JP2016160481A - Deposition cell, thin film preparation apparatus and thin film preparation method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a deposition cell, a thin film preparation apparatus and a thin film preparation method, capable of controlling a high molecular flow density to constant in a simple configuration and thereby speeding up a film deposition rate.SOLUTION: There is provided a method for preparing thin film material on a substrate by using a vacuum deposition method, in which a deposition cell 1 as a deposition source is used with at least one discharge port having a structure of a capillary 3 and the inner part of the deposition cell 1 is adjusted to a material vapor pressure that generates a predetermined pressure gradient in the capillary 3. The material vapor pressure that generates the pressure gradient in the capillary 3 is a pressure gradient in which a pressure difference occurs in an incident side 31 and an ejection side 32 in the capillary 3, and the material to be deposited transits from a viscous flow state on the incident side 31 to a molecular flow state on the ejection side 32. Further, in the deposition cell 1, heat conductive material is coated on at least an inner wall 11 of the deposition cell 1 and an inner wall of the capillary 3, and a coating agent which is inactive to the material is applied on the surface of the heat conductive material.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、無機あるいは有機半導体デバイスの活性層作製のための蒸発源となる蒸着セル、薄膜作製装置および薄膜作製方法に関する。   The present invention relates to a vapor deposition cell, a thin film manufacturing apparatus, and a thin film manufacturing method as an evaporation source for manufacturing an active layer of an inorganic or organic semiconductor device.

有機半導体薄膜を用いた有機エレクトロルミネッセンス(EL)ディスプレイ、RFID(Radio Frequency Identifier)タグ、人工皮膚などに代表されるフレキシブルデバイスにおいて、大面積回路の大量生産を達成するべく、キャリア移動度の向上と製造コストの削減が要望されている。
近年、有機半導体材料をインク化し、印刷や塗布といった方法で大面積基板へ成膜するウェットプロセスで、単結晶薄膜を作製する技術が発表され、高いキャリア移動度が得られ始めたことから、低コストプロセスとして実用化に期待が集まっている。しかし、このウェットプロセスを用いて単結晶薄膜を作製するには、以下に述べる問題点がある。
まず、印刷や塗布といった方法を用いることから、インク化が必要であり、インク化のため、溶媒に可溶な材料に限定されてしまうことである。次に、仮に、不溶性の材料に可溶性を持たせる官能基を付加する場合、付加する官能基によって電荷輸送を妨げてしまうことである。さらには、材料を乾燥させる時に発生する応力によって、不規則に欠陥が発生しやすいということである。その上、成膜の際に行う乾燥・熱処理に時間がかかるため、サイクルタイムが長くなることである。
In order to achieve mass production of large-area circuits in flexible devices such as organic electroluminescence (EL) displays using organic semiconductor thin films, RFID (Radio Frequency Identifier) tags, and artificial skin, There is a need to reduce manufacturing costs.
In recent years, technologies for producing single-crystal thin films using wet processes for forming organic semiconductor materials into inks and printing and coating on large-area substrates have been announced, and high carrier mobility has begun to be obtained. Expectations for practical use as a cost process have been gathered. However, the production of a single crystal thin film using this wet process has the following problems.
First, since a method such as printing or coating is used, it is necessary to make an ink and the ink is limited to a material soluble in a solvent. Next, if a functional group that adds solubility to an insoluble material is added, charge transport is hindered by the added functional group. Furthermore, irregularities are likely to occur irregularly due to stress generated when the material is dried. In addition, since the drying / heat treatment performed during film formation takes time, the cycle time becomes long.

一方、真空蒸着法は、膜厚、純度および異種分子混合比の制御性に優れており、結晶性のよい薄膜を作製できるという特徴がある。しかし、真空蒸着法は、大面積での薄膜製造コストの高さが問題となっており、大量生産プロセスでの採用は困難である。
通常、真空蒸着法は、蒸着装置として“るつぼ”(蒸着セル)を用いて、蒸着させる材料を蒸発させる。多くの有機低分子材料は、真空中で昇華性であり、熱伝導率が低く粉末状態であるため、蒸着セルの温度を一定に制御しても材料全体が均一な温度とならない。その上、個々の粒子の構造や接触状態に応じて、突発的に蒸発分子が、蒸着セルの外に放出されてしまうので、高い分子流密度を一定制御することが困難である。そのため、蒸着セルから放出する分子流密度を安定して制御できる範囲の温和な条件で、材料の蒸着を行う必要があるため、面積あたりの成膜速度が遅くなってしまう。
また、真空蒸着法では、大がかりな真空チャンバーと高性能真空ポンプが必要であり、これらの装置導入コストが高いことに加えて、薄膜への残留ガス混入を抑制するためには高真空が必要であり、真空排気のための大がかりな真空ポンプと長い排気時間を要する。
これらのことから、真空蒸着法では、面積あたりの成膜速度の遅さと、真空排気の待ち時間とから、サイクルタイムが長く、製品あたりのコストが高くなるといった問題がある。かかる問題を克服するためには、蒸着速度を高速に制御できる仕組みが必要である。
On the other hand, the vacuum deposition method is excellent in controllability of film thickness, purity and heterogeneous molecule mixing ratio, and is characterized in that a thin film with good crystallinity can be produced. However, the vacuum deposition method has a problem of high manufacturing cost of a thin film in a large area, and it is difficult to adopt it in a mass production process.
Usually, the vacuum deposition method uses a “crucible” (deposition cell) as a deposition apparatus to evaporate the material to be deposited. Many organic low molecular weight materials are sublimable in vacuum, have low thermal conductivity, and are in a powder state. Therefore, even if the temperature of the deposition cell is controlled to be constant, the entire material does not become a uniform temperature. In addition, depending on the structure and contact state of the individual particles, the evaporated molecules are suddenly released out of the deposition cell, making it difficult to control the high molecular flow density at a constant level. For this reason, since it is necessary to deposit the material under mild conditions in a range where the molecular flow density emitted from the deposition cell can be stably controlled, the film formation rate per area becomes slow.
In addition, the vacuum deposition method requires a large-scale vacuum chamber and a high-performance vacuum pump. In addition to the high cost of introducing these devices, a high vacuum is required in order to suppress residual gas mixing into the thin film. There is a large vacuum pump for evacuation and a long evacuation time.
For these reasons, the vacuum deposition method has a problem that the cycle time is long and the cost per product is high due to the slow deposition rate per area and the waiting time for evacuation. In order to overcome such a problem, a mechanism capable of controlling the deposition rate at a high speed is required.

こういった状況下、有機ELディスプレイの製造に用いる真空蒸着装置において、蒸発源のるつぼから蒸着マスクへの放射熱の影響を
軽減し、蒸着マスクの膨張を抑制することで精度の高い蒸着を行うことのできる蒸着装置が知られている(特許文献1を参照)。
特許文献1に開示された真空蒸着装置の場合、被蒸着基板と対向するるつぼ上部に突出した状態に突出部が、るつぼの長手方向に複数形成されており、突出部の外形状は円柱形状、円錐台形状、角錐台形状などであり、るつぼ上面より突出している構造になっている。そして、突出部の高さは、突出部の周囲に、金属製の蒸着マスクの温度上昇に伴う膨張を抑制するための放射阻止体が設けられるため、その放射阻止体上面と同等の高さもしくは高くなるようにしている。そして、突出部の内側は、るつぼ内より蒸発させた蒸着材料を射出する出射孔が、るつぼ内部より被蒸着基板方向に向かって段階的あるいは連続的に先細りとなる形状を有しており、るつぼ内で蒸発させた蒸着材料が出射孔の射出側開口部に向かって飛散する際の妨げにならないような構造となっている。
特許文献1に開示された真空蒸着装置では、蒸着マスクへの放射熱の影響を軽減する目的で成されたもので、蒸着速度を高速に制御するものではない。
Under such circumstances, in a vacuum vapor deposition apparatus used for manufacturing an organic EL display, highly accurate vapor deposition is performed by reducing the influence of radiant heat from the evaporation source crucible to the vapor deposition mask and suppressing the expansion of the vapor deposition mask. A vapor deposition apparatus that can perform this is known (see Patent Document 1).
In the case of the vacuum evaporation apparatus disclosed in Patent Document 1, a plurality of protrusions are formed in the crucible longitudinal direction in a state of protruding to the upper part of the crucible facing the deposition target substrate, and the outer shape of the protrusions is a cylindrical shape, It has a truncated cone shape, a truncated pyramid shape, etc., and has a structure protruding from the upper surface of the crucible. And since the radiation blocking body for suppressing the expansion | swelling with the temperature rise of a metal vapor deposition mask is provided in the circumference | surroundings of a projection part, the height of a projection part is the height equivalent to the radiation blocking body upper surface, or Try to be high. The inside of the projecting portion has a shape in which an emission hole for injecting a vapor deposition material evaporated from the inside of the crucible tapers stepwise or continuously from the inside of the crucible toward the vapor deposition substrate. It has a structure that does not hinder the evaporation material evaporated inside from scattering toward the exit side opening of the exit hole.
The vacuum deposition apparatus disclosed in Patent Document 1 is intended to reduce the influence of radiant heat on the deposition mask, and does not control the deposition rate at a high speed.

また、大型基板上に膜厚が均一で有機ELディスプレイの上部電極用の金属薄膜を高速に成膜させ、蒸気漏れやノズルの温度低下を低減し、長時間連続運転可能な蒸発源及び真空蒸着装置が知られている(特許文献2を参照)。特許文献2に開示された蒸発源及び真空蒸着装置では、開口を設けたるつぼと、るつぼの外側壁を囲むように設けたヒータと、るつぼの内側壁にノズルの板厚以上の長さで接するように設けられたノズルが設けられ、ノズルがるつぼの内側壁と密閉性を保つために、その一部にるつぼと密閉するシール部品が設けられている。
特許文献2に開示された蒸発源及び真空蒸着装置の場合、るつぼの内側壁にノズルの板厚以上の長さで接するように設けることから、ノズルを支持する構造をるつぼに設ける必要や、ノズルの温度低下による放熱や蒸気漏れを低減するための部材の選定や板厚の調整、シール性を確保できる構造を設ける必要があり、るつぼの構成が複雑になるといったデメリットがある。また、特許文献2に開示された蒸発源及び真空蒸着装置では、高い分子流密度を一定制御できるものではない。
In addition, an evaporation source and vacuum deposition that can be operated continuously for a long time by forming a metal thin film with a uniform film thickness on a large substrate at high speed to reduce vapor leakage and nozzle temperature drop. An apparatus is known (see Patent Document 2). In the evaporation source and the vacuum evaporation apparatus disclosed in Patent Document 2, a crucible provided with an opening, a heater provided so as to surround the outer wall of the crucible, and the inner wall of the crucible are in contact with the length of the nozzle plate or more. In order to maintain the sealing property between the inner wall of the crucible and the nozzle, a seal part for sealing with the crucible is provided at a part of the nozzle.
In the case of the evaporation source and the vacuum evaporation apparatus disclosed in Patent Document 2, since the inner wall of the crucible is provided so as to be in contact with the length of the nozzle plate or more, it is necessary to provide a structure for supporting the nozzle in the crucible, There is a demerit that the structure of the crucible becomes complicated because it is necessary to select a member for reducing heat dissipation and steam leakage due to a decrease in temperature, to adjust the plate thickness, and to ensure a sealing property. Moreover, in the evaporation source and the vacuum evaporation apparatus disclosed in Patent Document 2, a high molecular flow density cannot be controlled constantly.

