JP4308172B2 - 薄膜形成方法及び有機電界発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜形成方法及び有機電界発光素子の製造方法に関し、より詳細には、蒸着物質と共融点を有する添加物質を用いて蒸着することで、低温で薄膜形成が可能な薄膜形成方法及び有機電界発光素子の製造方法に関する。

基板に薄膜を形成する一般的な方法には、真空蒸着法、イオンプレーティング（ion-plating）法及びスパッタリング（sputtering）法などのような物理気相蒸着法（ＰＶＤ）と、ガス反応による化学気相蒸着法（ＣＶＤ）などが挙げられる。それらのうち、有機電界発光素子の有機膜層や電極などのような薄膜を形成するに際しては、真空蒸着法が主に使われる。

前記真空蒸着法は、真空蒸着チャンバーの下部に蒸発源を設け、その上部に成膜用基板を設けて、薄膜を形成する方法である。前記真空蒸着法には、抵抗熱蒸着、電子ビーム蒸着及び誘導加熱蒸着などが挙げられる。前記真空蒸着法に使われる蒸発源には、誘導加熱蒸着（または間接加熱蒸着）の蒸発源（effusion cell）が主に使われている。

前述のような薄膜形成方法は、有機電界発光素子を構成する多様な薄膜を形成するのに使われる。前記有機電界発光素子は、有機物薄膜に陰極と陽極を介して注入された電子と正孔が再結合して励起子（exciton）を形成し、形成された励起子からのエネルギーにより特定波長の光が発生する現象を利用する自発光型ディスプレイ素子である。前記有機電界発光素子は、低電圧で駆動が可能であり、軽量及び薄形であり、視野角が広いだけでなく、応答速度が速いという長所を有する。

かかる有機電界発光素子は、基板上に積層式で形成されるアノード電極、有機膜層及びカソード電極から構成される。前記有機膜層は、有機発光層を含み、電子輸送層、正孔輸送層、正孔注入層及び電子注入層をさらに含むことができる。

前記カソード電極は、金属を用いて形成することができ、特に、仕事関数が低いＡｌを用いて形成することができる。前記Ａｌを成膜するためには、高温の熱源が必要である。すなわち、前記Ａｌのような薄膜を形成するためには、多くのエネルギーが要求されるだけでなく、高温工程による基板の劣化が生じ得るという問題点がある。

本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、低い温度で成膜が可能なので、高温の熱源を必要とせず、形成される薄膜の機械的、電気的特性を向上させることができる薄膜形成方法及び有機電界発光素子の製造方法を提供する。

前記目的を達成するために、本発明の一態様に係る薄膜形成方法は、蒸着物質と添加物質とを混合した成膜物質を蒸着させて、薄膜を形成する段階を含み、前記添加物質は、前記蒸着物質と共融点を有する物質を使用する。これにより、従来、蒸着物質だけを使用して成膜する場合より、さらに低い温度で成膜が可能である。

前記形成される薄膜は、Ａｌ合金であってもよく、電極として使用することができる。

前記薄膜は、真空蒸着法を用いて形成することが好ましい。

また、本発明の他の態様に係る有機電界発光素子の製造方法は、基板上に第１電極を形成する段階と、前記第１電極上に少なくとも有機発光層を含む有機膜層パターンを形成する段階と、前記有機膜層パターン上に第２電極を形成する段階と、を含み、前記第１電極及び第２電極の少なくともいずれか１つは、蒸着物質と、前記蒸着物質と共融点を有する添加物質とを混合した成膜物質を蒸着させて形成する。

前記第２電極を形成する蒸着物質は、Ａｌを使用することが好ましい。

前記第２電極は、カソード電極であってもよく、前記形成されるカソード電極は、Ａｌ合金よりなることができる。

前記第１電極及び第２電極の少なくともいずれか１つは、真空蒸着法を用いて形成することが好ましい。

前記蒸着物質は、金属又は無機物を使用することができ、前記金属の中でＡｌを使用することができる。

前記添加物質は、金属又は非金属物質を使用することができる。前記添加物質は、前記Ａｌと仕事関数（work function）が同じ物質、又は前記Ａｌより仕事関数が低い物質を使用することが好ましく、特に、Ｓｉ、Ｍｇ及びＣａのいずれか１つの物質を使用することができる。

本発明によれば、薄膜を形成する物質として、蒸着物質に加えて、前記蒸着物質と共融点を有する添加物質を混合して使用する。これにより、従来、蒸着物質だけを使用して成膜する場合より、さらに低い温度で成膜が可能である。すなわち、高温の熱源を必要としない。また、形成される薄膜、特に有機電界発光素子を構成するカソード電極の機械的、電気的特性を向上させることができる。

