KR20170108450A - 물리적 증기젯 인쇄 장치 및 물리적 증기젯 인쇄 방법 - Google Patents

물리적 증기젯 인쇄 장치 및 물리적 증기젯 인쇄 방법 Download PDF

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Abstract

금속막 또는 금속산화물막을 패턴 인쇄할 수 있는 물리적 증기젯 인쇄 장치 및 방법이 개시된다. 물리적 증기젯 인쇄 장치는 진공 챔버, 노즐부, 레이저 조사부, 및 가스 공급부를 포함한다. 진공 챔버의 내부에 기판과 노즐부가 설치된다. 노즐부는 기판을 향한 일단에 분출구가 형성된 노즐 본체, 노즐 본체의 내부에 설치된 타겟, 및 노즐 본체에 형성된 레이저 투과를 위한 윈도우를 포함한다. 레이저 조사부는 윈도우를 통해 타겟으로 고출력 펄스 레이저를 조사하여 타겟의 표면 물질이 기화된 플룸(plume)을 발생시킨다. 가스 공급부는 플룸으로 캐리어 가스를 분사하여 플룸과 캐리어 가스를 포함한 증기젯을 분출구로 방출시킨다.

Description

물리적 증기젯 인쇄 장치 및 물리적 증기젯 인쇄 방법 {PHYSICAL VAPOR JET PRINTING DEVICE AND PHYSICAL VAPOR JET PRINTING METHOD}
본 발명은 물리적 증기젯 인쇄법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속 또는 금속산화물을 고해상도로 용이하게 인쇄할 수 있는 물리적 증기젯 인쇄 장치 및 물리적 증기젯 인쇄 방법에 관한 것이다.
유기막을 형성하는 유기 증기젯 인쇄(Organic Vapor Jet Printing, OVJP)법이 공지되어 있다. 예를 들어 한국 등록특허 제10-1101916호에 유기 증기젯 인쇄 장치가 개시되어 있다. 유기 증기젯 인쇄법은 물질 낭비가 거의 없고, 정밀한 유기막 패터닝이 가능하나, 작동 온도가 500℃ 이하므로, 용융점이 500℃를 초과하는 금속과 금속산화물은 적용할 수 없다.
금속막과 금속산화물막은 물리적 증기 증착(Physical Vapor Deposition, PVD)법으로 형성될 수 있다. 물리적 증기 증착법에는 스퍼터링, 전자빔 증착법, 열 증착법, 레이저 분자빔 증착법, 펄스 레이저 증착법 등이 있다. 이 방법들은 외부 에너지원으로 타겟 물질을 기화시키며, 기화된 타겟 물질이 기판 위에 증착될 때 순수한 물리적인 반응에 의해 기체에서 고체 상태로 변하는 특징이 있다.
이 중 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition, PLD)(또는 레이저 어블레이션법)은 진공 또는 반응 가스가 채워진 챔버 안에 타겟과 기판을 배치하고, 고출력 레이저로 타겟을 주사하여 타겟 표면의 물질을 플라즈마(또는 플룸) 상태로 만들고, 플룸이 결정화에 적당한 온도로 가열된 기판 위에서 결정 구조를 가진 박막을 형성하는 과정을 포함한다.
물리적 증기 증착법에서는 일반적으로 섀도우 마스크를 이용하여 박막 패터닝과 증착을 동시에 수행한다. 이 경우 마스크 탈부착 공정이 필요하며, 기판과 마스크 사이의 정밀한 얼라인이 요구된다. 다른 한편으로, 물리적 증기 증착법으로 기판 전체에 박막을 형성한 후 포토리소그래피(photolithography) 공정으로 박막을 원하는 형태로 패터닝할 수 있다. 그러나 전술한 방법들은 추가 공정과 높은 비용이 요구되며, 전체 공정 시간이 길어지는 한계가 있다.
