JP4673190B2 - 薄膜堆積用分子線源とその分子線量制御方法 - Google Patents

Description

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、その薄膜素子材料を溶融または昇華、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とその分子線量制御方法であって、特に有機物薄膜を基板等の固体の成膜面に堆積させる事を長時間、連続的に行うのに好適な薄膜堆積用分子線源とその分子線量制御方法に関する。

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半導体ウエハ等の基板を設置し、この基板を所要の温度に加熱すると共に、その成膜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薄膜素子材料をヒータにより加熱し、昇華させるか或いは溶融、蒸発させ、これにより発生した分子を前記基板の成膜面に入射し、その成膜面に薄膜素子分子をエピタキシャル成長させて、薄膜素子材料の膜を形成する。

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薄膜素子材料を収納し、この薄膜素子材料を坩堝の外側に設けた電気ヒータで加熱し、これにより薄膜素子材料を昇華させるか或いは溶融、蒸発させ、その分子を発生させるものである。

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、真空中にて薄膜素子材料を加熱し、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。一般的には薄膜素子材料をＰＢＮ等の無機材料や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。

前述のような有機薄膜素子の代表的な例である有機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（Ａｌｑ_３） 等の蛍光物質を発光層として積層し、さらにＭｇ、Ｌｉ、Ｃｓ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。このような薄膜素子材料は、一般に高価である。

ところで薄膜素子の形成に当たっては、表面上に薄膜を成膜させる基板の入れ替えや、必要な部分にのみ材料を吹き付けるためのマスクの位置調整などの時間も必要である。しかしながら、前述のような有機薄膜素子材料は、比較的低温で昇華し、気化する材料が多いため、前記のような基板の交換やマスクの位置合わせ等の間も材料が気化するため、非常に高価な材料が無駄に消費されてしまう欠点があった。

そこで、下記特許文献１に記載されたように、るつぼを密閉構造とし、これらを密閉構造の真空容器に収納し、前記るつぼで発生した薄膜素子材料の分子を成膜面へ向けて放出するための分子放出路を設け、分子放出路の途中に分子線量を調節するためのニードルバルブを備えた薄膜堆積用分子線源が提案されている。

このバルブ機構を備えた薄膜堆積用分子線源では、バルブによりるつぼで発生した薄膜素子材料の蒸気の放出をニードルバルブで遮断出来るのに加え、分子線量をニードルバルブで調整することが出来る。一定の膜厚と品質を持った薄膜を形成するためには分子線源から放出される分子線量を毎時一定に保つことが有効である。

前述のような有機薄膜素子材料の代表的ものとして、前述したＥＬ薄膜素子材料があるが、このような薄膜素子材料は、粒状或いは粉状の個体のものが多く、この状態で分子線源のるつぼに収納される。このつぼに収納されたＥＬ薄膜素子材料をるつぼの外側に設けたヒータで加熱することで、ＥＬ薄膜素子材料が加熱、昇華され、気化して基板に向けて放出され、基板の成膜面上に堆積、成膜する。

このようなＥＬ薄膜素子材料がるつぼの中で昇華し、気化して放出されると、つぼの中のＥＬ薄膜素子材料の残量が次第に減少する。すると、つぼの中のＥＬ薄膜素子材料の表面積が減少するため、るつぼ内でのＥＬ薄膜素子材料の昇華量が次第に減少する。従って、薄膜堆積用分子線源から放出される分子線量を一定に維持するためには、ニードルバルブによる開度、すなわちバルブ全開時に対するバルブの流路断面積の比を大きくし、薄膜堆積用分子線源から放出される分子線量を確保する必要がある。

しかし、ニードルバルブによる分子線量の調整は有限であり、ニードルバルブを全開にすると、それ以上分子線量を増加させることは出来ない。
下記の特許文献２には、分子線量の調整手段として２つの制御手段が挙げられている。一つは、前述したようなバルブによる分子線量の調整手段である。他の一つは、るつぼをヒータで加熱する温度による制御手段である。しかし、後者のるつぼをヒータで加熱する温度による制御手段は、間接的で時間遅延があるため、精密な分子線量の調整には適さない。
特開２００３−９５７８７号公報 特開平６−８０４９６号公報

本発明は、前記従来の薄膜堆積用分子線源とその分子線量制御方法における課題における課題に鑑み、薄膜堆積用分子線源からの分子線放出により、つぼの中の薄膜素子材料の残量が減少しても、ニードルバルブにより分子線量を毎時一定に調整出来るようにすることを目的とする。

