KR20160103807A - 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치 - Google Patents

유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치 Download PDF

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방성환
황농문
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엘에스엠트론 주식회사
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Abstract

본 발명은 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치를 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치는, 내부에 수용부가 형성되어 있는 챔버; 상기 챔버의 외부에 설치되어 챔버의 내부를 진공상태로 만드는 진공펌프; 상기 챔버 내부의 저면에 설치되며, 베이스 기재가 안착되는 베이스 기재 지지대; 상기 챔버의 벽면에서부터 내부로 뻗어나오는 파이프 또는 호스 형태로 형성되되 상기 베이스 기재 지지대의 상부에 설치되어, 상기 챔버 외부로부터 소스 가스를 공급하는 소스 가스 공급부; 상기 챔버의 벽면과 연결되어 내부에 설치되되, 소스 가스 공급부의 상부에 형성되며, 전력을 인가받아 플라즈마를 발생시키는 ICP(Inductively Coupled Plasma) 코일; 및 상기 ICP(Inductively Coupled Plasma) 코일의 상부에 형성되어 반응 가스를 외부로부터 공급하는 반응 가스 공급부;를 포함한다.

Description

유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치{APPARATUS FOR INDUCTIVELY COUPLED PLASMA-CHEMICAL VAPOR DEPOSITION}
본 발명은 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배리어 특성이 향상된 배리어 필름을 제조할 수 있는 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치에 관한 것이다.
다양한 정보를 화면으로 구현해 주는 영상표시장치는 정보 통신 시대의 핵심 기술로 더 얇고 더 가볍고 휴대가 가능하면서도 고성능의 방향으로 발전하고 있다. 이에 음극선관(CRT)의 단점인 무게와 부피를 줄일 수 있는 평판표시장치로 유기 발광층의 발광량을 제어하여 영상을 표시하는 유기전계발광 표시장치(OLED) 등이 각광받고 있다. 상기 유기전계발광 표시장치는 전극 사이의 얇은 발광층을 이용한 자발광 소자로 종이와 같이 박막화가 가능하다는 장점이 있다.
상기 유기전계발광 표시장치(OLED)는 외부로부터 산소와 수분이 내부로 유입될 경우 소자의 수명에 치명적인 영향을 미치게 되므로, 상기 산소와 수분의 침투를 방지하는 것은 매우 중요하다.
종래에는 상기 유기전계발광 표시장치(OLED)의 내부로 수분이 침투하는 것을 방지하기 위해 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치를 사용하여 배리어 필름을 형성한다. 이때, 상기 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치는 배리어 필름의 형성 뿐만 아니라, 반도체 등의 박막 증착에도 사용된다.
배리어 필름을 형성하는데 있어서, 상기 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치는 유도결합 플라즈마 화학기상증착법(ICP CVD)을 이용해 베이스 기재 상에 무기막으로 이루어진 배리어층을 증착하고 상기 배리어층의 응력을 제어하기 위해 유기막으로 이루어진 응력 제어층을 증착하여 배리어 필름을 제조한다.
도 1은 종래기술에 따른 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치는 챔버(10)의 내부로 반응 가스 또는 소스 가스를 공급하는 가스 공급부(20), 챔버(10)의 내부를 진공상태로 만드는 진공펌프(30), 챔버(10)의 내부에 설치되어 베이스 기재를 안착하는 베이스 기재 지지대(40), 챔버(10)의 외부에 설치되는 유전체 튜브(50) 및 상기 유전체 튜브(50)의 외부에 2 내지 3회 감겨 형성된 ICP 코일(60)을 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 유기막과 무기막을 증착하여 배리어 필름을 제조하는데 사용하는 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치는 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 ICP(Inductively Coupled Plasma) 코일이 챔버(10)의 외부에 형성된 유전체 튜브(50)(예컨대, 석영) 상에 2 내지 3회 정도 감겨 형성된다. 이처럼, 상기 ICP 코일(60)이 챔버(10)의 외부에 형성된 유전체 튜브(50) 상에 형성되는 이유는 플라즈마 발생에 따라 베이스 기재가 손상되어 필름의 배리어 특성이 저하되는 것을 방지하기 위함이다. 하지만, 상술한 바와 같은 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치는 유기막으로 이루어진 응력 제어층을 무기막으로 이루어진 배리어층 상에 적층만 할뿐, 상기 장치의 챔버(10) 내에 주입되는 반응 가스와의 반응성이 낮아 유기막으로 이루어진 응력 제어층의 밀도 형성에는 영향을 미치지 못한다. 따라서, 필름의 배리어 특성이 저하되는 문제점이 발생한다.
