JP2008088496A - 薄膜堆積用分子線源セル - Google Patents

Abstract

【課題】単一のヒータ３で射出口７の周りの温度を坩堝よりやや高い温度に維持することが出来、これにより、射出口での放出分子の固体化が起こりにくく、射出口が詰まりにくくする。
【解決手段】薄膜堆積用分子線源セルは、成膜材料を収納する坩堝１と、この坩堝１に収納した成膜材料を加熱して昇華または蒸発させて、分子を発生させるためのヒータ３と、坩堝１の開口部側に設けられ、成膜面に向けて分子を放出する出射口７とを有する。そして、前記ヒータ３を坩堝１に近接させると共に、同ヒータ３から熱の伝達を直接受ける伝熱部材４と前記出射口７を設けた遮蔽部材６とを一体とするかまたは連結している。伝熱部材４と坩堝１を収納した坩堝ホルダ５との間に隙間ｇを設け、さらに坩堝１と出射口７の間にオリフィス２を配置し、このオリフィス２と伝熱部材４との接触部２ａの肉厚を他の部分より薄くするている。
【選択図】図１

Description

本発明は、成膜材料を加熱することにより、その成膜材料を昇華または溶融、蒸発して成膜材料の分子を発生し、この成膜材料の分子を固体表面に向けて放出し、その固体表面に分子を堆積させて膜を成長させるのに使用される薄膜堆積用分子線源セルとそれを使用した薄膜堆積方法に関する。

分子線エピタキシ装置と呼ばれる薄膜堆積装置は、高真空に減圧可能な真空チャンバ内に基板を設置し、所要の温度に加熱すると共に、この基板の薄膜成長面に向けてクヌードセンセル等の分子線源セルを設置したものである。この分子線源セルの坩堝に収納した成膜材料をヒータにより加熱して昇華または溶融、蒸発させ、これにより発生した蒸発分子を前記基板の薄膜成長面に入射し、その面に薄膜をエピタキシャル成長させて、成膜材料の膜を形成する。

このような薄膜堆積装置に使用される分子線源セルは、熱的、化学的に安定性の高い、例えば石英ガラスやＰＢＮ（パイロリティック・ボロン・ナイトライド）等からなる坩堝の中に成膜材料を収納し、この成膜材料を坩堝の外側に設けた電気ヒータで加熱し、これにより成膜材料を昇華または溶融、蒸発させ、成膜分子を発生させるものである。

近年、ディスプレイや光通信等の分野で、有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）の研究、開発が進められている。この有機ＥＬ素子は、ＥＬ発光能を有する有機低分子または有機高分子材料で発光層を形成した素子であり、自己発光型の素子としてその特性が注目されている。例えばその基本的な構造は、ホール注入電極上にトリフェニルジアミン（ＴＰＤ）等のホール輸送材料の膜を形成し、この上にアルミキノリノール錯体（Ａｌｑ_３） 等の蛍光物質を発光層として積層し、さらにＭｇ、Ｌｉ、Ｃａ等の仕事関数の小さな金属電極を電子注入電極として形成したものである。

最近のディスプレイは、大画面化が時代の要請となっている。そのため、前記のような有機ＥＬを使用したディスプレイでも、大面積の基板に有機ＥＬ膜を形成することが要請される。とりわけ、有機ＥＬを使用したディスプレイでは、基板上に均質な有機ＥＬ膜を形成することが要請される。

このような有機ＥＬ材料は、蒸発源となる材料として粉体状のものが使用され、この粉体状の蒸発源材料を昇華し、その分子を発生させる。ところがこのとき、成膜材料の分子が互いに凝集し、クラスター化して飛散する、いわゆるスピッティング現象を起こしやすい。そして、このクラスターが成膜しようとする固体の成膜面に向けて飛散し、付着してしまう。この成膜面に付着したクラスターは、膜の不均一性や不連続性を生じさせ、膜の欠陥を生じる原因となる。そこで、このクラスタが飛来しない距離まで成膜面を離して成膜する必要があり、成膜効率が頗る悪い。

そのため、例えば下記引用文献に記載されたように、坩堝の開口部から直接分子を放出せず、蓋や壁に設けた小穴である出射口から分子を成膜面に向けて放出することにより、クラスタの飛散を抑え、出射口から分子のみが成膜面に向けて放出されるような対策が図られている。

