JP4122048B2

JP4122048B2 - 蒸着ヘッド装置及び蒸着塗布方法

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Publication number: JP4122048B2
Application number: JP2007533227A
Authority: JP
Inventors: 英博吉田; 誠二中嶋
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-08-29
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2026-08-28
Also published as: JPWO2007026649A1; WO2007026649A1; US20090104377A1

Description

本発明は、有機物の材料、又は、無機物或いは有機物と無機物が混合された材料を蒸着方式で基板などの塗布対象物に塗布する蒸着ヘッド装置及び蒸着塗布方法に関するものである。

近年、有機ＥＬ（Electro Luminescence）、有機半導体に用いられる有機物に関して、低分子系の材料は主に蒸着技術で形成され、高分子系の材料はインクジェット方式で形成されている。低分子系を用いた材料は、真空引きされたチャンバー内で蒸着方式により形成されるために、その膜質の精度は高く、特に有機ＥＬ用材料としては、高分子系の材料に比べてその性能が優れている。

例えば、特許文献１に記載の発明では、イオン化した有機物と無機物を交互に蒸着させ、有機物の配向性を向上させている。

しかしながら、この方法では、基板全体に有機物、無機物が形成されてしまうために、材料利用効率が非常に悪いと考えられる。

また、高分子を用いた材料は、特にインクジェット方式で形成されている。インクジェット方式は、必要なところに必要なだけ塗布する方式で、その材料利用効率が非常にいいことから、低コスト製造技術として近年注目を浴びてきている。

更に、特許文献２に記載の発明では、配向処理した面に、高分子を溶解した溶媒を塗布することにより、高分子材料による半導体を形成しているため、材料利用効率は極めて高い。

しかしながら、高分子材料は、低分子材料に比べて、電気移動度の面で劣っており、特に、ＥＬ素子の場合には、発光効率の面で低分子素子比べ、その性能面では劣っているのが現状である。

特開平８−１７６８０３号公報特開２００４−３１４５８号公報

低分子系の材料を蒸着してデバイスを形成する場合、材料がチャンバー内全体に広がるために、目標とする基板に到達する材料は極めて少ない。また、例え基板に到達したとしてもフォトリグラフィー等をして基板のパターンを形成しているために、その材料利用効率は極めて悪い。

一方、高分子系材料を用いたインクジェット方式は、必要な場所に必要なだけ材料が形成されるが、その方式を有機ＥＬ等に用いられるときに、高分子系材料の発光特性等は、低分子系の材料の発光特性等に比べて劣っている。

インクジェット方式で低分子系の材料を用いることができない理由は、材料の塗布後、乾燥の際に低分子の一部が結晶化してしまい、結晶粒子の境界が電気移動を妨げ、塗布後、均一な特性を得ることができないためである。

本発明では、前記従来の問題点を鑑み、蒸着方式により、大気圧下でも高性能の低分子系の材料を塗布することが可能な蒸着ヘッド装置及び蒸着塗布方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するため、以下のように構成している。

本発明は、低分子材料を高効率に塗布するために小型チャンバー内で低分子材料を含む材料を加熱し、蒸発した物質の電荷を制御し、大気と接するノズル先端部付近の圧力を下げることにより、大気圧下でもダイレクトに蒸着描画できる方式を提案する。提案する方法では、ノズル先端部付近に蒸発した電荷と同じ電位を印加させることにより、ノズルから噴出する材料の直径を制御することができる。また、基板に物質に印加させた電位と逆方向の電位をかけることにより、蒸着した分子のエネルギーを加速させると共に、低真空の条件でも基板に材料を塗布することが可能になる。

