JP2015124440A - 分析用小型真空蒸着装置および、蒸着膜の成膜時分析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板に膜を成膜する過程での、特に成膜初期過程での、膜の品質を、リアルタイムにて分析が可能な分析用小型真空蒸着装置および、蒸着膜の成膜時分析方法を提供する。
【解決手段】容器６と、前記容器内の上部に配置された第１のるつぼホルダーと、第２のるつぼホルダーと、前記容器内の下部に配置された基板支持部５と、前記複数個のるつぼホルダーに、個々に配置されたシャッター２ａ、２ｂと、前記基板支持部５の上部に配置されたシャッター３とで構成された分析用小型真空蒸着装置１００であって、前記るつぼホルダーは、開口部を下方に配置したガラス製るつぼと、抵抗ヒータとを有し、前記ガラス製るつぼに投入された原料の蒸気が、前記抵抗ヒータで加熱され、前記容器の下方に拡散し、前記基板支持部に配置された基板４上に蒸気が到達して、前記基板上に膜が成膜される分析用小型真空蒸着装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、るつぼ内の原料を加熱して、原料の蒸気を下方に拡散させて、基板に膜を成膜する構造を有する真空蒸着装置であって、前記基板に膜を成膜する過程で、特に成膜初期過程での、膜の品質を、リアルタイムに分析できる分析用小型真空蒸着装置および、蒸着膜の成膜時分析方法に関する。

従来の真空蒸着装置は、容器の下部にるつぼが配置され、上部に基板が配置された構造であって、るつぼ内の原料を加熱して、原料の蒸気を、上側に拡散させ、上部に配置された基板上に、膜を成膜する。

特許文献１には、有機ＥＬ素子を製造するための真空蒸着装置が開示されており、膜厚センサーによって蒸着レートを計測することが記載されている。

特許文献２には、蒸着装置において、多数の基板の薄膜の膜厚を成膜中に測定する方法について記載されている。ここで、特許文献１、特許文献２ともに、蒸着装置の下方に原料が配置され、上方の基板が配置される構造の蒸着装置である。

特開２０１０−１９６０８２号公報 特開２０１３−１４７９８号公報

従来の特許文献１、特許文献２では、基板への成膜する膜の膜厚については、モニターすることは記載されているが、膜の品質、特の成膜初期における膜の品質を分析することに関しては、全く開示されていない。

本発明の課題は、蒸着装置において、基板に膜を成膜する過程での、特に成膜初期過程での、膜の品質を、リアルタイムにて分析が可能で、小型化された分析用小型真空蒸着装置および、蒸着膜の成膜時分析方法を提供することである。

本発明の請求項１の分析用小型真空蒸着装置は、容器と、前記容器内の上部に配置された複数個のるつぼホルダーと、前記容器内の下部に配置された基板支持部と、前記複数個のるつぼホルダーに、個々に配置されたシャッターと、前記基板ホルダーの上部に配置されたシャッターとで構成された分析用小型真空蒸着装置であって、前記るつぼホルダーは、開口部を下方に向けたガラス製るつぼと、抵抗ヒータとを有し、前記ガラス製るつぼに投入された原料の蒸気が、前記抵抗ヒータで加熱され、前記容器の下方に拡散し、前記基板支持部に配置された基板上に蒸気が到達して、前記基板上に膜が成膜されることを特徴とする分析用小型真空蒸着装置である。

本発明の請求項２の分析用小型真空蒸着装置は、前記複数個のるつぼホルダーのガラス製るつぼの内部には、膜を成膜するための原料が、金属の細線をまるめて作製された蓋によって保持されていることを特徴とする請求項１記載の分析用小型真空蒸着装置である。

本発明の請求項３の分析用小型真空蒸着装置は、前記容器には、分析光の入力用の透過用窓、および基板からの反射光の透過用窓が配置され、外部に設置された分析機器の分析光によって、基板上の膜の成膜過程での、成膜初期過程での膜の分析が行われることを特徴とする請求項１記載の分析用小型真空蒸着装置である。

