KR100909428B1 - 이온빔 보조 전자빔 다층막 증착장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온빔 보조 전자빔 다층막 증착장치에 관한 것으로 진공 챔버와, 피증착물을 지지하는 피증착물 지지대와, 피증착물의 하측에 설치된 전자빔 소스와, 전자빔 소스의 전자빔에 의해 증착 입자를 방출하는 증착 물질 및 증착 물질로부터 방출된 증착 입자에 에너지를 전달하도록 이온빔을 방출하는 이온빔 소스를 구비한 다층막 증착장치에 있어서, 상기 진공 챔버의 내경을 확대하되 진공 챔버 내부의 부피증가로 인해 작업 후 아르곤 가스 배출 속도의 저하를 방지하기 위해 진공 챔버의 높이는 줄이고, 전자빔 소스의 위치는 외벽에서 내측으로 280~320mm 간격이 유지되게 하며, 이온빔 소스는 진공 챔버의 중심선에서 180~220mm 간격의 위치에 각각 설치하고, 상기 진공 챔버의 내경은 1650~2050㎜로 제작하되 상기 진공 챔버의 내경 대 높이의 비율은 1 : 0.75~0.85로 제작하여 대형 시트의 증착을 가능하게 함은 물론 증착 제품의 생산성을 크게 향상시킬 수 있으며, 제품의 균일도 및 재현성을 제고하여 증착공정의 안정성을 확보함으로써 증착 제품의 적용분야를 확대할 수 있는 효과가 있는 것이다.

증착장치, 다층막, 진공챔버, 전자빔, 이온빔

Description

이온빔 보조 전자빔 다층막 증착장치{The deposition device of multi-layer film using an electron beam as the secondary ion beam}

본 발명은 증착장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이온빔 보조 증착을 통해 저항 가열식 증착 및 스퍼터링 증착의 장점을 결합하여 증착 박막의 조밀도를 높이고 밀착력을 향상시켜 제품의 생산성 및 수율 향상을 극대화할 수 있는 다기능의 이온빔 보조 전자빔 다층막 증착장치에 관한 것이다.

일반적으로 증착장치는 반도체 기판과 같은 피증착물에 증착막을 형성하는 장치로서, 그 증착 방식에 따라 물리 기상 증착(physical vapor deposition) 방식과 화학 기상 증착(chemical vapor deposition) 방식으로 구분되어지고 있다.

이와 같이 구분되는 것 중에서 물리 기상 증착 방식은 증착 물질로부터 증착 입자를 방출시키도록 증착 물질에 높은 에너지를 갖는 입자를 충돌시켜 피증착물에 증착시키는 방법으로 스퍼터링 방식과 진공 증착 방식으로 분류될 수 있다. 그리고 진공 증착 방식 중에는 발생된 증착 입자에 에너지를 전달하도록 이온빔을 발생시키는 이온빔 소스가 부가된 이온빔 보조 증착 방식이 개발되어 사용되고 있다.

종래의 스퍼터링 방식을 사용한 증착장치를 개략적으로 도시한 도 1를 참조하여 보면, 종래의 스퍼터링 증착장치(100)는 스퍼터 챔버(110)와, 피증착물(105)을 지지하는 피증착물 지지대(111)와, 증착 입자를 방출하는 증착 물질인 타깃(target)(115)과, 타깃(115)을 지지하며 타깃(115)의 주위에 플라즈마를 형성하여 타깃(115)으로부터 증착 입자를 방출시키는 스퍼터 소스(117)를 포함한다.

스퍼터 챔버(110)는 진공 펌프(113)에 의해 0.001torr 내지 0.01torr 정도의 진공도를 갖도록 진공상태로 되며, 플라즈마를 발생시키도록 주로 아르곤(Ar) 가스로 충진된다. 스퍼터 소스(117)는 타깃(115) 부근에 플라즈마가 형성되도록 자석 등을 구비하며, 타깃(115)에 음(-) 전압을 인가하게 된다.

상기한 바와 같은 종래의 스퍼터링 증착장치(100)는 타깃(115)에 음(-) 전압이 인가되면 타깃(115)의 부근에 플라즈마가 형성되어 플라즈마 내의 양(+) 전하를 띤 이온이 타깃(115)의 표면에 충돌하게 되며, 수십 내지 수백 eV(electron volt)의 에너지를 갖는 증착 입자가 스퍼터링되어 피증착물에 증착된다.

