KR20210114729A - 가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원 - Google Patents

가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원은 전자빔이 직접 주사되는 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질을 보관하는 도가니와, 상기 도가니의 외측부에 구비되고, 상기 도가니를 N개의 영역으로 구분하고, 상기 각 N개의 영역별로 구비되는 N개의 가열부; 및 상기 전자빔이 주사되는 영역과 주사되지 않는 영역의 온도 차이를 줄이기 위해, 상기 도가니의 위쪽 영역은 아래쪽 영역보다 높은 온도를 유지하도록 상기 N개의 가열부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원{Metal-Oxide semiconductor evaporation source equipped with variable temperature control module}
본 발명은 가변 온도조절 장치를 이용하여 크랙(crack)의 발생을 방지하는 금속-산화물 전자빔 증발원에 관한 것이다.
금속-산화물 반도체중에서도 가장 널리 연구되어진 물질은 ZnO 및 ZnO 계열 화합물 (AZO, IZO, IGZO, GZO 등) 로서 이미 기존 디스플레이 패널의 투명전극 및 화소 구동을 위한 박막트랜지스터의 채널층, 투명 디스플레이, 투명 반도체 소자, 태양전지 등에 사용되고 있다.
ZnO 계열 금속-산화물 반도체 박막을 형성하는 방법으로는 이미 많이 알려진대로 열 또는 전자빔을 금속 산화물 타겟에 집속시켜 증발시키는 Evaporation 기술, 이온화된 소스와의 충돌을 이용한 sputter 기술, 주입되는 가스들 간의 화학 반응을 이용한 화학기상증착법 등이 많이 사용되고 있다.
위 방법 중 Evaporation 및 sputter 기술은 고체 형태의 원재료 물질에 외부에서 열 또는 운동 에너지를 가해 기체 상태로 상변이를 시킨 후 기판 상에 증착시키는 기술이며 이에 반해 화학기상증착법은 액체 상태의 원재료를 기체 상태로 상변이 시키거나 기체상태의 원재료를 기판 상에 증착하는 기술이다.
위 기술들은 각기 장비 특성에 맞는 장점을 보유하고 있으며 공통적으로 n-type ZnO 층을 형성하고 있으며, n-type ZnO 금속-산화물 반도체 박막의 특성을 향상 시키기 위해 In, Al, Ga 등의 원소를 동시에 주입하는 방식 등으로 donor dopant를 형성하여 n-type 반도체로서의 전기적 특성을 향상 시키는 방법을 채택하고 있다.
ZnO 박막을 형성하는 방법 중 생산에 소요되는 비용을 절감하기 위해 비교적 간단하면서 저렴한 비용으로 ZnO 층을 증착하는 방법으로는 증발법 (Evaporation)이 있으며 에너지로서 열을 가하는 방식인 열 증발법 (Thermal evaporation)과 전자빔을 이용하는 방법인 전자빔 증발법 (Electron-beam evaporation) 기술이 있다.
특히 2가지 기술 중에서 증착 재료의 사용 효율, 증착 속도 조절 등의 측면에서 장점이 있는 전자빔 증발법이 열 증착법에 비해 많이 사용되고 있으며 이 때 사용되는 ZnO 원재료 물질은 분말 형태가 주로 사용되고 있다. ZnO 분말을 증착 원재료로 사용하는 경우에는 2인치 규모의 작은 면적의 기판 또는 작은 면적을 갖는 여러 장의 기판 상에 ZnO 박막을 증착하는 것에는 적합하다.
하지만 최근 들어 양산성을 개선하기 위해 기판 자체의 크기가 4인치 및 6인치로 증가하고 한 번에 증착하는 기판의 수 역시 50장 이상으로 증가함에 따라 대면적 기판에 ZnO 분말을 증착 원재료로서 사용하여 박막을 형성하기에는 부적합한 실정이다.
박막 증착 공정 개선에 필수인 대면적 기판에서의 박막 균일도 등이 소자 제작에 필요한 수준에 미치지 못하여 단위 면적 당 생산되는 chip의 개수가 현저히 감소하므로, 이를 해결하기 위해 sputter 기술에서 사용되는 증착 원재료와 유사한 특성을 지닌 분말 소결법을 이용하여 제작한 타겟 형태의 ZnO 원재료를 사용하는 것이 바람직하며 이러한 타겟형태의 원재료를 사용할 경우 대면적 기판에서의 증착 균일도 개선, 원재료 사용 효율 증가 등의 효과를 가져올 수 있다.
