JP2012521494A - 原料供給ユニットと原料供給方法及び薄膜蒸着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原料物質が格納された炉と、前記炉と連通されて前記炉で気化された原料物質を噴射するインジェクターと、前記炉の外側を囲むように設けられた高周波コイル部と、前記インジェクターの外側に設けられた抵抗式発熱部と、を含む原料供給ユニット及び原料供給方法を提供する。
【解決手段】本発明は、高周波誘導加熱法と抵抗発熱加熱法を混用して原料物質を気化させて供給するので、大容量の原料物質を用いることができて、薄膜厚さ及び薄膜品質の制御が容易である。
【選択図】図２

Description

本発明は、原料供給ユニットに関するものであって、より詳しくは原料物質を気化させ供給する原料供給ユニットと原料供給方法及び薄膜蒸着装置に関するものである。

太陽電池（Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌ）は、光起電効果を用いて光エネルギーを電気エネルギーに変換する半導体素子として、化石燃料の枯渇問題の台頭によって最近注目を浴びている。特に、ＣＩＧＳ（Ｃｏｐｐｅｒ Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｉｕｍ Ｓｅｌｅｎｉｄｅ）薄膜太陽電池やＣｄＴｅ（Ｃａｄｍｉｕｍ Ｔｅｌｌｕｒｉｄｅ）太陽電池など化合物薄膜太陽電池は、比較的に生産工程が簡単で生産費が安く、光変換効率を既存の太陽電池と同様の水準まで得ることができて次世代太陽電池として注目を浴びている。

また、有機発光素子（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｉｔｅｄ Ｄｉｏｄｅ：ＯＬＥＤ）は、液晶表示装置とは異なり自体発光が可能であるためバックライトが不要で消費電力が低い。また、視野角が広くて応答速度が速いため、これを用いた表示装置は、視野角及び残像の問題が無い優れた画像を具現できる。

一方、太陽電池及び有機発光素子の製造の際に使用される無機薄膜及び金属薄膜は、太陽電池の光吸収／透過層及び電極として使用されるか有機発光素子の電子注入層（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ：ＥＩＬ）または電極（ｃａｔｈｏｄｅ）として使用される。この無機薄膜及び金属薄膜は、抵抗加熱式真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法、高周波誘導加熱法などの工程を介して製作することができ、この工程を選択的に採用して無機薄膜及び金属薄膜を形成することが普通である。

しかし、従来の製作方法である抵抗加熱式真空蒸着法は、原料物質の投入容量に限界があって生産性が低くて、工程方向が上向き式に限られており、基板の面積が大きくなるほど基板のたるみ現象が著しくなる短所が有る。また、スパッタリング法は、エネルギーが大きいことから有機発光素子の製造の際に下層の有機薄膜が損傷を受け素子特性が低下される恐れがあって、化合物薄膜太陽電池など太陽電池素子の製作の際に幾つの材料の同時蒸着が困難であるため幾つの材料の混合蒸着を介する太陽電池素子の特性改善が困難である。また、高周波誘導加熱法の場合には、大容量の原料物質を用いて生産性を改善することができるが、原料物質の気化密度が均一にならず気化品質が悪く薄膜厚さ及び薄膜品質の制御が困難である短所がある。

本発明は、上述の問題を解決するために提案されたことであって、大容量の原料物質を使用することができて、薄膜厚さ及び薄膜品質の制御が容易に行われるようにした原料供給ユニットと原料供給方法及び薄膜蒸着装置を提供する。

また、本発明は、原料供給ユニットを介する蒸着方向が特定方向に限らず基板の大面積化による基板のたるみ現象を克服できるようにした原料供給ユニットと原料供給方法及び薄膜蒸着装置を提供する。

本発明の一側面による原料供給ユニットは、原料物質が格納された炉と、
前記炉と連通されて前記炉で気化された原料物質を噴射するインジェクターと、前記炉の外側を囲むように設けられた高周波コイル部と、前記インジェクターの外側に設けられた抵抗式発熱部と、を含む。