본 발명은 금속막 또는 금속산화물막을 형성하는데 있어서, 솔벤트와 섀도우 마스크가 필요 없고, 고해상도의 직접 패터닝이 가능한 물리적 증기젯 인쇄 장치 및 물리적 증기젯 인쇄 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 화학적 또는 열적 처리와 같은 전처리 단계가 요구되지 않으며, 공정 비용을 낮추면서 전체 공정 시간을 단축할 수 있는 물리적 증기젯 인쇄 장치 및 물리적 증기젯 인쇄 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 물리적 증기젯 인쇄 장치는 진공 챔버, 노즐부, 레이저 조사부, 및 가스 공급부를 포함한다. 진공 챔버의 내부에 기판과 노즐부가 설치된다. 노즐부는 기판을 향한 일단에 분출구가 형성된 노즐 본체, 노즐 본체의 내부에 설치된 타겟, 및 노즐 본체에 형성된 레이저 투과를 위한 윈도우를 포함한다. 레이저 조사부는 윈도우를 통해 타겟으로 고출력 펄스 레이저를 조사하여 타겟의 표면 물질이 기화된 플룸(plume)을 발생시킨다. 가스 공급부는 플룸으로 캐리어 가스를 분사하여 플룸과 캐리어 가스를 포함한 증기젯을 분출구로 방출시킨다.
기판과 노즐부 중 어느 하나는 3차원 스테이지에 결합되어 증기젯이 방출되는 과정에서 움직일 수 있다. 타겟은 금속 또는 금속산화물로 형성될 수 있고, 노즐 본체에 고정되어 있거나 회전 장치에 결합될 수 있다.
윈도우와 타겟은 노즐 본체의 측벽에서 제1 방향을 따라 마주하도록 설치되어 플룸은 타겟으로부터 제1 방향으로 발생할 수 있으며, 캐리어 가스는 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 공급되어 분출구를 향해 증기젯을 이송할 수 있다. 제1 방향은 지면과 나란한 방향일 수 있고, 제2 방향은 중력 방향과 일치할 수 있다.
다른 한편으로, 윈도우는 노즐 본체의 측벽에 설치될 수 있고, 타겟은 분출구와 마주하는 노즐 본체의 상면에 설치될 수 있다. 캐리어 가스는 노즐 본체의 상면 양측으로부터 분사될 수 있다. 플룸은 타겟으로부터 분출구를 향해 발생할 수 있으며, 캐리어 가스는 플룸의 주위를 감싸면서 플룸과 같은 방향으로 이동할 수 있다.
플룸의 발생 방향 및 증기젯의 분출 방향은 중력 방향과 일치할 수 있다. 다른 한편으로, 타겟을 향하는 레이저 빔의 조사 방향은 지면과 나란할 수 있고, 플룸의 발생 방향 및 증기젯의 분출 방향은 중력 방향에 대해 경사질 수 있다.
레이저 조사부는 레이저 광원, 빔 전송부, 광 섬유 결합기, 및 광 섬유를 포함할 수 있으며, 진공 챔버는 광 섬유를 통과시키기 위한 제1 관통부를 형성할 수 있다. 광 섬유 결합기는 섬유 커플러를 포함할 수 있고, 광 섬유는 섬유 커플러와 윈도우 사이에 설치될 수 있으며, 윈도우와 광 섬유 사이에 빔 집속 유닛이 설치될 수 있다.
다른 한편으로, 노즐부의 윈도우는 제1 윈도우일 수 있고, 진공 챔버는 제1 윈도우와 마주하는 제2 윈도우를 포함할 수 있다. 레이저 조사부는 레이저 광원과, 레이저 광원과 제2 윈도우 사이에 설치된 빔 전송부를 포함할 수 있다. 빔 전송부는 반 파장판, 편광 빔 스플리터, 빔 스플리터, 적어도 하나의 미러, 및 집속 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 물리적 증기젯 인쇄 방법은, 챔버 내부에 윈도우와 타겟 및 분출구를 구비한 노즐부와, 분출구와 마주하는 기판을 배치하고 챔버 내부를 진공화하는 제1 단계와, 윈도우를 통해 타겟으로 고출력 펄스 레이저를 조사하여 타겟의 표면 물질이 기화된 플룸을 발생시키는 제2 단계와, 플룸으로 캐리어 가스를 분사하여 플룸과 캐리어 가스가 포함된 증기젯을 분출구로 방출시키는 제3 단계와, 기판과 노즐부 중 어느 하나를 움직여 기판 위에 금속막 또는 금속산화물막을 패턴 인쇄하는 제4 단계를 포함한다.
