スパッタプロセスを用いた高抵抗透明電極の開発
高橋明久＊1・須田具和＊1・新井真＊1・磯佳樹＊2・織井雄一＊2・箱守宗人＊2

Development of High Resistivity Transparent Conductive Oxide Electrode usingSputtering ProcessHirohisa Takahashi＊1, Tomokazu SUDA＊1, Makoto ARAI＊1, Yoshiki ISO＊2, Yuichi ORII＊2, Muneto HAKOMORI＊2＊1

Institute for Super Materials, ULVAC, Inc., 2500 Hagisono, Chigasaki, Kanagawa, 253-8543, Japan＊2
FPD・PV Division, ULVAC, Inc., 2500 Hagisono, Chigasaki, Kanagawa, 253-8543, JapanFor the In-Cell type touch screen panel, a high resistivity transparent electrode that can work as anti-static without
affecting touch sensing is required. ULVAC selected Sputtering Process which is high in productivity and suitable for large
size and successfully developed a high resistivity transparent conductive oxide electrode satisfying required specification.

1．はじめにンパネルは，Table 1 に示す Add-On 型の GG と呼ばれる構造が主流で，カバーガラス，タッチセンサーとディタッチスクリーンパネルは，iPhone などのモバイルスプレイを貼り合せて作られていた．薄型化，軽量化の端末の登場により身近なポインティングデバイスとなっ市場要求に対応するため，タッチセンサーをディスプレている．スマートフォンやタブレット端末では，様々なイ内に形成する In-Cell や，タッチセンサーをディスプタッチスクリーンパネルの電極構造が採用されている．

レイ上に形成する On-Cell などの Embedded 型タッチス

従来のスマートフォンに採用されていたタッチスクリー

クリーンパネルが開発された 1，2）．In-Cell 型タッチスク

Table 1

Touch Screen Panel Structure.

Add-On / GG

Embedded / In-Cell

Embedded / On-Cell

ガラス基板に形成したタッチセンサーをカバーガラスとディスプレイに貼り合せて作製

ディスプレイ内にタッチセンサーを形成

ディスプレイ上にタッチセンサーを形成

Cover Glass

Cover Glass

Cover Glass

Touch Sensor

Color Filter

Liquid Crystal＊1＊2

Color Filter

Liquid Crystal

Color Filter

Liquid Crystal

Thin Film Transistor

Thin Film Transistor

Thin Film Transistor

Back Light

Back Light

Back Light㈱アルバック 超材料研究所（〒 253-8543 神奈川県茅ケ崎市萩園 2500）㈱アルバック FPD・PV 事業部（〒 253-8543 神奈川県茅ケ崎市萩園 2500）

6リーンパネルでは，ディスプレイの動作と高感度タッチ

Cover Glass

センシングを両立するため，タッチセンシングに使用すPolarization

る高周波信号を透過し，低周波／DC 電圧によるディスプレイ動作の妨害を阻止する除電用透明電極が求められ

Anti-Static

Color Filter Glassる．

Color Filter

2．高抵抗透明電極の必要性

Liquid Crystal

タッチスクリーンパネルを搭載したモバイル用液晶デ液晶分子の配向に与える影響が少ない In-Plane Switching

Pixel Electrode
Interlayer
Common Electrode, Touch Sensor
Interlayer
Thin Film Transistor, Touch Sensor

3，4）（ 以 下，IPS） や Fringe Field Switching（ 以 下，FFS）

Thin Film Transistor Glassィスプレイの表示方式は，液晶分子がガラス基板と水平方向に回転し，指などでディスプレイに圧力を加えてもが採用されている．一般的に IPS 方式や FFS 方式の液Touch Sensor

Back Light

晶ディスプレイでは，ガラス基板の帯電や外部電界により，表示特性低下する現象があり，この課題を改善する

Figure 1

Structure of In-Cell type Touch Screen Panel.

