KR101992337B1 - 대면적 기판 박막코팅장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대구경 렌즈와 같은 기판의 박막증착을 위한 코팅챔버의 크기를 최소화하면서도 균일한 두께로 박막을 증착할 수 있는 대면적 기판 박막코팅장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 대면적 기판 박막코팅장치는, 코팅챔버 내에서 기판 상에 박막을 진공증착하기 위하여, 상기 코팅챔버의 상부 중앙에서 상기 기판을 공회전시키는 공회전 모터; 상기 코팅챔버의 하부에 위치하는 타겟의 둘레를 감싸도록 장착되는 원통형상으로서, 상기 타겟의 비산각을 조절하는 로드마스크; 상기 타겟의 비산각 범위를 벗어나서 상기 코팅챔버의 일측에 장착되어, 상기 기판에 증착되는 박막의 두께를 측정하는 두께측정기; 상기 로드마스크의 상부 원주면에 다수개의 토출공을 갖는 원형밴드형상의 바디를 형성하고 상기 로드마스크의 내부를 공급통로로 하여 상기 코팅챔버 내에 산소를 공급하는 산소공급기; 상기 산소공급기의 내주면 내측인 상기 로드마스크의 상부 중앙부에 위치하여, 상기 두께측정기가 측정한 상기 기판에 증착된 박막의 두께에 대응하여 상기 타겟의 통과율을 조절하는 수평마스크; 및 상기 타겟과 상기 수평마스크 사이에 개폐 가능하도록 장착되어, 상기 타겟의 비산을 차단하는 셔터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

대면적 기판 박막코팅장치{Thin film coating apparatus for large area optical substrate}
본 발명은 박막코팅장치에 관한 것으로서, 특히 대구경 렌즈와 같은 광학기판의 박막증착을 위한 코팅챔버의 크기를 최소화하면서도 균일한 두께로 박막을 증착할 수 있는 대면적 기판 박막코팅장치에 관한 것이다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따라 기판에 박막을 증착하기 위한 박막코팅장치의 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 일반적인 박막코팅장치에서는 도 1에 도시된 바와 같이 타겟(T)이 위치하는 중심(C)과 최외각에 배치되는 기판(S) 표면과의 거리가 서로 다르기 때문에, 도 2와 같이 기판에 증착되는 박막의 두께가 타겟(T)과의 거리가 가까운 부분은 두껍게 증착되고, 먼 부분은 얇게 증착되어 전체적으로 균일하지 않은 박막이 형성된다.
도 2와 같이 박막이 균일하게 증착되지 않기 때문에 박막의 두께에 발생한 편차로 인하여 광학렌즈의 특성 중 매우 중요한 분광특성을 만족시킬 수 없다. 특히, 이러한 박막의 두께 편차는 기판의 크기가 커질수록 타겟(T)과 기판(S)의 거리 편차가 커지기 때문에 박막의 두께에 대한 오류(Error)값이 커지고, 이에 따라 대면적 광학기판일수록 코팅챔버의 크기가 매우 커져야 하는 문제점이 발생한다.
따라서 도 3에 도시된 바와 같이, 소구경 광학기판의 경우에는 타겟(T)과 기판(S)과의 거리의 편차가 크지 않으므로 균일한 박막의 증착이 가능하다. 도 3은 기판에 균일한 두께의 박막을 증착하기 위한 돔(Dome) 형태의 코팅챔버의 원리를 간략히 도시한 것으로서, 일반적으로 코팅챔버의 직경은 1300-1500mm 정도이고, 코팅이 가능한 기판의 직경은 100mm 이하이다.
그러나 대면적 기판의 경우에는 소구경 기판에만 적용이 가능한 도 3에 도시된 돔 형태의 증착방식을 사용할 수 없고, 도 1 및 도 2에 도시된 방식으로는 균일한 두께를 갖는 박막을 증착할 수 없는 문제점이 있다.
일반적으로 직경이 500mm 정도의 광학기판에 투명박막을 증착하기 위한 코팅챔버는 직경이 약 2500-3000mm 정도로서, 도 4에 도시된 바와 같이 2중축 회전을 통해 박막을 균일한 두께로 증착하고 있다.
도 4는 종래기술에 따른 2중축 박막코팅장치를 간략히 도시한 것으로서, 도시된 바와 같이 제1회전축(12)에 의한 공전과 제2회전축(14)에 의한 자전을 2중으로 수행함으로써 타겟(21)을 기판(13) 상에 균일한 박막으로 증착한다. 그러나 2중축 회전만으로는 미러 또는 다층막 증착에 필요한 균일도(Uniformity)를 얻기 힘들기 때문에, 타겟(21)을 균일도를 높이기 위하여 증착되는 박막의 두께를 두께측정기(15)로 측정하면서 마스크(22,Mask)와 셔터(23, Shutter)를 추가적으로 이용하며, 그 외 산소공급기(24, O2 Port)가 별도로 사용된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기판(13)을 2중축에 의하여 자전과 공전시켜 박막을 증착하는 방식이기 때문에, 박막은 비교적 균일하게 증착되는 반면에, 코팅챔버(10)의 직경 대비 대면적의 기판은 증착할 수 없는 문제점이 있다.
