイスの駆動電圧と効率の劣化は約 5％とダメージを抑制できていると考えられる。高ダメージ条件のスパッタリングによって，OLEDデバイス

メージスパッタリングプロセスVer.2）を作り出すこの下地膜にダメージを及ぼすことで，電子注入性が劣とに成功した。

化して駆動電圧が上昇したと考えられる。効率の低下も電子注入性の劣化による影響と考えている。

Table 3に低ダメージスパッタリングプロセスVer.2を用いて行ったデバイス（Fig.7）の評価結果を示す。
比 較 と し て， 低 ダ メ ー ジ ス パ ッ タ リ ン グ プ ロセ ス

3.5 OLEDへのスパッタリングダメージ分析と改善

Ver.1とリファレンスの蒸着デバイスの結果も記載しさらなるダメージ低減を目的にデバイス性能とスパている。デバイス性能として，駆動電圧と効率に加えッタリングによるダメージ因子の定量化を試みた。本て，寿命を評価した。寿命評価は電流密度を一定（25評価向けに製作したプローブを基板位置に設置して，mA/cm ）にして，初期発光の輝度を100％として輝スパッタリング時の放電空間の状態を取得し，同様の度が 5 ％減衰した時間を測定している。

2

スパッタリング条件で作製したデバイス性能と比較す

低ダメージスパッタリングプロセスVer.1においてることでダメージ因子の解析を行った。ダメージ評価は，駆動電圧は蒸着デバイスと同等だが，効率と寿命用のデバイスは，Fig.6に示した構造をベースに，よにおいて10％前後の低下が見られた。しかし，今回開りダメージに過敏な構造となるように構造を調整した

発した低ダメージスパッタリングプロセスVer.2におものを用いたが，本稿で詳細な説明は割愛する。

いては，駆動電圧と効率は蒸着デバイスと同等の値が

上記解析の結果，Fig.7に示すようにスパッタリン得られ，さらに蒸着デバイスと比べて同等以上の寿命グによって作製したOLEDデバイスの駆動電圧に対しが得られた。また，基板温度を測定したところ50 ℃て，強く相関性を持つダメージ因子を確認することが以下と低温であることを確認しており，著しい基板温できた。破線は本評価におけるプロットから計算され度の上昇は無かった。

た近似直線であり，本ダメージ因子を小さくすること寿命へ影響を与える要因としては，水や不純物によで，蒸着デバイスと同等の駆動電圧までダメージを低る材料変質，界面欠陥によるキャリアの再結合確率の減できる可能性を示した。著者らは，更なる低ダメー低下，キャリア注入性の変化による輝度劣化，パーテ

ジスパッタリングプロセスを実証するために，カソーィクルなどの物理的要因に起因した不良など様々考えドに改良を施し，Fig.7の枠で示す領域の条件（低ダられる。今回の評価において，スパッタリングプロセ
スで作製したデバイスが蒸着プロセスで作製したデバイスと比べて同等以上の寿命が得られた原理については定かではなく，今後は解析や切分けを行うことで寿命劣化因子を特定する必要があると考える。
3.6 パーティクルによるOLEDデバイスの不具合
OLEDデバイスにおいてパーティクルがデバイス性能を劣化させるだけでなく，製品歩留りを低下させる要因の一つであることは前述した通りである。スパッタリングを用いて作製したOLEDデバイス素子に順方向電圧を印可して発光させた時の素子表面を観察した

Fig.7

16

Relationship between Sputtering Damage
Factor and Drive Voltage of OLED Devices（Fig.8）。Fig.8（a）は低ダメージスパッタリングプロ
セスVer.1においてIZOを成膜したデバイス素子である。面内で均一な発光が見られており，スパッタリン

Fig.8 Observation of the Lighting Surface of OLEDs Fabricated by Sputtering Process

グプロセスを用いても正常なデバイスを作製できている。図示してはいないが低ダメージスパッタリングプ
ロセスVer.2においても同様にパーティクルの少ない結果を確認している。一方で，Fig.8（b）はIZO成膜時にパーティクルが発生し易い条件でデバイスを作製したデバイス素子である。発光させた際にダークスポットと呼ばれる非発光部が多数確認された。ダークスポットの発生要因は複数存在すると考えられており ，16）

カソード電極部の異常やカソード電極膜のピンホールによって，下地の有機膜が暴露した時に，有機膜が水

Fig.9 J -V Curve of OLEDs Fabricated by Sputtering

や酸素と反応してOLEDとしての機能が消失すること

Processで局所的に非発光領域が発生する。ダークスポットは時間とともに非発光領域を拡大してデバイス性能を劣化させる起点となる。
これらのデバイス素子のJ-Vカーブを測定した結果をFig.9に示す。IZO成膜時にパーティクルが多く発生

4.

