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JP4775801B2 - Molecular material deposition method and apparatus - Google Patents

Molecular material deposition method and apparatus Download PDF

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JP4775801B2
JP4775801B2 JP2007534454A JP2007534454A JP4775801B2 JP 4775801 B2 JP4775801 B2 JP 4775801B2 JP 2007534454 A JP2007534454 A JP 2007534454A JP 2007534454 A JP2007534454 A JP 2007534454A JP 4775801 B2 JP4775801 B2 JP 4775801B2
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Description

本発明は分子性物質の薄膜を作製する成膜方法及びその装置に係り、さらに詳しくは、分子性物質を光照射により成膜することができる成膜方法及びその装置に関する。  The present invention relates to a film forming method and apparatus for forming a thin film of a molecular substance, and more particularly to a film forming method and apparatus capable of forming a molecular substance by light irradiation.

近年、有機物質の物性の解明が進み、有機物質によって金属と同様の導電特性、無機物半導体と同様の半導体特性、或いは、電流によって発光する発光特性を実現することが可能になった。有機物質薄膜は無機物質薄膜と較べて、曲げたりしても壊れにくいというフレキシビリティに優れ、無機物の薄膜に較べて薄膜化し易いと言う特性を有し、また、無機物質には無い有機物質特有の物性を有することから、有機物質薄膜を用いたディスプレイや電子デバイスが実用化されつつある(非特許文献1,2参照)。  In recent years, the elucidation of the physical properties of organic substances has progressed, and it has become possible to realize conductive characteristics similar to metals, semiconductor characteristics similar to inorganic semiconductors, or light emission characteristics that emit light by current. Compared to inorganic material thin film, organic material thin film has excellent flexibility that it is hard to break even when bent, and has characteristics that it is easier to make thin film than inorganic thin film. Therefore, displays and electronic devices using organic thin films are being put into practical use (see Non-Patent Documents 1 and 2).

例えば、有機EL(Electro Luminescence)素子は、以下に説明するように有機物薄膜で構成されている。すなわち、有機EL素子は、μm未満の厚さの有機発光層と呼ばれる有機薄膜を電子輸送層及び正孔輸送層と呼ばれる有機薄膜でサンドイッチした構成を有している。有機発光層は、炭素の単結合と2重結合とからなる単位が周期的に連なった、所謂共役系分子層で形成されており、共役系分子のπ電子準位が、単結合と2重結合とからなる単位の周期性に基づいたエネルギーバンドを形成している。有機発光薄膜に注入された電子とホールはバンドギャップエネルギーに相当する光子を放出して再結合することにより発光する。また、発光効率を高めるために、有機発光薄膜に供給される電子とホールの数を等しくなるように、電子輸送薄膜及び正孔輸送薄膜の厚さはそれぞれ最適な厚さに構成されている。  For example, an organic EL (Electro Luminescence) element is composed of an organic thin film as described below. That is, the organic EL element has a configuration in which an organic thin film called an organic light emitting layer having a thickness of less than μm is sandwiched between organic thin films called an electron transport layer and a hole transport layer. The organic light-emitting layer is formed of a so-called conjugated molecular layer in which units composed of carbon single bonds and double bonds are periodically linked, and the π-electron level of the conjugated molecule is a single bond and a double bond. An energy band based on the periodicity of units composed of bonds is formed. Electrons and holes injected into the organic light-emitting thin film emit light by emitting photons corresponding to band gap energy and recombining. In addition, in order to increase the light emission efficiency, the thicknesses of the electron transport thin film and the hole transport thin film are set to optimum thicknesses so that the number of electrons and holes supplied to the organic light emitting thin film becomes equal.

上記のように有機薄膜からなるデバイスは、有機薄膜を構成する分子の分子構造に依存するものであるから、有機物質の物性を最大限生かして作製するためには、作製中に有機薄膜を構成する分子の分子構造が損傷を受けないことが必要である。また、有機物は無機物に較べて、電子導電率とホール導電率が大きく異なるので、有機薄膜の厚さを精密に制御して作製することが必要不可欠である。
このように、有機物質薄膜を作製するためには、無機物質薄膜にない特有の課題を解決する必要がある。
As described above, devices consisting of organic thin films depend on the molecular structure of the molecules that make up the organic thin film. Therefore, in order to make the best use of the physical properties of organic substances, the organic thin film must be configured during production. It is necessary that the molecular structure of the molecules to be damaged is not damaged. In addition, since the organic substance has a significantly different electronic conductivity and hole conductivity than the inorganic substance, it is indispensable to manufacture the organic thin film with a precisely controlled thickness.
Thus, in order to produce an organic substance thin film, it is necessary to solve the peculiar subject which an inorganic substance thin film does not have.

従来の有機物質薄膜の製造方法の一つとして蒸着法がある。例えば、従来の有機EL素子の蒸着法は、電子輸送層を構成する有機物質原料粉末、有機発光層を構成する有機物質原料粉末及び正孔輸送層を構成する有機物質原料粉末を、それぞれの被蒸着物質の保持具に配置し、順次それぞれの保持具をそれぞれの原料の昇華温度に制御して、有機分子を昇華させて透明電極が形成された基板上に蒸着して形成する。  One conventional method for producing an organic material thin film is a vapor deposition method. For example, a conventional organic EL element vapor deposition method uses an organic material raw material powder that constitutes an electron transport layer, an organic material raw material powder that constitutes an organic light emitting layer, and an organic material raw material powder that constitutes a hole transport layer. It arrange | positions to the holder of a vapor deposition substance, controls each sublimation temperature to the sublimation temperature of each raw material one by one, sublimates an organic molecule, and vapor-deposits and forms on the board | substrate with which the transparent electrode was formed.

有機EL素子を例に前述したように、有機物質薄膜を用いたディスプレイや電子デバイスを蒸着法を用いて作製するためには、蒸着された有機薄膜の分子構造が作製中に破壊されないこと、及び薄膜の膜厚を精密に制御できることが不可欠である。
有機薄膜の分子構造が破壊されないようにし、及び薄膜の膜厚を精密に制御できるようにするためには、被蒸着物質の保持具全体を、分子構造が破壊されずに蒸着できる温度、すなわち、蒸着する有機物質の昇華温度に精密に制御しなければならないが、被蒸着物質の保持具に温度制御装置を付加すると、保持具の表面積、容積及び熱容量が大きくなり、熱平衡状態になるまでに長時間を必要とし、短時間に所定の温度に制御するのは極めて困難である。また、保持具を支える治具を介して逃げる熱量が蒸着装置の稼働状況によって一定でないので、装置の稼動初期に設定した保持具の温度制御条件は、装置全体が温度上昇するにつれ狂いを生ずる。このため、長時間にわたって所定の温度に制御することは極めて困難である。
As described above with an organic EL element as an example, in order to produce a display or electronic device using an organic material thin film using a vapor deposition method, the molecular structure of the vapor deposited organic thin film is not destroyed during the production, and It is essential that the thickness of the thin film can be precisely controlled.
In order to prevent the molecular structure of the organic thin film from being destroyed and to be able to precisely control the film thickness of the thin film, the temperature of the entire deposition target holder can be deposited without destroying the molecular structure, that is, Although it is necessary to precisely control the sublimation temperature of the organic material to be deposited, adding a temperature control device to the deposition material holder increases the surface area, volume, and heat capacity of the holder, and increases the time until a thermal equilibrium state is reached. Time is required, and it is extremely difficult to control to a predetermined temperature in a short time. Further, since the amount of heat that escapes through the jig that supports the holder is not constant depending on the operating condition of the vapor deposition apparatus, the temperature control condition of the holder set at the initial stage of operation of the apparatus is distorted as the temperature of the entire apparatus rises. For this reason, it is extremely difficult to control to a predetermined temperature for a long time.

例えば、従来の装置は図14に示すように、被蒸着有機物質毎に設けたクヌーセンセル20,21に被蒸着有機物質を入れ、クヌーセンセル20,21の温度をそれぞれの被蒸着有機物質の昇華温度に制御して蒸着しているが、上に説明したように、クヌーセンセル20,21はそれぞれ温度制御装置を内蔵しているので、表面積、容積及び熱容量が大きく、熱平衡状態になるまでに長時間を必要とし、短時間に所定の温度に制御しようとすると、温度のオーバーシュート、つまり、過温度上昇が生じ、被蒸着有機物質の分子構造を損傷してしまうことが避けられない。また、有機薄膜の分子の配向性は有機薄膜の導電率に影響を与えるが、分子の配向性は蒸着速度によっても左右され、上記のように従来の蒸着方法では、蒸着速度を十分一定に保つことが難しいので、配向性を十分制御できない。クヌーセンセルの温度制御が上記のように難しいために蒸着速度を十分一定に保つことが難しく、膜厚制御が難しい。膜厚制御性を向上させるために、従来の装置では、蒸着基板近傍に膜厚センサー22を設け、また、被蒸着物質の蒸発を防止するシャッター20a,20bを設けて、所定の膜厚に達したことを膜厚センサー20で検出してシャッター20a,20bを閉じる方法で膜厚を制御しているが、貴重な有機物質原料をシャッターに蒸着してしまうという無駄が生じる。  For example, in the conventional apparatus, as shown in FIG. 14, the organic material to be deposited is put in the Knudsen cells 20 and 21 provided for each organic material to be deposited, and the temperature of the Knudsen cells 20 and 21 is sublimated. Although the vapor deposition is controlled at the temperature, as explained above, the Knudsen cells 20 and 21 each have a built-in temperature control device, so that the surface area, the volume and the heat capacity are large, and it takes a long time to reach a thermal equilibrium state. If time is required and control is performed at a predetermined temperature in a short time, it is inevitable that the temperature overshoots, that is, the overtemperature rises, and the molecular structure of the organic material to be deposited is damaged. In addition, the molecular orientation of the organic thin film affects the electrical conductivity of the organic thin film, but the molecular orientation is also affected by the deposition rate. As described above, the conventional deposition method keeps the deposition rate sufficiently constant. It is difficult to control the orientation. Since temperature control of the Knudsen cell is difficult as described above, it is difficult to keep the deposition rate sufficiently constant, and film thickness control is difficult. In order to improve the film thickness controllability, in the conventional apparatus, the film thickness sensor 22 is provided in the vicinity of the vapor deposition substrate, and the shutters 20a and 20b for preventing evaporation of the vapor deposition material are provided, and the predetermined film thickness is reached. Although the film thickness is controlled by a method in which the film thickness sensor 20 detects this and the shutters 20a and 20b are closed, there is a waste of depositing valuable organic material on the shutter.

図14のクヌーセンセルのように、温度を制御する保持具は大型であるため、複数の被蒸着物質を連続して蒸着することが必要なデバイスを製造する場合には、大型の保持具を複数収納するために蒸着装置が極めて大型化してしまい、装置コストの上昇が避けられない。  As in the Knudsen cell of FIG. 14, since the temperature control holder is large, when manufacturing a device that needs to continuously deposit a plurality of deposition materials, a plurality of large holders are used. Since the vapor deposition apparatus becomes very large for storage, an increase in apparatus cost is inevitable.

