KR20130021265A - 점증발원을 병렬연결한 대면적 증착 증발원 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대면적 증착용 증발원에 관한 것으로, 모듈화된 발열체, 도가니, 반사판들 다수를 선형 배열하여 이루어진다. 다수의 발열체는 발열체 간에 소정의 간격을 띠고 공통 전극 블록 사이에 병렬연결 방식으로 연결되며, 발열체 마다 개별 도가니와 반사판이 구비되어 대면적을 증착할 수 있는 증발원을 구성한다. 공통 전극 블록은 냉각수를 흘려 과열을 방지한다. 개별 발열체, 도가니, 반사판의 조합은 근사적인 점 증발원으로 간주할 수 있고, 대면적 증착의 균일도는 점 증발원 사이의 거리를 조절할 수 있도록 하여 확보한다. 따라서, 본 발명의 병렬연결 발열체 구조를 이용하는 증발원은 대면적 증착을 위한 균일도를 확보하면서 동시에 증발원의 열변형과 파손을 방지할 수 있는 발명 장치이다.

Description

점증발원을 병렬연결한 대면적 증착 증발원{Evaporation source for Large scale deposition using parallel connection of point source}

본 발명은 반도체 및 디스플레이 공정에서 요구되는 대면적 박막 증착을 위한 증발원 제작기술에 관한 것이다. 특히 고온 가열이 필요한 금속 증발원에 적용될 수 있는 기술이다.

반도체 소자, 디스플레이 패널, 솔라셀 등의 제작공정에서는 순도가 높고 균일한 박막을 제작하기 위해 주로 진공증착의 방법을 사용하는데, 진공증착 방법은 크게 물리적 증착방법인 PVD(Physical vapor deposition)과 화학적 기상 증착방법인 CVD(Chemical vapor deposition)으로 나눌 수 있다. 이 중 유기발광소자 또는 솔라셀 제작에 많이 이용되는 물리적 증착방법으로 진공 가열 증착법(Thermal evaporation)이 있다. 진공 가열 증착법에서는 진공챔버 내에 증착물질원료가 담긴 증발원을 위치시키고, 이를 가열하여 증발된 물질이 동일 진공챔버 내에 있는 기판에 증착되도록 한다. 진공 가열 증착법에 사용되는 증발원 중 가장 단순한 형태를 가지고 있는 것이 점 증발원으로 흔히 Knudsen 셀이라고도 한다. 일반적인 점 증발원은 증착원료 물질을 담는 도가니와 도가니를 가열할 수 있는 발열체, 그리고, 도가니로부터 증발된 원료 물질이 분출되는 통로인 소정의 개구부로 구성된다. 이러한 점 증발원은 개구부에 수직인 방향으로 가장 많은 원료 물질을 분사하고, 분사 방향에 따른 물질 분사율이 급격히 변하므로 기판크기가 370x470 mm 이상만 되어도 적용이 힘들다. 점 증발원의 한계를 극복하기 위해 기판을 회전시키거나, 비스듬히 기울어진 기판에 증착하는 방법을 사용하기도 하지만 역시 대면적 기판 증착에는 적합하지 않다. 종래의 대면적 기판 증착에 이용된 증발원은 주로 도 1과 같은 선형 증발원이다. 선형 증발원의 길게 형성된 선형 노즐(50)는 가장자리에서 원료 물질 분사량이 적어지는 효과를 상쇄하고, 균일한 박막 증착을 위해 상대적으로 중앙에서 좁고, 가장자리로 갈수록 폭이 넓은 모양이다. 대면적 증착을 위한 선형 증발원은 그 길이가 길어지므로 열변형에 취약하고, 가열하였을 때 전체적으로 고른 온도분포를 얻기가 힘든 단점이 있다. 간접 가열 방식을 사용하는 금속 증발원과 같은 경우 도가니와 발열체 사이의 열팽창 계수 차이는 증발원의 변형 및 파손을 유발하는 문제가 있다. 이런 경향은 Cu와 같은 고온의 증발 온도가 필요한 금속 증발원에서 더욱 심해진다. 또한, 균일한 박막 두께를 얻을 수 있는 선형 증발원의 노즐 모양을 정확히 예측하는 것은 어렵다.

