KR20210002607A - 진공 증착 장치용 증착원 - Google Patents

Abstract

승화성 재료를 증착할 때, 단위 시간당 승화량을 많이 하여 피증착물에 대한 증착률이 높은 진공 증착 장치용 증착원을 제공한다.
진공 챔버(1) 내에 배치되어 승화성의 유기 재료(7)를 승화시켜 피증착물(Sw)에 대하여 증착하기 위한 본 발명에서의 진공 증착 장치((Dm)용 증착원(DS)은 피증착물(Sw)을 향해 승화된 재료를 분출하는 도가니(41)를 가진 상면 개구(4)와 이 상면 개구(4)에 그 벽면으로부터 간격을 두고 내삽되어, 승화성 재료를 수용하는 통 형상체(5)와 통 형상체(5) 내의 재료의 가열을 가능하게 하는 가열 수단(Ht)을 구비하고, 통 형상체(5)에 승화된 재료의 연통을 허용하는 복수의 그물코(52)가 개설된다.

Description

진공 증착 장치용 증착원

본 발명은 진공 챔버 내에 배치되어 승화성 재료를 승화시켜 피증착물에 대해 증착하기 위한 진공 증착 장치용 증착원에 관한 것이다.

예를 들면, 유기 EL 소자의 제조공정에 있어서는 진공 분위기에서 기판 등의 피증착물에 알루미늄 퀴놀린올착체(Alq₃)나 방향족 디아민등의 승화성 재료(유기 재료)를 증착하는 공정이 있으며, 이 증착 공정에는 진공 증착 장치가 널리 이용되고 있다. 이러한 진공 증착 장치에 이용되는 증착원은 예를 들어, 특허 문헌 1에 알려져 있다. 이것은 연직 방향 상면을 개구한 도가니와 도가니를 가열하는 유도 코일 등의 가열 수단을 구비한다(종래 기술란 참조).

여기에서, 상기 종류의 재료는 일반적으로 열 전도율이 나쁘고, 게다가 액상을 거쳐 기화하는 재료와 다르며, 가열 시 도가니 내에서 재료의 대류가 발생하지 않는다. 그러므로, 상기 종례 예의 증발원에서 도가니 내에 예를 들어, 분말 형상의 재료를 충전하고 진공 분위기에서 가열 수단에 의해 도가니를 가열하면 직접 전열하는 도가니 벽면에 접촉한 재료부터 승화한다. 이때, 도가니의 상면 개구를 향하여 충전한 재료의 상층 부분부터 승화한 재료가 도가니의 상면 개구를 통해 피증착물을 향해 비산하지만, 그보다 하방에 위치한 하층 부분에서 승화한 재료는 그 주위에 존재하는 비교적 저온(다시 말하면, 아직 승화 온도까지 가열되지 않은) 재료와 충돌하여 고체로 돌아간다. 결과적으로, 한정된 범위에서만 승화한 재료가 비산하지 않는 것으로, 동일한 압력 하에서 단위 시간당 승화량이 적어 피증착물에 대한 증착률이 낮다(즉, 생산성이 낮다)는 문제가 있다. 이러한 경우, 도가니의 가열 온도를 높이는 것이 고려되지만 알루미늄 퀴놀린올착체나 방향족 디아민과 같은 (유기) 재료의 경우, 가열 온도를 높이면 증착원에서 재료가 분해되어 소자의 성능을 정하는 원하는 막질(film quality)을 가진 박막을 증착할 수 없다. 이러한 점에서, 상기 종류의 승화성 재료를 증착하는 진공 증착 장치의 증착원으로서 비교적 낮은 온도에서 높은 증착률을 얻을 수 있는 제품 개발이 최근에 요구되고 있다.

