KR101866970B1 - 다수의 롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착 장치 - Google Patents

다수의 롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보조롤러 없이 다수개의 롤을 동시에 이너 챔버 내에 배치한 상태에서 롤투롤(roll to roll) 방식으로 시분할 방식의 원자층 증착 공정을 진행하여 품질이 우수한 박막을 높은 생산성을 가지고 증착할 수 있는 다수의 롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 롤투롤 원자층 증착장치는, 특정 위치에 고정된 상태로 설치되며, 원자층 증착 공정이 이루어질 공정 공간과 상기 공정 공간을 외부에서 감싸는 중간 공간을 각각 전면이 개방된 상태로 형성하는 고정 챔버부; 상기 고정 챔버부 전방에 수평 이동 가능하게 설치되어, 상기 고정 챔버부의 개방된 부분에 분리가능하게 결합하여 밀폐된 상기 공정 공간과 중간 공간을 완성하는 이동 챔버부; 상기 이동 챔버부에 고정되어 설치되며, 다수개의 피증착필름 롤을 일정한 방향으로 이동가능하게 상기 공정 공간 내에 설치하는 필름 설치부; 상기 이동 챔버부에 고정되어 설치되며, 상기 필름 설치부를 구동시켜 상기 다수개의 피증착필름을 일측 방향에서 타측 방향으로 순차 이동시키는 필름 이동부; 상기 고정 챔버부에 설치되며, 상기 공정 공간과 중간 공간의 기체를 각각 독립적으로 배기하는 펌핑부; 상기 이동 챔버부에 고정되어 설치되며, 상기 공정 공간 내부로 층상 흐름을 형성하도록 소스 가스, 퍼지가스, 반응 가스 및 퍼지 가스 순서로 각 가스를 공급하는 가스 공급부; 상기 이동 챔버부를 상기 고정 챔버부 방향으로 증착 공정 및 필름 교환 공정에 따라 반복하여 수평 이동시키는 수평 이동부;를 포함한다.

Description

다수의 롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착 장치{A ROLL-TO-ROLL TYPE APPARATUS FOR DEPOSITING A ATOMIC LAYER ON FILM}
본 발명은 롤투롤 원자층 증착 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보조롤러 없이 다수개의 롤을 동시에 이너 챔버 내에 배치한 상태에서 롤투롤(roll to roll) 방식으로 시분할 방식의 원자층 증착 공정을 진행하여 품질이 우수한 박막을 높은 생산성을 가지고 증착할 수 있는 다수의 롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치에 관한 것이다.
다양한 박막 증착 기술 중에서 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition)의 경우에는 기판 표면에서 전구체들의 화학적인 반응에 의해서 박막이 형성되므로, 넓은 기판에 뛰어난 두께 균일도를 가지는 나노 박막의 증착이 가능하다. 또한 원자층 증착은 복잡한 형상의 3차원 구조에서도 우수한 conformal한 박막의 증착이 가능하므로, 나노급 반도체 소자, 대면적 디스플레이 및 태양전지소자, 복잡한 구조의 나노급 광전자 소자 등의 제조에 필수적인 증착 기술로 주목받고 있다.
그런데 이러한 원자층 증착은 우수한 단차 피복성과 고품질의 박막의 성장이 가능하다는 장점을 갖는 반면, 낮은 생산성이라는 한계를 가지고 있다. 원자층 증착의 낮은 생산성이라는 한계를 극복하기 위해 사이클릭(Cyclic) CVD, PEALD(Plasma Enhanced ALD), 배치타입(Batch Type) ALD, 롤투롤(Roll-to-Roll) ALD 등 많은 연구가 진행되고 있다.
이러한 많은 연구들 중 롤투롤 ALD는 롤에서 롤로 이동되는 증착 대상물(통상적으로 예를 들면, 연성의 기판)의 안정적인 이동을 통하여 연성 기판 위에 연속적인 공정을 통하여 박막을 성장시킴으로써 대량의 박막을 성장시키는 방법이다.
일반적으로 ALD의 성장되는 박막의 두께는 공정이 진행되는 사이클(cycle)에 따라 두께가 결정된다. 사이클은 주기라는 뜻 그대로 ALD 공정이 주기적으로 반복되는 것을 일컫는 말이다. ALD는 주기적으로 소스/퍼지/반응/퍼지(source/purge/reactant/purge)의 4 공정이 주기적으로 반복되는 이러한 4공정을 1주기의 사이클이라고 한다. 이러한 사이클의 주기를 컨트롤하는 방법은 시간적인 측면과 공간적인 측면으로 나눠진다.
시간분할적인 ALD 시스템은 동일한 공간 영역 하에 펄스(pulse) 시간과 퍼지(purge) 시간의 조정을 통하여 시간적인 분할로써 사이클을 컨트롤하여 성장되는 박막의 두께를 조절할 수 있다. 시간분할적인 ALD 시스템은 대부분의 보통의 ALD 시스템에서 사용되어 진다.