本発明では、前記の目的を達成するため、精密に放出する分子線量を正確に制御出来るが、制御範囲に限界があるバルブによる分子線量制御手段と、量的、時間的に精密には放出する分子線量を制御出来ないが、るつぼ内の薄膜素子材料の残量による気化量の減少による放出する分子線量の減少を補完し、放出する分子線量をかさ上げ出来るヒータによる制御手段とを適宜に組合せたものである。これにより、るつぼ内の薄膜素子材料の減少に対応して毎時一定量の放出分子線量を維持出来るようにしたものである。

すなわち、本発明による薄膜堆積用分子線源は、薄膜素子材料を加熱するためのるつぼと、このるつぼを加熱するためのヒータと、このるつぼで発生した薄膜素子材料の分子を成膜面へ向けて放出するための分子放出路とを備え、これらを密閉構造の真空容器に収納し、分子放出路の途中に分子線量を調節するためのバルブを備える。さらに、前記成膜面に向けて放出される分子線量を検知する検知手段と、この検知手段で検知される分子線量情報を帰還して、バルブ駆動手段によりバルブの開度を調節する制御手段と、前記ヒータの加熱のための電力を供給する加熱電源と、前記分子線量情報とバルブ開度情報とから前記加熱電源の投入電力を調整する制御手段とを備える。

そして、有機物を基板に連続的に蒸着するに際し、所定の分子線量を得るために必要なバルブ開度があらかじめ決められた一定の範囲を超え又は下回ったとき、前記加熱電源の制御手段がるつぼを加熱する電源に投入する電力を調整し、バルブ開度が一定の範囲内に納まるように制御する。

前記のような本発明による薄膜堆積用分子線源とそれを使用した分子線量制御方法では、放出する分子線量を正確に制御出来るバルブによる分子線量制御手段による制御を基本としながら、るつぼ内の薄膜素子材料が消費され、その残量が減少し、その結果、所定の分子線量を得るために必要なバルブ開度があらかじめ決められた上限値を超えるとき、ヒータ温度を上昇させてバルブによる制御範囲の中で一定の分子線の放出量が維持出来るようにする。逆に、バルブの開度の現在値が予め定められた下限値を下回るときは、ヒータ温度を下降させてやはりバルブによる制御範囲の中で一定の分子線の放出量が維持出来るようにする。
これにより例えば、るつぼ内の薄膜素子材料が消費され、同材料が次第に減少しても、バルブによる制御範囲の中で所望の分子線の放出量が維持出来ることになる。すなわち、るつぼ内の薄膜素子材料の残量が僅かになるまで、バルブの開度調整により、常に定量の放出分子線量を維持する制御が可能となる。このようなヒータ温度の調整による分子線量の制御は、時間遅延等により、それ単独では精密な制御は不可能である。しかしバルブの開度調整との併用により、精密な分子線量の制御が可能である。

以上説明した通り、本発明による薄膜堆積用分子線源とそれを使用した分子線量制御方法では、るつぼ内の薄膜素子材料が消費され、同材料が次第に減少しても、最後まで定量の放出分子線量を維持する制御が可能となる。しかも、ニードルバルブとヒータ温度の調整との開度調整との併用により、精密な分子線量の制御が可能である。

本発明は、るつぼと真空槽の間にバルブを用いた分子線セルと、真空槽に設けられた放出分子線量を検知する検知器と、この検知器からの信号をもとに分子線セルのニードルバルブを制御するバルブ駆動手段と、バルブ位置信号を基にるつぼの加熱電力を制御する回路により構成される。
以下、本発明を実施するための実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、基板３３に成膜する薄膜として、主成分の薄膜素子材料ａを蒸発し、その分子を放出する第一の分子線源セル１とドーパント等の副成分の薄膜素子材料ｂを蒸発し、その分子を放出する第二の分子線源セル２とを組み合わせた複合分子線源セルの例である。

これらの分子線セル１、２は、るつぼ３１、４１の中に薄膜素子材料ａ、ｂを収納し、ヒータ３２、４２でこの薄膜素子材料ａ、ｂを昇華または蒸発させる材料収納部３、４と、この材料収納部３、４から放出される薄膜素子材料ａ、ｂの分子をリークまたは停止するよう開閉されるバルブ３３、４３と、このバルブ３３、４３から送られてきた薄膜素子材料ａ、ｂの分子をヒータ１５、２５で再加熱し、基板３３に向けて放出する分子放射部１１、２１とを有する。この分子放射部１１、２１は液体窒素水等で冷却されるシュラウド４０で囲まれている。なお、図示はしてないが、るつぼ３１、４１の温度は、その底部に測温点を設けた熱電対等の測温手段で測定される。

