JP4138434B2 - 薄膜の形成方法、電子デバイスの形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜形成材料が溶媒に溶解している溶液の液滴を基板上に配置する工程を有する薄膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有機薄膜（有機物からなる薄膜）を機能性薄膜として有する電子デバイスが注目されており、代表的なものとして有機ＥＬ装置が挙げられる。有機ＥＬ装置の発光層として使用される有機薄膜としては、例えば真空蒸着法で形成されたＡｌｑ３（キノリノール−アルミニウム錯体）からなる薄膜が挙げられる。この薄膜は、通常の真空蒸着法で形成されると、結晶状態ではなくアモルファス状態で得られる。
【０００３】
フラーレンからなる層を下地層として設けることにより、真空蒸着法で結晶性のＡｌｑ３薄膜が得られることは公知である（例えば、特許文献１参照）。また、この方法で形成された結晶性Ａｌｑ３薄膜を発光層とすることによって、通常の真空蒸着法で形成されたＡｌｑ３薄膜を用いた場合よりも、有機ＥＬ装置の発光効率が向上できると記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−４１０７０号公報
【０００５】
また、液相プロセスで結晶性有機薄膜が形成された例もあり、例えば、材料によっては、有機物の溶液をスピンコート法で塗布する方法で、結晶性有機薄膜を形成できることも発表されている。その材料としては、α−セキチオフェン、ヘキサデカフルオロ銅フタロシアニン、ナフタレンテトラカルボキシルジイミド等が挙げられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、多くの電子デバイスでは、機能性薄膜がパターニングされて使用されるが、結晶性有機薄膜をフォトリソグラフィ工程とエッチング工程からなる通常のパターニング方法でパターニングすることは、有機物のレジスト耐性が低いために困難である。前述の結晶性有機薄膜でも、各結晶性有機薄膜が記載されている文献にパターニング法についての記載はない。また、結晶の完全性は物性に直接反映されるが、前記各文献にはそれについての詳細な記述もない。したがって、現時点では、パターニングされた結晶性有機薄膜を任意の材料で得ることのできる方法は存在しないと言うことができる。
【０００７】
これに対して、インクジェット法で基板上の所定位置に極少量の有機物の溶液を配置し、この配置された溶液を結晶化できれば、パターン状の結晶性有機薄膜を基板上に容易に形成できる。また、この方法では、溶液化可能な全ての材料について結晶性薄膜を形成できるようになり、さらに、原理的には完全な結晶（単結晶）を作ることが可能になる。
【０００８】
本発明は、このような点に着目してなされたものであり、基板上の所定位置に配置された極少量の溶液を結晶化させることのできる方法を提供することにより、インクジェット法でパターン状の結晶性薄膜を基板上に容易に形成できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、薄膜形成材料が溶媒に溶解している溶液の液滴を基板上に配置する工程を有する薄膜の形成方法において、配置された後の前記液滴近傍での前記溶媒と同じ成分からなる気体の分圧を、当該液滴をなす溶液が過飽和状態になる第１の分圧（例えば、飽和蒸気圧と同じかほぼ同じ分圧）に制御することにより、前記液滴に結晶核を生成させ、前記結晶核の生成後に、前記液滴近傍での前記気体の分圧を、前記結晶核が結晶成長可能となる第２の分圧（例えば、飽和蒸気圧の１／１０〜１／１００）に低下させることを特徴とする薄膜の形成方法を提供する。
【００１０】
本発明はまた、薄膜形成材料が溶媒に溶解している溶液の液滴を基板上に配置する工程を有する薄膜形成方法において、前記配置された液滴をなす溶液を過飽和状態にするとともに、前記液滴近傍での前記溶媒と同じ成分からなる気体の分圧を、当該液滴をなす溶液から溶媒が蒸発し難い第１の分圧（例えば、飽和蒸気圧と同じかほぼ同じ分圧）に制御することにより、前記液滴に結晶核を生成させ、前記結晶核の生成後に、前記液滴近傍での前記気体の分圧を、当該結晶核の結晶成長が更なる結晶核の生成よりも優先的に生じる第２の分圧（例えば、飽和蒸気圧の１／１０〜１／１００）となるまで低下させることを特徴とする薄膜の形成方法を提供する。
【００１１】
この方法によれば、先ず、基板上に配置された直後の液滴をなす溶液が過飽和状態となることによって、結晶化に必要な結晶核が前記溶液内に生成される。次に、前記液滴近傍での前記気体（溶媒と同じ成分からなる気体）の分圧を、前記第１の分圧（液滴をなす溶液から溶媒が蒸発し難い高い分圧）から前記第２の分圧（既に生じた結晶核の結晶成長が、更なる結晶核の生成よりも優先的に生じる低い分圧）となるまで低下させることにより、結晶成長が始まる。
【００１２】
したがって、この方法において、例えば、前記液滴の配置をインクジェット法により所定パターンで行うことによって、パターン状の結晶性薄膜を基板上に容易に形成することができる。
ここで、液滴配置工程を例えばインクジェット法で行った場合のように、基板上に配置された液滴の体積が例えば２０ピコリットルと極少量である場合には、液滴近傍での前記気体（液滴をなす溶液の溶媒と同じ成分からなる気体）の分圧が低いと、溶媒が液滴から蒸発し易いため、液滴をなす溶液の濃度が急上昇して溶液の過飽和度も急激に高くなり、多数の結晶核が形成されて溶質が粉末化し易い。これに対して、本発明の方法では、液滴配置直後の液滴近傍での前記気体の分圧を、前記第１の分圧（液滴をなす溶液から溶媒が蒸発し難い高い分圧）に制御することにより、液滴をなす溶液が比較的低い過飽和度の過飽和状態で安定する（すなわち、液滴をなす溶液の過飽和度の上昇度合いが穏やかになる）ため、少数（理想的には１個）の核が生成される。
【００１３】
また、単結晶の薄膜を形成するためには、１個の核が生成された後にこの核のみを結晶成長させ、他の核形成を生じさせないようにする必要があるが、液滴配置直後の液滴近傍での前記気体の分圧が高いままであると、更なる核が生成されることになる。これに対して、本発明の方法では、結晶核の生成後に前記分圧を、既に生じた結晶核の結晶成長が更なる結晶核の生成よりも優先的に生じる低い分圧（第２の分圧）となるまで低下させることにより、更なる核生成を防止しながら結晶成長を促進している。
【００１４】
したがって、本発明の方法においては、前記第１の分圧から第２の分圧への分圧低下を、前記溶液に少数（理想的には１個）の結晶核が生成した直後に急激に行うことによって、例えば、飽和蒸気圧と同じかほぼ同じ分圧である第１の分圧から、１．３Ｐａ（１０-2torr）である第２の分圧まで、１〜１０秒間で低下させることことによって、液滴をなす溶液の過飽和度を急激に高くして、単結晶の結晶性薄膜を得ることができる。
【００１５】
なお、本発明の方法では、配置された直後の液滴をなす溶液が過飽和状態となるようにする必要があり、そのためには、（１）液滴配置工程で溶液を吐出する時に飽和状態となる量の薄膜形成材料を含有している溶液、または（２）前記吐出時に濃度が飽和濃度の１／１０以上飽和濃度未満となる量の薄膜形成材料を含有している溶液、または（３）前記吐出時に過飽和状態となる量の薄膜形成材料を含有している溶液を使用することが好ましい。
【００１６】
本発明の方法において、前記第１の分圧への分圧制御方法としては、▲１▼前記液滴の吐出間隔（配置間隔）を調整する方法、▲２▼前記溶液の吐出量（前記液滴をなす溶液の量）を調整する方法、▲３▼前記液滴配置工程前に、液滴が配置される位置の前記気体の分圧を調整する方法が挙げられる。
本発明の方法において、前記第１の分圧から第２の分圧への分圧低下方法としては、▲１▼前記液滴近傍の雰囲気を減圧する方法、▲２▼前記液滴近傍の温度を上昇させる方法、▲３▼前記液滴近傍の雰囲気を不活性ガス雰囲気に置換する方法が挙げられる。なお、▲２▼の方法では前記気体の分圧低下が生じない場合（一連の工程を密閉空間で行う場合等）もあるが、その場合でも、温度上昇によって飽和蒸気圧が高くなり、液滴の溶媒が蒸発し易い状態となるため、前記気体の分圧低下が生じた場合と同じ作用（液滴をなす溶液の過飽和度を急激に高くする）が得られる。
【００１７】
本発明の方法で使用可能な薄膜形成材料としては、オリゴフェニレンまたはその誘導体、あるいはオリゴチオフェンまたはその誘導体が挙げられる。オリゴフェニレンは下記の（１）式で表され、オリゴチオフェンは下記の（２）式で表され、いずれの場合もｎは２以上である。また、いずれの場合もｎが２以上６以下であるものが好ましい。
