KR101680258B1 - 전자빔 증발증착 장치용 도가니 - Google Patents

전자빔 증발증착 장치용 도가니 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Al에 대해서도 안정적인 증발효율과 내구성을 나타내는 도가니에 관한 것으로, 전자빔 증발증착 장치의 증발원에 사용되는 도가니로서, 측벽과 바닥으로 구성되고, 안쪽 공간에 증착물질이 위치하는 보관부; 및 측벽과 바닥으로 구성되고, 상기 보관부의 바깥쪽에 결합되며, 상기 보관부의 측벽보다 측벽의 높이가 더 높은 웨팅(Wetting)방지부를 포함한다.
본 발명은, 측벽의 높이가 상대적으로 더 높은 웨팅방지부를 구비함으로써, 안쪽에 위치하는 보관부의 측벽범위에서만 Al 웨팅이 발생하여 도가니의 사용 수명이 늘어나는 효과가 있다.
또한, 웨팅방지를 위한 세라믹 재질과의 접촉을 최소화함으로써, 증착된 Al에 불순물이 포함되어 박막의 물성의 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
최종적으로, 도가니 교체 없이 고품질의 Al 박막을 반복적으로 형성할 수 있는 전자빔 증발증착 장치를 제공한다.

Description

전자빔 증발증착 장치용 도가니{CRUCIBLE FOR E-BEAM EVAPORATOR}
본 발명은 전자빔 증발증착 장치에 사용되는 도가니에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 모든 종류의 물질에 대하여 장치의 사용 내구성을 높일 수 있는 도가니에 관한 것이다.
일반적으로 진공증착에 의한 박막의 제조는 물리증착(PVD; Physical Vapor Deposition)과 화학증착 (CVD; Chemical Vapor Deposition)이 있으며 물리증착은 다시 증발법과 스퍼터링, 이온플레이팅 등으로 구분된다.
이 중 가열을 통해 물질을 증발시켜 박막을 제조하는 방법을 증발법 또는 협의의 진공증착(광의의 진공증착은 PVD와 CVD를 통칭하는 것임)이라 부르며, 증발법에 사용되는 증발원에는 저항가열 증발원과 전자빔 증발원 그리고 유도가열 증발원 등이 이용되고 있다.
전자빔 증발증착 장치는 도가니(Crucible)에 물질을 담고 고전압의 전자빔으로 물질을 가열시켜 증발시키는 전자빔 증발원을 사용한 증발증착 장치이며, 1960년대 이후 다양한 과학 실험에 사용되기 시작하였다. 전자빔은 고순도의 피막제조가 가능하고 증발물의 교체가 쉬우며 고속 증발이 가능함은 물론 다층막의 제조가 용이하고 증발물의 제조비용이 저렴하다는 장점이 있다.
하지만, Al의 경우 융점은 비교적 낮으나 기화되는 온도(Vaporizing Temperature)가 높고 열전도율이 매우 높기 때문에 전자빔으로는 높은 증발율로 증발시키기가 까다로운 물질중의 하나이다. 이러한 Al의 특성을 고려하여, TiB2·BN 재질 또는 W 재질의 도가니를 사용하는 경우가 있으며, 이 경우에 안정적인 증발은 가능하나 증발율을 높이기 위해 전자빔의 전력을 증가시키면 증발원의 온도가 올라가 Al이 도가니에 웨팅(Wetting) 되면서 도가니 표면을 타고 올라가 넘치는 현상이 발생한다. 이러한 웨팅 현상에 의해서 증발효율이 감소할 뿐만 아니라, 도가니를 지속적으로 교체해야 하는 단점이 발생하였다.
웨팅 현상을 방지하기 위하여, 세라믹 재질이나 흑연 또는 비정질탄소 재질의 도가니를 사용하는 시도가 있었다. 하지만, 세라믹 재질의 도가니를 사용한 경우에는 증착된 Al 박막의 비저항이 상대적으로 높아지는 문제가 발생하였고, 흑연이나 비정질 탄소 재질의 도가니를 사용한 경우에는 일정 전력 이상에서 Al과 탄소가 반응하여 도가니가 파손되는 현상이 관찰되었다.
이러한 결과는 실험실 단위에서 전자빔 증발증착 장치로 Al 박막을 증착하는 경우에도 문제가 되지만, 전자빔 증발증착 장치를 산업용으로 사용하는 것에 큰 장애가 되고 있다.