하지만, 분말 소결된 산화물 타겟을 이용할 경우, 산화물은 열전도도가 매우 낮은 물질로 산화물의 낮은 열전도율로 인해 전자빔이 주사된 영역과 주사되지 않은 영역과의 온도 차이에 의한 열응력으로 인한 크랙(crack)이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전자빔이 주사된 영역과 주사되지 않은 영역의 온도 차가 크게 발생되면서 열응력(Thermal Streess)이 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질에 가해지면서 크랙(crack)이 발생되는 것을 방지할 수 있는 가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원을 제공하기 위한 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 실시예로서, 가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원은 전자빔이 직접 주사되는 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질을 보관하는 도가니와, 상기 도가니의 외측부에 구비되고, 상기 도가니를 N개의 영역으로 구분하고, 상기 각 N개의 영역별로 구비되는 N개의 가열부; 및 상기 전자빔이 주사되는 영역과 주사되지 않는 영역의 온도 차이를 줄이기 위해, 상기 도가니의 위쪽 영역은 아래쪽 영역보다 높은 온도를 유지하도록 상기 N개의 가열부를 제어하는 제어부를 포함한다.
N개의 가열부는 상기 도가니의 외측부의 상측에 구비되어 제 1 영역을 가열하는 제 1 가열부와, 상기 도가니의 외측부의 하측에 구비되어 제 2 영역을 가열하는 제 2 가열부; 및 상기 도가니의 하부면에 구비되어 제 3 영역을 가열하는 제 3 가열부;를 포함한다.
제어부는 상기 각 N개의 영역별 온도의 차이값이 설정된 온도 이하가 되도록 상기 N개의 가열부를 제어한다.
가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원은 전자빔이 주사되면서 상기 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질이 변화되는 모양을 검출하는 검사부;를 더 포함하고, 제어부는 상기 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질이 변화되는 모양에 따라 상기 N개의 영역별 온도가 변하도록 상기 N개의 가열부를 제어한다.
가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원은 상기 도가니의 외측부를 둘러싸고, 상기 N개의 가열부 및 상기 제어부를 내부에 구비하는 포켓을 더 포함하는을 더 포함한다.
상술한 구성을 가진 본 발명의 일실시예에 따르면, 영역별로 구비된 가열부를 이용하여 전자빔이 주사된 영역과 주사되지 않은 영역의 온도 차이가 설정된 온도 이하로 유지되도록 하여 열 응력 (thermal stress)이 크게 발생하지 않도록 함으로써, 금속 산화물 타겟(160)의 크랙(crack) 현상이 발생하지 않도록 할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예인 가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 전자빔이 주사되는 영역과 주사되지 않는 영역의 온도 차이에 따라 크랙(crack)이 발생되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 5, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부가 가열부를 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예인 가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원을 설명하기 위한 도면이고, 도 3 및 도 4는 전자빔이 주사되는 영역과 주사되지 않는 영역의 온도 차이에 따라 크랙(crack)이 발생되는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원(100)은 도가니(110), N개의 가열부(120, 121, 122), 포켓(130), 제어부(140) 및 검사부(150)을 포함한다.
도가니(110)는 전자빔이 직접 주사되는 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질('금속-산화물 타켓)(160)을 내부에 보관할 수 있는 형태를 가질 수 있다.
분말 소결된 금속-산화물(160) 타겟을 이용하는 전자빔 증발법의 경우, 원통 (disc) 형상의 금속-산화물 증발 타겟(160)에 전자빔을 조사하여 고체 상태에서 액체 상태를 거치지 않고 기체 상태로 상변이 시키는 승화법을 적용하며, 이 때 전자빔이 주사된 금속-산화물 타겟 영역의 온도는 1200 ~ 1500도 사이가 될 수 있다.
