(57)【要約】【課題】  大型基板の成膜面上への均一な薄膜の形成が可能であると共に、成膜材料の分子放出口に成膜材料が析出せず、放出口の狭窄や閉塞が起こりにくくする。【解決手段】  有機物薄膜堆積用分子線源は、分子加熱部１２側から、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１４に至るまでの間にバルブ３３を配置し、さらに分子放出口１４側に、放出する成膜材料の分子を加熱するヒータ１８、１９を設けたものである。分子放出口１４側に、テーパ状の案内壁を有する外ガイド１３と、この外ガイドの内側に設けられ、テーパ状の案内壁を有する内ガイド１６とを有し、これら外ガイド１３と内ガイド１６との間に分子の放出方向に向けて径が次第に増大するよう分子放出路１７が形成されている。ヒータ１８、１９は外ガイド１３と内ガイド１６とにそれぞれ設けられている他、ヒータ２０が分子放出口１４を貫通するよう設けられている。【解決手段】【選択図】      図１
2005281710.tif 000002
【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、蒸気発生源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側にテーパ状の案内壁を有する外ガイドと、この外ガイドの内側に設けられ、テーパ状の案内壁を有する内ガイドとを設けることにより、これら外ガイドと内ガイドとの間に分子の放出方向に向けて径が次第に増大するようなテーパを有する分子放出路を形成し、この分子放出路に、放出する成膜材料の分子を加熱するヒータ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】
蒸気発生源側からこの蒸気発生源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たことを特徴とする請求項１に記載の有機物薄膜堆積用分子線源。
【請求項３】
外ガイドと内ガイドとが、成膜面側に向けた方向に互いに移動可能となっ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。
【請求項４】
ヒータが外ガイドと内ガイドとにそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の有機物薄膜堆積用分子線源。
【請求項５】
ヒータが外ガイドと内ガイドとを支持するサポート部材に隣接して分子放出路を貫通するように設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の有機物薄膜堆積用分子線源。
【請求項６】
分子放出口側に設けたヒータは、蒸気発生源側のヒータに比べて巻線密度が大となっていることを特徴とする請求項１〜５の何れか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。
【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。しかし、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分子放出口の遮蔽は、材料蒸気の放出及び放出停止の制御のためには優れているが、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】
また有機物成膜材料は蒸気圧が高く、低温で蒸気が発生するが、温度低下により再凝固しやすい。このため、分子放出口付近で成膜材料の蒸気が壁面に接触し、その温度が低下すると、壁面に有機物成膜材料が析出する。この結果、分子放出口が狭まり、或いは分子放出口が閉塞するため、基板への成膜効率が低下し、或いは成膜に障害を来すことになる。加えて、分子放出口に再凝固した有機物成膜材料が壁面から剥がれて塵状となって真空空間に飛散し、これが成膜する膜面に付着する機会が増大する。このため、形成する膜に欠陥が生じやすくなる。
【０００７】
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であると共に、成膜材料の分子放出口に成膜材料が析出せず、放出口の狭窄や閉塞が起こりにくい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】
【０００８】
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、低温でも蒸気圧の高い材料の蒸気漏れを防ぐため、バルブを蒸気の経路に置き、放出する蒸気の遮断を可能にする。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、蒸気発生源側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、蒸気発生源側では完全に均一な圧力を保つことが出来る。
さらに、成膜材料を気化するために成膜材料を加熱する蒸発部分だけでなく、蒸気が凝固しやすい分子放出口側にもヒータを配置し、分子放出口付近での蒸発材料の析出を防止する。これにより、分子放出口側での狭窄は閉塞が生じるのを防止する。
【０００９】
すなわち、本発明による有機物薄膜堆積用分子線源は、蒸気発生源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側に、放出する成膜材料の分子を加熱するヒータを設けたものである。より具体的には、分子放出口側に、テーパ状の案内壁を有する外ガイドと、この外ガイドの内側に設けられ、テーパ状の案内壁を有する内ガイドとを設け、これら外ガイドと内ガイドとの間に分子の放出方向に向けて径が次第に増大するようなテーパを有する分子放出路を形成している。ヒータは外ガイドと内ガイドとにそれぞれ設けられ、これにより、分子放出路の外側と内側にヒータが設けられている。
【００１０】
このような有機物薄膜堆積用分子線源では、蒸気が再凝固しやすい分子放出口にもヒータを配置し、分子放出口付近での蒸発材料の析出を防止するようにしたことにより、蒸気の再凝固により生じる分子放射口の狭窄や閉塞が生じない。これにより、安定した蒸気の放出が可能となる。