그러나, 상기 종래의 스퍼터링 증착장치는 스퍼터링된 증착 입자의 에너지가 수십 내지 수백 eV 정도이므로 피증착물과 증착막 사이에 믹싱 레이어(mixing layer)를 형성하기 어려워 피증착물과 증착막 사이의 밀착력을 향상시키기가 용이하지 않은 문제점이 있으므로, 종래의 음이온 보조 증착장치 및 스퍼터링 증착장치의 장점을 갖는 증착장치의 필요성이 요구된다. 그런데, 이러한 종래의 음이온 보조 증착장치 및 스퍼터링 증착장치에 설치된 챔버들은 각각의 다른 진공도를 가지게 되므로 이들의 결합을 위해서는 여러가지의 기술적인 곤란성을 극복해야 하는 문제가 있다.

또한, 종래의 화학 기상 증착 방식의 증착장치는 전자총에서 발사된 전자빔이 편향수단에 의해 소스(source)를 타격하여 점가열에 의해 증기화함으로써 기화된 소스의 증기가 피증착물인 기판에 부착되어 성막, 즉 증착되도록 하고 있다.

그런데, 기판의 연속투입과 증착 등 증착장치의 연속제어를 위해서는 소스의 연속공급이 필요하므로, 이에 따라 크루시블(crucible)을 링(ring)형태의 용기로 구성하여 턴테이블(turn table)처럼 회전시키면서 그 일측에는 입상(粒狀)의 소스를 연속적으로 공급하여 복수의 소스가 순차적으로 증착에 투입될 수 있게 하는 구성의 증착장치가 일반적으로 사용되고 있다.

이러한 방식의 증착장치는 증착분위기 내의 온도 편차를 감소시키는데 유효하며, 실제 증착에 사용되는 소스들은 전자빔이 랜딩되는 부위의 소스들 만으로 점(點) 소스라고 할 수 있는데, 이러한 점 소스는 기판이 어느 정도 이하의 작은 크기의 경우에는 별다른 문제가 없으나, 최근 평판표시소자의 대형화 등의 경향에 따라 피증착물인 기판이 대형화되고 있어서 이와 같은 점 소스로 대형의 기판을 균일하게 증착하기에는 어려움이 따른다.

이러한 문제를 해소하기 위해 이온빔을 보조로 사용한 이온빔 보조 증착장치가 사용되고 있으며, 이러한 종래의 이온빔 보조 증착장치를 개략적으로 설명하고 있는 도 2를 참조하여 보면, 이온빔 보조 증착장치(200)는 진공 챔버(210)와, 피증착물(205)을 지지하는 피증착물 지지대(211)와, 피증착물(205)의 하측에 마련되어 전자빔 소스(electron beam source)(217)에서 발생된 전자빔에 의해 증착 입자를 방출하는 증착 물질(215)과, 증착 물질(215)로부터 방출된 증착 입자에 에너지를 전달하도록 이온빔을 방출하는 이온빔 소스(ion beam source)(227)를 포함한다.

진공 챔버(210)는 진공 펌프(213)에 의해 0.0001torr 정도의 진공도를 갖도록 진공된다. 이온빔 소스(227)는 주로 아르곤(Ar) 가스를 공급받아 고에너지를 갖는 이온빔을 발생하게 된다.

상기한 바와 같은 종래의 이온빔 보조 증착장치(200)는 전자빔에 의해 증착 물질(215)로부터 방출된 증착 입자를 피증착물(205)에 증착시킬 수 있다. 이때, 이온빔 소스(227)에서 고에너지를 갖는 이온빔을 방출하여 증착 입자에 전달함으로써 피증착물(205)과 증착막 사이에 믹싱 레이어(mixing layer)를 형성하여 피증착물(205)에 증착된 증착막의 밀착력을 향상시킬 수 있다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래의 이온빔 보조 증착장치는 전자빔 소스에서 발생된 전자빔에 의해 증착 물질로부터 증착 입자를 방출하도록 구성되어 있으므로 증착 물질의 소모량이 상당히 크며, 이러한 증착 물질이 고가의 금속인 경우에는 비용이 증가하는 문제가 있다.

