JP3741842B2

JP3741842B2 - 真空蒸着装置、及び薄膜形成方法

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Publication number: JP3741842B2
Application number: JP30340597A
Authority: JP
Inventors: 敏夫根岸; 直樹長嶋
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1997-10-17
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2017-10-17
Also published as: JPH11124667A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜を形成する技術にかかり、特に、ドーバントを少量含有する有機薄膜や、蒸発の微量制御による薄膜を形成できる真空蒸着装置、及び薄膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有機化合物と無機化合物とを比べた場合、有機化合物の方が反応系や特性が多様であり、また、低エネルギーで表面処理できることから、機能性有機薄膜が着目されている。
【０００３】
機能性有機薄膜を利用するものには、有機ＥＬ素子、圧電センサ、焦電センサ、電気絶縁膜等、種々のものがあるが、これらのうち、有機ＥＬ素子はディスプレイパネルとして利用できることから近年非常に注目されている。
【０００４】
図４の符号ａに示したものは有機ＥＬ素子の概略構成図であり、ガラス基板ｂ上に、透明導電膜から成るアノード電極膜ｃ、Ｐ型の有機薄膜ｄ、Ｎ型の有機薄膜ｅ、カソード電極膜ｆがこの順で形成されている。この有機ＥＬ素子ａのアノード電極膜ｃとカソード電極膜ｆとの間に電圧を印加すると、有機薄膜ｄ、ｅの界面が発光し、ガラス基板ｂを透過したＥＬ光ｇが外部に放射される。
【０００５】
上述した有機薄膜ｄ、ｅを形成するためには、一般に、金属薄膜を形成する場合と同様に、真空蒸着装置が用いられている。従来技術の真空蒸着装置を図５の符号１５０に示すと、この真空蒸着装置１５０は真空槽１５１を有しており、該真空槽１５１内の天井側には基板ホルダ１５２が配置され、底壁側には蒸着源１４０が配置されている。
蒸着源１４０内には、有機薄膜の材料である粉体状の有機化合物１４１が納められており、その周囲はヒータ１４２が配置されている。
【０００６】
有機薄膜を形成する場合、先ず、真空槽１５１内を真空雰囲気にし、基板１５３を搬入し、基板ホルダ１５２表面に保持させる。次いで、真空槽１５１内を真空排気しながら基板ホルダ１５２内のヒータ１５９に通電し、基板１５３を昇温させる。それとと共に、ヒータ１４２に通電し、有機化合物１４１を加熱、昇温させる。
【０００７】
有機化合物１４１が昇温し、有機化合物１４１の蒸気が安定に放出される温度に達したところで、蒸着源１４０上に配置されたシャッタ１５５を開け、有機化合物１４１の蒸気を真空槽１５１内に放出させる。
【０００８】
蒸着源１４０の上方には、水晶振動子から成る蒸気量検出手段１５６が設けられており、シャッタ１５５が開けられると、蒸気量検出手段１５６表面に有機化合物１４１の蒸気が付着し始める。
蒸気量検出手段１５６の周波数は、有機化合物蒸気の付着量によって変化するので、その周波数変化を検出することにより、蒸気放出量を求めることができる。
【０００９】
単位時間当たりの蒸気放出量が安定したところで、基板ホルダ１５２側に設けられたシャッタ１５７を開け、基板１５３表面に有機化合物１４１の蒸気を付着させると重合反応が開始され、有機薄膜が形成され始める。
【００１０】
