JP4041005B2 - 薄膜堆積用分子線源とそれを使用した薄膜堆積方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成膜材料を加熱することにより、その成膜材料を昇華または溶融、蒸発して成膜材料の分子を発生し、この成膜材料の分子を固体表面に向けて放出し、その固体表面に分子を堆積させて膜を成長させるのに使用される薄膜堆積用分子線源とそれを使用した薄膜堆積方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分子線エピタキシ装置と呼ばれる薄膜堆積装置は、高真空に減圧可能な真空チャンバ内に基板を設置し、所要の温度に加熱すると共に、この基板の薄膜成長面に向けてクヌードセンセル等の分子線源を設置したものである。この分子線源の坩堝に収納した成膜材料をヒータにより加熱して昇華または溶融、蒸発させ、これにより発生した蒸発分子を前記基板の薄膜成長面に入射し、その面に薄膜をエピタキシャル成長させて、成膜材料の膜を形成する。
【０００３】
このような薄膜堆積装置に使用される分子線源は、熱的、化学的に安定性の高い、例えばＰＢＮ（パイロリティック・ボロン・ナイトライド）等からなる坩堝の中に成膜材料を収納し、この成膜材料を坩堝の外側に設けた電気ヒータで加熱し、これにより成膜材料を昇華または溶融、蒸発させ、成膜分子を発生させるものである。
【０００４】
近年、ディスプレイや光通信等の分野で、有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）の研究、開発が進められている。この有機ＥＬ素子は、ＥＬ発光能を有する有機低分子または有機高分子材料で発光層を形成した素子であり、自己発光型の素子としてその特性が注目されている。例えばその基本的な構造は、ホール注入電極上にトリフェニルジアミン（ＴＰＤ）等のホール輸送材料の膜を形成し、この上にアルミキノリノール錯体（Ａｌｑ₃） 等の蛍光物質を発光層として積層し、さらにＭｇ、Ｌｉ、Ｃａ等の仕事関数の小さな金属電極を電子注入電極として形成したものである。
【０００５】
【発明が解決しようとしている課題】
最近のディスプレイは、大画面化が時代の要請となっている。そのため、前記のような有機ＥＬを使用したディスプレイでも、大面積の基板に有機ＥＬ膜を形成することが要請される。とりわけ、有機ＥＬを使用したディスプレイでは、基板上に均質な有機ＥＬ膜を形成することが要請される。
【０００６】
ところが、有機ＥＬ膜の形成に使用される従来の真空蒸着装置のように、一つの坩堝から成膜材料を昇華または蒸発して基板の表面上に分子を発射し、成膜材料を堆積して膜を成長させる方式では、大面積の基板上に均質の薄膜を形成することが困難である。
【０００７】
また、このような有機ＥＬ材料を坩堝の分子放出口から基板に向けて放出し、基板上に堆積して成膜する場合、坩堝の分子放出口と基板の成膜面との距離が短いと、成膜材料は基板の成膜面の分子放出口に対向した部分の膜厚が極端に厚くなり、分子放出口に対向した部分から離れると、膜厚が急に薄くなる。つまり、膜厚の均一性が極端に悪くなる。そのため、坩堝の分子放出口と基板の成膜面との間に或る程度の距離を置いて成膜しなければならない。
【０００８】
ところが、坩堝の分子放出口と基板の成膜面とを離せば離す程、消費する成膜材料に対して実際に基板上に堆積される成膜材料の量が少なくなり、いわゆる成膜効率が悪くなるという課題がある。有機ＥＬ材料の多くは高価であるため、成膜効率という膜形成の歩留まりが低いと、それがコスト高の要因となる。
さらに、有機ＥＬ材料は低温でも蒸気圧が高いため、坩堝からの意図しない蒸気の漏れが起こりやすい。このため、成膜のコントロールが極めて難しく、目標とする膜質、膜厚を有する薄膜の形成が難しいという課題もある。
【０００９】
本発明は、このような従来の薄膜堆積手段における課題に鑑み、高い成膜効率を得ながら、基板の成膜面上の広い範囲にわたって膜厚の均一性の高い膜を形成することが出来、さらに坩堝からの意図しない蒸気の漏れが無く、成膜のコントロールが容易な薄膜堆積用分子線源とそれを使用した薄膜堆積方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、前記の目的を達成するため、坩堝１で蒸発した成膜材料１０の分子を直接基板ｓに向けて放射することなく、一旦或る程度の空間を有する圧力緩衝室２に導き、そこで成膜材料１０の蒸気圧を安定して平衡圧に保持した後、その圧力緩衝室２の分子放出口７から放出するようにした。さらに、圧力緩衝室２で成膜材料１０を安定な平衡圧とすることが可能なように、圧力緩衝室２を第一のバルブ９を介して坩堝１に接続し、さらに圧力緩衝室２の分子放出口７に第二のバルブ８を設け、第一のバルブ９に比べて第二のバルブ８の開口面積を小さくし、圧力緩衝室２に圧力の負荷をかけることが出来るようにした。