具体的には、
本発明の第１態様によれば、ノズル部を一端に有するチャンバーと、
前記チャンバー内に配置され、かつ固体の材料を保持する材料加熱用セルと、
前記材料加熱用セルを加熱する抵抗加熱部と、
前記チャンバーの他端に連結されて該他端側から前記チャンバー内に流体を供給して、前記抵抗加熱部で加熱された前記材料加熱用セルから蒸発した材料を前記チャンバーの前記ノズル部に案内して前記ノズル部から吐出させる流体供給装置と、
前記チャンバーの前記ノズル部の外部において前記ノズル部の先端部に向かって蒸着材料直進制御用気体を吹き付けて、前記ノズル部から吐出した前記材料を直進制御するエアー吹付部と、
前記ノズル部と前記材料加熱用セルとの間に配置されて、前記抵抗加熱部により加熱されて前記材料加熱用セルから蒸発した前記固体の材料をイオン化するイオナイザーと、
前記イオン化された材料の電荷とは異なる電位を、前記チャンバーの前記ノズル部から吐出する前記材料を蒸着塗布する塗布対象物に印加する電位印加部とを備え、
前記電位印加部は、前記イオン化された材料の電荷と同じ電位を前記チャンバーに印加する蒸着ヘッド装置を提供する。
本発明の第２態様によれば、前記チャンバーの前記ノズル部の開孔を開閉するシャッターをさらに備える、第１の態様に記載の蒸着ヘッド装置を提供する。
本発明の第３態様によれば、前記材料加熱用セルは前記固体の材料として有機物を保持する第１材料加熱用セルとして機能させ、第１抵抗加熱部として機能する前記抵抗加熱部により前記第１材料加熱用セルを加熱することにより、前記有機物を蒸発させる一方、
前記チャンバー内に配置され、かつ固体の材料として無機物を保持する第２材料加熱用セルと、
前記第２材料加熱用セルを加熱する第２抵抗加熱部とをさらに備えて、
前記第２抵抗加熱部により前記第２材料加熱用セルを加熱することにより、前記無機物を蒸発させて、
前記チャンバー内で、前記蒸発した有機物と前記蒸発した無機物とを一定の割合で混合して、前記チャンバーの前記ノズル部から吐出する第１の態様に記載の蒸着ヘッド装置を提供する。
本発明の第４態様によれば、ノズル部を一端に有するチャンバー内に配置されかつ固体の材料を保持する材料加熱用セルを加熱し、
前記チャンバーの他端側から前記チャンバーの前記ノズル部に向けて流体を供給して、前記加熱された前記材料加熱用セルから蒸発した材料を前記ノズル部に案内し、前記ノズル部から吐出させるとともに、前記チャンバーの前記ノズル部の外部において前記ノズル部の先端部に向かって蒸着材料直進制御用気体を吹き付けて、前記ノズル部から吐出した前記材料を直進制御し、
前記材料加熱用セルから蒸発した材料を前記ノズル部から吐出させるとき、前記ノズル部と前記材料加熱用セルとの間で、前記加熱されて前記材料加熱用セルから蒸発した前記固体の材料をイオン化し、かつ、前記イオン化された材料の電荷とは異なる電位を、前記チャンバーの前記ノズル部から吐出する前記材料を蒸着塗布する塗布対象物に印加するとともに、前記イオン化された材料の電荷と同じ電位を前記チャンバーに印加するようにした蒸着塗布方法を提供する。
本発明の第５態様によれば、前記材料加熱用セルから蒸発した材料を前記ノズル部から吐出させるとき、前記チャンバーの前記ノズル部の開孔をシャッターで開閉することにより、前記材料の前記ノズル部からの前記吐出の開始と停止を制御する、第４の態様に記載の蒸着塗布方法を提供する。
本発明の第６態様によれば、前記材料を保持する前記材料加熱用セルを加熱するとき、有機物と無機物を加熱する一方、
前記材料加熱用セルから蒸発した材料を前記ノズル部から吐出させるとき、前記チャンバー内で、前記加熱されて蒸発した有機物と前記加熱されて蒸発した無機物とを一定の割合で混合して、前記チャンバーの前記ノズル部から吐出する第４の態様に記載の蒸着塗布方法を提供する。

以上のように、本発明の蒸着ヘッド装置及び蒸着塗布方法によるデバイス形成技術では、高性能な低分子系の材料を用いて、蒸着方法により大気圧下でも材料利用効率を下げることなく、ダイレクトに基板などの塗布対象物に蒸着塗布することができる。また、ノズル部に印加する電圧を制御することにより、ノズル終端から出てくる材料の吐出径を制御することも可能になる。

本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。

以下、本発明の実施の形態については、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
以下に、本発明の第１実施形態にかかる、蒸着ヘッド装置及びその装置により実施可能な蒸着塗布方法について説明する。

図１Ａ〜図２は、本発明の第１実施形態における蒸着ヘッド装置１１の図である。

図１Ａにおいて、前記蒸着ヘッド装置１１は、円筒形状のチャンバー１４０と、材料加熱用セル１００と、抵抗加熱部の一例として機能する抵抗加熱器８０と、イオナイザー３０と、電位印加部の一例としての電源４０と、エアー吹付部２４０と、側面抵抗加熱部１３０と、流体供給装置１０と、シャッター機構２２０と、ＸＹステージ装置２３０と、制御部２５０とを備えるように構成して、蒸着方式により、大気圧下でも高性能の低分子系の材料を、塗布対象物の一例としての、基板５０に蒸着塗布して膜を形成できるようにしている。

前記円筒形状のチャンバー１は、その一端（図１Ａでは上端）に、先すぼまりの円錐筒形状のノズル部１２０を有している。チャンバー１の材質としては、例えば、鉄（ＳＳ４００）、ステンレス（ＳＵＳ３０４）、アルミニウム（Ａ５０５２）、又は、鋳物（高真空の必要がないためにアルミニウムの鋳物で十分）を使用することができる。ノズル部１２０の穴径については、ピコ秒レーザ、又は、放電加工技術を用いて形成加工することができる。

ノズル部１２０の先端には、細い開孔のノズル先端部１５０を有している。ノズル先端部１５０の具体的な形状としては、一例として、図１Ｃに示すように、ノズル先端部１５０の最小隙間１５０ａの間隔（直径）を３０〜１００μｍとし、最小隙間１５０ａの軸方向の長さを０．１〜０．３ｍｍとするとき、±１０％の均一性を確保することができる。また、図１Ｄに示すように、最小隙間１５０ｂの開口角度を広げれば広げるほど、均一性を上げることができ、例えば、開口角度を３０〜１５０°の範囲内では±５％の均一性を確保することができる。

前記材料加熱用セル１００は、前記チャンバー１４０内に配置され、かつ、固体、例えば粉体の材料２０を保持可能な円形容器形状に構成されている。ノズル部１２０の先端から前記材料加熱用セル１００までの距離は、例えば、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下とするのが、精度良く塗布制御を行なう観点から好ましい。