【００１８】
【化１】
【００１９】
【化２】
【００２０】
オリゴフェニレンの例としては、下記の（３）式で示されるｐ−ターフェニルが挙げられる。オリゴチオフェンの例としては、下記の（４）式で示されるターチオフェンが挙げられる。オリゴフェニレンの誘導体の例としては、下記の（５）式で示される４−アミノ−ｐ−ターフェニルが挙げられる。オリゴチオフェンの誘導体の例としては、下記の（６）式で示される2,2':5',2"−ターチオフェン−5,5"−ジカルボキシアルデヒドが挙げられる。
【００２１】
【化３】
【００２２】
【化４】
【００２３】
【化５】
【００２４】
【化６】
【００２５】
本発明の方法で使用可能な薄膜形成材料としては、また、下記の（７）式で示されるＡｌｑ３（キノリノール−アルミニウム錯体）が挙げられる。
【００２６】
【化７】
【００２７】
本発明はまた、本発明の方法で薄膜を形成する工程を有する電子デバイスの形成方法を提供する。
本発明はまた、基板を載置するステージと、薄膜形成材料が溶媒に溶解している溶液を液滴として吐出する吐出装置と、前記ステージの上部の気体組成を変化させる気体成分調整装置と、を備えた薄膜形成装置を提供する。
【００２８】
本発明はまた、基板を載置するステージと、薄膜形成材料が溶媒に溶解している溶液を液滴として吐出する吐出装置と、前記ステージの上部に所定成分の気体を導入する気体導入装置と、前記ステージの上部の圧力を低下させる減圧装置と、を備えた薄膜形成装置を提供する。
本発明はまた、薄膜形成材料が溶媒に溶解している溶液の液滴を基板上に配置し、前記液滴近傍での前記溶媒と同じ成分からなる気体の分圧を制御することにより、前記液滴に結晶核を生成させた後に前記結晶核を成長させて結晶性薄膜を形成することを特徴とする薄膜の形成方法を提供する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
前記化学式（３）で示される構造のｐ−ターフェニル（薄膜形成材料）を、2,3-ジヒドロベンゾフラン（溶媒）に０．１重量％濃度となるように溶解させた。また、シリコン基板の表面に紫外線を照射して、この表面を親インク性（前記溶液によって濡れ易い性質）にした。
【００３０】
なお、２５℃（溶液吐出時の温度）での２，３−ジヒドロベンゾフランに対するｐ−ターフェニルの飽和濃度は１．０重量％である。したがって、この溶液のｐ−ターフェニル濃度は吐出時に飽和濃度の１／１０となる。
次に、図１に示す薄膜形成装置を使用して、前記シリコン基板に対する薄膜形成を行った。この装置は、密閉容器１と、この密閉容器１内に設置されたＸ−Ｙステージ２と、インクジェット装置のヘッド３と、密閉容器１内を減圧するためのポンプ６と配管７とで構成されている。
【００３１】
ヘッド３は密閉容器１の上部に固定されており、このヘッド３内に外部から、前記溶液が供給されるように構成されている。ヘッド３とＸ−Ｙステージ２は、互いに向かい合う位置に配置されている。ポンプ６用の配管７は密閉容器１の底部に接続されている。
インクジェット装置としては、セイコーエプソン（株）製のインクジェット装置「ＭＪ−９３０Ｃ」を用いた。ヘッド３としては、ノズルを１個備えたものを使用した。
【００３２】
先ず、この装置のＸ−Ｙステージ２に、前記処理を行ったシリコン基板を載せて密閉した。次に、この密閉容器１内を２５℃に保持し、この基板の表面にヘッド３から、前記溶液を１滴当たり２０ピコリットルの吐出量で吐出した。この吐出を、Ｘ−Ｙステージ２を２１０μｍずつ基板の１辺に沿って移動させながら１０回繰り返した。ヘッドのノズルと基板との距離は１ｍｍとした。これにより、基板上の一直線に沿ってピッチ２１０μｍで１０個の液滴が形成された。
【００３３】
この液滴形成を終了すると同時に、減圧ポンプ６を稼働させてこの密閉容器１内を１．３Ｐａ（１０-2torr）まで減圧し、この状態を６時間保持した。６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が２０μｍ〜３０μｍである略菱形のｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．５μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。ｐ−ターフェニル単結晶薄膜は、各種電子デバイス用の半導体膜として好適に使用可能な機能性薄膜である。
【００３４】
これに対して、液滴をピッチ４２０μｍで形成した以外は全て上述の方法を行った場合、６時間後に密閉容器１から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が１μｍ以下である略菱形のｐ−ターフェニルからなる微結晶が形成されていた。液滴をピッチ５６０μｍで形成した場合も同様であった。
【００３５】
この実施形態では、吐出時の溶液の濃度が飽和濃度の１／１０であるため、基板上に配置された直後に液滴をなす溶液が過飽和状態になり易い。また、１滴当たりの吐出量を２０ピコリットルとした場合には、液滴をピッチ２１０μｍで形成することによって、配置された直後の液滴近傍での２，３−ジヒドロベンゾフラン（溶媒と同じ成分）からなる気体の分圧が、液滴となっている溶液から２，３−ジヒドロベンゾフラン（溶媒）が蒸発し難い高い分圧となっている。これらのことから、液滴となっている溶液が比較的低い過飽和度の過飽和状態で安定して、少数の核形成がなされたと考えられる。
【００３６】
これに対して、同じ吐出量で液滴をピッチ４２０μｍおよび５６０μｍで形成すると、液滴の配置直後に前記気体の分圧が前記高い分圧とならずに、多数の核形成がなされたと考えられる。
また、液滴形成を終了すると同時に密閉空間（密閉容器１）内の減圧を開始することによって、液滴近傍での溶媒蒸気の分圧が、少数の結晶核が形成された段階で急激に低下し、液滴となっている溶液の過飽和度が急激に高くなって、更なる結晶核の形成よりも結晶成長が優先的に生じる状態となり、この減圧状態を６時間保持することによって、結晶成長が促進されたと考えられる。
【００３７】
なお、本実施形態では図１に示す薄膜形成装置を使用しているが、減圧をより確実に行うために、図１の薄膜形成装置のヘッド３とステージ２および配管７とを隔てる仕切り板を設けたものを使用してもよい。この仕切り板を設けることにより、密閉容器１内部のヘッド設置側は減圧させずに、ステージ設置側のみを減圧することができる。
＜第２実施形態＞
１滴当たりの吐出量を４０ピコリットルとした以外は全て第１実施形態と同じ方法を行った。液滴の形成ピッチは４２０μｍとした。その結果、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が２０μｍ〜３０μｍである略菱形のｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．８μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。
【００３８】
なお、第１実施形態では１滴当たりの吐出量が２０ピコリットルであるため、第１実施形態で液滴をピッチ４２０μｍで形成した例が、この実施形態の比較例（対照例）となるが、この例では、上述のように、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が１μｍ以下である略菱形のｐ−ターフェニルからなる微結晶が形成されていた。
【００３９】
以上のことから、液滴をピッチ４２０μｍで形成した場合には、１滴当たりの吐出量を４０ピコリットルとすることによって、配置された直後の液滴近傍での２，３−ジヒドロベンゾフランからなる気体の分圧が、液滴をなす溶液から２，３−ジヒドロベンゾフラン（溶媒）が蒸発し難い高い分圧となって、少数の核形成がなされるが、１滴当たりの吐出量を２０ピコリットルとすると、液滴の配置直後に前記気体の分圧が前記高い分圧とならずに、多数の核形成がなされたと考えられる。
＜第３実施形態＞
溶液の吐出直前に基板表面にスピンコート法（回転速度２０００ｒｐｍで３０秒間）により溶媒（２，３−ジヒドロベンゾフラン）を塗布した以外は、全て第１実施形態と同じ方法を行った。液滴の形成ピッチは４２０μｍとした。その結果、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が２０μｍ〜３０μｍである略菱形のｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．１μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。
