KR101806414B1 - 막 증착장치 및 이를 이용한 막 증착방법 - Google Patents
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Abstract
에어로졸 증착을 이용해 선택적 증착이 필요한 열전소자를 제조할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 막 증착장치는, 타깃을 지지한 상태로 이동할 수 있는 스테이지 장치가 구비된 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버와 연통 결합되어 진공을 형성하는 진공 펌프, 이종의 분말이 각각 수용되는 에어로졸 발생기들, 캐리어 가스가 저장되는 캐리어 가스 저장용기, 상기 캐리어 가스 저장용기와 상기 에어로졸 발생기들 각각의 내부를 연통시켜 상기 캐리어 가스가 상기 에어로졸 발생기들 각각의 내부로 유입되도록 하는 캐리어 가스 공급관들, 상기 에어로졸 발생기들 각각에서 상기 캐리어 가스와 혼합된 상기 분말로 이루어지는 에어로졸을 상기 프로세스 챔버 내부로 각각 안내하는 에어로졸 이송관들, 및 상기 에어로졸 이송관들 각각의 일단에 구비되어 상기 에어로졸을 상기 타깃에 분사하는 노즐들을 포함한다.
Description
본 발명은 막 증착장치 및 막 증착방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에어로졸 증착(aerosol deposition)을 이용한 막 증착장치 및 이를 이용한 막 증착방법에 관한 것이다.
박막 및 후막의 패터닝에 의한 어레이 형태의 제조는 반도체, 압전막, 열전재료막 등에서 널리 이용되어 왔다. 일반적으로 각 소자의 어레이 형성 방법은 먼저 필름 형태의 막을 형성한 후 리소그라피 및 식각 공정 등을 수행하여 이루어진다. 이러한 방법은 단일 재료의 막 및 배열에는 적합하나, 이종 재료의 배열에는 한계점이 있다.
특히, 열전재료의 경우, 고체 상태인 소재의 양단에 존재하는 온도차에 의해 열 의존성을 갖는 전자(혹은 홀)는 양단에서 농도 차이가 발생하고 이것은 열기전력이라는 전기적인 현상, 즉 열전현상으로 나타난다. 이러한 열전현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전발전과, 반대로 전기 공급에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전냉각/가열로 구분할 수 있다. 열전현상을 보이는 열전재료는 발전과 냉각 과정에서 오염 물질의 배출이 없어 친환경적이고 지속가능한 장점이 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다.
열전재료의 제벡계수는 일반적으로 200 μV/K이며, 원하는 전력을 위해서는 p형과 n형 열전재료를 여러 개 직렬로 접속할 필요가 있다. 이와 같이 집적도가 높은 열전소자 모듈을 효율적으로 제작하기 위하여, 스퍼터링, 이온빔 증착법, 스크린 프린팅 등의 방법들이 제안되어 왔다. 그러나, 종래의 스퍼터링이나 이온빔 증착법에서는 성막 속도가 낮고 생산 효율이 나쁘다.
막 두께가 얇은 경우 발전량이 작고 소형 전자기기의 전원으로는 불충분하다. 충분한 막 두께를 확보하기 위해서는 슬러리를 만들어 스크린 프린팅한 후 탈지, 소결하는 방법이 있지만 p형과 n형 아일랜드상 또는 스트라이프상의 막을 동일 기판에 형성하는 것이 곤란하다. 이 때문에 별도의 패턴 형성 공정을 필요로 하는 문제가 있다. 또한, 탈지가 충분하지 않으면 불순물이 잔류하는 등 성능이 저하되는 문제도 있다.
열전소자 제조 분야에서는 에어로졸 증착장치를 이용하는 것에 대한 시도가 있다. 일반적으로 에어로졸 증착장치는, 전자부품 또는 기계부품에 미세 세라믹 분말을 박막으로 코팅 또는 증착할 수 있는 것이다. 에어로졸 증착은 캐리어 가스(carrier gas)가 미세 세라믹 분말이 담긴 에어로졸 발생기(aerosol chamber)로 유입되어 에어로졸 발생기 내에 부유하는 미세 세라믹 분말들을 싣고 진공 상태의 증착실 내로 운반하여 미세 세라믹 분말들을 노즐을 통해 증착실 내에 있는 기판과 같은 타깃(target)에 분사함으로써 타깃에 세라믹 코팅층을 형성하는 것이다.
에어로졸 증착법은 상온에서 치밀한 세라믹 코팅을 할 수 있고, 이로 인해 플라스틱이나 금속 등의 타깃에서도 연화나 산화를 방지할 수 있다. 아울러 에어로졸 증착법은 원료인 세라믹 분말을 분사하여 코팅하는데, 그 과정에서 세라믹 분말에서 화학적 변화가 거의 일어나지 않기 때문에 원료의 화학적 조성이 그대로 코팅층에 유지된다.
이러한 종래의 에어로졸 증착장치는 노즐을 이용한 연속적인 주사 방식의 증착으로서, 기판과 같은 타깃 위에 전면적으로 세라믹 분말 코팅층을 형성할 뿐 국부적인 영역에의 선택적인 증착이 힘들다. 또한, 노즐의 폭을 줄이는 등의 방법으로 패턴을 가지는 막을 증착하게 될 경우, 증착된 막의 가장자리 부분이 매끄럽지 못한 낮은 해상도의 패턴이 형성되는 단점이 있다. 특히, 이종의 물질을 동일 기판에 각각 따로 존재하도록 증착하는 경우, 예를 들어 p형과 n형 아일랜드상 또는 스트라이프상의 막을 동일 기판에 형성하여야 하는 열전소자 모듈의 경우 에 있어서는 낮은 해상도로 인한 물질간의 섞임 등을 유발할 수 있기 때문에 고집적화된 열전 모듈을 구현하기 힘들다. 다시 말해, 종래의 증착장치로는 이종의 선택적 증착이 필요한 열전소자 분야에 바로 적용하는 것이 쉽지 않은 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 종래의 에어로졸 증착장치는 에어로졸 발생기와 노즐이 단수로 구비되어 타깃 위에 에어로졸 발생기에 투입한 단일 종류의 분말만을 코팅층으로 형성할 수밖에 없는 한계가 있다. 따라서, 두 종류 이상의 열전재료를 포함하는 다종의 열전재료막의 어레이 혹은 다층 열전재료막을 형성하려면 이종의 분말을 투입시키기 위해 앞선 공정 진행 중 유지되었던 진공을 깨야만 하는데, 이 때 유입되는 공기 중에 포함되어 있는 산소와 질소 등이 반응성이 좋은 분말이나 이미 형성된 열전재료의 막과 반응을 하여 원하지 않은 산화물 및 질화물을 형성하게 되고, 이는 고품질 열전재료막의 특성을 저해하는 문제점을 가진다.
따라서, 성막 속도가 높고 생산 효율이 좋은 에어로졸 증착을 이용해 열전소자와 같은 이종의 배열을 가지는 막들을 효과적으로 제조할 수 있도록 하는 장치 및 방법에 대한 필요성이 높다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 에어로졸 증착을 이용해 선택적 증착 및/또는 이종 재료의 막 형성이 필요한 열전소자와 같은 소자를 제조할 수 있는 막 증착장치 및 이를 이용한 막 증착방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 막 증착장치는, 타깃을 지지한 상태로 이동할 수 있는 스테이지 장치가 구비된 프로세스 챔버, 상기 프로세스 챔버와 연통 결합되어 진공을 형성하는 진공 펌프, 이종의 분말이 각각 수용되는 에어로졸 발생기들, 캐리어 가스가 저장되는 캐리어 가스 저장용기, 상기 캐리어 가스 저장용기와 상기 에어로졸 발생기들 각각의 내부를 연통시켜 상기 캐리어 가스가 상기 에어로졸 발생기들 각각의 내부로 유입되도록 하는 캐리어 가스 공급관들, 상기 에어로졸 발생기들 각각에서 상기 캐리어 가스와 혼합된 상기 분말로 이루어지는 에어로졸을 상기 프로세스 챔버 내부로 각각 안내하는 에어로졸 이송관들, 및 상기 에어로졸 이송관들 각각의 일단에 구비되어 상기 에어로졸을 상기 타깃에 분사하는 복수의 노즐들을 포함한다.
본 발명에 따른 막 증착장치는 상기 에어로졸 이송관에 설치되어 에어로졸 배출량을 조절하는 컨트롤 밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 스테이지는 구동원에 의해 3축으로 이동되는 3축 이동 스테이지로 이루어지며, 상기 타깃을 고정하는 고정수단이 제공되는 것일 수 있다. 추가적으로, 상기 스테이지는 증착되어지는 막질의 향상을 위해 온도제어가 가능하게 제공되어지는 것일 수 있다. 이를 위해, 상기 스테이지는 온도제어가 가능한 가열부 및 냉각부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 막 증착장치는 상기 노즐들과 타깃 사이에 배치되는 선택적 증착용 차폐물을 더 포함할 수 있다. 상기 차폐물은 상기 노즐들에서 분사되는 에어로졸이 상기 타깃으로 전달되는 것을 일부 또는 일시적으로 차단하여 원하는 영역에만 증착이 되도록 하거나 및/또는 방향성을 부여하는 것일 수 있다.
