KR0149796B1

KR0149796B1 - 열증착을 이용한 박막제조 장치 및 방법

Info

Publication number: KR0149796B1
Application number: KR1019950013748A
Authority: KR
Inventors: 우형석; 이재경
Original assignee: 김준성; 사단법인고등기술연구원연구조합
Priority date: 1995-05-30
Filing date: 1995-05-30
Publication date: 1998-12-01
Also published as: KR960042930A

Abstract

상부 챔버와 하부 챔버의 진공도를 달리하여 정해진 압력차를 이용하고 하부 챔버 내부에 열선이 내장된 도가니를 장착하여 셔터방향으로 증기를 유도하고 정밀 진공 게이지에 덕트를 달아 도가니 내부의 진공도를 정밀 측정함으로서 원하는 박막을 얻는 것을 특징으로 하는 열증착을 이용한 박막제조 장치 및 방법.

Description

열증착을 이용한 박막제조 장치 및 방법

제1도는 종래의 진공증착 장비의 내부 구성도.

제2도는 본 발명의 열증착을 이용한 박막제조 진공장치의 내부 구성도.

제3a도 내지 3d도는 본 발명의 열증착을 이용한 박막 제조방법에 있어서의 열증착 공정을 순차적으로 설명하기 위한 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 진공챔버(Vacuum Chamber)

2 : 샘플홀더(Sample Holder,Heater 포함)

3 : ITO 기판(Indium Tin Oxide, ITO)

4 : 마스크(Mask) 5 : 셔터(Shutter)

6 : 몰리브덴-보트(Mo-boat,Molybdenum-boat)

7 : 두께 모니터(Thickness Monitor)

8 : 상부 진공 챔버(Upper Vacuum Chamber)

9 : 샘흘홀더(Sample Holder,Heater 포함)

10 : 기판 11 : 마스크(Mask)

12 : 전극(Electrode) 13 : 셔터(Shutter)

14 : 하부 진공 챔버(Lower Vacuum Chamber)

15 : 도가니(Crucible) 16 : 시료

17 : 몰리브덴-보트(Mo-boat) 18 : 정밀 진공 게이지

19 : 두께 모니터(Thickness Monitor)

본 발명은 배향막 제조공정에 사용되는 진공 시스템과 관련된 것으로, 특히 균일하고 얇은 배향막의 두께 조절이 가능하고 증기(Vapor)에 의한 내부 오염을 방지하여 크리닝 작업을 줄일 수 있는 박막제조 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래의 열증착 장치가 제1도에 도시되어 있다. 제1도의 종래 열증착 장치에 따르면, 먼저 도시된 바와 같이 몰리브덴 보트(6)에 증착시킬 물질의 적당량을 예측하여 올려놓은 다음 진공 챔버(1)내부의 압력을 10^-6torr정도로 내린다. 그후 온도조절 장치를 이용하여 증착물질이 금속인 경우 그 금 속의 녹는점 근처까지 열을 올린 후, 다시 미세하게 조절하면서 기화될 때까지 온도를 올린다. 이때 서서히 몰리브덴 보트(6)위의 물질이 증발되기 시작하면 미리 장착되어 있던 셔터(5)를 열어서 증발된 물질 분자들을 기판에 증착시킨다. 이때 셔터(5)는 몰리브덴 보트(6)위에 있는 물질이 기화되기 직전에 잔존하는 불순물들이 기판에 증착되지 못하게 막아주는 역할을 한다. 이러한 종래의 진공증착 장치는 증착시킬 물질이 고가일 경우 박막에 필요한 양이 소량임에도 불구하고 그 정확한 양을 예측하기가 쉽지않아 다량의 물질을 몰리브덴 보트(6)에 장착시켜야 하는 비 경제적인 문제점이 있고 원하는 방향으로 증기(Vapor)를 유도하기가 불가능하므로 상기 증착과정을 다수 반복하는 경우에는 챔버(Chamber)내부가 오염되어 매번 내부를 크리닝하여야 하는 번거로움이 있으며, 또한 정밀하지는 않지만 몰리브덴 보트(6)위에 올려지는 물질의 양, 셔터(4)의 개폐시간, 그리고 온도조절에 의한 기화시간이 두께조절의 변수이며, 이러한 변수들을 전체적으로 미세하게 조정하는 것이 불가능하다.

또한, 종래의 진공증착 장치는 다른 진공박막 제조장치와 달리 단지 열적으로 물질을 증발시키므로 증기(vapor)들이 전하를 띤 상태가 아니므로 전기장이나 자기장에 의해 조절하는 방법이 전혀 적용될 수 없었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 상부 진공챔버와 하부 진공챔버의 진공도를 달리하여 정해진 압력차를 이용하며 하부 진공챔버 내부에 열선이 내장된 도가니를 장착하여 서터방향으로 증기를 유도하고 정밀 진공게이지에 덕트를 달아 도가니(crucible)내부의 진공도를 정밀 측정하여 원하는 두께의 박막을 얻는 것이다.

