JP3712646B2

JP3712646B2 - 薄膜堆積用分子線セル

Info

Publication number: JP3712646B2
Application number: JP2001273156A
Authority: JP
Inventors: 弘高橋
Original assignee: 株式会社エイコー・エンジニアリング
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2021-09-10
Also published as: JP2003113465A

Description

【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、固体表面に薄膜を成長させるための成膜材料の分子を発生する薄膜堆積用分子線源セルに関し、特に熱伝導率が低く、昇華点の低い有機エレクトロルミネッセンス材料等の昇華または蒸発に好適な分子線源セルに関する。
【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パターニングされたＩＴＯ等の透明導電膜からなる電極を形成したガラス板等の基板を設置し、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】
前記のような有機ＥＬを形成する各層は、前述のような薄膜堆積装置を使用して形成される。ところが、特に有機ＥＬ膜を形成するための有機ＥＬ材料は昇華性のものであり、その昇華点が低く、しかも熱伝導率が低い。このため、前述のような分子線源セルで成膜材料を加熱し、同材料を昇華または蒸発しようとすると、ヒータで加熱される坩堝の周壁に近い周囲の部分のみが加熱される。
【０００６】
このような状態では、坩堝に収納された成膜材料のうち、坩堝の周壁に近い周囲の部分のみが昇華または蒸発され、坩堝の中央部にある成膜材料が昇華または蒸発されずに残ってしまう。そのため、材料の歩留まりが悪いだけでなく、温度の不均一性による膜の欠陥等が生じやすい。さらに、坩堝の中でその周壁に近く、且つ底部側にある一部の成膜材料が昇華または蒸発せずに、長時間加熱される結果、成膜材料の有機結合が破壊され、所要の特性を持った膜が形成されない。
【０００７】
さらに、このような有機ＥＬ材料は、蒸発源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から昇華される。ところがこのとき、蒸発源材料の粉体が、いわゆるスピッティング現象を起こし、粉体が基板に向けて飛散し、付着してしまうことがある。このため、粉体による膜の不均一性や不連続性が生じ、膜の欠陥を生じる原因となる。
【０００８】
本発明は、このような従来の分子線源セルにおける課題に鑑み、有機エレクトロルミネッセンス材料のような熱伝導率の低い成膜材料でも、その表面側から加熱できるようにし、成膜材料をその表面側から効率よく昇華または蒸発して成膜分子を発生することができ、長時間加熱による成膜材料の化学的結合に欠陥が生じることなく、さらにスピッティング現象による膜の欠陥が生じないようにすることを目的とする。
【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に収納した成膜材料ａをその表面側から加熱し、成膜材料ａをその表面から昇華または蒸発させ、その材料を基板１に向けて放射するようにした。そのために、坩堝５の周囲ではなく、坩堝５に収納した成膜材料ａの表面側に加熱源である加熱体２を配置し、この加熱体２で成膜材料ａの表面を加熱して成膜材料ａの表面を昇華または蒸発させると共に、気化した成膜材料を加熱体２に設けた分子放出口４から基板１に向けて放射するようにした。さらに、成膜材料ａの昇華または蒸発時における、いわゆるスピッティング現象を防止するため、昇華または蒸発した成膜材料ａの分子を直接基板１側に放射せずに、成膜材料ａの分子を一旦バッファ室１１を通し、そのバッファ室１１を介して分子放出口４から分子を放射するようにした。
【００１０】
すなわち、本発明による薄膜堆積用分子線セルは、成膜材料ａを収納する坩堝５と、この坩堝５の開口部を覆うように坩堝５内の成膜材料ａに近接または接する位置と坩堝５の開口部から離れた位置との間に移動自在に設けられ、ヒータ３により加熱される加熱体２と、この加熱体２の前記坩堝５の開口部を覆う部分に開設された分子放出口４と、この分子放出口４と坩堝５の内部との間に設けられ、昇華または蒸発した成膜材料の分子を通過させるバッファ室１１と、坩堝５内の成膜材料ａから昇華または蒸発した分子を前記バッファ室１１に導入する分子通路１２と、前記加熱体２を坩堝５の開口部を覆うように坩堝５内の成膜材料ａに近接または接する位置と坩堝５の開口部から離れた位置との間で移動させる昇降機構９とを有する。
【００１１】
ここで、加熱体２は、坩堝５の開口部を覆うように坩堝５内の成膜材料ａに近接とき、その下面からの輻射熱で成膜材料ａの表面をを加熱すると共に、加熱体２の下部が成膜材料ａに入り込み、成膜材料ａを直接加熱する。或いは成膜材料ａの昇華点がより低い場合は、坩堝５の開口部を覆うように坩堝５内の成膜材料ａに近接した状態で輻射熱のみにより加熱体２の表面を加熱するようにしてもよい。
【００１２】
このような薄膜堆積用分子線セルでは、加熱体２により成膜材料ａをその表面側から加熱するため、坩堝５に収納された成膜材料ａは、その表面側から効率良く加熱され、昇華または蒸発する。そして、この昇華または蒸発により発生した成膜材料ａの分子は、バッファ室１１を通り、坩堝５の開口部を覆うように設けられた加熱体２の分子放出口４から基板１に向けて放射されることにより、基板１に体積し、そこに薄膜が形成される。
