KR200354762Y1 - 스퍼터 방법을 이용한 광학박막의 제작장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 스퍼터 방법을 이용한 광학박막의 제작장치에 관한 것으로서 특히, 스퍼터 증착장치를 이용하여 반사율 투과율 등의 광학적 특성을 목적에 맞도록 변화시키는 광학박막을 형성하기 위한 것으로, 스퍼터 챔버(미도시)의 중앙측에 설치되어 회전되는 중심축(10)과; 상기 중심축(10)에 설치되어 회전하는 회전패널(20)과; 상기 중심축(10)에 맞물리는 연결축(30)과; 상기 회전패널(20)의 가장자리측에 설치되어 상기 연결축(30)에 연결되어 회전하고, 물질이 증착되는 곡면유리(40)가 그 표면에 부착되는 장착축(50)과; 상기 회전패널(20)의 외측에 상기 중심축(10)을 중심으로 서로 마주보고 위치하는 고굴절 캐소우드(Cathode: 60) 및 저굴절 캐소우드(Cathode: 70)를 포함하여 구성되어, 종래의 전자빔 증착장치에 의한 방법보다 생산성을 향상시키고, 강한 박막 부착력을 가지도록 하는 것이다.

Description

스퍼터 방법을 이용한 광학박막의 제작장치 {Apparatus for manufacturing optical thin film utilizing sputter deposition method}

본 고안은 스퍼터 방법을 이용한 광학박막의 제작장치에 관한 것으로서 특히, 스퍼터 증착장치를 이용하여 반사율 투과율 등의 광학적 특성을 목적에 맞도록 변화시키는 광학박막을 형성하기 위한 것으로, 종래의 전자빔 증착장치에 의한 방법보다 생산성을 향상시키고, 강한 박막 부착력을 가지도록 하는 스스퍼터 방법을 이용한 광학박막의 제작장치에 관한 것이다.

일반적으로 광학박막으로는 광학 부품에서 반사율을 줄이기 위한 비반사 코팅막, 장파장을 투과시키고 단파장 영역은 반사시키는 장파장 투과필터, 단파장은 투과시키고 장파장 영역은 반사시키는 단파장 투과필터, 특정 파장만을 투과시키는 간섭필터, 편광된 빛을 편광방향에 따라 분리시키는 편광필터 등이 있다.

상기와 같은 광학 다층박막을 제작함에 있어 일반적으로 쓰여지는 장치는, 도 1에서 도시하는 바와 같은, 전자빔(e-beam) 증착장치이다. 이러한 전자빔 증착장치는 진공 증착의 원리를 이용하며, 진공펌브(6)가 부착된 챔버(1) 내에 전자빔 건(e-gun: 2)으로부터 회전하는 기판(3)에 물질을 증착하게 되며, 증착되는 박막의강도와 화학양론의 제어를 위하여 이온건(4)을 함께 사용한다.

상기와 같은 전자빔 증착장치에서 상기 증착되는 각층의 두께 제어는 증착될 때 박막 두께측정 센서(5)를 증발원의 전원부분에 연결하여 두께의 제어를 하게 된다. 따라서 진공 증착의 원리를 이용한 다층박막의 구성은 두께의 제어가 다른 장치에 비하여 용이하다.

그러나 상기와 같은 종래의 전자빔 증착장치을 통한 투과필터의 제작방법은 스퍼터링 증착방법을 이용한 방법에 비해 생산성이 떨어질 뿐만 아니라, 제작과정의 특성상 이온 충격 에너지(ion bombard energy)가 약해, 기판(Substrate)과의 부착력이 약한 문제점이 있었다.

본 고안은 상기의 결점을 해소하기 위한 것으로, 광학적 특성을 목적에 맞도록 변화시키는 광학박막을 형성하는 것에 있어서, 종래의 전자빔 증착장치에 의한 방법보다 생산성을 향상시키고, 강한 박막 부착력을 가지도록 하는 스퍼터 방법을 이용한 광학박막의 제작장치를 제공하고자 한다.

