(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機薄膜の材料となる有機化合物を収容する収容部を有し、加熱されると前記収容部上端の放出口から前記有機化合物の蒸気を放出できるように構成された有機化合物容器であって、
前記収容部を複数有することを特徴とする有機化合物容器。
【請求項２】
前記各収容部は有底深穴形状に形成され、放出口側を外方に向けて傾けられていることを特徴とする請求項１記載の有機化合物容器。
【請求項３】
前記各放出口は、半球面上に配置されていることを特徴とする請求項２記載の有機化合物容器。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の有機化合物容器であって、カーボングラファイト製、炭化珪素製、又は炭化珪素がコーティングされたカーボングラファイト製であることを特徴とする有機化合物容器。
【請求項５】
ヒータと、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の有機化合物容器とを有し、前記ヒータで前記有機化合物容器を直接加熱できるように構成されたことを特徴とする有機蒸発源。
【請求項６】
請求項５記載の有機蒸発源が、少なくとも１個以上真空槽内に配置されていることを特徴とする真空蒸着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空蒸着技術にかかり、特に、粉体状の有機化合物を蒸発材料として有機薄膜を形成する真空蒸着技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
有機化合物を無機化合物と比べた場合、反応系や特性が多様であり、また、低エネルギーで表面処理できることから、近年、機能性有機薄膜が着目されている。
【０００３】
機能性有機薄膜を利用するものには、有機ＥＬ素子、圧電センサ、焦電センサ、電気絶縁膜等、種々のものがあるが、これらのうち、有機ＥＬ素子はディスプレイパネルとして利用できることから非常に注目されている。
【０００４】
図５の符号ａに示したものは有機ＥＬ素子の概略構成図であり、ガラス基板である基体ｂを有しており、この基体ｂ上に、透明導電膜から成るアノード電極膜ｃ、Ｐ型の有機薄膜ｄ、Ｎ型の有機薄膜ｅ、カソード電極膜ｆがこの順で形成されている。この有機ＥＬ素子ａのアノード電極膜ｃとカソード電極膜ｆとの間に電圧を印加すると、有機薄膜ｄ、ｅの界面が発光し、基体ｂを透過して外部にＥＬ光ｇを放射させることができる。
【０００５】
有機薄膜ｄ、ｅを形成するためには、その材料となる有機化合物を真空槽内に配置して加熱し、発生した蒸気を成膜対象物に付着させ、その表面に薄膜を形成する真空蒸着技術が用いられている。
【０００６】
ところが、真空蒸着装置では、形成する薄膜が金属薄膜等の無機薄膜である場合の方が一般的であり、その金属薄膜の材料となる蒸発材料には、金属物質が用いられている。
【０００７】
金属から成る蒸発材料の場合、蒸発温度は６００℃〜２０００℃程度と高温であるが、有機蒸発材料である有機化合物では蒸気圧が高いため、その蒸発温度は０℃(場合によっては零下)〜４００℃の間にある。また、有機化合物は分解しやすいため、特に、分解温度と蒸発温度とが近接した温度であるものも多い。
【０００８】
従って、有機化合物を蒸発材料とした場合には、金属蒸発源と異なり、精密な温度制御を行いながら蒸発させられる技術が必要となるが、一般の真空蒸着装置に用いられているエレクトロンビームでは、エネルギーが高すぎ、低温で温度制御できないことから、有機化合物の加熱手段には適当でない。
【０００９】
そこで図７(ａ)に示すような、タングステン製の金属るつぼ１０２に有機薄膜の材料である有機化合物１０３を配置し、真空雰囲気内でるつぼ１０２に通電して加熱し、有機化合物１０３の蒸気を発生させるものがあった。
【００１０】