기판과 노즐부 중 어느 하나는 제1 단계에서 3차원 스테이지에 결합될 수 있고, 제4 단계에서 3차원 스테이지에 의해 움직일 수 있다. 제2 단계에서, 타겟으로 고출력 펄스 레이저를 조사할 때 광 섬유와 빔 집속 유닛이 사용될 수 있다. 제3 단계에서, 캐리어 가스는 플룸의 발생 방향과 교차하는 방향으로 이동하거나, 플룸의 주위를 둘러싸면서 플룸의 발생 방향과 같은 방향으로 이동할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 솔벤트와 섀도우 마스크를 사용하지 않고 금속막 또는 금속산화물막을 직접 패터닝할 수 있으며, 추가의 패터닝 공정을 필요로 하지 않는다. 또한, 화학적 또는 열적 처리와 같은 전처리 단계를 생략할 수 있고, 공정 비용을 낮추면서 전체 공정 시간을 단축할 수 있다. 박막 트랜지스터, 광전기, 압전기 등 다양한 부품 제조에 본 실시예의 장치 및 방법이 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 물리적 증기젯 인쇄 장치의 개요도이다.
도 2는 유기물과 금속 및 금속산화물의 용융점을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 물리적 증기젯 인쇄 장치의 일부를 나타낸 개요도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 물리적 증기젯 인쇄 장치의 일부를 나타낸 개요도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 물리적 증기젯 인쇄 장치의 개요도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리적 증기젯 인쇄 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리적 증기젯 인쇄 방법으로 형성된 아연산화물(ZnO) 박막을 나타낸 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때 이는 다른 부분의 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 그리고 "~위에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것을 의미하며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명은 도시한 바로 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 물리적 증기젯 인쇄 장치의 개요도이다.
도 1을 참고하면, 제1 실시예의 물리적 증기젯 인쇄 장치(100)는 진공 챔버(10)와, 진공 챔버(10) 내부에 설치된 노즐부(20)와, 노즐부(20) 내부의 타겟(23)으로 레이저를 조사하는 레이저 조사부(30)와, 노즐부(20)로 불활성 가스를 제공하는 가스 공급부(40)를 포함한다.
진공 챔버(10)는 적어도 하나의 진공 펌프(11, 12)와 연결되며, 내부가 배기되어 진공을 유지한다. 적어도 하나의 진공 펌프(11, 12)는 로터리 펌프(11)와 터보 펌프(12)를 포함할 수 있다. 진공 챔버(10)와 로터리 펌프(11) 사이 및 진공 챔버(10)와 터보 펌프(12) 사이의 배관에는 온/오프 밸브(13)와 진공 게이지(14)가 설치될 수 있다.
진공 챔버(10) 내부에는 기판(50)을 지지하는 기판 지지대(51)가 위치할 수 있다. 기판 지지대(51)는 기판(50)을 x 방향과 y 방향 및 z 방향으로 움직이는 3차원 스테이지로 구성될 수 있다. 진공 챔버(10)의 측벽에는 광 섬유(34)를 통과시키기 위한 제1 관통부(15)가 형성된다.
노즐부(20)는 진공 챔버(10) 내부에서 기판(50) 상부에 설치될 수 있다. 노즐부(20)는 일단에 분출구(21)가 형성된 노즐 본체(22)와, 노즐 본체(22)의 내벽에 설치된 타겟(23)과, 노즐 본체(22)의 일측에 설치된 레이저 투과를 위한 윈도우(24)를 포함한다.
도 1의 경우 분출구(21)는 기판(50)을 향한 노즐 본체(22)의 하측에 형성되고, 타겟(23)은 노즐 본체(22) 내벽의 좌측에 설치되며, 윈도우(24)는 타겟(23)과 마주하는 노즐 본체(22)의 우측에 설치되나, 이들의 설치 위치는 도시한 예로 한정되지 않는다.