また、コンビナトリアル成膜技術分野においては、マスクを移動させながら、異なる材料を交互に数分子層(又は原子層)ずつ蒸着して約1万分子層(又は原子層)の組成傾斜膜を形成するが、蒸着材料の切り替え速度が早くないと作製に時間がかかる。  Further, in the combinatorial film forming technology field, different materials are alternately deposited by several molecular layers (or atomic layers) while moving the mask to form a composition gradient film of about 10,000 molecular layers (or atomic layers). However, if the switching speed of the vapor deposition material is not fast, the production takes time.

また従来、主に無機物質の薄膜を作製する方法としてレーザアブレーション法(PLD法)が知られている。レーザアブレーション法は、可視光や紫外光の高エネルギーのレーザ光パルスを照射して、レーザ光パルスの有する光エネルギーを直接蒸着物質に吸収させて蒸発させるものである。しかしながら、レーザアブレーション法は、分子性の物質、特に、有機物質の場合には分子構造が損傷を受けてしまい、被蒸着物質の分子構造に基づく機能を十分に発現させることができない(非特許文献3,4参照)。  Conventionally, a laser ablation method (PLD method) is known as a method for producing a thin film mainly of an inorganic substance. In the laser ablation method, a laser beam pulse of high energy such as visible light or ultraviolet light is irradiated, and the light energy of the laser beam pulse is directly absorbed by a vapor deposition material and evaporated. However, in the case of a laser ablation method, in the case of a molecular substance, particularly an organic substance, the molecular structure is damaged, and the function based on the molecular structure of the material to be deposited cannot be sufficiently developed (non-patent document). 3 and 4).

http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/oel/3.htm 2005/08/05http: // www. nanoelectronics. jp / kaitai / oel / 3. htm 2005/08/05 http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/printableofet/2.htm 2005/08/05http: // www. nanoelectronics. jp / kaitai / printableofet / 2. htm 2005/08/05 K.ITAKI et al.,“Pulsed laser deposition of c* axis oriented pentacen films” Appl.Phs.A, Vol.79,pp.875−877,2004K. ITAKI et al. "Pulsed laser deposition of c * axis oriented pencenten films" Appl. Phs. A, Vol. 79, pp. 875-877, 2004 Jun Yamaguti et al.,“Combinatorial Pulsed Laser Deposition of PentacenFilms for Field Effect Device” MacromolRapid Commun., Vol.25,pp.334−338,2004Jun Yamaguchi et al. "Combinatorial Pulsed Laser Deposition of PentacenFilms for Field Effect Device" Macromol Rapid Commun. , Vol. 25, pp. 334-338, 2004 M. Haemori,他4名,“Fabrication of Highly Oriented Rubrene Thin Films bythe Use of Atomically Finished Substrate and Pentacene Buffer Layer”,Jap.J.Appl. Phys.,Vol.44,p.3740,2005M.M. Haemori, 4 others, “Fabrication of Highly Oriented Rubrine Thin Films Use of Atomically Finished Substrated and Pentacene Buffer Layer”, Japan. J. et al. Appl. Phys. , Vol. 44, p. 3740, 2005

上記説明から理解されるように、クヌーセンセルを用いた蒸着の場合には、蒸着温度の制御に時間がかかりすぎる上に、成膜速度が一定ではない。一方、レーザアブレーション法の場合には、成膜のデジタル制御は可能であるが、分子性の物質、特に、有機物質の場合には分子構造が損傷を受けてしまい、被蒸着物質の分子構造に基づく機能を十分に発現させることができない。  As understood from the above description, in the case of vapor deposition using a Knudsen cell, it takes too much time to control the vapor deposition temperature, and the film deposition rate is not constant. On the other hand, in the case of the laser ablation method, the film formation can be digitally controlled. However, in the case of a molecular substance, particularly an organic substance, the molecular structure is damaged, and the molecular structure of the material to be deposited is reduced. The function based on it cannot fully be expressed.

分子性物質、特に有機物質の分子構造が破壊されずに蒸着でき、その結果、有機物質の物性を十分発現でき、且つ、蒸着速度が制御でき、さらに、分子性物質の配向性とこの薄膜の膜厚が十分制御できると共に、低コストな成膜技術及び蒸着装置等が求められているが、その方法及び装置は未だ実現されていない。  Vapor deposition can be performed without destroying the molecular structure of molecular substances, particularly organic substances. As a result, the physical properties of organic substances can be fully expressed and the deposition rate can be controlled. Although film thickness can be sufficiently controlled and low-cost film formation technology and vapor deposition apparatus are required, the method and apparatus have not been realized yet.

上記課題に鑑み本発明は、分子性物質、特に、有機物質の分子構造を破壊することなく蒸着でき、且つ、蒸着速度を制御して蒸着できる低コストな成膜方法を提供することを第1の目的とし、このような成膜装置を提供することを第2の目的としている。  In view of the above problems, the present invention provides a low-cost film forming method that can be deposited without destroying the molecular structure of a molecular substance, particularly an organic substance, and that can be deposited by controlling the deposition rate. A second object is to provide such a film forming apparatus.

上記第1の目的を達成するため、本発明は、被蒸着物質に光源から光を照射し、被蒸着物質の蒸着速度を制御して基板に分子性物質を成膜する方法であって、光の連続波の強度を選択して照射するか、又は、光がパルスの場合には、パルスの波高値、パルス幅及びパルス間隔の内のいずれか又は複数を選択して照射することにより、分子性物質の分子構造を保持しながら成膜することを特徴とする。
上記構成において、連続波からなる光は、好ましくは、分子性物質の結合エネルギーよりも小さい波長エネルギーを有している。パルス光源は、好ましくは、シングルフォトンの領域のピークエネルギー密度強度において、分子性物質の結合エネルギーよりも小さい波長エネルギーを有している。分子性物質は有機半導体、例えばペンタセンであってよく、その場合は、光の波長は808nmから981nm近傍である。
In order to achieve the first object, the present invention is a method of depositing a molecular substance on a substrate by irradiating a deposition target material with light from a light source and controlling a deposition rate of the deposition target substance. By selecting the intensity of the continuous wave and irradiating, or when the light is a pulse, select one or more of the pulse peak value, pulse width and pulse interval to irradiate the molecule. The film is formed while maintaining the molecular structure of the active substance.
In the above configuration, the light composed of continuous waves preferably has a wavelength energy smaller than the binding energy of the molecular substance. The pulsed light source preferably has a wavelength energy smaller than the binding energy of the molecular substance at the peak energy density intensity in the single photon region. The molecular substance may be an organic semiconductor, such as pentacene, in which case the light wavelength is in the vicinity of 808 nm to 981 nm.

従来の方法によれば、π電子が形成するバンドギャップエネルギー以上のエネルギーに相当する光子を照射すると、基底状態(Highest Occupied Molecular Orbital State)のπ電子が励起状態(Lowest Unoccupied Molecular State)に励起され、励起された電子は自由電子となり、自由に動き回る現象が生じる。有機物質の蒸着中には有機物質が個々の分子に分解されるので、蒸着中にこの現象が生じると、励起されたπ電子は基底状態に戻ることができず、このため、π電子を形成している有機物質の2重結合が壊れて1重結合になり、有機物質の共役系分子構造が破壊される。有機物質の共役系分子構造が破壊されると、有機物質の共役系分子構造に基づくπ電子の物性を利用する有機デバイスは機能を失う。一方、本発明の方法によれば、分子性物質の分子構造を保持しながら成膜できる光を照射して、分子性物質を成膜するので、上記の現象が生じず、従って、有機物質薄膜の分子構造が破壊されない。  According to the conventional method, when a photon corresponding to energy higher than the band gap energy formed by π electrons is irradiated, π electrons in the ground state (High Occupied Molecular Orbital State) are excited to an excited state (Lowest Unoccupied Molecular State). The excited electrons become free electrons, causing a phenomenon of free movement. During the vapor deposition of organic material, the organic material is decomposed into individual molecules, so if this phenomenon occurs during vapor deposition, the excited π electrons cannot return to the ground state, thus forming π electrons. The double bond of the organic substance is broken to become a single bond, and the conjugated molecular structure of the organic substance is destroyed. When the conjugated molecular structure of the organic material is destroyed, the organic device utilizing the physical properties of π electrons based on the conjugated molecular structure of the organic material loses its function. On the other hand, according to the method of the present invention, the molecular substance is formed by irradiating light that can be formed while maintaining the molecular structure of the molecular substance. The molecular structure of is not destroyed.

また、分子性物質の原料粉末は、照射する光子を吸収し、光子数に応じた温度に上昇し、吸収したエネルギーは周囲の低温部分に向かって熱エネルギーとして拡散するが、拡散する熱エネルギーの大きさは周囲との温度差に比例するので、拡散する熱エネルギーの大きさが単位時間に供給される光子エネルギーと等しくなるまで温度上昇して温度が一定になる。光の連続波の強度を選択して照射するか、又は、光がパルスの場合には、パルスの波高値、パルス幅及びパルス間隔の内のいずれか又は複数を選択して照射すれば、極めて広範囲に、また、精度良く、単位時間に供給する光子エネルギーを制御できるので、有機物質の原料粉末を所定の温度に制御でき、その結果、蒸着速度を所望の一定値に制御できる。従って、本発明の方法によれば、分子性物質の分子構造に損傷を与えることなく、且つ、分子の配向性と膜厚を精密に制御して蒸着できる。  In addition, the raw material powder of the molecular substance absorbs the photons to be irradiated and rises to a temperature corresponding to the number of photons, and the absorbed energy diffuses as thermal energy toward the surrounding low-temperature part. Since the magnitude is proportional to the temperature difference from the surroundings, the temperature rises and becomes constant until the magnitude of the diffusing thermal energy becomes equal to the photon energy supplied per unit time. If the intensity of the continuous wave of light is selected for irradiation, or if the light is a pulse, it can be extremely selected by selecting one or more of the pulse peak value, pulse width, and pulse interval. Since the photon energy supplied per unit time can be controlled over a wide range and with high accuracy, the raw material powder of the organic substance can be controlled to a predetermined temperature, and as a result, the vapor deposition rate can be controlled to a desired constant value. Therefore, according to the method of the present invention, it is possible to perform deposition while precisely controlling the molecular orientation and film thickness without damaging the molecular structure of the molecular substance.

