JP4560394B2 - 薄膜形成用分子供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板等の固体の成膜面に薄膜を形成しようとする材料を加熱することにより、その成膜材料を溶融、蒸発して、固体表面に薄膜を成長させるための蒸発分子を放出する薄膜形成用分子供給装置であって、特に薄膜を基板等の固体の成膜面に堆積させる際に、比較的大きな面積の成膜面に均一な膜厚で薄膜を堆積させるのに好適な薄膜形成用分子供給装置に関する。

半導体装置やディスプレイ装置の製造に当たっては、成膜面上に各種の薄膜を成膜させるために、薄膜形成プロセスが重要な技術となる。この種の薄膜は、真空中にて成膜材料を加熱し、その蒸気を発生させて、分子を基板上に吹き付け、冷却することで固体化することにより形成される。一般的には成膜材料をタングステン等の高融点材料にて作成されたるつぼに入れ、るつぼの周囲をヒーターで加熱することにより成膜する材料を加熱し、その蒸気を発生させてその分子を基板に吹き付ける方法が用いられている。

近年、ディスプレイ装置が大型化しているのに伴い、薄膜を形成する成膜面も大面積化している。これに伴って課題となっているのが、比較的大きな面積を有する成膜面に均一な膜厚で薄膜を形成するという点である。
一般に分子線源の分子放出口が単一の場合、成膜面に形成される薄膜の膜厚分布は、蒸着源出口からの角度をαとするとｃｏｓ^３αに比例する。これを補正するために様々な手法が用いられてきた。例えば特開２００４−１７６１１１号公報に記載されたように、成膜中に成膜面を有する基板を回転したり、移動することで膜厚の平準化を図る試み等である。

しかしこのような手段では、成膜面を有する基板を回転させたり移動させるための機構が必要となり、成膜装置が複雑化してしまう。特に、大面積の成膜面を有する基板を扱う場合に、このような基板の回転機構や移動機構は装置の大型化の要因となり、現実には採用できない。

そのため従来では、分子の放出位置と成膜面の間の距離を長くとり、膜厚が比較的均一になる領域のみで成膜を行うようにしている。しかし分子の放出位置と成膜面の間の距離を長くとると、成膜材料の分子の一部しか成膜面に堆積しないで、多くの割合の分子が成膜に寄与しないまま真空チャンバの内壁に体積してしまう。そうすると成膜材料の多くが無駄に消費され、歩留まりが低下すると共に、真空チャンバ内が成膜材料で汚れてしまう。とくに近年注目されている有機発光膜材料は、材料費が高く、歩留まりの低下は薄膜素子の深刻なコスト高を招く。

また成膜面に形成される薄膜の膜厚を均一化する他の手段として、例えば特表２００３−５２２８３９号公報に記載されたように、分子の放出箇所を複数分散して配置し、これらの個々の分子放出箇所から成膜材料の分子を制御しながら放出する手段も提案されている。
しかしこの手段でも、基本的には成膜面の子放出箇所に対向した部分の膜厚が局所的に大きくなり、膜厚の均一化に限界がある。

さらに、一つのるつぼから成膜面の隅に相当する位置に向けて成膜材料の分子を放出する案内路を設けた分子供給装置も使用されている。しかしこのような分子供給装置では、基板の成膜面のサイズと同じ大きさの面に案内路の分子放出口を配置する必要がある。そのため、構造が複雑で基板の大型化に伴い、案内路の構造や配置も大型化するという問題がある。
特開２００４−１７６１１１号公報 特表２００３−５２２８３９号公報

本発明は、前記従来の薄膜形成用薄膜形成用分子供給装置の課題に鑑み、比較的広い成膜面でも、単一の蒸発源から放射した分子により、均一性の高い膜厚を有する薄膜を形成出来るようにすることを目的とする。

