JPH03208298A - 薄膜ｅｌ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、均一な発光層を形或できる薄膜ＥＬ素子の製
造方法に関する。

〈従来の技術〉 ［ＩＥＬ素子は、液晶、プラズマディスプレイと並ぶ平
面ディスプレイ装置として、薄型・軽量の特徴を生かし
て、ＯＡ機器や各種の測定装置のディスプレイに用いら
れている。最近では、１６階調機能付７２０Ｘ４００ド
ソトの表示容量を持つものが商品化されており、表示情
報の増大に伴って、さらに大型化、大面積化が求められ
ている。

しかし、現在実用化されているＺｎＳ：Ｍｎ　　ＥＬパ
ネルは電子ビーム蒸着法を用いて生産されているため、
大面積基板にＺｎＳ：Ｍｎ　　薄膜を形成するには、装
置の大型化、高真空を得るための大排気量の排気装置が
必要となり困難を伴う。さらに、電子ビーム蒸着法で作
製したＺｎＳ　：Ｍｎ膜は、基板温度によりその膜質や
膜中Ｍｎ濃度が大きく変化する事が知られており（応用
物理，　５］，８２１（＋９８２））、大面積にわたっ
て均一な基板温度を保つ際にも困難を伴う。

一方、大面積に均一な薄膜を形或する方法として、化学
気相戒長法（ＣＶＤ法）が知られてｂり、ＬＳＩなどの
半導体工業では最も普及している。

一例として、第５図（ａ）　，　（ｂ）　Ｋよく知られ
た減圧ＣＶＤ装置とこれに用いられる基板ホルダーの模
式図を示す。本装置では、反応管４の一端に設けられた
導入管Ｉ、２、３から原料ガスが反応管４内へ導入され
る。反応管４ぱ他端より排気され、管内は減圧状態に保
持される。反応管４には、基板温度を制御するための電
気炉５が設置され、設定温度に保たれた均熱領域６にホ
ルダー７にセノトされた基板８が置かれる。本装置で例
えば原料Ｓｒ ガスとしてデＨ４とＮＨ３を用いると、ＳｉＨ４＋４／
３　Ｎ　Ｈ　３→Ｉ／３Ｓ　ｉ３　Ｎ４　＋４Ｈ２の反
応によるＳｉ３Ｎ４膜を形或でき、これはＬＳＩの絶縁
膜として用いられている。

一般ＶｃｃＶＤ装置を量産に用いる場合には、均熱領域
に多数枚の基板が置かれるが、これら基板には原因を異
にする２種類の膜厚不均一が生じることが知られている
。１つは原料ガスの拡散速度に起因するものであり、他
の１つは原料ガスの流れ方向に沿って原料が順次消費さ
れて生じる流れ方向の原料ガスの濃度差に起因するもの
である。

本例の装置の場合には、前者は基板面内の膜厚不均一と
なって現れ、後者は下流側の基板の膜厚減少となって現
れる。しかし、これら不均一は、前者については、表面
律速か支配的な生或状態となるように反応管内の圧力を
下げてガスの拡散係数を増加させることによって、後者
については、流れ方向の原料ガス濃度がほぼ一定となる
ように基板への原料析出による原料消費速度に対して原
料ガス流による原料の供給速度を十分に大きくすること
によって解消できることがわかっている。

〈発明が解決しようとする課題〉 上述のＣＶＤ法は、薄膜ＥＬ素子の発光層作成方法とし
てこれ１でほとんど研究されていないが、本発明者らは
、薄膜ＥＬ素子の大面積化、量産化の為にＣＶＤ法によ
る薄膜ＥＬ素子の製造について検討を行った。この結果
について例を挙げて以下に説明する。