특허문헌 1: 특개 2010-1529호 공보

본 발명은 이상의 점을 감안하여, 승화성 재료를 증착할 때 단위 시간당 승화량을 많이 하여 피증착물에 대한 증착률이 높은 진공 증착 장치용 증착원을 제공하는 것을 그 과제로 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 진공 챔버 내에 배치되어 승화성 재료를 승화시켜 피증착물에 대해 증착하기 위한 본 발명의 진공 증착 장치용 증착원은 피증착물을 향해 승화한 재료를 분출하는 분출구를 가진 외(外) 용기와, 이 외 용기에 그 벽면부터 간격을 두고 내삽되어 승화성 재료를 수용하는 내(內) 용기와, 내 용기 내의 재료 가열을 가능하게 하는 가열 수단을 구비하고, 내 용기에 승화한 재료의 연통을 허용하는 복수의 투공이 개설되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 증착원의 내 용기 내에 예를 들어, 분말 형상으로 승화성 재료를 충전하고, 진공 분위기에서 예를 들어, 외 용기를 가열 수단에 의해 가열하면 외 용기로부터 복사열에 의해 투공을 통해 직접 가열되는 재료나 복사열로 가열되는 내 용기로부터 직접 전열하는 재료에서 승화한다. 이 승화된 재료는 각 투공에서 외 용기 내벽면과 내 용기 외벽면 사이 공간의 컨덕턴스에 의해 해당 공간을 거쳐 외 용기 분출구로 인도되며, 이 분출구에서 피증착물을 향해 비산 된다. 이와 같이 본 발명에서는 이 승화한 재료의 대부분이 각 투공으로 취출되어 비교적 저온 재료(즉, 비가열 재료)와 충돌하여 고체로 돌아오는 것이 가급적 억제되기 때문에(다시 말하면, 승화한 재료가 비산하는 면적이 증가하기 때문에), 한정된 범위에서만 승화한 재료가 비산하지 않는 상기 종례의 예와 비교하여 비약적으로 승화량이 증가하여 피증착물에 대한 증착률을 높일 수 있다. 그 결과, 본 발명에서의 진공 증착 장치용의 증착원은 낮은 가열 온도에서도 높은 증착률을 얻을 수 있으므로, 알루미늄 퀴놀린올착체나 방향족 디아민과 같은 유기 재료의 증착에 최적인 것이 된다. 또한, 내 용기와 외 용기 사이의 간극은 외 용기의 복사에 의해 효율적으로 가열할 수 있는 한편, 승화한 재료가 각 투공으로부터 상기 공간을 거쳐 외 용기의 분출구로 효율적으로 취출할 수 있도록 1mm ~ 30mm 범위로 설정된다.

본 발명에 있어서, 상기 외 용기가 연직방향 상면을 개구한 도가니(crucible)로 구성되는 경우 상기 내 용기는 상면을 개구한 바닥이 있는 통 형상체로 구성되고, 이 통 형상체의 외저벽에 각편(leg piece)이 설치되는 구성을 채용해도 된다. 이에 따르면, 각편을 아래로 하여 내 용기를 도가니 내에 삽입하여 그 각편을 도가니 내저벽에 당접하게 하는것 만으로 도가니 내에 내 용기를 간단히 설치할 수 있으며, 이 상태에서는 도가니 내측벽과 내 용기 외측벽 사이의 공간(제 1 공간)에다가 도가니의 내저벽과 내 용기의 외저벽 사이에도 승화한 재료가 통과하는 공간(제 2 공간)을 구획하는 일정한 간극이 형성됨으로써, 한층 더 승화량을 더욱 증가시킬 수 있어 유리하다. 이 경우, 도가니의 내측벽 또는 내 용기 외측벽 중 적어도 한 쪽에 복수의 스페이서 부재를 설치해 두면 내 용기만 설치해도 상기 제 1 공간을 구획하는 일정한 간극을 형성할 수 있도록 도가니 내에 내 용기를 동심으로 위치 결정할 수 있어 유리하다.