이러한 본 고안은 스퍼터 챔버의 중앙측에 설치되어 회전되는 중심축과; 상기 중심축에 설치되어 회전하는 회전패널과; 상기 중심축에 맞물리는 연결축과; 상기 회전패널의 가장자리측에 설치되어 상기 연결축에 연결되어 회전하고, 물질이증착되는 곡면유리가 그 표면에 부착되는 장착축과; 상기 회전패널의 외측에 상기 중심축을 중심으로 서로 마주보고 위치하는 고굴절 캐소우드 및 저굴절 캐소우드를 포함하여 구성함으로써 달성된다.

도 1은 종래의 광학박막 제작장치의 일 실시예를 나타내는 개략도,

도 2는 본 고안의 스퍼터 방법을 이용한 광학박막의 제작장치의 일 실시예를

나타내는 평면 개략도,

도 3은 본 고안의 스퍼터 방법을 이용한 광학박막의 제작장치의 일부

확대도,

도 4는 본 고안에 의하여 제작된 광학박막의 특성을 나타내는 그래프,

도 5는 본 고안의 스퍼터 방법을 이용한 광학박막의 제작장치의 캐소우드를

나타내는 세부도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 중심축 20 : 회전패널

30 : 연결축 40 : 곡면유리

50 : 장착축 60 : 고굴절 캐소우드

70 : 저굴절 캐소우드 80 : 이온건

90 : 절연판

본 고안의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 고안의 스퍼터 방법을 이용한 광학박막의 제작장치의 일 실시예를 나타내는 평면 개략도이고, 도 3은 본 고안의 일부 확대도로서, 본 고안은, 스퍼터 챔버(미도시)의 중앙측에 설치되어 회전되는 중심축(10)과; 상기 중심축(10)에 설치되어 회전하는 회전패널(20)과; 상기 중심축(10)에 맞물리는 연결축(30)과; 상기 회전패널(20)의 가장자리측에 설치되어 상기 연결축(30)에 연결되어 회전하고, 물질이 증착되는 곡면유리(40)가 그 표면에 부착되는 장착축(50)과; 상기 회전패널(20)의 외측에 상기 중심축(10)을 중심으로 서로 마주보고 위치하는 고굴절 캐소우드(Cathode: 60) 및 저굴절 캐소우드(Cathode: 70)를 포함하여 구성되는 것을 그 기술상의 특징으로 한다.

본 고안의 기구적인 특징은 상기 원통형의 장착축(50)을 1/3로 3개의 조각으로 잘라낸 곡면유리(40) 위에 증착하는 것이다. 이는 평판유리 위에 증착시 보다 좌/우 박막의 두께균일성을 맞추는 것이 중요한 관건이다.

이를 해결하기 위해, 상기 도 2에서 나타낸 것과 같이, 상기 중심축(10)으로 고속 회전시키고, 곡면유리(40)가 장착되어 있는 장착축(50)과의 연결을 위해벨트(31)를 이용하여 연결하고, 곡면유리(40)가 장착되는 축이 2,000 ~ 3,000rpm으로 자전하도록 하여, 각각의 캐소우드(cathode: 60, 70) 앞에서 3회 이상 회전하여 지나가도록 함으로써 좌/우 박막의 두께 균일성을 최대한 맞추도록 하였다.

상기 고굴절 캐소우드(60)는 TiO₂를, 저굴절 캐소우드(70)는 SiO₂를 사용하며, 또한 TiO₂나 SiO₂박막 제조 시 반응성 스퍼터 증착의 증착률이 떨어지는 단점을 보완하기 위해 애노우드(Anode)인 이온건(Ion Gun: 80)을 설치하여 산화막 제조 시 증착률을 향상시키고 증착 시간을 줄이도록 하였다.

