KR102219583B1 - 파우더 원자층 증착 장치 - Google Patents

파우더 원자층 증착 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 파우더 원자층 증착 장치는 중심축을 기준으로 회전할 수 있으며, 파우더가 적재될 수 있는 메쉬부; 상기 중심축을 기준으로 회전할 수 있으며, 상기 메쉬부를 둘러싸도록 배치되며, 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 통과시킬 수 있도록 구성된 샤워헤드부; 상기 샤워헤드부의 일측에 배치되어 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스를 공급할 수 있도록 구성된 가스공급라인부; 및 상기 샤워헤드부의 타측에 배치되어 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스를 외부로 배기할 수 있도록 구성된 가스배기라인부; 를 포함한다.

Description

파우더 원자층 증착 장치{Device for atomic layer depositing on powder}
본 발명은 원자층 증착 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 파우더 상에 코팅막을 형성할 수 있는 파우더 원자층 증착 장치에 관한 것이다.
원자층 증착 공정으로 사용되는 바렐형 원자층 증착 장치의 경우 파우더 많은 양의 파우더를 장입할 수 있다는 장점이 있지만 파우더 상에 코팅막을 형성하는 과정 중에 파우더와 접촉하지 않고 유실되는 소스가스량이 많아 효율이 낮으며 코팅 균일도가 낮다는 단점이 있다. 또한, 플로다이징 방식의 원자층 증착 장치의 경우 코팅 균일도가 우수하나 공정 챔버의 크기 대비 처리할 수 있는 파우더의 양이 매우 적어 생산수율이 낮은 문제점이 있다.
1. 공개특허공보 10-2014-0107843 (2014년09월05일)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 파우더와 접촉하지 않고 유실되는 소스가스량을 최소화하여 효율을 개선하며 코팅 균일도가 높으며, 공정 챔버의 크기 대비 처리할 수 있는 파우더의 양을 증가시켜 생산수율을 현저하게 높일 수 있는 파우더 원자층 증착 장치를 제공함에 있다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 파우더 원자층 증착 장치를 제공한다. 상기 파우더 원자층 증착 장치는 중심축을 기준으로 회전할 수 있으며, 파우더가 적재될 수 있는 메쉬부; 상기 중심축을 기준으로 회전할 수 있으며, 상기 메쉬부를 둘러싸도록 배치되며, 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 통과시킬 수 있도록 구성된 샤워헤드부; 상기 샤워헤드부의 일측에 배치되어 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스를 공급할 수 있도록 구성된 가스공급라인부; 및 상기 샤워헤드부의 타측에 배치되어 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스를 외부로 배기할 수 있도록 구성된 가스배기라인부; 를 포함한다.
상기 파우더 원자층 증착 장치에서, 중력 방향과 상기 샤워헤드부에서 상기 가스공급라인부로 신장하는 방향 사이의 각도는 상기 샤워헤드부가 회전하는 방향을 기준으로 0도 보다 크고 90도 보다 작도록 구성될 수 있다.
상기 파우더 원자층 증착 장치에서, 상기 가스공급라인부에서 상기 샤워헤드부로 가스가 인입하는 방향과 상기 샤워헤드부에서 상기 가스배기라인부로 가스가 배기되는 방향은 상기 중심축을 지나면서 일직선을 형성할 수 있다.
상기 파우더 원자층 증착 장치는, 상기 중심축을 중심으로 회전하지 않고 고정되며, 상기 샤워헤드부와 이격되어 상기 샤워헤드부를 둘러싸는 챔버; 및 상기 가스공급라인부와 연통되면서 상기 챔버와 상기 샤워헤드부 사이의 이격공간의 일부를 한정하도록 구성된 가스 차단 격벽; 을 더 포함할 수 있다.