"전자빔 증발원을 이용한 물질의 증발 특성", 한국표면공학회지, Vol. 44, No. 4, 2011.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 Al에 대해서도 안정적인 증발효율과 내구성을 나타내는 도가니 및 이를 구비한 전자빔 증발증착 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 전자빔 증발증착 장치용 도가니는, 전자빔 증발증착 장치의 증발원에 사용되는 도가니로서, 측벽과 바닥으로 구성되고, 안쪽 공간에 증착물질이 위치하는 보관부; 및 측벽과 바닥으로 구성되고, 상기 보관부의 바깥쪽에 결합되며, 상기 보관부의 측벽보다 측벽의 높이가 더 높은 웨팅(Wetting)방지부를 포함한다.
이때, 보관부는 Al에 의하여 웨팅현상이 발생하는 재질이고, 상기 웨팅방지부는 Al에 의하여 웨팅현상이 발생하지 않는 재질인 것이 바람직하다. 한편, Al 이외에도 웨팅현상이 발생하는 물질에 대하여 전자빔 증발증착을 수행하는 경우라면 해당 물질에 대하여 웨팅현상이 발생하는 보관부와 웨팅현상이 발생하지 않는 웨팅방지부를 사용하는 것으로 변형하여 적용할 수 있을 것이다.
구체적으로, Al에 의한 웨팅이 발생하는 물질로는 W, Mo, Ta 및 TiB2·BN 등을 사용할 수 있고, Al에 의한 웨팅이 발생하지 않는 물질로는 Al2O3 (알루미나) 같은 세라믹 재질을 사용할 수 있다.
나아가, 웨팅방지부가, 내측재와 외측재의 2개 부품이 결합되어 구성되며, 내측재는 세라믹 재질이고 외측재는 전도성 금속 재질인 것이 좋다. 이때, 외측재는 구리 재질이고, 외측재와 보관부가 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 보관부와 내측재의 바닥에 형성된 관통공을 관통하여 보관부와 외측재를 결합하는 전도성 재질의 볼트를 더 포함하는 구조인 것이 바람직하고, 볼트의 재질은 Mo와 W 등 높은 녹는점을 가지는 물질이 가능하다.
그리고 보관부의 측벽과 웨팅방지부의 측벽의 높이 차이에 의해서, 노출되는 웨팅방지부의 측벽 내면의 높이가 2mm 이상이면, 측벽을 타고 진행되는 웨팅현상을 방지할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 형태에 의한 전자빔 증발증착 장치는, 가속된 전자를 조사하여 재료를 증발시킨 뒤에 증착하는 전자빔 증발증착 장치에 있어서, 상기 재료를 담는 증발원으로 청구항 1 내지 청구항 9 중 하나의 도가니를 사용한 것을 특징으로 한다.
전자빔 증발증착 장치의 다른 구성은, 본 발명의 특성을 해치지 않는 범위에서 모든 전자빔 증발증착 장치에 대한 모든 기술을 적용할 수 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 측벽의 높이가 상대적으로 더 높은 웨팅방지부를 구비함으로써, 안쪽에 위치하는 보관부의 측벽범위에서만 Al 웨팅이 발생하여 도가니의 사용 수명이 늘어나는 효과가 있다.
또한, 웨팅방지를 위한 세라믹 재질과의 접촉을 최소화함으로써, 증착된 Al에 불순물이 포함되어 박막의 물성의 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
최종적으로, 도가니 교체 없이 고품질의 Al 박막을 반복적으로 형성할 수 있는 전자빔 증발증착 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 증발증착 장치용 도가니의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 전자빔 증발증착 장치용 도가니의 각 구성부품을 모아놓은 사진이다.
도 3은 도 2의 구성부품을 조립한 모습을 촬영한 사진이다.
도 4는 본 실시예에 따른 전자빔 증발증착 장치용 도가니를 사용하여 Al을 증착한 이후에 도가니를 촬영한 사진이다.
도 5는 비교예에 의한 W 도가니를 사용하여 Al을 증착한 이후에 도가니를 촬영한 사진이다.
도 6은 비교에 의한 세라믹 도가니를 사용하여 Al을 증착한 이후에 도가니를 촬영한 사진이다.
도 7과 도 8은 본 실시예에 따른 도가니와 세라믹을 사용한 도가니를 사용하여 전자빔 증발증착된 Al 박막의 성분을 확인한 EDS 분석 결과이다.
도 9는 본 실시예와 비교예의 도가니를 사용한 자빔 증발증착 공정으로 제조된 Al 박막에 대한 반사 특성을 측정한 결과이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔 증발증착 장치용 도가니의 구조를 나타낸 단면도이다.
