KR101742772B1 - 이동 기판 상에서 박막들을 경화시키기 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

박막들을 경화시키기 위한 장치가 개시된다. 장치는 컴퓨터 제어 시스템, 운송 시스템, 플래시램프 제어기, 및 플래시램프를 포함한다. 경화 장치는 또한 고 평균 전력, 플래시램프 제어기와 플래시램프 사이에 연결되는 저-인덕턴스 케이블을 포함한다. 저-인덕턴스 케이블은 종래 기술보다 직경이 더 작고 더 플렉서블하며, 모든 와이어가 적어도 하나의 냉각 라인 및 대향 극성의 적어도 하나의 와이어에 인접하도록, 일정한 조밀 육방 구성(hexagonal closed packed configuration)으로 인터리빙되는(interleaved) 다수의 순방향 및 리턴 경로 와이어들 및 적어도 하나의 액체 냉각 라인을 포함한다.

Description

이동 기판 상에서 박막들을 경화시키기 위한 장치 {APPARATUS FOR CURING THIN FILMS ON MOVING SUBSTRATE}
본 출원은 2010년 4월 8일자로 출원된 가출원 번호 제61/321,910호에 대해 35 U.S.C. § 119(e)(1) 하에서 우선권을 청구하며, 그 내용은 본 명세서에 참조로서 통합된다.
본 발명은 일반적으로 경화 시스템들, 그리고 특히, 저온 기판 상에 박막들을 경화시키기 위한 장치에 관한 것이다.
박막들의 열적 프로세싱은 종종 기판들의 특성들에 의하여 제한된다. 기판들의 비용은 최종 제품의 전체 비용의 상당 부분일 수 있기 때문에, 비싸지 않은 기판들이 일반적으로 선호된다. 폴리머 또는 셀룰로즈와 같은 비싸지 않은 기판들은 유리 또는 세라믹과 같은 더 비싼 기판들보다 더 낮은 최대 가공 온도(maximum working temperature)를 갖는 경향이 있다. 따라서, 저온 기판 상에 박막을 열적으로 프로세싱할 때, 전체 기판 스택은 통상적으로 프로세싱 시간을 최소화시키기 위하여 기판의 최대 가공 온도로 가열된다.
몇몇 박막 물질들은 저온 기판들과 호환되지 않는 더 높은 레벨의 열적 프로세싱을 요구한다. 해결책들로는 증가된 프로세싱 시간 또는 증가된 온도의 형태가 있을 수 있다. 전자의 해결책은 쓰루풋을 감소시킴으로써 비용을 증가시키고, 여전히 다수의 타입들의 박막들에 대해 부적합할 수 있다. 후자의 해결책은 일반적으로 더 높은 프로세싱 온도들을 견딜 수 있는 더 비싼 기판의 사용을 요구한다. 따라서, 2개 해결책들 모두 경제적 관점에서 바람직하지 않다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 경화 장치는 컴퓨터 제어 시스템, 운송 시스템, 플래시램프 드라이버, 및 플래시램프를 포함한다. 경화 장치는 또한 플래시램프 드라이브와 플래시램프 사이에 연결되는 저-인덕턴스 케이블을 포함한다. 저-인덕턴스 케이블은 모든 와이어가 적어도 하나의 냉각 라인 및 대향 극성의 적어도 하나의 라인에 인접하도록, 규칙적인 조밀 육방 구성(hexagonal closed packed configuration)으로 인터리빙되는 다수의 순방향 및 리턴 경로 와이어들과 적어도 하나의 액체 냉각 라인을 포함한다.
본 발명의 모든 특징들 및 장점들은 하기의 상세히 기록된 설명에서 명백해질 것이다.
바람직한 사용 모드, 추가적 목적들, 및 그 장점들 뿐 아니라, 발명 그 자체는 첨부 도면들과 함께 판독될 때 예증적 실시예에 대한 하기의 상세한 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 경화 장치의 도면이다.
도 2는 도 1로부터의 경화 장치 내에 플래시램프 제어기의 블록도이다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 도 1로부터의 경화 장치 내에 저-인덕턴스 케이블의 기본 케이블 유닛의 단면도이다.
