KR101364835B1 - 고온 증발원 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 대용량 고온 증발원의 대형화로 인한 문제점들을 해소하기 위한 것으로, 본 발명에 따르면, 하나의 챔버 안에 물질 용융부와 증발부를 별개의 도가니와 별개의 히터를 이용하여 구성함으로써, 대용량성에 따른 불편을 해소하였고, 물질 공급부는 별개의 챔버에 구성하였으며, 물질 공급부에 하나 이상의 물질 공급을 가능하게 하여 다성분 박막을 동시에 증착할 수 있게 하였다.

Description

고온 증발원 및 그 제조방법{HIGH TEMPERATURE EVAPORATION SOURCE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 고온 증발원에 관한 것으로, 특히, 대면적 기판에 금속 전극 등을 형성할 경우 사용되는 고온 증발원의 제작에 관한 것이다.

OLED 또는 박막형 태양전지 제작에 사용되는 증발원은 다음과 같은 사항을 만족하여야 바람직하다.

즉, 증발원은 대면적 기판에 적용 가능할 것, 그에 따라 가급 대용량 물질 충진을 통한 연속적인 장기사용성(long term operation)이 있을 것, 증착 특성의 신뢰성이 확보될 것, 증발원의 빠른 응답속도를 통한 실시간 증착율 제어가 가능할 것, 쉬운 유지 보수와 같은 특성을 요구한다.

대면적 기판 적용과 장기사용성을 구현하는 일반적인 종래의 방법으로서 대용량 도가니와 대용량 히터를 장착하여 구현하고 있는데(미국공개공보US2007/0028629A1 등), 이와 같은 방법의 단점으로는, 하드웨어의 대형화, 대용량 히터에 의한 소비 전력 상승, 대용량 물질 사용에 의한 잠열 증가에 의한 예열/냉각(warm up/cool down) 시간 증가, 대용량 물질 사용에 의한 증착율 제어의 느린 응답 속도, 대용량 물질 사용에 의한 물질 잔량에 따른 증착율 변화, 대형 하드웨어로 인한 설치, 유지 보수, 물질 재 충진의 불편함 등을 들 수 있다.

따라서 대면적 기판에 적용되는 장기사용성을 지닌 고온 증발원의 개선이 필요한 상황이다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 단점을 보완한, 대면적 기판에 적용되는 장기사용성을 지닌 고온 증발원을 제공하고자 하는 것이다.

그에 따라 본 발명은, 물질 공급 장치를 응용하여 일정하고 지속적으로 물질을 공급할 수 있는 수단으로 이용하고, 일정 크기의 도가니와 히팅부가 배치된 용융부와 증발부를 설계하여 작은 용량의 물질을 빠른 속도로 고체 상태의 금속을 기체 상태로 전환하여 노즐을 통해 균일한 증착증발원을 제공하였다.

즉, 본 발명은, 증발원에 있어서,

물질을 공급하는 물질 공급부;

상기 물질 공급부로부터 공급받은 물질을 용융시키는 용융부;

상기 용융부에서 용융된 물질을 증발부로 이송하는 물질이동통로; 및

상기 물질이동통로를 통해 유입된 용융된 물질을 증발시켜 증발물을 분사하는 증발부;를 포함하고,

상기 용융부와 증발부는 별개의 도가니로 구성되는 것을 특징으로 하는 증발원을 제공한다.

또한, 본 발명은, 물질의 상태는 물질 공급부, 용융부, 증발부를 거치면서 고체, 액체, 기체상태로 변화되는 것이 특징으로 하는 증발원을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 증발원에 있어서, 상기 용융부와 증발부는 각각 별개의 히터를 사용하는 것을 특징으로 하는 증발원을 제공한다.