以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。しかしながら、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

図１ａは、本発明による薄膜形成方法を説明する模式図であり、図１ｂは、本発明による薄膜形成方法に使われる蒸発源を説明する断面図である。

図１ａ及び図１ｂを参照すれば、本発明による薄膜形成方法は、真空蒸着法を利用することを例示している。前記真空蒸着法に使われる真空蒸着装置１００は、真空蒸着チャンバー１１０、蒸発源１２０及び基板１３０などから構成される。前記蒸発源１２０は、基板１３０上に蒸着しようとする物質を蒸発させる蒸発源部１２０ａと、前記蒸発源部１２０ａで蒸発した気体が噴射されるノズル部１２０ｂとから構成されることができる。

前記真空蒸着チャンバー１１０は、真空排気系（図示せず）に連結されており、これを用いて真空蒸着チャンバーの内部を一定の真空に維持させる。その後、前記真空蒸着チャンバー１１０の下部に配置された蒸発源１２０の炉１２１を、熱線１２４を用いて加熱させる。前記炉１２１に熱が供給されれば、成膜物質１４０にも熱が供給され蒸発する。

前記蒸発した成膜物質１４０は、前記ノズル部１２０ｂの孔１２５を通過して、前記蒸発源１２０の上部から一定の距離をもって離隔配置された基板１３０に到達するようになる。したがって、前記蒸発源１２０の炉１２１から蒸発した成膜物質１４０は、前記基板１３０に到達し、吸着、蒸着、再蒸発などの連続的過程を経て前記基板１３０上に固体化し、薄膜１５０を形成する。

前記炉１２１の内部には、成膜物質１４０である蒸着物質１２２及び添加物質１２３が収容される。

前記蒸着物質１２２として、無機物または金属を使用することができる。特に、金属の中でもＡｌは、仕事関数が低くて、電極を形成するのに使われることができる。

前記添加物質１２３は、金属または非金属物質を使用することができる。前記蒸着物質１２２だけを蒸発させて成膜する場合は、高温の熱源を必要としないので、本発明では、前記蒸着物質１２２と添加物質１２３とを混合した成膜物質１４０を使用して薄膜を形成する。

この際、前記添加物質１２３は、前記蒸着物質１２２と共融点（Eutectic Melting Point）を有する物質を使用する。前記共融点とは、２成分系の固体相−液体相曲線において２成分が固溶体を形成せずに、液体状態で完全に溶けて混ぜる点を言う。

前記蒸着物質１２２としてＡｌを使用する場合には、前記添加物質１２３として、Ｓｉ、Ｍｇ及びＣａのいずれか１つの物質を使用することが好ましい。前記Ａｌの融点は、約６６０℃程度であり、一般的に前記Ａｌを１２００乃至１４００℃程度の温度で溶解して蒸着を行う。したがって、前記Ａｌと共融点を有する添加物質１２３を混合して蒸着させることによって、さらに低い温度での成膜を可能にする。その他にも、前記蒸着物質１２２と共融点を有する多様な物質を前記添加物質１２３として使用することができる。

前記蒸着物質１２２としてＡｌを使用し、前記添加物質１２３としてＳｉ、ＭｇまたはＣａを使用し、これらを混合した成膜物質１４０を蒸着することによって形成される薄膜は、Ａｌ合金である。すなわち、各々Ａｌ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｃａ合金を形成することができる。前記形成されたＡｌ合金は、機械的、電気的特性に優れていて、電極として使われることができる。特に、陰極として使われることが好ましい。

図２ａ乃至図２ｃは、本発明による蒸着物質と添加物質とを混合した成膜物質の相平衡図（phase diagram）である。それぞれの相平衡図において、Ｘ軸は、各成分の重量パーセント（ｗｔ％）を示し、Ｙ軸は、摂氏温度を示す。

図２ａを参照すれば、蒸着物質１２２としてＡｌを使用し、添加物質１２３としてＳｉを使用する場合、混合物質、すなわち成膜物質１４０の相平衡図を示している。

前記相平衡図から明らかなように、Ａｌ−Ｓｉ系では、１つの共融点があることが分かる。Ａｌ−Ｓｉ系の共融点は、５８０℃であり、Ａｌ及びＳｉの組成比は、約３／９７ｗｔ％であることが分かる。