도 3b-3d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도 3a로부터의 기본 케이블 유닛에 의해 형성되는 저-인덕턴스 케이블들의 단면도들이다.
이제 도면들을, 특히 도 1을 참고하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 경화 장치의 도면이 도시된다. 도시된 바와 같이, 경화 장치(100)는 운송 시스템(110), 플래시램프(150)를 갖는 플래시램프 헤드(120) 및 플래시램프 제어기(130)를 포함한다. 저 인덕턴스 케이블(125)은 플래시램프 제어기(130)와 플래시램프 헤드(120) 사이에 연결된다. 운송 시스템(110)은 박막 스택(140)을 플래시램프 헤드(120)을 지나도록 이동시키는 한편, 플래시램프 제어기(130)는 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하여 플래시램프(150)에 전류의 성형된 펄스들을 제공하여, 성형된 펄스들이 운송 시스템(110) 상의 박막들의 운송 속도에 대해 동기화된다. 박막 스택(140)은 폴리머 또는 종이와 같은 저온 기판 상에 증착되는 박막을 포함한다. 바람직하게, 플래시램프(150)는 크세논, 크립톤 또는 아르곤과 같은 가스들로 충진되는 밀봉된 플래시 램프이다. 플래시램프(150)는 또한 때때로 지향된 플라즈마 아크(DPA: Directed Plasma Arc) 램프로서 지칭되는 수관벽 플래시램프일 수 있다.
컴퓨터 제어 시스템(160)은 플래시램프 제어기(130)의 기능들을 제어하기 위하여 이용된다. 컴퓨터 제어 시스템(160)은 본 기술분야의 당업자들에게 잘 알려진 바와 같이, 프로세싱 유닛, 키보드, 마우스, 터치스크린 등과 같은 입력 디바이스들, 및 모니터와 같은 출력 디바이스들을 포함한다.
이제 도 2를 참조하여, 플래시 램프 제어기(130)의 블록도가 도시된다. 도시된 바와 같이, 플래시램프 제어기(130)는 인코더(210), 임의 파형 발생기(220) 및 플래시램프 드라이버(230)를 포함한다. (도 1로부터) 운송 시스템(110)으로부터 운송 속도와 같은 입력들을 수신한 이후, 인코더(210)는 운송 시스템(110) 상에 위치되는 박막들을 경화시키기 위하여 적절한 시간들에 임의 파형 발생기(220)에 트리거 신호들을 제공한다. 트리거 신호들로, 임의 파형 발생기(220)는 사용자 입력들에 기반하여 타이밍 및 다양한 형태들의 파형들을 생성할 수 있다. 임의 파형 발생기(220)는 (도 1로부터) 플래시램프(150)를 구동시키기 위해 파형 신호들을 증폭시키는 플래시램프 드라이버(230)에 파형 신호들을 전송한다.
이동 박막 스택에서 생성되는 열적 그래디언트에 영향을 미치기 위한 실시간 입력에 응답하여 플래시램프 시스템에 의하여 방출되는 펄스 트레인의 형상을 변화시키기 위하여, 플래시램프(150)로의 전력은 바람직하게는 펄스-폭 변조된다. PWM을 수행하기 위하여, 플래시램프 드라이버들(230)로부터 플래시램프(150)로 전력을 송신하기 위하여 저-인덕턴스(적어도 lOOnH/m 미만 그리고 바람직하게는 50nH/m 미만) 케이블이 필요하다. 부가적으로, 저-인덕턴스 케이블은 그것이 공장 환경으로 통합될 수 있도록, 수냉되지만, 개인이 들어올리기에 충분하도록 가볍고, 1 피트 미만의 최소 곡률 반경을 가져야한다.
이론적으로, 최적화된 규격품(off-the shelf) 동축 케이블의 인덕턴스는 본 출원에 대해 충분히 낮을 수 있지만, 동축 단부 커넥터들이 수밀(water-tight) 어셈블리에서 내측 및 외측 컨덕터들에 납땜되어야 하기 때문에 제조하기에 어렵다. 부가적으로, 규격품 동축 케이블들의 곡률 반경 및 인덕턴스는 선호되는 것보다 더 크다.
