JP2024063338A - 蒸発源、成膜装置、及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜特性のバラツキを抑制可能な蒸発源、成膜装置、及び成膜方法を提供する。【解決手段】基板に対して相対的に移動しながら成膜する蒸発源３００であって、材料容器に収容された成膜材料Ｍが加熱されることで蒸発又は昇華した材料を噴出するノズル３３２と、ノズル３３２の外周を取り囲むように配される筒状部材３３３と、を備えることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、蒸発源、成膜装置、及び成膜方法に関する。

基板に薄膜を形成する成膜装置においては、蒸発源を移動させつつ複数のノズルから成膜材料を噴出させて成膜する技術が知られている。この技術によれば、大判の基板に対しても好適に薄膜を形成することができる。特許文献１では、複数の蒸着源ノズルに設けられて複数の蒸着源ノズルの外側の一部に突出リフレクタを配置し、複数のノズルの温度低下を抑制する技術が開示されている。

特開２０１２－１４６６５８号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、ノズルの温度低下を十分に抑制できず、ノズルの温度低下によりノズルに材料が堆積しやすくなり、その結果、成膜特性にバラツキが生じ得る。本発明の目的は、成膜特性のバラツキを抑制可能な蒸発源、成膜装置、及び成膜方法を提供する。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明の蒸発源は、
基板に対して相対的に移動しながら成膜する蒸発源であって、
材料容器に収容された成膜材料が加熱されることで蒸発又は昇華した材料を噴出するノズルと、
前記ノズルの外周を取り囲むように配される筒状部材と、
を備えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、成膜特性のバラツキを抑制することができる。

本発明の実施例に係る成膜装置の概略構成図である。 本発明の実施例に係る成膜装置の概略構成図である。 本発明の実施例に係る蒸発源の模式的断面図である。 本発明の実施例に係る蒸発源の模式的断面図である。 本発明の実施例に係る蒸発源の変形例の説明図である。 電子デバイスの製造方法の説明図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。以下の説明においては、蒸発源の移動方向を第１方向Ｘとし、
第１方向Ｘに交差する方向を第２方向Ｙとする。なお、各実施例において、より具体的には、第２方向Ｙは、第１方向Ｘに直交し、かつ、成膜する基板の成膜面に平行な方向である。

（実施例）
図１～図５を参照して、本発明の実施例に係る蒸発源と、この蒸発源を備える成膜装置、及び蒸発源を用いた成膜方法について説明する。

＜成膜装置＞
図１及び図２を参照して、本実施例に係る成膜装置１０について説明する。図１は本発明の実施例に係る成膜装置の概略構成図であり、正面側から見た構成を簡略的に示したものである。図２は本発明の実施例に係る成膜装置の概略構成図であり、上方から見た構成を簡略的に示したものである。なお、図１及び図２においては、主要な構成を透視して示している。

本実施例に係る成膜装置１０は、真空蒸着を行う蒸着装置である。成膜装置１０は、チャンバ１００と、チャンバ１００の内部を真空（減圧雰囲気）にするための真空ポンプ２００と、チャンバ１００の内部に配される蒸発源３００とを備えている。蒸発源３００は、チャンバ１００の内部に配された基板Ｓに蒸着させる成膜材料Ｍを加熱することで、当該材料を蒸発又は昇華させる役割を担っている。この蒸発源３００によって蒸発または昇華された材料が、基板Ｓに付着することで、基板Ｓに薄膜が形成される。

また、成膜装置１０は、蒸発源３００に電気や冷却液を供給するための大気ボックス４１０と、大気ボックス４１０の移動に伴って従動する第１大気アーム４２０及び第２大気アーム４３０とを備えている。大気ボックス４１０は、その内部が空洞により構成されており、第１大気アーム４２０及び第２大気アーム４３０の内部を通じて、チャンバ１００の外部と連通するように構成されている。そのため、大気ボックス４１０の内部は大気に曝された状態となっている。このような構成が採用されることで、チャンバ１００の外部に設けられた電源に接続される配線と、チャンバ１００の外部に設けられた冷却液供給装置に接続される冷却管を蒸発源３００に接続することができる。

