KR20060013208A - 기상 증착 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각 증발원에서 발생된 다른 재료의 증기를 균일하게 혼합시켜 기판 표면으로 유동시킴으로서 기판의 전체 표면에 균일한 재료 증착층을 형성할 수 있는 기상 증착 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 기상 증착 장치는 진공 챔버 내에 위치하며 내부에 수용된 다른 종류의 증착 재료를 각각 가열하여 재료 증기를 생성하는 다수의 증발원; 및 기판 하부에 위치하고 각 증발원과 연결되어 증발원에서 생성된 각 증착 재료 증기를 혼합한 후 기판으로 배출시키는 혼합 박스를 포함한다. 혼합 박스는 기판으로 혼합된 증착 재료 증기를 분사시키는 개구가 형성된 상부 부재; 각 증발원의 셀 캡이 각각 연결, 고정되는 다수의 연결부들이 구성되어 있는 하부 부재; 및 측벽 부재로 이루어진다.

기상 증착 장치

Description

기상 증착 장치{Evaporation device}

도 1은 기판에 증착막을 형성하기 위한 장치에 사용되는 일반적인 선형 증발원의 구조를 개략적으로 도시한 단면도.

도 2a, 도 2b 및 도 2c는 도 1에 도시된 다수의 선형 증발원을 이용하여 기판 표면에 증착막을 형성하는 상태를 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 기상 증착 장치의 정단면도.

도 4는 또다른 구성을 갖는 혼합 박스의 단면도.

본 발명은 기상 증착 장치에 관한 것으로서, 특히 서로 다른 증착 재료의 증기를 균일하게 혼합한 후 기판으로 유동시켜 기판의 전체 표면에 균일한 재료 증착층을 형성할 수 있는 구조를 갖는 증착 장치에 관한 것이다.

열적 물리적 기상 증착은 증착 재료로 기판 표면에 발광층, 유기물층 등의 증착 재료층을 형성하는 기술로서, 증착 재료는 증발원 내에 수용된 상태로 기화 온도까지 가열되며, 발생된 증착 재료의 증기는 증발원 밖으로 유동한 후 코팅될 기판 상에서 응축된다. 이러한 증착 공정은 10^-7 내지 10^-2 Torr 범위의 압력 하에서 증착 재료를 수용하는 증발원 및 증착 재료가 증착될 기판을 갖고 진행된다.

일반적으로, 증착 재료의 증기를 발생시키는 증발원은 그 구조 및 기판 표면에 형성되는 증착층의 형상에 따라 포인트 증발원(point source)과 선형 증발원(linear source)으로 구분된다.

포인트 증발원은 그 구조적인 특성으로 인하여 기판 표면에 원형의 증착층을 형성하게 되며, 이러한 포인트 증발원을 이용하여 비교적 넓은 기판 표면에 균일한 증착층을 형성하기 위해서는 기판을 회전시키면서 증착 공정을 진행하게 된다. 그러나, 유기 전계 발광 소자의 생산 효율을 향상시키기 위하여 기판이 대형화되어 가는 추세이며, 따라서 대형 기판을 회전시키는데는 많은 어려움이 있다.

한편, 기판 표면에 증착층을 형성하는데 사용되는 증착 재료는 크게 일반적인 발광 재료(유기물 재료)인 호스트(host)와 호스트의 특성 변화를 위한 보조 재료인 도판트(dopant)로 구분된다. 이 호스트와 도판트는 별개의 증발원에 수용되어 기화된 후 기판 표면으로 각각 분사된다. 균일한 증착층을 형성하기 위해서는 증기 형태로 분사되는 호스트와 도판트가 균일하게 혼합된 상태로 기판 표면으로 분사되어야 한다.

이러한 조건, 즉 고정된 상태의 기판으로 호스트 증기와 도판트 증기를 각각 분사하는 상황에서는 호스트 증기와 도판트 증기의 만족할 만한 혼합을 기대하기 어려우며, 따라서 기판 표면에 증착층이 균일하게 형성되기 어렵다.

