KR100794987B1 - 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판에 열을 가하여 박막을 증착시키는데 사용되는 진공 증착기의 기판 가열 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판이 올려지는 금속판 후면 측에 절연막을 장착시키고 절연막 하부에 박막 히터를 장착시킨 상태 또는 비 금속판 후면 측에 박막 히터를 장착시킨 상태에서 금속 패드를 통하여 박막 히터로 저전력 전원을 공급하여 박막 히터의 발열을 통해 금속판 또는 비 금속판 표면 온도를 순간적으로 가열시키는 방식의 기판 가열 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 기판 증착 가능 온도 도달 시간을 단축할 수 있고 소비 전력을 줄이는 효과, 진공 증착기가 과열(overheating)되는 것을 방지하여 기판 손상을 방지하는 효과, 진공 증착기 제조 공정 및 부품을 간소화하는 효과, 온도 상승/하강이 신속히 이루어져 금속판에 의한 열 손실과 시간 손실을 줄이는 효과, 및 진공 증착기의 금속판 교체가 용이하며 소형 진공 증착기를 제조할 수 있도록 하는 효과가 있다.
진공 증착기, 기판, 순간 가열, 박막 히터, 절연막, 금속판, 도전체 패턴

Description

진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치{A heating apparatus of wafer deposition substrate}
도 1은 종래 방식에 따른 진공 증착기의 기판 가열 장치에 대한 일실시 예 측면 투시도.
도 2 및 도 3은 금속판을 사용한 본 발명에 따른 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치에 대한 일실시 예 측면 투시도.
도 4 및 도 5는 비 금속판을 사용한 본 발명에 따른 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치에 대한 일실시 예 측면 투시도.
도 6 내지 8은 박막 히터의 일 측에 형성된 도전체 패턴의 실시 예를 보여주는 예시도.
도 9 내지 10은 박막 히터의 일 측에 형성된 도전체 패턴의 실시 예를 보여주는 예시도.
도 11 내지 13은 본 발명이 적용된 기판 가열 장치 및 표면 온도 측정 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
10 : 기판 11 : 금속판
12 : 몰드 13 : 히터
14 : 전원 연결선 15 : 온도 감지기
21 : 금속판 22 : 절연막
23 : 박막 히터 24 : 금속 패드
25 : 온도 감지기 26 : 전원 연결선
27 : 도전체 패턴 28 : 보호층
29 : 비 금속판
본 발명은 기판에 열을 가하여 박막을 증착시키는데 사용되는 진공 증착기의 기판 가열 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판이 올려지는 금속판 후면 측에 절연막을 장착시키고 절연막 하부에 박막 히터를 장착시킨 상태 또는 비 금속판 후면 측에 박막 히터를 장착시킨 상태에서 금속 패드를 통하여 박막 히터로 저전력 전원을 공급하여 박막 히터의 발열을 통해 금속판 또는 비 금속판 표면 온도를 순간적으로 가열시키는 방식의 기판 가열 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 진공 증착기는 진공 상태에서 발생하는 열로 기판{예; 규소 소재의 웨이퍼(Si Wafer) 등}을 가열시켜 박막 등을 증착시키는데 사용된다.
도 1은 종래 방식에 따른 진공 증착기의 기판 가열 장치에 대한 일실시예 측 면 투시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 진공 증착기에는 기판(10)이 올려지는 금속판(11); 금속판(11)과 C-G 히터(13) 사이에 충진되어 금속판(11)과 C-G 히터(13)를 전기적으로 절연시키기 위한 세라믹 몰드(12); 외부로부터 공급되는 전원에 의해 발열되는 C-G 히터(13); C-G 히터(13)로 전원을 공급하기 위한 전원 연결선(14); 및 C-G 히터(13)에서 발열되는 온도를 감지하기 위한 온도 감지기(15)가 장착되어 있다. 여기서, 도면에 도시되어 있지는 않으나 금속판(11)의 진공 상태 유지를 위해 외부면 전체가 진공 실링(sealing)되어 있다는 것을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
그런데, 상기와 같은 종래 기술은 C-G 히터(13)의 구조적 특성, 즉 C-G 히터(13)의 부피가 크며, 그에 따른 금속판(11)의 부피가 크기 때문에 기판(10)에 박막을 증착할 정도의 온도가 되기까지 많은 시간이 걸리며, 큰 부피의 C-G 히터(13)를 높은 온도로 가열시키기 위해서는 고 전력이 소비되며, 진공 증착기의 전원 오프(OFF) 이후에 C-G 히터(13)의 냉각이 느린 문제점이 있다.