반면에 공간분할적인 ALD 시스템은 소스와 반응 그리고 퍼지의 공정이 일어나는 공간을 분할하여 주기적으로 공간의 이동에 의해 사이클이 컨트롤 되어 박막의 두께를 조절하는 방법을 말한다. 이러한 공간분할적인 ALD 시스템은 보통 롤투롤 ALD 시스템에서 사용되어 진다. 그 이유는 롤투롤 ALD 시스템의 특성 상(이동되는 연성 기판의 동일한 이동도가 요구됨) 시간적인 분할을 통하여 사이클을 컨트롤하는데 다소 어려움이 존재한다. 이 때문에 펄스 공정의 공간과 퍼지 공정의 공간을 분할함(unit)으로써 사이클을 컨트롤하는 방법을 사용하게 된다.
도 1은 종래 기술의 일 실시 형태에 따른 롤투롤 방식의 원자층 증착 장비를 개략적으로 도시한 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래 기술의 롤투롤 방식의 원자층 증착 장비는, 구획 수단(20)에 의해 구획된 공정 공간(30) 내에 복수의 회전 롤러 부재(40)가 양측에 일렬로 배열되고, 공정 공간(30) 외부에 설치되는 권출 롤러(50)로부터 출발한 필름(F)이 공정 공간(30) 내로 진입하여 상기 다수개의 회전 롤러 부재(40)를 타고 이동하면서 시간분할 방식으로 원자층 증착 공정이 이루어지고, 권취 롤러(60)에 감겨서 배출되는 방식을 가진다. 이때 상기 권출 롤러(50)와 권취 롤러(60)가 설치되는 공간은 공정 공간(30)과 구획되며, 퍼지 가스로 채워진다.
그런데 이러한 구조의 롤투롤 원자층 증착 장비에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 회전 롤러 부재(40)가 공정 공간(30)에 그대로 노출되는 구조이므로, 이 보조 롤러 부재 표면에 박막이 증착되고 이렇게 증착된 박막은 파티클 발생 원인이 되어 장치의 실용화에 치명적인 문제점을 발생시킨다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 보조롤러 없이 다수개의 롤을 동시에 이너 챔버 내에 배치한 상태에서 롤투롤 방식으로 시분할 방식의 원자층 증착 공정을 진행하여 품질이 우수한 박막을 높은 생산성을 가지고 증착할 수 있는 다수의 롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 롤투롤 원자층 증착장치는, 특정 위치에 고정된 상태로 설치되며, 원자층 증착 공정이 이루어질 공정 공간과 상기 공정 공간을 외부에서 감싸는 중간 공간을 각각 전면이 개방된 상태로 형성하는 고정 챔버부; 상기 고정 챔버부 전방에 수평 이동 가능하게 설치되어, 상기 고정 챔버부의 개방된 부분에 분리가능하게 결합하여 밀폐된 상기 공정 공간과 중간 공간을 완성하는 이동 챔버부; 상기 이동 챔버부에 고정되어 설치되며, 다수개의 피증착필름 롤을 일정한 방향으로 이동가능하게 상기 공정 공간 내에 설치하는 필름 설치부; 상기 이동 챔버부에 고정되어 설치되며, 상기 필름 설치부를 구동시켜 상기 다수개의 피증착필름을 일측 방향에서 타측 방향으로 순차 이동시키는 필름 이동부; 상기 고정 챔버부에 설치되며, 상기 공정 공간과 중간 공간의 기체를 각각 독립적으로 배기하는 펌핑부; 상기 이동 챔버부에 고정되어 설치되며, 상기 공정 공간 내부로 층상 흐름을 형성하도록 소스 가스, 퍼지가스, 반응 가스 및 퍼지 가스 순서로 각 가스를 공급하는 가스 공급부; 상기 이동 챔버부를 상기 고정 챔버부 방향으로 증착 공정 및 필름 교환 공정에 따라 반복하여 수평 이동시키는 수평 이동부;를 포함한다.
