KR20130054703A

KR20130054703A - 열 증발 증착용 소스 증발기

Info

Publication number: KR20130054703A
Application number: KR1020110120248A
Authority: KR
Inventors: 김호섭; 민창훈
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-05-27

Abstract

본 발명은 열 증발 증착용 소스 증발기에 관한 것으로, 두 가지 이상의 소스물질이 혼합되고, 외부의 열원에 의해 가열되어 액체상태의 소스물질이 저장되는 액체저장부와; 상기 액체저장부와 연결되어 상기 액체저장부에 저장된 소스물질이 유동되는 액체 유도관과; 상기 액체 유도관과 연결되고, 상기 액체저장부에서 유동된 소스물질을 외부 열원에 의해 상기 액체저장부의 온도보다 상대적으로 높은 온도로 가열시켜 증발시키는 기화부;를 포함하여 구성되는 열 증발 증착용 소스 증발기를 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 소스가 담긴 증발기를 액체저장부와 기화부로 따로 형성하여 액체저장부에서 혼합된 소스물질이 기화부로 이동되고 기화부로 이동된 소스물질이 기화부의 노즐을 통하여 혼합소스물질이 분사되어 기판에 증착됨에 의해 증착되는 박막이 균일한 조성영역을 가지는 효과가 있다.

Description

열 증발 증착용 소스 증발기{Thermal evaporator of mixed materials}

본 발명은 열 증발 증착용 소스 증발기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다수개의 증착용 소스물질을 증착하는 경우, 증착되는 박막이 균일한 조성영역을 가지도록 하는 열 증발 증착용 소스 증발기에 관한 것이다.

박막제조에는 여러 가지 방법이 존재하고 있으며 크게 물리적방법(physical vapor deposition, 이하 PVD라 함)과 화학적 방법(chemical vapor deposition)으로 나눌 수 있다.

PVD의 대표적인 증착법인 PLD법(Pulsed Laser Deposition), 스퍼터링(sputtering) 증착법 및 증발 증착법이 존재한다.

PLD 증착법은 타겟에 고에너지 레이저를 입사시켜 순간적인 플라즈마를 형성하고 입자들이 방사되어 기판에 증착되는 방법이다. 장점은 조성비에 맞게 제조된 타겟을 사용하므로 증착시 조성비 조절을 할 필요가 없다. 증착면적이 작으므로 산업적으로 사용되기 힘들고, 연구소 및 학교에서 많이 사용된다.

스퍼터링(sputtering) 증착법인 경우, 불활성가스의 원자를 이온화시켜 전기장에 의해 가속시키고 타겟과 충돌시켜 운동량 교환에 의하여 타겟의 물질을 떼어낸 뒤 기판에 입사시키는 증착법이다. 일단 단위면적당 증착률은 작으나 대면적이 가능하므로 산업화하기에 유리하다. 그러나 후술하는 증발(Evaporation) 증착법에 비해서는 10배정도 생산력이 떨어진다. 조성비에 맞게 제조된 타겟을 사용하므로 증착시 조성비 조절을 할 필요가 없다. 그러나 대면적 타겟비용이 크고, 증착시스템의 초기투자비용이 크다.

증발(Evaporation) 증착법은, 모든 물질은 온도에 따른 증기압이 존재하는바, 예를 들어 물을 가열하면 수면에서 수증기가 나오게 되는데 이때 증발되는 수증기량은 온도가 증가할수록 증가한다. 물 뿐만 아니라 모든 물질은 증기압이 존재한다.

이 원리를 이용한 것이 증발 증착법(evaporation)이다.

그런데 각 물질의 증기압 곡선은 다르다. 이런 자연현상 때문에 다원자 화합물을 제조할때 조성비를 조절하기 위해서는 구성원자수에 해당하는 가열기가 독립적으로 존재해야 하며 독립적으로 온도를 조절하여 증착하게 된다.

예를 들어 Sm₁Ba₂Cu₃O₇ 초전도 물질을 생각하여 보자.

