(57)【要約】【課題】成膜面において発熱することなく、かつ基板面内に均一な膜質の有機薄膜を形成することが可能な有機薄膜の形成方法を提供する。【解決手段】有機材料からなる単一の成膜成分を気化させたガス（成膜成分ガス）ｇ２を発生させ、基板Ｗが収納された処理室１１内に成膜成分ガスｇ２を輸送供給する。そして、処理室１１内の基板Ｗ表面に、成膜成分を保った有機材料を堆積させ、有機薄膜を形成する。有機材料を堆積させる際には、基板Ｗを冷却しておく。成膜成分ガスｇ２は、例えば不活性ガスｇ１等をキャリアガスとして処理室１１内に輸送供給される。また、有機材料の堆積を繰り返し行うことにより、異なる成膜成分からなる有機薄膜を積層形成する。【選択図】　　　　図１
2004014311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機材料からなる単一の成膜成分を気化させたガスを発生させ、
基板が収納された処理室内に前記ガスを輸送供給し、
前記処理室内の基板表面に前記成膜成分を保った有機材料を堆積させる
ことを特徴とする有機薄膜の形成方法。
【請求項２】
請求項１記載の有機薄膜の形成方法において、
前記有機材料を堆積させる際、前記基板を冷却する
ことを特徴とする有機薄膜の形成方法。
【請求項３】
請求項１記載の有機薄膜の形成方法において、
前記有機材料の堆積を繰り返し行うことにより異なる成膜成分を積層する
ことを特徴とする有機薄膜の形成方法。
【請求項４】
請求項１記載の有機薄膜の形成方法において、
前記ガスは、キャリアガスを利用して前記処理室内に輸送供給される
ことを特徴とする有機薄膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機薄膜の形成方法に関し、特には有機ＥＬ素子のような光学素子を構成する有機薄膜の形成に好適に用いられる有機薄膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有機材料のエレクトロルミネッセンス（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ：以下ＥＬと記す）を利用した有機ＥＬ素子は、陽極と陰極との間に有機層を挟持してなる。このような構成の有機ＥＬ素子においては、有機層の材料選択によって各色に発光する発光素子を得ることが可能であり、各色に発光する発光素子を所定状態で配列形成することによって、マルチカラー表示またはフルカラー表示が可能な表示装置を構成することが可能である。
【０００３】
ところで、このような有機ＥＬ素子の製造においては、真空蒸着法による有機層の形成が行われている。真空蒸着法は、蒸発源の上方に当該蒸発源に対して基板を対向させて配置した状態で、当該蒸発源から蒸着材料を蒸発させることで、当該基板の表面に蒸着材料を供給し堆積させる方法である。このような、真空蒸着法による成膜において成膜速度を制御するには、蒸発源の温度を変化させるなどして、蒸着材料の蒸発レートを変化しなければならない。しかし、温度と蒸発レートとはリニアに対応しておらず、また、温度を変化させることで蒸発レートが不安定な挙動を示すため、正確な制御を困難である。また、温度変化に対する蒸発レートの応答性も悪いため長いプロセス時間が必要になり、生産性が悪いといった問題もある。
【０００４】
そこで、このような真空蒸着法にかわる成膜方法として、有機気相堆積法（ｏｒｇａｎｉｃ　ｖａｐｏｒ　ｐｈａｓｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＯＶＰＤ法）が提案されている（特表２００１−５２３７６８公報および特表２０００−５０４２９８号公報）。これらの公報に開示されているように、ＯＶＰＤ法は、基板が収納された反応器内に複数の有機前駆物質を気相で供給してこれらの有機前駆物質を反応させ、反応によって生じた有機化合物を基板の表面に積層させて有機薄膜を形成する方法である。この際、有機前駆物質の反応は、化学反応または複数の有機前駆物質の混合であり、また有機前駆物質同士は供与体・受容体の関係であるか、ゲスト・ホストの関係であっても良い。
【０００５】