今後の課題と応用しているデバイスは，逆電圧を印可した時に高いリー

本稿では，IZOをカソード電極であるAgの上に形ク電流がOLEDデバイス内を流れており，ダイオード成することでスパッタリングによるダメージの評価を特性に不具合を生じていることがわかる。前述したパ行った。しかし，OLEDデバイスにおけるスパッタリーティクルに起因したダークスポットのような異常部ングの適用範囲をさらに拡張する上で，今後はカソー位に誘発されてデバイス素子内にショートパスが形成ド電極自体をスパッタリングプロセスへ置き換える予されていると推測される。

定であり，すでにトップエミッションに適用する検討

今回評価に使用したOLEDデバイス構造（Fig.6）は，や報告例も存在する 。また，LCDに対してOLEDの17）

すでにカソード電極としてAgを形成した上にIZOを課題となっているコストを圧迫している主要因の一つ

スパッタリングによって堆積させているにも関わらず，は高価な有機材料である。これらの有機材料を用いた成膜時に発生するパーティクルが前述のようなダーク機能膜を安価な無機材料へ置き換える検討もなされてスポットやリーク電流を発生させている。明確な解析

おり，EILやETLの機能性を有するC12A7エレクトライは不十分ではあるが，パーティクルの低減は，安定しド やZSO などユニークな材料も開発されている。

たOLEDデバイスの量産の課題となると考えている。

カソード電極だけでなく，従来は蒸着によって形成

スパッタリング時のパーティクル発生源は，ターゲッしていた有機膜をスパッタリングに置き換えるというトや周囲の防着板・構造物が挙げられるが，スパッタ挑戦は，OLEDデバイスのネックとなっているコスト

リング条件によっても変化するため，スパッタリングや寿命の問題を解消するブレークスルー技術となる可によるダメージと同等以上にパーティクルの低減には能性を秘めていると著者らは考えている。今後，様々配慮が必要である。

なデバイスや材料における低ダメージスパッタリング

18）

19）

March/2023 No.85

17プロセスの可能性を開拓していく。

8）H. Kim, D.-G. Kim, K.-S. Lee, M.-S, Huh, S. H.
Jeong, K. I. Kim, Appl. Phys. Lett., 86, 183503

5.

まとめ（2005）
9）H.-K. Kim, K.-S. Lee, J. H. Kwon, Appl. Phys.
Lett., 88, 012103（2006）

光の取り出し効率を改善するために，トップエミッション方式に適用可能なOLEDデバイス向け低ダメー

10）H.-K. Kim, S.-W. Kim, K.-S. Lee, K. H. Kim, Appl.
Phys. Lett., 88, 083513（2006）

ジスパッタリングプロセスの評価を行い，既存の蒸着と同等以上のデバイス性能を得ることに成功した。ま11）T. H. Gil, C. May, S. Scholz, S. Franke, M.

た，OLEDデバイスに対しては，懸念されていたスパ

Toerker, H. Lanker, K. Leo, S. Keller, Organic

ッタリング起因のダメージだけでなく，パーティクルElectronics, 11, 322（2010）の発生抑制も今後重要な課題であることを示した。今12）T. Welzel, K. Ellmer, J. Phys. D: Appl. Phys. 46,315202（2013）

後は，OLEDデバイスにおけるスパッタリングプロセ
スの適用範囲を拡大していき，さらなるOLEDの可能13）Y. Hoshi, S. Kobayashi, T. Uchida, Y. Sawada, H.
LEI, J. Vac. Soc. Jpn., Vol. 59, No. 3（2016）

性を実証していく。
文 献1）C. W. Tang, S. A, Vanslyke, Appl. Phys. Lett., 51,14）K. Suemori, et. Al., AIP Advances, 7, 045014（2017）
15）M. Nagai, Journal of The Electrochemical
Society, 154, J387（2007）

913（1987）
2）C. Adachi, S. Tokito, T. Tsutsui, S. Saito, JJAP,27, L269（1988）
3）C. Hosokawa, H. Higashi, H. Nakamura, T.

16）Y. Fukuda, Hyomen Kagaku, Vol. 25, Issue 9. 594（2004）
17）T . K u r o k i , e t . a l . , K O N I C A M I N O L T A

Kusumoto, Appl. Phys. Lett., 67, 3853（1995）

TECHNOLOGY REPORT VOL.14（2017）4）M. A. Baldo, S. Lamanky, P. E. Burrows, M. E.

18）H. Hosono, J. Kim, Y. Toda, T. Kamiya, S.
Watanabe, PNAS, Vol.114, No.2, 235（2017）

Thompson, S. R. Forrest, Appl. Phys. Lett., 75, 4（1999）19）N. Nakamura, J. Kim, H. Hosono, Adv. Electron.
Mater., 4, 1700352（2018）5）H. Uoyama, K. Goushi, K. Shizu, H. Nomura, C.
Adachi, Nature, 492, 234（2012）6）T. Furukawa, H. Nakanotani, M. Inoue, C. Adachi,
Sci. Rep., 5, 8429（2015）7）N. Takada, T. Tsutsui, S. Saito, Appl. Phys. Lett.,
63, 2032（1993）

18

【謝辞】
本開発にあたり，試料の提供と評価にご協力頂いた
住友化学株式会社殿にこの場を借りて感謝申し上げます。