KR20140133105A - 하향식 oled 증착기의 파티클의 발생이 방지된 증발원 이송장치와 기판과 마스크의 미세 얼라인 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하향식 OLED 증착기에 사용되는 파티클 발생 방지용 증발원 이송장치, 전자석 마스크 척 이송장치와 기판 마스크 미세 얼라인 장치로서, 챔버내의 상부에는 하향식 선형 증발원이 전자석 코일과 영구자석 모터에 의하여 선형 이송이 가능하여, 소스가 이송되면서 유기물 증발이 되어 유기박막이 기판상에 하향으로 형성되며, 미세한 RGB 패턴이 형성된 유기박막을 제조하기 위하여, 기판은 기판홈에 앉혀지고, 마스크 프레임을 홀딩하는 마스크 홀더, 기판 테이블, 마그넷 어레이 척, 업다운 핀 어레이 장치가 구성되고, 전자석 마스크 척이 마스크 영역으로 이송되어 마스크의 처짐을 방지하여 주어 기판과 마스크의 미세 정렬이 가능하여, 대면적의 기판에 처짐이 없이, 유기박막의 패턴형성이 가능하여, OLED TV의 생산성이 향상되는 효과가 있다.

Description

하향식 OLED 증착기의 파티클의 발생이 방지된 증발원 이송장치와 기판과 마스크의 미세 얼라인 장치{Evaporation source transferring apparatus and fine accuracy aligning apparatus of substrate and shadow mask used in downward type OLED evaporator}

본 발명은 초대면적(8세대 ~ 11세대급) OLED(Organic Lighting Emission Display) 박막의 대량생산 제조용 하향식 선형 증발원과 기판과 마스크 미세 얼라인장치를 사용한 하향식 증착기 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 대형 유기 박막 제조의 대량 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있도록 기판의 처짐이 전혀 없도록 하기 위하여, 매우 얇은 유리 기판등을 챔버의 하부에 위치한 테이블상에 놓이게 하고, 기판위에 발광용 유기물로 구성되는 박막을 연속 제조하기 위하여 고진공 분위기의 챔버 내에서 하향식 선형 증발원을 챔버의 상부에 구성하게 하고, 증발원의 이송작동으로 부터 파티클이 발생되어 떨어지거나 하는 파티클이 유기박막에 생성되지 않도록 하기 위하여 증발원의 주위에 자석모터장치를 설치하고 분리벽을 설치하여 디퍼런셜 펌핑을 하여 파티클의 발생을 방지하고, 하향으로 유기물 기체를 유도 증발하여 처짐이 전형 없는 기판 마스크가 미세얼라인되어 있어, 패턴된 구조물에 유기물을 증착 형성하게 함으로써, 대면적의 패턴형성된 유기박막을 대량 생산 하는 하향식 증착기의 증발원이송장치와 미세얼라인 장치에 관한 것이다.

OLED 디스플레이는 포스트 엘시디(Post LCD) 디스플레이로서뿐만 아니라 조명용 면 발광장치로서 그 에너지성과 저렴성이 입증되어 세계적으로 각광받고 있다. OLED 발광장치의 핵심 공정기술로서, 유기물 발광재료를 기체 증발하여 유리기판에 고진공 상태에서 증착하여 유기물 박막을 제조하는 열증발 증착공정(thermal evaporation deposition)이 주로 사용되고 있다.

열증발 증착공정은 유기물을 증발하기 위한 소스로서, 열복사에 의한 유도 증발장치인 증발원과 기판을 고정해주는 기판 트레이와 패터닝을 제조하는 세도우 마스크장치 및 증발기체의 양을 미세 조정하는 두께 센서인 QCM 다점 센서등이 고진공 챔버내에 구성되어 사용 된다.

특히 최근 들어서, OLED 제품의 단가를 낮추기 위하여, 기판의 크기를 더욱 크게 제작한 후, 나중에 작게 잘라서 여러 장 제조하는 기술이 필요하게 되었다. 이를 테면, 4세대나 5세대급 기판을 증착하여 유기박막을 만들고, 용도에 맞추어 2인치나 4인치용으로 잘라 쓰면, 그 생산성이 향상되어 제조원가를 떨어뜨리게 되는 것이다. 하지만, 최근 대형(55인치이상)의 OLED TV를 대량생산하기 위하여, 8세대급(2200mmX2500mm) 크기의 유리 기판이 사용되는데, 이때 유리기판의 두께가 0.7mm 정도이므로, 쉽게 처짐으로 인하여 기판 핸들링 시 깨어지기가 매우 쉽다.

