KR20100065624A - 기판 양면 증착을 위한 롤-투-룰 스퍼터 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 기판 양면 증착을 위한 롤-투-룰 스퍼터 시스템은 기판을 롤러(roller)에 의해 작업공간으로 이송하는 롤-투-룰(Roll-to-Roll) 시스템; 상기 기판의 상부 면을 증착하는 복수 개의 상부 스퍼터 시스템; 및 상기 기판의 하부 면을 증착하는 복수 개의 하부 스퍼터 시스템을 구비한 장치를 제공함으로써 기판 양면 증착 작업을 별도의 번거로움 없이 신속하게 대량으로 처리함으로 시간단축 및 작업 효율을 향상 시키는 장점이 있다.
롤-투-롤(roll-to-roll), 플렉시블 고분자 기판, 양면 증착, 스퍼터

Description

기판 양면 증착을 위한 롤-투-룰 스퍼터 시스템{ROLL-TO-ROLL SPUTTER SYSTEM FOR COATING TWO SIDED SUBSTRATE}
본 발명은 기판의 양면을 동시에 진공 증착하는 코팅장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 롤-투-롤 시스템에 의해 이송되는 기판의 양면을 스퍼터링에 의해 동시에 증착하는 기술에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 물성을 결정짓는 중요한 요소 중의 하나가 반도체 증착 기술이며, 따라서 양질의 막을 생성하기 위한 막 생성 및 제어 기술이 많이 요구된다. 그 밖에도 고진공장치 등 고가 장치의 사용으로 인해 발생되는 비용절감과 공정의 단순화, 유독성 물질의 사용에 따른 환경오염 차단 기술 등이 현안이 되고 있다.
반도체 증착 기술은 크게 물리적 증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 기술과 화학적 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 기술, 그리고 플레이팅(Plating) 증착 기술로 나누어진다.
물리적 증착(Physical Vapor Deposition : PVD) 기술은 목적하는 박막의 구성 원자를 포함 하는 고체의 타켓을 물리적인 작용(증발, 승화, 스퍼터링)에 의해 원자,분자, 클러스터 상태로 해서 기판 표면에 수송하여 박막을 형성하는 방법이다. 상기 스퍼터링(sputtering) 현상이란 플라즈마 상태에서 이온화된 양이온 가스(Ar+)가 타겟(target)에 강하게 충돌하여 충돌한 에너지에 의해서 타겟(target) 물질이 기판 위에 증착되는 원리를 이용한 물리증착법(PVD)의 하나이다.
이 중 PVD 기술로 대표되는 스퍼터링 증착 기술은 고융점 금속이나 조성이 복잡한 합금의 박막 형성이 쉽다는 특징이 있어서 ULSI 제조 공정에 다양하게 응용되고 있다.
도 1은 종래의 일면 스퍼터링 증착에 의해 기판의 상부면을 증착한 후 기판의 하부면을 증착하는 과정을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 기판(110)의 일면인 상부면(120)을 스퍼터링 증착 기술로 증착한 후 상기 기판(110)의 또 다른 일면인 하부면(130)을 증착하기 위해서 초기 상태로 진공 증착 챔버를 개방해야 한다. 또한 증착시킬 물질의 타겟(taget)이 있는 방향으로 상기 기판(110)을 뒤집어야 한다. 이로 인해 많은 작업시간과 작업자의 번거로움이 발생하며 결국 작업 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있었다.
또한 종래의 일면 스퍼터 증착 장치는 상기 기판(110)의 이송이 연속적이지 않고, 기판의 양면에 대량의 물질을 증착시키는데 있어 한계가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 두루마리 형태의 플렉시블 고분자 기판을 연속적으로 이송시키는 롤러 시스템을 개발하고, 기판의 양면을 스퍼터링에 의해 동시 증착하는 기술을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 기판 양면 증착을 위한 롤-투-룰 스퍼터 시스템은 기판을 롤러(roller)에 의해 작업공간으로 이송하는 롤-투-룰(Roll-to-Roll) 시스템; 상기 기판의 상부 면을 증착하는 복수 개의 상부 스퍼터 시스템; 및 상기 기판의 하부 면을 증착하는 복수 개의 하부 스퍼터 시스템을 구비하는 스퍼터 장치를 제공한다.