한편, C-G 히터(13) 대신에 할로겐 램프를 진공 증착기의 발열 수단으로 장착할 수는 있으나, 이러한 경우 할로겐 램프의 복사에 의한 간접 가열 방식으로 인해 열 손실이 큰 단점이 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하고 상기와 같은 요구에 부응하기 위 하여 제안된 것으로, 기판이 올려지는 금속판 후면 측에 절연막을 장착시키고 절연막 하부에 박막 히터를 장착시킨 상태 또는 비 금속판 후면 측에 박막 히터를 장착시킨 상태에서 금속 패드를 통하여 박막 히터로 저전력 전원을 공급하여 박막 히터를 발열시켜 금속판 또는 비 금속판 표면 온도를 순간적으로 가열시키는 방식의 기판 가열 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가열 장치는 상부에 장착되어 기판이 놓여지는 금속판(21); 상기 금속판 내부의 상단 하측면에 장착되어 상기 금속판을 전기적으로 절연시키고 발생된 열을 상기 금속판으로 전도시키는 절연막; 상기 절연막의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부 전원을 공급받아 상기 자체 전기 저항에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터; 및 상기 박막 히터의 일측 및 타측에 장착되어 외부로부터 공급된 전원을 상기 박막 히터로 균일하게 공급하는 금속 패드를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 가열 장치는 상부에 장착되어 기판이 놓여지는 비 금속판; 상기 비 금속판의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부 전원을 공급받아 상기 자체 전기 저항에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터; 및 상기 박막 히터의 일측 및 타측에 장착되어 외부로부터 공급된 전원을 상기 박막 히터로 균일하게 공급하는 금속 패드를 포함한다.
상기 발열장치의 박막 히터에는 일 측면에 전원 공급 초기에 보다 빠른 시간 안에 상기 박막 히터 면 전체에 균일하게 발열이 일어나도록 하고 상기 박막 히터의 전극 도입부와 박막 히터 중앙부의 온도차를 줄이기 위한 상기 박막 히터보다 전기 저항이 낮으며 열전도율이 높은 도전체 패턴이 형성될 수 있으며, 상기 금속 패드는 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 패턴을 형성할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2 는 금속판을 사용한 본 발명에 따른 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치에 대한 일실시 예 측면 투시도로서, 도면 기호 21은 금속판, 도면 기호 22는 절연막, 도면 기호 23은 박막 히터, 도면 기호 24는 금속 패드, 도면 기호 25는 온도 감지기, 도면 기호 26은 전원 연결선을 각각 나타낸다.
도 3은 금속판과 도전체 측면이 형성된 박막 히터를 사용한 본 발명에 따른 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치에 대한 일실시 예 측면 투시도로서, 도면 기호 27은 도전체 패턴, 도면 기호 28은 보호층을 각각 나타낸다.
도 4 는 비 금속판을 사용한 본 발명에 따른 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치에 대한 일실시 예 측면 투시도로서, 도면 기호 29는 비 금속판을 나타낸다.
도 5는 비 금속판과 도전체 패턴이 형성된 박막 히터를 사용한 본 발명에 따른 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치에 대한 일실시 예 측면 투시도로서, 도면 기호 28은 도전체 패턴을 도면 기호 29는 보호층을 나타낸다.
본 발명의 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치의 일 실시 예에서는 진공 증착기의 전원 플러그를 콘센트에 꽂는 사용자의 행위 등에 의해 전원 연결선(26)을 통하여 박막 히터(23)로 저전력(예; 500 W 등)의 외부 전원이 공급되면 박막 히터(23)가 매우 빠른 속도로 발열{온도 상승, 즉 기판(10)에 박막이 증착될 정도의 온도로 상승}되고 금속판(21)으로 열이 전도된다.
또한, 본 발명에서는 진공 증착기의 전원 플러그를 콘센트로부터 뽑는 사용자의 행위 등에 의해 박막 히터(23)로의 외부 전원 공급이 차단되면 박막 히터(23)가 매운 빠른 속도로 냉각{온도 하강, 즉 진공 증착기의 금속판(21)에 의해 사용자가 화상 등을 당하지 않을 정도의 온도로 하강}되고 금속판(21)으로 열이 전달되지 않는다.
여기서, 본 발명에서는 박막 히터(23)의 부피를 작게 할 수 있으며, 그에 따른 금속판(21)의 부피를 작게 할 수 있기 때문에 온도 상승 및 온도 하강이 빠른 시간 내에 이루어질 수 있는 것이다. 또한, 금속판(21)의 부피가 작기 때문에 금속판(21)에 의한 열 손실과 전력 손실이 감소하는 것이다.