금속 산화물로 이뤄진 증착 물질('금속-산화물 타켓)(160)은 ZnO, AZO, IZO, IGZO, GZO 등의 산화아연계열 금속 산화물 반도체 물질, 타이타늄 옥사이드 (TiO2), 탄탈륨 옥사이드 (TaOx), 지르코늄 옥사이드 (ZrO2) 등의 물질에 사용 가능하다.
N개의 가열부(120, 121, 122)는 상기 도가니(110)의 외측부에 구비되고, 도가니를 N개의 영역으로 구분하고, 각 N개의 영역별로 구비될 수 있다. 예를 들면, N개의 가열부(120, 121, 122)는 도가니(110)의 외측부의 상측에 구비되어 제 1 영역을 가열하는 제 1 가열부(120), 도가니(110)의 외측부의 하측에 구비되어 제 2 영역을 가열하는 제 2 가열부(121) 및 도가니의 하부면에 구비되어 제 3 영역을 가열하는 제 3 가열부(122)를 포함한다.
본 실시예에서는 3개의 영역으로 구분하고, 3개의 가열부(120, 121, 122)를 기준으로 설명하겠으나, 영역의 개수 및 가열부의 개수는 이에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다.
가열부(120, 121, 122)는 코일, 사각형, 원형, 육각형 등이 가능하며 바람직하게는 벌집 모양의 육각형이 최적이나, 금속-산화물 타겟 물질의 종류에 따라 선택적인 형상을 가질 수 있다.
가열부(120, 121, 122)의 재질은 300~1500도 사이의 온도 조절이 가능한 텅스텐 (W), 몰리브덴(Mo), 백금 (Pt), 크롬 (Cr), 지르코늄 (Zr), 탄탈륨 (Ta), 티타늄 (Ti), 실리콘-카바이드 (SiC), 스테인리스 합금 계열 (SUS 계열) 등이 사용될 수 있으며 바람직하게는 텅스텐 (W), 몰리브덴(Mo), 탄탈륨 (Ta), 티타늄 (Ti), 실리콘-카바이드 (SiC) 재질을 사용할 수 있다.
포켓(130)은 도가니(110)의 외측부를 둘러싸고, N개의 가열부(120, 121, 122) 및 제어부(140)을 내부에 구비할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질('금속-산화물 타켓)(160)에 전자빔이 주사되면, 예를 들면, 위쪽 영역(200)은 1400도이고, 중간 영역(210)은 900도이고, 아래쪽 영역(220)은 400도일 수 있다. 또는, 위쪽 영역(200) 중에서도 전자빔이 직접적으로 주사되는 영역과 주사되지 않는 영역의 온도 차이가 생길 수 있다.
이와 같이, 전자빔이 직접적으로 주사되는 영역과 주사되지 않는 영역의 온도 차이가 크게 나게 되면 열 응력 (thermal stress)이 크게 발생하게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 위와 같이 열 응력 (thermal stress)이 크게 발생하게 되면, 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질('금속-산화물 타켓)(160)에 크랙(crack)이 발생하게 된다.
제어부(140)는 도가니(110)의 위쪽 영역은 아래쪽 영역보다 높은 온도를 유지하도록 N개의 가열부(120, 121, 122)를 제어할 수 있다. 제어부(140)는 도가니(110)의 외측에 부착되거나, 포켓(130)의 내부에 구비되거나, 외부에 별도로 독립적으로 구비될 수도 있다.
예를 들면, 제어부(140)는 각 3개의 영역별 온도의 차이값이 설정된 온도('300도) 이하가 되도록 3개의 가열부(120, 121, 122)를 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부(140)는 3개의 가열부(120, 121, 122) 서로의 온도 차이가 300도 이하게 되도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 3개의 영역 별 온도 차이가 300도 이하일 경우 열 응력 (thermal stress)이 크게 발생하지 않으며, 이에 따라 300도 이하의 온도 차이를 갖도록 제어부(140)가 온도를 조절함으로써 금속 산화물 타겟(160)의 크랙(crack) 현상이 발생하지 않도록 할 수 있다.
검사부(150)는 전자빔이 주사되면서 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질(150)이 변화되는 모양을 검출할 수 있다. 예를 들면, 검사부(150)는 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질(150)의 높이 변화를 측정할 수 있는 레벨 감지 센서(예를 들면, 레이저 센서 등) 또는 이미지를 획득하여 모양 변화를 검사할 수 있는 이미지 감지 센서 등과 같이 모양 변화를 검사할 수 있는 다양한 장치일 수 있다.
