KR20120086684A - 직접 가열 방식을 적용한 선형 증착원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증착원의 구성에 관한 것으로, 도가니 및 물질을 가열하는 히터의 구조를 물질을 중심으로 상하 이중으로 덮을 수 있는 히터와 커버 히터로 구성하고, 직접 가열식으로 가열하며 대면적 박막의 균일도 확보를 위하여 커버 히터에 분사 노즐의 개구부 형상을 조절하였으며, 금속성 물질의 가열시 저항의 균일도를 위해 히터 내부를 절연물로 구성하였고, 길이가 긴 하나의 선형 도가니 구조 외에 길이가 짧은 다수의 도가니를 장착할 수 있도록 구성하여 증착원의 수평 유지가 어긋나도 물질의 기울어짐 현상을 최소화하도록 하였다.
또한, 물질을 분사하는 노즐의 위치를 가변하여 상향, 하향 및 측향 증착이 가능케 하였고, 노즐 둘레에 울타리 구조의 플럭스 가이드를 설치하여 원하는 곳으로만 물질이 증착되도록 하였다.
또한, 단부 효과를 보상하기 위해, 슬롯의 폭 또는 홀 슬롯의 직경을 변화시켰고, 나아가 도가니 외곽부의 히터에 홈을 형성하여 증착원 단부의 냉각기의 영향을 히터 쪽에서 급격히 감소하게 하였다.

Description

직접 가열 방식을 적용한 선형 증착원{A Linear Deposition Source With Direct Heating}

본 발명은 금속 또는 유기물 등의 여러 가지 박막을 증착하는 데 사용되는 증착원에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 증착원을 가열하는 히터가 직접적으로 증착원의 도가니(또는 보트라고도 함)를 가열하도록 구성하여 가열 온도를 고온으로 하면서 대면적 박막의 균일도를 얻기 위해 물질 분사구의 형상을 조절한 선형 증착원에 관한 것이다.

반도체, 디스플레이 소자, 솔라셀 등을 제작하는 공정에는 대부분 박막 증착 공정이 포함되며, 특히 금속 박막 제작 시, 물질을 증발시키기 위해 도가니에 히터를 설치하여 히터 양단에 전원을 연결하고 전압을 인가하여 도가니를 가열하여 물질을 증발시키는 직접 가열 방식이 많이 채택되고 있다. 이러한 직접 가열 방식은 물질의 온도를 고온으로 하는 데 있어서 유리한 방식이나 오픈 타입의 보트를 사용하므로 대면적 박막 증착에서는 박막의 균일도를 얻을 수 없다는 단점이 있다. 즉, 도 1을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 물질을 충진하는 충진부(10)와 상기 충진부(10)를 포함하는 증착원을 도시하며, 증착원은 충진부(10)를 가열할 수 있는 히터(11) 안에 물질을 충진할 수 있는 도가니 구조를 형성하여 히터(11)에 전원을 연결하여 물질을 가열하는 직접 가열 방식 구조를 나타낸다.

이러한 직접 가열 방식의 증착원으로 박막 증착을 하는 경우, 분사되는 물질의 분포는 중앙부의 밀도가 높고 외곽으로 갈수록 밀도가 낮아지는 가우스(Gauss) 분포로 그에 따라 형성되는 박막의 두께 분포도 중앙이 두껍고 외곽은 얇아 박막의 두께 균일을 얻지 못한다. 그에 따라 균일한 박막 두께를 얻기 위해, 증착하는 기판을 회전시키는 것이 일반적이나, 이러한 방법을 대면적 기판에 적용하기에는 무리가 있다.

또한, 증착 물질의 분사는 단지 위쪽으로만 향하게 할 수 있을 뿐, 기판을 지면에 대해 수직 방향으로 설치하고 물질의 분사를 수평 하게 구현할 수 없으며, 기판을 증착원의 아래에 두고 증착하는 하향 증착원으로도 사용될 수 없다는 한계가 있다.

또한, 도 1의 증착원은 금속 등의 전기 전도성이 있고 전기 저항을 나타내는 물질로 만들어 전압 인가 시 주울 열을 발생시킬 수 있어 충진부 안에 충진 된 물질을 직접 가열할 수 있는 구성을 취하므로, 충진부에 충진하여 가열하는 물질이 금속성을 나타내거나 이온 결합 물질인 경우, 용융에 따라 충진부 안에서 퍼지기 때문에 히터를 포함한 증착원 몸체와 더불어 용융물이 전체적인 전기 저항을 낮추어 가열 효율이 점차 떨어지는 문제가 생긴다.

