KR100495751B1

KR100495751B1 - 진공 상태에서의 기판 도포 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100495751B1
Application number: KR10-2002-7005091A
Authority: KR
Inventors: 게리엘.스미스
Original assignee: 커트 제이. 레스커 컴파니
Priority date: 1999-10-22
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2005-06-17
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: EP1246951A1; TW574396B; CN1402800A; CN1175126C; AU1339401A; KR20020068039A; WO2001031081A1; EP1246951A4; CA2388178A1; DE10085115T1; JP2003513169A

Abstract

실질적으로 종방향의 배출 요소를 갖는 재료원이 기판과 재료원 사이의 도달 거리를 증가시키지 않고 기판의 표면을 도포하는 실질적으로 종방향인 증착 배출 플롬을 형성하기 위해서 사용되는 진공 상태에서 기판의 표면에 증착 물질을 도포하는 방법 및 장치가 개시된다.

Description

진공 상태에서의 기판 도포 방법 및 그 장치{METHOD AND APPARATUS FOR COATING A SUBSTRATE IN A VACUUM}

본 발명은 도포제에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공 상태에서 증착 물질을 사용하여 기판을 도포하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 증착 물질을 사용한 기판의 도포는 기화된 증착 물질이 그 기화된 증착 물질의 온도보다 낮은 온도인 기판에 응축되도록 진공 상태에서의 증착 물질의 기화와 관련되어 있다.

유기성 장치들(organic-based devices)의 제조에 있어서, 얇고 편평한 필름형의 기판은 기판의 적어도 하나의 면에 보통은 유기성의 화학적인 도포 공정으로 도포된다. 기판의 재료는 유리 또는 플라스틱/중합체를 재질로 하여 형성될 수 있으며, 전형적으로는 평평한 구조를 이룬다. 그러나, 곡선형으로 구부러지거나 평평하지 않은 표면으로 이루어질 수도 있다. 일반적으로, 현재 기판 재료의 기술적 능력의 한계 때문에 도포되어지는 기판의 크기는 수 평방 인치로 제한되어 있는 실정이다.

유기성 발광 소자 (organic-based LED devices), 유기성 레이저 (organic-based lasers), 유기성 광기전력 패널 (organic-based photo-voltaic panels), 및 유기성 집적 회로 (organic-based integrated circuits)와 같은 대부분의 유기성 장치들의 제조 공정 동안, 전형적으로는 도 1에 도시된 바와 같은 점광원 도가니(point source crucible; A) 또는 변형 점광원 도가니를 사용하여 진공 상태에서 화학제들 및 증착 물질들이 기판에 도포된다. 화학제들이 가열되면, 그 화학제들은 기화하여, 코사인 형태(cosine-shaped)의 방출 플룸 모양으로 배출공(B)을 통하여 점광원 도가니(A)로부터 방출된다. 그러면, 기판(D)은 일 평면(E)이 점광원 도가니(A)와 마주보도록 고정 위치에 지지되거나, 또는 방출 플룸(C)내에서 회전된다. 기화된 화학제의 일정량이 기판(D)의 일 평면(E)에 증착되어, 하나의 막을 형성한다.

경우에 따라서는, 변형된 점광원들은 균일하지 않은 가우스 플럭스 분포(gaussian flux distribution)를 형성하기 위하여 사용되기도 한다. 변형 점광원들의 예로는 마티스 타입 보트들(R.D. Mathis-type boats), 크누센 셀들(Knudsen cells), 유도로 광원들(induction furnace sources)이 있다. 그러나, 점광원 도가니 또는 변형 점광원 도가니의 일반적인 단점은 그 디자인에 있다. 화학제의 증발률을 제어하는 능력은 재료의 온도 및 낮은 열용량(heat capacities)과 낮은 열전도도(heat conductivity)를 갖는 열구배에 대한 섬세하고 정확한 제어와 관련되어 있다. 점광원/가우스 재료원들은 전형적으로 복사 반사기, 절연체 및 1,000℃ 내지 2,000℃의 고온에서 금속과 염류가 높은 증발률을 갖도록 하는 배플을 사용한다. 그러나, 이러한 재료원들은 100℃ 내지 600℃의 저온에서는 유기성 화학제를 증발시키기에는 부적합하다. 많은 유기성 화학제에 가해지는 과도한 열은 재료원으로부터 화학제를 내뿜어, 기판에 성장되어 있는 막을 파괴하고, 이를 청소하고 재장전하기 위해서 사용이 정지되는 진공 시스템을 필요로 한다. 또 다른 문제점은 기화된 화학제들이 점광원 또는 변형 점광원들의 도가니들의 배출구에 빈번히 응축된다는 것이다. 기화된 화학제들의 응축은 배출구들을 변형시키거나 폐색시키기 시작하여, 화학제들은 도가니의 가열된 내부로 다시 낙하하여 기판으로 분출한다. 분출 결함(spit defects)을 갖는 필름들은 높은 표면 거칠기(surface roughness)의 값을 나타내며 또한 전체 증착층들에 대해서 핀홀 결함(pinhole defects)을 나타낼 수 있기 때문에, 이러한 분출은 화학 필름의 균질 분포를 파괴시킨다. 또한, 광원 구멍 응축은 유동 분출 분포를 변경함으로써 증착된 필름의 균일성을 하락시킨다.