제어부(140)는 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질(160)이 변화되는 모양에 따라 N개의 영역별 온도가 변하도록 N개의 가열부를 제어할 수 있다.
도 5, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부가 가열부를 제어하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
제어부(140)는 검사부(150)에서 측정된 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질(160)이 변화되는 모양에 따라 N개의 영역별 온도가 변하도록 N개의 가열부를 제어할 수 있다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 측정된 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질(160)의 모양 변화가 거의 없고, 전자빔이 주사된 경우 측정된 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질(160)의 온도가 1600도인 경우를 기준으로 설명하면, 제어부(140)는 제 1 가열부(120)의 온도를 1200도로, 제 2 가열부(121)의 온도를 900도로, 제 3 가열부(122)의 온도를 600도로 제어할 수 있다. 본 실시예에서는 영역별 온도 차이가 400도 이하가 되도록 제어하는 경우를 기준으로 설명하겠으나, 영역별 온도 차이는 이에 한정되지 않고 다양하게 설명될 수 있다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 측정된 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질(160)의 모양이 제 1 가열부(120)의 아래 쪽으로 변한 경우, 제어부(140)는 제 1 가열부(120)를 오프(off) 시키고, 제 2 가열부(121)의 온도를 1200도로, 제 3 가열부(122)의 온도를 900도로 제어할 수 있다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 측정된 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질(160)의 모양이 제 2 가열부(121)의 아래 쪽으로 변한 경우, 제어부(140)는 제 1 가열부(120)를 오프(off) 시키고, 제 2 가열부(121)를 오프(off) 시키고, 제 3 가열부(122)의 온도를 1200도로 제어할 수 있다.
이와 같이, 제어부(140)는 검사부(150)에서 측정된 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질(160)이 변화되는 모양에 따라 N개의 영역별 온도가 변하도록 N개의 가열부를 제어하여, 전자빔이 주사되는 영역과 주사되지 않은 영역의 온도 차이를 줄임으로써 측정된 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질(160)에 크랙(crack)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에서는 제어부(140)는 측정된 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질(160)의 모양 변화에 따라 가열부의 온도를 제어하는 하나의 예를 기재한 건에 불과하고, 제어부(140)는 다양한 기준 및 상황에 맞게 가열부를 제어할 수 있다.
설명된 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 설명된 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원
110 : 도가니
120, 121, 122 : 가열부
130 : 포켓
140 : 제어부
150 : 검사부

Claims (5)

  1. 전자빔이 직접 주사되는 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질을 보관하는 도가니;
    상기 도가니의 외측부에 구비되고, 상기 도가니를 N개의 영역으로 구분하고, 상기 각 N개의 영역별로 구비되는 N개의 가열부; 및
    상기 전자빔이 주사되는 영역과 주사되지 않는 영역의 온도 차이를 줄이기 위해, 상기 도가니의 위쪽 영역은 아래쪽 영역보다 높은 온도를 유지하도록 상기 N개의 가열부를 제어하는 제어부를 포함하는, 가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 N개의 가열부는,
    상기 도가니의 외측부의 상측에 구비되어 제 1 영역을 가열하는 제 1 가열부;
    상기 도가니의 외측부의 하측에 구비되어 제 2 영역을 가열하는 제 2 가열부; 및
    상기 도가니의 하부면에 구비되어 제 3 영역을 가열하는 제 3 가열부;를 포함하는, 가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 각 N개의 영역별 온도의 차이값이 설정된 온도 이하가 되도록 상기 N개의 가열부를 제어하는, 가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자빔이 주사되면서 상기 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질이 변화되는 모양을 검출하는 검사부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 금속 산화물로 이뤄진 증착 물질이 변화되는 모양에 따라 상기 N개의 영역별 온도가 변하도록 상기 N개의 가열부를 제어하는, 가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 도가니의 외측부를 둘러싸고, 상기 N개의 가열부 및 상기 제어부를 내부에 구비하는 포켓을 더 포함하는, 가변 온도조절 장치를 구비한 금속-산화물 전자빔 증발원.
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