KR20050115109A - 광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해장치 및 용해방법 - Google Patents

광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해장치 및 용해방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학소자의 박막코팅을 위한 증발물질의 사전 용해공정을 박막코팅이 이루어지고 있는 공정과는 별개의 독립적인 공정으로 수행할 수 있도록 한 증발물질 용해장치 및 용해방법에 관한 것이다.
본 발명은 증발물질의 사전 용해를 위한 전용 증발물질 용해장치를 독립적으로 구성하여 종전과 같이 박막제조공정 내에서 함께 시행하던 증발물질 용해과정에서 발생하는 문제점들을 해결하고, 생산공정시간의 단축에 따른 생산성 향상을 도모할 수 있으며, 생산품의 품질 향상 및 재현성을 원천적으로 확보할 수 있는 광학소자 코팅용 증발물질 용해장치와 방법을 제공한다.
본 발명에서 제공하는 증발물질 용해장치는 진공챔버 및 진공계, 증발물질을 녹일 수 있는 전자빔 증발장치, 도가니 내에 도달하는 전자빔의 밀도를 제어할 수 있는 전자빔 제어장치, 진공을 파기하지 않은 상태에서 여러 개의 도가니를 용해시킬 수 있는 배치타입 및 인라인타입 도가니 이송장치, 도가니 속에 증발물질을 정량 공급할 수 있는 증발물질 자동 공급장치, 증발물질의 용해된 정도를 감지하고 다음 공정을 수행할 수 있게 하는 용해 제어장치 등을 포함한다.

Description

광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해장치 및 용해방법{Evaporation source pre-melting system and method for film coating of optical device}
본 발명은 광학소자의 코팅용으로 사용하는 증발물질을 용해하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 증발물질 용해공정을 박막제조공정으로부터 독립 구성하여 증발물질 용해공정을 독자적으로 수행할 수 있는 장치와 방법을 제공함으로써, 생산공정시간의 단축으로 생산성을 높일 수 있고 생산품의 품질 향상 및 재현성을 원천적으로 확보할 수 있는 광학소자 코팅용 증발물질 용해장치 및 방법에 관한 것이다.
빛의 파동성(波動性)을 이용한 일반적인 광학용 소자들은 빛이 진행하는 경로(徑路)의 매질에 대한 굴절률(屈折率,refractive index) 특성을 이용하고 있으며, 이론 굴절률이 1.6 이하인 산화 실리콘(SiO2), 이론 굴절률이 2.6 이상인 산화 티타늄(TiO2) 및 산화 탄탈(Ta2O5) 등이 대표적인 빛의 경로 물질로 사용되고 있다.
특히, 산화 실리콘과 산화 티타늄, 산화 탄탈의 녹는 온도는 각각 1,610℃, 1,830℃, 1,872℃로 매우 높으며, 증기압도 다른 물질에 비해 낮기 때문에 진공 분위기 속에서 주울 열(Joule heat, P = I2R)을 이용하여 이들을 녹이는 일은 쉽지 않은 일이다.
따라서, 일반적으로 이들 물질을 박막으로 코팅하기 위한 방식으로는 전자빔 가열 장치가 가장 선호되고 있다.
광학소자는 굴절률이 낮은 물질과 높은 물질의 반복되는 코팅 막의 두께와 층수에 따라 다양한 기능을 하며, 일반적으로 칼라 코팅 같은 제품들은 10층 이내의 코팅층으로 이루어져 있는 반면, IR cut-off filter는 약 30∼40 층 내외의 코팅층으로 이루어져 있다.
따라서, 전자빔 증착 방식으로 이들 소자를 제작하기 위해서는 매우 정밀하게 이들 코팅 막의 두께와 균일도를 제어할 수 있어야 한다.
그러나, 증발물질인 이들 유전물질들은 고유의 특성들을 가지고 있기 때문에 코팅막의 품질과 재현성을 높이기 위해서는 증발물질의 형태를 일정하게 유지시킬 필요가 있다.
즉, 산화 실리콘의 경우 도가니에 놓여지는 형태에 따라 전자빔의 흡수와 반사가 달라지며, 표면 상태가 좋은 디스크 형태의 시료일 경우 전자빔의 반사율이 높아져(전자빔을 흡수하지 못하고 대부분 반사시켜) 물질이 쉽게 용해되지 않는다.
산화 티타늄의 경우도 마찬가지이다.
가루 형태의 산화 티타늄을 도가니 속에 넣고 전자빔을 조사할 경우 점차 증발되는 상황이 시간에 따라 달라짐을 알 수 있다.
따라서, 이들 유전물질을 증발시킬 경우 일반적으로 증발이 일어나기 전에 사전 용해(pre-melting)과정을 거쳐야 하며, 현재 이러한 사전 용해공정은 박막제조공정시 함께 행해지고 있다.
즉, 소자 박막의 코팅이 일어나는 공정 챔버 내에서 사전 용해와 증착을 위한 공정이 모두 행해지고 있다.
그러나, 기존의 방식과 같이 사전 용해공정을 코팅공정이 이루어지고 있는 챔버 내에서 함께 행할 경우 제조공정상의 많은 문제를 일으킬 수 있다.
그 중 하나가 기판의 오염이다.
가루 형태의 증발물질(증발물질)을 도가니에 채우면, 이들 물질이 이루는 표면적은 매우 크게 되며, 이들 물질에 함유된 오염 물질도 무수히 많다고 할 수 있다.
기존의 방식과 같이 코팅이 이루어지고 있는 진공챔버 내에서 증발물질을 용해시키는 경우 가루 형태의 증발물질에 전자빔을 조사하여 가루 물질을 용해시키면 증발물질 내에 함유되어있던 많은 불순물들이 한꺼번에 빠져 나오게 되며, 이로 인한 기판의 오염은 제품의 품질에 좋지 않은 영향을 주게 된다.