또한, 상기한 바와 같은 종래의 이온빔 보조 증착장치는 기존에는 대부분 소형 시트(sheet)에 다층막을 증착할 수 있는 정도의 크기에 맞추어 진공 챔버가 설계되어 있으므로, 최근 제품의 대형화 추세에 따른 대형 시트(sheet)에 대한 증착이 필요한 경우에는 사용상에 어려움이 있어 기존의 이온빔 보조 증착장치로는 대형 시트(sheet) 피증착물의 생산성, 제품의 균일도 및 재현성이 낮아 증착 단가가 높아져 적용분야의 확대에 어려움이 있었다.

본 발명은 상기한 문제를 감안하여 창안한 것으로, 대형 시트(sheet)의 장착을 위해 증착장치의 진공 챔버를 대구경화하되 진공 챔버의 구조를 변경하고 전자빔 소스 및 이온빔 소스의 설치 위치를 최적화하여 피증착물의 생산성, 제품의 균일도 및 재현성을 제고하고 증착공정의 안정화를 확보할 수 있는 이온빔 보조 전자빔 다층막 증착장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 이온빔 보조 전자빔 다층막 증착장치는 진공 챔버와, 피증착물을 지지하는 피증착물 지지대와, 피증착물의 하측에 설치된 전자빔 소스와, 전자빔 소스의 전자빔에 의해 증착 입자를 방출하는 증착 물질 및 증착 물질로부터 방출된 증착 입자에 에너지를 전달하도록 이온빔을 방출하는 이온빔 소스를 구비한 다층막 증착장치에 있어서, 상기 진공 챔버의 내경을 확대하되 진공 챔버 내부의 부피증가로 인해 작업 후 아르곤 가스 배출 속도의 저하를 방지하기 위해 진공 챔버의 높이는 줄이고, 전자빔 소스의 위치는 외벽에서 내측으로 280~320mm 간격을 유지되게 하며, 이온빔 소스는 진공 챔버의 중심선에서 180~220mm 간격의 위치에 각각 설치한다.

또한, 상기 진공 챔버의 내경은 1650~2050㎜로 제작하되, 상기 진공 챔버의 내경(φ) 대 높이(h)는 1 : 0.75~0.85의 비율로 제작된다.

본 발명은 증착장치의 진공 챔버를 대구경화하되 진공 챔버의 구조를 변경하고, 전자빔 소스 및 이온빔 소스의 설치 위치를 최적화함으로써, 대형 시트(sheet) 제품의 장착을 가능하게 하여 증착하게 되므로 증착제품의 생산성을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 제품의 균일도 및 재현성을 제고하여 증착공정의 안정성을 확보함으로써 제품의 증착단가를 낮추게 되며 증착의 적용분야를 확대할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

첨부된 도면 도 3에는 본 발명에 따른 이온빔 보조 전자빔 다층막 증착장치를 설명하기 위한 일단면의 구성도가 개략적으로 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이온빔 보조 전자빔 다층막 증착장치(300)는 진공 챔버(310)와, 피증착물(305)을 지지하는 피증착물 지지대(311)와, 피증착물(305)의 하측에 설치된 전자빔 소스(317)와, 전자빔 소스(317)의 전자빔에 의해 증착 입자를 방출하는 증착 물질 및 증착 물질로부터 방출된 증착 입자에 에너지를 전달하도록 이온빔을 방출하는 이온빔 소스(327)로 구비되어 이루어지며, 상기 진공 챔버(310)의 내경(φ)은 1650~2050㎜로 확대 제작하되, 진공 챔버(310) 내부의 부피증가로 인해 작업 종료 후 진공 챔버 내의 아르곤 가스 배출속도의 저하를 방지하기 위해 진공 챔버의 높이(h)를 줄여서 상기 진공 챔버(310)의 내경(φ) 대 높이(h)는 1 : 0.75~0.85의 비율로 제작된다.