분출구(21)는 원형 또는 슬릿형 등 다양한 모양으로 형성될 수 있다. 타겟(23)은 금속 또는 금속산화물로 형성되며, 노즐 본체(22)의 내벽에 고정되어 있거나 회전 장치(도시하지 않음)와 연계되어 회전할 수 있다. 후자의 경우, 인쇄 과정에서 타겟(23)의 레이저 조사 부위가 지속적으로 변하므로 타겟(23)의 교체 주기를 늘릴 수 있다.
레이저 조사부(30)는 진공 챔버(10) 외부에 위치하며, 윈도우(24)를 통해 노즐부(20)의 타겟(23)으로 레이저를 조사한다. 레이저 조사부(30)는 레이저 광원(31)과, 레이저 빔을 전달하는 빔 전송부(32)와, 광 섬유 결합기(33) 및 광 섬유(34)를 포함할 수 있다. 광 섬유 결합기(33)는 레이저 빔을 광 섬유(34)로 집속한다.
레이저 광원(31)은 고출력 펄스 레이저를 방출한다. 레이저의 출력은 대략 30mJ일 수 있고, 주파수는 대략 20Hz 이하일 수 있다. 빔 전송부(32)는 반 파장판(321)과 편광 빔 스플리터(322) 및 빔 스플리터(323)를 포함할 수 있다. 편광 빔 스플리터(322)의 일측에는 레이저 빔을 흡수하는 빔 덤프(324)가 위치할 수 있고, 빔 스플리터(323)의 일측에는 파워 미터(325)가 설치될 수 있다.
광 섬유 결합기(33)는 조정식 조리개(331)와 집속 렌즈(332) 및 섬유 커플러(333)를 포함할 수 있다. 광 섬유(34)는 섬유 커플러(333)와 노즐부(20)의 윈도우(24) 사이에 설치되어 레이저 빔을 윈도우(24)로 전송한다. 이때 광 섬유(34)는 진공 챔버(10)의 제1 관통부(15)를 통해 그 일부가 진공 챔버(10) 내부에 위치하며, 진공 챔버(10) 내부에서 윈도우(24)와 광 섬유(34) 사이에는 레이저 빔을 집속하는 빔 집속 유닛(25)이 설치될 수 있다.
레이저 조사부(30)는 윈도우(24)를 통해 노즐부(20)의 타겟(23)으로 고출력 레이저를 조사한다. 그러면 타겟(23)의 표면 물질이 레이저 빔의 에너지에 의해 기화되면서 플룸(plume)이 발생한다. 가스 공급부(40)는 노즐 본체(22)의 플룸으로 캐리어 가스(불활성 가스)를 분사하여 플룸과 캐리어 가스를 포함한 증기젯을 분출구(21)로 방출시키는 기능을 한다.
가스 공급부(40)는 불활성 가스 챔버(41)와 유량계(42) 및 가스 배관(43)을 포함할 수 있다. 불활성 가스 챔버(41)와 유량계(42)는 진공 챔버(10) 외부에 위치한다. 진공 챔버(10)에는 가스 배관(43)이 관통하는 제2 관통부(16)가 설치되며, 가스 배관(43)은 유량계(42)와 노즐부(20) 사이에 설치된다.
노즐부(20)에서 윈도우(24)와 타겟(23)은 제1 방향을 따라 마주하고, 노즐부(20)와 접하는 가스 배관(43)의 일단과 분출구(21)는 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 마주할 수 있다. 이 경우 플룸은 타겟(23)으로부터 윈도우(24)를 향해 제1 방향으로 발생하고, 캐리어 가스는 제2 방향으로 분사되어 분출구(21)를 향해 증기젯을 이송한다.
도 1에서는 진공 챔버(10)와 노즐부(20)가 수직 상태로 설치되고, 타겟(23)과 윈도우(24)가 수평 방향을 따라 마주하며, 가스 배관(43)과 분출구(21)가 수직 방향을 따라 마주하는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 이들의 배치 관계는 도시한 예로 한정되지 않는다.
