KR100797070B1 - 기판 코팅용 기화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각각 다른 온도로 가열된 적어도 두 개의 구역으로 나누어져 있는 도가니가 있는 기화 장치에 관한 것이다. 제1구역은 용융 구역이고 제2구역은 기화 구역이다. 상기 기화 장치는 바람직하게 금속을 기화시키는 용도로 쓰인다. 만약 금속이 기화되면, 금속 와이어는 바람직하게 용융 구역으로 유도된다. 하지만 금속 합금 또한 기화되어서 다른 물질을 포함하는 하나 혹은 여러 개의 금속 와이어는 용융 구역으로 유도된다. 상기 용융 구역과 상기 기화 구역 사이에는 가열 구역이 있다.

기화 장치, 용융 구역, 기화 구역, 가열 구역

Description

기판 코팅용 기화 장치 {Evaporator Arrangement for the Coating of Substrates}

도 1은, 세 개의 구역을 가지는 기화 장치의 사시도,

도 2는, 도 1에서 도시한, 세 개의 구역이 각각 분리된 가열기를 갖는 기화 장치의 또 다른 사시도,

도 3은, 도 2에 따른 기화 장치의 평면도,

도 4는, 도 3에 따른 A-A를 따라 절단한 기화 장치의 부분도,

도 5는, 기화 장치의 다른 실시예를 통한 부분도,

도 6은, 여러 개의 기화 보트가 있는 기화 뱅크.

본 발명은 적어도 하나의 물질로 기판을 코팅하기 위한 기화 장치에 관한 것이다.

전기분해 방법과는 다르게, 한 물질로 기판을 코팅하는 현상은 스퍼터 링(sputtering) 또는 기상 증착(vapor deposiotion)에 의해 이루어진다. 이러한 방법으로 만들어진 층은 코팅된 물질 보호에 사용되지만, 순수하게 장식 혹은 기능과도 관련성을 갖는다.

기상 증착을 층에 적용하는 것은, 특히 금속으로 기판을 코팅할 때 아주 중요하다. 이 방법으로 금속은 지정된 온도로 도가니에서 용융되어서 기체상태로 변하고 코팅될 기판 방향으로 이동하여 여기에서 응축된다.

기판의 코팅을 위하여 여러 개의 기화 보트가 회피 공간에 위치하는 기화유니트가 공지되었다. 종종 지속적인 공정으로 와이어 형태의 기화되는 물질이 이러한 기화 보트들에 도입된다. 이러한 증기는 코팅될 기판상에서 상승하고 응축되며, 종종 띠 형태의 기판은 상기 기화 보트 위로 유도된다. 상기 기화유니트의 단점은, 불순물과 가스 화합물로 인해 생긴 불규칙적인 증기압 때문에 직접 기화하는 동안 스퍼터링이 나타난다는 것이다. 또한, 기화 보트의 고온 영역에서 용융물의 빠른 움직임으로 스퍼터링이 나타난다. 더욱이 다소 비연속적인 와이어의 용융는, 와이어의 대상 위치에 의존적이기 때문에 여러 기화률을 만들어낸다.

DE 40 27 034 C1은 진공 코팅 챔버 내에서 밴드형 기판을 코팅하기 위한 기화 장치를 공개했다. 이 출원에서 이용된 상기 기화 보트는 밴드의 진행방향에 길이로 놓이고, 서로 평행하며 대략 등거리로 놓이는 기화 뱅크의 형태를 갖는다.

또한 DE 44 04 550 C2는 전류가 흘러 가열되어 금속이 기화되는 도가니로부터 기화율을 조정하기 위한 장치를 공개한다. 이 경우에, 상기 기화율의 조절은 상기 도가니의 전기저항과 상기 도가니에서 금속의 전기저항으로 야기되는 총저항인 전기저항 가열 시스템에 의해 이루어진다.

또 다른 금속 기화 장치에서는, 와이어는 기화 도가니와 연결되는 플로우 속의 홈에 삽입된다(DE 34 28 651 A1). 여러가지 증기압 때문에 불순물 및 기체 화합물은, 와이어가 용융되는 동안에 기판에 도달하는 스플래터(splatter)가 발생한다. 이 현상을 피하기 위해서 홈 위에는 냉각된 막 또는 덮개가 배치된다. 이것으로 인하여 기화 도가니로부터 상승한 물질에 의해서만 기판이 코팅되도록 한다.

