KR101997750B1

KR101997750B1 - 인너 플레이트 및 이를 구비하는 증발원

Info

Publication number: KR101997750B1
Application number: KR1020180135960A
Authority: KR
Inventors: 진승욱
Original assignee: 진승욱
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2019-07-08

Abstract

본 발명은 인너 플레이트 및 이를 구비하는 증발원에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도가니(210)의 내부에 구비되는 금속 메쉬망(110)을 포함하며, 상기 메쉬망(110)의 개구율은 20~70%인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 도가니의 내압을 효과적으로 증가시키면서도, 상기 증발원 내부의 온도가 상부로 빠르게 전달되어 인너 플레이트 또는 캡의 홀 주위에 증착물질이 성장하는 현상을 방지하며, 증착물질의 차등 소진을 막고, 박막의 균일도를 높일 수 있다는 장점이 있다.

Description

인너 플레이트 및 이를 구비하는 증발원{INNER PLATE AND EVAPORATION SOURCE HAVING THE SMAE}

본 발명은 인너 플레이트 및 이를 구비하는 증발원에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 도가니의 내부에 구비되는 인너 플레이트를 열전도도가 높은 금속망으로 구성함으로써, 인너 플레이트 상에 증착물질이 성장하는 것을 방지하는 것은 물론, 증착물질의 차등소진을 막아 박막의 균일도를 높이는 인너 플레이트 및 이를 구비하는 증발원에 관한 것이다.

기판에 박막을 형성하는 일반적인 방법으로서, 진공 증착법, 이온 플래이팅법(ion-plating) 및 스퍼터링법(sputtering) 등과 같은 물리 기상 증착법(PVD)과, 가스 반응에 의한 화학 기상 증착법(CVD) 등이 잘 알려져 있다. 그 중에 진공 증착법은 유기전계발광 소자의 유기막, 전극 등과 같은 박막을 형성하는 데 사용될 수 있다.

상기 진공 증착법은 진공 챔버의 하부에 구비되는 증발원과 그 상부에 성막용 기판을 설치하여 박막을 형성하는 기술이다. 진공 증착법을 이용한 박막 형성 장치는 일반적으로 진공 펌프를 이용하여 진공 챔버의 내부를 일정한 진공 분위기로 유지시킨 후, 진공 챔버의 하부에 배치된 증발원으로 부터 박막 재료인 증착물질을 증발시키도록 구성된다. 진공챔버의 내부에는 증발원과 일정 거리를 두고 설치된 성막용 기판이 위치하게 된다. 따라서, 도가니에서 증발된 증착물질은 성막용 기판으로 이동되어 흡착, 증착, 재증발 등의 연속적 과정을 거쳐 성막용 기판 위에 고체화되어 얇은 박막을 형성한다.

진공 증착법에 사용되는 증발원으로는 소위 간접 가열 방식으로 불리는 유도 가열 방식의 증발원(effusion cell)이 많이 사용되고 있다. 이러한 증발원은 그 내부에 박막재료인 증착물질이 수용되는 도가니(crucible)와 도가니의 외주면에 감겨져 전기적으로 가열하는 가열장치로 구성된다. 도가니에 수용된 증착물질이 증발될 때 증발되는 증기가 도가니 외부로 나갈 수 있도록 도가니 상부는 개방된다. 상기 증착물질이 증발될 때, 증착물질이 증발원 외부로 튀는 현상(splash) 등을 방지하고 성막용 기판에 형성되는 막 두께의 재현성을 확보하기 위하여 도가니 상부에는 통상 소정 크기의 홀을 구비한 캡이 설치된다.

그러나 이러한 구조의 증발원은 도가니 상부에 형성되어 있는 홀에 의해 도가니 상부에서 열손실이 과다하게 발생하게 된다.

따라서, 이러한 열손실을 방지하기 위하여 도가니의 중공부에는 인너 플레이트(Inner plate)를 설치한다. 상기 인너 플레이트는 상부면과 하부면 사이에 많은 온도 차이가 발생함에 따라 상기 인너 플레이트의 상면부에 증착물질이 증착되어 성장하는 현상이 발생한다. 또한, 상기 인너 플레이트에 의해 증발원 내부의 온도가 상부로 잘 전달되지 않아 캡의 홀 주위에도 증착물질이 성장하는 현상이 발생함으로써, 증착 공정의 증착 속도를 불안정하게 하는 문제가 있다.