本発明の請求項４の分析用小型真空蒸着装置は、前記分析光は、Ｘ線あるいは放射光であることを特徴とする請求項３記載の分析用小型真空蒸着装置である。

本発明の請求項５の分析用小型真空蒸着装置は、前記基板上に有機薄膜トランジスタ、あるいは有機薄膜太陽電池の膜が成膜されることを特徴とする請求項１記載の分析用小型真空蒸着装置である。

本発明の請求項６の分析用小型真空蒸着装置は、前記容器は、上側容器と、下側容器とが合体して構成されており、前記下側容器内に基板支持部と、分析光の入力用の透過用窓、および基板からの反射光の透過用窓が設置されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の分析用小型真空蒸着装置である。

本発明の請求項７の蒸着膜の成膜時分析方法は、容器内の上部に複数個のるつぼホルダーを配置し、前記容器内の下部に基板支持部を配置し、前記複数個のるつぼホルダーに、個々にシャッターを配置し、前記基板ホルダーの上部にシャッターを配置し、前記るつぼホルダーに、開口部を下方に配置したガラス製るつぼと、抵抗ヒータとを配置し、前記ガラス製るつぼに投入された原料が、前記抵抗ヒータで加熱され、前記ガラス製るつぼに投入された原料の蒸気が、前記容器の下方に拡散し、前記基板支持部に配置された基板上に到達して、前記基板上に膜が成膜される過程において、前記容器に、分析光の入射光用の透過用窓、および基板の膜からの反射光用の透過用窓を配置して、外部分析装置からの入射光が、前記入射光用の透過用窓を通過して、基板上の成膜中の膜にあたり、反射して、反射光用の透過用窓を通過して、外部分析装置にもどり、前記膜の分析が行われ、基板上の膜の成膜過程で初期形成過程での、膜の分析を、実時間で行なうことを特徴とする蒸着膜の成膜時分析方法である。

本発明の請求項８の蒸着膜の成膜時分析方法は、前記複数個のるつぼホルダーのガラス製るつぼの内部に、膜を成膜するための原料を、金属の細線をまとめて作製された蓋によって保持することを特徴とする請求項７記載の蒸着膜の成膜時分析方法である。

本発明の請求項９の蒸着膜の成膜時分析方法は、前記容器には、分析光の入力用の透過用窓、および基板からの反射光の透過用窓が配置され、外部の分析機器の分析光によって、基板上の膜の成膜過程での、成膜初期過程での膜の分析を行なうことを特徴とする請求項７記載の蒸着膜の成膜時分析方法である。

本発明の請求項１０の蒸着膜の成膜時分析方法は、前記分析光を、Ｘ線あるいは放射光とすることを特徴とする請求項９記載の蒸着膜の成膜時分析方法である。

本発明の請求項１１の蒸着膜の成膜時分析方法は、前記基板上に有機薄膜トランジスタ、あるいは有機薄膜太陽電池の膜を成膜することを特徴とする請求項７記載の蒸着膜の成膜時分析方法である。

本発明の請求項１２の蒸着膜の成膜時分析方法は、前記容器を、上側容器と、下側容器とを合体して構成し、前記下側容器内に基板支持部と、分析光の入力用の透過用窓、および基板からの反射光の透過用窓を設置することを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか１項記載の蒸着膜の成膜時分析方法である。

請求項１、２の分析用小型真空蒸着装置によれば、るつぼホルダーの開口部を下側に配置した、安定して成膜可能な分析用小型真空蒸着装置を提供することができる。

請求項３、４、５の分析用小型真空蒸着装置によれば、Ｘ線あるいは放射光にて基板に膜を成膜する過程での、特に成膜初期過での、膜の品質を、リアルタイムにて分析が可能な分析用小型真空蒸着装置を提供できる。

請求項６の分析用小型真空蒸着装置によれば、容器を上側容器と下側容器に分割するので、より小型化された、作業状態のすぐれた分析用小型真空蒸着装置を提供できる。

請求項７、８の蒸着膜の成膜時分析方法によれば、るつぼホルダーの開口部を下側に配置した、安定した分析可能な蒸着膜の成膜時分析方法を提供することができる。

請求項９、１０、１１の蒸着膜の成膜時分析方法によれば、Ｘ線あるいは放射光にて基板に膜を成膜する過程での、特に成膜初期過での、膜の品質を、リアルタイムにて分析が可能な蒸着膜の成膜時分析方法を提供できる。