第１大気アーム４２０及び第２大気アーム４３０は、移動する大気ボックス４１０の空洞内に、配線及び冷却管を配するために設けられている。すなわち、第１大気アーム４２０及び第２大気アーム４３０は、その内部が空洞により構成され、かつ、大気ボックス４１０の移動に追随して動作するように構成されている。より具体的には、第２大気アーム４３０は、その一端がチャンバ１００の底板に対して回動自在に構成されている。そして、第１大気アーム４２０は、その一端が第２大気アーム４３０の他端に対して回動自在に軸支され、その他端が大気ボックス４１０に対して回動自在に軸支されている。

また、成膜装置１０には、蒸発源３００を移動させる移動機構が設けられている。本実施例に係る移動機構は、一対のガイドレール５２０と、大気ボックス４１０を貫く回転軸の両側に設けられる一対のギア５１０と、回転軸を回転させるモータなどの駆動源（不図示）とを備えている。一対のガイドレール５２０には、一対のギア５１０とそれぞれ噛み合うラックが設けられている。以上の構成により、駆動源によって回転軸を回転させることで、一対のガイドレール５２０に沿って、大気ボックス４１０と共に蒸発源３００を往復移動させることができる。

以上のように、蒸発源３００は、一対のガイドレール５２０に案内されるように構成されており、第１方向Ｘに直線的に往復移動するように構成されている。そして、蒸発源３００を第１方向Ｘに移動させながら成膜材料Ｍを蒸発または昇華させることで、基板Ｓに
薄膜を形成することができる。なお、蒸発源３００の往路及び復路のうちの少なくともいずれか一方の移動中に成膜を行うことができる。このように、蒸発源３００が基板Ｓに対して相対的に移動しながら成膜が行われる。

以上のように、本実施例における移動機構においては、いわゆるラックアンドピニオン機構を採用する場合を示した。ただし、大気ボックス４１０及び蒸発源３００を往復移動させるための移動機構については、ラックアンドピニオン機構に限定されることはなく、ボールねじ機構など、各種公知技術を採用し得る。

また、本実施例に係る成膜装置１０においては、蒸発源３００における第２方向Ｙの両側に、基板Ｓに形成される膜の膜厚を測定するための膜厚モニタ６００がそれぞれ設けられている。膜厚モニタ６００は、膜厚モニタ６００に形成される膜の膜厚を測定してその膜厚を基に基板Ｓに形成される膜の膜厚を予測することにより、基板Ｓに形成される膜の膜厚を測定するものである。膜厚モニタ６００により測定される膜厚に基づいて、成膜量を制御する（例えば、蒸発源３００における成膜材料Ｍの加熱量を制御する）ことによって、基板Ｓに形成する薄膜の厚みを所望の厚みにすることができる。

＜蒸発源＞
図３及び図４を参照して、本発明の実施例に係る蒸発源３００について説明する。図３及び図４は本発明の実施例に係る蒸発源の模式的断面図である。図３は蒸発源３００を第２方向Ｙに垂直な面、かつノズル中心を通る面で切断した断面を簡略的に示した図であり、図４は蒸発源３００を第１方向Ｘに平行な面、かつノズル中心を通る面で切断した断面を簡略的に示した図である。なお、ノズルは多数設けられる（図１及び図２では１４個設けられる場合を示している）が、図４においては、便宜上、４個のノズルのみを示す図としている。

蒸発源３００は直方体状のケースを備えている。このケースは、底板部分と４方の側板部分とを有するケース本体３１１と、ケース本体３１１の上方の開口部の大部分を塞ぐ蓋部３１２とを有している。ケース本体３１１は、断熱機能を備えている。例えば、ケース本体３１１の内部に通路（流路）を形成しておき、この通路に冷却水などの冷却液を流すことで、断熱効果を発揮させることができる。