ため，カラーフィルターガラスの背面に Indium-Tin-Oxide（以下，ITO）などの除電用透明電極（Anti-Static）を電子となる，また 3 個の電子を放出するインジウムがス設けている．Figure 1 に示す In-Cell 型タッチスクリー

ズに置換されると，スズは 4 個の電子を放出して安定すンパネルの場合，タッチセンサーに対して，指などでタるため，1 個の自由電子が発生し導電性を示す．成膜中ッチされるカバーガラスに近い位置に存在する除電用透に酸素を過多に導入することで，酸素欠損を形成させ明電極の抵抗が低いと，タッチセンシングに必要な高周ず，スズがイオン化しない様に酸化させることで自由電波信号まで遮断し感度を低下させてしまうことから，低子の放出を抑制することができる．Figure 3 に ITO を周波／DC 電圧によるディスプレイ動作の妨害を阻止

用いて酸素導入でシート抵抗を調整した高抵抗透明電極

し，タッチセンシングに必要な高周波信号と透過する高の評価結果を示す．膜厚を 10 nm に設定し，酸素導入抵抗透明電極が求められる 5，6）．

量を調整することで，成膜後のシート抵抗は目標値の107 から 1011 Ω/ □の値を達成することができたが，高3．高抵抗透明電極の仕様

温恒湿試験後には 108 及び 1010 Ω/ □の両水準ともに 1桁以上シート抵抗が低下する結果となった．この現象は特許第 4741026 号

一体型タッチスクリーン

では，In2O3 系材料が還元されやすい材料であるため，酸素過5）

高抵抗透明電極に求められるシート抵抗の例として，多の状態から還元する方向で安定化したと考察する．

200 M から 2 G Ω/ □と記載されており，この値を参考

本評価結果から，低抵抗透明電極材料の ITO を用いにシート抵抗は 107 から 1011 Ω/ □の範囲，信頼性評価て，酸素導入量でシート抵抗を調整する成膜プロセス

として，温度 60℃，湿度 90％，240 時間の恒温恒湿試

は，成膜後の信頼性に課題があると判断した．

験前後のシート抵抗変化率が一桁未満であることを目標

5．高抵抗透明電極成膜プロセスの開発値に設定した．また，透過率はバックライトのノイズ除去に用いられる薄膜 ITO の仕様である 95％以上（Glass

4．ITO の高抵抗化評価の結果から，目標値を達成すReference，波長 550 nm）とした．

る高抵抗透明電極を得ることは，ITO などの低抵抗透明4．ITO の高抵抗化評価

電極をベースとしたプロセス調整では難しく，生産機展開を前提に最適化されたプロセス開発が必須であると判断し，以下の方針で成膜プロセスの基礎開発を実施し

ITO は酸化インジウム（In2O3）に不純物として酸化た．

スズ（SnO2）を添加した半導体材料で，スパッタ方式で成膜する低抵抗透明導電極として広く使用されてい① ITO より高抵抗な導電性材料を用いベースの抵抗る．Figure 2 に ITO の導電メカニズムを示す 7，8）．In2O3を増加

は，2 個のインジウムが計 6 個の電子を放出し，3 個の②プロセス中の反応性を鈍化しプロセスウィンドーを酸素が計 6 個の電子を受け取り安定しているため，酸素拡大が欠損するとインジウムが放出した電子が 2 個余り自由7

< Oxygen vacancy ⇒ Two free electron >
IMAGE
In3+

In3+

O2-

O2-

O2-- -- -- -In3+

In3+

⇒O2-

O2-- -- -- -O2-

O2-

O2-- -- -- -< Sn4+ replace In3+ ⇒ One free electron >
IMAGE

Sn4+

In3+

In3+

O2-

O2-

O2-- -- -- -In3+

Sn4+

⇒

O2-12(2B)30 Zn
Zinc

48 Cd

Cadmium

In3+80 Hg

Mercury

Oxygen vacancy< Unit cell of In2O3 >Figure 26C

BoronCarbon

13 AlAluminium

Silicon

31 Ga

14 Si

32 GeGallium

Germanium

49 In

50 Sn

81 Tl

82 Pb

IndiumThallium

Tin

Lead

15(5B)
7N

Nitrogen

15 P

Phosphorus

33 As

Arsenic

51 Sb

Antimony

83 Bi

Bismuth

Conductivity Mechanism of ITO.

