KR20230039800A - 박막 전극 형성을 위한 스퍼터링 장치 및 방법 - Google Patents

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강남욱
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Abstract

한 실시예에 따른 스퍼터링 장치는 제1방향으로 배열되어 있으며 서로 나란한 제1 원통형 타겟 및 제2 원통형 타겟, 상기 제1 원통형 타겟 내부에 위치하는 하나 이상의 제1 마그넷, 상기 제2 원통형 타겟 내부에 위치하는 하나 이상의 제2 마그넷, 상기 제1방향에 수직인 제2방향으로 상기 제1 및 제2 원통형 타겟과 이격된 기판 홀더를 포함하고, 상기 제1 원통형 타겟의 원통 축에서 상기 기판 홀더의 윗면에 내린 수선을 제1 수선이라 하고, 상기 제2 원통형 타겟의 원통 축에서 상기 기판 홀더의 윗면에 내린 수선을 제2 수선이라 할 때, 상기 하나 이상의 제1 마그넷의 중앙에서 상기 제1 원통형 타겟의 원통 축까지의 제1 직선이 상기 제1 수선과 이루는 제1각, 그리고 상기 하나 이상의 제2 마그넷의 중앙에서 상기 제2 원통형 타겟의 원통 축까지의 제2 직선이 상기 제2 수선과 이루는 제2각은 각각 30도 내지 180도를 이루고, 상기 기판 홀더를 고정한 상태에서 상기 제1 및 제2 원통형 타겟을 상기 제1방향으로 이동시키거나 상기 제1 및 제2 원통형 타겟을 고정한 상태에서 상기 기판 홀더를 상기 제1방향으로 이동시키도록 구성된 구동부를 포함한다.

Description

박막 전극 형성을 위한 스퍼터링 장치 및 방법{sputtering apparatus and method for thin film electrode deposition}
본 개시는 박막 전극 형성을 위한 스퍼터링 장치 및 방법에 관한 것이다.
표시 장치는 영상을 표시하는 복수의 화소를 포함하고, 각 화소는 기판 위에 형성된 발광 소자 및 하나 이상의 트랜지스터를 포함한다. 발광 소자는 서로 마주하는 하부 전극 및 상부 전극과 그 사이에 위치하는 유기층을 포함할 수 있다.
표시 장치는 충분한 발광 영역 확보를 위해 기판의 위쪽으로 빛을 보내는 전면 발광 구조를 가질 수 있다. 전면 발광 구조의 표시 장치에서는 유기층에서 발생된 빛이 외부로 통과할 수 있도록 유기층 상부에 위치하는 상부 전극이 투명 혹은 반투명 전극으로 이루어질 수 있다. 이러한 상부 전극으로는 두께가 얇은 전도성 금속 박막이 주로 사용된다.
하부 전극으로는 상부 전극보다 두꺼운 반사 전극이 주로 사용되어, 반투명 상부 전극을 투과하지 못한 빛은 하부 전극에서 다시 반사되어 반투명 상부 전극으로 통과하는 공진 구조를 가질 수 있다.
한편, 표시 장치가 포함하는 여러 층은 다양한 증착 방법으로 형성될 수 있다. 증착 방법은 예를 들어, 스퍼터링, 화학적 기상 증착, 열증착 등의 다양한 방법이 있다. 열증착은 증착할 재료를 고온의 도가니에서 기화시켜 성막하는 방법이다. 스퍼터링은 진공 상태에서 증착 물질인 타겟에 전기 에너지로 가속된 기체 이온을 충돌시켜서 방출된 타겟 입자를 기판 등의 증착 대상물에 증착시키는 방법이다.
본 기재의 실시예들은 표시 장치의 유기층 상부에 직접 얇은 금속 박막 전극을 형성할 때 하부의 유기층의 손상을 막으면서 증착 재료의 사용 효율을 높이고 표시 장치의 대형화에 따른 넓은 금속 박막 전극을 용이하게 형성하기 위한 스퍼터링 장치 및 박막 전극 형성 방법을 제공하기 위한 것이다.
한 실시예에 따른 스퍼터링 장치는 제1방향으로 배열되어 있으며 서로 나란한 제1 원통형 타겟 및 제2 원통형 타겟, 상기 제1 원통형 타겟 내부에 위치하는 하나 이상의 제1 마그넷, 상기 제2 원통형 타겟 내부에 위치하는 하나 이상의 제2 마그넷, 상기 제1방향에 수직인 제2방향으로 상기 제1 및 제2 원통형 타겟과 이격된 기판 홀더를 포함하고, 상기 제1 원통형 타겟의 원통 축에서 상기 기판 홀더의 윗면에 내린 수선을 제1 수선이라 하고, 상기 제2 원통형 타겟의 원통 축에서 상기 기판 홀더의 윗면에 내린 수선을 제2 수선이라 할 때, 상기 하나 이상의 제1 마그넷의 중앙에서 상기 제1 원통형 타겟의 원통 축까지의 제1 직선이 상기 제1 수선과 이루는 제1각, 그리고 상기 하나 이상의 제2 마그넷의 중앙에서 상기 제2 원통형 타겟의 원통 축까지의 제2 직선이 상기 제2 수선과 이루는 제2각은 각각 30도 내지 180도를 이루고, 상기 기판 홀더를 고정한 상태에서 상기 제1 및 제2 원통형 타겟을 상기 제1방향으로 이동시키거나 상기 제1 및 제2 원통형 타겟을 고정한 상태에서 상기 기판 홀더를 상기 제1방향으로 이동시키도록 구성된 구동부를 포함한다.