上述のように、有機薄膜を形成する場合にも、金属薄膜を形成する場合と同様に、蒸着材料を加熱して蒸気を発生させているが、金属薄膜材料である金属の蒸気発生温度は６００℃〜２０００℃程度と高温であるのに対し、有機薄膜の材料である有機化合物は蒸気圧が高いため、蒸気発生温度は０℃(場合によっては零下)〜４００℃と低温である。従って、金属の場合には、微小な温度変動があっても蒸気放出量はほぼ一定であるのに対し、有機化合物の場合は、僅かな温度変化によって蒸気放出量が大きく変動してしまう。
【００１１】
そこで従来技術の蒸着装置１５０でも対策が採られており、蒸着源１４０内に熱電対を配置し、有機化合物１４１の温度測定を行ってヒータ１４２への通電量を制御し、有機化合物１４１が一定温度を維持するようにしていた。
【００１２】
ところで、近年のＥＬ素子では、表示装置のカラー化のために、微量のドーパントを含んだ有機薄膜が求められている。この場合、有機薄膜中に含ませるドーバントも有機化合物であるため、同じ真空槽内に複数の蒸着源を設け、有機薄膜の母材となる有機化合物と、ドーパントとなる有機化合物とを異なる蒸着源内に配置し、各蒸着源をそれぞれ所定温度に加熱して一緒に蒸気を放出させ、母材の有機化合物蒸気とドーバントの有機化合物蒸気とを基板表面に一定割合で付着させ、所望組成の有機薄膜を得るようにしている。
【００１３】
上記のような有機薄膜は、含有するドーパントは微量であり、母材となる有機化合物量に比べると０．２％〜２．０％程度であるため、蒸着源間の蒸気放出量の変化が、有機薄膜中のドーバント含有率に大きく影響を与えてしまう。従って、従来より、各蒸着源は精密に温度制御され、安定に蒸気が放出されるようにしていた。
【００１４】
しかしながら、精密な温度制御により、母材の有機化合物温度とドーパントの有機化合物温度とを所定温度に維持しても、得られる有機薄膜の特性が安定せず、その原因の究明と対策が望まれている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、微量のドーパントを含有する有機薄膜や、蒸発の微量制御によって形成され薄膜を安定に得られる技術を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、有機ＥＬ素子の有機膜を成膜する真空蒸着装置であって、真空槽と、第一加熱手段を有し、母材となる有機材料を蒸発させる第一蒸着源と、第二加熱手段を有し、ドーパントの有機材料を蒸発させる第二蒸着源と、前記第一蒸着源からの前記母材の蒸気の放出量を検出する第一蒸気量検出手段と、前記第二蒸着源からの前記ドーパントの蒸気の放出量を検出する第二蒸気量検出手段と、単位時間当たりの前記母材の蒸気の放出量から前記第一加熱手段の発熱量を制御して前記母材の蒸気放出量を安定させる第一発熱手段と、単位時間当たりの前記ドーパントの蒸気の放出量から前記第二加熱手段の発熱量を制御して前記ドーパントの蒸気の放出量を安定させる第二発熱手段とを有し、前記ドーパントの蒸気の放出量は前記母材の蒸気の放出量の０．２％〜２．０％に設定された真空蒸着装置である。
【００１７】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の真空蒸着装置であって、第一蒸着源の温度を測定する第一温度測定手段を有し、前記発熱制御手段は、前記第一温度測定手段が第一設定温度より高い温度を検知した場合、前記第一加熱手段の加熱を停止させるように構成された真空蒸着装置である。
【００１８】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の真空蒸着装置であって、第二蒸着源の温度を測定する第二温度測定手段を有し、前記発熱制御手段は、前記第二温度測定手段が第二設定温度より高い温度を検知した場合、前記第二加熱手段の加熱を停止させるように構成された真空蒸着装置である。