점광원 및 변형 점광원 도가니들의 또 다른 단점은 플럭스 균일성(flux uniformity)의 어떠한 축(axis)도 발견될 수 없다는 것이다. 점광원 및 변형 점광원 도가니들은 플럭스 각도가 적게 유지될 경우에만 상대적으로 균일한 필름을 형성한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 플럭스 각도 α,β,γ는 점광원 도가니의 배출구로부터 연장된 수직축(N)으로부터 도 1에 도시된 코사인-형태의 기둥(C)의 가장자리의 배출구까지 측정된다. 도 2에 도시된 각도 α와 같이 플럭스 각도를 적게 유지시키는 유일한 방법은 점광원 도가니(A)와 참조 번호 D1, D2, 및 D3로 각각 나타내어지는 기판들과 같은 기판의 일 평면(E) 사이의 분리 거리(separation distance) 또는 도달 거리(throw distance)를 크게 증가시키는 것이다. 예를 들면, 기판(D2)이 완전히 도포되기 위해서는 플럭스 각도(α)를 일정하게 유지하면서 기판(D3)의 위치로 이동할 필요가 있다. 이러한 이동은 도달 거리를 TD2에서 TD3로 증가시킨다. 이와 유사하게, 기판(D3)이 기판(D1)의 위치로 즉, 도달 거리 TD3에서 TD1로, 이동하면, 기판(D3)의 극히 일부만이 도포되며 더구나 도포된 증착층은 균일성에 있어서 떨어진다. 막 균일성(film uniformity)은 반도체 가공된 장치들과 같은 광적(photonic) 또는 전자적(electronic) 적용에 사용되는 유기성 층들의 매우 중요한 특징이다. 그러므로, 유기성 필름들이 95%의 균일성 또는 그 이상의 균일성을 유지하지 못하면 이러한 장치들을 적절하게 사용될 수 없다.

95% 또는 그 이상의 균일한 필름을 형성하기 위한 도달 거리는 예견될 수 있다. 예를 들어, 이러한 균일성 요건이 6-인치 스퀘어 기판에 적용되려면, 약 2.5피트의 도달 거리가 요구될 수 있다. 이에 비해서, 24-인치 평방 기판은 약 9.5 피트의 도달 거리를 필요로 한다. 막 성장률은 도가니와 기판 사이의 거리의 제곱에 반비례하기 때문에, 도달 거리의 이러한 증가는 생산 공정을 발전을 방해한다.

유기성 재료들의 막 성장률은 전형적으로 초당 옹스트롬(Angstrom)으로 표현된다. 예를 들면, 12-인치 기판을 95%의 균질막과 1,000 옹스트롬의 두께로 도포하기 위해서는 1피트 또는 그 이하의 도달 거리가 바람직하다. 이러한 1피트의 도달 거리로는 그 화학 증착율은 약 55초의 도포 시간에 해당하는, 초당 18 옹스트롬이 된다. 역으로, 9.5 피트의 도달 거리로는 그 증착율이 초당 2 옹스트롬으로, 1.5시간이 증착시간으로 소요된다.

막 성장율의 증가와 더불어, 도달 거리의 증가도 생산비를 크게 증가시킨다. 첫째, 증가된 도달 거리를 수용하기에 충분하도록 진공 채임버(vacuum chamber)의 크기가 증가되어야 하기 때문에, 보다 강력한 진공 펌프 뿐만 아니라 보다 큰 진공 채임버가 필요하다. 둘째, 도달 거리의 증가는 증착 효율을 감소시키기 때문에, 고가의 화학제가 상당히 낭비된다. 셋째, 기판에 도달하지 못한 기화된 유기제는 진공 채임버의 내벽에 증착되기 때문에, 진공 채임버가 생산 설비로부터 제거되어 더 자주 손질되어야 한다. 유기성 액체 전자 표시기(organic liquid electronic displays)들을 생산하는데 사용되는 것들과 같은 몇몇의 화학제들은 값이 고가일 뿐만 아니라 독성이 있기 때문에, 이러한 손질은 비용이 많이 든다. 점광원 또는 변형 점광원 도가니들은 1 내지 10 제곱 센티미터의 화학제만을 보유하기 때문에 그 비용은 더욱 증가한다. 그러므로, 진공 채임버가 대기 상태로 돌아와서, 진공 채임버가 손질되고, 도가니가 다시 채워지며, 진공 채임버가 다시 진공 상태가 되기 전에, 단지 몇 개의 기판만이 도포될 수 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 기판의 너비가 증가함에 따른 도달 거리의 증가 없이 크기가 더 커진 기판의 도포가 가능한 진공 상태에서 기판을 도포하는 방법 및 그 장치를 제조하여, 도포과정 동안 기판에 더 많은 증착 물질이 도포되고, 적재 휴지시간(loading downtime)을 줄이며, 손질시간(cleaning time)을 줄이도록 하는 것이다.

도 1은 종래의 1점광원 도가니(single point source crucible)의 측면도이다.

도 2는 도가니에 근접하여 위치하는 순차적으로 커진 기판들을 갖는 도 1에 도시된 종래의 1점광원 도가니의 측면도이다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 재료원(material source)의 절개 사시도이다.

도 4는 도 3에 도시된 재료원의 횡단면도이다.

도 5는 도 3에 도시된 재료원의 종단면도이다.

도 6은 도 3 내지 도 5에 도시된 재료원의 실질적으로 종방향의 구성요소를 따라 동축으로 연장된 방출 플룸(emission plume)의 상부 사시도이다.

도 7은 도 5에 도시된 재료원 두개가 진공 채임버 내부에 배치되어 있는 상태를 나타내는 상면도이다.

도 8은 도 5 내지 도 7에 도시된 재료원 네개가 진공 채임버 내부에 오프셋각으로 배치되어 있는 상태를 나타내는 단면도이다.

도 9는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 복수 개의 재료원들의 상면도이다.

도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 재료원의 사시도이다.

도 11은 그 외면에 근접하여 위치하는 저항 가열체(resistive heating element)를 갖는 제 1 도관의 사시도이다.

도 12는 도 10 및 도 11에 도시된 제 1 도관 및 제 1 도관의 내부에 배치되는 제 2 도관의 횡단면도이다.

도 13은 도 10에 도시된 본 발명의 제 3 실시예에 따른 재료원의 종단면도이다.