このようなＯＶＰＤ法においては、反応器内への有機前駆物質の供給速度によって成膜速度が調整されるため、真空蒸着法と比較して成膜速度の制御性が良好で成膜速度も速い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ＯＶＰＤ法による有機薄膜の形成には、次のような課題があった。すなわち、ＯＶＰＤ法においては、反応器内に複数種類の有機前駆物質を供給し、反応器内においてこれらを反応（化学反応または混合）させているため、反応器内における有機前駆物質の混合状態が不均一であったり、また混合状態が均一であっても反応器内における温度分布のばらつきがある場合には反応（化学反応）が不均一になる。これにより、基板面内に形成される有機薄膜の膜質にばらつきが生じやすい。
【０００７】
さらに、有機前駆物質の反応によって反応熱が発生する場合もあり、基板上に既に形成されている有機薄膜が反応熱の影響によって劣化する。したがって、上述したような複数の有機膜を積層することで発光層を含む有機層を形成する有機ＥＬ素子の製造にＯＶＰＤ法を適用した場合には、上述した反応熱の影響によって下層の有機膜が劣化し、良好な素子特性を得ることが困難であった。
【０００８】
そこで本発明は、成膜面において発熱することなく、かつ基板面内に均一な膜質の有機薄膜を形成することが可能な有機薄膜の形成方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明の有機薄膜の形成方法は、有機材料からなる単一の成膜成分を気化させたガスを発生させ、このガスを基板が収納された処理室内に輸送供給し、この処理室内の基板表面に成膜成分を保った有機材料を堆積させる方法である。
【００１０】
このような有機薄膜の形成方法では、処理室内に輸送供給された有機材料からなる単一の成膜成分のみが、その成膜成分を保って基板表面に堆積される。このため、基板表面においては、成膜成分の混合の不均一性が生じたり、また成膜成分同士の反応による反応熱が生じることはない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の有機薄膜の形成方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
＜成膜装置＞
図１は実施形態の有機薄膜の形成に用いる成膜装置の一例を示す概略図である。この図に示す成膜装置１は、有機薄膜の形成処理が施される基板Ｗを収納するための処理室１１を備えている。
【００１３】
この処理室１１には、排気システム１２が備えられており、内部が所定の圧力にコントロールされる。ここでの図示は省略したが、排気システム１２によって排気されるガスは、トラップを通り余分な材料を捕獲し、後で説明する不活性ガス（例えばＮ２）のみが、装置外に排出される構成となっており、この排気はスクラバーを通過後に大気開放される構成となっている。
【００１４】
そして、この処理室１１内には基板Ｗを支持するための基板支持台１３が収納され、基板支持台１３に支持した状態の基板Ｗの温度制御が自在な温度制御機構を備えると共に、保持した基板Ｗをその面内において回転またはスライドさせる駆動機構を備えていても良い。
【００１５】
また、この処理室１１には、基板支持台１２に基板Ｗを固定させる作業を行うためのロードロック室１４が設けられている。このロードロック室１４は、内部をポンプで排気でき、また不活性ガス等で自在に置換出来る構成となっており、不活性ガス雰囲気内において基板支持台１３に基板Ｗを固定させ、ポンプで排気し、減圧にした状態でロードロック室１４−処理室１１間のゲートバルブ（図示省略）を開くことにより、基板Ｗを固定させた基板支持台１３を処理室１１内に所定状態で配置収納することが可能である。
【００１６】
また、処理室１１には、処理室１１内にガスＧを供給する供給管ライン２１が接続されている。この供給管ライン２１の先端であるガス導入口２１ａは、処理室１１内に挿入され、処理室１１内に所定状態で配置収納された基板支持台１３の基板保持面に向けて、ガスＧを吹き出すように設定されている。
【００１７】