한국공개특허 제10-2013-0111530호(2013.10.10 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 ICP 코일을 챔버의 내부에 형성하여 플라즈마 밀도를 향상시키고, 이에 따라 상기 챔버의 내부로 주입되는 반응 가스와 소스 가스의 반응성을 증가시키는 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치는, 내부에 수용부가 형성되어 있는 챔버; 상기 챔버의 외부에 설치되어 챔버의 내부를 진공상태로 만드는 진공펌프; 상기 챔버 내부의 저면에 설치되며, 베이스 기재가 안착되는 베이스 기재 지지대; 상기 챔버의 벽면에서부터 내부로 뻗어나오는 파이프 또는 호스 형태로 형성되되 상기 베이스 기재 지지대의 상부에 설치되어, 상기 챔버 외부로부터 소스 가스를 공급하는 소스 가스 공급부; 상기 챔버의 벽면과 연결되어 내부에 설치되되, 소스 가스 공급부의 상부에 형성되며, 전력을 인가받아 플라즈마를 발생시키는 ICP(Inductively Coupled Plasma) 코일; 및 상기 ICP(Inductively Coupled Plasma) 코일의 상부에 형성되어 반응 가스를 외부로부터 공급하는 반응 가스 공급부;를 포함한다.
상기 ICP 코일은 일측이 개방된 원형을 포함하는 형상일 수 있다.
상기 ICP 코일은 직경이 11 내지 13cm일 수 있다.
상기 ICP 코일은 베이스 기재 지지대와의 거리가 12cm 이상일 수 있다.
상기 ICP 코일은 1회 감길 수 있다.
상기 진공펌프는 터보펌프 또는 로터리펌프 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전력을 인가하는 ICP 코일을 챔버의 내부에 형성하여 플라즈마 밀도를 향상시키고, 이에 따라 상기 챔버 내부에 주입되는 반응 가스와 소스 가스의 반응성을 증가시킴으로써 유기막으로 형성되는 박막층의 밀도를 높게 형성하여 필름의 배리어 특성을 향상시키는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래기술에 따른 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치의 구성도를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 ICP 코일의 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치의 구성도를 개략적으로 도시한 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 ICP 코일의 평면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시 예에 따른 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치는 챔버(100), 진공펌프(200), 베이스 기재 지지대(300), 가스 공급부 및 ICP 코일(600)을 포함한다.
챔버(100)는 내부에 수용부가 형성되어, 상기 수용부에 베이스 기재를 위치시켜 박막층을 증착할 수 있다. 본 실시 예에 따르면, 상기 챔버(100)의 내부는 진공상태로 형성하여 박막층을 증착할 수 있으며 바람직하게, 상기 챔버(100)의 내부는 진공펌프(200) 예컨대, 로터리 펌프, 터보 펌프 등에 의해 진공상태로 형성될 수 있다. 자세하게, 상기 로타리 펌프는 챔버 외부의 벽면에 부착되며, 파이프 또는 호스의 형태로 챔버 내부와 연결이 되어있고, 터보펌프와도 파이프 또는 호스의 형태로 연결이 될 수 있다. 이때, 상기 터보펌프도 챔버 외부의 벽면에 부착된 형태이다. 또한, 상기 파이프 또는 호스에는 밸브가 형성되어 있어, 상기 밸브의 조절을 통해 펌프를 제어할 수 있다. 상기 터보펌프는 챔버의 외부 벽면에 부착하는 것으로 설명하지만 이에 한하지 않으며, 챔버의 외부에 따로 떨어진 형태로 파이프 또는 호스에 의해 로타리 펌프와 연결될 수 있다. 마찬가지로 로타리 펌프는 챔버의 벽면에 부착하는 것으로 설명하지만 이에 한하지 않으며, 챔버의 외부에 따로 떨어진 형태로 파이프 또는 호스에 의해 터보 펌푸와 연결될 수 있다. 이때, 상기 로터리 펌프는 챔버(100)의 내부를 2.5x10-2 정도의 진공 상태로 만들 수 있으며, 상기 터보 펌프는 챔버(100)의 내부를 1.0x10-6의 진공 상태로 만들 수 있다.
