JPH0817983B2

JPH0817983B2 - 有機薄膜の形成装置

Info

Publication number: JPH0817983B2
Application number: JP61308274A
Authority: JP
Inventors: 茂若山; 明三浦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-12-26
Filing date: 1986-12-26
Publication date: 1996-02-28
Anticipated expiration: 2011-02-28
Also published as: JPS63162058A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、有機薄膜の形成装置に係り、特に複数種の
有機薄膜を累積したヘテロ構造膜を得る有機薄膜の形成
装置に関する。

（従来の技術）近年、有機分子を用いる材料技術の進歩が著しい。こ
れに伴い、有機分子を用いた新しい機能素子を実現しよ
うとする気運が高まっている。特に、有機分子を用いた
超薄膜を利用した素子開発の検討が盛んに行われてい
る。

有機薄膜の形成法として従来より、スピンコート法、
真空蒸着法、ラングミュア・ブロジェット（Langmuir−
Brodgett）法等が知られている。これらのうち特に、ラ
ングミュア・ブロジェット法は、有機分子をÅ単位で配
向して積層することができる唯一の薄膜形成法として近
年多大の注目を集めている。以下の説明では、ラングミ
ュア・ブロジェット法をLB法と略称し、このLB法により
形成される膜をLB膜と称する。LB膜の適用が考えられて
いる素子としては、LB膜を絶縁膜とするMiS型発光素子
やMISトランジスタ、色素分子を用いた光電変換素子、
光記録媒体、各種センサ、極性膜構造を用いた圧電素子
等がある。またLB膜を超微細加工用レジストとして利用
することも検討されている。

ところで通常のLB法では、単一分子からなる両親媒性
分子を水面上に展開し、これを所定の表面圧になるよう
に圧縮して凝縮膜化した後、試料基板をこの単分子膜を
横切って上下動させることにより、基板上に有機分子薄
膜を累積するという方法が採られる。この方法は垂直浸
漬法と呼ばれる。これに対し、展開された単分子膜に平
行に試料基板を接触させて基板上に有機分子薄膜を付着
させる方法は、水平付着法と呼ばれる。これらの方法に
より得られる累積単分子膜の構造には、親水基同士、疎
水基同士が隣接して累積されるＹ型と、親水基に対して
疎水基が隣接して累積されるＸ型およびＺ型がある。基
板表面の親水的若しくは疎水的性質により、最初に付着
する単分子膜の親水基側が基板側になりその単分子膜の
疎水基に次の単分子膜の親水基が付く形で順次単分子膜
が累積されるのがＸ型であり、これと逆に累積されるの
がＺ型である。

以上述べたいずれの方法でも、単一成分からなる累積
単分子膜では、その応用範囲が限られる。そこで異種分
子の交互累積膜（ヘテロ構造膜）の形成法に関する研究
が増加している。複数種の有機分子膜を累積するために
は、水槽内の異なる領域に異なる有機分子膜を展開し
て、試料基板を順次異なる単分子膜が展開された領域に
浸漬することが必要である。その様な交互累積膜形成装
置として従来提案されているのは、いずれも一つの水槽
内を固定バリアで区切って複数種の単分子膜を展開でき
るようにしたものである。固定バリアで区切られた有機
分子膜展開領域の下部は連通しており、全ての展開領域
の水は共通である。しかしながらこの様な従来の交互累
積膜形成装置には、次のような問題がある。まず、単分
子膜を展開するには、その有機分子に応じて水相条件
（例えばpH,温度，イオン濃度）を最適設定することが
望まれる。しかし、共通の水槽では異なる単分子膜の展
開領域毎に異なるpH値や温度等を設定することができな
い。従って展開分子の選択範囲が限定される。また、異
なる単分子膜の展開領域間で試料基板を搬送するために
は、（ａ）固定バリアを可とう性材料により形成してこ
れに試料基板支持棒が通過できるようなゲート部を設け
ること、（ｂ）固定バリアを回転軸として試料基板をこ
れに保持して回転駆動できるようにすること、等が提案
されている。しかし、（ａ）の構成としてゲート部を通
して試料基板の搬送を行うと、展開分子の相互混入や表
面圧の変動が生じる。これは良質のヘテロ構造膜の形成
を難しくする。またこれらの構成では、交互累積膜の種
類が２種に限定され、３種以上の単分子膜の累積ができ
ない。更にこれら従来の装置では試料基板を水槽内部で
搬送しなければならない。このため既に基板に付着して
いる有機薄膜の剥離が生じる場合がある。