종래 기술들과 관련된 문제점들을 해결하기 위해서, 본 발명은 증착 물질로 기판을 도포하는 진공 증착 시스템을 포함한다. 본 발명의 진공 증착 시스템은 진공 채임버, 진공 채임버 내부에 배치되는 재료원을 포함한다. 재료원은 실질적으로 종방향의 배출 요소를 갖고 내부 캐버티와 내부 캐버티에 유동적으로 연결되는 배출구를 정의하며 종축을 따라 연장되는 몸체를 갖는다. 열원이 재료원의 몸체에 근접하여 배치된다.

몸체의 종축에 평행하여 측정되는 너비를 갖는 기판이 진공 채임버 내부에 배치되며, 기판의 너비가 증가함에 따라 기판의 일면과 배출구 사이에서 측정되는 도달 거리는 일정하게 유지된다. 바람직하게는, 재료원의 몸체의 실질적 종방향 요소가 기판의 너비와 동일하거나 기판의 너비보다 적다.

재료원은 종방향으로 연장된 한 쌍의 종단벽과 한 쌍의 횡단벽을 갖는 열개된 구유 형태의 몸체를 포함할 수 있고, 종단벽 및 횡단벽은 몸체의 내부 캐버티를 정의한다. 재료원의 몸체는 배출구에 근접하여 배치된 상단부와 밑면을 정의하며, 열원은 몸체의 밑면보다는 몸체의 상단부에 배치되는 다수의 가열체를 갖는 히팅 코일(heating coil)이다. 배출구는 몸체의 실질적 종방향의 배출 요소를 따라 계속적으로 연장될 수 있고, 리브들이 재료원의 몸체에 의해 정의되는 내부 캐버티에 위치할 수 있다.

재료원은 내부 캐버티 및 내부 캐버티에 유동적으로 연결된 제 1 배출구를 정의하는 제 1 도관을 더 포함할 수 있고, 몸체는 제 1 도관의 내부 캐버티에 수용된 제 2 도관일 수 있다. 제 1 도관에 의해 정의되는 제 1 배출구는 제 2 도관에 의해 정의되는 배출구와 함께 배열되거나, 아니면, 제 1 도관에 의해 정의되는 제 1 배출구는 제 2 도관에 의해 정의되는 배출구와 비일치하는 구조로 배열될 수 있다.

몸체의 타입과는 상관없이, 공정 제어 장치가 재료원의 몸체에 연결될 수 있다.

재료원과 진공 채임버를 사용하여 기판을 도포하는 방법은:

a. 종축을 따라 연장되며, 실질적으로 종방향의 배출 요소를 갖고, 내부 캐버티와 내부 캐버티에 유동적으로 연결되는 배출구를 정의하는 몸체를 갖는 재료원을 진공 채임버 내에 배치시키는 단계;

b. 진공 채임버 내에 기판을 재료원의 몸체에 의해 정의되는 배출구와 마주보도록 배치시키는 단계;

c. 증착 물질을 재료원의 몸체에 의해 정의되는 내부 캐버티 내에 적재하는 단계;

d. 진공 상태를 형성하도록 진공 채임버를 진공으로 만드는 단계;

e. 재료원의 몸체의 내부 캐버티내의 증착 물질을 가열하는 단계;

f. 몸체의 실질적 종방향 요소를 따라 기화된 증착 물질을 배출하는 단계; 및

g. 기판을 기화된 증착 물질을 통하여 이동시키는 단계를 포함한다.

기판은 기화된 증착 물질을 통하여 일정한 속도로 이동될 수 있다. 기판의 도포가 완료되면, 기판들은 다른 공정으로 이동되거나, 아니면, 진공 채임버가 열리고, 도포된 기판들이 제거되고, 새로운 기판들이 추가되고, 진공 채임버가 다시 진공 상태가 되어, 앞서 설명된 과정들을 반복한다.

진공 상태에서 기판의 표면에 증착 물질을 도포하기 위해 사용되는 재료원의 한 타입은 점광원 도가니와 변형 도가니 또는 그 조합으로 이루어지며, 각각 내부 캐버티와 내부 캐버티에 유동적으로 연결되는 적어도 하나의 배출구를 정의하는 두 개의 몸체, 및 두 개의 몸체 각각에 근접하여 배치되는 가열체를 포함한다. 두 개의 몸체들이 공통의 종축을 따라 배열되어 하나의 실질적인 종방향의 배출 요소를 형성한다. 공정 제어 장치가 재료원의 두 개의 몸체 중 하나에 연결될 수 있고, 두 개의 몸체의 내부 캐버티는 유기성 화학제 및 유기성 화합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 증착 물질을 수용하도록 형성된다.

진공 상태에서 기판의 표면에 증착 물질을 도포하기 위해 사용되는 재료원의 또 다른 하나의 타입은 종축을 따라 연장되며, 실질적으로 종방향의 배출 요소를 갖고, 내부 캐버티와 내부 캐버티에 유동적으로 연결되는 배출구를 정의하는 몸체, 및 재료원의 몸체에 근접하여 배치되는 열원을 포함한다. 배출구는 몸체의 실질적 종방향 배출 요소를 따라 계속적으로 연장될 수 있고, 리브들이 재료원의 몸체에 의해 정의되는 내부 캐버티에 위치할 수 있다. 재료원은 종방향으로 연장된 한 쌍의 종단벽과 한 쌍의 횡단벽을 갖는 열개된 구유 형태인 몸체를 포함하며, 종단벽 및 횡단벽은 몸체의 내부 캐버티를 정의한다.

재료원은 또한 내부 캐버티 및 내부 캐버티에 유동적으로 연결된 제 1 배출구를 정의하는 제 1 도관을 더 포함할 수 있고, 이 때, 몸체는 제 1 도관의 내부 캐버티에 수용된 제 2 도관이다. 열원은 제 1 도관 또는 제 2 도관에 근접하여 배치되며, 열전도 전기 절연체로 이루어진 제 1 층, 전도 물질로 이루어진 제 2 층, 및 열전도 전기 절연체로 이루어진 제 3층을 포함한다. 제 1 도관에 의해 정의되는 제 1 배출구는 제 2 도관에 의해 정의되는 배출구와 배열되거나 제 2 도관에 의해 정의되는 배출구와 비일치하는 구조로 배열될 수 있다.