請求項１２の蒸着膜の成膜時分析方法によれば、容器を上側容器と下側容器に分割するので、より小型化された、作業状態のすぐれた蒸着膜の成膜時分析方法を提供できる。

本発明によれば、蒸着装置において、基板に膜を成膜する過程での、特に成膜初期過での、膜の品質を、リアルタイムにて分析が可能であり、かつ小型化された分析用小型真空蒸着装置および、蒸着膜の成膜時分析方法を提供することができる。

実施例１の分析用小型真空蒸着装置の断面図。 図１の分析用小型真空蒸着装置での２個のるつぼホルダーの拡大図。 実施例２の分析用小型真空蒸着装置の断面図。 分析装置の図。 電極を配置した基板。 有機半導体（α−セキシチオフェン）を真空蒸着しながらソース−ドレイン電極間に流れる電流をモニターした図。 チャネル間のリアルタイムＸ線回折データ。 ペンタセン(C22H14)、パーフルオロペンタセン(C22F14)の分子構造の図。 ペンタセンとパーフルオロペンタセンの組成の違いによる２次元Ｘ線回折パターンの測定例。 ペンタセンとパーフルオロペンタセンの２元蒸着膜の太陽電池特性。 ペンタセンとパーフルオロペンタセンの２元蒸着膜のトランジスタ特性。 太陽電池の構造図であり、pin構造（透明電極／ｐ型層／混合層／n型層／金属電極）の場合と、組成傾斜構造の場合の図。

本発明の実施の形態による分析用小型真空蒸着装置は、容器と、前記容器内の上部に配置された複数個のるつぼホルダーと、前記容器内の下部に配置された基板支持部と、
前記複数個のるつぼホルダーに、個々に配置されたシャッターと、前記基板ホルダーの上部に配置されたシャッターとで構成された分析用小型真空蒸着装置であって、前記るつぼホルダーは、開口部を下方に向けたガラス製るつぼと、抵抗ヒータとを有し、前記ガラス製るつぼに投入された原料の蒸気が、前記抵抗ヒータで加熱され、前記容器の下方に拡散し、前記基板支持部に配置された基板上に蒸気が到達して、前記基板上に膜が成膜されることを特徴とする分析用小型真空蒸着装置である。

ここで、前記複数個のるつぼホルダーのガラス製るつぼの内部には、膜を成膜するための原料が、金属の細線をまるめて作製された蓋によって保持されている。また、前記容器には、分析光の入力用の透過用窓、および基板からの反射光の透過用窓が配置され、外部に設置された分析機器の分析光によって、基板上の膜の成膜過程での、成膜初期過程での膜の分析が行われる。前記分析光は、Ｘ線あるいは放射光である。前記基板上には、有機薄膜トランジスタ、あるいは有機薄膜太陽電池の膜が成膜される。

ここで、前記容器は、上側容器と、下側容器とが合体して構成されており、前記下側容器内に基板支持部と、分析光の入力用の透過用窓、および基板からの反射光の透過用窓が設置されている。このように、容器を上側容器と下側容器に分割するので、装置が、より小型化され、作業状態のすぐれた装置を提供でき、特に、外部の分析機器の配置に合わせて分析用小型真空蒸着装置を配置することが可能となる。

本発明の実施の形態による蒸着膜の成膜時分析方法は、容器内の上部に複数個のるつぼホルダーを配置し、前記容器内の下部に基板支持部を配置し、前記複数個のるつぼホルダーに、個々にシャッターを配置し、前記基板ホルダーの上部にシャッターを配置し、前記るつぼホルダーに、開口部を下方に配置したガラス製るつぼと、抵抗ヒータとを配置し、前記ガラス製るつぼに投入された原料が、前記抵抗ヒータで加熱され、前記ガラス製るつぼに投入された原料の蒸気が、前記容器の下方に拡散し、前記基板支持部に配置された基板上に到達して、前記基板上に膜が成膜される過程において、前記容器に、分析光の入射光用の透過用窓、および基板の膜からの反射光用の透過用窓を配置して、外部分析装置からの入射光が、前記入射光用の透過用窓を通過して、基板上の成膜中の膜にあたり、反射して、反射光用の透過用窓を通過して、外部分析装置にもどり、前記膜の分析が行われれ、基板上の膜の成膜過程で初期形成過程での、膜の分析を、実時間で行なうことを特徴とする蒸着膜の成膜時分析方法である。