또한, 본 발명은, 융부와 증발부의 연결 통로에 있어서 용융부 끝단에 베플을 설치하여 금속 증기의 역류 방지와 용융 금속의 안정적 공급이 가능하게 한 것을 특징으로 하는 증발원을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 증발원에 있어서, 상기 용융부와 증발부는 동일한 하나의 챔버 안에 설치되는 것을 특징으로 하는 증발원을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 증발원에 있어서, 상기 물질 공급부는 하나 이상의 물질을 공급하여, 동시에 다성분 증착을 할 수 있는 것을 특징으로 하는 증발원을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 증발원에 있어서, 상기 물질 공급부는 상기 용융부와 증발부를 포함한 챔버와는 다른 별개의 챔버 안에 설치되어 물질 공급부의 물질 교체시 용융부와 증발부를 포함한 챔버의 진공은 파괴하지 않고 물질 공급부를 포함한 챔버의 진공만을 파괴하는 것을 특징으로 하는 증발원을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 물질을 용융시키는 용융부와 물질을 증발시키는 증발부가 별개의 도가니와 별개의 히터를 사용하고, 물질 이동통로를 통해 연결되므로, 대용량 고온 증발원임에도 불구하고, 대용량 히터를 요하지 않으며, 대용량 물질 공급에 따른 예열이나 냉각에 대한 시간 지체를 방지할 수 있으며, 물질 잔량에 따른 증착율 변화 및 물질 공급에 따른 증발부의 온도 감소영향도 완화되고, 대형 하드웨어로 인한 설치, 유지 보수의 어려움 또한 해소될 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 증발원의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 고온 증발원을 통해 공급되는 물질의 상태를 위치별로 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 1의 고온 증발원을 상향식 또는 측향식으로 응용한 것을 나타낸 단면도이다.
도 4는 고온 증발원의 노즐 구성을 나타낸 단면도이다.
도 5는 고온 증발원의 노즐을 선형으로 만든 선형 증발원 구성을 나타낸 단면도이다.
도 6은 고온 증발원의 메인 챔버에 포함되는 범위를 변화시킨 변형실시예들을 나타내는 단면도이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 고온 증발원은 크게 물질 공급부(100), 용융부(200) 및 증발부(300)로 이루어진다.

먼저, 물질 공급부(100)의 구성을 설명한다.

본 발명의 고온 증발원에서 증발시킬 수 있는 물질은 고체→액체→기체의 순서로 상태 변화하는 모든 물질을 포함한다. 공급되는 물질의 형태는 선, 알갱이, 분말의 형태를 적용할 수 있으며, 도 1에는 선형 물질의 경우를 예시적으로 나타내고 있다. 물질공급 방식은 모터, 엑츄에이터 등에 의해 동력을 제공하는 구동부(106)와 물질 카트리지(104), 가이드 롤러 등으로 구성된 제2 구동부(105)에 의해 일정 경로를 유지하면서 지속적으로 물질을 공급하는 구조를 이룬다. 물질 공급 방식은 경우에 따라 다양한 형태로 변형될 수 있으나, 본 발명에서는 물질 공급 장치를 포함한 챔버(103)와 상기 챔버(103)를 위한 별도의 진공 펌프(101) 및 제1 게이트 벨브(102)를 포함하고, 상기 챔버(103)와 용융부(200) 사이에 제2 게이트 밸브(107)를 구성하여, 물질 공급부(100)의 유지 보수 및 물질 재 충진 시 용융부(200) 및 증발부(300)와 공정 챔버(메인 챔버)는 서로 완벽히 격리차단되어 전체 시스템을 정지시킨다거나 진공 파괴를 하지 않아도 되는 장점을 가진다. 또한, 하나의 성분만을 공급할 수 있는 것이 아니라 여러 가지 성분, 즉, 다성분 물질 공급이 가능하며, 다성분 물질 박막 증착을 실시할 수 있는 것도 큰 장점이다.

용융부(200)는 다음과 같이 구성된다.

용융부(200)는 상기 물질 공급부(100)와는 별개로 진공 펌프(207)와 이에 따른 밸브를 구비한다. 물질 공급부(100)에서 공급된 물질은 물질 인입 유도 가이드(201)에 의해 일정한 경로를 따라 용융부(200)에 공급된다.

용융부(200)는 공급된 고체 물질 및 고체 물질이 액화된 액체를 담는 도가니(202)와 공급된 고체 물질을 액화시키기 위한 모듈화 된 히터(203) 및 온도 조절을 위한 온도 검출부(204)로 구성된다.

용융 도가니(202) 내부는 액체 금속이 일정 수준 이상 액화될 경우 일정량의 액체 금속이 증발부(300)로 이송되게 하는 배플(205) 및 이동통로(206)를 포함한다. 용융 도가니(202) 내부는 용융 액체의 젖음각을 낮게 할 수 있도록 코팅되어 배플(205) 및 이동통로(206)로 연결되는 이동경로에 대해 낮은 표면장력을 갖도록 하였다. 배플(205)은 액체 금속이 증발부(300)로 이동할 때 용융된 금속의 압력 차이에 의해 일정량을 지속적으로 이동할 수 있게 하는 기능과 증발부(300)로부터 발생 된 증기가 용융부(200) 및 물질 공급부(100)로 역류하여 장치 내부에 원치않는 증착이 되어 오동작이 일어나는 것을 사전에 방지한다.

