KR102648128B1 - 수직 선형 증발원 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 수직증착 시스템에서 수직형 선형증발원이 높이에 따라 균일한 물질 분포를 나타내고, 증발원 내압을 적정 수준으로 유지할 수 있는 수직형 선형증발원을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은 다수의 도가니들이 층별로 수직 배치된 수직형 선형증발원을 제공한다.

Description

수직 선형 증발원{Vertical Linear Evaporation Source}

본 발명은 기판의 표면에 박막을 형성하기 위하여 증착 물질을 증발시키는 증발원에 관한 것으로 지면에 수직으로 배치된 기판에 물질을 증발시켜 상기 기판 표면에 박막을 형성 하는 수직 증발원에 관한 것이다.

진공 증착 공정이란 금속이나 비금속의 작은 조각을 진공 속에서 가열하여 그 증기를 기판 표면에 부착시키는 공정을 말한다. 상기 공정에서 가열하기 위한 장치를 증발원이라 한다. 증발원은 크게 재료를 가열하기 위한 히터부, 히터부의 내측에 위치하며 재료를 담기 위한 도가니부, 증발 물질이 상기 도가니에서 외부로 토출되는 노즐부, 상기 히터부 외부에 위치하여 히터부에서 발생한 열이 외부로 방출되는 것을 최소화하기 위한 열 반사판부 등으로 구분된다. 증착공정은 증발시키고자 하는 물질을 도가니에 담고 히터를 통해 열을 전달하여 도가니 내부의 물질을 증발 시키고 이렇게 증발된 물질이 일정한 형태의 노즐을 통해 분출되어 기판에 증착되어 이루어진다. 물질이 도가니 내부에서 증발되어 외부로 토출되는 방향과 증발되는 물질의 토출 분포가 노즐의 형상과 구조에 따라 결정된다.

차세대 디스플레이로 주목 받고 있는 OLED는 상기 증착공정을 통하여 제작된다. 상기 디스플레이의 응용분야가 핸드폰 등의 소형 디스플레이에서 점차 테블릿, 노트북 등의 중형 IT 제품, 그리고 TV 등의 대형 제품으로 확대될 것으로 보고 되고 있다. 상기 중형 IT제품 및 대형 제품에 OLED 디스플레이를 적용하기 위해서는 기판의 대형화가 필요하다. 소형 OLED 디스플레이를 생산하는 시스템은 기판을 지면에 수평하게 이송하면서 OLED 재료를 상향 증착하는 방식을 적용하고 있다. 기판의 대형화에 있어서, 기존의 수평 이송 상향 증착 방식(수평 증착방식)은 기판의 중력에 의한 처짐 현상으로 인해 그 한계가 있다.

그에 따라 기판을 수직으로 배치한 상태에서 물질을 증착하는 수직 증착 시스템이 고려되어 왔다. 수직 배치된 기판에 적용될 선형증발원은 도 1과 같이 수직 방향으로 길게 연장된 형태로 구현될 수 있다. 즉, 선형증발원의 하단부에 도가니를 배치하고 도가니 위로 길게 연장된 노즐부에 다수의 노즐을 수직으로 배열하여 도가니에서 위로 증발된 물질이 수직 배열된 노즐들로부터 분사되어 수직 기판에 증착한다.

이러한 수직 증착 시스템은 도가니로부터 증발된 물질이 도달하는 높이가 일정하지 않을 수 있고, 그에 따라 높이별로 증착 물질의 분포가 달라질 수 있는 문제를 지닌다.

즉, 종래의 수직증착시스템의 경우 물질면 A'에서 개구부 상부와 하부까지의 거리가 상이하므로 분사되는 각도가 서로 다르게 된다(공개특허 10-2006-0084042 참조). 이로 인하여 기판 상에 증착되는 박막의 두께가 불균일하게 될 수 있고 이는 소자의 불량을 초래하게 된다. 물질면 A'에서 증발된 물질이 개구부까지 이동했을 때 증발된 물질이 개구부 상부에 도달하는 양과 하부에 도달하는 양이 다르다. 따라서 개구부 상부에 도달하는 물질이 분사되는 각도 θ1과 개구부 하부에 도달하는 물질이 분사되는 각도 θ2는 상이하게 된다(θ1<θ2).