도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 재료원의 제 1 실시예를 도시한다. 도 3은 유기성 화학제, 유기 화합물 또는 다른 적합한 물질들과 같은 증착 물질(14)들을 증발시키기 위한 구유 도가니(12) 타입의 재료원(10)을 도시하고 있다. 구유 도가니(12)는 종축(L)에 대하여 연장된 상부가 열개된 몸체(16)를 포함한다. 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 몸체(16)는 한 쌍의 마주보는 종단벽(18), 한 쌍의 마주보는 횡단벽(20), 및 밑면(22)으로 구성되며, 모든 구성요소들은 일체로 형성되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 종단벽(18) 및 횡단벽(20)은 바람직하게는 동일한 너비를 갖는다. 그러나, 도 7에 도시된 바와 같이, 종단벽(18)은 바람직하게는 횡단벽(20)의 길이(EL)보다 긴 길이(SL)를 갖는다. 종단벽(18)은 횡단벽(20)의 길이(EL)보다 긴 길이(SL)로 연장되기 때문에, 몸체(16)는 종단 길이(SL)와 거의 비슷한 실질적으로 종방향인 구성요소 및 횡단 길이(EL)와 거의 비슷하고 종방향 구성요소보다는 작은 횡방향 구성요소를 갖는다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 12-인치 평방 기판(24)을 도포하기 위한 15-인치 길이의 종단벽(18)의 사용에서처럼, 구유 도가니(12)의 종단벽(18)은 도포되고자 하는 기판(24)보다 긴 것이 바람직하다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 몸체(16)의 종단벽(18), 횡단벽(20), 및 밑면(22)은 내부 캐버티(26)와 배출공(27)을 정의한다. 또한, 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같은 몸체(16)의 밑면(22)은 내부 캐버티(26) 및 밑면의 제 1 면(30)에 근접하여 위치하며 바람직하게는 종단벽(18) 사이에 형성되는 리브(28)들을 정의한다. 구유 도가니(12)의 수직 플럭스의 조준 및 증착 물질(14)의 구유 도가니(12)로의 적재를 돕기 위해서, 리브(28)는 기계가공(machining)과 같은 방법에 의해서 몸체(16)에 일체로 형성된다. 도 6 및 도 6에 도시된 바와 같이, 증착 물질(14)가 약 50 평방 센티미터 내지 100 평방 센티미터의 바람직한 부하로 적재되었을 때에도 구유 도가니(12) 전체가 축(L2) 주위를 약간 회전하도록 리브(28)는 유기 물질과 같은 증착 물질(14)를 보유한다. 몸체(16) 및 리브(28)는 열 전도 물질, 바람직하게는, 균일한 열분배(heat distribution)를 형성하는 물질로부터 형성된다. 세라믹이 바람직하다. 그러나, 금속 또는 다른 적당한 물질들도 사용될 수 있다. 몸체(16)의 내구성과 성능을 강화시키기 위해서 다양한 도포 방법이 몸체(16)에 적용된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 구유 도가니(12)는 종축(L) 주위를 약간 회전할 수 있다. 이러한 구조 덕택에, 유기성 화학제들과 같은 서로 다른 증착 물질(14)로 각각 적재되는 복수 개의 구유 도가니(12)들이 형성되어 보통의 증착축(32)을 따라 기화된 화학제들이 방출될 수 있도록 한다. 서로 다른 기화 증착 물질(14)들이 혼합구역(34)에서 혼합되어 기판(24)으로 더 균일하게 분포될 수 있다. 증착 물질(14)들을 혼합 구역(34)으로 도입하고 증착 물질(14)들의 기판(14)으로의 통행을 제한하기 위해서 개구(36)가 형성될 수 있다.

도 3 내지 도 4 및 도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 가열체(38)들이 몸체(16)에, 바람직하게는, 종단벽(18)의 외면에 근접하여 배치된다. 가열체(38)들이 더욱 집중되는 경우에는, 가열체(38)들이 배출구(27)에 근접한 각각의 종단벽(18)의 상부 가장자리(40)에 근접하여 배치된다. 각 종단벽(18)의 배출구(27)에 근접하는 가열체(38)들의 집중 배치는 기화 증착 물질(14)들의 재결정화를 막도록 도와준다. 이와 유사하게, 구유 도가니(12)의 밑면(22)에 저온을 갖는 수직 온도 구배를 도입함으로써, 밑면(22) 근처에서 생기는 이럽션(eruption)으로부터 분출(spitting)이 감소한다. 가열체(38)들은 바람직하게는 표면 실장되지만, 삽입되거나 종단벽(18)에 근접하여 배치될 수도 있다. 아니면, 가열 램프(도시되지 않음), 구유 도가니(12)의 종단벽(18)으로부터 일정 거리 떨어져서 위치하는 가열체(38), 또는 인덕션(induction)에 의해서 열이 공급될 수도 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전원 공급 리드(42)들이 가열체(38)들에 연결되어 있다. 열전대 온도 감지 프로브(thermocouple temperature sensing probe; 44)는 구유 도가니(12), 바람직하게는, 밑면(22)에 근접하여 배치된다. 열전대 온도 감지 프로브(44)는 감지 장치 및 도포 공정을 조절하는 다른 공정 제어 장치(45)에 연결된다.