노즐부(20)에서 분사된 증기젯은 기판(50) 위에 고체 상태로 증착되어 금속막 또는 금속산화물막을 형성한다. 이때 노즐부(20)가 증기젯을 분사하는 과정에서 기판 지지대(51)가 이동하여 기판(50) 위에 금속막 또는 금속산화물막이 특정 모양으로 인쇄된다. 기판 지지대(51)는 x 방향과 y 방향 중 적어도 한 방향으로 움직여 금속막 또는 금속산화물막의 인쇄 모양을 결정한다.
다른 한편으로, 기판(50)은 기판 지지대(51) 없이 진공 챔버(10)에 고정될 수 있고, 3차원 스테이지가 노즐부(20)에 설치되어 노즐부(20)를 x 방향과 y 방향 및 z 방향으로 이동시킬 수 있다. 이 경우, 노즐부(20)가 증기젯을 분사하는 과정에서 x 방향과 y 방향 중 적어도 한 방향으로 움직여 기판(50) 위에 금속막 또는 금속산화물막을 특정 모양으로 인쇄할 수 있다.
도 2는 유기물과 금속 및 금속산화물의 용융점을 나타낸 그래프이다.
도 2를 참고하면, 안트라센(C14H10), Alq3(트리스(8-하이드록시퀴놀리나토)알루미늄), 펜타센(C22H14) 등의 유기물은 용융점이 500℃ 이하이다. 그러나 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 등의 금속은 용용점이 500℃ 내지 1,000℃ 사이이며, 텅스텐산화물, 철산화물, 아연산화물 등의 금속산화물은 1,000℃ 이상의 용융점을 나타낸다.
다시 도 1을 참고하면, 제1 실시예에 따른 물리적 증기젯 인쇄 장치(100)는 500℃ 이상의 작동 온도를 구현하므로, 용융점이 500℃ 이상인 금속과 금속산화물을 용이하게 증착할 수 있다. 또한, 기판(50)과 노즐부(20) 가운데 어느 하나를 이동시키면서 증착을 수행하므로, 섀도우 마스크 사용이나 포토리소그래피와 같은 패터닝 공정 없이 금속막 또는 금속산화물막을 원하는 모양으로 직접 패터닝할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 물리적 증기젯 인쇄 장치의 일부를 나타낸 개요도이다. 제2 실시예의 물리적 증기젯 인쇄 장치는 다음에 설명하는 노즐부(20A)와 가스 배관(43)의 구성을 제외하고 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다.
도 3을 참고하면, 타겟(23)은 분출구(21)와 마주하는 노즐 본체(22)의 상면에 설치되고, 윈도우(24)는 노즐 본체(22)의 측벽에 설치된다. 가스 공급부(40)의 가스 배관(43)은 노즐 본체(22)의 상면 양측에 연결된다. 타겟(23)은 노즐 본체(22)에 고정되어 있거나 회전 장치(도시하지 않음)와 연계되어 회전할 수 있다.
레이저 빔은 윈도우(24)를 통해 타겟(23)을 향하여 좌측 상방향으로 조사되고, 타겟(23)의 표면 물질은 레이저 빔의 에너지에 의해 기화되어 수직 하방으로 플룸을 발생시킨다. 이때 가스 배관(43)을 통해 분사된 캐리어 가스는 플룸의 주위를 감싸면서 플룸과 같이 수직 하방으로 이동한다.
제1 실시예에서는 플룸의 발생 방향과 캐리어 가스의 이동 방향이 서로 교차하였으나, 제2 실시예에서는 플룸의 발생 방향과 캐리어 가스의 이동 방향이 나란하며, 캐리어 가스는 플룸의 주위를 감싸면서 플룸과 같이 분출구(21)를 통해 방출된다. 제2 실시예의 구성은 증착되는 금속막 또는 금속산화물막의 밀도를 높이는데 유리하다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 물리적 증기젯 인쇄 장치의 일부를 나타낸 개요도이다. 제3 실시예의 물리적 증기젯 인쇄 장치는 다음에 설명하는 구성을 제외하고 전술한 제2 실시예와 같은 구성으로 이루어진다.
