KR101728805B1 - 진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치 및 방법은 소재가 권취된 권취롤과, 상기 권취롤을 회전시키며 상기 소재를 롤로 공급하는 공급부와, 다수의 상기 롤에 의하여 상기 소재를 상기 권취롤에서 이송시키는 이송부와, 상기 이송부에 의하여 이송된 상기 소재를 진공상태에서 원료를 적층하기 위한 진공장치와, 진공장치 내부에 이송되는 상기 소재의 양을 조절하기 위한 축적장치와, 상기 진공장치에서 상기 원료가 적층된 상기 소재를 권취시키는 마감부를 구비할 수 있다.

Description

진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치 및 방법{The Device and Method for Material Transfer using Vacuum Roll to Roll}
본 발명은 진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공으로 형성된 진공장치에서 다양한 원료를 소재에 적층할 수 있는 진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 기술의 출현 이후, 반도체는 더욱더 작은 크기, 더욱더 빠른 속도, 낮은 전력 소모량, 소자 당 낮은 가격을 목표로 개발되어져 왔으며, 최근에는 여러 가지 기능을 하나의 반도체 소자에서 수행을 할 수 있도록 개발되어지고 있다.
그 결과, 반도체 소자에 사용되는 박막은 원자 단위로 제어되면서, 단차 피복성이 우수한 특성을 가져야 하며, 또한 계면에서 확산과 산화가 일어나지 않게 하기 위해서 증착 온도가 낮아야 한다. 기존의 기술로서는 이러한 요구 조건을 충족시킬 수 없게 되어져 한계에 도달하게 되었다. 그러나 원자층 단위로 박막을 증착하는 기술이 개발되어져, 기존의 반도체 기술의 한계를 극복할 수 있게 되었다. 이러한 새로운 기술을 “원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition)”라 불리게 된다.
원자층 증착 기술은 1980년에 Tuomo Suntola에 의해서 “Atomic Layer Epitaxy(ALE)”이라는 기술로 개발되어졌다. ALE는 매우 정밀하게 조성을 제어하면서, 매우 얇은 막(?? 100 Å)을 증착시킬 수 있다는 장점을 가지고 있었다. 그러나 그 당시에 반도체 산업에서 사용하는 가장 얇은 막은 1000 Å 두께로서, ALE 기술은 반도체 시장을 위한 기술로서 보여지지 않았다.
그러나 30년이 지난 현재의 상황은 변했다. 반도체의 칩사이즈의 감소는 수 나노시대를 열게 되었으며, 반도체에서 사용하는 가장 얇은 막은 원자 단위로 필요하게 되었다. 예를 들어, 게이트 유전막의 경우, 약 10 Å(약 4개의 원자층과 동일한 두께)의 두께가 필요하게 되었다. 그 결과, Suntola의 발명은 반도체의 디자인 룰이 감소함에 따라서 반도체에 적용되기 시작하였으며, 현재 “Atomic Layer Epitaxy(ALE)” 기술은 “원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition)”라는 기술로 이름이 변경되어져, 상용화되기 시작하였다.
그러나, 원자층 증착 기술은 기존의 증착법에 비하여 많은 장점을 지니고 있으나, 원료를 한 가지씩 주기적으로 공급하고 여분을 제거하는 과정을 계속 반복하여야 하기 때문에 증착속도가 느려 양산라인에 광범위하게 적용하기 힘든 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 진공상태에서 롤투롤에 의하여 이송되는 소재에 원자로 형성된 원료를 적층하는 진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 많은 양의 소재를 진공상태에서 원료를 적층하기 위한 진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치 및 방법은 소재가 권취된 권취롤과, 상기 권취롤을 회전시키며 상기 소재를 롤로 공급하는 공급부와, 다수의 상기 롤에 의하여 상기 소재를 상기 권취롤에서 이송시키는 이송부와, 상기 이송부에 의하여 이송된 상기 소재를 진공상태에서 원료를 적층하기 위한 진공장치와, 진공장치 내부에 이송되는 상기 소재의 양을 조절하기 위한 축적장치와, 상기 진공장치에서 상기 원료가 적층된 상기 소재를 권취시키는 마감부를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치 및 방법에 의하면, 진공장치의 내부에 구비된 다수의 챔버에서 다수의 롤로 형성된 이송부를 통해 이송되는 소재의 상부에 원료를 적층할 수 있는 것이다.