각 온도별로 증기압 크기를 비교해 보면 Ba>Sm>Cu의 순서이다. 도가니 표면에서 10㎚/sec의 증착률을 얻기 위해서는 Sm, Ba, Cu의 온도를 대략 700℃, 800℃, 1300℃도로 가열해야 한다.

원하는 조성비의 박막을 얻기 위해서는 증착률 센서를 이용하여 각 원소의 증착률을 감지하고, 각 가열기의 온도를 조절하여 증착률의 비를 제어하여야 한다. 이를 구현하기 위한 열 증발 증착법의 기본 구성장치는 1)구성원자수에 해당하는 증발기, 2)각 증발기에 따른 독립가열장치 3)구성원자수에 해당하는 증착률 감지기 4)펌핑장치 5)기판 이동장치 등이 필요하다

즉, 종래기술에 따른 열 증발 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 증발물질에 대응하는 증발기(100)가 따로 구비되어 있으며, 기판(200)의 전면에는 셔터(300)가 형성되어 있으며, 각 증발기(100)에서 증발된 물질은 증착영역인 기판(200)에 증착되게 된다.

그런데, 다수개의 증발물질을 증착하는 경우 각 가열기의 온도를 조절하여 증착률의 비를 제어하여야 하는바, 온도 제어를 위하여 다수개의 증발기가 존재하여야하며 이로 인해 증착 장치의 크기가 대형화된다는 문제점이 있다.

그리고, 도 2 와 같이, 다수개의 이종물질을 동시에 증발할 경우 일정한 두께분포가 형성된다. 이 경우 두께 분포뿐만 아니라 조성비가 불균일하게 되며, 조성비 균일영역을 확보하기 위해 단일원자물질을 증착할 때보다 증착 영역은 더욱 좁아진다. 따라서, 증착 영역을 확보하기 위해서는 챔버의 크기는 더욱 커지게 되고 동반되는 챔버 제작비도 기하급수적으로 커지게 되어 챔버는 커지고 증착영역은 좁은 기형적인 형태를 가지게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 소스가 담긴 증발기를 액체저장부와 기화부로 따로 형성하여 액체저장부에서 혼합된 소스물질이 기화부로 이동되어 노즐을 통하여 증발 증착됨에 의해 증착되는 박막이 균일한 조성영역을 가지도록 하는 열 증발 증착용 소스 증발기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 두 가지 이상의 소스물질이 혼합되고, 외부의 열원에 의해 가열되어 액체상태의 소스물질이 저장되는 액체저장부와; 상기 액체저장부와 연결되어 상기 액체저장부에 저장된 소스물질이 유동되는 액체 유도관과; 상기 액체 유도관과 연결되고, 상기 액체저장부에서 유동된 소스물질을 외부 열원에 의해 상기 액체저장부의 온도보다 상대적으로 높은 온도로 가열시켜 증발시키는 기화부;를 포함하여 구성되는 열 증발 증착용 소스 증발기를 기술적 요소로 한다.

여기서, 상기 기화부는 기화부의 단부에 노즐이 형성되는 것이 바람직하다.

상기 기화부에서 증발된 소스물질은 기판에 증착되는 것이 바람직하다.

상기 기판은 열 증발 장치의 챔버 내부에 설치되는 것이 바람직하다.

상기 기판은 일측은 풀림롤에 감기고 타측은 감김롤에 감겨져 풀림롤에서 풀려진 기판이 감김롤에 감겨지는 것이 바람직하다.

상기 액체 저장부를 가열시키는 외부 열원은 유도코일이고, 상기 기화부를 가열시키는 외부 열원은 유도코일인 것이 바람직하다.

상기 액체저장부에는 기체상태의 소스물질이 포함되는 것이 바람직하다.

상기 기화부에는 상기 액체저장부의 액체상태 소스물질과 동일한 높이의 액체상태 소스물질이 충전되고, 상기 기화부는 관형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 소스가 담긴 증발기를 액체저장부와 기화부로 따로 형성하여 액체저장부에서 혼합된 소스물질이 기화부로 이동되어 노즐을 통하여 증발 증착됨에 의해 증착되는 박막이 균일한 조성영역을 가지는 이점이 있다.