꼬임 쌍선 케이블은 본 출원에 대해 미미한(marginal) 인덕턴스를 갖는다. 부가적으로, 꼬임 쌍선 케이블들에서 트위스팅의 성질은 그들이 개별 와이어들에 신뢰성 있는 냉각을 제공하는 것을 어렵게 만든다. 와이어들이 트위스트되기 때문에, 와이어들이 함께 번들링되어 외측 직경을 더 크게 만들고 그에 따라 곡률 반경을 원하는 것보다 더 크게 만드는 경우에 와이어들은 비효율적으로 패킹된다. 교번하는(alternating) 순방향 및 리턴 경로 와이어들로 구성되는 리본 케이블은 본 출원에 대해 너무 높은 인덕턴스를 갖는다.
저-인덕턴스 멀티-스트랜드(LIMS) 케이블로서 지칭될 수 있는 저-인덕턴스 케이블(125)은 다수의 순방향 와이어들, 리턴 와이어들, 및 냉각 라인들을 포함하며, 이들 모두는 서로와 인터리빙되어(interleaved with), 조밀 육방 구조 패턴을 형성한다. LIMS 케이블(125)은 극도로 낮은 인덕턴스(~16 nH/m)를 갖는다. LIMS 케이블(125)은 전체 시스템에 200 nH 미만의 인덕턴스를 부가한다. LIMS 케이블(125)은 10 MW보다 큰 피크 전력 전달 및 10 kW보다 큰 평균 전력 전달로, 20 kA에 달하는 전류를 다룰 수 있다. LIMS 케이블(125)의 직경은 바람직하게는 5.0 cm 미만이고, LIMS 케이블(125)은 작은(0.3 m 미만) 반경만큼 구부러질 수 있다.
주어진 전체 지속기간의 펄스 트레인을 펄스-폭 변조시키기 위하여, 각각의 개별 펄스, 즉 마이크로펄스는 펄스 성형을 제공하기 위해 펄스 트레인보다 훨씬 더 짧을 필요가 있다. 추가로, 펄스들은 PWM 시스템이 시간의 일부 동안 턴 온되지 않음에 따라 펄스 트레인과 동일한 길이의 단일 펄스를 제공하는 소스보다 더욱 강렬할 필요가 있다. 따라서, 경화 장치(110)는 100 kW/cm2를 초과하는 피크 전력으로 10 마이크로초만큼 짧은 펄스 길이들을 제공할 수 있다. 또한, 펄스들에 대한 PWM 주파수는 50 kHz만큼 빠르다.
각각의 펄스 트레인은 성형된 펄스를 형성하는 적어도 2개의 마이크로펄스들을 포함한다. 펄스들을 성형하는 것은 박막 스택(150)의 온도 프로파일이 최적의 경화를 위해 맞춤제작되도록 허용한다. 그것의 가장 단순한 형태로, 균일한 마이크로펄스들을 포함하는 성형된 펄스는 6개의 변수들 또는 제어 파라미터들을 갖는다: 세기(전압), 펄스 길이, 필름 스택 상의 임의의 주어진 영역에서 기판 상에 영향을 준 성형된 펄스들의 평균 수, 펄스 반복 빈도, 성형된 펄스 내의 마이크로펄스들의 수, 및 마이크로펄스들의 듀티 사이클. 마이크로펄스들이 균일하지 않을 때, 각각의 마이크로펄스의 지속기간 및 지연은 또한 명시되어야 한다. 이는 임의 성형된 펄스의 형성을 허용한다. 제어 파라미터들은 최초에 열적 시뮬레이션으로 입력되고, 이들 파라미터들은 후속하여 플래시램프 제어기(130)로의 입력들로서 사용된다.