상기 파우더 원자층 증착 장치에서, 상기 메쉬부 및 상기 샤워헤드부는 상기 중심축을 중심으로 하는 종단면 상에서 원형이며 상기 중심축을 따라 신장하는 형상을 가지는 원통형일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 대용량의 파우더를 처리할 수 있으며 생산 단가 측면에서 원료가스를 절감할 수 있는 파우더 원자층 증착 장치를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치의 구성을 개요적으로 도해하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치를 도해하는 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 파우더 원자층 증착 장치의 부분절개 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치의 구성을 개요적으로 도해하는 단면도이다.
도 5는 도 4의 파우더 원자층 증착 장치에서 공정이 진행되는 양상을 도해하는 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 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. 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
본 실시예를 설명하는 과정에서 언급하는 "상의" 또는 "하의" 와 같은 용어들은 도면에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 상대적인 관계를 기술하기 위해 사용될 수 있다. 즉, 상대적 용어들은 도면에서 묘사되는 방향과 별도로 구조체의 다른 방향들을 포함하는 것으로 이해될 수도 있다. 예를 들어, 도면들에서 구조체의 상하가 뒤집어 진다면, 다른 요소들의 상면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "상의" 및 "하의" 방향 모두를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예를 설명하는 과정에서, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치하거나, 다른 구성요소에 "(전기적으로) 연결"된다고 언급할 때는, 상기 구성요소는 상기 다른 구성요소의 직접 상에 위치하거나, 상기 다른 구성요소에 직접 (전기적으로) 연결되는 것을 의미할 수도 있으나, 나아가, 하나 또는 둘 이상의 개재하는 구성요소들이 그 사이에 존재할 수 있음을 의미할 수도 있다. 하지만, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소의 "직접 상에" 위치하거나, 다른 구성요소에 "직접 (전기적으로) 연결"된다거나, 또는 다른 구성요소에"직접 접촉"한다고 언급할 때는, 별도의 언급이 없다면 그 사이에 개재하는 구성요소들이 존재하지 않음을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치의 구성을 개요적으로 도해하는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치를 도해하는 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 파우더 원자층 증착 장치의 부분절개 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치(100)는 중심축(110)을 기준으로 회전할 수 있는 회전체(130)를 포함한다. 중심축(110)은 회전체(130)의 일측과 결합된 구동축(110a) 및 회전체(130)의 타측과 결합된 지지축(110b)을 포함한다.
회전체(130)는 내부에 적재된 파우더에 대하여 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스가 플로우되면서 물질막이 증착되는 공간을 포함한다. 구체적으로, 회전체(130)는 파우더가 적재될 수 있는 메쉬부(131); 상기 중심축(110)을 기준으로 회전할 수 있으며, 상기 메쉬부(131)를 둘러싸도록 배치되며, 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 통과시킬 수 있도록 구성된 샤워헤드부(135);를 구비할 수 있다.
상기 메쉬부(131) 및 상기 샤워헤드부(135)는 상기 중심축(110)을 중심으로 하는 종단면 상에서 원형이며 상기 중심축(110)을 따라 신장하는 형상을 가지는 원통형의 형상을 포함할 수 있다.
메쉬부(131)는 파우더를 적재하면서 동시에 파우더가 배기에 의해서 외부로 유실되는 것을 방지하도록 각각의 메쉬의 관통홀의 크기가 파우더의 직경 보다 작도록 구성될 수 있다. 상기 메쉬의 관통홀의 직경은 메쉬부(131)의 내측부에서 외측부까지 일정할 수 있다.
