KR101413610B1 - 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도가니가 외부도가니와 내부도가니로 분리 구성되고 도가니의 외측에 발열체가 복수 개로 분리되어 개별 작동되게 설치되어, 소스의 증발량을 제어할 수 있고 박막의 균일도를 향상시킬 수 있는 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 소스가 내부에 담기고 상부가 개방된 외부도가니; 상기 외부도가니의 내측에 설치되는 것으로, 상부는 개방되고 높이는 상기 외부도가니보다 상대적으로 낮게 구성되며 하부 벽면에 내부를 상기 외부도가니의 내부와 연통시켜 소스가 순환되는 복수 개의 순환공이 형성된 내부도가니; 및 상기 외부도가니의 외측에 설치되는 것으로, 상기 외부도가니를 가열하여 상기 소스를 증발시키는 발열체;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원을 기술적 요지로 한다.

Description

대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원{Effusion cell for large scale uniform thin film deposition}

본 발명은 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도가니가 외부도가니와 내부도가니로 분리 구성되고 도가니의 외측에 발열체가 복수 개로 분리되어 개별 작동되게 설치되어, 소스의 증발량을 제어할 수 있고 박막의 균일도를 향상시킬 수 있는 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원에 관한 것이다.

[문헌 1] 국내 특허등록 제10-0786840호, 2007.12.11.자 등록.

[문헌 2] 국내 특허등록 제10-1153934호, 2012.05.31.자 등록.

일반적으로 CIGS(구리-인듐-갈륨-셀레늄 화합물), CZTS(구리-아연-주석-황 화합물) 등의 화합물 태양전지의 제조를 위한 동시 진공 증착 시스템(co-evaporator system)에서는 박막 형성용 진공 증발원(effusion cell)이 사용된다.

상기 박막 형성용 진공 증발원은 진공 상태에서 박막의 원료가 되는 승화성 물질인 소스를 가열하여 증발 및 방출시켜 대상 기판의 표면에 박막 형태로 형성시키는 장치이다.

이러한 종래의 박막 형성용 진공 증발원은 상기 문헌 1에 기재된 바와 같이 대부분 소스가 내부에 담기는 도가니의 외측에 발열수단이 설치되는 형태로 구성된다.

즉, 상기 도가니는 가열된 소스가 상부를 통해 증발 및 방출되도록 상부가 완전히 개방된 형태이고 상기 발열수단은 하나의 단일 구조로 구성되어 도가니의 외측에 설치된 형태이다.

따라서 종래의 박막 형성용 진공 증발원은 도가니의 상부가 완전히 개방된 형태이므로, 도가니의 상부를 통해 도가니의 내부 열기가 그대로 방출되면서 소스의 증발이 원활하지 않아 박막의 균일도를 떨어뜨리고, 도가니의 상부를 통해 불순물이 유입되어 박막의 품질을 낮추며, 도가니의 상부에 증발된 소스가 응축되어 증발원의 고장을 유발하는 문제점이 있다.

그리고 종래의 박막 형성용 진공 증발원은 발열수단이 하나의 단일 구조로 구성되므로, 도가니의 온도를 미세하고 부분적으로 조절할 수 없어 소소의 증발량을 조절할 수 없는 문제점도 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 도가니 상부로의 열손실을 최소화하고 도가니 내부로의 불순물 유입을 차단하며 도가니 상부에서의 소스 응축을 방지하고 도가니의 온도를 미세하고 부분적으로 조절하는 형태 및 구조를 통하여 소스의 증발량을 제어할 수 있고 박막의 균일도를 향상시킬 수 있는 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원은, 소스가 내부에 담기고 상부가 개방된 외부도가니; 상기 외부도가니의 내측에 설치되는 것으로, 상부는 개방되고 높이는 상기 외부도가니보다 상대적으로 낮게 구성되며 하부 벽면에 내부를 상기 외부도가니의 내부와 연통시켜 소스가 순환되는 복수 개의 순환공이 형성된 내부도가니; 및 상기 외부도가니의 외측에 설치되는 것으로, 상기 외부도가니를 가열하여 상기 소스를 증발시키는 발열체;를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 내부도가니는, 상부에서 하부로 갈수록 직경이 축소되는 형태로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 내부도가니는, 직경이 일정하고 상단부 외측에 상기 외부도가니의 내면에 접촉되지 않는 길이를 가진 열기차단판이 수평 이하의 각도로 둘러 설치됨을 특징으로 한다.

상기 발열체는, 상기 외부도가니의 상부 외측에 설치되는 제1발열체; 및 상기 외부도가니의 하부 외측에 설치되는 제2발열체;로 분리되어 개별 작동되게 구성됨을 특징으로 한다.