전체 펄스화된 전력 전달 시스템의 인덕턴스가 약 2 μΗ 미만일 때, 플래시램프(150)로부터의 방축의 오름 시간은 플라즈마가 플래시램프(150)를 통과하는 전류에 의해 저항식으로 가열될 수 있는 레이트에 의해 제한된다. 유사하게, 플래시램프(150)로부터의 방출의 하강 시간은 플래시램프(150)에서 플라즈마의 방사 냉각 레이트에 의해 제한된다. 전체 펄스화된 전력 전달 시스템의 인덕턴스가 약 2 μΗ보다 클 때, 인덕턴스는 방출의 최소 상승 및 하강 레이트를 증가시키기 시작하고, 따라서 방출이 펄스-폭 변조될 수 있는 주파수를 제한한다. 본 발명에서 펄스화된 전력 전달 시스템은 약 1.2 μΗ의 전체 인덕턴스를 갖고, 그것의 약 0.2 mH가 LIMS 케이블(125)로부터 오며, 이는 최대 PWM이 인덕턴스에 의하여 제한되지 않음을 의미한다. 경화 장치(100)에 대한 LIMS 케이블(125)은 바람직하게는 하기의 요건들을 갖는다:
1. 단위 길이당 저 인덕턴스(50 nH/m 미만);
2. 단위 길이당 저 저항(1.0 mΩ/m 미만);
3. 긴 길이(10 미터에 달하는);
4. 중간 전압 레이팅(moderate voltage rating)(약 1,200 V에 달하는);
5. 능동(active) 액체 냉각;
6. 고 전류 용량(약 20 kA에 달하는); 및
7. 처리를 위한 작은 곡률 반경(0.3 m 미만)
이제 도 3a를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LIMS 케이블(125)을 형성하기 위한 기본 케이블 유닛의 단면도가 예증된다. 도시된 바와 같이, 기본 케이블 유닛(300)은 냉각 채널(313), 순방향-경로 케이블(311) 및 리턴-경로 케이블(312)을 포함한다. 바람직하게, 순방향-경로 케이블(311) 및 리턴-경로 케이블(312)은 구리로 이루어진다.
도 3b는 3-쌍 라운드 케이블이 수 개의 기본 케이블 유닛들(300)을 조합함으로써 형성될 수 있음을 도시한다. 도시된 바와 같이, 3-쌍 라운드 케이블(320)은 냉각 채널(323) 주위에 형성되는 순방향-경로 케이블들(321a-321c) 및 리턴-경로 케이블들(322a-322c)을 포함한다. 부가적으로, 순방향 경로 케이블들(321a-321c)은 리턴 경로 케이블들(322a-322c)과 인터리빙되고, 리턴 경로 케이블들(322a-322c)에 커플링된다.
분당 300 미터에 달하는 속도들로 이동 기판들 상의 이동 박막 스택 경화 물질들에서 생성되는 열적 그래디언트에 영향을 주기 위해 실시간으로 입력에 응답하여 플래시램프(150)에 의하여 방출되는 펄스 트레인의 형상을 변화시키기 위하여, 도 3c에 도시된 12-쌍 라운드 LIMS 케이블(330) 및/또는 도 3d에 도시된 8-쌍 플랫 LIMS 케이블(340)과 같은 저-인덕턴스, 수냉된 케이블 어셈블리는 정확한 일시적 제어를 제공하는데 필요하다.
기판이 이동할 때, 플래시램프(150)의 성형된-펄스 주파수는 운송 속도에 대해 동기화되고 주파수는 다음과 같이 주어진다:
Figure 112012081414016-pct00001
여기서,
f = 플래시램프 성형된-펄스 레이트 [Hz]
S = 웹 속도 [m/min]
O = 중첩 인자 (즉, 임의의 주어진 포인트에 기판에 의하여 수신되는 플래시램프 펄스들의 평균 개수)
W = 운송 방향으로의 경화 헤드 폭 [cm]
예를 들어, 운송 속도는 100 m/min이고, 중첩 인자는 4이고, 경화 헤드 폭은 7 cm이고, 스트로브(strobe)의 성형된-펄스 레이트는 95.4 Hz이다.
플래시램프(150)의 플래시 레이트는 기판 운송 속도에 대해 동기화되기 때문에, 속도에 있어서의 작은 변화들은 박막들의 경화를 눈에 띄게 변화시키지 않는다.