즉, 도 4에 도시된 종래기술에 따른 2중축 코팅방식으로 1500-2000mm 정도의 직경을 갖는 대면적의 기판을 코팅하기 위해서는, 이론적으로 직경이 4500-6000mm인 코팅챔버가 필요하기 때문에, 제조단가가 너무 높아져서 종래에는 1000mm 이상의 대면적 기판을 코팅할 수 없었다.
KR 10-2010-0014598 A (2010.02.10) KR 10-2015-0058860 A (2015.05.29) KR 10-1502816 B1 (2015.03.10)
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 대면적 기판 박막증착을 위하여 코팅챔버를 포함하는 증착장비의 크기를 최소화하면서도 별도의 장비를 사용하지 않고도 박막의 두께를 균일하게 증착할 수 있는 대면적 기판 박막코팅장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 기존의 코팅챔버의 구조를 유지하면서도 마스크모듈의 간편한 설치로 대면적의 기판에 균일한 박막을 증착할 수 있는 대면적 기판 박막코팅장치를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대면적 기판 박막코팅장치는, 코팅챔버 내에서 기판 상에 박막을 진공증착하기 위하여, 상기 코팅챔버의 상부 중앙에서 상기 기판을 공회전시키는 공회전 모터; 상기 코팅챔버의 하부에 위치하는 타겟의 둘레를 감싸도록 장착되는 원통형상으로서, 상기 타겟의 비산각을 조절하는 로드마스크; 상기 타겟의 비산각 범위를 벗어나서 상기 코팅챔버의 일측에 장착되어, 상기 기판에 증착되는 박막의 두께를 측정하는 두께측정기; 상기 로드마스크의 상부 원주면에 다수개의 토출공을 갖는 원형밴드형상의 바디를 형성하고 상기 로드마스크의 내부를 공급통로로 하여 상기 코팅챔버 내에 산소를 공급하는 산소공급기; 상기 산소공급기의 내주면 내측인 상기 로드마스크의 상부 중앙부에 위치하여, 상기 두께측정기가 측정한 상기 기판에 증착된 박막의 두께에 대응하여 상기 타겟의 통과율을 조절하는 수평마스크; 및 상기 타겟과 상기 수평마스크 사이에 개폐 가능하도록 장착되어, 상기 타겟의 비산을 차단하는 셔터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 대면적 기판 박막코팅장치에 있어서, 상기 로드마스크는, 높이를 조정하여 상기 타겟의 비산각을 상기 기판의 반지름에 대응하여 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 대면적 기판 박막코팅장치에 있어서, 상기 수평마스크는, 상기 타겟과 상기 기판까지의 거리에 대응하여, 상기 거리가 길면 통과율이 높고, 상기 거리가 짧으면 통과율이 낮도록 중심으로부터 반지름에 따라 다중 통과율을 갖는 원형밴드형 다중마스크인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 대면적 기판 박막코팅장치는, 상기 로드마스크, 상기 수평마스크, 상기 산소공급기 및 상기 셔터가 일체로 구비되는 마스크모듈로서, 상기 코팅챔버에 탈부착 가능하게 구비되도록 하여, 장비의 설치와 유지보수가 간편하고 신속하게 이루어질 수 있으며, 이로 인해 제조단가를 크게 낮출 수 있도록 제공된다.
전술한 바와 같이 본 발명은 일반적인 광학기판을 비롯하여 대면적 기판에 박막을 증착하기 위하여 기존의 코팅챔버의 구조를 변경하거나 크기를 늘리지 않고도 두께가 균일한 박막을 증착시킬 수 있으므로, 제조단가를 낮출 수 있어 매우 경제적일 뿐만 아니라 코팅챔버의 구조를 변경하거나 크기를 키우는데 따른 부대비용이나 유지비용이 들지 않으므로 매우 효율적인 이점이 있다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 기판에 박막을 증착하기 위한 박막코팅장치의 원리를 설명하기 위한 도면,
도 3은 종래기술에 따른 기판에 균일한 두께의 박막을 증착하기 위한 돔(Dome) 형태의 코팅챔버의 원리를 간략히 나타낸 도면,
도 4는 종래기술에 따른 박막코팅장치의 내부구조도,
도 5는 본 발명에 따른 대면적 기판 박막코팅장치의 내부구조도,
도 6은 도 5의 대면적 기판 박막코팅장치의 마스크모듈의 사시도,
도 7은 도 6의 마스크모듈의 산소공급부의 상면도,
도 8은 도 6의 마스크모듈의 수평마스크의 상면도.
