KR100920646B1 - Ion beam irradiation device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 액정 표시 장치의 배향막에 이온 빔을 조사하여 액정 배향을 할 수 있는 이온 빔 조사 장치에 관한 것이다.
본 발명은 이온 빔 조사 장치에서 이온 빔이 배출되는 이온 건의 크기와 상기 이온 빔이 조사되는 기판의 크기 및 기판이 처리되는 시간 등의 장비 조건을 고려하여 이온 빔 조사시에 배향막에 원하는 프리틸트각이 형성될 수 있도록 하고 배향막의 기본적인 배향 특성이 확보될 수 있도록 이온 빔을 배출하는 이온 건 구조에 관한 스펙(spec)을 정의함으로써 안정적인 배향 특성을 가지고 제품의 신뢰를 향상시키는 효과가 있다.
배향막, 이온 건, 이온 빔
The present invention relates to an ion beam irradiation apparatus capable of performing liquid crystal alignment by irradiating an ion beam to an alignment film of a liquid crystal display device.
The present invention considers the desired pretilt angle to the alignment layer during ion beam irradiation in consideration of the equipment conditions such as the size of the ion gun from which the ion beam is discharged, the size of the substrate to which the ion beam is irradiated, and the processing time of the substrate. By defining a spec on the ion gun structure that emits the ion beam so that this can be formed and the basic alignment characteristics of the alignment film can be secured, there is an effect of improving the reliability of the product with stable alignment characteristics.
Alignment Film, Ion Gun, Ion Beam
Description
도 1은 일반적인 액정 표시 장치에 대한 개략적인 단면도.1 is a schematic cross-sectional view of a general liquid crystal display device.
도 2는 종래 배향막을 형성하기 위한 이온 빔 조사 장치의 개략적인 구성을 보여주는 도면.2 shows a schematic configuration of an ion beam irradiation apparatus for forming a conventional alignment film.
도 3은 종래 이온 빔 조사 장치에서 이온 빔의 조사 각도(θ₂)에 따른 프리틸트각(pretilt angle)과의 관계를 보여주는 그래프.Figure 3 is a graph showing the relationship between the pretilt angle (pretilt angle) according to the irradiation angle (θ₂) of the ion beam in the conventional ion beam irradiation apparatus.
도 4는 본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치를 개략적으로 보여주는 도면.4 schematically shows an ion beam irradiation apparatus according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치의 개념적인 부분 사시도.5 is a conceptual partial perspective view of the ion beam irradiation apparatus according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치의 다른 실시예를 보여주는 도면.6 shows another embodiment of the ion beam irradiation apparatus according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명><Description of Signs of Major Parts of Drawings>
300 : 이온 빔 소스 301 : 플라즈마 형성부300: ion beam source 301: plasma forming portion
302, 402 : 이온 건(Ion gun) 310, 410 : 스테이지302, 402:
320, 420 : 기판 330, 430 : 이온 빔320, 420:
340 : 진공 챔버 350, 450 : 배향막340:
360 : 밸브 360: Valve
본 발명은 액정 표시 장치의 배향막에 이온 빔을 조사하여 액정 배향을 할 수 있는 이온 빔 조사 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an ion beam irradiation apparatus capable of performing liquid crystal alignment by irradiating an ion beam to an alignment film of a liquid crystal display device.
일반적으로, 화상 정보를 화면에 나타내는 디스플레이 장치들 중에서 브라운관 표시 장치(혹은 CRT:Cathode Ray Tube)가 지금까지 가장 많이 사용되어 왔는데, 이것은 표시 면적에 비해 부피가 크고 무겁기 때문에 사용하는데 많은 불편함이 따랐다. In general, CRT (or CRT: Cathode Ray Tube) has been the most used display device for displaying image information on the screen, which is inconvenient to use because it is bulky and heavy compared to the display area. .
그리고, 오늘날에는 전자산업의 발달과 함께 TV 브라운관 등에 제한적으로 사용되었던 디스플레이 장치가 개인용 컴퓨터, 노트북, 무선 단말기, 자동차 계기판, 전광판 등에 까지 확대 사용되고, 정보통신 기술의 발달과 함께 대용량의 화상정보를 전송할 수 있게 됨에 따라 이를 처리하여 구현할 수 있는 차세대 디스플레이 장치의 중요성이 커지고 있다.In addition, with the development of the electronics industry, display devices, which have been limitedly used for TV CRTs, have been widely used in personal computers, notebooks, wireless terminals, automobile dashboards, electronic displays, and the like, and transmit large amounts of image information with the development of information and communication technology. As it becomes possible, the importance of next-generation display devices that can process and implement them is increasing.
이와 같은 차세대 디스플레이 장치는 경박단소, 고휘도, 대화면, 저소비 전력 및 저가격화를 실현할 수 있어야 하는데, 그 중 하나로 최근에 액정 표시 장치가 주목을 받고 있다.Such next-generation display devices should be able to realize light and small, high brightness, large screen, low power consumption, and low price, and one of them has recently attracted attention.
상기 액정 표시 장치(LCD:Liquid Crystal Display)는 표시 해상도가 다른 평판 표시 장치보다 뛰어나고, 동화상을 구현할 때 그 품질이 브라운관에 비할 만큼 응답 속도가 빠른 특성을 나타내고 있다.The liquid crystal display (LCD) has excellent display resolution than other flat panel display devices and exhibits a response speed that is higher than that of a CRT when implementing a moving image.
알려진 바와 같이, 액정 표시 장치의 구동 원리는 액정의 광학적 이방성과 분극 성질을 이용한 것이다. As is known, the driving principle of the liquid crystal display device utilizes the optical anisotropy and polarization properties of the liquid crystal.
액정 분자는 구조가 가늘고 길기 때문에 분자 배열에 방향성과 분극성을 가지고 있으며, 상기 액정 분자들에 인위적으로 전자기장을 인가하여 액정 분자의 배열 방향을 조절할 수 있다. Since the liquid crystal molecules are thin and long in structure, the liquid crystal molecules have directionality and polarization in the molecular arrangement, and the alignment direction of the liquid crystal molecules can be controlled by artificially applying an electromagnetic field to the liquid crystal molecules.