【００４０】
なお、第１実施形態で液滴をピッチ４２０μｍで形成した例が、この実施形態の比較例（対照例）となるが、この例では、上述のように、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が１μｍ以下である略菱形のｐ−ターフェニルからなる微結晶が形成されていた。
以上のことから、液滴をピッチ４２０μｍで形成した場合には、薄膜形成材料の溶液を吐出する直前に基板表面にこの溶液の溶媒を塗布することによって、配置された直後の液滴近傍での２，３−ジヒドロベンゾフランからなる気体の分圧が、液滴をなす溶液から２，３−ジヒドロベンゾフラン（溶媒）が蒸発し難い高い分圧となって、少数の核形成がなされるが、溶媒塗布を行わないと前記気体の分圧が前記高い分圧とならずに、多数の核形成がなされると考えられる。
＜第４実施形態＞
上記化学式（４）で示される構造のターチオフェン（2,2':5',2"−ターチオフェン、薄膜形成材料）を、ドデシルベンゼン（溶媒）に、濃度が１．０重量％となるように溶解させて溶液を得た。２５℃（溶液吐出時の温度）でのドデシルベンゼンに対するターチオフェンの飽和濃度は１．０重量％である。したがって、この溶液は、吐出時に、ターチオフェンが飽和状態となる。
【００４１】
この溶液を用い、１滴あたりの吐出量を２０ピコリットルとし、吐出ピッチを２１０μｍとして、第１実施形態と同じ方法を行った。
その結果、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、１０μｍ×５μｍの略長方形のターチオフェン薄膜（厚さ０．５μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。ターチオフェン結晶性薄膜は、各種電子デバイス用の半導体膜として好適に使用可能な機能性薄膜である。
＜第５実施形態＞
前記化学式（５）で示される構造の４−アミノ−ｐ−ターフェニル（薄膜形成材料）を、ジメチルホルムアミド（溶媒）に、濃度が１．０重量％となるように溶解させて溶液を得た。２５℃（溶液吐出時の温度）でのジメチルホルムアミドに対する４−アミノ−ｐ−ターフェニルの飽和濃度は１．０重量％である。したがって、この溶液は、吐出時に、４−アミノ−ｐ−ターフェニルが飽和状態となる。
【００４２】
この溶液を用い、１滴あたりの吐出量を２０ピコリットルとし、吐出ピッチを２１０μｍとして、第１実施形態と同じ方法を行った。
その結果、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が２０μｍ〜３０μｍである略菱形の４−アミノ−ｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．１μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。４−アミノ−ｐ−ターフェニル結晶性薄膜は、各種電子デバイス用の半導体膜として好適に使用可能な機能性薄膜である。
＜第６実施形態＞
前記化学式（６）で示される構造の2,2':5',2"−ターチオフェン−5,5"−ジカルボキシアルデヒド（ターチオフェンの誘導体、薄膜形成材料）を、ジメチルホルムアミド（溶媒）に、濃度が１．０重量％となるように溶解させて溶液を得た。２５℃（溶液吐出時の温度）でのジメチルホルムアミドに対する前記誘導体の飽和濃度は１．０重量％である。したがって、この溶液は、吐出時に、前記誘導体が飽和状態となる。
【００４３】
この溶液を用い、１滴あたりの吐出量を２０ピコリットルとし、吐出ピッチを２１０μｍとして、第１実施形態と同じ方法を行った。
その結果、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が２０μｍ〜３０μｍである略菱形の2,2':5',2"−ターチオフェン−5,5"−ジカルボキシアルデヒド薄膜（厚さ０．１μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。2,2':5',2"−ターチオフェン−5,5"−ジカルボキシアルデヒド結晶性薄膜は、各種電子デバイス用の半導体膜として好適に使用可能な機能性薄膜である。
＜第７実施形態＞
上記化学式（７）で示される構造のＡｌｑ３（キノリノール−アルミニウム錯体；薄膜形成材料）を、２，３−ジヒドロベンゾフラン（溶媒）に、濃度が０．１重量％となるように溶解させて溶液を得た。２５℃での２，３−ジヒドロベンゾフランに対するＡｌｑ３の飽和濃度は１．０重量％であるため、この溶液のＡｌｑ３濃度は吐出時に飽和濃度の１／１０となっている。
【００４４】
この溶液を用い、１滴あたりの吐出量を２０ピコリットルとし、吐出ピッチを２１０μｍとして、第１実施形態と同じ方法を行った。
その結果、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、長さ３０μｍの針状で厚さ０．１μｍのＡｌｑ３薄膜が、略単結晶の状態で形成されていた。Ａｌｑ３単結晶薄膜は有機ＥＬ装置の発光層等として好適に使用可能な機能性薄膜である。
＜第８実施形態＞
図２に示す薄膜形成装置を用いて、本発明の一実施形態に相当する方法を行った。
【００４５】
この装置は、密閉容器１と、この密閉容器１内に設置されたＸ−Ｙステージ２と、インクジェット装置のヘッド３と、密閉容器１内に溶媒（２，３−ジヒドロベンゾフラン）と同じ成分からなる気体を導入するためのタンク４および配管５と、密閉容器１内を減圧するためのポンプ６と配管７とで構成されている。
ヘッド３は密閉容器１の上部に固定されており、このヘッド３内に外部から、第１実施形態で使用した溶液と同じ溶液が供給されるように構成されている。また、このヘッド３としては、ノズルを１個備えたものを使用した。ヘッド３とＸ−Ｙステージ２は、互いに向かい合う位置に配置されている。タンク４内には前記溶液の溶媒である2,3-ジヒドロベンゾフランが入れてあり、タンク４の配管５は密閉容器１の側壁上部に接続されている。ポンプ６用の配管７は密閉容器１の底部に接続されている。
【００４６】
先ず、この装置のＸ−Ｙステージ２に、第１実施形態と同じ処理を行ったシリコン基板を載せて密閉し、タンク４から２，３−ジヒドロベンゾフランの気体を密閉容器１内に導入して、密閉容器１内のジヒドロベンゾフランの分圧を飽和蒸気圧に保持した。
次に、Ｘ−Ｙステージ２上の基板の表面にヘッド３から、前記溶液を１滴当たり２０ピコリットルの吐出量で吐出した。この吐出を、Ｘ−Ｙステージ２を４２０μｍずつ基板の１辺に沿って移動させながら１０回繰り返した。ヘッドのノズルと基板との距離は１ｍｍとした。これにより、基板上の一直線に沿ってピッチ４２０μｍで１０個の液滴が形成された。
【００４７】
この液滴形成を終了すると同時に、タンク４から密閉容器１内への前記気体の導入を停止するとともに、減圧ポンプを稼働させてこの密閉容器１内を１．３Ｐａ（１０-2torr）まで減圧し、この状態を６時間保持した。６時間後に密閉容器１から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が２０μｍ〜３０μｍである略菱形のｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．５μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。
＜第９実施形態＞
第１実施形態と同じ処理を行ったシリコン基板を、ホットプレートが内蔵されたステージ上に配置し、ホットプレートを加熱しない状態で、この基板の表面に第１実施形態と同じ方法で、同じ溶液の吐出を行った。これにより、基板上にピッチ２１０μｍで１０個の液滴が一直線に沿って形成された。
【００４８】
この液滴形成を終了すると同時にホットプレートを加熱して、ホットプレート上の基板を３０℃、５０℃、７０℃の各温度に１５分間保持した。１５分経過後に前記空間から取り出したシリコン基板には、５０℃の場合は、各液滴が形成された各位置に、一辺が３０μｍである略菱形のｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．４μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。３０℃の場合は、各液滴が形成された各位置に、一辺が１μｍ以下である略菱形のｐ−ターフェニルからなる微結晶が形成されていた。７０℃の場合は、各液滴が形成された各位置に、長軸３０μｍ程度の涙形のｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．３μｍ）が略アモルファスの状態で形成されていた。