すなわち、前記Ａｌに添加物質１２３としてＳｉを添加させれば、混合物質であるＡｌ−Ｓｉ系の共融点は、５８０℃となるので、前記Ａｌを固有の融点である６６０℃よりさらに低い温度で溶融させることができる。したがって、従来、Ａｌを１２００乃至１４００℃程度の温度で蒸着させたが、本発明では、それより低い温度で前記Ａｌを含む成膜物質を蒸着することができる。

この際、形成される薄膜は、Ａｌ−Ｓｉ合金からなる。前記Ａｌ−Ｓｉ合金は、膨脹係数が少なく、耐摩滅性が優れており、高温強度及び機械加工性が良い。前記Ａｌ−Ｓｉ合金は、電極として使われることができ、陰極として使われることが好ましい。

図２ｂを参照すれば、蒸着物質１２２としてＡｌを使用し、添加物質１２３としてＭｇを使用する場合、成膜物質１４０の相平衡図を示している。

前記相平衡図から明らかなように、Ａｌ−Ｍｇ系では、５つの共融点があることが分かる。Ａｌ−Ｍｇ系の共融点は、Ａｌ及び Ｍｇの組成比によって４５０℃、４４８℃、４４９℃、４５２℃及び４３７℃を示している。したがって、前記Ａｌを固有の融点である６６０℃よりさらに低い温度で溶融させることができるので、前記Ａｌを含む成膜物質を低温で蒸着することができる。

この際、形成される薄膜であるＡｌ−Ｍｇ合金は、耐食性が良く、温度による変化が少ない。

図２ｃを参照すれば、蒸着物質１２２としてＡｌを使用し、添加物質１２３としてＣａを使用する場合、成膜物質１４０の相平衡図を示している。

前記相平衡図から明らかなように、Ａｌ−Ｃａ系では、３つの共融点があることが分かる。Ａｌ−Ｃａ系の共融点は、Ａｌ及びＣａの組成比によって６４０℃、６９９℃及び５４９℃を示している。前記Ｃａの組成比を約９２ｗｔ％または２６ｗｔ％にした場合、共融点が各々６４０℃及び５４９℃を示す。したがって、前記Ａｌを固有の融点である６６０℃よりさらに低い温度で溶融させることができるので、前記Ａｌを含む成膜物質を低温で蒸着することができる。

図３は、本発明による有機電界発光素子の製造方法を説明する模式図である。

図３を参照すれば、まず、基板３３０上に第１電極を形成する。前記基板３３０上には、薄膜トランジスタと、該薄膜トランジスタ上に形成されたパッシベーション膜及び平坦化膜などが設けられていてもよい。

前記第１電極は、アノード電極であってもよく、仕事関数の高いＩＴＯまたはＩＺＯのような透明電極を使用することができる。前記アノード電極は、仕事関数が５.０ｅＶ以上の物質を使用することが好ましい。前記仕事関数（work function）とは、金属内部の電子を外部に放出させるのに必要な最小限の仕事を意味する。

次に、前記第１電極上に有機膜層パターンを形成する。前記有機膜層パターンは、少なくとも有機発光層を含む。また、前記有機膜層パターンは、有機発光層よりなる１種の単一層で構成されるか、又は、前記有機発光層と共に、正孔注入層、正孔伝達層、電子伝達層及び電子注入層よりなる群から選ばれた２種以上の多重層で構成されることができる。

次に、前記有機膜層パターン上に第２電極を形成することによって、有機電界発光素子を完成する。前記第２電極は、カソード電極であってもよく、仕事関数の低い物質を使用することが好ましい。前記仕事関数の低い物質として、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌ、Ａｇなどのような金属物質を使用することができる。

前記金属物質の仕事関数は、各々Ａｌ（４.０６〜４.４１ｅＶ）、Ｃａ（２.８７〜３.００ｅＶ）、Ｍｇ（３.４６ｅＶ）、Ａｇ（４.２６〜４.７４ｅＶ）を有する。

この際、前記第１電極及び第２電極の少なくともいずれか１つは、真空蒸着法を用いて形成することができる。前記真空蒸着法に使われる真空蒸着装置３００は、真空蒸着チャンバー３１０、蒸発源３２０及び基板３３０などから構成される。前記基板３３０上に成膜物質３４０を蒸着させて、前記第１電極または第２電極のような薄膜３５０を形成する工程は、図１ａ及び図１ｂで説明した通りである。

図１ｂをさらに参照すれば、前記蒸着物質１２２として、無機物または金属を使用することができる。

前記蒸着物質１２２に添加物質１２３を混合するが、前記添加物質１２３は、金属または非金属物質を使用することができる。この際、前記添加物質１２３は、前記蒸着物質１２２と共融点を有する物質を使用する。共融点についての詳細な説明は、前記図２ａ乃至図２ｃの説明を参照する。