따라서, 액정 분자의 배향 방향을 임의로 조절하면 액정의 광학적 이방성에 의하여 액정 분자의 배열 방향에 따라 빛을 투과 혹은 차단시킬 수 있게 되어, 이에 따라 달라지는 빛의 투과율에 의해 색상 및 영상을 표시할 수 있게 된다.Accordingly, if the alignment direction of the liquid crystal molecules is arbitrarily adjusted, light can be transmitted or blocked according to the alignment direction of the liquid crystal molecules by the optical anisotropy of the liquid crystal, so that the color and the image can be displayed by the light transmittance which is changed accordingly. do.
도 1은 일반적인 액정 표시 장치에 대한 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a general liquid crystal display device.
도 1을 참조하면, 투명한 제 1 기판(111) 위에 금속과 같은 도전 물질로 이루어진 게이트 전극(121)이 형성되어 있고, 그 위에 실리콘 질화막(SiNx)이나 실리콘 산화막(SiOx)으로 이루어진 게이트 절연막(130)이 게이트 전극(121)을 덮고 있다.Referring to FIG. 1, a
상기 게이트 전극(121) 상부의 게이트 절연막(130) 위에는 비정질 실리콘으로 이루어진 액티브층(141)이 형성되어 있으며, 그 위에 불순물이 도핑된 비정질 실리콘으로 이루어진 오믹 콘택층(151, 152)이 형성되어 있다.An
또한, 상기 오믹 콘택층(151, 152) 상부에는 금속과 같은 도전 물질로 이루어진 소스 및 드레인 전극(161, 162)이 형성되어 있는데, 상기 소스 및 드레인 전극(161, 162)은 상기 게이트 전극(121)과 함께 박막 트랜지스터(TFT : T)를 이룬다.In addition, source and
상기 소스 및 드레인 전극(161, 162) 위에는 실리콘 질화막(SiNx)이나 실리콘 산화막(SiOx)으로 이루어진 보호층(170)이 형성되어 있으며, 상기 보호층(170) 은 드레인 전극(162)을 드러내는 콘택홀(171)을 가진다.A
상기 보호층(170) 상부의 화소 영역에는 투명 도전 물질로 이루어진 화소 전극(181)이 형성되어 있고, 상기 화소 전극(181)은 콘택홀을 통해서 상기 드레인 전극(162)과 연결되어 있다.A
상기 화소 전극(181) 상부에는 폴리이미드(polyimide)와 같은 물질로 이루어지고 표면이 일정 방향을 가지도록 형성된 제 1 배향막(191)이 형성되어 있다.A
이 때, 상기 게이트 전극(121)은 게이트 배선과 연결되어 있고, 상기 소스 전극(161)은 데이터 배선과 연결되어 있으며, 상기 게이트 배선과 데이터 배선은 서로 직교하여 화소 영역을 정의한다.In this case, the
한편, 상기와 같이 구성되어 있는 제 1 기판(111)을 포함하는 하부 기판 상부에는 상기 제 1 기판(111)과 일정 간격을 가지며 투명한 제 2 기판(110)을 포함하는 상부 기판이 배치되어 있다.Meanwhile, an upper substrate including a transparent
상기 제 2 기판(110) 하부의 박막 트랜지스터와 대응되는 부분에는 화소 영역 이외의 부분에서 빛샘이 발생하는 것을 방지하기 위한 블랙 매트릭스(120)가 형성되어 있다.A
상기 블랙 매트릭스(120) 하부에는 컬러 필터(131)가 형성되어 있으며, 상기 컬러 필터(131)는 적(R), 녹(G), 청(B)의 세 가지 색이 순차적으로 반복되어 형성되어 있으며, 하나의 색이 하나의 화소 영역에 대응된다.A
이 때, 상기 컬러 필터(131)는 염색법, 인쇄법, 안료 분산법, 전착법 등에 의해 형성되어질 수 있다.
In this case, the
이어서, 상기 컬러 필터(131)의 하부에는 투명한 도전 물질로 이루어진 공통 전극(140)이 형성되어 있으며, 상기 공통 전극(140) 하부에는 폴리이미드와 같은 물질로 이루어지고 표면이 일정 방향을 가지도록 형성된 제 2 배향막(150)이 형성되어 있다.Subsequently, a
여기서, 상기 제 1 배향막(191)과 제 2 배향막(150) 사이에는 액정층(190)이 주입되며, 상기 액정층(190)의 액정 분자는 상기 배향막(191, 150)의 배향 방향에 의해서 초기 배향 상태가 결정된다.Here, the
이하, 상기와 같은 구성을 가지는 액정 표시 장치에서 액정 분자의 초기 배열 방향을 결정하기 위한 배향막 형성 과정에 대해서 좀 더 상세히 설명한다.Hereinafter, a process of forming an alignment layer for determining an initial alignment direction of liquid crystal molecules in a liquid crystal display having the above configuration will be described in more detail.
먼저, 배향막의 형성은 고분자 박막을 도포하고 배향막을 일정한 방향으로 배열시키는 공정으로 이루어진다.First, the alignment film is formed by applying a polymer thin film and arranging the alignment film in a predetermined direction.
상기 배향막에는 일반적으로 폴리이미드(polyimide) 계열의 유기물질이 주로 사용되고, 상기 배향막을 배열시키는 방법으로는 주로 러빙(rubbing) 방법이 이용되고 있다.In general, a polyimide-based organic material is mainly used for the alignment layer, and a rubbing method is mainly used for arranging the alignment layer.
상기 러빙 방법은 먼저 기판 위에 폴리이미드 계열의 유기물질을 도포하고, 60 ~ 80℃ 정도의 온도에서 용제를 날리고 정렬시킨 후, 80 ~ 200℃ 정도의 온도에서 경화시켜 폴리이미드 배향막을 형성한 후, 벨벳(velvet) 등을 감은 러빙포를 이용하여 상기 배향막을 일정한 방향으로 문질러 줌으로써 다양한 배향 방향을 형성시키는 방법이다.In the rubbing method, first, a polyimide-based organic material is coated on a substrate, the solvent is blown and aligned at a temperature of about 60 to 80 ° C., and then cured at a temperature of about 80 to 200 ° C. to form a polyimide alignment layer. It is a method of forming a variety of orientation directions by rubbing the alignment layer in a certain direction using a rubbing cloth wound with a velvet or the like.