前記抵抗加熱部の一例として機能する抵抗加熱器８０は、加熱用電源８０ａと、加熱用電源８０ａからの電流により発熱する抵抗部８０ｂとを備えて構成され、前記抵抗部８０ｂがチャンバー１４０内の前記材料加熱用セル１００の周囲に配置されて、前記抵抗部８０ｂからの発熱により前記材料加熱用セル１００を加熱して前記材料加熱用セル１００内の粉体の材料２０を例えば２００〜４００℃に加熱する。

大気圧下で有機物の材料を蒸着するためには、実用上、加熱温度はこの範囲内であることが好ましい。例えば、有機材料で代表的なＡｌｑ_３が蒸発する温度は３００℃である。

抵抗部８０ｂは、前記材料加熱用セル１００に内蔵されていてもよい。前記抵抗部８０ｂの一例としては、図１Ｅに示すように、ＩＨ（誘導加熱）方式であって、前記材料加熱用セル１００の底面にトッププレート８０ｃを備え、トッププレート８０ｃの下面にＩＨ加熱用コイル８０ｄを配置して、ＩＨ加熱用コイル８０ｄにより、前記材料加熱用セル１００の底面にうず電流８０ｅを発生させて、前記材料加熱用セル１００の材料２０を加熱するようにしている。なお、図１Ｅの８０ｆは磁力線である。ＩＨ加熱用コイル８０ｄの発熱量Ｗは、Ｗ＝Ｉ^２×Ｒで表される。ただし、Ｉはうず電流、Ｒは材料加熱用セル１００の底面の電気抵抗率である。

前記イオナイザー３０は、電源４０により所定電圧が印加され、かつ、前記チャンバー１４０内に前記材料加熱用セル１００のノズル部１２０側に配置されて前記粉体の材料２０をイオン化する。

前記電位印加部の一例としての電源４０は、ノズル部１２０に対向して配置される塗布対象物の一例である、ガラス又はフィルムなどより構成される基板５０と、イオナイザー３０及びチャンバー１４０との間に所定の電圧を印加することにより、イオン化された材料２０とは異なる電位を基板５０に印加する。この電源４０により、ノズル部１２０は、イオン化された材料２０と同じ電荷に帯電されることになるため、後述するように、イオン化された材料２０はノズル部１２０などのチャンバー１４０に付着しにくくなる。

前記エアー吹付部２４０は、チャンバー１４０の外部に、多数のノズルがチャンバー１４０の外側面沿いに配置されて、前記ノズル部１２０のノズル先端部１５０に向かってチャンバー１４０の外側面沿いに、蒸着材料直進制御用気体（例えば、空気）を矢印６０に示すように吹き付けることにより、チャンバー１４０のノズル先端部１５０の外側面沿いの流体の流れを発生させて、ノズル先端部１５０から噴射される材料２０を基板５０に向けて直進するように案内している。

前記側面抵抗加熱部１３０は、加熱用電源１３０ａと、加熱用電源１３０ａからの電流により発熱する抵抗部１３０ｂとを備えて構成され、前記材料加熱用セル１００から前記ノズル部１２０のノズル先端部１５０までの前記チャンバー１４０の外側面に前記抵抗部１３０ｂが配置されて、前記材料加熱用セル１００から前記ノズル部１２０のノズル先端部１５０までの前記チャンバー１４０の側面を前記抵抗部１３０ｂからの発熱により例えば１００〜２００℃に加熱する。２００℃を越えて加熱すると、使用する材料又は配線などに悪影響が生じる可能性がある。また、付着した材料を蒸発させるには、１００℃以上でかつ２００℃以下であれば、十分であるからである。一例として、材料加熱用セル１００の加熱温度（例えば２００〜４００℃）は、チャンバー１４０の加熱温度（例えば１００〜２００℃）より高くすることが好ましい。

前記流体供給装置１０は、前記チャンバー１４０の、ノズル部１２０を有する一端（図１Ａでは上端）とは反対側の端部（図１Ａでは下端部）に接続されて、加熱された材料２０、言い換えれば、材料加熱用セル１００側からノズル部１２０に向けて蒸着材料案内用流体（例えば蒸着材料案内用気体）を流すことにより、流体自体がイオンの流れを加速させ、基板５０に蒸着塗布物を確実に形成することができるようにしている。このため、前記チャンバー１４０内の圧力Ｐ_１は、チャンバー１４０外のノズル部１２０周囲の圧力Ｐ_２よりも、加圧された状態とすることが好ましい。このように、圧力Ｐ_１＞圧力Ｐ_２とすることにより、蒸着材料を強制的に飛ばすことができる。このように圧力Ｐ_１＞圧力Ｐ_２としないと、蒸着材料の成膜レートが低下してしまうためである。一例として、チャンバー１４０内は圧力１０^５Ｐａ（７５０ｔｏｒｒ）以上３．３×１０^３Ｐａ（２５ｔｏｒｒ）以下とすることが好ましい。前記流体の流量としては、一例として、２ｓｃｃｍ以上でかつ数十ｓｃｃｍ以下とすることが好ましい。前記流体の例としては、Ａｒガス又はＮ_２ガスを使用することができる。大気圧下で有機物の材料を蒸着するためには、実用上、前記圧力及び前記流量がこれらの範囲内であることが好ましい。例えば、有機材料で代表的なＡｌｑ_３の場合は、蒸気圧曲線の関係から、前記圧力及び前記流量がこれらの範囲内で蒸着することができる。