ここで、前記複数個のるつぼホルダーのガラス製るつぼの内部に、膜を成膜するための原料を、金属の細線をまとめて作製された蓋によって保持される。前記容器には、分析光の入力用の透過用窓、および基板からの反射光の透過用窓が配置され、外部の分析機器の分析光によって、基板上の膜の成膜過程での、成膜初期過程での膜の分析を行なう。前記分析光を、Ｘ線あるいは放射光とする。

（実施例１）
図１は、実施例１の分析用小型真空蒸着装置１００の断面図である。図２は、図１の分析用小型真空蒸着装置での２個のるつぼホルダー１ａ、１ｂの拡大図である。容器６は、ステンレス製の容器であり、容器の大きさは、３００×１５０ｍｍ、重量５ｋｇで、一般の蒸着装置の容器が５００ｍｍ、重量２０ｋｇであるのに比べると、容器６が非常に軽量であることが特徴である。容器６の上部には、第１のるつぼホルダー１ａと、第２のるつぼホルダー１ｂが配置され、それぞれのるつぼホルダーに対応して、下側に第１のシャッター２ａ、第２のシャッター２ｂが設置されている。容器６の下部には、基板支持部５が配置され、基板支持部５には、基板４が搭載されている。前記基板支持部５の上部領域には、基板用のシャッター３が設置されている。

図２のるつぼホルダーの拡大図を用いて、るつぼホルダーの構造の詳細を以下説明する。
第１のるつぼホルダー１ａは、第１のガラス製るつぼ１１ａが、開口部を下方に向けて配置され、周辺に抵抗ヒータが配置され、また熱電対１８が配置されている。
１５は、金属細線による蓋であり、原料１４ａが落下しないようにする目的で、第１のガラス製るつぼ１１ａに詰められている。ここで蓋１５は、直径０．０１〜０．１ｍｍ、長さ１００ｍｍの金、白金、銅などの金属細線をまとめて蓋としたものである。

第２のるつぼホルダー１ｂの構造は、先に説明した第１のるつぼホルダー１ａと同様である。第２のるつぼホルダー１ｂは、第２のガラス製るつぼ１１ｂが、開口部を下方に向けて配置され、周辺に抵抗ヒータが配置され、また熱電対１８が配置されている。
１６は、金属細線による蓋であり、原料１４ｂが落下しないようにする目的で、第１のガラス製るつぼ１１ｂに詰められている。ここで蓋１６は、直径０．０１〜０．１ｍｍ、長さ１００ｍｍの金、白金、銅などの金属細線をまとめて蓋としたものである。
本実施例では、第１のガラス製るつぼ１１ａ、第２のガラス製るつぼ１１ｂの下方の開口部から、原料の蒸気が拡散していくことが特徴である。

ここで、原料１４ａ、１４ｂは、主として、有機トランジスタ、あるいは有機薄膜太陽電池用の膜を成膜するための原料が選択される。原料１４ａからの蒸気は、金属細線による蓋１５、るつぼホルダーの開口部１２を通過し、第１のシャッター２ａが開放されている時間帯に、基板４の上に膜を成膜する。
同じく。原料１４ｂからの蒸気は、金属細線による蓋１６、るつぼホルダーの開口部１４を通過し、第２のシャッター２ｂが開放されている時間帯に、基板４の上に膜を成膜する。

容器６には、分析光の入力用の透過用窓７、および基板からの反射光の透過用窓８が設置されている。外部の分析装置から、分析光８ａが分析光の入力用の透過用窓７を透過して基板４に照射され、反射して、基板からの反射光９ｂが、基板からの反射光の透過用窓８を通過して、前記分析装置にもどり、膜４の分析が行われる。