한편, 도 3에서 도시하는 바와 같이, 곡면유리(40)가 설치되는 장착축(50) 양쪽에 5㎜ 간격을 두고 절연판(90)을 설치하여 캐소우드(60, 70)에서 발생된 전자(e^-)들이 최대한 애노우드(80)쪽으로 이동할 수 있도록 하였으며, 장착축(50)이 회전하며 캐소우드(60, 70) 앞을 지날 때, 이 캐소우드(60, 70)에서 발생된 이온들이 장착축(50) 뒤편의 벽면에서 튀겨서 장착축(50)에 증착이 되는 백 코팅(Back coating)이 되는 현상을 방지하였다.

도 4는 본 고안에 의하여 제작된 광학박막의 특성을 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 고안의 스퍼터 방법을 이용한 광학박막의 제작장치의 캐소우드를 나타내는 세부도로서, 이하, 상기 도 2 내지 도 5를 참고하여, 본 고안의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

본 고안에 사용된 광학적인 설계는 특정한 파장보다 긴(짧은) 파장을 투과시키고 단(긴)파장은 반사시키는 장(단)파장 투과 필터(Long(short) Wave pass filter)의 기본 설계는 1/4 파장 다층 박막의 투과대역과 반사대역을 이용한다.

상기 투과와 반사대역 사이의 경계파장에 의해 반사와 투과 대역이 나뉘며, 이를 경계(edge) 필터라 부른다. 결국 색 생성에 필요한 빨강색(Red), 초록색(Green), 파란색(Blue), 흰색(White) 빛을 만드는데 사용하는 투과필터도 이 경계필터의 응용이다.

기본적으로 H는 굴절률이 큰 1/4파장 광학 두께의 박막을, L은 굴절률이 작은 1/4 파장 광학 두께의 박막을 표시한다. H는 고굴절률 박막으로서 TiO₂, ZrO₂, Ta₂O₅, HfO₂, Nb₂O₅, Nd₂O₃등을 사용하며, L은 저굴절률 박막으로서 SiO₂, MgF₂, ThF₄등을 사용한다.

본 고안에서는 상기한 바와 같이, 가장 많이 사용하는 고굴절률 박막으로서 TiO₂와 저굴절률 박막으로서 SiO₂을 이용하여 다층 박막을 설계하였다. 장(단)파장 투과 필터는 1/4파장 다층 박막 양끝에 1/8파장 층을 결합층으로 추가 설계한다.

광학설계에 의해의 대칭구조를 기본주기로 H는 TiO₂, L은 SiO₂일 때 [공기 ||유리]의 다층 박막을 설계한 후,(기준파장)을 변화시켜 투과율이 50%가 되는 파장대를 선택하여 선택된 모델의 물리적인 두께로 산출한 후, 스퍼터링 증착을 하여 투과필터를 제작한다.

청색 필터인 경우, 투과율이 50% 되는 파장을 520㎚, 녹색 필터인 경우는 490㎚와 595㎚, 적색 필터인 경우는 615㎚가 되도록 설계한다. 도 4에서와 같이, 청색, 녹색, 적색 필터의 투과 대역과 투과율이 50%가 되는 파장대를 알 수 있다.

다층박막을 증착함에 있어 일반적으로 쓰여지는 장치는 전자빔(e-beam) 증착장치로서, 이 장치는 진공증착의 원리를 이용하며, 증착되는 박막의 강도와 화학양론의 제어를 위하여 이온건을 함께 사용한다. 증착되는 각층의 두께 제어는 증착될 때 박막 두께측정 장치를 증발원의 전원부분에 연결하여 두께의 제어를 하게 된다. 따라서 진공증착의 원리를 이용한 다층박막의 구성은 두께의 제어가 다른 장치에 비하여 용이하다.

그러나 본 고안에 사용되는 스퍼터 방법을 이용한 제작장치는 캐소우드(60, 70)에 장착되어 있는 증착물질(target)이 평면이며, 다량의 제품을 만들기 위해 증착 면적을 크게 하였다.

통상 스퍼터 장치는, 도 5에서 도시하는 바와 같이, 증착되는 박막의 두께 균일성을 향상하기 위하여 증착물질(target: 61)의 아래 부분에 자성체(62)가 설치되어 있다. 이 자성체(62)의 N극과 S극의 자기장에 의해 자장터널이 형성되며, 유입되는 기체의 이온화율을 높이고 스퍼터 효율을 크게 한다. 또한 2차로 발생한 전자들이 이 터널을 이탈하지 못하도록 하는 역할을 한다.