이와 같은 러빙에 의한 방법은 배향 처리가 용이하여 대량 생산에 적합하고, 안정된 배향을 가지는 장점이 있다.Such a method by rubbing has an advantage that the alignment treatment is easy, suitable for mass production, and has a stable orientation.
그러나, 상기 러빙 방법은 배향막과 러빙포의 직접적인 접촉을 통해 이루어지므로 먼지(particle) 발생에 의한 셀(cell)의 오염, 정전기 발생에 의하여 미리 기판에 설치된 TFT 소자의 파괴, 러빙 후의 추가적인 세정 공정의 필요, 대면적 적용시의 배향의 비균일성(non-uniformity) 등과 같은 여러 가지 문제점이 발생하게 되어 액정 표시 장치의 제조시의 수율을 떨어뜨리는 문제점이 되고 있다.However, since the rubbing method is performed through the direct contact between the alignment film and the rubbing cloth, contamination of the cell due to dust generation, destruction of the TFT element previously installed on the substrate due to static electricity generation, and further cleaning process after rubbing. Various problems, such as necessity and non-uniformity of orientation in large-area application, generate | occur | produce, and it has become a problem which reduces the yield in manufacture of a liquid crystal display device.
상기 러빙 방법의 문제점을 개선하기 위하여 기계적인 러빙 방법을 이용하지 않는 여러 가지 넌러빙(non-rubbing) 배향 기술이 제안되고 있다.In order to improve the problem of the rubbing method, various non-rubbing orientation techniques without using a mechanical rubbing method have been proposed.
이러한 배향 기술로는 랑그뮈어-블러젯 필름(Langmuir-Blodgett film ; LB film)을 이용하는 방법, UV 조사를 이용한 광 배향법, SiO2의 사방 증착을 이용한 방법, 포토리소그래피(photolithography)로 형성된 마이크로 그루브(micro-groove)를 이용하는 방법, 그리고 이온 빔(Ion beam) 조사를 이용하는 방법이 있다.Such alignment techniques include a method using a Langmuir-Blodgett film (LB film), a photo alignment method using UV irradiation, a method using four-way deposition of SiO 2 , and micro grooves formed by photolithography. There is a method using micro-groove and a method using ion beam irradiation.
이 중에서 이온 빔을 이용하여 배향하는 방법은 상기 기계적인 러빙 방법에 의한 문제점을 해결할 뿐 아니라, 종래의 배향 재료를 그대로 이용하는 것이 가능하며 대면적 대응이 가능하다.Among these, the method of aligning using an ion beam not only solves the problems caused by the mechanical rubbing method, but can also use a conventional alignment material as it is and can cope with a large area.
도 2는 종래 배향막을 형성하기 위한 이온 빔 조사 장치의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.2 is a view showing a schematic configuration of an ion beam irradiation apparatus for forming a conventional alignment film.
상기 이온 빔 조사 장치는 크게 세 영역으로 나누어지며, 주입된 가스(gas) 가 이온과 전자로 전리되어 플라즈마를 형성하는 영역(203)과 상기 이온이 빔의 형태로 인출되어 가속화되어 통과하는 영역(206)과 상기 가속화된 이온 빔(210)이 방출되는 곳부터 기판에 이르기까지의 조사 영역(211)이 그것이다.The ion beam irradiation apparatus is largely divided into three regions, a
상기 플라즈마를 형성하는 영역(203)에서는 주입된 가스를 이온으로 전리하며, 상기 전리된 이온은 인출되어 가속화된 후 기판(220)으로 조사된다.In the
즉, 상기 이온 빔 조사 장치는 진공 용기(240) 내에 있어서 홀더(221)에 고정된 기판(220)에 이온 빔(210)을 조사하도록 구성된다. That is, the ion beam irradiation device is configured to irradiate the
이 때, 상기 이온 빔 조사 장치는 캐소드(cathode, 201)와 애노드(anode, 202)와 이온 빔 인출 매질(204)과 이온 빔 가속 매질(205)을 포함하는 이온 빔 소스(Ion beam source, 200)와, 상기 이온 빔 소스(200)로부터 발생되는 이온 빔(210)이 기판(220)까지 직진하여 조사될 수 있도록 하는 진공 용기(240)와, 상기 진공 용기(240) 내에서 기판(220)이 일정한 각도를 유지할 수 있도록 고정하는 홀더(221)를 포함하여 이루어진다.In this case, the ion beam irradiation apparatus includes an
도시되지는 않았지만, 이온 빔(210)이 기판(220)에 조사되는 시간을 조절하기 위하여 이온 빔 소스(200)와 기판(220) 사이에 셔터(shutter)를 구비하기도 한다.Although not shown, a shutter may be provided between the
상기 이온 빔 소스(200)에서는 이온을 발생시키고 이온 빔(210)을 생성하는데, 캐소드(201)와 애노드(202)의 전압 차에 의해서 주입된 가스를 전리하여 전자와 이온을 포함하는 플라즈마를 생성하고, 생성된 플라즈마에서 이온은 인출 전극에 의해서 이온 빔 인출 매질(204)의 통과부를 통과하여 이온 빔(210)으로 인출된 다.The
상기 방전된 플라즈마로부터 인출된 이온 빔(210)은 이온 빔 가속 매질(205)에 걸리는 전계의 작용으로 가속화되어 기판(220) 상에 일정 각도를 가지고 조사되게 된다.The
여기서, 상기 기판(220)은 조사되는 이온 빔(210)에 대해서 소정의 각도로 기울어지게 되는데, 이로써 상기 이온 빔(210)을 이용하여 기판(220) 상에 도포된 배향막에 원하는 배향 방향을 형성할 수 있으며 프리틸트 각(pretilt angle)을 형성할 수 있다.Here, the
이와 같이, 상기 이온 빔 소스(200)로부터 발생되는 이온 빔(210)은 상기 이온 빔 소스(200)의 법선 방향으로 인출되어 소정의 각도(θ₁)로 기울어진 기판(220) 상의 배향막으로의 조사 각도(θ₂)에 의해서 액정 분자의 프리틸트각(pretilt angle)을 결정하게 된다. 이 때 θ₁= θ₂이다.As such, the
이 때, 상기 조사 각도(θ₂)는 이온 빔(210)의 조사 방향과 기판(220)의 법선 방향이 이루는 각도를 말하며, 상기 이온 빔(210)의 조사 각도(θ₂)와 프리틸트각과의 관계는 도 3에 나타내었다.In this case, the irradiation angle θ₂ refers to an angle formed between the irradiation direction of the
도 3을 참조하면, 이온 빔의 조사 각도에 따라 프리틸트 각이 다른 특성을 보이는 것을 알 수 있는데, 상기 이온 빔의 조사 각도가 40 ~ 60도 사이일 경우에 최대의 프리틸트각을 가지며 전후 조사 각도에 대해서는 5도 이하의 프리틸트각을 가진다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the pretilt angle has different characteristics according to the irradiation angle of the ion beam. When the irradiation angle of the ion beam is between 40 and 60 degrees, the pretilt angle has the largest pretilt angle. The angle has a pretilt angle of 5 degrees or less.
