KR20030038268A - 유기물 진공증착용 도가니형 증발원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공속에서 도가니에 들어있는 소오스를 가열하여 증발시키는 장치로서, 발열부도가니부, 냉각부로 구성되어있다. 발열부는 도가니에 열을 공급하는 열원으로서 전체 가열 온도편차를 줄일 수 있는 수직배열형 발열체구조로 되어있고, 소오스가 저장되는 도가니부는 온도를 정밀가열 및 정밀제어하기 위하여 이중 도가니 형태로 되어 있는데 외부도가니는 소오스가 담겨있는 내부 도가니에 열을 골고루 전달해 주는 역할을 하고 내부도가니와 외부 도가니 사이에 온도센서를 고정하여 소오스의 실온도를 가장 정확하게 제어할 수 있는 구조로 되어있다. 냉각부는 도가니의 열을 식혀주는 기능을 하는데, 진공용 플랜지 옆면으로 냉각수가 들어가서 이중 튜브구조에 의해 물이 순환되도록 하여 냉각 효율이 높은 구조를 가지고 있다. 그래서 본 발명에 의한 장치는 정밀온도제어가 가능하기 때문에 온도 변화에 따라 증발량이 민감하게 변하는 유기물 진공증착용에 적합하다.

Description

유기물 진공증착용 도가니형 증발원{Crucible-type effusion cell for organic molecular beam deposition}

본 발명은 진공증착용 도가니(Crucible)형 증발원(Effusion Cell)에 관한 것으로, 분자선 증착기(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기물 분자선 증착기(Organic Molecular Beam Deposition)에 필수적으로 사용되는 핵심부품이다. 이 장치들은 불순물 유입이 최대한 배제되어야하는 광소자나 유기디스플레이의 최적 성능을 구현하기 위해 필수적인 장치이다. 특히 유기디스플레이 소자를 제작함에 있어 기존에 사용되는 저항가열식 증발원은 평면형태 또는 코일 형태의 발열체를 사용하여 유기물 소오스 자체의 미세온도 조절이 거의 불가능하고, 불순물 유입 문제를 근본적으로 해결하기 어렵다. 기존에 제작되어 사용되고 있는 고온용 도가니형 증발원의 경우 발열체를 회전체 형태로 성형하거나 판상 저항체를 가공하여 사용하는데 이는 발열 시 열 전달 및 방출이 원활하지 않아 미세한 온도 조절이 불가능하여 증착(Deposition)하고자 하는 박막(Thin Film)의 두께 조절이 불가능하였다. 또한 기존 방법에서의 온도 제어는 도가니 아래 또는 옆면의 표면에 온도 센서를 접촉시켜 제어를 하게 되는데 이 방법은 실제 소오스의 온도와 편차가 많이 나게 되며 소오스 보다 열원과 너무 가까워 실제적인 제어가 불가능하여 200℃ 에서 350℃ 사이의 저온에서는 온도 편차가 설정 온도에서 ±1℃ 이상 벗어나게 된다. 이러한 온도 편차는 특히 유기물과 같이 승화성이 있는 재료를 증착하는데 있어 증발량 조절이불가능한 온도 편차이다. 본 발명의 도가니형 증발원(Effusion Cell)은 기존의 저항가열식 증발원에서는 불가능했던 미세한 온도 조절에 있어 온도편차를 ±0.1℃ 이내로 동작하는 것을 가능하게 한 장치이다.

본 장치는 종래 사용되고 있는 고온용 도가니형 금속 증발원의 저온(200℃ 에서 350℃ 사이)에서의 온도조절 문제를 해결하고자 발명한 것으로서, 열원부는 온도편차를 줄일 수 있는 수직배열형 발열체구조로 만들고, 도가니부는 온도를 정밀가열 및 제어하기 위하여 이중 도가니 형태로 만들었으며, 내부 도가니와 외부 도가니 사이에 온도센서를 고정하여 소오스의 실제온도를 가장 정확하게 제어할 수 있는 구조로 설계하였다. 이 발명으로 저온에서 증발되는 물질, 특히 유기물을 미세 증발 조절하여 박막으로 만들 경우 품질이 우수한 박막을 만들 수 있다.

제1도는 본 유기물용 도가니형 증발원(Effusion Cell) 단면도.

제2도는 본 유기물용 도가니형 증발원(Effusion Cell) 발열체의 평면도 및 입체도.

제3도는 본 유기물용 도가니형 증발원(Effusion Cell) 발열부 절연체의 평면도 및 입체도.

