(57)【要約】【課題】基板１の成膜面上に均一な膜厚の薄膜を形成できるようにすると共に、基板１の成膜面を分子放出口４に近づけても、いわゆるスピッティング現象によりクラスター化した分子が成膜面に飛来しないようにする。【解決手段】薄膜堆積用分子線源セルは、成膜材料ａを収納する坩堝５と、この坩堝５の中の成膜材料ａを加熱して昇華またたは蒸発させる加熱手段と、前記坩堝５から発生した成膜材料ａの分子を通す小空間であるバッファ室９と、このバッファ室９に分子通路１３を介して通じ、そのバッファ室９より十分容積の大きな空間を有するリザーブ室１０と、このリザーブ室１０の壁に開口し、その中の分子を固体表面の成膜面へ向けて放出する分子放出口４とを有する【選択図】　　　図１
2004018997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜材料（ａ）を加熱することにより、その成膜材料（ａ）を昇華または蒸発して、固体表面に薄膜を成長させるための分子を発生する真空蒸着用分子線源セルにおいて、成膜材料（ａ）を収納する坩堝（５）と、この坩堝（５）の中の成膜材料（ａ）を加熱して昇華またたは蒸発させる加熱手段と、前記坩堝（５）から発生した成膜材料（ａ）の分子を通す小空間であるバッファ室（９）と、このバッファ室（９）に分子通路（１３）を介して通じ、そのバッファ室（９）より十分容積の大きな空間を有するリザーブ室（１０）と、このリザーブ室（１０）の壁に開口し、その中の分子を固体表面の成膜面へ向けて放出する分子放出口（４）とを有することを特徴とする薄膜堆積用分子線源セル。
【請求項２】
リザーブ室（１０）は前記成膜材料（ａ）を加熱する加熱手段とは別の加熱手段により、バッファ室（９）側より高温に加熱されることを特徴とする請求項１に記載の記載の薄膜堆積用分子線源セル。
【請求項３】
リザーブ室（１０）がバッファ室（９）に対して回転自在に連結され、その回転により分子放出口（４）の向きが可変であることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜堆積用分子線源セル。
【請求項４】
リザーブ室（１０）の回転軸上にモニタ用の分子放出口（１６）が設けられ、このモニタ用の分子放出口（１６）に膜厚計（１１）が対向して配置されていることを特徴とする請求項３に記載の薄膜堆積用分子線源セル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成膜材料を加熱することにより、その成膜材料を昇華または溶融、蒸発して成膜材料の分子を発生し、この成膜材料の分子を固体表面に向けて放出し、その固体表面に分子を堆積させて膜を成長させるのに使用される薄膜堆積用分子線源セルとそれを使用した薄膜堆積方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分子線エピタキシ装置と呼ばれる薄膜堆積装置は、高真空に減圧可能な真空チャンバ内に基板を設置し、所要の温度に加熱すると共に、この基板の薄膜成長面に向けてクヌードセンセル等の分子線源セルを設置したものである。この分子線源セルの坩堝に収納した成膜材料をヒータにより加熱して昇華または溶融、蒸発させ、これにより発生した蒸発分子を前記基板の薄膜成長面に入射し、その面に薄膜をエピタキシャル成長させて、成膜材料の膜を形成する。
【０００３】
このような薄膜堆積装置に使用される分子線源セルは、熱的、化学的に安定性の高い、例えばＰＢＮ（パイロリティック・ボロン・ナイトライド）等からなる坩堝の中に成膜材料を収納し、この成膜材料を坩堝の外側に設けた電気ヒータで加熱し、これにより成膜材料を昇華または溶融、蒸発させ、成膜分子を発生させるものである。
【０００４】
近年、ディスプレイや光通信等の分野で、有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）の研究、開発が進められている。この有機ＥＬ素子は、ＥＬ発光能を有する有機低分子または有機高分子材料で発光層を形成した素子であり、自己発光型の素子としてその特性が注目されている。例えばその基本的な構造は、ホール注入電極上にトリフェニルジアミン（ＴＰＤ）等のホール輸送材料の膜を形成し、この上にアルミキノリノール錯体（Ａｌｑ３）　等の蛍光物質を発光層として積層し、さらにＭｇ、Ｌｉ、Ｃａ等の仕事関数の小さな金属電極を電子注入電極として形成したものである。