그 뿐만 아니라 도가니 내에 용해된 물질은 산화물과 불순물 등의 분리된 층을 형성하고 있을 수 있으며, 지속적으로 주입되는 열에너지에 의해 화산 폭발이 일어나는 것과 같은 도가니 내의 표면 폭발 현상이 발생될 수 있다.
이로 인해, 기판 표면의 오염은 치명적인 결과를 가져올 수 있다.
더욱이 광학소자의 코팅공정이 일어나는 챔버에서 1시간 이상 코팅을 위한 준비 공정인 증발물질을 용해시켜야 하는 일은 가뜩이나 소자 제조 공정 시간을 단축시키려는 노력에 커다란 부담요인이 되고 있다.
즉, 사전 용해공정의 경우 도가니에 증발물질을 일정량씩 채우면서 몇 차례 용해과정을 거친 후 하나의 도가니 내에 일정수준의 용해된 증발물질을 확보할 수 있게 되는데, 증발물질의 보충시마다 진공챔버의 진공을 해제하고 또 복귀하는 과정을 반복해야 하므로 작업이 번거로울 뿐만 아니라 대기노출로 인한 증발물질 오염의 우려와 진공공정으로 인한 상당한 시간적 소모를 감수해야 하는 문제가 있다.
위와 같은 기존의 방식의 경우 사전 용해공정을 포함하는 박막제조공정의 전체적인 소요시간이 5∼6시간에 달하는 불리한 점이 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 증발물질의 사전 용해를 위한 전용 증발물질 용해장치를 독립적으로 구성하여 종전과 같이 박막제조공정 내에서 함께 시행하던 증발물질 용해과정에서 발생하는 문제점들을 해결하고, 생산공정시간의 단축(2시간 이상)에 따른 생산성 향상을 도모할 수 있으며, 생산품의 품질 향상 및 재현성을 원천적으로 확보할 수 있는 광학소자 코팅용 증발물질 용해장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 증발물질 용해방법은 광학소자의 박막 코팅을 위하여 증발물질을 사전 용해하는 방법에 있어서, 상기 증발물질의 사전 용해공정은 박막코팅공정과 별도로 분리하여 독립적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증발물질의 사전 용해공정은 초기 단계에서는 도가니에 담겨진 증발물질 위 80%에 해당하는 면적에 낮은 밀도의 전자빔을 도달시켜 도가니 내의 온도를 상승시키고, 다음 단계에서 도가니의 증발물질 위에 도달하는 전자빔의 면적을 5% 이내의 좁히는 동시에 이러한 고밀도 전자빔을 x, y 또는 r, θ방향으로 골고루 주사하는 방법으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 증발물질 용해장치는 광학소자의 박막 코팅을 위하여 증발물질을 사전 용해하는 장치에 있어서, 상기 증발물질의 사전 용해시 진공조성을 위한 공정챔버 및 이 공정챔버측과 통하는 진공배기계와, 상기 공정챔버 내에 설치되는 전자빔 증발장치 및 증발물질을 담을 수 있는 다수의 도가니로 구성되며, 광학소자의 박막코팅공정과 분리되어 별도 공정용으로 가동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증발물질을 담는 다수의 도가니는 회전판용 모터에 의해 회전가능한 회전판상의 가장자리를 따라 일정간격으로 배치되어 있는 다수의 도가니안착홈 내에 세팅되며 회전판의 회전에 의해 전자빔 증발장치측에 1개씩 위치되면서 순차적으로 용해공정이 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전판은 그 위에 배치되는 도가니의 크기나 수량에 따라 가변되는 전자빔 증발장치와의 거리를 보상하기 위한 회전축 조정장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 증발물질 용해장치는 광학소자의 박막 코팅을 위하여 증발물질을 사전 용해하는 장치에 있어서, 도가니의 공급 및 배출을 위한 로드챔버 및 언로드챔버와, 상기 로드챔버 및 언로드챔버 사이에 배치되면서 게이트밸브를 통해 단속적으로 통해 있으며 일측에는 전자빔 증발장치가 구비되고 증발물질을 담는 다수의 도가니를 냉각용 고정대상에 일렬로 나란하게 정렬시킨 후 이송용 받침대를 통해 도가니를 전자빔 증발장치측에 1개씩 위치시키면서 차례로 용해공정을 수행하는 공정챔버 및 이 공정챔버의 진공조성을 위한 진공펌프라인과, 상기 공정챔버측으로 도가니를 공급 및 배출하는 수단으로 구성되며, 광학소자의 박막코팅공정과 분리되어 별도 공정용으로 가동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공정챔버측으로 도가니를 넣어주거나 빼내기 위한 수단은 로드챔버측의 이송용 로딩포크 및 언로드챔버측의 이송용 언로딩포크로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이송용 받침대는 다수의 도가니를 일렬로 나란하게 배치하기 위한 일정간격의 도가니안착홈을 갖고 있으며 상승 및 하강운동과 전후이동하면서 도가니를 한피치씩 전진 이송시켜줄 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 전자빔 증발장치측에 위치되는 도가니 내에 증발물질을 자동으로 정량 공급할 수 있으며, 슈트축을 중심으로 하여 일정각도 회전 및 복원되면서 도가니의 상부에 위치가능한 증발물질 유도용 슈트와, 상기 증발물질 유도용 슈트의 입구에 위치가능한 증발물질 투입구를 갖는 동시에 원판축을 중심으로 하여 회전가능한 구조로 설치되는 원판 및 원판용 모터와, 상기 원판의 윗면에 그 하단의 출구가 단속되며 일정량의 증발물질을 저장하고 있는 증발물질 저장탱크와, 상기 슈트축과 원판축의 연계작동을 가능하게 하는 연동장치로 구성되는 증발물질 공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증발물질 공급장치는 원판의 회전속도를 제어하여 증발물질의 1회 공급량을 조절할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연동장치는 슈트축상에 장착되는 피동기어와, 상기 피동기어와 같은 높이에서 원판축상에 장착되어 일부구간의 기어부를 이용하여 피동기어와 단속적으로 맞물리는 가동기어로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도가니 내의 증발물질 용해시 증발물질에서 나오는 탈가스를 검출하여 동작하는 압력게이지와 전자빔 증발장치의 전원장치를 연계시켜 동작이 이루어지게 함으로써 최적의 용해 공정시간을 제어할 수 있는 자동 용해제어장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위해 전자빔을 이용한 증발물질 용해과정을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일반적으로 증발물질을 용해하는 방법을 보여주는 개략도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 증발물질의 용해는 전자빔 증발장치에 의해 수행되는데, 필라멘트(38)을 떠난 전자빔은 고압의 전기적인 에너지를 가지고 도가니(13) 내의 증발물질 방향으로 돌진하며, 전자가 가지는 전기적인 에너지를 열에너지로 변환하여 증발물질을 가열시키는 일종의 에너지 변환장치이다.