도가니를 구성하는 각 구성부품은 바닥과 측벽으로 구성된 일반적인 도가니 형태이다. 측벽의 경우는 바닥에 대한 수직선에서 15°각도 기울어져 위쪽으로 갈수록 넓어짐으로써 증발이 원활히 수행되도록 하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예의 전자빔 증발증착 장치용 도가니는, 가장 안쪽에 증발대상 물질이 위치하는 보관부(10)가 위치하고, 보관부(10)를 감싸는 웨팅방지부(20)가 외부에서 결합된다.
이때, 웨팅방지부(20)는 재질이 서로 다른 내측재(22)와 외측재(24)로 구성되며, 보관부(10)와 내측재(22)의 바닥에 형성된 관통공 및 외측재(24)의 바닥에 형성된 요홈에 걸쳐서 볼트(30)가 체결된다.
보관부(10)는 증발대상 물질이 위치하는 부분으로서, 증발대상 물질이 Al인 경우에 웨팅(wetting)현상이 일어나는 재질도 가능하며, 본 실시예에서는 W 재질을 사용하였다. 앞서 살펴본 것과 같이, W를 사용하는 경우에는 Al의 웨팅에 의해서 증착효율이 떨어지기 때문에 연속적인 증착이 어렵고 새로운 도가니로 교체해야하는 문제가 있으나, 본 실시예는 웨팅방지부(20)에 의해서 웨팅현상에 의한 문제를 방지할 수 있으므로 W를 사용하였다.
보관부(10)의 외측에서 결합되는 웨팅방지부(20)는 측벽의 높이가 보관부(10)의 측벽보다 높기 때문에, 웨팅방지부(20) 측벽의 내면이 보관부(10) 측벽의 위쪽에 노출된다. 측벽의 내면이 노출되는 것은 웨팅방지부(20)의 내측재(22)이며, 내측재(22)는 증발대상 물질이 Al인 경우에 웨팅(wetting)현상이 일어나지 않은 세라믹 재질인 Al2O3로 구성하였다.
이러한 구조에 의해서, Al의 웨팅이 일어나지 않는 세라믹 재질의 내측재(22)에 의해서 Al의 웨팅현상이 도가니의 끝까지 진행되지 않도록 억제하면서도, 증착된 Al 박막의 순도를 낮추는 세라믹 재질과의 접촉을 최소화하여 Al 박막의 비저항이 높아지는 문제를 방지한다. 구체적으로 보관부(10) 측벽의 내부 높이는 7mm이고, 보관부(10) 위쪽으로 노출된 내측재(22) 측벽부분의 높이는 3mm이다. 내측재(22) 측벽부분이 노출되는 높이는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 약 2mm 이상이면 Al가 측벽을 타고 웨팅되는 것을 차단하는 효과를 얻을 수 있다.
그리고 웨팅방지부(20)의 외측재(24)는 전도성 금속인 Cu 재질로 구성하고, 전도성 재질의 볼트(30)를 사용하여 보관부(10) 및 내측재(22)와 외측재(24)를 체결함으로써, 보관부(10)와 외측재(24)를 전기적으로 연결할 수 있다. 외측재(24)는 전자빔 증발증착 장치와 전기적으로 연결될 수 있으므로, 최종적으로 Al이 용융된 보관부(10)와 전자빔 증발증착 장치를 전기적으로 연결할 수 있다. 볼트(30)의 재질은 상황에 따라서 적절하게 선택할 수 있으며, 본 실시예에서는 W을 사용하였다.
도 2는 본 실시예에 따른 전자빔 증발증착 장치용 도가니의 각 구성부품을 모아놓은 사진이고, 도 3은 이들을 조립한 모습을 촬영한 사진이다.
도시된 본 실시예의 전자빔 증발증착 장치용 도가니와 비교예의 도가니를 사용하여 Al를 증착하여 비교하였다.
도 4는 본 실시예에 따른 전자빔 증발증착 장치용 도가니를 사용하여 Al을 증착한 이후에 도가니를 촬영한 사진이고, 도 5는 비교예에 의한 W 도가니를 사용하여 Al을 증착한 이후에 도가니를 촬영한 사진이며, 도 6은 비교에 의한 Al 2 O 3 세라믹 도가니를 사용하여 Al을 증착한 이후에 도가니를 촬영한 사진이다.
도 4의 본 실시예의 도가니는 Al 증착공정 이후에 안쪽에 위치하는 W 재질의 보관부까지만 웨팅이 발생하여 세라믹 재질인 내측재의 측면이 노출된 것이 확인된다.
하지만 전체가 W 재질인 비교예의 도가니에 대한 도 5에서는 도가니 측벽의 최 상부까지 Al 웨팅이 발생한 것을 확인할 수 있으며, 이는 Al 증발 효율을 저해하여 이후에 Al을 증발증착하기 위해서는 도가니의 교체가 필요할 것이다. 반면에 도 4에서 확인된 본 실시예의 도가니는 추가적인 사용이 충분히 가능하다.