前記高周波コイル部は、前記炉の外側を囲むコイル状の導電体管と、前記導電体管の内部を循環する冷却媒体と、を含むことが好ましい。

前記導電体管は、銅材質で形成されることが好ましい。

前記インジェクターは、前記炉から気化された原料物質が流動するように本体内部に形成された連通流路及び前記連通流路と接続されて本体外部へ開口された複数の噴射口を含むことが好ましい。

前記噴射口は、所定長さに突出された噴射ノズル状に形成されることが好ましい。

前記抵抗式発熱部は、インジェクターの外側領域全体またはインジェクターの外側領域の中、一部を囲むように形成されることが好ましい。

前記抵抗式発熱部の外側に冷却部材が設けられることが好ましい。

前記冷却部材は、インジェクターの外側領域全体またはインジェクターの外側領域の中、一部を囲むように形成されることが好ましい。

本発明の他の側面による原料供給方法は、炉に原料物質を充填するステップと、前記炉に入った原料物質を高周波誘導加熱を介して気化させるステップと、前記炉と接続されるインジェクターを介して流動する原料物質を抵抗式発熱加熱を介してさらに気化させるステップと、を含む。

前記の原料供給方法は、前記抵抗式発熱加熱を介して気化された原料物質を線状または面状に基板上に噴射するステップをさらに含むことが好ましい。

前記高周波誘導加熱ステップ及び前記抵抗式発熱加熱ステップにおいて、前記原料物質が供給される外側空間を冷却することが好ましい。

本発明のまた他の側面による薄膜蒸着装置は、チャンバーと、前記チャンバー内に設けて基板を支持する基板支持部と、前記基板と対向配置されて基板に原料物質を供給する原料供給部と、を含めて、前記原料供給部は、原料物質を高周波誘導加熱で１次気化させる第１気化部と、前記第１気化部を介して気化された原料物質を抵抗式発熱加熱で２次気化させる第２気化部と、を含む。

前記第１気化部は、原料物質が格納された炉及び前記炉の外側を囲むように設けた高周波コイル部を含むことが好ましい。

前記高周波コイル部は、前記炉の外側を囲むコイル形状の導電体管と、前記導電体管の内部を循環する冷却媒体と、を含むことが好ましい。

前記第２気化部は、気化された原料物質を噴射するインジェクター及び前記インジェクターの外側に設けた抵抗式発熱部と、を含むことが好ましい。

前記抵抗式発熱部の外側に冷却部材が設けられることが好ましい。

本発明は、高周波誘導加熱法と抵抗発熱加熱法を混用して原料物質を気化させて供給するので、大容量の原料物質を用いることができて、薄膜厚さ及び薄膜品質の制御が容易である。

また、本発明は、原料供給ユニットを介する蒸着方向が特定方向に限定されないので、基板の面積に応じて最も適合の方向を選択して工程を進行することができる。従って、大面積基板を使用する場合にも蒸着方向を下向き式に構成することから基板のたるみ現象を克服できるため基板上に高品質の薄膜を均一の厚さに形成することができる。

本発明の実施例による原料供給ユニットを具備した薄膜蒸着装置の模式図である。 本発明の実施例による原料供給ユニットの斜視図である。 図２に示す原料供給ユニットをＹ軸に沿って切り取った断面図である。 図２に示す原料供給ユニットをＸ軸に沿って切り取った断面図である。 本発明の実施例による原料供給ユニットの工程方向を説明するための模式図である。 本発明の実施例による原料供給ユニットの工程方向を説明するための模式図である。

以後、添付の図面を参照して、本発明による実施例をより詳しく説明する。しかし本発明は、以下で開示される実施例に限定されるものではなく互いに異なる多様な形態に具現され、ただ本実施例は本発明の開示が完全であるようにし、通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものである。図面上の同一符号は、同じ要素を示す。

図１は、本発明の実施例による原料供給ユニットを具備した薄膜蒸着装置の模式図で、図２は、本発明の実施例よる原料供給ユニットの斜視図である。図３は、図２に示す原料供給ユニットをＹ軸に沿って切り取った断面図であって、図４は、図２に示す原料供給ユニットをＸ軸に沿って切り取った断面図である。ここで、図３及び図４は、図２に示す原料供給ユニットからハウジングを除き概略的な断面を示した。