（実施例２）
図３は、実施例２の分析用小型真空蒸着装置の断面図である。
実施例２の分析用小型真空蒸着装置１０１の容器６１は、上側容器６ａ、下側容器６ｂが合体されて構成されている。上側容器６ａには、第１のるつぼホルダー１ａ、および第２のるつぼホルダー１ｂが設置されており、この構造は、図２に示す拡大図のごとくである。この部分は、先の実施例１と同様である。

下側容器６ｂは、外径を、上側容器６ａよりも小としており、分析装置の空間の収まることを可能としている。下側容器６ｂには、基板支持部５と基板４および、分析のための分析光の入力用の透過用窓７１、および基板からの反射光の透過用窓８１が設置されている。外部の分析装置から、分析光８ａが分析光の入力用の透過用窓７１を透過して基板４に照射され、反射して、基板からの反射光９ｂが、基板からの反射光の透過用窓８１を通過して、前記分析装置にもどり、膜４の分析が行われる。このように、容器を上側容器と下側容器に分割するので、装置が、より小型化され、作業状態のすぐれた装置を提供でき、特に、外部の分析機器の配置に合わせて分析用小型真空蒸着装置を配置することが可能となる。

（実施例３）
有機トランジスタの成膜について説明する。
材料名:α−セキシチオフェン（C24H14S6）
融点:290℃
分析データ

図５に示す電極を配置した基板上に有機半導体（α−セキシチオフェン）を真空蒸着しながらソース−ドレイン電極間に流れる電流をモニターした（図６）。基板は高ドープシリコンの表面に300 nmの熱酸化膜を配置したものを使用した。表面に真空蒸着法によって作製したAu電極（ソース、ドレイン電極）間に80 Vの電圧を印可し、同時にゲート電極とソース−ドレイン電極間にも80 Vの電圧を印可した。成膜の進行につれて突然増大する電流が観測された。図７は、このときのチャネル間に照射したＸ線の回折データである。このデータは、トランジスタが形成されている過程の結晶構造を表している。
なお、トランジスタの構造については、ゲート電極／絶縁膜／pn混合層／ＳＤ電極という構造とし、有機膜については１層構造とした。

（実施例４）
薄膜太陽電池の成膜について説明する。
材料名：ペンタセン(C22H14)、パーフルオロペンタセン(C22F14)
融点:271℃、
分析データ

図８は、ペンタセン(C22H14)、パーフルオロペンタセン(C22F14)の分子構造の図である。
図９は、ペンタセンとパーフルオロペンタセンの組成の違いによる２次元Ｘ線回折パターンの測定例である。
図１０は、ペンタセンとパーフルオロペンタセンの２元蒸着膜の太陽電池特性である。発電が見られる。図１０の測定に用いた光は、AM1.5フィールターをつかった疑似太陽光で、照射強度は1000 W/m²である。
図１１は、ペンタセンとパーフルオロペンタセンの２元蒸着膜のトランジスタ特性である。両極性トランジスタとしての特性が見られる。
図１２は、太陽電池の構造図であり、pin構造（透明電極／ｐ型層／混合層／n型層／金属電極）の場合と、組成傾斜構造の場合の図。

本発明では、蒸着装置において、基板に膜を成膜する過程での、特に成膜初期過程での、膜の品質を、リアルタイムにて分析が可能で、かつ小型で、作業性の良い、分析用小型真空蒸着装置および、蒸着膜の成膜時分析方法を提供でき、産業の発展に寄与する。

１ａ 第１のるつぼホルダー
１ｂ 第２のるつぼホルダー
２ａ 第１のシャッター
２ｂ 第２のシャッター
３ 基板用のシャッター
４ 基板
５ 基板支持部
６、６１ 容器
６ａ 上側容器
６ｂ 下側容器
７、７１ 分析光の入力用の透過用窓
８、８１ 基板からの反射光の透過用窓
９ａ 分析光
９ｂ 基板からの反射光
１１ａ 第１のガラス製るつぼ
１１ｂ 第２のガラス製るつぼ
１２，１３ るつぼホルダー開口部
１４ａ 第１の原料
１４ｂ 第２の原料
１５，１６ 金属細線による蓋
１７ 抵抗ヒータ
１８ 熱電対
１００，１０１ 分析用小型真空蒸着装置