한편, 이와 다른 변형된 실시예도 가능하다. 예를 들어, 원통형의 메쉬부(131)를 구성하는 상기 메쉬의 관통홀의 직경은 메쉬부(131)의 내측부의 직경이 작고 메쉬부(131)의 외측부의 직경이 넓도록 구성될 수도 있다. 즉, 원통형인 메쉬부(131)의 내측부에서는 파우더가 메쉬부(131)를 이탈하지 않도록 관통홀의 직경이 상대적으로 작고 원통형인 메쉬부(131)의 외측부에서는 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스가 원활하게 유동될 수 있도록 관통홀의 직경이 상대적으로 클 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치(100)는 상기 샤워헤드부(135)의 일측에 배치되어 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스를 공급할 수 있도록 구성된 가스공급라인부(220); 및 상기 샤워헤드부(135)의 타측에 배치되어 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스를 외부로 배기할 수 있도록 구성된 가스배기라인부(320); 를 포함한다. 가스공급라인부(220)와 가스배기라인부(320)는 회전체(130)와 달리 고정되어 배치된다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치(100)는 회전체(130)를 내장하는 챔버(140)를 포함한다. 챔버(140)는 회전하지 않고 고정된 원통형의 형상을 포함할 수 있다. 챔버(140)의 외부는 파우더의 온도를 증가시켜 줄 수 있는 히터(120)가 제공될 수 있다. 챔버(140)의 양단 중 적어도 어느 하나에는 파우더 장입과 수거를 위해 도어(125)를 설치할 수 있다. 예를 들어, 챔버(140)의 우측에 도어(125)를 설치할 수 있으며, 이를 위해 챔버(140)의 좌측에 구동축(110a)이 구성되고 챔버(140)의 우측에 지지축(110b)이 구성될 수 있다.
챔버(140)의 내측벽과 회전체(130)의 외측벽 사이는 이격공간(147)이 존재하여 회전체(130)가 챔버(140) 내에서 원활하게 회전될 수 있는 공간을 확보할 수 있다. 한편, 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스가 가스공급라인부(220)에서 샤워헤드부(135)로 유입되기 전에 챔버(140)의 내측벽과 회전체(130)의 외측벽 사이의 이격공간(147)을 거친다. 나아가, 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스가 샤워헤드부(135)로부터 가스배기라인부(320)로 펌핑 배기되기 전에 챔버(140)의 내측벽과 회전체(130)의 외측벽 사이의 이격공간(147)을 거친다.
도면에서는, 편의상 가스공급라인부(220)와 가스배기라인부(320)의 라인 갯수를 각각 단수로 도해하였으나, 필요에 따라서, 챔버(140)의 사이즈에 따라 가스공급라인부(220)의 라인 갯수를 횡축으로 증가시킬 수 있으며, 챔버(140) 내부의 컨덕턴스 유지를 위해 가스배기라인부(320)의 라인 갯수를 증가시킬 수 있다.
가스공급라인부(220)와 가스배기라인부(320)는 중심축(110)을 중심으로 서로 반대방향으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 가스공급라인부(220)는 회전체(130)를 구성하는 샤워헤드부(135)의 하방에 배치되며, 가스배기라인부(320)는 회전체(130)를 구성하는 샤워헤드부(135)의 상방에 배치될 수 있다. 따라서, 가스공급라인부(220)에서 가스배기라인부(320)까지 이동하는 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스의 흐름은 하방에서 상방의 방향을 가지므로, 파우더를 중력의 반대방향으로 소정의 높이만큼 이동시켜 코팅막이 형성되는 대상체인 파우더를 적절하게 교반하는 효과를 제공할 수 있다. 나아가, 파우더가 적재되는 메쉬부(131)가 중심축(110)을 기준으로 회전하므로 다량의 파우더가 교반되는 효과를 배가할 수 있다.