図１〜図４を参照すると、薄膜蒸着装置は、チャンバー１００と、前記チャンバー１００内に設けて基板Ｇを支持する基板支持部４１０と、前記基板Ｇと対向配置されて基板Ｇに原料物質を供給する原料供給ユニット５００及び前記基板支持部４１０と前記原料供給ユニット５００相互間の相対的移動のための基板移動部材４２０を含む。また、前記の薄膜蒸着装置は、前記基板支持部４１０上に支持された基板Ｇを所定温度に加熱する基板加熱部材４３０をさらに含めてもよい。

チャンバー１００は、中が空いている円筒状または矩形ボックス状に製作されて、内部には基板Ｇを処理できる所定の反応空間が設けられる。前記チャンバー１００の形状は、これに限定されず、基板Ｇの現状に対応される多様な形状を有するように製作されることができる。例えば、本実施例ではチャンバー１００を四角形状のガラス基板Ｇに対応するように矩形ボックス状に形成した。チャンバー１００の一側壁には、基板Ｇの引込み及び引出すためのゲート２００が形成されて、チャンバー１００の下部壁には、真空形成及び内部排気のための排気部３００が形成される。ここで、ゲート２００は、スリット弁（ｓｌｉｔ ｖａｌｖｅ）で構成されてもよく、排気部３００は、真空ポンプで構成されてもよい。一方、上述ではチャンバー１００を一体型にして説明したが、チャンバー１００を上部が開放された下部チャンバーと、下部チャンバーの上部を覆うチャンバー蓋（ｌｉｄ）に分けて構成できることは勿論である。

基板支持部４１０は、チャンバー１００内の下側空間に設けられ、チャンバー１００内に引込めた基板Ｇを支持する。この際、基板Ｇが安着される基板支持部４１０の一面すなわち、上面には安着された基板Ｇを固定するための手段例えば、機械力、真空吸入力及び静電力などを用いて基板Ｇを引き止める多様なチャック（ｃｈｕｃｋ）手段が設けられるか、クランプ（ｃｌａｍｐ）などのようなホルダ手段が設けられることが好ましい。また、示されていないが、前記基板支持部４１０の上部には基板Ｇの縁部に薄膜が形成されることを防止するかまたは基板に形成される薄膜が所定のパターンを有するように作用するシャドーマスク（ｓｈａｄｏｗ ｍａｓｋ）が配置されてもよい。勿論、前記のシャドーマスクは、基板支持部４１０とは別度にチャンバー１００の内側の側壁に支持されるように設けられてもよい。

前記基板支持部４１０の下部には、基板支持部４１０を垂直移送、水平移送及び回転させるための基板移動部材４２０が設けられる。例えば、本実施例による基板移動部材４２０は、コンベヤーベルト４２１及び前記コンベヤーベルト４２１の左右移動を制御する駆動輪４２２を具備し、前記コンベヤーベルト４２１の上面に支持された基板支持部４１０を左右に往復移動させる。この際、チャンバー１００内には、一つの基板支持部４１０が設けているが、これに限定されず、チャンバー１００内には複数の基板支持部が設けられてもよい。また、前記基板支持部４１０上には、一つの基板Ｇが安着されているが、これに限定されず、一つの基板支持部４１０上には複数の基板が安着されてもよいことは勿論である。

一方、基板移動部材４２０の下部には、基板支持部４１０に安着された基板Ｇを所定温度に加熱するための基板加熱部材４３０が設けられることが好ましい。前記の基板加熱部材４３０は、基板支持部４１０に安着された基板Ｇに所定の熱を加えて基板Ｇの上部に蒸着される蒸着物質との反応性を向上する役割を果たし、抵抗発熱ヒーター、ランプヒーターなどの多様な加熱手段で構成されることができる。