그리고, 진공장치 내부에 다수의 축적장치를 구비하여 소재를 엇갈려 수용하므로 많은 양의 소재가 진공장치 내부에서 진공상태로 수용될 수 있는 것이다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치를 나타낸 개념도.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 진공 롤투롤 소재 이송 방법을 나타낸 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치 및 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치를 나타낸 개념도이다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치는 소재가 권취된 권취롤(100)과, 상기 권취롤(100)을 회전시키며 상기 소재를 롤로 공급하는 공급부(200)와, 다수의 상기 롤에 의하여 상기 소재를 상기 권취롤(100)에서 이송시키는 이송부(300)와, 상기 이송부(300)에 의하여 이송된 상기 소재를 진공상태에서 원료를 적층하기 위한 진공장치(400)와, 진공장치(400) 내부에 이송되는 상기 소재의 양을 조절하기 위한 축적장치(410)와, 상기 진공장치(400)에서 상기 원료가 적층된 상기 소재를 권취시키는 마감부(500)를 구비할 수 있다.
상기 권취롤(100)은 상기 공급부(200)에 의하여 회전되며 회로 등을 인쇄할 수 있는 롤투롤 장치(10)에서 이송될 수 있도록 유동성이 확보되어 유연하며 얇은 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 소재는 소정의 길이로 형성될 수 있거나 길게 형성되어 상기 롤투롤 장치(10)에서 끊기지 않고 이동하며 형성될 수 있다. 또한, 상기 소재는 끊기지 않고 감겨있는 롤의 형태로 형성될 수 있으며 공급부(200)에 단부가 공급될 수 있다.
상기 공급부(200)는 상기 소재가 상기 롤투롤 장치(10)에 공급되어 상기 롤투롤 장치(10)에서 이송될 수 있도록 롤로 형성될 수 있다.
상기 이송부(300)는 상기 공급부(200)로 공급되는 상기 소재를 롤에 의하여 이송시킬 수 있다. 상기 이송부(300)는 다수의 롤로 형성될 수 있으며 상기 소재가 상기 공급부(200)에서 공급되어 상기 롤투롤 장치(10)에서 방출될 때까지 형성될 수 있다. 또한, 상기 이송부(300)는 다수의 레일 또는 다수의 롤로 형성되어 상기 소재를 이송시킬 수 있다.
상기 진공장치(400)는 일 측면에서 이송부(300)에 의하여 이송되는 상기 소재가 인입될 수 있으며 내부로 인입된 상기 소재는 상기 진공장치(400) 내부에서 많은 양의 상기 소재가 축적될 수 있도록 축적장치(410)에 의하여 번갈아 가면서 수용될 수 있다.
예를 들어, 상기 진공장치(400) 내부에 상기 축적장치(410)가 없으면 상기 소재가 상기 진공부의 일 단부에서 타 단부로 이송되므로 진공상태에서 나노 및 다양한 원자로 형성된 원료가 적층되는 기간이 짧아질 수 있다. 그러므로, 상기 축적장치(410)에 의하여 상기 진공장치(400) 내부에서 상기 소재가 도 1과 같이 번갈아가면서 구비되므로 상기 축적장치(410)의 수량에 따라 많은 양의 소재가 수용될 수 있다.
상기 축적장치(410)는 상기 소재가 상기 진공장치(400)에 인입될 때와 상기 소재에 원료가 적층된 후 방출될 때 각각 구비되어 상기 소재의 양이 조절되며 상기 원료가 진공상태에서 상기 소재에 적층되는 시간을 제공할 수 있다.
또한, 상기 진공장치(400)는 상기 소재가 내부에서 이송되며 상기 원료가 적층되는 적층부(420)를 더 구비할 수 있다.
상기 적층부(420)는 상기 이송부(300)에 의하여 전면 또는 후면으로 이송되는 상기 소재의 상부에 원료를 적층할 수 있다. 그리고 상기 적층부(420)는 제 1챔버(421), 제 2챔버(422), 제 3챔버(423) 등 다양한 챔버로 형성되어 다양한 원료를 적층할 수 있다.
또한, 상기 적층부(420)는 도 2에 도시된 바와 같이 제 1챔버(421), 제 2챔버(422), 제 3챔버(423)가 서로 엇갈리게 구비될 수 있으며, 각각의 챔버(421, 422, 423)에서 원료가 상기 소재로 적층될 수 있다.