또 다른 기화 보트에서는, 제1구역과 제2구역 사이에 벽 형태의 막이 존재하는 것이 공지되어 있다. 상기 벽은 금속이 용융되는 동안에 형성되는 스플래터가 코팅될 기판에 도달하지 못하도록 한다. (US 3 467 058, EP 0 430 210 B1)

마지막으로, 또 다른 기화 장치는 용융 구역, 기화 구역 및 상기 두 구역 간의 연결부를 포함하는 것이 공지되어 있다.(US 3 020 177 A, EP 1 327 699 A)

본 발명의 기초가 되는 문제점은 물질, 특히 금속으로 기판을 코팅하는 기화 장치를 제공하는 것으로, 상기 기화 장치는 기판에 도달하는 스플래터가 없고, 벽이나 다른 막의 설치가 불필요하도록 개념화된다.

이 과제는 청구항 1의 특징에 따라 해결된다.

또한 본 발명은 각각 다른 온도로 가열되는 적어도 세 개의 구역으로 나누어지는 도가니를 가지는 기화 장치에 관한 것이다. 제1구역은 용융 구역이고 제2구역은 가열 구역, 제3구역은 기화 구역이다. 상기 기화 장치는 바람직하게 금속의 기 화에 적합하다. 만일 금속이 기화되면 금속 와이어는 바람직하게 용융 구역으로 유도될 것이다. 그러나, 금속 합금 또한 기화되어서 여러 재료를 포함하고 있는 하나 이상의 금속 와이어가 용융 구역에 도입된다.

도 1은, 세 개의 구역을 포함하는 도가니(6)가 있는 기화 장치(1)의 사시도이다. 용융 구역이라고 불리는 제1구역(2)으로는 기화될 물질이 도입되어, 여기서 용융된다. 만약에 상기 물질이 금속이라면 용융 구역(2)에 와이어(3)의 형태로 도입될 수 있다.

상기 와이어(3)는 예를 들면 US 3 467 058에서 스풀(spool) 상에서 용융 구역(2)에 지속적으로 도입된다. 만약 합금이 기판에 적용되면 상기 와이어(3)는 이미 이 합금을 포함하거나 합금을 구성하기에 바람직한 형태로 금속의 여러 와이어의 즉석 용융에 의해 생산될 수 있다.

상기 와이어(3)가 용융 구역(2)에 도입되는 방법은 와이어 유도만큼 고도의 정밀성이 요구되지 않아서 중요하지 않다.

상기 기화 장치(1)를 이용해서 바람직하게 은, 구리 혹은 알루미늄을 포함하는 금속이나 합금과 같은 물질들은 기화된다.

상기 도가니(6)의 용융 구역(2)은, 소위 가열 구역(4)이 뒤따르는고, 이 구역에서는 온도가 최저 끓는점인 금속의 끓는점까지 도달하지는 않지만 용융구역(2)의 온도보다 높다. 이 가열 구역(4)에서 낮은 끓는점의 불순물은 제거되어서 매우 높은 순도의 금속이 얻어진다.

상기 도가니(6)의 상기 가열 구역(4)은 용융 물질(25) 및 특정 온도-의존 표면 장력에 적응되는 형태를 가진다. 종종 그것은 여기 도시하는 바와 같이, 용융 구역(2) 및 기화 구역(5)을 연결하는 채널형태를 가진다. 상기 가열 구역(4)은 상기 구역(2,5)보다 작고, 상기 구역(2,5)에서 용융물(25)의 교환을 막아주는데, 용융 구역(2)에서 이미 발생한 기화를 피하기 위해, 저온 구역(2)이 고온 구역(5)으로부터 분리되는 것이 중요하기 때문이다. 상기 가열 구역(4)의 크기는 물질의 기능으로, 예를 들어 실험치로 10㎜의 길이를 가질 수 있다. 상기 용융물(25)의 온도는 구역(2)에서 구역(5)으로 지속적으로 상승한다.

상기 용융물(25)이 상기 도가니(6)의 상기 가열 구역(4)을 통과했을 때, 물질이 최종적으로 기화 구역(5) 위에 있는 기판 상에 증착되는 기체가 되는 기화 구역(5)에 도달한다.

상기 도가니(6)의 물질의 녹는점은 기화될 금속의 기화 온도보다 훨씬 높아야 한다. 상기 도가니(6)에 가능한 물질은 고융점 화합물이고, 상기 도가니(6)는 또한 이러한 형태의 여러 가지 화합물을 포함하고 있다. 흑연외에, 비금속 붕화물, 비금속 질화물, 비금속 탄화물의 화합물뿐만 아니라 금속 붕화물, 금속 질화물, 금속 탄화물의 화합물이 사용될 수 있다. 보론나이트라이드(BN)와 함께 이붕화티탄(TiB₂)이 상기 도가니(6) 물질로 적합하다.