しかしながら、特に粉体の有機化合物では、真空中では熱伝導が非常に低いため、金属るつぼ１０２を発熱させると、粉体内部と金属るつぼ１０２と接触している部分との間の温度差が大きくなりすぎ、蒸発量を安定して制御できないという問題があった。
【００１１】
また、粉体状の有機化合物のうち、金属るつぼ１０２と接触した部分が局所的に過熱状態になると突沸が発生し、粉体が真空槽内に噴出されると形成される有機薄膜に欠陥を発生させてしまう場合もあった。
【００１２】
更に、有機化合物のうちには腐食性を有したり反応性の強いものもあるが、そのような有機化合物については、金属製るつぼ１０２を使用することができなかった。
【００１３】
そこで従来技術でも対策が採られており、図７(ｂ)に示すような有機蒸発源１１２が開発されている。
この有機蒸発源１１２は、有底円筒形形状の金属製の均熱管１１５、その均熱管１１５の周囲に巻回されたマイクロヒータ１１６、均熱管１１５とマイクロヒータ１１６とを収容するケーシング１２０とを有しており、ケーシング１２０とマイクロヒータ１１６の間には、リフレクタ１１７が配置されている。
【００１４】
均熱管１１５内には、粉体状の有機化合物１１３を収容した有機化合物容器１１４が配置されており、その状態で、蒸発口１２１が設けられた蓋１２２を被せ、有機蒸発源１１２が構成されている。
【００１５】
この有機蒸発源１１２は、図８(ａ)に示すような、蒸着装置１３０の真空槽１３１底壁に配置されており、真空槽１３１の天井側に設けられた基板ホルダー１３３上に基板１３４を配置し、真空槽１３１内部を真空排気し内部を真空雰囲気にする。
【００１６】
所定真空度に到達したところで、有機蒸発源１１２側のシャッター１３５と、基板１３４側のシャッター１３６とを閉じた状態でマイクロヒータ１１６に通電し、発熱させると、マイクロヒータ１１６から周囲に向けて放出される赤外線のうち、内方に向かったものは、均熱管１１５に直接照射され、外方に向かったものはリフレクタ１１７で反射されて均熱管１１５に照射される。
【００１７】
マイクロヒータ１１６への通電は、熱電対１２３を用いて均熱管１１５の温度を測定しながら行い、有機化合物１１３が所定の昇温速度で蒸発温度に達するようにする。
【００１８】
蒸発温度に達すると、有機蒸発源１１２側のシャッター１３５を開け、各有機蒸発源１１２の蒸発口１２１から真空槽１３１内に向けて有機化合物１１３の蒸気を放出させる。
有機化合物１１３の蒸気の放出速度は膜厚モニター１３７で監視しておき、安定したところで基板１３４側のシャッター１３６を開け、基板１３４への有機薄膜形成を開始する。
【００１９】
このような有機蒸発源１１２の有機化合物容器１１４は、石英が有底円筒形形状に成形されて構成されており、石英は有機化合物とは反応せず、また加熱されても不純物は溶出しないので、有機化合物１１３の変質や不純物の混入がなく、高品質の有機薄膜を形成することが可能となっている。
【００２０】
他方、石英は透明であるため、マイクロヒータ１１６が放出する赤外線が有機化合物１１３に直接照射されると、有機化合物１１３が局所的に過熱状態になり、突沸が発生してしまうので、均熱管１１５を有機化合物容器１１４の周囲に配置し、赤外線を遮蔽することが必須であり、また、石英は熱伝導率が低いことから、この均熱管１１４を設けることにより、有機化合物容器１１４全体が均一に過熱されるように構成されている。
【００２１】
しかしながら低熱伝導率の石英では、均熱管１１５からはみ出した上端部の放出口付近での温度低下が大きく、一旦発生した有機化合物１１３の蒸気が、放出口付近で冷却され、図８(ｂ)に示すように、その部分に再付着し、析出物１２５を発生させてしまうという問題がある。その析出物が成長すると、甚だしい場合には放出口を塞いでしまい、清掃を行わないと有機薄膜形成ができなくなるため解決が望まれていた。
【００２２】