また、希ガスをチャンバーに導入し、蒸着材料の有機分子を含む超音速分子線を発生させ、スキマと差動排気によって高い運動エネルギーをもった蒸着材料の分子線を選択的に基板に入射させることにより、基板を昇温することなく、結晶性の高い膜を作製する方法が知られている(非特許文献1を参照)。
非特許文献1の方法では、超音速分子線によって、高い分子流密度を一定制御して、面積あたりの成膜速度を速くできるという利点があるが、大量の希ガスと超高真空雰囲気を要することから、膜の作製コスト面で問題がある。
In addition, a rare gas is introduced into the chamber, a supersonic molecular beam containing organic molecules of the vapor deposition material is generated, and a molecular beam of the vapor deposition material having high kinetic energy is selectively incident on the substrate by a gap and differential exhaust. Thus, a method for producing a highly crystalline film without raising the temperature of the substrate is known (see Non-Patent Document 1).
In the method of Non-Patent Document 1, there is an advantage that a high molecular flow density can be constantly controlled by a supersonic molecular beam to increase a film forming rate per area, but a large amount of rare gas and an ultrahigh vacuum atmosphere are required. For this reason, there is a problem in the production cost of the film.

特開2004−214185号公報JP 2004-214185 A 特開2014−198863号公報JP 2014-198863 A

S.Iannotta and T.Toccoli, J.Polym.Sci., Part B:Polym.Phys.41 (2003) 2501S. Iannotta and T. Toccoli, J.A. Polym. Sci. , Part B: Polym. Phys. 41 (2003) 2501

上述のように、従来の真空蒸着法における蒸着セルでは、高い分子流密度を一定制御することが困難である。この問題を回避するために、安定して制御できる温和な条件で蒸着を行うと、蒸着セルと基板の間の典型的な距離では、成長速度が1オングストローム/秒程度にとどまってしまい、成膜速度の低下を招く。
かかる状況に鑑みて、本発明は、簡易な構成で、高い分子流密度を一定制御し、成膜速度を速めることができる蒸着セル、薄膜作製装置及び薄膜作製方法を提供することを目的とする。
As described above, it is difficult to constantly control the high molecular flow density in the deposition cell in the conventional vacuum deposition method. In order to avoid this problem, when vapor deposition is performed under mild conditions that can be stably controlled, the growth rate is limited to about 1 angstrom / second at a typical distance between the vapor deposition cell and the substrate, and film formation is performed. Incurs a decrease in speed.
In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a deposition cell, a thin film manufacturing apparatus, and a thin film manufacturing method capable of constantly controlling a high molecular flow density and increasing a film forming speed with a simple configuration. .

上記の課題を解決すべく、本発明の薄膜作製方法は、材料を真空蒸着法によって基板上に薄膜を作製する方法において、蒸着源となる蒸着セルには、少なくとも1つのキャピラリ構造の放出口が用いられ、蒸着セル内が、キャピラリ内部に所定の圧力勾配が生じる材料蒸気圧に調整されることを特徴とする。
蒸着源となる蒸着セルに、キャピラリ構造の放出口を用いることにより、高い分子流密度を一定制御し、成膜速度を速めることができる。このキャピラリ内部には、圧力勾配が生じるように、材料蒸気圧が調整されることが必要である。
本明細書において、キャピラリ構造とは、密閉型の蒸着セルのケーシングの一部に設けられた細管(髪の毛のように細い管)構造と定義する。キャピラリ構造の直径と長さは、入射口側で十分に粘性流領域にまで高められた蒸着材料の蒸気圧と蒸着セル外の真空との間の圧力差によって、十分に速い成膜速度が得られるだけの分子流束が生じるようなコンダクタンス(直径d、長さlの円柱状キャピラリの場合において、粘性係数ηの原料分子のキャピラリ内平均圧力がpの粘性流状態である場合、コンダクタンスは(π/128)・(d4p/ηl)で表されるが、本発明の場合はキャピラリ両端での圧力差が大きく、粘性流状態から中間流状態を経て分子流状態にまで至るため、シミュレーション等によらなければ決めることが困難である。)が得られるように調整される。また、本明細書では、“キャピラリ構造”と単に“キャピラリ”と言う場合があるが、“キャピラリ”は“キャピラリ構造体”を指す意味で使用する。
上記構造により、より高い温度で、閉じられた蒸着セル内で平衡蒸気圧が達成され、キャピラリ構造の放出口から高い分子流密度の蒸着材料を放出でき、成膜速度を速めることができる。また、真空であるチャンバー雰囲気との間で急激な圧力勾配を形成することができる。
なお、蒸着させる材料は、昇華性の材料であれば、有機無機問わず用いることが可能である。蒸着セルは、準閉鎖型構造にして、蒸着方向にキャピラリ構造の放出口を設ける。
In order to solve the above-mentioned problems, the thin film production method of the present invention is a method for producing a thin film on a substrate by a vacuum vapor deposition method. In the vapor deposition cell serving as a vapor deposition source, an emission port of at least one capillary structure is provided. It is used, and the inside of the deposition cell is adjusted to a material vapor pressure that generates a predetermined pressure gradient inside the capillary.
By using a capillary structure discharge port in the vapor deposition cell serving as the vapor deposition source, the high molecular flow density can be controlled to be constant and the film formation rate can be increased. It is necessary to adjust the material vapor pressure so that a pressure gradient is generated inside the capillary.
In this specification, the capillary structure is defined as a thin tube (thin tube like hair) structure provided in a part of a casing of a sealed deposition cell. The diameter and length of the capillary structure is sufficiently high due to the pressure difference between the vapor pressure of the vapor deposition material, which is sufficiently increased to the viscous flow region on the entrance side, and the vacuum outside the vapor deposition cell. Conductance that produces as much molecular flux as possible (in the case of a cylindrical capillary with a diameter d and a length l, when the average pressure in the capillary of the raw material molecule with the viscosity coefficient η is p, the conductance is ( (π / 128) · (d 4 p / ηl) In the case of the present invention, the pressure difference between both ends of the capillary is large, and the flow is from a viscous flow state to an intermediate flow state to a molecular flow state. It is difficult to determine unless it is based on etc.). Further, in this specification, “capillary structure” may be simply referred to as “capillary”, but “capillary” is used to indicate “capillary structure”.
With the above structure, an equilibrium vapor pressure is achieved in a closed vapor deposition cell at a higher temperature, and a vapor deposition material having a high molecular flow density can be discharged from the discharge port of the capillary structure, so that the film formation rate can be increased. In addition, an abrupt pressure gradient can be formed between the vacuum and the chamber atmosphere.
Note that the material to be vapor-deposited can be any organic or inorganic material as long as it is a sublimable material. The deposition cell has a semi-closed structure and is provided with a capillary structure outlet in the deposition direction.

ここで、キャピラリ内部に圧力勾配が生じる材料蒸気圧は、キャピラリ内の入射側と出射側に圧力差があり、蒸着させる材料が入射側の粘性流状態から出射側の分子流状態に遷移する圧力勾配であることが好ましい。すなわち、蒸着させる材料の気体分子が、入射側の粘性流領域の運動状態(分子がキャピラリ内壁に衝突する頻度より、分子同士の衝突頻度が大きい状態)から出射側の分子流領域の運動状態(分子同士が衝突する頻度より、キャピラリ内壁に衝突する頻度が大きい状態)に遷移する圧力勾配であることが好ましい。キャピラリ内部で、材料の入射側は蒸発セルの内側になり、材料の出射側は蒸発セルの外側になる。圧力が高い状態では、分子同士の衝突が支配的な粘性流領域の状態であり、圧力が下がっていくと気体分子の平均自由行程は大きくなって、分子同士の衝突より分子と壁の衝突の頻度が大きくなる分子流領域の状態となる。   Here, the material vapor pressure causing a pressure gradient inside the capillary has a pressure difference between the entrance side and the exit side in the capillary, and the pressure at which the material to be vaporized transitions from the viscous flow state on the entrance side to the molecular flow state on the exit side A gradient is preferred. That is, the gas molecules of the material to be deposited move from the moving state of the viscous flow region on the incident side (the state where the collision frequency of molecules is larger than the frequency of collision of the molecules to the inner wall of the capillary) to the moving state of the molecular flow region on the output side ( The pressure gradient is preferably changed to a state in which the frequency of collision with the inner wall of the capillary is higher than the frequency of collision between the molecules. Inside the capillary, the incident side of the material is inside the evaporation cell, and the emission side of the material is outside the evaporation cell. When the pressure is high, the collision of molecules is dominant in the viscous flow region, and as the pressure decreases, the mean free path of the gas molecules becomes larger, and the collision between the molecule and the wall is greater than the collision between the molecules. It becomes the state of the molecular flow region where the frequency increases.

このように、蒸着セル内部の圧力を、材料分子が粘性流領域となる圧力まで高めることで、キャピラリ内に急激な圧力勾配が生じる。このような条件下では、キャピラリ内部で衝突した材料分子がキャピラリ出口方向に加速され、熱平衡状態より平均運動エネルギーが大きい状態となり、材料分子が細いビーム状の高速分子線のように射出される。本発明における高速分子線とは、このようにして熱平衡状態より平均運動エネルギーが大きい状態となり、その結果として細いビーム状にキャピラリから出射される分子線である。このようなビーム状の高速分子線を効果的に発生させるためには、キャピラリ内部の圧力分布は、前記条件に加えて、分子流領域に達するキャピラリ内の位置がキャピラリ出射側に近い位置となるようにすることが好ましい。
細いビーム状のように射出された高速の材料分子によって、ターゲット基板上での分子拡散が促進され、基板温度を昇温することによる結晶性向上と等価ではないが同様の効果を得られることになる。従って、基板上に成膜される薄膜の結晶性あるいはアモルファス膜の構造安定性を高めるために行う基板の昇温プロセスを省略することが可能となり、真空蒸着法のサイクルタイムの更なる短縮及び加熱昇温装置のコスト低減の2つの効果が期待できる。
As described above, when the pressure inside the deposition cell is increased to a pressure at which the material molecules become a viscous flow region, a rapid pressure gradient is generated in the capillary. Under such conditions, the material molecules colliding inside the capillary are accelerated in the direction of the capillary outlet, the average kinetic energy is larger than the thermal equilibrium state, and the material molecules are ejected like a thin beam-like high-speed molecular beam. The high-speed molecular beam in the present invention is a molecular beam emitted from the capillary in the form of a thin beam as a result of having a state in which the average kinetic energy is larger than the thermal equilibrium state in this way. In order to effectively generate such a beam-like high-speed molecular beam, in addition to the above conditions, the pressure distribution inside the capillary is such that the position in the capillary that reaches the molecular flow region is close to the capillary exit side. It is preferable to do so.
High-speed material molecules ejected like a thin beam promote molecular diffusion on the target substrate, and it is not equivalent to improving crystallinity by raising the substrate temperature, but can obtain the same effect Become. Therefore, it is possible to omit the substrate temperature raising process for improving the crystallinity of the thin film formed on the substrate or the structural stability of the amorphous film, further shortening the cycle time of the vacuum deposition method and heating. Two effects of cost reduction of the temperature raising device can be expected.