즉, 본 발명은 하부 챔버의 기본 진공도를 10^-5torr정도로 하여 몰리브덴 보트에 놓여있는 물질을 기화시켜 도가니 내부의 진공도를 10^-2torr로 정한 다음, 상부 챔버의 기본 진공도를 10^-7torr로 정하면 상부 챔버와 하부 챔버 사이에 약 10^-2torr정도의 압력차를 얻을 수 있으며, 이러한 내부 진공도는 정밀한 진공게이지를 이용하여 조절이 가능하며, 특히 도가니 내부의 진공도를 정밀하게 측정하기 위해 덕트를 장착한 진공게이지를 서로 인터페이스(interface)시켜 항상 일정한 진공도를 유지하게 할 수 있다. 이때, 두 챔버가 열리게 되면 열역학적으로 하부 챔버에서 상부 챔버로 일정한 기체 확산 현상이 발생하게 되고 이러한 현상을 셔터를 이용하여 정밀하게 제어한다면 정확한 양의 증기(vapor)를 하부 챔버에서 상부 챔버로 이동시킬 수 있으며, 이렇게 하면 정밀하게 조절되어진 일정 두께의 박막을 제조할 수 있다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

제1도는 종래의 진공증착 장비의 내부 구성도로서, 앞에서 상세하게 설명하였으므로, 더 이상의 기술은 생략하기로 한다.

제2도는 앞서 설명한 본 발명의 진공증착 장비의 상부 챔버(8)와 하부 챔버(14)내부의 구조를 보여주고 있는데 우선 기판(10)을 고정하는 샘플홀더(9)가 상부 챔버(8) 상단부에 위치하고 있으며, 이 기판(10) 하부에는 증착될 부분 이외를 가려줄 마스크(11)로 구성되어 있다. 여기서 하부 챔버(14)는 상부 챔버(8)에 비하여 용적이 상대적으로 작으며 몰리브덴 보트(17)와 셔터(13)로 구성되어 있으며, 열을 가하여 증발되어진 시료(16)를 상부 챔버(8)로 가이드하는 도가니(15)와 시료(16)가 증발되기 시작할 때 바로 진공도의 변화를 측정할 수 있는 덕트를 가진 진공게이지(18)로 이루어져 있다. 또한 상부 챔버(8)와 하부 챔버(14)를 분리하여 압력차를 형성시킴으로서, 셔터의 개방 시간과 횟수에 의하여 확산되는 증발시료 분자의 양을 조절하고 이렇게 하여 원하는 두께의 박막을 얻을 수 있으며, 이때 셔터(13)의 열려있는 시간은 임의로 정할수 있도록 제어하고 셔터(13)의 열려있는 시간은 시료(16)가 증발하기 시작할 때 순간적으로 진공도가 나빠지면서 이를 바로 감지하도록 덕트를 장착한 진공게이지(18)에 의해 셔터(13)를 열리게 한다.

일정 시간후 셔터(13)가 닫히면 셔터(13)를 통과하지 못한 증기(vapor)는 하부 챔버(14)내부벽에 증착되는데 시료(16)가 고가인 경우 이를 다시 회수하여 재활용하는 목적으로 도가니(15)에 열을 가하여 증기(vapor)를 몰리브덴 보트(17)로 회수하고 몇차례의 증착공정후 오염된 챔버내부를 다시 크리닝하는 수고를 줄이기 위하여 도가니(15)에 의해 오염부위를 줄이게 한다. 즉 본 발명은 필요한 만큼 시료(16)를 증발시키고 원하는 방향으로 증기(vapor)를 회수하여 재활용을 할 수 있으며 크리닝 작업을 줄일 수 있다.

본 발명은 원하는 박막의 두께가 제대로 형성되었는지를 확인하기 위해 박막용 두께 모니터(19)를 장착하였다. 이 두께 모니터(19)는 수정 셀(crystal cell)의 진동모드를 감지하여 증발시료가 얼마만큼의 두께로 기판에 코팅이 되었는지를 알 수 있는 장치이다.

본 발명의 핵심인 배향막 공절절차를 제3a도 내지 제3d도로 살펴보면, 먼저, 제3a도에 도시된 바와 같이 진공기화장치 하부 챔버(14)안에 미리 세척되어진 몰리브덴 보트(17)를 연결한 다음 적당량의 열증착을 위한 물질을 각각 몰리브덴 보트(17)에 위치시킨다. 그후 상부 챔버(8)에 있는 샘플홀더(9)에 기판(10)을 위치시키고 경우에 따라 히팅라인(heating line)과 서머커플 라인(thermocouple line)을 연결하고 박막의 두께를 측정할 수 있는 모니터(19)를 준비한다. 다음에 로타리 펌프(rotary pump)를 이용하여 일정한 압력(10^-2torr)에 도달할 때 까지 셔터(13)를 열어두고, 일정압력에 도달한 후에는 셔터(13)를 닫고 확산 펌프(diffusion pump)를 이용하여 차동 펌핑(differential pumping)을 한다.

