111●低温プロセス用新規透明電極材料
アドバンストマテリアル研究所

新規ターゲットグループ

土田秋池
原
倉持裕也
良浩之
豪人の開発が求められている。

1．はじめに

本稿では低温プロセスにおけるタッチパネル製造、透明電極材料は導電性と可視光領域での透明性を併太陽電池製造に適した材料として新たに開発した酸化せ持つことから、ディスプレイや太陽電池などの光学インジウム系透明電極材料の膜特性を中心に紹介する。

デバイスにおける主要な構成部材の一つとして広く用いられている。中でも、スズ添加酸化インジウム（ITO）は低抵抗かつ高透過率な特性を有することから、上述した用途において不可欠な材料として知られている。

2．タッチパネル用新規開発材料 USR の特徴［1］電気特性

ITO は通常、数十〜数百 nm の厚さの薄膜として用い次世代のタッチパネルに用いられる透明電極の要求られ、成膜に関してはスパッタリング法が工業的に最特性に関して、先に述べたように、今後は樹脂基板上も良く利用されている。スパッタリング法で成膜を行での成膜が可能となる低いプロセス温度で 80 Ω／□以う場合には、準安定相であるアモルファス膜が形成さ下の低抵抗を実現することが求められる。膜厚を厚れることから、基板加熱やポストアニールによって熱くすると抵抗値が下がる反面、配線パターンが視認さを加えることで膜を結晶化させることが必要となる。

れてしまう問題が生じることから、透明電極は 20 〜

現行の ITO では、結晶化の開始温度が約 150 〜 160℃

30nm の膜厚で使用されるのが一般的である。この膜であり

1）〜 3）、十分に低抵抗、高透過率な特性を得る

厚で上記抵抗値を達成するためには抵抗率が 200 μΩ

ためには 200℃以上の高温で熱処理を行うのが一般的cm 程度であることが必要となる。以上から、汎用樹

4）

脂基板の一つである PET（ポリエチレンテレフタレーである 。
一方で、近年ではデバイスの薄型化、軽量化、フレト）が十分に耐えうると考えられる 150℃以下の温度

キシブル化の観点から、従来用いられてきたガラスでにおいて 200 μΩ cm の抵抗率を達成可能な材料の開はなく樹脂を基板にしたデバイスの開発が盛んに行発を目標とした。

5）

われている 。樹脂基板を用いる場合、プロセス温度新規開発材料（以下、USR と表記）を用いて作製しを樹脂基板の融点あるいはガラス転移点以下とする

た薄膜と工業的に広く用いられている ITO 膜の電気6）必要がある 。さらに、応答速度の短縮といったデバ特性を比較した。ここで、低温度プロセスで ITO をイスの高性能化や画面サイズの大型化の観点から、透成膜する場合には、スズ添加量の低い ITO を用いる

７）

明電極材料には一層の低抵抗化が求められている 。

ことが一般的であるため、スズ添加量が 3wt.％である

一般にノート型パソコンなどに使われる 10 型程度のITO（SnO2:3wt.％）を比較対象とした。成膜は DC マ

タッチパネルでは 100 Ω／□以下の抵抗値である必要

グネトロンスパッタ法で行い、基板はガラス基板、基があったが、今後は 20 型以上の大型ディスプレイに板温度は室温、膜厚は 30nm とした。スパッタガスにおいてもタッチパネルの採用が進む可能性があり、80は Ar と O2 を使用し、Ar ／ O2 の比率、スパッタ電力、

8）

Ω／□以下まで抵抗値を下げることが求められる 。

スパッタガス圧力の条件最適化を実施した。成膜後の太陽電池においても、軽量化、コストダウン、フレ膜サンプルを大気中で加熱処理した後、ホール効果測キシブル化による曲面への設置などの観点から、タッ