또한, 도 1에 나타난 종래 기술은 모두, 증착원을 직접 가열함에 따라 열에 의한 스트레스로 증착원이 뒤틀리거나 어떤 다른 이유로 증착원의 수평이 유지되지 않고 기울어질 경우, 보트 내의 물질이 한쪽으로 쏠려 그에 따라 분사되는 물질 밀도의 분포가 달라지고 박막의 두께 분포가 불균일해 진다는 문제를 지닌다.

또한, 종래 기술은 모두, 증착원의 양쪽 단부에 전원을 연결하여 충진부를 가열하기 때문에 전원이 접속되는 증착원의 단부는 직접 물질에 접하지 아니하며 물질로부터 상당 거리를 두고 있는 부위이므로 주울열의 발생보다는 전기 전도(전류의 원활한 흐름)이 중요하다 할 수 있다.

한편, 대면적 박막의 두께 균일도를 얻기 위해 다양한 방식의 증착원이 시도되고 있으며, 그 중에는 분사구의 분포를 조절한 커버 히터를 구성하고 증착원의 둘레를 필라멘트 등으로 감아 가열하는 간접 가열 방식이 있는데, 이러한 경우 가열 온도가 직접 가열 방식만큼 높이 오르지 못하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 대면적 기판에 적용할 수 있는 고효율의 직접 가열 방식의 새로운 선형 증착원을 제공하고자 하는 것으로, 대면적 기판의 회전 없이도 균일한 두께 분포를 갖는 박막의 증착을 실현하고자 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 박막 증착을 위해 증착원의 물질 분사 방향을 상측뿐 아니라 하측, 좌 또는 우측으로 구현할 수 있는 증착원의 구조를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 증착원 자체가 열로 인한 열팽창으로 스트레스를 받거나 어떤 다른 이유로 수평이 기울어질 경우에도 보트 내의 물질이 한쪽으로 쏠려 박막의 두께가 그에 따라 매우 불균일해 지는 현상을 방지할 수 있는 증착원 내 보트 구조를 새롭게 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 전원 접속부의 전기 저항을 낮추어 보트를 가열하는 데 필요한 주울열의 발생이 보트에서 좀 더 많이 생기도록 전원 접속부의 구조를 새롭게 한 증착원을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 보트 중앙에 비해 보트 양단부의 온도가 낮아지지 않도록 그 구조를 새롭게 한 증착원을 제공하는 것이다.

본 발명은, 증착 물질을 담는 도가니;

상기 도가니를 안착시키는 히터; 및

상기 히터를 덮는 커버 히터;를 포함하고,

상기 히터와 커버 히터는 단부에 전원 접속부를 구비하여 전원을 접속하여 상기 도가니와 커버 히터를 모두 직접 가열하여, 상기 커버 히터에 형성된 분출구가 상기 커버 히터에 접속된 전원에 의해 직접가열되는 것을 특징으로 하는 증착원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 도가니는 내부에 절연물을 코팅하거나, 별도의 절연물 도가니를 내부에 안착시켜 구성되는 것을 특징으로 하는 증착원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 히터에 안착 되는 도가니는 하나의 도가니 또는 여러 개의 작은 도가니들로 구성되는 것을 특징으로 하는 증착원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 증착원은 히터와 커버 히터의 단부인 전원 접속부는 그 단면적을 키우기 위해 날개부로 형성하는 것을 특징으로 하는 증착원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 커버 히터의 분출구는 분사 슬롯 또는 홀 형상으로 형성되고, 상기 분사 슬롯 또는 홀 위에 울타리 형상의 플럭스 가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증착원을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 금속성을 지니는 물질의 가열 도중에도 전체적인 전기 저항이 물질 용융에 따라 변화하지 않으면서도 코팅 공정 없이 제작이 간편한, 절연체로 된 도가니를 포함하는 증착원을 구성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 커버 히터를 구비하여 가열 효율을 높일 수 있고, 상기 커버 히터 상에 증착물의 분사 노즐 또는 홀을 제공함으로써 대면적 증착시에도 기판을 회전시키지 않고서도 균일한 박막을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 길이가 긴 선형 증착원 내에 길이가 짧은 소형의 도가니를 다수 안착시킬 수 있으므로 선형 증착원의 수평이 어긋나 기울어짐이 있어도 도가니 내부의 물질이 어느 한쪽으로 쏠리는 현상을 완화시킬 수 있어 박막의 균일도를 해하지 않을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 커버 히터의 분사 슬롯 또는 홀 위에 울타리 형상의 플럭스 가이드로 인해 박막 두께 분포의 균일도를 높이고 증착원 가까이에 있는 열 반사판에 물질이 증착되어 오염되는 문제를 해소할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 커버 히터 상에 형성되는 분사 슬롯 내지는 홀을 커버 히터의 윗면 또는 옆면에 형성하여 하향 증착, 상향 증착 및 수직 구조의 증착 등에 모두 활용될 수 있는 응용성을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 히터 및/또는 커버 히터의 단부에 날개부를 형성하여 전극 접속부에서의 전기 저항을 줄여 보다 효율적으로 물질 가열부분을 가열할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 날개부로부터 도가니 중심부 쪽을 향해 위치한 히터 부분에 단일 홈 또는 이중 홈을 형성하여 단부의 저항은 증가시켜 단부의 가열 효율이 도가니 중심부에 비해 떨어지지 않도록 하여 길이가 긴 선형 증착원에서 일어날 수 있는 단부 가열 저조 현상을 해소할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면 직접 가열로 인해 가열 효율을 향상시키고 박막 두께 분포를 균일하게 하여 전체적으로 고 품질의 박막을 얻을 수 있다.

