(57)【要約】【課題】  大型基板の成膜面上への均一な薄膜の形成を可能とする。【解決手段】  分子線源セル１は、成膜材料を収容するるつぼ３１に、当該成膜材料と共にそれよりも熱伝導度の高い粒状物質を収容し、るつぼ３１からこのるつぼ３１で発生した成膜材料の分子を成膜面へ向けて放出するする分子放出口１４に至るまでの間にバルブ３３を配置し、さらに前記分子放出口１４に分子の放出方向を制限する手段を設けた。分子の放出方向を制限する手段は、分子放出口１４の中央部分の分子の放出をせき止め、分子放出口１４の周辺部付近からのみ分子を放出させるよう制限する。また、分子の放出方向を制限する手段は、放出する分子を加熱する分子加熱室１２に接触している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機材料を蒸着するための有機物薄膜堆積用分子線源であって、成膜材料を収容するるつぼに、当該成膜材料と共にそれよりも熱伝導度の高い粒状物質を収容し、るつぼからこのるつぼで発生した成膜材料の分子を成膜面へ向けて放出するする分子放出口に至るまでの間にバルブを配置し、さらに前記分子放出口に分子の放出方向を制限する手段を設けたことを特徴とする有機物薄膜堆積用分子線源。
【請求項２】
分子の放出方向を制限する手段が分子放出口の中央部分の分子の放出をせき止め、分子放出口の周辺部付近からのみ分子を放出させるよう制限することを特徴とする請求項１項に記載の有機物薄膜堆積用分子線源。
【請求項３】
分子の放出方向を制限する手段が、放出する分子を加熱する分子加熱室に接触していることを特徴とする請求項１または２に記載の有機物薄膜堆積用分子線源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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発生する薄膜堆積用分子線源であって、特に有機物薄膜を基板等の固体の成膜面に堆積させるのに好適な有機物薄膜堆積用分子線源に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年有機エレクトロルミネセンス（ＥＬ）、有機半導体に代表される有機薄膜素子が注目されている。これらの薄膜素子は、真空中にて有機材料を加熱し、その蒸気を基板上に吹き付け、冷却することで固体化および、接着を行っている。一般的には有機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れを基板に吹き付ける方法が用いられている。
【０００３】
しかし、成膜材料である有機材料のほとんどが熱伝導性に劣るため、前記のような蒸発手段で成膜材料の均一な加熱が出来ず、蒸気の発生にむらが出来てしまう欠点があった。この欠点は生産性向上のために有機材料を大量にるつぼに収容しようとすると、さらに大きな問題となることは自明である。
そこで、下記特許文献１に記載されたように、熱的、化学的に安定しており、且つ成膜材料より格段に熱伝導の優れる材料を成膜材料と共にるつぼに収容することでこの問題の解決を図っている。
【０００４】
さらに有機物成膜材料の蒸発手段の他の問題点として、有機物成膜材料は蒸気圧が高く、低温で蒸気が発生するため、単にるつぼに材料を入れ真空中に放置するだけでは、意図せずして成膜材料の蒸気が発生してしまい、基板への汚染を招く弊害もある。この問題に対して、下記特許文献２に記載されたように、るつぼを密閉構造とし、蒸気量をニードルバルブにて調整する案が提案されている。
加えて、生産性向上のために基板が大型化し、成膜面積が広くなると、蒸着源の狭い放出口から放射状の蒸発材料の分子を放出する方式では、広い成膜面に均一に蒸気を付着させることは難しい。
【特許文献１】開２００３−２７７８号公報
【特許文献２】開２００３−９５７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者による検討では、成膜材料と共に熱伝導率の優れた材料をるつぼに収容することで、均一な蒸気発生を達成する事は出来るが、大型基板の成膜面上に均一に有機物の薄膜を形成しようとすると、蒸着源と基板の間の距離を大きく取る必要があり、材料の利用効率が大きく悪化することが判明した。また、二ードルバルブによる遮蔽は材料蒸気の遮蔽には優れているが、やはり分子の放出口は狭く、点状に近いため、大型基板の成膜面上への均一な薄膜形成には問題があった。
【０００６】