【００４９】
ホットプレートを加熱しないで１５分保持した場合、１５分経過後に前記空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、粒界を多く含む凸凹上の多結晶状態のｐ−ターフェニルの塊が形成されているか、微粉末が析出していた。
この実施形態では、液滴の溶媒が蒸発し易い状態にする工程（核形成後の液滴近傍での溶媒と同じ成分からなる気体の分圧低下と同じ作用が得られる工程）を、ホットプレートでの加熱により液滴近傍の温度を上昇させることで行っている。
＜第１０実施形態＞
図３に示すステージ８を用意した。このステージ８は、基板を載せる長方形の台部８１と、この台部８１の長手方向一端に設けられた気体吹き出し部８２と、他端に設けられた気体吸い込み部８３とで構成されている。気体吹き出し部８２には、横方向に多数の吹き出し口８２ａが等間隔で形成されている。気体吸い込み部８３には、横方向に多数の吸い込み口８３ａが等間隔で形成されている。これらの吹き出し口８２ａと吸い込み口８３ａは、台部８１の上方３０ｃｍの位置に、互いに対向する配置で形成されている。
【００５０】
気体吹き出し部８２には外部から不活性ガスが導入され、吹き出し口８２ａから対向する吸い込み口８３ａに向けて不活性ガスが吹き出され、この吹き出された不活性ガスが吸い込み口８３ａから気体吸い込み部８３内に吸い込まれるようになっている。これにより、台部８１の上方に不活性ガスの層流が形成される。
先ず、このステージ８を密閉空間に配置し、このステージ８上に基板を載せて第１実施形態と同じ方法で前記溶液の吐出を行った。このときにはステージ８による不活性ガスの層流形成を行わず、第１実施形態と同様に、大気圧の空気中で液滴の形成を行った。これにより、基板上にピッチ２１０μｍで一直線に沿って１０個の液滴が形成された。
【００５１】
この液滴形成を終了すると同時に、ステージ８による不活性ガスの層流形成を行い、この状態で１５分放置した。不活性ガスとしては窒素ガスを０．２ＭＰａで吹き出した。その後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が１０μｍである略菱形のｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．５μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。ただし、この薄膜には、いくつかの粒界が存在する部分もあった。
【００５２】
この実施形態では、核形成後の液滴近傍での溶媒と同じ成分からなる気体の分圧低下を、液滴近傍の雰囲気を不活性ガス雰囲気に置換することで行っている。
なお、図２の装置は請求項１３の薄膜形成装置の一実施形態であって、タンク４および配管５が気体導入装置に相当し、ポンプ６および配管７が減圧装置に相当する。また、図２でポンプ６および配管７のない装置は、請求項１２の薄膜形成装置の一実施形態であって、この場合にはタンク４および配管５が気体成分調整装置に相当する。
【００５３】
また、本発明の方法が実施可能な装置の別の例としては、▲１▼図２の装置で、タンク４、ポンプ６、および配管５，７がなく、ステージ２上にホットプレートとスピコーターを兼ねる装置が設置されているもの、▲２▼図２の装置で、タンク４と配管５がなく、ステージ２上にスピコーターが設置されているもの、▲３▼図２の装置で、ポンプ６および配管７がなく、ステージ２上にホットプレートが設置されているもの、▲４▼図２の薄膜形成装置のヘッド３とステージ２および配管７とを隔てる仕切り板を設けたもの等が挙げられる。
【００５４】
なお、前記各実施形態（第１〜第８）では、液滴形成を終了すると同時に密閉空間内の減圧を開始することによって、第１の分圧を第２の分圧に急激に低下させて、液滴をなす溶液の過飽和度を急激に高くして単結晶の結晶性薄膜を得ているが、前記減圧開始のタイミングは液滴形成の終了と同時に限定されるものではなく、他の条件等によって適切なタイミングで行うことができる。第９実施形態の加熱および第１０実施形態の気体置換のタイミングについても前記と同様である。
【００５５】
本発明の形成方法により形成された結晶性薄膜は、各種電子デバイス（トランジスタ、ダイオード、キャパシタ、有機ＥＬ装置における発光層や正孔注入／輸送層等）用の半導体膜として好適に使用できる。また、本発明の方法で薄膜形成がなされた電子デバイスを備えた表示装置としては、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置等が挙げられる。これらの表示装置は、例えば、図４に示す各種電子機器に適用することができる。
【００５６】
図４（ａ）は、携帯電話の一例を示した斜視図である。図４（ａ）において、符号６００は携帯電話本体を示し、符号６０１は前記表示装置を用いた表示部を示している。
図４（ｂ）は、ワープロ、パソコンなどの携帯型情報処理装置の一例を示した斜視図である。図４（ｂ）において、符号７００は情報処理装置、符号７０１はキーボードなどの入力部、符号７０３は情報処理装置本体、符号７０２は前記表示装置を用いた表示部を示している。
【００５７】
図４（ｃ）は、腕時計型電子機器の一例を示した斜視図である。図４（ｃ）において、符号８００は時計本体を示し、符号８０１は前記表示装置を用いた表示部を示している。
図４（ａ）〜（ｃ）に示すそれぞれの電子機器は、前記実施形態の方法で形成された結晶性薄膜を半導体膜として使用した電子デバイスを備えた表示装置を表示部として備えたものであり、本発明の薄膜形成方法の特徴を有する。そのため、本発明の薄膜形成方法によれば、これらの電子機器の製造方法を容易にすることができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の方法によれば、基板上の所定位置に配置された極少量の溶液を結晶化させることができる。その結果、インクジェット法によりパターン状の結晶性薄膜を基板上に容易に形成できるようになる。
また、本発明の装置によれば、本発明の方法が容易に実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の方法を実施可能な薄膜形成装置を示す概略構成図である。
【図２】 本発明の薄膜形成装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図３】 本発明の請求項８に係る方法が容易に実施可能なステージを示す概略斜視図である。
【図４】 本発明の方法で薄膜形成がなされた電子デバイスを備えた表示装置を有する電子機器の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…密閉容器、２…Ｘ−Ｙステージ、３…ヘッド（インクジェット装置）、４…タンク（気体導入装置、気体成分調整装置）、５…配管（気体導入装置、気体成分調整装置）、６…ポンプ（減圧装置）、７…配管（減圧装置）、８…ステージ、８１…基板を載せる台部、８２…気体吹き出し部、８３…気体吸い込み部、８２ａ…吹き出し口、８３ａ…吸い込み口、６００…携帯電話本体、６０１…表示部、７００…情報処理装置、７０１…入力部、７０３…情報処理装置本体、７０２…表示部、８００…時計本体、８０１…表示部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜形成材料が溶媒に溶解している溶液の液滴を基板上に配置する工程を有する薄膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有機薄膜（有機物からなる薄膜）を機能性薄膜として有する電子デバイスが注目されており、代表的なものとして有機ＥＬ装置が挙げられる。有機ＥＬ装置の発光層として使用される有機薄膜としては、例えば真空蒸着法で形成されたＡｌｑ３（キノリノール−アルミニウム錯体）からなる薄膜が挙げられる。この薄膜は、通常の真空蒸着法で形成されると、結晶状態ではなくアモルファス状態で得られる。
【０００３】
フラーレンからなる層を下地層として設けることにより、真空蒸着法で結晶性のＡｌｑ３薄膜が得られることは公知である（例えば、特許文献１参照）。また、この方法で形成された結晶性Ａｌｑ３薄膜を発光層とすることによって、通常の真空蒸着法で形成されたＡｌｑ３薄膜を用いた場合よりも、有機ＥＬ装置の発光効率が向上できると記載されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−４１０７０号公報