진공 가열 증착법을 증발원과 기판 사이의 상대적 위치에 따라 상향식, 하향식, 또는 수직형 등으로 나눌 수 있는데, 유기발광소자 제작에서는 증발원이 기판 하부에 위치하는 상향식이 많이 쓰이는 반면에 기판을 수백도로 가열해야 되는 솔라셀 제작과 같은 경우에는 기판 처짐이 심하므로 하향식 증착을 하는 것이 적합하다. 상향식이든 하향식이든 대면적 증착을 위한 선형 증발원은 상기한 열변형으로 인한 파손, 온도 불균일 문제를 가지고 있고 개구부 모양 최적화가 어려운 공통의 단점을 내포한다.

따라서 본 발명의 목적은 대면적 박막 증착용 증발원으로 균일한 박막 증착이 가능하며 고온에서 열변형으로 인한 증발원 파손이 없는 증발원 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 외부 전원공급 장치의 두 극으로 각각 연결되는 증착 챔버 내에 위치한 공통 전극 블록과

상기 공통 전극 블록에 병렬로 연결된 다수의 동일한 특성을 가지는 발열체들,

그리고 상기 발열체들에 일대일 대응되며 발열체에 의해 둘러싸여 간접 가열되는 도가니

들의 선형 배열로 구성되는 대면적 박막 증착용 증발원을 제공한다.

상기 도가니들은 증착 원료 물질을 분사하는 통로로 상향식 또는 하향식 노즐을 구비하고, 도가니를 둘러싼 발열체는 소정의 절연부로 절연된 반사판이 발열체 외부를 감싸 열에너지 손실을 막는다.

병렬로 연결된 다수의 발열체 양단에 연결된 공통 전극 블록 내에는 소정의 냉각수 라인을 구비하여 전극 블록의 과열 방지 및 열에너지 손실을 줄여주는 증발원 구조가 된다.

따라서 본 발명은,

외부 전원공급 장치의 +극과 -극으로 각각 연결되는 선형의 공통 전극 블록;

상기 공통 전극 블록에 전기적으로 병렬 연결되며, 서로 간격을 두고 배열되는 다수의 점증발원; 및

상기 공통 전극 블록 내에 설치되는 냉각수 라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 증착 증발원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 증착 증발원에 있어서, 상기 다수의 점증발원의 배열 간격이 조절될 수 있도록 상기 공통 전극 블록은 상기 점증발원이 상기 공통 전극 블록과 접하는 소정의 길이의 연결홈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 증착 증발원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 증착 증발원에 있어서, 상기 다수의 점증발원은 상기 선형의 공통 전극 블록의 중심부에서 단부 쪽으로 갈수록 배열 간격이 좁아지도록 배열하는 것을 특징으로 하는 대면적 증착 증발원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 증착 증발원에 있어서, 상기 점증발원 각각은,

상기 공통 전극 블록에 전기접속된 각각의 발열체;

상기 발열체 안에 안착 되어 간접가열되는 도가니; 및

상기 발열체를 감싸는 반사판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 증착 증발원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 증착 증발원에 있어서, 상기 도가니는 상향식, 하향식 또는 수직형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 대면적 증착 증발원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 증착 증발원에 있어서, 상기 발열체는 코일형, 그물형 또는 판형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 대면적 증착 증발원을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 증착 증발원에 있어서, 상기 반사판은 절연체로 된 링 부재에 끼워지며, 여러 겹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 대면적 증착 증발원을 제공할 수 있다.