一方、供給管ライン２１の他端は、キャリアガスとなる高純度の不活性ガス（例えばＮ２、Ｈｅ、Ａｒ）または水素などのガス精製装置２２（またはボンベ）に接続されている。そして、ガス精製装置２２から処理室１１までの間の供給管ライン２１には、ガス精製装置２２側から順に、圧力調整機２３、マスフローコントローラ２４、および原料供給機構２５が設けられ、さらにベントライン２６が接続されると共に、ベントライン２６と処理室１１との間にバルブＶ１が設けられた構成になっている。また、ベントライン２６にも、バルブＶ２が設けられていることとする。
【００１８】
このうち、原料供給機構２５は、有機薄膜の原料となる有機材料が貯蔵された原料容器２５ａ、供給管ライン２１から分岐して原料容器２５ａに挿入される導入管２５ｂ、この導入管２５ｂよりも下流側の供給ライン２１から分岐して原料容器２５ａに挿入された排出管２５ｃを備えている。そして、供給管ライン２１における導入管２５ｂと排出管２５ｃとの分岐の間、導入管２５ｂ、および排出管２５ｃには、それぞれバルブＶ３，Ｖ４，Ｖ５が設けられている。
【００１９】
以上のような構成の成膜装置１において、マスフローコントローラ２４〜処理室１１までの配管、容器等はすべて、所定の高温に温度制御されることとする。温度制御のための加熱方式は、オーブン内などに設置する空気恒温槽方式でも、高温オイルなどを循環させる方式でも、ＲＦ加熱（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ加熱：高周波誘導加熱）方式でも、ランプ加熱方式でも良く、特に限定されることは無い。
【００２０】
＜有機薄膜の形成方法＞
次に、以上のような構成の成膜装置１を用いた有機薄膜の形成方法を説明する。ここでは、一例として、有機ＥＬ素子に一般的に用いられるＡｌｑ３［ｔｒｉｓ（８−ｑｕｉｎｏｌｉｎｏｌａｔｏ）ａｌｕｍｉｎｕ（ＩＩＩ）］からなる電子輸送性発光層を形成する場合の実施の形態を説明する。
【００２１】
まず、ロードロック室１４内において基板支持台１３に基板Ｗを保持固定し、ロードロック室１４内を減圧にした後、それぞれほぼ同じ圧力に保たれたロードロック室１４と処理室１１との間のゲートを開けて、基板支持台１３を処理室１１内の所定位置にセットする。この際、ロードロック室１４内と処理室１１内とは、例えば１３３Ｐａに保つ。そして、基板支持台１３の温度制御機構によって基板Ｗを２０℃程度に保持する。また、基板支持台１３に回転またはスライド機構が備えられている場合、この機構によって基板Ｗを回転させておくこととし、これにより膜厚の均一な成膜が行われるようにする。
【００２２】
一方、原料供給機構２５の原料容器２５ａには、有機薄膜の原料となる有機材料（ここではＡｌｑ３）を貯蔵すると共に、原料容器２５ａ内の有機材料を所定温度（Ａｌｑ３の場合には２８０℃）に加熱する。これにより、原料容器２５ａ内に、加熱温度に対する有機材料（Ａｌｑ３）の蒸気圧分を気体として存在させておく。また、マスフローコントローラ２４〜処理室１１までの配管、容器等はすべて、所定の高温に温度制御（例えば２８０℃程度）に加熱しておくこととする。
【００２３】
以上のような状態で、バルブＶ２，Ｖ３を閉じ、バルブＶ１，Ｖ４，Ｖ５を開く。そして、高純度ガス精製装置２２から、圧力調整機２３により、例えば０．２ＭＰａに圧力コントロールされ、マスフローコントローラ２４により高精度に流量コントロールされた不活性ガス（例えばＮ２）ｇ１を、供給管ライン２１に流す。流量の一例としては、１０００ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ　ｃｃ　／ｍｉｎ：標準状態での１分あたりの流量）である。そして、不活性ガスｇ１を原料容器２５ａに供給し、原料容器２５ａ内において気化された有機材料（Ａｌｑ３）のガスを、成膜成分ガスｇ２とし、不活性ガスｇ１をキャリアガスとして排出管２５ｃおよび供給管ライン２１から処理室１１内に輸送供給する。
【００２４】
これにより、処理室１１内の基板支持台１３に固定保持された基板Ｗに向けて、ガス導入口２１ａから成膜成分ガスｇ２として有機材料（Ａｌｑ３）ガスを含むガスＧが供給される。そして、２０℃の温度に保たれた基板Ｗの表面に有機材料（Ａｌｑ３）がその成分を保った状態で堆積され、Ａｌｑ３からなる有機薄膜が形成される。
【００２５】
