JP2007046098A

JP2007046098A - 真空蒸着装置

Info

Publication number: JP2007046098A
Application number: JP2005230992A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Suzuki; 一雄鈴木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2007-02-22

Abstract

【課題】有機ＥＬ素子の長寿命化には基板を加熱してから正孔輸送層を蒸着することが有効であるが、発光層蒸着時まで基板が高温であると発光効率が低下してしまう。
そのため、正孔輸送層蒸着後、発光層蒸着開始までに基板を冷却する必要があるが、基板の反成膜面側から加熱すると基板全体が高温になるために冷却するのに時間を要したり強制冷却手段が必要となる。
【解決手段】正孔輸送層蒸着直前に成膜面側基板近傍から基板を加熱し、成膜面が所定の温度に達したら基板加熱ヒーターを退避させると同時に成膜を開始することで基板を冷却する工程や時間を大幅に削減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は薄膜を形成する真空蒸着装置に関し、特に光源や平面ディスプレイに好適な有機エレクトロルミネセンス素子の製造に最適な真空蒸着装置に関する。

有機エレクトロルミネセンス素子（以下有機EL素子）は蛍光性の有機膜を２つの電極で挟んだ構造を備えた自発光性の素子であり高輝度、低消費電力が期待できることから近年ではディスプレイとしても実用化され始めている。現在知られている有機ＥＬ素子では、透明ガラス基板上に透明電極材料としてＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等が用いられた透明電極、発光層を含む多層の有機膜、金属材料からなる金属電極がこの順に積層されている。有機膜としては、発光層の単層構造や、正孔輸送層と発光層との２層構造、又は正孔輸送層と発光層と電子輸送層の３層構造、さらに電極と有機層の間に正孔あるいは電子の注入層を挿入した構造が知られている。

有機ＥＬ素子の製造方法には大きく分けて２通りがある。一方は、基板表面に形成された電極上に低分子型有機ＥＬ膜材料を真空蒸着により成膜する方法であり、もう一方は電極上にインクジェット法などの印刷法で高分子型有機ＥＬ膜材料を塗布する方法である。現在、素子の耐久性などの点で低分子型の有機EL素子の製品化が先行している。

真空蒸着法により有機EL素子を作成するには、従来、図５に示すような真空蒸着装置を用いた。この真空蒸着装置は、蒸発源５１〜５６と蒸着対象である基板１との間に、基板上への成膜の開始,終了を制御するためのシャッター４、蒸着速度を検出するための膜厚モニター８１、８２が設けられており、また画素ごとに異なる材料を成膜する場合には基板1の下に不図示のマスクを設置する。

このような真空蒸着装置を用いて真空蒸着を行うには、まず基板及び蒸着材料が入った蒸着源を蒸着槽内にセットして蒸着槽を真空引きし、所定の真空度に達したら蒸着材料の入った蒸着源を不図示のヒーターで加熱する。その後蒸着材料が蒸発し、所定の蒸発速度に達したら予め基板の成膜面を蒸着流から遮蔽していたシャッター４を開放し基板上に成膜を開始し、そして所定の膜厚に達したらシャッター４を遮蔽し,基板上への蒸着膜の形成を終了する。有機EL素子の形成であれば基板に形成された電極上にたとえば正孔輸送層、発光層、電子輸送層、陰極というように異なった材料で蒸着を繰り返し蒸着膜を積層し、最後に蒸着槽から取り出し、窒素ガス中で成膜面側にガラスや金属のキャップを接着し封止する。

ところで前述した真空蒸着法においては蒸着膜の膜質向上のために基板を加熱しながら蒸着を行う加熱蒸着がしばしば行われる。基板加熱方法としては基板の成膜面側、あるいは反成膜面側にヒーターを設置するものが一般的である（例えば特許文献１参照）。有機EL素子の作製においても有機層を蒸着する際に基板を有機材料の融点の０．７〜０．９倍に加熱することでダークスポットと呼ばれる非発光部の発生を防止したり（例えば特許文献２参照）、成膜時あるいは成膜後に有機材料のガラス転移温度（Tg）−２０℃未満で熱処理を行うことで寿命や輝度などの素子特性が向上すること（例えば特許文献３参照）が開示されている。また特許文献４では基板を８０℃以上Tg以下に加熱して有機層および第2電極を成膜することで輝度、効率、寿命が向上することが開示されている。
特開平6-2112号公報特開平10-284248号公報特開2000-311784号公報特開平10-025473号公報