상기의 구성에 의한 본 발명은, 소스가 담긴 증발기를 액체저장부와 기화부로 따로 형성하여 액체저장부에서 혼합된 소스물질이 기화부로 이동되고 기화부로 이동된 소스물질이 기화부의 노즐을 통하여 혼합소스물질이 분사되어 기판에 증착됨에 의해 증착되는 박막이 균일한 조성영역을 가지는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 다수의 증발기가 구비된 열 증발 증착장치의 개략도이고,
도 2는 종래기술에 따른 다수의 증발기가 구비된 열 증발 증착장치의 개략도 및 이에 따른 증착 막박의 불균일 가능성을 나타낸 도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 증발 증착용 소스 증발기가 설치된 증발장치를 나타낸 개략도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 증발 증착용 소스 증발기의 개략도이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 증발 증착용 소스 증발기의 개략도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 증발 증착용 소스 증발기가 설치된 증발장치를 나타낸 개략도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 증발 증착용 소스 증발기의 개략도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 증발 증착용 소스 증발기의 개략도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 열 증발 증착용 소스 증발기는 열 증발 증착을 위한 증착장치의 챔버 내부에 설치된다.

도 3에서, 상기 증착 장치는 크게 챔버(500)와, 상기 챔버(500) 내부에 설치되어 증착하고자 하는 증착물칠이 증착되는 기판(200)과, 상기 챔버(500)내부에 설치되고 기판의 일측이 풀림되는 풀림롤(410)과, 상기 품림롤(410)에서 풀림된 기판(200)에 박막을 증착시키는 소스물질이 포함된 열 증발 증착용 소스 증발기(600) 그리고, 상기 품림롤(410)에서 풀림되고 상기 열 증발 증착용 소스 증발기(600)에서의 증발물질이 증착된 기판(200)이 감김되는 감김롤(420)로 형성되어 릴투릴 방식으로 기판(200)이 풀림롤(410)에서 풀림되고 박막이 형성된 후 감김롤(420)에 감김되는 형태의 증착장치이다.

본 발명의 핵심은 상기 증착장치 중 소스물질을 포함하는 열 증발 증착용 소스 증발기(600)인바 이하 이에 대해 상세히 설명한다.

도 4에서 본 발명에 따른 열 증발 증착용 소스 증발기(600)는 크게 액체저장부(610)와, 액체 유도관(610)과, 기화부(620)로 구성된다.

먼저 액체저장부(610)에 대해 설명한다.

상기 액체저장부(610)는 상부가 개구된 원통 형태로 구성되고, 내부에 수용부가 형성된 형태이며, 상부는 덮개(611)로 밀폐된다. 상기 수용부 내부에는 일정한 조성비를 가지는 두 가지 이상의 원료 물질이 수용된다. 그리고 상기 액체 저장부(610)의 하부면에는 내부와 관통된 유출구(612)가 형성되고 상기 유출구(612)는 후술하는 액체유도관(620)과 연결되어 상기 액체저장부(610)에 저장된 소스물질이 후술하는 액체유도관(620)으로 유동된다.

상기 액체저장부(610)의 외주면에는 유도코일(640)의 형성되는바, 상기 액체저장부(610)의 외주면을 감싸는 형태로 유도코일(640)이 형성된다.

상기 유도코일(640)은 외부 전원과 반응하여 발열되고 발열된 열이 상기 액체저장부(610)의 수용부 내부에 수용된 소스물질에 전달되어 상기 소스물질을 액화시킨다. 여기서 상기 유도코일(640)에 의해 발열되는 열량은 상기 소스물질을 액화시키는 정도의 열량이며 충분하다. 상기 유도코일(640)에 의해 전달된 열에 의해 상기 수용부의 소스물질의 대부분은 액체상태로 존재하나 일부는 기화되어 상기 액체상태 소스물질 상부에 기체상태로 존재한다.