선형 증발원은 도 1에 도시된 바와 같이 일정한 공간을 갖는 셀(2) 및 셀(2)의 상단에 설치되고 중앙부에 길이 방향의 개구(3A)가 형성된 셀 캡(3)을 포함한다. 이러한 구조의 선형 증발원(1)에서, 셀(2) 내에는 증착 재료(4)가 투입되며, 이 증착 재료(4)를 가열하기 위한 가열 수단이 증발원(1)의 소정 부분에 설치될 수 있다. .

예를 들어, 증발원(1)의 셀(2)에 전류가 인가되면 셀(2)에서 열이 발생하고, 셀(2) 내부에 수용된 증착 재료(4)는 셀(2)으로부터의 방사열에 의하여 가열된다. 증착 재료(4)의 증기는 셀 캡(3)에 형성된 개구(3A)를 통하여 배출되어 증발원(1) 상부에 위치한 기판으로 분산된다.

한편, 미설명 부호 "B"는 배플을 나타내며, 배플(B)은 재료 증기의 흐름을 1차 차단한 후, 그 흐름을 변경시킨다. 배플(B)에 의하여 흐름이 변경된 재료 증기는 셀 캡(3)의 개구(3A)를 통하여 기판으로 배출된다.

도 2a, 도 2b 및 도 2c는 도 1에 도시된 다수의 선형 증발원을 이용하여 기판에 유기 박막 또는 발광층을 형성하는 상태를 도시한 도면으로서, 도 2a에서는 하나의 호스트 (host) 증기 발생용 증발원(1H)과 2개의 도판트(dopant ; 호스트 재료의 특성을 변화시키기 위한 물질) 증기 발생용 증발원(1D)을 이용하여 기판(5) 표면에 유기 박막을 형성하는 상태를, 도 2b에서는 하나의 도판트 증기 발생용 증발원(1D)과 하나의 호스트 증기 발생용 증발원(1H)을 이용하여 기판(5) 표면에 유기 박막을 형성하는 상태를 각각 도시하고 있다.

전술한 바와 같이, 균일한 발광 유기 박막을 형성하기 위하여 호스트 증기와 도판트 증기는 일정 비율로 혼합된 상태에서 기판(5) 표면에 증착된다. 이를 위하여 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 2개의 도판트 증기 발생용 증발원(1D)과 하나의 호스트 증기 발생용 증발원(1H) 그리고 하나의 도판트 증기 발생용 증발원(1D)과 하나의 호스트 증기 발생용 증발원(1H)을 단일 시스템으로 구성하여 증착막 형성 공정을 진행하게 된다.

도판트 증기와 호스트 증기를 적절한 비율로 기판(5)으로 공급하기 위하여 각 증발원(1D, 1H)의 배열을 조절하여 도판트 증기와 호스트 증기의 유동 경로(궤적)를 서로 일치시키는 방법이 이용된다. 즉, 각 증발원(1D, 1H)에서 생성된 도판트 증기와 호스트 증기가 기판(5) 표면으로 유동하는 과정에서 서로 혼합된 후 기판(5) 표면에 증착하게 되는 것이다.

그러나, 실제 박막 형성 공정에서는 기판(5) 표면에 호스트 증기 또는 도판트 증기만이 증착되는 영역(도 2a의 5A 부분 및 도 2b의 5B 부분)이 형성될 수 밖에 없다. 이와 같이, 도판트 증기 또는 호스트 증기 하나만의 증착은 유기물 소자의 효율을 저하시키는 요인이 된다.

이러한 점을 감안하여, 도 2c에서와 같이 공정 조건에 따라 도판트 증기 발생용 증발원(1D)과 호스트 증기 발생용 증발원(1H)의 위치를 적절히 조정하는 방안도 고려될 수 있지만, 다수의 증발원(1D, 1H)들의 위치를 조절하는 것이 어렵고 또한 증발원을 위한 충분한 공간을 미리 확보해야 하므로 설비가 필요 이상으로 커지는 문제점이 있다.