그리고 본 발명에서 상기 고정 챔버부는, 전방이 개방된 상태로 공정 공간을 형성하는 이너 챔버; 상기 이너 챔버와 동일하게 전방이 개방된 상태로 상기 이너 챔버 외측을 감싸도록 설치되며, 상기 이너 챔버 외측으로 외부와 차단된 중간 공간을 형성하는 외부 챔버;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 이동 챔버부는, 수평 이동하면서 상기 이너 챔버의 개구부를 차단하는 이너 플레이트; 수평 이동하면서 상기 외부 챔버의 개구부를 차단하는 외부 플레이트; 상기 이너 플레이트와 상기 외부 플레이트 사이에 설치되며, 상기 이너 플레이트와 외부 플레이트를 일정 간격 이격된 상태로 평행하게 결합시키는 결합수단;을 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 필름 설치부는, 상기 이너 플레이트와 외부 플레이트를 각각 관통하여 회전 가능하게 설치되며, 원자층 증착 공정이 진행될 피증착 필름이 권취되는 공급롤; 상기 공급롤과 동일한 높이에 일정 간격 이격되어 설치되며, 상기 이너 플레이트와 외부 플레이트를 각각 관통하여 회전가능하게 설치되고 상기 공급롤에서 공급되는 피증착 필름이 권취되는 회수롤;을 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 롤투롤 원자층 증착장치에서는, 상기 공급롤과 회수롤을 동일한 높이에 한 쌍으로 설치되되, 다수개의 공급롤과 회수롤이 상하 방향으로 일정 간격 이격되어 설치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 다수개의 공급롤과 회수롤은 상하 방향으로 교번적으로 엇갈려 설치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 필름 이동부는, 상기 공급롤 중 상기 외부 플레이트 외측으로 노출된 부분과 결합되어 설치되며, 상기 공급롤을 권취된 피증착 필름이 풀리는 방향으로 회전시키는 제1 회전부; 상기 회수롤 중 상기 외부 플레이트 외측으로 노출된 부분과 결합되어 설치되며, 상기 회수롤을 피증착 필름이 감기는 방향으로 회전시키는 제2 회전부; 상기 제2 회전부의 회전속도를 상기 제1, 2 회전부에 각각 권취되어 있는 피증착 필름에 일정한 장력이 유지되도록 제어하는 회전 제어부;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 가스 공급부는 상기 이동 챔버부에 설치되는 것이 바람직하며, 구체적으로 상기 이너 플레이트에 결합되어 설치되며, 상기 공급롤과 상기 회수롤 사이에서 이동하는 피증착 필름의 이동 방향과 수직한 방향으로 가스를 층상 흐름을 유지하도록 분사하는 샤워헤드; 상기 샤워헤드의 후면에 결합되어 설치되며, 상기 샤워헤드에 소스 가스, 퍼지가스, 반응가스, 퍼지가스 순서로 소스 가스, 퍼지가스 및 반응 가스를 펄스 형태로 공급하는 가스 공급 라인;을 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 샤워헤드는, 상기 공급롤과 이너 챔버 측벽 사이의 공간 또는 상기 회수롤과 이너 챔버 측벽 사이의 공간에도 설치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 펌핑부는, 상기 이너 챔버 중 개구된 부분 반대측 벽에 설치되며, 상기 샤워헤드에 의하여 공급되는 가스가 층상 흐름을 유지한 상태로 상기 피증착 필름 사이의 공간을 통과한 후 외부로 배출되도록 배기하는 제1 펌핑부; 상기 외부 챔버에 설치되며, 상기 중간 공간에 존재하는 기체를 외부로 배기하는 제2 펌핑부;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 롤투롤 원자층 증착장치에서, 상기 외부 챔버에는 상기 중간 공간에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 수평 이동부는, 상기 외부 플레이트에 결합되는 이동 블럭; 상기 이동 블럭 하부와 결합되어 설치되며, 상기 이동 챔버부의 필름 교환 위치와 공정 위치 사이의 수평 이동 경로를 안내하는 경로 안내부; 상기 이동 블럭에 결합되어 설치되며, 상기 이동 블럭의 수평 이동 동력을 제공하는 동력 제공부;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 롤투롤 원자층 증착장치에는, 상기 다수개의 공급롤과 회수롤에 의하여 이동되는 다수개의 피증착 필름 사이의 공간에 설치되며, 상기 피증착 필름에 증착되는 박막의 특성을 향상시키는 특성 향상부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 특성 향상부는, 열을 발생하는 중간 히터 또는 플라즈마를 발생할 수 있는 전극인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 롤투롤 원자층 증착장치에는, 상기 외부 챔버 또는 이너 챔버 외부에 설치되며, 상기 공정 공간의 온도를 원자층 증착 공정에 적합한 온도로 가열하는 히터부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명의 롤투롤 원자층 증착장치에 의하면 보조롤러 없이 다수개의 롤을 동시에 이너 챔버 내에 배치한 상태에서 롤투롤(roll to roll) 방식으로 시분할 방식의 원자층 증착 공정을 진행하여 품질이 우수한 박막을 높은 생산성을 가지고 증착할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 롤투롤 원자층 증착장치의 일예를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 원자층 증착장치의 구조를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 챔버부가 분리된 상태의 구조를 도시하는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 챔버부가 분리된 상태의 구조를 도시하는 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 공간 내에서의 기체의 흐름을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 필름 설치부와 특성 향상부의 구조를 도시하는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 롤투롤 원자층 증착장치(1)는 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 고정 챔버부(100), 이동 챔버부(200), 필름 설치부(300), 필름 이동부(400), 펌핑부(500), 가스 공급부(600) 및 수평 이동부(700)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 고정 챔버부(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 특정 위치에 고정된 상태로 설치되며, 원자층 증착 공정이 이루어질 공정 공간과 상기 공정 공간을 외부에서 감싸는 중간 공간을 각각 전면이 개방된 상태로 형성하는 구성요소이다. 즉, 상기 고정 챔버부(100)는 이동하지 않고 고정된 상태로 설치되며, 본 실시예에 따른 원자층 증착장치(1)의 전체적인 외형을 이루고 원자층 증착 공정을 위한 공간들을 형성하는 것이다.