さらにまた、上記方式にあっては、いずれも垂直浸漬
法を基本とした膜形成法であるため、Ｙ型ヘテロ累積膜
（親水基同士、又は疎水同士が隣接した構造）しか得ら
れない。このため、異種分子間の相互作用を積極的に利
用した機能素子開発で必要とされる他の型を含む多様な
膜構造形成に、十分対処できないという不都合が生じ
る。この様に、従来提案されている方式では、複数の異
種分子から成る良質なヘテロ累積膜の形成は、実際上
は、極めて多くの困難が予想されると共に、その適用範
囲も著しく限定されたものとなる。

（発明が解決しようとする問題点）以上のように従来の有機薄膜の形成装置では、水槽が
共通であるために、累積膜構成分子の選択範囲が狭く、
また水槽内部で試料基板を搬送しなければならないとい
う問題があり、このため多種の構成分子膜からなる良質
のヘテロ構造膜を得ることが困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものでその目的
とするところは、良質のヘテロ構造膜を得ることができ
る有機薄膜の形成装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明のヘテロ構造膜形成装置は、それぞれ両親媒性
有機分子の単分子膜を展開する互いに独立した複数の水
槽を有し、基板を水平に保持し、各水槽ごとに展開され
た単分子膜を基板上に付着させるために基板をそれぞれ
上下に駆動する基板駆動手段と、基板を各水槽の外部に
おいて各水槽間で搬送する基板搬送手段とを設けてい
る。展開される単分子膜の圧縮駆動手段と表面圧検出器
とは、各水槽毎に設けられる。

本発明は、更に上記基本構造に加えて、水槽内に展開
された単分子膜を所定の表面圧の凝縮膜に形成するバリ
アと、基板の水槽内での浸漬領域を仕切る仕切手段と、
この仕切手段を基板とは独立に上下に駆動する仕切手段
の駆動手段を設けたことを特徴とする。

（作用）このような構成により、独立の複数の水槽であるた
め、各々の水槽で所望の水相組成を設定することができ
またそれぞれの展開分子膜を所望の凝縮膜とすることが
できる。また基板の搬送は水槽の外部で行われるため、
異種展開分子の混入が防止され、基板に付着した単分子
膜の剥離現象も防止される。また、各水槽ごとに基板を
それぞれ上下に駆動させ単分子膜を累積させるため良質
のヘテロ構造膜を得ることができると共に、基板を水平
に保持し、基板片面は全面同時に膜形成が行なえるため
量産に適している。

また、仕切り用カセットを組合わせた本発明において
は、基板に付着する分子領域を区切ることができるため
に余分な分子の付着が防止できるため均一なヘテロ構造
膜が形成できると共に、カセットを上昇させる前に展開
分子の表面圧を下げることができ分子の破壊等が防止で
きる。

（実施例）以下、本発明の実施例を説明する。

第１図は、３種類の両親媒性有機分子を展開する３つ
の完全に独立した水槽1,2,3を用いた実施例のヘテロ構
造膜形成装置である。各水槽1,2,3は防振架台５に脚４
により固定されている。これらの水槽1,2,3はその水面
上に展開した分子を所望の表面圧で凝縮膜化するための
表面圧検出器および圧縮駆動手段をそれぞれ独立にもっ
ている。図では、水槽１上にある表面圧検出器７が示さ
れているが、実際には水槽2,3上にも同様の表面圧検出
器がある。この表面圧検出器７は例えば、ろ紙を吊下げ
て展開された分子膜の表面張力を測定する、電子天秤を
用いたウィルヘルミー（Wilhelmy）型と呼ばれるもので
ある。圧縮駆動手段の基本構成要素は、水槽３について
説明すれば、水面に有機分子を展開、圧縮するためのテ
フロン製可動バリア８（バリア）である。この可動バリ
ア８は平行バネ９により支持台10に保持され、この支持
台10は架台に固定されたガイド11に摺動自在に保持され
てネジ12に連結されている。このネジ12は、その両端が
支持台14,15により保持され、モータ13からの動力が歯
車16,17を介して伝達されるようになっている。即ちモ
ータ13を駆動することにより、可動バリア８をネジ12に
沿って移動させることができ、これにより所定表面圧の
凝縮膜を形成することができる。他の水槽１および２に
ついても、圧縮駆動手段の構成は同じである。なお図で
は、水槽1,2では左側に、水槽３では右側にそれぞれモ
ータを含む駆動部を設けているが、これは収納スペース
を考慮した結果である。膜形成を行うための基板を水平
に保持し水槽表面まで下降させたり、上昇させたりとい
う上下動駆動をするために、基板駆動装置18がある。