【０００５】
また、液相プロセスで結晶性有機薄膜が形成された例もあり、例えば、材料によっては、有機物の溶液をスピンコート法で塗布する方法で、結晶性有機薄膜を形成できることも発表されている。その材料としては、α−セキチオフェン、ヘキサデカフルオロ銅フタロシアニン、ナフタレンテトラカルボキシルジイミド等が挙げられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、多くの電子デバイスでは、機能性薄膜がパターニングされて使用されるが、結晶性有機薄膜をフォトリソグラフィ工程とエッチング工程からなる通常のパターニング方法でパターニングすることは、有機物のレジスト耐性が低いために困難である。前述の結晶性有機薄膜でも、各結晶性有機薄膜が記載されている文献にパターニング法についての記載はない。また、結晶の完全性は物性に直接反映されるが、前記各文献にはそれについての詳細な記述もない。したがって、現時点では、パターニングされた結晶性有機薄膜を任意の材料で得ることのできる方法は存在しないと言うことができる。
【０００７】
これに対して、インクジェット法で基板上の所定位置に極少量の有機物の溶液を配置し、この配置された溶液を結晶化できれば、パターン状の結晶性有機薄膜を基板上に容易に形成できる。また、この方法では、溶液化可能な全ての材料について結晶性薄膜を形成できるようになり、さらに、原理的には完全な結晶（単結晶）を作ることが可能になる。
【０００８】
本発明は、このような点に着目してなされたものであり、基板上の所定位置に配置された極少量の溶液を結晶化させることのできる方法を提供することにより、インクジェット法でパターン状の結晶性薄膜を基板上に容易に形成できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、薄膜形成材料が溶媒に溶解している溶液の液滴を基板上に配置する工程を有する薄膜の形成方法において、配置された後の前記液滴近傍での前記溶媒と同じ成分からなる気体の分圧を、当該液滴をなす溶液が過飽和状態になる第１の分圧（例えば、飽和蒸気圧と同じかほぼ同じ分圧）に制御することにより、前記液滴に結晶核を生成させ、前記結晶核の生成後に、前記液滴近傍での前記気体の分圧を、前記結晶核が結晶成長可能となる第２の分圧（例えば、飽和蒸気圧の１／１０〜１／１００）に低下させることを特徴とする薄膜の形成方法を提供する。
【００１０】
本発明はまた、薄膜形成材料が溶媒に溶解している溶液の液滴を基板上に配置する工程を有する薄膜形成方法において、前記配置された液滴をなす溶液を過飽和状態にするとともに、前記液滴近傍での前記溶媒と同じ成分からなる気体の分圧を、当該液滴をなす溶液から溶媒が蒸発し難い第１の分圧（例えば、飽和蒸気圧と同じかほぼ同じ分圧）に制御することにより、前記液滴に結晶核を生成させ、前記結晶核の生成後に、前記液滴近傍での前記気体の分圧を、当該結晶核の結晶成長が更なる結晶核の生成よりも優先的に生じる第２の分圧（例えば、飽和蒸気圧の１／１０〜１／１００）となるまで低下させることを特徴とする薄膜の形成方法を提供する。
【００１１】
この方法によれば、先ず、基板上に配置された直後の液滴をなす溶液が過飽和状態となることによって、結晶化に必要な結晶核が前記溶液内に生成される。次に、前記液滴近傍での前記気体（溶媒と同じ成分からなる気体）の分圧を、前記第１の分圧（液滴をなす溶液から溶媒が蒸発し難い高い分圧）から前記第２の分圧（既に生じた結晶核の結晶成長が、更なる結晶核の生成よりも優先的に生じる低い分圧）となるまで低下させることにより、結晶成長が始まる。
【００１２】
したがって、この方法において、例えば、前記液滴の配置をインクジェット法により所定パターンで行うことによって、パターン状の結晶性薄膜を基板上に容易に形成することができる。
ここで、液滴配置工程を例えばインクジェット法で行った場合のように、基板上に配置された液滴の体積が例えば２０ピコリットルと極少量である場合には、液滴近傍での前記気体（液滴をなす溶液の溶媒と同じ成分からなる気体）の分圧が低いと、溶媒が液滴から蒸発し易いため、液滴をなす溶液の濃度が急上昇して溶液の過飽和度も急激に高くなり、多数の結晶核が形成されて溶質が粉末化し易い。これに対して、本発明の方法では、液滴配置直後の液滴近傍での前記気体の分圧を、前記第１の分圧（液滴をなす溶液から溶媒が蒸発し難い高い分圧）に制御することにより、液滴をなす溶液が比較的低い過飽和度の過飽和状態で安定する（すなわち、液滴をなす溶液の過飽和度の上昇度合いが穏やかになる）ため、少数（理想的には１個）の核が生成される。
【００１３】
また、単結晶の薄膜を形成するためには、１個の核が生成された後にこの核のみを結晶成長させ、他の核形成を生じさせないようにする必要があるが、液滴配置直後の液滴近傍での前記気体の分圧が高いままであると、更なる核が生成されることになる。これに対して、本発明の方法では、結晶核の生成後に前記分圧を、既に生じた結晶核の結晶成長が更なる結晶核の生成よりも優先的に生じる低い分圧（第２の分圧）となるまで低下させることにより、更なる核生成を防止しながら結晶成長を促進している。
【００１４】
したがって、本発明の方法においては、前記第１の分圧から第２の分圧への分圧低下を、前記溶液に少数（理想的には１個）の結晶核が生成した直後に急激に行うことによって、例えば、飽和蒸気圧と同じかほぼ同じ分圧である第１の分圧から、１．３Ｐａ（１０-2torr）である第２の分圧まで、１〜１０秒間で低下させることことによって、液滴をなす溶液の過飽和度を急激に高くして、単結晶の結晶性薄膜を得ることができる。
【００１５】
なお、本発明の方法では、配置された直後の液滴をなす溶液が過飽和状態となるようにする必要があり、そのためには、（１）液滴配置工程で溶液を吐出する時に飽和状態となる量の薄膜形成材料を含有している溶液、または（２）前記吐出時に濃度が飽和濃度の１／１０以上飽和濃度未満となる量の薄膜形成材料を含有している溶液、または（３）前記吐出時に過飽和状態となる量の薄膜形成材料を含有している溶液を使用することが好ましい。
【００１６】
本発明の方法において、前記第１の分圧への分圧制御方法としては、▲１▼前記液滴の吐出間隔（配置間隔）を調整する方法、▲２▼前記溶液の吐出量（前記液滴をなす溶液の量）を調整する方法、▲３▼前記液滴配置工程前に、液滴が配置される位置の前記気体の分圧を調整する方法が挙げられる。
本発明の方法において、前記第１の分圧から第２の分圧への分圧低下方法としては、▲１▼前記液滴近傍の雰囲気を減圧する方法、▲２▼前記液滴近傍の温度を上昇させる方法、▲３▼前記液滴近傍の雰囲気を不活性ガス雰囲気に置換する方法が挙げられる。なお、▲２▼の方法では前記気体の分圧低下が生じない場合（一連の工程を密閉空間で行う場合等）もあるが、その場合でも、温度上昇によって飽和蒸気圧が高くなり、液滴の溶媒が蒸発し易い状態となるため、前記気体の分圧低下が生じた場合と同じ作用（液滴をなす溶液の過飽和度を急激に高くする）が得られる。
【００１７】
本発明の方法で使用可能な薄膜形成材料としては、オリゴフェニレンまたはその誘導体、あるいはオリゴチオフェンまたはその誘導体が挙げられる。オリゴフェニレンは下記の（１）式で表され、オリゴチオフェンは下記の（２）式で表され、いずれの場合もｎは２以上である。また、いずれの場合もｎが２以上６以下であるものが好ましい。
【００１８】
【化１】
【化２】
オリゴフェニレンの例としては、下記の（３）式で示されるｐ−ターフェニルが挙げられる。オリゴチオフェンの例としては、下記の（４）式で示されるターチオフェンが挙げられる。オリゴフェニレンの誘導体の例としては、下記の（５）式で示される４−アミノ−ｐ−ターフェニルが挙げられる。オリゴチオフェンの誘導体の例としては、下記の（６）式で示される2,2':5',2"−ターチオフェン−5,5"−ジカルボキシアルデヒドが挙げられる。
【００２１】
【化３】
【化４】
【化５】
【化６】
本発明の方法で使用可能な薄膜形成材料としては、また、下記の（７）式で示されるＡｌｑ３（キノリノール−アルミニウム錯体）が挙げられる。
【００２６】
【化７】
本発明はまた、本発明の方法で薄膜を形成する工程を有する電子デバイスの形成方法を提供する。
本発明はまた、基板を載置するステージと、薄膜形成材料が溶媒に溶解している溶液を液滴として吐出する吐出装置と、前記ステージの上部の気体組成を変化させる気体成分調整装置と、を備えた薄膜形成装置を提供する。
【００２８】
