KR20090015324A - 금속성 박막 증착용 선형 하향식 고온 증발원 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 유기발광소자의 금속박막을 하향식으로 증발 증착하기 위한 방법으로서, 직육면체 형 도가니와 도가니 덮개로 구성되고, 내부에 원통형노즐들이 다수 개 형성된 선형의 하향식 도가니를 사용하여, 금속성 알갱이의 충전이 용이하고, 선형의 도가니의 주위에 고정된 열선을 통하여 도가니를 가열하게 됨으로써, 도가니 내부에서 기화된 금속성 기체가 하향으로 분출하도록 유도하여, 기판에 금속박막을 하향식으로 증착하고, 원통형 노즐의 개수와 노즐 개구부의 지름을 조절하여, 선형으로 이송되는 대면적의 기판에 균일도가 향상된 금속성 박막을 형성하도록 하여, 대면적의 유기소자의 양산시, 기판의 처짐이 없이, 하향으로 금속성 박막을 형성하게 되어, 생산성을 향상시키는 효과가 있는 발명이다.

선형 하향식 고온 증발원, 하향식 증착, 금속박막

Description

금속성 박막 증착용 선형 하향식 고온 증발원{Top-down type high temperature evaporation source for deposition of metal-like film on substrate}

도1: 기존의 하향식 고온 증발원 도가니의 개략도

도2: 선형 하향식 고온 증발원 도가니의 개략도

도3: 선형 하향식 고온 증발원 도가니의 단면도

도4: 선형 하향식 고온 증발원 도가니의 조립도

도5: 선형 하향식 고온 증발원의 단면도

<도면의 주요 부위에 대한 부호의 설명>

10: 기판 11:하향식 도가니

12: 금속알갱이 13:하향노즐

14: 박막 균일도 조절기

20: 선형 하향식 도가니 21: 원통형 노즐

22: 온도 센서 삽입부 23: 깔때기 노즐

24: 기체분출부 25: 선형 하향식 도가니 덮게

26: 스크류탭 27: "ㄱ"자 모양

30: 열선 31: 하우징

32: 캡 33: 열선 고정대

40: 보온벽 41:냉각라인

유기발광소자(OLED ; Organic Light Emitted Diode)는 투명전극이 도포된 유리기판상에 여러 층의 유기박막을, 진공챔버 내에서, 증착공정으로 형성한 후, 금속전극을 형성하여, 전기를 통하면, 유기박막에서 발광현상을 가지는 차세대 디스플레이 소자로서, LCD 이후를 대체할 전망을 가지고 있다. 특히 유기박막은 고진공 챔버 내에서, 유기물이 담긴 도가니를 가열하여, 증발되는 유기물 기체가 유리기판에 박막의 형태로서 형성하게 된다.

유기물 박막이 형성된 후, 금속전극용 금속박막을 형성하게 되는데, 주로, 스퍼터링 기술과 보트를 사용한 직접가열기술을 사용하고 있다. 스퍼터링의 경우는 플라즈마에 의한 금속 타겟으로부터의 금속기체의 발생 시, 전하를 띠는 이온들이 발생되어 가속되므로, 유기박막에 충격을 주게 되는 문제가 있으며, 스퍼티링 이그니션 시, 발생되는 파티클이 유기박막에 영향을 주기도 한다. 보트를 사용할 경우, 보트에 담겨진 금속을 녹여서 증발하기 위한 방법으로서, 보트의 용량이 제한 되어 있으므로, 대면적의 금속박막을 형성하는데는 한계를 가지고 있기도 하다. 또한 보트가 고온의 영향으로, 자주 깨어지기도 하여 양산에 저하를 가져온다.

특히, 이러한 증착을 수행할 경우, 기판은 주로 상부에 걸어놓고, 증발소스는 진공기의 바닥부분에 설치하여 증착을 수행하는, 이른바 "상향식 증착" 방법을 주로 쓰고 있다. 하지만, 기판이 대형화 될 경우, 얇은 기판의 중앙부분이 잘 쳐지게 되므로, 기판의 이송이 어렵고, 고정하기도 어렵게 된다. 또한, 기판의 처짐으로 인해, 금속박막의 균일도를 얻기가 매우 어렵다. 이러한, 문제를 해결하기 위한 방법으로서, 기판을 챔버의 하부바닥에 놓고, 증착을 수행하는 이른바 "하향식 증착" 방법의 개발이 필요하다. 이 경우, 금속박막을 하향식으로 증착하기 위한, 하향식 금속 증발원이 필요하다. 하향식 금속박막의 증착을 위하여, 기존에는 도1에 나타낸 것과 같이, 금속 알갱이(12)가 담긴 하향노즐(13)이 구성된 하향식 도가니(11)를 사용하여, 하부에 놓인 기판(10)에 금속박막을 증착한다.