따라서, 액정 표시 장치에서 원하는 프리틸트각을 얻기 위해서는 상기 기판 상의 배향막 전면에 적절한 조사 각도를 가지는 이온 빔을 동일한 에너지로 조사해야 한다. Therefore, in order to obtain a desired pretilt angle in the liquid crystal display, an ion beam having an appropriate irradiation angle on the entire surface of the alignment layer on the substrate must be irradiated with the same energy.
이 때, 이온 빔 조사 장치를 이용하여 액정 표시 장치에서 배향막에 이온 빔을 조사하여 원하는 프리틸트 각을 얻기 위해서는 배향막이 도포되어 있는 기판의 크기(size)와 이온 빔이 배향막에 조사되는 시간 등을 고려하여 원하는 프리틸트 각을 가질 수 있도록 하고 상기 이온 빔에 의해서 기판이 파괴되지 않도록 해야 한다.In this case, in order to obtain a desired pretilt angle by irradiating an ion beam to the alignment layer in the liquid crystal display using the ion beam irradiation apparatus, the size of the substrate on which the alignment layer is applied, the time for which the ion beam is irradiated onto the alignment layer, etc. Consideration should be given to the desired pretilt angle and the substrate not to be destroyed by the ion beam.
즉, 상기 이온 빔 조사 장치의 진공 용기 안에서 상기 이온 빔 소스로부터 인출 매질과 가속 매질의 장축 방향에 대해 수직한 방향으로 인출되어 나온 이온 빔이 배향막에 조사되어 기본적인 배향 특성을 확보할 수 있는 조건을 갖춘 이온 빔 조사 장치가 필요하다.That is, in the vacuum vessel of the ion beam irradiation apparatus, an ion beam drawn out from the ion beam source in a direction perpendicular to the direction of the major axis of the extraction medium and the acceleration medium is irradiated to the alignment layer to obtain the basic alignment characteristics. An ion beam irradiation device equipped is required.
본 발명은 이온 빔 조사 장치에서 이온 빔이 배출되는 이온 건의 크기와 상기 이온 빔이 조사되는 기판의 크기 및 기판이 처리되는 시간 등의 장비 조건을 고려하여 이온 빔을 조사시에 배향막에 원하는 프리틸트각이 형성되도록 하고 배향막의 기본적인 배향 특성이 확보될 수 있도록 하는 이온 빔 조사 장치를 제공하는 데 목적이 있다.According to the present invention, the desired pretilt is applied to the alignment layer when the ion beam is irradiated in consideration of the equipment conditions such as the size of the ion gun from which the ion beam is discharged, the size of the substrate onto which the ion beam is irradiated, and the processing time of the substrate. It is an object of the present invention to provide an ion beam irradiation apparatus that allows an angle to be formed and ensures basic alignment characteristics of an alignment film.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치는, 진공 챔버와, 이온 빔이 인출되는 이온 건(Ion gun)과, 상기 이온 빔이 조사되며 일방향 으로 이동하는 기판을 포함하며, 1.6 ×10-4≤ (Lg ×I ×T)/Ls ≤ 1.6 ×10-2의 관계식을 만족하는 것을 특징으로 한다. (여기서, I:이온 빔의 전류 세기, T:기판에 이온 빔이 조사되는 공정시간, Lg:이온 건에서 기판의 이동 방향 길이, Ls:기판에서 이동 방향 길이)In order to achieve the above object, the ion beam irradiation apparatus according to the present invention includes a vacuum chamber, an ion gun from which the ion beam is drawn, and a substrate to which the ion beam is irradiated and moved in one direction, and 1.6 It is characterized by satisfying the relational expression of × 10 −4 ≦ (Lg × I × T) /Ls≦1.6×10 −2 . Where I is the current intensity of the ion beam, T is the process time at which the ion beam is irradiated onto the substrate, Lg is the length in the direction of movement of the substrate in the ion gun, and Ls is the length in the direction of movement of the substrate.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치는, 진공 챔버와, 이온 빔이 인출되는 이온 건(Ion gun)과, 상기 이온 빔이 조사되는 기판을 포함하며, 1.6 ×10-4≤ I × T ×Sg/Ss≤ 1.6 ×10-2의 관계식을 만족하는 것을 특징으로 한다.