베이스 기재 지지대(300)는 베이스 기재를 안착하여 박막층이 증착되게 할 수 있으며, 상기 챔버(100)의 내부에 설치된다. 보다 자세하게, 상기 베이스 기재 지지대(300)는 상기 챔버(100)의 내부 저면에 설치된다. 이때, 상기 베이스 기재는 고분자 플라스틱 필름일 수 있으며, 바람직하게 PET(polyethylene terephthalate), COP(Cyclo Olefin Polymer), PC(polycarbonate) 등 일 수 있다. 또한, 상기 베이스 기재 지지대(300)에는 베이스 기재의 온도를 조절하는 히터(미도시)가 매립될 수 있다.
가스 공급부는 챔버(100)의 내부로 가스를 공급하는 역할을 할 수 있으며 바람직하게, 반응 가스 공급부(400) 및 소스 가스 공급부(500)를 포함할 수 있다.
상기 반응 가스 공급부(400)는 후술할 ICP 코일(600)의 상부에 형성되어, 챔버(100)의 내부로 산소(O2), 질소(N2), 아르곤(Ar) 등과 같은 반응 가스를 공급할 수 있다. 이때, 상기 반응 가스는 후술할 소스 가스와의 반응을 통해 상기 소스 가스의 입자를 베이스 기재 상에 증착되게 할 수 있다. 상기 반응 가스 공급부(400)는 샤워헤드 타입, 슬릿 노즐 타입 등 다양항 형태로 이루어질 수 있으며, 본 실시 예를 설명함에 있어서는 챔버의 수용부의 최상부에 뚜껑을 덮는 형태로 형성된 샤워헤드 타입인 것으로 설명한다.
상기 소스 가스 공급부(500)는 상기 베이스 기재 지지대(300)의 상부에 형성되어, 챔버(100)의 내부로 실레인(Silane), HMDSO(헥사메틸디실록산) 등과 같은 소스 가스를 공급할 수 있다. 자세하게, 상기 소스 가스 공급부(500)는 베이스 기재 지지대(300)의 상부에 위치하며, 챔버의 벽면에서부터 내부로 뻗어나오는 파이프 또는 호스의 형태일 수 있다. 이때, 상기 소스 가스는 상기 반응 가스와의 반응을 통해 베이스 기재의 상부에 박막층을 형성할 수 있다. 바람직하게, 상기 실레인(Silane)은 상기 반응 가스와의 반응을 통해 베이스 기재 상에 무기막으로 이루어진 박막층을 형성할 수 있으며, 상기 HMDSO(헥사메틸디실록산)은 상기 반응 가스와의 반응을 통해 베이스 기재 상에 유기막으로 이루어진 박막층을 형성할 수 있다.
