KR101063192B1 - 하향 증착이 가능한 증착원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공 증착에 사용되는 증착원에 관한 것으로 다양한 물질을 하향 증착 가능케하는 장치에 관한 것이다. 대면적 유리 기판의 온도를 올린 상태에서 증착해야하는 경우, 기판의 온도를 올리면 기판의 처짐 현상 때문에 기존의 상향 증착이 불가능해진다. 따라서 하향 증착이 가능한 증착원이 필요하다.

발명의 구성은 물질을 담는 도가니부, 온도를 올리는 가열부, 외부로 열의 방출을 막는 외피로 구성된다. 도가니부는 물질을 담는 부분, 상향으로 증착되는 것을 방지하는 뚜껑 부분, 그리고 분출 방향을 하향으로 바꾸는 부분으로 구성된다. 상기 분출 방향을 바꾸는 부분은 균일한 증발 분포를 갖게 하는 다양한 구조가 적용된다.

본 발명은 하향 증착이 필수 적인 화합물 반도체 태양전지 제조에서 광 흡수층 형성에 적용될 수 있으며, 하향 증착이 필요한 다양한 분야에 적용가능하다.

하향 증착원, 태양전지, 박막 균일도, 선형 증착원

Description

하향 증착이 가능한 증착원{Evapration apparatus which can evaporate downward direction}

진공 증착기술에 필요한 증착원 기술

본 기술은 하향 진공 증착에 필요한 증착원(Thermal evaporator)에 관한 것으로 그 배경이 되는 기술은 다음과 같다.

[문헌1] Jenny Nelson, Physics of Solar Cell,2003, ISBN 1-86094-340-3, p243-251

화합물 반도체를 이용하는 태양전지의 제조 공정에서,

광 흡수층의 제조공정은 진공 증착 공정이 필요하다. 이때 증착되는 물질은 구리(Copper), 인듐(Indium), 갈륨(Gallium), 셀레늄(Selenium) 등 이며, 광 흡수 효율을 증가시키기 위해서는 유리 기판을 500~600 도로 가열하면서 증착해야 한다. 소면적의 연구용 장비에서는 기판의 가열과정에서 기판의 처짐 현상이 미미하여 기판의 하측에 증착원을 위치시키고 물질을 하측에서 상측으로 증착하여 광 흡수층을 형성 할 수 있다. 그러나 대면적 기판을 이용한 양산에 적용 시에는 기판의 온도를 올리게 되면 기판이 처지는 문제 때문에 상기 상향 증착을 할 수 없게 된다. 따라서 기판의 상측에서 하측으로 증착하는 공정을 통해 상기 광 흡수층을 형성해야한다. 이때 핵심이 되는 기술은 하향식 증착이 가능한 증착원 기술이다.

본 발명을 통해 해결하고자 하는 과제는 물질을 담는 도가니부에 증기(Vapor Flux)의 방향을 반대로 바꾸는 구조를 적용하여 하향 증착할 수 있는 증착원의 제작이 가능하도록 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단은 도가니부에 증기의 방향을 반대로 바꾸는 구조를 적용하여 하향 증착할 수 있는 증착원의 제작을 가능케 한다.

대면적 유리 기판의 온도를 올릴 경우 기판의 처짐 현상으로 인해 상향 증착이 불가능하다. 하향 증착원의 개발을 통해 기판을 올린 상태에서도 증착이 가능하여 화합물 반도체 태양전지의 제조를 가능하게 한다.

본 발명의 구체적인 내용과 실시 예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 하향식 증착이 가능한 도가니의 결합부를 나타내는 개략도며, 도 2는 도 1이 분해 사시도 이다. 상기 하향식 도가니(10)는 크게 3가지 부분으로 구성된다. 증발시키고자 하는 물질을 담는 부분(13)과 증발물질의 반사 공간(14) 그리고 증발물질 분출구(12)로 구성된다. 상기 도가니(10) 부는 상향으로 분출되는 증발 물질을 막아주는 뚜껑(11)과 결합을 통해 상기 반사 공간(14)을 형성한다. 상기와 같은 구성을 통하여 액체 및 고체상의 물질을 하향 증착할 수 있도록 하는 것을 그 기술상의 특징으로 한다.