이를 위해 본 실시예에서 상기 고정 챔버부(100)는 구체적으로 도 2, 3에 이너 챔버(110)와 외부 챔버(120)를 포함하여 구성될 수 있다. 먼저 상기 이너 챔버(110)는 전방이 개방된 상태의 통형상을 가지며, 그 내부에 공정 공간(2)을 형성하는 구성요소이다. 여기에서 '공정 공간'이라 함은 원자층 증착 공정을 위하여 외부와 차단된 밀폐 공간이며, 후술하는 필름 설치부(300)가 위치하여 가스의 순차적인 공급에 의하여 원자층 증착 공정이 이루어지는 공간을 말한다.
다음으로 상기 외부 챔버(120)는 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 상기 이너 챔버(110)와 동일하게 전방이 개방된 상태로 고정되어 설치되고, 상기 이너 챔버(110)와 일정 간격 이격된 상태에서 상기 이너 챔버(110)의 외측을 감싸도록 설치되는 구성요소이다. 상기 외부 챔버(120)에 의하여 상기 이너 챔버(110) 외측 즉, 상기 이너 챔버(110)와 외부 챔버(120) 사이의 공간에 외부와 차단된 중간 공간(3)을 형성하는 것이다.
여기에서 '중간 공간'이라 함은 상기 이너 챔버(110)와 외부 챔버(120) 사이에 형성되는 공간으로서, 공정 공간(2)과 외부 공간 사이의 중간 지대를 이루며, 공정 진행 중에 공정 공간(2)보다 높은 압력을 유지하여 이너 챔버(110) 내부의 가스가 외부로 유출되지 않도록 차단하는 버퍼 역할을 한다.
그리고 본 실시예에서 상기 외부 챔버(120)는 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 상기 이너 챔버(110)보다 이동 챔버부(200) 방향으로 돌출되어 형성되며, 후술하는 외부 플레이트(220)와 결합할 때, 상기 이너 플레이트(210)보다 외측에서 결합되어 중간 공간을 형성할 수 있는 구조를 가진다.
한편 본 실시예에서 상기 외부 챔버(120)에는 상기 중간 공간에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급부(130)가 더 구비될 수 있다. 이 외부 챔버(120)에 의하여 형성되는 중간 공간(3)은 공정 진행 중에 상기 공정 공간(2)에 존재하는 기체들이 유출되지 않도록 상기 공정 공간(2)보다 높은 압력을 유지하도록 제어되는데, 상기 불활성 가스 공급부(130)에 의하여 지속적으로 불활성 가스가 공급되어 그 압력을 유지하는 것이다.
또한 본 실시예에서 상기 외부 챔버(120) 또는 이너 챔버(110) 외부에는 히터부(도면에 미도시)가 더 설치될 수 있다. 원자층 증착 공정을 위해서는 공정 공간(2) 내부의 온도가 공정에 적합한 온도 예를 들어 50℃ 정도로 유지되어야 한다. 따라서 상기 히터부가 상기 공정 공간(2)의 온도를 원자층 증착 공정에 적합한 온도로 가열하는 것이며, 상기 공정 공간(2) 내의 균일한 온도 분포를 위하여 외부 챔버(120) 또는 이너 챔버(110)의 외측에 설치되는 것이다.
다음으로 상기 이동 챔버부(200)는 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 상기 고정 챔버부(100) 전방에 수평 이동 가능하게 설치되어, 상기 고정 챔버부(100)의 개방된 부분에 분리가능하게 결합하여 밀폐된 상기 공정 공간(2)과 중간 공간(3)을 완성하는 구성요소이다. 즉, 상기 이동 챔버부(200)에 의하여 완전한 상태의 공정 공간(2)과 중간 공간(3)이 완성되는 것이며, 필름의 교체를 위한 위치(P1)와 공정 수행을 위치(P2) 사이를 반복적으로 이동하면서 연속 공정을 진행하게 된다.
이를 위하여 본 실시예에서 상기 이동 챔버부(200)는 구체적으로 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 이너 플레이트(210), 외부 플레이트(220) 및 결합수단(230)을 포함하여 구성될 수 있다. 먼저 상기 이너 플레이트(210)는 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 수평 이동하면서 상기 이너 챔버(110)의 개구부를 차단하여 공정 공간(2)을 형성하는 구성요소이다. 이 이너 플레이트(210)는 단순한 플레이트 형상을 가질 수 있으며, 상기 이너 챔버(110)와의 접촉면에 밀봉부재(도면에 미도시)가 설치될 수 있다.
그리고 상기 외부 플레이트(220)는 수평 이동하면서 상기 외부 챔버(120)의 개구부를 차단하여 중간 공간(3)을 형성하는 구성요소이다. 따라서 상기 외부 플레이트(220)는 단순한 플레이트 형상을 가지며, 외부 챔버(120)와의 접촉면에 밀봉부재(도면에 미도시)가 설치되는 것이 바람직하다.
한편 경우에 따라서 이 외부 플레이트가 이너 플레이트와 별도로 설치되지 않고, 하나로 통합되어 설치될 수도 있을 것이다.