また、蒸発源３００は、ケース内に備えられる材料容器（坩堝）を備えている。この材料容器は、材料室３２１を形成する下部坩堝３２０と、拡散室３３１を形成する上部坩堝３３０とを備えている。上部坩堝３３０の上面には複数のノズル３３２が設けられている。下部坩堝３２０と上部坩堝３３０は、これらの間に、材料室３２１と拡散室３３１とを連通するための導入管３４１を有する中板３４０が挟み込まれた状態で、ボルトなどの固定具Ｂにより固定されている。材料室３２１は、成膜材料Ｍを収容するために用いられる室である。また、拡散室３３１は、材料室３２１に収容された成膜材料が加熱されることで蒸発又は昇華した材料を複数のノズル３３２に至る前に拡散させて圧力分布を整え、複数のノズル３３２への流入量を調整するための室である。材料室３２１の室内で蒸発又は昇華した材料は、導入管３４１により、拡散室３３１の室内に導かれて拡散され複数のノズル３３２からチャンバ１００内に噴出される。以上のように構成される材料容器は、支持部材３５０により支持されることで、ケース内において位置決めされた状態でケースに固定される。

また、蒸発源３００においては、下部坩堝３２０を加熱するための第１ヒーター３６１と、上部坩堝３３０を加熱するための第２ヒーター３６２とを備えている。なお、第１ヒーター３６１は、下部坩堝３２０の外壁面とケース本体３１１の内壁面との間に設けられ、第２ヒーター３６２は、上部坩堝３３０の外壁面とケース本体３１１の内壁面との間に
設けられている。なお、特に図示はしないが、紙面手前側と奥側にも第１ヒーター３６１及び第２ヒーター３６２が設けられている。すなわち、これら第１ヒーター３６１と第２ヒーター３６２は、下部坩堝３２０と上部坩堝３３０の外壁面をそれぞれ取り囲むように設けられている。第１ヒーター３６１及び第２ヒーター３６２としては、シースヒータなど、通電により発熱する部材を好適に適用できる。第１ヒーター３６１によって、下部坩堝３２０に収容された成膜材料Ｍが加熱されて蒸発又は昇華する。また、第２ヒーター３６２によって、上部坩堝３３０の拡散室３３１において、蒸発又は昇華した材料が凝固してしまうことを抑制することができる。

更に、蒸発源３００においては、ケース本体３１１の底面と材料容器との間、蓋部３１２の下面と材料容器との間、第１ヒーター３６１と第２ヒーター３６２との間、及びケース本体３１１の内壁面と材料容器との間に、それぞれリフレクタ３７１，３７２，３７３，３７４が設けられている。これらのリフレクタ３７１，３７２，３７３，３７４により、第１ヒーター３６１及び第２ヒーター３６２からの熱がケースに伝わることを抑制できるため、材料室３２１及び拡散室３３１を効率的に加熱することができ、かつケースの外部に熱が逃げることを抑制することができる。なお、リフレクタは、ケース本体３１１と各種部材との間に、複数枚並べて配置する構成を採用することで、加熱効率をより一層高めることができる。

＜ノズル付近の詳細＞
ノズル３３２の付近の詳細構成について説明する。本実施例に係る蒸発源３００においては、複数のノズル３３２の外周をそれぞれ取り囲むように配される複数の筒状部材３３３を備えている。図４においては、断面図の上部に、ノズル３３２の付近を上方から見た平面図の一部を示している。この図に示すように、本実施例においては、筒状部材３３３は円筒形状であるが、筒状であれば、その形状が限定されることはない。これら複数の筒状部材３３３は材料容器（より具体的には、上部坩堝３３０）に固定されることで、材料容器に一体的に設けられている。なお、蓋部３１２のうち、複数のノズル３３２及び筒状部材３３３が設けられる位置には、それぞれ貫通孔３１２ａが設けられている。これにより、ノズル３３２及び筒状部材３３３は、貫通孔３１２ａを通って、これらの先端が蓋部３１２の上面よりも上方に突出するように構成されている。