상기 제1 및 제2 원통형 타겟은 투과성 또는 반투과성 박막 전극을 형성하기 위한 금속을 포함할 수 있다.
스퍼터링 공정 중에 상기 제1 및 제2 원통형 타겟은 각각의 원통 축을 중심으로 회전하고, 상기 제1 마그넷 및 상기 제2 마그넷은 스윙하지 않을 수 있다.
상기 제1각과 상기 제2각은 서로 동일할 수 있다.
상기 제1 마그넷과 상기 제2 마그넷은 서로 동일한 극이 마주하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 마그넷과 상기 제2 마그넷은 서로 반대의 극이 마주하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 원통형 타겟과 상기 제2 원통형 타겟 사이에 연결된 직류 또는 교류 전원 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 전원 장치는 양극성 직류 방식 또는 직류 펄스 방식을 이용할 수 있다.
상기 제1 원통형 타겟과 상기 제2 원통형 타겟 사이에 위치하는 추가 마그넷을 더 포함할 수 있다.
상기 추가 마그넷은 상기 제1 원통형 타겟의 원통 축과 상기 제2 원통형 타겟의 원통 축을 잇는 직선을 기준으로 상기 기판 홀더로부터 먼 쪽에 위치할 수 있다.
상기 추가 마그넷에 접지 전압이 연결되어 있을 수 있다.
한 실시예에 따른 스퍼터링 장치는 챔버 안에 유기층이 증착된 기판을 위치시키는 단계, 챔버 안에 플라스마 발생용 가스를 주입하는 단계, 상기 챔버 안에 위치하고 제1방향으로 배열되어 있으며 서로 나란한 제1 원통형 타겟 및 제2 원통형 타겟에 전압을 인가하여 플라스마를 발생시키는 단계, 그리고 상기 유기층 상에 상기 제1 및 제2 원통형 타겟의 입자가 적층되어 박막 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 원통형 타겟의 원통 축에서 상기 기판 홀더의 윗면에 내린 수선을 제1 수선이라 하고, 상기 제2 원통형 타겟의 원통 축에서 상기 기판 홀더의 윗면에 내린 수선을 제2 수선이라 할 때, 상기 제1 원통형 타겟 내부에 위치하는 제1 마그넷의 중앙에서 상기 제1 원통형 타겟의 원통 축까지의 제1 직선이 상기 제1 수선과 이루는 제1각, 그리고 상기 제2 원통형 타겟 내부에 위치하는 제2 마그넷의 중앙에서 상기 제2 원통형 타겟의 원통 축까지의 제2 직선이 상기 제2 수선과 이루는 제2각은 각각 30도 내지 180도를 이룬다.
상기 박막 전극을 형성하는 단계에서, 상기 기판 홀더를 고정한 상태에서 상기 제1 및 제2 원통형 타겟을 상기 제1방향으로 이동시키거나 상기 제1 및 제2 원통형 타겟을 고정한 상태에서 상기 기판 홀더를 상기 제1방향으로 이동시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2 원통형 타겟은 투과성 또는 반투과성 박막 전극을 형성하기 위한 금속을 포함할 수 있다.
상기 박막 전극을 형성하는 단계에서, 상기 제1 및 제2 원통형 타겟은 각각의 원통 축을 중심으로 회전하고, 상기 제1 마그넷 및 상기 제2 마그넷은 스윙하지 않을 수 있다.
상기 제1각과 상기 제2각은 서로 동일할 수 있다.
상기 제1 마그넷과 상기 제2 마그넷은 서로 동일한 극이 마주하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 마그넷과 상기 제2 마그넷은 서로 반대의 극이 마주하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 원통형 타겟과 상기 제2 원통형 타겟 사이에 직류 또는 교류 전원을 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 원통형 타겟과 상기 제2 원통형 타겟 사이에 위치하는 추가 마그넷을 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 표시 장치의 유기층 상부에 직접 얇은 금속 박막 전극을 형성할 때 하부의 유기층의 손상을 막으면서 증착 재료의 사용 효율을 높이고 표시 장치의 대형화에 따른 넓은 금속 박막 전극을 용이하게 형성할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 표시 장치의 단면 구조를 나타내고,
도 2는 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 나타내고,
도 3은 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 나타내고,
도 4는 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치의 구조 및 스퍼터링 장치의 외측에 형성된 자기력선을 나타내고,
도 5는 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치에 대해 기판이 움직이는 방향을 나타내고,
도 6은 기판에 대해 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치가 움직이는 방향을 나타내고,
도 7, 도 8, 도 9, 도 10 및 도 11은 각각 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치의 내측 구조 및 외측에 형성된 자기력선을 나타내고,
도 12는 비교예에 따른 스퍼터링 장치를 이용해 증착된 박막 전극을 포함한 발광 소자의 특성 및 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 이용해 증착된 박막 전극을 포함한 발광 소자의 특성을 비교한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 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 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
먼저 도 1을 참조하여 한 실시예에 따른 표시 장치의 구조에 대하여 설명한다.
도 1은 한 실시예에 따른 표시 장치의 단면 구조를 나타낸다.
한 실시예에 따른 표시 장치는 z 방향으로 차례대로 위치하는 기판(110), 트랜지스터 어레이 층(120), 절연층(130), 하부 전극(140), 유기층(150), 상부 전극(160), 그리고 캐핑층(170)을 포함할 수 있다. 도시한 층 외에도 이웃한 층 사이에는 적어도 하나의 절연층, 도전층 등이 위치할 수 있다. z 방향이 수직인 평면상에서 볼 때 표시 장치는 영상을 표시할 수 있는 복수의 화소를 포함할 수 있다.