ICP 코일(600)은 챔버(100)의 내부에 형성되어 플라즈마를 발생시킴으로써 반응 가스와 소스 가스를 반응시켜 상기 소스 가스의 입자를 베이스 기재 상에 증착시킨다. 자세하게, 상기 ICP 코일(600)은 챔버(100)의 내부에 형성되되, 챔버의 벽면과 연결되어 있으며, 반응 가스 공급부(400)와 소스 가스 공급부(500)의 사이에 형성된다. 이때, 상기 ICP 코일(600)은 도 3에 도시한 바와 같이, 일측이 개방된 원형을 포함하는 형상일 수 있다. 예컨대, 상기 ICP 코일(600)은 열쇠 구멍 형상일 수 있다. 또한, 상기 ICP 코일(600)은 챔버의 외부에 설치된 전류 인가 장치(미도시)와 연결되어 전류를 인가받아 플라즈마를 발생시킨다. 이때, 상기 ICP 코일(600)은 플라즈마를 발생시킴으로써 반응 가스 공급부(400)를 통해 챔버(100) 내부로 유입되는 반응 가스와 소스 가스 공급부(500)를 통해 챔버(100) 내부로 유입되는 소스 가스의 반응성을 증가시켜 플라즈마 밀도를 향상시킬 수 있다. 자세하게는, 상기 ICP 코일(600)에 전력이 인가되면 코일 주위로 전기장이 형성되고 상기 전기장에 의해 전자 가속이 일어나 플라즈마가 발생한다. 이때, 상기 ICP 코일(600)을 챔버(100)의 내부에 형성하게 되면, 상기 ICP 코일(600) 주위에 형성되는 전기장이 챔버(100) 내의 가스와 직접적으로 반응하여 전자 간의 충돌이 많아진다. 이에 따라, 플라즈마의 밀도를 향상시킬 수 있으며, 플라즈마 밀도가 향상됨에 따라 반응 가스와 소스 가스의 반응성이 높아져 박막층의 밀도를 높게 할 수 있다.
한편, 상기 ICP 코일(600)은 직경이 10cm 이하의 경우 베이스 기재 상에 증착되는 박막의 균일성이 떨어지고, 14cm 이상일 경우 인가되는 전력의 손실이 발생하여 플라즈마 밀도가 떨어지므로, 직경이 11 내지 13cm인 것이 바람직하다. 이때, 상기 직경은 도 3에 도시된 바와 같이, 일측이 개방된 원형 형상 예컨대, 열쇠 구멍 형상의 ICP 코일(600)에서 원형 부분의 지름(D)을 의미한다.
또한, 상기 ICP 코일(600)은 베이스 기재 지지대(300)와의 거리가 12cm 이상인 것이 바람직하다. 이와 같은 이유는 만약, 상기 ICP 코일(600)이 베이스 기재 지지대와의 거리가 12cm 이하가 될 경우 플라즈마에 의해 베이스 기재가 손상되어 배리어 특성이 떨어질 수 있기 때문이다.
그리고, 상기 ICP 코일(600)은 인가되는 전력의 손실을 최소화하기 위해 1회만 감는 것이 바람직하다. 자세하게, 상기 ICP 코일(600)이 1회만 감겨 있다는 것은 도 2에 도시된 바와 같이, 일측이 개방된 원형 형상 예컨대, 열쇠 구멍 형상의 ICP 코일(600)에서 원형 부분이 1회만 감겨 있다는 것을 의미한다.
배리어 필름의 제조시, 상술한 바에 따른 ICP 코일(600)을 포함하는 유도결합 플라즈마 화학기상증착를 이용하면 무기막으로 이루어진 박막층 뿐만 아니라, 아래 표 1에 도시된 바와 같이 유기막으로 이루어진 박막층의 밀도도 높게 할 수 있다.
장치 측정샘플(괄호 안의 수치는 밀도임)
실시예1 ICP CVD
(ICP 코일 내부설치)		 SiOxCyHz(7.1 x 1017) / COP
비교예1 ICP CVD
(ICP 코일 외부설치)		 SiOxCyHz(7.1 x 1016) / COP
비교예2
 CCP CVD SiOxCyHz(3.2 x 1015) / COP
상기 표 1을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
실시예 1은 ICP 코일(600)이 내부에 설치된 ICP CVD 장치를 이용해 베이스 기재(COP(Cyclo Olefin Polymer)) 상에 유기막(SiOxCyHz)을 증착하였다.
비교예 1은 ICP 코일(600)이 외부에 설치된 ICP CVD 장치를 이용해 베이스 기재(COP(Cyclo Olefin Polymer)) 상에 유기막(SiOxCyHz)을 증착하였다.
비교예 2는 CCP CVD 장치를 이용해 베이스 기재(COP(Cyclo Olefin Polymer)) 상에 유기막(SiOxCyHz)을 증착하였다.
