KR20140131058A - 함몰형 도가니 구조의 역 냉각형 진공 증발원 장치 - Google Patents

함몰형 도가니 구조의 역 냉각형 진공 증발원 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 함몰형 도가니 구조를 갖는 역 냉각형 진공 증발원 장치에 관한 것으로, 진공 증발원 장치에 있어서, 내부 공간과 상기 내부 공간의 일측에 개구부를 구비하는 도가니; 상기 도가니의 일부가 상기 도가니의 하부 외측에서 상기 내부 공간으로 함몰되는 함몰부; 및 상기 도가니의 하부 외측에서 상기 함몰부에 삽입되고 상기 함몰부를 냉각하는 냉각부를 포함하되, 상기 냉각부에 의해 상기 도가니의 내부 공간에 저장되는 진공 증발 소스 재료는 함몰부로부터 냉각되는 것을 특징으로 하는 역 냉각형 진공 증발원 장치를 제공한다. 본 발명에 의하면, 도가니 내부의 중심에서부터 냉각이 진행되도록 함으로써 중심부에서부터 소스 물질의 고체화가 진행되도록 할 수 있고, 이에 의하여 도가니의 원주 방향의 부피가 실질적으로 일정하게 유지되도록 하여 도가니의 파손을 방지할 수 있다.

Description

함몰형 도가니 구조의 역 냉각형 진공 증발원 장치{REVERSE COOLING TYPE EFFUSION CELL APPARATUS HAVING DEEP-DENTED BOTTOM TYPE CRUCIBLE STRUCTURE}
본 발명은 진공 증발원 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 도가니 내부의 중심부로부터 냉각이 진행되도록 함으로써 도가니의 원주 방향의 부피가 실질적으로 일정하게 유지되도록 하여 도가니의 파손을 방지할 수 있는 함몰형 도가니 구조를 갖는 역 냉각형 진공 증발원 장치에 관한 것이다.
진공 증착 또는 진공 증발은 진공 챔버 내에 배치된 기판상에 소정의 박막을 형성하기 위하여 도가니 내에 담긴 소스 물질을 가열하여 증발시키고, 증발된 소스 물질을 상대적으로 차가운 기판의 표면에 응축시켜 박막을 형성하는 기술이다.
이러한 진공 증착 또는 진공 증발 기술은 예컨대 반도체 제조 공정에서 웨이퍼 표면에 특정 물질로 이루어진 박막을 형성하거나, 대형 평판 디스플레이장치의 제조에 있어서, 유리 기판 등의 표면에 원하는 물질의 박막을 형성하는 데 널리 사용되고 있다.
이러한 기존의 진공 증발원은 냉각 시에 도가니의 외부에서부터 냉각되는 구조를 가지는 것이 일반적이다. 즉, 도가니 내부에 있는 고온 액체상태의 물질이 냉각시 물질의 외부로부터 냉각되고, 외부로부터 고체화가 진행된다. 따라서 물질의 고체화가 진행되면서 부피가 늘어나는 경우에는 도가니가 파손되는 등의 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0091087호(2011.08.11) 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0118537호(2011.10.31) 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0139575호(2011.12.29) 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0016449호(2012.02.24) 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0059898호(2012.06.11)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 함몰형 도가니 구조 및 냉각 구조를 이용하여 도가니 내부의 중심에서부터 냉각이 진행되도록 함으로써 중심부에서부터 소스 물질의 고체화가 진행되도록 하고, 이에 의하여 도가니의 원주 방향의 부피가 실질적으로 일정하게 유지되도록 하여 도가니의 파손을 방지할 수 있는 진공 증발원 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 증착 공정 중에 도가니의 외부 온도가 도가니의 내부 온도보다 항상 높게 유지되도록 제어함으로써 증착 효율과 증착 공정의 신뢰성을 향상시키는 효과를 제공할 수 있는 진공 증발원 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 역 냉각형 진공 증발원 장치는, 내부 공간과 상기 내부 공간의 일측에 개구부를 구비하는 도가니; 상기 도가니의 일부가 상기 도가니의 하부 외측에서 상기 내부 공간으로 함몰되는 함몰부; 및 상기 도가니의 하부 외측에서 상기 함몰부에 삽입되고 상기 함몰부를 냉각하는 냉각부를 포함하되, 상기 냉각부에 의해 상기 도가니의 내부 공간에 저장되는 진공증발 소스재료는 함몰부로부터 냉각되는 것을 특징으로 하는 역 냉각형 진공 증발원 장치를 제공한다.