도 4를 참고하면, 노즐부(20B)와 기판(50)은 지면에 대해 경사지게 설치될 수 있다. 이때 진공 챔버(도시하지 않음) 또한 지면에 대해 경사지게 설치될 수 있다. 예를 들어, 윈도우(24)에서 타겟(23)을 향하는 레이저 빔의 조사 방향은 지면과 나란할 수 있으며, 플룸의 발생 방향, 캐리어 가스의 이동 방향, 및 증기젯의 분출 방향은 중력 방향에 대해 소정의 경사각을 가질 수 있다.
제3 실시예의 구성에서는 진공 챔버(10) 내부에 미러와 같은 광학 장치를 설치하지 않고 외부에서 입사되는 레이저 빔을 직접 용이하게 사용할 수 있으며, 장치 구성과 작업 환경을 단순화시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 물리적 증기젯 인쇄 장치의 개요도이다. 제4 실시예의 물리적 증기젯 인쇄 장치는 다음에 설명하는 진공 챔버(10) 및 레이저 조사부(30A)의 구성을 제외하고 전술한 제1 내지 제3 실시예 중 어느 하나와 같은 구성으로 이루어진다.
도 5를 참고하면, 노즐부(20)의 윈도우(24)는 제1 윈도우이고, 진공 챔버(10)에는 제1 윈도우(24)와 마주하는 위치에 레이저 빔 투과를 위한 제2 윈도우(17)가 설치된다. 레이저 조사부(30A)는 레이저 광원(31)과, 레이저 광원(31)과 제2 윈도우(17) 사이에 설치된 빔 전송부(32)를 포함한다.
빔 전송부(32)는 반 파장판(321), 편광 빔 스플리터(322), 빔 스플리터(323), 적어도 하나의 미러(326), 및 집속 렌즈(327)를 포함할 수 있다. 편광 빔 스플리터(322)의 일측에는 레이저 빔을 흡수하는 빔 덤프(324)가 위치할 수 있고, 빔 스플리터(323)의 일측에는 파워 미터(325)가 설치될 수 있다. 적어도 하나의 미러(326)는 레이저 빔의 경로를 변화시키며, 집속 렌즈(327)에 의해 집속된 레이저 빔은 제2 윈도우(17)와 제1 윈도우(24)를 거쳐 타겟(23)에 조사된다.
제4 실시예의 레이저 조사부(30A)는 전술한 광 섬유를 사용하지 않고 레이저 빔을 타겟(23)으로 조사할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리적 증기젯 인쇄 방법을 나타낸 순서도이다.
도 6을 참고하면, 물리적 증기젯 인쇄 방법은 진공 챔버 내부에 윈도우와 타겟을 구비한 노즐부 및 노즐부의 분출구와 마주하는 기판을 배치하는 제1 단계(S10)와, 윈도우를 통해 타겟으로 고출력 레이저 빔을 조사하여 타겟 물질이 기화된 플룸을 발생시키는 제2 단계(S20)와, 플룸으로 캐리어 가스를 분사하여 플룸과 캐리어 가스가 포함된 증기젯을 분출구로 방출시키는 제3 단계(S30)와, 기판과 노즐부 중 어느 하나를 움직여 기판 위에 금속막 또는 금속산화물막을 패턴 인쇄하는 제4 단계(S40)를 포함한다.
제1 단계(S10)에서 타겟(23)은 금속 또는 금속산화물로 형성되며, 기판(50)과 노즐부(20) 중 어느 하나에 3차원 스테이지가 설치된다. 진공 챔버(10)와 노즐부(20)는 수직 상태로 설치되거나, 지면에 대해 경사지게 설치될 수 있다. 제1 단계(S10)는 챔버 내부에 노즐부(20)와 기판(50)을 배치한 후 챔버 내부를 진공화시키는 과정으로 이루어진다.
제2 단계(S20)에서 레이저 조사부(30, 30A)가 타겟(23)으로 고출력 레이저 빔을 조사한다. 레이저 조사부(30, 30A)는 레이저 광원(31)과 빔 전송부(32)를 포함하며, 레이저 빔 전송에 광 섬유(34)를 사용할 수 있다.