도 1은 물질을 충진하는 충진부(10)와 상기 충진부(10)를 포함하는 종래의 증착원을 도시하는 평면도와 단면도.
도 2는 히터(11) 안에 형성 된 충진부(10) 내부에 절연물 코팅(20)을 한 종래의 증착원의 평면도와 단면도.
도 3(a)는 본 발명에 따른 증착원의 평면도, (b)는 정면도, (c)는 상기 히터(11)의 충진부(10)에 들어가는 절연체 도가니(30)의 정면도.
도 4는 상기 절연체 도가니(30)가 상기 충진부(10)에 조립된 상태를 보여주는 단면도.
도 5(a)는 커버 히터(50)의 평면도이고 도 5(b)는 상기 커버 히터(50)가 히터(11)에 덮여진 상태에서 물질의 증발 및 분사를 나타내는 단면도.
도 6(a) 내지 (c)는 슬롯 노즐(51), 홀 노즐(60) 또는 폭 조절 슬롯 노즐(61)을 나타내는 평면도.
도 7(a) 내지 (d)는 본 발명에 따른 플럭스 가이드의 구성을 나타내는 평면도 및 단면도.
도 8(a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 분사 노즐의 다양한 위치를 보여주는 단면도.
도 9(a)는 히터(11)의 단부 구조를 보여주기 위한 평면도이고, 도 9(b)는 히터(11)와 커버 히터(50)가 결합한 상태의 단면도.
도 10(a) 내지 (c)는 열 손실이 있을 수 있는 히터의 단부 저항을 키워주기 위한 홈(110) 구성을 나타낸 평면도 및 단면도들.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 2에 나타낸 증착원은 히터(11) 안에 형성 된 충진부(10) 내부에 절연물 코팅(20)을 실행하여 물질과 히터(11) 사이를 절연시킨다.

도 3은 본 발명에 따른 증착원의 구성을 보여주며, 도 3(a)는 증착원의 평면도, (b)는 정면도, (c)는 상기 히터(11)의 충진부(10)에 들어가는 절연체 도가니(30)의 정면도이다. 도 4는 상기 절연체 도가니(30)가 상기 충진부(10)에 조립된 상태를 보여주는 단면도이다.

즉, 본 실시예에서는, 히터의 안쪽에 물질을 넣을 수 있도록 도가니 형태의 오목하게 패여 형성된 충진부(10)의 내면을 절연물로 코팅하는 대신, 절연체로 만든 별도의 절연체 도가니(30)를 히터(11)의 충진부(10)에 끼워 넣는 구성을 취하였다. 이는 고가이자 많은 노력을 요하는 히터 충진부에 대한 절연물 코팅 공정을 생략할 수 있으면서도 물질 증착 도중 전기전도성을 갖는 물질의 용융으로 인한 퍼짐 현상으로 히터 전체의 전기 저항이 변하는 현상을 저가의 비용과 적은 노력으로 예방할 수 있다는 장점을 더한다.

그러나, 금속성 물질을 증착하는 경우가 아니면, 이러한 절연물 코팅이나 별개의 절연 도가니는 필요하지 않으므로, 본 발명의 증착원은 도가니를 포함한 히터(11)만으로 구성할 수 있다.