原料供給ユニット５００は、基板支持部４１０によって支持された基板Ｇに対向するようにチャンバー１００内の上部に設けられて基板Ｇに気化された原料物質を供給する役割を果たす。この原料供給ユニット５００は、少なくとも一つ以上の個数５１０、５２０、５３０で設けられて、複数の原料供給ユニット５１０、５２０、５３０は同じ間隔で離隔されて同じ水平面または同じ垂直面上に配置されることができる。

各々の原料供給ユニット５１０、５２０、５３０は、原料物質Ｓが格納される炉５１１と、前記炉５１１と連通されて炉５１１で気化された原料物質を噴射するインジェクター（ｉｎｊｅｃｔｏｒ）５１２と、前記炉５１１と前記インジェクター５１２を所定温度に加熱する加熱部５１３、５１４及びこれを囲んで収容するハウジング６００を含む。特に、上述の加熱部５１３、５１４は、炉５１１の外側を囲むように設けられた高周波コイル部５１３と前記インジェクター５１２の外側に設けられた抵抗式発熱部５１４を含む。この際、炉５１１と高周波コイル部５１３は、原料物質を高周波誘導加熱で１次気化させる第１気化部を構成して、インジェクター５１２及び抵抗式発熱部５１４は前記第１気化部を介して気化された原料物質を抵抗式発熱加熱で２次気化させる第２気化部を構成する。

炉５１１は、一側が開放されたボックス状または円筒状に製作され、炉５１１の内部には基板Ｇ上に蒸着させる薄膜の原料物質Ｓを満たす。例えば、本実施例は、基板Ｇ上に無機薄膜が形成されるように粉末状の無機原料を満たす。インジェクター５１２は、炉５１１の一側で水平方向に延長されて所定の長さを有するバー（ｂａｒ）状に製作される。勿論、前記のインジェクター５１２は、工程方向に沿って垂直方向または傾斜方向に延長されるように形成されてもよく、バー（ｂａｒ）状と同様の線型（ｌｉｎｅ−ｔｙｐｅ）噴射方式が点型（ｐｏｉｎｔ−ｔｙｐｅ）噴射方式または面型（ｐｌａｎｅ−ｔｙｐｅ）噴射方式で構成されてもよい。このインジェクター５１２の本体内部には、炉５１１で気化された原料物質Ｓが流入される連通流路５１２ａが形成されて、本体外面には前記連通流路５１２ａから延長されて外側に開口された複数の噴射口５１２ｂが形成される。この際、噴射口５１２ｂの形成位置及び形成個数は、気化された原料物質Ｓが基板Ｇが位置された方向にだけ噴射されるように制御されることが好ましい。また、噴射口５１２ｂは、インジェクター５１２の本体から外側に所定長さに突出された噴射ノズル状に形成されてもよい。よって、炉５１１で気化された原料物質Ｓは、インジェクター５１２の連通流路５１２ａを経てインジェクター５１２の噴射口５１２ｂを介して基板Ｇ上部に均一に噴射される。

高周波コイル部５１３は、炉５１１の外側を囲むコイル状の導電体管５１３ａ及び前記導電体管５１３ａの内部を循環する冷却媒体５１３ｂを含む。この際、導電体管５１３ａとしては導電性がよい銅管を用いてもよく、冷却媒体５１３ｂとしては水を用いてもよい。前記冷却媒体５１３ｂは、高周波が印加される導電体管５１３ａの内部を循環しつつ導電体管５１３ｂが過熱されることを防止すると共に導電体管５１３ｂの外側に熱が発散されてチャンバー１００内部の工程環境が変動されることを防止する。

抵抗式発熱部５１４は、噴射口５１２ｂが形成されていないインジェクター５１２の外側領域全体または一部を囲むように形成される。この抵抗式発熱部５１４は、高周波コイル部５１３によって加熱された炉５１１で気化されてインジェクター５１２の連通流路５１２ｂに流動された原料物質Ｓをさらに加熱（２次気化）する役割を果たす。これを介して連通流路５１２ｂに沿って流動される原料物質Ｓの気化状態をそのまま維持させることができて、気化密度及び気化品質をさらに向上することができる。一方、抵抗式発熱部５１４によってチャンバー１００内部の工程環境が変動されることを防止するように抵抗式発熱部５１４の外側には冷却部材５１５が設けられることが好ましい。例えば、本実施例は、抵抗式発熱部５１４の外側に冷却水５１５ｂが循環される冷却管５１５ａが設けられる。