그리고 상기 결합수단(230)은 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 상기 이너 플레이트(210)와 상기 외부 플레이트(220) 사이에 설치되며, 상기 이너 플레이트(210)와 외부 플레이트(220)를 일정 간격 이격된 상태로 평행하게 결합시키는 구성요소이다. 이 결합수단(230)에 의하여 상기 이너 플레이트(210)와 외부 플레이트(220)가 중간 공간(3) 형성 폭과 동일한 폭을 유지한 상태로 결합되는 것이다. 또한 상기 결합수단(230)에는, 상기 이너 플레이트(210)와 외부 플레이트(220)가 동시에 상기 이너 챔버(210) 및 외부 챔버(220)와 완전하게 밀착되도록 하기 위하여 용수철과 같은 탄성수단(도면에 미도시)이 더 구비될 수도 있다.
다음으로 상기 필름 설치부(300)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이동 챔버부(200)에 고정되어 상기 이동 챔버부(200)와 함께 이동하도록 설치되며, 다수개의 피증착필름(F) 롤을 일정한 방향으로 이동가능하게 상기 공정 공간(2) 내에 설치하는 구성요소이다. 즉, 상기 필름 설치부(300)는 상기 이동 챔버부(200)가 공정 위치로 이동한 상태에서 원자층 증착 공정이 진행될 필름(F)을 장착하여 권취된 모든 필름에 원자층 증착 공정이 이루어지도록 필름을 일측에서 타측 방향으로 순차적으로 이동시킬 수 있는 구조를 가진다.
이를 위하여 본 실시예에서 상기 필름 설치부(300)는 구체적으로 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 다수개의 공급롤(310)과 회수롤(320)을 포함하여 구성될 수 있다. 먼저 상기 공급롤(310)은 상기 이너 플레이트(210)와 외부 플레이트(220)를 각각 관통하여 회전 가능하게 설치되며, 원자층 증착 공정이 진행될 피증착 필름(F)이 권취되는 구성요소이며, 다수개의 공급롤(310)이 하나의 이너 플레이트(210)와 외부 플레이트(220)에 설치된다.
한편 상기 회수롤(320)은 상기 공급롤(310)과 하나의 세트를 이루며, 상기 공급롤(310)과 동일한 높이에 일정 간격 이격되어 설치된다. 그리고 상기 회수롤(320)도 공급롤(310)과 마찬가지로, 상기 이너 플레이트(210)와 외부 플레이트(220)를 각각 관통하여 회전가능하게 설치되고 상기 공급롤(310)에서 공급되는 피증착 필름(F)이 권취되는 구성요소이다. 따라서 상기 회수롤(320)도 공급롤(310)과 마찬가지로 다수개가 하나의 이너 플레이트(210)와 외부 플레이트(220)에 설치된다.
이때 다수개의 공급롤(310)과 회수롤(320)은 상하 방향으로 일정 간격 이격되어 설치되는 구조를 가질 수 있으며, 이러한 구조를 가지는 다수개의 공급롤(310)과 회수롤(320)에 의하여 다수개의 필름(F)이 상하 방향으로 일정 간격 이격되어 원자층 증착 공정이 이루어진다. 이렇게 다수개의 공급롤(310)과 회수롤(320)을 하나의 이동 챔버부(200)에 설치하면, 별도의 보조 롤러 없이 다수개의 필름(F)에 대하여 동시에 원자층 증착 공정을 진행할 수 있어서 생산성이 향상되는 장점이 있다. 다만, 본 실시예에서는 공정 공간(2)에 존재하는 공급롤(310)과 회수롤(320)도 필름(F)에 의하여 권취된 상태를 유지하므로 종래의 보조 롤러와 달리 표면에 박막이 증착되지 않고 파티클이 발생하지 않는 장점이 있다.
여기에서 상기 다수개의 공급롤(310)과 회수롤(320)은 도 6에 도시된 바와 같이, 상하 방향으로 교번적으로 엇갈려 설치되는 것이 바람직하다. '교번적으로 엇갈려 설치된다'함은 다수개의 공급롤(310)과 회수롤(320)이 상하 방향으로 일렬로 설치되되, 하나의 공급롤(310)이 설치된 직하측에는 공급롤(310)이 아니라 회수롤(320)이 설치되고, 하나의 회수롤(320)이 설치된 직하측에는 공급롤(310)이 설치되며, 그 다음번에는 다시 서로 설치 위치가 바뀌어 교번적으로 설치되는 것을 말한다. 이렇게 다수개의 공급롤(310)과 회수롤(320)이 교번적으로 엇갈려 설치되면, 공급롤(310)과 회수롤(320)을 최대한 접근시켜서 설치할 수 있어서 공정 공간(2)을 가장 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
다음으로 상기 필름 이동부(400)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이동 챔버부(200)에 고정되어 설치되며, 상기 필름 설치부(300)를 구동시켜 상기 다수개의 피증착필름(F)을 일측 방향에서 타측 방향으로 순차 이동시키는 구성요소이다. 따라서 상기 필름 이동부(400)는 상기 필름 설치부(300)를 이루는 공급롤(310)과 회수롤(320)을 각각 독립적으로 구동시킬 수 있는 모터 등으로 구성될 수 있다.