【０００５】
【発明が解決しようとしている課題】
最近のディスプレイは、大画面化が時代の要請となっている。そのため、前記のような有機ＥＬを使用したディスプレイでも、大面積の基板に有機ＥＬ膜を形成することが要請される。とりわけ、有機ＥＬを使用したディスプレイでは、基板上に均質な有機ＥＬ膜を形成することが要請される。
【０００６】
ところが、有機ＥＬ膜の形成に使用される従来の真空蒸着装置では、一つの坩堝から成膜材料を昇華または蒸発して基板の表面上に分子を発射し、成膜材料を堆積して膜を成長させる方式であるため、大面積の基板上に均質な薄膜を形成することが困難である。
【０００７】
また、このような有機ＥＬ材料は、蒸発源となる材料として粉体状のものが使用され、この粉体状の蒸発源材料を昇華し、その分子を発生させる。ところがこのとき、成膜材料の分子が互いに凝集し、クラスター化して飛散する、いわゆるスピッティング現象を起こしやすい。そして、このクラスター化した分子が成膜しようとする固体の成膜面に向けて飛散し、付着してしまう。この成膜面に付着したクラスターは、膜の不均一性や不連続性を生じさせ、膜の欠陥を生じる原因となる。そこで、このクラスタが飛来しない距離まで成膜面を離して成膜する必要があり、成膜効率が頗る悪いという課題がある。
【０００８】
本発明は、このような従来の膜厚計を使用した真空蒸着装置における課題に鑑み、その第一の目的は、固体の成膜面上に均一な膜厚の薄膜を形成できるようにすることにある。本発明の第二の目的は、固体の成膜面を分子放出口に近づけても、いわゆるスピッティング現象によりクラスター化した分子が成膜面に飛来しないようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明では、前記の目的を達成するため、坩堝５から蒸発または昇華して発生した分子を、直ちに固体の成膜面に放出せず、まずバッファ室９に一旦保持し、さらにこのバッファ室９より容積が十分大きなリザーブ室１０に分子を蓄え、その分子放出口４から固体表面の成膜面に向けて分子を放出するようにしたものである。
【００１０】
すなわち、本発明による薄膜堆積用分子線源セルは、成膜材料ａを収納する坩堝５と、この坩堝５の中の成膜材料ａを加熱して昇華またたは蒸発させる加熱手段と、前記坩堝５から発生した成膜材料ａの分子を通す小空間であるバッファ室９と、このバッファ室９に分子通路１３を介して通じ、そのバッファ室９より十分容積の大きな空間を有するリザーブ室１０と、このリザーブ室１０の壁に開口し、その中の分子を固体表面の成膜面へ向けて放出する分子放出口４とを有するものである。
【００１１】
このような薄膜堆積用分子線源セルでは、坩堝５から蒸発または昇華して発生した分子が一旦バッファ室９に保持され、さらにそれより大きなリザーブ室１０に蓄えられた後、その分子放出口４から放出される。そのため、いわゆるスティッピング現象により発生したクラスター状の成膜材料の粒子がバッファ室９やリザーブ室１０でトラップされ、成膜面側に放出されない。
【００１２】
さらに、坩堝５で発生した成膜材料ａの分子は、バッファ室９で保持された後、さらにより十分容積の大きなリザーブ室１０に蓄えられ、その後分子放出口４から放出されることにより、坩堝５から蒸発または昇華して発生した分子の量の急激な増減或いは波状に繰り返される増減が緩衝され、分子放出口４からは、単位時間当たり概ね一定の分子が安定して放出出来る。これにより、成膜面を分子放出口４に近づけてもムラのない均一な膜厚で均質な薄膜を成膜出来ることになる。
【００１３】
リザーブ室１０は前記成膜材料ａを加熱する加熱手段とは別の加熱手段により、バッファ室９側より高温に加熱するのがよい。こうすることにより、発生した分子がリザーブ室１０で再凝固することを防止することが出来ると共に、クラスター状の成膜材料を蒸発または昇華し、クラスター状の成膜材料の飛散を確実に防止することが出来る。
【００１４】