적절한 전원 제어에 의해서, 증착 물질(14)들의 온도는 사전 설정된 값들로 경사질 수 있다. 석영 크리스털 마이크로발란스(quartz crystal microbalance)와 같은 적절한 증착 물질(14) 배출 모니터링에 의해서, 증착 물질(14)는 미리 설정된 증착율 또는 배출율로 조절될 수 있다. 보다 고성능의 출력 제어기(power controller) 및 크리스털 센서(crystal sensor)의 사용으로, 가스 제거를 위해서 미리 프로그램된 열적 루틴(thermal routine)들이 설정될 수 있으며, 진공 상태는 구유 도가니(12) 타입의 재료원(10)의 보다 신속한 턴어라운드(turnaround)를 위한 증착 물질(14) 부하를 준비할 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같은 본 발명의 제 2 실시예에서는, 재료원(10')은 진공 채임버(48)내에 선형 배열로 종축(L')을 따라 배열된 복수 개의 점광원 도가니(46)를 포함하여, 선형 배열의 총 길이(LA)와 거의 동일한 실질적으로 종방향인 배출 요소를 형성시킨다. 제 1 실시예의 재료원(10)과 동일하게, 제 2 실시예는 재료원의 횡방향 구성 요소보다 큰 실질적 종방향 배출 요소를 갖는 재료원(10')을 제공한다. 각각의 점광원 도가니(46)는 배출구(27'), 가열체(38'), 전원 공급 리드(42'), 열전대 온도 감지 프로브(44')를 형성하는 몸체(16')를 갖는다. 선형 배열 패턴은 도 3 내지 도 8에 도시된 구유 도가니(12)의 선형 출력을 크게 모사할 수 있어서, 몇 몇 인치 이상의 너비(W2)를 갖는 기판(24)들을 도포하는데 유용하다. 그러나, 혜택들은 분출(spitting)과 분리된 전원 공급(power supply), 온도 디스플레이(temperature display), 크리스털 헤드(crystal head), 피드백(feedback), 제어 루프(control loop)를 위한 다수의 요건들과 같이 알려진 결함들에 의해 누그러진다.

본 발명의 제 3 실시예에 따른 재료원(10'')이 도 10 내지 도 13에 도시된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 제 3 실시예의 재료원(10'')은 제 1 도관(56) 또는 선택 열 차폐체(optional heat shield; 94)에 의해 부분적으로 도포되는 실질적으로 공동(hollow)의 다른 구조물을 포함한다. 제 1 도관(56)은 적어도 하나의 배출구(27'')를 정의하는 두 개의 서로 마주보는 단부(58, 60)를 갖는다. 제 1 도관(56)은 포스트(post; 62) 또는 그와 유사한 고정 지지체 또는 밑면(64)에 부착되는 하드웨어에 의해서 지지된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 그리드 패턴(grid pattern)과 같은 저항 가열체(74)가 제 1 도관(56)의 외면(76)에 근접하여 배치된다.

도 12에 도시된 바와 같이, 제 2 도관(66) 또는 배출구에 유동적으로 연결된 내부 캐버티(inner cavity) 를 정의하는 다른 구조는 제 1 도관(56)에 의해 정의되는 내부 캐버티(68)에 정착된다. 유기성 또는 다른 화학제와 같은 증착 물질(14)를 수신하기 위한 구조의 제 2 도관(66)을 제 2 배출구(27''')에 유동적으로 연결된 제 2 내부 캐버티(70)를 정의한다. 제 1 도관(56) 및 제 2 도관(66)은 세라믹 또는 다른 적당한 재질로 형성된다. 제 1 도관(56)의 중심축(C1)을 제 2 도관(66)의 중심축(C2)에 일치시키거나 편심되어 배치될 수 있다. 제 2 배출구(27''')는 제 1 도관(56)에 의해 정의되는 배출구(27'')와 함께 배열되거나, 또는 배출구들(27'', 27''')은 제 2 도관(66)과 기판(24)에 의해 수신되는 증착 물질(14)들 사이에 가시 경로(sight path; SP)의 라인을 표시하지 않는 제 1 도관(56) 및 제 2 도관(66)에 의해 정의되는 배출구(27'', 27''')를 갖는 비일치하는 배열 구조로 배열될 수도 있다. 제 1 도관(56) 및 제 2 도관(66)의 배열을 돕기 위해서, 석영 또는 기타 적합한 물질로 이루어진 선택 고정 로드(72)들이 제 1 도관(56)의 마주 보는 단부(58, 60)들 사이에 연장될 수도 있다. 다수의 화학제들의 배출을 위해서, 제 1 도관(56) 내에 제 2 도관(66)이 추가적으로 수용될 수 있다.

도 13은 그리드 타입의 저항 가열체(74)가 또 다른 저항 가열체(74')로 대체된 본 발명의 제 3 실시예를 상세히 도시한다. 저항 가열체(74')는 알루미늄과 같은 열전도 전기 절연체로 이루어진 제 1 층(78), NiCr 또는 다른 적절한 전도 물질로 이루어진 제 2 저항층(80), 및 열전도 전기 절연체로 이루어진 제 3 층(78')을 포함한다. 상기한 바와 같이, 열 차폐체(94) 및 절연 버튼(96)이 열전도 전기 절연체로 이루어진 제 3층에 근접하여 배치될 수 있다.

도 13을 참조하면, 제 1 및 제 2 도관(56, 66)은 함께 자리잡는다. 제 1 도관(56)의 마주 보는 단부 중 일 단부(58)는 제 2 도관(66)의 탈착가능하도록 부착되어 있는 제 2 도관(66)의 단부(84)에 탈착가능하도록 부착되어 있다. 부싱(bushing; 90)들에 의해 둘러싸인 로드(88)는 제 1 도관(56)의 일 단부(58) 및 그에 해당하는 제 2 도관(66)의 일 단부(84)를 통해 연장된다. 부싱(90')들에 의해 둘러싸인 로드(88)는 제 1 도관(56)의 마주 보는 다른 단부(60) 및 그에 해당하는 제 2 도관(66)의 마주 보는 다른 단부(86)를 통해 연장된다. 제 2 로드(88')는 밑면(64)에 연결된 노치가 형성된 지지암(92)에 의해 지지된다. 열 차폐체(92) 및 열 차폐체(92)를 배치하기 위해 사용되는 절연 버튼(94)은 이미 설명된 바 있다.

