(57)【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、基板（１）の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、成膜材料（ａ）の分子を成膜する基板（１）の表面に向けて前記坩堝（５）から発生した分子を放出する分子放出口（４）とを有し、当該分子線源セル（２）の前記基板（１）側以外の位置に膜厚計（１１）を固定して設け、坩堝（５）から前記分子放出口（４）に至る分子の通路の途中に、坩堝（５）から発生した分子の一部を前記膜厚計（１１）に向けて発射させる膜厚計用分子通過路（１２）を設けたことを特徴とする薄膜堆積用分子線源セル。
【請求項２】
坩堝（５）と分子放出口（４）とは直接対向しておらず、１つ以上の小部屋であるバッファ室（９）、（１０）とそれに通じる分子通過孔（６）、（７）を介して通じていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜堆積用分子線源セル。
【請求項３】
膜厚計用分子通過路（１２）はバッファ室（９）、（１０）から膜厚計（１１）に向けて分子を発射するように設けられていることを特徴とする請求項２に記載の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】
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、基板上に所定の膜厚の有機ＥＬ膜を形成することが要請される。
【０００６】
薄膜形成装置における膜厚制御においては、薄膜形成時の膜厚変化を逐次把握する必要がある。そのためには、膜厚計が使用される。この種の目的で使用される膜厚計は、水晶振動子を使用したものである。膜厚計を基板側に配置し、その水晶振動子の振動周波数の変化で膜厚の変化を把握する。
【０００７】
【発明が解決しようとしている課題】
ところが従来のように、基板側に膜厚計を配置すると、膜厚計が陰になって、基板上に成膜される薄膜が一部不均一になってしまうという課題がある。さらに、基板側に膜厚計を固定して配置すると、膜厚計で測定される膜厚は、分子線源セルと基板の成膜面の近傍にある膜厚計まので距離にも依存するため、分子線源セルから放出される分子の絶対量を把握することは出来ない。また、基板側にのみ膜厚計を配置すると、複数の分子線源セルを使用する場合に、それぞれの分子線源セルから放出される分子の量を個別に把握することが出来ないため、複数材料成分からなる膜の組成比を正確に調整出来な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、基板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、分子線源セルから発射される分子の絶対量を正確に測定出来るようにすることである。さらに本発明の第三の目的は、複数の分子線源セルを使用する場合に、それぞれの分子線源セルから放出される分子の量を個別に把握し、調整することが出来るようにするものである。
【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、基板１側に固定した状態で膜厚計を設けるのではなく、分子線源セル２に膜厚計１１を付属させ、分子を発射させる坩堝５から分子を基板に向けて放出する前記分子放出口４に至る分子の通路の途中に、坩堝５から発生した分子の一部を前記膜厚計１１に向けて発射させ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、成膜材料ａの分子を成膜する基板１の表面に向けて前記坩堝５から発生した分子を放出する分子放出口４とを有し、当該分子線源セル２の前記基板１側以外の位置に膜厚計１１を固定して設け、坩堝５から前記分子放出口４に至る分子の通路の途中に、坩堝５から発生した分子の一部を前記膜厚計１１に向けて発射させる膜厚計用分子通過路１２を設けたものである。
【００１１】
この場合、坩堝５と分子放出口４とは直接対向しておらず、１つ以上の小部屋であるバッファ室９、１０とそれに通じる分子通過孔６、７を介して通じているものがよい。膜厚計用分子通過路１２はバッファ室９、１０から膜厚計１１に向けて分子を発射するように設けられている。
【００１２】
このような薄膜堆積用分子線源セルでは、基板１側に膜厚計１１を配置していないので、基板１の成膜面に入射する分子に対して薄膜計１１が陰にならない。このため、基板１の表面上に部分的に膜が堆積しにくいということがなく、全体に均等な膜厚で薄膜の形成が可能である。
【００１３】
さらに、分子線源セル２に膜厚計１１を固定して設け、この膜厚計１１には、坩堝５から前記分子放出口４に至る分子の通路の途中に設けた膜厚計用分子通過路１２を通して坩堝５から発生した分子の一部を発射させるため、膜厚計１１には、坩堝５から発生した分子の絶対量に比例する量の分子が到来する。そのため、膜厚計１１により坩堝５から発生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。
【００１４】
また、複数の分子線源セル２から同時に分子を放出し、複数材料成分からなる膜を形成するような場合に、分子線源セル２に個別に膜厚計１１を設けることにより、それぞれの分子線源セル２から放出される分子の量を個別に把握し、制御することが出来る。
【００１５】