しかしながら、本発明者らの研究においては第1電極／正孔輸送層／発光層／電子注入層／第2電極、という構成の有機EL素子を作成するにあたり基板をTｇ近傍まで加熱して正孔輸送層／発光層を成膜すると寿命は改善されるものの発光効率が低下するという現象に至った。そして鋭意検討の結果、正孔輸送層成膜時のみ基板温度が高ければ効率は悪化しないという結果が得られた。

ここで正孔輸送層成膜時のみ基板温度を高くするためには一旦加熱した基板を発光層成膜時までに冷却する必要がある。ところが有機EL素子を作製する真空中では気体への熱放散が非常に少ない為に放置冷却では冷却時間が長くなってしまう。冷却時間を短くするためには基板に冷却板を接触させるなどの強制冷却手段が必要であったが大型基板などでは冷却板を接触させることも非常に困難である。

本発明による真空蒸着装置は、真空槽内に設けられた蒸着源で蒸着材料を加熱して前記蒸着源と対向配置された基板に蒸着させる真空蒸着装置であって、前記基板と前記蒸着源との間には前記蒸着源から蒸発した蒸着材料の蒸着流を遮断する可動式のシャッターが配設され、さらに前記シャッターと前記基板の間には前記基板を加熱する可動式の加熱装置を有することを特徴とする。

本発明の真空蒸着装置によれば基板の成膜面側、基板近傍より基板を加熱するため成膜面を所定温度まで加熱する時間が短くなり、また基板全体が保持する熱量が小さいため成膜後の冷却時間が短く出来、強制冷却手段を用いることなく素子作製時間が短縮できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る蒸着装置の概略構成を示す図である。

この蒸着装置１００は、真空ポンプ１０１に連結された蒸着槽６内に蒸着材料が充填された蒸着容器５１〜５６と蒸着容器から放出される蒸着流の流路中に蒸着対象物となる基板１を保持する基板ホルダー２と、蒸着流の流路中に配され、蒸発速度を測定する膜厚モニター８１及び８２とを備えている。さらに蒸着槽６内には、蒸着容器から発生する蒸着流を遮断するシャッター４と基板１を成膜面側から加熱する基板加熱ヒーター３とを備える。

蒸着容器５１〜５６はモリブデンやタングステンなどの高抵抗金属製のボートやバスケットであり使用する蒸着材料によって使い分けるが、これら蒸着容器は不図示の電源から電流が供給されることで発熱し、加熱された蒸着容器内の蒸着材料は蒸発し蒸着容器上部の開口部から蒸着流が発生する。蒸着容器はこれらのものに限定されるものでなくセラミックス製の坩堝を抵抗加熱ヒーターで加熱するものでも良い。また蒸着材料の加熱方式も前述した抵抗加熱方式の他、電磁誘導方式や電子ビームによる加熱など他の方式も利用できる。

蒸着容器の加熱を開始すると蒸着容器の温度は徐々に上昇し、蒸着材料に吸着していた水分などの不純物ガスが発生するがやがて蒸着材料の蒸着流が発生し温度の上昇とともに蒸着材料の蒸発速度は増加してくる。このため初めはこの不純物ガスが基板１や蒸着槽６内に付着しないようシャッター４は遮蔽しておく。シャッター４は金属などの平板を回転移動することで開閉動作を行うものであるが、形状や動作方式はこの形式に限定されるものではない。蒸着材料の蒸発速度は膜厚モニター８１、８２で検出される。膜厚モニターは水晶振動子に蒸着物が付着することで振動周波数が変化することを利用するものであるが、この方式に限定されるものでなく、他にも光学的に膜厚を検出する方式なども使用できる。

基板加熱ヒーター３は赤外ランプや抵抗加熱ヒーターなど各種ヒーターが使用でき、外部の図示しない電源に接続されている。この基板加熱ヒーター３は非加熱時には基板１の成膜面真下から横方向に退避しており、加熱時には成膜面真下に移動するよう回転自在に取り付けられている。基板１の成膜面には外部の図示しない制御装置に接続された熱電対７が接触しており、成膜面の温度を検出して加熱温度がコントロールされる。加熱温度としては材料により異なるが、ガラス転移温度を超えると蒸着した正孔輸送層が結晶化しやすくなり発光効率低下や耐久性低下の原因となり、温度が低すぎると基板加熱の効果が現れなくなる。また、基板と基板加熱ヒーターの距離は短い方が基板加熱ヒーターの温度を低く出来、蒸着槽壁面の温度上昇を防止することが出来るので、基板加熱ヒーターは基板や基板保持ホルダーに接触しない距離以上で短いほうが好ましい。