リザーブ室１０をバッファ室９と別に設け、リザーブ室１０をバッファ室９に対して回転自在に連結し、その回転により分子放出口４の向きを可変にすることが出来る。こうすることにより、リザーブ室１０の分子放出口４から任意の方向に分子を放出して成膜することが出来る。
【００１５】
この場合に、リザーブ室１０の回転軸上にモニタ用の分子放出口１６を設けると、リザーブ室１０が回転してもこのモニタ用の分子放出口１６は移動しないので、このモニタ用の分子放出口１６に対向して膜厚計１１を配置することにより、分子放出口４がどの方向を向いたときでも、１つの膜厚計１１でリザーブ室１０に流入した分子の絶対量をモニタリングすることが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について、具体的且つ詳細に説明する。
図１は、本発明による薄膜堆積用分子線源セルの一実施形態を示す縦断側面図である。この分子線源セルは、ジェネレータである分子発生部２と、発生した分子を一時貯留し、その後放出するリザーバ６とからなる。
【００１７】
分子発生部２において、成膜材料ａを収納した坩堝５は、坩堝セッタ８により取り付けられている。この坩堝セッタ８がセットされた坩堝５の開口部側は、分子通過孔７を介して小部屋であるバッファ室９に通じている。このバッファ室９の壁面には、坩堝５に収納した成膜材料ａを加熱し、それらを昇華または蒸発させて、成膜材料ａの分子を発生させると共に、バッファ室９内を加熱し、その中の成膜材料を分子の状態に保持する加熱手段である加熱ユニット３が設けられている。この加熱ユニット３には、カートリッジヒータ１４が着脱自在に取り付けられる。
【００１８】
前述したように、坩堝５を設置する坩堝セッタ８に隣接してその上に小部屋状のバッファ室９が設けられ、坩堝５側とバッファ室９とは、それらを仕切る隔壁に設けた複数の分子通過孔７を介して通じている。
このバッファ室９の側面には、円筒状の支軸１２の一端が水平に取り付けられている。この支軸１２の中は空洞状で、バッファ室９に連なる分子通過路１３となっている。
【００１９】
支軸１２の他端には、リザーバ６が前記支軸１３の中心軸を回転中心として回転可能に取り付けられている。このリザーバ６は箱状のもので、その内部は空洞であり、リザーブ室１０となっている。このリザーブ室１０は、前記バッファ室９と前記支軸１２の中の分子通過路１３を介して連なっている。さらに、このリザーブ室１０の容積は、前記バッファ室１０に比べて十分大きく、その数倍〜数十倍である。このリザーバ６の対向する一対の両側面には、リザーブ室１０を加熱するための加熱手段である加熱ユニット１５が取り付けられている。この加熱ユニット１５は前記の加熱ユニット３と同様のものであるが、発熱量はそれより大きい。
【００２０】
リザーブ室１０の図１において上壁面には、複数の分子放出口４が開口している。図１では２つの分子放出口４を示しているが、図示の例では２つずつ横に並んで合計４つの分子放出口４が開口している。分子放出口４は薄膜を形成するための基板１の成膜面に向けて開口している。
【００２１】
さらに、リザーブ室１０の側壁であって、前記支軸１３の中心軸の延長線上の位置にモニタ用の分子放出口１６が設けられている。そして、このモニタ用の分子放出口１６と対向してリザーバ６の側方に膜厚計１１が取り付けられている。この膜厚計１１は、水晶振動子を有するもので、この水晶振動子の表面に薄膜を堆積させた時の当該水晶振動子の固有振動数の変化により、成膜する薄膜の膜厚を測定するものである。
【００２２】
このような薄膜堆積用分子線源セルでは、加熱ユニット３により加熱され、蒸発または昇華して前記坩堝５から発生した分子の一部は、まず分子通過孔７を介して小部屋であるバッファ室９入る。さらにこの分子は、バッファ室９から前記の分子通過路１３を通ってリザーブ室１０に入り、ここで或る程度停滞した後、分子放出口４から放出され、基板１の成膜面に堆積する。このとき、バッファ室９とリザーブ室１０とは、いわゆるスティッピング現象により発生したクラスター状の成膜材料の粒子をトラップするため、クラスター状の成膜材料の粒子は、分子放出口４から基板１の成膜面側に放出されない。これにより、膜の欠陥の発生が防止出来る。
【００２３】
