JP2018154904A - 製膜方法、有機電子デバイスの生産方法、及び、製膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、製膜に要する時間をさらに短縮することが可能な製膜方法等を提供することを目的とする。【解決手段】 有機物を材料として蒸着装置を用いて基板に製膜する製膜方法であって、製膜に用いる量の前記有機物を前記蒸着装置が備える加熱部に供給する供給ステップと、前記供給ステップで供給された前記有機物の全量を加熱により気化させて前記基板に製膜する全量気化ステップとを含む、製膜方法である。加熱部に供給された材料の全量を蒸着で製膜するため、レートを安定化させる時間が不要となる。また、モニターを見ながら慎重に所望の膜厚に対応する時間を計測しながら製膜するプロセスも不要となる。そのため、製膜に要する時間をさらに短縮して長寿命の有機デバイスを供給することが可能となる。【選択図】 図１

Description

本発明は、製膜方法、有機電子デバイスの生産方法、及び、製膜装置に関し、特に、有機物を材料として蒸着装置を用いて基板に製膜する製膜方法等に関する。

本願発明者は、蒸着装置を用いて製膜する際に、レートを安定化させる時間を短縮するために、粉末の加熱よりも熱応答性のよい膜状態とする製膜方法等を開発してきた（特許文献１参照）。

さらに、本願発明者らは、製膜に要する時間が短縮されることで有機デバイスの耐久時間が長くなる傾向があるとの知見を得た（非特許文献１参照）。

国際公開第２０１１／０７１０６４号

藤本弘（Hiroshi Fujimoto）、外７名、"Influence of vacuum chamber impurities on the lifetime of organic light-emitting diodes"、SCIENTIFIC REPORTS、6、38482、2016

しかしながら、従来の方法では、製膜に要する時間を短縮する余地が残されていた。

そこで、本発明は、製膜に要する時間をさらに短縮することが可能な製膜方法等を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点は、有機物を材料として蒸着装置を用いて基板に製膜する製膜方法であって、製膜に用いる量の前記有機物を前記蒸着装置が備える加熱部に供給する供給ステップと、前記供給ステップで供給された前記有機物の全量を加熱により気化させて前記基板に製膜する全量気化ステップとを含む、製膜方法である。

本発明の第２の観点は、第１の観点の製膜方法であって、前記供給ステップにおいて、前記有機物は、製膜された状態で前記加熱部に供給される。

本発明の第３の観点は、第２の観点の製膜方法であって、前記供給ステップの前に、前記有機物を溶媒に溶解させる溶解ステップをさらに含む。

本発明の第４の観点は、第３の観点の製膜方法であって、前記溶解ステップと前記供給ステップの間に、前記有機物の溶液を加熱して製膜する気化前製膜ステップをさらに含み、前記気化前製膜ステップにおいて、前記溶媒の沸点以上、かつ、前記有機物の蒸発温度以下の温度で加熱して製膜する。

本発明の第５の観点は、第２から第４のいずれかの観点の製膜方法であって、前記供給ステップにおいて、前記有機物は、巻いたシートに製膜された状態で前記加熱部に送り出されながら供給される。

本発明の第６の観点は、第５の観点の製膜方法であって、前記基板は、シート状になっており、前記供給ステップにおいて、前記巻いたシートが前記加熱部に送り出される動きに連動するように前記基板の動きが制御される。

本発明の第７の観点は、第１から第６のいずれかの観点の製膜方法で製膜する製膜ステップを含む、有機電子デバイスの生産方法である。

本発明の第８の観点は、有機物を材料として蒸着により基板に製膜する製膜装置であって、前記有機物を保持する材料保持部と、前記材料保持部を加熱する加熱源と、前記基板を保持する基板保持部とを備える、製膜装置である。

本発明の第９の観点は、第８の観点の製膜装置であって、前記材料保持部は、シート状になっており、シート状の前記材料保持部を前記加熱源に向けて送り出す材料シート送り部をさらに備える。

本発明の第１０の観点は、第９の観点の製膜装置であって、前記基板は、シート状になっており、シート状の前記基板を送り出す基板送り部と、前記材料シート送り部及び前記基板送り部を制御して、前記材料保持部及び前記基板が連動するように制御する送り制御部とをさらに備える。

本発明の第１１の観点は、有機物を材料として蒸着により基板に製膜する製膜装置において用いられる加熱装置であって、前記有機物を保持する材料保持部と、前記材料保持部を加熱する加熱源とを備える。

本発明の第１２の観点は、有機物の溶液から有機薄膜を生産する方法であって、前記溶液を展開して製膜する製膜ステップと、前記溶液の溶媒の沸点以上、かつ、前記有機物の蒸発温度以下の温度で加熱する加熱ステップを含む。