여기에서, 냉각부는, 도가니의 외측에 접하며 함몰부에 일단부가 삽입되는 냉각봉, 및 냉각봉의 타단부에 결합하고 냉각봉을 냉각하는 냉각유닛을 구비할 수 있다.
또한, 냉각부는, 함몰부에 삽입되는 냉각유로부재; 및 냉각유로부재의 배출구를 통해 배출되고 냉각유로부재와 함몰부 사이를 유동하는 냉매를 구비할 수 있다.
또한, 역 냉각형 진공 증발원 장치는, 도가니의 내부측과 외부측에 각각 설치되는 온도센서, 및 온도센서에서 감지된 온도에 기초하여 도가니의 가장자리 부위의 온도가 도가니의 중심 부위의 온도보다 높게 유지되도록 도가니 외부에 설치된 히터 또는 함몰부의 온도를 제어하는 제어부를 더 포함하도록 구성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 도가니 내부의 중심에서부터 냉각이 진행되도록 함으로써 중심부에서부터 소스 물질의 고체화가 진행되도록 할 수 있고, 그에 의해 도가니의 원주 방향의 부피가 실질적으로 일정하게 유지되도록 하여 도가니의 파손을 방지하는 효과를 제공한다.
또한, 증착 공정 중에 도가니의 외부 온도가 도가니의 내부 온도보다 항상 높게 유지되도록 제어함으로써 증착 효율과 증착 공정의 신뢰성을 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 역 냉각형 진공 증발원 장치의 단면도이다.
도 2는 도 1의 진공 증발원 장치의 도가니의 단면도이다.
도 3은 도 1의 진공 증발원 장치에서의 도가니의 내부 온도 및 외부 온도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 역 냉각형 진공 증발원 장치의 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 역 냉각형 진공 증발원 장치의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 역 냉각형 진공 증발원 장치(100)는, 도가니(10) 및 함몰부(20)를 구비한다.
함몰부(20)는 도가니(10)의 일부가 내부 공간(11) 측으로 함몰된 부분을 지칭하며, 이러한 함몰부(20)는 진공 증발원 장치(100)의 작동 중에 도가니(10)에 저장되는 진공 증발 소스 재료의 중심부위를 강제 냉각하여 도가니의 횡단면의 중심을 지나는 축 방향에서 함몰부(20) 주위에 위치하는 소스 재료의 온도가 도가니(10)의 외측벽 주위에 위치하는 소스 재료의 온도보다 높게 유지되도록 기능한다.
또한, 진공 증발원 장치(100)는, 함몰부(20)의 강제 냉각을 위하여 별도의 냉각부를 구비할 수 있다.
냉각부는 도가니(10)의 하부 외측에서 함몰부(20)에 삽입될 수 있다. 본 실시예에서, 냉각부는 일단부가 도가니(10)의 하부 외측에 접하며 함몰부(20)에 삽입되는 냉각봉(30), 및 냉각봉(30)의 타단부에 결합하고 냉각봉(30)을 냉각시키는 냉각 유닛(31)을 구비한다. 냉각부는 냉각봉(30)과 냉각 유닛(31)을 결합하고 냉각봉(30)을 지지하는 지지대(32)를 구비할 수 있다.