이러한 전자빔 증발장치는 일반적으로 산화물과 같이 녹는 온도가 높고 증발압력이 낮은 물질을 증발시키기 위해 주로 사용되고 있으며, 광학소자용 박막물질인 산화티타늄, 산화실리콘, 산화티탄 등의 유전체 산화물들은 거의 이러한 장치를 이용하여 용해 및 증발시키고 있다.
도 2는 전자빔을 이용한 증발물질 용해시 도가니에 증발물질을 일정량씩 층층이 담으면서 용해하는 과정을 보여주는 개략도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 증발물질을 용해시키는 방법에는 크게 두가지가 있다.
첫째, 박막화에 사용하던 기존의 증발물질(도가니에 남아있는 일부 용해된 증발물질)에 용해되지 않은 새로운 증발물질(신규물질)을 보충하는 방법이 있다.
코팅장치 내에서 도가니(12) 속의 증발물질에 전자빔을 입사시켜 박막화를 하게 되면 증발물질이 점차 소모되어 그 표면이 낮아지게 되는데, 이때 증발물질의 표면에 도달하는 전자빔의 모양이나 밀도가 달라져 증착을 위한 재현성이 떨어지게 된다.
따라서, 일정량의 증발물질이 소모되어 표면이 낮아져 있는 도가니(12)에 새로운 증발물질을 보충하여 사용하게 되며, 이때의 새로운 증발물질도 기존의 증발물질과 함께 용해시켜 증발원으로 사용하게 된다.
둘째, 기존에 사용하지 않던 새로운 도가니에 증발물질을 넣어 용해공정을 거치는 경우도 있으며, 이때 전자빔을 사용하여 증발물질을 도가니 속에 가득담아 전체 물질을 용해시키기는 매우 어려운 일이므로 증발물질을 용해가 가능한 양만큼 조금씩 보충하며 순차적으로 용해시켜 나가야 한다.
본 발명에서 제공하는 용해장치나 용해방법의 특징은 증발물질의 사전 용해를 위한 전용 증발물질 용해장치를 독립적으로 구성하고 사전 용해공정을 박막제조공정과는 별도로 분리 수행하는데 있다.
이를 위하여, 본 발명에서는 진공챔버 및 진공계, 증발물질을 녹일 수 있는 전자빔 증발장치, 도가니 내에 도달하는 전자빔의 밀도를 제어할 수 있는 전자빔 제어장치, 진공을 파기하지 않은 상태에서 여러 개의 도가니를 용해시킬 수 있는 배치타입 및 인라인타입 용해장치, 도가니 속에 증발물질을 자동으로 정량 공급할 수 있는 증발물질 공급장치, 증발물질의 용해된 정도를 감지하고 다음 공정을 수행할 수 있게 하는 용해 제어장치 등을 제공한다.
도 3은 본 발명에 따른 증발물질 용해장치의 일 예로서 배치타입의 용해장치를 보여주는 정면도, 측면도 및 평면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 여기서는 전자빔 증발장치(12)와 다수의 도가니(13)가 설치되는 공정챔버(10a)와, 상기 공정챔버(10a)의 내부 진공을 조성하기 위한 진공배기계(11)를 제공한다.
상기 공정챔버(10a)는 일측의 도어(41)를 통해 도가니(13)를 넣거나 빼낼 수 있도록 되어 있으며, 그 내부는 고진공펌프(미도시)를 포함하는 진공배기계(11)와 통해 있어서 용해작업시 진공을 조성할 수 있게 된다.
상기 공정챔버(10a)는 용해를 위해 사용하는 열원이 전자빔이기 때문에 전자빔을 발생하는 필라멘트의 보호를 위해서 10-6 Torr 이하의 압력에서 작동되며, 고진공을 위해 오일확산펌프 또는 터보펌프 등을 사용하여 설계하는 것이 바람직하다.
여기서, 미설명 부호 42는 저진공펌프이고, 15는 공정챔버 내의 가동요소들을 제어하고 또 작업환경 등을 제어하기 위한 제어부를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 배치타입의 용해장치에서 공정챔버의 내부구조를 보여준다.
도 4에 도시한 바와 같이, 여기서는 진공을 파기하지 않은 상태의 환경 속에서 여러 개의 도가니(13)를 처리할 수 있도록 구성된 배치타입(Batch type)을 보여주고 있다.
먼저, 진공의 환경을 조성할 수 있는 독립된 공정챔버(10a)가 구비되며, 챔버의 내부에는 접지가 되어 전위가 "0"볼트인 회전판(14)에 여러 개의 도가니(13)가 배치되고, 필라멘트가 있는 전자빔 증발장치(12) 쪽에 위치되는 도가니(13) 속의 증발물질부터 순서대로 용해할 수 있게 된다.
회전판(14)상의 모든 도가니(13)에 대한 용해를 마치면, 진공 해제 후 도가니보호용 덮개(40)를 연 다음 챔버 내에서 용해된 증발물질이 들어있는 도가니(13)를 취출하여 다음 공정으로 보낸다.
