KR101361917B1 - 대용량 고온 증발원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대용량 고온 증발원에 관한 것으로, 도가니와 선형 관로 및 노즐을 모두 동일한 재료로 구성하여 열 팽창계수의 차이가 없게 하였고, 이들은 구리 등과 반응하지 않는 텅스텐, 세라믹, 석영, 그라파이트 또는 몰리브덴으로 구성하였다. 도가니와 노즐용 히터는 텅스텐으로 하여 가스 이탈이 적으면서도 고온에서 내구성이 있도록 하였고, 선형 관로에 형성하는 노즐은 일체형이 아니라 조립식으로 하여 증발율을 시험해 보고 다양한 직경을 가진 노즐로 교체할 수 있게 하였다.

Description

대용량 고온 증발원{BULK TYPE HIGH TEMPERATURE SOURCE}

본 발명은 대용량 고온 증발원에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 태양전지, 반도체, 디스플레이 등의 제조공정에서 금속을 증발시키는데 사용되는 고온 증발원으로서, 양산에 적합한 장기 사용성이 있는 대용량 고온 증발원의 구조에 관한 것이다.

태양전지 등의 제조공정에 사용되는 금속용 증발원의 경우, Cu, In, Ga 등의 금속의 용융 증발을 위하여 고온 가열이 가능하여야 하며, 양산용으로는 장기간 공정을 실시할 수 있는 대용량성을 구비할 필요가 있다.

종래, 이러한 대용량 고온 증발원으로는, 미국특허공개공보US2010/0285218A1이 제안되어 있다. 상기 공보에 나와 있는 증발원은 도가니를 여러 개 장착할 수 있고, 일체형 노즐이 길게 구성되고, 그라파이트 등의 저항성 히터로 도가니와 노즐을 가열하며, 탄소 섬유로 리플렉터를 구성하고 있다.

상기 공보에 나와있는 증발원의 도가니는 내측 도가니와 외측 도가니를 포함하는 이중 도가니를 구비하며, 내측 도가니는 PBN 또는 석영으로, 외측 도가니는 되며, 그라파이트 또는 알루미나로 구성되며, 도가니 히터는 막대형 그라파이트를 다수 배열하여 구성한다. 또한, 노즐은 도가니와 달리 몰리브덴(Mo)으로 구성하고, 노즐 히터는 그라파이트 단편을 연결하여 구성한다. 이와 같은 구성은 다음과 같은 문제가 있다.

즉, 도가니 소재와 노즐의 소재가 서로 달라 고온에 도달하면 이들의 열팽창 계수의 차이로 인한 스트레스가 발생할 수 있고, 히터를 구성하는 그라파이트 막대는 파손에 취약하며, 고열에서 가스발생(out gassing)이 심하며, 탄소재(ash)가 발생한다. 또한 그라파이트 히터에는 저전압을 가하여도 고전류가 흘러 바람직하지 못하다.

또한, 노즐은 몰리브덴(Mo)으로 구성하기 때문에 엔드밀에 의한 벌크 가공을 하여야 하여 고비용을 요하며, 동시 증착법의 경우 다수의 노즐 배치에 의해 노즐과 노즐의 이격 거리가 발생하게 된다. 이러한 이격 거리에 의한 불균질 증착을 해소 하기 위해 점 증발원의 경우는 증발원의 각도를 조절하여 불균질 증착을 해소한다. 이러한 문제점은 선형 증발원에서도 동일하게 적용되고, 이와 같은 증착 방향의 조절은 매우 섬세한 작업임으로 작업자에 의해 손쉬운 방법으로 증착 방향 또는 각도를 조정하여야 한다. 기 등록된 증발원의 노즐 구조는 물질 분사 노즐의 방향 및 각도의 조절이 용이하지 않은 단점이 있다. 또한 탄소 섬유에 의한 리플렉터는 금속 리플렉터에 비해 반사율이 낮아 효과가 그다지 우수하지 않다.