이하에서는 본 발명에 따른 대면적 기판 박막코팅장치에 대한 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시 예는 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것으로, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타낸다. 하기의 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서, 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
아울러 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, "부"의 용어에 대한 의미는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위 또는 모듈 형태를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 혹은 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수도 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 5는 본 발명에 따른 대면적 기판 박막코팅장치의 내부구조도이고, 도 6은 도 5의 대면적 기판 박막코팅장치의 마스크모듈의 사시도이며, 도 7 및 도 8은 도 6의 마스크모듈의 산소공급부 및 수평마스크의 상면도를 각각 나타낸 것이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 대면적 기판 박막코팅장치는 기판(101)의 저면에 박막을 진공증착하기 위한 코팅챔버(100) 내부의 상부 중앙에서 기판(101)을 공회전시키는 공회전 모터(102)와, 코팅챔버(100)의 하부에 위치하는 타겟(104)의 둘레를 감싸도록 장착되는 원통형상으로서, 타겟(104)의 비산각을 상기 기판(101)의 반지름 이내로 제한하는 로드마스크(210)와, 타겟(104)의 비산각 범위를 벗어나는 위치로서 코팅챔버(100)의 일측에 장착되어, 기판(101)에 증착되는 박막의 두께를 측정하는 두께측정기(103)와, 로드마스크(210)의 상부 원주면에 다수개의 산소 토출공(222)을 갖는 원형밴드형상의 바디(221)를 형성하고 로드마스크(210)의 내부를 공급통로로 하여 코팅챔버(100) 내에 산소를 공급하는 산소공급기(220)와, 로드마스크(210)의 상부 중앙부에 위치하여, 두께측정기(103)가 측정한 기판(101)에 증착된 박막의 두께에 대응하여 타겟(104)의 통과율을 조절하는 수평마스크(230) 및 타겟(104)과 수평마스크(230) 사이에 개폐 가능하도록 장착되어, 타겟(104)의 비산을 차단하는 셔터(240)로 구성된다.
상기 공회전 모터(102)는 회전속도의 조절이 가능한 모터로 구비되는 것이 바람직하며, 상기 로드마스크(210)는 높이를 조정하여 타겟(104)의 비산각을 기판(101)의 반지름에 대응하여 조절하도록 높이의 조절이 가능한 형태로 구비되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 수평마스크는 도 8에 도시된 바와 같이, 타겟(104)과 기판(101)까지의 거리에 대응하여, 상기 거리가 길면 통과율이 높고, 상기 거리가 짧으면 통과율이 낮도록 중심으로부터 반지름에 따라 다중 통과율을 갖는 원형밴드형태의 다중마스크로 구비되는 것이 바람직하다.
상기 로드마스크(210)는 타겟(104)으로부터 방사되는 코팅물질마다 방사각이 달라서, 기판(101)의 중앙부와 가장자리에 증착되는 박막의 두께에 편차가 발생하여 기판(101) 전체에 균일한 두께로 박막을 증착하기 어렵기 때문에 비네팅(Vignetting) 효과를 적용하여 중앙부와 가장자리에 증착되는 박막의 편차를 없애기 위한 차페막으로 동작한다.
상기 수평마스크(230)는 로드마스크(210)를 통해 불필요한 가장자리 박막을 차폐함과 아울러, 박막의 균일도를 더 정밀하게 제어하기 위해 중앙부에 증착되는 박막 두께를 최소화하고 가장자리에는 최대한으로 박막이 증착될 수 있도록 한다.
상기 산소공급기(220)는 산화물 계통 물질에 대해선 산소(O2)를 공급하여 산화물 고유 물질이 조성되도록 하기 위한 것으로서, 종래의 코팅챔버(10)에 장착되는 산소공급기(24)의 위치에서는 로드마스크(210)에 의한 차폐로 인해 원활한 산화물 조성비를 얻을 수 없기 때문에 로드마스크(210)의 상단부에 위치한 토출공(222)을 통해 산소를 공급하고, 이를 통해 산화물 계통의 물질이 원활한 산소 결합을 통해 물질 구성이 이루어질 수 있도록 한다.