(여기서, I:이온 빔의 전류 세기, T:기판에 이온 빔이 조사되는 공정시간, Sg:이온 건에서 이온 빔이 배출되는 영역의 넓이, Ss:상기 기판의 넓이)Further, in order to achieve the above object, the ion beam irradiation apparatus according to the present invention includes a vacuum chamber, an ion gun from which the ion beam is drawn out, and a substrate to which the ion beam is irradiated, and is 1.6 × 10. It satisfies the relation of -4 ≦ I × T × Sg / Ss ≦ 1.6 × 10 −2 (wherein I is the current intensity of the ion beam, T is the process time at which the ion beam is irradiated onto the substrate, Sg : Area of the ion beam exiting the ion gun, Ss: Area of the substrate)
이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대해서 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.4 is a view schematically showing an ion beam irradiation apparatus according to the present invention.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치에서 기판(320)이 일방향으로 이동함에 따라 이온 빔(330)이 기판(320) 전면에 조사된다.As shown in FIG. 4, in the ion beam irradiation apparatus according to the present invention, the
상기 이온 빔 조사 장치는 주입된 가스를 이온으로 전리하여 전리된 이온을 가속화하여 기판(320)으로 배출하는 이온 빔 소스(Ion beam source, 300)와, 상기 이온 빔 소스(300)로부터 발생되는 이온 빔(330)이 기판(320)까지 직진하여 조사될 수 있도록 하는 진공 챔버(340)와, 상기 진공 챔버에서 기판(320)을 고정하여 일방 향으로 이동할 수 있는 스테이지(310)와, 상기 이온 빔 조사가 매회 끝날때마다 가스를 배출하고 스테이지(310)를 외부에서 내부로, 내부에서 외부로 이동시킬 수 있는 밸브(360)를 포함하여 이루어진다.The ion beam irradiation apparatus ionizes the injected gas into ions, accelerates the ionized ions, and discharges the ionized ions to the
상기 이온 빔 소스(300)는 주입된 가스가 이온과 전자로 분리되어 플라즈마를 형성하는 플라즈마 형성부(301)와, 상기 플라즈마 형성부(301)에서 형성된 이온 빔(330)이 소정의 형태로 가속화되어 기판(320)으로 인출되는 이온 건(Ion gun, 302)을 포함하여 이루어진다. The
도시되지는 않았지만, 이온 빔(330)이 기판(320)에 조사되는 시간을 조절하기 위하여 이온 빔 소스(300)와 기판(320) 사이에 셔터(shutter) 또는 기판(320)에 조사되는 이온 빔(330)의 양을 조절하기 위하여 마스크(mask)를 별도로 구비하기도 한다.Although not shown, an ion beam irradiated to the shutter or the
이때, 상기 스테이지(310)에는 배향막(350)이 도포되어 있는 기판(320)이 장착되어 함께 이동하게 되며, 상기 배향막(350)으로는 폴리이미드(polyimide), SiO2, SiC, Si3N4, Al2O3, CeO2, SnO2, glass, ZnTiO2, DLC(Diamond-Like Carbon) 등을 사용할 수 있다. At this time, the
상기 이온 빔 소스(300)에서는 이온을 발생시키고 이온 빔(310)을 생성하는데, 캐소드(cathode)와 애노드(anode)의 전압 차에 의해서 주입된 가스를 전리하여 전자와 이온을 포함하는 플라즈마(plasma)를 생성하고, 생성된 플라즈마에서 이온은 인출 전극에 의해서 이온 건을 통과하여 소정 형태의 이온 빔(330)으로 인출된 다.The
상기 방전된 플라즈마로부터 인출된 이온 빔(330)은 전계의 작용으로 가속화되어 기판(320) 상에 일정 각도를 가지고 조사되게 된다.The
여기서, 상기 이온 건(302)은 스테이지(310) 상에 고정되어 있는 기판(320)에 대해서 소정 각도로 기울어져 형성되어 있으며, 상기 이온 건(302)을 통과하여 인출되는 이온 빔(330)은 기판(320)에 소정의 각도로 기울어져 조사된다.Here, the
그리고, 상기 기판(320)을 고정하고 있는 스테이지(310)가 일 방향으로 소정의 속도로 이동함으로써 상기 이온 건(302)에서 소정의 각도로 인출되는 이온 빔(330)에 의해서 기판(320) 상에 형성되어 있는 배향막(350)의 전면에 이온 빔(330)을 조사할 수 있다.In addition, the
이로써 상기 이온 빔(330)을 이용하여 기판(320) 상에 도포된 배향막(350)에 원하는 배향 방향을 형성할 수 있으며 프리틸트 각(pretilt angle)을 형성할 수 있다.As a result, a desired alignment direction may be formed on the
이 때, 상기 기판(320) 상에는 폴리이미드와 같은 유기물질의 배향막(350)이 도포되어 있는데, 상기 폴리이미드와 같이 배향막(350)으로 사용되는 유기 물질은 화학적 구조로서 주쇄(main chain)와 측쇄(side chain)로 나뉘어진다.At this time, an
상기 주쇄는 액정 분자를 한 방향으로 배열시키는 역할을 하고, 상기 측쇄는 프리틸트각을 형성하는 역할을 한다.The main chain serves to align the liquid crystal molecules in one direction, and the side chain serves to form a pretilt angle.
특히, 상기 측쇄는 이온 빔 조사시에 반응하여 소정 부위가 끊어지도록 함으로써 배향시에 액정 분자가 방향성을 가지고 배향되도록 한다. In particular, the side chain reacts upon irradiation with the ion beam so that a predetermined portion is broken so that the liquid crystal molecules are oriented with orientation upon orientation.
