KR20130015518A

KR20130015518A - 진공증착 장비 내에서 섬광체 표면 박막 코팅을 위한 스테이지 개발방법.

Info

Publication number: KR20130015518A
Application number: KR1020110077550A
Authority: KR
Inventors: 유원식; 홍제관; 김명섭
Original assignee: (주)에이엠티솔루션
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2013-02-14

Abstract

본 발명은 진공증착 장비 내에서 섬광체 표면 박막 코팅을 위한 스테이지 개발방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 현대 의·과학에서는 방사능에 견디는 가공된 무기섬광체(Inorganic Scintillator)를 사용하여 더 높은 방사선 에너지 검출 효율 및 에너지 분해능, 정확하고 빠른 방사선 영상 이미지의 획득이 요구되며 그에 따른 방사선 검출 모듈의 고집적화·소형화 개발 및 다품종 대량생산 기술이 필요하다.
이를 위하여 본 발명은 진공증착 장비 내에 단위 섬광체를 끼워 표면에 금속 및 금속산화물 박막을 코팅할 수 있는 스테이지 개발방법에 관한 것으로, 이는 공정시간을 줄이고 다품종 대량생산이 용이하며 불량픽셀의 발생 시 전량 폐기를 막을 수 있도록 하는 것에 특징이 있다.

Description

진공증착 장비 내에서 섬광체 표면 박막 코팅을 위한 스테이지 개발방법.{ The method of stage development for thin film coating of the scintillator in vacuum equipment. }

본 발명은 박막 증착 장비 내에서 섬광체 표면 박막 코팅을 위한 스테이지 개발방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속(Al, Au, Ag, Pt, Ti, Cu 등) 및 금속 산화물(SiO₂, TiO₂, Al₂O₃ 등)을 박막 증착 장비(E-beam evaporator, Sputter, CVD 등) 내에서 섬광체 표면에 균일한 두께로 박막 코팅하기 위한 스테이지 개발 방법에 관한 것이다.

일반적으로 진공증착(Vacuum evaporation, 眞空蒸着) 이라 함은 금속 또는 비금속 물질을 진공 속에서 가열하여 그 증기를 물체 표면에 박막 형태로 응착 시키는 일 또는 화학적 방법에 의해 피막을 형성시켜 부착하는 공정 등을 진공증착 이라 한다.

박막을 제조하는 기술은 크게 물리적 증착 방식을 이용하는 Physical Vapor Deposition(PVD) 방법과 화학적 증착 방식을 이용하는 Chemical Vapor Deposition(CVD) 방법으로 분류할 수 있다. PVD는 CVD에 비해 작업조건이 깨끗하고 진공상태에서 저항 열이나 전자 빔, 레이저 빔 또는 플라즈마를 이용하여 고체상태의 물질을 기체 상태로 만들어 기판에 직접 증착 시키는 박막제조 방식이다. 반면 CVD는 증착하고 싶은 필름을 가스 형태로 웨이퍼 표면으로 이동시켜 가스의 반응으로 표면에 필름을 증착시키는 방법이다. 표 1은 진공증착 방식을 분류한 표이다.

[표 1]

진공증착법(Evaporation)은 10^-4Torr 이하의 진공 중에서 증착하고자 하는 물질을 가열하여 기화시켜 기체로 만들었을 때, 기화된 물질이 원자 또는 분자 상태로 증발하여 증착 되도록 하는 방법이며 박막 제조를 위해 가장 널리 이용되는 비교적 간단한 방법이다.

Evaporation의 방법으로는 Thermal evaporation(열증착법)과 E-beam evaporation(전자빔증착법) 그리고 이 둘을 조합하는 방식이 있다. Evaporation 방법은 오래된 film deposition 방법으로서 공정이 단순하고 증착 속도가 빠르며 장비의 가격이 저렴하다. Thermal evaporation은 용용점이 낮은 재료(Al, Cu, Ag, Au 등)의 증착에 유리하며 증착 속도는 filament에 공급하는 전류량을 조절함으로써 변화시킬 수 있다. E-beam evaporation은 증착재료의 용융점이 넓은 재료(W, Nb, Si 등)의 증착에 유리하며 electron beam source인 hot filament에 전류를 공급하여 나오는 전자빔을 전자석에 의한 자기장으로 유도하여 증착재료에 위치시키면 집중적인 전자의 충돌로 증착재료가 가열되어 증발한다. 이 때 기판에 박막이 형성된다.