상기 발열체는, 상기 외부도가니의 상부 외측에 설치되는 제1발열체; 상기 외부도가니의 하부 외측에 설치되는 제2발열체; 및 상기 외부도가니의 바닥에 설치된 제3발열체;로 분리되어 개별 작동되게 구성됨을 특징으로 한다.

상기한 구성에 의한 본 발명은,

먼저, 소스가 내부에 담기는 도가니가 외부도가니와 내부도가니로 분리되고 내부도가니는 외부도가니의 내부 열기를 가두고 순환시키는 형태로 구성되어, 도가니 상부로의 열손실을 최소화하고 도가니의 상부로 증발되는 소스의 응축을 방지함으로써, 소스의 증발을 원활하게 하고 증발장치의 고장도 방지할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 도가니를 가열하여 소스를 증발시키는 발열체가 설치위치에 따라 복수 개의 분리되면서 각각 개별적으로 작동되도록 구성되어, 도가니의 가열 온도를 부분적으로 미세하게 조절할 수 있으므로, 도가니 전체에 대한 열분배 제어가 가능하고 소스의 증착률 및 박막의 균일도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전체 구성을 도시한 종단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 발열체를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전체 구성을 도시한 종단면도.

본 발명에 따른 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원은, CIGS, CZTS 등의 화합물 태양전지를 제조하기 위한 동시 진공 증착 시스템에 사용되는 것으로, 승화성 물질인 소스를 진공 분위기에서 가열하여 증발 및 방출시켜 대상 기판의 표면에 박막 형태로 증착시키는 장치이다.

특히, 본 발명에 따른 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원은, 소스가 내부에 담기는 도가니가 외부도가니와 내부도가니로 분리 구성되고 도가니를 가열하여 소스를 증발시키는 발열체가 외부도가니의 외측에 개별 작동되게 다단으로 분리 설치된 구조가 큰 특징이다.

즉, 외부도가니의 내측에 그 보다 높이가 낮은 내부도가니를 설치하여 외부도가니의 상부를 통해 손실되는 열기를 가두어 내부로 순환시킨 구조와, 외부도가니의 외측에 개별 작동되는 복수 개의 발열체를 다단으로 설치하여 소스의 가열 온도를 부분적으로 미세하게 조절 가능한 구조를 가진다.

따라서 소스가 가열되어 증발될 때 발생하는 도가니의 내부 열기를 가두어 내부로 순환시켜 열손실을 최소화할 수 있고 증발되는 소스가 도가니의 상부에서 응축되는 폐단을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 도가니의 가열 온도를 부분적으로 미세하게 조절 가능하여 소스의 증발량을 제어할 수 있고 박막의 균일도를 향상시킬 수 있다.

이에 따라 본 발명에 따른 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원은, 대면적 박막 형성시에도 박막의 균일도를 확보할 수 있으므로 대상 기판의 표면에 우수한 품질의 박막을 증착 형성시킬 수 있게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 다양한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전체 구성을 도시한 종단면도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 발열체를 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전체 구성을 도시한 종단면도이다.

본 발명의 바람직한 다양한 실시예에 따른 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원(100)은, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 크게 외부도가니(110), 내부도가니(120), 및 발열체(130)를 포함하여 구성된다.

먼저, 상기 외부도가니(110)는 상부가 개방되고 내부에 소스가 담기는 것으로, 이는 진공 챔버의 내부에서 지지대에 부착된 대상 기판과 일정거리 이격되게 설치되어 상기한 발열체(130)의 작동에 따라 소스를 가열하는 역할을 한다.

여기서 외부도가니(110)는 절연성과 기계적 강도와 내화학성 및 절연성이 우수한 PBN(Pyrolytic Boron Nitride, 열분해 질화 붕소) 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 내부도가니(120)는, 상부가 개방되고 외부도가니(110)의 내측에 설치되는 것으로, 이는 외부도가니(110)의 내측에서 외부도가니(110)의 내부 열기를 내부로 순환시켜 그 상부로 소스를 증발 및 방출되도록 하는 역할을 한다.

이때 내부도가니(120)의 하부 벽면에는 그 내부를 외부도가니(110)의 내부와 연통시키는 복수 개의 순환공(121)이 형성되는데, 상기 순환공(121)은 소스를 외부도가니(110)와 내부도가니(120)의 하부에서 원활하게 순환시켜 균일하게 가열하기 위한 것이다.

그리고 내부도가니(120)는 외부도가니(110)의 높이보다는 낮게 구성되고, 외부도가니(110)와 같이 절연성과 기계적 강도와 내화학성 및 절연성이 우수한 PBN 재질로 구성도는 것이 바람직하다.

여기서 내부도가니(120)는 본 발명의 일실시예에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 상부에서 하부로 갈수록 직경이 축소되는 형태로 구성할 수 있다.

상기한 형태는 직경이 넓은 하부를 통해서 외부도가니(110)의 상부로의 열손실을 줄이면서 직경이 좁은 상부를 통해서 소스를 국부적으로 증발 및 방출되도록 하기 위함이다.