【００１１】
また、外ガイドと内ガイドとを支持するサポート部材に隣接して分子放出路を貫通するようにヒータを設けることにより、分子放出路を貫通するサポート部材において蒸気の再凝固が生じるのを確実に防止することが出来る。これにより、分子放射口に至るその手前の分子放出路における狭窄や閉塞も確実に防止することが出来る。
【００１２】
そして、蒸気発生源から分子放出口に至るまでの間にバルブを配置することにより、蒸発開始時に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。このため、蒸気発生源側で材料温度に応じた圧力にて平衡圧を容易に維持することが出来る。この状態では蒸気発生源側では完全に均一な圧力を保つことが出来る。
【００１３】
なお、分子放出口側に設けるヒータは、蒸気発生源側のヒータに比べて単位面積当たりの発熱量が大となるよう巻線密度を密にする。これにより、分子放出口における蒸気の再凝固を確実に防止することが可能となる。
さらに、外ガイドと内ガイドとを成膜面側に向けた方向に互いに移動可能とする。これにより、分子放出口の開口部を広く或いは狭く調整することが出来る。また、分子放出口の開口部の中心位置も変動させることが出来るので、薄膜を形成する成膜面の面積の大小等に応じて任意に分子の放出状態を設定することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
以上の通り本発明による有機物薄膜堆積用分子線源では、蒸気発生源からの予定しない蒸気の放出を防止し、安定した定常状態で蒸気の放出が可能となるため、基板の成膜面上に安定して薄膜の形成が可能である。これにより、大型の基板であっても、均一な薄膜の形成が可能となる。さらに、蒸気放出口側にヒータを設けたことにより、蒸気放出口で成膜材料の蒸気が再凝固して成膜材料が析出することを防止することが出来る。これにより、分子放出口の狭窄や閉塞が起こりにくくなり、長期にわたって安定した分子の放出が可能となる。よって安定した成膜が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明では、バルブを蒸気の経路に置き、放出する蒸気の遮断を可能にした。また、蒸気が凝固しやすい分子放出口側にヒータを配置し、分子放出口付近での蒸発材料の析出を防止するようにした。
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】
【００１６】
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蒸気発生源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６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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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内でヒータ１５により所要の温度に再加熱され、分子放口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。
【００２４】
図２と図３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との間には外ガイド１３が設けられている。この外ガイド１３の内面は、分子加熱室１２の先端周辺部側から分子放出口１４に向けて次第に径が大きくなるようなテーパ状のガイド面となっている。
【００２５】
さらにこの外ガイド１３の内側には、内ガイド１６が設けられている。図３に示すように、この内ガイド１６の外面はガイド面となっており、このガイド面は、前記外ガイド１３の内面のガイド面と同じ勾配のテーパ、すなわち分子加熱室１２の先端周辺部側から分子放出口１４に向けて次第に径が大きくなるようなテーパ状である。この内ガイド１６のガイド面と外ガイド１３のガイド面との間は、前記分子加熱室１２の先端周辺部側から分子放出口１４に至る分子放出路１７となっている。
【００２６】
内ガイド１６と外ガイド１３との間の分子放出路１７には、サポート２３が４５゜間隔で放射状に挿入されている。図示した実施例のサポート２３は、内ガイド１６と外ガイド１３の円周方向に間隔を置いた２枚の板状の部材からなる。これらサポート２３の中にネジ２４が挿入され、サポート２３はこれらのネジ２４により内イド１６と外ガイド１３とに固定されている。これらサポート２３やネジ２４等を主な構成部材とするサポート部材の支持構造により、内ガイド１６と外ガイド１３とは、それらの中心軸が一致するように同心状に配置され、固定されている。
【００２７】
内ガイド１６は、薄膜を成膜する基板の成膜面に向けた方向に外ガイド１３に対して移動し、任意の位置で固定できるようになっている。その内ガイド１６の移動可能な方向は、図３において上下の方向である。図３において二店鎖線で示す内ガイド１６の位置は、実線で示す内ガイド１６の位置より分子放出部１１側に後退した位置である。内ガイド１６が二店鎖線で示す位置にあるときは、内ガイド１６が二店鎖線で示す位置にあるときに比べて、内ガイド１６の外面であるテーパ状のガイド面が外ガイド１３の内面であるガイド面に近づき、分子放出路１７が狭くなっている。図４は、内ガイド１６が図３において実線で示す位置にあるときの状態である。また、図５は、内ガイド１６が図３において二点差線で示す位置にあるときの状態である。このように内ガイド１６は、図３において上下の方向に移動可能であり、且つその任意の位置で固定される。
【００２８】