タプロセスの特長である高い生産性を確保しつつ，成膜プロセス中の反応性を鈍化しプロセスウィンドーを拡

1.E+12
Sheet resistance [Ω/□]14(4B)

5B< Periodic Table >1.E+13大，必要最小限の酸化ガスにより酸化膜の透過率を改善

1.E+11

し，前記酸化ガスとは異なるガスによりシート抵抗を調整することで，目標値の透過率とシート抵抗を安定的に1.E+10達成する成膜プロセスを開発テーマとした．

1.E+09Figure 4 に当社が開発した，スパッタ高抵抗透明電極のシート抵抗を示す．Condition-A，B，C は全て同じ組1.E+08成のスパッタターゲットを使用しており，膜厚は 10 nm

1.E+07

O2 Condition-2

1.E+06
1.E+05Figure 313(3B)とした．シート抵抗は目標値の 107 から 1011 Ω/ □の範囲でシート抵抗の調整可能で，温度 60℃，湿度 90％，

O2 Condition-1
050

100

150200Time [hr.]250

240 時間の恒温恒湿試験前後のシート抵抗変化率が一桁未満の特性が得られた．Figure 5 に Glass Reference の300透過率スペクトルを示す．Condition-A，B，C のシート

Sheet Resistance Stability of High Resistivity ITOFilm.

抵抗は 107 から 1011 Ω/ □の範囲で変化しているが，透過率には顕著な変化は見られず，目標値の 95％（GlassReference，波長 550 nm）を大幅に上回る結果となった．

③反応性ガスを導入し抵抗を調整

6．高抵抗透明電極の生産機に求められる技術④抵抗調整と透過率改善は異なるガスを使用
ITO より高抵抗であるが導電性材料を用いることで，スパッタ高抵抗透明電極の成膜プロセスは，導電性材

Radio Frequency などの特殊電源は使用せずに，スパッ料を用い，反応性スパッタにより 107 から 1011 Ω/ □の8

1.E+13

PlasmaSheet resistance [Ω/□]1.E+12Ar+

1.E+11
1.E+10
1.E+09
1.E+081.E+07

Condition-C

1.E+06

Condition-B

1.E+05Figure 4

Anode～

Condition-A
050

100

150200Time [hr.]250300AC Power Supply
Figure 6

Sheet Resistance Stability of High Resistivity
Transparent Conductive Oxide Electrode using
Sputtering Process.

ト上に高抵抗膜が堆積しても，次の瞬間カソード電位となり，堆積された高抵抗膜がスパッタされるため，永久にアノードを確保することができ，安定放電が得られる 9）．

99
Transmittance [%] (Ref.Glass)

Schema of AC Sputtering Cathode.

ード電位に繰り返し変化する．アノードとなるターゲッ

100

また，高抵抗透明電極は，カラーフィルターガラスと98薄膜トランジスタガラスを接着剤で貼り合せ，その後，97スリミングと呼ばれるガラスを薄くする加工を施したデ96ィスプレイに直接成膜される．ガラスがスリミングされ95て薄くなっていること，接着剤を使用していることか

94
93

Condition-A

92

Condition-B

91

Condition-C

90

Cathode400

Figure 5450500550 600 650 700
Wavelength [nm]750

ら，ディスプレイの耐熱温度が低下し，成膜温度の低温化が求められる．これに対しても，当社が開発した，基板温度上昇を抑制する低温スパッタの技術が有効となる．この様な成膜温度に制約のあるプロセスでは，ITOなどの材料は低温で成膜すると十分な結晶化が得られず800