기판(110)은 유리, 플라스틱 등의 절연 물질을 포함할 수 있고, 유연성(flexibility)을 가질 수 있다.
트랜지스터 어레이 층(120)은 반도체층, 절연층, 그리고 도전층 등을 포함하며 복수의 트랜지스터를 포함할 수 있다.
절연층(130)은 질화규소(SiNx), 산화규소(SiOx), 질산화규소(SiON) 등의 무기 절연 물질 및/또는 유기 절연 물질을 포함할 수 있으며, 하나 이상의 절연층을 포함할 수 있다.
하부 전극(140)은 화소 전극이라고도 하며, 트랜지스터 어레이 층(120)의 적어도 하나의 트랜지스터와 전기적으로 연결되어 데이터 전압을 전달받을 수 있다. 하부 전극(140)은 은(Ag), 알루미늄(Al) 등의 금속과 같은 도전 물질을 포함할 수 있으며, 반투과성 또는 반사성일 수 있다.
유기층(150)은 발광층을 포함하며, 전자 주입층, 정공 주입층, 전자 전달층 또는 정공 전달층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 유기층(150)은 유기 물질을 포함한다.
상부 전극(160)은 공통 전극이라고도 하며, 복수의 화소에 걸쳐 공통 전압을 전달할 수 있다. 표시 장치가 기판(110)의 상부 방향 즉, z 방향으로 영상을 표시하는 전면 발광 구조의 표시 장치에서는 유기층(150)에서 발생된 빛이 외부로 통과할 수 있도록 상부 전극(160)은 투과성 혹은 반투과성일 수 있다.
상부 전극(160)은 유기층(150) 위에 바로 위치하여 접촉할 수 있다.
상부 전극(160)은 은(Ag), 알루미늄(Al) 등의 금속과 같은 도전 물질을 포함할 수 있으며 투과성 또는 반투과성일 수 있다. 상부 전극(160)이 금속을 포함하는 경우, 투과성 또는 반투과성을 위해 하부 전극(140)보다 얇은 금속 박막 전극으로 이루어질 수 있다. 이 경우 상부 전극(160)의 z 방향의 두께는 대략 200 옹스트롬 이하일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
하부 전극(140)과 상부 전극(160), 그리고 그 사이의 유기층(150)은 함께 발광 다이오드를 이룬다. 하부 전극(140)과 상부 전극(160) 중 하나가 발광 다이오드의 캐소드 전극으로 기능하고 나머지는 애노드 전극으로 기능할 수 있다.
발광 다이오드는, 유기층(150)에서 방출된 빛 중 상부 전극(160)을 투과하지 못한 빛은 하부 전극(140)에서 다시 반사되어 상부 전극(160)을 통과하거나 다시 반사되는 공진 구조를 가질 수 있다.
캐핑층(170)은 발광 다이오드를 덮어 보호할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여 한 실시예에 따른 표시 장치의 상부 전극(160)을 증착하기 위한 스퍼터링 장치에 대하여 설명한다.
도 2 및 도 3은 각각 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치(1000)는 두 개 이상의 원통형 타겟(200a, 200b)을 포함한다.
각 원통형 타겟(200a, 200b)은 증착하고자 하는 막의 재료를 포함하며 원통 축 주위로 원통형을 이룰 수 있다. 본 실시예에서 원통형 타겟(200a, 200b)은 위에서 설명한 상부 전극(160)과 같은 투과성 또는 반투과성 박막 전극을 형성하기 위한 은(Ag), 알루미늄(Al) 등의 금속을 포함할 수 있다.
원통형 타겟(200a, 200b)은 캐소드 전압을 인가받아 캐소드를 구성할 수 있다.
한 스퍼터링 장치(1000)가 포함하는 원통형 타겟(200a, 200b)의 개수는 짝수 개일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
도 2에 도시한 바와 같이 마주하는 한 쌍의 원통형 타겟(200a, 200b)은 x 방향으로 배열되어 있으며 서로 평행하게 이격 배치되어 있고, 각 원통형 타겟(200a, 200b)은 y 방향으로 연장된 원통형일 수 있다.
한 실시예에 따른 스퍼터링 장치(1000)는 원통형 타겟(200a, 200b) 주위에 위치하는 지지 부재(900)를 더 포함할 수 있다. 지지 부재(900)는 원통형 타겟(200a, 200b)을 지지할 수 있고, 접지 전압을 인가받을 수 있으며, 원통형 타겟(200a, 200b)에서 분리된 타겟 입자가 주로 z 방향의 반대쪽으로 나갈 수 있도록 가이드할 수 있다.
각 원통형 타겟(200a, 200b)은 스퍼터링 공정 중에 원통 축을 중심으로 회전할 수 있다. 이에 따라 원통형 타겟(200a, 200b)의 타겟 재료를 균일하게 소모할 수 있고 사용 효율성을 높일 수 있다.
도 3을 참조하면, 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치(1000a)는 앞에서 설명한 도 2에 도시한 스퍼터링 장치(1000)와 대부분 동일하나, 4개의 원통형 타겟(200a, 200b, 200c, 200d)이 위치하는 예를 도시한다. 도시한 바에서 확장하여, 실시예에 따라서는 하나의 스퍼터링 장치(1000a)는 6개, 8개 등과 같은 짝수 개의 원통형 타겟을 포함할 수도 있다.
