JP6697706B2 - 原子層堆積装置 - Google Patents
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Description
近年、有機発光ダイオード(Organic Light Emitting Diode、OLED)のディスプレーや照明への商品化がはじまり、スマートフォンなどに使用され始めた。これらのOLEDディスプレーはガラス基材を使用しており、落下によるディスプレーの破損や軽量化、持ち運び性の点から、ポリマー等からなるフレキシブル基材を使用したOLEDディスプレー、OLED照明の開発が望まれている。しかし、OLEDディスプレー、OLED照明に使用されている材料は水蒸気や酸素により劣化しやすいために、これらの蒸気やガスを遮断する機能が要求されている。具体的には水蒸気透過率が10−6g/m2/day以下が望まれている。
特許文献1に、OLEDに用いるガスバリア層として、ALDで形成された酸化アルミニウムが有効であることが記述されており、ALDがOLED用の高いガスバリア性を実現する有望な製造方法であることが示唆されている。
処理能力の改善に関して、基材を異なるガス雰囲気の空間に順次移動させながら各ステップを行う、空間分割ALD(Spatial ALD。以下、「SALD」と称することがある。)が、近年、注目されている。
SALDでは、第一前駆体のガス雰囲気空間に基材を所定時間滞在させて、第一ステップを行う。次に、基材をパージガスの雰囲気空間に移動して第二ステップを行う。さらに、基材を第二前駆体のガス雰囲気空間に移動して第三ステップを行い、最後に基材をパージガスの雰囲気空間に移動して第四ステップを行うと、上述した1サイクルが完了する。
SALDでは、複数の基材を上述した各空間に配置できるため、複数の基材のALDを併行して進めることができる、その結果、処理能力の向上が期待できる。
特に、フレキシブル基材として高分子フィルムを用いる場合、ALDの初期段階では第一前駆体が基材内部に浸透することが知られている。非特許文献2には、前駆体としてトリメチルアルミニウム(TMA)を用いたTALDにおいて、吸着する対象の高分子基材の材質が変化すると、吸着量とそのサイクル数依存性が変化することが記載されている。非特許文献3には、TMAがポリエチレンテレフタレート(PET)製基材に吸着する場合の内分浸透(bulk infiltration)が非晶質で進行することが記載されている。これは、結晶性が変化すれば、同じ材質であっても基材内部への浸透性が変化し、その結果、前駆体の吸着挙動も変化することを示唆している。
非特許文献2および3を考慮すると、高分子フィルム上にALDで薄膜を形成する際、初期成長段階と定常成長段階(二次元成長段階)とは好適な暴露条件が異なることが推測される。
巻き取り室30は、巻き取りロール31を備える。巻き取りロール31が回転されると、反応室20から出てきたフレキシブル基材2が巻き取りロール31に巻き取られる。
巻き出しロール11および巻き取りロール31は、フレキシブル基材2に弛み等が生じないよう、同調して回転駆動される。回転駆動のための駆動源(図示略)は、巻き出しロール11および巻き取りロール31の一方に設けられてもよいし、両方に設けられてもよい。
各反応室に接続された排気管24は、それぞれ開閉のいずれかに切り替え可能なバルブ36と、バルブ36と各反応室との間に設けられたコンダクタンス可変バルブ37とを有する。
制御部40は、各反応室20A〜20Iに配置された、バルブ31a〜31c、マスフローメーター32a〜32c、バルブ36、およびコンダクタンス可変バルブ37と接続されており、上述の各バルブの開閉や開度を独立して制御可能に構成されている。
また、各反応室20A〜20Iには、ヒータ38が取り付けられている。各ヒータ38は、制御部40に接続されている。したがって、制御部40は、各反応室内の温度を独立して制御可能に構成されている。さらに、排気管のポンプ25と制御部40も接続されている。
準備工程として、フレキシブル基材2のロールを巻き出しロール11に取り付け、一端を反応室20Aに進入させ、反応室20Aから20Iを順に通過させる。そして、反応室20Iから出てきた一端を巻き取りロール31に取り付ける。
