專利名稱：薄膜沉積用分子束源裝置和分子束沉積薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)加熱蒸發(fā)材料熔融該蒸發(fā)材料來(lái)產(chǎn)生用于在固體表面上生成薄膜的蒸發(fā)分子的薄膜沉積用分子束源裝置和分子束沉積薄膜的方法，特別涉及最適合熱導(dǎo)熱率低的有機(jī)電致發(fā)光材料等蒸發(fā)的分子束源裝置和分子束沉積薄膜的方法。
背景技術(shù)：
被稱為分子束外延裝置的薄膜沉積裝置，在高真空中可減壓的真空艙內(nèi)放置半導(dǎo)體晶片等基片，在加到所需要的溫度的同時(shí)，將Kunudsen等分子射線源裝置朝向該基片的薄膜生成片放置，通過(guò)加熱該分子射線源裝置的坩堝內(nèi)的蒸發(fā)材料使其熔融、蒸發(fā)，使由此產(chǎn)生的蒸發(fā)分子入射到上述基片的薄膜生成面上，使薄膜外延生長(zhǎng)在該表面上，形成蒸發(fā)材料的膜。
在這樣的薄膜沉積裝置中使用的分子束源裝置是在由熱、化學(xué)穩(wěn)定性高的例如PBN(熱解的氮化硼)等組成的坩堝中裝入蒸發(fā)材料，用設(shè)置在坩堝外側(cè)的電加熱器加熱該蒸發(fā)材料，借此熔融該蒸發(fā)材料，使其產(chǎn)生蒸發(fā)分子。
近年來(lái)在顯示和光通訊等領(lǐng)域，有機(jī)電致發(fā)光元件(有機(jī)EL元件)的研究開(kāi)發(fā)正在進(jìn)行，該有機(jī)EL元件是用具有EL發(fā)光能的有機(jī)低分子或有機(jī)高分子材料形成的發(fā)光層的元件，作為自身發(fā)光型的元件其特性倍受關(guān)注。例如其基本的構(gòu)造以下述方式形成在霍爾注入電極上形成三苯基雙胺(TPD)等霍爾傳送材料膜，在該膜上層疊鋁羥基喹啉絡(luò)合物(Alq3)等螢光物質(zhì)作為發(fā)光層，再形成Mg、Li、Cs等功函數(shù)小的金屬電極作為電子注入電極。
形成上述那樣的有機(jī)EL的各層使用上述那樣的薄膜沉積裝置形成?？墒?，特別是用于形成有機(jī)EL膜的有機(jī)EL材料融點(diǎn)低、并且導(dǎo)熱率也低。因此在準(zhǔn)備用上述那樣的分子束源裝置加熱蒸發(fā)時(shí)，雖然在靠近被加熱器加熱的坩堝的周壁的周圍部分上能得到蒸發(fā)所必需的溫度，但在坩堝的中央部溫度卻變得極低，變成不滿足蒸發(fā)溫度的狀態(tài)。
在這樣的狀態(tài)下，裝在坩堝中的材料中僅在靠近坩堝的周壁的周圍部分被蒸發(fā)，而處在坩堝中央部分的蒸發(fā)材料因不被蒸發(fā)而留下。因此不僅使材料的利用率下降，還因溫度不均勻容易引起薄膜的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述的現(xiàn)有技術(shù)中的分子束源裝置中的課時(shí)而提出的，其目的在于即使對(duì)有機(jī)EL材料那樣的導(dǎo)熱率低的蒸發(fā)材料也能在坩堝中高效率地進(jìn)行良好地傳熱而使坩堝中的溫度梯度變小，從而能使蒸發(fā)材料有效地蒸發(fā)來(lái)產(chǎn)生蒸發(fā)分子。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明在坩堝1中不只裝蒸發(fā)材料5，還裝化學(xué)和熱穩(wěn)定并且比該蒸發(fā)材料5的熱導(dǎo)率高的導(dǎo)熱介質(zhì)4。從而通過(guò)上述導(dǎo)熱介質(zhì)4把加熱器3的熱傳到坩堝的內(nèi)部，使坩堝1的內(nèi)部的蒸發(fā)材料5也能高效率地蒸發(fā)。