적어도 하나의 전극(98)이 제 3 실시예의 재료원(10'')의 밑면(64)을 통해 연장되고, 세라믹 또는 다른 적합한 물질과 같은 절연 물질(100)에 의해서 밑면(64)으로부터 전기적으로 절연된다. 전극(98)은 전원 리드(42)에 의해 저항 가열체(74'')에 연결된다. 전기 접촉 클램프(102)들이 제 1 도관(56)을 전극(98)에 탈착가능하도록 부착시킨다.

본 발명의 어느 하나의 실시예에 따른 재료원이 기판(24)을 도포하기 위해 사용될 수 있다. 구유 도가니(12) 또는 공동의 도관(56'')을 갖는 재료원(10, 10'')이 바람직하다. 명확함을 위해서, 이하, 제 1실시예만이 설명된다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 도포 과정은 증착 물질(14)를 재료원(10)에 위치시키는 것에서부터 시작하여, 하나 또는 그 이상의 재료원(10) 또는 그 이상의 기판(24)을 진공 채임버(48)에 위치시킨다. 재료원(10)들은 서로 평행하도록 위치시켜야 한다. 여기서, 각 기판(24)의 기판축(50)은 평행하는 재료원들(10)의 종축(L)에 대략 직각으로 위치한다.

재료원(10), 진공 채임버(48), 및 원하는 량만큼의 증착 물질(14)의 가스를 제거하는 단계가 선택적으로 추가된다. 예를 들어, 구유 도가니(12)로의 증착 물질(14)의 적재는 일반적으로 70 평방 센티미터 내지 100 평방 센티미터이나, 그러나 재료원(10)의 크기에 따라 증가되거나 감소될 수 있다.

다음 단계는 원하는 진공 압력으로, 바람직하게는 1×10^(-3) Torr로, 통상적으로는 9×10^(-6) Torr 또는 다른 적합한 진공 압력으로 진공 채임버(48)를 진공 상태로 만드는 것이다. 일단 적합한 진공이 형성되면, 다음 단계는 증착 물질(14)가 기화되고 기화된 증착 물질(14)의 플롬(52)을 방출할 때까지, 하나 또는 그 이상의 재료원(10)에 적재된 증착 물질(14)를 가열한다. 일단, 기화가 시작되면, 다음 단계는 도 7 또는 도 8에 도시된 바와 같이, 선형 형태의 플롬(52)을 통하여 기판(24)을 일정한 속력(v)으로 이동시킨다. 일반적으로, 막 증착 특성(film deposition characteristics)은 90% 보다 큰 막 균일성을 갖는 10 이상의 초당 옹스트롱의 성장율(growth rate)이다. 기판(24)은 바람직하게는 오버헤드 컨베이어(overhead conveyor; 도시되지 않음)를 갖는 적절한 이동 장치에 의해 이동될 수 있다.

본 발명의 제 3 실시예에 따른 재료원(10'')의 기작에 있어서는, 증착 물질(14)가 제 2 도관(66)에 적재되고, 제 1 도관(56)의 내면(82)으로부터 방사열 전이(radioactive heat transfer)에 의해서 가열된다. 증착 물질(14)는 기화되어, 제 2 도관(66)에 의해 정의되는 배출구 또는 개구(27'')와 제 1도관(56)에 의해 정의되는 배출구(27''') 또는 개구들을 통과하여, 진공 채임버(48)로 향한다. 제 2 도관(66)에 의해 정의되는 배출구(27''')는 제 1 및 제 2 도관(56, 66)에 의해 정의되는 배출구(27''', 27'')와 일치하거나, 또는 제 1 및 제 2 도관(56, 66)의 배출구(27''', 27'')가 증착 물질(14)와 기판(24) 사이에 가시 경로(SP)의 라인을 나타내지 않도록 비일치되는 구조로 배열될 수 있다.

도 7 및 도 8에 도시되어 있지만 본 발명의 모든 실시예들에 일반적으로 적용되어지는 바와 같이, 재료원(10)의 선형 설계는 기판(24)이 기화 증착 물질(14)의 플롬(52)들을 통과함에 따라, 기판(24)의 가장자리(54)로의 막 균일성을 보장하도록 도와준다. 그러나, 구유 도가니(12) 또는 공동의 도관 타입의 재료원(10)이 사용되는 경우에, 종방향(SL)의 종단벽(18) 또는 도관을 기판(24)의 너비(W2)보다 길게 형성함으로써, 막 균일성이 최고로 성취된다. 이는 재료원(10)의 횡단벽(20)으로부터 방출을 후원하는데 이용되는 집적 가우스 플럭스 배출 각도들의 수 감소 때문이다. 다양한 배출구 또는 개구 치수들의 사용이 이러한 효과를 상쇄시키고, 재료원의 방출에 대해 더 균일한 방출을 하도록 이용될 수 있다.

본 발명은 크기가 큰 기판(24)들이 증착 물질(14)로 도포되도록 한다. 증착 물질(14)의 낭비, 잠재적인 위험 물질로의 노출, 더 큰 진공 채임버(48)에 대한 요구, 도포 시간, 및 도포 과정에 들어가는 비용을 줄임과 동시에 이러한 결과가 이루어지게 된다. 본 발명은 점광원 또는 변형 점광원에 의해서 생산되는 플롬보다 더 긴 재료원의 종방향 구성 요소에 대해 일반적으로 선형인 기화 플롬을 본 발명은 제공하기 때문에, 점광원 또는 그와 결합된 코사인 분포 플롬에서 관찰되어 지는 비균일성이 제거되거나 또는 상당히 감소된다. 더욱이, 95%의 균일성 수준을 성취하기 위해서 도달 거리를 수 피트로 증가시키기보다는, 도포되어지는 기판의 측면의 표면적의 크기에 상관없이, 도달 거리가 1 피트 이하가 되도록 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 대다수의 가우스 배출 각도들이 일정한 속도로 재료원 또는 재료원들을 통과하는 기판들의 증착을 위해 사용될 수 있다는 것이다. 이는 진공 채임버의 내면을 불필요하게 도포시키기보다는, 기판에 직접 증착되는 화학제의 퍼센트를 크게 증가시킨다. 이는 휴지 시간을 줄이고, 도포되어지는 각 기판에 대한 유기성 화학제 비용을 크게 줄인다. 이와 관련하여 얻어지는 혜택은 재료원이 1점광원 또는 변형 점광원보다 더 긴 종방향 구조를 갖기 때문에, 더 많은 화학제들이 재료원에 적재될 수 있고, 그로 인해, 상업적 이용으로의 휴지 시간을 줄여 광원이 재료원의 재충진 기간 사이에 더 많은 기판들을 도포할 수 있도록 한다.