이때의 도가니들은 회전판(14)상의 가장자리에 형성되어 있는 다수의 도가니안착홈(24a) 내에 세팅되어 일정간격으로 배치되면서 회전판(14)의 회전에 의해 전자빔 증발장치(12)측으로 1개씩 위치될 수 있고, 또 회전판(14)의 가동을 위하여 그 저면부는 챔버상에 지지되는 회전판용 모터(36)의 축이 연결된다.
상기 회전판(14)은 회전판용 모터(36)에 의한 회전구동시 챔버측과의 사이에 회전구동을 안내할 수 있는 가이드레일 등과 같은 안내수단을 구비하는 것이 바람직하다.
회전판(14) 위에 배치할 수 있는 최대 도가니의 수는 회전판(14)의 가장자리에 마련한 도가니안착홈(24a)의 수에 의해 결정되며, 이때마다 회전판(14)의 크기도 달라지게 된다.
이러한 회전판(14)의 크기에 따라 전자빔 증발장치(12)의 필라멘트와 회전판(14)의 중심축 거리가 달라지게 되며, 이렇게 달라지는 거리를 보상하기 위하여, 즉 다양한 크기의 회전판(14)을 적용하기 위하여 회전판(14)에는 이 회전판(14)의 회전축을 움직이는 방법으로 조정할 수 있는 회전축 조정장치(미도시)가 구비되고, 따라서 회전판(14)의 크기가 정해지면 회전축 조정장치를 이용하여 회전판과 전자빔 증발장치 간의 거리를 일정하게 조절할 수 있게 된다.
예를 들면, 회전판, 회전축 및 회전판용 모터 전체가 지지되는 챔버의 바닥지지부위에 전자빔 증발장치의 앞쪽으로 길게 슬롯 등의 홀을 조성하고, 이 홀을 따라 특히 회전축이 위치를 이동할 수 있도록 하는 동시에 위치 이동 후에는 그 위치에서 볼트 체결 등으로 고정될 수 있도록 하는 구조의 회전축 조정장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 공정챔버(10a)의 내부에는 각각의 도가니에 일정량의 증발물질을 자동으로 정량 공급하기 위한 증발물질 자동공급장치가 구비된다.
상기 증발물질 자동공급장치는 진공의 분위기 속에서 도가니 내의 증발물질을 원하는 양만큼 자동으로 보충하는 장치이다.
이러한 증발물질 자동공급장치는 기존의 문제점, 예를 들면 도가니 속에 층층이 증발물질을 보충하여 용해를 시키는 경우 증발물질을 보충할 때마다 진공을 파기하고 증발물질을 보충해야 하는 진공작업의 어려움과 시간적 손실은 물론 용해가 완료된 표면을 공기 중에 노출하여 새로운 증발물질을 보충할 때마다 생길 수 있는 불순물층의 유입 등과 같은 문제점을 완전하게 배제할 수 있는 잇점을 제공한다.
이와 같은 증발물질 자동공급장치는 상술한 배치타입의 용해장치 뿐만 아니라 후술하는 인라인타입의 용해장치를 구성하는 공정챔버(10a),(10b)의 내부, 즉 진공조건하에 설치되어 용해가 이루어지고 있는 도가니에 새로운 증발물질을 일정량씩 투입하는 역할을 할 수 있다.
이를 위하여, 챔버의 내부에는 벽면상에 지지되는 저장탱브(31)가 설치되고, 그 아래쪽에는 챔버 바닥을 지지점으로 하여 수직으로 나란한 원판축(28)과 슈트축(25)에 각각 지지되면서 회전가능한 원판(29)과 증발물질유도용 슈트(26)가 각각 설치되며, 이때의 각 축들은 원판용 모터(30)의 가동과 동시에 함께 회전될 수 있게 된다.
여기서, 상기 슈트축(25)과 원판축(28)은 연동장치(32)에 의해 연계적으로 회전될 수 있게 된다.
즉, 상기 슈트축(25)에는 피동기어(33)가 장착되고, 상기 원판축(28)에는 피동기어(32)와 같은 높이에서 가동기어(35)가 장착되어서 이것들이 서로 맞물림에 따라 함께 회전될 수 있게 된다.
상기 원판축(28)에 장착되는 가동기어(35)는 둘레면의 일부구간에만 기어부(34)를 갖는 형태로 되어 있어서 피동기어(33)와는 단속적으로 맞물림이 가능하게 된다.
예를 들면, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 가동기어(35)는 전체 둘레의 약 1/4 정도만 기어부(34)로 되어 있고, 이때의 기어부(34)가 맞물리는 동안만 피동기어(33)가 회전을 할 수 있도록 되어 있으며, 가동기어(35)의 기어부(34)와 맞물리지 않는 구간에서는 복원스프링(37)에 의해 슈트축(25), 즉 증발물질유도용 슈트(26)는 원래의 위치로 복귀될 수 있게 된다.
이러한 슈트의 회전 및 복귀구조는 도가니에 전자빔 주입시 한쪽으로 젖혀져 있어야 하기 때문에 필요하다.
상기 스프링(37)은 슈트축(25)의 하단부에서 그 둘레를 감싸는 형태로 배치되고, 양단이 각각 슈트축(25)과 챔버측에 고정됨으로서 슈트축(25)을 포함하는 증발물질유도용 슈트(26) 전체를 원래의 위치로 복귀시켜줄 수 있게 된다.
챔버 가동 전 상부의 저장탱크(31)에는 일정량의 증발물질이 채워지게 된다.
상기 저장탱크(31)의 하부에는 원판축(28)에 의해 회전가능한 원판(29)이 배치되고, 이 원판(29)에 의해 저장탱크(31)로부터의 증발물질 배출이 단속될 수 있게 된다.
또한, 상기 원판(29)에는 증발물질 투입구(27)가 부착되어 있어서 이곳을 통해 저장탱크(31) 속에서 빠져나온 증발물질이 밑으로 공급될 수 있으며, 도가니(13)까지는 그 상부에 설치되어 있는 증발물질유도용 슈트(26)를 통해 유도될 수 있게 된다.