Sputter deposition 방법은 높은 에너지를 가진 입자들이 target에 충돌하여 target 원자들에게 에너지를 전달해줌으로써 target 원자들이 방출되는 현상을 이용한 방법이며 이온들의 수와 전자들의 수가 거의 같아 전체적으로는 전기적 중성 상태를 유지하게 되는 플라즈마를 이용하여 기판에 박막을 형성시킨다. Sputtering은 막 두께가 균일하고 내화재료 및 절연막의 증착이 가능하며 박막의 밀착력이 양호하다. 또한 코팅될 대상의 구성 재질에 관계없이 성막속도가 안정하며 비교적 큰 target material의 이용이 가능하다. Sputter deposition 방법은 크게 DC, RF, Magnetron sputtering으로 구분이 된다.

진공증착이나 분자선 에피택시에서는 기판에 도달된 증착입자의 운동에너지는 열속도의 크기로 증착입자의 운동에너지를 크게 할 수 없다. 이에 비하여 열속도 보다 큰 에너지로 가속된 이온을 증착입자에 포함시켜 박막항성을 하는 기술이 Ion plating 방법이다.

Physical vapor deposition 방식은 화학적 기계적, 광학적, 전기적, 장식성 및 기능성 등의 다양한 분야에 활용되고 있다. 표 2는 그 응용을 분류한 표이다.

[표 2]

섬광체(Scintillator)는 높은 유효원자번호로 이루어진 무기섬광체(Inorganic scintillator)와 낮은 원자번호로 이루어진 유기섬광체(Organic scintillator)로 나누어진다.

무기섬광체는 에너지가 높고 투과력이 강한 감마선(Gamma ray)의 검출에 유리하고 유기섬광체는 투과력이 낮은 알파선(Alpha ray), 베타선(Beta ray)의 검출에 주로 사용이 된다.

무기섬광체는 반사체에 둘러 싸여져서 하나의 배열형태로 제작이 되며 PMT(Photo Multiplier Tube) 또는 SiPM(Silicom Photon Multiplier) 등의 센서와 결합하여 하나의 방사선 검출 모듈로서 완성이 된다.

무기섬광체를 사용한 방사선 검출기는 갑상선, 유방암 등 인체의 종양을 진단할 때 쓰이는 감마카메라와 인체의 생리, 화학적 기능적 영상을 3차원으로 나타낼 수 있는 양전자단층촬영기기(PET, Positron Emission Thomography) 등의 의료분야, 보안검사, 유전탐사, 원자력발전소 방사선량 측정, 환경방사선량 측정 등 산업분야, 입자 및 천체물리 등 기초과학 연구 분야 등에서 다양하게 응용되어 사용되고 있다.

그러나 현대 의·과학 기술에서는 더 높은 방사선 에너지 검출 효율 및 에너지 분해능, 정확하고 빠른 방사선 영상 이미지의 획득이 요구되며 그에 따른 방사선 검출 모듈의 고집적화·소형화 개발 및 다품종 대량생산 기술이 필요하다.

방사선 검출 모듈의 고집적화·소형화를 현실화하기 위해서는 크기가 작은 다량의 단위 섬광체(Scintillator)를 도 1과 같이 격자구조로 배열해야 하기 때문에 얇고 높은 반사율을 갖는 반사체를 사용해야 하며 또한 이러한 반사체를 사용한 섬광체 배열모듈을 다품종 대량생산을 하기 위해서는 단위 섬광체 표면에 반사효율이 뛰어난 금속 혹은 금속산화물 등의 물질을 진공증착 장비를 사용하여 박막 코팅을 해야 한다.

종래 기술에서는 테프론 테이프(Teflon tape), 백색 에폭시(White epoxy), 광학필름(Optical film), 금속산화물(TiO₂, MgO 등)이 주성분으로 되어있는 반사페인트 등이 사용되어 왔고 이러한 반사체는 50～250㎛의 두께를 가지고 있어 고분해능 검출기를 제작하는데 제약이 있다. 또한 이들을 사용하여 완성되어지는 섬광체 배열모듈은 제작시간이 오래 걸리거나, 섬광체 사이즈에 정확히 맞는 필름을 제작해야한다거나, 부분 파손 시 전부 폐기해야 하는 단점이 있다.

또한 도 2와 같이 일반적인 Physical vapor deposition 장비 내에 장착되어있는 스테이지(Stage)에 섬광체를 올려 그대로 박막 증착을 하면 섬광체 표면에 고르게 박막 코팅이 되질 않는다.