【００１９】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の真空蒸着装置であって、前記第一蒸着源および前記第二蒸着源と、前記第一蒸気量検出手段および前記第二蒸気量検出手段との間に設置される、第一シャッタ機構と、成膜される基板と、前記第一蒸着源および前記第二蒸着源との間で、前記第一蒸気量検出手段および前記第二蒸気量検出手段よりも前記基板側に設置される第二シャッタ機構とを有する真空蒸着装置である。
【００２０】
請求項５記載の発明は、第一、第二加熱手段をそれぞれ有する第一、第二蒸着源内に、それぞれ母材とドーパントを配置し、前記母材の蒸気に対して前記ドーパントの蒸気を、０．２％〜２．０％の割合で放出させて薄膜を形成する有機ＥＬ素子の薄膜形成方法であって、前記母材蒸気と前記ドーパント蒸気の単位時間当たりの放出量から、前記第一、第二加熱手段の発熱量を個別に制御し、前記母材と前記ドーパントの蒸気放出量をそれぞれ安定させる有機ＥＬの薄膜形成方法である。
請求項６記載の発明は、蒸着源内に配置された蒸着材料を加熱し、蒸着材料蒸気を真空槽内に放出させ、基板表面に付着させて薄膜を形成する薄膜形成方法であって、前記蒸着材料蒸気の放出量を測定し、前記放出量が一定になるように、前記蒸着材料の加熱状態を制御し、前記蒸着材料の温度を測定し、所定の上限温度以上になると前記蒸着材料の加熱を停止させることを特徴とする薄膜形成方法である。
請求項７記載の発明は、複数の蒸着源から前記真空槽内に蒸着材料蒸気を放出させる請求項６に記載の薄膜形成方法であって、蒸着材料蒸気の放出量の測定と、蒸着材料の加熱状態の制御とを、前記各蒸着源毎に個別に行うことを特徴とする薄膜形成方法である。
【００２１】
上述した本発明の構成によれば、真空蒸着装置の真空槽内に、有機化合物等の蒸着材料を配置できる蒸着源が設けられており、その蒸着源内には、発熱し、配置された蒸着材料を加熱する加熱手段が設けられている。この場合、真空槽内に配置された蒸着源内の蒸着材料を加熱し、真空槽内にその蒸気を放出させると、蒸着材料蒸気が基板に付着し、薄膜が形成される。蒸着材料が有機化合物である場合は、基板表面に有機薄膜を形成することができる。
【００２２】
本発明の発明者等が、上記のような真空蒸着装置を用い、ドーパントを微小量含有する有機薄膜を形成した場合、その特性が安定しない原因を研究したところ、有機薄膜中に含有されたドーパントが不均一であることを見出した。
【００２３】
その原因は、従来技術の真空蒸着装置では、熱電対によって測定した蒸着源るつぼの発熱量を制御しているため、るつぼの測定温度を一定にすると、蒸着材料に投入される電力が減少し、蒸発放出速度が時間の経過とともに小さくなっていくためであることが分かった。
【００２４】
そこで本発明の真空蒸着装置では、蒸気量検出手段と発熱量制御手段とを設け、蒸着源から放出される有機化合物等の蒸着材料蒸気の放出量を蒸気量検出手段によって検出しており、発熱量制御手段は、検出された蒸気放出量から蒸気放出速度を求め、加熱手段の発熱量を制御している。この場合、例えば、単位時間当たりの蒸気放出量が大きいときは加熱手段の発熱量を減少させ、小さいときは発熱量を増加させることで、図３に示すように、熱電対による有機化合物の測定温度Ｌ₁は上昇するのに対し、蒸気放出速度Ｌ₂を一定値、即ち、成膜速度を一定値にすることができる。
【００２５】
特に、真空槽内に母材となる有機化合物が配置された蒸着源や、ドーパントとなる有機化合物が配置された蒸着源のように、異なる有機化合物が配置された複数の蒸着源が設けられており、各蒸着源内から一緒に有機化合物蒸気を放出させる場合には、各蒸着源から放出される有機化合物の蒸気放出量をそれぞれ測定し、加熱手段の発熱量を個別に制御し、各蒸気の放出量が一定になるようにすると、微小量のドーバントを均一に含有する有機薄膜を得ることが可能となる。