この際、有機薄膜の膜厚は、処理室１１内へのガスの供給時間によって制御され、所定膜厚の有機薄膜が形成されたところで、バルブＶ１，Ｖ４，Ｖ５を閉じ、バルブＶ２，Ｖ３を開き、処理室１１内への成膜成分ガスｇ２の供給を停止すると共に、処理室１１内を不活性ガスｇ１で置換する。
【００２６】
以上の後、基板Ｗおよび基板支持台１３をロードロック室１４に戻し、ロードロック室１４内の圧力を常圧に戻して基板Ｗを取出す。このとき、有機薄膜が形成された基板Ｗが大気に触れないように、ロードロック室１４内において基板Ｗを専用のＮ２ガス封止箱に移載し、Ｎ２ガス封止箱を成膜装置１の外へ持ち出すようにしても良い。
【００２７】
以上の有機薄膜の形成方法においては、有機材料からなる単一の成膜成分ガスｇ２のみが不活性ガスと共に処理室１１内に輸送供給され、処理室１１内に収納された基板Ｗ表面には、有機材料がその成膜成分を保って基板Ｗ表面に堆積される。このため、基板Ｗ表面においては、成膜成分の混合の不均一性が生じたり、また成膜成分同士の反応による反応熱が生じることはない。したがって、反応熱による下層有機膜の劣化を引き起こすことなく、かつ基板Ｗ面内において膜質が均一な有機薄膜を形成することが可能になる。
【００２８】
尚、上述した有機薄膜の形成方法においては、基板Ｗの表面に単層膜（Ａｌｑ３）を形成する場合を説明したが、この基板Ｗ上に複数の有機薄膜を積層形成する場合には、処理室１１とガス精製装置２２（または圧力調整機２３）との間に、マスフローコントローラ２４〜バルブＶ１までの部分を設けた複数の供給ライン２１を設けて成膜装置を用いる。このような成膜装置を用いることで、異なる有機材料からなる成膜成分ガスを、順次、複数の供給ライン２１から処理室１１内に導入し、複数の有機薄膜を連続的に積層形成することが可能になる。
【００２９】
次に、このような複数の有機薄膜の連続成膜の例として、有機ＥＬ素子の製造に本発明の有機薄膜の形成方法を適用した実施の形態を説明する。
【００３０】
図２は、有機ＥＬ素子の構成の一例を示す断面図である。有機ＥＬ素子１００は、ガラスなどからなる基板Ｗ上に、第１電極１０１、有機層１０２、および第２電極１０３がこの順で積層された構成になっている。第１電極１０１は陽極（または陰極）として用いられ、第２電極１０３は陰極（または陽極）として第１電極１０１と対で用いられる。
【００３１】
有機層１０２は、陽極側（ここでは例えば第１電極１０１側）から陰極側（ここでは例えば第２電極１０３側）に向かって順に、正孔注入層１０２ａ、正孔輸送層１０２ｂ、発光層１０２ｃ、電子輸送層１０２ｄ、さらには電子注入層１０２ｃ等の有機薄膜を積層してなる。これらの各層（有機薄膜層）１０２ａ〜１０２ｅは、発光素子５の発光色毎に異なる材料を用いてパターン形成されている。尚、有機層１０２は、このような層構造に限定されることはなく、少なくとも発光層を有する構成であれば、必要に応じた積層構造を選択することができる。
【００３２】
また、基板Ｗ上に形成された有機ＥＬ素子１００は、ここでの図示を省略した保護膜、封止剤などによって封止されている。
【００３３】
このような構成の有機ＥＬ素子１００の製造においては、有機層１０２を構成する各有機薄膜層１０２ａ〜１０２ｅの形成に、上述した有機薄膜の形成方法が適用される。この際、図１を用いて説明した成膜装置１において、複数の供給ラインを設けた成膜装置を用いることで、各有機薄膜層１０２ａ〜１０２ｅを連続的に形成することができる。
【００３４】
特に、各有機薄膜層１０２ａ〜１０２ｅが、ホストとなる有機材料にドーパントとして他の有機材料を添加した構成である場合には、ホスト層とドーパント層とを連続的に形成することで、デルタドーピング的にドーパントが添加された各有機薄膜層１０２ａ〜１０２ｅを積層形成することができる。
【００３５】
この場合、ホスト層とドーパント層とは、それぞれ上述したように下層に熱的な影響を及ぼすことなく、かつ膜質が均一に形成されるため、ホスト層とドーパント層との膜厚を調整することで、ドーパント濃度が基板面内で高精度に調整され、制御性に優れた各有機薄膜層１０２ａ〜１０２ｅを形成することが可能である。
【００３６】