본 발명은 대량의 기판을 연속해서 이송하고, 양면을 동시에 증착할 수 있음으로 인해 기판 양면 증착 작업을 별도의 번거로움 없이 대량으로 신속하게 처리함으로 시간 단축 및 작업 효율을 향상 시키는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 의한 롤-투-롤(roll-to-roll) 양면 증착 스퍼터 시스템을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 롤-투-롤(roll-to-roll) 양면 증착 스퍼터 시스템(200)은 챔버(280) 내에 서보 모터(servo motor, 미도시)에 의해 기판(220)을 되감아 주는 리와인더 롤(Rewinder roll, 210b), 상기 기판(220)을 풀어주는 언와인더 롤(Unwinder roll, 210a) 및 상기 기판(220) 이송 시 가이드 역할을 하는 가이드 롤러(Guide Roller, 240)를 구비하는 롤-투-롤(roll-to-roll) 이송 시스템, 이온빔 소스(Ion beam source, 230a, 230b), 상기 기판(220)의 상부 면을 증착하는 복수의 제1, 제2, 제3 상부 스퍼터 시스템(250a, 260a, 270a) 및 상기 기판(220)의 하부 면을 증착하는 복수의 제4, 제5, 제6 하부 스퍼터 시스템(250b, 260b, 270b)으로 구성 된다.
상기 기판(220)은 플렉시블(Flexible) 한 고분자 연성기판으로 PET(Polyethylene Terephthalate), PES(Polyether Sulfone), PI(Polyimide), PEN(Polyethylene Naphthalate) , PAR(Polyarylate), PC(polycarbonate) 등과 메탈(Metal) 기판 등 을 사용한다. 상기 플렉시블 고분자 기판(220)의 표면 온도는 공정 진행 중 섭씨 50도 이하를 유지하는 것이 바람직하다.
상기 제1 제2 이온빔 소스(230a, 230b)에 사용되는 기체는 아르곤(Ar), 질소(N2), 산소(O2) 등을 사용할 수 있다. 상기 제1 이온빔 소스(230a)는 상기 제1, 제2, 제3 상부 스퍼터 시스템(250a, 260a, 270a)의 타겟을 향해 이온 가스를 충돌시키도록 스퍼터 건(sputter gun)을 발사 시키고, 제2 이온빔 소스(230b)는 상기 제4, 제5, 제6 스퍼터 시스템(250a, 260a, 270a)의 타겟을 향해 이온 가스를 충돌시키도록 스퍼터 건(sputter gun)을 발사 시킨다.
상기 제1, 제2, 제3 상부 스퍼터 시스템(250a, 260a, 270a)은 상기 기판(220)의 상방향에서 일정한 간격(이를테면, 80mm 간격을 두고 기판과 타겟의 거리는 박막증착 두께, 박막 상태 등에 따라 조정함)을 두고 상기 기판(220)과 평행한 방향으로 서로 병렬 배치되며, 상기 제4, 제5, 제6 하부 스퍼터 시스템(250b, 260b, 270b)은 상기 기판(220)의 하방향에서 일정한 간격을 두고 상기 기판(220)과 평행한 방향으로 병렬 배치 된다.
또한 상기 제1 스퍼터 시스템(250a)과 상기 제4 스퍼터 시스템(250b), 상기 제2 상부 스퍼터 시스템(260a)과 상기 제5 하부 스퍼터 시스템(260b), 상기 제3 상부 스퍼터 시스템(270a)과 상기 제6 하부 스퍼터 시스템(270b) 각각은 상기 기판(220)을 사이에 두고 일정한 간격(이를테면, 80mm 간격을 두고 기판과 타겟의 거리는 박막증착 두께, 박막 상태 등에 따라 조정함)으로 서로 대향하여 한 쌍씩 배치되어 있다.