본 발명은 증발원을 이용하여 기판 표면에 재료층을 형성하는 과정에서 발생하는 상술한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 각 증발원에서 발생된 다른 재료의 증기를 균일하게 혼합시켜 기판 표면으로 유동시킴으로서 기판의 전체 표면에 균일한 재료 증착층을 형성할 수 있는 기상 증착 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 기상 증착 장치는 진공 챔버 내에 위치하며 내부에 수용된 다른 종류의 증착 재료를 각각 가열하여 재료 증기를 생성하는 다수의 증발원; 및 기판 하부에 위치하고 각 증발원과 연결되어 증발원에서 생성된 각 증착 재료 증기를 혼합한 후 기판으로 배출시키는 혼합 박스를 포함한다.

본 발명에서 이용된 혼합 박스는, 기판과 대응하며 다수의 개구들이 형성된 상부 부재; 각 증발원의 셀 캡이 각각 연결, 고정되는 다수의 연결부들이 구성되어 있는 하부 부재; 및 측벽 부재로 이루어진다.

또한, 혼합 박스는 그 측벽 부재 외주면에 가열 수단이 장착되어 있어 그 내부 공간에서 혼합된 각 증착 재료의 증기들이 개구들을 통하여 소정의 유속을 갖고 외부로 분출될 수 있을 정도의 운동 에너지를 갖게 되며, 그 내부 공간에는 증기의 이동 경로를 최대화하기 위하여 다수의 플레이트들이 소정의 높이 차이를 갖고 장착되어 있다.

한편, 혼합 박스는 진공 챔버 내부에 위치하고, 다수의 증발원들은 챔버 외부에 위치할 수 있으며, 이 때 혼합 박스의 각 연결부에 밸브 조립체를 장착함으로 서 증발원의 교체 공정시 외부의 압력이 혼합 박스로 유입되는 것을 차단할 수 있다.

첨부된 도면을 참고로 한 바람직한 실시예의 상세한 설명에 의하여 본 발명은 보다 완전하게 이해될 것이다.

본 발명에 따른 증착 장치에는 포인트 증발원과 선형 증발원 모두 적용할 수 있지만, 이하의 설명에서는 선형 증발원을 예를 들어 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 기상 증착 장치의 정단면도로서, 편의상 증발원과 기판이 내부에 장착되는 진공 챔버는 도시하지 않았으며, 또한 2개의 증발원만을 도시하였다.

본 발명에 따른 증착 장치의 가장 큰 특징은 챔버의 내부 공간에 다수의 증발원(10D, 10H)을 설치하고 각 증발원(10D, 10H)에서 생성된 증착 재료 증기를 혼합시킨 후, 혼합된 재료 증기를 기판으로 분사시키는 구성을 채택한 것이다.

이를 위해서 본 발명에 따른 증착 장치에는, 챔버 내에 다수의 증발원(10D, 10H)이 배치되어 있으며, 각 증발원(10D, 10H)과 기판(S) 사이에는 소정의 내부 공간을 갖는 혼합 박스(20)가 위치한다. 혼합 박스(20)는 상부 부재(21), 하부 부재(22) 및 측벽 부재(23)로 이루어진다.

기판(S)과 대응하는 상부 부재(21)에는 증기 배출을 위한 다수의 개구들(21A)이 형성되어 있다. 하부 부재(22)에는 각 증발원(10D, 10H)의 상부 부재, 즉 셀 캡(10D-1, 10H-1)이 연결, 고정되는 연결부들(22A)이 구성되어 있으며, 측벽 부 재(23)의 외주면에는 가열 수단(24)이 장착되어 있다.