상기 차폐물은 상기 노즐들에서 분사된 에어로졸이 상기 타깃 상의 일부 영역에만 도달하여 패턴 모양 막을 형성하도록 하는 개구부가 형성된 마스크일 수 있다. 상기 마스크와 상기 에어로졸 안의 분말이 등전하로 하전되어 서로간의 반발력에 의해 상기 마스크 상에 상기 분말의 퇴적이 방지되는 것일 수 있다. 상기 마스크는 상기 개구부를 한정하는 측벽이 경사지게 형성되어 있는 것일 수 있다. 이 때, 상기 마스크 상면에 상기 개구부 주위로 칸막이가 더 설치되어 있을 수 있다. 상기 마스크는 상기 개구부를 한정하는 측벽에 칸막이가 상측 또는 하측 또는 상측 및 하측으로 돌출되도록 형성되어 있는 것일 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 개구부와 노즐이 일대일 대응한다.
상기 노즐의 구성, 상기 마스크의 구성, 그리고 상기 마스크에 대한 상기 노즐의 상대적인 이동을 통하여 본 발명에서는 이종의 물질을 각각 선택적 영역에 동시 증착할 수도 있고, 다층막 또는 혼합막으로 형성할 수도 있다.
상기 차폐물은 상기 에어로졸에 직진성을 주어 성장되는 막의 균일성을 향상시키는 콜리메이터(collimater)일 수 있다. 상기 콜리메이터는 상기 타깃에 수직하게 접근하는 경로로 이동하는 에어로졸을 통과시키는 다수의 통로를 구비하는 것일 수 있다.
상기 노즐들은 상기 에어로졸이 통과하는 내관의 관벽에 나선상의 홈이 설치되고, 상기 내관을 통과하는 에어로졸 안의 상기 분말은 상기 홈을 따라서 회전하면서 전송되는 것일 수 있다.
상기 노즐의 개구부는 원형 혹은 장방형 슬릿일 수 있다.
본 발명에 따른 막 증착방법은, 이종의 재료 분말을 각각의 에어로졸 발생기들에 장입하고, 타깃을 스테이지에 고정하거나 롤투롤 장치에 감는 재료 준비 단계, 상기 에어로졸 발생기들 각각의 내부에 캐리어 가스를 공급하여 재료 분말과 캐리어 가스를 혼합하여 에어로졸을 발생시키는 가스 공급 단계, 상기 에어로졸 발생기들 각각의 내부에서 발생된 에어로졸을 이송시켜 각각의 노즐들을 이용해 상기 타깃에 분사하는 분말 분사 단계, 및 상기 타깃에 재료의 막을 형성하는 막 형성 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 막 증착방법에 있어서, 상기 분말 분사 단계시 이종의 재료 분말을 동시 또는 순차적으로 분사할 수 있다. 이 때, 상기 막 형성 단계시에는 상기 타깃 또는 노즐을 이동시킬 수 있다.
본 발명에 따른 막 증착방법에 있어서, 상기 막 형성 단계시 상기 이종의 막을 상기 타깃 상에 나란히 배열하여 다종막을 형성하거나 적층하여 다층막을 형성하거나 혼합막을 형성할 수 있다.
특히, 상기 분말 분사 단계시 상기 에어로졸이 상기 노즐들에서 분사된 후 선택적 증착용 차폐물을 지나 상기 타깃에 도달하도록 할 수 있다. 상기 차폐물은 상기 노즐들에서 분사되는 에어로졸이 상기 타깃으로 전달되는 것을 일부 또는 일시적으로 차단하여 원하는 영역에만 증착이 되도록 하거나 및/또는 방향성을 부여하는 것일 수 있다.
상기 차폐물은 상기 노즐들에서 분사된 에어로졸이 상기 타깃 상의 일부 영역에만 도달하여 패턴 모양 막을 형성하도록 하는 개구부가 형성된 마스크일 수 있다. 이 경우, 상기 개구부와 노즐이 일대일 대응할 수 있다.
상기 차폐물은 상기 에어로졸에 직진성을 주어 성장되는 막의 균일성을 향상시키는 콜리메이터일 수 있다.
본 발명에 따른 막 증착장치는 이종의 분말이 각각 수용되는 에어로졸 발생기들을 각각의 노즐로 연결시켜 막을 형성하도록 한다. 프로세스 챔버 내의 진공을 연속적으로 유지한 상태에서 필요한 에어로졸 발생기에 있는 이종의 에어로졸을 선택하여 타깃에 이종의 재료를 다층 또는 혼합층 또는 교번적인 패턴 모양의 다종으로 구성된 복수의 막으로 형성할 수 있어 결과물의 품질을 증대시키고 생산성을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명에 따른 막 증착장치는 증착과 동시에 직접 패터닝이 가능하며, 더욱 효과적으로 구현될 수 있으므로, 반도체, 압전막, 열전재료막 등에서 각 소자의 어레이 형성에 직접 구조화(direct structuring) 장치 및 방법으로 이용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 막 증착장치가 선택적 증착용 차폐물을 포함하는 경우에는 선택적 증착이 필요한 열전소자의 제조를 더욱 용이하게 한다. p형과 n형 아일랜드상 또는 스트라이프상의 막을 동일 기판에 형성하는 것이 수월해지며, 이에 따라, 포토리소그라피 및 식각과 같은 별도의 패턴 형성 공정이 필요없다. 따라서, 성막 속도가 높고 생산 효율이 좋은 에어로졸 증착을 열전소자 제조에 이용할 수 있게 되고 고집적 열전소자 모듈 제조도 가능해진다.
본 발명에 따른 막 증착방법에 따르면 열전재료의 막 두께를 두껍게 형성하는 것이 가능해 발전량이 크고 소형 전자기기의 전원으로도 충분하다. 또한, 1개의 에어로졸 발생기를 이용하여 증착하는 공정에 비하여, 공정의 수율 및 일정한 시간 내에 처리할 수 있는 작업량(throughput)을 증가시킬 수 있고, 점차 높아지는 제품의 성능에 부합되는 결과물을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 막 증착장치의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 막 증착장치에 포함되는 스테이지의 일 실시예이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 막 증착장치에 제공되는 차폐물로 가능한 마스크의 단면도들이다.
도 9 및 도 10은 실시예에 따른 마스크의 평면도들이다.
도 11은 본 발명에 따른 막 증착장치에 제공되는 차폐물로 가능한 콜리메이터의 단면도이고, 도 12는 평면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 막 증착장치에 포함되는 노즐의 일 실시예의 단면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 다른 막 증착장치의 개략적인 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용한 막 증착방법의 순서도이다.
도 16과 도 17은 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 패턴을 형성하는 경우의 모식도들이다.
도 18은 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 도 16 또는 도 17의 방법으로 스트라이프상의 교차적인 배열을 타깃 위에 증착한 결과물의 모식도 이다.
도 19a 내지 도 19c는 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 다른 이종의 아일랜드상의 교차적인 배열 혹은 스트라이프상 패턴을 형성하는 경우의 모식도들이다.
도 20은 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 도 19a 내지 도 19c의 방법으로 다른 아일랜드상의 교차적인 배열을 타깃 위에 증착한 결과물의 모식도이다.
도 21과 도 22는 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 다층막을 형성하는 경우의 모식도들이다.
도 23과 도 24는 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 혼합막을 형성하는 경우의 모식도들이다.
도 2는 본 발명에 따른 막 증착장치에 포함되는 스테이지의 일 실시예이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 막 증착장치에 제공되는 차폐물로 가능한 마스크의 단면도들이다.
도 9 및 도 10은 실시예에 따른 마스크의 평면도들이다.
도 11은 본 발명에 따른 막 증착장치에 제공되는 차폐물로 가능한 콜리메이터의 단면도이고, 도 12는 평면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 막 증착장치에 포함되는 노즐의 일 실시예의 단면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 다른 막 증착장치의 개략적인 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용한 막 증착방법의 순서도이다.
도 16과 도 17은 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 패턴을 형성하는 경우의 모식도들이다.
도 18은 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 도 16 또는 도 17의 방법으로 스트라이프상의 교차적인 배열을 타깃 위에 증착한 결과물의 모식도 이다.
도 19a 내지 도 19c는 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 다른 이종의 아일랜드상의 교차적인 배열 혹은 스트라이프상 패턴을 형성하는 경우의 모식도들이다.