이러한 단점을 해소하고자 대한민국 등록특허 제10-1015336호에서는 베이스 부재; 베이스 부재 내에 제1층 공간과 제2층 공간을 구획하도록 베이스 부재의 두께 방향에서 그 중간 부분에 설치되는 격벽; 베이스 부재의 하부측에 제1층 공간을 노출시키는 유입구; 베이스 부재의 상부측에 제2층 공간을 노출시키는 유출구; 제1층 공간과 베이스 부재의 외측면을 연통하는 제1채널; 및 베이스 부재의 외측면과 제2층 공간을 연통하는 제2채널을 구비하는 인너 플레이트를 통해 증착물질의 경로를 직선 형태에서 우회 곡선 형태로 변경하면서 도가니의 내압을 증가시키는 방법을 제안하였다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-0712217호에서는 하나 이상의 개구부가 구비된 인너 플레이트를 다단으로 구비함으로써, 도가니의 내압을 증가시키면서도, 증착물질의 스플래쉬 현상을 방지하도록 하였다.

그러나 선행문헌들은 인너 플레이트 간 온도차를 완전히 해소하지 못해 인너 플레이트 상에 증착물질이 성장하는 문제를 해소하지 못하였으며, 과도한 내압으로 인해 증발원의 파손이 초래될 수 있다는 단점이 있었다. 또한, 다단의 인너 플레이트로 인해 도가니 내에 증착물질을 충분히 채울 수 없는 단점도 있었다.

KR 10-1015336 B1 KR 10-0712217 B1

따라서, 본 발명의 목적은 도가니의 내부에 구비되는 인너 플레이트를 열전도도가 높은 금속망으로 구성함으로써, 도가니의 내압을 증가시키면서도, 상기 증발원 내부의 온도가 상부로 빠르게 전달되어 인너 플레이트 또는 캡의 홀 주위에 증착물질이 성장하는 현상을 방지하는 인너 플레이트 및 이를 구비하는 증발원을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 증착물질의 차등 소진을 막고, 박막의 균일도를 높일 수 있도록 하는 인너 플레이트 및 이를 구비하는 증발원을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인너 플레이트는, 도가니의 내부에 구비되는 금속 메쉬망을 포함하며, 상기 메쉬망의 개구율은 20~70%인 것을 특징으로 한다.

상기 메쉬망은 그래핀 코팅된 금속 와이어로 이루어지며, 상기 금속은 니켈 또는 구리이고, 상기 와이어의 두께는 0.1~1mm인 것을 특징으로 한다.

상기 그래핀 코팅된 금속 와이어는, 금속 와이어를 플라즈마 화학기상증착법에 의해 300~800℃의 온도에서 10~100W의 RF 파워로 그래핀으로 코팅한 것으로, 그래핀 코팅층의 두께는 1~30nm인 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 의한 인너 플레이트를 구비하는 증발원은, 상부가 개구되고, 내부에 증착물질이 수용되는 도가니와, 상기 도가니의 외부에 구비되어 열을 공급하는 열공급부를 포함하는 본체와; 상기 본체의 도가니 내부에 구비되는 상기한 인너 플레이트와; 상부에 홀이 구비되고, 상기 본체의 상단부에 결합되는 캡;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 도가니의 내압을 효과적으로 증가시키면서도, 상기 증발원 내부의 온도가 상부로 빠르게 전달되어 인너 플레이트 또는 캡의 홀 주위에 증착물질이 성장하는 현상을 방지하며, 증착물질의 차등 소진을 막고, 박막의 균일도를 높일 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 인너 플레이트의 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 인너 플레이트가 구비된 증발원의 사시도.
도 3은 본 발명에 의한 인너 플레이트가 구비된 증발원의 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 증발원인 구비된 증착 장치를 개략적으로 나타낸 개략도.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 인너 플레이트(Inner plate)(100)는, 증착 장치의 증발원(1) 중 본체(200)의 도가니(210) 내부에 구비되는 것으로, 상기 인너 플레이트(100)를 통해 스플래쉬 등을 방지하고, 인너 플레이트(100) 또는 캡(300)의 홀 주위에 증착물질이 성장하는 것을 방지하는 것은 물론, 증착물질의 차등 소진을 막고, 박막의 균일도를 높이는 것이다.