本発明では基板８の成膜面９に向けて複数の案内路４ａ、４ｂ、４ｃを設け、この案内路４ａ、４ｂ、４ｃにより分子蒸気の流量と分子蒸気の方向性を制御することで基板８の成膜面９上の膜厚分布を改善するものである。これにより、基板８の成膜面９の必要な部分に必要な量の成膜材料を到達させることができるので、成膜面９を回転させたり移動ることなく成膜面９上に形成される薄膜の膜厚のバラツキを小さくし、均一な膜厚の薄膜を形成出来るようにした。さらに成膜面９の任意の箇所の膜厚を或る程度自由にコントロール出来るようにした。

すなわち、本発明による薄膜形成用分子供給装置は、蒸発源１から成膜面９に向けて分子を案内する筒状通路を有する複数の案内路４ａ、４ｂ、４ｃを設け、そのうち一部の案内路４ａを成膜面９の中心部に向けて配置し、他の案内路４ｂ、４ｃを成膜面９の周辺部に向けて配置し、成膜面９の中心部に向けて導くべき分子量と成膜面９の周辺部に向けて導くべき分子量との比に応じて、前記一部の案内路４ａと他の案内路４ｂ、４ｃの分子通路の総面積の比を設定したものである。
このような本発明による薄膜形成用分子供給装置では、筒状通路を有する複数の案内路４ａ、４ｂ、４ｃのうち一部の案内路４ａを成膜面９の中心部に向けて配置し、他の案内路４ｂ、４ｃを成膜面９の周辺部に向けて配置しているので、案内路４ａ、４ｂ、４ｃから放出される分子は、方向性を有しており、成膜面９の目的の位置に分子を供給することが出来る。そして、そ成膜面９の中心部に向けて導くべき分子量と成膜面９の周辺部に向けて導くべき分子量との比に応じて、前記一部の案内路４ａと他の案内路４ｂ、４ｃの分子通路の総面積の比を設定している。これにより、成膜面９の任意の位置にそれぞれ適当な量の分子を供給することが出来る。従って、基板８の成膜面９の中心部より膜厚が薄くなりやすい基板８の成膜面９の周辺部等により多くの分子を供給することにより、成膜する薄膜の膜厚の平準化を図ることが出来る。これにより、膜厚分布がより均一な薄膜の形成が可能となる。なお、外側に向いた案内路４ｂ、４ｃの中心線の延長線の成膜面９に達する位置が成膜面９の最外部かまたはそれよりも外側にあるようにするとよい。

このような薄膜形成用分子供給装置においては、複数の案内路４ａ、４ｂ、４ｃの蒸気入り口側内径をＤｉとし、その出口側内径をＤｏとした時、Ｄｏ≧Ｄｉとする。複数の案内路４ｂの通路面積を規制する規制手段を設けることが出来、この規制手段としては、それぞれ分子通過口６を有し、各案内路４ｂに設けられたオリフィス状の制限板５を用いる。この制御板５により、各案内路４ａ、４ｂ、４ｃの分子通過面積の大小を調整し、分子供給量をコントロールする。この制限板５が置かれる位置は、案内路４ｂの出口から制限板５までの距離をＬｒ、制限板５の分子通過口６の径をＤｎとした時にＬｒ≧２×Ｄｎとする。

前述した本発明による薄膜形成用分子供給装置では、成膜面９に向けて分子を案内する筒状通路を有する複数の案内路４ａ、４ｂ、４ｃのうち一部の案内路４ａを成膜面９の中心部に向けて配置し、他の案内路４ｂ、４ｃを成膜面９の周辺部に向けて配置し、成膜面９の中心部に向けて導くべき分子量と成膜面９の周辺部に向けて導くべき分子量との比に応じて、前記一部の案内路４ａと他の案内路４ｂ、４ｃの分子通路の総面積の比を設定している。これにより、比較的広い成膜面９において、膜厚が薄くなりやすい位置と膜厚が厚くなりやすい位置の分子放出量を調整することが可能となり、成膜面９により均一な膜厚の薄膜を成膜出来るようになる。