또한, 증발물이 도가니로부터 선형증발원의 최상단에 이르도록 조절할 경우, 도1에서 나타나는 바와 같이 종래 수평 증발원에 비해 가열되는 부피가 감소되어 동일 증발량을 가열하려면 더 큰 열에너지가 필요하게 된다. 이는 물질 변성을 초래하는 원인이 될 수 있다.

종래 기술은 도가니에 충진되는 물질의 양에 비해 낭비되는 도가니 공간이 있기 때문에 증발원의 부피에 비교하여 적은양의 물질을 충진하게 된다. 이는, 생산라인의 연속가동 시간을 감소시키게 되는 원인이 되며 생산 효율이 크게 떨어지게 된다.

공개특허 10-2008-0014316호는 수직 증착시스템으로서, 선형 증발원은 수평 방향으로 길게 구성한 상태로 상하 스캔하는 방식을 제안한다. 그러나 이러한 구성은 수직 길이 방향으로 배열된 선형증발원에 대해 수직 배열된 기판이 수평 이동하는 것에 비해 증발원의 스캔동작이 안정적이지 못하다.

본 발명의 목적은 수직증착 시스템에서 수직형 선형증발원이 높이에 따라 균일한 물질 분포를 나타내고, 증발원 물질에 가해지는 열을 최소화하는 수직형 선형증발원을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 도가니의 공간을 활용하여 수직형 구조임에도 물질 충진량을 증대시켜 생산효율을 증대시키고자 한다.

상기 목적에 따라 본 발명은 다수의 도가니들이 층별로 수직 배치된 수직형 선형증발원을 제공한다.

상기 수직형 선형증발원은, 수직방향으로 길게 연장된 도가니를 넣는 증발원을 구비하고, 증발원의 일면은 노즐부가 배열되는 개구부로 구성되며, 증발원 내부에 다수의 도가니가 상하로 층상 배열되고, 이러한 도가니의 층상 배열을 위한 도가니 고정용 지지부가 다층 선반과 같이 구성되며, 도가니 지지부에 안착된 도가니 상부는 증발물이 이동할 수 있는 공간을 지니고, 도가니 일측면부이자 상기 증발원의 개구부를 커버하는 이너 플레이트가 배열되고, 이너 플레이트 외측에 노즐부가 배열된다.

본 발명에 따르면, 물질면 A''에서 각 개구부까지의 거리가 동일하므로 개구부 상부에 도달하는 물질의 각도 θ3과 개구부 하부에 도달하는 물질의 각도 θ4는 동일하다(θ3≒θ4). 그 결과 대면적 기판에 균일한 증착 두께 분포를 확보할 수 있다.

또한, 하나의 도가니에 의해 한정되는 물질 충진량이 다수의 도가니에 의해 확장되므로, 동일 부피의 종래 수직증발원에 비교하여 더욱 많은 물질 충진량과 열에너지를 받는 면적 증가로 인해 더 낮은 온도에서 높은 증발률을 나타낼 수 있다.

도 1은 종래 수평 증발원과 수직 증발원을 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수직 증발원의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수직 증발원에서 도가니 구조를 일체형으로 구성한 것을 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 수직 증발원 내부 도가니 고정방법을 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 수직 증발원 내부 도가니 상단마다 내부 이너 플레이트가 설치된 것을 설명하는 사시도와 단면도이다.
도 6은 본 발명의 수직 증발원에 대해 실시간 물질 소모량을 계측할 수 있는 로드셀을 설치한 것을 설명하는 사시도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 수직 증발원의 구조를 보여주는 단면도이다.

증발원의 냉각부(100)는 냉각기능을 가지며, 그 안쪽에 히터가 도가니를 가열하도록 배치되고 외부로부터 도가니가 장착될 수 있다. 히터 안쪽에 다수의 내부 도가니(220)가 층상 배열된 도가니부(200)가 안착된다. 도가니부(200)는 다수의 내부 도가니(220)가 서로 간격을 두고 높이를 달리하여 배치될 수 있도록 지지부(275)를 포함한 외부 도가니를 구비한다. 도가니부(200) 내측에 서로 간격을 두고 높이를 달리하여 배치되는 내부 도가니(220)들은 수직 배치된 선형증발원 상에서 마치 다수의 서랍이 수직으로 배치된 것과 같은 형태를 나타낸다. 높은 위치에까지 물질을 담는 내부 도가니가 존재하므로 수직 배치되어도 물질이 쏟아지지 않고 높은 위치에서 물질을 증발시킬 수 있다.