本発明は、前記のような従来の有機物薄膜堆積用分子線源の有する課題に鑑み、特に分子放出口における分子の放出部分の構造を検討し、その結果として、大型基板の成膜面上への均一な薄膜の形成が可能な有機物薄膜堆積用分子線源を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題に対し、本件発明者らは以下のようにして解決されることを見いだした。まず、安定した蒸気の発生に材料の均一な加熱が必須であるから、材料と共に熱伝導性に優れた材質の粒子をるつぼに収容して加熱を行う。また、低温でも蒸気圧の高い材料の蒸気漏れを防ぐため、ニードルバルブを蒸気流通経路に置き、蒸気遮断を可能にする。この時、バルブを閉じることで、蒸気を漏らすことなく材料加熱を行うことが出来るため、るつぼ内では材料温度に応じた圧力にて平衡圧に達する。これにより、るつぼ内では完全に均一な圧力を保つことが出来る。
【０００８】
次にるつぼ側で発生した蒸気を、ニードルバルブから導入路を介して分子放出口側へ導き、真空槽に配置した基板の成膜面上に放射するが、導入路では成膜材料の蒸気が充満しており、圧力が発生している。そのため、この分子を分子放出口から真空槽へ放出すると、急激な圧力の低下により成膜材料の蒸気の拡散が生じる。
【０００９】
そこでこの材料蒸気が拡散する部位に材料蒸気の方向性を制御する制御手段を設けることで材料蒸気の方向性を制御し、ひいては基板上への均一な材料薄膜を作成することを可能にするものである。成膜材料の材料蒸気は導入路で加圧され、真空層へ飛び出すものであるが、材料分子の質量に応じた慣性力と粘性流体としての挙動から分子放出口の中央部分からの噴出圧が最も高く、したがって成膜材料の蒸気も分子放出口の中央部から噴出する割合が高い。
【００１０】
本発明では、分子放出口の中央部に成膜材料の蒸気が直進できなくなる分子の放出部位を制限する手段を設け、成膜材料の蒸気が周辺部に拡散するよう講じたものである。この分子の放出方向を制限する手段は、分子放出口の中央部分の分子の放出をせき止め、分子放出口の周辺部付近からのみ分子を放出させるよう制限するものである。また、この分子の放出方向を制限する手段は、成膜材料を冷却して蒸気を液化または固化させるものであってはならず、その放出する分子を加熱する分子加熱室に接触させて、その温度維持を図る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明では、成膜材料を収容するるつぼに、当該成膜材料と共にそれよりも熱伝導度の高い粒状物質を収容し、るつぼからこのるつぼで発生した成膜材料の分子を成膜面へ向けて放出する分子放出口に至るまでの間にバルブを配置し、さらに分子放出口に分子の放出方向を制限する手段を設け、これにより広い成膜面に膜厚の均一性の高い薄膜を形成出来るようにしたものである。
以下、このような本発明の実施例について、図面を参照しながら具体例を挙げて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、成膜材料ａを昇華または蒸発して放射する分子線源セル１を示す。
この分子線源セル１の加熱材料収納部３は、ＳＵＳ等の金属の高熱伝導材料からなる円筒状のるつぼ３１を有し、このるつぼ３１の中に加熱材料ａが収納されている。この加熱材料ａは、図７に示すように、粒状の伝熱媒体ｃをコアとして、その表面に膜の主成分となる成膜材料ｂを被覆するようにして設けたものである。この加熱材料ａを前記の加熱材料収納部３のるつぼ３１に収納している。
【００１３】
また、伝熱媒体ｃの表面に成膜材料ｂを被覆する代わりに、伝熱媒体ｃと成膜材料ｂとを適当な割合で均一に混合した状態で加熱材料収納部３のるつぼ３１に収納してもよい。伝熱媒体ｃと成膜材料ｂを内に収納する容積比は、７０％：３０％前後が適当である。
伝熱媒体ｃは、熱的、化学的に安定しており、且つ成膜材料ｂより熱伝導率の高いもので作られる。例えば伝熱媒体ｃは、パイロリティック・ボロン・ナイトライド（ＰＢＮ）、シリコンカーバイト或いは窒化アルミニウム等の高熱伝導材料で作られている。
【００１４】
図１に示すように、るつぼ３１の周囲にはヒータ３２が配置され、その外側は液体窒素等で冷却されるシュラウド３９で囲まれている。るつぼ３１に設けた熱電対等の温度測定手段（図示せず）により、ヒータ３２の発熱量を制御し、るつぼ３１の加熱材料ａを加熱することにより、るつぼ３１内の成膜材料ｂが昇華または蒸発し、その分子が発生する。また、ヒータ３２の発熱を停止し、シュラウド３９でるつぼ３１の内部を冷却することにより、加熱材料ａが冷却され、成膜材料の昇華または蒸発が停止される。
【００１５】