また、上記の蒸着セルは、少なくとも蒸着セルの内壁とキャピラリの内壁に、熱伝導性材料が被覆されたことが好ましい。セル内部が材料と共にすばやく均熱化され、高い分子流密度を安定に制御することが可能になるからである。
蒸着セル全体、或は、キャピラリ全体が、熱伝導性材料で構成されてもよい。熱伝導性材料としては、金属、金属酸化物、炭素、若しくは、それらの複合材料が挙げられる。
また、キャピラリ内壁が材料蒸気の温度より低くなるとキャピラリ内で材料が凝集し、閉塞状態となるため、特にキャピラリ部は蒸着セル加熱源からの熱伝導を良くする必要がある。そのために、キャピラリは特許文献1に見られるような突出した構造とせず、キャピラリ−の長さがそのまま厚みとなる熱伝導性材料壁に形成されていることが望ましい。
Further, in the above evaporation cell, it is preferable that at least the inner wall of the evaporation cell and the inner wall of the capillary are coated with a heat conductive material. This is because the inside of the cell is quickly soaked together with the material, and a high molecular flow density can be stably controlled.
The entire deposition cell or the entire capillary may be made of a heat conductive material. Examples of the thermally conductive material include metals, metal oxides, carbon, and composite materials thereof.
Further, when the inner wall of the capillary becomes lower than the temperature of the material vapor, the material aggregates in the capillary and becomes in a closed state. Therefore, in particular, the capillary portion needs to improve heat conduction from the vapor deposition cell heating source. Therefore, it is desirable that the capillary is not formed with a protruding structure as seen in Patent Document 1, but is formed on a thermally conductive material wall in which the length of the capillary is as it is.

蒸着セルに被覆される熱伝導性材料が金属である場合、熱伝導性材料の表面には、材料に対して不活性なコート剤が被覆されることが好ましい。高温の金属による材料の分解等の変性を防ぐためである。例えば、無酸素銅が熱伝導性材料としてコーティングされており、蒸着させる材料として有機材料を用いる場合、有機材料と無酸素銅の化学反応を防ぐために、無酸素銅の表面は不活性な膜、例えば酸化珪素(SiO)でコーティングされるのが好ましい。 When the thermally conductive material coated on the vapor deposition cell is a metal, it is preferable that the surface of the thermally conductive material is coated with a coating agent that is inert to the material. This is to prevent modification such as decomposition of the material by a high-temperature metal. For example, when oxygen-free copper is coated as a thermally conductive material and an organic material is used as a material to be deposited, the surface of oxygen-free copper is an inert film in order to prevent a chemical reaction between the organic material and oxygen-free copper. For example, it is preferable to coat with silicon oxide (SiO 2 ).

キャピラリ構造は、上述の通り、その直径と長さは、入射口側で十分に粘性流領域にまで高められた蒸着材料の蒸気圧と蒸着セル外の真空との間の圧力差によって、十分に速い成膜速度が得られるだけの分子流束が生じるようなコンダクタンスが得られるように大きさが決められるが、典型的には直径0.1〜1mm、長さ1〜100mmとなる。ただし、材料の物性と要求される成膜速度によって上記条件を満たすように調整され、この範囲に限定するものではない。
また、キャピラリ内の空間は、少なくとも分子流状態となる部分が直線状である。上述の通り、蒸着セルは準閉鎖型構造にして、蒸着方向にキャピラリ構造の放出口を設けるのであるが、このキャピラリ構造は、パスカルの原理から、蒸着セルに設けられる場所に左右されることなく、圧力条件は同じになる。通常、蒸着セルの上に基板が設けられることから、蒸着セルの上蓋中央にキャピラリ構造が設けられることでよい。キャピラリ構造が設けられる位置よりも重要なことは、キャピラリ構造が直線状であることである。分子流状態となる部分が直線状であることによって、蒸着材料の気体分子の多くが整ったビーム状に放出されることになる。仮に、キャピラリ構造が曲がっていて、分子流状態となる部分が直線状でないとすると、放出される蒸着材料の気体分子の多くがキャピラリ内壁によって不規則に散乱され、ビーム状に放出されないといった不都合が生じることになる。
As described above, the capillary structure has a sufficient diameter and length due to the pressure difference between the vapor pressure of the vapor deposition material that has been sufficiently increased to the viscous flow region on the entrance side and the vacuum outside the vapor deposition cell. The size is determined so as to obtain a conductance that generates a molecular flux sufficient to obtain a high film formation rate, but typically has a diameter of 0.1 to 1 mm and a length of 1 to 100 mm. However, it is adjusted so as to satisfy the above conditions depending on the physical properties of the material and the required film forming speed, and is not limited to this range.
Further, the space in the capillary is linear at least at the part where the molecular flow state is achieved. As described above, the vapor deposition cell has a semi-closed structure and is provided with a capillary structure outlet in the vapor deposition direction, but this capillary structure is not affected by the location of the vapor deposition cell due to Pascal's principle. The pressure conditions are the same. Usually, since the substrate is provided on the vapor deposition cell, the capillary structure may be provided at the center of the upper lid of the vapor deposition cell. What is more important than the position where the capillary structure is provided is that the capillary structure is linear. Since the portion in the molecular flow state is linear, many of the gas molecules of the vapor deposition material are emitted in a well-formed beam. If the capillary structure is bent and the portion that is in a molecular flow state is not linear, many of the gas molecules of the vapor deposition material to be released are irregularly scattered by the inner wall of the capillary and are not emitted in the form of a beam. Will occur.

キャピラリ内の空間形状は、円柱、楕円柱、多角柱、円錐台、楕円錐台、又は、多角錐台、若しくは、それらを組み合わせた形状であることが好ましい。これらの形状であれば、キャピラリ内の空間は長さ方向に直線状であり、分子流状態となる部分も直線状となり、高い指向性を持った圧力勾配が生じやすくなる。
円錐台、楕円錐台、多角錐台などの場合、入射側開口面積と出射側開口面積が異なり、キャピラリ内部に圧力勾配が生じやすいが、この時に、出射側開口面積が入射側開口面積よりも大きくする方がよい。但し、面積差が大きくなれば、圧力勾配の指向性が低下してしまうことに留意しなければならない。
The space shape in the capillary is preferably a cylinder, an elliptical column, a polygonal column, a truncated cone, an elliptical truncated cone, a polygonal truncated cone, or a combination thereof. With these shapes, the space in the capillary is linear in the length direction, and the portion in the molecular flow state is also linear, and a pressure gradient with high directivity is likely to occur.
In the case of a truncated cone, elliptical truncated cone, polygonal truncated cone, etc., the incident side opening area is different from the exit side opening area, and a pressure gradient is likely to occur inside the capillary.At this time, the exit side opening area is larger than the incident side opening area. It is better to enlarge it. However, it should be noted that the directivity of the pressure gradient decreases as the area difference increases.

本発明の薄膜作製方法において、蒸着セルは、同一形状、同一サイズの複数のキャピラリ構造を備え、複数のキャピラリは、一次元的あるいは二次元的に等間隔に配置されてもよい。
蒸着セル単体での蒸着面積は微細素子を作製するのには十分であるが、大型ディスプレイのような大面積デバイスの大量生産を達成するためには、蒸着面積を大きくする必要がある。このような場合には、同一セルに対して一次元的あるいは二次元的にキャピラリを並べて取り付けた拡張型の蒸着セルを用いて、セルを走査するか基板を走査することにより、蒸着面積を大きくする。
ここで、キャピラリ構造を一次元に等間隔に配置した蒸着セルに対しては、基板側を走査する方法、或は、ロール・ツー・ロール方式により、基板上に材料を蒸着させて薄膜を作製する。一方、キャピラリ構造を二次元に等間隔に配置した蒸着セルに対しては、蒸着セルのサイズと薄膜を作製する基板側のサイズによって、基板を固定して蒸着させることや、或は、基板側を走査しながら材料を蒸着させて、基板上に薄膜を作製する。
単一の蒸着セルに複数のキャピラリ構造を設けることにより、総出射分子を上回る分子が蒸着材料から現実的な温度で蒸発できる。また、1つのセルに複数のキャピラリ−を有する構造では、加工精度さえ確かであれば、全てのキャピラリからの出射分子流が同じになるという利点がある。
In the thin film production method of the present invention, the vapor deposition cell may include a plurality of capillary structures having the same shape and the same size, and the plurality of capillaries may be arranged at equal intervals in one or two dimensions.
Although the vapor deposition area of the vapor deposition cell alone is sufficient to produce a fine element, it is necessary to increase the vapor deposition area in order to achieve mass production of large area devices such as large displays. In such a case, the deposition area is increased by scanning the cell or the substrate using an expansion type deposition cell in which capillaries are mounted one-dimensionally or two-dimensionally on the same cell. To do.
Here, for a deposition cell in which capillary structures are arranged one-dimensionally at equal intervals, a thin film is produced by evaporating material on the substrate by scanning the substrate side or roll-to-roll method. To do. On the other hand, for a deposition cell in which capillary structures are two-dimensionally arranged at regular intervals, the substrate can be fixed and deposited depending on the size of the deposition cell and the size of the substrate on which the thin film is formed, or the substrate side A thin film is formed on the substrate by vapor-depositing the material while scanning.
By providing a plurality of capillary structures in a single vapor deposition cell, molecules exceeding the total emitted molecules can be evaporated from the vapor deposition material at a realistic temperature. Further, the structure having a plurality of capillaries in one cell has an advantage that the outgoing molecular flows from all the capillaries become the same as long as the processing accuracy is certain.

また、同一形状、同一サイズのキャピラリ構造を有する複数の蒸着セルが、一次元的あるいは二次元的に等間隔に配置されてもよい。そして、基板側を走査する方法、或は、ロール・ツー・ロール方式により、基板上に材料を蒸着させて薄膜を作製する。   Further, a plurality of vapor deposition cells having the same shape and the same size of the capillary structure may be arranged at equal intervals in one or two dimensions. Then, a thin film is produced by depositing a material on the substrate by a method of scanning the substrate side or a roll-to-roll method.

蒸着セルが同一形状、同一サイズの複数のキャピラリ構造を備え、複数のキャピラリが一次元的あるいは二次元的に等間隔に配置されて、薄膜を作製する場合、キャピラリの中心間距離と、基板とキャピラリの放出口との距離と、材料蒸気圧による材料の放出角度分布とから、薄膜の膜厚分布が制御されるのがよい。
同一形状、同一サイズのキャピラリ構造を有する複数の蒸着セルが、一次元的あるいは二次元的に等間隔に配置されて、薄膜を作製する場合も、キャピラリの中心間距離と、基板とキャピラリの放出口との距離と、材料蒸気圧による材料の放出角度分布とから、薄膜の膜厚分布が制御されるのがよい。
When the deposition cell has a plurality of capillary structures of the same shape and the same size, and the plurality of capillaries are arranged one-dimensionally or two-dimensionally at equal intervals to form a thin film, the distance between the centers of the capillaries, the substrate, The film thickness distribution of the thin film should be controlled from the distance from the capillary discharge port and the material discharge angle distribution due to the material vapor pressure.
Even when a plurality of vapor deposition cells having the same shape and the same size capillary structure are arranged one-dimensionally or two-dimensionally at equal intervals to produce a thin film, the distance between the centers of the capillaries and the release of the substrate and the capillary The film thickness distribution of the thin film should be controlled from the distance to the outlet and the material discharge angle distribution due to the material vapor pressure.

この場合、蒸着セル毎に、キャピラリ構造と同一形状、同一サイズのフラックスモニタリング用キャピラリが設けられることが好ましい。
キャピラリ単位で複数配置される場合や、蒸着セル単位で複数配置される場合に、蒸着用キャピラリとは別に、フラックスモニタリング用のキャピラリを設けて、フラックス(単位時間・単位面積あたりに流れる量)の変化によって出射分子速度を制御することができる。例えば、大型の複数のキャピラリ構造を有する蒸着セルにおいて、1つだけ離れた位置にモニタリング用のキャピラリ構造(蒸着用と同じ形状ならびにサイズ)を設け、その出射口の直上に水晶振動子を配置することによって分子フラックスをモニタリングする。
In this case, a flux monitoring capillary having the same shape and size as the capillary structure is preferably provided for each vapor deposition cell.
When a plurality of capillaries are arranged or a plurality of vapor deposition cells are arranged, a flux monitoring capillary is provided separately from the vapor deposition capillaries so that the flux (amount of flow per unit time / unit area) The outgoing molecular velocity can be controlled by the change. For example, in a vapor deposition cell having a plurality of large capillary structures, a monitoring capillary structure (the same shape and size as those for vapor deposition) is provided at a position separated by one, and a crystal resonator is disposed immediately above the emission port. To monitor the molecular flux.