또한, 본 발명에 있어서 상기 통 형상체로는 금속 메시와 같이 소정 직경의 금속제 선재를 격자 형상으로 조립하여 이루어지는 것, 펀칭 메탈과 같이 금속제 판재에 증기가 통과하는 원형 또는 슬릿 형상의 개구(투공)를 개설한 것이나 확장된 메탈을 통 형상으로 형성한 것을 이용할 수 있으며, 다른 한편으로 상기 통 형상체를 다공질의 세라믹과 같이 증기가 통과하는 다수의 세공을 가진 다공질체로 구성할 수도 있다. 또한, 증기가 통과하는 투공을 가진 것이라면, 복수의 금속 메시를 겹쳐서 두께를 갖게 한 것이나, 금속제 선재를 얽혀서 부직포 형상으로 형성한 것으로 상기 통 형상체를 구성할 수도 있다. 예를 들어, 상기 통 형상체를 금속 메시로 구성하는 경우, 그 선경(wire diameter)이 Φ0.2 ~ 1.0mm의 범위에서 승화한 재료의 연통을 허용하는 투공이 되는 그물코 크기가 #10 ~ #50의 범위로 하는 것이 바람직하다. 이러한 금속 메시라면 분말 형상의 재료를 충전해도 일반적으로 알루미늄 퀴놀린올착체나 방향족 디아민 등의 승화성 재료(유기 재료)는 응집성이 있기 때문에, 각각 그물코으로부터 거의 누출되는 일 없이 쌓이고 또한 그 일부가 누출되었다고 해도, 외 용기 내저벽에 쌓이기만 할 뿐 그 후에 외 용기가 가열되었을 때 승화되므로 특별한 문제가 생기지 않는다.

도 1(a)은 본 발명의 실시 형태의 증착원을 구비하는 진공 증착 장치를 모식적으로 나타내는 단면도. (b)는 증착원을 분해하여 설명하는 단면도.
도 2는 (a)는 본 발명에서의 증착원으로부터 승화한 재료의 비산하는 모습을 나타내는 부분 확대 단면도. (b)는 종래 예의 증착원으로부터 승화한 재료의 비산 하는 모습을 나타내는 부분 확대 단면도.
도 3은 가열 온도에 대한 증착률의 변화를 설명하는 그래프.

이하, 도면을 참조하여 피증착물을 직사각형의 윤곽을 가진 소정 두께의 유리 기판(이하, ‘기판(Sw)’이라 한다), 증착 물질을 승화성 유기 재료로 하고, 기판(Sw)의 한쪽 면에 소정의 박막을 증착하는 경우를 예로 본 발명의 진공 증착 장치용 증착원의 실시 형태를 설명한다. 이하에 있어서 ‘상’, ‘하’와 같은 방향을 나타내는 용어는 진공 증착 장치의 설치 자세를 나타내는 도 1을 기준으로 한다.

도 1을 참조하여, (Dm)은 본 실시 형태의 증착원(DS)을 구비하는 진공 증착 장치이다. 진공 증착 장치(Dm)는 진공 챔버(1)을 구비하고, 진공 챔버(1)에는 특별히 도시하여 설명하지 않지만, 배기관을 통하여 진공 펌프가 접속되어 소정 압력(진공도)으로 진공 배기하여 진공 분위기를 형성할 수 있게 되어 있다. 또한, 진공 챔버(1)의 상부에는 기판 반송 장치(2)가 설치되어 있다. 기판 반송 장치(2)는 성막 면으로서의 하면을 개방한 상태에서 기판(Sw)을 유지하는 캐리어 (21)를 가지며, 도면 외의 구동 장치에 의해 캐리어(21), 나아가 기판(Sw)을 진공 챔버(1) 내의 한쪽 방향으로 소정 속도로 이동하도록 되어 있다. 기판 이송 장치(2)로서는 공지된 것이 이용할 수 있으므로 더 이상 설명은 생략한다.