前記第２電極は、カソード電極であってよく、前記カソード電極を形成する前記蒸着物質１２２として、仕事関数の低いＡｌ（４.０６〜４.４１ｅＶ）を使用することができる。

この場合、前記添加物質１２３として、前記蒸着物質１２２と共融点を有するＳｉ、Ｍｇ及びＣａのいずれか１つの物質を使用することが好ましい。また、前記カソード電極は、仕事関数が低くなければならないので、前記 Ａｌ（４.０６〜４.４１ｅＶ）の仕事関数と類似する物質、又はそれより小さい物質を使用することが好ましい。

前記Ｍｇ及びＣａは、各々２.８７〜３.００ｅＶ、３.４６ｅＶの仕事関数を有し、Ｓｉの場合にも、低い仕事関数を有するので、前記Ａｌと共にカソード電極として使用することができる。その他にも、前記蒸着物質１２２と共融点を有し且つ仕事関数が類似する多様な物質を前記添加物質１２３として使用することができる。

したがって、前記Ａｌだけを蒸着させる場合より、さらに低い温度で前記カソード電極を形成することができる。

また、蒸着により形成されたカソード電極は、Ａｌ合金からなり、添加物質１２３によってＡｌ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｃａ合金などが形成されることができる。前記Ａｌ合金は、機械的、電気的特性に優れているので、前記カソード電極の機械的、電気的特性を向上させることができる。

本発明の実施例では、アクティブマトリクス型有機電界発光素子のみについて説明したが、これに限らず、パッシブマトリクス型有機電界発光素子に適用することもできる。

以上において説明した本発明は、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形及び変更が可能であるので、上述した実施例及び添付された図面に限定されるものではない。

本発明による薄膜形成方法を説明する模式図である。 本発明による薄膜形成方法に使われる蒸発源を説明する断面図である。 本発明による蒸着物質と添加物質とを混合した成膜物質の相平衡図であって、蒸着物質としてＡｌを使用し、添加物質としてＳｉを使用したものである。 本発明による蒸着物質と添加物質とを混合した成膜物質の相平衡図であって、蒸着物質としてＡｌを使用し、添加物質としてＭｇを使用したものである。 本発明による蒸着物質と添加物質とを混合した成膜物質の相平衡図であって、蒸着物質としてＡｌを使用し、添加物質としてＣａを使用したものである。 本発明による有機電界発光素子の製造方法を説明する模式図である。

符号の説明

１００ 真空蒸着装置
１１０ 真空蒸着チャンバー
１２０ 蒸発源
１２０ａ 蒸発源部
１２０ｂ ノズル部
１２１ 炉
１２２ 蒸着物質
１２３ 添加物質
１２４ 熱線
１２５ 孔
１３０ 基板
１４０ 成膜物質
１５０ 薄膜

Claims (8)

1. 蒸着物質と添加物質とを混合した成膜物質を蒸着させて、薄膜を形成する段階を含み、
   前記添加物質は、前記蒸着物質と共融点を有し、前記蒸着物質は、Ａｌであり、前記添加物質は、金属または非金属物質であることを特徴とする薄膜形成方法。
2. 前記添加物質は、Ｓｉ、Ｍｇ及びＣａのいずれか１つの物質であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成方法。
3. 前記薄膜は、真空蒸着法を用いて形成することを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成方法。
4. 基板上に第１電極を形成する段階と、
   前記第１電極上に少なくとも有機発光層を含む有機膜層パターンを形成する段階と、
   前記有機膜層パターン上に第２電極を形成する段階と、を含み、
   前記第１電極及び第２電極の少なくともいずれか１つは、蒸着物質と、前記蒸着物質と共融点を有する添加物質とを混合した成膜物質を蒸着させて形成し、前記蒸着物質は、Ａｌであり、前記添加物質は、金属または非金属物質であることを特徴とする有機電界発光素子の製造方法。
5. 前記第２電極は、カソード電極であることを特徴とする請求項４に記載の有機電界発光素子の製造方法。
6. 前記添加物質は、前記Ａｌと仕事関数（work function）が同じ物質、又は前記Ａｌより仕事関数が低い物質であることを特徴とする請求項４に記載の有機電界発光素子の製造方法。
7. 前記添加物質は、Ｓｉ、Ｍｇ及びＣａのいずれか１つの物質であることを特徴とする請求項４に記載の有機電界発光素子の製造方法。
8. 前記第１電極及び第２電極の少なくともいずれか１つは、真空蒸着法を用いて形成することを特徴とする請求項４に記載の有機電界発光素子の製造方法。

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