なお、前記流体供給装置１０により、材料加熱用セル１００側からノズル部１２０に向けて流体例えば気体を流すことにより、その気体により、加熱された材料２０の運動エネルギーを高くすることができて、イオナイザー３０を配置せずにイオンアシストをしなくてもよい場合もある。イオナイザー３０を配置してイオンアシストした場合は、より高い運動エネルギーを得ることができる。このようにより高い運動エネルギーを得ることができることにより、チャンバー１４０内の圧力を低圧力にすることなく蒸着作業が可能となるとともに、ノズル先端部外に材料が出たときにノズル先端部外部への回り込みが少なくなり、高精度のパターン形成が可能となる。

前記シャッター機構２２０は、前記ノズル部１２０のノズル先端部１５０の近傍に、ノズル先端部１５０をシャッター２２２で開閉可能とするように配置されている。シャッター２２２も、イオン化された材料２０と同じ電荷に帯電させることにより、イオン化された材料２０が、ノズル部１２０などのチャンバー１４０に付着しにくくなるとともに、シャッター２２２にも付着しにくくなるようにしている。具体的には、図１Ｂに示すように、前記シャッター機構２２０は、前記ノズル部１２０のノズル先端部１５０の近傍に、一端が回転可能に支持された支持軸２２１の他端にシャッター２２２が固定されて配置され、支持軸２２１をモータ２２３により正逆回転させることにより、前記ノズル部１２０のノズル先端部１５０をシャッター２２２で閉じる閉じ位置Ｉと、前記ノズル部１２０のノズル先端部１５０からシャッター２２２が離れてノズル先端部１５０を開放する開き位置ＩＩとの間にシャッター２２２が位置するようにしている。なお、この閉じ位置Ｉにおいて、ノズル部１２０のノズル先端部１５０をシャッター２２２で密閉するのではなく、微小な隙間を両部材間に確保して、チャンバー１４０内に流体供給装置１０から供給される流体が流出可能として、チャンバー１４０内が所定の圧力を超えて高圧とならないようにしている。

前記ＸＹステージ装置２３０は、基板５０を吸着又はチャックなどにより保持し、かつ、前記チャンバー１４０の軸方向とそれぞれ直交しかつ互いに直交するＸ方向とＹ方向に前記基板５０を移動可能とするものである。図１Ａでは基板５０が蒸着ヘッド装置１１に対してＸ方向とＹ方向に移動可能としているが、これに限られるものではなく、基板５０を固定し、蒸着ヘッド装置１１をＸＹステージ装置で支持して、そのＸＹステージ装置により、基板５０に対してＸ方向とＹ方向に移動可能とするようにしてもよい。

前記制御部２５０は、抵抗加熱器８０と、イオナイザー３０及び電源４０と、エアー吹付部２４０と、側面抵抗加熱部１３０と、流体供給装置１０と、シャッター機構２２０と、ＸＹステージ装置２３０との動作をそれぞれ制御する。

前記構成において、前記抵抗加熱器８０で加熱された材料加熱用セル１００の中にある固体材料２０、例えば有機材料２０は、材料加熱用セル１００内で加熱されて気化したのち、イオナイザー３０でイオン化される。図１Ａでは、１段のイオナイザー３０によりイオン化しているが、イオン化率を上げるために、イオナイザー３０をノズル先端部１５０に向けて多段に設けてもよい。イオナイザー３０によりイオン化された材料２０の荷電分子７０は、基板５０との間の電荷により加速し、ノズル部１２０に衝突しにくい構造となっている。これは、前記したように電源４０により、ノズル部１２０が、イオン化された荷電分子７０と同じ電荷に帯電されているからである。また、蒸着塗布途中に、チャンバー１４０の側面に付着した荷電分子７０は、チャンバー１４０の側面に取り付けられている側面抵抗加熱部１３０により加熱されるため、チャンバー１４０の側面に付着しても再びチャンバー１４０の側面から蒸発することができて、荷電分子７０がチャンバー１４０の側面に堆積することを効果的に防止することができる。

材料加熱用セル１００からノズル先端部１５０まで上昇した荷電分子７０は、荷電分子７０と逆バイアスに帯電された基板５０に到達する。ノズル部１２０のノズル先端部１５０の付近は、エアー吹付部２４０から噴射されているノズル部１２０の外側を流れる気体により、減圧されている。このとき、気体には、有機材料は酸素又は水分に弱いため、酸素及び水分を含まない気体であることが好ましく、ドライ窒素ガス、又は、不活性ガス等を用いてもよい。

前記構成にかかる蒸着ヘッド装置１１の塗布動作について、図２に示す蒸着塗布動作のフローに基づいて、説明する。これらの動作は、制御部２５０により動作制御されて行なわれる。

まず、ステップＳ１において、シャッター２２２が閉じ位置ＩＩに位置した状態で、抵抗加熱器８０をオンにして、材料加熱用セル１００内の材料２０の加熱を開始する。

次いで、ステップＳ２において、流体供給装置１０によりＡｒガス又はＮ_２ガスをチャンバー１４０内に流入させる。このとき、Ａｒガス又はＮ_２ガスは、加熱された材料２０とともに、ノズル部１２０のノズル先端部１５０から吐出され、加熱された材料２０はシャッター２２２に蒸着塗布されることになる。