次に、本発明の蒸着セルについて説明する。
本発明の蒸着セルは、材料を真空蒸着法によって基板上に薄膜を作製するために用いられる蒸着セルにおいて、蒸着セルは、少なくとも1つのキャピラリ構造の放出口を備え、キャピラリ内部に、入射側が粘性流状態、出射側が分子流状態となるような圧力勾配が生じる材料蒸気圧にセル内圧力が調整された場合に、ビーム状分子線を射出する。
この蒸着セルにおいて、少なくとも蒸着セルの内壁とキャピラリの内壁に、熱伝導性材料が被覆されることが好ましい。また、熱伝導性材料が金属であり、熱伝導性材料の表面には、前記材料に対して不活性なコート剤が被覆されることが好ましい。
キャピラリの内径に対する長さは、目的とする蒸着速度が得られる状態で、前記圧力勾配条件が得られるコンダクタンスとなるよう調整される。キャピラリ内の空間は、少なくとも分子流状態となる部分が直線状である。そして、キャピラリ内の空間形状は、円柱、楕円柱、多角柱、円錐台、楕円錐台、又は、多角錐台、若しくは、それらを組み合わせた形状である。
Next, the vapor deposition cell of this invention is demonstrated.
The vapor deposition cell of the present invention is a vapor deposition cell used for producing a thin film on a substrate by a vacuum vapor deposition method. The vapor deposition cell has at least one capillary structure discharge port, and the inside of the capillary has a viscous entrance side. A beam-like molecular beam is emitted when the pressure in the cell is adjusted to a material vapor pressure that generates a pressure gradient that causes a flow state and a molecular flow state on the exit side.
In this vapor deposition cell, at least the inner wall of the vapor deposition cell and the inner wall of the capillary are preferably coated with a heat conductive material. The heat conductive material is preferably a metal, and the surface of the heat conductive material is preferably coated with a coating agent that is inert to the material.
The length of the capillary with respect to the inner diameter is adjusted so that the conductance can be obtained so that the pressure gradient condition is obtained in a state where a target deposition rate is obtained. The space in the capillary is linear at least in the part where the molecular flow state occurs. The space shape in the capillary is a cylinder, an elliptical cylinder, a polygonal cylinder, a truncated cone, an elliptical truncated cone, a polygonal truncated cone, or a combination thereof.

次に、本発明の薄膜作製装置について説明する。
本発明の薄膜作製装置は、材料を真空蒸着法によって基板上に薄膜を作製する装置において、上述の本発明の蒸着セルが、同一形状、同一サイズの複数のキャピラリ構造を備え、複数のキャピラリが一次元的あるいは二次元的に等間隔に配置されたものである。そして、蒸着セルからの放出フラックスを一定制御するために、蒸着用のキャピラリ構造と同一形状、同一サイズのフラックスモニタリング用キャピラリが設けられる。大面積基板に均一な厚みの薄膜を作製するために、この蒸着セル、あるいは、フラックスモニタと蒸着セルを一組としたものを直交する二方向に走査する機構を有してもよい。或は、この目的のために、蒸着セル、あるいは、フラックスモニタと蒸着セルを一組としたものを一方向に走査する機構と、それとは直交する方向に基板を移動させる機構を有してもよい。
或は、本発明の薄膜作製装置は、材料を真空蒸着法によって基板上に薄膜を作製する装置において、上述の本発明の蒸着セルが、一次元的あるいは二次元的に等間隔に複数配置されたものである。そして、蒸着セル毎に、キャピラリ構造と同一形状、同一サイズのフラックスモニタリング用キャピラリが設けられる。
Next, the thin film production apparatus of the present invention will be described.
The thin film production apparatus of the present invention is an apparatus for producing a thin film on a substrate by using a vacuum vapor deposition method. The above-described vapor deposition cell of the present invention includes a plurality of capillary structures having the same shape and the same size. They are arranged one-dimensionally or two-dimensionally at equal intervals. A flux monitoring capillary having the same shape and size as the vapor deposition capillary structure is provided in order to control the flux released from the vapor deposition cell. In order to produce a thin film having a uniform thickness on a large-area substrate, a mechanism for scanning the vapor deposition cell or a combination of a flux monitor and a vapor deposition cell in two orthogonal directions may be provided. Alternatively, for this purpose, it may have a mechanism for scanning a deposition cell or a set of a flux monitor and a deposition cell in one direction and a mechanism for moving the substrate in a direction perpendicular to the mechanism. Good.
Alternatively, the thin film production apparatus of the present invention is an apparatus for producing a thin film on a substrate by a vacuum vapor deposition method, and a plurality of the above-described vapor deposition cells of the present invention are arranged at equal intervals in one or two dimensions. It is a thing. Each vapor deposition cell is provided with a capillary for flux monitoring having the same shape and size as the capillary structure.

本発明によれば、簡易な構成で、高い分子流密度を一定制御し、従来の真空蒸着法では達成できなかった速い成膜速度で安定に蒸着することができるといった効果がある。
なお、蒸着セルは、真空付近でなくとも、大気圧付近でも、微粒子作製法としての材料蒸発源として用いることが可能である。
According to the present invention, a high molecular flow density is constantly controlled with a simple configuration, and it is possible to stably deposit at a high film formation rate that cannot be achieved by the conventional vacuum deposition method.
Note that the vapor deposition cell can be used as a material evaporation source as a fine particle manufacturing method even in the vicinity of atmospheric pressure, not near vacuum.

蒸着セルの説明図Illustration of deposition cell 膜厚分布測定の模式図Schematic diagram of film thickness distribution measurement 膜厚分布の極座標を示す図Diagram showing polar coordinates of film thickness distribution キャピラリ径ごとに成膜速度を変化させた場合の膜厚分布図Film thickness distribution when changing the deposition rate for each capillary diameter (a)拡散するモデルと(b)並行ビームを射出するモデルのイメージImage of (a) diffused model and (b) model emitting parallel beam 数式1を用いて実験結果のフィッティングを行った結果を示す図The figure which shows the result of having fitted the experimental result using Numerical formula 1. 成膜速度“high”での粘性流領域からの等方的散乱のモデルを示す図The figure which shows the model of isotropic scattering from the viscous flow area | region in the film-forming speed | rate "high" 本実施例の蒸着セルとキャピラリ構造を備えていないセルの射出イメージEjection image of vapor deposition cell of this example and cell without capillary structure 本実施例の蒸着セルの3つの成膜速度における気体分子の射出の概念図Conceptual diagram of gas molecule injection at three deposition rates of the deposition cell of this example 本実施例の蒸着セルにおける分子流領域と粘性流領域の遷移図Transition diagram of molecular flow region and viscous flow region in the deposition cell of this example 作製した有機薄膜トランジスタの構造模式図Schematic diagram of the organic thin film transistor fabricated キャピラリ径と成膜速度を変化させて作製したペンタセン薄膜の表面高さ像の原子間力顕微鏡(AFM)画像Atomic force microscope (AFM) image of the surface height image of a pentacene thin film prepared by changing the capillary diameter and the deposition rate キャピラリ径と成膜速度変化による有機薄膜トランジスタの伝達特性図Diagram of transfer characteristics of organic thin film transistor by capillary diameter and deposition rate change キャピラリ径ごとの移動度およびドメインサイズと成膜速度の関係図Relationship between mobility and domain size for each capillary diameter and deposition rate キャピラリ径ごとの成膜速度と移動度の関係図Relationship between deposition rate and mobility for each capillary diameter 並行ビーム成分と移動度の関係を示す図Diagram showing the relationship between parallel beam components and mobility 成膜速度とドメインサイズの関係図(実施例3)Relationship between deposition rate and domain size (Example 3) 作製したペンタセン薄膜の表面高さ像のAFM画像(実施例3)AFM image of surface height image of prepared pentacene thin film (Example 3) 移動度およびドメインサイズと成膜速度の関係図(実施例3)Relationship diagram of mobility, domain size and film formation rate (Example 3) 成膜速度と移動度の関係図(実施例3)Relationship diagram between deposition rate and mobility (Example 3) 一次元的に配置されたマルチキャピラリ構造を備えた蒸着セルの構造図(実施例4)Structural diagram of a deposition cell having a multicapillary structure arranged one-dimensionally (Example 4)

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。   Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The scope of the present invention is not limited to the following examples and illustrated examples, and many changes and modifications can be made.

図1は、蒸着セルを示している。蒸着セル1はセル素材としてセラミックスが使用され、セル内壁11は無酸素銅で被覆されている。蒸着セル1の上面は開放されており、上蓋2を取付けることで準閉鎖型セルを構成する。上蓋2は素材として無酸素銅が使用され、中央部には、1つのキャピラリ3が形成されている。蒸着セル1は内径が10mm程度の円筒容器であり、上蓋2に設けられたキャピラリ3は、内径dが1mm以下の円筒孔であり、円筒の長さlは3mm程度である。
蒸着セル1の内部には、蒸着材料4が置かれ、蒸着セル1の下側と周囲にはヒータ(図示せず)が設けられている。ヒータで蒸着セル1を加熱すると、蒸着材料4が蒸発して気体分子となり、蒸着セル1内部の圧力が増大する。キャピラリ3のセル内部側が入射口31、セル外部側が出射口32となり、キャピラリ3から気体分子が放出されることになる。
FIG. 1 shows a deposition cell. The vapor deposition cell 1 uses ceramics as a cell material, and the cell inner wall 11 is coated with oxygen-free copper. The upper surface of the vapor deposition cell 1 is open, and a semi-closed cell is formed by attaching an upper lid 2. The upper lid 2 is made of oxygen-free copper as a material, and one capillary 3 is formed at the center. The vapor deposition cell 1 is a cylindrical container having an inner diameter of about 10 mm, the capillary 3 provided in the upper lid 2 is a cylindrical hole having an inner diameter d of 1 mm or less, and the length l of the cylinder is about 3 mm.
A vapor deposition material 4 is placed inside the vapor deposition cell 1, and heaters (not shown) are provided on the lower side and the periphery of the vapor deposition cell 1. When the vapor deposition cell 1 is heated with a heater, the vapor deposition material 4 evaporates into gas molecules, and the pressure inside the vapor deposition cell 1 increases. The inside of the capillary 3 in the cell becomes the entrance 31 and the outside of the cell becomes the exit 32, and gas molecules are emitted from the capillary 3.

図2は、膜厚分布測定の模式図を示している。上記の蒸着セルについて、並行ビーム状の気体分子の放出を確認し、その効果を検証するため、キャピラリ径と成膜速度を変化させ射出口軸上を0°とした放出角ごとの膜厚を測定した。得られた膜厚分布を基に、各条件における蒸着分子の振る舞いを以下に説明する。
膜厚分布の測定のため、ドーム状ホルダ5の内側の蒸着セル1の射出口32の直上部分をθ=0°とし、15°刻みでθ=75°まで、19 mm×13 mmのガラス基板7を計6枚設置した。また、40°の位置に開口部を設け、膜厚センサ6を設置した。
FIG. 2 shows a schematic diagram of film thickness distribution measurement. For the above deposition cell, in order to confirm the release of parallel beam-like gas molecules and to verify the effect, the film thickness for each emission angle with the capillary axis and the film forming speed changed and 0 ° on the injection port axis was set. It was measured. Based on the obtained film thickness distribution, the behavior of vapor deposition molecules under each condition will be described below.
In order to measure the film thickness distribution, a portion directly above the injection port 32 of the vapor deposition cell 1 inside the dome-shaped holder 5 is set to θ = 0 °, and a glass substrate of 19 mm × 13 mm up to θ = 75 ° in 15 ° increments. A total of 6 7 were installed. Moreover, the opening part was provided in the position of 40 degrees and the film thickness sensor 6 was installed.