먼저, 본 발명에 의한 인너 플레이트(100)를 첨부된 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 인너 플레이트(100)는, 도가니(210)의 내부에 구비되는 금속 메쉬망(110)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명은 상기 인너 플레이트(100)를 열전도도가 높으면서도 특정 개구율을 갖는 금속 메쉬망(110)으로 구성함으로써, 금속 메쉬망(110)의 상, 하면 간 온도 차이가 없어 증착물질(M)이 메쉬망(110) 상에 성장하는 문제를 개선하며, 소량의 전압만으로도 증착물질(M)이 빠르게 증발될 수 있어 효율적이며, 증착물질(M)의 차등소등을 막고, 박막의 균일도를 유지할 수 있도록 해준다.

본 발명의 인너 플레이트(100)는 상기 금속 메쉬망(110)의 개구부(111)의 크기 및 개구율을 조절하여 본체(200)의 도가니(210)에 충분한 내압을 가하고, 증착물질(M)의 이동 경로를 용이하게 확보하는 것이다.

본 발명에서 상기 메쉬망(110)의 개구율은 20~70%인 것이 바람직한데, 개구율이 70%를 초과하는 경우 도가니(210) 내 내압을 충분히 높일 수 없으며 차등소진을 방지할 수 없고, 20% 미만일 경우 과도한 내압으로 인하여 도가니(210)가 파손될 수 있으며, 박막의 형성 속도가 느려짐에 따라 박막의 균일도에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.

본 발명에서 상기 메쉬망(110)은 열전도도가 높은 금속인 구리, 은, 금 등으로 구성될 수 있다. 그러나 가장 바람직하게 그래핀 코팅된 금속 와이어로 이루어지며, 상기 금속은 니켈 또는 구리일 수 있다.

즉, 상기와 같이 그래핀 코팅된 금속 와이어로서 메쉬망(110)을 구성할 경우, 구리 등과 비교할 수 없을 정도의 높은 열전도도로 인해 종래에 비해 낮은 온도에서도 유기물질이 빠르게 증발됨으로써, 증착물질(M)의 차등소진이 효과적으로 방지되며, 박막의 균일도를 높이는 것은 물론, 인너 플레이트(100) 상에 증착물질(M)이 성장할 수있는 가능성을 제거하는 것이다.

여기서, 상기 그래핀 코팅된 금속 와이어는 금속 와이어를 플라즈마 화학기상증착법에 의해 300~800℃의 온도에서 10~100W의 RF 파워로 그래핀으로 코팅하는 것이다. 이를 보다 구체적으로 설명하면, 먼저 금속 와이어, 가장 바람직하게는 구리 또는 니켈 와이어를 준비하고, 상기 와이어를 플라즈마 처리용 챔버 내로 로딩한다. 그리고 진공펌프를 통해 챔버 내부를 낮은 진공, 예시적으로 5×10^-6Torr 이하로 만든 후, 상기 챔버 내로 플라즈마 발생 가스를 Ar과 탄소함유가스의 비가 약 120:1 sccm~120:30sccm이 되도록 흘려준다. 여기서, 상기 탄소함유가스로는 CH₄, C₂H₂, C₂H₄ 또는 CO 등이 사용될 수 있다. 흘려주는 가스가 정상상태(steady state)에 도달하면, 약 10W 내지 100W의 RF 파워(플라즈마 발생 파워)를 가한다. 이때, 플라즈마 처리시 챔버 내의 압력은 약 10 mTorr 내지 50 mTorr로 한다. 이러한, 플라즈마 화학기상증착법은 약 300~800℃의 온도에서 수행하며, 이러한 그래핀 형성 공정은 약 3~9분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 상기와 같이, 플라즈마 처리가 완료되면, 플라즈마 발생 파워의 공급을 중단하고, 곧바로 플라즈마 발생 가스의 공급을 차단하고, 챔버 내에 잔존하던 플라즈마 발생 가스가 충분히 배기되면 챔버를 벤트(vent)시킨다. 챔버 벤트가 완료되면 상기 와이어를 챔버로부터 언로딩하는 것이다.

이때, 상기한 공정을 통해 형성된 그래핀 코팅층의 두께는 1~30nm인 것이 바람직한바, 우수한 열전도도, 기계적 특성 등을 갖도록 하기 위함이다.

또한, 상기 코팅 후 와이어의 두께는 0.1~1mm인 것이 바람직한데, 와이어의 두께가 0.1mm 미만이면 플레이트가 쉽게 변형되고, 1mm를 초과하더라도 증진된 작용효과를 나타내지 못하기 때문이다.