さらに、バッファ室９より十分容積の大きなリザーブ室１０に蓄えられた分子が、その分子放出口４から放出されることにより、坩堝５から蒸発または昇華して発生した分子の量の増減が緩衝され、分子放出口４からは、単位時間当たり一定の分子が安定して放出出来る。これにより、成膜面を分子放出口４に近づけてもムラのない均一な膜厚で均質な薄膜を成膜出来ることになる。
【００２４】
このような成膜過程において、加熱ユニット１５によりリザーブ室１０をバッファ室９側より高温に加熱するのがよい。こうすることにより、発生した分子がリザーブ室１０で再凝固することを防止することが出来ると共に、クラスター状の成膜材料を蒸発または昇華し、クラスター状の成膜材料の飛散を確実に防止することが出来る。
【００２５】
またこのとき、リザーブ室１０の中の一部の分子は、前記モニタ用の分子放出口１６から放出され、膜厚計１１の水晶振動子上に堆積する。これにより、その水晶振動子の固有振動数が変化し、この固有振動数の変化により、膜厚の測定が行われる。
【００２６】
前記坩堝５から発生し、リザーブ室１０の分子放出口４から基板１の成膜面に向けて放射される分子の量とモニタ用の分子放出口１６を通って膜厚計１１側に飛行する分子の量とは一定の相関関係があり、通常は比例関係にある。従って、膜厚計１１で計測される膜厚により、分子放出口４から基板１の成膜面に向けて放射される分子の量が容易に推定出来る。
【００２７】
このような分子放出量のモニタリングにより、分子放出量を把握し、これを測定器１７で処理して制御信号を出力し、加熱制御器１８により加熱ユニット３と加熱ユニット１５の加熱温度の制御を行う。主には分子発生源側の加熱ユニット３の制御により、坩堝５からの分子の蒸発量または昇華量の制御が行われる。
【００２８】
なお、前述したようにリザーバ６は支軸１２の中心軸の回りに回転可能に設けられている。このため、その分子放出口４の向きを変えることが可能である。例えば、図１と図２は、分子放出口５を上に向けた状態である。また、図３は分子放出口５を横に向けた状態である。このように、分子放出口４の向きを変えることが出来るため、基板１の配置を任意に選択できる。
他方、モニタ用の分子放出口１６は、支軸１３の中心軸の延長線上にあるため、リザーバ６の向きが変わっても分子放出口１６の位置は全く変わらない。従って、１箇所に膜厚計を配置するだけで、リザーバ６がどの向きにあっても分子放出量のモニタリングが可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明による薄膜堆積用分子線源セルでは、いわゆるスティッピング現象により発生したクラスター状の成膜材料の粒子がバッファ室９やリザーブ室１０でトラップされ、成膜面側に放出されない。また、坩堝５から蒸発または昇華して発生した分子の量の増減が緩衝され、分子放出口４からは、単位時間当たり概ね一定の分子が安定して放出出来る。これにより、成膜面を分子放出口４に近づけてもムラや欠陥のない均一な膜厚で均質な薄膜を成膜出来るので、成膜効率の改善を図ることも出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による薄膜堆積用分子線源セルを示す縦断側面図である。
【図２】同実施形態による薄膜堆積用分子線源セルにおいて、リザーバの分子放出口を上に向けた状態を示す斜視図である。
【図３】同実施形態による薄膜堆積用分子線源セルにおいて、リザーバの分子放出口を横に向けた状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【図１】
2004018997.tif 000003
【図２】
2004018997.tif 000004
【図３】
2004018997.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成14年6月21日(2002.6.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】符号の説明
【補正方法】追加
【補正の内容】
【符号の説明】
３　　加熱ユニット
４　　分子放出口
５　　坩堝
９　　バッファ室
１０　リザーブ室
１１　膜厚計
１３　分子通路
１５　加熱ユニット
１６　モニタ用の分子放出口
ａ　　成膜材料