한편, 세라믹 재질의 내측재와 구리 재질의 외측재로 구성된 비교예의 도가니에 대한 도 6에서는 Al에 의한 웨팅이 거의 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.
도 7과 도 8은 본 실시예에 따른 도가니와 세라믹을 사용한 도가니를 사용하여 전자빔 증발증착된 Al 박막의 성분을 확인한 EDS 분석 결과이다.
도 7과 도 8에서 나타난 Al 박막의 성분을 표 1에 표시하였다.
도가니 C O Al Na Mg Si Ca
실시예 - 12.5 71.3 3.8 1.12 9.0 2.3
세라믹 7.8 21.4 54.2 3.9 1.3 9.5 2.0
도면과 표에 나타난 것과 같이, 비교예에 따른 세라믹 재질의 도가니를 사용한 경우에 산소의 함량이 높고, 본 실시예의 도가니를 사용한 경우에 검출되지 않았던 탄소도 검출되었다. 이러한 결과에서 믹 재질의 도가니를 사용하여 전자빔 증발증착된 Al 박막의 비저항이 상대적으로 낮은 이유를 알 수 있다.
도 9는 본 실시예와 비교예의 도가니를 사용한 자빔 증발증착 공정으로 제조된 Al 박막에 대한 반사 특성을 측정한 결과이다.
비교예의 세라믹 도가니를 사용하여 증착된 Al 박막은 낮은 파장의 광을 흡수하여 상대적으로 약간 붉은 기운을 나타내지만, 본 실시예의 도가니를 사용하여 증착된 Al 박막은 비교예의 W 도가니를 사용한 경우와 거의 차이가 없어서, 세라믹 재질의 내측재에 의한 영향이 거의 없음을 확인할 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 의한 전자빔 증발증착 장치는 상기한 구조의 도가니를 사용하는 것을 특징으로 하며, 이를 제외한 다른 구성은 본 발명의 특성을 해치지 않는 범위에서 모든 전자빔 증발증착 장치에 대한 모든 기술을 적용할 수 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 보관부 20: 웨팅방지부
22: 내측재 24: 외측재
30: 볼트

Claims (11)

  1. 전자빔 증발증착 장치의 증발원에 사용되는 도가니로서,
    측벽과 바닥으로 구성되고, 안쪽 공간에 증착물질이 위치하는 보관부; 및
    측벽과 바닥으로 구성되고, 상기 보관부의 바깥쪽에 결합되며, 상기 보관부의 측벽보다 측벽의 높이가 더 높은 웨팅방지부를 포함하여 구성되고,
    상기 웨팅방지부는 세라믹 재질인 내측재와 전도성 금속 재질인 외측재의 2개 부품이 결합되어 구성되며,
    상기 외측재와 상기 보관부가 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 전자빔 증발증착 장치용 도가니.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보관부는 Al에 의하여 웨팅현상이 발생하는 재질이고, 상기 웨팅방지부는 Al에 의하여 웨팅현상이 발생하지 않는 재질인 것을 특징으로 하는 전자빔 증발증착 장치용 도가니.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 보관부가 W, Mo, Ta 및 TiB2·BN 재질 중에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 전자빔 증발증착 장치용 도가니.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 웨팅방지부는 세라믹 재질인 것을 특징으로 하는 전자빔 증발증착 장치용 도가니.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 보관부와 상기 내측재의 바닥에 형성된 관통공을 관통하여 상기 외측재와 상기 보관부를 결합하는 전도성 재질의 볼트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔 증발증착 장치용 도가니.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 외측재가 Cu 재질인 것을 특징으로 하는 전자빔 증발증착 장치용 도가니.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 볼트가 Mo 또는 W 재질인 것을 특징으로 하는 전자빔 증발증착 장치용 도가니.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 보관부의 측벽과 상기 웨팅방지부의 측벽의 높이 차이에 의해서, 노출되는 상기 웨팅방지부의 측벽 내면의 높이가 2mm 이상인 것을 특징으로 하는 전자빔 증발증착 장치용 도가니.
  11. 가속된 전자를 조사하여 재료를 증발시킨 뒤에 증착하는 전자빔 증발증착 장치에 있어서,
    상기 재료를 담는 증발원으로 청구항 1 내지 청구항 4 및 청구항 7 내지 청구항 10 중 하나의 도가니를 사용한 것을 특징으로 하는 전자빔 증발증착 장치.
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