专利名称：形成有机薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于形成有机薄膜的方法并且，更具体地涉及一种适用于形成一种构成光学元件如有机EL元件的有机薄膜的方法。
背景技术：
有机材料的电致发光(下文中缩写为EL)是用于由阳极、阴极和保持在二个电极之间的有机层所组成的有机EL元件。这种结构的有机EL元件依赖于所择的用于有机层的材料而发射出不同颜色。如果以特定方式排列多个发射不同颜色的有机EL元件，可以构建多色显示器或全色显示器的显示装置。
如上所述的有机EL元件的生产包括真空淀积来形成有机层。真空淀积是一种通过从置于衬底下方的蒸汽源，蒸发(要淀积的)材料，在衬底上淀积所需材料的方法。在这种方式的真空淀积中，必要的是通过调整蒸汽源温度来改变蒸汽源的蒸发速率，以控制成膜速率。不幸的是，蒸发速率不能随温度线性变化。当温度变化时，蒸发速率甚至变得不稳定，这导致难以精确控制。而且，蒸发速率对温度的变化不能很快响应，这导致处理时间长和生产率低。
为了替代传统的真空淀积成膜方法，提出了有机气相淀积方法(OVPD方法)。见公布的专利申请号为2001-523768和2000-504298的PCT国际申请的日文译文。如这些官方公报公开的，OVPD方法包括在反应器中放置衬底、向反应器提供气相的多种有机前体物质，并引发它们相互化学反应(或混合)，以便它们的有机反应产物淀积在衬底的表面，从而形成连续的一个接另一个的有机薄膜。有机前体物质可以彼此是供体和受体，或客体和主体。
OVPD方法依赖于有机前体材料进入反应器的速率而改变成膜速度，并且因此可以比真空淀积方法更适当地控制成膜速度，并完成快速成膜。
不幸的是，通过OVPD方法形成的有机薄膜具有下面的缺点。OVPD方法需要向反应器送入多种有机前体物质，在反应器中它们相互化学反应或混合。因此，有机前体物质不能在反应器中均匀地混合，或者即使在均匀混合的情况下，在反应器中还存在不均匀的温度分布。这使得化学反应不规则，而这又导致在衬底表面形成的有机薄膜在性质上变化。
而且，有机前体物质的反应可以释放反应热，以损害在衬底表面已经形成的有机薄膜。因此，按上所述应用于生产具有通过上述层叠多个有机薄膜所形成有机层(包括发射层)的有机EL元件的OVPD方法的缺点是在于当后面形成另外一种有机层时释放出的反应热损害在先形成的有机层。这导致元件具有不适当的性质。
本发明的目的是提供一种在衬底表面无放热地形成具有均匀性质的有机薄膜的方法。
发明内容
为了达到上述目的，本发明是针对用于形成有机薄膜的方法，它包括蒸发单一有机材料的成膜成分，向放置衬底的反应室中输送并供入所得气体，并在反应室内的衬底表面上淀积单一的有机材料的成膜成分。
上述用于形成有机薄膜的方法的优点在于淀积在衬底表面的膜是由向反应室输送并供入的有机材料的单独成膜成分组成。以这种方式形成的膜消除了成膜成分的不均匀混合，或由于在成膜成分之间反应的反应热。
附图简述
图1是表示根据本发明形成有机薄膜的成膜设备的构造的示意图。
图2是表示通过本发明方法生产的有机EL元件构造的剖视图。
图3是表示在通过本发明方法生产的有机EL元件中第一实施例的发射层构造的剖视图。
图4是表示在通过本发明方法生产的有机EL元件中第二实施例的发射层构造的剖视图。
图5是表示在通过本发明方法生产的有机EL元件中第三实施例的发射层构造的剖视图。
实施本发明的最佳方式将参照附图更详细地描述本发明。
图1示意性地显示了根据本发明实施方案形成有机薄膜的成膜设备的例子。成膜设备1安装有反应室11，以容纳衬底W，在其上将形成有机薄膜。