本発明による分子性物質の成膜方法の他の態様は、被蒸着物質に光源から照射される光を照射し、被蒸着物質の蒸着速度を制御して基板に分子性物質を成膜するに当たり、被蒸着物質に、光を吸収し且つ吸収した光エネルギーを光として放出し、分子性物質の蒸着温度で該分子性物質と反応せず且つ蒸発しない物質を混合し、光の連続波の強度を選択して照射するか、又は、光がパルス光の場合には、パルスの波高値、パルス幅及びパルス間隔の内のいずれか又は複数を選択して照射することにより、分子性物質の分子構造を保持しながら成膜することを特徴とする。
上記構成において、連続波からなる光は、好ましくは、分子性物質の結合エネルギーよりも小さい波長エネルギーを有している。パルス光源は、好ましくは、シングルフォトンの領域のピークエネルギー密度において、分子性物質の結合エネルギーよりも小さい波長エネルギーを有している。分子性物質は、好ましくは有機半導体である。分子性物質と反応せず且つ蒸発しない物質は、例えば、高融点金属、炭化物、窒化物の何れかである。
好ましくは、分子性物質がルブレン又はC60であり、ルブレン又はC60と反応せず且つ蒸発しない物質がSi粉末であり、赤外光レーザの波長が808nmから981nm近傍である。
この方法によれば、分子性物質の吸収波長が、使用する光源のピーク波長から大幅にずれていても、混合した物質が、赤外光を吸収し且つ吸収した赤外光エネルギーを広範囲の波長を有する赤外光として再放出するので、分子性物質の温度を所望の温度に制御でき、蒸着速度を一定とすることができ、従って、分子性物質の分子構造に損傷を与えることなく、且つ、分子の配向性を制御し、膜厚を精密に制御して蒸着することができる。
混合する物質は、蒸着する分子性物質の蒸着温度で、被蒸着物質と反応せず、かつ、蒸発しない物質であれば良く、例えば、有機物質の場合には、Si、高融点金属、SiC等の炭化物、あるいは、NiO、Si34等の窒化物であっても良い。
この方法によれば、光の連続波の強度を選択して照射するか、或いは、赤外光レーザパルスを、パルスの波高値、パルス幅及びパルス間隔の内のいずれか又は複数を選択することによって、蒸着速度を制御できるので、膜厚センサーやシャッターを必要とせず、また、被蒸着物質を保持する保持具の温度制御装置を必要としないので、蒸着装置を大型化すること無しに、複数の被蒸着物質を真空層内に配置できる。従って、分子性物質からなる薄膜を、低コストで製造することができる。
According to another aspect of the method for forming a molecular substance according to the present invention, when depositing a molecular substance on a substrate by irradiating the target substance with light emitted from a light source and controlling the deposition rate of the target substance. The material to be vapor-deposited absorbs light and releases the absorbed light energy as light, and mixes the material that does not react with the molecular material at the deposition temperature of the molecular material and does not evaporate. Or when the light is pulsed light, select one or more of the pulse peak value, pulse width, and pulse interval to irradiate the molecule of the molecular substance. The film is formed while maintaining the structure.
In the above configuration, the light composed of continuous waves preferably has a wavelength energy smaller than the binding energy of the molecular substance. The pulsed light source preferably has a wavelength energy smaller than the binding energy of the molecular substance at the peak energy density in the region of single photons. The molecular substance is preferably an organic semiconductor. The substance that does not react with the molecular substance and does not evaporate is, for example, any one of a refractory metal, a carbide, and a nitride.
Preferably, the molecular substance is rubrene or C 60 , the substance that does not react with rubrene or C 60 and does not evaporate is Si powder, and the wavelength of the infrared laser is in the vicinity of 808 nm to 981 nm.
According to this method, even if the absorption wavelength of the molecular substance deviates significantly from the peak wavelength of the light source used, the mixed substance absorbs infrared light and absorbs absorbed infrared light energy over a wide range of wavelengths. Therefore, the temperature of the molecular material can be controlled to a desired temperature, the deposition rate can be kept constant, and thus the molecular structure of the molecular material is not damaged, and The film can be deposited by controlling the molecular orientation and precisely controlling the film thickness.
The substance to be mixed may be any substance that does not react with the deposition target substance and does not evaporate at the deposition temperature of the molecular substance to be deposited. For example, in the case of an organic substance, Si, refractory metal, SiC, etc. Or a nitride such as NiO or Si 3 N 4 .
According to this method, the intensity of the continuous wave of light is selected for irradiation, or an infrared laser pulse is selected from one or more of the pulse peak value, pulse width, and pulse interval. Since the deposition rate can be controlled by this, there is no need for a film thickness sensor or shutter, and no need for a temperature control device for the holder that holds the material to be deposited. The deposition material can be disposed in the vacuum layer. Therefore, a thin film made of a molecular substance can be manufactured at a low cost.

上記第2の目的を達成するため、本発明の分子性物質の成膜装置は、光を透過する窓を有した真空槽と、真空槽内に配置される被蒸着物質を保持する保持具と、保持具から蒸発する被蒸発物質を堆積する基板を保持する基板保持具と、真空槽の窓を介して真空槽内の被蒸着物質に照射されるように配置された光源と、を備え、光源の波長は、分子性物質の分子構造を保持しながら成膜できる波長エネルギーを有することを特徴とする。
上記構成において、光源は連続波光源であってよく、連続波光源は分子性物質の結合エネルギーよりも小さい波長エネルギーを有している。光源はパルス光源であってもよい。パルス光源は、シングルフォトンの領域のピークエネルギー密度強度において、分子性物質の結合エネルギーよりも小さい波長エネルギーを有している。このパルス光源は、好ましくは、連続波光源を断続させて形成される。保持具を光源の照射位置に移動する保持具移動部を、さらに備えることもできる。
In order to achieve the second object, a molecular substance deposition apparatus of the present invention includes a vacuum chamber having a window that transmits light, and a holder that holds a deposition target substance disposed in the vacuum chamber. A substrate holder that holds a substrate on which the evaporation target substance that evaporates from the holder is deposited, and a light source that is disposed so as to irradiate the evaporation target substance in the vacuum chamber through the window of the vacuum chamber, The wavelength of the light source has a wavelength energy that allows film formation while maintaining the molecular structure of the molecular substance.
In the above configuration, the light source may be a continuous wave light source, and the continuous wave light source has a wavelength energy smaller than the binding energy of the molecular substance. The light source may be a pulsed light source. The pulse light source has a wavelength energy smaller than the binding energy of the molecular substance at the peak energy density intensity in the single photon region. This pulse light source is preferably formed by intermittently supplying a continuous wave light source. A holder moving unit that moves the holder to the irradiation position of the light source can be further provided.

本発明の分子性物質の成膜装置によれば、光源を使用するので、分子性物質、例えば、有機物質からなる薄膜をその分子構造に損傷を与えずに蒸着でき、また、例えば赤外光レーザパルスを使用した場合には、赤外光レーザパルスの波高値、パルス幅及びパルス間隔の内のいずれか又は複数を選択することにより、照射する赤外光レーザのエネルギーの大きさを広範囲にわたって、また、精密に制御できるので、蒸着速度を所望の値に制御することができ、その結果、配向性を制御し且つ膜厚を精密に制御して製造することが可能である。  According to the molecular material film forming apparatus of the present invention, since a light source is used, a thin film made of a molecular material, for example, an organic material can be deposited without damaging the molecular structure. When laser pulses are used, by selecting one or more of the peak value, pulse width and pulse interval of the infrared laser pulse, the energy intensity of the irradiated infrared laser can be varied over a wide range. Moreover, since it can be precisely controlled, the deposition rate can be controlled to a desired value, and as a result, it is possible to manufacture by controlling the orientation and the film thickness.

本発明の分子性物質の成膜方法及びその装置によれば、光源からの光照射により、被蒸着物質を蒸発させて成膜することができ、被蒸着物質を無駄に消費せず、短時間に製造することができる。また、複数の被蒸着物質を連続して蒸着することが必要なデバイスの製造の場合にも、装置のコストを増大させることなく製造することができる。  According to the method and apparatus for forming a molecular substance of the present invention, it is possible to form a film by evaporating the deposition target material by irradiating light from a light source. Can be manufactured. Further, even in the case of manufacturing a device that needs to continuously deposit a plurality of materials to be deposited, the device can be manufactured without increasing the cost of the apparatus.

本発明の赤外光レーザによる分子性物質の蒸着装置の構成を示す概略タッ面図である。It is a general | schematic top view which shows the structure of the vapor deposition apparatus of the molecular material by the infrared-light laser of this invention. クヌーセンセルを用いた従来の蒸着法で作製したペンタセン薄膜の吸収スペクトルを示す図であるIt is a figure which shows the absorption spectrum of the pentacene thin film produced by the conventional vapor deposition method using a Knudsen cell. 代表的な分子振動の吸収波長を示す表である。It is a table | surface which shows the absorption wavelength of a typical molecular vibration. 分子性物質の有する各種結合における結合解離エネルギーとこのエネルギーに対応する光の波長との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the bond dissociation energy in the various coupling | bonding which a molecular substance has, and the wavelength of the light corresponding to this energy. 光源がパルスレーザの場合において、パルス幅とパルスのピークパワー密度との関係を示す図である。When a light source is a pulse laser, it is a figure which shows the relationship between a pulse width and the peak power density of a pulse. 本発明の赤外光レーザによる分子性物質の蒸着装置を用いた赤外光レーザによる分子性物質の蒸着工程を説明するための模式図である。It is the model for demonstrating the vapor deposition process of the molecular material by the infrared light laser using the vapor deposition apparatus of the molecular material by the infrared light laser of this invention. 実施例1で作製したペンタセン薄膜の結晶構造を示す図である。2 is a diagram illustrating a crystal structure of a pentacene thin film manufactured in Example 1. FIG. 実施例1により作製したペンタセン薄膜の赤外吸収スペクトルを示す図である。2 is a diagram showing an infrared absorption spectrum of a pentacene thin film produced according to Example 1. FIG. 実施例1により作製したペンタセン薄膜の表面SEM(操作電子顕微鏡)像を示す図である。2 is a diagram showing a surface SEM (operational electron microscope) image of a pentacene thin film produced according to Example 1. FIG. 実施例2,3及び比較例1,2で作製したペンタセン薄膜の赤外吸収スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the infrared absorption spectrum of the pentacene thin film produced in Example 2, 3 and Comparative example 1,2. 実施例3及び比較例2で作製したペンタセン薄膜の紫外可視光領域の吸収スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the absorption spectrum of the ultraviolet visible light area | region of the pentacene thin film produced in Example 3 and Comparative Example 2. FIG. 実施例4で作製したルブレン薄膜のX線回折の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the X-ray diffraction of the rubrene thin film produced in Example 4. 実施例5で作製したC60薄膜の成膜中に観察した反射型高速電子線の回折強度の時間依存性を示す図である。A diagram depicting time dependency of the diffraction intensity of the reflection type high energy electron observed during the formation of C 60 films produced in Example 5. クヌーセンセルを用いた従来の蒸着装置を示す図である。It is a figure which shows the conventional vapor deposition apparatus using a Knudsen cell.