也就是說(shuō)，本發(fā)明的薄膜沉積用分子束源裝置，通過(guò)加熱蒸發(fā)材料5來(lái)熔融該蒸發(fā)材料5，使蒸發(fā)材料5蒸發(fā)后，產(chǎn)生用于使薄膜生長(zhǎng)在固體表面上的蒸發(fā)分子，并具有裝有蒸發(fā)材料5的坩堝1、加熱裝在該坩堝1中的上述蒸發(fā)材料5的加熱手段，將熱和化學(xué)穩(wěn)定的且比上述蒸發(fā)材料5的導(dǎo)熱率高的導(dǎo)熱介質(zhì)4與上述蒸發(fā)材料5一起裝在上述坩堝1中。
例如，作為導(dǎo)熱介質(zhì)4可以包括熱解的氮化硼(PBN)、碳化硅、氮化鋁等高導(dǎo)熱材料。
在上述那樣的薄膜沉積用分子束源裝置中，即使在蒸發(fā)材料5的導(dǎo)熱率低，加熱器3的熱不能充分傳輸?shù)那闆r下，因?yàn)閷?dǎo)熱介質(zhì)4傳送加熱器3的熱，所以能把熱一直傳送到坩堝1內(nèi)部。因坩堝1的周壁附與與中央部的溫度差變小而也能容易地使坩堝1內(nèi)部的蒸發(fā)材料蒸發(fā)。
另外，因?yàn)橛蔁峤獾牡?、碳化硅、氮化鋁等高導(dǎo)熱材料組成的導(dǎo)熱介質(zhì)4是熱和化學(xué)穩(wěn)定的，加熱器的加熱不會(huì)使其蒸發(fā)或分解，所以不會(huì)混合在發(fā)生的蒸發(fā)分子中對(duì)膜的組成有影響。從而不會(huì)防礙目標(biāo)材料的成膜。
這樣，按照本發(fā)明的薄膜沉積用分子束源裝置，因?yàn)榧词箤?dǎo)熱率低的蒸發(fā)材料5也能在坩堝1內(nèi)加熱成均勻的溫度分布熔融、蒸發(fā)，所以可以以高的材料利用率的方式蒸發(fā)后在固體的表面上結(jié)晶。從而不僅提高材料的利用率，而且還因蒸發(fā)材料5沒(méi)有溫度偏差，而可提高通過(guò)結(jié)晶生成的膜的品質(zhì)。


圖1是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式的薄膜沉積用分子束源裝置的概略側(cè)面圖。
圖2是例示裝在該薄膜沉積用分子束源裝置中的坩堝中蒸發(fā)材料和導(dǎo)熱介質(zhì)的狀態(tài)的剖視圖。
圖3是表示本發(fā)明的另一實(shí)施方式的薄膜沉積用薄膜沉積用薄膜沉積用分子束源裝置的概略縱剖側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。
圖1示意地表示本發(fā)明的一實(shí)施方式的薄膜沉積用分子束源裝置。如圖1所示，在上端設(shè)置具有蒸氣排出口的坩堝1，在該坩堝1的周圍設(shè)置用于加熱其內(nèi)部的蒸發(fā)材料5的加熱器3。坩堝1由熱和化學(xué)穩(wěn)定的材料制成，例如由上述那樣的PBN制成。圖示的坩堝1蒸氣排出口2的部分形成中間變細(xì)的形狀，形成其上端側(cè)形成有順次變粗的那樣的錐形的喇叭狀的引流部11。裝有后述的導(dǎo)熱介質(zhì)4和蒸發(fā)材料5的坩堝1的蒸氣排出口2以下的本體部分是圓筒形。
在加熱器3的外側(cè)上設(shè)置把該加熱器3的熱向坩堝1側(cè)反射的反射器6，該反射器6和坩堝1等立設(shè)在法蘭8上，通過(guò)該法蘭8安裝在圖中未示出的真空室的下部的入口上，分子束源裝置設(shè)置在真空室的內(nèi)側(cè)。
在坩堝1的底面或周圍安排測(cè)溫元件7的測(cè)溫度點(diǎn)對(duì)坩堝1的加熱溫度進(jìn)行測(cè)定和監(jiān)視。
另外，擋板10被樞軸支撐在法蘭8上，通過(guò)該擋板軸10的回轉(zhuǎn)開(kāi)閉操作的擋板9開(kāi)閉坩堝1的蒸氣排出口2。
隔著擋板9與坩堝1的蒸氣排出口2相對(duì)置地在擋板的正上面配置保持在基板保持座12上并形成有半導(dǎo)體晶片、ITO等透明導(dǎo)電膜的玻璃基片13。
在這樣的薄膜沉積用分子束源裝置中，蒸發(fā)材料5裝在該坩堝1中，顆粒狀的導(dǎo)熱介質(zhì)4與上述蒸發(fā)材料5一起裝在該坩堝1中。該導(dǎo)熱介質(zhì)4是熱和化學(xué)穩(wěn)定的，并且比蒸發(fā)材料5的導(dǎo)熱率高的材料，例如由與坩堝1相同的PBN、碳化硅或氮化鋁等高導(dǎo)熱材料制作。