제3 단계(S30)에서 캐리어 가스는 불활성 가스이다. 캐리어 가스의 흐름 방향은 플룸 발생 방향과 교차하거나, 플룸 발생 방향과 나란할 수 있다. 후자의 경우 캐리어 가스는 플룸의 주위를 둘러싸면서 플룸과 함께 노즐부(20)의 분출구(21)로 방출될 수 있다.
제4 단계(S40)에서 기화된 타겟 물질은 기판(50) 표면에서 고체화되어 증착된다. 제4 단계(S40)에서 기판(50)과 노즐부(20) 중 어느 하나가 3차원 스테이지에 의해 이동함에 따라, 섀도우 마스크 사용이나 포토리소그래피와 같은 패터닝 공정 없이도 금속막 또는 금속산화물막을 원하는 모양으로 직접 패터닝할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 물리적 증기젯 인쇄 방법으로 형성된 아연산화물(ZnO) 박막을 나타낸 사진이다. 도 7을 참고하면, 실리콘과 실리콘산화물이 적층된 기판(Si/SiO2) 위에 적색의 아연산화물 박막(ZnO thin film)이 스프라이트 모양으로 증착된 것을 확인할 수 있다.
아연산화물과 같은 반도체 박막은 박막 트랜지스터(thin film transistor, TFT)의 액티브 채널층으로 사용될 수 있다. 본 실시예의 물리적 증기젯 인쇄 방법은 예를 들어 박막 트랜지스터를 제작하는 과정에서 금속산화물을 특정 모양으로 인쇄하여 후속 패터닝 공정 없이 액티브 채널층을 형성하는데 사용될 수 있다.
본 실시예의 물리적 증기젯 인쇄 장치 및 방법에 따르면, 솔벤트와 섀도우 마스크를 사용하지 않고 금속막 또는 금속산화물막을 직접 패터닝할 수 있으며, 추가의 패터닝 공정을 필요로 하지 않는다. 또한, 화학적 또는 열적 처리와 같은 전처리 단계를 생략할 수 있고, 공정 비용을 낮추면서 전체 공정 시간을 단축할 수 있다. 박막 트랜지스터, 광전기, 압전기 등 다양한 부품 제조에 전술한 물리적 증기젯 인쇄 장치 및 방법이 적용될 수 있다.
미상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 물리적 증기젯 인쇄 장치
10: 진공 챔버 11, 12: 진공 펌프
20, 20A, 20B: 노즐부 21: 분출구
22: 노즐 본체 23: 타겟
24: 윈도우(제1 윈도우) 25: 빔 집속 유닛
30, 30A: 레이저 조사부 31: 레이저 광원
32: 빔 전송부 33: 광 섬유 결합기
34: 광 섬유 40: 가스 공급부
41: 불활성 가스 챔버 42: 유량계
43: 가스 배관 50: 기판
51: 기판 지지대

Claims (17)

  1. 내부에 기판이 위치하는 진공 챔버;
    상기 진공 챔버의 내부에 설치되며, 상기 기판을 향한 일단에 분출구가 형성된 노즐 본체, 노즐 본체의 내부에 설치된 타겟, 및 노즐 본체에 형성된 레이저 투과를 위한 윈도우를 포함하는 노즐부;
    상기 윈도우를 통해 상기 타겟으로 고출력 펄스 레이저를 조사하여 상기 타겟의 표면 물질이 기화된 플룸(plume)을 발생시키는 레이저 조사부; 및
    상기 플룸으로 캐리어 가스를 분사하여 상기 플룸과 캐리어 가스를 포함한 증기젯을 상기 분출구로 방출시키는 가스 공급부
    를 포함하는 물리적 증기젯 인쇄 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 노즐부 중 어느 하나는 3차원 스테이지에 결합되어 상기 증기젯이 방출되는 과정에서 움직이는 물리적 증기젯 인쇄 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 타겟은 금속 또는 금속산화물로 형성되며, 상기 노즐 본체에 고정되어 있거나 회전 장치에 결합되는 물리적 증기젯 인쇄 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 윈도우와 상기 타겟은 상기 노즐 본체의 측벽에서 제1 방향을 따라 마주하도록 설치되어 상기 플룸은 상기 타겟으로부터 제1 방향으로 발생하고,
    상기 캐리어 가스는 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 공급되어 상기 분출구를 향해 증기젯을 이송하는 물리적 증기젯 인쇄 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 방향은 지면과 나란한 방향이고,