本発明では、蒸発源１から成膜面９に向けて分子を放出する筒状通路を有する複数の案内路４ａ、４ｂ、４ｃを放射状に設け、これら案内路４ａ、４ｂ、４ｃの一部または全部にそれらの通路面積を規制する規制手段を設け、前記の目的を達成するものである。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例である薄膜形成用分子供給装置の縦断側面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ線矢視図である。
図１に示すように、分子線源１から共有される分子ｍは、ダクト２を通して分配室３に導かれる。ダクト２の途中には、分子の供給路を開閉し、調整するバルブ１０が設けられている。

この分配室３には円筒状の案内路４ａ、４ｂ、４ｃが接続され、こらの案内路４ａ、４ｂ、４ｃは、基板８の成膜面９に向けて放射状に配置されている。より具体的には、中央の案内路４ａは、分配室３から基板８の成膜面９の中央部分に真っ直ぐに正対するよう配置されているが、その周囲の案内路４ｂ、４ｃは、前記中央の案内路４ａに対して外側に向けて成膜面９の周辺部に近い部分にやや斜めに対向するよう配置されている。周囲の案内路４ｂ、４ｃの中心軸が基板８の成膜面９と同一面に達する位置は、基板８の成膜面９の概ね最外周位置である。

案内路４ａ、４ｂ、４ｃは長尺な円筒形の分子通路であるが、筒状通路を有するものであれば角筒形であってもよい。そられの案内路４ａ、４ｂ、４ｃの分配室３側の開口径Ｄｉに対し、基板８の成膜面９側の出口７ａ、７ｂ、７ｃの径Ｄｏはやや大きく、Ｄｏ≧Ｄｉとなっている。

さらに、一部の案内路４ｂの分配室３側の入り口には、その流路面積を制限するオリフィス状の制限板５が設けられている。具体的には、中央の案内路４ａを囲む８本の案内路４ｂ、４ｃのうち４本の案内路４ｂの分配室３側の入り口にオリフィス状の制限板５が設けられている。

このオリフィス状の制限板５は孔状の分子通過口６を有し、この分子通過口６の開口径Ｄｎは、案内路４ａ、４ｂ、４ｃの分配室３側の入り口の開口径Ｄｉより小さい。また、案内路４ａ、４ｂ、４ｃの分子通路の長さＬｒは、制限板５の分子通過口６の開口径Ｄｎより十分長く、開口径Ｄｎの２倍以上である。すなわち、Ｌｒ≧２Ｄｎである。
なお、外側に向いた案内路４ｂ、４ｃの中心線の延長線の成膜面９に達する位置が成膜面９の最外部かまたはそれよりも外側にあるようにするとよい。

このように、案内路７ａ、７ｂ、７ｃの分子通路長が長いため、出口７ａ、７ｂ、７ｃから放出される分子流は方向性が与えられ、基板８の成膜面９の所定の位置の比較的狭い範囲に向けて分子が放出される。このため、基板８の成膜面９の各位置の分子供給量が正確にコントロールすることが出来る。これにより、比較的広い成膜面９であっても、形成する膜厚が薄くなりやすい周辺部にも、中央部と同等の分子供給量を確保することが出来、成膜面９全体の膜厚の均一性が向上する。

真空の中では気体分子は直進する。有限の円筒状の案内路４ａ、４ｂ、４ｃに等方散乱する分子を導入した場合、案内路４ａ、４ｂ、４ｃの出口７ａ、７ｂ、７ｃから放出される分子の方向は、案内路４ａ、４ｂ、４ｃの径と案内路４ａ、４ｂ、４ｃのの長さによって確率的に決定される。案内路４ａ、４ｂ、４ｃの径と長さの比が大きいほど、分子は広がり、比が小さくなると、案内路４ａ、４ｂ、４ｃの延長線に沿って進む分子の割合が増加する。一本の案内路を用い、分子をこの案内路から噴出させると、案内路を中心とした円錐状の蒸気を噴出させることができる。

