증기 증착용 2차원 구멍 배열체

진행 중에 있는 전자 및 광학 요소에 대한 개발은 계속 확장되는 물질의 배열체의 박막 증착에 관한 다양한 기술의 발전에 자극을 받았다. 반도체 제조를 위해, 예를 들어 다양한 화학 증기 증착 방법(CVD)이 유전 물질, 금속 및 반도체에 대해 발전되어 왔다. CVD에 있어서, 전구체 물질이 증기 형태로 전달되어, 캐리어 가스와 혼합된다. 그 후, 이러한 처리 가스 혼합물은 잘 혼합된 처리 체적으로 확장됨으로써, 또는 기판 근처에 위치되는 샤워 헤드를 통해 국부적으로 분배됨으로써 기판으로 전달된다. CVD에 적용되는 처리 압력 및 기하학적 형상은 일반적으로 점성 유동 방식을 이용하기 위해 선택된다. 표면에서의 화학 반응을 용이하게 발생시켜 가열된 기판상에 물질을 증착시키기 위해 높은 기판 온도가 유지되곤 한다. CVD 장치가 점성 유동을 사용하기 때문에, 샤워 헤드 및 관련 전구체 전달 시스템에 의한 처리 가스의 분배는 점성 유동 방식에 있어서의 유체 역학의 원리에 부합한다. 유기 반도체 디바이스 및 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이의 제조에 대한 요구는 증기 증착 공정상의 훨씬 더 엄격한 요구사항 및 제한을 필요로 한다. 예를 들어, 많은 유기 반도체 물질은 오랜 시간 동안의 고온 상태에서 안정되지 않는다. 이들 물질의 증기 압력 곡선에 따라, 이들 물질은 캐리어 가스 내의 유기 증기의 충분한 농도를 비말동반하기 위해 현저하게 가열될 필요가 있을 수도 있다. 그러나, 이러한 물질의 변질 특성에 따라, 이러한 가열은 상기 물질의 변질에 대한 위험을 나타낼 수 있다. 몇몇 경우에 있어서, 확장된 기간 동안 기화를 위해 요구되는 온도로 증기 공급원을 유지하는 것은 오랜 시간에 걸쳐 상기 유기 물질의 현저한 변질을 야기할 수 있다. CVD와 유사하며 유기 증기를 기판에 전달하기 위해 사용되는 방법으로는 "유기 박막의 저압 기상 증착"이라는 명칭으로 Forrest 등에게 허여된 미국 특허 제 6,558,736 호에 개시된 것으로, 도 1에 도시된 기본적인 배열을 갖는 유기 기상 증착법(OVPD)이 있다. 증착 장치(10)는 유기 물질을 기화하기 위한 기화 챔버(12)를 갖는다. 기화된 물질은 캐리어 가스(14)와 혼합되고, 증착 챔버(20) 내에서 기판(18) 상에 증착되기 위해 샤워 헤드(16)로 전달된다. 개선된 균일화는 박막 증기 증착을 개선하기 위해 특히 주목되는 사안이다. 종래의 물리적 증기 증착법(예를 들어, 소형 도가니, 이른바 "점원" 또는 기다란 도가니로부터의 열기화법)은 요구되는 두께의 약 ±5% 내로 균일한 박막을 얻을 수 있다. 이러한 수준의 성능으로 개선하는 것이 유리할 것이다. 몇몇 개선된 방법은 약 ±3%의 범위에서 증착 균일성을 이끌어낸다. 그러나, 약 ±1% 내의 훨씬 우수한 균일성을 제공하는 것이 특히, 여러 층이 광학적으로 활성화되고, 두께 변화가 색채, 광출력, 광흡수 등에 있어서의 변화를 유발할 수 있는 장치에 대해서는 유리할 것이다. 또 하나의 주요한 관심사는 사용 효율에 관한 것이다. 종래의 시스템은 일반적으로 열악한 사용 효율성을 나타내며, 종종 많은 양의 재료를 낭비한다. 예를 들어, 제한적인 수의 점원으로부터의 대면적 증착은 허용 가능한 균일성을 얻기 위해, 큰 투사 거리(즉, 공급원-기판 간격)를 요구한다. 이러한 경우에, 기화 물질의 5% 정도만이 기판 상에 응축되고, 상기 물질의 대부분은 증착 챔버 내의 다른 곳에 응축된다. 주의 깊은 디자인 및 부정의 이동 기판 홀더의 설치는 기화 물질의 보다 우수한 사용 효율을 가능하게 하지만, 이러한 방법은 일반적으로 기판 표면으로부터 점원까지 거의 일정한 반경 방향 거리를 보장하기 위해, 다수의 극소형 기판의 배치에 한정된다. CVD 및 OVPD 양자의 적용에 대한 증착 균일성 및 사용 효율성을 개선하고자 하는 시도에 있어서, 하나의 방안은 샤워 헤드의 성능을 개선하는 것이다. 열적 기화법(열적 물리적 증기 증착법)의 경우에, 기다란 증착 공급원은 연장 방향에 대해 직교하는 기판 및 기다란 공급원의 상대적인 이동과 함께 사용되어 왔다. 