이와 같이, 상기 이온 빔 소스(300)로부터 발생되는 이온 빔(330)은 상기 이온 건(302)이 기울어진 방향으로 인출되고 소정의 각도(θ)로 기판(320) 상의 배향막(350)으로 조사되어 액정 분자의 프리틸트각(pretilt angle)을 결정하게 된다.As such, the
본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치를 이용하여 배향막(350)이 형성된 기판(320)을 배향 처리하는 공정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a process of aligning the
먼저, 본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치를 이용한 배향 처리 공정은 크게 세 단계로 나누어지며, 배향막(350)을 형성하고 있는 기판(320)을 고정하고 있는 스테이지(310)가 상기 이온 빔 조사 장치로 인입되기 전에 로딩(loading)되는 단계와, 상기 스테이지(310)가 이동하여 이온 빔 조사 장치의 진공 챔버(340)로 인입되면 기판(320)에 이온 빔(330)을 조사하는 단계와, 상기 기판(320)의 전면에 이온 빔(330)이 조사되면 상기 이온 빔 조사 장치 외부로 배출되는 단계를 포함하여 이루어진다.First, the alignment treatment process using the ion beam irradiation apparatus according to the present invention is largely divided into three stages, and the
상기 기판(320)에는 배향막(350)이 형성되어 있으며 상기 기판(320)은 스테이지(310)에 고정되어 이온 빔 조사 장치의 진공 챔버(340) 안에 인입되기 전에 로딩된다.An
그리고, 상기 이온 빔 조사 장치의 밸브(360)가 열리면 상기 스테이지(310)는 진공 챔버(340) 안으로 인입되어 세팅된다.When the
이후, 상기 스테이지(310)는 진공 챔버(340) 안에서 소정의 속도로 일 방향으로 이동되며 이때 소정 위치에서 기판(320)에 대해 소정의 각도(θ)로 기울어져 형성되어 있는 바 타입(bar-type)의 이온 건(302)에서 이온 빔(330)이 인출되어 기 판(320)에 조사된다.Thereafter, the
상기 스테이지(310)가 일정한 속도로 이동하고 있으므로 상기 기판(320)에 형성되어 있는 배향막(350)은 기판(320)으로 기울어져 조사되는 이온 빔(330)에 의해서 전면이 배향 처리되어 프리틸트각을 형성하게 된다.Since the
그리고, 상기 바(bar) 타입의 이온 건(302)에 의해서 기판(320) 전면에 걸쳐 배향 처리가 끝나면 상기 이온 빔 조사 장치의 밸브(360)가 열리면서 상기 스테이지(310)는 진공 챔버(340) 외부로 배출된다.When the alignment process is completed over the entire surface of the
이때, 상기와 같이 이온 빔을 조사하여 배향하는 방법에 있어서, 기본적인 배향 특성을 확보하기 위해서는 이온 빔 조사 장치에서 이온 빔(330)이 배출되는 이온 건(302)의 크기와 상기 이온 빔(330)이 조사되는 기판(320)의 크기 및 기판(320)이 처리되는 시간 등의 장비 조건을 고려하여야 한다.At this time, in the method of irradiating and orienting the ion beam as described above, in order to secure basic alignment characteristics, the size of the
즉, 본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치는 배향막(350)이 기본적인 배향 특성을 확보하고 원하는 프리틸트각이 형성될 수 있도록 하는 이온 건(302) 구조를 가진다.That is, the ion beam irradiation apparatus according to the present invention has an
도 5는 본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치의 개념적인 부분 사시도로서, 이온 빔에 의해서 기판에 도포된 배향막이 배향 처리되는 공정을 보여주고 있다.5 is a conceptual partial perspective view of the ion beam irradiation apparatus according to the present invention, which shows a process in which an alignment film applied to a substrate is oriented by an ion beam.
도 5를 참조하면, 바(bar) 타입의 이온 건(302)으로부터 인출되는 이온 빔(330)은 이온 건(302)이 기판(320)에 대해서 기울어진 방향으로 인출되어 기판(320)에 조사된다.Referring to FIG. 5, the
이때, 상기 기판(320)은 일 방향으로 이동되며 이에 따라 상기 이온 건(302) 에서 인출되는 이온 빔(330)에 의해 기판(320) 상의 배향막(350) 전면이 배향 처리된다.In this case, the
여기서, 상기 배향의 균일성을 위하여 기판(320)은 등속도로 이동하는 것이 바람직하며, 상기 이온 건(302)은 단위 시간 및 단위 면적에 대해서 일정한 양의 이온 빔(330)을 인출한다. Here, the
이때, 상기 기판(320)에 주입되는 단위 면적당 이온 수를 도즈(dose)라고 하면 기판(302)에 형성되어 있는 배향막(350)이 기본적인 배향 특성을 가지기 위해서 만족하는 이온 빔 도즈량은 1.0 ×1015(EA/cm2) ~ 1.6 ×1017(EA/cm2
)의 범위 안에서 조건을 만족하여야 한다.In this case, when the number of ions per unit area injected into the
만일, 이온 빔 도즈량이 1.0 ×1015(EA/cm2) 이하면 안정적인 배향 특성을 가질 수 없으며, 1.6 ×1017(EA/cm2) 이상이면 배향막 표면이 파괴되는 문제점이 발생한다.If the ion beam dose is 1.0 × 10 15 (EA / cm 2 ) or less, it may not have stable alignment characteristics, and if 1.6 × 10 17 (EA / cm 2 ) or more, a problem occurs that the surface of the alignment layer is destroyed.
따라서, 상기의 조건은 이온 빔 조사 방식에 관계없이 적용되어야 하는 조건으로 기본적인 배향 특성을 확보하기 위한 기본 조건이다.Therefore, the above conditions are conditions to be applied regardless of the ion beam irradiation method and are basic conditions for securing basic alignment characteristics.
본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치에서 기본적인 배향 특성을 만족하기 위한 장비 조건은 다음과 같이 유도할 수 있다.Equipment conditions for satisfying the basic orientation characteristics in the ion beam irradiation apparatus according to the present invention can be derived as follows.
먼저, 기본적인 배향 특성을 만족하는 이온 빔의 도즈량과 기판(320)의 사이즈(장변의 길이와 단변의 길이), 이온 건(302)에서 이온 빔(330)이 배출되는 영역 즉, 배출구의 크기(장변의 길이와 단변의 길이)와 기판 1매를 처리하는 데 소요되 는 공정 시간을 고려한다.First, the dose of the ion beam satisfying the basic alignment characteristics, the size of the substrate 320 (the length of the long side and the length of the short side), the area where the
여기서, 도 5에 나타낸 바와 같이, Here, as shown in FIG.