フレキシブル基材2の材質は、作製する積層体により適宜決定されるが、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)等が例示される。
各反応室の温度は、フレキシブル基材2の耐熱性、前駆体の反応性と前駆体の耐熱性(熱分解温度)等を考慮し選定される。例えば、フレキシブル基材2の材質がPETの場合、耐熱性は120℃以下とされるため、反応室の温度は100℃前後に設定される。反応室の温度が100℃であっても、TMAとH2Oを使用するALDは反応が進行する。
反応室内に第一前駆体ガスまたは第二前駆体ガスが供給される場合、制御部40は、例えば対応するバルブ31aまたは31cを開放する。この状態で、対応するマスフローメーター32aまたは32cの値を参照しつつ、対応する排気管24のバルブ36およびコンダクタンス可変バルブ37を調整して排気速度を調整することにより、反応室内が所望の前駆体ガスで満たされ、かつ前駆体ガスのガス条件が設定された範囲に調節される。
反応室内にパージガスが供給される場合、制御部40は、例えば対応するバルブ31bおよび36を開放する。この状態で、対応するマスフローメーター32bの値を参照しつつ、対応する排気管24のコンダクタンス可変バルブ37を調整して排気速度を調整することにより、反応室内がパージガスで満たされ、かつパージガスのガス条件が設定された範囲に調節される。
図4に示す例では、反応室20A、20C、20E、20G、および20Iにパージガスが供給され、反応室20Bおよび20Fに第一前駆体ガスが、反応室20Dおよび20Hに第二前駆体ガスが、それぞれ供給されている。これにより、一回の搬送でALDが2サイクル行われる態様になっている。図4では、各反応室に供給されるガスを模様で示している。
また、複数の反応室がガイドローラー102を備えるため、複数の反応室を並び順が上下に蛇行するように配置しても、フレキシブル基材2の搬送方向を適宜変更することにより、好適に複数の反応室を通過させてSALDを実行することができる。さらに、装置の大型化抑制も可能となる。
このようなガスの進入防止対策は、フレキシブル基材が水平に搬送される第一実施形態において行われてもよいことは当然である。
設定例1は、原子層堆積装置101を用いて、PET製のフレキシブル基材に酸化アルミニウムからなる原子層をプラズマALDにより形成する例である。
設定例1では、TMA、窒素、酸素を、それぞれ第一前駆体、パージガス、および第二前駆体として用いる。
残りのa2、a4、a6、a8、a10、a12、a14、a16、a18、a20、a22、a24、およびa26の各反応室には、窒素が導入される。
本実施形態の原子層堆積装置においては、このような調節も容易に行うことができる。
設定例2は、第一前駆体が供給される反応室の一部において、ステップの所要時間を異ならせている例である。第一前駆体およびパージガスは設定例1と同一であり、第二前駆体ガスとしてH2Oを用いている。
設定例3は、原子層堆積装置101を用いて、PET製のフレキシブル基材に混合酸化物からなる原子層を形成する例である。この例では、TMAおよび塩化チタン(IV、TiCl4)の2種類の第一前駆体を用いる。パージガスとしては、窒素と二酸化炭素の混合ガス(N2+CO2)を用い、第二前駆体を酸素とする。すなわち、この実施例では、パージガスに第二前駆体が含まれており、プラズマにより第二前駆体が反応可能な状態となる。
上記のような設定により、フレキシブル基材2上に酸化アルミニウムおよび酸化チタンの混合酸化物からなる原子層を堆積形成することができる。
設定例4は、設定例3における第一前駆体の一方を変更した例である。この例では、塩化チタン(IV)に代えて、トリス(ディメチルアミノ)シラン(3DMAS)を用いる。
設定例4では、3DMASのパージ兼酸化のステップに複数の反応室を割り当てることにより、酸化反応を促進することも可能である。
また、必ずしも複数の反応室の供給管が単一の供給部に接続されなくてもよい。したがって、各供給管がそれぞれ異なる供給部からガスの供給を受ける構成であってもよい。