이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 명백할 것이다.

재료원이 표준 격벽(standard feedthrough)과 전원 연결부를 갖기 때문에, 유연성(flexibility) 또한 향상된다. 선형의 스푸터(sputter) 재료원들을 수용할 수 있는 진공 시스템이라면 어떠한 시스템이라도 그 위치에서 재료원과 재연결될 수 있다. 6-인치 내지 12-인치의 원형 스푸터 재료원에 연결되는 진공 시스템들은 그와 동일하거나 유사한 크기의 재료원을 더 수용할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 유기 증착 능력을 획득하기 위해서 새로운 진공 시스템들이 제조될 필요를 덜어줄 수 있다. 또한, 재료원은 제한적인 채임버 크기 내에 뱅크식(in banks) 또는 어레이식(in arrays)으로 배치될 수 있다. 몇몇의 재료원들은 하나의 재료원이 증착 물질을 다 써버렸을 때, 다음의 재료원이 이용되도록 진공 시스템 내에 준비될 수 있다. 더욱이, 낮은 열구배와 도가니 작동 온도 때문에, 재료의 분출(spitting)은 구유 도가니 타입 또는 도관 타입의 재료원으로부터 실질적으로 일어난다.

Claims

진공 상태의(evacuated) 진공 채임버;

(i) 실질적으로 종축을 따라 연장되고 내부 캐버티를 정의하고 밑면을 가지며, 내부 캐버티에 유동적으로 연결되는 적어도 하나의 실질적으로 종방향의 배출구를 갖는 몸체;

(ⅱ) 몸체 내에서 이의 내부 벽으로부터 이격되어 배치되고, 몸체의 종축에 실질적으로 평행한 축으로 연장되고 적어도 하나의 실질적으로 종방향의 배출구를 가지며, 그 외부 표면상에 등각의(conformal) 전기 회로를 포함하고, 이 회로는 전기 절연성 유전 물질 및 전기 전도성 금속 물질의 교호 층을 포함하는 가열체;

(ⅲ) 가열체 내에 배치되고 저온 증발 특성 및 승화 특성 중 적어도 하나를 갖는 증착 물질; 및

(ⅳ) 증착 물질과 직접 접촉 및 간접 접촉 중 적어도 하나로 접촉하고 증착 물질의 온도를 측정하도록 구성되는 온도 감지 프로브를 포함하는 재료원;

가열체의 금속 물질에 전기적으로 연결되는 전원 공급기; 및

원하는 증기 배출율을 달성하도록 전원 공급기를 조절하되, 이 조절은 온도 감지 프로브 및 배출 모니터 중 적어도 하나로부터의 피드백에 기초하는 지능형(intelligent) 제어기를 포함하며,

증착 물질은 가열체에 의해 가열되고, 증착 물질은 가열체의 배출구 및 몸체의 배출구를 통하여 기판으로 배출됨으로써, 코팅을 형성하는 것을 특징으로 하는,

기판의 표면으로 물질의 진공 증착을 위한 시스템.
제 1 항에 있어서, 기판은 몸체의 종축에 평행하여 측정되는 너비를 가지며, 기판의 너비가 증가함에 따라 기판의 일면과 배출구 사이에서 측정되는 도달 거리는 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 기판은 몸체의 종축에 평행하여 측정되는 너비를 가지며, 재료원의 몸체의 실질적 종방향 요소가 기판의 너비와 동일한 것을 특징으로 하는 시스템.
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제 1 항에 있어서, 증착 물질은 유기성 화학제 화합물인 것을 특징으로 하는 시스템.
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(a) 밑면을 갖고 종축을 따라 연장되며, 실질적으로 종방향의 배출 요소를 갖고, 내부 캐버티를 정의하며, 내부 캐버티에 유동적으로 연결되는 배출구를 갖고, 배출구에 인접하여 배치되는 상단부를 갖는 몸체를 구비하는 재료원을 진공 채임버 내에 배치시키는 단계;

(b) 진공 채임버 내에 기판을 재료원 배출구와 마주보도록 배치시키는 단계;

(c) 재료원의 축 단부에 배치되는 탈부착 가능한 액세스(access) 포트를 통하여 증착 물질을 재료원의 몸체의 내부 캐버티 내에 적재하는 단계;

(d) 진공 상태를 형성하도록 진공 채임버를 진공으로 만드는 단계;

(e) 증착 물질의 온도가 휘발 및 오염물질 가스 제거에 충분하고 증착 물질의 증발 및 승화 임계값 중 적어도 하나 미만이 되도록, 몸체의 종축을 따라 몸체의 내부 캐버티 내의 증착 물질을 가열하는 단계;

(f) 동력이 있는 열원을 통하여 가열하고, 증착 물질을 휘발시키는 단계;

(g) 몸체의 배출구로부터 기화된 증착 물질을 일정 배출율로 배출하는 단계;

(h) 열원에 공급되는 전원을 제어함으로써 배출율을 제어하는 단계; 및

(i) 기판을 기화된 증착 물질을 통하여 배출율에 비례하는 속도로 이동시킴으로써, 원하는 코팅 두께를 제공하는 단계를 포함하며,

증착 물질은 가열체의 외부 표면상에 등각의 전기 저항 회로를 포함하는 가열체에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는,