내부 도가니(220)들은 내부에 담긴 물질의 상면(물질면) 위에 여유 공간을 갖는 높이이고, 증발물이 날아갈 수 있도록 도가니 상단과 지지부재 몸체 사이에도 여유 공간을 갖는다. 증발원 하우징(100)은 도가니들이 층상으로 안착될 수 있도록 육면체 형태 또는 원통형으로 구성되되, 육면 중 일면 또는 원통의 측면 일부는 물질의 증발을 위한 개구부(210)로 된다. 각 내부 도가니 내부의 물질이 증발하여 상승한 다음, 상기 개구부에 설치된 노즐을 통해 분사되어 기판(10)에 박막을 형성한다. 상기 개구부는 노즐 안쪽에 이너 플레이트(400)가 설치되어 도가니 위치를 고정하는데 도움을 주며, 증발원 내압을 제어한다. 이너 플레이트(400)는 개구부를 갖거나 다공성 재질로 되어 증발물을 통과시키며, 개구부의 크기나 방향을 조절하여 소자의 불량을 초래하는 뭉쳐진 입자의 통과를 막는다.

이너 플레이트 외측에 다수의 노즐을 구비한 노즐부가 설치되며, 각층의 내부 도가니로부터 증발된 물질이 각 내부 도가니 상부의 개구부를 통과하고 이너 플레이트를 통과하여 다수의 노즐을 통해 기판으로 분사된다.

또한, 각각의 내부 도가니 상단마다 내부 이너 플레이트가 배열될 수 있다.

이와 같은 구성은 다수의 내부 도가니에 의해 분사되는 증발물의 높이에 따른 분사각도 편차, 물질 분포 편차를 줄여 대면적 기판에 균일한 박막을 형성한다. 수직 선형증발원 상단쪽 노즐(230)과 하단쪽 노즐(240)에 의한 물질 분사 각도 θ3와 θ4는 실제 서로 다른 도가니로부터 분사되어 증발원 하단에 하나의 도가니로부터 분사될 때에 비해 편차가 크게 줄어든다. 즉, 종래 기술에서 하나의 도가니가 수직 선형증발원의 하단에 배치되어 높은 위치에서 분사되는 물질 각도 θ1이 높은 위치에서 분사되는 물질 각도 θ2에 비해 작게 형성되는 것과 달리, 본 발명의 수직 선형 증발원은 층마다 내부 도가니가 존재하여 각각의 내부 도가니로부터 분사되는 증발물의 분사각도는 거의 일정하다(θ3=θ4).

그에 따라 대면적 수직 기판에 균일한 박막을 형성할 수 있다. 이때 수직형 선형 증발원은 상하 스캔이 필요없고, 기판의 수평이동 또는 선형 증발원의 수평방향의 스캔만 실시한다.

또한, 내부 도가니 각각에 담긴 물질면 A''이 하나의 도가니에 의할 경우보다 도가니 수만큼의 배수로 증가하여 도가니 내압의 적정 수준을 유지할 수 있다. 이는 물질면이 좁을 경우, 상부에 이를 수 있는 추진력을 증발물에 부여하기 위해 강한 열을 가하여야 하는 것과 달리, 각각의 내부 도가니는 자신의 물질면과 가까운 노즐을 통해 물질을 분사하기 때문에 더 적은 양의 가열로도 충분히 증발물의 추진력을 발휘할 수 있기 때문이다.

내부 도가니 지지부재는(270) 외부 도가니 내벽면에 음각 또는 양각의 구조를 하고있으며, 내부 도가니는 외벽면에 양각 또는 음각의 구조를 하고있다. 이는 외부 도가니 안에 내부 도가니 지지부재(270)를 통해 내부 도가니가 좌우 움직임에 대해 위치를 한정한다.

또한, 이너플레이트(400)의 배열이 외부 도가니를 커버하도록 함으로써 내부 도가니의 앞뒤 움직임에 대해 위치를 한정한다.

내부 도가니 지지부재는 외부 도가니(290) 내벽면에 음각 또는 양각의 구조를 하고 있으며, 내부 도가니를 기준으로 그 외벽면에 양각 또는 음각의 구조를 하고 있다.

다수의 도가니를 적용하기 때문에 대면적 기판에 대해 장시간 공정을 실시할 수 있는 충분한 물질양을 담을 수 있으며, 도가니 수와 그들이 배열되는 층수는 제한적이지 않고 필요에 따라 선택할 수 있다.