또한, 상기 전자빔 소스(317)는 외벽에서 내측으로 280~320mm의 간격(b)이 유지되는 위치에 설치되며, 이온빔 소스(327)는 진공 챔버(310)의 중심선에서 180~220mm의 간격(a)이 유지되는 위치에 설치하여 피증착물의 균일도 및 재현성과 증착공정의 안정성을 확보한 것이 특징이다.

상기 전자빔 소스(317)의 점 증착물질을 이용하여 박막을 형성하는 경우에 적층막의 두께 분포는 점 증착물질의 바로 위에서 가장 두껍고 가장자리로 갈수록 얇아진다. 이러한 두께 분포는 L. Holland 및 W. Steckelmacher 등이 제안한 코사인(Cosine) 함수 분포를 가진다고 알려져 있으며, 점 증착물질을 사용하는 경우에 점 증착물질의 형태와 증발조건에 따른 증발되는 물질의 이방성 정도에 따라 증착 속도 및 증착의 형태가 달라지기 때문에 점 증착물질의 형태와 증발조건에 의해 증착 박막의 두께와 증착 효율을 추산할 수 있다. 이러한 증발되는 물질의 이방성 정도는 실험적으로 점 증착물질에서 증착된 박막의 두께분포를 측정하여 구할 수 있다.

이온빔 보조 전자빔 다층막 증착장치에 있어서, 증발되는 증착 물질의 이방성 정도와 증착 소스의 위치를 알고 있는 경우에 피증착물의 증착면에서의 두께는 코사인(Cosine) 함수로 표현되며, 대면적 기판의 경우에 기판 내 박막의 두께 균일도를 얻기 위해서는 2세대 기판을 사용하는 경우에 대비하여 피증착물인 기판과 증착 물질과의 높이 및 중심에서의 거리가 매우 커져야 한다. 이는 점 증착물질이 피증착물과 매우 멀어져야 하며 피증착물의 중심을 기점으로 바깥쪽으로 멀리 이동함을 의미한다. 이러한 경우에 두께 균일도는 확보될 수 있지만 증착 속도와 재료의 증착 효율은 더욱 낮아진다. 이러한 낮은 재료의 증착 효율을 극복하기 위한 방법으로 증착 물질의 위치를 피증착물인 기판에 더욱 가깝게 설치하여 재료의 증착 효율을 증가시키는 방법이 제시될 수 있다.

또한, 전자빔 소스의 점 증착물질을 사용하는 경우에 증착되는 박막의 두께 균일도를 확보할 수 있는 영역이 매우 제한적이기 때문에 넓은 영역에서 박막의 두께 균일도를 얻기 위해서는 본 발명에서 같이 피증착물인 기판을 회전시켜야 하며, 점 증착물질을 이용하는 경우에 2세대 글라스에서 예컨대, OLED 소자 정도에 요구되는 두께 균일도를 얻을 수 있지만 이 경우 재료의 사용 효율은 상대적으로 매우 나쁘다. 대부분의 물질은 기판 외부에 증착되므로 예상되는 재료의 사용 효율은 약 5% 정도이다. 이러한 낮은 증착 효율을 증가시키기 위해서 점 증착물질의 디자인을 개선하여 증발되는 물질의 이방성 정도를 증가시키면 가능할 수 있지만 이 역시 10% 미만의 효율에 그친다. 대면적 기판에서 점 증착원을 사용하면 10% 미만의 증착 효율을 나타내지만 대면적 기판과 증착원의 거리를 줄이면 증착 효율을 개선할 수 있다.

본 발명에서는 여러가지의 반복적 실험과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 진공 챔버의 높이(h)를 줄여 진공 챔버의 내경(φ) 대 높이(h)는 1 : 0.75~0.85의 비율로 설계하는 것이 박막의 두께 균일도가 최적의 상태로 됨을 확인하였으며, 또한 전자빔 소스는 외벽에서 내측으로 280~320mm의 간격(b)이 유지되는 위치에, 이온빔 소스는 진공 챔버의 중심선에서 180~220mm의 간격(a)이 유지되는 위치에 각각 설치하는 것이 대형 시트(sheet)에 대한 피증착물의 균일도와 제품의 재현성 및 증착공정의 안정성에 최적의 조건임을 알게 되었다.