도 20은 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 도 19a 내지 도 19c의 방법으로 다른 아일랜드상의 교차적인 배열을 타깃 위에 증착한 결과물의 모식도이다.
도 21과 도 22는 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 다층막을 형성하는 경우의 모식도들이다.
도 23과 도 24는 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 혼합막을 형성하는 경우의 모식도들이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 막 증착장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 막 증착장치(100)는 캐리어 가스 저장용기(10), 에어로졸 발생기들(30a, 30b), 프로세스 챔버(40), 노즐들(50a, 50b) 및 스테이지(70) 등을 포함하여 구성된다.
구체적으로, 막 증착장치(100)는, 타깃(60)을 지지한 상태로 이동할 수 있는 스테이지(70)가 구비된 프로세스 챔버(40)와, 상기 프로세스 챔버(40)와 연통 결합되어 프로세스 챔버(40) 내부에 진공을 형성하는 진공 펌프(80)와, 이종의 분말이 각각 수용되는 에어로졸 발생기들(30a, 30b)과, 캐리어 가스가 저장 및 분사되는 캐리어 가스 저장용기(10)를 포함한다. 그리고, 상기 캐리어 가스 저장용기(10)와 에어로졸 발생기들(30a, 30b) 각각의 내부를 연통시켜 상기 캐리어 가스가 에어로졸 발생기들(30a, 30b) 각각의 내부로 유입되도록 안내하는 캐리어 가스 공급관들(20a, 20b)과, 상기 에어로졸 발생기들(30a, 30b) 각각의 내부에서 상기 캐리어 가스와 혼합된 분말로 이루어지는 에어로졸을 프로세스 챔버(40) 내부로 안내하는 에어로졸 이송관들(25a, 25b)과, 상기 에어로졸 이송관들(25a, 25b) 각각의 일단에 구비되어 에어로졸 이송관들(25a, 25b)을 경유한 에어로졸을 타깃(60)에 분사되도록 하는 복수의 노즐들(50a, 50b)을 포함하여 구성된다. 도면에서 스테이지(70) 상면에 타깃(60)이 고정되는 것을 예로 들었으나, 프로세스 챔버(40) 구성에 따라서는 이것과 반전된 형태, 즉 스테이지(70) 하면에 타깃(60)이 고정되도록 구성할 수도 있다.
캐리어 가스 저장용기(10)는 가스를 내장하는 가스 봄베와 같은 수단일 수 있다. 캐리어 가스 저장용기(10)는 캐리어 가스 공급관들(20a, 20b)을 통해 에어로졸 발생기들(30a, 30b) 각각에 연결되어 있다. 캐리어 가스 저장용기(10) 내부에는 캐리어 가스가 저장된다. 캐리어 가스는 공기, 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar) 등이 사용될 수 있다. 캐리어 가스 공급관들(20a, 20b)에는 유량조절밸브(MFC)가 각각 구비될 수 있다.
에어로졸 발생기들(30a, 30b)에 각각 수용되는 분말은 타깃(60)의 종류에 따라 다른 것으로 이루어질 수 있다. 에어로졸 발생기들(30a, 30b) 각각은 캐리어 가스 공급관들(20a, 20b)을 통해 캐리어 가스를 공급받아, 내부에 담겨진 분말을 비산시킴과 동시에 에어로졸 이송관들(25a, 25b)로 분말 및 캐리어 가스로 구성되는 에어로졸을 안내하는 역할을 수행한다. 에어로졸 발생기들(30a, 30b) 각각은 진동 인가에 의해 분말의 부유를 최대화할 수 있다. 에어로졸 발생기들(30a, 30b) 각각의 형상 및 구조는 장비의 구조에 따라 다양하게 변경 적용이 가능하다.
에어로졸 발생기들(30a, 30b) 안에 저장되는 분말의 종류를 에어로졸 발생기들(30a, 30b)마다 다르게 구성하여 이종 분말을 수용하도록 한다. 예를 들어 하나의 에어로졸 발생기 안에는 p형 열전재료 분말을, 다른 에어로졸 발생기 안에는 n형 열전재료 분말을 수용한다. 종류가 다른 열전재료를 이용해 다층막 또는 교번적인 패턴과 같은 다종막을 구성하는 경우, 또는 2 종류 이상의 열전재료를 혼합하여 막을 형성하는 경우에 이러한 장치 구성이 매우 유용하다.
본 발명의 실시예에서는 편의상 에어로졸 발생기들(30a, 30b)이 2개로 이루어진 예를 도시하여 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 그 수를 얼마든지 늘릴 수 있다. 에어로졸 발생기들(30a, 30b)은 내부에 진공압을 유지할 수 있도록 폐쇄된 공간으로 이루어지는 것이 바람직하다. 에어로졸 발생기들(30a, 30b)의 진공도는 프로세스 챔버(40)의 진동도보다 낮은 상태로 제공되는 것이 바람직하다. 이들 에어로졸 발생기들(30a, 30b)은 각각의 분말을 투입한 후 일정한 진공도를 유지시킬 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예의 다른 예시로 에어로졸 발생기들(30a, 30b)에 별도의 진공장치를 연결하여 진공도를 유지할 수도 있다.
캐리어 가스 저장용기(10)에서 캐리어 가스 공급관들(20a, 20b)을 통해 에어로졸 발생기들(30a, 30b) 내부로 유입된 캐리어 가스는 비산되는 열전재료 분말을 유체 흐름에 실어 에어로졸로 만들고 에어로졸은 유일한 배출구인 에어로졸 이송관들(25a, 25b)을 통해 각각의 노즐들(50a, 50b)로 안내된다. 캐리어 가스 저장용기(10)로부터 에어로졸 발생기들(30a, 30b) 내부로 유입 가능한 캐리어 가스의 유입유량은 1 L/min 이상의 범위 내에서 조절 가능하나, 유입유량은 노즐들(50a, 50b)의 크기에 따라 변경 가능하다.
프로세스 챔버(40)는 폐공간을 형성하고 진공 펌프(80)와 내부가 연통되어 진공 펌프(80)가 작동시 진공 상태가 되며, 성막 분위기에 적합한 진공 상태, 예컨대 저진공 또는 중진공 상태를 구현하도록 한다. 예를 들어, 프로세스 챔버(40)의 진공도는 100 kPa ~ 3 kPa 정도의 저진공, 또는 3 kPa ~ 100 mPa 정도의 중진공이 되도록 한다. 진공 펌프(80)는 진공을 발생시키는 로터리 펌프와 진공배력장치를 포함할 수 있다.
프로세스 챔버(40) 내에는 개구를 가진 노즐들(50a, 50b)이 설치되어 있다. 노즐들(50a, 50b)은 에어로졸 이송관들(25a, 25b)과 연통 결합된다. 에어로졸 이송관들(25a, 25b)은 에어로졸 발생기들(30a, 30b) 내부의 분말을 포함하는 에어로졸이 노즐들(50a, 50b)로 안내되도록 하는 것으로, 에어로졸 이송관들(25a, 25b)의 양단부는 에어로졸 발생기들(30a, 30b)과 노즐들(50a, 50b)에 각각 연결된다. 에어로졸 이송관들(25a, 25b)에는 에어로졸의 배출량을 조절할 수 있도록 배출량 컨트롤 밸브가 제공될 수 있다. 배출량 컨트롤 밸브는 유량을 조절하는 유량조절밸브(MFC)가 사용될 수 있다. 이러한 배출량 컨트롤 밸브는 작업자의 세팅에 의해 정해진 유량을 통과시키는 역할을 할 수 있다. 노즐들(50a, 50b)은 스테이지(70)에서 상측으로 이격된 곳에 구비된다. 노즐들(50a, 50b)은 이와 같이 프로세스 챔버(40) 내부에서 일정 위치에 놓은 상태로 고정되어 에어로졸의 분사 방향을 안내하고 가속시키는 역할을 수행한다. 노즐들(50a, 50b)의 개구 폭은 예를 들어 0.1 ~ 5 mm가 되도록 하고 노즐들(50a, 50b)의 개구 길이는 5 ~ 300 mm가 되도록 할 수 있다. 필요에 따라 개구의 길이는 더 길어질 수 있다. 노즐들(50a, 50b)의 개구는 폭과 길이가 상대적으로 작은 점 형태(이 때 점은 원형 또는 장방형일 수 있음), 또는 폭에 비해 길이가 긴 선 형태(예를 들어 슬릿), 또는 폭과 길이가 상대적으로 긴 면 형태를 가질 수 있다. 일 예로 노즐들(50a, 50b)의 개구는 2 ㎜ × 5㎜의 장방형 점 타입일 수 있다. 다른 예로 노즐들(50a, 50b)의 개구는 2 ㎜× 60 ㎜의 장방형 선 타입일 수 있다. 또 다른 예로 노즐들(50a, 50b)의 개구는 60 ㎜× 60 ㎜의 정방형 면 타입일 수 있다. 이러한 노즐들(50a, 50b) 개구의 단면 형상과 폭 및 길이는 분말의 성분 및 증착하려는 막 두께, 패턴 모양에 따라 다양하게 변경 적용이 가능하다.