加熱時には、伝熱媒体ｃを介して成膜材料ｂが加熱される。伝熱媒体ｂは成膜材料ｂより熱伝導率が高いため、成膜材料ｂだけではるつぼ３１の中央にまで熱が伝わらない場合でも、この伝熱媒体ｃによりるつぼ３１の中央まで熱が伝わり、そのるつぼ３１の中央にある成膜材料ｂも加熱して溶融、蒸発させる。これにより、るつぼ３１に収納された成膜材料ｂが満遍なく加熱、溶融、蒸発される。
【００１６】
また伝熱媒体ｃは、ＰＢＮ、シリコンカーバイト或いは窒化アルミニウム等のように、熱的、化学的に安定した材料で作られているため、ヒータ３２により成膜材料ｂが蒸発される程度に加熱されても、溶融、蒸発することはない。従って、るつぼ３１の蒸気放出口２から放射される蒸発分子の中に伝熱媒体ｂを形成する分子が含まれることはなく、結晶成長する膜の組成に影響を与えない。
【００１７】
なお、成膜材料ｂがＥＬ発光能を有する有機低分子または有機高分子材料である場合、その気化温度は、銅等の金属等に比べて遙かに低く、大半は２００℃以下である。他方、耐熱温度も比較的低く、前記のような有機低分子または有機高分子材料の蒸発には、その気化温度以上、耐熱温度以下の温度で加熱する必要がある。
【００１８】
このるつぼ３１の成膜材料の分子が放出される側にバルブ３３が設けられている。このバルブ３３は、ニードルバルブであり、先鋭なニードル３４と、そのニードル３４の先端が嵌まり込むことにより、流路が閉じられ或いは流路断面積が絞られる分子通過孔を有する弁座３５を有している。前記のニードル３４は、ベローズ３７を介してサーボモータ３６により導入されるリニア運動によりその中心軸方向に移動される。
【００１９】
図１に示すように、このバルブ３３により開閉される弁座３５の分子通過孔は、導入路２１を介して分子放出部１１に通じている。この分子放出部１１は円筒形の分子加熱室１２を有し、この分子加熱室１２の周囲にヒータ１５が設けられている。この分子加熱室１２は、蒸発した分子を分子加熱室１２側に導く導入路２１を介して前記のバルブ３３側と連絡されている。前記のバルブ３３側からリークし、導入路２１を経て分子放出部１１に至った成膜材料の分子は、この分子加熱室１２で所要の温度に再加熱され、分子放出口１４から真空槽の中に設置された基板に向けて放射される。
【００２０】
図２にこの分子線源セル１の先端である分子放出部１１の詳細を示している。
分子加熱室１２の先端周辺部と分子放出口１４との間には、前者から後者へいくに従って次第に広がる漏斗状のテーパーガイド１３が設けられている。このテーパーガイド１３は、分子加熱室１２の先端から放出される成膜材料の分子を分子放出口１４から或る広がり角をもって放出することにより、分子放出口１４より面積の広い基板の成膜面上に分子を到達させるものである。
【００２１】
さらに分子加熱室１２の先端開口部には、分子放出口１４から放出される分子の放出方向を制限する手段として、平キャップ状の制御板１６が被せられている。図２の上側に示すように、この制御板１６の天板には、分子加熱室１２の先端開口部のうち、その周囲の部分のみを開口するよう分子通過孔１７が設けられている。図示の例では、９０゜扇状の周方向に長い分子通過孔１７が９０゜間隔で４つ設けられている。このような分子通過孔１７は基本的に分子加熱室１２の先端開口部のうち、その周囲の部分に設け、分子加熱室１２の先端開口部のうち、その周辺部分のみから分子を通過させる。
【００２２】
図３は、分子放出部１１の他の例を示している。この例でも、分子加熱室１２の先端周辺部と分子放出口１４との間に設けられたテーパーガイド１３の構成は、前述の例と同じである。
この例では、分子放出口１４から放出される分子の放出方向を制限する手段として、分子加熱室１２の先端開口部に半球形状の制御板１６が被せられている。図３の上側に示すように、この制御板１６の半球形の壁の周囲の部分には、円形の分子通過孔１７が３０゜間隔で１２個所設けられている。これにより、分子加熱室１２の先端開口部のうち、その周囲の部分のみを分子通過孔１７で開口し、その部分のみから分子を通過させる。
【００２３】
図４は、分子放出部１１の他の例を示している。この例においても、分子加熱室１２の先端周辺部と分子放出口１４との間に設けられたテーパーガイド１３の構成は、前述の例と同じである。
この例では、分子放出口１４から放出される分子の放出方向を制限する手段として、テーパーガイド１３の内側に制御部材１８を嵌め込んでいる。この制御部材１８は、図５にも示すように、テーパーガイド１３と同じテーパを有する有底カップ状のインナーテーパーガイド１９を有し、その外周から放射状に板状のスペーサを設けている。
【００２４】
このスペーサ２０の先端縁側は、テーパーガイド１３の内周面のテーパと縦に同じ勾配を有している。制御部材１８を図４に示すようにテーパーガイド１３の内側に嵌め込んだ状態で、スペーサ２０の先端縁がテーパーガイド１３の内周に密着することにより、テーパーガイド１３と同じテーパを有する有底カップ状のインナーテーパーガイド１９がテーパーガイド１３の中心に配置される。