아래의 [표 1]은 본 발명에 따라 제작된 이온빔 보조 전자빔 다층막 증착장치를 이용하여 증착 장비의 진공 챔버의 내경 및 지그 사이즈(JIG Size)별 피증착물의 장착수량 및 생산수량을 나타낸 것이다.

	장착수량(1Charge당)			생산량(시간당)			일일생산량			비 고
	1650φ	1850φ	2050φ	1650φ	1850φ	2050φ	1650φ	1850φ	2050φ	양·단면
제품,JIG Size 200×275	32	40	48	38.4	43.6	48	768	872	960	양면
250×350			36			36			720	양면
275×350	16	20	24	19.2	21.8	24	84	436	480	양면
300×390	14	18	22	16.8	19.6	22	336	392	440	양면
300×400	14	18	22	16.8	19.6	22	336	392	440	양면
345×440	12	14	18	14.4	15.2	18	288	304	360	양면
365×400	12	14	18	14.4	15.2	18	288	304	360	양면
400×500	6	10	14	7.2	10.9	14	144	218	280	양면
400×550	5	6	8	10	11.2	13.5	200	224	270	단면

상기 [표 1]에 기재된 생산량은 일일 24시간 중 장비유지 보수 및 휴무 시간 등으로 4시간을 제외한 20시간을 생산기준으로 산출한 것이며, 1650φ 내경의 진공 챔버 생산량은 실제 현장에서 생산된 기준으로 작성된 데이타이고, 1850φ 내경의 진공 챔버 생산량은 실제 현장기준과 진공 챔버 내부의 부피를 감안하여 산출하였으며, 2050φ 내경의 진공 챔버 생산량은 실제 생산현장에서 사용되고 있는 기본 데이타를 고려하여 기존 데이터와 부피를 감안하여 산출된 것이다.

상기 생산량 기준은 장비 관리상태, 원재 관리상태, 인력 관리상태에 대하여 정확한 관리기준을 적용하여 산출한 것으로, 제품의 지그 사이즈별 피증착물 장착수량 및 시간당 또는 일일생산량을 살펴보면, 진공 챔버의 내경이 크면 클수록 지그 사이즈별 피증착물 장착수량과 생산량이 증대되어 생산성이 향상됨을 알 수 있다.

도 1은 종래 스퍼터링 방식의 증착장치를 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 종래 이온빔 보조 증착장치를 개략적으로 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 이온빔 보조 전자빔 다층막 증착장치를 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100,200,300 : 증착장치 110,210,310 : 진공 챔버

105,205,305 : 피증착물 111,211,311 : 피증착물 지지대

115 : 타깃 215 : 증착물질

113,213 : 진공펌프 227,327 : 이온빔 소스

117 : 스퍼터 소스 317 : 전자빔 소스

Claims (3)

1. 진공 챔버(310)와, 피증착물을 지지하는 피증착물 지지대(311)와, 피증착물의 하측에 설치된 전자빔 소스(317)와, 전자빔 소스의 전자빔에 의해 증착 입자를 방출하는 증착 물질 및 증착 물질로부터 방출된 증착 입자에 에너지를 전달하도록 이온빔을 방출하는 이온빔 소스(327)를 구비한 다층막 증착장치에 있어서,

   상기 진공 챔버(310)의 내경(φ)을 확대하되 진공 챔버 내부의 부피증가로 아르곤 가스 배출 속도의 저하를 방지하기 위해 진공 챔버의 높이(h)는 줄이고, 전자빔 소스(317)의 위치는 외벽에서 내측으로 280~320mm 간격(b)이 유지되게 하며, 이온빔 소스(327)는 진공 챔버의 중심선에서 180~220mm 간격(a)의 위치에 각각 설치하여 피증착물의 균일도 및 재현성을 제고하고 증착공정의 안정성을 확보한 것을 특징으로 하는 이온빔 보조 전자빔 다층막 증착장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 진공 챔버(310)의 내경(φ) 대 높이(h)는 1 : 0.75~0.85의 비율로 제작된 것을 특징으로 하는 이온빔 보조 전자빔 다층막 증착장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 진공 챔버(310)의 내경(φ)은 1650~2050㎜로 제작된 것을 특징으로 하는 이온빔 보조 전자빔 다층막 증착장치.

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