바람직하게, 노즐들(50a, 50b)의 개구부는 장방형 슬릿이다. 슬릿의 신장 방향에 수직인 방향으로 타겟(60)을 이동시키며 성막을 하는 경우 비교적 넓은 면적의 막을 쉽게 형성할 수 있으며, 이종 열전재료의 막을 수직으로 적층하는 다층막을 구성하거나, 아일랜드상 또는 스트라이프상의 패턴을 교번적으로 기판 상에 형성하는 구성에 더욱 적합하다.
스테이지(70)는 상하(Z), 전후좌우(XY)와 같이 3축 방향으로 이동 가능하도록 구성되고 구동 제어되며, 대략 0 ~ 50 mm/sec의 속도로 이동 가능한 것으로, 대략 평판 형상의 기판과 같은 타깃(60)이 노즐들(50a, 50b)에 대향하여 대략 1 ~ 100 ㎜의 간격을 갖도록 배치할 수 있다. 이러한 스테이지(70)의 3축 구조는 리니어 모터(linear motor)들의 조합으로 이루어지거나 통상의 로봇 암(robot arm)에 적용되는 구조 등이 적용될 수 있다. 또한, 스테이지(70)에는 타깃(60)을 고정할 수 있는 고정수단이 제공될 수 있다. 타깃(60)을 고정하는 고정수단은 에어 척(air chuck) 또는 클램핑 장치가 가능하다. 따라서, 노즐들(50a, 50b)을 통해 분말이 하방으로 분사되고 타깃(60)이 스테이지(70)의 움직임에 의해 이동하게 되면, 타깃(60) 상면에는 스테이지(70)의 움직임 방향에 따라 다양한 형상의 열전재료의 막 형성이 가능하게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 막 증착장치에 포함되는 스테이지의 일 실시예이다. 스테이지(70)는 증착되어지는 막질의 향상을 위해 온도제어가 가능하게 제공되어지는 것일 수 있다. 스테이지(70)는 가열부(72)를 포함함으로써, 필요에 따라 막질을 높이기 위해 막 증착시 가열을 하는 것이 가능해진다. 또한, 막 증착과 동시에 열처리하여 결정화시키는 인시튜 어닐링(in-situ annealing)을 할 수도 있다. 또한, 추가적으로 막 증착 후 타깃(60)을 막 증착장치(100)의 프로세스 챔버(40) 외부로 반출하기 전에 어닐링을 하는 후열처리(post-annealing)을 할 수도 있다. 냉각부(74)는 정확한 온도 제어를 돕고 스테이지(70) 하부로 열이 전달되는 것을 방지하는 기능을 한다. 따라서, 가열부(72)와 냉각부(74)의 제어를 통하여 항온 가열을 하여 막질을 향상시키거나 인시튜 어닐링이나 후열처리를 통하여 결정화시키는 등의 조작이 가능하다.
한편, 프로세스 챔버(40) 안에는 마스크 또는 콜리메이터와 같은 선택적 증착용 차폐물(90)이 더 설치된다. 차폐물(90)은 노즐들(50a, 50b)에서 분사되는 에어로졸이 타깃(60)으로 전달되는 것을 일부 또는 일시적으로 차단하여 원하는 영역에만 증착이 되도록 하거나 및/또는 방향성을 부여하는 것이다. 예를 들면, 노즐들(50a, 50b)에서 분사된 에어로졸이 타깃(60) 상의 소정 영역에만 도달하여 막을 형성하도록 원하는 형상의 개구부가 형성된 마스크 또는 에어로졸에 직진성을 주어 성장되는 막의 균일성을 향상시키는 콜리메이터가 가능하다. 차폐물(90)은 노즐들(50a, 50b)과 타깃(60) 사이에 배치되어 고정되는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 막 증착장치에 제공되는 차폐물로 가능한 마스크의 단면도이다.
도 3에 도시한 마스크(91)는 소정 위치에 개구부(A)를 가진 대략 평판 형상의 부재이다. 노즐들(50a, 50b)로부터 분사된 에어로졸 중 마스크(91)의 개구부(A)를 통과하는 에어로졸만 타깃(60) 상에 증착이 되고 개구부(A) 이외의 마스크(91)면에 오는 에어로졸은 타깃(60) 상으로 증착되지 못한다. 이에 따라 타깃(60) 상에는 개구부(A)에 대응되는 위치에 개구부(A)와 대응되는 모양으로 막이 형성될 수 있다. 예를 들어 아일랜드 혹은 스트라이프상의 패턴을 형성하여야 하는 경우라면 아일랜드 혹은 스트라이프 모양의 개구부(A)를 가진 마스크(91)를 준비하고, 노즐들(50a, 50b)의 개구 크기가 마스크(91) 개구부(A) 크기보다 작다면 마스크(91) 개구부(A)의 신장 방향을 따라 스테이지(70)를 이동시킴으로써 타깃(60) 상에 스트라이프상의 막을 형성할 수 있다. 또한 노즐(50)의 개구 크기가 마스크(91) 개구부(A) 크기보다 크면, 스테이지 이동과 같은 주사 방식 또는 주사 방식 없이 선택적인 재료 막을 형성할 수 있다. 이 때, 개구부(A)와 노즐들(50a, 50b)이 일대일 대응하도록 하면, 이종 재료의 막을 타깃(60) 상에 나란히 형성할 수가 있다.
마스크(91)가 없는 경우, 노즐들(50a, 50b)에 의해 형성되는 막의 폭은 노즐들(50a, 50b) 개구의 크기와 거의 같거나 약간 커지며 노즐들(50a, 50b)과 타깃(60)의 거리를 조정함으로써 다소의 제어가 가능하다. 그러나, 해상도가 좋지 못하여 막의 측벽 경계가 뚜렷하지 못한 문제가 있고, 노즐들(50a, 50b) 개구 크기보다 작은 막은 형성하기 어려운 한계가 있으며, 다양한 크기를 가지는 패턴을 형성하기 위해서는 그에 맞는 크기의 개구를 가진 노즐로 수시로 교체해야 하는 번거로움이 있을 수 있다. 또한 혼합막이 아닌 서로 분리된 패턴 형태의 막을 서로 다른 이종의 재료로 형성하고자 하는 경우에는 부적합할 수 있다. 본 발명에서는 마스크(91)와 같은 차폐물을 도입함으로써 원하는 크기와 모양의 패턴 형성이 더욱 용이해지고 이종 재료의 막을 형성하는 것이 가능해진다. 마스크(91)는 다양한 크기의 개구부를 갖도록 제작할 수 있으며, 쉽게 교체할 수 있는 부분이므로 다양한 크기의 패턴 형성에 보다 효율적이다. 예를 들어, 소형 열전발전소자를 제작하기 위해서는 폭이 수십 ~ 수백 μm의 막이 필요하기 때문에 mm 단위 크기의 노즐들(50a, 50b)을 이용하더라도 마스크(91)의 개구부(A) 크기를 이것과 같은 정도의 크기로 구성함으로써 손쉽게 대응할 수 있다.
장기간에 걸쳐 마스크(91)를 반복사용할 경우 마스크(91)의 개구부(A) 주위에 분말이 증착되어 막을 형성한다. 이렇게 되면 개구부(A) 입구측에 부착되는 분말에 의해 개구부(A) 출구측으로 나가는 분말이 줄어들어 균일한 증착율을 유지하기 어렵다. 그리고, 시간이 지남에 따라 개구부(A)의 크기를 작게 만들거나 해상도를 저하시키는 원인이 될 수 있다. 따라서 일정시간이 지나면 분말이 증착되어 두꺼워진 마스크(91)에서 표면에 부착된 물질을 제거하는 재생 공정을 거쳐 사용하거나 폐기하여야 한다. 마스크(91)와 에어로졸 안의 분말을 등전하로 하전하면 서로간의 반발력에 의해 마스크(91) 상에 분말이 퇴적되는 것을 방지할 수 있어 마스크(91) 재생 주기를 늘릴 수 있다.
도 4는 다른 마스크의 단면도이다.
도 4의 마스크(92)는 개구부(A)를 한정하는 측벽(B)이 경사지게 형성되어 있다. 이러한 형상은 에어로졸 안의 분말이 마스크(92) 상에 퇴적되는 것을 방지하는 효과가 있다. 이러한 형상의 마스크(92)를 채용하는 것에 의해서도 마스크(92) 재생 주기를 늘릴 수 있다.