第５図に示す減圧ＣＶＤ装置トてより、ＺｎＳ膜の形戒
を行った。原料は、ＺｎＳ粉末を９００〜１０００℃に
加熱し、蒸気となったものをＨ２ガスにより反応管４内
へ輸送した。基板温度は４５０〜５５０℃とし、基板と
してガラス基板を用いた。成長時間は６０分とし、成膜
中は反応管内の圧力をＩＯ−２ｔａｒｒに保った。この
条件で均熱領域内で得られたＺｎＳ膜は、閃亜鉛鉱構造
を持ち、（ＩＩ＋）方向に配向した多結晶膜であった。

第６図（ａ）は均熱領域内にふ・ける嘆厚分布を示して
いるが、均熱領域内で均一な膜厚が得られた。次に、同
じ装置金用いてＺｎＳ：Ｍｎ膜の形成を行った。或膜条
件は前のＺｎＳ膜の場合と同一とし、Ｍｎを供給するこ
とだけを追加した。Ｍｎ原料は、８００〜９００℃に加
熱した金属Ｍ　ｎ　Ｋ　Ｈ　Ｃ　Ｌガスを導入し、Ｍｎ
（Ｓ）＋　２ＨＣ４ｇ）−＋ＭｎＣｔ２（ｇ）＋Ｈ２（
ｇ）の反応により、ＭｎＣｔ２として反応管内に導入し
た。

第６図（ｂ）は均熱領域内に釦けるＺｎＳ：Ｍｎ膜の膜
厚分布と、膜中Ｍｎ濃度の分布を示している。膜？は、
Ｍｎを添加しない時に比べて約１／３に減少しているが
、均一性は良い。Ｍｎ濃度は、原料ガスの流れの上流側
から下流側へ大きく変化してふ・り、上流側で高く、下
流側で低くなっている。尚、ＺｎＳ膜の結晶構造はウル
シ構造であった。膜厚が減少した原因としては、Ｍｎの
添加に伴って発生するＨＣｔガスによるＺｎＳ膜のエノ
チング作用等が考えられる。

以上の実験結果から、減圧ＣＶＤ法によってＺｎＳ　：
Ｍｎ発光眉を作製すると、Ｍｎ濃度の不均一という問題
が生じることがわかった。尚、上記結果は横型炉による
ものであるが、縦型炉を用いて基板を同様に配置すると
、原料ガスの流れ方向のＭｎ濃度の不均一が同一基板内
に生じる。このＭｎ濃度の不均一は、Ｍｎを輸送するＭ
　ｎ　Ｃ　１２の蒸気圧が基板温度領域で低いために、
基板への馳の析出が供給律速となり、１た上流側で原料
ガス中のＭｎが多量■消費されて下流でＭｎ濃度が下が
ることに起因している。したがって、従来と同様の原料
ガスの流速を増大するという方法により、膜中のＭｎ濃
度の均一性全改善することが考えられる。しかしながら
、Ｚ　ｎ　Ｓ　：　Ｍ　ｎ膜の膜厚が均一であることか
ら、Ｚｒ＋Ｓ原料は十分に供給されていることが明らか
であり、原料ガスを多量に流す事は、原料ガスの利用率
の低下による薄膜ＥＬ素子のコストアップにつながる。

１た、原料ガスを多量に流すとガス分圧が上昇して反応
管内の圧カが上昇し、拡散速度に起因する不均一を起こ
し，やすくなり、ＺｎＳ　：Ｍｎ膜の母体であるＺｎＳ
膜の均一性を悪化させる原因ともなる。

以上示した減圧ＣＶＤ法にょりＺｎＳ二Ｍｎ膜を作製し
た場合に生じるＭｎ濃度の不均一についての問題は、減
圧ＣＶＤ法により薄膜ＥＬ素子の発光層を作製した場合
に、発光センターとなる元素濃度の不均一として同様に
生じる問題である。例えば、ＺｎＳ　：Ｔｂ膜中のＴｂ
濃度、ＣａＳ：Ｅｕ膜中のＥｕ濃度、ＳｒＳ　：Ｃｅ膜
中のＣｅ濃度の不均一として生じる。