【００１１】
すなわち、本発明による薄膜堆積用分子線源は、成膜材料１０を収納する坩堝１と、この坩堝１の中の成膜材料１０を加熱して昇華またたは蒸発させる加熱手段と、前記坩堝１と第一のバルブ９を介して接続され、同坩堝１で発生した成膜材料１０の分子を前記第一のバルブ９通して導入する空間である圧力緩衝室２と、この圧力緩衝室２から成膜する基板ｓに向けて成膜材料の分子を放出する長尺スリット状の分子放出口７と、この分子放出口７の開口面積を調整する第二のバルブ８とを有するものである。
【００１２】
このような本発明による薄膜堆積用分子線源を使用して固体表面に薄膜を成長させる本発明による薄膜堆積方法は、第一のバルブ９の開口面積より第二のバルブ８の開口面積を小さくしながら、長尺スリット状の分子放出口７から分子を基板ｓの表面上に放射し、同基板ｓの表面上に成膜するものである。
【００１３】
このような本発明による薄膜堆積用分子線源とこれを使用した薄膜堆積方法では、坩堝１で蒸発した成膜材料１０の分子を直接基板ｓに向けて放射することなく、一旦或る程度の空間を有する圧力緩衝室２に導き、そこで成膜材料１０の蒸気圧を安定して平衡圧に保持することが出来る。その後、圧力緩衝室２の分子放出口７から成膜材料１０の分子を放出するため、低温でも蒸気圧の高い成膜材料の分子でも、安定した分子の放出を行うことが出来る。
【００１４】
特に、第一のバルブ９の開口面積より第二のバルブ８の開口面積を小さくすることにより、圧力緩衝室（２）の内部を容易に平衡圧に維持することが出来る。これにより、長尺スリット状の分子放出口７から分子を基板ｓの表面上に放射し、同基板ｓの表面上に成膜することにより、圧力緩衝室２の中の分子圧を安定して平衡状態に保つことが出来る。
【００１５】
加えて、圧力緩衝室２を長尺な空間とし、その長手方向に長尺スリット状の分子放出口７を設け、圧力緩衝室２内の成膜材料１０の蒸気圧を平衡状態とすることにより、圧力緩衝室２に設けた分子放出口７の全長にわたって均一に成膜材料の分子を放出することが出来る。従って、この長尺スリット状の分子放出口７と基板ｓとを分子放出口７の長手方向と直交する方向に相対移動させながら成膜することにより、基板ｓの成膜面上の広い面積にわたって均一な膜質と膜厚を有する薄膜を形成することが出来る。
【００１６】
さらに、圧力緩衝室２の前段に第一のバルブ９を設け、圧力緩衝室２の長尺スリット状の分子放出口７に第二のバルブ８を設け、坩堝１の分子の圧力が所定の状態に達しない時や圧力緩衝室２が平衡厚に達しないときに、これら第一と第二のバルブ９、８を閉じておくことにより、低温でも蒸気圧が低い有機ＥＬ材料等の成膜材料であっても、意図しない分子の放出を最小限に抑えることが出来る。これにより、成膜のコントロールが容易になり、所望の膜厚、膜質の薄膜を成膜することが出来る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１は、本発明による薄膜形成用分子線源の一実施形態を示す概略縦断側面図であり、図２はその平面図、図３はその薄膜形成用分子線源により基板ｓに薄膜の形成を行う状態を示す概略縦断側面図である。
【００１８】
坩堝１には、成膜材料１０が収納される。この場合、成膜材料１０の蒸発効率を考慮し、特開２００３−２７７８に開示されたように、成膜材料と共に、熱的、化学的に安定しており、且つ成膜材料１５より熱伝導率の高い粒状の伝熱媒体を収納する。或いは、図４に示すように、粒状の伝熱媒体１４をコアとして、その表面に成膜材料１５を被覆するようにして設け、これを坩堝１の中に収納する。
【００１９】
坩堝１の周囲には、加熱手段としてのヒータ４が配置され、これにより坩堝１の内部に成膜材料１０が加熱され、それが昇華または蒸発して成膜材料１０の分子を発生する。このとき伝熱媒体１４は坩堝１の内部の伝熱を良好とし、成膜材料１０の均一な昇華または蒸発を実現する。
【００２０】
坩堝１の上端は、分子通過部３を介して圧力緩衝室２に通じている。この分子通過部３は坩堝１の上端から立ち上がった筒状のもので、その途中には第一のバルブ９としてニードルバルブが設けられている。分子通過部３はこの第一のバルブの開閉操作により開閉され、或いはその開口面積が調整される。