ハウジング６００は、炉５１１及び高周波コイル部５１３の外側を囲んで収容する第１ハウジング６１０と、インジェクター５１２、抵抗式発熱部５１４及び冷却部材５１５の外側を囲んで収容する第２ハウジング６２０とを含む。前記第２ハウジング６２０は、インジェクター５１２の噴射口５１２ｂが形成された方向が開放された電灯の傘状に製作され、気化されて噴射された原料物質Ｓを基板Ｇが位置された所定方向に供給されることに差し支えないようにする。

このように構成された原料供給ユニット５００は、大容量原料の気化が容易な高周波誘導加熱方式と気化された原料の品質制御が容易な抵抗式発熱加熱方式の長所をすべて備えているので、頻繁な原料交替による工程中断なしに高品質の薄膜を素早く連続的に形成することができる。

一方、前記の原料供給ユニット５００を具備した薄膜蒸着装置の動作過程を図１〜図４を参照して簡略に説明すると以下のようである。

まず、チャンバー１００内部に基板Ｇが搬入されて基板支持部４１０上に安着されると、基板加熱部材４３０が作動して基板Ｇを所定の工程温度に加熱する。以後、基板移動部材４２０が基板Ｇを左右に往復移動させて、各々の原料供給部５１０、５２０、５３０は基板Ｇの上面に気化状態の原料物質Ｓを噴射する。各々の原料供給ユニット５００では、高周波コイル部５１３によって炉５１１が所定温度に加熱されて、これによって炉５１１内部の原料物質Ｓが１次に気化される。気化された原料物質Ｓは、炉５１１と接続されたインジェクター５１２内部の連通流路５１２ａに沿って流動する。この際、連通流路５１２ａに沿って流動する原料物質Ｓは、インジェクター５１２の外側に設けられた抵抗式発熱部５１４から提供された熱によって２次に気化されるため気化密度はより均一になって、気化品質がより向上される。従って、インジェクター５１２の噴射口５１２ｂを介して気化密度が均一で優れた気化品質の原料物質が噴射されて基板Ｇ上に高品質の薄膜を均一な厚さに形成することができる。

このように、本発明の実施例による原料供給ユニット５００は、高周波誘導加熱方式で炉５１１の原料物質を１次に気化させて、抵抗式発熱加熱方式で炉で気化されてインジェクター５１２の内部へ流動する原料物質を２次に気化させた後、これを基板Ｇ上に噴射させる。よって、高周波誘導加熱方式の長所、すなわち、大容量原料を素早く気化させることができるので、頻繁な原料交替による工程中断及び気化遅延に従う工程遅延を避けることができる。また、抵抗式発熱加熱方式の長所である均一な気化品質を維持することができるので、薄膜厚さの調節が容易で高品質の薄膜を形成することができる。

一方、本発明の実施例による原料供給ユニット５００は、基板Ｇの上部において原料物質を供給する下向き式に構成される。これによって、基板支持部４１０の上面に基板Ｇの下面全体が安定的に支持されることができるので、大面積の基板Ｇを用いても基板Ｇのたるみ現象がほぼ生じられない。勿論、本発明は、原料供給ユニット５００の設置位置が制限されないので、工程方向が上述の下向き式構成と限定されない。すなわち、図５に示すように原料供給ユニット５００は、基板Ｇの下部で原料物質を供給する上向き式に構成されてもよくて、図６に示すように垂直状態に配置された基板Ｇの側面から原料物質を供給する側面式に構成されてもよい。ここで、図５及び図６は、本発明の実施例による原料供給ユニットの工程方向を説明するための模式図である。

このように、本発明の実施例による原料供給ユニット５００を具備する薄膜蒸着装置は、蒸着方向の制限が少ないので、使用される基板の特性に応じて適合の工程方向を自由に選択できるという長所がある。