また、図５（ａ）（ｂ）に示すように、蓋部３１２の下面と材料容器との間に配されるリフレクタ３７２に、筒状部材３３３の外壁面に対向するように上方に向かって突出する突出部３７２ａを設ける構成を採用することもできる。この図示の例では、突出部３７２ａは筒状部材３３３を取り囲むように配される構成が採用されている。より具体的には、突出部３７２ａの形状は円筒形状である。ただし、突出部３７２ａは断熱機能が発揮されればよく、必ずしも、筒状部材３３３を取り囲む必要はない。また、図５（ａ）（ｂ）に示す例では、突出部３７２ａは一つの筒状部材３３３を取り囲むように構成されている。ただし、隣り合うノズル３３２及び筒状部材３３３の間隔が狭い場合には、一つの突出部３７２ａによって、複数の筒状部材３３３を取り囲む構成を採用することもできる。図５（ｃ）では、一つの突出部３７２ａによって、２つの筒状部材３３３を取り囲む構成を示しているが、一つの突出部３７２ａによって、３つ以上の筒状部材３３３を取り囲む構成を採用することもできる。

＜電子デバイスの製造方法＞
次に、本実施例に係る蒸発源、成膜装置、及び成膜方法を用いた電子デバイスの製造方法の一例を説明する。以下、電子デバイスの例として有機ＥＬ表示装置の構成を示し、有機ＥＬ表示装置の製造方法を例示する。

まず、製造する有機ＥＬ表示装置について説明する。図６（ａ）は有機ＥＬ表示装置１
５０の全体図、図６（ｂ）は１画素の断面構造を表している。

図６（ａ）に示すように、有機ＥＬ表示装置１５０の表示領域１５１には、発光素子を複数備える画素１５２がマトリクス状に複数配置されている。詳細は後で説明するが、発光素子のそれぞれは、一対の電極に挟まれた有機層を備えた構造を有している。なお、ここでいう画素とは、表示領域１５１において所望の色の表示を可能とする最小単位を指している。本実施例に係る有機ＥＬ表示装置の場合、互いに異なる発光を示す第１発光素子１５２Ｒ、第２発光素子１５２Ｇ、第３発光素子１５２Ｂの組み合わせにより画素１５２が構成されている。画素１５２は、赤色発光素子と緑色発光素子と青色発光素子の組み合わせで構成されることが多いが、黄色発光素子とシアン発光素子と白色発光素子の組み合わせでもよく、少なくとも１色以上であれば特に制限されるものではない。

図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ－Ｂ線における部分断面模式図である。画素１５２は、複数の発光素子からなり、各発光素子は、基板１５３上に、第１電極（陽極）１５４と、正孔輸送層１５５と、発光層１５６Ｒ、１５６Ｇ、１５６Ｂのいずれかと、電子輸送層１５７と、第２電極（陰極）１５８と、を有している。これらのうち、正孔輸送層１５５、発光層１５６Ｒ、１５６Ｇ、１５６Ｂ、電子輸送層１５７が有機層に当たる。また、本実施例では、発光層１５６Ｒは赤色を発する有機ＥＬ層、発光層１５６Ｇは緑色を発する有機ＥＬ層、発光層１５６Ｂは青色を発する有機ＥＬ層である。発光層１５６Ｒ、１５６Ｇ、１５６Ｂは、それぞれ赤色、緑色、青色を発する発光素子（有機ＥＬ素子と記述する場合もある）に対応するパターンに形成されている。また、第１電極１５４は、発光素子毎に分離して形成されている。正孔輸送層１５５と電子輸送層１５７と第２電極１５８は、複数の発光素子１５２Ｒ、１５２Ｇ、１５２Ｂで共通に形成されていてもよいし、発光素子毎に形成されていてもよい。なお、第１電極１５４と第２電極１５８とが異物によってショートするのを防ぐために、第１電極１５４間に絶縁層１５９が設けられている。さらに、有機ＥＬ層は水分や酸素によって劣化するため、水分や酸素から有機ＥＬ素子を保護するための保護層１４０が設けられている。