定により電気特性評価を実施した。このときの加熱処

チパネルと同様に樹脂基板を用いたモジュールの開発

理温度は 100 〜 150℃とし、加熱時間は 60 分とした。

が行われており、低温プロセスにおいて低抵抗化が可

表１に 150℃ ,60 分加熱後の電気特性を示す。

9）

能な透明電極材料の開発が重要である 。

ITO 膜では抵抗率が 331 μΩ cm であり、低温度プ

このように次世代光学デバイスの透明電極では低温ロセスにおいて低抵抗な膜を得ることができない。一プロセスにおいて低抵抗と高透過率を実現可能な材料

方、USR 膜では抵抗率が 197 μΩ cm であり、目標値

TOSOH Research & Technology Review Vol.61（2017）

112た後の抵抗率比較を示す。

USR の電気特性表１

膜厚 30nm
大気中 150℃，60 分アニール

USR

ITO（SnO2：3wt.％）

シート抵抗（Ω／□）

65108

抵抗率（μΩcm）

197331

移動度（cm2 ／ Vs）

51

キャリア密度−3［2］光学特性

5.1×1020

6.0×10（cm ）ずれのアニール温度においても、ガラス基板上と同程度の抵抗率が PET 基板上でも得られている。

3720

成膜条件を調整することによって 150℃、100℃い

図 3 に 150℃ ,60 分アニール後の USR 膜の透過スペクトルおよび吸収スペクトルを示す。

図 1 に USR 膜の抵抗率のアニール温度依存性を示す。

900

膜厚 30nm，大気中 60 分アニール
USR

800
抵抗率／μΩcm

透過率／％

1000

ITO（SnO2：3wt.％）

700
600
500
4001009080706050403020100

膜厚 30nm，大気中 60 分アニール
USR：150℃
ITO（SnO2：3wt.％）：200℃
ガラス基板

200400

300

600

800

1000

1009080706050403020100

吸収率／％を達成する十分に低抵抗な膜を得ることが可能である。

1200

波長／ nm200

図３20406080100120140160

アニール温度／℃

図１

USR 膜の透過率・吸収率

USR 膜の抵抗率のアニール温度依存性比較のために、200℃ ,60 分加熱により完全に結晶化を進行させた ITO（SnO2:3wt.％）膜の透過スペク
トルおよび吸収スペクトルも示した。図 3 のスペクト

USR 膜は 100℃でも十分に結晶化が進行し、150℃

ルは基板を含めた透過率および吸収率であり、膜厚は以下の低温度プロセスにおいても低抵抗化が可能であ30nm である。USR は可視光領域において透過率、吸ることがわかる。

収率ともに ITO 膜と同等の高い透過率と低い吸収率

PET や PEN（ポリエチレンナフタレート）などのを示すことがわかる。これは、USR 膜が ITO 膜と同フィルム基板の実使用温度が 130℃〜 170℃であり、等の良好な光学特性を 150℃以下の低温プロセスで発PC（ポリカーボネート）の実使用温度が最大で 130℃現可能であり、タッチパネルをはじめとした光学デバ6）であることを考慮すると 、これら樹脂基板を用いたイスの透明電極を低温プロセスで作製する際に非常にフレキシブルデバイスの透明電極材料として USR 膜有用な材料であることを意味する。の適用が期待される。
図 2 にガラス基板上と PET 基板上のそれぞれにUSR を成膜し、大気中 60 分のポストアニールを行っ［3］薄膜の信頼性
次世代のタッチパネルはスマートフォンやタブレット等の可搬性を有した端末に用いられることが多く、使用環境も多岐にわたることが予想されるため、熱や1000
膜厚 30nm，大気中 60 分アニール

抵抗率／μΩcm

900800

USR：ガラス基板上

水分にさらされるような環境下においても安定に動作

700

USR：PET 基板上することが要求される。この安定性を確認するため、600

USR 膜の耐久性試験を実施した。試験方法として、

500
400

加熱処理後の薄膜を大気雰囲気下で温度 85℃、湿度30085％の恒温恒湿条件で保持したときの電気抵抗の経時200変化を観測する方法をとった。
20406080100120140160

アニール温度／℃

図２

ガラス基板上と PET 基板上での抵抗率比較

図 4 に USR 結晶膜の抵抗変化比（Rafter ／ Rinitial）の経時変化の結果を示す。

第 61 巻（2017）1800

USR：150℃

1.8

ITO（SnO2：3wt.％）
：200℃

1.6
1.41.2膜厚 150nm，大気中 30 分アニール

1600

SRE

1400ITO（SnO2：10wt.％）

1200
1000
8006004001.00400800

1200200

1600

経過時間／ h

図４1132000

膜厚 30nm，大気中60分アニール

2.0

抵抗率／μΩcm

抵抗変化比／（Rafter/Rinitial）

東ソー研究・技術報告

20406080 100 120 140 160 180 200
アニール温度／℃

USR 膜の抵抗変化比の経時変化
図５SRE 膜の抵抗率のアニール温度依存性

USR 結晶膜は ITO 結晶膜と同等以上の高い耐久性、SRE 膜は ITO より低温から結晶化が進行し、低温信頼性を有していることがわかる。

度プロセスで ITO 以上の低抵抗化が可能な材料である。PET や PEN などのフィルム基板の実使用温度が3．太陽電池用新規開発材料 SRE の特徴

130℃〜 170℃であることを考慮すると、樹脂基板を用いたフレキシブル太陽電池の透明電極材料として［1］電気特性新規開発材料（以下、SRE と表記）を用いて作製しSRE の適用が期待される。

た薄膜と ITO 膜の電気特性を比較した。ここで、現行の太陽電池は 200℃程度のプロセス温度で透明電極を製造することが多く、スズを 10wt.％添加した ITO（SnO2:10wt.％）を用いることが一般的であるため、こ［2］光学特性
図 6 に 200℃ ,30 分アニール後の SRE 膜の透過スペクトルおよび吸収スペクトルを示す。