이를 위하여 본 실시예에서 상기 필름 이동부(400)는 구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 회전부(410), 제2 회전부(420) 및 회전 제어부(도면에 미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. 먼저 상기 제1 회전부(410)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 공급롤(310) 중 상기 외부 플레이트(220) 외측으로 노출된 부분과 결합되어 설치되며, 상기 공급롤(310)을 권취된 피증착 필름(F)이 풀리는 방향으로 회전시키는 구성요소이다. 상기 공급롤(310)이 다수개로 구성되는 경우에 상기 제1 회전부(410)는 하나의 모터 등 구동원이 구비되고, 이에 의하여 동력을 제공받는 구조를 가질 수도 있다.
그리고 상기 제2 회전부(420)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 회수롤(320) 중 상기 외부 플레이트(220) 외측으로 노출된 부분과 결합되어 설치되며, 상기 회수롤(320)을 피증착 필름(F)이 감기는 방향으로 회전시키는 구성요소이다. 이 제2 회전부(420)도 다수개의 회수롤(320)이 설치되는 경우에 하나의 모터와 다수개의 동력 전달 수단 등으로 나뉘어 구성될 수 있다.
또한 상기 회전 제어부는 상기 제1, 2 회전부(410, 420)의 회전속도를 상기 공급롤(310)과 회수롤(320)에 각각 권취되어 있는 피증착 필름(F)에 일정한 장력이 유지되도록 제어하는 구성요소이다. 이렇게 상기 피증착 필름(F)의 일정한 장력과 이동속도 제어는 균일한 박막 증착을 위하여 필수적인 제어 요소이다.
다음으로 상기 펌핑부(500)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 고정 챔버부(100)에 설치되며, 상기 공정 공간(2)과 중간 공간(3)의 기체를 각각 독립적으로 배기하는 구성요소이다. 즉, 상기 펌핑부(500)는 상기 이동 챔버부(200)가 공정 위치로 이동하여 상기 고정 챔버부(100)와 결합하여 밀폐된 공정 공간(2)과 중간 공간(3)이 형성된 상태에서 작동을 시작하여 상기 공정 공간(2)과 중간 공간(3)에 미리 설정된 압력으로 압력을 독립적으로 유지하는 것이다.
이를 위하여 본 실시예에서 상기 펌핑부(500)는 구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 제1, 2 펌핑부(510, 520))로 구성될 수 있다. 먼저 상기 제1 펌핑부(510)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 이너 챔버(110) 중 개구된 부분 반대측 벽에 설치되며, 후술하는 샤워헤드(610)에 의하여 공급되는 가스가 층상 흐름을 유지한 상태로 상기 피증착 필름(F) 사이의 공간을 통과한 후 외부로 배출되도록 배기하는 구성요소이다. 이때 상기 제1 펌핑부(510)는 공정 공간을 통과하는 가스가 층상흐름을 유지한 상태로 배기되어야 하므로, 상기 이너 챔버(110)의 전체 벽면에 걸쳐서 설치되며, 버퍼 공간(도면에 미도시)을 추가로 형성하는 구조를 가질 수도 있다.
그리고 상기 제2 펌핑부(520)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 외부 챔버(120)에 설치되며, 상기 중간 공간(3)에 존재하는 기체를 외부로 배기하는 구성요소이다. 이 제2 펌핑부(520)는 단순하게 상기 중간 공간(3) 내부의 압력을 공정 공간보다 높게 유지하면 되는 것이므로, 상기 외부 챔버(120)의 아무 곳에나 설치되어도 무방하다.
다음으로 상기 가스 공급부(600)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이동 챔버부(200)에 고정되어 설치되며, 상기 공정 공간(2) 내부로 층상 흐름을 형성하도록 소스 가스, 퍼지가스, 반응 가스 및 퍼지 가스 순서로 각 가스를 공급하는 구성요소이다. 즉, 상기 가스 공급부(600)는 본 실시예에 따른 원자층 증착장치(1)에서 시분할 방법에 의하여 원자층 증착 공정이 이루어지도록 공정 공간(2)에 소스 가스, 반응가스 및 퍼지가스를 소스 가스, 퍼지가스, 반응 가스 및 퍼지 가스 순서로 각 가스를 펄스 형태로 공급한다.
이를 위하여 본 실시예에서 상기 가스 공급부(600)는 구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 샤워헤드(610)와 가스 공급 라인(도면에 미도시)을 포함하여 구성될 수 있다. 먼저 상기 샤워헤드(610)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이너 플레이트(210)에 결합되어 설치되며, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 공급롤(310)과 상기 회수롤(320) 사이에서 이동하는 피증착 필름(F)의 이동 방향과 수직한 방향으로 가스들(G1, G2, G3)를 층상 흐름을 유지하도록 분사하는 구성요소이다. 여기에서 상기 샤워헤드(610)는 가스의 이동거리를 최소화하기 위하여 상기 이너 플레이트(210)에 설치되는 것이 바람직하다. 또한 상기 샤워헤드(610)는 다수개의 필름(F)이 상기 이너 플레이트(210)에 설치되는 경우에 각 필름(F)이 이동하는 공간을 기준으로 상기 공정 공간(2)을 다수층처럼 가상으로 나누어 각 층 별로 각 가스를 공급하는 구조를 가진다.