反应室11安装有排气系统12，其保持反应室11在规定的压力下。排气系统12的构建要使排出的气流经一个阱(未显示)，这个阱捕获残余材料并通过一个洗涤器并且仅放出惰性气体，如氮(在后面解释)。
反应室11配有衬底支架13以支撑衬底W。它还配有温度控制装置，可保持支撑的衬底W在规定的温度下。它还配有驱动装置，可沿着它的表面旋转或滑动支撑的衬底W。
反应室11安装有装载锁定室14，在其中衬底W固定在衬底支架13上。装载锁定室14的构成要使其中的大气可按需要被抽真空或被惰性气体所取代。开始操作时，在装载锁定14中的大气被惰性气体取代，并将衬底W固定在衬底支架13上。然后，装载锁定14抽真空，并将在装载锁定14和反应室11之间的闸式阀(未显示)打开。在规定的状态下将衬底支架13支撑的衬底W移入反应室11中。
反应室11与供应导管21连接，通过供应导管21将气体G送入反应室11。供应导管21在其末端具有气体入口21a。气体入口21a插入反应室11中以便它对着反应室内的衬底支架13上支撑的衬底吹喷气体G。
供应导管21的另一端与气体净化器22(或集气筒)连接，其提供高纯惰性气体(如N2、He和Ar)或氢气作为载气。在气体净化器22与反应室11之间的供应导管21具有压力调节器23，质流控制器(MFC)24，原料供应器25，排气管26(具有阀V2)和阀V1。
原料供应器25由原料箱25a、装料管25b和排料管25c组成，原料箱25a储存用于有机薄膜的有机材料，装料管25b从供应导管21分支并延伸至原料箱25a中，排料管25c是从供应导管21(下游)分支并延伸至原料箱25a中。在装料管25b和排料管25c分支的两点之间在供应导管21上具有阀V3。还分别在装料管25b和排料管25c上具有阀V4和V5。
操作时，如上述构成的成膜设备1使在质流控制器24和反应室11之间的全部导管和容器保持在规定的高温下。可以通过空气浴、油浴、RF(无线电频率)加热器和加热灯对温度控制加热，但不具体限制。
下面给出通过使用上述构成的成膜设备1来形成有机薄膜的方法。假定通过这个方法形成的有机薄膜是一种Alq3[三(8-喹啉醇化)铝(III)]的电子输送发射层，这是通常用于有机EL元件的。
首先，在装载锁定室14中将衬底W固定在衬底支架13上。然后，装载锁定室14抽真空。通过打开它们之间的阀，装载锁定室14与反应室11(其已预先抽真空)连通。衬底支架13移至在反应室11中规定的位置。装载锁定室14和反应室11中的压力例如都保持在例如133Pa下。通过对衬底支架13的温度控制器使衬底W保持在大约20℃。如果衬底支架13配有旋转或滑动装置，则使它保持旋转或滑动，以确保膜均匀形成。
原料供应器25的原料箱25a中充满有机材料(在这个实施方案中为Alq3)作为有机薄膜的原料。在规定的温度(Alq3为280℃)下加热原料箱25a中的有机材料。这加热使在原料箱25a中的有机材料(Alq3)保持在气态。同样，在质流控制器24与反应室11之间的全部导管和容器保持在规定的高温下，如大约280℃。
在上述状态下，关闭阀V2和V3，并打开阀V1、V4和V5。然后，将惰性气体g1(如N2)在规定的压力0.2MPa下并以规定的流速如1000sccm(“sccm”代表标准cc/min，这表示在标准状态下每分钟的流速。)送入供应导管21，规定的压力例如，通过压力调节器23控制，而规定的流速通过质流控制器24高精确地控制。惰性气体g1送入原料箱25a中。作为载气的惰性气体g1经过排料管25c，与成膜成分气体g2一起排出，成膜成分气体g2是在原料箱25a中蒸发的有机材料(Alq3)。因此，作为载气的惰性气体g1和成膜成分气体g2经过供应导管21送入反应室11。