本発明はまた、基板を載置するステージと、薄膜形成材料が溶媒に溶解している溶液を液滴として吐出する吐出装置と、前記ステージの上部に所定成分の気体を導入する気体導入装置と、前記ステージの上部の圧力を低下させる減圧装置と、を備えた薄膜形成装置を提供する。
本発明はまた、薄膜形成材料が溶媒に溶解している溶液の液滴を基板上に配置し、前記液滴近傍での前記溶媒と同じ成分からなる気体の分圧を制御することにより、前記液滴に結晶核を生成させた後に前記結晶核を成長させて結晶性薄膜を形成することを特徴とする薄膜の形成方法を提供する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
前記化学式（３）で示される構造のｐ−ターフェニル（薄膜形成材料）を、2,3-ジヒドロベンゾフラン（溶媒）に０．１重量％濃度となるように溶解させた。また、シリコン基板の表面に紫外線を照射して、この表面を親インク性（前記溶液によって濡れ易い性質）にした。
【００３０】
なお、２５℃（溶液吐出時の温度）での２，３−ジヒドロベンゾフランに対するｐ−ターフェニルの飽和濃度は１．０重量％である。したがって、この溶液のｐ−ターフェニル濃度は吐出時に飽和濃度の１／１０となる。
次に、図１に示す薄膜形成装置を使用して、前記シリコン基板に対する薄膜形成を行った。この装置は、密閉容器１と、この密閉容器１内に設置されたＸ−Ｙステージ２と、インクジェット装置のヘッド３と、密閉容器１内を減圧するためのポンプ６と配管７とで構成されている。
【００３１】
ヘッド３は密閉容器１の上部に固定されており、このヘッド３内に外部から、前記溶液が供給されるように構成されている。ヘッド３とＸ−Ｙステージ２は、互いに向かい合う位置に配置されている。ポンプ６用の配管７は密閉容器１の底部に接続されている。
インクジェット装置としては、セイコーエプソン（株）製のインクジェット装置「ＭＪ−９３０Ｃ」を用いた。ヘッド３としては、ノズルを１個備えたものを使用した。
【００３２】
先ず、この装置のＸ−Ｙステージ２に、前記処理を行ったシリコン基板を載せて密閉した。次に、この密閉容器１内を２５℃に保持し、この基板の表面にヘッド３から、前記溶液を１滴当たり２０ピコリットルの吐出量で吐出した。この吐出を、Ｘ−Ｙステージ２を２１０μｍずつ基板の１辺に沿って移動させながら１０回繰り返した。ヘッドのノズルと基板との距離は１ｍｍとした。これにより、基板上の一直線に沿ってピッチ２１０μｍで１０個の液滴が形成された。
【００３３】
この液滴形成を終了すると同時に、減圧ポンプ６を稼働させてこの密閉容器１内を１．３Ｐａ（１０-2torr）まで減圧し、この状態を６時間保持した。６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が２０μｍ〜３０μｍである略菱形のｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．５μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。ｐ−ターフェニル単結晶薄膜は、各種電子デバイス用の半導体膜として好適に使用可能な機能性薄膜である。
【００３４】
これに対して、液滴をピッチ４２０μｍで形成した以外は全て上述の方法を行った場合、６時間後に密閉容器１から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が１μｍ以下である略菱形のｐ−ターフェニルからなる微結晶が形成されていた。液滴をピッチ５６０μｍで形成した場合も同様であった。
【００３５】
この実施形態では、吐出時の溶液の濃度が飽和濃度の１／１０であるため、基板上に配置された直後に液滴をなす溶液が過飽和状態になり易い。また、１滴当たりの吐出量を２０ピコリットルとした場合には、液滴をピッチ２１０μｍで形成することによって、配置された直後の液滴近傍での２，３−ジヒドロベンゾフラン（溶媒と同じ成分）からなる気体の分圧が、液滴となっている溶液から２，３−ジヒドロベンゾフラン（溶媒）が蒸発し難い高い分圧となっている。これらのことから、液滴となっている溶液が比較的低い過飽和度の過飽和状態で安定して、少数の核形成がなされたと考えられる。
【００３６】
これに対して、同じ吐出量で液滴をピッチ４２０μｍおよび５６０μｍで形成すると、液滴の配置直後に前記気体の分圧が前記高い分圧とならずに、多数の核形成がなされたと考えられる。
また、液滴形成を終了すると同時に密閉空間（密閉容器１）内の減圧を開始することによって、液滴近傍での溶媒蒸気の分圧が、少数の結晶核が形成された段階で急激に低下し、液滴となっている溶液の過飽和度が急激に高くなって、更なる結晶核の形成よりも結晶成長が優先的に生じる状態となり、この減圧状態を６時間保持することによって、結晶成長が促進されたと考えられる。
【００３７】
なお、本実施形態では図１に示す薄膜形成装置を使用しているが、減圧をより確実に行うために、図１の薄膜形成装置のヘッド３とステージ２および配管７とを隔てる仕切り板を設けたものを使用してもよい。この仕切り板を設けることにより、密閉容器１内部のヘッド設置側は減圧させずに、ステージ設置側のみを減圧することができる。
＜第２実施形態＞
１滴当たりの吐出量を４０ピコリットルとした以外は全て第１実施形態と同じ方法を行った。液滴の形成ピッチは４２０μｍとした。その結果、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が２０μｍ〜３０μｍである略菱形のｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．８μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。
【００３８】
なお、第１実施形態では１滴当たりの吐出量が２０ピコリットルであるため、第１実施形態で液滴をピッチ４２０μｍで形成した例が、この実施形態の比較例（対照例）となるが、この例では、上述のように、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が１μｍ以下である略菱形のｐ−ターフェニルからなる微結晶が形成されていた。
【００３９】
以上のことから、液滴をピッチ４２０μｍで形成した場合には、１滴当たりの吐出量を４０ピコリットルとすることによって、配置された直後の液滴近傍での２，３−ジヒドロベンゾフランからなる気体の分圧が、液滴をなす溶液から２，３−ジヒドロベンゾフラン（溶媒）が蒸発し難い高い分圧となって、少数の核形成がなされるが、１滴当たりの吐出量を２０ピコリットルとすると、液滴の配置直後に前記気体の分圧が前記高い分圧とならずに、多数の核形成がなされたと考えられる。
＜第３実施形態＞
溶液の吐出直前に基板表面にスピンコート法（回転速度２０００ｒｐｍで３０秒間）により溶媒（２，３−ジヒドロベンゾフラン）を塗布した以外は、全て第１実施形態と同じ方法を行った。液滴の形成ピッチは４２０μｍとした。その結果、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が２０μｍ〜３０μｍである略菱形のｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．１μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。
【００４０】
なお、第１実施形態で液滴をピッチ４２０μｍで形成した例が、この実施形態の比較例（対照例）となるが、この例では、上述のように、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が１μｍ以下である略菱形のｐ−ターフェニルからなる微結晶が形成されていた。
以上のことから、液滴をピッチ４２０μｍで形成した場合には、薄膜形成材料の溶液を吐出する直前に基板表面にこの溶液の溶媒を塗布することによって、配置された直後の液滴近傍での２，３−ジヒドロベンゾフランからなる気体の分圧が、液滴をなす溶液から２，３−ジヒドロベンゾフラン（溶媒）が蒸発し難い高い分圧となって、少数の核形成がなされるが、溶媒塗布を行わないと前記気体の分圧が前記高い分圧とならずに、多数の核形成がなされると考えられる。
＜第４実施形態＞
上記化学式（４）で示される構造のターチオフェン（2,2':5',2"−ターチオフェン、薄膜形成材料）を、ドデシルベンゼン（溶媒）に、濃度が１．０重量％となるように溶解させて溶液を得た。２５℃（溶液吐出時の温度）でのドデシルベンゼンに対するターチオフェンの飽和濃度は１．０重量％である。したがって、この溶液は、吐出時に、ターチオフェンが飽和状態となる。