이에 따라, 원판(29)을 회전시켜주면 원판(29)에 부착되어 있는 증발물질 투입구(27)가 회전하게 되고, 이곳이 저장탱크(31)의 배출구와 일치되는 순간 증발물질이 쏟아지면서 증발물질유도용 슈트(26)를 통해 도가니(13)에 채워지게 된다.
이와 동시에, 증발물질유도용 슈트(26) 또한 원판(29)을 통한 증발물질의 보충과 연계되면서 동작이 이루어지게 된다.
즉, 원판축(28)의 회전시 그 축에 장착되어 있는 가동기어(35)도 회전하게 되는데, 이때 가동기어(35)가 회전하면서 그 기어부(34)가 슈트축(25)에 장착되어 있는 피동기어(33)와 맞물리게 되면, 이때부터 피동기어(33) 및 슈트축(25)이 회전하면서 슈트의 하단부가 도가니(13) 바로 위에 위치된다.
이렇게 슈트의 하단부가 도가니(13) 바로 위에 위치되는 시점이 원판(29)의 증발물질 투입구(27)가 저장탱크(31)의 배출구와 일치되는 시점이 되므로 저장탱크(31)를 빠져나온 증발물질은 슈트를 통해 도가니로 채워질 수 있게 된다.
여기서, 증발물질이 슈트를 타고 내려오는 시간을 감안하여 슈트 하단부가 도가니 위에 위치되는 시점을 증발물질 투입구와 저장탱크 배출구가 일치되는 시점보다 약간 늦추는 것이 바람직하며, 이것은 가동기어(35)에 있는 기어부(34)의 형성구간을 조정하는 것으로 가능하게 된다.
다른 구현예로서, 증발물질유도용 슈트(26)의 하단부가 도가니(13)의 바로 위에 위치되는 시점에서 별도의 고정장치(미도시)를 통해 슈트축(25)을 고정시킬 수 있으며, 이렇게 고정시킨 상태에서 1회 정량 투입량이 슈트를 통해 도가니 속으로 채워진 후에는 가동기어(35)의 빈 구간(기어부가 없는 구간)에 구비한 홈수단(미도시)으로 고정장치를 해제시켜줌으로써 복원스프링(37)을 통해 증발물질유도용 슈트(26)를 원래의 위치로 복귀시킬 수 있다.
상기 증발물질유도용 슈트(26)는 기어부(34)와의 맞물림이 끝나는 시점에서 복원스프링(37)에 의해 되돌아가게 된다.
이때, 복원스프링(37)에 의해 원위치되는 증발물질유도용 슈트(26)는 복귀되는 지점에서 스프링의 탄력으로 유동(떨림)이 일어날 수 있으므로 슈트 복귀위치에 이때의 유동을 흡수 및 완화하면서 슈트의 정위치 복귀를 잡아줄 수 있는 스톱퍼 완충수단(미도시)을 구비하는 것이 바람직하다.
여기서, 1회 보충되는 증발물질의 양은 원판(29)의 회전속도로 제어할 수 있게 된다.
즉, 원판(29)의 회전속도를 빠르게 하거나 느리게 하면 원판(29)에 있는 증발물질 투입구(27)와 저장탱크(31)에 있는 배출구의 만남이 그 만큼 빨라지거나 느려지므로 원판(29)의 회전속도를 제어하여 1회 보충되는 증발물질의 양을 조절할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 증발물질 용해장치의 다른 예로서 인라인타입의 용해장치를 보여준다.
도 6에 도시한 바와 같이, 여기서는 연속적으로 도가니를 공급하면서 용해공정을 수행할 수 있는 인라인타입(In-line type)의 용해장치를 보여준다.
상기 인라인타입의 용해장치는 진공조건하에서 용해가 이루어지는 공정챔버(10b)와, 도가니(13)를 투입할 수 있는 로드챔버(16)와, 용해가 끝난 도가니(13)를 꺼낼 수 있는 언로드챔버(17)와, 공정챔버(10b)에 진공을 제공하기 위한 진공펌프라인(21)으로 이루어져 있다.
상기 공정챔버(10b)의 내부에는 도가니(13) 속에 들어있는 증발물질의 용해를 위한 전자빔 증발장치(12)가 구비되고, 또 도가니(13)의 이송 진행 및 투입과 배출을 위한 수단들이 구비된다.
예를 들면, 도가니(13)의 이송을 위한 수단으로는 컨베이어장치나 증발물질을 담는 다수의 도가니(13)를 일렬로 나란하게 정렬시킬 수 있는 냉각용 고정대(19)와 도가니(13)를 들어서 한피치씩 이송시킬 수 있는 이송용 받침대(20)가 구비되고, 도가니(13)를 넣어주거나 빼내기 위한 수단으로는 로드챔버(16)측의 이송용 로딩포크(22)와 언로드챔버(17)측의 이송용 언로딩포크(23)가 구비된다.
상기 이송용 받침대(20)는 다수의 도가니(13)를 일렬로 나란하게 배치하기 위한 일정간격의 도가니안착홈(24a)을 갖고 있으며, 업다운 실린더수단이나 전후슬라이드수단 등의 액추에이터수단을 통해 상승 및 하강운동과 전후이동하면서 도가니(13)를 한피치씩 전진 이송시키면서 전자빔 증발장치(12)측에 1개씩 위치시키면서 차례로 용해공정을 수행할 수 있도록 해준다.
따라서, 이송용 받침대(20) 위에 놓여져 일렬로 한피치씩 진행되는 도가니(13)는 1개씩 전자빔 증발장치(13)측에 위치된 후 차례로 용해처리가 될 수 있게 된다.