본 발명에 의하면, 대면적 증착용 증발원을 구성함에 있어 공통 전극 블록을 통해 병렬 연결된 다수의 점증발원을 사용하여 개별 점증발원의 위치를 조절할 수 있도록 하여 대면적 증착 시 박막의 균일도를 확보함은 물론, 공통 전극블록에 냉각수 라인을 설치하여 전체 증발원의 열변형 및 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 대면적 증착용 증발원을 모듈화된 발열체, 도가니, 반사판의 조합으로 구성하여, 유지보수가 용이하고 유지 비용을 절감하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 대면적 증착용 선형 증발원을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 병렬연결 발열체 구조의 일실시예를 개략적으로 보여주는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 병렬연결 발열체 구조의 일실시예를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 병렬연결 발열체와 공통 전극 블록 사이를 연결하는 연결부를 구성한 일실시예를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 발열체와 공통 전극 블록이 연결부로 연결되어 있는 모양을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 병렬연결 발열체가 적용된 하향식 대면적 증착용 증발원의 도가니와 반사판, 발열부를 개략적으로 나타낸 단면도와 조립 단면도이다.
도 7은 본 발명의 발열체에 대한 실시예들인 판 형태 발열체와 그물(메쉬) 형태 발열체의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예로 상향식 도가니가 적용된 것을 나타낸 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 수단으로 본 발명에서는 도 2에 나타낸 실시예와 같이 다수의 분리된 발열체(120)를 두 공통 전극 블록 사이에 병렬 연결의 형식으로 연결하여 대면적 증착용 증발원의 가열 방법으로 사용한다. 각 발열체(120) 는 내화금속(W, Ta, Mo 등) 와이어를 코일 형태로 감은 모양이고, 와이어의 한쪽 끝은 공통 전극 블록인 양극(+) 전극 블록(100)에, 다른 한쪽 끝은 음극(-) 전극 블록(110)에 연결된다. 이와 같은 연결은 전기적으로 각 발열체(120)가 서로 병렬연결되게 한다. 공통 전극 블록은 증착하려는 기판의 길이보다 길게 만들고, 길이가 긴 선형의 공통 전극 블록의 변을 따라 다수의 발열체(120)를 연결한다. 공통 전극 블록은 Cu 또는 STS 재질로 만들고, 냉각수 라인(190)을 구비하여 냉각수를 흘릴 수 있도록 되어 있다. 두 양극 전극 블록과 음극 전극 블록 사이는 절연체로 만들어진 전극 지지부(130)로 연결되어 있다. 도 2에는 9개의 발열체(120)가 두 공통 전극 블록 사이에 연결되어 있다. 각 코일 형태의 발열체(120)에는 그 안쪽에, 도 6에 도시한 것과 같은 도가니를 매 발열체(120) 마다 위치시켜 가열하게 된다. 이로 인해 가열된 다수의 도가니로부터 분자 빔 상태의 기체로 분사되는 증착 원료 물질을 기판에 증착할 수 있다. 여기서 각 발열체와 도가니 및 후술할 반사판의 조합은 점증발원으로 볼 수 있고, 본 발명에서 대면적 기판을 커버 할 수 있는 선형 증발원은 다수의 점증발원을 선형 배열하여 이루어지는 것으로 볼 수 있다. 증착 균일도를 확보하기 위해 배열되는 점증발원 간 거리를 가장자리로 갈수록 줄이거나, 각 증발원에서 물질이 분사되는 개구부의 크기를 가장자리로 갈수록 늘이는 두 가지 방법을 사용할 수 있는데, 본 실시예에서는 도 2 및 도 3에 나타나 있듯이 점증발원간 거리를 조절하는 방법을 사용하고 있다. 도 3에 나타낸 것은 도 2에 평면도로 나타낸 공통전극 블록에 나선코일 모양 발열체(120)가 연결되어 있는 사시도이다. 코일모양 발열체(120)와 공통 전극 블록과 연결부의 자세한 구성이 도 4에 나타나 있다. 발열체(120)를 형성하는 와이어의 양단을 각 공통 전극 블록 위에 와이어 직경보다 약간 낮은 높이로 가공되어 있는 연결홈(140) 위에 올려놓은 후 그 위에서 전극 블록과 동일 재질로 되어 있는 와이어 고정판(150)을 연결부 나사#1(160)과 연결부 나사#2(170)으로 고정하여 연결부를 구성한다. 연결홈(140)은 좌우(선형 증발원의 길이방향)로 소정의 폭을 가지고 형성되고, 연결부 나사(160, 170)가 관통하는 와이어 고정판의 슬롯(180)이 또한 좌우로 길게 뚫려 있어 발열체(120)의 좌우 위치를 연결홈(140)에서 슬라이딩 식으로 조정할 수 있도록 되어 있다. 따라서, 필요에 따라 점증발원의 위치 조절로 점증발원의 간격을 조절하여 균일한 소스 플럭스 분포 조절에 이용할 수 있는 구조이다.