【００４１】
この溶液を用い、１滴あたりの吐出量を２０ピコリットルとし、吐出ピッチを２１０μｍとして、第１実施形態と同じ方法を行った。
その結果、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、１０μｍ×５μｍの略長方形のターチオフェン薄膜（厚さ０．５μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。ターチオフェン結晶性薄膜は、各種電子デバイス用の半導体膜として好適に使用可能な機能性薄膜である。
＜第５実施形態＞
前記化学式（５）で示される構造の４−アミノ−ｐ−ターフェニル（薄膜形成材料）を、ジメチルホルムアミド（溶媒）に、濃度が１．０重量％となるように溶解させて溶液を得た。２５℃（溶液吐出時の温度）でのジメチルホルムアミドに対する４−アミノ−ｐ−ターフェニルの飽和濃度は１．０重量％である。したがって、この溶液は、吐出時に、４−アミノ−ｐ−ターフェニルが飽和状態となる。
【００４２】
この溶液を用い、１滴あたりの吐出量を２０ピコリットルとし、吐出ピッチを２１０μｍとして、第１実施形態と同じ方法を行った。
その結果、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が２０μｍ〜３０μｍである略菱形の４−アミノ−ｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．１μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。４−アミノ−ｐ−ターフェニル結晶性薄膜は、各種電子デバイス用の半導体膜として好適に使用可能な機能性薄膜である。
＜第６実施形態＞
前記化学式（６）で示される構造の2,2':5',2"−ターチオフェン−5,5"−ジカルボキシアルデヒド（ターチオフェンの誘導体、薄膜形成材料）を、ジメチルホルムアミド（溶媒）に、濃度が１．０重量％となるように溶解させて溶液を得た。２５℃（溶液吐出時の温度）でのジメチルホルムアミドに対する前記誘導体の飽和濃度は１．０重量％である。したがって、この溶液は、吐出時に、前記誘導体が飽和状態となる。
【００４３】
この溶液を用い、１滴あたりの吐出量を２０ピコリットルとし、吐出ピッチを２１０μｍとして、第１実施形態と同じ方法を行った。
その結果、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が２０μｍ〜３０μｍである略菱形の2,2':5',2"−ターチオフェン−5,5"−ジカルボキシアルデヒド薄膜（厚さ０．１μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。2,2':5',2"−ターチオフェン−5,5"−ジカルボキシアルデヒド結晶性薄膜は、各種電子デバイス用の半導体膜として好適に使用可能な機能性薄膜である。
＜第７実施形態＞
上記化学式（７）で示される構造のＡｌｑ３（キノリノール−アルミニウム錯体；薄膜形成材料）を、２，３−ジヒドロベンゾフラン（溶媒）に、濃度が０．１重量％となるように溶解させて溶液を得た。２５℃での２，３−ジヒドロベンゾフランに対するＡｌｑ３の飽和濃度は１．０重量％であるため、この溶液のＡｌｑ３濃度は吐出時に飽和濃度の１／１０となっている。
【００４４】
この溶液を用い、１滴あたりの吐出量を２０ピコリットルとし、吐出ピッチを２１０μｍとして、第１実施形態と同じ方法を行った。
その結果、６時間後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、長さ３０μｍの針状で厚さ０．１μｍのＡｌｑ３薄膜が、略単結晶の状態で形成されていた。Ａｌｑ３単結晶薄膜は有機ＥＬ装置の発光層等として好適に使用可能な機能性薄膜である。
＜第８実施形態＞
図２に示す薄膜形成装置を用いて、本発明の一実施形態に相当する方法を行った。
【００４５】
この装置は、密閉容器１と、この密閉容器１内に設置されたＸ−Ｙステージ２と、インクジェット装置のヘッド３と、密閉容器１内に溶媒（２，３−ジヒドロベンゾフラン）と同じ成分からなる気体を導入するためのタンク４および配管５と、密閉容器１内を減圧するためのポンプ６と配管７とで構成されている。
ヘッド３は密閉容器１の上部に固定されており、このヘッド３内に外部から、第１実施形態で使用した溶液と同じ溶液が供給されるように構成されている。また、このヘッド３としては、ノズルを１個備えたものを使用した。ヘッド３とＸ−Ｙステージ２は、互いに向かい合う位置に配置されている。タンク４内には前記溶液の溶媒である2,3-ジヒドロベンゾフランが入れてあり、タンク４の配管５は密閉容器１の側壁上部に接続されている。ポンプ６用の配管７は密閉容器１の底部に接続されている。
【００４６】
先ず、この装置のＸ−Ｙステージ２に、第１実施形態と同じ処理を行ったシリコン基板を載せて密閉し、タンク４から２，３−ジヒドロベンゾフランの気体を密閉容器１内に導入して、密閉容器１内のジヒドロベンゾフランの分圧を飽和蒸気圧に保持した。
次に、Ｘ−Ｙステージ２上の基板の表面にヘッド３から、前記溶液を１滴当たり２０ピコリットルの吐出量で吐出した。この吐出を、Ｘ−Ｙステージ２を４２０μｍずつ基板の１辺に沿って移動させながら１０回繰り返した。ヘッドのノズルと基板との距離は１ｍｍとした。これにより、基板上の一直線に沿ってピッチ４２０μｍで１０個の液滴が形成された。
【００４７】
この液滴形成を終了すると同時に、タンク４から密閉容器１内への前記気体の導入を停止するとともに、減圧ポンプを稼働させてこの密閉容器１内を１．３Ｐａ（１０-2torr）まで減圧し、この状態を６時間保持した。６時間後に密閉容器１から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が２０μｍ〜３０μｍである略菱形のｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．５μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。
＜第９実施形態＞
第１実施形態と同じ処理を行ったシリコン基板を、ホットプレートが内蔵されたステージ上に配置し、ホットプレートを加熱しない状態で、この基板の表面に第１実施形態と同じ方法で、同じ溶液の吐出を行った。これにより、基板上にピッチ２１０μｍで１０個の液滴が一直線に沿って形成された。
【００４８】
この液滴形成を終了すると同時にホットプレートを加熱して、ホットプレート上の基板を３０℃、５０℃、７０℃の各温度に１５分間保持した。１５分経過後に前記空間から取り出したシリコン基板には、５０℃の場合は、各液滴が形成された各位置に、一辺が３０μｍである略菱形のｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．４μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。３０℃の場合は、各液滴が形成された各位置に、一辺が１μｍ以下である略菱形のｐ−ターフェニルからなる微結晶が形成されていた。７０℃の場合は、各液滴が形成された各位置に、長軸３０μｍ程度の涙形のｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．３μｍ）が略アモルファスの状態で形成されていた。
【００４９】
ホットプレートを加熱しないで１５分保持した場合、１５分経過後に前記空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、粒界を多く含む凸凹上の多結晶状態のｐ−ターフェニルの塊が形成されているか、微粉末が析出していた。
この実施形態では、液滴の溶媒が蒸発し易い状態にする工程（核形成後の液滴近傍での溶媒と同じ成分からなる気体の分圧低下と同じ作用が得られる工程）を、ホットプレートでの加熱により液滴近傍の温度を上昇させることで行っている。
＜第１０実施形態＞
図３に示すステージ８を用意した。このステージ８は、基板を載せる長方形の台部８１と、この台部８１の長手方向一端に設けられた気体吹き出し部８２と、他端に設けられた気体吸い込み部８３とで構成されている。気体吹き出し部８２には、横方向に多数の吹き出し口８２ａが等間隔で形成されている。気体吸い込み部８３には、横方向に多数の吸い込み口８３ａが等間隔で形成されている。これらの吹き出し口８２ａと吸い込み口８３ａは、台部８１の上方３０ｃｍの位置に、互いに対向する配置で形成されている。