符号の説明Explanation of symbols

1:分子性物質の成膜装置(蒸着装置)
2:光透過窓
3:真空槽
4:被蒸着物質保持具
4a,4b,4c:被蒸着物質保持具
5:被蒸着物質の蒸気
6:基板
7:基板保持具
8:光源(レーザ装置)
9:保持具載置台
10:ロッド
11:照射光(連続波又はパルス光)
1: Molecular material deposition system (evaporation system)
2: Light transmission window 3: Vacuum chamber 4: Deposited material holders 4a, 4b, 4c: Deposited material holder 5: Vapor of deposited material 6: Substrate 7: Substrate holder 8: Light source (laser device)
9: Holder mounting table 10: Rod 11: Irradiation light (continuous wave or pulsed light)

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
初めに本発明の装置を説明する。
図1は本発明に係る分子性物質の成膜装置の構成を示す模式図である。本発明の分子性物質の成膜装置1は、光を透過する窓2を有した真空槽3と、真空槽3内に配置した被蒸着物質を保持する保持具4と、保持具4から蒸発する被蒸着物質5を蒸着する基板6を保持する基板保持具7と、真空槽3の外部に配置した光を照射することができる光源8とを少なくとも備えている。光源8は、ランプやレーザ装置などから成る。光源8は、光源8の発生する照射光11が真空槽の窓2を介して被蒸着物質の保持具4に配置した被蒸着物質を照射するように配置されている。被蒸着物質の保持具4の数は、被蒸着物質の数に応じて複数個配置してもよい。被蒸着物質を保持する保持具4は、照射光11の照射位置に移動可能に保持されており、例えば、図に示すように、保持具搭載台9の円周上に複数の保持具4が載置され、保持具搭載台9に結合したロッド10を回転することによって所望の保持具4を照射光11の照射位置に移動する。上記の基板保持具7は、基板6の温度を制御することができる基板温度制御部を備えた基板保持具7としてもよい。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, the apparatus of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a molecular substance film forming apparatus according to the present invention. The molecular substance film forming apparatus 1 of the present invention includes a vacuum chamber 3 having a light transmitting window 2, a holder 4 for holding a vapor deposition material disposed in the vacuum chamber 3, and evaporation from the holder 4. A substrate holder 7 that holds a substrate 6 on which a deposition target material 5 to be deposited is held, and a light source 8 that can irradiate light disposed outside the vacuum chamber 3 are provided. The light source 8 includes a lamp, a laser device, and the like. The light source 8 is disposed such that the irradiation light 11 generated by the light source 8 irradiates the deposition material disposed on the deposition material holder 4 through the window 2 of the vacuum chamber. A plurality of deposition material holders 4 may be arranged according to the number of deposition materials. The holder 4 that holds the deposition material is movably held at the irradiation position of the irradiation light 11. For example, as shown in the figure, a plurality of holders 4 are provided on the circumference of the holder mounting base 9. The desired holder 4 is moved to the irradiation position of the irradiation light 11 by rotating the rod 10 mounted and coupled to the holder mounting base 9. The substrate holder 7 may be a substrate holder 7 provided with a substrate temperature control unit that can control the temperature of the substrate 6.

次に、光源8について説明する。
初めに、分子性物質が共役分子系の有機物質である場合を例として説明する。
分子性物質が共役分子系の有機物質である場合には、共役分子系の有機物質のバンドギャップエネルギー未満のエネルギーに相当する光子を出力する光源8を用いる。共役分子系の有機物質のバンドギャップエネルギーは、有機物質の吸収スペクトルから知ることができる。例えば、図2は、クヌーセンセルを用いた従来の蒸着法で作製したペンタセン薄膜の吸収スペクトルを示す図であるが、図から明らかなように、約700nm以上で吸収が少ないことから、ペンタセンのバンドギャップエネルギーに相当する吸収端波長は約700nmであることがわかり、従って、ペンタセンの場合には、例えば、700nmより長波長の光源8を用いればよい。このような光源8として、例えば、半導体レーザなどの赤外光レーザを用いればよい。この赤外光レーザ装置は、時間コヒーレントな赤外光レーザ連続波を出力する赤外光レーザ装置であれば良く、赤外光レーザ連続波の強度を制御するか、あるいは、赤外光レーザ連続波を光チョッパで断続し、光チョッパの回転周波数を制御して、パルス幅及びパルス間隔を制御しても良い。
Next, the light source 8 will be described.
First, the case where the molecular substance is a conjugated molecular organic substance will be described as an example.
In the case where the molecular substance is a conjugated molecular organic substance, a light source 8 that outputs photons corresponding to energy less than the band gap energy of the conjugated molecular organic substance is used. The band gap energy of a conjugated molecular organic material can be determined from the absorption spectrum of the organic material. For example, FIG. 2 shows an absorption spectrum of a pentacene thin film prepared by a conventional vapor deposition method using a Knudsen cell. As is clear from the figure, since the absorption is low at about 700 nm or more, the pentacene band is shown. It can be seen that the absorption edge wavelength corresponding to the gap energy is about 700 nm. Therefore, in the case of pentacene, for example, the light source 8 having a wavelength longer than 700 nm may be used. As such a light source 8, for example, an infrared laser such as a semiconductor laser may be used. The infrared laser device may be an infrared laser device that outputs a temporally coherent infrared laser continuous wave, and controls the intensity of the infrared laser continuous wave or the infrared laser continuous wave. The pulse width and the pulse interval may be controlled by interrupting the wave with an optical chopper and controlling the rotation frequency of the optical chopper.

次に、分子性物質が共役分子系の有機物質以外である場合の光源8について説明する。
図3は、代表的な分子振動の吸収波長を示す図である。図3は、代表的な分子振動である伸縮運動による吸収波長を示したものであるが、分子振動には、その他、変角振動、回転振動及びこれらの振動の組み合わせ振動があり、これらの振動による吸収も含めると赤外吸収波長範囲は0.7μmから20μmの範囲に達する。
Next, the light source 8 when the molecular substance is other than a conjugated molecular organic substance will be described.
FIG. 3 is a diagram showing typical absorption wavelengths of molecular vibrations. FIG. 3 shows the absorption wavelength due to the stretching motion, which is a typical molecular vibration. The molecular vibration includes, in addition, an angular vibration, a rotational vibration, and a combined vibration of these vibrations. Including the absorption due to, the infrared absorption wavelength range reaches from 0.7 μm to 20 μm.

図4は、分子性物質の有する各種結合における結合解離エネルギーとこのエネルギーに対応する光の波長との関係を示す図である。図において、横軸は波長(nm)を示し、縦軸は結合解離エネルギー(kJ/モル)を示している。
図から明らかように、C≡C結合(828kJ/モル(8.58eV))、C=C結合(607kJ/モル(6.29eV))、O−H結合(463kJ/モル(4.8eV))、C−H結合(413kJ/モル(4.28eV))、C−C結合(348kJ/モル(3.61eV))の順に結合解離エネルギー(結合エネルギーとも呼ばれる)が低下していることが分かる。例えば、分子性物質がC−C結合を有している場合には、結合解離エネルギーが3.61eVであり、このエネルギーに対応する光の波長は約344nmである。分子性物質がC−C結合だけを有している場合には、分子性物質の分子構造を保持しながら成膜するためには、結合解離エネルギーである3.61eV以下の光子エネルギーを有する光源を用いればよい。つまり、波長としては、約344nm以上の波長を有する光源8とすればよい。分子性物質が上記結合やこれらの結合の組み合わせである場合には、結合解離エネルギーが最も低い波長に対応した光源8を用いればよい。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between bond dissociation energy in various bonds of a molecular substance and the wavelength of light corresponding to this energy. In the figure, the horizontal axis represents wavelength (nm) and the vertical axis represents bond dissociation energy (kJ / mol).
As is apparent from the figure, C≡C bond (828 kJ / mol (8.58 eV)), C═C bond (607 kJ / mol (6.29 eV)), O—H bond (463 kJ / mol (4.8 eV)) It can be seen that the bond dissociation energy (also called bond energy) decreases in the order of C—H bond (413 kJ / mol (4.28 eV)) and C—C bond (348 kJ / mol (3.61 eV)). For example, when the molecular substance has a C—C bond, the bond dissociation energy is 3.61 eV, and the wavelength of light corresponding to this energy is about 344 nm. When the molecular substance has only C—C bonds, a light source having a photon energy of 3.61 eV or less, which is a bond dissociation energy, is used to form a film while maintaining the molecular structure of the molecular substance. May be used. In other words, the light source 8 may have a wavelength of about 344 nm or more. When the molecular substance is the above bond or a combination of these bonds, the light source 8 corresponding to the wavelength having the lowest bond dissociation energy may be used.

従って、本発明の装置に使用する光源8の光は、分子性物質のバンドギャップエネルギー、分子振動、分子性物質の結合におけるボンド結合エネルギー等を考慮して、分子性物質の分子構造を保持できる波長とすればよい。例えば、発光波長を0.7μmから20μmの範囲とすることができる。光源8は、被蒸着物質の種類に応じて、CO2レーザ、COレーザ、HFレーザ及びYAGレーザ等のガスレーザの内から選択することができる。また、半導体からなるGaAs、GaAlAs、PbSnSe、PbSSe及びInAsSb系の半導体レーザを使用してもよい。自由電子レーザを使用しても良い。光源8は、上記分子性物質の分子構造を保持できる波長だけを透過するためのフィルターを備えたランプであってもよい。Accordingly, the light of the light source 8 used in the apparatus of the present invention can maintain the molecular structure of the molecular substance in consideration of the band gap energy of the molecular substance, the molecular vibration, the bond binding energy in the binding of the molecular substance, and the like. The wavelength may be used. For example, the emission wavelength can be in the range of 0.7 μm to 20 μm. The light source 8 can be selected from gas lasers such as a CO 2 laser, a CO laser, an HF laser, and a YAG laser according to the type of vapor deposition material. Further, GaAs, GaAlAs, PbSnSe, PbSSe, and InAsSb semiconductor lasers made of a semiconductor may be used. A free electron laser may be used. The light source 8 may be a lamp including a filter that transmits only a wavelength that can maintain the molecular structure of the molecular substance.

光源8がパルスである場合には、例えば、連続波を出力するこれらの赤外光などのレーザ装置と、出力光を断続する光チョッパとを組み合わせて、連続光を断続して赤外光レーザパルスを形成する。Qスイッチで形成する赤外光レーザパルスは、周波数コヒーレント波であるので、被蒸着物質の種類によってはマルチフォトン励起が生じ、また、波長の短い短光パルスとなりやすいので、共役系分子からなる有機物質の場合には、基底状態の電子が励起状態に励起されて分子構造が損傷したり、被蒸着物質を構成する原子の電子が励起されて分子構造に損傷をもたらす場合があるが、連続光を断続して形成したレーザパルス8は、時間的コヒーレント波であるので、マルチフォトン励起が生じることが無く、分子構造に損傷をもたらすことがない。  In the case where the light source 8 is a pulse, for example, a laser device such as an infrared light that outputs a continuous wave and an optical chopper that interrupts the output light are combined to interrupt the continuous light, and an infrared laser. Form a pulse. Since the infrared laser pulse formed by the Q switch is a frequency coherent wave, multi-photon excitation occurs depending on the type of material to be deposited, and a short light pulse with a short wavelength tends to be generated. In the case of a substance, the ground state electrons may be excited to an excited state and the molecular structure may be damaged, or the atoms of the atoms constituting the deposited material may be excited to cause damage to the molecular structure. Since the laser pulse 8 formed intermittently is a temporally coherent wave, multi-photon excitation does not occur and the molecular structure is not damaged.