한 스퍼터링 장치가 4개 이상의 원통형 타겟(200a, 200b, 200c, 200d)이 위치하는 경우, 서로 다른 쌍의 원통형 타겟(200a, 200b)(200c, 200d)은 z 방향으로 이웃하며 배치될 수 있다. 서로 다른 쌍의 원통형 타겟(200a, 200b)(200c, 200d)의 구조는 서로 동일할 수 있다. 즉, 이하에서 설명할 한 쌍의 원통형 타겟(200a, 200b)의 특징이 다른 쌍의 원통형 타겟(200c, 200d)에도 동일하게 적용될 수 있다.
앞에서 설명한 도 1 내지 도 3과 함께 도 4를 참조하여 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치가 포함하는 원통형 타겟의 구체적인 구조에 대하여 설명한다.
도 4는 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치의 구조 및 스퍼터링 장치의 외측에 형성된 자기력선을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 금속 박막을 증착할 기판(110) 위에는(z 방향) 앞에서 설명한 바와 같을 수 있는 유기층(150)이 이미 형성되어 있을 수 있다. 기판(110)은 기판 홀더(100) 상에 고정될 수 있다.
기판 홀더(100) 또는 기판(110)의 면에 평행한 x 방향으로 한 쌍의 원통형 타겟(200a, 200b)이 배치되어 있다. 각 원통형 타겟(200a, 200b)의 원통 축(Ca, Cb)은 y 방향으로 연장될 수 있다.
기판 홀더(100)와 원통형 타겟(200a, 200b) 간의 거리는 공정에 따라 다를 수 있으나 예를 들어 대략 100 밀리미터 내지 대략 500 밀리미터일 수 있다.
각 원통형 타겟(200a, 200b)의 내부에는 플라스마의 생성 및 유지를 위한 하나 이상의 마그넷(210a, 210b)이 위치할 수 있다. 도 4는 각 원통형 타겟(200a, 200b)의 내부에 3열의 마그넷(210a, 210b)이 위치하는 예를 도시하나 마그넷(210a, 210b)의 열의 개수가 이에 한정되지 않고 4열 이상일 수도 있다.
각 원통형 타겟(200a, 200) 내부에는 마그넷(210a, 210b)의 지지를 위한 마그넷 지지부(250), 그리고 마그넷 지지부(250)와 마그넷(210a, 210b) 사이에 위치하는 요크판(york plate)(205)을 더 포함할 수 있다.
각 원통형 타겟(200a, 200b)의 원통 축(Ca, Cb)에서 기판 홀더(100) 또는 기판(110)의 윗면을 향하여 z 방향으로 내린 선을 수선(Rc)이라 할 때, 마그넷(210a, 210b)의 배열 중 중앙에서 각 원통형 타겟(200a, 200b)의 원통 축(Ca, Cb)까지의 직선이 수선(Rc)과 이루는 각을 마그넷 각(Anga, Angb)이라 한다. 이러한 마그넷 각(Anga, Angb)은 대략 30도 내지 대략 180도를 이룰 수 있으며, 더 구체적으로 한정하면 대략 30도 내지 대략 150도를 이룰 수 있다.
두 원통형 타겟(200a, 200b)의 마그넷 각(Anga, Angb)은 서로 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있다.
도 4는 마그넷 각(Anga, Angb)이 대략 90도를 이루는 경우로서, 마그넷(210a, 210b)의 배열 중 중앙이 두 원통형 타겟(200a, 200b)의 두 원통 축(Ca, Cb)을 잇는 직선(Lc) 상에 위치하는 예를 도시한다.
원통형 타겟(200a)의 내부의 마그넷(210a)과 이에 마주하는 원통형 타겟(200b)의 내부의 마그넷(210b)은 서로 같은 극이 마주하도록 배치되어 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그러면 앞에서 설명한 도 2 내지 4와 함께 도 5 및 도 6을 참조하여 한 실시예에 따른 스퍼터링 방법에 대하여 설명한다.
챔버 내를 진공으로 하고 아르곤(Ar) 가스 등의 플라스마 발생용 가스를 챔버 내부에 주입 후 일정 압력 조건에서 원통형 타겟(200a, 200b)에 전압을 인가한다. 이때 원통형 타겟(200a, 200b)에 캐소드 전압을 인가하고 챔버의 내벽에 위치하거나 원통형 타겟(200a, 200b)과 이격된 도전체에 애노드 전압 또는 접지 전압을 연결하는 직류 또는 교류 전원 장치를 사용할 수 있다. 그러면, 원통형 타겟(200a, 200b) 외측 주위에 플라스마가 발생한다. 캐소드인 원통형 타겟(200a, 200b)에 플라스마의 이온이 높은 에너지로 가속 및 충돌하면서 원통형 타겟이 스퍼터링되고, 스퍼터링된 원통형 타겟의 입자가 기판(110) 위의 유기층(150) 상에 증착될 수 있다.
이때 앞에서 설명한 실시예와 같은 마그넷(210a, 210b)의 구성에 의해 두 원통형 타겟(200a, 200b) 사이의 공간에서 원통형 타겟(200a, 200b)의 외측 근처에 자기력선(300)이 형성되고 이 자기력선(300)에 의하여 두 원통형 타겟(200a, 200b) 사이의 공간에 플라스마가 구속될 수 있다.