該導(dǎo)熱介質(zhì)4以使其密度在坩堝1中均勻地分散裝在坩堝1中。在因蒸發(fā)材料5的導(dǎo)熱率低而容易使靠近坩堝1的周壁附近的部分與中央部分的溫差變大時(shí)，使導(dǎo)熱介質(zhì)4更密地裝入坩堝1中，而在蒸發(fā)材料5的導(dǎo)熱率不那樣低，在靠近坩堝1的周壁附近的部分與中央部分的溫差不大時(shí)，則使導(dǎo)熱介質(zhì)4比較疏地裝在坩堝1中。使裝在坩堝1內(nèi)導(dǎo)熱介質(zhì)4與蒸發(fā)材料5容積比，一般在70％∶30％左右。
在這樣的薄膜沉積用分子束源裝置中，利用加熱器3加熱坩堝1時(shí)，經(jīng)坩堝1加熱內(nèi)部的導(dǎo)熱介質(zhì)4，再經(jīng)該導(dǎo)熱介質(zhì)4加熱蒸發(fā)材料5。因?yàn)閷?dǎo)熱介質(zhì)4的導(dǎo)熱率比蒸發(fā)材料5的高，所以雖然只通過(guò)蒸發(fā)材料5熱不能傳送到坩堝1的中央的情況下，但通過(guò)該導(dǎo)熱介質(zhì)4熱卻能傳到坩堝1的中央，使處在該坩堝1的中央的蒸發(fā)材料5也被加熱熔融和蒸發(fā)。因此使裝在坩堝1中的蒸發(fā)材料5普遍加熱、熔融和蒸發(fā)。
另外，因?yàn)閷?dǎo)熱介質(zhì)4用與坩堝1同樣的PBN等熱和化學(xué)穩(wěn)定的材料制作，所以不會(huì)因加熱器3的加熱而熔融和蒸發(fā)。因此在坩堝1的蒸發(fā)排出口2放射出的蒸發(fā)分子中不含有形成導(dǎo)熱介質(zhì)4的分子，不會(huì)影響結(jié)晶形成的膜的組成。
另外，在蒸發(fā)材料5是具有EL發(fā)光能的有機(jī)低分子或有機(jī)高分子材料時(shí)，其氣化溫度比銅等金屬低得多，大多在200℃以下。另外，耐熱溫度也比較低，在上述那樣的有機(jī)低分子或有機(jī)高分子材料的蒸發(fā)時(shí)，必需加熱到其氣化溫度以上，而在其耐熱溫度以下。
通過(guò)導(dǎo)熱介質(zhì)4加熱后氣化的蒸發(fā)材料5開(kāi)始從充填在坩堝1中的導(dǎo)熱介質(zhì)4與蒸發(fā)材料5的表面蒸發(fā)，由于該蒸發(fā)面在導(dǎo)熱介質(zhì)4之間產(chǎn)生間隙，在坩堝1的深處的蒸發(fā)的蒸氣通過(guò)該導(dǎo)熱介質(zhì)4的間隙上升，正好變成從充填在坩堝1中的導(dǎo)熱介質(zhì)4的表面蒸發(fā)的狀態(tài)。因?yàn)檑釄?內(nèi)的導(dǎo)熱介質(zhì)4的容是70％左右，所以雖然蒸發(fā)材料5蒸發(fā)，作為蒸發(fā)分子從坩堝1中放射出，在坩堝1內(nèi)的收納物的平面改變也不太大，上述的視在蒸發(fā)位置不會(huì)降低，沒(méi)有變化。另外，雖然蒸發(fā)材料5蒸發(fā)后，這些材料作為蒸發(fā)分子從坩堝1內(nèi)放射出，但因在坩堝1內(nèi)剩有導(dǎo)熱介質(zhì)4，所以熱容量的減少也小。
這樣，蒸發(fā)材料5熔融通過(guò)蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸發(fā)材料5的蒸發(fā)分子從蒸發(fā)排出口放射出。如在打開(kāi)擋板9的狀態(tài)下，從蒸汽排出口2放射出的蒸發(fā)分子飛向基片3的表面上，在該基板13的表面上凝結(jié)沉積成薄膜。
在現(xiàn)有技術(shù)的圓筒形的坩堝中，因?yàn)檎舭l(fā)分子的排出口也是圓筒形的，所以因煙囪效應(yīng)而使在坩堝的中心軸附近的蒸發(fā)分子的密度變得很大，從而使基板的中央部與其周邊部的膜厚的差變大。
在具有為了改善這些而建議的倒圓錐形的圓錐形的收納空間的圓錐形坩堝中，由于通過(guò)上部擴(kuò)大的喇叭口使蒸發(fā)分子邊擴(kuò)展邊放射出，而改變?cè)诨砻嫔系哪ず癫痪鶆蛐?。但是隨著蒸發(fā)材料的蒸發(fā)的進(jìn)行，坩堝內(nèi)的剩余的蒸發(fā)材料的容積和其表面積急劇變小。從而使溫度控制和蒸發(fā)控制等變得非常困難。