これら分子線セル１、２から放出される薄膜素子材料ａ、ｂの分子を受けて、その薄膜を形成する成膜面を有する基板５１側には、その成膜面に向けて放出される分子線量を検知する検知手段として膜厚計１６、２６が設けられている。膜厚計１６が分子線セル１から放出される薄膜素子材料ａの分子線量を検知する検知手段であり、膜厚計２６が分子線セル２から放出される薄膜素子材料ｂの分子線量を検知する検知手段である。

薄膜素子材料ａ、ｂの分子は分子線セル１、２の分子放出口１４、２４から放出され、対向した位置にある基板５１に向かい、蒸着される。この時、材料の一部は膜厚計１６、２６に向かい、この膜厚計１６、２６に補足された薄膜素子材料ａ、ｂの分子線量が検知される。この検知された分子線量と、基板に付着される材料量は一定の関係があるので、基板に付着する薄膜素子材料ａ、ｂの量が判明する。

図２は、主成分の薄膜素子材料ｃを昇華または蒸発して放射する第一の分子線源セル１を示す。
この分子線源セル１の材料収納部３は、ＳＵＳ等の金属の高熱伝導材料からなる円筒容器状のるつぼ３１を有し、このるつぼ３１の中に薄膜素子材料ａが収納されている。

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水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の薄膜素子材料ａを加熱することにより、るつぼ３１内の薄膜素子材料ａ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、薄膜素子材料ａが冷却され、薄膜素子材料の昇華または蒸発が停止される。

このるつぼ３１の薄膜素子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を介してアクチュエータとしてのサーボモータ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。

図４（ａ）は図２のＡ部を拡大した図であるが、前記のリニア運動により、ニードル３４の先端が弁座３５の分子通過孔３８に嵌合され、あるいはその分子通過孔３８から離れて分子通過孔３８が開かれる。図４（ａ）は、ニードル３４の先端が弁座３５の分子通過孔３８に嵌まり込んでその弁座通過孔３８を閉塞している状態であり、バルブ３３が閉じられている状態を示している。

図２に示すように、このバルブ３３により開閉される弁座３５の分子通過孔の先には、分子放射部１１がある。この分子放射部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。前記のバルブ３３側からリークし、分子放射部１１に至った薄膜素子材料の分子は、この分子加熱室１２で所要の温度に再加熱され、分子放出口１４から基板に向けて放射される。

他方、図３は、副成分の薄膜素子材料ｂを昇華または蒸発して放射する第二の分子線源セル２を示す。この第二の分子線源セル２の構成は、基本的に前述した第一の分子線源セル１と同じである。
すなわち、この第二の分子線源セル２の材料収納部４は、ＳＵＳ等の金属の高熱伝導材料からなる円筒容器状のるつぼ４１を有し、このるつぼ４１の中に薄膜素子材料ｂが収納されている。こ

るつぼ４１の周囲にはヒータ４２が配置され、その外側は液体窒素水等で冷却されるシュラウド４９で囲まれている。これらヒータ４２とシュラウド４９の構造及び機能は、図２により前述したヒータ３２とシュラウド３９と全く同様である。

このるつぼ４１の薄膜素子材料の分子が放出される側にバルブ４３が設けられている。このバルブ４３は、やはりニードルバルブであり、先鋭なニードル４４と、そのニードル４４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４５を有している。前記のニードル４４は、ベローズ４７を介してアクチュエータとしてのサーボモータ４６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。

図４（ｂ）は図３のＢ部を拡大した図であるが、前記のリニア運動により、ニードル４４の先端が弁座４５の分子通過孔４８に嵌合され、あるいはその分子通過孔４８から離れて分子通過孔４８が開かれる。この分子線源セル２は、ドーパント等の副材料を放出するものであるため、主材料を放出する前述の分子線源セルに比べて弁座４５の開口径やニードル４４の先端部テーパは小さく、バルブ４３の最大開口面積が小さく設計されている。その分、分子線量の制御は精密に行える。

図３に示すように、前記のバルブ４３により開閉される弁座４５の分子通過孔の先には、分子放射部２１がある。この分子放射部２１は円筒形の分子加熱室２２を有し、この分子加熱室２２の周囲にヒータ２５が設けられている。前記のバルブ４３側からリークし、分子放射部２１に至った薄膜素子材料の分子は、この分子加熱室２２で所要の温度に再加熱され、再凝固することなく分子放出口２４から基板に向けて放射される。