このような案内路を複数本配置し、それぞれの円錐の重なり方を調整することで、基板８の成膜面９上の膜厚分布を改善することができる。この時、各案内路４ａ、４ｂ、４ｃは、主として基板８の成膜面９の周辺側に向けて配置し、中間部にて膜厚が薄くなる部分に向けて補助的に案内路４ａを配置すると効果的である。

この場合において、成膜面９の周辺部に向けて配置する主たる案内路４ｂ、４ｃと成膜面９の中心部に向けて配置する補助的な案内路４ａに導かれる分子量は用いられる分子の種類、温度、流量等によって必要量が異なる為、各案内路４ａ、４ｂ、４ｃにそれぞれ分子通路を調整する手段を設ける必要が生じる。成膜面９の周辺部に向けた案内路４ｂ、４ｃに必要な分子量を１とし、補助的な案内路４ａに必要な分子量が０．５であった場合、主たる案内路４ｂ、４ｃの分子通路の総面積を１とし、補助的な案内路４ａの分子通路面積を０．５とする。

案内路４ｂの入り口にオリフィス状の制限板５を設ける場合も、同様にして成膜面９の周辺部に向けられた案内路４ｂの分子通路総面積を１とし、補助的な案内路４ａの分子通路面積を０．５とすればよい。
案内路４ａ、４ｂ、４ｃから放出される分子の放出方向は、導入路の径と長さの比で決まるが、制限板５を設けた場合は制限板５の分子通過口６で分子蒸気が拡散するので、制限板５の分子通過口６から案内路４ｂの出口７ｂまでの長Ｌｒさの比で分子放出の方向性が依存する。本発明者の検討によれば、効果的に蒸気の広がり方を規制する為には、Ｌｒ≧２Ｄｎとするのがよく、Ｌｒがこれ以下では効果が得られなかった。

図３と図４は、案内路４ａ、４ｂ、４ｃの向きと基板８の成膜面９の位置関係の一例を示している。この例では、縦４７０ｍｍ、横３７０ｍｍの基板に対し、９本の案内路４ａ、４ｂ、４ｃを配置している。これらの案内路４ａ、４ｂ、４ｃの中心線が基板８の成膜面９と同一面に達する位置を図４に「×」のマークで示した。この図４から明らかなように、中央の案内路４ａの中心軸は符号ａに示す通り、基板８の成膜面９の中心に達する。他方、その回りの案内路４ｂ、４ｃの中心軸は符号ｂ〜ｉに示す通り、基板８の成膜面９と同一面において、基板８の成膜面９を囲むＡ（ｍｍ）×Ｂ（ｍｍ）の正方形の角とその正方形の各辺の中央位置に達する。これら案内路４ｂ、４ｃの中心軸が基板８の成膜面９と同一面に達する符号ｂ〜ｉで示された位置は、基板８の成膜面９の最外周位置より外側である。具体的には、前記のサイズの基板８の場合Ａ＝Ｂ＝５００ｍｍとするのが良かった。

表１は、この図３と図４に示した分子供給装置を使用して実際に基板８の成膜面９に薄膜を形成したときの膜厚の最小値と最大値、そのバラツキδを示したものである。案内路４ａ、４ｂ、４ｃの径は１６φ、基板８のサイズは３７０ｍｍ×４７０ｍｍ、案内路４ａ、４ｂ、４ｃの分子入り口から基板８の成膜面９までの距離５００ｍｍとした。また案内路４ａ、４ｂ、４ｃの中心線が基板８の成膜面９と同一面に達する位置は前述した通りとした。成膜材料としては発光素子に使用される有機発光膜材料であるＡｌｑ３を使用した。