기판 반송 장치(2)에 의해 반송되는 기판(Sw)과 증착원(DS) 사이에는 판 형상의 마스크 플레이트(3)가 설치되어 있다. 본 실시 형태에서 마스크 플레이트(3)는 기판(Sw)과 일체로 장착되어 기판(Sw)과 함께 기판 반송 장치(2)에 의해 반송되도록 되어 있다. 또한, 마스크 플레이트(3)는 진공 챔버(1)에 미리 고정 배치해 둘 수도 있다. 마스크 플레이트(3)에는 판 두께 방향으로 관통하는 복수의 개구(31)가 형성되어, 이들 개구(31)가 없는 위치에서 승화한 재료의 기판 (Sw)에 대한 증착 범위가 제한됨으로써 소정의 패턴으로 기판(Sw)에 성막(증착) 되도록 되어 있다. 마스크 플레이트(3)으로는 인바(invar), 알루미늄, 알루미나 또는 스테인레스 등의 금속제 외에 폴리이미드 등의 수지제가 이용된다. 그리고, 진공 챔버(1)의 저면에는 기판(Sw)에 대향시켜 본 실시 형태의 증착원(DS)이 설치되어 있다.

증착원(DS)은 본 실시 형태의 외 용기를 구성하는 도가니(4)를 가진다. 도가니(4)는 연직 방향 상면을 개구한 바닥이 있는 통 형상의 윤곽을 가지고 있으며, 몰리브덴, 티타늄, 스테인레스나 카본 등의 열전도가 좋고 고융점 재료로 형성되었다. 이 경우, 도가니(4)의 상면 개구(41)가 본 실시 형태에서 승화한 재료의 분출구를 구성한다. 도가니(4)의 주위에는 시즈 히터, 램프 히터 등의 공지된 것으로 이루어진 가열 수단(Ht)이 설치되어 있다. 그리고, 도가니(4)에 본 실시 형태의 내 용기를 구성하는 통 형상체(5)가 내삽된다. 통 형상체(5)는 도가니(4)와 마찬가지로 몰리브덴, 티타늄 및 스테인레스 등의 열전도가 좋고, 고융점 재료로 구성되어, 본 실시 형태에서는 선재(51)를 격자 형상으로 조립하여 이루어지는 금속 메시를 바닥이 있는 통 형상의 윤곽을 갖도록 성형한 것이며, 금속 메시의 각 그물코(52) 부분이 본 실시 형태의 투공을 구성하도록 되어 있다. 이 경우, 선재 (51)의 선경은 Φ0.2 ~ 1.0mm의 범위에서 또한, 그물코(52)의 크기는 #10 ~ #50의 범위로 하는 것이 바람직하다. 그물코(개구)(52)가 너무 크면, 재료를 유지할 수 없는 결함이 생기는 한편, 그물코(52)이 너무 작으면, 승화한 재료의 통과가 저해되는 결함이 생긴다.

통 형상체(5)의 외저벽(53)에는 봉 형상의 각편(54)이 간격을 가지고 복수 입설 되었다. 또한, 본 실시 형태의 외측벽을 구성하는 통 형상체(5)의 외주벽 (55)에는 봉 형상의 스페이서 부재(56)가 도가니(4)의 내저벽(42)으로부터 동일한 높이 위치에서 그리고, 원주 방향으로 간격을 가지고 복수 입설 되었다. 대기압하의 진공 챔버(1) 내에서 도가니(4)에 통 형상체(5)를 설치하는 경우, 도가니(4)의 상면 개구(41)에 통 형상체(5)를 그 각편(54) 측으로부터 삽입하고, 각 스페이서 부재(56)를 본 실시 형태의 내측 벽을 구성하는 도가니(4)의 내주면(43)을 따라 슬라이딩 시키면서 통 형상체(5)를 하방으로 이동시킨다. 그리고, 각각의 각편(54)이 도가니(4)의 내저면(42)에 당접하면 도가니(4)에 통 형상체(5)가 동심으로 위치 결정하여 설치된다. 이 상태에서는 도가니(4)의 내주면(43)과 통 형상체(5)의 외주벽(55) 사이에 스페이서 부재(56)의 길이에 상당하는 간극(W1)으로부터 이루어진 제 1 공간(6a)이 구획되고, 이에 더하여 도가니(4)의 내저면(42)과 통 형상체(5)의 외저벽(53) 사이에 스페이서 부재(56)의 길이에 상당하는 간극(W2)으로 이루어진 제 2 공간(6b)이 구획된다.