Claims (12)

1. 容器と、
   前記容器内の上部に配置された複数個のるつぼホルダーと、
   前記容器内の下部に配置された基板支持部と、
   前記複数個のるつぼホルダーに、個々に配置されたシャッターと、
   前記基板ホルダーの上部に配置されたシャッターとで構成された分析用小型真空蒸着装置であって、
   前記るつぼホルダーは、開口部を下方に向けたガラス製るつぼと、抵抗ヒータとを有し、
   前記ガラス製るつぼに投入された原料の蒸気が、前記抵抗ヒータで加熱され、前記容器の下方に拡散し、前記基板支持部に配置された基板上に蒸気が到達して、前記基板上に膜が成膜されることを特徴とする分析用小型真空蒸着装置。
2. 前記複数個のるつぼホルダーのガラス製るつぼの内部には、膜を成膜するための原料が、金属の細線をまるめて作製された蓋によって保持されていることを特徴とする請求項１記載の分析用小型真空蒸着装置。
3. 前記容器には、分析光の入力用の透過用窓、および基板からの反射光の透過用窓が配置され、外部に設置された分析機器の分析光によって、基板上の膜の成膜過程での、成膜初期過程での膜の分析が行われることを特徴とする請求項１記載の分析用小型真空蒸着装置。
4. 前記分析光は、Ｘ線あるいは放射光であることを特徴とする請求項３記載の分析用小型真空蒸着装置。
5. 前記基板上に有機薄膜トランジスタ、あるいは有機薄膜太陽電池の膜が成膜されることを特徴とする請求項１記載の分析用小型真空蒸着装置。
6. 前記容器は、上側容器と、下側容器とが合体して構成されており、前記下側容器内に
   基板支持部と、分析光の入力用の透過用窓、および基板からの反射光の透過用窓が設置されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の分析用小型真空蒸着装置。
7. 容器内の上部に複数個のるつぼホルダーを配置し、
   前記容器内の下部に基板支持部を配置し、前記複数個のるつぼホルダーに、個々にシャッターを配置し、前記基板ホルダーの上部にシャッターを配置し、
   前記るつぼホルダーに、開口部を下方に配置したガラス製るつぼと、抵抗ヒータとを配置し、
   前記ガラス製るつぼに投入された原料が、前記抵抗ヒータで加熱され、前記ガラス製るつぼに投入された原料の蒸気が、前記容器の下方に拡散し、前記基板支持部に配置された基板上に到達して、前記基板上に膜が成膜される過程において、
   前記容器に、分析光の入射光用の透過用窓、および基板の膜からの反射光用の透過用窓を配置して、
   外部分析装置からの入射光が、前記入射光用の透過用窓を通過して、基板上の成膜中の膜にあたり、反射して、反射光用の透過用窓を通過して、外部分析装置にもどり、前記膜の分析が行われれ、
   基板上の膜の成膜過程で初期形成過程での、膜の分析を、実時間で行なうことを特徴とする蒸着膜の成膜時分析方法。
8. 前記複数個のるつぼホルダーのガラス製るつぼの内部に、膜を成膜するための原料を、金属の細線をまとめて作製された蓋によって保持することを特徴とする請求項７記載の蒸着膜の成膜時分析方法。
9. 前記容器には、分析光の入力用の透過用窓、および基板からの反射光の透過用窓
   が配置され、外部の分析機器の分析光によって、基板上の膜の成膜過程での、成膜初期過程での膜の分析を行なうことを特徴とする請求項７記載の蒸着膜の成膜時分析方法。
10. 前記分析光を、Ｘ線あるいは放射光とすることを特徴とする請求項９記載の蒸着膜の成膜時分析方法。
11. 前記基板上に有機薄膜トランジスタ、あるいは有機薄膜太陽電池の膜を成膜することを特徴とする請求項７記載の蒸着膜の成膜時分析方法。
12. 前記容器を、上側容器と、下側容器とを合体して構成し、前記下側容器内に基板支持部と、分析光の入力用の透過用窓、および基板からの反射光の透過用窓を設置することを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか１項記載の蒸着膜の成膜時分析方法。

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