また、基板加熱ヒーターは図４に示すようにシャッターと一体化しても良く、こうすることで装置内の構造を簡素に出来る。

本発明者らの研究において正孔輸送層の次に積層する発光層の蒸着時に基板温度が高温であると作製した有機EL素子の寿命は改善されるものの発光効率が低下してしまう現象が見られたが、少なくとも正孔輸送層の蒸着開始時に基板温度が前述した所定温度に加熱され、続いて発光層蒸着時までに常温付近まで冷却することで作製した有機EL素子の発光効率を低下させることなく寿命が改善されることがわかった。

（実施例）
以下に本発明の蒸着装置により有機EL素子を作製する方法を述べる。

本実施例においては図２に示すような第1電極／正孔輸送層／発光層／電子注入層／第2電極という構成の有機EL素子を作製する。各層の材料は特に限定されず、有機EL素子の作製に用いられる材料を使うことが出来る。また、発光層と電子注入層の間に電子輸送層が挿入された構成でも本発明による効果は得られる。

まず基板１としてガラス基板を基板ホルダー２にセットした。ガラス基板の成膜面（図中下側）には第1電極としてITO（Indium Tin Oxide）が予めスパッタ成膜されており、基板ホルダー２にセットされる直前にUV/O3処理が施されている。

真空槽内の真空度が１×１０^-4Paに達したら正孔輸送層を形成するが、その際基板への成膜開始直前に基板を加熱する。以下に基板加熱と正孔輸送層の形成プロセスに関して説明する。

図１中基板加熱ヒーター３はヒーター方式や並べ方は特に限定されるものではなく、本実施例においては赤外ランプを並べたものを用い、基板１と基板加熱ヒーター３の距離は１０ｍｍであった。

モリブデン製の蒸着容器５５には正孔輸送材料として下式（１）に示すトリフェニルアミンの４量体（TPTE）が充填してある。

蒸着容器５５に通電を開始し徐々にその電流値を上げていくとやがてTPTEが蒸発を始め、膜厚モニター８１で蒸着レートが検出される。このときシャッター４および基板加熱ヒーター３は基板１成膜部の直下に位置し、蒸着容器５５からの蒸着材料の蒸発流は遮断され、基板１成膜部に蒸着材料の付着は無い。次に基板加熱ヒーター３に通電を開始する。基板１には成膜面温度を検知する温度センサーとして熱電対７が接しており、不図示の外部の温度制御装置に接続されている。基板加熱ヒーター３も同じ温度制御装置に接続されており、検知した成膜面温度からヒーターへの通電量を算出して加熱温度を制御する。加熱温度はPID制御されており温度のオーバーシュートを少なくできる。

本実施例で使用したTPTEのTg（ガラス転移温度）は１４３℃であるので基板成膜面温度がこの温度を超えない１１０℃になったらシャッター４および基板加熱ヒーター３を開放し成膜部に蒸着を開始した。開放と同時に基板加熱ヒーター３への通電は停止する。

正孔輸送層の蒸着速度は２０ｎｍ／ｍｉｎで、６０ｎｍ成膜したらシャッター４を閉じ同時に蒸着容器５５への通電も停止し、正孔輸送層の蒸着を終了する。以後、基板加熱ヒーター３への蒸着材料の付着を防ぐために、基板加熱ヒーター３は常にシャッター４の上に位置したまま共に開閉動作することが望ましい。

続いて発光層を成膜した。蒸着容器５２には下式（２）に示すクマリン６、蒸着容器５３には下式（３）に示すＡｌｑ３が充填されており、それぞれ別の電源から通電される。

シャッター４、基板加熱ヒーター３とも閉じておき、徐々に蒸着容器５２，５３への通電量を増やしていくと蒸着材料が蒸発を始め蒸着容器５２のクマリン６の蒸発速度が膜厚モニター８２に、蒸着容器５３のＡｌｑ３の蒸発速度が膜厚モニター８１より検出される。そして通電量を調整し蒸発速度がクマリン６は０．０１５Å／ｓ、Ａｌｑ３が３Å／ｓに安定したらシャッター４を開放し基板１上に蒸着膜を形成する。このとき基板１上に形成された蒸着膜はクマリン６の濃度が０．５％となる。またこのときの基板成膜面の温度は５０℃であった。そして発光層の膜厚が５０ｎｍになったらシャッター４を閉じ、蒸着容器５２、５３への通電を停止し発光層の蒸着を終了する。

次に電子注入層を積層した。タングステン製蒸着容器５４にはＡｌ−Ｌｉ合金が入っており、通電を開始し１Å／ｓの蒸発速度で５０Å成膜した後通電を停止し電子注入層の蒸着を終了した。