しかしながら、このような出射口を設けた分子線源セルにおいて、成膜レートを上げようと分子の放出量を大きくすると、出射口での分子の急激な膨張により出射口の温度が下がり、一部の分子が出射口の周りで固体化して出射口が詰まり、分子の放出による成膜が続けられなくなる現象が起こる。いわゆるコールドウォールと呼ばれる現象である。この現象を防止するためには、出射口を坩堝側より或る程度高い温度、具体的には２０℃程度高温に維持することが望ましい。しかしそのためには、坩堝を加熱するヒータの他に出射口の周りを加熱するヒータとその温度制御手段が必要となり、分子線源セルが複雑で且つ大型化してしまうという課題がある。
特開２００４−１６２１０８号公報 特開２００４−１８９９７号公報 特開２００３−３０１２５５号公報 特開２００３−１１３４６５号公報

本発明は、前記従来の薄膜堆積用分子線源セルにおける課題に鑑み、単一のヒータで射出口の周りの温度を坩堝よりやや高い温度に維持することが出来、これにより、射出口での放出分子の固体化が起こりにくく、射出口が詰まりにくい薄膜堆積用分子線源セルを提供することを目的とする。

本発明では、前記の目的を達成するため、ヒータ３を坩堝１に近接させる一方で、同ヒータ３から熱の伝達を直接受ける伝熱部材４と前記出射口７を設けた部材とを一体とするかまたは連結することで出射口７を設けた部材にヒータ３の熱が伝わりやすくした。他方、出射口７を設けた部材に比べて坩堝１にはやや熱が伝わりにくい構造とした。

すなわち、本発明による薄膜堆積用分子線源セルは、成膜材料を収納する坩堝１と、この坩堝１に収納した成膜材料を加熱して昇華または蒸発させて、分子を発生させるためのヒータ３と、坩堝１の開口部側に設けられ、成膜面に向けて分子を放出する出射口７とを有する。そして、前記ヒータ３を坩堝１に近接させると共に、同ヒータ３から熱の伝達を直接受ける伝熱部材４と前記出射口７を設けた遮蔽部材６とを一体とするかまたは連結している。

このような本発明による薄膜堆積用分子線源セルでは、ヒータ３を坩堝１に近接させると共に、同ヒータ３から熱の伝達を直接受ける伝熱部材４と前記出射口７を設けた遮蔽部材６とを一体とするかまたは連結しているため、単一のヒータ３で坩堝１と出射口７を設けた部材との双方を加熱することが出来る。そしてこの構造では、ヒータ３の熱は坩堝１側より出射口７を設けた遮蔽部材６側へとより大きく伝達される。これにより、出射口７から放出される分子の急激な膨張により同出射口７の温度が降下しようとしても、その分だけヒータ３から熱が伝達されるので、出射口７の温度がより高く維持される。これにより、出射口７における分子の固体化が起こらず、射出口７が固体化した成膜材料によって塞がれることが無くなる。

特に、伝熱部材４と坩堝１を収納した坩堝ホルダ５との間に隙間ｇを設け、さらに坩堝１と出射口７の間に、放出する分子の流れを整える分子通過孔１１を設けたオリフィス２を配置することにより、ヒータ３の熱は伝熱部材４から坩堝ホルダ５に直接伝導されず、遮蔽部材６からオリフィス２を介して熱伝達される。そしてこのオリフィス２と伝熱部材４との接触部２ａの肉厚を他の部分より薄くすることにより、遮蔽部材６からオリフィス２への熱の伝達がしにくくなり、出射口７の周りと坩堝１との温度差を形成しやすい。

以上説明した通り、本発明によれば、単一のヒータ３により坩堝１を加熱した成膜材料を昇華または蒸発して分子を発生させることが出来る。さらに坩堝１側より出射口７をやや高い温度に維持して出射口７における分子の固体化による詰まりを防止出来るので、坩堝１とそのヒータ３の構造を複雑化したり大型化させず、円滑な分子の放射が可能となる。

本発明では、ヒータ３と坩堝１、出射口を形成した部材との伝熱経路を再検討し、坩堝１側より出射口側にヒータ３の熱がより伝熱しやすい構造を採用することで、その目的を達成したものである。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明による薄膜堆積用分子線源セルの一実施例を示す縦断側面図であり、図２はその平面図である。
円筒容器状の坩堝ホルダ５の中に、その内径より外形が僅かに小さい石英ガラス等からなる円筒容器状の坩堝１が嵌め込まれている。この坩堝１の中に成膜材料が収納される。

坩堝ホルダ５の上部には、坩堝１の開口部を塞ぐように円筒カップ状のオリフィス２が嵌め込まれており、このオリフィス２の底部に小孔である分子通過孔１１が開いている。このオリフィス２の底壁中央部からは、下方に軸状の部材が垂下され、その軸状部材から坩堝１の中に仕切板１０が張り出している。この仕切板１０は、坩堝１の底部に収納された成膜材料が昇華または蒸発することにより発生した分子の上昇流を整流すると共に、分子のみを上昇させ、クラスタが成膜面に向けて放出されるのを防止するものである。