그리고 상기 가스 공급라인은 상기 샤워헤드(610)의 후면에 결합되어 설치되며, 상기 샤워헤드(610)에 소스 가스, 퍼지가스, 반응가스, 퍼지가스 순서로 소스 가스, 퍼지가스 및 반응 가스를 펄스 형태로 공급하는 구성요소이며, 별도로 설치되는 소스 가스 공급 캐니스터, 반응가스 공급 캐니스터 및 퍼지가스 공급 캐니스터와 연결되어 설치된다.
한편 본 실시예에서 상기 샤워헤드(610)는, 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 상기 공급롤(310)과 이너 챔버(110) 측벽 사이의 공간 또는 상기 회수롤(320)과 이너 챔버(110) 측벽 사이의 공간에 설치되는 보조 샤워헤드(620)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이렇게 상기 보조 샤워헤드(620)가 설치되면, 상기 공급롤(310)과 회수롤(320) 설치 공간과 그 외측 공간에도 동일하게 소스가스, 반응가스 및 퍼지 가스가 공급되므로 공급롤(310)과 회수롤(320) 설치 영역에서도 증착이 이루어지는 장점이 있다.
다음으로 상기 수평 이동부(700)는 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 상기 이동 챔버부(200)를 상기 고정 챔버부(100) 방향으로 증착 공정 및 필름 교환 공정에 따라 반복하여 수평 이동시키는 구성요소이다. 전술한 바와 같이, 본 실시예에서 상기 이동 챔버부(200)는 반복적인 공정 수행을 위하여 필름 교환 위치(P1)와 공정 위치(P2)를 반복하여 수평 이동하게 된다. 이 과정에서 상기 수평 이동부(700)가 상기 이동 챔버부(200)를 이동시키는 것이다.
이를 위하여 본 실시예에서 상기 수평 이동부(700)는 구체적으로 도 3, 4에 도시된 바와 같이, 이동 블럭(710), 경로 안내부(720) 및 동력 제공부(730)를 포함하여 구성될 수 있다. 먼저 상기 이동 블럭(710)은 도 2, 3에 도시된 바와 같이, 상기 외부 플레이트(220)에 결합되어 상기 이동 챔버부(200) 전체를 지지하는 구성요소이다. 그리고 상기 경로 안내부(720)는 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 상기 이동 블럭(710) 하부와 결합되어 설치되며, 상기 이동 챔버부(200)의 필름 교환 위치와 공정 위치 사이의 수평 이동 경로를 안내하는 구성요소이다.
다음으로 상기 동력 제공부(730)는 도 3, 4에 도시된 바와 같이, 상기 이동 블럭(710)에 결합되어 설치되며, 상기 이동 블럭(710)의 수평 이동 동력을 제공하는 구성요소이다.
물론 상기 수평 이동부(700)는 이와 다른 다양한 구조로 변화될 수 있을 것이다.
한편 본 실시예에 따른 롤투롤 원자층 증착장치(1)에서 도 6에 도시된 바와 같이, 특성 향상부(800)가 더 구비될 수 있다. 상기 특성 향상부(800)는 상기 다수개의 공급롤(310)과 회수롤(320)에 의하여 이동되는 다수개의 피증착 필름(F) 사이의 공간에 설치되며, 상기 피증착 필름(F)에 증착되는 박막의 특성을 향상시키는 구성요소이다. 구체적으로 상기 특성 향상부(800)는, 열을 발생하는 중간 히터 또는 플라즈마를 발생할 수 있는 전극으로 구성될 수 있다.
1 : 본 발명의 일 실시예에 따른 롤투롤 원자층 증착장치
100 : 고정 챔버부 200 : 이동 챔버부
300 : 필름 설치부 400 : 필름 이동부
500 : 펌핑부 600 : 가스 공급부
700 : 수평 이동부 800 : 품질 향상부

Claims (15)

  1. 특정 위치에 고정된 상태로 설치되며, 원자층 증착 공정이 이루어질 공정 공간과 상기 공정 공간을 외부에서 감싸는 중간 공간을 각각 전면이 개방된 상태로 형성하는 고정 챔버부;
    상기 고정 챔버부 전방에 수평 이동 가능하게 설치되어, 상기 고정 챔버부의 개방된 부분에 분리가능하게 결합하여 밀폐된 상기 공정 공간과 중간 공간을 완성하는 이동 챔버부;
    상기 이동 챔버부에 고정되어 설치되며, 다수개의 피증착필름 롤을 일정한 방향으로 이동가능하게 상기 공정 공간 내에 설치하는 필름 설치부;
    상기 이동 챔버부에 고정되어 설치되며, 상기 필름 설치부를 구동시켜 상기 다수개의 피증착필름을 일측 방향에서 타측 방향으로 순차 이동시키는 필름 이동부;
    상기 고정 챔버부에 설치되며, 상기 공정 공간과 중간 공간의 기체를 각각 독립적으로 배기하는 펌핑부;
    상기 이동 챔버부에 고정되어 설치되며, 상기 공정 공간 내부로 층상 흐름을 형성하도록 소스 가스, 퍼지가스, 반응 가스 및 퍼지 가스 순서로 각 가스를 공급하는 가스 공급부;
    상기 이동 챔버부를 상기 고정 챔버부 방향으로 증착 공정 및 필름 교환 공정에 따라 반복하여 수평 이동시키는 수평 이동부;를 포함하는 다수롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고정 챔버부는,
    전방이 개방된 상태로 공정 공간을 형성하는 이너 챔버;
    상기 이너 챔버와 동일하게 전방이 개방된 상태로 상기 이너 챔버 외측을 감싸도록 설치되며, 상기 이너 챔버 외측으로 외부와 차단된 중간 공간을 형성하는 외부 챔버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 이동 챔버부는,
    수평 이동하면서 상기 이너 챔버의 개구부를 차단하는 이너 플레이트;
    수평 이동하면서 상기 외부 챔버의 개구부를 차단하는 외부 플레이트;