하측이 막혀 있는 원통형의 일정 깊이의 물질을 담는 공간이 형성되어 있는 원기둥(즉, 도가니 외피를 말한다)에,

상기 공간과 상기 원기둥 외경의 사이에 상기 원기둥을 관통하는 일정 지름의 다수의 분출구(12)와,

상기 공간의 상측에서 하측으로 분출구(12)들의 외접원보다 크고 상기 원기둥의 외경보다 작은 지름으로 일정 깊이의 나사 산이 형성된 반사부,

상기 나사 산에 결합하는 나사 산이 형성되어 있으며, 상기 반사부의 깊이보다 얇은 두께의 원판형태의 뚜껑(11)으로

구성되는 도가니를 도 1에 나타내었다. 즉, 반사부는 상기 도가니 상단을 덮는 뚜껑이, 상기 물질을 담는 부분의 상단과 공간을 두고 고정되어 형성될 수 있고, 다수의 분출구는 도 1의 평면도에서 알 수 있듯이 방사상으로 형성할 수 있다.

도 3에는 상기 도가니와 가열부(19), 가열부 절연체(20), 열 반사판(21) 그리고 상기 구성 요소들을 포함하고 안정적인 구조를 형성하기 위한 하우징(22)과 상측의 상판(23)으로 구성되는 증착원의 개념도를 나타내었다.

각 구성 부의 역할과 관계를 설명하면 다음과 같다.

원통형의 하우징(22)의 내경 측은 홈이 형성된 원판형의 상판(23)의 일측에 결합되며, 상기 원통형 하우징이 결합된 상기 상판(23)의 반대쪽에 상기 증착원을 고정하기 위한 장치를 장착하기 위한 다수의 나사 홈(미도시)이 형성된다. 상기 상판(23)은 용접을 통해 고정되거나, 나사(미도시)를 이용하여 고정하여 사용할 수 있다. 상기 결합 된 하우징의 내측에 접촉 면적을 최소화하는 방법으로 장착되는 여러 겹의 열 반사판이 장착되어 외부로 방출되는 열을 최소화할 수 있게 한다. 상기 가열부(19)는 가열부 절연체(20)에 고정되어 상기 열 반사판(21)의 내측에 접촉면적을 최소화하는 방법으로 고정된다.

상기 하향식 도가니를 이용하여 하향 증착 공정을 수행하는 순서는 다음과 같다. 증발하고자 하는 물질(15)을 상기 물질을 담는 공간에 채우고, 뚜껑(11)을 채결하여 상기 도가니의 외부에 위치하며, 도가니를 감싸는 가열 장치(19)를 이용하여 가열하게 되면 물질이 증발되기 시작한다. 증발된 물질은 기체상태로 가열된 뚜껑(11)의 일면에서 반사되어 압력이 낮은 상기 도가니(10) 외부로 증발 물질 분출구(12)를 통해 분출된다. 상기 분출구(12)는 다수개의 홀로 구성되며, 가열부에 의해 발생한 열이 물질을 담는 부분(13)에 효과적으로 전달되도록 분출구의 간격을 조절하여야 한다. 하향 증착시 분출구(12) 주위에 가이드(17)를 형성하여 하향 증착시 상기 분출구에서 분출되는 증발 물질의 증발 분포가 집중되어 기판 외부로 증착되는 증발물질의 손실을 줄일 수 있도록 구성이 가능하다. 또한 도 1 내지, 도 2에 나타낸 것처럼 상기 도가니(10)을 상기 가열부 내부에 고정하기 위한 고정부(18)를 적용하여 가열장치 내부에 고정될 수 있도록 함과 동시에 상기 고정부(18)는 상기 가열 장치에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 방지하여 상기 증착원 내부의 열이 외부로 방출되는 것을 방지하여 열효율을 향상할 수 있다.

도 4에는 상기 도가니를 구성함에 있어 상기 분출구(12)에 연결되며 상기 분출구의 분출 경로와 일정 각도를 형성하며 원뿔 형태의 홈을 형성하여 상기 증발 물질의 분출 방향을 조절할 수 있도록 하면 상기 도가니의 하측에 위치한 기판의 상측에 균일한 두께 분포를 갖는 박막을 형성할 수 있다. 즉, 상기 도가니의 하측에서 분출구의 방향을 상기 도가니의 중심에서 멀어지는 각도로 일정 각도를 유지하도록 형성된 분출 방향 조절 노즐이 형성된 도가니를 구성하는 것이다.