또한, 기존의 진공 증착기에서는 C-G 히터(13)가 몰드 타입으로 장착되기 때문에 진공 누설 등의 문제 등의 사유로 금속판(11) 교체가 불가능하나, 본 발명에서는 금속판(11)을 조립식으로 제조할 수 있으며, 그에 따라 금속판(11)의 교체가 용이하다.
한편, 온도 감지기(25)는 박막 히터(23)에서 발열되는 온도를 감지하는데, 이처럼 감지된 온도를 토대로 PID 제어를 통하여 박막 히터(23)의 온도 조정이 가능하다.
절연막(22)은 박막 히터(23)에서 발열된 열이 빠른 속도로 금속판(21)으로 전도될 수 있도록 함과 아울러 금속판(21)과 박막 히터(23) 간을 전기적으로 절연시킬 수 있도록 열전도가 우수한 알루미나(산화 알루미늄, Al2O3) 또는 마그네시아(산화 마그네슘, MgO) 등과 같은 세라믹 재질 또는 폴리머 물질을 이용한 절연막 또는 상기 두 가지 절연막의 혼합 물질 등으로 이루어진다.
그리고, 절연막(22)은 박막 히터(23)에서 발열된 열이 빠른 속도로 금속판(21)으로 전도될 수 있을 정도의 얇은 두께를 갖도록 함과 아울러 금속판(21)과 박막 히터(23)간을 전기적으로 절연시킬 있을 정도의 두께인 0.5 μm ~ 500 μm, 특히 0.5 μm ~ 500 μm 범위 내가 바람직하며, 재질에 따라 두께에 차이가 발생할 수도 있다.
이러한 절연막(22)의 조건은 다음과 같다.
절연막(22)이 금속판(21)과 박막 히터(23)간을 전기적으로 절연시켜야 되는 데, 외부 전원을 공급받는 박막 히터(23)를 전기적으로 고립(Electrical isolation) 시키기 위해서는 박막 히터(23)로 500 V 정도의 전압이 인가될 때에 절연막(22)의 파괴가 발생하지 않아야 하고 100V 전압이 가해질 때 절연막(22)의 전기적 누설 전류가 20 μA 이하로 되어야 한다.
또한, 박막 히터(23)에서 고온의 열이 발열될 때에 절연막(22)이 금속판(21) 및 박막 히터(23)로부터 각각 물리적 탈착이 발생되지 않도록 절연막(22)과 금속판(21)간의 접촉성, 절연막(22)과 박막 히터(23)간의 접촉성이 우수해야 된다.
또한, 박막 히터(23)에서 고온의 열이 발열될 때에 절연막(22)이 금속판(21) 및 박막 히터(23)와 각각 화학적 반응을 일으키지 않도록 해야 하며 절연막(22)의 표면 조도가 우수해야 된다. 즉, 절연막(22)의 표면 조도가 우수하지 못할 경우에 절연막(22)이 박막 히터(23)의 전기적 비저항 특성에 영향을 미치지 때문에 절연막(22)은박막 히터(23)의 전기적 비저항 특성에 영향을 미치지 않을 정도의 표면 조도를 갖는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같은 조건을 만족시킬 수 있는 절연막(22)의 실시 예들로는 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등과 같은 금속 소재의 금속판(21) 표면을 아크(Arc) 방식을 이용하여 산화시킨 산화 절연막이 사용되거나 금속판 표면에 세라믹, 유리, 도자기 유약 등이 코팅된 절연막이 사용되거나 알루미늄 또는 스테인레스 스틸 등과 같은 금속 소재의 금속판(21) 표면에 폴리머(Polymer) 계열 물질(Polyimide, Polyamide, Teflon, PET 등)을 코팅시킨 폴리머 절연막이 사용되거나 상기 절연막들 중 2 개 이상을 동시에 형성시킨 절연막이 사용될 수 있다.
산화 절연막은 알칼리 전해액에 담가져 있는 알루미늄(Al) 또는 베릴륨(Be) 또는 티타늄(Ti) 또는 스테인레스 스틸(Stainless Steel) 등의 금속 소재의 금속판(21) 표면에 외부로부터 아크(Arc) 등의 전기적 에너지를 인가시켜 금속판(21) 표면 상의 금속 원자와 외부의 산소가 전기/화학적 반응을 일으키도록 하여 금속판(21) 표면의 특성을 산화막 형태로 변환시키는 것에 의해 형성될 수 있다.
산화 절연막으로는 Al2O3, ZrO3, Y2O3 등이 사용되며, 이 산화 절연막을 금속판 위에 플라즈마 스프레이 코팅 방식(Plasma Spray Coating) 등으로도 형성할 수 있다. 이하, 산화 절연막을 금속판 위에 형성하는 공정의 일실시 예에 대해 설명하면 다음과 같다.