본 발명에서는 섬광체 배열 모듈의 다품종 대량생산 및 섬광체 표면에 균일한 박막 형성을 위해 Physical vapor deposition 방식을 기반으로 한 진공증착 장비 내에서 단위 섬광체의 표면을 박막 코팅 할 수 있는 스테이지를 개발하는데 목적이 있다.

본 발명은 진공증착 장비(Evaporator, Sputter 등) 내에서 단위 섬광체 표면 박막 코팅을 위한 스테이지 개발방법에 관한 것으로, 단위 섬광체 표면에 균일도가 높은 고효율의 반사막을 형성시켜 높은 반사율을 얻을 수 있으며 고집적화·소형화, 생산속도 단축, 다품종 대량생산이 가능하다. 또한 기존 방식으로 제작을 할 경우에 문제되는 불량 픽셀 발생 시 불량 픽셀만의 교체가 가능하도록 하는데 그 목적이 있다.

하나의 진공 장비에 다량의 증착 시료에 균일한 증착 두께를 유지하며 증착하기 위한 증착 소스로는 E-beam 소스를 이용한 증착원을 사용하나, E-beam 증착의 경우 전자빔의 증착 소스에서의 충돌 위치 및 각도에 따라 각각의 증착시료의 위치에서 일정한 evaporation이 어렵게 된다. 이를 해결하기 위하여 증착원에서 일정 거리에서 증착 시료를 도 2와 같이 회전하여 등방성 evaporation을 가능하게 한다. 그러나 상기의 회전 방식으로는 한 면을 갖는 증착 시료에서의 균일한 증착은 용이하나 본 발명에서 구현하고자 하는 복수개의 면을 가진 단위 섬광체의 표면에 균일하게 증착하기는 어려운 점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 기존 박막 증착 장비 내부에 장착되어있는 스테이지를 대체함에 있어서, 복수개의 면을 갖는 단위 섬광체의 표면에 균일하게 증착하기 위하여 스테이지를 중심 회전축에 고정하여 회전하는 것과 동시에 그 회전력을 이용한 자전의 힘으로 각 단위 섬광체의 표면에 균일한 두께의 박막 코팅이 이루어지도록 하는 단계, 작은 섬광체를 진공상태에서 안전하게 고정하기 위하여 특수한 스프링 고정 장치를 사용하는 단계에 특징이 있다.

본 발명은 진공증착 장비 내부에 섬광체 표면 박막 증착을 위한 스테이지 개발방법으로 회전축을 이용하여 자전의 힘으로 다각면을 가진 단위 섬광체 표면을 균일한 두께로 증착할 수가 있다. 이로 인해 생산 시간을 단축 할 수 있고, 다품종 대량생산 및 고효율의 반사율을 얻을 수 있으며 섬광체 배열 모듈의 고집적화·소형화를 현실화 할 수 있다. 또한 불량 픽셀의 발생 시 그 불량 픽셀만 대체할 수도 있다.

도 1은 단위 섬광체에 반사체를 코팅하여 제작한 섬광체 배열모듈 구조도.
도 2는 일반적인 박막 증착 장비의 구조도.
도 3은 본 발명의 전체 구조도.
도 4는 본 발명의 회전부 구조도.
도 5는 본 발명의 단위 섬광체 고정틀 구조도.
도 6은 본 발명의 단위 섬광체 스프링 고정핀 구조도.
도 7은 본 발명을 진공 증착 장비에 적용한 구조도.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 단위 섬광체(1) 표면에 반사체(White epoxy, Optical film, Teflon tape 등)를 코팅하여 제작한 섬광체 배열모듈 구조도 이다.

도 2는 일반적인 진공증착 장비(예: E-beam evaporation) 대표 구조도이며 wafer stage(2) 부분을 제거한 후 본 발명을 회전축(3')에 적용한다.

도 3은 본 발명의 전체 구조도이다. 진공증착 장비 중심 회전축(3')의 회전력을 이용하여 고정판(4)에 연결된 스테이지(Stage)전체가 회전하게 되고 섬광체 고정틀 부분이(5)이 자전하게 되며 단위 섬광체(1') 표면에 균일한 두께의 박막이 형성 된다. 분사된 target material의 방향과 각도를 고려하여 회전부(6, 도 4)는 일정각도 기울여 제작된다. 각각의 섬광체를 고진공 및 충격에서 보호하기 위한 고정핀(7)을 끼운다.