마그넷 각(Anga, Angb)이 대략 30도 내지 대략 180도의 범위에서 커질수록 기판(110) 상의 유기층(150) 상에 바로 입사하는 플라스마 이온, 플라스마에 의한 하전 입자, 원통형 타겟(200a, 200b)에서 반사된 플라스마 발생용 가스의 이온 입자, 스퍼터링된 타겟의 입자 등의 개수 및 운동 에너지는 이동 중간에 플라스마 발생용 가스의 입자와 충돌하여 감소할 수 있다. 따라서, 플라스마 이온, 플라스마에 의한 하전 입자, 원통형 타겟(200a, 200b)에서 반사된 플라스마 발생용 가스의 이온 입자, 스퍼터링된 타겟의 입자 등의 운동 에너지보다 결합 에너지가 낮은 유기층(150)의 유기물 분자가 스퍼터링 공정 중에 분자 구조가 변형되는 등 손상을 입는 것을 막을 수 있다.
위와 같이 스퍼터링된 타겟의 입자가 유기층(150) 상에 도달하는 개수와 운동 에너지가 작아져, 유기층(150)을 보호함과 동시에 그 위에 증착하고자 하는 박막 전극을 얇게 형성하도록 공정을 제어하는 것이 용이하여 투과성 또는 반투과성의 박막 전극으로서의 상부 전극(160)을 용이하게 형성할 수 있다. 상부 전극(160)의 성막 속도와 유기층(150)의 손상 정도를 고려해 원통형 타겟(200a, 200b)의 마그넷 각(Anga, Angb)을 대략 30도 내지 대략 180도의 범위 안에서 조절할 수 있다.
또한, 위에서 설명한 실시예와 같이 증착하고자 하는 상부 전극(160)이 금속을 포함하는 투과성 또는 반투과성 박막 전극인 경우 금속에 의한 음이온의 발생 확률이 매우 낮으므로, 캐소드인 원통형 타겟(200a, 200b)에 의한 음이온의 가속 및 유기층(150)에의 충돌에 의한 유기층(150)의 손상을 더욱 줄일 수 있다.
도 5는 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치에 대해 기판이 움직이는 방향을 나타내고, 도 6은 기판에 대해 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치가 움직이는 방향을 나타낸다.
앞에서 설명한 스퍼터링 방법에 따른 공정 중에, 도 5에 도시한 바와 같이 원통형 타겟(200a, 200b)을 포함하는 스퍼터링 장치(1000)는 위치를 고정하고 기판(110)이 장착된 기판 홀더(100)를 x 방향으로 왕복하거나 지나가며 스퍼터링 공정이 진행될 수 있다. 이와 달리 도 6에 도시한 바와 같이 기판 홀더(100)가 고정된 상태에서 원통형 타겟(200a, 200b)을 포함하는 스퍼터링 장치(1000)가 x 방향으로 왕복하거나 지나가며 스퍼터링 공정이 진행될 수도 있다.
한 실시예에 따른 스퍼터링 장치(1000) 또는 기판 홀더(100)를 움직이기 위한 구동부(800)를 포함할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시한 바와 달리, 기판 홀더(100)가 y 방향이나 z 방향으로 평행한 방향으로 위치하고 그에 대응하여 원통형 타겟(200a, 200b)도 기판 홀더(100) 또는 기판(110)에 평행하게 배치될 수도 있다.
도 5 및 도 6에 도시한 실시예는 앞에서 설명한 도 3의 스퍼터링 장치(1000a)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 스퍼터링 장치(1000, 1000a)는 원통형 타겟(200a, 200b)을 이용하고 원통형 타겟(200a, 200b)을 회전시킴으로써 박막 전극 형성을 위한 증착 재료의 사용 효율을 높일 수 있으며, 기판(110)이 장착된 기판 홀더(100)와 스퍼터링 장치(1000, 1000a)를 상대적으로 왕복하거나 지나가며 스퍼터링을 진행할 수 있으므로 표시 장치의 대형화에 따른 넓은 상부 전극(160)을 위한 넓은 금속 박막 전극을 균일하게 그리고 용이하게 형성할 수 있다.
본 실시예에 따른 스퍼터링 공정 중에는 마그넷(210a, 210b)은 스윙하지 않을 수 있다. 즉, 스퍼터링이 진행 중에는 각 원통형 타겟(200a, 200b)의 마그넷(210a, 210b)의 마그넷 각(Anga, Angb)이 시간에 따라 변화하지 않을 수 있다. 이에 따르면 박막 전극이 증착되는 유기층(150)에 손상이 가해지는 것을 더욱 줄일 수 있다.
다음 앞에서 설명한 도면들과 함께 도 7 내지 도 11을 각각 참조하여 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법에 대하여 설명한다.
도 7, 도 8, 도 9, 도 10 및 도 11은 각각 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치의 내측 구조 및 외측에 형성된 자기력선을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법은 앞에서 설명한 도 4 내지 도 6에 도시한 실시예에 따른 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법과 대부분 동일하나, 원통형 타겟(200a)의 내부의 마그넷(210a)과 이에 마주하는 원통형 타겟(200b)의 내부의 마그넷(210b)은 서로 반대의 극이 마주하도록 배치되어 있을 수 있다.
이에 따르면, 마주하는 두 마그넷(210a, 210b) 사이에 자기력선(300) 분포가 더욱 밀해져 하전 입자들을 두 원통형 타겟(200a, 200b) 사이의 공간에 보다 용이하게 구속할 수 있다.