本発明の第１３の観点は、有機物の溶液から有機薄膜を製膜する材料シートの製造装置である。

本発明の各観点によれば、加熱部に供給された材料の全量を蒸着で製膜するため、レートを安定化させる時間が不要となる。また、モニターを見ながら慎重に所望の膜厚に対応する時間を計測しながら製膜するプロセスも不要となる。そのため、製膜に要する時間をさらに短縮して長寿命の有機デバイスを供給することが可能となる。

本発明の第２の観点によれば、熱応答性のよい製膜された状態で加熱部に供給されるため、加熱時間を短縮することがさらに容易となる。特許文献１に記載の従来の方法とは異なり、レートを調整する必要がないため、この効果はさらに顕著なものである。

本発明の第３の観点によれば、粉末で有機物の量を調整するよりも製膜に用いる材料の量を精密に調整することが容易となる。

一般的に、蒸着プロセスにおいて、溶媒は不純物である。そのため、粉末材料を蒸着前に溶液に溶かすことは、徒らに不純物を増やしてデバイスを劣化させることになると考えられ、阻害要因があった。

この点、本願発明は、加熱部に収容した有機材料の全量を気化させて所望の膜を得るために、材料の定量の精密さを重視した点に新規の技術的思想としての特徴がある。

さらに、本発明の第４の観点によれば、蒸着前の気化前製膜ステップにおいて溶媒を高温で蒸発させることにより、精密に調整された有機材料の量を維持しつつ、不純物となる溶媒を除去することが容易となる。このため、長寿命の有機デバイスを供給することがさらに容易となる。

さらに、本発明の第５及び第９の観点によれば、膜状態で熱応答性のよい有機材料を連続的に加熱部に供給することが可能となる。そのため、短時間で厚膜も含めて製膜することが容易となる。

さらに、本発明の第６及び第１０の観点によれば、有機材料が製膜されたシートとシート状の基板を連動させることが可能となり、大面積に対して真空蒸着により短時間で製膜することが容易となる。

さらに、本発明の第１２の観点によれば、不純物となる溶媒があまり含まれない材料シートを生産することが容易となる。従来、湿式プロセスで製膜した膜を機能膜として使用する前に高温で溶媒を気化させることは、膜を荒らすこととなるため避けられていた。つまり、溶液から製膜した後のガラス転移温度以上の高温での溶媒除去には阻害要因があった。本発明においては、蒸着装置で加熱する前段階の製膜であるため、膜表面の荒さは全く問題とならず、有機材料のガラス転移温度以上蒸発温度以下で溶媒を蒸発可能である。この点、本発明に係る製膜方法のための新規な有機薄膜を生産する方法といえる。

本実施例に係る蒸着方法の一例を示すフロー図である。 実施例１のるつぼ型蒸着装置の一部の例を示す図である。 実施例２のローラー型蒸着装置を用いた高速蒸着の一例を示す図である。

本実施例の製膜装置は、有機材料を蒸着により製膜する。製膜装置は、材料保持部と、加熱源と、基板保持部と、材料シート送り部と、基板送り部と、送り制御部を備える。

材料保持部は、シート状であり、製膜される有機材料を保持する。加熱源は、材料保持部に保持された有機材料を加熱する。基板保持部は、有機材料が蒸着により製膜される基板を保持する。材料シート送り部は、シート状の材料保持部を加熱源に向かって送る。基板送り部は、シート状の基板を送る。送り制御部は、材料シート送り部及び基板送り部の送りスピードを制御する。

図１において、ステップＳ０１において、蒸着される有機材料を溶媒に溶かし、一定の濃度に制御された溶液を調製する。ステップＳ０２において、蒸着に必要十分な量の有機材料が材料保持部３に付着するように、ステップＳ０１で調整した有機材料溶液をシート状の材料保持部３に製膜する。このときの製膜方法は、必要十分な量だけ製膜されるのであれば、スピンコート法やインクジェット法でもよく、その他の塗布法でもよい。どれだけ塗布すれば必要十分な量だけ製膜されるかは、あらかじめ検量しておく。ステップＳ０３において、乾燥により不要な溶媒を蒸発させる。このとき、有機材料のガラス転移温度以上蒸発温度以下で溶媒成分を可能な限り蒸発させる。ステップＳ０４において、製膜された全量を加熱源５が加熱して基板に蒸着する。この間、送り制御部１３は、基板における膜厚が所定の膜厚となるように、材料シート送り部９及び基板送り部１１の送りスピードを制御する。材料保持部３に製膜された全量が蒸着されれば、フローを終了する。

図２に示す、るつぼ型蒸着装置２１において、るつぼ２３は、穴が開いたふた２５と有機材料２７を有する。図示されていない加熱部により加熱されたるつぼ２３から蒸発した有機材料が基板２９に堆積して製膜される。レートセンサー３１は、確認のため蒸着レートを測定する。基板が回転することにより、回転軸３３から同距離に設置された素子は、同じ膜厚で製膜される。るつぼ上端３５から基板２９までの高さhp、基板２９の回転軸３３からるつぼ２３の中心軸３７までの距離dp、るつぼ上端３５からレートセンサー３１までの高さhs、レートセンサー３１から中心軸３７までの距離dsは、適宜設計される。