以这种方式从气体入口21a向反应室11引入气体G，并且在反应室11中对着固定在衬底支架13上的衬底W吹喷气体G。气体G包含作为成膜成分气体g2的有机材料(Alq3)。有机材料(Alq3)淀积(同时保持它的成分)在保持在20℃下的衬底W表面上。从而形成Alq3的有机薄膜。
有机薄膜的厚度通过向反应室11送气时间控制。在有机薄膜生成至规定的厚度之后，关闭阀V1、V4和V5，并打开阀V2和V3，以便暂停成膜成分气体g2送入反应室11，并且用惰性气体g1置换在反应室11中的大气。
然后，衬底W和衬底支架13返回装载锁定室14，并且在装载锁定室14中的大气恢复至正常压力下。从装载锁定室14中移走衬底。为了避免衬底W(在其上有形成的有机薄膜)与空气接触，建议衬底W移至在装载锁定室14内专门的氮封箱中，再从成膜设备1中移走氮封箱。
上述形成有机薄膜的方法的特征在于向反应室11提供单一成分的有机材料的成膜成分气体g2和惰性气体。因此，有机材料淀积，同时保留其成分，以在置于反应室11中的衬底W表面上形成膜。因此，不可能发生不均匀的成分混合和因在成分之间反应而产生热。结果是在先形成的有机薄膜不会受到因在后形成有机薄膜而另外产生的反应热而损害。以这种方式可以在衬底W表面上形成性质均匀的有机薄膜。
上述形成有机薄膜的方法基于的假设是在衬底W表面上形成Alq3的单层膜。在衬底W表面上将形成多个有机薄膜的情况下，要改变成膜设备以增加在反应室11和气体净化器22(或压力调节器23)之间的部分。换句话说，添加一个或多个供应导管21，它们每个都具有在质流控制器24与阀V1之间的部分。这样改变的成膜设备可以经过多于一个的供应导管21向反应室11顺序地输送不同有机材料的成膜成分气体。因此，可以连续地一个接另一个地形成多于一个的有机薄膜。
以上述方式连续形成有机薄膜将举例说明在下。所说明的过程是本发明方法的一个生产有机EL元件的应用。
图2是表示有机EL元件构件的例子的剖视图。有机EL元件100由第一电极101，有机层102和第二电极103组成，它们顺序地一个接另一个地排列在玻璃等衬底W上。第一电极101是作为阳极(或阴极)，及第二电极103是作为阴极(或阳极)，并且它们是相互成对的。
有机层102由空穴注入层102a，空穴运输层102b，发射层102c，电子运输层102d和电子注入层102e组成，它们从阳极(或第一电极101)向阴极(或第二电极103)顺序地一个接另一个地排列。这些层(或有机薄膜)102a至102e由用于通过有机EL元件100对光发射元件5的每个颜色的不同材料形成图形。顺便提及，有机层102不局限于上述层结构；它可以是任何层结构，只要它至少具有发射层。
在衬底W上形成的有机EL元件100通过保护膜和密封材料(都未显示)而封闭。
为生产上述构成的有机EL元件100，使用前述形成有机薄膜的方法来形成构成有机层102的有机薄膜102a至102e。有机薄膜层102a至102e可以通过使用具有多于一个供应导管的成膜设备1(参照图1如上所述)来连续形成。
如果每个有机薄膜102a至102e由一种作为主体的有机材料和另一种作为搀杂物的有机材料组成，前述方法可以连续地形成主体层和搀杂层。形成的有机薄膜的构成在δ掺杂(delta doping)的情况下是向主体物质中加入搀杂物。
顺序地形成的主体和搀杂层在性质上是均匀的，因为如上所述，在先形成的下层不会受在后形成的上层的热影响。因此，可以通过适当控制在衬底上的主体和搀杂层的厚度来精确地控制搀杂浓度。从而，有机薄膜层102a至102e可以在精确控制下形成。