オリフィス２の開口部を塞ぐように、蓋状の遮蔽部材６が設けられており、この遮蔽部材６オリフィス２の開口部の中心に当たる位置に小孔である出射口７が設けられている。従って、オリフィス２の内部空間は小部屋状の小空間となっており、オリフィス２の底壁の分子通過孔１１と遮蔽部材６の出射口７とは、このオリフィス２の内部空間を介して通じている。オリフィス２の遮蔽部材６と接する約上半分の接触部２ａはそれより下の部分より肉厚が薄くなっている。これにより、オリフィス２の遮蔽部材６への接触面積は狭く、且つ熱伝導する接触部２ａの断面積が狭くなっており、遮蔽部材６側からオリフィス２側へ熱伝達がしにくくなっている。

坩堝ホルダ５の脇に棒状のヒータ３が設けられ、この先端部分の発熱部分に円筒形のステンレス等からなる熱伝導良好な伝熱部材４が嵌め込まれている。この伝熱部材４の上端部分は、前記遮蔽部材６と一体となっている。伝熱部材４と遮蔽部材６は必ずしも一体である必要は無いが、それらが直接接合されていたり、或いは熱伝導良好な部材を介して間接的に接合されている構造であってもよい。要はヒータ３の熱が伝熱部材４と遮蔽部材６を介して出射口７の周りに熱伝導しやすい構造とする。

他方、このヒータ３の発熱部分に嵌め込まれた伝熱部材４は、坩堝ホルダ５に近接はしているが、坩堝ホルダ５との間に隙間ｇが設けられており、離れている。これにより、坩堝１に加えられる熱が坩堝ホルダ５には直接伝達されない。
遮蔽部材６の上面と坩堝ホルダ５の底面には、それぞれ第一の熱電対Ｔ／Ｃ１と第二の熱電対Ｔ／Ｃ２の測温接点が取り付けられている。
なお、図１に示した膜厚計１２は、後述する成膜試験を行ったときの膜厚を測定するもので、実際にはこの位置に成膜面を有する基板等が置かれる。

このような薄膜堆積用分子線源セルを使用し、真空チャンバ内にて坩堝の中に成膜材料として１．８ｃｃのＡｌｑ_３を収納し、ヒータ３を発熱させて分子の出射試験を行った。
表１は、ヒータ３を発熱させて坩堝１と遮蔽部材６を加熱し、昇温させたときのそれぞれ第一の熱電対Ｔ／Ｃ１と第二の熱電対Ｔ／Ｃ２とで測定された温度を示す。第一の熱電対Ｔ／Ｃ１で測定された温度が１００℃〜３５０℃となるまで５０℃間隔で測定し、それぞれその時の第二の熱電対Ｔ／Ｃ２で測定された温度を右欄に示している。この表１から明らかな通り、第一の熱電対Ｔ／Ｃ１の温度が３５０℃の時の第二の熱電対Ｔ／Ｃ２で測定された温度は、３２２．３℃であり、その温度差は２７．６℃であった。

表２は、第一の熱電対Ｔ／Ｃ１で測定された温度が３５０℃に保持されるよう温度制御し、その温度になった時から５分後、１０分後及び１５分後の第二の熱電対Ｔ／Ｃ２で測定された温度、成膜レート、それぞれの時間までに累積された合計膜厚及び各時間の真空度を示している。なお、膜厚計１２は、出射口７から４００ｍｍの距離に置いた。この表２から明らかな通り、第一の熱電対Ｔ／Ｃ１と第二の熱電対Ｔ／Ｃ２で測定された温度の温度差は、２３℃〜２０．８℃であり、成膜レートは１０分後には２．７〜２．８Å／ｓと安定した。

表３は、第一の熱電対Ｔ／Ｃ１で測定された温度が３６０℃に保持されるよう温度制御し、その温度になった時から５分後の第二の熱電対Ｔ／Ｃ２で測定された温度、成膜レート、それぞれの時間までの合計膜厚及び各時間の真空度を示している。出射口７から膜厚計１２までの距離は４００ｍｍで、表２の場合と同じである。この表３から明らかな通り、第一の熱電対Ｔ／Ｃ１と第二の熱電対Ｔ／Ｃ２で測定された温度の温度差は、２２．５℃であり、成膜レートは４Å／ｓと安定している。