따라서 스퍼터 입자는 이 자장이 미쳐지는 영역에서 다량으로 발생하게 되며, 이 입자들이 곡면유리(40) 위에 증착되게 된다.

상기와 같이, 증착물질에서 입자들이 다량으로 발생하게 되면, 도 5에서 도시하는 바와 같이, 국부적으로 부식(erosion) 현상이 발생하게 된다. 이는 도시된 바와 같이, 증착시간이 길어짐에 따라서 초기의 상태에서 하측의 위치로 점차로 아래의 위치로 가게 되며, 이에 따라 스퍼터 입자의 발생면적이 넓어지게 된다.

이 면적이 넓어짐은 오옴(Ohm)의 법칙에 의해 일정 전압이 인가된 상태에서는 E = V/d 의 오옴의 법칙을 만족하지 못한다. 즉, 일정한 전위차를 유지하기 위해서 두께의 감소는 인가되는 전압의 상승이 있어야 한다.

즉, 일정한 전압이 인가될 때, 면적의 증가에 따른 두께의 감소에 의해 증착되는 스퍼터 입자의 감소가 일어나게 되므로, 이는 증착율의 감소를 유발하게 된다. 따라서 스퍼터 증착에서 증착되는 박막의 두께를 일정하게 하기 위해서는 이러한 인자를 제어할 수 있어야 한다.

본 고안에서는 전체의 증착 시간에 대하여 일정 시간을 부가함으로써 전체 두께를 일정하게 제어할 수 있도록 한다.

상기와 같이, 다층박막을 위한 증착은 시간이 지나면서 나타나는 증착률의 변화를 제어하는 것이 중요하다. 제작결과, SiO₂의 증착에 있어서는 일정한 전압의 인가에서는 증착률의 변화가 증착시간이 지남에 따라 3~5% 감소하고 있음을 감지하였고, 이에 따른 일정한 두께를 형성하기 위해서는 증착율의 변화에 따라 감소되는 3~5%의 시간을 더함으로 정확하게 두께를 제어할 수 있다.

한편, TiO₂의 증착에 있어서는 SiO₂의 증착 시와 같이 시간의 지남에 따른 증착률의 변화는 나타나지 않는다.

상기 실시예는 본 고안의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 고안의 범위는 상기의 도면이나 실시예에 한정되지 않는다.

이상과 같은 본 고안은 광학적 특성을 목적에 맞도록 변화시키는 광학박막을 형성하는 것에 있어서, 종래의 전자빔 증착장치에 의한 방법보다 생산성을 향상시키고, 강한 박막 부착력을 가지도록 하는 효과가 있는 고안인 것이다.

Claims (4)

1. 스퍼터 챔버의 중앙측에 설치되어 회전되는 중심축과;

   상기 중심축에 설치되어 회전하는 회전패널과;

   상기 중심축에 맞물리는 연결축과;

   상기 회전패널의 가장자리측에 설치되어 상기 연결축에 연결되어 회전하고, 물질이 증착되는 곡면유리가 그 표면에 부착되는 장착축과;

   상기 회전패널의 외측에 상기 중심축을 중심으로 서로 마주보고 위치하는 고굴절 캐소우드 및 저굴절 캐소우드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스퍼터 방법을 이용한 광학박막의 제작장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 장착축의 양측에는 이 장착축의 중심에 대칭적으로 절연판을 구성하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 방법을 이용한 광학박막의 제작장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 고굴절 캐소우드와 저굴절 캐소우드의 사이의 회전패널의 외측에는 애노우드인 이온 건을 설치하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 방법을 이용한 광학박막의 제작장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 고굴절 캐소우드는 TiO₂를 저굴절 캐소우드는 SiO₂를 사용하는 것을 특징으로 하는 스퍼터 방법을 이용한 광학박막의 제작장치.