他方、近年では、ＥＬ素子を大口径化するために、大面積基板に対し、均一な有機薄膜を形成できる技術が求められているが、上述したような有機蒸発源１１２を用いる場合には、蒸気の放出角度が狭いため、図８(ａ)に示すように、真空槽１３１内に多数(この例では縦４個×横４個)配置し、基板１３４に均一に蒸気が到達するようにし、更に、成膜を行う際に基板１３４を回転させ、均一な有機薄膜が形成されるようにしていた。このように有機蒸発源１１２を多数配置するとメンテナンス作業が面倒であり、また、基板１３４を回転させるための回転機構が必要になることから、その解決が望まれていた。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたもので、その第１の目的は、有機薄膜の材料である有機化合物の蒸気が放出口付近に付着することのない有機化合物容器、有機蒸発源、真空蒸着装置を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、大口径基板に有機薄膜を均一に形成できる有機化合物容器、有機蒸発源、真空蒸着装置を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、有機薄膜の材料となる有機化合物を収容する収容部を有し、加熱されると前記収容部上端の放出口から前記有機化合物の蒸気を放出できるように構成された有機化合物容器であって、前記収容部を複数有することを特徴とする有機化合物容器である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の有機化合物容器であって、前記各収容部は有底深穴形状に形成され、放出口側を外方に向けて傾けられていることを特徴とする有機化合物容器である。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の有機化合物容器であって、前記各放出口は、半球面上に配置されていることを特徴とする有機化合物容器である。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の有機化合物容器であって、カーボングラファイト製、炭化珪素製、又は炭化珪素がコーティングされたカーボングラファイト製であることを特徴とする有機化合物容器である。
請求項５記載の発明は、ヒータと、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の有機化合物容器とを有し、前記ヒータで前記有機化合物容器を直接加熱できるように構成されたことを特徴とする有機蒸発源である。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の有機蒸発源が、少なくとも１個以上真空槽内に配置されていることを特徴とする真空蒸着装置である。
【００２５】
上述したような本発明の有機化合物容器のうち、カーボングラファイトや炭化珪素(ＳｉＣ)で構成されているものは、加熱されても有機薄膜材料と反応せず、また、不純物の溶出もないので、有機薄膜材料が変質したり不純物が混入することもなく、品質の良い有機薄膜を形成することができる。
【００２６】
また、カーボングラファイトや炭化珪素の熱伝導率は石英と比べると非常に大きいため、全体を均一に加熱することができる。従って、熱が放出口まで効率よく伝達され、放出口付近でも、有機化合物の蒸気は再付着温度まで冷却されることはなく、析出物は発生しない。
【００２７】
また、カーボングラファイトや炭化珪素は赤外線を透過せず不透明であるので、ヒータが放射する赤外線は、内部に収容した有機化合物には直接照射されず、均熱管を設けなくても局部的に過熱状態になることもない。また、均熱管を設けない分熱容量が小さくなり、温度制御製が向上する。
【００２８】