또한, 상기와 같은 별도의 절연체 도가니(30)를 구성하지 않고 히터 충진부(10)에 절연물 코팅을 하여 구성할 수도 있다.

도 5는 본 발명에 따른 커버 히터(50)를 보여주는 도면으로 도 5(a)는 커버 히터(50)의 평면도이고 (b)는 상기 커버 히터(50)가 히터(11)에 덮여진 상태에서 물질의 증발 및 분사를 나타내는 단면도이다.

상기와 같이 히터(11)에 안착 된 도가니 안에 물질을 넣어 히터(11) 양단에 전원을 걸어 물질을 증발 및 분사할 때, 도 5와 같이 히터를 덮는 커버 히터(50)를 장착하여 히터(11)와 커버 히터(50)를 함께 가열하면, 훨씬 더 가열 효율이 높다. 즉, 직접 가열 방식에 의해 필라멘트 등의 간접 가열 방식에 따른 복잡한 구성과 낮은 가열 효율을 간단한 구성과 높은 가열 효율로 이끌어 낼 수 있다.

또한, 상기 커버 히터(50)에는 물질의 분사를 위한 노즐을 형성하며, 도 6(a) 내지 (c)에서와 같이 슬롯 노즐(51), 홀 노즐(60) 또는 폭 조절 슬롯 노즐(61)을 형성할 수 있다. 특히, 도 6(b)와 (c)의 홀 노즐(60)과 폭 조절 슬롯 노즐(61)은 도 6(a)의 일정폭을 갖는 슬롯 노즐(51)과 달리 중심부에서는 물질의 분사량이 적고 외곽부에서는 물질의 분사량 더 많도록 홀 크기와 슬롯 폭을 중심부보다 외곽부에서 더 크게 하였다. 이는 폭이 일정한 슬롯 노즐(51)의 경우, 물질의 분사는 중심부에서 두텁고 외곽부로 갈수록 얇아지는 가우스(Gauss) 분포를 이루기 때문에 물질의 분포를 위치에 관계없이 일정하게 하여 박막의 두께를 일정하게 하기 위함이다. 따라서, 본 발명은 가열 효율 증대와 더불어 단부 효과 제거를 모두 이룰 수 있다.

또한, 본 발명자는 일반적인 증착원의 경우, 물질의 분사가 반드시 기판에만 이루어지지 않고 주변의 다른 곳에도 있게 되어 특히 열의 집중을 위해 설치하는 열 반사판에 물질이 코팅되어 오염시키게 된다는 사실을 해결하기 위해, 상기 분사 노즐의 입구주변을 울타리 형태의 플럭스 가이드(70)를 설치하여 물질의 분사가 기판 쪽으로 집속 될 수 있도록 하였다(도 7 참조).

또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 가열로 인한 증착원의 내부 선형 도가니가 스트레스를 받아 수평이 틀어질 경우, 물질이 균일한 높이로 분포하지 않고 어느 한 쪽으로 쏠리는 현상을 나타낼 수 있고 이는 곧 박막 두께 불균일로 이어지므로, 본 실시예에서는 도가니를 길이가 짧은 것으로 여러 개 안착할 수 있도록 하였다. 길이가 짧은 여러 개의 도가니 구성은 물질의 쏠림 현상을 상당히 완화시켜 박막 두께가 불균일해지는 현상을 예방할 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 분사 노즐의 다양한 위치를 보여주는 단면도이다.

도 8(a)는 분사 노즐이 커버 히터(50)의 위쪽에 형성된 상향 증착원을 보여주며, 도 8(b)는 분사 노즐을 커버 히터(50)가 아닌 히터(11)에 형성된 하향 증착원을 보여준다. 하향 증착원의 경우, 분사 노즐은 물질을 충진하는 절연체 도가니(30) 바깥쪽의 히터(11) 몸체를 관통하도록 형성하여 증발된 물질이 커버 히터(50)의 상면에서 반사되어 아래로 분사되도록 한다. 도 8에 도시된 물질 플럭스(53)를 보면 분사 메커니즘을 쉽게 알 수 있다.

도 8(c)의 경우는 분사 노즐을 커버 히터(50)의 측면에 형성하여 물질의 분사를 수평 방향으로 할 수 있게 하였다. 이와 같은 구성은 기판의 설치를 수평이 아닌 수직 방향으로 하여 증착을 진행하는 시스템에 적용할 수 있다.