例えば、ALDで形成される原子層の厚みを10〜20ナノメートル(nm)程度としたい場合、通常はALDを100サイクル以上行う必要がある。このように、ステップやサイクルの大幅な増加が必要な場合は、巻き出し室および巻き取り室を連結および切り離し可能に構成して、上述した原子層堆積装置どうしが連結できるように装置を構成してもよい。このように構成する場合は、巻き出し室および巻き取り室にも複数の供給管を備えるように構成すると、暴露条件の設定がより容易となる。
第二前駆体として機能する元素がパージガス内に含まれ、プラズマの活性種を第二前駆体とする態様でのみSALDを行う場合、本発明の原子層堆積装置は、第三供給部および第三供給管を備えない構成とされてもよい。
本変形例においては、複数の反応室20には第一供給管および第三供給管のみを接続し、パージ空間として使用しない構成としてもよい。
オーバーコート層等の形成に代えて、形成された原子層薄膜を保護するために、基材表面に保護フィルム(合紙)が配置されてから巻き取りロールに巻かれるように巻き取り室が構成されてもよい。
2 フレキシブル基材
10 巻き出し室
20、20A、20B、20C、20D、20E、20F、20G、20H、20I 反応室
21 第一供給管
22 第二供給管
23 第三供給管
24 排気管
26 第一供給部
27 第二供給部
28 第三供給部
30 巻き取り室
60 プラズマ電極
102 ガイドローラー
103 パージ室
a1、a2、a3、a4、a27、a57 反応室
Claims (5)
- フレキシブル基材に原子層堆積法により原子層を形成する原子層堆積装置であって、
前記フレキシブル基材が巻き出される巻出し室と、
前記原子層が形成された前記フレキシブル基材が巻き取られる巻き取り室と、
前記巻き出し室と前記巻き取り室との間に、前記フレキシブル基材が通過可能に設けられた複数の反応室と、
第一前駆体を含むガスが収容された第一供給部と、
前記第一供給部と接続された第一供給管と、
パージガスが収容された第二供給部と、
前記第二供給部と接続された第二供給管と、
第二前駆体を含むガスが収容された第三供給部と、
前記第三供給部と接続された第三供給管と、
前記複数の反応室に接続された排気管と、
を備え、
前記複数の反応室のすべてに、それぞれ前記第一供給管、前記第二供給管、および前記第三供給管が接続されており、かつ反応室内のガス種およびガス条件を調節可能に構成されている、
原子層堆積装置。 - フレキシブル基材に原子層堆積法により原子層を形成する原子層堆積装置であって、
前記フレキシブル基材が巻き出される巻出し室と、
前記原子層が形成された前記フレキシブル基材が巻き取られる巻き取り室と、
前記巻き出し室と前記巻き取り室との間に、前記フレキシブル基材が通過可能に設けられた複数の反応室と、
第一前駆体を含むガスが収容された第一供給部と、
前記第一供給部と接続された第一供給管と、
パージガスが収容された第二供給部と、
前記第二供給部と接続された第二供給管と、
第二前駆体を含むガスが収容された第三供給部と、
前記第三供給部と接続された第三供給管と、
前記複数の反応室に接続された排気管と、
を備え、
前記複数の反応室のそれぞれには、前記第一供給管、前記第二供給管、および前記第三供給管の少なくとも一つが接続されており、
前記複数の反応室の少なくとも一つには、前記第一供給管、前記第二供給管、および前記第三供給管のうち少なくとも二つが接続されており、かつ反応室内のガス種およびガス条件を調節可能に構成され、
前記複数の反応室の少なくとも一つが連結および切り離し可能に構成されている、
原子層堆積装置。 - 前記複数の反応室の少なくとも一つに配置されたガイドローラーをさらに備え、
前記フレキシブル基材は、前記ガイドローラーにより搬送方向を変更しながら前記複数の反応室を通過する、請求項1または2に記載の原子層堆積装置。 - 前記複数の反応室の少なくとも一つに配置されたプラズマ電極をさらに備える、請求項1から3のいずれか一項に記載の原子層堆積装置。
- 前記第二供給管および前記排気管が接続され、前記複数の反応室のすべてと連通するように配置されたパージ室をさらに備える、請求項1から4のいずれか一項に記載の原子層堆積装置。
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