상기 기체상태 소스물질 부피는 액체상태 소스물질의 부피 대비 가능한 적은 것이 바람직하다. 이를 상세히 살펴보면 기체상태 소스물질의 증기압이 1 Torr이고 부피비가 1:1이라면 액체상태 소스물질과 기체상태 소스물질의 원자개수비는 10⁶:1 정도를 유지하게 되므로 기체상태 소스물질의 존재가 액체상태 소스물질의 조성비에 거의 영향을 미치지 못한다는 것을 의미한다.

상기 액체유도관(620)은 관형상으로 형성되고, 상기 액체저장부(610)의 유출구(612)와 연통되어 상기 액체저장부(610)에 수용된 액체상태 소스물질이 상기 액체 유도관(620)을 통하여 후술하는 기화부(630)로 유동된다.

여기서 상기 액체유도관(620)의 내부 직경은 기화부(630)와 액체저장부(610)의 물질이 확산에 의하여 섞이지 않을 정도로 흐름 속도를 빠르게 하기 위하여 충분히 작도록 형성된다.

상기 기화부(630)는 관형상으로 형성되고, 일측은 상기 액체유도관(620)과 연결되고 타측은 상기 기판(200)측을 향하도록 하여 개방된 형태로 구성된다.

상기 기화부(630)의 타측의 높이는 상기 액체저장부(610)의 액체상태 소스물질의 수면높이보다 조금 높은 형태로 형성되어, 상기 기화부(630)에는 상기 액체유도관(620)을 통하여 유입된 액체상태 소스물질이 상기 기화부(630)에 일정높이만큼 충전되는바, 충전양은 상기 액체저장부(610)의 액체상태 소스물질과 같은 정도의 수면 높이를 유지하도록 충전된 상태가 된다.

그리고 상기 기화부(630)의 타측 단부에는 필요시 증발된 소스물질이 분출되는 노즐을 설치하여도 무방하다.

상기 기화부(630)의 외표면에는 코일 형태의 유도코일(650)이 설치되는바, 상기 기화부(630)에 충전된 액체상태 소스물질을 증발시키기 위한 열을 제공한다. 상기 기화부(630)의 외표면에 설치된 유도코일(650)에 의한 열이 상기 액체저장부(610)의 외표면에 설치된 유도코일(640)에 의해 발생되는 열의 온도보다 상대적으로 높은바, 이는 기화부(630)의 단부측에서 액체상태의 소스물질을 급속 증발시키기 위한 것이다.

상기에서는 액체저장부(610)와 기화부(630)를 가열시키는 유도코일(640)(650)을 따로 형성시켜 가열시키는 형태로 설명하였으나, 도 5와 같이 액체저장부 일측에 기화부(630)를 형성시키고, 상기 액체저장부(610)를 가열시키는 유도코일(640)을 이용하여 액체저장부(610)를 가열함에 의해 동시에 기화부(630)도 가열시키는 구성으로 유도코일(640)을 하나만 사용하여도 되는 구성이다.

이때 상기 기화부(630)의 온도가 상기 액체저장부(610)보다 높도록 유지되어야 하는바, 상기 기화부(630)측 유도코일(640)을 기화부(630)측으로 근접시키고 그 반대측 유도코일(640)부를 액체저장부(610)측에서 떨어지게 함으로써, 상기 기화부(630)의 온도를 상기 액체저장부(610)측 온도보다 상대적으로 높게 유지할 수 있다.

유도코일(640)의 구성만 상이할 뿐 나머지 구성은 상기 도 4의 실시예와 동일하므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.

상기의 구성의 의한 작동효과는 후술하는 바와 같다.

사용자은 챔버(500) 내부에 풀림롤(410)과 감김롤(420)을 설치하고 기판(200)을 풀림롤(410)에서 감김롤(420)로 감겨지도록 설치한다.

그리고 열 증발 증착용 소스 증발기를 상기 기판(200)과 이격되게 설치한다.