I(A) : 이온 빔 조사 장치에서 이온 건으로부터 배출되는 이온 빔의 전류세기(current, 암페어)I (A): current strength of the ion beam emitted from the ion gun in the ion beam irradiation device (current, amperes)
Lg : 이온 빔이 배출되는 이온 건의 배출구의 단변의 길이(기판의 이동 방향 길이)(cm)Lg: Length of the short side of the outlet of the ion gun from which the ion beam is discharged (length of the moving direction of the substrate) (cm)
Dg : 이온 빔이 배출되는 이온 건의 배출구의 장변의 길이(기판의 이동 방향에 수직한 길이)(cm)Dg: Length of the long side of the outlet of the ion gun from which the ion beam is discharged (length perpendicular to the moving direction of the substrate) (cm)
Ls : 기판의 이동 방향 길이(cm)Ls: Length of substrate moving direction (cm)
Ds : 기판의 이동 방향에 대해 수직한 길이(cm) Ds: Length perpendicular to the moving direction of the substrate (cm)
T : 기판 1 매를 처리하는 데 소요되는 공정 시간(sec, 초)T: Process time required for processing one substrate (sec, second)
라고 정의한다.It is defined as.
그리고, 이온 빔 도즈량에 대해서, And about the amount of ion beam dose,
Nd : 단위 면적(cm2)당, 단위 시간(sec)당 이온 건으로부터 배출되는 이온의 개수(EA/cm2*sec)Nd: Number of ions emitted from the ion gun per unit area (cm 2 ) per unit time (sec) (EA / cm 2 * sec)
Ng : 기판 1매가 이동하는 시간(T)동안 이온 건으로부터 배출되는 총 이온의 개수(EA)Ng: Total number of ions discharged from the ion gun during the time T during which one substrate moves (EA)
Ns : 기판 1매가 이동하는 시간(T)동안 기판이 필요로 하는 총 이온의 개수(EA) Ns: Total number of ions required by the substrate during the time T during which one substrate moves (EA)
로 한다.Shall be.
그러면, 단위 면적(cm2)당, 단위 시간(sec)당 이온 건(302)으로부터 배출되는 이온의 개수 Nd는 이온 빔의 전류의 세기(I)와 각 이온의 전하량(Qi)과 관계가 있다.Then, the number Nd of ions discharged from the
Nd = I/QiNd = I / Qi
여기서, Qi는 각 이온의 전하량으로 1.6 ×10-19(C)이다.Here, Qi is 1.6 x 10 -19 (C) in the amount of charge of each ion.
따라서,therefore,
Nd = I × 6.25 ×1018(EA/cm2*sec)Nd = I × 6.25 × 10 18 (EA / cm 2 * sec)
가 된다.Becomes
또한, 기판 1매가 이동하는 시간 T(sec)동안에 이온 건으로부터 배출되는 총 이온의 개수 Ng는 이온 건의 배출구 면적(Lg ×Dg)(cm2)과 관계가 있다.In addition, the number Ng of total ions discharged from the ion gun during the time T (sec) during which one substrate is moved is related to the outlet area (Lg x Dg) (cm 2 ) of the ion gun.
Ng = Nd ×T ×Lg ×DgNg = Nd × T × Lg × Dg
= I × T ×Lg ×Dg ×6.25 ×1018(EA) ---- (1)= I × T × Lg × Dg × 6.25 × 10 18 (EA) ---- (1)
가 된다.Becomes
또한, 기판이 기본적인 배향 특성을 확보하기 위해서 필요로 하는 총 이온의 개수 Ns는 단위 면적당 이온 빔의 조사 조건을 만족하여야 한다.In addition, the total number Ns of ions required for securing the basic alignment characteristics of the substrate must satisfy the irradiation condition of the ion beam per unit area.
앞서 언급한 바와 같이, 기판에 형성되어 있는 배향막이 기본적인 배향 특성 을 가지기 위해서 단위 면적당 이온 빔의 조사 조건은 1.0 ×1015(EA/cm2) ~ 1.0 ×1017(EA/cm2)을 만족하여야 한다.As mentioned above, in order for the alignment layer formed on the substrate to have basic alignment characteristics, the irradiation conditions of the ion beam per unit area satisfy 1.0 × 10 15 (EA / cm 2 ) to 1.0 × 10 17 (EA / cm 2 ). shall.
따라서, 기판 1매가 이동하는 시간 T(sec)동안에 기판이 필요로 하는 총 이온의 개수 Ns는 기판의 면적이 Ls ×Ds 이므로 다음과 같은 조건을 만족하여야 한다.Therefore, the total number of ions Ns required by the substrate during the time T (sec) during which one substrate moves is required to satisfy the following conditions because the area of the substrate is Ls x Ds.
Ls ×Ds ×1.0 ×1015(EA)≤ Ns ≤ Ls ×Ds ×1.0 ×1017(EA) ---- (2)Ls × Ds × 1.0 × 10 15 (EA) ≤ Ns ≤ Ls × Ds × 1.0 × 10 17 (EA) ---- (2)
상기 (1), (2) 식에서 기판 1매가 이동하는 시간(T)동안 이온 건으로부터 배출되는 총 이온의 개수(Ng)와 기판 1매가 이동하는 시간(T)동안 기판이 필요로 하는 총 이온의 개수(Ns)는 기본적으로 그 값이 같아야 하므로,In the above formulas (1) and (2), the total number of ions discharged from the ion gun during the time T during the movement of one substrate (Ng) and the total ions required by the substrate during the time during the movement of the substrate (T) The number (Ns) should basically be the same, so
Ls ×Ds ×1.0 ×1015≤ I × T ×Lg ×Dg ×6.25 ×1018 ≤ Ls ×Ds ×1.0 ×1017 Ls × Ds × 1.0 × 10 15 ≤ I × T × Lg × Dg × 6.25 × 10 18 ≤ Ls × Ds × 1.0 × 10 17
이고, 상기 이온 건의 배출구에서 기판의 이동 방향에 수직한 길이 Dg는 실제 공정 중 기판에 이온 빔을 조사하는 유효한 길이 Ds와 기본적으로 그 값이 같게 되므로 Dg를 Ds로 치환할 수 있다.Since the length Dg perpendicular to the moving direction of the substrate at the outlet of the ion gun is basically the same as the effective length Ds irradiating the ion beam to the substrate during the actual process, Dg may be replaced with Ds.