以上に鑑み、本発明は減圧ＣＶＤ法［．＆いて、原料ガ
スの供給速度の増大という方法によらずに、薄膜ＥＬ素
子の発光層中の発光センターとなる元素濃度を均一化し
、減圧ＣＶＤ法を用いた薄膜ＥＬ素子の大面積化、量産
化に適した製造方法を提供することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 上記目的を達成するために本発明は、発光層の母体とな
る元素と発光層中の発光センターとなる元素とを含有す
る原料ガスを外部より反応室内に導入して減圧ＣＶＤ法
により基板上に発光層を形成する薄膜ＥＬ素子の製造方
法に訃いて、上記反応室内の原料ガスの流れを遮蔽して
原料ガスの流れの生じている第１の領域と原料ガスの流
れの略生じていない第２の領域を形或する遮蔽手段を上
記反応室内に設け、上記遮蔽手段には上記第１の領域と
第２の領域を結ぶ開放部を設け、上記基板を上記第２の
領域へ設置し、上記基板への原料の供給を主として上記
開放部からの拡散によるものとすることを特徴とする薄
膜ＥＬ素子の製造方法を提供する。

本発明における遮蔽手段としては、反応室内の基板設置
領域を板で囲った構造としたもの、基板を収納して反応
室内の基板設置領域に載置する容器等を用いる。

遮蔽手段に設ける開放部は、遮蔽手段の原料ガス流の遮
蔽効果を低減しない構成とするのが良く、開放部の位置
・形状は、■の領域の原料ガス中の発光センターとなる
元素原料の濃度を考慮して決める。例えば、形状として
は穴状、スリット状、メノシュ状等であり、発光センタ
ーとなる元素原料の濃度が高いところでは、開放部の総
面積を小さく、上記濃度の低いところでは、開放部の総
面積を大きくなるように開放部の位置と形状を決める。

〈作　用〉 減圧ＣＶＤ法を用いて薄膜ＥＬ素子の発光層を作製する
場合に生じる発光層中の発光センターとなる元素濃度の
不均一は、該元素の基板への析出が供給律速に支配され
ているために、原料ガスの流れの上流側で上記元素が多
量に消費されてし１い、下流側では供給される元素量が
少なくなってし１うことに起因している。

本発明では、遮蔽手段によって形成した原料ガス流の略
生じていない第２の領域に基板を設置するので、原料ガ
ス流による基板への原料の供給が低減され、寸たは皆無
となる。１た、遮蔽手段に設けられた開放部から第２の
領域内の基板に原料が拡散によって供給される。こうし
て、基板への原料の供給は、開放部からの拡散と遮蔽手
段によって遮られずに残った原料ガス流とによりされる
こととなるが、前者の拡散による原料の供給が支配的な
ものとなるように遮蔽手段及び開放部を設計することで
、原料ガスの流れに伴う発光層の不均一が解消され、主
として拡散によって原料が供給されるので濃度差が生じ
にくく発光層が均一化される。

そして、開放部より拡散によって基板上に供給される発
光センター元素原料が均一な量を保つように開放部を設
計するこどで、基板上に均一な発光層が形成される。こ
の開放部の設計に際しては、原料ガス中の発光センター
となる元素原料の濃度を主として考慮するが、これは、
原料ガス中の母体となる元素原料と発光センターとなる
元素原料の濃度を比較すると、発光センターとなる元素
原料の濃度の方がはるかに小さく、こちらの供給を制御
すれば、母体となる元素原料の供給も十分に制御された
状態となることと、母体となる元素に比べて、発光セン
ターとなる元素の方が基板上に形威される発光層におけ
る不均一を起こしやすいことによる。発光センターとな
る元素原料の原料ガス中での濃度は、通常遮蔽手段付近
の第１の領域で原料ガス流の方向に濃度勾配が生じてい
ると考えられるので、この濃度勾配に対応した開放部を
設けることで、開放部から基板上へ同量の発光センター
元素の原料が供給される。