이러한 기다란 공급원은 복수의 구멍을 갖는 뚜껑 구조체로 밀봉되었으며, 상기 구멍의 크기 및 간격은 균일성을 개선하기 위해 조정될 수 있다. 균일성 및 사용 효율을 개선하고자 하는 이러한 시도의 몇몇 예는 다음과 같다. 귀(Gui) 등의 "화학적 증기 증착용 샤워 헤드 내의 구멍 패턴"이라는 명칭의 미국 특허 제 6,050,506 호에는 CVD 샤워 헤드로부터 금속을 증착하기 위한 천공 패턴이 개시된다. 도우엘스버그(Dauelsberg) 등의 "기판 상에 하나 이상의 층을 증착하기 위한 장치 및 방법"이라는 명칭의 미국 특허 제 6,849,241 호에는 샤워 헤드로부터의 최적화된 증기 증착용 오리피스 형상이 개시된다. 부케릭(Vukelic)의 "유체 분산 헤드"라는 명칭의 미국 특허 제 5,268,034 호 및 "CVD 장치용 유체 분산 헤드"라는 명칭의 미국 특허 제 5,286,519 호는 다양한 CVD 장치용 샤워 헤드 천공 패턴을 개시한다. 규엔(Nguyen)의 "고 유동 전도성 및 고 열적 전도성 샤워 헤드 시스템 및 방법"이라는 명칭의 미국 특허 제 6,565,661 호는 다양한 구멍 크기, 패턴 및 각도 배향을 갖는 샤워 헤드 디자인을 개시한다. 기아노우라키스(Gianoulakis) 등의 "가스 분배 샤워 헤드 형상 배출 구멍"이라는 명칭의 미국 특허 출원번호 제 2005/0103265 호는 다양한 배열체 내의 분배 및 배출 구멍 양자를 갖는 샤워 헤드 디자인을 개시한다. 슈타인(Shtein) 등의 "증착 물질용 방법 및 장치"라는 명칭의 미국 특허 출원번호 제 2005/0087131 호는 유기 증기 제트 인쇄를 실행하기 위해 시준된 캐리어-지지식 가스 제트를 사용하여 표면 상에 패턴을 형성하는 것에 관해 개시한다. 프리먼(Freeman) 등의 "유기 광-발산 디바이스를 제조하기 위해 복수의 구멍을 갖는 신장된 열적 물리적 증기 증착 공급원"이라는 명칭의 공동 양수된 미국 특허 출원번호 제 2003/0168013 호는 균일성을 개선하기 위해 구멍 크기 및 간격이 변경되는 이송 기판 상에 대한 증기 증착을 위한 선형 공급원을 개시한다. 쥬겐센(Jurgensen) 등의 "조정 가능한 높이의 처리 챔버 내의 기판 상에 박막층을 증착하기 위한 공정 및 장치"라는 명칭의 미국 특허 출원번호 제 2005/0106319 호는 예를 들어, 상이한 압력에 대해 조정 가능한 높이인 챔버 내에 사용되는 샤워 헤드를 개시한다. 이러한 예에서 볼 수 있는 바와 같이, 샤워 헤드 디자인은 CVD 및 OVPD 시스템 양자에 있어서 물질의 균일한 증착을 얻기 위한 중요한 요소이며, 구멍 크기 및 간격은 유출(effusion)에 근거한 시스템에 있어서 균일성을 위해 중요하다. CVD 및 OVPD 시스템 양자는 기화된 물질의 비활성 또는 순수 캐리어 가스와의 혼합을 형성하여, 이러한 혼합물을 샤워 헤드 오리피스를 관통하도록 하며, 초기 CVD 시스템에 적용된 모델을 따르는 점성 유동 체계로 작동한다. 점성 유동을 위해 사용된 유체 동역학적 모델에 있어서, 샤워 헤드는 기판 표면을 향해 증기/캐리어 혼합물을 안내하도록 사용된다. 이러한 방법은 점성 유동을 사용하기 때문에, 기판 표면에 도달하기 위해, CVD 전구체 물질 또는 OVPD 기화된 유기 물질은 기판 표면 위의 얇은 경계층을 통해 확산되어야 한다. CVD 및 OVPD 시스템에 있어서의 또 다른 문제는 섀도마스크를 사용하는 경우에 있어서의 패턴화 정밀성에 관한 것이다. 기판 표면 상에 형성된 패턴화된 피처(feature)는 간혹 예리하게 경계지어진 에지를 갖기보다 "필로우잉(pillowing)" 또는 보잉(bowing)을 나타내는 경우가 있다. 도 2a의 측면도 및 도 2b의 평면도를 참조하면, 기판(18) 상의 표면 피처(22)의 이상적인 형상은 기판(18)의 표면에 대한 법선(Ns)에 평행한 수직 측벽(24)을 가짐으로써 얻어질 것이다. 