도 7에는 도1 내지, 도 2에 나타낸 도가니를 일측 방향으로 확장하여 선형증착원을 구성한 일례를 나타내었다. 확장된 도가니(10)는 가로 방향(배치 방향에 따라 세로라 할 수도 있다)으로 길이가 더 긴 직육면체형으로 되고, 중심에 물질을 담는 부분(13)이 형성되며, 상기 공간(13)의 양측에 다수의 분출구(12)를 형성하여 구성한다. 상기 분출구(12)는 상기 도가니(10)의 중심에는 지름이 작은 분출구가 넓은 간격으로 뚫어져 있으며, 양측 방향으로 갈수록 간격이 좁고 지름이 큰 분출구(12)가 형성되도록 하여 상기 선형 증착원에서 분출되는 증발 물질의 분포가 상기 선형증착원의 장축 방향에서 균일하도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 하향 증착 공정이 필요한 CIGS 태양 전지 공정에 적용 가능하며, 마스크 문제로 대형화에 제약을 받고 있는 OLED 제조 공정에 하향식 증착원을 적용하여 OLED 산업에 적용 가능하다.

도 1은 본 발명의 하향식 도가니의 단면을 나타내는 개략도,

도 2는 도 1의 사시도,

도 3은 도가니를 가열하기 위한 가열부와 가열부에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 방지하는 열 반사판을 포함하는 하향식 증착원의 일례를 나타내는 개념도,

도 4는 하향식 도가니에 증발물질 분출 방향을 조절하는 원추형 노즐 구조를 적용한 하향식 도가니의 일례를 나타내는 개념도,

도 5는 도 4의 사시도 및 단면 사시도

도 6은 상기 도가니를 일측 방향으로 확장하여 선형 증착원에 적용가능한 형태의 선형 도가니로 확장한 일례를 나타내는 개념도,

도 7은 선형 도가니의 단면도 및 사시 단면도,

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 도가니

11 : 뚜껑

12 : 분출구

13 : 증발 물질을 담는 부분

14 : 반사부

15 : 증발 물질

16 : 증발 물질 증기

17 : 가이드

18 : 고정부

Claims (5)

1. 하측이 막힌, 증발시킬 물질을 담는 부분;

   상기 물질을 담는 부분의 물질로부터 증발된 증발물이 반사하여 물질 분출구로 유입되게 하는 물질 반사부; 및

   상기 물질을 담는 부분의 외벽과 도가니 외피의 사이에 상기 도가니 상단으로부터 하단까지 관통하는 일정 지름의 다수의 분출구;를 포함하는 도가니와:

   상기 도가니의 외 측에 위치하며 상기 도가니를 가열하기 위한 가열부:

   상기 가열부의 외 측에 위치하며 상기 가열부에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 방지하기 위한 열 반사판:

   상기 열 반사판의 외 측을 둘러싸며, 상부에는 상판 및 하부에는 도가니를 고정할 수 있는 고정부를 갖는 하우징:을 포함하며,

   상기 물질 반사부는 상기 도가니 상단을 덮는 뚜껑이, 상기 물질을 담는 부분의 상단과 공간을 두고 고정되어 형성되며,

   상기 다수의 분출구는 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 하향식 증착원.
2. 제 1항에 있어서, 상기 분출구를 형성함에 있어 분출구 간의 간격을 유지하여 상기 가열부에서 발생한 열이 상기 도가니 내부에 물질이 충진되는 공간에 효과적으로 전달되도록 하는 하향식 도가니를 포함하는 하향식 증착원.
3. 제 1항에 있어서, 상기 도가니의 하측에서 분출구의 방향을 상기 도가니의 중심에서 멀어지는 각도로 일정 각도를 유지하도록 형성된 분출 방향 조절 노즐이 형성된 도가니를 포함하는 것을 특징으로 하는 하향식 증착원.
4. 제 1항에 있어서, 상기 물질을 담는 부분과 도가니는 원통형 또는 직육면체형이고,

   상기 직육면체형은 밑면의 가로가 세로보다 길게 형성되어 선형 도가니를 형성하는 것을 특징으로 하는 하향식 증착원.
5. 제 4항에 있어서, 상기 선형 도가니는, 관통하는 분출구를 구성함에 있어, 상기 선형 도가니의 상기 가로 측의 중심에서 양끝부분으로 갈수록 상기 분출구의 지름을 크게 형성한 선형 도가니를 포함하는 것을 특징으로 하는 하향식 증착원.

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