次いで、ステップＳ３において、材料２０の蒸着塗布により基板５０に形成される薄膜の膜厚レートを測定する。この膜厚レートの測定は、例えば、チャンバー１４０内のノズル部１２０の近傍に配置されかつ制御部２５０に接続された膜厚レート測定装置１２９で行なう。膜厚レート測定装置１２９は、一例として、圧電素子に金属板を脱着可能に連結して、金属板に付着する荷電分子７０の有機材料２０により、圧電素子を振動させたときの金属板の固有振動数が変化すると、膜厚モニター部（膜厚演算部）で、その変化量を質量に変換して蒸着塗布される膜厚を算出するものである。金属板に有機材料２０が付着しすぎた場合には、別の金属板に交換すればよい。前記蒸着塗布動作において、金属板の固有振動数の変化量が一定になるか否かを膜厚モニター部（膜厚演算部）で判断する。一般に、材料加熱直後は膜厚レートが不安定なものとなっているため、ある時間、経過することが必要である。

金属板の固有振動数の変化量が一定になったと膜厚モニター部（膜厚演算部）で判断すると、膜厚レートが安定したものと考えられるため、製品である基板５０へ蒸着塗布による膜形成を行なう準備として、特性実験を行なう。この特性実験においては、シャッター２２２を開いて特性実験用の基板に蒸着塗布したのち、再びシャッター２２２を閉じる。そして、前記特性実験用の基板に蒸着塗布された実際の薄膜の膜厚を段差計で測定して、段差計で測定された実際の薄膜の膜厚と、膜厚レート測定装置１２９で算出された膜厚とを膜厚モニター部（膜厚演算部）で比較して、膜厚レート測定装置１２９で算出された膜厚に対する補正係数を求める。補正係数が求まれば、以後は、膜厚レート測定装置１２９で算出された膜厚に補正係数を膜厚モニター部（膜厚演算部）で掛ければ、実際に基板５０に蒸着塗布された膜の膜厚を膜厚モニター部（膜厚演算部）で求めることができる。膜厚レート測定装置１２９で膜厚を算出するときには、膜厚レートは変動するため、それぞれの膜厚レートとその膜厚レートでの蒸着塗布時間とを掛け合わせた数値をそれぞれの膜厚レートでの膜厚とし、それらの膜厚を合計することにより、膜厚を膜厚モニター部（膜厚演算部）で算出することになる。

なお、簡略化する場合には、予め求めていた補正係数を使用したり、又は、補正係数を使用せずに膜厚レート測定装置１２９で算出された膜厚をそのまま使用してもよい。

前記膜厚が求められれば、その膜厚の数値を、その膜厚に形成するために要した時間（制御部２５０から又はモータ２２３から得られたシャッター２２２の開き時間）で割れば、膜厚レートを膜厚モニター部（膜厚演算部）で求めることができる。実際には、膜厚レートは、１つの数値ではなく、ある範囲内で変動することが多く、その変動範囲を求めることになる。算出した膜厚レート（膜厚レートの変動範囲）が許容範囲内に入っているか否かを膜厚モニター部（膜厚演算部）で判断する。もし、膜厚レートが許容範囲を超えていると膜厚モニター部（膜厚演算部）で判断された場合には、抵抗加熱器８０による加熱温度を下げるか、又は、流体供給装置１０による気体の供給量を減少させるか、又は、イオナイザー３０によるイオンプレーティングの電圧を低下するなどの蒸着粒子の運動エネルギーを減少させるような対処法を制御部２５０の制御の下に実施する。逆に、膜厚レートが許容範囲よりも低いと膜厚モニター部（膜厚演算部）で判断された場合には、抵抗加熱器８０による加熱温度を上げるか、又は、流体供給装置１０による気体の供給量を増加させるか、又は、イオナイザー３０によるイオンプレーティングの電圧を上昇させるなどの蒸着粒子の運動エネルギーを増加させるような対処法を制御部２５０の制御の下に実施する。膜厚レート（膜厚レートの変動範囲）が許容範囲内に入っていると膜厚モニター部（膜厚演算部）で判断されれば、ステップＳ４に進む。

次いで、ステップＳ４において、ＸＹステージ装置２３０を駆動して、基板５０のパターンを形成すべき部分の塗布形成開始端を、チャンバー１４０のノズル先端部１５０に所定間隔で対向させる。この所定間隔は、例えば、０．１ｍｍ以上５０ｍｍ以下程度とするのが、精度良く塗布制御を行なう観点から好ましい。前記所定間隔を０．１ｍｍ以上とするのは、基板の平面度が０．１程度であるため、基板とノズル先端部１５０とが接触しないようにするためである。また、前記所定間隔が５０ｍｍを越えると、大気の影響を受け、直進性などに問題が生じる可能性があるため、好ましくない。

次いで、ステップＳ５において、モータ２２３の駆動によりシャッター２２２を閉じ位置ＩＩから開き位置Ｉに回転させて、ノズル先端部１５０から、イオン化した材料２０を基板５０のパターンを形成すべき部分に向けて吐出して、蒸着塗布を開始する。この吐出の間は、ＸＹステージ装置２３０の駆動は停止しており、基板５０のパターンを形成すべき部分に所定厚みの薄膜を蒸着塗布により形成する。