도 8을 참조하면, 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법은 앞에서 설명한 도 4 내지 도 6에 도시한 실시예에 따른 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법과 대부분 동일하나, 마주하는 두 원통형 타겟(200a, 200b) 사이에도 직류 또는 교류 전원 장치(400)를 더 연결할 수 있다. 구체적으로 전원 장치(400)는 양극성 직류(DC bipolar) 방식, 직류 펄스(DC pulse) 방식 등을 이용하는 직류 전원 장치 또는 교류 전원 장치일 수 있고, 또는 DC 전원과 AC 전원을 함께 사용할 수도 있다.
이에 따르면 플라스마 이온 또는 하전 입자들은 마주하는 두 원통형 타겟(200a, 200b) 사이에 더욱 효과적으로 구속되어 기판(110) 상의 유기층(150)에 높은 에너지로 충돌하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 9를 참조하면, 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법은 앞에서 설명한 도 8에 도시한 실시예에 따른 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법과 대부분 동일하나, 원통형 타겟(200a)의 내부의 마그넷(210a)과 이에 마주하는 원통형 타겟(200b)의 내부의 마그넷(210b)은 서로 반대의 극이 마주하도록 배치되어 있을 수 있다. 이에 따른 효과는 앞에서 설명한 도 7에 대한 설명과 같다.
도 10을 참조하면, 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법은 앞에서 설명한 도 4 내지 도 9에 도시한 실시예 중 어느 하나에 따른 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법과 대부분 동일하나, 마주하는 두 원통형 타겟(200a, 200b) 사이에 추가 마그넷(500)이 더 위치할 수 있다. 추가 마그넷(500)은 두 원통형 타겟(200a, 200b) 사이의 영역 중에서도 두 원통 축(Ca, Cb)을 잇는 직선(Lc)을 기준으로 기판(110)과 먼 쪽에 위치할 수 있다.
추가 마그넷(500)은 접지 전압 또는 애노드 전압에 연결될 수 있다. 추가 마그넷(500)은 막대 또는 봉 형태의 도전성 케이스 내부에 설치될 수 있다. 도전성 케이스에는 접지 전압이 인가될 수 있다. 추가 마그넷(500)과 원통형 타겟(200a, 200b) 내부의 마그넷(210a, 210b) 사이에 자기력선(300)이 연속적으로 형성될 수 있다.
이에 따르면, 플라스마 이온 또는 하전 입자들이 추가 마그넷(500)에 의해 생성된 자기력선(300)에 의해 더 구속되어 기판(110)과 원통형 타겟(200a, 200b) 사이의 공간에 플라스마가 형성되는 것으로 더 효과적으로 제한할 수 있다. 따라서 원통형 타겟(200a, 200b)의 마그넷(210a, 210b)의 방향을 조금 더 기판(110) 쪽으로 향하게 마그넷 각(Anga, Angb)을 30도보다 작게 하여도 유기층(150)의 손상을 줄이면서 박막 전극의 성막률을 향상시킬 수 있다.
추가 마그넷(500) 또는 이를 내부에 포함하는 도전성 케이스에는 접지 전압, 애노드 전압 외에도 캐소드 전압 등의 다양한 전압을 선택하여 인가할 수도 있다. 이에 따르면 이온, 하전 입자 등을 그 전하의 극성에 따라 선택적으로 추가 마그넷(500) 쪽으로 유도할 수 있다. 그러면 유기층(150)의 손상에 영향을 주는 입자가 주로 띠는 전하에 따라 추가 마그넷(500)에 인가하는 전압을 선택하여 스퍼터링 공정에서 유기층(150)의 손상 요인을 더 효과적으로 감소시킬 수 있다.
도 10의 실시예에서 추가 마그넷(500)의 위치에 도전성 케이스만 위치하거나 별도의 전극이 위치할 수도 있다. 이 경우 도전성 케이스 또는 별도의 전극에는 접지 전압, 애노드 전압, 또는 캐소드 전압 중 하나가 인가될 수 있다.
도 10의 실시예에서 원통형 타겟(200a)의 내부의 마그넷(210a)과 이에 마주하는 원통형 타겟(200b)의 내부의 마그넷(210b)이 서로 반대의 극이 마주하도록 배치되어 있으나 이에 한정되지 않는다. 즉, 앞에서 설명한 도 4의 실시예와 같이 원통형 타겟(200a)의 내부의 마그넷(210a)과 이에 마주하는 원통형 타겟(200b)의 내부의 마그넷(210b)이 서로 동일한 극이 마주하도록 배치되어 있을 수도 있다.
도 10의 실시예에서 마주하는 두 원통형 타겟(200a, 200b) 사이에 연결된 직류 또는 교류 전원 장치(400)는 생략될 수도 있다.
도 10의 실시예에서 추가 마그넷(500)의 N극 및 S극이 x 방향으로 이웃하도록 배치되어 있으나 이에 한정되지 않고 N극 및 S극이 z 방향으로 이웃하도록 배치될 수도 있다.
도 11을 참조하면, 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 방법은 앞에서 설명한 도 10에 도시한 실시예와 대부분 동일하나, 원통형 타겟(200a)의 내부의 마그넷(210a)과 이에 마주하는 원통형 타겟(200b)의 내부의 마그넷(210b)이 서로 동일한 극이 마주하도록 배치되어 있는 예를 도시한다.
도 11의 실시예에서 마주하는 두 원통형 타겟(200a, 200b) 사이에 연결된 직류 또는 교류 전원 장치(400)는 생략될 수도 있다.