【００１３】
このとき、成膜材料ａの昇華または蒸発中に、いわゆるスピッティング現象により、成膜材料ａの粉体が飛散しても、粉体はバッファ室１１でトラップされ、分子放出口４から基板１側に放出されない。このため、基板１の表面に成膜材料ａの粉体が付着することがなく、膜に欠陥が生じない。
【００１４】
特に、バッファ室１１内に筒状の隔壁１３を有し、この隔壁１３によりバッファ室１１をその中央側の部分とその周囲側の部分とに仕切り、この隔壁１３で仕切られたバッファ室１１の中央側の部分に前記分子放出口４を設けるとよい。こうすることにより、いわゆるスピッティング現象による飛散した成膜材料ａの粉体が隔壁１３により仕切られたバッファ室１１の中央側の部分とその周囲側の部分とで二重にトラップされるので、スピッティングによる飛散した粉体を基板１側に飛散するのを確実に防止することができる。
【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、本発明の一実施形態による薄膜堆積用分子線セルの概要を示す概略断面図である。
【００１６】
この薄膜堆積用分子線セルは、真空チャンバ（図示せず）の中に成膜材料ａを収納する坩堝５を有しており、この坩堝５はガラス（例えば登録商標名「パイレックスガラス」）やタンタル等の熱的、化学的に安定した材料で形成されている。この坩堝５には、有機エレクトロルミネッセンス材料等の成膜材料ａが収納されている。また、この坩堝５は、昇降機構９により上下に昇降される。
【００１７】
さらに、後述する加熱体２を避けた位置であって、坩堝５を挟んで対向する位置に配置された光源７と受光器８とからなるレベル計６が設けられている。受光器８は、透明な坩堝５を通して光源７からの光を受光し、成膜材料ａの表面位置を検知する。このレベル計６の受光器８は、前記昇降機構９に信号を送り、後述するようにしてその昇降機構９の動作を制御する。
なお、タンタル等からなる不透明の坩堝５を使用する場合は、他の形式のレベル計を使用する必要がある。
【００１８】
この坩堝５の真上に加熱体２が配置されている。この加熱体２は、銅等の熱伝導の良好な材料からなり、上端に外周側に延びたフランジを有し、このフランジから下方に延びた有底容器状の本体部分１０を有する。この加熱体２のフランジの部分には、同加熱体２を加熱するヒータ３が入り込んでいる。この加熱体２の容器状の本体部分１０の外径は、坩堝５の内径より小さく、加熱体２の容器状の本体部分１０の外周面と坩堝５の内周面との間に十分な間隔がとられている。加熱体２と坩堝５の中心軸は垂直であり、且つ互いに一致している。加熱体２の上壁１４には、オリフィス状の通孔からなる分子放出口４が開設されている。なお図示はしてないが、加熱体２の底部は熱電対等の測温素子で温度が測定できるようにしておく。
【００１９】
加熱体２の本体部分１０の内部は、加熱体の本体部分１０の周壁と底壁とにより坩堝５の内部と仕切られたバッファ室１１となっており、このバッファ室１１の上面である加熱体２の上壁１４に前記の分子放出口４が開設されている。さらに、このバッファ室１１の周囲の周壁には、坩堝５の内部とバッファ室１１とを連絡する分子通路１２が開設されている。従って、このバッファ室１１は、坩堝５の内部と分子放出口４との間にある。
【００２０】
さらに、このバッファ室１１の中央には、その底壁から起立するように円筒形の隔壁１３が立設され、この隔壁１３によってバッファ室１１がその中央側の部分と周壁に近い周辺側の部分とに区画されている。分子放出口４は、隔壁１３により囲まれたバッファ室１１の中央側の上の部分に設けられている。
【００２１】
さらに、この加熱体２の真上には、薄膜を成膜するための基板１が配置されている。この基板１は、例えば有機エレクトロルミネッセンスディスプレイであれば、表面にパターニングされたＩＴＯ等の透明導電膜からなる電極を形成したもの等が使用される。
【００２２】
次に、この薄膜堆積用分子線セルの使用法をその動作と共に説明する。
まず、所定の真空度に維持された真空チャンバ内において、昇降機構９により成膜材料ａを収納した坩堝５を下降させ、成膜材料ａを加熱体２から離した状態で、ヒータ３により加熱体２を加熱する。加熱体２の底部が成膜材料ａの昇華または蒸発に必要な温度まで加熱されたところで、昇降機構９により坩堝５を上昇させ、坩堝５内の成膜材料ａの表面がレベル計６の受光器８で検知される高さで坩堝５を停止させる。この状態では坩堝５内の成膜材料ａに加熱体２の本体部分１０の底部が若干入り込む。これにより、加熱体２の底部から成膜材料ａが直接加熱されると共に、加熱体２から放射される輻射熱により成膜材料ａが間接的に加熱され、成膜材料ａがその加熱体２の本体部分１０の周囲の表面から昇華または蒸発を開始する。
【００２３】
成膜材料ａが昇華または蒸発されることにより発生した分子は、加熱体２のバッファ室１１の周囲の分子通路１２からバッファ室１１の中に入り、さらに隔壁１３の上を越えてバッファ室１１に中央側の部分に至る。図１に破線の矢印で示すように、分子はそこから加熱体２の上壁１４に設けられたオリフィス状の通孔からなる分子放出口４を通って、その上方に放出され、基板１の表面に凝着し、そこに堆積して薄膜を形成する。
【００２４】