플래시램프(150)로의 전력 전달 시스템의 8개 변수들은 연속적으로 그리고 온 더 플라이(on the fly) 방식으로 변화될 수 있다. 이는 경화 파라미터들이 경화 이전에 또는 이후에 센서 데이터에 응답하여 막 또는 기판에서의 변화에 실시간으로 적응하도록 허용한다. 이들 2개 품질들은 최적화되고 일관된 결과들을 갖는 경화된 막을 생성하며, 임의의 펄스 특징들을 변화시키기 위해 시스템이 수 분 동안 전력이 낮춰지도록 요구하는 종래 기술보다 극적으로 더 높은 수율을 갖는다. 추가로, 펄스 특징들은 약 0.1% 해상도 내로 연속적으로 변화될 수 있으며, 이는 경화의 훨씬 타이트한 최적화 제어를 초래한다. 종래 기술은 별개의 변화들을 갖는다.
설명된 바와 같이, 본 발명은 이동 기판 상에 박막들을 경화시키기 위한 경화 장치를 제공한다.
발명이 바람직한 실시예를 참고하여 특정하게 도시되고 설명되었으나, 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 형태 및 세부사항에 대한 다양한 변화들이 이루어질 수 있다는 것이 본 기술분야의 당업자들에 의하여 이해될 것이다.

Claims (8)

  1. 이동 기판 상에 박막을 경화시키기 위한 장치로서,
    기판 상에 장착되는 박막의 층을 이동시키기 위한 운송 시스템;
    플래시램프 ― 상기 플래시램프는 상기 박막이 상기 플래시램프에 대해 이동되는 동안 상기 박막에 전자기 펄스들을 제공함 ― ;
    상기 전자기 펄스들의 펄스 폭들을 변조시키기 위한 플래시램프 제어기; 및
    상기 플래시램프와 상기 플래시램프 제어기 사이에 연결되는 저-인덕턴스 케이블
    을 포함하며, 상기 저-인덕턴스 케이블은,
    냉각 채널(cooling channel);
    상기 냉각 채널에 커플링되는 복수의 리턴-경로 케이블들; 및
    상기 냉각 채널에 커플링되는 복수의 순방향-경로 케이블들 ― 상기 순방향-경로 케이블들은 상기 리턴-경로 케이블들에 인터리빙 방식으로 커플링됨 ―
    을 포함하는,
    이동 기판 상에 박막을 경화시키기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 채널, 상기 리턴-경로 케이블들, 및 상기 순방향-경로 케이블들은 조밀 육방 구성(hexagonal closed packed configuration)으로 인터리빙되는,
    이동 기판 상에 박막을 경화시키기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 리턴-경로 케이블들 중 하나는 상기 순방향-경로 케이블들 중 하나 및 상기 냉각 채널에 인접한,
    이동 기판 상에 박막을 경화시키기 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 순방향-경로 케이블들 중 하나는 상기 리턴-경로 케이블들 중 하나 및 상기 냉각 채널에 인접한,
    이동 기판 상에 박막을 경화시키기 위한 장치.
  5. 저-인덕턴스 케이블로서,
    냉각 채널(cooling channel);
    상기 냉각 채널에 커플링되는 복수의 리턴-경로 케이블들; 및
    상기 냉각 채널에 커플링되는 복수의 순방향-경로 케이블들 ― 상기 순방향-경로 케이블들은 상기 리턴-경로 케이블들에 인터리빙 방식으로 커플링됨 ―
    을 포함하는,
    저-인덕턴스 케이블.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 냉각 채널, 상기 리턴-경로 케이블들 및 상기 순방향-경로 케이블들은 조밀 육방 구성으로 인터리빙되는,
    저-인덕턴스 케이블.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 리턴-경로 케이블들 중 하나는 상기 순방향-경로 케이블들 중 하나 및 상기 냉각 채널에 인접한,
    저-인덕턴스 케이블.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 순방향-경로 케이블들 중 하나는 상기 리턴-경로 케이블들 중 하나 및 상기 냉각 채널에 인접한,
    저-인덕턴스 케이블.
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