【００２５】
テーパーガイド１３とインナーテーパーガイド１９との間には隙間があり、このテーパーガイド１３とインナーテーパーガイド１９との隙間は、前記スペーサ２０により保持される。図４に矢印で示すように、分子加熱室１２の先端開口部から分子放出口１４へ流れる分子流は、テーパーガイド１３とその内側のインナーテーパーガイド１９のテーパにより案内されながら流れ、これにそってその分子流が分子放出口１４から放出される。
【００２６】
前記スペーサ２０はまた、その先端縁がテーパーガイド１３の内周に密着することにより、分子加熱室１２からインナーテーパーガイド１９に伝熱する機能も果たす。これにより、インナーテーパーガイド１９は分子加熱室１２とほぼ同じ温度に維持される。スペーサ２０がその期待される機能を発揮するためには、スペーサ２０がテーパーガイド１３の内周面に溶接やロウ付け等の手段で完全に固定されていることが好ましい。また、スペーサ２０をテーパーガイド１３側に固定して設け、その間にインナーテーパーガイド１９を嵌め込むようにしてもよい。
【００２７】
なお、このインナーテーパーガイド１９の底部の最小径Ｄ４は、分子加熱室１２の内径Ｄ１より小さく、同インナーテーパーガイド１９の上端外周Ｄ３は、分子加熱室１２の内径Ｄ１より大きい。また、同インナーテーパーガイド１９の上端外周Ｄ３は、分子放出口１４の開口径Ｄ２より小さい。すなわち、Ｄ２＞Ｄ３＞Ｄ１＞Ｄ４である。
【００２８】
図６は、テーパーガイド１３の内周のテーパと基板ｓの寸法及び分子放出口１４から基板ｓの成膜面までの距離の関係について模式的に示した図である。テーパーガイド１３の内周のテーパの延長面である円錐面は、基板ｓの成膜面の全面を包含し、なお且つ若干の余裕があるようにする。
【００２９】
図８は、同じ分子線源セル１を使用し、図２に示すような制御板１６、図３に示すような制御板１６及び図４に示すような制御部材１８を使用し、基板の成膜面上に有機ＥＬ材料を成膜した結果の膜厚分布を比較したものである。また比較のため、そのような制御板１６や制御部材１８を使用せずに成膜した結果を示している。図２に示すような制御板１６を使用したものがＡ、図３に示すような制御板１６を使用したものがＢ、図４に示すような制御部材１８を使用したものがＣ、そのような制御板１６や制御部材１８を使用せずに成膜したものを「全開放」として示した。
【００３０】
この図８では、分子放射口１４の中心軸と基板が交差する位置を±０とし、そこから一定の方向に一次元座標を設けて距離により横軸を示した。また縦軸は、±０の位置の膜厚に対する１００分率で示した。
この結果から明らかな通り、制御板１６や制御部材１８を使用したＡ〜Ｃの成膜結果では、全開放のものに比べて明らかに膜厚の均一性が向上している。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による有機物薄膜堆積用分子線源の一実施例を示す縦断側面図である。
【図２】同有機物薄膜堆積用分子線源の分子放出部を示す要部拡大縦断側面図（下側）とその制御板の平面図（上側）である。
【図３】本発明による有機物薄膜堆積用分子線源の他の実施例の分子放出部を示す要部拡大縦断側面図（下側）とその制御板の平面図（上側）である。
【図４】本発明による有機物薄膜堆積用分子線源の他の実施例の分子放出部を示す要部拡大縦断側面図である。
【図５】同有機物薄膜堆積用分子線源の分子放出部のテーパーガイドの内側に装着される制御部材を示す斜視図である。
【図６】前記有機物薄膜堆積用分子線源におけるテーパーガイドの内周のテーパと基板の寸法及び分子放出口から基板の成膜面までの距離の関係について模式的に示した縦断側面図である。
【図７】前記有機物薄膜堆積用分子線源のるつぼに収納される加熱部材を示す縦断側面図である。
【図８】同じ分子線源セル１を使用し、それぞれ別の制御板や制御部材を使用し、基板の成膜面上に有機ＥＬ材料を成膜した結果の膜厚分布を比較したグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１    分子線源セル
１１  分子放出部
１２  分子加熱部
１４  分子放出口
１６  制御板
１７  分子通過孔
１８  制御部材
１９  インナーテーパーガイド
３１  るつぼ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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