なお、後述するようにメタルマスク１８０を使用する場合には、シャッター２２２を開けて前記材料２０をノズル先端部１５０から吐出しながら、ＸＹステージ装置２３０の駆動により基板５０を基板移動方向９０に移動させて、チャンバー１４０のノズル先端部１５０が、後述するメタルマスク１８０の貫通穴１８０ａの配列方向に沿って（言い換えれば、基板５０のパターンを形成すべき部分に沿って）相対的に移動するようにして、基板５０のパターンを形成すべき部分に例えばドット状に蒸着塗布膜５５を形成していく。

なお、一例として、膜厚レートは数十ｎｍ／ｓｅｃであり、蒸着塗布膜５５の厚みは１００ｎｍである。

次いで、ステップＳ６において、一定量（一定厚み）の蒸着塗布膜５５ができたか否かを膜厚モニター部（膜厚演算部）で判断し、一定量の蒸着塗布膜５５ができたと膜厚モニター部（膜厚演算部）で判断した場合にはステップＳ７に進む。一定量の蒸着塗布膜５５ができていないと膜厚モニター部（膜厚演算部）で判断した場合にはステップＳ６に戻って、蒸着塗布膜５５の形成を続ける。

ステップＳ７においては、膜厚モニター部（膜厚演算部）からの信号（一定量の蒸着塗布膜５５ができたとの信号）を制御部２５０が受け取ると、制御部２５０の制御の下に、モータ２２３の駆動によりシャッター２２２を開き位置Ｉから閉じ位置ＩＩに回転させて、ノズル先端部１５０から、イオン化した材料２０を基板５０のパターンを形成すべき部分に向けての吐出を停止させ、蒸着塗布を終了する。

次いで、ステップＳ８において、基板５０の、パターンを形成すべき部分に全てパターンが形成されたか否かを制御部２５０が判断する。言い換えれば、１枚の基板５０に対する全ての蒸着塗布動作のみならず、所定枚数の基板５０に対する全ての蒸着塗布動作が終了したか否かを制御部２５０が判断する。蒸着塗布動作が終了したと制御部２５０が判断すれば、ステップＳ９に進む。蒸着塗布動作が終了していないと制御部２５０が判断すれば、ステップＳ４に戻る。このとき、１枚の基板５０に対する蒸着塗布動作が終了しているが、次の基板５０に対する蒸着塗布動作が終了していない場合には、ステップＳ４で、次の基板５０に交換する作業を行なったのち、ＸＹステージ装置２３０を駆動して前記した動作を行なう。

ステップＳ９において、流体供給装置１０によるＡｒガス又はＮ_２ガスのチャンバー１４０内への流入を停止させて、一連の蒸着塗布動作を終了する。

前記第１実施形態によれば、前記第１実施形態にかかる蒸着ヘッド装置１１及び蒸着塗布方法によるデバイス形成技術では、高性能な低分子系の材料を用いて、蒸着方法により大気圧下でも材料利用効率を下げることなく（例えば、材料利用効率は５０％以上とすることができる）、ダイレクトに基板５０に蒸着塗布により蒸着塗布膜５５を形成することができる。また、ノズル部１２０に印加する電源４０の電圧を制御することにより、ノズル先端部１５０から吐出される材料２０の吐出径を制御することも可能になる。

より具体的な例として、７インチのディスプレイのために、１４０×２８０ピクセルでＲＧＢの１画素当たり５６８μｍ×１８９μｍの大きさの四角形（１００インチのディスプレイの場合には２０００セル×４０００セルに相当する。）の蒸着塗布膜５５を蒸着塗布により形成することができる。

なお、イオン化された荷電分子７０の流れをノズル部１２０の外部から制御するようにしてもよい。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。

例えば、前記第１実施形態の変形例として、図１Ａでは、固体の材料２０の例として、有機材料のイオン化による蒸着のみを考慮したが、図３に示したように、有機材料２０を加熱する前記材料加熱用セル１００と、前記材料加熱用セル１００用の抵抗加熱器８０と同様な構造の抵抗加熱器８０Ａで無機材料１７０を加熱する第２の材料加熱用セル１００Ａとをチャンバー１４０内に備えて蒸着ヘッド装置１１Ａを構成し、有機材料２０と無機材料１７０をそれぞれ独立に抵抗加熱して蒸発させ、チャンバー１４０内で有機材料２０と無機材料１７０を一定の割合で混合して１つのイオナイザー３０でイオン化して、基板５０に蒸着塗布させるようにしてもよい。

しかしながら、イオン化を促進させるために、図１Ａと同様に、図３に示すようにイオナイザー３０を取り付けてもよい。

また、前記第１実施形態の別の変形例として、図１Ａ、図３は、チャンバー１４０内の圧力を上げて、大気圧中で有機材料２０のみを蒸着するか、又は、有機材料２０と無機材料１７０との混合物を蒸着塗布する蒸着ヘッド装置１１を提案したが、基板５０と、チャンバー１４０を含むすべての蒸着ヘッド装置とを、密閉された塗布室内に収納し、かつ、塗布室を真空装置で低圧に維持して、低圧にされた塗布室の空間内で前記蒸着塗布を実現してもよい（図省略）。

また、前記第１実施形態のさらに別の変形例として、図１Ａでは、ノズル部１２０の１箇所のみに、先すぼまり構造を設けたが、先すぼまり構造に関しては、イオン化された荷電分子７０の直進性を向上させるために、多段階に形成してもよい。