상기에서, 노즐부 안쪽에 배치된 이너 플레이트(400)는 내부 도가니(220)가 이탈되는 것을 방지하는 방지체 역할을 겸용하며, 각각의 선반형 지지부(275)에 탑재된 내부 도가니(220) 위에 있는 내부 이너플레이트의 물질 증발 경로를 유도하는 역할을 한다.

도 3은 본 발명에 따른 수직 증발원에서 도가니 구조를 일체형으로 구성한 것을 보여주는 단면도이다.

도가니부(200)는 층마다 개별적으로 물질이 담길 수 있도록 저면부(260)와 격벽(250)을 층마다 구비한다. 즉, 도가니부(200)는 물질을 담을 수 있는 공간과 담긴 물질로부터 증발된 증발물이 분사될 수 있는 개구부(210)가 층마다 존재하도록, 마치 다수의 도가니가 층상 배열된 것과 같은 형상으로 구성되되, 일체형으로 구성된다.

도가니 저면부(260)는 층간 파티션과 같이 구성되고, 격벽(250)은 저면부(260)로부터 상부로 연장되며 상단부는 개구부(210)가 존재한다. 저면부(260)와 격벽(250)은 모두 하나의 도가니부 몸체(벽면 형태일 수 있다)에 일체화되어 있어, 일체형 층상 도가니를 이룬다.

일체형 도가니부(200)가 구성된 경우도, 수직 선형증발원의 측면(물질 분사되는 면을 뜻함)에 이너 플레이트(400)가 배열되고, 이너 플레이트(400) 외측에 다수의 노즐을 구비한 노즐부가 설치된다. 또한, 물질이 충진되는 개개의 층상 도가니 마다 상단에 내부 이너 플레이트(410)가 배열될 수 있다(도 5 참조).

이너 플레이트에 의한 도가니부의 지지, 개구부에 설치되는 노즐 등 다른 구성은 도 2와 같다.

한편, 도 6은 본 발명의 수직 증발원에 대해 실시간 물질 소모량을 계측할 수 있는 로드셀(650)을 설치한 것을 보여준다. 수직 증발원의 측벽을 지지하는 증발원 레그(600)가 설치되고, 상기 증발원 레그 하단에 로드셀(650)이 설치된다. 로드셀(650)에 의해 수직 증발원의 물질 소모량은 실시간 계측될 수 있어, 그에 따라 증착률을 예측할 수 있다. 도 6의 우측에는 좀 더 정밀한 물질 소모량 계측을 위하여 로드셀 인버티드 구조물(670)을 추가한 것을 보여준다. 'T'자형의 증발원 레그를 양단에서 지지하여 로드셀에 인가되는 수직 증발원의 무게를 감소시켜 로드셀의 무게측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 'T'자형의 증발원 레그는 수직 증발원의 양 측면에 각각 설치되어 수직 증발원을 지지하여 로드셀에 수직 증발원의 무게가 온전히 인가되게 하며, 'T'자 부분에서 양단부를 지지하는 로드셀 인버티드 구조물은 상술한 바와 같이 로드셀에 걸리는 증발원의 무게를 감소시킨다.

즉, 수직 증발원의 무게 전부가 로드셀에 인가될 경우, 증발된 물질 무게의 감소량이 본래 증발원 무게에 비해 미미하여 실시간 물질 소모량에 대한 계측 감도가 떨어질 수 있어, 로드셀 인버티드 구조물(670)을 설치하여 로드셀에 걸리는 증발원 무게를 기본적으로 덜어내어, 로드셀로 하여금 미소량의 변화에 대해 정밀하게 반응하도록 한 것이다. 로드셀 인버티드 구조물은 증발원 레그를 지지하는 방식 외에 수직 증발원의 저면 부를 직접 지지하는 것으로 구성될 수도 있다.