ところで、真空蒸着装置によって金属薄膜を形成する場合には、真空槽内に放出された金属蒸気は、蒸発源から基板に向けて直進することが知られている。それに対し、有機化合物の蒸気を真空槽内に放出させた場合には、有機化合物蒸気は拡散に近い状態で基板に到達することが知られており、そのため、均一な薄膜を形成し易いと言われている。しかし、大面積基板では、有機蒸発源に近いところと遠いところとで膜厚に差が生じ、有機薄膜が不均一なものになりやすい。
【００２９】
特に、粉体状の有機化合物を蒸発源にする場合には、粉体を構成する粒子間の接触面積は小さく、更に、真空中では粉体中に含まれる気体による熱伝導もないので、粉体全体の熱伝導率は非常に小さいものとなる。従って、大きな収容部内に粉体状の有機化合物を収容した場合には、容器壁面近くの有機化合物だけが加熱され、中央付近は加熱されにくいため、有機化合物の蒸気を均一に安定して放出させることができない。
【００３０】
本発明の有機化合物容器では、収容部を複数としたので、１個１個の収容部を小径にすることができる。従って、有機化合物と容器壁面との接触面積が増加し、有機化合物全体を効率よく加熱することができるので、各収容部の放出口から真空槽内に有機化合物蒸気が均一に放出され、大面積基板表面に均一な有機薄膜を形成することが可能となる。
【００３１】
この場合、有機化合物容器を、カーボングラファイトや炭化珪素等の熱伝導率の高い材料で構成しておくと、各収容部内の有機化合物への熱伝導が高まり、また、有機化合物蒸気放出の均一性が一層向上して好ましい。
【００３２】
更に、このような収容部を有底深穴形状とし、上端部の放出口側が外方に向くように各収容部を傾かせると、有機化合物蒸気の真空槽内への放出角度が広がり、真空槽内に均一に有機化合物蒸気が充満するようになるので、有機薄膜の均一性がより一層向上する。
この場合、特に、各放出口を半球面上に配置しておくと、更に有機化合物蒸気の放出角度が広がって好ましい。
【００３３】
以上説明した有機化合物容器では、均熱管が不要である分熱容量が小さくなるので、ヒータに対する熱追随性が良く、また、有機薄膜材料蒸気の放出速度が一定になるまでの時間が短い。その実験結果をグラフを用いて説明する。
【００３４】
図６の横軸は加熱時間、縦軸は成膜速度である。この図６のグラフのうち、符号Ｌ1で示した曲線が、本発明の有機化合物容器(カーボングラファイト製)を用いた有機蒸発源の特性であり、符号Ｌ2で示した曲線が、従来技術の石英製の有機化合物容器と均熱管を用いた有機蒸発源の特性である。横軸の成膜速度の値は、有機化合物蒸気の発生速度と等しい。本発明では発生速度が安定し、薄膜形成速度が一定になるまでの時間が非常に短いのに対し、従来技術の有機蒸発源では、制御製が悪く、成膜速度が安定しないことがわかる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図１(ａ)、(ｂ)の符号２は、本発明の有機化合物容器の第１の実施形態を示しており、同図(ａ)は正面図、同図(ｂ)はＩ−Ｉ線截断面図である。
この有機化合物容器２は、上端部周囲に鍔部５を有し、全体が有底円筒形形状に一体成形されたカーボングラファイトによって構成されており、内部が収容部３に、該収容部３の上部が放出口４にされており、有機薄膜の材料である粉体状の有機化合物を、放出口４から内部に落とし込み、収容部３に収容できるように構成されている。
【００３６】
また、図２(ａ)、(ｂ)の符号１２は、本発明の第２の実施形態の有機化合物容器を示しており、同図(ａ)は正面図、同図(ｂ)はＩＩ−ＩＩ線截断面図である。
この有機化合物容器１２は、カーボングラファイトが成形加工された後、上端部１５1が半球形状に加工され、下端部１５2は先細の略円柱形形状に加工されている。上端部１５1の表面から下方に向け、略有底円筒形形状の深穴が穴開け加工によって形成され、４本の収容部１３1〜１３4が構成されている。
【００３７】
各収容部１３1〜１３4は、その上端部を放出口１４1〜１４4として用いられるように構成されており、各放出口１４1〜１４4は、中心軸線１６を対称中心とし、放射状に配置されている。
【００３８】