도 11의 실시예에서 추가 마그넷(500)의 N극 및 S극이 z 방향으로 이웃하도록 배치되어 있으나 이에 한정되지 않고 N극 및 S극이 x 방향으로 이웃하도록 배치될 수도 있다.
위에서 설명한 여러 실시예에서는 하나의 스퍼터링 장치(1000, 1000a)가 짝수 개의 원통형 타겟(200a, 200b, 200c, 200d)을 포함하는 예를 주로 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 하나의 스퍼터링 장치(1000, 1000a)가 홀수 개의 원통형 타겟을 포함할 수도 있다. 예를 들어 앞에서 설명한 도 4, 7, 8, 9, 10, 11의 스퍼터링 장치에서 하나의 원통형 타겟(200a 또는 200b)은 생략될 수도 있다.
도 12는 비교예에 따른 스퍼터링 장치를 이용해 증착된 박막 전극을 포함한 발광 소자의 특성의 그래프(GR1, GR3) 및 한 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 이용해 증착된 박막 전극을 포함한 발광 소자의 특성을 비교한 그래프(GR2)다.
먼저 그래프(GR3)는, 본 실시예들과 달리 원통형 타겟의 마그넷의 마그넷 각을 30도보다 작게 하여 마그넷이 기판을 향하게 하고 원통형 타겟과 챔버 사이에 DC 전압을 인가하고 스퍼터링을 하여 형성된 상부 전극을 포함하는 발광 다이오드의 전압에 대한 전류 밀도(current density) 특성을 나타낸다.
그래프(GR3)를 보면 마이너스 전압인 역전압에서 발광 다이오드의 누설 전류가 증가하여 발광 다이오드의 정류 특성이 없어진 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 표시 장치의 화소의 발광 영역에 암점이 나타날 수 있다. 이는 비교예의 경우 높은 에너지를 갖는 스퍼터링된 타겟 입자, 플라스마 이온, 하전 입자 등이 기판(110) 상의 유기층(150)에 손상을 가한 것에 기인한다.
반면, 그래프(GR2)는 본 발명의 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 사용하여 형성된 상부 전극(160)을 포함하는 발광 다이오드의 전압에 대한 전류 밀도 특성을 나타낸다.
그래프(GR2)를 보면 마이너스 전압인 역전압에서 발광 다이오드의 누설 전류가 감소하여 정상정직 발광 다이오드의 특성을 나타낸다. 그래프(GR1)는, 열증착 공정을 이용해 상부 전극(160)을 유기층(150) 위에 증착하여 형성된 발광 다이오드의 전압에 대한 전류 밀도 특성을 나타낸 그래프로서 본 실시예에 따른 그래프(GR2)와 거의 일치함을 확인할 수 있다. 이에 따르면 표시 장치의 화소의 발광 영역에 이상 없이 깨끗한 발광 상태를 유지할 수 있다.
본 실시예에 따른 스퍼터링 장치를 이용한 스퍼터링 공정을 이용해 상부 전극(160)을 형성 시, 열증착 공정을 이용하는 경우에 비해 재료를 충진하는 주기를 상당히 길게 할 수 있고 스퍼터링 공정 시에만 타겟의 재료가 소모되므로 재료의 손실 및 공정 시간을 최소화하고 증착 재료의 사용 효율을 높일 수 있다. 또한 열증착 공정의 경우 대형 표시 장치의 상부 전극을 형성하는 것이 용이하지 않으나 본 실시예에 따르면 표시 장치의 대형화에 따른 넓은 금속 박막 전극을 용이하게 형성할 수 있고, 열증착 공정 대비 금속 박막의 밀도를 높게 할 수 있어 발광 다이오드의 수명 및 효율을 향상할 수 있다. 또한 열증착 공정시 스플래시 현상에 의해 평탄하지 못한 상부 전극의 부분을 커버하기 위해 밀봉층의 유기막을 두껍게 형성하여야 했으나 본 실시예에 따르면 그럴 필요가 없으므로 밀봉층을 얇게 할 수 있고 플렉서블 표시 장치의 굴곡되는 곡률 반경을 더욱 감소시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 기판 홀더
110: 기판
120: 트랜지스터 어레이 층
130: 절연층
140: 하부 전극
150: 유기층
160: 상부 전극
170: 캐핑층
200a, 200b, 200c, 200d: 원통형 타겟
210a, 210b: 마그넷
250: 마그넷 지지부
400: 전원 장치
500: 추가 마그넷
800: 구동부
900: 지지 부재
1000, 1000a: 스퍼터링 장치

Claims (20)

  1. 제1방향으로 배열되어 있으며 서로 나란한 제1 원통형 타겟 및 제2 원통형 타겟,
    상기 제1 원통형 타겟 내부에 위치하는 하나 이상의 제1 마그넷,
    상기 제2 원통형 타겟 내부에 위치하는 하나 이상의 제2 마그넷,
    상기 제1방향에 수직인 제2방향으로 상기 제1 및 제2 원통형 타겟과 이격된 기판 홀더를 포함하고,
    상기 제1 원통형 타겟의 원통 축에서 상기 기판 홀더의 윗면에 내린 수선을 제1 수선이라 하고, 상기 제2 원통형 타겟의 원통 축에서 상기 기판 홀더의 윗면에 내린 수선을 제2 수선이라 할 때,
    상기 하나 이상의 제1 마그넷의 중앙에서 상기 제1 원통형 타겟의 원통 축까지의 제1 직선이 상기 제1 수선과 이루는 제1각, 그리고 상기 하나 이상의 제2 마그넷의 중앙에서 상기 제2 원통형 타겟의 원통 축까지의 제2 직선이 상기 제2 수선과 이루는 제2각은 각각 30도 내지 180도를 이루고,
    상기 기판 홀더를 고정한 상태에서 상기 제1 및 제2 원통형 타겟을 상기 제1방향으로 이동시키거나 상기 제1 및 제2 원통형 타겟을 고정한 상태에서 상기 기판 홀더를 상기 제1방향으로 이동시키도록 구성된 구동부를 포함하는
    스퍼터링 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 및 제2 원통형 타겟은 투과성 또는 반투과성 박막 전극을 형성하기 위한 금속을 포함하는 스퍼터링 장치.