상기한 바와 같은 도 2 및 도 3에 있는 병렬로 연결되는 발열체(120) 및 공통 전극 구조는 열변형과 열팽창에 의한 파손을 방지할 수 있다. 공통 전극 블록은 냉각수 라인을 통해 냉각되므로 열변형이 거의 없다. 또한, 발열체(120)는 전체 기판 크기에 비해 매우 작게 만들 수 있으므로 열변형, 열팽창을 최소화하고, 이로 인한 파손을 막을 수 있다. 본 발명에 의한 병렬 연결 발열부(발열체와 후술할 반사판 포함)를 이용하면, 도가니 또한 요구되는 대면적 기판 크기보다 훨씬 작게 만들 수 있어 열변형을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 상기 실시예의 변형으로, 도가니와 발열체를 별도로 구성하지 않고 도가니 자체를 전기접속 가열할 수 있는 직접가열식 점증발원으로 구성할 수도 있다.

도 5와 도 6에서는 본 발명의 병렬 연결 발열부가 이용된 대면적 증발원의 일실시예로 하향식 도가니 구조를 적용하여 CIGS 박막형 솔라셀에 이용될 수 있는 600X1200 이상에 적용가능한 대면적 Cu 증발원에 대한 단면도가 자세히 도시되어 있다. 단면도는 다수의 병렬 연결 발열부와 해당 위치의 도가니들 중 하나만 나타내고 있다. 도 5는 발열부와 공통 전극 블록과 연결부를 구성한 일실시예를 보여주는 단면도이다. 발열체(120)는 나선형 코일 모양으로 감겨있는 와이어로 되어 있고, 발열체(120)의 양단은 연결홈(140)에 위치시킨 후 연결부 나사(160, 170)로 와이어 고정판(150)과 공통 전극 블록을 체결하여 양극 전극 블록(100)과 음극 전극 블록(110)에 연결고정된다. 전극 블록(100, 110)에는 냉각수 라인(190)이 구비되어 있어, 전극 블록의 과열로 인한 증발원의 변형, 파손을 막는다. 도 6에는 하향식 도가니(300)와 반사판(230, 240)이 함께 도시되어 있다. 하향식 도가니(300)는 도가니 몸체(260)에서 증발된 증착 원료 물질이 도가니 뚜껑(250)으로 밀폐되어 있는 도가니 상부에서 반사되고, 도가니 중앙에 있는 노즐(270)을 통해 아래쪽으로 방출되는 방식이다. 도가니 뚜껑(250)은 증착 원료 물질의 누설을 막으면서, 증착 원료 물질의 재충진이 쉽도록 나사식으로 개폐하게 되어 있다. 도가니(300)는 발열체(120)의 중심으로 삽입되고, 발열체(120)와 일정 거리를 유지하며 발열체(120)의 외부를 1차 반사판(230)과 2차 반사판(240)으로 감싸서 발열체(120) 및 도가니(300)의 열에너지 손실을 줄이고, 도가니(300)의 가열이 효율적으로 될 수 있다. 1차 및 2차 반사판(230, 240)은 얇은 Ta 판을 여러 겹 겹쳐서 만드는 것이 바람직하다. 상기 반사판(230, 240)은 원통 형태로 만들고, 공통 전극 블록(100, 110) 및 발열체(120)와 절연되도록, 도 6에 나타낸 것과 같이 절연체로 만든 링의 한 면에 원호를 따라가며 소정의 홈을 내고 상기 반사판(230, 240)의 가장자리를 끼운 후 공통 전극 블록(100, 110)과 발열체(120) 사이에 위치시킨다. 보다 자세하게는, 상부 절연링(200) 하단과 중앙 절연링(210) 상단의 홈 사이에 끼워지는 1차 반사판(230)과 중앙 절연링(210) 하단과 하부 절연링(220) 상단의 홈 사이에 끼워지는 제2의 1차 반사판(230)이 있고, 그 바깥에 1차 반사판(230)보다 약간 큰 반경의 원통 모양인 2차 반사판(240)이 상부 절연링(200) 하단과 하부 절연링(220) 상단에 2차 반사판(240)과 같은 반경으로 형성된 소정의 홈에 끼워지도록 되어 있는 구조이다. 상기 절연링은 보론나이트라이드와 같은 세라믹 절연체로 제작함이 바람직하다. 이와 같이 하여 작고 간결한 구조로 도가니를 둘러싸는 반사판 구조를 제공할 수 있다.