本発明では、前記膜圧計１６、２６からの信号を基に、バルブ３３、４３を駆動してその開度を調整するサーボモータ３６、４６を制御する。これと同時に、るつぼ３１、４１を加熱するヒータ３２、４２に電力を投入する電源を制御する。これらの制御は、前述した膜圧計１６、２６により検知される分子線源セル１、２から放出される分子線量とサーボモータ３６、４６によるバルブ３３、４３の開度情報を制御系に帰還（フィードバック）し、プログラミング制御により行われる。

図５はこの制御系のフローシートを示す図である。双方の分子線源セル１、２において基本的に同じ制御系が用いられ、分子線源セル２の制御系については符号を括弧書きで示してある。
この図５に示すように、膜厚計１６、２６からは分子線源セル１、２から放出される分子線量に応じた信号が発生し、この信号は処理器１７、２７から分子線コントローラ１８、２８を経てバルブコントローラ３７、４７とヒータコントローラ３８、４８に送られる。

分子線コントローラ１８、２８は運転の初期において、電源を兼ねるヒータコントローラ３８、４８に予め定められたるつぼ３１、４１の温度の指令値を送ると共に、分子線量の設定目標値と前記膜圧計１６、２６から処理機１７、２７を経て送られてくる分子線量の現在値の情報からバルブの開度指令値を算出し、これをバルブコントローラ３７、４７へ送る。

バルブコントローラ３７、４７では、処理器１７、２７から送られてくる開度指令値を基に、バルブ３３、４３のサーボモータ３６、４６に駆動信号を送り、バルブ３３、４３の開度、すなわちバルブ３３、３４の全開時に対する流路断面積の比（％）を調整する。これと共に、バルブ３３、３４の開度の現在値を分子線コントローラ１８、２８へ送る。

当然の事ながら、分子線コントローラ１８、２８は膜厚計１６、２６で検知される分子線量が目標に足りない場合にはバルブ３３、４３の開度を大きくする方向にバルブ開度指令値を調整し、分子線量が目標を超えている場合はバルブ３３、４３の開度を小さくする方向にバルブ開度指令値を調整する。

他方、ヒータコントローラ３８、４８では、熱電対等で測定されるるつぼ３１、４１の温度が分子線コントローラ１８、２８から与えられた指令値の温度を維持するようにヒータ３２、４２への投入電力を制御している。ここで、バルブ３３、４３の開度の現在値が予め定められた上限値を超えたとき、分子線コントローラ１８、２８はヒータコントローラ３８、４８にるつぼ３１、４１の温度を上昇するように指令値信号を送る。これにより、るつぼ３１、４１の温度が上昇すると、るつぼ３１、４１の中の薄膜素子材料ａ、ｂの蒸気圧が上昇するため、同じバルブ開度でも分子線量は増大する。このため、分子線コントローラ１８、２８が分子線量を一定にしようとしてバルブコントローラ３７、４７に送るバルブ開度指令値を減少させるため、結果としてバルブ３３、４３の開度の現在値が上限値を下回るように制御される。このときのるつぼ３１、４１の温度上昇速度はあらかじめ定められた値によって行われる。また温度上昇範囲は予め定められた温度上昇値まで制御されるか、もしくは予め定められたバルブ３３、４３の開度を下回るよう制御される。

逆にバルブ３３、４３の開度の現在値が予め定められた下限値を下回ったときは、分子線コントローラ１８、２８はヒータコントローラ３８、４８にるつぼ３１、４１の温度を下降するように指令値信号を送り、るつぼ３１、４１の温度を下げる。
サーボモータ３６、４６のバルブ３３、４３の開度の指示値が定められた上限値と下限値の間にある場合は、ヒータコントローラ３８、４８への指示のへの指示の変更は行われない。

図６に前述の制御のタイムチャートを示す。るつぼ３１、４１の中の薄膜素子材料ａ、ｂの消費に伴い、その量が少なくなると、るつぼ３１、４１の中の薄膜素子材料ａ、ｂの気化量が次第に減少する。これに対応して分子線源セル１、２の分子放出口１４、２４から放出される分子線量は分子線コントローラ１８、２８によりを一定に制御されるため、バルブ３３、４３の開度は時間の経過と共に大きくなる。そして、そのバルブ３３、４３の開度が予め定められた上限値Ｕを越えた時に分子線コントローラ１８、２８からヒータコントローラ３８、４８にるつぼ３１、４１の温度を上昇させるように温度上昇指示がなされる。これに伴い、膜圧計１６、２６で検知される毎時の分子線量が増大傾向になる。これに対応して分子線源セル１、２の分子放出口１４、２４から放出される分子線量を一定にするため、バルブコントローラ３７、４７によりバルブ３３、４３のサーボモータ３６、４６が駆動され、バルブ３３、４３の開度が減少するように制御される。その後、膜圧計１６、２６で検知される毎時の分子線量が減少傾向に転じると、これに対応して分子線源セル１、２の分子放出口１４、２４から放出される分子線量を一定にするため、再びバルブコントローラ３７、４７によりバルブ３３、４３の開度が大きくなるように制御される。こうして膜圧計１６、２６で検知される毎時の分子線量は一定に制御され、安定した値が維持される。

