薄膜沉积用分子束源装置和分子束沉积薄膜的方法

摘要

本发明提供一种薄膜沉积用分子束源装置和分子束沉积薄膜的方法，通过加热蒸发材料(5)、使该蒸发材料(5)熔融后蒸发，产生用于在固体表面上生长薄膜的蒸发分子。该分子束源装置具有装有蒸发材料(5)的坩埚(1)和加热装在该坩埚(1)中的上述蒸发材料(5)的加热单元，把由热和化学稳定且比上述蒸发材料(5)的导热率高的热解氮化硼(PBN)组成的导热介质与上述蒸发材料(5)一起装在上述坩埚(1)中。

说明书

                   技术领域

本发明涉及通过加热蒸发材料熔融该蒸发材料来产生用于在固体表面上生成薄膜的蒸发分子的薄膜沉积用分子束源装置和分子束沉积薄膜的方法，特别涉及最适合热导热率低的有机电致发光材料等蒸发的分子束源装置和分子束沉积薄膜的方法。

                    背景技术

被称为分子束外延装置的薄膜沉积装置，在高真空中可减压的真空舱内放置半导体晶片等基片，在加到所需要的温度的同时，将Kunudsen等分子射线源装置朝向该基片的薄膜生成片放置，通过加热该分子射线源装置的坩埚内的蒸发材料使其熔融、蒸发，使由此产生的蒸发分子入射到上述基片的薄膜生成面上，使薄膜外延生长在该表面上，形成蒸发材料的膜。

在这样的薄膜沉积装置中使用的分子束源装置是在由热、化学稳定性高的例如PBN(热解的氮化硼)等组成的坩埚中装入蒸发材料，用设置在坩埚外侧的电加热器加热该蒸发材料，借此熔融该蒸发材料，使其产生蒸发分子。

近年来在显示和光通讯等领域，有机电致发光元件(有机EL元件)的研究开发正在进行，该有机EL元件是用具有EL发光能的有机低分子或有机高分子材料形成的发光层的元件，作为自身发光型的元件其特性倍受关注。例如其基本的构造以下述方式形成：在霍尔注入电极上形成三苯基双胺(TPD)等霍尔传送材料膜，在该膜上层叠铝羟基喹啉络合物(Alq3)等萤光物质作为发光层，再形成Mg、Li、Cs等功函数小的金属电极作为电子注入电极。

形成上述那样的有机EL的各层使用上述那样的薄膜沉积装置形成。可是，特别是用于形成有机EL膜的有机EL材料融点低、并且导热率也低。因此在准备用上述那样的分子束源装置加热蒸发时，虽然在靠近被加热器加热的坩埚的周壁的周围部分上能得到蒸发所必需的温度，但在坩埚的中央部温度却变得极低，变成不满足蒸发温度的状态。

在这样的状态下，装在坩埚中的材料中仅在靠近坩埚的周壁的周围部分被蒸发，而处在坩埚中央部分的蒸发材料因不被蒸发而留下。因此不仅使材料的利用率下降，还因温度不均匀容易引起薄膜的缺陷。

                      发明内容

本发明是鉴于上述的现有技术中的分子束源装置中的课时而提出的，其目的在于即使对有机EL材料那样的导热率低的蒸发材料也能在坩埚中高效率地进行良好地传热而使坩埚中的温度梯度变小，从而能使蒸发材料有效地蒸发来产生蒸发分子。

为了达到上述目的，本发明在坩埚1中不只装蒸发材料5，还装化学和热稳定并且比该蒸发材料5的热导率高的导热介质4。从而通过上述导热介质4把加热器3的热传到坩埚的内部，使坩埚1的内部的蒸发材料5也能高效率地蒸发。

也就是说，本发明的薄膜沉积用分子束源装置，通过加热蒸发材料5来熔融该蒸发材料5，使蒸发材料5蒸发后，产生用于使薄膜生长在固体表面上的蒸发分子，并具有装有蒸发材料5的坩埚1、加热装在该坩埚1中的上述蒸发材料5的加热手段，将热和化学稳定的且比上述蒸发材料5的导热率高的导热介质4与上述蒸发材料5一起装在上述坩埚1中。