成膜は DC マグネトロンスパッタ法で行い、基板100100はガラス基板、基板温度は室温、膜厚は 150nm とし、9090808070706060

開発材料と同様の条件最適化、電気特性評価を実施した。表 2 に 200℃ ,30 分加熱後の電気特性を示す。
SRE の電気特性

表２SRE

シート抵抗（Ω／□）

1415

抵抗率（μΩcm）

206

225

移動度（cm2 ／ Vs）

95

キャリア密度（cm ）ITO（SnO2：3wt.％）

3.2×1050膜厚 150nm
大気中 200℃，30 分アニール
SRE
ITO（SnO2：10wt.％）
ガラス基板

40304030201010002006001000

14001800

波長／ nm

図６20205020

膜厚 150nm
大気中 200℃，30 分アニール

−3

透過率／％

加熱時間は 30 分とした。前述のタッチパネル用新規

吸収率／％

れを比較対象とした。

SRE 膜の透過率・吸収率

211.3×10

比較のために、ITO（SnO2:10wt.％）膜の透過スペSRE は現行のプロセス温度において ITO を凌ぐ低クトルおよび吸収スペクトルも示した。図 6 のスペク抵抗を示すほか、ITO とは異なりキャリア密度ではな

トルは基板を含めた透過率および吸収率であり、膜厚く移動度の高さが低抵抗の要因となっている。詳細はは 150nm である。SRE はキャリア密度が低いために後述するが、低キャリア密度、高移動度により低抵抗

フリーキャリア吸収が少なく 10）、ITO と比べて赤外領を示すことは太陽電池用の透明電極材料として理想的域で非常に高い透過率を示す。そのため、SRE を透明な電気特性である。

電極に用いることで赤外領域の光の有効活用による発次に、図 5 に SRE 膜および ITO 膜の抵抗率のアニール温度依存性を示す。

電効率の向上が期待される。

TOSOH Research & Technology Review Vol.61（2017）1142 ）Y.Shigesato,D.C.Paine and T.E.Haynes,Advanced［3］薄膜の信頼性
太陽電池は基本的に屋外に設置されるため、熱や水Materials’
93, Ⅳ ,Laser and Ion Beam Modification

分に対する耐久性が要求される。この安定性を確認す

of Materials,503,Elsever,Amsterdam（1994）

るため、膜の耐久性試験を実施した。試験方法として、

3 ）Cleva W.Ow-Yang,Doren Spinner,Y.Shigesato and

加熱処理後の薄膜を大気雰囲気下で温度 85℃、湿度85％の恒温恒湿条件で保持したときの電気抵抗の経時変化を観測する方法をとった。

D.C.Paine,J.Appl.Phys.,83（1）,145（1998）
4 ）中野智史 , 徳弘節夫 , 中村新吾 , 山本幸司 , 透明 導 電 膜 の 反 射 防 止 膜 へ の 応 用 ,KONICA

図 7 に SRE 結晶膜および ITO 結晶膜（SnO2:10wt.％）

TECHNICAL REPORT VOL.14（2001）の抵抗変化比（Rafter ／ Rinitial）の経時変化の結果を示す。

5 ）栗田泰市郎 ,NHK 技研 R&D,145（2014）

抵抗変化比／（Rafter/Rinitial）

6 ）日経ＢＰ社 , タッチパネル最前線 2013 − 2014,105（2012）

2.0

7 ）三谷雄二 , 中谷健司 , 日本ゴム協会誌 ,84 巻 , 第 8

膜厚 150nm
大気中200℃, 30分アニール

1.8号（2011）SRE1.68 ）日経ＢＰ社 , タッチパネル最前線 2013 − 2014,109

ITO（SnO2：10wt.％）

1.4（2012）

1.29 ）新エネルギー・産業技術総合開発機構 ,NEDO 再1.0

生 可 能 エ ネ ル ギ ー 技 術 白 書 第 2 版 , 第 2 章 ,140100200300400

経過時間／ h

図７SRE 膜の抵抗変化比の経時変化

SRE 結晶膜は ITO 結晶膜と同程度の高い耐久性、信頼性を有していることがわかる。

4．ま と め
樹脂基板を用いた光学デバイスへの応用展開として、低温プロセス用の透明電極材料を開発した。タッチパネル用途としては、新たな酸化インジウム系透明電極材料である USR を開発した。USR は 150℃以下の低温プロセスで十分な低抵抗、高透過率、高信頼性を併せ持つ材料である。
さらに太陽電池用途として、新たな酸化インジウム系透明電極材料である SRE を開発した。SRE は低温度プロセスにおいて従来の ITO より低抵抗な電気特性を示すほか、赤外領域における高透過性を有するた
め、SRE を用いることで発電効率の向上が期待される。
上記 2 つの新規開発材料は特に、樹脂基板を用いたフレキシブルデバイスの透明電極として今後の応用が期待される。

参考文献1 ）S.Muranaka,Y.Bando and T.Takada.,Thin Solid
Films,151,355（1987）（2014）
10）藤原裕之 , 分光エリプソメトリー第 2 版 ,172
（2011）