이렇게 하면 상부 챔버(8)는 10^-7torr정도가 되고 하부 챔버(14)의 진공도는 10^-5torr정도가 된다.

다음에 제3b도에서와 같이 도가니(15) 내부의 열선에 전류를 흘려 온도를 높인 후 적정온도를 유지시키고 온도가 올라가면서 진공도가 나빠지는 시간동안 기다린후 다시 하부 진공챔버(14)의 진공도가 10^-5torr가 되도록 펌핑한다.

그리고 제3c도에서와 같이 셔터(13)의 적정개방 시간을 정한후, 몰리브덴 보트(17)에 일정한 전류를 흘려서 온도를 올리면 서서히 열로 인하여 물질이 기화되면서 도가니(15)내부의 진공도가 10^-2torr정도로 압력이 올라가면 덕트를 통해 진공게이지(18)가 셔터(13)를 열 준비를 하고, 셔터(13)를 열게 되면 열역학적 법칙에 의해 하부 챔버(14)의 증기들이 상부 챔버(8)로 확산되게 한다.

이때 도가니(15)에 의해 증기들은 일정한 방향으로 확산된다.

최종적으로 제3d도에서와 같이 셔터(13)가 닫힌 후, 상부 챔버(8)로 올라가지 못한 증기는 도가니(15)의 면을 타고 몰리브덴 보트(17)로 다시 돌아오게 되고 셔터(13)를 통해 올라간 증기는 기판(10)에 증착되게 된다.

이러한 공정을 통하여 기판상에 박막을 형성시키며, 상기 공정을 몇차례 되풀이함으로서 원하는 두께의 조절이 가능하게 되고, 두께 모니터(19)를 통해 정확한 두께를 모니터링하게 된다.

또한 마스크(11)를 이용하여 원하는 부분의 증착도 가능하다.

본 발명은 도가니에 의해 증기를 일정한 방향으로 유도함으로써 챔버내부의 오염을 방지하여 재실험을 할 경우, 크리닝을 해야하는 번거로움을 줄일 수 있으며, 셔터를 통과하지 못한 시료를 다시 증착시키는데 사용하므로 경제적으로 유용하다. 아울러 본 발명은 액정 배향막 뿐 아니라 ECD(Electrochromic Display), 유기물질을 이용한 LED(Light Emitting Diode), 솔라 셀(Solar Cell), MIS(Metal-Insulator Semiconductor) 및 FET(Field Effect Transistor)와 같은 반도체 소자의 생산에서도 필요한 유기 반도체 박막 제조등 다양한 분야에 응용될 수 있는 장점이 있다.

Claims

시료를 장착시키는 보트와, 상기 보트 상부의 시료에 열을 가하여, 증발된 시료를 상부로 가이드함으로써, 오염부를 줄일 수 있는 도가니와, 상기 시료가 증발되기 시작할 때, 진공도의 변화를 감지할 수 있는 덕트를 가진 진공게이지를 포함하는 하부 챔버와; 상기 하부 챔버의 시료가 증발되어 부착되는 기판과, 상기 기판을 상부에서 고정하는 샘플홀더와, 상기 기판의 소정부분에 증발시료가 증착되도록 하기 위해 상기 기판 하부에 형성되는 마스크를 가진 상부 챔버와; 상기 하부 챔버와 상부 챔버를 분리시키는 셔터를 구비하여 상기 상,하부 챔버를 서로 다른 진공상태로 한다음, 압력차를 이용하여 정밀제어를 통한 박막제조를 하도록 구성된 열증착을 이용한 박막제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 진공게이지는 일정 진공도에서 셔터가 열리도록 서로 인터페이스 되어 있는 것을 특징으로 하는 열증착을 이용한 박막제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 상부 챔버는 기판에 증착되는 시료의 두께를 감지하여 조절하기 위한 박막모니터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열증착을 이용한 박막제조 장치.
하부 챔버안에 미리 세척되어진 몰리브덴 보트를 연결한다음 열증착을 위한 시료를 몰리브덴 보트에 위치시키는 단계와, 상부 챔버에 있는 샘플홀더에 기판을 위치시키고 박막의 두께를 측정할 수 있는 두께 모니터를 준비하고, 로타리 펌프(rotary pump)를 이용하여 일정한 압력에 도달할때까지 셔터를 열어두고, 일정압력에 도달한 후에는 셔터를 닫고 확산 펌프(diffusion pump)를 이용하여 차동 펌핑(differential pumping)을 하는 단계와, 하부 챔버의 도가니 내부의 열선에 전류를 흘려 온도를 높인 후 적정온도를 유지시키는 단계와, 상기 셔터의 적정 개방시간을 정한후, 몰리브덴 보트에 일정한 전류를 흘려서 온도를 올리면 열로 인하여 물질이 기화되면서 도가니 내부의 진공도가 소정 압력으로 올라가면 덕트를 통해 진공게이지가 셔터를 열 준비를 하는 단계와, 상기 셔터를 열게 되면 하부 챔버의 증기들이 상부 챔버로 확산되게 하는 단계를 포함하는 열증착을 이용한 박막제조 방법.