지금까지 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치(100)의 경우 기존의 파우더 설비와 달리 챔버 하부에서 소스가스를 공급하여 파우더에 직접적으로 소스가스를 전달하여 파우더 접촉없이 유실되는 소스가스량을 최소화하여 효율을 극대화 시켰으며 메쉬부 회전을 통해 파우더가 균일하게 혼합되게 함으로서 코팅 균일도의 최대화를 구현할 수 있다. 나아가, 이러한 장점을 통해 작은 부피의 챔버에서 파우더 장입량을 최대화하여 처리량을 극대화할 수 있다. 기존 파우더 설비의 가장 큰 단점은 공정 챔버 사이즈 대비 처리할 수 있는 파우더의 양이 매우 적다(예를 들어, 챔버 부피의 20 내지 30%만 장입이 가능)는 것이었으나 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치(100)의 경우 50% 이상 장입 및 처리가 가능해 생산 수율이 200% 이상 증가됨을 확인하였다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치(100)의 구성을 개요적으로 도해하는 단면도이고, 도 5는 도 4의 파우더 원자층 증착 장치에서 공정이 진행되는 양상을 도해하는 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치(100)는 가스공급라인부(220)가 샤워헤드부(135)로 인입되는 방향과 샤워헤드부(135)로부터 가스배기라인부(320)로 배기되는 방향이 샤워헤드부(135)가 회전하는 방향을 고려하여 틸트(tilt)되는 구성을 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치(100)에서, 중력 방향과 샤워헤드부(135)에서 가스공급라인부(220)로 신장하는 방향 사이의 각도(θ)는 샤워헤드부(135)가 회전하는 방향(R)을 기준으로 0도 보다 크고 90도 보다 작도록 구성될 수 있다.
샤워헤드부(135)가 회전하지 않는 경우 대부분의 파우더(150)는 원통형의 메쉬부(131)의 내측 하부에 배치되지만, 샤워헤드부(135)가 회전하는 경우 회전하는 방향(R)으로 파우더(150)가 이동하게 된다. 즉, 파우더(150)에 미치는 중력과 원심력의 합력에 의하여 도 5에 도시된 것처럼 메쉬부(131) 상에 배치되는 파우더(150)의 위치는 변경될 수 있다. 따라서, 파우더(150)에 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스를 유효하게 공급하기 위해서 가스공급라인부(220)는 중력 방향으로부터 소정의 각도(θ) 만큼 틸트되어 구성될 수 있다. 한편, 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스의 원활한 배기를 위하여 가스배기라인부(320)는 가스공급라인부(220)와 반대방향으로 배치되는 것이 바람직하므로, 가스배기라인부(320)도 중력 방향에서 틸트되어 구성될 수 있다. 즉, 가스공급라인부(220)에서 샤워헤드부(135)로 가스가 인입하는 방향과 샤워헤드부(135)에서 가스배기라인부(320)로 가스가 배기되는 방향은 중심축(110)을 지나면서 일직선을 형성하되, 중력 방향과 소정의 각도만큼 틸트되어 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치(100)는 챔버(140)의 내측벽과 회전체(130)의 외측벽 사이의 이격공간(147)을 한정하여 국부적인 부분에 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스를 공급하도록 구성된 가스 차단 격벽(145)을 포함한다. 가스 차단 격벽(145)에 의하여 파우더(150)가 위치하는 부분에 집중적으로 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스를 공급할 수 있다. 물론, 이러한 가스 차단 격벽(145)의 구성은 도 1에 개시된 파우더 원자층 증착 장치(100)에도 적용할 수 있다.
구체적으로, 가스 차단 격벽(145)에 의하여 챔버(140)의 내측벽과 회전체(130)의 외측벽 사이의 이격공간(147)은 가스공급라인부(220)와 연통되는 제 1 공간(147a)과 가스공급라인부(220)와 연통되지 않는 제 2 공간(147b)으로 구분될 수 있다. 회전체(130)의 회전에 의하여 원심력을 받은 파우더(150)가 위치하는 부분과 가스공급라인부(220)와 연통되는 제 1 공간(147a)이 대응되도록 회전체(130)의 회전속도와 가스 차단 격벽(145)의 위치를 상호 조율하여 설계할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치(100)에 대한 그 외의 다른 구성요소에 대한 설명은 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 내용과 동일하므로 생략한다.