이러한 8세대급 이상의 대형의 유리기판(10)에 유기박막을 상향 증착할 경우에 기존에 사용되는 증착기 내부의 개념도를 도 1에서 나타낸 바와 같이, 증착기의 상부에는 선형의 상향식 증발원(12)이 놓이고, 상향으로 유기물이 복사열에 의해 유도 가열되어 증발된다. 챔버의 상부에는 대형의 기판 처짐을 방지하기 위하여 기판척 장치가 놓이게 되고, 기판 가장자리는 IC 회로 연결부로서, 증착을 방지하도록 하기 위하여, 오픈 마스크(11)를 사용하고, 마스크 처짐방지용 마스크 척을 사용하며, 척과 기판등이 합치되도록 클램프장치를 사용한다. 문제는 이러한 기판 반송용 척 장치가 800kg이상 1.5톤까지 되므로 장치가 매우 비싸지기도 하고, 무거운 장치를 이송하여주는 롤러장치등이 너무 부하가 심하여, 장비의 내구성이 떨어지게 되므로 양산성 수율이 매우 낮아지게 되는 것이다.

이러한 문제를 해결하기 위하여는 기판처짐을 방지하게 되는 하향식 증착기를 개발하여야 하며, 특히, 기체가 하향증발 시 유기물 경화등에 의한 파티클 발생이 억제되도록 하는 특수하고도 역 발상적인 대형 OLED 박막 증착용 증착기의 개발이 절실하며, 신개념의 증착기술이 세계적인 경쟁기술로 부상하고 있으나, 아직 개발에 성공한 사례는 보고 되고 있지 않다.

본 발명에서는 하향식의 증착기내에서 이송시 발생하는 파티클의 발생을 방지하려고 하며, 기판과 마스크의 미세 얼라인 장치를 개발하려고 하는 목적에서 개발의 내용은 다음과 같다.

1)하향식 증발원이 이송스켄시 이송장치에 의한 파티클 발생의 방지 기술

2)전자석 마스크척의 이송시 이송장치에 의한 파티클 발생의 방지기술

3)대형 마스크의 처짐 방지기술

4)마스크척의 새로운 개념

5)기판과 마스크의 미세 얼라인 장치의 개념

6)기판에 형성된 TFT화소의 마스크의 처짐에 의한 손실 방지

7)대형 프레임 마스크의 구조 개념

고진공 챔버내에서의 파티클의 발생을 방지하는 이송기술을 해결하기 위한 수단은 자석이송 기술이 매우 효과적이다. 즉 이송에 의한 추력을 가할 때 물체가 서로 떨어져 있으므로, 마찰에 의한 파티클의 발생을 방지하게 된다. 마스크의 처짐은 자력에 의해 잡아 당기면 되므로, 다수개의 전자석 장치를 활용하게 된다. 기판과 마스크의 미셍 얼라인 기술은 vision CCD 카메라를 활용하는 비젼방법이 이미 상?화 되어 있으므로, 대형의 프레임 마스크의 제조만 가능하고, 기판의 처짐이 방지된 하향식 증착기술을 개발하면, 미세얼라인이 가능하게 된다.

기판에 하향식으로 증착이 가능하여, 기판의 처짐이 없이 테이블위에 기판을 놓아서 증착공정이 가능하여 매우 대형의 기판에도 유기박막의 증착이 가능하며, 프레임 마스크와 기판의 미세 얼라인이 가능하여 미세 패턴이 형성된 유기박막의 형성이 가능하여, 대형의 RGB형 OLED TV의 생산이 가능하다. 또한, 정지된 기판과 마스크상에서 증발원을 이송하면서 증착을 하게 될 때, 증발원을 자석모터를 사용하여 이송하므로, 마찰과 같은 파티클의 발생을 방지 하게 된다. 또한, 증발원의 하중을 지지하기 위한 LM가이드나 V가이드로부터 발생되는 파티클은 분리벽에 의해 고진공 펌핑되므로, 파티클이 기판에 접근되지 않도록 파티클의 발생을 방지하여, OLED 박막의 성능이 향상된다.