また、イオン化された荷電分子７０の直進性を制御するためにチャンバー１４０に印加する電源４０の電圧に関しては、材料加熱用セル１００の配置されたチャンバー１４０の側面からノズル部１２０のノズル先端部１５０にかけて、電界の強度を徐々に強くするように多段階的に電界の強度を変化させてもよい。

また、前記第１実施形態の別の変形例として、図１Ａでは、単一の蒸着ヘッド装置１１により、固体材料２０を蒸発させて基板５０に蒸着するプロセスを考えたが、図６に示したように図１Ａの蒸着ヘッド装置１１を複数個並列配置し、必要な箇所の１つ又は複数の蒸着ヘッド装置１１のみを抵抗加熱して蒸発させかつ流体供給するか、又は、必要な箇所の１つ又は複数の蒸着ヘッド装置１１のみのシャッター２２２を開くようにしてもよい。図６では、イオン加速機構の例としてのイオナイザー３０、ノズル部１２０でのイオンとの同電位の印加機構の例の電源４０等の詳細の機構は省略している。この例の場合には、それぞれの蒸着ヘッド装置１１の制御部２５０を統括制御する統括制御部２５０Ａをさらに備えて、前記した必要な箇所の１つ又は複数の蒸着ヘッド装置１１のみによる蒸着塗布動作を制御するのが好ましい。一例として、ＲＧＢのうち、同じ色の画素を所定個数ずつ、同時的に蒸着塗布形成することが考えられる。

また、前記第１実施形態の別の変形例として、図１Ａにおいて、材料２０を蒸着塗布する場合、固定された蒸着ヘッド装置１１に対して、基板５０をＸＹステージ装置２３０により移動させるのではなく、固定された基板５０に対して、前記蒸着ヘッド装置１１がＸＹステージ装置により基板移動方向９０に移動するようにしてもよい。

（第２実施形態）
以下に、本発明の第２実施形態にかかる、蒸着ヘッド装置及びその装置により実施可能な蒸着塗布方法について説明する。この第２実施形態では、メタルマスク１８０を使用する例について説明する。

この第２実施形態では、図１Ａに示した、蒸着ヘッド装置１１を用いるものであって、図４Ａ及び図４Ｂに示したように、メタルマスク１８０を、基板５０の下方の蒸着ヘッド装置１１との間に配置している。一例として、メタルマスク１８０の材質はインバー材（常温付近で熱膨張率が小さい合金）であり、厚みは１００〜２００μｍである。メタルマスク１８０は、例えば、基板５０の上面にマグネット１８１を配置し、マグネット１８１の磁力により、基板５０の下面に磁性体の前記メタルマスク１８０を固定するようにしている。基板５０自体は、ＸＹステージ装置２３０に固定ねじ１８２で固定された断面Ｌ字状の基板支持枠１８３により、ＸＹステージ装置２３０に保持されている。メタルマスク１８０の貫通穴１８０ａの例としては、１画素に対して１つの六角形の穴が対応するように形成し、図５に示すようにＲＧＢの画素が隣接して塗布形成されるようにしている。隣接する画素間の隔壁は例えば１０〜２０μｍ程度である。

イオンプレーティングを行う場合、材料２０の荷電分子７０の帯電電荷と同電位をメタルマスク１８０にかけるようにすれば、メタルマスク１８０に、材料２０の荷電分子７０が付着するのを抑制することができる。すなわち、メタルマスク１８０には、帯電した電荷のイオン（材料２０の荷電分子７０）と同じ電位をかける（同じ電荷に帯電させる）。すると、帯電した電位のイオン（材料２０の荷電分子７０）は、メタルマスク１８０に反発され、帯電していない部位（基板５０のパターンを形成すべき部分）に接触し、蒸着塗布することができる。また、図３に示したような蒸着ヘッド装置１１Ａにより、有機材料及び無機材料を同時に抵抗加熱により気化して混合し、イオン化させてから、図４Ａのようなメタルマスク１８０を使用する構成で蒸着塗布させてもよい。この場合にも、メタルマスク１８０自体に、イオン化した電荷と同じ電位をかける（同じ電荷に帯電させる）ことにより、メタルマスク１８０に無駄な材料が付着するのを抑制し、材料利用効率を向上させることができる。

蒸着塗布後には、基板５０からマグネット１８１を取り外すことにより、メタルマスク１８０を基板５０から取り除くようにすればよい。

前記したように、この第２実施形態によれば、メタルマスク１８０を使用することにより、基板５０に、蒸着塗布すべきパターンを精度良く形成することができる。また、ノズル先端部１５０でのノズル開口直径寸法よりも小さい寸法の貫通穴１８０ａのメタルマスク１８０を使用すれば、ノズル先端部１５０でのノズル開口直径寸法よりも小さい寸法の薄膜（パターン）を基板５０に形成することができる。