図5は、光源8がパルスレーザの場合において、パルス幅とパルスのピークパワー密度との関係を示す図である。図において、横軸はパルス幅(s)を示し、縦軸はピークパワー密度(W/cm2)を示している。ピークパワー密度は、エネルギー密度の尖頭値とも呼ばれており、1パルスにおけるパワー密度の最大値である。分子性物質の分子構造を保持しながら成膜するためには、上記パルスレーザの光子強度、即ち、ピークパワー密度をシングルフォトン領域である図示する点線(約5×105W/cm2)以下のピークパワー密度とすればよい。図には、従来のPLDに用いられていたパルス幅とピークパワー密度の関係も併せて示している。この従来のPLDに用いられていたパルスにおける光子強度はシングルフォトン領域ではなくマルチフォトン領域である。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the pulse width and the peak power density of the pulse when the light source 8 is a pulse laser. In the figure, the horizontal axis indicates the pulse width (s), and the vertical axis indicates the peak power density (W / cm 2 ). The peak power density is also called the peak value of the energy density, and is the maximum value of the power density in one pulse. In order to form a film while maintaining the molecular structure of the molecular substance, the photon intensity of the pulse laser, that is, the peak power density is equal to or less than the dotted line (about 5 × 10 5 W / cm 2 ) shown in the figure, which is a single photon region. The peak power density is sufficient. The figure also shows the relationship between the pulse width and peak power density used in the conventional PLD. The photon intensity in the pulse used in this conventional PLD is not a single photon region but a multiphoton region.

次に、本発明の光による分子性物質の成膜を行なう蒸着装置用いて、本発明の光を用いた分子性物質を蒸着する工程を説明する。
図6は、本発明の分子性物質の蒸着装置を用いた本発明の分子性物質の成膜方法を説明するための模式図である。以下、光源8として、赤外光レーザパルスを用い、有機EL素子の製造のように、3種類の有機物薄膜を積層する場合について説明する。
(1)初めに、3種類の有機物薄膜の原料粉末a,b,cのそれぞれについて、蒸着速度と赤外光レーザパルス11の波高値、パルス幅及びパルス間隔との関係を求めておく。
(2)次に、3種類の有機物薄膜の原料粉末a,b,cをそれぞれ、被蒸着物質保持具4a,4b,4cにそれぞれ装填し、基板保持具7に基板6を装着して真空槽3を真空引きする。所定の真空度に達した後、基板保持具7を加熱して基板6を所定の温度に保持する。
(3)最初に蒸着する有機物薄膜の原料粉末aが装填された保持具4aを赤外光レーザパルス11の照射位置に移動し、予め求めた原料粉末aの蒸着速度と赤外光レーザパルス11の波高値、パルス幅及びパルス間隔との関係を用いて、所望の蒸着速度が実現される波高値、パルス幅及びパルス間隔の内の一つ又は複数を選択し、所望の膜厚に応じた時間、赤外光レーザパルス11を照射する。
(4)次に、蒸着する有機物薄膜の原料粉末bが装填された保持具4bを赤外光レーザパルス11の照射位置に移動し、予め求めた原料粉末bの蒸着速度と赤外光レーザパルス11の波高値、パルス幅及びパルス間隔との関係を用いて、所望の蒸着速度が実現される波高値、パルス幅及びパルス間隔の内の一つ又は複数を選択し、所望の膜厚に応じた時間、赤外光レーザパルス11を照射する。
(5)また、蒸着する有機物薄膜の原料粉末cが装填された保持具4cを赤外光レーザパルス11の照射位置に移動し、予め求めた原料粉末cの蒸着速度と赤外光レーザパルス11の波高値、パルス幅及びパルス間隔との関係を用いて、所望の蒸着速度が実現される波高値、パルス幅及びパルス間隔の内の一つ又は複数を選択し、所望の膜厚に応じた時間、赤外光レーザパルス11を照射する。
(6)蒸着終了後、基板6を取り出して完了する。
Next, the process of vapor-depositing the molecular substance using the light of the present invention using the vapor deposition apparatus for forming the molecular substance by the light of the present invention will be described.
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a method of forming a molecular substance of the present invention using the molecular substance deposition apparatus of the present invention. Hereinafter, the case where three types of organic thin films are stacked as in the case of manufacturing an organic EL element using an infrared laser pulse as the light source 8 will be described.
(1) First, for each of the three types of raw material powders a, b, and c of the organic thin film, the relationship between the deposition rate and the peak value, pulse width, and pulse interval of the infrared laser pulse 11 is determined.
(2) Next, the raw material powders a, b, and c of the three kinds of organic thin films are loaded into the vapor deposition material holders 4a, 4b, and 4c, respectively, the substrate 6 is mounted on the substrate holder 7, and the vacuum chamber 3 is evacuated. After reaching a predetermined degree of vacuum, the substrate holder 7 is heated to hold the substrate 6 at a predetermined temperature.
(3) The holder 4a loaded with the raw material powder a of the organic thin film to be deposited first is moved to the irradiation position of the infrared light laser pulse 11, and the deposition rate of the raw material powder a and the infrared light laser pulse 11 determined in advance. Using the relationship between the crest value, the pulse width, and the pulse interval, select one or more of the crest value, the pulse width, and the pulse interval at which the desired deposition rate is realized, and according to the desired film thickness. Irradiation with an infrared laser pulse 11 is performed for a time.
(4) Next, the holder 4b loaded with the raw material powder b of the organic thin film to be deposited is moved to the irradiation position of the infrared light laser pulse 11, and the vapor deposition rate of the raw material powder b and the infrared light laser pulse obtained in advance. Using the relationship between 11 crest values, pulse widths and pulse intervals, one or more of crest values, pulse widths and pulse intervals at which a desired deposition rate is realized is selected, and depending on the desired film thickness Irradiation with the infrared laser pulse 11 is performed for a predetermined time.
(5) Further, the holder 4c loaded with the raw material powder c of the organic thin film to be deposited is moved to the irradiation position of the infrared light laser pulse 11, and the vapor deposition rate of the raw material powder c and the infrared light laser pulse 11 determined in advance. Using the relationship between the crest value, the pulse width, and the pulse interval, select one or more of the crest value, the pulse width, and the pulse interval at which the desired deposition rate is realized, and according to the desired film thickness. Irradiation with an infrared laser pulse 11 is performed for a time.
(6) After the deposition is completed, the substrate 6 is taken out and completed.

分子性物質が有機分子である場合には、π共役有機分子やベンゼン環を有する有機分子を用いることができる。具体的には、有機分子としては、ペンタセン、フラーレン、アセン系有機分子、チオフェン系有機分子、或いは、これらの誘導体が挙げられる。  When the molecular substance is an organic molecule, a π-conjugated organic molecule or an organic molecule having a benzene ring can be used. Specifically, examples of the organic molecule include pentacene, fullerene, acene organic molecule, thiophene organic molecule, and derivatives thereof.

上記光源8を連続波からなる光源を用いてもよい。この場合には、連続波からなる光源は、分子性物質の結合エネルギーよりも小さい波長エネルギーを有しているようにして、連続波の強度を選択して照射すれば、分子性物質の分子構造を保持しながら成膜することができる。  The light source 8 may be a light source composed of a continuous wave. In this case, if the light source comprising a continuous wave has a wavelength energy smaller than the binding energy of the molecular substance and the intensity of the continuous wave is selected and irradiated, the molecular structure of the molecular substance The film can be formed while holding.

上記パルス光源8において、光パルスの波高値、パルス幅及びパルス間隔の内のいずれか又は複数を選択して照射する。この場合のパルス光源8は、シングルフォトンの領域のピークエネルギー密度強度において、分子性物質の結合エネルギーよりも小さい波長エネルギーを有しているようにすれば、分子性物質の分子構造を保持しながら成膜することができる。  In the pulse light source 8, one or more of the peak value, pulse width, and pulse interval of the light pulse is selected and irradiated. In this case, if the pulse light source 8 has a wavelength energy smaller than the binding energy of the molecular substance in the peak energy density intensity of the single photon region, the molecular structure of the molecular substance is maintained. A film can be formed.

本発明の分子性物質の成膜方法によれば以下のように作用する。すなわち、複数の原子の結合によって結ばれた分子性物質に可視光又は紫外光を照射すると、分子性物質を構成する原子の電子が励起され、一般にこの励起は、分子性物質の分子構造に損傷を与える。一方、分子性物質の共有電子は分子を構成する原子間を繋いだバネのように作用し、このバネの固有振動エネルギーに相当するエネルギーの光子を照射すると、分子性物質は光子エネルギーを吸収して分子振動をおこす。分子振動の固有振動エネルギーは十分小さく、一般に赤外光領域のエネルギーであるから、分子性物質の原子を構成する電子は励起されず、従って分子性物質の分子構造は破壊されない。
また、分子振動は調和振動であるから、照射する光子を吸収し、光子数に応じた分子振動エネルギーに励起される。励起された分子振動エネルギーは、周囲の低温部分に向かって熱エネルギーとして拡散するが、拡散する熱エネルギーの大きさは周囲との温度差に比例するので、拡散する熱エネルギーの大きさが単位時間に供給される光子エネルギーと等しくなるまで温度上昇し、この温度で温度が一定になる。従って、照射する連続波の光源の強度を選択して照射するか、光パルスの波高値、パルス幅及びパルス間隔の内のいずれか又は複数を選択して照射することにより、単位時間に供給する光子エネルギーを制御することができるので、被蒸着物質を所定の温度に制御でき、その結果、蒸着速度を所定の所望の一定値に制御することができる。従って本発明の方法によれば、分子性物質の分子構造に損傷を与えることなく、且つ、分子の配向性を制御して、また、膜厚を精密に制御して蒸着することができる。
The molecular substance film forming method of the present invention operates as follows. In other words, when visible light or ultraviolet light is irradiated to a molecular substance connected by the bonding of a plurality of atoms, electrons of atoms constituting the molecular substance are excited, and this excitation generally damages the molecular structure of the molecular substance. give. On the other hand, the shared electrons of a molecular substance act like a spring that connects the atoms that make up the molecule. When a photon with an energy equivalent to the natural vibration energy of this spring is irradiated, the molecular substance absorbs the photon energy. Cause molecular vibrations. Since the natural vibration energy of molecular vibration is sufficiently small and generally in the infrared light region, the electrons constituting the atoms of the molecular substance are not excited, and therefore the molecular structure of the molecular substance is not destroyed.
Further, since the molecular vibration is a harmonic vibration, the photon to be irradiated is absorbed and excited by molecular vibration energy corresponding to the number of photons. The excited molecular vibrational energy diffuses as thermal energy toward the surrounding low-temperature part, but the magnitude of the thermal energy that diffuses is proportional to the temperature difference from the surroundings. The temperature rises until it becomes equal to the photon energy supplied to and the temperature becomes constant at this temperature. Accordingly, the intensity of the continuous wave light source to be irradiated is selected and irradiated, or one or more of the crest value, pulse width, and pulse interval of the light pulse is selected and irradiated to supply the unit time. Since the photon energy can be controlled, the deposition material can be controlled to a predetermined temperature, and as a result, the deposition rate can be controlled to a predetermined desired constant value. Therefore, according to the method of the present invention, deposition can be performed without damaging the molecular structure of the molecular substance, controlling the molecular orientation, and controlling the film thickness precisely.