與此相反，在圖1所示的上述的坩堝1中，蒸發(fā)排出口2的部分形成中間變細(xì)的形狀，由于形成具有其上端部的直徑逐漸變大那樣的喇叭口的引流部11而在蒸發(fā)蒸發(fā)材料5時(shí)，蒸發(fā)分子邊如圖中用雙點(diǎn)劃線所示那樣擴(kuò)展，邊蒸發(fā)。從而使從蒸氣排出口2放射出的蒸發(fā)分子流在遍及與中心軸線垂直的直徑方向上幾乎變成均勻，可以在基片13的表面上形成均勻厚度的膜。
并且，因?yàn)樘畛溆姓舭l(fā)材料5和導(dǎo)熱介質(zhì)4的坩堝1的本體部分是圓筒形，而沒(méi)有圓錐形坩堝那樣的缺點(diǎn)。并且如上所述，由于導(dǎo)熱介質(zhì)4與蒸發(fā)材料5一起裝入在坩堝1中，所以雖然蒸發(fā)材料5蒸發(fā)后，這些材料作為蒸發(fā)分子從坩堝1內(nèi)放射出，但坩堝1內(nèi)剩余的收納物的視在容積，即坩堝1內(nèi)的收納物的水平面并無(wú)下降，幾乎沒(méi)有變化。并且坩堝1內(nèi)的收納物的熱容量的變動(dòng)也很小。從而使蒸發(fā)材料5的加熱溫度的控制和蒸發(fā)分子的產(chǎn)生量的控制是非常容易的。
上述的例子是使導(dǎo)熱介質(zhì)4與蒸發(fā)材料5分散后每裝入在坩堝1中的例子。與此相反，例如如圖2所示那樣，也可把顆粒狀的導(dǎo)熱媒體作為芯，在其表面上包覆蒸發(fā)材料5，將該包覆后的顆粒裝有坩堝1中。這樣，用加熱器經(jīng)坩堝1加熱蒸發(fā)材料5時(shí)，因?yàn)樽鳛樾镜膶?dǎo)熱介質(zhì)4也同時(shí)被加熱，而使坩堝1內(nèi)部的溫度分布均勻，可以不用普遍地加熱坩堝內(nèi)部的蒸發(fā)材料，使其熔融蒸發(fā)。
下面說(shuō)明圖3所示的本發(fā)明另一實(shí)施方式的薄膜沉積用分子束源裝置，在該分子束源裝置上形成在坩堝1的中間變細(xì)的蒸氣排出口2的前上端上具有內(nèi)徑逐漸變大的那樣的喇叭口的引流部11。使該引流部11比上述的圖1的實(shí)施方式的引流部長(zhǎng)，并且使其喇叭狀形成得比較平緩。通過(guò)這樣的引入部11可以使從蒸氣排出口放射出的蒸發(fā)分子具有指向性，在被限定的方向形成密度均勻的蒸發(fā)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勻。
權(quán)利要求
1.一種薄膜沉積用分子束源裝置，該裝置用在真空薄膜沉積中蒸鍍裝置中，蒸發(fā)材料在該蒸發(fā)室內(nèi)被加熱到熔融、蒸發(fā)，以便產(chǎn)生用于在一固體表面上生長(zhǎng)該材料的薄膜的蒸氣分子，其特征在于，包括一個(gè)用于在里面裝蒸發(fā)材料的坩堝；和一個(gè)用于加熱裝在該坩堝里面的蒸發(fā)材料的加熱單元，導(dǎo)熱介質(zhì)與所述蒸發(fā)材料一起裝入在所述坩堝內(nèi)，所述導(dǎo)熱介質(zhì)具有高的熱穩(wěn)定的和化學(xué)穩(wěn)定性，其導(dǎo)熱率比所述蒸發(fā)材料的導(dǎo)熱率高。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積用分子束源裝置，其特征在于所述導(dǎo)熱介質(zhì)是由高熱導(dǎo)材料組成，至少包括熱解的氮化硼、碳化硅和氮化鋁中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積用分子束源裝置，其特征在于所述導(dǎo)熱介質(zhì)成顆粒狀。