상기 도가니(6)는 상기 구역(2)의 온도가 가장 낮고 상기 구역(5)의 온도가 가장 높도록 가열되는데, 여기에서 가열은 하나 혹은 개별적인 여러 개의 가열기를 작동하여 가능하다.

도 1에 따른 실시예에서 가열은, 상기 도가니(6)를 통해 특히, 길이 방향으로 흐르는 전류를 통해 이루어진다. 이러한 목적으로 전압소스(28)가 배선(29, 30)을 통해서 상기 도가니(6)의 단부에 연결된다. 상기 도가니(6) 측면의 리세스(31~38)로 인해서 여러 구역에 여러 전기 저항이 생긴다. 상기 도가니(6)가 아주 좁은 구역에서 높은 전기 저항이 생기고, 높은 온도가 되는데, 이는 공식 W = R * I²에 따라 온도는 전기 저항에 비례하기 때문이다. 여기에서 W는 전력, R은 저항, I는 전류이다. 전력이 온도에 비례하기 때문에 결과적으로 상기 도가니(6)의 단면의 폭과 온도 사이의 상관성이 유도된다. 이제 상기 도가니(6)의 형태를 계산하여 예측되서, 예를 들어 용융 구역(2)에서 1200℃, 가열 구역(4)에서 1260~1496℃ 그리고 기화 구역(5)에서 1560℃와 같이 특정 구역의 특정 온도가 얻어진다. 그러나, 특정 온도는 기화될 특정 물질에 따라 다르다. 결과적으로 상기 도가니(6)의 형태는 물질마다 다르다.

예를 들면 알루미늄 응용 제품의 경우에, 상기 용융 구역(2)의 온도는 녹는 점보다 300~500℃ 높고, 상기 기화 구역(5)에서는 대략 900℃ 높다. 상기 구역(2,4)의 온도는 물질의 기화가 발생하지 않는 온도를 선택한다. 이론상으로 용융 구역의 온도는 녹는점보다 조금 높으면 충분하다. 하지만 냉각에 사용되는 금속 와이어의 도입으로 용융 구역의 온도는 더 높게 선택된다.

저항 관계는 측면 홈뿐만 아니라 수직방향에서 여러 두께의 도가니 물질을 통해서도 얻을 수 있다고 이해된다. 중요한 것은 특정 총 단면의 전기 저항을 설명할 수 있다는 것이다.

금속의 상승 증기 로브는 기화하는 동안에 거의 일정하게 유지되어서 코팅은 아주 균일하게 된다. 만약에 여러 개의 기화 보트가 기화 뱅크를 형성한다면 상기 기화 보트는 배향되어 기판은 균일하게 코팅된다. 이것은 서로에 대해서 기화 보트의 배치뿐 아니라 균일하게 코팅하도록 기화 뱅크에 일정 거리를 두고 기판이 유도되게 하여서도 가능하다.

상기 용융 구역(2)으로부터 상기 기화 구역(5)을 분리함으로써 기화 구역(5)에서 액체 물질의 이동은 아주 적어지고, 이로 인하여 상기 기화 장치(1)의 수명이 또한 증가된다.

기화율은 상기 도가니(6)의 형태 및 와이어의 용융 속도를 통해 조절된다. 상기 기화 장치(1)의 지속적인 작동을 위해서 상기 용융물(25)의 장입의 높이의 조절은 와이어 공급 및 기화기 출력에 의해 제공될 수 있다.

기화율이 매우 균일하고 기판에 도달하는 스플래터가 없기 때문에, 이러한 기화 장치(1)는 예를 들어 금속 합성 필름의 코팅에 적합하다. 여기에서 상기 기화율은 기화 구역(5)의 표면 및 공급 와이어 즉, 단위 시간당 용융 와이어(3)의 양뿐 아니라 기화 도가니의 온도를 통해서 결정된다. 이러한 장치는 스플래터가 없는 층이 아주 얇고 균일한 필름 및 층에 적용되기 때문에 예를 들어, 축전기의 제작에 사용될 수 있다.

또 다른 응용 분야는 금속 얀(yarn)의 생산으로써, 상기 기화 장치(1)로 만들어지는 요구조건이 높기 때문이다.