図６（ｂ）では正孔輸送層１５５や電子輸送層１５７は一つの層で示されているが、有機ＥＬ表示素子の構造によっては、正孔ブロック層や電子ブロック層を備える複数の層で形成されてもよい。また、第１電極１５４と正孔輸送層１５５との間には第１電極１５４から正孔輸送層１５５への正孔の注入が円滑に行われるようにすることのできるエネルギーバンド構造を有する正孔注入層を形成することもできる。同様に、第２電極１５８と電子輸送層１５７の間にも電子注入層が形成することもできる。

次に、有機ＥＬ表示装置の製造方法の例について具体的に説明する。

まず、有機ＥＬ表示装置を駆動するための回路（不図示）及び第１電極１５４が形成された基板１５３を準備する。

第１電極１５４が形成された基板１５３の上にアクリル樹脂をスピンコートで形成し、アクリル樹脂をリソグラフィ法により、第１電極１５４が形成された部分に開口が形成されるようにパターニングし絶縁層１５９を形成する。この開口部が、発光素子が実際に発光する発光領域に相当する。

絶縁層１５９がパターニングされた基板１５３を第１の有機材料成膜装置に搬入し、基板支持台及び静電チャックにて基板を保持し、正孔輸送層１５５を、表示領域の第１電極１５４の上に共通する層として成膜する。正孔輸送層１５５は真空蒸着により成膜される。実際には正孔輸送層１５５は表示領域１５１よりも大きなサイズに形成されるため、高精細なマスクは不要である。

次に、正孔輸送層１５５までが形成された基板１５３を第２の有機材料成膜装置に搬入し、基板支持台及び静電チャックで保持する。基板とマスクとのアライメントを行い、基板をマスクの上に載置し、基板１５３の赤色を発する素子を配置する部分に、赤色を発する発光層１５６Ｒを成膜する。

発光層１５６Ｒの成膜と同様に、第３の有機材料成膜装置により緑色を発する発光層１５６Ｇを成膜し、さらに第４の有機材料成膜装置により青色を発する発光層１５６Ｂを成膜する。発光層１５６Ｒ、１５６Ｇ、１５６Ｂの成膜が完了した後、第５の成膜装置により表示領域１５１の全体に電子輸送層１５７を成膜する。電子輸送層１５７は、３色の発光層１５６Ｒ、１５６Ｇ、１５６Ｂに共通の層として形成される。

電子輸送層１５７まで形成された基板を金属性蒸着材料成膜装置で移動させて第２電極１５８を成膜する。

その後プラズマＣＶＤ装置に移動して保護層１４０を成膜して、有機ＥＬ表示装置１５０が完成する。

絶縁層１５９がパターニングされた基板１５３を成膜装置に搬入してから保護層１４０の成膜が完了するまでは、水分や酸素を含む雰囲気にさらしてしまうと、有機ＥＬ材料からなる発光層が水分や酸素によって劣化してしまうおそれがある。従って、本実施例において、成膜装置間の基板の搬入搬出は、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気の下で行われる。

＜本実施例に係る蒸発源、成膜装置、及び成膜方法の優れた点＞
本実施例に係る蒸発源３００においては、複数のノズル３３２の外周をそれぞれ取り囲むように配される複数の筒状部材３３３を備えている。これにより、ノズル３３２の温度低下を抑制し成膜特性のバラツキを抑制することができる。特に、ノズル３３２の先端の温度低下が抑制されるため、ノズル３３２の先端に材料が堆積することを抑制することができる。また、複数のノズル３３２のうち、温度が低下し易い端部付近のノズル３３２においても温度低下が抑制されることで、それぞれのノズル３３２の温度のバラツキを抑制することができる。従って、成膜する基板Ｓの大判化に伴って、蒸発源３００の長手方向の長さを長くする必要が生じても、成膜特性のバラツキを抑制することができる。