상기 셔터(240)는 물질마다 녹는점(Melting point)이 다르고, 아웃개싱(Outgassing)이 충분히 이루어지지 않은 상태에서 물질이 코팅되면 벌크(Bulk)한 덩어리 형태로 박막이 증착되어 조밀도에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 물질의 스프리트(Sprit) 현상에 의하여 박막에 영향을 주기 때문에, 이를 사전에 충분히 프리멜팅(Pre-melting)한 후 박막에 증착할 수 있도록 함으로써, 기판(101)에 증착되는 코팅물질의 두께 제어를 수행한다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 로드마스크(210), 수평마스크(220), 산소공급기(230) 및 셔터(240)가 원통형상의 로드마스크(210)를 베이스로 하여 마스크모듈(200)이라는 단일 장치로 구현됨으로써, 코팅챔버(100)에 간편하고 신속하게 탈부착이 가능하며, 이에 따라 장비의 설치와 유지보수가 간편하고 신속하게 이루어질 수 있으며, 이로 인해 제조단가를 크게 낮출 수 있다.
증착을 위해 증발되는 물질은 녹는점, 크기, 모양, 표면크기가 각각 다르므로, 진공 중에 증기화가 발생되어 승화 또는 기화되어 기판(101)으로 비산되는 입자는 하기의 수학식 1과 같이 코사인 분포를 가진다.
Figure 112017048581817-pat00001
따라서 증착되는 박막의 두께는 중심두께에 비해 외곽으로 갈수록 두께가 얇아지므로, 불균일한 두께로 박막이 증착된다.
따라서 본 발명에 따른 대면적 기판 박막코팅장치는 중앙 및 외곽의 두께를 균일하게 가져가기 위하여 로드마스크(210)와 수평마스크(220)를 함께 사용하였으며, 일 실시 예로서, Al2O3 및 SiO2에 대한 툴링값(Tooling factor)을 하기의 표 1과 같이 도출한 후, 이들의 조합을 통해 코팅작업을 수행하고, 기판(101)의 중심에서 외곽으로 150mm마다 박막의 두께를 측정하여 하기의 표 2 및 도 9와 같이 마스크 프로파일(Mask profile)을 산출하였다.
Figure 112017048581817-pat00002
Figure 112017048581817-pat00003
표 2 및 도 9에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 대면적 기판 박막코팅장치는 로드마스크와 수평마스크를 통합 구성함으로써 박막을 균일하게 증착할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 대면적 기판 박막코팅장치는 코팅챔버를 포함하는 증착장비의 크기를 최소화하면서도 별도의 장비를 사용하지 않고도 박막의 두께를 균일하게 증착할 수 있는 대면적 기판 박막코팅장치를 제공할 수 있으며, 기존의 코팅챔버의 구조를 유지하면서도 마스크모듈의 간편한 설치로 대면적의 기판에 균일한 박막을 증착할 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시 예를 중심으로 구체적으로 기술되었으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.
100: 코팅챔버 101: 기판
102: 공회전 모터 103: 두께측정기
104: 타겟 200: 마스크모듈
210: 로드마스크 220: 산소공급기
230: 수평마스크 240: 셔터

Claims (4)

  1. 코팅챔버 내에서 기판 상에 박막을 진공증착하기 위한 박막코팅장치에 있어서,
    상기 코팅챔버의 상부 중앙에서 상기 기판을 공회전시키는 공회전 모터;
    상기 코팅챔버의 하부에 위치하는 타겟의 둘레를 감싸도록 장착되는 원통형상으로서, 높이를 조정하여 상기 타겟의 비산각을 상기 기판의 반지름에 대응하여 조절하는 로드마스크;
    상기 타겟의 비산각 범위를 벗어나서 상기 코팅챔버의 일측에 장착되어, 상기 기판에 증착되는 박막의 두께를 측정하는 두께측정기;
    상기 로드마스크의 상부 원주면에 다수개의 토출공을 갖는 원형밴드형상의 바디를 형성하고 상기 로드마스크의 내부를 공급통로로 하여 상기 코팅챔버 내에 산소를 공급하는 산소공급기;
    상기 산소공급기의 내주면 내측인 상기 로드마스크의 상부 중앙부에 위치하여, 상기 두께측정기가 측정한 상기 기판에 증착된 박막의 두께에 대응하여 상기 타겟의 통과율을 조절하는 수평마스크; 및
    상기 타겟과 상기 수평마스크 사이에 개폐 가능하도록 장착되어, 상기 타겟의 비산을 차단하는 셔터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 대면적 기판 박막코팅장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 수평마스크는,
    상기 타겟과 상기 기판까지의 거리에 대응하여, 상기 거리가 길면 통과율이 높고, 상기 거리가 짧으면 통과율이 낮도록 중심으로부터 반지름에 따라 다중 통과율을 갖는 원형밴드마스크인 것을 특징으로 하는 대면적 기판 박막코팅장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 로드마스크, 상기 수평마스크, 상기 산소공급기 및 상기 셔터가 일체로 구비되는 마스크모듈로서, 상기 코팅챔버에 탈부착 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 대면적 기판 박막코팅장치.
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