  3. 제2항에서,
    스퍼터링 공정 중에
    상기 제1 및 제2 원통형 타겟은 각각의 원통 축을 중심으로 회전하고,
    상기 제1 마그넷 및 상기 제2 마그넷은 스윙하지 않는
    스퍼터링 장치.
  4. 제2항에서,
    상기 제1각과 상기 제2각은 서로 동일한 스퍼터링 장치.
  5. 제2항에서,
    상기 제1 마그넷과 상기 제2 마그넷은 서로 동일한 극이 마주하도록 배치된 스퍼터링 장치.
  6. 제2항에서,
    상기 제1 마그넷과 상기 제2 마그넷은 서로 반대의 극이 마주하도록 배치된 스퍼터링 장치.
  7. 제2항에서,
    상기 제1 원통형 타겟과 상기 제2 원통형 타겟 사이에 연결된 직류 또는 교류 전원 장치를 더 포함하는 스퍼터링 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 전원 장치는 양극성 직류 방식 또는 직류 펄스 방식을 이용하는 스퍼터링 장치.
  9. 제2항에서,
    상기 제1 원통형 타겟과 상기 제2 원통형 타겟 사이에 위치하는 추가 마그넷을 더 포함하는 스퍼터링 장치.
  10. 제9항에서,
    상기 추가 마그넷은 상기 제1 원통형 타겟의 원통 축과 상기 제2 원통형 타겟의 원통 축을 잇는 직선을 기준으로 상기 기판 홀더로부터 먼 쪽에 위치하는 스퍼터링 장치.
  11. 제10항에서,
    상기 추가 마그넷에 접지 전압이 연결되어 있는 스퍼터링 장치.
  12. 챔버 안에 유기층이 증착된 기판을 위치시키는 단계,
    챔버 안에 플라스마 발생용 가스를 주입하는 단계,
    상기 챔버 안에 위치하고 제1방향으로 배열되어 있으며 서로 나란한 제1 원통형 타겟 및 제2 원통형 타겟에 전압을 인가하여 플라스마를 발생시키는 단계, 그리고
    상기 유기층 상에 상기 제1 및 제2 원통형 타겟의 입자가 적층되어 박막 전극을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 원통형 타겟의 원통 축에서 상기 기판 홀더의 윗면에 내린 수선을 제1 수선이라 하고, 상기 제2 원통형 타겟의 원통 축에서 상기 기판 홀더의 윗면에 내린 수선을 제2 수선이라 할 때,
    상기 제1 원통형 타겟 내부에 위치하는 제1 마그넷의 중앙에서 상기 제1 원통형 타겟의 원통 축까지의 제1 직선이 상기 제1 수선과 이루는 제1각, 그리고 상기 제2 원통형 타겟 내부에 위치하는 제2 마그넷의 중앙에서 상기 제2 원통형 타겟의 원통 축까지의 제2 직선이 상기 제2 수선과 이루는 제2각은 각각 30도 내지 180도를 이루는
    스퍼터링 방법.
  13. 제12항에서,
    상기 박막 전극을 형성하는 단계에서, 상기 기판 홀더를 고정한 상태에서 상기 제1 및 제2 원통형 타겟을 상기 제1방향으로 이동시키거나 상기 제1 및 제2 원통형 타겟을 고정한 상태에서 상기 기판 홀더를 상기 제1방향으로 이동시키는 스퍼터링 방법.
  14. 제12항에서,
    상기 제1 및 제2 원통형 타겟은 투과성 또는 반투과성 박막 전극을 형성하기 위한 금속을 포함하는 스퍼터링 방법.
  15. 제12항에서,
    상기 박막 전극을 형성하는 단계에서,
    상기 제1 및 제2 원통형 타겟은 각각의 원통 축을 중심으로 회전하고,
    상기 제1 마그넷 및 상기 제2 마그넷은 스윙하지 않는
    스퍼터링 방법.
  16. 제12항에서,
    상기 제1각과 상기 제2각은 서로 동일한 스퍼터링 방법.
  17. 제12항에서,
    상기 제1 마그넷과 상기 제2 마그넷은 서로 동일한 극이 마주하도록 배치된 스퍼터링 방법.
  18. 제12항에서,
    상기 제1 마그넷과 상기 제2 마그넷은 서로 반대의 극이 마주하도록 배치된 스퍼터링 방법.
  19. 제12항에서,
    상기 제1 원통형 타겟과 상기 제2 원통형 타겟 사이에 직류 또는 교류 전원을 인가하는 단계를 더 포함하는 스퍼터링 방법.
  20. 제12항에서,
    상기 제1 원통형 타겟과 상기 제2 원통형 타겟 사이에 위치하는 추가 마그넷을 더 포함하는 스퍼터링 방법.
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