    상기 제2 방향은 중력 방향과 일치하는 물리적 증기젯 인쇄 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 윈도우는 상기 노즐 본체의 측벽에 설치되고,
    상기 타겟은 상기 분출구와 마주하는 상기 노즐 본체의 상면에 설치되며,
    상기 캐리어 가스는 상기 노즐 본체의 상면 양측으로부터 분사되는 물리적 증기젯 인쇄 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 플룸은 상기 타겟으로부터 상기 분출구를 향해 발생하고,
    상기 캐리어 가스는 상기 플룸의 주위를 감싸면서 상기 플룸과 같은 방향으로 이동하는 물리적 증기젯 인쇄 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 플룸의 발생 방향 및 상기 증기젯의 분출 방향은 중력 방향과 일치하는 물리적 증기젯 인쇄 장치.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 타겟을 향하는 레이저 빔의 조사 방향은 지면과 나란하고,
    상기 플룸의 발생 방향 및 상기 증기젯의 분출 방향은 중력 방향에 대해 경사진 물리적 증기젯 인쇄 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 조사부는 레이저 광원, 빔 전송부, 광 섬유 결합기, 및 광 섬유를 포함하며,
    상기 진공 챔버는 상기 광 섬유를 통과시키기 위한 제1 관통부를 형성하는 물리적 증기젯 인쇄 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 광 섬유 결합기는 섬유 커플러를 포함하고,
    상기 광 섬유는 상기 섬유 커플러와 상기 윈도우 사이에 설치되며,
    상기 윈도우와 상기 광 섬유 사이에 빔 집속 유닛이 설치되는 물리적 증기젯 인쇄 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 노즐부의 윈도우는 제1 윈도우이고,
    상기 진공 챔버는 상기 제1 윈도우와 마주하는 제2 윈도우를 포함하며,
    상기 레이저 조사부는 레이저 광원과, 상기 레이저 광원과 상기 제2 윈도우 사이에 설치된 빔 전송부를 포함하는 물리적 증기젯 인쇄 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 빔 전송부는 반 파장판, 편광 빔 스플리터, 빔 스플리터, 적어도 하나의 미러, 및 집속 렌즈를 포함하는 물리적 증기젯 인쇄 장치.
  14. 챔버 내부에 윈도우와 타겟 및 분출구를 구비한 노즐부와, 분출구와 마주하는 기판을 배치하고 챔버 내부를 진공화하는 제1 단계;
    상기 윈도우를 통해 상기 타겟으로 고출력 펄스 레이저를 조사하여 상기 타겟의 표면 물질이 기화된 플룸을 발생시키는 제2 단계;
    상기 플룸으로 캐리어 가스를 분사하여 상기 플룸과 캐리어 가스가 포함된 증기젯을 상기 분출구로 방출시키는 제3 단계; 및
    상기 기판과 상기 노즐부 중 어느 하나를 움직여 상기 기판 위에 금속막 또는 금속산화물막을 패턴 인쇄하는 제4 단계
    를 포함하는 물리적 증기젯 인쇄 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기판과 상기 노즐부 중 어느 하나는 상기 제1 단계에서 3차원 스테이지에 결합되고, 상기 제4 단계에서 3차원 스테이지에 의해 움직이는 물리적 증기젯 인쇄 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제2 단계에서,
    상기 타겟으로 상기 고출력 펄스 레이저를 조사할 때 광 섬유와 빔 집속 유닛이 사용되는 물리적 증기젯 인쇄 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 제3 단계에서,
    상기 캐리어 가스는 상기 플룸의 발생 방향과 교차하는 방향으로 이동하거나, 상기 플룸의 주위를 둘러싸면서 상기 플룸의 발생 방향과 같은 방향으로 이동하는 물리적 증기젯 인쇄 방법.
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