この坩堝１の分子通過部３の周囲にも加熱手段としてのヒータ６が配置され、分子通過部３の中の成膜材料の分子がその分子の状態に維持される。
【００２１】
圧力緩衝室２は、その中央下部が前記分子通過部３の上端に通じた長尺な箱状のもので、ある一定の空間を有している。この圧力緩衝室２の上壁の中央にはその長手方向に沿って長尺スリット状の分子放出口７が開口している。この分子放出口７の周囲からは、上方に向けて漏斗状の分子放出ガイド１２が設けられている。
【００２２】
さらに、この分子放出口７には、長尺ブレード状の弁体の先端が挿入され、第二のバルブ８が構成されている。この第二のバルブ８の長尺ブレード状の弁体を上下することで、その先端で長尺スリット状の分子放出口７が開閉され、或いはその開口面積が調整される。従って、長尺ブレード状の弁体の長尺スリット状の分子放出口７の長さと同じである。
この圧力緩衝室２の周囲にも加熱手段としてのヒータ５が配置され、圧力緩衝室２の中の成膜材料の分子がその分子の状態に維持される。
【００２３】
このような薄膜堆積用分子線源を使用し、基板ｓの成膜面上に薄膜を形成するには、まず第一のバルブ９と第二のバルブ８を閉じた状態で、ヒータ４により坩堝１の周囲からその中の成膜材料１０を加熱し、それを昇華または蒸発して成膜材料１０の分子を発生させる。このとき、第一のバルブ９と第二のバルブ８が閉じているため、比較的低い温度でも蒸気圧が高い有機ＥＬ材料のような成膜材料１０であっても、その分子が坩堝１内から漏れない。そして、成膜材料１０の昇華または蒸発を続けると、やがて坩堝１内では、成膜材料１０の温度の応じた圧力で平衡に達する。もちろんこの状態ではヒータ６で分子通過部３を加熱しておく。
【００２４】
このようにして坩堝１内が平衡圧に達した後、ヒータ５で圧力緩衝室２内を予め所定の温度に加熱した状態で、第一のバルブ９を開いて成膜材料の分子を圧力緩衝室２に導入する。このとき、第二のバルブ８を閉じておくことにより、やがて圧力緩衝室２内では、成膜材料１０の温度の応じた圧力で平衡に達する。この状態では、圧力緩衝室２の全長にわたってその内部の成膜材料の分子の圧力をほぼ均一な圧力とすることが出来る。
【００２５】
圧力緩衝室２内が所定の圧力で平衡状態に達した後、第二のバルブ８を開き、長尺スリット状の分子放出口７から成膜材料の分子を放出する。このとき、成膜材料の分子の圧力は、圧力緩衝室２の全長にわたってほぼ均一であるため、分子放出口７からは、その長手方向にわたって均一な量の成膜材料の分子が放出される。このとき、第一のバルブ９の開口面積に比べて、第二のバルブ８の開口面積を狭く調整することにより、圧力緩衝室２内での成膜材料の分子の圧力を安定して平衡状態に保つことが出来、成膜材料の分子の圧力を、圧力緩衝室２の全長にわたってほぼ均一に保つことが出来る。
【００２６】
図３に示すように、基板ｓは、その成膜面を圧力緩衝室２の分子放出口７に対向して下向きに設置する。これにより、圧力緩衝室２の分子放出口７から放出された成膜材料の分子が基板ｓの成膜面に向けて放出され、その分子が基板ｓの成膜面に凝着して堆積し、薄膜が形成される。この場合において、圧力緩衝室２の分子放出口７と基板ｓの成膜面とを、分子放出口７の長手方向と直交する方向に相対移動させながら成膜する。この相対移動速度は、圧力緩衝室２の分子放出口７から単位時間当たりに放出される成膜材料の分子の量と基板ｓの成膜面上に成膜しようとする薄膜の膜厚との関係で決定される。相対移動であるから、圧力緩衝室２と基板ｓの一方または双方を移動させながらそれらの相対位置を変える。
【００２７】
分子放出口７の周囲から起立した漏斗状の分子放出ガイド１２は、分子放出口７から放出される分子の放出方向を制限し、その広がりを防止する。これにより、成膜効率の向上を図ることが出来る。
なお成膜の生産性を高めるため、圧力緩衝室２に複数の坩堝１を接続することも可能であり、生産性向上のため単位時間当たりの成膜材料の分子の放出量を多くする目的のためには特に有効である。
【００２８】
図５に圧力緩衝室２の分子放出口７とそれを開閉し、その開口面積を調整する第二のバルブの構造の３つの例を示す。