本発明の装置及び方法によれば、例えば、赤外光レーザパルス又は連続波の赤外光レーザを原料粉末のみに照射し、これらのレーザで直接、原料粉末の温度を所定の温度に加熱するので、従来技術で課題であった、熱平衡状態になるまでに要する時間、あるいは、短時間に所定の温度に制御しようとして生ずる温度のオーバーシュートによる被蒸着有機物質の分子構造の損傷の問題が解決する。  According to the apparatus and method of the present invention, for example, only the raw material powder is irradiated with an infrared light laser pulse or a continuous wave infrared light laser, and the temperature of the raw material powder is directly heated to a predetermined temperature with these lasers. Therefore, it solves the problem of damage to the molecular structure of the organic material to be deposited due to the time required to reach the thermal equilibrium state or the overshoot of the temperature that occurs when trying to control to a predetermined temperature in a short time, which was a problem in the prior art. To do.

本発明の装置と方法によれば、光パルス8、例えば赤外光レーザパルスの波高値、パルス幅及びパルス間隔の内の一つ又は複数を選択するか、連続波光源8、例えば赤外光レーザの連続波の強度を選択して照射すれば、所望の一定蒸着速度を実現できる。従って、蒸着速度を十分一定に保つことが難しいために配向性を十分制御できないという従来技術の課題が解決する。  According to the apparatus and method of the present invention, one or more of the crest value, pulse width and pulse interval of an optical pulse 8 such as an infrared laser pulse are selected, or a continuous wave light source 8 such as infrared light is selected. If the intensity of the continuous wave of the laser is selected and irradiated, a desired constant deposition rate can be realized. Therefore, the problem of the prior art that the orientation cannot be sufficiently controlled because it is difficult to keep the deposition rate sufficiently constant is solved.

本発明の装置と方法によれば、例えば赤外光レーザパルス8の波高値、パルス幅及びパルス間隔の内の一つ又は複数を選択するか、又は、連続波光源8、例えば赤外光レーザの連続波の強度を選択して照射することにより、所望の一定蒸着速度を実現でき、所定の膜厚を実現するためには赤外光レーザパルスの照射時間を制御するだけでよいので、従来技術で必要とした、膜厚センサーやシャッターを必要とせず、また、貴重な有機物質原料を無駄に消費することが無くなる。  According to the apparatus and method of the present invention, for example, one or more of the peak value, pulse width, and pulse interval of the infrared laser pulse 8 are selected, or the continuous wave light source 8, such as an infrared laser. By selecting and irradiating the intensity of the continuous wave, it is possible to achieve a desired constant deposition rate, and in order to realize a predetermined film thickness, it is only necessary to control the irradiation time of the infrared laser pulse. This eliminates the need for film thickness sensors and shutters required by the technology, and eliminates unnecessary consumption of valuable organic materials.

本発明の装置と方法によれば、原料粉末の温度を赤外光レーザパルスの波高値、パルス幅及びパルス間隔の内の一つ又は複数を選択するか、又は、連続波光源8、例えば赤外光レーザの連続波の強度を選択して照射することのみによって制御できるので、従来技術で必要であった、原料毎に所定の温度に保持する加熱装置を内蔵した、表面積、容積及び熱容量が大きい保持具を必要とせず、原料粉末を保持できる程度の小型の形状であれば良く、小型であるので、真空層内により多くの保持具を収納でき、複数の被蒸着物質を連続して蒸着することが必要なデバイスの製造の場合にも、装置コストを上昇させることなく製造することができる。  According to the apparatus and method of the present invention, the temperature of the raw material powder is selected from one or more of the peak value, pulse width and pulse interval of the infrared laser pulse, or the continuous wave light source 8 such as red Since it can be controlled only by selecting and irradiating the intensity of the continuous wave of the external laser, the surface area, volume, and heat capacity, which are necessary in the prior art, have a built-in heating device that maintains a predetermined temperature for each raw material. It does not require a large holding tool, it only needs to have a small shape that can hold the raw material powder, and since it is small, it can store more holding tools in the vacuum layer and continuously deposit multiple deposition materials. Even in the case of manufacturing a device that needs to be manufactured, the device can be manufactured without increasing the cost of the apparatus.

従来のレーザアブレーション法は、可視光又は紫外光を利用するため、被蒸着物質の分子構造が損傷を受けるが、本発明の装置並びに方法によれば、上記のように分子性物質の分子構造を保持できるパルス光や連続光を使用するので、被蒸着物質の分子構造を損傷することなく蒸着できる。  Since the conventional laser ablation method uses visible light or ultraviolet light, the molecular structure of the material to be deposited is damaged. According to the apparatus and method of the present invention, the molecular structure of the molecular material is changed as described above. Since pulsed light or continuous light that can be held is used, vapor deposition can be performed without damaging the molecular structure of the material to be deposited.

次に、本発明による他の実施の形態を説明する。
被蒸着物質の種類によっては、被蒸着物質の赤外光の吸収波長が、使用する赤外光レーザの中心波長から大幅にずれており、そのため、十分加熱できない場合がある。このような場合、吸収波長にピークを有する赤外光レーザ装置を使用するか、或いは、波長可変レーザを使用してピーク波長を吸収波長に一致させることも解決策であるが、装置コストが高くなると言った課題がある。このような場合に、赤外光レーザ装置を変更せずに蒸着できる方法を説明する。
すなわち、赤外光を効率よく吸収し、吸収した赤外光エネルギーを広い波長範囲の赤外光として再放出する物質であり、原料粉末の蒸着温度では被蒸着物質と反応せず、且つ、原料粉末の蒸着温度では蒸発しない物質の粉末を原料粉末に混合し、この混合粉末を原料粉末として用いる方法である。
Next, another embodiment according to the present invention will be described.
Depending on the type of the material to be deposited, the absorption wavelength of the infrared light of the material to be deposited is greatly deviated from the center wavelength of the infrared laser used, and therefore, sufficient heating may not be possible. In such a case, it is also possible to use an infrared laser device having a peak in the absorption wavelength, or to match the peak wavelength to the absorption wavelength by using a tunable laser, but the cost of the device is high. There is a problem that said. In such a case, a method capable of vapor deposition without changing the infrared laser device will be described.
That is, it is a substance that efficiently absorbs infrared light, re-emits the absorbed infrared light energy as infrared light in a wide wavelength range, does not react with the material to be deposited at the deposition temperature of the raw material powder, and the raw material In this method, a powder of a substance that does not evaporate at the deposition temperature of the powder is mixed with the raw material powder, and this mixed powder is used as the raw material powder.

このような被蒸着物質としては、分子性物質であり使用する赤外光の吸収がないか又は弱く、照射光源により蒸発温度まで加熱できない材料であれば、有機、無機を問わない。有機物質としては、ルブレンやフラーレン(C60)などが挙げられる。さらに、禁制帯幅(バンドギャップ)が比較的大きな材料であるアントラセン、テトラセン、C70などが挙げられる。Such a material to be deposited may be organic or inorganic as long as it is a molecular substance that does not absorb or weakly absorb infrared light and cannot be heated to the evaporation temperature by an irradiation light source. Examples of the organic substance include rubrene and fullerene (C 60 ). Further, anthracene bandgap (bandgap) is relatively large material, tetracene, and the like C 70.

被蒸着物質に混合する物質としては、Si、高融点金属、SiC等の炭化物、或いは、NiO、Si3 4 等の窒化物を用いることができる。例えば、共役系分子からなる有機物質の場合、Al等の金属やSi、SiCが挙げられる。As a material to be mixed with the material to be deposited, a carbide such as Si, a refractory metal, SiC, or a nitride such as NiO or Si 3 N 4 can be used. For example, in the case of an organic substance composed of a conjugated molecule, a metal such as Al, Si, or SiC can be used.

この方法によれば、被蒸着物質の吸収波長が、使用する赤外光レーザなどの中心波長から大幅にずれていても、この物質が赤外光レーザを効率よく吸収し、吸収した赤外光エネルギーを被蒸着物質の吸収波長も含む赤外光として放出するので、間接的に被蒸着物質が加熱され、蒸発させることができる。  According to this method, even if the absorption wavelength of the material to be deposited is significantly deviated from the center wavelength of the infrared laser used, this material efficiently absorbs the infrared laser and absorbs the absorbed infrared light. Since the energy is released as infrared light including the absorption wavelength of the deposition material, the deposition material can be indirectly heated and evaporated.

次に、実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。
この実施例1は、分子性物質が共役系分子からなる有機物の場合であり、有機物質の原料粉末に、有機物質のπ電子が形成するバンドギャップエネルギー未満のエネルギーに相当する赤外光レーザパルスを、パルスの波高値、パルス幅及びパルス間隔の内のいずれか又は複数を選択して照射することにより、被蒸着物質の蒸着速度を制御して蒸着する方法の実施例である。
本発明の成膜装置を用いて本発明の方法により、ペンタセンの原料粉末を用いてペンタセン薄膜を作製した。実施例1においては、図1に示した装置を用い、図2に示したペンタセンの吸収短波長から、赤外光レーザパルスには、波長0.808μm(808nm)の赤外半導体レーザの連続波を断続して用いた。パルス幅1secであり、繰り返し周波数が0.5Hzであり、照射エネルギー密度は10W/cm2程度とした。基板としては、サファイア基板を用い、基板温度は100℃とした。成膜したペンタセン薄膜の厚さは50nmであった。このときの蒸着速度は4.4nm/分であった。
Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
Example 1 is a case where the molecular substance is an organic substance composed of a conjugated molecule, and an infrared laser pulse corresponding to energy less than the band gap energy formed by π electrons of the organic substance in the raw material powder of the organic substance. This is an embodiment of a method of performing vapor deposition by controlling the vapor deposition rate of a material to be vapor-deposited by selecting and irradiating any one or a plurality of pulse peak values, pulse widths and pulse intervals.
Using the film forming apparatus of the present invention, a pentacene thin film was prepared using the pentacene raw material powder by the method of the present invention. In Example 1, the continuous wave of an infrared semiconductor laser having a wavelength of 0.808 μm (808 nm) is used for the infrared laser pulse from the absorption short wavelength of pentacene shown in FIG. 2 using the apparatus shown in FIG. Was used intermittently. The pulse width was 1 sec, the repetition frequency was 0.5 Hz, and the irradiation energy density was about 10 W / cm 2 . As the substrate, a sapphire substrate was used, and the substrate temperature was 100 ° C. The thickness of the formed pentacene thin film was 50 nm. The vapor deposition rate at this time was 4.4 nm / min.

波長981nm、出力2.5Wの連続波の赤外半導体レーザを用いた以外は実施例1と同様にして、ペンタセン薄膜を成膜した。赤外半導体レーザの単位面積当りの電力は12W/cm2であった。成膜したペンタセン薄膜の厚さは100nmであった。このときの蒸着速度は4.4nm/分であった。上記レーザの赤外半導体レーザは、出力レベルの変動などで±5nm程度は波長が変動するが、この程度の波長変動は成膜速度等には影響を与えなかった。A pentacene thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that a continuous wave infrared semiconductor laser having a wavelength of 981 nm and an output of 2.5 W was used. The power per unit area of the infrared semiconductor laser was 12 W / cm 2 . The thickness of the formed pentacene thin film was 100 nm. The vapor deposition rate at this time was 4.4 nm / min. The infrared semiconductor laser of the above laser has a wavelength fluctuation of about ± 5 nm due to fluctuations in the output level, etc., but this degree of wavelength fluctuation did not affect the film forming speed or the like.