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 개선한 금속용 고온 증발원을 대용량으로 만들어 장기간 공정을 실시할 수 있는 대용량 고온 증발원을 제공하고자 하는 것이다.

그에 따라 본 발명은, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 석영 또는 세라믹 중 어느 하나의 재질로 만든 하나 이상의 도가니;

상기 도가니로부터 뻗은 선형 관로;

상기 도가니를 감싸는 텅스텐 막대로 된 도가니용 히터;

상기 선형 관로에 인접하는 텅스텐 막대로 된 노즐용 히터;및

상기 선형 관로에 체결되는 다수의 교체식 노즐;을 포함하고,

상기 선형 관로는 상기 도가니와 동일한 재질로 구성되고, 상기 선형 관로와 상기 도가니는 연결 부재로 체결되어 탈착 가능하게 조립되는 것을 특징으로 하는 금속용 증발원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 도가니와 도가니용 히터는 챔버 외부에 배치되는 하우징에 설치되고, 상기 선형 관로와 노즐은 챔버 안에 배치되며,

상기 하우징은 벽면에 도어를 구비하여 도가니의 설치 및 분리를 하우징 도어를 통해 할 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 금속용 증발원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 도가니 상부에 루프 형 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속용 증발원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 노즐용 히터는 다수의 텅스텐 막대를 선형 관로와 나란하게 배열하면서 선형 관로를 에워싸도록 배치되며, 선형 관로 및 노즐용 히터의 위치 고정을 위한 히터 꽂이를 일정 간격으로 다수 설치한 것을 특징으로 하는 금속용 증발원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 선형 관로는 전체 길이를 구성함에 있어서, 일체형이거나, 다수의 선형 관로들이 직렬 결합 된 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속용 증발원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 일체형 선형 관로는, 선형 관로에 결합 되는 노즐의 분사구 각도를 조절하기 위하여 노즐 분사구의 방향은 고정된 상태에서 선형 관로와 도가니 덮개를 너트로 결합시키며, 결합과정에 있어서, 너트만을 회전시켜 결합시키는 것을 특징으로 하는 금속용 증발원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 다수의 선형 관로들 간의 직렬 결합에 있어서, 선형 관로에 결합되는 노즐의 방향이 일정하게 유지할 수 있도록 선형 관로의 회전각 조절장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 증발원을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 도가니와 노즐 및 선형 관로가 모두 동일 재질로 이루어져 열팽창 계수의 차이에 인한 스트레스가 없으며, 특히, 텅스텐이나 몰리브덴으로 구성되어 Se, Cu 등과 반응하지 않는 장점을 지닌다.

또한, 본 발명의 도가니와 선형 관로는 분해/조립이 자유롭게 되어 있어, 증착 공정 시험 후 일부를 재제작할 수 있으며, 도가니는 하우징 벽면의 도어를 통해 밖으로 꺼낼 수 있어, 물질 교체/충전 및 유지 보수가 용이하고, 선형 관로에 조립되는 노즐의 구경을 다양하게 제작한 후, 시험 증착 후 필요에 따라 노즐 구경이 다른 것을 교체 조립할 수 있어 장비 전체의 실패율이 낮다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 증발원의 사시도 이다.
도 2는 본 발명의 증발원의 절단 사시도 이다.
도 3은 본 발명의 증발원의 내부 구성을 보여주는 측 단면도이다.
도 4는 본 발명의 증발원의 내부 구성을 보여주는 평 단면도이다.
도 5는 본 발명의 증발원을 구성하는 도가니용 히터 일부에 대한 절단 사시도 이다.
도 6은 본 발명의 증발원을 구성하는 노즐용 히터 일부의 분해 사시도 이다.
도 7은 본 발명의 선형 관로와 여기에 조립되는 조립식 노즐의 구성을 나타내는 단면도와 사시도 이다.
도 8은 본 발명의 리플렉터의 사시도 및 절단 사시도 이다.
도 9는 본 발명의 히터를 둘러싸는 리플렉터 구성을 보여주는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 도가니 덮개에 개스킷을 착용시켜 너트로 선형 관로를 밀폐 조립하는 것을 보여주는 분해 사시도 이다.
도 11은 다수의 선형 관로를 직렬 결합하는 방식을 보여주는 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 대용량 고온 증발원의 사시도 이며, 도 2는 그에 대한 절단 사시도 이다. 도가니부(100)와 노즐부(200)로 이루어지는 증발원은 도가니부(100)를 챔버(미 도시) 외부에 배치하고 노즐부(200)만을 챔버 내부에 배치할 수 있는 형상으로 설계되어 있다. 도 3을 보면, 도가니부(100)는 도가니(110)와 도가니용 히터(300, 350)를 포함하며, 도가니(110) 상단에 연결되는 선형 관로(210)는 수평으로 뻗어 그 몸체 외벽에 노즐(220)을 다수 구비한다.