外ガイド１３の外側には、ヒータ１８と冷却器２２とを備えた冷熱ユニット２１が配置され、外ガイド１３がこの冷熱ユニット２１により囲まれている。冷熱ユニット２１の冷却器２２は、水や液体窒素等の冷却水により外ガイド１３をその周囲から冷却する。また、冷熱ユニット２１のヒータ１８は、例えばマイクロヒータを使用したもので、外ガイド１３をその周囲から加熱し、これによりその内側の分子放出路１７を加熱する。冷熱ユニット２１のヒータ１８の発熱量密度、つまり単位面積当たり発生する熱量は、分子加熱室１２の周囲に設けたヒータ１５の発熱量密度より大きくなっている。そのために、ヒータ１８の巻線密度は、分子加熱室１２ののヒータ１５の巻線密度より密になっている。
【００２９】
さらに、内ガイド１６にもヒータ１９が組み込まれている。このヒータ１９は、例えばマイクロヒータを使用したもので、内ガイド１６をその内側から加熱し、その外側の分子放出路１７を加熱する。内ガイド１６のヒータ１９の発熱量密度、つまり単位面積当たり発生する熱量は、分子加熱室１２の周囲に設けたヒータ１５の発熱量密度より大きくする。そのために、ヒータ１９の巻線密度は、分子加熱室１２ののヒータ１５の巻線密度より密になっている。
【００３０】
外ガイド１３と内ガイド１６との間の分子放出路１７には、ヒータ２０が貫通して配線されている。このヒータ２０は、前記サポート２３に挿入されたネジ２４と共にサポート２３の中に挿入された状態で分子放出路１７を貫通しており、サポート２３及びその中のネジ２４に近接している。この分子放出路１７を貫通するヒータ２０は、分子放出路１７の外側のヒータ１８と内側のヒータ１９とを接続するヒータの中間線を利用するのが適当であるが、ヒータ２０をそれらヒータ１８とヒータ１９と別の独立したものとしてもよい。
【００３１】
このように、蒸気が再凝固しやすい分子放出口付近、具体的には分子放出路１７の外側と内側とにそれぞれヒータ１８、１９を配置した他、分子放出路１７を貫通するようにヒータ２０を設けていることにより、分子放出口１４付近での蒸発材料の析出が確実に防止される。これにより、蒸気の再凝固により生じる分子放射口の狭窄や閉塞が生じない。特にヒータ２０は、前記サポート２３に挿入されたネジ２４と共にサポート２３の中に挿入された状態で分子放出路１７を貫通しているため、その分子放出路１７を貫通して設けられているサポート２３やネジ２４等のサポート部材において蒸気の再凝固が生じるのを確実に防止することが出来る。
【００３２】
図７と図８は、実際の分子放出試験において、分子加熱室１２側のヒータ１５の他に、外ガイド１３側のヒータ１８と内ガイド１６側のヒータ１９とを設けて分子放出路１７を加熱したときに、内ガイド１６の壁面の温度を測定した結果である。図７は、内ガイド１６の壁面の分子放出口１４に近い先端側を測温点として測定した結果である。図８は、サポート２３の分子加熱室１２に近い基部側を測温点として測定した結果である。分子加熱室１２側をヒータ１５で加熱しながら、その分子加熱室１２の壁面温度を２００〜４００℃の範囲で変えて測定している。外ガイド１３側のヒータ１８と内ガイド１６側のヒータ１９を設けない場合も含め、分子放出口１４側のヒータの巻線密度が異なるものを数種類使用して測定した。ヒータ１８、１９の巻線密度は、分子加熱室１２側のヒータ１５との比で示している。
【００３３】
外ガイド１３や内ガイド１６やそれらを固定しているサポート部材は、分子を放出する外側に面しているため、輻射熱により温度が低下しやくすい。そのため、分子放出口１４から放出されようとする成膜材料の分子は、外ガイド１３や内ガイド１６に接すると、そこで熱を奪われ、再凝固しやすい。
そこで、外ガイド１３側にヒータ１８を設け、その巻線密度を分子加熱室１２側のヒータ１５の巻線密度の４倍以上とすることにより、内ガイド１６の壁面温度を分子加熱室１２の壁面温度に近くすることができる。さらに、内ガイド１６側にもヒータ１９を設け、双方のヒータ１８、１９の巻線密度を分子加熱室１２側のヒータ１５の巻線密度の１２倍とすることにより、内ガイド１６の壁面温度を分子加熱室１２の壁面温度以上に維持できる。さらに、分子放出路１７を貫通しているネジ２４と共にサポート２３の中にヒータ２０を挿入しているため、分子放出路１７を貫通して設けられているサポート２３やネジ２４等のサポート部材も同等の温度に維持出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【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正面図である。
【図３】同有機物薄膜堆積用分子線源の分子放出部とその外側に配置した冷熱ユニットを示す要部拡大縦断側面図である。
【図４】同有機物薄膜堆積用分子線源により基板に成膜する状態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において、内ガイドを図４の位置からずらした位置で基板に成膜する状態を示す要部拡大縦断側面図である。
【図６】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７】同有機物薄膜堆積用分子線源において、分子加熱室側に加え、分子放出口側にもヒータを設けて分子を放出するときの分子加熱室側と分子放出口側との温度を示すグラフである。
【図８】同有機物薄膜堆積用分子線源において、分子加熱室側に加え、分子放出口側にもヒータを設けて分子を放出するときの分子加熱室側と分子放出口側との温度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
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
１３  外ガイド
１６  内ガイド
１７  分子放出路
１８  ヒータ
１９  ヒータ
２０  ヒータ
２３  サポート
２４  ネジ
【図１】
2005281710.tif 000003
【図２】
2005281710.tif 000004
【図３】
2005281710.tif 000005
【図４】
2005281710.tif 000006
【図５】
2005281710.tif 000007
【図６】
2005281710.tif 000008
【図７】
2005281710.tif 000009
【図８】
2005281710.tif 000010