상기 공정챔버(10b)에는 진공펌프라인(21)이 갖추어져 있어서 챔버의 내부를 진공조건으로 조성한 다음 사전 용해가 이루어지게 되고, 필요에 따라서는 로드챔버(16)와 언로드챔버(17)에도 이러한 진공펌프라인(21)이 연결될 수 있으며, 이렇게 3개의 챔버가 모두 진공조건을 가질 수 있게 되면 도가니(13)의 공급 및 배출과정이 보다 효율적으로 수행될 수 있게 된다.
상기 챔버들은 로드챔버(16)→공정챔버(10b)→언로드챔버(17)의 순서로 연결되어 있으며, 각각의 챔버들은 게이트밸브(18)로 연결되어 있어서 진공을 해제하지 않은 상태에서 도가니(13)의 투입과 배출이 가능하게 된다.
예를 들면, 로드챔버(16)와 공정챔버(10b), 공정챔버(10b)와 언로드챔버(17) 사이에 연결 설치되어 있는 각 게이트밸브(18)를 닫은 상태에서 로드챔버(16)에 일정한 수량의 새로운 도가니(13)를 로딩하거나 언로드챔버(17) 내에 언로딩할 수 있으며, 게이트밸브(18)를 연 상태에서는 공정챔버(10b) 내로 도가니를 공급하는 과정, 공정챔버(10b) 내에서 도가니 속의 증발물질에 대한 용해공정이 수행되는 과정, 공정챔버(10b)로부터 도가니가 배출되는 과정이 연속공정으로 이루어질 수 있게 된다.
이때의 게이트밸브(16)는 6∼10 인치 정도의 구경을 갖는 대용량의 진공밸브로서 도가니가 그 내측을 통과하면서 진행하는데에는 전혀 문제가 없으며, 이러한 게이트밸브(18)를 통해 로드챔버(16)에서 공정챔버(10b)로 도가니(13)를 진행시키거나, 또 공정챔버(10b)에서 언로드챔버(17)로 도가니(13)를 진행시키는 수단으로는 컨베이어 또는 로딩/언로딩포크와 같은 수단을 사용할 수 있다.
또한, 공정챔버(10b)의 내부에는 일렬로 진행되는 도가니(13)의 양옆을 지지할 수 있는 냉각용 고정대(19)가 갖추어져 있으며, 이때의 냉각용 고정대(19)는 가운데 일정한 간격을 두고 나란하게 배치되면서 챔버측에 고정되는 2개의 부재로 이루어져 있으며, 부재 사이의 간격으로 도가니(13)가 얹혀져 밑으로 빠지지 않도록 되어 있고, 특히 3/8 인치 정도 두께의 냉각수라인(39)이 도 7과 같이 냉각용 고정대와 이송용 받침대의 길이방향과 나란하게 내부를 통과하여 지나가게 되므로서 도가니(13)를 냉각시키는 역할을 하게 된다.
이때의 이송용 받침대 내에 구비되는 냉각수라인은 이송용 받침대가 유동가능한 구조이므로 플렉시블 호스 등과 같이 유동을 수용할 수 있는 수단으로 연결하는 것이 바람직하다.
따라서, 로드챔버(16)에 투입된 도가니(13)는 컨베이어나 로딩/언로딩포크 등의 이송수단을 통해 공정챔버(10b)로 옮겨지게 되고, 전자빔 증발장치(12)의 앞에 도달한 도가니(13)에 전자빔이 입사되어 용해가 이루어지게 되며, 용해가 끝난 도가니(13)는 컨베이어나 로딩/언로딩포크 등의 이송수단을 통해 언로드챔버(17)로 보내지게 된다.
이때의 상기 로딩/언로딩포크는 챔버 간의 거리를 수용할 수 있는 스트로크를 갖는 실린더수단에 의해 구동될 수 있도록 할 수 있다.
이를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 제공하는 인라인타입의 용해장치는 이송용 로딩포크(22)가 속해 있는 로드챔버(16)와, 용해작업이 일어나고 있는 공정챔버(10b)와, 용해가 끝난 후 도가니(13)를 빼낼 수 있는 이송용 언로딩포크(22)가 속해 있는 언로드챔버(17)로 이루어져 있다.
상기 3개의 챔버들은 모두 도가니(13)가 충분하게 이송될 수 있도록 충분한 크기를 갖는 게이트밸브(18)로 연결되어 있다.
본 발명의 예에서는 8인치 정도의 내경을 갖는 밸브를 제공하고 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 로드챔버(16)와 언로드챔버(17)에는 이송용 로딩포크(22)와 이송용 언로딩포크(23)가 속해 있고, 공정챔버(10b) 내에 설치되는 이송수단은 냉각용 고정대(19)와 이송용 받침대(20)의 두부분으로 이루어져 있다.
냉각용 고정대(19)는 냉각수가 유입되어 수냉작용을 수행할 수 있도록 되어 있으며, 열전도의 우수성을 위해 구리재질로 되어 있다.
상기 이송용 받침대(20)는 상승 및 하강, 전후이동의 동작을 할 수 있도록 되어 있다.
도 7의 (A)는 이송용 로딩포크(22)에 의해 도가니(13)가 유입되고 이를 받아오기 위해 이송용 받침대(20)가 뒷쪽(도면의 좌측)으로 움직인 상태를 보여주고 있다.
도 7의 (B)는 이송용 받침대(20)가 위로 상승하여 이송용 로딩포크(22)와 냉각용 고정대(19)에 있는 도가니(13)를 떠받치고 있는 상태를 보여주고 있다.
냉각용 고정대(19)는 도가니(13)가 전후로 이동할 수 있도록 중앙부분이 터져 있기 때문에 이송용 받침대(20)가 이송용 로딩포크(22)와 냉각용 고정대(19)로부터 윗쪽으로 도가니(13)를 들어 올리면 도가니(13)의 탈착이 가능하게 된다.
도 7의 (C)는 들어올려진 도가니(13)를 앞쪽(도면의 우측)으로 이송시키는 상태를 보여주고 있다.