냉각 유닛(31)은 냉매가 지지대(32)를 경유하면서 지지대(32)를 냉각한다. 냉각 유닛(31)은 지지대(32)와의 열교환에 의해 함몰부(20)에 삽입된 냉각봉(30)의 일단부와 도가니의 함몰부(20) 사이에 열교환이 일어날 수 있도록 기능한다.
냉각봉(30)은 높은 열전도성을 가진 막대 형상의 재료로 이루어진다. 예를 들어, 냉각봉(30)의 재료로는 스틸(Steel), 스테인레스강, 그래핀(Graphene), 고분자, 고분자 복합 소재 등이 이용될 수 있다.
또한, 진공 증발원 장치(100)는, 구현에 따라서 온도 센서, 제어부(50) 및 히터(60)를 구비할 수 있다. 온도 센서는 내부 센서(41) 및 외부 센서(42)로 구성될 수 있다.
내부 센서(41)는 도가니(10)의 외부 안쪽 온도를 측정한다. 도가니(10)의 외부 안쪽은 도가니(10)가 하우징(80)에 의해 포위될 때, 도가니(10)와 하우징(80) 사이에서 도가니(10)에 인접한 부분을 지칭한다. 본 실시예에서 내부 센서(41)는 도가니(10)의 하부 외측에 위치한 함몰부(20)의 입구 부분에 설치된다.
외부 센서(42)는 도가니(10)의 외부 온도를 측정한다. 본 실시예에서 외부 센서(42)는 도가니(10)의 외벽과 도가니(10)를 가열하는 히터(60)와의 사이에 배치된다.
내부 센서(41)는, 도가니(10)의 외부 안쪽 온도를 모니터링하기 위해, 센서 접속 단자와 케이블 또는 배관(44)을 통해 제어부(50)에 연결된다. 이와 유사하게, 외부 센서(42)는, 도가니(10)의 외부 온도의 모니터닝을 위하여 센서 접속 단자(43)와 케이블 또는 배관(44)을 통해 제어부(50)에 연결된다.
내부 센서(41)와 외부 센서(42)는 내열성(예컨대, 1800℃까지 사용 등), 안정성 및 기계적 강도가 우수한 소재로 이루어진다. 예를 들어, 이들 센서로는 열전대(Thermocouple) 등이 이용될 수 있다.
히터(60)는, 도가니(10)의 외측벽을 둘러싸도록 설치되어 도가니(10)를 가열한다. 도가니(10)의 내부 공간에 진공 증착용 소스 재료가 삽입되고 진공 챔버 내에서 히터(60)에 의해 도가니(10)가 가열되면, 도가니(10)는 챔버 내의 기판상에 소정의 박막을 증착하는 진공 증발원 장치로서 기능하게 된다.
본 실시예에서 히터(60)는 세라믹 절연링(61)에 의해 지지 부재(62) 상에 고정되는 히터 라인 형태로 설치된다. 이 경우, 히터(60)는 수평 방향에서 함몰부(20)와 마주하도록 배치되는 제1 히터 라인(60a)과 함몰부(20)와 개구부(12) 사이의 도가니의 내부 공간과 마주하도록 배치되는 제2 히터 라인(60b)을 구비할 수 있다.
여기서, 지지부재(62)는 세라믹 절연링(61)을 지지하면서 히터(60)의 열을 도가니(10) 측으로 반사하기 위한 것으로서, 점형 도가니의 경우에 원통 형태를 형성할 수 있고, 선형 도가니의 경우에 복수의 판상 부재로 이루어진 사각통 형태를 형성할 수 있다.
제어부(50)는 히터(60)의 동작과 냉각부의 동작을 제어한다. 본 실시예에서 제어부(50)는, 역 냉각형 진공 증발원 장치(100)의 작동 중에 온도 센서(41, 42)에서 감지된 온도에 기초하여 도가니(10)의 외부 온도가 도가니(10)의 내부 온도보다 높게 유지되도록 도가니(10) 외부에 설치된 히터(60), 제1 히터 라인(60a) 및 제2 히터 라인(60a)을 선택적으로 또는 동시에 제어한다. 제어부(50)는 플립플롭을 이용한 논리 회로나 마이크로프로세서 등으로 이루어지며, 챔버 외부에 설치되고 케이블을 통해 챔버 내부의 온도 센서, 히터 등에 연결될 수 있다.