本発明は以上のような作用金するため、基板を開放部に
対して等価の位置となるように設置すると、基板の枚数
によらず均一な発光層が得られる。

〈実施例〉 以下、ＺｎＳ　：Ｍｎ膜について本発明の一実施例につ
いて説明する。

第１図は本実施例に用いた気相或長装置の模式図である
。原料ソースのＺｎＳは、ソース炉９で約９００〜１０
００℃に加熱し、蒸気となったものをＨ２のキャリアガ
スを用いて反応室４へ導入する。

キャリアガスはＨＡも良い。発光センター材料であるＭ
ｎは、ソース炉１０で約８００〜９００℃に加熱し、こ
の上にＨＣｔガスを導入して、Ｍｎ（固体）＋　２ＨＣ
４（ガス）　−＋Ｍ　ｎ　Ｃ　１２　（ガス）十Ｈ２（
ガス） の反応を起こして、ＭｎＣｔ２として反応室４内へ導入
する。原料ガスの導入方法としては、Ｚ　ｎ　Ｃｌ２Ｈ
２Ｓ，ＭｎＣｔ２等のガスンースを直接導入する方法を
用いても良い。

基板８は、ガラス上に透明電極としてＩＴＯを約１５０
０Ｘ形威した上に、Ｓｉ’０２膜とＳ　ｉ　３Ｎ４膜を
約２５００ＸとなるようＫ積層したものを用いた。

基板８の大きさは１４ｃｒｎＸＩ７ｍで、これをスリッ
ト】２を設けた容器１１内に２０枚設置した。

第２図に容器Ｉ＋の略図を示す。容器ＩＩは底辺が１辺
＋８ｏｙ＋の正方形で、高さが２０．６ｃｒｎの３段重
ねの箱である。これは高さ７．　５　ｃｍの箱Ｉ３上に
厚さ４ｍのスベーサ−１６を挾んで高さ５ｍの筒Ｉ４を
重ね、さらにこの上に厚さ２ｍのスベーサー＋７を挾ん
で高さ７．　５　ｃｒｎの箱！５を重ねて組み立てられ
る。これによって容器ＩＩ内に第２の領域１９が容器１
１外に第１の領域ｌ８が形成される。

この容器１ｌを基板ホルダー７上に設置し、基板加熱炉
５によって基板８を４５０℃〜６００℃に加熱した。反
応管内の圧力は約１　０−２ｔｏｒｒに保った。

表１に基板温度５５０℃、戒長時間６０分で作製したＺ
ｎＳ：Ｍｎ発光層の容器の有無による特性を示す。

表１ 測定はＥＬ素子の発光層領域（１０釦ＸＩ３ｃｒｎ）で
６点を測定した。容器内に基板を設置する事により、成
長速度が約５％減少しているが、膜厚釦よびＭｎ濃度の
分布は改善されている。特に発光センターであるＭｎの
濃度分布の改善効果が著しい。ＺｎＳ：ＭｎＥＬ素子に
おけるＭｎの最適添加量は、０３〜０．５ａｔ％であり
、容器内で或膜する事により、発光領域全域で最適膜が
得られている。

この時、基板間の特性変化は全く無かった。

１た、この基板に上部絶縁膜として、Ｓｉ３Ｎ４膜とＡ
ｔ２ｏＢ膜の積層膜（〜＋５ｏｏＸａを形成し、さらに
背面電極としてＡｔ膜（〜３０００Ｘ　）を作製し、Ｅ
Ｌ素子としての特性を測定した。第４図は、現在実用化
されている電子ビーム蒸着法で作製したＥＬ素子と上記
の方法により作製したＥＬ素子のＬ−Ｖ特性を重ねて示
したものである。同一の発光層膜厚及びＭｎ濃度である
にもかかわらず、ＣＶＤ法で作製したＥＬ素子は、低電
圧で発光し、かつ、飽和発光輝度が高く（第４図中Ａ）
、電子ビーム蒸着法で作製したＥＬ素子（第４図中Ｂ）
よりも優れた発光特性を有する事が判明した。この原因
としては、従来より、電子ビーム蒸着法で作製したＺｎ
Ｓ：Ｍｎ膜には、或長初期の〜３０００Ｚの領域に発光
効率の低い領域が存在する事が知られている。ＳＥＭ観
察によると、ＣＶＤ法で作製したＺｎＳ　：Ｍｎ膜では
、この領域が初期の〜＋ｏｏｏＸに減少していることが
明らかになった。