例如，作为导热介质4可以包括热解的氮化硼(PBN)、碳化硅、氮化铝等高导热材料。

在上述那样的薄膜沉积用分子束源装置中，即使在蒸发材料5的导热率低，加热器3的热不能充分传输的情况下，因为导热介质4传送加热器3的热，所以能把热一直传送到坩埚1内部。因坩埚1的周壁附与与中央部的温度差变小而也能容易地使坩埚1内部的蒸发材料蒸发。

另外，因为由热解的氮化硼、碳化硅、氮化铝等高导热材料组成的导热介质4是热和化学稳定的，加热器的加热不会使其蒸发或分解，所以不会混合在发生的蒸发分子中对膜的组成有影响。从而不会防碍目标材料的成膜。

这样，按照本发明的薄膜沉积用分子束源装置，因为即使导热率低的蒸发材料5也能在坩埚1内加热成均匀的温度分布熔融、蒸发，所以可以以高的材料利用率的方式蒸发后在固体的表面上结晶。从而不仅提高材料的利用率，而且还因蒸发材料5没有温度偏差，而可提高通过结晶生成的膜的品质。

                        附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的薄膜沉积用分子束源装置的概略侧面图。

图2是例示装在该薄膜沉积用分子束源装置中的坩埚中蒸发材料和导热介质的状态的剖视图。

图3是表示本发明的另一实施方式的薄膜沉积用薄膜沉积用薄膜沉积用分子束源装置的概略纵剖侧视图。

                        具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明的实施方式。

图1示意地表示本发明的一实施方式的薄膜沉积用分子束源装置。如图1所示，在上端设置具有蒸气排出口的坩埚1，在该坩埚1的周围设置用于加热其内部的蒸发材料5的加热器3。坩埚1由热和化学稳定的材料制成，例如由上述那样的PBN制成。图示的坩埚1蒸气排出口2的部分形成中间变细的形状，形成其上端侧形成有顺次变粗的那样的锥形的喇叭状的引流部11。装有后述的导热介质4和蒸发材料5的坩埚1的蒸气排出口2以下的本体部分是圆筒形。

在加热器3的外侧上设置把该加热器3的热向坩埚1侧反射的反射器6，该反射器6和坩埚1等立设在法兰8上，通过该法兰8安装在图中未示出的真空室的下部的入口上，分子束源装置设置在真空室的内侧。

在坩埚1的底面或周围安排测温元件7的测温度点对坩埚1的加热温度进行测定和监视。

另外，挡板10被枢轴支撑在法兰8上，通过该挡板轴10的回转开闭操作的挡板9开闭坩埚1的蒸气排出口2。

隔着挡板9与坩埚1的蒸气排出口2相对置地在挡板的正上面配置保持在基板保持座12上并形成有半导体晶片、ITO等透明导电膜的玻璃基片13。

在这样的薄膜沉积用分子束源装置中，蒸发材料5装在该坩埚1中，颗粒状的导热介质4与上述蒸发材料5一起装在该坩埚1中。该导热介质4是热和化学稳定的，并且比蒸发材料5的导热率高的材料，例如由与坩埚1相同的PBN、碳化硅或氮化铝等高导热材料制作。

该导热介质4以使其密度在坩埚1中均匀地分散装在坩埚1中。在因蒸发材料5的导热率低而容易使靠近坩埚1的周壁附近的部分与中央部分的温差变大时，使导热介质4更密地装入坩埚1中，而在蒸发材料5的导热率不那样低，在靠近坩埚1的周壁附近的部分与中央部分的温差不大时，则使导热介质4比较疏地装在坩埚1中。使装在坩埚1内导热介质4与蒸发材料5容积比，一般在70％∶30％左右。

在这样的薄膜沉积用分子束源装置中，利用加热器3加热坩埚1时，经坩埚1加热内部的导热介质4，再经该导热介质4加热蒸发材料5。因为导热介质4的导热率比蒸发材料5的高，所以虽然只通过蒸发材料5热不能传送到坩埚1的中央的情况下，但通过该导热介质4热却能传到坩埚1的中央，使处在该坩埚1的中央的蒸发材料5也被加热熔融和蒸发。因此使装在坩埚1中的蒸发材料5普遍加热、熔融和蒸发。

另外，因为导热介质4用与坩埚1同样的PBN等热和化学稳定的材料制作，所以不会因加热器3的加热而熔融和蒸发。因此在坩埚1的蒸发排出口2放射出的蒸发分子中不含有形成导热介质4的分子，不会影响结晶形成的膜的组成。