한편, 위와 같은 구조를 갖는 혼합 박스(20)의 하부 부재(22)에는 다수의 증발원((10D, 10H; 선형 또는 포인트형)이 연결되며, 다수의 증발원(10D, 10H)에는 전술한 바와 같이 호스트 재료와 도판트 재료가 각각 수용되어 있다. 한편, 각 증발원(10D, 10H)을 구성하는 셀 캡(10D-1, 10H-1)이 혼합 박스(20)의 연결부(22A)에 밀봉적으로 그리고 분리 가능하게 결합됨으로서 혼합 박스(20)와 각 증발원(10D, 10H)의 연결이 이루어진다.

이와 같이 각 증발원(10D, 10H)의 셀 캡(10D-1, 10H-1)이 혼합 박스(20)의 연결부(22A)에 연결되기 때문에 본 발명에서의 각 증발원(10D, 10H)에서는 가열 수단(H)이 측벽 부재의 외주벽에 장착되어 있다.

이와 같은 구성을 다수의 증발원(10D, 10H) 및 혼합 박스(20)를 포함하는 증착 장치의 기능을 설명하면 다음과 같다.

각 증발원(10D, 10H)의 가열 수단(H)에 전원을 인가하면, 각 증발원(10D, 10H) 내에 수용된 증착 재료(도판트 재료 및 호스트 재료)가 가열되어 기화되며, 증착 재료의 증기는 각 증발원(10D, 10H)의 셀 캡(10D-1, 10H-1)에 형성된 개구(도 3에서는 구체적으로 도시되지 않으나, 도 1에 도시된 및 개구(3A)와 동일한 구조임)를 통하여 배출된다. 각 증발원(10D, 10H)에서 배출된 증기는 각 연결부(22A)를 통하여 혼합 박스(20) 내부 공간으로 유입되며, 각 증기는 혼합 박스(20)의 내부 공간에서 혼합된 후 외부(기판(S))로 분산된다.

즉, 각 증발원(10D, 10H)에서 배출된 도판트 증기 및 호스트 증기는 혼합 박 스(20) 내부 공간을 유동하는 과정에서 자연스럽게 혼합되며, 혼합된 도판트 증기와 호스트 증기는 혼합 박스(20)의 상부 부재(21)에 형성된 다수의 개구들(21A)을 통하여 기판(5)으로 분사된다.

여기서, 도 3에서는 혼합 박스(20)의 상부 부재(21)에 혼합된 증착 재료가 분출되는 개구(21A)가 다수개 도시되어 있으나, 그 형태 및 수는 한정되지 않는다. 즉, 혼합 박스(20)의 상부 부재(21)에 폭방향으로 일정한 길이를 갖는 단일의 개구를 형성할 수도 있으며, 또한 기판(S) 표면에 증착 재료 증기가 중첩되는 상태로 분사되지 않도록 일정한 간격을 두고 다수의 개구가 형성될 수 있다.

상부 부재(21)에 그 폭 방향으로 일정한 길이를 갖는 단일의 개구가 형성된 경우, 혼합 박스(20)와 증착원(10D 및 10H)의 유니트 또는 기판(S)를 기판(S)의 길이 방향으로 선형 이동시킴으로서 기판(S)의 전체 표면에 증착 재료 증기가 균일하게 분사될 수 있다.

한편, 혼합 박스(20) 내의 공간에서 혼합된 재료 증기들은 기판(S)으로 분사되기 위하여 적정의 운동 에너지를 가져야 하며, 증기 분자의 운동 에너지는 온도의 영향을 크게 받는다. 따라서 혼합 박스(20)의 내부 공간 역시 적절한 온도를 유지하는 것이 바람직하며, 이를 위하여 본 발명에서는 혼합 박스(20)의 측벽 부재(23) 외주면에 가열 수단(24; 예를 들어, 발열 코일)을 장착하였다.

가열 수단(24)의 가동에 따라 가열 수단(24)에서 발생된 열이 혼합 박스(20)로 전달되며, 따라서 그 내부 공간에서 혼합되는 각 증착 재료의 증기들은 개구들(21A)을 통하여 외부로 분사될 수 있을 정도의 운동 에너지를 갖게 된다.