实际上可以通过调整主体和搀杂层的厚度来精确控制搀杂浓度，这个事实允许更自由地设计有机薄膜层102a至102e(或有机EL元件)。
例如，发射层102c可以具有如图3所示的结构。形成规定厚度的主体层A，以使它们与上层和下层接触，并在主体层A之间形成搀杂层B。这种方式可以形成其中仅向主体中心加入搀杂物的有机薄膜层。形成的有机薄膜免除在搀杂物非常接近界面时所发生的浓度淬火。
然而，上述层结构根据搀杂层的位置来控制在发射层102c中的发射部分，并从而通过自发射来保护元件免受损害。
另外，上述层结构可以如图4所述改变。在这种情况下，在主体层A之间的搀杂层B在厚度上进行变化，使搀杂量在接近下界面的位置上减少，而在接近上界面的位置上增加，或反之亦然。这是有机EL元件的可变设计。
上述层结构可以如图5所述改变。在这种情况下，在主体层A之间的搀杂层B在厚度上保持不变，但是主体层A在厚度上进行改变。以这种方式，可以控制有效搀杂浓度。如图4所示的情况，这也是有机EL元件的灵活设计。
根据所需图形在衬底W上形成各有机薄膜层102a至102e。因此，当使用上述成膜设备连续地形成有机薄膜层102a至102e时，具有与象素相符的开口的掩膜置于衬底上，以便气体G(是从气体入口21a向反应器引入的)经过掩膜的开口对着衬底W吹气。
不同于真空淀积，上述形成有机薄膜的方法允许成膜成分气体以任何方向供应，从而消除使衬底表面向下的必要性。因此，它可以使要形成的有机薄膜和衬底表面与掩膜保持近似垂直。这产生阻止掩膜(置于衬底表面上)弯曲的作用。
如图1所示的成膜设备1可以改变，使反应室11具有二个或多个气体入口21a，它们以均匀间隔排列。从而，衬底表面W的多个部分以相同方向接收气体G。以这种方式供应气体G解决了由于经过掩膜在真空淀积中发生的阴影效应而使图形变化的问题。而且，如上构成的成膜设备在衬底表面形成具有均匀厚度的膜，并从而消除滑动或旋转衬底支架13的必要性。这有助于减小设备的尺寸。
工业实用性如上所述，本发明提供一种形成有机薄膜的方法。这个方法包括向反应室供应单一的有机材料的成膜成分气体，从而在衬底表面上淀积有机材料同时保持气体成分。因此，它具有没有因在成膜成分之间的反应放热而形成有机薄膜的优点。因此，形成的有机膜性质均匀，而没有在先形成的下层因反应热而受损害。形成有机薄膜的方法可以应用于生产具有良好特性的光学元件，如有机EL元件。
权利要求
1.形成有机薄膜的方法，包括蒸发单一的有机材料的成膜成分，向放置衬底的反应室输送并供入所得的气体，并在反应室内的衬底表面上淀积单一的有机材料的成膜成分。
2.如权利要求1所述的形成有机薄膜的方法，其中当有机材料淀积时衬底保持冷却。
3.如权利要求1所述的形成有机薄膜的方法，其中重复有机材料的淀积，以便一个接另一个地形成不同成分的成膜成分。
4.如权利要求1所述的形成有机薄膜的方法，其中通过使用载气向反应室输送并供入成膜气体。
全文摘要
一种在没有加热成膜表面下在衬底表面形成性质均匀的有机薄膜的方法。蒸发单一的有机材料的成膜成分而产生气体(成膜成分气体)(g2)，并向放置衬底(W)的反应室(11)输送并供入，并在反应室(11)内的衬底(W)上淀积保持成膜成分的有机材料以形成有机薄膜。当有机材料淀积时，衬底(W)保持冷却。通过载气如惰性气体(g1)向反应室(11)输送并供入成膜成分气体(g2)。通过重复有机材料的这种淀积，可形成多层不同成膜材料的有机薄膜。
文档编号H05B33/10GK1659303SQ0381316
公开日2005年8月24日 申请日期2003年6月5日 优先权日2002年6月7日
发明者簗嶋克典, 成井启修, 目目泽聪彦, 佐佐木浩司 申请人:索尼株式会社