ここで、コップのようなるつぼに材料を充填して蒸発させると、材料の充填量や、材料の偏りによって蒸発した分子の飛び方が変わってしまうため、膜厚や膜厚分布の再現性が悪い。そのため、分子が直接基板へ飛ぶのではなく、ノズルに衝突してから基板へ飛ぶようなノズル等をるつぼの上に設けることで、材料量やるつぼ内の材料の偏りが異なっていても再現よく製膜することができる。これは、蒸発した分子同士が衝突する前にるつぼ内の壁に衝突するような、平均自由工程が容器の大きさの1/3よりも長い分子流領域の場合、壁に衝突した後の分子の飛び方は余弦則に従った確率の方向へ飛び、ノズルから基板への分子の飛び方はいつも同じ形状となるためである。しかしながら、このようなノズルを設けた場合でも、蒸着レートが高くなりすぎると、蒸発源の壁に衝突する前に蒸発した分子同士が衝突（中間流領域、粘性流領域）し、蒸着レートによって分子の飛び方が変化し、レートによって成膜される膜厚や膜厚分布が変化してしまう。このようなことから、蒸着レートやるつぼからの材料の蒸発量、温度、材料の分子量、ノズル形状等からコンダクタンスと平均自由工程を計算し、分子流領域になるようにノズル設計を行う必要がある。

図３は、ローラー型の製膜装置４１を用いた高速蒸着の一例を示す図である。製膜装置４１は、材料保持部４３と、材料シート送り部と、ローラー４５と、基板４９と、基板送り部と、送り制御部とを備える。材料保持部４３は、製膜された有機材料である有機膜４７を表面に有するシート状の基板である。材料シート送り部は、材料保持４３を加熱されたローラー４５に向かって送り出す。材料保持部４３及びローラー４５は、少なくとも表面が金属でできており、熱を効率よく有機膜４７に伝えることが可能である。材料保持部４３のうちローラー４５と接する部分と、基板４９との間は約100ｍｍ離れている。ローラー４５により加熱された有機材料４７は、基板４９の上に有機膜５１として製膜される。

本実施例では、少なくとも２種類の材料を保持した材料保持部を用意した。本実施例に係る製膜方法によれば、全量を蒸着するため、過度に有機材料を蒸発させることがない。このため、高温・高速で蒸着させることが可能となる。蒸着レートとしては、１〜５nm/秒で製膜可能であり、これは従来の２０倍以上の高速蒸着である。例えば、５層の有機薄膜であっても５分以内で製膜可能である。なお、参考までに蒸着レートを記載したが、レートを安定化させる待ち時間は不要である。また、安定化させるために低速で蒸着する必要もない。これらのことも、本実施例に係る蒸着方法が高速である一因となる。

しかも、全量を蒸着するため、製膜装置内に、特に材料保持部に有機材料が残留することを抑制可能である。結果として、前回蒸着時に使用した有機材料が製膜装置内で混入するリスクを最小限に抑えることが可能となる。

また、送り制御部は、基板送り部を100mm／秒で送っても十分に製膜可能である。これは、従来の５倍以上の速度であり、有機薄膜の生産速度を顕著に向上させるものである。

なお、材料シート送り部は、板状又はフレキシブルな膜状の材料保持部をロール状に巻いていてもよい。

また、材料保持部は、シート状の基板ではなく、るつぼの内側に有機材料が塗布されて製膜された状態で有機材料を保持する構成であってもよい。あるいは、るつぼではなくブロックの上や溝の中など、製膜された状態で有機材料を保持できるのであれば、材料保持部の形状は限定されない。

２１；製膜装置、２３；るつぼ、２５；ふた、２７；有機材料、２９；基板、３１；レートセンサー、４１；製膜装置、４３；材料保持部、４５；ローラー、４７；有機材料、４９；基板、５１；有機膜

Claims (4)

1. 有機物を材料として蒸着装置を用いて基板に製膜する製膜方法であって、
   製膜に用いる量の前記有機物を前記蒸着装置が備える加熱部に供給する供給ステップと、
   前記供給ステップで供給された前記有機物の全量を加熱により気化させて前記基板に製膜する全量気化ステップとを含む、製膜方法。
2. 前記供給ステップにおいて、前記有機物は、製膜された状態で前記加熱部に供給される、請求項１記載の製膜方法。
3. 請求項１又は２記載の製膜方法で製膜する製膜ステップを含む、有機電子デバイスの生産方法。
4. 有機物を材料として蒸着により基板に製膜する製膜装置であって、
   前記有機物を保持する材料保持部と、
   前記材料保持部を加熱する加熱源と、
   前記基板を保持する基板保持部とを備える、製膜装置。