    상기 이너 플레이트와 상기 외부 플레이트 사이에 설치되며, 상기 이너 플레이트와 외부 플레이트를 일정 간격 이격된 상태로 평행하게 결합시키는 결합수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다수롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 필름 설치부는,
    상기 이너 플레이트와 외부 플레이트를 각각 관통하여 회전 가능하게 설치되며, 원자층 증착 공정이 진행될 피증착 필름이 권취되는 공급롤;
    상기 공급롤과 동일한 높이에 일정 간격 이격되어 설치되며, 상기 이너 플레이트와 외부 플레이트를 각각 관통하여 회전가능하게 설치되고 상기 공급롤에서 공급되는 피증착 필름이 권취되는 회수롤;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다수롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공급롤과 회수롤을 동일한 높이에 한 쌍으로 설치되되, 다수개의 공급롤과 회수롤이 상하 방향으로 일정 간격 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 다수롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 다수개의 공급롤과 회수롤은 상하 방향으로 교번적으로 엇갈려 설치되는 것을 특징으로 하는 다수롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 필름 이동부는,
    상기 공급롤 중 상기 외부 플레이트 외측으로 노출된 부분과 결합되어 설치되며, 상기 공급롤을 권취된 피증착 필름이 풀리는 방향으로 회전시키는 제1 회전부;
    상기 회수롤 중 상기 외부 플레이트 외측으로 노출된 부분과 결합되어 설치되며, 상기 회수롤을 피증착 필름이 감기는 방향으로 회전시키는 제2 회전부;
    상기 제2 회전부의 회전속도를 상기 공급롤과 회수롤에 각각 권취되어 있는 피증착 필름에 일정한 장력이 유지되도록 제어하는 회전 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 가스 공급부는,
    상기 이너 플레이트에 결합되어 설치되며, 상기 공급롤과 상기 회수롤 사이에서 이동하는 피증착 필름의 이동 방향과 수직한 방향으로 가스를 층상 흐름을 유지하도록 분사하는 샤워헤드;
    상기 샤워헤드의 후면에 결합되어 설치되며, 상기 샤워헤드에 소스 가스, 퍼지가스, 반응가스, 퍼지가스 순서로 소스 가스, 퍼지가스 및 반응 가스를 펄스 형태로 공급하는 가스 공급 라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다수롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 샤워헤드는,
    상기 공급롤과 이너 챔버 측벽 사이의 공간 또는 상기 회수롤과 이너 챔버 측벽 사이의 공간에도 설치되는 것을 특징으로 하는 다수롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 펌핑부는,
    상기 이너 챔버 중 개구된 부분 반대측 벽에 설치되며, 상기 샤워헤드에 의하여 공급되는 가스가 층상 흐름을 유지한 상태로 상기 피증착 필름 사이의 공간을 통과한 후 외부로 배출되도록 배기하는 제1 펌핑부;
    상기 외부 챔버에 설치되며, 상기 중간 공간에 존재하는 기체를 외부로 배기하는 제2 펌핑부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 외부 챔버에는 상기 중간 공간에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 다수롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치.
  12. 제7항에 있어서, 상기 수평 이동부는,
    상기 외부 플레이트에 결합되는 이동 블럭;
    상기 이동 블럭 하부와 결합되어 설치되며, 상기 이동 챔버부의 필름 교환 위치와 공정 위치 사이의 수평 이동 경로를 안내하는 경로 안내부;
    상기 이동 블럭에 결합되어 설치되며, 상기 이동 블럭의 수평 이동 동력을 제공하는 동력 제공부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 다수개의 공급롤과 회수롤에 의하여 이동되는 다수개의 피증착 필름 사이의 공간에 설치되며, 상기 피증착 필름에 증착되는 박막의 특성을 향상시키는 특성 향상부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 다수롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 특성 향상부는,
    열을 발생하는 중간 히터 또는 플라즈마를 발생할 수 있는 전극인 것을 특징으로 하는 다수롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 외부 챔버 또는 이너 챔버 외부에 설치되며, 상기 공정 공간의 온도를 원자층 증착 공정 온도로 가열하는 히터부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 다수롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착장치.
KR1020160114336A 2016-09-06 2016-09-06 다수의 롤을 구비하는 롤투롤 원자층 증착 장치 KR101866970B1 (ko)

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