図3は、膜厚分布の極座標を示している。図2に示すドーム状ホルダ5は、射出口32を中心とする半径110mmの球面になっている。各ガラス基板7はアセトン中で10分間超音波洗浄した後、85°Cに加熱したアセトンに浸漬させ、UV/O処理を施している。
基板洗浄後、蒸着セル1を用いてペンタセンを蒸着した。本実施例では、キャピラリのサイズとして、長さ3 mm,直径が0.25,0.50,1.00 mmの3種類を用いている。洗浄したガラス基板をセットしたドーム状ホルダ5を蒸着チャンバー内に固定し、2.0×10−4Paまで真空排気後、蒸着セル1を電熱ヒータで加熱し、所望の成膜速度まで高めて安定させた後に蒸着を開始した。蒸着終了後、ガラス基板を取り出し、各ガラス基板の中心の膜厚を触針式段差計により測定し、極座標表示でプロットし、膜厚分布を得た。
図3において、膜厚分布は0°位置の膜厚を基準とした相対膜厚で表している。また、塗りつぶし部分が成膜された範囲を示している。なお、破線は理想的な微小面蒸着源のからの拡散条件である、f(θ)=cosθのプロットを示している。
FIG. 3 shows polar coordinates of the film thickness distribution. The dome-shaped holder 5 shown in FIG. 2 is a spherical surface having a radius of 110 mm with the injection port 32 as the center. Each glass substrate 7 is ultrasonically cleaned in acetone for 10 minutes, and then immersed in acetone heated to 85 ° C. and subjected to UV / O 3 treatment.
After cleaning the substrate, pentacene was deposited using the deposition cell 1. In this embodiment, three types of capillaries having a length of 3 mm and a diameter of 0.25, 0.50, and 1.00 mm are used. The dome-shaped holder 5 on which the cleaned glass substrate is set is fixed in the vapor deposition chamber, and after evacuation to 2.0 × 10 −4 Pa, the vapor deposition cell 1 is heated with an electric heater to increase to a desired film formation rate. After stabilization, the deposition was started. After completion of the vapor deposition, the glass substrate was taken out, the film thickness at the center of each glass substrate was measured with a stylus type step meter, and plotted with polar coordinate display to obtain the film thickness distribution.
In FIG. 3, the film thickness distribution is represented by a relative film thickness with the film thickness at 0 ° as a reference. Further, the range where the filled portion is formed is shown. The broken line indicates a plot of f (θ) = cos θ, which is a diffusion condition from an ideal micro-surface deposition source.

図4は、キャピラリ径ごとに成膜速度を変化させた場合の膜厚分布図を示している。
それぞれの正確な成膜速度は各々の膜厚分布図の右上に記している。ここでは、成膜速度(Deposition rate)を便宜的に、“low”,“mid”,“high”の3つの領域に分けて示している。また、比較用に、キャピラリ構造が無く上端が開口された蒸着セル(キャピラリ径が13mm相当)を用いた測定を行った。以下では、本発明の蒸着セルと区別するため「従来型セル」と呼ぶ。
FIG. 4 shows a film thickness distribution diagram when the film formation rate is changed for each capillary diameter.
The exact film formation speed is shown in the upper right of each film thickness distribution chart. Here, for convenience, the deposition rate is divided into three regions of “low”, “mid”, and “high”. For comparison, measurement was performed using a deposition cell (capillary diameter equivalent to 13 mm) having no capillary structure and having an open top. Hereinafter, in order to distinguish from the vapor deposition cell of the present invention, it is referred to as a “conventional cell”.

成膜速度が“low”の領域では、従来型セルの膜厚分布(放出角度分布)と比較して、蒸着セルでの膜厚分布は、いずれも従来型セルの膜厚分布と比べて低角側で膜厚が大きく減少しており、分布が細くなっていることがわかる。すなわち、るつぼ内は十分に分子流領域になっており、出射口の大きさに応じて拡散していると言える。   In the region where the deposition rate is “low”, the film thickness distribution in the vapor deposition cell is lower than the film thickness distribution of the conventional cell as compared with the film thickness distribution (emission angle distribution) of the conventional cell. It can be seen that the film thickness is greatly reduced on the corner side, and the distribution is narrowed. That is, it can be said that the inside of the crucible is sufficiently a molecular flow region and diffuses according to the size of the exit port.

次に、キャピラリ径と蒸着速度の相関について述べる。キャピラリ径d=0.25の列において、成膜速度が“low”から“mid”の領域に移行したとき、低角側での膜厚が著しく減少し分布が細くなった。一方、成膜速度が“mid”から“high”に移行したときは、低角側での膜厚が再度増加し、膜厚分布は広く拡散するように戻る様子が確認できた。他のキャピラリ径においても、成膜速度が“mid”の領域での膜厚分布は、分布が細くなっており、“high”の領域では再び拡散しているように見受けられた。
なお、従来型セルを用いた場合、開口部が広いため“mid”以上の成膜速度に達するまでに材料が枯渇してしまい、また、準閉鎖型の構造ではないために成膜速度を安定させることができなかったため、“mid”及び“high”に相当する成膜速度での蒸着ができなかったことから、“low”に相当する成膜速度の結果だけを示している。
Next, the correlation between the capillary diameter and the deposition rate will be described. In the column of capillary diameter d = 0.25, when the film formation speed was shifted from “low” to “mid”, the film thickness on the low angle side was remarkably decreased and the distribution became narrower. On the other hand, when the film formation speed shifted from “mid” to “high”, it was confirmed that the film thickness on the low angle side increased again and the film thickness distribution returned to diffuse widely. Even at other capillary diameters, the film thickness distribution in the region where the film formation rate was “mid” was narrow, and it appeared that the film was diffused again in the “high” region.
In addition, when the conventional cell is used, the opening is wide, so the material is depleted by the time the film formation speed reaches “mid” or higher, and the film formation speed is stable because it is not a quasi-closed structure. Since the deposition could not be performed at the deposition rate corresponding to “mid” and “high”, only the result of the deposition rate corresponding to “low” is shown.

図5は、(a)拡散するモデル(cosθ成分)、(b)並行ビームを射出するモデル(ガウス関数成分)を示している。膜厚分布は、ビーム状の高速な気体分子の射出(以下、高速分子線という)が発現する条件下において、キャピラリ3内における分子同士の衝突によって、圧力勾配が発生する射出方向に指向性を持って飛び立つ蒸着分子の流れ(I)と、キャピラリ3の内壁から飛び立ち、広がっていく蒸着分子の流れ(II)の2種類の分子の流れの重ね合わせの結果、各方位に堆積する分子の体積によって決定される。実験により取得した膜厚分布に関して、(I)および(II)の効果を表す関数によってフィッティングし、各成分の定性的な評価を行った。 FIG. 5 shows (a) a diffusing model (cos n θ component) and (b) a model (Gauss function component) emitting parallel beams. The film thickness distribution has directivity in the injection direction in which a pressure gradient is generated by collision of molecules in the capillary 3 under the condition that high-speed injection of gas molecules (hereinafter referred to as high-speed molecular beam) occurs. The volume of molecules deposited in each direction as a result of the superposition of the flow of vaporized molecules (I) flying up and the flow of vaporized molecules (II) jumping from the inner wall of the capillary 3 and spreading (II) Determined by. The film thickness distribution obtained by the experiment was fitted with a function representing the effects (I) and (II), and each component was qualitatively evaluated.

まず、蒸着セルの直上方向への狭い広がりを持った並行ビームを表す成分(I)としてガウス関数を想定する。次に、射出口から拡散していくような分子の流れの分布は、理想的な微小面蒸着源の場合、cos関数で記述されるが、現実の多くの系ではcos関数にはならず、経験的にcosθで表されるような分布になることが知られているため、cosθの関数を成分(II)として用いる。対象となる実験データをこれらの関数でフィッティングしたとき、それぞれの寄与の大きさを評価するため、下記数式1を用い、放出角度分布における並行ビーム成分の寄与の大きさをAの大きさで評価した。 First, a Gaussian function is assumed as a component (I) representing a parallel beam having a narrow spread in a direction directly above the deposition cell. Next, the molecular flow distribution that diffuses from the injection port is described by a cos function in the case of an ideal micro-surface deposition source, but in many real systems, it does not become a cos function. Since it is known that the distribution is represented by cos n θ empirically, a function of cos n θ is used as the component (II). When the target experimental data is fitted with these functions, the magnitude of each contribution is evaluated. In order to evaluate the magnitude of each contribution, the magnitude of the contribution of the parallel beam component in the emission angle distribution is evaluated by the magnitude of A using the following formula 1. did.

図6は、上記数式1を用いて実験結果のフィッティングを行った結果を示している。従来型セルでは、A=0より並行ビーム成分の寄与が全く無く、nが“low”の領域の中で最も小さいことから、従来型セルの場合、セルの広い開口径に従って広範囲に拡散していることがわかる。一方、蒸着セルの各キャピラリ径における蒸着速度依存性は、d=0.25,0.50,1.00mmのいずれにおいても、成膜速度が“low”の範囲では、Aの値が十分に小さい。すなわち、成分(II)の寄与が大きく、広範囲に拡散した放出角度分布をとっている。
一方、成膜速度が“mid”の条件では、それぞれAの値が大きくなっていることから、成分(I)の寄与が大きくなっており、より並行ビームに近づいていることが確認された。このような変化は、キャピラリ内での圧力勾配の発生による並行ビーム化が起きたことを示している。また、この条件下では、キャピラリ径dが小さくなるほどAが大きくなっていることも特徴であり、キャピラリ径が小さいほど成膜速度の変化に対して、より大きく放出角度分布が変化することが確認できた。
FIG. 6 shows the results of fitting the experimental results using the above Equation 1. In the conventional cell, there is no contribution of the parallel beam component from A = 0, and since n is the smallest in the “low” region, the conventional cell diffuses over a wide range according to the wide aperture diameter of the cell. I understand that. On the other hand, the deposition rate dependency of each capillary diameter of the deposition cell is such that the value of A is sufficient when the deposition rate is “low” at any of d = 0.25, 0.50, and 1.00 mm. small. That is, the contribution of the component (II) is large, and the emission angle distribution is diffused over a wide range.
On the other hand, under the condition where the film formation rate is “mid”, the value of A is large, so that the contribution of the component (I) is large, and it is confirmed that the film is closer to the parallel beam. Such a change indicates that parallel beaming has occurred due to the occurrence of a pressure gradient in the capillary. Also, under this condition, the smaller the capillary diameter d is, the larger A is, and it is confirmed that the smaller the capillary diameter, the larger the emission angle distribution with respect to the change in the deposition rate. did it.