도가니(110)와 선형 관로(210) 및 노즐(220)은 그 재질을 같은 것으로 선택하여 구성하며, 텅스텐이나 몰리브덴, 세라믹, 석영, 그라파이트 등의 내열재로 할 수 있다. 재질을 동질로 구성함으로써 고온에 도달하여도 열 팽창계수의 차이가 없어 스트레스로 인한 변형을 예방할 수 있다. 본 실시예에서는 도가니(110)의 재질이 텅스텐 또는 몰리브덴으로 하여 구리를 증발시킬 경우에도 도가니(110)와 증발물인 구리가 반응할 가능성은 1% 미만으로 오염물이 섞이지 않는다는 장점이 있다.

선형 관로(210)는 일측 단부를 도가니(110)의 상부 도가니 덮개(115)와 연결되게 구성하며, 시험 동작 후, 문제가 있으면 수정할 수 있도록 연결 부재(800)를 이용하여 조립하게 구성한다. 조립 방식에 대하여는 도 10에 상세히 나와 있으며, 연결 부재(800)의 전후단 모두에 개스킷(870)을 배열하여 밀폐성을 확보하며, 조립시, 선형 관로(210)는 결합 된 노즐(220)의 분사각도를 고정하여야 하므로, 일정 방향으로 배치고정한 상태에서 너트(850)를 돌려 조립한다. 이러한 조립 방식으로 인하여 노즐(220)의 분사각도가 조립과정에서 어긋나는 문제를 해소할 수 있다.

선형 관로(210)는 대용량 대면적용으로 구성할 경우, 2 m 정도의 길이로 만들 수 있으며, 이음 새 없는 일체의 파이프로 가공하여 만들 수 있게 하면 제작비를 줄일 수 있다. 이러한 선형 관로(210)를 텅스텐으로 제작할 경우, 고온에서 취약하지 않고 내구성이 있어 유리하다. 선형 관로(210)와 도가니(110) 상단부와의 연결은 도 4의 평 단면도에 잘 나타나있다.

반면, 선형 관로(210)를 여러 개의 단편으로 제작하여 직렬 결합할 수도 있으며, 이러한 경우 선형 관로(210) 간의 결합은 도 11과 같이 나사산을 선형 관로(210) 단부에 형성하여 체결하되, 노즐(220)들의 분사각도가 서로 달라지지 않도록 각도 조절 부재(900)를 사용한다. 즉, 각각의 선형 관로(210)에 결합 되어 있는 노즐들의 분사각도가 전체적으로 동일 방향을 향하도록 배향되어야 하므로 선형 관로(210) 단부의 나사산을 돌려 체결하는 과정에서 일정한 회전수를 마치면 더 이상 회전되지 않도록 하는 소정 폭의 각도 조절 부재(900)를 배열함으로써 선형 관로(210)들 간의 노즐 배향이 모두 동일하게 될 수 있게 구성한 것이다.