【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。
【００１６】
分子線源セル２は、成膜材料ａを収納した坩堝５が分子発生室８に配置されている。この分子発生室８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加熱手段であるヒータ３が設けられている。
【００１７】
坩堝５を配置した分子発生室８に隣接して小部屋状の第一のバッファ室９が設けられ、分子発生室８と第一のバッファ室９とは、それらを仕切る隔壁に設けた複数の分子通過孔６を介して通じている。
さらに、前記第一のバッファ室９の中には、もう一つの小部屋状の第二のバッファ室１０が設けられており、第一のバッファ室９と第二のバッファ室１０とは、それらを仕切る上下の隔壁にそれぞれ設けられた複数の分子通過孔７を介して通じている。
【００１８】
第二のバッファ室１０の前面には、分子放出口４が横に向けて設けられている。この分子放出口４は、前記分子発生室８の中で坩堝５から発生し、第一のバッファ室９と第二のバッファ室１０を通って来た成膜材料ａの分子を基板１の成膜面に向けて発射する開口部である。従って、成膜材料ａの分子を堆積させる基板１の成膜面は、前記の分子放出口４に向けて設置される。
【００１９】
第一のバッファ室９の上には、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。
【００２０】
バッファ室９の上隔壁には、通孔状の膜厚計用分子通過路１２が設けられている。前記膜厚計１１は、この膜厚計用分子通過路１２に対向して固定されている。前記分子発生室８の中で坩堝５から発生した分子の一部は、バッファ室９から前記の膜厚計用分子通過路１２を通って前述の膜厚計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。
【００２１】
前記分子発生室８の中で坩堝５から発生し、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バッファ室９から膜厚計用分子通過路１２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。
【００２２】
分子線源セル２は、真空チャンバ内に水平に設けたガイドホルダ１３の上に載せられ、ネジ１４で固定される。このネジ１４を緩めることにより、分子線源セル２は、ガイドホルダ１３の長手方向に沿って図１において左右に移動することができる。そして、所望の位置でネジ１４を締め付けることにより、その位置を固定することが出来る。これにより、分子線源セル２の分子放出口４と、分子を堆積させて薄膜を形成する基板１の成膜面との間の距離ｄを或る程度の範囲で変えることが出来る。
【００２３】
この場合において、分子線源セル２の分子放出口４から放出される分子は、分子放出口４から放射状に放出されるため、距離ｄが大きくなると基板１の成膜面の単位面積当たりに単位時間に堆積する分子の量は少なくなる。つまり成膜速度が遅くなるが、成膜面積は大きくなる。
【００２４】
これに対し、膜厚計１１は分子線源セル２に固定されており、バッファ室９から分子を通過させる膜厚計用分子通過路１２との位置関係は一定であるため、前記の距離ｄによって膜厚測定値は変わらない。従って、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バッファ室９から膜厚計用分子通過路１２を通って膜厚計１１側に飛行する分子の量との相関関係を予め把握しておき、この関係から膜厚計１１で測定される膜厚値により分子放出口４から基板１の成膜面に向けて放射される分子の量が測定出来るように測定値を補正すれば、分子放出口４から放出される分子の絶対量をモニタリングすることができる。このモニタリング結果により、例えばヒータ３の発熱量を調整し、分子放出口４から放出される分子の絶対量を制御することが出来る。
【００２５】
図２は、２つの分子線源セル２、２’からそれぞれ異なる成膜材料ａ、ａ’の分子を放射し、基板１の成膜面に堆積させる例を示している。図１と同じ部分は同じ符号で示している。但し、この図２は、膜厚計１１より下の位置で横断して示した平面図であるため、膜厚計１１は図示されず、その平面上の位置を仮想線で示してある。
【００２６】
このように２つ、或いはそれ以上の分子線源セル２、２’からそれぞれ異なる成膜材料ａ、ａ’の分子を放射し、基板１の成膜面に堆積させる例としては、例えば膜の主成分にドーパントを注入しながら成膜するような場合である。膜厚計１１、１１によりそれぞれの成膜材料ａ、ａ’から発生する分子の量をモニタリングしながら、ヒータ３、３の発熱量を調整し、成膜材料ａ、ａ’から発生する分子の量を所定の比に設定し、所定の組成比を有する膜を形成するものである。
このように、各分子線源セル２、２’に個別に膜厚計１１、１１を設けることにより、それぞれの分子線源セル２、２’から放出される分子の量を個別に把握し、制御することが出来る。これにより、膜の組成比を正確に調整出来る。
【００２７】
次に、図３により、本発明による薄膜堆積用分子線源セルの他の実施形態について説明する。
図１と図２により前述した実施形態では、分子線源セル２の分子放射口４が横に向けて設けられている。これに対し、図３に示した実施形態では、分子線源セル２の分子放射口４が上に向けて設けられている。従って、成膜材料ａの分子を堆積する基板１の成膜面は、前記分子放射口４に向けて下向きに配置される。この図３に示した実施形態は、いわば上部蒸着型の分子線源セルである。