유기소자의 생산 시, 하향식 금속박막의 증착을 위하여, 기존에는 도 1에 나타낸 것과 같이, 금속 알갱이(12)가 담긴 하향노즐(13)이 구성된 하향식 도가니(11)를 사용하여, 하부에 놓인 기판(10)에 금속박막을 증착한다. 하지만, 하향노즐부분에 금속기체가 쉽게 응고되기도 하고, 이를 방지하기 위하여, 하향노즐부 주위를 고온의 가열을 하면 가열장치가 많아져, 증발원의 작동이 용이 하지 않아, 장시간 사용하기가 매우 어렵다. 또한, 금속알갱이의 재충전이 용이하지 않아서, 유기소자의 양산에 많은 문제점을 가지고 있다. 그리하여, 금속알갱이의 충전이 용이하고, 노즐부의 응고현상이 발생되지 않는 새로운 하향식 고온 증발원 도가니의 발명이 필요한 것이다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 방법으로서, 도 2에 나타낸 것과 같이, 상부가 개구된 직육면체형의 선형 도가니(20)가 하부가 개구된 직육면체형 도가니 덮개(25)가 한 몸체를 이루게 된다. 또한, 도가니의 내부 하부벽(20)에는 다수개의 원형의 개구부가 일정한 간격으로 형성되어 있으며, 원통형의 노즐(21)들이 상기의 원형 개구부에 연결되게 된다. 즉, 도가니 내부(20)에 금속성 파우더를 충전하여 가열하면 금속성 기체들이 증발하게 되고, 기체의 적당한 압력이 유지되면, 원통형 노즐(21)들을 통하여, 하향으로 기체분출부(24)를 통과하여, 분출되는 것이다.

분출되는 금속기체가 기판에 증착되어 금속박막이 형성될 경우, 금속박막의 중앙부는 두껍고, 기판 가장자리는 얇아지므로, 박막의 균일도가 떨어지는 문제가 있다. 이는 금속기체가 분출될 시, 분출기체의 중앙의 밀도가 가장 높기 때문이며, 이를 코사인 분포라고 한다. 즉, 금속박막의 균일도를 향상시키기 위하여, 적어도 2개이상(100개 이하)의 원통형 노즐(21)들이 설치되어, 각 노즐에서 하향으로 분출된 기체들이 중첩에 의하여, 균일한 금속박막을 형성하게 된다. 이때, 증발원과 기판사이의 거리(1cm ~ 1000cm의 범위내)를 적당하게 조절하게 된다. 또한, 원통형노즐들 사이의 배열간격과 노즐의 크기를 배합하여, 조절하면, 더욱 균일도가 향상된 금속성 박막을 증착할 수가 있는 것이다.

원통형 하향식 노즐(21)들을 조립하기 위하여, 선형 하향식 고온 증발원 도가니의 단면이 도 3에 나타낸 것과 같이, 선형 하향식 도가니(20)와 도가니 덮개(25) 가 각각 상부의 바깥쪽과 하부의 안쪽에"ㄱ"자 모양(27) 형태의 끝단 마무리를 가지고 일체되며, 서로 밀폐되도록 형성된다.(도4 참고) 즉, 분리된 저장용 도가니(21)에 금속알갱이를 담고, 도가니 덮개(25)를 선형의 하향식 도가니(21)에 합치하여 닫으면 한 몸체가 되는 것이므로, 금속알갱이를 재충전하기가 용이한 것이다. 기화된 금속기체가 하향으로 분출되는 것을 효과적으로 하도록, 선형 하향식 도가니 덮개(25)의 상부는 돔형태로 구성되기도 한다.