なお、前記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明の蒸着ヘッド装置及び蒸着塗布方法は、固体材料を加熱することにより、材料の物質を蒸発させ、蒸発させた物質に電荷を印加し、帯電した電荷と同じ電圧をノズル部にも加えることにより、ノズル部から吐出される蒸着塗布材料の形状を制御し、大気圧下でもダイレクトに基板などの塗布対象物に蒸着塗布可能な蒸着ヘッド技術により、有機半導体、有機ＥＬ（Electro Luminescence）、有機太陽電池等の用途にも適用することができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。
図１Ａは、本発明の第１実施形態に係る蒸着ヘッド装置を一部透視した構成図である。図１Ｂは、本発明の第１実施形態に係る蒸着ヘッド装置のシャッター機構部分を一部透視した斜視図である。図１Ｃは、本発明の第１実施形態に係る蒸着ヘッド装置のノズル部の拡大断面図である。図１Ｄは、本発明の第１実施形態に係る蒸着ヘッド装置の別のノズル部の拡大断面図である。図１Ｅは、本発明の第１実施形態に係る蒸着ヘッド装置の抵抗加熱部の拡大断面図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る蒸着ヘッド装置により蒸着塗布動作のフローチャートである。図３は、本発明の第１実施形態の変形例に係る蒸着ヘッド装置において、有機材料及び無機材料の両方を混合して蒸着する場合の蒸着ヘッド装置の概略構成図（図１Ａと同一の一部の構成要素は図示省略）である。図４Ａは、本発明の第２実施形態に係る蒸着ヘッド装置の概略構成図（図１Ａと同一の一部の構成要素は図示省略）である。図４Ｂは、本発明の第２実施形態に係る蒸着ヘッド装置においてメタルマスクを配置した状態の説明図である。図５は、ＲＧＢの画素が隣接して塗布形成されている状態を示す説明図である。図６は、複数個の蒸着ヘッドを示す図である。

Claims

ノズル部を一端に有するチャンバーと、
前記チャンバー内に配置され、かつ固体の材料を保持する材料加熱用セルと、
前記材料加熱用セルを加熱する抵抗加熱部と、
前記チャンバーの他端に連結されて該他端側から前記チャンバー内に流体を供給して、前記抵抗加熱部で加熱された前記材料加熱用セルから蒸発した材料を前記チャンバーの前記ノズル部に案内して前記ノズル部から吐出させる流体供給装置と、
前記チャンバーの前記ノズル部の外部において前記ノズル部の先端部に向かって蒸着材料直進制御用気体を吹き付けて、前記ノズル部から吐出した前記材料を直進制御するエアー吹付部と、
前記ノズル部と前記材料加熱用セルとの間に配置されて、前記抵抗加熱部により加熱されて前記材料加熱用セルから蒸発した前記固体の材料をイオン化するイオナイザーと、
前記イオン化された材料の電荷とは異なる電位を、前記チャンバーの前記ノズル部から吐出する前記材料を蒸着塗布する塗布対象物に印加する電位印加部とを備え、
前記電位印加部は、前記イオン化された材料の電荷と同じ電位を前記チャンバーに印加する蒸着ヘッド装置。
前記チャンバーの前記ノズル部の開孔を開閉するシャッターをさらに備える、請求項１に記載の蒸着ヘッド装置。
前記材料加熱用セルは前記固体の材料として有機物を保持する第１材料加熱用セルとして機能させ、第１抵抗加熱部として機能する前記抵抗加熱部により前記第１材料加熱用セルを加熱することにより、前記有機物を蒸発させる一方、
前記チャンバー内に配置され、かつ固体の材料として無機物を保持する第２材料加熱用セルと、
前記第２材料加熱用セルを加熱する第２抵抗加熱部とをさらに備えて、
前記第２抵抗加熱部により前記第２材料加熱用セルを加熱することにより、前記無機物を蒸発させて、
前記チャンバー内で、前記蒸発した有機物と前記蒸発した無機物とを一定の割合で混合して、前記チャンバーの前記ノズル部から吐出する請求項１に記載の蒸着ヘッド装置。
ノズル部を一端に有するチャンバー内に配置されかつ固体の材料を保持する材料加熱用セルを加熱し、
前記チャンバーの他端側から前記チャンバーの前記ノズル部に向けて流体を供給して、前記加熱された前記材料加熱用セルから蒸発した材料を前記ノズル部に案内し、前記ノズル部から吐出させるとともに、前記チャンバーの前記ノズル部の外部において前記ノズル部の先端部に向かって蒸着材料直進制御用気体を吹き付けて、前記ノズル部から吐出した前記材料を直進制御し、
前記材料加熱用セルから蒸発した材料を前記ノズル部から吐出させるとき、前記ノズル部と前記材料加熱用セルとの間で、前記加熱されて前記材料加熱用セルから蒸発した前記固体の材料をイオン化し、かつ、前記イオン化された材料の電荷とは異なる電位を、前記チャンバーの前記ノズル部から吐出する前記材料を蒸着塗布する塗布対象物に印加するとともに、前記イオン化された材料の電荷と同じ電位を前記チャンバーに印加するようにした蒸着塗布方法。
前記材料加熱用セルから蒸発した材料を前記ノズル部から吐出させるとき、前記チャンバーの前記ノズル部の開孔をシャッターで開閉することにより、前記材料の前記ノズル部からの前記吐出の開始と停止を制御する、請求項４に記載の蒸着塗布方法。
前記材料を保持する前記材料加熱用セルを加熱するとき、有機物と無機物を加熱する一方、
前記材料加熱用セルから蒸発した材料を前記ノズル部から吐出させるとき、前記チャンバー内で、前記加熱されて蒸発した有機物と前記加熱されて蒸発した無機物とを一定の割合で混合して、前記チャンバーの前記ノズル部から吐出する請求項４に記載の蒸着塗布方法。