도 7의 (D)는 앞쪽으로 이송시킨 도가니(13)를 아래로 하강시켜 냉각용 고정대(19) 위에 올려놓은 상태를 보여주고 있다.
이때는 도가니(13)가 이송용 받침대(20)와 냉각용 고정대(19)에 지지되어 있어 냉각이 가능한 조건에서 전자빔을 주사할 수 있게 된다.
도 7의 (E)는 이송용 언로딩포크(23)를 이용하여 용해가 완료된 도가니(13)를 언로드챔버(17)로 이송시키고, 로드챔버(16)로부터 들어오는 다른 도가니(13)를 받기 위한 준비상태를 보여주고 있으며, 이송용 받침대(20)는 아래로 하강한 후 뒷쪽으로 이동하게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 증발물질 용해장치에서 증발물질 표면 위에 주사되는 전자빔의 모양을 보여주는 개략도이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 용해가 본격적으로 이루어지기 전에는 증발물질 표면의 약 80%의 면적에 해당하는 넓은 부위에 낮은 밀도의 전자빔을 조사하면서 증발물질 표면의 온도를 골고루 상승시켜 불순물의 제거를 돕는다.
온도가 올라간 증발물질에 전자빔을 모아서 높은 밀도의 전자빔 형태를 만들어 국부적인 용해를 시작한다.
계속해서, 높은 밀도의 전자빔 형태를 x, y 또는 r, θ방향으로 골고루 주사하여 전체적인 표면에 대해 용해가 이루어지게 한다.
한편, 본 발명에서는 전자빔 증발장치의 전원장치를 챔버 내의 압력과 연계시켜서 동작이 이루어지게 하여 최적의 용해 공정시간을 제어할 수 있는 자동 용해제어장치를 제공한다.
처음 증발물질에 전자빔을 주사하여 온도가 상승하게 되면 증발물질에 포함되어 있던 불순물들이 빠져나오게 되며, 이로 인해 진공으로 조성되어 있는 챔버의 내부압력은 상승하게 된다.
본 발명에서는 이러한 챔버 내의 압력변화를 용해시간으로 제어할 수 있는 수단과 방법을 제공한다.
예를 들면, 용해 공정을 하기 전의 챔버 내 압력은 2×10-6 Torr의 진공도를 유지하고 있는 경우 도가니에 전자빔을 주입하여 증발물질 온도가 상승되어 감에 따라 증발물질 표면에서 쏟아져 나오는 불순물들로 인해서 챔버 내의 압력은 기본 진공도 2×10-6 Torr 보다 훨씬 높은 10-4 Torr 영역의 값(대략 2×10-4 Torr)을 나타내게 된다.
도가니 내의 증발물질이 거의 용해가 이루어져 감에 따라 높아졌던 챔버 내의 압력은 점차 다시 낮아져 2×10-5 Torr로 회복되면, 전자빔의 방출전류(Emission current)를 줄여 기본 진공도인 2×10-6 Torr 근처에 가까워지게 되면, 용해공정이 끝나게 된다.
이러한 현상을 이용하여 압력게이지 콘트롤러에 원하는 회복 진공도(예를 들면, 5×10-5Torr)를 입력하고, 회복되던 챔버 내의 압력이 이 값에 도달되는 순간 압력게이지 콘트롤러가 신호를 발생하게 하여 이 신호를 전자빔 증발 장치의 제어부에 전달하여 방출전류를 조정하고 전원을 차단시킴으로써 용해 공정을 완료할 수 있다.
이때, 압력게이지 콘트롤러의 신호를 동시에 부저의 전원부에 전달하여 공정 완료를 알리는 부저가 울릴 수 있도록 할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에서 제공하는 광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해장치 및 방법은 다음과 같은 효과를 나타낸다.
① 박막제조공정을 수행하는 챔버 내에서 증발물질 용해공정을 함께 시행할 경우에 비해 별도의 용해장치를 사용할 경우 2시간 정도의 생산공정시간을 단축할 수 있다.
② 박막제조공정이 수행되고 있는 챔버와는 떨어진 별도의 챔버에서 용해공정이 시행되므로 용해 중에 발생하는 증발물질 내의 불순물로 인한 기판의 오염을 방지할 수 있다.
③ 박막제조공정과 증발물질 용해공정을 별도 수행하므로 용해과정에서 가스 탈착시 심한 폭발현상으로 인한 증착률의 불안정을 막을 수 있다.
도 1은 일반적으로 증발물질을 용해하는 방법을 보여주는 개략도
도 2는 전자빔을 이용한 증발물질 용해시 도가니에 증발물질을 일정량씩 층층이 담으면서 용해하는 과정을 보여주는 개략도
도 3은 본 발명에 따른 증발물질 용해장치의 일 예로서 배치타입의 용해장치를 보여주는 정면도, 측면도 및 평면도
도 4는 도 3에서 공정챔버의 내부구조를 보여주는 단면도
도 5는 도 3에서 증발물질 자동공급장치의 작동상태를 보여주는 개략도
도 6은 본 발명에 따른 증발물질 용해장치의 다른 예로서 인라인타입의 용해장치를 보여주는 정면도 및 평면도
도 7은 도 6에서 인라인타입 용해장치의 작동순서를 보여주는 개략도
도 8은 본 발명에 따른 증발물질 용해장치에서 증발물질 표면 위에 주사되는 전자빔의 모양을 보여주는 개략도
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10a,10b : 공정챔버 11 : 진공배기계
12 : 전자빔 증발장치 13 : 도가니
14 : 회전판 15 : 제어부
16 : 로드챔버 17 : 언로드챔버
18 :게이트밸브 19 : 냉각용 고정대
20 : 이송용 받침대 21 : 진공펌프라인
22 : 이송용 로딩포크 23 : 이송용 언로딩포크
24a,24b : 도가니안착홈 25 : 슈트축
26 : 증발물질유도용 슈트 27 : 증발물질 투입구
28 : 원판축 29 : 원판
30 : 원판용 모터 31 : 저장탱크
32 : 연동장치 33 : 피동기어
34 : 기어부 35 : 가동기어
36 : 회전판용 모터 37 : 복원스프링
38 : 필라멘트 39 : 냉각수라인
40 : 도가니보호용 덮개 41 : 도어
42 : 저진공챔버

Claims (12)

  1. 광학소자의 박막 코팅을 위하여 증발물질을 사전 용해하는 방법에 있어서,
    상기 증발물질의 사전 용해공정은 박막코팅공정과 별도로 분리하여 독립적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 증발물질의 사전 용해공정은 초기 단계에서는 도가니에 담겨진 증발물질 위 80%에 해당하는 면적에 낮은 밀도의 전자빔을 도달시켜 도가니 내의 온도를 상승시키고, 다음 단계에서 도가니의 증발물질 위에 도달하는 전자빔의 면적을 5% 이내의 좁히는 동시에 이러한 고밀도 전자빔을 x, y 또는 r, θ방향으로 골고루 주사하는 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해방법.