表４は、第一の熱電対Ｔ／Ｃ１で測定された温度が３７０℃に保持されるよう温度制御し、その温度になった時から５分後と１０分後の第二の熱電対Ｔ／Ｃ２で測定された温度、成膜レート、それぞれの時間までの合計膜厚及び各時間の真空度を示している。出射口７から膜厚計１２までの距離は４００ｍｍで、表２の場合と同じである。この表４から明らかな通り、第一の熱電対Ｔ／Ｃ１と第二の熱電対Ｔ／Ｃ２で測定された温度の温度差は、約２５．５℃であり、成膜レートは５分後でほぼピークに達し、最大で５．５Å／ｓ前後と推定される。

次に比較のため、図３に示す薄膜堆積用分子線源セルを使用し、真空チャンバ内にて坩堝の中に成膜材料として１．２ｃｃのＡｌｑ_３を収納し、ヒータ３を発熱させて分子の出射試験を行った。この図３に示す薄膜堆積用分子線源セルは、ヒータ３の発熱部分に嵌め込まれた伝熱部材４と遮蔽部材６とが分離されている一方で、伝熱部材４と坩堝ホルダ５との間に銅板１３を挟み、伝熱部材４、銅板１３及び坩堝ホルダ５を介してヒータ３の熱を坩堝１に伝達出来る構造としている。出射口７を設けた遮蔽部材６へはオリフィス２を介して伝熱される。なお、オリフィス２の上半分は肉厚を薄くしておらず、オリフィス２から遮蔽部材６へ熱が伝達出来るようにしてある。この加熱方式は従来の加熱方式と同じである。それ以外は、図１と図２により前述した本発明に係る薄膜堆積用分子線源セルと同様であり、同じ部分は同じ符合で示しているので、その説明は省略する。

表５は、ヒータ３を発熱させて坩堝１と遮蔽部材６を加熱し、昇温させたときの加熱開始から５分毎に４５分までの第一の熱電対Ｔ／Ｃ１と第二の熱電対Ｔ／Ｃ２とで測定された温度、成膜レート、それぞれの時間までに累積された合計膜厚及び各時間の真空度を示している。出射口７から膜厚計１２までの距離は４００ｍｍで、表２の場合と同じである。

この表５から明らかな通り、温度上昇時は、第一の熱電対Ｔ／Ｃ１の温度が第二の熱電対Ｔ／Ｃ２で測定された温度より高いが、第一の熱電対Ｔ／Ｃ１の温度が３００℃を超えた付近から第二の熱電対Ｔ／Ｃ２で測定された温度が第一の熱電対Ｔ／Ｃ１の温度とほぼ同じになり、成膜が開始されると第一の熱電対Ｔ／Ｃ１の温度が第二の熱電対Ｔ／Ｃ２で測定された温度より２℃程低くなっている。これは、出射口７から放出される分子の急激な膨張により出射口７の周りの温度が下がったためと考えられる。観察の結果、前記の温度低下により、一部の分子が固体化して出射口７が詰また状態となっていた。

本発明による薄膜堆積用分子線源セルの一実施例を示す縦断側面図である。 本発明による薄膜堆積用分子線源セルの前記一実施例を示す平面図である。 本発明による薄膜堆積用分子線源セルの一実施例と比較するため従来の加熱方式を使用した比較例を示す縦断側面図である。

符号の説明

１ 坩堝
２ オリフィス
２ａ オリフィスの遮蔽部材との接触部
３ ヒータ
４ 伝熱部材
６ 遮蔽部材
７ 出射口
１１ 分子通過孔
ｇ 伝熱部材と坩堝ホルダとの隙間

Claims (3)

1. 成膜材料を収納する坩堝（１）と、この坩堝（１）に収納した成膜材料を加熱して昇華または蒸発させて、分子を発生させるためのヒータ（３）と、坩堝（１）の開口部側に設けられ、成膜面に向けて分子を放出する出射口（７）とを有する薄膜堆積用分子線源セルにおいて、前記ヒータ（３）を坩堝（１）に近接させると共に、同ヒータ（３）から熱の伝達を直接受ける伝熱部材（４）と前記出射口（７）を設けた遮蔽部材（６）とを一体とするかまたは連結したことを特長とする薄膜堆積用分子線源セル。
2. 伝熱部材（４）と坩堝（１）を収納した坩堝ホルダ（５）との間に隙間（ｇ）を設けたことを特長とする請求項１に記載の薄膜堆積用分子線源セル。
3. 坩堝（１）と出射口（７）の間に、放出する分子の流れを整える分子通過孔（１１）を設けたオリフィス（２）を配置し、このオリフィス（２）と遮蔽部材（６）との接触部（２ａ）の肉厚を他の部分より薄くしたことを特長とする請求項１または２に記載の薄膜堆積用分子線源セル

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