【００２８】
この図３に示した実施形態では、分子発生室８の底部が坩堝５となっており、この坩堝５に収納した蒸発材料ａがヒータ３の発熱により昇華または蒸発されて分子が発生する。分子発生室８で発生した分子は、分子通過孔６を通って第一のバッファ室９に入る。さらにこの分子が分子通過孔７を通って第二のバッファ室１０に入り、分子放出口４から基板１に向けて分子が放出される。この放出された分子が基板１の成膜面に堆積し、成膜する。なおこの実施形態では、分子放出口４の周囲にもヒータ３’が設けられ、放出しようとする分子の再凝固を防止している。
【００２９】
また、この図３に示した実施形態では、分子発生室８の底部である坩堝５の下に膜厚計１１が取り付けられている。さらに、第二のバッファ室１０から第一のバッファ室９及び分子発生室８を貫通するように円筒形の膜厚計用分子通過路１２が設けられている。前記膜厚計１１は、この膜厚計用分子通過路１２の下端に対向して設けられている。
【００３０】
前記分子発生室８の中で坩堝５から発生した分子の一部は、バッファ室９から前記の膜厚計用分子通過路１２を通って前述の膜厚計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、膜厚の測定が出来る。この点は図１により前述した実施形態のものと基本的に同じであり、膜厚モニタ用の分子が上から下へと流れる点で相違している。
【００３１】
図４は、成膜材料ａの分子の放射方向を下方に変えた実施形態である。この実施形態でも前記図３のものと同様に、分子発生室８に別途容器状の坩堝を置かず、分子発生室８の底部を坩堝５とし、そこに成膜材料ａを収納している。
この分子線源セル２では、分子発生室８で発生した成膜材料ａの分子は、分子通過孔６を経て第一のバッファ室９に入る。さらにこの分子は、分子通過孔７を経て第一のバッファ室９の上に設けられた第二のバッファ室１０に入る。この点は基本的に前述した実施形態と同様である。
【００３２】
これに加え、図４に示した分子線源セル２では、分子発生室８の底部である坩堝５の下に第三のバッファ室１８が設けられている。そして、前記の第二のバッファ室１０から第一のバッファ室９及び分子発生室８を貫通するように円筒形の分子通過筒１６が設けられ、この分子通過筒１６を通して第二のバッファ室１０から第三のバッファ室１８に分子が送られる。さらに、第三のバッファ室１８の下には第四のバッファ室１９が設けられ、第三のバッファ室１８と第四のバッファ室１９との隔壁に設けられた分子通過孔１７を通して第三のバッファ室１８から第四のバッファ室１９に分子が送られる。この第四のバッファ室１９の底壁に分子放出口４が設けられており、第四のバッファ室１９から分子放出口４を通って分子が分子線源セル２の下方に向けて放出される。分子放出口４から分子線源セル２の下方に向けて放出された分子は、基板１の上面に堆積し、薄膜が形成される。なおこの実施形態では、分子放出口４に近い第四のバッファ室１９の周囲にもヒータ３’が設けられ、放出しようとする分子の再凝固を防止している。
【００３３】
また、この図４に示した実施形態では、第二のバッファ室１０の上に膜厚計１１が取り付けられている。さらに、第二のバッファ室１０の上隔壁に通孔状の膜厚計用分子通過路１２が設けられている。前記膜厚計１１は、この膜厚計用分子通過路１２に対向して設けられている。
【００３４】
前記分子発生室８の中で坩堝５から発生した分子の一部は、第二のバッファ室１０から前記の膜厚計用分子通過路１２を通って前述の膜厚計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、膜厚の測定が出来る。この点は図１により前述した実施形態のものと基本的に同じであり、膜厚モニタ用の分子が第二のバッファ室１０から膜厚計１１へと流れる点が相違している。
【００３５】
【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、膜厚計１１の陰を作らず、基板１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。さらに、分子線源セル２と基板１との相対距離の如何に係わらず、分子線源セルから発射される分子の絶対量を正確に測定することが出来る。また、複数の分子線源セル２、２’を使用する場合に、それぞれの分子線源セル２、２’から放出される分子の量を個別に把握し、調整することが出来るので、複数材料成分からなる膜の組成比を正確に調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】本発明による薄膜堆積用分子線源セルの他の実施形態を示す横断平面図である。
【図３】本発明による薄膜堆積用分子線源セルの他の実施形態を示す縦断側面図である。
【図４】本発明による薄膜堆積用分子線源セルの他の実施形態を示す縦断正面図である。
【符号の説明】
１    基板
２    分子線源セル
３    ヒータ
３’  ヒータ
５    坩堝
４    分子放出口
９    バッファ室
１０  バッファ室
１１  膜厚計
１２  膜厚計用分子通過路
ａ    成膜材料
【図１】
0003756458.tif 000002
【図２】
0003756458.tif 000003
【図３】
0003756458.tif 000004
【図４】
0003756458.tif 000005