도 5는 또 다른 마스크의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 마스크(93) 개구부(A)를 한정하는 측벽에 칸막이(C)가 하측으로 돌출되도록 형성되어 있다. 칸막이(C)는 개구부(A)를 통과하는 에어로졸에 직진성을 더 부여한다. 이에 따라 원하는 패턴 모양을 더욱 정확하게 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 6은 또 다른 마스크의 단면도로 도 4의 변형예이다.
도 6을 참조하면, 마스크(92) 개구부(A)를 한정하는 경사진 측벽에 칸막이(C)가 하측으로 돌출되도록 형성되어 있다. 칸막이(C)는 개구부(A)를 통과하는 에어로졸에 직진성을 더 부여한다. 이에 따라 원하는 패턴 모양을 더욱 정확하게 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 7은 도 4에 도시한 마스크의 변형예이다. 도 7에 도시한 마스크(92')는 개구부(A)를 한정하는 측벽(B)이 경사지게 형성되어 있으면서, 마스크(92') 상면에 개구부(A) 주위로 칸막이(C)가 더 설치되어 있다. 이러한 구성은 각각의 노즐들(50a, 50b)로부터 분사되는 이종 재료의 분말이 타깃(60)에 도달하기 전에 서로 섞이는 것을 방지하는 효과가 있다. 따라서, 이러한 구성은 혼합막보다는 다층막 또는 교번적인 패턴을 형성하는 경우에 바람직하다.
도 8은 도 7의 변형예이다.
도 8을 참조하면, 마스크(92') 개구부(A)를 한정하는 경사진 측벽에 칸막이(C)가 상측과 하측으로 동시에 돌출되도록 형성되어 있다. 상부 칸막이(C)는 이종의 분말이 타깃(60)에 도달하기 전에 서로 섞이는 것을 방지하는 효과가 있으며, 하부의 칸막이는 개구부(A)를 통과하는 에어로졸에 직진성을 더 부여한다. 이에 따라 원하는 패턴 모양을 더욱 정확하게 형성할 수 있는 효과가 있다.
도 9는 실시예에 따른 마스크의 평면도이다.
도 9는 아일랜드상 패턴 형성에 적합한 것으로, (a)는 마스크의 개구부(A)가 사각형인 경우, (b)는 마스크의 개구부(A)가 원형인 경우이다. 필요한 경우 개구부(A)의 너비 혹은 지름(d)과 개구부(A) 사이의 간격(p)을 제어할 수 있는데, 개구부 사이의 간격(p)/ 너비 혹은 지름(d)의 비율이 0.1 ~2가 되도록 디자인 룰을 정할 수도 있다. 이러한 비율은 인접한 패턴과의 간섭없이 다종막을 형성하는 데 적합한 비율이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 마스크의 평면도이다.
도 10은 스트라이프상 패턴 형성에 적합한 것으로, 필요한 경우 개구부(A)의 너비 혹은 지름(d)과 개구부(A) 사이의 간격(p)을 제어할 수 있는데, 개구부 사이의 간격(p)/ 너비 혹은 지름(d)의 비율이 0.1 ~ 2가 되도록 디자인 룰을 정할 수도 있다. 이러한 비율은 인접한 패턴과의 간섭없이 다종의 스트라이프막을 형성하는 데 적합한 비율이다.
도 11은 본 발명에 따른 막 증착장치에 제공되는 차폐물로 가능한 콜리메이터의 단면도이고, 도 12는 평면도이다. 도 11은 도 12의 XI-XI' 단면에 해당한다.
콜리메이터(94)는 타깃(60)과 노즐들(50a, 50b) 사이에 위치하는 일종의 필터링 플레이트(filtering plate)이다. 콜리메이터(94)는 대체적으로 두께가 균일하며, 이러한 두께를 통해 형성되는 다수의 통로(D)를 구비한다. 콜리메이터(94)는 요구되는 각도를 넘는 에어로졸을 필터링한다. 주어진 콜리메이터(94)에 의해 이루어지는 필터링의 실제 양은 콜리메이터(94)를 통한 통로(D)의 종횡비에 따른다. 이와 같이 하여, 타깃(60)에 수직하게 접근하는 경로로 이동하는 분말들은 콜리메이터(94)를 통과하여 타깃(60) 상에 증착된다.
에어로졸은 다수개의 통로(D)를 가지는 콜리메이터(94)에 의하여 입사각이 일정하게 유지되어 타깃(60) 상면에 증착된다. 콜리메이터(94)는 균일한 증착이 되도록 하며 에어로졸의 양을 조정하고 일정하게 하는 기능을 가진다. 콜리메이터(94)는 도 12에서 보는 바와 같이 대략 원반 형상의 몸체에 직경이 동일한 다수개의 구멍들이 형성되어 통로(D)를 구성한다. 구멍을 통과하는 분말은 직진성이 부여된다. 구멍은 격자를 이루기도 하며, 벌집 모양 또는 원 모양 등 다양한 모양을 가질 수 있다.
이상 설명한 마스크와 콜리메이터는 서로 선택적으로 혹은 함께 본 발명에 따른 막 증착장치에 구비될 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 막 증착장치에 포함되는 노즐의 일 실시예의 단면도이다.
분말의 직진성 부여는 콜리메이터 구성 이외에 노즐들(50a, 50b) 구성을 변경함으로써 가능하다. 예를 들어, 도 13에 도시한 바와 같이 노즐(50a) 안에 분말이 통과하는 내관(52)의 관벽에 나선상의 홈(54)을 파서, 분말이 분사되면서 회전하도록 설계할 수 있다. 홈(54)은 나선 형상을 이루어 내관(52) 속에 연신하도록 설치되고, 홈(54) 가공을 거친 후에는 내관(52)을 통과하는 분말이 홈(54)을 따라서 회전하면서 균일하게 전송될 수 있다. 이 홈(54)은 그 수가 많을수록 회전수가 높아지면서 직진성이 높아진다. 이는 분말 입자의 회전력이 진행 방향과 반대인 공기 저항을 여러 방향으로 분산시켜 궤적이 변경되는 것을 방지하기 때문이다. 따라서, 이러한 구성은 중진공 분위기보다는 저진공 분위기일 때 더욱 효과가 나타날 수 있다. 노즐들(50a, 50b) 모두 이러한 홈(54) 가공을 거친 것일 수 있다.
다음으로, 이상의 구성으로 된 막 증착장치(100)의 작용을 설명한다. 캐리어 가스 저장용기(10)를 열어 헬륨 가스를 예컨대 2.5 L/min의 유량으로 캐리어 가스 공급관들(20a, 20b)을 통해 에어로졸 발생기들(30a, 30b) 각각으로 도입하여 에어로졸을 발생시킨다. 이 때, 분말은 진동기와 같은 장치의 도움으로 비산할 수 있게 하면 에어로졸이 안정적으로 발생할 수 있다. 에어로졸 중의 분말 중, 응집되어 2차 분말을 형성하고 있는 분말은 그의 중량이 비교적 크기 때문에 위로 높게 이동할 수 없다. 대조적으로, 중량이 작은 1차 분말 또는 1차 분말에 가까운 비교적 작은 분말은 에어로졸 발생기들(30a, 30b) 각각 내의 상부까지 위로 이동할 수 있다. 따라서, 소망의 입경의 분말을 선택하여 도출시킬 수 있다.
도출된 에어로졸은 에어로졸 이송관들(25a, 25b)을 통해 노즐들(50a, 50b)로부터 타깃(60)을 향해 고속으로 분사된다. 에어로졸의 분사 속도는 노즐들(50a, 50b)의 형상, 캐리어 가스 공급관들(20a, 20b)과 에어로졸 이송관들(25a, 25b)의 길이 및 내경, 캐리어 가스 저장용기(10)의 가스 압력, 진공 펌프(80)의 배기량 등에 의해 제어된다. 이들의 제어에 의해, 예를 들어, 에어로졸 발생기들(30a, 30b) 각각의 내부 압력을 수만 Pa로 하고, 프로세스 챔버(40)의 내부 압력을 수백 Pa로 하여 이들 사이에 차압을 제공하면, 분사 속도는 아음속으로부터 초음속 영역까지 가속될 수 있다. 충분히 가속되어 운동 에너지를 얻은 에어로졸 중의 분말은 타깃(60)에 충돌하여 막을 형성하게 된다. 이 때, 충격 에너지에 의해 분말이 미세하게 파쇄되어 이들 미세한 단편(斷片) 분말이 타깃(60)에 부착하거나 또는 서로 접착 접합하여 치밀한 막을 형성할 수도 있다.