상기 3쌍의 스퍼터 시스템(250a 내지 270b)은 필요에 따라 4쌍 이상을 사용할 수 있음은 당연하며, 상기 3쌍의 스퍼터 시스템(250a 내지 270b)의 세부적인 기술 구성에 대해서는 이하 도3 에서 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 상부 스퍼터 시스템을 확대하여 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 플라즈마(350)를 사이에 두고 대향하는 제1 상부 스퍼터 건(310a), 제2 스퍼터 건(310b)을 구비한다.
상기 제1 스퍼터 건(310a)의 표면에 주철면(330a)을 구비하며, 상기 주철면(330a)의 상부면에 타겟(340a)을 부착한 구조를 갖는다. 상기 주철면(330a)은 대부분 N극 또는 S극으로 자화시킬 수 있으며, 상기 제1 스퍼터 건(310a)의 내부에 단위자석(320a)을 상기 주철면(330a)을 향해 N-S 극이 되도록 함으로 타겟(340a)을 N극으로 자화시킬 수 있다.
상기 제2 스퍼터 건(310b)은 상기 제1 스퍼터 건(310a)과 마찬가지 방식으로 주철면(330b), 타겟(340b)를 구비하며, 제2 스퍼터 건(310b)의 내부에 단위자석(320b)을 상기 주철면(330b)을 향해 S-N 극이 되도록 함으로 타겟(340b)을 S극으로 자화시킬 수 있다.
상기 제1 스퍼터 건(310a)의 제1 타겟(340a)과 제2 스퍼터 건(310b)의 제2 타겟(340b) 사이에 고밀도의 플라즈마(350)가 형성되어 구속되는 원리는 다음과 같다.
상기 제1 스퍼터 건(310a)에 N극을 형성하고, 상기 제2 스퍼터 건(310b)에 S극을 형성하면 N극에서 S극으로 향하는 일방향의 균일한 자기장(B)가 생성된다. 상기 제1 타겟(340a)에 동시에 음(-) 전위를 가하게 되면, 전자의 왕복 및 회전운동에 의해 고밀도 플라즈마(350)가 형성된다. 이때 형성된 고밀도 플라즈마(350)의 형태는 자기장(B)의 형태에 의존하게 된다. 즉 일방향의 자기장(B)이 제1 스퍼터 건(310a)에서 제2 스퍼터 건(310b)으로 향하는 형태로 되면, 플라즈마(350)는 항상 제1 타겟(340a)과 제2 타겟(340b) 사이에서 형성되기 때문에 완벽한 플라즈마의 구속이 일어나게 된다.
상기 제1 타겟(340a)과 제2 타겟(340b)을 스퍼터링하여 이탈된 증착물질(360b)에 의해 상기 플렉시블 고분자 기판(220)의 상부면은 증착된다. 이때 상기 스퍼터링 하여 생긴 상기 플렉시블 고분자 기판(220)에 대해 상방향 쪽으로 향하여 증착에 영향을 주지 않는 물질(360a)은 외부로 배출 시킨다.
상기 방법에 의할 때, 스퍼터링에 의한 증착 공정 시 상기 플렉시블 고분자 기판(220)이 플라즈마(350) 노출에 의한 영향을 직접적으로 받지 않기 때문에 플라 즈마 데미지가 없으며, 따라서 저온 공정이 가능하게 되며 이로 인해 상기 플렉시블 고분자 기판(220)의 변형을 최소화 할 수 있다.