波長808nm、出力2.5Wの連続波の赤外半導体レーザを用いた以外は実施例1と同様にして、ペンタセン薄膜を成膜した。赤外半導体レーザの単位面積当りの電力は8W/cm2であった。成膜したペンタセン薄膜の厚さは100nmであった。このときの蒸着速度は4.4nm/分であった。A pentacene thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that a continuous wave infrared semiconductor laser having a wavelength of 808 nm and an output of 2.5 W was used. The power per unit area of the infrared semiconductor laser was 8 W / cm 2 . The thickness of the formed pentacene thin film was 100 nm. The vapor deposition rate at this time was 4.4 nm / min.

波長981nm、出力2.5Wの連続波の赤外半導体レーザを用い、原料としてルブレンの粉末とSiの粉末を用い、サファイア基板を使用した以外は、実施例1と同様にして、ルブレン薄膜を成膜した。赤外半導体レーザの単位面積当りの電力は8W/cm2であった。ルブレン薄膜は、基板への配向性が悪いので、最初に、ルブレンの2次元成長を促進するためのバッファ層として、基板上にペンタセンを1分子層形成し、その後、ルブレン薄膜を形成した。ルブレン薄膜の厚さは20nmであった。このときの蒸着速度は3.0nm/分であった。A rubrene thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that a continuous wave infrared semiconductor laser having a wavelength of 981 nm and an output of 2.5 W was used, rubrene powder and Si powder were used as raw materials, and a sapphire substrate was used. Filmed. The power per unit area of the infrared semiconductor laser was 8 W / cm 2 . Since the rubrene thin film has poor orientation to the substrate, first, as a buffer layer for promoting two-dimensional growth of rubrene, one molecular layer of pentacene was formed on the substrate, and then the rubrene thin film was formed. The thickness of the rubrene thin film was 20 nm. The deposition rate at this time was 3.0 nm / min.

波長981nm、出力2.5Wの連続波の赤外半導体レーザを用い、原料としてフラーレン(C60)の粉末とSiの粉末を用いた以外は、実施例1と同様にしてC60薄膜を成膜した。赤外半導体レーザの単位面積当りの電力は8W/cm2であった。成膜したC60薄膜の厚さは100nmであった。このときの蒸着速度は3.92nm/分であった。なお、後述する反射型高速電子線の回折強度を調べる場合には、基板として雲母基板を用いた。A C 60 thin film was formed in the same manner as in Example 1 except that a continuous wave infrared semiconductor laser having a wavelength of 981 nm and an output of 2.5 W was used, and fullerene (C 60 ) powder and Si powder were used as raw materials. did. The power per unit area of the infrared semiconductor laser was 8 W / cm 2 . The thickness of the deposited C 60 thin film was 100 nm. The vapor deposition rate at this time was 3.92 nm / min. Note that a mica substrate was used as a substrate when examining the diffraction intensity of a reflection type high-speed electron beam described later.

次に、実施例に対する比較例について説明する。
(比較例1)
紫外パルスレーザを加熱源としたPLD法を用い、実施例1と同じ膜厚のペンタセン薄膜を成膜した。パルスレーザの波長は266nmであり、パルス幅を5ns、繰り返し周波数を10Hzとし、単位面積当りの照射エネルギーは0.04J/cm2とした。
Next, a comparative example for the embodiment will be described.
(Comparative Example 1)
A pentacene thin film having the same thickness as that of Example 1 was formed using a PLD method using an ultraviolet pulse laser as a heating source. The wavelength of the pulse laser was 266 nm, the pulse width was 5 ns, the repetition frequency was 10 Hz, and the irradiation energy per unit area was 0.04 J / cm 2 .

(比較例2)
赤外パルスレーザを加熱源としたPLD法を用い、実施例1と同じ膜厚のペンタセン薄膜を成膜した。このパルスレーザの波長は1064nmであり、パルス幅を6nsとし、繰り返し周波数を10Hzとし、単位面積当りの照射エネルギーは0.08J/cm2とした。
(Comparative Example 2)
A pentacene thin film having the same thickness as that of Example 1 was formed using a PLD method using an infrared pulse laser as a heating source. The wavelength of this pulse laser was 1064 nm, the pulse width was 6 ns, the repetition frequency was 10 Hz, and the irradiation energy per unit area was 0.08 J / cm 2 .

(比較例3)
原料として、Siの粉末を混合せず、Siの粉末だけを用い、実施例3と同様にしてルブレン粉末を加熱した。この場合には、基板にはルブレン薄膜が形成されず、ルブレン粉末が蒸発していないことが判明した。
(Comparative Example 3)
The rubrene powder was heated in the same manner as in Example 3 using only the Si powder without mixing the Si powder. In this case, it was found that the rubrene thin film was not formed on the substrate and the rubrene powder was not evaporated.

作製した実施例1及び比較例のペンタセン及びルブレン薄膜の結晶構造及び赤外吸収波長等の測定結果について説明する。
図7は、実施例1で作製したペンタセン薄膜の結晶構造を示す図であり、(a)は、θ/2θ回折X線測定結果を示し、(b)は、回折ピーク(001)に2θを固定し、試料の角度θを回転して回折ピークの半値幅を測定し、結晶粒の大きさを測定した結果を示す。なお、比較のために、クヌーセンセルを用いる従来のMBE法で作製したペンタセン薄膜の結果も記載している。
図7(a)から、結晶構造はMBE法で作製したペンタセン薄膜の結果と極めて良く一致し、また、図7(b)から、ピークの半値幅が従来法で作製したペンタセン薄膜の結果と極めて良く一致することがわかる。従って、本発明の方法と薄膜製造装置を用いれば、ペンタセンの分子構造が損傷を受けずにペンタセン薄膜を作製することができる。
The measurement results of the crystal structure and infrared absorption wavelength of the produced pentacene and rubrene thin films of Example 1 and Comparative Example will be described.
7A and 7B are diagrams showing the crystal structure of the pentacene thin film produced in Example 1. FIG. 7A shows the θ / 2θ diffraction X-ray measurement result, and FIG. 7B shows 2θ in the diffraction peak (001). The result of measuring the crystal grain size by fixing the sample and rotating the angle θ of the sample to measure the half width of the diffraction peak is shown. For comparison, results of a pentacene thin film manufactured by a conventional MBE method using a Knudsen cell are also shown.
From FIG. 7 (a), the crystal structure agrees very well with the result of the pentacene thin film prepared by the MBE method, and from FIG. 7 (b), the peak half-value width is extremely different from the result of the pentacene thin film prepared by the conventional method. You can see that they match well. Therefore, by using the method and thin film production apparatus of the present invention, a pentacene thin film can be produced without damaging the molecular structure of pentacene.

図8は、本発明の方法及び装置により作製した実施例1のペンタセン薄膜の赤外吸収スペクトルを示す図である。図において、横軸は波数(cm-1)を示し、縦軸は吸収率(任意目盛)を示している。なお、比較のために、原料としたペンタセン粉末の赤外吸収スペクトルも記載している。測定装置は、FTIR(フーリエ変換赤外分光光度計)を使用した。
図8から、実施例1で作製したペンタセン薄膜の赤外吸収スペクトルは、ペンタセン粉末の赤外吸収スペクトルに極めて良く一致することがわかる。なお、強度の違いは、粉末と薄膜とのFTIR測定に預かるペンタセンの量の違いによるものである。
従って、この結果からも、実施例1によれば、ペンタセンの分子構造が損傷を受けずにペンタセン薄膜を作製することができる。
FIG. 8 is a diagram showing an infrared absorption spectrum of the pentacene thin film of Example 1 produced by the method and apparatus of the present invention. In the figure, the horizontal axis indicates the wave number (cm −1 ), and the vertical axis indicates the absorption rate (arbitrary scale). For comparison, an infrared absorption spectrum of pentacene powder as a raw material is also shown. As the measuring apparatus, FTIR (Fourier transform infrared spectrophotometer) was used.
From FIG. 8, it can be seen that the infrared absorption spectrum of the pentacene thin film produced in Example 1 agrees very well with the infrared absorption spectrum of the pentacene powder. Note that the difference in strength is due to the difference in the amount of pentacene deposited in the FTIR measurement between the powder and the thin film.
Therefore, also from this result, according to Example 1, a pentacene thin film can be produced without damaging the molecular structure of pentacene.

図9は、実施例1で作製したペンタセン薄膜の表面SEM(走査電子顕微鏡)像を示す図であり、比較のために、クヌーセンセルを用いた従来のMBE法で作製したペンタセン薄膜の像も記載している。図9から、クヌーセンセルを用いた従来のMBE法で作製したペンタセン薄膜と同等の面内結晶性を有していることがわかる。  FIG. 9 is a diagram showing a surface SEM (scanning electron microscope) image of the pentacene thin film produced in Example 1, and for comparison, an image of the pentacene thin film produced by the conventional MBE method using a Knudsen cell is also shown. is doing. From FIG. 9, it can be seen that it has in-plane crystallinity equivalent to that of a pentacene thin film produced by a conventional MBE method using a Knudsen cell.

上記に示した図7から図9の結果から、本発明の方法によれば、分子構造に損傷がないペンタセン薄膜を作製できることが分かる。この効果は、本発明の方法はペンタセンのπ電子が形成するバンドギャップエネルギー未満のエネルギーに相当する赤外光レーザパルスを用いることが主な要因であるが、可視光のレーザパルスを用いた場合(図5及び非特許文献3参照)の照射ピークパワー密度(尖頭値)が10MW/cm2 以上であることに較べ、本発明の方法による赤外光レーザパルスの照射ピークパワー密度は10W/cm2程度と格段に低いことも要因の一つである。From the results of FIGS. 7 to 9 shown above, it can be seen that the method of the present invention can produce a pentacene thin film with no damage to the molecular structure. This effect is mainly due to the use of an infrared laser pulse corresponding to an energy less than the band gap energy formed by the π electrons of pentacene in the method of the present invention, but when a visible light laser pulse is used. Compared to the irradiation peak power density (peak value) of 10 MW / cm 2 or more (see FIG. 5 and Non-Patent Document 3), the irradiation peak power density of the infrared laser pulse by the method of the present invention is 10 W / One of the factors is that it is extremely low, about cm 2 .