なお、るつぼ３１、４１の温度を予め定められた温度上昇幅で段階的に上降させる場合は、その温度上昇幅はバルブ３３、４３の開度が下限値Ｌに達しない状態で膜圧計１６、２６で検知される毎時の分子線量が減少傾向に転じ、それ以降バルブ開度を増加させる必要がある温度に予め実験し、計算して設定しておく必要がある。

以上に前述した実施例は、２つの分子線源セルから基板５１の分子線を放出して成膜させる例であるが、本発明は、単一の分子線源セルから基板５１の分子線を放出して成膜させるものや、３つ以上の分子線源セルから基板５１の分子線を放出して成膜させるもの等にも適用出来ることは当然のことである。

本発明の一実施形態による分子線源セルを２つ同時に使用した例を示す真空チャンバの分子線源セルの装着部分の縦断側面図である。 同実施形態による一方の分子線源セルを示す縦断側面図である。 同実施形態による他方の分子線源セルを示す縦断側面図である。 図３と図４のそれぞれＡ部とＢ部を示す拡大断面図である。 前記実施形態による分子線源セルのバルブとヒータ電源との制御の例を示すブロック図である。 前記実施形態による分子線源セルのバルブとヒータ電源との制御の例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 分子線源セル
２ 分子線源セル
１４ 分子放出口
１６ 膜厚計
２４ 分子放出口
２６ 膜厚計
３１ るつぼ
３２ ヒータ
３６ サーボモータ
４１ るつぼ
４２ ヒータ
４６ サーボモータ
５１ 基板
ａ 薄膜素子材料
ｂ 薄膜素子材料

Claims (2)

1. 薄膜素子材料を蒸着するための薄膜堆積用分子線源であって、薄膜素子材料を加熱するためのるつぼと、このるつぼを加熱するためのヒータと、このるつぼで発生した薄膜素子材料の分子を成膜面へ向けて放出するための分子放出路とを備え、これらを密閉構造の真空容器に収納し、分子放出路の途中に放出する分子線量を調節するためのバルブを備えた薄膜堆積用分子線源において、前記成膜面に向けて放出される分子線量を検知する検知手段と、この検知手段で検知される分子線量情報を帰還して、バルブ駆動手段によりバルブの開度を調節する制御手段と、前記ヒータの加熱のための電力を供給する加熱電源と、前記分子線量情報とバルブ開度情報とから前記加熱電源の投入電力を調整する制御手段とを備え、この加熱電源の制御手段は、有機物を基板に連続的に蒸着するに際し、所定の分子線量を得るために必要なバルブ開度があらかじめ決められた一定の範囲を超え又は下回るとき、るつぼを加熱する電源に投入する電力を調整し、バルブ開度が一定の範囲内に納まるように制御することを特徴とする薄膜堆積用分子線源。
2. 薄膜素子材料を蒸着するための薄膜堆積用分子線源の分子線量制御方法であって、薄膜素子材料を加熱するためのるつぼと、このるつぼを加熱するためのヒータと、このるつぼで発生した薄膜素子材料の分子を成膜面へ向けて放出するための分子放出路とを備え、これらを密閉構造の真空容器に収納し、分子放出路の途中に放出する分子線量を調節するためのバルブを備えた薄膜堆積用分子線源を使用し、前記成膜面に向けて放出される分子線量を検知する検知手段と、この検知手段で検知される分子線量情報を帰還して、バルブ駆動手段によりバルブの開度を調節する制御手段と、前記ヒータの加熱のための電力を供給する加熱電源と、前記分子線量情報とバルブ開度情報とから前記加熱電源の投入電力を調整する制御手段とを備え、有機物を基板に連続的に蒸着するに際し、所定の分子線量を得るために必要なバルブ開度があらかじめ決められた一定の範囲を超え又は下回るとき、前記加熱電源の制御手段がるつぼを加熱する電源に投入する電力を調整し、バルブ開度が一定の範囲内に納まるように制御することを特徴とする薄膜堆積用分子線源の分子線量制御方法。

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