각편(54)이나 스페이서 부재(56)의 길이는 진공 챔버(1)를 진공 분위기로 한 상태에서 가열 수단(Ht)에 의해 도가니(4)를 가열했을 때, 이 도가니(4)로부터의 복사에 의해 효율적으로 가열할 수 있는 한편, 제 1 공간(6a) 및 제 2 공간(6b)의 컨덕턴스에 의해 승화된 유기 재료가 금속 메시의 각 그물코(52)에서 제 1 공간(6a) 및 제 2 공간(6b)을 거쳐 도가니(4)의 상면 개구(41)로 효율적으로 인도될 수 있도록 1mm ~ 30mm 범위로 설정된다. 도가니(4)에 통 형상체(5)를 내삽한 후, 통 형상체(5)에 승화성 유기 재료(7)가 충전된다.

본 실시 형태의 증착원에서의 증착에 이용되는 유기 재료(7)로는 알루미늄 퀴놀린올착체(Alq₃)나 방향족 디아민 등을 들 수 있으며, 분말 형상으로 한 것이 통 형상체(5)의 상면 개구로부터 충전되도록 되어 있다. 이와 같이 통 형상체(5)에 분말 형상의 유기 재료(7)를 충전해도 이들 유기 재료(7)는 응집성이 있기 때문에, 금속 메시의 각 그물코(52)으로부터 거의 누출되지 않고 쌓일 수 있다. 또한, 그 일부가 누출되었다 해도 도가니(4)의 내저면(42)상에 쌓이는 것만으로 그 이후에 도가니(4)가 가열되었을 때 승화되어 제 1 공간 (6a) 및 제 2 공간(6b)을 거쳐 도가니(4)의 상면 개구(41)로 인도되므로 특별한 문제는 생기지 않는다.

여기에서 상기와 같은 유기 재료(7)은 일반적으로 열전도율이 나쁘고, 게다가 액상을 거쳐 기화하는 재료와 다르며, 가열 시 도가니 내에서 재료의 대류가 발생하지 않는다. 그러므로, 종래 예와 같이 유기 재료(7)를 도가니(Pc) 내에 직접 충전하여 증착하는 경우, 도 2(a)에 나타낸 것과 같이 도면 외의 가열 수단에 의해 도가니(Pc)를 가열하면 직접 전열하는 도가니(Pc)의 벽면에 접촉한 유기 재료(7)로부터 승화하지만, 도가니(Pc)의 상면 개구(Po)를 향하여 충전한 유기 재료(7)의 상층 부분(Pu)부터는 승화한 유기 재료(7a)가 도가니(Pc)의 상면 개구(Po)를 통해서 기판(도시하지 않음)을 향해 비산하는데, 그보다 하방에 위치하는 하층 부분(Pd)으로 승화한 유기 재료(7b)는 그 주위에 존재하는 비교적 저온(다시 말하면, 아직 승화 온도까지 가열되지 않은) 유기 재료(7)와 충돌하여 고체로 돌아간다. 결과적으로, 한정된 범위에서만 승화한 유기 재료(7)가 비산하지 않음으로써, 동일한 압력 하에서의 단위 시간당 승화량이 적고 피증착물에 대한 증착률이 낮다.

그에 대비하여, 본 실시 형태의 증착원(DS)에서는 진공 분위기 중에서 기판(Sw)에 유기 재료(7)를 증착하는 경우, 가열 수단(Ht)에 의해 도가니(4)를 가열하면 도가니(4)로부터의 복사열에 의해 각 그물코(52)을 통해 직접 가열되는 유기 재료(7)나 복사열로 가열되는 금속 메시의 선재(51)로부터 직접 전열하는 유기 재료(7)에서 승화한다. 이 승화된 유기 재료(71) 중, 충전한 유기 재료(7)의 상층 부분에서는 직접 도가니(4)의 상면 개구(41)를 통과하고 또한, 충전한 유기 재료(7)의 하층 부분에서는 제 1 공간(6a)과 제 2 공간(6b)의 컨덕턴스에 의하여 제 1 공간(6a)으로부터 제 2 공간(6b)에서 제 1 공간(6a)을 거쳐 도가니(4)의 상면 개구(41)로 인도되어, 이 분출구로부터 기판(Sw)을 향해 비산 된다.