한편, 상술한 모든 공정은 진공 상태의 챔버 내에서 이루어지며, 이러한 챔버의 조건 하에서는 증발원의 교체 작업에 상당한 시간이 요구된다. 즉, 증착 재료의 소모에 따른 증발원 교체를 위해서는 챔버 내의 진공 조건을 대기압 상태로 변환해야 하며, 또한 증발원의 교체 후 챔버의 내부를 진공 상태로 조성해야 한다. 챔버 내부의 진공압 해제 및 진공압 조성을 위해서는 장시간의 대기 시간이 소요된다.

위와 같은 문제점을 방지하기 위하여 본 발명에 따른 증착 장치에서는 증착 재료 증기가 혼합되고 분사되는 혼합 박스(도 3의 20)를 진공 챔버 내부에 위치시키고 다수의 증발원(10D, 10H)을 챔버 외부에 위치시키는 것이 바람직할 것이다. 각 증발원(10D, 10H)이 진공 챔버의 밖에 위치함으로서 증발원을 교체할 때마다 챔버 내부의 압력 조건을 대기압 또는 진공 상태로 변환할 필요가 없으며, 따라서 이에 소요되는 시간을 절약할 수 있다.

한편, 진공압 상태의 혼합 박스(20)로부터 대기압 하에 위치하는 각 증발원(10D, 10H)을 분리하는 과정에서 대기압이 혼합 박스(20) 내에 형성되며, 따라서 혼합 박스(20) 및 챔버를 진공압 상태로 유지할 수 없다. 본 발명에서는 각 증발원 교체 과정에서도 혼합 박스(20) 및 챔버의 내부 공간이 진공 상태를 유지할 수 있도록 혼합 박스(20)의 각 연결부(22A)에 밸브 조립체(V)를 장착하였다.

각 증발원(10D, 10H)이 각 연결부(22A)에 밀봉적으로 결합된 상태에서 밸브 조립체(V)를 개방함으로서 각 증발원(10D, 10H)에서 발생된 증착 재료 증기가 혼합 박스(20) 내로 유입되며, 혼합 박스(20) 내에서 혼합된 증착 재료 증기는 상부 부 재(21)에 형성된 개구(21A)를 통하여 기판으로 유동한다.

증발원 교체를 위하여 증발원(10D, 10H)을 혼합 박스(20)에서 분리하기 위해서는, 먼저 밸브 조립체(V)를 닫힘 상태로 전환하여 혼합 박스(20) 내부 공간과 각 증발원(10D, 10H) 내부 공간을 격리시킨다. 이러한 상태에서는 증발원(10D, 10H)을 혼합 박스(20)로부터 분리하여도 대기압이 혼합 박스(20) 내에 형성되지 못하며, 따라서 어떠한 경우에도 혼합 박스(20)와 챔버는 진공압 상태를 유지할 수 있다.

도 4는 또다른 구성을 갖는 혼합 박스의 단면도로서, 편의상 연결부에 연결된 증발원들은 도시하지 않았다. 도 4에 도시된 혼합 박스(30)의 전체 구성은 도 3에 도시된 혼합 박스(20)의 구성과 동일하나, 그 내부에 다수의 플레이트(35, 36)를 장착한 것이 구성적인 특징이다.

다수의 플레이트(35, 36)는 인접한 플레이트와 소정의 높이 차이를 갖고 고정된다. 어느 한 플레이트, 예를 들어 도 4에서의 하부 플레이트(35)의 제 1 종단은 제 1 측벽 부재(33A) 내면에 고정되어 있으며, 반대쪽의 제 2 종단은 대응하는 제 2 측벽 부재(33B) 내면과 소정의 간격을 이룬다. 한편, 인접한 또다른 플레이트(36)의 제 2 종단은 측벽 부재(33B) 내면에 고정되어 있으며, 반대쪽의 제 1 종단은 대응하는 측벽 부재 내면(33A)과 이격된 상태를 유지한다.