예를 들어, 제 1챔버(421)에 퍼지 가스(Purge Gas)가 구비되고 제 2챔버(422)에 트리메틸 알루미늄(Trimethyl aluminum, TMA)이 구비되고 제 2챔버(423)에 물 또는 황산리튬(H2O)이 구비될 경우 도 2에 도시된 바와 같이 제 1챔버(421)가 다수 구비되고 상기 제 1챔버 사이에 제 2챔버(422)와 제 3챔버(423)가 각각 구비되어 상기 소재의 상부에 원료를 적층하며 제 1챔버(421)에 의하여 불순물을 제거할 수 있다. 이로 인해, 소재 증착면이 접촉되는 것을 최소화할 수 있으며, 이송 방향이 바뀌어도 지속적인 증착이 가능할 수 있다. 또한, 모듈화가 가능하며 상기 진공장치(400)의 확장이 용이할 수 있다.
이 때, 상기 제 2챔버(422)는 on/off를 하며 이송 방향에 따라 소재의 상부에 원료를 원활히 적층할 수 있다.
상기 적층부(420)에서 상기 소재의 상부에 원료를 적층하는 방법에 있어서는 AX와 BY라는 기체 형태의 물질을 원료로 이용하여 AB라는 고체물질로 된 박막을 증착하고 부산물로 기체 형태의 XY를 생성하는 경우를 예로 들어 설명한다. 화학식을 간단히 표시하면 [화학식 1]과 같다.
[화학식 1]
AX(기체)+BY(기체) → AB(고체)+XY(기체)
상기 적층부(420)에서 상기 소재의 상부에 원료를 적층하는 공정은 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이 단계 S1100에서 AX 물질을 공급하면 기판 표면에 흡착되고 남는 여분의 AX가 있다. 그리고 단계 S1200에서 여분의 AX를 제거한다.
단계 S1300에서는 BY 물질을 공급하고 반응하고 남은 여분의 BY와 부산물 XY가 있다. 그리고 단계 S1400에서 여분의 BY와 부산물 XY를 제거하며 단계 S1500에서 AX 물질을 공급하고 반응하고 남은 것들이 주위에 있다.
이상과 같이 AX 공급, 여분 제거, BY 주입, 여분 제거 공정 각각을 상기 챔버에서 각각 일정 주기로 되풀이하여 원료층을 한층씩 쌓아서 원하는 두께와 조성의 박막을 제조하게 된다. 여분의 가스를 제거하는 데는 주로 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 흘려주는 방법이 이용될 수 있다..
상기 적층부(420)에서 위와 같은 공정에 의하여 상기 원료를 적층하므로 증착과정의 원료 공급 단계에서 원료의 공급이 충분하다면 박막의 성장 속도는 원료 공급 주기의 횟수에만 비례하기 때문에 박막의 두께를 수Å(옹스트롬, Angstrom, 1Å=0.1nm) 단위로 정밀하게 제어 할 수 있어 다음과 같은 장점을 지닐 수 있다.
가) 도 5에 도시된 바와 같이 단차피복성(step coverage, 높이 차이가 나는 부분들을 균일하게 증착하는 특성)이 우수하여 복잡한 3차원 구조도 균일하게 증착 가능하다.
도 5는 우수한 단차피복성을 보여주기 위한 예로, 깊이 5μm, 폭 100nm로 깊이 대 폭 비가 50인 좁고 깊은 홈에 20nm 두께의 박막을 증착한 경우이다. 홈의 밑면, 측면과 상부 모두 균일한 두께의 박막이 증착되는 것을 알 수 있다.
나) 박막의 두께와 조성을 정밀하게 조정 가능하다.
다) 불순물이 적고, 핀홀(pinhole, 표면의 미세한 구멍) 등의 결함(defect)이 없는 양질의 박막제조가 가능하다.
라) 대면적을 균일한 속도로 증착할 수 있어 지름 300mm 웨이퍼에 적용 가능하다.
이와 같이 상기 적층부(420)는 제 1챔버(421), 제 2챔버(422), 제 3챔버(423)에서 각각 다른 원료를 공급하며 이송부(300)에 의하여 전진 및 후진을 조절하고 다수의 챔버에서 여분을 제거하는 등의 과정을 반복하며 증착속도를 단축시킬 수 있다.
상기 마감부(500)는 상기 진공장치(400)에서 상기 원료가 적층된 상기 소재가 이송부(300)에 의하여 이송되어 상기 진공장치(400)에서 방출되면 상기 소재를 권취시킬 수 있다.
이하에서 본 발명의 다른 실시 예에 따른 진공 롤투롤 소재 이송 방법을 설명함에 있어 상술한 실시 예에 따른 진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치와 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하며, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 진공 롤투롤 소재 이송 방법을 나타낸 순서도이다.