このようにして、坩堝５内の成膜材料ａは、加熱体２により、その表面側から加熱され、昇華または蒸発する。成膜材料ａの表面が昇華または蒸発し、これにより成膜材料ａの表面が下がると、これをレベル計６が検知し、その分だけ昇降機構９により坩堝９が上昇される。こうして成膜材料ａの表面レベルは常に一定になるように調整される。これにより、加熱体２の本体部分１０の底部は成膜材料ａ常に一定の深さに入り込む。従って、加熱体２の底部の温度が成膜材料ａに対して常に一定の条件で及ぶことになる。当然のことながら、そのときの成膜材料ａの表面の加熱温度は、成膜材料ａの昇華または蒸発に必要な温度以上であって、且つ成膜材料ａにヒートダメージを与えない範囲の温度を選択する。
【００２５】
さらにこのような成膜材料ａの昇華または蒸発に際して、いわゆるスピッティングによる成膜材料ａの粒子が飛散した場合、この粒子は、分子放出口４から直ちに基板１に向けて放出されることはない。昇華または蒸発した分子と飛散した粒子はまず分子通路１２からバッファ室１１に入る。このうち分子は、隔壁１３を越えて分子放出口４からその上方に放出されるが、分子に比べて遙かにサイズの大きな粒子はバッファ室１１の壁面や隔壁１３の壁面等にトラップされ、分子放出口４からその上方に放出されない。このため、分子のみが基板１に向けて放射され、成膜されるため、成膜材料ａの粒子による膜の欠陥が生じない。
【００２６】
図２は、前記の薄膜堆積用分子線セルにおいて、加熱体２の底部を成膜材料ａに浸漬せず、昇降機構９により坩堝５を上昇させて、坩堝５内の成膜材料ａの表面を加熱体２の底部に近づけて成膜材料ａを加熱する使用法である。その構成は基本的には、図１に示された薄膜堆積用分子線セルと同じであり、成膜材料ａを接触状態で加熱するか、或いは非接触状態で加熱するかの点のみが相違する。
【００２７】
次に、図３に示した実施形態による薄膜堆積用分子線セルについて説明すると、この薄膜堆積用分子線セルでは、前述の図１に示した実施形態による薄膜堆積用分子線セルにおいて、成膜材料ａを収納した複数の坩堝５を、ターンテーブル１６の回転中心の周りに一定の角度間隔で載せている。このターンテーブル１６の間欠回転により、各坩堝５を加熱体２の真下に運んで順次各坩堝５の成膜材料ａを加熱し、それを昇華または蒸発する。昇降機構９は坩堝５にではなく、ターンテーブル１６を昇降するように設けられている。さらにこのターンテーブル１６には、それを間欠回転し、各坩堝５を加熱体２の真下に運ぶための回転機構１５も設けられている。
【００２８】
その他の構成は図３に示された実施形態による薄膜堆積用分子線セルと同じであり、同じ部材は同じ符号で示している。また、その使用法と動作は基本的に図１に示された実施形態による薄膜堆積用分子線セルと同じである。但し前述したように、ターンテーブル１６の間欠回転により、各坩堝５を加熱体２の真下に運び、そこでターンテーブル１６を昇降させる点が異なる。
この実施形態による薄膜堆積用分子線セルは、真空チャンバ内で基板１の表面に異なる材料を順次成膜するのに適している。
【００２９】
図４は図１に示した薄膜堆積用分子線セルを用い、前述した手順で有機ＥＬ材料を昇華させ、発生した分子を基板１の表面に堆積して成膜したときの時間と成膜速度の関係の例を示したグラフである。
下のグラフは、成膜速度を１０ｎｍ／ｓｅｃとなるように加熱体２の底面を温度制御した例であり、加熱開始の後１時間〜２時間３０分の間に加熱体２の底面を３６０℃〜３７０℃の温度に漸次昇温させている。また、上のグラフは、成膜速度を１００ｎｍ／ｓｅｃとなるように加熱体２の底面を温度制御した例であり、加熱開始の後１時間〜２時間３０分の間に加熱体２の底面を３６０℃〜３７０℃の温度に漸次昇温させている。
【００３０】
これら２つのグラフに示す通り、何れも目的の成膜速度に安定して維持されており、成膜速度の変動が小さい。特に、スピッティング現象が起こり、粉体が基板の成膜面に付着すると、計測データのうえでは短い時間に成膜速度が＋側に急速に大きくなる。２つのグラフにはそうした箇所は全く見られない。
なお、注目すべきは、成膜速度が１０ｎｍ／ｓｅｃと１００ｎｍ／ｓｅｃとでは、１０倍の開きがあるが、その間の温度差は僅かに１０℃であった。
【００３１】
【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セルでは、坩堝５に収納した成膜材料ａを、加熱体２によりその表面側から順次加熱し、昇華または蒸発させるため、有機ＥＬ材料のような熱伝導率の低い成膜材料でも、効率良く表面から昇華または蒸発することができる。さらに、昇華または蒸発させる成膜材料ａの表面のみを加熱し、表面より奥にある成膜材料ａは加熱しないで済むので、長時間加熱による成膜材料のヒートダメージが起こらない。
【００３２】
さらに、いわゆるスピッティング現象が生じ、成膜材料ａの昇華または蒸発中に成膜材料ａの粒子が飛散しても、その粒子がバッファ室１１でトラップされるため、スピッティング現象による影響が基板１側に及ばず、スピッティング現象による粉体の付着に伴薄膜の欠陥等が起こらない。特に、バッファ室１１に隔壁１３を設け、バッファ室１１を外周側と中心側とに仕切ることにより、スピッティング現象により成膜材料ａから飛散した粒子のトラップが効果が大きく、それらの粒子の基板への飛来を完全に無くすことができる。
【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セルの概略縦断側面図である。
【図２】本発明の他の実施形態による薄膜堆積用分子線セルの概略縦断側面図である。
【図３】本発明の他の実施形態による薄膜堆積用分子線セルの概略縦断側面図である。
【図４】本発明の実施形態による薄膜堆積用分子線セルを用いて有機ＥＬ材料を真空蒸着したときの時間と成膜速度の関係の例を示すグラフである。
【符号の説明】
ａ成膜材料
５坩堝
３ヒータ
２加熱体
５加熱体の分子放出口
９昇降機構
１１バッファ室
１２分子通路
１３隔壁