図５（ａ）は、前述したように、分子放出口７をブレード状の弁体８ａの先端を挿入し、その楔状の先端部で分子放出口７を開閉したり、或いはその開口面積を調整する例である。図５（ｂ）は、板状の弁体９ｂを操作ピン１２により上下動させ、これにより分子放出口７を開閉したり、或いはその開口面積を調整する例である。また、図５（ｃ）は、部分円筒形の弁体９ｃを分子放出口７に接触させながら回転し、これにより分子放出口７を開閉したり、或いはその開口面積を調整する例である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明による薄膜堆積用分子線源とこれをを使用した薄膜堆積方法では、低温でも蒸気圧の高い成膜材料の分子でも、安定した分子の放出を行うことが出来る。長尺スリット状の分子放出口７分子放出口７の全長にわたってほぼ均一な質と量の分子を放射することが出来るので、分子放出口７と基板ｓとを分子放出口７の長手方向に相対移動させながら成膜することにより、基板ｓの成膜面上の広い面積にわたって均一な膜質と膜厚を有する薄膜を形成することが出来る。第一のバルブ９と第二のバルブ８の開閉により、低温でも蒸気圧が低い有機ＥＬ材料等の成膜材料であっても、意図しない分子の放出を最小限に抑えることが出来、成膜のコントロールが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による薄膜形成用分子線源の一実施形態を示す概略縦断側面図である。
【図２】薄膜形成用分子線源の同実施形態を示す平面図である。
【図３】同実施形態による膜形成用分子線源により基板に薄膜の形成を行う状態を示す概略縦断側面図である。
【図４】同実施形態による膜形成用分子線源により基板に薄膜の形成を行うに当たり、坩堝に収納するのに好ましい成膜材料の例を示す断面図である。
【図５】薄膜形成用分子線源の前記実施形態において、圧力緩衝室の分子放出口とそれを開閉し、その開口面積を調整する第二のバルブの構造の例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１ 坩堝
２ 圧力緩衝室
７ 圧力緩衝室の分子放出口
８ 第二のバルブ
９ 第一のバルブ
１０ 成膜材料
ｓ 基板

Claims (5)

1. 成膜材料（１０）を加熱することにより、その成膜材料（１０）を昇華または蒸発して、固体表面に薄膜を成長させるための分子を発生する真空蒸着用分子線源において、成膜材料（１０）を収納する坩堝（１）と、この坩堝（１）の中の成膜材料（１０）を加熱して昇華または蒸発させる加熱手段と、前記坩堝（１）と第一のバルブ（９）を介して接続され、同坩堝（１）で発生した成膜材料（１０）の分子を前記第一のバルブ（９）通して導入する空間である圧力緩衝室（２）と、この圧力緩衝室（２）から成膜する基板（ｓ）に向けて成膜材料の分子を放出する長尺スリット状の分子放出口（７）と、この分子放出口（７）の開口面積を調整する第二のバルブ（８）とを有することを特徴とする薄膜堆積用分子線源。
2. 圧力緩衝室（２）は長尺な空間であり、その長手方向に長尺スリット状の分子放出口（７）を設けていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜堆積用分子線源。
3. 圧力緩衝室（２）の中の成膜材料の分子が、その分子の状態を維持出来るように、圧力緩衝室（２）の内部を加熱する加熱手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜堆積用分子線源。
4. 成膜材料（１０）を加熱することにより、その成膜材料（１０）を昇華または蒸発して、固体表面に薄膜を成長させる薄膜堆積方法において、成膜材料（１０）を収納する坩堝（１）と、この坩堝（１）の中の成膜材料（１０）を加熱して昇華または蒸発させる加熱手段と、前記坩堝（１）と第一のバルブ（９）を介して接続され、同坩堝（１）で発生した成膜材料（１０）の分子を前記第一のバルブ（９）通して導入する空間である圧力緩衝室（２）と、この圧力緩衝室（２）から成膜する基板（ｓ）に向けて成膜材料の分子を放出する長尺スリット状の分子放出口（７）と、この分子放出口（７）の開口面積を調整する第二のバルブ（８）とを有する薄膜堆積用分子線源を使用し、第一のバルブ（９）の開口面積より第二のバルブ（８）の開口面積を小さくしながら、長尺スリット状の分子放出口（７）から分子を基板（ｓ）の表面上に放射し、同基板（ｓ）の表面上に成膜することを特徴とする薄膜堆積方法。
5. 長尺スリット状の分子放出口（７）と基板（ｓ）とを分子放出口（７）の長手方向と直交する方向に相対移動させながら成膜することを特徴とする請求項４に記載の薄膜堆積方法。

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