한편, 본 발명의 수직 증발원 적용되는 수직 기판은 지면에 대해 완전한 수직 각도를 이루는 수직 기판 외에, 약간의 기울기를 갖도록 배치되는 직립형 기판으로 변형 실시될 수 있다. 즉, 지면에 대해 수직으로 배치된 수직 기판을 필요에 따라 기울기를 부여하여 배치할 수 있으며, 기울기는 대략 연직면으로부터 ±20°일 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

기판(10)
냉각부(100)
도가니부(200)
개구부(210)
상단쪽 노즐(230)
하단쪽 노즐(240)
내부 도가니(220)
히터(300)
이너 플레이트(400)
내부 이너 플레이트(410)
저면부(260)
격벽(250)
내부 도가니 지지부재 (270)
지지부(275)
외부 도가니(290)

Claims (9)

1. 서로 간격을 두고 상하로 층상 배열된 다수의 내부 도가니와 상기 내부 도가니들을 층상 배열되게 지지하는 도가니 고정용 지지부를 포함한 도가니부;
   상기 도가니들로부터 증발된 증발물을 기판에 증착시키도록 증발물을 분사하기 위한 노즐부;
   도가니를 가열하는 히터;
   상기 노즐부 안쪽에 배열되고, 개구부를 갖거나 다공성 재질로 되어 증발물을 통과시켜 증발물의 경로를 안내하고 도가니부의 위치를 안정화하고 도가니 내압을 제어하는 이너 플레이트; 및
   상기 내부 도가니 상부에 배열되는 내부 이너 플레이트;
   상기 노즐부는 층상 배열된 도가니 측면에 노즐부의 상하 길이를 따라 다수 배열된 노즐을 구비하고,
   도가니 고정용 지지부는 다수의 도가니가 각각 지지되는 다층 선반 형태로 구성되고 내부 도가니는 각각의 선반에 안착되게 하고,
   이너 플레이트 외측에 다수의 노즐을 구비한 노즐부가 설치되며, 각층의 내부 도가니로부터 증발된 물질이 각 내부 도가니 상부의 개구부를 통과하고 이너 플레이트를 통과하여 다수의 노즐을 통해 기판으로 분사되는 것을 특징으로 하는 수직 증발원.
2. 수직방향으로 길게 연장된 도가니 몸체와 상기 몸체 내부에 층상 배열된 다수의 저면부와 상기 저면부로부터 위로 연장된 격벽을 구비하여 층마다 물질을 넣을 수 있는 다수의 층상 도가니를 이루는 도가니부;
   상기 도가니부의 측면에 상기 몸체 길이를 따라 배열된 노즐부;
   상기 도가니부를 가열하는 히터;
   상기 노즐부 안쪽에 배열되고, 개구부를 갖거나 다공성 재질로 되어 증발물을 통과시켜 증발물의 경로를 안내하고 도가니부의 위치를 안정화하고 도가니 내압을 제어하는 이너 플레이트; 및
   상기 다수의 층상 도가니 상부에 배열되는 내부 이너 플레이트;를 포함하고,
   상기 도가니부는 상기 층상 도가니 마다 그 측면에 상기 노즐부로 향해 증발물이 이동할 수 있는 개구부를 구비하고,
   상기 노즐부는 수직 방향을 따라 다수의 노즐을 구비하고,
   상기 층상 도가니의 개구부는 상기 노즐부의 노즐을 향해 열려 있고,
   이너 플레이트 외측에 다수의 노즐을 구비한 노즐부가 설치되며, 각층의 내부 도가니로부터 증발된 물질이 각 내부 도가니 상부의 개구부를 통과하고 이너 플레이트를 통과하여 다수의 노즐을 통해 기판으로 분사되는 것을 특징으로 하는 수직 증발원.
   
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수직 증발원의 저면에 수직 증발원의 무게를 실시간 측정할 수 있는 로드 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 증발원.
7. 제6항에 있어서, 상기 로드 셀과 연결되고 수직 증발원의 측면을 지지하는 증발원 레그와, 상기 증발원 레그를 지지하거나 수직 증발원 저면을 직접 지지하는 로드 셀 인버티드 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 증발원.
8. 제1항 또는 제2항의 수직 증발원; 및
   상기 수직 증발원의 수직 방향에 나란히 수직 배열된 기판;을 포함하고,
   상기 수직 증발원에 대해 상기 기판이 수평 이동되거나, 상기 수직 증발원이 상기 기판에 대해 수평 이동하면서 기판에 물질을 증착하는 것을 특징으로 하는 수직 증착 시스템.
9. 제1항 또는 제2항의 수직 증발원; 및
   상기 수직 증발원에 의해 물질이 증착될 기판으로서, 연직면에 대해 경사진 각도로 기울어진 직립형으로 배치된 기판;을 포함하고,
   상기 수직 증발원에 대해 상기 기판이 수평 이동되거나, 상기 수직 증발원이 상기 기판에 대해 수평 이동하면서 기판에 물질을 증착하는 것을 특징으로 하는 수직 증착 시스템.