도 4는 본 발명의 회전부 구조도이다. 회전부에서 중앙 상부 톱니바퀴(8)는 중심 회전축(3')에서 이어지는 작은 회전축(9)에 고정되어 회전되며 그와 맞물려 우측 상부 톱니바퀴(10)는 작은 회전축(11)에 고정되어 회전한다. 우측 하부 톱니바퀴(12)는 중앙 하부 톱니바퀴(13)와 맞물려 회전한다. 회전축에 톱니바퀴 보호 캡(14)을 고정시켜 톱니바퀴의 이탈을 방지한다.

도 5는 본 발명의 단위 섬광체 고정틀 구조도이다. 섬광체 고정틀은 회전부(6, 도 4)의 중앙 하부의 작은 회전축(15)에 고정되어 회전한다. 고정틀의 상부(16)와 하부(17)는 원판 형태이며 단위 섬광체 스프링 고정핀(7, 도 6)을 끼울 수 있다. 챔버(Chamber)의 크기와 고정틀의 크기, 섬광체의 크기에 따라 복수개의 스프링 고정핀을 끼울 수 있다.

도 6은 본 발명의 스프링 고정핀 구조도이다. 높은 진공 상태와 섬광체 고정틀의 회전 시 발생하는 충격에 단위 섬광체가 잘 견딜 수 있도록 스프링(18) 처리한다. 피스톤(19)의 헤드부분은 섬광체가 잘 접착될 수 있도록 평평해야 하며 헤드 부분에 섬광체를 고정 시키기 위한 특수한 테이프(20)를 붙인다. 이는 열과 진공에 잘 견디며 접착 시 섬광체 표면에 영향을 주지 않는 내열테이프 혹은 세라믹테이프 등이 있는데 이중 어느 하나를 선택한다.

도 7은 본 발명을 진공 증착 장비에 적용한 구조도이다. 진공증착 장비의 사용 용도에 따라 E-gun의 배치 위치가 다라질 수 있으나 본 발명에서는 가장 일반적인 E-gun이 하부에 배치된 진공증착 장비의 구조도를 사용하였다. 본 발명의 크기, 회전속도, 섬광체 삽입 량, 진공증착 장비 자체의 다양한 조건에 따라 단위 섬광체 겉면의 코팅 두께 및 코팅된 단위 섬광체의 총수량은 달라질 수 있다.

Claims

가공된 단위 섬광체(Scintillator)의 단층 혹은 다층 박막 증착 코팅.
제1항에 있어서,
가공된 단위 섬광체(Scintillator)의 종류는 LYSO, LSO, YSO, BGO₁₂, YAG, GSO, CsI:Na, NaI:TI, CsI:TI, LGSO, LaBr₃, LuYAP 등이며 이 중 어느 하나를 택하여 사용.
제1항에 있어서,
가공된 단위 섬광체의 크기(가로×세로×높이)는 무관하나 진공 증착 장비 챔버의 사이즈와 본 발명의 사이즈에 따라 조절되어야 함.
제1항에 있어서,
가공된 단위 섬광체(Scintillator)는 진공증착 장비를 이용하여 박막 코팅.
제4항에 있어서,
적용 가능한 박막 증착 장비는 물리적 증착 방식(Physical Vapor Deposition)을 기반으로 한 전자-빔 증발기(E-baam evaporator), 열 증발기(Thermal evaporator), RF 스퍼터(RF Sputter), DC 스퍼터(DC Sputter)장비 등이며 이 중 어는 한 가지를 선택하여 사용.
제5항에 있어서,
본 발명은 탈부착이 용이하게 되어있어 위의 진공 증착 장비 내부에 장착되어있는 스테이지(2)를 빼내고 설치하여 사용 가능.
제6항에 있어서,
본 발명은 진공 증착 장비의 중심 회전축(3')을 중심으로 연결되어 그 회전력을 이용하여 회전부(6)가 작동하여 섬광체 고정틀(5, 도 5)을 회전 시킨다.
제7항에 있어서,
섬광체 고정틀은 회전부 중간 하부 회전축(15)에 고정되어 회전하며, 섬광체 고정틀에는 복수개의 섬광체 고정핀(7)이 끼워진다.
제8항에 있어서,
섬광체 고정핀은 높은 진공 상태와 섬광체 고정틀의 회전 시 발생하는 충격에 단위 섬광체가 잘 견딜 수 있도록 스프링(18) 처리한다.
제9항에 있어서,
피스톤(16)의 헤드부분은 평평해야하며 헤드 부분에 섬광체를 고정 시키기 위한 특수한 테이프(20)를 붙인다. 이는 열과 진공에 잘 견디며 접착 시 섬광체 표면에 영향을 주지 않는 내열테이프 혹은 세라믹테이프 등이 있는데 이중 어느 하나를 선택한다.