続いてタングステン製のバスケット形状の蒸着容器５６に通電しセットしたＡｌを１０Å／ｓの蒸発速度で１０００Å成膜し第2電極とした。

そして最後にこの基板１を水分濃度１０ｐｐｍ以下の窒素雰囲気中にて蒸着装置１００から取り出して、基板１の周辺部に室温硬化型接着剤を塗布して、ガラスキャップを貼り合わせて封止を行い、有機ＥＬ素子とした。

この有機ＥＬ素子に１００ｍＡ／ｃｍ²の直流電流を通電したところ初期輝度は５０００ｃｄ／ｍ²、２０時間後の輝度低下率は４５％であった。

（比較例１）
比較例１として図３に示すように基板加熱を反成膜面から行った。基板加熱ヒーター３１は基板１の近傍真上に配設されている。前述した実施例と同様に基板を基板ホルダーにセットし、蒸着容器に通電を開始し徐々にその電流値を上げていくとやがてTPTEが蒸発を始め、膜厚モニター８１で蒸着レートが検出される。このときシャッター４は基板真下に位置し、蒸着容器５５からの蒸着材料の蒸発流は遮断され、成膜部に蒸着材料の付着は無い。次に基板加熱ヒーター３１に通電を開始する。基板１には成膜面温度を検知する温度センサーとして熱電対７が接しており、不図示の外部の温度制御装置に接続されている。基板加熱ヒーター３１も同じ温度制御装置に接続されており、検知した成膜面温度からヒーターへの通電量を算出して加熱温度を制御する。加熱温度はPID制御されており温度のオーバーシュートを少なくできる。

基板成膜面温度が１１０℃になったら基板加熱ヒーター３１への通電をＯＦＦすると同時にシャッター４を開放し成膜部に蒸着を開始した。正孔輸送層の蒸着速度は２０ｎｍ／ｍｉｎで、６０ｎｍ成膜したらシャッター４を閉じ同時に蒸着容器５５への通電も停止し、正孔輸送層の蒸着を終了する。

続けて実施例と同様に発光層を蒸着した。ただし反成膜面から基板を加熱したため基板全体が高温になり実施例と比べて温度低下は遅くなっており、発光層蒸着開始時の成膜面温度は前述した実施例で５０℃であったのに対し８５℃であった。以降、実施例と同様に電子注入層、第２電極を形成し、封止をして有機ＥＬ素子を得た。

この有機ＥＬ素子に１００ｍＡ／ｃｍ²の直流電流を通電したところ発光効率が低下し、初期輝度は３０００ｃｄ／ｍ²、２０時間後の輝度低下率は４３％であった。

（比較例２）
比較例１と同様に正孔輸送層を成膜したが発光層蒸着開始前にそのまま放置して成膜面温度が５０℃になってから比較例１と同様に発光層を蒸着した。このとき正孔輸送層成膜終了から５０℃に冷却されるまでの放置時間は３０分であった。

以降、比較例１と同様に電子注入層、第２電極を形成し、封止をして有機ＥＬ素子を得た。

この有機ＥＬ素子に１００ｍＡ／ｃｍ²の直流電流を通電したところ初期輝度は４９００ｃｄ／ｍ²、２０時間後の輝度低下率は４８％であった。

以上の結果から発光層蒸着時に成膜面温度が高いと寿命は同等だが発光効率が低下してしまうが、本発明の蒸着装置を用いれば比較例２のように冷却時間を設けずとも寿命、効率とも同等の素子が得られる。

本発明による真空蒸着装置を説明するための図である。有機EL素子の構成を説明するための略断面図である。比較例である真空蒸着装置を説明するための図である。本発明による真空蒸着装置の別の構成例を説明するための図である。従来の真空蒸着装置を説明するための図である。

符号の説明

１基板
２基板ホルダー
３、３１基板加熱ヒーター
４シャッター
５１、５２、５３、５４、５５、５６蒸着容器
６蒸着槽
７温度センサー
１０ガラス基板
１１透明電極（陽極）
１２正孔輸送層
１３発光層
１４電子注入層
１５陰極
８１膜厚モニター１
８２膜厚モニター２
１００真空蒸着装置
１０１真空ポンプ

Claims

真空槽内に設けられた蒸着源で蒸着材料を加熱して前記蒸着源と対向配置された基板に蒸着させる真空蒸着装置であって、前記基板と前記蒸着源との間には前記蒸着源から蒸発した蒸着材料の蒸着流を遮断する可動式のシャッターが配設され、さらに前記シャッターと前記基板の間には前記基板を加熱する可動式の加熱装置を有することを特徴とする真空蒸着装置。