또한, 원통형 노즐(21)의 상부에는 깔때기 모양의 노즐(23)이 형성되어 있어서, 자유 운동하는 기체들이 깔때기 노즐(23)을 통하여 원통형 노즐부쪽으로 더욱 잘 모이게 하여 줌으로써, 증발원의 작동 시, 금속 기체들의 증발양을 향상시키게 되어, 고속의 금속박막 증착을 용이하게 한다. 도가니 덮개의 외부벽 상부에는 온도센서삽입부(22)가 있어, 도가니의 온도를 측정하여 이 온도를 일정하게 유지하도록 전원공급기를 조절하면, 증발되는 금속기체의 양을 일정하게 유지하도록 선형도가니의 온도조절이 가능하도록 한다.

상기의 원통형 하향식 노즐을 조립하기 위하여, 고온 증발원 도가니 조립도를 도 4에 나타내었다. 원통형 하향식 노즐의 외부벽에는 나사선(스크류탭)(26)들이 형성되어 있고, 도가니의 하부에 형성된 원형 개구부의 내부벽에도 나사선(26)들이 형성되어 있어서, 원통형 노즐과 원형 개구부사이를 스크류를 잠그듯이 연결하여 연결부를 밀폐하게 한다. 즉, 도가니 내부에 금속성 알갱이들이 가열되어, 액화되어도 연결부를 통하여 새어 나오는 것을 방지하기도 하는 것이다.

선형의 하향식 고온증발원을 완성하기 위한 설명으로서, 도 5에 나타낸 바와 같이, 도가니의 주위에는 열선 고정대(33)에 의해 열선(30)이 고정되며, 이 열선에 전기를 가하면, 가열되고, 이 때 방사되는 적외선에 의해 하향식 도가니의 외벽부가 집중적으로 가열되고, 도가니 내부에 담긴 금속 알갱이가 녹게 되는 것이다. 금속알갱이가 녹아서 기화되며, 도가니 내부에서 상부로 기화된 금속기체가 도가니 덮개(25)의 돔형 지붕벽에 부딪혀 응고되는 것을 방지하기 위하여, 도가니의 외부 바깥쪽에도 열선을 고정하여 가열하게 된다.

이러한 구조물(도가니, 도가니덮개, 열선)을 덮어서, 열을 더욱 보호하는 목적으로, 구조물 주위에는 여러겹의 보온벽(40)을 설치한다. 즉, 열선(31)과 도가니(20)에서 방출되는 적외선이 보온벽에 부딪혀서, 내부로 반사되도록 하여 도가니의 온도가 섭씨 2000도 까지 가열되도록 유도하는 것이다. 이때, 고온에 잘 견디도록 하기 위하여, 보온벽은 주로 그래파이트나 세라믹 재질을 사용하게 된다.

보온벽 주위를 덮어서, 방열을 방지하고, 용이한 유지보수를 목적으로, 직육면체형 하우징(31)을 가지게 되며, 이 하우징(housing)의 외부벽에는 여러개의 냉각라인(41)들을 접합하여 설치하면, 고온 증발원으로 부터의 방사열의 방출을 더욱 막아주기도 한다. 또한, 도가니가 하부로 중력에 의하여, 떨어지는 것을 방지하기 위하여, 양측이 "ㄴ"자 모양으로 꺽어진 형태의 선형의 캡(Cap)(32)을 하우징의 외부로 막고, 스크류를 이용하여, 캡(32)을 하우징 벽에 고정하게 되는 것이다.

상기의 선형 하향식 고온 증발원을 이용하여 금속박막을 증착할 경우, 기판은 진공기 바닥쪽에 위치하게 되며(증발원의 하부), 기판은 롤러장치와 같은 이송장치를 이용하여 선형이송하면서 금속박막을 증착하게 된다. 이때, 기판은 이송과 동시에 금속박막을 증착하게 되므로, 양산성이 향상된다.

본 발명은, 하향식으로 대면적의 기판에 금속성 박막을 증착하기 위한 방법으로서, 선형의 도가니 덮개와 선형 하향식 도가니가 한 몸체를 이루고, 도가니의 내부에는 다수개의 원통형노즐들이 도가니의 바닥면에 형성된 다수개의 원형 개구부와 연결되어, 도가니 내부가 밀폐되도록 하고, 선형의 도가니 내부에는, 고용량의 금속알갱이의 충전이 용이하고, 원통형 노즐들을 통한 하향식 기체의 분출이 용이하고, 원통형 노즐들의 개수와 원통형 노즐들의 크기를 조절하여, 증발원 하부에서 선형 이송하는 대면적의 기판에 대형의 향상된 균일도를 가지는 금속박막의 형성이 가능하여, 대면적의 유기소자의 양산시, 기판의 처짐이 없이, 금속성 박막을 형성하게 되어, 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (15)