또한, 진공 증발원 장치(100)는, 구현에 따라서 외부 냉각 모듈(70) 및 하우징(80)을 구비할 수 있다.
외부 냉각 모듈(70)은 증발원 외부를 냉각한다. 외부 냉각 모듈(70)은 지지부재(62) 외측에서 증발원 외부를 냉각하도록 설치된다. 외부 냉각 모듈(70)은 나선형으로 도가니(10)를 둘러싸도록 하우징(80)의 내표면에 지지되고 냉매 커넥터(71)에 의해 외부 장치와 유체 소통 가능하게 연결될 수 있다. 외부 냉각 모듈(70)은 외부의 냉매가 순환하는 금속성 도관으로 이루어질 수 있다.
하우징(80)은 진공 증발원 장치(100)의 외표면을 형성하며 진공 증발원 장치(100)의 구성 요소를 수용하고 이를 보호한다. 하우징(80)은 적절한 기계적 강도를 갖는 단열성 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 진공 증발원 장치(100)는, 구현에 따라서 냉각유닛(31), 지지대(32), 센서 접속 단자(43), 케이블 또는 배관(44), 지지 부재(62), 도가니(10) 등을 지지하기 위하여 지지 플레이트(90)를 구비할 수 있다. 지지플레이트(90)는 소정의 베이스(91)에 의해 챔버 하부나 챔버에 설치된 고정 프레임에 고정될 수 있다.
도 2는 도 1의 진공 증발원 장치의 도가니의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 진공 증발원 장치의 도가니는 하부 함몰형 구조를 구비한다.
하부 함몰형 구조는 도가니(10)의 하부(13)에서 개구부(12)를 향하여 도가니(10)의 내부 공간(11)으로 도가니(10)의 일부가 일정 길이로 함몰되는 구조를 지칭한다.
즉, 도가니(10)는 소스 재료를 저장하기 위한 내부 공간(11)과 내부 공간(11)을 외부와 연결하기 위한 개구부(12)가 구비된 통 형상을 가지며, 아울러 그 하부(13)에 외측으로부터 막대에 의해 밀려 들어온 함몰부(20)를 구비한다.
함몰부(20)를 이용하면, 소스 재료가 담긴 진공 증발원 장치의 작동 중에 도가니(10)에 저장되는 소스 재료의 중심 부위를 강제 냉각하여 도가니(10)의 횡단면의 중심을 지나는 축 방향에서 도가니(10)의 중심 부위에 위치하는 소스 재료의 온도가 도가니(10)의 가장 자리에 위치하는 소스 재료의 온도보다 높게 유지할 수 있다.
예를 들면, 함몰부(20)를 냉각함으로써, 도가니 단면의 중심을 지나는 축 방향의 라인(x)에서 이 라인(x)과 도가니가 만나는 위치(a, b, c 및 d)를 기준으로 도가니(10)의 중심 부위(b, c 부근)에 위치하는 소스 재료의 온도가 도가니(10)의 가장 자리(a, d 부근)에 위치하는 소스 재료의 온도보다 높게 유지할 수 있다.
도 3은 도 1의 진공 증발원 장치에서의 도가니의 내부 온도 및 외부 온도를 나타낸 그래프이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 진공 증발원 장치의 도가니 단면의 중심을 지나는 축 방향의 각 위치(a, b, c, d 등)에서의 온도는 도가니의 중심 부위(b, c)의 온도(T1)보다 도가니의 가장 자리 부위(a, d)의 온도(T2)가 더 높게 유지되도록 구성된다.