상기 제2, 제3 상부 스퍼터 시스템(260a, 270a)은 이미 설명한 제1 상부 스퍼터 시스템(250a)의 구성과 동일하므로 이에 의해 상기 플렉시블 고분자 기판(220)의 상부면을 증착할 수 있다. 마찬가지 방식으로 상기 제4 내지 제6 하부 스퍼터 시스템(250b, 260b, 270b)에 의해 상기 플렉시블 고분자 기판(220)에 대하여 상방향으로 향하는 증착물질에 의해 상기 기판(220)의 하부면을 증착시킬 수 있다. 이때 제1 상부 스퍼터 시스템(250a)과 달리 상기 스퍼터링 하여 생긴 상기 플렉시블 고분자 기판(220)에 대해 하방향으로 향하여 증착에 영향을 주지 않는 물질은 외부로 배출 시킨다.
이하 도2 및 도3을 참조해서, 본 발명의 롤-투-롤(roll-to-roll) 이송 시스템에 의해 이송되는 기판(220)의 양면을 복수의 스퍼터 시스템을 이용하여 어떻게 증착하는 지 그 과정을 상세히 설명한다.
먼저 두루마리 형태의 플렉시블 고분자 기판(220)을 로딩한 후 상기 기판(220)의 처음부분을 리와인더 롤(Rewinder roll, 210b)에 장착하고 서보 모터(미도시)의 회전에 의해 끌어당기게 되면 언와인더 롤(Unwinder roll, 210a)에서 리와인더 롤(Rewinder roll, 210b) 방향으로 전체적인 고분자 기판(220)의 이송 흐름이 형성하게 된다. 한편 다층 박막 또는 더 두꺼운 두께의 성막을 필요로 하는 경우 리와인더 롤(Rewinder roll, 210b)에서 언와인더 롤(Unwinder roll, 210a)의 방향으로 상기 기판(220)의 이송 방향을 반대로 할 수 있다. 따라서 상기 서보 모터(미 도시)의 조정에 의해 작업의 필요에 맞추어 원하는 방향으로 상기 기판(220)을 정밀하게 제어 할 수 있게 된다.
상기 두루마리 형태의 고분자 기판을 이용함으로 챔버를 개방하지 않고 넓은 면적, 상당한 길이의 고분자 표면을 효율적으로 스퍼터링 하여 박막을 증착시킬 수 있게 된다.
상기 제1 이온빔 소스(230a) 및 제2 이온빔 소스(230b)에서 방사된 양(+)의 전위를 갖는 아르곤(Ar) 등은 고진공실의 플라즈마(350) 상태에서 생성되고, 음(-) 전위의 복수의 스퍼터 시스템(250a 내지 270b)에 부착된 각각의 타겟(250a의 경우340a, 340b 해당되며, 270b 등의 경우 도면에 미도시 했지만 동일하게 유추 가능) 물질을 향해 가속된다. 상기 타겟(target) 물질은 DC magnetron sputtering system, RF magnetron sputtering system에서 사용되는 물질을 사용할 수 있으며, 이를 테면 Si, Si/Al, Ge, Al, Be, Cr, Mo, Nb, Ta, Ti, W , In, Ni/Cr, Ti/Al 등 작업의 필요에 맞게 다양하게 응용될 수 있음은 당연하다.
가속되는 동안 상기 아르곤 이온들은 운동량을 얻게 되고 상기 타겟과 충돌하게 되며, 이때 아르곤 이온들은 원하는 물질 성분을 갖는 타겟으로부터 물리적으로 원자들을 이동(스퍼터링) 시킨다.
상기 스퍼터링 된 원자들은 상기 고분자 기판(220) 표면으로 이동되어 응축되며, 이때 막 성장단계에 따라서 상기 타겟과 동일한 성분으로 상기 고분자 기판(220)의 상하부 표면을 동시에 증착할 수 있다.
증착에 직접적으로 참여하지 않는 과잉 물질들은 진공펌프(미도시)에 의해 챔버(280)로부터 제거된다.