이러한 구조로 인하여 각 증발원(도 3의 10D, 10H)에서 배출된 증착 재료 증기는 혼합 박스(30) 내에서 모든 플레이트들(35, 36)의 표면을 따라 유동한 후 상부 부재(31)에 형성된 개구들(31A)을 통하여 외부로 배출된다. 결과적으로, 증착 재료 증기의 유동 경로가 최대로 길어지게 되며, 따라서 각 증착 재료 증기들은 혼 합 박스(30)의 내부 공간을 유동하는 과정에서 더욱 균일하게 혼합될 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 각 증발원에서 발생된 다른 재료의 증기를 혼합 박스 내에서 균일하게 혼합시킨 후 기판 표면으로 유동시킴으로서 기판의 전체 표면에 균일한 재료 증착층을 형성할 수 있다.

또한, 재료 증기가 혼합되고 배출되는 혼합 박스를 진공 챔버 내부에 위치시키는 반면에 각 증발원을 챔버 외부에 위치시킴으로서 증발원의 교체 작업시 챔버 내부 압력 상태를 대기압 및 진공압으로 전환시킬 필요가 없어 대기 시간을 크게 단축할 수 있는 효과가 있다.

위에서 설명한 본 발명은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이다. 따라서, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (8)

1. 진공 챔버 내에 위치하며, 내부에 수용된 다른 종류의 증착 재료를 각각 가열하여 재료 증기를 생성하는 다수의 증발원; 및

   기판 하부에 위치하며, 각 증발원과 연결되어 증발원에서 생성된 각 증착 재료 증기를 혼합한 후 기판으로 배출시키는 혼합 박스를 포함하는 기상 증착 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 박스는 기판과 대응하며 혼합된 증착 재료 분출용 개구가 형성된 상부 부재; 각 증발원의 셀 캡이 각각 연결, 고정되는 다수의 연결부들이 구성되어 있는 하부 부재; 및 측벽 부재로 이루어져 소정의 공간이 형성되는 기상 증착 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 혼합 박스의 상부 부재에 형성된 증착 재료 증기 분사용 개구는 상부 부재의 폭방향으로 일정한 길이를 갖는 단일의 개구인 기상 증착 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 혼합 박스의 상부 부재에 형성된 증착 재료 증기 분사용 개구는 증착 재료 증기가 기판 표면에 중첩 상태로 분사되지 않도록 일정한 간격을 두고 다수 개가 형성된 기상 증착 장치.
5. 제 2 항에 있어서, 혼합 박스는 측벽 부재 외주면에 가열 수단이 장착되어 있어 그 내부 공간에서 혼합된 각 증착 재료의 증기들이 개구들을 통하여 소정의 유속을 갖고 외부로 분출될 수 있을 정도의 운동 에너지를 갖는 기상 증착 장치.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 혼합 박스는 그 내부에 증기의 이동 경로를 최대화하기 위하여 다수의 플레이트들이 소정의 높이 차이를 갖고 장착되어 있는 기상 증착 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 어느 한 플레이트는 그 제 1 종단이 혼합 박스의 제 1 측벽 부재 내면에 고정되고 제 2 종단은 혼합 박스의 제 1 측벽 부재와 마주보는 제 2 측벽 부재 내면과 소정의 간격을 가지도록 설치되며, 인접한 또다른 플레이트들은 그 제 2 종단이 혼합 박스의 제2 측벽 부재 내면에 고정되고 제 1 종단은 제 1 측벽 부재 내면과 소정의 간격을 이루도록 설치되어 각 증발원에서 배출된 증착 재료 증기가 모든 플레이트들의 표면을 따라 유동한 후 상부 부재에 형성된 개구들을 통하여 외부로 배출되는 기상 증착 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 혼합 박스는 진공 챔버 내부에 위치하고, 다수의 증발원들은 챔버 외부에 위치하되, 혼합 박스의 각 연결부에 밸브 조립체를 장착하여 증발원의 교체 공정시 혼합 박스 내의 압력이 대기압으로 되는 것을 방지하는 기상 증착 장치.

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