도 2는 도 1에 도시된 상기 기화 장치(1) 또 다른 사시도이다. 상기 도가니(6)의 용융 구역(2), 가열 구역(4) 및 기화 구역(5)은 각각 전기 저항 가열장치(21,22,23)를 가지고 있다. 여기에서 상기 세 구역은 모두 다른 온도이다. 각각의 구역(2,4) 및 (4,5) 사이에는 절연층(39~42)이 위치해서 전류는 분명하게 횡방향으로 흐른다. 직류전압소스(18)가 이 경우에 스위치(19)를 통해서 모두 자기 저항에 연결될 수 있는 각 저항이 존재한다. 일정한 직류 전압소스(18) 대신에 조정가능한 직류 전압소스가 또한 사용될 수 있다. 또한 교류 전압소스도 사용가능하다.

세 개의 개별적인 전압소스(18) 대신에 세 개의 구역(2,4,5)과 평행하는 하나의 전압소스를 제공하는 것도 가능하다. 여기에서 여러 구역에서 여러 온도를 발생하기 위해서 구역은 다른 물질을 포함하고 있거나 여러 통전단면을 가지도록 해야 한다.

도 3은 도 2에 도시한 상기 기화 장치(1)의 평면도이다. 상기 와이어(3)는 금속 혹은 합금이 용융되는 상기 용융 구역(2)에서 우회하여 도입된다. 상기 용융물(25)은 상기 가열 구역(4)을 통해서 마지막으로 기화이 발생하는 기화 구역(5)으로 이동한다. 명백하게 가열 구역(4)은 기화 구역(5)을 향해서 좁아져서 채널처럼 이용된다. 이 채널은 용융된 물질 및 온도-의존 표면 장력에 의해 요구되는 방식으로 형성된다.

도 4는 도 3의 A-A를 따른 부분을 도시한다. 상기 와이어(3)는 상기 용융 구역(2)으로 보내져 상기 가열 구역(4)을 통해서 상기 기화 구역(5)으로 연결된다. 상기 용융 구역(2)의 함곡부(24)는 상기 기화 구역(5)의 함곡부(26)보다 깊다. 상기 가열 구역(4)의 바닥이 상기 용융 구역(2)의 바닥보다 위에 있기 때문에 적어도 상기 가열 구역(4)의 높이에 상응하는 높이에 도달하기 위해서 충분한 금속이 와이어로부터 용융되었다면 용융된 금속은 용융 구역(5)으로만 흘러들어간다. 상기 기화 구역(5)의 함곡부(26) 바닥은 상기 가열 구역(4)의 바닥보다 아래에 있다.

여러 구역의 그릇들이 모두 같은 높이에 있거나 구역(4,5)의 함곡부 만이 같은 높이에 있을 수 있다. 이 경우에 상기 용융 구역(2)에서 상기 기화 구역(5)으로 물질이 흐르는데, 기화로 인한 상기 기화 구역(5)의 물질의 높이의 감소 및 상기 용융 구역(2)으로부터 물질이 나오기 때문이다.

도 5는 도 4에서 도시한 장치의 또 다른 모습을 보여준다. 도 4에서의 기화 장치와는 반대로 가열 구역(4)은 기화 구역(5)을 향해 기울기를 가진다.

도 6은 코팅유니트에 여러 개의 도가니 및 기화 보트(45~54)를 배치하는 방법을 도시한다. 상기 각 기화 보트(45~54)는 도시되지는 않았지만 특히 와이어 공급을 통해서 각각의 와이어(55~64)를 제공받는다. 코팅될 기판은 필름(65)으로써, 기화 보트에서 코팅 롤러(66)를 통해서 인도된다. 상기 필름(65)의 이동 방향은 기화 보트의 길이 방향에 일치된다. 상기 기화 보트(45~64)의 상기 세 구역은 도 6에서는 도시되지 않는다.

상기 기화 보트(45~54)는 코팅 롤러(66) 아래로 미끄러질 수 있는 기화 뱅 크(67) 상에 배치된다. 그러나, 상기 기화 보트(45~54)가 코팅 롤러 아래로 미끄러질 수 있는 슬라이드-인 카트(slide-in cart) 상에 배치되는 것도 가능하다.

도 6에서 모든 기화 보트(45~54)는 개방되어 있고 덮인 부분은 없다.

그러나, 배전기 튜브가 상기 기화 구역(5) 상에 수직으로 도 1에 따른 도가니의 기화 구역(5) 상에 위치하는 것도 가능한데, 이 기화기 튜브는 증기가 기판상으로 이동하는, 수직방향의 선형적으로 위치하고 있는 보어부를 포함한다. 이러한 기화기 튜브는 예를 들면 DE 102 56 038 A1에서 공개되었다.

전기 저항 가열기 대신에 유도 가열기가 설치될 수 있는데 그것은 기화 보트의 여러 구역에 여러 온도를 형성하도록 배치된다.