즉, 종래 인너 플레이트(100)는 메쉬망의 형태가 아닌, 하나 이상의 개구부가 형성된 개구판을 이용하였는바, 이러한 개구판 형태의 인너 플레이트는 인너 플레이트의 상, 하면 간 온도차가 발생할 수밖에 없어 인너 플레이트 상에 증착물질(M)이 성장하는 문제가 있었다. 또한, 증착물질(M)의 차등소진을 방지할 수 없으며, 증착물질(M)의 경로를 우회곡선으로 함으로써 제조비용이 증가하며, 박막의 효율적인 형성이 어려운 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 전기전도도가 우수한, 특히 그래핀 코팅된 금속 와이어로 이루어진 금속 메쉬망(110)을 포함하는 인너 플레이트(100)를 통해 이러한 종래 인너 플레이트의 단점을 모두 개선하는 것이다.

아울러, 상기 인너 플레이트(100)는 고정부(120)를 더 구비할 수 있는데, 상기 고정부(120)는 일단이 상기 메쉬망(110)의 외주면에 일체로 고정되고, 타단이 상기 도가니(210)의 내주면 상단부에 고정되어 메쉬망(110)을 지지한다. 아울러, 이러한 고정부(120) 외 다양한 방법으로 상기 인너 플레이트(100)를 상기 도가니(210) 내부에 고정시킬 수 있는바, 그 방법을 제한하지 않는다.

한편, 본 발명에서 상기 증착물질(M)은 유기막을 형성하기 위한 유기물이나 도전층을 형성하기 위한 도전 재료를 포함한다. 유기막은 유기다이오드 또는 유기 EL(electro luminescence) 소자의 유기 발광층(emitter layer)을 포함하며, 그 외 전자 수송층, 정공 수송층, 정공 주입층 및 전자 주입층을 더 포함할 수 있다. 전자수송층, 정공 수송층, 정공 주입층 및 전자 주입층은 유기 화합물로 이루어진 유기 박막들이다. 그리고 도전 재료는 유기막에 적층식으로 형성되는 양극 또는 음극을 포함한다.

이하, 본 발명의 인너 플레이트(100)를 포함하는 증발원(1)에 대하여 도 2 내지 도 3을 참조하여 설명한다.

본 발명에 의한 증발원(1)은 상부가 개구되고, 내부에 증착물질(M)이 수용되는 도가니(210)와, 상기 도가니(210)의 외부에 구비되어 열을 공급하는 열공급부(220)를 포함하는 본체(200)와; 상기 본체(100)의 도가니(210) 내부에 구비되는 상기한 인너 플레이트(100)와; 상부에 홀(320)이 구비되고, 상기 본체(200)의 상단부에 결합되는 캡(300);을 포함한다.

먼저, 상기 본체(200)의 도가니(210)는 증착물질(M)을 수용할 수 있는 내부공간(211)이 형성되며, 그 상부는 증발된 증착물질(M)이 이동하기 위해 개구되어 있다. 상기 도가니(210)는 고온 및 고압의 분위기에 사용 가능하도록 흑연 등의 재료로 구성됨이 바람직하다.

아울러, 상기 본체(200)는 열을 공급하여 도가니(210) 내 증착물질(M)을 가열하여 증발시키기 위한 열공급부(220)가 상기 도가니(210)의 외부에 구비된다. 예시적으로, 상기 열공급부(220)는 상기 도가니(210)의 외주면에 고정 부착되어 열을 공급하는 열선일 수 있다.

그리고 상기 인너 플레이트(100)는 앞서 설명한 바와 같이, 금속 메쉬망(110)망을 포함하여 높은 열전도도로 상기 인너 플레이트(100) 상에 증착물질(M)이 성장하는 것을 방지하고, 박막의 균일도를 높이는 역할을 한다. 상기 인너 플레이트(100)에 대한 설명은 앞서 충분히 설명되었으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

다만, 상기 인너 플레이트(100)의 금속 매쉬망(110)의 외주연부와 상기 도가니(210)의 내주연부가 서로 맞닿도록 설치됨은 당연하며, 상기 인너 플레이트(100)의 고정부(120)를 통해 상기 도가니(210)의 내부공간(211)에 설치되는 것은 당연하다. 아울러, 이외 다양한 방법을 통해 설치될 수도 있다.