차폐물(90)은 노즐들(50a, 50b)에서 분사되는 에어로졸이 타깃(60)으로 전달되는 것을 일부 또는 일시적으로 차단하여 원하는 영역에만 증착이 되도록 하거나 및/또는 방향성을 부여한다. 타깃(60)은 예컨대 성막 조작 중에 스테이지(70)에 의해 전후 왕복 운동을 하도록 할 수 있다. 이러한 제어에 의해, 퇴적 두께가 약 1~100 μm인 막, 예컨대 50 μm 열전재료의 막을 형성하는 것이 가능하다. 스테이지(70)의 이동 속도는 막 성막 속도 및 표면 상태 제어를 위하여 다양하게 변경 적용이 가능하다. 또한, 성막 시간을 연장시키면, 그것에 비례하여 퇴적 두께를 증가시킬 수 있다. 필요에 따라 성막시 가열 조작 등을 추가해 막질을 향상시키거나 증착과 동시에 소성하거나 성막 후 가열 조작 등을 추가해 소성할 수도 있거나 이를 생략할 수도 있다. 구체적으로, 스테이지(70)의 가열부(72)와 냉각부(74)의 제어를 통하여 항온 가열을 하여 막질을 향상시키거나 인시튜 어닐링하거나 후열처리를 통하여 결정화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 스테이지(70)에 롤투롤(roll-to-roll)을 구현하는 제조장치도 가능하다. 도 14는 본 발명에 따른 다른 막 증착장치의 개략적인 도면이다. 도 14에 도시한 제조장치(100')는 스테이지(70)에 롤투롤 장치(70')를 더 포함하는 점을 제외하고는 도 1에 도시한 제조장치(100)와 동일하다. 롤투롤 장치(70')는 언와인더 롤(76)에 감긴 플렉시블 기판과 같은 타깃(60)을 노즐들(50a, 50b) 하단의 증착부로 이송하여 타깃(60) 상에 막을 형성한 후 와인더 롤(78)에 감도록 구성된다. 타깃(60)이 휘어지는 경우이면서 대량 생산이 필요한 분야에 이러한 롤투롤 방식이 유용할 수 있다.
이하에서는 상기와 같이 구성되는 막 증착장치(100 또는 100')를 이용하여 열전재료의 막을 형성하여 열전소자를 제조하는 방법을 첨부된 도 15를 참조하여 설명한다. 도 15에는 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용한 막 증착방법의 순서도가 도시되어 있다.
먼저, 이종의 열전재료 분말을 각각의 에어로졸 발생기들(도 1의 30a, 30b)에 장입하고, 타깃(60)을 스테이지(70)에 고정하거나 롤투롤 장치(70')에 감는다(단계 s1). 열전재료는 Bi2Te3계, PbTe, Si-Ge, FeSi2, CoSb3계 등이 있어, 불순물을 도핑함으로써 p형과 n형을 제작할 수 있다. 벌크 재료 또는 급냉법 등으로 얻은 분말을 미분쇄함으로써 입경이 서브마이크론 레벨인 미립자를 제조해 사용할 수 있다. 그런 다음, 에어로졸 발생기들(30a, 30b) 각각의 내부에 캐리어 가스를 공급하여 열전재료 분말과 캐리어 가스를 혼합하여 에어로졸을 발생시킨다(단계 s2).
에어로졸 발생기들(30a, 30b) 각각의 내부에서 발생된 에어로졸을 이송시켜 각각의 노즐들(50a, 50b)을 이용해 타깃(60)에 분사한다(단계 s3).
이로써, 타깃(60)에 열전재료의 막을 형성한다(단계 s4).
단계 s3에서는 이종의 열전재료 분말을 동시 또는 순차적으로 분사할 수 있다. 이 때 에어로졸은 노즐들(50a, 50b)에서 분사된 후 차폐물(90)을 지나 타깃(60)에 도달하게 할 수도 있다. 그리고, 단계 s4에서는 타깃(60)을 이동시키거나 노즐들(50a, 50b)을 이동시켜 패턴을 형성할 수 있다. 이에 따라, 이종의 분말로 이루어진 막을 타깃(60) 상에 교차적으로 나란히 배열 또는 적층하여 형성하거나 혼합막으로 형성할 수 있다.
다시말해 본 발명에서는 노즐(50a, 50b)의 구성, 마스크(90)의 구성, 그리고 마스크(90)에 대한 노즐(50a, 50b)의 상대적인 이동을 통하여 이종의 물질을 선택적 영역에 동시 증착할 수도 있고, 다층막 또는 혼합막으로 형성할 수도 있다. 이것을 도 16 내지 도 24를 참조하여 설명한다.
먼저 도 16은 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 패턴을 형성하는 경우의 모식도이다.
노즐들(50a, 50b)에 일대일 대응하는 개구부를 갖는 마스크(90)를 이용한다. 노즐들(50a, 50b)을 동시에 가동시켜 에어로졸 분사로 타깃(60) 상에 제1 패턴(52a)과 제2 패턴(52b)을 동시에 형성한다. 분말의 도핑을 통하여 제1 패턴(52a)은 n형으로 하고 제2 패턴(52b)은 p형으로 하는 것이 가능하다. 물론 반대 도전형도 가능하다. 노즐들(50a, 50b) 크기와 마스크(90) 개구부 크기가 제1 패턴(52a)과 제2 패턴(52b) 크기보다 큰 경우에는 제1 패턴(52a)과 제2 패턴(52b) 형성시 스테이지(70)는 고정 상태이다. 노즐들(50a, 50b) 크기가 마스크(90) 개구부보다 작은 경우에는 노즐들(50a, 50b)이 마스크(90) 개구부 신장 방향을 따라 스캔할 수 있도록 스테이지(70)를 이동시키며 제1 패턴(52a)과 제2 패턴(52b)을 형성한다. 이와 같이 본 발명에서는 하나의 기판 상에 p형과 n형 열전재료의 막을 동시에 형성할 수가 있을 뿐만 아니라 마스크(90) 모양에 따라서는 아일랜드상 혹은 스트라이프와 같이 패턴 모양의 막으로 바로 형성할 수가 있으므로 별도의 패터닝 작업이 필요하지 않다.
도 17은 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 다른 패턴을 형성하는 경우의 모식도이다.
도 17은 도 16에 비하여 노즐들(50a, 50b) 한쌍이 더 포함되는 경우이다. 이 때에도 노즐들(50a, 50b)에 일대일 대응하는 개구부를 갖는 마스크(90)를 이용한 동시 증착으로 타깃(60) 상에 제1 패턴(52a)과 제2 패턴(52b)을 동시에 형성할 수 있다. 이와 같이 노즐 수의 적절한 변경을 통하여 필요한 수의 여러 개의 패턴을 쉽게 얻을 수 있다.
도 18은 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 도 16 또는 도 17의 방법으로 스트라이프상의 교차적인 배열을 타깃 위에 증착한 결과물의 모식도 이다.
노즐들(50a, 50b)에 스트라이프상의 개구부를 갖는 마스크(90)를 이용한 동시 증착으로 타깃(60) 상에는 도 18에서와 같이 제1 패턴(52a)과 제2 패턴(52b)이 번갈아 형성되는 배열이 되므로, 전체적으로 2차원적으로 교차적인 이종의 막을 효과적으로 증착할 수 있다. 이와 같이 노즐 수의 적절한 변경 및 타깃 또는 노즐의 위치 변경을 통하여 필요한 수의 여러 개의 이종물질의 패턴을 쉽게 얻을 수 있다.
도 19a 내지 도 19c는 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 다른 이종의 아일랜드상의 교차적인 배열 혹은 스트라이프상의 교차적인 배열 패턴을 형성하는 경우의 모식도이다.
도 19a와 도 19b를 참조하면, 도 17에 비하여 노즐(50a, 50b) 중 하나의 노즐이 더 포함되는 경우이다. 즉 1차원적인 선상에서 마스크 개구부의 수를 n 이라 할 때, 이에 대응하는 노즐의 수는 n+1이다. 좀더 자세히 말하면, 증착을 진행할 때 양 끝단의 노즐 중 1개는 작동(working)을 하지 않게 된다. 먼저 도 19a를 참조하면, 노즐들(50a, 50b)에 일대일 대응하는 개구부를 갖는 마스크(90)를 이용한 동시 증착으로 타깃(60) 상에 제1 패턴(52a)과 제2 패턴(52b)을 동시에 형성하여 교차적인 이종의 증착막의 배열을 형성한다. 이후 두번째 배열의 경우 도 19b에서와 같이 타깃(60) 혹은 노즐(50a, 50b)의 위치가 바뀌게 되고, 양끝단의 노즐 중 1개는 작동하지 않지만 앞선 배열의 증착과는 반대의 노즐이 작동 및 미작동을 하게 된다. 이에 따라, 제2 배열은 제1 배열과는 다른 배열을 가지게 된다. 예를 들어 제1 배열이 제1 패턴(52a)-제2 패턴(52b)-제1 패턴(52a)-제2 패턴(52b)의 순번을 가졌다고 할 때, 제2 배열의 경우 제2 패턴(52b)-제1 패턴(52a)-제2 패턴(52b)- 제1 패턴(52a)의 배열을 가지게 된다. 결과적으로 도 19a와 도 19b 공정을 반복함으로써, 타깃(60) 상에는 도 19c에서와 같이 제1 패턴(52a)과 제2 패턴(52b)이 타깃(60)의 평면에서 모든 방향으로 번갈아 형성되는 배열이 되므로, 전체적으로 2차원적으로 교차적인 이종의 막을 효과적으로 증착할 수 있다. 이와 같이 노즐 수의 적절한 변경 및 타깃 또는 노즐의 위치 변경을 통하여 필요한 수의 여러 개의 이종물질의 패턴을 쉽게 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 이종의 재료가 하나의 타깃(60) 위에 교차적인 배열을 해야 할 때, 여러 장의 마스크를 이용해야 하는 복잡한 공정을 줄여, 시간 및 공정의 효율성을 높일 수 있다.