도1은 종래의 OLED 박막을 증착하는 상향식 증착기를 개략적으로 나타낸 개념도
도2는 하향식 OLED 증착기의 측면 내부구조와 얼라인 장치를 나타내는 개략도
도3은 하향식 OLED 증착기의 단면 내부구조와 얼라인 장치를 나타내는 개략도
도4는 하향식 OLED 증착기의 전자석 척의 이송장치를 나타내는 개략도
도5는 전자석척의 구성을 나타내는 개략도
도6은 프레임드 마스크를 나타내는 개략도

도2에 도시한 바와 같이 고진공챔버(20)의 내부를 측면에서 보면, 챔버의 상부에는 하향식 선형 증발원(21)이 전자석 코일(34)과 영구자석 모터(35)에 의해서 선형 이송된다. 챔버의 하부에는 기판테이블(28) 있으며, 기판테이블 위에는 기판(27)이 앉을수 있는 기판홈이 상부중앙에 형성되어 있고, 프레임 마스크(25) 홈이 형성되어 있다. 기판테이블은 하부에 테이블홀더(30)가 부착되어 지지되며, 이 테이블 홀더에는 추가로 UVW 스테이지가 부착되어 얼라인 모션에 사용된다. 기판 테이블의 하부에는 마그넷 어레이 척(33)이 위치하게 되어 있으며, 원통형 마그넷 어레이가 플레이트 상에 다수개 배열되어 있다. 이 마그넷 어레이 척은 자력으로 마스크를 당기게 되므로, 미세 정열된 기판과 마스크(26)를 밀착하게 해주기도 한다. 업다운 핀 어레이(31)는 평형한 플레이트 상에 날카로운 길쭉한 핀이 여러 개 정렬되어 있으며, 기판을 로봇으로 가져오면, 기판을 받아주는 역할을 하게 된다. 즉, 기판을 지지하여 더욱 높이 상승하면, 로봇이 증착챔버를 빠져나가게 되고, 핀 어레이가 하강하면, 기판이 기판 테이블상에 형성된 기판홈에 안착하게 되는 것이다. 기판테이블에는 핀어레이의 핀이 자유롭게 관통하는 구멍들이 낳아 있음은 당연하다.

챔버의 하부외부에는 vision CCD(32) 카메라 장치가 2개이상 설치되어 기판과 마스크가 미세 정렬되는 정도를 인식하게 된다. 마스크 홀더(29)는 마스크의 프레임을 홀딩하는 장치로서 마스크 프레임을 잡고 업다운 모션과 xy 모션을 할 수도 있어서, 마스크의 위치를 조정하게 되기도 하며, 핀얼라인을 수행하기도 한다.

챔버의 오른쪽 중앙에는 증발원 하우스(22)가 형성되어 있어서, 증발원을 이송하기 전에 증발원이 거주하게 되는 장소이다. 즉, 여기서 증발원을 최초롤 가열하여 증발율을 발견하여 증발원의 가열온도와 증발율을 일정하게 조정되는 장소인 것이다. 이를테면, 기판과 마스크가 미세 얼라인이 끝나면, 증발원 하우스에 놓여있던, 증발원(21)이 증발원 하우스를 빠져나가, 선형이송하게 되어 기판상에 유기박막이 형성되도록 증착되는 것이다. 증발원하우스의 하부엔느 전자석 마스크 척 이송홀더(24)들이 형성되어 있어서, 전자석 마스크 척(23)을 필요시 마스크 부분으로 이송하게 된다.

도3에는 상기의 고진공 증착챔버(20)의 단면을 나타내었다. 하향식 선형 증발원의 양측에는 증발원 지지대(45)가 형성되어 있으며, 이 지지대는 LM가이드(44)에 연결되어 있어서, 증발원의 하중을 지지하면서 이송이 가능하게 된다. LM가이드 대신에 V가이드를 사용하기도 한다. 증발원(21)의 상부에는 영구자석 모터(40)와 전자석 코일(41)이 형성되어 있어서, 전자석 코일에 전기를 가하면, 자력에 의해 증발원이 추력을 받아 선형이송하게 된다. 즉, 파티클의 발생이 없는 자석식 이송 장치인 것이다. 또한, LM가이브부는 증발원 분리벽(42)과 베플벽(43)이 형성되어 있고, 디퍼런셜 펌핑이 가능하도록 펌핑포트(46)가 형성된다. 챔버의 측부에는 펌핑포트(47)와 도어(48)가 형성된다.