용기(bath) 내에 채워져 있는 알칼리 전해액의 농도를 평가하고, 알루미늄 소재의 금속판(21)에 외부 전원이 공급될 수 있도록 알루미늄 소재의 금속판(21)에 도선을 연결한 상태에서 이 알루미늄 소재의 금속판(21)을 용기 내의 알칼리 전해액에 담그고 나서 이 알루미늄 소재의 금속판(21)으로 외부 전원을 공급하여 알루미늄 소재의 금속판(21) 표면을 산화시킨다.
산화 절연막 형성 공정에 의해 고주파 교류(AC) 형태의 강한 전원이 알루미늄 소재의 금속판(21)에 가해짐에 따라 순간적으로 알루미늄 소재의 금속판(21) 표면에 아크(Arc)가 발생되며, 그에 따라 산화가 치밀하고 핀홀(pinhole)의 농도가 매우 작은 산화 절연막이 알루미늄 소재의 금속판(21) 표면에 형성된다.
이러한 산화 절연막 형성 공정에 의해 알루미늄 소재의 금속판(21) 표면에는 산화 알루미늄이 형성될 수 있거나 티타늄 소재의 금속판(21) 표면에는 산화 티타늄이 형성될 수 있거나 베릴륨 소재의 금속판(21) 표면에는 산화 베릴륨이 형성될 수 있는 것이다.
한편, 폴리머 절연막은 금속 소재의 금속판(21) 표면에 전기적 절연성이 확보되는 폴리머 계열의 물질을 균일한 두께로 코팅시키는 것에 의해 형성된다.
특히, 이러한 폴리머 절연막은 박막 히터(23)에서 열이 발열될 때에 열적 변형이 발생하지 않아야 한다. 또한, 폴리머 절연막은 박막 히터(23)에서 고온의 열이 발열될 때에, 금속판(21) 및 박막 히터(23)로부터 각각 물리적 탈착이 발생하지 않도록 접촉성이 우수해야 하고, 금속판(21) 및 박막 히터(23)와 각각 화학적 반응을 일으키지 않아야 하며 표면 조도가 우수해야 한다.
폴리머 절연막을 형성하는 공정의 일실시 예에 대해 설명하면 다음과 같다.
폴리머 절연막은 액상의 유기 폴리머 물질이 이용되어 형성되는데, 금속 소재의 금속판(21) 표면에 균일한 두께로 코팅된다.
여기서, 코팅 방식으로는 스핀 코팅 방식(spin coating), 스프레이 코팅 방식(spray coating), 디핑 코팅 방식(dipping coating), 스크린 프린팅 방식(screen printing) 등이 사용된다.
또한, 폴리머 물질로는 폴리이미드(polyimide) 계열 물질, 폴리아미드(polyamide) 계열 물질, 테프론(teflon) 계열 물질, 페인트(paint) 계열 물질, 실버-스톤(silver-ston), 테프젤-에스(tefzel-s), 에폭시(epoxy), 고무(rubber) 등이 사용되거나 자외선(UV)에 대한 감광성이 있는 물질도 사용될 수 있다.
예를 들어, 폴리이미드 계열 물질을 스프레이 코팅 방식으로 금속판(21)에 형성하는 공정의 일실시 예는 다음과 같다.
금속판(21)을 아세톤(aceton), 아이소 프로필 알코올(IPA; Iso Propyl Alcohol) 등으로 유기 세척시키고 나서, 금속판(21)을 고속(예; 2,000 rpm 이상)으로 자전시키면서 폴리이미드 계열 물질을 금속판(21)에 스프레이(분사)한 후에 금속판(21) 표면에 코팅된 폴리이미드 계열 물질을 열처리한다.
스프레이 코팅 방식의 폴리머 절연막 형성 공정에 의해 금속판(21) 표면에는 열적 안정성이 우수하고 글래시 템퍼러쳐(GT; glassy temperature)가 300 ℃이상인 폴리머 절연막이 형성된다.
또한, 폴리이미드 계열 물질 열처리 과정에서 폴리이미드 계열 물질을 서서히 냉각시킴으로써 폴리머 절연막과 금속판(21) 간의 접착성이 우수해 지며, 스프레이 코팅 과정에서 폴리머 계열 물질을 금속판(21) 표면에 코팅시킴으로써 두께 균일도가 우수해지며, 폴리머 절연막의 핀홀의 농도가 매우 작아져서 전기적 누설 전류가 발생하지 않는다.
한편, 산화 절연막과 폴리머 절연막의 이중 절연막은 금속 소재의 금속판(21) 표면에 산화 절연막을 형성시키고 나서 이 산화 절연막 위에 폴리머 계열의 물질을 균일한 두께로 코팅시키는 것에 의해 형성된다.