도 20은 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 도 19의 방법으로 다른 아일랜드상의 교차적인 배열을 타깃 위에 증착한 결과물의 모식도이다.
도 20에서 (a)는 도 9의 (a)에 도시한 마스크를 이용한 경우이고, 도 20에서 (b)는 도 9의 (b)에 도시한 마스크를 이용한 경우이다. 도 20에서 보는 바와 같이, 타깃(60)에 형성되는 패턴의 막, 즉 제1 패턴(52a)과 제2 패턴(52b)의 너비 혹은 지름(d)과 패턴 사이의 간격(p)은 사용한 마스크의 형상에 따라 결정이 되므로, 필요에 따라 마스크 개구부 사이의 간격(p)/ 너비 혹은 지름(d)의 비율을 제어하여 이종의 교번적인 배열을 가지는 막을 증착할 수 있다.
도 21과 도 22는 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 다층막을 형성하는 경우의 모식도들이다. 에어로졸 발생기들(30a, 30b)에 서로 다른 종류의 분말이 들어 있는 상태에서 캐리어 가스 저장용기(10)에 있는 캐리어 가스가 캐리어 가스 공급관들(20a, 20b)을 타고 각각의 에어로졸 발생기들(30a, 30b)로 공급된다. 그러면 에어로졸 발생기들(30a, 30b)은 분말과 캐리어 가스가 혼합되어 에어로졸 상태가 된다. 에어로졸 발생기들(30a, 30b)이 낮은 정도의 진공도를 유지하고 있으므로 이러한 에어로졸 상태가 가능하게 된다. 각각의 에어로졸은 서로 섞이지 않고 각각의 에어로졸 이송관들(25a, 25b)을 통해 노즐들(50a, 50b)로 전달된다. 에어로졸 이송관들(25a, 25b) 각각에는 배출량 컨트롤 밸브가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
도 21의 (a)와 같이 에어로졸 이송관(25b)의 배출량은 0으로 하고 에어로졸 이송관(25a)의 배출량만 0보다 크게 하여, 노즐(50a)을 통해 먼저 제1 재료의 분말을 분사하여 타깃(60) 상에 제1 재료의 막(51a)을 형성한다. 이 때, 롤투롤 장치(70') 또는 스테이지(70)를 이용해 타깃(60)을 우측으로 이동시키면서 제1 재료의 막(51a)을 형성한다. 제1 재료의 막(51a)이 노즐(50b) 하단에 위치하는 때에 에어로졸 이송관(25b)의 배출량을 0보다 크게 하여 노즐(50b)을 통해 제2 열전재료의 분말 분사를 시작하여 타깃(60) 상에 제2 재료의 막(51b)을 형성한다. 타깃(60)은 전단에서 제1 재료의 막(51a)이 형성된 채로 노즐(50b) 하단을 통과하므로 도 21의 (b)와 같이 제1 재료의 막(51a) 상에 제2 열전재료의 막(51b)이 증착이 되고 이에 따라 제1 재료의 막(51a)과 제2 재료의 막(51b) 순으로 적층된 다층막을 형성할 수가 있다. 이와 같이 이종의 분말을 순차적으로 분사하면서 타깃(60)을 이동시켜 이종의 분말로 이루어진 막을 타깃(60) 상에 적층하여 형성할 수 있다.
도 22은 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 다른 다층막을 형성하는 경우의 모식도이다. 도 22의 (a)와 같이 에어로졸 이송관(25a)의 배출량은 0으로 하고 에어로졸 이송관(25b)의 배출량만 0보다 크게 하여, 노즐(50b)을 통해 먼저 제2 재료의 분말을 분사하여 타깃(60) 상에 제2 재료의 막(51b)을 형성한다. 이 때, 롤투롤 장치(70') 또는 스테이지(70)를 이용해 타깃(60)을 좌측으로 이동시키면서 제2 재료의 막(51b)을 형성한다. 제2 재료의 막(51b)이 노즐(50a) 하단에 위치하는 때에 에어로졸 이송관(25a)의 배출량을 0보다 크게 하여 노즐(50a)을 통해 제1 재료의 분말 분사를 시작하여 타깃(60) 상에 제1 재료의 막(51a)을 형성한다. 타깃(60)은 전단에서 제2 재료의 막(51b)이 형성된 채로 노즐(50a) 하단을 통과하므로 도 22의 (b)와 같이 제2 재료의 막(51b) 상에 제1 재료의 막(51a)이 증착이 되고 이에 따라 제2 재료의 막(51b)과 제1 재료의 막(51a) 순으로 적층된 다층막을 형성할 수가 있다. 이와 같이 도 22는 도 21의 경우와 비교해 적층 순서가 바뀐 경우이다. 공정 종료 후 이 과정을 한번 더 수행하면 제2 재료의 막(51b)-제1 전재료의 막(51a)-제2 재료의 막(51b)- 제1 재료의 막(51a) 순으로 적층된 다층막을 형성할 수가 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 다층막 적층 순서와 적층횟수, 두께 구성 등이 자유로와 열전소자 제조에 매우 적합하다. 노즐들(50a, 50b)의 순차적인 가동을 이용해 이종의 분말을 순차적으로 분사하면서 타깃(60)을 이동시켜 가며 다양한 적층 순서와 적층수를 가진 다층막을 형성할 수 있다. 도 21 및 도 22를 참조하여 상술한 실시예에서는 배출량 컨트롤 밸브들을 순차적으로 개방하는 것에 의해 이러한 다층막을 형성할 수 있다.
도 23과 도 24는 본 발명에 따른 막 증착장치를 이용해 혼합막을 형성하는 경우의 모식도들이다.
노즐들(50a, 50b)을 동시에 가동시켜 에어로졸 분사로 타깃(60) 상에 혼합막(53)을 형성한다. 이종의 미세 분말이 분사되어 타깃(60)에 충돌하면, 미세 분말이 분쇄되면서 일부 조각들이 타깃(60)에 박히거나 강력한 결합을 하게 되고 다음 미세 분말이 그 위에 충돌한다. 그리고, 충돌된 미세 분말이 분쇄되어 강한 결합을 이루는 층을 형성하게 되고, 다음 미세 분말이 그 위에 충돌하여 혼합막(53)을 이루게 된다. 이 때에도 타깃(60)을 이동시켜 가며 혼합막(53)을 원하는 모양 및 두께로 형성할 수 있다. 특히 전후 왕복 운동을 하도록 하면 두꺼운 후막을 얻을 수 있다.