이러한 진공 증발원 도가니의 온도 구배에 의하면, 도가니의 중심부에서부터 소스 물질의 고체화가 진행되도록 할 수 있고, 이에 의해 도가니의 원주 방향의 부피가 실질적으로 일정하게 유지되도록 함으로써 도가니의 파손을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 진공 증발원 장치의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 역 냉각형 진공 증발원 장치는, 도가니(10), 함몰부(20) 및 냉각부를 구비한다.
본 실시예에 따른 진공 증발원 장치는, 냉각부가 냉각 유로 부재(30a)를 이용하는 것을 제외하고 도 1 내지 도 3을 참조하여 앞서 설명한 진공 증발원 장치와 실질적으로 동일하므로, 동일하거나 유사한 구성 요소는 설명을 중복을 피하기 위해 생략한다.
냉각부는, 도가니(10)의 하부 외측에서 함몰부(20)에 삽입되는 냉각 유로 부재(30a), 및 냉각 유로 부재(30a)에 냉매를 공급하는 냉각 유닛(도 1의 도면 부호 31 참조)을 구비한다.
냉각 유로 부재(30a)는, 냉매 채널(33)을 구비하는 중공형 파이프 형태를 구비하고, 함몰부(20)의 삽입되는 일단부에는 냉매를 배출하기 위한 하나 또는 복수의 배출구(34)가 구비된다.
냉매 채널(33)에서 배출된 냉매는 냉각 유로 부재(30a)의 외표면과 함몰부(20)의 내표면 사이의 공간(35)을 유동한다. 냉매는 냉각유로부재(30a)와 함몰부(20) 사이의 공간(35)을 통해 도가니(10)의 하부 측으로 배출되고 미리 설정된 수집 장치(미도시)를 통해 수집되어 진공 증발원 장치 외부로 배출될 수 있다.
본 실시예에 의하면, 열전도 외에 냉매를 이용하여 직접적으로 함몰부를 냉각함으로써 효과적으로 도가니 중심 부위의 온도를 도가니 가장자리 부위의 온도보다 낮게 유지할 수 있고, 그에 의해 소스 물질의 고체화에 따른 부피 증가로 도가니가 손상되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 도가니
20: 함몰부
30: 냉각봉
30a: 냉각 유로 부재
41, 42: 온도 센서
50: 제어부
60: 히터
70: 외부 냉각 모듈

Claims (4)

  1. 진공 증발원 장치에 있어서,
    내부 공간과 상기 내부 공간의 일측에 개구부를 구비하는 도가니;
    상기 도가니의 일부가 상기 도가니의 하부 외측에서 상기 내부 공간으로 함몰되는 함몰부; 및
    상기 도가니의 하부 외측에서 상기 함몰부에 삽입되고 상기 함몰부를 냉각하는 냉각부
    를 포함하되,
    상기 냉각부에 의해 상기 도가니의 내부 공간에 저장되는 진공 증발 소스 재료는 함몰부로부터 냉각되는 것을 특징으로 하는 역 냉각형 진공 증발원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 도가니의 외측에 접하며 상기 함몰부에 일단부가 삽입되는 냉각봉; 및
    상기 냉각봉의 타단부에 결합하고 상기 냉각봉을 냉각하는 냉각 유닛
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 역 냉각형 진공 증발원 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 함몰부에 삽입되는 냉각 유로 부재; 및
    상기 냉각 유로 부재의 배출구를 통해 냉매를 배출하고 배출된 냉매가 상기 냉각 유로 부재와 상기 함몰부 사이를 유동하도록 설치되는 냉각 유닛
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 역 냉각형 진공 증발원 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도가니의 내측과 외측에 각각 설치되는 온도 센서; 및
    상기 온도 센서에서 감지된 온도에 기초하여 상기 도가니의 가장자리 부위의 온도가 상기 도가니의 중심 부위의 온도보다 높게 유지되도록 상기 도가니 외부에 설치된 히터 또는 함몰부의 온도를 제어하는 제어부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 역 냉각형 진공 증발원 장치.
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