以上、本発明に対して上述の実施例及び添付された図面を参照して説明したが、本発明は、これに限定されず、後述される特許請求範囲により限定される。よって、本技術分野の通常の知識を持つ者であれば後述される特許請求範囲の技術的思想から外さない範囲内で本発明が多様に変形及び修正できるということがわかるだろう。

１００：チャンバー
４１０：基板支持部
４２０：基板移動部材
４３０：基板加熱部材
５００：原料供給ユニット
５１１：炉
５１２：インジェクター
５１３：高周波コイル部
５１４：抵抗式発熱部
５１５：冷却部材
６００：ハウジング
Ｇ：基板
Ｓ：原料物質

Claims (16)

1. 原料物質が格納される炉と、
   前記炉と連通されて前記炉で気化された原料物質を噴射するインジェクターと、
   前記炉の外側を囲むように設けられた高周波コイル部と、
   前記インジェクターの外側に設けられた抵抗式発熱部と、を含む原料供給ユニット。
2. 前記高周波コイル部は、
   前記炉の外側を囲むコイル状の導電体管と、
   前記導電体管の内部を循環する冷却媒体と、を含む請求項１に記載の原料供給ユニット。
3. 前記導電体管は、銅材質で形成された請求項２に記載の原料供給ユニット。
4. 前記インジェクターは、
   前記炉で気化された原料物質が流動するように本体内部に形成された連通流路と、
   前記連通流路と接続されて本体外部に開口された複数の噴射口と、を含む請求項１に記載の原料供給ユニット。
5. 前記インジェクターは、
   前記炉で気化された原料物質が流動するように本体内部に形成された連通流路と、
   前記連通流路と接続されて本体外部に開口された複数の噴射口と、を含み、
   前記噴射口は、所定長さに突出された噴射ノズル状に形成された請求項１に記載の原料供給ユニット。
6. 前記抵抗式発熱部は、インジェクターの外側領域全体またはインジェクターの外側領域のうち一部を囲むように形成された請求項１に記載の原料供給ユニット。
7. 前記抵抗式発熱部の外側には、冷却部材が設けられる請求項１に記載の原料供給ユニット。
8. 前記冷却部材は、インジェクターの外側領域全体またはインジェクターの外側領域のうち一部を囲むように形成された請求項７に記載の原料供給ユニット。
9. 炉に原料物質を充填するステップと、
   前記炉に入っている原料物質を高周波誘導加熱を介して気化させるステップと、
   前記炉と接続されたインジェクターを介して流動する原料物質を抵抗式発熱加熱を介してさらに気化させるステップと、を含む原料供給方法。
10. 前記抵抗式発熱加熱を介して気化された原料物質を線状または面状で基板上に噴射するステップを含む請求項９に記載の原料供給方法。
11. 前記高周波誘導加熱ステップ及び前記抵抗式発熱加熱ステップにおいて、
    前記原料物質が供給される外側空間を冷却するステップを含む請求項９に記載の原料供給方法。
12. チャンバーと、
    前記チャンバー内に設けられて基板を支持する基板支持部と、
    前記基板と対向は配置されて基板に原料物質を供給する原料供給部と、を含み、
    前記原料供給部は、
    原料物質を高周波誘導加熱で１次気化させる第１気化部と、
    前記第１気化部を介して気化された原料物質を抵抗式発熱加熱で２次気化させる第２気化部と、を含む薄膜蒸着装置。
13. 前記第１気化部は、
    原料物質が格納された炉と、
    前記炉の外側を囲むように設けられた高周波コイル部と、を含む請求項１２に記載の薄膜蒸着装置。
14. 前記高周波コイル部は、
    前記炉の外側を囲むコイル状の導電体管と、
    前記導電体管の内部を循環する冷却媒体と、を含む請求項１３に記載の薄膜蒸着装置。
15. 前記第２気化部は、
    気化された原料物質を噴射するインジェクターと、
    前記インジェクターの外側に設けられた抵抗式発熱部と、を含む請求項１２に記載の薄膜蒸着装置。
16. 前記抵抗式発熱部の外側には、冷却部材が設けられる請求項１５に記載の薄膜蒸着装置。