또한, 내부도가니(120)는 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 상하로 직경이 일정하되 상단 외측에 열기차단판(122)이 수평 이하의 각도로 둘러 설치된 형태로 구성할 수 있다. 단, 열기차단판(122)은 외부도가니(110)의 내면과 접촉되지 않는 길이로 구성되는 것이 바람직하다.

상기한 형태는 열기차단판(122)을 통해서 외부도가니(110)의 상부로의 열손실을 최소화하면서 상부를 통해서 소스를 국부적으로 증발 및 방출되도록 하기 위함이다.

마지막으로, 상기 발열체(130)는 외부도가니(110)의 외측에 설치되는 것으로, 이는 외부도가니(110)를 직접적으로 가열하여 소스를 증발 및 방출되도록 하는 역할을 한다.

이때 발열체(130)는 외부도가니(110)의 상부와 하부의 가열온도를 독립적으로 조절하여 소스의 증발량을 용이하게 제어할 수 있도록 외부도가니(110)의 상부 외측에 설치되는 제1발열체(130a)와, 외부도가니(110)의 하부 외측에 설치되는 제2발열체(130b)로 구성된다.

또한, 발열체(130)는 외부도가니(110)의 바닥의 가열 온도도 독립적으로 조절하여 소소의 증발량을 더욱 용이하게 제어할 수 있도록 외부도가니(110)의 바닥에 설치되는 제3발열체(130c)를 더 포함하여 구성되는 것도 가능하다.

여기서 제1발열체(130a)와 제2발열체(130b) 및 제3발열체(130c)는 설치위치에 따라 외부도가니(110)와 대응되는 형태로 감겨 있는 열선(131)과, 상기 열선(131)을 잡아주는 지지링(132)으로 구성된다.

이때 열선(131)은 외부도가니(110)를 효율적으로 가열할 수 있는 재질로 구성되고, 지지링(132)은 외부도가니(110)와 같이 절연성과 기계적 강도와 내화학성 및 절연성이 우수한 PBN 재질로 구성되는 것이 바람직하다.

이상과 같이 본 발명에 따른 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원은, 외부도가니의 상부 열손실을 최소화하면서 소스의 증발량을 용이하게 제어할 수 있으므로 소스의 증발률과 박막의 균일도를 향상시켜 대상 기판의 표면에 우수한 품질의 대면적 박막을 증착 형성시킬 수 있게 된다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예 뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

100: 증발원
110: 외부도가니 120: 내부도가니
121: 순환공 122: 열기차단판
130: 발열체 130a: 제1발열체
130b: 제2발열체 130c: 제3발열체
131: 열선 132: 지지링

Claims (5)

1. 소스가 내부에 담기고 상부가 개방된 외부도가니(110);
   상기 외부도가니(110)의 내측에 설치되는 것으로, 상부는 개방되고 높이는 상기 외부도가니(110)보다 상대적으로 낮게 구성되며 하부 벽면에 내부를 상기 외부도가니(110)의 내부와 연통시켜 소스가 순환되는 복수 개의 순환공(121)이 형성된 내부도가니(120);
   상기 외부도가니(110)의 외측에 설치되는 것으로, 상기 외부도가니(110)를 가열하여 상기 소스를 증발시키는 발열체(130);를 포함하여 구성되되,
   상기 외부도가니(110)와 상기 내부도가니(120)는 PBN 재질로 구성되고,
   상기 발열체(130)는 상기 외부도가니(110)의 상부 외측에 설치되는 제1발열체(130a) 및 상기 외부도가니(110)의 하부 외측에 설치되는 제2발열체(130b)로 분리되어 개별 작동되게 구성되거나, 상기 외부도가니(110)의 상부 외측에 설치되는 제1발열체(130a)와 상기 외부도가니(110)의 하부 외측에 설치되는 제2발열체(130b) 및 상기 외부도가니(110)의 바닥에 설치된 제3발열체(130c);로 분리되어 개별 작동되게 구성되며,
   상기 제1발열체(130a)와 상기 제2발열체(130b) 및 제3발열체(130c)는, 외부도가니(110)와 대응되는 형태로 감겨 있는 열선(131)과, 상기 열선(131)을 잡아주는 지지링(132)으로 구성되며,
   상기 지지링(132)은 PBN 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 내부도가니(120)는,
   상부에서 하부로 갈수록 직경이 축소되는 형태로 구성됨을 특징으로 하는 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 내부도가니(120)는,
   직경이 일정하고 상단부 외측에 상기 외부도가니(110)의 내면에 접촉되지 않는 길이를 가진 열기차단판(122)이 수평 이하의 각도로 둘러 설치됨을 특징으로 하는 대면적 균일 박막 형성용 진공 증발원.
   
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