본 발명의 이점은 스플래터가 없고 매우 균일한 기화율이 가능하게 하는, 예를 들면 OLED와 같은 유기 기판 및 합성 필름상의 질적으로 높은 등급의 층에 의해 성취된다. 이것은 예를 들면 스플래터가 없는 층이 훌륭한 동일성 및 낮은 방사 부하 하에 아주 얇은 필름 위에 적용되어야 하는 축전기의 생산에 중요하다. 또한, 가열된 도가니 상의 와이어의 목표점이 기화량에 큰 영향을 주지 않기 때문에, 와이어 도입의 높은 정밀성을 요구하지 않는다는 것도 이점이다. 용융 구역의 온도가 기화 구역에서의 온도보다 낮기 때문에, 와이어 도입은 또한 낮은 열 부하 및 낮은 기상 증착하에 있다. 용융 구역과 기화 구역으로 분리됨에도 불구하고, 그을음 또는 산화층과 같은 불순불이 상기 기화 구역으로부터 대부분 격리될 수 있다. 기화 되어 액체의 재료가 천천이 움직이기 때문에 상기 도가니의 수명이 또한 증가될 수 있다.

Claims (20)

1) 용융 구역

2) 기화 구역

3) 용융 구역과 기화 구역 사이의 연결부

4) 각각 다른 온도로 용융 구역과 기화 구역을 가열하는 가열 장치를 가지는 도가니를 하나 이상 포함하고, 하나 이상의 물질로 기판을 코팅하기 위한 기화 장치에 있어서,

상기 용융 구역과 상기 기화 구역 사이의 상기 연결부는 상부가 개방된 함곡부를 가지는 가열 구역이고, 그 표면을 통해서 용융된 물질이 용융 구역에서 기화 구역으로 흐르며, 상기 가열 구역의 온도는 용융 구역 온도와 기화 구역 온도 사이인 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 1항에 있어서, 상기 도가니는 전기적으로 유도되고 상기 가열 장치는 형태 및 도가니 물질과 관련하여 전압소스에 의해 형성되며 여기에서 상기 전압소스는 상기 도가니의 말단부에 접하는 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 1항에 있어서, 상기 도가니의 상기 용융 구역, 가열 구역 및 기화 구역은 절연층에 의해 서로 분리되고 각 구역에는 하나의 전압소스가 할당되는 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 1항에 있어서, 상기 구역들을 유도 가열을 통해서 다른 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 1항에 있어서, 상기 가열 구역의 온도는 용융 구역에서 기화 구역 방향으로 지속적으로 상승하는 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 1항에 있어서, 상기 구역들은 상기 도가니의 여러 모양의 단면에 의해 형성되고, 이로 인해 상기 구역들에서 전기 저항이 변하는 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 1항에 있어서, 상기 구역들은 여러 전기 전도성 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 1항에 있어서, 상기 가열 구역은 대략 채널형태로 되는 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 1항에 있어서, 상기 용융 구역 및 기화 구역은 원통형의 그릇 모양인 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 1항에 있어서, 상기 구역들의 가장 깊은 위치는 다른 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 1항에 있어서, 상기 구역들의 가장 깊은 위치는 같은 높이인 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 1항에 있어서, 상기 가열 구역의 가장 깊은 위치가 상기 용융 구역 및 기화 구역의 가장 깊은 위치들보다 높은 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 12항에 있어서, 상기 가열 구역은 상기 기화 구역 방향으로 기울기를 가지는 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 1항에 있어서, 상기 용융 구역 및 기화 구역은 직사각형 기저가 있는 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 1항에 있어서, 상기 용융 구역 및 기화 구역은 원형 기저가 있는 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제1항에 있어서, 상기 도가니는 비금속 붕화물, 비금속 질화물, 비금속 탄화물, 비금속 흑연, 금속 붕화물, 금속 질화물, 금속 탄화물 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물로부터의 고융점 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 기화장치.

제 16항에 있어서, 상기 도가니는 이붕화티탄(TiB₂) 및 보론나이트라이드(BN)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 1항에 있어서, 상기 기화 장치는 금속 기화에 사용되는 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 1항에 있어서, 복수의 도가니는 서로 나란히 위치하며 기판이 상기 도가니들의 길이방향 축을 따라 움직이는 것을 특징으로 하는 기화 장치.

제 19항에 있어서, 각 도가니에는 와이어용 개별 공급이 이루어지고 이 와이어의 단부는 도가니의 용융 구역에 인도되는 것을 특징으로 하는 기화 장치.

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