另外，在蒸发材料5是具有EL发光能的有机低分子或有机高分子材料时，其气化温度比铜等金属低得多，大多在200℃以下。另外，耐热温度也比较低，在上述那样的有机低分子或有机高分子材料的蒸发时，必需加热到其气化温度以上，而在其耐热温度以下。

通过导热介质4加热后气化的蒸发材料5开始从充填在坩埚1中的导热介质4与蒸发材料5的表面蒸发，由于该蒸发面在导热介质4之间产生间隙，在坩埚1的深处的蒸发的蒸气通过该导热介质4的间隙上升，正好变成从充填在坩埚1中的导热介质4的表面蒸发的状态。因为坩埚1内的导热介质4的容是70％左右，所以虽然蒸发材料5蒸发，作为蒸发分子从坩埚1中放射出，在坩埚1内的收纳物的平面改变也不太大，上述的视在蒸发位置不会降低，没有变化。另外，虽然蒸发材料5蒸发后，这些材料作为蒸发分子从坩埚1内放射出，但因在坩埚1内剩有导热介质4，所以热容量的减少也小。

这样，蒸发材料5熔融通过蒸发产生的蒸发材料5的蒸发分子从蒸发排出口放射出。如在打开挡板9的状态下，从蒸汽排出口2放射出的蒸发分子飞向基片3的表面上，在该基板13的表面上凝结沉积成薄膜。

在现有技术的圆筒形的坩埚中，因为蒸发分子的排出口也是圆筒形的，所以因烟囱效应而使在坩埚的中心轴附近的蒸发分子的密度变得很大，从而使基板的中央部与其周边部的膜厚的差变大。

在具有为了改善这些而建议的倒圆锥形的圆锥形的收纳空间的圆锥形坩埚中，由于通过上部扩大的喇叭口使蒸发分子边扩展边放射出，而改变在基片表面上的膜厚不均匀性。但是随着蒸发材料的蒸发的进行，坩埚内的剩余的蒸发材料的容积和其表面积急剧变小。从而使温度控制和蒸发控制等变得非常困难。

与此相反，在图1所示的上述的坩埚1中，蒸发排出口2的部分形成中间变细的形状，由于形成具有其上端部的直径逐渐变大那样的喇叭口的引流部11而在蒸发蒸发材料5时，蒸发分子边如图中用双点划线所示那样扩展，边蒸发。从而使从蒸气排出口2放射出的蒸发分子流在遍及与中心轴线垂直的直径方向上几乎变成均匀，可以在基片13的表面上形成均匀厚度的膜。

并且，因为填充有蒸发材料5和导热介质4的坩埚1的本体部分是圆筒形，而没有圆锥形坩埚那样的缺点。并且如上所述，由于导热介质4与蒸发材料5一起装入在坩埚1中，所以虽然蒸发材料5蒸发后，这些材料作为蒸发分子从坩埚1内放射出，但坩埚1内剩余的收纳物的视在容积，即坩埚1内的收纳物的水平面并无下降，几乎没有变化。并且坩埚1内的收纳物的热容量的变动也很小。从而使蒸发材料5的加热温度的控制和蒸发分子的产生量的控制是非常容易的。

上述的例子是使导热介质4与蒸发材料5分散后每装入在坩埚1中的例子。与此相反，例如如图2所示那样，也可把颗粒状的导热媒体作为芯，在其表面上包覆蒸发材料5，将该包覆后的颗粒装有坩埚1中。这样，用加热器经坩埚1加热蒸发材料5时，因为作为芯的导热介质4也同时被加热，而使坩埚1内部的温度分布均匀，可以不用普遍地加热坩埚内部的蒸发材料，使其熔融蒸发。

下面说明图3所示的本发明另一实施方式的薄膜沉积用分子束源装置，在该分子束源装置上形成在坩埚1的中间变细的蒸气排出口2的前上端上具有内径逐渐变大的那样的喇叭口的引流部11。使该引流部11比上述的图1的实施方式的引流部长，并且使其喇叭状形成得比较平缓。通过这样的引入部11可以使从蒸气排出口放射出的蒸发分子具有指向性，在被限定的方向形成密度均匀的蒸发分子流。借此可以提高在基片上限定的成膜面上的成膜效率，并且可以使薄膜生成均匀。