また、ホスト層とドーパント層との膜厚を調整することで、ドーパント濃度が基板面内で高精度に調整されるため、各有機薄膜層１０２ａ〜１０２ｅの設計の自由度（すなわち有機ＥＬ素子の設計の自由度）を得ることができる。
【００３７】
例えば、図３に示すように、所定膜厚のホスト層Ａを上下層の界面に接して設け、これらのホスト層Ａ間にドーパント層Ｂを形成することで、ホストの中央部のみにドーパントを添加した有機薄膜層（例えば発光層１０２ｃ）を形成することが可能であり、これによりドーパントが近すぎるために起こる濃度消光を回避することができる。
【００３８】
また、発光層１０２ｃにおける発光部をドーパント層の位置で制御できるため、自発光による素子の劣化も抑えることが出来る。
【００３９】
また、図４の様に、ホスト層Ａ間におけるドーパント層Ｂの膜厚を変化させることで、下層との界面に近い位置のドーパント量を少なく、上層との界面に近い位置のドーパント量を多くしたり、その逆にしたりと設計の自由度が増す。
【００４０】
さらに、図５の様にホスト層Ａ間におけるドーパント層Ｂの膜厚は一定であるが、ホスト層Ａの厚さを制御することで、実効的なドーパント濃度を制御できる。このことは、図４の場合と同様、有機ＥＬ素子を作製する場合の、設計の自由度を増加させることが出来る。
【００４１】
尚、各有機薄膜層１０２ａ〜１０２ｅは、基板Ｗ上の各画素にパターン形成される。このため、上記成膜装置を用いた各有機薄膜層１０２ａ〜１０２ｅの連続成膜においては、基板Ｗの成膜表面に対向させて画素毎に開口部を有するマスクを配置し、このマスクの開口部を介して、ガス導入口２１ａから処理室１１内に導入したガスＧを基板Ｗの表面に供給することになる。
【００４２】
この場合、上述した有機薄膜の形成方法であれば、真空蒸着法とは異なり、成膜成分ガスの供給方向が自在であるため、基板の成膜表面を下方に向ける必要がない。したがって基板の成膜表面（およびマスク）を略垂直に配置して有機薄膜の形成を行うことが可能であり、成膜表面に対向させて配置されるマスクの撓みを防止することができる。
【００４３】
また、図１を用いて説明した成膜装置１においては、ガス導入口２１ａを複数設け、基板Ｗの成膜表面に対して均等に配置する等の構成とすることで、基板Ｗ面の各部に対して同一方向からガスＧを供給することができる。このため、真空蒸着法においては、マスクを用いた場合のシャドウ効果により有機薄膜パターンの形成精度にばらつきが生じていたが、このような課題を解決することもできる。また、このような成膜装置の構成であれば、基板Ｗ表面に対して均一な膜厚での成膜を行うために、基板支持台１３をスライドまたは回転させる必要はなく、装置構成を小型化することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の有機薄膜の形成方法によれば、処理室内に有機材料からなる単一の成膜成分ガスのみ供給し、その成膜成分を保って基板表面に有機材料を堆積させる構成としたことで、成膜成分の混合の不均一性が生じたり、また成膜成分同士の反応による反応熱が生じることなく有機薄膜の形成を行うことが可能になる。したがって、反応熱による下層有機膜の劣化を引き起こすことなく、かつ膜質が均一な有機薄膜を形成することが可能になる。この結果、この有機薄膜の形成方法を適用して有機ＥＬ素子のような光学素子を形成した場合、特性の良好な素子を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の有機薄膜の形成方法を行うための成膜装置の構成図である。
【図２】本発明を適用して製造される有機ＥＬ素子の構成例を示す断面図である。
【図３】本発明を適用して得られる有機ＥＬ素子の発光層の層構造の第１例を示す断面図である。
【図４】本発明を適用して得られる有機ＥＬ素子の発光層の層構造の第２例を示す断面図である。
【図５】本発明を適用して得られる有機ＥＬ素子の発光層の層構造の第３例を示す断面図である。
【符号の説明】
１１…処理室、ｇ１…不活性ガス（キャリアガス）、ｇ２…成膜成分ガス、Ｗ…基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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