상기에서 도가니 덮개(115), 연결부재(800), 개스킷(870), 각도 조절부재(900) 등은 모두 도가니(110)와 선형 관로(210)와 동일 재질로 하여 열 팽창 계수의 차이를 없앤다. 너트(850)의 경우도 동일 재질로 함이 바람직하다.

다음, 히터 구성을 살펴본다.

상기 도가니(110)를 가열하는 도가니용 히터(300, 350)는 도 5에 나타나있다. 도가니(110) 외벽을 양분하여 히터(300)와 리플렉터(600)가 배열되며, 양분된 히터(300)와 리플렉터(600) 중 어느 한쪽은 여닫이식으로 개폐될 수 있어 개방시 도가니(110)가 노출되어 쉽게 꺼낼 수 있어, 물질 충진 내지는 수리 시 편리하다.

도가니(110)의 외벽 가까이에 다수의 텅스텐 막대를 일정 간격으로 수직배열한 도가니용 히터(300) 외에도 도가니 상부에 텅스텐 루프형 히터(350)가 도가니 덮개(115) 위에 설치된다. 루프형 히터(350)는 증발물이 선형 관로(210) 안으로 활발히 진입될 수 있게 가열하여 준다.

선형 관로(210)와 여기에 조립되는 노즐(220)들의 가열은 도 6의 노즐용 히터(400)에 의하게 된다. 노즐용 히터(400)는 텅스텐 막대를 선형 관로(210)와 나란히 배열하여 선형 관로(210)를 포위하게 하며, 위치를 안정적으로 고정할 수 있도록 히터 꽂이(450)에 꽂아 배치한다. 히터 꽂이(450)는 내열성이 있어 열에 의해 형태 변형성이 없는 세라믹 등으로 구성하는 것이 바람직하며, 도 6에 보듯이 중심부에는 선형 관로(210)를 배치하는 관통공(470)을 구비하며, 그 주위로 다수의 막대 히터를 꽂을 수 있게 구성한다. 히터 꽂이(450)는 히터(400)와 선형 관로(210)의 자중에 의한 처짐 현상을 방지하므로 히터(400) 전체 길이를 고려하여 일정 간격을 두고 다수 배치한다. 이러한 구성에 대한 이해를 돕기 위해 도 9에 단면도를 나타내었다.

도 7은 상기 선형 관로(210)에 형성되는 노즐(220)의 구성을 나타낸다.

노즐(220) 상단은 나사산이 형성되어 있어 선형 관로(210)에 조립되게 구성하며, 이러한 조립식 노즐은 선형 관로(210)에 일체형으로 제작되는 경우와 달리, 노즐(220) 직경을 1 mm로부터 5 mm에 이르기까지 다양하게 별도 제작된 노즐(220)을 증착 공정 실시 후, 상황에 맞추어 일부 또는 전부를 적당한 직경의 것으로 교체할 수 있는 장점이 있다. 예를 들면, 길이가 긴 선형 관로(210)의 도가니쪽 단부와 반대 단부에서 증착율이 서로 다를 경우, 도가니 쪽 노즐은 직경이 작은 것으로 끼우고, 반대편 단부로 갈수록 직경이 큰 것을 끼우는 식으로 운용하여 대면적에 균일한 박막을 형성할 수 있게 하는 것이다.

수평 선형 관로(210)에 조립되는 노즐 위치만 조절하여 상향식, 하향식 증발원으로 구성될 수 있으며, 측향식의 경우, 선형 관로(210)를 수직으로 배치한다.

도 8은 히터 주위에 설치되어 히터에서 방출되는 복사열을 반사시켜 가열 효율을 높이기 위한 리플렉터를 보여준다. 본 발명은 도가니용 히터 리플렉터(600)와 노즐용 히터 리플렉터(650)를 Ta 또는 Mo 시이트로 만들어 금속 특유의 높은 반사율을 이용하였다.