이러한 산화 절연막과 폴리머 절연막의 이중 절연막의 전체 두께는 산화 절연막을 단독으로 금속판(21) 표면에 형성시킨 결과의 두께 및 폴리머 절연막을 단독으로 금속판(21) 표면에 형성시킨 결과의 두께 각각의 합에 비해 작으며, 각각의 단독 절연막에 비해 절연 파괴를 최소화할 수 있다.
여기서, 산화 절연막 절연 파괴의 주된 사유로는 산화 절연막에 형성되는 핀홀에 기인하여 이 핀홀 내로 박막 히터(23)로 공급된 외부 전원이 전달되는 것에 의해 절연 파괴가 발생할 수도 있다.
그리고, 폴리머 절연막 절연 파괴의 주된 사유로는 폴리머 절연막 형성 시에 액상의 피알(PR) 도포에 의한 기포 발생 등에 기인하여 폴리머 절연막이 고화된 후 기포가 있던 부분에 절연 파괴가 발생될 수도 있다.
따라서, 산화 절연막 또는 폴리머 절연막 각각에 내재된 절연 파괴 발생을 산화 절연막과 폴리머 절연막의 이중 절연막으로 보완하는 것이 바람직하다.
이러한 절연막(22)의 두께는 0.5 μm ~ 500 μm 범위, 특히 0.5 μm ~ 150 μm 범위가 효율적인 열 전도를 위하여 바람직하며(재질에 따라 두께에 차이가 발생함), 절연막(22)의 절연 파괴 전압(breakdown voltage)은 1,000 V 이상이며, 절연막(22)의 누설 전류(leakage current)는 100 V 전압이 될 때에 20 μA 이하이며, 박막 히터(23)에서 열이 발생할 때에(thermal cycle) 절연막(22)이 금속판(21) 및 박막 히터(23) 각 각으로부터 탈착(박리)이 발생하지 않도록 한다.
박막 히터(23)는 절연막(22) 위에 0.05 μm ~ 수십 μm범위 내(예, 0.05 μm ~ 30 μm 범위)의 균일한 두께를 갖는 박막 형태로 장착되며, 금속 패드(24)를 통하여 외부 전원(직류 전원 또는 교류 전원)이 공급되면 자체 전기 저항에 의해 줄열(joule heating)을 발생시킨다.
여기서, 박막 히터(23)의 박막 특성, 즉 작은 부피로 인해 발열 속도 및 냉 각 속도가 매우 빠르게 이루어질 수 있고, 자체 전기 저항에 의해 발열되는 온도가 500 ℃를 초과할 수 있고, 기존의 시이즈 히터와는 다르게 가파른 온도 상승도 가능하다.
이러한 박막 히터(23)의 조건은 다음과 같다.
박막 히터(23)는 박막 특성으로 인해 기존의 시이즈 히터에 비해 빠른 속도로 온도 상승이 가능하나, 이러한 박막 특성으로 인해 전류 흐름 속도(current flux) 등이 매우 커질 수 있기 때문에 자체적인 전기적/열적/화학적 내성이 요구된다.
즉, 박막 히터(23)는 전기적으로 높은 내압(heater strength)을 가져야 하며, 금속 패드(24)를 통하여 지속적으로 인가되는 에너지에 대한 자체 저항성이 높아야지만 박막 히터(23)의 장시간 수명 유지가 가능하다.
또한, 박막 히터(23)는 절연막(22) 위에 장착되는데, 발열로 인해 절연막(22)이 탈착되지 않도록 하고 금속판(21)과 절연막(22) 간의 박리가 발생하지 않도록 해야 한다.
또한, 박막 히터(23)는 열 충격이 지속적으로 가해지는 소자인데, 이러한 열충격에 의해 자체 저항 변화가 허용 수치 안에서 일어나야 한다.
또한, 박막 히터(23)는 공기 중(산소)에 노출된 상태로 고온으로 발열하는데, 이러한 산화에 의해 자체 저항이 현저히 증가하지 않아야 한다.
전술한 바와 같은 조건을 만족시킬 수 있도록 박막 히터(23)의 소재로는 융점이 높은 단일 금속(예; Ta, W, Pt, Ru, Hf, Mo, Zr, Ti 등)이 사용되거나 이들 금속을 조합한 2성분계 금속 합금물(예; TaW 등)이 사용되거나 금속-질화물(metal-nitride)을 조합한 2성분계 금속-질화물 계열(예; WN, MoN, ZrN 등)이 사용되거나 금속-규화물(metal-silicide)을 조합한 2성분계 금속-규화물 계열(예; TaSi, WSi 등)이 사용되거나 Ag/Pd와 같은 도전성 후막 페이스트 등이 사용될 수 있다.