  3. 광학소자의 박막 코팅을 위하여 증발물질을 사전 용해하는 장치에 있어서,
    상기 증발물질의 사전 용해시 진공조성을 위한 공정챔버(10a) 및 이 공정챔버(10a)측과 통하는 진공배기계(11)와, 상기 공정챔버(10a) 내에 설치되는 전자빔 증발장치(12) 및 증발물질을 담을 수 있는 다수의 도가니(13)로 구성되며, 광학소자의 박막코팅공정과 분리되어 별도 공정용으로 가동되는 것을 특징으로 하는 광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 증발물질을 담는 다수의 도가니(13)는 회전판용 모터(36)에 의해 회전가능한 회전판(14)상의 가장자리를 따라 일정간격으로 배치되어 있는 다수의 도가니안착홈(24a) 내에 세팅되며 회전판(14)의 회전에 의해 전자빔 증발장치(12)측에 1개씩 위치되면서 순차적으로 용해공정이 수행되는 것을 특징으로 하는 광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해장치.
  5. 청구항 3 또는 4에 있어서, 상기 회전판(14)은 그 위에 배치되는 도가니의 크기나 수량에 따라 가변되는 전자빔 증발장치(12)와의 거리를 보상하기 위한 회전축 조정장치를 더 포함하여 전자빔 도달거리를 항상 일정하게 하는 것을 특징으로 하는 광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해장치.
  6. 광학소자의 박막 코팅을 위하여 증발물질을 사전 용해하는 장치에 있어서,
    도가니(13)의 공급 및 배출을 위한 로드챔버(16) 및 언로드챔버(17)와, 상기 로드챔버(16) 및 언로드챔버(17) 사이에 배치되면서 게이트밸브(18)를 통해 단속적으로 통해 있으며 일측에는 전자빔 증발장치(12)가 구비되고 증발물질을 담는 다수의 도가니(13)를 냉각용 고정대(19)상에 일렬로 나란하게 정렬시킨 후 이송용 받침대(20)를 통해 도가니(13)를 전자빔 증발장치(12)측에 1개씩 위치시키면서 차례로 용해공정을 수행하는 공정챔버(10b) 및 이 공정챔버(10b)의 진공조성을 위한 진공펌프라인(21)과, 상기 공정챔버(10b)측으로 도가니(13)를 공급 및 배출하는 수단으로 구성되며, 광학소자의 박막코팅공정과 분리되어 별도 공정용으로 가동되는 것을 특징으로 하는 광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 공정챔버(10b)측으로 도가니(13)를 넣어주거나 빼내기 위한 수단은 로드챔버(16)측의 이송용 로딩포크(22) 및 언로드챔버(17)측의 이송용 언로딩포크(23)로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해장치.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 이송용 받침대(20)는 다수의 도가니(13)를 일렬로 나란하게 배치하기 위한 일정간격의 도가니안착홈(24a)을 갖고 있으며 상승 및 하강운동과 전후이동하면서 도가니(13)를 한피치씩 전진 이송시켜줄 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해장치.
  9. 청구항 3 또는 6에 있어서, 전자빔 증발장치(12)측에 위치되는 도가니(13) 내에 증발물질을 자동으로 정량 공급할 수 있으며, 슈트축(25)을 중심으로 하여 일정각도 회전 및 복원되면서 도가니(13)의 상부에 위치가능한 증발물질 유도용 슈트(26)와, 상기 증발물질 유도용 슈트(26)의 입구에 위치가능한 증발물질 투입구(27)를 갖는 동시에 원판축(28)을 중심으로 하여 회전가능한 구조로 설치되는 원판(29) 및 원판용 모터(30)와, 상기 원판(29)의 윗면에 그 하단의 출구가 단속되며 일정량의 증발물질을 저장하고 있는 증발물질 저장탱크(31)와, 상기 슈트축(26)과 원판축(28)의 연계작동을 가능하게 하는 연동장치(32)로 구성되는 증발물질 공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 증발물질 공급장치는 원판(29)의 회전속도를 제어하여 증발물질의 1회 공급량을 조절할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해장치.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 연동장치(32)는 슈트축(25)상에 장착되는 피동기어(33)와, 상기 피동기어(32)와 같은 높이에서 원판축(28)상에 장착되어 일부구간의 기어부(34)를 이용하여 피동기어(32)와 단속적으로 맞물리는 가동기어(35)로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해장치.
  12. 청구항 3 또는 6에 있어서, 상기 도가니 내의 증발물질 용해시 증발물질에서 나오는 탈가스를 검출하여 동작하는 압력게이지와 전자빔 증발장치의 전원장치를 연계시켜 동작이 이루어지게 함으로써 최적의 용해 공정시간을 제어할 수 있는 자동 용해제어장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해장치.
KR1020040040401A 2004-06-03 2004-06-03 광학소자 박막 코팅용 증발물질 용해장치 및 용해방법 KR100585913B1 (ko)

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