도4에는 전자석 마스크 척(50)의 이송 작동을 나타내고 있다. 전자석 마스크 척의 상부에는 날개가 형성되어 있으며, 이 날개의 하부에 전자석 척 이송홀더(51)가 연결되어 전자석 척을 홀딩하게 된다. 전자석 척의 이송홀더의 반대편에는 LM가이드(55)와 연결부가 형성되어 전자석 척의 하중이 지지하게 되며, 또한, 전자석 코일(57)과 영구자석 모터(56)가 형성되어 있어서, 이송이 가능하게 되는 것이다. 챔버의 측부에는 펌핑포트(54)가 형성되어 있다. 또한, 이송부는 분리벽(52)으로 분리되어 있으며, 디퍼런셜 펌핑 포트(53)가 낳아 있으, differential pumping이 가능하여, LM가이드에서 발생하는 파티클이 메인 증착부로 날라 드는 것을 방지하게 되어, 파티클의 기판접근을 방지하게 되는 것이다.

도5에는 전자석 마스크 척의 구조를 나타내었다. 원통형의 전자석 actuator(60)가 다수개 일렬 정렬되어 선형 플레이트(61)를 구성하고, 이러한 플레이트들이 다수개 정렬되어 전체 전자석 마스크 척을 구성하게 되며, 전체는 직육면체형으로서 금속 커버를 하게 된다.

도6에는 framed mask의 구조를 나타내었으며, 금속으로 형성된 마스크 프레임(70)은 다수개의 직사각형 구멍이 구성되며, 이 구멍들은 새도우 마스크(71)가 덮혀지는 구조를 하게된다. 즉 새도우 마스크의 형상을 통해서 증착패턴이 기판상에 형성되어 RGB 패턴이 형성된 OLED 유기박막을 제작하게 되는 것이다.

기판과 마스크의 미세얼라인 순서를 설명하면 다음과 같다. (1) 마스크는 마스크홀더에 고정되어 있고, 기판은 기판 테이블상에 놓여 있다. (2) 전자석 마스크 척이 이송되어 마스크 위치상에 위치한다. (3) 마스크프레임이 상승되어 전자석 마스크 척의 바로 하부에 밀착된다. (4) 전자석에 전기를 가하여 자력을 발생한다. (5) 처진 마스크는 전자석 척의 하부면에 거의 달라붙을 정도로 밀착되어 처짐이 없어지고, 평평하게 유지된다. (6) 기판테이블이 상승되어 기판이 마스크의 바로 하부면에 닿을 정도로 밀착되하되 붙지는 않을 정도이다. (7) 기판테이블이 얼라인 모션이 되면서, vision CCD를 통하여 기판과 마스크의 마크들의 일치성이 모니터링 되면서, 미세 얼라인 된다. (8) 기판이 더욱 상승한다. (9) 마스크 프레임이 기판 테이블에 밀착된다. (10) 마스크 홀더가 하강한다. (11) 전자석에 인가된 전기를 단절하여 자력을 제거한다. (12) 마스크가 부드럽게 기판상에 밀착된다. (13) 기판 테이블이 하강한다. (14) 전자석 척이 이송한다.

(15) 증발원 하우스로부터 증발원이 이송된다. (16) 유기박막이 증착된다.

10: 기판 11: 프레임 마스크
12: 상향식 증발원
20: 고진공 증착챔버 21: 하향식 선형증발원
22: 증발원 하우스 23: 전자석 마스크 척
24: 전자석 척 이송 홀더 25: 마스크 프레임
26: 마스크 27: 기판
28: 테이블 29: 마스크 홀더
30: 테이블 홀더 31: 업다운 핀 어레이
32: Vision CCD 33: 마그넷 어레이척
34: 전자석 코일 35: 영구자석 모터
40: 영구자석 모터 41: 전자석 코일
42: 증발원 분리벽 43: 베플벽
44: LM 가이드 45: 증발원 지지대
46: 디퍼런셜 펌핑 포트 47: 펌핑 포트
48: 도어
50: 전자석 척 51: 전자석 척 이송홀더
52: 분리벽 53: 디퍼런셜 펌핑포트
54: 펌핑 포트 55: LM가이드
56: 영구자석 모터 57: 전자석 코일
60: 원통형 전자석 Actuator 61: 전자석 척 플레이트 커버
70: 마스크 프레임 71: 새도우 마스크

Claims (12)