용융 도가니(202)는 내화 금속으로 몰리브덴, 탄탈륨, 텅스텐 등의 녹는점이 높고, 고온에서 변형 및 용융물질과의 반응성이 거의 없는 금속이 적합하다. 그 밖의 비금속류로는 알루미나, 지르코니아 등의 고온 내화물 재료가 적합하고, 질화붕소(BN:PBN) 및 쿼츠(quartz) 등이 도가니재로 사용될 수 있다.

발열 히터(203)는 용융부(200) 내에 적어도 한 개 이상의 히터로 구성되며 용융물질의 녹는점에 따라 적용 가능하며 금속계 히터로는 Ni-Cr 합금, Mo, Ta, W 등의 재료가 적합하며, 비금속 재료로서는 SiC 및 흑연 또는 IR계 램프가 응용 가능하다. 발열 히터(203)의 형태는 제작 방식에 따라 와이어(wire)형 구부러진 선형(meander line), 헤어 핀(hair pin)형의 스트립형, 로드형 저항 가열 방식의 히터뿐만 아니라 인덕션 유도 방식을 이용한 인덕션 히터도 사용할 수 있다. 발열 히터의 제어는 고온형 열전대, RTD( Resistance Temperature Detector), 광학식(optical)방식의 온도 측정기 등을 적용할 수 있다. 히터 외측에는 리플렉터 또는 보온재(미 도시)를 배치함이 바람직하다. 리플렉터 또는 보온재는 고온 내화금속(Mo, Ta, W 등) 또는 탄소(흑연) 섬유로 만드는 것이 바람직하다.

다음은 증발부(300)의 구성에 대하여 설명한다.

증발부(300)는 용융부(200)를 포함한 챔버와 이에 대한 진공 펌프(207) 및 밸브를 공유하며, 용융 도가니(202)에서 공급된 액체 상태의 물질은 이동경로(206)를 통해 증발 도가니(212)에 공급된다.

증발 도가니(212)는 액체 물질을 기화시키기 위한 모듈화 된 히터(208)과 온도 조절을 위한 온도 검출부(211)를 포함하며, 액체 물질과 기체 상태의 물질이 혼합된 상태로 담겨 있게 된다. 증발 도가니(212) 내부는 액체 상태의 물질이 일부 존재하고 이를 기화시켜 증기상태로 변환하는 기능을 수행하며, 통상적으로 증발도가니(212)는 용융 도가니(202)에 비해 높은 온도로 동작한다.

증발 도가니(212) 내부는 기체상태의 물질이 증착되지 않도록 젖음각이 큰 물질로 코팅되어 물질 이동 통로(206, 210) 등의 밀폐 장치 내에서 응축되는 현상을 방지한다.

배플(209)은 증발 도가니(212) 하부에 소량 존재하는 액체 상태의 물질이 급격한 온도 증가 등에 기인하는 스피팅(spitting) 현상에 의해 액체 상태 물질이 노즐부(300)로 유입되는 것을 막아준다.

증발 도가니(212)는 내화 금속으로 몰리브덴, 탄탈륨, 텅스텐 등의 녹는점이 높고, 고온에서 변형 및 용융물질과의 반응성이 거의 없는 금속이 적합하다. 그 밖의 비금속류로는 알루미나, 지르코니아 등의 고온 내화물 재료가 적합하고, 질화붕소(BN:BNP) 및 쿼츠(quartz) 등이 도가니재로 사용될 수 있다.

발열 히터(208)는 증발부(300) 내에 적어도 한 개 이상 설치되며 용융물질의 녹는점에 따라 적용 가능하며, 금속계 히터로는 Ni-Cr 합금, Mo, Ta, W 등의 고온 발열 재료가 적합하며, 비금속 재료로서는 SiC 및 흑연 또는 IR계 램프가 응용 가능하다. 발열 히터(208)의 형태는 제작 방식에 따라 와이어(wire)형 구부러진 선형(meander line), 헤어 핀(hair pin)형의 스트립형, 로드형 저항 가열 방식의 히터뿐만 아니라 인덕션 유도 방식을 이용한 인덕션 히터도 사용할 수 있다. 히터 외측에는 리플렉터 또는 보온재(미 도시)를 배치함이 바람직하다. 리플렉터 또는 보온재는 고온 내화금속(Mo, Ta, W 등) 또는 탄소(흑연) 섬유로 만드는 것이 바람직하다.

온도 검출부(211)에 의한 발열 히터의 제어는 고온형 열전대, RTD( Resistance Temperature Detector), 광학식(optical)방식의 온도 측정기 등을 적용할 수 있다.