基板駆動装置18の各水槽間における搬送機構は、防振
架台５上に固定された柱3a,36b上に構成されている。こ
の搬送機構の構成は、次のようになっている。駆動源の
モータ39の動力は、歯車40を介しネジ38に伝達され、ガ
イドレール37の案内により基板駆動装置18が、各水槽間
を空中で自由に移動できる。

第２図は、基板駆動装置18の詳細を示すものである。
支持基板30上に、試料としての基板20の上下移動の動力
源としてのモータ29が固定されている。

この動力は、歯車28を介してネジ27に伝達されてガイ
ド26上の支持台50に与えられる。この支持台50上には、
基板20を保持しているガイド51が取付けられている。す
なわち、モータ29を駆動することにより、試料基板20は
水槽の水面を何回でも上下することができる。

また、仕切り用カセット31が試料基板20の上下移動と
は、独立に移動できるように、モータ35の動力をネジ34
を介しガイド33上に固定されたアーム32上に保持されて
いる。

ここで仕切り用カセット31は、例えば厚さ1mm程度の
薄いフィルム状であり、材質としては、例えばテフロン
（PTFE系複合材）のようなものが適している。なお、仕
切り用カセット31は細いワイヤー状のもの等他のもので
もよい。このように構成された装置により、ヘテロ構造
膜を形成する工程を具体的に次に説明する。

第３図は、仕切り用カセット31がない、若しくは使用
しない構造で水槽1,2,3の順に基板を移動させてヘテロ
構造膜を形成した場合の各水槽での単分子膜累積の様子
を示している。水槽1,2,3にはそれぞれ異なる分子41,4
2,43の単分子膜が所定表面圧で形成されている。まず、
水槽１の分子41まで基板20を下降させた後に上昇させる
工程（１）においては、分子41の疎水基側が基板20に接
触する状態で単分子膜が形成される。

次にこの基板20を水槽２上に搬送し水槽２の分子42ま
で基板20を下降させた後に上昇させる工程（２）におい
て、分子42の疎水基が既に形成されている分子41の親水
基に付く形で分子42の単分子膜が累積される。次いで、
基板20を水槽３上に搬送し水槽３の分子43まで基板20を
下降させた後に上昇させる工程（３）において、分子43
の疎水基が既に形成されている分子42の親水基に付く形
で分子43の単分子膜が累積される。このようにして、こ
の実施例によれば、複数の独立した水槽を設けているた
め、展開分子同士の混入汚染が防止される。また各水槽
で水相組成を任意のpH、温度、イオン濃度に設定するこ
とができるため展開分子の選択範囲が広がる。

また、基板は水槽外部に取出して空中を搬送するため
水槽内部を搬送するときに生じる付着した単分子膜が剥
離することが防止できる。さらに垂直浸漬法は基板を水
相中に0.3mm/分程度の非常に低速で出入れしなければな
らず膜形成に時間がかかるが、このように水平に基板を
上昇、下降させることにより膜形成が単時間で行なえ、
量産に適している。

第４図は、仕切り用カセット31を使用してヘテロ構造
膜を形成する工程を水槽１を例にとり示すものである。

第４図（ａ）の状態は、水槽１の中に水相組成55から
なる水面上に展開分子41が所望の凝縮膜になる前を示
す。第４図（ｂ）においては、可動バリヤ８を駆動させ
展開分子41を所望の凝縮膜とした後、仕切り用カセット
31を降下させて所定表面圧に形成された水面上の単分子
膜を基板20の面積分だけ区切り、基板20を水面と平行に
降下させて単分子41を累積させる。

第４図（ｃ）においては、基板20を引上げた後、可動
バリヤ８を移動させ水面上の展開分子膜の表面圧を所定
値より小さくした後、仕切り用カセット31を引上げる。

ここで、展開分子膜の表面圧を所定値より小さくした
後に仕切り用カセット31を引き上げる理由は、例えば表
面圧を下げずに仕切り用カセット31を引き上げると、表
面圧が高いために、仕切り用カセット31内の分子膜が無
い部分に、周囲の分子が急激に流れ込み分子の破壊等が
生じるおそれがあるからである。