例えば、Ｘ方向の幅が１，３１０ｍｍ、Ｙ方向の幅が２，２９０ｍｍｍの大判の基板Ｓの場合、蒸発源３００のサイズは、Ｘ方向の幅Ｗ１が８５０ｍｍ程度、Ｙ方向の幅Ｗ２が２，６００ｍｍ程度となる。このような大サイズの蒸発源３００であっても、Ｙ方向の端部付近のノズル３３２の温度の低下を抑制することができ、成膜特性のバラツキを抑制することができる。なお、第１ヒーター３６１に５００Ｗの電力を供給し、第２ヒーター３６２に６００Ｗの電力を供給して加熱した際に、筒状部材３３３を備えていない蒸発源と、筒状部材３３３を備える蒸発源３００で、複数のノズル３３２における最高温度と最低温度を比較する実験を行った。その結果、前者が温度差５２℃であったのに対して、後者は温度差３７℃であった。このように、本実施例に係る蒸発源３００により、複数のノズル３３２の温度差を抑制できることを確認することができた。

また、図５を参照して説明した通り、リフレクタ３７２に筒状部材３３３の外壁面に対向するように上方に向かって突出する突出部３７２ａを設ける構成を採用することで、ノズル３３２の温度低下をより一層抑制することができる。

なお、図４及び図５においては、ノズル３３２が鉛直方向に真っすぐに伸びる構成を示
したが、ノズル３３２の伸びる方向は限定されない。例えば、複数のノズル３３２のうち、外側のノズル３３２が鉛直方向に対して外側に傾くように設けられる構成を採用することもできる。この場合には、筒状部材３３３や突出部３７２ａについても、鉛直方向に対して外側に傾くように構成すると好適である（図１参照）。

１０：成膜装置 １００：チャンバ ２００：真空ポンプ ３００：蒸発源 ３１１：ケース本体 ３１２：蓋部 ３１２ａ：貫通孔 ３２０：下部坩堝 ３２１：材料室 ３３０：上部坩堝 ３３１：拡散室 ３３２：ノズル ３３３：筒状部材 ３４０：中板 ３４１：導入管 ３５０：支持部材 ３６１：第１ヒーター ３６２：第２ヒーター ３７１，３７２，３７３，３７４：リフレクタ ３７２ａ：突出部 ４１０：大気ボックス
４２０：第１大気アーム ４３０：第２大気アーム ５１０：ギア ５２０：ガイドレール ６００：膜厚モニタ Ｂ：固定具 Ｍ：成膜材料 Ｓ：基板

Claims (8)

1. 基板に対して相対的に移動しながら成膜する蒸発源であって、
   材料容器に収容された成膜材料が加熱されることで蒸発又は昇華した材料を噴出するノズルと、
   前記ノズルの外周を取り囲むように配される筒状部材と、
   を備えることを特徴とする蒸発源。
2. 基板に対して相対的に移動しながら成膜する蒸発源であって、
   材料容器に収容された成膜材料が加熱されることで蒸発又は昇華した材料を噴出する複数のノズルと、
   前記複数のノズルの外周をそれぞれ取り囲むように配される複数の筒状部材と、
   を備えることを特徴とする蒸発源。
3. 前記筒状部材は前記材料容器に一体的に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の蒸発源。
4. 前記材料容器を収容するケースと、
   前記ケースと前記材料容器との間に配されるリフレクタと、
   を備え、
   前記リフレクタは、前記筒状部材の外壁面に対向するように上方に向かって突出する突出部を有することを特徴とする請求項３に記載の蒸発源。
5. 前記突出部は前記筒状部材を取り囲むように配されることを特徴とする請求項４に記載の蒸発源。
6. 前記材料容器は、
   前記成膜材料を収容する材料室と、
   前記材料室と連通し、前記材料室に収容された成膜材料が加熱されることで蒸発又は昇華した材料を拡散する拡散室と、
   を有し、
   前記ノズルは前記拡散室の上面に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の蒸発源。
7. チャンバと、
   前記チャンバ内に配される請求項１または２に記載の蒸発源と、
   前記蒸発源を移動させる移動機構と、
   を備えることを特徴とする成膜装置。
8. 請求項１または２に記載の蒸発源を移動させる工程と、
   前記蒸発源を移動させながら前記蒸発源によって蒸発又は昇華した材料を噴出させる工程と、
   を有することを特徴とする成膜方法。

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