그리고, 박막 히터(23)가 수십 μm 이하(예; 0.05 μm ~ 30 μm 범위 등, 재질에 따라 두께에 차이가 발생함) 두께를 갖도록 한다.
특히, 박막 히터(23)의 온도가 순간적으로 상승되게 하기 위해서, 즉 자체적으로 뜨겁게 달궈지는데 걸리는 시간이 최소화되기 위해서는 박막 히터(23) 자체의 히트 커패시티(heat capacity)를 매우 작게 하면 된다.
즉, 박막 히터(23)의 히트 커패시티는 두께를 매개변수로 하는 함수로 표현되는데, 박막 히터(23)의 두께가 얇아질수록 그 값이 작아진다. 반면에 박막 히터(23)의 수명은 두께가 얇아질수록 짧아질 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 박막 히터(23)의 온도를 순간적으로 상승시키고 수명을 연장시키기 위한 두 가지 조건을 만족시키기 위해 다양한 시뮬레이션과 실험을 통하여 박막 히터(23)의 최적 두께 범위를 도출할 수 있었다. 한편, 박막 히터(23)의 소재에 따라 약간의 차이는 있을 수 있다.
즉, 다음의 수식에 근거하여 박막 히터(23)의 최적의 두께를 도출한다.
Figure 112005072908623-pat00001
여기서,
Figure 112005072908623-pat00002
(resistivity)는 박막 히터(23) 소재의 고유한 비저항값이고, Rs(sheet resistance)는 박막 히터(23)의 면 저항값이고, t(thickness of film)는 박막 히터(23)의 두께이다. 한편, 두께와 고유 비저항값은 비례 관계에 있음을 알 수 있다.
따라서, 박막 히터(23) 소재의 비저항값 범위를 고려하여 전술한 매개변수를 입력 데이터로 이용하여 시뮬레이션을 하면 각 제품 특성에 맞는 박막 히터(23)의 최적 두께 범위가 재질에 따라(예; 0.05 μm ~ 30μm 등) 도출된다.
이러한 박막 히터(23)는 진공 증착 방식, 후막 페이스트 스크린 인쇄 등에 의해 절연막(22) 위에 형성되는데, 진공증착 방식으로는 PVD(Sputtering, Reactive Sputtering, Co-Sputtering, Evaporation, E-beam 등) 및 CVD(LPCVD, PECVD 등)이 사용된다.
상기 박막 히터의 상부 측에는 상기 박막 히터를 보호하기 위한 보호층이 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 히터 보호층의 소재로는 무기 히터 보호층 류(SiNx, SiOx), 유기 히터 보호층 류(Polyimide, Polyamide, Teflon, PET 등) 등이 사용될 수 있다.
보호층은 도전체 패턴이 형성된 박막 히터와 도전체 패턴이 형성되어 있지 않은 상태의 박막 히터 모두에 형성될 수 있다.
한편, 도 6 내지 8에서와 같이, 박막 히터의 일 측면에는 여러 가지 형상 및 모양을 갖는 박막 히터보다 전기 저항이 낮으며 열전도율이 높은 도전체 패턴(27) 이 형성될 수 있다.
도전체 패턴이 형성되지 않은 박막 히터를 사용할 경우 전원 공급 시 박막 히터의 전극 도입부와 중앙 부분 사이에 온도 차가 발생하여 박막 히터 면 전체에 균일한 온도 분포가 이루어지지 못하거나 박막 히터의 일 부분에 과발열 현상이 발생하여 박막 히터나 절연막 등에 손상이 발생할 수도 있다.
이러한 현상을 방지하고 전원 공급 초기에 보다 빠른 시간 안에 박막 히터 면 전체에 균일한 발열이 일어날 수 있도록 하기 위하여, 박막 히터의 일 측면에 도 6 내지 8과 같이 여러 가지 형태 및 모양의 도전체 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 박막 히터에 도전체 패턴을 형성함으로써, 박막 히터 생산시 도전체 패턴이 형성되지 않은 단일 박막 히터보다 생산 수율을 향상시킬 수 있다. 도전체 패턴이 형성되지 않은 단일 박막 히터는 박막 히터 전체 중 일부분의 미세한 두께 차이나 스크래치 등의 일부 박막의 손상으로도 전체 저항체의 품질 저하를 가져와 박막 히터의 생산 수율을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다.
금속 패드(24)는 박막 히터(23)의 일측 및 타측에 각각 장착되어 있으며, 외부로부터 공급된 전원을 박막 히터(23)로 균일하게 공급한다. 여기서, 금속 패드(24)를 박막 히터(23)의 일측 및 타측에 각각 형성함으로써, 박막 히터(23)의 모든 면에서 균일한(일정한) 전류 밀도를 가질 수 있도록 할 수 있는 것이다.