各収容部１３1〜１３4は放出口１４1〜１４4が外方に向くようにして傾斜されており、放出口１４1〜１４4間の間隔よりも底面１７1〜１７4間の間隔の方が狭くなり、各収容部１３1〜１３4内に有機化合物を納め、蒸気を発生させたときに、各放出口１４1〜１４4から真空槽内に向け、斜め方向に放出される蒸気量が増加するように構成されている。
【００３９】
図３(ａ)、(ｂ)の符号２２は、本発明の第３の実施形態の有機化合物容器を示しており、同図(ａ)は正面図、同図(ｂ)はＩＩＩ−ＩＩＩ線截断面図である。
この有機化合物容器２２も、上述の有機化合物容器２、１２と同様に、カーボングラファイトで構成されており、上端部に鍔部２５を有し、底面側がやや細い、有底円筒形形状に成形されており、内部が収容部２３として用いられ、また、その上端部を放出口２４として用いられるように構成されている。
【００４０】
なお、この第３の実施形態の有機化合物容器２２の収容部２３の容積は、前述の第１の実施形態の有機化合物容器２の収容部３よりも小さくされており、少量を蒸発させたいドーパントに適するように構成されている。
【００４１】
図４の符号５０は、本発明の真空蒸着装置の一例を示しており、真空槽５１を有している。この真空槽５１の底壁には、２個の有機蒸発源６０1、６０2が設けられている。
【００４２】
２個の有機蒸発源６０1、６０2は、それぞれケーシング５４1、５４2を有しており、一方のケーシング５４1内には、前述の第２の実施形態の有機化合物容器１２が、その４個の収容部１３1〜１３4内に粉体状の有機化合物を収容した状態で配置されており、他方のケーシング５４2内には、第３の実施形態である有機化合物容器２２が、その収容部２３内に、発色剤である粉体状の有機化合物(ドーパント)を収容した状態で配置されている。
ケーシング５４1、５４2内には均熱管は設けられておらず、それぞれヒータ５５1、５５2が有機化合物容器１２、２２の周囲に直接巻回されている。
【００４３】
真空槽５１の天井には、基板ホルダー５６が設けられており、その基板ホルダー５６上には基板５３が配置されている。
基板５３は、透明導電膜が設けられた側が有機蒸発源６０1、６０2に向けられており、図示しない真空ポンプによって真空槽５１内を真空排気し、所定真空度に達した後ヒータ５５1、５５2に通電して有機蒸発源６０1、６０2内の有機化合物を加熱し、放出口１４1〜１４4、２４からその蒸気を放出させる。
【００４４】
このとき、基板ホルダー５６内に設けられたヒータ６１に予め通電し、基板５３を所定温度にしておき、所定時間経過後、有機蒸発源６０1、６０2側に設けられたシャッター５７を開けると、成膜モニター５９1、５９2に有機化合物蒸気が到達し、その放出速度の測定を行うことが可能となる。
【００４５】
放出速度が安定したところで、基板５３側のシャッター５８を開け、基板５３の透明導電膜表面への有機薄膜の形成を開始する。
【００４６】
その状態で形成される有機薄膜の膜厚を、成膜モニター５９1、５９2によって測定し、所定膜厚になったところで、有機蒸発源６０1、６０2側のシャッター５７を閉じ、予め加熱しておいた他の有機蒸発源側のシャッター(その有機蒸発源とシャッターは図示せず)を開け、２層目有機薄膜の形成を開始する。
【００４７】
この２層目の有機薄膜も所定膜厚に形成されたところで各シャッターを閉じ、真空槽５１内の真空雰囲気を維持したまま、真空槽５１外へ基板５３を搬出し、有機薄膜形成作業を終了する。
【００４８】
以上説明した有機化合物容器２、１２、２２はカーボングラファイトで形成したが、炭化珪素で形成してもよく、炭化珪素がコーティングされたカーボングラファイトで形成してもよい。また、カーボングラファイトや炭化珪素に他の材料を表面コーティングしたものも本発明に含まれる。
【００４９】
要するに、熱伝導率が高く、有機薄膜材料と反応せず、不純物が溶出せず、更に、不透明で均熱管が不要な材料であれば本発明に用いることができる。カーボングラファイトや炭化珪素はこれらの条件を満たし、且つ安価であるので、本発明の有機化合物容器に好適な材料である。