그런 다음, 사용자는 챔버(500) 내부에 형성된 열 증발 증착용 소스 증발기의 액체저장부 덮개(611)를 개방하고, 액체저장부(610)의 수용부 내부에 필요한 조성비의 원료물질 A,B,C를 넣고 아르곤 가스 등을 넣은 다음 덮개(611)를 밀폐시킨다. 여기서 상기 아르곤 가스는 챔버(500) 내부를 아르곤 가스 분위기로 형성시켜도 무방하다.

상기의 상태에서, 액체저장부 유도코일(400)을 인덕션으로 가열시키고, 필요시 동시에 상기 기화부(630)의 유도코일(650)을 인덕션으로 가열시킨다.

액체저장부의 온도에 의하여 액화가 이루어졌을 때, 아르곤 가스를 잠그고 진공상태를 유지한다. 상기의 가열에 의해 액체저장부(610)에 저장된 소스물질은 액체상태의 소스물질로 액화되고, 일부는 기화되어 상기 액체상태 소스물질 상부에 기화상태 소스물질로 존재한다.

동시에 액화된 액체상태 소스물질은 유출구(612)를 통하고 액체유도관(620)을 통하여 기화부(630)로 유입된 후 기화부(630)에서 전달된 열에 의해 빠른 속도로 증발되어 노즐을 통하여 증발되고 증발된 소스물질은 기판(200)측으로 이동하여 기판(200)에 증착된다.

따라서, 일정한 조성비를 갖는 액체상태 소스물질이 액체유도관(620)을 통하여 지속적으로 공급됨으로써 시간에 따른 조성비 변화가 없으므로 기판(200)에 일정한 조성의 박막이 형성되는 것이다.

200 : 기판 410 : 풀림롤
420 : 감김롤 500 : 챔버
600 : 열증발증착용증발기 610 : 액체저장부
611 : 덮개 612 : 유출구
620 : 액체유도관 630 : 기화부
640 : 유도코일 650 : 유도코일

Claims

두 가지 이상의 소스물질이 혼합되고, 외부의 열원에 의해 가열되어 액체상태의 소스물질이 저장되는 액체저장부와;
상기 액체저장부와 연결되어 상기 액체저장부에 저장된 소스물질이 유동되는 액체 유도관과;
상기 액체 유도관과 연결되고, 상기 액체저장부에서 유동된 소스물질을 외부 열원에 의해 상기 액체저장부의 온도보다 상대적으로 높은 온도로 가열시켜 증발시키는 기화부;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 열 증발 증착용 소스 증발기.
제1항에 있어서, 상기 기화부는 기화부의 단부에 노즐이 형성됨을 특징으로 하는 열 증발 증착용 소스 증발기.
제1항에 있어서, 상기 기화부에서 증발된 소스물질은 기판에 증착됨을 특징으로 하는 열 증발 증착용 소스 증발기.
제3항에 있어서, 상기 기판은 열 증발 장치의 챔버 내부에 설치됨을 특징으로 하는 열 증발 증착용 소스 증발기.
제4항에 있어서, 상기 기판은 일측은 풀림롤에 감기고 타측은 감김롤에 감겨져 풀림롤에서 풀려진 기판이 감김롤에 감겨짐을 특징으로 하는 열 증발 증착용 소스 증발기.
제4항에 있어서, 상기 액체 저장부를 가열시키는 외부 열원은 유도코일임을 특징으로 하는 열 증발 증착용 소스 증발기.
제4항에 있어서, 상기 기화부를 가열시키는 외부 열원은 유도코일임을 특징으로 하는 열 증발 증착용 소스 증발기.
제4항에 있어서, 상기 액체저장부에는 기체상태의 소스물질이 포함됨을 특징으로 하는 열 증발 증착용 소스 증발기.
제8항에 있어서, 상기 기화부에는 상기 액체저장부의 액체상태 소스물질과 동일한 높이의 액체상태 소스물질이 충전됨을 특징으로 열 증발 증착용 소스 증발기.
제1항에 있어서, 상기 기화부는 관형상으로 형성됨을 특징으로 열 증발 증착용 소스 증발기.