도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 본 발명의 다른 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치(100)의 경우 기존의 파우더 설비와 달리 챔버 하부에서 소스가스를 공급하여 파우더에 직접적으로 소스가스를 전달하여 파우더 접촉없이 유실되는 소스가스량을 최소화하여 효율을 극대화 시켰으며 메쉬부 회전을 통해 파우더가 균일하게 혼합되게 함으로서 코팅 균일도의 최대화를 구현할 수 있다. 나아가, 이러한 장점을 통해 작은 부피의 챔버에서 파우더 장입량을 최대화하여 처리량을 극대화할 수 있다. 기존 파우더 설비의 가장 큰 단점은 공정 챔버 사이즈 대비 처리할 수 있는 파우더의 양이 매우 적다(예를 들어, 챔버 부피의 20 내지 30%만 장입이 가능)는 것이었으나 본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 원자층 증착 장치(100)의 경우 50% 이상 장입 및 처리가 가능해 생산 수율이 200% 이상 증가됨을 확인하였다.
지금까지 본 발명의 기술적 사상에 따른 파우더 원자층 증착 장치(100)를 다양한 실시예들을 도입하여 설명하였다. 원자층 증착 공정(ALD)은 원자층 단위로 증착하는 진공 공정으로 단차 피복 특성이 매우 우수하며 수 nm 단위의 두께 조절이 가능하여 사이즈가 작은 파우더 표면을 코팅하는데 매우 유리한 공정이다. 이러한 장점을 최대화시켜 본 발명에서는 플루다이징(fludizing) 방식의 파우더 코팅 설비에 챔버를 회전시키면서 소스를 공급하여 최소한의 챔버 사이즈에서 최대한 많은 양의 파우더를 균일하게 코팅하는 장치를 구현하였다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 파우더 원자층 증착 장치
110 : 중심축
110a : 구동축
110b : 지지축
120 : 히터
130 : 회전체
131 : 메쉬부
135 : 샤워헤드부
140 : 챔버
145 : 가스 차단 격벽
147 : 이격공간
150 : 파우더
220 : 가스공급라인부
320 : 가스배기라인부

Claims (5)

  1. 중심축을 기준으로 회전할 수 있으며, 파우더가 적재될 수 있는 메쉬부;
    상기 중심축을 기준으로 회전할 수 있으며, 상기 메쉬부를 둘러싸도록 배치되며, 원료가스, 반응가스 및 퍼지가스를 통과시킬 수 있도록 구성된 샤워헤드부;
    상기 샤워헤드부의 일측에 배치되어 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스를 공급할 수 있도록 구성된 가스공급라인부; 및
    상기 샤워헤드부의 타측에 배치되어 원료가스, 반응가스 또는 퍼지가스를 외부로 배기할 수 있도록 구성된 가스배기라인부; 를 포함하되,
    중력 방향과 상기 샤워헤드부에서 상기 가스공급라인부로 신장하는 방향 사이의 각도는 상기 샤워헤드부가 회전하는 방향을 기준으로 0도 보다 크고 90도 보다 작은 것을 특징으로 하는,
    파우더 원자층 증착 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스공급라인부에서 상기 샤워헤드부로 가스가 인입하는 방향과 상기 샤워헤드부에서 상기 가스배기라인부로 가스가 배기되는 방향은 상기 중심축을 지나면서 일직선을 형성하는,
    파우더 원자층 증착 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중심축을 중심으로 회전하지 않고 고정되며, 상기 샤워헤드부와 이격되어 상기 샤워헤드부를 둘러싸는 챔버; 및
    상기 가스공급라인부와 연통되면서 상기 챔버와 상기 샤워헤드부 사이의 이격공간의 일부를 한정하도록 구성된 가스 차단 격벽; 을 더 포함하는,
    파우더 원자층 증착 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 메쉬부 및 상기 샤워헤드부는 상기 중심축을 중심으로 하는 종단면 상에서 원형이며 상기 중심축을 따라 신장하는 형상을 가지는 원통형인 것을 특징으로 하는,
    파우더 원자층 증착 장치.

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