【００２６】
但し、有機化合物の分解温度と蒸気放出温度は近接しているため、有機化合物が過加熱された場合には容易に分解し、有機薄膜が不良品となってしまう。そこで本発明では、蒸気放出速度とともに、各蒸着源内の有機化合物(実際には容器)の温度を測定し、有機化合物が分解する危険性がある上限温度以上になった場合に発熱を停止させており、有機化合物が分解しないようにしている。
【００２７】
発熱を停止した後は温度制御を行い、有機化合物の温度が低下し、正常な温度に戻った後は、再び蒸気放出量を測定し、蒸気放出速度が一定になるように発熱量を制御している。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明を図面を参照しながら説明する。
図１の符号１０は、本発明の真空蒸着装置の一例を示している。この真空蒸着装置１０は、真空槽１１と、その真空槽１１外に配置された発熱量制御手段３とを有しており、該発熱量制御手段３内には、温度測定器７₁、７₂と、出力装置５と、膜厚測定器６₁、６₂とが設けられている。
【００２９】
真空槽１１内の天井側には、基板ホルダ１２が設けられており、底壁側には二個の蒸着源４０₁、４０₂が設けられている。また、側壁には、水晶振動子で構成された膜厚検出手段１６₁、１６₂が設けられている。
【００３０】
各蒸着源４０₁、４０₂は、図２に示すように、金属製の筺体４５と、カーボングラファイト製の容器４６とを有しており、容器４６は、筺体４５内に配置されている。
【００３１】
容器４６は、粉体状の有機化合物４１を配置できるように構成されており、容器４６の周囲には、ヒータから成る加熱手段４２が巻回されている。加熱手段４２は、電源を有する出力装置５に接続されており、出力装置５からの通電によって発熱し、容器４６を加熱できるように構成されている。容器４６が加熱された場合には、内部に配置された有機化合物４１は、容器４６の壁面からの熱伝導によって加熱され、昇温する。
【００３２】
有機化合物４１として、一方の蒸着源４０₁の容器４６内には、母材となる有機化合物４１₁が配置されており、他方の蒸着源４０₂の容器４６内には、ドーパントとなる有機化合物４１₂が配置されている。
【００３３】
この蒸着源４０₁、４０₂では、各有機化合物４１₁、４１₂の温度測定用に、各蒸着源４０₁、４０₂内の容器４６の底面に、熱電対４８がそれぞれ取り付けられている。
【００３４】
各熱電対４８は、二個の温度測定器７₁、７₂にそれぞれ接続され、各温度測定器７₁、７₂は、出力装置５に接続されており、各温度測定器７₁、７₂は熱電対４８からの入力によって有機化合物４１₁、４１₂のるつぼの温度をそれぞれ測定し、その結果を出力装置５に出力するように構成されている。
【００３５】
このように構成された真空蒸着装置１０を用い、ドーバントを微小量含有する有機薄膜を形成する方法を説明する。
先ず、図示しない真空排気系によって真空槽１１内を真空排気した後、基板１３を搬入し、基板ホルダ１２に保持させる。
【００３６】
その後、真空排気を行いながら出力装置５を動作させ、蒸着源４０₁、４０₂内の加熱手段４２に通電する。このとき、出力装置５には、温度測定器７₁、７₂から有機化合物４１₁、４１₂のるつぼの温度が個別に入力されており、出力装置５は、各有機化合物４１₁、４１₂の温度を監視しながら加熱手段４２への通電量を制御し、各有機化合物４１₁、４１₂を所定の昇温速度で温度上昇させる。
【００３７】
蒸着源４０₁、４０₂の上方には、シャッタ１５₁、１５₂が配置されており、真空中での有機蒸化合物４１₁、４１₂の前処理を行った後、シャッタ１５₁、１５₂を開ける。その後、有機化合物４１₁、４１₂を蒸着に必要な所定の蒸気放出温度まで加熱すると、有機化合物４１₁、４１₂の蒸気が真空槽１１内に一緒に放出される。