【００５０】
上記真空蒸着装置５０では、第１の実施形態の有機化合物容器２を用いなかったが、基板の口径によっては、第３の実施形態の有機化合物容器２２にドーパントを収容させ、第１の実施形態の有機化合物容器２に有機薄膜の本体材料を収容させて用いることができる。
【００５１】
なお、第２の実施形態の有機化合物容器１２では、４個の放出口１４1〜１４4を放射状に設けたが、大面積基板に有機薄膜を形成する場合には、２個以上の収容部を設け、その放出口を基板長手方向に沿う直線上に配置してもよい。各収容部を長手方向に沿って傾け、大面積基板に蒸気が均一に到達するようにすると更に均一性が向上する。要するに、本発明の有機化合物容器の放出口は、基板の形状に適合して種々の方向に傾けることができる。
【００５２】
他方、正方形に近い基板に有機薄膜を形成する場合には、少なくとも３個、望ましくは４個以上の収容部が形成された有機化合物容器を用い、放出口が外方に均等に向くように傾斜させるとよい。５個以上の収容部を設けた場合でも同様である。
【００５３】
そのような有機化合物容器の上部を半球形状に成形し、各収容部の放出口は半球面上に配置されるようにしておくと、有機化合物蒸気の放出方向が広がり、真空槽内で均一になって好ましい。
【００５４】
【発明の効果】
カーボングラファイト製、又は炭化珪素製の有機化合物容器であれば、熱伝導率が高いので、有機薄膜材料の有機化合物が個体(粉体)の場合であっても、放出口付近に再付着し、析出物を発生させることがない。
また、均熱管を用いる必要がなくなるので、熱応答性や制御性が向上する。
【００５５】
複数の収容部を有する有機化合物容器では、１個１個の収容部を小径に形成できるので、壁面から有機化合物へ伝達される熱量が増加し、有機化合物蒸気の放出速度が安定化する。
【００５６】
その複数の収容部を有底深穴形状に形成し、放出口が外方に向くように傾斜させておくと、有機化合物蒸気の真空槽内への放出角度が広がり、大面積基板に均一性な有機薄膜を形成できるようになる。
また、各収容部の放出口を半円周上に配置すると、放出角度は一層広くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の有機化合物容器
(ａ)：平面図    (ｂ)：Ｉ−Ｉ線截断面図
【図２】本発明の第２の実施形態の有機化合物容器
(ａ)：平面図    (ｂ)：ＩＩ−ＩＩ線截断面図
【図３】本発明の第３の実施形態の有機化合物容器
(ａ)：平面図    (ｂ)：ＩＩＩ−ＩＩＩ線截断面図
【図４】本発明の真空蒸着装置の一例を示す概略構成図
【図５】カーボングラファイト製の本発明の有機化合物容器と従来技術の有機化合物容器の成膜速度を比較したグラフ
【図６】有機ＥＬ素子を説明するための図
【図７】(ａ)：従来技術の金属製の有機化合物容器    (ｂ)：石英の有機化合物容器を用いた従来技術の有機蒸発源
【図８】(ａ)：従来技術の真空蒸着装置の一例    (ｂ)：石英製の有機化合物容器の放出口に付着した析出物を説明するための図
【符号の説明】
２、１２、２２……有機化合物容器    ３、１３、２３……収容部    ４、１４1〜１４4、２４……放出口    ５０……真空蒸着装置    ５１……真空槽    ５５1、５５2……ヒータ    ６０1、６０2……有機蒸発源
【図１】
0003736928.tif 000002
【図２】
0003736928.tif 000003
【図３】
0003736928.tif 000004
【図４】
0003736928.tif 000005
【図５】
0003736928.tif 000006
【図６】
0003736928.tif 000007
【図７】
0003736928.tif 000008
【図８】
0003736928.tif 000009