본 발명의 대면적 증착용 증발원은 도 6에 단면도로 나타나 있는 도가니(300), 발열체(120), 1, 2차 반사판(230, 240)과 상부, 중앙, 하부 절연링(200, 210, 220)들이 모듈화되어 있다. 즉, 도 6에 나타낸 도가니(300), 발열체(120), 1, 2 차 반사판(230, 240)과 상부, 중앙, 하부 절연링들(200, 210, 220)이 모여 하나의 증발원 모듈을 이루고, 도 2 및 도 3의 실시예에서 나타낸 것과 같이 이 증발원 모듈들 다수가 공통 전극 블록 사이에 병렬연결 방식으로 선형 배치되어 대면적 증착용 증발원을 구현하게 된다. 도 2, 3의 실시예에서는 9개의 증발원 모듈이 사용되었다. 이렇게 모듈화 되어 있으므로 유지 보수 및 고장 발생 시 모듈별로 처리할 수 있어, 유지 보수 비용을 절감할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예로는 병렬 연결되는 발열체로 상기한 와이어 코일 대신 도가니를 둘러싸는 얇은 판 형태의 발열체로 대치하는 것이다.

본 발명의 또 다른 실시예로는 병렬 연결되는 발열체로 상기한 와이어 코일 대신 도가니를 둘러싸는 그물(mesh) 형태의 발열체로 대치하는 것이다. 도 7에 상기한 와이어 코일을 대체할 수 있는 얇은 판 형태의 발열체와 그물 형태의 발열체의 실시예를 개략적으로 나타내었다.

본 발명의 또 다른 실시예는 상기한 하향식 도가니 대신에 상향식 도가니로 대치하여 본 발명의 대면적 증착 증발원을 구성하는 것이다. 도 8에 간략히 나타낸 것과 같이 본 발명의 구성에서 도가니만 바꾸어 상향식 도가니(310)를 병렬 연결 발열체에 삽입하여 상향식 대면적 증착 증발원을 제작하여도 본 발명의 효과는 동일하다.

본 발명의 구성은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 얼마든지 다양한 응용과 변형이 가능함은 자명하다.

50: 선형 노즐 100: 양극 전극 블록
110: 음극 전극 블록 120: 발열체
130: 전극 지지부 140: 연결홈
150: 와이어 고정판 160: 연결부 나사#1
170: 연결부 나사#2 180: (고정판) 슬롯
190: 냉각수 라인 200: 상부 절연링
210: 중앙 절연링 220: 하부 절연링
230: 1차 반사판 240: 2차 반사판
250: 도가니 뚜껑 260: 도가니 몸체
300: 하향식 도가니 310: 상향식 도가니

Claims (7)

1. 외부 전원공급 장치의 +극과 -극으로 각각 연결되는 선형의 공통 전극 블록;
   상기 공통 전극 블록에 전기적으로 병렬 연결되며, 서로 간격을 두고 배열되는 다수의 점증발원; 및
   상기 공통 전극 블록 내에 설치되는 냉각수 라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 증착 증발원.
2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 점증발원의 배열 간격이 조절될 수 있도록 상기 공통 전극 블록은 상기 점증발원이 상기 공통 전극 블록과 접하는 소정의 길이의 연결홈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 증착 증발원.
3. 제1항에 있어서, 상기 다수의 점증발원은 상기 선형의 공통 전극 블록의 중심부에서 단부 쪽으로 갈수록 배열 간격이 좁아지도록 배열하는 것을 특징으로 하는 대면적 증착 증발원.
4. 제1항에 있어서, 상기 점증발원 각각은,
   상기 공통 전극 블록에 전기접속된 각각의 발열체;
   상기 발열체 안에 안착 되어 간접가열되는 도가니; 및
   상기 발열체를 감싸는 반사판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 대면적 증착 증발원.
5. 제4항에 있어서, 상기 도가니는 상향식, 하향식 또는 수직형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 대면적 증착 증발원.
6. 제4항에 있어서, 상기 발열체는 코일형, 그물형 또는 판형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 대면적 증착 증발원.
7. 제4항에 있어서, 상기 반사판은 절연체로 된 링 부재에 끼워지며, 여러 겹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 대면적 증착 증발원.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

Images