단계 S2100에서는 공급부(200)에서 소재가 권취된 권취롤(100)을 회전시키며 상기 소재가 상기 롤투롤 장치(10)에 공급되어 상기 롤투롤 장치(10)에서 이송될 수 있도록 롤로 형성될 수 있다.
단계 S2200은 상기 공급부(200)에서 공급된 상기 소재는 다수의 롤로 형성된 이송부(300)에 의하여 이송될 수 있다.
단계 S2300에서는 상기 이송부(300)에 의하여 상기 소재가 상기 진공장치(400) 내부로 이송될 수 있다.
단계 S2400은 단계 S2300에서 이송된 상기 소재가 진공으로 형성된 상기 진공장치(400) 내부에서 많은 양이 수용될 수 있도록 상기 소재를 엇갈리도록 하는 축적장치(410)로 이송될 수 있다.
상기 축적장치(410)는 상기 소재가 상기 진공장치(400)에 인입될 때와 상기 소재에 원료가 적층된 후 방출될 때 각각 구비되어 상기 소재의 양이 조절되며 상기 원료가 진공상태에서 상기 소재에 적층되는 시간을 제공할 수 있다.
단계 S2500은 상기 진공장치(400)로 소재가 인입되는 일 단부와 상기 소재가 방출되는 타 단부에 구비되는 상기 축적장치(410)의 중간에 구비되어 상기 진공장치(400) 내부에서 상기 소재의 상부에 원료를 적층할 수 있는 적층부(420)로 상기 소재가 이송될 수 있다.
상기 적층부(420)는 상기 이송부(300)에 의하여 전면 또는 후면으로 이송되는 상기 소재의 상부에 원료를 적층할 수 있다.
단계 S2500에서는 상기 적층부(420)에 구비된 제 1챔버(421), 제 2챔버(422), 제 3챔버(423) 등 다양한 챔버로 형성되는 챔버에 의하여 상기 소재의 상부에 다양한 원료를 적층할 수 있다.
상기 적층부(420)에서 상기 소재의 상부에 원료는 AX와 BY라는 기체 형태의 물질을 원료로 이용하여 AB라는 고체물질로 된 박막을 증착하고 부산물로 기체 형태의 XY를 생성할 수 있다.
또한, 상기 적층부(420)에서 상기 소재는 이송부(300)에 의하여 전진과 후진을 반복하며 상부에 원료가 적층될 수 있다.
단계 S2700에서는 상기 진공장치(400) 내부에서 진공상태로 상기 소재에 다양한 원료가 적층된 후 상기 진공장치(400) 외부로 방출되면 상기 원료가 적층된 상기 소재를 권취할 수 있는 마감부(500)로 소재가 이송될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치 및 방법에 대해 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니한다. 그리고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10: 롤투롤 장치 100: 권취롤
200: 공급부 300: 이송부
400: 진공장치 410: 축적장치
420: 적층부 421: 제 1챔버
422: 제 2챔버 423: 제 3챔버
500: 마감부

Claims (10)

  1. 유동성을 확보하는 소재가 권취된 권취롤의 중심에 구비되어 상기 권취롤을 회전하며 상기 소재를 공급되는 공급부와,
    상기 공급부에서 공급되는 상기 소재를 다수의 롤이 회전하며 이송시키는 이송부와,
    상기 이송부에 의하여 이송된 상기 소재를 내부에 수용하며 진공상태에서 원료를 적층하기 위한 진공장치와,
    상기 진공장치에서 방출된 상기 원료가 적층된 상기 소재를 권취시키는 마감부를 구비하고,
    상기 진공장치는 내부로 인입된 다수의 상기 소재를 축적하여 진공상태에서 상기 원료가 상기 소재에 적층되는 기간을 늘리도록 상기 진공장치 내부에서 상기 소재가 인입되거나 방출되는 위치에 각각 구비되는 축적장치와,
    상기 축적장치에서 이송되는 상기 소재의 상부에 상기 원료를 적층하는 적층부를 구비하고,
    상기 적층부는 상기 소재에 적층되는 불순물을 제거하는 다수의 제 1챔버와,
    다수의 상기 제 1챔버 사이에 엇갈리게 구비되어 상기 적층부에서 이송되는 상기 소재의 상부에 다양한 상기 원료를 적층하기 위하여 서로 다른 상기 원료가 충진된 적어도 하나 이상의 챔버를 구비하는 것을 특징으로 하는 진공 롤투롤을 활용한 소재 이송 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
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