이와 같이 본 실시 형태에서는 이 승화된 유기 재료의 대부분이 금속 메시의 각 그물코(52)에서 취출되어 비교적 저온 재료(즉, 비가열 재료)와 충돌하여 고체로 돌아오는 것이 가급적 억제되므로(다시 말하면, 승화한 재료가 비산하는 면적이 증가하기 때문에), 한정된 범위에서만 승화된 재료가 비산하지 않는 상기 종래 예인 것과 비교하여 비약적으로 승화량이 증가하여 피증착물에 대한 증착율을 높일 수 있다. 즉, 도 3과 같이 도가니(4), (Pc)의 가열 온도에 대한 증착률을 측정하면, -0-선에서 나타내는 종래 예인 것과 비교하여 -●-선으로 나타내는 본 발명의 실시 형태 인 것 에서는 1.1 ~ 2배의 증착률을 얻을 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명의 기술사상의 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 변형이 가능하다. 상기 실시 형태에서는 내 용기로서 금속 메시를 통 형상으로 성형한 것을 예로 설명했는데, 여기에 한정되는 것이 아니라, 펀칭 메탈과 같이 금속제 판재에 원형 또는 슬릿 형상의 개구(투공)를 개설한 것을 통 형상으로 성형하거나, 확장된 메탈을 통 형상으로 성형한 것을 이용할 수 있고, 다른 한편으로 상기 통 형상체를 다공질의 세라믹으로 구성할 수도 있으며 또한, 내 용기의 저벽에 반드시 투공을 필요로 하지는 않는다. 이 경우, 투공 구멍의 직경은 승화된 유기 재료의 통과를 허용할 수 있는 것이라면 특별한 제한은 없고 또한, 통 형상체의 외 표면적에 대한 전 투공의 합계 총면적 비율은 증착률을 고려하여 적절히 설정된다.

또한, 상기 실시 형태에서는 외 용기로서 상면을 개구한 도가니(4)로 구성하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 제 1 공간(6a) 및 제 2 공간(6b)의 컨덕턴스를 조정하기 위해 도가니(4)의 상면에 적어도 1개의 분사 노즐을 설치한 덮개체를 장착하도록 하여도 된다. 이 경우, 외 용기로서는 특별히 도시하여 설명하지 않지만, 수용 상자의 상면에 분사 노즐을 줄지어 설치한 것(소위, 라인 소스)을 이용할 수도 있다.

Dm…진공 증착 장치, DS…진공 증착 장치용 증착원, Ht…가열 수단, Sw…기판(피증착물), 1…진공 챔버, 4…도가니(외 용기), 41…상면 개구(분출구), 5…통 형상체(내 용기), 52…그물코(網目)(투공).

Claims (2)

1. 진공 챔버 내에 배치되어 승화성 재료를 승화시켜 피증착물에 대하여 증착하기 위한 진공 증착 장치용 증착원에 있어서,
   피증착물을 향해 승화된 재료를 분출하는 분출구를 가지는 외(外) 용기와, 그 외 용기에 그 벽면으로부터 간격을 두고 내삽되어 승화성 재료를 수용하는 내 용기와, 내(內) 용기 내의 재료 가열을 가능하게 하는 가열 수단을 구비하고,
   내 용기에 승화된 재료의 연통을 허용하는 복수의 투공이 개설되는 것을 특징으로 하는 진공 증착 장치용 증착원.
2. 청구항 1에 있어서, 진공 증착 장치용 증착원이며 상기 외 용기가 연직 방향 상면을 개구한 도가니(crucible)로 구성된 것으로,
   상기 내 용기는 상면을 개구한 바닥이 있는 통 형상체로 구성되어, 이 통 형상체의 외저벽에 각편(leg piece)이 설치되는 것을 특징으로 하는 진공 증착 장치용 증착원.
   

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