4.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積用分子束源裝置，其特征在于所述導(dǎo)熱介質(zhì)由與所述坩堝材料相同的材料構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積用分子束源裝置，其特征在于所述導(dǎo)熱介質(zhì)以顆粒狀包圍在蒸發(fā)材料周圍。
6.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積用分子束源裝置，其特征在于所述裝在坩堝中的導(dǎo)熱介質(zhì)是與所述蒸發(fā)材料以容積比大致為70％∶30％的混合物。
7.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積用分子束源裝置，其特征在于所述加熱組件配置在所述坩堝的周圍，以便使加熱組件包圍所述的坩堝。
8.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積用分子束源裝置，其特征在于所述坩堝有一個(gè)形成在該坩堝頂部上的類似喇叭形的引流部分。
9.如權(quán)利要求8所述的薄膜沉積用分子束源裝置，其特征在于所述坩堝的類似喇叭形的引流部分帶有錐度，以使在所述坩堝的圓柱體的頂部變窄，而其直徑向下逐漸變寬。
10.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積用分子束源裝置，其特征在于所述蒸發(fā)材料包括有機(jī)電致發(fā)光材料。
11.一種分子束沉積薄膜的方法，所述方法在真空薄膜沉積中使用，其特征在于，包括下述步驟制備成顆粒狀的蒸發(fā)材料；將所述蒸發(fā)材料與導(dǎo)熱材料一起裝入一個(gè)坩堝內(nèi)；加熱所述坩堝，以便使所述蒸發(fā)材料在坩堝內(nèi)蒸發(fā)；和把在所述坩堝內(nèi)蒸發(fā)的所述蒸發(fā)材料蒸鍍?cè)谝粋€(gè)固體的表面上，以便沉積成薄膜。
12.如權(quán)利要求11所述的分子束沉積薄膜的方法，其特征在于所述蒸發(fā)材料包括有機(jī)電致發(fā)光材料。
13.如權(quán)利要求11所述的分子束沉積薄膜的方法，其特征在于所述導(dǎo)熱介質(zhì)形成顆粒狀。
14.如權(quán)利要求11所述的分子束沉積薄膜的方法，其特征在于所述導(dǎo)熱介質(zhì)是由高導(dǎo)熱材料組成，至少包括熱解的氮化硼，碳化硅和氮化鋁中的一種。
15.如權(quán)利要求11所述的分子束沉積薄膜的方法，其特征在于所述導(dǎo)熱介質(zhì)由與所述坩堝的材料相同的材料組成。
16.如權(quán)利要求11所述的分子束沉積薄膜的方法，其特征在于所述導(dǎo)熱介質(zhì)以成顆粒狀覆蓋在蒸發(fā)材料的周圍。
17.如權(quán)利要求11所述的分子束沉積薄膜的方法，其特征在于所述裝在所述坩堝中的導(dǎo)熱材料與所述蒸發(fā)材料按容積比大約70％∶30％混合。
全文摘要
本發(fā)明提供一種薄膜沉積用分子束源裝置和分子束沉積薄膜的方法，通過(guò)加熱蒸發(fā)材料(5)、使該蒸發(fā)材料(5)熔融后蒸發(fā)，產(chǎn)生用于在固體表面上生長(zhǎng)薄膜的蒸發(fā)分子。該分子束源裝置具有裝有蒸發(fā)材料(5)的坩堝(1)和加熱裝在該坩堝(1)中的上述蒸發(fā)材料(5)的加熱單元，把由熱和化學(xué)穩(wěn)定且比上述蒸發(fā)材料(5)的導(dǎo)熱率高的熱解氮化硼(PBN)組成的導(dǎo)熱介質(zhì)與上述蒸發(fā)材料(5)一起裝在上述坩堝(1)中。
文檔編號(hào)C30B23/02GK1393575SQ0212492
公開(kāi)日2003年1月29日 申請(qǐng)日期2002年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月26日
發(fā)明者水上時(shí)雄, 齋藤建勇, 城戶淳二 申請(qǐng)人:愛(ài)美思公司, 株式會(huì)社日本微拓科技, 城戶淳二