따라서, therefore,
Ls ×Ds ×1.0 ×1015≤ I × T ×Lg ×Ds ×6.25 ×1018 ≤ Ls ×Ds ×1.0 ×1017 Ls × Ds × 1.0 × 10 15 ≤ I × T × Lg × Ds × 6.25 × 10 18 ≤ Ls × Ds × 1.0 × 10 17
이므로, 결론적으로, In conclusion,
1.6 ×10-4≤ (Lg ×I ×T)/Ls ≤ 1.6 ×10-2 ------ (3)1.6 × 10 -4 ≤ (Lg × I × T) / Ls ≤ 1.6 × 10 -2 ------ (3)
의 조건을 가진다.Has the condition
즉, 배향막이 형성되어 있는 기판을 바(bar) 타입의 이온 빔 조사 장치를 이용하여 배향 처리를 할 때 기본적인 배향 특성을 확보하기 위해서는 이온 빔 조사 장치가 (3)의 관계식을 만족시킬 수 있도록 설계되어야 한다.That is, in order to secure the basic alignment characteristics when the substrate on which the alignment film is formed is subjected to alignment treatment using a bar type ion beam irradiation apparatus, the ion beam irradiation apparatus is designed to satisfy the relational expression of (3). Should be.
도 6은 본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.6 is a view showing another embodiment of the ion beam irradiation apparatus according to the present invention.
도 6에서 나타낸 바와 같이, 본 발명은 바 타입(bar-type)의 이온 건(302) 뿐만 아니라, 원기둥형의 이온 건(402)에도 적용될 수 있으며, 기판을 이동시키는 장치에서뿐만 아니라 기판을 고정시켜서 배향 처리하는 장치에서도 적용 가능하다.As shown in FIG. 6, the present invention can be applied not only to the bar-
도 6의 (a)는 본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치의 진공 챔버 내에서 기판(420)이 배향 처리되는 것을 개략적으로 보여주는 단면도이고, 도 6의 (b)는 본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치를 이용하여 배향 처리하는 공정을 개략적으로 다른 측면에서 보여주는 도면이다.6 (a) is a cross-sectional view schematically showing that the
도 6에 나타낸 바와 같이, 이온 건(402)은 원기둥형으로 기판(420)의 전면에 이온 빔(430)을 조사하며, 상기 이온 건(402)의 배출구의 면적(Sg)는 기판(420)의 면적(Ss)보다 같거나 큰 것이 바람직하다.As shown in FIG. 6, the
여기서, 상기 기판(420)은 이온 건(402)으로부터 인출되는 이온 빔(430)의 조사 방향에 대해서 소정 각도로 기울어져 스테이지(410)에 고정되어 있으며, 상기 기판(420)의 전면에는 배향막(450)이 형성되어 있다.The
상기 배향막(450)으로는 폴리이미드(polyimide), SiO2, SiC, Si3N4, Al
2O3, CeO2, SnO2, glass, ZnTiO2, DLC(Diamond-Like Carbon) 등을 사용할 수 있다. As the
여기서, 앞서 설명한 바와 같은 과정으로 유도되는 식 (1)에서,Here, in the formula (1) derived by the process as described above,
Ng = Nd ×T ×Lg ×DgNg = Nd × T × Lg × Dg
= I × T × Sg ×6.25 ×1018(EA) ------ (4)= I × T × Sg × 6.25 × 10 18 (EA) ------ (4)
이고, 식 (2)에서,And in formula (2),
Ss ×1.0 ×1015(EA)≤ Ns ≤ Ss ×1.0 ×1017(EA) ------ (5)Ss × 1.0 × 10 15 (EA) ≤ Ns ≤ Ss × 1.0 × 10 17 (EA) ------ (5)
가 된다.Becomes
따라서, 상기 (4), (5) 식에서 기판 1매가 이동하는 시간(T)동안 이온 건으로부터 배출되는 총 이온의 개수(Ng)와 기판 1매가 이동하는 시간(T)동안 기판이 필요로 하는 총 이온의 개수(Ns)는 기본적으로 그 값이 같아야 하므로,Therefore, in the above formulas (4) and (5), the total number of ions discharged from the ion gun (Ng) during the time T during the movement of one substrate and the total amount required by the substrate during the time T during the movement of one substrate Since the number of ions (Ns) should basically be the same,
Ss ×1.0 ×1015≤ I × T ×Sg ×6.25 ×1018 ≤ Ss ×1.0 ×1017 -----(6) Ss × 1.0 × 10 15 ≤ I × T × Sg × 6.25 × 10 18 ≤ Ss × 1.0 × 10 17 ----- (6)
1.6 ×10-4≤ I × T ×Sg/Ss≤ 1.6 ×10-2---(7)1.6 × 10 -4 ≤ I × T × Sg / Ss≤ 1.6 × 10 -2 --- (7)
을 얻을 수 있다.Can be obtained.
즉, 이온 건(402)이 소정의 면적 Sg를 가지는 이온 빔 조사 장치를 이용하여 소정의 면적 Ss를 가지는 기판(420)에 이온 빔(430)을 조사할 경우에, 상기 기판(420) 상에 형성되어 있는 배향막(450)이 기본적인 배향 특성을 만족할 수 있도록 하기 위해서는 상기 (6),(7)의 관계식이 만족되도록 이온 빔 조사 장치가 설계되어야 한다.That is, when the
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 이온 빔 조사 장치는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.Although the present invention has been described in detail through specific embodiments, this is for explaining the present invention in detail, and the ion beam irradiating apparatus according to the present invention is not limited thereto, and the technical features of the present invention are well known in the art. It is obvious that modifications and improvements are possible by the knowledgeable.
본 발명은 이온 빔 조사 장치에서 이온 빔에 의해서 배향 처리되는 배향막이 기본적인 배향 특성을 확보할 수 있도록 이온 빔을 배출하는 이온 건 구조에 관한 스펙(spec)을 정의함으로써 안정적인 배향 특성을 가지도록 하여 제품의 신뢰를 향상시키는 효과가 있다. The present invention has a stable orientation characteristics by defining a spec (spec) for the structure of the ion gun that emits the ion beam so that the alignment film oriented by the ion beam in the ion beam irradiation apparatus to ensure the basic orientation characteristics It has the effect of improving the trust of.
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