그러나, 실제적으로, 도 2c 및 도 2d의 대응하는 측면도 및 평면도에 도시된 바와 같이, 측벽(24)은 수직이 아니며, 통상적으로 외측으로 연장되는 경사 섹션(26)으로 굽혀져서 직선 측벽(24)에 가까워지고자 하는 의도를 달성하지 못하게 된다. 도 3의 측면도에 도시된 바와 같이, 증기 하부 유동(vapor underflow)은 물질의 일부가 마스크(30) 아래에서 미끄러져 도 2c에 도시된 경사 섹션(26)을 형성하게 된다. 이러한 증기 하부 유동은 점성 유동의 바람직하지 않은 부작용이다. 이러한 불완전성의 결과, 다른 피처를 제공하기 위해 표면 피처(22) 사이의 증가된 거리가 유지되어야 한다. 구성요소 제조에 있어서, 이는 장비 분해능이 결과적으로 제한된다는 것을 의미한다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 보다 이상적인 경사 측벽(24)을 갖는 표면 피처(22)는 구성요소의 보다 촘촘한 패키징을 가능하게 할 것이며, 이는 전자 구성요소를 위해 요구되는 면적 또는 "부지"를 감소시켜, 장치의 이용 가능한 분해능을 증가시킨다. 보다 높은 정밀성을 얻기 위해, 종래의 다수의 열적 증기 증착 장비는 일렬로 배열된 오리피스를 갖는 선형 공급원을 사용한다. 이러한 유형의 시스템을 사용하여 표면을 증착하는 것은 증착 동안, 기판을 샤워 헤드를 지나 이동시키거나, 또는 기판 표면을 가로질러 샤워 헤드를 이동시키도록 여러 유형의 정밀 이송 기구를 필요로 한다. 높은 코팅 균일성을 위해, 이러한 유형의 장비는 기화된 물질의 높은 균일 유동을 전달하는 정밀 이송 기구를 요구한다. CVD 및 OVPD 장비 및 방법의 또 다른 단점은 기판의 표면 온도와 연관된다. 종래의 실리콘 기반 반도체 모델에 있어서, 증착 공정 동안 기판의 표면 온도는 종종 400℃를 초과할 정도로 매우 높을 것이 요구되었다. 따라서, 반도체 제조를 위해 발전해 온 CVD 시스템은 기판의 온도를 상승시키기 위해, 그리고 물질 증착 동안 높은 온도를 유지하기 위해 설계되었다. 그러나, 유기 반도체 및 그 외 다른 유기 전자 물질의 출현으로, 그리고 유기 중합체 기판 상에 장치를 제조하는 것에 대한 요구로, 기판 온도에 대한 관심사는 CVD 접근법이 통상적으로 무기 유전체, 금속 및 반도체를 증착하기 위해 사용되었던 종래의 반도체 산업에서의 관심사와 매우 상이하다. 기판상의 증가된 온도를 대신하여, 유기 기판 상에 유기 물질을 적용하는 경우 훨씬 낮은 온도로 기판을 유지하는 것이 중요하다. 또한, 고 분해능 섀도우 마스킹(통상적으로 유기 전자 장치를 패턴화하는데 사용됨)은 마스크 물질과 기판 사이의 최소 차등 열 팽창을 요구하며, 이에 따라 최대 허용 가능한 열적 부하를 강요한다. 상당한 열적 부하를 갖는 증기 증착 공정을 위해, 기판을 냉각시킬 필요성이 있다. 점성 유동 체계에서 작동되는 증착 공정은 가열된 가스 전달 시스템(샤워 헤드)의 배출 표면으로부터 기판 표면으로 열을 전달하는 캐리어 가스의 열 전도성 또는 전구체나 기화된 물질의 열 전도성에 의해, 상당한 기판 가열을 유발할 수 있다. 츄(Chow) 등의 "박막 증발기“라는 명칭의 미국 특허 출원번호 제 2004/0255857 호는 캐리어 가스 사용 효율에 대한 언급 없이, 약 3% 내의 균일성을 청구하는 박막층을 증착하기 위한 시스템을 개시한다. 이러한 수준의 균일성을 얻기 위해, 츄 등의 상기 출원('5857)은 배출 구멍의 적절한 배열체의 개수, 위치 및 치수를 선택할 것을 제안한다. 그러나, 비록 츄 등의 상기 출원('5857)이 다수의 매니폴드 구멍의 가능한 배열체에 대해 도시 또는 설명하고 있지만, 높은 수준의 균일성을 유지하기 위해 이러한 구멍을 어떻게 분배하고, 이러한 구멍에 적합한 치수는 어떻게 되는지 등에 대해서는 명확하게 언급하고 있지 않다. 상이한 기판 크기를 다루기 위한 소정의 증착 시스템 구조체를 적용하기 위한 축척에 대한 가이드라인을 제시하지도 않는다. 따라서, 비록 종래의 열적 물리적 증기 증착, CVD, OVPD 장비 및 기술이 박막 구성요소 및 피처를 형성함에 있어서 일부 성공적인 대책을 얻었다 하더라도, 특히 OLED 및 관련 장치의 제조에 대한 개선의 여지는 상당하다.