図7は、成膜速度が“high”における粘性流領域からの等方的散乱のモデルを示している。成膜速度が“high”の条件では、逆に全ての径においてAの値が小さくなり、拡散した放出角度分布をとることがわかる。最も成膜速度が速かったキャピラリ径1.00mmの成膜速度“high”の結果から、Aの寄与がなくなった後、成膜速度が高いほどcosθの関数がn=1に近づき、75°までの角度に等方的に拡散していく傾向が確認された。最も開口径が大きい従来のセルの結果のnが十分に大きいことを考えると、これはキャピラリの内壁から分子が拡散する形とは全く異なり、粘性流領域からの等方的散乱を反映しているものと言える。 FIG. 7 shows a model of isotropic scattering from the viscous flow region when the film formation rate is “high”. It can be seen that, under the condition that the film formation rate is “high”, the value of A becomes smaller at all diameters, and a diffused emission angle distribution is obtained. From the result of the film formation rate “high” at the capillary diameter of 1.00 mm where the film formation rate was the fastest, after the contribution of A disappeared, the function of cos n θ approached n = 1 as the film formation rate increased, and 75 A tendency to diffuse isotropically at angles up to ° was confirmed. Considering that the result n of the conventional cell with the largest aperture diameter is sufficiently large, this is completely different from the form in which molecules diffuse from the inner wall of the capillary, and reflects isotropic scattering from the viscous flow region. It can be said that there is.

図8は、キャピラリ構造を備えていないセルと本実施例の蒸着セル(成膜速度“low”,“mid”,“high”の3つの領域)の射出イメージを示している。図8(1)がキャピラリ構造を備えた蒸着セルの射出イメージを示しており、図8(2)がキャピラリ構造ではないセルの射出イメージを示している。キャピラリ構造ではないセルの射出イメージは、キャピラリ構造を備えた蒸着セルの成膜速度が“high”の射出イメージと似ている。   FIG. 8 shows an injection image of a cell that does not have a capillary structure and a vapor deposition cell of this embodiment (three regions of film formation speeds “low”, “mid”, and “high”). FIG. 8A shows an injection image of a vapor deposition cell having a capillary structure, and FIG. 8B shows an injection image of a cell not having a capillary structure. An injection image of a cell not having a capillary structure is similar to an injection image having a deposition rate of “high” in a deposition cell having a capillary structure.

図9は、本実施例の蒸着セルの3つの成膜速度における気体分子の射出の概念図を纏めたものである。また、図10は、本実施例の蒸着セルにおける分子流領域と粘性流領域の遷移図を示している。図10に示すように、圧力が高くなると、蒸着セルの気体分子の放出が分子流領域から粘性流領域に変化する。成膜速度が“low”の場合、圧力が低いために、蒸着セル1の内部、キャピラリ3の内部、キャピラリ3から出射して蒸着セル1の外部に出るところのいずれにおいても分子流領域である。また、成膜速度が“high”の場合、圧力が高いために、蒸着セル1の内部及びキャピラリ3の内部では、粘性流領域になっており、キャピラリ3から出射して蒸着セル1の外部に出た後で、粘性流領域から分子流領域に変化している。そして、成膜速度が“mid”の場合、蒸着セル1の内部は粘性流領域で、キャピラリ3の内部は粘性流領域から分子流領域にちょうど遷移し、キャピラリ3から出射して蒸着セル1の外部に出た後は分子流領域になっている。   FIG. 9 summarizes conceptual diagrams of gas molecule injection at three deposition rates of the vapor deposition cell of this example. FIG. 10 shows a transition diagram of the molecular flow region and the viscous flow region in the vapor deposition cell of this example. As shown in FIG. 10, when the pressure increases, the release of gas molecules in the deposition cell changes from the molecular flow region to the viscous flow region. When the film formation rate is “low”, the pressure is low, and thus the molecular flow region is present inside the vapor deposition cell 1, inside the capillary 3, and exiting from the capillary 3 and exiting the vapor deposition cell 1. . In addition, when the film forming speed is “high”, the pressure is high, and therefore, the inside of the vapor deposition cell 1 and the inside of the capillary 3 is in a viscous flow region, and is emitted from the capillary 3 to the outside of the vapor deposition cell 1. After exiting, it changes from a viscous flow region to a molecular flow region. When the film forming speed is “mid”, the inside of the vapor deposition cell 1 is a viscous flow region, and the inside of the capillary 3 is just shifted from the viscous flow region to the molecular flow region, and is emitted from the capillary 3 to the vapor deposition cell 1. After going outside, it is in the molecular flow region.

実施例1では、キャピラリ内部に圧力勾配を作り出すことにより、キャピラリから高い指向性を持った並行ビーム状の気体分子を放出でき、それによって成膜速度を従来の数倍に改善できることを示した。
実施例2では、実施例1の蒸着セルを用いて、キャピラリ径と成膜速度を変化させた条件で、ペンタセン薄膜を形成し、薄膜表面状態の変化や、有機薄膜トランジスタ(OTFT)の特性の変化について、キャピラリの放出角度分布と照らし合わせて説明を行う。
In Example 1, it was shown that by creating a pressure gradient inside the capillary, parallel beam-like gas molecules having high directivity can be released from the capillary, thereby improving the film formation rate several times that of the conventional method.
In Example 2, a pentacene thin film was formed using the vapor deposition cell of Example 1 under conditions in which the capillary diameter and the film formation speed were changed, and the change in the thin film surface state and the change in the characteristics of the organic thin film transistor (OTFT). Will be described in light of the discharge angle distribution of the capillary.

先ず、有機薄膜トランジスタを作製した。図11に作製した有機薄膜トランジスタの構造模式図を示す。膜厚190nmのSiO熱酸化膜付き高ドープn型Siウェハ(抵抗率<0.02Ωcm)をゲート絶縁膜及びゲート電極兼基板として使用した。有機半導体層成膜前にHMDS(Hexamethyldisilazane)によってゲート絶縁膜の表面処理を行った。この表面処理によって、大気中で基板表面に付着した水酸基(シラノール基)を覆い疎水性を向上させ、活性層成膜前に水を主成分とする不純物の付着を抑えることができる。 First, an organic thin film transistor was produced. FIG. 11 shows a structural schematic diagram of the organic thin film transistor fabricated. A highly doped n-type Si wafer with a SiO 2 thermal oxide film having a thickness of 190 nm (resistivity <0.02 Ωcm) was used as a gate insulating film and a gate electrode / substrate. The surface treatment of the gate insulating film was performed by HMDS (Hexamethyldisilazane) before forming the organic semiconductor layer. By this surface treatment, it is possible to cover the hydroxyl group (silanol group) attached to the substrate surface in the atmosphere to improve the hydrophobicity, and to suppress the adhesion of impurities mainly composed of water before forming the active layer.

HMDSによるゲート絶縁膜の表面処理には、蒸着分子の密着性を向上させ、結晶生成を促し、トランジスタを作製した際にはON/OFF比や移動度を向上させる作用がある。表面処理は浸漬法を用いて行った。窒素で満たされたグローブバック中で、洗浄後の基板を、トルエンを用いて10%に希釈したHMDS溶液中に2時間浸漬した。浸漬後は、基板をトルエンでリンスした後、基板表面に残ったHMDS分子を完全に取り除くためにアセトン中で10分間の超音波洗浄を行った。   The surface treatment of the gate insulating film by HMDS has the effect of improving the adhesion of deposited molecules, promoting crystal formation, and improving the ON / OFF ratio and mobility when a transistor is manufactured. The surface treatment was performed using an immersion method. The substrate after cleaning was immersed in a HMDS solution diluted to 10% with toluene in a glove bag filled with nitrogen for 2 hours. After the immersion, the substrate was rinsed with toluene, and then ultrasonic cleaning was performed in acetone for 10 minutes in order to completely remove HMDS molecules remaining on the substrate surface.

洗浄した基板を2枚のホルダにセットして蒸着チャンバーに入れ、真空度2.0×10−4(Pa)まで排気した後、蒸着セルを200℃に加熱させて十分に時間を置いた。その後、各成膜条件に合わせて、真空度が極端に悪くならないよう確認しながら目標成膜速度までセルを逐次的に加熱し、蒸着速度を十分に安定させ、直径10mmの範囲に約30nmの膜厚で成膜した。また、成膜中は膜厚の不均一性を無くすため、15rpmの速さで基板を回転させた。成膜後、基板と蒸着セルが昇華温度より十分に冷えたことを確認した後、基板を真空チャンバーから取り出し、金属電極作製用のホルダとNiマスクパターンに設置した。基板をセットし、1.0オングストローム/秒でAuを30nm真空蒸着し、ソース−ドレイン電極パターンを形成した。ソース−ドレイン電極は、チャネル長が100μm、チャネル幅が5mmである。 The cleaned substrate was set in two holders, placed in a vapor deposition chamber, evacuated to a vacuum degree of 2.0 × 10 −4 (Pa), and then the vapor deposition cell was heated to 200 ° C. to allow sufficient time. Thereafter, according to each film formation condition, the cell is sequentially heated to the target film formation speed while confirming that the degree of vacuum is not extremely deteriorated, and the vapor deposition speed is sufficiently stabilized. The film was formed with a film thickness. Further, during the film formation, the substrate was rotated at a speed of 15 rpm in order to eliminate the non-uniformity of the film thickness. After forming the film, it was confirmed that the substrate and the vapor deposition cell had cooled sufficiently from the sublimation temperature, and then the substrate was taken out of the vacuum chamber and placed on a metal electrode manufacturing holder and a Ni mask pattern. The substrate was set and Au was vacuum-deposited at 30 nm at 1.0 angstrom / second to form a source-drain electrode pattern. The source-drain electrode has a channel length of 100 μm and a channel width of 5 mm.

図12に、キャピラリ径と成膜速度を変化させて作製したペンタセン薄膜の表面高さ像を、原子間力顕微鏡(AFM)を用いて観察した結果を示す。AFM像は全て、探針と試料を間欠的に接触させながらスキャンするタッピングモードによって測定しており、スキャン範囲は5μm×5μmである。それぞれのAFM像の右上に示した値は、それぞれペンタセン薄膜を蒸着した際の成膜速度と、平均結晶ドメインサイズ(以下、単にドメインサイズと呼ぶ)を示している。   FIG. 12 shows the result of observing an image of the surface height of a pentacene thin film produced by changing the capillary diameter and the film formation rate using an atomic force microscope (AFM). All AFM images are measured by a tapping mode in which the probe and the sample are scanned while being in intermittent contact, and the scan range is 5 μm × 5 μm. The values shown in the upper right of each AFM image indicate the film formation rate and the average crystal domain size (hereinafter simply referred to as domain size) when the pentacene thin film is deposited.

ビーム状の放出分布となるような成長条件では、基板内で薄膜成長にムラが生じることが懸念されるが、最も分布が鋭くなるキャピラリ径0.25mm、成膜速度が“mid”の条件で成長した薄膜において、ピラミッド状のグレインが敷き詰められており、画像の範囲内において、ドメインサイズにムラはなく、均一な膜が成長していることが確認できた。また、成膜速度ごとの結晶生成の相関をみると、どの径においても成膜速度が上昇するほど、ドメインサイズが小さくなっていた。   Under the growth conditions that result in a beam-like emission distribution, there is a concern that thin film growth may be uneven in the substrate, but under the conditions where the capillary diameter becomes 0.25 mm and the film formation speed is “mid”, where the distribution is sharpest. In the grown thin film, pyramidal grains were spread, and it was confirmed that there was no uneven domain size and a uniform film was grown within the range of the image. Further, when looking at the correlation of crystal formation for each film formation rate, the domain size was smaller as the film formation rate increased at any diameter.