図10は、実施例2,3及び比較例1,2で作製したペンタセン薄膜の赤外吸収スペクトルを示す図である。図において、横軸は波数(cm-1)を示し、縦軸は透過率(任意目盛)を示している。なお、比較のために、ペンタセン粉末の赤外吸収スペクトルも記載している。測定装置は、FTIRを使用した。
図10から、実施例1及び2で連続レーザ光を照射して作製したペンタセン薄膜の赤外吸収スペクトルは、ペンタセン粉末の赤外吸収スペクトルに極めて良く一致することがわかる。
一方、比較例1の従来のPLD法により紫外光パルスレーザ光を照射して作製したペンタセン薄膜の赤外吸収スペクトルは、実施例1及び2と比較して照射ピークエネルギー密度が大きいので、殆ど分子構造が観測されず、分子構造が破壊されていることが分かった。比較例2の従来のPLD法により赤外光パルスレーザ光を照射して作製したペンタセン薄膜の赤外吸収スペクトルは、分子構造が観測されるものの、照射ピークエネルギー密度が大きいので実施例1及び2と比較して透過率が著しく低下し、分子構造の一部が破壊されていることが分かった。
FIG. 10 is a diagram showing infrared absorption spectra of the pentacene thin films prepared in Examples 2 and 3 and Comparative Examples 1 and 2. In the figure, the horizontal axis indicates the wave number (cm −1 ), and the vertical axis indicates the transmittance (arbitrary scale). For comparison, the infrared absorption spectrum of pentacene powder is also shown. As the measuring apparatus, FTIR was used.
From FIG. 10, it can be seen that the infrared absorption spectrum of the pentacene thin film produced by irradiating with continuous laser light in Examples 1 and 2 agrees very well with the infrared absorption spectrum of the pentacene powder.
On the other hand, since the infrared absorption spectrum of the pentacene thin film prepared by irradiating the ultraviolet pulsed laser beam by the conventional PLD method of Comparative Example 1 has a larger irradiation peak energy density than that of Examples 1 and 2, it is almost molecular. No structure was observed, indicating that the molecular structure was destroyed. The infrared absorption spectrum of the pentacene thin film prepared by irradiating infrared light pulsed laser light by the conventional PLD method of Comparative Example 2 is observed in Examples 1 and 2 because the molecular structure is observed but the irradiation peak energy density is large. It was found that the transmittance was remarkably reduced as compared with, and a part of the molecular structure was destroyed.

図11は、実施例3及び比較例2で作製したペンタセン薄膜の紫外可視光領域の吸収スペクトルを示す図である。図において、横軸は波長(nm)を示し、縦軸は吸収率(任意目盛)を示している。
図11から、実施例3で波長が808nmの連続レーザ光を照射して作製したペンタセン薄膜の紫外可視光領域の吸収スペクトルにおいては、700nm近傍にバンド端に起因するピークが観測され、さらに、他の波長においても吸収構造が観測されたが、比較例2で作製したペンタセン薄膜においては、光学吸収の構造が観測されないことが分かった。比較例2で紫外可視光領域において吸収スペクトルが観測されないのは、パルス光のピークパワーが非常に大きくなるために、マルチフォトンの過程が発生して、ペンタセンの分子構造が破壊されることによると推定される。
FIG. 11 is a diagram showing absorption spectra in the ultraviolet-visible light region of the pentacene thin films produced in Example 3 and Comparative Example 2. In the figure, the horizontal axis indicates the wavelength (nm), and the vertical axis indicates the absorption rate (arbitrary scale).
From FIG. 11, in the absorption spectrum of the pentacene thin film produced by irradiating continuous laser light having a wavelength of 808 nm in Example 3, a peak due to the band edge is observed in the vicinity of 700 nm. The absorption structure was also observed at the wavelength of 1, but the optical absorption structure was not observed in the pentacene thin film prepared in Comparative Example 2. The reason why the absorption spectrum is not observed in the ultraviolet-visible light region in Comparative Example 2 is that the peak power of the pulsed light is so large that a multiphoton process occurs and the molecular structure of pentacene is destroyed. Presumed.

図12は、実施例4で作製したルブレン薄膜のX線回折の測定結果を示す図である。図において、横軸は角度(°)、即ちX線の原子面への入射角度θの2倍に相当する角度を示し、縦軸は回折X線強度(cps)を示している。
図12から、作製したルブレンの結晶構造は、MBE法で作製したペンタセン薄膜の結晶構造(非特許文献5参照)と極めて良く一致することがわかる。従って、本発明の方法及び装置によれば、ルブレンの分子構造が損傷を受けずにルブレン薄膜を作製することができる。
FIG. 12 is a diagram showing the X-ray diffraction measurement results of the rubrene thin film produced in Example 4. In the figure, the horizontal axis represents an angle (°), that is, an angle corresponding to twice the incident angle θ of the X-rays on the atomic plane, and the vertical axis represents the diffracted X-ray intensity (cps).
From FIG. 12, it can be seen that the crystal structure of the manufactured rubrene agrees very well with the crystal structure of the pentacene thin film manufactured by the MBE method (see Non-Patent Document 5). Therefore, according to the method and apparatus of the present invention, a rubrene thin film can be produced without damaging the molecular structure of rubrene.

図13は、実施例5で作製したC60薄膜の成膜中に観察した反射型高速電子線の回折強度の時間依存性を示す図である。図において、横軸は時間(秒)を示し、縦軸は電子線強度(任意目盛)を示している。
図13から、作製中のC60からの回折電子線の強度が、最初に振動が生じて、さらに、挿入図に示す電子線の回折像も明瞭であり、C60の分子構造が損傷を受けずに成膜されていることが分かった。
FIG. 13 is a diagram showing the time dependence of the diffraction intensity of the reflective high-speed electron beam observed during the formation of the C 60 thin film produced in Example 5. In the figure, the horizontal axis represents time (seconds), and the vertical axis represents electron beam intensity (arbitrary scale).
From FIG. 13, the intensity of the diffracted electron beam from C 60 during fabrication is first vibrated, and the electron diffraction pattern shown in the inset is also clear, and the molecular structure of C 60 is damaged. It was found that the film was formed.

なお、上記説明では、分子性物質として有機物質の例を説明したが、本発明の蒸着方法及び装置は、共有結合で結ばれた物質であれば適用でき、従って、無機元素からなる分子性物質、例えば、KBr薄膜等の製造にも有効なことは明らかである。  In the above description, an example of an organic substance as a molecular substance has been described. However, the vapor deposition method and apparatus of the present invention can be applied as long as it is a substance bonded by a covalent bond, and therefore, a molecular substance made of an inorganic element. For example, it is clear that it is also effective for manufacturing a KBr thin film.

上記説明から理解されるように、本発明によれば、分子性物質の分子構造に損傷を与えることなく、分子性物質の薄膜を作製でき、また、蒸着速度を所定の一定速度に制御できるので、分子性物質の薄膜の配向性を制御し得ると共に、膜厚を正確に制御することができる。従って、今後の成長が予測される、有機薄膜を用いたデバイスの作製や、さらには膜厚制御が極めて重要な、分子性物質からなる超格子を用いたデバイス等の製造に用いれば極めて有用である。  As understood from the above description, according to the present invention, a thin film of a molecular material can be produced without damaging the molecular structure of the molecular material, and the deposition rate can be controlled to a predetermined constant rate. In addition, the orientation of the thin film of molecular substance can be controlled, and the film thickness can be accurately controlled. Therefore, it is extremely useful if it is used for the manufacture of devices using organic thin films that are expected to grow in the future, and for the manufacture of devices using superlattices made of molecular substances, where film thickness control is extremely important. is there.

Claims (5)

被蒸着物質に光源から光を照射し、該被蒸着物質の蒸着速度を制御して基板に分子性物質を成膜する方法であって、
上記分子性物質はペンタセンであり、上記光の波長を808nmから981nm設定し、
上記光の連続波の強度を選択して照射することにより、上記ペンタセンの分子構造を保持しながら成膜することを特徴とする、分子性物質の成膜方法。
A method of irradiating a deposition target material with light from a light source and controlling a deposition rate of the deposition target material to form a molecular substance on a substrate,
The molecular substance is pentacene, the wavelength of the light is set from 808 nm to 981 nm,
By the Ruco be irradiated by selecting the intensity of the continuous wave of the light, characterized in that film while retaining the molecular structure of the pentacene film forming method of the molecular substance.
被蒸着物質に光源から光を照射し、該被蒸着物質の蒸着速度を制御して基板に分子性物質を成膜する方法であって、A method of irradiating a deposition target material with light from a light source and controlling a deposition rate of the deposition target material to form a molecular substance on a substrate,
上記分子性物質はペンタセンであり、上記光の波長を808nmから981nmに設定し、The molecular substance is pentacene, the wavelength of the light is set from 808 nm to 981 nm,
上記光のパルスの波高値、パルス幅及びパルス間隔の内のいずれか又は複数を選択して照射することにより、上記ペンタセンの分子構造を保持しながら成膜することを特徴とする、分子性物質の成膜方法。A molecular substance characterized by forming a film while maintaining the molecular structure of pentacene by selecting and irradiating one or more of the peak value, pulse width and pulse interval of the light pulse. The film forming method.
被蒸着物質に光源から照射される光を照射し、該被蒸着物質の蒸着速度を制御して基板に分子性物質を成膜する方法であって、A method of irradiating a deposition target material with light emitted from a light source and controlling a deposition rate of the deposition target material to form a molecular substance on a substrate,
上記分子性物質はルブレン又はCThe molecular substance is rubrene or C 6060 であり、And
光を吸収し且つ吸収した光エネルギーを光として放出し、上記ルブレン又はCAbsorbs light and releases the absorbed light energy as light, and the rubrene or C 6060 の蒸着温度で該ルブレン又はCThe rubrene or C at the deposition temperature of 6060 と反応せず且つ蒸発しない物質からなる原料を、上記被蒸着物質に混合し、A raw material composed of a substance that does not react with the substance and does not evaporate is mixed with the deposition target substance,
上記光の波長を、808nmから981nmに設定し、The wavelength of the light is set from 808 nm to 981 nm,
上記光の連続波の強度を選択して照射することにより、上記ルブレン又はCBy selecting and irradiating the intensity of the continuous wave of the light, the rubrene or C 6060 の分子構造を保持しながら成膜することを特徴とする、分子性物質の成膜方法。A method for forming a molecular substance, wherein the film is formed while maintaining the molecular structure.
被蒸着物質に光源から照射される光を照射し、該被蒸着物質の蒸着速度を制御して基板に分子性物質を成膜する方法であって、A method of irradiating a deposition target material with light emitted from a light source and controlling a deposition rate of the deposition target material to form a molecular substance on a substrate,
上記分子性物質はルブレン又はCThe molecular substance is rubrene or C 6060 であり、And
光を吸収し且つ吸収した光エネルギーを光として放出し、上記ルブレン又はCAbsorbs light and releases the absorbed light energy as light, and the rubrene or C 6060 の蒸着温度で該ルブレン又はCThe rubrene or C at the deposition temperature of 6060 と反応せず且つ蒸発しない物質からなる原料を、上記被蒸着物質に混合し、A raw material composed of a substance that does not react with the substance and does not evaporate is mixed with the deposition target substance,
上記光の波長を、808nmから981nmに設定し、The wavelength of the light is set from 808 nm to 981 nm,
上記光のパルスの波高値、パルス幅及びパルス間隔の内のいずれか又は複数を選択して照射することにより、上記ルブレン又はCBy selecting and irradiating one or more of the peak value, pulse width and pulse interval of the light pulse, the rubrene or C 6060 の分子構造を保持しながら成膜することを特徴とする、分子性物質の成膜方法。A method for forming a molecular substance, wherein the film is formed while maintaining the molecular structure.
前記ルブレン又はCRubrene or C 6060 と反応せず且つ蒸発しない物質が、Siであることを特徴とする、請求項3又は4に記載の分子性物質の成膜方法。5. The method for forming a molecular substance according to claim 3, wherein the substance that does not react with the substance and does not evaporate is Si.
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