【００５０】
気体吹き出し部８２には外部から不活性ガスが導入され、吹き出し口８２ａから対向する吸い込み口８３ａに向けて不活性ガスが吹き出され、この吹き出された不活性ガスが吸い込み口８３ａから気体吸い込み部８３内に吸い込まれるようになっている。これにより、台部８１の上方に不活性ガスの層流が形成される。
先ず、このステージ８を密閉空間に配置し、このステージ８上に基板を載せて第１実施形態と同じ方法で前記溶液の吐出を行った。このときにはステージ８による不活性ガスの層流形成を行わず、第１実施形態と同様に、大気圧の空気中で液滴の形成を行った。これにより、基板上にピッチ２１０μｍで一直線に沿って１０個の液滴が形成された。
【００５１】
この液滴形成を終了すると同時に、ステージ８による不活性ガスの層流形成を行い、この状態で１５分放置した。不活性ガスとしては窒素ガスを０．２ＭＰａで吹き出した。その後に密閉空間から取り出したシリコン基板には、各液滴が形成された各位置に、一辺が１０μｍである略菱形のｐ−ターフェニル薄膜（厚さ０．５μｍ）が、略単結晶の状態で形成されていた。ただし、この薄膜には、いくつかの粒界が存在する部分もあった。
【００５２】
この実施形態では、核形成後の液滴近傍での溶媒と同じ成分からなる気体の分圧低下を、液滴近傍の雰囲気を不活性ガス雰囲気に置換することで行っている。
なお、図２の装置は請求項１３の薄膜形成装置の一実施形態であって、タンク４および配管５が気体導入装置に相当し、ポンプ６および配管７が減圧装置に相当する。また、図２でポンプ６および配管７のない装置は、請求項１２の薄膜形成装置の一実施形態であって、この場合にはタンク４および配管５が気体成分調整装置に相当する。
【００５３】
また、本発明の方法が実施可能な装置の別の例としては、▲１▼図２の装置で、タンク４、ポンプ６、および配管５，７がなく、ステージ２上にホットプレートとスピコーターを兼ねる装置が設置されているもの、▲２▼図２の装置で、タンク４と配管５がなく、ステージ２上にスピコーターが設置されているもの、▲３▼図２の装置で、ポンプ６および配管７がなく、ステージ２上にホットプレートが設置されているもの、▲４▼図２の薄膜形成装置のヘッド３とステージ２および配管７とを隔てる仕切り板を設けたもの等が挙げられる。
【００５４】
なお、前記各実施形態（第１〜第８）では、液滴形成を終了すると同時に密閉空間内の減圧を開始することによって、第１の分圧を第２の分圧に急激に低下させて、液滴をなす溶液の過飽和度を急激に高くして単結晶の結晶性薄膜を得ているが、前記減圧開始のタイミングは液滴形成の終了と同時に限定されるものではなく、他の条件等によって適切なタイミングで行うことができる。第９実施形態の加熱および第１０実施形態の気体置換のタイミングについても前記と同様である。
【００５５】
本発明の形成方法により形成された結晶性薄膜は、各種電子デバイス（トランジスタ、ダイオード、キャパシタ、有機ＥＬ装置における発光層や正孔注入／輸送層等）用の半導体膜として好適に使用できる。また、本発明の方法で薄膜形成がなされた電子デバイスを備えた表示装置としては、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置等が挙げられる。これらの表示装置は、例えば、図４に示す各種電子機器に適用することができる。
【００５６】
図４（ａ）は、携帯電話の一例を示した斜視図である。図４（ａ）において、符号６００は携帯電話本体を示し、符号６０１は前記表示装置を用いた表示部を示している。
図４（ｂ）は、ワープロ、パソコンなどの携帯型情報処理装置の一例を示した斜視図である。図４（ｂ）において、符号７００は情報処理装置、符号７０１はキーボードなどの入力部、符号７０３は情報処理装置本体、符号７０２は前記表示装置を用いた表示部を示している。
【００５７】
図４（ｃ）は、腕時計型電子機器の一例を示した斜視図である。図４（ｃ）において、符号８００は時計本体を示し、符号８０１は前記表示装置を用いた表示部を示している。
図４（ａ）〜（ｃ）に示すそれぞれの電子機器は、前記実施形態の方法で形成された結晶性薄膜を半導体膜として使用した電子デバイスを備えた表示装置を表示部として備えたものであり、本発明の薄膜形成方法の特徴を有する。そのため、本発明の薄膜形成方法によれば、これらの電子機器の製造方法を容易にすることができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の方法によれば、基板上の所定位置に配置された極少量の溶液を結晶化させることができる。その結果、インクジェット法によりパターン状の結晶性薄膜を基板上に容易に形成できるようになる。
また、本発明の装置によれば、本発明の方法が容易に実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の方法を実施可能な薄膜形成装置を示す概略構成図である。
【図２】 本発明の薄膜形成装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図３】 本発明の請求項８に係る方法が容易に実施可能なステージを示す概略斜視図である。
【図４】 本発明の方法で薄膜形成がなされた電子デバイスを備えた表示装置を有する電子機器の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…密閉容器、２…Ｘ−Ｙステージ、３…ヘッド（インクジェット装置）、４…タンク（気体導入装置、気体成分調整装置）、５…配管（気体導入装置、気体成分調整装置）、６…ポンプ（減圧装置）、７…配管（減圧装置）、８…ステージ、８１…基板を載せる台部、８２…気体吹き出し部、８３…気体吸い込み部、８２ａ…吹き出し口、８３ａ…吸い込み口、６００…携帯電話本体、６０１…表示部、７００…情報処理装置、７０１…入力部、７０３…情報処理装置本体、７０２…表示部、８００…時計本体、８０１…表示部。
Claims (11)
- 薄膜形成材料が溶媒に溶解している溶液の液滴を基板上に配置する工程を有する薄膜の形成方法において、
配置された後の前記液滴をなす溶液が過飽和状態になるような溶液を使用し、前記液滴近傍での前記溶媒と同じ成分からなる気体の分圧を、前記溶媒の飽和蒸気圧と同じである第１の分圧に制御することにより、前記液滴に結晶核を生成させ、
前記結晶核の生成後に、前記液滴近傍での前記気体の分圧を、前記結晶核が結晶成長可能となる前記溶媒の飽和蒸気圧の１／１０〜１／１００である第２の分圧に低下させることを特徴とする薄膜の形成方法。 - 薄膜形成材料が溶媒に溶解している溶液の液滴を基板上に配置する工程を有する薄膜形成方法において、前記配置された液滴をなす溶液を過飽和状態にするとともに、前記液滴近傍での前記溶媒と同じ成分からなる気体の分圧を、当該液滴をなす溶液から溶媒が蒸発し難い第１の分圧に制御することにより、前記液滴に結晶核を生成させ、前記結晶核の生成後に、前記液滴近傍での前記気体の分圧を、当該結晶核の結晶成長が更なる結晶核の生成よりも優先的に生じる第２の分圧となるまで低下させることを特徴とする薄膜の形成方法。
- 前記第１の分圧への分圧制御を、前記液滴の配置間隔の調整によって行う請求項１または２記載の薄膜の形成方法。
- 前記第１の分圧への分圧制御を、前記液滴をなす溶液の量の調整によって行う請求項１または２記載の薄膜の形成方法。
- 前記第１の分圧への分圧制御を、前記液滴を基板上に配置する前に、当該液滴が配置される位置の前記気体の分圧を調整することによって行う請求項１または２記載の薄膜の形成方法。
- 前記気体の分圧を前記第２の分圧に低下させるために、前記液滴近傍の雰囲気を減圧する請求項１または２記載の薄膜の形成方法。
- 前記気体の分圧を前記第２の分圧に低下させるために、前記液滴近傍の温度を上昇させる請求項１または２記載の薄膜の形成方法。
- 前記気体の分圧を前記第２の分圧に低下させるために、前記液滴近傍の雰囲気を不活性ガス雰囲気に置換する請求項１または２記載の薄膜の形成方法。
- 薄膜形成材料はオリゴフェニレンまたはその誘導体である請求項１乃至８のいずれか１項に記載の薄膜の形成方法。
- 薄膜形成材料はオリゴチオフェンまたはその誘導体である請求項１乃至８のいずれか１項に記載の薄膜の形成方法。
- 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法で薄膜を形成する工程を有する電子デバイスの形成方法。
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