これに関して、気相成長の標準的なモデルであるBCF(Burton,Cabrera,Frank)モデルでは、蒸発分子が基板で結晶として成長するまでのプロセスについて、(a)蒸着分子の入射と蒸発、(b)表面拡散、(c)結晶核発生と成長の3段階に分けて考えると、不純物や凹凸のない基板を想定した場合、蒸着分子は原子スケールでのフラットな結晶面であるファセットや、微斜面上での結晶化するような層成長の状態となり、結晶核の発生も熱揺らぎを由来とした均一核形成によるものとなる。
最終的に成長した結晶同士が衝突して基板の蒸着範囲を覆うと、単位面積当たりに存在するグレインが多くなる。またそれに伴い、一つ一つの結晶グレイン、またドメインのサイズが小さくなる。よって、成膜速度が速くなるほど、ドメインサイズは小さくなる。
In this regard, in the BCF (Burton, Cabrera, Frank) model, which is a standard model of vapor phase growth, (a) incident and evaporation of vapor deposition molecules, (b) Considering a substrate with no impurities and unevenness, considering the three stages of surface diffusion, (c) crystal nucleus generation and growth, the deposited molecules are facets that are flat crystal planes on the atomic scale, and vicinal surfaces. The layer is grown as described above, and the generation of crystal nuclei is also due to the formation of uniform nuclei derived from thermal fluctuations.
When the finally grown crystals collide with each other and cover the deposition range of the substrate, more grains exist per unit area. Along with this, the size of each crystal grain and domain is reduced. Therefore, the domain size decreases as the deposition rate increases.

図13は、キャピラリ径と成膜速度変化によるOTFTの伝達特性の変化を示している。成膜速度が“high”の領域において、成膜速度が従来の真空蒸着法に対して30倍以上、最大で約42倍の速度でペンタセン薄膜を成膜しても、OTFTとして動作しており、移動度も0.174cm/Vsと比較的高い値が得られた。活性層膜厚30nmのこの素子において活性層成膜の所要時間は約10秒と非常に早く成膜できた。 FIG. 13 shows changes in the transfer characteristics of the OTFT due to changes in capillary diameter and film formation rate. In the region where the film formation rate is “high”, even if a pentacene thin film is formed at a rate of 30 times or more and about 42 times the maximum at the rate of conventional vacuum deposition, it operates as an OTFT. The mobility was also relatively high at 0.174 cm 2 / Vs. In this device having an active layer thickness of 30 nm, the time required for forming the active layer was very fast, about 10 seconds.

次に、キャピラリ径ごとの移動度と成膜速度の相関について説明する。図14は、キャピラリ径ごとの移動度およびドメインサイズと成膜速度の関係図を示している。図14に示されるように、キャピラリ径が大きいd=1.00 mm,0.50 mmでは、成膜速度を上げていくと移動度とドメインサイズが共に低下し、その傾向はキャピラリ径の小さい0.50mmの方が小さかった。また、最もキャピラリ径が小さいd=0.25 mmでは全般に移動度が低いものの、ドメインサイズが低下しているにもかかわらず、移動度がほとんど低下することなく、成膜速度“mid”においては微増した。   Next, the correlation between the mobility for each capillary diameter and the deposition rate will be described. FIG. 14 shows the relationship between the mobility and domain size for each capillary diameter and the deposition rate. As shown in FIG. 14, at d = 1.00 mm and 0.50 mm where the capillary diameter is large, both mobility and domain size decrease as the film formation rate is increased, and the tendency is that the capillary diameter is small. 0.50 mm was smaller. Moreover, although the mobility is generally low at d = 0.25 mm where the capillary diameter is the smallest, the mobility is hardly decreased and the film formation rate is “mid”, although the domain size is decreased. Increased slightly.

図15は、キャピラリ径ごとの成膜速度と移動度の関係図を示している。キャピラリ径0.25mmの時のみ、移動度が成膜速度に対して反比例しないことから、キャリア輸送障壁高さがドメインサイズとともに低下していることが推測される。また、キャピラリ径0.25mmの時のみ、高速分子線の状態でドメインサイズが減少したにもかかわらず、移動度が最大になっており、結晶配向性向上に伴い、ドメイン内部のキャリア移動度が向上していることが推測される。   FIG. 15 shows the relationship between the film forming speed and the mobility for each capillary diameter. Since the mobility is not inversely proportional to the deposition rate only when the capillary diameter is 0.25 mm, it is presumed that the carrier transport barrier height decreases with the domain size. Also, only when the capillary diameter is 0.25 mm, the mobility is maximized despite the decrease in the domain size in the state of the high-speed molecular beam, and the carrier mobility inside the domain increases with the improvement in crystal orientation. It is estimated that it has improved.

図16は、並行ビーム成分と移動度の関係を示している。図16に示すように、膜厚分布測定における並行ビーム成分Aと、その条件のときに作成されたOTFTの移動度を比較すると、キャピラリ径が小さくなるほど、成膜速度“low”(0.25,0.50,1.00の何れの径もグラフ上側)と成膜速度“mid”(並行ビーム状態)の差が小さく、全体的な変化が少ないといった結果になった。この結果から、本実施例の蒸着セルによる圧力勾配をもって射出された蒸着分子は、従来型セルによって蒸着されたものよりも高い運動エネルギーを持ってターゲット基板に到達したことで、基板温度を昇温することと同等の効果が得られ、より結晶性の高い結晶を生成した可能性があると言える。   FIG. 16 shows the relationship between parallel beam components and mobility. As shown in FIG. 16, when the parallel beam component A in the film thickness distribution measurement is compared with the mobility of the OTFT created under the conditions, the film formation rate “low” (0.25) is reduced as the capillary diameter is reduced. , 0.50, and 1.00 are on the upper side of the graph) and the film formation speed “mid” (parallel beam state) is small, and the overall change is small. From this result, the vapor deposition molecules injected with a pressure gradient by the vapor deposition cell of this example reached the target substrate with higher kinetic energy than that deposited by the conventional cell, thereby raising the substrate temperature. It can be said that there is a possibility that a crystal having higher crystallinity can be produced.

上述の実施例2では、基板を蒸着チャンバーに入れ、成膜中は膜厚の不均一性を無くすため、15rpmの速さで基板を回転させながら蒸着セルを加熱させ、蒸着速度を十分に安定させ、直径10mmの範囲に約30nmの膜厚で成膜した。
実施例3では、基板の回転を止めて、回転によって基板に間欠的に与えられていたフラックスを定常的に与えるようにし成膜し、また、蒸着セルと基板の間の距離を小さくしフラックスを増やして、高指向性条件で蒸着させて成膜した。すなわち、より高速分子線効果を大きくするような条件で成膜を行った。そして、実施例2と同様のサイズの有機薄膜トランジスタを作製し特性比較を行った。キャピラリの直径dが0.25mmの蒸着セルを用いて、実施例2における成膜速度“mid”と同じ条件で成膜を行った結果を示す。
In Example 2 described above, the substrate is placed in a vapor deposition chamber, and in order to eliminate film thickness non-uniformity during film formation, the vapor deposition cell is heated while rotating the substrate at a speed of 15 rpm, thereby sufficiently stabilizing the vapor deposition rate. Then, a film having a thickness of about 30 nm was formed in a range of 10 mm in diameter.
In Example 3, the rotation of the substrate is stopped, and the film that is intermittently applied to the substrate by the rotation is formed to form a film, and the distance between the deposition cell and the substrate is reduced to reduce the flux. The film was deposited and deposited under high directivity conditions. That is, the film was formed under conditions that would increase the high-speed molecular beam effect. And the organic thin-film transistor of the same size as Example 2 was produced, and the characteristic comparison was performed. The result of film formation under the same conditions as the film formation rate “mid” in Example 2 using a vapor deposition cell having a capillary diameter d of 0.25 mm is shown.

通常、成膜速度を低く、基板温度を高くするとドメインは大きく成長し、反対に、成膜速度を高く、基板温度を低くするとドメインは成長し難いと言う傾向がある。しかしながら、図17では、基板温度に差異がなく、実質的に成膜速度が高くなっている(実施例2と比較したとき、同じ成膜条件“mid”であっても、蒸着セルと基板の間の距離が近づいたことから、成膜速度が5.71オングストローム/秒となっており高くなっている)にも関わらず、ドメインサイズが低下しないといった結果が得られた。すなわち、並行ビーム化の傾向が大きかった径dが0.25mmに着目し、入射フラックスの大きい条件で蒸着すると、ドメインサイズが低下しなかったのである。ここで、ドメインサイズが低下しないということは、基板の加熱に近い効果と言える。   Usually, when the deposition rate is low and the substrate temperature is high, the domain grows greatly. Conversely, when the deposition rate is high and the substrate temperature is low, the domain tends to hardly grow. However, in FIG. 17, there is no difference in the substrate temperature, and the film formation rate is substantially high (when compared with Example 2, even if the same film formation condition “mid” is used, the deposition cell and the substrate As the distance between the two approaches, the film size becomes 5.71 angstroms / second, which is high), but the domain size does not decrease. That is, when focusing on the diameter d of 0.25 mm where the tendency to parallel beam formation was large and the deposition was performed under a condition with a large incident flux, the domain size did not decrease. Here, the fact that the domain size does not decrease can be said to be an effect close to the heating of the substrate.

図18は、作製したペンタセン薄膜の表面高さ像のAFM画像を示している。図19は、移動度およびドメインサイズと成膜速度の関係を、図20は、成膜速度と移動度の関係を示している。成膜されたもので薄膜トランジスタを作製すると、ほぼ同じようなドメインサイズの基板と比較して、また、実施例2と比較しても、移動度が大幅に向上するといった結果を得た。このことは、ドメインサイズの向上で移動度が向上するといった基板加熱による効果とは異なる傾向である。   FIG. 18 shows an AFM image of the surface height image of the produced pentacene thin film. FIG. 19 shows the relationship between mobility and domain size and the deposition rate, and FIG. 20 shows the relationship between deposition rate and mobility. When a thin film transistor was formed using a film-formed film, the mobility was significantly improved as compared with a substrate having substantially the same domain size as compared with Example 2. This tends to be different from the effect of heating the substrate in which the mobility is improved by increasing the domain size.

実施例4では、同一形状、同一サイズの複数のキャピラリ構造が一次元的に等間隔に配置された蒸着セルについて説明する。実施例3の蒸着セルは、産業的に大面積デバイスに適用するためを目的とする。
図21は、一次元的に配置されたマルチキャピラリ構造を備えた蒸着セルの構造図を示している。図17において、(1)は蒸着セルの上面、(2)は蒸着セルの長辺方向断面、(3)は蒸着セルの短辺方向断面を示している。同一形状、同一サイズの複数の円筒状のキャピラリ3が、1つの蒸着セル41の上面に5つ設けられている。キャピラリ3は成膜条件下での放出角度分布を考慮して等間隔に設計されている。このような条件においては、それぞれのキャピラリの放出角度分布が同じであることが保証されているため、蒸着範囲から離れた点にフラックスモニタリング用のキャピラリ3mを設置することで、単一のフラックスモニタで成膜量を観測できることになる。
Example 4 describes a deposition cell in which a plurality of capillary structures having the same shape and the same size are arranged one-dimensionally at equal intervals. The vapor deposition cell of Example 3 is intended to be applied industrially to a large area device.
FIG. 21 shows a structural diagram of a vapor deposition cell having a multi-capillary structure arranged one-dimensionally. In FIG. 17, (1) is the upper surface of the vapor deposition cell, (2) is the long side cross section of the vapor deposition cell, and (3) is the short side cross section of the vapor deposition cell. A plurality of cylindrical capillaries 3 having the same shape and the same size are provided on the upper surface of one vapor deposition cell 41. The capillaries 3 are designed at equal intervals in consideration of the emission angle distribution under the film forming conditions. Under such conditions, it is guaranteed that the discharge angle distribution of each capillary is the same. Therefore, by installing the capillary 3m for flux monitoring at a point away from the deposition range, a single flux monitor is provided. With this, the amount of film formation can be observed.