이때, 상기 유기막으로 이루어진 박막층의 밀도는 RBS(Rutherfold backscattering spectrometer) 방법을 이용하여 2 x 2 영역 내의 H+ 이온을 고속으로 가속하여 샘플에 조사 후 튕겨져 나오는 입자의 에너지 측정을 통해 측정하였다.
상기 표 1을 통해 보면, 유도결합 플라즈마 화학기상증착(ICP CVD) 장치를 이용할 경우(실시예 1 및 비교예 1), 유기막으로 이루어진 박막층의 밀도는 ICP 코일(600)을 외부에 설치(비교예 1)했을 때보다 내부에 설치(실시예 1)하였을 경우가 더 높게 형성(7.1 x 1017이상)됨을 알 수 있다. 이는 상술한 바와 같이, 챔버(100)의 내부에 형성된 ICP 코일(600)에 전력이 인가되면 코일 주위로 전기장이 형성되고 상기 전기장에 의해 전자 가속이 일어나 플라즈마가 발생한다. 이때, 상기 ICP 코일(600) 주위에 형성되는 전기장이 챔버(100) 내의 가스와 직접적으로 반응하여 전자 간의 충돌이 많아진다. 이에 따라, 플라즈마의 밀도가 향상되고, 플라즈마 밀도가 향상됨에 따라 반응가스와 소스가스의 반응성이 높아져 박막층의 밀도를 높게 할 수 있다.
부가적으로, 비교예 2에 도시된 바와 같이 화학기상증착법의 또 다른 증착법에 사용되는 용량성 결합 플라즈마 화학기상증착(CCP CVD) 장치를 이용할 경우에도 유기막의 밀도는 본 실시 예에 따른 장치(ICP 코일(600)이 내부에 설치된 ICP CVD 장치)를 이용할 경우보다 밀도가 낮게 형성됨을 알 수 있다.
따라서, 상술한 바와 같이 ICP 코일(600)을 챔버(100)의 내부에 위치시킴으로써 무기막으로 이루어진 박막층뿐만 아니라, 상기 무기막으로 이루어진 박막층의 응력을 제어하는 유기막으로 이루어진 박막층의 밀도도 높게 형성하여 필름의 배리어 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
이처럼, 유기막과 무기막이 증착되는 배리어 필름은, 상술한 바와 같이 ICP 코일(600)이 내부에 설치된 유도결합 화학기상증착 장치를 통해 제조함으로써 상기 유기막의 밀도를 보다 높게 형성하여 뛰어난 배리어 특성을 갖는 배리어 필름을 제조할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100 : 챔버
200 : 진공펌프
300 : 베이스 기재 지지대
400 : 반응 가스 공급부
500 : 소스 가스 공급부
600 : ICP 코일

Claims (6)

  1. 내부에 수용부가 형성되어 있는 챔버;
    상기 챔버의 외부에 설치되어 챔버의 내부를 진공상태로 만드는 진공펌프;
    상기 챔버 내부의 저면에 설치되며, 베이스 기재가 안착되는 베이스 기재 지지대;
    상기 챔버의 벽면에서부터 내부로 뻗어나오는 파이프 또는 호스 형태로 형성되되 상기 베이스 기재 지지대의 상부에 설치되어, 상기 챔버 외부로부터 소스 가스를 공급하는 소스 가스 공급부;
    상기 챔버의 벽면과 연결되어 내부에 설치되되, 소스 가스 공급부의 상부에 형성되며, 전력을 인가받아 플라즈마를 발생시키는 ICP(Inductively Coupled Plasma) 코일; 및
    상기 ICP(Inductively Coupled Plasma) 코일의 상부에 형성되어 반응 가스를 외부로부터 공급하는 반응 가스 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 ICP 코일은 일측이 개방된 원형을 포함하는 형상인 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 ICP 코일은 직경이 11 내지 13cm인 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 ICP 코일은 베이스 기재 지지대와의 거리가 12cm 이상인 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 ICP 코일은 1회 감긴 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공펌프는 터보펌프 또는 로터리펌프 중 어느 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도결합 플라즈마 화학기상증착 장치.
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