도 9는 도가니용 히터 리플렉터(600)가 히터(300, 350) 주위를 여러 겹으로 둘러싸고 있으며 최종적으로는 SUS 하우징 안에 들어있는 것을 보여주며, 노즐용 히터 리플렉터(650) 역시 여러 겹으로 구성됨을 보여준다. 이러한 금속재 리플렉터는 고온에서 가스 방출(out gassing)이 거의 없어 유리하다.

한편, 도가니 하우징은 특별히 도면에 도시하지는 않았으나 도가니를 출입시킬 수 있는 도어를 몸체 벽면에 구비하여, 물질 충진, 수리 등을 위해 필요 시 도가니를 용이하게 꺼낼 수 있게 하였다. 도가니(110)는 하나 이상을 하우징 안에 설치할 수 있으며, 각각에 대하여 히터와 리플렉터 등의 상술한 증발원 구성을 각각에 대하여 동일하게 설치한다. 다수의 도가니에 대하여 선형 관로는 각각 설치할 수도 있고, 다수의 도가니 상단에 각각의 연결통로를 두고 챔버 안으로 신장 되는 선형 관로는 다수의 연결 통로를 하나로 통합한 하나의 관으로 구성할 수 있다.

이와 같이 하여, 장시간 금속물질을 고온 증착 할 수 있는 대용량 고온 증발원을 구성할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 도가니부
200: 노즐부
110: 도가니 115: 도가니 덮개
210: 선형 관로 220: 노즐
300, 350, 400: 히터
600, 650: 리플렉터
700: 전극부
800: 연결 부재 850: 너트 870: 개스킷
900: 각도 조절 부재

Claims (7)

1. 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 석영 또는 세라믹 중 어느 하나의 재질로 만든 하나 이상의 도가니;
   상기 도가니로부터 뻗은 선형 관로;
   상기 도가니를 감싸는 텅스텐 막대로 된 도가니용 히터;
   상기 선형 관로에 인접하는 텅스텐 막대로 된 노즐용 히터;및
   상기 선형 관로에 체결되는 다수의 조립식 노즐;을 포함하고,
   상기 선형 관로는 상기 도가니와 동일한 재질로 구성되고, 상기 선형 관로와 상기 도가니는 연결 부재로 체결되어 탈착 가능하게 조립되며, 상기 조립식 노즐은 증착공정 실시 후 다른 조립식 노즐로 교체조립할 수 있는 것을 특징으로 하는 금속용 증발원.
2. 제1항에 있어서, 상기 도가니와 도가니용 히터는 챔버 외부에 배치되는 하우징에 설치되고, 상기 선형 관로와 노즐은 챔버 안에 배치되며,
   상기 하우징은 벽면에 도어를 구비하여 도가니의 설치 및 분리를 하우징 도어를 통해 할 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 금속용 증발원.
3. 제1항에 있어서, 상기 도가니 상부에 루프 형 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속용 증발원.
4. 제1항에 있어서, 상기 노즐용 히터는 다수의 텅스텐 막대를 선형 관로와 나란하게 배열하면서 선형 관로를 에워싸도록 배치되며, 선형 관로 및 노즐용 히터의 위치 고정을 위한 히터 꽂이를 일정 간격으로 다수 설치한 것을 특징으로 하는 금속용 증발원.
5. 제1항에 있어서, 상기 선형 관로는 전체 길이를 구성함에 있어서, 일체형이거나, 다수의 선형 관로들이 직렬 결합 된 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속용 증발원.
6. 제5항에 있어서, 상기 일체형 선형 관로는, 선형 관로에 결합 되는 노즐의 분사구 각도를 조절하기 위하여 노즐 분사구의 방향은 고정된 상태에서 선형 관로와 도가니 덮개를 너트로 결합시키며, 결합과정에 있어서, 너트만을 회전시켜 결합시키는 것을 특징으로 하는 금속용 증발원.
7. 제5항에 있어서, 다수의 선형 관로들 간의 직렬 결합에 있어서, 선형 관로에 결합되는 노즐의 방향이 일정하게 유지할 수 있도록 선형 관로의 회전각 조절장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 증발원.

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