【００３８】
蒸気量検出手段１６₁、１６₂は、シャッタ１５₁、１５₂上方の蒸着源４０₁、４０₂に近い位置に配置されており、真空槽１１内に放出された有機化合物４１₁、４１₂の蒸気は、蒸気量検出手段１６₁、１６₂にそれぞれ到達し、表面に付着すると、蒸気量検出手段１６₁、１６₂表面に有機薄膜が形成され始める。
【００３９】
蒸気量検出手段１６₁、１６₂は、膜厚測定器６₁、６₂にそれぞれ接続されており、蒸気量検出手段１６₁、１６₂の表面に形成される有機薄膜が成長し、発振周波数が変化すると、膜厚測定器６₁、６₂は周波数変化から付着した有機化合物の膜厚を求め、出力装置５に出力する。
【００４０】
出力装置５は、膜厚測定器６₁、６₂からの入力により、有機化合物４１₁、４１₂の単位時間当たりの蒸気放出量を算出し、その蒸気放出量が安定したところで、基板ホルダ１２側に設けられたシャッタ１７を開ける。
【００４１】
シャッタ１７が開けられると、有機化合物４１₁、４１₂の蒸気は基板１３に到達し、表面に付着する。このとき、基板１３は所定温度まで昇温しているので、基板１３に付着した有機化合物４１₁、４１₂は、その表面で重合反応を開始し、有機薄膜が形成され始める。
【００４２】
その状態を維持すると基板１３表面に形成される有機薄膜が成長するが、出力装置５は、有機薄膜が成長する際に、各有機化合物４１₁、４１₂の蒸気放出量を個別に監視しており、有機化合物４１₁、４１₂の単位時間当たりの蒸気放出量が増加した場合は、その有機化合物が配置された蒸着源内の加熱手段４２への通電量を少なくし、蒸気放出量が減少した場合には、逆に増加させ、有機化合物蒸気４１₁、４１₂が安定に放出されるようにする。
【００４３】
このように、加熱手段４２への通電量は、蒸気放出量に基いて制御されているため、各蒸着源４０₁、４０₂内の熱電対４８が示す温度は一定値にならず上下するが、各蒸着源４０₁、４０₂からは、一定量の有機化合物４１₁、４１₂蒸気が放出されている。従って、基板１３表面には、母材の有機化合物４１₁の蒸気と、ドーパントの有機化合物４１₂の蒸気とが所定割合で到達するため、微小量のドーパントを均一に含有する有機薄膜を形成することができる。
【００４４】
以上説明したように、本発明の真空蒸着装置１０によれば、発熱量制御手段３は、各蒸着源４０₁、４０₂の蒸気放出量に基いて加熱手段４２の発熱量を個別に制御している。従って、従来技術の真空蒸着装置１１０(図５)のように、有機化合物１４１の温度に基いて加熱手段１４２の発熱量を制御した場合に比べ、蒸気放出量の変動に対する発熱量制御の追随性がよく、蒸気放出量を一定にすることができる。
【００４５】
また、上述した発熱量制御手段３は、各有機化合物４１₁、４１₂の蒸気放出量を測定する際、熱電対４８からの出力により、各蒸着源４０₁、４０₂内の容器４６の温度も監視しており、有機化合物４１₁、４１₂が過加熱状態になった場合には容器４６も高温になるため、分解を避けるため、温度測定値が予め設定された上限温度に達する前に、その蒸着源内の発熱手段４２への通電を停止し、有機化合物４１₁、４１₂が熱分解しないようにしている。
【００４６】
以上は、有機化合物４１₁、４１₂の蒸気を発生させ、有機薄膜を形成する場合について説明したが、本発明の真空蒸着装置は他の材質の蒸着材料を用い、金属薄膜等の無機薄膜を形成することもできる。そのような蒸着材料には、例えばＬｉ金属があり、本発明の真空蒸着装置１０は、膜厚制御性がよいことから、微量なＬｉ蒸発を発生させ、膜厚が非常に薄いＬｉ金属薄膜を形成するのにも適している。
【００４７】
【発明の効果】
蒸気放出速度によって加熱手段の発熱量を制御するので、蒸着源内の熱電対と有機化合物との温度差に影響されず、蒸気放出量を一定にできる。
ドーパントが均一に含まれる有機薄膜を形成することができる。