재료원 및 진공 채임버를 이용하여 기판을 코팅하는 방법.
제 16 항에 있어서, 기판은 기화된 증착 물질을 통하여 일정한 속도로 이동하는 것을 특징으로 하는 방법.
밑면을 갖고 실질적으로 종축을 따라 연장되며, 내부 캐버티를 정의하고 내부 캐버티에 유동적으로 연결되는 적어도 하나의 실질적으로 종방향의 배출구를 갖는 몸체;

몸체 내에서 이의 내부 벽으로부터 이격되어 배치되고, 몸체의 종축에 실질적으로 평행한 축으로 연장되고 적어도 하나의 실질적으로 종방향의 배출구를 갖는 가열체;

가열체 내에 배치되고 저온 증발 특성 및 승화 특성 중 적어도 하나를 갖는 증착 물질; 및

증착 물질과 직접 접촉 및 간접 접촉 중 적어도 하나로 접촉하고 증착 물질의 온도를 측정하도록 구성되는 온도 감지 프로브를 포함하며,

가열체는 가열체의 외부 표면상에 등각의 전기 저항 회로와 이 전기 회로에 전원을 공급하는 적어도 하나의 전기 연결부를 포함하고,

몸체와 가열체의 몸체는 서로에 대하여 회전 가능하여, 몸체의 배출구는 가열체의 배출구와 비정렬 가능한 것을 특징으로 하는,

기판의 표면으로 증착 물질의 진공 증착을 위한 재료원.
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제 18 항에 있어서, 재료원의 몸체 및 가열체의 몸체 중 적어도 하나와 통신하는 공정 제어 장치를 더욱 포함하는 재료원.
제 18 항에 있어서, 증착 물질은 유기성 화학제 화합물인 것을 특징으로 하는 재료원.
제 1 항에 있어서, 지능형 제어기는 온도 감지 프로브와 통신하고 이로부터의 피드백을 수신하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 온도 감지 프로브는 열전대인 것을 특징으로 하는 시스템.
제 24 항에 있어서, 열전대는 "K" 타입 열전대인 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 온도 감지 프로브는 저항 온도 검출기인 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 조절은 배출 모니터로부터의 피드백에 기초하고, 배출 모니터는 기화된 물질 플럭스의 속도를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 27 항에 있어서, 지능형 제어기는 배출 모니터와 통신하고 이로부터의 피드백을 수신하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 27 항에 있어서, 배출 모니터는 석영 크리스털 마이크로발란스인 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 일정한 속도로 증기 플럭스를 통하여 기판을 이동시키도록 구성되는 기판 수송 메커니즘을 더욱 포함하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 재료원의 몸체의 축 단부에 인접하여 배치되는 적어도 하나의 탈부착 가능한 엔드 캡(end cap)을 더욱 포함하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 가열체는 가열체 및 증착 물질 중 적어도 하나를 통한 수직 온도 구배를 생성하기 위하여, 종방향 배출구에 인접하여 열용량의 집중을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 유전 물질은 알루미나, 유리 및 세라믹 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 금속 물질은 몰리브덴, 니켈, 니켈-크롬, 티타늄, 텅스텐 및 철-크롬-알루미늄 중에서 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 가열체의 전기 회로는 가열체 내에 삽입되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 증착 물질은 약 100℃ 및 약 600℃ 사이에서 증발 및 승화 임계값 중 적어도 하나를 나타내는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 1 항에 있어서, 실질적으로 증착 물질을 둘러싸는 몸체를 갖고 적어도 하나의 배출구를 갖는 도가니를 더욱 포함하는 시스템.
제 37 항에 있어서, 도가니의 배출구는 원하는 배출 플럭스 프로파일을 생성하도록, 크기에서 가변 가능하고 가열체의 배출구와 재료원의 몸체의 배출구와 관련하여 구성되는 복수 개의 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 37 항에 있어서, 도가니의 배출구는 원하는 배출 플럭스 프로파일을 생성하도록, 간격에서 가변 가능하고 가열체의 배출구와 재료원의 몸체의 배출구와 관련하여 구성되는 복수 개의 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 16 항에 있어서, 증착 물질을 몸체의 내부 캐버티로부터 배출하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
제 16 항에 있어서, 증착 물질 및 다음의 증착 물질 중 적어도 하나로 단계 (b) 내지 (i)를 반복하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
제 18 항에 있어서, 온도 감지 프로브는 증착 물질과 직접 접촉하고 증착 물질의 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 재료원.
제 18 항에 있어서, 온도 감지 프로브는 가열체, 재료원의 몸체, 실질적으로 증착 물질을 둘러싸는 몸체를 갖는 도가니 중 하나와의 접촉에 의하여 증착 물질의 온도를 간접적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 재료원.
제 18 항에 있어서, 실질적으로 증착 물질을 둘러싸는 몸체를 갖고 적어도 하나의 배출구를 갖는 도가니를 더욱 포함하는 재료원.
제 44 항에 있어서, 도가니의 배출구는 원하는 배출 플럭스 프로파일을 생성하도록, 크기에서 가변 가능하고 가열체의 배출구와 재료원의 몸체의 배출구와 관련하여 구성되는 복수 개의 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료원.
제 44 항에 있어서, 도가니의 배출구는 원하는 배출 플럭스 프로파일을 생성하도록, 간격에서 가변 가능하고 가열체의 배출구와 재료원의 몸체의 배출구와 관련하여 구성되는 복수 개의 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료원.
제 18 항에 있어서, 증착 물질은 약 100℃ 및 약 600℃ 사이에서 증발 및 승화 임계값 중 적어도 하나를 나타내는 것을 특징으로 하는 재료원.
제 18 항에 있어서, 증착 물질의 출입을 제공하도록, 재료원의 몸체의 축 단부에 배치되는 적어도 하나의 탈부착 가능한 엔드 캡을 더욱 포함하는 재료원.
제 18 항에 있어서, 가열체는 가열체의 상부에 인접하여 열용량의 높은 집중을 포함함으로써, 가열체에서 수직 온도 구배를 제공하는 것을 특징으로 하는 재료원.