도 4는 본 발명에 의해 스퍼터링 하여 양면 증착된 기판을 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 플렉시블 고분자 기판(410)의 상부면은 투명전극산화물(TCO, Transparent Conductive Oxides) 층으로 산화인듐주석막(ITO, Indium Tin Oxide) 물질로 증착되었으며, 상기 플렉시블 고분자 기판(410)의 하부면은 SiO2 물질로 증착되었다.
상기 기판의 상하부면의 증착물질은 기술의 필요에 따라 다양하게 응용할 수 있음은 당연하다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 종래의 일면 스퍼터링 증착에 의해 기판의 상부면을 증착한 후 기판의 하부면을 증착하는 과정을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 롤-투-롤(roll-to-roll) 양면 증착 스퍼터 시스템을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제1 상부 스퍼터 시스템을 확대하여 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 의해 스퍼터링 하여 양면 증착된 기판을 도시한 것이다.

Claims (10)

  1. 기판을 롤러(roller)에 의해 작업공간으로 이송하는 롤-투-룰(Roll-to-Roll) 시스템;
    상기 기판의 상부 면을 증착하는 복수 개의 상부 스퍼터 시스템; 및
    상기 기판의 하부 면을 증착하는 복수 개의 하부 스퍼터 시스템을 구비한 것을 특징으로 하는 기판 양면 증착을 위한 롤-투-룰(Roll-to-Roll) 스퍼터 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 상부 스퍼터 시스템 및 상기 하부 스퍼터 시스템은
    상기 기판을 사이에 두고 일정간격으로 서로 대향하여 배치된 것을 특징으로 하는 기판 양면 증착을 위한 롤-투-룰(Roll-to-Roll) 스퍼터 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 상부 스퍼터 시스템 각각은
    상기 기판과 평행한 방향으로 서로 일정한 간격을 두고 병렬 배치된 것을 특징으로 하는 기판 양면 증착을 위한 롤-투-룰(Roll-to-Roll) 스퍼터 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 하부 스퍼터 시스템 각각은
    상기 기판과 평행한 방향으로 서로 일정한 간격을 두고 병렬 배치된 것을 특징으로 하는 기판 양면 증착을 위한 롤-투-룰(Roll-to-Roll) 스퍼터 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 상부 스퍼터 시스템 및 상기 하부 스퍼터 시스템은 플라즈마를 사이에 두고 일정 간격을 유지하며 서로 대향하는 서퍼터 건을 배치하는 것을 특징으로 하는 기판 양면 증착을 위한 롤-투-룰(Roll-to-Roll) 스퍼터 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 스퍼터 건은
    상기 플라즈마가 형성된 공간과 직접 접촉하는 타겟과 상기 타겟의 하부에 주철면이 설치된 것을 특징으로 하는 기판 양면 증착을 위한 롤-투-룰(Roll-to-Roll) 스퍼터 시스템.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 주철면의 하부에 단위자석이 설치된 것을 특징으로 하는 기판 양면 증착을 위한 롤-투-룰(Roll-to-Roll) 스퍼터 시스템.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 타겟은
    Si, Si/Al, Ge, Al, Be, Cr, Mo, Nb, Ta, Ti, W , In, Ni/Cr, Ti/Al 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 기판 양면 증착을 위한 롤-투-룰(Roll-to-Roll) 스퍼터 시스템.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 기판은
    PET(Polyethylene Terephthalate), PES(Polyether Sulfone), PI(Polyimide), PEN(Polyethylene Naphthalate), PAR(Polyarylate), PC(polycarbonate) 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 기판 양면 증착을 위한 롤-투-룰(Roll-to-Roll) 스퍼터 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 롤-투-룰(Roll-to-Roll) 시스템은
    상기 기판을 되 감어 주는 리와인더 롤(Rewinder roll), 상기 기판을 풀어주는 언와인더 롤(Unwinder roll), 상기 기판 이송 시 가이드 역할을 하는 가이드 롤러(Guide Roller)를 구비하는 것을 특징으로 하는 기판 양면 증착을 위한 롤-투-룰(Roll-to-Roll) 스퍼터 시스템.
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