제4도는 본 유기물용 도가니형 증발원(Effusion Cell)의 이중도가니와 온도센서 위치도.

제5도는 본 유기물용 도가니형 증발원(Effusion Cell)의 냉각재킷 평면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

A. 지지부 B. 발열부 C. 냉각재킷 D. 진공용 플랜지

1. 발열체 2. 절연체 3. 내부도가니

4. 외부도가니5. 방열판 6. 셔터

7. 온도 센서8. 전원 연결선9. 지지 기둥

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명인 도가니형 증발원(Effusion Cell)은 대표도와 같이 도가니를 고정시키는 지지부(A), 도가니 주위를 가열하는 발열부(B), 과도한 가열에 따라 축적된 열을 방출하기 위한 냉각재킷(C)으로 구성되어 진공용 플랜지(D)에 장착되어있다. 도 1의 발열체(1)로는 저항선(텅스텐선, 몰리브덴선, 토륨이 첨가된 텅스텐선 등)을 사용할 수 있게 설계되어 있고, 발열저항선이 도 2와 같이 수직방향으로 배열되어 도 1의 외부도가니(4) 주위로 열이 고르게 전달되도록 구성되었다. 이 구조는 수직방향으로 일정한 발열이 가능하여 국부적인 열의 누적을 최소화 할 수 있어 고른 열전달이 가능하게 된다. 연속적으로 이어진 저항선의 절연을 위해 고순도 세라믹(2)을 도 3과 같은 구조로 성형하여 사용하였다. 증발시킬 소오스는 도 1의 석영으로 된 내부 도가니(3) 속에 저장되며, 내부 도가니 외벽에 흑연 도가니(외부도가니)(4)를 사용하여 발열체에서 발생하는 열이 도가니에 빠르고 고르게 전달될 수 있도록 하였다. 온도 제어의 경우 기존 방식에서 탈피하여 최대한 소오스와 가깝게 하여 실제 소오스의 온도에 근접하여 표시가 되도록 하고, 설정 온도에 따라 실제 온도편차를 ±0.1℃ 이내로 줄이기 위해 소오스가 들어있는 석영 도가니 외벽에 흑연으로 된 도가니를 추가로 설치하였다. 흑연은 열전달이 우수하며 불순물 방출이 적은 재료로써, 석영도가니와 흑연 도가니 사이에 온도 센서를 위치시켜 소오스의 실제 온도와 가까우면서 설정온도 제어를 미세하게 편차 내에서 조절이 가능하게 하였다. 열원에서 방출되는 열이 외부로 발산하는 것을 최소화하기 위해 열원 주위에 방열판(5)을 설치하였다. 또한 발열부 및 도가니가 조립된 구조 주위에 냉각 재킷(C)을 장착하여 냉각 기능이 없는 진공장치에서도 사용이 가능하게 하였다. 이 냉각 재킷은 도 5와 같이 진공용 플랜지 옆면으로 냉각수가 들어가서 냉각재킷 외관과 내관 사이를 채운 뒤 상단에 위치한 튜브 형태의 냉각수 배출관(빗금) 끝으로 나오게 함으로써 물이 순환되도록 하였다. 이렇게 함으로서 냉각수의 정체를 방지하여 냉각 효율을 개선할 수 있다.

상기 발명에 의해 증발원의 온도 조절 편차를 ±0.1℃ 이내로 조절할 수 있게 됨으로써, 미세한 두께 조절이 필요한 박막 증착 공정이 가능하게 되었으며, 특히 증발 온도가 낮으면서 온도 변화에 민감한 유기물박막 증착 장비에도 사용할 수 있게 되었다.

Claims (3)

1. 도 2와 같이 증발원(Effusion Cell)의 가열원으로 수직방향배열형 발열체 구조를 사용한 것과 발열체의 절연 및 지지시키기 위하여 도 3과 같은 모양의 절연체 구조를 사용한 것.
2. 도 4와 같이 증발원(Effusion Cell)의 도가니를 이중으로 사용한 구조와 온도 센서를 이중 도가니 사이에 위치시켜 소오스의 실온제어에 유리하게 한 구조.
3. 도 5와 같이 진공용플랜지 옆면으로 냉각수가 들어가서 냉각재킷 외관과 내관 사이를 채운 뒤 상단에 위치한 튜브 형태의 냉각수 배출관 끝으로 나오게 함으로써 물이 순환되도록 한 구조.