1. 상부가 열린 직육면체형의 도가니와 하부가 열린 직육면체형 도가니 덮개가 상기의 도가니에 얹혀서 한 몸체가 되고, 상기의 도가니 내부의 바닥면에, 다수개의 원형개구부가 일정한 간격으로 형성되어 있고, 다수개의 원통형노즐들이 각각 상기의 원형개구부들에, 상기의 도가니 내부쪽에 위치하도록, 고정되어 있는 선형 하향식 고온 증발원 도가니.
2. 제 1 항에 있어서, 원통형 노즐의 상부에는 깔때기노즐이 형성되어 있는 선형 하향식 고온 증발원 도가니.
3. 제 1 항에 있어서, 도가니 덮개의 내부 지붕은 직사각형 또는 반원형 또는 돔형태로 형성되어 있는 선형 하향식 고온 증발원 도가니.
4. 제 1 항에 있어서, 원통형 노즐의 하부와 원형개구부의 벽에는 스크류 탭이 형성되어, 서로 고정되어 밀폐되는 선형 하향식 고온 증발원 도가니.
5. 제 1 항에 있어서, 도가니 덮개의 상부에는 온도센서 삽입부가 다수개 형성되어 있는 선형 하향식 고온 증발원 도가니.
6. 제 1 항에 있어서, 도가니 상부와 도가니 덮개의 하부에는 "ㄱ"자 모양으로 마무리가 되어 있어, 서로 밀폐되도록 연결되는 선형 하향식 고온 증발원 도가니.
7. 제 1 항에 있어서, 원통형 노즐의 개수는 1개 ~ 100개의 범위 내에서 선택되고, 각 원통형 노즐의 지름은 0.01mm ~ 100mm의 범위 내에서 선택되고, 원통형 노즐사이의 간격은 0.1mm ~ 1000mm의 범위 내에서 선택되는 선형 하향식 고온 증발원 도가니.
8. 상기의 선형 하향식 고온 증발원용 도가니의 양측 벽 주위에 위치하도록 열선이 열선 고정대에 고정되고, 도가니와 열선주위에 다수겹의 보온벽이 형성되고, 보온벽 주위에는 금속으로 구성된 하우징이 형성되고, 하우징의 외벽에는 다수개의 냉각라인이 접합되어 형성되는 선형 하향식 고온 증발원.
9. 제 6 항에 있어서, 하우징의 하부에는 도가니를 받치도록 양측이 "ㄴ"자 모양으로 꺾어지고, 다수개의 스크류를 이용하여, 하우징의 하부벽에 고정이 가능하여 이탈착이 용이한 캡이 형성되어 있는 선형 하향식 고온 증발원.
10. 제 6 항에 있어서, 상기의 하우징과 보온벽의 상부에는 온도센서 삽입용 원형 개구부가 형성되어 있는 선형 하향식 고온 증발원.
11. 상기의 선형 하향식 고온 증발원을 이용하여, 기판에 금속박막 또는 무기물박막을 증착하는 방법에 있어서, 상기의 원통형노즐들을 통하여 하향으로 분출되는 기체가 증발원의 하부에 위치하여 선형 이송되는 기판에 증착되는 하향식 증착 방법.
12. 제 9 항에 있어서, 상기 선형 하향식 고온 증발원 작동 시, 챔버의 압력은 10^-3Torr ~ 10^-9Torr의 범위에서 선택되는 금속박막 증착용 선형 하향식 고온 증발원의 작동 방법.
13. 제 9 항에 있어서, 상기 선형 하향식 고온 증발원 작동 시, 열선에 의한 도가니의 가열온도가 섭씨 100도에서 섭씨 2000도의 범위에서 선택되는 금속박막 증착용 선형 하향식 고온 증발원의 작동 방법.
14. 제 9 항에 있어서, 상기 선형 하향식 고온 증발원 작동 시, 기판과 증발원사이의 간격은 1cm ~1000cm 이내의 범위에서 선택되는 금속박막 증착용 선형 하향식 고온 증발원의 작동 방법.
15. 제 9 항에 있어서, 상기 선형 하향식 고온 증발원 작동 시, 이송되는 기판의 속도가 0.01mm/s ~ 100mm/s의 속도 범위 내에서 선택되는 금속박막 증착용 선형 하향식 고온 증발원의 작동 방법.

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