특히, 박막 히터(23)의 모든 면에서 균일한 전류 밀도를 가질 수 있도록 하기 위해서 금속 패드(24)의 폭을 박막 히터(23)의 폭보다 더 크거나 같게 하는 것이 좋다.
한편, 본 발명의 금속 패드(15)는 도 8과 도 9에서와 같이 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 여러 가지 위치, 모양, 크기 및 개수를 가지는 패턴을 형성할 수도 있다.
또한 박막 히터(23)에서 열이 발열 될 때에, 금속 패드(24)의 온도에 대한 안정성을 보장하고, 산화에 의한 저항 증가를 막고, 박막 히터(23)로부터 탈착되지 않도록 하기 위해서 금속 패드(24)의 소재로는 Al, Au, W, Pt, Ag, Ta, Mo, Ti 등과 같은 금속이 사용된다.
본 발명에 따른 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치의 또 다른 실시예는, 상부에 장착되어 기판이 놓여지는 비 금속판(29); 상기 비 금속판의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부 전원을 공급받아 상기 자체 전기 저항에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(23); 및 상기 박막 히터의 일측 및 타측에 장착되어 외부로부터 공급된 전원을 상기 박막 히터로 균일하게 공급하는 금속 패드(23)를 포함한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 금속판 대신 비 금속판(29)이 사용된 경우에는 비 금속판과 박막 히터 사이에 절연막을 구비하지 않아도 된다.
상기 박막 히터(23)의 일 측면에는 금속판을 사용하는 경우와 마찬가지로 전원 공급 초기에 보다 빠른 시간 안에 상기 박막 히터 면 전체에 균일하게 발열이 일어나도록 하고 상기 박막 히터의 전극 도입부에서 과 발열 현상이 일어나는 것을 방지하기 위한 도전체 패턴(27)과 박막 히터(23)를 외부 이물질 등으로부터 보호하기 위한 히터 보호층(28)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속 패드(24)는 금속판을 사용하는 경우와 마찬가지로 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 패턴을 형성할 수 있다.
비 금속판의 소재로는 적어도 250℃ 이상에서도 견디는 열 강화 플라스틱, 내열성 수지, 세라믹, 유리, 도자기 등이 사용된다.
도 11에는 본 발명이 적용된 기판 가열 장치가 도시되어 있으며, 도 12에는 도 11에 도시된 기판 가열 장치에 50 와트(Watt)를 인가했을 때 시간에 따른 표면 온도 변화를 측정한 그래프가 도시되어 있으며, 도 13에는 도 11에 도시된 기판 가열 장치에 10초 동안 전력 변화를 주었을 때의 표면 온도 변화를 측정한 그래프가 도시되어 있다. 한편, 도 11 내지 13에 도시된 수치는 기판 가열 장치의 일실시 예에 대한 수치이며, 박막 히터, 절연막, 금속 패드, 금속판 등과 같은 각 구성 요소의 저항값, 두께, 소재 등에 따라 서로 다른 결과로 도출될 수 있음을 밝혀 둔다.
도 12에 도시된 바와 같이, 50 와트 전력이 인가될 시 일정 시간이 경과하면 287 ℃에서 수렴(saturation) 특성이 나타남을 알 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 전력 변화에 따라 10초 동안 증가되는 표면 온도 변화가 선형적 증가 특성을 갖음을 알 수 있다.
부가적으로, 기판 가열 장치에 대한 제품 요구 사항을 반영하여 박막 히터, 절연막, 금속 패드, 금속판 등과 같은 각 구성 요소의 저항값, 두께, 소재 등을 서로 다르게 적용하여 표면 온도 도달 시간 및 소비 전력을 제품 특성에 맞게 감소시켜 최적의 제품을 생산할 수 있다.