第４図（ｄ）においては、再度、水面上の単分子膜を
所定表面圧に圧縮する。ここで同種の単分子膜を基板20
上に累積する場合は、同水膜上で第４図（ａ）から
（ｄ）の工程を繰り返す。異なった単分子膜を基板20に
累積する場合は、基板搬送系を駆動させて基板20を水槽
２、あるいは水槽３上に移動し同工程（第４図（ａ）か
ら（ｄ））を繰り返すことにより積層方向に多種類の単
分子膜が例えば、第６図に示すように親水基と疎水基が
隣接した構造で累積される。

仕切り用カセット31を用いたことにより、基板20の面
積分の分子のみが基板20に付着する。したがって基板20
の周囲にある必要ない分子が、基板20引上げ時に付着す
る（例えば基板20周囲の膜が２層になってしまう）こと
が防止でき、均一なヘテロ構造膜が形成できる。さら
に、仕切り用カセット31を用いたことにより、前述した
ごとく基板20に分子を付着した後に展開分子膜の表面圧
を下げることができ分子の破壊等が生じることがない。

本発明は上記実施例に限られるものではない。例えば
実施例では３つの水槽を用いた場合を説明したが、少な
くとも二つの水槽があれば本発明は有効であり、また４
つ以上の水槽を用意して多様な分子を展開して複雑なヘ
テロ構造膜を形成することも可能である。また基板を上
下動させる基板駆動手段や基板搬送手段の具体的な構成
はその趣旨を逸脱しない範囲で種種変形して実施するこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、独立した複数の水
槽を設け、試料基板をこれら水槽の外部で搬送するよう
に構成することにより、良質のヘテロ構造膜を累積形成
することのできる有機薄膜形成装置が得られる。また水
槽の水面上に展開される単分子膜のうち試料基板が浸漬
される一部領域を区切る仕切り用カセットを設け、これ
を基板の上下動駆動とは独立に上下動駆動できるように
することによって、単分子膜の破壊等を生じることなく
均一なヘテロ構造膜が形成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のヘテロ構造膜形成装置を示
す斜視図、第２図はその基板駆動装置部を詳細に示す斜
視図、第３図は仕切り用カセットを用いない場合のヘテ
ロ構造膜累積の様子を説明するための図、第４図と第５
図は仕切り用カセットを用いた場合のヘテロ構造膜累積
の様子を説明するための図、第６図は第３図および第５
図の方法で得られるヘテロ構造膜を拡大して模式的に示
す図である。 1,2,3……水槽、４……脚、５……架台、７……表面圧検出器、８……圧縮用可動バリア（バリア）、９……平行バネ、 10……支持台、11……ガイド、 12……ネジ、13……モータ、 14,15……支持台、16,17……歯車、 18……基板駆動装置、20……基板、 26……ガイド、27……ネジ、 28……歯車、29……モータ、 30……支持基板、 31……仕切り用カセット（仕切手段）、 32……アーム、33……支持台 34……ネジ、39……モータ、 36……柱、37……ガイドレール、 38……ネジ、39……モータ、 40……歯車、41,42,43……分子、 50……支持台、55……水相組成。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】それぞれ両親媒性有機分子の単分子膜を展
開する互いに独立した複数の水槽と、これら水槽に展開
された単分子膜を基板上に付着させるために基板を水平
に保ち、各水槽ごとに基板をそれぞれ上下に駆動する基
板駆動手段と、前記基板を前記複数の水槽の間で搬送す
る基板搬送手段とを備えたことを特徴とする有機薄膜の
形成装置。
【請求項２】それぞれ両親媒性有機分子の単分子膜を展
開する互いに独立した複数の水槽と、これら水槽に展開
された単分子膜を基板上に付着させるために基板を水平
に保持し上下に駆動する基板駆動手段と、前記水槽に展
開された単分子膜を所定の表面圧にするバリアと、前記
基板の水槽内での浸漬領域を仕切る仕切手段と、この仕
切手段を前記基板とは独立に上下に駆動する駆動手段
と、前記基板を前記複数の水槽の間で搬送する基板搬送
手段とを備えたことを特徴とする有機薄膜の形成装置。
【請求項３】前記複数の水槽に展開された単分子膜の表
面圧を検出する表面圧検出器が設けられていることを特
徴とする特許請求の範囲第２項記載の有機薄膜の形成装
置。
【請求項４】前記基板搬送手段は、前記複数の水槽の上
部に配設されて前記基板駆動手段を摺動可能に吊下げる
ガイドレールと、このガイドレールに沿って前記基板駆
動手段を駆動する手段とを有することを特徴とする特許
請求の範囲第１項若しくは第２項記載の有機薄膜の形成
装置。