또한, 상기 캡(300)은 도가니(210)의 상단부와 결합되며, 내측이 중공되어 있고, 상면부에는 넥(310)이 형성되어 있다. 아울러, 상기 막두께의 재현성을 확보하기 위하여 상기 캡(300)의 상부에는 소정 크기를 가지는 홀(320)이 형성된다. 이때, 상기 홀(210)은 상기 넥(310)의 내측에 형성되어 있다. 본 발명에서 상기 캡(300)과 본체(100)의 결합방법은 제한하지 않으며, 공지된 다양한 형태로 결합될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 증발원(1)의 작용을, 첨부된 도 4를 통해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 증발원(1)이 구비된 증착 장치(A)는 진공 분위기가 형성된 진공챔버(6) 내에 증착물질(M)이 내부공간(211)에 주입된 증발원(1)이 위치하고, 상기 증발되는 증착물질(M)의 개폐를 제어하기 위하여 셔터(2)가 상기 증발원(1)의 상부에 위치하며, 기판(3)의 막 두께를 측정하기 위한 센서(4)와 상기 진공챔버(6) 내에 진공 분위기를 형성하기 위한 진공펌프(5)가 구비된다.

상기 증착 장치(A)를 이용하여 기판(3)을 증착하기 위해서는, 증발원(1)의 내부공간(211)에 증착물질(M)을 주입한다. 이 상태에서 열공급부(220)에 소정의 전압을 인가하여 도가니(210)를 가열함으로써, 상기 증착물질(M)이 가열되어 승화되도록 한다.

상기 증착물질(M)이 승화되는 과정에서 상기 도가니(210)의 내부공간(211)에서 증착물질(M)의 급격한 증발시 증착물질(M)이 분자 단위가 아닌 작은 덩어리 단위로 증발되는데, 상기 도가니(210)에는 인너 플레이트(100)가 구비되어 있으므로, 덩어리로 증발하는 증착물질(M)이 메쉬망(110)을 통과하여 기판(3)에 증착되는 것을 방지한다. 그리고 상기 인너 플레이트(100)의 개구부(111) 통과한 증착물질(M)은 캡(300)의 홀(320)로 토출되고, 기판(2)에 도달하여 흡착, 증착, 재증발 등의 연속적 과정을 거치며 상기 기판(3) 상에 고체화되어 박막을 형성한다.

이때, 상기 도가니(210)의 내부공간(211)에 구비된 인너 플레이트(100)는 구리나 금 또는 은 등의 열전도도가 좋은 금속, 또는 그래핀 코팅된 금속으로 형성됨으로써, 상기 열공급부(220)으로부터 열이 전달되어도 메쉬망(110)의 상면부와 하면부 사이에 온도 차이가 없어 상기 메쉬망(110)의 상면부나 캡(300)의 홀(320)에 증착물질(M)이 성장하는 문제점 없이 증착공정을 수행할 수 있는 것이다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당 업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

1: 증발원
100: 인너 플레이트 110: 메쉬망
200: 본체 210: 도가니
220: 열공급부
300: 캡 320:홀

Claims

도가니(210)의 내부에 구비되는 금속 메쉬망(110)을 포함하되,
상기 금속 메쉬망(110)은 그래핀 코팅된 금속 와이어로 이루어지고,
상기 금속 메쉬망(110)의 개구율은 20~70%이며,
상기 그래핀 코팅된 금속 와이어는,
금속 와이어를 플라즈마 화학기상증착법에 의해 300~800℃의 온도에서 10~100W의 RF 파워로 그래핀으로 코팅한 것으로,
상기 금속은 니켈 또는 구리이며,
상기 그래핀 코팅된 금속 와이어의 두께는 0.1~1mm이고,
그래핀 코팅층의 두께는 1~30nm인 것을 특징으로 하는 인너 플레이트.
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상부가 개구되고, 내부에 증착물질이 수용되는 도가니(210)와, 상기 도가니(210)의 외부에 구비되어 열을 공급하는 열공급부(220)를 포함하는 본체(200)와;
상기 본체(200)의 도가니(210) 내부에 구비되는 제1항의 인너 플레이트(100)와;
상부에 홀(320)이 구비되고, 상기 본체(200)의 상단부에 결합되는 캡(300);을 포함하는 것을 것을 특징으로 하는 인너 플레이트가 구비된 증발원.