更に、蒸着源の数を増やし、大面積基板への蒸着を行う場合、個別に蒸着源を制御できるため、大面積基板へ膜厚分布良く薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の真空蒸着装置の一例
【図２】本発明に用いることができる蒸着源の一例
【図３】測定温度と蒸気放出速度の関係を説明するためのグラフ
【図４】有機ＥＬ素子を説明するためのグラフ
【図５】従来技術の真空蒸着装置の一例
【符号の説明】
３……発熱量制御手段１０……真空蒸着装置１１……真空槽１６₁、１６₂……蒸気量検出手段４０₁、４０₂……蒸着源４１……有機化合物４２……加熱手段

Claims

有機ＥＬ素子の有機膜を成膜する真空蒸着装置であって、
真空槽と、
第一加熱手段を有し、母材となる有機材料を蒸発させる第一蒸着源と、
第二加熱手段を有し、ドーパントの有機材料を蒸発させる第二蒸着源と、
前記第一蒸着源からの前記母材の蒸気の放出量を検出する第一蒸気量検出手段と、
前記第二蒸着源からの前記ドーパントの蒸気の放出量を検出する第二蒸気量検出手段と、
単位時間当たりの前記母材の蒸気の放出量から前記第一加熱手段の発熱量を制御して前記母材の蒸気放出量を安定させる第一発熱手段と、
単位時間当たりの前記ドーパントの蒸気の放出量から前記第二加熱手段の発熱量を制御して前記ドーパントの蒸気の放出量を安定させる第二発熱手段とを有し、
前記ドーパントの蒸気の放出量は前記母材の蒸気の放出量の０．２％〜２．０％に設定された真空蒸着装置。
前記第一蒸着源の温度を測定する第一温度測定手段を有し、前記発熱制御手段は、前記第一温度測定手段が第一設定温度より高い温度を検知した場合、前記第一加熱手段の加熱を停止させるように構成された請求項１に記載の真空蒸着装置。
前記第二蒸着源の温度を測定する第二温度測定手段を有し、前記発熱制御手段は、前記第二温度測定手段が第二設定温度より高い温度を検知した場合、前記第二加熱手段の加熱を停止させるように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の真空蒸着装置。
前記第一蒸着源および前記第二蒸着源と、前記第一蒸気量検出手段および前記第二蒸気量検出手段との間に設置される、第一シャッタ機構と、
成膜される基板と、前記第一蒸着源および前記第二蒸着源との間で、前記第一蒸気量検出手段および前記第二蒸気量検出手段よりも前記基板側に設置される第二シャッタ機構とを有する、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の真空蒸着装置。
第一、第二加熱手段をそれぞれ有する第一、第二蒸着源内に、それぞれ母材とドーパントを配置し、前記母材の蒸気に対して前記ドーパントの蒸気を、０．２％〜２．０％の割合で放出させて薄膜を形成する有機ＥＬ素子の薄膜形成方法であって、
前記母材蒸気と前記ドーパント蒸気の単位時間当たりの放出量から、前記第一、第二加熱手段の発熱量を個別に制御し、前記母材と前記ドーパントの蒸気放出量をそれぞれ安定させる有機ＥＬの薄膜形成方法。
蒸着源内に配置された蒸着材料を加熱し、蒸着材料蒸気を真空槽内に放出させ、基板表面に付着させて薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
前記蒸着材料蒸気の放出量を測定し、前記放出量が一定になるように、前記蒸着材料の加熱状態を制御し、
前記蒸着材料の温度を測定し、所定の上限温度以上になると前記蒸着材料の加熱を停止させることを特徴とする薄膜形成方法。
複数の蒸着源から前記真空槽内に蒸着材料蒸気を放出させる請求項６に記載の薄膜形成方法であって、
蒸着材料蒸気の放出量の測定と、蒸着材料の加熱状態の制御とを、前記各蒸着源毎に個別に行うことを特徴とする薄膜形成方法。