특히 도 24의 경우는 복수의 노즐(50a, 50b)을 기울여 분사 되는 분말들이 하나의 영역에 집중될 수 있도록 하는 것이다. 특히, 노즐을 기울여 하나의 영역에 집중하게 될 때, 혼합막의 균일도는 도 23에 비해 효과적으로 우수해질 수 있다. 또 다른 예로, 복수의 노즐을 기울여 하나의 영역에 집중하게 될 때, 막의 성장 속도를 효과적으로 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 노즐들(50a, 50b)을 복수로 구성하고, 스테이지(70)가 3축 방향으로 이동 가능하도록 구성하거나 롤투롤 장치(70')를 이용하여 타깃(60) 상에 다양한 다종막, 다층막, 혼합막 등을 형성할 수 있다. 선택적으로 노즐들(50a, 50b)에 일대일로 대응하는 개구부를 갖는 마스크(90)를 제공함으로써 원하는 패턴 모양을 손쉽게 형성할 수 있게 된다. 특히 이종의 물질을 교번적인 패턴 모양의 막으로 미세 패턴을 동일 타깃 상에 용이하게 형성할 수가 있으므로 열전소자를 고집적화할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10...캐리어 가스 저장용기 20a, 20b...캐리어 가스 공급관
25a, 25a...에어로졸 이송관 30a, 30b...에어로졸 발생기
40...프로세스 챔버 50a, 50b...노즐
60...타깃 70...스테이지
70'...롤투롤 장치 80...진공 펌프
90...차폐물 100, 100'...막 증착장치
25a, 25a...에어로졸 이송관 30a, 30b...에어로졸 발생기
40...프로세스 챔버 50a, 50b...노즐
60...타깃 70...스테이지
70'...롤투롤 장치 80...진공 펌프
90...차폐물 100, 100'...막 증착장치
Claims (33)
- 타깃을 지지한 상태로 이동할 수 있는 스테이지가 구비된 프로세스 챔버;
상기 프로세스 챔버와 연통 결합되어 진공을 형성하는 진공 펌프;
이종의 분말이 각각 수용되는 에어로졸 발생기들;
캐리어 가스가 저장되는 캐리어 가스 저장용기;
상기 캐리어 가스 저장용기와 상기 에어로졸 발생기들 각각의 내부를 연통시켜 상기 캐리어 가스가 상기 에어로졸 발생기들 각각의 내부로 유입되도록 하는 캐리어 가스 공급관들;
상기 에어로졸 발생기들 각각에서 상기 캐리어 가스와 혼합된 상기 분말로 이루어지는 에어로졸을 상기 프로세스 챔버 내부로 각각 안내하는 에어로졸 이송관들;
상기 에어로졸 이송관들 각각의 일단에 구비되어 상기 에어로졸을 상기 타깃에 분사하는 복수의 노즐들; 및
상기 노즐들과 타깃 사이에 배치되는 선택적 증착용 차폐물을 포함하고,
상기 선택적 증착용 차폐물은 상기 노즐에서 분사된 에어로졸이 상기 타깃 상의 일부 영역에만 도달하여 아일랜드상 혹은 스트라이프상 패턴 모양 막을 형성하도록 하는 개구부가 형성된 마스크 및 상기 에어로졸에 직진성을 주어 성장되는 막의 균일성을 향상시키는 콜리메이터 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 막 증착장치. - 제1항에 있어서, 상기 에어로졸 이송관에 설치되어 에어로졸 배출량을 조절하는 컨트롤 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 스테이지는 구동원에 의해 3축으로 이동되는 3축 이동 스테이지로 이루어지며, 상기 타깃을 고정하는 고정수단이 제공되는 것을 특징으로 하는 막 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 스테이지는 온도제어가 가능한 가열부 및 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 막 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 스테이지에 롤투롤 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막 증착장치.
- 삭제
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- 제1항에 있어서, 상기 마스크와 상기 에어로졸 안의 분말이 등전하로 하전되어 서로간의 반발력에 의해 상기 마스크 상에 상기 분말의 퇴적이 방지되는 것을 특징으로 하는 막 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 마스크는 상기 개구부를 한정하는 측벽이 경사지게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 막 증착장치.
- 제10항에 있어서, 상기 마스크 상면에 상기 개구부 주위로 칸막이가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 막 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 마스크는 상기 개구부를 한정하는 측벽에 칸막이가 상측 또는 하측 또는 상측 및 하측으로 돌출되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 막 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 마스크는 상기 개구부 사이의 간격/상기 개구부의 너비 혹은 지름의 비율이 0.1 ~ 2인 것을 특징으로 하는 막 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 개구부와 노즐이 일대일 대응하는 것을 특징으로 하는 막 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 마스크에서 1차원적 개구부의 수를 n이라 할 때, 상기 노즐의 수가 n+1개로 대응하는 것을 특징으로 하는 막 증착장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 콜리메이터는 상기 타깃에 수직하게 접근하는 경로로 이동하는 에어로졸을 통과시키는 다수의 통로를 구비하는 것을 특징으로 하는 막 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 노즐들은 상기 에어로졸이 통과하는 내관의 관벽에 나선상의 홈이 설치되고, 상기 내관을 통과하는 에어로졸 안의 상기 분말은 상기 홈을 따라서 회전하면서 전송되는 것을 특징으로 하는 막 증착장치.
- 제1항에 있어서, 상기 노즐의 개구는 장방형 슬릿 또는 원형인 것을 특징으로 하는 막 증착장치.
- 이종의 재료 분말을 각각의 에어로졸 발생기들에 장입하고, 타깃을 스테이지에 고정하거나 롤투롤 장치에 감는 재료 준비 단계;
상기 에어로졸 발생기들 각각의 내부에 캐리어 가스를 공급하여 상기 재료 분말과 캐리어 가스를 혼합하여 에어로졸을 발생시키는 가스 공급 단계;
상기 에어로졸 발생기들 각각의 내부에서 발생된 에어로졸을 이송시켜 각각의 노즐들을 이용해 상기 타깃에 분사하되, 상기 에어로졸이 상기 노즐들에서 분사된 후 선택적 증착용 차폐물을 지나 상기 타깃에 도달하도록 하는 분말 분사 단계; 및
상기 타깃에 재료의 막을 형성하는 막 형성 단계를 포함하고,
상기 선택적 증착용 차폐물은 상기 노즐들에서 분사된 에어로졸이 상기 타깃 상의 일부 영역에만 도달하여 아일랜드상 혹은 스트라이프상 패턴 모양 막을 형성하도록 하는 개구부가 형성된 마스크 및 상기 에어로졸에 직진성을 주어 성장되는 막의 균일성을 향상시키는 콜리메이터 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 막 증착방법. - 제20항에 있어서, 상기 분말 분사 단계시 이종의 재료 분말을 동시 또는 순차적으로 분사하는 것을 특징으로 하는 막 증착방법.
- 제20항에 있어서, 상기 막 형성 단계시 상기 타깃 또는 노즐을 이동시키는 것을 특징으로 하는 막 증착방법.
- 제20항에 있어서, 상기 막 형성 단계시 상기 이종의 분말로 이루어진 막을 상기 타깃 상에 나란히 또는 적층하여 형성하는 것을 특징으로 하는 막 증착방법.
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- 제20항에 있어서, 상기 개구부와 노즐이 일대일 대응하는 것을 특징으로 하는 막 증착방법.
- 제20항에 있어서, 상기 마스크는 상기 개구부 사이의 간격/상기 개구부의 너비 혹은 지름의 비율이 0.1 ~ 2인 것을 특징으로 하는 막 증착방법.
- 제28항에 있어서, 상기 타깃에 형성되는 재료의 막은 상기 마스크의 형상에 의해 상기 막 사이의 간격/ 상기 막의 너비 혹은 지름의 비율이 0.1 ~2인 이종 물질의 막의 배열을 가지는 것을 특징으로 하는 막 증착방법.
- 제20항에 있어서, 상기 마스크에서 1차원적 개구부의 수를 n이라 할 때, 상기 노즐의 수가 n+1개로 대응하고,
상기 마스크의 개구부와 상기 노즐을 대응시킨 후 남는 끝단의 노즐은 증착 중에 작동을 하지 않도록 하며, 상기 타깃 혹은 노즐의 위치를 바꾸어 작동하지 않는 노즐의 위치를 번갈아 바꿈으로써, 앞선 증착에서 배열된 막과 반대되는 배열의 막을 증착하는 것을 특징으로 하는 막 증착방법. - 삭제
- 제20항에서, 복수의 노즐을 사용할 때 하나의 영역으로 집중시켜 혼합막을 형성하는 것을 특징으로 하는 막 증착방법.
- 제4항에 따른 막 증착장치를 이용하여,
이종의 재료 분말을 각각의 에어로졸 발생기들에 장입하고, 타깃을 스테이지에 고정하는 재료 준비 단계;
상기 에어로졸 발생기들 각각의 내부에 캐리어 가스를 공급하여 상기 재료 분말과 캐리어 가스를 혼합하여 에어로졸을 발생시키는 가스 공급 단계;
상기 에어로졸 발생기들 각각의 내부에서 발생된 에어로졸을 이송시켜 각각의 노즐들을 이용해 상기 타깃에 분사하되, 상기 에어로졸이 상기 노즐들에서 분사된 후 선택적 증착용 차폐물을 지나 상기 타깃에 도달하도록 하는 분말 분사 단계; 및
상기 타깃에 재료의 막을 형성하는 막 형성 단계를 포함하고,
상기 스테이지의 가열부와 냉각부의 제어를 통하여 항온 가열을 하여 막질을 향상시키거나 인시튜 어닐링하거나 후열처리를 통하여 결정화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 막 증착방법.
Priority Applications (1)
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| KR1020140130568A KR101806414B1 (ko) | 2014-09-29 | 2014-09-29 | 막 증착장치 및 이를 이용한 막 증착방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140130568A KR101806414B1 (ko) | 2014-09-29 | 2014-09-29 | 막 증착장치 및 이를 이용한 막 증착방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20160037671A KR20160037671A (ko) | 2016-04-06 |
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ID=55790603
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| KR1020140130568A KR101806414B1 (ko) | 2014-09-29 | 2014-09-29 | 막 증착장치 및 이를 이용한 막 증착방법 |
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Citations (2)
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