膜厚の測定法は、基板８の成膜面９上に膜厚測定用測定板を３０枚貼り付け、その膜厚を段差計（ｄｅｋｔａｋ６）で測定した。測定された最大膜厚（Ｔｍａｘ）と最小膜厚（Ｔｍｉｎ）の偏差δを１００×（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）／（Ｔｍａｘ＋Ｔｍｉｎ）で表した。測定板の貼り付け位置は、図４にハッチングを施して示した四角形の部分である。膜厚の偏差の目標値はδ≦５とし、偏差δ＞６のものを評価「×」とした。

表１のうち、試料１は、案内路４ａを１本のみで基板８の成膜面９の中心に向けて分子を放出した場合である。試料２は、９本の案内路４ａ、４ｂ、４ｃの全てに制限板５を設けずに均等に分子を供給した場合である。試料３−１〜５−１は、案内路４ａ、４ｂ、４ｃの分子通路面積を調整して成膜した場合である。試料３−１は制御板を使用して調整した場合。３−２は案内路の管径にて調整した場合。試料４−１は図４に示す案内路の中心の成膜面との交差位置「×」をＡ＝５００、Ｂ＝４００とした場合、試料４−２はＡ＝４００、Ｂ＝４００とした場合である。これら以外はＡ＝５００、Ｂ＝５００である。試料５−１は制限板を案内路の分子出口に設けた場合、試料５−２は制限板を案内路の分子出口から分子線源側に３２ｍｍの位置のに設けた場合である。これら各場合における案内路の分子通路面積を表２に示す。

本発明の一実施例である薄膜形成用分子供給装置の縦断側面図である。 図１におけるＡ−Ａ線矢視図である。 本発明の他の実施例である薄膜形成用分子供給装置の縦断側面図である。 図３におけるＢ−Ｂ線矢視図である。

符号の説明

１ 蒸発源
４ａ 案内路
４ｂ 案内路
４ｃ 案内路
６ 分子通過口
９ 成膜面

Claims (5)

1. 蒸発源（１）から発生する成膜材料の分子を成膜面（９）に向けて案内し、この成膜面（９）に成膜材料を被着させて成膜する薄膜形成用分子供給装置において、蒸発源（１）から成膜面（９）に向けて分子を放出する筒状通路を有する複数の案内路（４ａ）、（４ｂ）、（４ｃ）を設け、そのうち一部の案内路（４ａ）を成膜面（９）の中心部に向けて配置し、他の案内路（４ｂ）、（４ｃ）を成膜面（９）の周辺部に向けて配置し、成膜面（９）の中心部に向けて導くべき分子量と成膜面（９）の周辺部に向けて導くべき分子量との比に応じて、前記一部の案内路（４ａ）と他の案内路（４ｂ）、（４ｃ）の分子通路の総面積の比を設定し、さらに前記複数の案内路（４ａ）、（４ｂ）、（４ｃ）の蒸気入り口側内径をＤｉとし、その出口側内径をＤｏとした時、Ｄｏ≧Ｄｉとしたことを特徴とする薄膜形成用分子供給装置。
2. 複数の案内路（４ｂ）の通路面積を規制する規制手段を有し、この規制手段が各案内路（４ｂ）の入り口面積の規制によりなされることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成用分子供給装置。
3. 複数の案内路（４ｂ）の通路面積を規制する規制手段がそれぞれ分子通過口（６）を有し、各案内路（４ｂ）に設けられたオリフィス状の制限板（５）によりなされることを特徴とする請求項２に記載の薄膜形成用分子供給装置。
4. 制限板（５）が置かれる位置が、案内路（４ｂ）の出口から制限板（５）までの距離をＬｒ、制限板（５）の分子通過口（６）の径をＤｎとした時にＬｒ≧２×Ｄｎであることを特徴とする請求項３に記載の薄膜形成用分子供給装置。
5. 外側に向いた案内路（４ｂ）、（４ｃ）の中心線の延長線の成膜面（９）に達する位置が成膜面（９）の最外部かまたはそれよりも外側にあることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の薄膜形成用分子供給装置。

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