1. 고진공 증착 챔버내에 설치되는 하향식 증발원과 하향식 얼라이너 장치에 있어서, 상부에는 하향식 선형 증발원, 하부에는 기판 마스크 미세 얼라인장치;
   상기 미세 얼라인 장치는 마스크 홀더, 테이블 홀더, 테이블, 마그넷 어레이 척, 업다운 핀 어레이, 전자석 마스크척, 전자석 마스크척 홀더를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 하향식 OLED 증착기에 사용되는 기판 미스크 미세 얼라인 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기의 하향식 선형 증발원은 챔버상부벽에 고정되는 전자석 코일과 증발원상부에 고정되는 영구자석 모터의 조합을 이용하여 선형 이송되는 것을 특징으로 하는 하향식 OLED 증착기의 증발원 이송장치
   
3. 청구항 1에 있어서, 하향식 선형 증발원의 양측부에는 증발원 지지대가 설치되고, 증발원 지지대는 LM가이드상에 놓여져 하중이 지지되는 것을 특징으로 하는 하향식 OLED 증착기의 증발원 이송장치
   
4. 청구항 3에 있어서, 증발원 지지대와 LM가이드를 분리하는 분리벽이 설치되고, 분리벽내 부분을 고진공 펌핑하는 디퍼런셜 펌핑포트가 형성되어있는 것을 특징으로 하는 하향식 OLED 증착기의 증발원 이송장치
   
5. 청구항 1에 있어서, 증착 챔버내에는 증발원 하우스가 설치되는 것을 특징으로 하는 하향식 OLED 증착기
   
   
   
   
6. 청구항 1에 있어서, 전자석 마스크척은 전자석 마스크척 이송홀더로 이송되고, 전자석척 이송홀더는 LM가이드에 연결되고, 영구자석 모터와 전자석 코일과 조합하여 이송되고, 분리벽으로 분리되어 디퍼런셜 펌핑포트가 형성되는 것을 특징으로 하는 하향식 OLED 증착기의 기판 마스크 미세 얼라인 장치
   
7. 청구항 1에 있어서, 마스크와 기판의 얼라인 시퀀스는 다음과 같은 것을 특징으로 하는 하향식 OLED 증착기의 기판 마스크 미세 얼라인 장치
   1) 전자석 마스크척이 이송되어 마스크 상부에 위치한다.
   2) 마스크가 상부로 이송되어 전자석 마스크척과 밀접하게 위치한다.
   3) 전자석 척에 전기를 가하여 자력으로 마스크를 평평하게 부착한다.
   4) 기판을 상부로 이송하여, 마스크와 밀접하게 한다.
   5) 기판 테이블의 스테이지를 움직여 기판과 마스크를 미세 얼라인 정렬한다.
   6) 마스크프레임을 기판테이블 위에 내려놓는다.
   7) 전자석 마스크척의 전기를 끈다.
   8) 기판테이블을 하강한다.
   9) 전자석 마스크척을 이송한다.
   10) 마그넷 어레이 척을 상승한다.
   
8. 청구항 1에 있어서, 마스크 홀더는 마스크 프레임을 홀딩하여 업다운 모션을 하고, 테이블상부에는 기판홈과 마스크 안착홈이 형성되고, 테이블홀더에 홀딩되어 업다운 모션을 하는 것을 특징으로 하는 기판 마스크 미세 얼라인 장치
   
9. 청구항 1에 있어서, 마그넷 어레이 척은 플레이트상에 원통형 마그넷으로 어레이가 형성되고 업다운 모션이 가능한 것을 특징으로 하는 기판 마스크 미세 얼라인 장치
   
   
10. 청구항 1에 있어서, 업다운 핀 어레이는 플레이트상에 원통형 핀의 어레이가 형성되고 업다운 모션이 가능한 것을 특징으로 하는 기판 마스크 미세 얼라인 장치
    
11. 청구항 1에 있어서, 전자석 마스크척은 다수개의 원통형 전자석 액튜에이터의 어레이로 구성된 전자석 마스크척 플레이트가 형성되고 다수개의 플레이트가 정열되어 전자석 마스크척 전체구조가 형성되고 주위를 덮는 직육면체형의 커버로 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 마스크 미세 얼라인 장치
    
12. 청구항 1에 있어서, 마스크는 직사각형의 구멍이 다수개 형성되는 프레임을 형성하고, 새도우 마스크가 각 구멍을 덮어서 형성되는 프레임드 마스크를 사용하는 것을 특징으로 하는 기판 마스크 미세 얼라인 장치
    

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