Claims

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）の開口部を覆うように坩堝（５）内の成膜材料（ａ）に近接または接する位置と坩堝（５）の開口部から離れた位置との間に移動自在に設けられ、ヒータ（３）により加熱される加熱体（２）と、この加熱体（２）の前記坩堝（５）の開口部を覆う部分に開設された分子放出口（４）と、この分子放出口（４）と坩堝（５）の内部との間に設けられ、昇華または蒸発した成膜材料の分子を通過させるバッファ室（１１）と、坩堝（５）内の成膜材料（ａ）から昇華または蒸発した分子を前記バッファ室（１１）に導入する分子通路（１２）と、前記加熱体（２）を坩堝（５）の開口部を覆うように坩堝（５）内の成膜材料（ａ）に近接または接する位置と坩堝（５）の開口部から離れた位置との間で移動させる昇降機構（９）とを有することを特徴とする薄膜堆積用分子線セル。
バッファ室（１１）内に筒状の隔壁（１３）を有し、この隔壁（１３）によりバッファ室（１１）がその中央側の部分とその周囲側の部分とに仕切られ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セル。
分子放出口（４）は、隔壁（１３）により囲まれたバッファ室（１１）の中央側の部分に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の薄膜堆積用分子線セル。
加熱体（２）は、坩堝（５）の開口部を覆うように坩堝（５）内の成膜材料（ａ）に近接したとき、その下面からの輻射熱で成膜材料（ａ）の表面をを加熱すると共に、加熱体（２）の一部が成膜材料（ａ）の表面からその中に入り込んで成膜材料（ａ）を直接加熱するものであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の薄膜堆積用分子線セル。
加熱体（２）は、坩堝（５）の開口部を覆うように坩堝（５）内の成膜材料（ａ）に近接した状態で輻射熱により加熱体（２）の表面を加熱し、その表面部分を昇華または蒸発させるものであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の薄膜堆積用分子線セル。