다음, 도 9 및 도 10은 히터의 단부 구조에 관한 것으로 전기 저항을 조절하기 위한 구성이다.

도 9(a)는 히터(11)의 단부 구조를 보여주기 위한 평면도이고, 도 9(b)는 히터(11)와 커버 히터(50)가 결합한 상태의 단면도이다.

히터(11)와 커버 히터(50)의 단부에는 전원을 접속하여 가열하며 히터가 갖는 전기 저항 성분이 주울 열을 발생시켜 도가니와 그 안에 있는 물질을 가열하게 되는 것이다. 따라서 전원 접속부는 고온으로 발열 될 필요가 없고 전류의 흐름이 원활할수록 좋고 물질이 있는 부분의 경우는 전기 저항이 커서 고온으로 발열 되는 것이 좋다. 그에 따라 본 발명자는 히터(11)와 커버 히터(50)의 단부인 전원 접속부의 단면적을 키워 전기 저항을 줄이도록 구성하였다. 즉, 도 9(a)에 도시된 날개부(90)를 구성하여 히터의 전체 폭에 비해 더 넓은 폭으로 전원 접속부를 구성하였다.

또한, 도 10은 열 손실이 있을 수 있는 히터의 단부(전원 접속부 보다는 안쪽 단부를 말한다) 저항을 키워주기 위한 구성을 나타낸다.

히터의 최단부는 일반적으로 냉각기가 연결되어 히터 단부쪽은 가열 효과가 상쇄되어 온도가 떨어지는 경향을 보인다. 그에 따라 히터 단부에 병렬로 홈(110)을 형성하여 냉기를 차단함으로써 히터 안쪽을 향해 가열 효과가 급속히 전달될 수 있게 한다.

따라서 본 발명자는 도가니가 안착 된 히터의 외곽부, 즉, 상기 날개부(90)로부터 도가니 중심부 쪽의 히터 부분에 홈(110)을 형성하여 가열부와 냉각부 사이의 경로를 길게 하여, 결과적으로 가열부에서 급격히 온도가 상승할 수 있게 하였다.

상기의 홈(110)은 도 10(b)에서와 같이 커버 히터(50)와 히터(11) 양쪽 단부에 모두 형성할 수 있고, 히터(11) 쪽 홈(110)의 폭을 더 크게 할 수도 있다.

또한, 상기 홈(110)을 도 10(c)에서와 같이 각 히터의 단부에 하나가 아닌 두 개 이상을 나란히 형성할 수도 있고 그외 형상의 변형을 가한 홈을 형성할 수도 있다.

또한, 도면에는 도시하지 않았지만, 본 실시예의 증착원에는 물질을 충진할 수 있는 와이어형 물질 공급기 또는 펠렛형 물질 공급기를 설치하여 장기간 연속 공정을 수행할 수 있도록 하였다. 이러한 연속 공정은 생산성을 높이므로 궁극적으로 가격 경쟁력을 갖출 수 있게 한다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

10: 충진부 11: 히터
30: 절연체 도가니 50: 커버 히터
51: 슬롯 노즐 60: 홀 노즐
61: 폭 조절 슬롯 노즐 90: 날개부
110: 홈

Claims (5)

1. 증착 물질을 담는 도가니;
   상기 도가니를 안착시키는 히터; 및
   상기 히터를 덮는 커버 히터;를 포함하고,
   상기 히터와 커버 히터는 단부에 전원 접속부를 구비하여 전원을 접속하여 상기 도가니와 커버 히터를 모두 직접 가열하여, 상기 커버 히터에 형성된 분출구가 상기 커버 히터에 접속된 전원에 의해 직접가열되는 것을 특징으로 하는 증착원.
2. 제1항에 있어서, 상기 도가니는 내부에 절연물이 코팅되거나, 별도의 절연물 도가니를 내부에 안착시켜 구성되는 것을 특징으로 하는 증착원.
3. 제1항에 있어서, 상기 히터에 안착 되는 도가니는 하나의 도가니 또는 여러 개의 작은 도가니들로 구성되는 것을 특징으로 하는 증착원.
4. 제1항에 있어서, 상기 증착원은 히터와 커버 히터의 단부인 전원 접속부는 그 단면적을 키우기 위해 날개부로 형성하는 것을 특징으로 하는 증착원.
5. 제1항에 있어서, 상기 커버 히터의 분출구는 분사 슬롯 또는 홀 형상으로 형성되고, 상기 분사 슬롯 또는 홀 위에 울타리 형상의 플럭스 가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증착원.

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