よって、この結晶性の向上により、電界が有効に印加さ
れ、低電圧にふ・ける発光と、飽和輝度の向上が生じて
いると考えられる。

以上、本発明の一実施例について示したが、本実施例に
用いた容器の形状は、発光層を形成する基板の形や大き
さ、捷たは或膜条件に応じて適宜変更して用いる。本実
施例では原料ガスの導入口となる開放部をスリソト状と
したが、スリソトに代えて穴を複数個設けても良いし、
筐た、スリットの位置を容器上面と下面に設定しても良
い。第３図（ａ）　，　（ｂ）　，　（ｃ）に以上述べ
た容器の形状の概略図を示すが、容器の形状はこれに限
られるものではなく、１た、原料ガスの導入口となる開
放部の形４ 状や大きさは、基板に原料ガスが均一に供給されるよう
に決定すれば良い。

尚、本実施例は、ＺｎＳ：Ｍｎ膜について示したが、原
料ガスを変えてＺｎＳ　：Ｔｂ，ＣａＳ　：Ｅｕ，Ｓｒ
Ｓ：Ｃｅ発光層等の製造にも適用できる。

〈発明の効果〉 本発明によれば、薄膜ＥＬ素子に用いる発光層を多数枚
の大面積基板に均一に作製することができ、薄膜ＥＬ素
子の大面積化、量産化に適した製造方法が提供される。

さらに、原料ガスの利用率が良いので、安価な薄膜ＥＬ
素子を製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例で用いた気相成長装置の模式
図、 第２図は本発明の一実施例で用いた遮蔽手段である容器
の略図、 第３図は本発明で用いる遮蔽手段の実施例を示す図で、
（．）は横スリソト型、（ｂ）は横穴型、（Ｃ）は上下
スリット型の容器である遮蔽手段の略図、第４図は本発
明の一実施例により作製したＺｒ＋Ｓ：ＭｎＥＬ素子の
Ｌ−Ｖ特性図、第５図は従来例を説明する図で、 （ａ）｛−１：気相成長装置の模式図、（ｂ）は基板ホ
ルダーの模式図、 第６図は従来例に示す発光層の均一性を示す図で、 （ａ）はＺｎＳ膜の膜厚分布を示す図、（ｂ）はＺｎＳ
　：Ｍｎ膜の膜厚とＭｎ濃度分布を示す図 である。 ４．反応室　８：基板　Ｉ リ　　ノ　　ト　　　　　１　　８　　：　第　１　の
領域容器　＋２：ス １９゛第２の領域 １

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．発光層の母体となる元素と発光層中の発光センター
   となる元素とを含有する原料ガスを外部より反応室内に
   導入して減圧ＣＶＤ法により基板上に発光層を形成する
   薄膜ＥＬ素子の製造方法において、 上記反応室内の原料ガスの流れを遮蔽して原料ガスの流
   れの生じている第１の領域と原料ガスの流れの略生じて
   いない第２の領域を形成する遮蔽手段を上記反応室内に
   設け、 上記遮蔽手段には上記第１の領域と第２の領域を結ぶ開
   放部を設け、 上記基板を上記第２の領域へ設置し、 上記基板への原料の供給を主として上記開放部からの拡
   散によるものとすることを特徴とする薄膜ＥＬ素子の製
   造方法。