이상, 본 발명이 실시 예를 들어 설명되었으나, 본 발명의 실시 예는 단지 예시에 불과하며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명이 속하는 분야의 기술자는 본원의 특허청구범위에 기재된 원리 및 범위 내에서 본 발명을 여러 가지 형태로 변형 또는 변경할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은 진공 증착기의 열 발생 수단으로 박막 히터를 장착시킴으로써, 저전력 전원으로 박막 히터를 순간적으로 높은 온도로 가열시킬 수 있으며, 그에 따라 기판 증착 가능 온도 도달 시간을 단축할 수 있도록 함과 아울러 소비 전력을 줄일 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 균일한 두께를 갖는 박막 히터가 모든 면에서 일정한 온도로 발열되기 때문에 진공 증착기가 과열(overheating)되는 것을 방지할 수 있으며, 그에 따라 기판의 손상을 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 금속판 표면에 절연막을 형성하고 절연막 위에 박막 히터를 형성함으로써, 진공 증착기 제조 공정 및 부품을 간소화할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 박막 히터의 부피가 작으며, 그에 따른 금속판의 부피가 작기 때문에 온도 상승 및 온도 하강이 단 시간 내에 이루어질 수 있도록 함과 아울러 금속판에 의한 열 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 금속판을 조립식으로 제조할 수 있으며, 그에 따라 진공 증착기의 금속판 교체가 용이하며 작은 크기의 진공 증착기를 제조할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (13)

  1. 상부에 장착되어 기판이 놓여지는 금속판(21);
    상기 금속판 내부의 상단 하측면에 장착되어 상기 금속판을 전기적으로 절연시키고 발생된 열을 상기 금속판으로 전도시키는 절연막(22);
    상기 절연막의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부 전원을 공급받아 상기 자체 전기 저항에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(23); 및
    상기 박막 히터의 일측 및 타측에 장착되어 외부로부터 공급된 전원을 상기 박막 히터로 균일하게 공급하는 금속 패드(24);를 포함하며, 상기 금속 패드(24)가 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막 히터 면 전체의 균일한 발열을 유도하기 위하여 상기 박막 히터의 일 측면에 도전체 패턴(27)이 형성된 것을 특징으로 하는 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치.
  3. 삭제
  4. 상부에 장착되어 기판이 놓여지는 비 금속판(29);
    상기 비 금속판의 하부에 박막 형태로 장착되어 외부 전원을 공급받아 상기 자체 전기 저항에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(23); 및
    상기 박막 히터의 일 측 및 타 측에 장착되어 외부로부터 공급된 전원을 상기 박막 히터로 균일하게 공급하는 금속 패드(24);를 포함하며, 상기 금속 패드(24)가 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 박막 히터 면 전체의 균일한 발열을 유도하기 위하여 상기 박막 히터의 일 측면에 도전체 패턴(27)이 형성된 것을 특징으로 하는 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막 히터(23)의 일 측면에는 박막 히터를 이물질로부터 보호하기 위한 보호층이 형성된 것을 특징으로 하는 순간 가열 방식의 기판 가열 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막 히터(23)가 단일 금속 또는 상기 금속을 조합한 2 성분계 금속 합금물 또는 금속-질화물(metal-nitride)을 조합한 2 성분계 금속-질화물 또는 금속-규화물(metal-silicide)을 조합한 2 성분계 금속-규화물 또는 후막 도전성 페이스트 중 어느 하나를 소재로 하는 것을 특징으로 하는 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 패드(24)는 상기 박막 히터(23)로 전류 밀도가 균일하게 전원을 공급할 수 있도록 그 폭이 상기 박막 히터의 폭보다 크거나 같도록 설정되고, 발열시 온도에 대해 안정하고 산화에 따른 저항 증가 및 물리적 박리가 방지되는 Al 또는 Au 또는 W 또는 Pt 또는 Ag 또는 Ta 또는 Mo 또는 Ti 중 어느 하나를 소재로 하 는 것을 특징으로 하는 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연막(22)은 상기 금속판(21)의 표면을 아크로 산화 형성한 산화 절연막 또는 상기 금속판(21)의 표면에 세라믹, 유리, 도자기 등을 코팅 형성한 절연막 또는 상기 금속판(21)의 표면에 폴리머를 코팅 형성한 폴리머 절연막 또는 상기 산화 절연막과 폴리머 절연막 중에 하나 이상이 상기 금속판(21)의 표면에 형성된 것임을 특징으로 하는 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 절연막이 1000 V 이상의 절연 파괴 전압을 가지며, 100 V 전압이 인가될 때에 20 ㎂ 이하의 누설 전류를 갖는 것을 특징으로 하는 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 산화 절연막은 산화 알루미늄 또는 산화 베릴륨 또는 산화 티타늄 중 어느 하나이고, 상기 폴리머 절연막의 상기 폴리머는 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리아미드(polyamide) 또는 테프론(teflon) 또는 페인트(paint) 또는 실버-스톤(silver-ston) 또는 테프젤-에스(tefzel-s) 또는 에폭시(epoxy) 또는 고무(rubber) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 폴리머 물질이 스핀 코팅 방식(spin coating) 또는 스프레이 코팅 방식(spray coating) 또는 디핑 코팅 방식(dipping coating) 또는 스크린 프린팅 방식(sreen printing) 중 어느 하나의 방식에 의해 상기 금속판 표면에 코팅되는 것을 특징으로 하는 진공 증착기에서 순간 가열 방식의 기판 가열 장치.
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