耐薬品性が低下する課題がある．Figure 7 に，4．ITO

Transmittance of High Resistivity Transparent
Conductive Oxide Electrode using Sputtering
Process.の高抵抗化評価で述べた ITO と，5．高抵抗透明電極成膜プロセスの開発で述べたスパッタ高抵抗透明電極を，1.E+18スパッタされた膜は高抵抗の特性となる．DC スパッタ

1.E+17ITOを用いた場合，カソードとアノード間で放電しているた

1.E+16

Sputter High Resistivity TCO

め，アノードに高抵抗膜が堆積すると，アノードとして1.E+15

Sheet resistance [Ω/□]

シート抵抗を得るため，ターゲットは導電性（低抵抗），の機能が低下し放電が不安定化する課題がある．この課題に対しては，ボロン（B）やリン（P）などが添加された金属のシリコン（Si）ターゲットに酸化ガスを導入し，ターゲット表面，プラズマ空間，基板上で，シリコンを酸化させ酸化シリコン（SiOx）膜を得る光学膜用の反応性スパッタプロセスの技術が展開可能である．光

1.E+14
1.E+13
1.E+12
1.E+11
1.E+10
1.E+09
1.E+08

学膜用の反応性スパッタプロセスでは，当社で開発した

1.E+07

Alternate Current（以下，AC≒MF：Medium Frequency）

1.E+06

カソードを採用している．Figure 6 に示す AC カソード
は，2 枚のターゲットに対して，1 台の電源を用いて交流電力を印加するため，各ターゲットはカソードとアノ

Figure 79051015
Dipping time [min.]Chemical Corrosion Resistance Test.

20室温の燐硝酢酸（燐酸 73％，硝酸 3％，酢酸 7％，水 17で，時々刻々と進化を続けるタッチスクリーンパネルの％） に 浸 漬 し た 際 のシート抵抗の変化傾向を 示 す．

生産技術に貢献して行く所存である．

ITO，スパッタ高抵抗透明電極共に基板温度は 80℃以下で成膜している．ITO は燐硝酢酸の浸漬時間に伴いシー文献

ト抵抗が増加していることから薄膜がエッチングされて

1）S y n a p t i c s I n c o r p o r a t e d ： C l e a r C a p a c i t i v eいると考えられる，それに対し，スパッタ高抵抗透明電Technology from Discrete Sensors to In-Cell andTDDI,（2012）4

極は著しいシート抵抗の変化が見られない．このこと

2）大 井 祥 子 : The 28th DisplaySearch Japan Forum,

は，後工程などのハンドリングに対して自由度が高く，（2016）11

耐環境性に優れることを示しており，今回，開発したス
パッタ高抵抗透明電極を適用可能なアプリケーションの

3）http://www.j-display.com/technology/jdilcd/

幅が広いと考えている．

pictureq.html
4）Dae Hyung Kim et al.，Jour nal of Information

7．おわりにDisplay, 15（2014）99-106
5）アップルインコーポレイテッド：特許第 4741026号，（2010）28

本稿では，In-Cell 型タッチスクリーンパネルに求め

6）林哲史：タッチ・パネル最前線 2013-2014，（2012）られる高抵抗透明電極のプロセス開発について述べた．
スパッタ高抵抗透明電極は，ITO に代表される透明電極

1687）株式会社東レリサーチセンター調査研究部門：新しスパッタや光学膜で使用されている酸化シリコンの反応

い透明導電膜，（2005）6性スパッタなどと異なる新しい分野の成膜技術である．
しかしながら，スパッタプロセスとして ITO や酸化シ8）澤田豊：月間ディスプレイ，（1996）
33-36

リコンの知見や実績がなければ生産機として完成するこ

9）大 石 祐 一 他 , ULVAC TECHNICAL JOURNAL, 64（2006）25とは困難である．スパッタプロセスを中心とした当社の開発力を生かし，電極成膜技術を市場に提供すること

10