다음은 노즐부에 대하여 설명한다.

노즐부는 이동 통로(210)를 통해 이동된 증기 상태의 물질을 분배 및 분사하는 역할을 수행한다.

또한, 노즐부는 기판 형태나 기능에 따라 점 증발형 노즐 또는 선형 증발형 노즐로 구성할 수 있다. 점 증발형 노즐의 경우, 도 4에서와 같이 증발 분포를 조절할 수 있는 형상으로 응용될 수 있고, 선형 증발형 노즐 역시 노즐 분포와 형상을 도 5에서처럼 여러 가지 형상으로 구성할 수 있다. 또한 이들 모두 하향식, 측향식, 상향식 구성을 취할 수 있으며, 노즐부에 별도의 노즐 히터를 구성하여 증발 효율을 강화시킬 수 있다.

한편, 증착 물질의 제어는 박막 두께 측정장치(301)에서 증착율의 정보를 수집한 후, 증발 히터의 온도변화, 용융 히터의 온도 변화, 물질 공급장치의 물질 공급 속도 조절을 통해 증착율을 제어한다. 기존의 직접 공급 방식은 신규 물질 투입시, 급격한 온도 감소에 따라 증발율 저하가 있으나, 본 발명은 용융부(200)로 물질을 공급하고, 이와 별개의 챔버로 구성된 증발부(300)를 구비하여 신규 물질 투입시에도 온도 변화 및 증발율의 변화가 거의 없다.

한편, 본 발명의 공정 챔버는 도 1에서와 같이 노즐부를 커버하는 범위로 제작될 수도 있으나, 증발부와 용융부를 모두 커버하는 식으로 범위 조절이 가능함은 당업자에게 자명하다.

또한, 상기 물질공급부는 하나 이상을 설치하여 물질의 혼합을 시도하거나 동일 물질이라도 공급속도를 늘일 수 있다.

100: 물질 공급부
200: 용융부
300: 증발부
101, 207: 진공 펌프 102: 제1 게이트 벨브
103: 챔버 104: 물질 카트리지
105: 제2 구동부 106: 구동부
107: 제2 게이트 밸브
201: 물질 인입 유도 가이드 202: 도가니
203, 208: 히터 204, 211: 온도 검출부
205, 209: 배플 206, 210: 이동통로
212: 증발 도가니
301: 박막 두께 측정장치 302: 기판
303: 노즐

Claims (8)

1. 증발원에 있어서,
   물질을 공급하는 물질 공급부;
   상기 물질 공급부로부터 공급받은 물질을 용융시키는 용융부;
   상기 용융부에서 용융된 물질을 증발부로 이송하는 물질이동통로; 및
   상기 물질이동통로를 통해 유입된 용융된 물질을 증발시켜 증발물을 분사하는 증발부;를 포함하고,
   상기 물질 공급부는 공정 챔버와 별도인 진공 챔버 안에 포함되고,
   상기 용융부와 증발부는 별개의 도가니로 구성되고, 각각 별개의 히터를 사용하며, 동일한 하나의 챔버 안에 설치되며,
   상기 물질 공급부는 상기 용융부와 증발부를 포함한 챔버와는 다른 별개의 챔버 안에 설치되고, 상기 물질 공급부를 포함하는 챔버와 상기 용융부와 증발부를 포함한 챔버 사이에는 게이트 밸브가 있어 물질 공급부의 물질 교체시 용융부와 증발부를 포함한 챔버의 진공은 파괴하지 않고 물질 공급부를 포함한 챔버의 진공만을 파괴하여 연속공정을 할 수 있게 하고,
   상기 용융부와 증발부의 연결 통로에 있어서 용융부 끝단에 베플을 설치하여 금속 증기의 역류 방지와 용융 금속의 안정적 공급이 가능하게 한 것을 특징으로 하는 증발원.
2. 제1항에 있어서, 물질의 상태는 물질 공급부, 용융부, 증발부를 거치면서 고체, 액체, 기체상태로 변화되는 것을 특징으로 하는 증발원.
   
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5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용융부와 증발부는 공정 챔버와 별도인 동일한 하나의 진공 챔버 안에 설치되며 상기 진공 챔버는 별도의 진공 펌프를 갖는 것을 특징으로 하는 증발원.
6. 제1항에 있어서, 상기 물질 공급부는 하나 이상의 물질을 공급하여, 동시에 다성분 증착을 할 수 있는 것을 특징으로 하는 증발원.
   
   
   
   
   
   
   
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