上述の通り、実施例2や実施例3の蒸着セルの場合、従来型セルでは達成できなかった高成膜速度で安定に蒸着することができた。ペンタセン分子を蒸着レート26.5オングストローム/秒という従来の25倍以上の速度で蒸着することに成功し、さらに成膜された薄膜を用いて作製した電界効果トランジスタの動作を確認し、成膜時の基板温度を昇温していないにもかかわらず、約0.2cm/Vsほどの実用的なキャリア移動度を確認できた。また、この作製条件において、例えば有機トランジスタの活性層成膜に必要な時間は、わずか7秒であった。
このような成膜速度は、従来型セルと基板の間の距離が長い装置をそのまま利用した場合の値であり、実施例3のように、多数のキャピラリを有する走査型の蒸着セルを基板により近接させて配置する場合、この数十倍の成膜速度とすることも可能であろう。
さらに、このような高い成膜速度では、単位時間あたりに基板に入射する分子線密度が高くなることから、相対的に成膜室内残留ガスを膜に取り込む割合が小さくなる。従って、従来よりも2桁程度低い真空度の装置で同等の不純物量の膜を成膜することが可能となり、装置コストを低減する効果が期待できる。
As described above, in the case of the vapor deposition cells of Example 2 and Example 3, it was possible to stably deposit at a high film formation rate that could not be achieved by the conventional cell. We succeeded in depositing pentacene molecules at a deposition rate of 26.5 angstroms / second, which is 25 times faster than the conventional rate, and confirmed the operation of the field effect transistor fabricated using the deposited thin film. In spite of the fact that the substrate temperature was not raised, a practical carrier mobility of about 0.2 cm 2 / Vs could be confirmed. Also, under this production condition, for example, the time required for forming the active layer of the organic transistor was only 7 seconds.
Such a film formation rate is a value when an apparatus having a long distance between the conventional cell and the substrate is used as it is. As in Example 3, a scanning deposition cell having a large number of capillaries is used on the substrate. In the case where they are arranged close to each other, it may be possible to increase the film forming speed by several tens of times.
Further, at such a high film formation rate, the molecular beam density incident on the substrate per unit time becomes high, so that the ratio of taking in the residual gas in the film formation chamber into the film is relatively small. Therefore, it is possible to form a film having an equivalent amount of impurities with an apparatus having a degree of vacuum that is about two orders of magnitude lower than the conventional one, and an effect of reducing the apparatus cost can be expected.

本発明は、有機ELディスプレイ、有機トランジスタ回路、有機太陽電池などの大面積有機半導体デバイスの作製などに有用である。   The present invention is useful for production of large area organic semiconductor devices such as organic EL displays, organic transistor circuits, and organic solar cells.

1,41 蒸着セル
2 上蓋
3 キャピラリ
4 蒸着材料
5 ドーム状ホルダ
6 膜厚センサ
7 ガラス基板
11 セル内壁
12 ヒータ
31 入射口
32 出射口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,41 Evaporation cell 2 Upper cover 3 Capillary 4 Evaporation material 5 Dome holder 6 Film thickness sensor 7 Glass substrate 11 Cell inner wall 12 Heater 31 Incident port 32 Ejection port

Claims (20)

材料を真空蒸着法によって基板上に薄膜を作製する方法において、
蒸着源となる蒸着セルには、少なくとも1つのキャピラリ構造の放出口が用いられ、
前記蒸着セル内が、前記キャピラリ内部に圧力勾配が生じる材料蒸気圧に調整されることを特徴とする薄膜作製方法。
In a method for producing a thin film on a substrate by a vacuum deposition method,
An evaporation cell serving as an evaporation source uses at least one capillary structure outlet,
A method for producing a thin film, characterized in that the inside of the vapor deposition cell is adjusted to a material vapor pressure that generates a pressure gradient inside the capillary.
前記キャピラリ内部に圧力勾配が生じる材料蒸気圧は、
前記キャピラリ内の入射側と出射側に圧力差があり、
蒸着させる前記材料が、前記入射側の粘性流状態から前記出射側の分子流状態に遷移する圧力勾配であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜作製方法。
The material vapor pressure that creates a pressure gradient inside the capillary is:
There is a pressure difference between the entrance side and the exit side in the capillary,
The thin film manufacturing method according to claim 1, wherein the material to be deposited is a pressure gradient that makes a transition from the viscous flow state on the incident side to the molecular flow state on the emission side.
前記蒸着セルにおいて、少なくとも前記蒸着セルの内壁と前記キャピラリの内壁に、熱伝導性材料が被覆されたことを特徴とする請求項1又は2に記載の薄膜作製方法。   The thin film production method according to claim 1 or 2, wherein in the vapor deposition cell, at least an inner wall of the vapor deposition cell and an inner wall of the capillary are coated with a heat conductive material. 前記熱伝導性材料が金属であり、
前記熱伝導性材料の表面には、前記材料に対して不活性なコート剤が被覆されたことを特徴とする請求項3に記載の薄膜作製方法。
The thermally conductive material is a metal;
The thin film manufacturing method according to claim 3, wherein the surface of the thermally conductive material is coated with a coating agent that is inert to the material.
前記キャピラリの内径に対する長さが2倍以上である請求項1〜4の何れかに記載の薄膜作製方法。   The method for producing a thin film according to claim 1, wherein the length of the capillary with respect to the inner diameter is twice or more. 前記キャピラリ内の空間は、少なくとも分子流状態となる部分が直線状であることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の薄膜作製方法。   6. The method for producing a thin film according to claim 1, wherein the space in the capillary has a linear shape at least in a molecular flow state. 前記キャピラリ内の空間形状は、円柱、楕円柱、多角柱、円錐台、楕円錐台、又は、多角錐台、若しくは、それらを組み合わせた形状であることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の薄膜作製方法。   The spatial shape in the capillary is a cylinder, an elliptical column, a polygonal column, a truncated cone, an elliptical truncated cone, a polygonal truncated cone, or a combination thereof. A thin film manufacturing method according to claim 1. 前記蒸着セルは、同一形状、同一サイズの複数の前記キャピラリ構造を備え、複数の前記キャピラリは、一次元的あるいは二次元的に等間隔に配置されたことを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の薄膜作製方法。   The vapor deposition cell includes a plurality of the capillary structures having the same shape and the same size, and the plurality of capillaries are arranged at equal intervals one-dimensionally or two-dimensionally. The thin film production method according to any one of the above. 同一形状、同一サイズの前記キャピラリ構造を有する複数の前記蒸着セルが、一次元的あるいは二次元的に等間隔に配置されたことを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の薄膜作製方法。   The thin film production according to any one of claims 1 to 7, wherein the plurality of vapor deposition cells having the same shape and the same size of the capillary structure are arranged one-dimensionally or two-dimensionally at equal intervals. Method. 前記キャピラリの中心間距離と、基板と前記キャピラリの放出口との距離と、前記材料蒸気圧による前記材料の放出角度分布とから、薄膜の膜厚分布が制御されることを特徴とする請求項8又は9に記載の薄膜作製方法。   The film thickness distribution of the thin film is controlled from the distance between the centers of the capillaries, the distance between the substrate and the discharge port of the capillary, and the discharge angle distribution of the material by the material vapor pressure. The thin film production method according to 8 or 9. 前記蒸着セル毎に、前記キャピラリ構造と同一形状、同一サイズのフラックスモニタリング用キャピラリが設けられたことを特徴とする請求項8又は9に記載の薄膜作製方法。   The thin film manufacturing method according to claim 8 or 9, wherein a flux monitoring capillary having the same shape and the same size as the capillary structure is provided for each vapor deposition cell. 材料を真空蒸着法によって基板上に薄膜を作製するために用いられる蒸着セルにおいて、
前記蒸着セルは、少なくとも1つのキャピラリ構造の放出口を備え、
前記キャピラリ内部に、入射側が粘性流状態、出射側が分子流状態となるような圧力勾配が生じる材料蒸気圧にセル内圧力が調整された場合に、ビーム状分子線を射出することを特徴とする蒸着セル。
In a deposition cell used to produce a thin film on a substrate by vacuum deposition of material,
The deposition cell comprises at least one capillary structure outlet;
A beam-like molecular beam is emitted when the pressure inside the cell is adjusted to a material vapor pressure in which a pressure gradient is generated so that the entrance side is in a viscous flow state and the exit side is in a molecular flow state inside the capillary. Deposition cell.
前記蒸着セルにおいて、少なくとも前記蒸着セルの内壁と前記キャピラリの内壁に、熱伝導性材料が被覆されたことを特徴とする請求項12に記載の蒸着セル。   The vapor deposition cell according to claim 12, wherein in the vapor deposition cell, at least an inner wall of the vapor deposition cell and an inner wall of the capillary are coated with a heat conductive material. 前記熱伝導性材料が金属であり、
前記熱伝導性材料の表面には、前記材料に対して不活性なコート剤が被覆されたことを特徴とする請求項13に記載の蒸着セル。
The thermally conductive material is a metal;
The deposition cell according to claim 13, wherein the surface of the thermally conductive material is coated with a coating agent that is inert to the material.
前記キャピラリの内径に対する長さが2倍以上である請求項12〜14の何れかに記載の蒸着セル。   The evaporation cell according to any one of claims 12 to 14, wherein a length of the capillary with respect to an inner diameter is twice or more. 前記キャピラリ内の空間は、少なくとも分子流状態となる部分が直線状であることを特徴とする請求項12〜15の何れかに記載の蒸着セル。   The vapor deposition cell according to any one of claims 12 to 15, wherein the space in the capillary has a linear shape at least in a molecular flow state. 前記キャピラリ内の空間形状は、円柱、楕円柱、多角柱、円錐台、楕円錐台、又は、多角錐台、若しくは、それらを組み合わせた形状であることを特徴とする請求項12〜15の何れかに記載の蒸着セル。   The space shape in the capillary is a cylinder, an elliptical cylinder, a polygonal cylinder, a truncated cone, an elliptical truncated cone, a polygonal truncated cone, or a combination thereof. A vapor deposition cell according to any one of the above. 材料を真空蒸着法によって基板上に薄膜を作製する装置において、
請求項12〜17の何れかの蒸着セルが、同一形状、同一サイズの複数の前記キャピラリ構造を備え、複数の前記キャピラリが一次元的あるいは二次元的に等間隔に配置されたことを特徴とする薄膜作製装置。
In an apparatus for producing a thin film on a substrate by a vacuum deposition method,
The vapor deposition cell according to any one of claims 12 to 17, comprising a plurality of the capillary structures having the same shape and the same size, wherein the plurality of capillaries are arranged one-dimensionally or two-dimensionally at equal intervals. Thin film manufacturing equipment.
材料を真空蒸着法によって基板上に薄膜を作製する装置において、
請求項12〜17の何れかの蒸着セルが、一次元的あるいは二次元的に等間隔に複数配置されたことを特徴とする薄膜作製装置。
In an apparatus for producing a thin film on a substrate by a vacuum deposition method,
A thin film production apparatus, wherein a plurality of vapor deposition cells according to any one of claims 12 to 17 are arranged one-dimensionally or two-dimensionally at equal intervals.
前記蒸着セル毎に、前記キャピラリ構造と同一形状、同一サイズのフラックスモニタリング用キャピラリが設けられたことを特徴とする請求項18又は19に記載の薄膜作製装置。

20. The thin film production apparatus according to claim 18, wherein a flux monitoring capillary having the same shape and the same size as the capillary structure is provided for each vapor deposition cell.

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